TWI497555B - Microwave ion source and its starting method - Google Patents

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TWI497555B
TWI497555B TW103103935A TW103103935A TWI497555B TW I497555 B TWI497555 B TW I497555B TW 103103935 A TW103103935 A TW 103103935A TW 103103935 A TW103103935 A TW 103103935A TW I497555 B TWI497555 B TW I497555B
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Nobuaki Takahashi
Hirohiko Murata
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Sumitomo Heavy Industries
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Description

微波離子源及其啟動方法
本發明係有關一種微波離子源、及微波離子源的啟動方法。
已知有將微波用於電漿生成之離子源。向真空電漿室導入微波。供給到電漿室之原料氣體被微波激發而生成電漿。從電漿引出離子。藉此從離子源引出之離子被用作例如離子植入處理。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開昭63-66827號公報
本發明的一態樣的示例性目的之一為提供一種用於啟動微波離子源之實用方法、及依該種啟動方法而被控制之微波離子源。
依本發明的一態樣，提供一種微波離子源，其具備：電漿室；磁場產生器，用於在前述電漿室產生磁場；及控制部，將前述磁場產生器控制成對前述電漿室施加用於電漿點火之初始磁場且在電漿點火後使前述初始磁場變更為普通磁場。
前述初始磁場亦可以被設定為在前述電漿室引起電子迴旋共振。
前述電漿室亦可具備用於接受微波之窗、及離子引出開口。前述初始磁場具有從前述窗遍及前述離子引出開口之平坦的磁場分佈。
前述普通磁場亦可以係比從前述窗遍及前述離子引出開口而滿足電子迴旋共振條件之磁場高之磁場。
前述控制部亦可以將前述磁場產生器控制成在向前述電漿室供給微波之前開始施加前述初始磁場。
依本發明的一態樣，提供一種微波離子源的啟動方法，其特徵為，具備：對微波離子源的電漿室施加用於電漿點火之初始磁場之步驟；及在電漿點火後使前述初始磁場變更為普通磁場之步驟。
另外，以上構成要件的任意組合或對本發明的構成要件或表現在方法、裝置、及系統等之間彼此替換的技術亦作為本發明的態樣仍然有效。
依本發明，能夠提供一種用於啟動微波離子源之實用方法、及依該種啟動方法而被控制之微波離子源。
10‧‧‧微波離子源
12‧‧‧電漿室
16‧‧‧磁場產生器
24‧‧‧真空窗
26‧‧‧微波供給系統
66‧‧‧離子引出開口
B1‧‧‧普通磁場
B2‧‧‧初始磁場
C‧‧‧控制裝置
第1圖係模式表示本發明的一實施形態之微波離子源的結構之圖。
第2圖係表示本發明的一實施形態之普通磁場的一例之圖。
第3圖係表示本發明的一實施形態之初始磁場的一例之圖。
第4圖係用於說明本發明的一實施形態之微波離子源的啟動方法之流程圖。
第1圖係模式表示本發明的一實施形態之微波離子源10的結構之圖。微波離子源10係向施加有滿足電子迴旋共振(ECR)條件之磁場或比該磁場高之磁場之電漿室12內沿磁力線方向輸入微波電力而生成高密度電漿且引出離子之離子源。微波離子源10構成為藉由磁場與微波的相互作用生成原料氣體的電漿，並從該電漿向電漿室12的外部引出離子。
眾所周知，滿足ECR條件之磁場的強度唯一決定所使用之微波頻率，當微波頻率為2.45GHz時需要87.5mT(875高斯)的磁場。以下為了方便，將滿足ECR條 件之磁場稱作共振磁場。
微波離子源10例如使用於離子植入裝置所需之離子源。所植入之離子中例如具有氧。並且，微波離子源10可用作質子加速器所需之離子源、或X射線源。微波離子源10主要用作一價離子源。
