本發(fā)明涉及一種離子源裝置，例如適合于離子注入裝置的離子源裝置及離子束生成方法。

背景技術(shù)：
作為一種離子注入裝置用離子源裝置，已知有具備電子源及用于反射來自電子源的電子的反射極（repeller）的裝置（專利文獻(xiàn)1）。參考圖3對離子源裝置的一個例子進(jìn)行說明。圖3中，離子源裝置具備具有等離子體形成用空間的電弧室20。電弧室20在正面?zhèn)鹊谋谏暇哂星蔼M縫20-1，在側(cè)面?zhèn)鹊谋谏暇哂袣庠吹膶?dǎo)入部20-2。另外，離子源裝置還在中間夾置電弧室20的等離子體形成用空間的對置位置的一側(cè)設(shè)置有電子源，另一側(cè)設(shè)置有反射極23。電子源包括燈絲21和陰極22。如圖3B所示，前狹縫20-1的前方沿離子束的引出方向并列配置有具有使離子束通過的開口的抑制電極24和GND（接地）電極25。該離子源裝置以如下方式運行。首先，用燈絲電源26使燈絲21發(fā)熱而在燈絲21的前端產(chǎn)生熱電子。以陰極電源27使產(chǎn)生的熱電子進(jìn)行加速而沖擊陰極22，再以其沖擊時所產(chǎn)生的熱量對陰極22進(jìn)行加熱。被加熱的陰極22產(chǎn)生熱電子。所產(chǎn)生的熱電子通過在陰極22和電弧室20之間施加的電弧電源28的電弧電壓而被加速，并作為具有足夠用于使氣體分子電離的能量的射束電子在電弧室20內(nèi)放射。另一方面，向電弧室20內(nèi)導(dǎo)入來自導(dǎo)入部20-2的氣源，并且施加外部磁場F。另外，在電弧室20內(nèi)以與陰極22的熱電子放射面對置的方式設(shè)置反射極23。反射極23具有反射電子的功能。外部磁場F的方向與連結(jié)陰極22和反射極23的軸平行。因此，從陰極22放射的射束電子沿著外部磁場F在陰極22和反射極23之間進(jìn)行往復(fù)移動，并與導(dǎo)入到電弧室20內(nèi)的氣源分子沖擊而產(chǎn)生離子。其結(jié)果，在電弧室20內(nèi)生成等離子體。射束電子因施加磁場而大致存在于限定范圍內(nèi)，因此離子主要在該范圍內(nèi)生成并通過擴散到達(dá)電弧室20的內(nèi)壁、前狹縫20-1、陰極22及反射極23，進(jìn)而在壁面消失。另一方面，離子束的引出從擴散到前狹縫20-1的等離子體通過與磁場平行的狹縫而進(jìn)行。引出的離子束的電流（引出電流）受前狹縫20-1中的等離子體密度的影響較大。例如若前狹縫20-1中的等離子體密度高則可引出的射束電流（引出電流）變大。專利文獻(xiàn)1：日本特開2002-117780號公報但是，在電弧室20內(nèi)與平行于外部磁場F的等離子體擴散相比，很難進(jìn)行與外部磁場F垂直的方向的等離子體擴散。因此，等離子體密度在垂直于外部磁場F的方向急劇下降。在現(xiàn)有的離子源裝置中，射束引出部置于等離子體向垂直于外部磁場F的方向擴散的位置。即，前狹縫20-1設(shè)置于與外部磁場F的方向正交的方向的電弧室20的壁上。因此，前狹縫20-1中的等離子體密度變低，并且引出的離子束量即引出電流也受限制。目前，為了增加引出射束即提高前狹縫20-1中的等離子體密度，采用加大來自陰極22的熱電子電流等方法。此時，可想而知由于陰極22和反射極23中的等離子體密度也變高，因此產(chǎn)生陰極22的壽命變短等問題。離子注入裝置等離子源裝置中，以提高生產(chǎn)力的觀點來看，要求獲得更多來自離子源裝置的引出電流。為了獲得更多引出電流需要在離子源裝置的離子束引出部（前狹縫）附近生成密度更高的等離子體。因此需要對離子源裝置投入大功率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
