JPS6217932A - Ion source - Google Patents

Ion source

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Publication number
JPS6217932A
JPS6217932A JP60156567A JP15656785A JPS6217932A JP S6217932 A JPS6217932 A JP S6217932A JP 60156567 A JP60156567 A JP 60156567A JP 15656785 A JP15656785 A JP 15656785A JP S6217932 A JPS6217932 A JP S6217932A
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JP
Japan
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gas
weakly ionized
ion source
take
ion
Prior art date
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Pending
Application number
JP60156567A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichi Ono
高一 斧
Tatsuo Omori
達夫 大森
Shigeto Fujita
重人 藤田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPS6217932A publication Critical patent/JPS6217932A/en
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain an ion source applicable onto super high brightness ion beam by leading the weakly ionized gas produced from weakly ionized gas producing means through a nozzle of barrier board into the vacuum chamber then expanding freely with supersonic speed while arranging plural take-out electrodes having plural holes at the low gas temperature area of said freely expanded flow to take out the ion flow. CONSTITUTION:Ion source has a discharge chamber 1 as means for producing weakly ionized gas. The discharge chamber 1 is provided with a cathode 3, an intermediate electrode 4 and an anode 5. The intermediate electrode 4 is provided with an intermediate electrode hole 6 while the anode 5 is provided with a nozzle 8 projecting into the vacuum chamber 2. Take-out electrodes 11a, 11b are arranged at the positions separated sufficiently from the anode 5 while having plural take-out electrode holes 12a, 12b respectively. Metal plate formed with plural take-out electrode holes 12a, 12b or metal mesh may be employed as the take-out electrodes 11a, 11b. In order to expand the weakly ionized gas produced from the discharge chamber freely with supersonic speed, the take-out electrodes are separated sufficiently from the anode while in order to take out ions from weakly ionized freely expanded gas flow having lowered gas temperature, the take-out electrode is constructed with plural electrodes to apply electrical field between them.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 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1liliii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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] This invention relates to ion sources, particularly ion implantation, ion beam exposure, and ion beam exposure in the field of semiconductor device manufacturing processes.
The present invention relates to a high-intensity ion beam gas ion source used for microfabrication such as ion beam deposition, ion beam etching, or ion beam 1liiii.

[従来の技術] 従来、この種の装置どしては、たとえば伊1llli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。
[Prior Art] Conventionally, there is a device of this type as shown in FIG. 3 published in Illi Tatsuji et al.: Ion Implantation (Shokodo, 1976).

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
l!!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III極5との間に試料気体を導入するための試料
気体導入010とが設けられる。
First, the configuration of the conventional ion source shown in FIG. 3 will be explained. In FIG. 3, a conventional ion source includes a discharge chamber 1 and a vacuum chamber 2. In FIG. The discharge chamber 1 includes a cathode 3, an intermediate electrode 4, and l! ! The intermediate electrode 4 and the anode 5 are provided with an intermediate electrode hole 6 and an anode hole 7, respectively. Also,
The discharge chamber 1 includes a carrier gas inlet 9 for introducing carrier gas between the cathode 3 and the intermediate electrode 4, and a sample gas inlet 9 for introducing the sample gas between the intermediate electrode 4 and the III electrode 5. An introduction 010 is provided.

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。
The vacuum chamber 2 is separated from the discharge chamber 1 by an anode 5 and communicates with the discharge chamber 1 by an anode hole 7.

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。
The vacuum chamber 2 is provided with a vacuum outlet 13 for evacuation and an extraction electrode 11 close to the anode 5 . The extraction electrode 11 is provided with an extraction electrode hole 12 for extracting ions.

次に、従来のイオン源の動作について説明する。Next, the operation of the conventional ion source will be explained.

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
mlうるいはアーク放電により電離して、プラズマが生
成する。
First, the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 2 are evacuated to a predetermined degree of vacuum by evacuation from the vacuum port 13. Subsequently, carrier gas is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas inlet 9, and a DC voltage is applied between the cathode 3 and the intermediate electrode 4. Then, the carrier gas is ionized by glow emission or arc discharge generated between the cathode 3 and the intermediate electrode 4, and plasma is generated.

生成したプラズマは中間電極孔6を通過して、中M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と引出電極11との間に
流入覆る。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。
The generated plasma passes through the intermediate electrode hole 6 and flows between the intermediate M electrode 4 and the anode 5. Here, when the sample gas is introduced into the discharge chamber 1 through the sample gas inlet 10, the plasma of the carrier gas collides with the introduced sample gas, thereby ionizing the sample gas. The ionized sample gas passes through the anode hole 7 and flows between and covers the anode 5 and extraction electrode 11 . Since a direct current voltage is applied between the anode 5 and the extraction electrode 11 and an electric field is generated, an ion flow is extracted from the extraction electrode hole 12 in the direction shown by arrow C in FIG. 3 due to this electric field. At this time, unionized neutral gas flows into the vacuum chamber 2 together with the ion flow in the form of a molecular beam.

