JPH06289193A - Fast atomic beam source - Google Patents
Fast atomic beam sourceInfo
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- JPH06289193A JPH06289193A JP9710893A JP9710893A JPH06289193A JP H06289193 A JPH06289193 A JP H06289193A JP 9710893 A JP9710893 A JP 9710893A JP 9710893 A JP9710893 A JP 9710893A JP H06289193 A JPH06289193 A JP H06289193A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高速原子線源に係り、
特に、低い放電電圧で低エネルギーの原子線を効率よく
放出することのできる高速原子線源に関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a fast atomic beam source,
In particular, it relates to a fast atom beam source capable of efficiently emitting a low energy atom beam at a low discharge voltage.
【0002】[0002]
【従来の技術】常温の大気中で熱運動している原子・分
子は、概ね0.05eV前後の運動エネルギーを有してい
る。これに比べてはるかに大きな運動エネルギーで飛翔
する原子・分子を「高速原子」と呼び、それが一方向に
ビーム状に流れる場合に「高速原子線」と呼ばれてい
る。係る高速原子線は、固体表面を削り、あるいは変性
させる等の加工等に用いることができ、特に電気的に中
性であるため、金属、半導体分野への適用に限られず、
従来イオンビーム法が不得意としていたプラスチック、
セラミック等の絶縁物を対象とした加工にも威力を発揮
する。又、低エネルギーの高速原子線は被加工物にダメ
ージを与えないため、半導体の微細加工等に好適であ
る。2. Description of the Related Art Atoms and molecules that are in thermal motion in the atmosphere at room temperature have a kinetic energy of about 0.05 eV. Atoms / molecules that fly with much larger kinetic energy than this are called “fast atoms”, and when they flow in a beam in one direction, they are called “fast atom beams”. The high-speed atomic beam can be used for processing such as shaving the solid surface or modifying it, and is particularly electrically neutral, so that it is not limited to the application to the metal and semiconductor fields,
Plastic, which was not good at the conventional ion beam method,
It is also effective in machining insulators such as ceramics. In addition, a low-energy high-speed atomic beam does not damage the work piece, and is therefore suitable for fine processing of semiconductors.
【0003】図2は、従来発表されている、気体原子の
高速原子線を発生する高速原子線源のうち、運動エネル
ギーが0.5〜10keV のアルゴン原子のビームを放射
する高速原子線源の一例を示している。図中、1は外囲
器を兼ねた円筒形の陰極、2はドーナツ状の陽極、3は
0.5から1kVの直流高圧電源、4はガスノズル、5は
アルゴンガス、6はプラズマ、7は高速原子線の放出
孔、8は高速原子線を示している。FIG. 2 shows a conventional high-speed atom beam source for generating a high-speed atom beam of gas atoms, which emits a beam of argon atoms having a kinetic energy of 0.5 to 10 keV. An example is shown. In the figure, 1 is a cylindrical cathode also serving as an envelope, 2 is a donut-shaped anode, 3 is a high voltage DC power supply of 0.5 to 1 kV, 4 is a gas nozzle, 5 is argon gas, 6 is plasma, and 7 is A fast atom beam emission hole, and 8 denotes a fast atom beam.
【0004】この高速原子線源は、以下のとおり動作す
る。即ち、直流高圧電源3を除く各構成要素は、真空容
器に内蔵されて、前記真空容器が充分に排気されたの
ち、アルゴンガス5がガスノズル4から円筒形陰極1の
内部に注入される。そして、直流高電圧が直流高圧電源
3により、陽極2が正電位、陰極1が負電位となるよう
に両電極間に印加される。This fast atom beam source operates as follows. That is, each component except the DC high-voltage power supply 3 is contained in a vacuum container, and after the vacuum container is sufficiently evacuated, argon gas 5 is injected into the cylindrical cathode 1 from the gas nozzle 4. Then, a high DC voltage is applied between both electrodes by a high DC power supply 3 so that the anode 2 has a positive potential and the cathode 1 has a negative potential.
