JP5872541B2 - 改良型イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームをガス状（気体）化学種から生じさせるイオン源に関する。特に、イオン源は、ＤＣ型プラズマを持続させると共に次のビーム輸送及び可変エネルギーでの集束に適した仕方でＤＣ型プラズマからイオンを抽出するようＤＣ型プラズマに曝される複数個の電気的に絶縁された電極を利用する。

イオンビームは、一般に、多くの目的のため、とりわけ、材料表面改質（打込み）、半導体のドーピング、エピタキシーによる化合物の生成、表面分析、スパッタエッチング等のために用いられている。幾つかの用途、例えば電子顕微鏡用の無機試料の原子との化学的相互作用を最小限に抑えるために、用いられるイオンビームを調製のため、ビームの原子と貴ガス化学種、例えばアルゴンから形成することが望ましい。かかる貴ガスイオンビームは、運動量移行により試料に所望の変化を依然として生じさせることができる。一般に、ビーム径を抑制し又は違ったやり方で制御して試料以外の材料へのビームの望ましくない衝突を減少させることが更に望ましい。

十分な運動量で試料の表面に当たるイオンは、試料の原子をその表面から放出させることができ、このプロセスは、スパッタリングと呼ばれている。スパッタリングプロセスの効率は、入射イオンの質量、入射イオンの運動エネルギー、試料材料及び衝突の幾何学的パラメータで決まる。試料からスパッタリングされた原子は、最終的に、表面に再び衝突し、衝突後に吸収される場合がある。スパッタリングされた原子は、スパッタリング前のその元の場所の近くの元の試料上の部位又は箇所に戻る場合があると言うことができる。この出来事は、「再蒸着」と呼ばれる。幾つかの用途、例えば電子顕微鏡のための試料調製に関しては再蒸着は望ましくない。と言うのは、これにより、試料の元の構造が変わるからである。それ故、幾つかの状況では、スパッタリングされるようになった領域以下の直径を備えたイオンビームを用いて周囲領域からの材料が関心のある領域上に再蒸着される恐れを最小限に抑えることが望ましい。小さい又は制限された直径のイオンビームを用いることが望ましい他の多くの周知の状況が存在する。他の用途では、最大被覆率を得ると共に試料表面のミリング（milling）を行うためには幅の広いビームが好ましい。

小さな直径のスポットに集束可能な貴ガスイオンビームを生じさせるために種々の方式が試みられた。これら方式としては、ガス場イオン源（gas-field ion source：ＧＦＩＳ）、デュオプラズマトロン、電子衝撃イオン源、ペニング型イオン源、マルチカスプ（multi-cusp）イオン源、電子サイクロトロン共鳴イオン源及び文献に記載されている他のイオン源が挙げられる。各形式は、基準の中でとりわけ出力ビームパラメータ、サイズ、複雑さ、所要電力及びコストの面で利点と欠点を有する。

電子顕微鏡用の試料調製における或る特定の用途に関し、ペニング型イオン源は、サイズは小さく且つ構成が簡単なので妥当な選択肢である。イオンミル（ion mill）と呼ばれているこの分野における商用装置類は、典型的には、約５００ｅＶ（１イオン当たり）から１００００ｅＶまでの範囲の調整可能なイオン運動エネルギー（「エネルギー」と通称されている）をイオンビームに与える。高エネルギービームは、迅速なミリングを可能にするが、低エネルギービームよりも多くの残留表面損傷を後に残す場合がある。従って、エネルギーを調整できるビームを提供し、ユーザがケースバイケースで処理速度と表面品質とのトレードオフを判定することができるようにすることが有用である。

