JP2002334663A - 荷電粒子発生装置及びその発生方法 - Google Patents
荷電粒子発生装置及びその発生方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 真空排気系を小型に維持しながら、１台の装
置をイオン源と電子源とに切り換えて使用することがで
きる荷電粒子発生装置及びその発生方法を提供するこ
と。 【解決手段】 イオン発生モードとエレクトロン発生モ
ードとが切り換え可能な荷電粒子発生装置及びその方法
である。イオン発生モードでは、荷電粒子発生電極１０
０に設けられた原材料通路１０８を介して原材料を導い
て、荷電粒子発生電極１００の先端に原材料を供給す
る。さらに、荷電粒子発生電極１００側を正極性とし荷
電粒子引出し電極１１０側を負極性とする第１の電界を
形成して、荷電粒子発生電極１００より原材料からイオ
ンを発生させる。エレクトロン発生モードでは、原材料
供給部１３０からの原材料の供給を停止させる。さら
に、荷電粒子発生電極１００側を負極性とし荷電粒子引
出し電極１１０側を正極性とする第２の電界を形成し
て、荷電粒子発生電極１００自体よりエレクトロンを発
生させる。
置をイオン源と電子源とに切り換えて使用することがで
きる荷電粒子発生装置及びその発生方法を提供するこ
と。 【解決手段】 イオン発生モードとエレクトロン発生モ
ードとが切り換え可能な荷電粒子発生装置及びその方法
である。イオン発生モードでは、荷電粒子発生電極１０
０に設けられた原材料通路１０８を介して原材料を導い
て、荷電粒子発生電極１００の先端に原材料を供給す
る。さらに、荷電粒子発生電極１００側を正極性とし荷
電粒子引出し電極１１０側を負極性とする第１の電界を
形成して、荷電粒子発生電極１００より原材料からイオ
ンを発生させる。エレクトロン発生モードでは、原材料
供給部１３０からの原材料の供給を停止させる。さら
に、荷電粒子発生電極１００側を負極性とし荷電粒子引
出し電極１１０側を正極性とする第２の電界を形成し
て、荷電粒子発生電極１００自体よりエレクトロンを発
生させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン、エレクト
ロン等の荷電粒子の一方を、またはその双方を択一的に
発生させる荷電粒子発生装置及びその発生方法に関す
る。
ロン等の荷電粒子の一方を、またはその双方を択一的に
発生させる荷電粒子発生装置及びその発生方法に関す
る。
【０００２】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】従来のイ
オン源では、針状電極の周囲を例えば１０-8Ｐａ程度に
真空引きすると共に、常温では気体の原材料を針状電極
の先端部に供給して、針状電極の周囲は１０-2Ｐａ程度
となる。針状電極は、発生させたいイオン種に応じて冷
却され、それにより原材料ガスは液化され、針状電極と
引出し電極との間の強電界によってイオン化される。こ
のように、従来は原材料の液化のための冷却装置が不可
欠であった。また、供給される原材料の多くは真空排気
系に流れるため、原材料の有効利用ができずに無駄に消
費されていた。
オン源では、針状電極の周囲を例えば１０-8Ｐａ程度に
真空引きすると共に、常温では気体の原材料を針状電極
の先端部に供給して、針状電極の周囲は１０-2Ｐａ程度
となる。針状電極は、発生させたいイオン種に応じて冷
却され、それにより原材料ガスは液化され、針状電極と
引出し電極との間の強電界によってイオン化される。こ
のように、従来は原材料の液化のための冷却装置が不可
欠であった。また、供給される原材料の多くは真空排気
系に流れるため、原材料の有効利用ができずに無駄に消
費されていた。
【０００３】ところで近年、ナノテクノロジーの要請か
ら、１台の装置にて電子ビームとイオンビームとを放射
できる装置が切望されている。例えば、電子ビームとイ
オンビームの特徴を使い分けて描画や加工を行うことで
ある。あるいは、イオンビームによる描画やイオン打ち
込みなどのプロセス中に、その様子を電子線を用いてモ
ニタすることも考えられる。
ら、１台の装置にて電子ビームとイオンビームとを放射
できる装置が切望されている。例えば、電子ビームとイ
オンビームの特徴を使い分けて描画や加工を行うことで
ある。あるいは、イオンビームによる描画やイオン打ち
込みなどのプロセス中に、その様子を電子線を用いてモ
ニタすることも考えられる。
【０００４】この場合、上述のイオン源にて原材料の供
給を止め、針状電極から電子を放出することが考えられ
る。ただし、針状電極の先端部には原材料が吸着してい
るため、加熱機構によって吸着物を取り除き、清浄な面
より電子を放出させる必要があった。
給を止め、針状電極から電子を放出することが考えられ
る。ただし、針状電極の先端部には原材料が吸着してい
るため、加熱機構によって吸着物を取り除き、清浄な面
より電子を放出させる必要があった。
【０００５】このように、針状電極はイオン源として使
用されるときには冷却され、電子源として使用されると
きには加熱される。この結果、針状電極の温度を例えば
数Ｋから２０００Ｋ程度まで速やかに変更する必要があ
る。この結果、加熱機構に加えて、冷却装置として液体
ヘリウムや液体窒素などの槽や冷凍機が不可欠となる。
用されるときには冷却され、電子源として使用されると
きには加熱される。この結果、針状電極の温度を例えば
数Ｋから２０００Ｋ程度まで速やかに変更する必要があ
る。この結果、加熱機構に加えて、冷却装置として液体
ヘリウムや液体窒素などの槽や冷凍機が不可欠となる。
【０００６】また、針状電極の雰囲気圧力は、電子源と
して用いられる際には１０-8Ｐａであるのに対して、イ
オン源として用いられるときには原材料ガスに依存して
例えば１０-2Ｐａ程度となる。このような圧力差のある
各圧力に速やかに設定するには、負荷に強いターボ分子
ポンプ（油拡散ポンプ）が必要である。しかも差動排気
方式を用いるなど、真空排気系でも大きな問題が生ず
る。
して用いられる際には１０-8Ｐａであるのに対して、イ
オン源として用いられるときには原材料ガスに依存して
例えば１０-2Ｐａ程度となる。このような圧力差のある
各圧力に速やかに設定するには、負荷に強いターボ分子
ポンプ（油拡散ポンプ）が必要である。しかも差動排気
