JPH01231299A

JPH01231299A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPH01231299A
Application number: JP5552488A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Nagai; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1989-09-14
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JP2574857B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、スパッタ蒸着による薄膜形成やスパッ、クエ
ッヂングによる微細パターン加工、二次イオン質量分析
による材料評価などの加工・分析に利用される高速原子
線を、設定精度の良い運動エネルギーあるいは線虫で放
射することができる高速原子線源に関するものである。

［従来の技術］常温の大気中で熱運動している原子は、概ね０．０５ｅ
Ｖ（電子ボルト）前後の運動エネルギーを有している。

これに比べて迩かに大きな運動エネルギーで飛翔する原
子を「高速原子」と呼び、それが一方向にビーム状に流
れる場合に「高速原子線」と言う。

従来発表されている、気体原子の高速原子線を発生する
高速原子線源のうち、運動エネルギーが０．５〜１ｏｋ
ｅＶのアルゴン甲子を放射する高速原子線源の一例を第
５図に示す。図中、１は円筒形の陰極、２はドーナッツ
状の陽極、３は０゜５〜１０ｋｅＶの直流高圧電源、４
はガス導入孔、５はアルゴンガス、６はプラズマ、７は
高速原子線の放出孔、８は高速原子線、９は放電安定抵
抗である。

この従来例の動作は次のとうりである。直流高圧電源３
、放電安定抵抗９以外の構成要素を真空容器に入れ十分
に排気した後、ガス導入孔４からアルゴンガス５を円筒
形陰極１の内部に導入する。

ここで直流高圧電源３によって、陽極２が正電位、陰極
ｌが負電位となるように、直流高電圧を印加する。これ
で陰極１・陽極２間に放電が起き、プラズマ６が発生し
、アルゴンイオンと電子が生成されろ。さらにこの放電
において、円筒形陰極ｌの底面１ａから放出する電子は
、陽極２に向かって加速され、陽極２の中央の孔を通過
して、円筒形陰極ｌの反対側の底面１ｂに達し、ここで
速度を失って反転し、あらためて陽極２に向かって加速
され始める。このように電子は陽極２の中央の孔を介し
て、円筒形陰極ｌの両方の底面１ａ、１ｂの間を高周波
振動し、その間にアルゴンガスに衝突して、多数のアル
ゴンイオンを生成する。こうして発生したアルゴンイオ
ンは、円筒形陰極１の底面に向かって加速され、十分な
運動エネルギーを得るに到る。この運動エネルギーは、
陽極２・陰極１間の放電維持電圧が、例えばＩＫＶのと
きはＩＫｅＶ程度の値となる。円筒形陰極ｌの底面近傍
の空間は高周波振動をする電子の折り返し点であって、
低エネルギーの電子が多数存在する空間である。この空
間に入射したアルゴンイオンは電子と衝突・再結合して
アルゴン原子に戻る。アルゴンイオンと電子の衝突にお
いて、電子の質量がアルゴンイオンに比べて無視できる
程に小さいために、アルゴンイオンの運動エネルギーは
殆ど損失せずにそのままアルゴン原子に受は継がれて、
アルゴン原子は高速原子となる。したかって、この場合
の高速原子の運動エネルギーは、１ＫｅＶ程度となる。

この高速原子は円筒形陰極ｌの一方の底面ｔｂに穿たれ
た放出孔７から高速原子線８となって放出される。上記
の形態の放電は、第６図のような、ガス圧をパラメータ
ーとした放電維持電圧・放電電流特性を示す。図中の直
線Ａは、放電安定抵抗９の負荷直線であって、直線Ａと
電圧・電流特性曲線との交点Ｐにおける電圧と電流で安
定に放電が持続する。

し発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来の技術における高速原子線源で
は、放射される高速原子線の運動エネルギーまたは線量
をいかに精度良く調節するかが解決すべき課題となって
いた。即ち、従来の高速原子線源において、高速原子線
の運動エネルギーを調節するには、直流高圧電源３の出
力電圧を変えれば良いわけであるが、この出力電圧を変
えると放電電流も変化してしまい、高速原子線量までも
が変化してしまう。そこで高速原子線量を一定に保った
まま高速原子線の運動エネルギーを調節するには、第５
図の直流高圧電源３の出力電圧を変えろと同時にアルゴ
ンガス５の導入量を調節してガス圧調整を行う必要があ
った。ところが、ガス圧は微調整が難しく、放出線量を
一定に保ったまま高速原子線の運動エネルギーを精度良
く調節することは非常に困難であった。また、逆に高速
原子線の運動エネルギーを一定に保って、その線虫を精
度良く調節することも、同じ理由により非常に困難であ
った。

