JPS6217930A - 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、半導体素子製造プ
ロセスの分野におけるイオン注入、イオンビーム露光、
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、排気するための真空引口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１ｉ４との間に生じるグロー
放電あるいはアーク放電により１ｉｌｌｌｌｌＬで、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ｗＡＡｓ２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と引出電極１１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−ｆ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電極
が陽極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した金属表面に凝固させた気
体原子・分子層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
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イオン源を得ることを目的とする
。

Ｆ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１つ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、瀧
痕の低下したイオン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濃度の低下した超音速自由膨張流
領域に設冒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１１ｆｌ［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濃度は低く、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］ 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
位置に引出電極１１ａおよび１１ｂが設けられ、それぞ
れの引出電極にはそれぞれ１つの引出電極孔１２ａおよ
び１２ｂが設けられる。引出電極１１８．１１ｂ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１ｉａ、
ｉｉｂ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。

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
とを隔てる隔板どして機能し、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。

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、陰極３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−〇− 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（Ｚ　
ｏｎｅ　ｏｆ　　Ｓ　ｌ１ｅｎｃｅ）と称するが、この
静寂領域１４は樽形衝撃波（Ｂ　ａｒｒｅｌ　　Ｓ　ｈ
ｏｃｋ）　１５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　ｅｔＢｏｕｎｄａｒｙ　）　１６が形成され、
マツハ円盤１７の下流ニハ反ｔＪ４１１ｉ撃波（Ｒｅｆ
ｌｅｃｔｅｄ　　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
出電極により乱れた形状になる。

ところで、この静寂１［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５０７Ｏｒｌ”、陽極孔７の直径
が１０−１真空室２内のｆｆ力が１０−　”　Ｔｏｒｒ
稈度の場合には、マツハ円盤１７は陽極孔７から３００
１１１１１程度下流に形成され、静寂領域１４の断面は
その直径が１００１程痕に広がる。

静′Ｍ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。

渦麿および粒子間の衝突Ｖ４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１／１０
００程度に減少し、温度は放電室１内のプラズマ温度の
１／１００１ｊ！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１ｍ’２０００
〜１０００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１０〜２０１１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１１８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Ｉｉ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１１ａ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１１０を有する。超音速自由膨張流Ａ
は先端部１１ｃに衝突するために、発生する衝撃波１９
は弱い。

引出電極１１８．１１ｂには直流電圧が印加されるので
、引出電極１１ａ、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。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で示す。得られるイ
オン流は温度が低く、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放放電電子衝
撃側Ｅレーザ誘起電離などの無電極数置により生成され
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′１つの孔
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つの孔を経て真空型内に
形成されるプラズマの超音速自由膨張流の気体濃度の低
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、濃度の低いイオン
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は真空室、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　　雄第３０ 手続補正書（自発） ６１６２６゛ 昭和　　年　　月　　日 ２、発明の名称 イオン源 工をする者 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車間　　細
　　書 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＊ｔ　Ｌで弱
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弱−電離気体超音
速自由膨張流の存在領域に設けられ、それぞれに１つの
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、ＲＦ放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Ｗ。 〈３）　前記隔板に設けられる１つの孔ｐ＜−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
項記載のイオン源。 （４）　前記隔板に設けられる１つの孔カー、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１２項記載のイオン源。 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、イオンビーム露光、
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ｗｌＳ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ミン（昭晃堂、昭和５１年）
に掲載された第３図に示ずものがある。 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ｌＪｌ電極４との間にキャリア気
体を導入するだ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
−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、責空引口１３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、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との間に流入する。 隔［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
ムを集束させ得る径には限界があり、従来の気体イオン
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した金属表面に凝固させた気
体原子・分子層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ビーム
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潤するために
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１つ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・分子やイオン等の重粒子の温度が絶対温度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
位置に引出電極１１ａおよび１１ｂが設けられ、それぞ
れの引出電極にはそれぞれ１つの引出電極孔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１１ａ、
１１ｔ）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。 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段けられ
ているので、引出電極と陽極との間に放電室から流入す
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。 放電室１と真空室２とを所定の真空度にした後真空排気
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はたとえば
アルゴンガスが用いられるここで、陰極３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Ｍ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
る試料気体を電離する。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１１１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、超音速自由膨張する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領域を静寂領域（Ｚｏｎｅ　ｏ
ｆ　　Ｓ　Ｈｅｎｃｅ）と称するが、この静′ｉｌ領域
１４は樽形衝撃波（３ａｒｒｅｌ　　Ｓ　ｈｏｃｋ）　
１５とＶ　ｙ　／’１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１
４の外側には、樽形衝撃波１５に近接してジェット境界
（Ｊ　ｅｔ　　Ｂ　ｏｕ、ｎｄａｒｙ　）　１６が形成
され、マツハ円盤１７の下流には反射衝撃波（Ｒｅｆｌ
ｅｃｔｅｄ　　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１Ｂ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、この静寂領域１４の形状および大ぎさは放電
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
１０ｍｍ１真空全２内の圧力が１０−１ｌＴｏｒｒ程度
の場合には、マツハ円盤１７は陽極孔７から３００　ｍ
ｍ程度下流に形成され、静寂領域１４の断面はその直径
が１００１ＩＩＩ１１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は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、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、断熱膨張によるプラズマの温度
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１０〜２０ｍｍ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１１ａ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１１０を有する。超音速自由膨張
流Ａは先端部１１ｃに衝突し、発生する衝撃波１９は弱
い。 引出電極１１ａ、１１ｂには直流電圧が印加されるので
、引出電ｔｉ１１ａ、１１ｂｆ！ｌ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で示す。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１つの孔が
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を引出すことができ
る。したがって、この発明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。 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、ｌｌａ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は超音速自
由膨張流の静寂領域を示す。 なお、図中、同一符号は同一または相肖部分を示す。

Claims (4)

【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つて、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１つの孔が形成され
   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。