JPS5831698B2 - 電界蒸発型イオンビ−ム発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電界蒸発型イオンビーム発生装置に関する。

電界蒸発型のイオン源は、従来の電子衝撃型、電子振動
型、ＰＩＧ型等のイオン源と比べ、１０５倍程度も輝度
が高く、小型であり、金属、半導体のほとんどをイオン
化できるという特徴を有している。

それ故、数ＩＶｃｆｒＬ２の高電流密度でＵ如以下の径
にイオンビームを細く絞ることが可能となり、イオン注
入や質量分析等の従来技術でのイオン源として用いられ
るばかりでなく、マスクを使わないイオン注入技術や、
イオンビームによる微細加工技術へも使用されつつある
。

しかし、このイオン源を含む一つの装置として見ると、
従来のこの種イオンビーム発生装置では、機械的、電子
光学的見地からの機構上の問題点及び放出イオン電流の
調整とか安定化等の制御上の問題点が残っていた。

そこで先づ、従来のこの種イオンビーム発生装置の基本
構成を第１図に示して説明し、具体的な欠点を明らかに
する。

針状陽極１に付着しているイオン化すべき物質２は、ヒ
ーター電源３によりヒーター４を加熱することにより溶
融状態に置かれる。

針状陽極１と引き出し電極５の間には高圧電源６により
通常数ｋＶの高電圧が印加され、針状陽極１の尖端に生
ずる強電界によりイオン化物質２は、イオンとして取り
出される。

イオンは通常接地される陰極７と針状陽極１の間の主加
速電源８により、所望の電圧にて加速される。

更に、針状陽極１の尖端以外に余分な電界が加わって放
出イオン電流が不安定になることがないように、別途に
遮蔽電極９が必要となる。

以上のような従来の装置で放出イオン電流を調整するに
は、引き出し電極５への印加電圧を調整しており、また
、放出イオン電流を安定化するには、陰極７或いは引き
出し電極５に流れるイオン電流成分を検出し、その増加
、減少に応じて引き出し電圧を下降、上昇させている。

斯様な従来例の欠点を列記すると以下の通りである。

（１）針状電極１、引き出し電極５、陰極７間の機械的
乃至電子光学的な軸合わせが難しい。

（２）引き出し電極５によるレンズ作用により、電子光
学的なイオン放出点が、針状陽極１の尖端より引き出し
電極５の方にずれる。

このため、主加速電圧８あるいは引き出し電圧６の変化
に対して、陰極７以後に設けられる電子光学系の特性も
変化してしまう。

（３）主加速電源８に浮かせて設ける引き出し用電源６
は高圧でなげればならず、構成が大仰になリ、安全性の
点からも望ましくない。

また、このような高圧電源を放出イオン電流の変化に応
答させてイオン電流安定化を図るには、この高圧電源は
周波数応答性の良い電圧増幅器でなげればならないが、
一般にこのような高電圧を発生する増幅器は、高価であ
ると同時に大型となり、電気回路系の小型化を妨げるこ
とになる。

本発明は以上に鑑でなされたもので、上述の従来例の欠
陥を克服し、しかもより単純な電極構成とする合理化を
図ったものである。

以下、第２図坦降に即し本発明の実施例に就き説明する
。

第２図において、構造上、最も特徴的なのは、従来例の
イオンビーム発生装置における引き出し用電極５及び遮
蔽電極９を省き、針状陽極１の近傍（周囲）に積極的に
イオンビームの制御用電極１０を設けたことで、この制
御用電極１０の使い方により、放出イオン電流の調整も
でき、また安定化もできるのである。

先づ、この第２図では、放出イオン電流を調整、規定す
る応用例を示していて、針状陽極１と陰極１との間の主
加速電源８に浮かせて、低圧の調整電源１１を制御用電
極１０に接続したものである。

尚、他の構成子は従来通りで良いので第１図と同一の符
号を付しておく。

以下作用を説明すると、針状陽極１の尖端には陰極７間
の主加速電源８により強電界が与えられ、ヒータ４によ
って溶融状態となっているイオン源２から陰極７に向か
い、放出イオンが導出、加速される。

この時、制御用電極１０に、針状陽極１に対して正又は
負の数百Ｖの電圧を調整電源１１から印加すると、針状
陽極尖端の電界強度がそれに応じて調整され、放出イオ
ン電流が調節される。

尚、制御用電極１０は針状陽極１の尖端地対に強電界が
加からないようにする働きもしている。

本装置における制御用電極への調整電圧と放出イオン電
流との関係を、一つの実例として、金Ａｕをイオン源と
したものにつき、第３図に示す。

主加速電圧は１２．ＩＫｖ、制御用電極１０の針状陽極
を突き出させる透孔１０ａの径は３ｍｍφで、針状陽極
の尖端はこの透孔１０ａを介し制御用電極１０より陰極
γ側へ約０．８ｍｍ、突き出させている。

