WO2006040850A1

WO2006040850A1 - 多価イオン発生源およびこの発生源を用いた荷電粒子ビーム装置

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Publication number: WO2006040850A1
Application number: PCT/JP2005/007284
Authority: WO
Inventors: Makoto Sakurai; Fumiharu Nakajima; Takunori Fukumoto; Nobuyuki Nakamura; Shunsuke Ohtani; Shinro Mashiko
Original assignee: Japan Science And Technology Agency
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-04-20
Also published as: JP4868330B2; US7544952B2; JP2006108054A; US20080087842A1

Abstract

製造が容易で、操作性及び保守性に優れ、電離度が高く、ビーム強度の大きい多価イオン発生源とそれを用いた荷電粒子ビーム装置であって、多価イオン発生源は、電子源（４）とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブ（５）とコレクタ（６）とからなるイオン源電極（３）と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石（１１）と、イオン導入手段（２０，２２）と、さらにイオン源電極（３）を収容した第１の真空容器（２）と、超伝導磁石（１１）を収容した第２の真空容器（１０）と、第１の真空容器及び第２の真空容器にそれぞれ配設した真空排気装置（１５，１６）とで成る。第１の真空容器（２）と第２の真空容器（１０）は着脱可能であり、極高真空が必要なイオン源電極（３）のみを容易にベーキングできる。

Description

多価ィォン発生源およびこの発生源を用ヽた荷電粒子ビーム装置技術分野

本発明は、多価イオン発生源とこの多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置に関する。明背景細技術

原子から電子を取り除くと正のイアンができるが、例えば X e ^{4 4 +} イオンのように、電子を 2個以上取り去つたものを正の多価イオンと言う。多価イオンは極めて大きな内部エネルギーを持っており、多価イオンが固体表面と衝突すると、多数の二次電子が放出されたり、多価ィォンの入射点まわりにナノメートルの大きさの構造変化が誘起されるなど、数多くの特異な現象が起こることが知られている（下記文献 1及び 2参照）。この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンィンプランテーションゃ量子ドット作製などのナノメートル領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている（下記文献 3参照）。このような多価イオンを生成するイオン源としては、電子サイクロトロン共鳴（E C R) 型イオン源（E C R I S ) と、電子ビーム型イオン源 ( E B I S ) とが一般に知られている。後者は得られるィォンの電離度が高いという特徴がある。従来例 1の E B I Sとしては、原子物理学の研究用に開発された核融合研究所の装置が公知である（例えば、下記文献 4参照）。この装置は、電子源（カソ一 'ド）、ドリフトチューブ、コレクタ、ソレノィド磁石、イオン引き出し用レンズなどから構成されており、力ソドから出射した電子は、磁場中に配置されたドリフトチューブを通り、コレクタに捕集される。電子は、ドリフトチューブに形成される強磁場で圧縮され大電流密度の電子ビームとなっている。一方、カソ一ド付近から導入された気体はドリフトチュー内でイオン化される。ドリフトチューブ電極は幾つかに分割されており、両端がィォンに対して障壁を有する井戸型ポテンシャルが形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャル内に閉じ込められ、電子による衝突電離が進み、多価ィオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものが、イオン引き出し用レンズ側に導かれること（こより、多価ィォンがィォン源タ部に取り出される。

さらに、 1 9 8 8年には、従来例 1の E B I Sを改良した従来例 2の E B I T (電子ビームイオントラップ）が開発された（下記文献 5参照）。この従来例 2 の E B I Tの多価イオン発生原理は E B I Sと同じであるが、超伝導ヘルムホルッ型コイルを用い、ドリフトチューブを従来よりも短くして、ドリフトチューブ内のプラズマの不安定性を回避することによりイオンの閉じ込め時間を改善し、高価数の多価イオンを安定に保持できるようにしたものである。このため、 E B I Tでは、ドリフトチューブでの電子ビームの絞込みを究極まで行い、高電離ィォンを生成することを可能にした。

また、従来例 3の E B I Tとして、ウラン（U ) まで完全電離できるように、電子の加速電圧を最大 3 0 O k Vとした装置が、本発明者らにより開発されている（下記文献 6参照。）。この E B I Tは、原子物理学の研究のために開発されたもので、生成可能な多価イオンの内部エネルギーとしては世界最高の性能を持つている。しかしながら、高ビーム強度を得るために装置が高価であることと、運転コストが高いという課題がある。

