JPH04104433A - イオン源 - 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−１−の利用分野］ 本発明はイオン源、特に電子ビーム励起型イオン源に関
するものである。

［従来の技術］ 従来、電子ビームとイオン化物質との相互作用によりプ
ラズマを生成し、比較的高密度で集束性のよいイオンビ
ームを得るイオン源として第４図に示すような電子ビー
ム励起型イオン源がある。

このイオン源では、電子銃室８内に設けられ、中心部に
細孔（図示せず）を有するカソードｌから射出された電
子ビームｌＯが引き出し電極３及びアノード４に与えら
れた電位によって２段加速されてプラズマ生成室６に突
入し、イオン化物質導入口９から導入されたイオン化物
質を電磁レンズ５により集束された電子ビームｌＯが衝
突電離することによりプラズマを生成している。そして
このプラズマから、引き出し電極３とアノード４の電位
差にしたがってイオンを引き出し、カソードｌ近辺で最
もよく集束させて疑似的な点光源を形成し、イオンビー
ム１２を得ている。従って、このイオン源ではカソード
１．ウェネルト２．引き出し電極３、アノード４間にか
かる電界を用いて電子ビームを発生・加速するとともに
イオンビームを引き出し、これを加速している。引き出
し電極３に印加される引き出し電圧は電子ビーム電流の
最大値とイオンビーム電流量を決定する。図中、１３．
１４は排気口、１５は引き出し電源、１６は加速電源、
１７はバイアス電源、２０はターゲットである。

比較的高密度で集束性のよいイオンビームを達成するに
は、イオン出射点の輝度が高いこと、イオン引き出しに
おいて引き出し電極等の電極形状及び印加電圧が適当で
あること、そしてイオンの空間電荷を中和することなど
が必要である。

高輝度を得るにはプラズマを高密度させる必要があり、
これには電子ビームを高電流密度にすること、及び磁場
を印加してプラズマ中の荷電粒子の損失を抑え、プラズ
マを閉じ込めることが有効な手段である。そして電子ビ
ームの高電流密度化はイオンの空間電荷の中和を効果的
に促進する。

電子ビームを高電流密度化する手段としては、電子ビー
ムの加速電圧を高くして多量の電子ビームを引き出すと
ともにウェネルト２などの電極を電子ビームに対して集
束性のよい構造とする必要かある。また、プラズマを閉
じ込めるにはミラー磁場、多極磁場などの磁場配位を形
成することが有効である。

一方、プラズマから比較的多量で集束性のよいイオンを
引出す条件を考えた場合、アノード４゜引き出し電極３
．ウェネルト２．カソードｌで構成されるイオン引き出
し系の電極群の形状、及び印加電圧をプラズマ密度など
の条件に合わせて最適化しなければならない。特にプラ
ズマ電位、アノード及び引き出し電極の電位差はプラズ
マのシース面形状を決定するために、イオンビームの光
学的特性に与える影響は犬である。

従って、比較的高密度で集束性のよいイオンビームを得
るには、イオンビームのみならず電子ビームに対しても
集束性のよいイオン引き出し系及びプラズマを閉じ込め
る磁場配位を構成するとともにプラズマ電位、アノード
及び引き出し電極の電位差を精度よく制御することが必
要である。

また、パルスビームを発生可能なイオンビーム装置は従
来より数多く発表されており、それらは数ｐｍの微細ビ
ーム径が得られるものと、アンペア級の大電流が得られ
るものに大別されるが、微細加工に用いることができる
ような集束性がよく、しかも比較的大電流がとれるもの
は見当らない（日本学術振興会第１３２委員会編、［電
子・イオンビームハンドブック第２版」、　２５６頁参
照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の電子ビーム励起型イオン源では前記したように電
子ビームの引き出し・加速とイオンビームの引き出し・
加速に同一の電界を用いており、電子ビームとイオンビ
ームの進行方向が相対しているために、電子ビームに対
して集束性のある電界はイオンビームに対しては発散性
となる。従って、従来の電子ビーム励起型イオン源の電
極構造では、電子ビーム軌道と、イオンビーム軌道との
それぞれを独立に制御することはできず、従って高電流
密度の電子ビームを得ることと、最適なイオンビームを
引き出すことを同時に達成することは困難であった。ま
た、電磁レンズ５によりプラズマに印加される磁界は電
子ビームを制御するためのものであり、積極的にプラズ
マを閉じ込めることは行っていないため、プラズマの損
失が大きく、プラズマ密度が低いという欠点があった。

