JPS63170832A - Ion beam device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、高周波電界と永久磁石あるいは電磁石による
１界との相互作用によりガスあるいは金属蒸気のプラズ
マを生成し、このプラズマ空間からイオンを引き出して
このイオンを利用する装置に関し、特にプラズマからの
イオン引出し部の構成に係わるものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention generates gas or metal vapor plasma through the interaction of a high-frequency electric field and a field generated by a permanent magnet or electromagnet, and extracts ions from this plasma space. The present invention relates to a device that utilizes ions as a lever, and particularly relates to the configuration of a part for extracting ions from plasma.
イオン引出し方向の磁界と高周波電界とを作用させて、
ガスあるいは金属蒸気をプラズマ室において電離、プラ
ズマ化し、このプラズマから円形あるいは矩形のイオン
引出し口を通して電界によりイオンを引き出す構造を持
つイオンビーム装置は公知である。また、上記磁界全印
加するために、永久磁石あるいは電磁石をプラズマ室と
同電位とし、この周囲をかこむように、高透磁率材料で
磁路を形成し、プラズマ室近傍にのみ磁界が発生するよ
うな構造とすることにより、上記磁石が小形化でき、消
費電力も少なくてすむ装置を構成できることも公知であ
る（特開昭６０−１３３６４６ ）。このような装置の
例を第２図に示す。マイクロ波発振器１で発生した１通
常２．４５ＧＨｚの高周波数を有するマイクロ波は、導
波管２．マイクロ波導入窓４ｔ−通り、プラズマ室５に
導入され、プラズマ室内に高周波電界を形成する。一方
、プラズマ室をとり囲むように配置されたンレノイド６
で誘起された起磁力は、これを囲むように構成された。By applying a magnetic field in the ion extraction direction and a high-frequency electric field,
Ion beam devices are known that have a structure in which gas or metal vapor is ionized and turned into plasma in a plasma chamber, and ions are extracted from the plasma by an electric field through a circular or rectangular ion extraction port. In addition, in order to apply the entire magnetic field mentioned above, a permanent magnet or electromagnet is set to the same potential as the plasma chamber, and a magnetic path is formed around it using a high permeability material so that the magnetic field is generated only in the vicinity of the plasma chamber. It is also known that by changing the structure, the magnet can be made smaller and a device can be constructed that consumes less power (Japanese Patent Application Laid-Open No. 133646/1983). An example of such a device is shown in FIG. Microwaves generated by a microwave oscillator 1 and having a high frequency of usually 2.45 GHz are passed through a waveguide 2. The microwave is introduced into the plasma chamber 5 through the microwave introduction window 4t, forming a high frequency electric field within the plasma chamber. On the other hand, Nrenoid 6 is arranged to surround the plasma chamber.
The magnetomotive force induced by was constructed to surround this.
起磁力の消費が少ない、高透磁率材料からなる電磁石の
磁路ｓ、６４．６ｓ、６６およびこれらの磁路とループ
を形成するための、やはり高透磁率材料からなる出路６
１ 、６２ 、６７により、プラズマ室５の近傍にのみ
有効に磁界を発生させる。このとき、プラズマ室内に形
成されている高周波電界に対し、上記構成による磁界は
直交する方向に印加されることとなり、ガス導入管９に
よってプラズマ室に導入されたイオン化すべきガスは、
上記電磁界の相互作用で電離、プラズマ化される。さら
に、イオン引出しロア１ヲ有する＄路６７と、イオン引
出し電極７２と第２電極７３とからなるイオン引出し電
極系との間に形成される電界により、プラズマ案内でイ
オン引出し口に面しているプラズマからイオンが引き出
される。なお、図において、１０は放ｉｔ極３内に充填
され内側にプラズマ室５？画成する誘電体である。また
、磁界全発生するための電磁石のンレノイド６の代わり
に永久磁石を用いるときは。Magnetic paths s, 64.6s, 66 of the electromagnet made of a high magnetic permeability material that consumes little magnetomotive force, and an output path 6 also made of a high magnetic permeability material to form a loop with these magnetic paths.
1, 62, and 67, a magnetic field is effectively generated only in the vicinity of the plasma chamber 5. At this time, the magnetic field of the above configuration is applied in a direction perpendicular to the high-frequency electric field formed in the plasma chamber, and the gas to be ionized introduced into the plasma chamber by the gas introduction tube 9 is
It is ionized and turned into plasma by the interaction of the electromagnetic field. Furthermore, due to the electric field formed between the ion extraction lower path 67 having the ion extraction lower 1 and the ion extraction electrode system consisting of the ion extraction electrode 72 and the second electrode 73, the ion extraction lower part facing the ion extraction port is guided by the plasma. Ions are extracted from the plasma. In the figure, reference numeral 10 is filled in the radiation pole 3 and has a plasma chamber 5 inside. It is a dielectric material that defines. Also, when a permanent magnet is used instead of the electromagnet magnet 6 for generating the entire magnetic field.
