(57)【要約】【課題】イオン源において、電極間の印加電圧を増加させることなく高輝度イオンビームの生成に必要な電界強度を確保しながら、容器の微小開口から噴射される原料ガスの純度を高める。【解決手段】この発明に係るイオン源は、尖った先端１６を有する電界電離電極１０と、これを収容する容器２０と、外部電極３０とを備える。容器２０は、原料ガスを噴射するための微小開口２６を囲み、その微小開口２６の近傍に電界電離電極１０の先端１６が配置され、この電界電離電極１０と外部電極３０との間にイオンビーム生成用の電界を形成するための電圧Ｖが印加される。容器２０の内周面２４は、内径が一定の円筒状内周面２７と、微小開口２６から後方に向かうに従って拡径しながら円筒状内周面２７に至る拡径内周面２８とを有する。【選択図】図１
2009277434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを噴射するとともにその噴射する原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するイオン源であって、
特定の軸方向に沿って延びると共に、尖った先端を有する電界電離電極と、
絶縁材料からなり、前記電界電離電極をその径方向の外側から囲む内周面を有し、内部に原料ガスが供給される容器と、
前記容器の外部に設けられ、前記電界電離電極との間に電圧が印加されることにより前記電界電離電極の先端近傍に電界電離用の電界を形成する外部電極とを備え、
前記容器は、前記電界電離電極の先端がその軸方向に挿通可能な微小開口を囲む形状の先端部を有し、その微小開口またはその近傍に前記電界電離電極の先端が位置するように当該電界電離電極が配置され、
前記容器の内周面は、前記微小開口よりも後方の位置で前記電界電離電極を囲み、一定の内径を有する筒状内周面と、前記微小開口から前記容器の後方に向かうに従って拡径しながら前記筒状内周面に至る拡径内周面とを有することを特徴とするイオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン源において、
前記容器の拡径内周面は、前記微小開口から前記筒状内周面に至るまで円錐台状に拡径することを特徴とするイオン源。
【請求項３】
請求項１に記載のイオン源において、
前記容器の拡径内周面は、前記筒状内周面に近づくに従って拡径度合いが増大する面であることを特徴とするイオン源。
【請求項４】
請求項１に記載のイオン源において、
前記容器の拡径内周面は、前記筒状内周面に近づくに従って拡径度合いが減少する面であることを特徴とするイオン源。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のイオン源において、
前記微小開口を含みかつ前記電界電離電極の軸方向と直交する平面に対して前記拡径内周面の交わる角度が３０°以上７０°以下であることを特徴とするイオン源。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のイオン源において、
前記容器は、５以上の比誘電率をもつ誘電体であることを特徴とするイオン源。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のイオン源において、
前記電界電離電極は、その先端が前記微小開口と同じ平面上に位置しまたは当該微小開口を通じて前記容器の外部に突出するように、配置されていることを特徴とするイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度で微小径のイオンビームを発生させるためのイオン源であって、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、走査イオン顕微鏡等に用いられるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液体金属イオン源が開発されて以来、半導体工業等の分野ではサブミクロン以下に細く集束したイオンビームの応用が急速に広まっている。しかし、液体金属イオン源では得られるイオン種に限りがある。特にアルゴンなどの不活性ガスや酸素などの集束イオンビームを得る場合には、前記液体金属イオン源よりもガス相の電界電離型イオン源が適している。