[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。
[Problems to be Solved by the Invention] In conventional ion sources, as described above, the ion extraction electrode is provided close to the anode, and ions are extracted from the generated high-temperature plasma. The temperature of the stream was high and the random motion of the ions was large. This large random motion remains even in the ion beam obtained by accelerating the ion flow, so there is a limit to the diameter that can be focused using an electromagnetic field. It was impossible to apply it to ion beams.

ところで、気体原子または気体分子に関する超高H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。
By the way, as an ion source for ultra-high H-degree ion beams for gas atoms or gas molecules, field emission of ions from a layer of gas atoms and molecules solidified on a metal surface cooled with liquid nitrogen or liquid helium has been used so far. and
Although the temperature of the extracted ion stream is low and the random motion of the ions is small, there are problems such as the ion flow rate is significantly lower than that of a gas ion source and the device is complicated.

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
Therefore, the present invention was made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to obtain an ion source that can be applied to ultra-high-intensity ion beams such as focused ion beams.

[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つのノズル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湯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N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。
[Means for Solving the Problems] The ion source according to the present invention generates a weakly ionized gas using a weakly ionized gas generating means, and introduces this into a vacuum chamber through one nozzle provided on a partition plate. , supersonic free expansion is performed in a vacuum chamber to generate a supersonic free expansion flow, and in the region where the gas temperature has decreased in this supersonic free expansion flow,
A plurality of extraction N poles each having a plurality of holes are provided, and an electric field is generated between the extraction electrodes by an electric field generating means to extract ions whose temperature has decreased.

[作用] この発明における気体温度の低下した超音速自由膨張流
領域に設置された複数個の引出電極は、中性原子・分子
やイオン等の自由粒子の温度が絶%j温度20〜数邸に
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
なとの超高輝度イオンビームに適用することができる。
[Function] In this invention, the plurality of extraction electrodes installed in the supersonic free expansion flow region where the gas temperature has decreased is such that the temperature of free particles such as neutral atoms, molecules, and ions is at an absolute temperature of 20 to several degrees. Since ions are extracted from a plasma flow that has been reduced to a low temperature, the temperature of the extracted ion flow is low and the random motion of the ions is small. Therefore, this ion source can be applied to ultra-high brightness ion beams such as focused ion beams.

[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。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings. 1st
The figure is a diagram schematically showing an ion source according to an embodiment of the present invention.

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
られる。中間電極4には中間電極孔6が設けられ、陽極
5には真空室2に突出したノズル8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1
1bが設けられ、それぞれの引出電極にはそれぞれ複数
個の引出電極孔12aおよび12bが設けられる。
First, the general configuration of this ion source will be explained. This ion source includes a discharge chamber 1 as a weakly ionized gas generating means. A cathode 3, an intermediate electrode 4, and an anode 5 are provided in the discharge chamber 1. The intermediate electrode 4 is provided with an intermediate electrode hole 6, and the anode 5 is provided with a nozzle 8 that projects into the vacuum chamber 2. Further, the extraction electrodes 11a and 1 are placed at a position sufficiently away from the anode 5.
1b, and each extraction electrode is provided with a plurality of extraction electrode holes 12a and 12b, respectively.

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、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。
A DC voltage is applied to the extraction electrodes 11a and 11b from a DC voltage generation source (not shown), and an electric field is generated between these electrodes. The extraction electrode is not limited to the one consisting of two extraction electrodes 11a and 11b as shown in FIG. Good too. Further, the extraction electrode 11a,
11b may be a metal plate in which a plurality of extraction electrode holes 12a, 12b are formed, or a metal net may be used instead.

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、ノズル孔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、ノズル孔7は放電室1
で発生した弱NM気体を真空室2内へ導く。このノズル
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。
The vacuum chamber 2 including the extraction electrodes 11a and 11b is in contact with the discharge chamber 1 via the anode 5, and communicates with the discharge chamber 1 through the nozzle hole 7. That is, the anode 5 functions as a partition separating the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 2, and the nozzle hole 7 functions as a partition between the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 2.
The weak NM gas generated is guided into the vacuum chamber 2. The shape of this nozzle hole 7 may be circular, square, or rectangular.

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。
Further, the discharge chamber 1 is provided with a carrier gas inlet 9 and a sample gas inlet 10, as in the conventional ion source shown in FIG. 3, and the vacuum chamber 2 is provided with a vacuum outlet 13.

