JP2574857B2

JP2574857B2 - 高速原子線源

Info

Publication number: JP2574857B2
Application number: JP5552488A
Authority: JP
Inventors: 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1997-01-22
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JPH01231299A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、スパッタ蒸着による薄膜形成やスパッタエ
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・分析に利用される高速原子
線を、設定精度の良い運動エネルギーあるいは線量で放
射することができる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0.05eV
（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
アルゴン原子を放射する高速原子線源の一例を第５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0.5〜10keVの直流高圧電源、４はガス導入孔、
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は、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、ガス導入孔４からアルゴンガス５を
円筒形陰極１の内部に導入する。ここで直流高圧電源３
によって、陽極２が正電位、陰極１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１・陽極２間に
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
１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１の反
対側の底面1b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１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１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
間である。この空間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。アルゴンイオン
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
に受け継がれて、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。この高速原子は円筒形陰極１の一方の底面
1b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。上記の形態の放電は、第６図のような、ガス圧を
パラメーターとした放電維持電圧・放電電流特性を示
す。図中の直線Ａは、放電安定抵抗９の負荷直線であっ
て、直線Ａと電圧・電流特性曲線との交点Ｐにおける電
圧と電流で安定に放電が持続する。

［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、放射される高速原子線の運動エネルギーまたは線
量をいかに精度良く調節するかが解決すべき課題となっ
ていた。即ち、従来の高速原子線源において、高速原子
線の運動エネルギーを調節するには、直流高圧電源３の
出力電圧を変えれば良いわけであるが、この出力電圧を
変えると放電電流を変化してしまい、高速原子線量まで
もが変化してしまう。そこで高速原子線量を一定に保っ
たまま高速原子線の運動エネルギーを調節するには、第
５図の直流高圧電源３の出力電圧を変えると同時にアル
ゴンガス５の導入量を調節してガス圧調整を行う必要が
あった。ところが、ガス圧は微調整が難しく、放出線量
を一定に保ったまま高速原子線の運動エネルギーを精度
良く調節することは非常に困難であった。また、逆に高
速原子線の運動エネルギーを一定に保って、その線量を
精度良く調節することも、同じ理由により非常に困難で
あった。

本発明は、上記課題を解決するために創案されたもの
で、高速原子線の運動エネルギーあるいは放出線量を精
度良く調節することができる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高速原子線源の
構成は、第１の陰極と、この第１の陰極に対向して設置された中央に高速原子
線の放出孔を有する第２の陰極と、上記第１の陰極と第２の陰極の間に設置するリング状
の陽極と、上記第1,第２の陰極および陽極を収容するとともに導
入されたガスを内部に収める金属製の外囲器と、上記第1,第２の陰極と上記陽極の間に放電可能な負電
位と正電位とを与える直流高圧電源と、上記外囲器に上記放電時の放電電流を制御する電位を
与える電源とを備えたことを特徴とするか、上記構成において外囲器の内側に帯電可能な絶縁物を
設けたことを特徴とする。

［作用］本発明は、金属製の外囲器または内側に帯電可能な絶
縁物を設けた金属製の外囲器の内部に、第１の陰極と高
速原子線の放出孔を有する第２陰極と陽極とを収容し、
これらの第1,第２の陰極と陽極の間で放電させたときの
放電電流を外囲器に電位を与えて制御する。従って、放
出される高速原子線量は、内部のガス圧の調整によら
ず、外囲器に電位を与える電源の電圧の制御によって調
節され、一方、高速原子線の運動エネルギーは第1,第２
の陰極と陽極間に負電位と正電位を与えている直流高圧
電源の出力電圧により調節可能であるから、ともに微調
整が容易となり、上記高速原子線の運動エネルギーある
いは線量を精度良く調節することが可能になる。

