イオン源
【課題】プラズマ生成容器に複数の被加熱体が設けられるイオン源において、安定した熱電子の放出が可能であり、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用時間を長くする。
【解決手段】イオン源は、ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたプラズマ容器と、このプラズマ容器と電気絶縁され、内部空間の内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、 一対の熱電子放出素子のそれぞれに電流を流す電源と、を有する。プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成される。
【解決手段】イオン源は、ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたプラズマ容器と、このプラズマ容器と電気絶縁され、内部空間の内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、 一対の熱電子放出素子のそれぞれに電流を流す電源と、を有する。プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源、例えば、半導体用イオン注入装置やＦＰＤ（Flat Panel Display）製造用イオン注入装置に用いるイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン源においてプラズマを発生させるとき、減圧環境下のプラズマ容器内に動作ガスを供給し、プラズマ容器内において、２０００℃以上に加熱したフィラメント等の被加熱体を、熱電子を放出するカソードとして用い、プラズマ容器内の導体層からなる内張り部材（ライナー）または容器自体をアノードとして用いる。上記カソードとアノードとの間には数十〜数百Ｖの電圧を印加してアーク放電を発生させて動作ガスを電離させる。
【０００３】
このようなプラズマを発生させてイオンビームを取り出すイオン源の運用中、プラズマ容器内ではプラズマ中のイオンの衝突によるスパッタと、プラズマ中の化学的活性種により浸食作用及び化学的気相反応が生じる。これにより、アノード、カソード及びプラズマ容器内表面が摩耗・浸食され、この摩耗・浸食した材質が、上記アノード、カソード及び容器内表面に堆積する。この摩耗・浸食と堆積がイオン源の運用中に頻繁かつ複雑に発生する。
また、カソードの上記摩耗・浸食によって熱電子の放出効率は変化するため、イオン源から取り出されるイオンビーム電流が安定しない場合も多い。この場合、カソードとして機能する被加熱体の加熱量を調整してイオンビーム電流が制御される。
【０００４】
下記特許文献１には、一対の対向する被加熱体であるフィラメントで単一のプラズマを発生させるイオン源が記載されている。
下記特許文献２には、プラズマ容器内に使用するフィラメント（被加熱体）と予備のフィラメント（被加熱体）とを設け、予備のフィラメントは、使用するフィラメントの寿命時に切り換えて使用することが記載されている。これによりフィラメントを交換するまでのイオン源の運用時間を長期間にできるとされている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７３５８０号公報
【特許文献２】特開平６−３４９４３３号公報
【０００６】
上記特許文献１に記載される、対向する一対の被加熱体であるフィラメントで単一のプラズマを発生させるイオン源では、一対のフィラメント間で発熱温度に偏りがあるためフィラメントの熱電子放出量が偏る場合が多い。この場合、被加熱体の発熱温度を計測し制御することが必要であるが、フィラメントは２０００℃以上の高温の発熱状態にあり、しかも、容器と被加熱体の間には数十〜数百Ｖの電位差があるため、温度を計測する計測センサを設けることは難しい。また、数〜数百ｍＡ以上と大きく変化させるイオンビーム電流を、被加熱体の加熱量の操作により制御しているので、発熱温度の偏りのための制御を更に加えることは、安定した制御を行う点で難しい。
一方、上述した摩耗・浸食作用と堆積作用とにより、被加熱体の表面には、アノード、カソード及び容器内表面の材質が膜となって堆積する。被加熱体の温度変化により、一時的に温度が低下した場合、上記堆積作用が助長されて被加熱体の表面には多くの堆積物が付着する。このような被加熱体の堆積層は、熱電子放出のために被加熱体を加熱しても熱電子放出の障害となり、場合によっては被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。
【０００７】
一方、上記特許文献２に記載されるイオン源のように、プラズマを発生させる運用中のプラズマ容器内に予備のフィラメントを設けておくと、実際、上述した堆積層がフィラメントに多量に付着する。多量の堆積層が付着したフィラメントを熱電子放出のために使用すると、上述したようにこの堆積層が熱電子放出の障害となり、場合によっては堆積層が被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。
このため、上記特許文献１，２に記載のイオン源は、安定した熱電子の放出ができず、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用時間を長くするとはいえない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、プラズマ生成容器に複数の被加熱体が設けられるイオン源において、安定した熱電子の放出が可能であり、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用時間を長くすることのできるイオン源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたプラズマ容器と、前記プラズマ容器と電気絶縁され、前記内部空間の内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、前記一対の熱電子放出素子のそれぞれに電流を流す電源と、を有し、前記プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、前記一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成されていることを特徴とするイオン源を提供する。
【００１０】
なお、前記金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち２つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものであることが好ましい。
【００１１】
また、前記電源は、前記一対の熱電子放出素子に対応して設けられるそれぞれ制御可能な一対の電源であり、前記一対の熱電子放出素子うち、一方の熱電子放出素子のみが、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低を調整できるように、前記一対の電源のうち一方の電源は、熱電子を放出させる程度に加熱するように電流が調整されていることが好ましい。その際、前記一対の電源のうち、他方の電源は、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない程度に弱く加熱するように電流が調整されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記一対の熱電子放出素子は、例えば、前記プラズマ容器内の対向する内壁面に、対向するように設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイオン源は、プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成されている。このため、イオン源の運用によって熱電子放出素子に付着する堆積層の成分は、熱電子放出素子の熱電子を放出する部分と同じ金属を主成分とする。したがって、この堆積層は、熱電子の放出の障害とならず、安定した熱電子の放出が可能となる。従来のように、熱電子放出素子と成分の異なる堆積層が熱電子放出素子に付着して安定した熱電子の放出ができず、これによって熱電子放出素子の運用時間が短いのに対して、本発明はイオン源の運用時間を長くすることができる。
また、一方の熱電子放出素子を用いておもに熱電子を放出させつつ、他方の熱電子放出素子を、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することにより、他方の熱電子放出素子に付着する堆積層の量を抑制し、かつ、付着する堆積層を密の構造とすることができる。これにより、より安定した熱電子の放出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のイオン源について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１は、本発明のイオン源の一実施形態の構成を示す断面図である。
イオン源１は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマＰを生成し、このプラズマＰからイオンを取り出すことによりイオビームＢを生成するバーナス源である。イオン源１は、図１に示す様に、プラズマ容器１０、フィラメント１２，１４、カソード反射板１６，１８、絶縁部材２０、原料ガス供給口２２、イオンビーム取出口２４、引き出し電極２６，２８、および磁石３０，３２を有する。プラズマ容器１０は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、プラズマ容器１０内で１０−２〜１０−３（Ｐａ）に減圧された状態となっている。
