JPS6217934A - Ion source - Google Patents

Ion source

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JPS6217934A
JPS6217934A JP60156569A JP15656985A JPS6217934A JP S6217934 A JPS6217934 A JP S6217934A JP 60156569 A JP60156569 A JP 60156569A JP 15656985 A JP15656985 A JP 15656985A JP S6217934 A JPS6217934 A JP S6217934A
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vacuum chamber
gas
ion
vacuum
chamber
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高一 斧
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達夫 大森
Shigeto Fujita
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a gas ion source applicable onto super high brightness ion beam by leading the weakly ionized gas produced from weakly ionized gas producing means through a hole of barrier board into first vacuum chamber then expanding freely with supersonic speed while arranging the take-out electrodes having plural holes at low gas temperature area of said freely expanded flow and taking out the ion flow into second vacuum chamber. CONSTITUTION:Ion source is provided with disharge chamber 1 and vacuum chambers 2, 3. The vacuum chamber 2 is maintained at higher vacuum than the discharge chamber 1 while the vacuum chamber 3 is maintained at higher vacuum than the vacuum chamber 2. The discharge chamber 1 is provided with a cathode 4, an intermediate electrode 5 and an anode 6. The intermediate electrode 5 is provided with an intermediate electrode hole 7 while the anode 6 is provided with an anode hole 9. The vacuum chamber 2 will contact through the anode 6 with the discharge chamber 1 while communicate through the anode hole 9 with the discharge chamber 1. Take-out electrodes 14a, 14b for taking out ion flow from the weakly ionized freely expanded flow formed in the vacuum chamber 2 are arranged between the vacuum chambers 2, 3. Said take- out electrodes 14a, 14b are provided with plural take-out electrode holes 15a, 15b for passing ions.

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、イオンご−ム露光、
イオンど−ム堆積、イオンビームエツチングまたはイオ
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。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an ion source, and particularly to ion implantation, ion-based exposure, and
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.

[従来の技術] 従来この種の装置としては、たとえば伊g糾次他著:イ
オンインブランテーション(昭晃堂、昭和51年)に掲
載された第4図に示すものがある。
[Prior Art] As a conventional device of this kind, for example, there is one shown in FIG. 4 published in Ion Implantation (Shokodo, 1976) by Kouji Ig et al.

まず、第4図に示す従来のイオン源の構成について説明
する。第4図において、従来のイオン源は放電室1と真
空室25とを備える。放電室1には陰極4と中間電極5
と陽極6とが設けられ、中間電極5と陽極6には、それ
ぞれ中間電極孔7と陽極孔24とが設けられる。また、
放電室1には陰極4と中間電極5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09と、中M電極5
と陽極6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。
First, the configuration of the conventional ion source shown in FIG. 4 will be explained. In FIG. 4, the conventional ion source includes a discharge chamber 1 and a vacuum chamber 25. The discharge chamber 1 includes a cathode 4 and an intermediate electrode 5.
and an anode 6 are provided, and the intermediate electrode 5 and the anode 6 are provided with an intermediate electrode hole 7 and an anode hole 24, respectively. Also,
The discharge chamber 1 includes a carrier gas introduction 09 for introducing carrier gas between the cathode 4 and the intermediate electrode 5, and a middle M electrode 5.
A sample gas inlet 10 for introducing sample gas is provided between the anode 6 and the anode 6 .

真空室25は陽極6によって放電室1から隔てられ、か
つ陽極孔24により放電室1に通じている。真空室25
には、排気のための真空引口28と、陽極6に近接して
イオンを引出すための引出電極26とが設けられる。こ
の引出電極26にはイオンを引出すための引出電極孔2
7が設けられる。
Vacuum chamber 25 is separated from discharge chamber 1 by anode 6 and communicates with discharge chamber 1 through anode hole 24 . Vacuum chamber 25
A vacuum outlet 28 for evacuation and an extraction electrode 26 for extracting ions close to the anode 6 are provided. This extraction electrode 26 has an extraction electrode hole 2 for extracting ions.
7 is provided.

次に、従来のイオン源の動作についてv2明プ°る。Next, we will discuss the operation of a conventional ion source.

まず、真空引口28から真空室25の排気を行なって、
放電室1と真空室25と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4と中間電極5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4と中間電極5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
、プラズマが生じる。生成したプラズマは中間電極孔7
を通過して、中間電極5と陽極6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
気体と衝突し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24を通過し、陽極6と引出電極2
6との間に流入する。陽極6と引出電極26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4図の矢印Eで示す方向に引出電極孔27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25内に流入する。
First, the vacuum chamber 25 is evacuated from the vacuum port 28,
The discharge chamber 1 and the vacuum chamber 25 are brought to a predetermined degree of vacuum. 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 4 and the intermediate electrode 5. Then, the carrier gas is ionized by glow discharge or arc discharge generated between the cathode 4 and the intermediate electrode 5, and plasma is generated. The generated plasma flows through the intermediate electrode hole 7.
and flows between the intermediate electrode 5 and the anode 6. Here, when the sample gas is introduced into the discharge chamber 1 from the sample gas inlet 10, the plasma of the carrier gas collides with the introduced sample gas to ionize the sample gas. The ionized sample gas passes through the anode hole 24 and is connected to the anode 6 and extraction electrode 2.
6. Since a DC voltage is applied between the anode 6 and the extraction electrode 26 and an electric field is generated, an ion flow is extracted from the extraction electrode hole 27 in the direction shown by arrow E in FIG. 4 due to this electric field. At this time, unionized neutral gas flows into the vacuum chamber 25 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
は放電室の陽極に近接して設けられていた。このため、
引出電極は放電室で生成した高温のプラズマからイオン
流を引出すので、得られる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 the conventional ion source, as described above, the ion extraction electrode was provided close to the anode of the discharge chamber. For this reason,
Since the extraction electrode extracts an ion stream from the high-temperature plasma generated in the discharge chamber, the temperature of the resulting ion stream was high and the random motion of the ions was large. This 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 ion beams.

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、上述の従来の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という問題
点があった。
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 in that the ion flow rate is significantly lower than in the above-mentioned conventional ion source and the device is complex.

それゆえに、この発明は上述のような問題点を解消する
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] この発明にかかるイオン源は、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、第1の真空室内に導入し、第1の真空
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、超音速自由膨張流における温度の低下した領域に
、それぞれが複数個の孔を有する複数個の引出電極を設
(プ、電場発生手段によって引出電極間に電場を生じさ
せて、イオン流を第2の真空室内に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 by a weakly ionized gas generating means, passes this through one hole provided in a partition plate, and supplies it to a first vacuum. A plurality of holes each having a plurality of holes are introduced into the chamber and subjected to supersonic free expansion in a first vacuum chamber to generate a supersonic free expansion flow. An electric field is generated between the extraction electrodes by an electric field generating means to extract the ion flow into the second vacuum chamber.