【０００３】
このようなガス相の電界電離型イオン源は、例えば、先端部の半径が５ｎｍ〜１００ｎｍ程度に尖らされた針状の電界電離電極を備える。この針状の電界電離電極の先端の近傍に１０−１Ｐａ程度の圧力を有する原料ガス中で５０〜６０Ｖ／ｎｍ程度の強電界が形成されることにより、当該電界電離電極の先端部近傍のガス分子が電界電離現象によりイオンと電子に分離され、分離したイオンがイオンビームとして取り出される。
【０００４】
このような電界電離形イオン源において発生するイオンビーム電流Ｉは、ガスの圧力Ｐと温度Ｔの関数であり、具体的には、下記の（１）式に示される関係が存在する。
【０００５】
Ｉ∝Ｐ／Ｔ３／２    …（１）
従って、前記イオンビーム電流Ｉを増強してイオンビームの輝度を高めるには、電界電離電極の先端近傍のガス圧力Ｐを高くし、あるいはガス温度Ｔを低くすればよい。その一方、イオン化後のイオンの消滅を最小限に抑えるには、このイオンを例えば１０−３〜１０−６といった高真空下で飛行させることが望ましい。
【０００６】
従来、このような要求を満たすためのイオン源として、例えば図９に示すものが提案されている（特許文献１）。このイオン源は、電解電離電極である電界電離電極２と、これを収容する容器４と、容器４の外部に配置された外部電極６とを備える。
【０００７】
前記容器４は、円筒状の本体壁４ａと、その先端側の開口を塞ぐように設けられる先端壁４ｂとを有する。この先端壁４ｂは、前記本体壁４ａの中心軸に対して直交し、その中心軸上に微小開口３を囲む。この微小開口３は、当該先端壁４ｂの厚みに相当する軸長を有し、かつ、先端側に向かうに従って縮径する（すなわち先端から離れるに従って拡径する）形状を有する。
【０００８】
前記電界電離電極２は、尖った先端（図では下端）２ｂを有し、この先端２ｂが前記微小開口３を通じて前記先端壁４ｂから下方に僅かに突出するように、前記容器４内に配置される。前記外部電極６は容器４の下方に設けられ、この外部電極６と前記電界電離電極２及び前記容器４との間に電圧Ｖが印加される。一般には、前記外部電極６が接地され、前記電界電離電極２及び前記容器４に適当な電位が与えられる。
【０００９】
このイオン源では、原料ガスが前記容器４における本体壁４ａの内側に供給され、当該容器４の先端壁４ｂが微小開口３を囲む内周面と前記電界電離電極２の先端部の外周面との隙間から噴出する。この噴出により急激な変化をもつガス圧力分布が形成され、前記電界電離電極２の先端２ｂの近傍に局所的に高いガス圧が発生し、この領域での電界強度が高められる。その結果、前記先端２ｂから前記外部電極６の中央の開口を通じてイオンビーム５が放出される。
【特許文献１】特開２００７−２２７１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の電界電離型イオン源では、前記微小開口３から噴射される原料ガスの純度を高く保つこと、換言すれば、当該原料ガスに含まれる不純物の量を減らすことが重要な課題となる。そのために、前記容器４内は予めクリーニングされるが、このようなクリーニングをしても、当該容器４の内周面上に残存する前記原料ガス以外の不純物（例えば大気中に含まれる水分や窒素分子）を完全に除去することは不可能である。この不純物は、イオン源の使用中に原料ガスと混じって徐々に微小開口３から流出し、当該原料ガスの純度を低下させる。
【００１１】
このような不純物の残存量を低減させる方法として、容器４の内周面の表面積を削減することが考えられる。しかし、前記図９に示される従来のイオン源において、その表面積を削減するには当該容器４を構成する本体壁４ａの内径を縮小しなければならず、この内径の縮小は微小開口３におけるガス流量及びガス圧力を低下させ、ひいては電界強度の低下につながる。従って、この方法では、高輝度のイオンビームの生成に必要な電界強度、特に、電界電離電極である電界電離電極２の先端２ｂの近傍における電界の強度（例えば原料ガスがＨｅの場合には４４Ｖ／ｎｍ）を確保するために前記印加電圧Ｖを増加せざるを得ない。