空心阴极及离子源的制作方法

1.本发明涉及空心阴极及具备空心阴极的离子源。


背景技术：

2.在离子束照射装置的离子源中，为了向生成等离子体的等离子体生成容器内供给电子，有时使用空心阴极。一般来说，这样的空心阴极具备通过被加热而放出电子的筒状的电子放出构件，构成为向电子放出构件的内部导入等离子体生成用气体。在电子放出构件的内部，通过等离子体生成用气体被导入并且从加热后的电子放出构件放出电子而等离子体点亮。之后，在电子放出构件的内部生成的等离子体中包含的电子被向等离子体生成容器的内部取出。
3.另外，一般来说，等离子体生成容器具有将成为在等离子体生成容器内生成的等离子体的原料的原料气体导入的气体导入口。也就是说，在具备空心阴极的离子源中，通过从空心阴极供给的电子使从气体导入口导入后的原料气体电离，在等离子体生成容器的内部生成包含规定的离子的等离子体。在等离子体生成容器的外部配置有由引出电极等构成的电极组，通过该电极组的作用，该离子作为离子束被向等离子体生成容器的外部取出。
4.在专利文献1中公开了具备这样的空心阴极的离子源，而且记载了：也可以不设置将相当于上述的原料气体的离子化气体向等离子体生成容器导入的气体导入口，将向空心阴极内供给的等离子体生成用气体等离子体化。即，在专利文献1中示出了：也可以使用原料气体作为等离子体生成用气体。在该情况下，通过了电子放出构件的内部的原料气体和在电子放出构件的内部从原料气体生成的等离子体中的电子从空心阴极供给到等离子体生成容器。
5.专利文献1：日本特开2017-199477
6.一般来说，在为了向等离子体生成容器供给电子而使用的空心阴极中，电子放出构件由已知功函数比较低的lab6、浸渍有bao等氧化物的钨等包含金属的化合物或混合物形成。另外，作为向空心阴极的电子放出构件导入的等离子体生成用气体，使用ar气体等稀有气体。另一方面，对于原料气体，根据作为离子束取出的规定的离子而使用各种气体。然而，在专利文献1中未示出用于使用原料气体作为等离子体生成用气体的具体结构。


技术实现要素：

7.本发明提供能够将原料气体也作为等离子体生成用气体来使用的空心阴极及离子源。即，本发明的目的在于，提供一种空心阴极及离子源，能够将成为在等离子体生成容器中生成的等离子体的原料的原料气体及电子通过空心阴极而稳定地供给到等离子体生成容器。
8.本发明中的空心阴极安装于从原料气体生成等离子体的等离子体生成容器，其中，构成为，所述空心阴极具备电子放出构件，该电子放出构件由单质金属形成，并通过被加热而放出电子，在所述电子放出构件形成有供所述原料气体导入的内部流路，将通过所
述内部流路的所述原料气体和在所述内部流路中从所述原料气体生成的电子供给到所述等离子体生成容器。
9.根据该结构，在形成于空心阴极所具备的电子放出构件的内部流路中，根据导入的原料气体和从加热后的电子放出构件放出的电子而等离子体点亮，从原料气体生成的等离子体中的电子被向等离子体生成容器取出。此时，内部流路的表面暴露于从原料气体生成的等离子体，但由于电子放出构件由单质金属形成，所以内部流路表面的组成难以变化。因此，本发明的空心阴极能够向等离子体生成容器稳定地供给电子。
10.另外，在本发明中的空心阴极中，可以构成为，所述电子放出构件被通电而发热。
11.根据该结构，由于电子放出构件自发热，所以能够使电子放出构件更高效地升温。因此，在内部流路中，能够更可靠地生成等离子体。
12.另外，本发明中的离子源具备从原料气体生成等离子体的等离子体生成容器和安装于所述等离子体生成容器的空心阴极，其中，构成为，所述空心阴极具备电子放出构件，该电子放出构件由单质金属形成，并通过被加热而放出电子，在所述电子放出构件形成有供所述原料气体导入的内部流路，将通过所述内部流路的所述原料气体和在所述内部流路中从所述原料气体生成的电子供给到所述等离子体生成容器。