【００１５】
プラズマ容器１０は、直方体形状の内部空間を有する放電箱である。
プラズマ容器１０の内部空間は、耐高温性を有する導電性材料で構成され、特にプラズマＰに曝される部分の内壁面、例えばフィラメント１２，１４の先端の間に位置する内壁面は、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金からなる部材により構成されている。プラズマ容器１０の容器全体が、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されてもよいが、プラズマ容器１０の内部空間の、プラズマＰに曝される部分の内壁面、例えばフィラメント１２，１４の先端の間に位置する内壁面が内張り部材（ライナー）で形成され、この内張り部材がタングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されたものであってもよい。
【００１６】
プラズマ容器１０の内部空間の内壁面には、互いに対向する壁面から内部空間に突出するフィラメント１２，１４が設けられている。フィラメント１２，１４の背面側には、カソード反射板１６，１８が設けられている。カソード反射板１６，１８は、絶縁部材２０を介してプラズマ容器１０に固定されて設けられる。図２（ａ），（ｂ）は、フィラメント１２とカソード反射板１６の配置を示す部分断面図である。フィラメント１４とカソード反射板１８も同様に構成される。図２（ａ），（ｂ）に示すように、カソード反射板１６は、プラズマ容器１０の内部空間の断面を略占有するように設けられている。さらに、カソード反射板１６は、脚部１６ａ及び孔１６ｂを有し、脚部１６ａに設けられた孔を貫通した一方のフィラメント１２の端はプラズマ容器１０の外側に引き出されている。孔１６ｂを貫通した他方のフィラメント１２の端は、スリーブ３４を通り抜けてプラズマ容器１０の外側に引き出されている。脚部１６ａとスリーブ３４は、絶縁部材２０を介してプラズマ容器１０に固定されている。孔１６ｂの、フィラメント１２とカソード反射板１６との隙間には、絶縁部材２０が充填されている。このように絶縁部材２０を用いて、フィラメント１２及びカソード反射板１６は、プラズマ容器１０に対して絶縁されている。
【００１７】
フィラメント１２，１４は、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料と、同じ金属を主成分とする材料で構成されている。さらに、カソード反射板１６，１８もプラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料と、同じ金属を主成分とする材料で構成されている。
例えば、フィラメント１２，１４は、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されている。ここで主成分とは、質量比率で９０％以上を占める最大成分をいう。フィラメント１２，１４の材料は、プラズマ容器１０の内部空間のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料、すなわちタングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金と同一の材料で構成されている。カソード反射板１６，１８の材料も、フィラメント１２，１４の材料と同様である。
【００１８】
フィラメント１２，１４には、フィラメント１２，１４から熱電子を放出可能なように、フィラメント１２，１４の両端間に所定の電圧、例えば数Ｖ〜１０数Ｖを印加して電流を流すフィラメント電源（図１には不図示）が設けられ、２０００℃程度に加熱されたフィラメント１２，１４から内部空間に熱電子を放出する。後述するように、フィラメント１２，１４の一方は熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱するように、フィラメント電流を制御し、後述するイオンビームＢの強度制御を単純化、効率化することができる。
また、フィラメント１２，１４の負極側の端と導電性を有するプラズマ容器１０との間にアーク電圧を印加するようにアーク電源（図１には不図示）が設けられている。アーク電圧は、プラズマ容器１０の電位がフィラメント１２，１４の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数１０〜１００Ｖ印加される。
フィラメント１２，１４から放出された熱電子は、磁石３０，３２の磁力線に沿ってらせん状に運動して原料ガスＧを分離させプラズマＰを励起させる。フィラメント電源及びアーク電源については、後述する。
【００１９】
カソード反射板１６，１８は、お互いに対向するように設けられ、一方のカソード反射板に向かって移動する熱電子を反射する。カソード反射板１６，１８は、フィラメント電源の正極と接続され、フィラメント電源の正極の電位と同電位となっている。
一方、プラズマ容器１０の外側には、互いに対向するフィラメント１２，１４の配置方向に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石３０、３２が、プラズマ容器１０の細長く延びた両端の外側に対向するように設けられている。対向した磁石３０，３２の外側を電磁軟鉄等の透磁率の高い材料で、図示されないつなぎヨークを構成する。また、プラズマ容器１０の内部空間の内壁面には、原料ガス供給口２２が設けられ、供給管を介してガス供給源３６と接続され、原料ガス調整バルブ３８を介して原料ガスＧの供給が調整されるようになっている。
【００２０】
プラズマ容器１０の側壁には、プラズマ容器１０の長手方向に沿ってスリット状に延びたイオンビーム取出口２４が設けられ、引き出し電極２６，２８の電位によってプラズマＰ中のイオンがイオンビームＢとして引き出される。プラズマ容器１０のスリット２４が設けられた壁面は、グランドに対して所定の電圧が印加されるように電源８と接続されている。引き出し電極２６と引き出し電極２８との間には、電源９によって、引き出し電極２８の電位が高くなるように電圧が印加される。
イオンビーム取出口２４のプラズマ容器１０の外側壁面は、所定の形状でイオンビームＢが引き出されるようにプラズマ容器１０の内部空間側に凸になるように湾曲形状を成している。引き出し電極２６，２８も同様に、所定の形状でイオンビームＢが引き出されるようにプラズマ容器１０の側の面がプラズマ容器１０に向けて凸になるように湾曲形状を成している。イオンビームＢの強度は、フィラメント１２，１４のいずれか一方の熱電子の放出量、つまりはフィラメント電流の調整で制御される。引き出し電極として引き出し電極２６を用いるのは、引き出し電極２８及びさらにイオンビームＢの下流から低速の電子が逆流してプラズマ容器１０のスリット２４を設ける面に照射するのを防止するために、上記電子の逆流を阻止する電場勾配を作るためである。
【００２１】
なお、本発明においては、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料と、一対のフィラメント１２，１４の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成されていることを特徴とする。
従来技術の問題点として説明したように、プラズマ容器１０に一対のフィラメント１２，１４が設けられた場合、アノード、カソード及び容器内表面の材料成分が堆積層としてフィラメントに多量に付着する。この多量の堆積層が付着したフィラメントを熱電子放出のために使用すると、堆積層が熱電子放出の障害となり、場合によっては堆積層が被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。しかし、本実施形態では、フィラメント１２，１４の材料と、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料とは、同じ金属を主成分とする材料で構成されているので、フィラメント１２，１４に付着した堆積層は、フィラメント１２，１４と同じ金属を主成分とするものである。したがって、フィラメント１２，１４に堆積層が付着しても熱電子放出に障害を与えない。従来のように、フィラメントを耐久性に優れているタングステンで構成し、プラズマに曝される内壁面の材料にモリブデンを用いた場合、フィラメントには、モリブデンを主成分とする堆積層が付着する。この場合、フィラメントに十分な熱電子の放出が可能なように高温に加熱した場合、タングステンに比べて融点の低いモリブデンで構成された堆積層は溶融する。さらに、溶融したモリブデンがタングステンと合金化し、このときの合金もタングステンに比べて融点が低いので、溶融した液体のモリブデンがあたかも固体のタングステンを浸食するように溶融させ、最終的にフィラメントは溶損する。
【００２２】
一方、フィラメントをモリブデンで構成し、プラズマ容器内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料にタングステンを用いた場合、フィラメントにはタングステンを主成分とする堆積層が付着する。この場合、モリブデンに合わせてフィラメントを加熱していた温度では、表面を覆うタングステンを主成分とする堆積層から、十分な熱電子は放出されない。すなわち、モリブデンのフィラメントの加熱温度では、タングステンを主成分とする堆積層から熱電子は放出されない。このため、熱電子の放出のために、更に加熱温度を高めるとモリブデンは溶融し、フィラメントは溶損する。
