JP5302048B2 - イオン源におけるビーム照射電極の被膜除去装置、これを備えたイオン源、及びビーム照射電極の被膜除去用部材 - Google Patents

Description

本発明は、イオン源におけるビーム照射電極に付着する被膜を除去するための装置、これを備えたイオン源、及びビーム照射電極の被膜除去用部材に関する。

従来、高輝度の微小径イオンビームを発生させるイオン源として、電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）及び液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）が知られている。これらイオン源は、いずれも先端が尖り且つイオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、このビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極とを有し、これら電極間に電圧が加えられることでイオンビームを照射する。具体的には、ビーム照射電極と引出電極との間に電圧が加えられることによりビーム照射電極の先端部周辺に強電界が形成され、ビーム照射電極の先端部に供給されたイオン原料ガス又は液体金属が前記強電界中でイオン化され、このイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属が引出電極により引き出されることで高輝度のイオンビームが照射される。

これら電界電離イオン源及び液体金属イオン源では、イオンビームの照射を続けると、電界電離イオン源ではビーム照射電極の先端部の表面に酸化膜や炭素膜（被膜）が付着し、また液体金属イオン源ではビーム照射電極の先端部を覆っている液体金属の表面に酸化膜や炭素膜が付着し、これら被膜の付着により照射するイオンビームにおけるイオン電流が不安定となる。

そこで、前記のイオン源におけるビーム照射電極の先端部等に付着した被膜を除去する方法として、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、ビーム照射電極の先端部周辺に水素ガスやアルゴンガスを供給し、ビーム照射電極と引出電極との間に高電圧を加えることにより電極間で放電を生じさせ、この放電により付着した炭素膜を炭化水素にして蒸発させることにより除去する、又はスパッタによって除去する。

特公平６−１８１０９号公報

前記の方法では、イオン源における炭素被膜の付着していない高電位の金属部位でも放電やスパッタが生じ、この放電やスパッタにより前記高電位の金属部位を構成する金属粒子等が飛散する。この飛散した金属粒子がイオン源内の他の部位、例えば、尖ったビーム照射電極の先端部等と衝突することにより当該部位を損傷させる場合がある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、イオン源内の損傷を抑えつつビーム照射電極の被膜を除去できるビーム照射電極の被膜除去装置、これを備えたイオン源、及びビーム照射電極の被膜除去用部材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、本発明は先端が尖り且つイオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、このビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極とを有し、これら電極間に電圧が加えられると共に前記ビーム照射電極の先端部にイオン原料ガス又は液体金属が供給されることによりイオンビームを照射するイオン源に用いられ、このイオン源の前記ビーム照射電極の被膜を除去する被膜除去装置において、前記ビーム照射電極との間に電圧が加えられることによって前記ビーム照射電極の先端部周辺に強電界を形成し、前記ビーム照射電極の先端部に供給されたイオン原料ガス又は液体金属を前記強電界によりイオン化しこのイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属を前記イオンビームとして引き出し、このイオンビームと衝突して二次電子を放出する二次電子放出部が設けられた移動部材と、前記二次電子放出部が前記ビーム照射電極の先端と対向して前記二次電子の放出が可能な放出位置と、この放出位置から前記二次電子放出部が待避して前記イオンビームの通過を許容することが可能な位置とに前記移動部材の位置を切り換える位置切換手段とを備え、前記二次電子放出部は、前記放出位置にあるときに前記イオンビームの進行を遮る形状を有することを特徴とする。

この被膜除去装置がイオン源に用いられることにより、当該イオン源では、移動部材の位置を二次電子放出部がビーム照射電極の先端と対向して二次電子の放出が可能な放出位置と、この放出位置から二次電子放出部が待避してイオンビームの通過を許容することが可能な位置とに切り換えるだけで、イオンビームを照射できる一方、使用によりビーム照射電極に付着した被膜を除去し、この被膜に基づくイオンビームのイオン電流の不安定化を防止又は解消することが可能となる。尚、本発明において、ビーム照射電極に付着した被膜とは、ビーム照射電極の表面に付着した被膜だけでなく、ビーム照射電極を覆う液体金属の表面に付着した被膜も含む。

しかも、二次電子放出部は、前記放出位置にあるときにイオンビームの進行を遮る形状を有しているため、イオンビームと確実に衝突し、これにより多数の二次電子が放出されるため、この二次電子によりビーム照射電極が効果的に加熱され、その結果、ビーム照射電極に付着した被膜が効果的に除去される。

具体的に、二次電子放出部が放出位置となるように移動部材の位置が切り換えられると共にビーム照射電極と二次電子放出部との間に電圧が加えられることにより、ビーム照射電極から照射されたイオンビームが二次電子放出部と衝突して当該二次電子放出部から多数の二次電子が放出される。この放出された二次電子がビーム照射電極先端と二次電子放出部との間に形成された電界によって効率よくビーム照射電極の先端部に当ることにより、当該部位が効果的に加熱され、これによりビーム照射電極に付着した被膜が加熱されて当該被膜が効果的に除去される。

さらに、イオンビームの衝突により二次電子放出部から放出される二次電子は、放電やスパッタ等によって金属表面から叩き出されるイオン（金属粒子）等に比べて極めて質量が小さいため、ビーム照射電極や他の部位に当っても当該部位を損傷させ難い。

本発明に係るビーム照射電極の被膜除去装置においては、前記二次電子放出部は、前記放出位置にあるときに前記ビーム照射電極から離れる方向に窪んだ凹部であり、この凹部は、各部位の法線方向が当該部位を通り前記イオンビームのビーム軸に平行な線よりも前記ビーム照射電極の先端に接近する形状を有するのが好ましい。

かかる構成によれば、ビーム照射電極と二次電子放出部との間に電圧が加えられたときに、ビーム照射電極先端と凹部との間に形成される電界における各等電位面は、当該等電位面の各部位の法線方向が当該部位を通りビーム軸方向に平行な線よりもビーム照射電極の先端に接近する形状となるため、前記凹部から放出された二次電子がビーム照射電極先端部に向けて加速され易い。そのため、この電界によって前記凹部から放出された二次電子の多くがビーム照射電極の先端部に向かい、これら二次電子がビーム照射電極の先端部に効率よく当ることにより、当該部位が効果的に加熱される。

さらに、前記凹部は、当該凹部が前記放出位置にあるときに、この凹部の曲率中心が前記ビーム照射電極の先端部と重なるような球面形状を有するのがより好ましい。

凹部が前記球面形状を有することで、ビーム照射電極先端と凹部との間に形成される電界における各等電位面は、当該等電位面の各部位の法線方向が全てビーム照射電極の先端部に向かうような形状となる。そのため、前記凹部から放出された二次電子がよりビーム照射電極の先端部に向けて加速され易い。そのため、この電界によって前記凹部から放出された二次電子は、より多くビーム照射電極の先端部に向かうため、より多くの二次電子がビーム照射電極の先端部に当たることにより、当該部位がより効果的に加熱される。

前記二次電子放出部は、前記引出電極より二次電子放出比の大きな素材で形成されるのが好ましい。この場合、二次電子放出部にイオンビームが衝突することで、引出電極より多くの二次電子が当該二次電子放出部から放出されるため、ビーム照射電極の先端部に多くの二次電子が当たる。即ち、通常のイオンビームの照射時にも引出電極にイオンビームを構成するイオンが衝突して当該部位からビーム照射電極方向に二次電子が放出されているが、二次電子放出部が前記素材で形成されることによって被膜除去時にはより多くの二次電子がビーム照射電極方向に放出される。しかも、二次電子放出部がイオンビームの進行を遮る形状のため、二次電子放出部に衝突するイオンの数が多く、そのため引出電極よりも二次電子の放出量が極めて多くなる。これにより、確実にビーム照射電極の先端が加熱されて効果的に被膜が除去される。尚、本発明において二次電子放出比とは、加速された１個のイオンが固体表面に衝突したときにこの固体表面から放出される二次電子の数をいう。