[作用] この発明における複数の引出電極は、第1の真空室内で
超音速自由膨張した弱電姑気体の超音速自由膨張流にお
ける気体温度の低下した領域からイオン流を引出しで、
第2の真空室内に導入し、第2の真空室内ではさらに気
体を膨張させることににって気体温酊を低下させるので
、無作為運動の極めて小さいイオン流が得られる。した
がつ′C1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。
[Function] The plurality of extraction electrodes in the present invention extract an ion flow from a region where the gas temperature has decreased in a supersonic free expansion flow of a weak electric gas that is free expanded at supersonic speed in the first vacuum chamber,
Since the gas temperature is lowered by introducing the gas into the second vacuum chamber and further expanding the gas in the second vacuum chamber, an ion flow with extremely small random motion is obtained. 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゛C説明する。[Example] Hereinafter, one embodiment of the present invention will be explained with reference to the drawings.

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、この一実施例のイオン源の概略の構成に
ついて説明する。第1図において、イオン源は放電室1
と真空室2と真空室3とを備える。放電室1は弱電離気
体を発生させるものである。真空室2は放電室1で発生
した弱電離気体を超音速自由膨張させるためのものであ
る。真空室3は真空室2内で生じた超音速自由膨張流を
さらに膨張させるだめのものである。したがって、真空
室2は放電室1よりも高真空にされ、真空室3は真空室
2よりも高真空にされる。たとえば、動作時の放電室1
は5 Q TOrr程度に、真空室2は10− ” T
orr Pj度に、真空室3は1O−IITorr程度
にされる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an ion source according to an embodiment of the present invention. First, the general configuration of the ion source of this embodiment will be explained. In Figure 1, the ion source is discharge chamber 1.
A vacuum chamber 2 and a vacuum chamber 3 are provided. The discharge chamber 1 generates weakly ionized gas. The vacuum chamber 2 is for allowing the weakly ionized gas generated in the discharge chamber 1 to freely expand at supersonic speed. The vacuum chamber 3 serves to further expand the supersonic free expansion flow generated within the vacuum chamber 2. Therefore, the vacuum chamber 2 is made to have a higher vacuum than the discharge chamber 1, and the vacuum chamber 3 is made to have a higher vacuum than the vacuum chamber 2. For example, discharge chamber 1 during operation
is about 5 Q TOrr, and vacuum chamber 2 is about 10-” T
The vacuum chamber 3 is set to about 10-II Torr at orr Pj degrees.

放電室1には陰極4と中間電極5と陽i6どが設けられ
る。中間電極5には中間電極孔7が設けられ、陽極6に
は陽極孔9が設けられる。また、放電室1にはキャリア
気体を導入するためのキャリア気体導入口10と試料気
体を導入するための試料気体導入口11とが設けられる
The discharge chamber 1 is provided with a cathode 4, an intermediate electrode 5, an anode i6, etc. The intermediate electrode 5 is provided with an intermediate electrode hole 7, and the anode 6 is provided with an anode hole 9. Further, the discharge chamber 1 is provided with a carrier gas inlet 10 for introducing carrier gas and a sample gas inlet 11 for introducing sample gas.

真空室2は陽極6を介して放電室1に接し、かつ陽極孔
9により放電室1に通じる。陽極孔9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。真空室2に
は、排気のための真空引口12が設けられる。真空室2
と真空室3との間には、これら2つの真空室を隔て、か
つ真空室2内で生じる超音速自由膨張流からイオン流を
引出すための一方の引出電極14aが設けられる。
The vacuum chamber 2 is in contact with the discharge chamber 1 through the anode 6 and communicates with the discharge chamber 1 through the anode hole 9 . The shape of the anode hole 9 may be circular, square or rectangular. The vacuum chamber 2 is provided with a vacuum outlet 12 for evacuation. vacuum chamber 2
An extraction electrode 14a is provided between the vacuum chamber 3 and the vacuum chamber 3 to separate the two vacuum chambers and to extract an ion flow from the supersonic free expansion flow generated within the vacuum chamber 2.

真空室3には、排気のための真空引口13と他方の引出
電極14bとが設けられる。これらの引出電極14aお
よび1411には、イオンが通過するためのそれぞれ複
数の引出電極孔15aおよび1511が設けられる。引
出電極14aおよび14bには因示しない直流電圧発生
源から直流電圧が印加されて、引出電極148.14b
間には電場が生じる。このような引出電極は第1図に示
すように2つの電極14a、14bから構成されるもの
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圧を印加して電場を生じさせ
てもよい。
The vacuum chamber 3 is provided with a vacuum outlet 13 for evacuation and the other extraction electrode 14b. These extraction electrodes 14a and 1411 are provided with a plurality of extraction electrode holes 15a and 1511, respectively, through which ions pass. A DC voltage is applied to the extraction electrodes 14a and 14b from a DC voltage generation source not shown, and the extraction electrodes 148.14b
An electric field is generated between them. Such an extraction electrode is not limited to one consisting of two electrodes 14a and 14b as shown in FIG. An electric field may be generated by

上述において説明したこの発明の一実施例の構成は、従
来のイオン源の欠点を解消したものである。すなわち、
従来のイオン源では第4図に示すように、引出電極は隔
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l!極との間には気体が充満するため弱電離気体は超
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第1の真空室
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、引出したイオン
流の温度を低下させるためにさらに第2の真空室内に導
いて膨張させる。
The configuration of one embodiment of the present invention described above eliminates the drawbacks of conventional ion sources. That is,
In the conventional ion source, as shown in FIG. 4, the extraction electrode is provided close to the anode, which is a partition plate, so that there is a distance between the extraction electrode and the anode. Since the space between the electrode and the electrode is filled with gas, the weakly ionized gas cannot form a supersonic free expansion flow. Therefore, in this invention, in order to cause the weakly ionized gas obtained in the discharge chamber to freely expand at supersonic speed in the first vacuum chamber, the extraction electrode is provided at a sufficient distance from the anode, and the supersonic free expansion flow with a reduced gas temperature is provided. In order to extract ions from the ions, the extraction electrode is composed of a plurality of electrodes, an electric field is applied between these electrodes, and in order to lower the temperature of the extracted ion stream, the extracted ion stream is further guided into a second vacuum chamber and expanded.

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.

所定の真空度にした後、放電室1にはキャリア気体導入
口10からキャリア気体が導入される。
After achieving a predetermined degree of vacuum, carrier gas is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas inlet 10.

導入されるキャリア気体はたとえばアルゴンガスである
。ここで、陰極4ど中間電極5との間に直流電圧を印加
するど、これらの電極間にはグロー放電またはアーク放
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7を通過して、中間電極5
と陽極6との間に流入する。流入したプラズマは試料気
体導入口11から導入された試料気体をイオン化する。
The carrier gas introduced is, for example, argon gas. Here, when a DC voltage is applied between the cathode 4 and the intermediate electrode 5, 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 7 and
and the anode 6. The inflowing plasma ionizes the sample gas introduced from the sample gas inlet 11.

