JPH08190995A

JPH08190995A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPH08190995A
Application number: JP7141330A
Authority: JP
Inventors: Kenji Watanabe; 賢治渡辺; Masaki Hatakeyama; 雅規畠山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1995-05-16
Publication date: 1996-07-23
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JP3064214B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低ガス圧で放電し、高い中性化率が得られ、
多量のビーム量が得られ、且つ指向性の良い高速原子線
源を提供する。【構成】原子放出孔を有する第１の板状陰極２１と、
陰極に対向した孔２５を有する板状の陽極２２と、陽極
孔２５を挟みかつ第１の板状陰極２１に対向して設置さ
れた第２の板状陰極２３とを備えた容器２４と、相対的
な印加電圧として、第１及び第２の陰極２１，２３に低
電位、板状の陽極２２に高電位を与える手段と、容器２
４内に放電を起こすガスを導入するガス導入部４と、容
器内の放電部に磁場を発生させる磁場発生器２８とを備
え、板状の陽極２２に設けられている孔２５の直径もし
くは一辺の長さＣが、板状の陽極２２の厚みＡの３倍よ
り大きい。又、板状の陽極２２に設けられている孔の直
径もしくは一辺の長さ（φd）が、容器の内壁径もしく
は一辺の長さ（φD）に対し、８０％以上である。

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。

【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。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０．５〜１
０keV のアルゴン原子を放射する高速原子線源の一例を
図１２に示す。図中、符号１は円筒形の陰極、２はドー
ナッツ状の陽極、３は０．５〜１０keVの直流高圧電
源、４はアルゴンガスを供給するガスノズル、５はアル
ゴンガス、６はプラズマ、７は原子線の放出孔、８は高
速原子線である。

【０００３】この動作は次の通りである。直流高圧電源
３以外の円筒形の陰極容器２を図示しない真空容器中に
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の内部に注入する。ここで真空容器
外部に配置された直流高電圧電源３によって、陽極２が
正電位、陰極１が負電位となるように、直流電圧を印加
する。これで陰極１と陽極２間に放電が起き、ガスプラ
ズマ６が発生し、アルゴンイオンと電子が生成される。
導入されたアルゴンガスから電離した電子は、陽極２に
向かって加速され、ドーナツ状陽極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。

【０００４】このように電子はドーナツ状陽極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。こうして発生したアルゴンイオ
ンは、直流高圧電源３の電界により円筒形陰極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と陰極１間の放電維
持電圧が、例えば１kVの時は１kV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の一方の底面に穿たれた放出孔７から高
速原子線８となって放出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図に示す従来の高速原
子線源においては、円筒型陰極１とドーナツ状陽極２を
用いているため、放電領域での電場が陰極に対して垂直
でなく、分布を持つため、「ビームの指向性が良くな
い」、「ビームの線量分布が存在する」等の問題点があ
る。特に、この問題点は大口径のビームを得る場合に顕
著となる。又、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。更に、高速原子線の放出量を増
加するには、「放電電圧を上げる」、「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」、「装置の大型化にな
る」、「高速原子線のエネルギー幅が広がってしまう」
など、使用上の問題点、使いにくさがあった。

【０００６】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、低ガス圧・低磁場で放電し、高い中性化率が得ら
れ、多量の均一性の高いビーム量が得られ、且つ指向性
の良い高速原子線源を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様の高
速原子線源は、原子放出孔を有する第１の板状陰極と、
一つ以上の孔を有する板状の陽極と、前記第１の板状陰
極とは別の第２の板状陰極が、前記板状の陽極を挟みか
つその板状の陽極に対向して設置されており、相対的な
印加電圧として、前記第１及び第２の陰極に低電位、前
記板状の陽極に高電位を与える手段と、前記第１及び第
２の陰極と板状の陽極間に放電を起こすガスを導入する
ガス導入部と、放電部に磁場を発生させる磁場発生器と
を備え、前記板状の陽極に設けられている孔の直径もし
くは一辺の長さが、前記板状の陽極の厚みの３倍より大
きいことを特徴とする。

