JP2669660B2 - フラッシュ高速原子線源 - Google Patents

フラッシュ高速原子線源

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JP2669660B2 JP19373188A JP19373188A JP2669660B2 JP 2669660 B2 JP2669660 B2 JP 2669660B2 JP 19373188 A JP19373188 A JP 19373188A JP 19373188 A JP19373188 A JP 19373188A JP 2669660 B2 JP2669660 B2 JP 2669660B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体,金属,絶縁物から構成されるLSI
用材料に電子素子パターンをスパッタエッチングで作製
する場合や、絶縁物の組成分析を行う場合等に使用され
るビームとして好適である収束性が高くかつ高出力な高
速原子線をパルス的に発生させるフラッシュ高速原子線
源に関するものである。
[従来の技術] 常温の大気中で熱運動している原子は、概ね0.05eV
(電子ボルト)前後の運動エネルギーを有している。こ
れに比べて遥かに大きな運動エネルギーで飛翔する原
子,分子を総称して「高速原子」と呼び、それが一方向
にビーム状に流れる場合に「高速原子線」と言う。
半導体,金属,絶縁物から構成されるLSI用材料に、
電子素子パターンをスパッタエッチングで作製する場合
や、絶縁物の組成分析を行う時に、これまではイオンビ
ームを用いていたが、イオンの電荷が絶縁物表面に帯電
して、加工や分析の妨害となっていた。しかし、イオン
ビームの替わりに、電荷を有しない高速原子線を用いれ
ば、帯電に起因するトラブルが回避され、加工精度や分
析の信頼性の向上が期待される。そこで従来より、この
ような用途に好適なビームとして収束性が高くかつ高出
力な高速原子線源が求められていた。
従来発表されている、気体原子の高速原子線を発生す
る高速原子線源のうち、運動エネルギーが0.5〜10keVの
アルゴン原子を放射する高速原子線源の一例を第4図に
示す。図中、1は円筒形の陰極、2はドーナッツ状の陽
極、3は0.5〜10keVの直流高圧電源、4はガスノズル、
5はアルゴンガス、6はプラズマ、7は高速原子線の放
出孔、8は高速原子線、9は放電安定抵抗である。
この従来例の動作は次のとうりである。直流高圧電源
3、放電安定抵抗9以外の構成要素を真空容器に入れ十
分に排気した後、ガスノズル4からアルゴンガス5を円
筒形陰極1内部に注入する。ここで直流高圧電源3によ
って、陽極2が正電位、陰極1が負電位となるように、
直流高電圧を印加する。これで陰極1・陽極2間にグロ
ー放電が起き、プラズマ6が発生し、アルゴンイオンと
電子が生成される。さらにこの放電において、円筒形陰
極1の底面1aから放出する電子は、陽極2に向かって加
速され、陽極2の中央の孔を通過して、円筒形陰極1に
反対側の底面1bに達し、ここで速度を失って反転し、あ
らためて陽極2に向かって加速され始める。このように
電子は陽極2の中央の孔を介して、円筒形陰極1の両方
の底面1a,1bの間を高周波振動し、その間にアルゴンガ
スに衝突して、多数のアルゴンイオンを生成する。こう
して発生したアルゴンイオンは、円筒形陰極1の底面に
向かって加速され、十分な運動エネルギーを得るに到
る。この運動エネルギーは、陽極2・陰極1間の放電維
持電圧が、例えば1kVのときは1keV程度の値となる。円
筒形陰極1の底面近傍の空間で、アルゴンイオンは残留
しているアルゴンガスと接触して電荷を失い中性のアル
ゴン原子に戻る。また、円筒形陰極1の底面近傍の空間
は高周波振動をする電子の折り返し点であって、低エネ
ルギーの電子が多数存在する空間であり、この空間に入
射したアルゴンイオンは電子と再結合してアルゴン原子
