离子源的制作方法

专利名称：离子源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过提供气体并施加电弧电压而产生等离子体，并由该等离子体 产生离子束的离子源，例如在半导体用离子注入装置和平板显示器(Flat Panel Display, FPD)制造用离子注入装置中使用的离子源。
背景技术：
在一般广泛使用的离子源中，将等离子体容器作为阳极，将通过通电释放热电子 的细丝作为阴极，并通过感应电弧放电而将原料气体等离子化，产生等离子体。该等离子体 中的正电荷粒子从设置在等离子体容器上的细长开口部或连续的多个开口部引出作为离 子束。此时，在与离子束的引出方向垂直的方向上施加磁场。在这样的离子源中，一般指出以下的技术要求要求产生的等离子体密度大致均勻；要求通过增加作为离子束引出的开口部附近的等离子体的密度，来增加离子束电 流；由等离子体中的离子碰撞磨损的细丝作为消耗品成本要低；以及要求细丝是耐磨损性高的粗线材，以能够长期使用。例如，已知地，为了使等离子体容器内的等离子体密度大致均勻，需要通过磁铁的 设计、制作和调整，使得在等离子体容器附近的磁场强度构成大致均勻(磁场的变化在几 个百分点以下)此外，已知地，为了使开口部附近的等离子体密度增加，使细丝接近从开口部延伸 的等离子体容器的壁面的位置是有效的。进一步地，为了降低细丝的成本，期望通过对细丝的线材进行弯曲加工而制作。作 为细丝的线材，采用熔点高、耐磨损性高的钨或钼为主要成分(质量％在90%以上)的材 料。此时，由于钨和钼的熔点高，所以需要在高温下加工线材以得到可塑性。由此，采用线 径在大约2mm以下的作为线材。另一方面，在特许第3075129号公报中，记载了在作为等离子体容器的等离子体 产生室内部，将细丝向形成离子引出口的离子引出表面的方向弯曲的离子源。由此，可以增 大离子束。进一步地，在特开2007-311118号公报中，作为离子束电流大、构成阴极的细丝的 寿命长的离子源，记载了沿着等离子体容器的长度方向并列设置多个用于控制等离子体密 度分布的细丝的离子源。

发明内容
本发明要解决的技术问题在这样的情况下，为了进一步地增大离子束的电流，除了采用在特许第3075129 号公报中记载的方法以外，还考虑扩大离子源的离子束的引出用开口部。但是，通过扩大开口部的方法，离子束的发射度(在引出的离子束前进方向上的电荷粒子的运动分散特性) 恶化以致于不能用作离子注入装置的离子束。因此，不能轻易将开口部扩大。另一方面，还 考虑通过扩大离子源的尺寸，扩大等离子体容器，不使发射度恶化，细长地扩大开口部，从 而增大离子束的电流。在这种情况下，更加强烈地期望磁场的强度在等离子体容器附近大 致均勻。一般，为了形成磁场，沿具有100 150mm长度的等离子体容器的长度方向配置一 对磁铁，但是由于需要用于应对作用在等离子体容器上的高电压和高温的空间和部件，因 此该磁铁之间的配置距离为500 600mm。这样的磁铁间的距离很长，通过扩大离子源的尺 寸来扩大较宽的空间在设定大致均勻的磁场上是困难的。因此，需要不扩大磁铁间的距离 而扩大等离子体容器。另一方面，由于线材的熔点高，将用于细丝的钨或钼的线材弯曲加工为规定的形 状是很难的。目前，代替线材是通过采用网电极的放电加工，将板材切断成复杂的形状而进 行细丝的加工。因此，为了低成本地进行弯曲加工制作，还是需要采用线材，而不是板材，并 且将该线径抑制在2mm左右。另一方面，在不改变细丝的形状，且为了构成曲率半径大且稳 定的形状而扩大尺寸的情况下，与细丝的尺寸对应地扩大等离子体容器，是不实用的。此 外，由于细丝构成产生等离子体的热电子释放源，对等离子体的密度产生影响，所以现有的 细丝构成包含曲折部分的规定的复杂形状。