TW201709253A - 電漿生成裝置及熱電子放出部 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種提高裝置壽命及電漿生成效率的電漿生成裝置。電漿生成裝置具備：電弧室(12)，內部具有生成有電漿的電漿生成區域；磁場發生器(16)，向電漿生成區域施加磁場(B)；以及陰極(30)，在沿著施加到電漿生成區域的磁場(B)的施加方向的軸向上延伸，且在其前端設置有放出熱電子的陰極罩。陰極罩具有朝向電弧室(12)的內部在軸向上突出，且隨著朝向電弧室(12)的內部，與軸向正交的徑向寬度變小的形狀。

Description

電漿生成裝置及熱電子放出部
本發明係有關電漿生成裝置以及用於該電漿生成裝置的熱電子放出部。
在半導體製造製程中，為了改變半導體的導電性的目的、改變半導體的晶體結構的目的等，標準地實施向半導體晶圓植入離子的製程。在該製程中使用的裝置通常稱為離子植入裝置。
在這種離子植入裝置中，藉由具備旁熱型電漿生成裝置的離子源來生成離子。旁熱型電漿生成裝置藉由使電流流通來加熱燈絲，從而產生熱電子，並藉由該熱電子加熱陰極。從被加熱的陰極產生的熱電子在電弧室內加速，與電弧室內的源氣體分子撞擊，使源氣體分子中所含的原子電離，從而產生電漿。所生成的電漿內部的離子的一部分藉由擴散到達電弧室的出口孔(前狹縫)，藉由由引出電極生成的電場被引出而成為離子束。用於放出熱電子的陰極例如由藉由燈絲加熱的罩和端部上安裝有罩的管狀構件構成(參閱專利文獻1)。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開平8-227688號公報
由於用於向電弧室內放出熱電子的罩向電弧室的內部空間露出，因此有可能藉由在電弧室內生成的電漿中的離子被濺射，與離子源的使用一同被損耗。若罩的損耗增加，則很難穩定地生成離子，因此為了延長離子源的壽命，希望加大罩的厚度。另一方面，若加大罩的厚度，則為了充份加熱罩而穩定地生成熱電子，所需的投入能量增加。若加熱罩所需的能量增加，則需要準備更大功率的電源，因此影響離子源成本。
本發明是鑑於這種實際情況而完成的，其提供一種提高電漿生成裝置以及熱電子放出部的裝置壽命及電漿生成效率的技術。
本發明的一態樣的電漿生成裝置具備：電弧室，內部具有生成有電漿的電漿生成區域；磁場發生器，向電漿生成區域施加磁場；以及陰極，在沿著施加到電漿生成區域的磁場的施加方向的軸向上延伸，且在其前端設置有放出熱電子的陰極罩。陰極罩具有朝向電弧室的內部在軸向上 突出，且隨著朝向電弧室的內部，與軸向正交的徑向寬度變小的形狀。
本發明的另一態樣為熱電子放出部。該熱電子放出部用於向內部具有被施加磁場的電漿生成區域的電弧室內放出熱電子，其具備：隔熱條，在沿著施加到電漿生成區域的磁場的施加方向的軸向上延伸；陰極罩，安裝在隔熱條的前端，向電弧室內放出熱電子；以及燈絲，設置在隔熱條的內部，藉由熱電子加熱陰極罩。陰極罩具有朝向電弧室的內部在軸向上突出，且隨著朝向電弧室的內部，與軸向正交的徑向寬度變小的形狀。
另外，在方法、裝置、系統等之間相互替換以上的構成要件的任意組合或本發明的構成要件或表現亦作為本發明的態樣有效。
依本發明，能夠提供提高裝置壽命及電漿生成效率的電漿生成裝置以及熱電子放出部。
10‧‧‧電漿生成裝置
12‧‧‧電弧室
14‧‧‧熱電子放出部
16‧‧‧磁場發生器
28‧‧‧燈絲
30‧‧‧陰極
40‧‧‧熱電子
42‧‧‧電漿
50‧‧‧陰極罩
50a‧‧‧熱電子放出面
50b‧‧‧熱流入面
52‧‧‧隔熱條
56‧‧‧熱反射器
第1圖係表示本發明的一實施形態的電漿生成裝置的概略結構之圖。
第2圖係表示本發明的一實施形態的熱電子放出部的結構之剖面圖。
第3圖係表示本發明的一實施形態的燈絲的結構之俯 視圖。
第4圖係表示比較例的熱電子放出部的結構之剖面圖。
第5圖係示意地表示本發明的一實施形態的熱電子放出部所發揮的效果之圖。
第6圖係表示變形例的熱電子放出部的結構之剖面圖。
第7圖係表示變形例的熱電子放出部的結構之剖面圖。
第8圖係表示變形例的熱電子放出部的結構之剖面圖。
第9圖係表示變形例的電漿生成裝置的概略結構之圖。
以下，參閱附圖對用於實施本發明的形態進行詳細說明。另外，在附圖的說明中對相同要件賦予相同元件符號，並適當省略重複說明。並且，以下敘述的結構是例示，並非限定本發明的範圍。
