JPH0799720B2 - 高速原子線源 - Google Patents

高速原子線源

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JPH0799720B2
JPH0799720B2 JP2226486A JP22648690A JPH0799720B2 JP H0799720 B2 JPH0799720 B2 JP H0799720B2 JP 2226486 A JP2226486 A JP 2226486A JP 22648690 A JP22648690 A JP 22648690A JP H0799720 B2 JPH0799720 B2 JP H0799720B2
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electron
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一敏 長井
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02Molecular or atomic-beam generation, e.g. resonant beam generation

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

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
1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遥かに小さいために、
イオンは運動エネルギーを殆ど損失することなく、その
まま原子に受け渡して高速原子線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
子雲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提供することにあ
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と同じく外
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28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ム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、前記フイラメント加熱用電
源(第4図の符号“5")は図面を簡明にするために省略
してある。 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
子に受け継がれて、運動エネルギー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、前記電子加速電源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23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eV1,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 である。本発明の場合、U=uでなくてはならないか
ら、結局、 V1/V2=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.
14eV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、0.14eV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23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41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
ッ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
ラミッ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

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項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。
JP2226486A 1990-08-30 1990-08-30 高速原子線源 Expired - Lifetime JPH0799720B2 (ja)

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JPH04109598A JPH04109598A (ja) 1992-04-10
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