因此，期望产生的等离子体密度与现有的相同， 在加工方面具有简单的形状，并且具有尽可能粗的线径的细丝。进一步地，为了达到期望的等离子体密度，细丝的形状通过配合离子源的各种尺 寸而设定，所以当离子源的各种尺寸等由于经过时间的变化或热膨胀等而改变时，不能得 到期望的等离子体密度。因此期望即使离子源的各种尺寸改变，也不会对等离子体密度产 生影响，即产生鲁棒性高的离子束的离子源的结构。此外，细丝在等离子体产生期间会由于暴露在等离子体中而磨损，使线径变细。因 此，在细丝中的为了释放热电子而提供的温度高的部分由于磨损而改变，由此导致热电子 的释放位置也改变。结果，由于产生等离子体的位置也发生改变，所以从等离子体引出的离 子束的电流也改变，从而不能得到稳定的离子束的电流。即，随着离子源的使用，离子束的 电流慢慢改变。因此，期望即使由于细丝的磨损等经过时间的变化，离子束的电流也不会受 到过大影响，即产生鲁棒性高的离子束的离子源的结构。因此，考虑到上述背景技术，本发明的目的是提供一种能够不扩大磁铁间的距离 而扩大等离子体容器，同时能够低成本地制造细丝，进一步地相对于离子源的各种尺寸的 改变和细丝的磨损鲁棒性高的离子源。解决问题的技术方案为了实现上述目的，本发明提供一种如下的离子源，其通过提供气体、施加电弧电 压而产生等离子体，并由该等离子体产生离子束。该离子源包括(A) 一对磁铁，形成沿与离子束的引出方向垂直的方向施加的磁场；(B)等离子体容器，设置在所述一对磁铁之间，具有提供气体以产生等离子体的导 体面的内部空间，其中用于引出离子束的开口部设置在所述内部空间内沿所述一对磁铁的 配置方向延伸的第一壁面上；(C)细丝，与所述等离子体容器电绝缘，从沿所述一对磁铁的配置方向延伸的第二 壁面竖直设置且通过通电而在所述内部空间释放热电子；
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(D)电源，使电流在所述细丝中流动；
(E)竖直设置所述细丝的所述第二壁面是朝向与所述第一壁面的朝向方向不同的 方向的表面，所述细丝从所述第二壁面竖直设置在与所述一对磁铁的配置方向不同的方向 上；(F)进一步地，所述细丝在所述细丝的中心部折回并形成环状，并且当从垂直于形 成所述环状的表面的方向观察时在所述环状的基部具有不相接触的X状交叉的部分。此时，优选地，所述内部空间形成为长方体形状，所述第二壁面是与所述第一壁面 相对的壁面。此外，优选地，所述细丝竖直设置，以使形成所述环状的表面大致垂直所述一对磁 铁的磁场方向。进一步地，优选地，在所述等离子体容器的所述内部空间的所述配置方向的两端 部上设置反射热电子的反向板，与所述细丝的环状相对设置，所述环状的尺寸小于所述反 射板的尺寸。此外，优选地，所述细丝通过弯曲加工棒状线材而制成，是从钨、钼和以钨或钼为 主要成分的合金中选择的金属。进一步地，优选地，所述细丝的线径大于2mm。此外，优选地，所述细丝的X状交叉部分的交叉角度为70 110度。此外，优选地，所述细丝的顶端部与所述第一壁面之间的距离为2 3mm。发明效果在本发明的离子源中，构成细丝，以使得在细丝的中心部折回以形成环状，并且当 从垂直于形成该环状的表面的方向观察时，在环状的基部具有不相接触的X状交叉的部 分。由此，通过交叉为X状的部分相互发出的热量对相互交叉的部分加热，该加热被热传导 到环状部分，所以在环状的较宽部分构成高温而释放热电子，并且在较宽的范围内缓缓地 产生等离子体。由此，即使离子源的各种尺寸等由于经过时间的变化和热膨胀等而改变，从 上述等离子体引出的离子束的电流受到的影响也会很小。此外，由于从环状的较宽部分释 放热电子，所以即使细丝磨损，产生等离子体的范围也不会有大的变化。因此，即使细丝磨 损，从等离子体引出的离子束的电流受到的影响也很小。