(57)【要約】  本発明は、知られているＮｉｅｒ型イオン源と比較すると高い輝度を有する電子衝撃イオン源デバイスを提供し、その一方で、例えば生成されるイオン種の柔軟性の点で同様の利点を提供する。デバイスのイオン化チャンバは高圧で動作し、電子ビームとガス分子の間の極めて多数の相互作用を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源デバイス（１００、２００）であって、第１の軸（１０２、２０２）に沿って電子ビーム（１１２、２１２）を形成し案内するための手段（１１０、２１０）と、ガス（１２２、２２）のための入口（１２４、２２４）および前記電子ビーム（１１２、２１２）のための入口（１２６、２２６）を有するイオン化チャンバ（１２０、２２０）とを備え、イオン化チャンバが、前記第１の軸（１０２、２０２）に対して概ね平行である第２の軸上に配置されるイオンビーム出口（１２８、２２８）であって、前記電子ビーム（１１２、２１２）の前記ガス（１２２、２２２）との相互作用によって形成されるイオン（１４０、２４０）を前記イオンビーム出口（１２８、２２８）へ向かって送り込んで、イオンビーム（１４２、２４２）を形成するための、共面で実質的に同心の電極（１３２、２３２、３３２）を備えるイオンカーペット（１３０、２３０、３３０）によって取り囲まれる、イオンビーム出口（１２８、２２８）と、前記電極（１３２、２３２、３３２）に電位を印加するために構成される電子回路（１３４、２３４）とを備えることを特徴とする、イオン源デバイス（１００、２００）。
【請求項２】
前記電子回路（１３４、２３４）が、無線周波数ＲＦ電位を前記電極（１３２、２３２）に印加するために構成される、請求項１に記載のイオン源デバイス。
【請求項３】
前記電子回路（１３４、２３４）が、ＤＣ電位を前記電極（１３４、２３２）に印加するために構成される、請求項１または２に記載のイオン源デバイス。
【請求項４】
前記イオンカーペット（２３０、３３０）の電極（２３２、３３２）が、前記イオンビーム出口（２２８、３２８）と整列した開口を有する実質的に平らな基板（２３６、３３６）上に支持される、請求項１から３のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項５】
前記電極が前記基板（２３６、３３６）の第１の面に支持され、前記電子回路が前記基板の第２の面に支持される、請求項４に記載のイオン源デバイス。
【請求項６】
前記基板が前記イオン化チャンバ（１２０、２２０）の内壁の一体部分である、請求項４に記載のイオン源デバイス。
【請求項７】
前記共面で同心の電極（３３２）が、それら自体の間に異なるサイズの隙間（３３８）を有するように配列される、請求項１から６のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項８】
前記共面で同心の電極（３３２）が異なるサイズ（３３７）を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項９】
前記共面で同心の電極が、実質的に円形、長方形、または楕円形の環状形状を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項１０】
前記イオン化チャンバ（１２０、２２０）が、前記第１の軸（１０２、２０２）の方向に沿って、４ｃｍと６ｃｍの間からなる長さ、好ましくは約５ｃｍの長さを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項１１】
前記イオン化チャンバが、前記電子ビームを減速させるための電界を前記イオン化チャンバ中に作り出すための電極配列を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項１２】
前記イオン化チャンバが、０．０１ｍｂａｒと１ｍｂａｒの間からなる圧力、好ましくは約０．１ｍｂａｒの圧力で動作される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項１３】
前記電子ビーム形成および案内手段（２１０）が、前記電子ビーム（２１２）を形成し案内するために配列された、電子源（２１３）と、少なくとも１つの静電レンズ（２１７）を備えた配列とを備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項１４】