相對于此，本發(fā)明的目的在于不投入大功率就能提高離子束引出部附近的等離子體密度進(jìn)而加大引出電流。根據(jù)本發(fā)明的形態(tài)提供一種離子束生成用離子源裝置，其特征在于，具備如下結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為，在具有等離子體形成用空間的電弧室設(shè)置放射用于生成使中性分子電離的射束電子的熱電子的陰極，并且以中間隔著所述等離子體形成用空間地與所述陰極的熱電子放射面對置的方式配置反射極，并且構(gòu)成為向所述等離子體形成用空間沿與連結(jié)所述陰極和所述反射極的軸平行的方向施加由源極磁場裝置感應(yīng)的外部磁場F，并構(gòu)成為在所述反射極中，在與形成于所述等離子體形成用空間的等離子體中密度最高的部分相對應(yīng)的部位設(shè)置開口部，并從該開口部引出離子束。該離子源裝置中所述離子束的引出方向與連結(jié)所述陰極和所述反射極的軸平行。在該離子源裝置中，所述開口部優(yōu)選設(shè)置于所述電弧室中的與離子束的出口開口對置的位置。所述開口部的形狀、所述離子束的出口開口的形狀可分別為圓形，也可為其他形狀。該離子源裝置中，所述開口部與所述離子束的出口開口大小相同或比所述離子束的出口開口小，并且優(yōu)選不使形成于所述等離子體形成用空間的等離子體密度下降的大小。該離子源裝置中，可具備能夠使所述反射極向連結(jié)所述陰極和所述反射極的軸的方向移動，且能夠改變所述離子束的出口開口和所述反射極之間的間隙的構(gòu)件。該離子源裝置中，所述反射極可不產(chǎn)生電位而浮動，或也可對所述反射極施加負(fù)恒定電位或負(fù)可變電位。該離子源裝置中，所述電弧室為筒狀并在其中心軸方向的一端側(cè)設(shè)置有包含所述陰極的電子源，并且另一端側(cè)設(shè)置有所述反射極，在所述電弧室的周圍以包圍該電弧室的筒壁的方式配置所述源極磁場裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一形態(tài)提供一種基于離子源裝置的離子束生成方法，其特征在于，所述離子源裝置具備如下結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為，在具有等離子體形成用空間的電弧室設(shè)置放射用于生成使中性分子電離的射束電子的熱電子的陰極，并且以中間隔著所述等離子體形成用空間地與所述陰極的熱電子放射面對置的方式配置反射極，在所述離子束生成方法中，向所述等離子體形成用空間沿與連結(jié)所述陰極和所述反射極的軸平行的方向施加由源極磁場裝置感應(yīng)的外部磁場F，在所述反射極中，從設(shè)置在與形成于所述等離子體形成用空間的等離子體中密度最高的部分相對應(yīng)的部位的開口部引出離子束。根據(jù)本發(fā)明的離子源裝置，能夠從與以往等離子體引出部的等離子體密度相比高出數(shù)十倍的高密度等離子體中引出離子束，因此能夠增加射束電流。另一方面，具有當(dāng)獲得與以往相同的射束電流時可使所投入的功率或?qū)霘怏w量較少的優(yōu)點。若要增加多價離子則需較高設(shè)定電弧電源的電壓，但是在以往若要提高陰極的等離子體密度則存在使陰極的壽命縮短的問題。但是，本發(fā)明中不提高陰極的等離子體密度，就能夠從與以往等離子體引出部的等離子體密度相比充分高并與陰極的等離子體密度大致相等的等離子體中引出離子束，因此與提高陰極的等離子體密度時相比延長了陰極的壽命。附圖說明圖1是用于說明本發(fā)明所涉及的離子源裝置的主視圖圖A及側(cè)視截面圖（圖b）。圖2是用于說明在圖1中的離子源裝置中，用于將反射極的位置設(shè)為可變的機構(gòu)的一例的側(cè)視截面圖。圖3是用于說明以往型的離子源裝置的主視截面圖（圖3A）及側(cè)視截面圖（圖3B）。具體實施方式參考圖1對基于本發(fā)明的離子源裝置的實施方式進(jìn)行說明。