(57)【要約】【課題】カソード電極からの電子が効率的にプラズマ発生に寄与し，安定放電が可能なイオン源を提供する。【解決手段】微小開孔４が設けられたアノード電極３と，引き出し開孔５が設けられたカソード電極６との間に電圧が印加され，微小開孔４から引き出し開孔５に向かって高圧噴射された原料ガスをプラズマ１０化するとともに引き出し開孔５を通じてイオンを引き出すイオン源において，カソード電極６のアノード電極３側の形状を，引き出し開口５を中心にその外側となるに従ってアノード電極３に近づく形状とすることにより，カソード電極６のアノード電極３側の表面の各位置からプラズマ１０（原料ガス）に向かって電位が上昇する電位分布が形成されてなるイオン源Ｘ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小開孔が設けられたアノード電極と開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加されてなる電界形成手段を具備し，前記アノード電極に設けられた微小開孔から前記カソード電極に設けられた引き出し開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記引き出し開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において，
前記電界形成手段が，前記カソード電極で生成される電子をプラズマ化された前記原料ガスに向かわせる電位分布を前記カソード電極と前記アノード電極との間に形成するものであることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記電界形成手段が，前記カソード電極の前記アノード電極側の表面の各位置からプラズマ化された前記原料ガスに向かって電位が上昇する電位分布を形成するものである請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
微小開孔が設けられたアノード電極と開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加され，前記アノード電極に設けられた微小開孔から前記カソード電極に設けられた引き出し開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記引き出し開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において，
前記カソード電極の前記アノード電極側の形状が，前記引き出し開口を中心にその外側となるに従って前記アノード電極に近づく形状であることを特徴とするイオン源。
【請求項４】
前記カソード電極の前記アノード電極側の形状が，略半球状の凹状である請求項１〜３のいずれかに記載のイオン源。
【請求項５】
前記電界形成手段を構成する前記カソード電極の前記アノード電極側の形状が，略円錐状の凹状である請求項１〜３のいずれかに記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えば表面物理分析装置や半導体製造の検査装置，欠陥リペア装置用イオンプローブ，イオン注入，イオンビーム露光，イオンビーム堆積，イオンビームエッチング，イオンビーム描画等に用いられる微小径イオンビーム発生用のイオン源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｈｅ，Ａｒ等の気体を原料ガスとしたイオン源が，特許文献１に示されている。図３は，特許文献１に示される従来のイオン源Ｚの概略構成を表す断面図である。
前記イオン源Ｚは，原料ガスが高圧充填されたガス導入室１１の壁の一部を構成し，微小開孔４が設けられたアノード電極３と，真空容器９内に設置され開孔５が設けられたカソード電極６１との間に電圧が印加され，前記アノード電極３の微小開孔４から前記カソード電極６１の開孔５（以下，引き出し開孔という）に向かって前記原料ガスを高圧噴射してガスジェット放電を生じさせることによりプラズマ１０化するとともに，引き出し電極８により前記引き出し開孔５を通じてイオンを引き出すよう構成されている。これにより，前記微小開孔４からの前記原料ガスの噴射方向に沿った微小径のプラズマを生成することができ，さらにその下流側の引き出し電極８でイオンを引き込むことにより微小径のイオンビームを発生させることができる。
このようなイオン源では，前記微小開孔４から噴射された前記原料ガスの密度は，前記微小開孔４から離れるに従い急激に減少する。ここで，高圧噴射された前記原料ガスから良好なプラズマ，即ち，高圧噴射された前記原料ガスが存在する領域のうち，拡散による圧力の低下が生じず，粒子の方向が比較的揃った微小な領域に放電したプラズマを生成させるために，通常，前記原料ガスの種類に応じて，前記アノード電極３と前記カソード電極５との間の印加電圧Ｖ，及びｐｄ積（噴射圧力ｐと前記アノード電極３の微小開孔４〜前記カソード電極６１間の距離ｄとの積）の関係がパッシェンの法則に基づいて定められる。
ところで，図３に示す従来のイオン源Ｚでは，前記アノード電極３と前記カソード電極６１とがほぼ平行に対向する構造となっているため，図３の等電位線Ｌで示すように，両電極間の電位差とプラズマ１０により形成される電位分布は，前記カソード電極６１の前記アノード電極３側の表面の各位置から前記アノード電極に向かって前記プラズマ１０（即ち，高圧噴射された原料ガス）の進行方向に略平行或いはそれに近い方向（前記プラズマ１０の進行方向に対して浅い角度をなす方向）に電位が上昇する電位分布となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８３７４５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来のイオン源Ｚにおける電位分布では，プラズマの生成（即ち，ガス分離）に大きく寄与する電子ｅが，前記カソード電極６１の表面から前記プラズマ１０に向かわないため，電子ｅのプラズマ生成への利用効率が低くなり，放電（プラズマ化）の安定性が低くなるという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，カソード電極からの電子が効率的にプラズマ発生に寄与し，安定放電が可能なイオン源を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は，微小開孔が設けられたアノード電極と開孔が設けられたカソード電極との間に電圧が印加されてなる電界形成手段を具備し，前記アノード電極に設けられた微小開孔から前記カソード電極に設けられた引き出し開孔に向かって高圧噴射された前記原料ガスをプラズマ化するとともに前記引き出し開孔を通じてイオンを引き出すよう構成されたイオン源において，前記電界形成手段が，前記カソード電極で生成される電子をプラズマ化された前記原料ガスに向かわせる電位分布を前記カソード電極と前記アノード電極との間に形成するものであることを特徴とするイオン源として構成されるものである。
