(57)【要約】【課題】  製造が容易で、操作性及び保守性に優れ、電離度が高く、ビーム強度の大きい多価イオン発生源とそれを用いた荷電粒子ビーム装置を提供する。【解決手段】  多価イオン発生源は、電子源４とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブ５とコレクタ６とからなるイオン源電極３と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石１１と、イオン導入手段２０，２２と、さらにイオン源電極３を収容した第１の真空容器２と、超伝導磁石１１を収容した第２の真空容器１０と、第１の真空容器及び第２の真空容器にそれぞれ配設した真空排気装置１５，１６とで成る。第１の真空容器２と第２の真空容器１０は着脱可能であり、極高真空が必要なイオン源電極３のみを容易にベーキングできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、
イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、
イオン導入手段と、を含んで構成される多価イオン発生源であって、
さらに、上記イオン源電極を収容した第１の真空容器と、
上記超伝導磁石を収容した第２の真空容器と、を備え、
上記第１の真空容器及び第２の真空容器に、それぞれ、真空排気装置が配設されていることを特徴とする、多価イオン発生源。
【請求項２】
前記第２の真空容器が断面環状に形成され、前記第１の真空容器が該第２の真空容器の環中を挿通して配置されていることを特徴とする、請求項１記載の多価イオン発生源。
【請求項３】
前記超伝導磁石が、前記環状の第２の真空容器内に環状に配設されていることを特徴とする、請求項２記載の多価イオン発生源。
【請求項４】
前記第２の真空容器は、前記第１の真空容器から両者の真空を破らずに脱着可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多価イオン発生源。
【請求項５】
前記超伝導磁石は、ヘルムホルツ型コイルを用いる超伝導磁石であることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載の多価イオン発生源。
【請求項６】
前記電子源の加速電圧は、１０〜４０ｋＶであることを特徴とする、請求項１に記載の多価イオン発生源。
【請求項７】
請求項１乃至６の何かに記載の多価イオン発生源を用い、試料表面に多価イオンを照射することを特徴とする、荷電粒子ビーム装置。
【請求項８】
電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、さらに、上記イオン源電極を収容した第１の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第２の真空容器と、上記第１の真空容器及び第２の真空容器にそれぞれ配設した真空排気系と、を備える多価イオン発生源と、
上記多価イオン発生源に接続された第３の真空容器及びその真空排気装置と、を備えていて、
上記第３の真空容器内にイオン分離器と試料台とを配設し、
上記試料台に試料を載置することにより、上記多価イオン発生源で発生した多価イオンから所望の多価イオンをイオン分離器により選択して試料表面に照射することを特徴とする、荷電粒子ビーム装置。
【請求項９】
前記荷電粒子ビーム装置が、さらに、前記試料の観察装置を備えていることを特徴とする、請求項７又は８に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項１０】
前記荷電粒子ビーム装置が、さらに、前記試料の表面処理装置を備えていることを特徴とする、請求項７乃至９の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多価イオン発生源とこの多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多価イオンは極めて大きな内部エネルギーを持っており、多価イオンが固体表面と衝突すると、多数の二次電子が放出されたり、多価イオンの入射点まわりにナノメートルの大きさの構造変化が誘起されるなど、数多くの特異な現象が起こる（非特許文献１および２参照）。この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンインプランテーションや量子ドット作製などのナノメートル領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている（非特許文献３参照）。
【０００３】
このような多価イオンを生成するイオン源としては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型イオン源（ＥＣＲＩＳ）と、電子ビーム型イオン源（ＥＢＩＳ）とが一般に知られている。後者は得られるイオンの電離度が高いという特徴がある。
