JP2002334663A - 荷電粒子発生装置及びその発生方法 - Google Patents
荷電粒子発生装置及びその発生方法Info
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Abstract
置をイオン源と電子源とに切り換えて使用することがで
きる荷電粒子発生装置及びその発生方法を提供するこ
と。 【解決手段】 イオン発生モードとエレクトロン発生モ
ードとが切り換え可能な荷電粒子発生装置及びその方法
である。イオン発生モードでは、荷電粒子発生電極10
0に設けられた原材料通路108を介して原材料を導い
て、荷電粒子発生電極100の先端に原材料を供給す
る。さらに、荷電粒子発生電極100側を正極性とし荷
電粒子引出し電極110側を負極性とする第1の電界を
形成して、荷電粒子発生電極100より原材料からイオ
ンを発生させる。エレクトロン発生モードでは、原材料
供給部130からの原材料の供給を停止させる。さら
に、荷電粒子発生電極100側を負極性とし荷電粒子引
出し電極110側を正極性とする第2の電界を形成し
て、荷電粒子発生電極100自体よりエレクトロンを発
生させる。
Description
ロン等の荷電粒子の一方を、またはその双方を択一的に
発生させる荷電粒子発生装置及びその発生方法に関す
る。
オン源では、針状電極の周囲を例えば10-8Pa程度に
真空引きすると共に、常温では気体の原材料を針状電極
の先端部に供給して、針状電極の周囲は10-2Pa程度
となる。針状電極は、発生させたいイオン種に応じて冷
却され、それにより原材料ガスは液化され、針状電極と
引出し電極との間の強電界によってイオン化される。こ
のように、従来は原材料の液化のための冷却装置が不可
欠であった。また、供給される原材料の多くは真空排気
系に流れるため、原材料の有効利用ができずに無駄に消
費されていた。
ら、1台の装置にて電子ビームとイオンビームとを放射
できる装置が切望されている。例えば、電子ビームとイ
オンビームの特徴を使い分けて描画や加工を行うことで
ある。あるいは、イオンビームによる描画やイオン打ち
込みなどのプロセス中に、その様子を電子線を用いてモ
ニタすることも考えられる。
給を止め、針状電極から電子を放出することが考えられ
る。ただし、針状電極の先端部には原材料が吸着してい
るため、加熱機構によって吸着物を取り除き、清浄な面
より電子を放出させる必要があった。
用されるときには冷却され、電子源として使用されると
きには加熱される。この結果、針状電極の温度を例えば
数Kから2000K程度まで速やかに変更する必要があ
る。この結果、加熱機構に加えて、冷却装置として液体
ヘリウムや液体窒素などの槽や冷凍機が不可欠となる。
して用いられる際には10-8Paであるのに対して、イ
オン源として用いられるときには原材料ガスに依存して
例えば10-2Pa程度となる。このような圧力差のある
各圧力に速やかに設定するには、負荷に強いターボ分子
ポンプ(油拡散ポンプ)が必要である。しかも差動排気
方式を用いるなど、真空排気系でも大きな問題が生ず
る。
あるいはその双方に適した、新規な構造の荷電粒子発生
装置及びその発生方法を提供することにある。
で冷却することなくイオン化させることができる荷電粒
子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
に消費させることなくイオン化させることができる荷電
粒子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
によってエレクトロンを発生させることができる荷電粒
子発生装置及びその発生方法を提供することにある。
電極の材質に拘らず、電子流密度の大きいエレクトロン
を発生することができる荷電粒子発生装置及びその発生
方法を提供することにある。
小型に維持しながら、1台の装置をイオン源と電子源と
に切り換えて使用することができる荷電粒子発生装置及
びその発生方法を提供することにある。
電粒子発生装置は、基端部から自由端部に連通する原材
料通路を有する荷電粒子発生電極と、前記基端部に連結
され、前記荷電粒子発生電極の前記原材料通路に原材料
を供給する原材料供給部と、前記荷電粒子発生電極の前
記自由端部との間に電界を形成する荷電粒子引出し電極
とを有することを特徴とする。
極自体に設けられた原材料通路を経由して、原材料供給
部より荷電粒子発生電極の自由端部(または先端部)に
導かれる。この荷電粒子発生電極の自由端部と荷電粒子
引出し電極との間には電界が形成されているので、その
自由端部に位置する原材料から荷電粒子が発生する。
イオンまたはエレクトロンとなる。
荷電粒子引出し電極側を負極性とする電界を形成すれ