13.根据该结构，在形成于空心阴极所具备的电子放出构件的内部流路中，根据导入的原料气体和从加热后的电子放出构件放出的电子而等离子体点亮，从原料气体生成的等离子体中的电子被向等离子体生成容器取出。此时，内部流路的表面暴露于从原料气体生成的等离子体，但由于电子放出构件由单质金属形成，所以内部流路表面的组成难以变化。因此，在本发明的离子源中，即使是反应性高的原料气体，空心阴极也能够稳定地生成等离子体，且能够供给到等离子体生成容器。
14.另外，在本发明中的离子源中，可以构成为，所述电子放出构件被通电而发热。
15.根据该结构，由于电子放出构件自发热，所以能够使电子放出构件更高效地升温。因此，在内部流路中，能够更可靠地生成等离子体。
16.另外，在本发明中的离子源中，可以构成为，所述离子源还具备至少一个电子供给构件，该电子供给构件配置于所述等离子体生成容器内，并向所述等离子体生成容器内供给电子。
17.根据该结构，除了从空心阴极供给的电子之外，也从电子供给构件向等离子体生成容器内供给电子。因此，向等离子体生成容器内供给的电子增加，能够在等离子体生成容器内从原料气体更高效地生成等离子体。
18.另外，在本发明中的离子源中，可以构成为，所述离子源具备多个所述空心阴极，各所述空心阴极以在所述等离子体生成容器的一个方向上相互分离的方式配置。
19.根据该结构，在等离子体生成容器内，在等离子体生成容器的一个方向上相互分离的多个位置处供给电子。因此，能够使等离子体生成容器内的等离子体密度在一个方向上更均匀。
20.另外，在本发明中的离子源中，可以构成为，所述离子源具备多个所述空心阴极，各所述空心阴极和所述电子供给构件以在所述等离子体生成容器的一个方向上相互分离的方式配置。
21.根据该结构，在等离子体生成容器内，从在等离子体生成容器的一个方向上相互
分离的多个位置供给电子，从原料气体生成等离子体。因此，能够使等离子体生成容器内的等离子体密度在一个方向上更均匀。
22.发明效果
23.根据本发明的空心阴极及离子源，能够将成为在等离子体生成容器中生成的等离子体的原料的原料气体及电子稳定地供给到等离子体生成容器。
附图说明
24.图1是本发明的一个实施方式中的空心阴极的纵剖视图。
25.图2是该实施方式中的离子源的纵剖视图。
26.图3是该实施方式中的离子源的图1的x-x线处的横剖视图。
27.标号说明
28.离子源100
29.等离子体生成容器101
30.磁铁102
31.气体导入口104
32.电子供给构件105
33.空心阴极10a、10b
34.内部流路11a
35.第一加热构件13
36.第二加热构件14
37.电子供给口18a
38.离子束ib
39.会切磁场b
40.原料气体g
41.电子e
具体实施方式
42.本发明的空心阴极及离子源在对照射对象物照射包含规定的离子的离子束的离子束照射装置中使用。
43.以下，对本发明的一个实施方式中的空心阴极10a、10b及离子源100进行说明。在本实施方式中，空心阴极10a、10b及离子源100在平板显示器制造工序中使用，并在对玻璃基板照射包含规定的离子的离子束的离子注入装置中使用。此外，空心阴极10a、10b及离子源100例如也可以在半导体制造工序中向半导体晶圆进行离子注入的离子注入装置中使用。即，本实施方式丝毫不限定本发明的空心阴极、离子源及应用它们的离子束照射装置的用途。
44.首先，对本实施方式中的离子源100进行说明。
45.如图1所示，离子源100具备在内部生成等离子体p1的等离子体生成容器101、用于形成图3所示的会切磁场b的多个磁铁102及两个空心阴极10a、10b。此外，图1中的空心阴极10a、10b的结构与图2所示的空心阴极10a相同。另外，图1所示的空心阴极10a为了容易理解
而仅示意性地示出了空心阴极10a的一部分的构成要素。
