专利名称：离子源及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种所谓Bernus型离子源，具有一种其中在等离子体产生容器内提供灯丝和反射器的结构，在连接灯丝和反射器的方向上施加磁场，本发明还应用所述离子源的操作方法，更特别地涉及提高离子束中的分子离子比例的装置。
例如，在日本专利未审公开No.Hei.11-339674(JP-A-11-339674)中公开了这种类型的离子源的一个实例。下面将参考图3和4描述该专利。
这种离子源包括一种等离子体产生容器2，从作为阳极的气体进口6向其中引入离子源气体，在该等离子体产生容器2的一侧上通过等离子体容器2的工作面前壁提供U型灯丝8，在等离子体产生容器2的另一侧对着灯丝8提供反射器10(反射电极)。参考数字24和30表示绝缘体。
在等离子体容器2的工作面前壁上，在连接灯丝8到反射器10的方向上提供一种长的离子导出狭缝4。在该离子导出狭缝4的出口附近，提供一个导出电极14，把离子束16从等离子体产生容器2内导出(更具体地，从其中产生的等离子体12导出)。
在等离子体产生容器2外面，提供一个磁体18，在等离子体产生容器2内的连接灯丝8到反射器10的方向上产生磁场19。例如，磁体18是一种电磁体，但是也可以是永久磁体。磁场19可以与图中所述的方向相反。
在图3中，为了方便地清楚表示与灯丝电源20的连接，标明了灯丝8的方位。实际上，弯曲成U型的含有灯丝的面被排列成与离子导出狭缝基本平行，如图4所示。
用于加热灯丝8的灯丝电源20连接到灯丝8的两侧。在灯丝8的一端与等离子体产生容器2之间，连接电弧电源22，以便在灯丝9与等离子体产生容器2之间施加电弧电压VA，在二者之间产生电弧放电，使离子源气体电离以产生等离子体12。
反射器10用来反射从灯丝8发生出的电子，并且可以保持在浮动电位，而不与任何地方相连，如所说明的实施例中所述，或通过连接到灯丝8保持在灯丝电位。如果提供这样的反射器10，在等离子体产生容器内施加的磁场19和电弧电压VA电场的影响下，从灯丝8发射的电子在灯丝8和反射器10之间往复运动，并在磁场19中绕磁场19的方向的轴向旋转。结果，增大了电子与气体分子碰撞的概率，使得离子源气体的电离化效率提高，因此导致等离子体12的更高产生效率。
传统上，为了通过延长灯丝8发射的电子直至其撞到等离子体产生容器2的工作面前壁上的寿命来提高等离子体的产生效率，通常设定在等离子体产生容器2内的磁场19的磁通密度B，以便使在磁场19中电子的Larmor(拉莫尔)半径R(见后面所述的数值表达式2)小于从几乎位于灯丝8的尖部中心的最高频率的电子发射点9到等离子体产生容器2的工作面前壁。
从离子源导出的离子束16除了含有单原子离子(如P+、As+)以外，还含有分子离子(如P2+、As2+)，这是一种类分子离子。例如，分子离子包括由两个原子组成的双原子离子，和由三个原子组成的三原子离子。
与单原子离子相比，分子离子具有下列优点。即，(1)分子离子由于其比单原子离子发散性小，所以具有更高的传输效率，(2)因为当分子离子注入到靶上时，注入多个原子，所以，在相同束流的情况下，可以获得几乎多倍于单原子离子的注入量，和(3)相反，在相同注入量的情况下，分子离子具有较向的束流，因此，与单原子离子相比，在靶上入射更少量的电荷，从而预计具有抑制靶的电荷聚集(充电)的作用。
从这样一种观点来看，优选的是在离子束中的分子离子的比例更高。因此，本发明的目的是提高离子束中的分子离子的比例。
