(57)【要約】【課題】傍熱方式のものであって、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることができる熱電子発生源を提供する。【解決手段】このイオンビーム照射装置を構成する熱電子発生源１０は、他から加熱されて熱電子２８を放出する面状の主陰極２４と、主陰極２４をその背後から加熱して熱電子２８を放出させるフィラメント２０と、主陰極２４の前方近傍に設けられていて主陰極から放出された熱電子２８を電界によって引き出す引出し電極２６と、引出し電極２６の前方近傍の左右に引出し電極２６を挟むように配置された二つの偏向電極３０、３２とを備えている。両偏向電極３０、３２の電位は、一方の偏向電極３０の電位をＶＬ　、他方の偏向電極３２の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる。【選択図】　図１
2004134354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
他から加熱されて熱電子を放出する面状の主陰極と、この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出す引出し電極と、この引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極であって、その一方の電位をＶＬ　、他方の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる偏向電極とを備えることを特徴とする熱電子発生源。
【請求項２】
ホルダに保持された基板にイオンビームを照射して処理を施す装置であって、イオンビームの経路の側方に配置されていて熱電子をイオンビームの経路に向けて放出する熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置において、
前記熱電子発生源は、
他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、
この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、
前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記ホルダと同電位に保たれる引出し電極と、この引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極であって、両偏向電極の相対向面は前記ホルダに向く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の偏向電極の電位をＶＬ　、他方の偏向電極の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる偏向電極とを備えている、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項３】
ホルダに保持された基板にイオンビームを照射して処理を施す装置であって、イオンビームの経路の側方に配置されていて熱電子をイオンビームの経路に向けて放出する熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置において、
前記熱電子発生源は、
他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、
この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、
前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記ホルダと同電位に保たれる引出し電極と、この引出し電極の前方近傍に引出し電極を挟むようにかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置された二つの第１段目偏向電極であって、両第１段目偏向電極の相対向面は前記ホルダに背く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の第１段目偏向電極の電位をＶ１Ｌ、他方の第１段目偏向電極の電位をＶ１Ｒとしたとき、Ｖ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれる第１段目偏向電極と、
この第１段目偏向電極の前方近傍にかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置された二つの第２段目偏向電極であって、当該両電極間の前記空間は第１段目偏向電極間の前記空間とつながっており、更に両第２段目偏向電極の相対向面は前記ホルダに向く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の第２段目偏向電極の電位をＶ２Ｌ、他方の第２段目偏向電極の電位をＶ２Ｒとしたとき、Ｖ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれる第２段目偏向電極とを備えている、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項４】
ホルダに保持された基板にイオンビームを照射して処理を施す装置であって、イオンビームの経路の側方に配置されていて熱電子をイオンビームの経路に向けて放出する熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置において、
前記熱電子発生源は、
他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、
この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、
前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記主陰極に対して正電位に保たれる引出し電極と、
この引出し電極の前方近傍に引出し電極を挟むようにかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置された二つの第１段目偏向電極であって、両第１段目偏向電極の相対向面は前記ホルダに背く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の第１段目偏向電極の電位をＶ１Ｌ、他方の第１段目偏向電極の電位をＶ１Ｒとしたとき、Ｖ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれる第１段目偏向電極と、
この第１段目偏向電極の前方近傍にかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置された二つの第２段目偏向電極であって、当該両電極間の前記空間は第１段目偏向電極間の前記空間とつながっており、更に両第２段目偏向電極の相対向面は前記ホルダに向く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の第２段目偏向電極の電位をＶ２Ｌ、他方の第２段目偏向電極の電位をＶ２Ｒとしたとき、Ｖ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれる第２段目偏向電極とを備えている、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項５】
前記熱電子発生源の前記ホルダに近い方の第２段目偏向電極は、前記ホルダ上の基板から前記引出し電極を見通すことができないように前記引出し電極の前方を覆っている請求項３または４に記載のイオンビーム照射装置。
【請求項６】
前記熱電子発生源は、前記第１段目偏向電極と第２段目偏向電極との間に配置されていて前記引出し電極に対して正電位に保たれる第２引出し電極を更に備えている請求項３、４または５に記載のイオンビーム照射装置。
【請求項７】
ホルダに保持された基板にイオンビームを照射して処理を施す装置であって、イオンビームの経路の側方に配置されていて熱電子をイオンビームの経路に向けて放出する熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置において、
前記熱電子発生源は、その前面に立てた垂線と前記イオンビームとの成す角度が６０°〜３０°の範囲内になるようにイオンビームの上流側に向けて斜めに配置されており、
かつ前記熱電子発生源は、他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記ホルダと同電位に保たれる引出し電極と、この引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極であって、両偏向電極の相対向面は前記イオンビームに向く方向に斜めになっており、かつイオンビームに近い方の偏向電極の電位をＶＬ　、他方の偏向電極の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる偏向電極とを備えており、
