JP4583067B2 - イオン源 - Google Patents

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。

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。

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。

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。
特開２００１−２８３７４５号公報 特許第３４３６２１９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

《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。

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。

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。

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。

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。

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。

《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。

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。

ここに，上式（１）のβは電界集中係数，φはカソード電極の電子放出部（例えば電極表面）の物質の仕事関数である。上記電子放出部は，絶縁を保ちながら強電界を印加するために，電界集中計数βを大きくする構造（針状等の構造）を持たせる。今，図７に示すように，先端部が曲率を有するよう形成された前記金属ピン１０の先端部（電子放出部）の曲率半径をｒ，前記先端部と原料ガス導入部２との電極間距離をｄとすると，前記電界集中係数βは以下の式（２）で表すことができる。

上式（１）及び（２）から判るように，金属ピンの先端部（電子放出部）の曲率半径ｒが極小であるほど電界放出電流Ｉが増加し，即ち，前記先端部からの電子の電界放出が容易となる。

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。

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。

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。

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。

《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。

本発明の実施の形態に係るイオン源の概要図であって，ａは全体図，ｂはａのＡ部拡大図。 本発明に係るカソード電極の説明図であって，ａは全体正面図，ｂはａのＢ部拡大図，ｃはｂの断面図，ｄはｂのＣ部拡大図。 本発明に係る別の形態のカソード電極の説明図であって，ａは中心部の拡大正面図，ｂはａのＤ部拡大図。 本発明に係る別の形態のカソード電極の説明図であって，ａは全体正面図，ｂはａのＥ部拡大図，ｃはｂの断面図。 従来のイオン源の概要図であって，ａは全体図，ｂはａのＦ部拡大図，ｃはｂのＧ部の拡大図。 従来のイオン源におけるガス流れの説明図。 金属ピン１０（１０ａ，１０ｂ）の先端部周辺の拡大図。 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。 本発明に係る別の形態のカソード電極の説明図であって，ａは全体斜視図，ｂは側面図。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 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ことを特徴とするイオン源。
2. 前記カソード電極が，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請求項１に記載のイオン源。
3. 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以下である請求項２に記載のイオン源。
4. 前記カソード電極が，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請求項１に記載のイオン源。
5. 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請求項４に記載のイオン源。
6. 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以下である請求項５に記載のイオン源。
7. 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する電界放出源である請求項１〜６のいずれかに記載のイオン源。

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