第1圖係表示實施形態的電漿生成裝置10的概略結構之圖。電漿生成裝置10為旁熱型離子源，具備電弧室12、熱電子放出部14、磁場發生器16、反射極18以及各種電源。在電漿生成裝置10的附近配置有用於從電弧室12的內部引出離子的抑制電極20及接地電極22。
磁場發生器16具有磁軛70、第1電磁線圈76以及第2電磁線圈78。磁軛70設置在電弧室12外，且設置成電弧室12位於磁軛70的第1磁極72與第2磁極74之間。例如，第1磁極72設置在陰極30側，第2磁極74設置在反射極18側。並且，磁軛70設置成在結合第1磁極72和第2磁極74的中心軸A上配置陰極30和反射極18。
在第1磁極72的周圍設置第1電磁線圈76，在第2磁極74的周圍設置第2電磁線圈78。第1電磁線圈76和第2電磁線圈78例如以第1磁極72成為N極，第2磁極74成為S極的方式被通電。由此，磁場發生器16向電弧室12的內部空間施加從第1磁極72朝向第2磁極74的磁場B。磁場發生器16在中心軸A附近，產生沿中心軸A方向的磁場B。另外，磁場發生器16可以在遠離中心軸A的位置，向從沿中心軸A方向稍微偏離的方向施加磁場。
另外，在以下的說明中，將藉由磁場發生器16生成的磁場B的施加方向稱為軸向，將與軸向正交的方向稱為徑向。因此，軸向可以稱為沿結合磁場發生器16的第1磁極72和第2磁極74的中心軸A的方向。
電弧室12具有大致長方體的箱型形狀。電弧室12由高熔點材料，具體而言，鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)等高熔點金屬或它們的合金、石墨(C)等構成。由此，即使在電弧室內成為比較高的高溫環境下亦能夠使電弧室不易熔 化。
電弧室12包括上面板12a、下面板12b以及側壁板12c。側壁板12c上形成有導入源氣體的氣體導入口24和作為引出離子束的開口部的前狹縫26。上面板12a上設置有熱電子放出部14，下面板12b上插通有反射極18。
電弧室12中，側壁板12c在軸向上延伸配置，上面板12a和下面板12b在軸向上對向配置。因此，亦能夠將從上面板12a朝向下面板12b的方向稱為軸向。另外，在以下的說明中，亦將電弧室12的內部稱為內側，將電弧室12的外部稱為外側。
熱電子放出部14向電弧室內放出熱電子，具有燈絲28和陰極30。熱電子放出部14插入到上面板12a的安裝孔12d，以與電弧室12絕緣的狀態被固定。
燈絲28藉由燈絲電源34被加熱，向前端產生熱電子。由燈絲28產生的1次熱電子由藉由陰極電源36產生的陰極電場被加速，而與陰極30撞擊，由藉由該撞擊產生的熱來加熱陰極30。被加熱的陰極30產生2次熱電子40，該2次熱電子40被藉由弧電源38施加到陰極30與電弧室12之間的弧壓加速。被加速的2次熱電子40係作為欲使氣體分子電離生成電漿而具有充份能量的束電子並向電弧室12中放出。
向電弧室12內放出的束電子，係在電弧室12內部被沿著軸向施加的磁場B束縛，沿磁場B螺旋狀運動。藉由使電子在電弧室12內螺旋狀運動，而在生成電漿42的 位置限制電子的運動，能夠提高電漿生成效率。另外，將生成電漿42的區域稱為“電漿生成區域”。該電漿生成區域相當於電弧室12的內部空間的至少一部分。
反射極18具有反射極板32。反射極板32設置在隔著生成電漿42的位置與熱電子放出部14在軸向上對向的位置，與陰極30對向而幾乎平行設置。反射極板32使電弧室內的電子反彈，使電子在生成電漿42的電漿生成區域滯留，從而提高電漿生成効率。
接著，參閱第2圖對熱電子放出部14的結構進行詳細敘述。第2圖係表示實施形態的熱電子放出部14的結構之剖面圖。
熱電子放出部14具備燈絲28、陰極30及熱反射器56。陰極30包括陰極罩50、隔熱條52及陰極保持器54。熱電子放出部14以不與電弧室12的上表面板12a接觸的方式與安裝孔12d隔開間隔插入到安裝孔12d，並固定到安裝板46。陰極30及熱反射器56為同電位，施加與電弧室12不同的弧電位。
陰極罩50是由燈絲28被加熱並向電弧室內放出熱電子的構件，例如由包括鎢(W)、鉭(Ta)、石墨(C)等的高熔點材料構成。陰極罩50為朝向電弧室12的內部空間在軸向上突出的實心構件。陰極罩50具有向電弧室12的內部空間露出的熱電子放出面50a、與燈絲28對向的熱流入面50b以及向徑向外側突出的凸緣50c。
