(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを生成するイオンビーム生成室と，原料ガスを導入するための原料ガス導入室とを有する真空容器を備えてなり，前記イオンビーム生成室に配置されるカソード電極の原料ガス導入側で生成されたプラズマから前記カソード電極に設けられた開孔を通じてイオンを引き出してなるイオン源を用いたイオンビーム発生方法において，
前記イオン源が，直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔を備え，前記原料ガス導入室からの原料ガスを前記微小開孔から前記イオンビーム生成室にガスジェットとして噴射する原料ガス導入部を有してなり，前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記原料ガス導入部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原料ガスに放電を生ぜしめ，該原料ガスをプラズマ化してイオンを引き出すものであって，
前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係を，前記微小開孔から噴射された直後の直径が数１００［μｍ］以下の微小領域に存在する前記原料ガスに放電が生じるようにパッシェンの法則に基づいて定めることを特徴とするイオン源を用いたイオンビーム発生方法。
【請求項２】
前記カソード電極の原料ガス導入部側とは逆側に配置され前記カソード電極の開孔よりも大きな開孔が設けられた引き出し電極と前記カソード電極との間に電圧を印加して，前記カソード電極の開孔を通じてイオンを引き出し前記引き出し電極の開孔からイオンを放出してなる請求項１に記載のイオン源を用いたイオンビーム発生方法。
【請求項３】
前記微小開孔が，真空容器の平面状の壁から前記カソード電極側に突出した導電性の微細管の開孔である請求項１又は２のいずれかに記載のイオン源を用いたイオンビーム発生方法。
【請求項４】
前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させてなる請求項３に記載のイオン源を用いたイオンビーム発生方法。
【請求項５】
前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に印加する電圧が，直流電圧，交流電圧，高周波電圧のうちの少なくとも一つである請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン源を用いたイオンビーム発生方法。
【請求項６】
カソード電極の原料ガス導入側で生成されたプラズマから前記カソード電極に設けられた開孔を通じてイオンを引き出してなるイオン源において，
真空容器の平面状の壁から前記カソード電極側に突出し直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔を備えた導電性の微細管を有し，前記微細管と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記微細管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原料ガスに放電を生ぜしめ，該原料ガスをプラズマ化してイオンを引き出すものであって，
前記微細管と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係が，パッシェンの法則に基づいて定められてなり，
前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させてなることを特徴とするイオン源。
【請求項７】
カソード電極の原料ガス導入側で生成されたプラズマから前記カソード電極に設けられた開孔を通じてイオンを引き出してなるイオン源において，
真空容器の平面状の壁から前記カソード電極側に突出し前記カソード電極の開孔よりも小さな微小開孔を備えた導電性の微細管を有し，前記微細管と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記微細管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原料ガスをプラズマ化するものであって，