導入される試料気体はたとえばナトリウム蒸気である。The sample gas introduced is, for example, sodium vapor.

イオン化した試料気体とキャリア気体のプラズマは陽極
孔9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1d(Zone of  S 1lence
)と称するが、この静寂領域16は樽形衝撃波(Bar
rel 5hock) 17とマツハ円盤(Mach 
D lsk ) 19とによって囲まれた領域である。
The plasma of the ionized sample gas and carrier gas passes through the anode hole 9, 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. The region where this supersonic free expansion flow exists is called the zone of silence 1d.
), but this quiet region 16 is called a barrel-shaped shock wave (Bar
rel 5hock) 17 and Matsuha disc (Mach
D lsk ) 19.

静寂領域16の外側には、樽形Ili撃波17に近接し
てジI%/ト境界(Jet  Boundary ) 
18が形成され、マツハ円盤19の下流には反射vfJ
撃波(Re41ected  5hock) 20が形
成される。第1図に示すマツハ円盤19と反射衝撃波2
0とは引出!tIIi14aおよび14bの存在の影響
が無視できる場合にお番プる理悲的な形状を示したもの
であり、実際には引出電極によって乱された形状になる
Outside the quiet region 16, there is a Jet Boundary near the barrel-shaped Ili strike wave 17.
18 is formed, and a reflection vfJ is formed downstream of Matsuha disk 19.
Shock wave (Re41ected 5hock) 20 is formed. Matsuha disk 19 and reflected shock wave 2 shown in Figure 1
0 is a drawer! This figure shows the ideal shape that would occur if the influence of the presence of tIIi 14a and 14b could be ignored; in reality, the shape would be disturbed by the extraction electrode.

静寂領域16では、プラズマは断熱膨張を行ない、下流
に移行するに従ってプラズマの密度、湿度および粒子間
のW!J突傾度は減少して電11度は凍結するが、逆に
プラズマの流速は増加する。断熱膨張による密度は放電
室1内のプラズマ密度の1/1000&!度に減少し、
温度は放電室1内の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た場合、断熱膨張による温度
は電子に関しては絶対温12000〜1000度に留ま
るものの、中性原子・分子やイオンなどの自由粒子に関
しては20〜数度にまで低下する。
In the quiet region 16, the plasma undergoes adiabatic expansion, and as it moves downstream, the plasma density, humidity, and interparticle W! The J steepness decreases and the electric 11 degrees freezes, but on the contrary, the plasma flow velocity increases. The density due to adiabatic expansion is 1/1000 of the plasma density in the discharge chamber 1 &! decreases over time,
The temperature will be about 1/100 of the temperature inside the discharge chamber 1. Therefore, when the plasma in the discharge chamber 1 is generated by a typical glow discharge or arc discharge, the temperature due to adiabatic expansion remains at an absolute temperature of 12,000 to 1,000 degrees for electrons, but for neutral atoms, molecules, ions, etc. For free particles it drops to 20 to several degrees.

上述のマツハ円盤19は衝撃波であるので、マツハ円盤
19の下流では気体温度は上貸する。従って、!3i寂
領域16内の気体温度はマツハ円盤19の手前で最低に
なるので、イオンの引出はこの領域で行なわれることが
好ましく、一方の引出電極14aはたとえばマツ八日1
119の10〜20m111手前に設置される。
Since the above-mentioned Matsuha disk 19 is a shock wave, the gas temperature increases downstream of the Matsuha disk 19. Therefore,! Since the gas temperature in the 3i-dark region 16 is lowest in front of the Matsuha disk 19, it is preferable that ions be extracted in this region.
It will be installed 10-20m before 111 of 119.

ところで、静寂領域16は陽極孔9の形状および大きさ
、放Ng1内の気体圧力ならびに真空室2内の圧力によ
って規定される。さらに静寂領域16内の流れの性質は
上述したように、下流にいくに従い気体は膨張し、領域
の断面積は大きくなり、流速は速くなり、気体密度と温
度とは低下する。したがって、超音速自由膨張流の静寂
領域16からのイオンの取出を真空室内の圧力等の色々
な条件の変化に対応して最適に保つためには、引出電極
を超音速自由膨張流に対して移動自在に設けることが好
ましい。このような移動自在な機構の概略を第2図に示
す。第2図において、たとえばバッキング22を備えた
真空!3の外壁31は真空室2の内壁21に嵌め込まれ
る。真空室3に設けられた引出電極14aおよび14b
は内壁21に対して外壁31を第2図に示す矢印Cおよ
びD方向に摺動することにより自在に移動できるので、
条件に従って、最適の位置でイオン流を引出すことがで
きる。
By the way, the quiet region 16 is defined by the shape and size of the anode hole 9, the gas pressure in the discharge Ng1, and the pressure in the vacuum chamber 2. Further, as described above, the nature of the flow in the quiet region 16 is such that the gas expands as it goes downstream, the cross-sectional area of the region becomes larger, the flow velocity increases, and the gas density and temperature decrease. Therefore, in order to optimally maintain the extraction of ions from the quiet region 16 of the supersonic free expansion flow in response to changes in various conditions such as the pressure inside the vacuum chamber, it is necessary to adjust the extraction electrode to the supersonic free expansion flow. It is preferable to provide it movably. An outline of such a movable mechanism is shown in FIG. In FIG. 2, for example, a vacuum with backing 22! The outer wall 31 of No. 3 is fitted into the inner wall 21 of the vacuum chamber 2. Extracting electrodes 14a and 14b provided in the vacuum chamber 3
can be freely moved by sliding the outer wall 31 relative to the inner wall 21 in the directions of arrows C and D shown in FIG.
Ion currents can be extracted at optimal positions according to conditions.

第1図および第2図に示す引出電極148.14bには
直流電圧が印加され、引出電極14aおよび141)r
−に電場が生じる。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
りイオン流が引出電極孔15aおよび15bを経て、真
空室3内に引出される。引出電極14aおよび14b間
の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14aおよび14bにはそれぞれ複
数の引出電極孔15aおよび15b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。引出された
イオン流は真空室3内で膨張し、気体温度はさらに低下
する。
A DC voltage is applied to the extraction electrodes 148.14b shown in FIGS. 1 and 2, and the extraction electrodes 14a and 141)r
An electric field is generated at -. Ions move in the vector direction of the electric field, and electrons move in the opposite vector direction of the electric field. Thereby, the ion flow is extracted into the vacuum chamber 3 through the extraction electrode holes 15a and 15b. The ion flow extracted by the electric field between extraction electrodes 14a and 14b is indicated by arrow B in FIG. Since the extraction electrodes 14a and 14b are provided with a plurality of extraction electrode holes 15a and 15b, respectively, ions can be extracted efficiently. The extracted ion stream expands within the vacuum chamber 3, and the gas temperature further decreases.

