专利名称：离子管及离子束的引出方法
技术领域：
本发明涉及到离子管，特别是涉及到将排列有多个离子束引出孔的离子管的离子
束的引出方法。
背景技术：
离子管一般用于压电元件的频率调整装置等中，其原理是，在离子管内部生成等 离子体，对该等离子体施加离子束射出方向的磁场，从等离子体中引出离子并使其加速，从 而形成离子束。 在专利文献1中公开的离子管配置有多个离子束引出孔，并射出具有对应的电流 密度峰值的离子束。 在图1中，离子管由以下部件构成架设于一对丝电极之间的丝极(阴极)10、长 边方向与丝极10平行的环状的阳极20、具有多个离子束引出孔31的栅极30、以及在内部 密封有丝极10和阳极20且使多个离子束引出孔31露出的主体40。阴极10和阳极20构 成等离子体生成构件，与各自的电源(未图示)连接。此外，主体40具有用于导入放电气 体的气体导入口 41。 图IIA和图11B是现有技术中的阳极20周围的侧视图和俯视图。 如图11B所示，栅极30在以阳极20的周缘划分的区域中设有沿x轴方向排列的
多个离子束引出孔31。 离子管的动作为首先，从气体导入口 41中将氩等放电气体导入到主体40内部。 并分别对阴极10施加负电压，对阳极20施加正电压，通过该电压差进行放电，产生等离子 体。在以未图示的电源对栅极30施加电压后，通过多个离子束引出孔31从等离子体中将 离子引出并使其加速，从而形成离子束。 如图IIA和图11B所示，在离子束引出孔31的周围配设有多个第一磁石50，其S 极朝向z轴正方向(离子束射出方向)，N极朝向z轴负方向。通过所述第一磁石50，形成 离子束引出孔31中的z轴正方向的磁场，提高了等离子体密度。
图IIC示出了上述离子管的磁场分布。 图IID示出了该结构中距离栅极面25mm的位置、即配置有处理基板的位置处的离
子束的电流密度。如图所示，各峰值与各离子束引出孔31对应，端部侧的电流密度峰值比
中心附近的电流密度峰值大幅减小。这样，在图IIA和图IIB的结构中，有时会有离子束电
流密度不均匀的问题。 对该问题在下面详细说明。 为了在处理基板侧得到均匀的离子电流密度分布，需要使有助于离子束的射出的 引出孔附近的等离子体的密度均匀。在具有图l所示结构的离子管的情况下，通过丝极端 部的散热而形成凸型(即从中心部向外侧温度降低)的温度分布，生成等离子体及持续所 需的电子随着靠近端部而变得不足。 其结果是，等离子体密度如图12的曲线a所示，具有阳极中心的等离子体密度相对地较高而越靠端部越低的倾向。该倾向在限定于有助于离子束的射出的引出孔的区域中
的情况下也是同样的，如图IID所示端部的电流密度相对于中心附近的电流密度降低。 对于上述问题，专利文献2中公开了沿长边方向配置多个丝极，并将各个丝极以
各个电源分别控制的结构。在该结构中，多个丝极中端部侧的丝极消耗更多的电力，从而使
得对应的端部侧的离子束的电流密度增大。 专利文献1 :日本特开2006-100205号公报 专利文献2 :日本特开2007-311118号公报 然而，在专利文献2所述的结构中，要增加离子束端部的电流密度使电流密度均 匀化，必须使向端部侧的丝极通电的电力大幅度增加，消耗电力增大，因此并不优选。此外， 不得不对应多个丝极设置多个电源，在离子管的结构复杂化、大型化的同时，也存在成本提 高的问题。
发明内容