前記電子源（２１３）が、円板カソード（２１４）および前記円板カソードを加熱するための加熱手段を備える、請求項１３に記載のイオン源デバイス。
【請求項１５】
デバイスが、前記イオン化チャンバ（２２０）の外側に配列され、イオン化チャンバから出るイオンビーム（２４２）が通過するように配置された、少なくとも１つのレンズ（２５０）をさらに備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載のイオン源デバイス。
【請求項１６】
イオン源を備える集束イオンビームＦＩＢデバイスであって、前記イオン源が請求項１から１５のいずれか一項に従うものであることを特徴とする、ＦＩＢデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＩＢ機械加工、イメージング、または、例えば質量分析法による試料分析などの集束イオンビームアプリケーションに使用するためのイオン源デバイスの分野にある。
【背景技術】
【０００２】
集束イオンビーム、ＦＩＢ、技術は、３つの主要なアクティビティにそのアプリケーションを見出しており、それらの３つのすべてのアクティビティは、精巧に集束されたイオンビームの可用性および使用に依拠している。
【０００３】
ＦＩＢ機械加工は、例えば材料のフライス削りを介して小さいナノスケールデバイスを製造することを可能にする。それは、さらに、特定の特性を有する表面を機能化することを、あるいはナノ材料を作り出すことを可能にする。ＦＩＢ機械加工は、例えば透過電子顕微鏡法、ＴＥＭ、のための試料準備ツールとしてさらに使用されている。
【０００４】
また、ＦＩＢは、ナノスケールにおける三次元試料研究を実施するためのナノイメージングにも同じく使用されている。このアプリケーション分野における確立されたツールは、ＯＲＩＯＮ（商標）ヘリウムイオン顕微鏡、ＨＩＭ、である。それは、Ｈｅ＋およびＮｅ＋ビームを使用して、試料表面から放出される二次電子を検出することによって高解像度イオン顕微鏡法を実施する。
【０００５】
分析目的のためには、二次イオン質量分光測定法、ＳＩＭＳ、が、標本の化学的分析を実施するために広く使用されている、極めて強力な技法を代表している。ＳＩＭＳでは、集束された一次イオンビームを使用して材料が標本からスパッタされ、また、局所化された二次イオン放出が作り出され、これが、異なる種類の分光計によって分析され得る。Ｃｓ＋、Ｏ２＋またはＯ−イオンは、それらがそれぞれ負または正の二次イオンの放出を増強するため、ＳＩＭＳによって使用される典型的な反応性二次イオン種を代表している。
【０００６】
これらのすべての上記ＦＩＢナノアプリケーションに共通している態様は、それらには、合理的な浸食速度ならびに許容可能な二次電子／イオン収率を得るために、高い横方向の解像度のための精巧に集束されたイオンビームを提供し、その一方で十分に大きいイオンビーム電流を生み出すための高輝度イオン源が必要であることである。
【０００７】
輝度は、イオン源の重要な性能指数である。輝度は保存量であり、すなわち高輝度イオン源は高輝度ビームを、したがって試料上の小さい大電流イオンプローブを意味している。輝度は以下の式によって与えられ、ｄｓｏｕｒｃｅはイオン源直径であり、また、αＩｏｎ−ｂｅａｍは、立体イオン放出角Ωの開口角である：
【数１】
2020509548.tif 000003
【０００８】
正規化された、すなわち変形された輝度Ｂｒは以下のように定義され、ＶＢｅａｍはビーム電位である：
【数２】
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【０００９】
変形された輝度は、イオン源の性能を互いに比較するために使用される。それは、Ａｍ−２  ｓｒ−１  Ｖ−１で最も一般的に表現される。
【００１０】
