説明

イオンガン及びイオンビームの引出し方法

【課題】複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、イオンビーム電流密度を均一にする。
【解決手段】カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えたイオンガンにおいて、グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、長手方向をx軸方向、イオンビーム出射方向をz軸正方向として、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、複数又は一連のイオンビーム引出し孔にz軸正方向の磁場を与える第1の磁石、及び複数又は一連のイオンビーム引出し孔の端部に配置され、端部付近にx軸原点方向の磁場を与える第2の磁石をさらに備える構成とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はイオンガンに関し、特に、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおけるイオンビームの引出し方法に関する。
【背景技術】
【0002】
イオンガンは一般に圧電素子の周波数調整装置等に使用され、その原理として、イオンガン内部にプラズマを生成し、そのプラズマにビーム出射方向の磁場を与えつつプラズマからイオンを引き出して加速し、それによってイオンビームが形成される。
特許文献1には、複数のイオンビーム引出し孔が配置され、対応する電流密度ピークを持つイオンビームを出射するイオンガンが開示されている。
【0003】
図1において、イオンガンは一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメント(カソード)10、フィラメント10に平行な長手方向を有する環状のアノード20、複数のイオンビーム引出し孔31を有するグリッド30、並びにフィラメント10及びアノード20を内部に密閉するとともに複数のイオンビーム引出し孔31を露出させる本体40からなる。カソード10とアノード20がプラズマ生成手段を構成し、それぞれの電源(不図示)に接続されている。また、本体40は放電ガスを導入するためのガス導入口41を備える。
【0004】
図11A及び11Bは従来技術におけるアノード20周辺の側面図及び上面図である。
図11Bに示すように、グリッド30は、アノード20の周縁で画定される領域にx軸方向に配列される複数のイオンビーム引出し孔31を有する。
【0005】
イオンガンの動作について、まず、ガス導入口41からアルゴン等の放電ガスが本体40の内部に導入される。フィラメント10に負電圧、アノード20に正電圧がそれぞれ印加され、その電位差によって放電が行なわれてプラズマが生成される。グリッド30に図示しない電源から電圧が印加されると、複数のイオンビーム引出し孔31によってプラズマからイオンが引き出され加速され、イオンビームが形成される。
【0006】
図11A及び11Bに示すように、イオンビーム引出し孔31の周囲には、S極をz軸正方向(イオンビーム出射方向)に、N極をz軸負方向に向けた複数の第1の磁石50が配置されている。この第1の磁石50によって、イオンビーム引出し孔31におけるz軸正方向の磁場を形成し、プラズマ密度を高めている。
【0007】
図11Cは上述したイオンガンの磁場分布を示すものである。
図11Dはこの構成における、グリッド面から25mmの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図示するように、各ピークはイオンビーム引出し孔31に対応し、中心付近の電流密度ピークに対して端部側の電流密度ピークが大きく減少してしまう。このように、図11A及び11Bの構成にはイオンビーム電流密度が不均一なものとなってしまうという問題があった。
【0008】
この問題の詳細を以下に説明する。
処理基板側において均一なイオン電流密度分布を得るには、イオンビームの射出に寄与する引き出し孔付近におけるプラズマ密度が均一である必要がある。図1のような構成を持つイオンガンの場合、フィラメント端部の放熱により凸型の(即ち、中心部から外側に向かって温度が低い)温度分布が形成されプラズマ生成のおよび持続に必要な電子がアノードの端部に向かうにつれて不足する。
その結果、プラズマ密度は図12の曲線aで示すように、相対的にアノード中心のプラズマ密度が高く端部に近づくにつれて低くなる傾向にある。この傾向は、イオンビームの射出に寄与する引き出し孔の領域に限定した場合においても同様のことが言え、図11Dのように中心付近の電流密度ピークに対して端部の電流密度が低くなってしまう。
【0009】
上記のような問題に対して、特許文献2には、複数のフィラメントを長手方向に配置し、それぞれのフィラメントを各電源で個別制御する構成が開示されている。この構成は、複数のフィラメントのうちの端部側のフィラメントにより多くの電力を消費させ、対応する端部側のイオンビームの電流密度を増大させるものである。
【特許文献1】特開2006−100205号公報
【特許文献2】特開2007−311118号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかし、特許文献2のような構成によると、イオンビーム端部の電流密度を増加させて電流密度の均一化を図るには端部側のフィラメントに通電する電力を大幅に増加させる必要があり、消費電力が増大し好ましくない。また、複数の電源を複数のフィラメントに応じて設置しなければならず、イオンガンの構成が複雑化・大型化するとともに、高コストなものとなってしまうという問題があった。
