專利名稱：離子源及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含用于發(fā)射電子的燈絲以及用于反射電子的反射器器的離子源，該離子源在等離子體產(chǎn)生器內(nèi)部施加一個(gè)磁場(chǎng)，更具體而言本發(fā)明涉及用于改善離子生成效率，延長(zhǎng)燈絲的壽命等的裝置。
背景技術(shù)：


圖12展示出相關(guān)技術(shù)的離子源實(shí)例。該離子源稱為Bernas型離子源。例如在日本專利未審查公開(kāi)No.Hei.9-63981中還公開(kāi)了具有相似結(jié)構(gòu)的離子源，。
該離子源包括等離子體產(chǎn)生器2，例如，形狀如直角平行六面體而且也用作正電位電位。用于生成等離子體16的氣體(也包括氣體蒸發(fā)盒)被引入到等離子體產(chǎn)生器2內(nèi)。在長(zhǎng)壁工作面(長(zhǎng)邊壁)上制成的等離子體產(chǎn)生器2包含一個(gè)用于將離子束拉出的離子拉出槽4。在該實(shí)例中，離子束流朝著圖背面方向被拉出。
形狀象U用于發(fā)射電子e燈絲6，例如，被放置在等離子體產(chǎn)生器2的一邊(短邊壁)。燈絲與等離子體產(chǎn)生器之間用絕緣體12進(jìn)行電絕緣。
用于反射電子e的反向反射器8被面朝燈絲放置在等離子體產(chǎn)生器2另一邊(即，面朝燈絲6的另一短邊壁)。反向反射器8與等離子體產(chǎn)生器2之間用絕緣體13進(jìn)行電絕緣。反向反射器8可以置于一個(gè)浮置電位，不與任何點(diǎn)連接。反向反射器8也可以通過(guò)導(dǎo)體28與燈絲6的一端連接(更具體而言，燈絲電源24的負(fù)電位端)，以便將反向反射器8置于上面提到的日本專利未審查公開(kāi)No.Hei9-63981中所述的燈絲電位中。
將用于反射電子e的背反射器10面朝反向反射器8放置在位于等離子體產(chǎn)生器2中的燈絲6背后的一處。也就是說(shuō)，被反射器10被放置于燈絲6的U形部分與等離子體產(chǎn)生器2的壁之間。背反射器10與等離子體產(chǎn)生器2之間用絕緣體12和14進(jìn)行絕緣。背反射器10與燈絲6的一端相連接(更具體而言，燈絲電源24的負(fù)電位端)，以便將被反射器10置于燈絲電位。
在等離子體產(chǎn)生器2中，一個(gè)置于等離子體產(chǎn)生器2外的磁場(chǎng)發(fā)生器20沿著連接燈絲6和反向反射器8的軸施加磁場(chǎng)，以生成并且維持等離子體16。但是，磁場(chǎng)22的方向可以與圖中所示方向相反。磁場(chǎng)發(fā)生器20是，例如，一個(gè)電磁鐵。
從直流燈絲電源24施加一個(gè)直流燈絲電壓VF(例如，約2到4V)到燈絲6，以便對(duì)用于發(fā)射電子(熱電子)e的燈絲進(jìn)行加熱。
從直流電弧電源26施加電弧電壓VA(例如，約40到100V)到燈絲6的一端與等離子體產(chǎn)生器2之間，以燈絲6作為用于在燈絲6與等離子體產(chǎn)生器2之間的進(jìn)行電弧放電的負(fù)電位。
圖13展示出一個(gè)根據(jù)相關(guān)技術(shù)的離子源中電位變化的實(shí)例。在該實(shí)例中，反向反射器8由導(dǎo)體28連接到燈絲的一端。然而，如果反向反射器8不與任何點(diǎn)連接以便將反向反射器8置于一個(gè)浮置電位，那么該反向反射器8的電位則變成與實(shí)例中相應(yīng)的電位相同，也就是說(shuō)，與燈絲6的電位相同。其原因是，如果反向反射器8被放置在一個(gè)浮置電位上，在等離子體中比離子數(shù)多得多的輕的和高遷移率的電子入射在反向反射器8上，所以反向反射器在負(fù)電位上充電。
通過(guò)上述的電弧放電使得被導(dǎo)入等離子體產(chǎn)生器內(nèi)的氣體發(fā)生電離生成等離子體16。從等離子體16，離子束18受到電場(chǎng)的作用被拉出。通常，在與離子束拉出槽4相反處的一點(diǎn)(該圖平面的背后)放置一個(gè)用于拉出離子束18的拉出電極，但是沒(méi)有在這里展示出來(lái)。
等離子體16的生成過(guò)程將會(huì)詳細(xì)討論。從燈絲6發(fā)射的電子e由上述的電弧電壓VA(如上所述的燈絲電壓VF小，所以在描述中被忽略)向等離子體產(chǎn)生器2加速。然后，被加速的帶有相當(dāng)于電壓VA的能量的電子與氣體分子發(fā)生碰撞以電離氣體分子，由此生成等離子體16。等離子體16中的離子和電子e(也包括從燈絲6發(fā)射的熱電子)被上述的磁場(chǎng)22俘獲并且進(jìn)一步重復(fù)與氣體分子的碰撞，由此生成和維持等離子體16。
等離子體16的電位變成等離子體產(chǎn)生器2與二個(gè)反射器8和10的電位之間的一個(gè)電位，如圖13所示，并且在等離子體16與二個(gè)反射器8和10之間出現(xiàn)電位差。該電位差引起從燈絲6發(fā)射的或者在等離子體16中生成的電子e被二個(gè)反射器8和10反射并且在二個(gè)反射器8和10之間來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所以，提高了電子e與氣體分子之間的碰撞幾率而且可以生成具有高密度的等離子體16。作為結(jié)果，能夠增大被拉出的離子束18。
需要將來(lái)自上述離子源拉出的雙電荷離子或更多離子中的多電荷離子用作形成離子束18的離子。有這種需求的原因是多電荷離子可以在相同的加速電壓下提供數(shù)倍于單電荷離子的加速能量?jī)r(jià)(例如，一個(gè)雙電荷離子提供的加速能量是一個(gè)單電荷離子所提供的加速能量的二倍)所以可以輕易提供高能量。
然而，在如上所述的相關(guān)技術(shù)的離子源中，多電荷離子的生成并不顯著，所以與分子離子生成數(shù)量和單電荷離子的生成數(shù)量相比，多電荷離子的生成數(shù)量較小。即，多電荷離子在等離子體16中的比例比例以及因而離子束18中所包含的多電荷離子的比例比例都不高。因此，多電荷離子不能被有效地利用。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)離子源及其運(yùn)行方法，該方法可以改善離子源中的多電荷離子的生成效率以增加離子束中所含多電荷離子的比例比例。其它目的稍后再述。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，提供了一個(gè)第一方面的離子源包括背反射器、反向反射器、燈絲、燈絲電源等離子體產(chǎn)生器、電弧電源、直流偏置電源。背反射器與燈絲和等離子產(chǎn)生容器相互電絕緣。直流偏置電源是與燈絲電源和電弧電源相獨(dú)立的電源。直流偏置電源為至少反向反射器和背反射器中的一個(gè)反射器與等離子體產(chǎn)生器之間提供所加直流偏壓，反射器一側(cè)作為負(fù)電位。