【０００４】
従来例１のＥＢＩＳとしては、原子物理学の研究用に開発された核融合研究所の装置が公知である（例えば、非特許文献４参照）。この装置は、電子源（カソード）、ドリフトチューブ、コレクタ、ソレノイド磁石、イオン引き出し用レンズなどから構成されており、カソードから出射した電子は、磁場中に配置されたドリフトチューブを通り、コレクタに捕集される。電子は、ドリフトチューブに形成される強磁場で圧縮され大電流密度の電子ビームとなっている。一方、カソード付近から導入された気体は、ドリフトチューブ内でイオン化される。ドリフトチューブ電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁を有する井戸型ポテンシャルが形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャル内に閉じ込められ、電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものが、イオン引き出し用レンズ側に導かれることにより、多価イオンがイオン源外部に取り出される。
【０００５】
さらに、１９８８年には、従来例１のＥＢＩＳを改良した従来例２のＥＢＩＴ（電子ビームイオントラップ）が、開発された（非特許文献５参照）。この従来例２のＥＢＩＴの多価イオン発生原理は、ＥＢＩＳと同じであるが、超伝導ヘルムホルツ型コイルを用い、ドリフトチューブを従来よりも短くして、ドリフトチューブ内のプラズマの不安定性を回避することにより、イオンの閉じ込め時間を改善し、高価数の多価イオンを安定に保持できるようにしたものである。このため、ＥＢＩＴでは、ドリフトチューブでの電子ビームの絞込みを究極まで行い、高電離イオンを生成することを可能にした。
【０００６】
また、従来例３のＥＢＩＴとして、ウラン（Ｕ）まで完全電離できるように、電子の加速電圧を、最大３００ｋＶとした装置が、本発明者らにより開発されている（非特許文献６参照。）。このＥＢＩＴは、原子物理学の研究のために開発されたもので、生成可能な多価イオンの内部エネルギーとしては世界最高の性能を持っている。しかしながら、高ビーム強度を得るために装置が高価であることと、運転コストが高いという課題がある。
【０００７】
また、従来例４として、米国ローレンスバークレー研究所において、ＥＢＩＴの超伝導磁石を閉サイクル冷凍機で冷却する形式のＲＥＢＩＴが開発されている（非特許文献７参照）。
【０００８】
従来例５のＥＢＩＴの市販品としては、ドイツのドレスデン工科大学がライボルト社と共同で永久磁石を使ったものを開発しているが、永久磁石は磁場が弱いため、超伝導磁石を用いたＥＢＩＴなどよりもビーム強度が弱い（非特許文献８参照）。
【０００９】
従来例６のＥＢＩＳとして、米国ブルックヘブン研究所の装置は、超伝導磁石を、イオン生成に必要な電子源、ドリフトチューブ、コレクタ（ここでは、これらをまとめて、イオン源電極と呼ぶ）と、分離している（非特許文献９参照）。
しかし、この装置では、超伝導磁石を、イオン源電極と分離する際には、イオン源電極の真空を破る必要がある。このため、従来例６のＥＢＩＳでは、超伝導磁石部分の耐熱性が弱いため、非常に長期間排気を続けないと十分な真空度が得られない。また、ＥＢＩＳでは、電子源、ドリフトチューブ及びコレクタ相互の中心軸を精度良く調整する必要があるが、超伝導磁石を組まない状態では、イオン源電極単体での軸合わせをすることができず、組立及び調整に多大の時間が必要であった。
【００１０】
【非特許文献１】J.W. McDonald, D. Schneider, M.W. Clark and D. DeWitt, Phys. Rev. Lett., Vol.68, (1992), p.2297
【非特許文献２】T. Meguro et al., Appl. Phys. Lett., Vol.79, (2001),p.3866
【非特許文献３】T. Schenkel et al., Appl. Phys., Vol. 94, (2003), p.7017
【非特許文献４】小林  信夫、大谷  俊介  他７名、名古屋大学プラズマ研究所資料・技術報告、ＩＰＰＪ−ＤＴ−８４、１９８１年
【非特許文献５】M. A. Levin 他７名, Physica Scr., T22, 1988, p.157
【非特許文献６】大谷俊介、桜井誠、プラズマ・核融合学会誌、73、(1997)、ｐ．1063
【非特許文献７】フィジックス・アンド・テクノロジー社（Physics & Technology）、「冷凍機冷却電子ビームイオントラップ／イオン源」（ＲＥＢＩＴＳ／Ｓ）、［online］、（掲載日不明）、［平成１６年１０月５日検索］、インターネット＜URL:http://www.physicstechnology.com/pt brochure.pdf＞
