JP4011401B2 - イオン源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,例えば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ものである。
【0002】
【従来の技術】
He,Ar等の気体を原料ガスとしたイオン源が,特開2001−283745号公報に示されている。図3は,前記公報に示されるイオン源Zの概略構成を表す図である。前記イオン源Zは,原料ガスが高圧充填されたガス導入室4の壁の一部を構成し,微小開孔9が設けられたアノード電極2と,真空容器3内に設置され開孔52が設けられたカソード電極5との間に電圧が印加され,前記アノード電極2の微小開孔9から前記カソード電極5の開孔52に向かって前記原料ガスを高圧噴射してガスジェット放電を生じさせることによりプラズマ7化するとともに,引き出し電極6により前記カソード電極5の開孔52を通じてイオンを引き出すよう構成されている。これにより,前記微小開孔9からの前記原料ガスの噴射方向に沿った微小径のプラズマを生成することができ,さらにその下流側の引き出し電極6でイオンを引き込むことにより微小径のイオンビームを発生させることができる。
このようなイオン源では,前記微小開孔9から噴射された前記原料ガスの密度は,前記微小開孔9から離れるに従い急激に減少する。ここで,高圧噴射された前記原料ガスから良好なプラズマ,即ち,高圧噴射された前記原料ガスが存在する領域のうち,拡散による圧力の低下が生じず,粒子の方向が比較的揃った微小な領域に放電したプラズマを生成させるために,通常,前記原料ガスの種類に応じて,前記アノード電極2と前記カソード電極5との間の印加電圧Vs,及びpd積(噴射圧力pと前記アノード電極2の微小開孔9〜前記カソード電極5間の距離dとの積)の関係がパッシェンの法則に基づいて定められる。図4(a)に示す表は,パッシェンの法則(図4(b)はパッシェンの法則を表すグラフ)により定められた最適な前記印加電圧(Vsmin)及びpd積((pd)min)の値の一例である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら,例えばヘリウムのように前記pd積の大きなガス(安定であるためプラズマ化しにくいガス)を原料ガスとして用いる場合,最適な前記pd積の条件を満たす目的で前記ガス導入室4のガス圧を上げてpを大きくすると,真空容器3の圧力が必要以上に上がってしまい,加速されたイオンが散乱してしまう等の問題点があった。また,同目的でdを大きくすると前記原料ガスの密度が低下するため良好なプラズマを生成できないという問題点があった。このため,ラザフォード後方散乱分析装置等のようにヘリウムイオンをプローブビームとして用いる用途に適用することが困難であった。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,ヘリウムイオンのようにプラズマ化しにくい原料ガスであっても良好なプラズマを生成できるイオン源を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第1発明は,原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し,微小開孔が設けられたアノード電極と,開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加され,前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記カソード電極の開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において,前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され,絶縁被覆され,さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し,前記交流電極における前記アノード電極に対向する面が前記アノード電極の表面に平行に形成されてなることを特徴とするイオン源として構成されている。
また,第2発明は,原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し,微小開孔が設けられたアノード電極と,開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加され,前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記カソード電極の開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において,前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され,絶縁被覆され,さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し,前記交流電極における前記アノード電極に対向する部分が半球状に形成され,前記アノード電極における前記交流電極に対向する部分が絶縁被覆されてなることを特徴とするイオン源として構成されている。
一般に,ヘリウムガス等における無声放電によってヘリウムイオンとともに寿命が非常に長いヘリウムの活性種(励起エネルギー20eV)が生成されることが知られている。従って,大気圧若しくはそれ以上の圧力下にある前記ガス導入室内において,前記アノード電極の微小開孔(即ち,前記原料ガスの噴射口)近傍で無声放電を生じさせることにより,前記原料ガスが前記微小開孔から噴射される前に励起及びイオン化されるので,パッシェンの法則で定まる最適な条件よりも緩やかな条件(例えば,より小さい前記pd積等)で良好なプラズマを生成させることが可能となる。
【0005】
また,一般に,オゾナイザの生成等に用いられる無声放電は,大気圧程度の圧力下において表面を絶縁した対向電極に交流の高電圧を印加することにより得られ,特に,ヘリウムガスでの無声放電は,比較的低い電圧(例えば,数kHz,400V/mm)で安定した無声放電が得られるので,前述した構成により前記アノード電極の微小開孔近傍に安定した無声放電を発生させることができる。
さらに,前記第2発明のように,前記アノード電極の前記無声放電手段と対向する部分に絶縁被覆を施せば, 前記アノード電極の表面粗さに起因する異常放電(アーク放電)を抑制してより安定した無声放電を生じさせることができる。
また,前記第2発明のように,前記交流電極の前記アノード電極の微小開孔に近接する部分を,半球状(角がない滑らかな形状)に形成することにより,異常放電(アーク放電)を抑制してより安定した無声放電を生じさせることができる。
また,前記第1発明のように,前記交流電極の前記アノード電極の微小開孔に対向する部分を,前記アノード電極に平行な平面状に形成すれば,前記交流電極と前記アノード電極との間に生じる無声放電領域が広くなり,原料ガスが前記無声放電領域を通過する時間が長くなるため,原料ガスがより十分に励起及びイオン化され,より緩やかな条件で良好なプラズマを生成させることが可能となる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら,本発明の実施の形態及び実施例について説明し,本発明の理解に供する。尚,以下の実施の形態及び実施例は,本発明を具体化した一例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに,図1は本発明の実施の形態に係るイオン源X及びその主要部の概略構成を表す図,図2は本発明の実施例に係るイオン源X1の主要部の概略構成を表す図,図3は従来のイオン源Zの概略構成を表す図,図4はパッシェンの法則の法則を表すグラフ及びパッシェンの法則により定められた最適な印加電圧及びpd積の値の一例を表す表である。
