JP7549803B2 - Electron and Ion Sources - Google Patents
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Description
本発明は、電子源およびイオン源に関し、特に内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器に電子を供給する電子源、および当該電子源を備えるイオン源に関する。 The present invention relates to an electron source and an ion source, and in particular to an electron source that supplies electrons to a plasma generating vessel in which plasma is generated, and an ion source that includes the electron source.
内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器とプラズマ生成容器に電子を供給する電子源を備えたイオン源として、特許文献１に示されたイオン源が知られている。特許文献１のイオン源は、半導体製造工程等で使用されるイオン注入装置においてイオンビームを生成するために使用されるものであり、熱電子を放出するカソードとカソードを外部から加熱するフィラメントを備えている。つまり、特許文献１のイオン源は、カソードから放出された熱電子をプラズマ生成容器に供給することで、プラズマ生成容器に導入された原料ガスを電離させてプラズマを生成するものである。 The ion source shown in Patent Document 1 is known as an ion source equipped with a plasma generating vessel in which plasma is generated and an electron source that supplies electrons to the plasma generating vessel. The ion source in Patent Document 1 is used to generate ion beams in ion implantation devices used in semiconductor manufacturing processes, etc., and is equipped with a cathode that emits thermoelectrons and a filament that heats the cathode from the outside. In other words, the ion source in Patent Document 1 supplies thermoelectrons emitted from the cathode to the plasma generating vessel, thereby ionizing the raw material gas introduced into the plasma generating vessel to generate plasma.
このイオン源においては、カソードの近傍にはカソードに対して正電位に保持されるアノード電極が配置されている。また、アノード電極はカソードから放出された熱電子が通過しうる開口を備えている。より詳細には、カソードおよびアノード電極は、プラズマ生成容器に対し、カソードから放出された熱電子がアノード電極の開口を通過してプラズマ生成容器の内部に到達し得るように位置付けられている。
尚、アノード電極を設けることなく、プラズマ生成容器をカソードに対して正電位に保持することで熱電子がプラズマ生成容器内に供給される構成としてもよい。この場合においても、カソードから放出された熱電子が、プラズマ生成容器またはプラズマ生成容器に取り付けられた部材に形成された開口を通過する構成となる。
In this ion source, an anode electrode that is held at a positive potential relative to the cathode is disposed near the cathode. The anode electrode has an opening through which the thermoelectrons emitted from the cathode can pass. More specifically, the cathode and the anode electrode are positioned relative to the plasma generating vessel so that the thermoelectrons emitted from the cathode can pass through the opening of the anode electrode and reach the inside of the plasma generating vessel.
In addition, the anode electrode may not be provided, and the thermoelectrons may be supplied into the plasma generating chamber by holding the plasma generating chamber at a positive potential with respect to the cathode. In this case, the thermoelectrons emitted from the cathode also pass through an opening formed in the plasma generating chamber or a member attached to the plasma generating chamber.
一般に、熱電子を放出するカソードはタングステンやタンタルなどの金属により形成されており、加熱されたカソードからは熱電子が放出されるとともに、カソードを形成する金属も気化して周囲に放出されることになる。また、カソードを形成する金属は、プラズマ生成容器内またはアノード電極付近で生成したプラズマ中の粒子がカソードに衝突し、カソードの表面がスパッタされることによっても周囲に放出される。そして、カソードから周囲に放出された金属粒子は、アノード電極等に形成された熱電子が通過する開口付近に付着して堆積することになる。このようにして、アノード電極等のカソードと電位の異なる部材の開口付近に金属粒子が堆積していくと、当該部材の開口領域を堆積した金属が狭めていくことになる。したがって、カソードから放出された電子がプラズマ生成容器内に十分に到達しにくくなることから、プラズマの生成効率が経時的に低下していく。そこで、プラズマ生成容器内に電子を十分に供給するため、カソードに印加する電圧値を大きくするなどの操作を行うとカソードからの金属の気化が更に促進され、その結果、当該部材の開口付近に金属粒子が堆積する速度が速まることになる。さらには、当該部材の開口付近において、堆積した金属によって当該部材とカソードとが近接することで、当該部材とカソードとの間で短絡するおそれもある。 Generally, the cathode that emits thermions is made of metals such as tungsten and tantalum. When the cathode is heated, the thermions are emitted, and the metal that forms the cathode is vaporized and emitted to the surroundings. The metal that forms the cathode is also emitted to the surroundings when particles in the plasma generated in the plasma generating vessel or near the anode electrode collide with the cathode and the surface of the cathode is sputtered. The metal particles emitted from the cathode to the surroundings are deposited near the opening through which the thermions pass, formed in the anode electrode, etc. In this way, when the metal particles are deposited near the opening of a member having a different potential from the cathode, such as the anode electrode, the deposited metal narrows the opening area of the member. Therefore, the electrons emitted from the cathode are less likely to reach the inside of the plasma generating vessel, and the plasma generation efficiency decreases over time. Therefore, if the voltage applied to the cathode is increased in order to supply a sufficient amount of electrons to the plasma generating vessel, the evaporation of metal from the cathode is further promoted, and as a result, the rate at which metal particles accumulate near the opening of the component increases. Furthermore, the accumulated metal brings the component and the cathode close to each other near the opening of the component, which may cause a short circuit between the component and the cathode.
このように、従来のイオン源においては、カソードから気化した金属またはカソードからスパッタされた金属がアノード電極等の部材に形成された開口付近に堆積することによって、プラズマの生成効率が経時的に低下し、最終的には当該部材とカソード間の短絡を引き起こすおそれがあった。すなわち、従来のイオン源においては、カソードから気化した金属によるプラズマ生成効率の経時的な低下、および、カソードとカソードの近傍に配置された部材間の短絡によって、カソードからプラズマ生成容器へ長期間にわたって安定して熱電子を供給することができなかった。 Thus, in conventional ion sources, metal vaporized from the cathode or metal sputtered from the cathode accumulates near an opening formed in a member such as the anode electrode, causing the plasma generation efficiency to decrease over time, and ultimately causing a short circuit between the member and the cathode. In other words, in conventional ion sources, the decrease in plasma generation efficiency over time due to metal vaporized from the cathode and the short circuit between the cathode and a member placed near the cathode made it impossible to stably supply thermoelectrons from the cathode to the plasma generating vessel for a long period of time.
