JPH0160889B2 - - Google Patents
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- JPH0160889B2 JPH0160889B2 JP59045541A JP4554184A JPH0160889B2 JP H0160889 B2 JPH0160889 B2 JP H0160889B2 JP 59045541 A JP59045541 A JP 59045541A JP 4554184 A JP4554184 A JP 4554184A JP H0160889 B2 JPH0160889 B2 JP H0160889B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/022—Details
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
この発明は所望のイオンを生じるガスを導入す
るイオン源に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] This invention relates to an ion source that introduces a gas that produces desired ions.
従来、この種のイオン源では、熱フイラメント
から出た電子を加速して導入ガスと衝突させ、そ
れによりプラズマを生成し、それに基づくイオン
を発生するようにされている。そして電子の飛程
距離を増大させるため或いは電子の運動空間を制
限するために磁場コイルまたは熱フイラメントを
流れる電流によつて生じる磁場が用いられてい
る。ところで一般に磁場の中のプラズマは密度、
電場等の乱れを生じやすく、その結果得られるイ
オンビームの横方向に広がる速度の軸方向速度に
対する割合い、すなわちエミツタンスは大きくな
る。
Conventionally, in this type of ion source, electrons emitted from a thermal filament are accelerated and collided with introduced gas, thereby generating plasma and generating ions based on the plasma. A magnetic field generated by a current flowing through a magnetic field coil or a hot filament is used to increase the range of the electrons or to limit the space in which the electrons can move. By the way, in general, the density of plasma in a magnetic field is
Disturbances in the electric field, etc. are likely to occur, and as a result, the ratio of the lateral spreading velocity to the axial velocity of the resulting ion beam, that is, the emittance, increases.
一方、熱フイラメントは、放電の陰極であり、
流入するプラズマイオンの衝撃によるスパツタリ
ングまたは放電ガスとその分解生成物との化学反
応により消耗したり断線し、また、熱フイラメン
トを支持している電気絶縁物の表面が飛来するス
パツタされた粒子やフライメントから蒸発する粒
子で覆われるので、電気を導通するようになるた
め比較的短期間で定期的に交換する必要がある。 On the other hand, the thermal filament is the cathode of the discharge,
Sputtering caused by the impact of incoming plasma ions or chemical reactions between the discharge gas and its decomposition products can cause wear and tear, and the surface of the electrical insulator supporting the thermal filament can be spattered by flying particles or flies. As they become covered with particles that evaporate from the material, they become conductive and must be replaced periodically after a relatively short period of time.
そこで、この発明の目的は、上述のような従来
のイオン源のもつ欠点や問題点を解消して、熱陰
極を長期間使用可能にした磁場を用いないイオン
源を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an ion source that does not use a magnetic field, which eliminates the drawbacks and problems of the conventional ion sources as described above, and allows the hot cathode to be used for a long period of time.
従つて、この発明によれば、放電室を、細孔を
備えた隔壁電極により熱陰極室とイオン生成室と
に分割し、熱陰極の配置された熱陰極室には希ガ
スを導入し、一方イオン生成室には所望のイオン
を発生する放電ガスを導入し、しかも熱陰極室の
圧力をイオン生成室の圧力より高く保持し、熱陰
極と隔壁電極とイオン生成室の陽極との間で複合
放電を行ない、磁場を用いずに所望のイオンを発
生するようにしたことを特徴とするイオン源が提
供される。 Therefore, according to the present invention, the discharge chamber is divided into a hot cathode chamber and an ion generation chamber by a partition electrode provided with pores, and a rare gas is introduced into the hot cathode chamber where the hot cathode is arranged. On the other hand, a discharge gas that generates desired ions is introduced into the ion generation chamber, and the pressure in the hot cathode chamber is maintained higher than the pressure in the ion generation chamber, so that a An ion source is provided which is characterized in that it generates desired ions without using a magnetic field by performing a composite discharge.
熱陰極は好ましくは酸化物または６ホウ化ラン
タン（LaB6）等の低い温度で動作するものが用
いられ得る。 The hot cathode may preferably be an oxide or one that operates at low temperatures, such as lanthanum hexaboride (LaB 6 ).
