JPH06265696A - 高速原子線源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低エネルギーの、粒子線束の高い高速原子線
を効率よく放出できる高速原子線源を提供する。 【構成】 高速原子放出孔を有する陰極２１と、該陰極
２１と所定間隔を有して配置された陽極２２と、両電極
を内蔵する外筒容器２３と、前記外筒容器２３内に反応
ガスを導入するガスノズル４と、前記陰極２１および前
記陽極２２間に接続されて両電極間の放電部に放電を起
こす直流高圧電源３とからなり、該両電極間の放電部に
光エネルギーを導入する手段２４，２５を備えた。

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、低い放電電圧で低エネルギーの原子線を効率よく
放出することのできる高速原子線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】常温の大気中で熱運動している原子・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」と呼ばれてい
る。係る高速原子線は、固体表面を削り、あるいは変性
させる等の加工等に用いることができ、特に電気的に中
性であるため、金属、半導体分野への適用に限られず、
従来イオンビーム法が不得意としていたプラスチック、
セラミック等の絶縁物を対象とした加工にも威力を発揮
する。

【０００３】図２は、従来発表されている、気体粒子の
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 のアルゴン原子のビームを放射
する高速原子線源の一例を示している。図中、１は外囲
器を兼ねた円筒形の陰極、２はドーナツ状の陽極、３は
０．５から１０kVの直流高圧電源、４はガスノズル、５
はアルゴンガス、６はプラズマ、７は高速原子線の放出
孔、８は高速原子線を示している。

【０００４】この高速原子線源は、以下のとおり動作す
る。即ち、直流高圧電源３を除く各構成要素は、真空容
器に内蔵されており、前記真空容器が充分に排気された
のち、アルゴンガス５がガスノズル４から円筒形陰極１
の内部に注入される。そして、直流高電圧が直流高圧電
源３により、陽極２が正電位、陰極１が負電位となるよ
うに両電極間に印加される。

【０００５】このことにより、陰極１および陽極２間に
放電が起きてアルゴンガスのプラズマ６が発生し、アル
ゴンイオンと電子とが生成される。その際、円筒形陰極
１の一端側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前記円筒形陰極
１の他端側底面に到達する。他端側底面に達した電子
は、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、再び陽極２の孔を通過して陰極１の一
端側底面に到達する。このような電子の繰り返し運動
が、陽極２を介した円筒形陰極１両端面間における高周
波振動となり、その運動の間にアルゴンガスと衝突して
多数のアルゴンイオンを生成する。

【０００６】こうして発生したプラズマ６中のアルゴン
イオンは、円筒形陰極１の端面に向かって加速され、充
分な運動エネルギーを得るに至る。また、円筒形陰極１
の両端面近傍の空間は高周波振動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領域であ
る。この領域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
できる程に小さいため、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け継がれて高速原
子になる。従って、この場合の高速原子の運動エネルギ
ーは、直流高圧電源３による放電維持電圧が、例えば１
kVのときは、１keV 程度の値となる。この高速原子は円
筒形陰極１の端面に穿設された放出孔７を通って外部に
高速原子線８となって放出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の高速原子線源において、高速原子線の放出量の増加
を図るためには、上記の構造から考えられるように、放
電電圧を上げる、磁石を併用する、反応ガスの圧力を増
す等の方法しかなかった。その結果、高速原子線のエネ
ルギーの増加を招く、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等の使用上の問題点が多
く使いにくさを伴った。

【０００８】係る問題点を解決するため、本出願人によ
り表面に多数の高速原子放出孔を有する板状陰極と、そ
の板状陰極に対向配置された板状陽極と該板状陰極と板
状陽極間にフィラメントを内蔵する構造の高速原子線源
が提案されている（特願平３−３８６０７号特許出
願）。

【０００９】係る構造の高速原子線源によれば、対向し
た板状電極により、粒子線束の高い高速原子線が効率よ
く放射される。又、熱電子放出用のフィラメントを内蔵
することから、反応ガスの電離が促進され、放電電圧を
下げて被加工物にダメージを与えない半導体の微細加工
等に好適な低エネルギーの高速原子線源を得ることがで
きる。