微波離子源10具備離子源本體14。離子源本體14具備電漿室12、磁場產生器16、及真空容器18。
電漿室12具有具備兩端之筒狀形狀。以下為了方便，將從電漿室12的一端朝向另一端之方向稱作軸向。並且，將與軸向正交之方向稱作徑向，將包圍軸向的方向稱作周方向。但是，他們並不一定意味著電漿室12為具有旋轉對稱性之形狀。圖示的例子中，電漿室12為圓筒形狀，但是，只要電漿室12能夠適當地收容電漿，亦可為任何形狀。並且，電漿室12的軸向長度可以比電漿室12的端部的徑向長度長，亦可以比該徑向長度短。
磁場產生器16為了對電漿室12施加磁場而設置。磁場產生器16構成為產生沿電漿室12的中心軸之磁場。在第1圖中，用箭頭M表示其磁力線方向。磁場產生器16構成為在電漿室12的軸線上的至少一部份產生共振磁場或與其相比高強度的磁場。磁場產生器16亦能夠在電漿室12的軸線上的至少一部份產生低於共振磁場之磁場。
真空容器18係用於將電漿室12收容於真空環境之框體。真空容器18還係用於保持磁場產生器16之結構體。電漿室12具有用於在內部接收微波之真空窗24。關於電 漿室12、磁場產生器16、及真空容器18，在後面進行更詳細地敘述。
微波離子源10具備微波供給系統26。微波供給系統26構成為通過真空窗24向電漿室12輸入微波電力。微波供給系統26具備微波源28、導波管30及匹配區32。微波源28例如為磁控管。微波源28例如輸出2.45GHz的頻率的微波。導波管30係用於將微波源28所輸出之微波傳遞到電漿室12之微波電路。導波管30的一端連接於微波源28，另一端經由匹配區32連接於真空窗24。匹配區32為了微波的匹配而設置。
藉此，微波從微波供給系統26通過真空窗24導入至電漿室12。被導入之微波朝向與真空窗24對向之電漿室12的端部在電漿室12的內部傳播。第1圖中，用箭頭P表示微波的傳播方向。微波的傳播方向P為與由磁場產生器16產生之磁力線方向M相同的方向。因此，微波的傳播方向P為與電漿室12的軸向相同的方向。
並且，微波供給系統26具備設置於導波管30之微波檢測儀33。微波檢測儀33例如具備用於對向電漿室12的入射電力及來自電漿室12的反射電力進行監控之方向耦合器。微波檢測儀33構成為向控制裝置C輸出測定結果。
微波離子源10具備氣體供給系統34。氣體供給系統34構成為將電漿的原料氣體供給到電漿室12。氣體供給系統34具備作為氣體源之氣瓶36、及氣體流量控制器38 。原料氣體例如為氬氣。原料氣體亦可以包含含有用於離子植入之雜質之成份。氣體供給系統34的氣體配管40的前端通過真空容器18連接於電漿室12。氣體配管40例如連接於電漿室12的側壁64。氣體流量控制器38具備用於將氣瓶36與電漿室12連接或斷開之開閉閥，或用於從氣瓶36向電漿室12的氣體流量進行調整之流量控制閥。因此，從氣瓶36向電漿室12供給被控制之流量的原料氣體。
離子源本體14具備引出電極系統42。引出電極系統42構成為通過電漿室12的離子引出開口66從電漿引出離子。引出電極系統42包括第1電極44及第2電極46。第1電極44設置於電漿室12與第2電極46之間。具有離子引出開口66之終端部62與第1電極44隔著間隔而排列，第1電極44與第2電極46隔著間隙而排列。第1電極44及第2電極46分別形成為例如環狀，在中心部具有用於使從電漿室12引出之離子通過之開口部份。
第1電極44為了從電漿引出陽離子，並且防止電子從射束線52返回到電漿室12而設置。為此，在第1電極44上施加有負高電壓。為了對第1電極44施加負高電壓而設置第1引出電源48。第2電極46被接地。並且，在真空容器18中施加有正高電壓。為了對真空容器18施加正高電壓而設置第2引出電源50。施加到真空容器18之正高電壓的絕對值大於施加到第1電極44之負高電壓的絕對值。藉此，從電漿室12引出陽離子的離子束20。來 自電漿室12的離子束20的引出方向為與微波的傳播方向P相同的方向。
在微波離子源10上設置有射束線52，該射束線用於輸送藉由引出電極系統42引出之離子束20。射束線52在與微波供給系統26相反的一側連結於離子源本體14。射束線52為與真空容器18連通之真空容器。射束線52相對於離子源本體14的真空容器18被絕緣而安裝於真空容器18。為此，在射束線52與真空容器18之間設置有襯套54。