根據(jù)該離子源，至少反向反射器和背反射器中的一個(gè)反射器可以依據(jù)來(lái)自偏置電源施加的偏壓進(jìn)行調(diào)節(jié)而與電弧電源和燈絲電源的輸出電壓無(wú)關(guān)。因此在反射器上被反射的電子的能量和數(shù)量可以根據(jù)偏壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，被反射的電子的能量和數(shù)量隨著偏壓的增大而增加。
根據(jù)該離子源，使得利用許多高能電子來(lái)生成等離子體成為可能，所以促使等離子體中更多的分子、原子或離子電離并且使得生成大量的多電荷離子成為可能。即，使得改善多電荷離子生成效率以提高離子束中所包含的多電荷離子的比例成為可能。
在拉出單電荷離子束的情況下，許多在被施加偏壓的反射器上被反射的高能電子也可以有效地用來(lái)生成等離子體以提高離子的生成效率，使得改善單電荷離子束的生成效率以增加單電荷離子束的拉出數(shù)量成為可能。
根據(jù)該離子源，即使電弧電壓減小，在被施加偏壓的反射器上被反射的高能電子可以有效地電離氣體。所以，有可能抑制等離子體生成效率的降低并且抑制束流的減少。因此，不必要求大的燈絲電流以及更深一層的電弧電流。因而，使得減低電弧電壓以延長(zhǎng)燈絲壽命成為可能。
所以，根據(jù)該離子源，如果主要目的是改善離子的生成效率，那么可以提高多電荷和單電荷離子的生成效率。如果主要目的是延長(zhǎng)燈絲的壽命，也可以降低該電弧電壓以延長(zhǎng)燈絲壽命。這可以在單電荷離子和多電荷離子的生成中完成。也可以既考慮改善離子的生成效率又考慮延長(zhǎng)燈絲的壽命。
在該離子源中，至少反向反射器和背反射器中的一個(gè)反射器可以采用具有比鎢的熱電子輻射流密度更高的的材料制成。所以，也使得利用從反射器有效地發(fā)射的電子來(lái)生成和維持等離子體成為可能，所以需要用來(lái)生成預(yù)設(shè)的電弧電流的燈絲電流可以進(jìn)一步減弱。因此，使得進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲壽命成為可能。
在該離子源或其運(yùn)行方法中，至少反向反射器和背反射器中的一個(gè)反射器電位可以設(shè)為負(fù)并低于在施加偏壓時(shí)的燈絲電位。并且，在離子源或其運(yùn)行方法中，可以將偏壓設(shè)為高于10V或者高于電弧電壓。因此，使得利用大量高能電子成為可能以及進(jìn)一步提高如上所述的效應(yīng)如改善離子的生成效率，延長(zhǎng)燈絲壽命等等成為可能。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了第二方面的離子源包括第一和第二背反射器、第一和第二反向反射器、燈絲、燈絲電源、等離子體產(chǎn)生器、電弧電源、和直流偏置電源。第一和第二背反射器與第一和第二燈絲之間為電絕緣。直流偏置電源為與燈絲電源和電弧電源相分離的電源。直流偏置電源給至少第一和第二背反射器中的一個(gè)反射器與等離子體產(chǎn)生器之間施加一個(gè)直流偏壓，以反射器的一側(cè)作為負(fù)電位。
根據(jù)該離子源，可以根據(jù)來(lái)自偏置電源的偏壓，與電弧電源和燈絲電源的輸出電壓無(wú)關(guān)地對(duì)至少第一和第二背反射器中的一個(gè)反射器電位進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，可以根據(jù)該偏壓對(duì)反射器上的被反射電子的能量和數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。因而，使得利用許多高能電子來(lái)生成等離子體成為可能并且所以使得進(jìn)一步促進(jìn)等離子體中的分子、原子、或離子的電離以及改善離子生成效率成為可能。
因而，如果主要目的是改進(jìn)離子的生成效率，那么可以提高多電荷和單電荷離子的生成效率。如果主要目的是延長(zhǎng)燈絲的使用壽命，那么也可以減弱電弧電壓以延長(zhǎng)燈絲的壽命。這可以在單電荷和多電荷離子的生成中完成。也可以既考慮改善離子的生成效率又考慮延長(zhǎng)燈絲的壽命。
另外，該離子源有二對(duì)燈絲和背反射器，使得可以將從每一個(gè)燈絲發(fā)射的電子數(shù)量減半以便更進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲的壽命。
在該離子源中，至少第一和第二背反射器中的一個(gè)反射器可以利用具有比鎢的熱電子輻射流密度更高的材料制成。所以，使得利用從反射器有效發(fā)射的電子來(lái)生成和維持等離子體也成為可能，所以可以進(jìn)一步減弱需要用來(lái)生成一個(gè)預(yù)設(shè)的電弧電流的燈絲電流。因此，使得進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲壽命成為可能。
在離子源或其運(yùn)行方法中，至少第一和第二背反射器中的一個(gè)反射器可以設(shè)為負(fù)并低于在施加偏壓時(shí)第一和第二燈絲的電位。可以將該偏壓設(shè)為大于10V或者高于電弧電壓。因此，使得利用大量高能電子成為可能并且因而使得進(jìn)一步提高如上所述的效應(yīng)，如改善離子生成效率、延長(zhǎng)燈絲壽命等成為可能。
在該離子源中，在離子源運(yùn)行的起始階段，可以用大的燈絲電流來(lái)可靠地引發(fā)產(chǎn)生等離子體，然后可以減弱燈絲電流。由此，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲壽命。
另外，在該離子源中，可以對(duì)來(lái)自該偏置電源的偏壓幅度進(jìn)行控制。由此，與通過(guò)改變燈絲電流來(lái)改變電弧電流的情況相比，可以以更高的速度對(duì)來(lái)自離子源的被拉出的離子束的數(shù)量進(jìn)行控制。
附圖簡(jiǎn)述圖1是根據(jù)本發(fā)明的離子源的第一個(gè)實(shí)例的截面示意圖；圖2是圖1中的離子源的電位變化的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖3是雙電荷硼離子束流的偏壓特性的一個(gè)實(shí)例的示意圖4是當(dāng)電弧電流為1000毫安時(shí)，單電荷硼離子束流的偏壓特性的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖5是當(dāng)電弧電流為2000毫安時(shí)，單電荷硼離子束流的偏壓特性的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖6是當(dāng)電弧電流為3000毫安時(shí)，單電荷硼離子束流的偏壓特性的一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖7是圖1中的燈絲的放大圖；圖8是10小時(shí)運(yùn)行之后圖7中的燈絲的直徑變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的示意圖；圖9是鎢蒸發(fā)速度與熱電子輻射流密度的溫度特性示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的離子源的第二個(gè)實(shí)例的截面示意圖；圖11是圖10中的離子源的電位變化的實(shí)例的示意圖；圖12是相關(guān)技術(shù)的離子源的實(shí)例的截面示意圖；以及圖13是圖12中的離子源的電位變化的實(shí)例的示意圖。
