イオン源
【課題】より弱い電界で原料ガスを電界電離してイオン化できるイオン源を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、イオンビームを照射するためのイオン源１０であって、容器２０に供給される原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段５０を備え、誘電体バリア放電手段５０は、第一電極５２及びこの第一電極５２に対向する第二電極５３とこれら第一及び第二電極５２，５３間に印加するための交流電源５４とを有し、第一及び第二電極５２，５３は、少なくとも一方が誘電体で被覆されると共に、電界電離電極２３の後端よりも後方側で且つ原料ガスが当該第一及び第二電極５２，５３間を通過した後、容器２０に供給されるような位置に配置されることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、イオンビームを照射するためのイオン源１０であって、容器２０に供給される原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段５０を備え、誘電体バリア放電手段５０は、第一電極５２及びこの第一電極５２に対向する第二電極５３とこれら第一及び第二電極５２，５３間に印加するための交流電源５４とを有し、第一及び第二電極５２，５３は、少なくとも一方が誘電体で被覆されると共に、電界電離電極２３の後端よりも後方側で且つ原料ガスが当該第一及び第二電極５２，５３間を通過した後、容器２０に供給されるような位置に配置されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度のイオンビームを利用した、表面物理分析装置や半導体製造の検査装置、欠陥リペア装置用イオンプローブ、イオン注入、イオンビーム露光、イオンビーム堆積、イオンビームエッチング、イオンビーム描画、走査イオン顕微鏡等に用いられる微小径イオンビーム発生用のイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体工業等の分野では、サブミクロン以下に集束したイオンビームのイオン源としては、一般に、液体金属イオン源が用いられていた。この液体金属イオン源からは、高輝度のイオンビームを得ることができる。しかし、例えば、ガリウムを用いた液体金属イオン源から得られるイオンビームでは、スパッタリング効果が大きく、照射される物質表面へのダメージが大きい。そのため、分析用途に用いるには問題があった。また、照射した金属イオンが物質中に残留する等の問題もあった。
【０００３】
そこで、このような問題を避けるためにヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素を用いてイオンビームを得ることが考えられ、ガス相の電界電離型イオン源が利用され始めた。図２に示されるように、この電界電離型イオン源１００は、先端が尖った針状の電界電離電極１２３と、中央部に孔１２２が穿設された板状の引出電極１４０を有する容器１２０とを備える。電界電離電極１２３は、先端を前記孔１４１に向けて、且つ照射するイオンビームのビーム軸Ｋ’に沿うように前記容器１２０内に配置されている。一方、引出電極１４０は、中央部の孔１４１の中心が前記イオンビームのビーム軸Ｋ’と一致し、且つこのイオンビームのビーム軸Ｋ’に対向するように配置されている。また、容器１２０には、外部から不活性ガスや酸素等の原料ガスを供給する供給管１３０が接続されている。電界電離電極１２３と引出電極１４０との間には電位差が生じるように電源１６０及びアース１６２がそれぞれ接続されている（特許文献１参照）。
【０００４】
このようなイオン源１００において、針状の電界電離電極１２３が、その先端部半径を１ｎｍ〜１００ｎｍ程度となるように尖らされ、容器１２０内の圧力が１０-１Ｐａ程度となるように原料ガスを供給される。そして、この電界電離電極１２３の先端部周辺に５〜５０Ｖ／ｎｍ程度の強電界が形成されるように、電界電離電極１２３に対して印加する。このように構成されることで、針状の電解電離電極１２３の先端部周辺のガス分子は、電界電離現象によりイオンと電子とに分離される。このように分離されたイオンを引出電極１４０の孔１４１から容器１２０外に引き出すことで、前記不活性ガスや酸素の集束イオンビームが得られる。
【特許文献１】特許第２６０５６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のようなガス相の電界電離型イオン源１００で原料ガスをイオン化するには、針状の電界電離電極１２３の先端部近傍に５〜５０Ｖ／ｎｍのような強電界を形成する必要があった。電界電離電極１２３の先端部近傍に上記のような強電界を形成するためには、電界電離電極１２３に対して通常２０〜３０ｋＶ以上の電圧を印加する必要がある。このような大きな電圧を印加するためには、印加用電源１６０のサイズが大きくなる。そのため、このような印加用電源１６０を備えるイオン源１００の運転電力が大きくなると共に、このような印加用電源１６０を備えるイオン源１００に必要な絶縁対策も複雑なものとなるといった問題が生じていた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、より弱い電界で原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係るイオン源は、イオンビームを照射するためのものであって、微小開孔を有し、外部から原料ガスが供給される容器と、前記容器に原料ガスを供給して前記微小開孔から前記原料ガスを噴出させる原料ガス供給管と、前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて、若しくは前記先端を前記微小開孔から外部に僅かに突出させるように前記容器内に配置される電界電離電極と、前記微小開孔を介して前記電界電離電極と対向するよう、前記容器の外部に配置される引出電極と、この引出電極と前記電界電離電極との間に電圧を印加することにより、前記電界電離電極の先端部に強電界を形成し、この強電界によって前記微小開孔から噴出する原料ガスを電界電離してイオン化し、このイオン化された原料ガスを前記引出電極に引き出させる印加用電源と、前記容器に供給される原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段と、を備え、前記誘電体バリア放電手段は、第一電極及びこの第一電極に対向する第二電極と、これら第一及び第二電極間に印加するための交流電源とを有し、前記第一及び第二電極の少なくとも一方が誘電体で被覆され、前記第一及び第二電極は、前記電界電離電極の後端よりも後方側で、且つ原料ガスが当該第一及び第二電極間を通過したあと前記容器に供給されるような位置に配置されることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極間を通過した原料ガスがイオン化エネルギーの低いラジカル（活性種）の状態、即ち、ラジカル化される。このラジカル化された原料ガスが、容器内に供給され、電界電離電極の先端部に供給されることで引出電極に対する電界電離電極に印加する電圧をより低くしても、イオンビームを得ることができる。換言すると、ラジカル化されていない原料ガスを電界電離してイオン化する場合よりも、電界電離電極と引出電極との間に印加する電圧をより低くすることができる。その理由は、以下のとおりである。
【０００９】
図３に示されるように、金属表面に強電界Ｆが加わると、ガス分子の電子のポテンシャルエネルギーは、金属表面からの距離ｘに比例してｅＦｘだけ上側に移り、高さがＩ、幅がＩ／ｅＦを持った三角形状で近似できるポテンシャル障壁ができる（ｅは電子の電荷、Ｆは電界の強さ、Ｉはイオン化エネルギー）。この幅（＝Δｘ＝Ｉ／ｅＦ）が不確定性原理を満足する程度、
【００１０】
【数１】
【００１１】