46.等离子体生成容器101整体呈大致长方体形状，如图1所示，在等离子体生成容器101的一个侧壁101a形成有沿着等离子体生成容器101的长度方向的长方形的开口即引出口103。另外，在引出口103的外侧附近以堵住引出口103的方式配置有由用于将离子束ib引出的引出电极等构成的电极组(未图示)。该电极组为了将在等离子体生成容器101内生成的等离子体p1中包含的离子作为离子束ib取出而使用，能够采用周知的结构。此外，等离子体生成容器101也可以整体呈大致圆柱状，形状不被限定。
47.在底壁101e、101f分别配置有空心阴极10a、10b，该底壁101e、101f在等离子体生成容器101的长度方向上相对。更详细而言，空心阴极10a、10b以使各空心阴极10a、10b所具备的电子供给口18a位于等离子体生成容器101的内部的方式插入而安装于底壁101e、101f。如后所述，空心阴极10a、10b构成为向等离子体生成容器101内供给原料气体g及电子e，构成为互相从101e、101f侧(也就是说，等离子体生成容器101的长度方向的两端侧)朝向内侧放出原料气体g及电子e。此外，空心阴极10a、10b只要能够向等离子体生成容器101内供给原料气体g及电子e即可，空心阴极10a、10b相对于等离子体生成容器101的安装位置或安装构造不限定于本实施方式。
48.在本实施方式中，为了将包含b

的离子束ib取出，使用bf3气体作为原料气体g。此外，原料气体g能够根据作为离子束ib取出的规定的离子，即，以作为离子束ib而取出为目的的离子而使用各种气体。
49.在空心阴极10a、10b上分别连接有与贮存或生成原料气体g的气体源200a、200b连通的气体流路201a、201b。也就是说，对于空心阴极10a、10b，分别从气体源200a、200b经由气体流路201a、201b而导入原料气体g。
50.在等离子体生成容器101的与侧壁101a相对的侧壁101b形成有用于将原料气体g向等离子体生成容器101内导入的气体导入口104。在气体导入口104上连接有与贮存或生成原料气体g的气体源200c连通的气体流路201c。即，经由气体流路201c及气体导入口104而也从气体源200c向等离子体生成容器101内供给原料气体g。
51.多个磁铁102均由永磁铁构成，如图3所示，配置于等离子体生成容器101的四个侧壁101a、101b、101c、101d中的除了形成有引出口103的侧壁101a之外的三个侧壁101b、101c、101d的外侧。本实施方式中的磁铁102只要能够形成将从空心阴极10a、10b及后述的电子供给构件105放出的电子e向等离子体生成容器101内封入的会切磁场b即可，磁铁102的数量、配置及结构等可以适当变更。
52.另外，在等离子体生成容器101的内部以在等离子体生成容器101的长度方向上相互分离的状态配置有向等离子体生成容器101内供给电子e的两个电子供给构件105。本实施方式中的电子供给构件105是由钨构成的灯丝，连接于未图示的电源，通过被通电而发热，向等离子体生成容器101内放出电子e。电子供给构件105以在等离子体生成容器101内的广阔的区域中生成均匀的等离子体p1为目的而配置，以能够向从空心阴极10a、10b供给的电子e不容易到达的部位放出电子e的方式配置。通过如本实施方式这样作为电子供给构件105而使用与空心阴极10a相比构造单纯且廉价的灯丝，能够容易地确保等离子体p1的均匀性。
53.此外，在本实施方式中，设为了具备两个电子供给构件105的结构，但电子供给构
件105的数量根据需要而适当变更即可。另外，也可以是不配置电子供给构件105而仅从空心阴极10a、10b向等离子体生成容器101内供给电子e的结构。
54.接着，对本实施方式中的空心阴极10a进行说明。此外，空心阴极10b是与空心阴极10a相同的结构，因此对空心阴极10a、10b中的相同的构成要素标注相同的标号，省略空心阴极10b的说明。另外，在图2中，仅示出了空心阴极10a的电子供给口18a附近的结构。