また、従来例 4として、米国ローレンスバークレー研究所において、 E B I T の超伝導磁石を閉サイクル冷凍機で冷却する形式の R E B I Tが開発されている (下記文献 7参照）。

従来例 5の E B I Tの市販品としては、ドイツのドレスデン工科大学がライポルト社と共同で永久磁石を使ったものを開発しているが、永久磁石は磁場が弱いため、超伝導磁石を用いた E B I Tなどよりもビ一ム強度が弱い（下記文献 8参照）。

従来例 6の E B I Sとして、米国プルックヘブン研究所の装置は、超伝導磁石を、イオン生成に必要な電子源、ドリフトチューブ、コレクタ（ここでは、これらをまとめて、イオン源電極と呼ぶ）と、分離している（下記文献 9参照）。しかし、この装置では、超伝導磁石をイオン源電極と分離する際には、イオン源電極の真空を破る必要がある。このため、従来例 6の EB I Sでは、超伝導磁石部分の耐熱性が弱いため、非常に長期間排気を続けないと十分な真空度が得られない。また、 EB I Sでは、電子源、ドリフトチューブ及びコレクタ相互の中心軸を精度良く調整する必要があるが、超伝導磁石を組まない状態では、イオン源電極単体での軸合わせをすることができず、組立及び調整に多大の時間が必要であつた。

文献 1 ： J.W. McDonald, D. Schneider, M.W. Clark and D. DeWitt, Phys.

Rev. Lett. , Vol.68, (1992), p.2297

文献 2 :T. Meguro et al., Appl. Phys. Lett. , Vol.79, (2001), p.3866 文献 3 ： T. Schenkel et al., Appl. Phys. , Vol. 94, (2003), p.7017 文献 4 :小林信夫、大谷俊介他 7名、名古屋大学プラズマ研究所資料

'技術報告、 I PP J-DT- 8 . 1 98 1年

文献 5 ： M. A. Levin他 7名， Physica Scr., T22, 1988, p.157

文献 6 ：大谷俊介、桜井誠、プラズマ '核融合学会誌、 73、（1997)、 p. 10

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文献 7 ：フィジックス 'アンド 'テクノロジ一社（Physics & Technology) 、「冷凍機冷却電子ビームイオントラップノイオン源」（REB I TS/S) 、 [online] 、（掲載日不明）、 [平成 1 6年 1 0月 5日検索]、インターネット <URL:http://www. physics techno logy, com/pt brochure, pdf >

文献 8 : G. Zschrnack, 「ドレスデンェビット」（The Dresden EB IT) 、 [ online] 、（掲載曰不明）、ドレスデン工科大学原子物理グループ（atomic phy sics group, Technical University Dresden; 、 [平成 1 6年 1 0月 5日検索] 、ィン夕一ネッ卜く URL:http://www. physik. tu-dresden. de/apg/apeebitl. htm> 文献 9 : N . Beebe et al., Rev. Sci. Instrum., Vol.73, (2002), p.699 従来例 1〜 5の多価ィォン発生源は、電子源とドリフトチューブとコレクタからなるイオン源電極及び超伝導磁石を同一真空室内に配置しており、さらに、ビ —ム弓 ¾J¾が弱いことから、製作、調整、運転、保守に多大な時間とコストを要する。

さらに、従来例 6の多価イオン発生源のように、超伝導磁石をイオン生成に必要なィォン源電極から分離している例があるが、超伝導磁石をィォン源電極と分離する際、イオン源電極の真空を破る必要があった。このため、超伝導磁石を組み込まない状態では、ィォン源電極単体での軸あわせをすることができず、組立及び調整に多大の時間を要する。

このように、従来例 1〜6の多価イオン発生源は何れも原子核物理の研究用であるために、操作 ¾E、保守性に欠点を有しており、さらに、ビーム強度が弱いため、例えば、ナノ構造体（ナノメートルオーダ一の微細なデバイス）を形成するための加工に用いるための実用的な多価イオン発生源が実現されていない。発明の開示

本発明は、上記課題に鑑み、製造が容易で、操作性及び保守性に優れ、電献が高く、ビームの大きい多価ィォン発生源とそれを用いた荷電粒子ビーム装置を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、イオン源電極を同一真空容器内に配置し、超伝導磁石を異なる真空容器内に配置することで、製造、組立、調整が容易で、操作性 '保守性に優れている多価イオン発生源を実現することを見出した。また、加速電圧を 4 O k V以下に低速ィヒし、これに最適なィォン源電極形状と超伝導コィルとにより構成することで、多価ィォンビームの高強度化、小型ィヒを図り、本発明を完成させるに至った。

