(57)【要約】【課題】電子ビームの作る空間電荷ポテンシャルを間欠的に消滅させて、低価数イオンの蓄積を抑制することにより、高価数イオンを増やすことができる電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法を提供する。【解決手段】電子源４からの電子ビームを間欠的に発生させて、ドリフトチューブ５（イオン閉じ込め領域）でガスの多価イオンを生成し、多価イオンをコレクタ６側へ引き出す。【選択図】図１
2013239303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生する電子源と、前記電子ビームが通過するとともにイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブと、前記ドリフトチューブで前記イオン閉じ込め領域を形成する超伝導磁石と、前記閉じ込め領域にイオン源となるガスを導入するガス導入手段と、前記ドリフトチューブを通過する電子ビームを捕集するコレクタを含むとともに、前記電子源、前記ドリフトチューブ、前記超伝導磁石及び前記コレクタが真空環境に配置された電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法において、
前記電子源からの電子ビームを間欠的に発生させて、前記イオン閉じ込め領域で前記ガスの多価イオンを生成し、前記多価イオンを前記コレクタ側へ引き出すことを特徴とする電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法。
【請求項２】
前記電子源の電子ビームは、一定の時間間隔でオンオフされて間欠的に発生するものである請求項１に記載の電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多価イオンは、束縛電子を少数しかもたない正のイオンであり、剥ぎ取られた電子の各電離エネルギーの総和に相当する大きなポテンシャルエネルギーを有する。前記多価イオンが固体表面に入射した場合、そのポテンシャルエネルギーが解放される結果として、例えば、入射点近傍にナノメートルサイズの構造変化が起き（非特許文献１、２）、或いは、1 個の多価イオンに対し数十から数百の２次電子が放出され（非特許文献３）、或いは、多価イオンのポテンシャルエネルギーに起因した電子的遷移に誘起されたスパッタリング現象が起きることが知られている（非特許文献４、５）。
【０００３】
このような多価イオン源としては、電子ビームイオン源（ＥＢＩＳ）が公知である（特許文献１）。
電子ビームイオン源（ＥＢＩＳ）は、電子源、ドリフトチューブ、コレクター、ソレノイド磁石、コレクタなどから構成されている。電子源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、コレクターに回収される。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る。一方、ドリフトチューブに導入された気体は、イオンに対して障壁となるドリフトチューブ内に形成される井戸型ポテンシャルによって、電子による衝突電離が進み多価イオンを生成し蓄積する。なお、前記蓄積される多価イオンは一種類の電荷ではなく、価数に分布をもつ。
【０００４】
ドリフトチューブからあふれ出る多価イオンの強度を高めるためには、ドリフトチューブ中の電子ビームの電流密度と導入ガスの圧力を高めることが必要である。導入ガスの圧力に関しては、イオン強度は、ある範囲では圧力に比例するが、あまり高すぎると、できた多価イオンとの衝突による電荷の再結合（価数が減少する過程）が無視できなくなる。従って、高価数イオン強度を最大にする最適圧力領域がある。
【０００５】
ドリフトチューブに蓄積されるイオンの総量（電荷の和）は一定であるため、高価数イオンを増やすためには、イオン源から取り出される高価数イオンの割合を増すことが必要である。
【０００６】
なお、非特許文献６は、本願の出願時の技術水準を示すための文献である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１０８０５４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Meguro et al.：Appl. Phys. Lett.79 (2001) 3866-3868.
【非特許文献２】Y. Baba, K. Nagata, S. Takahashi, N. Nakamura, N. Yoshiyasu,M. Sakurai, C.Yamada, S. Ohtaniand M. Tona： Surface Sci. 599(2005)248-254.
【非特許文献３】J.W. McDonald, D. Schneider, M.W.Clark and D.DeWitt： Phys. Rev. Lett. 68(1992)2297.
【非特許文献４】M. Tona, S. Takahashi, K. Nagata, N. Yoshiyasu, C. Yamada, N. Nakamura, S.Ohtaniand M. Sakurai： Appl. Phys. Lett.87 (2005) 224102.
