JPS63261653A - イオン源装置 - Google Patents

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〕 本発明はイオン源装置に係り、特に原料粒子または１及
び原料粒子団（以下、原料粒子等と記す）を供給する手
段と、電子を放出させる手段とを有し、前記原料粒子等
に前記電子を衝突させることによってイオンを発生させ
るイオン源装置に関する。

特に本発明は、イオン打込み装置、イオン化蒸着装置、
イオンビームスツクツタ装置等に用いられるイオン源装
置に好適に用いられる。

〔従来技術〕

近年、有機材料の薄膜化技術が産業の多方面で注目され
ており、糧々の堆積膜形成方法が検討されているが、特
に基体への付着力、緻密度の向上、分子配向性の制御等
の要求を満足するためには、成膜材料の原料粒子等をイ
オンイヒして基体に堆積させる、いわゆるイオン化蒸着
法が好適に用いられる。このイオン化蒸着法は、高エネ
ルギーイオンにより形成した堆積膜や基体表面の破壊さ
れる場合があるが、この破壊をさける方法として、蒸着
物質を塊状原子集団（クラスタ）化しこれをイオン化蒸
着する、いわゆるクラスタイオンビーム蒸着法ＣＩＣＢ
法）が開発され、良好な結果が報告されている。・ これらの堆積膜形成方法に用いられるイオン化蒸着装置
には、イオン源装置が必要であるが、一般にイオンの形
成は原料粒子等に電子ビームを照射し、イオン化するこ
とＫよって行われる。

電子ビームの発生素子としては、一般的に、直熱形陰極
形式、傍熱形陰極形式等の熱電子放出素子が使用されて
きた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記熱電子放出素子を用いたイオン源装置においては、
金属あるいはその化合物の線材に大電流を通じて加熱Ｕ
た素子表面より熱電流を放出させるために、素子近傍の
温度が１０００℃以上の高温となっていた。原料粒子等
のイオン化のためには素子の近傍に原料粒子等を通過さ
せ、加速した電子と衝突させる必要があるが、有機物材
料や弱い結合力で結びついたクラスタ等では熱分解がお
こってしまい、目的の材料のイオン化物が得られないと
いう問題点があった。この問題点をさけるために、熱電
子放出素子を原料粒子等のイオン化領域から遠ざけるこ
とが考案されているが、装置が大型化し電子電流密度が
低下するため、十分な効果が得られていない。

また、原料粒子等のイオン化の別の方法として、放電グ
ッズマ中に原料粒子等を通過させる方法があるが、この
場合も有機材料等の分解１重合などが起ってしまい、目
的の原料粒子等のイオン化物が安定には得られないとい
う問題点があった。

本発明は以上のような従来技術の問題点を解決する目的
でなされたものであり、有機物質および弱い結合力で結
びついたクラスタ等のイオン化の際に生ずる熱分解を防
止し、所望の原材料のイオンビームを安定かつ高密度で
供給しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題は、原料粒子等を供給する手段と、電子を放
出させる手段とを有し、前記原料粒子等に前記電子を衝
突させることによってイオンを発生させるイオン源！装
置において、前記電子を放出させる手段が、低温型電子
放出素子であることを特徴とする本発明のイオン源装置
によって解決される。

ここで、低温型電子放出素子とは、ＭＩＭ型１表面伝導
型、ＰＮ接合逆バイアス型等の陰極を加熱することなし
に電子を放出させる電子放出素子ｔいう。

〔作用〕

本発明は、電子を放出させる手段と°して低温型電子放
出素子を用いることにエリ、電子を放出させる手段から
の電子の運動エネルギー以外の不用な熱エネルギーの発
生を抑えんとするものである。

なお、発生したイオンの放出方向に平行な磁場を印加す
れば、発生したイオンを円運動させながら移動させるこ
とができ、イオ／の収束性を高め。

イオン源装置の汚染、破壊を防ぐことができる。

また、低温製電子放出素子として、ＭＩＭ型電子電子放
出素子いれば、単、結晶半導体等のように大面積化の困
難な材料を用いないので、大面積化が比較的容易であり
、コストが低減でき、且つ安定した電子放出を行うこと
が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明のイオン源装置の一実施例を示す概略的
構成図である。

同図において、６はイオン化を行う原材料の原材料供給
源であり、ここでは、加熱可能なるつぼを用い、内部に
有機物あるいはクラスタ化したい原材料を入れて加熱し
、原材料蒸気をイオン化ユニット１０の方向（図中入方
向）に噴出する。なお、原材料゛をクラへり化するには
、るつぼの先端に適轟な大きさのノズルを設けて、原材
料ガスの断熱膨張による凝縮を行える様圧すれば良い。

