(57)【要約】【課題】  大電流のガスクラスターイオンビームを発生させる【解決手段】  クラスター進行方向に沿ったイオン化手段を備え、クラスター進行方向に沿って設置されたスリット状または多孔状の引き出し電極を用いて、クラスター進行方向と垂直方向に電界をかけて、クラスターイオンビームを引き出す。  クラスターイオンビームは、イオン化後にクラスター流の方向に方向にクラスターイオンを引き出すことは、空間電荷のため大電流を引き出すことが困難である。本発明によれば、クラスター流と垂直方向にクラスターイオンを引き出すことで大電流を引き出すことを可能にする。【選択図】  図３
2010129297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体状物質を減圧下で凝集させクラスターを形成するための真空室と、
該クラスターをイオン化するイオン化室と、
クラスターイオンを引き出すための電界を発生させる引き出し電極と、
を有するクラスターイオンビームを生成するクラスターイオンビーム装置において、
前記クラスターの進行方向に沿ってクラスターをイオン化する手段を配置し、かつ前記クラスターの進行方向と交差する方向にクラスターイオンを引きだすように前記電界を発生させることを特徴とするクラスターイオンビーム装置。
【請求項２】
請求項１のクラスターイオンビーム装置において、イオンを引き出す引き出し電極がクラスター進行方向に沿ったスリット状であることを特徴とするクラスターイオンビーム装置。
【請求項３】
請求項１のクラスターイオンビーム装置において、イオンを引き出す引き出し電極がクラスター進行方向に沿った多孔状であることを特徴とするクラスターイオンビーム装置。
【請求項４】
気体状物質を減圧下で凝集させクラスターを形成し、
該クラスターをイオン化した後に、発生させた電界にてクラスターイオンを引き出して
クラスターイオンビームを生成するクラスターイオンビームの生成方法であって、
前記クラスターの進行方向と交差する方向にクラスターイオンを引き出すように前記電界を発生させるクラスターイオンビームの生成方法。
【請求項５】
交差する方向とは、前記クラスターの進行方向と略垂直な方向であることを特徴とする請求項４記載のクラスターイオンビームの生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクラスターイオンビーム装置の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より固体表面浄化の方法としてＡｒイオン等の不活性ガスをイオン化した後にイオンビーム化して、イオンビームを固体表面に照射し、表面に付着している不純物原子や酸化物をスパッタリングして清浄化する方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、この従来の不活性ガスイオンを照射する方法の場合には、入射エネルギーが１００ｅＶ以下ではイオン電流が極端に少なくなるため入射エネルギーの小さなイオンビームを生成することは難しかった。したがって、イオンビームを利用する際には入射エネルギーを数ｋｅＶ以上に高くしたイオンビームを利用しなければならなかった。
【０００４】
そのため、高速の粒子が衝突するので固体表面に欠陥を発生させたり、あるいはＡｒが表面に注入され不純物原子となるため、正常な表面が得られない等の欠点があった。
【０００５】
単原子や分子状のイオンを用いた固体表面へのイオン注入では、固体内部にイオンが注入されるため、ごく浅い表面表層部のみの改質加工に用いることも困難であった。
【０００６】
これを解決できる技術として、特許文献１に示されるように、塊状原子集団または分子集団であるクラスターをイオン化し、加速電圧を印加するなど電気的な手段で加速して、固体表面へ超低速で照射するガスクラスターイオンビーム技術が提案されている。
【０００７】
ガスクラスターイオンビームはイオンビームと比べ、固体表面に欠陥を発生させずに表面処理したり、表面加工したりする性能が優れている。上述した表面処理において、ガスクラスターイオンビームの強度を増大させることがさらなる加工能率の向上の観点から求められていた。
【０００８】
しかしながら、電子やモノマーイオンと違ってガスクラスターイオンのように質量の大きなイオンの場合、引き出し電極に大きな電圧を印加しても引き出されるイオン量には限界があるという問題がある。
【特許文献１】特開平４−３５４８６５号公報
【非特許文献１】荷電粒子ビーム光学  ９４ページ  石川順三著  コロナ社
【非特許文献２】ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮ  ＴＯ  ＰＬＡＳＭＡ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＡＮＤ  ＣＯＮＴＲＯＬＬＥＤ  ＦＵＳＩＯＮ  ２ｎｄ  ｅｄ．１０ページ  Ｆ．Ｆ．ＣＨＥＮ著  ＰＬＥＮＵＭ  ＰＲＥＳＳ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
