JP2010205446A

JP2010205446A - イオン源

Info

Publication number: JP2010205446A
Application number: JP2009046925A
Authority: JP
Inventors: Akira Kobayashi; 明小林; Chikara Ichihara; 主税一原; Takayuki Hirano; 貴之平野; Toshiyuki Tsuji; 敏之辻
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】より弱い電界でイオン原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、イオンビームを照射するためのイオン源１０であって、容器２０内に供給されたイオン原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段４０を備え、この誘電体バリア放電手段４０は、第１の電極２３ｂ及びこの第１の電極２３ｂに対向する第２の電極４２と、これら第１及び第２の電極２３ｂ，４２間に印加するための交流電源４３とを有し、第１及び第２の電極２３ｂ，４２の少なくとも一方が誘電体で被覆され、これら第１及び第２の電極２３ｂ，４２は、容器２０内において当該容器２０内に供給されたイオン原料ガスが第１及び第２の電極２３ｂ，４２間を通過したあと電界電離電極２３の先端部周辺に供給されるような位置に配置されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度のイオンビームを利用した、表面物理分析装置や半導体製造の検査装置、欠陥リペア装置用イオンプローブ、イオン注入、イオンビーム露光、イオンビーム堆積、イオンビームエッチング、イオンビーム描画、走査イオン顕微鏡等に用いられる微小径イオンビーム発生用のイオン源に関する。

従来、半導体工業等の分野では、サブミクロン以下に集束したイオンビームのイオン源としては、一般に、液体金属イオン源が用いられていた。この液体金属イオン源からは、高輝度のイオンビームを得ることができる。しかし、例えば、ガリウムを用いた液体金属イオン源から得られるイオンビームでは、スパッタリング効果が大きく、照射される物質表面へのダメージが大きい。そのため、分析用途に用いるには問題があった。また、照射した金属イオンが物質中に残留する等の問題もあった。

そこで、このような問題を避けるためにヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素を用いてイオンビームを得ることが考えられ、ガス相の電界電離型イオン源が利用され始めた。図３に示されるように、この電界電離型イオン源３００は、先端が尖った針状の電界電離電極３２３と、中央部に孔３２２が設けられた板状の引出電極３４０を有する容器３２０とを備える。電界電離電極３２３は、先端を前記孔３４１に向けて、且つ照射するイオンビームのビーム軸Ｋ’に沿うように前記容器３２０内に配置されている。一方、引出電極３４０は、中央部の孔３４１の中心が前記イオンビームのビーム軸Ｋ’と一致し、且つこのイオンビームのビーム軸Ｋ’に直交するように配置されている。また、容器３２０には、外部から不活性ガスや酸素等のイオン原料ガスを供給する供給管３３０が接続されている。電界電離電極３２３と引出電極３４０との間には電位差が生じるように印加用電源３６０及びアース３６２がそれぞれ接続されている（特許文献１参照）。

このようなイオン源３００において、針状の電界電離電極３２３が、その先端部半径を１ｎｍ〜１００ｎｍ程度となるように尖らされ、容器３２０内の圧力が１０^-１Ｐａ程度となるようにイオン原料ガスが供給される。そして、この電界電離電極３２３の先端部周辺に強電界（例えば、５〜５０Ｖ／ｎｍ程度の電界）が形成されるように、電界電離電極３２３に対して印加する。このように構成されることで、針状の電界電離電極３２３の先端部周辺のガス分子は、当該電界電離電極３２３の先端部周辺に形成された強電界での電界電離現象によりイオンと電子とに分離される。このように分離されたイオンを引出電極３４０の孔３４１から容器３２０外に引き出すことで、前記不活性ガスや酸素の集束イオンビームが得られる。

特許第２６０５６９２号公報

しかし、上記のようなガス相の電界電離型イオン源３００でイオン原料ガスをイオン化するには、針状の電界電離電極３２３の先端部周辺に前記強電界（例えば、５〜５０Ｖ／ｎｍ程度の電界）を形成する必要があった。電界電離電極３２３の先端部周辺に上記のような強電界を形成するためには、電界電離電極３２３に対して通常２０〜３０ｋＶ以上の電圧を印加する必要がある。そのため、印加用電源３６０を備えるイオン源３００に必要な絶縁対策も複雑なものとなる。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、より弱い電界でイオン原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明は、イオンビームを照射するためのイオン源であって、微小開孔を有し、外部からイオン原料ガスが供給される容器と、前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて若しくは前記先端を前記微小開孔から外部に僅かに突出させるように前記容器内に配置される電界電離電極と、前記電界電離電極の先端と対向するように前記容器の外部に配置される引出電極と、この引出電極と前記電界電離電極との間に電圧を印加することにより、前記電界電離電極の先端部周辺に強電界を形成し、この強電界によって前記微小開孔から噴出するイオン原料ガスを電界電離してイオン化し、このイオン化されたイオン原料ガスを前記引出電極に引き出させる印加用電源と、前記容器内に供給されたイオン原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段と、を備え、この誘電体バリア放電手段は、第１の電極及びこの第１の電極に対向する第２の電極と、これら第１及び第２の電極間に印加するための交流電源とを有し、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方が誘電体で被覆され、前記第１及び第２の電極は、前記容器内において当該容器内に供給されたイオン原料ガスが当該第１及び第２の電極間を通過したあと前記電界電離電極の先端部周辺に供給されるような位置に配置されることを特徴とする。