さらに、生成されたイオンのエネルギーの広がりは、イオン集束コラム内の可能な色収差を最小化するために可能な限り小さく維持されなければならない。達成可能なイオンプローブサイズは、このような色収差によって著しく大きくなり得る。別の重要な事実は、使用されるイオン種が、すべての３つの上記アプリケーション領域における多くの異なるパラメータに対する強い影響力を有していることである。例えばイオンビーム機械加工アプリケーションでは、イオン種は、エッチング効果、表面粗さの生成ならびにフライス速度に対して強い影響力を有しており、これらは達成されるスパッタリング収率に関係する。所与のイオン種を基板中にインプラントすることにより、その基板材料の局所的な修正が達成され得る。イオンナノイメージングでは、試料内で生成される衝突カスケードに緊密に関係する、生み出される二次電子収率ならびにイメージの解像度は、選択されるイオン種によって影響される。さらに、ＳＩＭＳなどの分析アプリケーションの場合、スパッタされる物質のイオン化効率、したがって実施される分析の感度は、使用される一次イオン種の選択に強く関係している。軽いイオンは小さい相互作用体積をもたらすため、それらはイメージング目的のために有利であり、重いイオンはより高いスパッタ収率をもたらすため、それらは機械加工のために有利であり、反応性イオンは分析のために有利であり、それらはより高いイオン収率をもたらす。所望のアプリケーションに応じて速やかにイオン種間を切り換える能力は、とりわけ有利であろう。
【００１１】
ＦＩＢアプリケーションのために最も使用されている高輝度イオン源は、液体金属イオン源、ＬＭＩＳ、である。ＨＩＭのためなどの高解像度イメージングの場合は、高輝度イオンビームを提供するためにガス電界電離イオン源、ＧＦＩＳ、が主として使用されている。いずれの源も妥当な寿命を有するイオンビームを提供することができるが、残念なことにはそれらは、イオン種の一般に利用可能な選択において制限されている。イオン種の選択に関してより多用途性のあるイオン源は、電子衝撃、ＥＩ、またはプラズマイオン源である。残念なことには、これまでのところ、これらのイオン源は、ＬＭＩＳまたはＧＦＩＳに匹敵する高輝度イオンビームを提供していない。
【００１２】
ＥＩイオン源は、原子内電子をターゲットガス粒子から除去するために電子ビームを使用するという単純な原理に基づいており、正に帯電したイオンをこのようにして作り出す。多くの知られているＥＩイオン源は、Ｎｉｅｒ型ＥＩイオン源アーキテクチャに基づいており、加熱されたフィラメントが使用され、熱電子放出によって電子ビームが生成される。電子ビームは、次に、イオン化チャンバを通過するが、そこへはイオン化されるガスが低いガス圧力（≦１０−６ｍｂａｒ）で供給されており、作り出されたイオンは、正の電圧をリペラーに印加することにより、電子ビーム軸に対して直角に抽出される。このような知られている設計では、通常、２つの永久磁石を使用して、電子ビームの軸上を、イオン化チャンバの反対側の端部に配置された電子トラップに向かって導かれる螺旋軌道を有する狭いビーム中に電子を閉じ込める外部磁界が作り出される。いくつかの事例では、電子トラップの代わりに反射器が使用され、したがってフィラメントと反射器の間で電子ビームがさらに往復する。このようにして、電子経路長が著しく長くなり、より高いイオン化効率が得られる。
【００１３】
大きいイオン化体積および抽出機構のため、このような知られているＥＩ源デバイスの上で定義された変形された輝度は限られており、典型的には１Ａ  ｍ−２  ｓｒ−１  Ｖ−１のオーダーである。大まかに言えばイオン源の輝度は、生成されるイオン電流の強度とともに、また、イオン源のイオン放出面積の逆数とともに大きくなる関数である。
【００１４】
言及されている限られた輝度を提供する軸方向電子衝撃イオン源デバイスは、例えば特許文献ＵＳ２０１２／０１２７４６Ａ１、ＵＳ５３９１９６２Ａ、ＵＳ２０１６／１７２１４６Ａ１またはＵＳ２０１４／０３４８４４Ａ１で知られている。特許文献ＵＳ２０１３／１２０８９４Ａ１およびＵＳ２００５／２５８３６４Ａ１におけるイオン源の文脈にイオンカーペットが開示されている。開示されているデバイスは、本発明による実施形態とは構造的および機能的に異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０１２７４６号明細書