円筒状磁路６１が、その上、下端面を磁極面とする円筒
状永久磁石であると考えればよい。It is only necessary to consider that the cylindrical magnetic path 61 is a cylindrical permanent magnet whose lower end surface is a magnetic pole surface.
ところで、上記構造を持つイオンビーム装置におけるプ
ラズマの生成は、直交する１を磁界の相互作用を利用す
るもので、プラズマ室内に形成される高周波電界に対し
適切な磁界強度を必要とする。By the way, plasma generation in the ion beam apparatus having the above structure utilizes the interaction of perpendicular magnetic fields, and requires an appropriate magnetic field strength for the high frequency electric field formed in the plasma chamber.
しかし、イオン引出しロ部ｔ−Ｓ路とする上記構造によ
る磁界発生方法では、イオン引出し口における磁界強度
がプラズマ室の他の部分よりも極端に小さくなり、この
付近での電離能力は極めて小さい。したがって、イオン
引出しによる。プラズマからのイオン消費を補うイオン
の供給は、プラズマ室の他の部分において積極的に電離
、生成されたプラズマからの供給に頼ることになり、プ
ラズマ生成のために投入されたエネルギーと対比してプ
ラズマ中のイオン利用効率は非常に悪くなる。However, in the method of generating a magnetic field using the above-mentioned structure in which the ion extraction portion has a t-S path, the magnetic field strength at the ion extraction port is extremely lower than that in other parts of the plasma chamber, and the ionization ability in this vicinity is extremely small. Therefore, by ion extraction. The supply of ions to supplement the ion consumption from the plasma relies on the supply from the plasma that is actively ionized and generated in other parts of the plasma chamber, and compared to the energy input for plasma generation. The ion utilization efficiency in the plasma becomes extremely poor.
また、引出し口付近における磁界強度をプラズマ生成に
十分な強さとするには、磁石の起磁力を大きくしなけれ
ばならないばかりが、そうすることによりプラズマ室内
の他の部分では、電磁界の相互作用を得るための適切な
磁界強度をはるかに超えてしまうこととなり、上記イオ
ン利用効率の解決策とはならない。さらに、イオン引出
し口付近は、プラズマ中あるいは磁路６７とイオン引出
し電極系との間にあるイオン引出し空間の荷電粒子の衝
突によりかなりの高温となり、高透磁率材料の透磁率が
低下してプラズマ室内の磁界強度が小さくなる傾向を生
ずるため、磁路６７の材料選択に非常な限定をうけろ。In addition, in order to make the magnetic field strength near the extraction port strong enough for plasma generation, the magnetomotive force of the magnet must be increased, but this will cause the interaction of the electromagnetic field in other parts of the plasma chamber to increase. The magnetic field strength far exceeds the appropriate magnetic field strength to obtain the above-mentioned ion utilization efficiency, and is not a solution to the above-mentioned ion utilization efficiency. Furthermore, the area around the ion extraction port becomes quite high temperature due to collisions of charged particles in the plasma or in the ion extraction space between the magnetic path 67 and the ion extraction electrode system, and the magnetic permeability of the high magnetic permeability material decreases, causing the plasma to rise. Because the indoor magnetic field strength tends to decrease, the material selection for the magnetic path 67 must be very limited.
本発明の目的は、プラズマ室のイオン引出し口にセいて
も急激な磁界強度の減少がなく、上記引出し口近傍にも
プラズマ生成に必要な磁界強度を発生させることができ
、プラズマ案内のイオン引出し部近傍において積極的な
プラズマ生成を可能とし、プラズマ中のイオン利用効率
の高いイオンビーム装置を提供することである。An object of the present invention is to prevent a sudden decrease in magnetic field strength even when placed at the ion extraction port of a plasma chamber, and to generate the magnetic field strength necessary for plasma generation near the extraction port. An object of the present invention is to provide an ion beam device that enables active plasma generation in the vicinity of the plasma and has high efficiency in utilizing ions in the plasma.