上記の課題を解決するため、本発明の多価イオン発生源は、電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、ィォン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、を具備し、さらにこの多価イオン発生源は、上記イオン源電極を収容した第 1の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第 2の真空容器と、を備えると共に、第 1の真空容器及び第 2の真空容器に、それぞれ真空排気装置が配設されていることを特徴とするものである。

上記構成において、好ましくは、第 2の真空容器は断面環状に形成され、第 1 の真空容器がこの第の真空容器の環中を揷通して配置される。第 2の真空容器は、好ましくは、第 1の真空容器から両者の真空を破らずに脱着可能である。超伝導磁石は、好ましくは、ヘルムホルツ型コイルを用いる超伝導磁石である。電子源の加速電圧を 1 0〜 4 0 k Vに設定すれば好ましい。

上記構成によれば、超伝導磁石を収容する-第 2の真空容器を、第 1の真空容器から脱離させた状態で、第 1の真空容器及び収容されているイオン源電極を十分に加熱して、脱ガスをすることができる。これにより、多価イオン発生のための第 1の真空容器を、短時間で極高真空とすることができる。 'したがって、本発明の多価ィォン発生源においては、ィォン源電極の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた、多価イオン発生源を実現することができる。本発明の荷電粒子ビーム装置は、上記の多価イオン発生源を用い、試料表面に多価ィォンを照射することを特徴とする。

本発明の荷電粒子ビ一ム装置の他の構成は、電子源とィォン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源、電極と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、さらに、イオン源電極を収容した第 1の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第 2の真空容器と、第 1の真空容器及び第 2の真空容器にそれぞれ配設した真空排気系とを備える多価イオン発生源を具備すると共に、さらに、上記多価ィォン発生源に接続された第 3の真空容器及びその真空排気装置と、を備えていて、第 3の真空容器内にイオン分離器と試料台とを配設し、試料台に試料を載置することにより、上記多価ィォン発生源で発生した多価ィォンから所望の多価ィオンをィォン分離器により選択して試料表面に照射することを特徴とするものである。

上記構成において、好ましくは、荷電粒子ビーム装置は、さらに、試料の観察装置及び/又は試料の表面処理装置を備えている。

上記構成によれば、多価イオン発生源から発生した種々の多価イオンは、ィォン分離器で所望の多価ィォンが選択されて、試料に照射される。表面清浄化装置により、多価ィォン照射前に試料表面を洗浄することがができる。また、多価ィオン照射時の試料形状やその結晶状態などが観察装置によりその場観察が可能である。本発明の多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置によれば、多価ィォン発生源が小型軽量であるので、ナノプロセスへ応用することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明による多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。図 2は、図 1に示す電子源の構成模式的示す拡大断面図である

図 3ほ、ィォン源として固体のィォン源を有する多価ィォン発生源の構成を模式的に示す断面図である。

図 4は、本発明の多価イオン発生源に印加される電源を説明するための模式的なブロック図ある。

図 5は、本発明の多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置の構成を模式的に示す図である。

図 6は、実施例の多価イオン発生源に用いるヘルムホルツ型コイルを有する超伝導磁石による磁場を示す図である。

図 7は、実施例の多価イオン発生源において、電子を 4 0 k e Vで加速したときの電子ビーム軌道の計算結果を示す図であり、（a ) が力ソード近傍、（b ) がコレクタ近傍を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明は、以下の詳細な発明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定または限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけのものである。

図 1は、本発明による多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。図 1において、本発明の多価イオン発生源 1は、第 1の真空容器 2内に配置されるイオン源電極 3と、第 2の真空容器 1 0内に配置されるイオン閉じ込めのための超伝導磁石 1 1と、気体イオン導入手段 2 0とを具備して構成されている。ィオン源電極 3は、電子源 4とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブ 5とコレク夕 6とから構成されている。

上記第 1，第 2の真空装置 2， 1 0は独立構成であるが、第 1の真空装置 2は第 2の真空装置 1 0の内部を揷通するように配置されている。すなわち、本実施態様では、第の真空容器 1 0は断面環状で両端が開放した筒状に形成されていて、この筒状の第の真空容器 1 0の環内に第 1の真空装置 1が揷通して配置されている。筒状の第 2の真空容器 1 0の内部に超伝導磁石 1 1が環状に配設されて構成されている。