以下添附図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
第１図はこの発明のイオン源の一実施例を示
し、このイオン源は円筒形を成しており、１は熱
陰極室２を画定している金属ケーシングで、Ar，
Ne，He等の希ガス導入用の口部３を備えてい
る。熱陰極室２内には絶縁物４を介して熱陰極５
が設けられている。６，８はセラミツク製で、隔
壁電極７の細孔９を通る中性ガスおよびプラズマ
の流路となるテーパーした開口６ａ，８ａをそれ
ぞれ備えている。絶縁物８を介して順次筒状の陽
極１０と円板状の絶縁物１１と金属板１２とが設
けられ、これらはイオン生成室１３を画定してい
る。また陽極１０には所望のイオンを発生する放
電ガスの導入用の口部１４およびイオンビーム引
出用スリツト１５が設けられ、このスリツト１５
の外方にはイオン引出電極１６が設けられてい
る。 FIG. 1 shows an embodiment of an ion source according to the present invention. This ion source has a cylindrical shape, 1 is a metal casing defining a hot cathode chamber 2,
It is equipped with a port 3 for introducing rare gases such as Ne and He. A hot cathode 5 is placed inside the hot cathode chamber 2 via an insulator 4.
is provided. Reference numerals 6 and 8 are made of ceramic and have tapered openings 6a and 8a, respectively, which serve as flow paths for neutral gas and plasma passing through the pores 9 of the partition electrode 7. A cylindrical anode 10, a disc-shaped insulator 11, and a metal plate 12 are sequentially provided with an insulator 8 interposed therebetween, and these define an ion generation chamber 13. The anode 10 is also provided with an opening 14 for introducing a discharge gas that generates desired ions, and a slit 15 for extracting the ion beam.
An ion extraction electrode 16 is provided outside.
各電極に対する給電系は図面に示すように接続
されており、円筒体の両端面を成す金属ケーシン
グ１および金属板１２は電気的に浮遊している。 The power supply system for each electrode is connected as shown in the drawing, and the metal casing 1 and metal plate 12 forming both end surfaces of the cylindrical body are electrically floating.
熱陰極室２は100Pa程度の高い希ガス圧力
（P1）に維持され、隔壁電極７の細孔９からイオ
ン生成室１３のイオンビーム引出用スリツト１５
を通つて希ガスが流出するようにされる。この場
合イオン生成室内に流入する希ガス圧力（P2R）
が（P1）の1/100程度になるように細孔９および
イオンビーム引出用スリツト１５は寸法決めされ
る。一方イオン生成室１３内に導入される所望の
イオンを発生する放電ガスの圧力（P2D）は10Pa
程度以下となるように設定される。こうして細孔
９を通つて流出する希ガスの流れにより、放電ガ
スが熱陰極室２内へ流入することはなく、従つて
放電ガスが化学的に活性であつても、熱陰極５は
保護され、また希ガスの圧力が100Pa程度に高い
ため熱陰極に流入するイオンのエネルギーは低
く、スパツタリングやその他の損傷を生じること
はない。従つて動作温度の低い酸化物または６ホ
ウ化ランタン（LaB6）製の熱陰極を長期間用い
ることができる。 The hot cathode chamber 2 is maintained at a high rare gas pressure (P 1 ) of about 100 Pa, and the ion beam extraction slit 15 of the ion generation chamber 13 is passed through the pore 9 of the partition electrode 7.
The noble gas is allowed to flow out through. In this case, the noble gas pressure flowing into the ion generation chamber (P 2R )
The dimensions of the pore 9 and the ion beam extracting slit 15 are determined so that P 1 is approximately 1/100 of (P 1 ). On the other hand, the pressure (P 2D ) of the discharge gas that generates the desired ions introduced into the ion generation chamber 13 is 10Pa.
It is set so that it is less than or equal to In this way, the flow of rare gas exiting through the pores 9 prevents the discharge gas from flowing into the hot cathode chamber 2, so that even if the discharge gas is chemically active, the hot cathode 5 is protected. In addition, since the pressure of the rare gas is about 100 Pa, the energy of the ions flowing into the hot cathode is low, so sputtering and other damage will not occur. Therefore, a hot cathode made of oxide or lanthanum hexaboride (LaB 6 ), which has a low operating temperature, can be used for a long period of time.
イオン生成室１３内のプラズマには熱陰極室２
内のプラズマから５〜7eVの比較的高温の電子が
流入し、比較的低いガス圧力での放電を助けてい
る。電子温度の上昇は絶縁物６のテーパーした開
口６ａと隔壁電極７の細孔９を通るプラズマ内の
電流によつて生じ、このとき、準安定励起準位に
ある希ガス原子も生成され、放電ガスの電離に寄
与することが考えられる。 The hot cathode chamber 2 is used for the plasma in the ion generation chamber 13.
Electrons at a relatively high temperature of 5 to 7 eV flow in from the plasma inside, helping discharge at relatively low gas pressure. The increase in electron temperature is caused by the current in the plasma passing through the tapered opening 6a of the insulator 6 and the pores 9 of the partition electrode 7, and at this time, rare gas atoms in a metastable excited level are also generated, causing a discharge. It is thought that it contributes to gas ionization.
