JPS6217935A - イオン源 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、イオン源に関し、特に、半導体素子製造プ
ロセスの分野におけるイオン注入、イオンビーム露光、
イオンビーム堆積、イオンビームエツチングまたはイオ
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、たとえば伊藤糾次他著：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。

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口９と、中間電極５
とｗＡＡｃ１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ｌｌｉ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２７が設【プられる。

次に、従来のイオン源の動作について説明する。

まず、真空引目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ｍ　４Ｙ１孔２
７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。

［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１・Ｙ高運動は大きかった。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
。

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。

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。

［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１つ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
、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］ この発明における少数の引出電極は、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の真空室内に導入し、第２の真空室内ではさらに気
体を膨張させることによって気体温度を低下させるので
、無作為運動の極めて小さいイオン流が得られる。した
がって、このイオン源は集束イオンビームなどの超高輝
度イオンビームに適用することができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略を示１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″ｉＭｆＩｊｉ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５０ＴｏｒｒＰｉ！度に、真空室２は１０
−　’　Ｔｏｒｒ程度に、真空室３は１０−’Ｔｏｒｒ
程度にされる。

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
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が設置プられる。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。

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１４ｂには、イオンが通過するためのそれぞれ１つ
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１４．ａ、１４．ｂ
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１４８．１４ｂ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。

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図に示す一〇− 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１４１
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。

次に、第１図に示すイオン源の具体的動作について詳細
に説明する。

所定の真空度にした後、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。

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
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。

導入される試料気体はたとえばナトリウム蒸気である。

イオン化した試料気体と主１グ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
領域を静寂領域（ｚＯｎｅ　ｏｆ　　Ｓ　１ｌｅｎｃｅ
）と称するが、この静寂＆［１６は樽形衝撃波（ｔ３ａ
ｒｒｅｌ　３１＋ｏｃｋ）　１７とマツ八円盤（Ｍａｃ
ｈ　Ｄ　ｉｓｋ　）　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ｗＩｉ撃波１７に近接ｔ
、＋ｒシエツｌ−境界（Ｊｅｔ　　３ｏｕｎｄａｒｙ　
）　１８が形成され、マツへ日餡１９の下流には反射衝
撃波（Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　　ＳＩ＋ｏｃｋ）　２０が
形成される。第１図に示すマツ八円盤１９と反射衝撃＋
！！２２０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された形状になる
。

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て電離度は凍結するが、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程度に減少し、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
関しては絶対温度２０００〜１０００ｍ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２
０〜数度にまで低下する。

上述のマツ八円盤１９は衝撃波であるので、マツ八円盤
１９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八円盤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辷とが好ま
しく、一方の引出電極１４ａはたとえばマツ八円盤１９
の１０〜２０ａｍ手前に設置される。

ところで、静寂領域１６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り等の色々
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Ｗ２１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！！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ずことが
できる。

第１図および第２図に示す引出電極１４ａ、１４ｂには
直流電圧が印加され、引出電極１４ａ＃よぴ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８で
示す。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。

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１４０とが衝突して発生する衝撃波２３
は弱いので、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。

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。

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１４８．１４ｂを２つの真空室
を隔てる隔板から下流側に十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Ｊ：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１つの孔
を有する複数個の引出Ｎ４ａｉ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。

【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１４１１は引出電極、”１５ａおよ
び１５ｂは引出電極孔、６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 （へ（病り　　。 ＼　Ｎ　′＋ 心３図 婚４図 手続補正書（自発） 昭和　　年　　月　　日 ２、発明の名称 イオン源 ３、補正をする者 名　称　　（６０１）三菱電機株式会社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） ｙズ　」二 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１つの孔が形成された複数個の引出
電極と、前記複数個の引出電極間に電場を発生させる電
場発生手段とを備え、 前記複数個の引出電極に設けられている前記孔を経て、
気体温度の低下した弱　　　　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。 （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ｔ＃ＸＩＩＩＩ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１１ｄｌ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。 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ｖ１と真
空ｖ２５とを備える。放電室１には陰極４と中間電極５
と陽１６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口９と、中間型［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目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、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財
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１１！６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
も分子ビーム状となって真空室２５内に流入する。 ［発明が解決しようとする問題点］ 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。 ［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の真空室内に導入し、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１、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１つの孔を有
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さらに膨張し、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５０Ｔｏｒｒ程度に、真空室２は１０−　”　Ｔ
ｏｒｒ程度に、真空室３は１Ｏ−６ＴＯｒｒ程度に保た
れる。 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
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１４ｂには、イオンが通過するためのそれぞれ１つ
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１４ａ、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。 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ものである。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
空型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とを所定の真空１０一 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、陰極４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領域を静寂領域（ｚｏｎ
ｅ　ｏｆ　　Ｓ　ｌ１ｅｎｃｅ）と称するが、この静寂
領域１６は樽形衝撃波（１３ａｒｒｅｌ　５ｈｏｃｋ）
　１７とマツ八円盤（Ｍａｃｈ　Ｄ　ｌｓｋ　）　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　　５ｏｕｎｄａｒｙ　）　１８が
形成され、マツハ円盤１９の下流には反ｒＡ衝撃波（Ｒ
ｅｆｌｅｃｔｅｄ　　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２０とは引
出電極１４ａおよび１４１１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！ｌｌｉ突頻度は減少しｍ離度は凍結するが、プラズ
マの流速は増加する。断熱膨張によるプラズマの密度は
放電室１内のプラズマ密度の１／１０００程度に減少し
、プラズマの温度は放電室１内のプラズマ温度の１／１
００＠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
１９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盤１９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、一方の引出電極１４ａはたとえばマツハ円盤１
９の１０〜２０ｍｌ１１手前に設置される。 ところで、静寂領域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２
１に嵌め込まれる。真空室３に設けられた引出電極１４
ａおよび１４ｂは内ｌ！２１に対して外Ｉ！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。引出されたイオン流を含む気体は真空室３内でさ
らに膨張し、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１４ａ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。したかって、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１４０を有する。 超音速自由膨張流と先端部１４０とが衝突して発生する
衝撃波２３は弱いので、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。 また、上述の実施例では真空室２と真空室３とが引出１
１１１４ａ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。 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
低瀉の気体流が得られ、特に、引出電極１４ａ、１４ｂ
を２つの真空室を隔てる隔板から下流側に十分離して設
置した場合には、真空室２と真空室３とを引出電極１４
ａ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１つの孔
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の真空全肉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１つの孔が形成さ
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
示ず図である。第２図は第１図に示ず引出電極の移動機
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は中間側Ｌ６は陽極、９は陽極
孔、１４ａおよび１４ｂは引出電極、１５ａおよび１５
ｂは引出電極孔、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。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体原子または気体分子を一部電離して弱電離気
   体を発生する弱電離気体発生手段と、前記弱電離気体発
   生手段により発生された弱電離気体を超音速自由膨張さ
   せるための第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１つの孔が形成された複数個の引出電極と、 前記複数個の引出電極間に電場を発生させる電場発生手
   段とを備え、 前記複数個の引出電極に設けられている前記孔を経て、
   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。
2. （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. （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。
4. （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. （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。