JPH0695452B2 - Micro high-speed atomic beam source device - Google Patents
Micro high-speed atomic beam source deviceInfo
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- JPH0695452B2 JPH0695452B2 JP61022152A JP2215286A JPH0695452B2 JP H0695452 B2 JPH0695452 B2 JP H0695452B2 JP 61022152 A JP61022152 A JP 61022152A JP 2215286 A JP2215286 A JP 2215286A JP H0695452 B2 JPH0695452 B2 JP H0695452B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、効率良く簡便に収束性高速原子線を得るマイ
クロ高速原子線源装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a micro fast atom beam source device for efficiently and simply obtaining a convergent fast atom beam.
〈従来の技術〉 収束性高速原子線を得る従来の装置としては、第3図の
ように構成されていた。図において1はイオンソース,2
は静電レンズ,3はイオンビーム,4は電荷交換器、5はガ
ス導入口,6は収束性の高速原子線であり、イオンソース
1,静電レンズ2,電荷交換器4は,真空容器7内にて列状
に配されている。8は真空容器7用の真空ポンプであ
る。この装置の動作は、以下のとおりである。まず真空
容器7を真空ポンプ8によって充分に排気する。イオン
ソース1で高速のイオンビーム3を発生させ、これを静
電レンズ2に導いて所望のビーム径に収束する。これを
さらに電荷交換器4に導く。電荷交換器4にはガス導入
口5よりH2,He,N2,Ar等のガスを導入する。電荷交換器
4の内部では、イオンビーム3とガス分子との衝突によ
って次のような電荷交換反応が進行する。イオンビーム
3に含まれるイオンをM+,ガス分子をAであらわす。<Prior Art> A conventional apparatus for obtaining a convergent high-speed atomic beam has a configuration as shown in FIG. In the figure, 1 is an ion source, 2
Is an electrostatic lens, 3 is an ion beam, 4 is a charge exchanger, 5 is a gas inlet, 6 is a convergent high-speed atomic beam, and an ion source
1, the electrostatic lens 2 and the charge exchanger 4 are arranged in a line inside the vacuum container 7. Reference numeral 8 is a vacuum pump for the vacuum container 7. The operation of this device is as follows. First, the vacuum container 7 is sufficiently evacuated by the vacuum pump 8. The ion source 1 generates a high-speed ion beam 3, which is guided to the electrostatic lens 2 and converged to a desired beam diameter. This is further guided to the charge exchanger 4. Gases such as H 2 , He, N 2 and Ar are introduced into the charge exchanger 4 through the gas inlet 5. Inside the charge exchanger 4, the following charge exchange reaction proceeds due to the collision between the ion beam 3 and the gas molecules. The ions contained in the ion beam 3 are represented by M + , and the gas molecules are represented by A.
M++A→M+A+ ……(1) A++電荷交換器の器壁→A ……(2) この反応によって、イオンは電荷を失って原子線6とな
り、電荷交換器4から射出する。イオンが負イオンの場
合は、(1),(2)式中のM+をM-とおきかえた反応が
進み、同様に原子線6が生ずる。ただし、この場合、ガ
ス分子としてはF2,O2,Cl2等の電子親和力の大きなもの
を用いる。M + + A → M + A + (1) A + + wall of charge exchanger → A ... (2) By this reaction, the ions lose their charge and become the atomic beam 6, which is ejected from the charge exchanger 4. When the ion is a negative ion, the reaction in which M + in the formulas (1) and (2) is replaced with M − proceeds, and the atomic beam 6 is similarly generated. However, in this case, gas molecules having a high electron affinity such as F 2 , O 2 , and Cl 2 are used.
