JPH02201200A - 高速原子線源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子素子パターンの製作や材料の組成分析な
どに利用するビームとして好適な大量の高速原子線を発
生させることかできる高速原子線源装置に関するもので
ある。

「従来の技術］ 常温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
を「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。

従来発表されている、気体原子の高速原子線を発生ずる
高速原子線源のうち、運動エネルギーが０．５〜１Ｏｋ
ｅＶのアルゴン原子を放射する高速原子線源の一例を第
４図の斜視図に示す。図中、ｌは円筒形の陰極、２はド
ーナッツ状の陽極、３は０．５〜１ＯｋＶ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は高速原子線である。こ
の動作はＪス下のとおりである、 直流高圧電源３以外の構成要素を図示しない真空容器に
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の内部に注入する。ここで直流高圧電
源３によって、陽極２か正電位、陰極ｌ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ｌ・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ｌの底面（端面）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の反対側の底面（端面）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ｌ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１電圧が、例えばＩＫＶのときはＩＫｅＶ程度
の値となる。このアルゴンイオンは陰＋Ｋ　ｌの付近で
、残留するアルゴンガス分子に接触して電荷を失いアル
ゴン原子に乙とる。

また円筒形陰極ｌの底面近傍の空間は高周波振動をする
１子の折り返し点であって、低エネルギーの電子が多数
存在する空間である。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。この、イオ
ンとガス分子の接触はイオンの運動エネルギーを大きく
損なうほど激しいものではないので、アルゴンイオンの
運動エネルギーは殆ど損失せずにそのまま電子に受は継
がれて高速原子となる。またイオンと電子の衝突におい
ては、電子の質債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、同様にアルゴンイオノの運動エネル
ギーは殆ど損失せずにそのまま原子に受は継がれて高速
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、ＩＫｅＶ程度である。この高速原子は円筒形
陰極ｌの一方の底面に穿たれた散出孔７から高速原子線
８となって放出する。

［発明が解決しようとする課題］ 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ツチングで製作する場合
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１分析
の信頼性の向上が期待される。この高速原子線が十分実
用に供されるためには、まず、大量の高速原子線を発生
させることが課題となっていた。しかしながら、前述し
た従来の高速原子線源では、プラズマ６の密度を充分に
高めることが困難であったために、大量の高速原子線を
取り出すことがむすかしかった。

本発明は、Ｌ記課題を解決するために創案されたもので
、高速原子線を電子素子パターン等の製作や絶縁物等の
組成分析などに利用するために、高速原子線を大量に発
生ずることができる高速原子線源装置を提供することを
ｌｌ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高速原子線踪装置
の構成は、 陽極と、 これに対峙ずろ中空筒形のポ（１−カソード笹イオン中
和器と、 イオン中和器内部にイオンの流れに対向する向きにガス
を流すノズルと、 上記陽極とホローカソード間に電圧を印加する直流高圧
電源とを備えることを特徴とする。

［作用］ 本発明は、ポローカソードと、陽極の間にイオンを生成
させて、ホローカソードに向うイオン流を発生させる。

イオン中和器を笹ねるホローカソードは、そのイオン流
の一部の衝突により新たなイオンを生成する電子を大量
に供給するとともに、その中空内でイオン流の他の一部
を供給ガスとの接触で中和して高速原子線に変換する。

ここで、Ｆ、　ａａ供給ガスは、イオン流に対向４−る
向きにホローカソード兼イオン中和器内へ流すことによ
り、そのイオン中和器内のガス下を高めてイオン流の高
速原子への変換効率を高めるとともに、ホローカソード
と陽極間のガス圧を高めてイオンの発生槍を多く４゛ろ
。以上によって本発明は大量の高速原子線を発生させる
。

［゛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の実施例を示す高速原子線蛛装置
の断面の構成図である。１１は中央に穴を有する板状の
陽極、１２は中空円筒形のホローカソードである。ホロ
ーカソード１２は、その中空円筒の向きを陽極に対峙し
て配置し、その中空内でイオンを中和し高速原子に変換
するイオン中和器を兼ねる６　１３はホローカソード兼
イオン中和器１２（以下場合により個別にホローカソー
ド１２またはイオン中和器Ｉ２と記す）の中空内部を陽
極１．１に向ってガスを流すように設置したガスノズル
でありＳ　２個設けである。１４．１５は真空容器１６
に設けた排気口、１７は中央に穴を【ｆする隔壁である
。真空容器１６は、陽極ＩＩとホローカソード兼イオン
中相５１２とガスノズル１３と隔壁１７専を収容する。