このため、上述したように、プラズマ容器１０内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料と、一対のフィラメント１２，１４の材料を、同じ金属を主成分とする材料で構成する。
【００２３】
以下、上記イオン源１に、フィラメント電源及びアーク電源を配線した、本発明の種々の実施形態の構成について説明する。
【００２４】
図３は、上記構成のイオン源１のフィラメント電源、アーク電源の一例を示す図である。
図３に示すイオン源１は、２つのフィラメント１２，１４の一方が交互に熱電子放出のために加熱され、他方のフィラメントが予備加熱のために加熱される形態である。予備加熱とは、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することをいう。
図３に示すイオン源１では、フィラメント１２にフィラメント電流を流すフィラメント電源４０と、フィラメント１４にフィラメント電流を流すフィラメント電源４２とが並列に設けられ、フィラメント１２，１４へ流すフィラメント電流を切り換えるスイッチ６０，６２が設けられている。フィラメント電源４０は、熱電子放出のための百〜数百アンペアのフィラメント電流を流すための電源であり、フィラメント電源４２は、熱電子の放出でプラズマの濃度の高低を調整できる程度の熱電子の放出はせず、予備加熱を行うために、百アンペア程度のフィラメント電流を流す電源である。
【００２５】
図３に示すスイッチ６０、６２の第１の状態、すなわち、スイッチ６０，６２が図中左側端子に接続された状態のとき、フィラメント１２には、フィラメント電源４０から百〜数百アンペアのフィラメント電流が流れて２０００℃に加熱され、熱電子を放出する。このとき、フィラメント１４は、フィラメント電源４２から百アンペア程度のフィラメント電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱される。
【００２６】
一方、図３に示すスイッチ６０、６２の第２の状態、すなわち、スイッチ６０，６２が図中右側端子に接続された状態のとき、フィラメント１４には、フィラメント電源４０から百〜数百アンペアのフィラメント電流が流れ、熱電子を放出する。このとき、フィラメント１２は、フィラメント電源４２から百アンペア程度のフィラメント電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱される。
スイッチ６０，６２の、第１の状態及び第２の状態の切り換えは、同時に行われるように図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱するフィラメントは、常に予備加熱される。一方のフィラメントが摩耗して寿命になるまで、上記スイッチ６０，６２による切り替えは行われなくてもよい。しかし、フィラメントの寿命期間に対して十分に短い期間に、例えば、寿命期間の１０分の１の期間に、スイッチ６０，６２による切り換えを行うことが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
【００２７】
このように、一方のフィラメントから十分に熱電子を放出させるとき、他方のフィラメントを、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱するのは、フィラメントを予備加熱しない場合、上述したように温度の低いフィラメント表面に堆積層が多数付着し、しかもそのときできる堆積層は空隙を多数有するからである。堆積層に空隙が多数できると、フィラメントと同一の成分の金属の堆積層が付着したとしても、空隙が熱電子の放出の障害となる。熱電子を放出しない程度に加熱することによって、堆積層の付着の量を抑え、しかも、空隙の少ないより密な構造の堆積層とすることができる。
なお、フィラメント電源４０のフィラメント電流は、プラズマ容器１０から取り出されたイオンビームＢのイオン電流の高低に応じて制御され、アーク電圧は、アーク電流が所定の値となるように制御される。
【００２８】
図４（ａ）は、図３とは異なるイオン源１の例を示す図である。
図４（ａ）に示すイオン源１は、フィラメント１２，１４から同時に熱電子を放出させるように加熱する形態である。
フィラメント１２，１４は、熱電子放出のために百〜数百アンペアの電流を流すフィラメント電源４０，４２にそれぞれ接続されている。アーク電源５０は、その負極がフィラメント電源４０，４２の負極と接続され、正極は、プラズマ容器１０と接続され、アーク電圧を印加するように構成されている。さらに、アーク電源５０を流れるアーク電流が一定となるように、フィラメント１２とプラズマ容器１０との間のアーク電流を計測する電流計６４と、フィラメント１４とプラズマ容器１０との間のアーク電流を計測する電流計６６が設けられている。この電流計６４，６６の計測値が等しくなるように、図示されない制御ユニットからフィラメント電源４０，４２に制御信号が供給される。
この他に、フィラメント電源４０，４２の出力電圧が等しくなるように図示されない制御ユニットからフィラメント電源４０，４２に制御信号が供給されるように構成することもできる。このようにフィラメント１２，１４の加熱温度の偏りを一定以下に制御することができる。
【００２９】
図４（ｂ）は、図４（ａ）とは異なるイオン源１の例を示す図である。
図４（ｂ）に示すイオン源１は、図４（ａ）に示すイオン源１と同様に、フィラメント１２，１４から同時に熱電子を放出させるように加熱する形態である。
フィラメント１２，１４は、百〜数百アンペアのフィラメント電流を流すフィラメント電源４０に並列に接続されている。アーク電源５０は、その負極がフィラメント電源４０の負極に接続され、正極がプラズマ容器１０と接続される。フィラメント１２，１４を流れる電流は、イオン源１から引き出されるイオンビームＢのイオン電流が一定になるように、フィラメント電源４０は制御される。図４（ｂ）の例では、フィラメント１２，１４が同じように摩耗する場合、フィラメント１２，１４の加熱温度も同程度になるので、イオン源１を効率よく運用することができる。
【００３０】
図５は、さらにイオン源１の別の例を示す図である。
図５に示すイオン源１は、フィラメント１２，１４のうち、一方のフィラメントで熱電子の放出を行い、他方のフィラメントは、予備加熱しない形態である。フィラメント電源４０は、スイッチ６０によって、フィラメント１２またはフィラメント１４のいずれか一方を選択するように切り換えられる。フィラメント電源４０は、百〜数百アンペアのフィラメント電流を流し、選択されたフィラメント１２またはフィラメント１４を２０００℃以上に加熱する。アーク電源５０は、その負極がフィラメント電源４０の負極に接続し、正極はプラズマ容器１０に接続されるように構成される。
【００３１】
スイッチ６０は、フィラメント１２，１４の一方を熱電子放出のための加熱に用いるように切り換えることができる。この切り換えは、一方のフィラメントが摩耗し寿命となったとき、他方のフィラメントを熱電子放出のための加熱対象とするために切り換えてもよいが、一方のフィラメントが寿命になるまでの寿命期間に対して十分に短い期間中に、例えば、寿命期間の１０分の１の期間中に、スイッチ６０を切り換えることが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
【００３２】
なお、上述の実施形態及び例では、いずれも、熱電子を放出する熱電子放出素子として抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いて構成したものであるが、本発明では、以下のように、フィラメント１２，１４に替えて、図６に示すような傍熱カソード６８を設けてもよい。
【００３３】
傍熱カソード６８は、通電することで加熱するヒータ７０とプラズマに曝されながら熱電子を放出する被加熱体７２とを有する。被加熱体７２とヒータ７０とプラズマ容器１０の３つは相互に絶縁されて設けられる。ヒータ７０は熱電子を放出する程度に加熱される。被加熱体７２は、ヒータ７０に比べて数百Ｖ高電位に電位が与えられ、ヒータ７０から放出される熱電子は、被加熱体７２の高電位により引張られて加速し、電子ビームとなって被加熱体７２に照射される。被加熱体７２はヒータ７０からの輻射熱あるいは加速した電子ビームの照射により加熱され、これによって被加熱体７２のプラズマ容器１０の内部空間の面から熱電子を放出する。この熱電子の放出は、ヒータ７０の電流の制御、または、電子ビームの加速のために与える被加熱体７２の電位の制御によって、制御される。本発明においては、被加熱体７２がプラズマに曝されつつ熱電子を放出する熱電子放出素子の部分に対応する。ヒータ７０はプラズマに曝されない。したがって、本発明では、被加熱体７２の、プラズマに曝される、熱電子を放出する面の材料と、プラズマ容器１０内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成される。例えば、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち２つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものである。
【００３４】
図７は、このような傍熱カソードを用いたイオン源１の例を示す図である。
