JP4977558B2

JP4977558B2 - イオン源

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Publication number: JP4977558B2
Application number: JP2007226967A
Authority: JP
Inventors: 主税一原; 明小林; 貴之平野; 敏之辻
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP2009059628A

Description

本発明は、高輝度のイオンビームを利用した、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、走査イオン顕微鏡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。

従来、半導体工業等の分野では、サブミクロン以下に集束したイオンビームのイオン源としては、一般に、液体金属イオン源が用いられていた。しかし、液体金属イオン源では得られるイオン種に制限がある。特にアルゴンなどの不活性ガスや酸素等の集束イオンビームを得る場合には、液体金属イオン源よりガス相の電界電離型イオン源が適している。

この電界電離型イオン源は、ガス（原料ガス）中で、その先端部半径が５ｎｍ〜１００ｎｍ程度に尖らされた金属の針状電極（電解電離電極）先端部近傍に５〜６０Ｖ／ｎｍ程度の強電界が形成されるように構成されている。このような電界電離型イオン源では、針状電極の先端部近傍のガス分子が電界電離現象によりイオンと電子とに分離され、分離したイオンがイオンビームとして取り出される。

このような電界電離型イオン源において発生するイオンビーム電流Ｉは、ガス圧Ｐ及び温度Ｔと下記の（１）式に示すような関係を有する。

Ｉ∝Ｐ／Ｔ・・・・・・（１）
従って、電界電離型イオン源においてイオンビーム電流Ｉを大きくして放出イオンの輝度を高める、即ち、高輝度なイオンビームを得るためには、針状電極先端近傍の温度を下げる構成、又は針状電極先端近傍のガス圧を高くする構成、の少なくとも一方が必要となる。

前記針状電極先端近傍の温度を下げる電界電離型イオン源としては、冷媒や冷凍機を用いてガス（原料ガス）を冷却する電界電離型イオン源が知られている。このような電界電離型イオン源においては、ガスが数十Ｋ程度のガス温度にまで低くなるように冷却され、この冷却されたガスが針状電極先端近傍に供給されることで針状電極先端近傍の温度を下げることができる。

一方、前記針状電極先端近傍のガス圧を高くする電界電離型イオン源としては、図８に示されるような開孔１２２を有する容器１２０内に針状電極１２３を配置した電界電離型イオン源１１０が知られている（特許文献１参照）。このような電界電離型イオン源１１０においては、容器１２０内にガスが供給されることで当該容器１２０内が高圧となる。この時、容器１２０は、開孔１２２を有し、当該開孔１２２から供給されたガスを噴出する。しかし、開孔１２２の径が小さいことから、当該開孔１２２から外部に噴出するガスの流量が小さいため容器１２０内の高圧が保たれる。このように供給されたガスによって高圧となった容器１２０内に針状電極１２３が配置されることで、針状電極１２３先端近傍もガス圧が高くなる。
特開昭６３-４３２４９号公報

前記針状電極先端近傍の温度を下げる電界電離型イオン源においては、ガスの温度を下げるために、通常、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒、又は圧縮機などを有する冷凍機が用いられる。いずれを用いる場合でも、前記電界電離型イオン源は、装置の大型化、複雑化が避けられないだけでなく、冷媒を用いる場合は、冷媒補充の煩雑さがある。また、冷凍機を用いる場合には、装置の大型化に加えて圧縮機の振動がイオンビームの集束において問題となる場合がある。