本発明は、上記課題を解決するために創案されたもので
、高速原子線の運動エネルギーあるいは放出線量を精度
良く調節することができる高速原子線源を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するための本発明の高速原子線源の構
成は、第１の陰極と、この第１の陰極に対向して設置され中央に高速原子線の
放出孔を有する第２の陰極と、上記第１の陰極と第２の
陰極の間に設置するリング状の陽極と、上記第１．第２の陰極および陽極を収容するとともに導
入されたガスを内部に収める金属製の外囲器と、上記第１．第２の陰極と上記陽極の間に放電可能な負電
位と正電（ひとを与える直流高圧電源と、上記外囲器に
上記放電時の放電電流を制御する電位を与える電源とを
備えたことを特徴とするか、上記構成において外囲器の
内側に帯電可能な絶縁物を設けたことを特徴とする。

［作用］本発明は、金属製の外囲器または内側に帯電可能な絶≠
り物を設けに金属製の外囲器の内部に、第１の陰極と高
速原子線の放出孔を有する第２陰極と陽極とを収容し、
これらの第１．第２の陰極と陽極の間て放電させたとき
の放電電流を外囲器に′１電位を与えて制御する。従っ
て、放出されろ高速原子線量は、内部のガス圧の調整に
よらず、外囲器に電位を与える電源の電圧の制御によっ
て調節され、一方、高速原子線の連動エネルギーは第１
゜第２の陰極と陽極間に負電位と正電位を与えている直
流高圧電源の出力電圧により調節可能であるから、とも
に微調整が容易となり、上記高速原子線の運動エネルギ
ーあるいは線量を精度良く調節することが可能になる。

［実施例〕以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図であり、説
明のため一部を破断し、斜視的に表している。本実施例
において、従来と同一の機能、動作をする部材には同一
の符号を付して説明を簡略にする。１０は複数のホロー
カソードから構成された第１の陰極、１１は第１の陰極
ｌＯに大径側を対向させて配置し小径側を高速原子線放
出孔１１ａとした開口の円錐台形状の第２の陰極、１２
は第１の陰極ｌＯと第２の陰ｉｌｌの間に開口軸を合わ
せて配置したリング状の陽極、１３は第１の陰ＫＩＯと
第２の陰極１１．陽極１２を内部に絶縁状態で支持して
収容する金属製の外囲器である。外囲器１３は、外部か
らアルゴンガス５をその内部に導入するためのガス導入
孔４を備えろ。

３は第１の陰極ｌＯと第２の陰極１２に負電位を、陽極
１２に正電位を与えて、これら第１の陰極ｌＯと陽極１
２の間および第２の陰極１１と陽極１２の間に放電を起
こさせろ直流高圧電源であり、その正極側は放電安定抵
抗９を通して陽極１２に接続され、負極側は第１の陰極
１１に接続されるととしに、直流バイアス電源１４を通
して第２の陰極１２に接続される。これらの外囲５１３
外の′ｒｒｉ源等と陰極１０，１１．陽極１２との接続
において、配線やリードは外囲器１３とは絶縁して通さ
れる。１５は外囲ｎ１３に上記放電時の放電電流を制御
する電位を与える直流ＴＬ源で、その一方の極は高圧直
流電源３の負極に接続され、他方の極か外囲２３１３に
接続される。

以上のように構成した第１の実施例の作用を述べる。第
２の陰極１１は、直流電源１４によって、第１の陰極ｌ
Ｏより僅かに低い電位にバイアスされている。各電源３
，１４．１５および抵抗９以外を真空容器に収めて十分
に排気した後、アルゴンカスをｌθ″′〜１Ｏ−４ＴＯ
ｒｒ（トル）の圧力になるまで導入する。ここで直流高
圧電源３によって、陽極１２が正電位、陰極１０．１１
が負電位となるように、放電可能な直流高電圧を印加す
る。これで陰極１０．［１と陽極！２の間に放電が起き
、プラズマが発生し、アルゴンイオンと電子が生成され
る。以下、従来例と同様に、第１の陰極ｌＯから放出す
る電子は、陽極１２に向かって加速され、陽極１２の中
央の孔を通過して第２の陰極１１に達し、ここで速度を
失って反転し、あらためて陽極１２に向かって加速され
始める。

