JPS6217929A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、イオン源に関し、特に、半導体素子ｍｅプ
ロセスの分野におけるイオン注入、イオンビーム日光、
イオンビーム堆積、イオンビームエツチングあるいはイ
オンビーム描画などの微細加工に用いられる高輝度イオ
ンビームの気体イオン源に関する。

〔従来の技術］ 従来、この種の装置としては、たとえば伊藤糾次ほか著
：イオンインプランテーション（昭晃堂、昭和５１年）
に掲載された第３図に示すものがある。

まず、第３図に示す従来のイオン源の構成について説明
する。第３図において、従来のイオン源は数計１と真空
室２とを備える。放電室１には陰極３と中間電極４とＷ
ＡＡｓ２が設けられ、中間電極４と陽極５には、それぞ
れ中間電極孔６と陽極孔７とが設けられる。また、放電
室１には、陰極３と中間電１１４との間にキャリア気体
を導入するためのキャリア気体導入口９と、中間電極４
と陽極５との間に試料気体を導入するための試料気体導
入口１０とが設けられる。

真空室２は陽極５によって数計１から隔てられ、かつ陽
極孔７により放電室１に通じている。

真空室２には、排気するための真空引口１３と陽極すに
近接して引出電極１１とが設けられる。引出電極１１に
はイオンを引出すための引出電極孔１２が設けられる。

次に、従来のイオン源の動作について説明する。

まず、真空引口１３から排気を行なって、放電室１と真
空室２を所定の真空度にする。続いて、放電室１にキャ
リア気体導入口９からキャリア気体を導入し、陰極３と
中間電極４との間に直流電圧を印加する。すると、キャ
リア気体は陰極３と中間電極４との間に生じるグロー放
電あるいはアーク放電により電離して、プラズマが生成
する。

生成したプラズマは中間電極孔６を通過して、中間電極
４と陽極５との間に流入する。ここで、試料気体を試料
気体導入口１０から放電室１内に導入すると、キャリア
気体のプラズマは導入された試料気体と衝突することに
よって試料気体をイオン化する。イオン化された試料気
体は陽極孔７を通過し、陽極５と引出電１１ｉ１１との
間に流入する。陽極５と引出電極１１との間には、直流
電圧が印加され、電場が生じているので、この電場によ
り第３図の矢印Ｃで示ず方向に引出電極孔１２からイオ
ン流が引出される。このとき、イオン流とともにイオン
化されていない中性気体も分子ビーム状となって真空室
２内に流入する。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来のイオン源では、上述したようにイオンの引出ｉ［
極が陽極に近接して設けられており、生成した高部のプ
ラズマからイオンを引出すので、引出されたイオン流の
温度は高く、イオンの無作為運動は大きかった。この大
ぎな無作為運動はイオン流を加速して得られるイオンビ
ームにおいても残存するので、電磁場を用いてビーム集
束させ得る径には限界があり、従来のイオン源を集束イ
オンビームなどの超高輝度イオンビームに適用すること
は不可能であった。

ところで、気体原子または気体分子に関する超高輝度イ
オンビームのイオン源としては、これまで、液体窒素あ
るいは液体ヘリウムで冷却１）た金属表面に凝固させた
気体原子・分子−からのイオンの電昇放出を用いており
、引出されたイオン流の温度は低く、イオンの無作為運
動は小さいものの、気体イオン源と比較してイオン流量
が看しく少なくかつ装置も複雑であるなどの問題点があ
った。

それゆえに、この発明は上述の問題点を解消するために
なされたもので、集束イオンビームなどの超高輝度イオ
ンビームに適用できるイオン源を得ることを目的とする
。

Ｅ問題点を解決するための手段］ この発明に係わるイオン源は、弱電離気体発生手段によ
り弱電離気体を発生させ、これを隔板に設けられている
１つの孔を経て真空室内に導入し、真空室内で超音速自
由膨張させて、超音速自由膨張流を発生させ、この超音
速自由膨張流における気体温度の低下した領域に、それ
ぞれに複数個の孔が形成された複数個の引出電極を設け
、電場発生手段によって引出電極間に電場を生じさせて
、温度の低下したイオンを引出すようにしたものである
。

