JPH0418662B2

JPH0418662B2 -

Info

Publication number: JPH0418662B2
Application number: JP57501871A
Authority: JP
Inventors: Uiriamu Pii Robinson; Fuu Junia Makunurutei; Robaato Eru Serijaa; Uerudon Esu Uiriamuson
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-05-26
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1992-03-27
Also published as: EP0079932A4; EP0079932B1; EP0079932A1; WO1982004350A1; US4388560A; DE3277662D1; JPS58500827A

Description

【発明の詳細な説明】この発明はフイラメント補給型のカソードに関
する。

この型のカソードは放電室を通し、電子放射可
能のフイラメントをプラズマ放電の中で移動させ
る型式のもので、極めて長く使用することができ
る。

従来用いられていた低温カソードのイオン源は
不都合な点を有していた。それは大きな放電電圧
を必要としたこと、およびそのために大量のエネ
ルギ消費を必要としたことである。また、従来の
固定されたフイラメントを有する高温カソード使
用のイオン源は大電流を必要とし、短寿命であつ
た。

高温フイラメントを用い、種々のガスとともに
行われる放電に関してはよく知られている。しか
し高温のフイラメントが腐食性のガスとともにイ
オン源の中で用いられるときは、長寿命を期待で
きない。少ないエネルギ消費の下にすぐれたビー
ムを形成することは望ましいことであるが、主た
る欠点は短寿命であることであり、そのために、
製造システムに於ては、高温フイラメントを用い
たイオン源の利用は実現されず、その結果長寿命
を有する高温フイラメントが要望された。

この発明の理解を助けるために従来のフイラメ
ント補給型のカソードの概要を説明すれば、次の
如くである。フイラメント状のカソードは供給機
構から作用空間を経て引き出された後収集され
る。該カソードは、放電によつて生ずるフイラメ
ントの損耗がフイラメントを過度に弱めることが
ないように、十分な割合で移動される。

この発明の目的は、フイラメントを前進させる
ことによつて連続的に新しくなるカソードを提供
することである。又この発明の他の目的は長寿命
のカソードを提供すること、特に比較的大きな電
流を流す場合にも、又腐食性を、有す環境下に於
ても高温のフイラメントが動作できるイオン源を
提供することにある。

この発明の他の目的及び得られる利点は、以下
に記載する明細書、特許請求の範囲及び添付図面
によつて明瞭に説明される。

次に実施例を説明する。第１，２，４及び５図
は、この発明のフイラメント補給型カソード１２
を使用するイオン源１０を示す。第３図のカソー
ド１２は紙面にほぼ直角に延出し、ハウジング１
３の中にはフイードガスが供給される。フイード
ガスは供給管１４を通してアノード１６とカソー
ド１２を過ぎて供給され、イオン化される。アノ
ード１６は第２図および第３図に示すように支柱
１５に装着され、各支柱１５はハウジング１３に
支持されたキヤツプ１７の中に絶縁物を介して取
付けられている。

カソード１２とアノード１６との間を通過する
電子はフイードガスをイオン化する。イオン化さ
れた粒子は第２図に於て、紙面に直角方向に形成
されたスリツト１８の部分にプラズマを形成す
る。イオンは引出し電極２０によつて引出され、
加速される。上記電極２０は第１図に示すリボン
状のスリツト２１を備えている。該イオンビーム
２２は第１図および第２図の紙面に直角方向に厚
さを有している。イオン源１０の全体構造は矢印
２４で示された磁界の中に配置されている。電界
を形成する極板２６および２８は上記イオンビー
ム２２のパスに平行に配置され、該極板には上記
磁界の存在の下に所望の種々のイオンを、選択さ
れたパス３０に沿つて通過させるようなポテンシ
ヤルが付与される。上記パスは磁界および電界の
強度に従つて直線状にも曲線状にも形成される。
質量分離用のスリツト３２は所望しない該種が該
スリツト３２を通過しない寸法に形成され、上記
パスに沿つて配置される。ターゲツトであるウエ
ハ３４は上記質量分離用スリツト３２の背後に配
置され、所望の該種が上記ウエハの中にインプラ
ントすなわち打ち込まれる。又ウエハの背後には
フアラデーカツプ３６が配置され、ウエハが取除
かれたとき、ビーム電流の測定に用いられる。