こうして電子は陽極１２の中央の孔を介して、陰極１０
．１１の間を高周波振動し、その間にアルゴンガスに衝
突して、多数のアルゴンイオンを生成する。発生したア
ルゴンイオンは、陰極１１に向かって加速され、十分な
運動エネルギーを得るに到る。この運動エネルギーは、
陽極１２・陰極１１間の放電維持電圧が、例えばＩＫＶ
のときは、ＩＫｅＶ程度の値となる。円錐台形の第２の
陰極１１の内部の空間は、高周波振動をする電子の折り
返し点となっており、低運動エネルギーの電子が多数存
在ずろ空間である。この空間に入射したアルゴンイオン
は電子と衝突・再結合してアルゴン原子に戻る。この、
イオンと電子の衝突において、電子の質量がアルゴンイ
オンに比べて無視できろ程に小さいために、アルゴンイ
オンの運動エネルギーは殆ど損失せずに、そのまま卓子
に受は継かれて高速原子線８となって、高速原子線放出
孔１１ａから放出される。また直流バイアス電源１１を
設けることはその出力電圧を調節することによって、陽
極！２から飛来しｆこ電子を確実に陽極１２に向かって
追い返すための最適値に、第２の陰Ｇｕｌｌの電位を設
定することができ好適である。第２図は第２の陰極１１
の断面図であって、８は高速原子線、ｌｌａは高速原子
線放出孔、２１は内部の等電位面を示している。第２の
陰極ｌｌが円錐金彩であるために、等電位面２１は高速
原子線放出孔１１ａ付近で閉じていて、電子の折りこし
を確実にし、高速原子線８の発生効率を高めることに有
効である。第１図にもどって、上述のように高速原子線
源が動作していて高速原子線８を放出してる最中に、直
流型ａ１５によって正の電位を金属製の外囲器１３に与
えると、陽ｉｔ２と陰極１０．１１間に発生しているプ
ラズマ中の電子が金属製の外囲器１３に吸収され、放電
電流が減少する。また直流電源１５によって負の電位を
金属製の外囲器１３に与えると、プラズマ中９イオンが
金属製の外囲器１３に吸収され、これまた放電電流が減
少する。

第３図は上記放電における外囲器１３の制御特性である
放電維持電圧・放ｍ電流特性を示している。図中曲線に
は金属製の外囲器１３の電位が０の場合の電圧・電流特
性、曲線Ｍは金属製の外囲器１３に正または負の電位を
与えた場合の電圧・電流特性、直線Ａは放電安定抵抗９
による負荷直線である。つまり金属製の外囲器Ｉ３に電
位を与えることによって、電圧・電流特性が変わり、放
電の安定点がＰからＱに移動する。ここで放電電流が元
の値に戻るように、電源３の出力電圧を調整すれば、線
量か不変で運動エネルギーの変わった高速原子線が得ら
れるし、放電電圧が元の値に戻るように、電源３の出力
電圧を調整すれば、運動エネルギーが不変で線１の変わ
った高速原子線が得られる。一般に電源の出力電圧の調
整は高精度にできるから、高速原子線の運動エネルギー
あるいは線量が精度良く設定されることになる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の陰極と、この第１の陰極に対向して設置され中央に高速原子線の
放出孔を有する第２の陰極と、上記第１の陰極と第２の陰極の間に設置するリング状の
陽極と、上記第１、第２の陰極および陽極を収容するとともに導
入されたガスを内部に収める金属製の外囲器と、上記第１、第２の陰極と上記陽極の間に放電可能な負電
位と正電位とを与える直流高圧電源と、上記外囲器に上
記放電時の放電電流を制御する電位を与える電源とを備
えたことを特徴とする高速原子線源。
（２）請求項１記載の高速原子線源において、外囲器の
内側に帯電可能な絶縁物を設けたことを特徴とする高速
原子線源。