そこで、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、端部側のイオンビームの電流密度が小さくなってしまうという問題を、フィラメントへの電力供給態様を変えずに解決することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の第1の側面は、カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えたイオンガンにおいて、グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、長手方向をx軸方向、イオンビーム出射方向をz軸正方向として、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、複数又は一連のイオンビーム引出し孔にz軸正方向の磁場を与える第1の磁石、及び複数又は一連のイオンビーム引出し孔の端部に配置され、端部付近にx軸原点方向の磁場を与える第2の磁石をさらに備えたイオンガンである。
【0012】
ここで、x軸及びz軸に垂直な軸をy軸として、少なくとも4個の第2の磁石が、複数又は一連のイオンビーム引出し孔を囲むx軸対称位置及びy軸対称位置に配置され、第2の磁石各々が、S極をx軸原点方向に、N極をその逆方向に向けて配置される構成とした。
【0013】
本発明の第2の側面は、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおけるイオンビームの引出し方法であって、(A)イオンガン内部にプラズマを生成するステップ、及び(B)第1の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔のイオンビーム出射方向(z軸正方向)に磁場を与えるとともに、第2の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔の端部から中心部方向(x軸原点方向)への磁場を与え、該複数のイオンビーム引出し孔が形成されたグリッドに電圧を印加してイオンを引き出し加速するステップからなるイオンビームの引出し方法である。
【発明の効果】
【0014】
複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、端部側のイオンビーム電流密度が小さくなってしまうという問題を磁力線の分布の改良によって解決したので、消費電力を増加させずに簡素かつ安価な方法によって効果的にイオンビーム電流密度の均一化を図ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
実施例1.
図2A及び2Bに第1の実施例のイオンガンにおけるアノード20周辺の図を示す。なお、本発明のイオンガンにおけるフィラメント(カソード)10、グリッド30、本体40及び第1の磁石50の構成は前述した図1、図11A及び11Bに示したものと同様であるので説明を省略する。
【0016】
図2A及び2Bに示すように、本実施例のイオンガンはさらに4個の第2の磁石60をx軸及びy軸に対称に備える。第2の磁石60の各々は、S極をx軸原点方向に、N極をその逆方向にして配置され、イオンビーム引出し孔31の端部(アノード20の端部)付近にx軸原点方向の磁場を与える。また、説明の便宜上、4個の第2の磁石60を設けたが、8個、12個等とすることもできる。
【0017】
図2Cは上述したイオンガンの磁場分布を示すものである。図示するように、第2の磁石60の作用によって複数のイオンビーム引出し孔31の端部付近(x軸±30〜45mm)での磁力線がイオンビーム引出し孔31中央部(x軸原点方向)に向けられ、この内側に向いた磁場は端部付近におけるプラズマ密度を高めイオンビームの引出しに寄与することができる。
【0018】
ところで、一様な磁場におかれたプラズマ中の電子は、図3(a)に示すように磁力線に沿って螺旋運動を行うことがよく知られている。イオン電流密度分布を均一にする場合、プラズマ密度の分布は図12の線bに示すように引き出し孔の領域のみにおいて均一であればよい。本実施例では、第2の磁石60を図2A及び図2Bのように配置することによって、図3(b)のようにアノード端部の磁力線が内側に向けられ、それに伴い端部の電子が引き出し孔の領域に向けられることで、引き出し孔の領域のプラズマ密度を調整している。
【0019】
図2Dは上記構成における、グリッド面から25mmの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図2Dにおいても、電流密度のピークが各イオンビーム引出し孔31に対応している。図11Dと比較して分かるように、イオンビーム端部側の電流密度ピークが中央部の電流密度ピークとほぼ同レベルとなり、イオンビーム電流密度がx軸方向にわたってほぼ均一なものとすることができた。
【0020】
なお、上記実施例1では第2の磁石60の最も好適な配置を示したが、第2の磁石60はイオンビーム引出し孔31の端部(アノード20の端部)付近のプラズマにx軸原点方向の磁場を与えることができれば他の配置としてもよい。
例えば、図4A及び4Bに示すように、第2の磁石60をグリッド30の外側に配置してもよい。この構成においても同様の作用・効果を奏することができる。
【0021】
実施例2.