襯套54維持射束線52及真空容器18內的真空之同時，保持真空容器18與接地側之間的耐電壓。襯套54由絕緣材料形成。襯套54具有環狀形狀，且包圍引出電極系統42。襯套54以夾持在射束線52及離子源本體14各自的真空容器的安裝凸緣之間之方式安裝。
在真空容器18及電漿室12上設置有用於提供真空環境之真空排氣系統56。圖示的例子中，真空排氣系統56設置於射束線52。由於射束線52與真空容器18及電漿室12連通，因此真空排氣系統56能夠進行真空容器18及電漿室12的真空排氣。真空排氣系統56例如包括低溫泵或渦輪分子泵等高真空泵。
微波離子源10亦可具備用於控制離子束20的輸出之控制裝置C。控制裝置C控制微波離子源10的各構成要件，且控制生成於電漿室12之電漿，藉此控制離子束20的輸出。控制裝置C構成為例如控制微波供給系統26、 氣體供給系統34、線圈電源76的動作。控制裝置C例如亦可以藉由對原料氣體的流量、微波功率、及磁場強度中的至少1個進行調整來控制離子束20的輸出。
電漿室12構成為在其內部空間生成並維持電漿。以下，有時將電漿室12的內部空間稱作電漿收容空間58。
電漿室12包括始端部60、終端部62及側壁64。始端部60與終端部62夾持電漿收容空間58且相對向。側壁64圍繞電漿收容空間58且連接始端部60與終端部62。因此，電漿收容空間58藉由始端部60、終端部62及側壁64被劃定在真空容器18的內部。電漿室12為圓筒形狀時，始端部60及終端部62為圓板形狀，側壁64為圓筒，在始端部60及終端部62的外周部固定有側壁64的末端。
始端部60具有真空窗24。真空窗24可以佔整個始端部60，亦可以形成於始端部60的一部份(例如中心部)。真空窗24的其中一側面向電漿收容空間58，真空窗24的另一側朝向微波供給系統26。真空窗24將電漿室12的內部進行真空密封。微波的傳播方向P與真空窗24垂直。真空窗24由介電質損失較小之介電質(例如氧化鋁或氮化硼等)形成。另外，電漿室12的除真空窗24以外的部份例如由非磁性金屬材料形成。
在終端部62形成有至少1個離子引出開口66。離子引出開口66形成於夾持電漿收容空間58且與真空窗24對向之位置。亦即，真空窗24、電漿收容空間58、及離 子引出開口66沿著電漿室12的軸向排列。
真空容器18具有一體形成有電漿室12之雙重筒結構。亦即，電漿室12為真空容器18的內筒，且在其外側設置有收容電漿室12之外筒68。外筒68亦可為與電漿室12同軸的圓筒形狀。在外筒68與電漿室12的側壁64之間存在間隙，上述氣體供給系統34的氣體配管40的前端部以進入到該間隙內之方式安裝於側壁64。真空容器18例如由非磁性金屬材料形成。
真空容器18亦可以不與電漿室12一體形成。真空容器18及電漿室12亦可分別為單體並能夠分割。並且，真空容器18本身亦可成為電漿室12。如此，真空容器18兼作電漿室12時，將具有離子引出開口66之端板安裝於外筒68的射束線52側即可。
真空容器18的一端被端板70封閉，而另一端朝向射束線52開放。在端板70的中心部形成有電漿室12的始端部60。端板70的外周部沿徑向延伸至外筒68的外側。在射束線52側的真空容器18的端部設置有襯套54所需之安裝凸緣72。安裝凸緣72從外筒68沿徑向外側延伸。真空容器18與電漿室12的軸向長度相等，安裝凸緣72與電漿室12的終端部62的軸向位置一致。真空容器18與電漿室12的軸向長度亦可以不同。
真空容器18中，形成有保持磁場產生器16所需之磁鐵保持部74。磁鐵保持部74例如形成於真空容器18的外筒68的外表面。本實施例中，磁場產生器16設置於真 空容器18的外側(亦即大氣中)。磁場產生器16以包圍真空容器18之方式配置。但是，在其他例子中，真空容器18亦可以具備將磁場產生器16保持在真空容器18的內部(亦即真空中)所需之磁鐵保持部74。此時，亦能夠得到與本例相同的效果。藉此，磁場產生器16以包圍電漿收容空間58之方式配置。
磁場產生器16具備以朝向電漿室12的軸向產生磁場之方式構成之線圈。本例中，電漿室12及真空容器18為圓筒形狀，且線圈形成為環狀，沿電漿室12的周方向纏繞導線。磁場產生器16包括用於使電流流過線圈之線圈電源76。另外，磁場產生器16可以具備沿電漿室12的軸向排列之複數個線圈，來代替具備如圖所示之1個線圈。