ところで、静寂領域16内の超音速自由膨張流は引出電
極14aに衝突すると、衝撃波を形成し、その下流で気
体の温度が上昇する。したがって、気体温度の上昇を防
止するために、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3図はこのような引出電
極の一例を示す拡大図である。第3図において、引出電
極14aは第3図に33いて矢印Aで示゛丈超音速自由
膨張流に向って突出した先端部140を有する。超音速
自由膨張流と先端部140どが衝突して発生するWt1
撃波23は弱いので、気体温度の上昇は抑制される。
By the way, when the supersonic free expansion flow in the quiet region 16 collides with the extraction electrode 14a, a shock wave is formed, and the temperature of the gas increases downstream thereof. Therefore, in order to prevent a rise in gas temperature, it is preferable that the extraction electrode be shaped so that it does not generate shock waves as much as possible. FIG. 3 is an enlarged view showing an example of such an extraction electrode. In FIG. 3, the extraction electrode 14a has a tip portion 140 that projects toward the supersonic free expansion flow indicated by arrow A at 33 in FIG. Wt1 generated when the supersonic free expansion flow collides with the tip 140 etc.
Since the attack wave 23 is weak, the rise in gas temperature is suppressed.

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
れる場合でもよく、そのような場合にも上述の実施例と
同様の効果を奏する。
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. It may be generated by electric discharge, and in such a case, the same effects as in the above-mentioned embodiments can be achieved.

また、上述の実施例では真空室2と真空室3とが引出電
極14aにより隔てられているが、真空室2と真空室3
との間に孔またはノズルが形成された隔板を設け、この
隔板により2つの真空室を隔て、かつ引出電極を真空室
3内に設けてもよい。
Further, in the above embodiment, the vacuum chamber 2 and the vacuum chamber 3 are separated by the extraction electrode 14a, but the vacuum chamber 2 and the vacuum chamber 3 are separated by the extraction electrode 14a.
A partition plate having holes or nozzles formed therein may be provided between the two vacuum chambers, and the two vacuum chambers may be separated by this partition plate, and an extraction electrode may be provided within the vacuum chamber 3.

この場合には、真空室2における超音速自由膨張流は真
空室3内でさらに膨張するのでより一層低温の気体流が
得られ、特に、引出電極14.8.14bを2つの真空
室を隔てる隔板から下流側に−I分離して設置した場合
には、真空室2と真空室3とを引出電極14aで隔てる
場合に比較してより低温の気体流からより低温のイオン
流を引出すことができる。
In this case, the supersonic free expansion flow in the vacuum chamber 2 expands further in the vacuum chamber 3, resulting in a much lower temperature gas flow, and in particular, the extraction electrode 14.8.14b is separated from the two vacuum chambers. When installed separated by -I on the downstream side from the partition plate, a lower temperature ion flow can be extracted from a lower temperature gas flow compared to the case where the vacuum chamber 2 and the vacuum chamber 3 are separated by the extraction electrode 14a. I can do it.

