JPH05182787A

JPH05182787A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPH05182787A
Application number: JP4018575A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hatakeyama; 雅規畠山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1993-07-23
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: JP3103181B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高い割合でイオンの中性化を行い、かつエネ
ルギーの低く指向性の良い高速原子線を効率よく放出す
る、小型の高速原子線源を提供する。【構成】一つ以上の原子放出孔７を有する板状陰極２
１と、この板状陰極２１に対向して設置された一つ以上
の孔を有する板状陽極２２と、前記板状陰極２１とは別
の陰極であって、前記板状陽極２２に対向するとともに
前記板状陰極２１とで前記板状陽極２２を挟むようにさ
れた陰極２３と、前記陰極２３に負電位、前記板状陽極
２２に正電位を与えて、前記２つの陰極２１，２３と前
記板状陽極２２間に放電を起こすガスを導入するガス導
入部４とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速原子線源に係り、
特に効率よく高速原子線を放出する高速原子線源に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】常温の大気中で熱運動をしている原子・
分子は、概ね０.０５eV前後の運動エネルギーを有して
いる。これに比べてはるかに大きな運動エネルギーで飛
翔する原子・分子の総称を“高速原子”と言い、それが
一方向にビーム状に流れる場合に“高速原子線”と呼
ぶ。

【０００３】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
０.５〜１０ｋeVのアルゴン原子を放射する高速原子線
源の一例を図２に示す。図中、符号１は円筒形陰極、２
はドーナツ状の陽極、３は０.５〜１０ｋeVの直流高圧
電源、４はガス導入部であるガスノズル、５はアルゴン
ガス、６はプラズマ、７は原子放出孔、８は高速原子
線、９は放電安定抵抗である。この動作は次の通りであ
る。

【０００４】直流高圧電源３、放電安定抵抗９以外の構
成要素を真空容器に入れ、十分に排気した後、ガスノズ
ル４からアルゴンガス５を円筒形陰極１内の内部に注入
する。ここで直流高電圧電源３によって、ドーナツ状陽
極２が正電位、円筒形陰極１が負電位となるように、直
流電圧を印加する。これによって陰極１・陽極２間に放
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
の底面から放出された電子は、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、改めて陽
極２に向かって加速され始める。この様に電子は陽極２
の中央の孔を介して、円筒形陰極１の両方の底面の間を
高周波振動し、その間にアルゴンガスに衝突して、多数
のアルゴンイオンを生成する。

【０００５】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の時は１ｋeV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衝突・再結合してアルゴン原子に
戻る。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ほどに小さいために、ア
ルゴンイオンの運動エネルギーはほとんど損失せずにそ
のまま原子に受け継がれて高速原子となる。従って、こ
の場合の高速原子の運動エネルギーは、１ｋeV程度とな
る。この高速原子は円筒形陰極１の一方の底面に設けら
れた原子放出孔７から高速原子線８となって放出され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来形高速原
子線源においては、放電領域での電気力線が陰極端面に
対して垂直でなく、分布を持つため、ビームの指向性が
良くない場合が存在する。特に、大口径のビームを得る
場合には顕著となる。また、導入ガス量の違いによっ
て、中性化率のばらつきが生じる。ここで、中性化率と
は放出されるビームの総粒子に対する中性化された高速
原子粒子数の比率をいう。さらに、高速原子線の放出量
を増加するには、放電電圧を上げる、磁石を併用する、
導入するガスの圧力を増すなどの方法しか無く、その結
果、高速原子線のエネルギー増加を招く、装置が大型化
する、高速原子線のエネルギー幅が広がってしまうな
ど、種々の使用上の問題点、使いにくさがあった。