因而，对于排列有多个离子束引出孔的离子管，期望在不改变丝极的电力供给方 式的前提下，解决端部侧的离子束的电流密度减小的问题。 本发明的第一发明所述的离子管具有由阴极和阳极构成的等离子体生成构件，以 及从由等离子体中引出离子束的栅极，栅极沿长边方向具有多个或者一连串的离子束引出 孔，以多个或者一连串的离子束引出孔的中心部为原点，以长边方向为x轴方向，以离子束 射出方向为Z轴正方向，该离子管还具有第一磁石，其配置于多个或者一连串的离子束引 出孔的周围，并对多个或者一连串的离子束引出孔施加Z轴正方向的磁场；以及第二磁石， 其配置于多个或者一连串的离子束引出孔的端部，对端部附近施加X轴原点方向的磁场。
其中，以与x轴和z轴垂直的轴为y轴，至少4个第二磁石配置于包围多个或者一 连串的离子束引出孔的x轴对称位置和y轴对称位置，第二磁石各自的S极朝向x轴原点 方向，N极朝向其相反方向进行配置。 本发明的第二方面中的将排列有多个离子束引出孔的离子管中的离子束引出的 方法包括以下步骤(A)在离子管内部生成等离子体的步骤；以及(B)通过第一磁石向该多 个离子束引出孔的离子束射出方向(z轴正方向)施加磁场，并且通过第二磁石施加从该多 个离子束引出孔的端部朝向中心部方向(x轴原点方向)的磁场，并对形成有该多个离子束 引出孔的栅极施加电压，引出离子并使其加速的步骤。 在排列有多个离子束引出孔的离子管中，通过改良磁力线的分布解决了端部侧的 离子束电流密度减小的问题，因此能够不增加消耗电力，而以简单且廉价的方法有效地实 现离子束电流密度的均匀化。
图1是说明本发明和现有例的离子管的图。
图2A是示出本发明的第一实施例的图。
图2B是示出本发明的第一实施例的图。
图2C是说明本发明的第一实施例的图。
图2D是说明本发明的第一实施例的图。
图3是说明本发明的原理的图。图4A是对本发明的第一实施例补充说明的图。图4B是对本发明的第一实施例补充说明的图。图5A是示出本发明的第二实施例的图。图5B是示出本发明的第二实施例的图。图6是对本发明补充说明的图。图7是对本发明补充说明的图。图8A是示出参考例1的图。图8B是示出参考例1的图。图8C是示出参考例1的图。图8D是说明参考例1的图。图9A是示出参考例2的图。图9B是示出参考例2的图。图9C是示出参考例2的图。图9D是说明参考例2的图。图10A是示出本发明的第三实施例的图。图10B是说明本发明的第三实施例的流程图。图11A是示出现有例的图。图11B是示出现有例的图。图IIC是说明现有例的图。图11D是说明现有例的图。图12是说明一般的离子管的图。
具体实施例方式
实施例1 在图2A和图2B中示出了第一实施例的离子管的阳极20的周边。另外，本发明的 离子管的丝极(阴极)10、栅极30、主体40以及第一磁石50的结构与上述的图1、图IIA和 图IIB所示的结构相同，因此省略其说明。 如图2A和图2B所示，本实施例的离子管还具有4个相对于x轴和y轴对称的第 二磁石60。第二磁石60分别配置成S极朝向x轴原点方向，N极朝向其相反方向，并对离 子束引出孔31的端部(阳极20的端部)附近施加x轴原点方向的磁场。此外，为了说明 方便，设有4个第二磁石60，然而也可以是8个、12个等。 图2C示出了上述离子管的磁场分布。如图所示，在第二磁石60的作用下，多个离 子束引出孔31的端部附近(x轴士30 45mm)的磁力线朝向离子束引出孔31中央部(x 轴原点方向)，该朝向内侧的磁场提高了端部附近的等离子体密度，有利于离子束的引出。
