JP4583067B2 - Ion source - Google Patents
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Description
本発明は,例えば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,イオンビーム描画など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ものである。 The present invention provides a small-diameter ion beam used for, for example, a surface physical analysis device, a semiconductor manufacturing inspection device, an ion probe for a defect repair device, ion implantation, ion beam exposure, ion beam deposition, ion beam etching, ion beam drawing, etc. It relates to an ion source for use.
この種のイオン源として本出願人は先に開発し特開2001−283745号公報(特許文献1)に提案したものがある。この特許文献1に提案のイオン源について図5の概要図を用いて説明する。すなわち,提案のイオン源31では,カソード電極32の開口33よりも小さな微小開口34を備えたアノード電極としての原料ガス導入部35と前記カソード電極32との間にアノード電源36により電圧を印加することにより,前記原料ガス導入部35の微小開口34から前記カソード電極32の開口33に向かって高圧噴射された原料ガスがプラズマ化される。なお,プラズマの生成領域は,図5cに示すように,ほぼ原料ガスの噴射方向に沿った微小領域41に限定される。
なお,原料ガスをプラズマ化するためには前記カソード電極32から原料ガスに電子を放出して供給する必要がある。上記原料ガスをプラズマ化させるために高圧噴射された原料ガスに電子を放出する代表的手法として,二次電子放出と電界放出がある。
前記二次電子放出とは,電極間に所定の電圧を印加してカソード電極に電界を生じさせておき,前記カソード電極に向けて噴射された原料ガスを前記カソード電極に衝突させて該カソード電極の電子を放出させる方法である(このとき放出された電子を二次電子という)。
また,前記電界放出とは,特許文献2にも記載されているように,前記カソード電極32から強制的に電子を放出させる方法である。具体的には,電極間に強電圧(数百V〜数千V)を印加してカソード電極32の表面近傍に強電界(109V/m程度)を生じさせ,前記カソード電極の表面のポテンシャル障壁を下げることで,量子力学におけるトンネル効果により電子の電界放出を行うものである。
As this type of ion source, the present applicant has previously developed and proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-283745 (Patent Document 1). The ion source proposed in
In order to turn the source gas into plasma, it is necessary to emit electrons from the
The secondary electron emission means that a predetermined voltage is applied between the electrodes to generate an electric field at the cathode electrode, and the source gas injected toward the cathode electrode is caused to collide with the cathode electrode to The electrons emitted at this time are referred to as secondary electrons.
The field emission is a method of forcibly emitting electrons from the
前記カソード電極32の原料ガス導入部35側とは逆側には,前記カソード電極32の開口33よりも大きな開口37が設けられた引き出し電極38が配置されており,この引き出し電極38と前記カソード電極32との間に引き出し電源39により電圧を印加すれば,前記微小領域にあるプラズマから前記カソード電極32の開口33を通じてイオンが引き出され,前記引き出し電極38の開口37からイオンが放出される。
An
また更に,高圧噴射された原料ガスからプラズマを良好に生成するためには,前記原料ガス導入部35と前記カソード電極32との間に印加される電圧の大きさと,前記原料ガスの噴射圧力と,前記微小開口34から前記カソード電極32までの距離との関係を,パッシェンの法則に基づいて定めればよい。前記関係をパッシェンの法則に基づいて定めることによって,高圧噴射された原料ガスが存在する領域41(図5c参照)のうちでも,拡散によって圧力が低下していない,粒子の方向が比較的揃った微小な領域40に放電を生ぜしめ,その微小な領域40に良好にプラズマを生成することが可能になる。
ところで,上記特許文献1に提案のイオン源において,アノード電極35の微小開口34付近のガス圧力は原料ガス導入部35の圧力と同程度であって大気圧程度である。このときパッシェンの法則によると,原料ガスがヘリウム(He)ガスである場合,このHeガスの圧力と電極間間隔(図5bに示すgap)の積が5Pa・m程度のとき放電電圧が最小となる。これを大気圧で計算すると電極間間隔は50μmとなるが,このような狭い間隔で,アノード電極35とカソード電極32の相互の軸や平行度などの位置関係を正確に固定することは困難である。したがって,多少放電電圧が上がることはやむをえないとして電極間間隔としては200μm程度となるがこれでも狭い電極間間隔であることに変わりはない。
Incidentally, in the ion source proposed in