前記微細管と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係が，パッシェンの法則に基づいて定められてなり，
前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させ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，イオンビーム描画など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などの気体を原料とした従来のイオン源のほとんどが，隔壁で囲まれたプラズマ室において生成されたプラズマからイオンを引き出す方式を採用している。この方式では，プラズマ室に原料ガスを導入し，直流，交流，あるいは高周波高電圧により放電を誘起し，高濃度のプラズマを生成させ，そのプラズマから該隔壁の一部に開けられた開孔を通じて，イオンを利用すべき真空空間へ導き，真空中の開孔近傍に設けられた引き出し電極に印加された負電位によって加速することにより，イオンビームが生成される。
このようなイオン源の一例として，ＰＩＧ(Penning Ionization Gauge)型ガスイオン源の概略構成を図５に示す。
図５に示す如く，このイオン源Ａ０では，プラズマ室１０１に，対向する２枚のカソード電極１０２（１０２ａ，１０２ｂ）と，その間に円筒形のアノード電極１０３があり，外部コイル（又は磁石）１０４により，数十〔ｍＴ〕の軸方向磁場が印加されている。原料ガス圧は一般に１×１０-1〜１×１０-2〔Ｐａ〕で動作する。電子は磁束線に巻き付いた円運動をしながら，２枚のカソード電極１０２の間を往復運動する。この間に原料ガス分子と衝突して電離し，電子とイオンを生ぜしめる。イオンは電場で加速され，カソード電極１０２に衝突して２次電子を複数生成し，プラズマ室１０１に再び電子を供給する。これら一連の電子増殖が，冷陰極気体放電によるプラズマ生成である。
アノード電極１０３とカソード電極１０２との間の電圧は，一般に１〜数〔ｋＶ〕程度である。一方のカソード電極１０２ａには，開孔１０２１が設けられており，プラズマ室１０１において生成されたプラズマから前記開孔１０２１を通じてイオンが引き出される。
前記カソード電極１０２ａの前記プラズマ室１０１とは逆側に，引き出し電極１０５が設けられており，この引き出し電極１０５と前記カソード電極１０２ａとの間に電圧を印加すると，前記カソード電極１０２ａの開孔１０２１から前記プラズマ室１０１のプラズマに電界が浸透し，この電界に加速されてイオンがプラズマから引き出されるのである。
プラズマに電界が浸透した遷移領域の大きさはデバイ長λD程度である。図６に示す如く，イオンは，ほぼ同数の電子（白丸）とイオン（黒丸）が存在している無電界のプラズマから引き出され，イオンが若干多い遷移領域を経て，イオンの空間電荷だけが存在するイオンシースにて加速される。
引き出されたイオンは，前記引き出し電極１０５の開孔１０５１を通じて放出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような，プラズマ室からイオンを引き出す方式のイオン源では，イオンが引き出されるカソード電極の開孔が比較的大きく，電磁的なレンズを用いたとしても，微小径イオンビームを得ることは困難であった。
これは，微小径イオンビームを得るべく，カソード電極の開孔を小さくすると，イオンが引き出せなくなってしまうためである。
例えばカソード電極１０２ａの厚さｔが２〔ｍｍ〕，開孔１０２１と引き出し電極１０５との距離ｄが１０〔ｍｍ〕，開孔径Ｄが２０〔ｍｍ〕のときに，開孔１０２１付近の中心軸上の電位分布を計算した計算結果を図７に示す。
図７に示す如く，開孔径Ｄが２０〔ｍｍ〕のとき（黒四角）には，開孔１０２１からプラズマ室１０１側に１０〔ｍｍ〕入ったところでも，引き出し電極１０５１とカソード電極１０２ａとの間の電圧ＶEXの最大電圧Ｖmaxうちの約３％の電位が入り込んでいる。
しかしながら，開孔径Ｄを４〔ｍｍ〕，２〔ｍｍ〕，０．２〔ｍｍ〕（＝２００〔μｍ〕）と小さくするに連れてプラズマ室１０１側に入り込む電位はほとんどなくなり，この状態ではプラズマからイオンを引き出すことができない。
イオンを引き出すためには，光学的条件として，ｔ≦Ｄ≦ｄ≦３Ｄ〜５Ｄ程度の関係を保つ必要がある。この条件は，プラズマ密度ｎや電圧ＶEXを大きくすることによって若干緩和されるが，どちらのパラメータも一桁以上の増大は物理的に不可能である。上の条件において，カソード電極１０２ａの厚みｔは，加工や強度といった面から考慮すると，小さく見積もっても，０．５〔ｍｍ〕が限界であるから，開孔径Ｄの下限も０．５〔ｍｍ〕程度となる。