であれば、原子内の電子は、トンネル効果を示す。ここで、ｈはプランク定数、Δｐは運動量の不確定性量である。
【００１２】
上記（１）式から
【００１３】
【数２】
【００１４】
となり、この（２）式から、
【００１５】
【数３】
【００１６】
が得られる。
【００１７】
この（３）式から分かるように、トンネル効果により電子が前記ポテンシャル障壁を通過してガス分子から分離し、このガス分子がイオン化するのに必要な電界強度Ｆは、Ｉの値が小さいほど小さくなる。即ち、ガス分子のイオン化エネルギーが小さいほど、電界電離現象による分子のイオン化が起こり易くなる。従って、前記針状の電界電離電極の先端部近傍にイオン化エネルギーの小さなガス分子（原料ガス）を供給することができれば、上記問題を解消することができる。
【００１８】
また、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極は、中心軸に沿って延びる中心電極及びこの中心電極を同心状に囲む筒状電極で構成されてもよい。
【００１９】
かかる構成によれば、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極全体の体積を小さくしつつ、前記第一及び第二電極間での放電領域を大きくできる。そのため、電極全体の大きさに対し、ラジカル化される原料ガスの量がより増加し、照射されるイオンビームの電流量がより多くなる。
【００２０】
また、前記中心電極及び筒状電極の中心軸と前記電界電離電極の中心軸とが一致若しくは略一致するように配置されてもよい。
【００２１】
かかる構成において、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極が形成する電界だけに着目すると、前記中心電極及び筒状電極の中心軸を中心にして回転対称に形成される。また、電界電離電極の周囲に形成される電界電離のための電界だけに着目すると、電界電離電極の中心軸を中心にして回転対称に形成される。
【００２２】
そのため、上記構成によれば、前記電界電離のための電界は、前記第一及び第二電極が形成する電界によって、その対称性を乱されない、若しくはごく僅かしか乱されない。従って、前記第一及び第二電極が形成する電界と前記電界電離のための電界との合成電界は、前記イオンビームのビーム軸を中心に回転対称、若しくは略回転対象に形成される。その結果、電界電離電極先端部で安定して原料ガスのイオン化が行われる。
【００２３】
また、前記筒状電極の直径が前記電界電離電極の直径と略同径となるように形成され、前記中心電極及び筒状電極は、前記電界電離電極の後端近傍に配置されてもよい。
【００２４】
かかる構成によれば、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極が形成する電界が電界電離電極の周囲に形成される電界電離のための電界に与える影響をより低くすることができる。さらに、原料ガスのラジカル化された状態は所定の寿命を有するが、前記第一及び第二電極間でラジカル化された原料ガスは、すぐに容器内に供給されてイオン化されるため、より効率良くイオン化が行われる。
【００２５】
また、前記誘電体バリア放電手段の筒状電極と前記電界電離電極とは、同電位であってもよい。
【００２６】
かかる構成によれば、前記筒状電極と前記電界電離電極との間に電位差が生じない。そのため、前記筒状電極と前記電界電離電極との間での放電を抑制できる。
【００２７】
また、前記微小開孔は、イオン化された原料ガスの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状であってもよい。
【００２８】
かかる構成によれば、容器に供給され、微小開孔から噴出する原料ガスが、微小開孔先端部での絞り効果により、電界電離電極先端部周辺でより高圧となる。そのため、前記微小開孔先端部と前記微小開孔の噴出側との圧力勾配がより急となり、効率よく原料ガスをイオン化すると共にイオン化された原料ガスが雰囲気ガスと衝突する確率、即ち、イオン消滅確率を低くすることができる。
【００２９】
また、内部を真空にすることができる真空容器をさらに備え、前記容器と引出電極とが前記真空容器内に配設され、前記容器外を真空領域とする構成であってもよい。
【００３０】
かかる構成によれば、容器から噴出する原料ガスの前記微小開孔先端部と前記微小開孔の噴出側とではより急激な圧力勾配が発生する。そのため、電界電離電極先端でイオン化された原料ガスが引き出される際に、前記イオン消滅確率をより低くすることができる。
【００３１】
また、前記容器に供給する原料ガスの供給量を制御するための原料ガス量制御手段を原料ガス供給管にさらに備え、この原料ガス量制御手段は、前記ガス導入室よりも上流側に設けられてもよい。
【００３２】
かかる構成によれば、前記容器に供給する原料ガスの量を制御することで、容易に所望の電流量のイオンビームを得ることができる。
【発明の効果】
【００３３】
以上より、本発明によれば、より弱い電界で原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
本実施形態に係るイオン源は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素からなるイオン原料ガス（原料ガス）を電界電離し、高輝度のイオンビームを得るためのイオン源である。図１に示されるように、イオン源１０は、微小開孔２２を有し、外部からイオン原料ガスが充填（供給）される容器２０と、この容器２０にイオン原料ガスを供給する原料ガス供給管３０と、容器２０内に配置される針状の電界電離電極（以下、単に「ニードル電極」とも称する。）２３と、この容器２０の前方に配置される引出電極４０と、容器２０に供給される前記イオン原料ガスをラジカル（活性種）化する誘電体バリア放電手段５０と、を備える。これら、容器２０、ニードル電極２３、引出電極４０及び誘電体バリア放電手段５０は、真空容器１１内に配設されている。また、ニードル電極２３と引出電極４０とには、ニードル電極２３の先端部に強電界を形成するための印加用電源６０が接続されている。尚、本実施形態において、照射されるイオンビームの照射方向を前方とする（図１（ａ）においては下方向）。
【００３６】
容器２０は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素などの常温で気体状態のイオン原料ガスが充填される容器であり、アルミナセラミクスやジルコニウム系セラミクス、ガラス等の絶縁体（本実施形態では、アルミナセラミクス）で形成されている。容器２０の前方側は板状体２１で構成され、この板状体２１には、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスが噴出する微小開孔２２が穿設されている。容器２０の後方側には、絶縁体で形成された支持体７０を介して誘電体バリア放電手段５０のガス導入室５１が接続されている。このガス導入室５１は、内部を通過するイオン原料ガスをラジカル化するための部位である。ガス導入室５１のさらに後方側には、原料ガス供給管３０が接続されている。この原料ガス供給管３０によって供給されるイオン原料ガスは、ガス導入室５１内を通過した後、容器２０に導入される。この容器２０の内部には、イオンビームのビーム軸Ｋ方向に沿って延びると共に先端が尖った、即ち、細長い針状のニードル電極２３が配置されている。このニードル電極２３は、先端が微小開孔２２に向くように支持体７０によって支持されている。
【００３７】