更に、このイオンビーム照射装置は、前記熱電子発生源の前方でしかも前記イオンビームの経路を中心にしてほぼ対称な位置に配置された一対の上流側偏向電極であって、当該両電極の少なくともイオンビームに対向する面は共に曲面であり、かつ前記熱電子発生源に近い方の上流側偏向電極の電位をＶＤ　、他方の上流側偏向電極の電位をＶＵ　としたとき、０≧ＶＤ　＞ＶＵ　の関係に保たれる上流側偏向電極を備えている、ことを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項８】
前記熱電子発生源のイオンビームに近い方の偏向電極の上端部と、前記引出し電極のイオンビームとは反対側の端部とを結ぶ線よりも下流側に基板が位置するように前記ホルダを配置している請求項７に記載のイオンビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップを抑制すること等に用いられるものであって、傍熱方式によって熱電子を発生させる熱電子発生源、および、そのような熱電子発生源を備えるものであって基板にイオンビームを照射してイオン注入等の処理を施すイオンビーム照射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置等において、イオンビームを被照射物である基板に照射すると、イオンビームを構成するイオンの正電荷が基板表面に蓄積されて、チャージアップ（帯電）が生じる。これを放置すると、例えば、基板表面に形成される半導体デバイスの絶縁破壊等が惹き起こされる。
【０００３】
これを防止するために、従来から、電子を利用してチャージアップを抑制（緩和）する技術が種々提案されている。その一つに、プラズマを生成してプラズマ中の電子を利用する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−９３１４１号公報（第２頁左下欄、同頁右下欄、第１図）
【０００５】
この技術は、基板の近傍に小さなプラズマ源を設置し、このプラズマ源で生成したプラズマ中の低エネルギーの電子をイオンビームと共に基板に導き、この電子によってイオンの正電荷を中和することによって、前記チャージアップを抑制するものである。
【０００６】
しかし、このプラズマ源を利用する技術においては、（ａ）プラズマ源から引き出されるプラズマ中の電子のエネルギー分布は１０ｅＶ〜２０ｅＶ程度の範囲になり、未だエネルギーが高過ぎる、（ｂ）プラズマ生成に必要なガスがプラズマ源からビームラインに流出して真空度を悪化させる、等の課題がある。
【０００７】
上記（ａ）について詳述すると、電子が基板に過剰に供給されると、当該電子によって基板に負の帯電を惹き起こし、基板表面の帯電電圧は当該電子のエネルギーに相当する電圧（例えば１０〜２０Ｖ程度）まで上昇してしまう。近年は、このような基板表面の帯電をより小さく抑制して、基板表面の帯電電圧をより低くしたいという要望が強くなっている。例えば、半導体基板へのイオンビーム照射によるイオン注入によって半導体デバイスを製造する場合、近年は半導体デバイスの微細化が進んでいるので、半導体デバイスの絶縁破壊防止のために、イオン注入の際の帯電電圧をより低く（例えば±６Ｖ程度以下に）抑えたいという要望があるけれども、従来のプラズマ源を利用する技術ではこれに応えることはできない。
【０００８】
上記（ａ）および（ｂ）の課題を解決するものとして、傍熱方式の熱電子発生源から熱電子を発生させてこれをチャージアップの抑制に利用する技術がある。
【０００９】
この技術は、面状の主陰極をその背後に設けたフィラメントを用いて加熱して主陰極から熱電子を大量に放出させ、この熱電子を引出し電極を通して引き出してイオンビームと共に基板に導き、この熱電子によってイオンビームの正電荷を中和してチャージアップを抑制するものである。
【００１０】
この傍熱方式の熱電子発生源を用いる技術によれば、主陰極の電位を基板ホルダに対して低く（例えば０Ｖ〜−６Ｖの範囲内）設定することができ、それによって、例えば０ｅＶ〜６ｅＶという低エネルギーの熱電子を大量に発生させてそれを中和に利用することができるので、基板の負の帯電電圧を６Ｖ以下に抑えることができ、イオンビーム照射に伴う基板のチャージアップを小さく抑制することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような傍熱方式の熱電子発生源においては、引出し電極から引き出される熱電子のエネルギーが非常に低く、しかもそのような熱電子が大量に発生しているため、引出し電極の前方近傍に熱電子が滞って（溜まって）しまい、当該熱電子による負の空間電荷（負のポテンシャル）によって、引出し電極からの熱電子の引き出しが妨げられる（制限される）という課題がある。このような作用は、空間電荷制限と呼ぶことができる。
【００１２】
そこでこの発明は、傍熱方式のものであって、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることができる熱電子発生源を提供することを一つの目的としている。また、そのような熱電子発生源から発生させた熱電子を効率良く基板の近傍に導いて、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップを効果的に抑制することができるようにしたイオンビーム照射装置を提供することを他の目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱電子発生源は、他から加熱されて熱電子を放出する面状の主陰極と、この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出す引出し電極と、この引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極であって、その一方の電位をＶＬ　、他方の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれるものとを備えることを特徴としている（請求項１に対応）。
【００１４】
この熱電子発生源によれば、引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極の電位は、上記のようにＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれるので、両偏向電極間の全域に正のポテンシャル（電位）を発生させることができる。これによって、前述した引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷（負のポテンシャル）を打ち消すことができる。その結果、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００１５】
この発明に係るイオンビーム照射装置の一つは、ホルダに保持された基板にイオンビームを照射して処理を施す装置であって、イオンビームの経路の側方に配置されていて熱電子をイオンビームの経路に向けて放出する熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置において、前記熱電子発生源が、他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記ホルダと同電位に保たれる引出し電極と、この引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極であって、両偏向電極の相対向面は前記ホルダに向く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の偏向電極の電位をＶＬ　、他方の偏向電極の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる偏向電極とを備えていることを特徴としている（請求項２に対応）。
【００１６】
このイオンビーム照射装置を構成する熱電子発生源によれば、引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極の電位は、上記のようにＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれるので、両偏向電極間の全域に正のポテンシャル（電位）を発生させることができる。これによって、前述した引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷（負のポテンシャル）を打ち消すことができる。その結果、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００１７】