ペニング型イオン源は、電子がキャビティと呼ばれるイオン化領域の多くのパスを行うようにし、それによりキャビティ内における高エネルギー電子とガス分子のイオン化衝突の恐れを増大させる電磁封じ込めの原理を利用している。具体的に説明すると、電子の運動をキャビティの長さに沿う軸線に制約するために磁界が用いられ、キャビティの互いに反対側の端部のところに静電ミラー（electrostatic mirror）が配置され、その結果、電子は、一般に、ミラー相互間で且つ磁軸に沿って前後に循環運動するようになる。キャビティの静電位は、陽極と呼ばれる電極によってミラーの静電位よりも高くなる。したがって、ミラーの付近の電子は、キャビティの方へ引き付けられ、キャビティ内への途中で運動エネルギーを獲得する。電子は、ミラー相互間で且つキャビティ中で衝突し、ついには、キャビティ内に導入される他の粒子、特にガス分子と衝突するようになる。これら衝突のうちの何割かの結果として、中性ガス分子がイオン化され、その結果、追加の自由電子及び更にイオンが生じる。キャビティ内で生じたイオンは、一方のミラー電極又は他方のミラー電極の方へ引き付けられ、そして、ミラー電極との衝突時、追加の「二次」電子を生じさせる場合があり、かかる追加の二次電子は、この場合も又、陽極に引き付けられる。その結果、自己持続連鎖反応が生じ、それによりキャビティ内にプラズマが生じる。慣例により、ミラー電極は、電子を導入するよう機能するので、ミラー電極は、陰極とも呼ばれる。幾つかの実施形態では、陰極のうちの１つは、熱電子放出によってプラズマに追加の電子を提供するよう加熱され、場合によっては、非加熱陰極は、電子発生のための加熱される陰極の相対的重要性を強調するために対陰極と呼ばれる。

プラズマは、高密度の荷電粒子（イオン及び電子）を含むが、ほぼ同数の両方の極性の電荷を含むガスであり、従って、プラズマは、最小限の正味の電荷、即ち最小限の空間電荷を有する。自由荷電粒子の数が多いので、プラズマ内における有効導電性は、高く、即ち、プラズマの内部は、ほぼ一様な電位にある。プラズマ電位と呼ばれているこの電位は、陽極の電位とほぼ同じであることは周知である。プラズマ内部とこれに隣接する任意の陰極との間に、シースと呼ばれている比較的高い電界強度の領域が存在する。

プラズマ内のイオンは、拡散プロセスの影響を受け、その結果、プラズマの境界部から出る正味のイオン流束が生じる。プラズマからのこの正味の流束は、イオン発生プロセスを補い、その結果、プラズマ内にイオンの平衡濃度状態が生じる。拡散中のイオンのうちの何割かは、陽極に衝突して中性化され、他のイオンは、シースに向かって拡散する。イオンがシース中に拡散すると、イオンは、シース内の磁界が強いので隣接の陰極に向かって迅速に加速される。イオン及び電子は、シースの高い磁界によりシースを横切って迅速にスイープされ、従って、シース内における電荷の密度は、比較的低い。

有益なビームを形成するためには、イオンは、これらが作られるプラズマから抽出されなければならない。一般に、穴が電極に追加形成され、その結果、通常穴の領域で電極に衝突するイオンは、その代わりに、穴を通ると共に源から出る運動を続け、次にこれらイオンを使用することができる。具体例の中には、穴を陽極に提供するものがあれば、穴を陰極に提供するものもある。一般に、陰極を介する抽出は、陽極を介する抽出とは対照的に、電流密度の面で利点を有する。陰極を介して抽出されたイオンは、プラズマと陰極との間の静電位差にほぼ等しく、イオンの電荷状態を掛け算した運動エネルギーを有する状態で陰極から出る。抽出のために穴を陰極に追加形成すると、プラズマを持続させるために電子を提供する陰極の能力が低下する。この理由で、しかも本発明における特異性の目的で、イオンを抽出させる陰極は、対陰極と呼ばれ、反対側のミラー電極は、陰極と呼ばれる。

一般に、イオンビームの意図した標的は、イオン源から離れた場所に位置することが多い。距離は、数ミリメートルから数百ミリメートル以上までの範囲にわたる。当該技術分野においては、試料又は加工物をイオンが通過する真空チャンバのバルクと共に大地電位に保たれるのが通例である。源と試料との間の領域におけるビームの歪みを阻止するため、通常、この領域における静電界を最小限に抑えることが望ましい。これは、接地電極をイオン源の出口のところに追加することによって達成される場合が多い。