本発明は、上記課題を解決するものであり、カソードからプラズマ生成容器に長期間にわたって安定して熱電子を供給できる電子源およびイオン源を提供することを目的としている。 The present invention aims to solve the above problems and provide an electron source and an ion source that can stably supply thermoelectrons from the cathode to the plasma generating chamber for a long period of time.
本発明における電子源は、内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器に向けて熱電子を放出する電子放出面を有するカソードを備える電子源であって、前記カソードと同電位とされており、前記電子放出面の外縁の少なくとも一部を覆うカバー部を有するカバー部材をさらに備え、前記カソードは、前記カバー部に覆われる第一の領域と、前記第一の領域に対して前記電子放出面が高温となって前記熱電子を放出し得る第二の領域を有するよう形成されている。 The electron source of the present invention is an electron source comprising a cathode having an electron emission surface that emits thermoelectrons toward a plasma generating vessel in which plasma is generated, and further comprising a cover member having a cover portion that is at the same potential as the cathode and covers at least a portion of the outer edge of the electron emission surface, and the cathode is formed to have a first region covered by the cover portion and a second region where the electron emission surface becomes hotter than the first region and can emit the thermoelectrons.
この構成によれば、本発明の電子源は、電子放出面の外縁の少なくとも一部を覆うカバー部を有するカバー部材を備えていることから、カソードからカソードを形成する金属が放出された場合には、当該金属の少なくとも一部はカバー部に堆積する。つまり、カバー部によって当該金属がカバー部材の外部に放出されることが抑制される。さらに、カバー部はプラズマ生成容器内のプラズマ中の粒子が電子放出面に到達することを防ぐことから、カソードがプラズマによりスパッタされることで発生する金属粒子も低減される。本発明の電子源においてはさらに、カバー部はカソードと同電位とされていることから、カバー部に当該金属が堆積していく場合であっても、カバー部とカソードとの間で短絡することはない、したがって、本発明の電子源によれば、当該金属が電子源の周囲に堆積することが抑制され、その結果、カソードから放出された金属が電子源の周囲に配置された部材に堆積することによって従来発生していた当該部材とカソード間の短絡が抑制される。
また、カソードは、カバー部に覆われる第一の領域と、第一の領域に対して電子放出面が高温となって熱電子を放出し得る第二の領域を有するよう形成されている。したがって、カバー部に覆われない第二の領域は、第一の領域よりも高温となって相対的により多くの熱電子を放出することから、第一の領域がカバー部に覆われることによってプラズマ生成容器に供給される熱電子が少なくなることを抑制できる。
すなわち、本発明の電子源は、プラズマ生成容器におけるプラズマの生成効率を低下させることなく、長期間にわたって安定して熱電子を供給できることになる。
According to this configuration, the electron source of the present invention includes a cover member having a cover portion that covers at least a part of the outer edge of the electron emission surface, so that when the metal forming the cathode is emitted from the cathode, at least a part of the metal is deposited on the cover portion. That is, the cover portion prevents the metal from being emitted outside the cover member. Furthermore, the cover portion prevents particles in the plasma in the plasma generating vessel from reaching the electron emission surface, so that metal particles generated by the cathode being sputtered by the plasma are also reduced. Furthermore, in the electron source of the present invention, since the cover portion is at the same potential as the cathode, even if the metal is deposited on the cover portion, there is no short circuit between the cover portion and the cathode. Therefore, according to the electron source of the present invention, the deposition of the metal around the electron source is suppressed, and as a result, the short circuit between the member and the cathode that has conventionally occurred due to the metal emitted from the cathode being deposited on the member arranged around the electron source is suppressed.
The cathode is formed to have a first region covered by the cover and a second region in which the electron emission surface is heated to a higher temperature than the first region and can emit thermoelectrons. Therefore, the second region not covered by the cover is heated to a higher temperature than the first region and emits relatively more thermoelectrons, so that it is possible to prevent the first region from being covered by the cover from decreasing the thermoelectrons supplied to the plasma generating vessel.
That is, the electron source of the present invention can stably supply thermoelectrons for a long period of time without reducing the plasma generation efficiency in the plasma generating chamber.
また、本発明の電子源においては、前記カソードは、前記電子放出面に対する裏面側に形成され、前記カソードの外部に配置された熱源により加熱される被加熱面を有し、前記第二の領域は、前記第一の領域に対して、前記電子放出面から前記被加熱面までの厚さ寸法を小さくすることで形成される構成としてもよい。 In the electron source of the present invention, the cathode may be formed on the rear side of the electron emission surface and have a heated surface that is heated by a heat source disposed outside the cathode, and the second region may be formed by reducing the thickness dimension from the electron emission surface to the heated surface compared to the first region.
この構成によれば、相対的により多くの熱電子を放出する第二の領域を、第一の領域に対して、カソードの電子放出面から前記被加熱面までの厚さ寸法を小さくすることで形成できる。 With this configuration, the second region, which emits a relatively larger number of thermoelectrons, can be formed by reducing the thickness dimension from the cathode's electron emission surface to the heated surface compared to the first region.
また、本発明の電子源においては、前記カソードは、前記電子放出面に対する裏面側に形成され、前記カソードの外部に配置された熱源により加熱される被加熱面を有し、前記第二の領域は、前記第一の領域に対して、前記熱源から前記被加熱面までの距離を大きくすることで形成されている構成としてもよい。 In addition, in the electron source of the present invention, the cathode may be formed on the rear side of the electron emission surface and have a heated surface that is heated by a heat source arranged outside the cathode, and the second region may be formed by increasing the distance from the heat source to the heated surface compared to the first region.
この構成によれば、相対的により多くの熱電子を放出する第二の領域を、第一の領域に対して、熱源から被加熱面までの距離を大きくすることで形成できる。 With this configuration, a second region that emits a relatively larger number of thermoelectrons can be formed by increasing the distance from the heat source to the heated surface compared to the first region.
また、本発明の電子源においては、前記カバー部は、板状に形成されるとともに、前記カバー部材の外方で前記カバー部と最も近接する位置に配置された部材に沿うよう位置付けられている構成としてもよい。 In addition, in the electron source of the present invention, the cover portion may be formed in a plate shape and positioned so as to follow a member disposed on the outside of the cover member at a position closest to the cover portion.