例えば，前記電界形成手段が，前記カソード電極の前記アノード電極側の表面の各位置からプラズマ化された前記原料ガスに向かって電位が上昇する電位分布を形成するものが考えられる。
これにより，前記カソード電極で生成されたる電子のほとんどがプラズマ化する原料ガスに向かうことになり，電子のプラズマ生成への利用効率が高く，安定した放電（プラズマ化）が可能となり，ひいては電流安定度の高いイオン源を構成することができる。
【０００６】
前記カソード電極で生成される電子をプラズマ化された原料ガスに向かわせる具体的な構成としては，前記カソード電極の前記アノード電極側の形状が，前記引き出し開口を中心にその外側となるに従って前記アノード電極に近づく形状であるものが考えられる。
このような構成としては，例えば，前記カソード電極の前記アノード電極側の形状が，略半球状の凹状であるものや，略円錐状の凹状であるもの等が考えられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るイオン源Ｘの概略構成を表す断面図，図２は本発明の実施例に係るイオン源Ｘ１の概略構成を表す断面図，図３は従来のイオン源Ｚの概略構成を表す断面図である。
【０００８】
図１に示すように，本実施の形態に係るイオン源Ｘは，真空容器９内において，微小開孔４が設けられたアノード電極３で仕切られ，外部から原料ガス１が高圧充填されるガス導入室１１と，前記アノード電極３の微小開孔４よりも大きな開孔５（以下，引き出し開孔という）が設けられ，前記アノード電極３よりも負電位のカソード電極６と，開孔７が設けられ前記カソード電極６よりも負電位の引き出し電極８とを具備している。前記アノード電極３と前記カソード電極６との間には，直流電源２により電圧が印加されており，両電極間に電界が形成される（前記アノード電極３，前記カソード電極６及び前記直流電源２が，前記電界形成手段の一例）。これらは，前記ガス導入室１１，前記カソード電極６，前記引き出し電極８の順に，前記微小開孔４，前記引き出し開孔５，及び前記引き出し電極８の開孔７の略中心が直線上に並ぶように所定の間隔で配列されている。
【０００９】
本イオン源Ｘでは，前述した従来のイオン源Ｚと同様に，前記ガス導入室１１に導入されたヘリウム等の原料ガス１が前記微小開孔４から前記引き出し開孔５の中心に向かって高圧噴射され，前記アノード電極３と前記カソード電極６との間で微小径のプラズマが生成される。さらに，前記引き出し電極８により，前記引き出し開孔６を通じてイオン（ヘリウムイオン等）が引き出される。これにより，前記微小開孔４からの前記原料ガス１がプラズマ化され，その噴射方向に沿った微小径のプラズマ１０を生成することができ，さらにその下流側の引き出し電極８でイオンを引き込むことにより微小径のイオンビームを発生させることができることは従来のイオン源Ｚと同様である。
本イオン源Ｘの特徴は，前記カソード電極６の前記アノード電極３側の形状が，略半球状の凹状であるため，前記引き出し開口５を中心にその外側となるに従って前記アノード電極３に近づく形状である点である。
このような構成により，図１に等電位線Ｌで示すように，前記カソード電極６の前記アノード電極３側の表面の各位置から前記プラズマ１０（高圧噴射された原料ガス）に向かって電位が上昇する電位分布が形成される。このため，前記カソード電極６で生成された電子のほとんどが前記プラズマ１０に向かうことになり，電子ｅのプラズマ生成への利用効率が高く，安定した放電（プラズマ化）が可能となり，ひいては電流安定度の高いイオン源を構成することができる。
例えば，前記原料ガスがヘリウムガスである場合，ヘリウムガスのｐｄ積の最小値ｐｄｍｉｎは５．３［Ｐａ・ｍ］であるので，前記微小開孔４（ヘリウムガスの噴出口）付近のガス圧を５３０［Ｐａ］とすると，１０ｍｍの半径の略半球状の前記カソード電極６を用いれば，数百Ｖの電圧（ヘリウムガスにおけるＶｍｉｎは１５５Ｖ）で，安定性の高いプラズマを形成することができる。
【００１０】
【実施例】
前記イオン源Ｘでは，前記カソード電極６の前記アノード電極３側の形状を略半球状の凹状としたものであったが，これに限るものでなく，カソード電極のアノード電極側の表面の各位置から前記プラズマ１０（即ち，高圧噴射された原料ガス）に向かって電位が上昇する電位分布が形成されるものであれば他の構成であってもかまわない。
その実施例としては，図２に示すように，カソード電極として，前記アノード電極３側の形状を略円錐状の凹状としたカソード電極６’を用いることが考えられる。このような構成によっても，前記カソード電極６’の前記アノード電極３側の形状が，前記引き出し開口５を中心にその外側となるに従って前記アノード電極３に近づく形状となり，図２に等電位線Ｌで示すように，前記カソード電極６’の前記アノード電極３側の表面の各位置から前記プラズマ１０（高圧噴射された原料ガス）に向かって電位が上昇する電位分布が形成される。
このような構成によっても，前述した実施の形態と同様の作用効果が得られる。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，カソード電極からの電子が効率的にプラズマ発生に寄与し，安定放電が可能なイオン源を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン源Ｘの概略構成を表す断面図。
【図２】本発明の実施例に係るイオン源Ｘ１の概略構成を表す断面図。
【図３】従来のイオン源Ｚの概略構成を表す断面図。
【符号の説明】
１…原料ガス（ヘリウムガス等）
２…直流電源
３…アノード電極
４…アノード電極の微小開孔
５…カソード電極の開孔（引き出し開孔）
６，６’…カソード電極（電界形成手段）
７…引き出し電極の開孔
８…引き出し電極
９…真空容器
１１…ガス導入室
Ｌ…等電位線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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