しかも、両偏向電極の相対向面はホルダに向く方向に斜めになっており、かつホルダに近い方の偏向電極の電位ＶＬ　が他方の偏向電極の電位ＶＲ　よりも高いので、引出し電極から引き出された熱電子は、両偏向電極間の電界によって、その軌道がホルダに向くように曲げられる。その結果、熱電子発生源から発生させた熱電子をホルダおよびそれに保持された基板の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００１８】
この発明に係るイオンビーム照射装置を構成する熱電子発生源は、他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記ホルダと同電位に保たれる引出し電極と、この引出し電極の前方近傍に引出し電極を挟むようにかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置された二つの第１段目偏向電極であって、両第１段目偏向電極の相対向面は前記ホルダに背く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の第１段目偏向電極の電位をＶ１Ｌ、他方の第１段目偏向電極の電位をＶ１Ｒとしたとき、Ｖ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれる第１段目偏向電極と、この第１段目偏向電極の前方近傍にかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置された二つの第２段目偏向電極であって、当該両電極間の前記空間は第１段目偏向電極間の前記空間とつながっており、更に両第２段目偏向電極の相対向面は前記ホルダに向く方向に斜めになっており、かつ前記ホルダに近い方の第２段目偏向電極の電位をＶ２Ｌ、他方の第２段目偏向電極の電位をＶ２Ｒとしたとき、Ｖ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれる第２段目偏向電極とを備えているものでも良い（請求項３に対応）。
【００１９】
この構成によれば、二つの第１段目偏向電極の電位は、上記のようにＶ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれるので、両電極間の全域に正のポテンシャル（電位）を発生させることができる。二つの第２段目偏向電極の電位も、上記のようにＶ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれるので、両電極間の全域に正のポテンシャルを発生させることができる。これによって、前述した引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷（負のポテンシャル）を打ち消すことができる。その結果、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００２０】
しかも、第１段目偏向電極の相対向面はホルダに背く方向（即ち、ホルダとは反対方向）に斜めになっており、かつホルダに近い方の偏向電極の電位Ｖ１Ｌが他方の偏向電極の電位Ｖ１Ｒよりも低いので、引出し電極から引き出された熱電子は、まず、第１段目偏向電極間の電界によって、ホルダに背く方向に曲げられる。次に、第２段目偏向電極の相対向面はホルダに向く方向に斜めになっており、かつホルダに近い方の偏向電極の電位Ｖ２Ｌが他方の偏向電極の電位Ｖ２Ｒよりも高いので、第１段目偏向電極を通過した熱電子は、第２段目偏向電極間の電界によって、ホルダに向く方向に曲げ戻される。その結果、熱電子発生源から発生させた熱電子を、ホルダおよびそれに保持された基板の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００２１】
更に、上記のように熱電子を曲げ戻す構成を採用しているので、ホルダに保持された基板から、熱電子発生源の引出し電極およびその背後にある主陰極を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極や引出し電極から発生する金属粒子が基板に飛び込むのを抑制して、基板が当該金属粒子によって汚染されるのを抑制することができる。
【００２２】
上記熱電子発生源の引出し電極の電位を、主陰極に対して正電位に保つようにしても良い（請求項４に対応）。
【００２３】
基板に到達するときの熱電子のエネルギーは、主陰極とホルダとの間の電位差によって決まるので、上記のようにすれば、主陰極に対する引出し電極の電位によって、基板に到達するときの熱電子のエネルギーに影響を与えることなく（即ち、当該エネルギーとは独立して）、熱電子の引き出し量を制御することができる。
【００２４】
この発明に係るイオンビーム照射装置の他のものは、ホルダに保持された基板にイオンビームを照射して処理を施す装置であって、イオンビームの経路の側方に配置されていて熱電子をイオンビームの経路に向けて放出する熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置において、前記熱電子発生源は、その前面に立てた垂線と前記イオンビームとの成す角度が６０°〜３０°の範囲内になるようにイオンビームの上流側に向けて斜めに配置されており、かつ前記熱電子発生源は、他から加熱されて熱電子を放出する面状のものであって前記ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保たれる主陰極と、この主陰極をその背後から加熱して熱電子を放出させるフィラメントと、前記主陰極の前方近傍に設けられていて当該主陰極から放出された熱電子を電界によって引き出すものであって前記ホルダと同電位に保たれる引出し電極と、この引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極であって、両偏向電極の相対向面は前記イオンビームに向く方向に斜めになっており、かつイオンビームに近い方の偏向電極の電位をＶＬ　、他方の偏向電極の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる偏向電極とを備えており、更に、このイオンビーム照射装置は、前記熱電子発生源の前方でしかも前記イオンビームの経路を中心にしてほぼ対称な位置に配置された一対の上流側偏向電極であって、当該両電極の少なくともイオンビームに対向する面は共に曲面であり、かつ前記熱電子発生源に近い方の上流側偏向電極の電位をＶＤ　、他方の上流側偏向電極の電位をＶＵ　としたとき、０≧ＶＤ　＞ＶＵ　の関係に保たれる上流側偏向電極を備えていることを特徴としている（請求項７に対応）。
【００２５】
このイオンビーム照射装置を構成する熱電子発生源によれば、引出し電極の前方近傍の左右に引出し電極を挟むように配置された二つの偏向電極の電位は、上記のようにＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれるので、両偏向電極間の全域に正のポテンシャル（電位）を発生させることができる。これによって、前述した引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷（負のポテンシャル）を打ち消すことができる。その結果、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００２６】
しかも、両偏向電極の相対向面はイオンビームに向く方向に斜めになっており、かつイオンビームに近い方の偏向電極の電位ＶＬ　が他方の偏向電極の電位ＶＲ　よりも高いので、引出し電極から引き出された熱電子は、両偏向電極間の電界によって、その軌道がイオンビームを横切るように曲げられる。更に、熱電子発生源の前方には０≧ＶＤ　＞ＶＵ　の関係に保たれる一対の上流側偏向電極が配置されていて、当該両電極と正のポテンシャルを有するイオンビームとの間に形成される電界によって、熱電子発生源から引き出された熱電子には、それをイオンビームの下流側（即ちホルダ側）に向かって曲げる力が作用するので、この力によって熱電子は基板側に向かうようになる。その結果、熱電子発生源から発生させた熱電子をホルダおよびそれに保持された基板の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００２７】
更に、熱電子発生源を上記のようにイオンビームの上流側に向けて斜めに配置しているので、ホルダに保持された基板から、熱電子発生源の引出し電極およびその背後にある主陰極を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極や引出し電極から発生する金属粒子が基板に飛び込むのを抑制して、基板が当該金属粒子によって汚染されるのを抑制することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１中の熱電子発生源の偏向電極周りを矢印Ｐ方向に見て示す図である。なお、この明細書において、下流側と言うのは、イオンビーム２の進行方向側のことであり、上流側と言うのは、イオンビーム２の進行方向とは反対方向側のことである。