このように，プラズマ室からイオンを引き出す方式では，開孔径Ｄが数１００〔μｍ〕以下の微小イオン源を実現することはほとんど不可能である。
微小径イオンビームを得るイオン源としては，液体窒素あるいは液体ヘリウムで冷却した金属表面に凝固させた気体原子・分子層からイオンを電界放出させるものが存在するが，引き出されたイオンビームのサイズは小さいものの，上述したような気体イオン源と比較してガス効率が著しく悪くかつ装置構成も複雑になるという問題点があった。
本発明は，このような従来の技術における課題を解決するために，イオン源を改良し，微小開孔から高圧噴射された原料ガスに放電を生ぜしめることによりイオンが引き出される領域自体を微小にすることによって，簡素な構成によりガス効率を損ねることなく微小径のイオンビームを得ることができるイオン源を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために，本発明は，イオンビームを生成するイオンビーム生成室と，原料ガスを導入するための原料ガス導入室とを有する真空容器を備えてなり，前記イオンビーム生成室に配置されるカソード電極の原料ガス導入側で生成されたプラズマから前記カソード電極に設けられた開孔を通じてイオンを引き出してなるイオン源を用いたイオンビーム発生方法において，前記イオン源が，直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔を備え，前記原料ガス導入室からの原料ガスを前記微小開孔から前記イオンビーム生成室にガスジェットとして噴射する原料ガス導入部を有してなり，前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記原料ガス導入部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原料ガスに放電を生ぜしめ，該原料ガスをプラズマ化してイオンを引き出すものであって，前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係を，前記微小開孔から噴射された直後の直径が数１００［μｍ］以下の微小領域に存在する前記原料ガスに放電が生じるようにパッシェンの法則に基づいて定めることを特徴とするイオン源を用いたイオンビーム発生方法である。
本発明では，直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔を備えた原料ガス導入部と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記原料ガス導入部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原料ガスに放電を生ぜしめ，該原料ガスがプラズマ化されてイオンが引き出される。
プラズマの生成領域は，ほぼ原料ガスの噴射方向に沿った微小領域に限定される。
特に，前記微小開孔の直径が１００〔μｍΦ〕よりも大きくなると，イオンの引き出し領域がそれに連れて大きくなってしまうことはもちろんであって，原料ガスの噴射圧力をある程度大きくしたまま前記微小開孔の直径を大きくすると，一般的なターボ分子ポンプでは，十分な排気が困難になるが，本発明によれば，前記微小開孔の直径が１００〔μｍΦ〕以下であるため問題はない。
また，高圧噴射された原料ガスが存在する領域のうちでも，拡散によって圧力が低下していない，前記原料ガスの粒子の方向が揃った，前記微小開孔から噴射された直後の直径が数１００［μｍ］以下の微小領域に存在する前記原料ガスに放電を生ぜしめることによって，その微小な領域に良好にプラズマを生成することが可能になり，微小径のイオンビームを得ることができる。
前記カソード電極の原料ガス導入部側とは逆側には，前記カソード電極の開孔よりも大きな開孔が設けられた引き出し電極が配置されており，前記引き出し電極と前記カソード電極との間に電圧を印加すれば，前記微小領域にあるプラズマから前記カソード電極の開孔を通じてイオンが引き出され，前記引き出し電極の開孔からイオンが放出される。
