JPS6357104B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、寿命が長く、イオン化効率が優れ且
つ輝度が増大したイオン源に関するものである。
より詳しくは、熱フイラメント・フリーマン配置
の表面放出型の多重電極イオン源に関するもので
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ion source with a long life, excellent ionization efficiency, and increased brightness.
More specifically, the present invention relates to a surface-emitting multi-electrode ion source with a hot filament Freeman configuration.
イオン源は、粒子加速器及び商用イオン注入器
に利用される。今まで広範な種類のイオン源が、
開発されてきた。(例えば、R.G.Wilson等の
“Ion beam with Applications to Ion
Implantation(1973)”45頁以下を参照された
い。)最も普通のイオン源は、ペニング冷陰極イ
オン源、シエバ熱フイラメントイオン源、ベルナ
スイオン源及びフリーマン熱陰極イオン源を含
む。これらのイオン源は、イオン電流生成、イオ
ン化効率及び輝度によつて特性づけられる。これ
らの特性は、イオン源の種類により変化し、特定
応用の要求を満たすように選ばれる。 Ion sources are utilized in particle accelerators and commercial ion implanters. Until now, a wide variety of ion sources have been used.
has been developed. (For example, “Ion beam with Applications to Ion” by RGWilson et al.
(See "Implantation (1973)" p. 45 et seq.) The most common ion sources include the Penning cold cathode ion source, the Sieba hot filament ion source, the Bernas ion source, and the Freeman hot cathode ion source. are characterized by ion current generation, ionization efficiency, and brightness. These characteristics vary with the type of ion source and are chosen to meet the requirements of a particular application.
商用イオン注入装置においては、信頼性があ
り、比較的エネルギー効率が高く、且つ寿命の長
いイオン源を備えることが強く望まれる。長寿命
は、イオン源が取り付けられたイオン注入器の中
断時間を削減し、又イオン源交換の費用を減少さ
せることができる。前掲の注入のためのイオン源
のうち一般的なものは、熱陰極(フイラメント
型)フリーマン配置イオン源である。単一フイラ
メントが、分離室(ionization chamber)内で
出口開口にほぼ平行に位置づけされる。分離室内
で生成されたイオンが、出口開口を通つて引出さ
れる。陰極フイラメントは、負にバイアスされ且
つ放出温度に加熱されて、分離室へ導入された気
体の電子衝突イオン化のために充分な電子の供給
をもたらす。陰極フイラメントの表面積は、エネ
ルギーを持つた電子の放出(emission)のため
の有効面積を構成する。気体の電子衝突イオン化
は、プラズマを増大させる。プラズマ密度は、分
離室圧、電子放出及び陰極電位の関数である。正
イオンが、高電位場の手段によりプラズマから引
出されて、分離室の壁中にある出口開口を通つて
現われ、注入用に使用されるべきイオンビームと
なる。多重(通常は2重)フイラメントが、白熱
電球内で用いられてきた。多重フイラメントは、
フイラメント直径又は電流を増大させることなし
により大きい輝度をもたらし、高電位商用電灯回
路への低抵抗フイラメントの接続を可能にした。
或いは、直列に接続されて折り返された2重フイ
ラメントを用いてコンパクトなランプをもたらし
た。これらの応用においては、フイラメントは真
空又は不活性ガス中で加熱され、その目的は可視
波長放射を生じさせることであり、包囲されたチ
エンバ内でのイオン化反応を保持する必要はな
い。事実、放射自体が目的であり、2次効果まで
は含まない。電子ビーム銃においては、2重フイ
ラメントが大きい電子ビーム電力を生じさせ、重
複性を得、且つ逆流イオンによるフイラメント滅
損を避けるために用いられてきた。例えば、米国
特許第3701915号「電子ビーム銃」及び同第
3172007号「折り返しフイラメント・ビーム発生
器」を参照されたい。そこでは、分離室に電子を
制限する必要はなく、むしろ電子はフイラメント
ハウジング領域内での最小滞留時間をもつてフイ
ラメントから電子ビームへと進行する。フイラメ
ント・スプリング及びハウジング幾何形状は、電
子の発生及び速やかな引出しを達成するように選
択される。 In commercial ion implanters, it is highly desirable to have an ion source that is reliable, relatively energy efficient, and has a long lifetime. Long life can reduce downtime for an ion implanter with an attached ion source and also reduce the cost of replacing the ion source. A common ion source for the implantation described above is a hot cathode (filament type) Freeman arrangement ion source. A single filament is positioned within the ionization chamber approximately parallel to the exit aperture. Ions generated within the separation chamber are extracted through the exit aperture. The cathode filament is negatively biased and heated to an emission temperature to provide a sufficient supply of electrons for electron impact ionization of the gas introduced into the separation chamber. The surface area of the cathode filament constitutes the effective area for the emission of energetic electrons. Electron impact ionization of the gas increases the plasma. Plasma density is a function of separation chamber pressure, electron emission and cathode potential. Positive ions are extracted from the plasma by means of a high potential field and emerge through an exit aperture in the wall of the separation chamber, resulting in an ion beam to be used for implantation. Multiple (usually dual) filaments have been used in incandescent light bulbs. Multiple filaments are
It provides greater brightness without increasing filament diameter or current, and allows connection of low resistance filaments to high potential commercial lighting circuits.
