JPH04109598A - 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、スパッターなどに使用する高速原子線を発生
させる高速原子線源に関する。

【従来の技術】

第４図は、従来より知られた高速原子線源の構成を示し
ている。図中、１は中央部分が太くなった中空円筒形の
外囲器、２は熱電子放出用の円形フィラメント、３はイ
オンビーム、４は高速原子線、５は前記フィラメント２
を加熱するためのフィラメント加熱用電源、６は直流バ
イアス電源、７はイオン源である。 前記円形フィラメント２は、前記外囲器１の中央の太く
なった部分に内蔵されており、かつその円形中心が外囲
器１の軸線と一致するように配置されている。又、前記
円形フィラメント２には前記加熱用電源５が接続されて
いる。 前記外囲器１と前記フィラメント２との間には前記直流
バイアス電源６が接続されており、前記外囲器１が前記
フィラメント２より数Ｖ低い電位となるようにバイアス
されている。 前記イオン源７は放射したイオンビーム３が前記外囲器
１内に入射するように配置されている。 なお、前記電源５，６を除く各構成要素は、図示しない
真空容器内に納められている。 このように構成された高速原子線源は、以下のとおり動
作する。 前記フィラメント２が前記加熱用電源５によって加熱さ
れると、多量の熱電子を放出する。放出された熱電子は
、前記フィラメント２より低い電位にバイアスされた前
記外囲器１により、その器壁から反発を受けて外囲器Ｉ
の軸線付近に集中し、そこに高密度の電子雲を形成する
。この電子雲に、前記イオン源７から放射されたイオン
ビーム３が入射すると、イオン・電子の衝突・再結合が
起きて前記イオンビーム３が高速原子線４に変換される
。 上記プロセスに於いて生じるイオン・電子衝突では、電
子の質量がイオンの質量に比べて洛かに小さいために、
イオンは運動エネルギーを殆ど損失することなく、その
まま原子に受は渡して高速原子線４を生成する。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、上記構成の従来形高速原子線源に於いては、電
子雪中の電子とイオンビーム中のイオンとの相対速度が
大きく、イオン・電子の再結合断面積が小さいために、
効率よく高速原子線を発生させることが困難であった。 本発明の目的は、上記事情に鑑みなされたもので、イオ
ン・電子の再結合効率を高めることにより、効率よく高
速原子線を発生する高速原子線源を従供することにある
。

【課題を解決するための手段】

本発明の上記目的は、イオンビームを放出するイオン源
と、前記イオン源が放出するイオンビーム中のイオンと
同程度の速度を持ち、かつ前記イオンビームと同方向の
電子ビームを放出すると共に、前記イオンビームに前記
電子ビームを混合する機能を有する電子銃とから構成さ
れることを特徴とする高速原子線源により達成される。 又、本発明の上記目的は、イオンビームを放出するイオ
ン源と、電子ビームを放射する電子銃と、前記電子銃か
ら放射された電子ビーム中の電子を前記イオン源が放出
するイオンビーム中のイオンと同程度の速度にする速度
制御手段と、所定速度になった前記電子ビームを電界又
は磁界の作用により前記イオンビームと同方向に偏向し
、かつ前記イオンビームに混合する偏向手段とから構成
されることを特徴とする高速原子線源により達成される
。 即ち、電子ビームをイオンビームと同じ向きに向け、か
つ電子ビーム中の電子をイオンビーム中のイオンと同程
度の速度に調整した後、イオンビームに混合することに
より、本発明の上記目的が実現される。

【作用】

電子をイオンビームと同じ向きに向け、かつイオンビー
ム中のイオンと同程度の速度に調整した後、イオンビー
ムに混合することによって、イオンと電子との相対速度
が小さくなり、このためにイオン・電子の再結合断面積
が増加して、高速原子線の生成効率が高められる。