【００２９】
このイオンビーム照射装置は、ホルダ６に保持された被照射物である基板（例えば半導体基板）４にイオンビーム２を照射して、当該基板４にイオン注入等の処理を施すものである。なお、イオンビーム２の経路、基板４およびホルダ６の周り、ならびに熱電子発生源１０の内部等は、真空雰囲気にされる（真空排気される）。後述する他の実施形態においても同様である。
【００３０】
基板４の全面に均一にイオンビーム２を照射するために、イオンビーム２の照射時に、イオンビーム２および基板４を保持したホルダ６の少なくとも一方を走査する場合がある。この例では、図示しない走査器によって、イオンビーム２をＸ方向（例えば水平方向）に往復走査すると共に、図示しない走査機構によって、ホルダ６を前記Ｘ方向と実質的に直交するＹ方向（例えば垂直方向）に機械的に往復走査するようにしている。ホルダ６の電位は、この例では大地電位にしている。
【００３１】
ホルダ６の上流側近傍であってイオンビーム２の経路の側方に、熱電子２８をイオンビーム２の経路に向けて放出する熱電子発生源１０が配置されている。この熱電子発生源１０は、この例では、イオンビーム２が中を通過する筒状のビームライン容器４６に絶縁物４４を介して取り付けて保持されている。ビームライン容器４６は、熱電子２８を通す開口部４８を有している。ビームライン容器４６は、この例では金属製であり大地電位にしている。但し、熱電子発生源１０を、絶縁物製の保持台等に取り付けて保持しても良く、その場合は絶縁物４４は不要である。
【００３２】
熱電子発生源１０は、この例では、イオンビーム２の前記Ｘ方向の走査に対応してＸ方向に幅広の熱電子２８を発生させることができるように、Ｘ方向に長い直方体状をしている。
【００３３】
熱電子発生源１０は、この例では、一面（前面）が開口した金属製の容器１２と、その中に設けられたＵ字状のフィラメント２０と、その前方近傍に、即ち容器１２の開口部付近に設けられた面状の主陰極２４と、その前方近傍に設けられた多孔状の引出し電極２６とを備えている。フィラメント２０の側方から背後にかけて、背後電極２２が設けられている。フィラメント２０、背後電極２２、主陰極２４および引出し電極２６の相互間およびそれらと容器１２との間は、絶縁物（例えば絶縁物１６）によって電気的に絶縁されている。
【００３４】
フィラメント２０は、主陰極２４をその背後から加熱して熱電子２８を放出させるものであり、出力可変のフィラメント電源３４によって加熱されて熱電子を放出する。
【００３５】
フィラメント２０の一端（フィラメント電源３４の負極端）と主陰極２４との間には、前者を負極側にして、直流で出力電圧ＶＢ　が可変の電子衝撃電源３６が接続されている。この出力電圧ＶＢ　は、例えば１００Ｖ〜５００Ｖ程度である。フィラメント２０から放出された熱電子は、この電圧ＶＢ　によって加速されて主陰極２４に衝突し、その衝突エネルギーと、フィラメント２０の放射熱とによって、主陰極２４を加熱して熱電子２８を放出させる。
【００３６】
背後電極２２は、例えばカーボンから成る。この背後電極２２は、フィラメント２０の前記一端（即ちフィラメント電源３４の負極端）に接続されており、フィラメント２０から放出された熱電子による空間電荷によって、前記電圧ＶＢ　が正常に印加されなくなるのを防止する働きをするので、これを設けておくのが好ましい。即ち、フィラメント２０から放出された熱電子の内で主陰極２４に向けて加速されない余分な熱電子を背後電極２２に流すことができるので、フィラメント２０の周りに余分な熱電子が溜まるのを防いで、余分な熱電子による空間電荷によって前記電圧ＶＢ　がフィラメント２０と主陰極２４間に正常に印加されなくなるのを、背後電極２２を設けておくことによって防止することができる。
【００３７】
主陰極２４は、上記のようにして加熱されて熱電子２８を放出するものであり、面状のものである。例えば、薄板状のものである。この主陰極２４は、面状をしているから、線状のもの等に比べて、大量の熱電子２８を放出することができる。この主陰極２４は、例えばＴａ　のような金属やＳｉＣ等の材料から成る。
【００３８】
引出し電極２６は、主陰極２４から放出された熱電子２８を電界によって外に引き出すものであり、図２に示す例のようにメッシュ状のものでも良いし、多数の小孔を有する多孔平板等でも良い。この引出し電極２６は、例えば金属製である。
【００３９】
引出し電極２６は、この例では、ホルダ６と同電位に保たれる。この例では、ホルダ６の電位は前述したように大地電位であるので、引出し電極２６は接地されていて大地電位に保たれる。
【００４０】
主陰極２４は、ホルダ６に対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内、好ましくは０Ｖ〜−３Ｖの範囲内の電位に保たれる。ホルダ６の電位は、この例では前述したように大地電位であるので、主陰極２４はこの例では、大地電位に対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内、好ましくは０Ｖ〜−３Ｖの範囲内に保たれる。これを実現するために、この例では、主陰極２４と引出し電極２６との間に前者を負極側にして、直流で出力電圧ＶＥ　が可変の引出し電源３８を接続している。そしてこの出力電圧ＶＥ　を、０Ｖ〜６Ｖの範囲内、好ましくは０Ｖ〜３Ｖの範囲内に保つようにしている。
【００４１】
ホルダ６上の基板４に到達するときの熱電子２８のエネルギーは、主陰極２４とホルダ６との間の電位差に相当するエネルギーになるので、この例では０ｅＶ〜６ｅＶの範囲内に、好ましくは０ｅＶ〜３ｅＶの範囲内に保たれる。なお、以下に述べる偏向電極３０、３２を設けても、ホルダ６上の基板４に到達するときの熱電子２８のエネルギーは、上記と変わらない。これは、偏向電極３０、３２間の正のポテンシャルによって引出し電極２６から引き出されるときの熱電子２８が加速されるとしても、偏向電極３０、３２間を通過した熱電子２８はその同じポテンシャルによって減速されることになるので、基板４に到達する熱電子２８のエネルギーは、結局、主陰極２４とホルダ６との間の電位差によって上記のように決まるからである。
【００４２】
引出し電極２６の前方近傍の左右に（換言すればイオンビーム２の進行方向における上流側と下流側とに）、引出し電極２６を挟みかつ互いの間に空間をあけて相対向するように、二つの偏向電極３０および３２が配置されている。両偏向電極３０、３２は、当該熱電子発生源１０の長手方向、即ち前記Ｘ方向に沿って互いに間をあけて平行に配置されている。両偏向電極３０、３２の端部間は、絶縁物（例えば前記絶縁物１６）によって電気的に絶縁されている（図２参照）。
【００４３】
両偏向電極３０、３２の相対向面３０ａ、３２ａは、引出し電極２６に対して斜めになっている。より具体的には、ホルダ６に向く方向に斜めになっている。
【００４４】
ホルダ６に近い方の偏向電極３０と大地電位部との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧ＶＬ　が可変の偏向電源４０が接続されている。他方の偏向電極３２と大地電位部との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧ＶＲ　が可変の偏向電源４２が接続されている。両出力電圧ＶＬ　、ＶＲ　は、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる。この出力電圧ＶＬ　、ＶＲ　は、大地電位からの電圧であるから、それぞれ、偏向電極３０、３２の電位と呼ぶことができる。即ち、上記構成によって、ホルダ６に近い方の偏向電極３０の電位をＶＬ　、他方の偏向電極３２の電位をＶＲ　としたとき、ＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれる。この電位の一例を示すと、電位ＶＬ　は１０Ｖ〜２０Ｖ程度、電位ＶＲ　は０Ｖ〜１０Ｖ程度で、かつ上記関係を満たすものにする。
【００４５】
上記熱電子発生源１０によれば、引出し電極２６の前方近傍の左右に引出し電極２６を挟むように配置された二つの偏向電極３０、３２の電位は、上記のようにＶＬ　＞ＶＲ　≧０の関係に保たれるので、両偏向電極３０、３２間の全域に正のポテンシャル（電位）を発生させることができる。即ち、両偏向電極３０、３２間には、その相対向面３０ａ、３２ａに平行な複数の等電位面が生じ、それらの電位はＶＬ　〜ＶＲ　に分布している。このような正のポテンシャルによって前述した引出し電極２６の前方近傍における熱電子による負の空間電荷（負のポテンシャル）を打ち消すことができる。これを見方を変えて説明すると、両偏向電極３０、３２の電位をＶＬ　＞ＶＲ　≧０に保つことによって、両偏向電極３０、３２間には、前者３０から後者３２に向かう電界Ｅが発生する。そして、引出し電極２６の前方近傍に電子が雲のように停滞しようとしても、当該熱電子は、電位Ｅとは逆向きに正電位の偏向電極３０の方に引き寄せられて偏向電極３０に吸収されるので、熱電子の停滞を防止して、熱電子による負の空間電荷を打ち消すことができる。その結果、熱電子２８の引き出しの際の引出し電極２６の前方における空間電荷制限を緩和して、熱電子発生源１０から低エネルギーの熱電子２８を大量に発生させることが可能になる。