プラズマのある領域自体が微小であるため，イオンが引き出される領域も微小となり，カソード電極の開孔を小さくしたり，引き出し電極とカソード電極との間の印加電圧を変化させたり，プラズマ密度を変化させたりするだけでは極めて困難な大きさにまでイオンの引き出し領域を収束させることが可能となる。また，電界放出を用いたイオン源と較べるとガス効率は格段に良く，構成も簡素である。
本発明に係るイオン源において，真空容器の内壁から前記カソード電極側に突出した導電性の微細管の開孔から原料ガスを高圧噴射すれば，突出した導電性の微細管の開孔付近に電界が集中することから，イオン化が促進されると共に，より放電を安定させることができる。
さらに，前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させれば，レーザ光源の出力が比較的小さい場合でも前記微細管内の原料ガスに大きなエネルギーを与えてガス分子を励起させておくことが可能となり，ガス分子の励起により前記微細管の開孔から噴射された原料ガスのイオン化が促進され，より大きなイオン電流を取り出すことが可能となる。
前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に印加する電圧は，直流電圧であってもよいし，交流電圧，高周波電圧，さらにはこれらの組み合わせでもよい。
【０００５】
また，本発明は，カソード電極の原料ガス導入側で生成されたプラズマから前記カソード電極に設けられた開孔を通じてイオンを引き出してなるイオン源において，真空容器の平面状の壁から前記カソード電極側に突出し直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔を備えた導電性の微細管を有し，前記微細管と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記微細管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原料ガスに放電を生ぜしめ，該原料ガスをプラズマ化してイオンを引き出すものであって，前記微細管と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係が，パッシェンの法則に基づいて定められてなり，前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させてなることを特徴とするイオン源として構成される。
本発明では，直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔を備えた原料ガス導入部と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記原料ガス導入部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原料ガスに放電を生ぜしめ，該原料ガスがプラズマ化されてイオンが引き出される。プラズマの生成領域は，ほぼ原料ガスの噴射方向に沿った微小領域に限定される。特に，前記微小開孔の直径が１００〔μｍΦ〕よりも大きくなると，イオンの引き出し領域がそれに連れて大きくなってしまうことはもちろんであって，原料ガスの噴射圧力をある程度大きくしたまま前記微小開孔の直径を大きくすると，一般的なターボ分子ポンプでは，十分な排気が困難になるが，本発明によれば，前記微小開孔の直径が１００〔μｍΦ〕以下であるため問題はない。
【０００６】
また，本発明は，カソード電極の原料ガス導入側で生成されたプラズマから前記カソード電極に設けられた開孔を通じてイオンを引き出してなるイオン源において，真空容器の平面状の壁から前記カソード電極側に突出し前記カソード電極の開孔よりも小さな微小開孔を備えた導電性の微細管を有し，前記微細管と前記カソード電極との間に電圧を印加することにより，前記微細管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原料ガスをプラズマ化するものであって，前記微細管と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係が，パッシェンの法則に基づいて定められてなり，前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させてなることを特徴とするイオン源として構成される。