發(fā)明詳述圖1是根據(jù)本發(fā)明的離子源的第一個(gè)實(shí)例的截面示意圖。圖1中與參照?qǐng)D12中采用前面所述的相關(guān)技術(shù)的相同或相似的部分采用相同的參考數(shù)字進(jìn)行了標(biāo)注并且將主要討論與相關(guān)技術(shù)之間的差異。
在該離子源中，背反射器10與燈絲6之間為電絕緣的。即，這里背反射器10不僅與等離子體產(chǎn)生器2而且與燈絲6都是電絕緣。
背反射器10與反向反射器8通過(guò)導(dǎo)體30進(jìn)行電連接并且被置于相同的電位。
另外，直流偏置電源32是一個(gè)與燈絲電源24和電弧電源26隔離的電源。直流偏置電源32用于在反向反射器8和背反射器10與等離子體產(chǎn)生器2之間施加一個(gè)直流偏壓VB，二個(gè)反射器8和10用作負(fù)電位。
首先，從改善多電荷離子生成效率的觀點(diǎn)對(duì)離子源進(jìn)行討論。
為了與該離子源進(jìn)行比較，將再次討論圖12示出的相關(guān)技術(shù)的離子源的電位變化。如上所述，在圖13中所示的電位變化中，反向反射器8和背反射器10的電位等于或幾乎等于燈絲6的電位。在這樣的電位變化中，反射器10對(duì)電子e的反射不十分有效。因此，從燈絲6發(fā)射的一些電子e與放置在燈絲6附近的背反射器10發(fā)生碰撞，所以對(duì)生成或維持等離子體沒(méi)有貢獻(xiàn)。背反射器10僅擁有與相應(yīng)電弧電壓VA的電位幾乎相似的電位，所以在背反射器10上被反射的電子e的能量不很大。
另一方面，反向反射器8僅擁有與相應(yīng)電弧電壓VA的電位幾乎相似的電位，所以在反向反射器8上被反射的電子e的能量不很大。反向反射器8對(duì)電子e的反射也不是十分有效。因此，被反向反射器8反射的電子并是不朝著等離子體16前進(jìn)而是被散射，然后與等離子體產(chǎn)生器2的長(zhǎng)壁面發(fā)生碰撞。
正是這個(gè)原因，在相關(guān)技術(shù)的離子源中，在二個(gè)反射器8和10上被反射的電子e的能量和數(shù)量都小。所以要考慮到?jīng)]有激勵(lì)很多由電子e引起的等離子體中的分子、原子或離子的電離以及多電荷離子的生成數(shù)量少。
反過(guò)來(lái)，在圖1中所示離子源中，偏置電源32與燈絲電源24和電弧電源26相分離。所以，根據(jù)來(lái)自偏置電源32的偏壓VB輸出可以與燈絲電壓VF和電弧電壓VA無(wú)關(guān)地對(duì)反向反射器8和背反射器的電位進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，根據(jù)偏壓VB的幅度對(duì)在二個(gè)反射器8和10上被反射的電子e的能量和數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，隨著偏壓VB的升高，提高了二個(gè)反射器8和10對(duì)電子e的反射效率，所以被反射的電子e數(shù)量也增加了。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的離子源中的電位變化。反向反射器8和背反射器10的電位可以根據(jù)來(lái)自偏置電源32的輸出偏壓VB按照意愿進(jìn)行調(diào)節(jié)。不象相關(guān)技術(shù)的實(shí)例，二個(gè)反射器8和10中的每一個(gè)反射器的電位可以被設(shè)成負(fù)電位，低于燈絲6的電位。因此，如上所述，可以增大在二個(gè)反射器8和10上被反射的電子e的能量和數(shù)量。
根據(jù)該離子源，使得用如上所述的高能電子e來(lái)生成和維持等離子體16成為可能，并且使得進(jìn)一步激勵(lì)分子、原子、或離子的電離以及生成更多數(shù)量的多電荷離子成為可能。即，能夠改善多電荷離子的生成效率以及提高等離子體中所含多電荷離子的比例。因此，使得有效地利用多電荷離子成為可能。
特別地，二個(gè)反射器8和10的電位可以設(shè)為負(fù)并低于燈絲電位。因此，使得利用更多的高能電子成為可能并且所以使得更有效地生成更大量的多電荷電子成為可能。
例如，優(yōu)選的情況下，根據(jù)偏壓VB，二個(gè)反射器8和10中的每一個(gè)反射器的電位被設(shè)為負(fù)10V或者更多以及更加優(yōu)選地情況為20V或者更低于燈絲6的電位，這可以從以下參照?qǐng)D3所描述的結(jié)果中看到。
根據(jù)二個(gè)反射器8和10的電位，確定偏壓VB的優(yōu)選區(qū)域。但是，偏壓VB的優(yōu)選區(qū)域可以根據(jù)與電弧電壓VA的關(guān)系確定。特別地，偏壓VB(更精確地，偏壓VB的絕對(duì)值)被設(shè)為大于10V或大于電弧電壓VA(更準(zhǔn)確地，偏壓VB的絕對(duì)值)。即，偏壓VB與電弧電壓VA之間的差ΔV(|VB|-|VA|)可以設(shè)為10V或者更多。相應(yīng)地，也使得利用更多的在二個(gè)反射器8和10上反射的高能電子成為可能，并且所以使得更有效地生成更多的多電荷離子成為可能。
在將電弧電壓VA設(shè)成小于生成多電荷離子等的電壓的情況下，單電荷離子束18被拉出，大量的在二個(gè)反射器反射器8和10上被反射的高能電子也能有效地用來(lái)生成等離子體16以提高離子的生成效率，在二個(gè)反射器反射器8和10上施加了偏壓VB。因此，使得改善單電荷離子的生成效率以提高單電荷離子束18的拉出量成為可能。這一事實(shí)可以從以下參照?qǐng)D4至圖6描述的結(jié)果中得到支持。
簡(jiǎn)而言之，根據(jù)該離子源，可以提高離子的生成效率，并且因而這樣的優(yōu)點(diǎn)可以用來(lái)拉出較大數(shù)量的多電荷和單電荷離子。