此外，由于细丝具有形成环状和X状的形状，与现有的复杂形状相比具有简单的 形状，所以即使难以弯曲加工的粗线材也可以被容易地加工。因此，可以低成本地提供寿命 长的细丝。进一步地，竖直设置有细丝的第二壁面是朝向与第一壁面的朝向不同方向的表 面，细丝从所述第二壁面竖直设置在与一对磁铁的配置方向不同的方向上。尤其从与包括 引出离子束的开口部的第一壁面相对的壁面竖直设置细丝。由此，与在等离子体容器的磁 铁配置方向的两端部上安装细丝的现有结构不同，在该两端部分上不需要设置细丝的支持 部件和绝缘部件的空间。由此，可以将该不需要的空间部分用于扩大等离子体容器的尺寸。进一步地，通过将与包括引出离子束的开口部的第一壁面相对的壁面作为第二壁 面以构成竖直设置细丝的结构，从而能够使细丝的顶端的位置接近包括开口部的第一壁面 附近，并且能够在开口部附近产生密度高的等离子体。进一步地，由于从第二壁面竖直设置细丝，所以为了降低细丝的热传导而导致的热损失，可以独立于等离子体容器的尺寸自由地调整细丝通过等离子体容器的脚部的长 度，或者设置用于防止在细丝脚部附着堆积物的套管等。


图1是示出本发明所述源一实施方式的结构的图。图2a和图2b是说明在图1中示出的离子源中使用的细丝形状的图。符号说明1离子源10等离子体容器12 细丝14、16 反射板18原料气体供应20离子束引出22、24引出电极
具体实施例方式下面，基于在附图中示出的优选实施方式，详细地说明本发明的离子源。图1是示 出本发明所述离子源一实施方式的结构图。离子源1是通过提供原料气体G而放电以产生等离子体P，并通过从该等离子体 P引出离子而产生离子束B的帕拉斯(BANASU)源。如图1所示，离子源1具有等离子体容 器10，细丝12，反射板14、16，原料气体供应口 18，离子束引出口 20，引出电极22、24和磁铁 26、27。等离子体容器10收纳在未图示的离子注入装置的减压容器内，使等离子体容器10 内构成减压到10_2 ICT3(Pa)的状态。等离子体容器10是具有长方体形状的内部空间的放电箱。等离子体容器10由具 有耐高温性的导电性材料构成。在本发明中，内部空间不限于长方体形状，也可以是多角柱 形状或圆柱形状。在圆柱形状的情况下，本发明中的壁面意味着切线面。竖直设置从等离子体容器10的内部空间的壁面向内部空间突出的细丝12。并且， 该细丝12从与设置有离子束引出口 20的壁面30相对的壁面32竖直地设置。细丝12由 从钨、钼、以钨或钼为主要成分的合金中选择的金属构成。特别地，从耐磨损性角度考虑时， 优选地由钨构成。等离子体容器10沿一个方向(图1中的水平方向)较长，该长度方向与磁铁26、 28的配置方向相一致。这样，竖直设置细丝12的壁面构成为与设置离子束引出口 20的壁面(第一壁 面)30相对的壁面(第二壁面)32，这是由于可以不扩大磁铁26和磁铁28之间的距离而沿 长度方向扩大等离子体容器10。即，在如现有技术，从面对磁铁26、28的配置方向的壁面， 即等离子体容器10的长度方向的端部壁面，将细丝12竖直设置在内部空间的情况下，在等 离子体容器10的长度方向的端部上需要细丝支持部件和绝缘部件等的配置空间。因此，如 离子源1，通过从与设置离子束引出口 20的壁面30相对的壁面32竖直设置细丝12，不需 要细丝支持部件和绝缘部件等的配置空间，所以可以将该不需要的配置空间用于扩大等离
26、28磁铁 30,32壁面 33细丝电源 34电弧电源 36,38电源 40环形状
6子体容器10的长度方向的尺寸。