〈発明が解決しようとする問題点〉 上記従来装置には、次のような問題がある。イオンは
質量の大きなガス分子と衝突するために運動エネルギー
の損失が大きい。質量の大きなガス分子との衝突によ
ってイオンの運動方向が大幅に乱れ、原子線の収束性が
低下する。電荷交換器にガスを導入するために真空容
器内を高真空あるいは超高真空に保つことが困難であ
る。レンズ、電荷交換器およびこれを動作させる電源
が必要であり高価である。<Problems to be Solved by the Invention> The above conventional device has the following problems. Ions have large loss of kinetic energy because they collide with gas molecules having large mass. Collision with a gas molecule having a large mass disturbs the direction of motion of the ions significantly, and the focusing property of the atomic beam deteriorates. It is difficult to maintain a high vacuum or an ultrahigh vacuum in the vacuum container in order to introduce the gas into the charge exchanger. It requires a lens, a charge exchanger and a power supply to operate it, which is expensive.
本発明の目的は、上記の諸問題を解決し、安価で簡便な
マイクロ高速原子線源装置を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an inexpensive and simple micro fast atomic beam source device.
〈問題点を解決するための手段〉 斯かる目的を達成する本発明の構成は、アノードの両側
にカソードを配置して該カソードに対してアノードを高
電位に保持することにより、前記アノードと前記カソー
ド間にグロー放電を生起すると共に前記アノードを中心
として両カソード間で電子を振動させて原子線を発生さ
せる原子線発生装置において、前記カソードの一部に前
記アノードに対して凸球面状をなす凸球面状部を設け、
該凸球面状部に多数の穴を形成して粒子線引き出し口と
したことを特徴とする。<Means for Solving the Problems> The structure of the present invention that achieves such an object is to arrange the cathodes on both sides of the anode and hold the anode at a high potential with respect to the cathode, thereby In an atomic beam generator that generates a glow discharge between cathodes and vibrates electrons between both cathodes around the anode to generate an atomic beam, a part of the cathode has a convex spherical shape with respect to the anode. Providing a convex spherical portion,
A large number of holes are formed in the convex spherical portion to form a particle beam outlet.
〈作用〉 両カソードに対してアノードを高電位に保持すると、ア
ノード、両カソード間でグロー放電が生起され、各カソ
ードの近傍にプラズマシースができる。同時に、各カソ
ードから放出された電子がアノードへ向けて加速し、ア
ノードを通り越して反対側のカソードへ達して速度を失
い、更にアノードへ向けて加速されて上述した振舞を繰
り返す。いわゆるバルクハウゼン−クルスの振動と名づ
けられる高周波振動がアノードを中心として両カソード
間で起る。振動する粒子はガス分子と衝突してプラズマ
が形成され、プラズマ中のプラスイオンはカソード近傍
のプラズマシース内で主として加速される。プラズマシ
ースはカソードの一部に形成された凸球面状部に沿って
形成されており、このプラズマシースに対してプラスイ
オンはほぼ垂直に突中する。従って、このプラスイオン
は、凸球面状に対し垂直に進むので、凸球面の曲率に応
じて収束するように飛行する。また、カソード付近はバ
ルクハウゼン−クルツの振動を行っている電子の速度が
0となる所であるから、電子とプラスイオンの衝突確率
が非常に大きくなり、ほとんどのプラスイオンが中和し
て高速原子線となる。この高速原子線は、凸球面状部に
形成された粒子線引き出し口から出射した後、一点に収
束することとなる。<Operation> When the anode is held at a high potential with respect to both cathodes, glow discharge is generated between the anode and both cathodes, and a plasma sheath is formed in the vicinity of each cathode. At the same time, the electrons emitted from each cathode accelerate toward the anode, pass through the anode, reach the cathode on the opposite side, lose the speed, and are further accelerated toward the anode, and the above-described behavior is repeated. A high-frequency vibration, which is called the so-called Barkhausen-Kruss vibration, occurs between the cathodes with the anode as the center. The vibrating particles collide with gas molecules to form plasma, and the positive ions in the plasma are mainly accelerated in the plasma sheath near the cathode. The plasma sheath is formed along a convex spherical portion formed on a part of the cathode, and the positive ions project almost perpendicularly to the plasma sheath. Therefore, since the positive ions travel perpendicularly to the convex spherical surface, they fly so as to converge according to the curvature of the convex spherical surface. In the vicinity of the cathode, the velocity of the electrons oscillating in Barkhausen-Kurz becomes 0, so that the collision probability of the electrons and the positive ions becomes very large, and most of the positive ions are neutralized and the high speed is reached. It becomes an atomic beam. The high-speed atom beam is converged at one point after being emitted from the particle beam outlet formed on the convex spherical surface.
