JP6521303B2 - 荷電粒子源 - Google Patents

Description

本発明は、例えば正又は負のイオンビームや電子ビームを射出する荷電粒子源に関するものである。

この種の荷電粒子源としては、荷電粒子ビームを引き出すための引出電極系を有し、この引出電極系が、複数個のビーム引出孔を有する電極板を用いて構成されたものがある。

従来、荷電粒子ビームの大面積化などに伴い、前記電極板も大面積化している。このため、特許文献１、２に示すように、電極板の表面に沿って梁部材を設けて、その機械的強度を大きくし、自重や加工によるたわみや歪みを抑制したものが考えられている。

しかしながら、３枚以上の電極板を荷電粒子ビームの引出方向に配置した引出電極系の場合、両側以外の内側に位置する電極板に梁部材を設けつつ、電極板間の距離（ギャップ長）を所望の値にすることが難しい。なぜならば、前記内側の電極板に梁部材を設けてしまうと、当該梁部材の厚みによって前記ギャップ長が大きくなってしまうからである。そうすると、所望の荷電粒子ビームを引き出すことが難しくなる。

特に、低エネルギー（例えば５ｋｅＶ以下）のイオンビームを効率良く引き出すためには、前記ギャップ長を小さくしなければならない。例えば、数百ｅＶのイオンビームの場合、前記ギャップ長を２ｍｍ程度以下にすることが望ましい。

このようなギャップ長の小さい引出電極系では、前記内側の電極板に梁部材を設けることができず、電極板の大面積化などにより電極板のたわみや歪みを抑制することができない。そうすると、前記ギャップ長を所望の値（例えば２ｍｍ程度以下）にすることが難しく、その結果、イオンビームの大面積化が制約されてしまう。

特開平８−１４８１０４号公報 特願平６−２１５８９５号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、３枚以上の電極板から構成される引出電極系において、各電極板の機械的強度を大きくしつつ、電極板間の距離を所望の値にすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る荷電粒子源は、荷電粒子ビームを引き出すための引出電極系を有する荷電粒子源であって、前記引出電極系が、複数個のビーム引出孔が形成された電極板を、前記荷電粒子ビームの引出方向に沿って３枚以上配置して構成されており、前記各電極板が、少なくとも一方の電極板表面から突出した凸部を有しており、互いに対向する電極板において、一方の電極板の凸部が、他方の電極板側に突出しており、前記他方の電極板の凸部が、前記一方の電極板とは反対側に突出しており、前記他方の電極板の凸部における前記一方の電極板側に、前記一方の電極板の凸部を収容する凹部が形成されていることを特徴とする。

このような荷電粒子源であれば、各電極板に凸部が形成されており、互いに対向する電極板の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に収容されるので、各電極板の機械的強度を大きくしながらも、電極板間の距離（ギャップ長）を所望の値にすることができる。つまり、本発明では、両側に位置する電極板だけでなく、両側以外の内側に位置する電極板に凸部を設けながらも、電極板間の距離を所望の値にすることができる。
したがって、３枚以上の電極板から構成される引出電極系において、電極板を大面積化しても、それら電極板のたわみや歪みを抑制して、ギャップ長を所望の値にすることができる。また、各電極板のたわみや歪みを抑制することにより、各電極板のビーム引出孔の位置ずれを防止することもできる。これにより、荷電粒子ビームを効率良く引き出すことができる。

前記凸部が、前記電極板表面に沿って所定方向に延び設けられていることが望ましい。
この構成であれば、電極板の機械的強度を一層大きくすることができる。具体的には、前記凸部の延伸方向におけるたわみや歪みに対する強度を大きくすることができる。特に、前記凸部が、前記所定方向に沿って前記電極板の一端から他端に亘って延び設けられているものであれば、電極板全体の機械的強度を大きくすることができる。

前記凸部が、前記電極板表面に沿って互いに異なる２つの方向に延び設けられていることが望ましい。
この構成であれば、電極板の機械的強度をより一層大きくすることができる。ここで、前記互いに異なる２つの方向が、互いに直交する方向であることが望ましい。