第１図に示す電源４０はシステムの多くの部分
に必要な電位を供給するように接続される。イオ
ンを使用するシステム３８は第１図に図式的に示
されている。上記システム３８は放電を発生させ
るハウジングすなわち発生室１３に生成されたイ
オンが、どのよに用いられるかの例を示してい
る。第１図の実施例の上記システム３８は、所望
の核種に作用して該核種を集束させる機能を備え
ており、そのために多くの種類の電極板を取りか
えて使用することができ、そのようにして多数の
ウエハを取扱う装置を形成することができる。又
このシステムには、中性粒子分離のために、選択
されたイオンを所望のように移動させる彎曲した
パスを形成することができる。

第２図に示すように、イオン源１０はハウジン
グ４２を有し、ハウジング４２は１組の絶縁物４
４の上の装着される。従つてハウジング４２はイ
オン引き出し電極２０と異なる電位を寄与される
ことができ、該ハウジング４２にはカソードと同
電位が与えられる。又上記アノード１６は支柱１
５に支柱され、発生室１３内に形成された内部空
間４８には前記供給管１４（第３図参照）を介し
てフイードガスが供給される。上記支柱１５は絶
縁ブツシユとして形成されたキヤツプ１７を通つ
て電源４０（第１図参照）に接続され、アノード
電位が付与される。

カソード１２はワイヤ状をなし、スプール形の
供給用コイル５０から供給される。上記カソード
ワイヤ１２はテンシヨンホイール６２の間を通つ
た後絶縁ブツシング５２と５４を通過する。上記
絶縁ブツシング５２と５４により、プラズマの中
で上記ワイヤが作用する長さ、すなわち作用部分
６４が定められる。カソード取出し用のホイール
５６はカソードワイヤに係合して該カソードワイ
ヤをスプール５８に送り、カソードワイヤは該ス
プール５８に巻き取られる。上記取出し用ホイー
ル５６は駆動軸６０に接続されたモータ（図示せ
ず）によつて、調整された種々の速度で回転され
る。取出し用のホイール５６を駆動してカソード
ワイヤが前進方向に動かされると、該ワイヤは、
矯圧用ホイールとして作用するとともにワイヤに
張力を付与するテンシヨンホイール６２を通り、
更に絶縁物５２と５４間のカソードの作用部分６
４を通つてスプール５８に巻き上げられる。この
とき、ホイール６２と５６は第１図に示すように
電源に接続され、加熱用の電流は上記のようにホ
イール６２と５６を通つてフイラメントワイヤに
流れる。該電流はフイラメントワイヤのホイール
間部分を流れ、絶縁物の間にある作用部分６４の
加熱を行う。

カソードワイヤの材料として、タングステンが
適当である。該ワイヤの適切な直径の例は0.38mm
（0.015インチ）である。このワイヤを用いれば絶
縁物間の加熱される長さを、例えば12.5mm（1/2
インチ）とした場合で、システムに燃料として三
フツ化ホウ素を用い、カソード及びアノード間に
放出温度約2000゜Kで１アンペアの放電を行なわ
せる場合、および燃料として砒素を用い、上記と
同じ放出温度で0.3アンペアの放電を行なわせる、
いずれの場合ワイヤの表面積は十分である。

フイラメントの作用部分６４、すなわち絶縁ブ
ツシング５２と５４との間の部分が加熱され、フ
イラメント状のカソードのスリツプとアノード１
６の間に放電電圧が印加されると、供給管１４か
ら上記スペースの中に供給されたフイードガスの
中の上記カソードとアノードの間にグロー放電が
発生する。このとき磁界２４によつて電子のパス
が延ばされ、イオン化が発生する。上記のように
生じたイオンはスリツト１８と２１を通して加速
されて外部に導かれ、例えば第１図および第５図
に示されるような種種の目的に使用される。

上記実施例に於て、ワイヤの作用部分６４とア
ノード１６の前面との間の距離は、サイクロトロ
ン半径のほぼ５倍であることが必要である。上記
距離がサイクロトロン半径の５倍より小さけれ
ば、イオン化の効率は低くなり、又５倍より大き
ければイオン化は空間電荷による制限を受ける。