【非特許文献５】M. Tona, H. Watanabe, S. Takahashi, N. Nakamura,N. Yoshiyasu, M. Sakurai,T. Terui, S. Mashiko, C. Yamada, and S. Ohtani： Surface Sci. (accepted)
【非特許文献６】櫻井誠、他６名、”ナノプロセス用多価イオン源の製作”、［online］、掲載年月日不明、神戸大学、平成２４年５月７日検索、インターネット＜ＵＲＬ：http://www2.kobe-u.ac.jp/~msakurai/EBIS/PhysicalSociety05Spring.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、電子ビームイオン源において、大きなイオン強度を得るためには、イオンの種ガス（通常希ガス）の導入圧力を高くする必要があるが、そうすると、高価数イオンばかりでなく、低価数イオンも大量に蓄積されることになり、高価数イオンの大量発生に障害となっている。
【００１０】
従来は、電子ビームを定常的に直流で運転する従来の運転モードでは、上記の最適圧力領域でガスを導入した場合、上記の再結合により蓄積イオン中の低価数イオンの占める割合が徐々にまし、高価数イオンの割合が減少する問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、電子ビームの作る空間電荷ポテンシャルを間欠的に消滅させて、低価数イオンの蓄積を抑制することにより、高価数イオンを増やすことができる電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、電子ビームを発生する電子源と、前記電子ビームが通過するとともにイオン閉じ込め領域となるドリフトチューブと、前記ドリフトチューブで前記イオン閉じ込め領域を形成する超伝導磁石と、前記閉じ込め領域にイオン源となるガスを導入するガス導入手段と、前記ドリフトチューブを通過する電子ビームを捕集するコレクタを含むとともに、前記電子源、前記ドリフトチューブ、前記超伝導磁石及び前記コレクタが真空環境に配置された電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法において、前記電子源からの電子ビームを間欠的に発生させて、前記イオン閉じ込め領域で前記ガスの多価イオンを生成し、前記多価イオンを前記コレクタ側へ引き出すことを特徴とする電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法を要旨としている。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１において、前記電子源の電子ビームは、一定の時間間隔でオンオフされて間欠的に発生するものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、間欠的に電子ビームの作る空間電荷ポテンシャルを消滅させて、邪魔な低価数イオンの蓄積を抑制することにより、高価数イオンを増やすことができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、一定の時間間隔でオンオフされて間欠的に電子ビームを発生することにより、請求項１の効果を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図。
【図２】電子源の構成を模式的に示す拡大断面図。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】アノード電極の電源の模式的なブロック図。
【図６】従来の電子ビームを直流で制御したときのアルゴン多価イオンの質量スペクトル。
【図７】実施例の電子ビームを間欠的に制御したときのアルゴン多価イオンの質量スペクトル。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法を図１〜図５を参照して説明する。
まず、本実施形態で使用する電子ビーム多価イオン源を説明する。
【００１８】
図１に示すように、電子ビーム多価イオン源１は、第１真空容器２内に配置されるイオン源電極３と、第２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、ガス導入手段２０とを備えている。イオン源電極３は、電子源（なお、電子源を説明の便宜上、電子銃ともいう）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。
【００１９】
第１真空容器２及び第２真空容器１０は、それぞれ独立して構成されている。前記第１真空容器２は第２真空容器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真空容器１０の環内に第１真空容器２が挿通して配置されている。そして、筒状の第２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。
【００２０】
