JP4560785B2 - イオン源，開孔形成方法 - Google Patents

Description

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，イオンビーム描画など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。

この種のイオン源として，特許文献１に記載のイオン源が公知である。このイオン源では，Ｈｅ，Ａｒなどの原料ガスを高圧化し，更に直流或いは交流（高周波交流）の高電圧を印加することにより放電を誘起し，高濃度のプラズマを生成させ，そのプラズマを所定の開孔を通じてイオンを利用すべき真空空間へ導き，真空中の開孔近傍に設けられた引き出し電極に印加された負電位によって加速することにより，イオンビームが生成される。
ここで，図６〜図８を用いて，上記特許文献１に提案されたイオン源Ｘ２の概略構成について説明する。ここに，図６は上記イオン源Ｘ２の断面構造を示す模式断面図，図７は図６のＡ部拡大詳細図，図８は図６のＢ部拡大詳細図である。なお，図７中の破線は原料ガスの等圧力線分布であり，破線矢印Ｑ１の方向（図７の下方向）に向かってその圧力が低下する様子を示しており，図８中の破線はイオン引出し電界の等電位線分布であり，破線矢印Ｑ２の方向（図８の上方向）に向かって電位が低下する様子を示している。
図６に示すように，上記イオン源Ｘ２は，アノード電極２により，イオンビームを生成する略真空状態に維持されたイオンビーム生成室３と，原料ガスを上記イオンビーム生成室３内に導入するための原料ガス導入室４とに分けられている。即ち，上記アノード電極２が上記イオン源Ｘ２の内部空間を上記イオンビーム生成室３と上記原料ガス導入室４とに分ける内壁の役割を担う。
上記イオンビーム生成室３には，カソード電極５と，引き出し電極６とが配置される。上記カソード電極５には，例えば直流電源５１により，上記アノード電極２に対して負の電位があたえられ，上記引き出し電極６には，直流電源６１により，上記カソード電極５に対して負の電位が与えられる。これにより，上記アノード電極２と上記カソード電極５との間，上記カソード電極５と引き出し電極６との間に所定強度の電界が発生する。
上記カソード電極５及び上記引き出し電極６には引出開孔５２及び開孔６２がそれぞれ設けられており，上記カソード電極５の引出開孔５２を通じて，上記カソード電極５の上記アノード電極２側のプラズマ発生領域１０で生成されたプラズマ７からイオンが引き出され，上記引き出し電極６の開孔６２からイオンが加速され放出される。
なお，上記アノード電極２には，例えばφ１０〔μｍ〕程度の直径を有する微小開孔９が設けられており，上記原料ガス導入室４に導入された原料ガスは，上記微小開孔９を通じて，上記カソード電極５の引出開孔５２に向かって上記イオンビーム生成室３側に上記原料ガスが高圧噴射される。この際に上記微小開孔９の噴射出口側で放電が生じ，この放電により噴射された原料ガスがプラズマ化される。
特開２００１−２８３７４５号公報

ところで，イオン生成のため上記プラズマ発生領域１０で効率よくプラズマを生起させるためには，ガス噴射後の上記プラズマ発生領域１０近傍のガス圧をある程度以上の高い圧力に維持する必要がある。その一方で，イオン引き出し効率の観点からすれば，イオンビーム生成室３の真空状態をある程度以上の高真空に維持しなければならない。
上記特許文献１に提案のイオン源Ｘ２においては，図７に示すように，上記アノード電極２に設けられた微小開孔９が縦断面略長方形状に形成されているため，微小開孔９のイオンビーム生成室３側の出口に向かうにつれて原料ガスの圧力が徐々に低下することになる（図７の等圧力線分布を参照）。ここに，図７の破線に示す等圧力線分布は，上記微小開孔９の口径が約φ１０〔μｍ〕，上記アノード電極２の厚みが約１００〔μｍ〕の場合（即ち，上記微小開孔９のアスペクト比が１０の場合）の上記微小開孔９における原料ガスの圧力分布である。
上記プラズマ発生領域１０近傍のガス圧を高めて，プラズマの発生効率を高めるためには，上記微小開孔９を大径化し，或いは原料ガス導入室４のガス充填圧力を高めるなどすることが考えられる。しかしながら，この場合は，原料ガスの噴射量が増大し，イオンビーム生成室３の真空度は低下することになるため，イオン引き出し効率が低下するという問題がある。
反対に，上記イオンビーム生成室３の真空度を高めるために，上記微小開孔９を例えばφ１〔μｍ〕程度の極小サイズにすれば，原料ガスの噴射量が抑制され，イオンビーム生成室３において高真空度を維持することができる。しかしながら，この場合は，上記プラズマ発生領域１０が略真空状態となるため，上記プラズマ発生領域１０において放電に必要なガス圧を確保することができず，プラズマの発生効率が低下するという問題が生じる。
このように，従来のイオン源Ｘ２では，上記微小開孔９が断面略長方形状に形成されているため，プラズマの発生効率とイオン引き出し効率の双方を満足することはできなかった。