一方、前記針状電極先端近傍のガス圧を高くする電界電離型イオン源１１０においては、針状電極１２３先端で発生したイオンが開孔１２２を通じて容器１２０外に引き出される際に、高圧のガス中、即ち、ガス分子の多い雰囲気中を前記発生したイオンが移動する。その際、前記発生したイオンが前記ガス分子と衝突してその一部が消滅し、イオンビーム電流Ｉが小さくなるといった問題が生じていた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な構成で高輝度なイオンビームが得られるイオン源を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係るイオン源は、イオンビームを照射するためのイオン源であって、微小開孔を有し、内部に原料ガスが供給される容器と、前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて前記容器内に配置される電界電離電極と、前記微小開孔を介して前記電界電離電極と対向するように前記容器の外部に配置される引出電極と、前記引出電極と電界電離電極との間に電界電離電圧を印加する印加用電源と、を備え、前記ビーム軸方向と直交する共通の平面上での前記微小開孔の開孔面積と前記電界電離電極の断面積との差であるガス噴出面積が前記電界電離電極の先端又は前記先端よりも僅かに基部側で最小になると共に他の位置では前記最小の面積よりも大きくなるように、前記容器の微小開孔を規定する内周面が形成され、前記内周面は、前記ガス噴出面積が前記電界電離電極の基部側端部で最小となり又は前記ビーム軸方向における中間部で最小となり、この最小となった位置から前記イオンビームの照射方向に向かって前記ガス噴出面積が大きくなるように形成されることを特徴とする。

かかる構成では、容器内にガスが供給されることで容器内のガス圧が高くなる。この状態で、印加用電源によって電界電離電圧が印加されると電界電離電極先端近傍に強電界が形成され、この強電界によって前記微小開孔から噴出する原料ガスが電界電離してイオン化する。このイオン化された原料ガスが引出電極によって引き出されることでイオンビームが形成される。

また、上記構成によれば、微小開孔を規定する内周面は、前記ガス噴出面積が電界電離電極の先端又は前記先端よりも僅かに基部側で最小になるように形成されているため、絞り効果によって電界電離電極先端で高いガス圧を維持することができる、若しくは前記高いガス圧から僅かに低くなったガス圧を維持することができる。そのため、電界電離電極先端近傍では、原料ガスが電界電離してイオン化し易くなる。

しかも、前記ガス噴出面積が最小となる位置からイオンビームの照射方向側では、ガス噴出面積が大きくなっているため、前記高圧になった原料ガスが拡散して低圧、即ち、ガス分子の密度が小さい状態となり、イオンビームが他の分子等と衝突し難くなる。そのため、イオン消滅確率が低くなり、イオンビーム電流の低下が抑制されると共に集束イオンビームを得るために必要な低エネルギー分散も維持されるため、高輝度なイオンビームが得られる。

本発明に係るイオン源においては、前記容器のうち少なくとも前記微小開孔の周辺部が絶縁物である構成であってもよい。

かかる構成によれば、周方向を絶縁物で囲まれることで、電界電離電極先端近傍の電界強度が微小開孔の周辺部が絶縁物でない場合に比べてより高くなるため、原料ガスがよりイオン化し易くなる。

また、前記容器は、真空チャンバー内に設置される構成であってもよい。

かかる構成によれば、真空チャンバーによって容器外を真空領域とすることで、容器から噴出する原料ガスの微小開孔のイオンビーム照射方向側端部と当該微小開孔の外側とではより急激な圧力勾配が発生する。そのため、電界電離電極先端近傍でイオン化された原料ガスが引き出される際に、他のガス分子等との衝突がより減少するためイオン消滅確率がより低くなる。

以上より、本発明によれば、簡単な構成で高輝度なイオンビームが得られるイオン源を提供することができるようになる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る電解電離型イオン源（以下、単に「イオン源」と称する。）は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素からなるイオン原料ガス（原料ガス）を電界電離し、高輝度のイオンビームを得るためのイオン源である。図１に示されるように、イオン源１０は、微小開孔２２を有し、内部にイオン原料ガスが充填（供給）される容器２０と、先端を微小開孔２２に向けて容器２０内に配置される針状の電界電離電極（以下、単に「ニードル電極」と称する。）２３と、この容器２０の前方に配置される引出電極３０と、を備える。これら、容器２０、ニードル電極２３及び引出電極３０は、真空容器１１内に配設されている。また、ニードル電極２３と引出電極３０との間には、印加用電源４０が接続されている。尚、本実施形態において、照射されるイオンビームの照射方向を前方とする（図１においては下方向）。

