JPH0750635B2

JPH0750635B2 - 粒子線源

Info

Publication number: JPH0750635B2
Application number: JP2351285A
Authority: JP
Inventors: 房男下川; 博喜桑野; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-02-12
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPS61183898A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は中性化率の高い高速原子線を発生することので
きる粒子線源に関するものである。

〈従来の技術〉従来では、第４図に示す線源を用いて高速原子線を形成
している。同図に示すようにこの線源はAl製円筒の両端
面（直径30mm）を冷陰極3,4とすると共にこの円筒内に
同心状に環状の陽極２を配置する一方、一方の冷陰極３
にガス導入孔１を設けると共に冷陰極3,4を接地し、更
に他方の冷陰極４の中央部に直径1mmのビーム引き出し
孔を穿設してなるものである。このような構成の線源よ
り取り出されるビーム５はイオン、原子とから成る混合
ビームである。この場合のイオン線と原子線の割合は、
実験の結果50％,50％であることが判明している。即ち
ビームの中性化率は50％である。

従来、このビームの中性化率を増加あるいは制御するた
めに第５図又は第６図に示す方法が採用されている。第
５図に示されるものは、線源６か取り出されたイオン・
原子の混合ビーム７に対して、電子源８から電子線９を
照射することにより、混合ビーム７中のイオン線を一部
中和して原子線とするものである。この方法では、イオ
ンの全てを原子に変換することは困難であり、イオンが
原子に変わる割合は数％にすぎない。従つて、混合ビー
ムは約51〜52％の原子と、48〜49％のイオンとからなる
ビームにしか中性率を増加することができず、この方法
では大量の高速原子線が得られなかつた。第６図に示さ
れるものは線源６から引き出された混合ビーム７をNeut
ralizer11に斜入射させて、混合ビーム７中のイオンの
電荷を変換し、原子線を形成する方法である。この方法
では、混合ビーム７がNeutralizer11に衝突する際に、
多くは吸収、消失してしまい、大量のの原子線を作るこ
とができない。更に、混合ビームがNeutralizer11に衝
突することによつてNeutralizer自身をスパツタするた
め、電荷交換により得られるビーム中にNeutralizer11
の原子が混入しビームの純度を低下させるおそれもあ
る。

〈発明が解決しようとする問題点〉このように、従来技術では、中性化率が約50％程度であ
り、大量の高速原子線から得られず、また純度の高い高
速の原子線が得られないという欠点があつた。本発明
は、熱電子源を付加することによりこのような従来技術
の問題点を解消した粒子線源を提供することを目的とす
る。

〈問題点を解決するための手段〉斯かる目的を達成する本発明の粒子線源に係る構成は環
状の陽極の両側に冷陰極を各々配置すると共にこれらの
電極間にガスを介在させて低圧ガス放電を発生させる一
方、前記冷陰極に近接して熱電子源を配置し、更に前記
陽極を中心として両冷陰極間で振動する電子とイオンが
結合した高速電子線を取り出すビーム放出孔をいずれか
の前記冷陰極の中央に設けたことを特徴とするものであ
り、そして熱電子源は通電される電流の大きさを変化さ
せることにより、放出する熱電子の数を制御できること
が望ましい。

〈作用〉環状の陽極とこの両側の冷陰極との間にガスを介在させ
て低圧ガス放電させると、冷陰極から放出された電子は
陽極を中心といて両冷陰極間で振動し、その途中で多く
の気体ガス分子原子と衝突してイオンを生ずる。振動す
る電子は折り返し点である冷陰極付近では低速となつ
て、イオンと再結合し高速原子線となり更く冷陰極中央
のビーム放出孔から取り出される。また、ビーム放出孔
からはイオンも同様に取り出される。ここで熱電子源を
点火して熱電子を発生させると、イオンと電子とが結合
して高速原子線となる確率が高くなり、ビーム放出孔か
ら取り出されるビームの中性化率が向上することとな
る。

〈実施例〉以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図に本発明の一実施例を示す。同図に示されるよう
に、円筒状の容器の一端面が冷陰極４となると共にその
容器の他端面として冷陰極３が装着され、更にその容器
の中央部において環状の陽極２が同心状に配置されて、
直径55mm、長さ60mmの放電用空間が容器内に形成されて
いる。冷陰極3,4はいずれもグラフアイト製であり、接
地される一方、冷陰極３にはガス導入口１が接続され、
また冷陰極４にはその中央にビーム放出孔14が設けられ
ている。更に本発明では、冷陰極３の中央から放電用空
間内に熱電子源16が差し込まれ、この熱電子源16には直
流安定化電源17が接続されている。熱電子源16として
は、例えばタングステンフイラメント、タングステン−
トリウムフイラメントなどが使用できる。

