离子源的制作方法

专利名称：离子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离子源，其生成含有铝离子的离子束，该离子源用
于例如将铝离子注入碳化硅(SiC)基板等目标的离子注入装置等。
背景技术：
专利文献1所记载的是此类离子源的一例。
该专利文献1所记载的以往的离子源，在电离室内除了设置作为用 于生成、约束等离子体的部件的电极(阴极)以及反冲板以外，还设置 有含铝材料(例如氧化铝)的板，利用电离氟化物气体(例如四氟化硅) 生成的等离子体来侵蚀该含铝材料的板，向等离子体中放出铝离子。
在所述以往的离子源中，除了用于生成、约束等离子体的部件以外， 需要特别设置生成铝离子的专用的含铝材料的板，所以存在下述问题，
即不仅相应地增加了部件的数量而且也使结构变得复杂。
专利文献1:日本专利第3325393号公报(段落0006-0011 、 0016-0021、图1、图2)

发明内容
本发明的主要目的是在生成含有铝离子的离子束的离子源中，可以 削减部件的数量以及简化结构。
本发明所涉及的一种离子源，生成含有铝离子的离子束，其特征在
于包括等离子体生成容器，兼作为阳极，是用于在内部生成等离子体 的容器，含氟可电离气体被导入其中；热阴极，设置在所述等离子体生 成容器内的一侧，与所述等离子体生成容器电绝缘；对置反射电极，设 置在所述等离子体生成容器内的另外一侧，与所述等离子体生成容器电 绝缘，并且设置成与所述热阴极相对，以所述等离子体生成容器的电位 为基准，所述对置反射电极被施加负电压，所述对置反射电极具有反射所述等离子体生成容器内的电子的功能，并且由含铝材料构成；以及磁 铁，在所述等离子体生成容器内产生磁场，该磁场沿着连接所述热阴极 和所述对置反射电极的线。
在该离子源中，由含铝材料构成的对置反射电极暴露于电离含氟可 电离气体而生成的等离子体中，通过利用该等离子体中的氟离子、氟自 由基等的侵蚀，以及利用该等离子体中的氟离子等离子的溅射等，从对 置反射电极向等离子体中放出铝离子等铝粒子，从而使等离子体中含有 铝离子，其结果是可以生成含有铝离子的离子束。
取代向对置反射电极施加负电压，也可以使对置反射电极处于悬浮 电位(floating potential)。即使是悬浮电位，由于比等离子体中的离子 轻且移动度高的电子比离子多得多地入射进对置反射电极，所以对置反 射电极带负电，起到的作用与向对置反射电极施加负电压的情况相同。
所述离子源还可以包括背后反射电极，所述背后反射电极位于所述 等离子体生成容器内，设置在所述热阴极的电子放射部的背后，与所述 对置反射电极相对，并且设置成与所述等离子体生成容器电绝缘，以所 述等离子体生成容器的电位为基准，所述背后反射电极被施加负电压， 所述背后反射电极具有反射所述等离子体生成容器内的电子的功能，并 且由含铝材料构成。此外，取代向该背后反射电极施加负电压，也可以 使该背后反射电极处于悬浮电位。
在离子源的运转中，所述背后反射电极也暴露于电离含氟可电离气 体而生成的等离子体中，所以利用与对于对置反射电极所述的相同的作 用，即通过利用等离子体中的氟离子等的侵蚀以及溅射等，也从背后反 射电极向等离子体中放出铝粒子。即，可以增加接受等离子体中的氟离 子等侵蚀和溅射的含铝材料的面积。因此，可以增加向等离子体中放出 的铝粒子的量，从而增加含在离子束中的铝离子的量。
所述热阴极是旁热式的，具有通过被加热而放出热电子的阴极部件 以及加热该阴极部件的灯丝，所述热阴极可以采用下述结构，即，该阴 极部件设置在所述等离子体生成容器的开口部内，用电绝缘性的含铝材 料构成所述等离子体生成容器的包含所述开口部的壁面。
5所述等离子体生成容器的包含所述开口部的壁面也可以由含铝材料 构成。此外，用所述含铝材料构成的壁面可以处于悬浮电位，也可以将 所述等离子体生成容器的电位作为基准向该壁面施加负电压。
在离子源的运转中，由所述含铝材料构成的壁面也暴露于电离含氟 可电离气体生成的等离子体中，所以利用与对于对置反射电极等所述的 相同的作用，即通过利用等离子体中的氟离子等的侵蚀和溅射等，也从 用所述含铝材料构成的壁面向等离子体中放出铝粒子。即，可以增加接 受等离子体中的氟离子等侵蚀和溅射的含铝材料的面积，因此，可以增 加向等离子体中放出的铝粒子的量，从而增加含在离子束中的铝离子的
按照所述发明，由于对置反射电极具有反射等离子体生成容器内的 电子的功能，从该对置反射电极向等离子体中放出铝离子等铝粒子，可 以使等离子体中含有铝离子，所以可以不需要如以往例子的离子源那样 特别设置生成铝离子专用的板。因此，可以削减部件的数量以及简化结 构。