上記の目的を達成するために、本発明によれば、高周波
電界と永久磁石あるいは電磁石による磁界との相互作用
によりガスあるいは金属蒸気のプラズマを生成し、この
プラズマ空間からイオンを引き出してイオンビームを形
成するイオンビーム装置において、前記プラズマ空間の
イオン引出し口を非磁性金属材を用いて構成するととも
にこのイオン引出し口との間にイオンを引き出すための
電界を形成するイオン引出し電極を強磁性材を用いて構
成し、前記永久磁石あるいは′４磁石から出て前記プラ
ズマ空間を通過する磁力線が前記イオン引出し口とイオ
ン引出し゛電極とを通過するように装置を構成するもの
とする。In order to achieve the above object, according to the present invention, a gas or metal vapor plasma is generated by the interaction of a high frequency electric field and a magnetic field generated by a permanent magnet or an electromagnet, and ions are extracted from this plasma space to form an ion beam. In the ion beam apparatus for forming an ion beam, the ion extraction port in the plasma space is made of a non-magnetic metal material, and the ion extraction electrode that forms an electric field for extracting ions between the ion extraction port and the ion extraction port is made of a ferromagnetic material. The apparatus is configured such that lines of magnetic force coming out of the permanent magnet or the '4 magnet and passing through the plasma space pass through the ion extraction port and the ion extraction electrode.
以上のように装置を構成することにより、プラズマ室か
らイオン引出し空間の全域にわたり磁界を印加すること
ができる。この場合、プラズマ室のイオン引出し口は非
磁性金属材を用いて構成されているから、プラズマ室内
のイオン引出し口近傍においてもプラズマ生成に十分な
磁界強度が得られ、この部分での電離、プラズマ化がさ
かんになり、プラズマ生成のために投入されたエネルギ
と対比したイオンの利用効率およびイオンの供給効率が
向上する。By configuring the apparatus as described above, a magnetic field can be applied from the plasma chamber to the entire ion extraction space. In this case, since the ion extraction port of the plasma chamber is constructed using a non-magnetic metal material, a magnetic field strength sufficient for plasma generation can be obtained even near the ion extraction port in the plasma chamber, causing ionization and plasma generation in this area. This increases the efficiency of ion use and ion supply compared to the energy input for plasma generation.
第１図に本発明の実施例を示す。マイクロ波発撮器１．
導波管２．マイクロ波導入窓４．プラズマ室５．磁界発
生器６．真空容器８．ガス導入管９は、第２図に例示し
た従来の装置と同様である。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. Microwave generator 1.
Waveguide 2. Microwave introduction window 4. Plasma chamber5. Magnetic field generator6. Vacuum container8. The gas introduction pipe 9 is similar to the conventional device illustrated in FIG.
第２図との相違点は、高透磁率材料で構成されていたイ
オン引出し口部を非磁性、耐高温金属例えばモリブデン
で構成し、このイオン引出し口部１１と平行に対向する
イオン引出し電極７０ヲ、外径が小さく、イオン引出し
に伴うスパッタリングや温度上昇に耐えうる金属たとえ
ばイオン引出し口部と同じくモリブデン製の主引出し電
極７５と、この主引出し電極７５ｆ中央部に備え外径が
イオン引出し口部１】とほぼ等しくかつ、イオン引出し
ロア１から流出する中性ガスのイオン引出し空間外への
排気抵抗を小さくしてイオン引出し空間内に中性ガスが
澱むことによる異常放電を防止するために外周側に丸味
がつけられた。高透磁率材料たとえば純鉄からなる補助
引出し電極部とを用いて構成するとともに、この補助引
出し電極の外周面を間隔をおいて包囲する大きさの直径
を有する貫通孔を中央部に備え筒状の磁路６９の底板６
６ヲ形成する板状の高透磁率材料を補助引出し電極部と
同一平面内に配した点である。装置全このように構成す
ることにより、ソレノイド６に電流を供給することによ
って生じた起ａ力により、磁力線は磁路６１゜６２ 、
６３ 、６４ 、６９ 、６６を介し、この（資）と補
助引出し電極部との間のリング状間隙と、イオン引き出
し電極７０とイオン引き出し口部１１との間のイオン引
き出し空間とを通ってプラズマ室５を通過する。ここで
、イオン引出し口部１１の構成材料は非磁性金属である
から、イオン引出しロア１とそのまわりにはイオン引出
し空間やプラズマ室と同様な強さの磁界が存在し、この
部分における電離、プラズマ化がさかんに行なわれる。The difference from FIG. 2 is that the ion extraction port, which was made of a high magnetic permeability material, is now made of a non-magnetic, high temperature resistant metal such as molybdenum, and the ion extraction electrode 70 faces parallel to the ion extraction port 11. The main extraction electrode 75 is made of a metal that has a small outer diameter and can withstand sputtering and temperature increases associated with ion extraction, such as molybdenum, which is the same as the ion extraction port. Part 1], and in order to reduce the exhaust resistance of the neutral gas flowing out from the ion extraction lower 1 to the outside of the ion extraction space, and to prevent abnormal discharge due to neutral gas stagnation in the ion extraction space. The outer periphery is rounded. The auxiliary lead-out electrode part is made of a high magnetic permeability material such as pure iron, and has a cylindrical shape with a through hole in the center having a diameter large enough to surround the outer peripheral surface of the auxiliary lead-out electrode at intervals. Bottom plate 6 of magnetic path 69
The point is that the plate-shaped high magnetic permeability material forming 6 is arranged in the same plane as the auxiliary extraction electrode part. By configuring the entire device in this way, the electromotive force generated by supplying current to the solenoid 6 causes the lines of magnetic force to form magnetic paths 61°, 62,
63 , 64 , 69 , and 66 , the plasma passes through the ring-shaped gap between this (capital) and the auxiliary extraction electrode section and the ion extraction space between the ion extraction electrode 70 and the ion extraction port section 11 . Pass through chamber 5. Here, since the constituent material of the ion extraction port 11 is a non-magnetic metal, a magnetic field of the same strength as the ion extraction space and the plasma chamber exists in the ion extraction lower 1 and its surroundings, and ionization and Plasma conversion is actively occurring.
