JP2006302785A - 多価イオン照射装置及びそれを用いた微細構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低速の多価イオンを用いて空間的に正確で、かつ、イオン注入量などを精密に制御できる多価イオン照射装置及びそれを用いた微細構造の製造方法を提供する。
【解決手段】 多価イオン照射装置３０は、多価イオン発生源１と、多価イオンを試料に導くための多価イオンガイド３３と、試料３５を搭載する可動の試料台３６と、二次電子検出器３８と、を含み、多価イオン３４を可動の試料台３６の制御により試料３５の所定位置に照射する。多価イオンガイド３３の他端部はキャピラリー部からなっている。多価イオンガイド３３で収束した多価イオン３４を、試料３５に空間分解能が高く、かつ、正確なドーズ量で照射することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多価イオン照射装置及びそれを用いた微細構造の製造方法に関するものである。

原子から電子を取り除くと正のイオンができるが、例えばＸｅ⁴⁴⁺ イオンのように、電子を２個以上取り去ったものを正の多価イオンという。多価イオンは極めて大きな内部エネルギーを持っており、多価イオンが固体表面と衝突すると、多数の二次電子が放出されたり（非特許文献１参照）、多価イオンの入射点まわりにナノメートルの大きさの構造変化が誘起される（非特許文献２参照）など、数多くの特徴的な現象が起こる。
この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンインプランテーションや量子ドット作製などのナノメートル領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている（非特許文献３参照。）。

このような多価イオンを生成するイオン源としては、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型イオン源（ＥＣＲＩＳ）と、電子ビーム型イオン源（ＥＢＩＳ）とが知られている。後者は得られるイオンの電離度が高いという特徴がある。

ＥＢＩＳとしては、原子物理学の研究用に開発された核融合研究所の装置が公知である（例えば、非特許文献４参照）。この装置は、電子源（カソード）、ドリフトチューブ、コレクタ、ソレノイド磁石、イオン引き出し用レンズなどから構成されている。カソードから出射した電子は、磁場中に配置されたドリフトチューブを通り、コレクタに捕集される。電子は、ドリフトチューブに形成される強磁場で圧縮され大電流密度の電子ビームとなっている。一方、カソード付近から導入された気体は、イオンに対して障壁となる、ドリフトチューブ内に形成される井戸型ポテンシャルによって電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。

さらに、１９８８年には、ＥＢＩＳを改良したＥＢＩＴ（電子ビームイオントラップ）が開発された（非特許文献５参照。）。このＥＢＩＴの多価イオン発生原理はＥＢＩＳと同じであるが、超伝導ヘルムホルツ型コイルを用い、ドリフトチューブを従来よりも短くして、ドリフトチューブ内のプラズマの不安定性を回避することにより、イオンの閉じ込め時間を改善し、高価数の多価イオンを安定に保持できる。このため、ＥＢＩＴでは、ドリフトチューブでの電子ビームの絞込みを究極まで行い、高電離イオンを生成することを可能にした。

また、ＥＢＩＴとして、ウラン（Ｕ）まで完全電離できるように、電子の加速電圧を最大３００ｋＶとした装置が本発明者らにより開発されている（非特許文献６参照。）。このＥＢＩＴは、原子物理学の研究のために開発されたもので、生成可能な多価イオンの内部エネルギーとしては世界最高の性能を持っている。

ところで、単一のイオン注入を行い、そのときに注入される注入イオン数を精密に制御しようとする試みがなされているが、１価又は２価イオンを用いているため基板に照射された際に放出される二次電子が１イオン当たり１個程度であるため、イオン照射の事象を判断するのが困難であった。半導体素子の微細化に伴い不純物注入の統計的揺らぎが素子特性のばらつきに影響を与えることが問題となる。

上記問題を解決するため１個１個の不純物原子を計測して、精密に打ち込み量を制御しようとする試みが報告されている（非特許文献７参照）。

J. W. McDonald, D. Schneider, M. W. Clark and D. DeWitt, Phys. Rev. Lett., Vol.68, (1992), p.2297 T.Meguro et al., Appl. Phys. Lett., Vol.79 (2001), p.3866 T. Schenkel et al., Appl.Phys., Vol.94,(2003), p.7017 小林 信夫、大谷 俊介 他７名、名古屋大学プラズマ研究所資料・技術報告、ＩＰＰＪ−ＤＴ−８４、１９８１年 M. A. Levin他７名, Physica Scr., T22,(1988), p.157 大谷俊介、桜井誠、プラズマ・核融合学会誌、73、(1997 ), p.1063 T. Shinada et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol.38, (1999),p.3419