【特許文献２】米国特許第５３９１９６２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１６／１７２１４６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１４／０３４８４４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１３／１２０８９４号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／２５８３６４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、従来技術の欠点のうちの少なくともいくつかを克服するデバイスを提供することである。詳細には、本発明の目的は、異なるソースガス／フィードから生じる異なるイオン種の高輝度イオンビームを生み出すことができる電子衝撃イオン源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様によればイオン源デバイスが提供される。イオン源デバイスは、第１の軸に沿って電子ビームを形成し案内するための手段と、ガスのための入口および前記電子ビームのための入口を有するイオン化チャンバとを備える。デバイスは、イオン化チャンバが、前記第１の軸に対して概ね平行である第２の軸上、または実質的に前記第１の軸上に配置されるイオンビーム出口であって、前記電子ビームの前記ガスとの相互作用によって形成されるイオンを前記イオンビーム出口へ向かって送り込んで、イオンビームを形成するための、共面で実質的に同心の電極を備えるイオンカーペットによって取り囲まれる、イオンビーム出口と、前記電極に電位を印加するために構成される電子回路とを備える点で注目すべきである。
【００１８】
好ましくは、イオンビーム出口が配置される第２の軸は、前記電子ビームが伝搬する第１の軸である。
【００１９】
好ましくは、電子回路は、無線周波数、ＲＦ、電位を前記電極に印加するために構成され得る。電子回路は、ＤＣ電位を前記電極に印加するように、好ましくは構成され得る。イオンカーペットの異なる電極に印加される電位は、場合によっては同じではないことが好ましい。好ましくは、隣り合う電極には、逆位相を有する電位が供給され得る。電位は、好ましくは定在波を生み出すことができる。好ましくは、前記電極に印加されるＲＦ信号は、１ＭＨｚから１２ＭＨｚの範囲の周波数、および０Ｖと１５０Ｖの間からなる振幅を有することができる。好ましくは、電極には、連続する電極間に位相オフセットが存在し、したがって進行波を生み出すよう、ＲＦ電位が供給され得る。
【００２０】
イオンカーペットは、好ましくはイオン化チャンバの内側に配置される。
【００２１】
前記イオンカーペットの電極は、好ましくは、前記イオンビーム出口と整列した開口を有する実質的に平らな基板上に支持され得る。有利には電極は、プリント回路板、ＰＣＢ、上に形成され得る。
【００２２】
さらに、電極は、好ましくは前記基板の第１の面に支持されることが可能であり、前記電子回路は、前記基板の第２の面に支持され得る。
【００２３】
好ましくは、前記基板は、前記イオン化チャンバの内壁の一体部分であってもよい。
【００２４】
前記共面で同心の電極は、好ましくはそれら自体の間に異なるサイズまたは幅の隙間を有するように配列され得る。電極は、異なるサイズまたは幅を有することができる。
【００２５】
さらに好ましくは、共面で同心の電極は、実質的に円形、長方形、または楕円形の環状形状を有することができる。
【００２６】
イオン化チャンバは、前記軸の方向に沿って、４ｃｍと６ｃｍの間からなる長さ、好ましくは約５ｃｍの長さを有利には有することができる。
【００２７】
好ましくは、イオン化チャンバは、前記電子ビームを減速させるための電磁界を前記イオン化チャンバ中に作り出すための電極配列を備えることができる。
【００２８】
イオン化チャンバは、さらに好ましくは、０．０１ｍｂａｒと１ｍｂａｒの間からなる圧力、好ましくは約０．１ｍｂａｒの圧力で動作され得る。
【００２９】
好ましくは、電子ビーム形成および案内手段は、前記電子ビームを形成し案内するために配列された、電子源と、少なくとも１つの静電レンズを備えた配列とを備えることができる。
【００３０】
電子源は、好ましくは円板カソードおよび前記円板カソードを加熱するための加熱手段を備えることができる。
【００３１】
好ましくは、電子ビーム形成および案内手段は、前記電子ビームを例えば数ｋｅＶの高エネルギーで、イオン化チャンバの近傍まで輸送するように構成される。
【００３２】
好ましくは、イオン源デバイスは、前記イオン化チャンバの外側に配列され、イオン化チャンバから出るイオンビームが通過するように配置された、少なくとも１つのレンズをさらに備えることができる。
【００３３】
本発明の別の目的は、イオン源を備える集束イオンビーム、ＦＩＢ、デバイスであって、前記イオン源が本発明に従うものである、ＦＩＢデバイスを提供することである。