これにより，レーザ光源の出力が比較的小さい場合でも前記微細管内の原料ガスに大きなエネルギーを与えてガス分子を励起させておくことが可能となり，ガス分子の励起により前記微細管の開孔から噴射された原料ガスのイオン化が促進され，より大きなイオン電流を取り出すことが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下，添付図面を参照して，本発明の実施の形態につき説明し，本発明の理解に供する。なお，以下の実施の形態は，本発明の具体的な例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
図１は本発明の実施の形態に係るイオン源の概略構成を示す図である。
図１に示す如く，本発明の実施の形態に係るイオン源の真空容器１は，内壁２により，イオンビームを生成するイオンビーム生成室３と，原料ガスを真空容器１内に導入するための原料ガス導入室４とに分けられている。
前記イオンビーム生成室３には，カソード電極５と，引き出し電極６とが配置される。前記カソード電極５には，例えば直流電源５１により，前記内壁２（又は前記真空容器１）に対して負の電位が，前記引き出し電極６には，直流電源６１により，前記カソード電極５に対して負の電位が与えられる。
前記カソード電極５，及び前記引き出し電極６には開孔５２，６２がそれぞれ設けられている。前記カソード電極５の開孔５２を通じて，前記カソード電極５の前記内壁２側で生成されたプラズマ７からイオンが引き出され，前記引き出し電極６の開孔６２からイオンが放出される。
なお，前記イオンビーム生成室３の引き出し電極６側にはターボ分子ポンプなどの真空ポンプ８が接続されており，前記真空ポンプ８により前記イオンビーム生成室３の真空度は，１×１０-3〔Ｐａ〕程度に保たれる。
前記原料ガス導入室４には，例えばＨｅなどの気体原料ガスが外部から導入される。前記内壁２には，１００〔μｍΦ〕以下の直径を有する微小開孔９が設けられており，前記原料ガス導入室４に導入された原料ガスは，前記微小開孔９を通じて，前記カソード電極５の開孔５２に向かって前記イオンビーム生成室３側に高圧噴射される。
前記微小開孔９を備えた内壁２が本発明における原料ガス導入部に相当する。
【０００８】
前記原料ガス導入室４に導入された原料ガスの圧力ｐの上限，ひいては前記微小開孔９を通じて前記カソード電極５の開孔５２に向かって噴射された原料ガスの噴射圧力ｐａは，前記イオンビーム生成室３側の排気許容量Ｑ′に応じて定められる。
前記真空ポンプ８の排気速度Ｓが，ターボ分子ポンプとしては一般的な５００１／ｓ以下であるとすると，排気許容量Ｑ′はＱ′≪５×１０-4〔Ｐａ・ｍ3 ／ｓ〕となる。
ここで，微小開孔９の直径２Ｄが９〔μｍΦ〕であり，この微小開孔９を，長さＬが１〔ｍｍ〕のキャピラリであるとし，気体流を粘性流として扱うと，前記原料ガス導入室４から前記イオンビーム生成室３への原料ガスの流量Ｑは，次式によって表される。
Ｑ＝（π／（８ηＬ））・Ｄ4 ・（ｐ＋ｐａ）・（ｐ−ｐａ）／２
ただし，ηは気体の粘性係数で，η＝０．４９９ｖλρによって表される。ｖは分子平均速度，λは平均自由行程，ρは気体密度である。
上述した排気許容量Ｑ′に流量Ｑを当てはめれば，必要となる圧力ｐａに対して圧力ｐを定めることができる。
前記原料ガス導入室４に導入されたＨｅガスの圧力ｐを１×１０5 〔Ｐａ〕とし，前記微小開孔９から高圧噴射された直後のＨｅガスの圧力ｐａを４．８×１０2〔Ｐａ〕にするとすれば，このＨｅガスに対する流量Ｑは３．８×１０-5〔Ｐａ・ｍ3 ／ｓ〕となる。この流量Ｑは前記排気許容量Ｑ′より十分に小さく，真空システムとしての具現性に問題はない。長さＬが数ｍｍであれば，一般的なターボ分子ポンプを用いても，微小開孔９の直径が１００〔μｍΦ〕以下であれば，問題はないことが実験的にも確かめられている。
前記微小開孔９から高圧噴射された直後のＨｅガスの圧力ｐａが４．８×１０2〔Ｐａ〕であるとき，前記微小開孔９と前記カソード電極５との距離ｄを１０〔ｍｍ〕とすれば，両者の積ｐａ・ｄ＝４．８〔Ｐａ・ｍ〕となる。
パッシェンの法則に従えば，Ｈｅガスについて火花電圧（放電開始電圧）が最小となるのは，圧力ｐａと距離ｄの積ｐａ・ｄが５．３〔Ｐａ・ｍ〕となるときであり，最小火花電圧は１５５〔Ｖ〕である。
圧力ｐａと距離ｄの積ｐａ・ｄが４．８〔Ｐａ・ｍ〕であるというのは，最小火花電圧を与える場合よりも，少しだけ小さいが，前記微小開孔９と前記カソード電極５との間に３００〔Ｖ〕以上の電圧が印加されれば，前記微小開孔９から高圧噴射されたＨｅガスに十分に放電を生じさせることができる。