これまでの開発例の場合,図5bに示すように,アノード電極35の微小開口34の開口径φaは50μm,カソード電極32の開口33の開口径φbは100μmで電極間間隔(gap)は200μmである。このため,図6に示すように微小開口34から噴出するジェット状ガスは,カソード電極32の表面に阻まれて乱流となり電極間に溜まり,ジェット状ガスの流れを著しく乱すことになり,ビームの発散やイオン化効率の悪化によるイオンビーム電流の低下など,提案のイオン源の性能を低下させていた。
In the case of the development examples so far, as shown in FIG. 5b, the opening diameter φa of the minute opening 34 of the
本発明は,上記の問題点を解消するためになしたものであって,その目的は,アノード電極の微小開口から高圧噴射された原料ガスをカソード電極との間に滞留させることなく噴射方向へ流し,且つ,噴射された原料ガスのイオン化効率を向上させて良好なプラズマを生成すると共に,消費電力の低減を図ることが可能なイオン源を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to make the raw material gas injected at a high pressure from the minute opening of the anode electrode in the injection direction without staying between the cathode electrode. It is an object of the present invention to provide an ion source capable of improving the ionization efficiency of a flowing and jetted source gas to generate good plasma and reducing power consumption.
上記の目的を達成するために,本発明(請求項1)に係るイオン源は,微小開口を有するアノード電極から,このアノード電極の上記微小開口よりも大きなイオン引き出し開口を有するカソード電極の上記イオン引き出し開口に向かって高圧噴射された原料ガスを,上記アノード電極と上記カソード電極との間に印加した高電圧により放電,プラズマ化してなるイオン源において,前記カソード電極が,そのイオン引き出し開口を含む放電形成箇所をアノード電極の微小開口に近接配置されるとともに,放電形成箇所のイオン引き出し開口の外周側に複数のガス排気用開口を有するものである。 To achieve the above object, an ion source according to the present invention (claim 1), the ion of the cathode electrode having an anode electrode having fine openings, the large ion extraction aperture than the minute opening of the anode electrode the source gas pressure injected toward the extraction aperture, a discharge by a high voltage applied between the anode electrode and the cathode electrode, the ion source is formed by plasma, the cathode electrode, comprising the ion extraction aperture The discharge forming portion is disposed close to the minute opening of the anode electrode, and has a plurality of gas exhaust openings on the outer peripheral side of the ion extraction opening of the discharge forming portion.
上記構成では,アノード電極の微小開口から高圧噴射された原料ガスは,ガスの内の一部がカソード電極の放電形成個所に衝突することは避けられないが,カソード電極の放電形成個所内のイオン引き出し開口及び放電形成個所の外周の開口より流れるので,カソード電極との間にガスを滞留させることなく速やかに排気できるとともに,円滑なジェット状ガス流れが得られる。またこれにより,ビームの発散やイオン化効率の悪化が防止でき,期待するイオンビーム電流が得られる。 In the above configuration, it is inevitable that a part of the gas injected into the cathode electrode at a high pressure from the minute opening of the anode electrode collides with the discharge forming portion of the cathode electrode, but the ion in the discharge forming portion of the cathode electrode is unavoidable. Since the gas flows from the outlet opening and the outer peripheral opening of the discharge forming portion, the gas can be quickly exhausted without staying between the cathode electrode and a smooth jet-like gas flow can be obtained. This also prevents beam divergence and deterioration of ionization efficiency, and an expected ion beam current can be obtained.