図１は、代表的な先行技術のペニング型イオン源の略図である。ペニング型イオン源２は、輪形磁石４を有し、この輪形磁石は、その内部領域中に軸方向磁界を作る。陰極６及び対陰極８は、高い透磁率を有する金属で作られ、磁界を付形するための磁極片として働く。陰極６と対陰極８は、磁石４と電気的接触状態にあり、磁石４は、これまた導電性である。陰極６は、絶縁ベース５に取り付けられ、この絶縁ベースは、真空フランジ７に取り付けられ、この真空フランジは、真空チャンバ（図示せず）に取り付けられている。真空チャンバは、アース電位に接続され、従って、フランジ７もまた、アース電位にある。陽極１０は、リング形であり、周方向に配置された絶縁体１２によって支持されており、かくして、陽極１０は、他のシステムコンポーネントから電気的に絶縁されている。陽極１０は、電気貫通接続部１４を介して電源（図示せず）に接続されると共に真空チャンバに対して通常のイオンビーム電位で正のバイアスがかけられ、貫通接続部１４は、陰極通路１３を通ると共に絶縁ベース５を貫通している。イオンビーム電位は、源の外部の一イオン当たりの所望の運動エネルギーをその通常の電荷状態で除算したものとして定義される。陰極６は、電気貫通接続部１８を介して第２電源（図示せず）に接続され、この貫通接続部１８は、陰極６、磁石４及び対陰極８に陽極１０に対して負のバイアスをかける。ガスが入口管２２を通って供給され、イオン源２を通って流れ、そして源からフランジ７に設けられている孔２４を通って真空チャンバ（図示せず）にポンプ輸送され、それによりペニング放電を持続させるのに望ましいガス圧力を陽極１０の内部に維持する。プラズマが陽極１０の内部領域中に生じ、プラズマ電位は、陽極１０の電位とほぼ同じである。プラズマからの幾分かのイオンは、対陰極８の付近のプラズマシース内の電界に起因して対陰極８の方へ差し向けられ、これらイオンのうちの何割かは、対陰極通路９を通ってドリフトし、右側に抽出される。イオンは、これらが接地電位にある孔２４をいったん通過すると、これらの最終のエネルギーを獲得する。

当業者であれば理解されるように、対陰極の付近（即ち、プラズマからの最初の抽出領域のところの）ビーム広がり又は拡散度は、プラズマ境界部の形状及び対陰極電極の形状の影響を受ける。プラズマ境界部の形状は、多くの要因、とりわけ、陽極容積の内部のガス圧力、放出電力、プラズマシース前後の電位差及び電極の形状により影響を受ける。さらに、幾何学的形状及びガス圧力が所与の場合、プラズマ放出を持続させるには陽極とミラー電極との間に或る特定の最小電位差が必要である。典型的には、この最小電位差は、７００Ｖのオーダである。先行技術のペニング型イオン源２では、この電位差は、対陰極８の付近でプラズマシース前後に現れ、それにより抽出されたビームの広がりに影響を及ぼす。したがって、プラズマ放出を介してイオンを発生させる要件は、抽出箇所のところのビームの広がりに制約を課す。

静電レンズを用いることによって拡散ビームを平行に作ることができる。ペニング型イオン源２では、対陰極８と孔２４との間の空間は、一般に、レンズを構成する。と言うのは、大抵の動作条件下においては、対陰極８と孔２４との間に電位差が存在するからである。このレンズの強度は、対陰極８と孔２４との電位差に比例して変化し、従って、陽極電位が高い値、例えば５０００Ｖまで高められると、レンズは、かなり強力になり、ビームの高い初期広がりを修正する。しかしながら、低い陽極電位では、このレンズの強度は、次第に弱くなり、その結果、初期ビーム広がりを対陰極８と孔２４との間のレンズ効果によっては十分には修正できず、試料上のスポットサイズが増大する。

当業者には明らかなように、追加の１つ又は複数のレンズを対陰極８と孔２４との間又は孔２４の右側に配置する場合がある。これは望ましくない。と言うのは、これによりシステムの機械的サイズ及び複雑さが増し、別個の電源が必要になり、しかもビーム経路中に新たな収差要因が入り込むからである。さらに、その電源は、十分な集束を可能にするためには非実用的なほどの高い電圧、おそらくは、陽極電源の電圧よりも実質的に高い電圧を発生させることが必要になる場合がある。