第 1の真空容器 2及び第 2の真空容器 1 0は、それぞれ、真空排気装置 1 5， 1 6により独立に排気されるように'なっている。第 1の真空容器 2内は、多価ィオン発生のためには、 1 X 1 0— ⁵P a (パスカル）以下、特に 1 X 1 0— ³P a以下の極高真空とする。例えば、 U⁹²⁺ の生成には 1 0— ^1Q P a ( 1 0— ¹² To r r ) の真空が必要である。このため、第 1の真空容器 2は、脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベ一キング手段を備えている。このべ一キング手段を用いることで、第 1の真空容器 2は、 2 5 0〜3 00で程度にまでべ一キングすることができる。

ここで、第 1及び第 2の真空容器 2， 1 0は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石 1 1からの磁場がドリフトチューブ 5に印加されるように、 !¾性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼 ( 例えば、 SUS— 3 04， SUS- 3 1 6 ) やアルミニウムを用いることができる。

第 2の真空容器 1 0には、外部と熱的に遮断するために超伝導磁石 1 1が収容され、この超伝導磁石 1 1は、例えば 1 0K (- 26 3°C) の極低温に冷却されるようになっている。また、第 2の真空容器 1 0の真孥度は、 1 0— ⁴P a程度の高真空にされる。このような高真空を得るためのベーキング手段は不要である。第の真空容器 1 0の第 1真空容器 2側の外周部には、磁気シールド 1 8が設けられている。この磁気シールド 1 8は、超伝導磁石 1 1からの磁場が、イオン源電極 3の電子源 4及びコレクタ 6側のドリフトチュ一ブ 5に漏れないようにするために配設するものである。この磁気シールド 1 8には、軟鉄などの強磁性材料を用いればよい。

図 2は図 1に示す電子源 4の構成を模式的に示す拡大断面図である。図示するように、電子源 4は、第 1の真空容器 2の左側面の超高真空用フランジ 2 aに支持部 2 bを介して、第 1の真空容器 2の水平方向の中心軸上に配設されている。第 2の真空容器 1 0内に収容した超伝導磁石 1 1の空隙（ボア）の直径は Dで示している。図中の矢印は排気経路を示している。電子源 4は、左から右方向に、フィラメント（力ソード）電極 4 a、フォーカス電極 4 b、アノード電極 4 c、スノート電極 4 dの順に配置され、それぞれが、終禄碍子 4 e , 4 eにり糸 ¾禄されている。電子源 4は、力ソード近傍の磁場を 0 (零）とするためのバッキングコイル（B u c k i n g c o i l ) 7を備え、磁気シールド部 8に収容されている。

ここで、電子源 4から発生される電子ビームを、ドリフトチューブ 5に当てることなくコレクタ 6に導く必要がある。このため、上記の力ソード電極 4 a、ァノ一ド電極 c及びスノ一ト電極 4 dの各電極と絶縁碍子 4 e , 4 eとは、嵌め合いにより組み立てることで、相互の軸を高い精度で一致させている。一例として、 3 0 O mAの電流を力ソード電極 4 aから引き出す際は、フィラメント電位を基準にして、アノード電極 4 cには + 1 0 k V、スノート電極 4 dには + 1 5 k Vの電位を与える。このように、各電極とバッキングコイル 7及び磁気シールド部 8には最大 + 1 5 k Vの高電圧がかかるが、各部品を小型化することで相互の絶縁を確保しながら、磁気シールド部 8の直径を I 0 O mmに抑えることができる。この場合には、外径が 1 6 2 mmで内径が 1 0 2 mmの超高真空フランジ 2 aに電子源 4を収容することができ、第 2の真空容器 1 0の電子源 4側の直径を 1 5 2 mmに抑えることができる。

超高真空フランジ 2 aの内径は、磁気シールド部 8及びドリフトチューブ 5の直径よりも十分大きいので、電子源 4領域からの放出ガスを効率良く排気することができる。このように、電子源 4の^去を小さくすることで、超伝導磁石 1 1 を収容する第 2の真空容器 1 0の環状の空隙、即ち超伝導磁石のボア径を小さくすることができる。これにより、多価イオン発生源 1の装置の小型化が実現できる。小型ィ匕できることにより、装置の製造コスト及び運転コストの低減ィ匕が図れる。

ドリフトチューブ 5は、幾つかに分割された円筒形電極から構成されていて、その両端が、イオンに対して、障壁（井戸型ポテンシャル）を形成するような電場配置となっている。イオンとなる気体は、気体イオン導入手段 2 0により、ドリフトチューブ 5側面から、その内部に導入される。ここで、気体イオン導入手段 2 0は、気体源 2 0 a , 流量調整部 2 O b , 第 1の真空容器 2内への配管部 2 0 cなどから構成されている。