微小開孔２２は、容器２０の内部に配設されたニードル電極２３の中心軸（イオンビームのビーム軸Ｋ）にその中心を一致させ、容器２０の内部と外部とを連通するように容器２０前方側を構成する板状体２１に穿設されている。この微小開孔２２は、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスを噴出し、内部から外部に向かって、即ち、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成されている。また、微小開孔２２の小径側（容器２０の外面側）の孔径は、５〜１００μｍとなるように穿設されている。また、この微小開孔２２が形成されている板状体２１の厚さは、０．０１〜１ｍｍである。本実施形態においては、微小開孔２２の小径側の孔径は、２０μｍであり、板状体２１の厚さは、０．５ｍｍである。
【００３８】
原料ガス供給管３０は、イオン原料ガスを、ガス導入室５１の後述する電極４２，４３間を通過させた後、容器２０に供給できるよう、ガス導入室５１の後方側に接続されている。この原料ガス供給管３０の上流側には、容器２０へ供給するイオン原料ガスの量を制御する原料ガス供給量制御手段３１が設けられている。
【００３９】
ニードル電極２３は、イオン原料ガスを電界電離してイオン化するために、その先端部に強電界を発生させるための電極である。このニードル電極２３は、タングステン、イリジウム等の金属やシリコン、又はそれらを含む合金、若しくはそれらに貴金属、高融点金属、高融点金属の炭化物若しくは窒化物等でコーティング処理を施したものであってもよい。また、ニードル電極２３は、中心軸が照射されるイオンビームのビーム軸Ｋと一致し、先端が微小開孔２２近傍若しくは僅かに微小開孔２２から容器２０外へ突出するように支持体７０によって支持されている。このニードル電極２３は、先端が尖った細長の針状で、その先端半径が１００ｎｍ以下となるように形成されている。本実施形態において、ニードル電極２３は、タングステン製で、長さが２０ｍｍであり、また、先端半径が５０ｎｍとなるように電界研磨により形成されている。そして、その先端が微小開孔２２から僅かに容器２０外へ突出している。
【００４０】
支持体７０は、絶縁体で構成され、ニードル電極２３、ガス導入室５１及び容器２０をそれぞれ絶縁状態で接続又は支持している。また、支持体７０の内部にはイオン原料ガスを通過させる孔７１が穿設されており、この孔７１は、ガス導入室５１の後述する放電領域と容器２０の内部とを連通する（図１（ｂ）参照）。
【００４１】
引出電極４０は、ニードル電極２３の先端部（詳細には先端部近傍）に強電界を発生させ、当該強電界によってイオン原料ガスをイオン化すると同時に、このイオン化されたイオン原料ガスをイオンビームとして引き出す役目を担う。イオン化されたイオン原料ガスをイオンビームの照射方向に引き出すための電極である。この引出電極４０は、ステンレス製の板状の電極で、イオンビームの通過するイオンビーム通過孔４１が中央に穿設されている。このように構成される引出電極４０は、容器２０の前方側に、微小開孔２２を介してニードル電極２３の先端と対向するように配置されている。即ち、引出電極４０は、中央に穿設されたイオンビーム通過孔４１の中心が微小開孔２２の中心と同一直線上（イオンビームのビーム軸Ｋ上）に位置するように配置されている。
【００４２】
ニードル電極２３と引出電極４０とには、ニードル電極２３の先端部に強電界を形成するための強電界用電源（印加用電源）６０が接続されている。この強電界用電源６０は、直流電源であり、引出電極４０に対してニードル電極２３が５ｋ〜２０ｋＶ程度、本実施形態の場合、２０ｋＶの正電位を印加する電源である。また、ガス導入室５１の後述する筒状電極５３とニードル電極２３とは、無用な放電を避けるため、同電位となるように電線等の接続線６１によって接続されている。
【００４３】
誘電体バリア放電手段５０は、原料ガス供給管３０によって供給されたイオン原料ガスを内部でラジカル（活性種）化するためのものである。この誘電体バリア放電手段５０は、第一電極５２及びこの第一電極５２に対向する第二電極５３と、これら第一及び第二電極５２，５３間に印加するための交流電源５４と、を有する。
【００４４】
第一電極５２と第二電極５３の少なくとも一方が誘電体によって被覆される必要があり、本実施形態においては、第一及び第二電極５２，５３が共に被覆されている。また、これら第一及び第二電極５２，５３は、ガス導入室５１内に配置されている。このガス導入室５１は、原料ガス供給管３０に設けられている。本実施形態においては、ガス導入室５１は、原料ガス供給管３０の最下流、即ち、容器２０と原料ガス供給管３０との接続部位に設けられている。また、交流電源５４は、第一電極５２と第二電極５３との間に、１〜２０ｋＨｚ、１ｋＶ程度の交流電圧を印加するための交流電源である。
【００４５】
より詳細には、第一電極５２と第二電極５３とは、アルミニウムで形成されており、その表面には厚さ０．５〜１ｍｍのセラミック被膜が施されている。この第一及び第二電極５２，５３を被覆している誘電体（セラミック被膜）の誘電率は９程度である。第一電極５２は中心軸Ｃに沿って延びる円柱状の中心電極である。また、第二電極５３は、前記中心電極５２を同心に囲む円筒形状の筒状電極である。中心電極５２の外周面と筒状電極５３の内周面との間隔（ギャップ）は、１ｍｍ程度であり、誘電体バリア放電（無声放電）が行われる放電領域を形成している。また、筒状電極５３の直径は、ニードル電極２３の直径と同程度（略同径）となるように形成されている。尚、本実施形態において、筒状電極５３は、ニードル電極２３側の端部が所定長さだけ内側に向かって（中心軸Ｃ方向に）延設されている。このように延設されることで、中心電極５２と対向する部位の面積が増加し、前記放電領域が増加する。
【００４６】
これら中心電極５２及び筒状電極５３が配置されるガス導入室５１は、その中心軸Ｃがニードル電極２３の中心軸と一致するように容器２０の後方側に接続されている。即ち、ガス導入室５１は、両電極５２，５３の中心軸Ｃがニードル電極２３の中心軸と一致すると共に、照射されるイオンビームのビーム軸Ｋと一致するよう、容器２０の後方側に支持体７０を介して接続されている。
【００４７】
真空容器１１は、いわゆる真空チャンバーであり、真空ポンプ１２が設けられた排気管１３が接続されている。この真空容器１１の内部は、イオン源１０の作動時において、接続された真空ポンプ１２によって内部の空気が排気され、高真空状態に保たれる。
【００４８】
本実施形態に係るイオン源１０は、以上の構成からなり、次に、このイオン源１０の作用について説明する。
【００４９】
真空容器１１内が真空ポンプ１２によって真空引きされ、高真空状態となる。そして、原料ガス供給管３０を通じて容器２０内にイオン原料ガス（本実施形態においては、ヘリウム）が供給される。このとき、容器内の圧力が１Ｐａ〜１ＭＰａとなるように原料ガス供給量制御手段３１で容器２０内へのイオン原料ガスの供給量を調整する。本実施形態においては、１００Ｐａとする。このように容器２０に供給されるイオン原料ガスの量を調整することで、後述するようなイオンビームを容易に所望の電流量だけ得ることができる。また、容易に容器２０内の圧力を一定に保つことができるため、ニードル電極２３の先端部においてイオン原料ガスの安定したイオン化が行われ、その結果、安定したイオンビームも得られる。
【００５０】
前記イオン原料ガスは、容器２０内に導入される前にガス導入室５１に導入されてラジカル化される。具体的には、イオン原料ガスは、原料ガス供給管３０からガス導入室５１の中心電極５２と筒状電極５３との間隙、即ち、前記放電領域内に導入される。その際、両電極５２，５３間には、交流電源５４によって前記所定の交流電圧が印加されている。これにより、中心電極５２と筒状電極５３との間に連続した微小放電である誘電体バリア放電（無声放電）領域が形成される。このように、誘電体バリア放電領域が形成された両電極５２，５３間を通過することで、イオン原料ガスはラジカル化される。
【００５１】
このようにラジカル化されたイオン原料ガスは、励起した準安定状態で容器２０内に導入（充填）される。このとき、ガス導入室５１は、容器２０の直上流側に接続されている。そのため、ラジカル化されたイオン原料ガスは、寿命によって消滅する前に電界電離されてイオン化される。このようにイオン化されたイオン原料ガスは、引出電極４０によってイオンビームとして引き出される。