この構成によれば、カバー部が板状に形成され、カバー部と最も近接する位置に配置された部材に沿うよう位置付けられていることから、カバー部材の内方の空間をより大きく確保することができる。したがって、カバー部材の内方により大きなカソードを配置することができ、ひとつのカソードをより長時間にわたって使用できるようになる。 With this configuration, the cover is formed in a plate shape and positioned so that it is aligned with the member that is positioned closest to the cover, so that a larger space can be secured inside the cover. This allows a larger cathode to be placed inside the cover, and one cathode can be used for a longer period of time.
また、本発明におけるイオン源においては、内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器に取り付けられ、前記プラズマ生成容器に向けて熱電子を放出する電子放出面を有するカソードと、を備えるイオン源であって、前記カソードと同電位とされており、前記電子放出面の外縁の少なくとも一部を覆うカバー部を有するカバー部材をさらに備え、前記カソードは、前記カバー部に覆われる第一の領域と、前記第一の領域に対して前記電子放出面が高温となって前記熱電子を放出し得る第二の領域を有するよう形成されている。 The ion source of the present invention includes a plasma generating vessel in which plasma is generated, and a cathode attached to the plasma generating vessel and having an electron emission surface that emits thermoelectrons toward the plasma generating vessel, and further includes a cover member having a cover portion that is at the same potential as the cathode and covers at least a portion of the outer edge of the electron emission surface, and the cathode is formed to have a first region covered by the cover portion and a second region in which the electron emission surface becomes hotter than the first region and can emit the thermoelectrons.
この構成によれば、本発明のイオン源は、電子放出面の外縁の少なくとも一部を覆うカバー部を有するカバー部材を備えていることから、カソードからカソードを形成する金属が放出された場合には、当該金属の少なくとも一部はカバー部に堆積する。つまり、カバー部によって当該金属がカバー部材の外部に放出されることが抑制される。さらに、カバー部はプラズマ生成容器内のプラズマ中の粒子が電子放出面に到達することを防ぐことから、カソードがプラズマによりスパッタされることで発生する金属粒子も低減される。本発明のイオン源においてはさらに、カバー部はカソードと同電位とされていることから、カバー部に当該金属が堆積していく場合であっても、カバー部とカソードとの間で短絡することはない、したがって、本発明の電子源によれば、当該金属が電子源の周囲に堆積することが抑制され、その結果、カソードから放出された金属が電子源の周囲に配置された部材に堆積することによって従来発生していた当該部材とカソード間の短絡が抑制される。
また、カソードは、カバー部に覆われる第一の領域と、第一の領域に対して電子放出面が高温となって熱電子を放出し得る第二の領域を有するよう形成されている。したがって、カバー部に覆われない第二の領域は、第一の領域よりも高温となって相対的により多くの熱電子を放出することから、第一の領域がカバー部に覆われることによってプラズマ生成容器に供給される熱電子が少なくなることを抑制できる。
すなわち、本発明のイオン源は、プラズマ生成容器におけるプラズマの生成効率を低下させることなく、長期間にわたって安定して熱電子を供給できることになる。
According to this configuration, the ion source of the present invention includes a cover member having a cover portion that covers at least a part of the outer edge of the electron emission surface, so that when the metal forming the cathode is emitted from the cathode, at least a part of the metal is deposited on the cover portion. That is, the cover portion prevents the metal from being emitted outside the cover member. Furthermore, since the cover portion prevents particles in the plasma in the plasma generating vessel from reaching the electron emission surface, metal particles generated by the cathode being sputtered by the plasma are also reduced. Furthermore, in the ion source of the present invention, since the cover portion is at the same potential as the cathode, even if the metal is deposited on the cover portion, there is no short circuit between the cover portion and the cathode. Therefore, according to the electron source of the present invention, the deposition of the metal around the electron source is suppressed, and as a result, a short circuit between the member and the cathode that has conventionally occurred due to the metal emitted from the cathode being deposited on the member arranged around the electron source is suppressed.
The cathode is formed to have a first region covered by the cover and a second region in which the electron emission surface is heated to a higher temperature than the first region and can emit thermoelectrons. Therefore, the second region not covered by the cover is heated to a higher temperature than the first region and emits relatively more thermoelectrons, so that it is possible to prevent the first region from being covered by the cover from decreasing the thermoelectrons supplied to the plasma generating vessel.
That is, the ion source of the present invention can stably supply thermoelectrons for a long period of time without reducing the plasma generation efficiency in the plasma generating chamber.
本発明の電子源およびイオン源によれば、カソードからプラズマ生成容器に長期間にわたって安定して熱電子を供給できる。 The electron source and ion source of the present invention can stably supply thermoelectrons from the cathode to the plasma generating chamber for a long period of time.
本発明の電子源およびイオン源は、半導体製造工程等で使用されるイオンビーム照射装置に使用されるものである。まず、本発明の一実施形態における電子源１０および電子源１０を備えるイオン源１００について説明する。 The electron source and ion source of the present invention are used in an ion beam irradiation device used in a semiconductor manufacturing process, etc. First, an electron source 10 and an ion source 100 equipped with the electron source 10 in one embodiment of the present invention will be described.
図１に示すように、本実施形態におけるイオン源１００は、内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器１０１と、プラズマ生成容器１０１の内部に電子を供給する電子源１０を備えている。プラズマ生成容器１０１は、全体が略直方体形状をなしており、互いに対向する第一の側壁１０１ａおよび第二の側壁１０１ｂを備えている。第一の側壁１０１ａにはプラズマ生成容器１０１の内部で生成されたプラズマからイオンビームを取り出すための開口であるビーム引出口１０２が形成されており、ビーム引出口１０２の外側には不図示の引出電極等から構成される電極群が配置されている。また、第二の側壁１０１ｂには、プラズマ生成容器１０１の内部で生成されるプラズマの原料となる原料ガスが導入されるガス導入口１０３が形成されている。すなわち、イオン源１００は、ガス導入口１０３を通じて外部から導入された原料ガスを、電子源１０から供給される電子により電離させることでプラズマを生成し、不図示の電極群の作用によって、当該プラズマ中の正イオンをイオンビームとしてビーム引出口１０２から取り出す構成である。 As shown in FIG. 1, the ion source 100 in this embodiment includes a plasma generating vessel 101 in which plasma is generated, and an electron source 10 that supplies electrons to the inside of the plasma generating vessel 101. The plasma generating vessel 101 has an approximately rectangular parallelepiped shape as a whole, and includes a first side wall 101a and a second side wall 101b that face each other. The first side wall 101a is formed with a beam extraction port 102, which is an opening for extracting an ion beam from the plasma generated inside the plasma generating vessel 101, and an electrode group composed of extraction electrodes and the like (not shown) is arranged outside the beam extraction port 102. In addition, the second side wall 101b is formed with a gas inlet 103 through which a raw material gas that is the raw material of the plasma generated inside the plasma generating vessel 101 is introduced. That is, the ion source 100 generates plasma by ionizing the raw material gas introduced from the outside through the gas inlet 103 with electrons supplied from the electron source 10, and extracts positive ions in the plasma as an ion beam from the beam extraction port 102 by the action of a group of electrodes (not shown).