【非特許文献８】G. Zschrnack, 「ドレスデンエビット」（The Dresden EBIT) 、［online］、（掲載日不明）、ドレスデン工科大学原子物理グループ（atomic physics group, Technical University Dresden) 、［平成１６年１０月５日検索］、インターネット＜URL:http://www.physik.tu-dresden.de/apg/apeebit1.htm＞
【非特許文献９】N ．Beebe et al., Rev. Sci. Instrum., Vol.73, (2002), p.699
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来例１〜５の多価イオン発生源は、電子源とドリフトチューブとコレクタからなるイオン源電極及び超伝導磁石を同一真空室内に配置しており、さらに、ビーム強度が弱いことから、製作、調整、運転、保守に多大な時間とコストを要するという課題がある。
【００１２】
さらに、従来例６の多価イオン発生源のように、超伝導磁石をイオン生成に必要なイオン源電極から分離している例があるが、超伝導磁石をイオン源電極と分離する際、イオン源電極の真空を破る必要があった。このため、超伝導磁石を組み込まない状態では、イオン源電極単体での軸あわせをすることができず、組立及び調整に多大の時間を要するという課題がある。
【００１３】
このように、従来例１〜６の多価イオン発生源は何れも原子核物理の研究用であるために、操作性、保守性に欠点を有しており、さらに、ビーム強度が弱いため、例えば、ナノ構造体（ナノメートルオーダーの微細なデバイス）を形成するための加工に用いるための実用的な多価イオン発生源が実現されていないという課題がある。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑み、製造が容易で、操作性及び保守性に優れ、電離度が高く、ビーム強度の大きい多価イオン発生源とそれを用いた荷電粒子ビーム装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、イオン源電極を同一真空容器内に配置し、超伝導磁石を異なる真空容器内に配置することで、製造、組立、調整が容易で、操作性・保守性に優れている多価イオン発生源を実現した。また、加速電圧を４０ｋＶ以下に低速化し、これに最適なイオン源電極形状と超伝導コイルとにより構成することで、多価イオンビームの高強度化、小型化を図り、本発明を完成させるに至った。
【００１６】
上記の課題を解決するため、本発明の多価イオン発生源は、電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、を具備し、さらにこの多価イオン発生源は、上記イオン源電極を収容した第１の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第２の真空容器と、を備えると共に、第１の真空容器及び第２の真空容器に、それぞれ真空排気装置が配設されていることを特徴とするものである。
上記構成において、好ましくは、第２の真空容器は断面環状に形成され、第１の真空容器がこの第２の真空容器の環中を挿通して配置される。また、好ましくは、第２の真空容器は、第１の真空容器から両者の真空を破らずに脱着可能である。超伝導磁石は、好ましくは、ヘルムホルツ型コイルを用いる超伝導磁石である。また、電子源の加速電圧を１０〜４０ｋＶに設定すれば好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、超伝導磁石を収容する第２の真空容器を、第１の真空容器から脱離させた状態で、第１の真空容器及び収容されているイオン源電極を十分に加熱して、脱ガスをすることができる。
これにより、多価イオン発生のための第１の真空容器を、短時間で極高真空とすることができる。したがって、本発明の多価イオン発生源においては、イオン源電極の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた、多価イオン発生源を実現できる。
【００１８】
さらに、本発明の荷電粒子ビーム装置は、上記の多価イオン発生源を用い、試料表面に多価イオンを照射することを特徴とする。
本発明の荷電粒子ビーム装置の他の構成は、電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極と、イオン閉じ込めのための超伝導磁石と、イオン導入手段と、さらに、イオン源電極を収容した第１の真空容器と、上記超伝導磁石を収容した第２の真空容器と、第１の真空容器及び第２の真空容器にそれぞれ配設した真空排気系とを備える多価イオン発生源を具備すると共に、さらに、上記多価イオン発生源に接続された第３の真空容器及びその真空排気装置と、を備えていて、第３の真空容器内にイオン分離器と試料台とを配設し、試料台に試料を載置することにより、上記多価イオン発生源で発生した多価イオンから所望の多価イオンをイオン分離器により選択して試料表面に照射することを特徴とするものである。
上記構成において、好ましくは、荷電粒子ビーム装置が、さらに、試料の観察装置及び／又は試料の表面処理装置を備えている。
