JPH01313897A - 高速原子線源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低エネルギーの収束性高速原子線を効率よく
発生させる線源に係り、特に半導体、金属、絶縁物から
構成されるＬＳＩ用材料に、電子素子パターンをスパッ
タエツチングで作製する場合や、絶縁物の組成分析を行
う場合等に用いて好適な高速原子線源に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体、金属、絶縁物から構成されるＬＳＩ用材
料に、電子素子パターンをスパッタエツチングで作製す
る場合や、絶縁物の組成分析を行う時に、これまではイ
オンビームを用いていたが、イオンの電荷が絶縁物表面
に帯電して、加工や分析の妨害となっていた。しかしイ
オンの替わりに、電荷を有しない高速原子線を用いれば
、帯電に起因するトラブルが回避され、加工精度、分析
の信頼性の向上が期待されるため、その線源が開発され
ている。

ここで、常温大気中で熱運動している原子は、概ね０．
０５　ａ　ｖ前後の運動エネルギーを有している。

これに比べて遥かに大きな運動エネルギーで飛翔する原
子を「高速原子」と呼び、それが一方向にビーム状に流
れる場合に「高速原子線」と言う。

従来発表されている、気体原子の高速原子線を発生する
高速原子線源のうち、運動エネルギーが０．５〜］ＱＫ
ｅＶのアルゴン原子を放射する高速原子線源の一例を、
第２図に示す。図中、１は円筒形の陰極、２はドーナツ
ツ状の陽極、３は０．５〜１０ｋＶの直流高圧電源、４
はガス供給管、５はアルゴンガス、６はプラズマ、７は
高速原子線８の放出孔である。この高速原子線源の動作
は以下のとおりである。

直流高圧電源３以外の構成要素を真空容器に入れ十分に
排気した後、ガス供給管４からアルゴンガス５を円筒形
陰極１の内部に注入する。ここで直流高圧電源３によっ
て、陽極２が正電位、陰極１が負電位となるように、直
流高電圧を印加する。

これで陰極１・陽極２間にグロー放電が起き、プラズマ
６が発生し、アルゴンイオンと電子が生成される。さら
にこの放電において、円筒形陰極１の底面から放出する
電子は、陽極２に向かって加速され、陽極２の中央の孔
を通過して、円筒形陰極１の反対側の底面に達し、ここ
で速度を失って反転し、あらためて陽極２に向かって加
速され始める。このように電子は陽極２の中央の孔を介
して、円筒形陰極１の両方の底面間を高周波振動し、そ
の間にアルゴンガス５に衝突して、多数のアルゴンイオ
ンを生成する。こうして発生したアルゴンイオンは、円
筒形陰極１の底面に向かって加速され、十分な運動エネ
ルギーを得るに到る。この運動エネルギーは、陽極２・
陰極１間の放電維持電圧が、例えば１ｋＶのときは、１
ｋｅＶ程度の値となる。円筒形陰極１の底面近傍の空間
は高周波振動をする電子の折り返し点であって、低エネ
ルギーの電子が多数存在する空間である。この空間に入
射したアルゴンイオンは電子と再結合してアルゴン原子
に戻る。この、イオンと電子の衝突において、電子の質
量がアルゴンイオンに比べて無視できる程に小さいため
に、アルゴンイオンの運動エネルギーは殆ど損失せずに
そのまま原子に受は継がれて高速原子となる。したがっ
て、この場合の高速原子の運動エネルギーは、１ｋｅＶ
程度である。この高速原子は円筒形陰極１の一方の底面
に穿之れ次数出孔１から高速原子線８となって放出する
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の高速原子線源では、プ
ラズマ６が円筒形陰極１の内部いっばいに広がってしま
うために、陽極２から放出孔７に向かうアルゴンイオン
を収束することが困難であり、したがって収束性の高速
原子線８を発生させることが出来なかった。

したがって、本発明は上述したような従来の問題点を解
決し、高い収束性を有する高速原子線を発生させること
ができる高速原子線源を提供することを目的とするもの
である。

〔課題を解決する念めの手段〕

本発明は上記目的を達成するために、純鉄製の針状陽極
と、この針状陽極に対向して配置され中央にイオン中性
化用ノズルが前記針状陽極に対応して設けられその周囲
に多数の小孔が形成された純鉄製の第１陰極と、この第
１陰極の前記針状陽極とは反対側に近接して対向配置さ
れた第２陰徳と、前記第１陰極のイオン中性化用ノズル
にガスを供給するガス供給管と、前記針状陽極と前記第
１陰極の間に介挿された磁石と、前記針状陽極に正の高
電圧を印加する第１の直流電源と、前記第２陰極に負の
高電圧を印加する第２の直流電源とで構成したものであ
る。

〔作用〕

本発明において、針状陽極とイオン中性化用ノズル間の
空間に放電が起きグローが発生する。このグロー放電で
生成されたイオンは前記ノズルに向って加速され該ノズ
ル内に入る。ノズルにはガスが供給さｎており、このガ
スと前記イオンとが接触すると、イオンが電荷を失い、
中性の原子に戻る。この時、イオンの運動エネルギーは
そのまま中性の原子に受は継がれて高速の原子線となり
、ノズルから外に放出される。したがって、このノズル
から放出された高速原子線は、ノズルの内径程度に収束
されており、高い収束性を有する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係る高速原子線源の一実施例を示す一
部破断斜視図である。図中、２１は純鉄製の針状陽極、
２２は純鉄製の第１陰極で、この第１陰極２２は円板状
に形成されて多数の小孔２４が形成されると共に、中央
に純鉄製のイオン中性化用ノズル２３が前記針状陽極２
１方向に向って突設されている。２５は第１陰極２２の
前記針状陽極２１とは反対側に近接対向して配設された
円板状の第２陰極、２６は前記イオン中性化用ノズル２
３にアルゴンガス、酸素ガス等を供給するためのガス供
給管、２７は前記針状陽極２１と第１陰極２２の間に介
挿された円筒状の非金属磁石で、この磁石２Ｔは針状陽
極２１側端がＮ極に、反対側端がＳ極にそれぞれ着磁さ
れ、前記針状陽極２１とイオン中性化用ノズル２３の間
に強い磁界を印加している。２８は針状陽極２１に正の
高電圧を印加する第１の直流電源、２９は第２陰極２５
に負の高電圧を印加する第２の直流電源である。なお、
第１陰極２２は接地されている。