もちろん，上述のような条件と異なる場合でも，電源５１により前記微小開孔９と前記カソード電極５との間に印加される電圧の大きさＶと，前記原料ガスの噴射圧力ｐａと，前記微小開孔９から前記カソード電極５までの距離ｄとの関係をパッシェンの法則に基づいて定めれば，原料ガスに十分に放電を生じさせることができる。
【０００９】
前記微小開孔９から高圧噴射された原料ガスは，前記微小開孔９から噴射された直後から徐々に広がっていくが，ガスジェットの外部では急速にガス濃度が低下する。パッシェンの法則によれば，ガスジェットの外部では放電に必要な電圧が急速に大きくなるため，前記微小開孔９と前記カソード電極５との間に電源５１により適当な電圧を印加すれば，放電の発生領域は，ガスジェットの存在領域に限定されることになる。
ガスジェットの存在領域はほぼ微小開孔９の径に対応し，この領域で発生した放電によって原料ガスからプラズマが生成されるため，プラズマの存在領域も径が数１００〔μｍ〕以下の極めて小さいものとなる。
前記カソード電極５と前記引き出し電極６との間に電源６１により電圧を印加することによって形成された引き出し電界によって前記カソード電極５の開孔を通じて引き出されるイオンは，この微小なプラズマ領域から引き出されることになるから，イオンの引き出し領域自体が小さくなる。
このように，本発明の実施の形態に係るイオン源では，微小開孔から高圧噴射された原料ガスに放電を生ぜしめることによりイオンの引き出し領域自体が小さくされるから，簡素な構成によりガス効率を損ねることなく微小径のイオンビームを得ることができる。
本発明に係るイオン源を様々な用途に応用すれば，装置構成の簡素化，エネルギー利用効率の向上などを図ることが可能となる。
例えば本発明に係るイオン源は，局所分析が可能なラザフォード後方散乱分析装置に応用することができる。
ラザフォード後方散乱分析装置では，Ｈｅイオンビームを照射した局所領域における試料内元素の組成や量などが得られる。比較的高エネルギーのＨｅイオンビームを試料に入射させると，試料内元素の種類や深さ，量などの情報を持ってＨｅイオンが後方散乱されるが，この後方散乱されたＨｅイオンのエネルギーを検出することにより，試料内元素の組成や量などを得るのである。
従来のイオン源から引き出されたイオンビームの径は比較的大きな径であったため，イオンビームを一旦対物スリットでビーム径を微小サイズに整形した後，レンズによって照射物表面に縮小投影させる必要があり，装置が大きくなることが避けられず，また対物スリットでビーム電流を損失することも避けることができなかった。
これに対し，本発明に係るイオン源を応用したラザフォード後方散乱分析装置は，イオン源１の他，例えば図２に示す如く，ビーム粒子にエネルギーを与える加速管２０１，ビーム位置検出用のファラデーカップ又はビームプロファイルモニタ２０２，ビームプロファイルモニタ２０３，質量選択用のWien filter ２０４，ビーム収束用の四重極磁気レンズ（Q-magnet）２０５，ターゲットに装着された試料２０６によって後方散乱されたイオンを検出する検出器２０７などを備えるが，本発明に係るイオン源１を用いた場合には，イオンの発生点自体が極めて小さいため，対物スリットを設ける必要がなく単に縮小投影するのみでよい。
このため，光学系の構成が簡素になり，また光学系寸法を小さくすることが可能となる。さらに，対物スリットにおけるビーム電流の損失がなくなる分だけ，加速すべきイオンビームのビーム電流が小さくなるから，高電圧発生器の電源容量も小さくすることができる。その結果，装置の製造コストを大幅に抑えることが可能となる。
【００１０】
【実施例】
前記実施の形態では，平面状の内壁２に設けた微小開孔９から原料ガスを高圧噴射させていたが，これに限られるものではなく，例えば図３に示すように，真空容器１′の平面状の壁１ａ′から突出した微細管１１（本発明における原料ガス導入部の他の例である）の開孔９′から原料ガスを高圧噴射するようにしてもよい。
この場合，真空側のガス噴出開孔９′に電界が集中し，前記カソード電極５から飛来する電子が，ガスの濃い開孔９′近傍に集中するため，イオン化が促進されると共に，放電がより安定に維持されることになる。