方式を用いるなど、真空排気系でも大きな問題が生ず
る。
【０００７】本発明の目的は、イオン源、電子源の一方
あるいはその双方に適した、新規な構造の荷電粒子発生
装置及びその発生方法を提供することにある。
あるいはその双方に適した、新規な構造の荷電粒子発生
装置及びその発生方法を提供することにある。
【０００８】本発明の他の目的は、原材料を液化温度ま
で冷却することなくイオン化させることができる荷電粒
子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
で冷却することなくイオン化させることができる荷電粒
子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
【０００９】本発明のさらに他の目的は、原材料を無駄
に消費させることなくイオン化させることができる荷電
粒子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
に消費させることなくイオン化させることができる荷電
粒子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
【００１０】本発明のさらに他の目的は、原材料の供給
によってエレクトロンを発生させることができる荷電粒
子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
によってエレクトロンを発生させることができる荷電粒
子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
【００１１】本発明のさらに他の目的は、荷電粒子発生
電極の材質に拘らず、電子流密度の大きいエレクトロン
を発生することができる荷電粒子発生装置及びその発生
方法を提供することにある。
電極の材質に拘らず、電子流密度の大きいエレクトロン
を発生することができる荷電粒子発生装置及びその発生
方法を提供することにある。
【００１２】本発明のさらに他の目的は、真空排気系を
小型に維持しながら、１台の装置をイオン源と電子源と
に切り換えて使用することができる荷電粒子発生装置及
びその発生方法を提供することにある。
小型に維持しながら、１台の装置をイオン源と電子源と
に切り換えて使用することができる荷電粒子発生装置及
びその発生方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様に係る荷
電粒子発生装置は、基端部から自由端部に連通する原材
料通路を有する荷電粒子発生電極と、前記基端部に連結
され、前記荷電粒子発生電極の前記原材料通路に原材料
を供給する原材料供給部と、前記荷電粒子発生電極の前
記自由端部との間に電界を形成する荷電粒子引出し電極
とを有することを特徴とする。
電粒子発生装置は、基端部から自由端部に連通する原材
料通路を有する荷電粒子発生電極と、前記基端部に連結
され、前記荷電粒子発生電極の前記原材料通路に原材料
を供給する原材料供給部と、前記荷電粒子発生電極の前
記自由端部との間に電界を形成する荷電粒子引出し電極
とを有することを特徴とする。
【００１４】本発明によれば、原材料は荷電粒子発生電
極自体に設けられた原材料通路を経由して、原材料供給
部より荷電粒子発生電極の自由端部（または先端部）に
導かれる。この荷電粒子発生電極の自由端部と荷電粒子
引出し電極との間には電界が形成されているので、その
自由端部に位置する原材料から荷電粒子が発生する。
極自体に設けられた原材料通路を経由して、原材料供給
部より荷電粒子発生電極の自由端部（または先端部）に
導かれる。この荷電粒子発生電極の自由端部と荷電粒子
引出し電極との間には電界が形成されているので、その
自由端部に位置する原材料から荷電粒子が発生する。
【００１５】この荷電粒子は、電界の方向に依存して、
イオンまたはエレクトロンとなる。
イオンまたはエレクトロンとなる。
【００１６】ここで、荷電粒子発生電極側を正極性とし
荷電粒子引出し電極側を負極性とする電界を形成すれ
ば、荷電粒子発生電極の自由端部にて原材料からイオン
を発生させることができる。
荷電粒子引出し電極側を負極性とする電界を形成すれ
ば、荷電粒子発生電極の自由端部にて原材料からイオン
を発生させることができる。
【００１７】逆に、荷電粒子発生電極側を負極性とし荷
電粒子引出し電極側を正極性とする電界を形成して、荷
電粒子発生電極の自由端部にて原材料からエレクトロン
を発生させることができる。
電粒子引出し電極側を正極性とする電界を形成して、荷
電粒子発生電極の自由端部にて原材料からエレクトロン
を発生させることができる。
【００１８】あるいは、荷電粒子発生電極側を正極性と
し荷電粒子引出し電極側を負極性とする第１の電界と、
荷電粒子発生電極側を負極性とし荷電粒子引出し電極側
を正極性とする第２の電界とを切り換えて形成してもよ
い。こうすると、荷電粒子発生電極の自由端部にて原材
料からイオン及びエレクトロンを切り換えて発生させる
ことができる。
し荷電粒子引出し電極側を負極性とする第１の電界と、
荷電粒子発生電極側を負極性とし荷電粒子引出し電極側
を正極性とする第２の電界とを切り換えて形成してもよ
い。こうすると、荷電粒子発生電極の自由端部にて原材
料からイオン及びエレクトロンを切り換えて発生させる
ことができる。
【００１９】ここで、原材料からエレクトロンを発生す
る際には、原材料供給部は、荷電粒子発生電極の素材よ
りも低い仕事関数を持つ原材料を供給することができ
る。こうすると、電子流密度の大きいエレクトロンを発
生させる温度、電界などの条件が緩和される。
る際には、原材料供給部は、荷電粒子発生電極の素材よ
りも低い仕事関数を持つ原材料を供給することができ
る。こうすると、電子流密度の大きいエレクトロンを発
生させる温度、電界などの条件が緩和される。
【００２０】本発明の他の態様に係る荷電粒子発生装置
は、基端部から自由端部に連通する原材料通路を有する
荷電粒子発生電極と、前記基端部に連結され、前記荷電
粒子発生電極の前記原材料通路に原材料を供給する原材
料供給部と、前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との
間に電界を形成する荷電粒子引出し電極と、イオン発生
