JP2010153095A

JP2010153095A - イオンガン

Info

Publication number: JP2010153095A
Application number: JP2008327618A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Osada; 佑介長田; Tadahisa Shiono; 忠久塩野
Original assignee: Showa Shinku Co Ltd
Current assignee: Showa Shinku Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08
Also published as: CN101764020A; TW201110181A; TWI470662B; CN101764020B

Abstract

【課題】複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、イオンビーム電流密度を均一にする。
【解決手段】カソード（１０）及びアノード（２０）からなるプラズマ生成手段、並びにプラズマ生成手段によって生成されたプラズマからイオンビームを引き出すグリッド（３０）を備えたイオンガンにおいて、カソードが、一対のフィラメント電極（１３）間に架設されたフィラメント（１２）からなり、グリッドが、フィラメントに平行に配列された複数のイオンビーム引出し孔（３１）を有し、フィラメントの両端部（１２ａ）を含む単位空間当たりの発熱量がフィラメントの中央部（１２ｂ）を含む単位空間当たりの発熱量のよりも大きくなるようにした。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明はイオンガンに関し、特に、イオンガンのカソードとなるフィラメントの改良に関する。

イオンガンは一般に圧電素子の周波数調整装置等に使用され、その原理として、イオンガン内部にプラズマを生成し、そのプラズマからイオンを引き出して加速し、それによってイオンビームが形成される。
特許文献１には、複数のイオンビーム引出し孔が配置され、対応する電流密度ピークを持つイオンビームを出射するイオンガンが開示されている。

特許文献２には、複数のフィラメントを長手方向に配置する構成が開示されている。この構成によると、各フィラメントの発熱量が同じであれば、熱陰極であるカソードの熱分布が均一となり、出射されるイオンビームの電流密度も均一化されることが期待できる。
特開２００６−１００２０５号公報特開２００７−３１１１１８号公報

しかし、特許文献２のような構成では複数の電源を複数のフィラメントに応じて設置しなければならず、イオンガンの構成が複雑化・大型化するとともに、高コストなものとなってしまうという問題があった。
そこで、上記のような、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、イオンビーム電流密度が不均一となってしまう問題（特に、端部側の電流密度が小さくなってしまう）問題を簡素かつ安価な構成により解決することが課題となる。

本発明の第１の側面は、カソード（１０）及びアノード（２０）からなるプラズマ生成手段、並びにプラズマ生成手段によって生成されたプラズマからイオンビームを引き出すグリッド（３０）を備えたイオンガンであって、カソードが、一対のフィラメント電極（１３）間に架設されたフィラメント（１２）からなり、グリッドが、フィラメントに平行に配列された複数のイオンビーム引出し孔（３１）を有し、フィラメントの両端部（１２ａ）を含む単位空間当たりの発熱量がフィラメントの中央部（１２ｂ）を含む単位空間当たりの発熱量のよりも大きいイオンガンである。

ここで、フィラメントの両端部がコイル状に巻回される構成としてもよいし、両端部が屈曲される構成としてもよい。

本発明の第２の側面は、カソード（１０）及びアノード（２０）からなるプラズマ生成手段、並びにプラズマ生成手段によって生成されたプラズマからイオンビームを引き出すグリッド（３０）を備えたイオンガンであって、カソードが、一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメント（１２）からなり、グリッドが、フィラメントに平行に配列された複数のイオンビーム引出し孔（３１）を有し、フィラメントの中央部に対して両端側が密に巻回されたイオンガンである。

複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、イオンビーム端部側の電流密度が減少してしまうという問題を簡素かつ安価な構成により解決し、イオンビームの電流密度を均一化することができた。

図１のイオンガン１００は、一対のフィラメント電極１３の間に架設されたフィラメント１１（カソード１０）、フィラメント１１に平行に対向配置されたアノード２０、複数のイオンビーム引出し孔３１を有するグリッド３０、並びにカソード１０及びアノード２０を内部に密閉するとともに複数のイオンビーム引出し孔３１を露出させる本体４０を備える。カソード１０とアノード２０がプラズマ生成手段を構成し、それぞれの電源（不図示）に接続されている。また、本体４０は放電ガスを導入するためのガス導入口４１、及びカソード１０とアノード２０間の不要な放電を防止する遮蔽板４２を備える。

図２Ａ及び２Ｂに示すように、グリッド３０の複数のイオンビーム引出し孔３１は環状のアノード２０によって画定される領域内部にフィラメント１１と同一方向に整列されている。

イオンガンの動作として、まず、ガス導入口４１からアルゴン等の放電ガスが本体４０の内部に導入される。カソード１０に負電圧、アノード２０に正電圧がそれぞれ印加され、その電位差によって放電が行なわれてプラズマが生成される。グリッド３０に電圧が印加されると、複数のイオンビーム引出し孔３１によってプラズマからイオンが引き出され加速され、イオンビームが形成される。

ここで、アノード２０について補足する。図９（ａ）〜（ｄ）はアノードの形状（いずれも上面図）のバリエーションを示すものである。図９（ａ）は図２に示した環状タイプのものであるが、他にも（ｂ）のように長手方向に分割したもの、（ｃ）のようにコの字形のもの、（ｄ）のように幅方向に分割したもの等がある。また、方形に限らず楕円形でもよい。なお、アノード２０を設けずに、本体４自体をアノードとしてもよい。

また、複数のイオンビーム引出し孔３１について補足する。図１０（ａ）〜（ｅ）は複数のイオンビーム引出し孔３１のバリエーションを示すものである。このように、図２（即ち、図１０（ｄ））に示すものの他に、イオンビーム３１は様々な形態をとり得る。本明細書及び特許請求の範囲で言う「複数のイオンビーム引出し孔」とは上記に例示した全ての態様及びその類似の態様を含む。