［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の実施例を示す構成図であり、
説明のため一部を破断し、斜視的に表している。本実施
例において、従来と同一の機能，動作をする部材には同
一の符号を付して説明を簡略にする。10は複数のホロー
カソードから構成された第１の陰極、11は第１の陰極10
に大径側を対向させて配置し小径側を高速原子線放出孔
11aとした開口の円錐台形状の第２の陰極、12は第１の
陰極10と第２の陰極11の間に開口軸を合わせて配置した
リング状の陽極、13は第１の陰極10と第２の陰極11,陽
極12を内部に絶縁状態で支持して収容する金属製の外囲
器である。外囲器13は、外部からアルゴンガス５をその
内部に導入するためのガス導入孔４を備える。３は第１
の陰極10と第２の陰極12に負電位を、陽極12に正電位を
与えて、これら第１の陰極10と陽極12の間および第２の
陰極11と陽極12の間に放電を起こさせる直流高圧電源で
あり、その正極側は放電安定抵抗９を通して陽極12に接
続され、負極側は第１の陰極11に接続されるとともに、
直流バイアス電源14を通して第２の陰極12に接続され
る。これらの外囲器13外の電源等と陰極10,11,陽極12と
の接続において、配線やリードは外囲器13とは絶縁して
通される。15は外囲器13に上記放電時の放電電流を制御
する電位を与える直流電源で、その一方の極は高圧直流
電源３の負極に接続され、他方の極が外囲器13に接続さ
れる。

以上のように構成した第１の実施例の作用を述べる。
第２の陰極11は、直流電源14によって、第１の陰極10よ
り僅かに低い電位にバイアスされている。各電源3,14,1
5および抵抗９以外を真空容器に収めて十分に排気した
後、アルゴンガスを10^-2〜10^-4Torr（トル）の圧力にな
るまで導入する。ここで直流高圧電源３によって、陽極
12が正電位、陰極10,11が負電位となるように、放電可
能な直流高電圧を印加する。これで陰極10,11と陽極12
の間に放電が起き、プラズマが発生し、アルゴンイオン
と電子が生成される。以下、従来例と同様に、第１の陰
極10から放出する電子は、陽極12に向かって加速され、
陽極12の中央の孔を通過して第２の陰極11に達し、ここ
で速度を失って反転し、あらためて陽極12に向かって加
速され始める。こうして電子は陽極12の中央の孔を介し
て、陰極10,11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。発
生したアルゴンイオンは、陰極11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12・陰極11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。円錐台形の第２の陰極
11の内部の空間は、高周波振動をする電子の折り返し点
となっており、低運動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
と衝突・再結合してアルゴン原子に戻る。この、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、そのまま原子に受け
継がれて高速原子線８となって、高速原子線放出孔11a
から放出される。また直流バイアス電源14を設けること
はその出力電圧を調節することによって、陽極12から飛
来した電子を確実に陽極12に向かって追い返すための最
適値に、第２の陰極11の電位を設定することができ好適
である。第２図は第２の陰極11の断面図であって、８は
高速原子線、11aは高速原子線放出孔、21は内部の等電
位面を示している。第２の陰極11が円錐台形であるため
に、等電位面21は高速原子線放出孔11a付近で閉じてい
て、電子の折り返しを確実にし、高速原子線８の発生効
率を高めることに有効である。第１図にもどって、上述
のように高速原子線源が動作していて高速原子線８を放
出している最中に、直流電源15によって正の電位を金属
製の外囲器13に与えると、陽極12の陰極10,11間に発生
しているプラズマ中の電子が金属製の外囲器13に吸収さ
れ、放電電流が減少する。また直流電源15によって負の
電位を金属製の外囲器13に与えると、プラズマ中のイオ
ンが金属製の外囲器13に吸収され、これまた放電電流が
減少する。

第３図は上記放電における外囲器13の制御特性である
放電維持電圧・放電電流特性を示している。図中曲線Ｋ
は金属製の外囲器13の電位が０の場合の電圧・電流特
性、曲線Ｍは金属製の外囲器13に正または負の電位を与
えられた場合の電圧・電流特性、直線Ａは放電安定抵抗
９による負荷直線である。つまり金属製の外囲器13に電
位を与えることによって、電圧・電流特性が変わり、放
電の安定点がＰからＱに移動する。ここで放電電流が元
の値に戻るように、電源３の出力電圧を調整すれば、線
量が不変で運動エネルギーの変わった高速原子線が得ら
れるし、放電電圧が元の値に戻るように、電源３の出力
電圧を調整すれば、運動エネルギーが不変で線量の変わ
った高速原子線が得られる。一般に電源の出力電圧の調
整は高精度にできるから、高速原子線の運動エネルギー
あるいは線量が精度良く設定されることになる。

