TWI478199B - Ion gun and ion beam extraction method - Google Patents
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Description
本發明係關於離子槍,特別是有關整齊排列有複數之離子束引出孔的離子槍中的離子束之引出方法。
離子槍一般係使用於壓電元件之頻率調整裝置等,其原理是在離子槍內部產生電漿,對該電漿賦予線束射出方向之磁場,同時從電漿引出離子予以加速,藉此形成離子束。
專利文獻1揭示有一種離子槍,其係配置有複數個離子束引出孔,用於射出具有對應的電流密度峰值之離子束。
第1圖中,離子槍係包含:架設在一對燈絲電極之間的燈絲(陰極)10、具有與燈絲10平行的長邊方向之環狀的陽極20、具有複數個離子束引出孔31之柵極30、以及將陰極10及陽極20密閉於內部並且使複數個離子束引出孔31露出之本體40。陰極10和陽極20係構成電漿產生手段,而且連接在分別的電源(不圖示)。又,本體40係具備用於導入放電氣體之氣體導入口41。
第11A圖及第11B圖係習知技術中的陽極20周邊之側視圖及俯視圖。
如第11B圖所示,柵極30具有複數個離子束引出孔31,其係在陽極20的周緣被劃定之區域,排列於x軸方向。
關於離子槍之動作,首先將氬等放電氣體從氣體導入口41導入本體40內部。分別在燈絲10施加負電壓、在陽極20施加正電壓,藉由其電位差進行放電而產生電漿。從不圖示之電源對柵極30施加電壓時,藉由複數個離子束引出孔31從電漿引出離子予以加速,形成離子束。
如第11A圖及第11B圖所示,在離子束引出孔31的周圍配置有複數個第1磁鐵50,使S極朝向z軸正方向(離子束射出方向),使N極朝向z軸負方向。藉由該第1磁鐵50,在離子束引出孔31形成z軸正方向之磁場,提高電漿密度。
第11C圖係顯示上述離子槍之磁場分布者。
第11D圖係顯示此構成中的距離柵極面25mm之位置,亦即配置有處理基板的位置中的離子束之電流密度者。如圖示,各峰值係對應於各離子束引出孔31,相對於中心附近的電流密度峰值,端部側的電流密度峰值大幅減少。如此地,在第11A圖及第11B圖之構成中,會有變成離子束電流密度不均勻者之情形。
以下說明該問題之詳細情形。
為了在處理基板側獲得均勻的離子電流密度分布,有助於離子束射出之引出孔附近的電漿密度必須均勻。於具有如第1圖之構成的離子槍之情形,因為燈絲端部之散熱而形成凸型之(亦即,從中心部朝向外側之溫度低)溫度分布,電漿產生的及持續所必要之電子係隨著愈靠近陽極端部愈不足。
其結果係電漿密度如第12圖之曲線a所示,相對地,陽極中心之電漿密度高而隨著接近端部則有變低之傾向。該傾向在限定於有助於離子束射出之引出孔的區域之情形,可說是同樣的情形,如第11D圖,相對於中心附近的電流密度峰值,端部的電流密度變低。
對於如上述之問題,專利文獻2揭示有將複數燈絲配置於長邊方向,利用各電源個別控制各燈絲之構成。該構成係複數燈絲之中的端部側之燈絲會消耗大量電力,使對應之端部側的離子束之電流密度增大。
[專利文獻1]日本特開2006-100205號公報
[專利文獻2]日本特開2007-311118號公報