第２図は、熱陰極室２内のNeガス圧力P1＝
50Pa，放電電圧V1＝45V，隔壁電極電流I1＝1A，
イオン生成室１３内のNeガス圧力P2Ne＜0.2Pa，
Arガス圧力P2Ar＝2Paのとき、イオン生成室１
３の陽極放電電流I2(A)を横軸に接地されたイオン
引出電極１６に対するイオン引出電圧V3＝1KV
のとき得られたイオンビーム電流密度i3（mA／
cm2）を縦軸に示したものである。このグラフから
わかるようにイオン生成室の陽極放電電流I2が約
3Aでイオンビーム電流は飽和し、その電流密度
は14mA／cm2の比較的高い値に達している。 Figure 2 shows the Ne gas pressure P 1 = inside the hot cathode chamber 2.
50Pa, discharge voltage V 1 = 45V, partition electrode current I 1 = 1A,
Ne gas pressure in the ion generation chamber 13 P 2 Ne＜0.2Pa,
Ar gas pressure P 2 When Ar=2Pa, ion generation chamber 1
The horizontal axis is the anode discharge current I 2 (A) of No. 3, and the ion extraction voltage V 3 =1KV for the grounded ion extraction electrode 16.
The ion beam current density i 3 (mA/
cm 2 ) is shown on the vertical axis. As can be seen from this graph, the anode discharge current I2 in the ion generation chamber is approximately
The ion beam current reaches saturation at 3A, and its current density reaches a relatively high value of 14mA/ cm2 .
従つてこの発明のイオン源は従来のように磁場
を用いることをせず、また放電室を細孔を備えた
隔壁電極によりイオン生成室と熱陰極室とに分割
し、熱陰極と隔壁電極とイオン生成室の陽極との
間で複合放電を行なうようにし、それにより熱陰
極の寿命をのばし、放電ガスの消費量を少なく
し、しかも高いイオンビーム電流密度と小さいエ
ミツタンスのイオンを発生することができる。
Therefore, the ion source of the present invention does not use a magnetic field as in the conventional case, and the discharge chamber is divided into an ion generation chamber and a hot cathode chamber by a partition electrode with pores, and the hot cathode and partition electrode are separated. A composite discharge is performed between the anode of the ion generation chamber, thereby extending the life of the hot cathode, reducing the consumption of discharge gas, and generating ions with high ion beam current density and small emittance. can.
以上説明してきたように、この発明によれば、
磁場を利用することがなく、また化学的に活性な
放電ガスを用いても長寿命でしかも低い放電ガス
消費量の条件のもとにイオンビーム電流密度の高
くてエミツタンスの小さいイオンを発生できるイ
オン源が提供される。
As explained above, according to this invention,
Ions that can generate ions with high ion beam current density and low emittance without using a magnetic field and with a long life and low discharge gas consumption even if a chemically active discharge gas is used. source is provided.
第１図はこの発明によるイオン源の一実施例の
構造を示す概略断面図、第２図は第１図の装置を
用いて得たイオンビーム電流密度とイオン源動作
条件との関係を示すグラフである。
図中、２：熱陰極室、７：隔壁電極、９：細
孔、１３：イオン生成室。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an embodiment of an ion source according to the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between ion beam current density and ion source operating conditions obtained using the apparatus shown in FIG. It is. In the figure, 2: hot cathode chamber, 7: partition electrode, 9: pore, 13: ion generation chamber.
Claims (1)
極室とイオン生成室とに分割し、熱陰極の配置さ
れた熱陰極室には希ガスを導入し、一方イオン生
成室には所望のイオンを発生する放電ガスを導入
し、しかも熱陰極室の圧力をイオン生成室の圧力
より高く保持し、熱陰極と隔壁電極とイオン生成
室の陽極との間で複合放電を行ない、磁場を用い
ずに所望のイオンを発生するようにしたことを特
徴とするイオン源。1 The discharge chamber is divided into a hot cathode chamber and an ion generation chamber by a partition electrode with pores, and a rare gas is introduced into the hot cathode chamber where the hot cathode is arranged, while the desired ion generation chamber is filled with the desired gas. A discharge gas that generates ions is introduced, the pressure in the hot cathode chamber is maintained higher than the pressure in the ion generation chamber, and a composite discharge is performed between the hot cathode, the partition electrode, and the anode in the ion generation chamber, and a magnetic field is used. An ion source characterized in that it generates desired ions without causing any damage.
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