かかる構成によれば、誘電体バリア放電が行われている第１及び第２の電極間を通ることによりイオン化エネルギーの低いラジカル（活性種）の状態にされた、即ち、ラジカル化されたイオン原料ガスが電界電離電極の先端部周辺に形成された強電界中に供給されることにより、ラジカル化されていないイオン原料ガスを電界電離してイオン化する場合に比べ、より低い電圧でイオン化されイオンビームを得ることができる。その理由は、以下のとおりである。

図４に示されるように、金属表面に強電界Ｆが加わると、ガス分子の電子のポテンシャルエネルギーは、金属表面からの距離ｘに比例してｅＦｘだけ上側に移り、高さがＩ、幅がＩ／ｅＦを持った三角形状で近似できるポテンシャル障壁ができる（ｅは電子の電荷、Ｆは電界の強さ、Ｉはイオン化エネルギー）。この幅（＝Δｘ＝Ｉ／ｅＦ）が不確定性原理を満足する程度、

であれば、原子内の電子は、トンネル効果を示す。ここで、ｈはプランク定数、Δｐは運動量の不確定性量である。

上記（１）式から

となり、この（２）式から、

が得られる。

この（３）式から分かるように、トンネル効果により電子が前記ポテンシャル障壁を通過してガス分子から分離し、このガス分子がイオン化するのに必要な電界強度Ｆは、Ｉの値が小さいほど小さくなる。即ち、ガス分子のイオン化エネルギーが小さいほど、電界電離現象による分子のイオン化が起こり易くなる。従って、前記電界電離電極の先端部周辺にイオン化エネルギーの小さなガス分子（イオン原料ガス）を供給することができれば、上記問題を解消することができる。

しかも、イオン原料ガスのラジカル化された状態は所定の寿命を有するが、第１及び第２の電極間でラジカル化されたイオン原料ガスは、当該第１及び第２の電極が容器内に配置されているため、すぐに電界電離電極の先端部周辺に供給されてイオン化されるため、効率良くイオン化が行われる。

本発明に係るイオン源においては、前記第２の電極が前記電界電離電極の周囲に配置され、この第２の電極の内側で且つ前記電界電離電極の外側の領域に前記誘電体バリア放電が行われる領域を形成するのが好ましい。

かかる構成によれば、誘電体バリア放電が行われる領域（誘電体バリア放電領域）と強電界がその周囲に形成される電界電離電極の先端部とが近いため、第２の電極の内側で且つ電界電離電極の外側の誘電体バリア放電領域でラジカル化されたイオン原料ガスが当該領域を通過してすぐに電界電離電極の先端部周辺に形成される電界電離のための強電界中に供給されるため、より効率よくイオン化が行われる。

前記のように電界電離電極の周囲に第２の電極が配置される場合、前記電界電離電極は、前記第１の電極を兼ねる電極基部と、この電極基部の先端から前記ビーム軸に沿って延びると共に前記尖った先端を含む強電界形成部とを有し、前記第２の電極は、前記電極基部の周囲に配置されるのがより好ましい。

かかる構成によれば、第１の電極を電界電離電極の一部（電極基部）が兼ねることで、構成を簡素化することができる。

前記電界電離電極では、電極基部が前記ビーム軸を中心とする円筒状の外周面を有すると共に、前記強電界形成部が前記ビーム軸を中心に軸対称の外周面を有し、前記第２の電極は、前記電極基部の外周面と同心状に当該電極基部を囲む円筒状の内周面を有する筒状電極であるのが好ましい。

かかる構成によれば、電界電離電極の先端部周辺にビーム軸を中心に軸対称若しくは略軸対称の強電界が形成され、この強電界中に前記ビーム軸の周方向において偏りなくラジカル化されたイオン原料ガスが供給されるため、効率よくイオン原料ガスのイオン化が行われる。

詳細には、強電界形成部が形成する電界電離のための強電界は、誘電体バリア放電手段の電極（即ち、電極基部と第２の電極と）が形成する電界によってその対称性を乱されない、若しくはごく僅かしか乱されない。即ち、誘電体バリア放電手段の電極が形成するイオン原料ガスをラジカル化する電界だけに着目すると、このラジカル化のための電界は、電極基部の外周面及び第２の電極の内周面の中心軸（ビーム軸）を中心にして軸対称に形成される一方、強電界形成部によってその周囲に形成される電界電離のための電界（強電界）だけに着目すると、この電界は、強電界形成部の外周面の中心軸（ビーム軸）を中心にして軸対称に形成される。そのため、前記の誘電体バリア放電手段の電極が形成する電界と強電界形成部が形成する電解電離のための電界との合成電界は、ビーム軸を中心に軸対称、若しくは略軸対称に形成される。また、電極基部の外周面と第２の電極の内周面とが同心状の円筒状であるため、互いの間隔は周方向において一定となり、これにより両電極間をイオン原料ガスが前記周方向において偏りなく流れることができる。その結果、ビーム軸を中心に軸対称若しくは略軸対称の強電界が形成されている強電界形成部（電界電離電極）の先端部周辺に、電極基部と第２の電極との間を通過することによりラジカル化されたイオン原料ガスが電界電離電極の周方向において偏りなく供給されるため、効率よくイオン原料ガスのイオン化が行われる。

しかも、電極基部の外周面と第２の電極の内周面との間隔がビーム軸方向においても一定となるため、誘電体バリア放電のビーム軸方向における偏りが抑制され、電極基部と第２の電極との間で効率よくイオン原料ガスのラジカル化が行われる。

誘電体バリア放電手段の電極が電界電離電極の一部と筒状電極とで構成される場合、前記電界電離電極は、前記強電界形成部が前記第２の電極よりも前記イオンビームの照射方向に突出するような長さを有するのがより好ましい。