に戻る。前述のアルゴンイオンとアルゴンガスの接触
は、アルゴンイオンの運動エネルギーが大幅に変わって
しまう程激しいものではないので、アルゴンイオンの運
動エネルギーがそのまま中性のアルゴン原子に受け継が
れて、高速の原子線が誕生する。また、アルゴンイオン
と電子の衝突においても、電子の質量がアルゴンイオン
に比べて無視できる程に小さいために、アルゴンイオン
の運動エネルギーは殆ど損失せずにそのままアルゴン原
子に受け継がれて、アルゴン原子は高速原子となる。し
たがって、この場合の高速原子の運動エネルギーは、1k
eV程度となるのである。このようにして発生した高速原
子は、円筒形陰極1の一方の底面1bに穿たれた放出孔7
から高速原子線8となって放出される。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来の技術における高速原子線源
では、プラズマ6が円筒形陰極1の内部いっぱいに広が
ってしまうために、陽極2から放出孔7に向かうアルゴ
ンイオンを収束することが困難であり、従って高速原子
線8の収束性は劣り、また、放電電流も最大1A程度であ
って、高出力ビームの放出には適さなかった。
本発明は、上記問題点を解決するために創案されたも
ので、微小領域の加工や分析に用いるのに好適な収束性
が高くかつ高出力な高速原子線源を発生することのでき
るフラッシュ高速原子線源を提供することを目的とす
る。
[課題を解決するための手段] 上記の目的を達成するための本発明のフラッシュ高速
原子線源の一つの構成は、 真空中において陽極とこれに対向して配置した高速原
子線の通過する開口部を有する筒形の陰極と、この筒形
の陰極の内部にガスを注入するガスノズルと、直流高電
圧電源から充電されるコンデンサと、このコンデンサと
直列に上記陽極と陰極の間に接続されオンにすることに
より上記ガスに放電を生じさせるスイッチ手段とを備
え、上記放電により上記高速原子線を得ることを特徴と
する。
また、他の構成としては、 真空中において陽極とこれに対向して配置した高速原
子線の通過する開口部を有する筒形の陰極と、高速で開
閉するバルブを有し上記筒形の陰極の内部にガスをパル
ス的に注入するガスノズルと、上記陽極と陰極の間に接
続され直流高圧電源から充電されるとともに上記ガスに
放電を生じさせるコンデンサとを備え、上記放電により
上記高速原子線を得ることを特徴とする。
[作用] 本発明は、陰極に注入したガスにスイッチ手段により
またはパルス的に注入した上記のガスにより、コンデン
サに充電した直流高電圧で放電を生じさせ、そのコンデ
ンサの作用によって極めて大きな放電電流を流して大量
のイオンを発生させる。このイオンは、陰極に向けて加
速され、ガスと接触して電荷を失い中性の高速原子線と
なるが、上記イオンの大量発生が高速原子線を高出力化
する。また、放電電流は極めて大きいためにピンチ効果
で細くしぼられる結果、陰極に向かうイオンが強く収束
され、従って高速原子線も高い収束性を持つようにな
る。
[実施例] 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
第1図は本発明の第1の実施例を示す斜視的な構成図
である。図中、11は針状の陽極、12は円筒形の端面に高
速原子の通過する開口部を設け陽極11にその開口部を対
向させて配置した陰極、13は高耐圧の例えば1μF程度
のコンデンサ、14は例えば出力が30kV程度でありコンデ
ンサ13を充電するための直流高電圧電源、15は充電電流
を限流するための高抵抗、16は円筒形の陰極12の内部に
ガスを注入するガスノズル、17はコンデンサ13と直列に
接続されて陽極11と陰極12の間に接続されるスイッチ、
18は陽極11と陰極12およびガスノズル16等を収容し図示
省略の真空ポンプ等で排気される真空容器、19はスイッ
チ17の操作によりガスに生ずる放電で発生する高速原子
線である。