【０００８】又、本発明の第２の態様の高速原子線源
は、原子放出孔を有する第１の板状陰極と、該陰極に対
向した孔を有する板状の陽極と、前記板状の陽極の孔を
挟み第１の板状陰極に対向して設置された第２の板状陰
極とを備えた容器と、相対的な印加電圧として、前記第
１及び第２の陰極に低電位、前記板状の陽極に高電位を
与える手段と、前記容器内に放電を起こすガスを導入す
るガス導入部と、前記容器内の放電部に磁場を発生させ
る磁場発生器とを備え、前記板状の陽極に設けられてい
る孔の直径もしくは一辺の長さが、前記容器の内壁径も
しくは一辺の長さに対し、８０％以上であることを特徴
とする。

【０００９】又、本発明の第３の態様の高速原子線源
は、前記板状の陽極に設けられている孔の直径もしくは
一辺の長さが、前記容器の内壁径もしくは一辺の長さに
対し、略１００％、又はそれ以上であることを特徴とす
る。

【００１０】又、本発明の第４の態様の高速原子線源
は、前記第２の板状陰極には、複数のガス導入孔を有
し、該導入孔を通じてガスが前記第１の陰極方向に略垂
直に前記容器内に導入されることを特徴とする。

【００１１】又、本発明の第５の態様の高速原子線源
は、前記板状陰極の原子放出孔の直径もしくは一辺の長
さが、該陰極の厚みの１／３から１／１０、もしくは１
／１０から１／２０、もしくは１／２０以下であること
を特徴とする。

【００１２】又、本発明の第６の態様の高速原子線源
は、前記磁場発生器により発生される磁場は、前記陽極
孔の中心軸において高く、前記陽極孔の中心軸に対して
ガスの流れ方向が同軸状に形成されることを特徴とす
る。

【００１３】又、本発明の第７の態様のビーム加工装置
は、前記請求項１乃至６のいずれか一項記載の高速原子
線源を備えたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の第１の態様によれば、一つ以上の孔を
有する板状陽極を挟み、且つその板状陽極に対向して設
置された２つの板状陰極と、これら電極間で放電を起こ
すガス導入部と、電磁石等による磁場発生器とから構成
され、板状陽極にある孔の直径又は一辺の長さと板状陽
極の厚さの比を適切な値にすることによって、イオン粒
子の中性化率と指向性を向上させることができる。

【００１５】又、本発明の第２の態様によれば、陽極に
設けられている孔内全域に渡り、電子の高周波振動が起
こることにより、高密度プラズマを発生させて、陽極の
孔内において均一な多量のビームを得ることができる。
プラズマの発生によって、陽極に設けられている孔内近
傍の空間電位は、陽極に印加した電位と同等となり、放
電領域での陽極電場が高速原子放出孔を有する陰極に対
して垂直となるため、指向性のよいビームを放出するこ
とが可能となる。

【００１６】高速原子線用容器の内壁径に対し、陽極に
開いている孔の内径もしくは一辺が８０％以上であるな
らば、面内の均一性は、著しく向上する。陰極と陰極と
の間の電子の高周波振動は、放電が行われる空間の８０
％以上で発生するため、半径方向に対して全体でほぼ均
一な高密度プラズマを生成できる。さらに、陽極孔内近
傍の空間電位は、プラズマの発生によって陽極電位とほ
ぼ同等となることにより、原子線放出孔を有する陰極に
対して、電界は垂直となり、指向性のよいビームを放出
することが可能となる。

【００１７】又、本発明の第３の態様によれば、高速原
子線用容器の内壁径もしくは一辺に対し、陽極に開いて
いる孔の内径もしくは一辺が等しい時、即ち１００％で
ある時には、電子の高周波振動は放電が行われる空間の
全域で発生し、しかも、放電を行う容器内壁がスムース
な壁面となるため、ガス流による剥離やガス密度の変化
が小さくなり、効率的な放電が可能となる。この時、陽
極孔径（φd）が内壁径（φD）より大きい場合（即ち、
１００％以上の場合）にも同様の効果があり、効率的に
放電プラズマの生成及び高速原子線の発生を行うことが
できる。

【００１８】又、本発明の第４の態様によれば、陽極を
挟んで、上流側と下流側にある陰極が板状であり、陽極
孔を挟み、上流側陰極に設けられたガス導入孔から、下
流側陰極に垂直方向にガスが流れる。このため、両陰極
間で起こる電子の振動はガスの流れ方向に起こり、導入
ガスと電子との衝突確率を向上させ、高密度プラズマを
生成できる。また、ガス導入時に、ガスの密度を放電空
間に均一に供給する事が可能となるため、均一なプラズ
マ生成に効果があり、よって均一なビームを得られる。