建立根据本发明的离子源，使得假定施加在等离子体产生容器与灯丝之间的电弧电压为VA[V]，等离子体产生容器内的磁场的磁通量密度为B[T]，从几乎位于灯丝尖部中心的最高频率电子发射点到等离子体产生容器的工作面前壁的最短距离为L[m]，满足下列表达式(1)的关系。
L＜3.37B-1√(VA)×10-6(1)
提出根据本发明的离子源的操作方法，来引出离子束，使得假设施加在等离子体产生容器与灯丝之间的电弧电压为VA[V]，等离子体产生容器内的磁场的磁通量密度为B[T]，从几乎位于灯丝尖部中心的最高频率电子发射点到等离子体产生容器的工作面前壁的最短距离为L[m]，满足上述表达式1。
这种物理碰撞、分子解离、或电子、离子、原子和分子的化学反应发生在等离子体产生容器内产生的等离子体内，经常地重复分子离子的产生和消失。为了防止所产生的分子离子解离，降低能量超过几个电子伏特的电子的存在几率是有效的。
从在等离子体产生容器内的磁场中旋转的灯丝发射的电子的Larmor半径R可以用下列表达式(2)表示，这里，B和V如上所述，m是电子的质量，e是电量。
R=B-1√(2mVA/e)3.37B-1√(VA)×10-6[m](2)即，表达式1的右侧表示该电子的Larmor半径R，从而表达式1可以写成L＜R。如果建立该条件，那么就增大了高能量电子碰撞等离子体产生容器的工作面前壁并淬灭的几率，使得由可能缩短高能量电子的寿命(存在几率)，从而可以提供等离子体中分子离子的比例，如上所述。结果，可以提供离子束内分子离子的比例。
图1是表示根据本发明的离子源的一个实施例的截面图；图2表示通过改变磁体线圈电流改变等离子体产生容器内的磁通量密度时，离子束内显著离子的电流比的测量结果的实例；图3是表示传统离子源的一个实例的截面图；图4时表示对应于图1和3的C-C截面，在等离子体产生容器内布置灯丝的一个实例的截面图。
图1是表示根据本发明的离子源的一个实施例的截面图。在图1、3和4中用相同的数字表示相同或类似的部件。所以，下面主要描述与传统实例的不同点。
虽然本离子源的基本结构与图3所示的传统实例相同，但是，建立本离子源，使得VA、B和L满足上述表达式(1)的关系，假定施加在等离子体产生容器2与灯丝8之间的来自电弧电源22的电弧电压为VA[V]，等离子体产生容器2内由于磁体18产生的磁场19的磁通量密度为B[T]，从几乎位于灯丝8尖部中心的最高频率电子发射点9到等离子体产生容器2的工作面前壁的最短距离为L[m]。这一点与图3的传统实例明显不同。
换言之，在驱动该离子源时，通过设定VA、B和L满足上述表达式(1)的关系，引出离子束16。
最高频率的电子发射点9几乎位于U型灯丝8的尖部中心，因为该处温度最高。但是，从灯丝8发射的电子除了电子的热离子发射以外，还涉及由于等离子体12的离子溅射产生的电子发射。电子的热离子发生最常见地发生在达到最高温度的灯丝8的中心。由溅射产生的电子发射由于来自灯丝电源20的影响，最常见的是发生在从灯丝8的尖部中心略微偏向灯丝电源20的阴极一侧的位置上。在这种影响下，最高频率的电子发射点9可能从灯丝8的尖部中心略微偏向阴极一侧(例如几个毫米)。在本说明书中，提及最高频率的电子发射点9在灯丝8的尖部中心附近，包括这种情况。
例如，满足上述表达式1的关系的具体方法是可以调节磁通量密度B。如果磁体18由电磁体构成，那么这种调节容易进行。
在满足上述表达式1的关系的情况下，电子的Larmor半径R大于最短距离L，从而使能量超过几个eV的电子碰撞等离子体产生容器2的工作面前壁并消失的概率增大。所以，可以缩短具有高能量电子的寿命，因此可以提高在等离子体12中的分子离子的比例，如上所述。结果，可以提高离子束16中的分子离子的比例。此外，在利用分子离子时，有效利用上述优点是有利的(1)改进传输效率，(2)提供实际注入量，和(3)抑制电荷聚集。
