(57)【要約】【課題】  傍熱方式のものであって、主陰極の加熱効率を高めて全投入電力を抑え、それによって不所望なコンタミネーションの発生を低減させることができる熱電子発生源を提供する。【解決手段】  この熱電子発生源１０は、他から加熱されて熱電子１８を放出する金属製で面状の主陰極１６と、それの裏面に被着されたカーボン薄膜２０と、主陰極１６を加熱して熱電子１８を放出させるカーボン製のヒータ２４と、ヒータ２４と主陰極１６の裏面間に介在された絶縁体セラミックス３０と、主陰極１６から放出された熱電子１８を電界によって引き出す引出し電極３２と、それから引き出された熱電子１８を外部へ放出する電子放出口１４とを備えている。【選択図】  図１
2005310632.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金属製で面状の主陰極と、
この主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜と、
前記主陰極の裏面に近接しかつ当該主陰極に沿って配置されていて当該主陰極を加熱して熱電子を放出させるカーボン製のヒータと、
このヒータと前記主陰極の裏面との間に当該ヒータに沿って介在されていてヒータからの熱を主陰極へ伝える絶縁体セラミックスと、
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にあって当該引出し電極から引き出された熱電子を外部へ放出する電子放出口とを備えることを特徴とする熱電子発生源。
【請求項２】
他から加熱されて熱電子を放出する金属製で面状の主陰極と、
この主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜と、
前記主陰極の裏面に沿って配置されていて当該主陰極を加熱して熱電子を放出させるカーボン製のヒータであって、その少なくとも前記主陰極側の表面にＳiＣ薄膜が被着されていて、当該ＳiＣ薄膜を前記主陰極の裏面に密着させているヒータと、
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にあって当該引出し電極から引き出された熱電子を外部へ放出する電子放出口とを備えることを特徴とする熱電子発生源。
【請求項３】
他から加熱されて熱電子を放出する金属製で面状の主陰極と、
この主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜と、
前記主陰極の裏面に近接しかつ当該主陰極に沿って配置されていて当該主陰極を加熱して熱電子を放出させるカーボン製のヒータと、
このヒータと前記主陰極の裏面との間に介在されていてヒータからの熱を主陰極へ伝えるものであってヒータよりも短い高融点金属片と、
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にあって当該引出し電極から引き出された熱電子を外部へ放出する電子放出口とを備えることを特徴とする熱電子発生源。
【請求項４】
前記主陰極および引出し電極の形状が、前記電子放出口に向かって凸の半円筒状をしている請求項１、２または３記載の熱電子発生源。
【請求項５】
基板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イオンビーム照射装置において、
前記イオンビームの経路を少なくとも前記基板ホルダの上流側近傍において取り囲む筒状で導電物製のリフレクターと、
このリフレクターに電気的に絶縁して取り付けられた請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電子発生源であって、その前記電子放出口は、リフレクター内に通じており、かつ当該電子放出口の中心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いる熱電子発生源と、
前記リフレクター内であって前記熱電子発生源の電子放出口よりも上流側に前記リフレクターとは電気的に絶縁して設けられた筒状の電子反射電極と、
前記熱電子発生源の前記ヒータを加熱するヒータ電源と、
前記熱電子発生源の前記引出し電極に、前記主陰極に対して正の電圧を印加する引出し電源と、
前記熱電子発生源の前記主陰極に、前記基板ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電圧を印加するエネルギー設定電源と、
前記リフレクターに、前記基板ホルダに対して負の電圧を印加するリフレクター電源と、
前記電子反射電極に、前記熱電子発生源の前記主陰極に対して負の電圧を印加する電子反射電源とを備えることを特徴とするイオンビーム照射装置。
【請求項６】