排気［ＴＪｌ、４，１．５はそれぞれ別の排気系に接続
されており、隔壁１７の右側の空間は主として排気口１
５によって、またその左側は主として排気口１４によっ
て排気される。このため、排気［」１４は陽極１１の付
近に設置され、排気口Ｉ５は隔壁１７の付近に設置され
る。ガスノズル１３を出てポローカソード壌イオン中和
器１２の内部を流れるガスは、陽極１１の中央の穴を通
って排気口１４から排気される。

１８は陽極ｌｌとホローカソード１２の間でガスノズル
１３から供給されたガスから生成されるイオン、Ｉ９は
そのイオン１８の流れがイオン中和器１２内のガスとの
接触で中和されて変換された高速原子、２０は陽極１１
とホローカソード１２の間に電圧を印加する直流高圧電
源である。

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、その動作は以下の通りである。電源２０、以外の要
素を真空容器１６に収めて充分に排気した後、ガスノズ
ル１３から例えばアルゴンガスを入れ、直流電圧電源２
０によって陽極１トホロ一カソード１２間に電圧を印加
する。これで陽極ｌトホローカソード１２間の空間には
グロー放電が発生し、アルゴンイオン１８と電子が生成
される。アルゴンイオン１８はホローカソード１２の方
向に加速され大きなエネルギーを得てホローカソード１
２の内壁に衝突する。この衝突でホローカソード１２の
内壁からは二次電子が放出され、陽極１１に向かって加
速される。その途中、二次電子はアルゴンガス分子と多
重衝突して多数のアルゴンイオン１８を生成する。この
アルゴンイオン１８は上記と同じ過程で、ホローカソー
ド１２の内壁に再び衝突し、二次電子を放出させる。

このような「二次電子の発生−加速・衝突−アルゴンガ
スのイオン化→イオン１８の加速・衝突→二次電子の発
生」のプロセスがサイクリックに進み、大量のアルゴン
イオン１８が生成され、ホローカソードＩ２の内壁を衝
撃する。イオン１８の衝撃か激しくなると、ホローカソ
ードＩ２の内壁は昇温しで赤熱し、熱電子を放出するよ
うになる。

結局ホローカソードＩ２の内壁からは二次電子に加えて
熱電子まで放出して加速され、アルゴンガス分子と衝突
するようになる。その結果、極めて高密度のプラズマか
陽極１１とポローカソード１２の間の空間に形成され、
加速された大型のアルゴンイオンＩ８がホローカソード
１２の内部に侵入する。１２はホローカソードであると
同時にイオン中和器の機能も有している。つまりホロー
カソード兼イオン中和器１２に侵入したアルゴンイオン
１８の一部は内壁に衝突して二次電子や帖電子を放出さ
せるのに費やされるが、残部は、ホローカソード兼イオ
ン中和器１２の出口の方から流れてくるアルゴンガスに
接触して電荷を失い、電気的に中性のアルゴン原子に戻
る。しかしアルゴンガスとの接触が、アルゴンイオンの
運動エネルギーを変えてしまうほど激しい乙のではない
ので、発生したアルゴン原子の運動エネルギーは、アル
ゴンイオンであった時と殆ど変わらない大きな運動エネ
ルギーとなっており、高速原子線の誕生となる。これが
アルゴンの高速原子Ｉ９である。

このような高速原子線発生法においては、陽極１１とポ
ローカソード兼イオン中和器１２間のガス圧が高いほど
イオンの発生量が多く、かつホローカソード兼、イオン
中和器１２内部のガス圧が高いほどイオンから原子への
変換効率が高まり、大晴の高速原子線が得られる。本実
施例では、ガスノズル１３によりアルゴンイオン１８の
流れと対向する向きにホローカソード兼イオン中和器Ｉ
２の内部にガスを流し、ホローカソード兼イオン中和器
Ｉ２内部のガス圧およびホローカソード兼イオン中和器
１２と陽極１１間のガス圧を高めて、大！１の高速原子
線を発生させる。しかしこの上うにガス圧を高めると、
高速原子線）り用の場である［隔壁１７の右側の空間」
の真空度低下を招いて、様々な不都合が生ずる。本実施
例においては、ガスノズルＩ３と排気［コ１４によって
、ポローカソード兼イオン中和器１２の出口から奥に向
かうガスの流れを作ることにより、隔壁１７の左側の空
間のガス圧を高めて高速原子線の増加を図−〕てら、右
側の空間には真空度低Ｆの悪影響を及ぼさないように図
る。