【００１９】又、本発明の第５の態様によれば、原子放
出孔を有する板状陰極の厚み（Ｂ）に対する放出孔の直
径もしくは１辺の長さ（Ｅ）の比を変化させることによ
り、ビーム量、指向性、中性化率を制御することができ
る。例えば、孔径（Ｅ）が、板状陰極の厚み（Ｂ）の１
／３〜１／１０では、指向性・中性化率は、あまり良く
ないが、高ビーム量の高速原子線放出が可能となる。１
／１０〜１／２０では、指向性・中性化率が高い特性が
得られ、約６°〜４°の最大発散角や約４０〜６０％の
中性化率が得られる。又、１／２０以下であると、更に
良い指向性と高中性化率が得られ、孔径が１／３０で
は、最大ビーム発散角２°で７０％以上の中性化率が得
られる。このように、孔径と陰極厚さの関係により、ビ
ーム量、中性化率、指向性について、放出される高速原
子線の特性が大きく変化する。

【００２０】又、本発明の第６の態様によれば、陽極孔
の中心軸近傍に高磁場領域を設置することにより、陽極
を挟み、陰極間で発生する電子の高周波振動の中で、陽
極孔付近での当該電子の有する速度は最大となり、低磁
場で導入ガスと電子との衝突確率を最も向上させ、高密
度プラズマを生成できる。

【００２１】又、本発明の第７の態様によれば、このよ
うな高速原子線源を備えたビーム加工装置は、試料を高
速原子線放射面内において均一に高アスペクト比で高速
加工することが可能となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係る高速原子線源の実施例を
図面に基づいて説明する。

【００２３】図１は、本発明の第１実施例の高速原子線
源の説明図である。符号２１は原子放出孔を有する板状
陰極、２２は板状陽極、２３はガス導入孔を有する板状
陰極、２４は絶縁物（セラミック）外筒である。符号２
５は板状陽極２２の中心部に設けられた陽極孔、２６は
板状陰極２３に設けられたガス導入孔、２７はガスプラ
ズマである。即ち、２枚の板状陰極２１，２３が板状の
陽極２２を挟み、その板状の陽極２２に対向して配置さ
れ、セラミック外筒２４により固定されている。板状陰
極２１，２３には、それぞれガス導入孔２６及び原子放
出孔７を備え、板状の陽極２２にはその中心部に陽極孔
２５を備えている。

【００２４】又、陽極２２と陰極２１，２３間には、陽
極２２に高電位を、陰極２１，２３には低電位を与える
直流高圧電源３が接続されている。又、図示しない電磁
石又は永久磁石からなる磁場発生器が本実施例の高速原
子線源の周辺に配置され、その発生する磁場は、陽極２
２の中心部において高く、ガスの流れ方向に対して同軸
状に形成される。

【００２５】この動作は次のとおりである。図示しない
磁場発生器、直流高圧電源３以外を真空容器におさめて
十分に排気した後、アルゴン等のガスを導入し、ガス導
入孔２６を備えた陰極２３及び原子放出孔７を備えた陰
極２１と、陽極孔２５を備えた板状陽極２２の間に直流
電圧を印加する。導入したガスは陽極孔２５を通過し下
流へと導かれて、板状陽極２２とガス導入陰極２３との
間、板状陽極２２と原子放出陰極２１との間に放電が起
き、それぞれプラズマ２７が発生して導入ガスは電離さ
れてイオンと電子が生成する。

【００２６】通常の電磁石等の磁場発生器によって形成
する磁場分布は、図２に示すように円筒の中心軸上、特
に陽極孔２５の中心部において高く、ガスの流れ方向に
対して同軸状に形成される。このため、図２に示すよう
に陽極板２２の中心部に孔２５があると、電離電子のサ
イクロトロン運動が起こり、且つ、陽極孔２５を介して
陰極２１，２３間における電子の往復運動により、陽極
に設けられている孔２５付近ではガス粒子と電子との衝
突確率が著しく高くなる。