かかる構成によれば、強電界形成部が第２の電極の内周面に囲まれた領域から前記照射方向に突出するため、強電界形成部の先端部周辺に形成される強電界が第２の電極の電位の影響を受け難くなり、当該強電界の電界強度の低下が抑制される。

また、前記電極基部の外周面は、前記ビーム軸方向において前記第２の電極の内周面と同じ長さを有し、前記電界電離電極は、前記強電界形成部の外径よりも前記電極基部の外径が大きくなるように形成されているのが好ましい。

かかる構成によれば、電極基部の外周面及びこれを囲む第２の電極の内周面の周方向の長さが大きくなることにより誘電体バリア放電が行われる部位の面積が大きくなって誘電体バリア放電領域が増大する。そのため、当該誘電体バリア放電領域を通過するイオン原料ガスが増加しイオン原料ガスのラジカル化がより効率よく行われる。しかも、電界電離電極は、強電界形成部の外径が小さくその先端が尖っているため、先端部周辺に強電界を形成し易い。

前記第２の電極は、前記内周面と同心状の外周面を有する円筒状電極であり、前記容器は、その内周面が前記筒状電極の外周面に接するような内径を有するのが好ましい。

かかる構成によれば、容器の内周面と筒状電極（第２の電極）の外周面との間の空間をなくすことができ、これにより容器の小型化を図ると共に容器内での筒状電極の径方向の位置決めが容易になる。

前記容器にイオン原料ガスを供給する原料ガス供給手段を備え、この原料ガス供給手段は、イオン原料ガスの供給量を制御するための供給量制御手段を有するのが好ましい。

かかる構成によれば、供給量制御手段によって容器に供給されるイオン原料ガスの量を制御することが可能となり、これにより所望の電流量のイオンビームを容易に得ることができる。

前記微小開孔は、イオン化された原料ガスの引き出し方向に向って先細り形状であるのが好ましい。

かかる構成によれば、容器に供給されて微小開孔から噴出するイオン原料ガスが、微小開孔先端部での絞り効果により電界電離電極の先端部周辺で高圧となる。そのため、前記微小開孔先端部と前記微小開孔の噴出側との圧力勾配がより急となり、効率よくイオン原料ガスがイオン化されると共にイオン化されたイオン原料ガスが雰囲気ガスと衝突する確率、即ち、イオン消滅確率を低くすることができる。

内部を真空にすることができる真空容器を備え、この真空容器の内部に前記容器と前記引出電極とが配設されるのが好ましい。

かかる構成によれば、真空容器内を真空にすることによって容器の外側が真空領域となるため、容器から噴出するイオン原料ガスの前記微小開孔先端部と前記微小開孔の噴出側とではより急激な圧力勾配が発生する。そのため、電界電離電極の先端周辺でイオン化されたイオン原料ガスが引き出される際に、前記イオン消滅確率をより低くすることができる。尚、本発明において、真空とは、真空に近い状態も含む。

以上より、本発明によれば、より弱い電界でイオン原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することができる。

本実施形態に係るイオン源の概略構成図である。他実施形態に係るイオン源における（ａ）は概略構成図であり、（ｂ）は、容器内で電界電離電極及び円筒状電極を支持する支持体の横断面図である。従来の電界電離型イオン源の概略構成図である。電界中におかれた金属表面近くのガス分子のポテンシャルを示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係るイオン源は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素からなるイオン原料ガスを電界電離し、高輝度のイオンビームを得るためのイオン源である。図１に示されるように、イオン源１０は、微小開孔２２を有し、外部からイオン原料ガスが充填（供給）される容器２０と、この容器２０にイオン原料ガスを供給するガス供給管（原料ガス供給手段）３０と、容器２０内に配置される電界電離電極２３と、容器２０内に配置され、当該容器２０内に供給されるイオン原料ガスを誘電体バリア放電によりラジカル（活性種）化する誘電体バリア放電電極（以下、単に「ＤＢＤ電極」とも称する。）４１と、容器２０の前方に配置される引出電極５０と、を備える。また、イオン源１０は、真空容器１１を備え、前記の容器２０、電界電離電極２３、ＤＢＤ電極４１及び引出電極５０が、その内部に配設されている。さらに、電界電離電極２３と引出電極５０とには、電界電離電極２３の先端部周辺に強電界を形成するための印加用電源６０が接続されている。尚、本実施形態において、照射されるイオンビームの照射方向を前方（又は先端側）とする（図１においては下方向）。

容器２０は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素などの常温で気体状態のイオン原料ガスが充填される容器であり、絶縁体で形成されている。本実施形態では、容器２０は、アルミナセラミクスで形成されているが、ジルコニウム系セラミクスやガラス等で形成されてもよい。この容器２０は、後端が開口する容器本体２０ａと、この容器本体２０ａの後端開口をイオン原料ガスが供給される通路を残して塞ぐ蓋部２０ｂとで構成されている。これら容器本体２０ａと蓋部２０ｂとにより囲まれる容器２０の内部には、イオンビームのビーム軸Ｋ方向に沿って延びると共に先端が尖った電界電離電極２３が配置される。この電界電離電極２３は、先端が微小開孔２２に向くように容器２０の蓋部２０ｂに取り付けられている。本実施形態において電界電離電極２３は、その先端が微小開孔２２から容器２０の外側へ５μｍ程度突出するように容器２０内に配置されている。また、容器２０の内部には、電界電離電極２３の所定の部位と共にＤＢＤ電極４１を構成する円筒状電極（第２の電極）４２も配置される。

