專利名稱：離子源及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種所謂Bernus型離子源，具有一種其中在等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)提供燈絲和反射器的結(jié)構(gòu)，在連接燈絲和反射器的方向上施加磁場(chǎng)，本發(fā)明還應(yīng)用所述離子源的操作方法，更特別地涉及提高離子束中的分子離子比例的裝置。
例如，在日本專利未審公開(kāi)No.Hei.11-339674(JP-A-11-339674)中公開(kāi)了這種類型的離子源的一個(gè)實(shí)例。下面將參考圖3和4描述該專利。
這種離子源包括一種等離子體產(chǎn)生容器2，從作為陽(yáng)極的氣體進(jìn)口6向其中引入離子源氣體，在該等離子體產(chǎn)生容器2的一側(cè)上通過(guò)等離子體容器2的工作面前壁提供U型燈絲8，在等離子體產(chǎn)生容器2的另一側(cè)對(duì)著燈絲8提供反射器10(反射電極)。參考數(shù)字24和30表示絕緣體。
在等離子體容器2的工作面前壁上，在連接燈絲8到反射器10的方向上提供一種長(zhǎng)的離子導(dǎo)出狹縫4。在該離子導(dǎo)出狹縫4的出口附近，提供一個(gè)導(dǎo)出電極14，把離子束16從等離子體產(chǎn)生容器2內(nèi)導(dǎo)出(更具體地，從其中產(chǎn)生的等離子體12導(dǎo)出)。
在等離子體產(chǎn)生容器2外面，提供一個(gè)磁體18，在等離子體產(chǎn)生容器2內(nèi)的連接燈絲8到反射器10的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)19。例如，磁體18是一種電磁體，但是也可以是永久磁體。磁場(chǎng)19可以與圖中所述的方向相反。
在圖3中，為了方便地清楚表示與燈絲電源20的連接，標(biāo)明了燈絲8的方位。實(shí)際上，彎曲成U型的含有燈絲的面被排列成與離子導(dǎo)出狹縫基本平行，如圖4所示。
用于加熱燈絲8的燈絲電源20連接到燈絲8的兩側(cè)。在燈絲8的一端與等離子體產(chǎn)生容器2之間，連接電弧電源22，以便在燈絲9與等離子體產(chǎn)生容器2之間施加電弧電壓VA，在二者之間產(chǎn)生電弧放電，使離子源氣體電離以產(chǎn)生等離子體12。
反射器10用來(lái)反射從燈絲8發(fā)生出的電子，并且可以保持在浮動(dòng)電位，而不與任何地方相連，如所說(shuō)明的實(shí)施例中所述，或通過(guò)連接到燈絲8保持在燈絲電位。如果提供這樣的反射器10，在等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)施加的磁場(chǎng)19和電弧電壓VA電場(chǎng)的影響下，從燈絲8發(fā)射的電子在燈絲8和反射器10之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并在磁場(chǎng)19中繞磁場(chǎng)19的方向的軸向旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，增大了電子與氣體分子碰撞的概率，使得離子源氣體的電離化效率提高，因此導(dǎo)致等離子體12的更高產(chǎn)生效率。
傳統(tǒng)上，為了通過(guò)延長(zhǎng)燈絲8發(fā)射的電子直至其撞到等離子體產(chǎn)生容器2的工作面前壁上的壽命來(lái)提高等離子體的產(chǎn)生效率，通常設(shè)定在等離子體產(chǎn)生容器2內(nèi)的磁場(chǎng)19的磁通密度B，以便使在磁場(chǎng)19中電子的Larmor(拉莫爾)半徑R(見(jiàn)后面所述的數(shù)值表達(dá)式2)小于從幾乎位于燈絲8的尖部中心的最高頻率的電子發(fā)射點(diǎn)9到等離子體產(chǎn)生容器2的工作面前壁。
從離子源導(dǎo)出的離子束16除了含有單原子離子(如P+、As+)以外，還含有分子離子(如P2+、As2+)，這是一種類分子離子。例如，分子離子包括由兩個(gè)原子組成的雙原子離子，和由三個(gè)原子組成的三原子離子。
與單原子離子相比，分子離子具有下列優(yōu)點(diǎn)。即，(1)分子離子由于其比單原子離子發(fā)散性小，所以具有更高的傳輸效率，(2)因?yàn)楫?dāng)分子離子注入到靶上時(shí)，注入多個(gè)原子，所以，在相同束流的情況下，可以獲得幾乎多倍于單原子離子的注入量，和(3)相反，在相同注入量的情況下，分子離子具有較向的束流，因此，與單原子離子相比，在靶上入射更少量的電荷，從而預(yù)計(jì)具有抑制靶的電荷聚集(充電)的作用。
從這樣一種觀點(diǎn)來(lái)看，優(yōu)選的是在離子束中的分子離子的比例更高。因此，本發(fā)明的目的是提高離子束中的分子離子的比例。
建立根據(jù)本發(fā)明的離子源，使得假定施加在等離子體產(chǎn)生容器與燈絲之間的電弧電壓為VA[V]，等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)的磁場(chǎng)的磁通量密度為B[T]，從幾乎位于燈絲尖部中心的最高頻率電子發(fā)射點(diǎn)到等離子體產(chǎn)生容器的工作面前壁的最短距離為L(zhǎng)[m]，滿足下列表達(dá)式(1)的關(guān)系。