上述の理由で、先行技術のペニング型イオン源２による広いエネルギー範囲にわたって平行又はほぼ平行なイオンビームを作ることは、実用的ではない。イオンミリング（ionmilling）に関し、これは、一エネルギーレベルでスポットサイズについて最適化されるペニング型イオン源が一般に、他のエネルギーレベルでの動作の際、スポットサイズの増大を生じることを意味している。それ故、関心のある領域へのスパッタリングされた材料の再蒸着は、設計点から離れたエネルギーで動作する際に生じる可能性がある。

当業者には明らかなように、低エネルギーイオンの使用は、試料損傷を最小限に抑える。しかしながら、細い集束ビームを低エネルギーで作ることができるかどうかということは、解決されていない。

したがって、当該技術分野において欠けているものは、低エネルギーイオンビームが比較的小さいビーム径を備えた状態で試料を電子透明性に合わせて薄くすることができるようになったイオン源である。

本発明は、一連の絶縁体で絶縁された別個独立に電力供給される電極を利用したイオン源を開示する。イオン源は、電子顕微鏡用の試料の調製に特に有用である。と言うのは、そのビームは、広いエネルギー動作範囲にわたり、代表的には、６ｋｅｖ〜１００ｅＶのエネルギー範囲にわたって全体として一定の直径を維持することができるからである。具体的に言えば、特定の具体化例に応じて、エネルギー範囲は、狭い範囲、例えば６ｋｅｖ〜１０００ｅＶ又は３００ｅＶまでの範囲を含むのが良い。さらに、イオン源は、低エネルギー及び小さなスポットサイズを有する平行イオンビームを発生させることができる。変形例として、用途で決まるように、ビームを集束ずれさせて広くし、それにより試料表面の最大被覆率及びミリングを行うことができる。一実施形態では、貴ガスを含む不活性ガスをイオン源中に導入し、不活性ガスは、ここで、磁界と電界の組み合わせを受け、それによりプラズマが生じる。生じたプラズマからのイオンは、対陰極を通って通出され、この対陰極は、プラズマと接触状態にある陽極に対して負のバイアスがかけられている。別の電極、即ち陰極が対陰極と反対側に配置されていて、対陰極とは独立して陽極に対して十分な負の電気バイアス状態に維持されており、それによりプラズマ放出が持続する。抽出されたイオンビームの初期広がりは、陽極に対して対陰極のバイアス電圧を調整することによって制御される。オプションとして、抽出されたイオンビームは、独立電源を備えた集束電極を通過する。真空チャンバ電位にある最終の電極は、イオン源の静電出力境界部を構成する。

好ましくは、陰極電圧バイアスと対陰極電圧バイアスの電気的絶縁により、プラズマを生じさせるのに十分な大きい電圧差を陽極と陰極との間に生じさせることができると共に対陰極プラズマシースにおけるレンズ効果を減少させて抽出されたビームの初期広がりを最小限に抑えるよう小さな電圧差を陽極と対陰極との間に生じさせることができる。下流側のレンズの強度は、集束電極に加わる電位を変化させることによって更に制御される。対陰極及び集束電極に加わる電位を陽極の電位（真空チャンバに対する）の関数として変化させることによって、イオン源は、低拡散度イオンビームをその動作範囲内で全てのエネルギーレベルで生じさせ、かくして、イオンミリング中における再蒸着による試料損傷が最小限に抑えられる。

本発明の上記利点及び特徴並びに他の利点及び特徴は、本発明の現時点において好ましい実施形態及び添付の図面を参照すると、十分に理解されよう。

先行技術のイオン源の断面側面図である。 本発明のイオン源の一実施形態の断面側面図である。 本発明のイオン源の第２の実施形態の断面側面図である。 本発明のイオン源の第３の実施形態の側面断面図である。