进一步地，为了降低由细丝12的热传导导致的热损失，可以与等离子体容器10的 尺寸独立自由地进行调整细丝12的通过等离子体容器10的脚部的长度，或设置用于防止 在细丝脚部附着堆积物的套管。这样，从与离子束引出口 20的壁面30相对的壁面32竖直设置细丝12。此时，使 细丝12的顶端部相对于壁面30接近在2 3mm的范围内。由此，可以在离子束引出口 20 附近增大等离子体P的密度，增大离子束B的电流。并且，在本发明中，不限于从与设置离子束引出口 20的壁面30相对的壁面32竖 直设置细丝12。也可以从包括与图1的纸平面平行的表面的壁面竖直设置细丝12。在本 发明中，可以朝向与设置离子束引出口(开口部)20的壁面30的方向(壁面30的垂线方 向)不同的方向，从沿一对磁铁26、28之间的配置方向延伸的壁面，在与一对磁铁26、27的 配置方向不同的方向上竖直设置细丝12。但是，在细丝12中流动的电流对离子束B产生的 影响最小这一点上，在距离子束引出口 20最远的壁面32上设置细丝12的结构是优选的。进一步地，细丝12构成为环状。这一点在下面描述。在细丝12的对面侧和背面侧，即等离子体容器10的内部空间的沿磁铁26、28配 置方向的两端部的壁面上，设置反射板14、16。反射板14、16由具有耐高温性的金属制部件 构成，经由未图示的夹紧部件和绝缘部件固定设置在等离子体容器10上。反射板14、16设 置为稍微占用等离子体容器10的内部空间的截面。在等离子体容器10的壁面31上，设置原料气体供应口 18。期望的原料气体通过 未图示的控制阀门控制恒定的流量，从而导入等离子体容器10的内部空间。在等离子体容器10的外侧，设置引出电极22、24，使其得与设置在壁面30上的离 子束引出口 20相对。引出电极22、24包括具有与离子引出口 20相同形状的开口部，并且 经由未图示的绝缘部件，相对于等离子体容器10精密地确定位置并固定。引出电极22、24 由于曝露在离子束B中的机会多，所以优选地采用在高熔点下耐热性高的材料。例如，可以 采用石墨、钨、钼等，但是从经济性和加工性角度来说，优选地采用石墨。关于离子束B，通过 等离子体容器10的壁面30和引出电极22之间的电位差，从等离子体P分离离子并引出， 从而形成离子束B。在引出电极22、24之间施加几千伏的电压。虽然离子束B与壁面等碰撞而产生的 低速电子被离子束B的电荷捕捉，并滞留分布，但是通过上述的在引出电极22、24之间施加 几千伏的电压，可以由引出电极22和引出电极24之间的电位差防止上述电子照射到等离 子体容器10的外侧壁面上。在等离子体容器10的外侧，设置一对磁铁26、28，为了使等离子体容器10内的磁 场沿着磁铁26、28的配置方向大致均勻(磁场的变化在几个百分点以内)，而配置磁铁26、 28，进一步地确定磁铁的形状。将磁铁26、28配置为N极、S极，使得磁力线从等离子体容 器10的长度方向的一端通过另一端，磁铁26、28在磁铁26、28的外侧通过由透磁率高的软 电磁铁等制造的未图示的旁轭相连。磁铁26、28采用永磁铁或电磁铁。但是，为了能够调 整磁场，优选地采用电磁铁。在细丝上连接细丝电源33，使其能够释放热电子。细丝电源33的正极和负极与细 丝12连接，在细丝12中流动几百A的电流。由此，将细丝12加热以释放热电子。细丝电源33的正极连接在反射板14、16上。进一步地，在细丝电源33的负极和等离子体容器10之间连接电弧放电电源34，在 等离子体容器10上施加几十至几百伏的电弧电压。电源36是用于引出离子束B的引出电源，正极连接在等离子体容器10上，负极连 接在引出电极24上，并且施加几千至几十万伏的电压。进一步地，在引出电极22和引出电 极24之间连接施加几千伏电压的电源38，以在引出电极22和引出电极24之间设定电压， 使得电子不照射等离子体容器10的外侧壁面。细丝电源33的电流和电弧放电电源34的电弧电压由未图示的控制装置进行调 整，以使得离子束B的电流稳定。或者，细丝电源33流出的电流和电源36流出的电流由未 图示的控制装置进行调整。优选地，对细丝电源33流出的电流和电源36流出的电流进行 的调整可以简单地调整。