この印加電圧Ｖの増加は、電源等の設備コストや消費電力等のランニングコストを増加させ、さらに、電極２，６間での好ましくない放電（例えばアーク放電）の促進をもたらすおそれがある。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑み、電極間の印加電圧を増加させることなく高輝度イオンビームの生成に必要な電界強度を確保しながら、容器の微小開口から噴射される原料ガスの純度を高めることができるイオン源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は、前記電界強度を高く維持するための要素として、電界電離電極を収容する容器の内径と、微小開口を囲む容器内周面の傾斜角に着目した。すなわち、前記容器の内径が大きく保たれていれば、十分な原料ガス流量を確保することが可能であり、また、前記微小開口を囲む容器内周面の傾斜角（すなわち微小開口から離れるに従って容器内周面が拡径する度合い）が適正に設定されていれば、当該微小開口から噴射される原料ガスの圧力、すなわち電界電離電極の先端近傍でのガス圧を高く保つことができる。従って、このような容器内径及び内周面傾斜角の条件を満たす範囲内で容器内周面の表面積を減らすようにその形状を設定することにより、前記電界電離電極の先端近傍でのガス圧及び電界強度を高く維持しながら、前記容器の内周面に付着して原料ガスに混入する不純物の量を減らすことが可能になる。
【００１４】
本発明は、このような観点からなされたものであり、原料ガスを噴射するとともにその噴射する原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するイオン源であって、特定の軸方向に沿って延びると共に、尖った先端を有する電界電離電極と、絶縁材料からなり、前記電界電離電極をその径方向の外側から囲む内周面を有し、内部に原料ガスが供給される容器と、前記容器の外部に設けられ、前記電界電離電極との間に電圧が印加されることにより前記電界電離電極の先端近傍に電界電離用の電界を形成する外部電極とを備え、前記容器は、前記電界電離電極の先端がその軸方向に挿通可能な微小開口を囲む形状の先端部を有し、その微小開口またはその近傍に前記電界電離電極の先端が位置するように当該電界電離電極が配置され、前記容器の内周面は、前記微小開口よりも後方の位置で前記電界電離電極を囲み、一定の内径を有する筒状内周面と、前記微小開口から前記容器の後方に向かうに従って拡径しながら前記筒状内周面に至る拡径内周面とを有するものである。
【００１５】
このイオン源によれば、前記容器の内周面は、前記微小開口よりも後方の位置で前記電界電離電極を囲み、一定の内径を有する筒状内周面と、前記微小開口から前記容器の後方に向かうに従って拡径しながら前記筒状内周面に至る拡径内周面とを有するため、当該内周面の表面を従来よりも減らしながら、電界電離電極の先端の近傍において高いガス圧及び電界強度を確保することが可能である。
【００１６】
具体的に、このイオン源では、前記微小開口を含みかつ前記電界電離電極の軸方向と直交する平面（以下「基準面」と称する。）に対して前記拡径内周面が交わる角度（以下「内周面傾斜角」と称する。）を適当な角度に設定し、かつ、前記筒状内周面の内径を大きく設定することで、前記微小開口に近接する電界電離電極の先端の近傍領域で高輝度イオンビームの生成に必要な原料ガスの圧力及び電界強度を確保することができる。
【００１７】
しかも、当該微小開口と前記筒状内周面との間に位置する拡径内周面は、当該微小開口から前記容器の後方に向かうに従って拡径しながら前記筒状内周面に至る形状を有するので、例えば図９に示される従来のイオン源のように、容器４の中心軸に対して直交する方向の先端壁４ｂの中央に微小開口３が設けられるものに比べ、容器内周面の表面積を大幅に削減することが可能である。従って、当該容器内周面に付着する不純物の量を有効に減らすことができ、これにより、前記微小開口から噴射される原料ガスの純度を高めることができる。
【００１８】