【００４６】
この熱電子発生源１０は、上記のようにして低エネルギーの熱電子２８を大量に発生させて、それをこの例ではビームライン容器４６の開口部４８を通して、イオンビーム２の経路に向けて放出することができる。そしてこの熱電子２８は、イオンビーム２と共に基板４に導かれて、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップを緩和する作用を奏する。後述する他の実施形態もこれと同様の作用効果を奏する。
【００４７】
その結果、イオンビーム２による基板表面の正電荷を十分に中和することができるだけでなく、上記熱電子２８が基板４に過剰に到達しても、そのエネルギーは前述したように０ｅＶ〜６ｅＶ（好ましくは０ｅＶ〜３ｅＶ）の範囲内の低エネルギーであるので、基板４の負の帯電電圧を６Ｖ（好ましくは３Ｖ）以下に抑えることができる。即ち、イオンビーム照射に伴う基板４のチャージアップを非常に小さく抑えることができる。従って、この熱電子発生源１０およびそれを備えるこのイオンビーム照射装置は、微細化の進んだ半導体デバイスの製造にも十分適用することができる。後述する他の実施形態も同様である。
【００４８】
また、この熱電子発生源１０は、プラズマ生成用ガスを使用するものではないので、ビームラインや基板処理室の真空度悪化を惹き起こすことがない。従って、真空度悪化に伴う注入均一性の悪化や注入量誤差の発生を防止することができる。後述する他の実施形態もこれと同様の作用効果を奏する。
【００４９】
しかもこの熱電子発生源１０では、ホルダ６に近い方の偏向電極３０の電位ＶＬ　が他方の偏向電極３２の電位ＶＲ　よりも高いので、両偏向電極３０、３２間には、前者から後者に向かう電界Ｅが発生し、引出し電極２６から引き出された熱電子２８は、引出し電極２６によって真っ直ぐに引き出される力と、前記電界Ｅから受ける力との合成力を受けて、その軌道がホルダ６に向くように曲げられる。しかも、両偏向電極３０、３２の相対向面３０ａ、３２ａは、ホルダ６に向かって斜めになっているので、即ち上記のようにして曲げられる熱電子２８が向かう方向に斜めになっているので、当該熱電子２８が偏向電極３０、３２に衝突することを防止して、熱電子２８を効率良くビームラインに引き出すことができる。その結果、熱電子発生源１０から発生させた熱電子２８をホルダ６およびそれに保持された基板４の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００５０】
上記の場合の熱電子２８の軌道を詳しく検討すると次のようになる。即ち、イオンビーム２は、それを構成するイオン（正イオン）の電荷によって、正の電位（ビームポテンシャル）を有している。この電位は、図３Ｂに示すように、イオンビーム２の中心で最も高く両端に行くにつれて低くなるという電位分布を有しており、この電位分布の両端は、それぞれ、ビームライン容器４６の電位（この例では大地電位）である。このような電位分布によって、イオンビーム２とビームライン容器４６との間には、両者にほぼ沿った等電位面１００が形成される。これによって、イオンビーム２の中心からビームライン容器４６に向かう電界Ｅ５　が形成される。熱電子発生源１０から引き出される熱電子２８は、上述したように低エネルギーであるので、このビームポテンシャルによる電界Ｅ５　によってでイオンビーム２の中心に向かう力を受ける。
【００５１】
その場合、熱電子発生源１０から引き出される熱電子２８がイオンビーム２に垂直に入射する場合は、熱電子２８はイオンビーム２を軸として単に往復運動するだけである。つまり、イオンビーム２を通り抜けた熱電子２８は、熱電子発生源１０に対向するビームライン容器４６に到達する直前でイオンビーム２による電界の力を受けて減速されながら反転してイオンビーム２に向かい、再びイオンビーム２を通り抜けた熱電子２８はイオンビーム２の電界による力を受けて減速されながら再び反転する、という往復運動を繰り返すだけであり、それでは熱電子２８は基板４に到達しにくい。
【００５２】
これに対して、このイオンビーム照射装置では、上述したように、熱電子２８は熱電子発生源１０からホルダ６側に向けて、イオンビーム２に対して斜めに引き出されるので、即ち熱電子発生源１０から引き出される熱電子２８には基板４に向かう速度成分を有している。従って、熱電子２８は、当該速度成分とイオンビーム２の電界Ｅ５　による力の合成力を受けて、図３Ａに示すように、イオンビーム２を軸として正弦波状のカーブを描きながら基板４に向かう。これによって、熱電子２８を効率良く基板４に到達させることができる。後述する他の実施形態もこれと同様の作用効果を奏する。
【００５３】
主陰極２４の電位に関して更に説明すると、図１の例では引出し電極２６はホルダ６と同電位に保たれるので、主陰極２４のホルダ６に対する電位が０Ｖ近くだと、主陰極２４と引出し電極２６との間の電位差も０Ｖ近くになって熱電子２８を引き出しにくい場合がある。このような観点からは、主陰極２４のホルダ６に対する電位を−３Ｖ〜−６Ｖの範囲内に保つのが好ましい。これを実現するには、引出し電源３８の出力電圧ＶＥ　を３Ｖ〜６Ｖの範囲内に保てば良い。このようにすれば、主陰極２４と引出し電極２６との間に３Ｖ〜６Ｖの電位差を確保することができるので、熱電子２８を引き出しやすくなる。この場合に基板４に到達する熱電子２８のエネルギーは、３ｅＶ〜６ｅＶの範囲内に保たれる。後述する図４および図６の実施形態の場合も同様である。
【００５４】
なお、前記絶縁物４４やビームライン容器４６の開口部４８も、特にそれらの厚みが大きい場合は、この例のように偏向電極３０、３２の相対向面３０ａ、３２ａに沿わせて斜めにしておくのが好ましく、そのようにすれば、上記のようにして曲げられた熱電子２８が絶縁物４４やビームライン容器４６に衝突することを防止して、熱電子２８をより効率良くビームラインに引き出すことができる。
【００５５】
以上では、イオンビーム２やホルダ６を走査するイオンビーム照射装置を例に説明したけれども、上記のような熱電子発生源１０は、イオンビーム２やホルダ６を走査しないイオンビーム照射装置等にも勿論適用することができる。後述する他の実施形態の場合も同様である。
【００５６】
ところで、図１に示したイオンビーム照射装置では、前述したように、二つの偏向電極３０、３２の相対向面３０ａ、３２ａはホルダ６に向く方向に斜めになっていることもあって、ホルダ６に保持された基板４から熱電子発生源１０の引出し電極２６およびその背後にある主陰極２４を見通すことができる場合が起こり得る。そうなると、フィラメント２０等による主陰極２４の加熱および当該主陰極２４からの輻射熱による引出し電極２６の加熱に伴って、主陰極２４や引出し電極２６から発生する金属粒子が基板４に飛び込み易くなり、当該金属粒子によって基板４が汚染され易くなる。この汚染は、メタルコンタミネーションとも呼ばれ、半導体デバイスの製造においては特に問題となる。
【００５７】
そこで、このような点を更に改善した実施形態を以下に説明する。なお、以下においては、図１に示した実施形態と同一または相当する部分には同一符号を付し、当該実施形態との相違点を主体に説明する。
【００５８】
図４は、この発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施形態を示す断面図である。この実施形態における熱電子発生源１０は、図１に示した熱電子発生源１０の二つの偏向電極３０、３２およびそれ用の偏向電源４０、４２に代わるものとして、二つの第１段目偏向電極５０、５２およびそれ用の第１偏向電源５４、５６ならびに二つの第２段目偏向電極６０、６２およびそれ用の第２偏向電源６４、６６を備えている。第１段目偏向電極５０、５２と、第２段目偏向電極６０、６２との間は絶縁物７２によって、第２段目偏向電極６０、６２とビームライン容器４６との間は絶縁物７４によって、それぞれ電気的に絶縁されている。
【００５９】
二つの第１段目偏向電極５０、５２は、引出し電極２６の前方近傍の左右に、引出し電極２６を挟みかつ互いの間に空間をあけて相対向するように配置されている。両第１段目偏向電極５０、５２は、前記偏向電極３０、３２の場合と同様、当該熱電子発生源１０の長手方向（即ち前記Ｘ方向）に沿って互いに間をあけて平行に配置されている。
【００６０】
