JPH06289198A - 高速原子線源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低エネルギーの、粒子線束の高い高速原子線
を効率よく放出できる高速原子線源を提供する。 【構成】 負電位が与えられる原子放出孔７を有する陰
極２１と、正電位が与えられる陽極２２と、該陰極２１
と該陽極２２間の放電部に放電を起こすガスを導入する
ガス導入部４とから構成される高速原子線源において、
前記放電部にマイクロ波２５を導入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速原子線源に係り、
特に、低い放電電圧で低エネルギーの原子線を効率よく
出射することのできる高速原子線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】常温の大気中で熱運動している原子・分
子は、概ね０．０５eV前後の運動エネルギーを有してい
る。これに比べてはるかに大きな運動エネルギーで飛翔
する原子・分子を「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」と呼ばれてい
る。係る高速原子線は、固体表面を削り、あるいは変性
させる等の加工等に用いることができ、特に電気的に中
性であるため、金属、半導体分野への適用に限られず、
従来イオンビーム法が不得意としていたプラスチック、
セラミック等の絶縁物を対象とした加工にも威力を発揮
できる。又、低エネルギーの高速原子線は被加工物にダ
メージを与えないため、半導体の微細加工等に好適であ
る。

【０００３】図２は、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 のアルゴン原子のビームを放射
する高速原子線源の一例を示している。図中、１は外囲
器を兼ねた円筒形の陰極、２はドーナツ状の陽極、３は
０．５から１kV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は高速原子線を示している。

【０００４】この高速原子線源は、以下のとおり動作す
る。即ち、直流高圧電源３を除く各構成要素は、真空容
器に内蔵されており、前記真空容器が充分に排気された
のち、アルゴンガス５がガスノズル４から円筒形陰極１
の内部に注入される。そして、直流高電圧が直流高圧電
源３により、陽極２が正電位、陰極１が負電位となるよ
うに両電極間に印加される。

【０００５】このことにより、陰極１および陽極２間に
放電が起きてアルゴンガスのプラズマ６が発生し、アル
ゴンイオンと電子とが生成される。その際、円筒形陰極
１の一端側底面から放出された電子は陽極２に向かって
加速され、陽極２の中央の孔を通過して前記円筒形陰極
１の他端側底面に到達する。他端側底面に達した電子
は、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、再び陽極２の孔を通過して陰極１の一
端側底面に到達する。このような電子の繰り返し運動
が、陽極２を介した円筒形陰極１両端面間における高周
波振動となり、その運動の間にアルゴンガスと衝突して
多数のアルゴンイオンを生成する。

【０００６】こうして発生したプラズマ６中のアルゴン
イオンは、円筒形陰極１の端面に向かって加速され、充
分な運動エネルギーを得るに至る。また、円筒形陰極１
の両端面近傍の空間は高周波振動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領域であ
る。この領域に入射したアルゴンイオンは、電子と衝
突、再結合してアルゴン原子に戻る。イオンと電子の衝
突において、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、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原子に受け継がれて高速原
子なる。従って、この場合の高速原子の運動エネルギー
は、直流高圧電源３による放電維持電圧が、例えば１kV
のときは、１keV 程度の値となる。この高速原子は円筒
形陰極１の端面に穿設された放出孔７を通って外部に高
速原子線８となって出射される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の高速原子線源において、高速原子線の放出量の増加
を図るためには、上記の構造から考えられるように、放
電電圧を上げる、磁石を併用する、反応ガスの圧力を増
す等の方法しかなかった。その結果、高速原子線のエネ
ルギーの増加を招く、装置が大型化する、高速原子線の
エネルギー幅が広がってしまう等の使用上の問題点が多
く使いにくさを伴った。

【０００８】係る問題点を解決するため、本出願人によ
り表面に多数の高速原子放出孔を有する板状陰極と、そ
の板状陰極に対向配置された板状陽極と該板状陰極と板
状陽極間にフィラメントを内蔵する構造の高速原子線源
が開示される（特願平３−３８６０７号特許出願）。

【０００９】係る構造の高速原子線源によれば、対向し
た板状電極により、粒子線束の高い高速原子線が効率よ
く放射される。又、フィラメントを内蔵することから、
反応ガスの電離が促進され、放電電圧を下げて被加工物
にダメージを与えない微細加工に好適な低エネルギーの
高速原子線源を得ることができる。

【００１０】しかしながら、フィラメントを内蔵するこ
とから放電部における反応ガスの流れに外乱が生じ、
又、反応ガス中に不純物が生じる等の問題点がある。

【００１１】本発明は、係る従来技術の問題点に鑑み、
低い放電電圧で低エネルギーの、粒子線束の高い高速原
子線を効率よく放出できる高速原子線源を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、負電位が与え
られる原子放出孔を有する陰極と、正電位が与えられる
陽極と、該陰極と該陽極間の放電部に放電を起こすガス
を導入するガス導入部とから構成される高速原子線源に
おいて、前記放電部にマイクロ波を導入することを特徴
とする。

【００１３】

【作用】本発明は、陰極と陽極間の放電部にマイクロ波
を導入し、ガス導入部より導入される反応ガスを電離さ
せることによって、多量の電子を放電部に供給するもの
である。従って、両電極間の放電部では低電圧で放電維
持を行い、低エネルギーの高速原子線を出射することが
できる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例を示す高速原子線
源の概略の構成を説明するものである。なお、本実施例
では、先の図２によって述べた従来例と同一機能、動作
を有する構成要素については同一符号を用いている。