而且，由于具有磁铁，该磁铁产生沿着连接热阴极和对置反射电极 的线的磁场，因而可以使等离子体生成容器内的电子在热阴极和对置反 射电极之间往返运动，可以在热阴极和对置反射电极之间生成高密度的 等离子体。由于对置反射电极位于该高密度等离子体的端部，而且在沿 着所述磁场的方向等离子体容易移动，对置反射电极位于该容易移动方 向的端部，因而对置反射电极可以有效地暴露于高密度的等离子体中。 因此，可以从对置反射电极高效率地向等离子体中放出铝离子等铝粒子。 其结果，可以容易地增加含在离子束中的铝离子的量。
按照所述发明，更会起到下述的效果。即，通过利用等离子体中的 氟离子等的侵蚀和溅射等，由于不仅从对置反射电极，也从背后反射电 极向等离子体中放出铝粒子，因此可以增加向等离子体中放出的铝粒子 的量，从而增加含在离子束中的铝离子的量。
此外，由于热阴极位于背后反射电极附近，背后反射电极利用来自 热阴极的辐射热变成高温，其结果，可以期待提高溅射率以及含铝材料的蒸气压的上升，这样，由于增加了向等离子体中放出的铝粒子的量， 所以从该观点来看也可以增加含在离子束中的铝离子的量。
而且在本发明的情况下，由于具有反射等离子体生成容器内电子功 能的背后反射电极也兼用于放出铝粒子，所以不需要如以往的离子源那 样特别设置生成铝离子专用的板，与特别设置所述生成铝离子专用的板 的情况相比，可以削减部件的数量以及简化结构。
按照所述发明，更会起到下述的效果。g卩，通过利用等离子体中的 氟离子等的侵蚀或者溅射等，不仅从对置反射电极，也从等离子体生成 容器的用含铝材料构成的壁面向等离子体中放出铝粒子，因此可以增加 向等离子体中放出的铝粒子的量，从而可以增加含在离子束中的铝离子
此外，因为由所述含铝材料构成的壁面位于热阴极附近，利用来自 热阴极的辐射热变成高温，其结果，可以期待提高溅射率以及含铝材料 的蒸气压的上升，这样，由于增加了向等离子体中放出的铝粒子的量， 所以从该观点来看也可以增加含在离子束中的铝离子的量。
而且在本发明的情况下，由于构成等离子体生成容器的壁面中的一 部分壁面，即包含所述开口部的壁面，兼用于放出铝粒子，所以不需要 如以往的离子源那样特别设置生成铝离子专用的板，与特别设置所述生 成铝离子专用的板相比，可以削减部件的数量以及简化结构。


图1是表示本发明所涉及的离子源的一个实施方式的概略剖视图。
图2是表示本发明所涉及的离子源的其他实施方式的概略剖视图。 图3是表示热阴极是旁热式情况下的一个实施方式的概略剖视图。 图4是表示本发明所涉及的离子源的另一其他实施方式的概略剖视图。
图5是表示热阴极是旁热式情况下的其他实施方式的概略剖视图。 图6是表示热阴极是旁热式情况下的另一其他实施方式的概略剖视图。
图7是表示热阴极是旁热式情况下的又一其他实施方式的概略剖视图。
附图标记说明
2等离子体生成容器
由含铝材料构成的壁面
4等离子体
8可电离气体
12热阴极
20对置反射电极
24偏压电源
28磁场
30磁铁
34离子束
36阴极部件
44背后反射电极
具体实施例方式
图1是表示本发明所涉及的离子源的一个实施方式的概略剖视图。
该离子源生成(引出)含有铝离子的离子束34，该离子源具备等离子体 生成容器2，该等离子体生成容器2兼作电弧放电的阳极且用于在内部生 成等离子体4。该等离子体生成容器2例如可以是长方体形，但不限定于 该形状。
在等离子体生成容器2内，通过气体导入口 6导入含氟可电离气体 8。气体导入口 6的位置不限于图示例子的位置。使用含氟可电离气体8 的原因是由于氟的化学作用非常强而且与其他物质的反应性强，所以 利用电离含氟可电离气体8生成的等离子体4，使从后述对置反射电极 20放出铝离子等铝粒子的作用强。
含氟可电离气体8是例如氟化硼(BF3)、四氟化硅(SiF4)、氟化锗(GeF4)等氟化物气体或者含氟(F2)的气体。该含氟可电离气体8， 例如，可以是氟化物气体本身或者氟本身，也可以是将所述气体用适当 的稀释气体(例如氦气)稀释后的气体。
在等离子体生成容器2内的一侧设置热阴极12，该热阴极12与等 离子体生成容器2电绝缘并且向等离子体生成容器2内放出热电子。
热阴极12可以是如本实施方式的直热式，也可以是如后述实施方式 (参照图3等)的旁热式。