また，上記した公知のイオン源Ｘ２では，イオンビーム生成室３内のカソード電極５に設けられた引出開孔５２も上記微小開孔９と同様にその縦断面が略長方形状に形成されているが（図８参照），このような形状では，図８の等電位線分布に示すように，上記引出開孔５２側に向かうにつれて引き出し電界の電位が徐々に低下するため，上記カソード電極５と上記引き出し電極６との間に比較的高い電圧を印加して強電界を発生させなければ，生起したプラズマに十分な引出電界をかけることができず，効率よくイオンを引き出すことができないという問題があった。
また，生起したプラズマから効率よくイオンを引き出すためには，上記微小開孔９と引出開孔５２を同軸上に形成（配置）する必要があるが，上記引出開孔５２の口径は小さく，上記微小開孔９の口径はさらに小さいため，これらの開孔を同軸上に形成（配置）することは困難であった。そのため，上記各開孔の軸間に約５０〔μｍ〕程度の軸偏差が生じていたが，従来は，このような軸偏差がイオン引き出し効率に与える悪影響を許容せざるを得なかった。

そこで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，原料ガスを高圧噴射させるための微小開孔やイオンを引き出すための開孔の形状を改良することにより，プラズマ発生効率及びイオン引き出し効率を向上させることにある。

上記目的を達成するために本発明は，微小開孔が設けられたアノード電極とイオン引き出し開孔が設けられたカソード電極との間に電圧を印加することによって，上記微小開孔から上記イオン引き出し開孔に向かって原料ガスを高圧噴射させ，この噴射された原料ガスをプラズマ化するイオン源，或いは，上記イオン引き出し開孔からイオンを引き出すように構成されたイオン源に適用されるものであって，上記アノード電極に設けられた微小開孔が，上記原料ガスの高圧噴射される方向に向かって略先細り状に形成されてなる点にある。
このように，高圧噴射される方向に向かって略先細り状に形成された微小開孔を上記アノード電極に設けることにより，イオン源の真空領域（イオンビーム生成室）の真空状態が高真空度に維持されている場合であっても，上記微小開孔の噴射出口における原料ガスの圧力を高圧状態に維持することができる。また，原料ガスが充填された空間（原料ガス導入室）の圧力が低い状態であっても，上記微小開孔の噴射出口に向かうにつれて上記原料ガスを放電可能な程度の高圧状態に高めることができる。即ち，上記プラズマ発生領域におけるガス圧を高くすると共に，イオン源の真空領域を高真空に維持することが可能となる。これにより，プラズマの発生効率とイオン引き出し効率との双方を向上させることができる。
また，上記形状に形成された微小開孔に対応する上記イオン引き出し開孔が，イオンが引き出される方向に向かって略末広がり状に形成されていてもよい。これにより，プラズマ発生領域における電位の低下を軽減することができる。したがって上記カソード電極と上記引き出し電極間に生じた引出電界を比較的高電位に維持したままで生起されたプラズマの近傍にかけることが可能となり，プラズマからのイオン引き出し効率が向上される。
なお，上記微小開孔及び上記引き出し開孔のいずれか一方が上述した先細り形状或いは末広がり形状に形成されていてもよく，また，双方の開孔が上記した形状に形成されていてもよい。この場合でも，プラズマ発生効率及びイオン引き出し効率が向上され得る。