図5A及び5Bに本発明の第2の実施例を示す。実施例1では第2の磁石60に永久磁石を用いたが、本実施例では電磁石を用いる。図5A及び5Bにおいて、第2の磁石60は、磁性材料の芯にコイル(斜線部)が巻かれ、これに電源(不図示)から通電することによって磁力を発生させるものである。なお、本実施例でも第2の磁石60は中心側がS極、他方がN極となっている。
この構成においても、上記実施例1と同様の効果が得られる。
【0022】
ここで、アノード20について補足する。図6(a)〜(d)はアノードの形状(いずれも上面図)のバリエーションを示すものである。図6(a)は図2Bに示した環状タイプのものであるが、他にも(b)のように長手方向に分割したもの、(c)のようにコの字形のもの、(d)のように幅方向に分割したもの等がある。また、方形に限らず楕円形でもよい。なお、アノード20を設けずに、本体40自体をアノードとしてもよい。
【0023】
また、複数のイオンビーム引出し孔31について補足する。図7(a)〜(e)は複数のイオンビーム引出し孔31のバリエーションを示すものである。このように、図2B(即ち、図7(d))に示すものの他に、イオンビーム31は様々な形態をとり得る。本明細書及び特許請求の範囲で言う「複数のイオンビーム引出し孔」とは上記に例示した全ての態様及びその類似の態様を含む。
【0024】
参考例1.
図8A及び8Bは第2の磁石60について、N極をx軸原点方向に、S極をその逆方向にして配置したものである(図2A及び2Bと極性が逆である)。これによりイオンビーム引出し孔31の端部付近ではx軸外側方向の磁場が与えられる。
図8Cに示すように、第2の磁石60によって複数のイオンビーム引出し孔31の端部付近での磁場がイオンビーム引出し孔31の外側に向けられる。
図8Dに示すように、イオンビーム電流密度はその不均一性が増すばかりか、電流密度が全体的に減殺されてしまう。
【0025】
参考例2.
図9A及び9Bは第2の磁石60について、S極をz軸正方向に、N極をその逆方向にして配置したものである。これにより、図9Cに示すように、イオンビーム引出し孔31の端部付近ではz軸正方向の磁場が与えられる。この構成の概念(即ち、磁場のベクトルの向きではなく大きさを変える概念)は特許文献2の端部側フィラメントの電力を増大させるものと類似する。
図9Dに示すように、そのイオンビーム電流密度は図11Dのものと比べて全体的に高くなっているものの、その不均一性はほとんど解消されていない。
【0026】
上記参考例1及び2より、第2の磁石の配置については、各実施例に示したものが好適であることが分かる。特に、本発明の磁場方向の改善による手法は、特許文献2のような磁場強化による手法よりも、イオンビーム電流分布の不均一解消の効果が高いことが分かる。
【0027】
実施例3.