但是,根據如專利文獻2之構成,為了使離子束端部之電流密度增加以謀求電流密度均勻化,必須大幅地增加在端部側燈絲通電之電力,因而消耗電力增大而不佳。又,必須使複數電源對應於複數燈絲設置,因而有離子槍之構成複雜化、大型化並且變成高成本者之問題。
因此,針對整齊排列有複數個離子束引出孔的離子槍,期待不改變對燈絲之電力供給態樣即可解決端部側離子束之電流密度變小的問題。
本發明之第1側面係一種離子槍,其係具備由陰極及陽極所構成的電漿產生手段、以及從電漿引出離子束的柵極者;柵極係於長邊方向具有複數或一連串的離子束引出孔;以複數或一連串的離子束引出孔之中心部為原點,以長邊方向為x軸方向,以離子束射出方向為z軸正方向;進一步具備:第1磁鐵,其係配置在複數或一連串的離子束引出孔之周邊,對該複數或一連串的離子束引出孔賦予z軸正方向之磁場;及第2磁鐵,其係配置於複數或一連串的離子束引出孔之端部,對該端部附近賦予x軸原點方向之磁場。
其中,將垂直於x軸及z軸之軸作為y軸,至少4個第2磁鐵,係配置於包圍複數或一連串的離子束引出孔之x軸對稱位置及y軸對稱位置,第2磁鐵各個被配置成S極朝向x軸原點方向、N極朝向該x軸原點方向之逆方向。
本發明之第2側面係一種離子束之引出方法,其係整齊排列有複數個離子束引出孔的離子槍中的離子束之引出方法,包含:(A)在離子槍內部產生電漿的步驟;及(B)藉由第1磁鐵朝該複數個離子束引出孔的離子束射出方向(z軸正方向)賦予磁場,並且藉由第2磁鐵賦予從該複數個離子束引出孔的端部朝中心部方向(x軸原點方向)之磁場,施加電壓至形成有該複數個離子束引出孔之柵極以引出離子予以加速的步驟。
在整齊排列有複數個離子束引出孔的離子槍中,由於藉由磁力線分布之改良而解決了端部側之離子束電流密度變小的問題,因此不必增加消耗電力即可藉由簡單且便宜的方法有效地謀求離子束電流密度之均勻化。
第2A圖及第2B圖顯示第1實施例的離子槍之陽極20周邊之圖。此外,本發明之離子槍中的燈絲(陰極)10、柵極30、本體40及第1磁鐵50的構成和前述第1圖、第11A圖及11B所示者同樣,因此省略說明。
如第2A圖及第2B圖所示,本實施例之離子槍進一步具備4個第2磁鐵60在x軸及y軸呈對稱。第2磁鐵60之各個被配置成S極朝向x軸原點方向、N極朝向該x軸原點方向之逆方向,對離子束引出孔31的端部(陽極20的端部)附近賦予x軸原點方向的磁場。又,為了方便說明而設置4個第2磁鐵60,但亦可設8個、12個等。
第2C圖係顯示上述離子槍之磁場分布者。如圖示,藉由第2磁鐵60的作用,使複數個離子束引出孔31的端部附近(x軸±30~45mm)之磁力線朝向離子束引出孔31中央部(x軸原點方向),朝向其內側之磁場能有助於提高端部附近之電漿密度以引出離子束。
但是,眾所周知一樣的磁場中的電漿中之電子係如第3圖(a)所示,沿著磁力線進行螺旋運動。若要使離子電流密度分布均勻,只要電漿密度分布如第12圖的線b所示,僅在引出孔區域為均勻即可。本實施例中,藉由將第2磁鐵60配置成如第2A圖及第2B圖的方式,如第3圖(b)使陽極端部的磁力線朝向內側,隨之使端部的電子朝向引出孔區域,藉此調整引出孔區域之電漿密度。
第2D圖係顯示上述構成中的距離柵極面25mm之位置,亦即配置有處理基板的位置中的離子束之電流密度者。第2D圖中也是電流密度的峰值對應於各離子束引出孔31。與第11D圖比較而得知,獲得離子束端部側的電流密度峰值和中央部的電流密度峰值大致相同程度,且離子束電流密度涵蓋x軸方向大致均勻者。