そして,上記請求項1のイオン源において,カソード電極は,円形開口を有する平板状のカソード電極プレートにより形成されるとともに,その円形開口の周囲から開口中心に向けて250μm以下の太さで同じ長さを有する先端を鋭く尖らせた針状の金属ピンを複数,等間隔で有し,各金属ピンの先端が接触せず且つ前記円形開口と同心の円形状のイオン引き出し開口に形成され,上記隣接する金属ピンの間の空間が前記ガス排気用開口として構成されてなるものが使用できる(請求項2)。このような構成のカソード電極を用いても,上述の請求項1の作用効果を享受し得る。この場合,金属ピンの太さを250μm以下とするのは,これより太い場合には,等間隔に設ける金属ピンの本数にもよるが,放電形成個所の外周側の開口が小さくなり,イオン引き出し開口との比率(以下開口率と言う)が小さくなって,カソード電極との間にガスが滞留し,速やかな排気が期待できなくなるためである。また,金属ピンを等間隔に設ける理由は,金属ピンの先端で形成する円形形状の対称性を確保し,金属ピンの先端により形成される放電形成個所における電界分布を一様にするためである。電界分布の一様性が崩れると,放電,加速されるイオンの軌道が歪みその部分で変化してしまいイオンビーム軌道およびイオンビーム形状に悪影響をもたらす可能性があるからである。
In the ion source of
この場合,前記針状の金属ピンのうちの少なくとも一の金属ピンの先端部が曲率を有し,該先端部の曲率半径が略100nm以下であることが望ましい(請求項3)。これにより,二次電子放出,電界放出のいずれの電子供給方法であっても,前記金属ピンの先端部における電子の放出が容易となる。そのため,従来より電極間電圧を低く設定して,イオン源における電力消費量を低減することが可能となる。また,原料ガスのイオン化,プラズマ化に必要な電子を十分に供給することが可能となるため,イオン化効率が向上され,良好なプラズマが得られる。 In this case, it is desirable that the tip of at least one of the needle-like metal pins has a curvature, and the curvature radius of the tip is approximately 100 nm or less. This facilitates electron emission at the tip of the metal pin regardless of whether the electron supply method is secondary electron emission or field emission. For this reason, it is possible to reduce the power consumption in the ion source by setting the voltage between the electrodes lower than in the prior art. In addition, since it is possible to sufficiently supply the electrons necessary for ionization and plasmatization of the source gas, ionization efficiency is improved and good plasma is obtained.
また,上記請求項1のイオン源において,カソード電極は,円形開口を有する平板状のカソード電極プレートにより形成されるとともに,その円形開口の中心部にイオン引き出し開口を備える円環状電極を250ミクロン以下の太さで同じ長さを有する3〜5本の金属ピンにより固定して有するものが使用できる(請求項4)。このような構成のカソード電極を用いても,上述の請求項1の作用効果を享受し得る。この場合,円環状電極を固定するのに250ミクロン以下の太さで同じ長さを有する3〜5本の金属ピンを用いる理由は,上記の開口率を大きく得るためであるが,前記金属ピンの本数は前記円環状電極を十分な強度で固定支持し得る程度であって,金属ピンに生じる電界分布を均等分散させる本数であればよく,特に3〜5本に限られるものではない。
In the ion source according to
この場合,前記円環状電極の表面全域或いは前記アノード電極側の表面に微小突起が形成されてなることが好ましい(請求項5)。また,前記微小突起のうちの少なくとも一の微小突起の先端部が曲率を有し,該先端部の曲率半径が略100nm以下であることが考えられる(請求項6)。このように構成された本発明のイオン源であっても,前記微小突起の先端部からの電子の放出が容易となる。これにより,イオン源における電力消費量を低減すると共に,イオン化効率が向上され,良好なプラズマが得られる。
また,前記カソード電極或いは該カソード電極の一部が,前記アノード電極に電子を電界放出して供給する電界放出源であれば(請求項7),原料ガスのイオン化,プラズマ化に必要な電子を十分に供給することが可能となり,上記電子の供給不足によるイオン化,プラズマ化の効率低下を防止することが可能となる。
In this case, it is preferable that minute projections are formed on the entire surface of the annular electrode or on the surface on the anode electrode side. It is also conceivable that the tip of at least one of the microprotrusions has a curvature, and the radius of curvature of the tip is approximately 100 nm or less. Even with the ion source of the present invention configured as described above, it is easy to emit electrons from the tip of the microprotrusions. As a result, power consumption in the ion source is reduced, ionization efficiency is improved, and good plasma is obtained.
Further, if the cathode electrode or a part of the cathode electrode is a field emission source that supplies electrons to the anode electrode by field emission (Claim 7), the electrons necessary for ionization and plasmatization of the source gas can be obtained. It is possible to supply sufficiently, and it is possible to prevent the efficiency of ionization and plasma conversion from being reduced due to the insufficient supply of electrons.