Ｅ作用］ この発明における気体温度の低下した超音速自６一 由膨張流領域に設置された複数個の引出電極は、中性原
子・分子やイオン等の自由粒子の温度が絶対ｍＦ！２０
〜数度にまで低下したプラズマ流からイオンを引出すの
で、引出されたイオン流の温度は低く、イオンの無作為
運動は小さい。したがって、このイオン源は、集束イオ
ンビームなどの超高輝度イオンビームに適用することが
できる。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例のイオン源の概略を示す図であ
る。

まず、このイオン源の概略の構成について説明する。こ
のイオン源は弱電離気体発生手段として放電室１を備え
る。放電室１には陰極３と中間電極４と陽極５とが設け
られ、中間電極４と陽極５にはそれぞれ中間電極孔６と
陽極孔７とが設けられる。また、陽極５から十分離れた
位置に引出型ｍｌ　１ａおよび１１ｂが設けられ、それ
ぞれの引出電極にはそれでれ複数個の引出電極孔１２ａ
および１２ｂが設けられる。引出電極１１ａ、１１ｂに
は図示しない直流電圧発生源から直流電圧が印加されて
、これらの電極間には、電場が生じる。

引出電極は第１図に示すような２つの引出電極１１８．
１１ｂで構成されるものに限定されるものではなく、多
数の電極で引出電極を構成し、それらの電極間に電場を
生じさせてもよい。また、引出電極１１ａ、１１ｂとし
ては、複数個の引出電極１２ａ、１２ｂが形成された金
属板でもよく、それに代えて金嘱網を用いてもよい。

この引出電極１１ａ、１１ｂを含む真空室２は陽極５を
介して放電室１に接しており、陽極孔７により放電室１
に通じている。すなわち、陽極５は放電室１と真空室２
とを隔てる隔板として機能し、陽極孔７は放電室１で発
生した弱電離気体を真空室２内へ導く隔板孔として機能
する。この陽極孔７の形状は円形でもよく、また、正方
形あるいは長方形でもよい。

さらに、放電ｖ１には第３図に示した従来のイオン源と
同様、キャリア気体導入口９と試料気体導入口１０とが
設けられ、真空室２には真空引口１３が設けられる。

ところで、第１図に示す真空室２と同様の真空室を、従
来のイオン源も備えるが、第３図に示す従来のイオン源
では、引出電極が隔板である陽極に近接して設けられて
いるので、引出電極と陽極との間には放電室から流入す
る気体が充満するため、弱電離気体は真空室内で超音速
自由膨張流を形成するには至らない。そこで、この発明
では、放電室で得られた弱電離気体を真空室内で超音速
自由膨張させるために、引出電極を陽極から十分離して
設けるとともに、気体温度の低下した超音速自由膨張流
からイオンを引出すために、引出電極を複数の電極で構
成しこれらの間に電界を与える。

次に、第１図に示すイオン源の具体的動作について詳細
に説明する。

所定の真空度にされた後、放電室１にはキャリア気体導
入口９からキャリア気体が導入される。

キャリア気体としてはたとえばアルゴンガスが用いられ
る。ここで、陰Ｉｉ３と中間電極４との間に直流電圧を
印加すると、これらの電極間にはグロー放電ある□いは
アーク放電が生じ、キャリア気体は電離してプラズマが
生成する。このプラズマは中間電極孔６を通過して、中
間電極４と陽極５との間に流入する。流入したプラズマ
は試料気体導入口１０から導入された試料気体をイオン
化する。

ここで導入される試料気体はたとえばナトリウム蒸気で
ある。キャリア気体と試料気体のプラズマは陽極孔７を
通過して、真空室２内に流入し、超音速自由膨張する。

第１図において、超音速自由膨張したプラズマの流れを
矢印Ａで示す。

この超音速自由膨張流の存在する領域を静寂領域（Ｚｏ
ｎｅ　ｏｆ　　５ｉｌｅｎｏｅ）　ト称ｔ８カ、コ（７
）ＩｉＲ領ｉ＊１４は樽形衝撃波（Ｂ　ａｒｒｅｌ　　
Ｓ　ｈａｃｋ）　１５とマツハ円盤（Ｍａｃｈ　Ｄｉｓ
ｋ　）　１７によって囲まれたｆｒ４域である。また、
静寂領域１４の外側には、樽形衝撃波１５に近接してジ
ェット境界（Ｊ　ｅｔ１３ｏｕｎｄａｒｙ　）　１６が
形成され、マツハ円盤１７の下Ｆｉｉｙ　ニハ反射衝撃
波（Ｒｅ４１ｅｃｔｅｄ　　Ｓ　ｈｏｃｋ）　１８が形
成される。第１図に示すマツハ円盤１７と反射衝撃波１
８とは、引出電極１１ａおよび１１ｂの存在の影響が無
視できる場合における哩想的な形状を示したものであり
、実際には引出電極により乱れた形状になる。

