JPH0715839B2 - 高速原子線放射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はスパッタリングなどに使用する高速原子線放射
装置に関する。

（従来の技術） 常温大気中で熱運動している原子は概ね0.05eV程度の運
動エネルギーを有しているが、これに比べて遥かに大き
い運動エネルギーで飛翔する分子や原子を総称して「高
速原子」と呼び、これが一方向にビーム状に流れる場合
を「高速原子線」と呼んでいる。

従来、スパッタリング技術の内、スパッタエッチングや
二次イオン放出による物質組成分析などにおいて、この
高速原子線を利用するスパッタリング方法がある。そし
て、この高速原子線を使用する装置には通常のスパッタ
リングで使用されるアルゴンなどの不活性ガス以外に塩
素や酸素などのガスを利用するものがある。更に、これ
らの装置は上述のようなガスをイオン化してそのまま射
出するものと、電気的に中性な高速原子線として射出す
るものがある。

電気的に中性化を行う高速原子線源としては、イオン源
から放出されるイオンビームを電子線を利用した中性化
手段などによって電気的中性の高速原子線とするもの
や、更には、次に示す第４図のように高速原子線を直接
射出する装置がある。

この第４図に示す高速原子線放射装置の構成として、ま
ず、円筒形の陰極１内の中央部には陰極１の側面に沿っ
たドーナツ状の陽極２が配置されている。この陰極１と
陽極２は真空容器外に配置された直流電圧電源３に接続
されている。円筒形の陰極１内部に開口しているガス注
入ノズル４から例えば酸素ガスを注入し、直流高圧電源
３で直流高電圧を印加することによって、円筒形の陰極
１内はグロー放電によるプラズマ６が発生し、酸素イオ
ンと電子が生成される。更に、陰極１から放出される電
子は陽極２を挟んで高周波振動を行うことになり、酸素
ガスと衝突して酸素イオンを生成する。

こうして生成した酸素イオンは陰極１の底面に向かって
加速されて高速イオンとなる。そして、この酸素イオン
は陰極１の付近に残留している酸素ガス分子と接触して
酸素原子に戻り、また、陰極１の底面近傍の空間で高周
波振動の折り返しを迎える低エネルギーの電子と再結合
して酸素原子に戻る。

このような高速の酸素イオンは上記のように酸素原子に
戻ってもその運動エネルギーの損失は少ないので、その
まま原子に受け継がれて高速原子となる。そして、この
高速原子は円筒形の陰極１の一方の底面に空けられた放
出孔７から高速原子線８となって放出される。

このような高速原子線は非電荷性であるので、金属、半
導体ばかりでなく、イオンビームが加工を不得意とする
プラスチックやセラミックなどの絶縁体に使用が可能で
ある。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような高速原子線放射装置では、高速原子線とな
って放出される物質を補うために、放射装置内に常にガ
スを供給しなければいけない。

従って、真空容器外部からガス供給を行うための装置を
設置する必要があるので、装置全体としては大型とな
る。

また、ガス放電を利用するためのガス導入によって真空
容器の一部にまでガスが入り込むので、それまでの好ま
しい高真空状態も若干低くならざるを得ず、加えて、真
空容器内部の状態を一定とするためのガス供給量調整を
行う装置も必要となる。

更に、壁面に付着して液体となりやすい物質では、特に
装置停止後で内部温度の低下により結露して、装置内部
を汚してしまうという問題も発生してしまう。

本発明の目的は、上述の問題を解決することであり、装
置全体が小型であり且つ真空度を劣化させることが無
く、更に液体となりやすい物質を使用可能である高速原
子線放射装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の上記目的は、側壁面内にスリットが開口し且つ
内部が真空状態に保たれる筒状シリンダと、該スリット
に接続してオイル或いは低融点金属を蓄えているリザー
バーと、該リザーバーに配置されて前記スリットから前
記シリンダ内へ前記オイル或いは低融点金属を加熱蒸発
させるヒーターと、前記スリット上方の前記シリンダ外
壁に配置されてその位置の内壁面に衝突する気体分子を
冷却して液体としてその壁面に付着させる冷却部材と、
前記筒状シリンダの一端の開口部に配置された板状陽極
と他端に放出孔を持って配置された陰極との間に電圧を
印加して放電を発生させる直流高圧電源とを有する構成
の高速原子線放射装置により達成される。