モードでは、前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記
荷電粒子引出し電極側を負極性とする第１の電界を、エ
レクトロン発生モードでは、前記荷電粒子発生電極側を
負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極性とする第
２の電界を形成する電界形成電源部と、前記エレクトロ
ン発生モードにて前記原材材料供給部からの原材料の供
給を停止する原材料供給停止部とを有することを特徴と
する。
は、基端部から自由端部に連通する原材料通路を有する
荷電粒子発生電極と、前記基端部に連結され、前記荷電
粒子発生電極の前記原材料通路に原材料を供給する原材
料供給部と、前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との
間に電界を形成する荷電粒子引出し電極と、イオン発生
モードでは、前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記
荷電粒子引出し電極側を負極性とする第１の電界を、エ
レクトロン発生モードでは、前記荷電粒子発生電極側を
負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極性とする第
２の電界を形成する電界形成電源部と、前記エレクトロ
ン発生モードにて前記原材材料供給部からの原材料の供
給を停止する原材料供給停止部とを有することを特徴と
する。
【００２１】本発明の他の態様では、エレクトロン発生
モードでは原材料の供給を停止している。こうすると、
荷電粒子発生電極自体からエレクトロンが放出される。
イオン発生モードとエレクトロン発生モードとで使用す
る原材料が異なる場合と比較すれば、原材料の供給を停
止するだけなので、制御が簡易となる。
モードでは原材料の供給を停止している。こうすると、
荷電粒子発生電極自体からエレクトロンが放出される。
イオン発生モードとエレクトロン発生モードとで使用す
る原材料が異なる場合と比較すれば、原材料の供給を停
止するだけなので、制御が簡易となる。
【００２２】ここで、本発明の各態様では、荷電粒子発
生電極の温度を調整する温調部をさらに設けることがで
きる。この温調により、原材料の供給量を制御できた
り、荷電粒子発生電極を清浄にしたり、荷電粒子発生電
極より熱電子を放出させたりすることが可能となる。
生電極の温度を調整する温調部をさらに設けることがで
きる。この温調により、原材料の供給量を制御できた
り、荷電粒子発生電極を清浄にしたり、荷電粒子発生電
極より熱電子を放出させたりすることが可能となる。
【００２３】また、本発明の各態様で用いられる荷電粒
子発生電極は、中心部を貫通する微細直径の空洞を有す
るチューブ構造にて構成できる。この電極チューブ構造
は、カーボンにて構成できる。特に、円筒網状に炭素原
子が配列した単層のナノチューブ（カーボンナノチュー
ブ）あるいは径の異なるナノチューブを多層に積層した
ナノファイバーにて荷電粒子発生電極を形成することが
できる。円筒網状の構造は、不定形カーボン、多結晶カ
ーボン、あるいは墨と同様な炭素の単原子層から構成で
きる。
子発生電極は、中心部を貫通する微細直径の空洞を有す
るチューブ構造にて構成できる。この電極チューブ構造
は、カーボンにて構成できる。特に、円筒網状に炭素原
子が配列した単層のナノチューブ（カーボンナノチュー
ブ）あるいは径の異なるナノチューブを多層に積層した
ナノファイバーにて荷電粒子発生電極を形成することが
できる。円筒網状の構造は、不定形カーボン、多結晶カ
ーボン、あるいは墨と同様な炭素の単原子層から構成で
きる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
て図面を参照して説明する。
【００２５】（荷電粒子発生装置の構成）図１は、本実
施の形態に係る荷電粒子発生装置の模式図である。
施の形態に係る荷電粒子発生装置の模式図である。
【００２６】図１において、この荷電粒子発生装置は、
荷電粒子発生電極１００と、荷電粒子引出し電極１１０
と、それらの間に強電界を形成する電界形成電源部１２
０とを有している。
荷電粒子発生電極１００と、荷電粒子引出し電極１１０
と、それらの間に強電界を形成する電界形成電源部１２
０とを有している。
【００２７】荷電粒子発生電極１００は、例えば絶縁体
で構成された原材料溜め１３０に支持されている。この
原材料溜め１３０には、原材料の供給口１３２が設けら
れ、バルブ１３４により原材料の供給／停止が可能とな
っている。
で構成された原材料溜め１３０に支持されている。この
原材料溜め１３０には、原材料の供給口１３２が設けら
れ、バルブ１３４により原材料の供給／停止が可能とな
っている。
【００２８】荷電粒子引出し電極１１０は、絶縁性の電
極支持体１４０を介して原材料溜め１３０に支持されて
いる。
極支持体１４０を介して原材料溜め１３０に支持されて
いる。
【００２９】なお、図２では原料溜め１３０を絶縁体で
構成しているが、導電体で構成しても良い。この場合、
原料溜め１３０に連結される供給口１３２を高圧導入端
子として用いることで、荷電粒子発生電極への高電圧の
供給を原料溜め１３０を介して実施することができる。
構成しているが、導電体で構成しても良い。この場合、
原料溜め１３０に連結される供給口１３２を高圧導入端
子として用いることで、荷電粒子発生電極への高電圧の
供給を原料溜め１３０を介して実施することができる。
【００３０】図２は、荷電粒子発生電極１００を模式的
に示す拡大図である。図２において、荷電粒子発生電極
１００は例えば、同心円筒状の多層のカーボンチューブ
１０２にて形成されている。図２では模式的に５層のカ
ーボンチューブ１０２ａ〜１０２ｅが示されている。こ
のカーボンチューブ１０２の自由端部は、例えばＫＯＨ
溶液などでエッチングすることで針状に形成されてい
る。カーボンチューブ１０２の外周面にはＴａメッキま
たはＮｉメッキなどのメッキ層１０４が形成されてい
る。メッキ層１０４は、例えばメッキ層形成後に濃硫
酸、濃塩酸などにてウェットエッチングすることで、カ
ーボンチューブ１０２の自由端部では除去されている。
に示す拡大図である。図２において、荷電粒子発生電極
１００は例えば、同心円筒状の多層のカーボンチューブ