陰極罩50具有相對於在軸向上延伸的中心軸(例如， 第1圖的中心軸A)旋轉對稱的形狀，具有隨著朝向電弧室12的內部，徑向寬度(例如，在凸緣50c附近位置相當於全寬w)變小的形狀。並且，陰極罩50具有軸向長度l成為徑向全寬w的1/2以上的形狀。陰極罩50例如具有如圖示的圓錐台形狀，具有長度l成為全寬w的0.5倍~0.9倍左右的形狀。
熱電子放出面50a由前表面50d和側面50e構成，前述前表面50d由與軸向正交的平面構成，前述側面50e由圓錐面構成。本實施形態中，熱電子放出面50a由和磁場B的施加方向即軸向呈交叉的方向的平面和曲面構成。尤其構成為陰極罩50的側面50e成為與軸向傾斜交叉的曲面。
熱流入面50b由與軸向正交的平面構成，且以與後述第3圖所示漩渦形狀的燈絲28間的距離成為恆定的方式配置。由此，陰極罩50藉由從燈絲28放出的1次熱電子被均勻地加熱。
凸緣50c設置在熱流入面50b的位置或者其附近。凸緣50c夾在隔熱條52與陰極保持器54之間被卡止。由此，陰極罩50固定在隔熱條52及陰極保持器54的端部，從隔熱條52及陰極保持器54的端部朝向電弧室12的內部空間突出。
隔熱條52為從電弧室12外朝向內在軸向上延伸的筒狀構件，是固定陰極罩50的構件。隔熱條52例如與陰極罩50的形狀對應具有圓筒形狀。隔熱條52例如由包括鎢 (W)和鉭(Ta)等的高熔點材料構成。
隔熱條52具有用於卡止陰極罩50的卡止端部52a以及用於安裝在設置於電弧室12外的安裝板46的安裝端部52b。安裝端部52b可以直接安裝於安裝板46，亦可以經由陰極保持器54間接安裝在安裝板46。亦即，隔熱條52在安裝端部52b可以固定於陰極保持器54。
隔熱條52為了使陰極罩50保持高溫狀態，希望具有熱絕緣性高的形狀，例如具有軸向上較長，壁厚較薄的形狀。藉由將隔熱條52設為這種形狀，陰極罩50與安裝板46之間的熱絕緣性得到提高。由此，藉由從燈絲28放出的熱電子被加熱的陰極罩50不容易經由隔熱條52向安裝板46散冷。
陰極保持器54為設置在隔熱條52內側的構件，是沿隔熱條52在軸向上延伸的筒狀構件。陰極保持器54例如由包括鎢(W)和鉭(Ta)等的高熔點材料構成。陰極保持器54具有用於按壓陰極罩50的固定端部54a以及用於安裝在安裝板46的安裝端部54b。陰極保持器54亦與隔熱條52相同地，希望設為軸向上較長，壁厚較薄的形狀。
燈絲28連接於2根引線電極44，經由絕緣部48被固定在設置於電弧室12外的安裝板46。第3圖係表示從電弧室的內部向軸向觀察時的燈絲28的形狀之俯視圖。如圖示，燈絲28將鎢金屬線彎曲成旋渦狀而形成。並且，如第2圖所示，燈絲28以與陰極罩50的熱流入面50b隔開規定距離對向的方式配置。
燈絲28設置在由陰極罩50、隔熱條52及陰極保持器54劃分的陰極30的內部。由此，將燈絲28從在電弧室12的內部空間生成的電漿隔離，防止燈絲28劣化。
熱反射器56設置在陰極罩50及隔熱條52的徑向外側，具有與隔熱條52的外周面52c對向且在軸向上延伸的筒狀形狀。熱反射器56例如由鎢(W)、鉭(Ta)、石墨(C)等高熔點材料構成。熱反射器56具有開口端部56a和連接端部56b，前述開口端部56a在陰極罩50的前表面50d附近向徑向外側延伸，前述連接端部56b在隔熱條52的安裝端部52b附近向徑向內側延伸而連接於隔熱條52。
熱反射器56反射來自成為高溫狀態的陰極罩50及隔熱條52的輻射熱，維持陰極罩50及隔熱條52的高溫。熱反射器56優選在軸向上延伸至與側面50e面對的位置，以便能夠反射來自陰極罩50側面50e的輻射熱。換言之，熱反射器56較好是比卡止陰極罩50的隔熱條52更朝向電弧室12的內部在軸向上延伸。熱反射器56例如較好是比陰極罩50的長度l成為1/2的位置更朝向電弧室12的內部在軸向上延伸。
並且，若比較陰極罩50與熱反射器56的配置，則陰極罩50的前端部比熱反射器56的端部更朝向電弧室12的內部突出。由此，能夠使從靠近陰極罩50的前端部的側面50e放出的熱電子有效地朝向電弧室12的內部放出。陰極罩50的突出量，亦即，從熱反射器56的開口端 部56a到陰極罩50的前端部為止的軸向長度lo為陰極罩50的軸向長度l的10%以上為較佳，15%~30%左右為更佳。