図７に示すイオン源１は、図３に示すイオン源１に対して、フィラメント１２，１４の替わりに傍熱カソード８０，８２が設けられ、それに対応した電源が複数設けられた装置である。傍熱カソード８０はヒータ８４及び被加熱体８８を有し、傍熱カソード８２はヒータ８６及び被加熱体９０を有する。ヒータ電源９２，９４がヒータ８４，８６に対応して設けられ、ヒータ電源９２，９４の負極は、被加熱体８８，９０に電位を与える制御電源１００の負極と接続されている。制御電源１００の正極は、被加熱体８８，９０に接続されている。さらに、アーク電源１０２は、その負極が制御電源１００の正極と接続され、アーク電源の正極はプラズマ容器１０に接続されている。ヒータ電源９２は、ヒータ８４またはヒータ８６から熱電子を放出する程度に電流を流す。一方、ヒータ電源９４は、ヒータ８４またはヒータ８６から熱電子を放出しない程度に電流を流して加熱する。
【００３５】
さらに、ヒータ電源９２，９４とヒータ８４，８６の間にはスイッチ９６，９８が設けられている。
スイッチ９６，９８は、図３に示すスイッチ６０、６２と同様の作用をする。第１の状態、すなわち、スイッチ９６，９８が図中左側端子に接続された状態のとき、ヒータ８４には、ヒータ８４から熱電子を放出する程度の電流がヒータ電源９２から流れ、この熱電子の放出が加速されて被加熱体８８を照射する。また、ヒータ８４の加熱によって、被加熱体８８が加熱される。これらの作用によって、被加熱体８８から熱電子が放出する。このとき、ヒータ８６は、ヒータ電源９４から電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。すなわち、ヒータ８４の被加熱体８８からのみプラズマの濃度の高低を調整できる程度に熱電子が放出される。
【００３６】
一方、図７に示すスイッチ９６、９８の第２の状態、すなわち、スイッチ９６，９８が図中右側端子に接続された状態のとき、ヒータ８６には、ヒータ電源９２から電流が流れ、熱電子を放出する。このとき、ヒータ８４は、ヒータ電源９４から電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。すなわち、ヒータ８６側の被加熱体９０からのみプラズマの高低を調整できる程度に熱電子が放出される。
スイッチ９６，９８の、第１の状態及び第２の状態の切り換えは、同時に行われるように図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、熱電子を十分に放出しない被加熱体は、常にヒータによる予備加熱により加熱されている。一方の被加熱体が摩耗して寿命になるまで、上記スイッチ９６，９８による切り替えは行われなくてもよいが、被加熱体の寿命になるまでの寿命期間に対して十分に短い期間中に、例えば、寿命期間の１０分の１の期間中に、スイッチ９６，９８を切り換えることが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
【００３７】
図８は、図７とは別のイオン源１の例を示す図である。
図８に示すイオン源１では、傍熱カソード８０，８２のヒータ８４，８６に、ヒータ電源９３，９５が接続され、被加熱体８８，９０に、スイッチ９７，９９を介して制御電源１０３，１０４が接続されている。ヒータ電源９３，９５は、被加熱体８８，９０に適正な電位を与えたとき、被加熱体８８，９０から熱電子を放出する程度にヒータ８４，８６を加熱し、かつヒータ８４，８６から熱電子を放出させる。制御電源１０３は、被加熱体８８，９０がプラズマ容器１０の内部空間に熱電子を放出するように、被加熱体８８，９０に電位を与える。一方、制御電源１０４は、被加熱体８８，９０が熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に、被加熱体８８，９０に電位を与える。スイッチ１０３，１０４では、図８に示すように左端子に接続した第１の状態と、右端子に接続した第２の状態との切り換えが同時に行われるように、図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、一方の被加熱体は熱電子を放出し、他方の被加熱体は常に熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。
すなわち、図８に示す例では、被加熱体８８，９０からの熱電子の放出は、制御電源１０３を被加熱体８８，９０のどちらに接続するかによって制御される。一方、先に説明した図７に示す例では、被加熱体８８，９０からの熱電子の放出は、ヒータ電源９２をヒータ８４，８６のどちらに接続するかによって制御される。この点で図８の例は、図７の例と相違する。
【００３８】
さらに、傍熱カソードは、図４（ａ），（ｂ）、図５、及び図６に示す例のイオン源１に用いるフィラメントに替えて用いることもできる。本発明は、このようなイオン源も含む。
【００３９】
このように、上記種々の例で示すイオン源は、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される内壁面の部分の材料と、一対の熱電子放出素子（フィラメント、被加熱体）のプラズマＰに曝される部分の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成されているので、一方の熱電子放出素子を加熱せず休止するときでも、表面に付着する堆積層の成分は、熱電子放出素子の材料と同一成分であるので、熱電子放出のために使用するときでも、熱電子を放出する障害とならず、安定した熱電子の放出が可能である。このため、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用寿命が長くなる。従来のように、プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝されつつ熱電子を放出する部分の材料が異なる場合、熱電子放出素子の表面に付着する堆積層は、熱電子放出素子のプラズマに曝されつつ熱電子を放出する部分の材料と成分を異なるので、熱電子の放出が困難になる。万が一、熱電子を放出することができたとしても、堆積層の材料が熱電子放出素子の材料と異なるので、安定した熱電子の放出を持続できない。
さらに、プラズマの濃度の高低の調整に用いない一方の熱電子放出素子を、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することにより、堆積層の付着量を抑えることができる他、この加熱により、堆積物は空隙を有することなく密に堆積した構成となるので、より安定した熱電子の放出が可能となる。
【００４０】
以上、本発明のイオン源について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のイオン源の一形態の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、図１に示すイオン源のフィラメントとカソード反射板の配置を示す部分断面図である。
【図３】本発明のイオン源の電源の配置の一例を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本発明のイオン源の電源の配置の他の例を示す図である。
【図５】本発明のイオン源の電源の配置の他の例を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、本発明のイオン源に用いる熱電子放出素子の別の例を示す図である。
【図７】図６に示す熱電子放出素子を用いた、本発明のイオン源の電源の配置の一例を示す図である。
【図８】図６に示す熱電子放出素子を用いた、本発明のイオン源の電源の配置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ イオン源
８，９ 電源
１０ プラズマ容器
１２，１４ フィラメント
１６，１８ カソード反射板
１６ａ 脚部
１６ｂ 孔
２０ 絶縁部材
２２ 原料ガス供給口
２４ イオンビーム取出口
２６，２８ 引き出し電極
３０，３２ 磁石
３６ ガス供給源
３８ 原料ガス調整バルブ
４０，４２ フィラメント電源
５０，１０２ アーク電源
６０，６２，９６，９８ スイッチ
６４，６６ 電流計
６８，８０，８２ 傍熱カソード
７０，８４，８６ ヒータ
７２，８８，９０ 被加熱体
９２，９４ ヒータ電源
１００ 制御電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源、例えば、半導体用イオン注入装置やＦＰＤ（Flat Panel Display）製造用イオン注入装置に用いるイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン源においてプラズマを発生させるとき、減圧環境下のプラズマ容器内に動作ガスを供給し、プラズマ容器内において、２０００℃以上に加熱したフィラメント等の被加熱体を、熱電子を放出するカソードとして用い、プラズマ容器内の導体層からなる内張り部材（ライナー）または容器自体をアノードとして用いる。上記カソードとアノードとの間には数十〜数百Ｖの電圧を印加してアーク放電を発生させて動作ガスを電離させる。
【０００３】
このようなプラズマを発生させてイオンビームを取り出すイオン源の運用中、プラズマ容器内ではプラズマ中のイオンの衝突によるスパッタと、プラズマ中の化学的活性種により浸食作用及び化学的気相反応が生じる。これにより、アノード、カソード及びプラズマ容器内表面が摩耗・浸食され、この摩耗・浸食した材質が、上記アノード、カソード及び容器内表面に堆積する。この摩耗・浸食と堆積がイオン源の運用中に頻繁かつ複雑に発生する。
また、カソードの上記摩耗・浸食によって熱電子の放出効率は変化するため、イオン源から取り出されるイオンビーム電流が安定しない場合も多い。この場合、カソードとして機能する被加熱体の加熱量を調整してイオンビーム電流が制御される。
【０００４】
下記特許文献１には、一対の対向する被加熱体であるフィラメントで単一のプラズマを発生させるイオン源が記載されている。