以上説明したように,本発明に係るイオン源によれば,アノード電極の微小開口から高圧噴射された原料ガスが,カソード電極に衝突し滞留を起こすことにより起きるジェット状ガス流への影響を低減させることができる。また,簡素な構成でもってガス効率を損ねることなく微小径のイオンビームが得られ,イオン化されない中性ガスの排出効率を向上させるなど,イオン源の特徴を最大限引き出すことが可能となる。
また,カソード電極に設けられた金属ピンの先端部,或いは円環状電極に設けられた微小突起の先端部の曲率半径が略100nm以下に形成されているため,電子の放出が容易となる。この結果,従来より低い電極間電圧で電子が供給され得ることにより,イオン源における電力消費量の低減を図ることができる。
As described above, according to the ion source according to the present invention, the influence of the source gas injected from the minute opening of the anode electrode on the jet gas flow caused by the collision with the cathode electrode and the retention is reduced. Can be made. In addition, the ion source with a small diameter can be obtained with a simple configuration without impairing gas efficiency, and the characteristics of the ion source can be maximized, such as improving the discharge efficiency of neutral gas that is not ionized.
In addition, since the radius of curvature of the tip of the metal pin provided on the cathode electrode or the tip of the minute protrusion provided on the annular electrode is formed to be approximately 100 nm or less, electron emission is facilitated. As a result, electrons can be supplied at a lower inter-electrode voltage than before, so that power consumption in the ion source can be reduced.
《第1の実施の形態》
以下,添付の図面を参照して,本発明の第1の実施の形態を説明し,本発明の理解に供する。なお,以下の実施の形態は,本発明の具体的な例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention. The following embodiments are specific examples of the present invention, and do not limit the technical scope of the present invention.
図1は,本発明の第1の実施の形態に係るイオン源の概要図である。図に示す如く,イオン源1は,アノード電極としての原料ガス導入部2,カソード電極3,引き出し電極4,及び原料ガス導入部2とカソード電極3との間に電圧を印加するアノード電源5,カソード電極3と引き出し電極4との間に電圧を印加する引き出し電源6を備えて構成されている。そして,原料ガス導入部2には,カソード電極3のイオン引き出し開口11よりも小さな微小開口7及び原料ガスの導入口8が設けられている。原料ガス導入部2とカソード電極3との間にアノード電源5により電圧を印加することにより,原料ガス導入部2の微小開口7からカソード電極3のイオン引き出し開口11に向かって高圧噴射された原料ガスがプラズマ化される。
FIG. 1 is a schematic diagram of an ion source according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
カソード電極3は,詳細を図2に示すように,肉厚で円盤状のステンレスなどの金属でできており,その中心にガス流れを目的としたφ5mm程度の開口9を有する。この内部開口9の周辺部からは,開口9の中心に向けて細い針状で先端を鋭く尖らせた金属ピン(カソード電極)10が12本30°間隔に配置されている。各々の金属ピン10は,250μm以下の太さで同じ長さを有し,その先端がそれぞれ接触しないように前記内部開口9の周辺部に支持されており,前記金属ピン10の先端部が夫々集約して前記円形開口9と同心の円形状のイオン引き出し開口11が形成されている。これにより,円形開口9は,中心のイオン引き出し開口11とその外側の金属ピン10の間に形成された開口12に仕切られる。なお,イオン引き出し開口11と開口12の間の金属ピン10の先端部が放電発生箇所となり,電子を発生させ,その電子が微小開口7に向かって加速され,原料ガスと衝突しイオンを生成する。また,イオン引き出し開口11は,アノード電極2の微小開口7の中心軸に対して同軸上に配置されている。
As shown in detail in FIG. 2, the
引き出し電極4は,カソード電極3のイオン引き出し開口11よりも大きな開口13が設けられ,カソード電極3を挟んで原料ガス導入部2とは逆側に配置されている。カソード電極3との間に引き出し電源6により電圧を印加することにより,原料ガス導入部(アノード電極)2とカソード電極3との間に生成したプラズマからカソード電極3のイオン引き出し開口11を通じてイオンが引き出され,引き出し電極4の開口13からイオンが放出される。
The extraction electrode 4 is provided with an