【００１９】
上記構成によれば、多価イオン発生源から発生した種々の多価イオンは、イオン分離器で所望の多価イオンが選択されて、試料に照射される。この際、表面清浄化装置により、多価イオン照射前に試料表面の洗浄ができる。また、多価イオン照射時の試料形状やその結晶状態などが観察装置によりその場観察ができる。本発明の多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置によれば、多価イオン発生源が小型軽量であるので、ナノプロセスへ応用することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の多価イオン発生源によれば、多価イオン発生のための第１の真空容器を、短時間で、極高真空とすることができ、イオン源電極の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた多価イオン発生源を実現できる。また、本装置は小型軽量であり、低コストで製造することができる。
【００２１】
また、本発明の荷電粒子ビーム装置によれば、上記多価イオン発生源を用いるので、小型で軽量な荷電粒子ビーム装置を提供することができることに加え、真空立ち上げが短時間で済み、操作性、保守性に優れている。従って、ナノプロセスに好適に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。図１において、本発明の多価イオン発生源１は、第１の真空容器２内に配置されるイオン源電極３と、第２の真空容器１０内に配置されるイオン閉じ込めのための超伝導磁石１１と、気体イオン導入手段２０とを具備して構成されている。イオン源電極３は、電子源４とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブ５とコレクタ６とから構成されている。
上記第１、第２の真空装置２，１０は独立構成であるが、第１の真空装置２が第２の真空装置１０の内部を挿通するように配置されている。すなわち、本実施態様では、第２の真空容器１０は断面環状で両端が開放した筒状に形成されていて、この筒状の第２の真空容器１０の環内に第１の真空装置２が挿通して配置されている。そして、筒状の第２の真空容器１０の内部に超伝導磁石１１が環状に配設されて構成されている。
【００２３】
第１の真空容器２及び第２の真空容器１０は、それぞれ、真空排気装置１５，１６により独立に排気されるようになっている。この際、第１の真空容器２内は、多価イオン発生のためには、１×１０-5Ｐａ（パスカル）以下、特に１×１０-9Ｐａ以下の極高真空とする。例えば、Ｕ92+ の生成には１０-10 Ｐａ（１０-12 Ｔｏｒｒ）の真空が必要である。このため、第１の真空容器２は、脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベーキング手段を備えている。このベーキング手段を用いることで、第１の真空容器２は、２５０〜３００℃程度にまでベーキングすることができる。
ここで、第１及び第２の真空容器２，１０は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石１１からの磁場がドリフトチューブ５に印加されるように、非磁性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ−３０４，ＳＵＳ−３１６）やアルミニウムを用いることができる。
【００２４】
第２の真空容器１０には、外部と熱的に遮断するために超伝導磁石１１が収容され、この超伝導磁石１１は、例えば１０Ｋ（−２６３℃）の極低温に冷却されるようになっている。また、第２の真空容器１０の真空度は、１０-4Ｐａ程度の高真空にされる。このような高真空を得るためのベーキング手段は不要である。そして、第２の真空容器１０の第１真空容器２側の外周部には、磁気シールド１８が設けられている。この磁気シールド１８は、超伝導磁石１１からの磁場が、イオン源電極３の電子源４及びコレクタ６側のドリフトチューブ５に漏れないようにするために配設するものである。この磁気シールド１８には、軟鉄などの強磁性材料を用いればよい。
【００２５】
図２は図１に示す電子源４の構成を模式的に示す拡大断面図である。図示するように、電子源４は、第１の真空容器２の左側面の超高真空用フランジ２ａに支持部２ｂを介して、第１の真空容器２の水平方向の中心軸上に配設されている。第２の真空容器１０内に収容した超伝導磁石１１の空隙（ボア）の直径はＤで示している。そして、図中の矢印は、排気経路を示している。電子源４は、左から右方向に、フィラメント（カソード）電極４ａ、フォーカス電極４ｂ、アノード電極４ｃ、スノート電極４ｄの順に配置され、それぞれが、絶縁碍子４ｅ，４ｅにより絶縁されている。さらに、電子源４は、カソード近傍の磁場を０（零）とするためのバッキングコイル（Ｂｕｃｋｉｎｇ  ｃｏｉｌ）７を備え、磁気シールド部８に収容されている。
【００２６】
