JP6178538B2 - 原子線源 - Google Patents

Description

本発明は、原子線源に関する。

従来、この種の原子線源としては、陰極である筒状体の内部に配置される陽極を変位させ、放電空間内の電子密度を制御するものが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の原子線源では、安価に短時間で所望の単位時間あたりの放出原子密度分布を得ることができ、表面改質装置においては、良好な表面処理が可能になるとしている。

ところで、特許文献１の原子線源では、放電空間内で生成したイオンなどによって陰極や陽極がスパッタされて脱落し、脱落した粒子が原子線源から出射してしまうことがあった。そこで、陰極となる筐体と、筐体内に設けられ電界を発生させる陽極となる電極体と、を備え、筐体や電極体の少なくとも一部に、電界で生成するイオンによりスパッタされ難い材料を適用したものが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２の原子線源では、不要な粒子の出射を抑制できるとしている。

特開２００７−３１７６５０号公報 特開２０１４−８６４００号公報

しかしながら、特許文献２の原子線源では、スパッタされ難い材料を適用することで、不要な粒子の放出を抑制できるものの、まだ不要な粒子が放出することがあり、不要な粒子の放出をより抑制することが望まれていた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、不要な粒子の放出をより抑制できる原子線源を提供することを主目的とする。

本発明の原子線源は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の原子線源は、
原子線を放出可能な放出口が設けられた放出部を有する筒状の陰極と、
前記陰極の内部に設けられた棒状の第１陽極と、
前記陰極の内部に前記第１陽極と離間して設けられた棒状の第２陽極と、
を備え、前記陰極の形状、前記第１陽極の形状、前記第２陽極の形状、及び、前記陰極と前記第１陽極と前記第２陽極との位置関係、からなる群より選ばれる少なくとも１以上を所定の構成とすることで、前記第１陽極と前記第２陽極との間でのプラズマにより生じた陽イオンが前記陰極、前記第１陽極、及び、前記第２陽極の少なくとも１つと衝突して発生する、スパッタ粒子の放出を抑制するものである。

本発明の原子線源では、不要な粒子の放出をより抑制できる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。すなわち、陰極の形状や各陽極の形状、陰極と第１陽極と第２陽極との位置関係などを所定のものとすることで、スパッタ粒子の発生そのものを抑制したり、スパッタ粒子の堆積を抑制したり、発生したスパッタ粒子の陰極や陽極からの脱落や飛散を抑制したり、脱落や飛散したスパッタ粒子の放出を抑制したりできるためと推察される。

第１実施形態の一例である原子線源１０の構成の概略を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ端面図。 原子線源１０の使用状態を示す説明図。 第２実施形態の一例である原子線源１１０における図２に相当する断面図。 第２実施形態の一例である原子線源２１０における図２に相当する断面図。 第３実施形態の一例である原子線源３１０における図２に相当する断面図。 第４実施形態の一例である原子線源４１０における図２に相当する断面図。 第５実施形態の一例である原子線源５１０における図２に相当する断面図。 第６実施形態の一例である原子線源６１０における図２に相当する断面図。 原子線源６１０の放出口６３２の斜視図。 一般的な原子線源の使用後の内部状態を示す模式図。 一般的な原子線源の角部での堆積物の様子を示す模式図。 Ｒ面を設けた原子線源の角部での堆積物の様子を示す模式図。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の一例である原子線源１０の構成の概略を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、原子線源１０の使用状態を示す説明図である。

原子線源１０は、図１，２に示すように、両端が閉じた筒状の陰極２０と、陰極２０の内部に設けられた棒状の第１陽極４０と、陰極２０の内部に第１陽極４０と離間して設けられた棒状の第２陽極５０と、を備えている。陰極２０は、筒状の面のうちの一部に、原子線を放出可能な複数の放出口３２が設けられた放出部３０を有しており、この放出部３０に対応する部分が開口した筐体６０の内部に配設されている。また、陰極２０は、放出部３０とは反対側の面に、原料ガス（例えばＡｒガス）を供給する供給部３６を有している。第１陽極４０及び第２陽極５０は、いずれもその両端が陰極２０の一端及び他端に、絶縁部材６２を介して固定されている。なお、図１において、筐体６０と陰極２０との境界線を２点鎖線で示し、陰極２０の内面を網掛けで示した。

原子線源１０は、使用時には、例えば１０^-2Ｐａ以下、好ましくは１０^-3Ｐａ以下の減圧雰囲気下に配設され、図３に示すように、陰極２０に直流電源の負極が、第１陽極４０及び第２陽極５０にそれぞれ直流電源の正極が接続され、例えば０．１ｋＶ〜１０ｋＶ程度の高電圧が印加される。こうして生じた電界により、供給部３６から供給される原料ガスが電離して第１陽極４０と第２陽極５０との間にプラズマが生成する。プラズマにより生じた陽イオン（例えばＡｒ⁺）は、放出部３０に引き寄せられて放出口３２を通過し、陰極２０から電子を受け取って原子線（例えばＡｒビーム）として外部に放出される。こうして原子線源として機能する。

