JP2006351374A - イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】 イオン化室で異常放電が発生することなく、長時間にわたって正常に動作させることができるイオン源を提供する。
【解決手段】 イオン化室３で発生した陽イオンａの一部は、カソード２に向けて加速されて非磁性体２ｂに衝突する。このイオン衝突によりスパッタされた非磁性体２ｂの粒子ｂの殆どは、アノード７の内面Ｉ上に堆積する。その際、スパッタ粒子ｂは磁性を有していないので、スパッタ粒子ｂはイオン化室３に形成された磁場Ｅの影響を受けることなくアノード７上に一様に堆積する。このため、従来のようにアノード７上に針状部分が形成されることはなく、従来発生していたイオン化室での異常放電を防止することができる。したがって本発明のイオン源においては、長時間にわたって正常にイオン放出を行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子顕微鏡で観察される試料を作製するイオンビーム加工装置などに用いられるイオン源に関する。

現在、イオンビーム加工装置は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察試料を作製するのに利用されている。このイオンビーム加工装置として、遮蔽材を試料上に配置し、遮蔽材で覆われなかった試料部分をイオンビームでエッチングして観察断面を得るものがある。このような電顕試料作製用のイオンビーム加工装置においては、イオン源としてペニング型イオン源が用いられている。
ペニング型イオン源は、カソードとアノードと磁場発生手段を備え、さらにイオン化室にガスを導入する手段を備えている。このような構成において、カソードから放出された電子は前記磁場により旋回運動を行い、イオン化室に導入されたガスはその電子の衝突を受けてイオン化される。そして、そのイオン化により発生した陽イオンは、イオン化室の外に加速されて放出される。
なお、ペニング型イオン源に関する特許文献として、特開昭５３−１１４６６１号公報（特許文献１）などが知られている。

特開昭５３−１１４６６１号公報

さて、ペニング型イオン源の中には、カソードが前記磁場発生手段のポールピースを兼ねているものがある。この場合、カソードは磁性材料である鉄（Ｆｅ）で作られる。
一方、前記イオン化室で発生した陽イオンのうち、その一部の陽イオンはカソードに衝突してカソード表面をスパッタする。そのスパッタされたカソードの粒子はイオン化室内に堆積するが、カソードが上述したように磁性材料Ｆｅで作られている場合、そのカソードの粒子（Ｆｅ）はイオン化室内の前記磁場により針状に堆積する。すなわち、スパッタされたカソードの粒子（Ｆｅ）はイオン化室内の磁場の向きに沿って積み重なって行き、たとえばアノードの表面に針状に堆積する。
このようにアノード上に針状部分が形成されると、カソードとアノード間に電圧が印加されているため、その針状部分に異常放電が発生してしまう。さらにその異常放電により、カソードとアノード間に電圧を印加している電源回路がショートしてしまい、それらの電極間に所定の電圧が印加されなくなる。この結果、カソードからの電子放出が減少または無くなり、イオン源からイオンビームが放出されなくなってしまう。

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的は、イオン化室で異常放電が発生することなく、長時間にわたって正常に動作させることができるイオン源を提供することにある。

上記目的を達成する本発明のイオン源は、カソードとアノードと磁場発生手段を備えると共に、前記イオン化室にガスを導入する手段を備え、前記カソードから放出された電子を前記磁場により旋回させ、その旋回する電子により前記ガスをイオン化し、発生したイオンを前記イオン化室の外に放出するようにしたイオン源において、前記イオン化により発生したイオンの一部が衝突する前記カソードの表面を、導電性を有する非磁性材料で形成するようにしたことを特徴とする。

したがって本発明によれば、イオン化室で異常放電が発生することなく、長時間にわたって正常に動作させることができるイオン源を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明のイオン源の一例を示した図であり、ペニング型イオン源を示した図である。まず装置構成を説明する。

図１において、１は円盤状のベースである。ベース１は電気絶縁材料で作られており、ガス導入孔１ａがベース１に設けられている。

２は円盤状のカソードであり、カソード２は前記ベース１に固定されている。カソード２は、前記磁場発生手段のポールピースを兼ねたカソード本体２ａと、円盤状の非磁性体２ｂを有している。この非磁性体２ｂは、カソード本体２ａに設けられた円形状凹部２ｃに嵌められ、その凹部２ｃにねじ込まれたリング状ネジ２ｄによってカソード本体２ａ側に固定されている。このように非磁性体２ｂは着脱可能にカソード本体２ａに取り付けられている。また、ガス導入孔２ｅがカソード本体２ａに設けられており、ガス導入孔２ｅは前記ガス導入孔１ａに繋がっている。なお、図１における[カソード正面図]は、カソード２をリング状ネジ２ｄ側から見た図である。