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、それぞれが複数個の
孔を有する複数個の引出電極を、弱電離気体発生手段と
第1の真空室との間の隔板に形成された1つの孔を経て
第1の真空室内に形成されるプラズマの超音速自由膨張
流領域に設置し、超音速自由膨張により中性原子・分子
やイオンなどの自由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、複数個の引出電極に設け
られている複数個の孔を経て、第2の真空室にイオンを
引出すように構成したので、温度の低いイオン流すなわ
ちイオンの無作為運動の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でき
る。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a plurality of extraction electrodes each having a plurality of holes are formed on the partition plate between the weakly ionized gas generating means and the first vacuum chamber. It is installed in the supersonic free expansion flow region of the plasma that is formed in the first vacuum chamber through one hole in which the temperature of free particles such as neutral atoms, molecules, and ions decreases to an absolute temperature of 20 The configuration is such that ions are extracted from the plasma flow, which has been reduced to a temperature of ~ several degrees Celsius, into the second vacuum chamber through a plurality of holes provided in a plurality of extraction electrodes. A small ion flow with random motion can be efficiently extracted. 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の構成を
示す図である。第2図は第1図に示す引出電極の移動機
構を示す図である。第3図はこの発明の一実施例のイオ
ン源において、発生する衝撃波の強度を弱めるように構
成した引出電極の一例を示す拡大図である。第4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は第1の真空室、3は第2
の真空室、4は陰極、5は中間電極、6は陽極、9は陽
極孔、14aおよび14bは引出電極、15a、15b
は引出電極孔、16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 17一 箔3図 手続補正書く自発) 発明の名称 イオン源 補正をする者 事件との関係 特許出願人 住 所    東京都千代田区丸の内二丁目2番3号名
 称  (601)三菱電機株式会社代表者 廿:廿:
尤=プごits 天理人  志岐守哉 住 所    東京都千代田区丸の内二丁目2番3号5
、補正の対象 明細(”t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) 以上 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霜蘭して弱電離
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
させるための第1の真空室と、 前記弱電離気体発生手段と前記第1の真空室とを隔て、
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
体を前記第1の真空室に導入するための1つの孔が形成
された隔板と、 前記第1の真空室で超音速自由膨張した弱電離気体をさ
らに膨張させるための第2の真空室と、前記第1の真空
室で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同に電場を発生させる
電場発生手段とを備え、 前記複数個の引出電極に設けられている前記複数個の孔
を経て、気体濃度の低下した弱超音速自由膨張流から前
記第2の真空室にイオンを引出すことを特徴とするイオ
ン源。 (2) 前記引出電極は、超音速自由膨張流に対して移
動自在に設けられ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はレーザll!起
電離を用いることを特徴とする特許請求の帖囲第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項ないし第3項のいずれか
に記載のイオン源。 (5) 前記隔板に設けられる孔は、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項ないし
第3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またはイオ
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1114次他著
:イオンインブランテーシ日ン(昭晃堂、昭和51年)
に掲載された第4図に示すものがある。 まず、第4図に示す従来のイオン源の構成について説明
する。第4図において、従来のイオン源は放電室1と真
空室25とを備える。放電室1には陰極4と中間電極5
と陽極6とが設けられ、中間電極5と陽極6には、それ
ぞれ中間電極孔7と陽極孔24とが設けられる。また、
放電室1には陰極4と中間機ff15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5と陽極6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25は陽極6によって放電室1から隔てられ、か
つ陽極孔24により放電室1に通じている。真空室25
には、排気のための真空引口28と、陽極6に近接して
イオンを引出すための引出電極26とが設けられる。こ
の引出電極26にはイオンを引出すための引出電極孔2
7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28から真空室25の排気を行なって、
放電室1と真空室25とを所定の真空度にする。続いて
、真空引目28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4
と中間電極5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4と中間電極5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
じる。生成したプラズマは中間電極孔7を通過して、中
間電極5と陰極6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24を通過し、陽w16と引出電極26との間に
流入する。 陽極6と引出電極26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4図の矢印E
で示す方向に引出電極孔27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
も分子ビーム状どなって真空室25内に流入する。 [発明が解決しようとする問題点コ 従来の気体イオン源では、上述したようにイオンの引出
電極は放電室の陽tiに近接して設C″jられていた。 このため、引出電極は放電室で生成した高温のプラズマ
からイオンを引出すので、得られる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量が
著しく少なくかつ装置も複雑であるという問題点があっ
た。 それゆえに、この発明は上述のような問題点を解消する
ためになされたちので、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。 c問題点を解決するための手段] この発明にかかるイオン源は、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、第1の真空空白に導入し、第1の真空室
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、
それぞれが複数個の孔を有する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第2の真空室内に引出すよ
うにしたものである。 [作用] この発明における複数の引出電極は、第1の真空室内で
超音速自由膨張した弱電離気体の超音速自由膨張流にお
ける気体温度の低下した領域からイオン流を引出して、
第2の真空室内に導入する。 第2の真空室内で気体はざらに膨張し、温度が低下する
ので、温度が極めて低いイオン流、すなわち無作為運動
が極めて小さいイオンが得られる。 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、この一実施例のイオン源の概略の構成に
ついて説明する。第1図において、イオン源は放電室1
と真空室2と真空室3とを備える。放電室1は弱電離気
体を発生させるものであり、真空室2は放電室1で発生
した弱電離気体を超音速自由膨張させるためのものであ
り、真空室3は真空室2内で生じた超音速自由膨張流を
さらに膨張させるためのものである。したがって、真空
室2は放電室1よりも高真空に保たれ、真空室3は真空
室2よりも高真空に保たれる。たとえば、動作時の放電
室1は50 T orr程度に、真空室2は10− ”
 Torr程度に、真空室3は10−’ Torr程度
に保たれる。 放電室1には陰極4と中間電II 5と陽極6とが設け
られる。中間電極5には中間電極孔7が設けられ、陽極
6には陽極孔9が設けられる。また、放電室1にはキャ
リア気体を導入するためのキャリア気体導入口10と試
料気体を導入するための試料気体導入口11とが設けら
れる。 真空室2は陽極6を介して放電室1に接し、かつ@極孔
9により放電室1に通じる。+i電極孔の形状は円形で
もよく、また正方形あるいは長方形でもよい。真空室2
には、排気のための真空引口12が設けられる。真空室
2と育空至3との間には、これら2つの真空室を隔て、
かつ真空室2内に形成される弱電離気体超音速自由膨張
流からイオン流を引出すための一方の引出電極14aが
設けられる。 真空室3には、排気のための頁空引口13と他方の引出
1fti14bとが設けられる。これらの引出電極14
aおよび14bには、イオンが通過するためのそれぞれ
複数の引出電極孔15aおよび15bが設けられる。引
出電極14aおよび14b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、引出電極148.14b
間には電場が生じる。このような引出電極は第1図に示
すように2つの電極148.141]から構成されるも
のに限定されるものではなく、多数の電極で引出電極を
溝成し、それらの電極間に電圧を印加して電場を生じさ
せてもよい。 上述において説明したこの発明の一実施例の構成は、従
来の気体イオン源の欠点を解消し・たちのである。すな
わち、従来のイオン源では第4図に示したように、引出
電極は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弱電離気体が充満し、弱電離気
体は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第1の
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、気体湿度の低下した弱
電離気体超音速自由膨張流からイオン流を引出すために
、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、引出したイオン流の温度をさらに低下させるために
さらに第2の真空室内で気体を膨張させる。 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と真空室3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10からキャリア気体を導入する。導入されるキャリ
ア気体はたとえばアルゴンガスである。ここで、陰t!
i4と中間電極5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また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7を通過して、中間電極5ど陽[i6と
の間に流入する。流入したプラズマは試料気体導入口1
1から導入される試料気体を電離する。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I!! IM孔9
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fR域を静寂領
域(Zone of  511ence) ト称するが
、この静寂領域16は樽形衝撃波< B arreI 
5hock) 17とマツ八円盤(Mach D ls
k ) 19とによって囲まれた領域である。 静寂領域16の外側には、樽形衝撃波17に近接してジ
ェット境界(Jet  Boundary ) 18が
形成され、マツハ円盤19の下流には反射衝撃波(Re
flected  5hock> 20が形成される。 第1図に示寸マツへ円盤19と反射!!!i撃波20と
は引出電極14aおよび14b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
には引出電極によって乱れる。 静寂領域16では、プラズマは断熱膨張を行ない、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ri
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内のプラズマの温度の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
り生成された場合、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・分子やイオンなど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19は衝撃波であるので、マツハ円盤
1つの下流では気体温度は上昇する。従って、静寂領域
16内の気体温度はマツハ円!!!1つの手前で最低に
なるので、イオン流の引出はこの領域で行なわれること
が好ましく、一方の引出t11m”14aはたとえばマ
ツハ円盤19の10〜20I!l償手前に設置される。 ところで、静[領域16の形状および大きさは陽極孔9
の形状および大きさ、放電室1内の気体圧力ならびに真
空室2内の圧力によって規定される。さらに静寂領域1
6内の流れの性質は上述し・たように、下流にいくに従
い気体は膨張し、領域の断面積は大きく流速は速くなり
、気体の密度と温度は低下する。したがって、超音速自
由膨張流の静寂領域16からのイオン流の引出を真空室
内の圧力等の色々な条件の変化に対応して最適に保つた
めには、引出電極を超音速自由膨張流に対して移動自在
に設けることが好ましい。このような移動自在な機構の
概略を第2図に示す。第2図において、たとえばバッキ
ング22を備えた真空室3の外壁31は真空室2の内壁
21に嵌め込まれる。真空室3に設けられた引出電極1
4aおよび14bは内v21に対して外壁31を第2図
に示す矢印CおよびD方向に摺動することにより自在に
移動できるので、条件に従って、最適の位置でイオン流
を引出すことができる。 第1図および第2図に示す引出電極148.14bには
直流電圧が印加され、引出電極14aおよび14b間に
電場が生じる。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
オン流が引出電極孔15aおよび15bを経て、真空室
3内に引出される。引出電極14aおよび141)間の
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14aおよび14bにはそれぞれ複数
の引出電極孔15aおよび15bが段けられているので
、イオン流を効率よく引出すことができる。引出された
イオン流を含む気体は真空室3内でさらにi張し、温度
はさらに低下する。 ところで、静寂領域16内の超音速自由膨張流は引出電
極14.8に衝突すると、一般に衝撃波を形成し、その
下流で気体の温度が上昇する。したがって、気体温度の
上昇を防止するために、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3図はこのよう
な引出電極の一例を示す拡大図である。第3図において
、引出電極14aは第3図において矢印Aで示す超音速
自由膨張流に向って突出した先端部14cを有する。 超音速自由膨張流と先端部14cとが衝突して発生する
!i!1波23波射3ので、気体温度の上昇は抑制され
る。 なお、上述の実施例では放電苗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、放電全1内のプラズマはRF*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
る場合でもよく、そのような場合にも上述の実施例と同