本図に見る通り、制御用電極１０への印加電圧（調整電
圧）が正負９００Ｖの範囲で放出イオン電流をＯ〜３０
μＡ１町変調整できることが判かろう。

この実例に限らず共、主加速電圧の値、制御用電極の穴
径、及び針状陽極の制御用電極からの突き出し量が変わ
れば、調整電圧と放出イオン電流との関係も変わってく
るが、いづれにしろ、従来に比せばかなりな低電圧で放
出イオン電流を調整できるのである。

例えば、主加速電圧を数１０ｋＶに増加するならば、針
状陽極の突き出し量を少くするか、あるいは制御用電極
の穴径を小さくすることにより、やはり数百Ｖの電圧で
放出イオン電流を調節できる。

地上の放出イオン電流値の調整、規定に加えて、制御用
電極１０に加える電圧を、放出イオン電流の変動に応じ
て上下させることにより、放出イオン電流の安定化も図
ることができる。

即ち、第２図において、陰極７に流れるイオン電流の変
動分を公知手法により検知し、その変動量に応じて、主
加速電源８上に浮いた調整電源の電圧値を、変動を減少
させる方向へ変化させれば良いのである。

その場合には、調整電源１１は、先にも述べたように、
変動分の検出信号に光学的或いは機械的結合手段を介し
て（高圧回路とのアイソレーションのため）応答する電
圧増幅器として構成する必要があるが、本発明に依れば
この調整電流１１はかなり低圧で良いがために、このよ
うに電圧増幅器として組むのもた易く、しかもそれ程犬
型のものにせずに済むのである。

本発明の装置は、このように、公知のイオン電流安定化
のための外部装置を採り入れるにも、その構成を簡便且
つ小型なものにすることができるという付帯的な効果を
も生むものである。

更に、イオン電流安定化という点に就いては、本発明の
電極構造の装置によれば、謂わば電流帰還的な簡便な手
法も採用することが可能である。

第４図はそうした場合の制御用電極１０の使い方を示し
ていて、針状陽極１と制御用電極１０との間に抵抗１２
を入れ、主加速電源８は制御用電極１０に結線している
。

従って、放出イオンによる電流路は、抵抗１２を介して
陽極１から陰極７に至るから、電極１０は陽極１に対し
て正の電位に保たれ、その状態でイオン電流が増減（変
動）すると、それに応じて抵抗１２での電圧降下分が変
化し、電極１０の陽極１に対する電位が相対的に上記変
動を抑える方向に変化して放出イオン電流を安定化する
。

第５図は放出イオン電流経時変動の各場合を示したもの
で、同図Ａは何ら安定化を行なわない場合で時間平均電
流値の７０％の範囲で変動している。

同図Ｂは第２図示の構成において、陰極に流れる１′オ
ン電電流分を検出して公知手法により光ファイバを介し
て電圧増幅器として構成した調整電源１１を制御した場
合で変動は１％程度に迄抑え込まれている。

同図Ｃは第４図の構成において抵抗値を１ｏｅ］１７と
して得られたもので、約１５優の変動となっている。

つまり、簡単な抵抗による安定化法でも、調整電源１１
を制御する確実な安定化法に比せば劣るが、尚充分な効
果が得られることが判かる。

以上詳記のように、本発明によれば、従来の電界蒸発型
イオンビーム発生装置に比し、電極構造を簡便化でき、
装置自体の構成を簡明、廉価にできることに加え、機械
的及び電子光学的な軸合わせが容易になると共に、余分
なレンズ作用を起こすことなく、電子光学系の設計、動
作を簡明なものとすることができる。

更に、実際の応用下において、放出イオン電流を調節す
るのに調整電源を用いるにも、従来の数ＫＶを要するも
のに比してかなり低圧のものとすることができ、主加速
電源上に浮かせる電気回路を簡単化、小型化でき、イオ
ン電流の安定化をなすにも容易かつ合理的な構成とする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電界蒸発型イオンビーム発生装置の基本
的な概略構成図、第２図は本発明装置の一実施例の概略
構成図、第３図は第２図示の装置による調節電圧対放出
イオン電流の関係曲線図、第４図は本発明装置の他の応
用例の概略構成図、第５図Ａ−Ｃは夫々、各場合におけ
る放出イオン電流の時間的変動を示す測定図である。 図中、１は針状陽極、２はイオン化すべき物質、４はヒ
ータ、７は陰極、８は主加速電源、１０は制御用電極で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ イオンが放出する針状陽極と、イオン化すべき物質
   を溶融状態に保つヒータと、陰極と、から戒る電界蒸発
   型イオンビーム発生装置において、上記針状陽極の近傍
   にイオンビーム制御用電極を設けると共に、該イオンビ
   ーム制御用電極への供給電位は、上記陰極電位に関し主
   加速電源を介して供給されることを特徴とするイオンビ
   ーム発生装置。