具体的に、容器本体２０ａは、前方が容器先端部２１によって塞がれた円筒状に形成されている。容器先端部２１は、イオンビームのビーム軸Ｋと直交する方向に拡がる板状の部位であり、その中央部（ビーム軸Ｋと交差する位置）に、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスが噴出する微小開孔２２が設けられている。容器本体２０ａは、ビーム軸Ｋと直交する断面が円形となる内周面１２０を有する。この内周面１２０は、前方側の部位１２０ａよりも後方側の部位１２０ｂの方が内径が大きくなるように形成され、前方側の部位１２０ａと後方側の部位１２０ｂとの境界位置には径方向の段差が形成されている。この内周面１２０の後方側の部位１２０ｂには、容器本体２０ａの後端開口から円筒状電極４２が当該円筒状電極４２の中心軸とビーム軸Ｋとが一致する姿勢で挿入される。このとき、円筒状電極４２は、その先端が内周面１２０の前記段差に当接するまで挿入される。

蓋部２０ｂには、供給されるイオン原料ガスが通過可能な貫通孔１２１が設けられ、この貫通孔１２１からイオン原料ガスを容器２０内に供給可能に原料ガス供給管３０が接続されている。この蓋部２０ｂは、容器本体２０ａの後端開口を塞ぐように配設され、容器本体２０ａに対してネジＮによって締結されている。

微小開孔２２は、容器２０の内部に配設された電界電離電極２３の中心軸（イオンビームのビーム軸Ｋ）にその中心を一致させ、容器２０の内部と外部とを連通するように容器先端部２１に設けられている。この微小開孔２２は、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスを容器２０の外部へ噴出するための孔であり、内部から外部に向かって、即ち、イオンの引き出し方向に向かって先細りに形成されている。具体的に、微小開孔２２は、先端側に向かって径が小さくなるテーパ形状に形成されている。本実施形態においては、微小開孔２２の小径側（容器２０の外面側）の孔径は、２０μｍであり、孔の長さ（容器先端部２１の厚さ）は、０．５ｍｍである。尚、微小開孔２２の小径側の孔径と、容器先端部２１の厚さとは、前記の値に限定されない。例えば、微小開孔２２の小径側の孔径は、５〜１００μｍでもよく、この場合、容器先端部２１の厚さは、０．０１〜１ｍｍが好ましい。

原料ガス供給管３０は、容器２０内に供給したイオン原料ガスがＤＢＤ電極４１を構成する一対の電極間２３ｂ，４２を通過するように蓋部２０ｂに接続されている。この原料ガス供給管３０の上流側には、容器２０に供給するイオン原料ガスの供給量を制御するための供給量制御手段３１が設けられている。

電界電離電極２３は、誘電体バリア放電に用いられる部位である電極基部２３ｂと、この電極基部２３ｂの先端からビーム軸Ｋに沿って延びると共に当該電界電離電極２３の尖った先端を含む強電界形成部２３ａとからなる。これら強電界形成部２３ａと電極基部２３ｂとは、それぞれの中心軸がビーム軸Ｋ上に位置するように強電界形成部２３ａを前にして前後に並んでいる。これら強電界形成部２３ａと電極基部２３ｂとでは、強電界形成部２３ａの外径よりも電極基部２３ｂの外径の方が大きい。本実施形態では、電界電離電極２３は、強電界形成部２３ａと電極基部２３ｂとが別々に形成され、これらが接続されることにより電界電離電極２３が一体に形成されるが、強電界形成部２３ａと電極基部２３ｂとが一体成型によって形成されてもよい。

強電界形成部２３ａは、電界電離電極２３において、イオン原料ガスを電界電離してイオン化するためにその周辺に強電界を発生させるための小径部位である。強電界形成部２３ａは、ビーム軸Ｋを中心に軸対称の外周面を有する。本実施形態では強電界形成部２３ａは、タングステンで形成され、長さが５ｍｍ、直径が０．２〜１ｍｍの細線であり、先端部（テーパ部）が先細りのテーパ形状となっている。このテーパ部は、その先端半径が５０ｎｍとなるように電界研磨により形成される。尚、強電界形成部２３ａの素材は、タングステンに限定されず、イリジウム等の金属やシリコン、又はそれらを含む合金、若しくはそれらに貴金属、高融点金属、高融点金属の炭化物若しくは窒化物等でコーティング処理を施したものであってもよい。

電極基部２３ｂは、電界電離電極２３において、誘電体バリア放電を行うための大径の部位であり、誘電体で被覆されている。電極基部２３ｂは、ビーム軸Ｋと同心状の円筒状の外周面を有する。この電極基部２３ｂは、後端が容器２０の蓋部２０ｂに接続される。本実施形態では、電極基部２３ｂは、ＳＵＳで形成され、外径が３〜５ｍｍの円筒形の外周面を有し、その表面には厚さが０．５〜１ｍｍのセラミックの誘電体被膜ｆが施されている。この誘電体（セラミック被膜ｆ）の誘電率は９程度である。尚、電極基部２３ｂの素材は、ＳＵＳに限定されず、アルミや銅等であってもよい。

この電極基部２３ｂは、誘電体バリア放電手段４０の一部を構成する。誘電体バリア放電手段４０は、イオン原料ガスをラジカル（活性種）化するためのものであり、ＤＢＤ電極４１と、このＤＢＤ電極４１に交流電圧を印加するための交流電源４３とを備える。