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Nwi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。
By the way, conventional ion sources are also equipped with a vacuum chamber similar to the vacuum chamber 2 shown in FIG. 1, but in the conventional ion source shown in FIG. Therefore, the space between the extraction electrode and the anode is filled with gas flowing in from the discharge chamber, so that the weak Nwi gas does not form a supersonic free expansion flow in the vacuum chamber. Therefore, in this invention, in order to cause the weakly ionized gas obtained in the discharge chamber to undergo supersonic free expansion in the vacuum chamber, the extraction electrode is provided at a sufficient distance from the anode, and ions are generated from the supersonic free expansion flow with a reduced gas temperature. In order to extract this, the extraction electrode is made up of multiple electrodes and an electric field is applied between them.

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。
Next, the specific operation of the ion source shown in FIG. 1 will be explained in detail.

所定の真空度にされた後、放N苗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。
After a predetermined degree of vacuum is achieved, carrier gas is introduced into the N-released seedlings 1 from the carrier gas inlet 9.

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。
For example, argon gas is used as the carrier gas. Here, when a DC voltage is applied between the cathode 3 and the intermediate electrode 4, glow discharge or arc discharge occurs between these electrodes, the carrier gas is ionized, and plasma is generated. This plasma passes through the intermediate electrode hole 6 and flows between the intermediate electrode 4 and the anode 5. The inflowing plasma ionizes the sample gas introduced from the sample gas inlet 10.

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ノズル孔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。
The sample gas introduced here is, for example, sodium vapor. The plasma of carrier gas and sample gas is transmitted through nozzle hole 7.
, flows into the vacuum chamber 2, and freely expands at supersonic speed. In FIG. 1, arrow A indicates the flow of supersonic free expanding plasma.

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  S l1enae)と称するが、この静
寂領域14は樽形衝撃波(B arrel  S ho
ck) 15とマツハ円W (Mach D isk 
) 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**波15に近接してジェット境
界(JetBoundary ) 16が形成され、v
’7ハ円盤17の下流ニハ反射衝撃波(Reflect
ed  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11
a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。
The region where this supersonic free expansion flow exists is called the quiet region (zo
This quiet region 14 is called a barrel-shaped shock wave.
ck) 15 and Matsuha circle W (Mach Disk)
) 17. Further, a jet boundary 16 is formed outside the quiet region 14 in proximity to the barrel-shaped ** wave 15, and
'7 Reflected shock wave downstream of disk 17
ed 5hock>18 is formed. The Matsuha disk 17 and reflected shock wave 18 shown in FIG.
This shows an ideal shape when the influence of the presence of a and 11b can be ignored; in reality, the shape is disturbed by the extraction electrode.

上述の静寂領域14の形状および大きさはノズル孔7の
形状および大きざに影響される。この発明で、隔板であ
る陽極5にノズル8を設けているのは、単に孔を設ける
場合に比べ、得られる静寂領域14が細長く、膨張の度
合が小さいものの大きな気体密度が得られるためである
The shape and size of the above-mentioned quiet region 14 are influenced by the shape and size of the nozzle hole 7. In this invention, the nozzle 8 is provided on the anode 5, which is a diaphragm, because the quiet region 14 obtained is long and narrow, and the degree of expansion is small, but a large gas density can be obtained, compared to the case where holes are simply provided. be.

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。
In the quiet region 14, the plasma undergoes adiabatic expansion and the density of the plasma decreases as it moves downstream.

温度および粒子間の衝突頻度は減少してM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 、/ 
1000程度に減少し、)温度は放電v1内のプラズマ
温度の1 / 100程度になる。
The temperature and the frequency of collisions between particles decrease and the M separation freezes, but conversely the flow velocity of the plasma increases. The plasma density due to adiabatic expansion is 1 of the plasma density in the discharge chamber 1, /
1000), and the temperature becomes about 1/100 of the plasma temperature in discharge v1.

したがって、放電室1内のプラズマが弗型的なグロー放
電あるいはアーク放電により生成される場合には、断熱
膨張にょる温度は電子に関しては絶対温度2000〜1
ooo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。
Therefore, when the plasma in the discharge chamber 1 is generated by a flat-shaped glow discharge or an arc discharge, the temperature due to adiabatic expansion is 2000 to 1,000 yen (absolute temperature) for electrons.
Although it remains at 00 degrees, the temperature decreases to 20 to several degrees for free particles such as neutral atoms, molecules, and ions.

