JPS6288248A

JPS6288248A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPS6288248A
Application number: JP60227713A
Authority: JP
Inventors: Fusao Shimokawa; 房男下川; Hiroki Kuwano; 博喜桑野; Kazutoshi Nagai; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-10-15
Filing date: 1985-10-15
Publication date: 1987-04-22
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: JPH067464B2

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］本発明は、スパッタ、エツチングなどの材料加工や２次
イオン質量分析器などの中性ビーム源に適する中性化率
が高くかつ大量の高速原子線を発生することのできる高
速原子線源に関するものである。

［開示の概要］本発明は、スパッタ、エツチングなどの材料加工や２次
イオン質量分析器などの中性ビーム源に適する中性化率
が高くかつ大量の高速原子線を発生することのできる高
速原子線源において、対向する両端面をそれぞれ冷陰極
とし、２個の冷陰極の少なくともいずれか一方の中央部
にビーム放出孔を設けたガス放電室と、ガス放電室内の
２個の冷陰極の中間に設けられた環状の陽極と、ガス放
電室の外部に設けられ２個の冷陰極と陽極とによって形
成される電界に沿った方向の磁界をガス放電室内に発生
する磁界発生手段と、ガス放電室の外部でビーム放出孔
に近接して設けた熱電子源とを具備することにより、中
性化率の高い大量の高速原子線を発生する技術を開示す
るものである。

なお、この概要はあくまでも本発明の技術内容に迅速に
アクセスするためにのみ供されるものであって、本発明
の技術的範囲および権利解釈に対しては何の影響も及ぼ
さないものである。

［従来の技術］従来は、第５図に示す線源を用いて高速原子線を形成し
ていた。同図に示すようにこの線源はＡｎ製円筒の両端
面（直径３Ｑａ＋ｍ）を冷陰極とすると共にこの円筒内
に同心状に陽極２を配置する一方、一方の冷陰極３にガ
ス導入孔ｌを設けると共に冷陰極３．４を接地し、更に
他方の冷陰極４の中央部に直径１■のビーム引出し孔を
穿設してなるものである。このような構成の線源より取
り出されるビームは、イオン、原子とから成る混合ビー
ムである。この場合のイオン線と原子線の割合は、実験
の結果５０％、５０％であることが判明している。すな
わち、ビームの中性化率は、５０％である。

従来、このビームの中性化率を増加あるいは。

制御するために第６図に示す方法が採用されている。

第６図に示されるものは、線源６から引き出された混合
ビーム７をＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ　８に斜入射させて
、混合ビーム７中のイオンの電荷を変換し、原子線を形
成する方法である。この方法では、混合ビーム７がＮｅ
ｕｔｒａｌｉｚｅｒ　８に衝突する際にその多くが吸収
、消失してしまい大量の原子線を得ることができない。

更に、混合ビームがＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ自身をスパ
ッタするため、電荷交換により得られるビーム９中にＮ
ｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ　８の原子が混入しビームの純度
を低下させるおそれもある。

［発明が解決しようとする問題点］このように、従来技術では、中性化率が約５０％程度で
あり、かつ、大量の高速原子線が得られないという欠点
があった。

本発明は、磁石および熱電子源を付加することにより前
述の従来技術の問題点を解消した高速原子線源を提供す
ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］かかる目的を達成する本発明の高速原子線源は、環状の
陽極の両側に冷陰極を配置すると共に、これらの電極間
にガスを介在させて低圧ガス放電を発生させる。また、
これら陽極と冷陰極の外周に磁石を配置して陽極と冷陰
極との間に形成される電界に沿った方向に磁界を印加し
、また陽極を中心として両冷陰極間で振動する電子とイ
オンとを結合させ高速電子線を取り出すビーム放出孔を
冷ｌ１３極のいずれかの中央に設け、更に、ビーム放出
孔直後に熱電子源を設置し、熱電子源に通電する電流の
大きさを変え、放出する熱電子の数を変化させることに
よりビームの中性化率を制御するものである。