即ち、上述のようにリザーバーが筒状シリンダと同様の
真空状態でスリットと接続しており、必要に応じてこの
リザーバーをヒーターによって加熱することにより、リ
ザーバー内に蓄えられているオイル或いは低融点金属が
蒸発して筒状シリンダ内に充満し、ある密度で平衡とな
る。この状態で直流高圧電源により電圧を印加すると、
筒状シリンダ内でガス放電が発生し、プラズマ内のイオ
ン化された原子が陰極に向かって加速され、陰極付近に
残留しているガス分子に接触して中性化されて高速原子
線として放射される。そして、高速原子線の放射でガス
分子密度が減少するが、リザーバーからの蒸発によって
常に平衡状態が保たれる方向に働く。

従って、外部からガスを導入する装置やこの導入量を調
節する装置を接続する必要がなくなり、装置全体を小型
にすることができる。また、真空が必要となっている体
積はガス導入装置等が無いため変化することがなく、真
空度の低下を最低限に止めることができる。

更に、スリット上方に設けた冷却部材によってその部分
の筒状シリンダ内壁にはガス化していたオイル或いは低
融点金属が結露し、筒状シリンダ内壁を流れ、スリット
内に流れ落ちてリザーバー内に蓄えられているオイル或
いは低融点金属と合流する。

従って、例えば装置全体の使用停止後に、筒状シリンダ
内に残留しているガスが内壁に結露して残り、高速原子
線の放射部である陰極部分やその外部にあるターゲット
などを汚してしまうことを防ぐことができる。特に、ス
リットを筒状シリンダ内壁の全周に設ける構成とするこ
とでスリットより下部に流れ落ちることを完全に防ぐこ
とができる。

なお、前記板状陽極に代えて板状陰極とし、前記筒状シ
リンダを陽極とし、該板状陰極及び前記放出孔を持つ陰
極と前記筒状シリンダ陽極とに直流高圧電源を接続する
ことも可能である。

（実施例） 以上、添付図面を用いて本発明の実施例について説明す
る。第１図は本発明の高速原子線放射装置の一実施例を
示す概略斜視図であり、第２図はその断面図である。

真空とされる筒状シリンダ21の長手方向中央部には全周
に渡ってスリット25が開口されており、垂直に立つ筒状
シリンダ21の下側の全周を囲むドーナツ形状のリザーバ
ー22がこのスリット25に傾斜壁面を以て接続されてい
る。このリザーバー22にはオイル又は低融点金属23が蓄
えられ、更にこのリザーバー22の底面にはヒーター24が
設置され、スリット25の上方で筒状シリンダ21の壁面を
冷却管27が取り巻いている。

筒状シリンダ21の下側端部には高速原子線の放出孔を有
する陰極29が配置され、筒状シリンダ21の上端には陽極
28が配置されている。この陽極28と陰極29とに直流高電
圧源32が接続されている。そして、直流高電圧源32以外
の部分は真空内に設置される。従って、陽極28と筒状シ
リンダ21とは密着している必要はない。

また、筒状シリンダ21の材質としては金属やセラミック
など多くの材料を使用することが可能である。

次に本実施例の動作を説明する。

装置作動前の時点でリザーバー22内のオイル又は低融点
金属23は低温状態にあり、筒状シリンダ21内に殆ど蒸発
していない。ここでヒーター24を作動してリザーバー22
内が所定温度となると、オイル又は低融点金属23が第２
図の点線の矢印のように筒状シリンダ21内に蒸発し、所
望のガス密度で平衡状態となる。

この時、直流高電圧源32により電圧を印加すると、陽極
28からガス放電が広がり、オイル又は低融点金属がイオ
ンとなって陰極29方向にに高速で移動する。そして、陰
極29付近に残留している中性のオイル又は低融点金属の
分子に衝突し、中性化されて陰極29の高速原子線放射孔
から放射される。

このようにして筒状シリンダ21内に蒸発したオイル又は
低融点金属は高速原子線となって消費され、内部のガス
密度が低下しようとするが、リザーバー22内からの蒸発
が常に行われているため、消費された分子が自動的に補
給されることになり、常に一定量の高速原子線が放射さ
れることになる。