容器２０は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素などの常温で気体状態のイオン原料ガスが充填される容器であり、前記イオン原料ガスを当該容器２０に供給するための原料ガス供給管５０が接続されている。この容器２０は、アルミナセラミクスで構成されているが、このアルミナセラミクス以外に、ジルコニウム系セラミクスやガラス等の絶縁物（絶縁体）で構成されていればよい。尚、容器２０は、本実施形態のように全体が絶縁物で形成される必要はなく、少なくとも微小開孔２２の周辺部が絶縁物で形成されていればよい。

この容器２０の内部には、照射されるイオンビームのビーム軸Ｋ方向に沿って延びると共に先端が尖った細長い針状のニードル電極２３が配置されている。このニードル電極２３は、イオン原料ガスを電界電離してイオン化するために、その先端部に強電界を発生させるための電極である。また、ニードル電極２３の先端部は、略円錐状をなす。具体的には、イオンビームの照射方向に沿って、当該照射方向（ビーム軸Ｋ）と直交する断面積２３ｓ（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）が略一定の割合で減少するように尖っている。詳細には、ニードル電極２３の先端部は、ビーム軸Ｋと直交する方向から見て、外周面２３ａが外側に向かって僅かに膨出した円弧状とるように尖っている（図２（ａ）参照）。このようなニードル電極２３の先端は、先端半径が１００ｎｍ以下となるように形成されている。具体的には、ニードル電極２３は、タングステン製で、長さが２０ｍｍであり、また、先端半径が５０ｎｍとなるように電解研磨により形成されている。尚、ニードル電極２３の先端部の形状は、本実施形態のように前記外側に向かって僅かに膨出した円弧状に限定される必要はなく、前記膨出方向と反対側に膨出した円弧状であってもよい。また、直線状、即ち、前記断面積２３ｓが一定の割合で減少するような形状であってもよい（例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ））。

このように形成されたニードル電極２３は、中心軸が照射されるイオンビームのビーム軸Ｋと一致し、先端部が微小開孔２２に挿入されて微小開孔２２から容器２０外へ僅かに突出するように支持体６０によって支持されている。この支持体６０は、絶縁物で形成され、容器２０内部の後方側に設けられている。尚、ニードル電極２３は、タングステンに限定される必要はなく、イリジウム等の金属やシリコン、又はそれらを含む合金、若しくはそれらに貴金属、高融点金属、高融点金属の炭化物若しくは窒化物等でコーティング処理を施したものであってもよい。また、ニードル電極２３は、絶縁物で形成された支持体６０を介して間接的に容器２０に設けられる必要はなく、直接容器２０に固着され（設けられ）てもよい。この場合、ニードル電極２３は、容器２０の後方側を構成する壁を貫通するように配置され、この壁に接着やろう付け等によって固着される（図７参照）。

また、容器２０の前方側は平板状の板体２１で構成され、この板体２１には、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることによってこのイオン原料ガスを噴出する微小開孔２２が穿設されている。

微小開孔２２は、最小開孔径、即ち、当該微小開孔２２の中心軸方向（イオンビームのビーム軸Ｋ）における最も開孔径の小さい位置での径（横断長さ）が５μｍ〜１００μｍの開孔である。この微小開孔２２は、容器２０の内部に配設されたニードル電極２３の中心軸にその中心を一致させ、容器２０の内部と外部とを連通するように板体２１の中央部に穿設されている。換言すると、微小開孔２２は、板体２１中央部に形成された内周面２２ａによって規定された貫通孔である。

内周面２２ａは、図２（ａ）及び図２（ｂ）にも示されるように、ガス噴出面積Ｇｓが前方側端部において最小となるような形状を有する。詳細には、内周面２２ａは、イオンビームの照射方向に沿って、当該照射方向と直交する方向の開孔面積２２ｓが一定の割合で減少する形状、即ち、微小開孔２２が前方に向かって縮径するテーパー状になるように形成されている。このように一定の傾斜を有する内周面２２ａとすることで、当該内周面２２ａの形成が容易になる。尚、本実施形態においては、微小開孔２２が前記テーパー状に形成されているが、これに限定される必要はない。即ち、ビーム軸Ｋと直交する方向から見て、内周面２２ａが微小開孔２２の中心側へ円弧状に膨出した形状であってもよく、反対側へ円弧状に膨出した形状（ニードル電極２３先端の外周面２３ａに沿うような形状）であってもよい。また、内周面２２ａは、微小開孔２２が段階的に縮径するような形状等であってもよい。