最優(yōu)選的情況下，如上述的實(shí)例，來(lái)自偏置電源32的偏壓VB既被施加到反向反射器8又被施加到背反射器10；但是，偏壓VB可以僅僅要么施加在反向反射器8要么施加在背反射器10上。由此，也可以如上所述提高在施加了偏壓VB的反射器8或者10上被反射的電子e的能量和數(shù)量。所以，使得能夠提供改善多電荷或者單電荷離子的生成效率以增加離子束18中所包含的多電荷或單電荷離子的比例成為可能。如果將偏置電壓VB施加給反射器8或10，由于上述效應(yīng)，將偏壓VB施加給背反射器10對(duì)改善多電荷或單電荷離子的生成效率提供了一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)。但是，如果將偏壓VB施加到反向反射器8，由于上述的效應(yīng)，該離子源使得將多電荷或單電荷離子的生成效率提高到高于相關(guān)技術(shù)的離子源的效率成為可能。
等離子體16中的離子以相當(dāng)于等離子體16與二個(gè)反射器8和10之間電位差的能量并且與電子e的反射成比例入射到施加了偏壓VB的反向反射器8和背反射器10上并且與之碰撞。所以，二個(gè)反射器8和10的溫度升至高溫，因此優(yōu)選情況下二個(gè)反射器反射器8和10由具有高熔點(diǎn)的可以抗高溫的材料制成。例如，優(yōu)選地二個(gè)反射器8和10由元素周期表中IVA族金屬(Ti、Zr、Hf)、VA族金屬(V、Nb、Ta)或者VIA族金屬(Cr、Mo、W)或者它們的合金(例如，鎢和鐿的合金、鎢和鋯合金等)。
下面，從延長(zhǎng)燈絲6壽命的觀點(diǎn)來(lái)討論離子源。
到目前為止，減小電弧電壓VA和運(yùn)行離子源的技術(shù)，即，建議拉出離子束18以延長(zhǎng)燈絲6的壽命(例如，參照日本專利No.2869558)。等離子體16中的離子(正離子)被電弧電壓VA加速并且與燈絲6碰撞。因此，減弱電弧電壓VA可以減弱由于離子濺射導(dǎo)致的燈絲6的消耗。
但是，在相關(guān)技術(shù)中，如果簡(jiǎn)單地減弱在離子源中的電弧電壓，正如從上面的描述中可以看出，從燈絲發(fā)射的或者由電弧電壓VA在等離子體中生成的電子的加速能量也被減弱了(見(jiàn)圖13)。所以，由電子e導(dǎo)致的電離效率也被降低了，等離子體的生成效率被降低了，以及可以被拉出的離子束18的數(shù)量(即，束流)被降低了。
增加可以從燈絲電源24流入燈絲6的電流，由此增加燈絲6與等離子體產(chǎn)生器2之間的電弧放電的電流(即，電弧電流，也是流入電弧電源26的電流)，這種想法是可能的。但是，這樣一來(lái)就會(huì)增大燈絲6的溫度升高并且燈絲材料的蒸發(fā)量也會(huì)增大，導(dǎo)致產(chǎn)生了新的縮短燈絲6壽命的因素。
與此相反，在根據(jù)本發(fā)明的離子源中，在二個(gè)反射器8和10上被反射的電子的數(shù)量與能量可以根據(jù)偏壓VB來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)偏壓VB增加時(shí)，如上所述，被反射電子的能量和數(shù)量也增加。具體地說(shuō)，使得根據(jù)偏壓VB將二個(gè)反射器8和10的電位設(shè)為負(fù)并低于燈絲6的電位以利用更多的高能電子e成為可能。還使得，如上所述通過(guò)將施加在二個(gè)反射器8和10上的偏壓設(shè)為大于10V或高于電弧電壓VA以使得利用更多的高能電子e成為可能。在等離子體產(chǎn)生器2中的氣體可以被在二個(gè)反射器8和10上反射的電子e更有效地進(jìn)行電離。所以，即使電弧電壓被減弱了，也可以抑制等離子體16的生成效率的降低并且可以抑制離子束18的束流減少。因此，不必采用大的燈絲電流和增大電弧電流。
將對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)討論。為有效地電離被引入到等離子體產(chǎn)生器內(nèi)的氣體以及有效地生成等離子體16，有必要生成許多電子，并且這些電子e的能量高于氣體的電離能量。在相關(guān)技術(shù)中，電子的能量由電弧電壓VA確定。因此，如果設(shè)定的電弧電壓低于相當(dāng)于氣體電離能量的電壓，那么氣體的電離效率被迅速降低。
與此相反，例如，如果如上所述，將大于10V(＝ΔV)VB或者高于電弧電壓VA的偏壓施加于二個(gè)反射器8和10，那么可以將被電弧電壓VA加速的電子以及還有在二個(gè)反射器8和10上被反射并且所擁有的能量高于相當(dāng)于電弧電壓VA能量的電子用來(lái)對(duì)氣體進(jìn)行電離。相應(yīng)地，電子e的能量分布比起僅利用電弧電壓時(shí)的電子能量分布向高能方向移動(dòng)一個(gè)ΔV。另外，擁有相當(dāng)于電弧電壓VA的能量的電子e與擁有相當(dāng)于偏壓VB的能量的電子e相混合，所以展寬了電子能量分布在峰值附近的能量寬度。因此，如果減弱了電弧電壓，用來(lái)電離氣體的電子的能量會(huì)在適合電離氣體的能量值附近分布更廣。所以，即使電弧電壓被減弱了，氣體仍然可以被有效地電離并且可以抑制束流減少。
另外，如上所述，由等離子體16中離子濺射引起的燈絲6的損耗依賴于電弧電壓VA而與偏壓VB無(wú)關(guān)。這意味著如果偏壓VB增加，燈絲6的損耗并不增長(zhǎng)。這就是為什么二個(gè)反射器8和10都反射電子e而不產(chǎn)生燈絲6朝向燈絲6的加速離子濺射的效應(yīng)。
因此，即使電弧電壓被減弱，因?yàn)槠珘篤B增加，所以可以抑制束流的減小而不必增加電弧電流。因而，使得減弱電弧電壓VA以延長(zhǎng)燈絲6的壽命成為可能。
為進(jìn)一步減弱電弧電壓VA以進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲6的壽命等，可以如上所述將偏壓VB與電弧電壓VA的差ΔV設(shè)為大于10V。例如，從稍后所述的具體的實(shí)施例中可以看到，如果偏壓VB大于20V或者大于電弧電壓，那么就可以盡量發(fā)揮出抑制束流減少的顯著效應(yīng)。從根據(jù)偏壓VB來(lái)設(shè)定二個(gè)反射器8和10的電位為負(fù)并低于燈絲6的電位的觀點(diǎn)，例如，優(yōu)選地將該電位設(shè)為負(fù)10V或者低于燈絲6的電位以及更優(yōu)選地為20V或者更多。
為了延長(zhǎng)燈絲6的壽命，最優(yōu)選地情況下，如以上實(shí)施例中所述，將來(lái)自偏置電源32的偏壓VB施加在反向反射器8和背反射器10上；但是，偏壓VB可以僅僅要么施加在反向反射器8要么施加在背反射器10。在該情況下，在被施加偏壓VB的反射器8或者10上被反射的電子的能量和數(shù)量可以如上所述地增加，并且相應(yīng)地提高離子的生成效率。
延長(zhǎng)燈絲6的壽命不限于拉出組成離子束18的單電荷離子，而且通過(guò)拉出多電荷離子，如上面所述的雙電荷離子來(lái)延長(zhǎng)燈絲壽命也是可能的。為生成多加離子，通常與拉出單電荷離子的情況相比需要增大電弧電壓VA。但是，如上所述施加了偏壓VB，使得即使電弧電壓VA如上所述較小，也使得拉出多電荷離子成為可能，而且所以使得延長(zhǎng)燈絲6的壽命成為可能。
