JPS584423B2 - イオン銃 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン銃に、より具体的には少なくとも１本の
毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）を使用しそれによって比
較的高い密度のイオン電流が得られるようなイオン銃に
関する。

イオン銃は、イオンを加速するために両端の間に電圧が
加わる管を用いて来た。

これらの装置は発生するイオン電流密度において一般に
限界を持っている。

そのような装置の１つは米国特許第２９６９４８０号に
述べられたものである。

しかしこの装置はイオンを発生するために共振空洞を必
要とする。

この場合共振空洞がビーム強度を制限する。

より高いイオン密度は米国特許第３２３３４０４号に述
べられた方法で得られていた。

このイオン銃は耐火性金属で出来た毛細管を用いる。

この管は気体がその中を通過する時にその気体をイオン
化する。

この管を使用可能にするためにはそれを高温に加熱する
必要がある。

上記文献は管にセシウム気体を送りながら直径０．４Ｉ
ｌ長さ１０間のそのタンタル管を２１０００Ｋに加熱す
ると、ＩＡ／Ｃａのオーダーのイオン電流密度が得られ
ると報告している。

この装置は、耐火性金属表面で気体がイオン化されなけ
ればならないので、発生させる事のできるイオンが制限
されている。

さらに別の限界は、イオンが熱的に活性化されるためイ
オンのエネルギー分布が広くなる事である。

Ｃ．Ｂｏｕｃｈａｒｄ及びＪ．Ｄ．Ｃａｒｅｔｔｅは、
ｃｃ Ｓｅｌｆ−Ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ
Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ ｐｐ、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎ
ｓｔｒｕｍ．、５０（１）、ｐｐ．９９一１０１、（Ｊ
ａｎ．１９７９）で、ストレート・チャネル型の連続ダ
イノード電子増倍管及びイオン反射器がイオン源として
動作すると報告している。

この装置を動作させるためにイオン源は圧力が典型的な
場合１０−’ｈールを越える真空システム内に置かなけ
ればならない。

Ｂｏｕｃｈａｒｄ他のイオン源はイオン電流が約１０−
３Ａ／ｃｍ２に制限され、発生するイオンは広いエネル
ギー分布を持っている。

さらにこの技術は上述の他の技術と同様に非常に限られ
た圧力範囲でしか動作せず、従ってそれら現在利用可能
な技術の有用性はさらに制限される。

本発明の目的は、小さなビーム・サイズを維持しながら
大きなイオン電流を供給するイオン銃を与える事である
。

本発明の他の目的は、超高真空の圧力から約０．５トー
ル程度の圧力に至るまで広い圧力範囲にわたって効率的
に動作し得るイオン銃を与える事である。

本発明の他の目的は、エネルギーの拡がりの狭いイオン
を発生するイオン銃を与える事である。

本発明の他の目的は、イオンのエネルギー・レベルが調
整可能であって、イオンが放出されるエネルギー・レベ
ルを選択できるようなイオン銃を与える事である。

本発明の他の目的は、ターゲット表面上にパターンを書
込むのに適したイオン銃を与える事である。

本発明の他の目的は、密に充填されたイオン銃の配列体
を作るようにイオン銃を互いに密に接近させて配置でき
るイオン銃を与える事である。

本発明の一実施例においてイオン銃は第１及び第２の端
部を有する高抵抗部材を持つ。

第１の電極がこの第１の端部に取り付けられ、第２の電
極が第２の端部に取り付けられる。

第１の電極、高抵抗率部材及び第２の電極を毛細管通路
が通り抜ける。

このように作られた管内の表面は、表面が部分的に伝導
性（ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）で且
つ１よりも大きな２次電子放出係数を持つような組成を
有する。

このイオン銃は第１の電極を第２の電極よりも高い電位
に保つ手段を有する。

イオン化可能な物質の源は第１の電極と連絡し所望のイ
オンを供給する。

毛細管通路の特性的横方向寸法は約２００μよりも大き
くはなく，長さは毛細管の縦横比（ａｓｐｅｃｔ ｒａ
ｔｉｏ）が約１００対１と約１０００対１との間である
のが望ましい。

本発明の他の実施例は特にパターンを書込むのに適して
いる。

この実施例では高抵抗部材が、それ及びそれに付属する
電極を通り抜ける複数の平行な毛細管通路を有する。

やはりこの毛細管通路によって作られる表面は部分的に
伝導性で且つ１よりも大きな２次電子放出係数を持つ。

他の全ての点においてもこの実施例のイオン発生器は上
述のものに類似している。

本発明の一実施例が第１図に示される。

イオン銃１０は、空間的に離れた第１の端部１４及び第
２の端部１６を持つ高抵抗部材１２を有する。

第１の端部１４には第１の電極１８が取り付けられ、第
２の端部１６には同様に第２の電極２０が取り付けられ
る。

高抵抗部材１２は、第１の電極１８と第２の電極２０と
の間に電位差をかけて測定した時、約１０６０よりも大
きな抵抗値を示す事が好ましい。

高抵抗率部材の製造に適した典型的な物質はガラス、プ
ラスチック、セラミック又は半導体である。

毛細管通路２２は第１の電極１８、高抵抗部材１２及び
第２の電極２０を貫通する。

毛細管２２の表面２４は、表面が部分的に伝導性で且つ
１より大きな２次電子放出係数を持つような組成を有す
る。

表面２４の伝導特性は、第１の電極１８と第２の電極２
０との間で測定した時、毛細管通路２２を有する高抵抗
部材１２に関する抵抗が約１０６Ωと１０１０Ωの間で
あるようになっているべきである。