この開孔面積２２ｓの減少する割合は、上記の円錐状をなすニードル電極２３先端部における断面積２３ｓの減少する割合よりも大きくなるように形成されている。換言すると、ビーム軸Ｋに対して微小開孔２２を規定するテーパー面（内周面）２２ａがなす角αとビーム軸Ｋに対してニードル電極２３の外周面２３ａのなす角βとでは、α＞βの関係が成り立つように形成されている。このようにα＞βの関係が成り立つことで、容器２０内にニードル電極２３を配置する際、容器２０内側からニードル電極２３先端を微小開孔２２に挿入し易くなる。尚、本実施形態において、ニードル電極２３の先端は、図２（ａ）に示されるように円弧状に僅かに湾曲しているが、曲率が小さいため外周面２３ａを直線と擬制する。そして、この擬制した直線とビーム軸Ｋとのなす角をβとする。

また、微小開孔２２とニードル電極２３とは、ニードル電極２３の先端が僅かに微小開孔２２の前方側端部から突出するように相対位置が決められている。換言すると、微小開孔２２とニードル電極２３とは、ニードル電極２３の先端が当該微小開孔２２の容器２０外側面（板体２１の前方側面）に沿った位置よりも僅かに突出するように相対位置が決められている。このニードル電極２３先端の突出量は、微小開孔２２から噴出されるイオン原料ガスのガス圧が当該微小開孔２２近傍において最も高い位置（ガス噴出面積Ｇｓが最小となる位置）から僅かに前記ガス圧が低くなった位置（僅かに前方側）に前記先端が位置するような量である。

このようにニードル電極２３の外周面２３ａ及び微小開孔２２を規定する内周面２２ａの形状並びにこれらニードル電極２３の外周面２３ａと微小開孔２２を規定する内周面２２ａとの相対位置が決められることで、微小開孔２２を規定する内周面２２ａとニードル電極２３の外周面２３ａとの間に原料ガス流路が形成される。

この原料ガス流路は、その流路断面積に相当するガス噴出面積Ｇｓがビーム軸Ｋ方向においてニードル電極２３の先端よりも僅かに基部側（図１では上側）で最小になると共に他の位置では前記最小の面積よりも大きくなる。詳細には、微小開孔２２の前方側端部でのガス噴出面積Ｇｓが最小面積となる。尚、ガス噴出面積Ｇｓは、ビーム軸Ｋと直交する共通の平面Ｖ上での微小開孔２２の開孔面積２２ｓからニードル電極２３の断面積２３ｓを除いたものであり、図２（ａ）及び図２（ｂ）における微小開孔２２の内周面２２ａとニードル電極２３の外周面２３ａとの間隙部分の面積である。

具体的には、微小開孔２２の小径側（容器２０の外面側）の開孔径ｄ１が２０μｍ、大径側（容器２０の内面側）の開孔径ｄ２が７２０μｍ、深さ（板体２１の厚み）ｄ３が５００μｍ、ビーム軸Ｋに対する内周面２２ａのなす角αが３５°である。また、ビーム軸Ｋに対するニードル電極２３の外周面２３ａのなす角βが１７．５°、板体２１の外側面からニードル電極２３の先端までの突出量（突出距離）ｌが５μｍである。

引出電極３０は、ニードル電極２３先端近傍に強電界を発生させ、当該強電界によってイオン原料ガスをイオン化すると同時に、このイオン化されたイオン原料ガスをイオンビームとして引き出す役目を担う。この引出電極３０は、ステンレス製の板状の電極で、イオンビームの通過するイオンビーム通過孔３１が中央に穿設されている。このように構成される引出電極３０は、容器２０の前方側に微小開孔２２を介してニードル電極２３先端と対向するように配置されている。即ち、引出電極３０は、中央に穿設されたイオンビーム通過孔３１の中心が微小開孔２２の中心と同一直線上（イオンビームのビーム軸Ｋ上）に位置するように配置されている。

