JPS6338200A

JPS6338200A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPS6338200A
Application number: JP18016186A
Authority: JP
Inventors: 房男下川; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-08-01
Filing date: 1986-08-01
Publication date: 1988-02-18
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH079838B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は、絶縁材料のスパッタ蒸着、エツチング等の材
料加工や２次イオン質量分析計による絶縁性材料の分析
に用いる中性ビーム源に関するものであり、特に、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。

［従来の技術］従来は、例えば第５図（Ａ）および（Ｂ）に示すような
線源を用いてイオン線を形成し、ついで第６図や第７図
の方法により高速原子線を形成している。

第５図（八）および（Ｂ）は、Ｊ　Ｆｒａｎｋｓにより
、Ｖａｃｕｕｍ　Ｖｏｌ、　２４　Ｎｏ、１０に報告さ
れたものであって、長さ５０ｍｍ、直径３８ｍｍのステ
ンレス製の円筒状冷陰極１の内部中央部に直径１ｍｍの
２木のＷ線による、陽極４を配置する。この陽極４は冷
陰極１の両端開口を封止するセラミックス製などの絶縁
材料による板２により支持する。冷陰極１の一方の側面
ＩＡにガス導入孔５をあけると共に、この冷陰極１の対
向する他方の側面ＩＢの中央部に１２ｍｍｘ３ｍｍφの
ビーム引き出し孔６をあけてイオン線源７を構成してい
る。

この線源７では、冷陰極放電を用いているので、放電電
圧は比較的高＜　３ｋＶ〜８ｋＶとなることが報告され
ている。このことから、ビーム放出孔６からは、少なく
とも３ｋＶ以上のエネルギーを持ったイオン線８が放出
されることになる。

従来は、このようにして得たイオン線８を中性化して高
速原子線を得るために、第６図または第７図に示す方法
が採られている。

第６図に示す方法では、第５図（八）　、　（Ｂ）に示
した線源７から放出されたイオン線８に対して、熱電子
源などの電子源９から放出させた電子線ｌＯを照射する
ことにより、このイオン線８を中和して混合ビーム、す
なわち原子線１１を得る。

この方法では、イオン線源７に立ち入ってイオンと電子
との相互作用をさせておらず、別個に発生させたイオン
線と電子線とを用いて、発生した後のイオン線を電子線
で中和させるのみであるから、イオンの全てを原子に変
換することが困難であり、中性化率が低く、イオンが原
子に変わる割合は数％にすぎないし、放射できる原子線
の量も少ない。しかもまた、イオンと電子が再結合して
高速原子線が生成される際、イオンの買出は電子の約１
８４０倍はど重いため、イオンは、衝突・再結合の過程
で、その運動エネルギーをほとんど失われない。このこ
とから、イオン線を中和して得られた高速原子線のエネ
ルギーは、イオン線のエネルギーと殆ど同しである。す
なわち、＄６図のビームは、例えば３ｋｅＶのエネルギ
ーを持フた数％の高速原子線と９７〜９８％のイオン線
とから成っている。このように、かかる方法では、低エ
ネルギーでかつ大量の高速原子線を得ることができない
。

第７図に示す方法では、線源７から引き出されたイオン
線８をニュートライザ１２に斜入射させてイオンの電荷
を変換することにより、原子線を形成する。

この方法を用いれば、第６図の方法に比べ、低エネルギ
ーの高速原子線が得られるものの、イオン線８の多くは
ニュートライザ１２に衝突する際に、吸収・消失してし
まい、大量の高速原子線を得ることはできない。更に、
イオン線８がニュートライザ１２に衝突する際に、ニュ
ートライザ１２自身をスパッタするため、電荷交換によ
り得られるビーム中にニュートライザ１２の原子が混入
し、ビームの純度を低下させるというおそれもある。

［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、（１）中性化率が数％程度
であり、大量の高速原子線が得られないこと、（２）純
度の高い高速の原子線が得られないこと、および（３）
数十〜数百ｅＶ程度の低エネルギーの高速原子線が得ら
れないこと等の欠点があった。