上述のマツハ円盤17は衝撃波であるので、マツハ円盤
17の下流では気体濃度は上昇する。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10〜2oIIII)ニIl装置ス
ル。
Since the above-mentioned Matsuha disk 17 is a shock wave, the gas concentration increases downstream of the Matsuha disk 17. Therefore, since the gas temperature in the quiet region 14 is lowest immediately in front of the Matsuha disk 17, ion extraction must be performed in this region, and preferably one extraction electrode 11a is placed in front of the Matsuha disk 17, for example. 10-2oIII) DII equipment.

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、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。
By the way, when the supersonic free expansion flow in the quiet region 14 collides with the extraction electrode 11a, a shock wave is formed, and the gas temperature rises downstream of the shock wave. therefore.

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は矢印へで示す超音速自由膨
張流方向に向がって突出した先端部11c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。
In order to prevent a rise in gas temperature, it is preferable that the extraction electrode has a shape that does not generate shock waves as much as possible. FIG. 2 is an enlarged view showing an example of such an extraction electrode. In FIG. 2, the extraction electrode 11a has a tip portion 11c that protrudes in the direction of the supersonic free expansion flow indicated by the arrow. Since the supersonic free expansion flow A collides with the tip portion 11c, the generated shock wave 19 is weak.

引出電極11a、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。
Since a DC voltage is applied to the extraction electrodes 11a and 11b, an electric field is generated between the extraction electrodes 11a and 11b. Here, ions move in the vector direction of the electric field, and electrons move in the opposite vector direction of the electric field.

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。引出電極1
1aおよび11bにはそれぞれ複数個の引出電極孔12
aおよび121)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。得られるイオン流は温度が低
く、無作為運動が小さいという性質を有する。
This causes the ion flow to move along the vector direction of the electric field.
It is pulled out from the extraction electrode hole 12b. The ion flow drawn out by the electric field is indicated by arrow B in FIG. Extraction electrode 1
A plurality of extraction electrode holes 12 are provided in each of 1a and 11b.
a and 121), ions can be extracted efficiently. The resulting ion stream has low temperature and low random motion.

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。
In addition, in the above embodiment, the case where the plasma in the discharge chamber 1 is generated by glow discharge or arc discharge was explained, but the plasma in the discharge chamber 1 can be generated by electrodeless ionization such as RF discharge discharge electron impact ionization or laser-induced ionization. The plasma may also be generated by electric discharge, and the same effects as in the above-described embodiments can be obtained with such plasma.

[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つのノズルを経て真空室
内に形成されるプラズマの超音速自由膨張流の気体濃度
の低下した領域に設館し、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く、かつイオン密度の
大きいイオン流を効率よく引出すことができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a single partition plate provided between a discharge chamber and a vacuum chamber has a plurality of extraction electrodes each having a plurality of holes formed therein. It is installed in a region where the gas concentration of the supersonic free expansion flow of plasma that is formed in the vacuum chamber via the nozzle is reduced, and is configured to extract ions from the supersonic free expansion flow of plasma, so that the ion flow with a low temperature can be achieved. That is, it is possible to efficiently extract an ion flow with small random motion and high ion density.

