JP4587766B2 - クラスターイオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は真空装置の技術に関し、特に、電子線発生装置とその電子線発生装置を有するクラスターイオンビーム装置に関する。

従来のクラスターイオンビーム装置では、クラスターをイオン化する手段として、例えばフィラメントを用いた熱陰極から放出される電子を加速して、クラスターに衝突させてイオン化している。

図５の符号２０１は従来技術のクラスターイオンビーム装置であり、真空槽２１１にクラスター生成装置２２８とイオン化装置２１６とが設けられている。
クラスター生成装置２２８には、ガス導入系２３１が接続されており、ガス導入系２３１から導入されたクラスタ用ガスはクラスター生成装置２２８でクラスター化され、イオン化装置２１６内に導入される。

イオン化装置２１６は、熱フィラメント２２５を有しており、熱フィラメント２２５から放出され、グリッド２３０を通過した電子はクラスター２５１に照射され、クラスター２５１をイオン化する。

クラスターイオン２５２の飛行方向には、試料２１２が配置されており、クラスターイオン２５２は加速電極２２７によって加速され、試料２１２に照射され、試料２１２の表面処理が成される。
図５の符号２４２は加速電極２２７等に電圧を印加する電源装置、符号２４５、２４６は真空槽２１１の内部を真空排気する真空排気系を示している。
特開平６−２７５５４５号公報 特表２０００−５２０３９３号公報

アルゴン、キセノン等の希ガスおよび一部の金属等の固体を蒸発させて生成したクラスターに対しては、熱陰極を用いたイオン化法で十分に対応できたが、酸素、ハロゲンガスおよびその他の反応性および腐食性のあるガスに対しては、熱陰極の消耗が激しく十分な寿命が確保できない問題があった。

この発明は、上記のような従来のクラスターイオンビーム装置に設けられたイオン化装置のもつ問題点を解決するもので、反応性および腐食性のあるガスに対しても長寿命で安定してクラスターイオンビームを生成することの可能なイオン化装置を提供することを目的としている。

上記問題点は、小さなコンダクタンスを有する小孔(通過孔)によってプラズマ生成室と真空槽とを接続し、プラズマを生成するためのガス（Ａｒ、Ｘｅ等の希ガス）を微少量プラズマ生成室内に導入することにより、真空槽内からプラズマ生成室内へのクラスタ用ガスの侵入を低減することができる。特に、クラスタ用ガスが反応性であって、腐食性を有しており、プラズマ生成室内に配置されたプラズマ生成手段が熱陰極である場合には、その熱陰極の消耗が低減されるので、寿命を伸長することができる。
また、より長寿命にするためには、熱陰極を用いずにプラズマ生成室内にプラズマを生成させるとよい。

図４の符号３は、そのようなクラスターイオンビーム装置を示している。このクラスターイオンビーム装置３は、後述する図３のクラスターイオンビーム装置２と同じ構成の部材には同じ符号を付して説明を省略する。図４のクラスターイオンビーム装置３は、プラズマ拡張室を有さず、小径の小孔３９から電子線が引き出されるようになっている。従って、電子ビームとして引き出せる電流が１０ｍＡ程度に制限（空間電荷制限）されるという問題が生じる。
すなわち、空間電荷制限電流の領域では、クラスターのイオン化に寄与する電子ビーム電流が小さくなるという問題がある。

他方、大電流の電子ビーム電流を得ようとすると、イオン生成室１５の内部に生じたプラズマが小孔３９からイオン化室２５の内部に噴出することになり、モノマー（単原子、単分子）イオンが、真空槽１１内部に配置されたイオン化室２５中に充満することになる。

このような状態では、プラズマ生成室１５のプラズマ密度を増大するほどモノマーイオンが増大し、その結果、クラスターイオン成分の比率が極めて低くなり、効率が著しく低下する欠点があった。