ここで，上記微小開孔及び上記イオン引き出し開孔が，該微小開孔の中心軸と該イオン引き出し開孔の中心軸とが略同軸上となるよう配設されていることが望ましい。このように配設されておれば，各開孔軸の軸間に生じる偏差によるイオン引き出し効率の低下を防止することができる。
この場合，上記アノード電極と上記カソード電極とが絶縁体を介して一体化されておれば，上記各電極を個々に取り付けた場合のそれぞれの取付公差を吸収することができるため，上記微小開孔の中心軸と上記イオン引き出し開孔の中心軸との一致精度を高め，軸偏差を縮小することができる。また，このように一体化されることにより，上記アノード電極及び上記カソード電極をイオン源に容易に組み付けることができる。
なお，上記各電極の一体化は，上記アノード電極と上記カソード電極とを絶縁体を介して接合させることが考えられる。

また，上記アノード電極又は上記カソード電極或いはこれらの電極双方が単結晶シリコンを含んで構成されていてもよい。例えば，少なくとも上記微小開孔又は上記引き出し開孔を含む開孔部分が上記単結晶シリコンで構成されておれば，異方性エッチング法により上記先細り形状或いは上記末広がり形状を容易に形成することが可能となる。
なお，上記微小開孔の最小径の好ましい口径はφ１０μｍ以下である。

また，本発明を，上述のイオン源に備えられた上記アノード電極及び／又は上記カソード電極に設けられる開孔を形成する開孔形成方法として捉えることもできる。
即ち，本発明が，単結晶シリコンからなる上記アノード電極及び／又はカソード電極の開孔形成位置に所定のエッチング溶液を作用させることにより，上記単結晶シリコンの結晶方位毎にエッチング速度が異なる異方性を利用してエッチング方向に向かって略先細り状の開孔を形成する異方性エッチング法による開孔形成方法であれば上記アノード電極及び上記カソード電極に上記先細り形状或いは末広がり形状の開孔を容易に形成することが可能である。

本発明に係るイオン源によれば，上記アノード電極に設けられた微小開孔が，上記原料ガスの高圧噴射される方向に向かって略先細り状に形成されているため，イオン源の真空領域（イオンビーム生成室）の真空状態が高真空度に維持されている場合であっても，上記微小開孔の噴射出口における原料ガスの圧力を高圧状態に維持することができる。また，原料ガスが充填された空間（原料ガス導入室）の圧力が低い状態であっても，上記微小開孔の噴射出口に向かうにつれて上記原料ガスを放電可能な程度の高圧状態に高めることができる。即ち，上記プラズマ発生領域におけるガス圧を高くすると共に，イオン源の真空領域を高真空に維持することが可能となる。これにより，プラズマの発生効率とイオン引き出し効率との双方を向上させることができる。
また，カソード電極に設けられたイオン引き出し開孔が，イオンが引き出される方向に向かって略末広がり状に形成されているため，上記カソード電極と上記引き出し電極間に生じた引出電界を比較的高電位に維持したままで生起されたプラズマの近傍にかけることが可能となり，プラズマからのイオン引き出し効率が向上される。
また，本発明を異方性エッチング法による開孔形成方法と捉えた場合は，上記アノード電極及び上記カソード電極に上記先細り形状或いは末広がり形状の開孔を容易に形成することが可能となる。