下記特許文献２には、プラズマ容器内に使用するフィラメント（被加熱体）と予備のフィラメント（被加熱体）とを設け、予備のフィラメントは、使用するフィラメントの寿命時に切り換えて使用することが記載されている。これによりフィラメントを交換するまでのイオン源の運用時間を長期間にできるとされている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７３５８０号公報
【特許文献２】特開平６−３４９４３３号公報
【０００６】
上記特許文献１に記載される、対向する一対の被加熱体であるフィラメントで単一のプラズマを発生させるイオン源では、一対のフィラメント間で発熱温度に偏りがあるためフィラメントの熱電子放出量が偏る場合が多い。この場合、被加熱体の発熱温度を計測し制御することが必要であるが、フィラメントは２０００℃以上の高温の発熱状態にあり、しかも、容器と被加熱体の間には数十〜数百Ｖの電位差があるため、温度を計測する計測センサを設けることは難しい。また、数〜数百ｍＡ以上と大きく変化させるイオンビーム電流を、被加熱体の加熱量の操作により制御しているので、発熱温度の偏りのための制御を更に加えることは、安定した制御を行う点で難しい。
一方、上述した摩耗・浸食作用と堆積作用とにより、被加熱体の表面には、アノード、カソード及び容器内表面の材質が膜となって堆積する。被加熱体の温度変化により、一時的に温度が低下した場合、上記堆積作用が助長されて被加熱体の表面には多くの堆積物が付着する。このような被加熱体の堆積層は、熱電子放出のために被加熱体を加熱しても熱電子放出の障害となり、場合によっては被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。
【０００７】
一方、上記特許文献２に記載されるイオン源のように、プラズマを発生させる運用中のプラズマ容器内に予備のフィラメントを設けておくと、実際、上述した堆積層がフィラメントに多量に付着する。多量の堆積層が付着したフィラメントを熱電子放出のために使用すると、上述したようにこの堆積層が熱電子放出の障害となり、場合によっては堆積層が被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。
このため、上記特許文献１，２に記載のイオン源は、安定した熱電子の放出ができず、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用時間を長くするとはいえない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、プラズマ生成容器に複数の被加熱体が設けられるイオン源において、安定した熱電子の放出が可能であり、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用時間を長くすることのできるイオン源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたプラズマ容器と、前記プラズマ容器と電気絶縁され、前記内部空間の内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、前記一対の熱電子放出素子のそれぞれに電流を流す電源と、を有し、前記プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、前記一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成されていることを特徴とするイオン源を提供する。
【００１０】
なお、前記金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち２つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものであることが好ましい。
【００１１】
また、前記電源は、前記一対の熱電子放出素子に対応して設けられるそれぞれ制御可能な一対の電源であり、前記一対の熱電子放出素子うち、一方の熱電子放出素子のみが、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低を調整できるように、前記一対の電源のうち一方の電源は、熱電子を放出させる程度に加熱するように電流が調整されていることが好ましい。その際、前記一対の電源のうち、他方の電源は、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない程度に弱く加熱するように電流が調整されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記一対の熱電子放出素子は、例えば、前記プラズマ容器内の対向する内壁面に、対向するように設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイオン源は、プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成されている。このため、イオン源の運用によって熱電子放出素子に付着する堆積層の成分は、熱電子放出素子の熱電子を放出する部分と同じ金属を主成分とする。したがって、この堆積層は、熱電子の放出の障害とならず、安定した熱電子の放出が可能となる。従来のように、熱電子放出素子と成分の異なる堆積層が熱電子放出素子に付着して安定した熱電子の放出ができず、これによって熱電子放出素子の運用時間が短いのに対して、本発明はイオン源の運用時間を長くすることができる。
また、一方の熱電子放出素子を用いておもに熱電子を放出させつつ、他方の熱電子放出素子を、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することにより、他方の熱電子放出素子に付着する堆積層の量を抑制し、かつ、付着する堆積層を密の構造とすることができる。これにより、より安定した熱電子の放出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明のイオン源について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図１は、本発明のイオン源の一実施形態の構成を示す断面図である。
イオン源１は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマＰを生成し、このプラズマＰからイオンを取り出すことによりイオビームＢを生成するバーナス源である。イオン源１は、図１に示す様に、プラズマ容器１０、フィラメント１２，１４、カソード反射板１６，１８、絶縁部材２０、原料ガス供給口２２、イオンビーム取出口２４、引き出し電極２６，２８、および磁石３０，３２を有する。プラズマ容器１０は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、プラズマ容器１０内で１０−２〜１０−３（Ｐａ）に減圧された状態となっている。
【００１５】
プラズマ容器１０は、直方体形状の内部空間を有する放電箱である。
プラズマ容器１０の内部空間は、耐高温性を有する導電性材料で構成され、特にプラズマＰに曝される部分の内壁面、例えばフィラメント１２，１４の先端の間に位置する内壁面は、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金からなる部材により構成されている。プラズマ容器１０の容器全体が、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されてもよいが、プラズマ容器１０の内部空間の、プラズマＰに曝される部分の内壁面、例えばフィラメント１２，１４の先端の間に位置する内壁面が内張り部材（ライナー）で形成され、この内張り部材がタングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されたものであってもよい。
【００１６】
プラズマ容器１０の内部空間の内壁面には、互いに対向する壁面から内部空間に突出するフィラメント１２，１４が設けられている。フィラメント１２，１４の背面側には、カソード反射板１６，１８が設けられている。カソード反射板１６，１８は、絶縁部材２０を介してプラズマ容器１０に固定されて設けられる。図２（ａ），（ｂ）は、フィラメント１２とカソード反射板１６の配置を示す部分断面図である。フィラメント１４とカソード反射板１８も同様に構成される。図２（ａ），（ｂ）に示すように、カソード反射板１６は、プラズマ容器１０の内部空間の断面を略占有するように設けられている。さらに、カソード反射板１６は、脚部１６ａ及び孔１６ｂを有し、脚部１６ａに設けられた孔を貫通した一方のフィラメント１２の端はプラズマ容器１０の外側に引き出されている。孔１６ｂを貫通した他方のフィラメント１２の端は、スリーブ３４を通り抜けてプラズマ容器１０の外側に引き出されている。脚部１６ａとスリーブ３４は、絶縁部材２０を介してプラズマ容器１０に固定されている。孔１６ｂの、フィラメント１２とカソード反射板１６との隙間には、絶縁部材２０が充填されている。このように絶縁部材２０を用いて、フィラメント１２及びカソード反射板１６は、プラズマ容器１０に対して絶縁されている。
【００１７】
フィラメント１２，１４は、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料と、同じ金属を主成分とする材料で構成されている。さらに、カソード反射板１６，１８もプラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料と、同じ金属を主成分とする材料で構成されている。
