(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化電極と、このイオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、上記イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、上記イオン化電極と上記引き出し電極とに該引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、
上記固体イオン導電体のイオン化電極を配設した面と反対側の表面は、微小な複数の突起を有し、
上記イオン化電極に気体を供給して該気体の負イオンビームを生成する、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項２】
イオン化電極と、このイオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、上記イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、上記イオン化電極と上記引き出し電極とに該引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、
上記固体イオン導電体のイオン化電極を配設した面と反対側の表面は、表面改質されており、
上記イオン化電極に気体を供給して該気体の負イオンビームを生成する、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項３】
前記イオン化電極は、気体を透過し、かつ電子導電性を有する部材から構成されている、請求項１又は２に記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項４】
前記イオン化電極は、気体分子の解離とイオン化を促進する触媒効果を有する、請求項１〜３の何れかに記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項５】
さらに、固体イオン導電体を所定の温度に保持する加熱手段を有し、該所定の温度で特定の負イオンのみを導電する、請求項１〜４の何れかに記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項６】
前記引き出し電極は、網目構造または一つ以上の孔やスリットを有する導電体からなり、前記固体イオン導電体から前記負イオンを引き出し、加速し、該負イオンを通過させる、請求項１〜５の何れかに記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項７】
前記イオン化電極は酸素分子の解離とイオン化を促進する触媒効果を有するイオン化電極であり、前記固体イオン導電体は酸素イオン導電体であり、上記イオン化電極に空気または酸素気体を供給し、酸素の負イオンビームを生成する、請求項１〜６の何れかに記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項８】
前記酸素イオン導電体は、安定化ジルコニア、セリア系固溶体、または酸化ビスマスである、請求項７に記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項９】
前記イオン化電極はフッ素分子の解離とイオン化を促進する触媒効果を有するイオン化電極であり、前記固体イオン導電体はフッ素イオン導電体であり、上記イオン化電極にフッ素を成分とする気体を供給し、フッ素の負イオンビームを生成する、請求項１〜６の何れかに記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項１０】
前記固体イオン導電体は、フッ化カルシュウム、またはフッ化ランタンである、請求項９に記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の負イオンビーム生成装置と、該負イオンビーム生成装置の引き出し電極の後方に配置したターゲットと、上記負イオンビーム生成装置のイオン化電極、引き出し電極及び上記ターゲットを収容して真空に保持する真空容器と、上記イオン化電極と上記引き出し電極と上記ターゲットとに上記イオン化電極側から順に電位が高くなるように電圧を印加する直流電源とを含み、上記イオン化電極に気体を供給して該気体の負イオンビームを上記ターゲットにイオン注入する、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置。
【請求項１２】
イオン化電極と、このイオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、上記イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、上記イオン化電極と上記引き出し電極とに該引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、上記イオン化電極に気体を供給して該気体の負イオンビームを生成する、負イオンビーム生成装置と、
上記負イオンビーム生成装置の引き出し電極の後方に配置したターゲットと、