原子線源１０では、第１陽極４０及び第２陽極５０は、放出部３０に平行な所定の配設面Ｐ上に中心軸Ｃ１，Ｃ２が位置するように互いに平行に配設されている。また、第１陽極４０及び第２陽極５０は、中心軸Ｃ１，Ｃ２間の距離をＬとし、配設面Ｐと放出部３０との距離をＨとしたときに、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値が７５０以上１６７０以下の範囲内となるように配設されている。（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値は、７５０以上が好ましく、８００以上がより好ましく、８５０以上がさらに好ましい。また、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値は、１６７０以下が好ましく、１０５０以下がより好ましく、１０００以下がさらに好ましい。中心軸Ｃ１，Ｃ２間の距離Ｌは、例えば、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましく、１２ｍｍ以上４０ｍｍ以下がより好ましく、１２ｍｍ以上３５ｍｍ以下がさらに好ましい。また、配設面Ｐと放出部３０との距離Ｈは、例えば、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましく、１５ｍｍ以上４５ｍｍ以下がより好ましく、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下がさらに好ましい。なお、第１陽極４０及び第２陽極５０は、中心軸Ｃ１とＣ２が陰極２０の軸方向に平行になるように配設されていることが好ましい。また、中心軸Ｃ１とＣ２の中間の位置が陰極２０の幅方向の中心の位置と一致するように配置されていることが好ましく、その差は±５ｍｍ以内であることがより好ましい。

陰極２０の形状は、陰極２０の軸方向に垂直な断面を見たときに、断面が、円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。陰極２０は、内側と外側の断面形状が同じでも異なっていてもよい。陰極の寸法は、例えば、その内側の寸法が、高さ方向で２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、幅方向で２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さ方向で５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下などとしてもよい。なお、高さ方向は放出部３０が形成された面に垂直な方向、幅方向は縦方向に垂直でかつ軸方向に垂直な方向、長さ方向は陰極２０の軸方向に平行な方向、とする（以下同じ）。陰極２０の厚みは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下などとしてもよい。

陰極２０の材質は、黒鉛、ガラス状カーボンなどの炭素材料とすることができる。炭素材料は、電子放出性が良く、安価で加工性も良好であるため好適である。陰極２０の材質は、この他に、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、ニッケルや、それらの合金、それらの化合物などとしてもよい。

放出部３０は、所定の幅で長さ方向に伸びる領域に形成されていてもよい。例えば、陰極２０の内側の断面が多角形の場合にはその一面に形成されていてもよい。放出部３０の寸法は、幅が５ｍｍ以上９０ｍｍ以下、長さが５ｍｍ以上９０ｍｍ以下などとしてもよい。この放出部３０は、複数に分割されていてもよい。放出口３２の形状は、円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。放出口３２の寸法は、幅方向及び長さ方向（円の場合には直径）で、それぞれ、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下などとしてもよい。また、放出口３２は、幅０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下のスリット形状でもよい。放出部３０の厚みは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下などとしてもよく、陰極２０の他の部分の厚みと同じでも異なってもよい。放出部３０の材質は、陰極２０で例示したものなどとすることができ、放出部３０と同じものとしても異なるものとしてもよい。

供給部３６には、原料ガスを供給する図示しない供給装置が接続される。供給部３６の位置や寸法、形状などは、特に限定されるものではなく、プラズマが安定するように適宜設定すればよい。

筐体６０は、陰極２０のうち放出部３０以外を覆うものであればよいが、陰極２０のうち放出部３０や供給部３６以外の全ての部分を覆うものであることが好ましい。筐体６０の材質は、アルミ合金、銅合金、ステンレスなどとすることができる。

第１陽極４０及び第２陽極５０の形状は、陰極２０の軸方向に垂直な断面を見たときに、断面が円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。第１陽極４０及び第２陽極５０の寸法は、特に限定されないが、例えば、高さ方向及び幅方向（円の場合は直径）でそれぞれ１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、長さ方向で５０ｍｍ以上４００ｍｍ以下としてもよい。なお、第１陽極４０及び第２陽極５０の形状や寸法は同じでも異なっていてもよい。

第１陽極４０及び第２陽極５０の材質は、黒鉛、ガラス状カーボンなどの炭素材料とすることができる。炭素材料は、電子放出性が良く、安価で加工性も良好であるため好適である。第１陽極４０及び第２陽極５０の材質は、この他に、例えば、タングステン、モリブデン、チタン、ニッケルや、それらの合金、それらの化合物などとしてもよい。

この原子線源１０では、減圧雰囲気の処理室内において、この処理室内に配置された被処理材に原子線を照射して、被処理材に所望の処理を施すことができる。処理室は、１０^-2Ｐａ以下に設定されていることが好ましく、１０^-3Ｐａ以下がより好ましい。被処理材としては、例えば、Ｓｉや、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰなどの化合物や金属などが挙げられる。原子線源１０では、原子線照射により、被処理材表面の酸化物や吸着分子を除去したり、被処理材表面を活性化したりすることができる。例えば、２つの被処理材の表面を、原子線照射により酸化物や吸着分子を除去して活性化させ、原子線照射面同士を対向させて重ね合わせ、必要に応じて加圧することで、２つの被処理材を直接接合することができる。原子線源１０は、いわゆる高速原子線（ＦＡＢ）源として用いることができる。

以上説明した原子線源１０では、陰極２０と第１陽極４０と第２陽極５０との位置関係が所定の構成であり、具体的には、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値が７５０以上１６７０以下である。このように、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値が７５０以上１６７０以下とすると、原子線の取り出し効率が向上するため、所望の原子線の取り出し効率を得るのに必要な直流電源の出力を小さくできる。それにより、陰極２０の放出部３０以外の部分に衝突する陽イオンの割合が少なくなるし、直流電源の出力を小さくすれば衝突する陽イオンの数も少なくなるため、原子線源１０では原子線の取り出し効率を維持したまま、スパッタ粒子の発生を抑制できる。結果として、不要な粒子の放出をより抑制できる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の一例である原子線源１１０における図２に相当する断面図である。なお、原子線源１０の構成と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、図４に現れない構成は、原子線源１０の構成と同様であるため、斜視図を省略し、原子線源の使用方法やそれを用いた被処理材の処理方法は、原子線源１０と同様であるため、説明を省略する（以下各実施形態において同じ）。