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。
Therefore, the ion source of the present invention can be applied to ultra-high brightness ion beams such as focused ion beams.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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は陽陽、7は
ノズル孔、8はノズル、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  雄コココ
コ d −IR’J− 窄 好 第3図 手続補正書(自発) 6152B 昭和  年   月   [1 1、事件の表示   特願昭60−156567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項以外は
内容に変更なし) ↓ス上 明  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
のノズル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!−電電気気体超
音速自由膨張流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は、グロー放電、アー
ク放電、RF放放電電子衝撃電離また1、L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つのノズルの一断面が
、円形であることを特徴とする特ii′filv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つのノズルの一断面が
、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〉 前記複数個の引出電極止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茗
: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図に示づものがある。 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Iま陰極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ど中間電極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J: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ff1
5に近接して引出電極11とが設けられる。引出電t!
i11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、真空引口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
el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a
li4と11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
11極孔7を通過し、III極5と引出N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
W1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m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
つのノズル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11111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
を引出ずJ: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ザることができる。 [実施例] 以下、この発明の一実施例を図について説明ザる。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4i[i 3と中間電極4と陽極5
とが設けられる。中間電極4には中間電極孔6が設けら
れ、陽極5には真空室2に突出したノズル8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.llb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118.
11b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、ノズル孔7により放電室
1に通じている。すなわち、l!I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、ノズル孔7は放T
i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。ノズル8の断面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図に示した真空室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i!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IN室で得られた弱1iM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i!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10h)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ノズル8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 l1ence)と称するが、この静寂領域1
4は樽形衝撃波(3arrel  5hock) 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1
よ、樽形衝撃波15に近接してジェット境界(J et
  B oundarV ) 16が形成され、マツハ
円盤17の下流には反射衝撃波(Ref’1ected
  5hock) 18が形成される。第1図に示ザマ
ッハ円盤17と間口J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。 上述の静寂領域14の形状および大きさは放電室1内の
気体圧力、ノズル8の長さと断面の形状および太さき、
ならびに真空室2内の圧力に影響される。この発明で、
隔板である陽極5にノズル8を設けているのは、単に孔
を設ける場合に比べ、得られる静寂領域14が細長く、
膨張の度合が小さいものの大きな気体密度が得られるた
めである。 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11i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1/100
0程度に減少し、プラズマの湯度は放電室1内のプラズ
マ温度の1/100程度になる。したがって、散開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濃
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10〜20m僻に設置する。 ところで、静寂領域14内の超音速自由膨張流は引出電
[111ak:li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11cを有する。超音速自
由膨張流Aは先端部11cに衝突し、発生ずる衝撃波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。引出電極1
1aおよび11bにはそれぞれ複数個の引出電極孔12
aおよび121)が設はられているので、イオンを効率
よく引出ずことができる。得られるイオン流は温度が低
い、ずなわちイオンの無作為運動が小さいという性質を
有J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つのノズルを経て真空室
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、温度が低いす
なわちイオンの無作為運動が小さく、かつ密度の大きい
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
のイオン源を示ず図である。 図において、1は放電室、2は真空室、5は陽極、7は
ノズル孔、8はノズル、11aおよび11 b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当部分を示す。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partially enlarged view of an extraction electrode used in an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a conventional ion source. In the figure, 1 is a discharge chamber, 2 is a vacuum chamber, 5 is positive, 7 is a nozzle hole, 8 is a nozzle, 11a and 11b are extraction electrodes, 12a and 12b are extraction electrode holes, 13 is a vacuum outlet,
14 indicates a quiet area. In addition, in the figures, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. Agent Masu Oiwa Okokokokod -IR'J- Takoyoshi Diagram 3 Procedural Amendment (Voluntary) 6152B Showa Year/Monday [1 1, Indication of Case Patent Application No. 156567/1988 2,
Name of the invention ion source 3, person making the amendment 5, claims column of the specification to be amended, detailed explanation column of the invention, and brief explanation column of drawings. 6. Details of the amendments are as shown in the attached sheet. (There is no change in the content other than the matters stated in the column subject to amendment) ↓Suite Description 1, Name of the invention ion source 2, Claims (1) Partial ionization of gas atoms or gas molecules a weakly ionized gas generating means for generating a weakly ionized gas; a vacuum chamber for freely expanding the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means at a supersonic speed; and the weakly ionized gas generating means and the vacuum chamber. a partition plate formed with one nozzle for separating the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means into the vacuum chamber; and a region within the vacuum chamber that freely expands at supersonic speed. This results in a decrease in gas temperature! - A plurality of extraction electrodes provided in an electric gas supersonic free expansion flow region, each having a plurality of holes, and an electric field generating means for generating an electric field between the plurality of extraction electrodes. , an ion source characterized by extracting ions from a supersonic free expansion flow of a weakly ionized gas with a reduced gas temperature. (2) The ion source according to claim 1, wherein the weakly ionized gas generating means uses glow discharge, arc discharge, RF discharge discharge electron impact ionization, or 1. L laser induced ionization. (3) The ion source according to item 1 or 2, characterized in that one nozzle provided on the partition plate has a circular cross section. (4) The ion source according to claim 1 or 2, wherein one nozzle provided on the partition plate has a square or rectangular cross section. (5) The ion source according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is constituted by the plurality of extraction electrode retaining metal nets. 3. Detailed description of the invention [Industrial Field of Application] This invention relates to an ion source, and in particular, to ion implantation, ion beam exposure, and ion beam exposure in the field of semiconductor device manufacturing processes.