【0005】このことにより、陰極1および陽極2間に
放電が起きてアルゴンガスのプラズマ6が発生し、アル
ゴンイオンと電子とが生成される。その際、円筒形陰極
1の一端側底面から放出された電子は陽極2に向かって
加速され、陽極2の中央の孔を通過して前記円筒形陰極
1の他端側底面に到達する。他端側底面に達した電子
は、ここで速度を失って反転し、あらためて陽極2に向
かって加速され、再び陽極2の孔を通過して陰極1の一
端側底面に到達する。このような電子の繰り返し運動
が、陽極2を介した円筒形陰極1両端面間における高周
波振動となり、その運動の間にアルゴンガスと衝突して
多数のアルゴンイオンを生成する。As a result, an electric discharge is generated between the cathode 1 and the anode 2, plasma 6 of argon gas is generated, and argon ions and electrons are generated. At that time, the electrons emitted from the bottom surface on one end side of the cylindrical cathode 1 are accelerated toward the anode 2, pass through the central hole of the anode 2, and reach the bottom surface on the other end side of the cylindrical cathode 1. The electrons that have reached the bottom surface on the other end side lose their speed and are reversed here, are accelerated again toward the anode 2, pass through the holes of the anode 2 again, and reach the bottom surface on the one end side of the cathode 1. Such repetitive motion of electrons causes high frequency vibration between both end faces of the cylindrical cathode 1 via the anode 2, and during the motion, it collides with argon gas to generate a large number of argon ions.
【0006】こうして発生したプラズマ6中のアルゴン
イオンは、円筒形陰極1の端面に向かって加速され、充
分な運動エネルギーを得るに至る。また、円筒形陰極1
の両端面近傍の空間は高周波振動する電子の折り返し点
であって、低エネルギーの電子が多数存在する領域であ
る。この領域に入射したアルゴンイオンは、電子と衝
突、再結合してアルゴン原子に戻る。イオンと電子の衝
突において、電子の質量がアルゴンイオンに比べて無視
できる程に小さいため、アルゴンイオンの運動エネルギ
ーは殆ど損失せずにそのまま原子に受け継がれて高速原
子なる。従って、この場合の高速原子の運動エネルギー
は、直流高圧電源3による放電維持電圧が、例えば1kV
のときは、1keV 程度の値となる。この高速原子は円筒
形陰極1の端面に穿設された放出孔7を通って外部に高
速原子線8となって出射される。The argon ions in the plasma 6 thus generated are accelerated toward the end surface of the cylindrical cathode 1 to obtain sufficient kinetic energy. Also, the cylindrical cathode 1
The space in the vicinity of both end faces is a turning point of electrons that oscillate at high frequency, and is a region where many low-energy electrons are present. Argon ions incident on this region collide with electrons and recombine to return to argon atoms. In ion-electron collisions, the mass of the electron is negligibly small compared to the argon ion, so that the kinetic energy of the argon ion is inherited by the atom as it is with almost no loss and becomes a fast atom. Therefore, in this case, the kinetic energy of the fast atom is determined by the discharge sustaining voltage by the DC high voltage power source 3 being, for example, 1 kV
In case of, the value is about 1 keV. The fast atoms are emitted as a fast atom beam 8 to the outside through an emission hole 7 formed in the end face of the cylindrical cathode 1.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の高速原子線源において、高速原子線の放出量の増加
を図るためには、上記の構造から考えられるように、放
電電圧を上げる、磁石を併用する、反応ガスの圧力を増
す等の方法しかなかった。その結果、高速原子線のエネ
ルギーの増加を招く、装置が大型化する、高速原子線の
エネルギー幅が広がってしまう等の使用上の問題点が多
く使い難さを伴った。However, in this conventional high-speed atomic beam source, in order to increase the emission amount of the high-speed atomic beam, it is necessary to increase the discharge voltage by using a magnet as considered from the above structure. There are only methods such as combined use and increasing the pressure of the reaction gas. As a result, there are many problems in use, such as an increase in the energy of the fast atom beam, an increase in the size of the apparatus, and a widening of the energy width of the fast atom beam, which is difficult to use.
【0008】本発明は、係る従来技術の問題点に鑑み、
低い放電電圧で低エネルギーの、粒子線束の高い高速原
子線を効率よく放出できる高速原子線源を提供すること
を目的とする。The present invention has been made in view of the problems of the prior art.