Alternatively, double filaments connected in series and folded have been used to provide a compact lamp. In these applications, the filament is heated in a vacuum or inert gas, and the purpose is to produce visible wavelength radiation, and there is no need to maintain an ionization reaction within an enclosed chamber. In fact, the radiation itself is the objective, and secondary effects are not included. Dual filaments have been used in electron beam guns to generate high electron beam power, provide redundancy, and avoid filament destruction due to backflowing ions. For example, US Patent No. 3701915 "Electron Beam Gun" and US Pat.
See No. 3172007, Folded Filament Beam Generator. There, there is no need to confine the electrons to a separation chamber, but rather the electrons travel from the filament to the electron beam with a minimum residence time within the filament housing area. The filament spring and housing geometry are selected to achieve electron generation and rapid extraction.
従来技術の熱陰極フリーマン型の線形イオン源
においては、フイラメントは、典型的には分離室
内部に取付けられ且つ引出し電極に関して中心に
位置された。フイラメントにより発生された大部
分の電子が、分離室内部に留まり、気体上の原物
質分子との衝突の統計的可能性を有して、イオン
化原子を生成する。次にこれらのイオン化原子
は、分離室の引出しスリツトを通つて静電的に引
出される。これらのイオンは、(分析又は走査を
受けて或いは受けないで)半導体ウエハなどのよ
うなターゲツトへと方向づけられる。 In prior art hot cathode Freeman type linear ion sources, the filament was typically mounted inside the separation chamber and centered with respect to the extraction electrode. Most of the electrons generated by the filament remain inside the separation chamber and have a statistical chance of collision with source molecules on the gas, producing ionized atoms. These ionized atoms are then electrostatically extracted through an extraction slit in the separation chamber. These ions are directed (with or without analysis or scanning) to a target, such as a semiconductor wafer.
本発明の一目的は、寿命が増大した熱フイラメ
ント表面分離イオン源を提供することである。 One object of the present invention is to provide a thermal filament surface separation ion source with increased lifetime.
本発明の他の目的は、熱フイラメント表面分離
イオン源においてフイラメント動作温度を減少さ
せることである。 Another object of the invention is to reduce the filament operating temperature in a thermal filament surface separation ion source.
本発明の他の目的は、特定の電力消費に対して
フイラメント表面積を増大させるような多重フイ
ラメントイオン源を提供することである。 Another object of the invention is to provide a multi-filament ion source that increases the filament surface area for a given power consumption.
発明の概要
本発明によつて電子衝撃イオン化型の多重フイ
ラメントイオン源がもたらされる。該イオン源
は、低いフイラメント温度で動作するが、単一フ
イラメントイオン源のイオンビームと等価なビー
ムを生成する。フイラメント動作温度の低下が、
結果としてフイラメント寿命を増大させる。表面
積及び温度の関数であるフイラメントでの放出
が、温度低下にも拘わらず一定に維持される。何
故ならば、多重フイラメントの使用により表面積
が増大されるからである。電力消費が、電極の総
断面積を不変に保つことにより一定に保持され、
或いは総断面積を減少させることにより減少され
る。総断面積が減少されるときでも、表面積は充
分に増大されて、変わらぬイオン源性能を産み出
すのに充分強い電子放出が保たれる。好適実施例
においては、引出しスリツトに多重フイラメント
を跨がせることによりフイラメント滅損が排除さ
れて、さらに長寿命が得られる。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a multiple filament ion source of the electron impact ionization type. The ion source operates at a lower filament temperature but produces an ion beam equivalent to that of a single filament ion source. The reduction in filament operating temperature
As a result, filament life is increased. The emission at the filament, which is a function of surface area and temperature, remains constant despite the decrease in temperature. This is because the use of multiple filaments increases the surface area. Power consumption is kept constant by keeping the total cross-sectional area of the electrodes constant;
Alternatively, it may be reduced by reducing the total cross-sectional area. Even when the total cross-sectional area is reduced, the surface area is increased sufficiently to maintain electron emission strong enough to yield unchanged ion source performance. In a preferred embodiment, the drawer slit straddles multiple filaments to eliminate filament breakage and provide even longer life.