例えば、フィラメント１２，１４は、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されている。ここで主成分とは、質量比率で９０％以上を占める最大成分をいう。フィラメント１２，１４の材料は、プラズマ容器１０の内部空間のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料、すなわちタングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金と同一の材料で構成されている。カソード反射板１６，１８の材料も、フィラメント１２，１４の材料と同様である。
【００１８】
フィラメント１２，１４には、フィラメント１２，１４から熱電子を放出可能なように、フィラメント１２，１４の両端間に所定の電圧、例えば数Ｖ〜１０数Ｖを印加して電流を流すフィラメント電源（図１には不図示）が設けられ、２０００℃程度に加熱されたフィラメント１２，１４から内部空間に熱電子を放出する。後述するように、フィラメント１２，１４の一方は熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱するように、フィラメント電流を制御し、後述するイオンビームＢの強度制御を単純化、効率化することができる。
また、フィラメント１２，１４の負極側の端と導電性を有するプラズマ容器１０との間にアーク電圧を印加するようにアーク電源（図１には不図示）が設けられている。アーク電圧は、プラズマ容器１０の電位がフィラメント１２，１４の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数１０〜１００Ｖ印加される。
フィラメント１２，１４から放出された熱電子は、磁石３０，３２の磁力線に沿ってらせん状に運動して原料ガスＧを分離させプラズマＰを励起させる。フィラメント電源及びアーク電源については、後述する。
【００１９】
カソード反射板１６，１８は、お互いに対向するように設けられ、一方のカソード反射板に向かって移動する熱電子を反射する。カソード反射板１６，１８は、フィラメント電源の正極と接続され、フィラメント電源の正極の電位と同電位となっている。
一方、プラズマ容器１０の外側には、互いに対向するフィラメント１２，１４の配置方向に沿って磁場が形成されるようにＮ極、Ｓ極の磁石３０、３２が、プラズマ容器１０の細長く延びた両端の外側に対向するように設けられている。対向した磁石３０，３２の外側を電磁軟鉄等の透磁率の高い材料で、図示されないつなぎヨークを構成する。また、プラズマ容器１０の内部空間の内壁面には、原料ガス供給口２２が設けられ、供給管を介してガス供給源３６と接続され、原料ガス調整バルブ３８を介して原料ガスＧの供給が調整されるようになっている。
【００２０】
プラズマ容器１０の側壁には、プラズマ容器１０の長手方向に沿ってスリット状に延びたイオンビーム取出口２４が設けられ、引き出し電極２６，２８の電位によってプラズマＰ中のイオンがイオンビームＢとして引き出される。プラズマ容器１０のスリット２４が設けられた壁面は、グランドに対して所定の電圧が印加されるように電源８と接続されている。引き出し電極２６と引き出し電極２８との間には、電源９によって、引き出し電極２８の電位が高くなるように電圧が印加される。
イオンビーム取出口２４のプラズマ容器１０の外側壁面は、所定の形状でイオンビームＢが引き出されるようにプラズマ容器１０の内部空間側に凸になるように湾曲形状を成している。引き出し電極２６，２８も同様に、所定の形状でイオンビームＢが引き出されるようにプラズマ容器１０の側の面がプラズマ容器１０に向けて凸になるように湾曲形状を成している。イオンビームＢの強度は、フィラメント１２，１４のいずれか一方の熱電子の放出量、つまりはフィラメント電流の調整で制御される。引き出し電極として引き出し電極２６を用いるのは、引き出し電極２８及びさらにイオンビームＢの下流から低速の電子が逆流してプラズマ容器１０のスリット２４を設ける面に照射するのを防止するために、上記電子の逆流を阻止する電場勾配を作るためである。
【００２１】
なお、本発明においては、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料と、一対のフィラメント１２，１４の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成されていることを特徴とする。
従来技術の問題点として説明したように、プラズマ容器１０に一対のフィラメント１２，１４が設けられた場合、アノード、カソード及び容器内表面の材料成分が堆積層としてフィラメントに多量に付着する。この多量の堆積層が付着したフィラメントを熱電子放出のために使用すると、堆積層が熱電子放出の障害となり、場合によっては堆積層が被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。しかし、本実施形態では、フィラメント１２，１４の材料と、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される部分の内壁面の材料とは、同じ金属を主成分とする材料で構成されているので、フィラメント１２，１４に付着した堆積層は、フィラメント１２，１４と同じ金属を主成分とするものである。したがって、フィラメント１２，１４に堆積層が付着しても熱電子放出に障害を与えない。従来のように、フィラメントを耐久性に優れているタングステンで構成し、プラズマに曝される内壁面の材料にモリブデンを用いた場合、フィラメントには、モリブデンを主成分とする堆積層が付着する。この場合、フィラメントに十分な熱電子の放出が可能なように高温に加熱した場合、タングステンに比べて融点の低いモリブデンで構成された堆積層は溶融する。さらに、溶融したモリブデンがタングステンと合金化し、このときの合金もタングステンに比べて融点が低いので、溶融した液体のモリブデンがあたかも固体のタングステンを浸食するように溶融させ、最終的にフィラメントは溶損する。
【００２２】
一方、フィラメントをモリブデンで構成し、プラズマ容器内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料にタングステンを用いた場合、フィラメントにはタングステンを主成分とする堆積層が付着する。この場合、モリブデンに合わせてフィラメントを加熱していた温度では、表面を覆うタングステンを主成分とする堆積層から、十分な熱電子は放出されない。すなわち、モリブデンのフィラメントの加熱温度では、タングステンを主成分とする堆積層から熱電子は放出されない。このため、熱電子の放出のために、更に加熱温度を高めるとモリブデンは溶融し、フィラメントは溶損する。
このため、上述したように、プラズマ容器１０内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料と、一対のフィラメント１２，１４の材料を、同じ金属を主成分とする材料で構成する。
【００２３】
以下、上記イオン源１に、フィラメント電源及びアーク電源を配線した、本発明の種々の実施形態の構成について説明する。
【００２４】
図３は、上記構成のイオン源１のフィラメント電源、アーク電源の一例を示す図である。
図３に示すイオン源１は、２つのフィラメント１２，１４の一方が交互に熱電子放出のために加熱され、他方のフィラメントが予備加熱のために加熱される形態である。予備加熱とは、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することをいう。
図３に示すイオン源１では、フィラメント１２にフィラメント電流を流すフィラメント電源４０と、フィラメント１４にフィラメント電流を流すフィラメント電源４２とが並列に設けられ、フィラメント１２，１４へ流すフィラメント電流を切り換えるスイッチ６０，６２が設けられている。フィラメント電源４０は、熱電子放出のための百〜数百アンペアのフィラメント電流を流すための電源であり、フィラメント電源４２は、熱電子の放出でプラズマの濃度の高低を調整できる程度の熱電子の放出はせず、予備加熱を行うために、百アンペア程度のフィラメント電流を流す電源である。
【００２５】
図３に示すスイッチ６０、６２の第１の状態、すなわち、スイッチ６０，６２が図中左側端子に接続された状態のとき、フィラメント１２には、フィラメント電源４０から百〜数百アンペアのフィラメント電流が流れて２０００℃に加熱され、熱電子を放出する。このとき、フィラメント１４は、フィラメント電源４２から百アンペア程度のフィラメント電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱される。
【００２６】
一方、図３に示すスイッチ６０、６２の第２の状態、すなわち、スイッチ６０，６２が図中右側端子に接続された状態のとき、フィラメント１４には、フィラメント電源４０から百〜数百アンペアのフィラメント電流が流れ、熱電子を放出する。このとき、フィラメント１２は、フィラメント電源４２から百アンペア程度のフィラメント電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱される。
スイッチ６０，６２の、第１の状態及び第２の状態の切り換えは、同時に行われるように図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱するフィラメントは、常に予備加熱される。一方のフィラメントが摩耗して寿命になるまで、上記スイッチ６０，６２による切り替えは行われなくてもよい。しかし、フィラメントの寿命期間に対して十分に短い期間に、例えば、寿命期間の１０分の１の期間に、スイッチ６０，６２による切り換えを行うことが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