並且，熱反射器56希望在隔熱條52的安裝端部52b附近安裝在隔熱條52。換言之，熱反射器56希望安裝在遠離陰極罩50及隔熱條52的卡止端部52a的位置，隔熱條52藉由熱反射器56被覆蓋。這是因為，假如若將熱反射器56安裝在陰極罩50及隔熱條52的卡止端部52a附近，則由輻射熱產生的散熱使隔熱條52的溫度下降，陰極罩50的熱易散到隔熱條52，導致陰極罩50的溫度下降。
在具有以上結構的電漿生成裝置10中，陰極罩50藉由從燈絲28放出的熱電子被加熱，從熱電子放出面50a放出熱電子。從陰極罩50放出的熱電子藉由陰極30與電弧室12之間的弧壓被加速，作為束電子放出到電弧室12中。所放出的束電子在第1圖所示的陰極30與反射極18之間往複移動的同時，繪製沿軸向的磁場B的螺旋狀軌道來移動。
往複移動的束電子與導入到電弧室12的源氣體分子撞擊，使源氣體分子電離，向電弧室12內生成電漿42。束電子存在於藉由施加磁場B幾乎被限定的範圍，因此電漿主要在該範圍內生成。所生成的電漿內部的離子藉由擴散到達電弧室12的內壁、前狹縫26、陰極30以及反射極18。到達前狹縫26的離子通過作為引出電極的抑制電 極20及接地電極22被加速，被引出至電弧室12外。
作為源氣體，使用稀有氣體及氫(H2)和、磷化氫(PH3)、砷化氫(AsH3)等氫化物、三氟化硼(BF3)、四氟化緒(GeF4)等氟化物、三氯化銦(InCl3)等氯化物、包括三碘化銦(InI3)等碘化物等的鹵化物。並且，作為源氣體，亦可使用二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧(O2)等包括氧原子(O)的物質。這些源氣體通過氣體導入口24導入到電弧室12，藉由2次熱電子40被離子化。若被激發的離子入射到電弧室12的內壁、陰極30及反射極18並發生撞擊，則各部的構成原材料(W、Ta、Mo、石墨等)藉由濺射或化學蝕刻被磨耗。
作為源氣體使用包括氟原子或氧原子的物質的情況下，在電弧室內產生反應性較高的氟自由基或氧自由基。所產生的氟自由基或氧自由基使構成電漿生成裝置10的各部的構成原材料(W、Ta、Mo、石墨等)蝕耗。尤其在成為高溫的陰極30周邊，因氟自由基或氧自由基導致的蝕耗程度較大，向電弧室12的內部空間露出的陰極罩50的熱電子放出面50a隨著使用而逐漸損耗。若熱電子放出面50a被損耗，則很難穩定地生成電漿，因此需要更換損壞的陰極罩50等維修。若維修頻率增加，則導致電漿生成裝置10的運行效率下降，使用離子植入裝置的製程的生產率降低的同時，維修成本增加。
並且，藉由所產生的氟自由基或氧自由基被濺射飛散的物質附著在設置於電弧室12內部的各構成構件的表 面，作為W、Ta、Mo、C等熱傳導性較高的物質被堆積。若這種熱傳導性較高的物質附著在隔熱條52，則隔熱條52的厚度增加，熱絕緣性逐漸降低。由此，為了維持陰極罩50的溫度，不得不加大向燈絲28的投入電力。通常，由於燈絲電源34的電容存在上限，因此若隔熱條52的熱絕緣性降低，則即使將投入電力上調至上限值，亦有可能無法使陰極罩50維持所需的溫度。由此，需要更換隔熱條52等維修，電漿生成裝置10的運行效率降低。因此，優選能夠由更少的入熱量維持電漿生成所需的狀態，以便即使隔熱條52的熱絕緣性降低，亦充份加熱陰極罩50並放出熱電子。
本實施形態中，藉由將陰極罩50的長度l加厚至全寬w的1/2以上，能夠提高陰極罩50的耐久性。並且，藉由由與磁場B的施加方向(軸向)交叉的平面或曲面構成陰極罩50的熱電子放出面50a，將所放出的熱電子有效地供給至電弧室12內部。以下，利用比較例對在本實施形態中熱電子有效地供給至電弧室12內部的作用進行說明。
第4圖係表示比較例的熱電子放出部114的結構之剖面圖。熱電子放出部114中陰極130的陰極罩150由圓筒形狀構成，這一點與上述實施形態不同，但其他結構與上述實施形態相同。以下，以與上述實施形態的不同點為中心對比較例進行敘述。
陰極罩150與上述實施形態的陰極罩50不同，具有 圓筒形狀。換言之，陰極罩150具有在施加磁場B的軸向上徑向寬度w恆定的形狀。熱電子放出面150a由與軸向正交的平面即前表面150d以及在軸向上延伸的圓柱面即側面150e構成。側面150e為與軸向平行的曲面。