【０００７】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、その目的とする処は、高い割合でイオンの中性化を
行い、かつエネルギーの低く指向性の良い高速原子線を
効率よく放出する、小型の高速原子線源を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高速原子線源は、一つ以上の原子放出孔を
有する板状陰極と、この板状陰極に対向して設置された
一つ以上の孔を有する板状陽極と、前記板状陰極とは別
の陰極であって、前記板状陽極に対向して設置されると
ともに前記板状陰極とで前記板状陽極を挟むようにされ
た陰極と、前記陰極に負電位、前記板状陽極に正電位を
与えて、前記２つの陰極と前記板状陽極間に放電を起こ
すガスを導入するガス導入部とから構成されることを特
徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明は以下の点で従来装置とは異なった特徴
及び作用を有する。（１）１つ以上のガス導入及び電子
供給孔を有する板状陽極を挟み、かつその板状陽極に対
向して設置された２つの陰極と、これら電極間で放電を
起こすガス導入部とから構成される。（２）板状陽極と
２つの陰極間に印加される電圧差をそれぞれ独立して変
化させることができる。（３）板上陰極にある原子放出
孔の長さを適切な値（通常数mm〜数十mm）にすることに
よって、イオン粒子の中性化率の向上を図るもので、電
極構造が従来装置とは大きく異なる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る高速原子線源の実施例を
図１を参照して説明する。図１において、図２の構成要
素と同一の作用及び機能を有する構成要素は同一符号を
付して説明する。

【００１１】符号２１は多数の原子放出孔７を有する板
状陰極であり、この板状陰極２１には可変抵抗２８が接
続されている。また、板状陰極２１に対向して電子供給
孔２５を有する板状陽極２２が設置されている。符号２
３はガス導入孔２６を有する板状陰極であり、２４は絶
縁物（セラミック）外筒である。板状陽極２２と板状陰
極２３との間に直流高圧電源３が介装されている。符号
９は放電安定抵抗である。

【００１２】次に、前述のように構成された高速原子線
源の動作を説明する。直流高圧電源３、放電安定抵抗
９、および可変抵抗２８以外を真空容器におさめて十分
に排気した後、ガス５を導入し、陰極２３と陽極２２の
間に直流電圧を印加する。これで陰極２３と陽極２２の
間に放電が起き、プラズマが発生し、ガス５のイオンと
電子が生成される。ガスと生成された電子はガス導入及
び電子供給孔２５によって陽極２２と陰極２１間に供給
され、放電が起こる。その放電によってガス５のイオン
と電子が生成される。以下、陽極２２と陰極２１間で生
成されたイオンは陰極２１に向かって加速されて大きな
エネルギーを得、陰極２１の原子放出孔中において、残
留しているガス５の原子・分子と接触して電荷を失い、
あるいは電子との再結合によって電荷を失って高速原子
となり、高速原子放出孔出口７から高速原子線８として
放出する。

【００１３】陰極２３と陽極２２間には直流高電圧電源
によって常に安定した放電が起こっており、形成された
プラズマ２７中にガス５のイオンと電子が生成される。
生成された電子はガス及び電子供給孔２５によって陽極
２２と陰極２１間に供給され、陽極２２と陰極２１間に
おいてガス５と衝突してプラズマ６を形成する。従っ
て、陽極２２と陰極２３間に形成されるプラズマは電子
供給源の役割を果たしており、陽極２２と陰極２３間
と、陽極２２と陰極２１間のガス圧力や印加電圧差が異
なり、プラズマ６が形成されにくいような場合において
も、陽極２２と陰極２１間に放電を維持でき、形成され
たプラズマ中のイオンが陰極２１に加速され、原子放出
孔７より高速原子線として放出される。

【００１４】つまり、陽極２２に対して、陰極２１と陰
極２３の印加電圧差が等しい場合には、ガス及び電子供
給孔２５を介して、電子は往復運動を行い、ガスと衝突
して放電維持に役立つ。また、陽極２２と陰極２１間の
印加電圧差に比べ陰極２１と陰極２３の印加電圧差が小
さい場合には、陽極２２と陰極２１間の放電で生成され
た電子が、ガス及び電子供給孔２５によって陰極２１と
陽極２２間に供給され放電が起こり、エネルギーの低い
高速原子線を原子放出孔７より放出できる。上述の図１
に示す実施例においては、板状陰極２１には独立して可
変抵抗もしくは直流高圧電源等の接続によって、陽極２
２と陰極２１の放電電圧を低くし、低エネルギーの高速
原子線の放出を行うことができる。