クラスター流の方向に方向にイオン化装置からクラスターイオンを引き出すと、イオン化装置に入射した直後にイオン化されたクラスターはイオン化装置内で、イオン化装置の出射口に至るまで長い距離を飛翔しなければならない。したがって、イオン化室内に存在する他のクラスターイオンや電子など、イオン化室内に存在する空間電荷のためビームが発散しやすく大電流を引き出すことが困難となる。ビームが発散するとイオン化室の内壁に衝突してクラスターが崩壊したりするなどしてクラスターイオンビームとして引き出せなくなるからである。したがってイオン化されたクラスターに対してクラスターイオンビームとして引き出されるクラスターイオンの量（引き出し効率）は大きくなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題である、クラスターイオンの大電流引出しを可能にする装置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】
【００１１】
上記の課題を解決するため本発明は、
気体状物質を減圧下で凝集させクラスターを形成するための真空室と、
該クラスターをイオン化するイオン化室と、
クラスターイオンを引き出すための電界を発生させる引き出し電極と、
を有するクラスターイオンビームを生成するクラスターイオンビーム装置において、
前記クラスターの進行方向に沿ってクラスターをイオン化する手段を配置し、かつ前記クラスターの進行方向と交差する方向にクラスターイオンを引き出すように前記電界を発生させることを特徴とするクラスターイオンビーム装置を提供する。
【００１２】
次に、本発明の第２番目のガスクラスターイオンビーム装置は、本発明の１番目のガスクラスターイオンビーム装置において、イオンを引き出す電極がクラスター進行方向に沿ったスリット状であることを特徴とする。
【００１３】
次に、本発明の第３番目のガスクラスターイオンビーム装置は、本発明の１番目のガスクラスターイオンビーム装置において、イオンを引き出す電極がクラスター進行方向に沿った多孔状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、クラスターのイオン化装置への進入方向に対して交差する方向にクラスターイオンビームを引き出すことで、空間電荷の影響によるクラスターイオンの発散を低減し、引き出し効率を向上させることができる。したがって本発明によるとイオン電流Ｉｓｉを大きくすることができる。
【００１５】
また、イオンを引き出す電極がクラスター流方向に沿ったスリット状であることで、クラスターの進行方向と略垂直にクラスターイオンを引き出すように電界をかけることができる。
【００１６】
イオンが生成した領域から垂直方向にイオンビームを引き出すことで、イオンビームの断面積Ｓを大きくなり、引き出されるイオン電流Ｉｓｉを増大させることができる。
【００１７】
また、クラスター流方向に沿って備えた多孔状電極を用いることで、クラスターの進行方向と垂直に電界をかけることができる。
【００１８】
イオンが生成した領域から垂直方向にイオンビームを引き出すことで、引き出されるイオン電流Ｉｓｉを増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図を用いて、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２０】
（実施形態１）
図１は本発明の実施の形態を示す図である。
【００２１】
真空ポンプにより排気された容器（真空室）内に、ノズル１を配置し、外部からノズル１にガス（気体状物質）を減圧下で導入すると、ノズルから放出されたガスは断熱膨張する。
【００２２】
このとき、導入するガスの種類、温度、圧力に依存して、条件を満たした場合ガス原子または分子が凝集し、塊状となったクラスターが形成される。
【００２３】
クラスターを含むガス流は、真空ポンプにより排気された第２の容器に入り、そのままイオン化部３で囲まれる空間（イオン化室）に入射する。
【００２４】
イオン化部３に沿って電子源２が配置されており、電子源２で生成され、加速された電子はイオン化室に入射する。
【００２５】
ここで、電子の加速エネルギーは５０ｅＶから３００ｅＶ程度である。
【００２６】
また、イオン化部３に沿って、引き出し電極４が配置されており、クラスターイオンをイオン化室から引き出す。これは、クラスター流の進行方向と交差する方向にクラスターイオンビームを引き出すため、イオン化室に進入するクラスターを含むガス流の進行方向に沿って配置される。
【００２７】
その先には、集束レンズ５があり、ビーム形状を整形する。６は試料であり、ステージ７に固定されている。ステージ７を動作させて、試料６の指定された位置にビームを照射する。次に、図２、図３、図４を用いて、クラスターのイオン化の詳細を説明する。
【００２８】
図２は引き出し電極を下方向から見た図であり、４が引き出し電極、１１が単スリットである。
【００２９】
図３、図４はイオン化部を横方向から見た図である。電子源２は複数のフィラメント１２から構成されている。フィラメント１２に電流を流し発熱させると、熱電子が放出される。
【００３０】
３はイオン化部で、導電体で構成されている。イオン化部で囲まれた空間がイオン化室である。また、フィラメント１２との間に電圧が印加され、フィラメント１２から放出された電子を加速し、イオン化室３内に入射させ続ける。