上記構成のイオン源1において,アノード電極2の微小開口7の開口径φaは50μmである。また,カソード電極3の開口9の開口径φdは5mm,イオン引き出し開口の開口径φbは200μmであり,開口率は87%である。この場合の,アノード電極2の微小開口7から高圧噴射された原料ガスの流れを図1bに矢印14で示す。アノード電極2の微小開口7の開口径φaは50μmであり,それに対しカソード電極3の開口9の開口径φdが5mmと十分に大きくなっており,微小開口7から噴出されるガスは,カソード電極3の開口率の高さからカソード電極3のイオン引き出し開口11及び開口12よりスムーズに流れ,イオン源1の性能を良好に発揮することができる。なお,ガスのうち一部については金属ピン10の先端部(放電形成箇所)に衝突することは避けられないが,開口率の高さから,アノード電極2とカソード電極3との電極間に滞留することなくすみやかに排気されるためジェット状ガスへの影響は少ない。なお,開口率は図2(b)において,開口率=(イオン引き出し開口11と開口12の開口面積)×100/(カソード電極3の開口9の面積)で求まる値である。
In the
図3には,金属ピン10を,45°間隔に配置した例を示す。このように形成したカソード電極3であっても,開口率がより大きくなるため,ガス流れはさらにスムーズになる。
FIG. 3 shows an example in which the metal pins 10 are arranged at intervals of 45 °. Even in the
《第2の実施の形態》
次に,図7及び図8を用いて本発明に係る第2の実施の形態のイオン源のカソード電極について説明する。上述の第1の実施の形態では,イオン源のカソード電極3に金属ピン(カソード電極)10を用いた例について説明したが,ここでは,先端部が曲率を有し,この曲率半径が100nmに形成された金属ピン10a,及び10nmに形成された金属ピン10bを用いた例について説明する。ここに,図7は金属ピン10(10a,10b)の先端部周辺の拡大図,図8はタングステンで形成された金属ピン10a,10bを用いたときの電界放出電流と電極間電圧との関係(電流−電圧特性)を示すグラフ図である。なお,本例のイオン源の構成要素は,上述の第1の実施の形態におけるイオン源1の各構成要素と同じであるためその説明を省略し,図中に同符号を付して表す。
<< Second Embodiment >>
Next, the cathode electrode of the ion source according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the first embodiment described above, an example in which the metal pin (cathode electrode) 10 is used for the
まず,図7を用いて,電界放出(背景技術の説明を参照)により電子を放出させたときに,上記金属ピンと原料ガス導入部2(アノード電極)との間の空間に放出された電子の電子電流(電界放出電流)I,及び前記電極間に印加される電極間電圧Vとの関係(電流−電圧特性)について説明する。このときの電流−電圧特性は,Fowler-Nordheimの公式(以下,F−N式と称す)を用いて以下の式(1)で近似できることが知られている。
ここで,タングステン(仕事関数φ:4.5eV)で形成された金属ピン10a,10bをカソード電極に用いたときの電界放出電流Iと電極間電圧Vとの関係(電流−電圧特性)を図8に示す。なお,実線Pは先端部の曲率半径が10nmに形成された金属ピン10aを用いた場合の電流−電圧特性,実線Qは先端部の曲率半径が100nmに形成された金属ピン10bを用いた場合の電流−電圧特性であり,それぞれ上記の式(1)及び式(2)を用いて表される。なお,電極間距離dは200μmとしている。図8の各実線P,Qから,金属ピン先端部(電子放出部)の曲率半径が大きくなる従って,一定の電界放出電流Iを得るための電極間電圧が増大する傾向にあることが容易に理解できる。
なお,上記金属ピンにタングステンを用いたのは,電子顕微鏡等で一般的に用いられている材質であるからである。もちろん,他の電子放出材料として公知のカーボン系材質(ダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボン,カーボンナノチューブ等を含む)や,遷移金属の窒化物や炭化物等を用いてもよい。或いは,前記材質が少なくとも上記金属ピンの先端部を覆っていればよい。
Here, the relationship (current-voltage characteristics) between the field emission current I and the interelectrode voltage V when the metal pins 10a and 10b formed of tungsten (work function φ: 4.5 eV) are used for the cathode electrode is shown. It is shown in FIG. The solid line P represents current-voltage characteristics when using a
The reason why tungsten is used for the metal pin is that it is a material generally used in an electron microscope or the like. Of course, other carbon materials (including diamond, diamond-like carbon, carbon nanotubes, etc.), transition metal nitrides and carbides may be used as other electron emission materials. Or the said material should just cover the front-end | tip part of the said metal pin at least.