ば、荷電粒子発生電極の自由端部にて原材料からイオン
を発生させることができる。
電粒子引出し電極側を正極性とする電界を形成して、荷
電粒子発生電極の自由端部にて原材料からエレクトロン
を発生させることができる。
し荷電粒子引出し電極側を負極性とする第1の電界と、
荷電粒子発生電極側を負極性とし荷電粒子引出し電極側
を正極性とする第2の電界とを切り換えて形成してもよ
い。こうすると、荷電粒子発生電極の自由端部にて原材
料からイオン及びエレクトロンを切り換えて発生させる
ことができる。
る際には、原材料供給部は、荷電粒子発生電極の素材よ
りも低い仕事関数を持つ原材料を供給することができ
る。こうすると、電子流密度の大きいエレクトロンを発
生させる温度、電界などの条件が緩和される。
は、基端部から自由端部に連通する原材料通路を有する
荷電粒子発生電極と、前記基端部に連結され、前記荷電
粒子発生電極の前記原材料通路に原材料を供給する原材
料供給部と、前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との
間に電界を形成する荷電粒子引出し電極と、イオン発生
モードでは、前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記
荷電粒子引出し電極側を負極性とする第1の電界を、エ
レクトロン発生モードでは、前記荷電粒子発生電極側を
負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極性とする第
2の電界を形成する電界形成電源部と、前記エレクトロ
ン発生モードにて前記原材材料供給部からの原材料の供
給を停止する原材料供給停止部とを有することを特徴と
する。
モードでは原材料の供給を停止している。こうすると、
荷電粒子発生電極自体からエレクトロンが放出される。
イオン発生モードとエレクトロン発生モードとで使用す
る原材料が異なる場合と比較すれば、原材料の供給を停
止するだけなので、制御が簡易となる。
生電極の温度を調整する温調部をさらに設けることがで
きる。この温調により、原材料の供給量を制御できた
り、荷電粒子発生電極を清浄にしたり、荷電粒子発生電
極より熱電子を放出させたりすることが可能となる。
子発生電極は、中心部を貫通する微細直径の空洞を有す
るチューブ構造にて構成できる。この電極チューブ構造
は、カーボンにて構成できる。特に、円筒網状に炭素原
子が配列した単層のナノチューブ(カーボンナノチュー
ブ)あるいは径の異なるナノチューブを多層に積層した
ナノファイバーにて荷電粒子発生電極を形成することが
できる。円筒網状の構造は、不定形カーボン、多結晶カ
ーボン、あるいは墨と同様な炭素の単原子層から構成で
きる。
て図面を参照して説明する。
施の形態に係る荷電粒子発生装置の模式図である。
荷電粒子発生電極100と、荷電粒子引出し電極110
と、それらの間に強電界を形成する電界形成電源部12
0とを有している。
で構成された原材料溜め130に支持されている。この
原材料溜め130には、原材料の供給口132が設けら
れ、バルブ134により原材料の供給/停止が可能とな
っている。
極支持体140を介して原材料溜め130に支持されて
いる。
構成しているが、導電体で構成しても良い。この場合、
原料溜め130に連結される供給口132を高圧導入端
子として用いることで、荷電粒子発生電極への高電圧の
供給を原料溜め130を介して実施することができる。
に示す拡大図である。図2において、荷電粒子発生電極
100は例えば、同心円筒状の多層のカーボンチューブ
102にて形成されている。図2では模式的に5層のカ
ーボンチューブ102a〜102eが示されている。こ
のカーボンチューブ102の自由端部は、例えばKOH
溶液などでエッチングすることで針状に形成されてい
る。カーボンチューブ102の外周面にはTaメッキま
たはNiメッキなどのメッキ層104が形成されてい
る。メッキ層104は、例えばメッキ層形成後に濃硫
酸、濃塩酸などにてウェットエッチングすることで、カ
ーボンチューブ102の自由端部では除去されている。
には、例えばタングステン(W)などの材質から成る電
極支持体106が例えば溶接によって形成されている。
なお、メッキ層104はカーボンチューブ102に電極
支持体106を一体化させるために形成されている。
のカーボンナノチューブを単一あるいは複数束ねて構成
しても良い。この場合、カーボンナノチューブの自由端
部は元々極小径であるので、自由端部を針状に加工しな
くても、針状電極として十分に機能させることが可能と
なる。
層または多層のカーボンチューブ102にて形成され、
カーボンチューブ102自体は網状筒体となっている。
従って、荷電粒子発生電極100を構成するカーボンチ