好適実施例の説明
電子衝撃イオン源が実際の応用のために有用で
ある。何故ならば、それは広範囲のイオン電流及
び広く様々なイオン種を生み出し得るからであ
り、且つ幅広の又は集束したビームの何れをも生
成し得るからである。かような装置では、導電性
ワイヤ又は棒電極が、分離室(時には放電室
(arc chamber)又は反応室(reactive
chamber)とも呼ばれる)内部に位置されて、電
流通過により加熱される。電子が、電極表面の周
囲の熱電子放出により生成される。イオン化可能
材料が分離室へと蒸気の形で導入され、電子はこ
の材料の原子又は分子と衝突し、そしてイオンが
形成される。電極は陰極としての役目をもち、分
離室の壁は陽極として働いて、それらの間でイオ
ン化衝突が起こる。これらのイオンは、大きな静
電場勾配の手段により開口を通つて引出され、そ
して外方へ方向づけられてターゲツト又は基板へ
と達する。この型の衝撃イオン化イオン源は、一
般的に2種の分類に分けられる。すなわち幅広ビ
ームのイオン源と集束ビームのイオン源とにであ
る。カウフマンイオン源が幅広いビームのイオン
源であり、それは例えば、宇宙空間推進手段のた
めのイオン姿勢制御ロケツトに、イオン・ミリン
グに、並びに反応性イオンエツチ応用に用いられ
る。これらのイオン源は、比較的大面積の引出し
開口を有し、典型的には単一電極と分離室内部に
配置された多重磁界磁極とを伴つて円形に形状づ
けられている。このタイプのイオン源は、円筒形
分離室内部に取付けられた2つの半円形フイラメ
ントを有していても良い。他方、熱フイラメント
型のフリーマンイオン源(カルトロンイオン源と
して知られている)が、狭い又は集束したイオン
ビームのイオン源であり、それは例えば高度の一
様性を達成するためにビーム分析及び集束を伴つ
て半導体ウエハのイオン注入等に用いられてい
る。代表的な集束イオン源が、細長い引出しスリ
ツトを有し、帯状ビーム(ribbon shaped
beam)を生成する。どちらの場合も、電極は、
分離室内部に位置づけされ、特徴的な寸法、形状
及び材質を有し、引出し開口に関して方向づけさ
れるであろう。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Electron impact ion sources are useful for practical applications. This is because it can produce a wide range of ion currents and a wide variety of ion species, and it can produce either broad or focused beams. In such devices, a conductive wire or rod electrode is connected to a separation chamber (sometimes an arc chamber or a reactive chamber).
(also called a chamber) and is heated by passing an electric current through it. Electrons are generated by thermionic emission around the electrode surface. An ionizable material is introduced into the separation chamber in vapor form, electrons collide with atoms or molecules of the material, and ions are formed. The electrode acts as a cathode and the wall of the separation chamber acts as an anode, between which ionization collisions occur. These ions are drawn through the aperture by means of a large electrostatic field gradient and directed outward to the target or substrate. This type of bombardment ionization source is generally divided into two classes. That is, a wide beam ion source and a focused beam ion source. The Kaufmann ion source is a broad beam ion source that is used, for example, in ion attitude control rockets for space propulsion vehicles, ion milling, and reactive ion etching applications. These ion sources have relatively large area extraction apertures and are typically circularly shaped with a single electrode and multiple field poles located within the separation chamber. This type of ion source may have two semicircular filaments mounted inside a cylindrical separation chamber. On the other hand, a hot filament type Freeman ion source (known as a Caltron ion source) is an ion source with a narrow or focused ion beam, which can be used for example for beam analysis and focusing to achieve a high degree of uniformity. It is used for ion implantation of semiconductor wafers, etc. A typical focused ion source has an elongated extraction slit and a ribbon shaped ion source.
beam). In both cases, the electrodes
It will be located within the separation chamber and will have characteristic dimensions, shape and material and will be oriented with respect to the drawer opening.