また、シース面形状を制御するためには前記したように
、引き出し電圧及びプラズマ電位をする必要があるが、
引き出し電圧を変化させると、他の電子銃パラメータも
変化してしまう。例えば、電子ビーム加速電圧を一定と
した場合、イオン引き出しの条件を最適化するには引き
出し電圧をより高くすることか望ましいが、電子ビーム
引き出しの要因であるカソードと引き出し電極の電位差
が少なくなり、最大電子ビーム電流が低く抑えられると
ともに電子ビームに対する光学系に変化をきたしてしま
うことになり、プラズマ密度などのプラズマ特性も変化
してしまうことになる。従って、プラズマ生成条件を一
定に保ったままイオーン電流やイオンビーム引き出しに
おｌづる光学特性を変化させることは実質的に不可能で
あった。特に、プラズマ電位はグロー放電、アーク放電
などの一般的な放電ではその放電条件によって決定され
てしまうために、それを積極的に制御することは不可能
であった。

また、ｒｉｉｊ記したように従来のパルスイオンビーム
装置では、大電流がとれるものはビーム径が数胴〜ｌｏ
ｍと大きく、数ｌＬｍの微細ビームを達成できるものは
電流値か小さいという欠点があった。

本発明は−１−述した欠点に鑑みてなされたもので、比
較的大電流の集束性のよいイオンビームを得るために、
集束性のよい電子ビームを形成するとともにプラズマを
閉じ込めて高密度プラズマを得ると同時に、電子ビーム
軌道とイオンビーム軌道のそれぞれを高精度にしかも独
立に制御しつる新規な構造の電子ビーム励起型イオン源
を提供することを目的とする。

また、集束性が良く、しかも加工に用いることかできる
程度の電流を保持したパルスイオンビームを形成可能な
電子ビーム励起型イオン源を提供することを目的とする
。

［課題を解決するだめの手段］ 前記目的を達成するため、本発明のイオン源においては
、プラズマ生成室と、電子銃と、複数の磁界発生手段と
を有する電子ビーム励起型イオン源であって、 プラズマ生成室は、イオン化気体が導入されるものであ
り、 電子銃は、カソードとウェネルトと引き出し電極とアノ
ードとからなり、プラズマ生成室のイオン化気体に照射
してプラズマを生成させる電子ビームを出射し、かつプ
ラズマ室のプラズマからのイオンビームを室外に引出す
ものであり、複数の磁界発生手段は、電子ビームの軌道
、イオンビームの軌道を制御し、かつプラズマ生成室に
プラズマを閉じ込める機能を有するものである。

また、本発明のイオン源は前記電子銃のカソード又はウ
ェネルト又は引き出し電極は、間欠的な電圧印加により
パルス駆動されるものであり、また、本発明のイオン源
は真空室を有し、該真空室は、電子ビームが照射される
ターゲットを含み、かつプラズマ生成室よりも電子ビー
ムの下流側に設置されたものであり、 真空室とプラズマ生成室とは、プラズマ生成室と同電位
に保持されたアパーチャで分離されており、 ターゲットは、プラズマ生成室に対して相対的な電圧を
印加されるものである。

〔作用〕

本発明のイオン源において、アノード、引き出し電極、
ウェネルト、カソードからなる電子銃はイオン引き出し
系としても作用しており、このイオン引き出し系の極く
近傍に配置された電磁コイルによって電子ビームは集束
作用を受ける。一方、イオンは電ｆの数千倍の賀歌を有
するため、電子と比較すると、磁界の影響は無視でき、
従って電子ビーム衝突により生成されたプラズマから引
き出されたイオンビームは、はぼ引き出し系の電界によ
って軌道が決定される。従って、引き出し系の電位分布
を変化させることなく、磁界の強さを変化させることに
よって電子ビーム軌道をイオンビーム軌道とはほぼ独立
に制御することかできる。

また、電子ビームを集束させるためのイオン引き出し系
近傍に配置された電磁コイルと電子ビーム下流に設けら
れたＩａ電磁コイルよって、アノード近傍を極小とする
ミラー磁場が形成されているため、生成されたプラズマ
か閉じ込められて高密度プラズマが達成される。

また、カソード又はウェネルト又は引き出し電極の電圧
をパルス的に印加することにより、電子ビームをパルス
的に発生することができ、従ってプラズマもパルス的に
生成することが可能であるためにイオンビームもパルス
的に発生させることが可能である。このとき、イオンビ
ームは上述したような効果により比較的大電流で集束性
のよいものとなる。