本实施方式中，热阴极12是U字形的灯丝，利用绝缘件14与等离 子体生成容器2电绝缘。而且，该灯丝的朝向是为了明确与加热电源16 的连接而方便地表示出来的，实际上，包含弯曲成U字形的灯丝的面， 配置成与后述离子引出口 IO大体平行。在图2所示实施方式中也一样。 但是，灯丝的形状可以是U字形以外的形状。
热阴极12两端连接有加热该热阴极12的直流加热电源16。在热阴 极12的一端与等离子体生成容器2之间，把等离子体生成容器2作为正 极一侧，连接有直流电弧电源18，所述直流电弧电源18用于在热阴极 12和等离子体生成容器2两者之间施加电弧电压VA，使热阴极12和等 离子体生成容器2两者之间产生电弧放电，电离导入等离子体生成容器2 内的可电离气体8，生成等离子体4。
在等离子体生成容器2内的另外一侧(与热阴极12相对的一侧)， 与热阴极12相对，设置有对置反射电极20，该对置反射电极20具有反 射(换句话说就是反弹或者逐回，以下相同)等离子体生成容器2内的 电子(主要是从热阴极12放出的热电子，以下相同)的功能。该对置反 射电极20利用绝缘件22与等离子体生成容器2电绝缘。
在该实施方式中，以等离子体生成容器2的电位为基准，从直流偏 压电源24向对置反射电极20施加负的偏压VB。偏压VB的大小，可以 通过均衡利用对置反射电极20反射电子的作用、从对置反射电极20放 出铝离子等铝粒子的作用、利用等离子体4中的离子对对置反射电极20 的表面进行溅射的作用等来决定。从该观点来看，例如，偏压Ve的大小 优选在40V 150V左右。在此范围内，在可电离气体8是包含氟化硼
9(BF3)的气体的情况下，更优选60V 120V左右。
公知的离子源的对置反射电极由钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)等 高熔点金属或者其合金所构成，但是，所述对置反射电极20由含铝材料 所构成。例如，含铝材料是氧化铝(A1203)、氮化铝(A1N)等铝化合 物。如果进行温度控制，也可以使用铝(Al)。
在等离子体生成容器2的外部设置有磁铁30，所述磁铁30在等离 子体生成容器2内产生磁场28，该磁场28沿着连接热阴极12和对置反 射电极20的线26。磁铁30例如可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁 场28的方向也可以与图中所示例子相反。
由于存在所述对置反射电极20以及磁场28，等离子体生成容器2 内的电子以磁场28的方向为轴，在磁场28中一边旋转一边在热阴极12 和对置反射电极20之间往返运动，其结果，该电子与可电离气体8的气 体分子相碰撞的概率变高，可电离气体8的电离效率变高，所以等离子 体4的生成效率也变高。更具体地说，在热阴极12和对置反射电极20 之间可以生成高密度的等离子体4。
在等离子体生成容器2的壁面上，设置有从等离子体4引出离子的 离子引出口IO。在该实施方式中，离子引出口 10为沿着所述线26方向 的长条形状。更具体地说，是沿着所述线26的方向的长狭缝形状。但是， 离子引出口 IO的形状并不限定于所述形状。
在离子引出口 IO的出口附近，设置有从等离子体生成容器2内(更 具体地说是从在其中生成的等离子体4)引出离子束34的引出电极系统 32。图示例子中是由l个电极构成引出电极系统32，但并不限定于此， 也可以由多个电极构成引出电极系统32。
在该离子源中，由含铝材料构成的对置反射电极20暴露于电离含氟 可电离气体8生成的等离子体4中，通过该等离子体4中的氟离子、氟 自由基等的侵蚀，以及该等离子体4中的氟离子等离子的溅射等，从对 置反射电极20向等离子体4中放出铝离子等铝粒子，从而使等离子体4 中含有铝离子。从对置反射电极20放出的铝粒子，有的作为铝离子被放 出，也有的作为中性的铝原子被放出。中性的铝原子也以某种程度的比例，通过与等离子体4中的电子碰撞被电离成铝离子。这样就使等离子
体4中含有铝离子(例如Al+、 Al2+、 Al3+。以下相同)，其结果，可以 生成含有该铝离子的离子束34。
如上所述，根据该离子源，对置反射电极20具有反射等离子体生成 容器2内的电子的功能，可以从对置反射电极20向等离子体4中放出铝 离子等铝粒子，使等离子体4中含有铝离子，即，反射等离子体生成容 器2内的电子的对置反射电极20兼用于放出铝粒子，所以可以不需要如 以往例子的离子源那样特别设置生成铝离子专用的板，因此，可以削减 部件的数量以及简化结构。