ＤＢＤ電極４１は、誘電体バリア放電を行うための電極であり、第１の電極２３ｂ及びこの第１の電極２３ｂに対向する第２の電極４２との一対の電極からなる。本実施形態では、ＤＢＤ電極４１は、第１の電極を兼ねる電極基部２３ｂと、この電極基部２３ｂの周囲に配置される円筒状電極（第２の電極）４２とにより構成される。このようにＤＢＤ電極４１の一部を電極基部２３ｂ（電界電離電極２３）が兼ねることで、イオン源１０の構成を簡素化することができる。

円筒状電極４２は、電極基部２３ｂ（電界電離電極２３）を同心状に囲う円筒状に形成されている。即ち、円筒状電極４２は、ビーム軸Ｋと同心状の円筒状の内周面及び外周面を有する円筒状の電極である。この円筒状電極４２は、その表面を誘電体により被覆されている。本実施形態では、円筒状電極４２は、電極基部２３ｂと同様にＳＵＳで形成され、その表面には厚さが０．５〜１ｍｍのセラミックの誘電体被膜ｆが施されている。この誘電体（セラミック被膜ｆ）の誘電率も電極基部２３ｂと同様に９程度である。尚、円筒状電極４２の素材は、ＳＵＳに限定されず、アルミや銅等であってもよい。

円筒状電極４２の外周面は、容器本体２０ａの内周面１２０の後方側の部位１２ｂに対応する外径を有し、且つ後方側の部位１２０ｂに対応するビーム軸Ｋ方向の長さを有する。即ち、容器本体２０ａの後端開口から容器本体２０ａ内部に円筒状電極４２を挿入し、その先端が内周面１２０の段差に当接したときに、円筒状電極４２の後端が容器本体２０ａの後端と同じ位置となる。そのため、容器本体２０ａに円筒状電極４２が挿入された後、蓋部２０ｂによって後端開口が塞がれることにより、円筒状電極４２が容器２０内部に位置決め・固定される。このとき、内周面１２０の後方側の部位１２０ｂと円筒状電極４２の外周面（誘電体の被膜を含む）とが全周に亘って接した状態となることで、円筒状電極４２は、電極基部２３ｂ（電界電離電極２３）と同心状となる位置に位置決めされる。このとき、電極基部２３ｂの外周面と円筒状電極４２の内周面との間隔（ギャップ）は、１ｍｍ程度であり、誘電体バリア放電（無声放電）が行われる放電領域Ｄを形成する。

円筒状電極４２のビーム軸Ｋ方向の長さは、電極基部２３ｂと同じ長さである。そのため、円筒状電極４２と電界電離電極２３とが容器２０内部に配設されたときに、ビーム軸Ｋ方向において、強電界形成部２３ａが円筒状電極４２よりもイオンビームの照射方向に突出した状態となる。具体的に、本実施形態では、円筒状電極４２の先端よりも電界電離電極２３の先端（強電界形成部２３ａの先端）が前方に５ｍｍ程度突出した状態となる。

交流電源４３は、電極基部２３ｂ（電界電離電極２３）と円筒状電極４２との間に交流電圧を印加するための交流電源である。本実施形態では、交流電源４３は、電極基部２３ｂと円筒状電極４２との間に１〜２０ｋＨｚ、１ｋＶ程度の交流電圧を印加する。

引出電極５０は、電界電離電極２３の先端部（強電界形成部２３ａ）周辺に強電界を発生させ、当該強電界によってイオン原料ガスをイオン化すると同時に、このイオン化されたイオン原料ガスをイオンビームとして引き出す役目を担う。この引出電極５０は、ステンレス製の板状の電極で、イオンビームの通過するイオンビーム通過孔５１が中央に設けられている。このように構成される引出電極５０は、容器２０の前方側に電界電離電極２３の先端と対向するように配置されている。即ち、引出電極５０は、中央に設けられたイオンビーム通過孔５１の中心が微小開孔２２の中心と同一直線上（イオンビームのビーム軸Ｋ上）に位置するように配置されている。

印加用電源６０は、電界電離電極２３（詳細には強電界形成部２３ａ）と引出電極５０との間に電圧を印加するための電源である。この印加用電源６０は、直流電源であり、引出電極５０に対して電界電離電極２３が５ｋ〜２０ｋＶ程度（本実施形態の場合、２０ｋＶ）の正電位を印加する。

真空容器１１は、いわゆる真空チャンバーであり、真空ポンプ１２が設けられた排気管１３が接続されている。この真空容器１１の内部は、イオン源１０の作動時において、接続された真空ポンプ１２によって内部の空気が排気され、高真空状態に保たれる。

以上のように構成されるイオン源１０では、以下のようにしてイオンビームが照射される。

真空容器１１内が真空ポンプ１２によって真空引きされ、高真空状態（１０^−５〜１０^−７Ｐａ程度）となる。そして、原料ガス供給管３０を通じて容器２０内にイオン原料ガス（本実施形態においては、ヘリウム）が供給される。このとき、容器２０内の圧力が１Ｐａ〜１００Ｐａとなるように供給量制御手段３１により容器２０内へのイオン原料ガスの供給量を調整する。本実施形態においては、１０Ｐａとする。このように容器２０に供給されるイオン原料ガスの量を調整することにより、容器２０内の圧力を一定に保つことが容易にでき、これにより電界電離電極２３の強電界形成部２３ａの周辺においてイオン原料ガスの安定したイオン化が行われ、安定したイオンビームが得られる。

