离子源装置及离子束生成方法与流程

本发明涉及一种离子源装置，例如适合于离子注入装置的离子源装置及离子束生成方法。

背景技术：
作为一种离子注入装置用离子源装置，已知有具备电子源及用于反射来自电子源的电子的反射极（repeller）的装置（专利文献1）。参考图3对离子源装置的一个例子进行说明。图3中，离子源装置具备具有等离子体形成用空间的电弧室20。电弧室20在正面侧的壁上具有前狭缝20-1，在侧面侧的壁上具有气源的导入部20-2。另外，离子源装置还在中间夹置电弧室20的等离子体形成用空间的对置位置的一侧设置有电子源，另一侧设置有反射极23。电子源包括灯丝21和阴极22。如图3B所示，前狭缝20-1的前方沿离子束的引出方向并列配置有具有使离子束通过的开口的抑制电极24和GND（接地）电极25。该离子源装置以如下方式运行。首先，用灯丝电源26使灯丝21发热而在灯丝21的前端产生热电子。以阴极电源27使产生的热电子进行加速而冲击阴极22，再以其冲击时所产生的热量对阴极22进行加热。被加热的阴极22产生热电子。所产生的热电子通过在阴极22和电弧室20之间施加的电弧电源28的电弧电压而被加速，并作为具有足够用于使气体分子电离的能量的射束电子在电弧室20内放射。另一方面，向电弧室20内导入来自导入部20-2的气源，并且施加外部磁场F。另外，在电弧室20内以与阴极22的热电子放射面对置的方式设置反射极23。反射极23具有反射电子的功能。外部磁场F的方向与连结阴极22和反射极23的轴平行。因此，从阴极22放射的射束电子沿着外部磁场F在阴极22和反射极23之间进行往复移动，并与导入到电弧室20内的气源分子冲击而产生离子。其结果，在电弧室20内生成等离子体。射束电子因施加磁场而大致存在于限定范围内，因此离子主要在该范围内生成并通过扩散到达电弧室20的内壁、前狭缝20-1、阴极22及反射极23，进而在壁面消失。另一方面，离子束的引出从扩散到前狭缝20-1的等离子体通过与磁场平行的狭缝而进行。引出的离子束的电流（引出电流）受前狭缝20-1中的等离子体密度的影响较大。例如若前狭缝20-1中的等离子体密度高则可引出的射束电流（引出电流）变大。专利文献1：日本特开2002-117780号公报但是，在电弧室20内与平行于外部磁场F的等离子体扩散相比，很难进行与外部磁场F垂直的方向的等离子体扩散。因此，等离子体密度在垂直于外部磁场F的方向急剧下降。在现有的离子源装置中，射束引出部置于等离子体向垂直于外部磁场F的方向扩散的位置。即，前狭缝20-1设置于与外部磁场F的方向正交的方向的电弧室20的壁上。因此，前狭缝20-1中的等离子体密度变低，并且引出的离子束量即引出电流也受限制。目前，为了增加引出射束即提高前狭缝20-1中的等离子体密度，采用加大来自阴极22的热电子电流等方法。此时，可想而知由于阴极22和反射极23中的等离子体密度也变高，因此产生阴极22的寿命变短等问题。离子注入装置等离子源装置中，以提高生产力的观点来看，要求获得更多来自离子源装置的引出电流。为了获得更多引出电流需要在离子源装置的离子束引出部（前狭缝）附近生成密度更高的等离子体。因此需要对离子源装置投入大功率。

技术实现要素：
相对于此，本发明的目的在于不投入大功率就能提高离子束引出部附近的等离子体密度进而加大引出电流。根据本发明的形态提供一种离子束生成用离子源装置，其特征在于，具备如下结构，该结构为，在具有等离子体形成用空间的电弧室设置放射用于生成使中性分子电离的射束电子的热电子的阴极，并且以中间隔着所述等离子体形成用空间地与所述阴极的热电子放射面对置的方式配置反射极，并且构成为向所述等离子体形成用空间沿与连结所述阴极和所述反射极的轴平行的方向施加由源极磁场装置感应的外部磁场F，并构成为在所述反射极中，在与形成于所述等离子体形成用空间的等离子体中密度最高的部分相对应的部位设置开口部，并从该开口部引出离子束。该离子源装置中所述离子束的引出方向与连结所述阴极和所述反射极的轴平行。在该离子源装置中，所述开口部优选设置于所述电弧室中的与离子束的出口开口对置的位置。所述开口部的形状、所述离子束的出口开口的形状可分别为圆形，也可为其他形状。该离子源装置中，所述开口部与所述离子束的出口开口大小相同或比所述离子束的出口开口小，并且优选不使形成于所述等离子体形成用空间的等离子体密度下降的大小。