而且，由于具有磁铁30，其产生沿着连接热阴极12和对置反射电 极20的线26的磁场28,所以可以如所述那样，使等离子体生成容器2 内的电子在热阴极12和对置反射电极20之间往返运动，可以在热阴极 12和对置反射电极20之间生成高密度的等离子体4。由于对置反射电极 20位于该高密度等离子体4的端部，并且等离子体4在沿着所述磁场28 的方向容易移动，对置反射电极20位于该容易移动方向的端部，所以对 置反射电极20可以有效地暴露于高密度的等离子体4中。因此，可以从 对置反射电极20高效率地向等离子体4中放出铝离子等铝粒子，其结果， 容易增加含在离子束34中的铝离子的量。
在所述以往例子的离子源中，含铝材料的板被安装在电离室的底面 上。与在该位置的板相比，所述对置反射电极20由于与所述磁场28的 关系可以有效地暴露于高密度的等离子体中，所以可以更高效地向等离 子体4中放出铝离子等铝粒子，进而可以生成含有更多数量铝离子的离 子束34。
而且，随着该离子源的运转，即随着等离子体4的生成，通常，在 暴露于等离子体4中的表面上堆积着不需要的粒子，该表面也包含对置 反射电极20的表面。在此如果着眼于对置反射电极20，则由于对置反射 电极20相对于等离子体生成容器2被施加负的偏压VB，所以除了所述 反射电子的作用之外，也起到通过偏压Vb加速等寓子体4中的离子并将 所述离子拉进的作用。利用该加速后的离子，可以对堆积在对置反射电 极20表面上的粒子进行溅射，从而清洗对置反射电极20的表面，因此可以露出对置反射电极20的表面本身，可以使从对置反射电极20的表 面放出铝粒子的作用稳定地保持更长时间。
与此相对，在所述以往例子的离子源中，并没有相对于电离室向含 铝材料的板施加负电压(或者使该板具有悬浮电位)，所以不能期望得 到利用加速后的离子对堆积在该板表面上的粒子进行溅射、从而清洁该 板表面的作用，因此，从该板放出铝粒子的功能会更早地降低。
由于从对置反射电极20放出铝粒子会消耗对置反射电极20，所以 要按照需要更换对置反射电极20，这一点与所述以往例子的离子源中的 板相同。
可是，在将该离子源用于离子注入装置，向碳化硅基板等目标注入 铝离子的情况下，根据需要，在该离子源和目标之间，进行离子束34的 动量(例如质量)分离，可以设置筛选必要动量的铝离子的质量分离器。 使用下述实施方式中的离子源时也一样。
下面说明本发明所涉及的离子源的其他几个实施方式。而且，在以 下各实施方式的说明中，与先前说明的实施方式(例如图1所示的实施 方式)相同或者相当的部分使用相同的附图标记，主要说明与先前说明 的实施方式的不同点。
如图2所示的实施方式，取代设置所述偏压电源24，将对置反射电 极20与热阴极12连接并固定在阴极电位上。更具体地说，(a)、如图 2所示的例子，可以将对置反射电极20连接在加热电源16的负极与热阴 极12的一端的连接部a上；(b)、也可以将对置反射电极20连接在加 热电源16的正极与热阴极12的另外一端的连接部b (即电弧电源18的 负极)上。总之，可以把等离子体生成容器2的电位作为基准向对置反 射电极20施加负电压。具体地说，在所述(a)的情况下，可以施加VA+VH 大小的负电压，在所述(b)的情况下，可以施加VA大小的负电压。VA 是作为所述电弧电源18的输出电压的电弧电压，vh是加热电源16的输 出电压。电弧电压Va的大小例如是40V 120V左右，输出电压VH的大 小例如是2V 4V左右。
在所述(a)的情况下，加热电源16以及电弧电源18兼作为向对置
12反射电极20施加负电压的直流电源，在所述(b)的情况下，电弧电源
18兼作为向对置反射电极20施加负电压的直流电源。加热电源16也可 以是交流电源，在交流电源的情况下，优选采用所述(b)。
在该实施方式的情况下，由于也可以以等离子体生成容器2为基准 向对置反射电极20施加负电压，因此对置反射电极20可以起到与图1 所示实施方式大体相同的作用效果。
取代向对置反射电极20施加负电压，也可以使对置反射电极20不 与任何地方电连接，而使对置反射电极20处于悬浮电位。即使是悬浮电 位，由于比等离子体4中的离子轻且移动度高的电子比离子多得多地入 射进对置反射电极20，所以对置反射电极20带负电，起到的作用与向对 置反射电极20施加负电压的情况相同。即，对置反射电极20可以起到 的作用效果与图l、图2所示实施方式的情况大体相同。