前記電極板が、平面視概略矩形状をなすものであり、前記凸部が、前記電極板の一辺から当該一辺に対向する辺に亘って延び設けられた梁状凸部と、前記電極板の外周部に沿って延び設けられた枠状凸部とを有することが望ましい。
この構成であれば、梁状凸部が設けられているので、当該延設方向全体の機械的強度を大きくすることができ、たわみや歪みを好適に抑制することができる。また、枠状凸部が設けられているので、電極板全体の機械的強度を大きくすることができる。さらに、梁状凸部を設けることで、電極板を保持する保持枠による支持強度を大きくすることができる。

前記引出電極系が、前記電極板を３枚配置して構成されたものであり、互いに対向する２枚の電極板の凸部が同一方向に突出しており、残りの１枚の電極板が前記２枚の電極板に対して前記凸部の突出方向とは反対側に配置されており、当該残りの１枚の電極板の凸部が前記２枚の電極板の凸部とは逆方向に突出していることが望ましい。
この構成であれば、３枚の電極板の凸部を同一方向に突出させた場合に比べて、各電極板の凸部の形状をコンパクトにしてビーム引出領域を狭めることなく、その断面積を大きくすることができ、電極板の機械的強度を大きくすることができる。
なお、３枚の電極板の凸部を同一方向に突出させた場合には、外側一方の電極板（１枚目の電極板）の凹部に、真ん中の電極板（２枚目の電極板）の凸部が収容され、当該２枚目の電極板の凹部に、外側他方の電極板（３枚目の電極板）の凸部が収容されることになる。この構成では、１枚目の電極板の凸部の断面積と、２枚目の電極板の凸部の断面積が、それらに形成された凹部に小さくなってしまう。また、３枚目の電極板の凸部の断面積も、２枚目の電極板の凹部のサイズに制限されて小さくなってしまう。

また従来、電極板に冷却パイプをロー付け等で固定した構成があるが、上述の梁部材と同様に、内側の電極板には冷却パイプを設けることができず、冷却を行うことができない。このため、熱膨張による電極板のたわみや歪みが発生して、ギャップ長が変化するだけでなく、各電極板のビーム引出孔の位置ずれが生じてしまう。
この問題を好適に解決するためには、前記凸部の内部に、冷却用媒体が流通する冷媒流路が形成されていることが望ましい。
この構成であれば、凸部の構成を生かして冷媒流路を無理なく設けることができる。また、電極板を冷却することにより、熱膨張による電極板のたわみや歪みを抑制することができ、ギャップ長を所望の値に保つことができ、各電極板のビーム引出孔の位置ずれを防止して、荷電粒子ビームを効率良く引き出すことができる。

このように構成した本発明によれば、各電極板に凸部が形成されており、互いに対向する電極板の一方に形成された凸部が他方に形成された凹部に収容されるので、各電極板の機械的強度を大きくしながらも、電極板間の距離を所望の値にすることができる。

本実施形態のイオン源の構成を模式的に示す断面図。 同実施形態の引出電極系の構成を模式的に示す平面図。 同実施形態の引出電極系の構成を模式的に示す断面図。 引出電極系の変形例を模式的に示す断面図。 引出電極系の変形例を模式的に示す断面図。 引出電極系の変形例を模式的に示す断面図。 引出電極系の変形例を模式的に示す平面図。 引出電極系の変形例を模式的に示す断面図。

以下に本発明に係る荷電粒子源のうちイオン源の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態のイオン源１００は、いわゆるバケット型イオン源と呼ばれるものであり、例えば、イオンビームスパッタリング装置、イオンビームアシスト装置、イオンリミング装置、イオンドーピング装置、イオンビームラビング装置等に用いられるものである。

具体的にこのイオン源１００は、例えば５ｋｅＶ以下の低エネルギーイオンビームを射出するものであり、図１に示すように、プラズマ生成容器１と、当該プラズマ生成容器１内に原料ガスを供給する原料ガス供給部２と、前記プラズマ生成容器１に絶縁支持体３を介して設けられたフィラメント４と、前記プラズマ生成容器１の外面に設けられてカスプ磁場を形成するマグネット５と、前記プラズマ生成容器１の一面に設けられた引出電極系６とを備えている。なお、図１において、フィラメント４に接続される電源回路及び引出電極系６に接続される電源回路は省略している。