上記金属ピン10からの放電開始および安定放電を維持するためには,約1μA(1×10-6A)の電流が必要であることが実験的,経験的に判明している(ただし,電極間距離:200μm,タングステン製金属ピンを用いた場合)。従って,金属ピン10aを用いる場合は,図8の実線Pから,電極間に印加する電極間電圧を約0.6kV以上に設定すれば,上記金属ピン10aの先端部から放電が開始され,そのとき電極間の空間を約1μAの電子電流(空間電荷電流)が流れることが読み取られる。しかし,耐高電圧のための絶縁構造とイオン源サイズの制約などの面から,アノード−カソード間電圧の最大値は4〜5kV程度である。そのため,上記金属ピンの先端部で電子を放出させ,或いは生じた放電現象を安定維持するためには,金属ピンの先端部の曲率半径を略100nm以下(実線Q参照)とすることが好ましい。
It has been experimentally and empirically found that a current of about 1 μA (1 × 10 −6 A) is required to maintain the discharge start and stable discharge from the metal pin 10 (however, the electrode Distance between: 200 μm, using tungsten metal pins). Therefore, when using the
上述したように,本例では,全ての金属ピンの先端部が同一曲率を有するよう形成された金属ピン10をイオン源のカソード電極に用い,これらの金属ピン10の全てが放電開始時の電子の電界放出のために用いられる例について説明したが,例えば,上記金属ピン10のうちの少なくとも一の金属ピンを電界放出による放電用の電極として用い,他の金属ピンを二次電子放出による放電(背景技術の説明を参照)用の電極として用いる実施例であってもよい。
イオン源において,最初に原料ガスをプラズマ化する際は,電極間に高電圧を印加させてカソード電極の先端部を高電界にして電子を放出させる電界放出により放電させることが望ましく,このような方法でまず最初にプラズマを生成することが原料ガスのイオン効率の観点から良いとされている。しかし,一旦,原料ガスがプラズマ化し,生成されたプラズマからイオンが引き出されると,上記電界放出による放電は不必要に電力を消費することなり好ましくない。一方で,大気圧やガス圧,温度等の雰囲気にもよるが,一旦,原料ガスがプラズマ化し,生成されたプラズマからイオンが引き出された後は,上記原料ガスと上記金属ピン10との衝突により二次電子が放出されることにより安定した放電現象が維持される場合がある。この場合は電極間に印加される電圧を上記電界放出の際に印加する電圧より幾分か低く設定することができる。このような場合は,上記金属ピンのうちの少なくとも一つを電界放出用の電極,即ち高電圧用の電極として用い,一旦放電がなされ,プラズマが生成されると,上記電界放出用の金属ピンへの電圧供給を遮断し,その後は,上記二次電子が発生し得る程度の電圧(電界放出に要する電圧より低い電圧)を他の金属ピンに供給するよう電圧供給ラインを切り換えることが考えられる。なお,この場合,上記電界放出用の高電圧が印加されたときの電界分布を略軸対称にするために,3以上の金属ピンを電界放出用の電極として,これらの金属ピンを軸対称に配置することが望ましい。
As described above, in this example, the metal pins 10 formed so that the tips of all the metal pins have the same curvature are used as the cathode electrode of the ion source, and all of these
In the ion source, when the source gas is first made into plasma, it is desirable to discharge by field emission that emits electrons by applying a high voltage between the electrodes and setting the tip of the cathode electrode to a high electric field. From the viewpoint of ion efficiency of the raw material gas, it is considered good to generate plasma first by the method. However, once the source gas is turned into plasma and ions are extracted from the generated plasma, the discharge by the field emission undesirably consumes power. On the other hand, depending on the atmosphere such as atmospheric pressure, gas pressure, temperature, etc., once the source gas is turned into plasma and ions are extracted from the generated plasma, the source gas collides with the
上述したように,本例では全ての金属ピンの先端部が同一曲率を有するよう形成されたものをイオン源のカソード電極に適用した例について説明したが,例えば,上記金属ピン10のうちの少なくとも一の金属ピンの先端部が曲率を有し,その一の先端部の曲率半径が略100nm以下に形成されたものであってもかまわない。 As described above, in this example, the example in which the tip portions of all the metal pins are formed so as to have the same curvature is applied to the cathode electrode of the ion source. The tip of one metal pin may have a curvature, and the radius of curvature of the one tip may be approximately 100 nm or less.