衝撃イオン化イオン源における電極の滅損
(degradation)作用は、主に電極材料の放出に
よる。電極材料の原子又は分子成分は、動作温度
が上昇すると表面から放逐(表面の蒸発損)され
る。材料の損失は、電極の直径を減少させてい
き、終にはその棒又はワイヤが切断される。棒及
びワイヤの損失は、真空中で高速度で進行し、プ
ラズマ又は水系の環境中でもなお著しい。この損
失作用は、温度の少なくとも2次の指数関数であ
る。従つて、損失速度は、温度のわずかな上昇に
対して著しく増大し、温度のわずかな降下に対し
て著しく減少する。故に、動作温度を減少させる
と、表面放出による材料損失の速度は減少し、電
極の寿命が増大する。 Electrode degradation effects in impact ionization sources are primarily due to the release of electrode material. Atomic or molecular components of the electrode material are expelled from the surface (surface evaporation) as the operating temperature increases. The loss of material causes the diameter of the electrode to decrease until the rod or wire is severed. Losses in rods and wires occur at high rates in vacuum and are still significant in plasma or water-based environments. This loss effect is at least a second order exponential function of temperature. Therefore, the loss rate increases significantly for small increases in temperature and decreases significantly for small drops in temperature. Therefore, reducing the operating temperature reduces the rate of material loss due to surface emission and increases the life of the electrode.
衝撃イオン化イオン源の動作特性(寿命、イオ
ン化効率、輝度、再生産性及び堅牢性)を最適化
するために、分離室及び電極のための新奇な配置
が採用され、分離室内部の電極の好適な位置づけ
が経験的に決定された。これらの研究が採用され
て、分離室の或る領域内部での磁気的閉込めを生
じさせた。すなわち、或る粒子のこれらの領域内
での滞留時間は、増大しなければならないのであ
る。特に、電子がその大部分の運動エネルギーを
非弾性イオン生成衝突に費やすまで、陽極に到達
しないように制限されなければならない。中性原
子も又、イオン化されるまで分離室内部に制限さ
れねばならない。すなわち、中性原子が漏れ出て
イオンビームに混じらないように、引出し開口又
はスリツトへの容易な到達は許されるべきではな
い。そしてイオンは分離室の壁に到達しないよう
にされねばならない。そうでないとそれらは再び
イオン化されてしまうであろう。 In order to optimize the operating characteristics (lifetime, ionization efficiency, brightness, reproducibility and robustness) of the impact ionization ion source, a novel arrangement for the separation chamber and electrodes is adopted, with the preferred arrangement of the electrodes inside the separation chamber. The position has been determined empirically. These studies were employed to create magnetic confinement within certain regions of the separation chamber. That is, the residence time of a particle within these regions must be increased. In particular, the electrons must be restricted from reaching the anode until they have spent most of their kinetic energy in inelastic ion-producing collisions. Neutral atoms must also be confined inside the separation chamber until they are ionized. That is, neutral atoms should not be allowed easy access to the extraction aperture or slit, lest they escape and mix with the ion beam. And the ions must be prevented from reaching the walls of the separation chamber. Otherwise they will be ionized again.
磁気的閉込め手段が、物理的接触なしに粒子の
運動を制限するのであるが、それは分離室及び電
極配置のための特別な設計を選択することにより
得られるであろう。閉込めのためのより最適な磁
場をもたらすような物理的変化は、必然的に、イ
オン効率が改良されたイオン源を生み出し得る。 Magnetic confinement means, which restrict the movement of particles without physical contact, may be obtained by choosing a special design for the separation chamber and electrode arrangement. Physical changes that result in a more optimal magnetic field for confinement may necessarily produce an ion source with improved ion efficiency.
第1図に、在来のフリーマン型イオン源が概略
図で示されている。前述したようにこの型のイオ
ン源は、一様性が望まれる分析装置内で用いられ
ている。単一の棒電極(rod electrode)12が、
引出しスリツト(extraction slit)13に関して
軸方向にイオン源ハウジング11内部の中央に位
置されている。マグネツトポールピース10が、
イオン化される種類に応じて5000〜15000ガウス
程度のゆらぎのない磁場を棒電極12の軸方向に
沿つて創成する。このゆらぎのない磁場と、棒電
極内を流れる電流により発生された磁場(電極内
の電流が数百アンペアのときに、電極表面付近で
数百ガウスの磁場であり、外方にいくにしたがつ
て減少する)とが、棒電極12から放出された後
の電子の進行に影響を与える。渦状の又は乱流状
の電子軌跡が生じ、イオン化衝突が起こるであろ
う中央領域内に高エネルギー電子を保持するのに
役立つ。そのゆらぎのない重畳(superimposed)
磁場は、動作に不可欠なものではないがイオン化
効率を増大させる。イオン化可能な原材料が、蒸
発用ヒーター17に囲まれた固体イオン源16と
して示されていて、棒電極12に近接して位置さ
れている。イオン化可能ガスが、棒電極12の領
域へと提供される。電子衝撃によつて、そのガス
がイオン化されて、加速電極14の手段によりス
リツト13を通して引出し可能になる。引出され
たビーム15は、帯形状(ribbon shape)を有
している。 In FIG. 1, a conventional Freeman ion source is shown schematically. As mentioned above, this type of ion source is used in analyzers where uniformity is desired. A single rod electrode 12
It is centrally located within the ion source housing 11 in the axial direction with respect to the extraction slit 13 . Magnetic pole piece 10 is
A magnetic field with no fluctuation of about 5,000 to 15,000 Gauss is created along the axial direction of the rod electrode 12, depending on the type of ionization. This stable magnetic field and the magnetic field generated by the current flowing inside the rod electrode (when the current inside the electrode is several hundred amperes, the magnetic field is several hundred Gauss near the electrode surface, and as it goes outward ) affects the progress of electrons after being emitted from the rod electrode 12. A spiral or turbulent electron trajectory is created, which helps keep the high-energy electrons within the central region where ionizing collisions will occur. Superimposed without any fluctuation
The magnetic field is not essential to operation but increases ionization efficiency. The ionizable raw material is shown as a solid state ion source 16 surrounded by an evaporative heater 17 and positioned in close proximity to the rod electrode 12 . An ionizable gas is provided to the region of rod electrode 12 . Due to the electron bombardment, the gas is ionized and can be drawn through the slit 13 by means of the accelerating electrode 14. The drawn beam 15 has a ribbon shape.