［作　用］環状の陽極とこの両側の冷陰極との間にガスを介在させ
て低圧ガス放′屯させると、冷陰極から放出された電子
は陽極を中心として両冷陰極間で振動し、その途中で多
くの気体ガス分子原子と衝突してイオンを生ずる。また
、振動する電子のうち電界と平行に運動しないものにつ
いては、磁界によるローレンツ力が作用するため、この
電子は磁力線にからみつくように螺旋遅動し、しかもそ
の半径が冷陰極に近いほど小さくなるので、発散するこ
となく放出孔に集中し、イオンと大量に結合して高速原
子線となる。この際、ビーム放出孔からはイオンも同様
に取り出される。ここで、ビーム放出孔の直後に熱電子
源を設置し、フィラメントを加熱し熱電子を発生させる
と、イオンと電子が結合して高速原子線となる確率が高
くなりビームの中性化率を向上することができる。

［実施例コ以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図に本発明の一実施例を示す、同図に示されるよう
に円筒状の容器の一端面が冷陰極３となると共にその容
器の他端面として冷陰極４があり、更にその容器の中央
部において環状の陽極２が同心状に配置されている。冷
陰極３．４は接地されており、冷陰極３には、ガス導入
孔１が接続され、また冷陰極４には、その中央にビーム
放出孔５が設けられている。

更に、本発明では、冷陰極４の直後に熱電子源１０を設
置している。この熱電子源１ｏは、スライダックなどの
変圧器に接続されている。熱電子源１０としては１例え
ばタングステンフィラメント。

トリウム−タングステンフィラメント等が使用できる。

また、冷陰極３，４の外周には、これらと同心状に環状
の磁石１１が配置されており、第２図に示すように陽極
２と冷陰極３，４との間に形成される電界Ｅに沿った磁
界Ｂが発生している。磁石１１としては、直流ｆｆｉ磁
石、交流ｉｆ磁石または永久磁石等が使用できるが、磁
界強度を任意に変化できる電磁石が便利である。

このような構成の高速原子線源は次のように使用する。

まず、ガス導入口ｌよりＡｒ等の不活性ガスを放電空間
内に導入し、次いで、陽極２に数ｋＶ−１０ｋＶ程度の
直流正電圧を印加する。すると、陽極２とその両側の冷
陰極３，４間でグロー放電が発生し、この時、冷陰ｍ３
．４から放出される電子工２は、陽極２に向って加速し
、環状の陽極２の中央を貫通して反対側の冷陰極３また
は４に達し、ここで速度を失っていったん停止し、あら
ためて陽極２に向けて加速され、以後同様に繰り返す。

すなわち、陰極３．４より放出された電子１２は、陽極
２を中心にバルクへウゼンークルッの振動（以下Ｂ−に
振動という）と呼ばれる高周波振動を行い、その途中で
多くの気体ガス分子、原子と衝突してイオン１３を大量
に生成する。この場合、線源内のガス圧は、１０−２〜
１Ｏ−３Ｔａｒｔであり、また、線源内では、放電にお
けるパッシェンの法則に基づいて引出し方向の振動が支
配的となるように設計される。ビーム放電孔５付近は、
Ｂ−に振動を行う電子１２の折り返し点であり速度の小
さい電子１２が多数存在する空間である。

この電子１２は、低速であり衝突断面積が大きいため冷
陰極３．４付近に飛来するイオン１３と結合して高速原
子線１４となる。また、冷陰極３．４に飛来したイオン
１３は、数ｋＶの運動エネルギーを有しており、一部は
冷陰極３，４に衝突して二次電子を放出する。放出され
た二次電子は初速度が数十ｅＶと低いため、大きな衝突
断面積を有しており、これも後続のイオン１３と結合し
て高速原子線１４となる。