第2圖係表示本發明的一實施形態之普通磁場B1的一例之圖。第2圖中，縱軸表示在電漿室12的中心軸上的軸向磁通量密度B。橫軸表示電漿室12的軸向位置L。因此，第2圖表示普通磁場B1的軸向磁場分佈。在第2圖的橫軸上，以各自的符號表示作為電漿室12的一端之真空窗24的軸向位置、及作為電漿室12的另一端之離子引出開口66的軸向位置。第2圖中示出了共振磁場BECR 。該種標記在後述的第3圖中亦相同。
普通磁場B1係適於高密度電漿的維持之磁場。控制裝置C在微波離子源10的正常運行時，以對電漿室12施加普通磁場B1之方式控制磁場產生器16。
如圖所示，普通磁場B1為在電漿室12中從真空窗 24遍及離子引出開口66而超過共振磁場BECR 且在電漿室12內具有峰值P1之單峰的磁場分佈。峰值P1的軸向位置與離子引出開口66相比更靠近真空窗24。磁場強度從峰值P1向真空窗24單調減小，且從峰值P1向離子引出開口66單調地減少。因此，從峰值P1向真空窗24的減少梯度大於從峰值P1向離子引出開口66的減少梯度。在真空窗24中的磁場強度與在離子引出開口66中的磁場強度相等，或者亦可以略大。並且，在普通磁場B1的峰值P1的附近，磁場分佈平坦。峰值P1的強度例如在從共振磁場BECR 的約1.3倍到約1.6倍的範圍內。
第3圖係表示本發明的一實施形態之初始磁場B2的一例之圖。初始磁場B2係適於電漿室12中的電漿的點火之磁場。初始磁場B2被設定為在電漿室12引起電子迴旋共振。為此，初始磁場B2在電漿室12的至少一部份具有與共振磁場BECR 一致或其附近之磁場。控制裝置C在微波離子源10的啟動運行中，以對電漿室12施加初始磁場B2之方式控制磁場產生器16。
如圖所示，初始磁場B2係從真空窗24遍及離子引出開口66的平坦的磁場分佈。在電漿室12內，初始磁場B2的強度與共振磁場BECR 幾乎相等，例如在共振磁場BECR 的±5%以內的範圍，±3%以內的範圍為較佳，±1%以內的範圍更為佳。因此，初始磁場B2亦可以係在電漿室12內的至少一部份比共振磁場BECR 稍低之磁場。圖示之初始磁場B2在真空窗24及離子引出開口66與共振磁場 BECR 一致，為從真空窗24遍及離子引出開口66高於共振磁場BECR 之磁場。藉此，初始磁場B2為在電漿室12內與普通磁場B1相比下降之磁場分佈。
第4圖係用於說明本發明的一實施形態之微波離子源10的啟動方法之流程圖。該方法具備在微波離子源10的電漿室12內對電漿進行點火之點火製程(S10)、及在電漿點火後轉移為微波離子源10的普通運行之轉移製程(S20)。控制裝置C例如對磁場產生器16、微波供給系統26及氣體供給系統34等微波離子源10的構成要件的動作進行控制來執行本方法。
點火製程(S10)具備：向微波離子源10的電漿室12施加電漿點火所需之初始磁場B2之步驟(S12)、從氣體供給系統34向電漿室12導入氣體之步驟(S14)、及從微波供給系統26向電漿室12導入微波之步驟(S16)。
在控制裝置C之控制下(或藉由操作者的操作)，開始微波離子源10的動作。從線圈電源76向磁場產生器16的線圈供給電流，在電漿室12產生初始磁場B2。從氣體供給系統34向電漿室12供給原料氣體。微波從微波供給系統26通過真空窗24導入到電漿室12。微波沿著軸向入射到電漿室12。
藉此，控制裝置C以向電漿室12供給微波之前開始施加初始磁場B2之方式控制磁場產生器16。並且，控制裝置C向電漿室12供給微波之前向電漿室12導入原料氣體。藉此，在對電漿室12施加初始磁場B2且供給原料氣 體之狀態下，向電漿室12導入微波。藉由微波與初始磁場B2的作用而產生電子迴旋共振，且在電漿室12生成電漿。
轉移製程(S18)具備在電漿點火後使初始磁場B2變更為普通磁場B1之步驟(S20)。控制裝置C例如在開始微波的導入起經過預定時間後，以從初始磁場B2切換為普通磁場B1之方式控制磁場產生器16。該預定時間為電漿點火所需之時間，例如為幾秒鐘以內。依本方法，在導入微波時電漿立刻可靠地被點火，因此控制裝置C亦可以與微波的導入一同切換為普通磁場B1。
轉移製程(S18)亦可以具備使用微波檢測儀33來對電漿點火進行檢測之步驟。電漿點火時，在電漿室12中的微波的反射率略下降。該種反射率的下降藉由微波檢測儀33檢測。藉此，控制裝置C亦可依據微波檢測儀33的測定結果判定電漿是否已點火，判定為點火時將初始磁場B2變更為普通磁場B1。