一方、固体をイオンとする場合には、ゾ一スと Iて固体イオン源を用いればよい。図 3は、固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。図 3に示す多価イオン発生源が、図 1に示す多価イオン発生源と異なるのは、気体ィォン導入手段 2 0の代わりに、コレクタ 6の右側に固体ィォン導入手段 2 2を備えていることである。このような固体イオン導入手段 2 2は、所望のイオンを発生させる針状の固体材料を真空アーク放電させ、イオン化（ 1 価）させる真空アーク型イオン源などを用いることができる。固体イオン導入手段 2 2から発生したイオンは、第 1の真空容器 2中で、コレクタ 6を通過して、ドリフトチューブ 5に注入される。

上記の気体イオン導入手段 2 0又は固体イオン導入手段 2 2からなるイオン導入手段によりドリフトチューブ 5に注入されるイオンは、.一定時間、井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価ィオンのうち、電子の衝突により運動エネルギ一が増加して障壁を越えたものが、多価ィォン発生源 1の外部に取り出される。イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして、多価イオンビーム 2 4を生成させる。

コレクタ 6は、ドリフトチューブ 5を通過する電子を捕集するための電極であり、例えば、サプレッサ電極、コレク夕電極、ェクストラクタ一電極などの電極から構成されている。力ソード及びコレクタ 6には、アースに対して、最大一数十 k Vから一 3 0 0 k V程度の電圧が印加されている。この加速電圧は、所望の多価イオンが得られるための電圧であればよい。電子は、ドリフトチューブ 5の入射直前に最大加速電圧が印加され、ドリフトチューブ 5を通過した電子は、コレクタ 6の手前で 2〜 3 k V程度に減速されてコレクタ 6に捕集される。このため、コレクタ 6には、この電圧と電子ビーム電流との積の電力が捕集される。この電力は、上記コレクタ 6手前の電圧が 3 k Vで電子ビーム電流が 3 0 O mAの場合には、 9 0 0 Wとなり、絞られた状態でコレクタ 6に当たると、当たった場所が溶ける。したがって、コレクタ 6は、冷媒で冷却した電極構造として、電子ビームを広げながら電子を捕集するようになつている。

次に、超伝導磁石について説明する。図 ί及び図 3に示すように、超伝導磁石 1 1は第 1のコイル 1 l a及び第 2のコイル 1 1 bからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第 1のコイル 1 1 a及び第 2のコイル 1 1 bの半径を a とし、これらのコイルの間隔を半径 aと同じ aとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石 1 1は、図示しない H eを冷媒とするクライオスタツトゃ閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。

本発明の多価ィォン発生源 1の特徴は、第 2の真空容器 1 0内にィォン閉じ込めのための超伝導磁石 1 1が配置され、第 2の真空容器 1 0の環状の空隙に第 1 の真空容器 2が挿入されていることである。つまり、超伝導磁石 1 1の空隙（ポァ）内に、第 1の真空容器 2が挿入されていることである。上記のように、この第 1の真空容器 2内には、電子源 4、ドリフトチューブ 5及びコレクタ 6からなるィォン源 3が配置されている。

超伝導磁石 1 1を収容する第 1の真空容器 1 0は、第 1の真空容器 2力、ら、両者の真空を破らずに脱着が可能である。本発明では、イオン源電極 3を第 1の真空容器 2に収納したものを作ればよく、超伝導磁石 1 1は、市販品を用いることができるので製作が容易である。このため、本発明の多価イオン発生源 1においては、従来の多価イオン発生源のように、超伝導磁石 1 1とイオン源電極 3とを一体化した構造を精度良く製作する必要がない。

本発明の多価ィォン発生源は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。

図 4は、本発明の多価イオン発生源 1に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が 4 0 k Vの一例を示している。図示するように、電子源 4のフィラメントには 1 5 V， 2 A、フォーカス電極には 5 0 V， 1 mA、アノード電極には 1 0 k V、スノ一ト電極には 1 5 k V， 1 mAの電源が一 3 0 k Vの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ 5の各電極には、 1 0 k Vの電源上に、第 1電極 5 0 0 V、第 2電極 5 0 0 V 、第 3電極 5 0 O Vが、それぞれ上乗せされて供給されている。さらに、コレクタ 6のサプレッサ電極、コレクタ電極、ェクストラクタ一電極には、それぞれ、 2 k V、 3 k V , 5 0 O mA、一 3 の竃減がー 3 O k Vの電源に上乗せされて供給されている。