【００１５】図１に示す実施例においては、陽極２２と
陰極２１間にガスの放電が起こり、生成されたイオンが
板状陰極２１に向かって加速され、原子放出孔７より高
速原子線として放出される。従って、対向した板状陰極
と板状陽極の構成により、指向性の良い高速原子線が得
られる。

【００１６】さて、板状陰極２１に設けて有る原子放出
孔７中をイオンが通過する際に、残留している原子・分
子と接触して電荷を失い中性化し、高速原子線となる。
その中性化率を高めるために、適切な長さの原子放出孔
を用いる事が、重要であり、例えば、原子放出孔７の直
径１〜２mmに対し、通常数mm〜数十mmの長さの原子放出
孔にすることにより、８０％以上の高い中性化率が達成
できる。原子放出孔の適切な長さは、放電するガスの種
類、圧力等によって変化する。

【００１７】また、ガスの導入部であるガスノズルを陰
極２３側から供給できない場合には、板状陽極２２と陰
極２３の間に配置しても良い。この場合、外部より導入
されたアルゴン等のガスは、直接，板状陽極２２と陰極
２３の間に入り、放電が起こる。かかる構造により放出
される高速原子線源８に対して垂直方向よりガスの導入
が可能となり、ガスを陰極２３側から供給できない場合
に便利であり、装置の小型化等が達成される。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い中性化率が得られ、かつ低エネルギーで指向性の良
い小型の効率の良い高速原子線源を提供できる。本発明
によれば、エネルギーの低い粒子線は、固体に衝突した
際に大きなダメージを与えることが無く、固体表面を削
り、あるいは変性させ得ることが特徴で、半導体の微細
加工、分析等に重用される。また、高速原子線は電気的
に中性であるが故に、組成分析や微細加工等において、
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、セラミックスなどの絶縁物を対象と
する場合にも大きな効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高速原子線源の一実施例を示す説
明図である。

【図２】従来の高速原子線源の動作説明図である。

【符号の説明】１円筒形陰極２ドーナツ状陽極３直流高圧電源４ガス導入ノズル５アルゴンガス６プラズマ７原子放出孔８高速原子線９放電安定抵抗２１板状陰極２２板状陽極２３板状陰極２４ケーシング（絶縁物）２５ガス及び電子供給孔２６ガス導入孔２７プラズマ２８可変抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つ以上の原子放出孔を有する板状陰極
と、この板状陰極に対向して設置された一つ以上の孔を
有する板状陽極と、前記板状陰極とは別の陰極であっ
て、前記板状陽極に対向するとともに前記板状陰極とで
前記板状陽極を挟むように設置された陰極と、前記陰極
に負電位、前記板状陽極に正電位を与えて、前記２つの
陰極と前記板状陽極間に放電を起こすガスを導入するガ
ス導入部とから構成されることを特徴とする高速原子線
源。
【請求項２】前記陰極が板状であることを特徴とする
請求項１の高速原子線源。
【請求項３】前記板状陰極の原子放出孔の長さが、前
記原子放出孔の直径の１〜１００倍の長さを有すること
を特徴とする請求項１又は２の高速原子線源。
【請求項４】前記ガス導入部より導入された前記ガス
が、前記陰極に設けられたガス導入孔を通って、前記２
つの陰極と板状陽極間に導入されることを特徴とする請
求項１又は２又は３の高速原子線源。
【請求項５】前記陰極には、多数の前記ガス導入孔が
設けられていることを特徴とする請求項４の高速原子線
源。
【請求項６】外部より前記ガスを直接に前記陰極と板
状陽極間に導入するガス導入部を具備することを特徴と
する請求項１又は２又は３の高速原子線源。
【請求項７】前記２つの陰極には、前記板状陽極に対
する印加電圧差を独立して与えることが出来ることを特
徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の高速原子線
源。