ここで、電子源４から発生される電子ビームを、ドリフトチューブ５に当てることなくコレクタ６に導く必要がある。このため、上記のカソード電極４ａ、アノード電極４ｃ、及びスノート電極４ｄの各電極と絶縁碍子４ｅ，４ｅとは、嵌め合いにより組み立てることで、相互の軸を高い精度で一致させている。
【００２７】
一例として、３００ｍＡの電流をカソード電極４ａから引き出す際は、フィラメント電位を基準にして、アノード電極４ｃには＋１０ｋＶ、スノート電極４ｄには＋１５ｋＶの電位を与える。このように、各電極とバッキングコイル７及び磁気シールド部８には最大＋１５ｋＶの高電圧がかかるが、各部品を小型化することで相互の絶縁を確保しながら、磁気シールド部８の直径を１００ｍｍに抑えることができる。この場合には、外径が１６２ｍｍで内径が１０２ｍｍの超高真空フランジ２ａに電子源４を収容することができ、第２の真空容器１０の電子源４側の直径を１５２ｍｍに抑えることができる。
このため、超高真空フランジ２ａの内径は、磁気シールド部８及びドリフトチューブ５の直径よりも十分大きいので、電子源４領域からの放出ガスを効率良く排気できる。このように、電子源４の寸法を小さくすることで、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０の環状の空隙、即ち超伝導磁石のボア径を小さくすることができる。
これにより、多価イオン発生源１の装置の小型化が実現できる。小型化できることにより、装置の製造コスト及び運転コストの低減化が図れる。
【００２８】
ドリフトチューブ５は、幾つかに分割された円筒形電極から構成されていて、その両端が、イオンに対して、障壁（井戸型ポテンシャル）を形成するような電場配置となっている。
【００２９】
この際、イオンとなる気体は、気体イオン導入手段２０により、ドリフトチューブ５側面から、その内部に導入される。ここで、気体イオン導入手段２０は、気体源２０ａ，流量調整部２０ｂ，第１の真空容器２内への配管部２０ｃなどから構成されている。
【００３０】
一方、固体をイオンとする場合には、ソースとして固体イオン源を用いればよい。図３は、固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。図３に示す多価イオン発生源が、図１に示す多価イオン発生源と異なるのは、気体イオン導入手段２０の代わりに、コレクタ６の右側に、固体イオン導入手段２２を備えていることである。このような固体イオン導入手段２２は、所望のイオンを発生させる針状の固体材料を真空アーク放電させ、イオン化（１価）させる真空アーク型イオン源などを用いることができる。固体イオン導入手段２２から発生したイオンは、第１の真空容器２中で、コレクタ６を通過して、ドリフトチューブ５に注入される。
【００３１】
上記の気体イオン導入手段２０又は固体イオン導入手段２２からなるイオン導入手段によりドリフトチューブ５に注入されるイオンは、一定時間、井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加して障壁を越えたものが、多価イオン発生源１の外部に取り出される。
この際、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして、多価イオンビーム２４を生成させる。
【００３２】
コレクタ６は、ドリフトチューブ５を通過する電子を捕集するための電極であり、例えば、サプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極などの電極から構成されている。カソード及びコレクタ６には、アースに対して、最大−数十ｋＶから−３００ｋＶ程度の電圧が印加されている。この加速電圧は、所望の多価イオンが得られるための電圧であればよい。電子は、ドリフトチューブ５の入射直前に最大加速電圧が印加され、ドリフトチューブ５を通過した電子は、コレクタ６の手前で２〜３ｋＶ程度に減速されてコレクタ６に捕集される。このため、コレクタ６には、この電圧と電子ビーム電流との積の電力が捕集される。この電力は、上記コレクタ６手前の電圧が３ｋＶで電子ビーム電流が３００ｍＡの場合には、９００Ｗとなり、絞られた状態でコレクタ６に当ると、当った場所が溶ける。したがって、コレクタ６は、冷媒で冷却した電極構造として、電子ビームを広げながら電子を捕集するようになっている。
【００３３】
次に、超伝導磁石について説明する。
図１及び図３に示すように、超伝導磁石１１は第１のコイル１１ａ及び第２のコイル１１ｂからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第１のコイル１１ａ及び第２のコイル１１ｂの半径をａとし、これらのコイルの間隔を半径ａと同じａとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石１１は、図示しないＨｅを冷媒とするクライオスタットや閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。