【００１０】しかしながら、フィラメントを内蔵するこ
とから放電部における反応ガスの流れに外乱が生じ、
又、反応ガス中に不純物が生じる等の問題点がある。

【００１１】本発明は、係る従来技術の問題点に鑑み、
低い放電電圧で低エネルギーの、粒子線束の高い高速原
子線を効率よく放出できる高速原子線源を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、高速原子放出
孔を有する陰極と、該陰極と所定間隔を有して配置され
た陽極と、両電極を内蔵する外筒容器と、前記外筒容器
内に反応ガスを導入するガスノズルと、前記陰極および
前記陽極間に接続されて両電極間の放電部に放電を起こ
す直流高圧電源とからなり、該両電極間の放電部に光エ
ネルギーを導入する手段を備えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明は、陽極と陰極間の放電部に光エネルギ
ーを導入し、ガスノズルより導入される反応ガスを励起
し電離させることによって、多量の電子を放電部に供給
するものである。従って、両電極間の放電部では低電圧
で放電維持を行い、低エネルギーの高速原子線を放出す
ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例を示す高速原子線
源の概略の構成を説明するものである。なお、本実施例
では、先の図２によって述べた従来例と同一機能、動作
を有する構成要素については同一符号を用いている。

【００１５】図１に示されるように、所定間隔を有して
対向した板状陰極２１および板状陽極２２が絶縁物（セ
ラミック）外筒２３内に配置され、図示しない真空容器
に収められ十分に排気される。両電極２１，２２は真空
容器の外部に配置された直流高圧電源３と接続され両電
極間に直流高圧電圧が印加され両電極間には放電部が構
成される。又、板状陰極２１は表面に多数の高速原子線
放出孔７が穿設され、高速原子線８を出射可能に構成さ
れている。ガスノズル４は、真空容器の外部より外筒２
３内に反応ガス５を導入するためのものであり、外筒２
３内のガスの流れの板状陽極２２の上流部に配置され
る。板状陽極２２には、反応ガス５の流通孔９が穿設さ
れており、反応ガス５は、ガスノズル４から板状陽極２
２を通って両電極２１，２２間の放電部に流入する。

【００１６】外筒２３内の板状陰極２１と板状陽極２２
間の放電部には光エネルギを導入する手段が設けられて
いる。符号２４は、レーザ光２５の集光レンズである。
レーザ光２５は、光学反射鏡、光導波路管、光ファイバ
等を利用して放電部に導入される。放電部を囲む外筒２
３には、レーザ光２５に対して高透過率の光学窓が設け
られており、その光学窓を通過してレーザ光は外筒２３
内の両電極２１，２２間の放電部に導入される。又、必
要な場合には集光レンズ、凹面鏡等を利用して集光され
る。

【００１７】次に、上述のごとく構成した高速原子線源
の動作について説明する。まず、高速原子線源及び被加
工対象物が収納された真空容器内を充分に排気したの
ち、アルゴン等の反応ガス５を外筒２３内にガスノズル
４より導入する。そして、板状陽極２２と板状陰極２１
の間に直流高圧電源３より直流高圧を印加し、レーザ光
２５を導入する集光レンズ２４よりレーザ光２５を放電
部の反応ガス５に照射する。

【００１８】アルゴンガス等の反応ガス５は、陽極２２
と陰極２１間の放電部に導入され、レーザ光２５の照射
によって気体原子が励起され、陽イオンと電子との電離
が発生する。そして、両電極２１，２２間に印加された
直流高圧によって放電が発生し、プラズマ６が生成す
る。放電部では、あらかじめ反応ガス５はレーザ光２５
の照射で電離された多量の電子及び陽イオンを含んでい
るため、低い放電電圧で放電の維持が可能となる。

【００１９】放電部のプラズマ６中では、反応ガス５の
陽イオンと電子が生成されているが、陽イオンは陰極２
１に向かって加速されて大きなエネルギーを得る。加速
された陽イオンは板状陰極２１の近傍で残留している反
応ガス５の原子と接触して陽電荷を失い中性の高速原子
となり、あるいは電子との再結合によって陽電荷を失っ
て中性の高速原子となり、高速原子放出孔７から高速原
子線８として放出される。