【００５２】
具体的には、容器２０内にラジカル化されたイオン原料ガスが導入される際に、引出電極４０に対して、ニードル電極２３は、１０ｋＶ程度の正電位が印加されている。これにより、ニードル電極２３の先端周り（先端近傍）に強電界が形成される。このとき、ニードル電極２３と筒状電極５３とが接続線６１で接続されて同電位となっている。そのため、両電極２３，５３間にアーク放電やグロー放電等の無用な放電が生じない。
【００５３】
そして、ラジカル化されたイオン原料ガスが微小開孔２２から外部に噴出される際に、前記ニードル電極２３先端周辺を通過する、即ち、強電界中を通過する。その際、電界電離現象によってイオン原料ガスがイオン化され、このイオン化されたガスがニードル電極２３と引出電極４０との間の電位差によって引出電極４０側に引き出され、イオンビームが形成される。このイオンビームは、引出電極４０の中央に穿設されたイオンビーム通過孔４１を通過して照射される。
【００５４】
このとき、ニードル電極２３の先端周辺でイオン原料ガスをイオン化するのに必要な電界強度は、上記の（３）式から、ヘリウムラジカルを用いた場合、Ｉ＝４ｅＶ程度であることから、ｅＦ≒４Ｖ／ｎｍとなる。これに対し、ヘリウムを用いた場合に必要な電界強度は、Ｉ＝２４．５ｅＶとするとｅＦ≒６０Ｖ／ｎｍとなる。このように、ヘリウムラジカルを用いることで、ヘリウムを用いる場合に比べ１５分の１程度の電界強度で電界電離現象を起こすことが可能となる。
【００５５】
また、ガス導入室５１が中心軸Ｃに沿って延びる中心電極５２及びこの中心電極５２を同心状に囲む筒状電極５３で構成されている。そのため、ガス導入室５１全体の体積を小さくしつつ、中心電極５２及び筒状電極５３間の放電領域を大きくすることができる。従って、ガス導入室５１の大きさに対し、ラジカル化できるイオン原料ガスの量がより多くなり、照射するイオンビームの電流量をより多くすることができる。
【００５６】
さらに、ガス導入室５１とニードル電極２３とは、ガス導入室５１に配置される中心電極５２及び筒状電極５３の中心軸Ｃと、ニードル電極２３の中心軸と、が一致するように配置されている。そのため、中心電極５２及び筒状電極５３が形成する電界とニードル電極２３が形成する電界との合成電界は、照射するイオンビームのビーム軸Ｋを中心にして回転対称に形成することができる。そのため、ニードル電極２３先端部で安定してイオン原料ガスのイオン化が行われ、安定したイオンビームを照射することができる。
【００５７】
微小開孔２２は、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成されているため、イオン化されるイオン原料ガスが微小開孔２２から噴出し易く、且つ微小開孔先端部での絞り効果により、容器の噴出側で、より急激な圧力勾配を発生させることができる。
【００５８】
そのため、微小開孔２２の噴出側近傍では、十分な高真空領域となる。詳細には、微小開孔２２の噴出側近傍では、噴出したイオン化されたイオン原料ガス（イオン）以外の雰囲気ガスが前記急激な圧力勾配によって一気に拡散される。その結果、ニードル電極２３先端周辺でイオン原料ガスがイオン化されて容器２０から引き出された直後の領域は、前記引き出されたイオンが雰囲気ガスと衝突する確率が低い、即ち、イオン消滅確率が低い高真空領域となる。このようにして、イオン源１０は、イオン消滅確率を低く抑えてイオンビーム電流を多く発生させることができる。
【００５９】
尚、本発明のイオン源は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００６０】
本実施形態においては、誘電体バリア放電手段５０の第一及び第二電極５２，５３は、容器２０の後方側に接続されているが、これに限定される必要もない。即ち、誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極間でラジカル化されたイオン原料ガスが、その状態で電界電離電極の先端部に到達できる距離であれば、前記第一及び第二電極は、原料ガス供給管３０における、より上流側に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施形態に係るイオン源における、（ａ）は概略構成図を示し、（ｂ）は、そのＡ−Ａ端面図を示す。
【図２】従来の電界電離型イオン源の概略構成図を示す。
【図３】電界中におかれた金属表面近くのガス分子のポテンシャル図を示す。
【符号の説明】
【００６２】
１０ イオン源
２０ 容器
２２ 微小開孔
２３ 電界電離電極（ニードル電極）
３０ 原料ガス供給管
４０ 引出電極
５０ 誘電体バリア放電手段
５２ 第一電極（中心電極）
５３ 第二電極（筒状電極）
５４ 交流電源
６０ 印加用電源（強電界用電源）
Ｋ ビーム軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度のイオンビームを利用した、表面物理分析装置や半導体製造の検査装置、欠陥リペア装置用イオンプローブ、イオン注入、イオンビーム露光、イオンビーム堆積、イオンビームエッチング、イオンビーム描画、走査イオン顕微鏡等に用いられる微小径イオンビーム発生用のイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体工業等の分野では、サブミクロン以下に集束したイオンビームのイオン源としては、一般に、液体金属イオン源が用いられていた。この液体金属イオン源からは、高輝度のイオンビームを得ることができる。しかし、例えば、ガリウムを用いた液体金属イオン源から得られるイオンビームでは、スパッタリング効果が大きく、照射される物質表面へのダメージが大きい。そのため、分析用途に用いるには問題があった。また、照射した金属イオンが物質中に残留する等の問題もあった。
【０００３】
そこで、このような問題を避けるためにヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素を用いてイオンビームを得ることが考えられ、ガス相の電界電離型イオン源が利用され始めた。図２に示されるように、この電界電離型イオン源１００は、先端が尖った針状の電界電離電極１２３と、中央部に孔１２２が穿設された板状の引出電極１４０を有する容器１２０とを備える。電界電離電極１２３は、先端を前記孔１４１に向けて、且つ照射するイオンビームのビーム軸Ｋ’に沿うように前記容器１２０内に配置されている。一方、引出電極１４０は、中央部の孔１４１の中心が前記イオンビームのビーム軸Ｋ’と一致し、且つこのイオンビームのビーム軸Ｋ’に対向するように配置されている。また、容器１２０には、外部から不活性ガスや酸素等の原料ガスを供給する供給管１３０が接続されている。電界電離電極１２３と引出電極１４０との間には電位差が生じるように電源１６０及びアース１６２がそれぞれ接続されている（特許文献１参照）。
【０００４】
このようなイオン源１００において、針状の電界電離電極１２３が、その先端部半径を１ｎｍ〜１００ｎｍ程度となるように尖らされ、容器１２０内の圧力が１０-１Ｐａ程度となるように原料ガスを供給される。そして、この電界電離電極１２３の先端部周辺に５〜５０Ｖ／ｎｍ程度の強電界が形成されるように、電界電離電極１２３に対して印加する。このように構成されることで、針状の電解電離電極１２３の先端部周辺のガス分子は、電界電離現象によりイオンと電子とに分離される。このように分離されたイオンを引出電極１４０の孔１４１から容器１２０外に引き出すことで、前記不活性ガスや酸素の集束イオンビームが得られる。