図示された作動状況に於て、カソードワイヤの
作用部分６４がスパツタリングを受けるようにな
る。第５図には、空間電荷が中性化された（すな
わち打消された）リアクテイブイオンビームが機
械加工に利用される例を示している。スパツタリ
ングによつて、タングステンが局部的に強く加熱
され、該タングステンの蒸発がはげしくなり、そ
の結果ワイヤが細くなると、フイラメントには局
部的に電圧降下の高い部分が生じ、局部的加熱が
更に激しくなる。実例によればスパツタリングに
よるロスにより、直径0.38mm（0.015インチ）の
タングステンワイヤは、１時間に約0.013mm
（0.0005インチ）の減少を受ける。このようなロ
スを回避するために、カソードワイヤは前進する
ように駆動される。示された状況に於いて、カソ
ードワイヤを１時間に約25mm（１インチ）前進さ
せれば、蒸発及びスパツタリングによるワイヤの
損耗を防ぐことができる。このとき、十分のワイ
ヤを用意して前方に送り、使用済みのワイヤは使
用済品として貯蔵所に保管することができる。そ
の結果長寿命のカソードが形成される。その寿命
はコイル５０からのワイヤ供給の長さによつて制
限を受けるのみである。供給管１４から送られる
ガスが三フツ化ホウ素であるときは、よつて生ず
る第１次イオン化生成物はB₍₁₀₎ ⁺、B₍₁₁₎ ⁺、F⁺、
BF⁺、BF₂ ⁺、BF₃ ⁺である。又供給されるガスに
砒素が用いられるときは、イオン化生成物は
As₄ ⁺、As₃ ⁺、As₂ ⁺及びAs⁺を含む。

該種としてのヒ素は核種であるホウ素及びフツ
化物よりずつと重いので、生ずるスパツタリング
は著しい。

第５図には、イオンを使用する別のシステム６
６が示されている。該システム６６ではイオンに
よる機械加工を行うため中性化したイオンビーム
が形成されている。発生室１３は第２図で示され
たものと同様に形成されている。フイラメント状
のカソード１２が供給用のスプール５０から、取
出し用のスプール５８によつて引き出される。カ
ソード１２の作用部分６４と接触する電気接点は
摺動接点を用いてもよいが、第２図に示すように
ワイヤを取出し又案内するホイールを利用するの
が好ましい。

前記イオン源１０はペニング放電室６８に結合
され、該放電室６８の周囲には複数個のリング状
のマグネツト７０が配置され、放電室６８の中に
は多重に形成されたループ状の磁界が形成され
る。放電室６８の出口にはこの放電室６８と同電
位にあるスクリーン電極７２が設けられている。
上記構造を有することによつて、ペニング放電室
内のプラズマ中にペニング放電が発生し、よつて
生じたイオンはスクリーン電極７２を通して上記
室内のプラズマからドリフトして送出される。又
スクリーン電極７２の背後に加速電極７４が配置
されている。該加速電極７４は負荷性にチヤージ
され、イオンは、加速されて上記ペニング放電室
からドリフトされ、ターゲツト室７５の中に入
る。

ターゲツト室７５に設けられたニユートライザ
用のフイラメント７６は電子放出用のフイラメン
トである。該フイラメント７６は印加される加熱
用電力によつて加熱される。ターゲツト室内の流
れの中で、ニユートライザ用のフイラメント７６
はイオンボンバードメントによる腐食を受ける。
フイラメント７６はターゲツト室７５の中で駆動
されて前進し、腐食されたフイラメントは機械的
に破損する前にターゲツト室外に送出される構造
が採用されている。タングステンワイヤがら成る
フイラメント７６は電子を発生し、該電子はイオ
ンを中性化し、ターゲツト室７５の中のフイラメ
ント７６の右側に於ては、ビームは空間電荷が中
性とされたリアクテイブイオンビームとなる。該
ビームは空間電荷が中性化されているので、荷電
粒子からなるビームの場合に発生するビーム自身
を拡張しようとする力は生じない。このようにし
てターゲツト８０に到着する粒子ビームは平行ビ
ームであり、ターゲツトは上記イオンビームによ
つて、アンダカツトを生ずることなしに、機械加
工される。ターゲツト８０は軸８４に装着されて
回転するターゲツトホイール８２に取付けられ
る。このターゲツトホイール８２はターゲツトを
上記ビームを通して移動し、空間電荷が中性とな
つたリアクテイブイオンビームによる一様な作用
を受ける。所望によつては、ターゲツト室にはタ
ーゲツト交換に便利な種々の周知の機構を設けて
もよい。