上記実施例1及び2では第2の磁石60を固定のものとしたが、本実施例では参考例1及び2を踏まえた上で、その設置角度を可変とするものを示す。
第2の磁石60各々のz軸方向に対する設置角度を可変とし、x軸原点方向への磁場を調整することができる。具体的には、第2の磁石60をz軸方向に対して90°に設置した場合のx軸原点方向の磁場が強すぎる場合は、図10Aに示すように、第2の磁石60のz軸方向に対する角度を90°よりも小さくすればよい。
【0028】
これにより、イオンビーム電流密度の特に端部側のピークを調整することができ、電流密度のより厳密な均一化を図ることができる。
なお、4個の第2の磁石60の設置角度が連動するものであってもよいし、x軸対称位置、y軸対称位置又は対角位置にある対が連動するものであってもよいし、4個の設置角度が個々に調整可能なものであってもよい。
【0029】
ここで、第2の磁石60の設置角度がイオンビーム出射中に外部から調整できるものであればビーム照射中の調整が可能となり、より好適である。
図10Bは、この場合のイオンビーム引出し方法のフローチャートである。
ステップS100において、ガス導入口41からアルゴン等の放電ガスが導入され、フィラメント(カソード)10に負電圧、アノード20に正電圧が印加され、この間の放電によりプラズマが生成される。
ステップS110において、第1の磁石50によってz軸正方向に、第2の磁石60によってx軸原点方向に磁場が与えられている状態で、グリッド30に電圧が印加されてプラズマからイオンが引き出され、加速される。
この時点でイオンビーム電流密度の端部側ピークが中央部ピークよりも高い場合、ステップS120において、第2の磁石60の設置角度が調整され、電流密度ピークの分布が調整される。また、第2の磁石60を電磁石とした場合は、所望の電流密度ピーク分布となるようにコイルに通電する電流を調整してもよい。
なお、各図は必ずしも寸法通りではない。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明及び従来例のイオンガンを説明する図である。
【図2A】本発明の第1の実施例を示す図である。
【図2B】本発明の第1の実施例を示す図である。
【図2C】本発明の第1の実施例を説明する図である。
【図2D】本発明の第1の実施例を説明する図である。
【図3】本発明の原理を説明する図である。
【図4A】本発明の第1の実施例を補足する図である。
【図4B】本発明の第1の実施例を補足する図である。
【図5A】本発明の第2の実施例を示す図である。
【図5B】本発明の第2の実施例を示す図である。
【図6】本発明を補足する図である。
【図7】本発明を補足する図である。
【図8A】参考例1を示す図である。
【図8B】参考例1を示す図である。
【図8C】参考例1を示す図である。
【図8D】参考例1を説明する図である。
【図9A】参考例2を示す図である。
【図9B】参考例2を示す図である。
【図9C】参考例2を示す図である。
【図9D】参考例2を説明する図である。
【図10A】本発明の第3の実施例を示す図である。
【図10B】本発明の第3の実施例を説明するフローチャートである。
【図11A】従来例を示す図である。
【図11B】従来例を示す図である。
【図11C】従来例を説明する図である。
【図11D】従来例を説明する図である。
【図12】一般的なイオンガンを説明する図である。
【符号の説明】
【0031】
10.フィラメント(カソード)
20.アノード
30.グリッド
31.イオンビーム引出し孔
40.本体
41.ガス導入口
50.第1の磁石
60.第2の磁石

【特許請求の範囲】
【請求項1】
カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えたイオンガンにおいて、
該グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、
該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、該長手方向をx軸方向、イオンビーム出射方向をz軸正方向として、
該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、該複数又は一連のイオンビーム引出し孔にz軸正方向の磁場を与える第1の磁石、及び
該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の端部に配置され、該端部付近にx軸原点方向の磁場を与える第2の磁石
をさらに備えたイオンガン。
【請求項2】
請求項1記載のイオンガンにおいて、x軸及びz軸に垂直な軸をy軸として、
少なくとも4個の前記第2の磁石が、前記複数又は一連のイオンビーム引出し孔を囲むx軸対称位置及びy軸対称位置に配置され、該第2の磁石各々が、S極をx軸原点方向に、N極をその逆方向に向けて配置されたイオンガン。
【請求項3】
複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおけるイオンビームの引出し方法であって、
(A)該イオンガン内部にプラズマを生成するステップ、及び
(B)第1の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔のイオンビーム出射方向(z軸正方向)に磁場を与えるとともに、第2の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔の端部から中心部方向(x軸原点方向)への磁場を与え、該複数のイオンビーム引出し孔が形成されたグリッドに電圧を印加してイオンを引き出し加速するステップ
からなるイオンビームの引出し方法。

【図1】
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【図2A】
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【図2B】
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【図2C】
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【図2D】
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【図3】
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【図4A】
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【図4B】
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【図5A】
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【図5B】
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【図6】
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【図7】
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【図8A】
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【図8B】
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【図8C】
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【図8D】
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【図9A】
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【図9B】
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【図9C】
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【図9D】
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【図10A】
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【図10B】
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【図11A】
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【図11B】
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【図11C】
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【図11D】
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【図12】
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【公開番号】特開2010−153096(P2010−153096A)
【公開日】平成22年7月8日(2010.7.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−327624(P2008−327624)
【出願日】平成20年12月24日(2008.12.24)
【出願人】(000146009)株式会社昭和真空 (72)
【Fターム(参考)】