【特許文献１】特許第２６０５６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のようなガス相の電界電離型イオン源１００で原料ガスをイオン化するには、針状の電界電離電極１２３の先端部近傍に５〜５０Ｖ／ｎｍのような強電界を形成する必要があった。電界電離電極１２３の先端部近傍に上記のような強電界を形成するためには、電界電離電極１２３に対して通常２０〜３０ｋＶ以上の電圧を印加する必要がある。このような大きな電圧を印加するためには、印加用電源１６０のサイズが大きくなる。そのため、このような印加用電源１６０を備えるイオン源１００の運転電力が大きくなると共に、このような印加用電源１６０を備えるイオン源１００に必要な絶縁対策も複雑なものとなるといった問題が生じていた。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、より弱い電界で原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係るイオン源は、イオンビームを照射するためのものであって、微小開孔を有し、外部から原料ガスが供給される容器と、前記容器に原料ガスを供給して前記微小開孔から前記原料ガスを噴出させる原料ガス供給管と、前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて、若しくは前記先端を前記微小開孔から外部に僅かに突出させるように前記容器内に配置される電界電離電極と、前記微小開孔を介して前記電界電離電極と対向するよう、前記容器の外部に配置される引出電極と、この引出電極と前記電界電離電極との間に電圧を印加することにより、前記電界電離電極の先端部に強電界を形成し、この強電界によって前記微小開孔から噴出する原料ガスを電界電離してイオン化し、このイオン化された原料ガスを前記引出電極に引き出させる印加用電源と、前記容器に供給される原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段と、を備え、前記誘電体バリア放電手段は、第一電極及びこの第一電極に対向する第二電極と、これら第一及び第二電極間に印加するための交流電源とを有し、前記第一及び第二電極の少なくとも一方が誘電体で被覆され、前記第一及び第二電極は、前記電界電離電極の後端よりも後方側で、且つ原料ガスが当該第一及び第二電極間を通過したあと前記容器に供給されるような位置に配置されることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極間を通過した原料ガスがイオン化エネルギーの低いラジカル（活性種）の状態、即ち、ラジカル化される。このラジカル化された原料ガスが、容器内に供給され、電界電離電極の先端部に供給されることで引出電極に対する電界電離電極に印加する電圧をより低くしても、イオンビームを得ることができる。換言すると、ラジカル化されていない原料ガスを電界電離してイオン化する場合よりも、電界電離電極と引出電極との間に印加する電圧をより低くすることができる。その理由は、以下のとおりである。
【０００９】
図３に示されるように、金属表面に強電界Ｆが加わると、ガス分子の電子のポテンシャルエネルギーは、金属表面からの距離ｘに比例してｅＦｘだけ上側に移り、高さがＩ、幅がＩ／ｅＦを持った三角形状で近似できるポテンシャル障壁ができる（ｅは電子の電荷、Ｆは電界の強さ、Ｉはイオン化エネルギー）。この幅（＝Δｘ＝Ｉ／ｅＦ）が不確定性原理を満足する程度、
【００１０】
【数１】
【００１１】
であれば、原子内の電子は、トンネル効果を示す。ここで、ｈはプランク定数、Δｐは運動量の不確定性量である。
【００１２】
上記（１）式から
【００１３】
【数２】
【００１４】
となり、この（２）式から、
【００１５】
【数３】
【００１６】
が得られる。
【００１７】
この（３）式から分かるように、トンネル効果により電子が前記ポテンシャル障壁を通過してガス分子から分離し、このガス分子がイオン化するのに必要な電界強度Ｆは、Ｉの値が小さいほど小さくなる。即ち、ガス分子のイオン化エネルギーが小さいほど、電界電離現象による分子のイオン化が起こり易くなる。従って、前記針状の電界電離電極の先端部近傍にイオン化エネルギーの小さなガス分子（原料ガス）を供給することができれば、上記問題を解消することができる。
【００１８】
また、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極は、中心軸に沿って延びる中心電極及びこの中心電極を同心状に囲む筒状電極で構成されてもよい。
【００１９】
かかる構成によれば、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極全体の体積を小さくしつつ、前記第一及び第二電極間での放電領域を大きくできる。そのため、電極全体の大きさに対し、ラジカル化される原料ガスの量がより増加し、照射されるイオンビームの電流量がより多くなる。
【００２０】
また、前記中心電極及び筒状電極の中心軸と前記電界電離電極の中心軸とが一致若しくは略一致するように配置されてもよい。
【００２１】
かかる構成において、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極が形成する電界だけに着目すると、前記中心電極及び筒状電極の中心軸を中心にして回転対称に形成される。また、電界電離電極の周囲に形成される電界電離のための電界だけに着目すると、電界電離電極の中心軸を中心にして回転対称に形成される。
【００２２】
そのため、上記構成によれば、前記電界電離のための電界は、前記第一及び第二電極が形成する電界によって、その対称性を乱されない、若しくはごく僅かしか乱されない。従って、前記第一及び第二電極が形成する電界と前記電界電離のための電界との合成電界は、前記イオンビームのビーム軸を中心に回転対称、若しくは略回転対象に形成される。その結果、電界電離電極先端部で安定して原料ガスのイオン化が行われる。
【００２３】
また、前記筒状電極の直径が前記電界電離電極の直径と略同径となるように形成され、前記中心電極及び筒状電極は、前記電界電離電極の後端近傍に配置されてもよい。
【００２４】
かかる構成によれば、前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極が形成する電界が電界電離電極の周囲に形成される電界電離のための電界に与える影響をより低くすることができる。さらに、原料ガスのラジカル化された状態は所定の寿命を有するが、前記第一及び第二電極間でラジカル化された原料ガスは、すぐに容器内に供給されてイオン化されるため、より効率良くイオン化が行われる。
【００２５】
また、前記誘電体バリア放電手段の筒状電極と前記電界電離電極とは、同電位であってもよい。
【００２６】
かかる構成によれば、前記筒状電極と前記電界電離電極との間に電位差が生じない。そのため、前記筒状電極と前記電界電離電極との間での放電を抑制できる。
【００２７】
また、前記微小開孔は、イオン化された原料ガスの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状であってもよい。
【００２８】
かかる構成によれば、容器に供給され、微小開孔から噴出する原料ガスが、微小開孔先端部での絞り効果により、電界電離電極先端部周辺でより高圧となる。そのため、前記微小開孔先端部と前記微小開孔の噴出側との圧力勾配がより急となり、効率よく原料ガスをイオン化すると共にイオン化された原料ガスが雰囲気ガスと衝突する確率、即ち、イオン消滅確率を低くすることができる。
【００２９】
また、内部を真空にすることができる真空容器をさらに備え、前記容器と引出電極とが前記真空容器内に配設され、前記容器外を真空領域とする構成であってもよい。
【００３０】
かかる構成によれば、容器から噴出する原料ガスの前記微小開孔先端部と前記微小開孔の噴出側とではより急激な圧力勾配が発生する。そのため、電界電離電極先端でイオン化された原料ガスが引き出される際に、前記イオン消滅確率をより低くすることができる。
【００３１】
また、前記容器に供給する原料ガスの供給量を制御するための原料ガス量制御手段を原料ガス供給管にさらに備え、この原料ガス量制御手段は、前記ガス導入室よりも上流側に設けられてもよい。