以上のように構成した第1の実施例の作用を述べる。
まず、真空容器18を充分に排気し、ガスノズル16から、
例えば酸素ガスを円筒形の陰極12の内部に注入する。ま
たコンデンサ13は容量が例えば1μFであり、高抵抗15
を介して直流高電圧電源14によって例えば30kVの高電圧
に充電されている。円筒形の陰極12の内部に注入された
酸素ガスは拡散して陽極11・陰極12間に充満する。この
状態でスイッチ17をON(オン)にすると、陽極11と陰極
12の間に放電が生じ、プラズマが発生する。スイッチ1
7、陰極12、陽極11およびこれらを繋ぐ結線を含めたイ
ンダクタンスは、数〜数10μHであるから、コンデンサ
13に充電されている電気量(30kV×1μF=0.03C)は
数μsecで放電し尽くす。よってプラズマの接続時間も
この程度であり、放電発生時の最大放電電流は数10〜数
100kAに達し、プラズマに注入されるエネルギーは、瞬
間的にではあるが、数100MWに達する。従って、プラズ
マの密度は極めて高く、温度も高温となり、大量の酸素
イオンが発生する。放電電流が極めて大であるので、ピ
ンチ効果によって電流は非常に細くしぼられ、そのため
発生するイオンビームも強く収束される。酸素イオンは
陰極12に向かって加速されて、陰極12の円筒の内部に入
射し、酸素ガスと接続して電荷を失い中性の酸素原子に
もどる。酸素ガスはガスノズル16から円筒形の陰極12に
注入されるから、その円筒の内部は他よりガス圧が高
く、酸素イオンと酸素ガスの接触の効率が高い。酸素イ
オンと酸素ガスの接触は、酸素イオンの運動エネルギー
が大幅に変わってしまう程厳しいものではないので、酸
素イオンの運動エネルギーがそのまま中性の酸素原子に
受け継がれて、収束性の高い酸素高速原子線19が誕生
し、円筒形の陰極12の開口部から外に放出される。コン
デンサ13に充電されている電気量が放電し尽くすと、プ
ラズマは消失し、高速原子線の放出も止む。ここで再び
コンデンサ13が充電され、次のスイッチ17のONによっ
て、またプラズマが発生し、高速原子線19が再び放出さ
れる。このようにして収束性が高く、かつ大量の酸素イ
オンが発生することから高出力の高速原子線がパルス的
に繰り返し得られる。なお、ガスノズル16から注入する
ガスが例えばアルゴンの時には、アルゴン高速原子線が
発生することになる。
第2図は本発明の第2の実施例を示す斜視的な構成図
である。本実施例は、第1の実施例において、ガスノズ
ル16のガス供給側に高速で開閉するバルブ21を設け、さ
らにスイッチ17に代えて図示省略の制御機構によりバル
ブ21の開閉に同期してオン/オフするスイッチ22を設け
たものである。その他の構成は、第1図に示す第1の実
施例と同様であり、第2図中11〜16,18,19で示される要
素は、第1図において対応する同一番号の要素と同一の
動作,機能を有する。
以上の構成の第2の実施例の作用は以下の通りであ
る。まず、バルブ21を短時間開けて、直ちに閉じる。こ
れで円筒形の陰極12にガスが注入され、拡散して陽極11
・陰極12間に充満する。バルブ21の「開」の同期してス
イッチ22を閉じ(オン)、バルブ21の「閉」に同期して
スイッチ22を開く(オフ)。これで放電が発生し、以下
第1の実施例と同一のプロセスによって、収束性が高く
かつ高出力の高速原子線がパルス的に放出される。この
第2の実施例によると、注入されたガスは、コンデンサ
13が放電しつくして高速原子線19の放出が停止すると直
ちに、図示省略の真空ポンプによって排出されるから、
真空容器18の内部を常に高真空に保っておくことができ
ると言うメリットがある。即ち使用上、この高速原子線
を利用する対象等の環境を良好に保つことができるなど
の利点がある。
第3図は本発明の第3の実施例を示す斜視的な構成図
である。本実施例は、第2の実施例からスイッチ22を取
り除き、コンデンサ13を陰極11と陽極12の間に接続した
ものである。その他の構成は第2図に示す第2の実施例