プラズマ生成容器１０１は対向する第一の底壁１０１ｃおよび第二の底壁１０１ｄを備えており、第一の底壁１０１ｃには後述する電子源１０の備えるカソード２０から放出される熱電子が通過する開口部１０６ａを備える開口部材１０６が配置されている。また、プラズマ生成容器１０１の外部には、プラズマ生成容器１０１内において、第一の底壁１０１ｃ側から第二の底壁１０１ｄ側に向かう磁場を生成する不図示の磁石が配置されており、カソード２０から放出された熱電子はこの磁場に捕捉されてプラズマ生成容器１０１内を移動する The plasma generating vessel 101 has a first bottom wall 101c and a second bottom wall 101d facing each other, and an opening member 106 having an opening 106a through which thermoelectrons emitted from a cathode 20 of an electron source 10 described later pass is disposed on the first bottom wall 101c. In addition, a magnet (not shown) is disposed outside the plasma generating vessel 101 to generate a magnetic field from the first bottom wall 101c side toward the second bottom wall 101d side within the plasma generating vessel 101, and the thermoelectrons emitted from the cathode 20 are captured by this magnetic field and move within the plasma generating vessel 101.
プラズマ生成容器１０１の内部には、第二の底壁１０１ｄ側に反射電極１０４が配置されており、反射電極１０４は第二の底壁１０１ｄに形成された開口を貫通するように位置付けられた支持部材１０５によって支持されている。また、プラズマ生成容器１０１に対して開口部材１０６の外方にはアノード電極５０および電子源１０が互いに離間した状態で配置されている。より詳細には、アノード電極５０は、電子源１０の備えるカバー部材３０の一部を収容する開口部５０ｂを有しており、電子源１０は、カバー部材３０が開口部５０ｂから所定間隔離間するように配置されている。尚、本実施形態における開口部材１０６は、特許文献１における接地電極に相当するものと考えてもよいが、これに限定されるものではない。また、反射電極１０４を設けずに、第二の底壁１０１ｄ側にも電子源１０を配置し、第一の底壁１０１ｃ側および第二の底壁１０１ｄ側の両側からプラズマ生成容器１０１内に電子が供給される構成としてもよい。 Inside the plasma generating vessel 101, a reflecting electrode 104 is disposed on the second bottom wall 101d side, and the reflecting electrode 104 is supported by a support member 105 positioned so as to penetrate an opening formed in the second bottom wall 101d. In addition, the anode electrode 50 and the electron source 10 are disposed in a state spaced apart from each other outside the opening member 106 with respect to the plasma generating vessel 101. More specifically, the anode electrode 50 has an opening 50b that accommodates a part of the cover member 30 provided in the electron source 10, and the electron source 10 is disposed so that the cover member 30 is spaced a predetermined distance from the opening 50b. The opening member 106 in this embodiment may be considered to correspond to the ground electrode in Patent Document 1, but is not limited to this. In addition, the reflecting electrode 104 may not be provided, and the electron source 10 may also be disposed on the second bottom wall 101d side, so that electrons are supplied into the plasma generating vessel 101 from both the first bottom wall 101c side and the second bottom wall 101d side.
図１に示すように、本実施形態における電子源１０は、プラズマ生成容器１０１の内部に向けて熱電子を放出する電子放出面２１ａを有するカソード２０を備える。また、電子源１０は、電子放出面２１ａの外縁の少なくとも一部を電子放出面２１ａから離間した状態で覆うカバー部３２と、カソード２０からわずかに離間した状態でカソード２０の周囲を囲う側面部３１とを有するカバー部材３０をさらに備えている。また、本実施形態におけるカバー部材３０は、カソード２０の周囲を全域に亘って取り囲むカソードシールであり、カーボンまたは金属により形成され、イオン源１００の運転中はカソード２０と同電位とされている。尚、本実施形態においては、電子放出面２１ａの外形は円形であり、カバー部材３０の側面部３１は円筒形状を成しているが、これらの形状は限定されるものではない。 As shown in FIG. 1, the electron source 10 in this embodiment includes a cathode 20 having an electron emission surface 21a that emits thermoelectrons toward the inside of the plasma generating vessel 101. The electron source 10 further includes a cover member 30 having a cover portion 32 that covers at least a part of the outer edge of the electron emission surface 21a while being spaced apart from the electron emission surface 21a, and a side portion 31 that surrounds the cathode 20 while being slightly spaced apart from the cathode 20. The cover member 30 in this embodiment is a cathode seal that surrounds the entire periphery of the cathode 20, is made of carbon or metal, and is at the same potential as the cathode 20 during operation of the ion source 100. In this embodiment, the outer shape of the electron emission surface 21a is circular, and the side portion 31 of the cover member 30 is cylindrical, but these shapes are not limited.
カソード２０は、熱電子を放出し得る本体部２１と、本体部２１のプラズマ生成容器１０１に対向する側に形成された電子放出面２１ａと、本体部２１の電子放出面２１ａに対する裏面側に形成され、熱源であるフィラメント４０により加熱される被加熱面２１ｂを有している。また、カソード２０は被加熱面２１ｂの外縁から立設するように形成された円筒状の側部２２を有しており、フィラメント４０は、側部２２と被加熱面２１ｂにより画成された空間に配置されている。 The cathode 20 has a main body 21 capable of emitting thermoelectrons, an electron emission surface 21a formed on the side of the main body 21 facing the plasma generating vessel 101, and a heated surface 21b formed on the reverse side of the electron emission surface 21a of the main body 21 and heated by a filament 40, which is a heat source. The cathode 20 also has a cylindrical side portion 22 formed to stand upright from the outer edge of the heated surface 21b, and the filament 40 is disposed in the space defined by the side portion 22 and the heated surface 21b.