原子線源１１０は、図４に示すように、両端が閉じた筒状の陰極１２０と、陰極１２０の内部に設けられた棒状の第１陽極１４０と、陰極１２０の内部に第１陽極１４０と離間して設けられた棒状の第２陽極１５０と、を備えている。陰極１２０は、筒状の面のうちの一部に、原子線を放出可能な複数の放出口３２が設けられた放出部３０を有しており、この放出部３０に対応する部分が開口した筐体６０の内部に配設されている。また、陰極１２０は、放出部３０とは反対側の面に、供給部３６を有している。第１陽極１４０及び第２陽極１５０は、いずれもその両端が陰極１２０の一端及び他端に絶縁部材６２を介して固定されている。原子線源１１０では、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値は、原子線源１０と同じでもよいし、異なってもよい。例えば、５００以上４０００以下などの範囲で適宜設定してもよい。

原子線源１１０では、陰極１２０が、陰極１２０の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が四角形で、四角形の各角が面取り形状、具体的にはＲ面である。この四角形は正方形又は長方形であることが好ましい。Ｒ面は、半径が、１ｍｍ以上であることが好ましく、５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上がさらに好ましい。また、Ｒ面は、半径が５０ｍｍ以下としてもよいし、３０ｍｍ以下としてもよいし、２０ｍｍ以下としてもよい。陰極１２０は、陰極１２０の軸方向に垂直な断面を見たときに、中心Ｏから内側までの距離の最小値Ｘminと中心Ｏから内側までの距離の最大値Ｘmaxとが０．５≦Ｘmin／Ｘmax≦１を満たすことが好ましい。こうしたものでは、不要な粒子の放出をより抑制できる。中心Ｏは、陰極１２０の軸方向に垂直な断面を見たときの内側の四角形の重心の位置とすることができる。Ｘmin／Ｘmaxの値は、０．６８以上が好ましく、０．７以上がより好ましい。陰極１２０の寸法は、例えば、その内側の寸法が、高さ方向で２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、幅方向で２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、長さ方向で５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下などとしてもよい。

陰極１２０は、陰極１２０の軸方向に垂直な断面を見たときに外側の形状が、円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。陰極１２０は、内側と外側の断面形状が同じでも異なっていてもよい。陰極２０の厚みは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下などとしてもよい。陰極１２０の材質は、陰極２０で例示したものを用いることができる。

第１陽極１４０及び第２陽極１５０は、放出部３０に平行な所定の配設面上に各中心軸が位置するように互いに平行に配設されていてもよい。また、中心軸の少なくとも一方が例えば配設面Ｐに対して縦方向に傾いて配設されていてもよいし、中心軸の少なくとも一方が例えば幅方向に垂直な面に対して幅方向に傾いて配設されていてもよいし、これらの両方としてもよい。配設面Ｐに対する中心軸の傾きは、例えば０°以上１０°以下としてもよい。また、幅方向に垂直な面に対する中心軸の傾きは、例えば０°以上１０°以下としてもよい。第１陽極１４０及び第２陽極１５０の形状や寸法、材質は、第１陽極４０及び第２陽極５０と同様とすることができる。

以上説明した原子線源１１０では、陰極１２０の形状が所定の構成であり、具体的には、陰極１２０が面取り形状の角部を有する。角部は、スパッタ粒子が堆積しやすい傾向にあるが、陰極１２０では、面取り形状の角部を有するため、スパッタ粒子の角部への堆積の集中を抑制できる。このため、陰極１２０内に堆積するスパッタ粒子の堆積層の厚みがより均一になり、歪みによる亀裂の発生が抑制され、堆積物の落下や飛散を抑制できる。また、プラズマに近い部分（例えば陰極の角部以外の部分）は、陽イオンの衝突によって摩耗しやすい傾向にあるが、陰極１２０の面取り形状の角部は面取り形状でない場合よりもプラズマに近くなり、陰極１２０のプラズマとの距離が均一化されるため、摩耗量がより均一になる。このように、原子線源１１０では、陰極１２０への堆積物の堆積量や、陽イオンの衝突による陰極１２０の摩耗量がより均一になり、落下や飛散のおそれのある堆積物の成長そのものを抑制できる。結果として、不要な粒子の放出を抑制できる。

なお、原子線源１１０は、陰極１２０が、陰極１２０の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が四角形で、四角形の各角がＲ面であるものとしたが、各角の形状はチャンファー（chamfer）面でもよい。こうしても、原子線源１１０と同様の効果が得られる。図５は、第２実施形態の一例である原子線源２１０における図２に相当する断面図である。原子線源１１０の構成と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。原子線源２１０において、チャンファー面は、高さｈと幅ｗがそれぞれ１０ｍｍより大きいことが好ましく、１５ｍｍ以上がより好ましい。チャンファー面の高さｈと幅ｗはそれぞれ５０ｍｍ以下としてもよく、３０ｍｍ以下としてもよく、２０ｍｍ以下としてもよい。原子線源２１０においても、四角形は正方形又は長方形であることが好ましい。また、陰極２２０は、陰極２２０の軸方向に垂直な断面を見たときに、中心Ｏから内側までの距離の最小値Ｘminと中心Ｏから内側までの距離の最大値Ｘmaxとが０．５≦Ｘmin／Ｘmax≦１を満たすことが好ましい。Ｘmin／Ｘmaxの値は、０．６８以上としてもよいし、０．７以上としてもよいが、０．７５より大きいことが好ましく、０．７７以上が好ましく、０．７９以上がより好ましい。