【００２７】また、図２のように、導入されたガス粒子
がすべて陽極２２に設けられた孔２５を通過するため
に、ガス粒子と電子との衝突により電離が著しく進行す
る。その結果、高密度のプラズマが従来よりも低ガス圧
・低電圧において達成できる。特に板状陽極２２の陽極
孔２５付近で発生する高密度プラズマは、陽極に設けら
れている孔の直径または一辺の長さＣが板状陽極の厚み
Ａの３倍よりも大きい時に顕著に現れる。尚、陽極孔２
５は本実施例においては円型であるが、四角型又は五角
型等の多角形としても勿論よい。

【００２８】図３は、陽極孔の厚みＡを一定として、陽
極孔の径Ｃを変えたときの放電電流の関係を示す。図３
（Ａ）は、陽極の厚みＡが３ｍｍであり、（Ｂ）は陽極
の厚みＡが５ｍｍである時のデータを示す。尚、ここで
用いられている高速原子線源では、容器内径が約１０〜
３００ｍｍ、陽極の厚みＡが１〜１０ｍｍ程度でよく用
いられている。図示するように（Ａ）に示すＡ＝３ｍｍ
と、（Ｂ）に示すＡ＝５ｍｍの場合で、それぞれＣ＞３
Ａの条件で、高密度プラズマが得られていることが判
る。この時の作動条件は、放電ガスがアルゴンで、放電
電圧は１．５ｋＶである。

【００２９】板状陽極２２と原子放出陰極２１との間で
発生したプラズマ２７中のイオンは、原子放出陰極２１
に向かって加速されて大きなエネルギーを得、この陰極
の原子放出孔７中において、残留しているガスの原子・
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７
の出口から高速原子線８として放出される。この結果、
本実施例の高速原子線８は、低ガス圧で放電し、且つ多
量のビーム電流を得ることができる。

【００３０】図４は、本発明の第２実施例の高速原子線
源の説明図であり、本実施例においては、陽極孔２８は
複数個設けられている。図５は陽極孔が複数個存在する
時の導入ガス粒子の流れ及び電子の運動及び磁場強度分
布を示したものである。本実施例においても、各陽極孔
の直径Ｌに対して複数の陽極孔２８の合計の等価的な直
径Ｃは、板状陽極の厚みＡの３倍以上になるように、各
陽極孔の直径Ｌが決められている。各陽極孔２８付近で
は第１実施例と同様の原理で低電圧で効率よく高密度プ
ラズマを形成することができる。

【００３１】図６は、本発明の第３実施例の高速原子線
源の説明図である。符号２１は原子放出孔を有する板状
陰極、２２は板状陽極、２３はガス導入孔を有する板状
陰極、２４は絶縁物（セラミック）容器である。符号２
５は板状陽極２２の中心部に設けられた陽極孔、２６は
板状陰極２３に設けられたガス導入孔、２７はガスプラ
ズマである。即ち、２枚の板状陰極２１，２３が孔２５
を有する板状の陽極２２を挟み、その板状の陽極２２に
対向して配置され、セラミック容器２４により固定され
ている。板状陰極２１，２３には、それぞれガス導入孔
２６及び原子放出孔２７を備え、板状の陽極２２にはそ
の中心部に陽極孔２５を備えている。

【００３２】又、陽極２２と陰極２１，２３間には、陽
極２２に高電位を、陰極２１，２３には低電位を与える
直流高圧電源（図示しない）が接続されている。又、電
磁石又は永久磁石からなる磁場発生器２８が本実施例の
高速原子線源の周辺に配置され、その発生する磁場は、
陽極２２の孔２５の中心軸部において高く、ガスの流れ
方向に対して同軸状に形成される。

【００３３】この動作は次のとおりである。図示しない
直流高圧電源等を真空容器外に配置して、容器２４等を
図示しない真空容器におさめて十分に排気した後、容器
２４内にガス導入ノズル４からアルゴン等のガスを導入
する。そして、ガス導入孔２６を備えた陰極２３及び原
子放出孔７を備えた陰極２１と、陽極孔２５を備えた板
状陽極２２の間に直流電圧を印加する。ノズル４から導
入したガスは、陰極２３のガス道入孔２６を通り、略垂
直方向に流れ、陽極孔２５を通過し下流へと導かれる。
板状陽極２２とガス導入陰極２３との間、板状陽極２２
と原子放出陰極２１との間に放電が起き、それぞれプラ
ズマ２７が発生して導入ガスは電離されてイオンと電子
が生成される。