そこで、本発明の目的は、イオン線の発生源内に電子を
直接に作用させ、より多くのイオンを中和化するように
なし、以って、上述したような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にある。

［問題点を解決するための手段］このような１的を達成するために、本発明の高速原子線
源では、真空容器内において、環状の陽極の両側に第１
および第２の冷陰極を互いに対向して配置する。第１の
冷陰極にはガス導入孔をあけ、この第１の冷陰極に近接
し、かつ外方に中空陰極やフィラメントの形態を可とす
る電子線源を配設し、中空陰極自体あるいはフィラメン
トとは別個のガス導入通路を経て、および第１の冷陰極
にあけたガス導入孔を介して、第１および第２の冷陰極
間にガスを介在させて放電によりイオンを発生させる。

さらに中空陰極やフィラメントによる電子源から発生す
る電子を環状の陽極に向けて加速し、この陽極を中心と
して、第１および第２の冷陰極間で電子を振動させ、そ
の電子とイオンとが結合した高速原子線を取り出すビー
ム放出孔を第２の冷陰極に設ける。

すなわち、本発明の第１形態は、真空容器内に環状の陽
極を収容し、真空容器内において、陽極の両側に第１お
よび第２の冷陰極を互に対向して配置すると共に、第１
の冷陰極にはガス導入孔をあけ、第１の冷陰極に近接し
、かつ外方に、電子線源を配設し、真空容器の外部から
ガス導入孔を介して第１および第２の冷陰極間にガスを
介在させるようにガスを導く通路を設け、陽極を中心と
して第１および第２の冷陰極間で振動する電子とイオン
とが結合した高速原子線を取り出すビーム放出孔を第２
の冷陰極に配設したことを特徴とする。

本発明の第２形態は、真空容器内に環状の陽極を収容し
、真空容器内において、陽極の両側に第１および第２の
冷陰極を互に対向して配置すると共に、第１の冷陰極に
はガス導入孔をあけ、第１の冷陰極に近接し、かつ外方
に、中空陰極を配設し、中空陰極およびガス導入孔を介
してＳｌおよび第２の冷陰極間にガスを介在させるよう
になし、陽極を中心として第１および第２の冷陰極間で
振動する電子とイオンとが結合した高速原子線を取り出
すビーム放出孔を第２の冷陰極に配設したことを特徴と
する。

［作用〕本発明では、真空容器内において、陽極とその両側に配
置した２つの冷陰極との間にガスを介在させて低圧が大
放電を生じさせると、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撮動し、その途中で多くの気
体ガス分子と衝突してより多くのイオンを生ずる。この
イオンは、一方の冷陰極に近接して設けられた中空陰極
の内部を南軍することにより中空陰極自身の温度を上昇
させ、ついには中空陰極から熱電子を飛び出させる役目
をする。このようにして中空陰極が十分高温になると、
これより熱電子の放出が盛んになり、更にプラズマ自身
の増殖作用により中空陰極付近の電子密度は急速に増加
する。このようにして中空陰極自身は電子源として働く
ようになり、飛び出した電子は中空陰極と陽極との間の
電位勾配により陽極に向けて加速される。

フィラメントを電子線源として用いるときには、このフ
ィラメントに通電することにより熱電子が発生し、陽極
に向けて加速される。

このような電子の一部は冷陰極間における飛行過程で、
ガス分子と衝突して大量の正イオンと電離電子を生じ、
その正イオンは先の中空陰極に突入し、この中空陰極か
らの電子放出を一層促進し、これらの過程を繰り返すこ
とになる。

このようにして、ビーム放出孔に向けて加速されたイオ
ンは、このビーム放出孔の付近の大量の電子と結合する
ことにより高速原子線となる確率か高くなり、ビームの
中性化率が向上することになる。しかもまた、中空陰極
は、熱陰極として働くので、放電電圧は数十〜数百ｅＶ
程度であり、低エネルギーの高速原子線か形成されるこ
とになる。