上記負イオンビーム生成装置のイオン化電極と上記ターゲットとに該ターゲット側の電位が高くなるように電圧を印加する直流電源と、
を備え、
上記負イオンビーム生成装置の固体イオン導電体の上記ターゲットに対向する面が先端の尖った凸部を有し、
上記イオン化電極に気体を供給して上記先端の尖った凸部から上記ターゲットに上記気体の負イオンビームをイオン注入する、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置。
【請求項１３】
イオン化電極と、このイオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、上記イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、上記イオン化電極と上記引き出し電極とに該引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、上記イオン化電極に気体を供給して該気体の負イオンビームを生成する、負イオンビーム生成装置と、
該負イオンビーム生成装置の引き出し電極の後方に配置したターゲットと、
上記負イオンビーム生成装置のイオン化電極、引き出し電極及び上記ターゲットを収容して真空に保持する真空容器と、
上記イオン化電極と上記引き出し電極と上記ターゲットとに上記イオン化電極側から順に電位が高くなるように電圧を印加する直流電源と、
を備える、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置において、
上記負イオンビームの進行方向を変化させ、かつ、上記固体イオン導電体から放出される電子を上記負イオンビームから分離する磁場印加手段を有することを特徴とする、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置。
【請求項１４】
前記負イオンビーム生成装置は、請求項１乃至１０の何れかに記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置である、請求項１２又は１３に記載の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置。
【請求項１５】
請求項１〜１０のいずれかに記載の負イオンビーム生成装置を用い、該負イオンビーム生成装置の生成する負イオンビームを特定の方向に放出して推進力を得る、固体イオン導電体を用いた宇宙空間移動用推進装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体イオン導電体を用いた、負イオンビーム生成装置、負イオンビーム打込み装置及び宇宙空間移動用推進装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、イオンビームは、半導体デバイス製造において各種原子のイオン注入，イオンビームエッチング，あるいはイオンビーム蒸着等に利用されている。例えば、現在の高集積半導体デバイスは、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ＩＭｐｌａｎｔｅｄ  ＯＸｙｇｅｎ）基板の薄い表面単結晶層にデバイスを形成し、高速、低消費電力、高温動作、放射線高耐性を実現している。ＳＩＭＯＸ基板はＳｉ基板に酸素イオンをイオン注入して熱処理することにより、表面単結晶層とこの単結晶層の下の埋め込みＳｉＯ2 層とを再成長して形成する。
ところで従来のイオンビーム生成方法は、原子をプラズマ状態でイオン化し、電界によって引き出すといった方法が主流である。しかしながら、プラズマ状態を形成するには、真空装置、プラズマ励起用電源、あるいはプラズマ閉じこめのための複雑な磁場装置等を必要とする。また、プラズマ中の高エネルギー粒子が装置構成部材に衝突して装置を傷めるのみならず、これらの粒子によってスパッタされた原子がイオンビーム中に混入するため、質量分離装置などを付加してイオンビーム中の不純物原子を取り除かなければならない。このため、ＳＩＭＯＸ基板製造のように、大面積にわたって均一に酸素をイオン注入する場合には、装置が極めて高価になると共にスループットが低いという課題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のイオンビーム生成方法を利用した装置においては、装置が複雑で高価であり、またイオンビーム生成効率も悪く、従ってコストが高いといった課題がある。
また、従来のイオンビームは、正イオンビームを利用する場合がほとんどである。すなわち、プラズマ中のイオンは正と負の両方のイオンが生ずるが、正イオンに比べて負イオンの量が格段に少ないため、十分なビーム電流を取り出すことができないためである。
しかしながら、絶縁物基板へ正イオンを打ち込むと、基板に正電荷が蓄積してしまい、著しく基板電位を上昇させ、基板自体を壊してしまったり、粉体にイオン注入する場合には粉体が飛び散ってしまうといった課題がある。
一方、負イオンでイオン注入すれば、基板を構成する原子から容易に２次電子が放出されるので電位の著しい上昇はおこらない（応用物理  第６５巻  第６号１９９６年第５８７〜５９６頁参照）。