【００３４】通常の電磁石等の磁場発生器２８によって
形成する磁場分布は、図７に示すように円筒の中心軸
上、特に陽極孔２５の中心部において高く、ガスの流れ
方向に対して同軸状に形成される。このため、図７に示
すように陽極板２２の中心部に孔２５があると、電離電
子のサイクロトロン運動が起こり、且つ、陽極孔２５を
介して陰極２１，２３間における電子の往復運動によ
り、陽極に設けられている孔２５付近ではガス粒子と電
子との衝突確率が著しく高くなる。

【００３５】また、図７に示すように、導入されたガス
粒子がすべて陽極２２に設けられた孔２５を通過するた
めに、ガス粒子と電子との衝突により電離が著しく進行
する。その結果、高密度のプラズマが従来よりも低ガス
圧・低電圧において生成できる。特に板状陽極２２の孔
２５付近で発生する高密度プラズマは、陽極に設けられ
ている孔２５の直径または一辺の長さ（φd）が容器内
壁径（φD）の８０％よりも大きい時に顕著に現れる。
尚、陽極孔２５は本実施例においては円型であるが、四
角型又は五角型等の多角形としても勿論よい。

【００３６】図８は、陽極孔２５の内径又は一辺（φ
d）と容器内壁径（φD）との比（φd／φD）と、陽極面
内均一性との関係を示す。陽極に設けられている孔の直
径または一辺の長さ（φd）が、容器内壁径もしくは一
辺の長さ（φD）の８０％以上である時、電子の高周波
振動は、放電空間の８０％以上で発生し、高密度プラズ
マを径方向に対してほぼ均一に生成することができる。

【００３７】陽極と原子放出孔を有する陰極との間で発
生したプラズマ中のイオンは、原子放出孔を有する陰極
２１に向かって加速されて大きなエネルギーを得、この
陰極の原子放出孔７中において、残留しているガスの原
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７出口から高速原子線として放出される。ここで、陽
極孔２５近傍の空間電位は、プラズマ発生によって、陽
極電位と等しくなり、陽極の電界は高速原子線放出孔７
を有する陰極２１に対して放電空間全域に渡り垂直にな
っているため、指向性のよいビームを放出することがで
きる。この結果、本実施例の高速原子線源は低ガス圧で
放電しかつ均一性の高い多量の指向性のよいビームを得
ることができる。

【００３８】次に、原子放出陰極２１における原子放出
孔７の直径（又は一辺の長さ）Ａと陰極の厚みＢとの関
係を述べる。原子放出孔を有する板状陰極に設けられて
いる孔の直径もしくは一辺の長さＡが、板状陰極２１
の厚みＢの１／３から１／１０、１／１０から１／２
０、１／２０以下の３通りの場合を比較した時、得ら
れるビーム電流、指向性、中性化率の相対的特性は以下
の通りである。尚、板状陰極２１における原子放出孔７
の形状も円型に限らず、四角型あるいは五角型等の多角
型でもよいのは勿論のことである。

【００３９】番号ビーム電流指向性中性化率 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 大悪い低い中普通中小良い高い

【００４０】この関係から、板状陰極２１の孔７の大き
さＥに対する厚さＢの比を大きく（の場合）すると、
直進性を持たないビームは孔の側面に衝突して失われ、
直進性を持つビームのみが通過可能となって指向性が増
し、残留ガスとの衝突確率が増加して中性化率は良くな
る。しかしながら、ビームの原子放出孔７中での損失が
多くなり結果的にビーム電流は減少する。これに対し
て、板状陰極２１の孔７の大きさＥに対する厚さＢの比
を小さくすると（の場合）、の結果とは逆にビーム
電流は増加するが指向性と中性化率は減少する。板状陰
極の孔の大きさＥと厚さＢの比を適切な値（の場合）
にすることによって、望まれる最適なビーム電流、指向
性、中性化率等の特性を持つ高速原子線を生成すること
ができる。

