JP2778227B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はイオン源、特に電子ビーム励起型イオン源に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来、電子ビームとイオン化物質との相互作用により
プラズマを生成し、比較的高密度で集束性のよいイオン
ビームを得るイオン源として第４図に示すような電子ビ
ーム励起型イオン源がある。

このイオン源では、電子銃室８内に設けられ、中心部
に細孔（図示せず）を有するカソード１から射出された
電子ビーム10が引き出し電極３及びアノード４に与えら
れた電位によって２段加速されてプラズマ生成室６に突
入し、イオン化物質導入口９から導入されたイオン化物
質を電磁レンズ５により集束された電子ビーム10が衝突
電離することによりプラズマを生成している。そしてこ
のプラズマから、引き出し電極３とアノード４の電位差
にしたがってイオンを引き出し、カソード１近辺で最も
よく集束させて疑似的な点光源を形成し、イオンビーム
12を得ている。従って、このイオン源ではカソード1,ウ
ェネルト2,引き出し電極3,アノード４間にかかる電界を
用いて電子ビームを発生・加速するとともにイオンビー
ムを引き出し、これを加速している。引き出し電極３に
印加される引き出し電圧は電子ビーム電流の最大値とイ
オンビーム電流量を決定する。図中、13,14は排気口、1
5は引き出し電源、16は加速電源、17はバイアス電源、2
0はターゲットである。

比較的高密度で集束性のよいイオンビームを達成する
には、イオン出射点の輝度が高いこと、イオン引き出し
において引き出し電極等の電極形状及び印加電圧が適当
であること、そしてイオンの空間電荷を中和することな
どが必要である。

高輝度を得るにはプラズマを高密度させる必要があ
り、これには電子ビームを高電流密度にすること、及び
磁場を印加してプラズマ中の荷電粒子の損失を抑え、プ
ラズマを閉じ込めることが有効な手段である。そして電
子ビームの高電流密度化はイオンの空間電荷の中和を効
果的に促進する。電子ビームを高電流密度化する手段と
しては、電子ビームの加速電圧を高くして多量の電子ビ
ームを引き出すとともにウェネルト２などの電極を電子
ビームに対して集束性のよい構造とする必要がある。ま
た、プラズマを閉じ込めるにはミラー磁場、多極磁場な
どの磁場配位を形成することが有効である。

一方、プラズマから比較的多量で集束性のよいイオン
を引出す条件を考えた場合、アノード4,引き出し電極3,
ウェネルト2,カソード１で構成されるイオン引き出し系
の電極群の形状、及び印加電圧をプラズマ密度などの条
件に合わせて最適化しなければならない。特にプラズマ
電位，アノード及び引き出し電極の電位差はプラズマの
シース面形状を決定するために、イオンビームの光学的
特性に与える影響は大である。

従って、比較的高密度で集束性のよいイオンビームを
得るには、イオンビームのみならず電子ビームに対して
も集束性のよいイオン引き出し系及びプラズマを閉じ込
める磁場配位を構成するとともにプラズマ電位，アノー
ド及び引き出し電極の電位差を精度よく制御することが
必要である。

また、パルスビームを発生可能なイオンビーム装置は
従来より数多く発表されており、それらは数μｍの微細
ビーム径が得られるものと、アンペア級の大電流が得ら
れるものに大別されるが、微細加工に用いることができ
るような集束性がよく、しかも比較的大電流がとれるも
のは見当らない（日本学術振興会第132委員会編，「電
子・イオンビームハンドブック第２版」,256頁参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の電子ビーム励起型イオン源では前記したように
電子ビームの引き出し・加速とイオンビームの引き出し
・加速に同一の電界を用いており、電子ビームとイオン
ビームの進行方向が相対しているために、電子ビームに
対して集束性のある電界はイオンビームに対しては発散
性となる。従って、従来の電子ビーム励起型イオン源の
電極構造では、電子ビーム軌道と、イオンビーム軌道と
のそれぞれを独立に制御することはできず、従って高電
流密度の電子ビームを得ることと、最適なイオンビーム
を引き出すことを同時に達成することは困難であった。
また、電磁レンズ５によりプラズマに印加される磁界は
電子ビームを制御するためのものであり、積極的にプラ
ズマを閉じ込めることは行っていないため、プラズマの
損失が大きく、プラズマ密度が低いという欠点があっ
た。また、シース面形状を制御するためには前記したよ
うに、引き出し電圧及びプラズマ電位をする必要がある
が、引き出し電圧を変化させると、他の電子銃パラメー
タも変化してしまう。例えば、電子ビーム加速電圧を一
定とした場合、イオン引き出しの条件を最適化するには
引き出し電圧をより高くすることが望ましいが、電子ビ
ーム引き出しの要因であるカソードと引き出し電極の電
位差が少なくなり、最大電子ビーム電流が低く抑えられ
るとともに電子ビームに対する光学系に変化をきたして
しまうことになり、プラズマ密度などのプラズマ特性も
変化してしまうことになる。従って、プラズマ生成条件
を一定に保ったままイオン電流やイオンビーム引き出し
における光学特性を変化させることは実質的に不可能で
あった。特に、プラズマ電位はグロー放電，アーク放電
などの一般的な放電ではその放電条件によって決定され
てしまうために、それを積極的に制御することは不可能
であった。