此外,上述實施例1中顯示第2磁鐵60的最佳配置,但只要第2磁鐵60對離子束引出孔31的端部(陽極20的端部)附近之電漿,能賦予x軸原點方向之磁場,則其他配置亦可。
例如,如第4A圖及第4B圖所示,亦可將第2磁鐵60配置在柵極30外側。此構成亦可達到同樣的作用、效果。
第5A圖及第5B圖顯示本發明之第2實施例。實施例1係使用永久磁鐵作為第2磁鐵60,但本實施例係使用電磁鐵。第5A圖及第5B圖中,第2磁鐵60係於磁性材料的芯材捲繞線圈(斜線部),藉由從電源(不圖示)對其通電的方式使磁力產生者。此外,本實施例亦為第2磁鐵60之中心側為S極、另一側為N極。
在該構成中亦可獲得與上述實施例1同樣之效果。
此處,針對陽極20予以補充。第6圖(a)~(d)係顯示陽極形狀(皆為俯視圖)之變化者。第6(a)圖係如第2B圖所示之環狀型者,但其他還有如(b)沿著長邊方向分割者,如(c)形者,如(d)沿著寬度方向分割等者。且,不限於方形,也可以是橢圓形。此外,不設陽極20,將本體40本身作為陽極亦可。
又,針對複數個離子束引出孔31予以補充。第7圖(a)~(e)係顯示複數個離子束引出孔31的變化者。如此地,除了第2B圖(亦即,第7圖(d))所示者以外,離子束31可取得各種形態。本說明書及申請專利範圍所說的「複數個離子束引出孔」,係包含上述例示之所有的態樣及其類似態樣。
第8A圖及第8B圖係針對第2磁鐵60,使N極朝向x軸原點方向、使S極朝向該x軸原點方向之逆方向所配置而成者(與第2A圖及第2B圖之極性相反)。藉此在離子束引出孔31的端部附近賦予x軸外側方向之磁場。
如第8C圖所示,藉由第2磁鐵60使複數個離子束引出孔31的端部附近之磁場朝向離子束引出孔31的外側。
如第8D圖所示,徒使離子束電流密度其不均勻性增加、或者電流密度全體地被消減。
第9A圖及第9B圖係針對第2磁鐵60,使S極朝向z軸正方向、使N極朝向該z軸正方向之逆方向所配置而成者。藉此,如第9C圖所示,在離子束引出孔31的端部附近賦予z軸正方向的磁場。該構成之概念(亦即,不是改變磁場的向量的方向而是改變大小的概念)係類似使專利文獻2的端部側燈絲之電力增大者。
如第9D圖所示,其離子束電流密度相較於第11D圖的,全體上較高,但其不均勻性大部分未消除。
從上述參考例1及2,得知針對第2磁鐵的配置,各實施例所示者為佳。特別是本發明之磁場方向改善之手法相較於如專利文獻2之磁場強化之手法,消除離子束電流分布不均勻的效果高。
上述電施例1及2係固定第2磁鐵60者,但本實施例除了依循參考例1及2以外,尚顯示其設置角度為可變者。
第2磁鐵60各個對z軸方向之設置角度為可變,可調整對x軸原點方向之磁場。具體而言,如果第2磁鐵60對z軸方向設置成90°時的x軸原點方向的磁場過強時,如第10A圖所示,只要將第2磁鐵60對z軸方向的角度調整到小於90°即可。
藉此,可調整離子束電流密度之特別是端部側之峰值,而可謀求電流密度更嚴密之均勻化。
此外,4個第2磁鐵60的設置角度為連動者亦可,位於x軸對稱位置、y軸對稱位置或對角位置之成對連動者亦可,4個設置角度可各自調整者亦可。
其中,若第2磁鐵60之設置角度為離子束射出中可從外部調整者,則射束照射中可調整而更佳。
第10B圖係該情形下之離子束引出方法的流程圖。