【００２７】
このように、一方のフィラメントから十分に熱電子を放出させるとき、他方のフィラメントを、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に予備加熱するのは、フィラメントを予備加熱しない場合、上述したように温度の低いフィラメント表面に堆積層が多数付着し、しかもそのときできる堆積層は空隙を多数有するからである。堆積層に空隙が多数できると、フィラメントと同一の成分の金属の堆積層が付着したとしても、空隙が熱電子の放出の障害となる。熱電子を放出しない程度に加熱することによって、堆積層の付着の量を抑え、しかも、空隙の少ないより密な構造の堆積層とすることができる。
なお、フィラメント電源４０のフィラメント電流は、プラズマ容器１０から取り出されたイオンビームＢのイオン電流の高低に応じて制御され、アーク電圧は、アーク電流が所定の値となるように制御される。
【００２８】
図４（ａ）は、図３とは異なるイオン源１の例を示す図である。
図４（ａ）に示すイオン源１は、フィラメント１２，１４から同時に熱電子を放出させるように加熱する形態である。
フィラメント１２，１４は、熱電子放出のために百〜数百アンペアの電流を流すフィラメント電源４０，４２にそれぞれ接続されている。アーク電源５０は、その負極がフィラメント電源４０，４２の負極と接続され、正極は、プラズマ容器１０と接続され、アーク電圧を印加するように構成されている。さらに、アーク電源５０を流れるアーク電流が一定となるように、フィラメント１２とプラズマ容器１０との間のアーク電流を計測する電流計６４と、フィラメント１４とプラズマ容器１０との間のアーク電流を計測する電流計６６が設けられている。この電流計６４，６６の計測値が等しくなるように、図示されない制御ユニットからフィラメント電源４０，４２に制御信号が供給される。
この他に、フィラメント電源４０，４２の出力電圧が等しくなるように図示されない制御ユニットからフィラメント電源４０，４２に制御信号が供給されるように構成することもできる。このようにフィラメント１２，１４の加熱温度の偏りを一定以下に制御することができる。
【００２９】
図４（ｂ）は、図４（ａ）とは異なるイオン源１の例を示す図である。
図４（ｂ）に示すイオン源１は、図４（ａ）に示すイオン源１と同様に、フィラメント１２，１４から同時に熱電子を放出させるように加熱する形態である。
フィラメント１２，１４は、百〜数百アンペアのフィラメント電流を流すフィラメント電源４０に並列に接続されている。アーク電源５０は、その負極がフィラメント電源４０の負極に接続され、正極がプラズマ容器１０と接続される。フィラメント１２，１４を流れる電流は、イオン源１から引き出されるイオンビームＢのイオン電流が一定になるように、フィラメント電源４０は制御される。図４（ｂ）の例では、フィラメント１２，１４が同じように摩耗する場合、フィラメント１２，１４の加熱温度も同程度になるので、イオン源１を効率よく運用することができる。
【００３０】
図５は、さらにイオン源１の別の例を示す図である。
図５に示すイオン源１は、フィラメント１２，１４のうち、一方のフィラメントで熱電子の放出を行い、他方のフィラメントは、予備加熱しない形態である。フィラメント電源４０は、スイッチ６０によって、フィラメント１２またはフィラメント１４のいずれか一方を選択するように切り換えられる。フィラメント電源４０は、百〜数百アンペアのフィラメント電流を流し、選択されたフィラメント１２またはフィラメント１４を２０００℃以上に加熱する。アーク電源５０は、その負極がフィラメント電源４０の負極に接続し、正極はプラズマ容器１０に接続されるように構成される。
【００３１】
スイッチ６０は、フィラメント１２，１４の一方を熱電子放出のための加熱に用いるように切り換えることができる。この切り換えは、一方のフィラメントが摩耗し寿命となったとき、他方のフィラメントを熱電子放出のための加熱対象とするために切り換えてもよいが、一方のフィラメントが寿命になるまでの寿命期間に対して十分に短い期間中に、例えば、寿命期間の１０分の１の期間中に、スイッチ６０を切り換えることが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
【００３２】
なお、上述の実施形態及び例では、いずれも、熱電子を放出する熱電子放出素子として抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いて構成したものであるが、本発明では、以下のように、フィラメント１２，１４に替えて、図６に示すような傍熱カソード６８を設けてもよい。
【００３３】
傍熱カソード６８は、通電することで加熱するヒータ７０とプラズマに曝されながら熱電子を放出する被加熱体７２とを有する。被加熱体７２とヒータ７０とプラズマ容器１０の３つは相互に絶縁されて設けられる。ヒータ７０は熱電子を放出する程度に加熱される。被加熱体７２は、ヒータ７０に比べて数百Ｖ高電位に電位が与えられ、ヒータ７０から放出される熱電子は、被加熱体７２の高電位により引張られて加速し、電子ビームとなって被加熱体７２に照射される。被加熱体７２はヒータ７０からの輻射熱あるいは加速した電子ビームの照射により加熱され、これによって被加熱体７２のプラズマ容器１０の内部空間の面から熱電子を放出する。この熱電子の放出は、ヒータ７０の電流の制御、または、電子ビームの加速のために与える被加熱体７２の電位の制御によって、制御される。本発明においては、被加熱体７２がプラズマに曝されつつ熱電子を放出する熱電子放出素子の部分に対応する。ヒータ７０はプラズマに曝されない。したがって、本発明では、被加熱体７２の、プラズマに曝される、熱電子を放出する面の材料と、プラズマ容器１０内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成される。例えば、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち２つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものである。
【００３４】
図７は、このような傍熱カソードを用いたイオン源１の例を示す図である。
図７に示すイオン源１は、図３に示すイオン源１に対して、フィラメント１２，１４の替わりに傍熱カソード８０，８２が設けられ、それに対応した電源が複数設けられた装置である。傍熱カソード８０はヒータ８４及び被加熱体８８を有し、傍熱カソード８２はヒータ８６及び被加熱体９０を有する。ヒータ電源９２，９４がヒータ８４，８６に対応して設けられ、ヒータ電源９２，９４の負極は、被加熱体８８，９０に電位を与える制御電源１００の負極と接続されている。制御電源１００の正極は、被加熱体８８，９０に接続されている。さらに、アーク電源１０２は、その負極が制御電源１００の正極と接続され、アーク電源の正極はプラズマ容器１０に接続されている。ヒータ電源９２は、ヒータ８４またはヒータ８６から熱電子を放出する程度に電流を流す。一方、ヒータ電源９４は、ヒータ８４またはヒータ８６から熱電子を放出しない程度に電流を流して加熱する。
【００３５】
さらに、ヒータ電源９２，９４とヒータ８４，８６の間にはスイッチ９６，９８が設けられている。
スイッチ９６，９８は、図３に示すスイッチ６０、６２と同様の作用をする。第１の状態、すなわち、スイッチ９６，９８が図中左側端子に接続された状態のとき、ヒータ８４には、ヒータ８４から熱電子を放出する程度の電流がヒータ電源９２から流れ、この熱電子の放出が加速されて被加熱体８８を照射する。また、ヒータ８４の加熱によって、被加熱体８８が加熱される。これらの作用によって、被加熱体８８から熱電子が放出する。このとき、ヒータ８６は、ヒータ電源９４から電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。すなわち、ヒータ８４の被加熱体８８からのみプラズマの濃度の高低を調整できる程度に熱電子が放出される。
【００３６】
一方、図７に示すスイッチ９６、９８の第２の状態、すなわち、スイッチ９６，９８が図中右側端子に接続された状態のとき、ヒータ８６には、ヒータ電源９２から電流が流れ、熱電子を放出する。このとき、ヒータ８４は、ヒータ電源９４から電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。すなわち、ヒータ８６側の被加熱体９０からのみプラズマの高低を調整できる程度に熱電子が放出される。
スイッチ９６，９８の、第１の状態及び第２の状態の切り換えは、同時に行われるように図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、熱電子を十分に放出しない被加熱体は、常にヒータによる予備加熱により加熱されている。一方の被加熱体が摩耗して寿命になるまで、上記スイッチ９６，９８による切り替えは行われなくてもよいが、被加熱体の寿命になるまでの寿命期間に対して十分に短い期間中に、例えば、寿命期間の１０分の１の期間中に、スイッチ９６，９８を切り換えることが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
【００３７】
図８は、図７とは別のイオン源１の例を示す図である。