以下，添付図面を参照しながら，本発明の実施形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。なお，以下に説明する実施形態及び実施例は，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Ｘ１の断面構造を示す模式断面図，図２は図１のＣ部拡大詳細図，図３は図１のＤ部拡大詳細図，図４はアノード電極とカソード電極の一体接合構造を示す部分断面図，図５は本発明の実施の形態に係る異方性エッチング法による開孔形成方法を説明する図である。なお，図２中の破線は原料ガスの等圧力線分布であり，破線矢印Ｑ３の方向（図２の下方向）に向かってその圧力が低下する様子を示しており，図３中の破線はイオン引出し電界の等電位線分布であり，破線矢印Ｑ４の方向（図３の上方向）に向かって電位が低下する様子を示している。
図１に示すように，上記イオン源Ｘ１は，上記した従来のイオン源Ｘ２（図６参照）と略同様に構成されており，高圧ガス部と高真空部とを隔離する内壁の役割を担うアノード電極２ａと，該アノード電極２ａによって二分されたイオンビーム生成室３及び原料ガス導入室４と，上記イオンビーム生成室３に配設されたカソード電極５ａ及び引き出し電極６とを有して概略構成されている。
また，上記アノード電極２ａ及び上記カソード電極５ａそれぞれには微小開孔９ａ及び引出開孔５２ａが形成されている。
なお，前記した従来のイオン源Ｘ２（図６参照）の構成要素と同じ構成要素については該イオン源Ｘ２の構成要素と同符号を付してその詳細な説明を省略する。
上記カソード電極５ａには，直流電源５１により，上記アノード電極２ａに対して負の電位が印加されており，上記アノード電極２ａと上記カソード電極５ａとの間に所定強度の電界が発生している。また，上記引き出し電極６にも，直流電源６１により，上記カソード電極５ａに対して負の電位が与えられており，上記引き出し電極６と上記カソード電極５ａとの間にも所定強度の電界が発生している。

上記アノード電極２ａは単結晶シリコンからなる板状部材（即ちシリコン基板）で構成されており，該アノード電極２ａの略中央部には後述する異方性エッチング法により形成された上記微小開孔９ａが設けられている。
図２の拡大詳細図に示すように，上記微小開孔９ａの断面形状は，前記した従来のイオン源Ｘ２の微小開孔９とは異なり，上記原料ガス導入室４内に収容された高圧の原料ガス（Ｈｅ，Ａｒなど）が上記微小開孔９ａを通じて高圧噴射される方向（図１における下方向，以下「噴射方向」という）に向かって略先細り状に形成されている。具体的には，原料ガスの噴射出口９ａ−１の口径（即ち上記微小開孔９の最小径）がφ１０〔μｍ〕程度に開口されており，そこから約５５度のテーパ角がつけられて，図２に示すような略逆三角形状の断面形状に形成されている。このときの上記微小開孔９ａの原料ガス導入室４側の開口９ａ−２の口径は約φ１ｍｍに形成される。
なお，上記断面は略逆三角形状に限定されることはない。例えば，ガスの噴射方向に向かって上記微小開孔９ａの断面が階段状に形成されており，段階的に先細り形状となるように形成されていてもよい。或いは，図２に示すように直線的なテーパー形状ではなく，例えばすり鉢状に弧を描きながら徐々に噴射後方へ向かって先細り形状に形成されていても別段かまわない。
このように，上記微小開孔９ａの縦断面が噴射方向に向かって先細り形状の略逆三角形状に形成されているため，図２の等圧力線分布に示すように，微小開孔９ａ内の圧力分布は，原料ガスの等圧力線が上記微小開孔９ａの噴射方向側へ湾曲した状態となる。即ち，上記微小開孔９ａの噴射出口においても比較的高いガス圧が維持されることになる。また，上記先細り形状は，該先細り形状の先端に向かうにつれて上記原料ガスのガス圧力を徐々に高めるよう作用するため，上記原料ガス導入室４内の原料ガスが上記微小開孔９ａを通って上記イオンビーム生成室３側へ高圧噴射されるに際して，上記微小開孔９ａの先細り形状の先端に向かうにつれて上記原料ガスのガス圧力が徐々に高められる。これにより，例えば，原料ガスが充填された原料ガス導入室４の圧力が低い状態であっても，原料ガスを放電可能な程度の高圧状態に維持したまま上記微小開孔９ａから噴射することが可能となる。即ち，イオンビーム生成室３の高真空度を低下させることなく上記プラズマ発生領域１０におけるガス圧を高くすることができる。その結果，イオン引き出し効率を低下させることなくプラズマの発生効率を向上させることができる。

