(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し，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，前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の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カソード電極の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，
前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され，絶縁被覆され，さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し，
前記交流電極における前記アノード電極に対向する面が前記アノード電極の表面に平行に形成されてなることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し，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，前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の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カソード電極の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，
前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され，絶縁被覆され，さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し，
前記交流電極における前記アノード電極に対向する部分が半球状に形成され，
前記アノード電極における前記交流電極に対向する部分が絶縁被覆されてなることを特徴とするイオン源。
【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，特開２００１−２８３７４５号公報に示されている。図３は，前記公報に示されるイオン源Ｚの概略構成を表す図である。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４の壁の一部を構成し，微小開孔９が設けられたアノード電極２と，真空容器３内に設置され開孔５２が設けられたカソード電極５との間に電圧が印加され，前記アノード電極２の微小開孔９から前記カソード電極５の開孔５２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７化するとともに，引き出し電極６により前記カソード電極５の開孔５２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９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６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９から噴射された前記原料ガスの密度は，前記微小開孔９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２と前記カソード電極５との間の印加電圧Ｖs，及びｐｄ積（噴射圧力ｐと前記アノード電極２の微小開孔９〜前記カソード電極５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。図４（ａ）に示す表は，パッシェンの法則（図４（ｂ）はパッシェンの法則を表すグラフ）により定められた最適な前記印加電圧（Ｖsmin）及びｐｄ積（（ｐｄ）min）の値の一例である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，例えばヘリウムのように前記ｐｄ積の大きなガス（安定であるためプラズマ化しにくいガス）を原料ガスとして用いる場合，最適な前記ｐｄ積の条件を満たす目的で前記ガス導入室４のガス圧を上げてｐを大きくすると，真空容器３の圧力が必要以上に上がってしまい，加速されたイオンが散乱してしまう等の問題点があった。また，同目的でｄを大きくすると前記原料ガスの密度が低下するため良好なプラズマを生成できないという問題点があった。このため，ラザフォード後方散乱分析装置等のようにヘリウムイオンをプローブビームとして用いる用途に適用することが困難であった。
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，ヘリウムイオンのようにプラズマ化しにくい原料ガスであっても良好なプラズマを生成できるイオン源を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１発明は，原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し，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，前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の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カソード電極の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，前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され，絶縁被覆され，さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し，前記交流電極における前記アノード電極に対向する面が前記アノード電極の表面に平行に形成されてなることを特徴とするイオン源として構成されている。
また，第２発明は，原料ガスが高圧充填されたガス導入室の壁の一部を構成し，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，前記アノード電極の微小開孔から前記カソード電極の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カソード電極の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，前記ガス導入室内に前記アノード電極の微小開孔に対向して配置され，絶縁被覆され，さらに前記アノード電極との間で交流電圧が印加されて無声放電を行う交流電極を具備し，前記交流電極における前記アノード電極に対向する部分が半球状に形成され，前記アノード電極における前記交流電極に対向する部分が絶縁被覆されてなることを特徴とするイオン源として構成されている。
一般に，ヘリウムガス等における無声放電によってヘリウムイオンとともに寿命が非常に長いヘリウムの活性種（励起エネルギー２０ｅＶ）が生成されることが知られている。従って，大気圧若しくはそれ以上の圧力下にある前記ガス導入室内において，前記アノード電極の微小開孔（即ち，前記原料ガスの噴射口）近傍で無声放電を生じさせることにより，前記原料ガスが前記微小開孔から噴射される前に励起及びイオン化されるので，パッシェンの法則で定まる最適な条件よりも緩やかな条件（例えば，より小さい前記ｐｄ積等）で良好なプラズマを生成させることが可能となる。