この全体の抵抗は、高抵抗部材１２の特性に由来するか
、又は所望の特性を与えるように組成を調整した表面２
４に隣接した領域２６を設ける事によって得られるであ
ろう。

毛細管通路２２の表面２４は高い仕事関数を持つ事が望
ましい。

これは毛細管通路２２を通過する電子及びイオンによる
表面の腐食を避けるであろう。

この目的のために表面２４に鉛、ビスマス及び白金のよ
うな仕事関数の高い元素を含ませる事が勧められる。

さらにこれらの元素を表面２４に含ませる事は一般に２
次電子放出を増加させる。

（”Ｔｈｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｅｎｄａｎｃｅ ｏ
ｆ ＳｅｃｏｎｄａｒｙＥｍｉｓｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｔｈｅ Ｒａｎｇｅ−ＥｎｅｒｇｙＲｅｔａｒ
ｄａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｆｏｒｍｕｌａｊｔ、Ｊ．
Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．１２、
ｐｐ．６１９〜６３２、（１９７９）参照。

）上述の特性をそなえた表面２４に隣接する領域２６を
設ける事が望ましい時は、毛細管通路２２を仕事関数の
高い金属の酸化物で被覆してもよい，この酸化物は次に
水素雰囲気中で部分的に還元され、部分的に伝導性の領
域２６を形成する。

（この技術の詳細についてはｕＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ
Ｃｈａｎｎｅｌ ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｕｌｔｉｐｌｉｅ
ｒ７，Ｔｈｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｅｉｅｎｔｉｆ
ｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｖｏｌ．４３ｊＮｏ．１
１、ｐｐ．１５８７〜１５８９、（Ｎｏｖ．１９７２）
を参照されたい。

）毛細管通路２２の特性的横方向寸法は２００μよりも
大きくなく、長さｌは毛細管通路の縦横比が約１００対
１と１０００対１との間にあるような値があるのが好ま
しい。

もし第１図に示すような円筒状通路２２が用いられるな
らば特性的横方向寸法は毛細管通路２２の直径ｔとなる
であろう。

三角形又は六角形のような他の断面積が用いられるなら
ば、特性的寸法は内接円の直径であろう。

断面形状に対する唯一の限度は、電子が通路２２を通過
する時にその形状が電子の増倍を生じさせる事だけであ
る。

第１の電極１８は、第１の電源２８又は電位差を維持す
るその他の手段によって第２の電極２０より高い電位に
維持される。

イオン化可能な物質の源は、第１の電極１８に隣接して
配置され、毛細管通路２２に通じる。

源は第１図に示すような気体又は液体を含む貯蔵槽３０
でもよく、又第２図に示すようなイオンヒ可能な固体３
０′でもよい。

この固体は、電子流に露出された時にイオン化するよう
に選択されなければならない。

本発明の装置と共に用いるのに特に適した気体の典型的
な例は、原子イオンを形成する貴ガス（例えばアルゴン
、クリプトン及びキセノン）並びに分子イオンを形成す
る低分子量有機気体（例えばメタン及びプロパン）であ
る。

液体及び気体を使用する時は仕事関数の低い物質が特に
望ましい。

この規準に合う液体の例はカリウム、ガリウム及びセシ
ウムである。

固体の場合のいくつかの典型例はバリウム、ベリリウム
及びカルシウムである。

イオン・ビーム３４の焦点を変える事が望まれる時、タ
ーゲット３２を第２の電極２０とは違った電位に維持す
るために第２の電源３１が用いられる。

動作させるためにイオン銃１０は破線で示す真空室３６
内に置かれ、圧力は０．５ｇール又はそれ以下に減少さ
れる。

イオン銃１０が動作する圧力に下限は存在しない。

第２の電極２０が第１の電源２８によって第１の電極１
８よりも低い電位に保たれると、第２の電極２０から電
子が放出される。

これらの電子４０は毛細管通路２２の表面２４を衝撃す
る。

その時付加的な電子４２が発生し、カスケード効果を生
じさせる。

これらの電子４２の各々も毛細管通路２２を第１の電極
１８へ向って移動して行くと共に増倍する。

毛細管通路２２中で発生し加速された電子は貯蔵槽３０
中の原子種と相互作用し、原子種をイオン化させる。

このイオンは第１の電極１８と第２の電極２０との間の
電位差によって毛細管通路２２を逆向きに進む。

これらのイオンの一部分は第２の電極２０に当って、電
子電流を維持する付加的な電子を発生する。

又、第２の電極における電子発生は、イオン化現象の生
じている間にイオン源の発する光による光電放出（ｐｈ
ｏｔｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）によっても促進される。