第１真空容器２及び第２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１０-10Ｐａ（１０-12Ｔｏｒｒ）の真空が必要である。このため、第１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真空容器２は、２５０〜３００℃程度にまでベーキングすることが可能となっている。
【００２１】
ここで、第１真空容器２及び第２真空容器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。
【００２２】
第２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。
【００２３】
図２に示すように、電子源４は、第１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、フィラメント電極（カソード電極ともいう）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（Ｂｕｃｋｉｎｇｃｏｉｌ）７を備え、磁気シールド部８に収容されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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の第１真空容器２に電子源４を収容することができ、第２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。
【００２６】
このため、第１真空容器２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。
【００２７】
図１に示すようにドリフトチューブ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。
【００２８】
この際、イオンとなる気体は、ガス導入手段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、ガス導入手段２０は、気体源２０ａ，流量調整部２０ｂ，第１真空容器２内への配管部２０ｃなどから構成されている。
【００２９】
上記のガス導入手段２０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、電子ビーム多価イオン源１の外部に取り出される。
【００３０】
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、例えば、出口側の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。この方法はパルスモードと呼ばれている公知の方法である。
【００３１】
図１に示すコレクタ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。
【００３２】
図１に示すように、超伝導磁石１１は第１コイル１１ａ及び第２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コイル１１ａ及び第２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。
【００３３】
本実施形態の電子ビーム多価イオン源１は、第２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真空容器１０の環状の空隙に第１真空容器２が挿入されている。すなわち、超伝導磁石１１の空隙（ボア）内に、第１真空容器２が挿入されている。上記のようにして、この第１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からなるイオン源電極３が配置されている。
【００３４】
また、前記第２真空容器１０は、第１真空容器２から、両者の真空を破らずに脱着が可能となっている。
次に、図４を参照して、本実施形態の電子ビーム多価イオン源１に印加される電源を説明する。
【００３５】
図４では、一例として電子の加速電圧が４０ｋＶの場合の電源を示している。同図に示すように、電子源（電子銃）４のフィラメント電極４ａには１５Ｖ，２Ａ、フォーカス電極４ｂには５０Ｖ，１ｍＡ、アノード電極４ｃには０ｋＶ又は１０ｋＶ、スノート電極４ｄには１５ｋＶ，１ｍＡの電源が、ベース電位（基準電圧）である例えば０〜−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、ベース電位である例えば０〜１０ｋＶの電源上に、第１電極（図４ではＤＴ１）には５００Ｖ、第２電極（図４ではＤＴ２）には５００Ｖ、第３電極（図４ではＤＴ３１）には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、電子源（電子銃）４の前記ベース電位である例えば０〜−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。これらの電源は、直流電源からなる。
【００３６】
ここで、前記アノード電極４ｃの電源について、さらに説明する。