上記カソード電極５ａも，上記アノード電極２ａと同様に，単結晶シリコンからなるシリコン基板で構成されており，その中央部には後述する異方性エッチング法により形成された上記引出開孔５２ａが設けられている。
図３の拡大詳細図に示すように，上記引出開孔５２ａの縦断面形状は，該引出開孔５２ａを通じてイオンが引き出される方向（図１における矢印方向，以下「イオン引出方向」という）に向かって上記引出開孔５２ａが略末広がり状に形成されている。この点において，前記した従来のイオン源Ｘ２の引出開孔５２とは異なる。具体的には，アノード電極２ａ側の開口５２ａ−１の口径がφ２０〔μｍ〕程度に形成されており，そこから所定角度のテーパ角がつけられて，図３に示すような略三角形状の断面形状に形成されている。このときの引き出し電極６側の開口５２ａ−２の口径は約φ３〔ｍｍ〕程度に形成される。
上記開口５２ａ−１の口径と前記微小開孔９ａの噴射出口９ａ−１の口径との間には，或る一定の相関関係がある。この相関関係が維持された口径に上記開口５２ａ−１及び上記噴射出口９ａ−１が形成されていれば，アノード電極２ａとカソード電極５ａとの間における原料ガスの滞留を軽減することが可能となる。本実施形態における上記各開口（開口５２ａ−１及び噴射出口９ａ−１）の口径サイズは原料ガスの滞留を軽減し得る最適値の一例である。
もちろん，上述した口径サイズに限定されることはなく，例えば，上記噴射出口９ａ−１の口径がφ１０〔μｍ〕の場合における上記開口５２ａ−１の口径の望ましいサイズはφ１０〔μｍ〕以上φ５０〔μｍ〕以下であり，このときの上記開口５２ａ−２の口径の望ましいサイズはφ２〔ｍｍ〕以上φ４〔ｍｍ〕以下である。なお，少なくとも，上記噴射出口９ａ−１の口径が引出開孔５２ａの開口５２ａ−１の口径以下であれば，上記した原料ガスの滞留を適度に軽減することが可能である。
なお，上記引出開孔５２ａについても，上記微小開孔９ａと同じように，段階的な末広がり形状，円弧形状などの様々な断面形状を適用することが可能である。
このような断面形状を有する上記引出開孔５２ａが設けられているため，図３の等電位線分布に示すように，上記カソード電極５ａと上記引き出し電極６間に生じた引出電界の電位の等電位線が引出開孔５２側（より具体的には引出開孔５２ａのアノード電極２ａ側）へ湾曲した電界が生じる。そのため，上記引出電界を比較的高電位に維持したままの状態でプラズマ７の近傍にかけることが可能となり，プラズマ７からのイオン引き出し効率が向上される。

上記アノード電極２ａ及び上記カソード電極５ａは，図４に示すように，その間にφ３００〔μｍ〕の開口８１を有する厚さ２０〔μｍ〕のポリイミドシート８（絶縁体の一例）を介して一体化された構造を有し，一の組立部品として構成されている。上記ポリイミドシート８は，その開口８１の中心軸と前記微小開孔９ａ及び前記引出開孔５２ａの中心軸を一致させた上で，上記アノード電極２ａのイオンビーム生成室３側の面及び上記カソード電極５ａの原料ガス導入室側の面にそれぞれ接着材などで接着（接合）されている。もちろん，上記各電極と上記ポリイミドシート８とを一体化する手法は上記接着材などを用いた接着に限られることはない。
また，上記アノード電極２ａ及び上記カソード電極５ａの各電極は上述したように単結晶シリコンからなるシリコン基板で構成されているため，これらの電極の表面には，コンタクト抵抗（接触抵抗）を低減するためにタングステン等を蒸着させている。
このように各電極が一体化され，一の組立部品として構成されることで，本イオン源Ｘ１に各電極を個々に取り付ける従来法と較べて，上記アノード電極２ａ及び上記カソード電極５ａを容易に組み付けることが可能となる。また，上記微小開孔９ａの中心軸と上記引出開孔５２ａの中心軸との一致精度を高め，軸偏差を縮小することができるため，イオン引き出し効率の低下を防止することが可能となる。