また、前記したように従来のパルスイオンビーム装置
では、大電流がとれるものはビーム径が数mm〜1omと大
きく、数μｍの微細ビームを達成できるものは電流値が
小さいという欠点があった。

本発明は上述した欠点に鑑みてなされたもので、比較
的大電流の集束性のよいイオンビームを得るために、集
束性のよい電子ビームを形成するとともにプラズマを閉
じ込めて高密度プラズマを得ると同時に、電子ビーム軌
道とイオンビーム軌道のそれぞれを高精度にしかも独立
に制御しうる新規な構造の電子ビーム励起型イオン源を
提供することを目的とする。

また、集束性が良く、しかも加工に用いることができ
る程度の電流を保持したパルスイオンビームを形成可能
な電子ビーム励起型イオン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〕

前記目的を達成するため、本発明に係るイオン源は、
プラズマ生成室と、電子銃と、複数の磁界発生手段とを
有する電子ビーム励起型イオン源であって、 プラズマ生成室は、イオン化気体が導入されるもので
あり、 電子銃は、カソードとウェネルトと引き出し電極とア
ノードとからなり、プラズマ生成室のイオン化気体に照
射してプラズマを生成させる電子ビームを出射し、かつ
プラズマ室のプラズマからのイオンビームを室外に引出
すものであり、 複数の磁界発生手段のうち−の磁界発生手段は、前記
引き出し電極とアノードを囲むように配置され、他の磁
界発生手段は、前記電子銃から発生した電子ビームの進
行方向に対して前記−の磁界発生手段よりも下流側に配
置され、前記−の磁界発生手段と前記他の磁界発生手段
で発生した磁界の電子ビームの進行方向の強度分布が極
小値を有するとともに、該磁界強度の極小値は前記プラ
ズマ生成室内であって前記アノードの近傍で形成される
ようにしたものである。

また前記電子銃のカソード又はウェネルト又は引き出
し電極は、間欠的な電圧印加によりパルス駆動されるも
のである。

また真空室を有し、 該真空室は、電子ビームが照射されるターゲットを含
み、かつプラズマ生成室よりも電子ビームの下流側に設
置されたものであり、 真空室とプラズマ生成室とは、プラズマを生成するプ
ラズマ生成室と同電位に保持され、電子ビームを通過す
る口を有するアパーチャで分離されており、 ターゲットは、前記プラズマ生成室に対して相対的な
電圧が印加されるものである。

〔作用〕

本発明のイオン源において、アノード，引き出し電
極，ウェネルト，カソードからなる電子銃はイオン引き
出し系としても作用しており、このイオン引き出し系の
極く近傍に配置された電磁コイルによって電子ビームは
集束作用を受ける。一方、イオンは電子の数千倍の質量
を有するため、電子と比較すると、磁界の影響は無視で
き、従って電子ビーム衝突により生成されたプラズマか
ら引き出されたイオンビームは、ほぼ引き出し系の電界
によって軌道が決定される。従って、引き出し系の電位
分布を変化させることなく、磁界の強さを変化させるこ
とによって電子ビーム軌道をイオンビーム軌道とはほぼ
独立に制御することができる。

また、電子ビームを集束させるためのイオン引き出し
系近傍に配置された電磁コイルと電子ビーム下流に設け
られた電磁コイルによって、アノード近傍を極小とする
ミラー磁場が形成されているため、生成されたプラズマ
が閉じ込められて高密度プラズマが達成される。

また、カソード又はウェネルト又は引き出し電極の電
圧をパルス的に印加することにより、電子ビームをパル
ス的に発生することができ、従ってプラズマもパルス的
に生成することが可能であるためにイオンビームもパル
ス的に発生させることが可能である。このとき、イオン
ビームは上述したような効果により比較的大電流で集束
性のよいものとなる。