【００３４】
本発明は、電子衝撃イオン源を構築するためのアーキテクチャを提案し、これは、従来のアーキテクチャとは異なり、高輝度のイオンビームの生成を可能とし、その一方で電子衝撃源にリンクされる少なくとも１つの知られている利点、すなわち作り出されるイオン種に関する柔軟性、および異なるイオン種間で速やかに切り換える能力を活かす。電子ビームは、イオン化されるガスが比較的高い圧力で供給されるイオン化チャンバに入る。高圧のため、知られているＥＩ源アーキテクチャと比較するとガス分子の数が増加する。これは、電子ビームとガスの間の相互作用の確率を高くすることを可能にし、極めて多数のイオンをもたらすことができる。作り出されたイオンは、次に、イオンカーペットファネル（ｆｕｎｎｅｌ）によって電子ビームと同軸の方向にイオン化チャンバから抽出され、イオンビームを形成する。電子ビームは、イオン化チャンバ中への電子ビームの有効な伝送を得るために、電子ビーム案内構造の主要な部分に沿って高エネルギーで輸送される。電子ビームは、高いイオン化効率を得るために、イオン化チャンバのすぐ近くで、および、イオン化チャンバ内でのみ減速される。有利には電子ビームはイオン化チャンバ内で停止され、したがって電子ビームは、電極上への可能な限り少ない電荷堆積を維持するために、イオンカーペットの電極には当たらない。イオンカーペットをイオン化チャンバ内で使用することが、大きいイオンビーム電流をもたらし、さらに、それと同時にイオン化チャンバ、延いてはイオン源デバイスの物理寸法を小さく維持することを可能にする。これは、高輝度イオンビームを必要とするだけでなく、小さいフットプリントイオン源デバイスを必要とするすべてのアプリケーションに対して、本発明によるデバイスをとりわけ有用なものにしている。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態は、本発明の範囲を制限しない図によって例証される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の好ましい実施形態によるデバイスの横断面の概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるデバイスの横断面の概略図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態によるイオンカーペットの正面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
この節では、好ましい実施形態および図に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。同様の参照数字は、本発明の異なる実施形態全体を通して同様または同じ概念を説明するために使用されている。例えば参照１００および２００は、本発明によるイオン源デバイスの２つの異なる実施形態をそれぞれ表している。
【００３８】
本明細書において説明されている特定の実施形態に対して説明されている特徴は、そうではないことが明確に言及されていない限り、他の実施形態の特徴と結合され得ることに留意されたい。当技術で一般に知られている特徴は、本発明の固有の特徴に的を絞るために明確に言及されていない。例えば本発明によるイオン源デバイスは、たとえ電源が図上で明確に参照されていなくても、あるいは説明の中で明確に参照されていなくても、このような電源によって電力が供給されることは明らかである。
【００３９】
図１は、本発明の好ましい実施形態によるイオン源デバイス１００を示したものである。それは、軸１０２に沿って電子ビーム１１２を形成し案内するための手段１１０を備えている。電子ビームは、例えば、当技術において普通であるように、加熱された電子を放出するフィラメントおよびコリメーティングレンズによって形成され、整形され得る。しかしながら当技術で知られている他の電子ビーム形成および整形手段も、本発明の範囲を逸脱することなく考慮され得る。これらは、例えば、極めて鋭い金属針が抽出器の近傍に配置されるＳｃｈｏｔｔｋｙエミッタを含むことができる。その場合、針の先端に強力な電界を生成するために、針と抽出器の間に大きい電位差が印加され、それが電子を金属先端から脱出させる。電子ビーム整形手段は、電子ビームを形成し案内することができる電磁界を生成するように構成された、静電レンズ、静電多重極、磁気レンズ、あるいは磁石によって取り囲まれた電極によってさらに提供されることができる。