如图2a和图2b所示，在这样的离子源1中，细丝12在细丝12的中心部折回以形 成环状40。从垂直于形成环状40的表面的方向观察时，具有在环状40的基部42处不接 触，而是交叉为X状的部分。细丝12的形成环状40的表面大致垂直或实质上垂直于在图 1中示出的磁铁26、28的磁场的方向。进一步地，环状40的环尺寸比反射板14、16的尺寸 小。这是为了将从细丝12的环状40的部分释放出的热电子高效地反射，从而能够使热电 子往返运动。这样的细丝12通过弯曲加工而构成其形状。细丝12的形状仅仅是环状40，在环 状40的基部42上仅X状地交叉，从而即使是钨或钼等熔点高的线材，进一步地即使是超过 2mm的粗线材，也可以简单地加工。如图2b所示，虽然优选地细丝12的交叉基部42的交叉角度是90度左右，但是通 过加工，也可以在70 110度的范围内。此外，如图2b所示，在细丝12的穿过壁面的脚部 上，优选地细丝12的线是平行的，但是也可以是不平行的。除了与现有的细丝的形状相比，形状简单，容易弯曲加工，由此与现有技术相比， 可以采用粗线径即超过2mm的线径以外，使细丝12构成环状40的原因还在于当从细丝 12释放的热电子在反射板14、16之间进行螺旋运动时，细丝不会构成热电子螺旋运动的障 碍，有效地增大了由热电子制造的等离子体的密度。在图2b中，由环状40包围的区域(斜 线区域)A不会防碍热电子的通过。此外，在现有的细丝中，细丝的温度仅在细丝折回的中心部分变高，所以根据温度 确定释放量的热电子的释放部分被限于折回的狭小范围内。因此，由从狭小范围释放的热 电子产生的密度高的等离子体被局部化，通过引出该局部化的等离子，可以使离子束的电 流增大。但是，由于细丝的持续磨损，当细丝的温度高的部分的位置变化时，密度高的等离 子体的位置也从最初的位置偏移，所以从配合最初位置而设定的离子束引出口引出的离子 束的电流变化大。此外，由于配合局部化的等离子体的最初位置而设定离子源1的各种尺 寸，所以在离子源1的各种尺寸等经过时间的变化和热膨胀等而改变的情况下，从配置产 生的等离子体的最初位置而设定的离子束引出口引出的离子束的电流变化大。但是，由于在细丝12的环状40的基部42中，如图2b所示，通过使细丝12交叉为 X状，细丝12在该交叉部分相互接近，所以由该部分相互放射传导的热量给彼此加热，从而 减少了环状40部分由于热传导导致的热损失。因此，如细丝12构成环状40，并且交叉为X
8状，从而由基部42构成环状40的较宽部分的温度分布变得稳定，并且构成环状40的较宽 部分构成释放热电子的高温部分。由此，与现有技术相比，由于热电子的释放部分变宽，所 以等离子体的生成区域不会被局部化，而是在较宽范围内缓缓地分布。由此，即使离子源1 的各种尺寸等由于经过时间的变化和热膨胀等而改变，从在较宽范围内缓缓地分布的等离 子体引出的离子束B的电流也不会受到大的影响。即，相对于离子源的各种尺寸的变化，离 子束B的电流的鲁棒性高。即使在细丝12磨损的情况下，由于释放热电子的细丝的温度高的部分是环状40 的较宽部分，所以产生的等离子体也不会从最初的位置有较大的偏移。因此，引出的离子束 的电流变化不大。这样，在离子源1中，即使细丝12磨损，离子束B的电流也不会受到大的 影响。S卩，离子束B的电流对细丝12的磨损的鲁棒性高。在这样的离子源1中，通过在细丝12中流动电流，并在高温下发热，使得从细丝12 的形成环状40的部分释放热电子，该热电子沿着磁场的方向在反射板14、16之间螺旋运动 并往返。此时，通过从原料气体供应口 18导入原料气体G，并由电弧电源34施加规定电压， 原料气体G与热电子产生碰撞，从而使原料气体G的原子带电，产生等离子体P。此时，在细丝12的环状40的区域A中，由于热电子自由地通过，所以热电子在反 射板14、16之间能够往返运动。