前記電子反射電極の下流側の端部は、前記熱電子発生源側の端部よりもその反対側の端部の方が下流側に伸びている請求項５記載のイオンビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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ヒータ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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記傍熱方式の熱電子発生源においては、まずヒータを加熱し、この加熱によって発生する熱電子をヒータと主陰極間に接続されている電子衝撃電源の電子衝撃電圧によって加速して主陰極の裏面に衝突させることによる衝撃加熱と、ヒータからの輻射熱による加熱とで、主陰極を加熱して主陰極から熱電子を放出させるものであるが、他の方式、例えば前記プラズマ源を利用する方式等の投入電力に比べて、約１０倍もの電力を必要としている。
【００１２】
投入電力が大きいということは、主陰極の加熱のみならず、これを収納している容器さらには周囲部品にも多量の熱が伝わり、その熱によってこの容器や周囲部品からそれらを構成する物質から成る不純物粒子（例えば、ステンレス鋼やアルミニウムを構成する金属粒子）が放出され、これが基板に到達してコンタミネーション（汚染。例えば、メタルコンタミネーション）の発生原因となる。
【００１３】
従って、傍熱方式においては、不所望なコンタミネーションを低減させるためには、主陰極の加熱効率を高め、全投入電力を抑えることが必要であり、この発明はそれを可能にした熱電子発生源を提供することを一つの目的としている。
【００１４】
また、そのような熱電子発生源から発生させた低エネルギーの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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る熱電子発生源の一つは、他から加熱されて熱電子を放出する金属製で面状の主陰極と、この主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜と、前記主陰極の裏面に近接しかつ当該主陰極に沿って配置されていて当該主陰極を加熱して熱電子を放出させるカーボン製のヒータと、このヒータと前記主陰極の裏面との間に当該ヒータに沿って介在されていてヒータからの熱を主陰極へ伝える絶縁体セラミックスと、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にあって当該引出し電極から引き出された熱電子を外部へ放出する電子放出口とを備えることを特徴としている。
【００１６】
上記のように従来の傍熱方式では、その主陰極の加熱は、ヒータからの輻射熱と熱電子の衝撃加熱の二つを利用している。全投入電力は、この二つの加熱に使われる電力の和であるが、その比率は、経験から言うと、約０．５：０．５である。
【００１７】
ところで、ヒータは熱電子を発生させるためにその温度は通常は２０００Ｋ〜２３００Ｋ程度になっている。この温度を効率良く主陰極に伝えることができれば、熱電子衝撃による加熱は不要になり、全投入電力を約半分に減らすことができる。
【００１８】
一般に、温度Ｔ［Ｋ］の物質から放出される熱エネルギーＱは、ステファン・ボルツマンの法則により、Ｑ＝εσＴ4 で表され（εは輻射率（放射率とも呼ばれる）、σはステファン・ボルツマン定数）、輻射率εが１に近づくほど加熱効率は良い。そこでこの発明は、ヒータをカーボン製にしており、カーボンの輻射率は約０．８と大きい。
【００１９】
また、主陰極は金属製であり、そのままだと、ヒータからの輻射熱は通常はその約８０％が反射される。そこでこの発明は、主陰極の裏面にカーボン薄膜を被着させており、これによって、輻射熱の反射率を約２０％に抑えることができる。
【００２０】
以上の二つの手段によって、ヒータの輻射熱を主陰極の加熱に効率良く使用することができるので、主陰極の加熱効率が向上する。
【００２１】
更にこの発明では、ヒータと主陰極の裏面との間に、ヒータに沿って、絶縁体セラミックスを介在させており、この絶縁体セラミックスを介して熱伝導によって、ヒータの熱を主陰極に効率良く伝えることができる。
【００２２】
上記のようにして輻射熱の高効率利用と熱伝導とを併用することによって、電子衝撃を用いなくても主陰極の加熱効率を高めることができる。
【００２３】
前記絶縁体セラミックスを介在させる代わりに、ヒータの表面にＳiＣ薄膜を被着しておいてそれを主陰極の裏面に密着させておいても良い。
【００２４】