簡(jiǎn)而言之，根據(jù)該離子源，如果主要目的是改善離子的生成效率，那么可以提高多電荷離子和單電荷離子的生成效率。如果主要目的是延長(zhǎng)燈絲6的壽命，那么也可以減弱電弧電壓VA以延長(zhǎng)燈絲6的壽命。這可以在單電荷離子生成和多電荷離子的生成中完成。既改善離子生成效率又延長(zhǎng)燈絲6壽命是可能的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，可以將電弧電壓VA減弱至低于如果延長(zhǎng)燈絲壽命為主要目的時(shí)的電弧電壓。
下面將討論改善多電荷離子生成效率的更具體的實(shí)例。圖3展示出作為實(shí)例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中采用了圖1所示的離子源，當(dāng)三氟化硼(BF3)氣體被引入到等離子體產(chǎn)生器中并且硼離子束流作為離子束流18被拉出時(shí)，包含在作為拉出離子束流18的硼離子束流中的雙電荷硼離子(B2+)束流隨偏壓VB變化。此時(shí)，將電弧電壓VA設(shè)為60V以及將燈絲電壓VF設(shè)為約2V。
圖3還展示了作為相關(guān)技術(shù)實(shí)例的B2+束流在相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)反向反射器被置于參照?qǐng)D12的相關(guān)技術(shù)的離子源中的浮置電位(即，沒(méi)有連接導(dǎo)體28)。在該相關(guān)技術(shù)的實(shí)例中，沒(méi)有施加偏壓VB，所以沒(méi)有展示出在測(cè)量點(diǎn)的水平軸上的值(無(wú)法展示)。
在該實(shí)施例中，當(dāng)偏壓VB超過(guò)6 0V時(shí)，B2+束流迅速增加。當(dāng)偏壓VB為70V或更高時(shí)，可以在相關(guān)技術(shù)的實(shí)例中看到明顯的差別。當(dāng)偏壓VB為80V或更高時(shí)，可以在相關(guān)技術(shù)的實(shí)例中看到顯著的差別。即，在該實(shí)施例中，由于電弧電壓為60V，燈絲6的電位以等離子體產(chǎn)生器2的電位作為參考約為-60V。當(dāng)二個(gè)反射器8和10的電位根據(jù)偏壓VB被設(shè)為負(fù)并低于-60V時(shí)，有可能提供增大B2+束流的效應(yīng)。更具體而言，為了拉出B2+束流，優(yōu)選情況下，偏壓VB為70V或更高，更優(yōu)選的情況下，偏壓VB為80V或更高。換言之，優(yōu)選情況下，將二個(gè)反射器8和10的電位根據(jù)偏壓VB設(shè)為負(fù)10V或比燈絲6的電位更低。更優(yōu)選的情況下，將該二個(gè)反射器電位設(shè)為負(fù)20V或比燈絲6的電位更低。由此，可以提供的B2+束流是相關(guān)技術(shù)的實(shí)例中B2+束流的1.5倍到2倍。
從圖3中可以看出，當(dāng)偏壓VB接近160V時(shí)，B2+束流的增加開(kāi)始飽和。如果設(shè)置的偏壓VB過(guò)大，很難對(duì)二個(gè)反射器8和10進(jìn)行絕緣，所以偏壓VB的上限當(dāng)然要從電絕緣點(diǎn)來(lái)確定。
在圖3中，當(dāng)偏壓VB小于60V時(shí)沒(méi)有測(cè)量點(diǎn)的原因是如果將偏壓VB設(shè)為小于60V，會(huì)有一個(gè)大負(fù)載電流流入偏置電源32，對(duì)B2+束流的測(cè)量變得困難?？紤]到在上述的條件下，等離子體16的電位接近-60V，如果將偏壓VB設(shè)為小于60V，二個(gè)反射器8和10會(huì)吸引電子e而不是反射電子e。
本實(shí)施例采用了雙電荷硼離子，但是本發(fā)明也可以用于生成和拉出多電荷離子或不是硼的其它雙電荷離子，當(dāng)然，例如，可以用來(lái)生成磷(P)的多電荷離子等。
下面討論使延長(zhǎng)燈絲6壽命成為可能的更具體的實(shí)施例。
圖4至圖6展示出了如下情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)三氟化硼(BF3)氣體被引入到采用了如圖1所示的離子源的實(shí)施例中的等離子體產(chǎn)生器2內(nèi)并且硼離子束流作為離子束流18被拉出時(shí)，包含在作為離子束流18的硼離子束流中的單電荷硼離子(B+)束流隨偏壓VB變化。此時(shí)，將電弧電壓VA設(shè)為45V、60V，和75V并且將燈絲電壓VF設(shè)成約為2V。圖4展示出當(dāng)電弧電流為1000毫安時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖5展示出當(dāng)電弧電流為2000毫安時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，和圖6展示出當(dāng)電弧電流為3000毫安時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在每一幅圖中，偏壓VB為最低并有各電弧電壓VA(即，空測(cè)量點(diǎn))的測(cè)量點(diǎn)所表示的情況是沒(méi)有施加偏壓，即，二個(gè)反射器8和10都被置于浮置電位。在這種情況下，二個(gè)反射器8和10的電位變成略低于電弧電壓VA的電位，即，變成如上所述圖中的相應(yīng)于偏壓VB的電位。
在圖4中，如果電弧電壓VA為60V并且沒(méi)有施加偏壓VB，提供了約110微安的束流。反之，如果電弧電壓VA為45V并且沒(méi)有施加偏壓VB，那么僅可以提供約60微安的束流。束流被顯著降低。但是，當(dāng)施加大于電弧電壓VA的偏壓VB并且升高偏壓VB時(shí)，束流增加，如果設(shè)定偏壓VB大于10V或比電弧電壓VA更高(如果偏壓VB被設(shè)為55V或更高)，則束流明顯增加。如果將偏壓VB設(shè)為大于20V或比電弧電壓VA更高，則與沒(méi)有施加偏壓VB時(shí)相比束流顯著增加。
特別地，盡管將電弧電壓VA降低到45V，如果將偏壓VB設(shè)為60到65V，所提供的束流幾乎與當(dāng)電弧電壓VA為60V并且沒(méi)有施加偏壓VB時(shí)所能提供的束流程度相同。也就是說(shuō)，可以充分抑制束流的減少。相似地，如果將電弧電壓VA降低為60V，將偏壓VB設(shè)為大于10V或高于電弧電壓VA(將偏壓VB設(shè)為70V或更高)，由此可以提供的束流與當(dāng)電弧電壓VA為75V并且沒(méi)有施加偏壓VB時(shí)所提供的束流大小相同或更高。