【００１５】図１に示されるように、所定間隔を有して
対向した板状陰極２１および板状陽極２２が絶縁物（セ
ラミック）外筒２３内に配置され、図示しない真空容器
に収めて十分に排気される。陰極２１及び陽極２２は真
空容器の外部に配置された直流高圧電源３と接続され陰
極２１には負電位が与えられ、陽極２２には正電位が与
えられるように直流高圧電圧が印加され、陰極２１と陽
極２２間には放電部が構成される。又、板状陰極２１は
表面に多数の高速原子線放出孔７が穿設され、高速原子
線８を出射可能に構成されている。ガスノズル４は、真
空容器の外部より外筒２３内にアルゴン等の反応ガス２
４を導入するガス導入部を構成し、外筒２３内に導入さ
れたガスは板状陽極２２のガス流通孔９を通って、陰極
２１と陽極２２間の放電部に導入される。

【００１６】外筒２３内の板状陰極２１と板状陽極２２
間の放電部にはマイクロ波を導入するマイクロ波導波路
２４が設けられている。真空容器外に配置されたマイク
ロ波の発振器より、マイクロ波２５が導波路２４を経て
外筒２３内の放電部に導入されて、放電部の反応ガスを
励起する。

【００１７】次に、上述のごとく構成された高速原子線
源の動作について説明する。まず、高速原子線源及び被
加工対象物が収納された真空容器内を充分に排気したの
ち、アルゴン等の反応ガス５を外筒２３内にガスノズル
４より導入する。そして、板状陽極２２と板状陰極２１
の間に直流高圧電源３より直流高圧を印加し、導波路２
４よりマイクロ波２５を反応部の反応ガス５に照射す
る。

【００１８】反応ガス５は、マイクロ波２５の照射によ
って気体原子が励起され、陽イオンと電子への電離が発
生する。放電部において、マイクロ波の照射により生成
された多数の電子及び陽イオンを含んだアルゴンガス等
の反応ガス５は、陽極２２と陰極２１間の放電部で、直
流高圧によって放電が発生し、プラズマ６が生成され
る。放電部では、あらかじめ反応ガス５はマイクロ波の
照射で電離された多量の電子及び陽イオンを含んでいる
ため、低い放電電圧で放電の維持が可能となる。

【００１９】放電部のプラズマ６中では、反応ガス５の
陽イオンと電子が生成されるが、陽イオンは負電圧の与
えられた陰極２１に向かって加速されて大きなエネルギ
ーを得る。加速された陽イオンは板状陰極２１の近傍で
残留している反応ガス５の原子と接触して陽電荷を失い
中性の高速原子となり、あるいは電子との再結合によっ
て陽電荷を失って中性の高速原子となり、高速原子放出
孔７から高速原子線８として放出される。

【００２０】外筒２３内の板状陰極２１と板状陽極２２
間の放電部の、反応ガスにマイクロ波を照射し電離を生
じさせる部分には磁場を更に備えることが好ましい。即
ち、例えば外筒２３を囲むように円筒状の電磁石又は永
久磁石を設けることにより、外筒２３の放電部に軸方向
の磁場が形成される。このような磁場が形成されると、
電子サイクロトロン共鳴効果の利用ができ、より効果的
に電離された電子を陰極２１と陽極２２間の放電部に供
給することが可能となる。従って、放電部に磁場を設け
ることにより、より低い放電電圧で高密度のプラズマを
発生でき、即ち低エネルギーで高粒子線束の高速原子線
を得ることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高速原
子線源は、放電部でマイクロ波によって気体原子が励起
され、電離して多量のイオンと電子が供給される。従っ
て、放電部における反応ガスのプラズマを発生させるの
に、直流高圧電源の電圧を低く維持することが可能とな
り、低エネルギーの高速原子線を得ることが可能とな
る。この効果は、放電部に磁場を設けることにより、一
層促進される。

【００２２】更に、本発明では電離を促進するためのフ
ィラメントを放電部において用いないので、放電部にお
いて反応ガスの流れを乱すこともなく、又、不純物が発
生するという問題も解決される。そして、マイクロ波の
照射により、外部から放電状態の制御が可能となり、粒
子線束の高い、高速原子線を効率的に発生できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の高速原子線源の概略の構成
を示す説明図。

【図２】従来の高速原子線源の説明図。

【符号の説明】

１ 円筒形陰極 ２ ドーナツ状の陽極 ３ 直流高圧電源 ４ ガスノズル ５ アルゴンガス ６ プラズマ ７ 原子放出孔 ８ 高速原子線 ９ 流通孔 ２１ 板状陰極 ２２ 板状陽極 ２３ 絶縁物（セラミック）外筒 ２４ マイクロ波導波路 ２５ マイクロ波

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負電位が与えられる原子放出孔を有する
   陰極と、正電位が与えられる陽極と、該陰極と該陽極間
   の放電部に放電を起こすガスを導入するガス導入部とか
   ら構成される高速原子線源において、前記放電部にマイ
   クロ波を導入することを特徴とする高速原子線源。
2. 【請求項２】 前記放電部には、更に磁場を備えること
   を特徴とする請求項１記載の高速原子線源。
3. 【請求項３】 前記原子放出孔を有する陰極は板状陰極
   であり、前記陽極はガスの流通孔を有する板状陽極であ
   り、該陰極及び該陽極は外筒内に対向して設置されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の高速原子線
   源。