【実施例】

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。 第１図は、本発明の一実施例による高速原子線源を示し
ている。 なお、本実施例では、先の第４図で述べた従来例と同一
機能を有する構成要素について同一符号を用い、説明を
省略する。 図に於いて、２１は電子加速グリッド、２３は電子ビー
ム、２４は電子加速電源、２６は外囲器２７に設けられ
たイオンビーム入射孔、２８は前記イオンビーム入射孔
２６と同しく外囲器２７に形成され、前記イオンビーム
入射孔２６と対向する側に設けられた高速原子線出射孔
を夫々示している。 前記電子加速グリッド２１は、前記外囲器２７内に配置
され、かつその断面形状を略漏斗状にして張設されると
共に、円形フィラメント２の前方側である前記出射孔２
８と対面する位置に設けられている。又、前記加速グリ
ッド２１は、イオンビーム３がその中心部を通過できる
と共に、前記円形フィラメント２から放出される電子ビ
ーム２３を加速し、かつ前記イオンビー１．２６に向か
って収束させるように構成している。 前記フィラメント２と前記電子線グリッド２１との間に
前記電子加速電源２４が接続されており、前記電子線グ
リッド２１が前記電子加速電源２４により前記フィラメ
ント２より幾分高い電位にバイアスされている。 なお、前記外囲器２７は前記電子加速グリッド２１と電
気的に接続されて同電位に設けられている。 又、本実施例では、前記フィラメント２と前記電子加速
グリッド２１で電子銃を構成している。 なお、本実施例に於いては、前記フィラメント加熱用電
源（第４図の符号“５パ）は図面を簡明にするために省
略しである。 次に、上記の如く構成した高速原子線源の動作について
述べる。 イオンビーム３がイオン源７から放出され、イオン入射
孔２６を通って外囲器２７に入る。この時点で、円形フ
ィラメント２を赤熱して熱電子を発生させることにより
、この熱電子が前記電子加速グリッド２１によって加速
されて電子ビーム２３となる。又、この電子ビーム２３
は既述した前記電子加速グリッド２１の形態によって、
イオン入射孔２６を通って入ってきたイオンビーム３に
向かって収束される。これによってイオンビーム３中の
イオンは電子ビーム２３中の電子と再結合して原子に戻
る。再結合の際にイオンは運動エネルギーが殆ど変化し
ないでそのまま原子に受は継がれて、運動エルネギ−の
大きな高速原子線４を生成し、前記高速原子出射孔２８
を通して前記外囲器２７の外に射出する。 上記プロセスに於いて、前記電子加速型ｔ１．２４を調
節して電子ビーム２３の速度がイオンビーム３と同程度
になるようにすれば、イオンと電子の再結合断面積が増
加するから、高速原子線４の発生効率が向上する。加え
て、前記フィラメント２の赤熱温度を調節して、再結合
空間における電子の数を、イオン数に比べて十分に多く
しておくことも効率向上に役立つ。 第２図は本発明の他の実施例であり、例えばエネルギー
が１０ＫｅＶ程度のアルゴンイオンに電子を付加してア
ルゴンの高速原子線を発生させる場合を示している。 なお、本実施例においても、先の第１図で述べた実施例
と同一機能を有する構成要素については同一符号を用い
て説明を省略する。 図において、３１はイオン源７から放射されるイオンビ
ーム３に対して略直角方向から電子ビーム２３を放射す
る電子銃、３２は電子を減速する減速電極、３３は前記
減速電極３２に電圧を印加する減速電源で、前記減速電
極３２と共に前記電子銃３１から放射された電子ビーム
２３を前記イオンビーム３中のイオンと同程度の速度に
する速度制御手段を構成しており、３４は減速された電
子ビーム２３をイオンビーム３と同方向に偏向させ、か
つ前記イオンビーム３と混合させる機能を有した偏向手
段となる磁石である。 前記磁石３４は、前記イオン源７から放射されたイオン
ビーム３と前記電子銃３１から放射された電子ビーム２
３が交わる位置に配置され、かつ紙面に対して垂直方向
の磁界を印加するように設けられており、前記減速電極
３２は前記電子銃３１と前記磁石３４との間に於いて、
前記電子銃３１から離れた前記磁石３４寄りの位置に配
設されている。 なお、前記電子銃３１は、通常の構造からなっており、
先の実施例と略同様、熱フィラメント及び加速電極を含
んで構成されている。 又、前記減速電源３３を除く各構成要素は、図示しない
真空容器内に収容されている。 次に、この高速原子線源の動作について述べる。 運動エネルギーがｅＶ、、質量がＭのイオンの速度Ｕと
、運動エネルギーがｅＶ２．質量ｍの電子の速度Ｕはそ
れぞれ Ｕ−４厘冒バーラベ百　　　　・・・　　（１）ｕ＝、
、／鱈乙バ窮フ１万　　　　・・・　　（２）である。 本発明の場合、Ｕ＝ｕでなくてはならないから、結局、 Ｖ、　／　Ｖｚ　＝ｍ／Ｍ　　　　　　・・・（３）と
なる。ここで、エネルギーが１０ＫｅＶのアルゴンイオ
ンの質量Ｍは電子の質量ｍの約７０，０００倍であるの
で、電子のエネルギーがアルゴンイオンの１．／７０，
０００、つまり約０．］４ｅＶならばアルゴンイオンと
電子は速度が等しいと云うことになる。 通常電子銃３１で発生した電子は数１００ｅＶ以上のエ
ネルギーを有している。前記電子銃３１でこれ以下のエ
ネルギーの電子を直接発生させようとしても、空間電荷
に妨害されて難しい。因って、Ｏ，１４ｅＶの電子を得
るには、前記電子銃３１と前記減速電極３２の間に前記
減速電源３３によって電界を形成し、エネルギーの高い
（つまり高速の）電子を減速する必要がある。 かくて所定の速度になった電子ビーム２３は、前記磁石
３４によって紙面に垂直に印加されている磁場に入射さ
れ、その軌道が偏向されて前記イオンビーム３の飛翔の
向きに合わされた後、イオンビーム３と混合される。こ
れによってアルゴンの高速電子線４が発生するものであ
る。 第３図は本発明の更に他の実施例を示したもので、これ
もエネルギーが１０ＫｅＶ程度のアルゴンイオンに電子
を付加してアルゴンの高速原子線を発生させる場合であ
る。 なお、図中、先の第２図で述べた実施例と同一機能を有
する構成要素については同一符号を用いている。 図において、４１は静電偏向型の電子偏向電極で、対向
して配置された２枚の円弧電極４１ａから構成される。 前記円弧電極４１ａはその外側の電極面にイオン入射孔
２６が穿設されてイオンビーム３が入射されると共に、
その２枚の円弧電極間に電子ビーム２３が放射されるよ
うに配置されている。４２は前記電子偏向電極４１に接
続された偏向電源である。 上記の如く構成された高速原子線源の動作は、前記電子
銃３１がアルゴンイオンと同程度の速度の電子ビーム２
３を発生するところまでは、先の第２図の実施例と同じ
である。 本実施例では、前記電子ビーム２３が、電子偏向電極４
１が構成する静電偏向場に入射することにより、電界の
作用を受けて軌道をイオンビーム３と同じ向きに偏向さ
れる。そこにイオン入射孔２６を通過したアルゴンのイ
オンビーム３が入射することにより、アルゴンの高速原
子線４が発生するものである。