【００２０】以上の説明は、光エネルギの一例としてレ
ーザ光を、放電部に導入することについて行ったが、光
エネルギとしては他にＸ線、電子線、β線等を含む放射
線、紫外光、可視光、赤外光等の単独での、あるいはこ
れらの２以上の組み合わせでの利用が可能である。光エ
ネルギを利用して、放電部で反応ガスの電離を起こすに
は、電離エネルギー以上のエネルギー吸収が行われなけ
ればならない。電離エネルギーは反応ガスの種類によっ
て異なり、一般に波長の短い（紫外領域もしくはより短
い波長）レーザ光において共鳴的エネルギー吸収による
電離が起こり易い。波長の長いレーザ光を利用した場合
には、光エネルギ密度を高め多光子吸収を起こさせる必
要がある。

【００２１】使用する反応ガスには、それぞれ固有の光
エネルギ吸収領域がある。従って、使用する反応ガスに
対応した光エネルギの種類を選択して効果的に光エネル
ギにより電離を促進する必要がある。例えば、ある反応
ガスでは、波長の短い光エネルギの照射により電離が起
こるが、他の反応ガスでは波長の長い光エネルギに吸収
帯があり、例えば可視光で十分に励起しておいて、更に
波長の短いレーザ光を組み合わせて電離させることが好
適な場合もある。係る観点より、光エネルギとしては、
レーザ光、放射線、紫外光、可視光、赤外光のいずれ
か、又はこれらの２以上の組み合わせより選択すること
が好ましい。又、レーザ光も放射線、紫外光、可視光、
赤外光のいずれかより選択することが好ましい。

【００２２】電子線、β線等の放射線を外筒２３内の放
電部に導入するためには、外筒２３の近傍に線源の設置
場所を設ける必要がある。例えば、電子線源を外筒２３
にスリットを介して隣接した室に配置し、電子線源室を
外筒２３内よりも高い真空度に維持することにより、放
電部にスリットを介して電子線を供給することができ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高速原
子線源は、放電部の光エネルギが導入された部分で、光
エネルギによって気体原子が励起され電離して多量の電
子を発生し、生成された多量の電子は、板状陽極と板状
陰極の間の放電部に供給される。従って、放電部におけ
る反応ガスのプラズマを発生させるのに、直流高圧電源
の電圧を低く維持することが可能となり、低エネルギー
の高速原子線を得ることが可能となる。この効果は、使
用する反応ガスの吸収帯に対応した光エネルギの種類と
組み合わせを選択することにより、一層効果的となる。

【００２４】更に、本発明では電離を促進するための熱
電子放出用のフィラメントを放電部において用いないの
で、放電部において反応ガスの流れを乱すこともなく、
又、不純物が発生するという問題も解決される。そし
て、光エネルギの導入により、外部から放電状態の制御
が非接触で可能となり、又、放電部に磁場を必要としな
いので、イオンの加速方向に影響を及ぼすことなく、粒
子線束の高い、高速原子線を効率的に発生できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の高速原子線源の概略の構成
を示す説明図。

【図２】従来の高速原子線源の説明図。

【符号の説明】

１ 円筒形陰極 ２ ドーナツ状の陽極 ３ 直流高圧電源 ４ ガスノズル ５ アルゴンガス ６ ブラズマ ７ 原子放出孔 ８ 高速原子線 ９ ガス流通孔 ２１ 板状陰極 ２２ 板状陽極 ２３ 絶縁物（セラミック）外筒 ２４ 集光レンズ ２５ レーザ光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速原子放出孔を有する陰極と、該陰極
   と所定間隔を有して配置された陽極と、両電極を内蔵す
   る外筒容器と、前記外筒容器内に反応ガスを導入するガ
   スノズルと、前記陰極および前記陽極間に接続されて両
   電極間の放電部に放電を起こす直流高圧電源とからな
   り、該両電極間の放電部に光エネルギーを導入する手段
   を備えたことを特徴とする高速原子線源。
2. 【請求項２】 前記光エネルギーは、レーザ光、放射
   線、紫外光、可視光、又は赤外光のいずれか、或いは２
   以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１記載
   の高速原子線源。
3. 【請求項３】 前記レーザ光は、放射線、紫外光、可視
   光、又は赤外光のいずれかのレーザ光であることを特徴
   とする請求項２記載の高速原子線源。
4. 【請求項４】 前記陰極及び陽極は、それぞれ板状であ
   ることを特徴とする請求項１、２又は３記載の高速原子
   線源。