具体的に、前記拡径内周面は、前記微小開口から前記筒状内周面に至るまで円錐台状に拡径するものが、好適である。このような容器の内周面は、単純な形状でありながら、その表面積を従来よりも大幅に削減することが可能である。あるいは、前記容器の拡径内周面は、前記筒状内周面に近づくに従って拡径度合いが増大する面であってもよいし、逆に、前記筒状内周面に近づくに従って拡径度合いが減少する面であってもよい。
【００１９】
前記内周面傾斜角、すなわち、前記微小開口を含みかつ前記電界電離電極の軸方向と直交する平面に対して前記拡径内周面の交わる角度は、３０°以上であることが好ましい。この傾斜角は、前記微小開口において高い電界強度を確保することを可能にする。ただし、この内周面傾斜角が過大であると、筒状内周面の内径を大きく維持するために必要な容器の軸方向寸法がきわめて大きくなるため、当該内周面傾斜角は７０°以下の範囲に設定されるのが好ましい。
【００２０】
また、前記容器は、比誘電率が５以上の誘電体であることが、より好ましい。このような高い比誘電率をもつ容器は、電界電離電極の先端近傍においてより高い電界強度を形成することを可能にする。
【００２１】
前記電界電離電極は、例えば、その先端が前記微小開口と同じ平面上に位置しまたは当該微小開口を通じて前記容器の外部に突出するように、配置されるのが、好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の好ましい実施の形態にかかるイオン源の全体構成を示した断面図である。このイオン源は、電界電離型イオン源であり、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素からなるイオン原料ガス（原料ガス）を電界電離することにより高輝度のイオンビーム５０を生成するためのものである。なお、以下の各実施形態においては、イオンビーム５０の照射方向が前方（又は先端側；図では下方）とされる。
【００２３】
前記イオン源は、電界電離電極１０と、この電界電離電極１０を収容する容器２０と、この容器２０の外部に設置される外部電極３０とを備える。これらは図略の真空槽内に設置され、当該真空槽内は例えば１×１０−６Ｐａ程度の高真空状態に保たれる。
【００２４】
前記電界電離電極１０は、電極支持体４０を介して前記容器２０に支持されるもので、尖った先端１６をもつ針状をなす。具体的には、円柱部１２と、この円柱部１２から前記先端１６に向かって徐々に縮径する円錐部１４とを一体に有する。この電界電離電極１０の具体的な寸法は限定されないが、好ましくは、前記先端１６の半径が１００ｎｍ以下（例えば５０ｎｍ程度）とされ、その先端１６でのテーパー角βは全角で５°程度、全長は２０ｍｍ程度に設定される。この電界電離電極１０の材質としては、例えばタングステンが好適である。その他、イリジウム等の金属やシリコン、又はそれらを含む合金、若しくはそれらに貴金属、高融点金属、高融点金属の炭化物若しくは窒化物等でコーティング処理を施したものであってもよい。
【００２５】
前記容器２０は、適当な材料、好ましくは、後述のように比誘電率が５以上（より好ましくは９以上）の高誘電体（例えば高純度シリコン、ガラス、アルミナ系セラミックス、ジルコニウム系セラミックス）により成形され、前記電界電離電極１０をその径方向外側から囲む形状を有する。具体的には、軸方向全域にわたって一定の外径をもつ略筒状の本体壁２２と、この本体壁２２の後ろ側（図１では上側）の開口を塞ぐ背壁２３とを一体に有する。
【００２６】
前記本体壁２２は、その先端面（図１では下端面）２２ａ上において微小開口２６を囲む。この微小開口２６は、例えば５μｍ〜１００μｍといった微小な直径をもつ開口であり、この開口を前記電界電離電極１０の先端部分が挿通可能である。
【００２７】
この容器２０は、前記電界電離電極１０を径方向外側から囲む内周面２４を有する。この内周面２４は、前記微小開口２６よりも後方に位置して一定の内径ｄ１を有する円筒状内周面２７と、当該微小開口２６と当該円筒状内周面２７との間に位置する拡径内周面２８とで構成される。
【００２８】