上記の単一イオン照射の事象を確認するためには、イオンが基板に衝突した時に発生する二次電子を検出する必要がある。非特許文献７では１価又は２価のイオンを用いているため二次電子放出効率が低く、正確なイオン数の把握ができないという課題がある。
このためイオンの運動エネルギーを高めて二次電子放出効率を上げるようにしているが、６０ｋｅＶの運動エネルギーでも１イオン当たり数個の二次電子数である。この場合、イオンの運動エネルギーを高くすると散乱のため入射点から広がってしまい、空間分解能が低下するという課題がある。具体的には、１．５ｋｅＶでは数ｎｍの広がりであるが、６０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶでは数十ｎｍ〜１００ｎｍの広がりとなり、素子の微細加工には広がり過ぎるという課題がある。

したがって、上記のような半導体装置の微細化に伴うイオン注入において、注入位置および注入イオン数の統計的なばらつきが、素子特性のばらつきの原因となり、ｎｍオーダーの領域に正確にイオン注入が行なうことができないという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、低速の多価イオンを用いて空間的に正確で、かつ、イオン注入量などを精密に制御できる多価イオン照射装置及びそれを用いた微細構造の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究した結果、低速な多価イオンを、先端にキャピラリー部を備えた多価イオンガイドにより収束させることにより、試料の所定箇所に多価イオンを照射することができる、多価イオン照射装置及びそれを用いた微細構造の製造方法装置を完成させるに至った。

上記の課題を解決するため、本発明の多価イオン照射装置は、多価イオン発生源と、多価イオンを試料に導くための多価イオンガイドと、試料を搭載する可動の試料台と、二次電子検出器と、を含み、多価イオンを可動の試料台の制御により試料の所定位置に照射することを特徴とする。
また、本発明の多価イオン照射装置は、多価イオン発生源と、多価イオンを試料に導くための多価イオンガイドと、試料を搭載する可動の試料台と、複数の二次電子検出器及び二次電子信号処理部と、を含み、多価イオンガイドに導かれた多価イオンを、可動の試料台の位置制御により試料表面の所望の位置に照射し、多価イオンが試料面に衝突した際に放出される二次電子を複数の二次電子検出器で検出して、多価イオンの試料への照射個数を二次電子信号処理部で計測することを特徴とする。
上記構成において、多価イオンガイドは、好ましくは、その一端に多価イオン発生源からの多価イオンを入射し、その他端から多価イオンを出射する構造を有し、多価イオンガイドの他端部がキャピラリー部からなる。
好ましくは、キャピラリー部をトンネル探針とし、さらに、トンネル探針及び試料との間に生じるトンネル電流を制御する制御部を有し、制御部が可動の試料台を制御して、トンネル探針の走査をすることにより試料に設けられた位置情報を検出する。
二次電子検出器は、好ましくは電気的に独立した複数の二次電子検出器を有する。この二次電子検出器は、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなっていてよい。さらに、二次電子信号処理部は前記複数の二次電子検出器からの信号判定回路を備え、信号判定回路が、試料への多価イオンの照射個数を計測するようにしてもよい。

上記構成によれば、多価イオンの使用により所定の位置へ高精度で、不純物イオンを１個づつ計測して注入できる。したがって、高精度な多価イオン照射が可能となり、ナノプロセスへ応用することができる。

好ましくは、多価イオン発生源は、試料の不純物源となる。この構成によれば、多価イオンを不純物源としたイオン注入を高精度で行なうことができる。

好ましくは、多価イオン発生源は、試料のスパッター源となる。この構成によれば、多価イオンをスパッター源としたスパッターによる加工を高精度で行なうことができる。

本発明の多価イオン照射装置は、好ましくは、さらに質量分析装置を有する。この場合は、試料の表面に多価イオンを照射することで、他手法では分析が困難である所謂質量の小さいＨ⁺ やＣ⁺ を、高感度で測定することができる。