このイオン源１００では、前記フィラメント４から放出された熱電子が、前記プラズマ生成容器１内に供給された原料ガスに衝突して、プラズマが生成される。このプラズマは、マグネット５のカスプ磁場によりプラズマ生成容器１内に閉じ込められるとともに、その一部が引出電極系６によりリボン状のイオンビームＩＢとして引き出される。

そして、引出電極系６は、図１に示すように、複数個のビーム引出孔６１Ｈが形成された３枚の電極板６１を、イオンビームＩＢの引出方向に沿って配置して構成されている。なお、各電極板６１は、その主面がイオンビームＩＢの引出方向に直交している。

本実施形態では、イオンビームＩＢの引出方向に沿って、加速電極６１ａとなる電極板６１、引出電極６１ｂとなる電極板６１及び接地電極６１ｃとなる電極板６１が、この順に配置されている。

各電極板６１は、図２に示すように、平面視概略矩形状をなす平板状のものであり、その外周部が保持枠６２によって互いに絶縁された状態で保持される。このとき、３枚の電極板６１のビーム引出孔６１Ｈは平面視において一致している。また、各電極板６１における前記外周部６１Ｘよりも内側部分が前記ビーム引出孔６１Ｈの形成領域（ビーム引出領域）６１Ｙとなる。なお、ビーム引出孔６１Ｈは図示される丸孔に限らず、長孔や楕円形状の孔でも良い。

また、各電極板６１は、図３に示すように、少なくとも一方の電極板表面から突出した複数の凸部６１１を有している。ここで、前記電極板表面とは、イオンビームＩＢの引出方向に直交する主面であり、本実施形態では、複数の凸部６１１は、各電極板６１のビーム引出領域６１Ｙ内に形成されている。なお、各電極板６１において、凸部６１１が形成された部分以外は平板部であり、当該平板部に複数個のビーム引出孔６１Ｈが形成されている。

前記凸部６１１は、電極板６１に一体形成されたものであり、前記電極板表面から電極板６１の厚み方向外側に突出している。本実施形態では、電極板６１の厚み方向がイオンビームＩＢの引出方向と同じであり、凸部６１１は、イオンビームＩＢの引出方向に沿って突出したものとなる。

また、前記凸部６１１は、前記電極板表面に沿って所定方向に延び設けられており、平面視において長尺形状（長手方向を有する形状）をなすものである。具体的に凸部６１１は、前記所定方向に沿って電極板６１の一端から他端に亘って延びている。本実施形態の凸部６１１は、長手方向において等間隔に複数設けられており、長手方向に直交する短手方向に沿って、一方の長辺から当該一方の長辺に対向する他方の長辺に亘って連続して延びている。

しかして本実施形態では、図３に示すように、互いに対向する２枚の電極板６１（加速電極６１ａ及び引出電極６１ｂ）の凸部６１１が同一方向に突出しており、残りの１枚の電極板６１（接地電極６１ｃ）の凸部６１１が、加速電極６１ａ及び引出電極６１ｂの凸部６１１とは逆方向に突出している。

具体的には、加速電極６１ａ及び引出電極６１ｂの凸部６１１は、接地電極６１ｃとは反対側、つまり、引出方向とは逆方向に突出している。なお、引出電極６１ｂにおける接地電極６１ｃとの対向面は平面状をなしている。

また、接地電極６１ｃの凸部６１１は、引出電極６１ｂとは反対側、つまり、引出方向に突出している。なお、接地電極６１ｃにおける引出電極６１ｂとの対向面は平面状をなしている。

ここで、互いに対向する加速電極６１ａと引出電極６１ｂとの関係に着目すると、引出電極６１ｂの凸部６１１が、加速電極６１ａとの対向側、つまり加速電極６１ａ側に突出している。また、加速電極６１ａの凸部６１１が、引出電極６１ｂとの対向側とは反対側、つまり、引出電極６１ｂとは反対側に突出している。

そして、加速電極６１ａの各凸部６１１における引出電極６１ｂとの対向側、つまり、引出電極６１ｂ側（凸部６１１の裏面側）には、引出電極６１ｂの凸部６１１を収容する凹部６１２が形成されている。この凹部６１２は、前記引出電極６１ｂの凸部６１１に対応して形成された溝状をなすものであり、凸部６１１と同様に、前記所定方向に沿って電極板６１の一端から他端に亘って延び設けられている。