次に，上記アノード電極２ａに設けられた上記微小開孔９ａの噴射出口９ａ−１の口径の最適サイズについて説明する。
上記噴射出口９ａ−１の口径が１．２×２．０〔μｍ〕（縦１．２〔μｍ〕，横２．０〔μｍ〕）の長方形状の微小開孔９ａが設けられたアノード電極２ａを用い，８０〔Ｌ／ｓｅｃ〕のターボ分子ポンプ（真空ポンプ）で上記イオンビーム生成室３内のガスを排気し，上記原料ガス導入室４内のガス圧を０．１２〔ＭＰａ〕に保った状態で，上記原料ガス導入室４から上記イオンビーム生成室３へ原料ガスを噴射させると，上記イオンビーム生成室３内の真空度Ｐは９．０×１０^-4〔Ｐａ〕となることが実験結果で得られている。
ここで，イオンビーム輸送装置に適用される一般的なターボ分子ポンプとして排気速度５００〔Ｌ／ｓｅｃ〕のものを用いて，上記イオンビーム生成室３内の真空度Ｐを１．０×１０^-2〔Ｐａ〕未満に抑え，且つ上記原料ガス導入室４内のガス圧を０．１０〔ＭＰａ〕程度に設定した場合を想定すると，上記真空度Ｐは次式（１）で表すことができる。なお，この式（１）では上記原料ガス導入室４内のガス圧が一定に保持されていることから流量コンダクタンスがガス圧力よって左右されず，また上記微小開孔９ａのサイズが微小であるため流量コンダクタンスが微小開孔９ａのガス噴射出口９ａ−１の面積Ｓ（ガス噴射出口９ａ−１の開口面積）に比例すると仮定している。
Ｐ＝９．０*１０^-4＋（１．３*１０^-3−９．０*１０^-4）*（８０／５００）*（０．１／０．１２）*（Ｓ／１．２*２．０） ………（１）
この式（１）から，Ｐ＜１．０×１０^-2〔Ｐａ〕を満足するＳの条件は，Ｓ≦４．１×１０^-10ｍ²であることが導き出せる。ここで，Ｓ≦４．１×１０^-10ｍ²を満たすためには，上記微小開孔９ａのガス噴射出口９ａ−１の口径がφ１０〔μｍ〕以下であることが必要であることが容易に理解できる。
もちろん，上記ガス噴射出口９ａ−１の口径はφ１０〔μｍ〕以下であればいずれの値を採用してもよく，例えば，上記ガス噴射出口９ａ−１を約φ１〔μｍ〕或いはφ２〔μｍ〕の口径とすることも可能である。なお，上記ガス噴射出口９ａ−１の口径が約φ１〔μｍ〕の時の上記引出開孔５２ａの開口５２ａ−１の口径の最適値は約φ２〔μｍ〕であり，上記ガス噴射出口９ａ−１の口径が約φ２〔μｍ〕の時の上記開口５２ａ−１の口径の最適値は約φ４〔μｍ〕である。
このようなサイズとなるよう上記微小開孔９ａが形成されておれば，上記イオンビーム生成室３内の真空度を高く保ち，且つ上記原料ガス導入室４内のガス圧を比較的低い圧力に設定することができる。