この問題を解決するために、本発明は、真空槽と、前記真空槽に配置され、クラスターを生成するクラスター生成装置と、前記クラスターに照射される電子線を発生する電子線発生装置と、前記真空槽内に設置されるイオン化室と、前記イオン化室の下流に設置される引出電極と加速電極と、を有し、前記クラスター生成装置は、前記真空槽内にクラスタ用ガスを放出してクラスターを生成するノズルと、生成された前記クラスターが通過する孔を有するスキマーと、を有し、前記スキマーを通過した前記クラスターは前記イオン化室に進入するように構成され、前記電子線発生装置は、プラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に設けられたプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成室と通過孔で接続され、前記イオン化室に面する壁面に複数の放出孔が設けられた電子引出し電極が配置されたプラズマ拡張室と、を有し、前記プラズマ生成室に導入されたプラズマ用ガスは前記プラズマ生成手段によってプラズマ化され、前記通過孔を通って前記プラズマ拡張室内に進入し、前記プラズマ拡張室内に存するプラズマから引き出された電子が前記放出孔を通って前記イオン化室内に放出されるように構成され、前記イオン化室は、接地電位より高電位で、かつ、前記プラズマ拡張室より高電位であり、前記イオン化室の内部を飛行するクラスターに、前記電子線発生装置から放出された電子線が照射され、クラスターイオンが生成され、前記クラスターイオンが前記引出電極と前記加速電極とでイオンビームにされて試料に照射されるように構成されたクラスターイオンビーム装置である。
また、本発明は、前記貫通孔の合計面積よりも前記放出孔の合計面積の方が大きくされたクラスターイオンビーム装置である。
また、本発明は、前記プラズマ生成手段は、通電により電子を放出するフィラメントを有するクラスターイオンビーム装置である。
また、本発明は、前記プラズマ生成手段は、交流電圧が印加され、前記プラズマ生成室内にプラズマを発生させる誘導コイルを有するクラスターイオンビーム装置である。

本願発明は上記のように構成されており、プラズマ生成室と真空槽との間にプラズマ拡張室を設け、プラズマ生成室内部で生成されたプラズマの一部をプラズマ拡張室の内部に移動させ、拡散させて電子線を発生させており、プラズマ拡張室に真空排気系(差圧用真空排気系)が接続されると、真空槽からプラズマ拡張室内に侵入したクラスタ用ガスは差圧用真空排気系によって真空排気され、プラズマ生成室内に侵入しないようになっている。

プラズマ生成室とプラズマ拡張室とは、一又は二以上の通過孔で接続されており、それらの接続孔の合計面積よりも、電子引出し電極に設けられた放出孔の合計面積の方が大きくされ、１００Ｖ程度の低電圧においても１００ｍＡ以上の電子ビームを安定に引き出すことができるようになっている。これは、種々のクラスターイオン生成のためのパラメーター制御が精密にできることを意味し、他のプラズマを用いたクラスターイオン生成法にはない特長を備えている。
本発明の放出孔は、板状の電子引出し電極に設けた貫通孔の他、網状の電子引出し電極の網目であってもよい。

反応性および腐食性のあるガスに対して長寿命で、クラスターのイオン化に寄与する電子ビームの制御性を兼ね備えたクラスターイオン化装置を提供することができる。

プラズマ生成室とプラズマ拡張室との間を小径の通過孔で接続し、プラズマ拡張室に差圧用真空排気系４７を接続したので、電子引出し電極には、複数の放出孔を設けることができ、各放出孔から電子が放出されるので、放出効率が高くなる。

図１の符号１は、本発明のイオンビーム装置を示している。
このイオンビーム装置１は真空槽１１を有しており、その内部にはノズル２１が配置されている。
ノズル２１の前面には、スキマー２２が配置されており、ノズル２１とスキマー２２とでクラスター生成装置２８が構成されている。

ノズル２１には、第一のガス導入系３１が接続されている。第一のガス導入系３１にはクラスター化とイオン化の対象となるクラスタ用ガスが充填されている。
ノズル２１とスキマー２２の間と、後述する試料２１２の近傍には、真空排気系４５、４６がそれぞれ接続されており、真空排気系４５によってノズル２１とスキマー２２の間を真空排気しながらノズル２１からクラスタ用ガスを噴出すると、噴出されたクラスタ用ガスは断熱膨張によって凝集し、クラスタ用ガスのクラスターが生成される。

生成されたクラスターはスキマー２２の孔２３を通り、クラスター生成装置２８から、クラスターとして放出される。他の部分は真空排気される。
放出されたクラスターは、真空槽１１の内部をノズル２１とは反対方向に向けて飛行する。クラスターの進行方向にはイオン化室２５が配置されており、クラスターはイオン化室２５内部に進入する。