様の効果を奏する。 また、上述の実施例では真空室2と真空室3とが引出電
極14aにより隔てられているが、真空室2ど真空室3
との間に孔またはノズルが形成された隔板を設け、この
隔板により2つの真空室を隔て、かつ引出電極を真空室
3内に設けてもよい。 この場合には、真空室2における弱電離気体超音速自由
膨張流は真空室3内でさらに十分膨張するのでより一層
低温の気体流が(qられ、特に、引出電極14a、14
bを2つの真空室を隔てる隔板から下流側に十分前して
設置した場合には、真空室2と真空室3とを引出電極1
4aで隔てる場合に比較してより低温の気体流からより
低温のイオン流を引出すことができる。 [発明の効果] 以上のように、この発明によれば、それぞれが複数個の
孔を有する複数個の引出電i犯を、弱電離気体発生手段
と第1の真空室との間の隔板に形成された1つの孔を経
て第1の真空室内に形成されるプラズマの超音速自由膨
張流領域に設置し、超音速自由膨張により中性原子・分
子やイオンなど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、それぞれに複数個の孔が
形成された複数個の引出電極により第2の真空室にイオ
ンを引出すように構成したので、温度の低いイオン流す
なわちイオンの無作為運動の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の構成を
示す図である。第2図は第1図に示す引出N極の移動機
構を示す図である。第3図はこの発明の一実施例のイオ
ン源において1発生する衝撃波の強度を弱めるように構
成した引出電極の一例を示す拡大図である。第4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は第1の真空室、3は第2
の真空室、4は陰極、5は中間電極、6は陽極、9は陽
極孔、14aおよび14bは引出電極、15a、15b
は引出M極孔、16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 diagram showing a moving mechanism for the extraction electrode shown in FIG. 1. FIG. 3 is an enlarged view showing an example of an extraction electrode configured to weaken the intensity of a generated shock wave in an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a conventional ion source. In the figure, 1 is a discharge chamber, 2 is a first vacuum chamber, and 3 is a second vacuum chamber.
vacuum chamber, 4 is a cathode, 5 is an intermediate electrode, 6 is an anode, 9 is an anode hole, 14a and 14b are extraction electrodes, 15a, 15b
1 indicates an extraction electrode hole, and 16 indicates a quiet region. In addition, in the figures, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts. Agent Masuo Oiwa 17 Ichihaku Figure 3 Procedural Amendment (Volunteer) Name of the Invention Relationship with the Person Who Amends the Ion Source Case Patent Applicant Address 2-2-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Name (601) Mitsubishi Electric Corporation Representative 廿:廿:
尤=pugoits Tenrijin Shiki Moriya Address 2-2-3-5 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo
, the details to be amended ("t", claims column, detailed explanation of the invention column, and brief explanation of drawings column 6, contents of the amendment as shown in the attached sheet. (Matters stated in the column to be amended) (Other than that, no changes have been made to the contents.) Above Description 1, Name of the Invention Ion Source 2, Claims <1) Weakly ionized gas generating means for generating a weakly ionized gas by partially defrosting gas atoms or gas molecules. and a first vacuum chamber for supersonic free expansion of the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means, separating the weakly ionized gas generating means and the first vacuum chamber,
and a partition plate formed with one hole for introducing the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means into the first vacuum chamber; A second vacuum chamber for further expanding the ionized gas, and a weakly ionized gas provided in a region where a supersonic free expansion flow of a weakly ionized gas whose gas temperature is lowered by supersonic free expansion in the first vacuum chamber exists. , comprising a plurality of extraction electrodes each having a plurality of holes formed therein, and an electric field generating means for generating an electric field in the plurality of extraction electrodes, the plurality of extraction electrodes provided on the plurality of extraction electrodes. An ion source characterized in that ions are extracted from a weakly supersonic free expansion flow with a reduced gas concentration into the second vacuum chamber through a plurality of holes. (2) The ion source according to claim 1, wherein the extraction electrode is provided movably with respect to the supersonic free expansion flow. (3) The weakly ionized gas generating means may include glow discharge, arc discharge, RF discharge, electron impact ionization, or laser ll! An ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the ion source uses electrogenic ionization. (4) The ion source according to any one of claims 1 to 3, wherein the hole provided in the partition plate is circular. (5) The ion source according to any one of claims 1 to 3, wherein the hole provided in the partition plate is square or rectangular. 3. Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to an ion source, and particularly 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] Conventional devices of this type include, for example, the one written by I1114 et al.: AEON IMBRANTESI NIPPON (Shokodo, 1976).
There is one shown in Figure 4 published in . First, the configuration of the conventional ion source shown in FIG. 4 will be explained. In FIG. 4, the conventional ion source includes a discharge chamber 1 and a vacuum chamber 25. The discharge chamber 1 includes a cathode 4 and an intermediate electrode 5.
and an anode 6 are provided, and the intermediate electrode 5 and the anode 6 are provided with an intermediate electrode hole 7 and an anode hole 24, respectively. Also,
The discharge chamber 1 has a carrier gas inlet 9 for introducing carrier gas between the cathode 4 and the intermediate machine ff15, and a sample gas inlet for introducing the sample gas between the intermediate electrode 5 and the anode 6. 10 are provided. Vacuum chamber 25 is separated from discharge chamber 1 by anode 6 and communicates with discharge chamber 1 through anode hole 24 . Vacuum chamber 25
A vacuum outlet 28 for evacuation and an extraction electrode 26 for extracting ions close to the anode 6 are provided. This extraction electrode 26 has an extraction electrode hole 2 for extracting ions.
7 is provided. Next, the operation of the conventional ion source will be explained. First, the vacuum chamber 25 is evacuated from the vacuum port 28,
The discharge chamber 1 and the vacuum chamber 25 are brought to a predetermined degree of vacuum. Subsequently, while exhausting air from the vacuum opening 28, carrier gas is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas inlet 9, and the cathode 4
A DC voltage is applied between the intermediate electrode 5 and the intermediate electrode 5. Then, the carrier gas is ionized by glow discharge or arc discharge generated between the cathode 4 and the intermediate electrode 5, and plasma is generated. The generated plasma passes through the intermediate electrode hole 7 and flows between the intermediate electrode 5 and the cathode 6. 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 anode hole 24 and flows between the anode w16 and the extraction electrode 26. A DC voltage is applied between the anode 6 and the extraction electrode 26,
Since an electric field is generated, arrow E in Figure 4 is caused by this electric field.
An ion flow is extracted from the extraction electrode hole 27 in the direction shown by . At this time, along with the ion flow, unionized neutral gas also flows into the vacuum chamber 25 in the form of a molecular beam. [Problems to be Solved by the Invention] In the conventional gas ion source, as mentioned above, the ion extraction electrode was installed close to the positive side of the discharge chamber. Since ions are extracted from the high-temperature plasma generated in the chamber, the temperature of the resulting ion stream was high and the random motion of the ions was large.This random motion remains even in the ion beam obtained by accelerating the ion stream. Therefore, there is a limit to the diameter that can be focused using an electromagnetic field, and it has been impossible to apply conventional gas ion sources to ultra-high-intensity ion beams such as focused ion beams.By the way, gas atoms or Until now, as an ion source for ultra-bright ion beams for 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.
Although the temperature of the extracted ion stream is low and the random motion of the ions is small, there are problems in that the ion flow rate is significantly lower than in gas ion sources and the device is complex. Therefore, the present invention was 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. c Means for Solving Problem] 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 diaphragm.