電子源 4から発生された電子は、超伝導磁石 1 1の磁場中に配置されたドリフトチューブ 5を通る。図 4に示す電源を用いた場合には、電子源 4とドリフトチュ一ブ 5の間で、電子が最大 4 O k Vまで加速される。このカロ速されてドリフトチューブ 5に入射した電子は、超伝導磁石 1 1によりドリフトチューブ 5に形成される強磁場で圧縮され、大電流密度（：〜 1 0 0 O A/ c m ² ) の電子ビームとなり、コレクタ 6に捕集される。図 4に示す電源を用いた場合には、コレクタ 6 には、 2〜3 k V位まで減速されて捕集される。電子は、ドリフトチューブ 5の直前で最大加速電圧が印加されるようになっている。原子を電離するためには、束縛電子の電離エネルギー以上のエネルギ一を持った電子と衝突させなければならないので、重元素（例えば、キセノン（X e ) など）を完全に電離させるには 1 s軌の電離エネルギー（X eでは 3 5 k e V ) より高いエネルギーが必要で、加速電圧 3 5 k V以上が必要である。

—方、気体イオン導入手段 2 0から導入されるイオンとなる気体は、ドリフトチューブ 5内でイオン化される。ドリフトチューブ 5の電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）が形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子は、電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進む。電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものが、イオン源外部に取り出される。

このように、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価ィォンが外に飛び出すようにして、多価イオンビーム 2 4を生成させる。

このドリフトチューブ 5で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ 5から引き出される際には、図 4のドリフトチューブ 5とコレクタ 6間で 4 0 k Vでー且加速され、第 1の真空容器 2を出る際は、この真空容器 2はアース電位であるので、 1 0 k Vまで減速されて出射する。

得られる多価イオンビーム 2 4の強度は、イオンがトラップされているドリフトチューブ 5の長さ L 1 (図 1参照）及びエミッシヨン電流に比例し、電離度が究極に至るまでの時間は電子の電流密度に比例する。なお、ドリフトチューブ 5 の長さが長すぎる場合にはプラズマの不安定性が出現し、高電離の多価ィォンができなくなる。

また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石 1 1によりドリフトチューブ 5に印加される磁場強度が高いほど高くなる（但し、比例ではない）。このため、単位時間当たりに得られる多価イオンビーム 2 4の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。

上記の多価ィォン発生機構は、従来の多価ィォン発生源と同様である。

本発明の特徴は、ィォン源電極 3を収納する第 1の真空容器 2のための真空排気装置 1 5と、超伝導磁石 1 1を収容する第 1の真空容器 1 0のための真空排気装置 1 6とを、着脱して、分離することができる点にある。このため、超伝導磁石 1 1を収容する第 2の真空容器 1 0を、第 1の真空容器 2から分離した状態で、第 1の真空容器 2及び収容されているイオン源電極 3を十分に加熱して、脱ガスをすることができる。

したがって、多価イオン発生のための第 1の真空容器 2を、短時間で、極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ 5に当てたときには、本発明の多価ィォン発生源 1では、ィォン源電極 3を収納した第 1 の真空容器 2のみ修理すればよい。これにより、本発明の多価イオン発生源 1においては、イオン源電極 3の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた、多価イオン発生源 1を実現することができる。

次に、本発明の多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置について説明する。図 5は、本発明の多価イオン発生源 1を用いた荷電粒子ビーム装置 3 0の構成を模式的に示す図である。本発明の多価イオン発生源 1を用いた荷電粒子ビ一ム装置 3 0は、多価イオン発生源 1に第 3の真空容器 3 1が接続され、第 3の真空容器 3 1内に、イオン分離器 3 2と試料 3 3を載置する試料台 3 4とを収納している。第 3の真空容器 3 1は、真空排気装蘆 3 5により、多価イオン発生源 1 の真空排気装置 1 5， 1 6とは独立に真空排気される。

イオン分離器 3 2は、多価イオン発生源 1から発生し種々の多価イオン中から所望の多価イオンを選択するために設けられている。イオン分離器 3 2としては、分析磁石（偏向磁石）や磁場及び電場によるウィーンフィルターなどを用いることができる。試料台 3 4は、その位置が制御できるように X Y Zステージなどを用いることができる。