また、前記絶縁体セラミックスの代わりに、ヒータよりも短い高融点金属片をヒータと主陰極の裏面との間に介在させておいても良い。
【００２５】
前記主陰極および引出し電極の形状は、前記電子放出口に向かって凸の半円筒状をしているのが好ましい。
【００２６】
この発明に係るイオンビーム照射装置は、基板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イオンビーム照射装置において、前記イオンビームの経路を少なくとも前記基板ホルダの上流側近傍において取り囲む筒状で導電物製のリフレクターと、このリフレクターに電気的に絶縁して取り付けられた請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電子発生源であって、その前記電子放出口は、リフレクター内に通じており、かつ当該電子放出口の中心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いる熱電子発生源と、前記リフレクター内であって前記熱電子発生源の電子放出口よりも上流側に前記リフレクターとは電気的に絶縁して設けられた筒状の電子反射電極と、前記熱電子発生源の前記ヒータを加熱するヒータ電源と、前記熱電子発生源の前記引出し電極に、前記主陰極に対して正の電圧を印加する引出し電源と、前記熱電子発生源の前記主陰極に、前記基板ホルダに対して０Ｖ〜−６Ｖの範囲内の電圧を印加するエネルギー設定電源と、前記リフレクターに、前記基板ホルダに対して負の電圧を印加するリフレクター電源と、前記電子反射電極に、前記熱電子発生源の前記主陰極に対して負の電圧を印加する電子反射電源とを備えることを特徴としている。
【００２７】
このイオンビーム照射装置においては、熱電子発生源から発生した熱電子が基板に到達するときのエネルギーは、前記エネルギー設定電源の出力電圧によって決まるので、熱電子発生源から０ｅＶ〜６ｅＶという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。
【００２８】
しかも、熱電子発生源の電子放出口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、基板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不純物粒子が基板に飛び込むのを抑制して、不所望なコンタミネーションをより一層抑制することができる。
【００２９】
また、リフレクター内部にはイオンビームによる正のポテンシャル（電位）分布が存在するため、熱電子発生源の電子放出口から放出された熱電子は上記ポテンシャル分布によってリフレクター内部に引き出されるが、前記電子反射電極の負のポテンシャルによって熱電子は下流側に方向を変えてリフレクターの対向壁に向かう。この対向壁に向かった熱電子は、対向壁の直前でリフレクターの負のポテンシャルにより再度向きを変え、このようにしてビームを軸として正弦波状のカーブを描きながら基板に向かう。これによって、熱電子を基板ホルダ上の基板の近傍に効率良く導くことができる。
【００３０】
前記電子反射電極の下流側の端部は、前記熱電子発生源側の端部よりもその反対側の端部の方が下流側に伸びているのが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
請求項１に記載の発明によれば、主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜とカーボン製のヒータとを備えることによって、ヒータからの輻射熱の高効率利用を図ることができると共に、ヒータと主陰極間に介在させた絶縁体セラミックスの熱伝導を利用することができるので、この輻射熱の高効率利用と熱伝導との併用によって、電子衝撃を用いなくても、主陰極の加熱効率を高めることができる。
【００３２】
その結果、電子衝撃用電源が不要となり、主陰極の加熱に要する投入電力を大幅に低減することができるため、主陰極の周囲の発熱を抑えることができ、不所望なコンタミネーションを低減することができる。
【００３３】
請求項２に記載の発明によれば、主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜とカーボン製のヒータとを備えることによって、ヒータからの輻射熱の高効率利用を図ることができると共に、ヒータに被着し主陰極に密着させたＳiＣ薄膜の熱伝導を利用することができるので、この輻射熱の高効率利用と熱伝導との併用によって、電子衝撃を用いなくても、主陰極の加熱効率を高めることができる。
【００３４】
その結果、電子衝撃用電源が不要となり、主陰極の加熱に要する投入電力を大幅に低減することができるため、主陰極の周囲の発熱を抑えることができ、不所望なコンタミネーションを低減することができる。