カソード２０は、さらに、カバー部材３０のカバー部３２に覆われる第一の領域Ａ１と、カバー部３２に覆われておらず、第一の領域Ａ１に対して電子放出面２１ａが高温となって熱電子を放出し得る第二の領域Ｂ１を有する。第二の領域Ｂ１は、第一の領域Ａ１に対して、電子放出面２１ａの外縁から中心に向かうにつれて、本体部２１の電子放出面２１ａから被加熱面２１ｂまでの厚さ寸法Ｔを次第に小さくするように形成されており、具体的には、電子放出面２１ａはカソード２０の略円錐形状を成す凹部として形成されている。この形状により、電子放出面２１ａのうち、第二の領域Ｂ１に含まれる領域は、第一の領域Ａ１に含まれる領域よりも被加熱面２１ｂからの距離が短くなって高温になりやすく、熱電子を相対的により多く放出できることになる。 The cathode 20 further has a first region A1 covered by the cover portion 32 of the cover member 30, and a second region B1 that is not covered by the cover portion 32 and where the electron emission surface 21a can reach a higher temperature than the first region A1 and emit thermoelectrons. The second region B1 is formed so that the thickness dimension T from the electron emission surface 21a of the main body 21 to the heated surface 21b becomes gradually smaller from the outer edge of the electron emission surface 21a toward the center compared to the first region A1, and specifically, the electron emission surface 21a is formed as a recess that forms an approximately conical shape of the cathode 20. Due to this shape, the region of the electron emission surface 21a included in the second region B1 is closer to the heated surface 21b than the region included in the first region A1 and is more likely to reach a higher temperature, so that it can emit relatively more thermoelectrons.
カソード２０は、フィラメント４０により加熱されることでプラズマ生成容器１０１の内部に向けて電子放出面２１ａから熱電子を放出するものである。電子源１０およびイオン源１００の運転中、カソード２０は高温となり、カソード２０からは、カソード２０を形成するタングステン等の金属が気化することによって周囲に放出される。また、プラズマ生成容器１０１内またはアノード電極５０付近で生成したプラズマに含まれる粒子によってカソード２０がスパッタされることによってもカソード２０を形成する金属粒子が周囲に放出される。これに対し、本実施形態における電子源１０およびイオン源１００においては、放出された金属の少なくとも一部はカバー部材３２の内側に堆積することから、カバー部３２によって当該金属が周囲に拡散することが抑制される。 The cathode 20 is heated by the filament 40 and emits thermoelectrons from the electron emission surface 21a toward the inside of the plasma generating vessel 101. During operation of the electron source 10 and the ion source 100, the cathode 20 becomes hot, and metals such as tungsten forming the cathode 20 are vaporized and emitted from the cathode 20 to the surroundings. Metal particles forming the cathode 20 are also emitted to the surroundings by sputtering the cathode 20 with particles contained in the plasma generated in the plasma generating vessel 101 or near the anode electrode 50. In contrast, in the electron source 10 and the ion source 100 of this embodiment, at least a part of the emitted metal is deposited on the inside of the cover member 32, and the cover portion 32 prevents the metal from diffusing to the surroundings.
仮に、電子源１０がカバー部材３０を備えていない場合、または、カバー部材３０がカバー部３２を備えていない場合には、カソード２０から放出された金属は、カソード２０に最も近接する位置に配置されている部材であるアノード電極５０の開口部５０ｂに堆積することになる。したがって、開口部５０ｂの開口領域が堆積した当該金属により狭められていき、カソード２０から放出された熱電子がプラズマ生成容器１０１内に十分に到達しにくくなることから、プラズマ生成容器１０１内におけるプラズマの生成効率が経時的に低下していく。さらには、アノード電極５０にはカソード２０と異なる電位が与えられていることから、アノード電極５０の開口部５０ｂに当該金属が堆積していくことでアノード電極５０とカソード２０との距離が経時的に短くなり、最終的には短絡することになる。 If the electron source 10 does not have a cover member 30, or if the cover member 30 does not have a cover portion 32, the metal emitted from the cathode 20 will be deposited in the opening 50b of the anode electrode 50, which is the member located closest to the cathode 20. Therefore, the opening area of the opening 50b is narrowed by the deposited metal, and it becomes difficult for the thermoelectrons emitted from the cathode 20 to reach the inside of the plasma generating vessel 101 sufficiently, so that the plasma generation efficiency in the plasma generating vessel 101 decreases over time. Furthermore, since the anode electrode 50 is given a different potential from the cathode 20, the metal is deposited in the opening 50b of the anode electrode 50, and the distance between the anode electrode 50 and the cathode 20 becomes shorter over time, eventually resulting in a short circuit.
これに対し、本実施形態の電子源１０およびイオン源１００においては、カソード２０から放出される金属の少なくとも一部はカバー部材３１のうち主にカバー部３２の内側に付着して堆積することになる。したがって、アノード電極５０に当該金属が堆積することが抑制されることから、プラズマ生成容器１０１内におけるプラズマの生成効率が低下することが抑制され、さらにアノード電極５０とカソード２０との間で短絡が発生することも抑制される。その結果、本実施形態おける電子源１０およびイオン源１００においては、プラズマ生成容器１０１内に長期間にわたって安定して電子を供給することができるようになる。尚、カバー部材３０は、カソード２０と同電位とされているため、カバー部材３０に当該金属が堆積してカソード２０と接触した場合であっても短絡することはない。 In contrast, in the electron source 10 and ion source 100 of this embodiment, at least a portion of the metal emitted from the cathode 20 adheres to and accumulates on the inside of the cover member 31, mainly on the cover portion 32. Therefore, since the metal is prevented from accumulating on the anode electrode 50, the plasma generation efficiency in the plasma generating vessel 101 is prevented from decreasing, and further, the occurrence of a short circuit between the anode electrode 50 and the cathode 20 is prevented. As a result, in the electron source 10 and ion source 100 of this embodiment, electrons can be stably supplied to the plasma generating vessel 101 for a long period of time. In addition, since the cover member 30 is at the same potential as the cathode 20, even if the metal accumulates on the cover member 30 and comes into contact with the cathode 20, there is no short circuit.