１０２にて形成されている。図２では模式的に５層のカ
ーボンチューブ１０２ａ〜１０２ｅが示されている。こ
のカーボンチューブ１０２の自由端部は、例えばＫＯＨ
溶液などでエッチングすることで針状に形成されてい
る。カーボンチューブ１０２の外周面にはＴａメッキま
たはＮｉメッキなどのメッキ層１０４が形成されてい
る。メッキ層１０４は、例えばメッキ層形成後に濃硫
酸、濃塩酸などにてウェットエッチングすることで、カ
ーボンチューブ１０２の自由端部では除去されている。
【００３１】さらに、カーボンチューブ１０２の基部端
には、例えばタングステン（Ｗ）などの材質から成る電
極支持体１０６が例えば溶接によって形成されている。
なお、メッキ層１０４はカーボンチューブ１０２に電極
支持体１０６を一体化させるために形成されている。
には、例えばタングステン（Ｗ）などの材質から成る電
極支持体１０６が例えば溶接によって形成されている。
なお、メッキ層１０４はカーボンチューブ１０２に電極
支持体１０６を一体化させるために形成されている。
【００３２】この荷電粒子発生電極は、単層または多層
のカーボンナノチューブを単一あるいは複数束ねて構成
しても良い。この場合、カーボンナノチューブの自由端
部は元々極小径であるので、自由端部を針状に加工しな
くても、針状電極として十分に機能させることが可能と
なる。
のカーボンナノチューブを単一あるいは複数束ねて構成
しても良い。この場合、カーボンナノチューブの自由端
部は元々極小径であるので、自由端部を針状に加工しな
くても、針状電極として十分に機能させることが可能と
なる。
【００３３】このように荷電粒子発生電極１００は、単
層または多層のカーボンチューブ１０２にて形成され、
カーボンチューブ１０２自体は網状筒体となっている。
従って、荷電粒子発生電極１００を構成するカーボンチ
ューブ１０２の網状の目、筒体の中空部、筒体間の間隙
などが、原材料通路路１０８として機能することにな
る。換言すれば、原材料溜め１３０と、荷電粒子発生電
極１００の自由端部とは、荷電粒子発生電極１００の原
材料通路１０８を介して連通している。
層または多層のカーボンチューブ１０２にて形成され、
カーボンチューブ１０２自体は網状筒体となっている。
従って、荷電粒子発生電極１００を構成するカーボンチ
ューブ１０２の網状の目、筒体の中空部、筒体間の間隙
などが、原材料通路路１０８として機能することにな
る。換言すれば、原材料溜め１３０と、荷電粒子発生電
極１００の自由端部とは、荷電粒子発生電極１００の原
材料通路１０８を介して連通している。
【００３４】さらに、荷電粒子発生電極１００の周囲に
は、温度調整部として例えばヒータ１５０が配設されて
いる。このヒータ１５０による加熱方式としては、荷電
粒子発生電極１００を直接加熱しても間接加熱しても良
い。
は、温度調整部として例えばヒータ１５０が配設されて
いる。このヒータ１５０による加熱方式としては、荷電
粒子発生電極１００を直接加熱しても間接加熱しても良
い。
【００３５】（イオン源としての荷電粒子発生装置の動
作説明）図３は、図１の装置をイオン源として用いる時
の動作説明図である。図１の装置をイオン源として用い
て正イオンを発生させるには、図３に示すように、荷電
粒子発生電極１００側を正極性とし、荷電粒子引出し電
極１１０側を負極性とする強電界とする電界を、電界形
成電源部１２０により形成する。
作説明）図３は、図１の装置をイオン源として用いる時
の動作説明図である。図１の装置をイオン源として用い
て正イオンを発生させるには、図３に示すように、荷電
粒子発生電極１００側を正極性とし、荷電粒子引出し電
極１１０側を負極性とする強電界とする電界を、電界形
成電源部１２０により形成する。
【００３６】また、バルブ１３４を開いて導入口１３２
より原材料溜め１３０内にイオン種となる原材料を供給
する。
より原材料溜め１３０内にイオン種となる原材料を供給
する。
【００３７】ここで、荷電粒子発生電極１００の周囲の
雰囲気圧力は、例えば１０-8Ｐａ程度まで、図示しない
ポンプにて真空引きされる。
雰囲気圧力は、例えば１０-8Ｐａ程度まで、図示しない
ポンプにて真空引きされる。
【００３８】この真空雰囲気と原材料溜め１３０とは、
荷電粒子発生電極１００の原材料通路１０８を介して連
通している。
荷電粒子発生電極１００の原材料通路１０８を介して連
通している。
【００３９】このため、原材料溜め１３０内の原材料
は、荷電粒子発生電極１００の原材料通路１０８を経由
して荷電粒子発生電極１００の基端部より自由端部側に
向けて拡散し、または差圧により移送される。
は、荷電粒子発生電極１００の原材料通路１０８を経由
して荷電粒子発生電極１００の基端部より自由端部側に
向けて拡散し、または差圧により移送される。
【００４０】こうして荷電粒子発生電極１００の自由端
部まで拡散された原材料は、上述の強電界によりイオン
化され、その陽イオンが荷電粒子引出し電極１１０によ
り引き出されて、イオンビームを放射することができ
る。
部まで拡散された原材料は、上述の強電界によりイオン
化され、その陽イオンが荷電粒子引出し電極１１０によ
り引き出されて、イオンビームを放射することができ
る。
【００４１】このとき、従来装置では、荷電粒子発生電
極の周囲で原材料ガスを液化させるための液体ヘリウ
ム、液体窒素などの槽や冷凍機が必要であったが、本実
施の形態では不要となる。
極の周囲で原材料ガスを液化させるための液体ヘリウ
ム、液体窒素などの槽や冷凍機が必要であったが、本実
施の形態では不要となる。
【００４２】また、荷電粒子発生電極１００が例えばカ
ーボンチューブ１０２にて形成されて極めて小径の原材
料通路１０８を有すれば、供給された原材料はほとんど
イオン化され、無駄に消費されることがない。
ーボンチューブ１０２にて形成されて極めて小径の原材
料通路１０８を有すれば、供給された原材料はほとんど
イオン化され、無駄に消費されることがない。
【００４３】ここで、供給される原材料としては、発生
させたいイオン種に応じて選択できる。この荷電粒子発
生装置がイオン注入装置のイオン源として用いられる場
合、打ち込みたいイオン種に応じて原材料を選択するこ
とができる。イオンビームを用いてワークを加工する場
合のように、イオン種に特に制限がない場合には、例え
ばセシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）などのように、
仕事関数の絶対値が低い原材料を供給することが好まし
い。緩和された温度条件の下で所望のイオン電流を確保
できるからである。
させたいイオン種に応じて選択できる。この荷電粒子発
生装置がイオン注入装置のイオン源として用いられる場
合、打ち込みたいイオン種に応じて原材料を選択するこ
とができる。イオンビームを用いてワークを加工する場
合のように、イオン種に特に制限がない場合には、例え
ばセシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）などのように、
仕事関数の絶対値が低い原材料を供給することが好まし
い。緩和された温度条件の下で所望のイオン電流を確保
できるからである。
【００４４】なお、原材料が原材料通路１０８を通過す
る速度は、原材料の供給圧、チャンバー内の真空度の
他、ヒータ１５０の温度設定により調節することも可能
である。
る速度は、原材料の供給圧、チャンバー内の真空度の
他、ヒータ１５０の温度設定により調節することも可能
である。
【００４５】このような電界電離型イオン源は、イオン
マイクロアナライザー、イオンビーム描画装置、露光装
置、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、ミーリング装置、イ
オン注入装置等に利用出来る。
マイクロアナライザー、イオンビーム描画装置、露光装
置、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、ミーリング装置、イ
オン注入装置等に利用出来る。
【００４６】（電子源としての荷電粒子発生装置の動作
説明１）図４は、図１の装置を電子源として用いる時の
動作説明図である。図１の装置を電子源として用いてエ
レクトロンを発生させるには、図４に示すように、荷電
粒子発生電極１００側を負極性とし、荷電粒子引出し電
極１１０側を正極性とする強電界とする電界を、電界形
成電源部１２０により形成する。
説明１）図４は、図１の装置を電子源として用いる時の
動作説明図である。図１の装置を電子源として用いてエ
レクトロンを発生させるには、図４に示すように、荷電
粒子発生電極１００側を負極性とし、荷電粒子引出し電
極１１０側を正極性とする強電界とする電界を、電界形
成電源部１２０により形成する。
【００４７】また、バルブ１３４を開いて導入口１３２
より原材料溜め１３０内に原材料を供給する。こうする
と、イオン源の場合と同様にして、原材料溜め１３０内
の原材料は、荷電粒子発生電極１００の原材料通路１０
８を経由して荷電粒子発生電極１００の基端部より自由
端部側に向けて拡散する。
より原材料溜め１３０内に原材料を供給する。こうする
と、イオン源の場合と同様にして、原材料溜め１３０内
の原材料は、荷電粒子発生電極１００の原材料通路１０
８を経由して荷電粒子発生電極１００の基端部より自由
端部側に向けて拡散する。
【００４８】こうして荷電粒子発生電極１００の自由端
部まで拡散された原材料は、ヒータ１５０によって設定
された温度と、上述の電界とにより電離されて、そのエ
レクトロンが荷電粒子引出し電極１１０により引き出さ
れて、電子を放射することができる。なお、原材料自ら
の低い仕事関数によって、低い電界でもエレクトロンを
放射することが可能となる。
部まで拡散された原材料は、ヒータ１５０によって設定
された温度と、上述の電界とにより電離されて、そのエ
レクトロンが荷電粒子引出し電極１１０により引き出さ
れて、電子を放射することができる。なお、原材料自ら
の低い仕事関数によって、低い電界でもエレクトロンを
放射することが可能となる。
【００４９】このとき、従来装置では、荷電粒子発生電
極よりエレクトロンが発生するので、その電子流密度は
荷電粒子発生電極の素材によって決まっていた。
極よりエレクトロンが発生するので、その電子流密度は
荷電粒子発生電極の素材によって決まっていた。
【００５０】本実施の形態では、原材料の低い仕事関数
によって容易にエレクトロンが放射されるので、荷電粒
子発生電極１００の素材は、各種ガスに対する耐食性の
高いカーボンとすることができる。このカーボンは仕事
関数が４．５（Ｖ）と高い。従来装置の荷電粒子発生電
極はタングステン（Ｗ）が多く使用されているが、その
仕事関数も４．５４（Ｖ）とほぼカーボンと同じであ
る。タングステン（Ｗ）は、陰極温度２５００Ｋで２６
００Ａ／ｍ2の熱電子放射電流密度が得られる。
によって容易にエレクトロンが放射されるので、荷電粒
子発生電極１００の素材は、各種ガスに対する耐食性の
高いカーボンとすることができる。このカーボンは仕事
関数が４．５（Ｖ）と高い。従来装置の荷電粒子発生電
極はタングステン（Ｗ）が多く使用されているが、その
仕事関数も４．５４（Ｖ）とほぼカーボンと同じであ
る。タングステン（Ｗ）は、陰極温度２５００Ｋで２６
００Ａ／ｍ2の熱電子放射電流密度が得られる。
【００５１】一方、例えば仕事関数が０．９５（Ｖ）と
低いバリウム・ストロンチウム（Ｂａ／ＳｒＯ）では、
タングステン（Ｗ）と同じ熱電子放射密度を得るには、
陰極温度が９００Ｋ程度で良く、約１６００Ｋも低い温
度で達成できることになる。
低いバリウム・ストロンチウム（Ｂａ／ＳｒＯ）では、
タングステン（Ｗ）と同じ熱電子放射密度を得るには、
陰極温度が９００Ｋ程度で良く、約１６００Ｋも低い温
度で達成できることになる。
【００５２】ところで、電子源の求められる特性は、所
定のエネルギーを持った電子を、電子流密度が高くかつ
干渉性の良い電子ビームとして放射することであり、電
子流密度を高くすることで高輝度エミッタを実現でき
る。
定のエネルギーを持った電子を、電子流密度が高くかつ
干渉性の良い電子ビームとして放射することであり、電
子流密度を高くすることで高輝度エミッタを実現でき
る。
【００５３】本実施の形態の荷電粒子発生電極の素材と
して使用されるカーボン（Ｃ）は、融点が高く、種々の
気体に対する耐蝕性にも優れているが、その仕事関数は
４．５（Ｖ）とタングステンの仕事関数に近く、高輝度
エミッタとして使用するためには、強い電界強度、より
細い電極先端形状、あるいはより高い温度が必要であっ
た。