通常，電漿與構件表面相切的邊界上存在稱為電漿鞘層的區域。與電漿42相切的陰極罩150表面亦存在電漿鞘層。該電漿鞘層在熱電子放出面150a附近，產生與該表面垂直的方向的電場。從陰極罩150放出的熱電子藉由形成在熱電子放出面150a附近的電漿鞘層內的電場被加速。因此，從熱電子放出面150a放出的熱電子向與熱電子放出面150a垂直的方向被加速。例如，從前表面150d放出的熱電子如箭頭161所示，向軸向放出而朝向電弧室12的內部。
另一方面，從側面150e放出的熱電子如箭頭162所示向徑向外側放出。具有徑向速度成分的熱電子藉由軸向的磁場B受到洛倫茲力而在與軸向正交的面內進行圓周運動。其結果，從側面150e放出的熱電子與熱反射器56的內周面56c撞擊，或者如箭頭163所示回到陰極罩150與陰極罩150撞擊而消除。因此，從本比較例的陰極罩150的側面150e放出的熱電子的大部分並非朝向電弧室12的內部而是被消除，對於在電弧室12內的電漿的生成沒有幫助。
假如，若陰極罩150為在軸向上較薄的形狀，則即使從側面150e放出的熱電子對電漿的生成沒有幫助亦不會 成問題。然而，若為了提高陰極罩150的耐久性而加大軸向的厚度，則側面150e在熱電子放出面150a所佔比例變大。若側面150e的面積變大則來自熱電子放出面150a的放射熱量增大，為了維持陰極罩150的溫度，所需的投入熱量增加。另一方面，由於可以進行有助於電漿生成的熱電子的放出的前表面150d的面積不變，因此相對於投入熱量的熱電子的放出量降低。亦即，若將陰極罩150直接以圓筒形狀加大軸向厚度，則向電弧室12內的熱電子的供給效率降低。
第5圖係示意地表示本實施形態的熱電子放出部14發揮的效果之圖。從陰極罩50的前表面50d放出的熱電子如箭頭61所示朝向電弧室12的內部。並且，從側面50e放出的熱電子具有與側面50e垂直的方向的初速度V0，具有徑向速度成分V1和軸向速度成分V2。從側面50e放出的熱電子藉由徑向速度成分V1引起的洛倫茲力進行圓周運動的同時向軸向以速度V2前進。因此，從側面50e放出的熱電子如箭頭62所示，能夠繪製沿磁場B的施加方向的螺旋軌道並朝向電弧室12的內部。本實施形態中，藉由以使側面50e相對於軸向傾斜的方式構成，能夠使從側面50e放出的熱電子朝向電弧室12的內部而有助於電漿的生成。
並且，依本實施形態，藉由將陰極罩50設為圓錐台形狀，與圓筒形狀的陰極罩150相比，能夠縮小熱電子放出面面積相對於陰極罩體積的比率(比表面積)。從熱電子 放出面流失的放射熱量與表面積大小成正比，因此與圓筒形狀的陰極罩150相比，在圓錐台形狀的陰極罩50中因放射熱導致的熱損失較小。結果，在將陰極罩50、150的體積設為相同的情況下，與比較例相比能夠降低維持適於熱電子放出的溫度所需的投入熱量。
並且，依本實施形態，藉由將陰極罩50設為圓錐台形狀，能夠縮小熱流入面50b中與燈絲28對向的中央部到熱電子放出面50a上的各地點為止的距離差。其結果，能夠降低從燈絲28輸入且傳遞到熱電子放出面50a上的各地點的熱量差，均勻地加熱熱電子放出面50a。由此，能夠抑制熱電子放出面50a的溫度不均，與比較例相比，能夠降低從熱電子放出面50a的整個面放出熱電子所需的投入熱量。
並且，依本實施形態，將陰極罩50、150的體積設為相同，將熱流入面50b、150b設為相同形狀的情況下，與比較例相比能夠加大軸向長度l。由此，能夠抑制加熱陰極罩50所需能量的增加的同時，提高陰極罩50的耐損耗性。尤其陰極罩50的中央部與靠近熱反射器56的周緣部相比，電漿密度較高，容易因電漿導致損耗。因此，藉由加大陰極罩50中央部的厚度，能夠有效地提高陰極罩50的耐久性。
綜上前述，依本實施形態，藉由將陰極罩50設為圓錐台形狀，能夠抑制加熱陰極罩50所需能量的同時，從側面50e放出的熱電子亦有助於電漿生成。並且，加大陰 極罩50中央部的軸向長度l，能夠提高陰極罩50的耐久性。因此，依本實施形態，能夠提高由陰極罩50引起的熱電子放出部14的裝置壽命的同時，提高電漿生成裝置10的電漿生成效率。
(變形例1)
第6圖係表示變形例的熱電子放出部214的結構之剖面圖。本變形例的陰極230具有半球形狀的陰極罩250，這點與上述實施形態不同。以下，以與上述實施形態的不同點為中心對本變形例進行說明。