【００３４】
本発明の多価イオン発生源１の特徴は、第２の真空容器１０内にイオン閉じ込めのための超伝導磁石１１が配置され、第２の真空容器１０の環状の空隙に第１の真空容器２が挿入されていることである。つまり、超伝導磁石１１の空隙（ボア）内に、第１の真空容器２が挿入されていることである。上記のように、この第１の真空容器２内には、電子源４、ドリフトチューブ５及びコレクタ６からなるイオン源３が配置されている。
また、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０は、第１の真空容器２から、両者の真空を破らずに脱着が可能である。本発明では、イオン源電極３を第１の真空容器２に収納したものを作ればよく、超伝導磁石１１は、市販品を用いることができるので、製作が容易である。このため、本発明の多価イオン発生源１においては、従来の多価イオン発生源のように、超伝導磁石１１とイオン源電極３とを一体化した構造を、精度良く製作する必要がない。
【００３５】
本発明の多価イオン発生源は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
図４は、本発明の多価イオン発生源１に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が４０ｋＶの一例を示している。図示するように、電子源４のフィラメントには１５Ｖ，２Ａ、フォーカス電極には５０Ｖ，１ｍＡ、アノード電極には１０ｋＶ、スノート電極には１５ｋＶ，１ｍＡの電源が−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ５の各電極には、１０ｋＶの電源上に、第１電極５００Ｖ、第２電極５００Ｖ、第３電極５００Ｖが、それぞれ上乗せされて供給されている。さらに、コレクタ６のサプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極には、それぞれ、２ｋＶ、３ｋＶ，５００ｍＡ、−３ｋＶの電源が、−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。
【００３６】
電子源４から発生された電子は、超伝導磁石１１の磁場中に配置されたドリフトチューブ５を通る。図４に示す電源を用いた場合には、電子銃４とドリフトチューブ５の間で、電子が最大４０ｋＶまで加速される。この加速されてドリフトチューブ５に入射した電子は、超伝導磁石１１によりドリフトチューブ５に形成される強磁場で圧縮され、大電流密度（〜１０００Ａ／ｃｍ2 ）の電子ビームとなり、コレクタ６に捕集される。図４に示す電源を用いた場合には、コレクタ６には、２〜３ｋＶ位ま減速されて捕集される。
この際、電子は、ドリフトチューブ５の直前で最大加速電圧が印加されるようになっている。原子を電離するためには、束縛電子の電離エネルギー以上のエネルギーを持った電子と衝突させなければならないので、重元素（例えば、キセノン（Ｘｅ）など）を完全に電離させるには１ｓ軌道の電離エネルギー（Ｘｅでは３５ｋｅＶ）より高いエネルギーが必要で、加速電圧３５ｋＶ以上が必要である。
【００３７】
一方、気体イオン導入手段２０から導入されるイオンとなる気体は、ドリフトチューブ５内でイオン化される。ドリフトチューブ５の電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）が形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子は、電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進む。電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものが、イオン源外部に取り出される。
このように、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして、多価イオンビーム２４を生成させる。
このドリフトチューブ５で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ５から引き出される際には、図４のドリフトチューブ５とコレクタ６間で４０ｋＶで一且加速され、第１の真空容器２を出る際は、この真空容器２はアース電位であるので、１０ｋＶまで減速されて出射する。
【００３８】
得られる多価イオンビーム２４の強度は、イオンがトラップされているドリフトチューブ５の長さＬ１（図１参照）及びエミッション電流に比例し、電離度が究極に至るまでの時間は電子の電流密度に比例する。なお、ドリフトチューブ５の長さが長すぎる場合にはプラズマの不安定性が出現し、高電離の多価イオンができなくなる。
また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石１１によりドリフトチューブ５に印加される磁場強度が高いほど高くなる（但し、比例ではない）。このため、単位時間当たりに得られる多価イオンビーム２４の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。