圖1A是從離子束的引出部側(cè)觀察離子源裝置的主視圖，但假設(shè)的是在排除圖1B所示的抑制電極14-1和接地電極14-2的狀態(tài)下觀察的情況。[結(jié)構(gòu)]圖1中，該離子源裝置具備具有等離子體形成用空間的電弧室10。電弧室10為筒狀，在此將圓筒狀的電弧室10橫置，在中心軸方向的一端側(cè)（背面?zhèn)龋?gòu)成電子源。與在圖3中所說明的電子源相同，該離子源裝置中的電子源也包括燈絲11及陰極12。陰極12從其熱電子放射面放射用于生成使中性分子電離的射束電子的熱電子。在電弧室10的中心軸方向的另一端側(cè)（正面?zhèn)龋┑膬?nèi)部以中間隔著等離子體形成用空間地與陰極12的熱電子放射面對置的方式設(shè)置有反射極13。在電弧室10的中心軸方向的另一端中心設(shè)置有離子束的出口開口10-1。此外，在電弧室10設(shè)置有用于向等離子體形成用空間導(dǎo)入氣源的氣體導(dǎo)入部，但省略了圖示。與圖3中所說明的例子相同，燈絲11上連接有燈絲電源16，燈絲11與陰極12之間連接有陰極電源17，電弧室10與陰極12之間連接有電弧電源18。在電弧室10的周圍以包圍電弧室10的筒壁的方式經(jīng)由同心筒狀的熱屏蔽件19配置有源極磁場裝置30。源極磁場裝置30在此通過電磁線圈30-1實現(xiàn)，向等離子體形成用空間沿與連接陰極12和反射極13的軸平行的方向感應(yīng)并施加外部磁場F。源極磁場裝置30除基于電磁線圈30-1的磁場之外，能夠由基于永久磁鐵裝置的磁場構(gòu)成。如圖3中說明，在電弧室10的中心軸方向的另一端側(cè)，朝離子束的引出方向并列配置有位于稍微遠(yuǎn)離離子束的出口開口10-1的外側(cè)位置的抑制電極14-1和GND（接地）電極14-2。如以上結(jié)構(gòu)中，本實施方式中反射極13以能夠在與電弧室10的中心軸方向的另一端之間產(chǎn)生預(yù)定間隙G的方式配置。反射極13中在與離子束的出口開口10-1對置的部位設(shè)置有開口部13-1。如后述，該對置部位為在板狀的反射極13中與形成于等離子體形成用空間的等離子體中離子密度最高的部分相對應(yīng)的部位。其結(jié)果，離子束的引出方向與連結(jié)陰極12和反射極13的軸平行，并且開口部13-1及出口開口10-1的中心與從其引出的離子束的中心軸相一致。在此，開口部13-1及出口開口10-1均為圓形形狀，但也可以是圓形以外的形狀。另外，將開口部13-1的大小設(shè)成等于或小于出口開口10-1，并且設(shè)置成不會降低形成于等離子體形成用空間的等離子體的密度的大小。另外，反射極13不產(chǎn)生電位，呈所謂浮動狀態(tài)，也可以在數(shù)十V的范圍內(nèi)施加相當(dāng)于足夠用以反射射束電子的大小的負(fù)固定電位或可變電位。如上所述，本實施方式所涉及的離子源裝置中，與以往相同，在電弧室10內(nèi)配置放射用于生成使中性分子電離的射束電子的熱電子的陰極12，并且以與陰極12的熱電子放射面對置的方式配置反射極13。并且，向與連結(jié)陰極12和反射極13的軸平行的方向施加由電磁線圈30-1感應(yīng)的外部磁場F。在此，以往關(guān)于離子束的引出，為了引出離子束在與外部磁場F的方向正交的方向的電弧室的正面?zhèn)鹊谋谏显O(shè)置前狹縫來引出離子束。相對于此，本實施方式中，在反射極13中，在與形成于等離子體形成空間的等離子體中離子密度最高的部分相對應(yīng)的部位設(shè)置開口部13-1，從其開口部13-1通過出口開口10-1來引出離子束。這種離子源裝置也可謂具有所謂軸對稱的結(jié)構(gòu)。[作用]接著，對開口部13-1的作用進(jìn)行說明。一般，從陰極12出來的射束電子沿外部磁場F移動并且在反射極13反跳，在陰極12與反射極13之間進(jìn)行往復(fù)運動期間，對從氣體導(dǎo)入部導(dǎo)入的中性氣體進(jìn)行離子化。