前記拡径内周面２８は、前記微小開口２６から後方（図１では上方）に向かうに従って拡径しながら前記円筒状内周面２７に至る形状を有する。この実施の形態では、前域にわたって拡径度合いが一定である円錐台状をなす。換言すれば、前記容器２０の本体壁２２の先端側部分は、その先端面に向かうに従って厚みが直線的に増加する形状を有する。
【００２９】
この容器２０に対し、前記電界電離電極１０は、その中心軸が前記円筒状内周面２７及び拡径内周面２８の中心軸と合致し、かつ、当該電界電離電極１０の先端１６が前記微小開口２６を通じて当該容器２０の外部に僅かに突出するように、配置される。具体的には、前記容器２０の背壁２３に前記電極支持体４０を介して前記電界電離電極１０の円柱部１２が連結されることにより、当該電界電離電極１０が当該容器２０に取付けられる。
【００３０】
前記容器２０内には、外部から原料ガスが送入される。この原料ガスは、イオンの原料となるガスであり、常温で気相を保つもの、例えばヘリウムやアルゴン等の不活性ガス、酸素などが用いられる。この実施の形態では、前記本体壁２２の後部（図１では上部）に原料ガス導入口２２ｂが設けられ、この原料ガス導入口２２ｂに配管４２及びその途中に設けられた流量調整弁４４を通じて図略の原料ガス源から前記原料ガスが供給される。この原料ガスは、前記微小開口２６から高い圧力で容器２０の外部に噴射される。
【００３１】
ここで、前記拡径内周面２８の開き角は、当該円錐部１４のテーパー角（全角）βよりも大きく設定されている。この設定は、当該拡径内周面２８と前記電界電離電極１０の円錐部１４との間に、前記微小開口２６に向かって徐々に流路面積が減少する原料ガス流路を確保するためのものである。前記開き角は、前記微小開口２６を含みかつ前記電界電離電極１０の軸方向と直交する平面である基準面（この実施の形態では前記容器２０の本体壁２２の先端面２２ａ）に対して前記拡径内周面２８が交わる角度である内周面傾斜角をαとすると、１８０°−２×αで表される。この内周面傾斜角αは、適宜設定可能であるが、後述のように３０°以上７０°以下の範囲内にて設定されることが好ましい。
【００３２】
この微小開口２６からの前記電界電離電極１０の先端１６の突出量δは、前記微小開口２６から噴射される原料ガスの圧力が当該微小開口２２近傍において最も高い位置から僅かに前記ガス圧が低くなった位置（僅かに前方側に寄った位置）に前記先端１６が位置するような量に設定されることが好ましい。例えば、前記電界電離電極１０のテーパー角（全角）βが５°、容器２０内での原料ガスの圧力が１００Ｐａ程度、前記内周面傾斜角αが６０°、微小開口２６の直径が２５μｍである場合、前記微小開口２６からの前記電界電離電極先端１６の突出量δは５μｍ程度に設定されるのがよい。しかし、本発明は必ずしも当該先端１６が前記微小開口２６から容器２０の外部に突出するものに限定されない。例えば当該先端１６が前記微小開口２６を含む平面（すなわち前記基準面）上に位置してもよい。
【００３３】
外部電極３０は、この外部電極３０と前記電界電離電極１０との間に電圧Ｖが印加されることによって当該電界電離電極１０の先端１６の近傍に電離用の強電界を形成するためのものである。この外部電極３０は、この実施の形態では、ステンレス鋼等の導電材料により、中央に円形の貫通孔３２を囲む厚みが一定の環状に形成され、当該貫通孔３２の中心軸と前記電界電離電極１０の中心軸とが合致する姿勢で、前記容器２０における本体壁２２の先端面２２ａから距離Ｌを置いた位置に設置される。この距離Ｌは、両電極１０，３０間に好ましくない放電が発生するのを防止し得る程度の寸法（例えば１０ｍｍ）に設定される。
【００３４】
前記電圧Ｖの印加は、例えば、前記外部電極３０を接地して前記電界電離電極１０に最高２０ｋＶの正電位を与えることにより行われる。この正電位の具体的な数値は、前記各寸法の諸元及び要求される電界強度に基いて設定される。
【００３５】
次に、このイオン源の作用を説明する。
【００３６】
このイオン源を収容する真空槽の内部が真空ポンプにより１×１０−６Ｐａ程度の高真空状態とされる一方、イオン原料となる原料ガスが配管４２を通じて容器２０内に供給され、この容器２０内の圧力が１００Ｐａに保たれるように前記配管４２の途中の流量調整弁４４の開度が調節される。この原料ガスは、電界電離電極１０の外周面と容器２０の円筒状内周面２７とに挟まれた空間内に導入され、さらに、当該電界電離電極１０と拡径内周面２８との間に形成された原料ガス流路を通じて微小開口２６に至り、この微小開口２６から容器２０の外部に噴射される。