It is an object of the present invention to provide a fast atom beam source capable of efficiently emitting a fast atom beam having a high particle beam flux and a low energy at a low discharge voltage.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明は、高速原子放出
孔を有する陰極と、該陰極と所定間隔を有して対向配置
された陽極と、該陰極及び該陽極を内蔵する外筒容器内
に反応ガスを導入するガスノズルと、前記陰極に負電位
を前記陽極に正電位を与える直流高圧電源とからなり、
前記外筒容器内の陽極上流部に熱フィラメントを備えた
ことを特徴とする。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is directed to a cathode having a fast atom emission hole, an anode arranged to face the cathode at a predetermined interval, and an outer cylinder containing the cathode and the anode. A gas nozzle for introducing a reaction gas into, and a DC high voltage power source for applying a positive potential to the anode and a negative potential to the cathode,
A hot filament is provided upstream of the anode in the outer container.
【0010】[0010]
【作用】本発明は、陽極の上流部の熱フィラメントによ
り熱電子を供給することによって、多量の電子を陽極の
下流の放電部に供給するものである。従って、陽極と陰
極間の放電部では低電圧で放電維持を行い、低エネルギ
ーの高速原子線を出射することができる。According to the present invention, a large amount of electrons are supplied to the discharge portion downstream of the anode by supplying thermoelectrons by the hot filament upstream of the anode. Therefore, discharge can be maintained at a low voltage in the discharge portion between the anode and the cathode, and a low-energy high-speed atomic beam can be emitted.
【0011】[0011]
【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を
説明する。図1は、本発明の一実施例を示す高速原子線
源の概略の構成を説明するものである。なお、本実施例
では、先の図2によって述べた従来例と同一機能、動作
を有する構成要素については同一符号を用いている。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 illustrates a schematic configuration of a fast atom beam source showing an embodiment of the present invention. In this embodiment, the same symbols are used for the components having the same functions and operations as those of the conventional example described with reference to FIG.
【0012】図1に示されるように、所定間隔を有して
対向した板状陰極21および板状陽極22が絶縁物(セ
ラミック)外筒23内に配置され、図示しない真空容器
に収められ十分に排気される。陰極21及び陽極22は
真空容器の外部に配置された直流高圧電源3と接続さ
れ、陰極21には負電位、陽極22には正電位の直流高
圧電圧が印加され、両電極間には放電部が構成される。
又、板状陰極21は表面に多数の高速原子線放出孔7が
穿設され、高速原子線8を出射可能に構成されている。
ガスノズル4は、真空容器の外部より外筒23内に反応
ガス5を導入するためのものであり、外筒23内のガス
の流れのガスノズル4から板状陽極22の間が陽極上流
部となる。板状陽極22には、反応ガス5の流通孔9が
穿設されており、反応ガス5は、ガスノズル4から陽極
上流部を通り、板状陽極22の流通孔9を通って両電極
21,22間の放電部に流入する。As shown in FIG. 1, a plate-shaped cathode 21 and a plate-shaped anode 22 which are opposed to each other with a predetermined distance are arranged in an insulator (ceramic) outer cylinder 23 and sufficiently housed in a vacuum container (not shown). Exhausted to. The cathode 21 and the anode 22 are connected to a DC high voltage power supply 3 arranged outside the vacuum container, a negative DC potential is applied to the cathode 21 and a positive DC high voltage is applied to the anode 22, and a discharge unit is provided between both electrodes. Is configured.
Further, the plate cathode 21 has a large number of high-speed atomic beam emission holes 7 formed on its surface so that the high-speed atomic beam 8 can be emitted.
The gas nozzle 4 is for introducing the reaction gas 5 into the outer cylinder 23 from the outside of the vacuum container, and the portion of the gas flow in the outer cylinder 23 between the gas nozzle 4 and the plate-shaped anode 22 serves as the anode upstream portion. . The plate-like anode 22 is provided with a through hole 9 for the reaction gas 5. The reaction gas 5 passes from the gas nozzle 4 through the upstream portion of the anode and through the through-hole 9 in the plate-like anode 22 to both electrodes 21, It flows into the discharge part between 22.
【0013】外筒23内の板状陽極22の上流部には熱
フィラメント26が設けられている。熱フィラメント2
6は、白金又はLaB6からなり真空容器外部に配置した
電源24に可変抵抗器25を介して接続されている。A hot filament 26 is provided upstream of the plate-shaped anode 22 in the outer cylinder 23. Hot filament 2
6 is made of platinum or L a B 6 and is connected via a variable resistor 25 to a power source 24 arranged outside the vacuum container.