また、本発明の多価イオン照射装置を用いた微細構造の製造方法は、上記の多価イオン照射装置により放出された多価イオンを、可動の試料台により試料の所定位置にイオン注入又はスパッターを施して、試料表面の微細加工を行なうことを特徴とする。この構成によれば、多価イオンを照射して、試料へのイオン注入やスパッターを行なうことにより、ｎｍオーダーの微細加工を行なうことができる。例えば、試料へ周期的な配列をしたイオン打ち込みにより、ナノ構造を製作したり、Ｓｉ基板へのＥｒイオン打ち込みにより発光素子などを製作することができる。

本発明によれば、試料の高精度の位置決めを行ない、所定量の多価イオンをｎｍオーダーの広がりで照射することができる。また、この多価イオンにより試料から発生する二次電子を高精度で検出することができるので、多価イオンを１個ずつ所定の位置へ正確に照射することが可能になる。従って、これを利用すれば、試料の各種微細加工をｎｍオーダーで行なうことができる。

以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による多価イオン照射装置３０の構成を模式的に示す断面図である。図１において、本発明の多価イオン照射装置３０は、多価イオン発生源１に真空容器３１が接続され、真空容器３１内には、減速レンズ３２と、多価イオンガイド３３と、多価イオン３４が照射される試料３５を載置する試料台３６と、を含み構成されている。さらに、試料３５に多価イオン３４が照射されたときに発生する二次電子３７を検出する二次電子検出器３８を備えている。
ここで、真空容器３１は、真空排気装置４０により、後述する多価イオン発生源１の真空排気装置とは独立に真空排気されてもよい。

減速レンズ３２は、多価イオン発生源１から入射する多価イオン２４の加速電圧を制御するために設けている。この多価イオン２４が種々の多価イオンを含む場合には、所望の多価イオンを選択するために、さらに、イオン分離器を設けてもよい。イオン分離器としては、分析磁石（偏向磁石）や磁場及び電場によるウィーンフィルターなどを用いることができる。

図２は、図１の多価イオンガイドの先端部の構成を模式的に示す断面図である。多価イオンガイド３３においては、その一端３３Ａに多価イオン３４を入射し、他端３３Ｂから多価イオン３４を出射する。つまり、多価イオン３４を試料３５を載置する試料台３５に導くためのガイドとなっている。そして、多価イオンガイドの他端側３３Ｂの先端部３３Ｃが、直径がおおよそ１００ｎｍ以下程度の開口部を有する、所謂、キャピラリー構造となっている。この多価イオンガイド３３は、好ましくは絶縁体からなり、例えばセラミックや石英ガラスを用いることができる。このようなキャピラリーは、例えば石英の細管を加熱溶融し、溶融状態にて引き伸ばし加工を行なうことで製作することができる。

多価イオン３４が多価イオンガイド３３に入射すると、多価イオンガイド３３の内壁が帯電する。このために、多価イオン３４は多価イオンガイドの内壁から反発されて、多価イオンガイド３３の中心部を通過し、キャピラリー構造となっている先端部３３Ｃから試料３５に入射する。これにより、多価イオン３４は、多価イオンガイドの先端部３３Ｃでそのビーム径が絞られ、即ち収束して試料３５に入射する。

試料台３６は、その位置が制御できるように可動な試料台とすればよい。例えば、試料台３６は、ＸＹＺステージなどを用いることができる。このＸＹＺステージは、電歪素子やステップモーターを用いることができる。図示の場合には、Ｚ軸方向は電歪素子を用いている。

二次電子検出器３８は、試料３５に多価イオン３４が照射したときに発生する二次電子３７を検出するために設けている。この場合、１個の多価イオンの照射により数１０個から数１００個の二次電子が発生するので、照射イオン数を正確に計測できる。この二次電子検出器３８は、試料に１個の多価イオンが照射したときに発生する二次電子を高感度で検出できる二次電子検出器を用いることが好ましい。
なお、二次電子検出器３８の左側に設けているシールド部４５は、二次電子増倍のために二次電子検出器３８に印加する電圧を外部に漏らさないために設けている。このシールド部４５は金属からなり、二次電子検出器３８を取り囲む形状となっている。

二次電子信号処理部３９は、二次電子検出器３８からの出力が入力され、その測定データの処理を行なう。一般に、二次電子信号は雑音が多いため誤計測をする可能性がある。上記二次電子検出器３８は、生じる雑音による計測誤差を無くすために、電気的に独立した複数の二次電子検出器を備えて構成することができる。