原材料供給源６から噴出した原料粒子等は、イオン化ユ
ニット１０の円筒中心軸方向を貫通するように飛行し、
この間で電子ビームが照射されて電離し、正イオンとな
る。イオン化工エツト１０の原料粒子入射口近傍には電
子コレクタ電極４が設けられており、イオン放出口近傍
にはイオン引出電極３が設けられる。この電子コレクタ
電極４とイオン引出電極３との間には、電源７によって
イオン引出電極３を高電位とする電圧が印加されており
、発生したイオンは形成された電界によってイオン引出
電極３側に加速される。イオン引出電極３はイオン、ｔ
−電場により所定の速度に加速し、イオンの運動方向を
収束させてイオンビームを形成する役割を持つ。

本発明の特徴とするところは、上記の電子ビームの発生
源として、低温型電子放出素子を用いたところにある。

本実施例においては、電子ビームの発生源はＭＩＭ　（
金属−絶縁体一金ＪＪ）型電子放出素子から構成され、
具体的Ｋ　ＦｉＡＡ−Ａ２０．Ａｕ薄膜で形成される。

なお、ＭＩＭ型電子放出素子の構成及び動作については
後述する。第１図において、１は電子放出部であり、略
円筒形状をしており、イオン化ユニット１０の中心軸と
同軸となるように設けられる０円筒内壁には、ＭＩＭ型
電子放出素子がそれぞれ１０個形成された５０Ｘ１０（
１１８２）の基板が８個設置されている。

電子放出部１の内側には、電子加速グリッド２が設けら
れ、ＭＩＭ型電子放出素子から放出された電子は、この
電子加速グリッド２によって加速され、イオン化工ニツ
）　１００円筒中心軸方向に飛翔した後、前述した、原
材料供給源６から噴出した原料粒子等に照射され、その
後電子コレクタ電極４に集められる。電子放出部１には
電源８によりて１０〜２０Ｖａ厘の電圧が印加され、電
子加速グリッド２には電源９によってθ〜３００Ｖ程度
の電圧が原料粒子のイオン化エネルギーの違いによって
、可変されて印加される。

基板上に形成されたＭＩＭ　型電子放出素子の素子面積
は約１０””（１４ＩＩ”であり、放出電流密度は約１
ｏ。

ｍＡ７ｔ−でおり、１枚の基板尚りの放出電子密度は１
０ｍＡ程度である。一般に有機物粒子のイオン化に必要
な電子電流は２０ｒａＡ程度なので、本実施例のイオン
源装置は有機物粒子のイオン化に十分な電子放出電流量
を与えることができる。

電子放出部１、イオン引出電極３、電子コレクタ電極４
の外側には、ンレノイド型コイル５が。

イオン化ユニット１００円筒中心軸方向に平行で均一な
磁場を形成する。この磁場によりイオンの射出方向に垂
直方向の運動軌跡は円運動となり、イオンの速度と質量
とによりて決まる固有のサイクロトロン周波数で円運動
をしながら、イオン引出電極３方向へ移動する、いわゆ
るドリフト運動をする。このため磁場のない場合に比ベ
イオンの収束性が良く、イオン引出電極３から出射する
イオン電流密度は増加し、また材料の耐着によるイオン
源装置の汚染及び電子放出素子の破壊が減少する。

次に、上記実施例で用いるＭＩＭ型電子放出素子の構造
及び基本動作について説明する。

第２図は、ＭＩＭ型電子放出素子の一般的な構成を示す
模式図である。

ＭＩＭ型の電子放出素子は、同図に示すように、金属Ｍ
ｌ上に薄い絶縁層Ｉ？介して薄い金属Ｍ２が積層形成さ
れた構造を、有している。そして、金属Ｍ２の仕事関数
φｍより大きな電圧Ｖを金属Ｍ１およびＭ２間に印加す
ることによって、絶縁層Ｉをトンネルした電子のうち真
空準位より大きなエネルギを有するものが金ｊ！ＥＭ２
表面から放出される。

このような素子で高い電子放出効率を得るためには、絶
縁層Ｉを絶縁破壊を生じない範囲で、また金属Ｍ２を電
流が十分流れる範囲で、各々できる限シ薄く形成するこ
とが望ましい。゛第３図は、ＭＩＭ型電子放出素子の概
略的断面図である。同図に示すように、電子放出部Ｗで
は金属Ｍ２が薄く形成され、電子放出効率を高めている
。