L＜3.37B-1√(VA)×10-6(1)
提出根據(jù)本發(fā)明的離子源的操作方法，來(lái)引出離子束，使得假設(shè)施加在等離子體產(chǎn)生容器與燈絲之間的電弧電壓為VA[V]，等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)的磁場(chǎng)的磁通量密度為B[T]，從幾乎位于燈絲尖部中心的最高頻率電子發(fā)射點(diǎn)到等離子體產(chǎn)生容器的工作面前壁的最短距離為L(zhǎng)[m]，滿足上述表達(dá)式1。
這種物理碰撞、分子解離、或電子、離子、原子和分子的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)產(chǎn)生的等離子體內(nèi)，經(jīng)常地重復(fù)分子離子的產(chǎn)生和消失。為了防止所產(chǎn)生的分子離子解離，降低能量超過(guò)幾個(gè)電子伏特的電子的存在幾率是有效的。
從在等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的燈絲發(fā)射的電子的Larmor半徑R可以用下列表達(dá)式(2)表示，這里，B和V如上所述，m是電子的質(zhì)量，e是電量。
R=B-1√(2mVA/e)3.37B-1√(VA)×10-6[m](2)即，表達(dá)式1的右側(cè)表示該電子的Larmor半徑R，從而表達(dá)式1可以寫成L＜R。如果建立該條件，那么就增大了高能量電子碰撞等離子體產(chǎn)生容器的工作面前壁并淬滅的幾率，使得由可能縮短高能量電子的壽命(存在幾率)，從而可以提供等離子體中分子離子的比例，如上所述。結(jié)果，可以提供離子束內(nèi)分子離子的比例。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的離子源的一個(gè)實(shí)施例的截面圖；圖2表示通過(guò)改變磁體線圈電流改變等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)的磁通量密度時(shí)，離子束內(nèi)顯著離子的電流比的測(cè)量結(jié)果的實(shí)例；圖3是表示傳統(tǒng)離子源的一個(gè)實(shí)例的截面圖；圖4時(shí)表示對(duì)應(yīng)于圖1和3的C-C截面，在等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)布置燈絲的一個(gè)實(shí)例的截面圖。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的離子源的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。在圖1、3和4中用相同的數(shù)字表示相同或類似的部件。所以，下面主要描述與傳統(tǒng)實(shí)例的不同點(diǎn)。
雖然本離子源的基本結(jié)構(gòu)與圖3所示的傳統(tǒng)實(shí)例相同，但是，建立本離子源，使得VA、B和L滿足上述表達(dá)式(1)的關(guān)系，假定施加在等離子體產(chǎn)生容器2與燈絲8之間的來(lái)自電弧電源22的電弧電壓為VA[V]，等離子體產(chǎn)生容器2內(nèi)由于磁體18產(chǎn)生的磁場(chǎng)19的磁通量密度為B[T]，從幾乎位于燈絲8尖部中心的最高頻率電子發(fā)射點(diǎn)9到等離子體產(chǎn)生容器2的工作面前壁的最短距離為L(zhǎng)[m]。這一點(diǎn)與圖3的傳統(tǒng)實(shí)例明顯不同。
換言之，在驅(qū)動(dòng)該離子源時(shí)，通過(guò)設(shè)定VA、B和L滿足上述表達(dá)式(1)的關(guān)系，引出離子束16。
最高頻率的電子發(fā)射點(diǎn)9幾乎位于U型燈絲8的尖部中心，因?yàn)樵撎帨囟茸罡?。但是，從燈絲8發(fā)射的電子除了電子的熱離子發(fā)射以外，還涉及由于等離子體12的離子濺射產(chǎn)生的電子發(fā)射。電子的熱離子發(fā)生最常見(jiàn)地發(fā)生在達(dá)到最高溫度的燈絲8的中心。由濺射產(chǎn)生的電子發(fā)射由于來(lái)自燈絲電源20的影響，最常見(jiàn)的是發(fā)生在從燈絲8的尖部中心略微偏向燈絲電源20的陰極一側(cè)的位置上。在這種影響下，最高頻率的電子發(fā)射點(diǎn)9可能從燈絲8的尖部中心略微偏向陰極一側(cè)(例如幾個(gè)毫米)。在本說(shuō)明書(shū)中，提及最高頻率的電子發(fā)射點(diǎn)9在燈絲8的尖部中心附近，包括這種情況。
例如，滿足上述表達(dá)式1的關(guān)系的具體方法是可以調(diào)節(jié)磁通量密度B。如果磁體18由電磁體構(gòu)成，那么這種調(diào)節(jié)容易進(jìn)行。
在滿足上述表達(dá)式1的關(guān)系的情況下，電子的Larmor半徑R大于最短距離L，從而使能量超過(guò)幾個(gè)eV的電子碰撞等離子體產(chǎn)生容器2的工作面前壁并消失的概率增大。所以，可以縮短具有高能量電子的壽命，因此可以提高在等離子體12中的分子離子的比例，如上所述。結(jié)果，可以提高離子束16中的分子離子的比例。此外，在利用分子離子時(shí)，有效利用上述優(yōu)點(diǎn)是有利的(1)改進(jìn)傳輸效率，(2)提供實(shí)際注入量，和(3)抑制電荷聚集。