〈実施例〉 以下、本発明の一実施例について図面を参照して詳細に
説明する。<Example> Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第1図に、本発明の一実施例に係る収束性原子線源装置
を示す。第2図は第1図A−A′断面を示す。同図に示
されるように、中空な直方体であるカソードケースの両
端面がカソード11,12となると共にこのカソード11,12が
接地される一方、カソード11,12にはガス導入口9が設
けられている。カソードケースの内部には、その中央に
おける上方及び下方に各々丸棒状をなすアノード10が配
置され、外部に設けられた電源13に接続している。一
方、カソード11の中央は、表面形状がアノード側から見
て(カソードケース内部に対し)凸球面状をなしてお
り、凸球面状部に垂直に穿設された多数の粒子線引き出
し口14があり、その各穴の中心線が一点で交わってい
る。FIG. 1 shows a converging atomic beam source device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a cross section taken along the line AA 'in FIG. As shown in the figure, the both ends of the hollow rectangular parallelepiped cathode case serve as the cathodes 11 and 12, and the cathodes 11 and 12 are grounded, while the cathodes 11 and 12 are provided with a gas introduction port 9. ing. Inside the cathode case, round bar-shaped anodes 10 are arranged above and below the center of the cathode case, and are connected to a power supply 13 provided outside. On the other hand, in the center of the cathode 11, the surface shape is a convex spherical surface when viewed from the anode side (with respect to the inside of the cathode case), and a large number of particle beam outlets 14 vertically formed in the convex spherical surface portion are provided. Yes, the center lines of the holes intersect at one point.
上記構成を有する本実施例の収束性高速原子線源装置
は、次のように使用する。The converging fast atom beam source device of this embodiment having the above configuration is used as follows.
まず、ガス導入口9からカソードケース内に不活性ガス
又は活性ガスを導入して10-1Torr〜10-3Torr程度とし、
カソード11,12に対してアノード10を数100vから数kvの
高電位に保持する。すると、アノード10,カソード11,12
間でグロー放電が生起されカソード11,12の近傍にプラ
ズマシース15ができる。一方、この時カソード11,12か
ら放出された電子がアノード10へ向けて加速し、2本の
アノード10の中間を通り越して反対側のカソード12,11
へ達して速度を失い、更にアノード10へ向けて加速され
て上述した振舞を繰り返す。いわゆるバルクハウゼン−
クルツの振動と名づけられる高周波振動がアノード10を
中心としてカソード11,12間で行われることとなり、こ
のように振動する電子がガス分子と衝突して、効果的に
プラズマが形成されることとなる。形成されるプラズマ
中のプラスイオンは、カソード近傍に形成されるプラズ
マシース15内で主として加速され、粒子線引き出し口14
を通って高速原子線源装置外へ放射される。First, an inert gas or an active gas is introduced from the gas introduction port 9 into the cathode case so as to have a pressure of about 10 -1 Torr to 10 -3 Torr,
The anode 10 is held at a high potential of several 100 v to several kv with respect to the cathodes 11 and 12. Then, anode 10, cathode 11, 12
A glow discharge is generated between them and a plasma sheath 15 is formed near the cathodes 11 and 12. On the other hand, at this time, the electrons emitted from the cathodes 11 and 12 accelerate toward the anode 10, pass through the middle of the two anodes 10, and the cathodes 12 and 11 on the opposite side.
The velocity is reached, the velocity is lost, the velocity is further accelerated toward the anode 10, and the above-described behavior is repeated. So-called Barkhausen-
High-frequency vibration, which is called Kurtz's vibration, occurs between the cathodes 11 and 12 with the anode 10 as the center, and the vibrating electrons collide with gas molecules to effectively form plasma. . The positive ions in the formed plasma are mainly accelerated in the plasma sheath 15 formed near the cathode, and the particle beam extraction port 14
It is radiated to the outside of the high-speed atomic beam source device through.