両第１段目偏向電極５０、５２の相対向面５０ａ、５２ａは、引出し電極２６に対して斜めになっている。より具体的には、ホルダ６に背く方向（即ち、ホルダ６とは反対方向、あるいはイオンビーム２の上流側方向）に斜めになっている。
【００６１】
ホルダ６に近い方の第１段目偏向電極５０と大地電位部との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧Ｖ１Ｌが可変の第１偏向電源５４が接続されている。他方の第１段目偏向電極５２と大地電位部との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧Ｖ１Ｒが可変の第１偏向電源５６が接続されている。両出力電圧Ｖ１Ｌ、Ｖ１Ｒは、Ｖ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれる。この出力電圧Ｖ１Ｌ、Ｖ１Ｒは、大地電位部からの電圧であるから、それぞれ、第１段目偏向電極５０、５２の電位と呼ぶことができる。このような構成によって、ホルダ６に近い方の第１段目偏向電極５０の電位をＶ１Ｌ、他方の第１段目偏向電極５２の電位をＶ１Ｒとしたとき、Ｖ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれる。これによって、両第１段目偏向電極５０、５２間には、後者５２から前者５０に向かう電界Ｅ１　が発生する。上記電位の一例を示すと、電位Ｖ１Ｌは０Ｖ〜１０Ｖ程度、電位Ｖ１Ｒは０Ｖ〜２０Ｖ程度で、かつ上記関係を満たすものにする。
【００６２】
上記第１段目偏向電極５０、５２の前方近傍に、かつ互いの間に空間をあけて相対向するように、二つの第２段目偏向電極６０、６２が配置されている。両第２段目偏向電極６０、６２は、第１段目偏向電極５０、５２の場合と同様、当該熱電子発生源１０の長手方向（即ち前記Ｘ方向）に沿って互いに間をあけて平行に配置されている。即ち、両第２段目偏向電極６０、６２間の前記空間は、両第１段目偏向電極５０、５２間の前記空間とつながっており、両空間は互いに平行である。
【００６３】
両第２段目偏向電極６０、６２の相対向面６０ａ、６２ａは、引出し電極２６に対して斜めになっている。より具体的には、ホルダ６に向く方向（即ち、イオンビーム２の下流側方向）に斜めになっている。
【００６４】
ホルダ６に近い方の第２段目偏向電極６０と大地電位部との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧Ｖ２Ｌが可変の第２偏向電源６４が接続されている。他方の第２段目偏向電極６２と大地電位部との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧Ｖ２Ｒが可変の第２偏向電源６６が接続されている。両出力電圧Ｖ２Ｌ、Ｖ２Ｒは、Ｖ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれる。この出力電圧Ｖ２Ｌ、Ｖ２Ｒは、大地電位部からの電圧であるから、それぞれ、第２段目偏向電極６０、６２の電位と呼ぶことができる。このような構成によって、ホルダ６に近い方の第２段目偏向電極６０の電位をＶ２Ｌ、他方の第２段目偏向電極６２の電位をＶ２Ｒとしたとき、Ｖ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれる。これによって、両第２段目偏向電極６０、６２間には、前者６０から後者６２に向かう電界Ｅ２　が発生する。上記電位の一例を示すと、電位Ｖ２Ｌは１０Ｖ〜２０Ｖ程度、電位Ｖ２Ｒは０Ｖ〜１０Ｖ程度で、かつ上記関係を満たすものにする。
【００６５】
この熱電子発生源１０によれば、二つの第１段目偏向電極５０、５２の電位は、上記のようにＶ１Ｒ＞Ｖ１Ｌ≧０の関係に保たれるので、両電極５０、５２間の全域に正のポテンシャル（電位）を発生させることができる。二つの第２段目偏向電極６０、６２の電位も、上記のようにＶ２Ｌ＞Ｖ２Ｒ≧０の関係に保たれるので、両電極６０、６２間の全域に正のポテンシャルを発生させることができる。これによって、前述した引出し電極２６の前方近傍における熱電子２８による負の空間電荷（負のポテンシャル）を打ち消すことができる。その作用の詳細は、図１に示した熱電子発生源１０について前述したものと同様である。その結果、熱電子引き出しの際の引出し電極２６の前方における空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子２８を大量に発生させることが可能になる。
【００６６】
しかも、第１段目偏向電極５０、５２の相対向面５０ａ、５２ａはホルダ６に背く方向（即ち、ホルダ６とは反対方向）に斜めになっており、かつホルダ６に近い方の偏向電極５０の電位Ｖ１Ｌが他方の偏向電極５２の電位Ｖ１Ｒよりも低いので、引出し電極２６から引き出された熱電子２８は、まず、第１段目偏向電極５０、５２間の電界Ｅ１　によって、ホルダ６に背く方向に曲げられる。次に、第２段目偏向電極６０、６２の相対向面６０ａ、６２ａはホルダ６に向く方向に斜めになっており、かつホルダ６に近い方の偏向電極６０の電位Ｖ２Ｌが他方の偏向電極６２の電位Ｖ２Ｒよりも高いので、第１段目偏向電極５０、５２を通過した熱電子２８は、第２段目偏向電極６０、６２間の電界Ｅ２　によって、ホルダ６に向く方向に曲げ戻される。その結果、熱電子発生源１０から発生させた熱電子２８をホルダ６およびそれに保持された基板４の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。この場合も、熱電子２８は、詳しくは、イオンビーム２を軸として正弦波状のカーブを描きながら基板４に向かうことになることは、図１の熱電子発生源１０の場合とほぼ同様である（図３およびその説明参照）。
【００６７】
更に、この熱電子発生源１０では、上記のように熱電子２８を曲げ戻す構成を採用しているので、ホルダ６に保持された基板４から、熱電子発生源１０の引出し電極２６およびその背後にある主陰極２４を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極２４や引出し電極２６から発生する金属粒子が基板４に飛び込むのを抑制して、基板４が当該金属粒子によって汚染されるのを抑制することができる。
【００６８】
この場合、ホルダ６に近い方の第２段目偏向電極６０は、例えば図４に示す例のように、ホルダ６上の基板４から引出し電極２６を見通すことができないように引出し電極２６の前方を覆っておくのが好ましい。換言すれば、ホルダ６上の基板４の熱電子発生源１０とは反対側の端部４ａと、引出し電極２６のホルダ６とは反対側の端部２６ａとを結ぶ線７８よりも上流側へ、第２段目偏向電極６０を張り出しておくのが好ましい。そのようにするためにこの例では、第２段目偏向電極６０は、引出し電極２６の下流側から中央部付近にかけて引出し電極２６の半分以上を覆うようにしている。
【００６９】
このようにすると、ホルダ６に保持された基板４から、熱電子発生源１０の引出し電極２６およびその背後にある主陰極２４を見通すことができなくなるので、加熱に伴って主陰極２４や引出し電極２６から発生する金属粒子が基板４に飛び込むのをより確実に抑制して、基板４が当該金属粒子によって汚染されるのをより確実に抑制することができる。
【００７０】
なお、図１に示した実施形態の場合は、図３に示すように、イオンビーム２のビームポテンシャルによって作られる等電位面１００が熱電子発生源１０の前方で引出し電極２６の方に湾曲してその影響が、即ちそれによる電界が、熱電子発生源１０の引出し電極２６付近まで及び、これが引出し電極２６から熱電子２８を引き出すのを補助する働きをする。これに対して、図４の実施形態の場合は、イオンビーム２のビームポテンシャルによる等電位面が図１の実施形態の場合と同様に熱電子発生源１０の方へ湾曲するとしても、引出し電極２６は２段の偏向電極の更に奥にあるので、ビームポテンシャルによる電界の影響が引出し電極２６付近まで及びにくくなる。即ち、イオンビーム２のビームポテンシャルによる熱電子２８の引き出し補助作用があまり期待できなくなる。
【００７１】
そこで、これを補うため、図４に示す実施形態のように、第１段目偏向電極５０、５２と第２段目偏向電極６０、６２との間に、引出し電極２６に対して正電位に保たれる第２引出し電極６８を配置しても良い。この第２引出し電極６８は、例えば金属製であり、この例のようにメッシュ状のものでも良いし、多数の小孔を有する多孔平板等でも良い。第２引出し電極６８と引出し電極２６との間には、前者を正極側にして、直流で出力電圧Ｖ２Ｅが可変の第２引出し電源７０が接続されており、これによって第２引出し電極６８の電位を上記のように保つ。出力電圧Ｖ２Ｅは、例えば５Ｖ〜１０Ｖ程度である。
【００７２】