ここで、引出電極６１ｂの凸部６１１は、加速電極６１ａの凹部６１２の内部に当該凹部６１２の内面から離間した状態で収容される。このとき、凸部６１１の外面と凹部６１２の内面との離間距離は、空間絶縁を確保できる距離であれば良い。本実施形態の前記離間距離は、前記ビーム通過孔６１Ｈが形成された平板部間の距離（ギャップ長）以上としている。

このような構成により、引出電極系６の平面視において、各電極板６１の凸部６１１は、互いに重なる位置に設けられる（図２等参照）。また、凸部６１１の延設方向に直交する側面視において、加速電極６１ａの凸部６１１及び引出電極６１ｂの凸部６１１は、互いに重なる位置に設けられる（図３参照）。

さらに本実施形態では、図２及び図３に示すように、前記凸部６１１の内部に、冷却用媒体が流通する冷媒流路６１Ｓが形成されている。この冷媒流路６１Ｓは、凸部６１１の延設方向に沿って電極板６１の一端から他端に亘って延び設けられている。本実施形態では、凸部６１１の内部に、直管状の冷却パイプ６３を配置して、冷媒流路６１Ｓを形成している。なお、引出電極６１ｂの凸部６１１に設けられた冷却パイプ６３は、加速電極６１ａの凹部６１２の内部に、その一部又は全部が位置している（図３参照）。

各凸部６１１に設けられた冷却パイプ６３は、冷媒供給源（不図示）に対して、電極板６１毎に互いに直列接続されても良いし、並列接続されても良い。また、前記冷却パイプ６３は、冷媒供給源に対して、電極板６１の区別なく互いに直列接続しても良いし、並列接続しても良い。

このように構成した荷電粒子源１００によれば、加速電極６１ａ、引出電極６１ｂ及び接地電極６１ｃとなる各電極板６１に凸部６１１が形成されており、引出電極６１ｂの凸部６１１が加速電極６１ａの凹部６１２に収容されるので、各電極板６１の機械的強度を大きくしつつ、電極板６１間の距離を所望の値にすることができる。
したがって、電極板６１を大面積化しても、その電極板６１のたわみや歪みを抑制して、ギャップ長を所望の値にすることができる。また、各電極板６１のたわみや歪みを抑制することにより、各電極板６１のビーム引出孔６１Ｈの位置ずれを防止することもできる。これにより、イオンビームＩＢを効率良く引き出すことができる。

また、凸部６１１が、所定方向に沿って電極板６１の一端から他端に亘って延び設けられているので、前記所定方向全体の機械的強度を大きくすることができる。

さらに、加速電極６１ａ及び引出電極６１ｂの凸部６１１の突出方向と、接地電極６１ｃの凸部６１１の突出方向とを互いに逆向き（外側を向いた逆向き）としているので、３枚の電極板６１の凸部６１１を同一方向に突出させた場合に比べて、各電極板６１の凸部６１１の形状をコンパクトにしてビーム引出領域６１Ｙを狭めることなく、その断面積を大きくすることができ、電極板６１の機械的強度を大きくすることができる。

その上、凸部６１１の内部に冷媒流路６１Ｓを設けているので、凸部６１１の構成を生かして冷媒流路６１Ｓを無理なく設けることができる。また。電極板６１を冷却することにより、熱膨張による電極板６１のたわみや歪みを抑制することができ、ギャップ長を所望の値に保つことができ、各電極板６１のビーム引出孔６１Ｈの位置ずれを防止して、イオンビームＩＢを効率良く引き出すことができる。

ここで、電極板６１の材料（例えばモリブデン等）と冷却パイプ６３（例えばステンレス製）との材質が異なると熱膨張係数の差により、応力が発生して電極板６１にたわみが発生することがあるが、前記凸部６１１による機械的強度の向上により、このたわみを抑制することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、加速電極６１ａ及び引出電極６１ｂの凸部６１１と、接地電極６１ｃの凸部６１１とが逆方向に突出したものであったが、加速電極６１ａの凸部６１１と、引出電極６１ｂ及び接地電極６１ｃの凸部６１１とが逆方向に突出したものであっても良い。この場合、接地電極６１ｃに凹部が形成されて、当該凹部に引出電極６１ｂの凸部６１１が収容される構成となる。