由于上述關(guān)系，雖然降低了等離子體12的總產(chǎn)生效率，并且降低了離子束16的總量，但是，這可以通過(guò)增大等離子體12的輸入功率來(lái)補(bǔ)償，例如增大燈絲電流。用這種方法，可以增大離子束16的總量。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明，可以增大離子束16中的分子離子的比例，以便獲得更多的分子離子。
圖2表示當(dāng)磁體18是電磁體，且通過(guò)改變線圈電流來(lái)改變等離子體產(chǎn)生容器2內(nèi)的磁通量密度B時(shí)，在離子束16中的顯著離子的電流比的測(cè)量結(jié)果的實(shí)例?？v軸上的離子電流比表示顯著離子電流與總束流的比值。
在同一個(gè)圖中，三角形符號(hào)表示向等離子體產(chǎn)生容器12中引入PH3作為離子源氣體的實(shí)例，引出含有磷離子的離子束16。圓形符號(hào)表示引入AsH3的實(shí)例，引出含有砷離子的離子束16。
常規(guī)上，使用L＞R的區(qū)域，如上所述。但是，根據(jù)本發(fā)明，使用L＜R的區(qū)域，因此，與傳統(tǒng)的相比，可以更多地增大雙分子離子(P2+、As2+)的比例。相同的比例達(dá)到其接近50％的最大值。
如上所述，用本發(fā)明，如果滿足上述關(guān)系，具有高能量的電子碰撞燈離子產(chǎn)生容器的工作面前壁并淬滅的概率增大。因此，具有高能量的電子的壽命縮短，所以可以提高等離子體中的分子離子的比例。因此，可以提高離子束中的分子離子的比例。而且，在利用分子離子時(shí)，有效利用優(yōu)點(diǎn)(1)改進(jìn)傳輸效率，(2)增大實(shí)際注入量，和(3)抑制電荷聚集是有利的。
雖然已經(jīng)表明并描述了本發(fā)明目前優(yōu)選的實(shí)施方案，應(yīng)該理解本公開(kāi)的內(nèi)容是用于說(shuō)明的目的，可以進(jìn)行各種變化和修改而不離開(kāi)所附權(quán)利要求所提出的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1．一種離子源，包括作為陽(yáng)極的等離子體產(chǎn)生容器；在所述等離子體產(chǎn)生容器的一側(cè)提供的燈絲；在所述等離子體產(chǎn)生容器的另一側(cè)對(duì)著所述燈絲提供并保持在燈絲電位或浮動(dòng)電位的反射器；和用于在所述等離子體容器內(nèi)的連接所述燈絲和所述反射器的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體，其中，滿足關(guān)系L＜3.37B-1√(VA)×10-6這里，施加在所述等離子體產(chǎn)生容器與所述燈絲之間的電弧電壓為VA[V]，所述等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)的磁場(chǎng)的磁通量密度為B[T]，從幾乎位于所述燈絲尖部中心的最高頻率的電子發(fā)射點(diǎn)到等離子體產(chǎn)生容器的工作面前壁的最短距離為L(zhǎng)[m]。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中，所述離子源是Bernus型。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的離子源，其中，所述磁體是電磁體或永久磁體。
4．一種操作離子源的方法，所束離子源包括作為陽(yáng)極的等離子體產(chǎn)生容器、在所述等離子體產(chǎn)生容器的一側(cè)提供的燈絲、在所述等離子體產(chǎn)生容器的另一側(cè)對(duì)著所述燈絲提供并保持在燈絲電位或浮動(dòng)電位的反射器、和用于在所述等離子體容器內(nèi)的連接所述燈絲和所述反射器的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體，所述方法包括以滿足下列關(guān)系引出離子束的步驟L＜3.37B-1√(VA)×10-6這里，施加在所述等離子體產(chǎn)生容器與所述燈絲之間的電弧電壓為VA[V]，所述等離子體產(chǎn)生容器內(nèi)的磁場(chǎng)的磁通量密度為B[T]，從幾乎位于所述燈絲尖部中心的最高頻率的電子發(fā)射點(diǎn)到等離子體產(chǎn)生容器的工作面前壁的最短距離為L(zhǎng)[m]。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，所束離子源是Bernus型。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，所述磁體是電磁體或永久磁體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離子源，滿足關(guān)系L＜
文檔編號(hào)H01J27/08GK1312578SQ0110495
公開(kāi)日2001年9月12日 申請(qǐng)日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月25日
發(fā)明者山下貴敏 申請(qǐng)人:日新電機(jī)株式會(huì)社