【０００５】
また，一般に，オゾナイザの生成等に用いられる無声放電は，大気圧程度の圧力下において表面を絶縁した対向電極に交流の高電圧を印加することにより得られ，特に，ヘリウムガスでの無声放電は，比較的低い電圧（例えば，数ｋＨｚ，４００Ｖ／ｍｍ）で安定した無声放電が得られるので，前述した構成により前記アノード電極の微小開孔近傍に安定した無声放電を発生させることができる。
さらに，前記第２発明のように，前記アノード電極の前記無声放電手段と対向する部分に絶縁被覆を施せば， 前記アノード電極の表面粗さに起因する異常放電（アーク放電）を抑制してより安定した無声放電を生じさせることができる。
また，前記第２発明のように，前記交流電極の前記アノード電極の微小開孔に近接する部分を，半球状（角がない滑らかな形状）に形成することにより，異常放電（アーク放電）を抑制してより安定した無声放電を生じさせることができる。
また，前記第１発明のように，前記交流電極の前記アノード電極の微小開孔に対向する部分を，前記アノード電極に平行な平面状に形成すれば，前記交流電極と前記アノード電極との間に生じる無声放電領域が広くなり，原料ガスが前記無声放電領域を通過する時間が長くなるため，原料ガスがより十分に励起及びイオン化され，より緩やかな条件で良好なプラズマを生成させることが可能となる。
【０００６】
【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及びその主要部の概略構成を表す図，図２は本発明の実施例に係るイオン源Ｘ１の主要部の概略構成を表す図，図３は従来のイオン源Ｚの概略構成を表す図，図４はパッシェンの法則の法則を表すグラフ及びパッシェンの法則により定められた最適な印加電圧及びｐｄ積の値の一例を表す表である。
【０００７】
図１（ａ）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，絶縁壁１２と微小開孔４が設けられたアノード電極３とで仕切られ，外部から原料ガス１が高圧充填（圧力ｐ≒１気圧）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。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，前記カソード電極６の開孔６，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（前記アノード電極３と前記カソード電極６との間隔＝ｄ）。さらに，前記ガス導入室１１内には，図１（ｂ）に示すように，絶縁支持台２４で支持され，セラミック等の絶縁材で０．５〜１ｍｍ程度の厚みの絶縁被覆２０が施された電極２１（以下，交流電極という）が前記アノード電極３の微小開孔４に１ｍｍ程度の距離まで近接して設けられ，前記交流電極２１と前記アノード電極３との間には交流電圧（１〜２０ｋＨｚ，１ｋＶ程度）が印加されている。これにより，前記交流電極２１と前記アノード電極３との間に連続した微小放電である無声放電の領域２２が生じる（前記交流電極２１と前記アノード電極３とにより前記無声放電手段の一例を構成）。ここで，前記交流電極の前記微小開孔４に近接（対向）する部分は，アーク放電が生じないように半球状（角がない滑らかな形状）に形成されている。さらに，前記アノード電極３の前記ガス導入室１１内側の前記交流電極２１と近接（対向）する部分にも絶縁被覆を施せば（不図示），前記アノード電極３の表面粗さに起因する異常放電（アーク放電）を抑制してより安定した無声放電を生じさせることができる。
【０００８】
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から前記カソード電極６の開孔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７により，前記カソード電極６の開孔６を通じてイオン（ヘリウムイオン等）が引き出される。本イオン源Ｘの特徴は，前記アノード電極３の微小開孔４に近接する前記交流電極２１を具備するので，中性ガスである原料ガス１が，前記微小開孔４から噴射される前に，前記交流電極２１と前記アノード電極３との間の無声放電領域２２を通過して励起（活性化）及びイオン化される点である。これにより，ヘリウムガスのようにパッシェンの法則における前記ｐｄ積が大きな原料ガス１であってもプラズマ化しやすくなり，パッシェンの法則で定められる最適条件よりも緩やかな条件（より低いｐｄ積等）で微小径のプラズマを生成することが可能となる。
【０００９】
【実施例】
前記イオン源Ｘでは，前記交流電極２１の前記微小開孔４に近接する部分が，半球状に形成されていたが，図３に示すように，前記アノード電極３の微小開孔４に近接（対向）する部分が，前記アノード電極３に平行な平面状に形成された交流電極２１'を用いたイオン源Ｘ１であってもよい。これにより，前記交流電極２１'と前記アノード電極３との間に生じる無声放電領域２２'が広くなり，原料ガス１が前記無声放電領域２２'を通過する時間が長くなるため，原料ガス１がより十分に励起及びイオン化され，前記イオン源Ｘよりもより緩やかな条件（より低いｐｄ積等）で微小径のプラズマを生成することが可能となる。また，前記ガス導入室１１内の前記微小開孔４近傍に無声放電を生じさせる手段は，前記交流電極２１，２１'以外によるものであってもかまわない。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，アノード電極の微小開孔の近傍で交流電極等により無声放電を生じさせることにより，原料ガスが前記微小開孔から噴射される前に無声放電領域を通過して励起及びイオン化されるので，パッシェンの法則で定まる最適な条件よりも緩やかな条件（例えば，より小さい前記ｐｄ積等）で良好なプラズマを生成させることが可能となり，その結果，従来困難であったヘリウム等の安定な原料ガスについても微小径のプラズマ及びイオンビームを得ることが可能となる。
【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及びその主要部の概略構成を表す図。
【図２】本発明の実施例に係るイオン源Ｘ１の主要部の概略構成を表す図。
【図３】従来のイオン源Ｚの概略構成を表す図。
【図４】パッシェンの法則の法則を表すグラフ及びパッシェンの法則により定められた最適な印加電圧及びｐｄ積の値の一例を表す表。
【符号の説明】
１…原料ガス（ヘリウムガス等）
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
６…カソード電極
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
１２…絶縁壁
２０，２０'…絶縁被覆
２１，２１'…交流電極
２２，２２'…無声放電領域
２４…絶縁支持台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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