イオン化室２５には電子線発生装置２０ａが接続されている。
電子線発生装置２０ａは、プラズマ生成室１５とプラズマ拡張室１６とを有している。
プラズマ生成室１５の内部には、プラズマの生成手段としてフィラメント３３が配置されている。真空槽１１の外部には、プラズマ生成用電源装置４１が配置されており、フィラメント３３やプラズマ生成室１５及びプラズマ拡張室１６はプラズマ生成用電源装置４１から所定値の電圧が印加されるように構成されている。
また、プラズマ生成室１５には、第二のガス導入系３２が接続されている。

第二のガス導入系３２には、アルゴンガスやキセノンガス等のプラズマ生成用ガスが充填配置されており、該第二のガス導入系３２からプラズマ生成室１５の内部にプラズマ生成用ガスを流量制御しながら導入し、フィラメント３３に通電して熱電子を放出させると、放出された電子はプラズマ生成用ガスに照射され、プラズマ生成室１５の内部にプラズマが生成される。

プラズマ生成室１５とプラズマ拡張室１６の間は、一又は二以上の小径の貫通孔から成る通過孔１７によって接続されており、プラズマ生成室１５内に形成されたプラズマの一部は通過孔１７を通ってプラズマ拡張室１６内に流入するように構成されている。通過孔１７を通ったプラズマは、プラズマ拡張室１６内部で拡散(拡張)する。

プラズマ拡張室１６の一壁面には、複数の放出孔３６が形成された電子引出し電極３５が配置されている。各放出孔３６は平板状の電子引出し電極３５を貫通しており、プラズマ拡張室１６の内部空間と真空槽１１の内部空間(ここではイオン化室２５の内部空間)とは、電子引出し電極３５の放出孔３６によって接続されている。

多数の放出孔３６を通過した電子は、真空槽１１内に位置するイオン化室２５の内部に放出され、イオン化室２５の内部を飛行中のクラスタ用ガスのクラスターに照射される。その結果、クラスターがイオン化され、クラスターイオンが生成される。

放出孔３６の合計面積は、通過孔１７の断面積よりも大きくなっており、低密度プラズマから放出される低密度の電子線であっても、放出の合計量が多くなるように構成されている。

即ち、一個当たりの放出孔３６から放射される電子は少量であっても、放出孔３６が多数であるため、イオン化室２５の内部に放射される電子は多量となり、生成されるクラスターイオンの量も多量となる。

電離(イオン化)され、イオンとなったクラスター(クラスターイオン)の飛行方向には、イオン化室２５の壁面と引出電極２６と加速電極２７が配置されている。真空槽１１の外部には加速用電源装置４２が配置されており、イオン化室２５と引出電極２６と加速電極２７は加速用電源装置４２に接続され、電圧が印加されている。

イオン化室２５内を飛行するクラスターのイオンは、イオン化室２５と引出電極２６と加速電極２７に設けられた孔から引き出され、イオンビームとなって真空槽１１内部に配置された試料１２に照射される。

プラズマ拡張室１６には差圧用真空排気系４７が接続されており、真空槽１１に接続された真空排気系４５、４６と共に差圧用真空排気系４７を動作させ、プラズマ拡張室１６の圧力をプラズマ生成室１５の圧力よりも低くされている。

プラズマ拡張室１６内部のプラズマを構成するクラスタ用ガスや、プラズマ拡張室１６内部に進入したクラスタ用ガスは差圧用真空排気系４７によって真空排気される。従って、プラズマ拡張室１６内部にクラスタ用ガスが侵入しても、そのクラスタ用ガスはプラズマ生成室１５の内部に侵入しにくい。クラスタ用ガスが腐食性であっても、フィラメント３３は損傷しにくい。

図２の符号５３は、プラズマ生成室１５の内部に生成されるプラズマを示しており、符号５４は、その一部が拡張室１６の内部で拡散されたプラズマを示している。また、符号５５は、電子線発生装置２０ａから放出された電子を示しており、符号５１はイオン化室２５内に進入したクラスタ用ガスのクラスター、符号５２は、電子線５５が照射されて電離したクラスターイオンを示している。

上記イオンビーム装置１は、フィラメント３３によってプラズマを生成していたが、本発明のプラズマ生成手段はそれに限定されるものではない。熱陰極の他、冷陰極を用いたり、レーザ光や紫外光やマイクロ波や誘導結合を用いることができる。
図３の符号２は、そのようなイオンビーム装置の一例であり、第一例のイオンビーム装置１と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。