如果增加電弧電流以增加圖5和圖6中的總束流，將偏壓VB設(shè)為大于10V或高于電弧電壓VA，更優(yōu)選的情況，設(shè)為20V或更高，由此與沒(méi)有施加偏壓時(shí)相比束流明顯增加。也就是說(shuō)，通過(guò)提高偏壓VB，即使電弧電壓VA被降至45V，也可以抑制束流的降低并且使束流接近當(dāng)電弧電壓VA為60V以及沒(méi)有施加偏壓VB時(shí)的束流。相似地，如果將電弧電壓VA降低至60V，可以提供的束流與電弧電壓VA為75V時(shí)并且沒(méi)有施加偏壓VB時(shí)提供束流的大小相同或更高。
從先前敘述的結(jié)果并參照?qǐng)D4至6可以看出，如果將偏壓VB與電弧電壓VA之間的差ΔV設(shè)為大到一定程度，那么束流的增加會(huì)飽和，所以該電壓差ΔV的上限可以考慮為80V。出于上面所述的類似原因，偏壓VB本身的實(shí)際上限約為160V。
下面，圖8展示出在如圖1所示的離子源中采用氬氣(Ar)作為等離子體生成氣體，在電弧電壓VA為50V和60V并且電弧電流為2500毫安時(shí)，經(jīng)過(guò)10小時(shí)連續(xù)生成等離子體16之后的燈絲6(即，燈絲6直徑的減少量)的耗損狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此時(shí)，偏壓VB設(shè)為90V。圖7展示出了相當(dāng)于沿著圖8的水平軸的燈絲6的直徑測(cè)量點(diǎn)。
如圖8所示，如果將電弧電壓VA從60V降低到50V，燈絲6的耗損急劇下降。特別在燈絲6的頂點(diǎn)附近減少量下降了接近一半。因此，燈絲6的壽命被顯著延長(zhǎng)了。這是一個(gè)實(shí)例，其中電弧電壓VA從60V到50V被降低了10V；由該結(jié)果可以容易地估計(jì)，如果將電弧電壓VA降低10V多，那么燈絲6的壽命會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的離子源，如上所述，當(dāng)離子的生成效率得到改善時(shí)，也可以減弱用于生成預(yù)設(shè)電弧電流所需要的燈絲電流。相應(yīng)地，可以降低燈絲6的溫度以及燈絲6的組分材料的蒸發(fā)速度，所以延長(zhǎng)了燈絲6的壽命。
該點(diǎn)將會(huì)進(jìn)行詳細(xì)討論。圖9展示了通常用作燈絲6材料的鎢的蒸發(fā)速度和熱電子輻射電流密度的溫度特性。例如，將燈絲溫度為2800K的熱電子輻射電流密度減半的溫度為2720K，燈絲溫度為2800K接近正常工作狀態(tài)。在此情況下，鎢的蒸發(fā)速度變成為約四分之一(精確地說(shuō)，1/4.3)并且燈絲6的壽命延長(zhǎng)了接近4倍。這就是說(shuō)，如果將燈絲6的溫度從2800K降低到2720K，熱電子輻射電流密度被降低了約一半，但是此時(shí)束流的降低可以通過(guò)施加一個(gè)如上所述的偏置電流VB加以抑制，并且燈絲6的壽命可以延長(zhǎng)約4倍。
當(dāng)離子從等離子體16入射到并且與反向反射器8和背反射器10發(fā)生碰撞，反向反射器8和背反射器10的溫度升高至如上所述的溫度，因此至少其中之一，優(yōu)選情況下，反向反射器8和背反射器10的二個(gè)反射器都采用具有比燈絲6的通常的組分材料鎢的熱電子輻射電流密度更高的材料制成。由此，使得有效利用從二個(gè)反射器8和10之一或全部二個(gè)反射器發(fā)射的電子來(lái)生成和維持等離子體16成為可能。所以可以進(jìn)一步減弱用來(lái)生成預(yù)設(shè)電弧電流的燈絲電流，相應(yīng)地延長(zhǎng)了燈絲6的壽命。
因?yàn)樗霾牧纤哂械臒犭娮虞椛潆娏髅芏缺孺u的(約8.7×10-4)高，所以可以采用這些材料，例如，鉭(約9.9×10-3)，鉬(約7.7×10-3)，鈮(約1.2×10-2)，鋯(約5.5×10-2)，鎢鐿合金(約4.4)，鎢鋯合金(約0.24)等。每個(gè)括號(hào)中包括的數(shù)值是該材料在2000K時(shí)的熱電子輻射電流密度(以單位A/cm2)。采用鎢作為參照的原因是鎢是一種通常的熱電子發(fā)射材料。在上述材料中，鉭是優(yōu)選的材料之一，因?yàn)樗哂懈呷埸c(diǎn)(約3250K)和大的熱電子輻射電流密度，并且相對(duì)比較而言并不昂貴。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的離子源，因?yàn)樘岣吡穗x子的生成效率，所以可以減弱燈絲電流，因而可以采用一種在離子源運(yùn)行的初始階段相對(duì)增大燈絲電流然后相對(duì)減弱燈絲電流的離子源運(yùn)行方法。通過(guò)采用該方法，可以在離子源運(yùn)行的初級(jí)階段采用大燈絲電流可靠觸發(fā)等離子體16，然后將燈絲電流減弱，由此還可以進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲壽命。
如果在反向反射器8和背反射器10中的至少一個(gè)反射器，優(yōu)選情況下，二個(gè)反射器都采用具有比鎢的熱電子輻射電流密度更高的材料，使得如上所述地，也利用從二個(gè)反射器8和10之一反射器發(fā)射或從二個(gè)反射器8和10發(fā)射的電子來(lái)有效地生成和維持等離子體成為可能。所以使得在啟動(dòng)離子源運(yùn)行后，更進(jìn)一步減弱燈絲電流以便更進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲6的壽命成為可能。
如上所述為了利用具有較大熱電子輻射電流密度的材料，具體地說(shuō)，將上述材料用作二個(gè)反射器8和10，在等離子體16被觸發(fā)后，等離子體16就由從二個(gè)反射器之一反射器發(fā)射的或者從二個(gè)反射器發(fā)射的電子維持。在此情況下，僅僅在離子源運(yùn)行的初始階段允許燈絲電流流過(guò)，然后關(guān)閉燈絲電流(即，零)。通過(guò)采用該方法，可以極大地延長(zhǎng)燈絲6的壽命。
下面將討論用于控制偏壓VB以控制離子束18的數(shù)量的實(shí)施例。
例如，為了進(jìn)行離子注入處理，注入條件之一是改變離子的劑量，通常情況下，改變了從離子源拉出的離子束的數(shù)量(即，離子束流)。
在如圖12所示的相關(guān)技術(shù)的離子源中，對(duì)從離子源拉出的離子束18的數(shù)量的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變來(lái)自燈絲電流源24的被允許流到燈絲6上的燈絲電流以及改變電弧電流來(lái)進(jìn)行。