上記のような第２引出し電極６８を設けると、引出し電極２６から引き出された熱電子２８を、第２引出し電極６８によって更にイオンビーム２側へ引き出すことができる。そこまで熱電子２８を引き出すと、図１の実施形態の場合と同様に、イオンビーム２のビームポテンシャルによる熱電子２８の引き出し補助作用が効果的に働く。仮にビームポテンシャルによる熱電子２８の引き出し補助作用が期待できなくても、熱電子２８を引き出すことに有利に作用する。従って、熱電子発生源１０から低エネルギーの熱電子２８を大量に引き出すことがより容易になる。
【００７３】
なお、上記のような第２引出し電極６８を設けても、基板４に到達する熱電子２８のエネルギーには影響を及ぼさない。当該熱電子２８のエネルギーは、前述したように、主陰極２４とホルダ６との間の電位差によって決まるからである。
【００７４】
図４に示す実施形態の変形例として、熱電子発生源１０の周りは、図５に示す実施形態のように構成しても良い。これは請求項４の発明に対応している。即ち、引出し電極２６を接地するのを止めて、引出し電極２６の電位を、引出し電源３８によってその出力電圧ＶＥ　だけ、主陰極２４に対して正電位に保つ。この場合の出力電圧ＶＥ　は、例えば、１０Ｖ〜２０Ｖ程度の範囲内にする。更に、主陰極２４と大地電位部との間に、前者を負極側にして、直流で出力電圧ＶＧ　が可変のエネルギー設定電源７６を接続し、これによって、主陰極２４をホルダ６に対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保つ。好ましくは、前記のように、０Ｖ〜−３Ｖの範囲内または−３Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電位に保つ。その他の構成は、図４の実施形態と同じであるので、重複説明を省略する。
【００７５】
この図５の実施形態では、ホルダ６上の基板４に到達するときの熱電子２８のエネルギーは、主陰極２４とホルダ６との間の電位差によって、即ちエネルギー設定電源７６の出力電圧ＶＧ　によって決まる。一方、主陰極２４に対する引出し電極２６の電位によって、即ち引出し電源３８の出力電圧ＶＥ　によって、引出し電極２６を通して引き出す熱電子２８の量を制御することができる。従って、引出し電源３８の出力電圧ＶＥ　によって、基板４に到達するときの熱電子２８のエネルギーに影響を与えることなく（即ち、当該エネルギーとは独立して）、熱電子２８の引き出し量を制御することができる。例えば、出力電圧ＶＥ　を大きくすることによって、より多量の熱電子２８を引き出すことも可能になる。
【００７６】
図６は、この発明に係るイオンビーム照射装置の更に他の実施形態を示す断面図である。この実施形態では、図１に示したのと同様の構成を有する熱電子発生源１０を、イオンビーム２の上流側に向けて斜めに配置している。より具体的には、熱電子発生源１０の前面に立てた垂線７９とイオンビーム２（あるいはその経路）との成す角度αが６０°〜３０°の範囲内になるように斜めに配置している。この実施形態ではα＝４５°にしている。熱電子発生源１０をこのように斜めに配置することに伴って、ビームライン容器４６の開口部４８は、図１の実施形態よりもかなり大きくしている。
【００７７】
この熱電子発生源１０は、この例では、金属製の保持台９２によって、絶縁物１６、４４、８８等を介在させて、ビームライン容器４６から保持されている。また、二つの偏向電極３０、３２の相対向面３０ａ、３２ａは、イオンビーム２に向く方向に斜めにしている。この実施形態では、イオンビーム２にほぼ直交するように斜めにしている。
【００７８】
更に、熱電子発生源１０の前方でしかもイオンビーム２の経路を中心にしてほぼ対称（対称を含む）な位置に、一対の上流側偏向電極８０、８２を配置している。両上流側偏向電極８０、８２は、この実施形態ではイオンビーム２が前記のようにＸ方向に走査されるので、それに対応させて、当該走査方向Ｘに沿って延びている。具体的には、Ｘ方向に長い柱状をしている。
【００７９】
両上流側偏向電極８０、８２の少なくともイオンビーム２に対向する面８０ａ、８２ａは、共に曲面にしている。これは、図７に示すように、両上流側偏向電極８０、８２とイオンビーム２との間の等電位面１００を滑らかにするためである。曲面の典型例は、円柱面または円筒面である。この実施形態では、両上流側偏向電極８０、８２を、１／４円柱状にして互いに同形状にしている。上記面８０ａ、８２ａ以外の面を曲面にするか否かは任意である。両上流側偏向電極８０、８２とビームライン容器４６等との間は、絶縁物８８、９０によって電気的に絶縁されている。
【００８０】
熱電子発生源１０に近い方の（即ち、イオンビーム２よりも熱電子発生源１０側の）上流側偏向電極８０と大地電位部との間には、前者を負極側にして、直流で出力電圧ＶＤ　が可変の第３偏向電源８４が接続されている。他方の（即ち、イオンビーム２を挟んで向こう側の）上流側偏向電極８２と大地電位部との間には、前者を負極側にして、直流で出力電圧ＶＵ　が可変の第３偏向電源８６が接続されている。両出力電圧ＶＤ　、ＶＵ　は、０≧ＶＤ　＞ＶＵ　の関係に保たれる。この出力電圧ＶＤ　、ＶＵ　は、大地電位部からの電圧であるから、それぞれ、上流側偏向電極８０、８２の電位と呼ぶことができる。即ち、上記構成によって、熱電子発生源１０に近い方の上流側偏向電極８０の電位をＶＤ　、他方の上流側偏向電極８２の電位をＶＵ　としたとき、０≧ＶＤ　＞ＶＵ　の関係に保たれる。この電位の具体例を示すと、電位ＶＤ　は０Ｖ〜−１０Ｖ程度、電位ＶＵ　は０Ｖ〜−５０Ｖ程度で、かつ上記関係を満たすものにする。この実施形態では、電位ＶＤ　は０Ｖ、電位ＶＵ　は−５０Ｖにしている。
【００８１】
上記のような上流側偏向電極８０、８２を設けているのは、熱電子発生源１０をイオンビーム２の上流側に向けて斜めに配置している関係上、熱電子発生源１０を構成する偏向電極３０、３２だけでは、熱電子２８をホルダ６上の基板４に向く方向にまで曲げるのは難しく、それを補うためである。
【００８２】
即ち、熱電子発生源１０の前方に、上記のような電位の関係に保たれる一対の上流側偏向電極８０、８２を配置しておくと、両電極８０、８２と正のポテンシャルを有するイオンビーム２との間には、例えば図７に示すように、上流側偏向電極８０、８２に沿うように湾曲した等電位面１００が形成されるので、これによって電界Ｅ３　、Ｅ４　がイオンビーム２に対して上流側に向かって斜め方向に形成される。
【００８３】
熱電子発生源１０から放出された熱電子２８には、この電界Ｅ３　、Ｅ４　に逆向きの力が作用する。即ち、熱電子発生源１０から放出された熱電子２８には、上流側偏向電極８０、８２付近では、イオンビーム２の下流側に向かってイオンビーム２に対して斜め方向の力が作用するので、熱電子発生源１０から放出された熱電子２８はこの力によって下流側に曲げられる。また、イオンビーム２を通り抜けた熱電子２８は、先に図３を参照して詳述したように、イオンビーム２の電界（ビームポテンシャル）の力を受けて減速されながら反転するので、結局、熱電子２８は、例えば図７に示すように、イオンビーム２を軸として正弦波状のカーブを描きながらホルダ６上の基板４に向かう。これによって、熱電子２８を効率良く基板４に到達させることができる。その結果、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００８４】
更に、熱電子発生源１０を上記のようにイオンビーム２の上流側に向けて斜めに配置しているので、ホルダ６に保持された基板４から、熱電子発生源１０の引出し電極２６およびその背後にある主陰極２４を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極２４や引出し電極２６から発生する金属粒子が基板４に飛び込むのを抑制して、基板４が当該金属粒子によって汚染されるのを抑制することができる。
【００８５】
この場合、熱電子発生源１０のイオンビーム２に近い方の偏向電極３０の上端部３０ｂと、引出し電極２６のイオンビーム２とは反対側の端部２６ａとを結ぶ線９４よりも下流側に基板４が位置するようにホルダ６を配置しておくのが好ましい。その一形態として、この実施形態では、上記線９４がビームライン容器４６と交わる点９６よりも距離Ｌだけビームライン容器４６を下流側に長くして、このビームライン容器４６のすぐ下流側にホルダ６を配置している。
【００８６】
このようにすると、ホルダ６に保持された基板４から、熱電子発生源１０の引出し電極２６およびその背後にある主陰極２４を見通すことができなくなるので、加熱に伴って主陰極２４や引出し電極２６から発生する金属粒子が基板４に飛び込むのをより確実に抑制して、基板４が当該金属粒子によって汚染されるのをより確実に抑制することができる。
【００８７】
なお、上記上流側偏向電極８０の電位ＶＤ　が０Ｖでも良いのは、イオンビーム２は前述したように正のビームポテンシャルを有しているので、この場合でも上記電界Ｅ３　を形成することができるからである。両電位ＶＤ　、ＶＵ　の関係をＶＤ　＞ＶＵ　としているのは、熱電子発生源１０に対向していて熱電子２８が向かって来る上流側偏向電極８２付近により強い電界Ｅ４　を形成して、熱電子２８をより強く下流側へ曲げるためである。この場合、｜ＶＵ　｜を大きくすれば熱電子２８は早い段階で曲がり、小さくすれば遅い段階で曲がる。