印加用電源４０は、ニードル電極２３と引出電極３０との間に電界電離用電圧を印加するための電源である。この印加用電源４０は、直流電源であり、引出電極３０に対してニードル電極２３が最高２０ｋＶの正電位となるような電圧を印加する電源である。そして、印加用電源４０によって電界電離用電圧が印加されることによって、ニードル電極２３先端近傍に強電界が形成されると共に前記強電界によって形成されたイオンがニードル電極２３先端近傍から引出電極３０側に引き寄せられる（引き出される）。

原料ガス供給管５０は、イオン原料ガス（本実施形態においては、ヘリウム（Ｈｅ））を容器２０内に供給できるよう、容器２０の後方側に接続されている。この原料ガス供給管５０の途中には、容器２０へ供給するイオン原料ガスの量を制御する原料ガス供給量制御手段５１が設けられている。

真空容器１１は、いわゆる真空チャンバーであり、真空ポンプ１２が設けられた排気管１３が接続されている。この真空容器１１の内部は、イオン源１０の作動時において、接続された真空ポンプ１２によって排気され、高真空状態が保たれる。

本実施形態に係るイオン源１０は、以上の構成からなり、次に、このイオン源１０の作用について説明する。

真空容器１１内が真空ポンプ１２によって真空引きされ、１×１０^−６Ｐａ程度の高真空状態となる。その際、イオン原料ガスが原料ガス供給管５０を通じて容器２０内に供給される。このとき、容器内の圧力が１００Ｐａに保たれるよう、原料ガス供給量制御手段５１によってイオン原料ガスの供給量が調整される。容器２０内に充填されたイオン原料ガスは、容器２０の微小開孔２２から真空容器１１内に噴出するが、微小開孔２２の開孔径が小さいために容器２０内へのイオン原料ガス供給量に対して前記噴出する流量が十分に小さいため、容器２０内の圧力が一定に保たれる。このように微小開孔２２からイオン原料ガスが噴出することで、ニードル電極２３先端部近傍にイオン原料ガスが供給される。このとき、ニードル電極２３と引出電極３０との間には、印加用電源４０によって電界電離用電圧が印加されているため、ニードル電極２３先端近傍には強電界が形成されている。

詳細には、容器２０内にイオン原料ガスが導入される際に、ニードル電極２３は、引出電極３０に対して１１ｋＶ程度の正電位を有するように電界電離電圧が印加されている。これにより、ニードル電極２３先端近傍に強電界が形成される。このとき、ニードル電極２３の先端部が周方向に沿って絶縁物（容器２０の内周面２２ａ）で囲まれているため、前記先端近傍の電界強度が絶縁物で囲まれていない場合に比べてより高くなっている。

そして、容器２０内に充填されたイオン原料ガスが微小開孔２２から外部（真空容器１１内の真空領域）に噴出される際に、前記ニードル電極２３先端近傍を通過する、即ち、強電界中を通過する。その際、電界電離現象によってイオン原料ガスがイオン化される。

詳細には、微小開孔２２を規定している内周面２２ａとニードル電極２３の外周面２３ａとで挟まれた原料ガス流路において、その流路断面積に相当するガス噴出面積Ｇｓは、微小開孔２２の前方側に向かって徐々に小さくなり、前方側端部で最も小さくなっている。そのため、イオン原料ガスのガス圧は、微小開孔２２の前方側端部で高く（微小開孔２２近傍においては最も高く）、１０Ｐａ程度に維持される。即ち、微小開孔２２の前方側端部で、ガス分子の密度が高く（微小開孔２２近傍においては最も高く）維持される。ニードル電極２３先端が微小開孔２２前方側端部から僅かにしか突出していないため、強電界が形成されたニードル電極２３先端の近傍にも、このガス分子の密度の高くなったイオン原料ガスが供給されることになる。そのため、ニードル電極２３先端近傍では多くのイオンが形成される。