また，微細管１１の高圧側に配置した，わずかｍＷ級半導体レーザ１２からのレーザ光を集束光学系１２１を介して，微細管１１内に入射することによって，レーザ光を微細管１１内壁で全反射させながら低圧側へ進行させると，微細管１１内に１０〔ＭＷ／ｍ2 〕もの密度の光エネルギーが充満する。この光エネルギーにより微細管１１内のガス分子は励起し，高圧噴射された際のイオン化が促進される。その結果，より大きなイオン電流を取り出すことが可能となる。
また，前記実施の形態では，ラザフォード後方散乱分析装置に本発明に係るイオン源を応用した例を説明したが，この応用例も含めて，本発明に係るイオン源の用途は，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，イオンビーム描画など様々である。
他の例として，本発明に係るイオン源を反応性イオンビームエッチング装置に応用した装置の構成例を図４に示す。
図４に示す如く，本発明に係るイオン源の微小開孔９，カソード電極５の開孔５２，及び引き出し電極６の開孔６２を複数個平面状に配列することによって，大口径の平行イオンビームを発生させることが可能である。本発明に係るイオン源では，イオンの発生点が極めて小さいため，イオンビームの平行性が高く，原料ガスとして，反応性の高いフッ素や塩素などのハロゲン系元素や酸素を用いれば，従来と較べて高いアスペクト比でのエッチングが可能となる。
また，前記実施の形態では，微小開孔９とカソード電極５との間に電源５１により直流電圧を印加したが，これに限られるものではなく，交流電圧や，高周波電源，あるいはこれらを組み合わせた電圧を印加するようにしてもよい。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明した通り，本発明にかかるイオン源を用いたイオンビーム発生方法では，前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係を，前記微小開孔から噴射された直後の直径が数１００［μｍ］以下の微小領域に存在する前記原料ガスに放電が生じるようにパッシェンの法則に基づいて定めることによって，その微小な領域に良好にプラズマを生成することが可能になり，微小径のイオンビームを得ることができる。
また，本発明に係るイオン源によれば，直径が１００〔μｍΦ〕以下である微小開孔から高圧噴射された原料ガスに放電を生ぜしめることによりイオンの引き出し領域自体が小さくされるから，簡素な構成によりガス効率を損ねることなく微小径のイオンビームを得ることができる。
また，本発明に係るイオン源では，前記原料ガス導入部と前記カソード電極との間に印加される電圧の大きさと，前記原料ガスの噴射圧力と，前記微小開孔から前記カソード電極までの距離との関係を，パッシェンの法則に基づいて定めることにより，良好にプラズマを生成することが可能となる。
さらに，本発明に係るイオン源及びイオン源を用いたイオンビーム発生方法において，真空容器の平面状の壁から前記カソード電極側に突出した導電性の微細管の開孔から原料ガスを噴射すれば，開孔近傍に電界が集中するため，噴射直後の原料ガスのイオン化が促進されると共に，より放電を安定させることができる。
さらに，前記微細管の高圧側から前記微細管内にレーザ光を入射して前記微細管内でレーザ光を全反射させれば，レーザ光源の出力が比較的小さい場合でも微細管内にある原料ガスの分子には大きなエネルギーが与えられ，原料ガス分子が励起することによって噴射直後のイオン化がより促進され，より大きなイオン電流を取り出すことが可能となる。
【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の概略構成を示す図。
【図２】  本発明の実施の形態に係るイオン源を応用したラザフォード後方散乱分析装置の概略構成を示す図。
【図３】  本発明の一実施例に係るイオン源の概略構成を示す図。
【図４】  本発明に係るイオン源を応用したエッチング装置の概略構成を示す図。
【図５】  従来のイオン源の一例を示す図。
【図６】  プラズマからのイオンの引き出しを説明するための図。
【図７】  電界の浸透状態の変化を説明するための図。
【符号の説明】
１…真空容器
２…内壁
５…カソード電極
６…引き出し電極
９…微小開孔
１１…微細管
１２…レーザ光源
５１，６１…開孔
【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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