これにより、プラズマ中から消費されるイオンの供給が
効率よく行なわれかつプラズマ中イオンの利用効率も向
上する。Thereby, the ions consumed from the plasma can be efficiently supplied and the efficiency of utilizing the ions in the plasma can also be improved.
また、イオン引出し空間に磁界が印加されていることか
ら、引出し方向に対して直角方向の速度成分を持ったイ
オンすなわちイオン引出し空間から外方へ発散しようと
するイオンは、イオンの質ｔをｍ、磁束に対して直角方
向の速度成分’ｔ ｖｒ ＋イオンの電荷量をｑ、磁束
密度もしくは磁界の強ンツカを受け、 ｖｒに比例した
ラーモア半径ｒｌの円運動を行なう。そこで、発散方向
の速度成分を持ったイオンは、磁束にからみつきながら
引き出されることになり、引き出されたイオンの発散が
抑制されるため、イオン引出し電極の後方へ射出される
イオン量が第２図のものに比べて大きくなる。In addition, since a magnetic field is applied to the ion extraction space, ions having a velocity component perpendicular to the extraction direction, that is, ions trying to diverge outward from the ion extraction space, have an ion quality t of m , the velocity component in the direction perpendicular to the magnetic flux 't vr + the amount of charge of the ion is q, the magnetic flux density or the intensity of the magnetic field is applied, and a circular motion with a Larmor radius rl proportional to vr is performed. Therefore, ions with a velocity component in the diverging direction are drawn out while being entangled with the magnetic flux, and the divergence of the drawn ions is suppressed, so the amount of ions ejected to the rear of the ion extraction electrode is reduced as shown in Figure 2. larger than those of
以上に述べたように１本発明によれば、高周波電界と永
久磁石あるいは電磁石による磁界との相互作用によりガ
スあるいは金属蒸気のプラズマを生成し、このプラズマ
空間からイオンを引き出してイオンビーム全形成するイ
オンビーム装置において、前記プラズマ空間のイオン引
出し口を非磁性金属材を用いて構成するとともにこのイ
オン引出し口との間にイオンを引き出すための電界を形
成するイオン引出し電極を強磁性材を用いて構成し、前
記永久磁石あるいは電磁石から出て前記プラズマ空間を
通過する出力線が前記イオン引出し口とイオン引出し電
極とを通過するように装置を構成したので、イオン引出
し口部１１に面するプラズマ７内の位置に、プラズマ室
内に形成されている高周波電界との相互作用が十分性な
える磁界強度を印加することができる。この結果、イオ
ン引出しロア１まわりの電離、プラズマ化がさかんに行
なわれ、イオン引出しによるプラズマからのイオン消費
を補うイオン供給のためのプラズマ生成が十分に行なわ
れ、またプラズマ生成のために投入されたエネルギと対
比したイオン利用効率が同上する。As described above, according to the present invention, a gas or metal vapor plasma is generated by the interaction of a high frequency electric field and a magnetic field generated by a permanent magnet or an electromagnet, and ions are extracted from this plasma space to form a complete ion beam. In the ion beam apparatus, an ion extraction port in the plasma space is constructed using a non-magnetic metal material, and an ion extraction electrode that forms an electric field for extracting ions between the ion extraction port and the ion extraction port is constructed using a ferromagnetic material. Since the apparatus is configured such that the output line coming out from the permanent magnet or electromagnet and passing through the plasma space passes through the ion extraction port and the ion extraction electrode, the plasma 7 facing the ion extraction port 11 It is possible to apply a magnetic field strength at a position within the plasma chamber such that the interaction with the high frequency electric field formed within the plasma chamber is sufficient. As a result, ionization and plasma formation around the ion extraction lower 1 are actively carried out, and sufficient plasma is generated to supply ions to compensate for ion consumption from the plasma due to ion extraction. The ion utilization efficiency compared to the energy obtained is the same as above.