このように、負イオンビームが望まれているが、従来は高強度の負イオンビームを得る方法がなかった。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑み、低コストで、かつ、効率よく負イオンビームを生成する装置、負イオンビーム打込み装置、及び宇宙空間移動用推進装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、負イオンを固体イオン導電体に供給し、負イオンを固体イオン導電体中を導電させ、導電した負イオンを放出して負イオンビームを生成する手法を採用している。
特に、負イオンの供給は、気体分子を電気化学反応で解離ならびに負イオン化し、負イオンを固体イオン導電体の表面に接触させて供給する。負イオンの導電は、固体イオン導電体中の電気化学ポテンシャルによって導電させる。負イオンの放出は、固体イオン導電体の表面ならびに表面近傍に存在する負イオンの熱エネルギーによる熱放出、または、固体イオン導電体の表面の電界による放出である。
よって、気体分子を電気化学反応で負イオン化するから、容易に大量の負イオンが生成される。固体イオン導電体は、特定の負イオンしか導電しないから、特定の負イオンのみが選別される。固体イオン導電体中に電気化学ポテンシャルの勾配が存在するから、選別された負イオンは速やかに固体イオン導電体中を移動し、固体イオン導電体の他の面に到達する。固体イオン導電体の表面に外部に向かう電界が存在するから、到達した負イオンは容易に負イオンビームとなって放出される。固体イオン導電体の表面から放出されて失われる分の負イオンは気体中から供給されるので、連続的に多量に負イオンビームを生成することが可能である。
従って、低コストで、容易に、かつ高効率で負イオンビームを生成できる。例えば、酸素の負イオンビームを生成する場合には、例えば固体酸化物型燃料電池に使用されている空気極をイオン化電極として使用し、空気から大量の酸素負イオンを取り出すことができ、また、固体イオン導電体として、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）を使用すれば、酸素負イオンのみが選択的に輸送され、純粋な酸素負イオンビームが得られるので、従来のイオンビーム装置に必要であった不純物イオンを取り除くための質量分離装置が不必要となる。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の負イオンビーム生成装置は、イオン化電極と、イオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、イオン化電極と引き出し電極とに引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、固体イオン導電体のイオン化電極を配設した面と反対側の表面は、微小な複数の突起を有し、イオン化電極に気体を供給して気体の負イオンビームを生成する。
本発明の負イオンビーム生成装置は、イオン化電極と、イオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、イオン化電極と引き出し電極とに引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、固体イオン導電体のイオン化電極を配設した面と反対側の表面は、表面改質されており、イオン化電極に気体を供給して気体の負イオンビームを生成する。
上記装置において、好ましくは、イオン化電極は、気体を透過し、かつ電子導電性を有する部材から構成されている。このイオン化電極は、好ましくは、気体分子の解離とイオン化を促進する触媒効果を有する。
さらに、固体イオン導電体を所定の温度に保持する加熱手段を有し、該所定の温度で特定の負イオンのみを導電する。
前記引き出し電極は、好ましくは、網目構造または一つ以上の孔やスリットを有する導電体からなり、固体イオン導電体から前記負イオンを引き出し、加速し、負イオンを通過させる。
これらの構成によれば、従来、生成することが難しかった負イオンビームを容易に生成できるので、負イオンビーム生成コストを低くすることができる。例えば、２次イオン質量分析装置の１次イオン源として用いれば、２次イオン質量分析装置を小型、かつ低コストで提供することができる。しかも、固体イオン導電体表面の負イオン放出エネルギーを低下させることができ、より低温でより高いイオン放出効率を実現できる。
【０００８】
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置は、イオン化電極が酸素分子の解離とイオン化を促進する触媒効果を有するイオン化電極であり、固体イオン導電体が酸素イオン導電体であり、イオン化電極に空気または酸素気体を供給し、酸素の負イオンビームを生成することを特徴とする。酸素イオン導電体は、安定化ジルコニア、セリア系固溶体、または酸化ビスマスであることが望ましい。
この構成によれば、低コストで酸素負イオンビームを生成できる。
【０００９】
また、本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成装置は、イオン化電極がフッ素分子の解離とイオン化を促進する触媒効果を有するイオン化電極であり、固体イオン導電体がフッ素イオン導電体であり、イオン化電極にフッ素を成分とする気体を供給し、フッ素の負イオンビームを生成することを特徴とする。固体イオン導電体はフッ化カルシュウム、またはフッ化ランタンであることが望ましい。