55.如图2所示，本实施方式中的空心阴极10a具备圆筒状的壳体19和以堵住壳体19的一端侧的开口的方式安装于壳体19的保持电极18。另外，在保持电极18的中央形成有供向等离子体生成容器101的内部供给的原料气体g及电子e通过的开口即电子供给口18a。在本实施方式中，关于壳体19的长度方向将配置保持电极18的一侧定义为空心阴极10a的前方侧。
56.空心阴极10a具备通过被加热而放出热电子的圆筒状的电子放出构件11、收容电子放出构件11的支承筒12及以覆盖电子放出构件11的前方的方式配置的孔板17。电子放出构件11由单质金属形成，在本实施方式中由钽形成。此外，电子放出构件11只要是能够被加热而放出热电子的单质金属即可，不限定于由钽形成。例如，也可以是钨、钼或钛。另外，电子放出构件11由单质金属形成不限定于仅由单个金属材料形成，例如，包括电子放出构件11以使多种单质金属层叠的方式被接合的结构。
57.另外，空心阴极10a具备加热电子放出构件11的第一加热构件13及第二加热构件14。第一加热构件13是圆筒状的碳加热器，以将孔板17及支承筒12从前方侧覆盖并且将支承筒12的侧面12a的周围以从侧面12a稍微分离的状态覆盖的方式配置。另外，第二加热构件14是在内部具有原料气体g能够流动的流路15的筒状的碳加热器，以在支承筒12的后方侧与支承筒12接触的方式配置。第一加热构件13及第二加热构件14均通过被通电而发热，第一加热构件13主要通过辐射来经由支承筒12的侧面12a而加热电子放出构件11。另外，第二加热构件14通过使在第二加热构件14中产生的热经由支承筒12而向电子放出构件11传导来加热电子放出构件11。
58.在孔板17形成有在板厚方向上开口的孔口17a。另外，在第一加热构件13形成有与孔口17a连通的开口13a。孔口17a、开口13a及电子供给口18a均为圆形的开口，以沿着空心阴极10a的长度方向而在同轴上开口的方式形成。
59.另外，空心阴极10a具备与配置于空心阴极10a的外部的电源e电连接的导线16a、16b。导线16a、16b分别与第一加热构件13、第二加热构件14电连接。更详细而言，在空心阴极10a的内部形成有来自电源e的直流电流按照导线16a、第一加热构件13、孔板17、电子放出构件11、支承筒12、第二加热构件14、导线16b的顺序流动后返回电源e的直流电路。即，第一加热构件13、第二加热构件14及电子放出构件11均通过来自电源e的电流导通而发热。此外，在本实施方式中的空心阴极10a中，通过支承筒12的侧面12a从第一加热构件13稍微分离，构成为电流不会从第一加热构件13向支承筒12直接流动且电流向电子放出构件11可靠地流动。
60.在电子放出构件11的内部形成有能够供从外部供给的原料气体g流动的内部流路11a，内部流路11a与第二加热构件14所具有的流路15连通。即，在空心阴极10a中，原料气体g从配置于外部的气体源200a经由气体流路201a而向空心阴极10a内导入后，在流路15中流动而到达内部流路11a。
61.如图1所示，到达了内部流路11a的原料气体g的一部分以从孔口17a向电子放出构件11的外部放出的方式通过了内部流路11a后，从电子供给口18a向等离子体生成容器101内流入。另外，从到达了内部流路11a的原料气体g的一部分在内部流路11a中生成等离子体p2。此时，在保持电极18上相对于电子放出构件11而施加有正的电位，保持电极18以将等离子体p2中包含的电子e从电子供给口18a向外部取出的方式发挥作用。即，等离子体p2中包含的电子e通过保持电极18的作用而从电子供给口18a供给到等离子体生成容器101内。另外，等离子体p2中包含的从原料气体g生成的离子也能够以从内部流路11a扩散的方式向等离子体生成容器101流入。
62.在本实施方式中，电子放出构件11通过由第一加热构件13及第二加热构件14加热并且电子放出构件11自身发热而升温，向内部流路11a的内部空间放出热电子。此时，通过从外部向内部流路11a导入原料气体g，原料气体g被电离而等离子体p2点亮。之后，在内部流路11a中，从原料气体g生成的等离子体p2中包含的电子e通过保持电极18的作用而通过孔口17a被从内部流路11a取出，并被供给到等离子体生成容器101内。