複数の二次電子検出器３８を備えた場合には、二次電子信号処理部３９には、試料３５から発生する複数の二次電子３７の計測データが一致するか否かを判定する判定回路を設けることが好ましい。そして、複数の二次電子検出器の計測データが一致した場合に、正しい計測データであると判定すればよい。このように、多価イオン照射では多数の二次電子が放出されるため、少なくとも２個の検出器から得られた信号が一致したときのみ真の信号と見なすことで、正確なイオン数の計測が可能になる。

図３は、（ａ）が２つの二次電子検出器出力が入力する二次電子信号処理部３９の構成を示す模式図であり、（ｂ）がＡＮＤ回路の真理値表を示す図である。
図３（ａ）に示すように、二次電子信号処理部３９は、判定回路として論理積演算をするＡＮＤ回路４２を備えている。その入力４２Ａ，４２Ｂには、２つの二次電子検出器３８Ａ，３８Ｂの出力が接続されている。二次電子検出器３８Ａ，３８Ｂの出力は図示しない増幅器によりＡＮＤ回路４２のハイ及びローのレベルの信号を出力するように信号処理がされている。上記の二次電子検出器３８としては、二次電子も検出できる所謂光電子増倍管を使用できる。このような電子増倍効果を有する二次電子検出器としては、複数のチャンネルトロンや複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートを用いることができる。

図３に示す二次電子検出器３８Ａ，３８Ｂにおいては、多価イオン１個による二次電子を検出したときには、ハイレベル、即ち１の信号をＡＮＤ回路４２に送出する。逆に、検出しない場合にはローレベル即ち０の信号をＡＮＤ回路４２に送出する。したがって、図３（ｂ）のＡＮＤ回路の真理値表に示すように、ＡＮＤ回路４２においては、その２入力４２Ａ，４２Ｂが共に１の場合に出力４２Ｃが１となる。これ以外の入力の場合の出力４２Ｃは何れも０である。つまり、２つの二次電子検出器３８Ａ，３８Ｂが共に、多価イオン１個による二次電子を検出したときには、ＡＮＤ回路４２が多価イオン１個が発生したと判断する。
なお、２入力ＡＮＤ回路４２を用いた判定回路について説明したが、精度を上げるために２入力以上の複数の二次電子検出器３８を用いる場合には、二次電子検出器３８の数だけの入力を備えたＡＮＤ回路で行なえばよい。これにより、複数の二次電子検出器３８の計測データが一致した場合に、多価イオン３４が照射されたという判定をすることができるので、雑音を除去して精度を高めることができる。

次に、多価イオン発生源について説明する。本発明に用いる多価イオン発生源は、多価イオンを発生できればその発生方法を問わない。
図４は多価イオン発生源の一例の構成を模式的に示す断面図である。図４に示す多価イオン発生源１においては、第１の真空容器２及び第２の真空容器１０は、それぞれ、真空排気装置１５，１６により独立に排気されるようになっている。第１の真空容器２内は、多価イオン発生のためには、１×１０^-5Ｐａ（パスカル）以下、特に１×１０^-9Ｐａ以下の極高真空とする。例えば、Ｕ⁹²⁺ の生成には１０^-10 Ｐａ（１０^-12 Ｔｏｒｒ）の真空が必要である。このため、第１の真空容器２は脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベーキング手段を備えている。このベーキング手段を用いることで、第１の真空容器２は２５０〜３００℃程度にまでベーキングすることができる。
ここで、第１及び第２の真空容器２，１０は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石１１からの磁場がドリフトチューブ５に印加されるように、非磁性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ−３０４，ＳＵＳ−３１６）やアルミニウムを用いることができる。

第２の真空容器１０には、外部と熱的に遮断するために超伝導磁石１１が収容され、この超伝導磁石１１は、例えば１０Ｋ（−２６３℃）の極低温に冷却される。また、第２の真空容器１０の真空度は、１０^-4Ｐａ程度の高真空にされる。このような高真空を得るためのベーキング手段は不要である。そして、第２の真空容器１０の第１真空容器２側の外周部には、磁気シールド１８が設けられている。この磁気シールド１８は、超伝導磁石１１からの磁場が、イオン源電極３の電子源４及びコレクタ６側のドリフトチューブ５に漏れないようにするために配設するものである。この磁気シールド１８には、軟鉄などの強磁性材料を用いればよい。