前記実施例では、ＭＩＭ型電子放出素子としてＡｔ−Ａ
Ａ２０３−Ａｕ薄膜のものを用いたが、素子材料はこれ
に限定されるものでなく　、　Ａｔ−８ＩＯ−Ａｌｌ　
。

ＡＡ−８ｉ　、ＮニーＣｕ等現在開発されているほとん
どのＭＩＭ電子放出素子を使用することができる。

なお、低温型電子放出素子はＭＩＭ型電子放出素子に限
定されるものではないが、ＭＩＭ型電子放出素子は単結
晶半導体等のよう罠大面積化の困難な材料を用いないの
で、大面積化が比較的容易であり、コストが低減でき、
且つ安定した電子放出を行うことができるという長所を
有する。以下、他の低温型電子放出素子として、表面伝
導型電子放出素子について説明する。

第４図は表面伝導型電子放出素子の概略的構成図である
。

同図において、表面伝導型電子放出素子は、絶縁基板１
３上に電極１１および１２が形成され、その間に粗い高
抵抗薄膜１４が形成されている。

そして、電圧を電極１１および１２間に印加することで
、高抵抗薄膜１４の表面から電子が放出される。

前記実施例において、電子放出部１の電子放出素子の数
は必要な放出電子電流量に応じて、任意に増減すること
が可能で、電子放出素子の配置についても円筒形に限定
されず、例えば三角柱、四角柱等の角柱形状等が可能で
ある。

また、磁場印加手段と、してルノイド型のコイルを用い
たが、この代りにイオン化ユニット１０の上下に強磁性
体材料の磁石２対向する磁極が異なるように配置して静
磁場を印加することも可能である。さらにこの磁石をイ
オン引出電極３及び□　電子コレクタ電極と兼用するこ
とも可能である。

また、イオン化する原材料の供給源としては、ガス導入
管を用いて、ガス分子を導入し、イオン化することも可
能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明のイオン源装置によ
れば、電子放出源を低温で動作させることができ、以下
のような優れた効果を奏する。

（１）　　ＩＥ電子放出源よる発熱に帰因するイオン化
ユニット部での原料粒子等の熱分解量を従来装置に比べ
無視できるほどに減少させ、所望の化学種のイオン化を
効率良く、且つ安定に行わせることができる。

特に弱い結合力で結びついたクラスタ状粒子を熱分解な
しにイオン化でき、クラスタイオンビーム蒸着装置等に
風質のクラスタイオンを供給することができる。

（２）低温型電子放出素子からの発熱が少ないため、原
材料供給源へのイオン化ユニットからの熱の影響が少な
く、有機物等の低融点材料においても、原材料の蒸発速
度を均一にすることが可能となった。

（３）熱による影響が小さいために、全体の装置を小型
化することが可能であり、磁場印加手段等信の装置も一
体化することが可能となった。また特別な耐熱材料を用
いる必要がなく、イオン化ユニット、上記の磁場印加手
段等の構成材料の選択範囲が広がり、コストの低減を図
ることが可能となる。

（４）本発明において、前記原料粒子のイオンの射出方
向に平行な磁場を印加すれば、生成したイオンを効率よ
く、引き出すことが可能となり、イオン電流密度を高め
、イオン分布の均一化、安定化を達成することができ、
またイオン化エニッＦ内部の汚染、破壊の割合を減少さ
せることができる。

（５）　　本発明において、低温型電子放出素子として
、ＭＩＭＷ電子放出素子を用いれば、単結晶半導体等Ｏ
ように大面積化の困難な材料を用いないので、大面積化
が比較的容易であり、コストが低減でき、且つ安定した
電子放出を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のイオン源装置の一実施例を示す概略
的構成図である。 第２図は、ＭＩＭ型電子放出素子の一般的な構成を示す
模式図である。 第３図は、ＭＩＭ型電子放出素子の概略的断面図である
。 第４図は、表面伝導型電子放出素子の概略的構成図であ
る。 １・・・電子放出部、２・・・電子加速グリッド、３・
・・イオン引出電極、４・・・電子コレクタ電極、５・
・・ンレノイド盤コイル、６・・・原材料供給源、７，
８゜９・・・電源、１０・・・イオン化ユニット。 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料粒子または／及び原料粒子団を供給する手段
   と、電子を放出させる手段とを有し、前記原料粒子また
   は／及び原料粒子団に前記電子を衝突させることによっ
   てイオンを発生させるイオン源装置において、 前記電子を放出させる手段が、低温型電子放出素子であ
   ることを特徴とするイオン源装置。
2. （２）前記イオンの放出方向に平行な磁場を印加した特
   許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。
3. （３）前記低温型電子放出素子がＭＩＭ型電子放出素子
   である特許請求の範囲第１項又は第２項記載のイオン源
   装置。