【００３９】
上記の多価イオン発生機構は、従来の多価イオン発生源と同様である。
本発明の特徴は、イオン源電極３を収納する第１の真空容器２のための真空排気装置１５と、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０のための真空排気装置１６とを、着脱して、分離することができる点にある。このため、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０を、第１の真空容器２から分離した状態で、第１の真空容器２及び収容されているイオン源電極３を十分に加熱して、脱ガスをすることができる。
したがって、多価イオン発生のための第１の真空容器２を、短時間で、極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ５に当てたときには、本発明の多価イオン発生源１では、イオン源電極３を収納した第１の真空容器２のみ修理すればよい。これにより、本発明の多価イオン発生源１においては、イオン源電極３の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた、多価イオン発生源１を実現することができる。
【００４０】
次に、本発明の多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置について説明する。
図５は、本発明の多価イオン発生源１を用いた荷電粒子ビーム装置３０の構成を模式的に示す図である。本発明の多価イオン発生源１を用いた荷電粒子ビーム装置３０は、多価イオン発生源１に第３の真空容器３１が接続され、第３の真空容器３１内に、イオン分離器３２と試料３３を載置する試料台３４とを収納している。第３の真空容器３１は、真空排気装置３５により、多価イオン発生源１の真空排気装置１５，１６とは独立に真空排気される。
【００４１】
イオン分離器３２は、多価イオン発生源１から発生した種々の多価イオン中から所望の多価イオンを選択するために設けられている。イオン分離器３２としては、分析磁石（偏向磁石）や磁場及び電場によるウィーンフィルターなどを用いることができる。また、試料台３４は、その位置が制御できるようにＸＹＺステージなどを用いることができる。
【００４２】
また、荷電粒子ビーム装置３０は試料表面の観察装置３６を備えていてもよい。このような観察装置としては、電子線回折装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）などが挙げられる。
さらに、試料の表面処理装置３７を備えていてもよい。このような表面処理装置としては、表面清浄化装置や蒸着装置などが挙げられる。
【００４３】
次に、本発明の多価イオン発生源１を用いた荷電粒子ビーム装置３０の動作について説明する。
多価イオン発生源１から発生した種々の多価イオンは、イオン分離器３２で所望の多価イオンが選択されて、試料に照射される。この際、表面清浄化装置３７により、多価イオン照射前に試料表面の洗浄ができる。また、多価イオン照射時の試料形状やその結晶状態などが観察装置３６により、その場観察ができる。本発明の多価イオン発生源１を用いた荷電粒子ビーム装置３０によれば、多価イオン発生源１が小型軽量であるので、ナノプロセスへ応用することができる。
【実施例】
【００４４】
実施例として、加速電圧１０〜４０ｋＶ、電子ビーム電流３００ｍＡ、イオン閉じ込め磁場３Ｔ、超伝導コイルとして市販の超伝導磁石１１を電子ビーム、イオンビームとは別の第２の真空容器１０内に配置した多価イオン発生源１を製作した（図１及び図２参照）。超伝導コイルとしてヘルムホルツコイル型を採用し、長さが２００ｍｍのドリフトチューブ５を用いてイオン閉じ込め領域を広げることにより、多価イオンビーム２４の高強度化を達成した。
【００４５】
次に、実施例の多価イオン発生源１の超伝導磁石による磁場と電子ビーム軌道について説明する。
図６は、実施例の多価イオン発生源１に用いるヘルムホルツ型コイルを有する超伝導磁石１１による磁場を示す図である。図において、横軸はカソードからコレクタ６への水平軸方向距離（ｍｍ）を示し、縦軸は第１の真空容器２内に形成される磁場（テスラ（Ｔ））を示している。図から明らかなように、最大磁場は３Ｔであり、最大磁場から５％の範囲の均一磁場範囲は１００ｍｍであることが分かる。このため、ドリフトチューブ５の長さが１００〜２００ｍｍであれば、その中央部にはほぼ均一の磁場を形成することができた。
【００４６】
図７は、実施例の多価イオン発生源１において、電子を４０ｋｅＶで加速したときの電子ビーム軌道の計算結果を示す図であり、（ａ）がカソード近傍、（ｂ）がコレクタ近傍を示す図である。図において、横軸は（ａ）がカソードから、（ｂ）がコレクタ左端から、のそれぞれ、水平軸方向距離（ｍｍ）を示し、縦軸は何れも水平軸（Ｘ）から垂直方向（Ｙ）への距離（ｍｍ）を示している。この電子ビーム軌道の計算は、ＴｒｉＣｏｍｐ  ２Ｄ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ社製）ソフトウェアを用いて行った。