此時(shí)的電弧電流主要由從燈絲6發(fā)射的熱電子數(shù)量來(lái)決定，即，燈絲6的溫度，但是改變安裝在真空(等離子體產(chǎn)生器2及周邊環(huán)境中的真空)中的燈絲6的溫度需要一段長(zhǎng)時(shí)間。這就是說(shuō)，改變電弧電流和離子束流需要一段長(zhǎng)時(shí)間(例如，約幾十秒)。所以，例如，采用該離子源進(jìn)行離子注入時(shí)，改變注入條件需要花一段長(zhǎng)時(shí)間，則延遲了整個(gè)處理過(guò)程。
反之，在根據(jù)本發(fā)明的離子源中，從前面的描述中并參照?qǐng)D4至圖6可以看出，通過(guò)控制(調(diào)節(jié))偏置電流幅度VB而且不改變電弧電流(即，即使采用相同的電弧電流)可以對(duì)從離子源拉出的離子束18的數(shù)量(即，離子束流)進(jìn)行控制。
例如，在圖4中如果電弧電壓為60V而且不施加偏壓VB(電弧電流為恒定(1000毫安))，可以提供的束流約為110微安。反之，如果施加偏壓VB并且將其增加，束流會(huì)逐漸增大，并且如果將偏壓VB增加到120V，束流會(huì)升到約190微安。
當(dāng)電弧電壓VA不是60V時(shí)并且電弧電流為2000毫安(圖5)或3000毫安(圖6)，相似地，可以看出即使將電弧電流設(shè)為恒定，也可以通過(guò)控制偏壓VB來(lái)控制束流幅度。如果拉出雙電荷離子的離子束流18也可以采用同樣的方法。
此外，在該情況中，改變束流所需時(shí)間主要由調(diào)節(jié)由偏置電源32輸出的偏壓VB的時(shí)間決定；例如，該時(shí)間約為幾秒。也就是說(shuō)，目前改變束流的速度是如果采用上述的相關(guān)技術(shù)的電弧電流改變法(約幾十秒)的速度的10倍。所以，對(duì)來(lái)自偏置電源32的偏壓VB輸出進(jìn)行了控制，由此可以以高速對(duì)從離子源拉出的離子束18的數(shù)量進(jìn)行控制。
下面將討論根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。第二實(shí)施例的離子源在上述的反向反射器8的位置有另一對(duì)燈絲6和背反射器10。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的離子源的第二實(shí)例的截面示意圖。將主要討論與圖1所示離子源的差別。其它點(diǎn)采用了圖1中離子源的描述。
除了圖1所示的燈絲6和背反射器10的一對(duì)(第一對(duì))外，圖10中的離子源在上述的反向反射器8處包括另外一對(duì)燈絲6和背反射器10(第二對(duì))。也就是說(shuō)，二個(gè)燈絲6(第一和第二)被相互面對(duì)地放置在等離子體產(chǎn)生器2中。在燈絲6的后面，二個(gè)背反射器10(第一和第二)被放置相互面對(duì)地放置。
在該第二實(shí)施例中，二個(gè)燈絲6在P和Q點(diǎn)相互并聯(lián)。因此，從公共燈絲電源24對(duì)二個(gè)燈絲6施加用于加熱的燈絲電壓VF。從公共電弧電源26對(duì)二個(gè)燈絲6施加用于電弧放電的電弧電壓VA。每一個(gè)燈絲可以由一個(gè)獨(dú)立的燈絲電源24和一個(gè)獨(dú)立的電弧電源26供電。
上述的具有二對(duì)燈絲6和背反射器10的離子源也在日本專利未審查公開(kāi)No.Hei.9-63981中進(jìn)行了描述。但是，在相關(guān)技術(shù)中，每一個(gè)背反射器都與相應(yīng)的燈絲6的一端相連接(更具體地說(shuō)，燈絲電源24的負(fù)電位端)以便將背反射器10放置于如圖12所示的相關(guān)技術(shù)的實(shí)例中的電位。
與此相反，在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例中，如圖1中的實(shí)施例，每一個(gè)背反射器10既與燈絲6又與等離子體產(chǎn)生容器2為電絕緣。在圖10的實(shí)施例中，二個(gè)背反射器10都與導(dǎo)體電連接以便將它們置于相同電位。
另外，采用一個(gè)直流偏置電源32在二個(gè)反射器10與等離子體產(chǎn)生器2之間施加直流偏壓VB，二個(gè)反射器10為負(fù)電位。直流偏置電源32是一個(gè)與燈絲電源24和電弧電源26相獨(dú)立的電源。
圖11展示出了第二實(shí)施例的離子源的電位變化的實(shí)例?？梢哉J(rèn)為存在二個(gè)具有相同電位的燈絲6和二個(gè)具有相同電位的背反射器10。
在第二實(shí)施例的離子源中，從偏置電源32向二個(gè)反射器10施加了如上所述的偏壓VB，由此基本上能提供與圖1所示離子源的優(yōu)點(diǎn)相似的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
也就是說(shuō)，也采用該離子源，如果主要目的是改善離子的生成效率，那么可以提高多電荷和單電荷離子的生成效率。如果主要目的是延長(zhǎng)燈絲6的壽命，那么也可以減弱電弧電壓VA以延長(zhǎng)燈絲6的壽命。這可以在單電荷離子生成中和多電荷離子生成中完成。既可以改善離子的生成效率又可以延長(zhǎng)燈絲6的壽命。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，可以將電弧電壓VA降到低于如果主要目的為延長(zhǎng)燈絲6的壽命的電弧電壓。
也可以采用與上述方法相似的采用圖1所示離子源的方法，可以相應(yīng)地提供如上所述的優(yōu)點(diǎn)。
與圖1所示的離子源相比，圖10所示的第二實(shí)施例有二對(duì)燈絲6和背反射器10。所以，該離子源有如此特點(diǎn)即可以將從每一個(gè)燈絲6發(fā)射的電子數(shù)量減半以進(jìn)一步延長(zhǎng)燈絲6的壽命。
在圖10所示的第二實(shí)施例的離子源中，最優(yōu)選的情況下，從偏置電源32向二個(gè)反射器10施加偏壓VB；但是，偏壓VB也可以僅僅施加于二個(gè)反射器10中的一個(gè)反射器。由此，如上所述，可以提高在施加了偏壓VB的背反射器10上反射的電子的能量和數(shù)量。所以，可以改善多電荷或單電荷離子的生成效率，由此增加了離子束18中所含多電荷或單電荷離子的比例。也可以減弱電弧電壓VA以延長(zhǎng)燈絲6的壽命。
權(quán)利要求