図５に示すように、アノード電極４ｃの電源は、直流定電圧電源Ａ，Ｂからなる。直流定電圧電源Ａ，Ｂは、アナログスイッチ２５の切替動作により高速高電圧アンプ２６に切替接続可能になっている。前記高速高電圧アンプ２６は、直流定電圧電源Ａ，Ｂから印加された電圧を所定のゲインで増幅して、アノード電極４ｃに印加するようにしている。
【００３７】
なお、直流定電圧電源Ａは、一例として１０Ｖであり、一方、直流定電圧電源Ｂは直流定電圧電源Ａよりも低い電圧、例えば０Ｖの電源である。前述するように直流定電圧電源Ａ，Ｂは、電子源（電子銃）４の前記ベース電位である例えば０〜−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。
【００３８】
アナログスイッチ２５は、パーソナルコンピュータＰＣに対して、接続部２７、ケーブル２８、及び接続部２９を介して接続されている。ここで、電子銃の電位が高電圧の場合は、前記ケーブル２８は、光ファイバーにより構成されるとともに、接続部２７は光送信モジュールで構成され、接続部２９は光受信モジュールにより構成されて、パーソナルコンピュータＰＣと電子銃間は電気的に絶縁されている。また、電子銃の電位が低電圧の場合は、前記ケーブル２８は、電線（例えば、同軸ケーブル）により構成されるとともに、接続部２７及び接続部２９は電線接続のための接続端子により構成されている。そして、パーソナルコンピュータＰＣからアナログスイッチ２５に対し、前記ケーブル２８等を介してＴＴＬ信号を送信することにより、該ＴＴＬ信号のローレベルとハイレベルの切替タイミングで、アナログスイッチ２５を切替することにより、高速高電圧アンプ２６に対する直流定電圧電源Ａと直流定電圧電源Ｂの接続を交互に切り替えるようにしている。
【００３９】
前記高速高電圧アンプ２６の例について説明する。
例えば、前記高速高電圧アンプ２６のゲインを１０００とし、電圧範囲を０〜１０ｋＶ、スルーレート３０Ｖ／μｓとした場合、電子ビーム電流１００ｍＡを発生させるために必要なアノード電圧（カソードに対するアノード電極の電位）は約４ｋＶである。従って、直流定電圧電源Ａの電圧は４Ｖ、直流定電圧電源Ｂの電圧は０Ｖである。
【００４０】
また、この場合において、アナログスイッチ２５の切り替え時間を２００ｎｓ程度とした場合、アナログスイッチ２５の切り替え時間は前記高速高電圧アンプ２６の応答時間に比較して十分に速い時間である。
【００４１】
この前記高速高電圧アンプ２６のスルーレートから、アノード電極の電圧が０Ｖと４ｋＶの間を切り替わる時間は１３０μｓ程度であり、この切り替わる時間は、電子ビームを止めてドリフトチューブ５内の邪魔な低価数イオンの蓄積を抑制するために必要な時間より十分短い時間である。
【００４２】
なお、この例に挙げられた数値は、限定するものではない。
（本実施形態の多価イオン生成方法）
以上のように構成された電子ビーム多価イオン源における多価イオン生成方法について以下に説明するが、従来の方法と比較のために、まず、従来の電子ビーム多価イオン源の多価イオン生成方法を先に説明する。
【００４３】
なお、従来の電子ビーム多価イオン源の構成は、既に説明した上記電子ビーム多価イオン源の構成中、図５におけるパーソナルコンピュータＰＣ，接続部２７，２９、ケーブル２８、アナログスイッチ２５、直流定電圧電源Ｂ、及び高速高電圧アンプ２６が省略されている。そして、アノード電極へは、例えば、１０ｋＶの直流高電圧が印加されるようにされているところが、本実施形態の電子ビーム多価イオン源の構成と異なり、他の構成は同じ構成を有する。従って、従来の多価イオン生成の方法の説明では、説明の便宜上、本実施形態の電子ビーム多価イオン源の構成と同一構成については同一符号を付して説明する。
【００４４】
（従来の多価イオン生成方法）
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。ここで、アノード電極の電源の直流高電圧である１０ｋＶとし、他の電源については図４に示す電源を用いた場合には、電子源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。
【００４５】
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位まで減速されて捕集される。
【００４６】
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。
【００４７】
一方、ガス導入手段２０から、最適圧力領域で導入されたガスは、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。前記電子ビームの電子による衝突電離が進むと、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。
【００４８】
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、障壁（井戸型ポテンシャル）を形成している出口側の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。
【００４９】