ューブ102の網状の目、筒体の中空部、筒体間の間隙
などが、原材料通路路108として機能することにな
る。換言すれば、原材料溜め130と、荷電粒子発生電
極100の自由端部とは、荷電粒子発生電極100の原
材料通路108を介して連通している。
は、温度調整部として例えばヒータ150が配設されて
いる。このヒータ150による加熱方式としては、荷電
粒子発生電極100を直接加熱しても間接加熱しても良
い。
作説明)図3は、図1の装置をイオン源として用いる時
の動作説明図である。図1の装置をイオン源として用い
て正イオンを発生させるには、図3に示すように、荷電
粒子発生電極100側を正極性とし、荷電粒子引出し電
極110側を負極性とする強電界とする電界を、電界形
成電源部120により形成する。
より原材料溜め130内にイオン種となる原材料を供給
する。
雰囲気圧力は、例えば10-8Pa程度まで、図示しない
ポンプにて真空引きされる。
荷電粒子発生電極100の原材料通路108を介して連
通している。
は、荷電粒子発生電極100の原材料通路108を経由
して荷電粒子発生電極100の基端部より自由端部側に
向けて拡散し、または差圧により移送される。
部まで拡散された原材料は、上述の強電界によりイオン
化され、その陽イオンが荷電粒子引出し電極110によ
り引き出されて、イオンビームを放射することができ
る。
極の周囲で原材料ガスを液化させるための液体ヘリウ
ム、液体窒素などの槽や冷凍機が必要であったが、本実
施の形態では不要となる。
ーボンチューブ102にて形成されて極めて小径の原材
料通路108を有すれば、供給された原材料はほとんど
イオン化され、無駄に消費されることがない。
させたいイオン種に応じて選択できる。この荷電粒子発
生装置がイオン注入装置のイオン源として用いられる場
合、打ち込みたいイオン種に応じて原材料を選択するこ
とができる。イオンビームを用いてワークを加工する場
合のように、イオン種に特に制限がない場合には、例え
ばセシウム(Cs)、バリウム(Ba)などのように、
仕事関数の絶対値が低い原材料を供給することが好まし
い。緩和された温度条件の下で所望のイオン電流を確保
できるからである。
る速度は、原材料の供給圧、チャンバー内の真空度の
他、ヒータ150の温度設定により調節することも可能
である。
マイクロアナライザー、イオンビーム描画装置、露光装
置、走査イオン顕微鏡(SIM)、ミーリング装置、イ
オン注入装置等に利用出来る。
説明1)図4は、図1の装置を電子源として用いる時の
動作説明図である。図1の装置を電子源として用いてエ
レクトロンを発生させるには、図4に示すように、荷電
粒子発生電極100側を負極性とし、荷電粒子引出し電
極110側を正極性とする強電界とする電界を、電界形
成電源部120により形成する。
より原材料溜め130内に原材料を供給する。こうする
と、イオン源の場合と同様にして、原材料溜め130内
の原材料は、荷電粒子発生電極100の原材料通路10
8を経由して荷電粒子発生電極100の基端部より自由
端部側に向けて拡散する。
部まで拡散された原材料は、ヒータ150によって設定
された温度と、上述の電界とにより電離されて、そのエ
レクトロンが荷電粒子引出し電極110により引き出さ
れて、電子を放射することができる。なお、原材料自ら
の低い仕事関数によって、低い電界でもエレクトロンを
放射することが可能となる。
極よりエレクトロンが発生するので、その電子流密度は
荷電粒子発生電極の素材によって決まっていた。
によって容易にエレクトロンが放射されるので、荷電粒
子発生電極100の素材は、各種ガスに対する耐食性の
高いカーボンとすることができる。このカーボンは仕事
関数が4.5(V)と高い。従来装置の荷電粒子発生電
極はタングステン(W)が多く使用されているが、その
仕事関数も4.54(V)とほぼカーボンと同じであ
る。タングステン(W)は、陰極温度2500Kで26
00A/m2の熱電子放射電流密度が得られる。
低いバリウム・ストロンチウム(Ba/SrO)では、
タングステン(W)と同じ熱電子放射密度を得るには、
陰極温度が900K程度で良く、約1600Kも低い温
度で達成できることになる。
定のエネルギーを持った電子を、電子流密度が高くかつ
干渉性の良い電子ビームとして放射することであり、電
子流密度を高くすることで高輝度エミッタを実現でき
る。
して使用されるカーボン(C)は、融点が高く、種々の
気体に対する耐蝕性にも優れているが、その仕事関数は
4.5(V)とタングステンの仕事関数に近く、高輝度
エミッタとして使用するためには、強い電界強度、より
細い電極先端形状、あるいはより高い温度が必要であっ
た。
2.11(V)のバリウム(Ba)や、仕事関数が1.