さらに、発明者らは」二連した電子ビーム励起型イオン
源を開発中に次のような効果を見いだした。

すなわち、電子ビーム流に対してプラズマ生成室よりも
下流側に配置した電子ビームターゲットにプラズマ生成
室に対して相対的なバイアス電位を印加することにより
、プラズマ電位を精度よく制御できるということである
。静電プローブを用いて測定した上述のバイアス電圧と
プラズマ電位の関係の一例を第２図に示す。この図から
、バイアス電圧と同程度のプラズマ電位を変化させるこ
とが可能であることがわかる。従って、電子ビーム加速
電圧、引き出し電圧などの電子銃のパラメータを変化さ
せることなく、すなわちプラズマ生成条件を一定に保っ
たままでプラズマ電位を高精度に制御することができる
ため、イオンが放出されるシース面形状を制御すること
ができイオン引き出しの光学特性を制御することが可能
−どなる。

〔実施例１ 次に本発明を図面を用いて詳細に説明する。

（実施例１） 第１図は本発明の実施例１を示す模式的断面図である。

第１図において、中心部に細孔（図示せず）を有するカ
ソード１はＷ製の直熱型フィラメントがらなり、これを
加熱することによって発生した電子ビームＩＯはウェネ
ルト２に印加された電圧によって成形されるとともに、
加速電源１６によりカソードｌに印加された電圧と引き
出し電源１５により引き出し電極３に印加された電圧と
の電位差、及びアノード４と引き出し電極３との電位差
によって２段加速される。ここに、カソード１．ウニネ
ルト２．引き出し電極３．アノード４により電子銃が構
成される。

通常、カソード１とアノード４の電位差は５〜１５ｋＶ
（可変）で運転される。磁界発生手段としての電磁コイ
ル７ａは引き出し電極３とアノード４を取り囲むように
配置されており、電子ビーム１０はカソード１を出射し
た直後にこの電磁コイル７ａが形成する磁場によって集
束作用を受け、プラズマ生成室６に突入する。電磁コイ
ル７ａが引き出し電極３とアノード４のごく近傍に配置
されているために、電子ビーム１０を集束させるに十分
な大きさの磁界を発生させることができる。また、プラ
ズマ生成室６を囲むように電磁コイル７ｂが配置されて
おり、プラズマ生成室６に突入した電子ビーム１０は電
磁コイル７ｂによって発散を抑えられ、プラズマ生成室
６を通過する。電磁コイル７ａは電磁コイル７ｂととも
に、第１図に示すようなアノード４の近傍を極小とする
ミラー磁場を形成している。このミラー磁場によりプラ
ズマの閉じ込めが効果的に行われてプラズマ密度が高め
られている。電磁コイル７ａ、電磁コイル７ｂのピーク
磁場の大きさは、ミラー磁場が極小となる位置近辺にお
いて電子ビーム１０が最も良く集束されるように設定さ
れる。

典型的な運転条件は電磁コイル７ｂが５００〜１５００
ガウス（可変）、電磁コイル７ａが２００〜５００ガウ
ス（可変）である。電磁コイル７ａを設けていない従来
型の電子ビーム励起型イオン源と比較して、プラズマ密
度は１０〜１００倍となっている。電子ビーム１０の電
流の制御はバイアス電源１７によりウェネルト２に与え
られる電圧を調整することにより行う。

プラズマ生成室６に突入した電子ビーム１０はイオン化
物質（以下イオン化ガスという）を衝突電離してプラズ
マを生成する。

プラズマ生成室６と電子銃室８は、引き出し電極３とア
ノード４を流量抵抗として排気口１３．１４を通して差
動排気されており、比較的低真空であるプラズマ生成室
６に対して電子銃室８は高真空に保たれる。プラズマ生
成室６にｌ　ＸＩＯ”Ｔｏｒｒのイオン化ガスを導入し
たとき、電子銃室８は１×１０　’Ｔｏｒｒ以下である
。

イオンビーム１２は、プラズマ生成室６で生成されたイ
オンか引き出し電極３とアノード４との電位差に従って
電子ビーム１０と逆方向に引き出され、さらにカソード
ｌ、ウェネルト２．引き出し電極３の電位差によって加
速されることによって形成される。前述したように電子
ビーム１０は電磁コイル７ａによって集束されるため、
イオン引き出し系の電位構成はイオンビームの集束性を
よくするように選ぶことができる。

第１図において、他の実施例として、カソード１に電圧
を印加する加速電源Ｉ６を間欠的にパルス駆動するよう
にしてもよい。この場合、この駆動周波数は１〜１ｏｏ
ｏｔ（ｚ（可変）で運転される。これによって電子−ビ
ーム１０も加速電源１６の駆動周波数と同じ周波数でパ
ルス的に発生ずるため、プラズマもパルス的に生成され
る。これによって］−述した実施例１の場合と同じ理由
で集束性の良いイオンビーム１２がパルス的に発生する
。