第１図は本発明の実施例によるイオンビーム装置のイオ
ン源構成図、第２図は従来のイオンビーム装置における
イオン源構成の一例を示す縦断面図である。
１・・・マイクａ波電源、５・・・プラズマ室（プラズ
マ空間）、６・・・電磁石ソレノイド、９・・・オス導
入管、１１・・・イオン引出し口部、６１〜６７ 、６
９・・・磁路。
７０・・・イオン引出し電極％７１ 、７２・・・イオ
ン引出し口、１００・・・イオンビーム。
第 １ 図FIG. 1 is a configuration diagram of an ion source of an ion beam apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of an ion source in a conventional ion beam apparatus. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Microphone A-wave power supply, 5...Plasma chamber (plasma space), 6...Electromagnetic solenoid, 9...Male introduction tube, 11...Ion extraction port, 61-67, 6
9...Magnetic path. 70...Ion extraction electrode%71, 72...Ion extraction port, 100...Ion beam. Figure 1
Claims (1)
の相互作用によりガスあるいは金属蒸気のプラズマを生
成し、このプラズマ空間からイオンを引き出してイオン
ビームを形成するイオンビーム装置において、前記プラ
ズマ空間のイオン引出し口を非磁性金属材を用いて構成
するとともにこのイオン引出し口との間にイオンを引き
出すための電界を形成するイオン引出し電極を強磁性材
を用いて構成し、前記永久磁石あるいは電磁石から出て
前記プラズマ空間を通過する磁力線が前記イオン引出し
口とイオン引出し電極とを通過するように構成したこと
を特徴とするイオンビーム装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、プラズ
マ生成のための磁界を発生する永久磁石あるいは電磁石
は、イオン引出し方向の軸線を有する筒状の強磁性材に
よって包囲されるとともに、強磁性材を用いてなるイオ
ン引出し電極はその外周側が、中央部に貫通孔を有する
強磁性板からなり前記筒状強磁性材の底面を形成する底
板の前記貫通孔の内周面により間隔をおいて包囲されて
いることを特徴とするイオンビーム装置。[Claims] 1) An ion beam device that generates gas or metal vapor plasma through the interaction of a high-frequency electric field and a magnetic field generated by a permanent magnet or electromagnet, and extracts ions from this plasma space to form an ion beam, The ion extraction port in the plasma space is configured using a non-magnetic metal material, and the ion extraction electrode that forms an electric field for extracting ions between the ion extraction port and the ion extraction port is configured using a ferromagnetic material. An ion beam device characterized in that magnetic lines of force coming out of a magnet or an electromagnet and passing through the plasma space pass through the ion extraction port and the ion extraction electrode. 2) In the device according to claim 1, the permanent magnet or electromagnet that generates a magnetic field for plasma generation is surrounded by a cylindrical ferromagnetic material having an axis in the ion extraction direction, and is surrounded by a ferromagnetic material. The outer peripheral side of the ion extraction electrode is made of a ferromagnetic plate having a through hole in the center, and is spaced apart from the inner peripheral surface of the through hole of the bottom plate forming the bottom surface of the cylindrical ferromagnetic material. An ion beam device characterized by being surrounded.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP271787A JPS63170832A (en) | 1987-01-09 | 1987-01-09 | Ion beam device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP271787A JPS63170832A (en) | 1987-01-09 | 1987-01-09 | Ion beam device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63170832A true JPS63170832A (en) | 1988-07-14 |
Family
ID=11537060
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP271787A Pending JPS63170832A (en) | 1987-01-09 | 1987-01-09 | Ion beam device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63170832A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63257166A (en) * | 1987-04-13 | 1988-10-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Microwave ion source |
| JPH06124674A (en) * | 1992-10-09 | 1994-05-06 | Nissin Electric Co Ltd | Ecr type ion source |
| JPH09129151A (en) * | 1995-11-06 | 1997-05-16 | Hitachi Ltd | Magnetic ion source device |
-
1987
- 1987-01-09 JP JP271787A patent/JPS63170832A/en active Pending
Cited By (3)
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