なお、第１の実施例において、第１の陰極10にホロー
カソードを用いた利点は以下のとおりである。すなわ
ち、プラズマ中で発生したイオンの一部は、第１の陰極
10に向かって加速され、大きな運動エネルギーを得てホ
ローカソードの円筒内壁に衝突し、これを赤熱する。こ
れによって円筒内壁から大量の熱電子が放出し、放電現
象に加わる。そのために、プラズマ密度が高まり、イオ
ンの発生が促進され、ひいては高速原子の生成効率向上
につながる。さらに第１の陰極10においては複数本のホ
ローカソードを用いているため、極めて効率的に高速原
子が生成され好適なものである。（特願昭61−28864号
において本出願人が提案）。

第４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。この第２の実施例は、第１の実施例の外囲器13
の内側にガラスあるいはセラミックス等の絶縁物円筒16
を配置したもので、それ以外の構成は第１の実施例と全
く同様であり、同一の機能，動作をするものである。

この第２の実施例の作用を述べる。高速原子線８を放
出している最中に、直流電源15によって外囲器13に正の
電位を与えると、プラズマ中の電子が径方向に移動して
絶縁物円筒16の内壁に蓄積し、これを負の電位に帯電さ
せる。この電位に引かれてプラズマ中のイオンが移動
し、絶縁物円筒16の内壁帯電の一部を中和する。このよ
うに、電子とイオンの移動・中和の繰り返しによって、
絶縁物円筒16の内壁の電位が交流的に変動するが、電子
・イオンの間には質量に大きな差があるために、径方向
の移動速度が両者で大きく異なり、絶縁物円筒16の内壁
電位の平均値は０にならずに、ある一定の値に落ち着
く。しかもこの値は、外囲器13に印加する電源15の出力
電圧の関数となる。したがって、電源15の出力電圧を変
えることによって、第１の実施例と類似の作用によっ
て、高速原子線の運動エネルギーあるいは線量を精度良
く設定することができる。

なお、以上の実施例において外囲器13には直流電源15
によって正の電位を与えたが、この直流電源15の出力電
圧を負にして負の電位を与えても同様に放電電流の制御
が可能であり、上記実施例と同様の作用効果が得られ
る。また、各構成部材の形状は一例であって、上記実施
例の形状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、拘束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。
本発明の高速原子線源によれば、高速原子線の運動エネ
ルギーあるいは線量を微調節することができ、これら加
工・分析の精度向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す一部を破断した斜
視的な構成図、第２図は第２の陰極の作用の説明図、第
３図は第１の実施例の放電維持電圧・放電電流特性図、
第４図は本発明の第２の実施例を示す斜視的な構成図、
第５図は高速原子線源の従来例の構成図、第６図は従来
例の放電維持電圧・放電電流特性図である。３……直流高圧電源、４……ガス導入孔、５……アルゴンガス、８……高速原子線、 10……第１の陰極、11……第２の陰極、 11a……放出孔、13……外囲器、15……直流電源、 16……絶縁物円筒。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の陰極と、この第１の陰極に対向して設置され中央に高速原子線の
放出孔を有する第２の陰極と、上記第１の陰極と第２の陰極の間に設置するリング状の
陽極と、上記第1,第２の陰極および陽極を収容するとともに導入
されたガスを内部に収める金属製の外囲器と、上記第1,第２の陰極と上記陽極の間に放電可能な負電位
と正電位とを与える直流高圧電源と、上記外囲器に上記放電時の放電電流を制御する電位を与
える電源とを備えたことを特徴とする高速原子線源。
【請求項２】請求項１記載の高速原子線源において、外
囲器の内側に帯電可能な絶縁物を設けたことを特徴とす
る高速原子線源。