また、カソード２０から放出された金属はプラズマ生成容器１０１の内部における金属汚染の原因となるが、本実施形態の電子源１０およびイオン源１００においては、カバー部３２がプラズマ生成容器１０１に到達し得る当該金属の少なくとも一部を付着させ、プラズマ生成容器１０１内に到達することを妨げるため、プラズマ生成容器１０１の内部における金属汚染を低減させることもできる。 In addition, metals emitted from the cathode 20 can cause metal contamination inside the plasma generating vessel 101, but in the electron source 10 and ion source 100 of this embodiment, the cover portion 32 adheres at least a portion of the metal that may reach the plasma generating vessel 101 and prevents it from reaching the inside of the plasma generating vessel 101, so metal contamination inside the plasma generating vessel 101 can also be reduced.
また、仮に、電子放出面２１ａ全体が平坦な形状である場合には、電子放出面２１ａから放出される熱電子の一部がカバー部３２に遮られてプラズマ生成容器１０１の内部に到達することができなくなり、その結果、プラズマ生成容器１０１に供給される電子の数が低減し、プラズマの生成効率が低下することになる。これに対し、本実施形態の電子源１０およびイオン源１００においては、カバー部３２に覆われない第二の領域Ｂ１が第一の領域Ａ１よりも高温となって相対的により多くの熱電子を放出することになることから、全体として第一の領域Ａ１がカバー部３２に覆われることによってプラズマ生成容器１０１に供給される熱電子が少なくなるという事態を回避できる。換言すれば、本実施形態におけるカソード２０は、電子放出面２１ａの第一の領域Ａ１がカバー部３２に覆われることでプラズマ生成容器１０１内に電子を供給できる量が減少する一方で、第一の領域Ａ１と比較してより高温となることで相対的により多くの電子を放出し得る第二の領域Ｂ１を有するよう構成されたものである。すなわち、カソード２０は、電子放出面２１ａの一部がカバー部３２によって覆われるが、全体としてプラズマ生成容器１０１内に供給される電子が低減されることがないよう構成されたものである。 In addition, if the entire electron emission surface 21a has a flat shape, some of the thermoelectrons emitted from the electron emission surface 21a are blocked by the cover portion 32 and cannot reach the inside of the plasma generating vessel 101, resulting in a reduction in the number of electrons supplied to the plasma generating vessel 101 and a decrease in the plasma generation efficiency. In contrast, in the electron source 10 and the ion source 100 of this embodiment, the second region B1 not covered by the cover portion 32 becomes hotter than the first region A1 and emits relatively more thermoelectrons, so that it is possible to avoid a situation in which the first region A1 is covered by the cover portion 32 as a whole, resulting in fewer thermoelectrons being supplied to the plasma generating vessel 101. In other words, the cathode 20 in this embodiment is configured to have a second region B1 that is hotter than the first region A1 and can emit relatively more electrons, while the first region A1 of the electron emission surface 21a is covered by the cover portion 32, thereby reducing the amount of electrons that can be supplied to the plasma generating vessel 101, and is therefore hotter than the first region A1. That is, the cathode 20 is configured such that a portion of the electron emission surface 21a is covered by the cover portion 32, but the electrons supplied to the plasma generating vessel 101 as a whole are not reduced.
したがって、本実施形態の電子源１０およびイオン源１００は、プラズマ生成容器１０１におけるプラズマの生成効率を低下させることなく熱電子を長期間にわたって安定して供給でき、カソード２０から放出された金属による短絡を抑制できるとともに、プラズマ生成容器１０１におけるプラズマの生成効率を低下させることなく熱電子を供給できる。さらに、プラズマ生成容器１０１の当該金属による金属汚染を低減することもできる。 Therefore, the electron source 10 and ion source 100 of this embodiment can stably supply thermoelectrons for a long period of time without reducing the plasma generation efficiency in the plasma generating vessel 101, can suppress short circuits caused by metal emitted from the cathode 20, and can supply thermoelectrons without reducing the plasma generation efficiency in the plasma generating vessel 101. Furthermore, it is also possible to reduce metal contamination of the plasma generating vessel 101 by the metal.
次に、本実施形態の第一変形例である電子源１１および電子源１１を備えるイオン源１０１について説明する。電子源１０およびイオン源１００と同一の構成については、前述の実施形態と同一の符号を図２に付与し、説明は省略する。
図２に示すように、電子源１１は、カソード２０１と前述の実施形態と同一のカバー部材３０を備えており、カソード２０１は熱電子を放出する電子放出面２１１ａとフィラメント４０に加熱される被加熱面２１１ｂを有する本体部２１１を有する。また、電子源１１は、被加熱面２１１ｂの外側においてカソード２０１を保持しる円筒状の保持部材２３１を備えている。すなわち、図１に示すように、電子源１０においては、カソード２０の側部２２と本体部２１が一体に形成されているのに対し、本変形例のように、カソード２０１と、カソード２０１とは別部材の保持部材２３１を使用し、被加熱面２１１ｂと保持部材２３１によって画成される空間にフィラメント４０を配置する構成としてもよい。
Next, a description will be given of an electron source 11 and an ion source 101 including the electron source 11, which are a first modified example of this embodiment. The same components as those of the electron source 10 and the ion source 100 are given the same reference numerals in FIG. 2 as those in the above-described embodiment, and the description will be omitted.
2, the electron source 11 includes a cathode 201 and the same cover member 30 as in the above-described embodiment, and the cathode 201 includes a main body 211 having an electron emission surface 211a that emits thermoelectrons and a heated surface 211b that is heated by the filament 40. The electron source 11 also includes a cylindrical holding member 231 that holds the cathode 201 on the outside of the heated surface 211b. That is, while the side portion 22 and the main body 21 of the cathode 20 are integrally formed in the electron source 10 as shown in FIG. 1, the cathode 201 and the holding member 231 that is a separate member from the cathode 201 may be used as in this modified example, and the filament 40 may be disposed in a space defined by the heated surface 211b and the holding member 231.