ところで、この静寂領［１４の形状および大きさは放電
室２内の気体圧力、陽極孔７の大きさおよび形状ならび
に真空室２内の圧力によって規定される。たとえば、放
電室１内の気体圧力が５０Ｔｏｒｒ、陽極孔７の直径が
１０ｍｍ、真空室２内の圧力が１０−　”　Ｔｏｒｒ程
度の場合には、マツ八日Ｗ１７は陽極孔７から３００＋
ｎ１１程度下流に形成され、静寂領ｆｌ１４の断面はそ
の直径が１００ｍｍ程度に広がる。

静寂領域１４では、プラズマが断熱膨張を行ない、下流
に移行するに従って、プラズマの密度。

温度および粒子間の衝突頻度は減少して電離は凍結する
が、逆にプラズマの流速は増加する。断熱膨張によるプ
ラズマの密度は放電室１内のプラズマ密度の１／１００
０程度に減少し、温度は放電室１内のプラズマ温度の１
／１００程度になる。

したがって、放電室１内のプラズマが典型的なグロー放
電あるいはアーク放電により生成される場合には、断熱
膨張による温度は電子に関しては絶対温度２０００〜１
０００度に留まるものの、中性原子・分子やイオン等の
自由粒子に関しては２０〜数度にまで低下する。

上述のマツハ円盤１７は衝撃波であるので、マツハ円盤
１７の下流では気体温度は上昇する。従って、静寂領域
１４内の気体温度はマツハ円盤１７のすぐ手前で最低に
なるので、イオンの引出はこの領域で行なわなければな
らず、好ましくは、一方の引出電極１１ａをマツハ円盤
１７の手前たとえば１０〜２０１Ｉｍに設置する。

ところで、静１３！領域１４内の超音速自由膨張流は引
出電極１１ａに衝突すると、衝撃波を形成し、その下流
では気体温度が上昇する。したがって、気体温度の上昇
を防止するため、引出電極はなるべく衝撃波を形成しな
い形状にすることが好ましい。第２図はこのような引出
電極の一例を示す拡大図である。第２図において、引出
電極１１８は矢印Ａで示す超音速自由膨張流方向に向か
って突出した先端部１１Ｇを有する。超音速自由膨張流
Ａは先端部１１０に衝突するために、発生する衝撃波１
９は弱い。

引出電極１１ａ、１１ｂには直流電圧が印加されるので
、引出電ｆｆ１１１ａ、１ｉｂ間には電場が生じる。こ
こで、イオンは電場のベクトル方向に移動し、電子は電
場の逆ベクトル方向に移動する。

これにより、イオン流が電場のベクトル方向に沿って、
引出電極孔１２ｂから引出される。ｌ！場により引出さ
れたイオン流を第１図において矢印Ｂで示す。引出電極
１１ａおよび１１ｂにはそれぞれ複数個の引出電極孔１
２ａおよび１２ｂが設けられているので、イオンを効率
よく引出すことができる。得られるイオン流１１　ｍ　
Ｆｉが低く、無作為運動が小さいという性質を有する。