イオン化チャンバ１２０は、軸１０２に沿って、また、電子ビーム１１２の移動方向にしたがって配列されている。イオン化チャンバ１２０は入口１２６を有しており、デバイスが動作している間、電子ビーム１１２はこれを通ってチャンバに入る。イオン化チャンバは、選択された種のガス１２２をイオン化チャンバのエンクロージャ中に選択的に流入させるための入口１２４をさらに提供されている。ガスの分子は、イオン源デバイスによって形成されるイオンの母種を形成し、使用されるガス適用の性質をさらに制限することはない。イオン化チャンバ内で使用される材料は、ガスおよび／またはイオンによってイオン源デバイスの機械部品あるいは内部コーティングに誘発される損傷を最小化するために、当然、使用されるガスまたはその一部の腐食性に応じて適切に選択されなければならない。ガスは、イオン源デバイスがその使用を見出す特定のアプリケーションに応じて選択される。好ましくはイオン化チャンバの内側のガスの圧力は、０．０１ｍｂａｒから１ｍｂａｒの範囲内に維持され、それによりデバイスが動作している間、極めて多数のガス分子がイオン化チャンバ内に存在することを保証する。Ｏ−リングは当技術で一般に知られているため、チャンバは、ガス圧力を維持するために、適切な寸法および形状のＯ−リングなどの密閉手段を使用して密閉される。他の密閉手段は、例えば、社名Ｓｗａｇｅｌｏｋ（商標）で知られている接続を備えることができ、ねじが切られたコネクタすなわち密閉円板、および雌ねじを有する対応するナットを使用して、密閉された接続が提供される。電子ビーム１１２が通過してイオン化チャンバに入る壁とは反対側のイオン化チャンバの壁は、前記軸１０２上に整列したイオンビーム出口１２８を備えている。イオンビーム出口１２８は、イオン化チャンバ１１２の内側の電子ビーム１１２とガスの相互作用を介して作り出されたイオン１４０がイオン化チャンバ１１２から脱出することができる唯一の開口である。イオン１４０は、主としてイオンカーペット１３０の近傍に示されているが、イオンは、イオン化チャンバ１２０全体にわたって作り出されることを理解されたい。イオンは、それらがイオンカーペット１３０に近づくにつれて軸１０２に向かって集中する。
【００４０】
イオン１４０を出口１２８に向かって送り込むために、イオンカーペット１３０を形成している同心電極１３２のセットが出口の周りに配列されている。イオンカーペットはイオン光学素子である。電極１３２は実質的に環状形状を有しており、それらのそれぞれの中心はイオンビーム出口１２８の位置と一致している。環状電極は、好ましくは、それらに印加される交番無線周波数ＲＦ波形を有している（電極から電極へ１８０度位相を異にする）。その場合、ＲＦ場は、イオン自体が電極に極めて接近した場合にのみ、イオンに対して反発的である有効な電位を作り出す。この短い範囲の反発を使用して、カーペットから極めて短い距離の上方でイオンを本質的にホバリングさせることができる。定在ＲＦ波がイオンカーペットの電極に印加される例示的非限定事例では、イオンは、単純に電極の上方でホバリングする；それらをカーペットのある部分へ、または別の部分へ移動させる誘因は存在しない。ホバリングするイオンをさらに操作するために追加ＤＣ勾配が印加され得る。典型的には、ＤＣ勾配は、真中のリングが重要なイオンのための最も「下りの」ＤＣ電位になるように印加される（例えば正のイオンに対して最も低い電位、あるいは負のイオンに対して最も高い電位）。徐々に変化するＤＣ電位が、イオンが中心電極に向かって引っ張られるようにさせ、一方、ＲＦは、イオンを永続的にホバリングさせることになる。結果として、ほとんどのイオンが真中の環状電極に向かって収束する。前記電極１３４に印加される電位は、異なる電位を異なる電極１３２に提供するために有利にはプログラムされうる、電子回路１３４によって定められる。
【００４１】
図２は、本発明の別の好ましい実施形態によるイオン源デバイス２００を示したものである。デバイスの様々なセクションは、互いに電子／イオン伝搬の方向の軸２０２に沿っている。個々のセクションは、１つのセクションから次のセクションへの圧力勾配の印加を可能にするために、当技術で知られている入口／出口弁およびシールを備えた圧力調整手段を提供されている。デバイス２００は、軸２０２に沿って電子ビーム２１２を形成し案内するための手段２１０を備えている。
【００４２】