この構成によれば、低コストでフッ素負イオンビームを生成できる。
【００１０】
さらに、本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置は、上記の構成の負イオンビーム生成装置と、負イオンビーム生成装置の引き出し電極の後方に配置したターゲットと、負イオンビーム生成装置のイオン化電極、引き出し電極及びターゲットを収容して真空に保持する真空容器と、イオン化電極と引き出し電極とターゲットとにイオン化電極側から順に電位が高くなるように電圧を印加する直流電源とを含み、イオン化電極に気体を供給して気体の負イオンビームをターゲットにイオン注入することを特徴としている。
この構成による本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置によれば、従来、生成することが難しかった負イオンビームを容易に生成できるので、イオン打込みのコストを極めて低くできる。例えば酸素の負イオンビームを打ち込む場合には、固体イオン導電体のイオン選択輸送性により、負イオン原料として純粋酸素を必要とせず、空気を使用することができる。また、固体イオン導電体のイオン選択輸送性によりイオン種が選別されるので、従来のプラズマからの引き出し法によるイオン打込み装置に必要不可欠であった質量分離装置が不必要になり、装置コストを極めて低廉化することができる。
【００１１】
また、本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置は、イオン化電極と、イオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、イオン化電極と引き出し電極とに引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、イオン化電極に気体を供給して該気体の負イオンビームを生成する、負イオンビーム生成装置と、負イオンビーム生成装置の引き出し電極の後方に配置したターゲットと、負イオンビーム生成装置のイオン化電極とターゲットとにターゲット側の電位が高くなるように電圧を印加する直流電源と、を備え、負イオンビーム生成装置の固体イオン導電体のターゲットに対向する面が先端の尖った凸部を有し、イオン化電極に気体を供給して先端の尖った凸部からターゲットに気体の負イオンビームをイオン注入する。
この構成による本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置によれば、固体イオン導電体の先端の尖った凸部に電界が集中するから、極めて径が細いイオンビームを生成できる。固体イオン導電体の凸部をナノメーター・レベルで尖らせれば、ビーム径をナノメーター・オーダーにでき、ナノ領域へのイオン打込みができる。また、負イオンの種類を選択すれば、ナノ・テクノロジー分野の加工手段として使用することもできる。
【００１２】
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置は、イオン化電極と、このイオン化電極と接触して配設する固体イオン導電体と、イオン化電極を配設した面と反対側の固体イオン導電体の面に対向して配設する引き出し電極と、イオン化電極と引き出し電極とに引き出し電極側の電位が高くなるように電圧を印加する電源と、を備え、イオン化電極に気体を供給して気体の負イオンビームを生成する、負イオンビーム生成装置と、負イオンビーム生成装置の引き出し電極の後方に配置したターゲットと、負イオンビーム生成装置のイオン化電極、引き出し電極及びターゲットを収容して真空に保持する真空容器と、イオン化電極と引き出し電極とターゲットとにイオン化電極側から順に電位が高くなるように電圧を印加する直流電源と、を備える、固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置において、負イオンビームの進行方向を変化させ、かつ、固体イオン導電体から放出される電子を負イオンビームから分離する磁場印加手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の固体イオン導電体を用いた宇宙空間移動用推進装置は、上記の負イオンビーム生成装置を用い、負イオンビーム生成装置の生成する負イオンビームを特定の方向に放出して推進力を得ることを特徴とする。
この構成による宇宙空間移動用推進装置は、構成が単純であるから、信頼性が高く、また、大型化せずに出力を増大できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成方法を、イオン打込み装置に応用した例を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム打込み装置の構成を示す図である。
図１において、本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置１０は、酸素イオン導電体１１と、イオン化電極１２と、引き出し電極１３と、真空容器１５と、直流電源１６と、磁場印加手段１７と、生成したイオンビーム１８を打ち込むターゲット１９とを含んで構成されている。