また、電子源１１においては、カソード２０１の電子放出面２１１ａは半球面状に形成されている。この場合においても、カソード２０１は本体部２１１における電子放出面２１１ａから被加熱面２１１ｂまでの厚さ寸法Ｔを次第に小さくするように形成されており、前述の実施形態と同一の作用効果を奏することは明らかである。すなわち、本発明のおける電子放出面の形状は特定の形状に限定されるものではい。例えば、本発明の電子放出面は半球面状等の凹部を複数有する形状としてもよい。また、カバー部は、電子放出面の外縁のみを覆う形状に限定されるものではない。 In addition, in the electron source 11, the electron emission surface 211a of the cathode 201 is formed in a hemispherical shape. Even in this case, the cathode 201 is formed so that the thickness dimension T from the electron emission surface 211a to the heated surface 211b in the main body 211 gradually decreases, and it is clear that the same effect as in the above-mentioned embodiment is achieved. In other words, the shape of the electron emission surface in the present invention is not limited to a specific shape. For example, the electron emission surface of the present invention may have a shape having multiple recesses such as hemispherical shapes. In addition, the cover portion is not limited to a shape that covers only the outer edge of the electron emission surface.
また、イオン源１０１においては、前述の実施形態におけるアノード電極５０を備えてはいない。すなわち、本第一変形例においては、電子源１１は、カバー部材３０が開口部材１６と所定間隔離間するように配置され、カソード２０１から放出された熱電子は開口部材１０６の開口部１０６ａを通過してプラズマ生成容器１０１内に供給される。本第一変形例においても、カソード２０１からはカソード２０１を形成する金属が放出され得るが、放出された当該金属の少なくとも一部はカバー部３２の内側に堆積し、プラズマ生成容器１０１内に到達する当該金属の量が低減される。 The ion source 101 does not have the anode electrode 50 of the above embodiment. That is, in this first modified example, the electron source 11 is arranged such that the cover member 30 is spaced a predetermined distance from the opening member 16, and the thermoelectrons emitted from the cathode 201 pass through the opening 106a of the opening member 106 and are supplied into the plasma generating vessel 101. In this first modified example, the metal forming the cathode 201 may be emitted from the cathode 201, but at least a portion of the emitted metal is deposited on the inside of the cover portion 32, and the amount of the metal that reaches the inside of the plasma generating vessel 101 is reduced.
次に、本実施形態の第二変形例である電子源１２について説明する。
電子源１２は、図１に示すイオン源１００における電子源１０と置き換え可能に構成されており、電子源１０との主な違いは後述するようにカバー部材３０２の形状である。図３に示すように、電子源１２は、カソード２０２およびカバー部材３０２を備えている。また、図１および図３に示すように、アノード電極５０は、プラズマ生成容器１０１に近づくにつれて開口幅を狭めるように傾斜する傾斜部５０ａを有している。図３に示すように、電子源１２においては、カバー部材３０２のカバー部３２２は、板状に形成されるとともに、カバー部材３０２の外方でカバー部３２２と最も近接する位置に配置された部材であるアノード電極５０の傾斜部５０ａに沿うよう位置付けられている。尚、本変形例においては、カバー部３２２は傾斜部５０ａに平行になるように形成されているが、アノード電極５０の傾斜部５０ａに沿うことは平行であることに限定されるものではい。
Next, an electron source 12 according to a second modified example of this embodiment will be described.
The electron source 12 is configured to be replaceable with the electron source 10 in the ion source 100 shown in FIG. 1, and the main difference between the electron source 12 and the electron source 10 is the shape of the cover member 302, as described later. As shown in FIG. 3, the electron source 12 includes a cathode 202 and a cover member 302. As shown in FIG. 1 and FIG. 3, the anode electrode 50 has an inclined portion 50a that is inclined so as to narrow the opening width as it approaches the plasma generating vessel 101. As shown in FIG. 3, in the electron source 12, the cover portion 322 of the cover member 302 is formed in a plate shape and is positioned so as to follow the inclined portion 50a of the anode electrode 50, which is a member disposed at a position closest to the cover portion 322 outside the cover member 302. In this modified example, the cover portion 322 is formed to be parallel to the inclined portion 50a, but following the inclined portion 50a of the anode electrode 50 is not limited to being parallel.
図３においては、電子源１０におけるカソード２０の電子放出面２１ａが二点鎖線により示されている。カバー部３２２がカバー部３２２と最も近接する位置に配置された部材であるアノード電極５０に沿うよう位置付けられていることで、カバー部材３０２の内方の空間をカソード２０の厚さ方向についてより大きく確保することができる。しがたって、図３における電子放出面２１ａと、カソード２０２の電子放出面２１２ａの位置関係からも明らかなように、カソード２０と比較してより大きなカソード２０２を、具体的には、プラズマ生成容器１０１に向かう方向のカソード２０の厚さ寸法がより大きなカソード２０２を使用することができるようになる。その結果、ひとつのカソード２０２をより長時間にわたって使用できるようになる。 In FIG. 3, the electron emission surface 21a of the cathode 20 in the electron source 10 is indicated by a two-dot chain line. The cover portion 322 is positioned so as to be aligned with the anode electrode 50, which is the member disposed in the position closest to the cover portion 322, so that a larger space can be secured inside the cover member 302 in the thickness direction of the cathode 20. Therefore, as is clear from the positional relationship between the electron emission surface 21a and the electron emission surface 212a of the cathode 202 in FIG. 3, it is possible to use a cathode 202 that is larger than the cathode 20, specifically, a cathode 202 with a larger thickness dimension of the cathode 20 in the direction toward the plasma generating vessel 101. As a result, one cathode 202 can be used for a longer period of time.
次に、本実施形態の第三変形例である電子源１３について説明する。
図４に示すように、電子源１３は、一対のカソード２０３、２０３を備えている。各カソード２０３は後述する被加熱面２１３ｂの外縁から立設するように形成され、被加熱面２１３ｂとともにフィラメント４３を収容する空間を画成する円筒状の保持部２３３を有している。また、電子源１３は、カソード２０３、２０３の外縁の一部を覆うカバー部３２３を有するとともに、カソード２０３と同電位とされたカバー部材３０３を備えている。
Next, an electron source 13 according to a third modified example of this embodiment will be described.