イオンの大部分はイオン銃１０から投射され、ビーム３
４を形成してターゲット３２を衝撃する。

さらにイオン・ビーム３４を集束させる （ｆｏｃｕｓ）事が望ましい時は、第２の電源３１が第
２の電極２０をターゲット３２の電位よりも高い電位に
保つ。

逆に第２の電源３１が第２の電極２０をターゲット３２
よりも低い電位に保つ時は、ビーム３４は集束されず（
ｄｅｆｏｃｕｓ）そのサイズは増加するであろう。

最適の集束のためには第１の電源２８及び第２の電源３
１の電圧出力を約１対９の比にする事が好ましい。

第１の電極１８と第２の電極２０との間の全体の抵抗が
約１０６〜１０１０Ωに調整されているイオン銃１０を
効率的に動作させるために、第１の電源２８が約２００
ｖ〜５０００Ｖの電圧を供給する事が望ましい。

２００ｖの下限が第１の電源２８によって維持され第２
の電源３１が用いられない時、比較的低いエネルギーの
高流量のイオン・ビームを発生する事ができる。

逆に第１の電源が高いレベル例えば約５０００Ｖに保た
れ、ビームが第２の電源によってさらに集束される時、
非常に高いエネルギーの高度に集束したビーム３４を得
る事ができる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示す。

この装置は、イオン種のエネルギーを比較的低く保ちな
がら高度に集束したビーム３４を得たい場合の応用に特
に適している。

第１図と第２図との比較により理解できるように、２つ
の実施例は多くの類似点を持つ。

第２の実施例は第１の端部１４及び第２の端部１６を持
つ高抵抗部材１２を用いる，第１の端部には第１の電極
１８が取り付けられ、第２の端部には第２の電極２０が
取り付けられている。

そして第１の電源２８が第１の電極と第２の電極との間
に電位差を保つ。

第２の実施例の場合のイオンの源は、電子で衝撃される
とイオンを放出するイオン化可能な固体物質３０′であ
る。

この実施例は、第２の電極２０とターゲット３２との間
にイオンを集束するための手段が組み込まれている点で
第１の実施例と相違する。

典型的にはこれは１つもしくは２以上の集束電極であろ
う。

説明のため第２図に１つだけの集束電極４４が説明され
ている。

この構成の場合、第２の電源３１が第２の電極２０とタ
ーゲット３２との間の電位差を保ち、一方第３の電源４
６が第２の電極２０を集束電極４４とは違った電位に保
つために用いられている。

集束電極４４が第２の電極２０よりも低い電位に保たれ
ている時、イオン・ビーム３４はさらに集束されるであ
ろう。

第１及び第２の実施例はイオンを発生させるために１本
の毛細管通路２２を用いるが、部材１２中に複数個の平
行な毛細管通路を等しく良好に配置する事ができる。

そうすればターゲットを照射するいくつかの平行なビー
ムが得られるであろう。

本発明のイオン源は種々の産業上の応用に適している。

特に適した応用は半導体工業、物質加工産業及び物質試
験産業である。

エレクトロニクス特に半導体工業はスパツタ付着Ａスパ
ツタ・エッチング、イオイ・アシステッド・エッチング
、及び化学エッチングのためにイオン源を使う。

これらの技術は電子デバイスの製造に広範に使われてい
る。

又、エレクトロニクス工業はイオン注入、情報蓄積及び
検索、半導体のドーピング、並びに損傷領域を形成しデ
バイスの表面特性を変えるため等にイオン・ビームを使
用する。

物質加工産業は、例えばプラスチック表面を処理しその
特性を変えるため、イオン衝撃で金属表面を処理し耐食
性を高め又は表面特性を変えるアモルファス層を形成す
るため、並びに表面にイオン注入し材料の化学的物理的
性質を変えるため等にイオン・ビームを使用する。

物質試験産業は例えば分析のために物質の層を選択的に
除去するためにイオン・ビームを使用Ｘる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の図、第２図は別の実施例の図
である。 １０・・・・・・イオン銃、１２・・・・・・高抵抗率
部材、１８，２０・・・・・・電極、２２・・・・・・
毛細管通路、２８，３１．４６・・・・・・電源、３０
，３０’・・・・・イオン化可能な物質の源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 空間的に隔離した第１の端部及び第２の端部を有す
   る高抵抗の部材と、上記第１の端部に取り付けられた第
   １の電極と、上記第２の端部に取り付けられた第２の電
   極と、上記第１の電極、上記高抵抗部材及び上記第２の
   電極を貫通する通路と、上記第１の電極を上記第２の電
   極よりも高い電位に保つ手段と、上記第１の電極に隣接
   し上記通路と連絡するイオン化可能物質の源とより成り
   、上記通路の表面が１よりも大きな２次電子放出係数を
   持つような組成を有するイオン銃。