63.接着，对由本实施方式中的离子源100从原料气体g生成离子束ib的过程进行说明。
64.首先，从气体源200a、200b向两个空心阴极10a、10b的电子放出构件11所具有的内部流路11a导入原料气体g。此时，电子放出构件11由第一加热构件13及第二加热构件14加热，并且通过来自电源e的电流导通而自发热，从而成为高温，向内部流路11a放出热电子。并且，在内部流路11a中，原料气体g的一部分被电离而等离子体p2点亮。之后，导入到内部流路11a的原料气体g的一部分直接通过内部流路11a，通过电子供给口18a而供给到等离子体生成容器101内。另外，从导入到内部流路11a的原料气体g的一部分生成等离子体p2，等离子体p2内的电子e通过电子供给口18a而被向等离子体生成容器101内取出。这样，从空心阴极10a、10b向等离子体生成容器101内供给原料气体g及电子e。另外，等离子体p2中包含的从原料气体g生成的离子从空心阴极10a流入。该离子包含规定的离子，因此有助于提高等离子体p1的等离子体密度。
65.对于离子源100的等离子体生成容器101的内部，除了空心阴极10a、10b之外，通过气体导入口104而也从气体源200c供给原料气体g。另外，对于等离子体生成容器101的内部，除了空心阴极10a、10b之外，还供给从电子供给构件105放出后的电子e。在等离子体生成容器101的内部，原料气体g被电子e电离而等离子体化，生成等离子体p1。之后，等离子体p1中包含的规定的离子通过未图示的电极组的作用而作为离子束ib被向等离子体生成容器101的外部引出。
66.在本实施方式中，使用bf3气体作为原料气体g。因此，在内部流路11a中生成的等离子体p2是从bf3气体生成的等离子体。以往的空心阴极中的电子放出构件由lab6等化合物、使钨浸渍的bao等混合物形成。另外，以往，对于电子放出构件的内部，ar等稀有气体作为等离子体生成用气体而导入。本发明人确认了：在向使用了这样的以往的材料的电子放出构件导入与稀有气体不同的bf3气体等原料气体的情况下，与以往相比，电子放出构件的寿命变短，即，在电子放出构件的内部能够生成等离子体的期间变短。推测为这是基于：由lab6等构成的电子放出构件的内部流路的表面组成由于bf3气体而变化，从内部流路的表面去除了la等金属成分。
67.相对于此，本实施方式中的电子放出构件11由钽形成。因此，本实施方式中的电子放出构件11的内部流路11a的表面组成即使暴露于从bf3生成的等离子体p2也不会变化。因此，与利用由lab6等化合物、使bao浸渍的钨等混合物构成的材料形成电子放出构件11的情况相比，能够将等离子体p2长期稳定地生成。
68.即，电子放出构件11的内部流路11a的表面会暴露于从原料气体g生成的等离子体p2，但在本实施方式中，通过电子放出构件11由单质金属形成，内部流路11a的表面组成难以变化。因此，即使在向内部流路11a导入成为在等离子体生成容器101内生成的等离子体p1的原料的原料气体g的情况下，通过电子放出构件11由单质金属形成，电子放出构件11也能够长期稳定地放出热电子。即，能够在内部流路11a中稳定地生成等离子体p2，因此空心阴极10a、10b能够向等离子体生成容器101稳定地供给电子e。
69.另外，在利用钽等单质金属形成了电子放出构件11的情况下，可设想：与使用了以往的lab6等的情况相比，电子放出构件11的功函数变大。即，可设想：为了使等离子体p2点亮，需要使电子放出构件11与以往相比成为更高的温度。相对于此，在空心阴极10a、10b中，电子放出构件11除了由第一加热构件13及第二加热构件14加热之外，还自发热，因此能够充分成为高温。