【0007】
図1(a)に示すように,本実施の形態に係るイオン源Xは,真空容器9内に,絶縁壁12と微小開孔4が設けられたアノード電極3とで仕切られ,外部から原料ガス1が高圧充填(圧力p≒1気圧)されるガス導入室11と,前記アノード電極3の微小開孔4よりも大きな開孔5が設けられ,前記アノード電極3よりも負電位のカソード電極6と,開孔7が設けられ前記カソード電極6よりも負電位の引き出し電極8とを具備している。これらは,前記ガス導入室11,前記カソード電極6,前記引き出し電極8の順に,前記微小開孔4,前記カソード電極6の開孔6,及び前記引き出し電極8の開孔7の略中心が直線上に並ぶように所定の間隔で配列されている(前記アノード電極3と前記カソード電極6との間隔=d)。さらに,前記ガス導入室11内には,図1(b)に示すように,絶縁支持台24で支持され,セラミック等の絶縁材で0.5〜1mm程度の厚みの絶縁被覆20が施された電極21(以下,交流電極という)が前記アノード電極3の微小開孔4に1mm程度の距離まで近接して設けられ,前記交流電極21と前記アノード電極3との間には交流電圧(1〜20kHz,1kV程度)が印加されている。これにより,前記交流電極21と前記アノード電極3との間に連続した微小放電である無声放電の領域22が生じる(前記交流電極21と前記アノード電極3とにより前記無声放電手段の一例を構成)。ここで,前記交流電極の前記微小開孔4に近接(対向)する部分は,アーク放電が生じないように半球状(角がない滑らかな形状)に形成されている。さらに,前記アノード電極3の前記ガス導入室11内側の前記交流電極21と近接(対向)する部分にも絶縁被覆を施せば(不図示),前記アノード電極3の表面粗さに起因する異常放電(アーク放電)を抑制してより安定した無声放電を生じさせることができる。
【0008】
本イオン源Xでは,前述した従来のイオン源Zと同様に,前記ガス導入室11に導入されたヘリウム等の原料ガス1が前記微小開孔4から前記カソード電極6の開孔5の中心に向かって高圧噴射され,前記アノード電極3と前記カソード電極6との間で微小径のプラズマが生成される。さらに,前記引き出し電極7により,前記カソード電極6の開孔6を通じてイオン(ヘリウムイオン等)が引き出される。本イオン源Xの特徴は,前記アノード電極3の微小開孔4に近接する前記交流電極21を具備するので,中性ガスである原料ガス1が,前記微小開孔4から噴射される前に,前記交流電極21と前記アノード電極3との間の無声放電領域22を通過して励起(活性化)及びイオン化される点である。これにより,ヘリウムガスのようにパッシェンの法則における前記pd積が大きな原料ガス1であってもプラズマ化しやすくなり,パッシェンの法則で定められる最適条件よりも緩やかな条件(より低いpd積等)で微小径のプラズマを生成することが可能となる。
【0009】
【実施例】
前記イオン源Xでは,前記交流電極21の前記微小開孔4に近接する部分が,半球状に形成されていたが,図3に示すように,前記アノード電極3の微小開孔4に近接(対向)する部分が,前記アノード電極3に平行な平面状に形成された交流電極21'を用いたイオン源X1であってもよい。これにより,前記交流電極21'と前記アノード電極3との間に生じる無声放電領域22'が広くなり,原料ガス1が前記無声放電領域22'を通過する時間が長くなるため,原料ガス1がより十分に励起及びイオン化され,前記イオン源Xよりもより緩やかな条件(より低いpd積等)で微小径のプラズマを生成することが可能となる。また,前記ガス導入室11内の前記微小開孔4近傍に無声放電を生じさせる手段は,前記交流電極21,21'以外によるものであってもかまわない。
【0010】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明によれば,アノード電極の微小開孔の近傍で交流電極等により無声放電を生じさせることにより,原料ガスが前記微小開孔から噴射される前に無声放電領域を通過して励起及びイオン化されるので,パッシェンの法則で定まる最適な条件よりも緩やかな条件(例えば,より小さい前記pd積等)で良好なプラズマを生成させることが可能となり,その結果,従来困難であったヘリウム等の安定な原料ガスについても微小径のプラズマ及びイオンビームを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るイオン源X及びその主要部の概略構成を表す図。
【図2】本発明の実施例に係るイオン源X1の主要部の概略構成を表す図。
【図3】従来のイオン源Zの概略構成を表す図。
【図4】パッシェンの法則の法則を表すグラフ及びパッシェンの法則により定められた最適な印加電圧及びpd積の値の一例を表す表。
【符号の説明】
1…原料ガス(ヘリウムガス等)
3…アノード電極
4…アノード電極の微小開孔
5…カソード電極の開孔
6…カソード電極
7…引き出し電極の開孔
8…引き出し電極
9…真空容器
11…ガス導入室
12…絶縁壁
20,20'…絶縁被覆
21,21'…交流電極
22,22'…無声放電領域
24…絶縁支持台
Claims (2)
- 原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し,微小開孔が設けられたアノード電極と,開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加され,前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記カソード電極の開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において,
前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され,絶縁被覆され,さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し,
前記交流電極における前記アノード電極に対向する面が前記アノード電極の表面に平行に形成されてなることを特徴とするイオン源。 - 原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し,微小開孔が設けられたアノード電極と,開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加され,前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記カソード電極の開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において,
前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され,絶縁被覆され,さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し,
前記交流電極における前記アノード電極に対向する部分が半球状に形成され,
前記アノード電極における前記交流電極に対向する部分が絶縁被覆されてなることを特徴とするイオン源。
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