また、原子線源１１０や原子線源２１０は、陰極が、陰極の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が四角形で、四角形の各角が面取り形状であるものとしたが、陰極は、例えば、陰極の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が円形又は楕円形であるものとしてもよい。こうしても、原子線源１１０や原子線源２１０と同様の効果が得られる。この場合も、陰極の軸方向に垂直な断面を見たときに、中心Ｏから内側までの距離の最小値Ｘminと中心Ｏから内側までの距離の最大値Ｘmaxとが０．５≦Ｘmin／Ｘmax≦１を満たすことが好ましい。Ｘmin／Ｘmaxの値は、０．６８以上としてもよいし、０．７以上としてもよい。なお、この場合、中心Ｏの位置は、陰極の軸方向に垂直な断面を見たときの内側の円又は楕円の中心の位置とすることができる。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態の一例である原子線源３１０における図２に相当する断面図である。なお、原子線源１０や原子線源１１０の構成と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

原子線源３１０は、図６に示すように、両端が閉じた筒状の陰極３２０と、陰極３２０の内部に設けられた棒状の第１陽極１４０と、陰極３２０の内部に第１陽極１４０と離間して設けられた棒状の第２陽極１５０と、を備えている。陰極３２０は、筒状の面のうちの一部に、原子線を放出可能な複数の放出口３３２が設けられた放出部３３０を有しており、この放出部３３０に対応する部分が開口した筐体６０の内部に配設されている。また、陰極３２０は、放出部３３０とは反対側の面に、供給部３６を有している。第１陽極１４０及び第２陽極１５０は、いずれもその両端が陰極３２０の一端及び他端に絶縁部材６２を介して固定されている。

原子線源３１０では、陰極３２０の放出部３３０に設けられた放出口３３２が、陰極３２０の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されている。放出口は、外面と内面とを結ぶ直線の放出部３３０に垂直な方向に対する傾きＳが０°より大きければよいが、４°以上が好ましく、６°以上がより好ましい。このように、傾きＳが０°より大きければ、傾きＳが例えば０°の場合よりも内面側の開口面積を小さく、外面側の開口面積を大きくできる。これにより、原子線源３１０では、内面側でスパッタ粒子の放出を抑制することができるし、外面側の開口が内面側の開口より大きく陽イオンや原子が放出口３３２に衝突しにくいため、原子線の取り出し効率の低下を抑制できる。また、傾きＳは２０°以下が好ましく、１５°以下がさらに好ましく、１０°以下がより好ましい。傾きＳが２０°以下であれば、内面側の開口が小さくなりすぎず、隣り合う穴と貫通することを防ぐことができる。陰極３２０の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向は、例えば、外面から内面に向けて直線状に一定の角度で小さくなるものとしてもよいし、角度を変えながら曲線状に小さくなるものとしてもよいし、階段状に小さくなるものとしてもよい。傾きＳは、放出口３３２の全周にわたって一定でもよいし、一定でなくてもよい。

放出口３３２の形状は、円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。放出口３３２の寸法は、陰極３２０の内面において、幅方向及び長さ方向（円の場合には直径）で、それぞれ、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下などとしてもよい。また、放出口３２は、スリット形状でもよい。スリット形状の場合、陰極３２０の内面において、幅０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下のスリットであることが好ましい。スリットの伸びる方向は特に限定されない。

放出部３３０の形状や寸法、材質、形成部位は、放出口３３２以外については、放出部３０と同様とすることができる。また、陰極３２０の形状や寸法、材質などは、放出部３３０及び放出口３３２以外については、陰極２０と同様とすることができる。

以上説明した原子線源３１０では、陰極３２０の形状が所定の構成であり、具体的には陰極３２０の放出部３３０に設けられた放出口３３２が、陰極３２０の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されている。このように、原子線源３１０では、内面側の開口面積が小さいため内面側でスパッタ粒子の放出を抑制することができるし、外面側の開口が内面側の開口より大きく陽イオンや原子が放出口３３２に衝突しにくいため、原子線の取り出し効率の低下を抑制できる。結果として、不要な粒子の放出を抑制できる。

［第４実施形態］
図７は、第４実施形態の一例である原子線源４１０における図２に相当する断面図である。なお、原子線源１０や原子線源１１０の構成と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

原子線源４１０は、図７に示すように、両端が閉じた筒状の陰極４２０と、陰極４２０の内部に設けられた棒状の第１陽極１４０と、陰極４２０の内部に第１陽極１４０と離間して設けられた棒状の第２陽極１５０と、を備えている。陰極４２０は、筒状の面のうちの一部に、原子線を放出可能な複数の放出口３２が設けられた放出部３０を有しており、この放出部３０に対応する部分が開口した筐体６０の内部に配設されている。また、陰極４２０は、放出部３０とは反対側の面に、供給部３６を有している。第１陽極１４０及び第２陽極１５０は、いずれもその両端が陰極４２０の一端及び他端に絶縁部材６２を介して固定されている。

原子線源４１０では、陰極４２０が、スパッタ粒子を捕集する捕集部４２２と、捕集部４２２に接続されスパッタ粒子を外部に排出する排出部４２４とを備えている。原子線源４１０の使用時には、排出部４２４には、排出管などが接続されて、例えば処理室外などの適切な場所にスパッタ粒子が排出される。排出部４２４には、直接又は排出管などを介して吸引装置などを接続してもよいが、陰極４２０の内部の気圧が排出部４２４を介した外部の気圧より高い場合には、吸引装置などが無くても、排出部４２４からスパッタ粒子を外部に排出できる。