なお、上述の実施例では放電室１内のプラズマがグロー
放電あるいはアーク放電により生成される場合について
説明したが、放電室１内のプラズマはＲＦ放電、電子衝
撃電離、レーザ誘起電離などの無電極放電により生成さ
れてもよく、それらのプラズマによっても上）本の実施
例と同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、それぞれ複数個の孔
が形成された複数個の引出電極を、放電室と真空室との
間に設けられた隔板が有する１つの孔を経て真空変肉に
形成されるプラズマの超音速自由膨張流の気体温度の低
下した領域に設置し、プラズマの超音速自由膨張流から
イオンを引出すように構成したので、温度の低いイオン
流すなわち無作為運動が小さいイオン流を効率よく引出
すことができる。したがって、この発明のイオン源は集
束イオンビームなどの超高輝度イオンビームに適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略構成を示
す図である。第２図はこの発明の一実施例のイオン源に
用いられる引出電極の部分拡大図である。第３図は従来
のイオン源を示す図である。 図において、１は放電室、２は真空至、５は陽極、７は
陽極孔、１１ａおよび１１ｂは引出電極、１２ａおよび
１２ｂは引出電極孔、１３は真空引口、１４は静寂領域
を示す。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 代　　理　　人　　　　　大　　岩　　増　　維萬３図 手続補正書（自発） ６１５２６’ 昭和　　年　　月　　日 １、事件の表示　　　特願昭６０−１５６５６４号２、
発明の名称 イオン源 ３、補正をする者 ５、補正の対象 明細書の特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄お
よび図面の簡単な説明の欄。 ６、補正の内容 別紙のとおり。（補正の対象の欄に記載した事明　　細
　　− １、発明の名称 イオン源 ２、特許請求の範囲 （１）　気体原子または気体分子を一部電離して弱電離
気体を発生する弱電離気体発生手段と、前記弱電離気体
発生手段により発生された弱電−気体を超音速自由膨張
させるための真空室と、前記弱電離気体発生手段と前記
真空室とを隔て、かつ前記弱電離気体発生手段により発
生された弱電−気体を前記真空室に導入するための１つ
の孔が形成された隔板と、 前記真空室内の領域でやって、超音速自由膨張すること
によって得られる気体温度の低下した」ｌｌ＃気体超音
速自由膨張流の存在ｆｉ域に設けられ、そザぞれに慶数
轡の孔が形成された複数個の引出電極と、　　− 前記複数個の引出電極間に電場を発生させる電場発生手
段とを備え、 気体温度の低下した弱電離気体超音速自由膨張流からイ
オンを引出すことを特徴とするイオン源。 （２）　前記弱電離気体発生手段として、グロー放電、
アーク放電、ＲＦＭ電、電子衝撃電離またはレーザ誘起
電離を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のイオン源。 （３）　前記隔板に設けられる１つの孔Ｓ−１円形であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
記数のイオン源。 （４）　前記隔板に設置プられる１つの孔カー、正り形
または長方形であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項または第２項記数のイオン源。 （５）　前記複数個の引出電極が一金属網により構成さ
れることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４
項のいずれかに記載のイオン源。 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ この発明は、イオン源に関し、特に、半導体素子製造プ
ロセスの分野におけるイオン注入、イオンビーム日光、
イオンビーム堆楡、イオンビームエツチングあるいはイ
オンビーム描画などの微細加工に用いられる高輝度イオ
ンビームの気体イオン源に関する。 ［従来の技術］ 従来、この種の装置どしては、たとえば伊藤糾次ほか著
：イオンインプランテーシミン（昭晃堂、昭ｆｌ′Ｉ５
１年）に掲載された第３図に示すものがある。 まず、第３図に示す従来のイオン源の構成について説明
する。第３図において、従来のイオン源は放電室１と真
空室２とを備える。放電室１には陰極３と中間電極４と
陽極５とが設けられ、中間電極４と陽極５には、それぞ
れ中間電極孔６と陽極孔７とが設けられる。また、放電