如果将以下三种情况进行对比，(a)、如图l所示实施方式那样设 置偏压电源24， (b)、如图2所示实施方式那样将对置反射电极20连 接在热阴极12上，和(c)、使对置反射电极20不与任何一处连接而处 于悬浮电位，则在(a)的情况下，由于可以自由选择偏压VB，因此可 以容易地向对置反射电极20施加生成铝离子等最适合的电压；在(b) 的情况下，由于电弧电源18等兼作为向对置反射电极20施加负电压的 电源，不需要对置反射电极20的专用电源，因此可以简化电源结构，而 且可以固定对置反射电极20的电位；在(c)的情况下，由于不需要对 置反射电极20的专用电源，所以可以简化电源结构。后述其他实施方式 也同样如此。
如上所述，热阴极12可以是旁热式。图3所示的是其中一例。
该热阴极12具有通过被加热而放出热电子的阴极部件36和加热该 阴极部件36的灯丝38。此外，相对于等离子体生成容器2配置阴极部件 36以及灯丝38的更具体的结构，简化表示在图3中，也可以采用例如日 本专利第3758667号公报等所记载的公知的结构。图5 图7所示实施方 式中也如此。
在灯丝38上连接有加热灯丝38的直流加热电源40。在灯丝38与
13阴极部件36之间，把阴极部件36作为正极一侧连接直流轰击电源42， 所述直流轰击电源42使从灯丝38放出的热电子朝向阴极部件36加速， 并利用该热电子的撞击来加热阴极部件36。在阴极部件36和等离子体生 成容器2之间，连接所述电弧电源18。
在设置该旁热式热阴极12的情况下，也可以在所述对置反射电极 20上施加所述偏压VB，还可以将所述对置反射电极20与该热阴极12 连接并固定在阴极电位上。更具体地说，对置反射电极20, (a)、可以 连接在加热电源40的负极与灯丝38的一端的连接部c上，(b)、可以 连接在加热电源40的正极与灯丝38的另外一端的连接部d上，或(c)、 如图3中双点划线所示那样，可以连接在阴极部件36与电弧电源18的 连接部e (即电弧电源18的负极)上。总之，可以把等离子体生成容器 2的电位作为基准向对置反射电极20施加负电压。具体地说，所述(a)
的情况可以施加VA+VD+Vp大小的负电压，所述(b)的情况可以施加 VA+VD大小的负电压，所述(c)的情况可以施加VA大小的负电压。VA 是所述电弧电压，VD是所述轰击电源42的输出电压，Vp是加热电源40 的输出电压。电弧电压Va的大小如所述那祥例如是40V 120V左右， 输出电压VF的大小例如是2V 4V左右，输出电压VD的大小例如是 300V 600V左右。
在所述(a)的情况下，电弧电源18、轰击电源42以及加热电源40， 兼作为向对置反射电极20施加负电压的直流电源；在所述(b)的情况 下，电弧电源18以及轰击电源42，兼作为向对置反射电极20施加负电 压的直流电源；在所述(c)的情况下，电弧电源18兼作为向对置反射 电极20施加负电压的直流电源。加热电源40可以是交流电源，在该情 况下优选采用所述(b)或者(c)。
然而，例如如日本专利第3797160号公报所记载的那样，有的离子 源除了具备对置反射电极以外，在热阴极一侧也具备反射电极(背后反 射电极)。但是，公知的离子源的两个反射电极，如所述那样是由高熔 点金属或者其合金所构成，而不是由含铝材料所构成。图4所示的是还 具有与该背后反射电极相当的背后反射电极的离子源的实施方式。
该实施方式的离子源，在等离子体生成容器2内，在热阴极12的电子放射部背后，还具有背后反射电极44，该背后反射电极44与对置反射
电极20相对，并且设置成与所述等离子体生成容器2电绝缘，以所述等 离子体生成容器2的电位为基准被施加负电压(或者如后述那样处于悬 浮电位)，并且具有反射所述等离子体生成容器2内的电子的功能。此 外，该背后反射电极44由所述含铝材料构成。
在等离子体生成容器2内与等离子体生成容器2电绝缘来支承背后 反射电极44的装置，可以采用公知的装置。在本实施方式中作为一个例 子，用兼作电流导入端子的绝缘件48来支承背后反射电极44，但并不限 定于此。在图5所示实施方式中，省略了背后反射电极44的所述支承装 置的图示。
所谓热阴极12的电子放射部，是在热阴极12内放出特别多的热电 子的部分，具体地说是指热阴极12的前端部分(等离子体生成容器2内 侧的前端部分)。在图5所示的旁热式的热阴极12的情况下，是指所述 阴极部件36的前端部分(等离子体生成容器2内侧的前端部分)。
在该实施方式中，背后反射电极44具有使背后反射电极44与热阴 极12 (具体地说是其腿部)电绝缘的通孔46。在热阴极12与背后反射 电极44之间，例如有3mm左右的间隔。因此，可以说背后反射电极44 设置在热阴极12的附近。