酸素イオン導電体１１は、酸素負イオンのみを選択的に輸送する性質を有しているものであり、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の分野で広く研究されているイットリア添加型の安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。
酸素イオン導電体１１は、酸素イオン導電体１１が酸素負イオンを輸送するために必要な所定の温度（約５００℃以上）を保持するための図示しない加熱手段を有している。
イオン化電極１２は、多孔質状または網目状に形成された電子導電性を有するセラミック、または金属等の部材から構成されており、酸素イオン導電体１１の一側（図示の場合、左側）の端面１１ａに接触して配設されている。イオン化電極１２の酸素イオン導電体１１と接する面と反対側の面は、生成しようとするイオン種を含む気体１４、この例の場合は空気または酸素ガス、に接するようになっている。イオン化電極１２は、固体酸化物型燃料電池技術分野では空気極と呼ばれている。
【００１５】
引き出し電極１３は、酸素イオン導電体１１の他側（図示の場合、右側）の端面１１ｂに対向するように配設されており、例えば、中心に負イオンビームを通過させるための一つ以上の孔のスリット１３ａ（図２参照）を有する導電体からなっている。
ターゲット１９は、引き出し電極１３の後方、すなわち、引き出し電極１３を挟んで酸素イオン導電体１１とは反対側に配設されている。
真空容器１５は、酸素イオン導電体１１，イオン化電極１２，引き出し電極１３及びターゲット１９を収容すると共に、図示しない真空排気系により真空排気されるように構成されている。
なお、この例の場合、酸素イオン導電体１１は、真空容器１５の壁面の一部として構成されている。
イオン化電極１２をアース電位として、引き出し電極１３及びターゲット１９は順に電位が高くなるように直流電源１６によってバイアスされている。磁場印加手段１７は、この例の場合、真空容器１５の外側から、引き出し電極１３及びターゲット１９の間の領域に磁場を印加するように構成されている。
【００１６】
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置１０は上記のように構成されており、以下のように動作する。
イオン化電極１２に接触した気体酸素原子が、電気化学反応によりイオン化電極１２から電子を付与され２価の酸素負イオンＯ2-となり、酸素イオン導電体１１に取り込まれる。取り込まれた酸素負イオンＯ2-は酸素イオン導電体１１中の電気化学ポテンシャルによって輸送され、酸素イオン導電体１１の他側の表面１１ｂに到達する。到達した酸素負イオンＯ2-は、表面１１ｂと引き出し電極１３及びターゲット１９との間で形成される電界によってＯ- 及びｅ（電子）として取り出される。取り出された酸素負イオンＯ- 及びｅは、表面１１ｂと引き出し電極１３及びターゲット１９との間で形成される電界によって加速され、引き出し電極１３に設けられた孔１３ａを通過するが、磁場印加手段１７の磁場によって酸素負イオンＯ- はほぼ直進してターゲットに打ち込まれ、ｅは大きく進路を曲げられてターゲットに衝突しない。
酸素イオン導電体１１の表面１１ｂから酸素負イオンＯ- が放出されると共に、酸素イオン導電体１１の表面１１ａにイオン化電極から酸素負イオンＯ2-が補給され連続的に酸素負イオンビーム１８が放出される。
【００１７】
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置によれば、固体イオン導電体が特定の負イオンのみを輸送するという、固体イオン導電体のイオン選択輸送性を利用して特定の負イオンを収集するから、従来不可能であった負イオンビームを容易に生成することができる。従って、従来不可能であった、絶縁物等へのイオン打ち込みが可能になり、有用物質の表面改質等が可能になる。また、固体イオン導電体の表面積を大きくすれば、大面積にわたって負イオンビームを放出できる。また、装置構成が、従来のプラズマからイオンを引き出す方法に較べ著しく単純であるから、極めて信頼性が高くかつ低コストである。そして、固体イオン導電体のイオン選択輸送特性が極めて選択性が高いので純度の高い原料ガスを必要とせず、極めて低コストで負イオンビームを発生できる。
【００１８】
図３は、本発明の第２の実施の形態の固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム打込み装置の構成を示す図である。
図３において、本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置２０は、図１に示した本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置１０と較べ、固体イオン導電体の表面が鋭角に尖った凸部１１ｃを有すること、及び引き出し電極を必要としないことが異なる。
【００１９】
この構成によれば、凸部に電界が集中するので、引き出し電極無しに負イオンビームを凸部から取り出すことができる。また、凸部が鋭角に尖っているのでナノメーター径のイオンビームも可能であり、ナノメーター領域へのイオン打ち込みが可能となると共に、ナノ・テクノロジーの微細加工手段として利用することもできる。
【００２０】
