[发明专利]离子源及其操作方法

说明书

本发明涉及一种所谓Bernus型离子源，具有一种其中在等离子体产生容器内提供灯丝和反射器的结构，在连接灯丝和反射器的方向上施加磁场，本发明还应用所述离子源的操作方法，更特别地涉及提高离子束中的分子离子比例的装置。

例如，在日本专利未审公开No.Hei.11-339674(JP-A-11-339674)中公开了这种类型的离子源的一个实例。下面将参考图3和4描述该专利。

这种离子源包括一种等离子体产生容器2，从作为阳极的气体进口6向其中引入离子源气体，在该等离子体产生容器2的一侧上通过等离子体容器2的工作面前壁提供U型灯丝8，在等离子体产生容器2的另一侧对着灯丝8提供反射器10(反射电极)。参考数字24和30表示绝缘体。

在等离子体容器2的工作面前壁上，在连接灯丝8到反射器10的方向上提供一种长的离子导出狭缝4。在该离子导出狭缝4的出口附近，提供一个导出电极14，把离子束16从等离子体产生容器2内导出(更具体地，从其中产生的等离子体12导出)。

在等离子体产生容器2外面，提供一个磁体18，在等离子体产生容器2内的连接灯丝8到反射器10的方向上产生磁场19。例如，磁体18是一种电磁体，但是也可以是永久磁体。磁场19可以与图中所述的方向相反。

在图3中，为了方便地清楚表示与灯丝电源20的连接，标明了灯丝8的方位。实际上，弯曲成U型的含有灯丝的面被排列成与离子导出狭缝基本平行，如图4所示。

用于加热灯丝8的灯丝电源20连接到灯丝8的两侧。在灯丝8的一端与等离子体产生容器2之间，连接电弧电源22，以便在灯丝9与等离子体产生容器2之间施加电弧电压V_A，在二者之间产生电弧放电，使离子源气体电离以产生等离子体12。

反射器10用来反射从灯丝8发生出的电子，并且可以保持在浮动电位，而不与任何地方相连，如所说明的实施例中所述，或通过连接到灯丝8保持在灯丝电位。如果提供这样的反射器10，在等离子体产生容器内施加的磁场19和电弧电压V_A电场的影响下，从灯丝8发射的电子在灯丝8和反射器10之间往复运动，并在磁场19中绕磁场19的方向的轴向旋转。结果，增大了电子与气体分子碰撞的概率，使得离子源气体的电离化效率提高，因此导致等离子体12的更高产生效率。

传统上，为了通过延长灯丝8发射的电子直至其撞到等离子体产生容器2的工作面前壁上的寿命来提高等离子体的产生效率，通常设定在等离子体产生容器2内的磁场19的磁通密度B，以便使在磁场19中电子的Larmor(拉莫尔)半径R(见后面所述的数值表达式2)小于从几乎位于灯丝8的尖部中心的最高频率的电子发射点9到等离子体产生容器2的工作面前壁。

从离子源导出的离子束16除了含有单原子离子(如P⁺、As⁺)以外，还含有分子离子(如P₂⁺、As₂⁺)，这是一种类分子离子。例如，分子离子包括由两个原子组成的双原子离子，和由三个原子组成的三原子离子。

与单原子离子相比，分子离子具有下列优点。即，(1)分子离子由于其比单原子离子发散性小，所以具有更高的传输效率，(2)因为当分子离子注入到靶上时，注入多个原子，所以，在相同束流的情况下，可以获得几乎多倍于单原子离子的注入量，和(3)相反，在相同注入量的情况下，分子离子具有较向的束流，因此，与单原子离子相比，在靶上入射更少量的电荷，从而预计具有抑制靶的电荷聚集(充电)的作用。

从这样一种观点来看，优选的是在离子束中的分子离子的比例更高。因此，本发明的目的是提高离子束中的分子离子的比例。

建立根据本发明的离子源，使得假定施加在等离子体产生容器与灯丝之间的电弧电压为V_A[V]，等离子体产生容器内的磁场的磁通量密度为B[T]，从几乎位于灯丝尖部中心的最高频率电子发射点到等离子体产生容器的工作面前壁的最短距离为L[m]，满足下列表达式(1)的关系。

       L＜3.37B^-1√(V_A)×10^-6    (1)

提出根据本发明的离子源的操作方法，来引出离子束，使得假设施加在等离子体产生容器与灯丝之间的电弧电压为V_A[V]，等离子体产生容器内的磁场的磁通量密度为B[T]，从几乎位于灯丝尖部中心的最高频率电子发射点到等离子体产生容器的工作面前壁的最短距离为L[m]，满足上述表达式1。