次に、図２及び図２Ａを参照すると、イオン源５０が輪形磁石５４を有し、この輪形磁石は、平坦な面に差し向けられた磁極で磁化され、この輪形磁石は、その内部領域中に軸方向磁界を生じさせる。陰極５６及び対陰極５８は、高い透磁率を有する金属、例えば４００シリーズステンレス鋼又は鉄‐ニッケル合金、例えばコバール（Ｋｏｖａｒ）で構成されていて、磁界を付形する磁極片として働く。陰極５６は、絶縁ベース５５に取り付けられ、この絶縁ベースは、真空フランジ５７に取り付けられ、この真空フランジは、真空チャンバ（図示せず）に取り付けられている。真空フランジ５７は、イオン源５０のための機械的支持体となると共にイオン源の内部に設けられていて、真空フランジが取り付けられている真空チャンバと連係して適当な動作圧力を管理する真空エンベロープとなる。代表的には、真空フランジ５７は、ステンレス鋼若しくはアルミニウム又は低い透磁率を有すると共に真空システムに用いるのに適した任意他の金属で作られる。陽極６０の付近の磁界を混乱させないよう真空フランジ５７にとって低透磁率が望ましい。絶縁ベース５５は、陽極６０、陰極５６及び対陰極５８のための機械的支持体となると共にこれに対して電気貫通接続部を提供する。陰極５６は、高い透磁率及び二次電子生成係数を有する金属から成る。好ましい実施形態では、陰極５６は、１ｋｅＶにほぼ等しいエネルギーでの意図した化学種のイオンスパッタリングに対する耐性を示す。用途並びに選択された標的電圧、電極の幾何学的形状及び間隔に応じて、形状及び間隔は、或る程度の調整を必要とする場合がある。電流は、選択された電圧、選択されたプラズマ条件、電極形状及び間隔並びにガス圧力で決まる。

対陰極５８は、磁石５４と電気的接触状態にあり、この磁石も又、導電性である。絶縁体６１は、リング形であり、この絶縁体は、陰極５６と輪形磁石５４との間に配置されていて、これらを互いに電気的に絶縁している。絶縁体６１は、磁気回路中のギャップの長さへのその貢献を最小限に抑えるよう軸方向に小さな厚さのものであることが好ましい。真空チャンバは、アース電位に接続され、従って、真空フランジ５７も又、アース電位にある。陽極６０は、リング形であり、この陽極は、周方向に配置された絶縁体６２によって支持されており、かくして、陽極６０は、他のシステムコンポーネントから電気的に絶縁されている。図２に示された実施形態では、絶縁体６１，６２は、直接プラズマにさらされている。幾つかの条件では、かかる暴露からの劣化を減少させるよう絶縁体を遮蔽することが望ましい場合がある。かかる遮蔽の特定の設計は、当業者の通常の知識の範囲内にあると考えられる。一般に、プラズマから絶縁体までの非直線状の経路を作ることが望ましい。次に図２Ａを参照すると、かかる実施形態の特定の例が示されている。対陰極延長部５８ａが対陰極５８から見て磁石５４の反対側に配置されている。３つのコンポーネントは全て、互いに電子連絡関係にあり、従って、これら３つのコンポーネントは全て、貫通接続部６９により供給されるのと同一の電位にある。絶縁体６１が対陰極延長部５８ａ、磁石５４及び対陰極５８を陰極５６から離隔させている。また、絶縁体６１は、プラズマの直接衝突から絶縁体６１を遮蔽する遠回り経路６３ａの終端部のところに設けられている。この遮蔽は、絶縁体の有効寿命を延ばすようになっている。図示されていないが、具体的には、陽極６０を磁石５４から隔てる絶縁体６２に同様の遮蔽を施すのが良いことが想定される。陽極６０は、好ましくは、その内部の磁界の形状を乱さないよう低透磁率の金属で作られる。陽極６０は、電気貫通接続部６４を介して電源（図示せず）に接続されると共に真空チャンバに対して通常のイオンビーム電位で正のバイアスがかけられ、貫通接続部６４は、陰極通路６３を通ると共に絶縁ベース５５を貫通している。陰極５６は、電気貫通接続部６８を介して第２電源（図示せず）に接続され、この貫通接続部１８は、陽極１０に対して負のバイアスを陰極５６にかける。代表的には、バイアス電圧は、−５００Ｖ〜−１０００Ｖである。磁石５４及び対陰極５８は、電気貫通接続部６９を介して第３電源（図示せず）に接続されており、陽極６０に対して磁石５４及び対陰極５８に負のバイアスをかける。その結果、陰極５６及び対陰極５８は、電圧バイアスの分離を示す。好ましくは、第３電源は、−１００Ｖ〜−１０００Ｖの範囲にわたり調整可能であることが必要である。ガスが入口管７２を通って供給され、イオン源５０を通って流れ、そしてイオン源からフランジ５７に設けられている孔７４を通って真空チャンバ（図示せず）にポンプ輸送され、それにより放電を持続させるのに望ましいガス圧力を陽極１０の内部に維持する。代表的には、ガス供給は、毎分０．１〜２．０標準立方センチメートルの流量に合わせて調整され、標的流量は、毎分０．２標準立方センチメートルである。具体的に注目されるべきこととして、最善の流量は、ガス及び電極の幾何学的形状を含む他の要因で決まる。好ましいガス源としては、イオンビームの意図した目的に応じて、不活性ガス、例えばアルゴン又は反応性ガスを含む他の化学種が挙げられる。プラズマが陽極６０の内部領域内に生じ、プラズマ電位は、陽極６０の電位とほぼ同じである。プラズマからの幾分かのイオンは、対陰極５８の付近のプラズマシース内の電界に起因して対陰極８の方へ差し向けられ、これらイオンのうちの何割かは、対陰極通路５９を通ってドリフトし、右側に抽出される。イオンは、これらが接地電位にある孔７４をいったん通過すると、これらの最終のエネルギーを獲得する。１００ｅＶ〜６ｋｅＶまでの特に低い電力のビームエネルギーが直径３５０ミクロン〜５ｍｍのビームで達成できる。特に、或る特定の動作条件及び用途において、１００ｅＶで、約１．０ｍｍの細いビーム径が達成可能である。しかしながら、集束ずれ条件下では、以下に説明するように、最高５ｍｍまでのビーム径が可能である。