して使用されるカーボン（Ｃ）は、融点が高く、種々の
気体に対する耐蝕性にも優れているが、その仕事関数は
４．５（Ｖ）とタングステンの仕事関数に近く、高輝度
エミッタとして使用するためには、強い電界強度、より
細い電極先端形状、あるいはより高い温度が必要であっ
た。
【００５４】本実施の形態では、単体での仕事関数が
２．１１（Ｖ）のバリウム（Ｂａ）や、仕事関数が１．
８１（Ｖ）のセシウム（Ｃｓ）など、電極素材のカーボ
ンより仕事関数が低い原材料を電極表面に形成すること
で、高輝度エミッタを実現することが可能となる。
２．１１（Ｖ）のバリウム（Ｂａ）や、仕事関数が１．
８１（Ｖ）のセシウム（Ｃｓ）など、電極素材のカーボ
ンより仕事関数が低い原材料を電極表面に形成すること
で、高輝度エミッタを実現することが可能となる。
【００５５】従来はタングステン（Ｗ）電極の表面に、
低仕事関数の材料をコートした電極が使われることもあ
った。例えばバリウム（Ｂａ）をタングステン（Ｗ）に
コートしたＷ／Ｂａは仕事関数が１．５６（Ｖ）とな
る。同様に、Ｗ／Ｃｓ（セシウム）の仕事関数は１．３
６（Ｖ）、Ｗ／Ｔｈ（トリウム）の仕事関数は２．６３
（Ｖ）、Ｗ／Ｙ（イットリウム）の仕事関数は２．７０
（Ｖ）、Ｗ／Ｚｒ（ジルコニウム）の仕事関数は３．１
４（Ｖ）となる。しかし、これらの電極は、コートされ
た低仕事関数の材料が消耗した時点で電極ごと交換しな
ければならなかった。
低仕事関数の材料をコートした電極が使われることもあ
った。例えばバリウム（Ｂａ）をタングステン（Ｗ）に
コートしたＷ／Ｂａは仕事関数が１．５６（Ｖ）とな
る。同様に、Ｗ／Ｃｓ（セシウム）の仕事関数は１．３
６（Ｖ）、Ｗ／Ｔｈ（トリウム）の仕事関数は２．６３
（Ｖ）、Ｗ／Ｙ（イットリウム）の仕事関数は２．７０
（Ｖ）、Ｗ／Ｚｒ（ジルコニウム）の仕事関数は３．１
４（Ｖ）となる。しかし、これらの電極は、コートされ
た低仕事関数の材料が消耗した時点で電極ごと交換しな
ければならなかった。
【００５６】なお、原材料が原材料通路１０８を通過す
る速度は、原材料の供給圧、チャンバー内の真空度の
他、ヒータ１５０の温度設定により調節することも可能
であることは、イオン源の場合と同じである。
る速度は、原材料の供給圧、チャンバー内の真空度の
他、ヒータ１５０の温度設定により調節することも可能
であることは、イオン源の場合と同じである。
【００５７】このような電子源は、走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）、電子線描画装置、露光装置、Ｘ線マイクロ
アナライザー等に利用できる。
（ＳＥＭ）、電子線描画装置、露光装置、Ｘ線マイクロ
アナライザー等に利用できる。
【００５８】（荷電粒子発生装置をイオン源／電子源に
兼用する動作説明）図３と図４との各動作を交互に実施
することができる。この場合、少なくとも電界方向を互
いに逆になるように変えればよい。供給される原材料
は、必要により変更しても良いし、必ずしも変更しなく
ても良い。
兼用する動作説明）図３と図４との各動作を交互に実施
することができる。この場合、少なくとも電界方向を互
いに逆になるように変えればよい。供給される原材料
は、必要により変更しても良いし、必ずしも変更しなく
ても良い。
【００５９】ここで、従来装置ではイオン源として用い
た時のチャンバー内圧力である１０ -2Ｐａと、電子源と
して用いるための１０-8Ｐａとの間でターボ分子ポンプ
等を用いて圧力設定する必要があった。本実施の形態で
は、荷電粒子発生装置をイオン源として用いる時も、電
子源として用いるときにも、チャンバー内圧力はほとん
ど変動がない。換言すれば、荷電粒子発生電極１００に
設けられた原材料通路１０８の大きさは、荷電粒子発生
電極１００の自由端部での圧力変動をほとんど生じさせ
ない程度で原材料を供給するものである。このため、本
実施の形態では従来装置のような大型ポンプは不要であ
る。
た時のチャンバー内圧力である１０ -2Ｐａと、電子源と
して用いるための１０-8Ｐａとの間でターボ分子ポンプ
等を用いて圧力設定する必要があった。本実施の形態で
は、荷電粒子発生装置をイオン源として用いる時も、電
子源として用いるときにも、チャンバー内圧力はほとん
ど変動がない。換言すれば、荷電粒子発生電極１００に
設けられた原材料通路１０８の大きさは、荷電粒子発生
電極１００の自由端部での圧力変動をほとんど生じさせ
ない程度で原材料を供給するものである。このため、本
実施の形態では従来装置のような大型ポンプは不要であ
る。
【００６０】（電子源としての荷電粒子発生装置の動作
説明２）１台の荷電粒子発生装置を、イオン源／電子源
として使い分ける場合には、電子源として動作は図４に
示す動作に限定されることはない。
説明２）１台の荷電粒子発生装置を、イオン源／電子源
として使い分ける場合には、電子源として動作は図４に
示す動作に限定されることはない。
【００６１】図５は、荷電粒子発生装置を電子源として
動作させる場合の他の実施形態を示している。
動作させる場合の他の実施形態を示している。
【００６２】図５では電界形成について図４と同じであ
るが、図４とは異なり原材料の供給を停止している。こ
の場合、カーボンチューブ１０２で形成された荷電粒子
発生電極１００自体から電子が放出されることになる。
るが、図４とは異なり原材料の供給を停止している。こ
の場合、カーボンチューブ１０２で形成された荷電粒子
発生電極１００自体から電子が放出されることになる。
【００６３】この場合には、予めヒータ１５０よって荷
電粒子発生電極１００を加熱して、その自由端部に付着
していた原材料を除去することができる。こうして、荷
電粒子発生電極１００の表面が清浄となり、電子を放出
し易くなるからである。
電粒子発生電極１００を加熱して、その自由端部に付着
していた原材料を除去することができる。こうして、荷
電粒子発生電極１００の表面が清浄となり、電子を放出
し易くなるからである。
【００６４】なお、原材料の供給を停止しても、荷電粒
子発生電極１００の周囲圧力はほとんど変更されないの
で、この場合でも大型ポンプは不要である。
子発生電極１００の周囲圧力はほとんど変更されないの
で、この場合でも大型ポンプは不要である。
【００６５】また、電子源として使用する間に亘って、
荷電粒子発生電極１００をヒータ１５０によって加熱し