このような構成の粒子線源は次の様に使用する。また、
ガス導入口１より、Ar等の不活性ガスを放電用空間内に
導入し、次いで、陽極２に数kV〜10kV程度の直流正電圧
を印加する。すると、陽極２とその両側の冷陰極3,4間
でグロー放電が発生し、この時、冷陰極３又は４から放
出される電子12は陽極２に向かつて加速し、環状の陽極
２の中央を貫通して反対側の冷陰極４又は３に達し、こ
こで速度を失つていつたん停止し、あらためて陽極２に
向けて加速され、以後同様に繰り返す。即ち、冷陰極3,
4より放出された電子12は陽極２を中心にバルクハウゼ
ン−クルツの振動（以下Ｂ−Ｋ振動という）と呼ばれる
高周波運動を行い、その途中で多くの気体ガス、分子、
原子と衝突してイオン13を大量に生成する。この場合、
線源内のガス圧は10^-2〜10^-3Torrであり、また、線源内
では放電におけるパツシエンの法則に基づいて引出し方
向の振動が支配的となる様に設計される。ビーム放出孔
14付近は、Ｂ−Ｋ振動を行う電子12の折り返し点であ
り、速度の小さい電子12が多数存在する空間でもある。
この電子12は低速であり衝突断面積が大きいため冷陰極
４付近に飛来するイオン13と結合して高速原子線15とな
る。また、冷陰極４に飛来したイオン13は数kVの運動エ
ネルギーを有しており、一部は冷陰極４に衝突して二次
電子を放出する。放出された二次電子は初速度が数十eV
と低いため、大きな衝突断面積を有しており、これも後
続のイオン13と結合して高速原子線15となる。このた
め、陽極２、冷陰極3,4としては二次電子放出比が0.1程
度の材料であり、しかも耐熱性に優れたグラフアイトが
好ましい。

しかしながらこの程度では高速原子線15のビーム全体に
対する中性化率がさほど高くならないのであり、そこで
本発明では線源内に熱電子源16を付加したのである。熱
電子源16に直流安定化電源17により最大10A程度の電流
を流すと、熱電子源16の表面温度が高くなり、大量の電
子が放出される。従つて、この電子源16の点火によつて
線源内に生成されるイオン13の数を増すことができると
共に冷陰極４付近の低速の電子の数を増すことができる
ため、イオン13と電子12とが結合して高速原子線15とな
る確率が高くなる。また、熱電子源16に流す電流の大き
さを変更することによつて、熱電子源16から放出される
電子12の数を制御し、イオン13と電子12とが再結合する
確率を任意に選択することが可能となる。尚、上記実施
例においては、ガス導入口１の設けられた冷陰極３に熱
電子源16を装着したが、これに限るものではなく、ビー
ム放出孔14のある冷陰極４に熱電子源16を装着しても良
く、また、冷陰極3,4の両方に熱電子源16を装着しても
良い。いずれにしても同様の効果を奏する。

次に、本発明の粒子線源について試験した結果を説明す
る。

第２図に、本発明の高速原子線源を用いたビーム中性化
率を制御した結果を示す。同図中において横軸は熱電子
源16から放出された電子電流の値である。この図から明
らかなように、熱電子が供給されない場合には、ビーム
放出孔14から放出する全ビーム中の高速原子線の割合、
即ち、中性化率は70％であり、従つて、残りの30％がイ
オン残存率である。そして、熱電子源16から電子流を供
給すると、中性化率はほぼ100％まで増加することが判
る。つまり、本発明によれば中性化率を70％以上に増大
させることができ、70％から100％の範囲で自由制御で
きるのである。

また、この時放出されるビーム電流の結果を第３図に示
す。同図において、横軸は第２図と同様、熱電子源16か
ら放出された電子電流の値である。第３図において、放
出されたビーム電流は、引き出された高速原子線の個数
をイオン電流値に換算したものである。この場合、ビー
ム電流密度は約10μA/cm²であり、この値は従来法によ
るビーム量とほぼ同程度である。

〈発明の効果〉以上、実施例に基づいて詳細に説明したように、本発明
の粒子線源は、熱原子源から電子を発生させることによ
り、イオンと電子とが結合する確率を高めて中性化率を
高めることができると共に自由に制御することができ
る。このため、本発明の高速原子線源をスパツタリング
に応用すれば、絶縁体表面がチヤージアツプすることに
影響されずに材料の加工を能率的に進めることができ、
特に薄膜形成時に好都合である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は
熱電子源より放出された電子電流と中性化率との関係を
示すグラフ、第３図は熱電子源より放出された電子電流
とビーム電流密度との関係を示すグラフ、第４図（ａ）
（ｂ）は各々従来の線源を示す概略構成図、正面図、第
５図は混合ビームに電子線を照射する様子を示す説明
図、第６図は混合ビームをNeutralizerに斜入射する様
子を示す説明図である。図面中、１はガス導入口、２は陽極、3,4は冷陰極、５はビー
ム、６は線源、７は混合ビーム、８は電子源、９は電子
線、10はイオンが残存した原子線、11はNeutralizer、1
2は電子、13はイオン、14はビーム放出孔、15は高速原
子線、16は熱電子源、17は直流安定化電源である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環状の陽極の両側に冷陰極を各々配置する
と共にこれらの電極間にガスを介在させて低圧ガス放電
を発生させる一方、前記冷陰極に近接して熱電子源を配
置し、更に前記陽極を中心として両冷陰極間で振動する
電子とイオンが結合した高速電子線源を取り出すビーム
放出孔をいずれかの前記冷陰極の中央に設けたことを特
徴とする粒子線源。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、熱電子源
は通電される電流の大きさを変化させることにより、放
出する熱電子の数を制御できることを特徴とする粒子線
源。