ところで、図１のようなイオンガンでも実用に耐えるものではあるが、熱陰極であるフィラメント１１の端部の温度がフィラメント電極１３の放熱により低下し、これによって端部側のイオンビーム引出し孔３１から出射されるイオンビームの電流密度が減少してしまう場合がある。

図３はこの構成における、グリッド面から２５ｍｍの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図示するように、各ピークは各イオンビーム引出し孔３１に対応し、中心付近の電流密度ピークに対して端部側の電流密度ピークがやや減少している。このように、図１の構成にはイオンビーム電流密度が不均一なものとなってしまう場合があった。

そこで、図４Ａにさらに改良した本発明のイオンガン２００を示す。イオンガン２００におけるアノード２０、グリッド３０及び本体４０の構成は前述した図１、図２、図９及び図１０と同様であるので同一の符号を付しその説明を省略する。

図４Ａにおいて、熱陰極であるカソード１０は、一対のフィラメント電極１３の間に架設されたフィラメント１２からなる。なお、図４Ａにおいても、カソード１０とアノード２０がプラズマ生成手段を構成し、それぞれの電源（不図示）に接続されている。
説明の便宜上、図４Ｂに示すように、フィラメント１２は端部１２ａと中央部１２ｂからなるものとする。端部１２ａはコイル状に巻回され、従来のフィラメント１１に比べて端部での発熱量が大きくなるようにしている。これによって、フィラメント１２がフィラメント電極１３によって放熱されたとしても端部１２ａの温度を所定の高温に維持することができる。

図５は図４Ａのイオンガン２００における、グリッド面から２５ｍｍの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図５においても、電流密度のピークが各イオンビーム引出し孔３１に対応している。図３と比較して分かるように、イオンビーム中心付近の電流密度ピークに対する端部側の電流密度ピークの低下が軽減され、イオンビーム電流密度をその長手方向にわたってほぼ均一なものとすることができた。

なお、端部１２ａでの巻数や巻密度を調節することにより、このイオンビーム電流密度の分布を調整することができる。
例えば、図６Ａのように、コイル状に巻回されたフィラメント１２がその巻回に粗密を有するようにして、より端部側の巻回が密に、より中心部の巻回が疎になるようにしてもよい。また、図６Ｂのように、フィラメント端部の巻回径がフィラメント中心部の巻回径よりも大きくなるようにしてもよい。また、図６Ｃのように、コイル状に巻回されたフィラメント１２がその巻径に傾斜を有するようにして、より端部側の巻径が大きく、より中心部の巻径が小さくなるようにしてもよい。

本発明の核心は、図７に示すように、フィラメントの端部１２ａを含む単位空間Ａ当たりの発熱量がフィラメントの中央部１２ｂを含む単位空間Ｂ当たりの発熱量のよりも大きいことにある。従って、実施形態は図４Ｂの構成に限られず、以下のような変形例も本発明に含まれる。

例えば、図８Ａ及び８Ｂに示すように、フィラメント端部１２ａを屈曲させるようにして端部側の発熱量を大きくするようにしてもよい。なお、各図は必ずしも寸法通りではない。
また、フィラメント１２の抵抗値プロファイルを傾斜させ、端部側の抵抗値を中心部側の抵抗値よりも高くして端部側の発熱量を大きくするようにしてもよい。

本発明のイオンガンを示す図である。グリッドの構成を説明する図である。グリッドの構成を説明する図である。本発明を説明する図である。本発明のイオンガンを示す図である。本発明のフィラメントを示す図である。本発明を説明する図である。本発明のフィラメントの変形例を示す図である。本発明のフィラメントの変形例を示す図である。本発明のフィラメントの変形例を示す図である。本発明を説明する図である。本発明のフィラメントの変形例を示す図である。本発明のフィラメントの変形例を示す図である。本発明を補足する図である。本発明を補足する図である。

符号の説明

１０．カソード
１１、１２．フィラメント
１２ａ．フィラメント端部
１２ｂ．フィラメント中央部
１３．フィラメント電極
２０．アノード
３０．グリッド
３１．イオンビーム引出し孔
４０．本体
４１．ガス導入口
４２．遮蔽板
１００、２００．イオンガン

Claims

カソード（１０）及びアノード（２０）からなるプラズマ生成手段、並びに該プラズマ生成手段によって生成されたプラズマからイオンビームを引き出すグリッド（３０）を備えたイオンガンであって、
該カソードが、一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメント（１２）からなり、該グリッドが、該フィラメントに平行に配列された複数のイオンビーム引出し孔（３１）を有し、
該フィラメントの両端部（１２ａ）を含む単位空間当たりの発熱量が該フィラメントの中央部（１２ｂ）を含む単位空間当たりの発熱量のよりも大きいイオンガン。
請求項１記載のイオンガンにおいて、前記フィラメントの両端部がコイル状に巻回されたイオンガン。
請求項１記載のイオンガンにおいて、前記フィラメントの両端部が屈曲されたイオンガン。
カソード（１０）及びアノード（２０）からなるプラズマ生成手段、並びに該プラズマ生成手段によって生成されたプラズマからイオンビームを引き出すグリッド（３０）を備えたイオンガンであって、
該カソードが、一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメント（１２）からなり、該グリッドが、該フィラメントに平行に配列された複数のイオンビーム引出し孔（３１）を有し、
該フィラメントの中央部に対して両端側が密に巻回されたイオンガン。