前記移動部材は、前記イオン源において前記引出電極より前記イオンビームの照射方向下流側に配置され、前記二次電子放出部と異なる部位に前記イオンビームの発散角を抑制する発散角抑制部を有し、この発散角抑制部は、前記イオンビームの照射方向に貫通すると共に前記イオンビームの外径よりも小さな内径を有する発散角抑制孔を有し、前記位置切換手段は、前記放出位置と、前記イオンビームが前記発散角抑制孔を通過可能な位置とに前記移動部材の位置を切り換えるのが好ましい。

このように共通の移動部材に二次電子放出部と発散角抑制部とが設けられることで、当該移動部材は、ビーム照射電極の被膜を除去するための部材と、イオンビームの発散角を抑制する部材（いわゆるアパーチャ）とを兼用することができる。そのため、イオン源の構成の簡素化若しくは小型化を図ることが可能となる。しかも、この移動部材の位置の切り換えにより、この被膜除去装置が用いられたイオン源において、発散角が抑制されたイオンビームを照射する運転と、使用によりビーム照射電極へ付着した被膜を除去する運転とに切り換えることができる。

また、前記イオン源には、前記引出電極より前記イオンビームの照射方向下流側に当該イオンビームの発散角を抑制する発散角抑制部材が配置され、前記移動部材は、前記イオン源において前記ビーム照射電極の先端と前記発散角抑制部材との中間位置に配置され、前記二次電子放出部と異なる部位に前記イオン源の引出電極を兼ねる引出電極部を有し、この引出電極部は、前記二次電子放出部と導通可能に接続され、前記イオンビームの照射方向に貫通すると共に前記イオンビームの外径よりも大きな内径を有するビーム通過孔を有し、前記位置切換手段は、前記放出位置と、前記イオンビームが前記ビーム通過孔を通過可能な位置とに前記移動部材の位置を切り換えてもよい。

このように共通の移動部材に二次電子放出部と引出電極部とが設けられることで、当該移動部材は、ビーム照射電極の被膜を除去するための部材と、ビーム照射電極の先端部周辺で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部材とを兼用することができる。そのため、イオン源の簡素化若しくは小型化を図ることが可能となる。しかも、この移動部材の位置の切り換えのみで、この被膜除去装置が用いられたイオン源において、イオンビームを照射する運転と、使用によりビーム照射電極に付着した被膜を除去する運転とに切り換えることができる。

また、この被膜除去装置がイオン源に用いられることにより、ビーム照射電極と引出電極部との間に電圧を加える電源によってビーム照射電極と二次電子放出部との間に電圧を加えることができ、これにより前記イオン源に接続される電源の数を少なくすることができる。即ち、イオン源からイオンビームを照射させるためにビーム照射電極と引出電極部との間に電圧を加える電源と、ビーム照射電極の被膜を除去するために当該ビーム照射電極と二次電子放出部との間に電圧を加える電源とを共通の電源とすることができる。

また、上記課題を解消すべく、本発明は、イオンビームを照射するためのイオン源であって、先端が尖り且つ前記イオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、このビーム照射電極の先端部周辺にイオン原料ガス又は液体金属を供給する原料供給手段と、前記ビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極と、前記引出電極と前記ビーム照射電極との間に電圧を加えることにより、前記ビーム照射電極の先端部周辺に強電界を形成し、この強電界によって前記イオン原料ガス又は液体金属をイオン化しこのイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属を前記引出電極に引き出させる印加用電源と、前記何れかのビーム照射電極の被膜除去装置と、この被膜除去装置の二次電子放出部と前記ビーム照射電極との間に電圧を加える二次電子放出用電源と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、イオンビームを照射できる一方、使用によりビーム照射電極に付着した被膜を除去し、この被膜に基づくイオンビームのイオン電流の不安定化を防止又は解消することが可能となる。

しかも、二次電子放出部は、前記放出位置にあるときにイオンビームの進行を遮る形状を有しているため、イオンビームと確実に衝突し、これにより多数の二次電子が放出されるため、この二次電子によりビーム照射電極が効果的に加熱され、その結果、ビーム照射電極に付着した被膜が効果的に除去される。

さらに、イオンビームの衝突により二次電子放出部から放出される二次電子は、放電やスパッタ等によって金属表面から叩き出されるイオン（金属粒子）等に比べて極めて質量が小さいため、ビーム照射電極や他の部位に当っても当該部位を損傷させ難い。

前記のイオン源では、前記ビーム照射電極の先端部周辺に水素ガス又は酸素ガスを供給可能なガス供給手段をさらに備えるのが好ましい。

かかる構成によれば、被膜除去装置によってビーム照射電極に付着した被膜を除去する際に、ビーム照射電極の先端部周辺に水素ガス又は酸素ガスが供給されることにより、加熱された被膜と当該ガスとが反応し、より効率よくビーム照射電極に付着した被膜の除去が可能となる。

また、上記課題を解消すべく、本発明は、先端が尖り且つイオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、このビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極とを有し、これら電極間に電圧が加えられると共に前記ビーム照射電極の先端部にイオン原料ガス又は液体金属が供給されることによりイオンビームを照射するイオン源に用いられ、このイオン源のビーム照射電極の被膜を除去するための被膜除去用部材において、この被膜除去用部材には、前記ビーム照射電極の先端と対向する位置で当該ビーム照射電極との間に電圧が加えられることによって前記ビーム照射電極の先端部周辺に強電界を形成し、前記ビーム照射電極の先端部に供給されたイオン原料ガス又は液体金属を前記強電界によりイオン化しこのイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属を前記イオンビームとして引き出し、このイオンビームと衝突して二次電子を放出する二次電子放出部が設けられ、この二次電子放出部は、前記ビーム照射電極の先端と対向して前記二次電子の放出が可能な放出位置にあるときに前記イオンビームの進行を遮る形状であって、前記放出位置にあるときにこのビーム照射電極から離れる方向に窪んだ凹部であり、この凹部は、各部位の法線方向が当該部位を通り前記イオンビームのビーム軸に平行な線よりも前記ビーム軸に接近する形状を有することを特徴とする。

このビーム照射電極の被膜除去用部材では、具体的に、前記二次電子放出部は、前記引出電極より二次電子放出比の大きな素材で形成されるのが好ましい。

以上より、本発明によれば、イオン源内の損傷を抑えつつビーム照射電極の被膜を除去できるビーム照射電極の被膜除去装置、これを備えたイオン源、及びビーム照射電極の被膜除去用部材を提供することができる。

第１実施形態に係るイオン源における（ａ）は移動部材が発散角抑制位置の状態の概略構成図であり、（ｂ）は移動部材の斜視図である。 前記イオン源における移動部材が放出位置の状態の概略構成図である。 第２実施形態に係るイオン源における（ａ）は概略構成図であり、（ｂ）は移動部材の斜視図である。 第３実施形態に係るイオン源の概略構成図である。 他実施形態に係るイオン源におけるビーム照射電極先端と二次電子放出部との間に形成される電界分布及び、この電界中での二次電子の動きを示す模式図であって、（ａ）は二次電子放出部が多角形の断面形状を有する凹部により構成された状態の図で有り、（ｂ）は二次電子放出部が二次電子放出比の高い平板により構成された状態の図である。 他実施形態に係る移動部材であって、（ａ）は円板状の移動部材の斜視図であり、（ｂ）は電極上でスライド移動可能に構成される移動部材の移動状態を示す図であり、（ｃ）は電極上で回動可能に構成さえる移動部材の移動状態を示す図である。

以下、本発明の第１実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係るイオン源は、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（ａ）乃至図２に示されるように、イオン源１０は、微小開孔２１を有し、外部からイオン原料ガスが充填（供給）される容器２０と、この容器２０にイオン原料ガスを供給する原料ガス供給管（原料ガス供給手段）３０と、容器２０内に配置されるビーム照射電極２５と、容器２０の前方に配置される引出電極４０と、ビーム照射電極２５に付着した被膜を除去可能な被膜除去装置５０とを備える。これら容器２０、ビーム照射電極２５、引出電極４０及び被膜除去装置５０は、真空容器（図示省略）内に配置されている。この真空容器は、いわゆる真空チャンバーであり、真空ポンプ等の排気手段が設けられ、その内部がイオン源１０の作動時に排気されて高真空状態に保たれる。また、ビーム照射電極２５と引出電極４０とには印加用電源６０が接続され、ビーム照射電極２５と被膜除去装置５０とには二次電子放出用電源６２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（又は先端側）とする（図１（ａ）においては下方向）。また、本実施形態に係るイオン源１０に組み込まれる被膜除去装置５０は、イオン源１０の製造時において予め組み込まれてもよく、設置後のイオン源１０に対して後から組み込まれてもよい。

