JP2004362937A

JP2004362937A - イオン源

Info

Publication number: JP2004362937A
Application number: JP2003159816A
Authority: JP
Inventors: Akira Kobayashi; 明小林; Chikara Ichihara; 主税一原; Kenichi Inoue; 憲一井上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】高エネルギー・イオンビーム散乱分析装置の、高圧ターミナル筐体内に搭載されるガスイオン源で、不純物イオンビームを抑制することにより、効率が良好で、Ｘ線発生の少ない前記散乱分析装置を提供することである。
【解決手段】ヘリウムなどの原料ガスを導入する真空容器と、その軸方向に磁場を発生させる手段５と、カソード電極４ａ、４ｂとアノード電極３とを備え、前記真空容器に導入した原料ガスを前記アノード電極とカソード電極に通電して電離させ、発生した電子７が未電離の原料ガスに衝突してイオン化させ、引出し開孔８から引き出すガスイオン源で、前記カソード電極の構成材料にチタン金属を用いたのである。ガスイオンの衝突でチタン電極１２ｂから飛び出したチタン原子１４により、アノード電極３およびチタン電極１２ｂにチタン金属の清浄面が形成されて不純物ガスを吸着するため、純度の高いイオンビームが得られる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シングルエンド型のイオン加速器を有する高エネルギー・イオンビーム散乱表面分析装置やイオン注入装置等の高電圧ターミナルの筐体内に搭載され、不要イオンを除去するようにしたイオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報処理の大量高速処理のために、Ｓｉ半導体集積回路の配線層がますます多様化し、また、個々のトランジスタ素子自体の微細化、高速性への要求から、ゲート絶縁膜は１ｎｍ以下を目指す時代となっている。一方、情報伝達の多様性、機動性から、化合物半導体をベースとした発光／受光素子でも、多層の極薄膜構造となってきている。これらの素子の開発では、表面保護膜下数百ｎｍの深さにある多層構造の観察から、１０ｎｍ内外の極薄膜の界面における元素の組成分析まで、非破壊的に分析評価し、迅速にプロセスにフィードバックしたいとの要求が高い。現在、前記半導体素子等の表面分析には、表面スパッタを用いた破壊分析法であるＳＩＭＳ（２次イオン質量分光）やＡＥＳ（オージェ電子分光）の装置が多用されているが、スパッタリングによる結晶破壊性から、深さ分解能の曖昧さや定量性が問題となっている。
【０００３】
そこで、昨今、表面皮下数百ｎｍの組成分布を非破壊的に分析できるラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）が注目されているが、高エネルギーのイオンビームを利用するため、高電圧発生装置（加速器）が必要となることから、ＳＩＭＳやＡＥＳの機器に比べて大型かつ高価な装置となるため、現状では一般普及にまでは至っていない。前記後方散乱分光法（ＲＢＳ）では、通常、ヘリウムイオンビームが用いられ、このヘリウムイオンの発生にはＰＩＧイオン源が多用されている。
【０００４】
前記ＰＩＧイオン源は、図２に示すように、接地電位から絶縁され、イオン加速用高電圧発生回路により高電位に保持された高電圧ターミナル筐体内に配置され、数〜数十Ｐａのヘリウムなどの原料ガス１が充填された空間、即ち真空容器２からなるプラズマ室Ｐ内に、正電位に保たれる中空円筒状のアノード電極３と、２枚の平板状のカソード電極４ａおよび４ｂが設けられ、この２枚のカソード電極４ａおよび４ｂは、アノード電極３を挟むように、対向して配置された電極構成を有する。前記真空容器２、即ちプラズマ室Ｐの外周側に、プラズマ室２の軸方向（矢印Ａの方向）の磁場を発生させる磁場発生器５が設けられている。アノード電極３およびカソード電極４ａおよび４ｂ間には、アノード用高圧電源６により高電圧が印加されている。アノード電極３およびカソード電極４ａ、４ｂに通電して原料ガス１を電離させることにより、発生したプラズマ中の電子７は、カソード電極４ａとアノード電極３との間隙に発生した電界により加速されるが、磁場Ｂにより捕獲されるため、螺旋状の軌道を描きながら進み、アノード電極３を通り過ぎてカソード電極４ｂに向かい、減速して反射した後、反対方向、即ちカソード電極４ａの方向に加速される。このように、プラズマ中の電子７は、アノード電極３の中空部の中で、電場と磁場の作用により往復運動をしながら閉じ込められる。前記往復運動中に、電子７が未電離の原料ガス１の分子に衝突してこの分子を電離し、イオン−電子対が生成し、プラズマ状態が維持される。