(a)、可以如图4所示的例子那样，与对置反射电极20共同使用 所述偏压电源24，由该偏压电源24以等离子体生成容器2的电位为基准 向背后反射电极44施加负的偏压VB， (b)、也可以利用与偏压电源24 不同的直流偏压电源以等离子体生成容器2的电位为基准向背后反射电 极44施加负的偏压，(c)、还可以与图2所示的对置反射电极20的情 况相同，通过将背后反射电极44连接在所述连接部a或者b，以等离子 体生成容器2的电位为基准向背后反射电极44施加负电压。
或者，取代向背后反射电极44施加负电压，可以使背后反射电极 44不与任何一处电连接，而处于悬浮电位。即使是悬浮电位，与所述处 于悬浮电位的对置反射电极20的情况相同，由于比等离子体4中的离子 轻且移动度高的电子比离子多得多地入射进背后反射电极44，所以背后反射电极44带负电，起到的作用与向背后反射电极44施加负电压的情
况相同。
艮P，与所述对置反射电极20的情况相同，背后反射电极44可以起 到反射等离子体生成容器2内的电子的作用。
而且，在该离子源的运转中，该背后反射电极44也暴露于电离含氟 可电离气体8生成的等离子体4中，而且该背后反射电极44也是由含铝 材料所构成，所以利用与对于对置反射电极20所述的相同的作用，即通 过等离子体4中的氟离子、氟自由基等的侵蚀，以及通过等离子体4中 的氟离子等离子的溅射等，也从背后反射电极44向等离子体4中放出铝 粒子。总之，与只有对置反射电极20由含铝材料构成的情况相比，可以 增加接受等离子体4中的氟离子等侵蚀和溅射的含铝材料的面积，因此， 可以增加向等离子体4中放出的铝粒子的量，从而增加含在离子束34中 的铝离子的量，即增加铝离子束的量。
此外，如所述那样，在背后反射电极44附近设置热阴极12，由于 来自热阴极12的辐射热，背后反射电极44变成高温，其结果，可以期 望提高溅射率以及含铝材料的蒸气压的上升，由此使向等离子体4中放 出的铝粒子的量增加，所以从该观点来看，也可以增加含在离子束34中 的铝离子的量。
如果变成高温，则可以期待提高背后反射电极44的溅射率，简单 地说，这是由于如果变成高温，则构成背后反射电极44的含铝材料的 铝原子和其他原子等的晶格振动变得活跃，这些原子等的化学键变得容 易断裂，铝粒子变得容易飞出。
如果变成高温，则可以期待含铝材料的蒸气压上升说的是通过所 述作用从构成背后反射电极44的含铝材料放出的铝粒子也许严格地说并 不能称之为蒸气，但由于根据与如果变成高温则蒸气压变高相似的现象， 铝粒子变得容易从含铝材料放出到气氛中(即等离子体生成容器2内的 真空气氛中)，所以把这种现象与蒸气的情况相同说成是蒸气压上升。
而且在该实施方式中，由于背后反射电极44具有反射等离子体生成 容器2内电子的功能，并兼用于放出铝粒子，所以不需要如以往的离子源那样特别设置生成铝离子专用的板，与特别设置生成铝离子专用的板 的情况相比，可以削减部件的数量以及简化结构。
图5所示的实施方式表示的是除了具备对置反射电极20，还具备上
述背后反射电极44，并且热阴极12是旁热式。
该热阴极12与图3所示热阴极12结构大体相同，不过，在该实施 方式中，阴极部件36配置在等离子体生成容器2内。并且在该热阴极12 的电子放射部(即所述阴极部件36的前端部分)背后，还具有所述背后 反射电极44，所述背后反射电极44与所述对置反射电极20 (参照图4) 相对，并且设置成与所述等离子体生成容器2电绝缘。如果改变说法， 也可以说背后反射电极44设置在阴极部件36前端部分的侧后方，不过， 在该说明书中这种说法也包含在所述"背后"内。
在该实施方式中，背后反射电极44具有使背后反射电极44与阴极 部件36电绝缘的通孔46。在阴极部件36和背后反射电极44之间，例如 有3mm左右的间隔。因此也可以说该背后反射电极44设置在热阴极12 的附近，更具体地说是设置在所述阴极部件36的附近。
与图4所示实施方式的情况大体相同，可以以等离子体生成容器2 的电位为基准向该实施方式的背后反射电极44施加负电压，也可以使背 后反射电极44不与任何一处电连接，处于悬浮电位。在施加负电压的情 况下，(a)、可以是来自于所述偏压电源24的负的偏压VB， (b)、 可以是来自于与偏压电源24不同的直流偏压电源的负的偏压，(c)、 可以是与图3所示实施方式的情况相同，将背后反射电极44连接在所述 连接部e、 d或者c上，不过，由于为了使背后反射电极44起到的作用 与在图4的实施方式中所述作用相同，不需要向背后反射电极44施加像 包含所述输出电压Vo那么大的负电压，因此只要将背后反射电极44连 接在连接部e上，向背后反射电极44施加所述电弧电压VA，则电压大 小就足够了。