次に，上記アノード電極２ａに上記微小開孔９ａを形成する本発明の実施形態に係る開孔形成方法について説明する。
一般に，開孔を形成する手法としては，ドリル加工，放電加工などが挙げられるが，上記微小開孔９ａのように口径が数μｍ〜１０μｍの開孔となると，機械的なドリル加工はもとより，上記放電加工によっても形成するのは困難である。ましてや，上記微小開孔９ａのように，ガスの噴射方向に向かって先細り形状の開孔をある程度の厚みを有する電極に形成するのはさらに困難である。
しかしながら，本実施の形態では，上記アノード電極２ａがシリコン基板で構成されていることに鑑みて，いわゆる異方性エッチング法を用いて上記微小開孔９ａを形成する。即ち，単結晶シリコンに応じた所定のエッチング溶液をシリコン基板に作用させることにより，上記単結晶シリコンの結晶方位毎にエッチング速度が異なる異方性を利用してエッチング方向に向かって略先細り状の開孔を形成する。
シリコンはある種のエッチャント（エッチング溶液）を用いることによりエッチングに異方性が生じることが知られている。例えば，ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液をエッチャントとして用いた場合は，シリコン基板のＳｉ（１００）面に対するエッチング速度に対して，Ｓｉ（１１１）面のエッチング速度が極めて遅いため，Ｓｉ（１００）基板を異方性エッチング法によりエッチングすると，４つのＳｉ（１１１）からなる面でエッチングがほぼ停止する。そのため，エッチング速度の速いＳｉ（１００）のみがエッチングされ，結果として逆ピラミッド（逆四角錐）形状の窪みが上記シリコン基板に形成されることになる。このエッチングの際に，シリコン基板表面を覆う酸化膜などのマスクを利用して，ある特定の部分のみがエッチングされるように施すことで，上記ピラミッド形状の窪みは決まった大きさのＳｉ（１１１）で形成されることになり，エッチングの終了判定も容易となり，容易に微細加工を実現することができる。

以下に，本開孔形成方法の具体的な手順について，図５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
まず，図５（ａ）に示すように，シリコン基板２０の一方の面（原料ガス導入室４側となる面）に熱酸化などで酸化膜（ＳｉＯ₂）２１を形成する。
次に，図（ｂ）に示すように，開孔を形成したい部分の上記酸化膜のみを除去する処理を行う。この除去処理は，例えば，上記酸化膜２１上に，金属レジスト（半田・錫など）や有機レジスト（インク・フィルム）等のエッチングレジスト（フォトレジストともいう）を塗布し，上記開孔部分に対応する箇所のみに透光性を持たせるパターンが描かれたフォトマスクを用意し，このフォトマスクの上から上記酸化膜２１に対して露光することにより行われる。このとき，光が当たった部分（即ち開孔を形成したい部分）が露光されて上記エッチングレジストが化学変化を起こし，上記酸化膜２１が侵食される。即ち，光が当たった部分の酸化膜が除去されることになる。なお，上記フォトマスクに描かれたパターンを適宜変更することで，形成される微小開孔の深さや口径等を調整することができる。
図５（ｂ）に示すように酸化膜を除去すると，続いて，前記したＴＭＡＨ等のエッチャントを上記酸化膜が除去された部分に作用させてシリコンの異方性エッチングを行う。これにより，図５（ｃ）に示す逆ピラミッド形状の開孔が形成される。

本発明の実施の形態に係るイオン源Ｘ１の断面構造を示す模式断面図。 図１のＣ部拡大詳細図。 図１のＤ部拡大詳細図。 アノード電極とカソード電極の一体接合構造を示す部分断面図。 本発明の実施の形態に係る異方性エッチング法による開孔形成方法を説明する図。 従来のイオン源Ｘ２の断面構造を示す模式断面図。 図６のＡ部拡大詳細図。 図６のＢ部拡大詳細図。

符号の説明

Ｘ１，Ｘ２…イオン源
２，２ａ…アノード電極
３…イオンビーム生成室
４…原料ガス導入室
５，５ａ…カソード電極
６…引き出し電極
７…プラズマ
８…ポリイミドシート（絶縁材の一例）
９，９ａ…微小開孔
１０…プラズマ発生領域
２０…シリコン基板
２１…酸化膜
５２，５２ａ…引出開孔
６２…開孔

Claims (13)