【００３７】
一方、前記電界電離電極１０と前記外部電極３０との間に適当な電圧Ｖが印加されることにより、当該電界電離電極１０の先端１６の近傍に強電界が形成される。従って、前記微小開口２６から噴射される原料ガスは当該強電界を通過し、ここで電界電離作用を受けることによりイオン化する。
【００３８】
前記拡径内周面２８は、前記微小開口２６から前記円筒状内周面２７に至るまで拡径する形状、換言すれば、前記微小開口２６に向かうに従って縮径する形状を有し、かつその開き角（＝１８０°−２×α）が前記電界電離電極１０の先端部のテーパー角βよりも大きいため、この拡径内周面２８と前記電界電離電極１０との間に形成される原料ガス流路の流路面積も微小開口２６に向かうに従って縮小し、微小開口２６にて最小となる。従って、この原料ガス流路を通じて前記微小開口２６から噴射される原料ガスの圧力はその微小開口２６またはその近傍で最高（例えば１０Ｐａ程度）になる。つまり、この微小開口２６の近傍で原料ガスの分子密度が最も高くなり、その近傍に前記電界電離電極１０の先端１６が位置するので、当該先端１６の近傍で効率よく原料ガスがイオン化される。その結果、多くのガス分子が前記外部電極３０の貫通孔３２を通じてイオンビーム５０として放出される。
【００３９】
また、前記拡径内周面２８の終端につながる円筒状内周面２７の内径ｄ１は十分に大きく設定することが可能であるため、この円筒状内周面２７から前記微小開口２６に向けて押し込まれる原料ガスの流量を十分に保つことが可能であり、その結果、当該微小開口２６の近傍でのガス圧力を高く保つことが可能である。
【００４０】
一方、前記微小開口２６よりも真空側の領域では、噴出した原料ガスの拡散を阻害するものがないので、この領域で前記ガス分子は一気に拡散し、これにより急激な圧力降下が生ずる。すなわち、この領域は前記原料ガスのガス分子同士の衝突や当該ガス分子と雰囲気ガスの分子との衝突が生ずる可能性がきわめて低い高真空領域であるため、当該領域でのイオンの消滅またはそのエネルギーの低下が抑制され、このことが高輝度の集束イオンビームの生成を可能にする。
【００４１】
従って、このイオン源では、円筒状内周面２７の内径ｄ１及び内周面傾斜角αを十分大きく設定することにより、印加電圧Ｖを特に増加させなくても、前記微小開口２６及び前記電界電離電極先端１６の近傍の電界強度を高く維持することができる。しかも、当該内径ｄ１及び内周面傾斜角αを維持するための具体的な容器内周面２４の形状として、前記円筒状内周面２７と、前記微小開口２６から拡径しながら当該円筒状内周面２７に至る拡径内周面２８との組合せが採用されることにより、例えば図９に示される従来のイオン源のように本体壁４ａに対して直交する先端壁４ｂの中央に微小開口３が形成される構造のものに比べ、前記内径ｄ１及び前記内周面傾斜角αは同等としながらも容器内周面の表面積を大幅に削減することができる。このことは、当該容器内周面に付着する不純物（例えば大気中の水分や窒素分子）の量を有効に減らして前記微小開口２６から噴射される原料ガスの純度を効果的に高めることを可能にする。
【００４２】
なお、本発明において、前記拡径内周面２８の形状は図１に示されるように全域にわたつて円錐台状を維持するもの（すなわち拡径度合いが一定のもの）に限られず、容器２０の形状及び前記外部電極３０の配置は、当該容器２０の先端部が前記外部電極３０と電界電離電極１０の先端１６との間に介在するという条件を満たす範囲で自由に設定されることが可能である。
【００４３】
例えば、前記拡径内周面２８は、図２及び図３に示されるように円筒状内周面２７に近づくに従って拡径度合い（図に示される断面上での拡径内周面２８に対する接線の傾き）が増大する面であってもよい。具体的に、図２に示される拡径内周面２８は、微小開口２６から円筒状内周面２７に向かうに従って拡径度合いが連続的に増大する（例えば同図に示されるように一定の曲率半径Ｒを有する）曲線状の断面形状を有し、図３に示される拡径内周面２８は、互いに拡径度合い（傾き）が異なる複数の円錐台状内周面２８ａ，２８ｂ，２８ｃにより構成される。これらの内周面２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、その順に大きい傾きを有し、その順に微小開口２６側から配列される。