【００３２】
かかる構成によれば、前記容器に供給する原料ガスの量を制御することで、容易に所望の電流量のイオンビームを得ることができる。
【発明の効果】
【００３３】
以上より、本発明によれば、より弱い電界で原料ガスを電界電離してイオン化することができるイオン源を提供することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
本実施形態に係るイオン源は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素からなるイオン原料ガス（原料ガス）を電界電離し、高輝度のイオンビームを得るためのイオン源である。図１に示されるように、イオン源１０は、微小開孔２２を有し、外部からイオン原料ガスが充填（供給）される容器２０と、この容器２０にイオン原料ガスを供給する原料ガス供給管３０と、容器２０内に配置される針状の電界電離電極（以下、単に「ニードル電極」とも称する。）２３と、この容器２０の前方に配置される引出電極４０と、容器２０に供給される前記イオン原料ガスをラジカル（活性種）化する誘電体バリア放電手段５０と、を備える。これら、容器２０、ニードル電極２３、引出電極４０及び誘電体バリア放電手段５０は、真空容器１１内に配設されている。また、ニードル電極２３と引出電極４０とには、ニードル電極２３の先端部に強電界を形成するための印加用電源６０が接続されている。尚、本実施形態において、照射されるイオンビームの照射方向を前方とする（図１（ａ）においては下方向）。
【００３６】
容器２０は、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素などの常温で気体状態のイオン原料ガスが充填される容器であり、アルミナセラミクスやジルコニウム系セラミクス、ガラス等の絶縁体（本実施形態では、アルミナセラミクス）で形成されている。容器２０の前方側は板状体２１で構成され、この板状体２１には、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスが噴出する微小開孔２２が穿設されている。容器２０の後方側には、絶縁体で形成された支持体７０を介して誘電体バリア放電手段５０のガス導入室５１が接続されている。このガス導入室５１は、内部を通過するイオン原料ガスをラジカル化するための部位である。ガス導入室５１のさらに後方側には、原料ガス供給管３０が接続されている。この原料ガス供給管３０によって供給されるイオン原料ガスは、ガス導入室５１内を通過した後、容器２０に導入される。この容器２０の内部には、イオンビームのビーム軸Ｋ方向に沿って延びると共に先端が尖った、即ち、細長い針状のニードル電極２３が配置されている。このニードル電極２３は、先端が微小開孔２２に向くように支持体７０によって支持されている。
【００３７】
微小開孔２２は、容器２０の内部に配設されたニードル電極２３の中心軸（イオンビームのビーム軸Ｋ）にその中心を一致させ、容器２０の内部と外部とを連通するように容器２０前方側を構成する板状体２１に穿設されている。この微小開孔２２は、容器２０内にイオン原料ガスが充填されることでこのイオン原料ガスを噴出し、内部から外部に向かって、即ち、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成されている。また、微小開孔２２の小径側（容器２０の外面側）の孔径は、５〜１００μｍとなるように穿設されている。また、この微小開孔２２が形成されている板状体２１の厚さは、０．０１〜１ｍｍである。本実施形態においては、微小開孔２２の小径側の孔径は、２０μｍであり、板状体２１の厚さは、０．５ｍｍである。
【００３８】
原料ガス供給管３０は、イオン原料ガスを、ガス導入室５１の後述する電極４２，４３間を通過させた後、容器２０に供給できるよう、ガス導入室５１の後方側に接続されている。この原料ガス供給管３０の上流側には、容器２０へ供給するイオン原料ガスの量を制御する原料ガス供給量制御手段３１が設けられている。
【００３９】
ニードル電極２３は、イオン原料ガスを電界電離してイオン化するために、その先端部に強電界を発生させるための電極である。このニードル電極２３は、タングステン、イリジウム等の金属やシリコン、又はそれらを含む合金、若しくはそれらに貴金属、高融点金属、高融点金属の炭化物若しくは窒化物等でコーティング処理を施したものであってもよい。また、ニードル電極２３は、中心軸が照射されるイオンビームのビーム軸Ｋと一致し、先端が微小開孔２２近傍若しくは僅かに微小開孔２２から容器２０外へ突出するように支持体７０によって支持されている。このニードル電極２３は、先端が尖った細長の針状で、その先端半径が１００ｎｍ以下となるように形成されている。本実施形態において、ニードル電極２３は、タングステン製で、長さが２０ｍｍであり、また、先端半径が５０ｎｍとなるように電界研磨により形成されている。そして、その先端が微小開孔２２から僅かに容器２０外へ突出している。
【００４０】
支持体７０は、絶縁体で構成され、ニードル電極２３、ガス導入室５１及び容器２０をそれぞれ絶縁状態で接続又は支持している。また、支持体７０の内部にはイオン原料ガスを通過させる孔７１が穿設されており、この孔７１は、ガス導入室５１の後述する放電領域と容器２０の内部とを連通する（図１（ｂ）参照）。
【００４１】
引出電極４０は、ニードル電極２３の先端部（詳細には先端部近傍）に強電界を発生させ、当該強電界によってイオン原料ガスをイオン化すると同時に、このイオン化されたイオン原料ガスをイオンビームとして引き出す役目を担う。イオン化されたイオン原料ガスをイオンビームの照射方向に引き出すための電極である。この引出電極４０は、ステンレス製の板状の電極で、イオンビームの通過するイオンビーム通過孔４１が中央に穿設されている。このように構成される引出電極４０は、容器２０の前方側に、微小開孔２２を介してニードル電極２３の先端と対向するように配置されている。即ち、引出電極４０は、中央に穿設されたイオンビーム通過孔４１の中心が微小開孔２２の中心と同一直線上（イオンビームのビーム軸Ｋ上）に位置するように配置されている。
【００４２】
ニードル電極２３と引出電極４０とには、ニードル電極２３の先端部に強電界を形成するための強電界用電源（印加用電源）６０が接続されている。この強電界用電源６０は、直流電源であり、引出電極４０に対してニードル電極２３が５ｋ〜２０ｋＶ程度、本実施形態の場合、２０ｋＶの正電位を印加する電源である。また、ガス導入室５１の後述する筒状電極５３とニードル電極２３とは、無用な放電を避けるため、同電位となるように電線等の接続線６１によって接続されている。
【００４３】
誘電体バリア放電手段５０は、原料ガス供給管３０によって供給されたイオン原料ガスを内部でラジカル（活性種）化するためのものである。この誘電体バリア放電手段５０は、第一電極５２及びこの第一電極５２に対向する第二電極５３と、これら第一及び第二電極５２，５３間に印加するための交流電源５４と、を有する。
【００４４】
第一電極５２と第二電極５３の少なくとも一方が誘電体によって被覆される必要があり、本実施形態においては、第一及び第二電極５２，５３が共に被覆されている。また、これら第一及び第二電極５２，５３は、ガス導入室５１内に配置されている。このガス導入室５１は、原料ガス供給管３０に設けられている。本実施形態においては、ガス導入室５１は、原料ガス供給管３０の最下流、即ち、容器２０と原料ガス供給管３０との接続部位に設けられている。また、交流電源５４は、第一電極５２と第二電極５３との間に、１〜２０ｋＨｚ、１ｋＶ程度の交流電圧を印加するための交流電源である。
【００４５】