更に１本発明では、電界Ｅに沿って磁界Ｂを加えている
ため電子１２は第２図に示すように振舞う。

すなわち、Ｂ−に振動する電子１２は、電界Ｅに沿った
方向に加速度を受けるが他の原子１分子は壁面に衝突す
るため、その連動方向は必ずしも電界と平行ではない。

電子１２の運動方向と電界Ｅとのなす角をθとすると電
子１２が磁界Ｂから受けるローレンツ力Ｆは次式で示さ
れる。

Ｆ＝ｖ４　ｓｉｎθ＠ｅＢ　　　　　　　（１）ただし
、Ｖは電子の速度ｅは電子の電荷である。

このローレンツ力Ｆは電子１２の連動方向および磁界Ｂ
の方向に垂直な方向に作用し、遠心力とつり合うので下
式が成り立つ。

ただし、ｍは電子の質量ｒは電子が円運動を行う半径である。

また、電子の運動エネルギーは次のように表現できる。

−ｍｖ２＝　ｅ　ＩＩＶ　　　　　　　　　　　（３）
まただし、■は陽極に印加した電圧したがって、これら３式より、電子が円運動を行う半径
ｒは次式で表わされる。

（４）式は、８２図に示すように電子１２が磁力線のま
わりにからみつくようにらせん運動する際、その半径が
中央はど大きく両側に近づくにしたがって小さくなるこ
とを示している。例えば、陽極２、冷陰極３．４の寸法
を長径３ｃｍ、陽極２の内径を２ＣＩ１１とすれば、こ
のらせん運動により電子は電極系の内部で発散せずに、
ビーム放出孔５に集中することになりビーム放出孔５付
近でイオンと電子が結合して大量の高速原子線が発生す
る。また、ビーム放出孔５からはイオン１３も同様に取
り出される。

そこでビーム放出孔５の直後に熱電子源１０を設近し、
フィラメントを加熱して熱電子を放出させる。ビーム放
出孔５から取り出されたビーム中のイオン１３は、電子
と結合して高速電子線となる確率が高くなり、ビーム中
の中性化率が向上することになる。

次に、本発明の高速原子線源の試験結果について説明す
る。なお、線源から引き出されたビームは原子線である
ため、イオン電流に換算して電流値とした。

第３図に本発明の高速原子線源から取り出される高速原
子線のビーム電流と放電電流との相関を示す。図中には
、電磁石を装着した場合、装着しない場合のビーム電流
を比較して示した。″ｒＭ、磁石を用いることにより、
約２倍大きなビーム電流を得ることができる。つまり本
発明によれば、ビーム電流を向上させることが可能なこ
とがわかる。

第４図は、線源に電磁石を付加した場合の全ビーム中の
高速原子線の割合、すなわち中性化率とフィラメント電
流との関係を示す。同図に示すように、電磁石を装着し
た場合の中性化率は約５０％である。すなわち、イオン
残存率５０％となる。

この時、熱電子源１０に電流を流し、熱電子を放出させ
ると中性化率をほぼ１００％まで増加できることがわか
る。また、中性化率の増加に伴い、ビーム電流も２倍増
加する。

以上のように線源に電磁石ならびにｆ！＋電子源を装着
することにより、用いない場合に比ベビーム電流を４倍
増加でき、また中性化率はぼ１００％のビームを得るこ
とができる。

［発明の効果］以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発
明の高速原子線源は、磁石を付加することにより線源内
に大量のイオンを生成することができ、かつ電子を発散
せずに集束することができるので大量の高速原子線を発
生することができるので、スパッタ、エツチングなどの
材料加工を高速にすすめることができる。更に、熱電子
源を装着することにより、ビームの中性化率を向上させ
ることができるので、ビームの照射部を帯電させること
がなく、特に絶縁性材料の加工や分析に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は第１図中の電界、磁界中での電子の運動の軌跡
を示す説明図、第３図はビーム電流密度ト放電電流との相関を示す図、第４図はビーム電流密度、中性化率とフィラメント電流
との相関を示す図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は各々従来の線源を示す甥略
構成図で（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、第６図は混
合ビームをＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒに斜入射する様子を
示した図である。１・・・ガス導入孔、２・・・陽極、３．４・・・冷陰極。５・・・ビーム放出孔、６・・・線源、７・・・混合ビーム、８　・・・Ｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ、９・・・ビーム、１０・・・熱電子源、１１・・・電磁石、１２・・・電子、１３・・・イオン。１４・・・高速電子線。＼　　　　　　　　　　　　Ｃつ第２図第３図Ａｒ　　乃°゛久７圧、力　　４ｘ１０−３Ｐａフィラ
メンｌ−電」九　（Ａ）第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１）対向する両端面をそれぞれ冷陰極とし、該２個の冷
陰極の少なくともいずれか一方の中央部にビーム放出孔
を設けたガス放電室と、該ガス放電室内の前記２個の冷
陰極の中間に設けられた環状の陽極と、前記ガス放電室
の外部に設けられ前記２個の冷陰極と前記陽極とによっ
て形成される電界に沿った方向の磁界を前記ガス放電室
内に発生する磁界発生手段と、前記ガス放電室の外部で
前記ビーム放出孔に近接して設けた熱電子源とを具備す
ることを特徴とする高速原子線源。２）前記磁界発生手段が前記磁界の強度を可変とする電
磁石であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の高速原子線源。３）前記熱電子源が放出熱電子数を可変とすることを特
徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の高速
原子線源。