と同様であり、第3図中11〜16,18,19,21で示される要
素は、第2図において対応する同一番号の要素と同等の
動作,機能を有する。
この実施例においては、バルブ21の開閉によって、円
筒形の陰極12の内部に、ガスがパルス的に注入され拡散
し、陽極11・陰極12間のガス圧が上昇すると、ガスの絶
縁破壊により放電が生じて、コンデンサ13に貯えられた
電荷が一気に放電され、以下第2の実施例と同一のプロ
セスで収束性が高くかつ高出力の高速原子線がパルス的
に放射される。本実施例においても第2の実施例と同様
に、コンデンサ13の放電終了により高速原子線19の放出
が停止すると直ちに、注入されたガスが図示省略の真空
ポンプによって排出されるから、真空容器18の内部を常
に高真空に保っておくことができる。さらに本実施例
は、スイッチとその制御機構が不要なため、装置が簡単
化される利点を有している。
なお、以上の実施例における陽極や陰極とその開口部
等の構成要素の形状は一例であって、上記実施例に限定
されるものではない。このように、本発明はその主旨に
沿って種々に応用され、種々の実施態様を取り得るもの
である。
[発明の効果] 高速原子線は、高速のイオンビームと同様に、スパッ
タ蒸着による薄膜形成、スパッタエッチングによる微細
パターン加工、二次イオン質量分析による材料評価など
の加工・分析に利用することができる。特に、高速原子
線は非荷電性であるために、金属、半導体ばかりでな
く、イオンビーム法が不得意とするプラスチックス、セ
ラミックスなどの絶縁物を対象とする場合にも威力があ
る。
本発明のフラッシュ高速原子線源によれば、これまで
の高速原子線源では実現が困難であった高い収束性を備
えた高出力の高速原子線を発生させることができ、上記
した意味において、それらの微小領域の加工、分析に非
常に有益な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例を示す斜視的な構成図、
第2図は本発明の第2の実施例を示す斜視的な構成図、
第3図は本発明の第3の実施例を示す斜視的な構成図、
第4図は従来例を示す斜視的な構成図である。 11……陽極、12……陰極、13……コンデンサ、14……直
流高電圧電源、16……ガスノズル、17……スイッチ、18
……真空容器、19……高速原子線、21……バルブ、22…
…スイッチ。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空中において陽極とこれに対向して配置
    した高速原子線の通過する開口部を有する筒形の陰極
    と、 この筒形の陰極の内部にガスを注入するガスノズルと、 直流高電圧電源から充電されるコンデンサと、 このコンデンサと直列に上記陽極と陰極の間に接続され
    オンにすることにより上記ガスに放電を生じさせるスイ
    ッチ手段とを備え、 上記放電により上記高速原子線を得ることを特徴とする
    フラッシュ高速原子線源。
  2. 【請求項2】請求項1記載のフラッシュ高速原子線源に
    おいて、 ガスノズルに設けられ高速で開閉してガスをパルス的に
    注入するバルブと、 上記開閉に同期してスイッチ手段をオン/オフする機構
    とを備えることを特徴とするフラッシュ高速原子線源。
  3. 【請求項3】真空中において陽極とこれに対向して配置
    した高速原子線の通過する開口部を有する筒形の陰極
    と、 高速で開閉するバルブを有し上記筒形の陰極の内部にガ
    スをパルス的に注入するガスノズルと、 上記陽極と陰極の間に接続され直流高圧電源から充電さ
    れるとともに上記ガスに放電を生じさせるコンデンサと
    を備え、 上記放電により上記高速原子線を得ることを特徴とする
    フラッシュ高速原子線源。
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