室１には、陰極３と中間電極４との間にキャリア気体を
導入するためのキャリア気体導入口９と、中間電極４と
陽極５との間に試料気体を導入するための試料気体導入
口１０とが設けられる。 真空室２は陽極５によって放電室１から隔てられ、かつ
陽極孔７により放電室１に通じている。 真空室２には、排気のための真空引口１３と、陽極５に
近接して引出電極１１とが設番プられる。引出９１４１
１にはイオンを引出すための引出電極孔１２が設けられ
る。 次に、従来のイオン源の動作について説明暮る。 まず、真空引［１１３から排気を行なって、放電室１と
真空室２を所定の真空度にする。続いて、真空引「」１
３からの排気を行ないつつ、放電室１にキャリア気体導
入口９からキャリア気体を導入し、陰極３と中間電極４
との間に直ｙ！電圧を印加する。すると、キャリア気体
は陰極３と中間電極４との間に生じるグロー放電あるい
はアーク放電により電離して、プラズマが生成する。 生成したプラズマは中間電極孔６を通過して、中間電極
４と陽極５との間に流入する。ここで、試料気体を試料
気体導入口１０から放電室１内に導入すると、試料気体
はキャリア気体プラズマとの相互作用により電離する。 電離した試料気体を含むキャリア気体プラズマは陽極孔
７を通過し、陽極５と引出電極１１との闇に流入する。 陽極５と引出電極１１との間に各ま、直流電圧が印加さ
れ電場が生じているので、この電場により第３図の矢印
Ｃで示す方向に引出電極孔１２からイオン流が引出され
る。このとき、イオン流とともに電離していない中性気
体も分子ビーム状となって真空室２内に流入する。 ［発明が解決しようとする問題点］ 従来の気体イオン源では、上述したようにイオンの引出
電極が放電室に近接して設けられており、生成した高温
のプラズマからイオンを引出すので、引出されたイオン
流の温度は高く、イオンの無作為運動は大きかった。こ
の大きな無作為運動はイオン流を加速して得られるイオ
ンビームにおいても残存するので、電磁場を用いてビー
ムを集束させ得る径には限界があり、従来の気体イオン
源な集束イオンビームなどの超高輝度イオンビームに適
用することは不可能であった。 ところで、気体原子または気体分子に関する超高輝度イ
オンビームのイオン源としては、これまで、液体窒素あ
るいは液体ヘリウムで冷却した金属表面に凝固させた気
体原子・分子−からのイオンの電界放出を用いており、
引出されたイオン流のｍ度は低く、イオンの無作為運動
１．！小さいものの、気体イオン源と比較してイオン流
量が著しく少なくかつ装置も複雑であるなどの問題点が
あった。 それゆえに、この発明は上述の問題点を解消するために
なされたもので、集束イオンビームなどの超高輝度イオ
ンビームに適用できる気体イオン源を得ることを目的と
する。 Ｅ問題点を解決するための手段］ この発明に係わるイオン源は、弱電離気体発生手段によ
り弱電離気体を発生し、これを隔板に設けられている１
つの孔を経て真空室内に導入し、真空室内で超音速自由
膨張させて、弱電離気体超音速自由膨張流を形成し、こ
の弱電離気体超音速自由膨張流における気体温度の低下
した領域に、それぞれに複数個の孔が形成された複数個
の引出電極を設け、電場発生手段によって引出電極間に
電場を生じさせて、温度の低下したイオン流を引出すよ
うにしたものである。 「作用」 この発明における気体温度の低下した弱電離気体超音速
自由膨張ｍ領域に設置された炭数個の引出電極は、中性
原子・分子やイオン等の重粒子の温度が絶対温度２０〜
数度にまで低下し／Ｃプラズマ流からイオンを引出Ｊの
で、引出されたイオン流の温度１よ低く、イオンの無作
為運動は小さい。 したがって、この気体イオン源は、集束イオンビームな
どの超高輝度イオンビームに適用することができる。 ［実施例］ 以−ト、この発明の一実施例を図についｌ説明する。第
１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略を示す図で
ある。 まず、このイオン源の概略の構成について説明する。こ
のイオン源は弱電離気体発生手段として放電室１を備え
る。放電室１には陰極３と中間電極４と陽極５とが設け
られ、中間電極４と陽極５にはそれぞれ中間電極孔６と
陽極孔７とが設けられる。また、陽極５から十分離れた
位置に引出電極１１ａおよび１１ｂが設・ブられ、それ
ぞれの引出電極にはそれぞれ複数個の引出電極孔１２＆
および１２Ｉ）が設けられる。引出ｉ［１１１ａ、１１
ｂには図示しない直流電圧発生源から直流電圧が印加さ
れて、これらの電極間には、電場が生じる。 引出電極は第１図に示すような２つの引出電極１１ａ、