さらに、発明者らは上述した電子ビーム励起型イオン
源を開発中に次のような効果を見いだした。すなわち、
電子ビーム流に対してプラズマ生成室よりも下流側に配
置した電子ビームターゲットにプラズマ生成室に対して
相対的なバイアス電位を印加することにより、プラズマ
電位を精度よく制御できるということである。静電プロ
ーブを用いて測定した上述のバイアス電圧とプラズマ電
位の関係の一例を第２図に示す。この図から、バイアス
電圧と同程度のプラズマ電位を変化させることが可能で
あることがわかる。従って、電子ビーム加速電圧，引き
出し電圧などの電子銃のパラメータを変化させることな
く、すなわちプラズマ生成条件を一定に保ったままでプ
ラズマ電位を高精度に制御することができるため、イオ
ンが放出されるシース面形状を制御することができイオ
ン引き出しの光学特性を制御することが可能となる。

〔実施例〕

次に本発明を図面を用いて詳細に説明する。

（実施例１） 第１図は本発明の実施例１を示す模式的断面図であ
る。

第１図において、中心部に細孔（図示せず）を有する
カソード１はＷ製の直熱型フィラメントからなり、これ
を加熱することによって発生した電子ビーム10はウェネ
ルト２に印加された電圧によって成形されるとともに、
加速電源16によりカソード１に印加された電圧と引き出
し電源15により引き出し電極３に印加された電圧との電
位差、及びアノード４と引き出し電極３との電位差によ
って２段加速される。ここに、カソード1,ウェネルト2,
引き出し電極3,アノード４により電子銃が構成される。

通常、カソード１とアノード４の電位差は５〜15kV
（可変）で運転される。磁界発生手段としての電磁コイ
ル7aは引き出し電極３とアノード４を取り囲むように配
置されており、電子ビーム10はカソード１を出射した直
後にこの電磁コイル7aが形成する磁場によって集束作用
を受け、プラズマ生成室６に突入する。電磁コイル7aが
引き出し電極３とアノード４のごく近傍に配置されてい
るために、電子ビーム10を集束させるに十分な大きさの
磁界を発生させることができる。また、プラズマ生成室
６を囲むように電磁コイル7bが配置されており、プラズ
マ生成室６に突入した電子ビーム10は電磁コイル7bによ
って発散を抑えられ、プラズマ生成室６を通過する。電
磁コイル7aは電磁コイル7bとともに、第１図に示すよう
なアノード４の近傍を極小とするミラー磁場を形成して
いる。このミラー磁場によりプラズマの閉じ込めが効果
的に行われてプラズマ密度が高められている。電磁コイ
ル7a,電子コイル7bのピーク磁場の大きさは、ミラー磁
場が極小となる位置近辺において電子ビーム10が最も良
く集束されるように設定される。典型的な運転条件は電
磁コイル7bが500〜1500ガウス（可変）、電磁コイル7a
が200〜500ガウス（可変）である。電磁コイル7aを設け
ていない従来型の電子ビーム励起型イオン源と比較し
て、プラズマ密度は10〜100倍となっている。電子ビー
ム10の電流の制御はバイアス電源17によりウェネルト２
に与えられる電圧を調整することにより行う。プラズマ
生成室６に突入した電子ビーム10はイオン化物質（以下
イオン化ガスという）を衝突電離してプラズマを生成す
る。

プラズマ生成室６と電子銃室８は、引き出し電極３と
アノード４を流量抵抗として排気口13,14を通して差動
排気されており、比較的低真空であるプラズマ生成室６
に対して電子銃室８は高真空に保たれる。プラズマ生成
室６に のイオン化ガスを導入したとき、電子銃室８は である。

イオンビーム12は、プラズマ生成室６で生成されたイ
オンが引き出し電極３とアノード４との電位差に従って
電子ビーム10と逆方向に引き出され、さらにカソード1,
ウェネルト2,引き出し電極３の電位差によって加速され
ることによって形成される。前述したように電子ビーム
10は電磁コイル7aによって集束されるため、イオン引き
出し系の電位構成はイオンビームの集束性をよくするよ
うに選ぶことができる。

第１図において、他の実施例として、カソード１に電
圧を印加する加速電源16を間欠的にパルス駆動するよう
にしてもよい。この場合、この駆動周波数は１〜1000Hz
（可変）で運転される。これによって電子ビーム10も加
速電源16の駆動周波数と同じ周波数でパルス的に発生す
るため、プラズマもパルス的に生成される。これによっ
て上述した実施例１の場合と同じ理由で集束性の良いイ
オンビーム12がパルス的に発生する。