It is introduced into a first vacuum space through two holes and allowed to freely expand supersonically within the first vacuum chamber. A weakly ionized gas supersonic free expanding flow is formed, and in the 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 to extract the ion flow whose temperature has decreased into the second vacuum chamber. . [Function] The plurality of extraction electrodes in the present invention extracts the ion flow from the region where the gas temperature has decreased in the supersonic free expansion flow of the weakly ionized gas that is supersonically freely expanded in the first vacuum chamber,
Introduced into the second vacuum chamber. In the second vacuum chamber, the gas expands roughly and its temperature decreases, resulting in a stream of ions with very low temperature, ie, ions with very little random motion. Therefore, this gas ion source can be applied to ultra-high brightness ion beams such as focused ion beams. [Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing an ion source according to an embodiment of the present invention. First, the general configuration of the ion source of this embodiment will be explained. In Figure 1, the ion source is discharge chamber 1.
A vacuum chamber 2 and a vacuum chamber 3 are provided. The discharge chamber 1 is for generating weakly ionized gas, the vacuum chamber 2 is for supersonic free expansion of the weakly ionized gas generated in the discharge chamber 1, and the vacuum chamber 3 is for generating weakly ionized gas in the vacuum chamber 2. This is to further expand the supersonic free expansion flow. Therefore, the vacuum chamber 2 is kept at a higher vacuum than the discharge chamber 1, and the vacuum chamber 3 is kept at a higher vacuum than the vacuum chamber 2. For example, during operation, the discharge chamber 1 is at about 50 Torr, and the vacuum chamber 2 is at about 10 Torr.
The vacuum chamber 3 is maintained at about 10-' Torr. The discharge chamber 1 is provided with a cathode 4, an intermediate electrode II 5, and an anode 6. The intermediate electrode 5 is provided with an intermediate electrode hole 7, and the anode 6 is provided with an anode hole 9. Further, the discharge chamber 1 is provided with a carrier gas inlet 10 for introducing carrier gas and a sample gas inlet 11 for introducing sample gas. The vacuum chamber 2 is in contact with the discharge chamber 1 through the anode 6 and communicates with the discharge chamber 1 through the electrode hole 9 . The shape of the +i electrode hole may be circular, square, or rectangular. vacuum chamber 2
is provided with a vacuum outlet 12 for evacuation. Between the vacuum chamber 2 and the vacuum chamber 3, these two vacuum chambers are separated,
Also, one extraction electrode 14a is provided for extracting an ion flow from a weakly ionized gas supersonic free expansion flow formed in the vacuum chamber 2. The vacuum chamber 3 is provided with a page emptying port 13 for evacuation and the other drawer 1fti14b. These extraction electrodes 14
A and 14b are provided with a plurality of extraction electrode holes 15a and 15b, respectively, through which ions pass. A DC voltage is applied to the extraction electrodes 14a and 14b from a DC voltage generation source (not shown), and the extraction electrodes 148.14b
An electric field is generated between them. Such extraction electrodes are not limited to those consisting of two electrodes 148 and 141 as shown in Fig. 1, but are formed by forming a groove with a large number of electrodes, and a voltage is applied between them. may be applied to generate an electric field. The configuration of one embodiment of the invention described above overcomes the drawbacks of conventional gaseous ion sources. That is, in the conventional ion source, as shown in FIG. 4, the extraction electrode is provided close to the anode, which is the partition plate.
The space between the extraction electrode and the anode is filled with weakly ionized gas, and the weakly ionized gas does not form a supersonic free expansion flow. Therefore, in this invention, in order to allow the weakly ionized gas obtained in the discharge chamber to freely expand at supersonic speed in the first vacuum chamber, the extraction electrode is provided at a sufficient distance from the anode, and the weakly ionized gas with reduced gas humidity is expanded at supersonic speed. In order to extract the ion flow from the free expanding flow, the extraction electrode is made up of multiple electrodes, an electric field is applied between them, and the gas is further expanded in a second vacuum chamber to further lower the temperature of the extracted ion flow. let Next, the specific operation of the ion source shown in FIG. 1 will be explained in detail. After the discharge chamber 1, vacuum chamber 2, and vacuum chamber 3 are brought to a predetermined degree of vacuum, carrier gas is introduced into the discharge chamber 1 from the carrier gas inlet 10 while performing evacuation. The carrier gas introduced is, for example, argon gas. Here, Yin t!
When a DC voltage is applied between i4 and the intermediate electrode 5, 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 7 and flows between the intermediate electrode 5 and the positive electrode [i6. The incoming plasma is sample gas inlet 1
The sample gas introduced from 1 is ionized. The sample gas introduced is, for example, sodium vapor. The plasma of carrier gas and sample gas is I! ! IM hole 9
, 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. The fR region of this supersonic free expansion flow is called the zone of 511ence, and this quiet zone 16 is a barrel-shaped shock wave < B arreI
5hock) 17 and Matsu Hachienban (Mach D ls
k) is the area surrounded by 19. Outside the quiet region 16, a jet boundary 18 is formed close to the barrel-shaped shock wave 17, and a reflected shock wave (Re) is formed downstream of the Matsuha disk 19.
A reflected 5hock>20 is formed. Figure 1 shows the reflection of disk 19 on the pine tree! ! ! The i-striking wave 20 represents an ideal shape when the influence of the presence of the extraction electrodes 14a and 14b can be ignored, and is actually disturbed by the extraction electrodes. In the quiet region 16, the plasma undergoes adiabatic expansion, and as it moves downstream, the density, temperature, and frequency of collisions between particles decrease, and the degree of ionization freezes, but the flow velocity of the plasma increases. The density of plasma due to adiabatic expansion is
The plasma density decreases to about 1/1000 of the plasma density in chamber 1, and the plasma temperature decreases to 1/1000 of the plasma temperature in discharge chamber 1.
, / will be about 100. Therefore, when the plasma in the discharge chamber 1 is generated by a typical glow discharge or arc discharge, the temperature of the plasma due to adiabatic expansion remains at an absolute temperature of 2000 to 1000 degrees for electrons, but it is For heavy particles such as, the temperature decreases to 20 to several degrees. Since the above-mentioned Matsuha disk 19 is a shock wave, the gas temperature increases downstream of one Matsuha disk. Therefore, the gas temperature in the quiet region 16 is Matsuha Yen! ! ! Since the ion current is lowest in front of one region, it is preferable to extract the ion current in this region, and one of the extractors t11m''14a is installed, for example, in front of the 10 to 20I!l extraction of the Matsuha disk 19. [The shape and size of the region 16 is the same as that of the anode hole 9.
, the gas pressure in the discharge chamber 1 and the pressure in the vacuum chamber 2. Further quiet area 1