ところでプラスイオンは、プラズマシースにほぼ垂直に
突入するような運動を行なう。本発明のように高速原子
線内に凸状の表面形状を持つカソードに設けられた粒子
線引き出し口近辺のプラズマシースは、ほぼこの表面形
状にならって形成されると考えられ、このプラズマシー
スを横切って粒子線引き出し口に向かうプラスイオン
は、この凸状表面形状に直角に進むので凸面形状の曲率
に応じてある一点で収束されることになる。ここでカソ
ード付近は、バルクハウゼン−クルツの振動を行ってい
る電子の速度が0となる所であり、この近くで電子とプ
ラスイオンの衝突確率が非常に大きくなり、プラスイオ
ンを中和して高速原子を作ることになる。このような主
なメカニズムにより、イオン線が高速原子線となって収
束されて粒子線引き出し口から真空中へ放射される。By the way, the positive ions move so as to enter the plasma sheath almost vertically. The plasma sheath in the vicinity of the particle beam outlet provided on the cathode having a convex surface shape in the fast atom beam as in the present invention is considered to be formed following this surface shape. The positive ions that traverse to the particle beam extraction port travel at a right angle to this convex surface shape, so that they are converged at a certain point according to the curvature of the convex surface shape. In the vicinity of the cathode, the velocity of the electrons oscillating in Barkhausen-Kurz is 0, and the collision probability of electrons and positive ions becomes very large in the vicinity, neutralizing the positive ions. We will make fast atoms. Due to such a main mechanism, the ion beam is converged into a high-speed atom beam and emitted from the particle beam outlet into the vacuum.
また本実施例では、アノード10として2本の棒状のもの
を使用したが、バルクハウゼン−クルツの振動をする原
子やカソード11に向って加速するイオンの障害とならな
ければ、円環状その他の形状のものを使用することがで
きる。更に、本実施例では、粒子線引き出し口14はカソ
ード11のみに設けられていたが、これに限らず双方のカ
ソード11,12に設けてもよい。In this embodiment, two rod-shaped anodes are used as the anode 10. However, as long as they do not interfere with the atoms oscillating in Barkhausen-Kurz or the ions accelerated toward the cathode 11, they have an annular shape or other shapes. Can be used. Furthermore, in this embodiment, the particle beam outlet 14 is provided only on the cathode 11, but the present invention is not limited to this, and it may be provided on both cathodes 11 and 12.
本発明によるマイクロ高速原子線源装置では、Arガスを
用いて動作させた場合粒子線引き出し口から引き出され
る全ビームのうち90%以上が高速原子線であり、残りの
10%弱は、イオン線であることが実測された。In the micro fast atom beam source device according to the present invention, when operated using Ar gas, 90% or more of the total beam extracted from the particle beam outlet is a fast atom beam, and the remaining
It was measured that a little less than 10% was an ion beam.