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１のドリフトチューブ５とコレクタ６間では４０ｋＶで一且加速され、第１真空容器２を出る際は、この第１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。
【００５０】
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。
【００５１】
ここで、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なる。
【００５２】
（本実施形態の多価イオン生成方法）
次に、本実施形態の多価イオン生成方法について説明する。
本実施形態の多価イオン生成方法では、図５に示すパーソナルコンピュータＰＣが出力するＴＴＬ信号に基づいて、高速高電圧アンプ２６と、直流定電圧電源Ａ，Ｂのそれぞれの接続をアナログスイッチ２５により交互に切り替えることにより、前記ＴＴＬ信号と同期した電圧のパルス信号を前記高速高電圧アンプ２６に出力する。前記高速高電圧アンプ２６は、この電圧のパルス信号を所定ゲイン（前記例では１０００）で増幅して、アノード電極４ｃに印加する。
【００５３】
ここで、前記高速高電圧アンプ２６の例のように、電圧範囲を０〜１０ｋＶ、スルーレート３０Ｖ／μｓとし、アナログスイッチ２５の切り替え時間を２００ｎｓ程度とする。
この場合、前記ＴＴＬ信号の周期、ひいてはアノード電極に印加する電圧のパルス信号の周期は、０．０１ｓ未満でもよいが、電子ビームの平均電流が低くなるため、好適には、０．０１〜１．０ｓ（すなわち、１０〜１０００ｍｓ）が好ましい。また、前記高速高電圧アンプ２６から出力される電圧のパルス信号の周期の中でローレベルの時間長は、１００μｓ以上、好ましくは３００μｓ以上であって、１ｍｓ以下が好ましい。
【００５４】
例えば、電圧のパルス信号の周期を、１．０ｓとし、周期の中のローレベルの時間長を１ｍｓとした場合、デューティ比は、０．９９９となる。
また、電圧のパルス信号の周期を、０．０１ｓとし、周期の中のローレベルの時間長を１ｍｓとした場合、デューティ比は、０．９となる。
【００５５】
このような、電圧のパルス信号のデューティ比（＝パルス幅（ハイレベル）／周期）は、１に近い値となる。電圧のパルス信号のデューティ比は０．９〜１．０未満が好ましい。デューティ比が０．９未満の場合は、電子ビームの電流密度が高くならないため好ましくなく、デューティ比が１は、従来方法と同じの直流となるからである。
【００５６】
なお、ここでは、説明はしないが、電圧のパルス信号の周期を、０．０１ｓまたは１．０ｓとし、周期の中のローレベルの時間長を１００μｓ、或いは３００μｓとした場合、上述したデューティ比０．９、又は０．９９９よりもさらに、デューティ比が１に近い値となることは自明である。
【００５７】
ここで、前記ローレベルの時間長は、前述した低価数イオンをなくすために必要な時間である。
上記のようにして、一定の時間間隔で、短時間（前記ローレベルの時間長分）、電子ビームを停止する。ここで電子ビームが生成されているときは、イオンは前記井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子は、電子ビームの空間電荷ポテンシャルにおいて電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進み、多価イオンを生成する。
【００５８】
ここで、従来は、電子ビームが継続的に発生しているため、電子ビームの空間電荷ポテンシャルにおいて、再結合により蓄積イオン中の低価数イオンも増加する。
それに対して、本実施形態では、上記の方法により、下記のことが推測できる。
【００５９】
すなわち、電子ビームが、周期的に（定期的に）電子ビームが停止（消滅）するため、井戸型ポテンシャルの電子ビームが周期的に消滅し、電子ビームが通過する領域、すなわち、空間電荷ポテンシャルがなくなる。このため、動径方向のイオンの閉じ込めがなくなり、低価数イオンの蓄積がその都度抑制されるとともに、その都度、従来よりも高価数イオンの割合が高くなる。
【００６０】
このようにして、電子ビームが生成されているときには、電子ビームとの空間電荷ポテンシャルと障壁（井戸型ポテンシャル）で囲まれた空間領域では高価数イオンが蓄積される。
【００６１】
上記のように推測されるが、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、障壁（井戸型ポテンシャル）を形成している出口側の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。
【００６２】
本実施形態の方法によれば、下記の特徴がある。
（１）  本実施形態の多価イオン生成方法は、電子源４からの電子ビームを間欠的に発生させて、ドリフトチューブ５（イオン閉じ込め領域）でガスの多価イオンを生成し、多価イオンをコレクタ６側へ引き出すようにしている。この結果、間欠的に電子ビームの作る空間電荷ポテンシャルを消滅させて、邪魔な低価数イオンの蓄積を抑制することにより、高価数イオンを増やすことができる。