由于上述关系，虽然降低了等离子体12的总产生效率，并且降低了离子束16的总量，但是，这可以通过增大等离子体12的输入功率来补偿，例如增大灯丝电流。用这种方法，可以增大离子束16的总量。在这种情况下，根据本发明，可以增大离子束16中的分子离子的比例，以便获得更多的分子离子。
图2表示当磁体18是电磁体，且通过改变线圈电流来改变等离子体产生容器2内的磁通量密度B时，在离子束16中的显著离子的电流比的测量结果的实例。纵轴上的离子电流比表示显著离子电流与总束流的比值。
在同一个图中，三角形符号表示向等离子体产生容器12中引入PH3作为离子源气体的实例，引出含有磷离子的离子束16。圆形符号表示引入AsH3的实例，引出含有砷离子的离子束16。
常规上，使用L＞R的区域，如上所述。但是，根据本发明，使用L＜R的区域，因此，与传统的相比，可以更多地增大双分子离子(P2+、As2+)的比例。相同的比例达到其接近50％的最大值。
如上所述，用本发明，如果满足上述关系，具有高能量的电子碰撞灯离子产生容器的工作面前壁并淬灭的概率增大。因此，具有高能量的电子的寿命缩短，所以可以提高等离子体中的分子离子的比例。因此，可以提高离子束中的分子离子的比例。而且，在利用分子离子时，有效利用优点(1)改进传输效率，(2)增大实际注入量，和(3)抑制电荷聚集是有利的。
虽然已经表明并描述了本发明目前优选的实施方案，应该理解本公开的内容是用于说明的目的，可以进行各种变化和修改而不离开所附权利要求所提出的本发明范围。
权利要求
1．一种离子源，包括作为阳极的等离子体产生容器；在所述等离子体产生容器的一侧提供的灯丝；在所述等离子体产生容器的另一侧对着所述灯丝提供并保持在灯丝电位或浮动电位的反射器；和用于在所述等离子体容器内的连接所述灯丝和所述反射器的方向上产生磁场的磁体，其中，满足关系L＜3.37B-1√(VA)×10-6这里，施加在所述等离子体产生容器与所述灯丝之间的电弧电压为VA[V]，所述等离子体产生容器内的磁场的磁通量密度为B[T]，从几乎位于所述灯丝尖部中心的最高频率的电子发射点到等离子体产生容器的工作面前壁的最短距离为L[m]。
2．根据权利要求1的离子源，其中，所述离子源是Bernus型。
3．根据权利要求1的离子源，其中，所述磁体是电磁体或永久磁体。
4．一种操作离子源的方法，所束离子源包括作为阳极的等离子体产生容器、在所述等离子体产生容器的一侧提供的灯丝、在所述等离子体产生容器的另一侧对着所述灯丝提供并保持在灯丝电位或浮动电位的反射器、和用于在所述等离子体容器内的连接所述灯丝和所述反射器的方向上产生磁场的磁体，所述方法包括以满足下列关系引出离子束的步骤L＜3.37B-1√(VA)×10-6这里，施加在所述等离子体产生容器与所述灯丝之间的电弧电压为VA[V]，所述等离子体产生容器内的磁场的磁通量密度为B[T]，从几乎位于所述灯丝尖部中心的最高频率的电子发射点到等离子体产生容器的工作面前壁的最短距离为L[m]。
5．根据权利要求4的方法，其中，所束离子源是Bernus型。
6．根据权利要求4的方法，其中，所述磁体是电磁体或永久磁体。
全文摘要
本发明涉及一种离子源，满足关系L＜
文档编号H01J27/08GK1312578SQ0110495
公开日2001年9月12日 申请日期2001年2月23日 优先权日2000年2月25日
发明者山下贵敏 申请人:日新电机株式会社