このイオン化されたガスがニードル電極２３と引出電極３０との間の電位差によって引出電極３０側に引き出され、イオンビームが形成される。

このとき、微小開孔２２の原料ガス出口（微小開孔２２の前方側端部）よりも外側（引出電極３０側）では、噴出したイオン原料ガスの拡散を阻害するものが存在しない。しかも、容器２０の外部雰囲気は、高真空状態（高真空領域）である。従って、微小開孔２２から噴出したイオン原料ガスは、一気に拡散する。即ち、微小開孔２２の前記原料ガス出口において高圧になったイオン原料ガスが噴出され、急激に拡散することでガス圧が一気に低下するため、微小開孔２２の前記原料ガス出口の前方で急激な圧力勾配が生じる。そのため、微小開孔２２の前記出口から僅かに離れた位置においては、十分な高真空状態となっている。

詳細には、微小開孔２２の前記出口の前方では、噴出したイオン化されたイオン原料ガス（イオン）以外のイオン原料ガスが一気に拡散される。その結果、ニードル電極２３先端近傍においてイオン原料ガスがイオン化され、このイオン化されたイオン原料ガスが容器２０から引き出された直後の領域は、前記引き出されたイオンがイオン化されなかったイオン原料ガスのガス分子、即ち、雰囲気ガスと衝突する確率が低い（イオン消滅確率が低い）高真空領域となる。そのため、イオンが引出電極３０側に引き出される際、イオンがガス分子に衝突し難くなり、その分形成されたイオンビーム電流の低下が抑制されると共に集束イオンビームを得るために必要な低エネルギー分散も維持される。従って、高輝度なイオンビームを得ることができる。

このようにして得られた高輝度なイオンビームは、引出電極３０の中央に穿設されたイオンビーム通過孔３１を通過して照射される。

上記実施形態に係るイオン源１０を用い、イオンビームを照射する際の微小開孔２２から噴出したイオン原料ガスの圧力変化、及びニードル電極２３先端近傍で形成されたイオンが真空領域を進む際のガス分子との衝突確率を計算した。

微小開孔２２から真空中へ噴出したイオン原料ガスが互いに衝突することなくほぼ等方的に広がるため、前記計算においては、ガス噴出後の任意位置でのガス圧力をｐ（ｒ，ｚ）として、以下の（２）式を用いて圧力分布の計算を行った。尚、この（２）式は、ガス分子の種類によらず成立する。

・・・・・（２）
ただし、θはＫ軸に対する観測位置の座標と微小開孔２２とを結ぶ線のなす角度、ｒはビーム軸Ｋと直交する方向への当該ビーム軸Ｋからの距離、ｚはビーム軸Ｋ上の微小開孔２２出口からの距離、ａは係数である。

この（２）式を用いて計算したビーム軸Ｋ上の圧力分布は、図３（ａ）に示すようになった。また、この圧力分布に基づいて計算したイオンと雰囲気ガスとの衝突確率は、図３（ｂ）に示すようになった。

以上の結果より、噴出したイオン原料ガスのガス圧は、微小開孔２２の出口から２ｍｍの位置で５桁の圧力変化が生じていることが分かる。また、この場合のイオンと雰囲気ガスとの衝突確率は、１．３％程度であることが分かる。

従って、上記実施形態に係るイオン源１０において、ニードル電極２３先端近傍でイオン化され引出電極３０によって引き出されることで形成されたイオンビームは、雰囲気ガスとの衝突によって弱まることなく、また雰囲気ガスとの衝突による集束性能への悪影響もない、高輝度なイオンビームを得られることが確認できた。

一方、同様の実施形態において、微小開孔２２の開孔面積のみをパラーメータとして、前記衝突確率を計算した。その結果、ｄ１を３０μｍ以下とすることで衝突確率が２％以下となることが分かった。従って、本実施形態、即ち、上述したニードル電極２３の先端部形状や微小開孔２２を規定する内周面２２ａのビーム軸Ｋに対する角度α、ニードル電極２３先端の微小開孔２２からの突出量においては、最小開孔径（微小開孔２２の小径側の開孔径）ｄ１は、３０μｍ以下とすることが好ましい。