［実施例］以下に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明高速原子線源の一実施例を示す。

第１図において、２１は真空容器であり、この真空容器
２１の内壁には、円筒状の容器２２を取りつける。容器
２２の両端面には互いに対向して第１および第２の冷陰
極２３および２４を設ける。容器２２内には、第１およ
び第２の冷陰極２３と２４との間に環状の陽極２５を容
器２２と同心状に配置する。第１の冷陰極２３の外方に
は、この冷陰極２３と近接して中空陰極２６を配置する
。この中空陰極２６は絶縁シール材２７を介して、真空
容器２１に挿設する。

冷陰極２３および２４および中空陰極２６は、いずれも
グラファイト製とすることができる。ここで、中空陰極
２６の材料としては、高融点材料でかつ二次電子放出比
の大きなグラファイト、タンタル等が最適である。

冷陰極２３および２４は真空容器２１を通して接地する
。陽極２５には正電圧発生電源２８からの正電圧を印加
する。中空陰極２６には負電圧発生装置２９からの負電
圧を印加する。

第１の冷陰＆ｉ２３にはガス導入孔３ｏをあけ、第２の
冷陰極２４には、ビーム放出孔３１をあける。中空陰極
２６には、ガス導入口３２を介してガス導入弁３３から
ガスを導入できるようにする。中空陰極２６は閉じた容
器を構成し、その第１冷陰極２３側端面にはガス導入孔
３０と対向して小孔３４をあけておく。

真空容器２１は排気口３５を介して真空排気系３６に接
続される。

３７は被加工物３８を載置した台であり、真空容器内壁
に固着される。このように台３７に被加工物３８を載置
することは本発明により得られる原子線を用いる場合の
一例にすぎず、本発明の適用はこの例に限られるもので
はない。

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３２よりＡｒ等の不活性ガスを中空陰
極２６内に導入する。ついで、負電圧発生装置２９から
、中空陰極２６に１３．’５６Ｍ）Ｉｚの高周波を重畳
した数百Ｖの直流負電圧を印加する。すると、中空陰極
２６内では、高周波電場により内部のガス分子がイオン
化される。それにより生成された正イオンは、中空陰極
２６の内部をイオン衝繁することにより、この陰極自身
の温度を２０００〜２１００ｔに上昇させ、ついには中
空陰極２６から熱電子を飛び出させる。このようにして
、中空陰極２６が十分高温になると、この中空陰極２６
より熱電子の放出が始まり、中空陰極２６は電子線源と
して動作するようになる。

本実施例では、冷陰極２３と２４の間にもプラズマ放電
用のガスが充填されているので、このような状態の下で
、正電圧発生装置２８から陽極２５に数百Ｖの直流正電
圧を印加すると、この陽極２５とその両側の冷陰極２３
および２４との間でグロー放電が起きる。

すなわち、本実施例では、中空陰極２６には小さな開口
３４のみがあり、中空陰８ｉ２６に導入されたガスは冷
陰極２３の開口３０を通して円筒状容器２２の内部にプ
ラズマ放電用のガスとして十分に供給されるので、冷陰
極２３と２４との間でグロー放電が発生する。

中空陰極２６ならびに冷陰極２３および２４より放出さ
れた電子は、陽極２５に向けて加速され、環状の陽極２
５の中央部を貫通して反対側の冷陰極２４または２３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２５に向けて加速され、以後、同様の運動を繰り返
す。すなわち、バルクハ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ない、その
過程で多くのガス分子および原子と衝突してイオンを大
量に生成する。

このようにして生成されたイオンの一部は冷陰極２３に
向けて加速され、中空陰極２６をイオン衝撃する。これ
によって、中空陰極２６内には更に多くの電子が生成さ
れ、その生成された電子は、中空陰極２６により取り出
され、冷陰極２３と２４との間においてＢ−に振動を繰
り返す、このようにしてますます高密度のプラズマが線
源内に形成される。

一方、陰極２４に向けて加速されたイオンは、ビーム放
出孔３１の付近でＢ−に信号電子やカソード璧へのイオ
ン衝ゴにより放出された二次電子とｄｉ突再結合して高
速原子線となって取り出される。