以上はこの発明の最適モードについての説明で
あるが、この技術分野に於ける熟練者の能力の範
囲で、発明的能力を用いることなしに可能な多く
の態様および実施例を形成することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン質量分離装置およびターゲツト
とともに示されたこの発明のフイラメント補給型
カソードの概略的平面図、第２図はこの発明のフ
イラメント補給型のカソードのイオン源の一部断
面拡大平面図、第３図はアノード支持部と、フイ
ードガス供給構造を示す第２図の３−３線断図、
第４図は前方からイオン源を見た透視図、そし
て、第５図は空間電荷を中性化し、イオンによる
機械加工等に使用するイオンビオームを得るため
に、放電によつてプラズマを形成するこの発明の
フイラメント補給型カソードを備えたイオンシス
テムのセンタライン断面を示す図である。１０……イオン源、１２……カソード、カソー
ドワイヤ、１３……発生室、１４……供給管、１
５……支柱、１６……アノード、１７……キヤツ
プ、１８……スリツト、２０……引出し電極、２
１……スリツト、２２……イオンビーム、２４…
…磁界、２６，２８……極板、３０……パス、３
２……スリツト、３４……ウエハ、３６……フア
ラデーカツプ、３８……システム、４０……電
極、４２……ハウジング、４４……絶縁物、４８
……内側発生室、５０……供給用コイル、５２，
５４……絶縁ブツシング、５６……取出用ホイー
ル、５８……スプール、６０……駆動軸、６２…
…テンシヨンホイール、６４……作用部分、６６
……別のシステム、６８……放電室、７０……マ
グネツト、７２……スクリーン電極、７４……加
速電極、７５……ターゲツト室、７６……フイラ
メント、８０……ターゲツト、８２……ターゲツ
トホイール、８４……軸。

Claims

【特許請求の範囲】１放電室と、この放電室の中に配置されたアノ
ードと、上記放電室の一方の壁に対面して配置さ
れ、該壁を貫通する放電粒子を通す開口を有する
加速電極と、上記アノードと開口との間に配置さ
れた電極であつて、アノード、該電極及び加速電
極の間に電圧が印加されたとき、放電粒子が上記
開口を通して加速されるように設けられたカソー
ドとを具備し、上記カソードは、電子を放出する金属ストリツ
プを供給するストリツプ供給コイルと、上記スト
リツプが排出される排出チヤンバと、上記放電室
に送り込まれたストリツプを取巻く第１の絶縁物
と、上記ストリツプが放電室から送出される場所
に設けられ、該ストリツプを取巻き、上記第１の
絶縁物との間にアクテイブな電子を放出する作用
部分を形成する第２の絶縁物と、上記ストリツプ
に沿つて上記開口から互いに反対方向に離れ、か
つ該開口に関して上記第１及び第２の絶縁物より
それぞれ外側に配置された位置で該ストリツプと
接触し、相互間に加熱電流を流すパスを形成する
第１及び第２の電気接点ホイール対と、少なくと
も第２の電気接点ホイールに接続され、上記スト
リツプの構成材料が消耗したとき、上記第２の電
気接点ホイールを回転させてストリツプを移動さ
せるストリツプ前進手段とを備えていることを特
徴とするフイラメント補給型カソード。２上記放電室は、上記開口に接続され、該放電
室からのイオン化されたフイードガスを内部に受
入れるためのペニングプラズマ放電室を備えてお
り、このペニングプラズマ放電室は、このペニング
プラズマ放電室を取囲むマグネツトと、スクリー
ン電極と、このスクリーン電極の背後に配置さ
れ、上記ペニングプラズマ放電室からイオンを加
速してイオン流を形成する加速電極と、上記加速
電極によつて加速されたイオンを受入れるように
接続され、加速されたイオン流によるボンバード
メントを施されるターゲツトを収容するターゲツ
ト室と、を有することを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載のフイラメント補給型カソード。３上記ペニングプラズマ放電室は、加速された
イオン流の中に中性化用のカソードを備えてお
り、上記ターゲツトに対して放出されるほぼ中性
化されかつ加速されたリアクテイブなイオン流を
形成することを特徴とする特許請求の範囲第２項
に記載のフイラメント補給型カソード。４上記ターゲツト室は、このターゲツト室を通
つて延出するフイラメントと、このフイラメント
を加熱する手段と、該フイラメントを前進させる
手段とを有することを特徴とする特許請求の範囲
第３項に記載のフイラメント補給型カソード。５上記ストリツプが上記アノードからほぼサイ
クロン半径の約５倍離れて配置されていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に
記載のフイラメント補給型カソード。６上記第１の電気接点ホイールは、上記作用部
分と供給コイルとの間でストリツプに接触し、上
記第２の電気接点ホイールは、上記作用部分と排
出チヤンバ供給コイルとの間でストリツプに接触
し、上記ストリツプ前進手段は、上記第２の電気
接点ホイールに接続された駆動軸と、この駆動軸
を回転させるモータ手段とを有していることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載のフイラメ
ント補給型カソード。７上記ストリツプが伝導性を有するワイヤであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
のフイラメント補給型カソード。８上記放電室から放出されたイオンビームを加
速し、又上記イオンビームから所望の核種を分離
するイオン光学手段を備えていることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載のフイラメント補
給型カソード。