【００４４】
逆に、前記拡径内周面２８は、図４に示されるように円筒状内周面２７に近づくに従って拡径度合い（傾き）が減少する面であってもよい。この図４に示される拡径内周面２８は、微小開口２６から円筒状内周面２７に向かうに従って拡径度合いが連続的に減少する（一定の曲率半径Ｒを有する）曲線状の断面形状を有し、その終端で当該拡径度合いが０となってそのまま円筒状内周面２７に滑らかにつながっている。この場合も、前記図３に示されるのと同様に拡径内周面２８が互いに傾きの異なる複数の円錐台状内周面で構成されてもよい。
【００４５】
また、図５に示されるように、本体壁２２の外周面が内周面２７，２８と平行なもの、すなわち、本体壁２２の先端部の外径が微小開口２６から離れるに従って拡径していて本体壁２２の肉厚が全体にわたって均一のものであってもよい。この場合も、円筒状内周面２７の内径及び内周面傾斜角αを適正な値に設定することにより、微小開口２６及び電界電離電極先端１６の近傍での電界強度を高くすることが可能である。
【実施例】
【００４６】
１．内周面傾斜角αについてのシミュレーション
前記図１に示されるイオン源に近似するイオン源を想定し、その内周面傾斜角αと電界電離電極先端１６の近傍に形成される電界強度との関係をシミュレーションにより算出した。このシミュレーションの前提となる条件は次のとおりである。
【００４７】
ａ）微小開口２６の直径：２５μｍ
ｂ）容器２０の外径：６０ｍｍ
ｃ）円筒状内周面２７の内径：１０ｍｍ
ｄ）電界電離電極１０の電位：１０ｋＶ。
【００４８】
このシミュレーションの結果を図６に示す。この図から明らかなように、電界電離電極先端１６の近傍の電界強度（図中「ａ．ｕ．」は任意単位を意味する。）は、内周面傾斜角αが大きくなるほど高くなり、特にα≧３０°の領域で高い電界強度を得ることが可能である。例えば、高輝度イオンビームを得るために必要とされる電界強度を４４Ｖ／ｎｍとすると、この電界強度は、前記内周面傾斜角αが３０°以上である場合、約１．６５ｋＶの印加電圧Ｖによって得ることが可能である。これに対し、前記内周面傾斜角αが３０°未満であると、約１．６５ｋＶの電圧Ｖを印加しても４４Ｖ／ｎｍ以上の電界強度を得ることができない。
【００４９】
従って、本発明においては、前記内周面傾斜角αが３０°以上に設定されることが好ましい。ただし、当該内周面傾斜角αが過大であると、次の円筒状内周面２７の内径ｄ１を確保するために必要な容器２０の軸長がきわめて大きくなるため、当該内周面傾斜角αは７０°以下に設定されることが好ましい。
【００５０】
なお、前記図９に示される（すなわち特許文献１の図１に示される）従来のイオン源において、その微小開口３における内周面傾斜角αを５４．７°、容器４の厚みを０．５ｍｍ、その他の条件を前記と同様であるとすると、このイオン源により得られる電界強度は、図６の黒三角点に示されるように実施例最高値の９２%であって、本発明の実施例において内周面傾斜角αが３０°である場合の値よりも若干低い。このことは、本発明において内周面傾斜角αを３０°以上に設定すれば、図９に示される従来のイオン源よりも内周面表面積を大幅に削減しながらこれと略同等の電界強度を確保することが可能であることを示している。
【００５１】
２．円筒状内周面２７の内径ｄ１についてのシミュレーション
次に、前記内周面傾斜角αを一定（＝４５°）とし、円筒状内周面２７の内径ｄ１と電界電離電極先端１６の近傍に形成される電界強度との関係を前記と同様にシミュレーションにより算出した。その結果を図７に示す。この図から明らかなように、前記内径ｄ１が４ｍｍ以下の領域では、当該内径ｄ１の増加に伴って前記電界強度が著しく増加するが、前記内径ｄ１が５ｍｍ以上の領域、特に１０ｍｍ以上の領域では、当該内径ｄ１にかかわらず電界強度はほぼ一定となる。そして、この内径ｄ１が４ｍｍ以上であれば、約１．６５ｋＶの印加電圧Ｖによって前記の必要電界強度４４Ｖ／ｎｍを得ることができる。