捕集部４２２は、スパッタ粒子が堆積しやすい部分、例えば、陰極４２０の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が角部を有する形状（多角形など）の場合に、角部に設けられていることが好ましい。捕集部４２２は、陰極４２０の内部からスパッタ粒子が入る入口が、捕集部４２２の内部よりも狭くなっていることが好ましい。こうすれば、捕集部４２２に捕集されたスパッタ粒子の陰極４２０の内部への脱落や飛散をより抑制できる。

捕集部４２２の形状は、陰極４２０の軸方向に垂直な断面を見たときに、一部が開口した、円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。開口は、上記断面の各形状（開口していないもの）の中心と開口部とを結ぶ２本の直線のなす角θが９０°以上１８０°以下であることが好ましい。捕集部４２２の寸法は、高さ方向及び幅方向（円の場合には直径）で、それぞれ、５ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がより好ましく、１５ｍｍ以上がさらに好ましい。また、この寸法は、７０ｍｍ以下としてもよく、３５ｍｍ以下が好ましく、３０ｍｍ以下がさらに好ましく、２５ｍｍ以下がさらに好ましい。例えば、捕集部４２２の断面が、一部が開口した円の場合、この円の直径Ｄは、１０ｍｍ以上７０ｍｍ以下が好ましく、この円の半径ｒは、５ｍｍ以上３５ｍｍ以下が好ましい。捕集部４２２は、長さ方向に、断面形状一定で又は断面形状が変化しながら連続的に形成されていてもよいし、断続的に形成されていてもよいし、一部に形成されていてもよい。

陰極４２０は、捕集部４２２及び排出部４２４を備えている点以外は、陰極２０と同様とすることができる。

以上説明した原子線源４１０では、陰極４２０の形状が所定の構成であり、具体的には、捕集部４２２と排出部４２４とを備えている。このため、スパッタ粒子を捕集部４２２に集めて排出部４２４から適切に排出することで、スパッタ粒子の堆積や、堆積したスパッタ粒子の落下や飛散を抑制できる。結果として、不要な粒子の放出を抑制できる。

［第５実施形態］
図８は、第５実施形態の一例である原子線源５１０における図２に相当する断面図である。なお、原子線源１０と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

原子線源５１０は、図８に示すように、両端が閉じた筒状の陰極２０と、陰極２０の内部に設けられた棒状の第１陽極５４０と、陰極２０の内部に第１陽極５４０と離間して設けられた棒状の第２陽極５５０と、を備えている。陰極２０は、筒状の面のうちの一部に、原子線を放出可能な複数の放出口３２が設けられた放出部３０を有しており、この放出部３０に対応する部分が開口した筐体６０の内部に配設されている。また、陰極２０は、放出部３０とは反対側の面に、供給部３６を有している。第１陽極５４０及び第２陽極５５０は、いずれもその両端が陰極２０の一端及び他端に絶縁部材６２を介して固定されている。

原子線源５１０では、第１陽極５４０及び第２陽極５５０が、本体５４２，５５２の互いが対向する側の反対側に突起５４４，５５４を備えている。本体５４２，５５２の形状や寸法、材質、配置は、第１陽極４０及び第２陽極５０と同様とすることができる。突起５４４，５５４の形状は、先端が尖った形状でもよいし、先端が丸まった形状でもよいし、先端が平面となるような形状でもよい。また、突起５４４，５５４は、長さ方向に、断面形状一定で又は断面形状が変化しながら連続的に形成されていてもよいし、断続的に形成されていてもよい。また、突起５４４，５５４は、長さ方向全体にわたって形成されていてもよいし、一部に形成されていてもよい。突起５４４，５５４は、その先端と陰極２０との距離Ｐが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下となるように形成されていることが好ましく、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下がさらに好ましい。突起５４４，５５４の高さは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以上３ｍｍ以下がより好ましく、２ｍｍ以上３ｍｍ以下がさらに好ましい。

第１陽極５４０及び第２陽極５５０は、放出部３０に平行な所定の配設面上に本体５４２及び５５２の各中心軸が位置するように互いに平行に配設されていてもよい。また、中心軸の少なくとも一方が例えば配設面Ｐに対して縦方向に傾いて配設されていてもよいし、中心軸の少なくとも一方が例えば幅方向に垂直な面に対して幅方向に傾いて配設されていてもよいし、これらの両方としてもよい。配設面Ｐに対する中心軸の傾きは、例えば０°以上１０°以下としてもよい。また、幅方向に垂直な面に対する中心軸の傾きは、例えば０°以上１０°以下としてもよい。

以上説明した原子線源５１０では、第１陽極５４０及び第２陽極５５０の形状が所定の構成であり、具体的には、第１陽極５４０及び第２陽極５５０が互いに対向する側の反対側に突起５４４，５５４を備えている。こうした、原子線源５１０では、電界集中によって、突起５４４，５５４がない場合に比して低い電圧で、プラズマが発生し原子線を放出することができる。電圧が低いと、陽イオンの移動速度が遅くなるため、陽イオンが陰極２０や第１陽極５４０，第２陽極５５０に衝突してもスパッタ粒子が生じにくく、スパッタ粒子の発生そのものを抑制できる。結果として、不要な粒子の放出を抑制できる。

［第６実施形態］
図９は、第６実施形態の一例である原子線源６１０における図２に相当する断面図である。また、図１０は、原子線源６１０の放出口６３２の斜視図である。図１０において、２点鎖線は、放出部６３０本体部分との仮想境界線である。なお、原子線源１０，１１０と同一の構成については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