【００３５】
請求項３に記載の発明によれば、主陰極の裏面に被着されたカーボン薄膜とカーボン製のヒータとを備えることによって、ヒータからの輻射熱の高効率利用を図ることができると共に、ヒータと主陰極間に介在させた高融点金属片の熱伝導を利用することができるので、この輻射熱の高効率利用と熱伝導との併用によって、電子衝撃を用いなくても、主陰極の加熱効率を高めることができる。
【００３６】
その結果、電子衝撃用電源が不要となり、主陰極の加熱に要する投入電力を大幅に低減することができるため、主陰極の周囲の発熱を抑えることができ、不所望なコンタミネーションを低減することができる。
【００３７】
請求項４に記載の発明によれば、主陰極および引出し電極の形状が半円筒状をしているので、平板状に比べて主陰極の面積を大きくすることができ、熱電子をより大量に発生することができる、という更なる効果を奏する。
【００３８】
請求項５に記載の発明によれば、熱電子発生源から０ｅＶ〜６ｅＶという低エネルギーの熱電子を大量に発生させ、当該熱電子を、イオンビームの正のポテンシャル、電子反射電極およびリフレクターの負のポテンシャルを利用して基板ホルダ上の基板の近傍に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効果的に抑制することができる。
【００３９】
しかも、熱電子発生源の電子放出口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、基板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不純物粒子が基板に飛び込むのを抑制して、不所望なコンタミネーションをより一層抑制することができる。
【００４０】
請求項６に記載の発明によれば、熱電子発生源から放出された熱電子を、電子反射電極の負のポテンシャルによって下流側に方向転換させる作用がより強くなるので、熱電子を基板ホルダ上の基板の近傍により効率良く導くことができる、という更なる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は、この発明に係る熱電子発生源の一実施形態を電源と共に示す概略断面図である。図２は、図１中の主陰極およびヒータ周りを示す拡大断面図であり、図４のＡ−Ａ断面に相当する。図３は、図１中のヒータおよびその支持体を示す斜視図である。図４は、図１中のヒータ、その支持体および絶縁体セラミックスを示す正面図である。なお、図１において、支持体２２、２６および２８が容器１２から引き出される部分の断面は、製図法上の正確さよりも、構成の分かり易さに重点をおいて図示している。
【００４２】
この熱電子発生源１０は、後述する（図８参照）イオンビーム５４のＸ方向（例えば水平方向）の走査に対応してＸ方向に幅広の熱電子１８を発生させるために、Ｘ方向に長い直方体状をしている。
【００４３】
この熱電子発生源１０は、導電物製（例えば、モリブデン等の金属製）の容器１２を有している。この容器１２内に、ヒータ２４、主陰極１６、引出し電極３２等を収納している。この容器１２は、引出し電極３２の前方（熱電子１８の放出方向）にあって、主陰極１６から放出され引出し電極３２を通して引き出された熱電子１８を外部へ放出するＸ方向に長い電子放出口１４を有している。
【００４４】
主陰極１６は、他から（具体的にはヒータ２４によって）加熱されて熱電子１８を放出するものであり、Ｘ方向に長い面状のものである。従って、線状のものに比べて大量の熱電子１８を放出することができる。この主陰極１６は、この実施形態では、電子放出口に向かって凸でＸ方向に長い半円筒状をしている。従って、平板状のものに比べて面積を大きくすることができ、熱電子１８をより大量に発生することができる。主陰極は、例えばタンタル、モリブデン等の金属から成る。
【００４５】
主陰極１６は、その左右の両端が導電物製の支持体２２に支持されている。支持体２２の一部は、絶縁物３８を介して、容器１２の外部に通じている。主陰極１６と容器１２および引出し電極３２との間は、絶縁物３４、３６によって電気的に絶縁されている。
【００４６】
主陰極１６の裏面（ヒータ２４との対向面。換言すれば電子放出口１４とは反対側の面）には、図２に拡大して示すように、カーボン薄膜２０が被着されている。このカーボン薄膜２０の膜厚は、例えば、２０μｍ〜３０μｍ程度である。カーボン薄膜２０を被着する領域は、できるだけ広い領域、例えば主陰極１６の裏面の全体が好ましいけれども、これに限られるものではなく、少なくとも電子放出口１４に面する主陰極１６の裏面およびその周辺領域に被着しておれば良い。
【００４７】