尚、本発明のイオン源は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

上記実施形態においては、微小開孔２２の開孔中心とニードル電極２３の中心軸とが一致する（ビーム軸Ｋ上に位置する）ように相対配置されている（図２（ｂ）参照）が、これに限定される必要はなく、微小開孔２２の開孔中心とニードル電極２３の中心軸とが一致していなくてもよい。この場合、板対２１における微小開孔２２を規定する内周面２２ａとニードル電極２３の外周面２３ａとが接触していなければよい。このように、相対配置されることで、ニードル電極２３先端部において、当該先端部の周方向全体を囲むようにイオン原料ガスが流れる原料ガス流路が形成される。

また、図２（ｂ）に示されるように、微小開孔２２は、横断面形状（ビーム軸Ｋと直交する方向の断面形状）が円形となるように形成されているが、これに限定される必要もなく、四角形等の多角形であってもよい。即ち、上記のように、ビーム軸Ｋ方向において、ニードル電極２３の周方向全体を囲むように原料ガス流路が形成されていればよい。

また、上記実施形態においては、ビーム軸Ｋ方向において、ガス噴出面積Ｇｓが微小開孔２２出口位置で最も小さくなるように当該微小開孔２２を規定する内周面２２ａが形成されているが、これに限定される必要はない。即ち、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、ガス噴出面積Ｇｓがビーム軸Ｋ方向中間位置で最小となるように微小開孔２２を規定する内周面２２Ａ及び内周面２２Ｂが形成されてもよい。また、図５に示されるように、最小のガス噴出面積Ｇｓがビーム軸Ｋ方向における後方側（ニードル電極２３の基部側）に位置するように微小開孔２２を規定する内周面２２Ｃが形成されてもよい。尚、内周面２２Ａ〜２２Ｃは、ガス噴出面積Ｇｓがニードル電極２３先端より僅かに基部側で最小になる形状に限定される必要もなく、ニードル電極２３先端で最小になるような形状であってもよい。上記実施形態における微小開孔２２を規定する内周面２２ａも同様である。

このように内周面２２Ａ〜２２Ｃが形成されても、微小開孔２２におけるガス噴出面積Ｇｓが最小となる部位でのガス圧が高く（微小開孔２２近傍においては最も高く）維持される。そして、前記部位よりも前方側ではガス噴出面積Ｇｓが大きくなるため、イオン原料ガスは拡散してガス圧が低下する。そのため、ガス圧が高い若しくは僅かに前記ガス圧が下がった位置でイオン化されたイオン原料ガスは、引出電極によって微小開孔からイオンビームとして引き出される際に、他のガス分子等と衝突し難くなる。その結果、イオン消滅確率が低くなり、イオンビーム電流の低下が抑制されると共に集束イオンビームを得るために必要な低エネルギー分散も維持されることで高輝度なイオンビームが得られる。

また、上記実施形態においては、微小開孔２２は、板厚が一定の平坦な板体２１に穿設された貫通孔であるが、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、板体２１０の微小開孔２２０周辺部を前方側又は後方側に屈曲させて形成した内周面２２Ｄ及び内周面２２Ｅによって規定されてもよい。このような形状の内周面２２Ｄ，２２Ｅであっても、ガス噴出面積Ｇｓが最も小さくなる位置で絞り効果によりガス圧が最も高くなる。そして、イオン原料ガスがこの位置を通過するとガス噴出面積Ｇｓが大きくなり、それに伴ってガス圧が低下する。そのため、ガス圧の最も高い位置若しくは僅かに下がった位置で形成されたイオンが引出電極に引き出される際に、雰囲気ガスに衝突する確率が低くなり、即ち、イオン消滅確率が低くなり、高輝度なイオンビームが得られる。