【００４１】図９は、本発明の第４実施例の高速原子線
源の説明図である。第５実施例とは陽極孔２５の内径
（φd）が異なり、内径（φd）が容器内壁径（φD）と
等しい場合の例を示す。本実施例では、陽極孔の内径も
しくは一辺（φd）と容器内壁径もしくは一辺（φD）が
等しいため、容器２４内壁面が平坦となる。このため容
器内を流れるガス流に対しても、抵抗物が無くなるた
め、より均一なプラズマ形成を行う事ができる。

【００４２】図１０は、本発明の第５実施例の高速原子
線源の説明図である。第３又は第４実施例とは陽極孔２
５の内径（φd）が異なり、内径（φd）が容器内壁径
（φD)よりも大きな、即ち、φd / φD が１００％以上
の場合である。この場合には、第４実施例と同様な効
果、即ち、容器内壁面が平坦になるので、容器内を流れ
るガス流に対して、同様に抵抗感が無くなるため、より
均一なプラズマ形成を行うことができる。さらに、電子
の運動により、陽極孔２５内周面がスパッタされ、容器
２４内でのスパッタによる絶縁抵抗値の変化を軽減する
事が出来ることがメリットとして考えられる。

【００４３】上述した第３乃至第５実施例の高速原子線
は、容器内壁径Ｄが１０ｍｍ〜３００ｍｍで用いられて
いる。図１１は、容器内径Ｄ＝８０ｍｍを用いた半径方
向の均一性の一実験データである。これは酸素ガス高速
原子線によるポリミリドのエッチングレートの半径方向
の分布を示している。本実験例では容器の高さが１４０
ｍｍであり、その中央部に厚さ７ｍｍの陽極板が設けら
れている。陽極孔ｄの寸法は、容器内径Ｄと等しく８０
ｍｍである。即ち、本実施例ではφｄ／φＤ＝１００％
の場合である。又、原子放出孔を有する陰極の厚さは６
ｍｍであり、原子放出孔の内径は１ｍｍφである。実験
例１では、電圧Ｖｄ＝２．２ｋＶであり、放電電流Ｉd
＝１５０ｍＡであり、磁束密度Ｂ＝５０Ｇである。

【００４４】上述した第３乃至第５実施例の高速原子線
は、容器内径Ｄが１０ｍｍ〜３００ｍｍで用いられてい
る。図１１は、容器内径Ｄ＝８０ｍｍを用いた半径方向
の均一性の一実験データである。これは酸素ガス高速原
子線によるポリミリドのエッチングレートの半径方向の
分布を示している。本実施例では容器の高さが１４０ｍ
ｍであり、その中央部に厚さ３ｍｍの陽極板が設けられ
ている。陽極孔φｄの寸法は、容器内径φＤと等しく８
０ｍｍである。即ち、本実施例ではφｄ／φＤ＝１００
％の場合である。又、原子放出孔を有する陰極の厚さは
６ｍｍであり、原子放出孔の内径は１ｍｍφである。

【００４５】実験例１では、電圧Ｖｄ＝２．２ｋＶであ
り、放電電流Ｉd＝１５０ｍＡであり、磁束密度Ｂ＝５
０Ｇである。実験例２では、電圧Ｖｄ＝１．６ｋＶであ
り、放電電流Ｉd＝５０ｍＡであり、磁束密度Ｂ＝６０
Ｇである。尚、酸素ガス流量はＱ＝５ｓｃｃｍである。

【００４６】図示するように、容器内径８０ｍｍ（半径
４０ｍｍ）に対して、半径３０ｍｍ以上まで均一なエッ
チレートが得られていることがわかる。従って、上記実
験例１，２によれば、上述した条件により極めて大口径
の均一性の高い高速原子線ビームが得られることが確認
されている。

【００４７】この高速原子線源は、上述したように比較
的低電圧で大口径の電気的に中性な原子ビームを放出す
ることができるので、高速原子線を照射することによ
り、絶縁物或いは金属等の固体表面を切削加工すること
ができ、又、中性原子を注入することができる。又、照
射面の物理的な性質或いは化学的な性質を改変すること
も可能である。従って、この高速原子線源を備えたビー
ム加工装置は、イオン注入に代わる中性原子の注入装
置、或いは、微細加工（マイクロマシニング）装置等に
用いられる。