１１ｂで構成されるものに限定されるもので番よなく、
多数の電極で引出電極を構成し、そ、れらの電極間に電
場を生じさせてもよい。また、引出ＩＨｉ１１ａ　、　
１　ｌｂとしては、複数個の引出電極孔１２ａ、１２ｂ
が形成された金属板でもよく、それに代えて金属網を用
いてもよい。 この引出電極１１８．１１ｂを含む真空室２は陽極５を
介して放電室１に接しており、陽極孔７により放電室１
に通じている。すなわち、陽極５は放電室１と真空室２
とを隔てる隔板として機能し、陽極孔７は放電室１で発
生した弱電離気体を真空室２内へ導く隔板孔として機能
する。この陽極孔７の形状は円形でもよく、また、正方
形あるいは長方形でもよい。 さらに、放電室１には第３図に示した従来のイオン源と
同様、キャリア気体導入口９と試料気体導入口１０とが
設けられ、真空室２には真空引口１３が設けられる。 ところで、第１図に示す真空室２と同様の真空室を、従
来のイオン源も備えるが、第３図に示した従来のイオン
源では、引出電極が隔板である陽極に近接して設けられ
ているので、引出電極と陽極との間には放電室から流入
する弱電離気体が充満し、弱電離気体は真空室内で超音
速自由膨張流を形成するには至らない。そこで、この発
明では、放電室で得られた弱電離気体を真空室内で超音
速自由膨張させるために、引出電極を陽極から十分離し
て設けるとともに、気体温度の低下した弱電離気体超音
速自由膨張流からイオンを引出すために、引出電極を複
数の電極で構成しこれらの闇に電界を与える。 次に、第１図に示すイオン源の具体的動作について詳細
に説明する。 放電室１と真空室２とを所定の真空度にした後、輿空排
気を行ないつつ、放電室１にキャリア気体導入口９から
キャリア気体を導入する。キャリア気体としてＩＪたと
えばアルゴンガスが用いられる。 ここぐ、陰極３と中ｌｌ＆ｌ電極４との間に直流電圧を
印加づると、これらの電極間にはグロ放電電ある（唱ま
アーク放電が生じ、キャリア気体は電離してプラスンが
生成する。このプラズマは中間電極孔６を通過して、中
間側１と陽極５との間に流入Ｊる。流入したプラズマは
試料気体導入口１０から導入される試料気体を電離４る
。ここで導入される試料気体はたとえばナトリウム蒸気
である。 主１シリア気体と試料気体のプラズマは陽極孔７を通過
して、真空室２内に流入し、超音速自由膨張する。第１
図において、超音速自由膨張−４るプラズマの流れを矢
印Ａで示ず。 この超音速自由膨張流の領域を静寂領域（Ｚｏｎｅ　ｏ
ｆ　　Ｓ　１ｌｅｎｃｅ）と称するが、この静寂領ｗｉ
１４は樽形衝撃波（Ｂａｒｒｅｌ　　５ｈｏｃｋ）　１
５とマツハ円盤（Ｍａｃｈ　Ｄ　ｌｓｋ　）　１７によ
って囲まれた領域である。また、静寂領域１４の外側に
は、樽形衝撃波１５に近接してジェット境界（Ｊ　ｅｔ
　　３　ｏｕｎｄａｒＶ　）　１６が形成され、マツハ
円盤１７の下流には反射衝撃波（Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　
　５ｈｏｃｋ）　１８が形成される。第１図に示すマツ
ハ円盤１７と反射衝撃波１８とは、引出電極１１ａおよ
び１１ｂの存在の影響が無視できる場合における理想的
な形状を示したものであり、実際には引出電極により乱
れる。 ところで、この静寂領１４１！１４の形状および大きさ
Ｌｔｄ電室１内の気体圧力、陽極孔７の大きざおよび形
状ならびに真空室２内の圧力によって規定される。たと
えば、放電室１内の気体圧力が５０Ｔｏｒｒ、陽極孔７
の直径が１０ｍｇ＋、　０空’Ｍ２内（１）圧力が１０
−　’　Ｔｏｒｒ程度の場合には、マツハ円盤１７は陽
極孔７から３００１１１程度下流に形成され、静寂領域
１４の断面はその直径が１００ｍｍ程度にまで広がる。 静寂領域１４では、プラズマが断熱膨張を行ない、下流
に移行するに従って、プラズマの密度。 温度および粒子間の衝突頻度番よ減少し電離度は凍結す
るが、プラズマの流速は増加する。断熱膨張によるプラ
ズマの密度は放電室１内のプラズマ密度の１／１０００
程度に減少し、プラズマの温度は放電室１内のプラズマ
温度の１／１００程度になる。したがって、数組１内の
プラズマが鈎型的なグロー放電あるいはアーク放電によ
り生成される場合には、断熱膨張によるプラズマ温度は
電子に関しては絶対温度２０００〜１０００度に留まる
ものの、中性原子・分子やイオン等の重粒子に関しては
２０〜数度にまで低下する。 上述のマツハ円盤１７は衝撃波であるので、マツハ円盤
１７の下流では気体温度は上昇する。従って、静寂領域
１４内の気体温度はマツハ円盤１７のすぐ手前で最低に
なるので、イオンの引出はこの領域で行なわなければな
らず、一方の引出電極１１ａをマツハ円盤１７の手前た