主陰極１６の裏面に近接し、かつ当該主陰極１６に沿ってＸ方向に伸びて配置されていて、主陰極１６を加熱して熱電子１８を放出させるヒータ２４が設けられている。このヒータ２４はカーボン製である。このヒータ２４は、そのＸ方向の両端が導電物製の支持体２６、２８にそれぞれ支持されている。この例では、ヒータ２４と支持体２６、２８とは一体物であり、その様子を図３および図４に示す。支持体２６、２８の端部は、絶縁物３８を介して、容器１２の外部に引き出されている。
【００４８】
ヒータ２４の上面は、主陰極１６の内径に沿う円弧状をしている。ヒータ２４は、主陰極１６にできるだけ近づけて配置するのが好ましい。例えば、ヒータ２４と主陰極１６間の距離は約１ｍｍ以下にするのが好ましい。この距離の下限は、絶縁体セラミックス３０や後述するＳiＣ薄膜４６、高融点金属片４８を形成することができる最小厚さに依り、ＳiＣ薄膜を用いる場合が最も小さく、例えば２０μｍである。即ち、ヒータ２４と主陰極１６間の距離は、２０μｍ〜１ｍｍの間に選定するのが好ましい。図１および図６の例では約１ｍｍに、図５の例では約２０μｍにしている。
【００４９】
ヒータ２４と主陰極１６の裏面（より具体的には当該裏面に被着されたカーボン薄膜２０）との間には、ヒータ２４に沿ってＸ方向に伸びる（図４も参照）絶縁体セラミックス３０が介在されている。即ち、絶縁体セラミックス３０は、ヒータ２４と主陰極の両方に密着している。そのため、絶縁体セラミックス３０の表面および裏面は、主陰極１６およびヒータ２４に沿う円弧状をしている。
【００５０】
この絶縁体セラミックス３０は、ヒータ２４と主陰極１６との間を電気的に絶縁すると共に、ヒータ２４からの熱を主陰極１６へ伝える働きをする。絶縁体セラミックス３０は、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等から成る。この絶縁体セラミックス３０も、そのＸ方向の両端が前記支持体２６、２８にそれぞれ嵌め込まれて支持されている。
【００５１】
主陰極１６の前方近傍には、主陰極１６に沿ってＸ方向に伸びていて、主陰極１６から放出された熱電子１８を電界によって引き出す引出し電極３２が設けられている。この引出し電極３２も、電子放出口１４に向かって凸の半円筒状をしている。
【００５２】
この引出し電極３２は、この例ではメッシュ状のものであるが、多数の小孔を有する多孔薄板等でも良い。但し、メッシュ状や多孔状の領域は、必ずしも引出し電極３２の全体である必要はなく、少なくとも電子放出口１４に面する領域がそのようなものであれば良い。この引出し電極３２は、例えばモリブデン等の金属製である。引出し電極３２は、この例では容器１２に接触して取り付けられており、容器１２と同電位にある。
【００５３】
上記ヒータ２４の両端には、具体的には上記支持体２６、２８間には、ヒータ２４を加熱するヒータ電源４０が接続される。
【００５４】
上記主陰極１６と引出し電極３２との間には、具体的には、それらにそれぞれ電気的に接続されている上記支持体２２と容器１２との間には、引出し電極３２に、主陰極１６に対して正の電圧ＶE を印加する直流の引出し電源４２が接続される。２２ａ、１２ａは接続部を示す。この電圧ＶE は、例えば＋６Ｖ〜＋１０Ｖ程度である。
【００５５】
主陰極１６と接地電位部との間には、具体的には支持体２２と接地電位部との間には、主陰極１６に負の電圧ＶG を印加する直流のエネルギー設定電源４４が接続される。この電圧ＶG は、電子放出口１４から外部へ放出する熱電子１８のエネルギーを決定する。この電圧ＶG は、０Ｖ〜−６Ｖの範囲内が好ましく、０Ｖ〜−３Ｖの範囲内がより好ましい。図８に示す装置においては、基板ホルダ５０は電気的に接地されているので、エネルギー設定電源４４は、主陰極１６に、基板ホルダ５０に対して上記電圧ＶG を印加する働きをする。
【００５６】
上記熱電子発生源１０において、ヒータ電源４０によってヒータ２４に電流を流すと、ジュール加熱によってヒータ２４が加熱される。このとき、ヒータ２４はカーボン製であるため、輻射率εは約０．８であり、同じ温度での黒体放射（即ちε＝１）の約８０％が輻射エネルギーとして放出される。
【００５７】
一方、主陰極１６は、その裏面にカーボン薄膜２０を被着しているため、上記輻射エネルギーの約８０％を吸収することができる。換言すれば、輻射エネルギーの反射率を約２０％に抑えることができる。この吸収したエネルギーによってカーボン薄膜２０は発熱し、この熱は熱伝導によって主陰極１６に伝えられ、主陰極１６が加熱される。
【００５８】
このヒータ２４がカーボン製であることと、主陰極１６の裏面にカーボン薄膜２０を被着していることの二つの手段によって、ヒータ２４の輻射熱を主陰極１６の加熱に効率良く使用することができるので、主陰極１６の加熱効率が向上する。
【００５９】