陰極罩250具有熱電子放出面250a、熱流入面250b及凸緣250c。陰極罩250具有如圖示的半球形狀或者球體或者剪切旋轉橢圓體的一部分的形狀。因此，陰極罩250具有隨著朝向電弧室12的內部，徑向寬度w變小的形狀。熱電子放出面250a由球面或橢圓面等凸曲面構成，由與作為磁場B的施加方向的軸向交叉的方向的曲面構成。
本變形例亦能夠得到與上述實施形態相同的效果。例如，將比較例的陰極罩150的形狀設為直徑w=12mm，長度l=8mm的圓筒形狀的情況下，在與具有將旋轉橢圓體一分為二的形狀的比較例大致相同體積的陰極罩250，熱電子放出面250a的面積減少約7%。由此，在將電漿的生成條件設為相同的情況下，能夠降低約7%的加熱陰極罩250所需的能量。並且，相同條件的陰極罩250的長度l 與比較例相比增加約50%，因此能夠延長約50%的陰極罩250損耗的時間。
(變形例2)
第7圖係表示變形例的熱電子放出部314的結構之剖面圖。本變形例的陰極330具有在圓錐台的上表面附加凸曲面的形狀的陰極罩350，這點與上述實施形態不同。以下，以與上述實施形態的不同點為中心對本變形例進行說明。
陰極罩350具有圓錐台形狀的第1部分351、剪切球體的一部份的形狀的第2部分352。第1部分351具有與燈絲28對向的熱流入面350b、由圓錐面構成的側面350e、從熱流入面350b向徑向外側突出的凸緣350c。第2部分352具有由球面或者橢圓面等凸曲面構成的前表面350d。第1部分351的側面350e及第2部分352的前表面350d構成陰極罩350的熱電子放出面350a。
本變形例中，陰極罩350亦具有隨著朝向電弧室12的內部，徑向寬度w變小的形狀。並且，熱電子放出面350a由與作為磁場B的施加方向的軸向交叉的方向的曲面構成。因此，本變形例亦能夠得到與上述實施形態相同的效果。
(變形例3)
第8圖係表示變形例的熱電子放出部414的結構之剖 面圖。本變形例的陰極430具有側面450e相對於軸向的傾斜階段性變化的旋轉體形狀的陰極罩450，這點與上述實施形態不同。以下，以與上述實施形態的不同點為中心對本變形例進行說明。
陰極罩450具有圓筒形狀的第1部分451、圓錐台形狀的第2部分452及第3部分453。第1部分451、第2部分452及第3部分453依次朝向電弧室12的內部層疊。第1部分451具有與燈絲28對向的熱流入面450b、由圓柱面構成的第1側面451e、從熱流入面450b向徑向外側突出的凸緣450c。第2部分452具有由圓錐面構成的第2側面452e。第3部分453具有與第2側面452e傾斜度不同的第3側面453e及前表面450d。第1側面451e、第2側面452e及第3側面453e構成陰極罩450的側面450e。並且，前表面450d及側面450e構成陰極罩450的熱電子放出面450a。
在本變形例中，陰極罩450的一部分由具有徑向寬度w在軸向上恆定的圓筒形狀的第1部分451構成。作為圓柱面的第1側面451e係成為與磁場B的施加方向平行的曲面，因此如第4圖所示，有可能無法作為熱電子放出面而有效地發揮作用。另一方面，作為圓錐面的第2側面452e或第3側面453e與上述實施形態相同地，能夠作為熱電子放出面而有效地發揮作用。因此，若第1側面451e在熱電子放出面450a所佔的面積相對較小，換言之，若第2側面452e或第3側面453的面積相對較大， 則可以得到與上述實施形態相同的效果。為了得到這種效果，可以將第1部分451的長度l1設為陰極罩450的長度l的1/2以下，設為1/3以下為較佳。並且，設為圓筒形狀的第1部分451優選設置在靠近燈絲28的位置，亦即，遠離電弧室12的內部空間的位置。依本變形例，即使將陰極罩450局部性地設為圓筒形狀的情況下亦能夠得到提高電漿的生成効率及陰極罩450的耐久性的效果。
(變形例4)
第9圖係表示變形例的電漿生成裝置510的概略結構之圖。本變形例中，引出開口526設置在與熱電子放出部514對向的下面板512b，而非電弧室512的側壁板512c，這點與上述實施形態不同。以下，以與上述實施形態的不同點為中心對本變形例進行說明。
電漿生成裝置510具備電弧室512、熱電子放出部514、磁場發生器516、反射極板532、作為各種電源的燈絲電源534、陰極電源536及弧電源538。在電漿生成裝置510附近配置有作為引出電極的抑制電極520及接地電極522。