図４は、本発明の第３の実施の形態の固体イオン導電体を用いたフッ素負イオンビーム打込み装置の構成を示す図である。
本装置はフッ素負イオンビームを打込むための装置であり、イオン化電極に接触させる原料気体１４がフッ素を成分とする気体であること、及び、固体イオン導電体が、例えばフッ化カルシュウムであるフッ素イオン導電体であることが図１の装置と異なる。
近年の半導体デバイスの製造においては、微細化が進み、これに伴いフォトリソグラフィーに用いる光源が短波長化し、フォトマスク基板に用いる従来のガラスでは光が透過しなくなった。このため、シリカガラスにフッ素をドープして光透過率を改善する試みがなされている（応用物理  第６９巻  第４号（２０００年）ｐ４１５〜４１９）。
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム打込み装置を用いれば、フッ素負イオンビームを生成でき、負イオンであるから絶縁物に打ち込んでも電位の上昇が小さく、電位の上昇による絶縁物破壊が生じないので、例えば、シリカガラスに容易にフッ素をドープすることができ、高品質なフォトマスク基板を得ることができる。また、固体イオン導電体の表面を図３に示したように先端の尖った凸形状とすれば、フッ素イオンによるエッチング特性を利用して微細加工ができる。
【００２１】
上記説明では本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成方法を、イオン打込み装置に応用する例を説明したが、これに限らず以下に説明する応用が可能である。
従来の２次イオン質量分析計においては、２次イオンを生成するための１次イオンビームとしては酸素正イオンビームを使用する場合が多く、測定用サンプルが絶縁材料の場合には電子線を照射してサンプルのチャージアップを防止している。本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成方法を使用すれば、測定用サンプルが絶縁材料であってもチャージアップ問題が発生しないから、電子ビーム源が不要となり、２次イオン質量分析計の小型化、低コスト化が可能になる。
【００２２】
また、宇宙空間移動用推進器は、イオンロケットが最もエネルギー効率が高い推進器として盛んに研究されている（応用物理  第６９巻  第４号（２０００）ｐ４０６〜４１０参照）。しかしながら、従来のイオンロケットはプラズマでイオンを生成し、電界で引き出し加速する方式である。
この方式においては、プラズマ生成のための装置が複雑であり、宇宙空間のように極めて高い信頼性を必要とする用途には適さないと考えられる。また、出力を大きくしようとすれば、極めて大きなプラズマ生成装置を必要とし、ロケットに占める推進器の割合が増えてしまう。
本発明の固体イオン導電体を用いた負イオンビーム生成方法は極めて単純な構造でイオンを生成でき、また、大型化せずに出力を増大できる。本発明の固体イオン導電体を用いたイオンロケットは、極めて信頼性が高く、また、大型化せずに推進力を大きくできる。
【００２３】
また、固体イオン導電体の負イオン放出効率を高めるためには、固体イオン導電体のイオン化電極を配設した面と反対側の表面を微細加工によって微小な多数の突起を設けることが有効である。
また、固体イオン導電体のイオン化電極を配設した面と反対側の表面を表面改質しても良い。
このように、固体イオン導電体の負イオン放出エネルギーを低下させることによって、より低温で、より高密度の負イオンビームを生成できる。
【００２４】
次に、本発明の実施例を示す。
図５は、本実験に用いた固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム生装置の構成を示す図である。
本酸素負イオンビーム生成装置４０は、ＹＳＺからなる一端を閉じたチューブ（外径８ｍｍ，内径５ｍｍ，長さ３００ｍｍ）４１を酸素負イオンを選択的に導電する固体イオン導電体として用い、ＹＳＺチューブ４１の閉じられた尖端部分４２にＰｔペースト４３を塗布して触媒機能を有するイオン化電極とした。Ｐｔペースト４３からリード線４４及び抵抗１００ｋΩを介してアース端子４５に接続している。
引き出し電極はＹＳＺチューブの閉じられた尖端部分から約１ｍｍ離して配置した、直径１０ｍｍ，厚さ０．１ｍｍ，孔の直径２ｍｍの白金円盤４６である。ターゲットは、白金円盤４６から十分離して配置した、外径２１ｍｍ，内径１８ｍｍ，長さ１５０ｍｍの一端を閉じた銅製のチューブの底面４７である。
ＹＳＺチューブ４１、白金円盤４６、及び銅製のチューブ底面４７は、封入冶具４８を介して石英管４９中に封入されており、石英管４９内は真空ポンプ５０によって排気されている。ＹＳＺチューブ４１近傍の石英管４９外壁には、ＹＳＺチューブ４１を一定温度に保つためのヒーター５１が取り付けてある。白金円盤４６及び銅製のチューブ底面４７は１００ｋΩ抵抗及び電圧計５２を介して直流電源５３に接続され、白金円盤４６、銅製のチューブ底面４７の順にアース電位より高い電位が与えられている。原料気体は空気であり、ＹＳＺチューブ４１の開口部５４を介してＰｔペースト４３に自然供給される。
【００２５】
図６は、固体イオン導電体から放出される引き出し電流の印加電圧依存性を示す図である。