図５は図４に示す電子源４の構成を模式的に示す拡大断面図である。図示するように、電子源４は、第１の真空容器２の左側面の超高真空用フランジ２ａに支持部２ｂを介して、第１の真空容器２の水平方向の中心軸上に配設されている。第２の真空容器１０内に収容した超伝導磁石１１の空隙（ボア）の直径はＤで示している。そして、図中の矢印は、排気経路を示している。電子源４は、左から右方向に、フィラメント（カソード）電極４ａ、フォーカス電極４ｂ、アノード電極４ｃ、スノート電極４ｄの順に配置され、それぞれが、絶縁碍子４ｅ，４ｅにより絶縁されている。さらに、電子源４は、カソード近傍の磁場を０（零）とするためのバッキングコイル（Ｂｕｃｋｉｎｇ ｃｏｉｌ）７を備え、磁気シールド部８に収容されている。

ここで、電子源４から発生される電子ビームを、ドリフトチューブ５に当てることなくコレクタ６に導く必要がある。このため、上記のカソード電極４ａ、アノード電極４ｃ、及びスノート電極４ｄの各電極と絶縁碍子４ｅ，４ｅとは、嵌め合いにより組み立てることで、相互の軸を高い精度で一致させている。

一例として、３００ｍＡの電流をカソード電極４ａから引き出す際は、フィラメント電位を基準にして、アノード電極４ｃには＋１０ｋＶ、スノート電極４ｄには＋１５ｋＶの電位を与える。このように、各電極とバッキングコイル７及び磁気シールド部８には最大＋１５ｋＶの高電圧がかかるが、各部品を小型化することで相互の絶縁を確保しながら、磁気シールド部８の直径を１００ｍｍに抑えることができる。この場合には、外径が１６２ｍｍで内径が１０２ｍｍの超高真空フランジ２ａに電子源４を収容することができ、第２の真空容器１０の電子源４側の直径を１５２ｍｍに抑えることができる。このため、超高真空フランジ２ａの内径は、磁気シールド部８及びドリフトチューブ５の直径よりも十分大きいので、電子源４領域からの放出ガスを効率良く排気できる。このように、電子源４の寸法を小さくすることで、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０の環状の空隙、即ち超伝導磁石のボア径を小さくすることができる。

ドリフトチューブ５は、幾つかに分割された円筒形電極から構成されていて、その両端が、イオンに対して、障壁（井戸型ポテンシャル）を形成するような電場配置となっている。

イオンとなる気体は、気体イオン導入手段２０によりドリフトチューブ５側面からその内部に導入される。気体イオン導入手段２０は、気体源２０ａ，流量調整部２０ｂ，第１の真空容器２内への配管部２０ｃなどから構成されている。

一方、固体をイオンとする場合には、ソースとして固体イオン源を用いればよい。図６は、固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。図６に示す多価イオン発生源が、図４に示す多価イオン発生源と異なるのは、気体イオン導入手段２０の代わりに、コレクタ６の右側に、固体イオン導入手段２２を備えていることである。このような固体イオン導入手段２２は、所望のイオンを発生させる針状の固体材料を真空アーク放電させ、イオン化（１価）させる真空アーク型イオン源などを用いることができる。固体イオン導入手段２２から発生したイオンは、第１の真空容器２中で、コレクタ６を通過して、ドリフトチューブ５に注入される。

上記の気体イオン導入手段２０又は固体イオン導入手段２２からなるイオン導入手段によりドリフトチューブ５に注入されるイオンは、一定時間、井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加して障壁を越えたものが、多価イオン発生源１の外部に取り出される。この際、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして、多価イオンビーム２４を生成させる。