【００５２】
３．拡径内周面２８の曲率半径Ｒについてのシミュレーション
次に、前記内周面傾斜角α及び前記円筒状内周面２７の内径ｄ１をともに一定とし、拡径内周面２８の曲率半径Ｒを変化させたときの当該曲率と電界電離電極先端１６の近傍に形成される電界強度との関係を前記と同様にシミュレーションにより算出した。その結果、図２に示すように円筒状内周面２７が容器２０の内側（電界電離電極１０側）に凸である態様、図４に示すように円筒状内周面２７が容器２０の外側に凸である態様のいずれの態様においても、その曲率半径Ｒが５０ｍｍ及び１００ｍｍである場合と、図１に示すように縦断面における円筒状内周面２７の形状が直線である場合（すなわち前記曲率半径Ｒが無限大の場合）とで電界強度にほとんど差がないことを確認することができた。
【００５３】
なお、図４に示すように円筒状内周面２７が容器２０の外側に凸である場合、図２に示すように当該円筒状内周面２７が容器の内側に凸である場合に比べて円筒状内周面２７の内径ｄ１及び容器内流路面積は幾分少なくなるが、上述のように内径ｄ１が４ｍｍ以上の範囲では当該内径ｄ１が多少変動しても電界強度にはほとんど影響しない。従って、拡径内周面２８の具体的な形状の設定の自由度は高い。
【００５４】
４．容器２０の比誘電率についてのシミュレーション
前記図１に示されるイオン源において、その容器２０の比誘電率εを１，２，５，７，９，１１．９にそれぞれ設定したときの電界電離電極先端１６の近傍に形成される電界強度を前記と同様にシミュレーションにより算出した。その結果を図８に示す。この図から明らかなように、前記比誘電率εが５未満の領域では、当該比誘電率εの増加に伴って前記電界強度が著しく増加するが、前記比誘電率εが５以上の領域、特に９以上の領域では、当該比誘電率εにかかわらず高い電界強度を確保することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン源の全体構成を示す断面図である。
【図２】前記イオン源における拡径内周面の形状の変形例を示す断面図である。
【図３】前記イオン源における拡径内周面の形状の変形例を示す断面図である。
【図４】前記イオン源における拡径内周面の形状の変形例を示す断面図である。
【図５】前記イオン源における容器の外周面の形状の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例においてシミュレーションにより得られた内周面傾斜角と電界強度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例においてシミュレーションにより得られた円筒状内周面の内径と電界強度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施例においてシミュレーションにより得られた容器の比誘電率と電界強度との関係を示すグラフである。
【図９】従来のイオン源の断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    電界電離電極
１６    電界電離電極の先端
２０    容器
２２    本体壁
２２ａ  本体壁の先端面（基準面）
２４    容器の内周面
２６    微小開口
２７    円筒状内周面
２８    拡径内周面
３０    外部電極
５０    イオンビーム
α      基準面と拡径内周面とが交わる角度（内周面傾斜角）
【図１】
2009277434.tif 000003
【図２】
2009277434.tif 000004
【図３】
2009277434.tif 000005
【図４】
2009277434.tif 000006
【図５】
2009277434.tif 000007
【図６】
2009277434.tif 000008
【図７】
2009277434.tif 000009
【図８】
2009277434.tif 000010
【図９】
2009277434.tif 000011