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、絶縁体で形成されている。本実施形態では、容器２０は、アルミナセラミクスで形成されているが、ジルコニウム系セラミクスやガラス等で形成されてもよい。この容器２０の内部にはイオンビームのビーム軸Ｋ方向に延びるビーム照射電極２５が配置されている。また、容器２０の前部には、強電界生成用電極２６が取り付けられている。

具体的に、容器２０は、円筒状の容器周面部２２と、その前方を微小開孔２１を残して塞ぐ容器先端部２３と、容器周面部２２の後方を塞ぐ容器後端部２４とからなる。容器先端部２３は、その中央部（ビーム軸Ｋと交差する位置）に、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスが噴出する微小開孔２１が設けられている。また、容器先端部２３には微小開孔２１を囲むように強電界生成用電極２６を配設するための段差部２３ｂが設けられている。容器後端部２４は、ビーム軸Ｋと直交する方向に拡がる板状の部位であり、容器２０内部において支持体２７を介してビーム照射電極２５を支持する。この支持体２７は、ビーム軸Ｋ方向に延びる柱状体であり、絶縁体により形成されている。本実施形態において支持体２７は、アルミナセラミクスで形成されている。容器周面部２２には、容器２０内部にイオン原料ガスを供給可能に原料ガス供給管３０が接続されている。この原料ガス供給管３０の上流側には、容器２０に供給するイオン原料ガスの供給量を制御するための供給量制御手段３１が設けられている。

微小開孔２１は、容器２０の内部に配設されたビーム照射電極２５の中心軸（イオンビームのビーム軸Ｋ）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容器先端部２３に設けられている。この微小開孔２１は、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスを容器２０の外部へ噴出するための孔であり、内部から外部に向かって、即ち、イオンの引き出し方向に向かって先細りに形成された内周面縮径部２３ａの先端に形成されている。この内周面縮径部２３ａは、容器２０の内部空間を囲む内周面のうちの前方側の部位であり、先端に向かって径が小さくなるテーパ形状に形成されている。本実施形態においては、内周面縮径部２３ａの小径側（容器２０の前面側）の孔径は、２０μｍである。また、内周面縮径部２３ａのビーム軸Ｋに対する傾斜角αは、ビーム照射電極２５の先端部のビーム軸Ｋに対する傾斜角βに比べて大きくなるように形成されている。

強電界生成用電極２６は、微小開孔２１を囲むように配置され、イオン原料ガスを電界電離現象によってイオン化するための強電界をビーム照射電極２５の先端部周辺に形成するための電極である。具体的に、強電界生成用電極２６は、ビーム軸Ｋを中心とする円板状の電極であり、容器先端部２３先端に形成された段差部２３ｂに配置される。本実施形態では、強電界生成用電極２６は、ステンレスで形成されている。この強電界生成用電極２６には、ビーム照射電極２５との間に電圧を印加する強電界生成用電源６４が接続されている。この強電界生成用電源６４は、直流電源であり、照射されるイオンビームのビーム量を変化できるよう、ビーム照射電極２５と強電界生成用電極２６との間に加える電圧の大きさを変更可能に構成される。

ビーム照射電極２５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。このビーム照射電極２５は、先端が尖り且つビーム軸Ｋ方向に延びる。具体的には、ビーム照射電極２５は、タングステンで形成され、長さが２０ｍｍ、直径が０．２〜１ｍｍの細線であり、先端部（テーパ部）が先細りのテーパ形状となっている。このテーパ部は、全角で３５°であり、その先端半径が５０ｎｍとなるように電界研磨により形成される。このようなビーム照射電極２５は、その中心軸とビーム軸Ｋとが一致し、且つ先端が微小開孔２１から容器２０の外側へ僅かに突出するように容器２０内に配置されている。本実施形態では、ビーム照射電極２５は、その先端が容器２０の外側へ５μｍ程度突出するように配置されている。尚、ビーム照射電極２５の素材は、タングステンに限定されず、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、ビーム照射電極２５は、先端が微小開孔２１から外側に突出する必要もなく、ビーム軸Ｋ方向において先端面と一致してもよく、僅かに後方側（容器２０の内部側）となるように配置されてもよい。

引出電極４０は、ビーム照射電極２５の先端部周辺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４０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ビーム通過孔４１が中央に設けられている。このビーム通過孔４１は、ビーム照射電極２５の先端部周辺から引き出されたイオンビームの外径よりも大きな内径を有している。このように構成される引出電極４０は、容器２０の前方側にビーム照射電極２５の先端と対向するように配置されている。具体的に、引出電極４０は、容器２０の前方側において、中央に設けられたビーム通過孔４１の中心が微小開孔２１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６０は、ビーム照射電極２５と引出電極４０との間に電圧を加えるための電源である。この印加用電源６０は、直流電源であり、引出電極４０に対してビーム照射電極２５が１ｋ〜３０ｋＶ程度（本実施形態の場合、１０ｋＶ）の正電位を印加する。

被膜除去装置５０は、二次電子を放出し、この二次電子をビーム照射電極２５の先端部に当ることによって当該部位を加熱し、当該部に付着している被膜を除去可能な装置である。前記被膜は、イオンビームを照射し続けることでビーム照射電極２５の先端部表面に徐々に付着・形成されるもので、具体的には、酸化被膜や炭素被膜である。被膜除去装置５０は、二次電子放出部５１を有する移動部材（ビーム照射電極の被膜除去用部材）１５０と、この移動部材１５０の位置を切り換える駆動手段（位置切換手段）５５とを備える。

移動部材１５０は、本実施形態では、二次電子を放出する二次電子放出部５１と、イオンビームの発散角を抑制するアパーチャ部（発散角抑制部）５２とを有する。この移動部材１５０は、イオン源１０において、引出電極４０よりも前方、即ち、イオンビームの照射方向（ビーム照射方向）下流側に配置される。移動部材１５０は、矩形の板状部材である移動部材本体５３を有し、この移動部材本体５３の異なる部位に二次電子放出部５１とアパーチャ部５２とが設けられる。具体的に、移動部材本体５３の一方側（図１（ｂ）において左側）の部位が二次電子放出部５１を構成し、他方側（図１（ｂ）において右側）の部位がアパーチャ部５２を構成する。この移動部材１５０は、導電材料によって形成されており、本実施形態ではステンレスにより形成されている。尚、移動部材１５０は、導電材料によって形成されていればよい。即ち、移動部材１５０の素材は、ステンレスに限定されず、アルミニウム等でもよい。

二次電子放出部５１は、ビーム照射電極２５との間に電圧を加えられることによってビーム照射電極２５の先端部周辺に強電界を形成し、ビーム照射電極２５の先端部に供給されたイオン原料ガスを前記強電界により電界電離してイオン化し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し、このイオンビームと衝突して二次電子を放出する役目を担う。この二次電子放出部５１は、ビーム照射電極２５の先端と対向する位置（放出位置Ｐ２（図２参照））にあるときに当該電極２５先端から照射されるイオンビームの進行を遮る形状を有する。

具体的に、二次電子放出部５１は、放出位置Ｐ２のときにビーム照射電極２５から離れる方向、即ち、ビーム照射方向に窪んだ凹部５１ａを有する。この凹部５１ａは、移動部材本体５３のビーム照射電極２５側（図１（ａ）において上側）の面からビーム照射電極２５（図１（ａ）において上方）に向って突出する円柱状の突出部５１ｂの突出方向先端に設けられている。このように凹部５１ａが突出部５１ｂの先端に設けられることで、放出位置Ｐ２のときに凹部５１ａがよりビーム照射電極２５の先端に近づき、当該凹部５１ａから放出される二次電子がビーム照射電極２５の先端部により当り易くなる。具体的に、凹部５１ａは、放出位置Ｐ２のときに各部位の法線方向が当該部位を通りビーム軸Ｋに平行な線よりもビーム照射電極２５の先端に接近する形状を有する。より具体的には、凹部５１ａは、放出位置Ｐ２のときに、曲率中心がビーム照射電極２５の先端部と重なるような球面形状を有する。