より詳細には、第一電極５２と第二電極５３とは、アルミニウムで形成されており、その表面には厚さ０．５〜１ｍｍのセラミック被膜が施されている。この第一及び第二電極５２，５３を被覆している誘電体（セラミック被膜）の誘電率は９程度である。第一電極５２は中心軸Ｃに沿って延びる円柱状の中心電極である。また、第二電極５３は、前記中心電極５２を同心に囲む円筒形状の筒状電極である。中心電極５２の外周面と筒状電極５３の内周面との間隔（ギャップ）は、１ｍｍ程度であり、誘電体バリア放電（無声放電）が行われる放電領域を形成している。また、筒状電極５３の直径は、ニードル電極２３の直径と同程度（略同径）となるように形成されている。尚、本実施形態において、筒状電極５３は、ニードル電極２３側の端部が所定長さだけ内側に向かって（中心軸Ｃ方向に）延設されている。このように延設されることで、中心電極５２と対向する部位の面積が増加し、前記放電領域が増加する。
【００４６】
これら中心電極５２及び筒状電極５３が配置されるガス導入室５１は、その中心軸Ｃがニードル電極２３の中心軸と一致するように容器２０の後方側に接続されている。即ち、ガス導入室５１は、両電極５２，５３の中心軸Ｃがニードル電極２３の中心軸と一致すると共に、照射されるイオンビームのビーム軸Ｋと一致するよう、容器２０の後方側に支持体７０を介して接続されている。
【００４７】
真空容器１１は、いわゆる真空チャンバーであり、真空ポンプ１２が設けられた排気管１３が接続されている。この真空容器１１の内部は、イオン源１０の作動時において、接続された真空ポンプ１２によって内部の空気が排気され、高真空状態に保たれる。
【００４８】
本実施形態に係るイオン源１０は、以上の構成からなり、次に、このイオン源１０の作用について説明する。
【００４９】
真空容器１１内が真空ポンプ１２によって真空引きされ、高真空状態となる。そして、原料ガス供給管３０を通じて容器２０内にイオン原料ガス（本実施形態においては、ヘリウム）が供給される。このとき、容器内の圧力が１Ｐａ〜１ＭＰａとなるように原料ガス供給量制御手段３１で容器２０内へのイオン原料ガスの供給量を調整する。本実施形態においては、１００Ｐａとする。このように容器２０に供給されるイオン原料ガスの量を調整することで、後述するようなイオンビームを容易に所望の電流量だけ得ることができる。また、容易に容器２０内の圧力を一定に保つことができるため、ニードル電極２３の先端部においてイオン原料ガスの安定したイオン化が行われ、その結果、安定したイオンビームも得られる。
【００５０】
前記イオン原料ガスは、容器２０内に導入される前にガス導入室５１に導入されてラジカル化される。具体的には、イオン原料ガスは、原料ガス供給管３０からガス導入室５１の中心電極５２と筒状電極５３との間隙、即ち、前記放電領域内に導入される。その際、両電極５２，５３間には、交流電源５４によって前記所定の交流電圧が印加されている。これにより、中心電極５２と筒状電極５３との間に連続した微小放電である誘電体バリア放電（無声放電）領域が形成される。このように、誘電体バリア放電領域が形成された両電極５２，５３間を通過することで、イオン原料ガスはラジカル化される。
【００５１】
このようにラジカル化されたイオン原料ガスは、励起した準安定状態で容器２０内に導入（充填）される。このとき、ガス導入室５１は、容器２０の直上流側に接続されている。そのため、ラジカル化されたイオン原料ガスは、寿命によって消滅する前に電界電離されてイオン化される。このようにイオン化されたイオン原料ガスは、引出電極４０によってイオンビームとして引き出される。
【００５２】
具体的には、容器２０内にラジカル化されたイオン原料ガスが導入される際に、引出電極４０に対して、ニードル電極２３は、１０ｋＶ程度の正電位が印加されている。これにより、ニードル電極２３の先端周り（先端近傍）に強電界が形成される。このとき、ニードル電極２３と筒状電極５３とが接続線６１で接続されて同電位となっている。そのため、両電極２３，５３間にアーク放電やグロー放電等の無用な放電が生じない。
【００５３】
そして、ラジカル化されたイオン原料ガスが微小開孔２２から外部に噴出される際に、前記ニードル電極２３先端周辺を通過する、即ち、強電界中を通過する。その際、電界電離現象によってイオン原料ガスがイオン化され、このイオン化されたガスがニードル電極２３と引出電極４０との間の電位差によって引出電極４０側に引き出され、イオンビームが形成される。このイオンビームは、引出電極４０の中央に穿設されたイオンビーム通過孔４１を通過して照射される。
【００５４】
このとき、ニードル電極２３の先端周辺でイオン原料ガスをイオン化するのに必要な電界強度は、上記の（３）式から、ヘリウムラジカルを用いた場合、Ｉ＝４ｅＶ程度であることから、ｅＦ≒４Ｖ／ｎｍとなる。これに対し、ヘリウムを用いた場合に必要な電界強度は、Ｉ＝２４．５ｅＶとするとｅＦ≒６０Ｖ／ｎｍとなる。このように、ヘリウムラジカルを用いることで、ヘリウムを用いる場合に比べ１５分の１程度の電界強度で電界電離現象を起こすことが可能となる。
【００５５】
また、ガス導入室５１が中心軸Ｃに沿って延びる中心電極５２及びこの中心電極５２を同心状に囲む筒状電極５３で構成されている。そのため、ガス導入室５１全体の体積を小さくしつつ、中心電極５２及び筒状電極５３間の放電領域を大きくすることができる。従って、ガス導入室５１の大きさに対し、ラジカル化できるイオン原料ガスの量がより多くなり、照射するイオンビームの電流量をより多くすることができる。
【００５６】
さらに、ガス導入室５１とニードル電極２３とは、ガス導入室５１に配置される中心電極５２及び筒状電極５３の中心軸Ｃと、ニードル電極２３の中心軸と、が一致するように配置されている。そのため、中心電極５２及び筒状電極５３が形成する電界とニードル電極２３が形成する電界との合成電界は、照射するイオンビームのビーム軸Ｋを中心にして回転対称に形成することができる。そのため、ニードル電極２３先端部で安定してイオン原料ガスのイオン化が行われ、安定したイオンビームを照射することができる。
【００５７】
微小開孔２２は、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成されているため、イオン化されるイオン原料ガスが微小開孔２２から噴出し易く、且つ微小開孔先端部での絞り効果により、容器の噴出側で、より急激な圧力勾配を発生させることができる。
【００５８】
そのため、微小開孔２２の噴出側近傍では、十分な高真空領域となる。詳細には、微小開孔２２の噴出側近傍では、噴出したイオン化されたイオン原料ガス（イオン）以外の雰囲気ガスが前記急激な圧力勾配によって一気に拡散される。その結果、ニードル電極２３先端周辺でイオン原料ガスがイオン化されて容器２０から引き出された直後の領域は、前記引き出されたイオンが雰囲気ガスと衝突する確率が低い、即ち、イオン消滅確率が低い高真空領域となる。このようにして、イオン源１０は、イオン消滅確率を低く抑えてイオンビーム電流を多く発生させることができる。
【００５９】
尚、本発明のイオン源は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００６０】
本実施形態においては、誘電体バリア放電手段５０の第一及び第二電極５２，５３は、容器２０の後方側に接続されているが、これに限定される必要もない。即ち、誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極間でラジカル化されたイオン原料ガスが、その状態で電界電離電極の先端部に到達できる距離であれば、前記第一及び第二電極は、原料ガス供給管３０における、より上流側に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施形態に係るイオン源における、（ａ）は概略構成図を示し、（ｂ）は、そのＡ−Ａ端面図を示す。
【図２】従来の電界電離型イオン源の概略構成図を示す。
【図３】電界中におかれた金属表面近くのガス分子のポテンシャル図を示す。
【符号の説明】
【００６２】
１０ イオン源
２０ 容器
２２ 微小開孔
２３ 電界電離電極（ニードル電極）