プラズマの一部は、カソード電極４ａの中央に設けた引出し開孔８中に染み出し、その中、イオンだけが、基準電位である引出し電極９により引出されてイオンビーム１０となる。そして、このイオンビーム１０は図示を省略した加速器により加速されて元素組成等の分析に用いられる。なお、前記カソード電極４ａ、４ｂは、引出し電極９に対して、引出し電源１１により、一般に、＋１０ｋｖ〜３０ｋｖ程度の高電位に保たれている。
【０００５】
前記イオン源の構成材料としては、アノード電極３およびカソード電極４ａ、４ｂでプラズマに直接曝される部分には、プラズマによる腐食を抑制するために、タングステンやタンタルなどの高強度で高融点の金属材料が用いられている。
このほかの金属構成材料としては、ステンレス鋼や、表面をニッケルなどの常磁性金属でコーティングした鋼などが用いられる。また、前記電極間の絶縁材料としては、石英、パイレックス（登録商標）などのガラス材料、またはアルミナなどのセラミックス材料、テフロン（登録商標）などの有機材料が用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記イオン源では、高純度のヘリウムなどの原料ガスが、外部から高真空に排気したプラズマ室に導入されてイオン化されるが、前記イオン源の構成材料の表面には、いかに高真空に排気しても水を主成分とした残留物や有機系残留物などが残る。このため、前記引出し開孔から引出されるイオンには、図３に示すように、目的とするヘリウムイオンの他に、水素、炭素、酸素および窒素系の不純物イオンのビーム成分が混在し、図３に示した場合、ビーム電流の約３０％が不純物イオンによるものとなっている。従って、試料分析に必要な大きさの、ヘリウムイオンのビーム電流を得るためには、前記プラズマ室でより多くのイオンを発生させる必要があり、それにより、イオン源の運転効率の低下や、加速器の加速電極に衝突したイオンに起因して発生する２次電子によるＸ線放射量が増加する問題があった。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、高エネルギー・イオンビーム散乱分析装置の、高圧ターミナル筐体内に搭載されるイオン源で、原料ガスをプラズマ化させる電極表面などから発生する水素や酸素および炭素を起源とする不純物イオンビームを抑制することにより、効率が良好で、Ｘ線発生の少ない前記散乱分析装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【０００９】
即ち、接地電位から絶縁され、高電圧発生回路によって高電位に保持される高電圧ターミナルの筐体内に、原料ガスを導入する真空容器と、その軸方向に磁場を発生させる手段と、カソード電極とアノード電極とを備え、前記真空容器に導入した原料ガスを、前記アノード電極とカソードに通電して電離させ、生成したプラズマ中の電子が前記磁場により捕獲された軌道をとり、この電子が未電離の原料ガスに衝突してイオン化させ、このイオンをカソード電極に設けた開孔から引き出すイオン源の、前記カソード電極の構成材料にチタン金属を用いたのである。
【００１０】
前記カソード電極の、原料ガスの電離により生成したプラズマに直接曝される部分に、チタン金属からなるチタン電極を組み合わせると、前記アノード電極とカソード電極間には高電圧が印加されているため、チタン電極の表面からも電子が発生し、この電子はアノード電極へ加速され、その過程で、原料ガスや残留ガスなどの中性ガスと衝突してガスイオンが生成する。このガスイオンは、対向するカソード電極に加速され、このカソード電極に組み込まれたチタン電極に衝突し、スパッタリングによりチタン原子が飛び出し、アノード電極の表面に堆積して清浄なチタン表面を形成し、かつ、チタン電極表面にも清浄面が露出する。このような清浄なチタン表面は反応性が強く、ゲッター作用を有するため、水素、酸素、一酸化炭素などの不純物ガスは、チタン原子と化合物を容易に形成し、電極表面に取り込まれる。このように、各種不純物ガスは、チタン金属の表面に吸着されるため、イオン源からは、不純物が少なく、純度の高いイオンビーム、即ち、通常の場合、ヘリウムイオンビームが得られる。
【００１１】
前記イオン源がＰＩＧ型イオン源であり、前記磁場を発生させる手段を前記真空容器の周りに設け、前記カソード電極を、前記アノード電極を挟むように対向して設け、このカソード電極とアノード電極とで形成される空間に前記磁場が作用するようにイオン源を形成することが望ましい。
【００１２】
このように、上記装置構成により、高エネルギーのイオンビームの取出しが可能などの特徴を有するＰＩＧ型イオン源のカソード電極の構成材料としてチタン金属を用い、上述のように、純度の高い、ヘリウムなどのイオンビームを得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１に基づいて説明する。
【００１４】