本発明の多重フイラメント電極配置は、第2図
に示される。そこでは外部マグネツトが示されて
はいないが、実際には第1図の単一フイラメント
イオン源におけると同様に使用される。図示の好
適実施例において、平行な2つの棒セグメント2
4が電極を形成し、そしてそれらは、分離室
(ionization chamber)21内部で対向して位置
され引出しスリツト19を跨いでいる(第3図に
も図示してある)。引出しスリツト19は、斜角
表面18の終端に形成され、引出し後のビームの
広がりを許している。 The multiple filament electrode arrangement of the present invention is shown in FIG. Although an external magnet is not shown there, it is actually used in the same manner as in the single filament ion source of FIG. In the preferred embodiment shown, two parallel bar segments 2
4 form the electrodes, which are located oppositely within the ionization chamber 21 and straddle the extraction slit 19 (also shown in FIG. 3). An extraction slit 19 is formed at the end of the beveled surface 18 to allow the beam to diverge after extraction.
或る実施例において、引出しスリツトはその幅
が100/1000インチ(約0.254cm)程度であり、電
極の平行な2つのセグメントは直径が60/1000イ
ンチ(約0.152cm)であつてそれらの間隔は240/1
000インチ(約0.61cm)である。第1図の従来例
では、電子が外側に(より重要には基板に向け
て)直接に通過できるようなわずかな立体角が存
在し、第2図の実施例にはそれがない。どちらの
場合にも、電子は、分離室内部での中性原子との
衝突のために利用できる。棒セグメント24は、
ボルト25で締付けられ支持体23による圧嵌状
態で強固に支持されて、絶縁体22を通して分離
室21内へ提供される。引出しスリツトに隣接す
る領域での必要種の滞留時間を最大にするため
に、棒セグメントは、スリツトから分離室の後壁
へ向かつて好適には1/5乃至1/3の距離範囲内に位
置される。図示の好適実施例においては、平衡且
つ対称な磁場を有するように電極は等しい直径を
もつ。電極は代表的にはタングステンで形成され
る。2重フイラメントが単一フイラメントイオン
源のための差込み交換物として使用され得るの
で、電力定格(棒セグメントの総断面積に比例す
る)を上げることができる。単一フイラメントイ
オン源のための150アンペアを供給する電源は、
合わせて等価な断面を有する2重フイラメントイ
オン源を、各フイラメントに流れる75アンペアを
もつて駆動する。2つの相等しい小さな(2重)
電極と電力が等価であれば、単一フイラメントの
直径Dは2重フイラメントの直径Dの√2倍とな
る。従つて、等しい直径で同長の2重電極の場合
には、全表面積は√2倍に増大する。放出率は温
度及び表面積の両方に直接に比例することから、
表面積の増大は、等しい電力消費に対してはより
大きな電子放出を、或いは等しい電子放出に対し
ては電力消費の減少をもたらす。 In some embodiments, the drawer slit has a width on the order of 100/1000 inch (approximately 0.254 cm) and the two parallel segments of the electrode have a diameter of 60/1000 inch (approximately 0.152 cm) with a spacing between them. is 240/1
000 inches (approximately 0.61 cm). In the prior art embodiment of FIG. 1, there is a slight solid angle through which electrons can pass directly to the outside (more importantly towards the substrate), whereas this is absent in the embodiment of FIG. In both cases, electrons are available for collisions with neutral atoms inside the separation chamber. The bar segment 24 is
It is tightened with a bolt 25 and firmly supported by a support member 23 in a press-fit state, and is provided into the separation chamber 21 through an insulator 22. In order to maximize the residence time of the desired species in the area adjacent to the drawer slit, the rod segments are preferably located within a distance of 1/5 to 1/3 from the slit towards the rear wall of the separation chamber. be done. In the illustrated preferred embodiment, the electrodes have equal diameters so as to have a balanced and symmetrical magnetic field. The electrodes are typically formed of tungsten. The power rating (which is proportional to the total cross-sectional area of the rod segment) can be increased because the dual filament can be used as a plug-in replacement for the single filament ion source. Power supply providing 150 amps for single filament ion source
A dual filament ion source with a combined equivalent cross section is driven with 75 amps flowing through each filament. Two equal small (double)
If the electrodes and power are equivalent, the diameter D of a single filament will be √2 times the diameter D of a double filament. Therefore, for dual electrodes of equal diameter and length, the total surface area increases by a factor of √2. Since the emission rate is directly proportional to both temperature and surface area,
Increased surface area results in either greater electron emission for equal power consumption or decreased power consumption for equal electron emission.