荷電粒子ビーム装置 3 0は試料表面の観察装置 3 6を備えていてもよい。このような観察装置としては、電子線回折装置、走査型電子顕微鏡（S E M) 、走査トンネル顕微鏡 ( S TM) 、二次イオン質量分析装置 ( S I M S ) などが挙げられる。試料の表面処理装置 3 7を備えていてもよい。このような表面処理装置としては、表面清浄ィヒ装置や蒸着装置などが挙げられる。

次に、本発明の多価イオン発生源 1を用いた荷電粒子ビーム装置 3 0の動作について説明する。

多価イオン発生源 1から発生した種々の多価イオンは、イオン分離器 3 2で所望の多価イオンが選択されて、試料に照射される。この際、表面清浄化装置 3 7 により、多価イオン照射前に試料表面の洗浄ができる。また、多価イオン照射時の試料形状やその結晶状態などが観察装置 3 6により、その場観察ができる。本発明の多価イオン発生源 1を用いた荷電粒子ビーム装置 3 0によれば、多価ィォン発生源 1が小型軽量であるので、ナノプロセスへ応用することができる。実施例

実施例として、加速電圧 1 0〜4 0 k V、電子ビーム電流 3 0 O mA、イオン閉じ込め磁場 3 T、超伝導コイルとして市販の超伝導磁石 1 1を電子ビーム、ィォンビ一ムとは別の第 2の真空容器 1 0内に配置した多価ィォン発生源 1を製作した（図 1及び図 2参照）。超伝導コイルとしてヘルムホルツコイル型を採用し、長さが 2 0 0 mmのドリフトチューブ 5を用いてイオン閉じ込め領域を広げることにより、多価ィオンビーム 2 4の高強度化を達成した。

次に、実施例の多価イオン発生源 1の超伝導磁石による磁場と電子ビーム軌道について説明する。

図 6は、実施例の多価イオン発生源 1に用いるヘルムホルツ型コイルを有する超伝導磁石 T1による磁場を示す図である。図において、横軸はカソ ~ドからコレクタ 6への水平軸方向距離（mm) を示し、縦軸は第 1の真空容器 2内に形成される磁場（テスラ（T) ) を示している。図から明らかなように、最大磁場は 3 Tであり、最大磁場から 5%の範囲の均一磁場範囲は 1 0 Ommであることが分かる。このため、ドリフトチューブ 5'の長さが 1 00〜20 Ommであれば、その中央部にはほぼ均一の磁場を形成することができた。

図 7は、実施例の多価イオン発生源 1において、電子を 40 k e Vで加速したときの電子ビーム軌道の計算結果を示す図であり、（a) が力ソード近傍、 (b ) がコレクタ近傍を示す図である。図において、横軸は（a) が力ソードから、 (b) がコレクタ左端から、のそれぞれ、水平軸方向距離 (mm) を示し、縦軸は何れも水平軸（X) から垂直方向（Y) への距離（mm) を示している。この電子ビーム軌道の計算は、 Tr i C omp 2 D (F i e l d Fr e c i s i on社製）ソフトウェアを用いて行った。

図 7 (a) から、力ソードから出射した電子は、アノードを通過すると、直径が 0. 1mm以下の電子ビームとなっていることが分かる。図 7 (b) から、コレクタ 6に入射した電子は、徐々に広がってコレクタ電極に捕集されることが分かる。

(表 1 ) 項目実施例従来例 3

*大加速電圧 (kV) 40 300 最大電子ビーム電流 (mA) 300 300

磁場強度 (τ) 3 4.5 超伝導磁石の冷却方法閉サイクル冷凍機液体 Heタンク寸法（高さ（m) X幅（m)) 0.6 X 1 3X2

ビーム方向水平垂直表 1は、実施例の多価ィォン発生源 1と従来例 3の E B I Tとを比較したものである。実施例の多価イオン発生源 1の最大加速電圧はキセノンをイオン化するために必要な 4 0 k V、最大電子ビーム電流は 3 0 O mA、'超伝導磁右 1 1の冷却は閉サイクル冷凍機で行い、その磁場強度は 3 Tであり、多価イオンのビームは水平方向に出射させることができる。

一方、従来例 3の E B I T (文献 6 ) では、最大加速電圧はウランをイオン化するために 3 0 0 k V、最大電子ビーム電流は 3 0 O mA、超伝導磁石の冷却は液体 H eタンクで行い、その磁場強度は 4 . 5 Tであり、多価イオンのビ一ムは垂直方向に出射させることができる。