図１（ａ）から（ｃ）は、実施形態のＰＩＧ型イオン源で、チタン金属を用いて不純物ガスを吸着する仕組みを模式的に示したもので、このイオン源は、図２で説明したイオン源と、電極周りを除いて同じ装置構成である。図１で、高電圧ターミナル筐体１（図２参照）内に、アノード電極３を挟むように対向して設けたカソード電極４ａ、４ｂの、プラズマに直接曝される部分には、チタン金属からなる電極１２ａ、１２ｂが組み込まれている。アノード電極３およびカソード電極４ａ、４ｂ間には、アノード用高圧電源６により高電圧が印加されており、図示を省略した真空容器、即ちプラズマ室Ｐの外周に、その軸方向（矢印Ａの方向）に磁場を発生させる手段、即ち磁場発生器５が設けられている。この磁場発生器５は、コイルでも永久磁石でもよい。そして、チタン電極１２ａを組み込んだ引出し電極９側のカソード電極４ａの中央に、前記イオンビームの引出し開孔８が設けられている。
【００１５】
前記アノード電極３とカソード電極４ａ、４ｂ間には、アノード用高圧電源６により高電圧が印加されているため、図１（ａ）に示したように、チタン電極１２ｂで電子７が発生し、この電子７はアノード電極３の方へ加速される。そして、前記電子７は、磁場発生器５によりプラズマ室の軸方向（矢印Ａの方向）に形成された磁場により捕獲され、螺旋状の軌道を描きながら進み、図１（ｂ）に示したように、その途中で原料ガスであるヘリウムなどの希ガスや水素、酸素および一酸化炭素などの残留ガス等の中性ガス１３と衝突し、ガスイオン１４が生成する。生成したガスイオン１４は、図１（ｃ）に示したように、引出し電極９側のカソード電極４ａの負電位により加速されてチタン電極１２ａに衝突し、スパッタリングによりチタン原子１５が飛び出す。同様に、前記ガスイオン１４はカソード電極４ｂの負電位により加速されてチタン電極１２ｂに衝突し、スパッタリングによりチタン原子１５が飛び出す。このチタン原子１５は、アノード電極３の表面に堆積してチタン金属の清浄面が形成され、かつ、チタン電極１２ｂおよび１２ａの表面にも清浄面が露出する。このような清浄なチタン金属の表面は反応性が強く、ゲッター作用を有するため、前記水素、酸素、一酸化炭素などの不純物ガスは、チタン原子１５と化合物を容易に形成し、電極表面に取り込まれる。このように、各種不純物ガスは、チタン金属の表面に吸着されるため、イオン源からは、不純物が少なく、純度の高いイオンビーム、即ち、通常の場合、矢印で示したヘリウムイオンビーム１０が、引出し開孔８から引出される。
【００１６】
前記チタン金属の清浄面の吸着作用を示すために、窒素ガスに対する吸着率を１００％としたときの、各種ガスの吸着率を表１に示す。表１からわかるように、各種不純物ガスは、試料分析に用いるヘリウムガスと比較して、１０倍程度の高い比率でチタン金属に吸着されるため、不純物成分が少なく、純度の高いヘリウムイオンビームが得られる。
【００１７】
なお、前記チタン金属としては、純チタンを用いることが好ましいが、チタン合金を用いることもできる。また、カソード電極４ａ、４ｂ全体を前記チタン金属で形成してもよい。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、高エネルギー・イオンビーム散乱分析装置に搭載されるイオン源のカソード電極の構成材料に、不純物イオンを効果的に吸着するチタン金属を用いたので、効率が良好で、Ｘ線発生の少ない前記散乱分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）この発明の実施形態の、カソード電極の構成材料にチタン金属を用いて不純物ガスを吸着する仕組みを模式的に示す説明図
【図２】従来技術のＰＩＧ型イオン源の装置構成を示す説明図
【図３】従来技術のイオンビームの成分を示す説明図
【符号の説明】
１：原料ガス２：真空容器３：アノード電極
４ａ、４ｂ：カソード電極５：磁場発生器６：アノード用高圧電源７：電子８：引出し開孔９：引出し電極
１０：イオンビーム１１：引出し電源１２ａ、１２ｂ：チタン電極１３：中性ガス１４：ガスイオン１５：チタン原子
Ｐ：プラズマ室

Claims

接地電位から絶縁され、高電圧発生回路によって高電位に保持される高電圧ターミナルの筐体内に、原料ガスを導入する真空容器と、その軸方向に磁場を発生させる手段と、カソード電極とアノード電極とを備え、前記真空容器に導入した原料ガスを、前記アノード電極とカソードに通電して電離させ、生成したプラズマ中の電子が前記磁場により捕獲された軌道をとり、この電子が未電離の原料ガスに衝突してイオン化させ、このイオンをカソード電極に設けた開孔から引き出すイオン源であって、前記カソード電極の構成材料にチタン金属を用いたことを特徴とするイオン源。
前記イオン源がＰＩＧ型イオン源であり、前記磁場を発生させる手段を前記真空容器の周りに設け、前記カソード電極を、前記アノード電極を挟むように対向して設け、このカソード電極とアノード電極とで形成される空間に前記磁場が作用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のイオン源。