電子ビームは、Ｗｅｈｎｅｌｔ電極２１５、および電子ビームが通過することができる中央開口を有する抽出アノード２１６と共に、加熱された円板カソード２１４を備えた電子源２１３によって形成される。円板カソード２１４の加熱器は、例えば、カソードの両端間に電位差を印加し、それにより数アンペアまでの強度の、発熱電流を流す電源を備えている。有利には円板カソード２１４は、酸化イットリウム被覆イリジウム（ｙｔｔｒｉａ−ｃｏａｔｅｄ  ｉｒｉｄｉｕｍ）（Ｙ２Ｏ３−Ｉｒ）円板カソードである。このようなカソードは、０．５Ａ／ｃｍ２の典型的な放出電流密度、約１８００Ｋの典型的な動作温度、φ＝２．６ｅＶの仕事関数、およびカソード円板径に応じて５．５・１０−３ｃｍ２から１．９５・１０−２ｃｍ２の放出面積を有している。放出される電子電流は場合によっては数ｍＡになり、この種のエミッタの利点は、それらの推奨動作圧力がｐ≦１０−４ｍｂａｒであるため、極めて貧弱な真空条件でそれらを動作させることができることである。電子ビームは、好ましくは、軸２０２に沿って数ｋｅＶの高エネルギーで輸送される。電子ビームは、入口２２６を通って、約１００ｅＶのより低いエネルギーでイオン化チャンバ２２０に入る前に、静電レンズ２１７によってコリメートされる。電子ビーム形成チャンバは、好ましくは、図解されているように電位遮蔽およびポンピング格子２１８によって取り囲まれている。格子は、例えば、デバイス２００の示されているすべての構成要素を支持し、それらの間の絶縁を提供するセラミック支持構造中に埋め込まれた、金属格子として提供され得る。電子ビーム形成チャンバおよびイオン化チャンバ２２０は、入口２２６と一致する開口を有する電極２２１によって好ましくは分離されている。
【００４３】
イオン化チャンバ２２０は、選択された種のガス２２２をイオン化チャンバのエンクロージャ中に選択的に流入させるための入口２２４をさらに提供されている。本発明の範囲を逸脱することなく他の設定値が適用され得るが、イオン化チャンバの内側のガスの圧力は、好ましくは、約２９８．１５Ｋに維持される温度で約０．１ｍｂａｒに維持される。
【００４４】
電子ビーム２１２が通過してイオン化チャンバに入る壁とは反対側のイオン化チャンバの壁は、前記軸２０２上に整列したイオンビーム出口２２８を備えている。イオンビーム出口２２８は、電子ビーム２１２とイオン化チャンバ２１２の内側のガスとの相互作用を介して作り出されたイオン２４０がイオン化チャンバ２１２から脱出することができる唯一の開口である。イオン２４０を出口２２８に向かって送り込むために、イオンカーペット２３０を形成している同心電極２３２のセットが出口の周りに配列されている。電極２３２は実質的に環状形状を有しており、それらのそれぞれの中心はイオンビーム出口２２８の位置と一致している。前記電極２３４に印加される電位は電子回路２３４によって定められる。図２の例では、電極２３２は、イオン化チャンバ２２０の対応する壁を覆っているか、あるいは形成しているかのいずれかである基板２３４上に支持されている。
【００４５】
電子ビーム２１２は、イオン化チャンバ２２０に入ると、ガス分子とのその相互作用と停止場（ｓｔｏｐｐｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）Ｆｅ，ｒｅｔａｒｄの効果の組合せによって、イオン化領域内で減速し、また、有利には停止する。停止場Ｆｅ，ｒｅｔａｒｄの強度は、例えば約１０Ｖ／ｃｍになるように選択され得る。停止場は、好ましくは少なくとも１つのさらなる電極、例えばその効果専用の電極２２１と相伴って、好ましくはイオンカーペット２３０の電極２３２に印加されるＲＦ電位によって生成される。本発明者らは、パラメータの例示的セット（ｐＩＲ＝０．１ｍｂａｒ、ＴＩＲ＝２９８．１５Ｋ、およびＦｅ，ｒｅｔａｒｄ＝１０Ｖ／ｃｍ）が与えられると、１００ｅＶのエネルギーを有する、イオン化チャンバ２２０に入る電子ビームは、電子ビームと相互作用するガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｏ２、Ｎ２）の性質に無関係に、軸２０２に沿った４ｃｍ未満の距離内で停止することを観察した。したがって軸２０２の方向に沿ったイオン化チャンバの長さＤＩＲは、好ましくは約５ｃｍになるように選択される。電子ビームがイオン化チャンバ２２０内で停止すると、電子ビームの電子はイオンカーペットに当たらず、ガス分子との相互作用の総数が増加する。