Ｂ−に振動電子やイオン衝撃により生成された二次電子
は、数十ｅＶ程度の低速のエネルギーを有するので衝突
断面積が大きく、イオンと効率的に再結合するから、取
り出されるビームの中性化率を飛躍的に高めることがで
きる。

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２図に、本発明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、中性化率と放電電流との相関２示す
。第２図によれば、本発明により、中性化率がほぼ１０
０％で、ビーム電流数十〜数百［μＡ／ｃｍ２］の高速
原子線が得られることがわかる。通常、イオン源より引
き出されるビーム量は数十μへ／ｃｍ２〜１０００μＡ
／ｃｍ２程度であるから、本発明もこの値に比肩できる
。

第３図は、本発明高速原子線源の放電電流と放電電圧と
の相関をＡ「ガス圧力が８　Ｘ　１０−’Ｐａの場合に
ついて示したものである。ここで、放電電圧は、数百Ｖ
程度であることから、これとほぼ同程度の運動エネルギ
ーを持つ高速原子が発生していることがわかる。

以上のように、本発明によれば、数百ｅ　Ｉ！程度の低
エネルギー、数百μＡ／ｃ　ｍ　２の電流を有し、更に
中性化率はほぼ１００％のビームが得られることがわか
る。

なお、本発明は上述した実施例にのみ限られるものでは
なく、対向配置した２つの冷陰極の一方の外方にこの一
方の冷陰極に近接して電子線発生源を配置すればよく、
そのためには、上述の中空陰極に代えて、フィラメント
などの熱陰極を用いて熱電子を発生させるように構成し
てもよい。

このような熱陰極を用いる一実施例を第４図に示す。

第４図において、第１図と同様の個所には同一符号を付
してその説明を省略する。本例では、真空容器２１の側
壁のうち、円筒状容器２２内の部分にあけた孔に、絶縁
シール材４１を介してフィラメント４２を取りつけ、こ
のフィラメント４２を第１の冷陰極２３に近接し、かつ
ガス導入孔３０を対向して配置する。フィラメント４２
の一端を負電圧発生装置２９に接続し、他端を接地する
。

真空容器２１の側壁のうち円筒状容器２２内の部分にガ
ス導入口４３を設け、プラズマ放電用ガスを、真空容器
２１の外部からガス導入口４３を介して、さらに真空容
器２Ｉの側壁と第１の冷陰極２３との間のガス導入通路
４４を介して、冷陰極２３と２４との間に導く。

ここで、フィラメント４２の材料としては、熱電子を発
生させる熱陰極として好適な材料、たとえば、タングス
テン、タングステン−トリウムなどを用いることができ
る。

あるいはまた、本発明の他の実施例では、第１図に示し
た中空電極２６の内部に、第４図に示したフィラメント
４２を挿入し、両者あるいはフィラメントのみを熱陰極
として用いることもできる。

いずれの場合にも、本発明では、対向配置された２つの
冷陰極の一方の外方であって、かつこの一方の冷陰極の
近傍に電子線を発生する手段を配設し、およびその一方
の冷陰極に、電子線発生手段を対向してあけたガス導入
孔にプラズマ放電用ガスを導く通路を設ける。

［発明の効果コ以上から明らかなように、本発明によれば、陽極と第１
および第２の冷陰極とによるイオン線の発生源の内部に
プラズマ放電用のガスが充填されると共に、イオン線の
発生源の近傍に中空陰極やフィラメントなどのような電
子線源を配置し、その電子線源から発生する電子をイオ
ン線発生源内に直接作用させるようにしたので、より多
くのイオンを中和することができると共に、そのイオン
線発生源内において電子も振動して、原子線のもとであ
るイオンをより多く発生させることができるので、大量
のイオンを発生することができ、放電の効率化に有効で
ある。更に加えて、中空陰極などの電子線源より放出す
る電子は、イオン中性化効率も飛躍的に高めることがで
きる。