また、前記実施形態では、凸部６１１を電極板６１に一体形成したものであったが、電極板６１とは別部材の凸部形成部材を電極板表面に貼り付けて凸部６１１を形成しても良い。この場合、凸部形成部材を、例えば真空ロー付けにより電極板６１に貼り付けることが考えられる。

さらに、前記実施形態では、凸部６１１の内部に凸部６１１とは別の冷却パイプ６３を設けることにより冷媒流路６１Ｓを形成しているが、凸部６１１の内部に貫通孔を形成することにより冷媒流路を形成しても良い。

前記凸部６１１としては、図４に示すように、電極板表面に冷却パイプ６３を例えばロー付け等の溶接により接合させることによって、当該冷却パイプ６３を凸部６１１として機能させても良い。また前記凸部６１１は、電極板を折り曲げることにより、凹部６１２とともに形成したものであっても良い。

また、前記凸部６１１は、電極板６１の一辺から当該一辺に対向する辺に亘って連続的に延び設けられたものの他、電極板６１の一辺から当該一辺に対向する辺の間に部分的に又は間欠的に延び設けられたものであっても良い。

凸部の形状に関して言うと、前記実施形態では断面輪郭形状が矩形状をなすものであったが、三角形状等の多角形状、部分円形状や部分楕円形状等の曲線形状であっても良いし、直線及び曲線を組み合わせた形状であっても良い。

凹部の形状に関して言うと、前記実施形態では、断面輪郭形状が矩形状をなすものであったが、前記凸部の形状に対応して、三角形状等の多角形状、部分円形状や部分楕円形状等の曲線形状であっても良いし、直線及び曲線を組み合わせた形状であっても良い。また、凹部の形状は、収容する凸部との間で空間絶縁を保つ形状であれば良く、凹部が、矩形状の凸部に対して、部分円形状をなす等のように、凸部の形状に対応しないものであっても良い。

また、図５に示すように、３枚の電極板６１に形成された凸部６１１を同一方向に突出させたものであっても良い。この場合、突出方向前方に位置する電極板６１には、突出方向後方に位置する電極板６１の凸部６１１を収容する凹部６１２が形成される。図５では、接地電極６１ｃの凹部６１２に引出電極６１ｂの凸部６１１が収容され、引出電極６１ｂの凹部６１２に加速電極６１ａの凸部６１１が収容される構成である。

前記実施形態では、各電極板６１に形成された複数の凸部６１１は同一方向に突出したものであったが、図６に示すように、各電極板６１において複数の凸部６１１が、両側の電極板表面からそれぞれ突出したものであって良い。なお、両側の電極板表面から突出する凸部は平面視において互いに対向する位置に設けられても良いし、平面視において互いに異なる位置に設けられても良い。

この場合、内側に位置する電極板６１（引出電極６１ｂ）の凸部６１１の突出方向に合わせて、両側に位置する電極板６１（加速電極６１ａ及び接地電極６１ｃ）に凹部６１２が形成される。

より詳細には、図６の左側部分では、引出電極６１ｂの凸部６１１が、加速電極６１ａ側に突出しているので、加速電極６１ａの凸部６１１は、引出電極６１ｂとは反対側に突出しており、また、当該加速電極６１ａの凸部６１１の裏面側に凹部６１２が形成される。図６の左側部分では、接地電極６１ｃの凸部６１１は、引出電極６１ｂとは反対側に突出している。なお、接地電極６１ｃの凸部６１１が引出電極６１ｂ側に突出している場合には、引出電極６１ｂの凸部６１１の裏面側に凹部が形成されることになる。

一方、図６の右側部分では、引出電極６１ｂの凸部６１１が接地電極６１ｃ側に突出しているので、接地電極６１ｃの凸部６１１は、引出電極６１ｂとは反対側に突出しており、また、当該接地電極６１ｃの凸部６１１の裏面側に凹部６１２が形成される。図６の右側部分では、加速電極６１ａの凸部６１１は、引出電極６１ｂとは反対側に突出している。なお、加速電極６１ａの凸部６１１が引出電極６１ｂ側に突出している場合には、引出電極６１ｂの凸部６１１の裏面側には凹部が形成されることになる。