【００６３】
（２）  本実施形態の多価イオン生成方法は、電子源４の電子ビームは、一定の時間間隔でオンオフされて間欠的に発生するようにしていることにより、上記（１）の効果を容易に実現できる。
【００６４】
（前記実施形態の方法が適用できる荷電粒子ビーム装置）
次に、本実施形態の多価イオン発生源の多価イオンの生成方法が適用できる荷電粒子ビーム装置について説明する。
【００６５】
図３に示すように本実施形態で説明した電子ビーム多価イオン源１を用いた荷電粒子ビーム装置３０は、電子ビーム多価イオン源１に第３真空容器３１が接続され、第３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真空容器３１は、真空排気装置３５により、電子ビーム多価イオン源１の真空排気装置１５，１６とは独立に真空排気される。
【００６６】
イオン分離器３２は、電子ビーム多価イオン源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ステージ等を用いられる。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
次に、本実施形態の電子ビーム多価イオン源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。
【００６９】
上述した方法により、電子ビーム多価イオン源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、表面処理装置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。本実施形態の方法により電子ビームを発生する多価イオン源１を用いた荷電粒子ビーム装置３０によれば、電子ビーム多価イオン源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】
【００７０】
次に、実施例を説明する。
実施例の多価イオン発生源は、非特許文献６に記載の神戸大学の「Ｋｏｂｅ  ＥＢＩＳ」を使用した。「Ｋｏｂｅ  ＥＢＩＳ」は、前記実施形態で説明した多価イオン発生源の構成を有する。
【００７１】
「Ｋｏｂｅ  ＥＢＩＳ」は、加速電圧（ｋＶ）は最大４０ｋＶであり、電子ビーム電流は最大３００ｍＡ、トラップ領域の長さ２００ｍｍ、ＤＴ（ドリフトチューブ）中心の磁束密度は３Ｔ（テラ）、イオンビームは１０7から１０8のスペックを有する。
【００７２】
実施例としては、ガスとしてアルゴンガスを使用し、ＴＴＬ信号の周期を２００ｍｓ、電子ビームのオフ時間（ＴＴＬ信号のローレベルの時間長）は１ｍｓとした。また、運転時（電子ビーム電流７０ｍＡ、加速電圧１６ｋＶ）の到達圧力は３×１０-8Ｐａとし、アルゴンガスの導入圧力を１×１０-8Ｐａとした。
【００７３】
比較例として、ＴＴＬ信号を使用せずに、ＴＴＬ信号のハイレベル時と同じアノード電圧で電子ビームを発生させた。直流の電子ビームを発生させるために印加する電圧以外の他の条件は、実施例と同じとした。
【００７４】
図６及び図７は、発生した多価イオンを質量スペクトルで計測した結果を示す。縦軸はイオン電流（ｐＡ）、横軸はコイル電流（単位は任意単位である）である。
図６の従来の方法による比較例では、高価数イオンになるほど強度（イオン電流）が減少するとともに、１４価までしか、識別できない。
【００７５】
それに対して、図７に示す実施例では、１７価までの高価数イオンを明瞭に識別できるとともに、本実施例の１２価から１６価までは略同じ強度（イオン電流）が得られるとともに、比較例の１２価、１３価、１４価よりも大きい強度（イオン電流）が得られた。
【００７６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように構成してもよい。
・  前記実施形態では、電子ビームは、一定の時間間隔でオンオフされて間欠的に発生するようにしたが、不定期的に間欠的に電子ビームを発生させてもよい。この場合、前述した周期の範囲で可変とするようにすればよい。
【００７７】
・  前記実施形態で挙げた各数値は、例であるため、その数値を、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更するようにしてもよい。
・  前記実施例では、アルゴンガスを使用したが、実施形態において、多価イオンを発生させる対象のガスはアルゴンガスに限定されるものではなく、他のガスを使用してもよい。
【００７８】
・前記実施形態において、パルスモードの代わりにリークモードで高価数イオンをコレクタ側へ引き出すようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１…電子ビーム多価イオン源、４…電子源、５…ドリフトチューブ、
６…コレクタ、１１…超伝導磁石、２０…ガス導入手段。
【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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