３０ 原料ガス供給管
４０ 引出電極
５０ 誘電体バリア放電手段
５２ 第一電極（中心電極）
５３ 第二電極（筒状電極）
５４ 交流電源
６０ 印加用電源（強電界用電源）
Ｋ ビーム軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを照射するためのイオン源であって、
微小開孔を有し、外部から原料ガスが供給される容器と、
前記容器に原料ガスを供給して前記微小開孔から前記原料ガスを噴出させる原料ガス供給管と、
前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて、若しくは前記先端を前記微小開孔から外部に僅かに突出させるように前記容器内に配置される電界電離電極と、
前記微小開孔を介して前記電界電離電極と対向するよう、前記容器の外部に配置される引出電極と、
この引出電極と前記電界電離電極との間に電圧を印加することにより、前記電界電離電極の先端部に強電界を形成し、この強電界によって前記微小開孔から噴出する原料ガスを電界電離してイオン化し、このイオン化された原料ガスを前記引出電極に引き出させる印加用電源と、
前記容器に供給される原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段と、を備え、
前記誘電体バリア放電手段は、第一電極及びこの第一電極に対向する第二電極と、これら第一及び第二電極間に印加するための交流電源とを有し、
前記第一及び第二電極の少なくとも一方が誘電体で被覆され、
前記第一及び第二電極は、前記電界電離電極の後端よりも後方側で、且つ原料ガスが当該第一及び第二電極間を通過したあと前記容器に供給されるような位置に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン源において、
前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極は、中心軸に沿って延びる中心電極及びこの中心電極を同心状に囲む筒状電極で構成されることを特徴とするイオン源。
【請求項３】
請求項２に記載のイオン源において、
前記中心電極及び筒状電極の中心軸と前記電界電離電極の中心軸とが一致若しくは略一致するように配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項４】
請求項３に記載のイオン源において、
前記筒状電極の直径が前記電界電離電極の直径と略同径となるように形成され、前記中心電極及び筒状電極は、前記電界電離電極の後端近傍に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載のイオン源において、
前記誘電体バリア放電手段の筒状電極と前記電界電離電極とは、同電位であることを特徴とするイオン源。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のイオン源において、
前記微小開孔は、イオン化された原料ガスの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状であることを特徴とするイオン源。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のイオン源において、
内部を真空にすることができる真空容器をさらに備え、前記容器と引出電極とが前記真空容器内に配設され、前記容器外を真空領域とすることを特徴とするイオン源。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のイオン源において、
前記容器に供給する原料ガスの供給量を制御するための原料ガス量制御手段を原料ガス供給管にさらに備え、この原料ガス量制御手段は、前記ガス導入室よりも上流側に設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項１】
イオンビームを照射するためのイオン源であって、
微小開孔を有し、外部から原料ガスが供給される容器と、
前記容器に原料ガスを供給して前記微小開孔から前記原料ガスを噴出させる原料ガス供給管と、
前記イオンビームのビーム軸方向に沿って延びると共に先端が尖り、この先端を前記微小開孔に向けて、若しくは前記先端を前記微小開孔から外部に僅かに突出させるように前記容器内に配置される電界電離電極と、
前記微小開孔を介して前記電界電離電極と対向するよう、前記容器の外部に配置される引出電極と、
この引出電極と前記電界電離電極との間に電圧を印加することにより、前記電界電離電極の先端部に強電界を形成し、この強電界によって前記微小開孔から噴出する原料ガスを電界電離してイオン化し、このイオン化された原料ガスを前記引出電極に引き出させる印加用電源と、
前記容器に供給される原料ガスをラジカル化する誘電体バリア放電手段と、を備え、
前記誘電体バリア放電手段は、第一電極及びこの第一電極に対向する第二電極と、これら第一及び第二電極間に印加するための交流電源とを有し、
前記第一及び第二電極の少なくとも一方が誘電体で被覆され、
前記第一及び第二電極は、前記電界電離電極の後端よりも後方側で、且つ原料ガスが当該第一及び第二電極間を通過したあと前記容器に供給されるような位置に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン源において、
前記誘電体バリア放電手段の第一及び第二電極は、中心軸に沿って延びる中心電極及びこの中心電極を同心状に囲む筒状電極で構成されることを特徴とするイオン源。
【請求項３】
請求項２に記載のイオン源において、
前記中心電極及び筒状電極の中心軸と前記電界電離電極の中心軸とが一致若しくは略一致するように配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項４】
請求項３に記載のイオン源において、
前記筒状電極の直径が前記電界電離電極の直径と略同径となるように形成され、前記中心電極及び筒状電極は、前記電界電離電極の後端近傍に配置されることを特徴とするイオン源。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載のイオン源において、
前記誘電体バリア放電手段の筒状電極と前記電界電離電極とは、同電位であることを特徴とするイオン源。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のイオン源において、
前記微小開孔は、イオン化された原料ガスの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状であることを特徴とするイオン源。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のイオン源において、
内部を真空にすることができる真空容器をさらに備え、前記容器と引出電極とが前記真空容器内に配設され、前記容器外を真空領域とすることを特徴とするイオン源。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のイオン源において、
前記容器に供給する原料ガスの供給量を制御するための原料ガス量制御手段を原料ガス供給管にさらに備え、この原料ガス量制御手段は、前記ガス導入室よりも上流側に設けられることを特徴とするイオン源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−５９６２７（Ｐ２００９−５９６２７Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２６９４２（Ｐ２００７−２２６９４２）
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月３１日（２００７．８．３１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]