【0014】次に、上述のごとく構成した高速原子線源
の動作について説明する。まず、高速原子線源及び被加
工対象物が収納された真空容器内を充分に排気したの
ち、例えばアルゴン等の反応ガス5を外筒23内にガス
ノズル4より導入する。そして、板状陽極22と板状陰
極21の間に直流高圧電源3より直流高圧を印加し、一
方反応ガス5の導入と同時に、前記フィラメント26を
加熱して熱電子を放出させる。Next, the operation of the high-speed atomic beam source constructed as described above will be explained. First, the inside of the vacuum container in which the high-speed atomic beam source and the object to be processed are housed is sufficiently exhausted, and then a reaction gas 5 such as argon is introduced into the outer cylinder 23 through the gas nozzle 4. Then, a DC high voltage is applied from the DC high voltage power supply 3 between the plate anode 22 and the plate cathode 21, and at the same time when the reaction gas 5 is introduced, the filament 26 is heated to emit thermoelectrons.
【0015】板状陽極22の陽極上流部において、放出
された熱電子及び反応ガス5は板状陽極22の流通孔9
を通って、下流の放電部に入り、両電極21,22間に
印加された直流高圧によって放電が発生し、プラズマ6
が生成する。放電部では、あらかじめ反応ガス5は熱フ
ィラメントで放出された多量の電子を含んでいるため、
低い放電電圧で放電の維持が可能となる。At the upstream portion of the plate-like anode 22, the released thermoelectrons and the reaction gas 5 are distributed through the flow holes 9 of the plate-like anode 22.
Through the plasma into the discharge part on the downstream side, and the discharge is generated by the high DC voltage applied between the electrodes 21 and 22.
Is generated. In the discharge part, the reaction gas 5 contains a large amount of electrons emitted by the hot filament in advance,
Discharge can be maintained at a low discharge voltage.
【0016】放電部のプラズマ6中では、反応ガス5の
陽イオンと電子が生成されているが、陽イオンは負電位
が与えられた陰極21に向かって加速されて大きなエネ
ルギーを得る。加速された陽イオンは板状陰極21の近
傍で残留している反応ガス5の原子と接触して陽電荷を
失い中性の高速原子となり、あるいは電子との再結合に
よって陽電荷を失って中性の高速原子となり、高速原子
放出孔7から高速原子線8として出射される。In the plasma 6 of the discharge part, cations and electrons of the reaction gas 5 are generated, but the cations are accelerated toward the cathode 21 to which a negative potential is applied, and obtain large energy. The accelerated cations contact the atoms of the reaction gas 5 remaining in the vicinity of the plate-like cathode 21 to lose positive charges and become neutral fast atoms, or lose positive charges by recombination with electrons. And becomes a fast atom, and is emitted as a fast atom beam 8 from the fast atom emission hole 7.
【0017】さて、熱フィラメント26は高温に加熱さ
れているため、導入するガス5が反応性に富む場合に
は、ガス5と反応し易く劣化、切断してしまうことがあ
る。熱フィラメント26にガス5と反応し難い白金又は
LaB6を用いることにより、フィラメントの劣化、切断
を防止することができる。Since the hot filament 26 is heated to a high temperature, if the introduced gas 5 is highly reactive, it may easily react with the gas 5 and may be deteriorated or cut. The use of platinum or L a B 6 hardly reacts with the gas 5 in the hot filament 26, it is possible to prevent deterioration of the filaments, the cutting.
【0018】外筒23内の板状陽極22の上流部の、熱
フィラメント26を配置し熱電子を発生する部分には磁
場を更に備えることが好ましい。即ち、例えば外筒23
を囲むように円筒状の電磁石又は永久磁石を設けること
により、外筒23の陽極上流部に磁場が形成される。こ
のような磁場が形成されると、電子サイクロトロン共鳴
効果の利用ができ、より効果的に電離された電子を陰極
21と陽極22間の放電部に供給することが可能とな
る。従って、陽極上流部に磁場を設けることにより、よ
り低い放電電圧、即ち低エネルギーの高速原子線を得る
ことができる。A magnetic field is preferably further provided in a portion of the outer cylinder 23 upstream of the plate-like anode 22 where the hot filament 26 is arranged to generate thermoelectrons. That is, for example, the outer cylinder 23
By providing a cylindrical electromagnet or permanent magnet so as to surround the, a magnetic field is formed in the anode upstream portion of the outer cylinder 23. When such a magnetic field is formed, the electron cyclotron resonance effect can be utilized and more effectively ionized electrons can be supplied to the discharge portion between the cathode 21 and the anode 22. Therefore, by providing a magnetic field in the upstream part of the anode, it is possible to obtain a lower discharge voltage, that is, a low-energy fast atom beam.