続けても良い。こうすると、荷電粒子発生電極１００を
熱電界放射電子源として利用できる。
荷電粒子発生電極１００をヒータ１５０によって加熱し
続けても良い。こうすると、荷電粒子発生電極１００を
熱電界放射電子源として利用できる。
【００６６】図４の場合であって、イオン源として用い
るときの原材料と、電子源として用いるときの原材料と
が互いに異なる場合と比較すれば、図５の方はバルブ１
３４をオン／オフするだけで良いから容易である。図４
の場合であって、イオン発生モードとエレクトロン発生
モードとで使用する原材料が異なる場合には、原材料同
士が混合しないように、原材料溜め１３０を排気するな
どの必要があるからである。
るときの原材料と、電子源として用いるときの原材料と
が互いに異なる場合と比較すれば、図５の方はバルブ１
３４をオン／オフするだけで良いから容易である。図４
の場合であって、イオン発生モードとエレクトロン発生
モードとで使用する原材料が異なる場合には、原材料同
士が混合しないように、原材料溜め１３０を排気するな
どの必要があるからである。
【００６７】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形
実施が可能である。
れるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形
実施が可能である。
【００６８】例えば、荷電粒子発生電極１００の構造に
ついては、図２は一例を挙げたものに過ぎず、原材料通
路１０８を有する他の種々の構造の荷電粒子発生電極を
採用することができる。
ついては、図２は一例を挙げたものに過ぎず、原材料通
路１０８を有する他の種々の構造の荷電粒子発生電極を
採用することができる。
【００６９】また、荷電粒子発生装置の全体構成とし
て、図１に示す構造に代えて図６に示す構造を採用でき
る。図６では、現在実用化されている荷電粒子発生装置
の発生源に用いられるヘアピンフィラメント部分と同じ
ような外観を有する原材料溜め２００が、碍子２１０に
支持されている。この中空形状の原材料溜め２００の一
端２０２には、原材料供給口２２０から原材料が供給さ
れ、他端２０４は例えば密閉され、通路２０６に原材料
が充填される。
て、図１に示す構造に代えて図６に示す構造を採用でき
る。図６では、現在実用化されている荷電粒子発生装置
の発生源に用いられるヘアピンフィラメント部分と同じ
ような外観を有する原材料溜め２００が、碍子２１０に
支持されている。この中空形状の原材料溜め２００の一
端２０２には、原材料供給口２２０から原材料が供給さ
れ、他端２０４は例えば密閉され、通路２０６に原材料
が充填される。
【００７０】図６のＡ部拡大図である図７に示すよう
に、通路２０６には、カーボンチューブなどにて形成さ
れた荷電粒子発生電極１００が、例えばメッキ層または
導電性接着剤２３０にて固定支持されている。図６の構
造であっても、通路２０６を介して荷電粒子発生電極１
００の自由端部に導かれた原材料からイオンを放射でき
る。また、図６の装置においても、図１の装置と同様に
して電子源として利用できる。なお、荷電粒子発生電極
１００を支持する原材料溜め２００は、金属（タングス
テン等）またはカーボンにて形成でき、荷電粒子発生電
極１００の加熱に利用しても良い。
に、通路２０６には、カーボンチューブなどにて形成さ
れた荷電粒子発生電極１００が、例えばメッキ層または
導電性接着剤２３０にて固定支持されている。図６の構
造であっても、通路２０６を介して荷電粒子発生電極１
００の自由端部に導かれた原材料からイオンを放射でき
る。また、図６の装置においても、図１の装置と同様に
して電子源として利用できる。なお、荷電粒子発生電極
１００を支持する原材料溜め２００は、金属（タングス
テン等）またはカーボンにて形成でき、荷電粒子発生電
極１００の加熱に利用しても良い。
【図１】本発明の実施の形態に係る荷電粒子発生装置の
概略断面図である。
概略断面図である。
【図２】図１に示す荷電粒子発生電極を模式化した拡大
断面図である。
断面図である。
【図３】図１の装置をイオン源として用いる場合の動作
説明図である。
説明図である。
【図４】図１の装置を電子源として用いる場合の動作説
明図である。
明図である。
【図５】図１の装置を電子源として用いる場合の図４と
は異なる動作説明図である。
は異なる動作説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る荷電粒子発生装
置の概略断面図である。
置の概略断面図である。
【図７】図６のＡ部拡大図である。
１００ 荷電粒子発生電極 １０２ カーボンチューブまたはカーボンナノチューブ １０４ メッキ層 １０６ 電極支持体 １０８ 原材料通路 １１０ 荷電粒子引出し電極 １２０ 電界形成電源部 １３０，２００ 原材料溜め １３２ 導入口 １３４ バルブ １４０ 電極支持体 ２１０ 碍子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 雅敏 茨城県つくば市上ノ室1280 (72)発明者 遠藤 守信 長野県須坂市臥竜１丁目４番８号 (72)発明者 内山 哲夫 東京都小金井市本町６丁目５番３号206 Ｆターム(参考） 5C030 CC01 CC10 DF02 5F056 CB01 EA02
Claims (17)
- 【請求項１】 基端部から自由端部に連通する原材料通
路を有する荷電粒子発生電極と、 前記基端部に連結され、前記荷電粒子発生電極の前記原
材料通路に原材料を供給する原材料供給部と、 前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との間に電界を形
成する荷電粒子引出し電極と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項２】 請求項１において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記自由端部にて前記原材料からイオンを発
生させることを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項３】 請求項１において、 前記荷電粒子発生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を正極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記自由端部にて前記原材料からエレクトロ