81(V)のセシウム(Cs)など、電極素材のカーボ
ンより仕事関数が低い原材料を電極表面に形成すること
で、高輝度エミッタを実現することが可能となる。
低仕事関数の材料をコートした電極が使われることもあ
った。例えばバリウム(Ba)をタングステン(W)に
コートしたW/Baは仕事関数が1.56(V)とな
る。同様に、W/Cs(セシウム)の仕事関数は1.3
6(V)、W/Th(トリウム)の仕事関数は2.63
(V)、W/Y(イットリウム)の仕事関数は2.70
(V)、W/Zr(ジルコニウム)の仕事関数は3.1
4(V)となる。しかし、これらの電極は、コートされ
た低仕事関数の材料が消耗した時点で電極ごと交換しな
ければならなかった。
る速度は、原材料の供給圧、チャンバー内の真空度の
他、ヒータ150の温度設定により調節することも可能
であることは、イオン源の場合と同じである。
(SEM)、電子線描画装置、露光装置、X線マイクロ
アナライザー等に利用できる。
兼用する動作説明)図3と図4との各動作を交互に実施
することができる。この場合、少なくとも電界方向を互
いに逆になるように変えればよい。供給される原材料
は、必要により変更しても良いし、必ずしも変更しなく
ても良い。
た時のチャンバー内圧力である10 -2Paと、電子源と
して用いるための10-8Paとの間でターボ分子ポンプ
等を用いて圧力設定する必要があった。本実施の形態で
は、荷電粒子発生装置をイオン源として用いる時も、電
子源として用いるときにも、チャンバー内圧力はほとん
ど変動がない。換言すれば、荷電粒子発生電極100に
設けられた原材料通路108の大きさは、荷電粒子発生
電極100の自由端部での圧力変動をほとんど生じさせ
ない程度で原材料を供給するものである。このため、本
実施の形態では従来装置のような大型ポンプは不要であ
る。
説明2)1台の荷電粒子発生装置を、イオン源/電子源
として使い分ける場合には、電子源として動作は図4に
示す動作に限定されることはない。
動作させる場合の他の実施形態を示している。
るが、図4とは異なり原材料の供給を停止している。こ
の場合、カーボンチューブ102で形成された荷電粒子
発生電極100自体から電子が放出されることになる。
電粒子発生電極100を加熱して、その自由端部に付着
していた原材料を除去することができる。こうして、荷
電粒子発生電極100の表面が清浄となり、電子を放出
し易くなるからである。
子発生電極100の周囲圧力はほとんど変更されないの
で、この場合でも大型ポンプは不要である。
荷電粒子発生電極100をヒータ150によって加熱し
続けても良い。こうすると、荷電粒子発生電極100を
熱電界放射電子源として利用できる。
るときの原材料と、電子源として用いるときの原材料と
が互いに異なる場合と比較すれば、図5の方はバルブ1
34をオン/オフするだけで良いから容易である。図4
の場合であって、イオン発生モードとエレクトロン発生
モードとで使用する原材料が異なる場合には、原材料同
士が混合しないように、原材料溜め130を排気するな
どの必要があるからである。
れるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形
実施が可能である。
ついては、図2は一例を挙げたものに過ぎず、原材料通
路108を有する他の種々の構造の荷電粒子発生電極を
採用することができる。
て、図1に示す構造に代えて図6に示す構造を採用でき
る。図6では、現在実用化されている荷電粒子発生装置
の発生源に用いられるヘアピンフィラメント部分と同じ
ような外観を有する原材料溜め200が、碍子210に
支持されている。この中空形状の原材料溜め200の一
端202には、原材料供給口220から原材料が供給さ
れ、他端204は例えば密閉され、通路206に原材料
が充填される。
に、通路206には、カーボンチューブなどにて形成さ
れた荷電粒子発生電極100が、例えばメッキ層または
導電性接着剤230にて固定支持されている。図6の構
造であっても、通路206を介して荷電粒子発生電極1
00の自由端部に導かれた原材料からイオンを放射でき
る。また、図6の装置においても、図1の装置と同様に
して電子源として利用できる。なお、荷電粒子発生電極
100を支持する原材料溜め200は、金属(タングス
テン等)またはカーボンにて形成でき、荷電粒子発生電
極100の加熱に利用しても良い。
概略断面図である。
断面図である。
説明図である。
明図である。
は異なる動作説明図である。
置の概略断面図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 基端部から自由端部に連通する原材料通
路を有する荷電粒子発生電極と、 前記基端部に連結され、前記荷電粒子発生電極の前記原
材料通路に原材料を供給する原材料供給部と、 前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との間に電界を形
成する荷電粒子引出し電極と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項2】 請求項1において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記自由端部にて前記原材料からイオンを発
生させることを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項3】 請求項1において、 前記荷電粒子発生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を正極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記自由端部にて前記原材料からエレクトロ