【００３１】
１４はクラスターであり、ガスがノズルを通過した際の断熱膨張により生成されたものである。クラスター１４はイオン化室内に進入すると、前述の加速された電子と衝突することでイオン化し、クラスターイオン１５が生成する。
【００３２】
４は引き出し電極であり、導電体で構成されている。
【００３３】
引き出し電極４はイオン化部３との間には、電圧が印加され、クラスターイオン１５はこの電圧によって引き出され、単スリット１１を図３中、下方向に通過する。
【００３４】
イオン化前のクラスターの運動エネルギーに比べ、引出し電極で発生させた電界によって供給されるエネルギーの方が格段に大きいため、クラスターイオンの引き出し方向は、比較的容易に変更させることができる。
【００３５】
イオン化されていないクラスター１４は、引き出し電極４からの力を受けずに通過する。
【００３６】
（実施形態２）
次に、他のイオン化部の形態に関して、図５、図６、図７を用いて詳細を説明する。
【００３７】
図５は引き出し電極を下方向から見た図であり、４が引き出し電極、２１が引き出し電極にあけられた開口部である。
【００３８】
図６、図７はイオン化部を同じく横方向から見た図である。電子源２は複数のフィラメント１２を備えた構成となっていて。フィラメント１２に電流を流し発熱させると、熱電子が放出される。
【００３９】
３はイオン化部で、導電体で構成されている。また、フィラメント１２との間に電圧が印加され、フィラメント１２から放出された電子を加速し、イオン化部３で囲まれる空間であるイオン化室内に入射させる。電子源２の構成及びイオン化室への入射方法は実施形態１と同じである。
【００４０】
１４はクラスターであり、ガスがノズルを通過した際の断熱膨張により生成されたものである。クラスター１４はイオン化室内で、前述の加速された電子と衝突し、クラスターイオン１５が生成する。
【００４１】
４は引き出し電極であり、導電体で構成されている。引き出し電極４はイオン化部３との間には、電圧が印加され、クラスターイオン１５を引き出し、開口部２１を通過する。
【００４２】
イオン化されていないクラスター１４は、引き出し電極４からの力を受けずに通過する。
【００４３】
以上述べたように、クラスター進行方向に沿ったイオン化手段を備え、クラスター進行方向に沿って設置されたスリット状または多孔状の引き出し電極を用いて、クラスター進行方向と交差する方向に、もしくは略垂直な方向にクラスターイオンビームを引き出すように、電界をかけて、クラスターイオンビームを引き出す。
【００４４】
クラスターイオンビームは、クラスター流の方向に方向にクラスターイオンを引き出すことは、空間電荷のため大電流を引き出すことが困難である。
【００４５】
本発明によれば、クラスター流と垂直方向にクラスターイオンを引き出すことで大電流を引き出すことを可能にする。
【実施例】
【００４６】
実施形態１の方法を用いてクラスター流の方向にビームを引き出す、従来のようにクラスターの進入方向と同じ方向に引き出す方法では、イオン電流値は０．２ｍＡであった。
【００４７】
本発明の実験条件は、
ガス種：アルゴン
ノズル径：０．１５ｍｍ
ソースガス圧：６気圧
電子の加速電圧：１６０Ｖ
電子電流：６０ｍＡ
イオン引き出し電圧：２０ｋＶ
図３のようにイオン化部に長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍのスリットを設け、スリットを介してクラスター流と垂直方向に引き出したところ、イオン電流値は１．２ｍＡに増加した。
【００４８】
このとき、他の実験条件は同じである。
【００４９】
【表１】
2010129297.tif 000003
【００５０】
このことから、大きく引き出し効率を向上させることができたことがわかる。
したがって、空間電荷の影響で従来はイオン化室から引き出せていなかったクラスターイオンを、本発明を用いることで効果的に引き出し、イオン電流値を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態を説明する図
【図２】イオン化室の第１の詳細を説明する図（ＸＹ面）
【図３】イオン化室の第１の詳細を説明する図（ＹＺ面）
【図４】イオン化室の第１の詳細を説明する図（ＺＸ面）
【図５】イオン化室の第２の詳細を説明する図（ＸＹ面）
【図６】イオン化室の第２の詳細を説明する図（ＹＺ面）
【図７】イオン化室の第２の詳細を説明する図（ＺＸ面）
【符号の説明】
【００５２】
１  ノズル
２  電子源
３  イオン化室
４  引き出し電極
５  集束レンズ
６  試料
７  ステージ
１１  スリット
１２  フィラメント
１４  中性クラスター
１５  クラスターイオン
２１  開口部
【図１】
2010129297.tif 000004
【図２】
2010129297.tif 000005
【図３】
2010129297.tif 000006
【図４】
2010129297.tif 000007
【図５】
2010129297.tif 000008
【図６】
2010129297.tif 000009
【図７】
2010129297.tif 000010