次に、このような構成からなる高速原子線源の動作につ
いて説明する。

第１．第２の直流電源２８．２９以外の要素を真空容器
（図示せず）に収めて充分に排気する。

ガス供給管２６を通して例えば酸素ガス３０をイオン中
性化用ノズル２３の内部に注入する。酸素ガス３０は拡
散して針状陽極２１・第一陰極２２間の空間および第−
陰極２２・第二陰極２５間の空間を満たす。これによっ
て、針状陽極２トイオン中性化用ノズル２３間の空間お
よび第一陰極２２・第二陰極２５間の空間に放電が起き
グローが発生する。この放電で針状陽極２トイオン中性
化用ノズル２３間の空間に生成さｎた酸素イオンはイオ
ン中性化用ノズル２３に向かって加速され、イオン中性
化用ノズル２３に入る。磁石２Ｔによって針状陽極２ト
イオン中性化用ノズル２３間に印加される磁界は、電界
にほぼ平行である。

よって、グロー中の電子は磁力線に絡みつくように運動
し、針状陽極２トイオン中性化用ノズル２３の中心軸付
近に高濃度に酸素イオンが発生し、収束した酸素イオン
ビームがイオン中性化用ノズル２３に入ることになる。

イオン中性化用ノズル２３の内部は酸素ガスで満たされ
ていて、酸素イオンは酸素ガスと接触して電荷を失い中
性の酸素原子にもどる。酸素イオンと酸素ガスの接触は
、酸素イオンの運動エネルギーが大幅に変わってしまう
程激しいものではないので、酸素イオンの運動エネルギ
ーがそのまま中性の酸素原子に受は継がれて、高速の酸
素原子線が誕生する。このようにして酸素高速原子線が
生成されて、イオン中性化用ノズル２３から外に放出さ
れる。これでイオン中性化用ノズル２３の内径程度に収
束した酸素高速原子線が得られる。

第一陰極２２・第二陰極２５間に発生したグローによっ
て生成された電子は、第一陰極２２の多数の小孔２４を
通って針状陽極２トイオン中性化用ノズル２３間の空間
に入り、放電を助長し放電の効率を高める。また針状陽
極２トイオン中性化用ノズル２３間の空間の磁界によっ
て、電子の発散が防止されるから、さらに放電の効率が
高められる。なお、第二陰極２５が第一陰極２２に接近
して設置されているために、直流高圧電源２９の電圧は
、直流高圧電源２８はど高くなくてよい。

イオン中性化用ノズル２３の内部にガスが注入されるた
めに、この部分の酸素ガス濃度が高められ、イオンから
高速原子への変換が効率的になされる。なお、ガス供給
管２６から注入するガスがアルゴンの時には、アルゴン
高速原子線が発生する。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係る高速原子線源によれば、
第１陰極のイオン中性化ノズル内で高速の原子線を誕生
させ、これを該ノズルかう外に放出させているため、こ
の放出された高速原子線はノズルの内径程度に収束され
た高い収束性を有し、高速のイオンビームと同様に、ス
パッメ蒸着による薄膜形成、スパッタエツチングによる
微細パターン加工、二次イオン質量分析による材料評価
に利用することができる。特に、高速原子線は非荷電性
であるために、金属、半導体ばかりでなく、イオンビー
ム法が不得意とするプラスチックス。

セラミックスなどの絶縁物を対象とする場合にも威力が
ある。その意味において、これまで高速原子線では実現
の難しかった収束性高速原子線源の提案は、微小領域の
加工９分析に非常に有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す一部破断斜視図、第２
図は従来の高速原子線源の一部破断斜視図である。 １・・・・円筒形陰極、２・・・・ドーナツツ状陽極、
３・・・・直流高圧電源、４・・・・ガス供給管、６・
・・・プラズマ、７・・・・放出孔、８・・・・高速原
子線、２１・・・・針状陽極、２２・・・・第１陰極、
２３・・・・ノズル２４・・・・小孔、２５・・・・第
２陰極、２６・・・・ガス供給管、２Ｔ・・・・磁石、
２８・・・・第１の直流電源、２９・・・・第２の直流
電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　純鉄製の針状陽極と、この針状陽極に対向して配置さ
   れ中央にイオン中性化用ノズルが前記針状陽極に対応し
   て設けられその周囲に多数の小孔が形成された純鉄製の
   第１陰極と、この第１陰極の前記針状陽極とは反対側に
   近接して対向配置された第２陰極と、前記第１陰極のイ
   オン中性化用ノズルにガスを供給するガス供給管と、前
   記針状陽極と前記第１陰極の間に介挿された磁石と、前
   記針状陽極に正の高電圧を印加する第１の直流電源と、
   前記第２陰極に負の高電圧を印加する第２の直流電源と
   を備えたことを特徴とする高速原子線源。