単一フイラメントが軸方向中心に位置された在
来のフリーマン型イオン源においては、電極から
放射された電子の一部が、引出しスリツトを通つ
て視線通過により直接に漏れてしまうだろう。又
この単一電極は、反応室内で創成されたイオンが
引出しスリツトを通過するのを妨害してしまう。
イオンとの電極とこのような衝突によつて、イオ
ン数が減少する。本発明のイオン源の2重フイラ
メントの跨設配置によれば、そのような衝突の可
能性は低減される。第4図の断面図に、電流iに
よつて生成された磁場B→が示されている。重畳さ
れた固定磁場の(紙面に向かう)磁力線は、示さ
れていない。これらの磁場が必ずフイラメントと
スリツトとの間の領域を占めることは、明らかで
ある。分離室自体がより大きな磁気回路の一部で
作られ分離室の壁に向けて磁力線が連続でない限
り、フイラメントとスリツトとの間の領域内で磁
力線は圧縮されねばならず、そのために、分離室
の壁への粒子の衝突防止を困難にしている。した
がつて、分離室内部で生成されたイオンが、これ
らの密集した磁力線を横断せねばならず、引出し
スリツトに近接する分離室壁との中性化衝突へと
方向を曲げられてしまうであろう。 In a conventional Freeman ion source with a single filament centered axially, some of the electrons emitted from the electrode will leak directly through the line of sight through the extraction slit. This single electrode also prevents the ions created within the reaction chamber from passing through the extraction slit.
Such collisions with the electrodes with ions reduce the number of ions. The double filament straddling arrangement of the ion source of the present invention reduces the possibility of such collisions. In the cross-sectional view of FIG. 4, the magnetic field B→ generated by the current i is shown. The magnetic field lines (towards the page) of the superimposed fixed magnetic field are not shown. It is clear that these fields necessarily occupy the region between the filament and the slit. Unless the separation chamber itself is made of part of a larger magnetic circuit and the field lines are not continuous towards the walls of the separation chamber, the magnetic field lines must be compressed in the region between the filament and the slit, so that the separation chamber This makes it difficult to prevent particles from colliding with the walls. Therefore, the ions generated inside the separation chamber must cross these dense magnetic field lines and may be deflected into neutralizing collisions with the separation chamber wall adjacent to the extraction slit. Dew.
2重フイラメント配置に付帯する磁場は、第5
図に示される。フイラメント電流が各フイラメン
ト内を同一方向に流れるので、等ポテンシヤル磁
力線B→が各フイラメントを同一の向きに取り巻
く。2つのフイラメント間に挾まれる領域におけ
る磁場は相殺によつて弱くなり、故にイオンが引
出されるこの領域では中性化衝突が最小になるで
あろう。この事は、第4図の在来型イオン源の出
口開口領域内に存在する強磁場に対照的である。
この磁場の上に重畳されるものは、図面の紙面に
垂直で電極に沿つた定磁場である。これら2つの
磁場成分は、イオン化衝突に関与するような電子
のための複雑な渦状又は乱流状の軌跡を生じさせ
る。 The magnetic field associated with the double filament arrangement is
As shown in the figure. Since the filament current flows in the same direction within each filament, equipotential magnetic field lines B→ surround each filament in the same direction. The magnetic field in the region sandwiched between the two filaments will be weakened by cancellation, so that neutralizing collisions will be minimized in this region where ions are extracted. This is in contrast to the strong magnetic field that exists within the exit aperture region of the conventional ion source of FIG.
Superimposed on this magnetic field is a constant magnetic field perpendicular to the plane of the drawing and along the electrodes. These two magnetic field components create complex spiral or turbulent trajectories for electrons that participate in ionizing collisions.