カソード２の材質について説明すると、カソード本体２ａは、導電性のある磁性材料で作られている。たとえば、カソード本体２ａは鉄（Ｆｅ）で作られている。一方、非磁性体２ｂは、導電性のある非磁性材料で作られており、たとえばチタン（Ｔｉ）で作られている。ネジ２ｄも同様にチタンで作られている。

以上、カソード２について説明したが、上述したようにカソード２が非磁性体２ｂを備えている点、すなわち、イオン化室３に面するカソード表面が導電性のある非磁性材料（Ｔｉ）で形成されている点が本発明の特徴である。
さらに、図１において４は円筒状のマグネットである。マグネット４の一端は、磁性材料で作られた前記カソード本体２ａに繋がっている。このマグネット４は導電性を有している。
また、５は円盤状のカソードであり、導電性のある磁性材料（たとえばＦｅ）で作られたカソード５は、前記マグネット４の他端に繋がっている。カソード５は前記磁場発生手段のポールピースを兼ねており、図１のイオン源における磁場発生手段は、このカソード５と前記マグネット４と前記カソード２で構成されている。この磁場発生手段により、前記イオン化室３に磁場Ｅが形成される。なお、イオン通過孔５ａがカソード５の中央部分に開けられている。
６は円筒状のインシュレータである。インシュレータ６は前記マグネット４の内側に嵌められており、インシュレータ６の外面はマグネット４の内面に接触している。このインシュレータ６は、電気絶縁性を有する非磁性材料（たとえばセラミックス）で作られている。
７は円筒状のアノードである。アノード７は前記インシュレータ６の内側に嵌められており、アノード７の外面はインシュレータ６の内面に接触している。一方、アノード７の内面はイオン化室３に面している。このアノード７は、導電性を有する非磁性材料（たとえばステンレス）で作られている。そしてアノード７は、前記インシュレータ６により、カソード２，５とマグネット４に対して電気的に絶縁されている。
８は円筒状の加速電極である。接地電位に保たれた加速電極８は、上述したカソード２，５とマグネット４を囲むように、前記ベース１の周縁部に取り付けられている。図中、８ａは加速電極８のイオン通過孔である。
９はガス供給源であり、ガス供給源９は前記ベース１に接続されている。このガス供給源９は、たとえばアルゴンガスを前記ガス導入孔１ａ，２ｅを介してイオン化室３に導入するためのものである。
１０は電圧電源であり、電圧電源１０は前記加速電極８とカソード５間に電圧Ｖ_１を印加するためのものである。なお、カソード５に電気的に接続されたマグネット４とカソード２は、カソード５と同じ電位に保たれる。そして、カソード２のカソード本体２ａと、導電性を有する非磁性体２ｂは、カソード５と同じ電位に保たれる。また１１は電圧電源であり、電圧電源１１はカソード２，５とアノード７間に電圧Ｖ_２を印加するためのものである。
以上、図１の装置構成について説明した。以下、動作説明を行う。
図１のイオン源が上述した電顕試料作製用イオンビーム加工装置に取り付けられている場合、試料をイオンビーム加工する際、アルゴンガスがガス供給源９からイオン化室３に導入される。また、電圧電源１０，１１が制御され、カソード２，５とアノード７間に電圧Ｖ_２（たとえば５００Ｖ）が印加されると共に、カソード５と加速電極８間に電圧Ｖ_１（たとえば５．５ｋＶ）が印加される。
このような電圧印加により、カソード２表面（イオン化室３に面するカソード本体２ａの表面と、イオン化室３に面する非磁性体２ｂの表面Ｓ）とカソード５表面から電子が放出され、その放出された電子はアノード７に向けて加速される。その際、カソード２，５表面から放出された電子は、イオン化室３に形成された前記磁場Ｅでその軌道が曲げられて旋回運動を行う。このイオン化室３内を旋回する電子が前記アルゴンガスに衝突すると、その衝突を受けたアルゴンガスはイオン化する。このイオン化により、陽イオンａがイオン化室３で発生する。
さて、イオン化室３で発生した陽イオンａの一部は、カソード５のイオン通過孔５ａを通り、加速電極８で加速されてそのイオン通過孔８ａから外部に放出される（図１の矢印Ａ参照）。そして、その陽イオンから成るイオンビームによって試料（図示せず）はエッチングされる。
一方、図１の矢印Ｂに示すように、イオン化室３で発生した陽イオンａの一部は、カソード２に向けて加速されて非磁性体２ｂに衝突する。このイオン衝突により、非磁性体２ｂの表面Ｓはスパッタされる。そして、そのスパッタされた非磁性体２ｂの粒子ｂ（以下、スパッタ粒子ｂという）の殆どは、アノード７の内面Ｉ上に堆積する。その際、スパッタ粒子ｂは磁性を有していないので、スパッタ粒子ｂはイオン化室３に形成された前記磁場Ｅの影響を受けることなくアノード７上に一様に堆積する。すなわち、磁性を有していないスパッタ粒子ｂは、図２に示す従来例のようにアノード上に針状に堆積することはなく、図１のＪに示すようにアノード７の内面Ｉ上に一様に堆積する。図１からもわかるように、スパッタ粒子ｂの堆積物Ｊの表面（イオン化室３に面する面）は平らな鏡面となっている。
このように本発明においては、スパッタ粒子ｂはアノード７上に鏡面状に堆積する。このため本発明においては、従来のようにアノード７上に針状部分が形成されることはなく、従来発生していたイオン化室での異常放電を防止することができる。したがって本発明のイオン源においては、長時間にわたって正常にイオン放出を行うことができる。このようなイオン源を電顕試料作製用のイオンビーム加工装置に用いれば、電顕観察に適した試料を確実に作製することができる。
また、従来においては、カソードの粒子がアノード上に針状に堆積すると、オペレータはその堆積物をサンドペーパーで定期的に取り除いていた。本発明ではこのようなクリーニングは行わなくて澄み、オペレータの負担は軽減される。
なお、上述した非磁性体２ｂは導電性のあるチタンで作られている。このため、そのスパッタ粒子ｂの堆積物Ｊも導電性を有しており、堆積物Ｊによってアノード７の電極としての機能が失われることはない。したがって、カソード表面から放出された電子はアノード７に向けて加速される。
以上、本発明の一例を説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。上記例では、非磁性体２ｂの寿命を延ばすために、非磁性体２ｂはエッチングレートの低い（イオンスパッタされにくい）チタンで作製されている。このチタンよりややエッチングレートは上がるが（イオンスパッタされやすいが）、それでも他の材料に比べてイオンスパッタされにくいクロームやタンタルで前記非磁性体２ｂを作製するようにしても良い。このクロームとタンタルは何れも導電性を有する非磁性材料である。
また、上記例では、非磁性体２ｂを着脱可能にカソード本体２ａに取り付けるようにしたが、導電性を有する非磁性材料をカソード本体２ａの表面（イオン化室３に面する面）に蒸着するようにしても良い。また、カソードが前記磁場発生手段のポールピースを兼ねないのであれば、そのカソード全体を導電性のある非磁性材料で作製するようにしても良い。