図３は、イオン源の変形実施形態を示している。輪形磁石１０４、陰極１０６、対陰極１０８、陽極１１０、絶縁ベース１０５及び絶縁体１１１，１１２が全て、図１及び図２を参照して上述したのと同様に設けられると共に電気的に接続されている。陽極１１０には貫通接続ピン１１４によって電流が供給され、陰極１０７にはピン１１８によって電流が供給され、磁石１０４及び対陰極１０８にはピン１１９によって電流が供給される。集束電極１２６が対陰極１０８と真空フランジ１０７との間の軸方向空間内に設けられ、この集束電極は、絶縁体１３０により支持されている。集束電極１２６は、貫通接続ピン１３４によって第４の電源（図示せず）に接続され、この貫通接続ピンは、絶縁ベース１０５を貫通している。陽極１１０の内部にプラズマを生じさせるのに望ましい圧力を確立するようガスが管１２２を通って供給される。具体的に理解されるべきこととして、イオン源の好ましい実施形態及び他の全ての実施形態は、１種類又は２種類以上のプロセスガスで利用されるようになっており、これらプロセスガスは、イオン源に導入され、そして先行技術と一致した仕方で且つ当業者の通常の知識の範囲内にある仕方でイオン源によって利用される。対陰極１０８の付近でプラズマシースに当たるイオンは、孔１０９を通って抽出される。対陰極１０８に加わる電位は、当初抽出されたイオンビームのビームプロフィールを向上させるよう陽極１１０の電位に対して調整される。さらに、集束電極１２６に加わる電位は、第４の電源を制御することにより調整され、その結果、抽出されたイオンビームの追加の集束を孔１０９，１４０相互間のギャップ内で且つ孔１４０，１２４相互間のギャップ内で達成できるようになっている。動作電圧範囲は、上述したように、大きくは用途で決まるが、集束電極１２６のための電圧は、代表的には、所望のビームエネルギーの大きさの０〜１／３である（しかしながら、負の極性にある）。例えば、ＴＥＭ試料の調製と関連して利用される場合のある例えば細いビーム用途では、１ｋｅＶでは、集束電極の電圧は、−２ｋＶ〜−１ｋＶにあり、３５０ミクロン〜１ｍｍの選択可能なビーム径を生じさせる。変形例では、太いビーム用途、例えばＳＥＭ試料の調製では、１ｋｅＶにおいて、電圧は、−５００Ｖ〜０Ｖであり、１〜５ｍｍの選択可能なビーム径を生じさせる。孔１２４は、大地電位の状態にあり、この孔は、イオン源１００とイオン源が取り付けられている真空チャンバの残部との間の静電境界部を定める。