步驟S100中,從氣體導入口41導入氬等放電氣體,在燈絲(陰極)10施加負電壓、在陽極20施加正電壓,藉由其間之放電產生電漿。
步驟S110中,於藉由第1磁鐵50在z軸正方向、藉由第2磁鐵60在x軸原點方向賦予磁場之狀態下,在柵極30施加電壓而從電漿引出離子予以加速。
於此時點,離子束電流密度的端部側峰值較中央部峰值高的情形下,在步驟S120中,調整第2磁鐵60的設置角度,以調整電流密度峰值分布。又,若第2磁鐵60為電磁鐵,亦可調整線圈通電之電流,獲得所要的電流密度峰值分布。
此外,各圖並不一定是原尺寸。
10‧‧‧燈絲(陰極)
20‧‧‧陽極
30‧‧‧柵極
31‧‧‧離子束引出孔
40‧‧‧本體
41‧‧‧氣體導入口
50‧‧‧第1磁鐵
60‧‧‧第2磁鐵
第1圖係本發明及習知例之離子槍之說明圖。
第2A圖係顯示本發明之第1實施例之圖。
第2B圖係顯示本發明之第1實施例之圖。
第2C圖係本發明之第1實施例之說明圖。
第2D圖係本發明之第1實施例之說明圖。
第3圖係本發明之原理之說明圖。
第4A圖係本發明之第1實施例之補充圖。
第4B圖係本發明之第1實施例之補充圖。
第5A圖係顯示本發明之第2實施例之圖。
第5B圖係顯示本發明之第2實施例之圖。
第6圖係本發明之補充圖。
第7圖係本發明之補充圖。
第8A圖係顯示參考例1之圖。
第8B圖係顯示參考例1之圖。
第8C圖係顯示參考例1之圖。
第8D圖係參考例1之說明圖。
第9A圖係顯示參考例2之圖。
第9B圖係顯示參考例2之圖。
第9C圖係顯示參考例2之圖。
第9D圖係參考例2之說明圖。
第10A圖係顯示本發明之第3實施例之圖。
第10B圖係說明本發明之第3實施例之流程圖。
第11A圖係顯示習知例之圖。
第11B圖係顯示習知例之圖。
第11C圖係習知例之說明圖。
第11D圖係習知例之說明圖。
第12圖係一般的離子槍之說明圖。
Claims (3)
- 一種離子槍,其係具備由陰極及陽極所構成的電漿產生手段、以及從電漿引出離子束的柵極者,該柵極係於長邊方向具有複數或一連串的離子束引出孔,以該複數或一連串的離子束引出孔之中心部為原點,以該長邊方向為x軸方向、以離子束射出方向為z軸正方向,進一步具備:第1磁鐵,其係配置在該複數或一連串的離子束引出孔之周邊,對該複數或一連串的離子束引出孔賦予z軸正方向之磁場;及第2磁鐵,其係配置於該複數或一連串的離子束引出孔之長邊方向端部,對該端部附近賦予x軸原點方向之磁場,提高該端部附近的電漿密度。
- 如申請專利範圍第1項之離子槍,其中,將垂直於x軸及z軸之軸作為y軸,至少4個前述第2磁鐵,係配置於包圍前述複數或一連串的離子束引出孔之x軸對稱位置及y軸對稱位置,該第2磁鐵各個被配置成S極朝向x軸原點方向、N極朝向該x軸原點方向之逆方向。
- 一種離子束之引出方法,其係整齊排列有複數個離子束引出孔的離子槍中的離子束之引出方法,包含:(A)在該離子槍內部產生電漿的步驟;及 (B)藉由第1磁鐵朝該複數個離子束引出孔的離子束射出方向(z軸正方向)賦予磁場,並且藉由第2磁鐵賦予從該複數個離子束引出孔的端部朝中心部方向(x軸原點方向)之磁場,施加電壓至形成有該複數個離子束引出孔之柵極以引出離子予以加速的步驟。
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