由此，在包含细丝12的环状40的周边区域31中缓缓地分 布产生等离子体P。产生的等离子体P构成以反射板14、16为两端的圆柱形。之后，在引出 电极22、24上施加规定电压，从离子束引出口 20引出离子束B。即使细丝12由于等离子体P而磨损，由于细丝12的释放热电子的部分如上所述 地较宽，所以产生等离子体P的区域的变化不大。因此，从等离子体P引出的离子束B的电 流不会受到大的影响。此外，由于通过细丝12产生在较宽范围内缓缓地分布等离子体，所 以即使离子源1的各种尺寸等由于经过时间的变化或热膨胀等而改变，从该等离子体引出 的离子束B的电流也不会受到大的影响。虽然以上详细说明了本发明的离子源，但是本发明不限于上述实施方式，在不脱 离本发明的主旨的范围内，当然可以进行各种改进和变形。
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权利要求
一种离子源，通过提供气体、施加电弧电压而产生等离子体，并由该等离子体产生离子束，其特征在于包括一对磁铁，形成沿与离子束的引出方向垂直的方向施加的磁场；等离子体容器，设置在所述一对磁铁之间，具有提供气体以产生等离子体的导体面的内部空间，其中用于引出离子束的开口部设置在所述内部空间内沿所述一对磁铁的配置方向延伸的第一壁面上；细丝，与所述等离子体容器电绝缘，从沿所述一对磁铁的配置方向延伸的第二壁面竖直设置且通过通电而在所述内部空间释放热电子；电源，使电流在所述细丝中流动；其中，竖直设置所述细丝的所述第二壁面是朝向与所述第一壁面的朝向方向不同的方向的表面，所述细丝从所述第二壁面竖直设置在与所述一对磁铁的配置方向不同的方向上，进一步地，所述细丝在所述细丝的中心部折回并形成环状，并且当从垂直于形成所述环状的表面的方向观察时在所述环状的基部具有不相接触的X状交叉的部分。
2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于所述内部空间形成为长方体形状，所述 第二壁面是与所述第一壁面相对的壁面。
3.根据权利要求1或2所述的离子源，其特征在于所述细丝竖直设置，以使形成所述 环状的表面大致垂直所述一对磁铁的磁场方向。
4.根据权利要求1至3中任一所述的离子源，其特征在于在所述等离子体容器的所 述内部空间的所述配置方向的两端部上设置反射热电子的反向板，与所述细丝的环状相对 设置，所述环状的尺寸小于所述反射板的尺寸。
5.根据权利要求1至4中任一所述的离子源，其特征在于所述细丝通过弯曲加工棒 状线材而制成，是从钨、钼和以钨或钼为主要成分的合金中选择的金属。
6.根据权利要求1至5任一所述的离子源，其特征在于所述细丝的线径大于2mm。
7.根据权利要求1至6任一所述的离子源，其特征在于所述细丝的X状交叉部分的 交叉角度为70 110度。
8.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于所述细丝的顶端部与所述第一壁面之 间的距离为2 3_。全文摘要
本发明的一种离子源(1)，包括设置用于引出离子束(B)的开口部(20)的第一壁面(30)、沿磁铁(26、28)的配置方向延伸的第二壁面(32)以及细丝(12)。该细丝(12)从第二壁面(32)沿与磁铁(26、28)的配置方向不同的方向竖直设置，并在其中心部折回以形成不相接触的X状交叉的环状(40)。由此，能够不扩大磁铁间的距离而增大离子束电流，同时能够低成本地制造细丝且提供鲁棒性高的离子源。
文档编号H01J27/14GK101960554SQ20098010635
公开日2011年1月26日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年3月25日
发明者辻康之 申请人:三井造船株式会社