電弧室512具備在軸向上延伸的側壁板512c、設置在側壁板512c兩端的上面板512a及下面板512b。上面板512a的安裝孔512d上設置有熱電子放出部514。下面板512b上設置有用於從在電弧室12內部生成的電漿引出離子的引出開口526。
熱電子放出部514具備燈絲528、陰極530及熱反射器556。陰極530包括陰極罩550、陰極條552。陰極罩550與上述實施形態的陰極罩50相同地具有圓錐台形狀，具有由與軸向交叉的方向的平面及曲面構成的熱電子放出面。另外，如上述變形例那樣，陰極罩550可以具有圓錐台以外的形狀。
磁場發生器516設置在電弧室512的徑向外側，能夠向電弧室512內部產生軸向的磁場B。磁場發生器516具備螺線管線圈570。在電弧室512與螺線管線圈570之間設置有用於從電弧室512的放射熱保護螺線管線圈570的隔熱板560。
反射極板532設置在電弧室512的內部且與熱電子放出部514對向的位置。反射極板532例如在下面板512b附近遠離下面板512b而設置。反射極板532例如具有圓板形狀，在其中心部設置有與引出開口526連通的開口532a。
在具有以上結構的電漿生成裝置510中，陰極罩550由從燈絲528放出的熱電子加熱而放出熱電子。從陰極罩550放出的熱電子藉由陰極530與電弧室512之間的弧壓被加速，作為束電子向電弧室512中放出。所放出的束電子在陰極530與反射極板532之間進行往複移動的同時，繪製沿軸向的磁場B的螺旋狀軌道來移動。往複移動的束電子與電弧室512內部的源氣體分子撞擊，使源氣體分子電離而生成電漿。所生成的電漿內部的離子的一部分藉由 擴散到達引出開口526，通過作為引出電極的抑制電極520及接地電極522，向電弧室512外引出。
本變形例中，陰極罩550的熱電子放出面亦由與施加磁場B的軸向交叉的平面及曲面構成，因此與上述實施形態相同地，能夠提高熱電子的放出効率的同時，能夠提高陰極罩550的耐久性。因此，本變形例所示的向軸向引出離子的電漿生成裝置中，藉由採用上述的陰極罩250、350、450、550的形狀，亦能夠發揮與上述實施形態相同的效果。
以上，參閱上述實施形態對本發明進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態，對實施形態的結構進行適當組合或替換的形態亦包含在本發明中。並且，亦可以依據本領域技術人員的知識，適當地重新排列實施形態中的組合或處理的順序，或者對實施形態加以各種設計變更等變形，這種變形的實施形態亦包含在本發明的範圍內。
上述實施形態及變形例中，示出將陰極罩設為旋轉對稱形狀的情況。在進一步的變形例中，可以使用非旋轉對稱形狀的陰極罩。例如，作為陰極罩的側面可以使用與軸向傾斜交叉的複數個平面，來代替圓錐面。更具體而言，作為陰極罩的側面，可以使用多角錐面等。
上述實施形態及變形例中，示出由圓錐面或球面等構成陰極罩的側面的情況。進一步的變形例中，只要是徑向寬度朝向電弧室的內部變小的形狀，熱電子放出面可以為具有任意曲率或形狀的曲面。例如，熱電子放出面可以為 凸曲面，亦可以為凹曲面，還可以為這些的組合。
上述實施形態及變形例中，示出了電弧室12形成為大致長方體形狀的情況。進一步的變形例中，電弧室可以為大致球體形狀，亦可以為圓筒形狀或多角柱形狀。在電弧室為筒形狀的情況下，電弧室的側面可以以在軸向上延伸的方式設置，在與軸向對向的開口端各自上設置熱電子放出部和反射極。
上述實施形態及變形例中，示出了陰極30的至少一部分配置在電弧室12內部的結構。進一步的變形例中，陰極可以設置在電弧室外，而不是設置在電弧室內部。例如，電弧室為筒形狀的情況下，陰極可以配置在從電弧室的開口端向電弧室的外側遠離的位置。在該情況下，亦構成為，陰極罩以朝向電弧室內部突出的方式設置，而向電弧室內部供給熱電子。
10‧‧‧電漿生成裝置
12‧‧‧電弧室
12a‧‧‧上面板
12b‧‧‧下面板
12c‧‧‧側壁板
12d‧‧‧安裝孔
14‧‧‧熱電子放出部
16‧‧‧磁場發生器
18‧‧‧反射極
20‧‧‧抑制電極
22‧‧‧接地電極
24‧‧‧氣體導入口
26‧‧‧前狹縫
28‧‧‧燈絲
30‧‧‧陰極
32‧‧‧反射極板
34‧‧‧燈絲電源
36‧‧‧陰極電源
38‧‧‧弧電源
40‧‧‧熱電子
42‧‧‧電漿
70‧‧‧磁軛
72‧‧‧第1磁極