The present invention relates to a high-intensity ion beam gas ion source used for microfabrication such as ion beam deposition, ion beam etching, or ion beam writing. [Prior art] Conventionally, this type of device has been used, for example, by Kouji Ito et al., Ion Implantation (Shokodo, 1976).
There is something shown in Figure 3 published in . First, the configuration of the conventional ion source shown in FIG. 3 will be explained. In FIG. 3, a conventional ion source includes a discharge chamber 1 and a vacuum chamber 2. In FIG. A cathode 3 and an intermediate electrode 4 are placed in the discharge chamber 1.
and an anode 5 are provided, and the intermediate electrode 4 and the anode 5 are provided with an intermediate electrode hole 6 and an anode hole 7, respectively. The discharge chamber 1 also includes a carrier gas inlet 9 for introducing carrier gas between the cathode 3 and the intermediate electrode 4, and a carrier gas inlet 9 for introducing carrier gas between the cathode 3 and the intermediate electrode 4.
A sample gas inlet 10 for introducing sample gas is provided between the anode 5 and the anode 5 . The vacuum chamber 2 is separated from the discharge chamber 1 by an anode 5 and communicates with the discharge chamber 1 through an anode hole 7 . The vacuum chamber 2 has a vacuum inlet 13 for evacuation and a positive ff1.
An extraction electrode 11 is provided adjacent to the electrode 5 . Output power t!
An extraction electrode hole 12 for extracting ions is provided in i11. Next, the operation of the conventional ion source will be explained. First, the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 2 are evacuated to a predetermined degree of vacuum by evacuation from the vacuum port 13. Subsequently, while evacuating from the vacuum port 13, carrier gas is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas inlet 9, and a DC voltage is applied to el of the cathode 3 and intermediate electrode 4. Then, the carrier gas is ionized by glow discharge or arc discharge generated between the cathode 3 and the intermediate electrode 4, and plasma is generated. The generated plasma passes through the intermediate electrode hole 6 and is connected to the intermediate electrode a.
It flows between li4 and 11 pole 5. Here, when the sample gas is introduced into the discharge chamber 1 through the sample gas inlet 10, the sample gas is ionized by interaction with the carrier gas plasma. The carrier gas plasma containing the ionized sample gas passes through the 11-pole hole 7 and flows between the III pole 5 and the lead-out N pole 11 . Since a direct current voltage is applied between the anode 5 and the extraction electrode 11 and an electric field is generated, an ion flow is extracted from the extraction electrode hole 12 in the direction shown by arrow C in FIG. 3 due to this electric field. At this time, unionized neutral gas flows into the vacuum chamber 2 together with the ion flow in the form of a molecular beam. [Problems to be Solved by the Invention] In the conventional gas ion source, the ion extraction W1 pole is provided close to the discharge chamber as described above, and the ion extraction W1 pole is provided close to the discharge chamber to extract ions from the generated high-temperature plasma. The temperature of the ion stream was high and the random motion of the ions was large. This large random motion remains even in ion beams obtained by accelerating the ion flow, so there is a limit to the diameter that can be focused using an electromagnetic field. It was impossible to apply it to high-intensity ion beams. By the way, as an ion source for ultra-high-intensity ion beams related to gas atoms or molecules, up until now, the field emission of ions from a layer of gas atoms and molecules solidified on a metal surface cooled with liquid nitrogen or liquid helium has been used. Ori,
Although the temperature of the extracted ion stream is low and the random motion of the ions is small, there are problems such as the ion stream m is significantly smaller than that of a gas ion source and the device is complicated. Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to obtain a gas ion source that can be applied to ultra-high-intensity ion beams such as focused ion beams. Means for Solving Problem E] The ion source according to the present invention generates a weakly ionized gas by a weakly ionized gas generating means, and generates a weakly ionized gas by the ion source provided in the partition plate.
Introduced into a vacuum chamber through two nozzles and allowed to freely expand at supersonic speed in the vacuum chamber to form a weak 11111 gas supersonic free expanding flow, and in a region where the gas temperature has decreased in this weakly ionized gas supersonic free expanding flow, A plurality of extraction electrodes each having a plurality of holes are provided, and an electric field is generated between the extraction electrodes by an electric field generating means, so that the ion flow with a reduced temperature is not extracted. [Function] In this invention, the plurality of extraction electrodes installed in the weakly ionized gas supersonic free expansion flow region where the gas temperature has decreased is such that the temperature of heavy particles such as neutral atoms/molecules and ions is at an absolute temperature of 20 to