在该实施方式的情况下，背后反射电极44也可以起到与对图4的实 施方式所作说明大体相同的作用效果，即，除了反射等离子体生成容器2 内的电子的作用，还具有增加放出到等离子体4中的铝粒子的量、从而
17增加含在离子束34 (参照图4)中的铝离子的量的作用。由于在附近存
在热阴极12，所以背后反射电极44变成高温，与所述相同，向等离子体 4中放出的铝粒子的量也增加。此外，由于背后反射电极44兼用于放出 铝粒子，所以可以削减部件的数量以及简化结构
在图6所示实施方式中，所述热阴极12的阴极部件36设置在等离 子体生成容器2的开口部3内，并且该等离子体生成容器2的包含所述 开口部3的壁面2a (更具体地说是包含开口部3的一个侧面)是由电绝 缘性的含铝材料所构成。电绝缘性的含铝材料例如是，上述氧化铝 (A1203)、氮化铝(A1N)等铝化合物。
因为由所述含铝材料构成的壁面2a具有电绝缘性，所以处于悬浮电 位。与所述处于悬浮电位的背后反射电极44的情况相同，在离子源运转 中，由于比等离子体4中的离子轻且移动度高的电子比离子多得多地入 射进该壁面2a，所以该壁面2a带负电。
因此，与所述背后反射电极44的情况相同，该壁面2a也起到反射 等离子体生成容器2内的电子的作用，除此之外，还起到增加放出到等 离子体4中的铝粒子的量，从而增加含在离子束34中的铝离子的量的作 用，关于此点与图7所示的实施方式一起说明。
在图7所示的实施方式中，等离子体生成容器2的包含所述开口部 3的壁面2a由含铝材料构成，并且使绝缘件50介于等离子体生成容器2 的壁面2a与其他壁面之间，使壁面2a与等离子体生成容器2的其他壁 面电绝缘。在该实施方式中，含铝材料既可以是电绝缘性的也可以是导 电性的。
与图5所示实施方式中的背后反射电极44的情况大体相同，可以以 等离子体生成容器2的电位为基准向所述含铝材料所构成的壁面2a施加 负电压，也可以使该壁面2a不与任何一处连接，处于悬浮电位。在施加 负电压的情况下，(a)、可以施加来自所述偏压电源24的负偏压VB， (b)、可以施加来自与偏压电源24不同的直流偏压电源的负偏压，(c)、 可以将所述壁面2a连接在所述连接部e、 d或者c上。例如与上述理由 相同，连接在连接部e上即可。即使所述壁面2a处于悬浮电位，由于与图6所示实施方式中的壁面 2a的情况相同的作用，所述壁面2a带负电，因此起到的作用效果与向所 述壁面2a施加负电压的情况相同。
艮P，与所述背后反射电极44等的情况相同，所述壁面2a起到反射 等粒子生成容器2内的电子的作用。
而且，在如图6或者图7所示的任一个实施方式的情况下，在离子 源的运转中，由于由所述含铝材料构成的壁面2a暴露于电离含氟可电离 气体8生成的等离子体4中，利用与对于对置反射电极20和背后反射电 极44所述的作用相同的作用，即通过等离子体4中的氟离子、氟自由基 等的侵蚀，以及通过等离子体4中的氟离子等离子的溅射，也从所述由 含铝材料构成的壁面2a向等离子体4中放出铝粒子。总之，与只有对置 反射电极20由含铝材料构成的情况相比，可以增加接受等离子体4中的 氟离子等侵蚀和溅射的含铝材料的面积，因此，可以增加向等离子体4 中放出的铝粒子的量，从而增加含在离子束34中的铝离子的量，即，可 以增加铝离子束的量。
此外，由所述含铝材料构成的壁面2a，也由于在附近存在热阴极12 (具体地说是热阴极12的阴极部件36等)，通过来自热阴极12的热辐 射热变成高温，其结果，与所述背后反射电极44的情况相同，可以期待 提高该壁面2a的溅射率以及含铝材料的蒸汽压的上升，由此，由于增加 了向等离子体中放出的铝粒子的量，所以从该观点来看，也可以增加含 在离子束34中的铝离子的量。
而且在图6或者图7所示的任一实施方式的情况下，由于把构成等 离子体生成容器2的壁面中的一部分壁面，即包含所述开口部3的壁面 2a兼用于放射铝粒子，因此可以不需要如以往的离子源那样特别设置生 成铝离子的专用的板，与特别设置生成铝离子专用的板相比，可以削减 部件的数量以及简化结构。
如果比较图6、图7所示的两个实施方式，由于图6的实施方式不 需要绝缘件50，因此结构更简单，相反，图7的实施方式有绝缘件50， 对应地更容易可靠地得到所述壁面2a与等离子体生成容器2的其他壁面
19之间的电绝缘。
此外，也可以采用通过在等离子体生成容器2内侧的绝缘件50的表