1. 微小開孔が設けられたアノード電極とイオン引き出し開孔が設けられたカソード電極との間に電圧を印加することにより，上記微小開孔から上記イオン引き出し開孔に向かって高圧噴射された原料ガスをプラズマ化してなるイオン源であって，
   上記微小開孔が，上記原料ガスの高圧噴射される方向に向かって略先細り状に形成されてなることを特徴とするイオン源。
2. 微小開孔が設けられたアノード電極とイオン引き出し開孔が設けられたカソード電極との間に電圧を印加することにより上記微小開孔から上記イオン引き出し開孔に向かって高圧噴射された原料ガスをプラズマ化すると共に上記イオン引き出し開孔からイオンを引き出してなるイオン源であって，
   上記微小開孔が，上記原料ガスの高圧噴射される方向に向かって略先細り状に形成されてなり，
   上記イオン引き出し開孔が，上記イオンが引き出される方向に向かって略末広がり状に形成されてなることを特徴とするイオン源。
3. 上記アノード電極と上記カソード電極とが絶縁体を介して一体化されてなる請求項１又は２のいずれかに記載のイオン源。
4. 上記アノード電極と上記カソード電極とが絶縁体を介して接合されることにより一体化されてなる請求項３に記載のイオン源。
5. 上記アノード電極及び／又は上記カソード電極が単結晶シリコンからなる請求項１〜４のいずれかに記載のイオン源。
6. 微小開孔が設けられたアノード電極とイオン引き出し開孔が設けられたカソード電極との間に電圧を印加することにより上記微小開孔から上記イオン引き出し開孔に向かって高圧噴射された原料ガスをプラズマ化すると共に上記イオン引き出し開孔からイオンを引き出してなるイオン源であって，
   上記イオン引き出し開孔が，上記イオンが引き出される方向に向かって略末広がり状に形成されてなり，
   上記アノード電極と上記カソード電極とが絶縁体を介して一体化されてなることを特徴とするイオン源。
7. 微小開孔が設けられたアノード電極とイオン引き出し開孔が設けられたカソード電極との間に電圧を印加することにより上記微小開孔から上記イオン引き出し開孔に向かって高圧噴射された原料ガスをプラズマ化すると共に上記イオン引き出し開孔からイオンを引き出してなるイオン源であって，
   上記イオン引き出し開孔が，上記イオンが引き出される方向に向かって略末広がり状に形成されてなり，
   上記アノード電極及び／又は上記カソード電極が単結晶シリコンからなることを特徴とするイオン源。
8. 上記アノード電極と上記カソード電極とが絶縁体を介して一体化されてなる請求項７に記載のイオン源。
9. 上記アノード電極と上記カソード電極とが絶縁体を介して接合されることにより一体化されてなる請求項６又は８のいずれかに記載のイオン源。
10. 上記微小開孔及び上記イオン引き出し開孔が，該微小開孔の中心軸と該イオン引き出し開孔の中心軸とが略同軸上となるよう配設されてなる請求項１〜９のいずれかに記載のイオン源。
11. 上記微小開孔の最小径がφ１０μｍ以下である請求項１〜１０のいずれかに記載のイオン源。
12. 上記請求項１〜１１のいずれかに記載のイオン源に備えられたアノード電極及び／又はカソード電極に設けられる開孔を形成する開孔形成方法であって，
    単結晶シリコンからなる上記アノード電極及び／又は上記カソード電極の開孔形成位置に所定のエッチング溶液を作用させることにより，上記単結晶シリコンの結晶方位毎にエッチング速度が異なる異方性を利用してエッチング方向に向かって略先細り状の開孔を形成することを特徴とする異方性エッチング法による開孔形成方法。
13. 微小開孔が設けられたアノード電極とイオン引き出し開孔が設けられたカソード電極との間に電圧を印加することにより上記微小開孔から上記イオン引き出し開孔に向かって高圧噴射された原料ガスをプラズマ化すると共に上記イオン引き出し開孔からイオンを引き出してなるイオン源であって，上記イオン引き出し開孔が，上記イオンが引き出される方向に向かって略末広がり状に形成されてなるイオン源に備えられたアノード電極及び／又はカソード電極に設けられる開孔を形成する開孔形成方法であって，
    単結晶シリコンからなる上記アノード電極及び／又は上記カソード電極の開孔形成位置に所定のエッチング溶液を作用させることにより，上記単結晶シリコンの結晶方位毎にエッチング速度が異なる異方性を利用してエッチング方向に向かって略先細り状の開孔を形成することを特徴とする異方性エッチング法による開孔形成方法。

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