電子衝撃イオン源において、電極の構成金属原
子のスパツタリングは、滅損(degradation)の
一機構である。このスパツタリングは、分離室内
で生成されたエネルギー原子種の衝撃により、又
外部から分離室内へと逆流するエネルギー種によ
つて引き起こされる。内部のエネルギー種は、分
離室内でのイオン化及び加速の後に中性化された
中性種、並びに引出される型とは別の型のイオン
をも含む。これらの内部で発生したエネルギー種
は、非常に高い運動エネルギーを持つているわけ
ではない。というのは、それらが加速されるとこ
ろの電位は電極のバイアス電位(数100ボルト)
であるからである。そして電極の寿命は、適切な
電極での放出の持続に密接に関係するバイアス電
位が最低値のときに最適となることがわかつた。
外部で発生したエネルギー種は、1万ボルト程度
の引出し電場により逆向きに加速される電子、陰
イオンそして中性粒子までも含むであろう。これ
らの外部で発生した粒子は、高い運動エネルギー
を持つことができ、かなりのスパツタリングを引
き起こすことができる。そのような逆向きのスパ
ツタリングは、電極に「くびれ」(necking)の
現象を生み出し、それにより電極は、逆流イオン
へ晒らされた中央部分で痩せてしまう。この逆向
きのスパツタリングは、逆流イオンの密度及び逆
流イオンが加速される電場に依存する。逆向きス
パツタリングと、引出されるイオンによるスパツ
タリングとが共に、本発明のイオン源の電極セグ
メントの跨設配置によつて減少される。加えて電
極の動作温度は、衝突するエネルギー種により表
面原子が如何に容易に除去され得るかを決定し、
すなわち動作温度が高ければ高い程、スパツタリ
ングは多量になる。これらの結合した効果は、基
本的には温度の線形(又は低次の)関数である。
したがつて、低い有効動作温度を伴う本発明の多
重電極イオン源は、内部及び外部で発生したエネ
ルギー種の両方に対して、温度の線形(又は低次
の)関数をもつてスパツタリング効果を減少させ
る。電極の多重セグメントが基板に対して視線位
置にないところの好適実施例においては、逆向き
スパツタリング成分は排除され、そして全スパツ
タリングがかなり減少される。しかしながらどち
らにしても、その改良点は、表面での蒸発損によ
る材料損失を低下させることによる改良点に付随
する2次的なものである。主要な改良点は、電子
銃に関するものである。温度に依存する材料蒸発
及び内部プラズマ環境に依存するスパツタリング
は、逆流イオンによるよりもいつそう多量の滅損
をもたらすという事実に上記差異が存する。 In electron impact ion sources, sputtering of the constituent metal atoms of the electrode is one mechanism of degradation. This sputtering is caused by the bombardment of energetic atomic species generated within the separation chamber and by energetic species flowing back into the separation chamber from the outside. Internal energetic species also include neutral species that are neutralized after ionization and acceleration within the separation chamber, as well as ions of a different type than the type being extracted. These internally generated energetic species do not have very high kinetic energy. This is because the potential at which they are accelerated is the bias potential of the electrode (several 100 volts).
This is because. It was found that electrode lifetime is optimal at the lowest bias potential, which is closely related to sustained release at a suitable electrode.
Externally generated energetic species may include electrons, anions, and even neutral particles that are accelerated in the opposite direction by an extraction field on the order of 10,000 volts. These externally generated particles can have high kinetic energy and can cause significant sputtering. Such reverse sputtering creates a phenomenon of "necking" in the electrode, whereby the electrode thins out in the central portion exposed to countercurrent ions. This backward sputtering depends on the density of the backward flowing ions and the electric field in which the backward flowing ions are accelerated. Both back sputtering and sputtering by extracted ions are reduced by the straddling arrangement of the electrode segments of the ion source of the present invention. In addition, the operating temperature of the electrode determines how easily surface atoms can be removed by impinging energetic species;
That is, the higher the operating temperature, the more sputtering. These combined effects are essentially linear (or low order) functions of temperature.
Therefore, the multi-electrode ion source of the present invention with a low effective operating temperature reduces sputtering effects as a linear (or low-order) function of temperature for both internally and externally generated energetic species. let In preferred embodiments where multiple segments of the electrode are not in line-of-sight with respect to the substrate, the backward sputtering component is eliminated and total sputtering is significantly reduced. In either case, however, the improvement is secondary to the improvement due to lower material loss due to evaporation loss at the surface. The major improvement concerns the electron gun. The difference lies in the fact that temperature-dependent material evaporation and internal plasma environment-dependent sputtering always result in more destruction than by backflowing ions.