実験は、ＹＳＺチューブ４１を、８５０℃、９００℃、９５０℃のそれぞれの温度に保ち、それぞれの温度において直流電源５３の電圧を０から６５０ボルトまで変化させて、それぞれの電圧値において、白金円盤４６に流入する電流を、電圧計５２の電圧値から評価した。真空度は約１×１０-3Ｐａである。
図において、横軸は直流電源５３の印加電圧を示し、縦軸は白金円盤４６に流入する引き出し電流値である。黒四角（■）、黒逆三角（▼）、黒丸（●）はそれぞれＹＳＺチューブ４１の温度が８５０℃、９００℃、９５０℃であることを表す。
図６から明らかなように、ＹＳＺチューブの温度が８５０℃，９００℃、９５０℃と高くなるに従って引き出し電流値が増えている。この引き出し電流値の温度依存性は、ＹＳＺチューブ先端４２からの酸素負イオンの熱放出効率を反映したものである。
【００２６】
図７は、引き出し電流が負の酸素イオンからなることを示す質量分析結果である。横軸は質量電荷比（ｍａｓｓ−ｔｏ−ｃｈａｒｇｅ  ｒａｔｉｏ：ｍ／ｅ- ）、縦軸は計数率（ｃｏｕｎｔｓ／ｓ）を示す。
測定は、負イオンの測定ができる質量分析装置（ＨＩＤＥＮ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｌｔｄ．製）を図５の銅製チューブ４７の替わりに配置し、ＹＳＺチューブ４１の温度が９２５℃、真空度が４．２×１０-4Ｐａ、直流電源５３の電圧が４５０Ｖの条件で測定した。
図に示されているように、質量電荷比１６のところにピークがあることから、引き出し電流が負の酸素イオンからなることがわかる。
【００２７】
図８は、石英管４９内の圧力上昇速度の印加電圧依存性を示す図である。
実験は直流電源５３のそれぞれの印加電圧において、真空ポンプ５０による石英管４９内の排気を停止し、停止後の石英管４９内の圧力上昇速度を測定した。図において、横軸は印加電圧を示し、縦軸は圧力上昇速度を示す。
図から明らかなように、圧力上昇速度は印加電圧が大きくなるに従って大きくなり、また印加電圧に対する依存性は図６の引き出し電流の印加電圧依存性と類似している。このように、圧力上昇速度の測定からも、ＹＳＺチューブから酸素負イオンが放出されていることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストで、かつ効率よく負イオンビームを生成できる。
また、本発明の負イオンビーム生成装置は各種の負イオン源として利用でき、特に、本発明の負イオンビーム打込み装置は、大面積にわたって負イオンを打ち込むことができ、また、ナノオーダーの微小領域にも打ち込むこともできる。また、本発明を宇宙空間移動用推進装置として利用した場合は、信頼性が高く、推進力が大きく、かつ小型であり、今後の宇宙空間移動用推進装置として極めて有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム打込み装置の構成を示す図である。
【図２】引き出し電極の形状を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム打込み装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の固体イオン導電体を用いたフッ素負イオンビーム打込み装置の構成を示す図である。
【図５】本実験に用いた固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム生装置の構成を示す図である。
【図６】固体イオン導電体から放出される引き出し電流の印加電圧依存性を示す図である。
【図７】引き出し電流が負の酸素イオンからなることを示す質量分析結果のグラフである。
【図８】石英管内の圧力上昇速度の印加電圧依存性を示す図である。
【符号の説明】
１０    固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム打込み装置
１１    酸素イオン導電体
１１ａ，１１ｂ    酸素イオン導電体の面
１１ｃ  酸素イオン導電体の先端の尖った凸部
１２    イオン化電極
１３，１３ａ    引出し電極
１４    原料気体
１５    真空容器
１６    直流電源
１７    磁場印加手段
１８    負イオンビーム
１９    ターゲット
２０    固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム打込み装置
３０    固体イオン導電体を用いたフッ素負イオンビーム打込み装置
４０    実験に用いた固体イオン導電体を用いた酸素負イオンビーム生成装置
４１    ＹＳＺチューブ
４２    ＹＳＺチューブ先端
４３    Ｐｔペースト
４４    リード線
４５    アース端子
４６    白金円盤
４７    銅製チューブ
４８    封止冶具
４９    石英管
５０    真空ポンプ
５１    ヒーター
５２    電圧計
５３    直流電源
５４    ＹＳＺチューブ開口部
【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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【図８】
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