具体的に、前記イオン原料ガスは、容器２０内に供給されてラジカル化される。詳細には、イオン原料ガスは、原料ガス供給管３０から蓋部２０ｂの貫通孔１２１を通じて容器２０内に供給される。この容器２０内に供給されたイオン原料ガスは、電極基部２３ｂと円筒状電極４２との間隙、即ち、放電領域Ｄ内に導入される。その際、両電極２３ｂ，４２間には、交流電源４３によって前記所定の交流電圧が印加されている。これにより、電極基部２３ｂと円筒状電極４２との間に連続した微小放電である誘電体バリア放電（無声放電）領域Ｄが形成される。このように、誘電体バリア放電領域Ｄが形成された両電極２３ｂ，４２間を通過することにより、イオン原料ガスはラジカル化される。

このようにしてラジカル化されたイオン原料ガスは、励起した準安定状態で強電界形成部２３ａの周辺に供給される。ここで、１０Ｐａ程度のガス圧力下では、ヘリウムの準安定状態での平均自由工程は２ｍｍ程度であるため、イオン原料ガスは、励起した準安定状態のまま強電界形成部２３ａ周辺に形成された強電界内に殆ど消滅することなく移動し、この強電界により電界電離されてイオン化される。このようにイオン化されたイオン原料ガスは、引出電極５０によってイオンビームとして引き出される。

詳細には、容器２０内のＤＢＤ電極４１でラジカル化されたイオン原料ガスが強電界形成部２３ａ周辺に供給される際に、引出電極５０に対して、強電界形成部２３ａは１０ｋＶ程度の電圧が印加されている。これにより、強電界形成部２３ａの周辺（特に、強電界形成部２３ａの先端近傍）に強電界が形成される。

そして、ラジカル化されたイオン原料ガスが微小開孔２２から外部に噴出される際に、この強電界中を通過し、その際、電界電離現象によってイオン原料ガスがイオン化される。このイオン化されたイオン原料ガスが強電界形成部２３ａと引出電極５０との間の電位差によって引出電極５０側に引き出され、イオンビームが形成される。このイオンビームは、引出電極５０の中央に設けられたイオンビーム通過孔５１を通過して照射される。

このとき、強電界形成部２３ａの周辺でイオン原料ガスをイオン化するのに必要な電界強度は、上記の（３）式から、ヘリウムラジカルを用いた場合、Ｉ＝４．７ｅＶ程度であることから、ｅＦ≒４Ｖ／ｎｍとなる。これに対し、ヘリウムを用いた場合に必要な電界強度は、Ｉ＝２４．５ｅＶとするとｅＦ≒６０Ｖ／ｎｍとなる。このように、ヘリウムラジカルを用いることで、ヘリウムを用いる場合に比べ１５分の１程度の低い電界強度で電界電離現象を起こすことが可能となる。

以上のように、本実施形態に係るイオン源１０では、誘電体バリア放電手段４０のＤＢＤ電極４１（電極基部２３ｂ及び円筒状電極４２）の電極間を通ることによりラジカル化されたイオン原料ガスが強電界の形成されている強電界形成部２３ａの先端部周辺に供給されることにより、ラジカル化されていないイオン原料ガスを電界電離してイオン化する場合に比べ、印加用電源６０の電圧をより低くしてもイオンビームを得ることができる。その結果、イオン源１０において、必要な電源サイズを小さくして運転電力を小さくすることが可能となると共に、簡易な絶縁構造とすることが可能となる。

しかも、イオン原料ガスのラジカル化された状態は所定の寿命を有するが、電極基部２３ｂ及び円筒状電極４２が容器２０内に配置されているため、これら電極間でラジカル化されたイオン原料ガスは、すぐに強電界形成部２３ａの先端部周辺に供給されてイオン化されるため、効率良くイオン化が行われる。

具体的に、円筒状電極４２が電界電離電極２３の周囲に配置され、この円筒状電極４２の内側で且つ電界電離電極２３の外側の領域に誘電体バリア放電領域Ｄが形成されるため、この誘電体バリア放電領域Ｄと、強電界がその周囲に形成される強電界形成部２３ａとが互いに近接している。そのため、誘電体バリア放電領域Ｄでラジカル化されたイオン原料ガスが当該領域Ｄを通過してすぐに強電界形成部２３ａの周辺に形成される電界電離のための強電界中に供給され、これにより効率よくイオン化が行われる。

電界電離電極２３では電極基部２３ｂがビーム軸Ｋを中心とする円筒状の外周面を有すると共に強電界形成部２３ａがビーム軸Ｋを中心とする円筒状の外周面を有し、円筒状電極４２が電極基部２３ｂの外周面と同心状に当該電極基部２３ｂを囲む円筒状の内周面を有することで、電界電離電極２３の先端部周辺にビーム軸Ｋを中心に軸対称若しくは略軸対称の強電界が形成され、この強電界中にビーム軸Ｋの周方向において偏りなくラジカル化されたイオン原料ガスが供給されるため、効率よくイオン原料ガスのイオン化が行われる。