前記凸部は、電極板表面のビーム引出領域において互いに異なる２方向に延設させても良い。この場合、前記凸部を互いに直交する２方向に格子状に延設させることが望ましい。この構成により、電極板の機械的強度をより一層大きくすることができる。

また、前記凸部として、図７に示すように、電極板６１の一辺から当該一辺に対向する辺に亘って延び設けられた梁状凸部６１１ｍ（前記実施形態の凸部に対応）と、前記電極板６１の外周部に沿って延び設けられた枠状凸部６１１ｎとを有することが望ましい。
この構成であれば、梁状凸部６１１ｍが延び設けられているので、その延設方向全体の機械的強度を大きくすることができ、たわみや歪みを好適に抑制することができる。また、枠状凸部６１１ｎが延び設けられているので、電極板全体の機械的強度を大きくすることができる。さらに、この枠状凸部６１１ｎにより、電極板６１を保持する保持枠（図７では不図示）による支持強度を大きくすることができる。

その上、前記実施形態では、引出電極系が３枚の電極板から構成されるものであったが、図８に示すように、４枚以上の電極板６１をイオンビームの引出方向に沿って配置して構成したものであっても良い。なお、図８は、４枚構成の電極板６１において、３つの凹凸パターン（Ａ）〜（Ｃ）を示している。この場合であっても、前記実施形態と同様にして、ギャップ長を小さくしつつ、各電極板の機械的強度を大きくすることができる。

前記実施形態はイオン源について説明したが、電子ビームを射出する電子源等のその他の荷電粒子源に適用することができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・イオン源（荷電粒子源）
ＩＢ ・・・イオンビーム（荷電粒子ビーム）
６ ・・・引出電極系
６１ ・・・電極板
６１ａ・・・加速電極
６１ｂ・・・引出電極
６１ｃ・・・接地電極
６１Ｈ・・・ビーム引出孔
６１１・・・凸部
６１Ｓ・・・冷媒流路
６３ ・・・冷却パイプ

Claims (7)

1. 荷電粒子ビームを引き出すための引出電極系を有する荷電粒子源であって、
   前記引出電極系が、複数個のビーム引出孔が形成された電極板を、前記荷電粒子ビームの引出方向に沿って３枚以上配置して構成されており、
   前記各電極板が、少なくとも一方の電極板表面から突出した凸部を有しており、
   互いに対向する電極板において、一方の電極板の凸部が、他方の電極板側に突出しており、前記他方の電極板の凸部が、前記一方の電極板とは反対側に突出しており、
   前記他方の電極板の凸部における前記一方の電極板側に、前記一方の電極板の凸部を収容する凹部が形成されている荷電粒子源。
2. 前記凸部が、前記電極板表面に沿って所定方向に延び設けられている請求項１記載の荷電粒子源。
3. 前記凸部が、前記所定方向に沿って前記電極板の一端から他端に亘って延び設けられている請求項２記載の荷電粒子源。
4. 前記凸部が、前記電極板表面に沿って互いに異なる２つの方向に延び設けられている請求項１乃至３の何れか一項に記載の荷電粒子源。
5. 前記電極板が、平面視概略矩形状をなすものであり、
   前記凸部が、前記電極板の一辺から当該一辺に対向する辺に亘って延び設けられた梁状凸部と、前記電極板の外周部に沿って延び設けられた枠状凸部とを有する請求項４記載の荷電粒子源。
6. 前記引出電極系が、前記電極板を３枚配置して構成されたものであり、
   互いに対向する２枚の電極板の凸部が同一方向に突出しており、残りの１枚の電極板が前記２枚の電極板に対して前記凸部の突出方向とは反対側に配置されており、当該残りの１枚の電極板の凸部が前記２枚の電極板の凸部とは逆方向に突出している請求項１乃至５の何れか一項に記載の荷電粒子源。
7. 前記凸部の内部に冷却用媒体が流通する冷媒流路が形成されている請求項１乃至６の何れか一項に記載の荷電粒子源。