また、上記実施形態においては、容器２０の前方側が平板状の板体２１で構成され、この板体２１の中央部に微小開孔２２が穿設されているが、これに限定される必要もない。即ち、図７に示されるイオン源１００ように、容器２００の前方側がイオンビームの照射方向に沿って一定の割合で縮径するテーパー状のノズル部２１１で構成され、当該ノズル部２１１の一部、詳細には、ノズル部２１１の先端側部位が微小開孔２２１を形成するような構成であってもよい。この場合、ノズル部内周面２１１ａの一部、詳細には、ノズル部内周面２１１ａにおける先端側部位が微小開孔２２１を規定する内周面２２１ａを構成する。

このような構成であっても、微小開孔２２１を規定する内周面２２１ａは、上記実施形態同様、前記ガス噴出面積が電界電離電極２３の先端よりも僅かに基部側で最小になる。そのため、絞り効果によって微小開孔２２１出口で高いガス圧が維持され、この微小開孔２２１出口から僅かに突出した電界電離電極２３先端近傍では、高いガス圧から僅かに低くなったガス圧が維持される。このように高いガス圧（前記出口より僅かに低いガス圧）が維持されることで、電界電離電極２３先端近傍ではイオン原料ガスが電界電離してイオン化し易い。しかも、前記ガス噴出面積が最小となる位置からイオンビームの照射方向側では、ガス噴出面積が大きくなっているため、前記高圧になったイオン原料ガスが拡散して低圧となり、イオンビームが他の分子等と衝突し難くなる。その結果、イオン消滅確率が低くなり、イオンビーム電流の低下が抑制されると共に集束イオンビームを得るために必要な低エネルギー分散も維持されるため、高輝度なイオンビームが得られる。

本実施形態に係るイオン源の概略構成図を示す。同実施形態に係るイオン源において、（ａ）は微小開孔近傍の部分拡大図を示し、（ｂ）は図（ａ）の平面Ｖにおける断面図を示す。同実施形態に係るイオン源において、（ａ）はイオンビームのビーム軸上の圧力分布を示す図であり、（ｂ）はイオンビームのビーム軸上におけるイオンと雰囲気ガスとの衝突確率を示す図である。他実施形態に係るイオン源において、（ａ）及び（ｂ）は最小のガス噴出面積がビーム軸方向における微小開孔の中間位置となる微小開孔近傍の部分拡大図を示す。他実施形態に係るイオン源において、最小のガス噴出面積がビーム軸方向における後端位置となる微小開孔近傍の部分拡大図を示す。他実施形態に係るイオン源において、（ａ）及び（ｂ）は微小開孔周辺の板体を屈曲させた微小開孔近傍の部分拡大図を示す。他実施形態に係るイオン源の概略構成図を示す。従来の電界電離型イオン源の概略構成図を示す。

符号の説明

１０イオン源
２０容器
２２微小開孔
２２ａ内周面
２２ｓ開孔面積
２３ニードル電極（電界電離電極）
２３ｓニードル電極の断面積
３０引出電極
４０印加用電源
Ｇｓガス噴出面積
Ｋビーム軸

Claims

イオンビームを照射するためのイオン源であって、
微小開孔を有し、内部に原料ガスが供給される容器と、
前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて前記容器内に配置される電界電離電極と、
前記微小開孔を介して前記電界電離電極と対向するように前記容器の外部に配置される引出電極と、
前記引出電極と電界電離電極との間に電界電離電圧を印加する印加用電源と、を備え、
前記ビーム軸方向と直交する共通の平面上での前記微小開孔の開孔面積と前記電界電離電極の断面積との差であるガス噴出面積が前記電界電離電極の先端又は前記先端よりも僅かに基部側で最小になると共に他の位置では前記最小の面積よりも大きくなるように、前記容器の微小開孔を規定する内周面が形成され、
前記内周面は、前記ガス噴出面積が前記電界電離電極の基部側端部で最小となり又は前記ビーム軸方向における中間部で最小となり、この最小となった位置から前記イオンビームの照射方向に向かって前記ガス噴出面積が大きくなるように形成されることを特徴とするイオン源。
請求項１に記載のイオン源において、
前記容器のうち少なくとも前記微小開孔の周辺部が絶縁物であることを特徴とするイオン源。
請求項１又は２に記載のイオン源において、
前記容器は、真空チャンバー内に設置されることを特徴とするイオン源。