原子線源６１０は、図９に示すように、両端が閉じた筒状の陰極６２０と、陰極６２０の内部に設けられた棒状の第１陽極１４０と、陰極６２０の内部に第１陽極１４０と離間して設けられた棒状の第２陽極１５０と、を備えている。陰極６２０は、筒状の面のうちの一部に、原子線を放出可能な複数の放出口６３２が設けられた放出部６３０を有しており、この放出部６３０に対応する部分が開口した筐体６０の内部に配設されている。また、陰極６２０は、放出部６３０とは反対側の面に、供給部３６を有している。第１陽極１４０及び第２陽極１５０は、いずれもその両端が陰極６２０の一端及び他端に絶縁部材６２を介して固定されている。

原子線源６１０では、第３実施形態の原子線源３１０と同様、陰極６２０の放出部６３０に設けられた放出口６３２が、陰極６２０の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されている。ただし、放出口６３２は、陰極６２０の内面側にフィルタ部が設けられることによって、陰極６２０の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されている点で、原子線源３１０とは異なる。原子線源６１０では、陰極６２０の放出部６３０に設けられた放出口６３２のうち陰極６２０の内面側に、図１０に示すようにフィルタ部６３４が設けられている。このフィルタ部６３４は、放出口６３２よりも開口面積の小さな開口６３６を２つ以上有している。フィルタ部６３４の開口６３６の形状は、円や楕円でもよいし、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形でもよいし、その他の形状でもよい。フィルタ部６３４の開口６３６の寸法は、幅方向及び長さ方向（円の場合には直径）で、それぞれ、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下が好ましく、０．０１ｍｍ以上０．０８ｍｍ以下がより好ましく、０．０３ｍｍ以上０．０６ｍｍ以下がさらに好ましい。フィルタ部６３４の開口６３６は、スリット形状でもよい。スリット形状の場合、幅０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のスリットであることが好ましい。スリットの伸びる方向は特に限定されない。フィルタ部６３４の厚みは、放出部６３０の厚み未満であればよいが、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましく、０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下がさらに好ましい。フィルタ部６３４の材質は、陰極２０で例示したものなどとすることができ、放出部６３０と同じものとしても異なるものとしてもよい。フィルタ部６３４は、放出部６３０と一体形成されていることが好ましい。

放出口６３２のフィルタ部６３４以外の形状は、放出口３２と同様とすることができる。放出部６３０の形状や寸法、形成部位は、放出口６３２以外については、放出部３０と同様とすることができる。また、陰極６２０の形状や寸法、材質などは、放出部６３０及び放出口６３２以外については、陰極２０と同様とすることができる。

以上説明した原子線源６１０では、陰極６２０の形状が所定の構成であり、具体的には、陰極６２０の放出部６３０に設けられた放出口６３２が、陰極６２０の内面側にフィルタ部６３４を備えている。これにより、原子線源６１０では、内面側でフィルタ部６３４によってスパッタ粒子の放出を抑制することができるし、外面側にはフィルタ部６３４がなく陽イオンや原子が放出口６３２に衝突しにくいため、原子線の取り出し効率の低下を抑制できる。結果として、不要な粒子の放出を抑制できる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、第１〜第６実施形態を別々に説明したが、第１〜第６実施形態のうちの２つ以上を組み合わせてもよい。上述した実施形態では、原子線源１０〜６１０は、筐体６０を有するものとしたが、筐体６０を省略してもよい。上述した実施形態では、陰極２０〜６２０は、両端が閉じた筒状であるものとしたが、一端が閉じて一端が開口した筒状でもよいし、両端が開口した筒状でもよい。この場合には、筐体６０によって陰極２０〜６２０の開口が塞がれる。上述した実施形態では、第１陽極４０〜５４０及び第２陽極５０〜５５０は、いずれもその両端が陰極２０〜６２０の一端及び他端に絶縁部材６２を解して固定されている、としたが、こうしたものに限定されない。第１陽極４０〜５４０及び第２陽極５０〜５５０の少なくとも一方は、陰極２０〜６２０の一端のみに絶縁部材６２を介して固定されていてもよいし、その他の方法で固定されていてもよい。上述した実施形態では、原料ガスとして、Ａｒガスを例示したが、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｏ₂、Ｈ₂、Ｎ₂などとしてもよい。また、原料ガスは、供給部３６から供給されるものとしたが、予め陰極２０〜６２０の内部に存在するものとしてもよい。この場合、供給部３６を省略できる。

以下には、本発明の原子線源を用いて原子線を発生させた場合について、実験例として説明する。なお、実験例１−２，１−５，１−８，１−１１，１−１２，２−２〜２−７，３−２〜３−５，４−２，４−３，５−１，５−２が本発明の実施例に相当し、実験例１−１，１−３，１−４，１−６，１−７，１−９，１−１０，２−１，３−１，４−１，５−３，５−４が比較例に相当する。

［実験例１−１〜１−１２］
実験例１−１〜１−１２では、図１〜３に示す原子線源１０を用いた。陰極２０には、陰極２０の軸方向に垂直な断面を見たときに、断面が四角形で、内側の寸法が高さ６０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍで、厚み５ｍｍの、両端が閉じた筒状の炭素陰極を用いた。放出部３０には、直径２ｍｍの放出口３２を幅方向に１０個、長さ方向に１５個設けた。第１陽極４０及び第２陽極５０には、直径１０ｍｍで長さ１２０ｍｍの棒状の炭素電極を用いた。第１陽極４０と第２陽極５０との中心間の距離Ｌ、配設面Ｐと放出部３０との距離Ｈ及び（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値は、表１に示すものとした。この原子線源１０を、１０^-6Ｐａの真空に保たれた処理室内に配設し、処理対象となるＳｉ基板に原子線を照射した。照射時には、陰極２０と第１陽極４０及び第２陽極５０とに接続された高圧直流電源を、電流１００ｍＡで電圧１０００Ｖの電圧を印加した。また、供給部３６から原料ガスとしてのＡｒガスを３０ｃｃ／ｍｉｎで供給した。