とえば１０〜２０１ｍに設置する。 ところで、静寂領域１４内の超音速自由膨張流は引出電
極１１ａに衝突すると、一般に衝撃波を形成し、その下
流では気体温度が上昇する。したかって、気体温度の上
昇を防止Ｊ−るため、引出電極（まむるべく衝撃波を形
成しない形状にすることが好ましい。第２図１！このよ
うな引出電極の一例を示す拡大図である。第２図におい
て、引出電極１１ａは矢印△で示す超音速自由膨張流方
面に丙かって突出した先端部１１Ｃを有する。超音速自
由膨張流Δは先端部１１　Ｃ１，：衝突し、発生Ａる衝
撃波１９は弱い。 引出電極１１ａ、１１ｂには直流電圧が印加されるの【
゛、引出電極１１８．１１ｂ間には電場が生じる。ここ
で、イオンは電場のベクトル方向に移動し、電子Ｉま電
場ベクトルの逆方向に移動する。 これにより、イオン流が電場のベクトル方向に沿って、
引出電極孔１２ｂから引出される。電場により引出され
たイオン流を第１図において矢印Ｂで承り。引出電１４
ｉ１１ａおよび１１１）には（れぞれ複数個の引出電極
孔１２ａおよび１２ｂがＩＱ１プられでいるので、−ｒ
オンを効率よく引出すことができる。得られるイオン流
は温度が低い、すなわちイオンの無作為運動が小さいと
いう性質を有する。 なお、上述の実施例では放電室１内のプラズマがグＩ］
−ｂ’ｉ電あるいはアーク放電により生成される場合に
ついて説明したが、放電室１内のプラズマはＲＦ故放電
電子衝撃側Ｌレーザ誘起電離などの無電極放電により生
成されてもよく、それらのプラズマによっても上述の実
施例と同様の効果が得られる。 ［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、それぞれ複数個の孔
が形成された複数個の引出ｉｔ極を、放電室と真空室と
の間に設番ブられた隔板が有する１つの孔を経て與空室
内に形成されるプラズマの超音速自由膨張流の気体温潰
の低下した領域に設置し、プラズマの超音速自由膨張流
からイオンを引出ずように構成したので、温度の低いイ
オン流すなわちＳ作為運動が小さいイオンを効率よ（引
出すことができる。したがって、この発明の気体イオン
ｆＭは集束イオンビームなどの超高輝度イオンビームに
適用することができる。 ４、図面の簡単な説明 第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略構成を示
す図である。第２図はこの発明の一実施例のイオン源に
用いられる引出電極の部分拡大図である。第３図は従来
のイオン源を示す図である。 図において、１は放電室、２は真空室、５は陽極、７は
陽極孔、１１ａおよび１１１１は引出電極、１２ａおよ
び１２ｂは引出電極孔、１３は真空引口、１４は超音速
自由膨張流の静寂＃ｊ域を示す。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体原子または気体分子を一部電離して弱電離気
   体を発生する弱電離気体発生手段と、前記弱電離気体発
   生手段により発生された弱電離気体を超音速自由膨張さ
   せるための真空室と、前記弱電離気体発生手段と前記真
   空室とを隔て、かつ前記弱電離気体発生手段により発生
   された弱電離気体を前記真空室に導入するための１つの
   孔が形成された隔板と、 前記真空室内の領域であって、超音速自由膨張すること
   によって得られる気体温度の低下した超音速自由膨張流
   の存在領域に設けられ、それぞれに複数個の孔が形成さ
   れた複数個の引出電極と、前記複数個の引出電極間に電
   場を発生させる電場発生手段とを備え、 気体温度の低下した超音速自由膨張流からイオンを引出
   すことを特徴とするイオン源。
2. （２）前記弱電離気体発生手段は、グロー放電、アーク
   放電、ＲＦ放電、電子衝撃電離またはレーザ誘起電離を
   用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイ
   オン源。
3. （３）前記隔板に設けられる１つの孔は、円形であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のイオン源。
4. （４）前記隔板に設けられる１つの孔は、正方形または
   長方形であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載のイオン源。
5. （５）前記複数個の引出電極は金属網により構成される
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第４項
   のいずれかに記載のイオン源。