より具体的には、従来技術では、ヒータがタングステンであり、主陰極が単なるモリブデン等の金属板であるので、輻射率、吸収率ともに約３０％であるから、単純に計算して、（０．８×０．８）／（０．３×０．３）＝７．１となり、ヒータの温度が同じならば、従来技術に比べてこの実施形態では約７倍の輻射エネルギーを主陰極１６の加熱に利用することができる。
【００６０】
更にこの実施形態では、ヒータ２４と主陰極１６の裏面との間に、ヒータ２４に沿って、絶縁体セラミックス３０を介在させており、この絶縁体セラミックス３０を介して熱伝導によって、ヒータ２４の熱を主陰極１６に効率良く伝えることができる。
【００６１】
上記のようにして輻射熱の高効率利用と熱伝導とを併用することによって、電子衝撃を用いなくても主陰極１６の加熱効率を高めることができる。
【００６２】
その結果、電子衝撃用電源が不要となり、主陰極１６の加熱に要する投入電力を大幅に（例えば、従来技術の約半分に）低減することができるため、主陰極１６の周囲（例えば、容器１２、引出し電極３２等）の発熱を抑えることができ、不所望なコンタミネーションを低減することができる。
【００６３】
上記のようにして加熱された主陰極１６の表面温度が例えば２０００Ｋ〜２３００Ｋ程度になると主陰極１６から熱電子１８が放出される。この熱電子１８は、主陰極１６と引出し電極３２との間に印加される前記電圧ＶE による電界によって引出し電極３２を通して引き出され、電子放出口１４から外部へ放出される。
【００６４】
次に、他の実施形態を説明すると、前記絶縁体セラミックス３０を介在させる代わりに、図５に示す例のように、ヒータ２４の少なくとも主陰極１６側の表面にＳiＣ（炭化シリコン）薄膜４６を被着しておいて、それを主陰極１６の裏面（より具体的には当該裏面に被着されたカーボン薄膜２０）に密着させておいても良い。
【００６５】
このＳiＣ薄膜４６も、前記絶縁体セラミックス３０と同様に、ヒータ２４と主陰極１６との間の電気絶縁と、ヒータ２４の熱を熱伝導によって主陰極１６に効率良く伝える働きとをするので、絶縁体セラミックス３０を用いた実施形態の場合と同等またはそれ以上の効果を奏する。これは、ＳiＣ薄膜４６の方が絶縁体セラミックス３０よりも薄くすることができ、しかも絶縁体セラミックス３０に通常用いられる窒化ホウ素よりも熱伝導率が高く、更にこのＳiＣ薄膜４６をヒータ２４と主陰極１６の両方に密着させているので、ヒータ２４から主陰極１６への伝熱効率がより向上するからである。また、ＳiＣ薄膜４６はヒータ２４の材質であるカーボンと熱膨張係数が近いので、ＳiＣ薄膜４６の割れが少ないという利点もある。
【００６６】
また、前記絶縁体セラミックス３０を介在させる代わりに、図６および図７に示す例のように、ヒータ２４よりも短い高融点金属片４８を、ヒータ２４と主陰極１６の裏面（より具体的には当該裏面に被着されたカーボン薄膜２０）との間に介在させておいても良い。この高融点金属片４８の断面形状は、前記絶縁体セラミックス３０の断面形状とほぼ同様にするのが好ましく、この例ではそのようにしている。この高融点金属片４８は、ヒータ２４と主陰極１６の両方に密着している。この高融点金属片４８の材質は、例えば、タンタル、モリブデン等である。
【００６７】
この場合、高融点金属片４８が接しているヒータ２４の部分は、高融点金属片の存在によって電気抵抗がほぼ０になるのでジュール熱は発生しないが、高融点金属片４８が接している以外の部分からはジュール熱が発生するため、その熱は熱伝導によって高融点金属片４８に伝わり、更にこの高融点金属片４８を介して主陰極１６に効率良く伝わる。従って、この高融点金属片４８を用いる場合も、前記絶縁体セラミックス３０を用いた実施形態の場合と同等またはそれ以上の効果を奏する。これは、高融点金属片４８の方が絶縁体セラミックス３０よりも熱伝導率が高いからである。
【００６８】
上記高融点金属片４８は、ヒータ２４に沿うＸ方向の長さを長くするほど、ヒータ２４から主陰極１６への伝熱効率は高くなるけれども、ヒータ２４の内でジュール熱が発生しない部分が多くなるので、両者の兼ね合いでこのＸ方向の長さを決めれば良い。
【００６９】
上記高融点金属片４８は、図７に示すように、ヒータ２４の長手方向（Ｘ方向）の中央部または中央部付近に配置するのが好ましい。そのようにすると、ヒータ２４の長さ方向におけるジュール加熱による発熱のバランスが良くなり、ひいてはその熱を高融点金属片４８を介して主陰極１６に伝える効率が良くなる。
【００７０】
なお、上記いずれの実施形態にも共通することであるが、主陰極１６のＸ方向の長さに応じて、複数のヒータ２４を、構造的には、主陰極１６の長手方向（Ｘ方向）に沿って互いに直列に配置しても良い。但し、電気的には、複数のヒータ２４を互いに並列接続するのが好ましい。そのようにすると、直列接続の場合に比べて、複数のヒータ２４における電位の分布を均等にするのが容易になる。