当業者であれば理解されるように、対陰極１０８を陰極１０６とは異なる電位で動作させると、その結果として、ペニング放出における電子‐工学ミラー装置の効率が減少し、プラズマを持続させる困難性が高まる。したがって、対陰極１０８と陽極１１０との電位差を抽出ビームプロフィールを最適化する目的で恣意的に減少させることができず、プラズマ放出強度と抽出イオンビームの品質との間の妥協点を見出すために調整されるべきである。かかる妥協点を対陰極１０８に加わる電位の調整に見出した後、集束電極１２６により抽出ビームの角度広がりを更に修正することができる。

本発明は、先行技術のイオン源と比較して或る特定の利点を有する。本発明のイオン源１００は、対陰極１０８の電圧の独立制御を可能にする。その結果、プラズマ発生のために陽極１１０と陰極１０６との間に大きな電圧差が存在しうる。加うるに、抽出ビームプロフィールの向上を可能にするよう小さな電圧差が陽極１１０と対陰極１０８との間に存在しうる。追加の利点として、集束電極１２６に加わる電位をビームエネルギーとは別個独立に変化させることができる。先行技術のペニング型イオン源とは異なり、対陰極１０８と集束電極１２６との間に作られるレンズの強度は、ビームエネルギー設定値（対陰極５８と出力孔７４との間の第２の実施形態の場合と同様）によってもはや厳密に制約されることはなく、むしろ、集束電極１２６に加わる電圧を変化させることによって或る程度制約される。陽極１１０、陰極１０６及び対陰極１０８への別個独立の電気供給により、種々の用途に関し、幅が狭く集束されたビームと幅が広く集束されたビームの両方を含む広範なビームエネルギーにわたりイオンビーム集束を向上させることができる。

集束電極１２６だけに加わる電位の独立制御は、エネルギー範囲全体にわたるビームの恣意的な集束を可能にするが、対陰極１０８を陰極１０６と同一の電位に保つことにより、初期角度広がりの適正な修正を達成するために集束電極１２６に加わる非実用的なほど高い電圧が必要になる場合がある。例えば、集束電極１２６に加わる所望の電圧の大きさは、陽極１１０に印加される電位の数倍になる場合がある。対陰極１０８の電位を陽極１１０に対して調整して初期ビーム広がりを軽減することによって、結果的に得られる弱いレンズを用いることができ、それにより集束電極１２６に加わる低い制御電圧の使用が可能になる。

陽極１１０、陰極１０６、対陰極１０８及び集束電極１２６のための独立電源の使用により、可変エネルギーで小径のイオンビームを生じさせることができる。この低エネルギー集中イオンビームは、電子顕微鏡試料の調製中、損傷を最小限に抑える。しかしながら、具体的に注目されるべきこととして、独立電源は、種々の動作電圧を提供することができ、抵抗型電圧分割器又はトランジスタ回路によって各動作電圧を分割することができ又は共通電源から引き出すことができる。

最後に、本発明の２つの好ましい実施形態を上述したが、当業者であれば、本発明の確信となる精神及び範囲から逸脱することなくこれら実施形態を改造し又は変形することができる。かくして、上述の実施形態は、あらゆる点において、例示であり、本発明を制限するものと解されてはならない。本発明の範囲は、上述の説明ではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて定められ、特許請求の範囲の文言上の意味及びその均等範囲に属するあらゆる変更は、本発明に含まれるものである。

Claims (21)