所產(chǎn)生的離子漸漸向周圍的電弧室內(nèi)壁擴散。因此，等離子體密度在連結(jié)陰極12和反射極13的軸上且成為等離子體形成用空間的中心的A點（圖1a）上最高，在橫切外部磁場F而擴散的B點（電弧室10的筒壁附近）上等離子體密度迅速下降。另一方面，在連結(jié)陰極12和反射極13的軸上且接近于反射極13的C點，通過向沿著外部磁場F方向的擴散而成為所謂等離子體的兩極性擴散而易擴散，等離子體密度較高。這在接近于陰極12的部位也相同。在一定條件下的等離子體密度計算中，B點為A點的1/100左右，相比之下C點為A點的1/2。因此，在本實施方式中引出離子束的C點的等離子體密度與以往的對應(yīng)于離子束引出部的B點的等離子體密度相比大約高出50倍左右。另外，若在反射極13設(shè)置開口部13-1，則有助于使中性分子電離的一部分射束電子將在反射極13不進(jìn)行反跳，但是該射束電子到達(dá)引出部之后通過引出電位而進(jìn)行反跳，因此不會降低等離子體的生成效率。另外，通過將反射極13與離子束的出口開口10-1之間的距離（間隙G）設(shè)為可變，能夠調(diào)整離子束出口開口附近的等離子體密度，而能夠?qū)崿F(xiàn)特性更加優(yōu)異的離子束引出。圖2表示通過將反射極13的位置設(shè)為可變而將反射極13與離子束的出口開口10-1之間的間隙G設(shè)為可變的機構(gòu)的一例。圖2中在設(shè)置于離子源裝置的一端側(cè)（背面?zhèn)龋┑纳w部件40的外側(cè)設(shè)置有反射極位置調(diào)整裝置45。反射極位置調(diào)整裝置45具有貫穿蓋部件40并在電弧室10與熱屏蔽19之間向電弧室10的另一端側(cè)延伸的軸部件46。反射極位置調(diào)整裝置45構(gòu)成為能夠以手動或自動使軸部件46向軸向變位。軸部件46的前端呈鉤狀，通過設(shè)置于電弧室10的側(cè)壁的開口而保持反射極13，并且能夠使所保持的反射極13相對于電弧室10的出口開口10-1進(jìn)行接近或疏遠(yuǎn)。47為真空密封件。另外，如專利文獻(xiàn)1中的離子源裝置，當(dāng)同時使用反射極和射束引出孔時，射束引出孔與反射極同樣成為負(fù)電位，并通過激烈的濺射在短時間內(nèi)使射束引出孔變形，而阻礙射束引出。相對于此，根據(jù)本發(fā)明，相對于反射極為負(fù)電位，射束引出孔與等離子體為相同電位，因此不發(fā)生射束引出孔變形的問題，而能夠?qū)崿F(xiàn)射束引出孔的長壽化。根據(jù)上述實施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)從與以往的等離子體引出部的等離子體密度相比高出數(shù)十倍的高密度等離子體中引出離子束，因此能夠增加射束電流。另一方面，具有當(dāng)獲得與以往相同的射束電流時可使所投入的功率和導(dǎo)入氣體量較少的優(yōu)點。若是在以往，為了提高離子束的引出部的等離子體密度而提高陰極的等離子體密度，則存在縮短陰極的壽命的問題。但是，上述實施方式中，不提高陰極的等離子體密度，就能夠從與以往的等離子體引出部的等離子體密度相比充分高并與陰極的等離子體密度大致相等的等離子體中引出離子束，因此與提高陰極的等離子體密度時相比延長了陰極的壽命。以上，對本發(fā)明的優(yōu)先實施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于上述實施方式。對于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或詳細(xì)說明可在權(quán)利要求項中所記載的本發(fā)明的精神或范圍內(nèi)進(jìn)行業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同的各種變更。