【００７１】
図８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概略断面図である。なお、この図８では、熱電子発生源１０は大幅に簡略化して記載している。詳細は前記図１等に記載したとおりである。また、この明細書において、下流側と言うのは、イオンビーム５４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５４の進行方向とは反対方向側のことである。
【００７２】
このイオンビーム照射装置は、基板ホルダ５０に保持された被照射物である基板（例えば半導体基板）５２にイオンビーム５４を照射して、当該基板５２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５４の経路、基板５２および基板ホルダ５０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）。
【００７３】
基板５２の全面に均一にイオンビーム５４を照射するために、イオンビーム５４の照射時に、イオンビーム５４および基板５２を保持した基板ホルダ５０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５４を前記Ｘ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、基板ホルダ５０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。基板ホルダ５０の電位は、この例では接地電位にしている。
【００７４】
このイオンビーム照射装置は、イオンビーム５４の経路を少なくとも基板ホルダ５０の上流側近傍において取り囲む筒状で導電物製（例えばカーボン製）のリフレクター５６を備えている。このリフレクター５６は、この例では、Ｘ方向に長い角筒状をしている。
【００７５】
リフレクター５６と基板ホルダ５０との間には、リフレクター５６に、基板ホルダ５０に対して負の電圧ＶR1を印加する直流のリフレクター電源６２が接続されている。この電圧ＶR1は、例えば、−５Ｖ〜−１０Ｖ程度である。このリフレクター電源６２によって、リフレクター５６に負のポテンシャル（電位）を与えることができる。
【００７６】
リフレクター５６のＸ方向に沿う一方の壁面に、前記熱電子発生源１０を、絶縁物５８によって電気的に絶縁して取り付けている。より具体的には、熱電子発生源１０の容器１２とリフレクター５６との間に絶縁物５８を設けている。
【００７７】
この熱電子発生源１０の前記電子放出口１４は、リフレクター５６内に向けられてリフレクター５６内に通じている。リフレクター５６内に熱電子１８を放出するためである。しかも電子放出口１４は、イオンビーム５４の上流側に向けて斜めに配置されている。より具体的には、電子放出口１４の中心線１４ａ（図１も参照）とイオンビーム５４（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。
【００７８】
熱電子発生源１０の電子放出口１４の開き角度は、例えば６０°程度であり、上記角度αを６０°よりも大きくすると、基板ホルダ５０上の基板５２から熱電子発生源１０の前記引出し電極３２およびその背後にある主陰極１６を見通すことができる可能性が生じるので、前記不所望なコンタミネーションを抑制する効果が減少する。上記角度αを３０°よりも小さくすると、コンタミネーションを抑制する効果は増大するけれども、熱電子発生源１０から熱電子１８がより上流側に向けて放出されるので、熱電子１８を基板５２側へ曲げ戻すのが難しくなる。以上を総合すると、上記角度αは６０°〜３０°の範囲内が好ましく、その内でも４５°程度がより好ましい。
【００７９】
リフレクター５６内であって、熱電子発生源１０の電子放出口１４よりも上流側に、リフレクター５６とは電気的に絶縁して、筒状で導電物製（例えばカーボン製）の電子反射電極６０を設けている。この電子反射電極６０も、この例では、Ｘ方向に長い角筒状をしている。
【００８０】
この電子反射電極６０と熱電子発生源１０の前記主陰極１６（具体的にはそれにつながる前記接続部２２ａ）との間には、電子反射電極６０に、主陰極１６に対して負の電圧ＶR2を印加する直流の電子反射電源６４が接続されている。この電圧ＶR2は、例えば、−５Ｖ〜−２０Ｖ程度である。この電子反射電源６４によって、電子反射電極６０に負のポテンシャルを与えることができる。
【００８１】
このイオンビーム照射装置は、前述したようなヒータ電源４０、引出し電源４２およびエネルギー設定電源４４を備えている。これらの詳細については前述のとおりである。
【００８２】