詳細には、強電界形成部２３ａが形成する電界電離のための強電界は、ＤＢＤ電極４１（即ち、電極基部２３ｂと円筒状電極４２と）が形成する電界によってその対称性を乱されない、若しくはごく僅かしか乱されない。即ち、ＤＢＤ電極４１が形成するイオン原料ガスをラジカル化する電界だけに着目すると、このラジカル化のための電界は、電極基部２３ｂの外周面及び円筒状電極４２の内周面の中心軸（ビーム軸Ｋ）を中心にして軸対称に形成される一方、強電界形成部２３ａによってその周囲に形成される電界電離のための電界（強電界）だけに着目すると、この電界は、強電界形成部２３ａの外周面の中心軸（ビーム軸Ｋ）を中心にして軸対称に形成される。そのため、ＤＢＤ電極４１が形成する電界と強電界形成部２３ａが形成する電解電離のための電界との合成電界は、ビーム軸Ｋを中心に軸対称、若しくは略軸対称に形成される。また、電極基部２３ｂの外周面と円筒状電極４２の内周面とが同心状の円筒状であるため、互いの間隔は周方向において一定となり、これにより両電極２３ｂ，４２間をイオン原料ガスが前記周方向において偏りなく流れることができる。その結果、ビーム軸Ｋを中心に軸対称若しくは略軸対称の強電界が形成されている強電界形成部２３ａ（電界電離電極２３）の先端部周辺に、電極基部２３ｂと円筒状電極４２との間を通過することによりラジカル化されたイオン原料ガスが電界電離電極２３の周方向において偏りなく供給されるため、効率よくイオン原料ガスのイオン化が行われる。

しかも、電極基部２３ｂの外周面と円筒状電極４２の内周面との間隔がビーム軸Ｋ方向においても一定となるため、誘電体バリア放電のビーム軸Ｋ方向における偏りが抑制され、電極基部２３ｂと円筒状電極４２との間で効率よくイオン原料ガスのラジカル化が行われる。

また、本実施形態のようにＤＢＤ電極４１が電界電離電極２３の一部（電極基部２３ｂ）と円筒状電極４２とで構成される場合、電界電離電極２３は、イオンビームのビーム軸Ｋ方向において、先端部（強電界形成部２３ａ）が円筒状電極４２よりもイオンビームの照射方向に突出することで、強電界形成部２３ａの周辺に形成される強電界が円筒状電極４２の電位の影響によって電界強度が低下するのが抑制される。

また、電極基部２３ｂの外周面がビーム軸Ｋ方向において円筒状電極４２の内周面と同じ長さを有し、電界電離電極２３が、強電界形成部２３ａの外径よりも電極基部２３ｂの外径が大きくなるように形成されることで、電極基部２３ｂの外周面及びこれを囲む円筒状電極４２の内周面の周方向の長さが大きくなることにより誘電体バリア放電が行われる部位の面積が大きくなって誘電体バリア放電領域Ｄが増大する。そのため、当該誘電体バリア放電領域Ｄを通過するイオン原料ガスが増加しイオン原料ガスのラジカル化がより効率よく行われる。しかも、電界電離電極２３は、強電界形成部２３ａの外径が小さくその先端が尖っているため、先端部周辺に強電界を形成し易い。

円筒状電極４２が内周面と同心状の外周面を有する円筒状であり、容器２０が、その内周面１２０（詳しくは後方側の部位１２０ｂ）が円筒状電極４２の外周面に接するような内径を有することで、容器２０の内周面１２０と円筒状電極４２の外周面との間の空間をなくすことができ、これにより容器２０の小型化を図ると共に容器２０内での円筒状電極４２の径方向の位置決めが容易になる。

原料ガス供給手段３０が供給量制御手段３１を有することで、当該供給量制御手段３１によって容器２０に供給されるイオン原料ガスの量を制御することが可能となり、これにより所望の電流量のイオンビームを容易に得ることができる。

微小開孔２２が先細り形状に形成されることにより、容器２０に供給されて微小開孔２２から噴出するイオン原料ガスが微小開孔２２先端部での絞り効果により、強電界形成部２３ａの周辺でより高圧となる。そのため、微小開孔２２先端部と微小開孔２２の噴出側（容器２０の外側）との圧力勾配がより急となり、効率よくイオン原料ガスがイオン化されると共にイオン化されたイオン原料ガスのイオン消滅確率を低くすることができる。

真空容器１１内に容器２０と引出電極５０とが配設され、容器２０の外側を真空領域とすることにより、容器２０から噴出するイオン原料ガスの微小開孔２２先端部と微小開孔２２の噴出側とではより急激な圧力勾配が発生する。そのため、強電界形成部２３ａの周辺でイオン化されたイオン原料ガスが微小開孔２２から引き出される際のイオン消滅確率をより低くすることができる。

尚、本発明のイオン源は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、誘電体バリア放電を行うための電極（第１の電極）を電界電離電極２３の電極基部２３ｂが兼ねているが、これに限定されず、第１の電極と電極基部２３ｂ（電界電離電極２３）とが別々に配置されてもよい。また、ＤＢＤ電極を構成する１対の電極は、容器２０内に配置され、当該容器２０内に供給されたイオン原料ガスをラジカル化し、このラジカル化したイオン原料ガスを電界電離電極２３の先端部周辺に供給可能に配置されていれば、電界電離電極２３の周囲を囲むように配置される必要もない。

また、上記実施形態では、電界電離電極２３は、互いに外径の異なる強電界形成部２３ａと電極基部２３ｂとにより構成されているが、図２（ａ）に示されるように、両部位２３ａ，２３ｂの外径が同一である電極、即ち、外径が軸方向に均一な一本の針状電極によって構成されてもよい。このような電界電離電極２３であっても、円筒状電極４２とこの電極４２に囲まれた電界電気電極の基部側の部位（電界基部）２２３ｂとの間で誘電体バリア放電が行われることによりイオン原料ガスがラジカル化され、このラジカル化されたイオン原料ガスが強電界形成部２３ａの先端部周辺にすぐに供給されて効率よくイオン化が行われる。