尚、ウェネルト２に電圧を印加するバイアス電源１７、
又は引き出し電極３に電圧を印加する引き出し電源１５
についても間欠的にパルス駆動するようにしてもよい。

（実施例２） 第３図は本発明の実施例２を示す模式的断面図である。

本実施例は、プラズマを生成するプラズマ生成室６より
も前記電子ビームの下流側に該電子ビームを照射するタ
ーゲット２０を含む真空室１９を配置し、該ターゲット
２０を含む真空室１９とＩＹｊ記プラズマを生成するプ
ラズマ生成室６とを、該プラズマを生成するプラズマ生
成室６と同電位に保たせ、電子−ビームが通過する［１
を有するアパーチャ２２で分離し、前記ターゲット２０
に、前記プラズマを生成するプラズマ生成室６に対して
相対的な電位を印加するようにしたものである。

第４図において、ターゲット２０にはターゲラ［・バイ
アス電源２１により、プラズマ生成室６と相対的な電位
、典型的には一１００〜１００Ｖのバイアス電圧か印加
される。このバイアス電圧により前述したように電子ビ
ーム加速電圧なとの電ｆ・銃のパラメータを変化させる
ことなく、プラズマ電位を変化させることができる。従
ってプラズマの生成条件を変化させることなくイオンビ
ームの集束特性を制御できる。

［発明の効果］ 以十述べた通り本発明によれば、電子ビーム励起型イオ
ン源の電子銃のごく近傍に設けた電磁コイルにより、電
子ビーム軌道とイオンビーム軌道とをほぼ独立に制御す
ることができる。さらに複数の電磁コイルによってミラ
ー磁場を形成するため、プラス゛マの閉じ込めが行われ
高密度プラズマな達成することができる。従って比較的
簡単に電子−ビーム、イオンビーム双方とも同時に集束
性をよくすることと、高密度プラズマを達成することが
可能であり、従来の電子ビーム励起型イオン源よりも高
密度で集束性のよいイオンビームを得ることができる。

また、電ｒビーム加速電圧又は引き出し電圧又はバイア
ス電圧をパルス駆動することにより、比較的簡単に従来
得られなかった比較的大電流で集束性の良いパルスイオ
ンビームを得ることができる。

さらに、プラズマ生成室とは別に設けた真空室内に電子
ビームターゲットを配置し、これに電位を印加すること
により、電子銃のパラメータを変えることなくプラズマ
電位を制御することができ、イオンビームの集束性をよ
り高精度に制御することができる。

以上のことにより、イオンによる微細加工に用いるよう
なイオン源を得ることかできるため、その効果は大きい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示す模式的断面図及び電磁
コイルにより発生させる磁界を示す図、第２図は電子ビ
ームターケラト電位とプラズマ電位の関係を示す図、第
３図は本発明の実施例２を示す模式的断面図及び電磁コ
イルにより発生させる磁界を示す図、第４図は従来例を
示す模式的断面図である。 Ｘ・カソード　　　　　　２　ウェネルト４・・・アノ
ード ６・・・プラズマ生成室 ８・・・電子銃室 ｌＯ・・・電子ビーム １３、１４・・排気口 １６・・・加速電源 １９・・真空室 ２１・・・ターゲットバイアス電源 ３・・・引き出し電極 ５・・・電電レンズ ７ａ、　７ｂ・・・電磁コイル ９・・・イオン化物質導入口 １２・・・イオンビーム １５・・・引き出し電源 １７・・・バイアス電源 ２０・・・ターゲット ２２・・・アパーチャ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ生成室と、電子銃と、複数の磁界発生手
   段とを有する電子ビーム励起型イオン源であって、 プラズマ生成室は、イオン化気体が導入されるものであ
   り、 電子銃は、カソードとウェネルトと引き出し電極とアノ
   ードとからなり、プラズマ生成室のイオン化気体に照射
   してプラズマを生成させる電子ビームを出射し、かつプ
   ラズマ室のプラズマからのイオンビームを室外に引出す
   ものであり、 複数の磁界発生手段は、電子ビームの軌道、イオンビー
   ムの軌道を制御し、かつプラズマ生成室にプラズマを閉
   じ込める機能を有するものであることを特徴とするイオ
   ン源。
2. （２）前記電子銃のカソード又はウェネルト又は引き出
   し電極は、間欠的な電圧印加によりパルス駆動されるも
   のであることを特徴とする請求項第（１）項記載のイオ
   ン源。
3. （３）真空室を有し、 該真空室は、電子ビームが照射されるターゲットを含み
   、かつプラズマ生成室よりも電子ビームの下流側に設置
   されたものであり、 真空室とプラズマ生成室とは、プラズマ生成室と同電位
   に保持されたアパーチャで分離されており、 ターゲットは、プラズマ生成室に対して相対的な電圧を
   印加されるものであることを特徴とする請求項第（１）
   項、第（２）項記載のイオン源。