第２図は本発明の第２の実施例の構成図である。。

図中、１１は陽極、１２はホローカソード１にイオン中
和器、Ｉ３はガスノズル、１４．１．５は排気口、１６
は真空容器、Ｉ７は隔壁、１８はイオン、Ｉ９は高速原
子、２０は直流高圧電源であり、以上の要素は第１図に
おける同一の番号の第１実施例の要素と同一の構成・機
能を有している。本実施例は、第１の実施例の高速原子
線源装置において、ホローカソード兼イオン中和器１２
の高速原子１９の出口に残留イオンに対するディフレク
タ−２１を設けたしのである。２２はこのディフレクタ
−２１に電界を発生させる直流高圧電源である。ディフ
レクタ−２１は、高速原子１９の流れを挾むように対向
して配置され、その間に直流高電圧？［源２２から直流
高電圧を印加して、残留イオンを含む高速原子１９の流
れに垂直な電界を発生させる。

以Ｅの構成により、第２の実施例は、イオン中和器１２
で中和されないまま高速原子＋９に混入される残留イオ
ンの運動方向に対しディフレクタ−２１によって垂直に
電界をかけ、その軌道を偏向させてその残留イオンを除
去する。一方、イオン中和器１２で中和され非荷電性と
なって出力される高速原子１９は、ディフレクタ−２１
の電界によって何らの影響も受けないので、隔壁１７の
中央の穴を通って出力され、純粋に高速原子のみのビー
ムとすることができる。

第３図は本発明の第３の実施例の構成図である。

図中、１１は陽極、１２はホローカソード兼イオン中和
器、１３はガスノズル、１４．１５は排気口、１６は真
空容器、１７は隔壁、１８はイオン、１９は高速原子、
２０は直流高電圧電源であり、以上の要素は第１図にお
ける同一の番号の第１実施例の要素と同一の構成・機能
を有している。本実施例は、第１の実施例゛の高速原子
線源装置において、ホローカソード兼イオン中和器１２
と隔壁１７の間に残留イオンに対して中央に穴を有する
板状のイオン阻止電極３１を設けたものである。

３２は直流高電圧電源であり、その−側を直流高電圧電
源２０の一側（ホローカソード兼イオン中和器１２の接
続側）に接続し、その＋側をイオン阻止電極３１に接続
する。

以上の構成により、第３の実施例も第２の実施例と同様
に高速原子１９に混入する残留イオンを除去する機能を
有する。即ち、イオン阻止電極３１には直流高圧電源３
２によって、陽極１．１と同程度の高い電位がイオンの
飛来を阻止する向きに印加されているので、残留イオン
はイオン阻止１極３１に到達するまでにエネルギーを失
って消滅し、純粋に高速原子のみのビームが得られろ。

なお、以上の実施例における陽極１１やホロ−カソード
兼イオン中和器１２やイオン阻止電極３１等の形状は一
例であって上記実施例に限定されるものではない。また
ガスノズル１３より供給するガスも酸素ガス等の他のガ
スであってら良い。

このように、本発明はその主旨にｉＧって種々に応用さ
れ、種々の実施性様を取り得るしのである。

［発明の効果］ 以」−の説明から明らかなように、本発明の高速原子線
源装置によれば、これまで実現の難しかった太線量の高
速原子線を発生させることかでき、この高速原子線を、
これまでの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、スバックエづチングによる微細パター
ン加工、二次イオン質１分析による材料評価等に利用す
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１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威力を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す構成図、第３図は本発明の
第３の実施例を示す構成図、第４図は従来例を示す斜視
図である。 ＩＩ・・陽極、１２・・・ポローカソード兼イオン中和
器、１３・ガスノズル、１４．１５・・・排気［］、１
６・・・真空容器、１７・・・隔壁、１８・・・イオン
、１９・・高速原子、２０・・直流高圧電源、２Ｉ　・
ディフレクタ−２２・・・直流高圧電源、：３１・・・
イオン阻ｔＬ　ｉＫ極、３２　・直流高圧電源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）陽極と、 これに対峙する中空筒形のホローカソード兼イオン中和
   器と、 イオン中和器内部にイオンの流れに対向する向きにガス
   を流すノズルと、 上記陽極とホローカソード間に電圧を印加する直流高圧
   電源とを備えることを特徴とする高速原子線源装置。
2. （２）請求項１記載の高速原子線源装置において、イオ
   ン中和器の出口付近に設置されたディフレクターと、 このディフレクターに電圧を印加する直流高圧電源とを
   備えることを特徴とする高速原子線源装置。
3. （３）請求項１記載の高速原子線源装置においてイオン
   中和器の出口付近にイオン阻止電極を備え、 かつこのイオン阻止電極とイオン中和器の間に電圧を印
   加する直流高圧電源を備えることを特徴とする高速原子
   線源装置。