また、電界電離電極２３の誘電体被膜ｆ１が形成される範囲は、ビーム軸Ｋ方向において円筒状電極４２と同一範囲、即ち、円筒状電極４２の先端位置から後端位置までの範囲である必要はなく、円筒状電極４２の先端よりも前方側まで電界電離電極２３を被覆してもよい。この場合、強電界形成部２３ａの少なくともテーパ部を露出させる（図２（ａ）参照）ことにより、電界電離電極２３は、そのテーパ部周辺にイオン原料ガスの電解電離に必要な強電界を形成することができる。しかも、筒状電極４２の先端よりも前方側まで電界電離電極２３が誘電体被膜ｆ１に被覆されることで、当該電界電離電極２３から円筒状電極２３への余分な放電を抑制することができる。

また、容器２０の内周面１２０と円筒状電極４２の外周面とが接する（図１参照）必要もなく、容器２０の内周面２２０と円筒状電極４２の外周面との間に空間が形成されていてもよい（図２（ａ）参照）。

また、電界電離電極２３及び円筒状電極４２は、容器２０内に配置されていれば容器２０（蓋部２０ｂ）に直接取り付けられなくてもよい。即ち、図２（ａ）に示されるように、支持体７０等を介して容器２０に取り付けられてもよい。この場合、例えば、支持体７０は絶縁体により構成され、図２（ｂ）に示されるように、容器２０の外部から内部へイオン原料ガスを供給可能とするための孔７１を有する。

１０イオン源
２０容器
２２微小開孔
２３電界電離電極
２３ａ強電界形成部
２３ｂ電極基部（第１の電極）
４０誘電体バリア放電手段
４１ＤＢＤ電極
４２円筒状電極（第２の電極）
４３交流電源
５０引出電極
６０印加用電源
Ｄ誘電体バリア放電領域
ｆセラミック被膜（誘電体被膜）
Ｋビーム軸

Claims

イオンビームを照射するためのイオン源であって、
微小開孔を有し、外部からイオン原料ガスが供給される容器と、
前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて若しくは前記先端を前記微小開孔から外部に僅かに突出させるように前記容器内に配置される電界電離電極と、
前記電界電離電極の先端と対向するように前記容器の外部に配置される引出電極と、
この引出電極と前記電界電離電極との間に電圧を印加することにより、前記電界電離電極の先端部周辺に強電界を形成し、この強電界によって前記微小開孔から噴出するイオン原料ガスを電界電離してイオン化し、このイオン化されたイオン原料ガスを前記引出電極に引き出させる印加用電源と、
前記容器内に供給されたイオン原料ガスを誘電体バリア放電によりラジカル化する誘電体バリア放電手段と、を備え、
この誘電体バリア放電手段は、第１の電極及びこの第１の電極に対向する第２の電極と、これら第１及び第２の電極間に印加するための交流電源とを有し、前記第１及び第２の電極の少なくとも一方が誘電体で被覆され、
前記第１及び第２の電極は、前記容器内において当該容器内に供給されたイオン原料ガスが当該第１及び第２の電極間を通過したあと前記電界電離電極の先端部周辺に供給されるような位置に配置されることを特徴とするイオン源。
請求項１に記載のイオン源において、
前記第２の電極が前記電界電離電極の周囲に配置され、この第２の電極の内側で且つ前記電界電離電極の外側の領域に前記誘電体バリア放電が行われる領域を形成することを特徴とするイオン源。
請求項２に記載のイオン源において、
前記電界電離電極は、前記第１の電極を兼ねる電極基部と、この電極基部の先端から前記ビーム軸に沿って延びると共に前記尖った先端を含む強電界形成部とを有し、
前記第２の電極は、前記電極基部の周囲に配置されることを特徴とするイオン源
請求項２又は３に記載のイオン源において、
前記電界電離電極では、電極基部が前記ビーム軸を中心とする円筒状の外周面を有すると共に、前記強電界形成部が前記ビーム軸を中心に軸対称の外周面を有し、
前記第２の電極は、前記電極基部の外周面と同心状に当該電極基部を囲む円筒状の内周面を有する筒状電極であることを特徴とするイオン源。
請求項４に記載のイオン源において、
前記電界電離電極は、前記強電界形成部が前記第２の電極よりも前記イオンビームの照射方向に突出するような長さを有することを特徴とするイオン源。
請求項５に記載のイオン源において、
前記電極基部の外周面は、前記ビーム軸方向において前記第２の電極の内周面と同じ長さを有し、
前記電界電離電極は、前記強電界形成部の外径よりも前記電極基部の外径が大きくなるように形成されていることを特徴とするイオン源。
請求項４乃至６の何れか１に記載のイオン源において、
前記第２の電極は、前記内周面と同心状の外周面を有する円筒状電極であり、
前記容器は、その内周面が前記筒状電極の外周面に接するような内径を有することを特徴とするイオン源。
請求項１乃至７の何れか１項に記載のイオン源において、
前記容器にイオン原料ガスを供給する原料ガス供給手段を備え、
この原料ガス供給手段は、イオン原料ガスの供給量を制御するための供給量制御手段を有することを特徴とするイオン源。
請求項１乃至８の何れか１項に記載のイオン源において、
前記微小開孔は、イオン化された原料ガスの引き出し方向に向って先細り形状であることを特徴とするイオン源。
請求項１乃至９の何れか１項に記載のイオン源において、
内部を真空にすることができる真空容器を備え、
この真空容器の内部に前記容器と前記引出電極とが配設されることを特徴とするイオン源。