1. イオン源であって、
   陽極を有し、前記陽極を軸方向に貫通して中空内部領域が長手方向軸線に沿って延びており、
   前記陽極の前記中空内部領域と全体として軸方向に整列した磁界を生じさせる磁石を有し、
   前記長手方向軸線の第一の端部のところに設けられた陰極を有し、前記陰極は、前記陽極に対して電気的に負のバイアスがかけられており、
   第１の孔を有し、前記長手方向軸線に沿って、かつ前記長手方向軸線の第二の端部に整列して配置され、前記陰極と反対側に設けられた対陰極を有し、前記対陰極は、前記陽極、及び前記陰極に対して、別個にかつ独立して、電気的に負にバイアスがかけられており、
   前記陽極、前記陰極、及び前記対陰極は、前記陽極の前記中空内部領域を含む、荷電イオン粒子によって形成されたプラズマとの接触による生成及び集束のためのチャンバを構成し、
   前記イオン源は、
   前記長手方向軸線に沿って配置され、前記対陰極の外側において前記長手方向軸線の前記第二の端部と同心状に配置された第二の孔を有する電極を有し、前記陽極、前記陰極、及び前記対陰極に対して別個にかつ独立して電気的に負にバイアスがかけられており、
   前記陰極、前記対陰極、及び前記電極の前記磁界及び前記バイアスによって、荷電イオン粒子が前記長手方向軸線に沿って前記第１の孔及び前記第２の孔を通過する、集束したビームが形成される、イオン源。
2. 前記中空内部領域と流体連通状態にあるガス源を更に有する、請求項１記載のイオン源。
3. 前記ガスは不活性ガス及び反応性ガスから成る群から選択される、請求項２記載のイオン源。
4. 前記ガスは、アルゴンである、請求項３記載のイオン源。
5. 前記磁石は、永久磁石及び電磁石から成る群から選択される、請求項１記載のイオン源。
6. 前記ガスは、毎分０．１〜２．０標準立方センチメートルの流量で前記中空内部領域中に流される、請求項２記載のイオン源。
7. 前記ガスは、毎分０．２標準立方センチメートルの流量で前記中空内部領域中に流される、請求項６記載のイオン源。
8. 前記イオン源は、１００ｅＶ〜６ｋｅＶの範囲内のエネルギーレベルを有する荷電イオン粒子のビームを生じさせる、請求項１記載のイオン源。
9. 前記ビームエネルギーは、連続的にユーザにより調整可能である、請求項１記載のイオン源。
10. 前記陰極及び前記対陰極のうちの少なくとも一方は、高い透磁率を有する金属で構成されている、請求項１記載のイオン源。
11. 前記対陰極と前記磁石は、同一の電位にある、請求項１記載のイオン源。
12. 前記対陰極及び前記磁石を（ｉ）前記陰極及び（ｉｉ）前記陽極から離隔させている少なくとも１つの絶縁体を更に有する、請求項１１記載のイオン源。
13. 前記少なくとも１つの絶縁体は、前記イオン源内で生じるプラズマから少なくとも部分的に遮蔽されている、請求項１２記載のイオン源。
14. 前記陰極及び前記対陰極のうちの少なくとも一方は、強磁性体で構成されている、請求項１記載のイオン源。
15. 前記陰極は、前記陽極に対して電気的にバイアスがかけられ、バイアス電圧は、−５００〜−１０００Ｖである、請求項１記載のイオン源。
16. 前記対陰極は、前記陽極に対して電気的にバイアスがかけられ、バイアス電圧は、−１００〜−１０００Ｖである、請求項１記載のイオン源。
17. 前記イオン源は、６ｋｅＶ〜１００ｅＶの範囲内のエネルギーレベルを有する荷電イオン粒子のビームを生じさせる、請求項１６記載のイオン源。
18. 前記電極は、前記ビームエネルギーの大きさの０〜１／３の範囲内で選択された動作電圧を有する、請求項１７記載のイオン源。
19. 前記荷電イオン粒子のビームは、３５０ミクロン〜５ｍｍの直径を有する、請求項１記載のイオン源。
20. 前記ビームは、約１００ｅＶのエネルギー及び約１．０ｍｍのビーム径を有する、請求項１７記載のイオン源。
21. 前記ビームは、１ｋｅＶのエネルギー及び２〜５ｍｍのビーム径を有する、請求項１７記載のイオン源。

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