《第3の実施の形態》
次に,図4を用いて本発明に係る第3の実施の形態のイオン源のカソード電極15について説明する。ここに,図4はカソード電極15を説明する図であって,aは全体正面図,bはaのE部拡大図,cはbの断面図である。なお,本例のイオン源は,そのカソード電極15以外の構成要素は上述の第1の実施の形態におけるイオン源1の各構成要素と同じであるため,同符号を用いてその説明を省略し,図4中には同符号を付して表す。
この例のカソード電極15は,平板状のカソード電極プレート16に大きな円形の開口17を形成するとともに,その円形開口17と同中心に微小なイオン引き出し開口18で直径の小さい円環状カソード電極19を配置したものである。カソード電極プレート16と円環状カソード電極19とは,本例では4本の100μmの太さの金属ピン20により固定されている。円環状カソード電極19は,外径400μm,内径200μmの金属製である。この例の場合,開口率は95%となり,イオン源に構成した場合,上記図2,3に示すカソード電極3と比較してガス流れがよりスムーズになる。なお,前記金属ピン20の本数は4本に限られず,十分な開口率を得るべく3〜5本であることが好ましい。
また,上記円環状カソード電極19に代えて,図9に示す円環状カソード電極19aをカソード電極として用いることも考えられる。この円環状カソード電極19aは,上記円環状カソード電極19の上記原料ガス導入部2側の表面22(以下,アノード面22という)に針状の微小突起21を複数形成したものである。この微小突起21は,近年の半導体素子分野における微小加工技術の進展によりミクロン以下の加工が実現可能になったことにより容易に形成され得る(詳しくは上記特許文献2を参照されたい)。このように,前記微小突起21を有する円環状カソード電極19aをイオン源1のカソード電極として用いることにより,前記微小突起21の先端部からの電子の電界放出が容易となり,放電形成箇所に原料ガスのイオン化,プラズマ化に必要な電子を十分に供給することが可能となる。なお,本第2の実施の形態では,前記微小突起21が,前記アノード面22全域に雑然と配列された例について説明したが,前記円環状カソード電極19aの開口18の中心軸を中心にして所定角度毎に整然と前記微小突起21が配列されたものであってもよい。また,前記アノード面22の表面だけに限られず,その逆側の面23の表面に前記微小突起21が形成されたものであってもよい。また,前記微小突起21の先端部が曲率を有し,その先端部の曲率半径が略100nm以下であれば,電子の放出が容易となり,上述の金属ピン10と同様の効果を奏する。
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Next, the
In the
It is also conceivable to use an
1:イオン源
2:原料ガス導入部(アノード電極)
3:カソード電極
4:引き出し電極
5:アノード電源
6:引き出し電源
7:微小開口
8:原料ガスの導入口
9:開口
10:金属ピン
10a:金属ピン(先端部曲率半径:10nm)
10a:金属ピン(先端部曲率半径:100nm)
11:イオン引き出し開口
12,13:開口
14:ガス流れの矢印
15:カソード電極
16:カソード電極プレート
17:開口
18:イオン引き出し開口
19:円環状カソード電極
19a:円環状カソード電極
20:金属ピン
1: Ion source 2: Source gas introduction part (anode electrode)
3: Cathode electrode 4: Extraction electrode 5: Anode power supply 6: Extraction power supply 7: Micro opening 8: Source gas introduction port 9: Opening 10:
10a: Metal pin (tip radius of curvature: 100 nm)
11:
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