このように、本発明によれは、低エネルギーで、かつ％
　ｆｉの高速原子線を発生することかできるので、スパ
ッタ、エツチングなどの材料加工を高速に進めることが
できる。特に、絶縁性材料の加工や分析に有効である。

更に加えて、低エネルギーの原子線を得ることができる
ので、ダメージレスエツチングや薄膜形成時の同時照射
用のビーム源として最適である。

電子線源として中空陰極を用いるときには、この中空陰
極を介して冷陰極間にプラズマ放電用ガスを供給できる
ので、装置の構成が簡単化されると共に、冷陰極間で発
生したイオンの一部により中空陰極がイオン衝撃される
ことによって多量の電子を発生させることができる利点
もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図を用いて実験を行なった場合のビーム電流、ビーム中
性化率と放電電流との関係を示す特性図、第３図は放電電流と放電電圧との相関を示す特性図、第４図は本発明の他の実施例を示す構成図、第５図（Ａ
）および（８）は従来の線源の概略構成を示す、それぞ
れ、縦断面図および横断面図、第６図はイオン線に熱電
子を衝撃してその一部を中性ビームにする従来例を示す
説明図、第７図はイオン線をニュートライザに斜入射さ
せ、その一部を中性ビームにする従来例を示す説明図で
ある。１・・・冷陰極、ＩＡ、ＩＢ・・・冷陰極側面、４・・・陽極、５・・・ガス導入孔、６・・・ビーム放出孔、７・・・イオン線源、８・・・イオンビーム、９・・・熱電子源、ｌＯ・・・電子線、１１・・・混合ビーム（原子線）、１２・・・ニュートライザ、２１・・・真空容器、２２・・・円筒状容器、２３・・・第１の冷陰極、２４・・・第２の冷陰極、２５・・・陽極、２６・・・中空陰極、２７・・・絶縁シール材、２８・・・正電圧発生電源、２９・・・負電圧発生電源、３０・・・ガス導入孔、３１・・・ビーム放出孔、３２・・・ガス導入口、３３・・・小孔、３５・・・排気口、３６・・・真空排気系、３７・・・載置台、３８・・・被加工物、４１・・・絶縁シール材、４２・・・熱電子発生用フィラメント、４３・・・ガス
導入口、４４・・・ガス導入通路。方ズ（啓しイ瞬しシｔ（ｍＡ）ピ°−ム憤タシ免、ビーム中ノド生イし４干−）ダ′鳩
１憤乞ンｔ１ＭセＬ図第２図敷電電Ｊ３１−（ｖ）数宅宅メ亀−斂硫宅７（竹性凹第３図／！、負ミ？月実カ邑イダ′］の講戎口第４図冷階麺使１面（Ｂ）イ足来のイオン糸衷源／ｌ１４式嘔示イ許面図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１）真空容器内に環状の陽極を収容し、前記真空容器内
において、前記陽極の両側に第１および第２の冷陰極を
互に対向して配置すると共に、前記第１の冷陰極にはガ
ス導入孔をあけ、前記第１の冷陰極に近接し、かつ外方
に、電子線源を配設し、前記真空容器の外部から前記ガ
ス導入孔を介して前記第１および第２の冷陰極間にガス
を介在させるように当該ガスを導く通路を設け、前記陽
極を中心として前記第１および第２の冷陰極間で振動す
る電子とイオンとが結合した高速原子線を取り出すビー
ム放出孔を前記第２の冷陰極に配設したことを特徴とす
る高速原子線源。２）真空容器内に環状の陽極を収容し、前記真空容器内
において、前記陽極の両側に第１および第２の冷陰極を
互に対向して配置すると共に、前記第１の冷陰極にはガ
ス導入孔をあけ、前記第１の冷陰極に近接し、かつ外方
に、中空陰極を配設し、該中空陰極および前記ガス導入
孔を介して前記第１および第２の冷陰極間にガスを介在
させるようになし、前記陽極を中心として前記第１およ
び第２の冷陰極間で振動する電子とイオンとが結合した
高速原子線を取り出すビーム放出孔を前記第２の冷陰極
に配設したことを特徴とする高速原子線源。