然而，公知处于同样的磁场中的等离子体中的电子如图3(a)所示地沿磁力线进 行螺旋运动。在离子电流密度均匀化的情况下，等离子体密度的分布如图12的线b所示地 仅在引出孔的区域中均匀即可。在本实施例中，通过将第二磁石60如图2A和图2B所示地 进行配置，如图3(b)所示使阳极端部的磁力线朝向内侧，并与此相伴地使端部的电子朝向引出孔的区域，从而对引出孔的区域的等离子体密度进行调整。 图2D示出了在该结构中距离栅极面25mm的位置、即配置有处理基板的位置处的 离子束的电流密度。在图2D中，电流密度的峰值与各离子束引出孔31对应。与图11D相 比可知，离子束端部侧的电流密度峰值与中央部的离子束电流密度峰值大致为相同水平， 从而使得离子束电流密度在x轴方向上大致均匀。 另外，在上述实施例1中示出了第二磁石60最为优选的配置，第二磁石60只要是 能够对离子束引出孔31的端部(阳极20的端部)附近的等离子体施加x轴原点方向的磁 场的话，也可以采用其他配置。 例如，如图4A和图4B所示，也可以将第二磁石60配置于栅极30的外侧。在该结
构中也能够起到同样的作用和效果。 实施例2 在图5A和图5B中示出了本发明的第二实施例。在实施例1中第二磁石60采用
的是永久磁石，而在本实施例中采用的是电磁石。在图5A和图5B中，第二磁石60在磁性
材料的芯上巻绕线圈(斜线部)，通过电源(未图示)对其通电从而产生磁力。另外，在本
实施例中，第二磁石60也是以中心侧为S极，另一侧为N极。 在该结构中，也能够得到与上述实施例1相同的效果。 在此，对阳极20补充说明。图6(a) (d)是示出阳极的形状(均为俯视图)的变形例的图。图6(a)为图2B所示的环状式电极，其他的例如
图6(b)是沿长边方向分割开的形状，图6(c)是-字形状，图6(d)是沿宽度方向分割开的
形状，等等。此外，并不限定是方形，也可以是椭圆形。另外，也可以不设置阳极20，而以主
体4自身作为阳极。 此外，对多个离子束引出孔31进行补充说明。图7(a) (e)是示出多个离子束 引出孔31的变形例的图。如图所示，除了图2B(即图7(d))以外，离子束31可以是各种形 状。本说明书以及权利要求的范围中所提及的"多个离子束引出孔"包括上述举例示出的 全部形态以及其他类似形态。
参考例1 图8A和图8B示出的是在第二磁石60中，将N极配置于x轴原点方向，将S极配 置于其相反方向的情况(与图2A和图2B的极性相反)。由此，在离子束引出孔31的端部 附近施加x轴外侧方向的磁场。 如图8C所示，通过第二磁石60，多个离子束引出孔31的端部附近的磁场朝向离子 束引出孔31的外侧。 如图8D所示，不仅离子束电流密度的不均匀性增加，而且电流密度整体减少了。
参考例2 图9A和图9B示出的是在第二磁石60中，将S极配置于z轴正方向，将N极配置于 其相反方向。由此，如图9C所示，在离子束引出孔31的端部附近施加z轴正方向的磁场。 该结构的概念(即，不改变磁场的向量的方向而改变其大小的概念)与专利文献2的增大 端部侧丝极的电力的情况类似。 如图9D所示，该离子束电流密度虽然比图11D的情况整体地提高了，然而其不均 匀性基本上没有消除。
通过参考例1和参考例2可以知道，对于第二磁石的配置，各实施例中所示的结构 是优选的。特别是改善本发明的磁场方向的方法比专利文献2所述的强化磁场的方法在消 除离子束电流分布的不均匀方面效果更好。