1.離子源包括向其中引入氣體的用作正電位的等離子體生成器；用于發(fā)射電子的燈絲，該燈絲被安置于所述等離子體生成器的一個(gè)側(cè)壁并且與所述等離子體產(chǎn)生器之間為電絕緣；用于反射電子的反向反射器，該反射器被面朝所述燈絲地安置于所述等離子體產(chǎn)生器的另一側(cè)壁并且與所述等離子體產(chǎn)生器之間為電絕緣；用于反射電子的背反射器，該反射器被面朝所述反向反射器地安置于所述等離子體產(chǎn)生器中并且位于所述燈絲與所述等離子體產(chǎn)生器的一個(gè)側(cè)壁之間，所述背反射器與所述等離子體產(chǎn)生器和所述燈絲之間為電絕緣；用于在所述等離子體產(chǎn)生器中產(chǎn)生沿著連接所述燈絲與所述反向反射器之間軸的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生器；用于加熱所述燈絲以便發(fā)射電子的燈絲電源；用于在所述燈絲與所述等離子體產(chǎn)生器之間施加直流電弧電壓的直流電弧電源，該電源以所述燈絲一側(cè)作為負(fù)電位，該電源用于在所述燈絲與所述等離子體產(chǎn)生器之間產(chǎn)生電弧放電；以及用于在所述反向反射器和所述背反射器中的至少一個(gè)反射器與所述等離子體產(chǎn)生器之間施加直流偏壓的直流偏置電源，該電源以所述反射器一側(cè)作為負(fù)電位，所述偏置電源與所述燈絲電源和與所述電弧電源之間為電絕緣。
2.權(quán)利要求1所述的離子源，其中至少所述反向反射器和所述背反射器中的一個(gè)反射器是由具有比鎢的熱電子輻射電流密度更高的熱電子輻射電流密度的材料制成。
3.權(quán)利要求1所述的離子源，其中具有比鎢更高的熱電子輻射電流密度的材料是下列材料之一鉭，鉬，鈮，鋯，鎢鐿合金，和鎢鋯合金。
4.離子源包括向其中引入氣體的用作正電位的等離子體生成器；用于發(fā)射電子的第一和第二燈絲，這二個(gè)燈絲被相互面對(duì)面地安置于所述等離子體產(chǎn)生器中并且所述第一和第二燈絲與所述等離子體產(chǎn)生器之間為電絕緣；用于反射電子的第一和第二背反射器，這二個(gè)反射器被面對(duì)面地安置于所述第一和第二燈絲之間，所述第一和第二背反射器與所述等離子體產(chǎn)生器之間以及與第一和第二燈絲之間為電絕緣；用于在所述等離子體產(chǎn)生器中產(chǎn)生沿著連接所述第一與第二燈絲之間軸的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生器；用于加熱所述第一和第二燈絲以便發(fā)射電子的燈絲電源；用于在所述第一和第二燈絲與所述等離子體產(chǎn)生器之間施加直流電弧電壓的直流電弧電源，該電源以所述二個(gè)燈絲所在的一側(cè)作為負(fù)電位，該電源用于在所述燈絲與所述等離子體產(chǎn)生器之間產(chǎn)生電弧放電；以及用于在所述反向反射器和所述第一和第二背反射器中的至少一個(gè)反射器與所述等離子體生成器之間施加直流偏壓的直流偏置電源，該電源以所述反射器一側(cè)作為負(fù)電位，所述偏置電源與所述燈絲電源和與所述電弧電源之間為電絕緣。
5.權(quán)利要求4所述的離子源，其中至少第一和第二背反射器中的一個(gè)反射器是由具有比鎢的熱電子輻射電流密度更高的熱電子輻射電流密度的材料制成。
6.權(quán)利要求5所述的離子源，其中具有比鎢更高的熱電子輻射電流密度的材料是下列材料之一鉭，鉬，鈮，鋯，鎢鐿合金，和鎢鋯合金。
7.權(quán)利要求1所述的離子源，其中所述的偏置電源輸出一個(gè)偏壓用于使得至少所述反向反射器和背反射器中的一個(gè)反射器的電位為負(fù)并低于以所述等離子體產(chǎn)生器電位作為參考的所述燈絲的電位。
8.權(quán)利要求4所述的離子源，其中所述的偏置電源輸出一個(gè)偏壓用于使得至少所述第一和第二背反射器中的一個(gè)反射器的電位為負(fù)并低于以所述等離子體產(chǎn)生器電位作為參考的所述第一和第二燈絲的電位。
9.權(quán)利要求1所述的離子源，其中所述的偏置電源輸出一個(gè)偏壓，該偏壓被設(shè)為大于10V或高于來(lái)自所述電弧電源的電弧電壓輸出。
10.權(quán)利要求4所述的離子源，其中所述的偏置電源輸出一個(gè)偏壓，該偏壓被設(shè)為大于10V或高于來(lái)自所述電弧電源的電弧電壓輸出。
11.權(quán)利要求7所述的離子源，其中所述反向反射器和所述背反射器中的至少一個(gè)反射器的電位為負(fù)10V或低于所述燈絲的電位。
12.權(quán)利要求8所述的離子源，其中所述第一和第二背反射器中的至少一個(gè)反射器的電位被設(shè)為負(fù)10V或低于所述第一和第二燈絲的電位。
13.權(quán)利要求1所述離子源的離子源運(yùn)行方法，所述方法包括控制來(lái)自所述偏置電源的偏壓輸出的幅度以便對(duì)從所述離子源拉出的離子束的數(shù)量進(jìn)行控制。
14.權(quán)利要求4所述離子源的離子源運(yùn)行方法，所述方法包括控制由所述偏置電源輸出的偏壓幅度以便對(duì)從所述離子源拉出的離子束的數(shù)量進(jìn)行控制。
15.權(quán)利要求13所述的離子源運(yùn)行方法，其中所述的控制步驟包括為預(yù)設(shè)值而設(shè)定偏壓，該預(yù)設(shè)值使得至少所述反向反射器和背反射器中的一個(gè)反射器的電位為負(fù)并低于以所述等離子體產(chǎn)生器電位作為參考的所述燈絲的電位。
16.權(quán)利要求13所述的離子源運(yùn)行方法，其中所述的控制步驟包括為預(yù)設(shè)值而設(shè)定偏壓，該預(yù)設(shè)值根據(jù)偏壓使得所述第一和第二背反射器中的至少一個(gè)反射器的電位為負(fù)并低于以所述等離子體產(chǎn)生器電位作為參考的所述第一和第二燈絲的電位。
17.權(quán)利要求13所述的離子源運(yùn)行方法，其中所述的控制步驟包括將偏壓設(shè)定為大于10V或高于電弧電壓。
18.權(quán)利要求14所述的離子源運(yùn)行方法，其中所述的控制步驟包括將偏壓設(shè)定為大于10V或高于電弧電壓。
19.權(quán)利要求13所述的離子源運(yùn)行方法，還包括在所述離子源的起始運(yùn)行階段將燈絲電流從所述燈絲電源流到所述的燈絲；并且然后對(duì)從所述燈絲電源流到所述燈絲的燈絲電流的幅度進(jìn)行控制，使其小于所述離子源在起始運(yùn)行階段的燈絲電流。
20.權(quán)利要求14所述的離子源運(yùn)行方法，還包括在所述離子源的起始運(yùn)行階段將燈絲電流從所述燈絲電源流到所述的燈絲；并且然后對(duì)從所述燈絲電源流到所述燈絲的燈絲電流的幅度進(jìn)行控制，使其小于所述離子源在起始運(yùn)行階段的燈絲電流。
全文摘要
在離子源中,背反射器10與等離子體產(chǎn)生器2和與燈絲6之間均為電絕緣。背反射器10與反向反射器之間為電連接。此外,直流偏置電源32是與燈絲電源24和與電弧電源26相獨(dú)立的電源。直流偏置電源32用于在反向反射器8和背反射器10與等離子體產(chǎn)生器之間施加偏壓V
文檔編號(hào)H01J27/08GK1353443SQ01138429
公開(kāi)日2002年6月12日 申請(qǐng)日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月9日
發(fā)明者宮本直樹(shù) 申請(qǐng)人:日新電機(jī)株式會(huì)社