表１に、基板表面を確認したときの不要な粒子（カーボン粒子、以下パーティクルとも称する）の評価結果と、ビーム（原子線）照射の評価結果を示した。なお、パーティクルの評価は、基板表面をパーティクルカウンターで確認し、現行品（例えば実験例１−１）とパーティクル量を比較することにより行った。パーティクルが現行品よりも非常に少ないものを「Ａ」、パーティクルが現行品よりも少ないものを「Ｂ」、パーティクルが現行品と同等のものを「Ｃ」、パーティクルが現行品よりも多いものを「Ｄ」として評価した。また、ビーム照射の評価は、エッチングレートを膜厚計により測定し、現行品とエッチングレートを比較することにより行った。表では、エッチングレートが現行品よりも非常に高いものを「Ａ」、エッチングレートが現行品よりも高いものを「Ｂ］、エッチングレートが現行品と同等のものを「Ｃ」、エッチングレートが現行品よりも低いものを「Ｄ］と評価した。表１に示すように、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌが７５０以上１６７０以下の実験例１−２，１−５，１−８，１−１１，１−１２では、ビーム照射及びパーティクルの評価結果が現行品より良好であった。このことから、第１実施形態の態様では、不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。また、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値は、７５０以上が好ましく、８００以上がより好ましく、８５０以上がさらに好ましいことがわかった。また、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値は、１６７０以下が好ましく、１０５０以下がより好ましく、１０００以下がさらに好ましいことがわかった。

［実験例２−１〜２−７］
実験例２−１は、実験例１−１と同様とした。実験例２−２〜２−４では、図４に示す原子線源１１０を用いた。実験例２−５〜２−７では、図５に示す原子線源２１０を用いた。陰極１２０及び２２０では、実験例２−１の陰極２０の角部を、表２に示す形状にした。それ以外の条件は、実験例２−１と同様として、実験を行った。なお、表２のＲ５は半径５ｍｍのＲ面であることを示し、Ｃ５は高さと幅が５ｍｍのチャンファー面であることを示す。

表２に、基板表面を確認したときのパーティクルの評価結果を示した。表２に示すように、角部が面取り形状である場合には、パーティクルの評価結果が良好であったことから、不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。よって、第２実施形態の態様では、不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。また、Ｒ面は半径５ｍｍ以上であることが好ましく、チャンファー面は高さ及び幅がそれぞれ１５ｍｍ以上であることが好ましいことがわかった。なお、実験例２−５，２−６では、パーティクルの評価結果はＣであったが、パーティクルが実験例２−１より僅かに少なく、一定の効果が得られることがわかった。

図１１に、一般的な原子線源の使用後の内部状態の模式図を示す。図１２に、一般的な原子線源の角部での堆積物（スパッタ粒子）の様子の模式図を示す。また、図１３に、Ｒ面を設けた時の角部での堆積物の様子の模式図を示す。図１１において、一点鎖線で囲んだ部分はカーボン粒子が多く堆積する部分を示し、破線で囲んだ部分は陰極２０が多く摩耗する部分を示す。図１１や図１２に示すように、角部は、スパッタ粒子が堆積しやすい傾向にあるが、実験例２−２〜２−７では、各角が面取り形状であるため、図１３に示すようにスパッタ粒子の角部への堆積の集中を抑制できたと推察された。また、図１１に示すように、プラズマに近い部分（例えば陰極の角部以外の部分）は、陽イオンの衝突によって摩耗しやすい傾向にあるが、実験例２−２〜２−７では、各角が面取り形状であり陰極１２０のプラズマとの距離が均一化されるため、摩耗量がより均一になったと推察された。こうした観点、すなわちスパッタ粒子の角部への堆積の集中を抑制したり陰極のプラズマとの距離を均一化したりする観点から、陰極は、陰極の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が円形又は楕円形でもよいと推察された。

また、陰極は、プラズマの中心に近い位置であると考えられる陰極の中心から、陰極の内側までの距離ができるだけ均一であることが好ましく、例えば、上述したＸmin／Ｘmaxの値が、０．５≦Ｘmin／Ｘmax≦１を満たすことが好ましいことがわかった。Ｘmin／Ｘmaxの値は、０．６８以上が好ましく、０．７以上がより好ましいことがわかった。面取り形状がチャンファー面である場合には、Ｘmin／Ｘmaxの値が０．７５より大きいことが好ましく、０．７７以上がより好ましく、０．７９以上がさらに好ましいことがわかった。

［実験例３−１〜３−５］
実験例３−１〜３−５では、図６に示す原子線源３１０を用いた。陰極３２０では、放出口３３２の角度Ｓを表３に示す値とし、内面側の開口の直径を０．０５ｍｍとした。それ以外の条件は、実験例１−１と同様として、実験を行った。

表３に、基板表面を確認したときのパーティクルの評価結果と、ビーム照射の評価結果を示した。表３に示すように、角度Ｓが４°以上の実験例３−３〜３−５では、ビーム照射の評価結果が現行品と同等でパーティクルの評価結果が非常に良好であった。角度Ｓが３°の実験例３−２では、ビーム照射の評価結果が現行品よりも低かったものの、パーティクルの評価結果は非常に良好であったため、放出口径や出力を調整するなどしてビーム照射を良好にしても、パーティクルの評価結果は良好になると推察された。よって、第３実施形態の態様では、好適に不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。また、角度Ｓは４°以上２０°以下であることが好ましいことがわかった。また、図９に示す原子線源６１０でも、原子線源３１０と同様、陰極６２０の放出部６３０に設けられた放出口６３２が、陰極６２０の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されていることから、原子線源３１０と同様の効果が得られると推察された。