藉此，微波離子源10從電漿點火運行轉移到普通運行。普通運行時，利用引出電極系統42通過離子引出開口66而從電漿引出離子。被引出之離子供給到射束線52。
在一典型的微波離子源10的啟動方法中，在施加普通磁場B1之狀態下，微波及原料氣體將被導入到電漿室12。此時，藉由使電漿室12中的原料氣體壓力暫時高於正常壓力，能夠促進電漿點火。但是，普通磁場B1從共振磁場BECR 偏離，因此該方法中，電漿點火無法得到保 證。並且，電漿室12的升壓可能對用於測定電漿室12的真空度之真空測量機器(例如電離真空計等)施加負載。
相對於此，依本實施形態，作為ECR條件附近的磁場分佈之初始磁場B2為了電漿點火而施加於電漿室12。ECR係在不存在電漿之狀態下即使僅有1個帶電粒子亦會產生之相互作用。藉此，能夠輕鬆且可靠地對電漿進行點火。並且，依本實施形態，適於高密度電漿之普通磁場B1在電漿點火後施加於電漿室12。藉此，能夠使點火之電漿生長成高密度電漿。
並且，依本實施形態，在對電漿室12施加初始磁場B2且供給原料氣體之狀態下，微波將被導入於電漿室12。ECR條件附近的磁場的微波反射率較高。因此，這樣藉由在點火製程的最後導入微波，能夠抑制微波的不必要的反射和浪費。
以上，依據實施例對本發明進行說明。本發明並不限定於上述實施形態，能夠進行各種設計變更，且能夠進行各種變形例，而且，該種變形例亦在本發明的範圍內這是本領域的技術人員已了解的。
10‧‧‧微波離子源
12‧‧‧電漿室
14‧‧‧離子源本體
16‧‧‧磁場產生器
18‧‧‧真空容器
20‧‧‧離子束
24‧‧‧真空窗
26‧‧‧微波供給系統
28‧‧‧微波源
30‧‧‧導波管
32‧‧‧匹配區
33‧‧‧微波檢測儀
34‧‧‧氣體供給系統
36‧‧‧氣瓶
38‧‧‧氣體流量控制器
40‧‧‧氣體配管
42‧‧‧引出電極系統
44‧‧‧第1電極
46‧‧‧第2電極
48‧‧‧第1引出電源
50‧‧‧第2引出電源
52‧‧‧射束線
54‧‧‧襯套
56‧‧‧真空排氣系統
58‧‧‧電漿收容空間
60‧‧‧始端部
62‧‧‧終端部
64‧‧‧側壁
66‧‧‧離子引出開口
68‧‧‧外筒
70‧‧‧端板
72‧‧‧安裝凸緣
74‧‧‧磁鐵保持部
76‧‧‧線圈電源
C‧‧‧控制裝置
M‧‧‧磁力線方向
P‧‧‧微波的傳播方向

Claims (7)

  1. 一種微波離子源，其特徵為，具備：電漿室；磁場產生器，用於在前述電漿室產生磁場；控制部，將前述磁場產生器控制成對前述電漿室施加用於電漿點火之初始磁場且在電漿點火後使前述初始磁場變更為普通磁場；及真空容器，具有一體形成有前述電漿室之雙重筒結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微波離子源，其中，前述初始磁場被設定為在前述電漿室引起電子迴旋共振。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微波離子源，其中，更具備：原料氣體源；及氣體供給配管，連接該原料氣體源與前述電漿室，在前述真空容器的側壁與前述電漿室的側壁之間，存在間隙，前述氣體供給配管之前端部進入到該間隙。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之微波離子源，其中，前述電漿室具備用於接受微波之窗、及離子引出開口，前述初始磁場具有從前述窗遍及前述離子引出開口之平坦的磁場分佈。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之微波離子源，其中， 前述普通磁場係比從前述窗遍及前述離子引出開口而滿足電子迴旋共振條件之磁場高之磁場。
  6. 如申請專利範圍第1~5項中任一項所述之微波離子源，其中，前述控制部將前述磁場產生器控制成在向前述電漿室供給微波之前開始施加前述初始磁場。
  7. 一種微波離子源的啟動方法，其特徵為，具備：對微波離子源的電漿室施加用於電漿點火之初始磁場之步驟；及在電漿點火後使前述初始磁場變更為普通磁場之步驟。
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