このイオンビーム装置２の電子線発生装置２０ｂは、フィラメントに代わるプラズマ生成手段として誘導コイル３７を有している。該誘導コイル３７は、プラズマ生成室１５の周囲に巻回されており、交流電圧を印加することで、プラズマ生成室１５の内部にプラズマが形成される。なお、プラズマ生成室１５の内部には、電極３８が配置されており、プラズマ拡張室１６内のプラズマ密度を調節するようになっている。

プラズマ生成室１５内で生成されたプラズマはプラズマ拡張室１６の内部に侵入し、拡散して密度が低下する。
プラズマ拡張室１６内部のプラズマから放出された電子は、多数の放出孔３６からイオン化室２５の内部に放射され、クラスターを電離してクラスターイオンを生成する。

このイオンビーム装置２でも、プラズマ拡張室１６には、差圧用真空排気系４７が接続されており、プラズマ拡張室１６の内部の圧力がプラズマ生成室１５の内部の圧力よりも低くなるように構成されている。

なお、プラズマ拡張室１６の壁面に差圧調整用の貫通孔を設け、その貫通孔によって真空槽１１の内部雰囲気と接続したり、更に、その貫通孔に開度調整可能のバルブを設けることで、プラズマ拡張室１６内の圧力を調節することができる。図１〜図３の符号Ａは、そのような貫通孔やバルブを設ける位置を示している。この位置Ａはイオン化室２５の外部にあり、プラズマ拡張室１６の内部空間を、真空槽１１内部空間であってイオン化室２５の外部空間に接続するようになっている。

なお、本発明のクラスタ用ガスは酸素ガスや塩素ガス等の活性あるいは腐食性のガスを用いることができる。
プラズマ用ガスには、アルゴンやキセノンの他、窒素ガスを用いることができる。

本発明の一例のクラスターイオンビーム装置 そのクラスターイオンビーム装置内部のプラズマとクラスターを説明するための図 本発明の二例のクラスターイオンビーム装置 従来技術とは異なるクラスターイオンビーム装置の参考例 従来技術のクラスターイオンビーム装置

符号の説明

１〜３……クラスターイオンビーム装置
１１……真空槽
１５……プラズマ生成室
１６……プラズマ拡張室
１７……通過孔
２０ａ〜２０ｃ……電子線発生装置
２８……クラスター生成装置
３３、３７……プラズマ生成手段
３６……放出孔
４７……差圧用真空排気系
５３、５４……プラズマ

Claims (4)

1. 真空槽と、
   前記真空槽に配置され、クラスターを生成するクラスター生成装置と、
   前記クラスターに照射される電子線を発生する電子線発生装置と、
   前記真空槽内に設置されるイオン化室と、
   前記イオン化室の下流に設置される引出電極と加速電極と、を有し、
   前記クラスター生成装置は、
   前記真空槽内にクラスタ用ガスを放出してクラスターを生成するノズルと、
   生成された前記クラスターが通過する孔を有するスキマーと、を有し、
   前記スキマーを通過した前記クラスターは前記イオン化室に進入するように構成され、
   前記電子線発生装置は、
   プラズマ生成室と、
   前記プラズマ生成室に設けられたプラズマ生成手段と、
   前記プラズマ生成室と通過孔で接続され、前記イオン化室に面する壁面に複数の放出孔が設けられた電子引出し電極が配置されたプラズマ拡張室と、を有し、
   前記プラズマ生成室に導入されたプラズマ用ガスは前記プラズマ生成手段によってプラズマ化され、前記通過孔を通って前記プラズマ拡張室内に進入し、
   前記プラズマ拡張室内に存するプラズマから引き出された電子が前記放出孔を通って前記イオン化室内に放出されるように構成され、
   前記イオン化室は、接地電位より高電位で、かつ、前記プラズマ拡張室より高電位であり、
   前記イオン化室の内部を飛行するクラスターに、前記電子線発生装置から放出された電子線が照射され、クラスターイオンが生成され、前記クラスターイオンが前記引出電極と前記加速電極とでイオンビームにされて試料に照射されるように構成されたクラスターイオンビーム装置。
2. 前記貫通孔の合計面積よりも前記放出孔の合計面積の方が大きくされた請求項１記載のクラスターイオンビーム装置。
3. 前記プラズマ生成手段は、通電により電子を放出するフィラメントを有する請求項１記載のクラスターイオンビーム装置。
4. 前記プラズマ生成手段は、交流電圧が印加され、前記プラズマ生成室内にプラズマを発生させる誘導コイルを有する請求項１記載のクラスターイオンビーム装置。

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