［実験例４−１〜４−３］
実験例４−１〜４−３では、図７に示す原子線源４１０を用いた。陰極４２０では、捕集部４２２を、表１に示す半径ｒの円形で、一部が欠けた形状とした。角度θは９０°とした。それ以外の条件は、実験例１−１と同様として、実験を行った。

表４に、基板表面を確認したときのパーティクルの評価結果を示した。表４に示すように、捕集部４２２及び排出部４２３を備えた実験例４−２，４−３では、いずれも、パーティクルの評価結果が良好であったことから、不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。よって、第４実施形態の態様では、不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。

［実験例５−１〜５−４］
実験例５−１〜５−４では、図８に示す原子線源５１０を用いた。陽極５４０，５５０としては、直径１０ｍｍの棒状の本体から、突起先端と陰極との間の距離が表５に示す距離Ｐとなるように表５に示す高さの突起を陽極の長さ方向全体にわたって連続的に設けた炭素電極を用いた。また、印加電圧を８００Ｖとした。それ以外の条件は、実験例１−１と同様として、実験を行った。

表５に、基板表面を確認したときのパーティクルの評価結果と、ビーム照射の評価結果を示した。表５に示すように、突起を設けた実験例５−１〜５−２では、いずれも、パーティクルの評価結果及びビーム照射の評価結果の両方が良好であった。よって、第５実施形態の態様では、不要な粒子の放出を抑制できることがわかった。また、突起を設けず距離Ｐだけを変化させた実験例５−３，５−４では、ビーム照射の評価結果及びパーティクルの評価結果が現行品と同等であったことから、実験例５−１，５−２でビーム照射の評価結果やパーティクルの評価結果が良好となったのは、突起の存在による効果であると推察された。

なお、本発明は上述した実験例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

本出願は、２０１５年８月２８日に出願された日本国特許出願第２０１５−１６８４２９号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

本発明は、原子線を利用する技術分野に利用可能である。

１０ 原子線源、２０ 陰極、３０ 放出部、３２ 放出口、３６ 供給部、４０ 第１陽極、５０ 第２陽極、６０ 筐体、６２ 絶縁部材、１１０ 原子線源、１２０ 陰極、１４０ 第１陽極、１５０ 第２陽極、２１０ 原子線源、２２０ 陰極、３１０ 原子線源、３２０ 陰極、３３０ 放出部、３３２ 放出口、４１０ 原子線源、４２０ 陰極、４２２ 捕集部、４２４ 排出部、５１０ 原子線源、５４０ 第１陽極、５４２ 本体、５４４ 突起、５５０ 第２陽極、５５２ 本体、５５４ 突起、６１０ 原子線源、６２０ 陰極、６３０ 放出部、６３２ 放出口、６３４ フィルタ部、６３６ 開口。

Claims (10)

1. 原子線を放出可能な放出口が設けられた放出部を有する筒状の陰極と、
   前記陰極の内部に設けられた棒状の第１陽極と、
   前記陰極の内部に前記第１陽極と離間して設けられた棒状の第２陽極と、
   を備え、前記陰極の形状、前記第１陽極の形状、前記第２陽極の形状、及び、前記陰極と前記第１陽極と前記第２陽極との位置関係、からなる群より選ばれる少なくとも１以上を所定の構成とすることで、前記第１陽極と前記第２陽極との間でのプラズマにより生じた陽イオンが前記陰極、前記第１陽極、及び、前記第２陽極の少なくとも１つと衝突して発生する、スパッタ粒子の放出を抑制する、
   原子線源。
2. 前記第１陽極及び前記第２陽極は、前記放出部に平行な配設面上に中心軸が位置するように互いに平行に配設され、前記第１陽極と前記第２陽極との中心軸間の距離をＬとし、前記配設面と前記放出部との距離をＨとしたときに、（Ｈ＋Ｌ）×Ｈ²／Ｌの値が７５０以上１６７０以下の範囲内である、請求項１に記載の原子線源。
3. 前記陰極は、該陰極の軸方向に垂直な断面を見たときに内側が四角形で、該四角形の１以上の角が面取り形状であるか、前記断面を見たときに内側が円形又は楕円形である、請求項１又は２に記載の原子線源。
4. 前記面取り形状は、半径５ｍｍ以上のＲ面及び高さと幅がそれぞれ１５ｍｍ以上のチャンファー面のいずれかである、請求項３に記載の原子線源。
5. 前記陰極は、前記断面を見たときに、中心から前記内側までの距離の最小値Ｘminと中心から前記内側までの距離の最大値Ｘmaxとが０．５≦Ｘmin／Ｘmax≦１を満たす、請求項３又は４に記載の原子線源。
6. 前記放出口は、前記陰極の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の原子線源。
7. 前記放出口は、前記外面と前記内面とを結ぶ直線の前記放出部に垂直な方向に対する傾きが４°以上２０°以下である、請求項６に記載の原子線源。
8. 前記放出口は、前記陰極の内面側にフィルタ部が設けられることによって、前記陰極の外面から内面に向けて開口面積が小さくなる傾向に形成されている、請求項６又は７に記載の原子線源。
9. 前記陰極は、前記スパッタ粒子を捕集する捕集部と、前記捕集部に接続され前記スパッタ粒子を外部に排出する排出部とを備えている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の原子線源。
10. 前記第１陽極及び前記第２陽極は、互いが対向する側の反対側に突起を備えている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の原子線源。

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