二次電子放出部５１の表面にはコーティング（被膜）が施されており（図１（ａ）における凹部５１ａ表面の太線部）、このコーティングは、二次電子放出比の大きな素材（物質）によりなされている。本実施形態では、ステンレス製の突出部５１ｂ（凹部５１ａを含む）の表面にＭｇＯやＢａＯ等の金属酸化物膜がコーティングされている。尚、二次電子放出比とは、加速されたイオンが固体表面に衝突したときに当該イオンと固体原子との粒子間衝突によって固体中の電子が励起されて二次電子として放出されるが、このとき１個のイオンが固体表面に衝突することでこの固体表面から放出される二次電子の数のことをいう。即ち、二次電子放出比が大きい素材ほど、イオンが衝突したときに多くの二次電子を放出する。通常、二次電子放出比が大きな素材とは、二次電子放出比が１以上の素材のことをいう。

アパーチャ部５２は、イオンビームの発散角を抑制する部位である。このアパーチャ部５２は、発散角抑制孔５２ａを有し、この発散角抑制孔５２ａにイオンビームを通過させることによりイオンビームの発散角を抑制する。発散角抑制孔５２ａは、移動部材本体５３をビーム軸Ｋ方向に貫通する孔で、イオンビームの外径よりも小さな内径を有する。本実施形態では、発散角抑制孔５２ａは、ビーム照射方向において、上流側から下流側に向けて内径が大きくなるテーパ形状の内周面を有する。アパーチャ部５２には、内径の異なる２つの発散角抑制孔５２ａが設けられている。これら内径の異なる２つの発散角抑制孔５２ａは、移動部材１５０の移動方向（図１（ａ）の矢印γ参照）に沿って並んでいる。

駆動手段５５は、移動部材１５０の位置を切り換えるものである。即ち、駆動手段５５は、移動部材１５０の位置を切り換えることにより、この移動部材１５０に設けられた二次電子放出部５１の位置を切り換えることができる。この駆動手段５５は、移動部材１５０の姿勢を保った状態でこの移動部材１５０を往復移動させる。本実施形態では、駆動手段５５は、いわゆる直線導入機が用いられ、移動部材１５０をビーム軸Ｋと直交する方向に往復移動させる。この駆動手段５５は、二次電子放出部５１（詳細には、凹部５１ａ）がビーム照射電極２５の先端と対向して二次電子の放出が可能な放出位置Ｐ２と、この放出位置Ｐ２から二次電子放出部５１が待避してイオンビームの通過を許容することが可能な発散角抑制位置Ｐ１とに移動部材１５０の位置を切り換える。この発散角抑制位置Ｐ１とは、イオンビームが発散角抑制孔５２ａを通過可能な位置である。具体的に、発散角抑制孔５２ａがビーム照射電極２５の先端と対向し且つ発散角抑制孔５２ａの中心とビーム軸Ｋとが一致するような位置である。

二次電子放出用電源６２は、ビーム照射電極２５と二次電子放出部５１（移動部材１５０）との間に電圧を加えるための電源であり、ビーム照射電極２５と移動部材１５０とに接続されている。この二次電子放出用電源６２は、直流電源であり、電圧を変更することができる。本実施形態では、二次電子放出用電源６２は、０〜５００Ｖの範囲内で、ビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に加える電圧の大きさを変更可能に構成される。

以上のように構成されるイオン源１０では、以下のようにしてイオンビームが照射される。

先ず、発散角抑制位置Ｐ１となるように移動部材１５０の位置が駆動手段５５により切り換えられる（図１（ａ）参照）。本実施形態では、イオンビームが内径の大きな発散角抑制孔５２ａ（図１（ａ）における左側の発散角抑制孔５２ａ）を通過するような位置に移動部材１５０の位置が切り換えられる。一方、真空容器では排気手段によって真空引きされ、当該真空容器内が高真空状態（１０^−６Ｐａ以下）となる。その後、原料ガス供給管３０を通じて容器２０内にイオン原料ガス（本実施形態においては、ヘリウム）が供給される。このとき、容器２０内の圧力が１００Ｐａ程度となるように供給量制御手段３１によってイオン原料ガスの容器２０内への供給量が調整される。

容器２０内に供給されたイオン原料ガスは、容器２０の微小開孔２１から真空容器内に噴出するときにビーム照射電極２５の先端部周辺を通過する。言い換えると、ビーム照射電極２５の先端部にイオン原料ガスが供給される。このとき、ビーム照射電極２５と引出電極４０との間に印加用電源６０によって電圧が加えられると共にビーム照射電極２５と強電界生成用電極２６との間に強電界生成用電源６４によって電圧が加えられ、ビーム照射電極２５の先端部周辺に強電界が形成される。これにより、イオン原料ガスが容器２０の微小開孔２１から真空容器内に噴出するときにイオン原料ガスが前記強電界中を通過し、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２１に連通している内周面縮径部２３ａとビーム照射電極２５の外周面とで挟まれた原料ガス流路Ｒにおいて、その流路断面積（即ち、ビーム軸Ｋと直交する断面において、内周面縮径部２３ａに囲まれた部位からビーム照射電極２５の断面を除いた部位（原料ガス流路Ｒ）の面積）は、前方に向かって徐々に小さくなり、微小開孔２１の位置で最も小さくなる。そのため、イオン原料ガスのガス圧は、微小開孔２１の位置で最も高くなり、本実施形態では１０Ｐａ程度に維持される。ビーム照射電極２５先端が微小開孔２１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ビーム照射電極２５の先端部周辺にも、この高圧の（即ち、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り、ビーム照射電極２５の先端部周辺に形成された強電界中で多数のイオンが形成される。

このイオン化されたイオン原料ガスが引出電極４０によってビーム照射方向に引き出される。このとき、容器２０の外側が高真空状態であるため、微小開孔２１から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する。その結果、微小開孔２１の前方側では、引き出されたイオンビームのイオンが雰囲気ガス等と衝突する確率が低い（イオン消滅確率が低い）高真空領域となり、引き出されたイオンの消滅及び引き出されたイオンのエネルギー低下が抑制され、高輝度なイオンビームが得られる。

このようにして引き出されたイオンビームは、引出電極４０のビーム通過孔４１を通過して引出電極４０の下流側に配置された移動部材１５０に到達する。具体的には、移動部材１５０の位置が発散角抑制位置Ｐ１に切り換えられているため、イオンビームは、移動部材１５０のアパーチャ部５２の発散角抑制孔５２ａに到達する。この発散角抑制孔５２ａは、前記ビーム照射電極２５から到達したイオンビームの外径よりも小さな内径を有する。そのため、この到達したイオンビームは、当該発散角抑制孔５２ａを通過することにより、この発散角抑制孔５２ａの内径、詳細には、発散角抑制孔５２ａの上流側の内径に対応する外径となる。これにより、イオンビームの発散角が抑制され、イオン源１０から照射されるイオンビームは、高輝度なイオンビームとなる。

以上のようにしてイオン源１０からイオンビームが照射される。このイオンビームの照射が続けられると、ビーム照射電極２５の表面において徐々に被膜（本実施形態では炭素被膜）が付着・形成される。ビーム照射電極２５に被膜が付着すると、照射されるイオンビームのイオン電流が不安定となるため、当該イオン源１０では、以下のようにしてこの被膜の除去が行われる。

イオン源１０からイオンビームが照射されている場合は、先ず、印加用電源６０によるビーム照射電極２５と引出電極４０との間の印加を止め、前記イオンビームの照射を止める。イオンビームがイオン源１０から照射されていない状態で、二次電子放出部５１が放出位置Ｐ２となるように移動部材１５０の位置が切り換えられる（図２参照）。この位置の切り換えが完了すると、二次電子放出用電源６２によって、印加用電源６０と同じ電圧でビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に電圧が加えられる。このとき、容器２０へのイオン原料ガスの供給や真空容器内の高真空状態は、通常運転（イオン源１０からイオンビームが照射されている状態）と同じ状態に保たれているため、二次電子放出用電源６２の印加によりビーム照射電極２５の先端からイオンビームが照射される。即ち、二次電子放出用電源６２の印加により、ビーム照射電極２５の先端部周辺に強電界が形成され、これによりイオン原料ガスが電界電離によってイオン化される。そして、このイオン化されたイオン原料ガスは、二次電子放出部５１によって引き出されてイオンビームとなる。