このイオンビーム照射装置においては、熱電子発生源１０から発生した熱電子１８が基板５２に到達するときのエネルギーは、前述したようにエネルギー設定電源４４の出力電圧ＶG によって決まるので、熱電子発生源１０から０ｅＶ〜６ｅＶという低エネルギーの熱電子１８を大量に発生させることができる。電圧ＶG を０Ｖ〜−３Ｖに設定しておけば、０ｅＶ〜３ｅＶというより低エネルギーの熱電子１８を大量に発生させることができる。
【００８３】
しかも、熱電子発生源１０の電子放出口１４を上記のようにイオンビーム５４の上流側に向けて斜めに配置しているので、基板ホルダ５０に保持された基板５２から、熱電子発生源１０の引出し電極３２およびその背後にある主陰極１６を見通しにくくなる。その結果、加熱に伴って主陰極１６や引出し電極３２から発生する不純物粒子が基板５２に飛び込むのを抑制して、不所望なコンタミネーションをより一層抑制することができる。
【００８４】
また、リフレクター５６の内部にはイオンビーム５４による正のポテンシャル（電位）分布が存在するため、熱電子発生源１０の電子放出口１４から放出された熱電子１８は上記ポテンシャル分布によってリフレクター５６の内部に引き出されるが、図８中に代表的な熱電子１８の軌道を示すように、電子反射電極６０の負のポテンシャルによって熱電子１８は下流側に方向を変えてリフレクター５６の対向壁に向かう。この対向壁に向かった熱電子１８は、対向壁の直前でリフレクター５６の負のポテンシャルにより再度向きを変え、このようにしてビーム５４を軸として正弦波状のカーブを描きながら基板５２に向かう。これによって、熱電子１８を基板ホルダ５０上の基板５２の近傍に効率良く導くことができる。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効果的に抑制することができる。
【００８５】
上記電子反射電極６０の下流側の端部は、図８に示す例のように、熱電子発生源１０側の端部６０ａよりもその反対側の端部６０ｂの方が下流側に伸びた斜めの形状にしておくのが好ましい。この場合、厳密に言うと、端部６０ａは熱電子発生源１０の電子放出口１４よりも上流側に位置しているけれども、端部６０ｂは電子放出口１４よりも幾分下流側に位置している。
【００８６】
上記のようにすると、電子反射電極６０の負のポテンシャルを熱電子１８に対して斜めに作用させて、熱電子発生源１０から放出された熱電子１８を、電子反射電極６０の負のポテンシャルによって下流側に方向転換させる作用がより強くなるので、即ち端部６０ｂ付近を熱電子１８の下流側への方向転換により効果的に利用することができるので、熱電子１８を基板５２の近傍により効率良く導くことができる。その結果、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。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】この発明に係る熱電子発生源の一実施形態を電源と共に示す概略断面図である。
【図２】図１中の主陰極およびヒータ周りを示す拡大断面図であり、図４のＡ−Ａ断面に相当する。
【図３】図１中のヒータおよびその支持体を示す斜視図である。
【図４】図１中のヒータ、その支持体および絶縁体セラミックスを示す正面図である。
【図５】ヒータにＳiＣ薄膜を被着させた例を示す拡大断面図であり、図２に相当する。
【図６】ヒータと主陰極との間に高融点金属片を介在させた例を示す拡大断面図であり、図７のＢ−Ｂ断面に相当する。
【図７】ヒータ、その支持体および高融点金属片を示す正面図である。
【図８】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概略断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０  熱電子発生源
１４  電子放出口
１６  主陰極
１８  熱電子
２０  カーボン薄膜
２４  ヒータ
３０  絶縁体セラミックス
３２  引出し電極
４０  ヒータ電源
４２  引出し電源
４４  エネルギー設定電源
４６  ＳiＣ薄膜
４８  高融点金属片
５０  基板ホルダ
５２  基板
５４  イオンビーム
５６  リフレクター
６０  電子反射電極
６２  リフレクター電源
６４  電子反射電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005310632.tif 000006
【図５】
2005310632.tif 000007
【図６】
2005310632.tif 000008
【図７】
2005310632.tif 000009
【図８】
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