JPH0244633A - フラッシュ高速原子線源 - 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、半導体、金属、絶縁物から構成され４Ｌｓ　
［用材料に電子素子パターンをスパッタエツチングで作
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０．０５ｅ
Ｖ（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１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ツ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ずる
高速原子線源のうち、運動エネルギーが０．５〜１０ｋ
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〜ｌ０ｋｅＶ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が正電位、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［！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ｌ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ｌの反対側の底面ｔｂ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ｌ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ｌ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ｌ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
受は継がれて、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
ルゴン原子に受は継がれて、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、１ｋｅＶ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ｌの一方の底面ｔｂ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ｌの内部いっばいに広がっ
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ＩＡ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
するパルプ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
電荷を失に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Ｎ電流は極めて大きいためにピンチ効果て細く
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。

［実施例コ 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は陽極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１μ
Ｆ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を充電するだ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１
２の間に接続されるスイッチ、１８は陽極１１と陰極１
２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ｌμＦ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３
０ｋＶ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１
２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１７、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！（３０ｋＶＸｌμＦ＝０．０３Ｇ）は数μｓ
ｅｃ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１
００ｋＡ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、温度ら高温となり、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は継が
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１１−１６．１
８゜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９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１
１・陰極１２間に充満する。

バルブ２１の「開」に同期してスイッチ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１
８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９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
、装置が簡単化されろ利点を有している。

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１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、
！７・・・スイッチ、 ２１・・バルブ、 真空容器、 ２２・・スイッチ。 ・・高速原子線、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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. （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。