74‧‧‧第2磁極
76‧‧‧第1電磁線圈
78‧‧‧第2電磁線圈
A‧‧‧中心軸
B‧‧‧磁場

Claims (15)

  1. 一種電漿生成裝置，其特徵為，具備：電弧室，內部具有生成電漿的電漿生成區域；磁場發生器，向前述電漿生成區域施加磁場；以及陰極，在沿著施加到前述電漿生成區域的前述磁場的施加方向的軸向上延伸，且在其前端設置有放出熱電子的陰極罩，前述陰極罩具有朝向前述電弧室的內部在前述軸向上突出，且隨著朝向前述電弧室的內部，與前述軸向正交的徑向寬度變小的形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿生成裝置，其中，前述陰極罩具有向前述電弧室的內部空間露出的熱電子放出面，前述熱電子放出面包括與前述軸向傾斜交叉的曲面及平面中至少一方。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電漿生成裝置，其中，前述熱電子放出面包括球面或者橢圓面。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之電漿生成裝置，其中，前述熱電子放出面包括圓錐面。
  5. 如申請專利範圍第2或3項所述之電漿生成裝置，其中，前述熱電子放出面具有在前述軸向上延伸的圓柱面， 前述圓柱面的前述軸向長度為前述陰極罩的前述軸向長度的1/2以下。
  6. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電漿生成裝置，其中，前述陰極罩為相對於在前述軸向上延伸的中心軸旋轉對稱的形狀。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電漿生成裝置，其中，前述陰極罩具有在圓錐台的上表面附加凸曲面的形狀。
  8. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電漿生成裝置，其中，前述陰極罩的前述軸向長度為前述徑向寬度的1/2以上。
  9. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電漿生成裝置，其中，前述電漿生成裝置還具備筒狀熱反射器，前述熱反射器設置在前述陰極罩的徑向外側，且在前述軸向上延伸。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電漿生成裝置，其中，前述熱反射器比前述陰極罩的前述軸向長度成為1/2的位置更朝向前述電弧室的內部在軸向上延伸。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電漿生成裝置，其中， 從前述熱反射器的端部到前述陰極罩的前端部為止的前述軸向長度為前述陰極罩的前述軸向長度的10%以上。
  12. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電漿生成裝置，其中，前述電漿生成裝置還具備燈絲，前述燈絲設置在前述陰極的內部，藉由熱電子加熱前述陰極罩，前述陰極罩具有與前述燈絲對向的熱流入面，前述熱流入面由與前述軸向正交的平面構成。
  13. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電漿生成裝置，其中，在構成前述電弧室的壁面的一部分設置有向前述軸向貫穿前述壁面的安裝孔，前述陰極插通於前述安裝孔。
  14. 如申請專利範圍第1至3中任一項所述之電漿生成裝置，其中，前述電漿生成裝置還具備反射極，前述反射極設置在隔著前述電漿生成區域，與前述陰極和前述軸向對向的位置。
  15. 一種熱電子放出部，其用於向內部具有被施加磁場的電漿生成區域的電弧室內放出熱電子，其特徵為，具備：隔熱條，在沿著施加到前述電漿生成區域的前述磁場的施加方向的軸向上延伸；陰極罩，安裝在前述隔熱條的前端，向前述電弧室內 放出熱電子；以及燈絲，設置在前述隔熱條的內部，藉由熱電子加熱前述陰極罩，前述陰極罩具有朝向前述電弧室的內部在前述軸向上突出，且隨著朝向前述電弧室的內部，與前述軸向正交的徑向寬度變小的形狀。
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