As described above, the gas expands as it goes downstream, the cross-sectional area of the region increases, the flow rate increases, and the density and temperature of the gas decrease. Therefore, in order to optimally maintain the extraction of the ion flow from the quiet region 16 of the supersonic free expansion flow in response to changes in various conditions such as the pressure inside the vacuum chamber, it is necessary to adjust the extraction electrode to the supersonic free expansion flow. It is preferable to provide it movably. An outline of such a movable mechanism is shown in FIG. In FIG. 2, the outer wall 31 of the vacuum chamber 3, for example with the backing 22, is fitted into the inner wall 21 of the vacuum chamber 2. Extracting electrode 1 provided in vacuum chamber 3
4a and 14b can be freely moved by sliding the outer wall 31 in the directions of arrows C and D shown in FIG. 2 with respect to the inner v21, so that the ion flow can be extracted at the optimum position according to the conditions. A DC voltage is applied to extraction electrodes 148.14b shown in FIGS. 1 and 2, and an electric field is generated between extraction electrodes 14a and 14b. The ions move in the direction of the electric field vector,
Electrons move in the opposite direction of the electric field vector. Thereby, the ion flow is extracted into the vacuum chamber 3 through the extraction electrode holes 15a and 15b. The ion flow extracted by the electric field between the extraction electrodes 14a and 141) is indicated by the arrow B in FIG.
Indicated by Since the extraction electrodes 14a and 14b are provided with a plurality of extraction electrode holes 15a and 15b, respectively, the ion flow can be efficiently extracted. The extracted gas containing the ion flow is further heated up in the vacuum chamber 3, and its temperature is further lowered. By the way, when the supersonic free expanding flow in the quiet region 16 impinges on the extraction electrode 14.8, it generally forms a shock wave, and the temperature of the gas increases downstream thereof. Therefore, in order to prevent a rise in gas temperature, it is preferable that the extraction electrode be shaped so that it does not generate shock waves as much as possible. FIG. 3 is an enlarged view showing an example of such an extraction electrode. In FIG. 3, the extraction electrode 14a has a tip portion 14c that projects toward the supersonic free expansion flow indicated by arrow A in FIG. It is generated when the supersonic free expansion flow collides with the tip portion 14c! i! Since there are 23 waves and 3 waves per wave, the rise in gas temperature is suppressed. In the above embodiment, the case where the plasma in the discharge seedling 1 is generated by glow discharge or arc discharge has been explained, but the plasma in the discharge 1 can be generated without ionization such as RF* electricity or L laser-induced ionization on the electron impact side. It may be generated by electrode discharge, and in such a case, the same effects as in the above-mentioned embodiments can be achieved. Further, in the above embodiment, the vacuum chamber 2 and the vacuum chamber 3 are separated by the extraction electrode 14a, but the vacuum chamber 2 and the vacuum chamber 3 are separated by the extraction electrode 14a.
A partition plate having holes or nozzles formed therein may be provided between the two vacuum chambers, and the two vacuum chambers may be separated by this partition plate, and an extraction electrode may be provided within the vacuum chamber 3. In this case, the weakly ionized gas supersonic free expansion flow in the vacuum chamber 2 further expands sufficiently in the vacuum chamber 3, so that an even lower temperature gas flow (q) is generated, and in particular, the extraction electrodes 14a, 14
b is installed sufficiently downstream from the partition plate that separates the two vacuum chambers, vacuum chambers 2 and 3 can be connected to the extraction electrode 1.
A lower temperature ion flow can be extracted from a lower temperature gas flow than when separated by 4a. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a plurality of electric drawers each having a plurality of holes are connected to the partition plate between the weakly ionized gas generating means and the first vacuum chamber. It is installed in the supersonic free expansion flow region of the plasma formed in the first vacuum chamber through one hole formed in the Since the configuration is configured to extract ions from the plasma flow whose temperature has dropped to 20 to several degrees Celsius to the second vacuum chamber using a plurality of extraction electrodes each having a plurality of holes, the ion flow with a low temperature, i.e. A small ion flow with random ion motion 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 diagram showing a moving mechanism for the drawer north pole shown in FIG. 1. FIG. 3 is an enlarged view showing an example of an extraction electrode configured to weaken the intensity of a shock wave generated in an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a conventional ion source. In the figure, 1 is a discharge chamber, 2 is a first vacuum chamber, and 3 is a second vacuum chamber.
vacuum chamber, 4 is a cathode, 5 is an intermediate electrode, 6 is an anode, 9 is an anode hole, 14a and 14b are extraction electrodes, 15a, 15b
16 indicates the extraction M pole hole, and 16 indicates the quiet region of the supersonic free expansion 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
せるための第1の真空室と、 前記弱電離気体発生手段と前記第1の真空室とを隔て、
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
体を前記第1の真空室に導入するための1つの孔が形成
された隔板と、 前記第1の真空室で超音速自由膨張した弱電離気体をさ
らに膨張させるための第2の真空室と、前記第1の真空
室で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、 前記複数個の引出電極に設けられている前記複数個の孔
を経て、超音速自由膨張流から前記第2の真空室にイオ
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 first means for freely expanding the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means at supersonic speed. a vacuum chamber separating the weakly ionized gas generating means and the first vacuum chamber,
and a partition plate formed with one hole for introducing the weakly ionized gas generated by the weakly ionized gas generating means into the first vacuum chamber; a second vacuum chamber for further expanding the ionized gas; and a second vacuum chamber provided in the region where a supersonic free expansion flow with a reduced gas temperature obtained by supersonic free expansion in the first vacuum chamber exists, respectively. a plurality of extraction electrodes in which a plurality of holes are formed; and an electric field generating means for generating an electric field between the plurality of extraction electrodes, the plurality of holes provided in the plurality of extraction electrodes. The ion source is characterized in that the ions are extracted from the supersonic free expansion flow into the second vacuum chamber through the steps of the supersonic free expansion flow.
(2)前記引出電極は、超音速自由膨張流に対して移動
自在に設けられ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) Claim 1, wherein the extraction electrode is provided movably with respect to the supersonic free expansion flow.
Ion source as described in section.
(3)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項または第
2項記載のイオン源。
(3) The ion source according to claim 1 or 2, wherein the weakly ionized gas generating means uses glow discharge, arc discharge, RF discharge, electron impact ionization, or laser-induced ionization.
(4)前記隔板に設けられる孔は円形であることを特徴
とする特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに
記載のイオン源。
(4) The ion source according to any one of claims 1 to 3, wherein the hole provided in the partition plate is circular.
(5)前記隔板に設けられる孔は、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項ないし第
3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 3, wherein the hole provided in the partition plate is square or rectangular.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114471154A (en) * 2021-12-23 2022-05-13 中国原子能科学研究院 Ion source of isotope electromagnetic separator and arc discharge structure thereof

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