JPS6217936A - 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廉イオン
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二イ
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４図に示すものがある。

まず、Ｍ４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
と陰極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がら隔てられ、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、陰極６に近接して
イオンを引出すだめの引出電極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、真空引目２８から真空室２５の排気を行むって、
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からキレリア気体を
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。

［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ｍ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ど一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
点かあンた〇 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、集果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。

Ｌ問題点を解決するための手段Ｊ 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つのノズルを介して、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−〇− 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Ａ
′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１１１１１１気体の超音速自由膨
張流における気体温度の低下した＠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。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例のイオン源の概略を示す図
である。まず、この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Ｃ１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５０　Ｔ　ｏｒｒ程度に、真空室２は１０−　’　Ｔ
ｏｒｒ程度に、ｌ［［空室３ｔ、ｔｌ　０−　’　丁ｏ
ｒｒ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
は真空室２に突出したノズル８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、かつノズル
孔９により放電室１に通じる。ノズル孔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、上述のノズル８のばか排気のための真空引口１
２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。

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。

上述において説明したこの発明の一実施例の構＝９− 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。

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Ｋ１１気体とキャリア気体のプラズマはノ
ズル孔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′Ｍ例域（Ｚｏｎｅ　ｏｒ　　８１１ｅｎｃ
ｅ）と称するが、この静寂領域１６は樽形衝撃波（Ｂａ
ｒｒｅｌ　５ｈｏｃｋ）　１７とマツハ円盤１４ａｃｈ
　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に近接シテシ
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
４１ｅｃｔｅｄ　　５ｈｏｃｋ）　２０が形成される。

第１図に示すマツハ円盤１９と反ｔＡ衝撃波２ｏ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。

、Ｆ述の静寂領域１６の形状および大きさはノズル孔９
の形状および大きさに影響される。この発明で、隔板で
ある陽極６にノズル８をＩＩ′ｊ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１６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＠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２０００〜１０００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２
０〜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、マツへ日［
１１１１９の下流で番よ気体潤度は上昇する。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１４８はたとえばマツへ
日１１１９の１０〜２０１手前に設置される。

ところで、静寂領域１６は上述したノズル孔９の形状お
よび大きさの他、放電室１内の気体圧力および真空室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、領域の断面積は太き（なり、流速は速（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１４ａｊ３よび１４ｂは
内！１２１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。引出されたイオン流は真空室３内で膨張し、気体
ｍ度はさらに低下づる。

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１４Ｃ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
撃組ト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どを引出電極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。

［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の真空室との罰の隔板に形成された１つのノズルを経
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く、かつイオン密度の大きいイオ
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１よ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麿を弱めるように
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、８はノ
ズル、１４ａおよび１４ｂは引出電極、１５ａおよび１
５ｂ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。 め３図 り４図 手続補正書（自発） 明の名称 イオン源 三をする者 名　称　　（６０１）三菱電機株式会社４、代 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 別紙のどおり。（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」− 明　　細　　廁 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舗して弱電離
気体を発生ず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つのノズルが
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ｆｉｆｆｌ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電ｌｌ１Ｍ気体超音速自由膨張流
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ｌｌｉ。 （３）　前記弱電−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）　　＃記隔板に設けられるノズル！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ノズル！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、イオンピームエッチングまたはイオ
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ｍ１ｌ１次他著
：イオンインブランテーシミン〈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１ｍＮ極６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２
５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
２７が設けられる。 次に、従来のイオン源の動作について説明づる。 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
、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、Ｎ極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＊ｔｉ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散出を用いており、
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。 それ中えに、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。 ｃ問題点を解決するための手段１ 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
つのノズルを介して、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、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
Ｍ２よりも高真空に保たれる。たとえば、動作時の放電
１６よ５０ＴｏｒｒＰｉ！度に、真空室２は１０−　”
　Ｔｏｒｒ　程度に、真空室３は１〇−６Ｔｏｒｒ）ｊ
！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
は真空室２に突出したノズル８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、かつノズル
孔９により放電室１に通じる。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。真
空室２には、上述のノズル８のほか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ずための一方の引出電極１
４ａ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に番ま、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
１１極１４ａおよび１４ｂには図示しない直流電圧発生
源から直流ＩＩ圧が印加されて、引出電極１４ａ、１４
ｂ＠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、ｉｌｌから構成されるも
め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
出電極と陽極との闇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ＷＡｒ！ｉ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および真空室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と一極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ノズル孔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へ
で示す。この超音速自由膨張流の領域を静寂領域（Ｚ　
ｏｎｅ　ｏｆ　　Ｓ　１ｌｅｎｃｅ）と称するが、この
静寂領域１６は樽形衝撃波（Ｂａｒｒｅｌ　５ｈｏｃｋ
）　１７とマツ八円盤（Ｍａｃｈ　Ｄｉｓｋ　）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　）　１　Ｂ
が形成され、マツハ円盤１９の下流には反射衝撃波（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。 上述の静寂領域１６の形状および大きさはノズル８の長
さと断面の形状および大きさに影響される。この発明で
、隔板である陽ｔｉ６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１６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
ズマの測度は放電室１内のプラズマ温度の１　／　’ｌ
　ＯＯ程度になる。したがって、放電室１内のプラズマ
が鈎型的なグロー放電あるいはアーク放電により生成さ
れた場合、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、イオン流の引出番まこの領域で行なわれることが
好ましく、一方の引出電極１４８はたとえばマツハ円盤
１９の１０〜２０Ｉｌ１１１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上述した
ノズル８の長さと断面の形状および大きさの他、放電室
１内の気体圧力および真空室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
大きく流速は速くなり、気体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Ｔａ１６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１
３１は真空室２の内！！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！！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番よ真空室３内で
さらに膨張し、測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図において矢印へで示す超音速自
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
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内のブラズマは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つのノズルを経
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、温度が低いすなわちイオ
ンの無作為運動の小さく、かつ密度の大きいイオン流を
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、８はノ
ズル、１４ａおよび１４ｂは引出電極、１５ａおよび１
５ｂ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つのノズルが
   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
   項ないし第３項のいずれかに記載のイオン源。