二次電子放出部５１が放出位置Ｐ２にあるため、前記イオンビームは、二次電子放出部５１、詳細には、凹部５１ａに衝突する。二次電子放出部５１の表面が二次電子放出比の大きなＭｇＯ等の金属酸化物膜によってコーティングされているため、このイオンビームの衝突により、多数の二次電子が凹部５１ａから放出される。一方、ビーム照射電極２５との間で電圧が加えられている凹部５１ａが前記の球面形状を有しているため、当該凹部５１ａとビーム照射電極２５の先端との間に形成される電界の各等電位面では、当該等電位面の各部位の法線方向がビーム照射電極２５の先端部を向いている（図２参照）。そのため、凹部５１ａからこの電界中に放出された二次電子は、当該電界によってビーム照射電極２５の先端部に向かって加速され、凹部５１ａから放出された多数の二次電子が効率よくビーム照射電極２５の先端部に当る。

このようにして多数の二次電子がビーム照射電極２５の先端部に当ることで当該部位が加熱されて高温となる。この高温となったビーム照射電極２５の熱によって当該電極２５に付着した被膜も加熱され、これにより被膜が効果的に除去される。

ビーム照射電極２５に付着した被膜の除去が終了すると、二次電子放出用電源６２による印加が停止され、二次電子放出部５１に照射されていたイオンビームが止まる。イオンビームが止まると、発散角抑制位置Ｐ１となるように移動部材１５０の位置が駆動手段５５により切り換えられる（図１（ａ）参照）。この位置の切り換え後、印加用電源６０によってビーム照射電極２５と引出電極４０との間に電圧が加えられると、イオン源１０からイオンビームの照射が開始される。

以上のように、本実施形態に係るイオン源１０では、イオンビームを照射できる一方、使用によりビーム照射電極２５に付着した被膜を除去し、この被膜に基づくイオンビームのイオン電流の不安定化を防止又は解消することが可能となる。即ち、被膜除去装置５０において、移動部材１５０の位置を二次電子放出部５１がビーム照射電極２５の先端と対向して二次電子の放出が可能な放出位置Ｐ２と、この放出位置Ｐ２から二次電子放出部５１が待避してイオンビームの通過を許容することが可能な発散角抑制位置Ｐ１とに切り換えるだけで、当該被膜除去装置５０が用いられたイオン源１０において、イオンビームを照射する運転と、使用によりビーム照射電極２５に付着した被膜を除去する運転とを切り換えることができる。

しかも、二次電子放出部５１は、放出位置Ｐ２にあるときにイオンビームの進行を遮る形状を有しているため、イオンビームと確実に衝突し、これにより多数の二次電子が放出されるため、この二次電子によりビーム照射電極２５が効果的に加熱され、その結果、ビーム照射電極２５に付着した被膜が効果的に除去される。

具体的に、二次電子放出部５１が放出位置Ｐ２となるように移動部材１５０の位置が切り換えられると共にビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に電圧が加えられることにより、ビーム照射電極２５から照射されたイオンビームが二次電子放出部５１（凹部５１ａ）と衝突して当該二次電子放出部５１から多数の二次電子が放出される。この放出された二次電子がビーム照射電極２５の先端と凹部５１ａとの間に形成された電界により効率よくビーム照射電極２５の先端部に当ることにより、当該部位が効果的に加熱され、これによりビーム照射電極２５に付着した被膜が加熱されて当該被膜が効果的に除去される。

さらに、イオンビームの衝突により二次電子放出部５１から放出される二次電子は、放電やスパッタ等によって金属表面から叩き出されるイオン（金属粒子）等に比べて極めて質量が小さいため、ビーム照射電極２５や他の部位に当っても当該部位を損傷させ難い。

凹部５１ａの曲率中心がビーム照射電極２５の先端部と重なるような球面形状を当該凹部５１ａが有することで、ビーム照射電極２５先端と凹部５１ａとの間に形成される電界における各等電位面は、当該等電位面の各部位の法線方向が全てビーム照射電極２５の先端部に向かうような形状となる。そのため、凹部５１ａから放出された二次電子がよりビーム照射電極２５の先端部に向けて加速され易い。そのため、この電界によって凹部５１ａから放出された二次電子は、より多くビーム照射電極２５の先端部に向かうため、より多くの二次電子がビーム照射電極２５の先端部に当たり、当該部位がより効果的に加熱される。

二次電子放出部５１は、二次電子放出比の大きな金属酸化物膜でコーティングされることにより、当該二次電子放出部５１にイオンビームが衝突することでより多くの二次電子が当該二次電子放出部５１から放出される。その結果、ビーム照射電極２５の先端部に二次電子がより当たり易くなる。

共通の移動部材１５０に二次電子放出部５１と発散角抑制部５２とが設けられることで、当該移動部材１５０は、ビーム照射電極２５の被膜を除去するための部材と、イオンビームの発散角を抑制する部材（いわゆるアパーチャ）とを兼用することができる。そのため、イオン源１０の構成の簡素化若しくは小型化を図ることが可能となる。しかも、この移動部材１５０の位置の切り換えにより、この被膜除去装置５０が用いられたイオン源１０において、発散角が抑制されたイオンビームを照射する運転と、使用によりビーム照射電極２５に付着した被膜を除去する運転とに切り換えることができる。

また、二次電子放出部５１とアパーチャ部５２とが共通の移動部材１５０に設けられているため、二次電子放出部５１とアパーチャ部５２とが別体として構成されたイオン源１０に比べ、これら二次電子放出部５１とアパーチャ部５２との交換作業の簡素化を図ることができる。具体的に、二次電子放出部５１とアパーチャ部５２とは、共にイオンビームに曝される部位であるため所定の照射時間の経過によって損傷（消耗）するため交換の必要が生じる。そのため、二次電子放出部とアパーチャ部とが別体として構成されているイオン源では、これら二次電子放出部とアパーチャ部とを個別に交換する必要があるが、本実施形態に係るイオン源１０では、二次電子放出部５１とアパーチャ部５２とが共通の部材（移動部材１５０）に設けられているため、一部材（移動部材１５０）を交換するだけで両方を交換することができる。

次に、本発明の第２実施形態について図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照しつつ説明するが、上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。

イオン源１０は、容器２０と、原料ガス供給管３０と、ビーム照射電極２５と、被膜除去装置５０ａと、容器２０の前方側に配置されるアパーチャ（発散角抑制部材）６５とを備える。これら容器２０、ビーム照射電極２５、被膜除去装置５０ａ及びアパーチャ６５は、真空容器（図示省略）内に配置されている。ビーム照射電極２５と被膜除去装置５０ａとには印加用電源６０が接続されている。

被膜除去装置５０ａは、二次電子放出部５１を有する移動部材２５０と、この移動部材２５０の位置を切り換える駆動手段５５とを備える。

移動部材２５０は、本実施形態では、二次電子を放出する二次電子放出部５１と、ビーム照射電極２５の先端部周辺で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引出電極部２４０とを有する。この移動部材２５０は、イオン源１０において、ビーム照射電極２５の先端とアパーチャ６５との中間位置に配置される。移動部材２５０は、矩形の板状部材である移動部材本体５３を有し、この移動部材本体５３の異なる部位に二次電子放出部５１と引出電極部２４０とが設けられる。具体的には、移動部材２５０の一方側（図３（ｂ）において左側）の部位に二次電子放出部５１構成され、他方側（図３（ｂ）において右側）の部位に引出電極部２４０が構成されている。この移動部材２５０は、導電材料で形成されており、本実施形態ではステンレスで形成されている。尚、移動部材２５０は、導電材料で形成されていればよい。即ち、移動部材２５０の素材は、ステンレスに限定されず、アルミニウム等でもよい。