第1図は、従来技術のフリーマン配置表面放射
型のイオン源の一部断面見取図である。第2図
は、本発明の特徴を組入れた2重フイラメントイ
オン源の実施例の斜視図である。第3図は、第2
図の2重フイラメント実施例における分離室の一
部断面側面図である。第4図は、従来技術のフリ
ーマン配置表面放射型イオン源の分離室内部でフ
イラメントにより発生された磁場の磁力線の概略
図である。第5図は、第2図の2重フイラメント
実施例の分離室内部でフイラメントにより発生さ
れた磁場の磁力線の概略図である。
主要符号の説明、21……分離室、24……棒
電極、19……引出しスリツト。
FIG. 1 is a partial cross-sectional diagram of a prior art Freeman arrangement surface-emitting ion source. FIG. 2 is a perspective view of an embodiment of a dual filament ion source incorporating features of the present invention. Figure 3 shows the second
FIG. 3 is a partially sectional side view of the separation chamber in the dual filament embodiment shown; FIG. 4 is a schematic diagram of the magnetic field lines of the magnetic field generated by the filament inside the separation chamber of a prior art Freeman configuration surface emitting ion source. 5 is a schematic diagram of the magnetic field lines of the magnetic field generated by the filaments inside the separation chamber of the dual filament embodiment of FIG. 2; FIG. Explanation of main symbols, 21... Separation chamber, 24... Rod electrode, 19... Drawer slit.
Claims (1)
の手段、並びに 前記分離室の壁に形成されたイオン引出し開口
を有するフリーマン熱フイラメント型の電子衝撃
イオン源であつて: 特定の入力電力に対してより大きな放出が可能
になるよう、一定の電極断面に対しより大きな表
面積を生じさせるために、電極は電気的に並列接
続された多重セグメントで構成されていることを
特徴とする電子衝撃イオン源。 2 特許請求の範囲第1項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記電極が、電気的に並列接続された2つのセ
グメントで構成されているところのイオン源。 3 特許請求の範囲第2項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記セグメントの各々が、線形形状を有すると
ころのイオン源。 4 特許請求の範囲第3項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記セグメントが、平行軸線をもつて方向づけ
られているところのイオン源。 5 特許請求の範囲第4項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記分離室の内部で磁場を重畳させるための外
部マグネツト手段を伴うイオン源。 6 特許請求の範囲第5項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記2つの平行セグメントの軸線に沿つて整合
する磁場を生成するように前記マグネツト手段が
位置されているところのイオン源。 7 特許請求の範囲第5項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記電極から放出された電子にとつてターゲツ
トへの視線通過が存在しないように前記2つの平
行セグメントが、前記分離室内側で前記引出し開
口の両縁に沿つて対称に取付けられているところ
のイオン源。 8 特許請求の範囲第7項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記2つの平行セグメントが、タングステンか
ら成り、等しい径をもつところのイオン源。 9 特許請求の範囲第8項に記載された電子衝撃
イオン源であつて: 前記2つの平行セグメントが、前記引出し開口
の内方側面から前記分離室の後壁へ向けて1/5乃
至1/3の距離範囲内に位置されるところのイオン
源。[Scope of Claims] 1. An electrode mounted inside a separation chamber, a power source for supplying current to the electrode, means for supplying an ionizable material to the separation chamber, and an electrode formed on the wall of the separation chamber. Freeman hot filament type electron impact ion source with an ion extraction aperture: to produce a larger surface area for a given electrode cross-section to allow for greater emission for a given input power; An electron impact ion source characterized in that the electrode is composed of multiple segments electrically connected in parallel. 2. The electron impact ion source according to claim 1, wherein: the electrode is composed of two segments electrically connected in parallel. 3. An electron impact ion source as claimed in claim 2, wherein each of the segments has a linear shape. 4. An electron impact ion source as claimed in claim 3, wherein the segments are oriented with parallel axes. 5. An electron impact ion source as claimed in claim 4: An ion source with external magnetic means for superimposing magnetic fields inside the separation chamber. 6. Electron bombardment ion source as claimed in claim 5, wherein: said magnetic means are positioned to produce aligned magnetic fields along the axes of said two parallel segments. . 7. An electron impact ion source as claimed in claim 5, wherein: the two parallel segments are connected to the separation chamber such that there is no line of sight to the target for the electrons emitted from the electrodes. an ion source mounted internally and symmetrically along both edges of said extraction opening; 8. An electron impact ion source as claimed in claim 7, wherein the two parallel segments are made of tungsten and have equal diameters. 9. The electron impact ion source according to claim 8, wherein the two parallel segments extend from 1/5 to 1/2 from the inner side of the extraction opening toward the rear wall of the separation chamber. The ion source is located within a distance range of 3.
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