【発明の効果】

以上記載したとおり、本発明の高速原子線源によれば、
イオンと電子の相対速度を等しくして混合することによ
り、イオン・電子の再結合断面積が大きくなって再結合
チャンスが増え、因って、高速原子線の発生効率が高ま
る。 このように生成された高速原子線は、高速のイオンビー
ムと同様に、スパッタ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。加えて高速原
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・ノクス等の絶縁物を対象とする場合にも適用でき
る。 その意味において、高速原子線を効率良く放射する高速
原子線源が得られることにより、加工、分析の能率向上
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による高速原子線源の構成図
、第２図は本発明の他の実施例による高速原子線源の構
成図、第３図は本発明の更に他の実施例による高速原子
線源の構成図、第４図は従来例による高速原子線源の構
成図である。 図中符号 １：円筒形外囲器、　　　２：円形フィラメント、３：
イオンビーム、　　４：高速原子線、５：フィラメント
加熱用電源、 ６：直流バイアス電源、７：イオン源、２１：電子加速
グリッド、 ２３：電子ビーム、　　　２４：電子加速電源、２６：
イオン入射孔、　２７：外囲器、２８：高速原子出射孔
、３１：電子銃、３２：減速電極、　　　３３：減速電
源、３４：磁石、　　　　　４１：電子偏向電極、４２
：偏向電源 ３１：電子銃 ３２：減速電極 ３３：減速電源 ３４：磁石 ２：熱電子放出用の円形フィラメント ３：イオンビーム ４：高速原子線 ７：イオン源 ２１°電子加速グリツド ２３：電子ビーム ２４：電子加速電源 ２６：イオンビーム入射孔 ２７：　夕Ｈ用器 ２８：高速原子出射孔 ４１“電子偏向電極 ４１ａ：円弧電極 ４２：偏向電源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）イオンビームを放出するイオン源と、前記イオン源
   が放出するイオンビーム中のイオンと同程度の速度を持
   ち、かつ前記イオンビームと同方向の電子ビームを放出
   すると共に、前記イオンビームに前記電子ビームを混合
   する機能を有する電子銃とから構成されることを特徴と
   する高速原子線源。 ２）イオンビームを放出するイオン源と、電子ビームを
   放射する電子銃と、前記電子銃から放射された電子ビー
   ム中の電子を前記イオン源が放出するイオンビーム中の
   イオンと同程度の速度にする速度制御手段と、所定速度
   になった前記電子ビームを電界又は磁界の作用により前
   記イオンビームと同方向に偏向し、かつ前記イオンビー
   ムに混合する偏向手段とから構成されることを特徴とす
   る高速原子線源。