【００４８】尚、上述した実施例の陽極孔を有する板状
陽極は、金属メッシュを有する板状陽極としてもよい。
又、板状陰極２３のガス導入孔２６は、電離するガスの
流入及び真空引きを妨げない程度に適宜設けるようにし
てもよい。又、プラズマの形成を促進するために、フィ
ラメントを陰極近傍に設け、ハロゲンガス等を用い熱陰
極放電を併用するようにしてもよい。このように本発明
の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能で
ある。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
ガス圧・低電圧で高密度プラズマを発生でき、且つ高い
中性化率が得られ、多量のビーム電流が得られ、又、指
向性の良い高速原子線源を提供できる。高速原子線は、
イオンビームとは異なり帯電という問題を生じることな
く、固体表面を削りあるいは変性させ得ることが特徴
で、半導体の微細加工等に重用される。従って、従来と
比較して固体表面を高アスペクト比で高速加工すること
が可能となる。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威
力を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の高速原子線源の説明図。

【図２】図１に示す高速原子線源の動作の説明図。

【図３】陽極孔径Ｃと放電電流の関係を示す線図。

【図４】本発明の第２実施例の高速原子線源の説明図。

【図５】図４に示す高速原子線源の動作の説明図。

【図６】本発明の第３実施例の高速原子線源の説明図。

【図７】図６に示す高速原子線源の陽極孔近傍における
ガスの流れの説明図。

【図８】φd / φDと陽極孔面内均一性の関係の線図。

【図９】本発明の第４実施例の高速原子線源の説明図。

【図１０】本発明の第５実施例の高速原子線源の説明
図。

【図１１】半径方向のエッチングレートを示す実験例の
線図。

【図１２】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ドーナッツ状陽極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高速原子線放出孔８高速原子線２１板状陰極２２板状陽極２３板状陰極２４容器（絶縁物）２５陽極孔２６ガス導入孔２７プラズマ２８磁場発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子放出孔を有する第１の板状陰極と、
一つ以上の孔を有する板状の陽極と、前記第１の板状陰
極とは別の第２の板状陰極が、前記板状の陽極を挟みか
つその板状の陽極に対向して設置されており、相対的な
印加電圧として、前記第１及び第２の陰極に低電位、前
記板状の陽極に高電位を与える手段と、前記第１及び第
２の陰極と板状の陽極間に放電を起こすガスを導入する
ガス導入部と、放電部に磁場を発生させる磁場発生器と
を備え、前記板状の陽極に設けられている孔の直径もし
くは一辺の長さが、前記板状の陽極の厚みの３倍より大
きいことを特徴とする高速原子線源。
【請求項２】原子放出孔を有する第１の板状陰極と、
該陰極に対向した孔を有する板状の陽極と、前記板状の
陽極の孔を挟み第１の板状陰極に対向して設置された第
２の板状陰極とを備えた容器と、相対的な印加電圧とし
て、前記第１及び第２の陰極に低電位、前記板状の陽極
に高電位を与える手段と、前記容器内に放電を起こすガ
スを導入するガス導入部と、前記容器内の放電部に磁場
を発生させる磁場発生器とを備え、前記板状の陽極に設
けられている孔の直径もしくは一辺の長さが、前記容器
の内壁径もしくは一辺の長さに対し、８０％以上である
ことを特徴とする高速原子線源。
【請求項３】前記板状の陽極に設けられている孔の直
径もしくは一辺の長さが、前記容器の内壁径もしくは一
辺の長さに対し、略１００％、又はそれ以上であること
を特徴とする請求項２記載の高速原子線源。
【請求項４】前記第２の板状陰極には、複数のガス導
入孔を有し、該導入孔を通じてガスが前記第１の陰極方
向に略垂直に前記容器内に導入されることを特徴とする
請求項１乃至３のいずれか一項記載の高速原子線源。
【請求項５】前記板状陰極の原子放出孔の直径もしく
は一辺の長さが、該陰極の厚みの１／３から１／１０、
もしくは１／１０から１／２０、もしくは１／２０以下
であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項
記載の高速原子線源。
【請求項６】前記磁場発生器により発生される磁場
は、前記陽極孔の中心軸において高く、前記陽極孔の中
心軸に対してガスの流れ方向が同軸状に形成されること
を特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の高速
原子線源。
【請求項７】前記請求項１乃至６のいずれか一項記載
の高速原子線源を備えたことを特徴とするビーム加工装
置。