ンを発生させることを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項４】 請求項１において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする第１の電界と、前記荷電粒子発
生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極
性とする第２の電界とを切り換えて形成して、前記荷電
粒子発生電極の前記自由端部にて前記原材料からイオン
及びエレクトロンを切り換えて発生させることを特徴と
する荷電粒子発生装置。 - 【請求項５】 請求項３または４において、 前記原材料からエレクトロンを発生する際には、前記原
材料供給部は、前記荷電粒子発生電極の素材よりも低い
仕事関数を持つ原材料を供給することを特徴とする荷電
粒子発生装置。 - 【請求項６】 基端部から自由端部に連通する原材料通
路を有する荷電粒子発生電極と、 前記基端部に連結され、前記荷電粒子発生電極の前記原
材料通路に原材料を供給する原材料供給部と、 前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との間に電界を形
成する荷電粒子引出し電極と、 イオン発生モードでは、前記荷電粒子発生電極側を正極
性とし前記荷電粒子引出し電極側を負極性とする第１の
電界を、エレクトロン発生モードでは、前記荷電粒子発
生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極
性とする第２の電界を形成する電界形成電源部と、 前記エレクトロン発生モードにて前記原材材料供給部か
らの原材料の供給を停止する原材料供給停止部と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかにおいて、 前記荷電粒子発生電極の温度を調整する温調部をさらに
有することを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかにおいて、 前記荷電粒子発生電極はチューブ構造を有することを特
徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項９】 請求項８において、 前記荷電粒子発生電極は多層チューブ構造であることを
特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項１０】 請求項８または９において、 前記荷電粒子発生電極はカーボンチューブにて形成され
ていることを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項１１】 荷電粒子発生電極に設けられた原材料
通路を介して原材料を導いて、前記荷電粒子発生電極の
先端に原材料を供給する工程と、 前記荷電粒子発生電極と荷電粒子引出し電極との間に電
界を形成して、前記荷電粒子発生電極の前記先端にて前
記原材料から荷電粒子を発生させる工程と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項１２】 請求項１１において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記先端にて前記原材料からイオンを発生さ
せることを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項１３】 請求項１１において、 前記荷電粒子発生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を正極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記先端にて前記原材料からエレクトロンを
発生させることを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項１４】 請求項１１において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする第１の電界と、前記荷電粒子発
生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極
性とする第２の電界とを切り換えて形成して、前記荷電
粒子発生電極の前記先端にて前記原材料からイオン及び
エレクトロンを切り換えて発生させることを特徴とする
荷電粒子発生方法。 - 【請求項１５】 請求項１３または１４において、 前記原材料からエレクトロンを発生する際には、前記原
材料供給部は、前記荷電粒子発生電極の素材よりも低い
仕事関数を持つ原材料を供給することを特徴とする荷電
粒子発生方法。 - 【請求項１６】 イオン発生モードとエレクトロン発生
モードとが切り換え可能な荷電粒子発生方法であって、 前記イオン発生モードでは、 荷電粒子発生電極に設けられた原材料通路を介して原材
料を導いて、前記荷電粒子発生電極の先端に原材料を供
給する工程と、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし荷電粒子引出し電
極側を負極性とする第１の電界を形成して、前記荷電粒
子発生電極の前記先端にて前記原材料からイオンを発生
させる工程と、 を有し、 前記エレクトロン発生モードでは、 前記原材料供給部からの前記原材料の供給を停止する工
程と、 前記荷電粒子発生電極側を負極性とし荷電粒子引出し電
極側を正極性とする第２の電界を形成して、前記荷電粒
子発生電極自体よりエレクトロンを発生させる工程と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項１７】 請求項１６において、 前記イオン発生モード及びエレクトロン発生モードの少
なくとも一方にて、前記荷電粒子発生電極を温度調整す
る工程をさらに有することを特徴とする荷電粒子発生方
法。
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