该离子源装置中，可具备能够使所述反射极向连结所述阴极和所述反射极的轴的方向移动，且能够改变所述离子束的出口开口和所述反射极之间的间隙的构件。该离子源装置中，所述反射极可不产生电位而浮动，或也可对所述反射极施加负恒定电位或负可变电位。该离子源装置中，所述电弧室为筒状并在其中心轴方向的一端侧设置有包含所述阴极的电子源，并且另一端侧设置有所述反射极，在所述电弧室的周围以包围该电弧室的筒壁的方式配置所述源极磁场装置。根据本发明的另一形态提供一种基于离子源装置的离子束生成方法，其特征在于，所述离子源装置具备如下结构，该结构为，在具有等离子体形成用空间的电弧室设置放射用于生成使中性分子电离的射束电子的热电子的阴极，并且以中间隔着所述等离子体形成用空间地与所述阴极的热电子放射面对置的方式配置反射极，在所述离子束生成方法中，向所述等离子体形成用空间沿与连结所述阴极和所述反射极的轴平行的方向施加由源极磁场装置感应的外部磁场F，在所述反射极中，从设置在与形成于所述等离子体形成用空间的等离子体中密度最高的部分相对应的部位的开口部引出离子束。根据本发明的离子源装置，能够从与以往等离子体引出部的等离子体密度相比高出数十倍的高密度等离子体中引出离子束，因此能够增加射束电流。另一方面，具有当获得与以往相同的射束电流时可使所投入的功率或导入气体量较少的优点。若要增加多价离子则需较高设定电弧电源的电压，但是在以往若要提高阴极的等离子体密度则存在使阴极的寿命缩短的问题。但是，本发明中不提高阴极的等离子体密度，就能够从与以往等离子体引出部的等离子体密度相比充分高并与阴极的等离子体密度大致相等的等离子体中引出离子束，因此与提高阴极的等离子体密度时相比延长了阴极的寿命。附图说明图1是用于说明本发明所涉及的离子源装置的主视图图A及侧视截面图（图b）。图2是用于说明在图1中的离子源装置中，用于将反射极的位置设为可变的机构的一例的侧视截面图。图3是用于说明以往型的离子源装置的主视截面图（图3A）及侧视截面图（图3B）。具体实施方式参考图1对基于本发明的离子源装置的实施方式进行说明。图1A是从离子束的引出部侧观察离子源装置的主视图，但假设的是在排除图1B所示的抑制电极14-1和接地电极14-2的状态下观察的情况。[结构]图1中，该离子源装置具备具有等离子体形成用空间的电弧室10。电弧室10为筒状，在此将圆筒状的电弧室10横置，在中心轴方向的一端侧（背面侧）构成电子源。与在图3中所说明的电子源相同，该离子源装置中的电子源也包括灯丝11及阴极12。阴极12从其热电子放射面放射用于生成使中性分子电离的射束电子的热电子。在电弧室10的中心轴方向的另一端侧（正面侧）的内部以中间隔着等离子体形成用空间地与阴极12的热电子放射面对置的方式设置有反射极13。在电弧室10的中心轴方向的另一端中心设置有离子束的出口开口10-1。此外，在电弧室10设置有用于向等离子体形成用空间导入气源的气体导入部，但省略了图示。与图3中所说明的例子相同，灯丝11上连接有灯丝电源16，灯丝11与阴极12之间连接有阴极电源17，电弧室10与阴极12之间连接有电弧电源18。在电弧室10的周围以包围电弧室10的筒壁的方式经由同心筒状的热屏蔽件19配置有源极磁场装置30。源极磁场装置30在此通过电磁线圈30-1实现，向等离子体形成用空间沿与连接阴极12和反射极13的轴平行的方向感应并施加外部磁场F。源极磁场装置30除基于电磁线圈30-1的磁场之外，能够由基于永久磁铁装置的磁场构成。如图3中说明，在电弧室10的中心轴方向的另一端侧，朝离子束的引出方向并列配置有位于稍微远离离子束的出口开口10-1的外侧位置的抑制电极14-1和GND（接地）电极14-2。如以上结构中，本实施方式中反射极13以能够在与电弧室10的中心轴方向的另一端之间产生预定间隙G的方式配置。反射极13中在与离子束的出口开口10-1对置的部位设置有开口部13-1。如后述，该对置部位为在板状的反射极13中与形成于等离子体形成用空间的等离子体中离子密度最高的部分相对应的部位。其结果，离子束的引出方向与连结阴极12和反射极13的轴平行，并且开口部13-1及出口开口10-1的中心与从其引出的离子束的中心轴相一致。在此，开口部13-1及出口开口10-1均为圆形形状，但也可以是圆形以外的形状。