面，例如设置槽等，增大爬电距离(creeping distance,沿面距离)的结 构，这样做可以抑制由于绝缘件50表面的污垢造成的绝缘性能的降低。
权利要求
1.一种离子源，生成含有铝离子的离子束，其特征在于包括等离子体生成容器，它兼作阳极，是用于在内部生成等离子体的容器，含氟可电离气体被导入其中；热阴极，设置在所述等离子体生成容器内的一侧，与所述等离子体生成容器电绝缘；对置反射电极，设置在所述等离子体生成容器内的另外一侧，与所述等离子体生成容器电绝缘，并且设置成与所述热阴极相对，以所述等离子体生成容器的电位为基准，所述对置反射电极被施加负电压，所述对置反射电极具有反射所述等离子体生成容器内的电子的功能，并且由含铝材料构成；以及磁铁，在所述等离子体生成容器内产生磁场，该磁场沿着连接所述热阴极和所述对置反射电极的线。
2. —种离子源，生成含有铝离子的离子束，其特征在于包括等离子体生成容器，它兼作阳极，是用于在内部生成等离子体的容器，含氟可电离气体被导入其中；热阴极，设置在所述等离子体生成容器内的一侧，与所述等离子体 生成容器电绝缘；对置反射电极，设置在所述等离子体生成容器内的另外一侧，与所 述等离子体生成容器电绝缘，并且设置成与所述热阴极相对，处于悬浮 电位，所述对置反射电极具有反射所述等离子体生成容器内的电子的功 能，并且由含铝材料构成；以及磁铁，在所述等离子体生成容器内产生磁场，该磁场沿着连接所述 热阴极和所述对置反射电极的线。
3. 根据权利要求1或2所述的离子源，其特征在于，还包括背后反 射电极，所述背后反射电极位于所述等离子体生成容器内，设置在所述 热阴极的电子放射部的背后，与所述对置反射电极相对，并且设置成与 所述等离子体生成容器电绝缘，以所述等离子体生成容器的电位为基准，所述背后反射电极被施加负电压，所述背后反射电极具有反射所述等离 子体生成容器内的电子的功能，并且由含铝材料构成。
4. 根据权利要求1或2所述的离子源，其特征在于，还包括背后反 射电极，所述背后反射电极位于所述等离子体生成容器内，设置在所述 热阴极的电子放射部的背后，与所述对置反射电极相对，并且设置成与 所述等离子体生成容器电绝缘，处于悬浮电位，所述背后反射电极具有 反射所述等离子体生成容器内的电子的功能，并且由含铝材料构成。
5. 根据权利要求1或2所述的离子源，其特征在于，所述热阴极是 旁热式的，具有通过被加热而放出热电子的阴极部件以及加热该阴极部 件的灯丝，该阴极部件配置在所述等离子体生成容器的开口部内，所述等离子体生成容器的包含所述开口部的壁面用电绝缘性的含铝 材料构成。
6. 根据权利要求1或2所述的离子源，其特征在于，所述热阴极是 旁热式的，具有通过被加热而放出热电子的阴极部件以及加热该阴极部 件的灯丝，该阴极部件配置在所述等离子体生成容器的开口部内，所述等离子体生成容器的包含所述开口部的壁面用含铝材料构成， 并且使绝缘件介于所述包含所述开口部的壁面与所述等离子体生成容器 的其他壁面之间，使所述包含所述开口部的壁面与所述其他壁面电绝缘， 所述包含所述开口部的壁面处于悬浮电位。
7. 根据权利要求1或2所述的离子源，其特征在于，所述热阴极是 旁热式的，具有通过被加热而放出热电子的阴极部件以及加热该阴极部 件的灯丝，该阴极部件配置在所述等离子体生成容器的开口部内，所述等离子体生成容器的包含所述开口部的壁面用含铝材料构成， 并且使绝缘件介于所述包含所述开口部的壁面与所述等离子体生成容器 的其他壁面之间，使所述包含所述开口部的壁面与所述其他壁面电绝缘，并且以所述等离子体生成容器的电位为基准，所述用含铝材料构成 的壁面被施加负电压。
全文摘要
本发明提供一种离子源，其生成含有铝离子的离子束，所述离子源包括等离子体生成容器(2)，含氟可电离气体(8)被导入其中；热阴极(12)，设置在该等离子体生成容器(2)内的一侧；对置反射电极(20)，设置在等离子体生成容器(2)内的另外一侧，相对于该等离子体生成容器(2)被施加来自于偏压电源(24)的负电压V_B，其反射电子；以及磁铁(30)，在等离子体生成容器(2)内产生磁场(28)，该磁场沿着连接热阴极(12)和对置反射电极(20)的线，所述对置反射电极(20)由含铝材料构成。与以往的离子源相比，本发明的离子源可以削减部件的数量并简化结构。
文档编号H01J37/08GK101661862SQ20091015204
公开日2010年3月3日 申请日期2009年7月15日 优先权日2008年8月27日
发明者井合哲也, 山下贵敏, 池尻忠司 申请人:日新离子机器株式会社