ンを発生させることを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項4】 請求項1において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする第1の電界と、前記荷電粒子発
生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極
性とする第2の電界とを切り換えて形成して、前記荷電
粒子発生電極の前記自由端部にて前記原材料からイオン
及びエレクトロンを切り換えて発生させることを特徴と
する荷電粒子発生装置。 - 【請求項5】 請求項3または4において、 前記原材料からエレクトロンを発生する際には、前記原
材料供給部は、前記荷電粒子発生電極の素材よりも低い
仕事関数を持つ原材料を供給することを特徴とする荷電
粒子発生装置。 - 【請求項6】 基端部から自由端部に連通する原材料通
路を有する荷電粒子発生電極と、 前記基端部に連結され、前記荷電粒子発生電極の前記原
材料通路に原材料を供給する原材料供給部と、 前記荷電粒子発生電極の前記自由端部との間に電界を形
成する荷電粒子引出し電極と、 イオン発生モードでは、前記荷電粒子発生電極側を正極
性とし前記荷電粒子引出し電極側を負極性とする第1の
電界を、エレクトロン発生モードでは、前記荷電粒子発
生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極
性とする第2の電界を形成する電界形成電源部と、 前記エレクトロン発生モードにて前記原材材料供給部か
らの原材料の供給を停止する原材料供給停止部と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかにおいて、 前記荷電粒子発生電極の温度を調整する温調部をさらに
有することを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項8】 請求項1乃至7のいずれかにおいて、 前記荷電粒子発生電極はチューブ構造を有することを特
徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項9】 請求項8において、 前記荷電粒子発生電極は多層チューブ構造であることを
特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項10】 請求項8または9において、 前記荷電粒子発生電極はカーボンチューブにて形成され
ていることを特徴とする荷電粒子発生装置。 - 【請求項11】 荷電粒子発生電極に設けられた原材料
通路を介して原材料を導いて、前記荷電粒子発生電極の
先端に原材料を供給する工程と、 前記荷電粒子発生電極と荷電粒子引出し電極との間に電
界を形成して、前記荷電粒子発生電極の前記先端にて前
記原材料から荷電粒子を発生させる工程と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項12】 請求項11において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記先端にて前記原材料からイオンを発生さ
せることを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項13】 請求項11において、 前記荷電粒子発生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を正極性とする電界を形成して、前記荷電粒子
発生電極の前記先端にて前記原材料からエレクトロンを
発生させることを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項14】 請求項11において、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし前記荷電粒子引出
し電極側を負極性とする第1の電界と、前記荷電粒子発
生電極側を負極性とし前記荷電粒子引出し電極側を正極
性とする第2の電界とを切り換えて形成して、前記荷電
粒子発生電極の前記先端にて前記原材料からイオン及び
エレクトロンを切り換えて発生させることを特徴とする
荷電粒子発生方法。 - 【請求項15】 請求項13または14において、 前記原材料からエレクトロンを発生する際には、前記原
材料供給部は、前記荷電粒子発生電極の素材よりも低い
仕事関数を持つ原材料を供給することを特徴とする荷電
粒子発生方法。 - 【請求項16】 イオン発生モードとエレクトロン発生
モードとが切り換え可能な荷電粒子発生方法であって、 前記イオン発生モードでは、 荷電粒子発生電極に設けられた原材料通路を介して原材
料を導いて、前記荷電粒子発生電極の先端に原材料を供
給する工程と、 前記荷電粒子発生電極側を正極性とし荷電粒子引出し電
極側を負極性とする第1の電界を形成して、前記荷電粒
子発生電極の前記先端にて前記原材料からイオンを発生
させる工程と、 を有し、 前記エレクトロン発生モードでは、 前記原材料供給部からの前記原材料の供給を停止する工
程と、 前記荷電粒子発生電極側を負極性とし荷電粒子引出し電
極側を正極性とする第2の電界を形成して、前記荷電粒
子発生電極自体よりエレクトロンを発生させる工程と、 を有することを特徴とする荷電粒子発生方法。 - 【請求項17】 請求項16において、 前記イオン発生モード及びエレクトロン発生モードの少
なくとも一方にて、前記荷電粒子発生電極を温度調整す
る工程をさらに有することを特徴とする荷電粒子発生方
法。
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