二次電子放出部５１は、放出位置Ｐ２のときにビーム照射電極２５から離れる方向に窪んだ凹部５１ａにより構成される。この凹部５１ａは、移動部材本体５３のビーム照射電極２５側（図３（ａ）において上側）の面に含まれる。この凹部５１ａには二次電子放出比の大きな素材によってコーティング（被膜）が施されている。このコーティングは、第１実施形態同様、ＭｇＯやＢａＯ等の金属酸化物膜によりなされている。

引出電極部２４０は、第１実施形態のイオン源１０における引出電極４０（図１（ａ）参照）を兼ねる部分、即ち、ビーム照射電極２５の先端部周辺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部分である。この引出電極部２４０は、ビーム通過孔２４０ａを有し、このビーム通過孔２４０ａを通過するようにビーム照射電極２５の先端部周辺でイオン化されたイオンを引き出す。ビーム通過孔２４０ａは、移動部材本体５３をビーム軸Ｋ方向に貫通する孔で、イオンビームの外径よりも大きな内径を有する。本実施形態では、ビーム通過孔２４０ａは、ビーム照射方向において、上流側から下流側に向けて内径が大きくなるテーパ形状の内周面を有する。

印加用電源６０は、ビーム照射電極２５と二次電子放出部５１及び引出電極部２４０との間に電圧を加えるために、ビーム照射電極２５と移動部材２５０とに接続されている。ここで、移動部材２５０は、全体が導電材料（本実施形態ではステンレス）で形成されているため、二次電子放出部５１と引出電極部２４０とは導通している。従って、前記のようにビーム照射電極２５と移動部材２５０とに印加用電源６０が接続されることで、この印加用電源により、ビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に電圧が加えられると共に、ビーム照射電極２５と引出電極部２４０との間にも電圧が加えられる。

駆動手段５５は、移動部材２５０の位置を切り換えるものである。この駆動手段５５は、放出位置Ｐ２と、この放出位置Ｐ２から二次電子放出部５１が待避してイオンビームの通過を許容することが可能な引出位置Ｐ３とに移動部材２５０の位置を切り換える。この引出位置Ｐ３とは、イオンビームがビーム通過孔２４０ａを通過可能な位置である。具体的に、ビーム通過孔２４０ａがビーム照射電極２５の先端と対向し且つビーム通過孔２４０ａの中心とビーム軸Ｋとが一致するような位置である。

アパーチャ６５は、第１実施形態の移動部材１５０のアパーチャ部５２（図１（ｂ）参照）と同様に、イオンビームの発散角を抑制する部材である。このアパーチャ６５は、ステンレス製の板状部材で、イオンビームの発散角を抑制する発散角抑制孔６５ａが中央に設けられている。この発散角抑制孔６５ａは、ビーム照射電極２５の先端部周辺から引き出されたイオンビームの外径よりも小さな内径を有している。このように構成されるアパーチャ６５は、移動部材２５０よりもさらに前方側において、ビーム照射電極２５の先端と対向するように配置されている。具体的に、アパーチャ６５は、中央に設けられた発散角抑制孔６５ａの中心が微小開孔２１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。

以上のように構成されるイオン源１０では、以下のようにしてイオンビームが照射される。

引出位置Ｐ３となるように移動部材２５０の位置が駆動手段５５により切り換えられる（図３（ａ）参照）。一方、真空容器が真空引きされて当該真空容器内が高真空状態になった後、原料ガス供給管３０により容器２０内にイオン原料ガスが供給される。

ビーム照射電極２５と引出電極部２４０（移動部材２５０）との間に印加用電源６０によって電圧が加えられると共にビーム照射電極２５と強電界生成用電極２６との間に強電界生成用電源６４によって電圧が加えられ、ビーム照射電極２５の先端部周辺には強電界が形成される。容器２０内に供給されたイオン原料ガスが容器２０の微小開孔２１から噴出するときに前記強電界中で電界電離現象によりイオン化され、このイオン化されたイオン原料ガスが引出電極部２４０により引き出される。

このようにして引き出されたイオンビームは、引出電極部２４０のビーム通過孔２４０ａを通過し、アパーチャ６５に到達する。この到達したイオンビームは、アパーチャ６５の発散角抑制孔６５ａを通過することにより、この通過した発散角抑制孔６５ａの内径に対応する外径となる。これによりイオンビームの発散角が抑制され、イオン源１０から照射されるイオンビームは、高輝度なイオンビームとなる。

次に、本実施形態に係るイオン源１０での被膜の除去について説明する。

イオン源１０からイオンビームが照射されている場合は、印加用電源６０によるビーム照射電極２５と引出電極部２４０（移動部材２５０）との間の印加を止め、前記イオンビームの照射を止める。イオンビームがイオン源１０から照射されていない状態で、二次電子放出部５１が放出位置Ｐ２となるように移動部材２５０に位置が切り換えられる。この位置の切り換えが完了すると、再度、印加用電源６０によって照射電極２５と移動部材２５０との間電圧が加えられる。これによりビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に電圧が加わり、ビーム照射電極２５の先端からイオンビームが照射される。

二次電子放出部５１が放出位置Ｐ２であるため前記イオンビームが二次電子放出部５１（凹部５１ａ）に衝突し、これにより凹部５１ａから多数の二次電子が放出される。凹部５１ａから放出された二次電子は、ビーム照射電極２５先端と凹部５１ａとの間に形成された電界によってビーム照射電極２５の先端部に向かって加速され、効率よくビーム照射電極２５の先端部に当る。このようにして凹部５１ａから放出された多数の二次電子が効率よくビーム照射電極２５の先端部に当ることにより当該部位が加熱され、これによりビーム照射電極２５から被膜が効果的に除去される。

以上のように、本実施形態に係るイオン源１０では、第１実施形態同様に、イオンビームを照射できる一方、使用によりビーム照射電極２５へ付着した被膜を除去し、この被膜に基づくイオンビームのイオン電流の不安定化を防止又は解消することが可能となる。即ち、被膜除去装置５０ａにおいて、移動部材２５０の位置を放出位置Ｐ２と引出位置Ｐ３とに切り換えるだけで、当該被膜除去装置５０ａが用いられたイオン源１０において、イオンビームを照射する運転と、使用によりビーム照射電極２５へ付着した被膜を除去する運転とを切り換えることができる。

二次電子放出部５１は、放出位置Ｐ２にあるときにイオンビームの進行を遮る形状を有しているため、イオンビームと確実に衝突し、これにより多数の二次電子が放出されるため、この二次電子によりビーム照射電極２５が効果的に加熱され、その結果、ビーム照射電極２５に付着した被膜が効果的に除去される。

また、イオンビームの衝突により二次電子放出部５１から放出される二次電子は、放電やスパッタ等によって金属表面から叩き出されるイオン等に比べて極めて質量が小さいため、ビーム照射電極２５や他の部位に当っても当該部位を損傷させ難い。

凹部５１ａが当該凹部５１ａの曲率中心がビーム照射電極２５の先端部と重なるような球面形状を有することで、凹部５１ａから放出された二次電子がよりビーム照射電極２５の先端部に向けて加速され易い。そのため、この電界によって凹部５１ａから放出された二次電子は、より多くビーム照射電極２５の先端部に向かうため、より多くの二次電子がビーム照射電極２５の先端部に当たり、当該部位がより効果的に加熱される。

二次電子放出部５１は、二次電子放出比の大きな金属酸化物膜でコーティングされることにより、当該二次電子放出部５１にイオンビームが衝突することでより多くの二次電子が当該二次電子放出部５１から放出される。その結果、ビーム照射電極２５の先端部に二次電子がより当たり易くなる。

共通の移動部材２５０に二次電子放出部５１と引出電極部２４０とが設けられることで、当該移動部材２５０は、ビーム照射電極２５の被膜を除去するための部材と、ビーム照射電極２５の先端部周辺で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部材とを兼用することができる。そのため、イオン源１０の簡素化若しくは小型化を図ることが可能となる。しかも、この移動部材２５０の位置の切り換えのみで、この被膜除去装置５０ａが用いられたイオン源１０において、イオンビームを照射する運転と、使用によりビーム照射電極２５へ付着した被膜を除去する運転とに切り換えることができる。