Since ions are extracted from a plasma stream whose temperature has dropped to several degrees, the temperature of the extracted ion stream is low and the random motion of the ions is small. Therefore, this gas ion source can be applied to ultra-bright ion beams such as focused ion beams. [Example] Hereinafter, an example of the present invention will be explained with reference to the drawings. 1st
The figure is a diagram schematically showing an ion source according to an embodiment of the present invention. First, the general configuration of this ion source will be explained. This ion source includes a discharge chamber 1 as a weakly ionized gas generating means. The discharge chamber 1 includes a negative electrode 4i[i3, an intermediate electrode 4, and an anode 5].
and is provided. The intermediate electrode 4 is provided with an intermediate electrode hole 6, and the anode 5 is provided with a nozzle 8 that projects into the vacuum chamber 2. Further, an extraction electrode 11a is placed at a position sufficiently away from the anode 5.
and 11b are provided, and each extraction electrode is provided with a plurality of extraction electrode holes 12a and 12b, respectively. A DC voltage is applied to the extraction electrodes 11a and 11b from a DC voltage generation source (not shown), and an electric field is generated between these electrodes. The extraction electrodes are two extraction electrodes 118 as shown in FIG. The extraction electrode is not limited to one composed of llb, but may be composed of a large number of electrodes, and an electric field may be generated between the electrodes. In addition, the extraction electrode 118.
11b may be a metal plate in which a plurality of extraction electrode holes 12a, 12b are formed, or a metal net may be used instead. The vacuum chamber 2 including the extraction electrodes 11a and 11b is in contact with the discharge chamber 1 via the anode 5, and communicates with the discharge chamber 1 through the nozzle hole 7. That is, l! The I pole 5 functions as a partition separating the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 2, and the nozzle hole 7
It functions as a partition hole that guides the weakly ionized gas generated in the i-chamber 1 into the vacuum chamber 2. The cross-sectional shape of the nozzle 8 may be circular, square, or rectangular. Further, the discharge chamber 1 is provided with a carrier gas inlet 9 and a sample gas inlet 10, as in the conventional ion source shown in FIG. 3, and the vacuum chamber 2 is provided with a vacuum outlet 13. By the way, a vacuum chamber similar to the vacuum chamber 2 shown in FIG.
Although a conventional ion source is also provided, the conventional ion source shown in FIG. Since the electrode is placed close to the anode, which is a diaphragm, the space between the extraction electrode and the anode is filled with weakly ionized gas flowing from the discharge chamber, and the weakly ionized gas causes a supersonic free expansion flow in the vacuum chamber. It cannot be formed. Therefore, in this invention, in order to allow the weak 1 iM gas obtained in the discharge IN chamber to freely expand at supersonic speed in the vacuum chamber, the extraction electrode is provided sufficiently away from the anode, and the weakly ionized gas with a reduced gas temperature is allowed to freely expand at supersonic speed. To extract ions from the expanding flow, extraction electrodes are connected to multiple i! It consists of poles and an electric field is applied between them. Next, the specific operation of the ion source shown in FIG. 1 will be explained in detail. After the discharge chamber 1 and the vacuum chamber 2 are brought to a predetermined degree of vacuum, carrier gas is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas inlet 9 while performing evacuation. For example, argon gas is used as the carrier gas. Here, when a DC voltage is applied between the cathode 3 and the intermediate electrode 4, glow discharge or arc discharge occurs between these electrodes, the carrier gas is ionized, and plasma is generated. This plasma passes through the intermediate electrode hole 6 and
and the anode 5. The inflowing plasma ionizes the sample gas introduced from the sample gas inlet 10h). The sample gas introduced here is, for example, sodium vapor. The carrier gas and sample gas plasmas pass through the nozzle 8, flow into the vacuum chamber 2, and undergo free supersonic expansion. In Figure 1, arrow A indicates the flow of supersonic freely expanding plasma.
Indicated by This region of supersonic free expansion flow is called the quiet region (Zone o
f S lence), but this quiet area 1
4 is barrel-shaped shock wave (3arrel 5hock) 15
This is the area surrounded by the Mach D lsk 17 and the Mach D lsk 17. In addition, there is one outside of the quiet area 14.
There is a jet boundary (J et
BoundarV) 16 is formed, and a reflected shock wave (Ref'1ected) is formed downstream of the Matsuha disk 17.
5hock) 18 is formed. The Samach disk 17 and frontage J shock wave 18 shown in FIG.
This figure shows an ideal shape in the case where the influence of the presence of 11b and 11b can be ignored, and in reality it is disturbed by the extraction electrode. The shape and size of the above-mentioned quiet region 14 depend on the gas pressure in the discharge chamber 1, the length and cross-sectional shape and thickness of the nozzle 8,
as well as the pressure within the vacuum chamber 2. With this invention,
The reason why the nozzle 8 is provided on the anode 5, which is a partition plate, is that the quiet area 14 obtained is longer and narrower than when simply providing holes.
This is because although the degree of expansion is small, a large gas density can be obtained. In the quiet region 14, the plasma undergoes adiabatic expansion and the density of the plasma decreases as it moves downstream. The temperature and interparticle 11i burst frequency decrease and the degree of ionization freezes, but the plasma flow rate increases. The plasma density due to adiabatic expansion is 1/100 of the plasma density in the discharge chamber 1.