本発明の多価イオン発生源 1と、従来例 3の E B I Tとの大きな違いは、そのサイズ（高さ X幅 L 2 ) であり、それぞれ、本発明では 0 . 6 m x 1 m、従来例 3では 3 m X 2 mである。このように、本発明の多価ィォン発生源 1は、従来例 3の E B I Tに対して小型の構造にすることができた。上記実施例から、従来例 3の多価イオン発生源が 3 mx 2 m (縦型）という大型の装置であったものが、実施例においては、 0 . 6 mx l m (横型）のコンパクトな装置で、ナノプロセスへの応用という観点で、同等以上の性能を有する多価イオン発生源 1を実現できることが分かる。

超伝導磁石 1 1を電子ビーム及びイオンビームが収容される第 1の真空容器 2 とは別の第 2の真空容器 1 0に収容することで装置製作が容易となつた。このため、極高真空が必要なィォン源電極 3のみを容易にベ一キングすることが可能になり、装置コスト、性能維持に必要な保守コストを大幅に低減できた。

本発明の多価ィォン発生源及びそれを用いた荷電粒子ビーム装置によれば、多価イオンを用いたナノプロセスを実施することができる。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるィォン源電極の構成や超伝導磁石の磁場強度は、加速電圧や電子ビーム電流に合わせて適宜変更できる。産業上の刺用可能性

本発明の多価イオン発生源によれば、多価イオン発生のための第 1の真空容器を、短時間で、極高真空とすることがで、イオン源電極の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた多価イオン発生源を実現できる。また、本装置は小型軽量であり、低コストで製造することができる。

また、本発明の荷電粒子ビーム装置によれば、上記多価イオン発生源を用いるので、小型で軽量な荷電粒子ビーム装置を提供することができることに加え、真空立ち上げが短時間で済み、操作性、保守性に優れている。従って、ナノプロセスに好適に使用することができる。

Claims

1 . 電子 ¾|とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、

イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、

ィォン導入手段と、を含んで構成される多価ィォン発生源であつて、さらに、上記イオン源電極請を収容した第 1の真空容器と、

上記超伝導磁石を収容した第 2の真空容器と、を備え、

上記第 1の真空容器及び第 2の真空容の器に、それぞれ、真空排気装置が配設されていることを特徴とする、多価イオン発生範源。

2 . 前記第 2の真空容器が断面環状に形成囲され、前記第 1の真空容器が該第 2の真空容器の環中を揷通して配置されていることを特徴とする、請求項 1記載の多価イオン発生源。

3 . 前記超伝導磁石が、前記環状の第 2の真空容器内に環状に配設されていることを特徴とする、請求項 2記載の多価ィォン発生源。

4 · 前記第 2の真空容器は、前記第 1の真空容器から両者の真空を破らずに脱着可能であることを特徴とする、請求項 1又は 2に記載の多価ィォン発生源

5 . 前記超伝導磁石は、ヘルムホルツ型コイルを用いる超伝導磁石であることを特徴とする、請求項 1乃至 3の何れかに記載の多価ィォン発生源。

6 . 前記電子源の加速電圧は、 1 0〜4 0 k Vであることを特徴とする、請求項 1に記載の多価ィォン発生源。

7 . 電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、を含み、さらに、上記イオン源電極を収容した第 1の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第 2の真空容器と、を備え、上記第 1の真空容器及び第 2の真空容器に、それぞれ、真空排気装置が配設されている多価イオン発生源を用い、試料表面に多価ィォンを照射することを特徴とする、荷電粒子ビーム装置。

8 . 電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン原電極と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、さらに、上記イオン源電極を収容した第 1の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第 2の真空容器と、上記第 ' ίの真容器及び、第 2の真空容器にそれぞれ配設した真空排気系と、を備える多価イオン発生源と、

上記多価ィォン発生源に接続された第 3の真空容器及びその真空排気装置と、を備えていて、

上記第 3の真空容器内にィォン分離器と試料台とを配設し、

上記試料台に試料を載置することにより、上記多価ィォン発生源で発生した多価ィォンから所望の多価ィオンをィォン分離器により選択して試料表面に照射することを特徴とする、荷電粒子ビーム装置。

9 . 前記荷電粒子ビーム装置が、さらに、前記試料の観察装置を備えていることを特徴とする、請求項 7又は 8に記載の荷電粒子ビーム装置。

1 0 . 前記荷電粒子ビーム装置が、さらに、前記試料の表面処理装置を備えていることを特徴とする、請求項 7又は 8に記載の荷電粒子ビーム装置。