实施例3 在上述实施例1和实施例2中，第二磁石60是固定的，然而在本实施例中，在参考 例1和参考例2的基础上，使其设置角度可变。 第二磁石60各自相对于z轴方向的设置角度可以变化，能够调整向着x轴原点方 向的磁场。具体来说，在使第二磁石60相对于z轴方向成90。地进行设置的情况下的x 轴原点方向的磁场过强的情况下，如图IOA所示，使第二磁石60相对于z轴方向的角度比 90°小的话即可。 由此，能够调整离子束电流密度的特别是端部的峰值，能够实现电流密度更为严 格的均匀化。 另外，也可以使4个第二磁石60的设置角度联动，或者使x轴对称位置、y轴对称 位置或者对角位置上的一对第二磁石60联动，或者使4个设置角度能够分别进行调整。
其中，只要是第二磁石60的设置角度能够在离子束射出时从外部进行调整的话， 就能够在离子束照射时进行调整，因而更为优选。
图10B是示出该情况下离子束引出方法的流程图。 在步骤SIOO中，从气体导入口 41中将氩等放电气体导入，对丝极(阴极)10施加 负电压，对阳极20施加正电压，通过其间的放电生成等离子体。 在步骤Sl 10中，在通过第一磁石50施加z轴正方向的磁场，通过第二磁石60施加 x轴原点方向的磁场的状态下，对栅极30施加电压，从等离子体中引出离子，并使其加速。
在该时刻，当离子束电流密度的端部侧峰值比中央部峰值高的情况下，在步骤 S120中，调整第二磁石60的设置角度，调整电流密度峰值的分布。此外，在第二磁石60为 电磁石的情况下，也可以通过调整对线圈通电的电流来得到所希望的电流密度峰值分布。
另外，各图并未严格按照尺寸绘制。
权利要求
一种离子管，具有由阴极和阳极构成的等离子体生成构件，以及从等离子体中引出离子束的栅极，其特征在于，该栅极沿长边方向具有多个或者一连串的离子束引出孔，以该多个或者一连串的离子束引出孔的中心部为原点，以该长边方向为x轴方向，以离子束射出方向为z轴正方向，该离子管还具有第一磁石，其配置于该多个或者一连串的离子束引出孔的周围，并对该多个或者一连串的离子束引出孔施加z轴正方向的磁场；以及第二磁石，其配置于该多个或者一连串的离子束引出孔的端部，对该端部附近施加x轴原点方向的磁场。
2. 根据权利要求l所述的离子管，其特征在于，以与x轴和z轴垂直的轴为y轴，至少4个所述第二磁石配置于包围所述多个或者一连串的离子束引出孔的x轴对称位 置和y轴对称位置，所述第二磁石各自的S极朝向x轴原点方向，N极朝向其相反方向进行 配置。
3. —种将排列有多个离子束引出孔的离子管中的离子束引出的方法，其特征在于，包 括以下步骤(A) 在该离子管内部生成等离子体的步骤；以及(B) 通过第一磁石向该多个离子束引出孔的离子束射出方向(z轴正方向)施加磁场， 并且通过第二磁石施加从该多个离子束引出孔的端部朝向中心部方向(x轴原点方向)的 磁场，并对形成有该多个离子束引出孔的栅极施加电压，引出离子并使其加速的步骤。
全文摘要
本发明提供一种离子管及离子束的引出方法，离子管排列有多个离子束引出孔，使得离子束电流密度变得均匀。该离子管具有由阴极和阳极构成的等离子体生成构件，以及从等离子体中引出离子束的栅极，栅极沿长边方向具有多个或者一连串的离子束引出孔，以多个或者一连串的离子束引出孔的中心部为原点，以长边方向为x轴方向，以离子束射出方向为z轴正方向，该离子管还具有第一磁石，其配置于多个或者一连串的离子束引出孔的周围，并对多个或者一连串的离子束引出孔施加z轴正方向的磁场；以及第二磁石，其配置于多个或者一连串的离子束引出孔的端部，对端部附近施加x轴原点方向的磁场。
文档编号H01J27/02GK101764021SQ20091026240
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月24日
发明者盐野忠久, 长田佑介 申请人:株式会社昭和真空