The temperature of the plasma decreases to about 0, and the temperature of the plasma becomes about 1/100 of the plasma temperature in the discharge chamber 1. Therefore, if the plasma in the spread 1 is generated by a typical glow discharge or arc discharge, the plasma concentration due to adiabatic expansion will remain at an absolute temperature of 2000 to 1000 degrees for electrons, but it will contain neutral atoms and molecules. For heavy particles such as ions, the temperature decreases to 20 to several degrees. Since the above-mentioned Matsuha disk 17 is a shock wave, the gas temperature increases downstream of the Matsuha disk 17. Therefore, since the gas temperature in the quiet region 14 is lowest immediately in front of the Matsuha disk 17, ion extraction must be performed in this region, and one extraction electrode 11a is placed, for example, 10 to 20 meters in front of the Matsuha disk 17. Install in a remote location. By the way, when the supersonic free expansion flow in the quiet region 14 is struck by an extraction electric charge, it generally forms a shock wave,
Downstream, the gas temperature increases. Therefore, in order to prevent the gas temperature from rising, it is preferable that the extraction electrode be shaped so that it does not generate shock waves as much as possible. FIG. 2 is an enlarged view showing an example of such an extraction electrode. In FIG. 2, the extraction electrode 11a has a tip portion 11c that projects in the direction of supersonic free expansion flow indicated by arrow A. The supersonic free expansion flow A collides with the tip 11c, and a shock wave 1 is generated.
9 is weak. Since a DC voltage is applied to the extraction electrodes 11a and 11b, an electric field is generated between the extraction electrodes 118 and 11b. Here, ions move in the direction of the electric field vector, and electrons move in the opposite direction of the electric field vector. This causes the ion flow to move along the vector direction of the electric field.
It is pulled out from the extraction electrode hole 12b. The ion flow drawn out by the electric field is indicated by arrow B in FIG. Extraction electrode 1
A plurality of extraction electrode holes 12 are provided in each of 1a and 11b.
a and 121) are provided, ions can be extracted efficiently. The resulting ion flow has a low temperature, which means that the random motion of the ions is small. In the above embodiment, the case where the plasma in the discharge chamber 1 is generated by glow discharge or arc discharge was explained, but the plasma in the discharge chamber 1 can be generated by electrodeless ionization such as RF discharge discharge electron impact ionization or laser-induced ionization. The plasma may also be generated by electric discharge, and the same effects as in the above-described embodiments can be obtained with such plasma. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a single partition plate provided between a discharge chamber and a vacuum chamber has a plurality of extraction electrodes each having a plurality of holes formed therein. It is installed in a region where the gas temperature of the supersonic free expansion flow of plasma that is formed in the vacuum chamber via the nozzle is low, and is configured to extract ions from the supersonic free expansion flow of plasma. An ion flow with small random motion and high density can be efficiently extracted. therefore,
The gas ion source of the present invention can be applied to ultra-high brightness ion beams such as focused ion beams. 4. Brief Description of the Drawings FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partially enlarged view of an extraction electrode used in an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram without a conventional ion source. In the figure, 1 is a discharge chamber, 2 is a vacuum chamber, 5 is an anode, 7 is a nozzle hole, 8 is a nozzle, 11a and 11b are extraction electrodes, 12a and 12b are extraction electrode holes, 13 is a vacuum outlet, and 14 is a This shows the quiet region of supersonic free expanding flow. In addition, in the figures, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (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
ノズル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
によつ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。
(1) Weakly ionized gas generating means for partially ionizing gas atoms or gas molecules to generate weakly ionized gas, and a vacuum chamber for supersonic free expansion of the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means. and a partition plate that separates the weakly ionized gas generating means from the vacuum chamber and is formed with one nozzle for introducing the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means into the vacuum chamber; A plurality of holes are provided in a region inside the vacuum chamber where a supersonic free expansion flow with a reduced gas temperature obtained by supersonic free expansion exists, and each has a plurality of holes. An ion source comprising: an extraction electrode; and an electric field generating means for generating an electric field between the plurality of extraction electrodes, and extracting ions from a supersonic free expansion flow with a reduced gas temperature.
(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。
(2) The ion source according to claim 1, wherein the weakly ionized gas generating means uses glow discharge, arc discharge, RF discharge, electron impact ionization, or laser-induced ionization.
(3)前記隔板に設けられる1つのノズルは、円形の孔
を有す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。
(3) The ion source according to claim 1 or 2, wherein one nozzle provided in the partition plate has a circular hole.
(4)前記隔板に設けられる1つのノズルは、正方形ま
たは長方形の孔を有す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) The ion source according to claim 1 or 2, wherein one nozzle provided in the partition plate has a square or rectangular hole.
(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。
(5) The ion source according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of extraction electrodes are formed of a metal mesh.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63245430A (en) * 1987-03-31 1988-10-12 Hitachi Chem Co Ltd Coating material for hybrid ic

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