図７（ａ）から明らかなように、カソードから出射した電子は、アノードを通過すると、直径が０．１ｍｍ以下の電子ビームとなっていることが分かる。また、図７（ｂ）から明らかなように、コレクタ６に入射した電子は、徐々に広がってコレクタ電極に捕集されることが分かる。
【００４７】
【表１】
2006108054.tif 000003
表１は、実施例の多価イオン発生源１と従来例３のＥＢＩＴとを比較したものである。実施例の多価イオン発生源１の最大加速電圧はキセノンをイオン化するために必要な４０ｋＶ、最大電子ビーム電流は３００ｍＡ、超伝導磁石１１の冷却は閉サイクル冷凍機で行い、その磁場強度は３Ｔであり、多価イオンのビームは水平方向に出射させることができる。
一方、従来例３のＥＢＩＴ（非特許文献６）では、最大加速電圧はウランをイオン化するために３００ｋＶ、最大電子ビーム電流は３００ｍＡ、超伝導磁石の冷却は液体Ｈｅタンクで行い、その磁場強度は３Ｔであり、多価イオンのビームは垂直方向に出射させることができる。
本発明の多価イオン発生源１と、従来例３のＥＢＩＴとの大きな違いは、そのサイズ（高さ×幅Ｌ２）であり、それぞれ、本発明では０．６ｍ×１ｍ、従来例３では３ｍ×２ｍである。このように、本発明の多価イオン発生源１は、従来例３のＥＢＩＴに対して小型の構造にすることができた。
【００４８】
上記実施例から、従来例３の多価イオン発生源が３ｍ×２ｍ（縦型）という大型の装置であったものが、実施例においては、０．６ｍ×１ｍ（横型）のコンパクトな装置で、ナノプロセスへの応用という観点で、同等以上の性能を有する多価イオン発生源１を実現できることが分かる。
さらに、超伝導磁石１１を電子ビーム及びイオンビームが収容される第１の真空容器２とは別の第２の真空容器１０に収容することで、装置製作が容易となった。このため、極高真空が必要なイオン源電極３のみを容易にベーキングすることが可能になり、装置コスト、性能維持に必要な保守コストを大幅に低減することができた。
本発明の多価イオン発生源及びそれを用いた荷電粒子ビーム装置によれば、多価イオンを用いたナノプロセスを実施することができる。
【００４９】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、電子源とイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブとコレクタとからなるイオン源電極の構成や超伝導磁石の磁場強度は、加速電圧や電子ビーム電流に合わせて適宜変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す電子源の構成を模式的に示す拡大断面図である。
【図３】イオン源として固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の多価イオン発生源に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。
【図５】本発明の多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】実施例の多価イオン発生源に用いるヘルムホルツ型コイルを有する超伝導磁石による磁場を示す図である。
【図７】実施例の多価イオン発生源において、電子を４０ｋｅＶで加速したときの電子ビーム軌道の計算結果を示す図であり、（ａ）がカソード近傍、（ｂ）がコレクタ近傍を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：多価イオン発生源
２：第１の真空容器
２ａ：超高真空用フランジ
２ｂ：支持部
３：イオン源電極
４：電子源
４ａ：フィラメント（カソード）電極
４ｂ：フォーカス電極
４ｃ：アノード電極
４ｄ：スノート電極
４ｅ：絶縁碍子
５：ドリフトチューブ
６：コレクタ
７：バッキングコイル
８：磁気シールド部
１０：第２の真空容器
１１：超伝導磁石
１１ａ：第１のコイル
１１ｂ：第２のコイル
１２：イオン用気体導入手段
１５：第１の真空容器の真空排気装置
１６：第２の真空容器の真空排気装置
１８：磁気シールド
２０：気体イオン導入手段
２０ａ：気体源
２０ｂ：流量調整部
２０ｃ：配管部
２２：固体イオン導入手段
２４：多価イオンビーム
３０：多価イオン発生源を用いた荷電粒子ビーム装置
３１：第３の真空容器
３２：イオン分離器
３３：試料
３４：試料台
３５：第３の真空容器の真空排気装置
３６：観察装置
３７：表面処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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