更に冷却管27が高速原子線放射中常に筒状シリンダ21の
外壁を冷却しており、従ってこの内壁にはオイル又は低
融点金属の蒸発したガスが結露し、液滴となってスリッ
ト25内に流れ落ちてリザーバー22内のオイル又は低融点
金属23に合流する。つまり、高速原子線として消費され
る量以上の蒸発をリザーバー22内で促す結果となり、筒
状シリンダ21内のガス密度のより一層の安定と、リザー
バー22内のオイル又は低融点金属23の対流の促進を図る
ことができる。また装置停止時には筒状シリンダ21内部
のガスを素早く結露させ、温度低下時の他の部分への付
着を最小限に止めて汚れの進行を抑える効果もある。

第３図は本発明の他の実施例を示す概略断面図である。
ここにおいて、第１図、第２図と同様の要素には同一の
符号を付す。

この高速原子線放射装置は筒状シリンダ21及びリザーバ
ー22を金属製の陽極とし（筒状シリンダ21のみ金属製と
しても良い）、筒状シリンダ21の上端部には陰極41が間
隔を空けて、もしくは絶縁体26を挟んで配置されてい
る。更に陰極29は第１図、第２図と同様に配置されてお
り、直流高圧電源42が筒状シリンダ21及び陰極29,41を
接続している。

前述した実施例の装置との違いとしてはガス放電が筒状
シリンダ21から発生する部分が異なるが、動作としては
ほぼ同様であり陰極29の放射孔から中性化された高速原
子線が放射される。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明の高速原子線放射装置によれ
ば、ヒーターを備えるリザーバーが筒状シリンダと同様
の真空状態でスリットと接続されていることによって、
リザーバー内に蓄えられているオイル或いは低融点金属
が筒状シリンダ内のガス密度が平衡となるように蒸発す
るので、高速原子線として放射されるガスを自動的に補
うことができ、このようなガスの補給装置及び補給量調
節装置を設ける必要が無く、装置全体を小型にすること
が可能となる。また、このようにガス導入装置等を設置
することが無いため、真空となっている体積は変化する
ことがなく、真空度の変化を最低限に止めることができ
る。つまり、高真空の状態での使用を可能とする。

更に、スリット上方に設けた冷却部材によってオイル或
いは低融点金属の蒸発が活発となり、筒状シリンダ内の
ガス密度の平衡状態のより一層の安定と、リザーバー内
のオイル又は低融点金属の対流の促進を図ることができ
る。また、装置全体の使用停止後の汚れを抑えることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高速原子線放射装置の一実施例を示す
概略斜視図、 第２図は第１図の装置の断面図、 第３図は本発明の他の実施例を示す断面図、 第４図は従来の高速原子線放射装置を示す概略斜視図で
ある。 （図中符号） １…円筒形陰極、２…ドーナツ状陽極 ３…直流高圧電源、４…ガス注入ノズル ６…プラズマ、７…放出孔 21…筒状シリンダ、22…リザーバー 23…オイル又は低融点金属 24…ヒーター、25…スリット 24…ヒーター、27…冷却管 28…陽極、29…陰極 31,42…直流高圧電源 41…陰極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】側壁面内にスリットが開口し且つ内部が真
   空状態に保たれる筒状シリンダと、該スリットに接続し
   てオイル或いは低融点金属を蓄えているリザーバーと、
   該リザーバーに配置されて前記スリットから前記シリン
   ダ内へ前記オイル或いは低融点金属を加熱蒸発させるヒ
   ーターと、前記スリット上方の前記シリンダ外壁に配置
   されてその位置の内壁面に衝突した気体分子を冷却して
   液体としてその壁面に付着させる冷却部材と、前記筒状
   シリンダの一端の開口部に配置された板状陽極と他端に
   放出孔を持って配置された陰極との間に電圧を印加して
   放電を発生させる直流高圧電源とを有することを特徴と
   する高速原子線放射装置。
2. 【請求項２】請求項（１）の高速原子線放射装置におい
   て、前記板状陽極に代えて板状陰極とし、前記筒状シリ
   ンダを陽極とし、該板状陰極及び前記放出孔を持つ陰極
   と前記筒状シリンダ陽極とに直流高圧電源を接続したこ
   とを特徴とする装置。