【００４６】
イオンカーペット２３０の電極２３２に印加される電位は、電極２２１および２２５上の電位と相伴って、作り出されたイオンをイオンカーペットに向かってさらに押し付ける。イオンカーペットの近傍では、イオン２４０は、中央イオンビーム開口２２８に向かって引っ張られ、あるいは送り込まれる。これは、ＤＣ勾配をイオンカーペットの電極上に重畳することによって達成される。図解されている例では、電位遮蔽電極２２５は、イオン化チャンバ２２０をさらに取り囲んでいる。これらの電極の電位は数ｋＶとして選択され得るが、電位は、有利には電極２２１に印加される電位より低い。電極２２５と電極２２１の間の電位の差は、好ましくは数十ボルトのオーダーである。
【００４７】
図２の例では、イオン化チャンバには少なくとも１つの電極２５０、しかし好ましくは３つの電極２５０、２５２および２５４を備えたイオンコラムが後続してレンズを形成しており、電極２５４は好ましくは接地電位に設定される。電極２２１（典型的には数ｋＶ、例えば５ｋＶに設定される）と電極２５４の間の電位差は、イオン源デバイスから出る際のイオンビームのエネルギーを固定する。電極２５０は、正のイオンのための抽出場（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）を作り出すために、好ましくはイオンカーペットのメインＤＣ電位より低い電位に設定されるべきである。それにもかかわらずその電位は依然として数ｋＶであり得る。電極２５２は正の電位に維持されるが、電極２５０の電位より低い。
【００４８】
電極２５０は、イオンビーム出口を形成している開口２２８（約１ｍｍ）の寸法に対して小さい開口（約１００μｍ）を有する絞りとして、好ましくは作用する。この配列によれば、イオン源デバイス２００は、イオンビーム出口２２８から出る放出円錐の中央部分に対応する高輝度を有するイオンビームを出力することができる。
【００４９】
図３は、本発明の実施形態によるイオン源デバイスのイオン化チャンバ内に使用されているときのイオンカーペット３３０の概略図を提供したものである。この例示的実施形態では、円形形状の環状電極３３２は、直径が約１ｍｍの開口３２８を中心として、その周りに全体で約４ｃｍの直径にわたって基板３３６中に延在している。図３は正方形の形を有する基板３３６を示しているが、本発明の範囲を逸脱することなく、丸い形または円形などの他の形状も使用され得る。イオンカーペット３３０は、例えばプリント回路板、ＰＣＢ、技術を使用して作られ、銅電極がいくつかのステップで電気絶縁樹脂の上に堆積される。電極３３２は、図３では見ることができないＰＣＢの反対側の面に好ましくは配置されている電気回路に接続されている。平らな基板の両側の構成要素間の接続は、銅が充填された貫通孔すなわちビアによって確立される。示されている電極は円形の形状を有しているが、それらも同様に、本発明の範囲を逸脱することなく、正方形、長方形、楕円形または他の形状を有することが可能である。図３の例では、電極３３２は、異なる幅３３７および異なるサイズの隙間３３８を有している。他の実施形態では、いずれか一方または両方のパラメータは、電極間で同じであってもよい。ＲＦイオンカーペット３３０に印加されるＲＦ信号は、好ましくは１ＭＨｚから１２ＭＨｚにわたる周波数範囲であり、また、０Ｖから１５０Ｖの範囲、好ましくは約１００Ｖの振幅を有している。このような信号を準備することができる電子回路の設計は、同業の実践者の通常の能力内であることが期待され、本発明の文脈においては、これ以上詳細には説明されない。
【００５０】
上で定義された、本発明の実施形態による電子衝撃源の変形された輝度は、約１００Ａ  ｍ−２  ｓｒ−１  Ｖ−１から５００Ａ  ｍ−２  ｓｒ−１  Ｖ−１であることが観察されている。これは、最新技術の電子衝撃源と比較すると１００倍から５００倍の改善を表している。
【００５１】
当業者には本発明の範囲内における様々な変更および修正が明らかであるため、特定の好ましい実施形態についての詳細な説明は単なる例証として与えられたものにすぎないことを理解されたい。保護の範囲は、以下の特許請求の範囲のセットによって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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