【００８８】
上記角度αは、６０°よりも大きくすると、熱電子発生源１０がイオンビーム２に平行に近づくので、前述したビームポテンシャルによって熱電子２８を引き出す作用が大きくなって熱電子発生源１０から熱電子２８を引き出し易くなるけれども、引出し電極２６およびその背後にある主陰極２４がホルダ６上の基板４側に向くので、上記金属粒子による基板４の汚染を抑制するためには、ホルダ６の位置をより下流側に配置する必要があり、そのようにすると装置が大型化する等の課題が生じる。上記角度αを３０°よりも小さくすると、上記金属粒子による基板４の汚染の可能性はより減少するけれども、熱電子発生源１０から熱電子２８がより上流側へ向けて引き出されるので、熱電子２８を基板４側へ曲げ戻すのが難しくなる。曲げ戻すためには、上記電位ＶＤ　およびＶＵ　を負側により大きくしなければならなくなり、これに伴って第３偏向電源８４、８６の容量もより大きくしなければならない等の課題が生じる。以上のことを総合すると、上記角度αは６０°〜３０°の範囲内が好ましく、４５°程度がより好ましい。
【００８９】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００９０】
請求項１に記載の発明によれば、二つの偏向電極間の全域に正のポテンシャルを発生させることができ、これによって引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷を打ち消すことができるので、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００９１】
請求項２に記載の発明によれば、それを構成する熱電子発生源において、二つの偏向電極間の全域に正のポテンシャルを発生させることができ、これによって引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷を打ち消すことができるので、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００９２】
しかも、両偏向電極の相対向面はホルダに向く方向に斜めになっており、かつホルダに近い方の偏向電極の電位が他方の偏向電極の電位よりも高いので、引出し電極から引き出された熱電子は、両偏向電極間の電界によって、その軌道がホルダに向くように曲げられる。その結果、熱電子発生源から発生させた熱電子をホルダおよびそれに保持された基板の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００９３】
請求項３に記載の発明によれば、それを構成する熱電子発生源において、二つの第１段目偏向電極間の全域および二つの第２段目偏向電極間の全域に正のポテンシャルを発生させることができ、これによって引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷を打ち消すことができるので、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【００９４】
しかも、第２段目偏向電極の相対向面はホルダに向く方向に斜めになっており、かつホルダに近い方の偏向電極の電位が他方の偏向電極の電位よりも高いので、第１段目偏向電極を通過した熱電子は、第２段目偏向電極間の電界によって、ホルダに向く方向に曲げ戻される。その結果、熱電子発生源から発生させた熱電子を、ホルダおよびそれに保持された基板の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【００９５】
更に、上記のように熱電子を曲げ戻す構成を採用しているので、ホルダに保持された基板から、熱電子発生源の引出し電極およびその背後にある主陰極を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極や引出し電極から発生する金属粒子が基板に飛び込むのを抑制して、基板が当該金属粒子によって汚染されるのを抑制することができる。
【００９６】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の上記効果と同様の効果に加えて、次のような更なる効果を奏する。
【００９７】
即ち、基板に到達するときの熱電子のエネルギーは、熱電子発生源の主陰極とホルダとの間の電位差によって決まるので、熱電子発生源の引出し電極の電位を主陰極に対して正電位に保つようにすれば、主陰極に対する引出し電極の電位によって、基板に到達するときの熱電子のエネルギーに影響を与えることなく（即ち、当該エネルギーとは独立して）、熱電子の引き出し量を制御することができる。
【００９８】
請求項５に記載の発明によれば、ホルダに保持された基板から、熱電子発生源の引出し電極およびその背後にある主陰極を見通すことができなくなるので、加熱に伴って主陰極や引出し電極から発生する金属粒子が基板に飛び込むのをより確実に抑制して、基板が当該金属粒子によって汚染されるのをより確実に抑制することができる、という更なる効果を奏する。
【００９９】
請求項６に記載の発明によれば、熱電子発生源から低エネルギーの熱電子を大量に引き出すことがより容易になる、という更なる効果を奏する。
【０１００】
請求項７に記載の発明によれば、それを構成する熱電子発生源において、二つの偏向電極間の全域に正のポテンシャルを発生させることができ、これによって引出し電極の前方近傍における熱電子による負の空間電荷を打ち消すことができるので、熱電子引き出しの際の空間電荷制限を緩和して、低エネルギーの熱電子を大量に発生させることが可能になる。
【０１０１】
しかも、熱電子発生源の前方には一対の上流側偏向電極が配置されていて、当該両電極と正のポテンシャルを有するイオンビームとの間に形成される電界によって、熱電子発生源から引き出された熱電子には、それをイオンビームの下流側に向かって曲げる力が作用するので、この力によって熱電子は基板側に向かうようになる。その結果、熱電子発生源から発生させた熱電子を、ホルダおよびそれに保持された基板の近傍により効率良く導くことができるので、イオンビーム照射の際の基板表面のチャージアップをより効果的に抑制することができる。
【０１０２】
更に、熱電子発生源を上記のようにイオンビームの上流側に向けて斜めに配置しているので、ホルダに保持された基板から、熱電子発生源の引出し電極およびその背後にある主陰極を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極や引出し電極から発生する金属粒子が基板に飛び込むのを抑制して、基板が当該金属粒子によって汚染されるのを抑制することができる。
【０１０３】
請求項８記載の発明によれば、ホルダに保持された基板から、熱電子発生源の引出し電極およびその背後にある主陰極を見通すことができなくなるので、加熱に伴って主陰極や引出し電極から発生する金属粒子が基板に飛び込むのをより確実に抑制して、基板が当該金属粒子によって汚染されるのをより確実に抑制することができる、という更なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る熱電子発生源を備えるイオンビーム照射装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１中の熱電子発生源の偏向電極周りを矢印Ｐ方向に見て示す図である。
【図３】図１中の熱電子発生源から引き出された熱電子の軌道の一例（Ａ）およびイオンビーム周辺の電位分布の一例（Ｂ）を示す概略図である。
【図４】この発明に係るイオンビーム照射装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】この発明に係るイオンビーム照射装置を構成する熱電子発生源周りの他の実施形態を示す図である。
【図６】この発明に係るイオンビーム照射装置の更に他の実施形態を示す断面図である。
【図７】図６中の熱電子発生源から引き出された熱電子の軌道の一例を、イオンビーム周辺の等電位面と共に示す概略図である。
【符号の説明】
２　イオンビーム
４　基板
６　ホルダ
１０　熱電子発生源
２０　フィラメント
２４　主陰極
２６　引出し電極
２８　熱電子
３０、３２　偏向電極
３０ａ、３２ａ　相対向面
５０、５２　第１段目偏向電極
５０ａ、５２ａ　相対向面
６０、６２　第２段目偏向電極
６０ａ、６２ａ　相対向面
６８　第２引出し電極
８０、８２　上流側偏向電極
８０ａ、８２ａ　イオンビームに対向する面
【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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