70.如图1所示，在本实施方式中，空心阴极10a、10b分别配置于等离子体生成容器101的底壁101e及底壁101f，空心阴极10a、10b的电子供给口18a、18a分别在等离子体生成容器101内位于等离子体生成容器101的长度方向的两端侧。因此，与仅设置有空心阴极10a、10b中的一方的情况相比，能够向等离子体生成容器内的大范围供给电子e。
71.另外，若将与两个空心阴极10a、10b相独立的空心阴极以在该长度方向上相互分离的方式配置，则能够向等离子体生成容器101内的更广的区域供给电子e。即，通过设为具备多个空心阴极10a且它们以在等离子体生成容器101的一个方向上相互分离的方式配置的结构，能够从在一个方向上相互分离的多个位置向等离子体生成容器101的内部供给电子e。在该情况下，在等离子体生成容器101内，由于在一个方向上从多个位置供给电子e，所以能够使从原料气体g生成的等离子体p1的等离子体密度在该一个方向上更均匀。此外，离子源100也可以是仅具备空心阴极10a和空心阴极10b中的一方的结构，本发明不限定于具备多个空心阴极。
72.另外，在离子源100中，还具备以在等离子体生成容器101的长度方向上相互分离的方式配置的两个电子供给构件105、105。根据该结构，对于等离子体生成容器101内，除了从空心阴极10a、10b供给的电子e之外，也从电子供给构件105、105供给电子e。因此，向等离子体生成容器101内供给的电子e增加，能够在等离子体生成容器101内从原料气体g更高效地生成等离子体p1。尤其是，通过作为电子供给构件105而使用与空心阴极10a、10b相比构造简单且廉价的钨等的灯丝，能够向等离子体生成容器101内的电子e不足的区域容易地供给电子e。电子供给构件105以对在等离子体生成容器101内生成的等离子体p1的等离子体密度、均匀性进行微调的方式供给电子e，即使在等离子体生成容器101内配置了多个电子供给构件105的情况下，也无需始终从全部的电子供给构件105放出电子e。也就是说，也可以以从合适的位置或数量的电子供给构件105放出热电子的方式从外部控制离子源100。
73.在本实施方式中，进一步，两个电子供给构件105、105以在等离子体生成容器101的长度方向上位于空心阴极10a、10b之间的方式配置。因此，在该长度方向上从4个不同的
位置向等离子体生成容器101内供给电子e。因此，会向等离子体生成容器101内的更广的区域供给电子e，能够使等离子体p1的该长度方向上的等离子体密度更均匀。
74.这样，通过空心阴极10a、10b和电子供给构件105、105以在等离子体生成容器101的一个方向上相互分离的方式配置的结构，能够使在等离子体生成容器101内生成的等离子体p1的等离子体密度在该一个方向上更均匀。换言之，电子供给构件105为了使等离子体p1的等离子体密度均匀，以能够向从空心阴极10a或空心阴极10b离开的位置供给电子e的方式配置即可。
75.配置于等离子体生成容器101的空心阴极10a或空心阴极10b的数量及电子供给构件105的数量根据等离子体生成容器101的大小、空心阴极10a或空心阴极10b供给电子e的能力等而适当变更即可。另外，空心阴极10a或空心阴极10b例如也可以配置于侧壁101b。
76.另外，本实施方式中的离子源100具备供原料气体g导入的气体导入口104，但在从空心阴极10a、10b供给充分的量的原料气体g的情况下，无需设置气体导入口104。本实施方式中的原料气体g是指包含用于生成规定的离子的原料的气体，不限定于纯物质。例如，本实施方式中的原料气体g是bf3气体，但也可以是使ar气体等混合而成的混合气体。另外，也可以设为气体源200a、200b供给由bf3和ar构成的混合气体且气体源200c供给bf3气体的结构，不限定于从气体源200a、200b、200c供给同一组成的原料气体g。
77.另外，本发明不限于所述实施方式，当然能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变形。