本発明の一例を示した図である。 従来の問題点を説明するために示した図である。

符号の説明

１…ベース、１ａ…ガス導入孔、２…カソード、２ｂ…非磁性体、２ｃ…円形状凹部、２ｄ…リング状ネジ、２ｅ…ガス導入孔、３…イオン化室、４…マグネット、５…カソード、５ａ…イオン通過孔、６…インシュレータ、７…アノード、８…加速電極、８ａ…イオン通過孔、９…ガス供給源、１０，１１…電圧電源、ａ…陽イオン、ｂ…スパッタ粒子、Ｓ…非磁性体２ｂの表面、Ｉ…アノード７の内面、Ｊ…スパッタ粒子ｂの堆積物

Claims (4)

1. カソードとアノードと磁場発生手段を備えると共に、イオン化室にガスを導入する手段を備え、
   前記カソードから放出された電子を前記磁場により旋回させ、その旋回する電子により前記ガスをイオン化し、発生したイオンを前記イオン化室の外に放出するようにしたイオン源において、
   前記イオン化により発生したイオンの一部が衝突する前記カソードの表面を、導電性を有する非磁性材料で形成するようにした
   ことを特徴とするイオン源。
2. 前記カソードの表面を、前記イオンによりスパッタされにくい非磁性材料で形成するようにしたことを特徴とする請求項１記載のイオン源。
3. 前記非磁性材料はチタンまたはクロームまたはタンタルであることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
4. 前記カソードは前記磁場発生手段のポールピースを兼ねていることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
   

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