另外，将开口部13-1的大小设成等于或小于出口开口10-1，并且设置成不会降低形成于等离子体形成用空间的等离子体的密度的大小。另外，反射极13不产生电位，呈所谓浮动状态，也可以在数十V的范围内施加相当于足够用以反射射束电子的大小的负固定电位或可变电位。如上所述，本实施方式所涉及的离子源装置中，与以往相同，在电弧室10内配置放射用于生成使中性分子电离的射束电子的热电子的阴极12，并且以与阴极12的热电子放射面对置的方式配置反射极13。并且，向与连结阴极12和反射极13的轴平行的方向施加由电磁线圈30-1感应的外部磁场F。在此，以往关于离子束的引出，为了引出离子束在与外部磁场F的方向正交的方向的电弧室的正面侧的壁上设置前狭缝来引出离子束。相对于此，本实施方式中，在反射极13中，在与形成于等离子体形成空间的等离子体中离子密度最高的部分相对应的部位设置开口部13-1，从其开口部13-1通过出口开口10-1来引出离子束。这种离子源装置也可谓具有所谓轴对称的结构。[作用]接着，对开口部13-1的作用进行说明。一般，从阴极12出来的射束电子沿外部磁场F移动并且在反射极13反跳，在阴极12与反射极13之间进行往复运动期间，对从气体导入部导入的中性气体进行离子化。所产生的离子渐渐向周围的电弧室内壁扩散。因此，等离子体密度在连结阴极12和反射极13的轴上且成为等离子体形成用空间的中心的A点（图1a）上最高，在横切外部磁场F而扩散的B点（电弧室10的筒壁附近）上等离子体密度迅速下降。另一方面，在连结阴极12和反射极13的轴上且接近于反射极13的C点，通过向沿着外部磁场F方向的扩散而成为所谓等离子体的两极性扩散而易扩散，等离子体密度较高。这在接近于阴极12的部位也相同。在一定条件下的等离子体密度计算中，B点为A点的1/100左右，相比之下C点为A点的1/2。因此，在本实施方式中引出离子束的C点的等离子体密度与以往的对应于离子束引出部的B点的等离子体密度相比大约高出50倍左右。另外，若在反射极13设置开口部13-1，则有助于使中性分子电离的一部分射束电子将在反射极13不进行反跳，但是该射束电子到达引出部之后通过引出电位而进行反跳，因此不会降低等离子体的生成效率。另外，通过将反射极13与离子束的出口开口10-1之间的距离（间隙G）设为可变，能够调整离子束出口开口附近的等离子体密度，而能够实现特性更加优异的离子束引出。图2表示通过将反射极13的位置设为可变而将反射极13与离子束的出口开口10-1之间的间隙G设为可变的机构的一例。图2中在设置于离子源装置的一端侧（背面侧）的盖部件40的外侧设置有反射极位置调整装置45。反射极位置调整装置45具有贯穿盖部件40并在电弧室10与热屏蔽19之间向电弧室10的另一端侧延伸的轴部件46。反射极位置调整装置45构成为能够以手动或自动使轴部件46向轴向变位。轴部件46的前端呈钩状，通过设置于电弧室10的侧壁的开口而保持反射极13，并且能够使所保持的反射极13相对于电弧室10的出口开口10-1进行接近或疏远。47为真空密封件。另外，如专利文献1中的离子源装置，当同时使用反射极和射束引出孔时，射束引出孔与反射极同样成为负电位，并通过激烈的溅射在短时间内使射束引出孔变形，而阻碍射束引出。相对于此，根据本发明，相对于反射极为负电位，射束引出孔与等离子体为相同电位，因此不发生射束引出孔变形的问题，而能够实现射束引出孔的长寿化。根据上述实施方式，能够实现从与以往的等离子体引出部的等离子体密度相比高出数十倍的高密度等离子体中引出离子束，因此能够增加射束电流。另一方面，具有当获得与以往相同的射束电流时可使所投入的功率和导入气体量较少的优点。若是在以往，为了提高离子束的引出部的等离子体密度而提高阴极的等离子体密度，则存在缩短阴极的寿命的问题。但是，上述实施方式中，不提高阴极的等离子体密度，就能够从与以往的等离子体引出部的等离子体密度相比充分高并与阴极的等离子体密度大致相等的等离子体中引出离子束，因此与提高阴极的等离子体密度时相比延长了阴极的寿命。以上，对本发明的优先实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于本发明的结构或详细说明可在权利要求项中所记载的本发明的精神或范围内进行业内人士所认同的各种变更。