被膜除去装置５０ａがイオン源１０に用いられることにより、ビーム照射電極２５と引出電極部２４０との間に電圧を加える電源によってビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に電圧を加えることができ、これによりイオン源１０に接続される電源の数を少なくすることができる。即ち、イオン源１０からイオンビームを照射させるためにビーム照射電極２５と引出電極部２４０との間に電圧を加える電源と、ビーム照射電極２５の被膜を除去するために当該ビーム照射電極２５と二次電子放出部５１との間に電圧を加える電源とを共通の印加用電源６０とすることができる。

具体的には、第１実施形態で用いられている二次電子放出用電源６２（図１（ａ）参照）を本実施形態のイオン源では配置しなくてもよい。

次に、本発明の第３実施形態について図４を参照しつつ説明するが、上記第１及び第２実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。

イオン源１０は、容器２０と、原料ガス供給管３０と、ビーム照射電極２５と、引出電極４０と、被膜除去装置５０ｂと、アパーチャ６５とを備える。これら容器２０、ビーム照射電極２５、引出電極４０、被膜除去装置５０ｂ及びアパーチャ６５は、真空容器（図示省略）内に配置されている。ビーム照射電極２５と被膜除去装置５０ｂとには二次電子放出用電源６２が接続されている。

被膜除去装置５０ａは、二次電子放出部５１を有する移動部材３５０と、この移動部材３５０の位置を切り換える駆動手段５５とを備える。

移動部材３５０は、本実施形態では、二次電子放出部５１のみで構成される。この移動部材３５０は、ビーム軸Ｋ方向において、引出電極４０とアパーチャ６５との中間位置で、且つ引出電極４０とアパーチャ６５との何れにも接触しない位置に配置される。

駆動手段５５は、放出位置Ｐ２と、この放出位置Ｐ２から移動部材３５０全体がイオンビームの軌道から外れた待避位置とに移動部材３５０の位置を切り換える。

以上のように構成されるイオン源１０では、以下のようにしてイオンビームが照射される。

移動部材３５０が待避位置に駆動手段５５により切り換えられる。真空容器が真空引きされ、その後、容器２０内にイオン原料ガスが供給される。そして、ビーム照射電極２５と引出電極４０との間に電圧が加えられると共にビーム照射電極２５と強電界生成用電極２６との間に強電界生成用電源６４によって電圧が加えられ、これによりビーム照射電極２５の先端部周辺に強電界が形成される。このビーム照射電極２５の先端部周辺に供給されたイオン原料ガスが前記強電界中を通過することにより、当該イオン原料ガスが電界電離現象によりイオン化される。このイオン化されたイオン原料ガスが引出電極４０により引き出されてイオンビームとなり、このイオンビームがアパーチャ６５においてその発散角が抑制されることにより、イオン源１０から高輝度なイオンビームが照射される。

本実施形態に係るイオン源１０では、以下のように被膜の除去が行われる。

印加用電源６０によるビーム照射電極２５と引出電極４０との間の印加を止め、イオンビームの照射を止める。待避位置から放出位置Ｐ２となるように移動部材３５０の位置が駆動手段５５により切り換えられる。二次電子放出用電源６２によりビーム照射電極２５と移動部材３５０との間に電圧が加えられ、これによりビーム照射電極２５の先端部周辺に強電界が形成され、この強電界によりイオン原料ガスがイオン化される。このイオン化されたイオン原料ガスが引出電極４０に引き出されることにより移動部材３５０（凹部５１ａ）にイオンビームが照射される。

このイオンビームが凹部５１ａに衝突し、これにより凹部５１ａから多数の二次電子が放出される。この二次電子は、ビーム照射電極２５先端と凹部５１ａとの間に形成された電界によってビーム照射電極２５の先端部に向かって加速され、効率よくビーム照射電極２５の先端部に当る。凹部５１ａからこのようにして多数の二次電子が効率よくビーム照射電極２５の先端部に当ることで当該部位が効果的に加熱され、これによりビーム照射電極２５から被膜が効果的に除去される。

以上のように、移動部材３５０全体が二次電子放出部５１であっても、第１及び第２実施形態同様に、イオンビームを照射できる一方、使用によりビーム照射電極２５へ付着した被膜を除去し、この被膜に基づくイオンビームのイオン電流の不安定化を防止又は解消することが可能となる。

さらに、イオンビームの衝突により凹部５１ａから放出される二次電子は、放電やスパッタ等によって金属表面から叩き出されるイオン等に比べて極めて質量が小さいため、ビーム照射電極２５や他の部位に当っても当該部位を損傷させ難い。

凹部５１ａが当該凹部５１ａの曲率中心がビーム照射電極２５の先端部と重なるような球面形状を有することで、凹部５１ａから放出された二次電子がよりビーム照射電極２５の先端部に向けて加速され易い。そのため、この電界によって凹部５１ａから放出された二次電子は、より多くビーム照射電極２５の先端部に向かうため、より多くの二次電子がビーム照射電極２５の先端部に当たり、当該部位がより効果的に加熱される。

二次電子放出部５１は、二次電子放出比の大きな金属酸化物膜でコーティングされることにより、当該二次電子放出部５１にイオンビームが衝突することでより多くの二次電子が当該二次電子放出部５１から放出される。その結果、ビーム照射電極２５の先端部に二次電子がより当たり易くなる。

尚、本発明のイオン源は、上記第１乃至第３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。

例えば、前記第１乃至第３実施形態に係るイオン源１０は、気相のイオン原料ガスを用いてイオンビームを照射する電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）であるが、ガリウム等の液体金属を用いてイオンビームを照射する液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）であってもよい。即ち、液体金属イオン源において前記の被膜除去装置５０，５０ａ，５０ｂが組み込まれることにより、当該液体金属イオン源では、イオンビームを照射できる一方、使用によりビーム照射電極２５に付着した被膜を除去し、この被膜に基づくイオンビームのイオン電流の不安定化を防止又は解消することが可能となる。尚、液体金属イオン源では、液体金属がビーム照射電極２５の表面を伝ってビーム照射電極２５の先端に供給され、このビーム照射電極２５表面の液体金属の表面に被膜が形成される。そのため、この被膜を被膜除去装置５０，５０ａ，５０ｂにより除去するときには、被膜除去装置５０，５０ａ，５０ｂ（二次電子放出部）から放出された二次電子によりビーム照射電極２５の先端部が加熱され、この熱が電極２５表面の液体金属を経て被膜に伝わり、この熱によって被膜が加熱・除去される。

また、移動部材に設けられた二次電子放出部５１の具体的な形状は限定されない。例えば、前記第１乃至第３実施形態では前記の球面形状の凹部に形成されているが、各部位の法線方向が当該部位を通りビーム軸Ｋに平行な線よりもビーム照射電極２５の先端に接近する形状の凹部であればよく、例えば、図５（ａ）に示されるように、断面形状が多角形となるような凹部１５１ａであってもよい。このような凹部１５１ａであっても、ビーム照射電極２５と凹部１５１ａとの間に電圧が加えられたときに、ビーム照射電極２５先端と凹部１５１ａとの間に形成される電界における各等電位面は、当該等電位面の各部位の法線方向が当該部位を通りビーム軸Ｋ方向に平行な線よりもビーム照射電極２５の先端に接近する形状となるため、凹部１５１ａから放出された二次電子がビーム照射電極２５の先端部に向けて加速され易い。そのため、この電界によって凹部１５１ａから放出された二次電子の多くがビーム照射電極２５の先端部に向かい、これら二次電子がビーム照射電極２５の先端部に当ることにより当該部位が効果的に加熱される。

また、図５（ｂ）に示されるように、二次電子放出部２５１ａは、少なくともその表面が二次電子放出比の大きな素材で形成されていれば、平板状に形成されていてもよい。このような形状であっても、少なくともその表面が二次電子放出比の大きな素材で形成されることで、イオンビームが当該二次電子放出部２５１ａに衝突したときに、当該部位よりも二次電子放出比の小さな素材で形成された部材と比べ、より多くの二次電子が放出されるためビーム照射電極２５の先端部に当る二次電子の数が多くなり、前記先端部が効果的に加熱される。