【0019】[0019]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高速原
子線源は、陽極上流部で熱フィラメントによって多量の
熱電子が発生し、放電部に供給される。従って、放電部
における反応ガスのプラズマを発生させるのに、直流高
圧電源を低く維持することが可能となり、低エネルギー
の高速原子線を得ることが可能となる。この効果は、陽
極上流部に磁場を設けることにより、一層促進される。As described above, in the fast atom beam source of the present invention, a large amount of thermoelectrons are generated by the hot filament in the upstream part of the anode and supplied to the discharge part. Therefore, the DC high-voltage power supply can be kept low in order to generate the plasma of the reaction gas in the discharge part, and the low-energy high-speed atomic beam can be obtained. This effect is further promoted by providing a magnetic field in the upstream part of the anode.
【図1】本発明の一実施例の高速原子線源の概略の構成
を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fast atom beam source according to an embodiment of the present invention.
【図2】従来の高速原子線源の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of a conventional high-speed atomic beam source.
1 円筒形陰極 2 ドーナツ状の陽極 3 直流高圧電源 4 ガスノズル 5 反応ガス 6 プラズマ 7 原子放出孔 8 高速原子線 9 ガス流通孔 21 板状陰極 22 板状陽極 23 絶縁物(セラミック)外筒 24 電源 25 可変抵抗器 26 熱フィラメント 1 Cylindrical Cathode 2 Donut-shaped Anode 3 DC High Voltage Power Supply 4 Gas Nozzle 5 Reactive Gas 6 Plasma 7 Atom Emission Hole 8 High Speed Atomic Beam 9 Gas Flow Hole 21 Plate Cathode 22 Plate Anode 23 Insulator (Ceramic) Outer Cylinder 24 Power Supply 25 variable resistor 26 hot filament
Claims (5)
と所定間隔を有して対向配置された陽極と、該陰極及び
該陽極を内蔵する外筒容器内に反応ガスを導入するガス
ノズルと、前記陰極に負電位を前記陽極に正電位を与え
る直流高圧電源とからなり、前記外筒容器内の陽極上流
部に熱フィラメントを備えたことを特徴とする高速原子
線源。1. A cathode having a fast atom emission hole, an anode arranged to face the cathode at a predetermined distance, and a gas nozzle for introducing a reaction gas into the cathode and an outer cylinder containing the anode. A high-speed atomic beam source, comprising: a high-voltage direct-current power supply for applying a negative potential to the cathode and a positive potential to the anode, and a hot filament provided upstream of the anode in the outer container.
ことを特徴とする請求項1記載の高速原子線源。2. The fast atom beam source according to claim 1, further comprising a magnetic field provided upstream of the anode.
とを特徴とする請求項1又は2記載の高速原子線源。3. The fast atom beam source according to claim 1, wherein platinum is used for the hot filament.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の高速原子線源。4. The fast atom beam source according to claim 1, wherein the hot filament uses L a B 6 .
であり、前記陽極はガスの流通孔を有する板状陽極であ
り、該陰極及び該陽極は外筒内に対向して設置されてい
ることを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の高速
原子線源。5. The cathode having the atom emission holes is a plate-shaped cathode, the anode is a plate-shaped anode having a gas flow hole, and the cathode and the anode are installed to face each other in an outer cylinder. The fast atom beam source according to claim 1, 2, 3, or 4.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9710893A JPH06289193A (en) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Fast atomic beam source |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9710893A JPH06289193A (en) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Fast atomic beam source |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06289193A true JPH06289193A (en) | 1994-10-18 |
Family
ID=14183403
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP9710893A Pending JPH06289193A (en) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Fast atomic beam source |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06289193A (en) |
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1993
- 1993-03-31 JP JP9710893A patent/JPH06289193A/en active Pending
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