〈発明の効果〉 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発
明は、カソードの凸球面状部に沿ってプラズマシースを
形成してこのプラズマシースを垂直に横切るようにプラ
スイオンを加速したので、安価かつ簡便に収束性原子線
を引き出すことができる。即ち、イオン線を電磁界レン
ズにより収束させて、さらに電荷交換器を用いてマイク
ロ高速原子線を得る従来の技術に比べ、電磁界レンズ及
び電荷交換器が必要ないのである。しかも、プラスイオ
ンを電子により中和するので粒子の運動エネルギの損失
を小さくすることができ、効率的に収束性原子線を得る
ことができる。この高速原子線は電荷を持たないので、
これを絶縁性の試料に照射した場合、表面帯電など表面
電位の影響を受けることなく、エッチング・スパッタリ
ング・イオン注入などの加工が局所的に可能となる利点
がある。半導体試料に照射した場合でもイオン線などの
場合に問題となる界面電荷密度の上昇を伴なう表面損傷
を生じにくい利点がある。<Effects of the Invention> As described specifically above with reference to the examples, the present invention forms a plasma sheath along the convex spherical surface of the cathode and positive ions so as to cross the plasma sheath vertically. As a result, the convergent atomic beam can be extracted inexpensively and easily. That is, the electromagnetic field lens and the charge exchanger are not required as compared with the conventional technique in which the ion beam is converged by the electromagnetic field lens and the micro fast atom beam is further obtained by using the charge exchanger. Moreover, since the positive ions are neutralized by the electrons, the loss of the kinetic energy of the particles can be reduced, and the convergent atomic beam can be efficiently obtained. Since this fast atom beam has no charge,
When this is applied to an insulating sample, there is an advantage that processing such as etching, sputtering, and ion implantation can be locally performed without being affected by the surface potential such as surface charging. Even when a semiconductor sample is irradiated, there is an advantage that surface damage accompanied by an increase in interface charge density, which is a problem in the case of an ion beam, is unlikely to occur.
第1図は本発明の一実施例に係るマイクロ高速原子線源
装置の断面図、第2図は第1図中のA−A′線矢視図、
第3図は、マイクロ高速原子線を得る従来のマイクロ高
速原子線装置の概略図である。 図面中、 1はイオンソース、2は静電レンズ、3はイオンビー
ム、4は電荷交換器、5はガス導入口、6は収束性高速
原子線、7は真空容器、8は真空ポンプ、9はガス導入
口、10はアノード、11,12はカソード、13は高圧電源、1
4は粒子線引き出し口、15はプラズマシース、16は収束
性高速原子線である。FIG. 1 is a sectional view of a micro fast atom beam source device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view taken along the line AA ′ in FIG. 1,
FIG. 3 is a schematic view of a conventional micro fast atom beam apparatus for obtaining a micro fast atom beam. In the drawings, 1 is an ion source, 2 is an electrostatic lens, 3 is an ion beam, 4 is a charge exchanger, 5 is a gas inlet, 6 is a convergent fast atom beam, 7 is a vacuum vessel, 8 is a vacuum pump, and 9 is a vacuum pump. Is a gas inlet, 10 is an anode, 11 and 12 are cathodes, 13 is a high voltage power supply, 1
4 is a particle beam outlet, 15 is a plasma sheath, and 16 is a convergent high-speed atomic beam.
Claims (1)
ソードに対してアノードを高電位に保持することによ
り、前記アノードと前記カソード間にグロー放電を生起
すると共に前記アノードを中心として両カソード間で電
子を振動させて原子線を発生させる原子線発生装置にお
いて、前記カソードの一部に前記アノードに対して凸球
面状をなす凸球面状部を設け、該凸球面状部に多数の穴
を形成して粒子線引き出し口としたことを特徴とするマ
イクロ高速原子線源装置。1. A cathode is disposed on both sides of the anode to maintain the anode at a high potential with respect to the cathode, thereby causing a glow discharge between the anode and the cathode and between the cathodes with the anode as a center. In an atomic beam generator that vibrates an electron to generate an atomic beam, a convex spherical portion having a convex spherical shape with respect to the anode is provided in a part of the cathode, and a large number of holes are formed in the convex spherical portion. A micro high-speed atom beam source device characterized by being formed into a particle beam outlet.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61022152A JPH0695452B2 (en) | 1986-02-05 | 1986-02-05 | Micro high-speed atomic beam source device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61022152A JPH0695452B2 (en) | 1986-02-05 | 1986-02-05 | Micro high-speed atomic beam source device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62180935A JPS62180935A (en) | 1987-08-08 |
| JPH0695452B2 true JPH0695452B2 (en) | 1994-11-24 |
Family
ID=12074875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61022152A Expired - Lifetime JPH0695452B2 (en) | 1986-02-05 | 1986-02-05 | Micro high-speed atomic beam source device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0695452B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1986
- 1986-02-05 JP JP61022152A patent/JPH0695452B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62180935A (en) | 1987-08-08 |
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