4, the electron source 13 includes a pair of cathodes 203, 203. Each cathode 203 is formed to stand from the outer edge of a heated surface 213b described later, and has a cylindrical holding portion 233 that, together with the heated surface 213b, defines a space for accommodating the filament 43. The electron source 13 also includes a cover portion 323 that covers part of the outer edge of the cathodes 203, 203, and a cover member 303 that is at the same potential as the cathode 203.
各カソード２０３は、熱電子を放出する電子放出面２１３ａと、電子放出面２１３ａに対する裏面側に形成され、カソード２０３の外部に配置された熱源であるフィラメント４３により加熱される被加熱面２１３ｂをそれぞれ備えている。本変形例では各被加熱面２１３ｂに対向するようにそれぞれ配置された二つのフィラメント４３、４３が配置されている。 Each cathode 203 has an electron emission surface 213a that emits thermoelectrons, and a heated surface 213b that is formed on the rear side of the electron emission surface 213a and is heated by a filament 43 that is a heat source arranged outside the cathode 203. In this modified example, two filaments 43, 43 are arranged so as to face each heated surface 213b.
電子源１３においても、カバー部３２３に覆われる第一の領域Ａ２と、第一の領域Ａ２に対して電子放出面３１３ａが高温となって熱電子を放出し得る第二の領域Ｂ２を有するよう形成されている。本変形例においては、第二の領域Ｂ２は、第一の領域Ａ２に対して、フィラメント４３から被加熱面３０２までの距離Ｄを短くすることで形成されている。
このように、相対的により多くの熱電子を放出する第二の領域Ｂ２を、第一の領域Ａ２に対して、熱源であるフィラメント４３から被加熱面３０２までの距離を短くすることで形成することもできる。
The electron source 13 is also formed to have a first region A2 covered by the cover portion 323 and a second region B2 where the electron emission surface 313a can emit thermoelectrons due to its high temperature relative to the first region A2. In this modification, the second region B2 is formed by shortening the distance D from the filament 43 to the heated surface 302 relative to the first region A2.
In this way, the second region B2 that emits a relatively larger number of thermoelectrons can be formed by shortening the distance from the filament 43, which is the heat source, to the heated surface 302, as compared to the first region A2 .
また、本発明は前記実施形態および前記変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。 Furthermore, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment and modified examples, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
１０ 電子源
１００ イオン源
１０１ プラズマ生成容器
２０ カソード
３０ カバー部材
３２ カバー部
４０ フィラメント
Ａ１ 第一の領域
Ｂ１ 第二の領域
10 Electron source 100 Ion source 101 Plasma generating vessel 20 Cathode 30 Cover member 32 Cover part 40 Filament A1 First region B1 Second region
Claims (4)
前記カソードの外部に配置された熱源と、
前記カソードと同電位とされており、前記電子放出面の外縁の少なくとも一部を前記電子放出面から離間した状態で覆うカバー部を有するカバー部材と、を備え、
前記カソードは、前記電子放出面に対する裏面側に形成され、前記熱源に加熱される被加熱面を有し、
前記カソードは、前記カバー部に覆われる第一の領域と、前記カバー部に覆われない第二の領域と、を有し、
前記カソードは、
前記第二の領域が、前記第一の領域に対して、前記カソードから前記プラズマ生成容器に向かう方向に沿った、前記被加熱面から前記電子放出面までの厚さ寸法が小さい領域を有する、または、前記第二の領域が、前記第一の領域に対して、前記方向に沿った、前記熱源から前記被加熱面までの距離が短い領域を有し、
前記第二の領域における前記電子放出面が、前記第一の領域における前記電子放出面よりも高温となって前記熱電子を放出し得る、電子源。 An electron source including a cathode having an electron emission surface for emitting thermoelectrons toward a plasma generating chamber in which plasma is generated,
a heat source disposed external to the cathode;
a cover member having a cover portion that is at the same potential as the cathode and that covers at least a part of an outer edge of the electron emission surface while being spaced apart from the electron emission surface ;
the cathode is formed on a rear surface side of the electron emission surface and has a heated surface that is heated by the heat source;
the cathode has a first region covered by the cover portion and a second region not covered by the cover portion,
The cathode is
The second region has a region in which a thickness dimension from the heated surface to the electron emission surface is smaller than that of the first region along a direction from the cathode toward the plasma generating vessel, or the second region has a region in which a distance from the heat source to the heated surface is shorter than that of the first region along the direction,
The electron source , wherein the electron emission surface in the second region has a higher temperature than the electron emission surface in the first region and is capable of emitting the thermoelectrons.
前記カソードの外部に配置された熱源と、
前記カソードと同電位とされており、前記電子放出面の外縁の少なくとも一部を前記電子放出面から離間した状態で覆うカバー部を有するカバー部材と、を備え、
前記カソードは、前記電子放出面に対する裏面側に形成され、前記熱源に加熱される被加熱面を有し、
前記カソードは、前記カバー部に覆われる第一の領域と、前記カバー部に覆われない第二の領域と、を有し、
前記カソードは、
前記第二の領域が、前記第一の領域に対して、前記カソードから前記プラズマ生成容器に向かう方向に沿った、前記被加熱面から前記電子放出面までの厚さ寸法が小さい領域を有する、または、前記第二の領域が、前記第一の領域に対して、前記方向に沿った、前記熱源から前記被加熱面までの距離が短い領域を有することによって、
前記第二の領域における前記電子放出面が、前記第一の領域における前記電子放出面よりも高温となって前記熱電子を放出し得る、イオン源。 An ion source comprising: a plasma generating vessel in which plasma is generated; and a cathode attached to the plasma generating vessel and having an electron emission surface that emits thermoelectrons toward the plasma generating vessel,
a heat source disposed external to the cathode;
a cover member having a cover portion that is at the same potential as the cathode and that covers at least a part of an outer edge of the electron emission surface while being spaced apart from the electron emission surface ;
the cathode is formed on a rear surface side of the electron emission surface and has a heated surface that is heated by the heat source;
the cathode has a first region covered by the cover portion and a second region not covered by the cover portion,
The cathode is
The second region has a region in which the thickness dimension from the heated surface to the electron emission surface is smaller than that of the first region along the direction from the cathode to the plasma generating vessel, or the second region has a region in which the distance from the heat source to the heated surface is shorter than that of the first region along the direction.
The ion source , wherein the electron emission surface in the second region has a higher temperature than the electron emission surface in the first region and is capable of emitting the thermal electrons.
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