尚、ウェネルト２に電圧を印加するバイアス電源17、
又は引き出し電極３に電圧を印加する引き出し電源15に
ついても間欠的にパルス駆動するようにしてもよい。

（実施例２） 第３図は本発明の実施例２を示す模式的断面図であ
る。

本実施例は、プラズマを生成するプラズマ生成室６よ
りも前記電子ビームの下流側に該電子ビームを照射する
ターゲット20を含む真空室19を配置し、該ターゲット20
を含む真空室19と前記プラズマを生成するプラズマ生成
室６とを、該プラズマを生成するプラズマ生成室６と同
電位に保たせ、電子ビームが通過する口を有するアパー
チャ22で分離し、前記ターゲット20に、前記プラズマを
生成するプラズマ生成室６に対して相対的な電位を印加
するようにしたものである。

第４図において、ターゲット20にはターゲットバイア
ス電源21により、プラズマ生成室６と相対的な電位、典
型的には−100〜100Vのバイアス電圧が印加される。こ
のバイアス電圧により前述したように電子ビーム加速電
圧などの電子銃のパラメータを変化させることなく、プ
ラズマ電位を変化させることができる。従ってプラズマ
の生成条件を変化させることなくイオンビームの集束特
性を制御できる。

〔発明の効果〕

以上述べた通り本発明によれば、電子ビーム励起型イ
オン源の電子銃のごく近傍に設けた電磁コイルにより、
電子ビーム軌道とイオンビーム軌道とをほぼ独立に制御
することができる。さらに複数の電磁コイルによってミ
ラー磁場を形成するため、プラズマの閉じ込めが行われ
高密度プラズマを達成することができる。従って比較的
簡単に電子ビーム，イオンビーム双方とも同時に集束性
をよくすることと、高密度プラズマを達成することが可
能であり、従来の電子ビーム励起型イオン源よりも高密
度で集束性のよいイオンビームを得ることができる。

また、電子ビーム加速電圧又は引き出し電圧又はバイ
アス電圧をパルス駆動することにより、比較的簡単に従
来得られなかった比較的大電流で集束性の良いパルスイ
オンビームを得ることができる。

さらに、プラズマ生成室とは別に設けた真空室内に電
子ビームターゲットを配置し、これに電位を印加するこ
とにより、電子銃のパラメータを変えることなくプラズ
マ電位を制御することができ、イオンビームの集束性を
より高精度に制御することができる。

以上のことにより、イオンによる微細加工に用いるよ
うなイオン源を得ることができるため、その効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示す模式的断面図及び電磁
コイルにより発生させる磁界を示す図、第２図は電子ビ
ームターゲット電位とプラズマ電位の関係を示す図、第
３図は本発明の実施例２を示す模式的断面図及び電磁コ
イルにより発生させる磁界を示す図、第４図は従来例を
示す模式的断面図である。 １……カソード、２……ウェネルト ３……引き出し電極、４……アノード ５……電磁レンズ、６……プラズマ生成室 7a,7b……電磁コイル、８……電子銃室 ９……イオン化物質導入口、10……電子ビーム 12……イオンビーム、13,14……排気口 15……引き出し電源、16……加速電源 17……バイアス電源、19……真空室 20……ターゲット、21……ターゲットバイアス電源 22……アパーチャ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ生成室と、電子銃と、複数の磁界
   発生手段とを有する電子ビーム励起型イオン源であっ
   て、 プラズマ生成室は、イオン化気体が導入されるものであ
   り、 電子銃は、カソードとウェネルトと引き出し電極とアノ
   ードとからなり、プラズマ生成室のイオン化気体に照射
   してプラズマを生成させる電子ビームを出射し、かつプ
   ラズマ室のプラズマからのイオンビームを室外に引出す
   ものであり、 複数の磁界発生手段のうち−の磁界発生手段は、前記引
   き出し電極とアノードを囲むように配置され、他の磁界
   発生手段は、前記電子銃から発生した電子ビームの進行
   方向に対して前記−の磁界発生手段よりも下流側に配置
   され、前記−の磁界発生手段と前記他の磁界発生手段で
   発生した磁界の電子ビームの進行方向の強度分布が極小
   値を有するとともに、該磁界強度の極小値は前記プラズ
   マ生成室内であって前記アノードの近傍で形成されるよ
   うにしたものであることを特徴とするイオン源。
2. 【請求項２】前記電子銃のカソード又はウェネルト又は
   引き出し電極は、間欠的な電圧印加によりパルス駆動さ
   れるものであることを特徴とする請求項第（１）項記載
   のイオン源。
3. 【請求項３】真空室を有し、 該真空室は、電子ビームが照射されるターゲットを含
   み、かつプラズマ生成室よりも電子ビームの下流側に設
   置されたものであり、 真空室とプラズマ生成室とは、プラズマを生成するプラ
   ズマ生成室と同電位に保持され、電子ビームを通過する
   口を有するアパーチャで分離されており、 ターゲットは、前記プラズマ生成室に対して相対的な電
   圧が印加されるものであることを特徴とする請求項第
   （１）項，第（２）項記載のイオン源。