二次電子放出部５１の位置の切り換えのときの具体的な移動状態は限定されない。例えば、前記第１乃至第３実施形態では、移動部材１５０，２５０，３５０がビーム軸Ｋと直交する方向に沿って往復移動することによって、二次電子放出部５１もビーム軸Ｋと直交する方向に沿って往復移動することにより位置の切り換えが行われるが、図６（ａ）に示されるように、円板状の移動部材４５０において周方向に凹部（二次電子放出部）５１ａ、発散角抑制孔５２ａが設けられ、この円板状の移動部材４５０の中心ｃを回転中心にして当該移動部材４５０を回動駆動することにより凹部５１ａの位置の切り換えを行ってもよい。

また、二次電子放出部のみで構成される移動部材３５０の具体的な移動状態は、限定されない。例えば、第３実施形態では、移動部材３５０は、他の部材と接することなくビーム軸Ｋと直交する方向に沿って往復移動するが、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示されるように、引出電極４０上で当該引出電極４０の面に沿ってスライド移動してもよく、また、前記面上で回動移動するように構成されてもよい。

前記第１乃至第３実施形態では、凹部５１ａ（二次電子放出部５１）の表面に二次電子放出比の大きな素材によりコーティングが施されているが、凹部５１ａを含む部材又は凹部５１ａを含む部位全体が二次電子放出比の大きな素材で形成されてもよい。このように形成されても、イオンビームが照射されることで多数の二次電子が放出される。

また、イオン源１０に、ビーム照射電極２５の先端部周辺に水素ガス又は酸素ガスを供給可能なガス供給手段をさらに備えてもよい。このように構成されることで、被膜除去装置５０によってビーム照射電極２５に付着した被膜を除去する際に、ビーム照射電極２５の先端部周辺に水素ガス又は酸素ガスが供給されることにより、加熱された被膜と当該ガスとが反応し、より効率よくビーム照射電極２５に付着した被膜の除去が可能となる。

１０ イオン源
２０ 容器
２１ 微小開孔
２５ ビーム照射電極
３０ 原料ガス供給管（原料ガス供給手段）
４０ 引出電極
５０ 被膜除去装置
５１ 二次電子放出部
５５ 駆動手段（位置切換手段）
６０ 印加用電源
６２ 二次電子放出用電源
１５０ 移動部材（ビーム照射電極の被膜除去用部材）
Ｋ ビーム軸

Claims (10)

1. 先端が尖り且つイオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、このビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極とを有し、これら電極間に電圧が加えられると共に前記ビーム照射電極の先端部にイオン原料ガス又は液体金属が供給されることによりイオンビームを照射するイオン源に用いられ、このイオン源の前記ビーム照射電極の被膜を除去する被膜除去装置において、
   前記ビーム照射電極との間に電圧が加えられることによって前記ビーム照射電極の先端部周辺に強電界を形成し、前記ビーム照射電極の先端部に供給されたイオン原料ガス又は液体金属を前記強電界によりイオン化しこのイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属を前記イオンビームとして引き出し、このイオンビームと衝突して二次電子を放出する二次電子放出部が設けられた移動部材と、
   前記二次電子放出部が前記ビーム照射電極の先端と対向して前記二次電子の放出が可能な放出位置と、この放出位置から前記二次電子放出部が待避して前記イオンビームの通過を許容することが可能な位置とに前記移動部材の位置を切り換える位置切換手段とを備え、
   前記二次電子放出部は、前記放出位置にあるときに前記イオンビームの進行を遮る形状を有することを特徴とするビーム照射電極の被膜除去装置。
2. 請求項１に記載のビーム照射電極の被膜除去装置において、
   前記二次電子放出部は、前記放出位置にあるときに前記ビーム照射電極から離れる方向に窪んだ凹部であり、
   この凹部は、各部位の法線方向が当該部位を通り前記イオンビームのビーム軸に平行な線よりも前記ビーム照射電極の先端に接近する形状を有することを特徴とするビーム照射電極の被膜除去装置。
3. 請求項２に記載のビーム照射電極の被膜除去装置において、
   前記凹部は、当該凹部が前記放出位置にあるときに、この凹部の曲率中心が前記ビーム照射電極の先端部と重なるような球面形状を有することを特徴とするビーム照射電極の被膜除去装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のビーム照射電極の被膜除去装置において、
   前記二次電子放出部は、前記引出電極より二次電子放出比の大きな素材で形成されることを特徴とするビーム照射電極の被膜除去装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のビーム照射電極の被膜除去装置において、
   前記移動部材は、前記イオン源において前記引出電極より前記イオンビームの照射方向下流側に配置され、前記二次電子放出部と異なる部位に前記イオンビームの発散角を抑制する発散角抑制部を有し、
   この発散角抑制部は、前記イオンビームの照射方向に貫通すると共に前記イオンビームの外径よりも小さな内径を有する発散角抑制孔を有し、
   前記位置切換手段は、前記放出位置と、前記イオンビームが前記発散角抑制孔を通過可能な位置とに前記移動部材の位置を切り換えることを特徴とするビーム照射電極の被膜除去装置。
6. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のビーム照射電極の被膜除去装置において、
   前記イオン源には、前記引出電極より前記イオンビームの照射方向下流側に当該イオンビームの発散角を抑制する発散角抑制部材が配置され、
   前記移動部材は、前記イオン源において前記ビーム照射電極の先端と前記発散角抑制部材との中間位置に配置され、前記二次電子放出部と異なる部位に前記イオン源の引出電極を兼ねる引出電極部を有し、
   この引出電極部は、前記二次電子放出部と導通可能に接続され、前記イオンビームの照射方向に貫通すると共に前記イオンビームの外径よりも大きな内径を有するビーム通過孔を有し、
   前記位置切換手段は、前記放出位置と、前記イオンビームが前記ビーム通過孔を通過可能な位置とに前記移動部材の位置を切り換えることを特徴とするビーム照射電極の被膜除去装置。
7. イオンビームを照射するためのイオン源であって、
   先端が尖り且つ前記イオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、
   このビーム照射電極の先端部周辺にイオン原料ガス又は液体金属を供給する原料供給手段と、
   前記ビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極と、
   前記引出電極と前記ビーム照射電極との間に電圧を加えることにより、前記ビーム照射電極の先端部周辺に強電界を形成し、この強電界によって前記イオン原料ガス又は液体金属をイオン化しこのイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属を前記引出電極に引き出させる印加用電源と、
   請求項１乃至６の何れか１項に記載のビーム照射電極の被膜除去装置と、
   この被膜除去装置の二次電子放出部と前記ビーム照射電極との間に電圧を加える二次電子放出用電源と、を備えることを特徴とするイオン源。
8. 請求項７に記載のイオン源において、
   前記ビーム照射電極の先端部周辺に水素ガス又は酸素ガスを供給可能なガス供給手段をさらに備えることを特徴とするイオン源。
9. 先端が尖り且つイオンビームのビーム軸方向に延びるビーム照射電極と、このビーム照射電極の先端と対向するように配置される引出電極とを有し、これら電極間に電圧が加えられると共に前記ビーム照射電極の先端部にイオン原料ガス又は液体金属が供給されることによりイオンビームを照射するイオン源に用いられ、このイオン源のビーム照射電極の被膜を除去するための被膜除去用部材において、
   この被膜除去用部材には、前記ビーム照射電極の先端と対向する位置で当該ビーム照射電極との間に電圧が加えられることによって前記ビーム照射電極の先端部周辺に強電界を形成し、前記ビーム照射電極の先端部に供給されたイオン原料ガス又は液体金属を前記強電界によりイオン化しこのイオン化されたイオン原料ガス又は液体金属を前記イオンビームとして引き出し、このイオンビームと衝突して二次電子を放出する二次電子放出部が設けられ、
   この二次電子放出部は、前記ビーム照射電極の先端と対向して前記二次電子の放出が可能な放出位置にあるときに前記イオンビームの進行を遮る形状であって、前記放出位置にあるときにこのビーム照射電極から離れる方向に窪んだ凹部であり、
   この凹部は、各部位の法線方向が当該部位を通り前記イオンビームのビーム軸に平行な線よりも前記ビーム軸に接近する形状を有することを特徴とするビーム照射電極の被膜除去用部材。
10. 請求項９に記載のビーム照射電極の被膜除去用部材において、
    前記二次電子放出部は、前記引出電極より二次電子放出比の大きな素材で形成されることを特徴とするビーム照射電極の被膜除去用部材。

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