図８に示すイオン源１では、傍熱カソード８０，８２のヒータ８４，８６に、ヒータ電源９３，９５が接続され、被加熱体８８，９０に、スイッチ９７，９９を介して制御電源１０３，１０４が接続されている。ヒータ電源９３，９５は、被加熱体８８，９０に適正な電位を与えたとき、被加熱体８８，９０から熱電子を放出する程度にヒータ８４，８６を加熱し、かつヒータ８４，８６から熱電子を放出させる。制御電源１０３は、被加熱体８８，９０がプラズマ容器１０の内部空間に熱電子を放出するように、被加熱体８８，９０に電位を与える。一方、制御電源１０４は、被加熱体８８，９０が熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に、被加熱体８８，９０に電位を与える。スイッチ１０３，１０４では、図８に示すように左端子に接続した第１の状態と、右端子に接続した第２の状態との切り換えが同時に行われるように、図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、一方の被加熱体は熱電子を放出し、他方の被加熱体は常に熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。
すなわち、図８に示す例では、被加熱体８８，９０からの熱電子の放出は、制御電源１０３を被加熱体８８，９０のどちらに接続するかによって制御される。一方、先に説明した図７に示す例では、被加熱体８８，９０からの熱電子の放出は、ヒータ電源９２をヒータ８４，８６のどちらに接続するかによって制御される。この点で図８の例は、図７の例と相違する。
【００３８】
さらに、傍熱カソードは、図４（ａ），（ｂ）、図５、及び図６に示す例のイオン源１に用いるフィラメントに替えて用いることもできる。本発明は、このようなイオン源も含む。
【００３９】
このように、上記種々の例で示すイオン源は、プラズマ容器１０内のプラズマＰに曝される内壁面の部分の材料と、一対の熱電子放出素子（フィラメント、被加熱体）のプラズマＰに曝される部分の材料が、同じ金属を主成分とする材料で構成されているので、一方の熱電子放出素子を加熱せず休止するときでも、表面に付着する堆積層の成分は、熱電子放出素子の材料と同一成分であるので、熱電子放出のために使用するときでも、熱電子を放出する障害とならず、安定した熱電子の放出が可能である。このため、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用寿命が長くなる。従来のように、プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝されつつ熱電子を放出する部分の材料が異なる場合、熱電子放出素子の表面に付着する堆積層は、熱電子放出素子のプラズマに曝されつつ熱電子を放出する部分の材料と成分を異なるので、熱電子の放出が困難になる。万が一、熱電子を放出することができたとしても、堆積層の材料が熱電子放出素子の材料と異なるので、安定した熱電子の放出を持続できない。
さらに、プラズマの濃度の高低の調整に用いない一方の熱電子放出素子を、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することにより、堆積層の付着量を抑えることができる他、この加熱により、堆積物は空隙を有することなく密に堆積した構成となるので、より安定した熱電子の放出が可能となる。
【００４０】
以上、本発明のイオン源について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のイオン源の一形態の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、図１に示すイオン源のフィラメントとカソード反射板の配置を示す部分断面図である。
【図３】本発明のイオン源の電源の配置の一例を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本発明のイオン源の電源の配置の他の例を示す図である。
【図５】本発明のイオン源の電源の配置の他の例を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、本発明のイオン源に用いる熱電子放出素子の別の例を示す図である。
【図７】図６に示す熱電子放出素子を用いた、本発明のイオン源の電源の配置の一例を示す図である。
【図８】図６に示す熱電子放出素子を用いた、本発明のイオン源の電源の配置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ イオン源
８，９ 電源
１０ プラズマ容器
１２，１４ フィラメント
１６，１８ カソード反射板
１６ａ 脚部
１６ｂ 孔
２０ 絶縁部材
２２ 原料ガス供給口
２４ イオンビーム取出口
２６，２８ 引き出し電極
３０，３２ 磁石
３６ ガス供給源
３８ 原料ガス調整バルブ
４０，４２ フィラメント電源
５０，１０２ アーク電源
６０，６２，９６，９８ スイッチ
６４，６６ 電流計
６８，８０，８２ 傍熱カソード
７０，８４，８６ ヒータ
７２，８８，９０ 被加熱体
９２，９４ ヒータ電源
１００ 制御電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、
ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたプラズマ容器と、
前記プラズマ容器と電気絶縁され、前記内部空間の内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、
前記一対の熱電子放出素子のそれぞれに電流を流す電源と、を有し、
前記プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、前記一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成されていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち２つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものである請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記電源は、前記一対の熱電子放出素子に対応して設けられるそれぞれ制御可能な一対の電源であり、
前記一対の熱電子放出素子うち、一方の熱電子放出素子のみが、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低を調整できるように、前記一対の電源のうち一方の電源は、熱電子を放出させる程度に加熱するように電流が調整されている請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記一対の電源のうち、他方の電源は、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない程度に弱く加熱するように電流が調整されている請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記一対の熱電子放出素子は、前記プラズマ容器内の対向する内壁面に、対向するように設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン源。
【請求項１】
ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、
ガスが供給されてプラズマを生成する、導体面を有する内部空間を備えたプラズマ容器と、
前記プラズマ容器と電気絶縁され、前記内部空間の内壁面から突出し、通電することにより前記内部空間に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、
前記一対の熱電子放出素子のそれぞれに電流を流す電源と、を有し、
前記プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、前記一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成されていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち２つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものである請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記電源は、前記一対の熱電子放出素子に対応して設けられるそれぞれ制御可能な一対の電源であり、
前記一対の熱電子放出素子うち、一方の熱電子放出素子のみが、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低を調整できるように、前記一対の電源のうち一方の電源は、熱電子を放出させる程度に加熱するように電流が調整されている請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記一対の電源のうち、他方の電源は、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない程度に弱く加熱するように電流が調整されている請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記一対の熱電子放出素子は、前記プラズマ容器内の対向する内壁面に、対向するように設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２１７９８５（Ｐ２００９−２１７９８５Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５８０５９（Ｐ２００８−５８０５９）
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
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