コレクタ６は、ドリフトチューブ５を通過する電子を捕集するための電極であり、例えば、サプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極などの電極から構成されている。カソード及びコレクタ６には、アースに対して最大−数十ｋＶから−３００ｋＶ程度の電圧が印加されている。この加速電圧は、所望の多価イオンが得られるための電圧であればよい。電子は、ドリフトチューブ５の入射直前に最大加速電圧が印加され、ドリフトチューブ５を通過した電子は、コレクタ６の手前で２〜３ｋＶ程度に減速されてコレクタ６に捕集される。このため、コレクタ６には、この電圧と電子ビーム電流との積の電力が捕集される。この電力は、上記コレクタ６手前の電圧が３ｋＶで電子ビーム電流が３００ｍＡの場合には９００Ｗとなり、絞られた状態でコレクタ６に当ると、当った場所が溶ける。したがって、コレクタ６は、冷媒で冷却した電極構造として電子ビームを広げながら電子を捕集する。

次に、超伝導磁石について説明する。
図４及び図６に示すように、超伝導磁石１１は第１のコイル１１ａ及び第２のコイル１１ｂからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第１のコイル１１ａ及び第２のコイル１１ｂの半径をａとし、これらのコイルの間隔を半径ａと同じａとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石１１は、図示しないＨｅを冷媒とするクライオスタットや閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。

上記多価イオン発生源１の特徴は、第２の真空容器１０内にイオン閉じ込めのための超伝導磁石１１が配置され、第２の真空容器１０の環状の空隙に第１の真空容器２が挿入されていることである。つまり、超伝導磁石１１の空隙（ボア）内に、第１の真空容器２が挿入されていることである。上記のように、この第１の真空容器２内には、電子源４、ドリフトチューブ５及びコレクタ６からなるイオン源３が配置されている。
また、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０は、第１の真空容器２から、両者の真空を破らずに脱着が可能である。このため、イオン源電極３を第１の真空容器２に収納したものを作ればよく、超伝導磁石１１は市販品を用いることができるので、製作が容易である。したがって、本発明に用いる多価イオン発生源１においては、従来の多価イオン発生源のように、超伝導磁石１１とイオン源電極３とを一体化した構造を精度良く製作する必要がない。

本発明に用いることができる多価イオン発生源は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
図７は、多価イオン発生源１に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が４０ｋＶの一例を示している。図示するように、電子源４のフィラメントには１５Ｖ，２Ａ、フォーカス電極には５０Ｖ，１ｍＡ、アノード電極には１０ｋＶ、スノート電極には１５ｋＶ，１ｍＡの電源が−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ５の各電極には、１０ｋＶの電源上に、第１電極５００Ｖ、第２電極５００Ｖ、第３電極５００Ｖがそれぞれ上乗せされて供給されている。さらに、コレクタ６のサプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極には、それぞれ、２ｋＶ、３ｋＶ，５００ｍＡ、−３ｋＶの電源が、−３０ｋＶの電源に上乗せされて供給されている。

電子源４から発生された電子は、超伝導磁石１１の磁場中に配置されたドリフトチューブ５を通る。図７に示す電源を用いた場合には、電子銃４とドリフトチューブ５の間で、電子が最大４０ｋＶまで加速される。この加速されてドリフトチューブ５に入射した電子は、超伝導磁石１１によりドリフトチューブ５に形成される強磁場で圧縮され、大電流密度（〜１０００Ａ／ｃｍ² ）の電子ビームとなり、コレクタ６に捕集される。図７に示す電源を用いた場合には、コレクタ６には２〜３ｋＶ位ま減速されて捕集される。この際、電子は、ドリフトチューブ５の直前で最大加速電圧が印加されるようになっている。原子を電離するためには、束縛電子の電離エネルギー以上のエネルギーを持った電子と衝突させなければならないので、重元素（例えば、キセノン（Ｘｅ）など）を完全に電離させるには１ｓ軌道の電離エネルギー（Ｘｅでは３５ｋｅＶ）より高いエネルギーが必要で、加速電圧３５ｋＶ以上が必要である。

一方、気体イオン導入手段２０から導入されるイオンとなる気体は、ドリフトチューブ５内でイオン化される。ドリフトチューブ５の電極は幾つかに分割されており、両端がイオンに対して障壁（井戸型ポテンシャル）が形成されるように電位が与えられている。イオンは一定時間、この井戸型ポテンシャルに閉じ込められ、気体の原子は、電子ビームに繰り返し衝突させることにより電離が進む。電子による衝突電離が進み、多価イオンとなる。この多価イオンのうち、電子の衝突により運動エネルギーが増加し障壁を越えたものがイオン源外部に取り出される。このように、イオンの電離度が究極、即ち、これ以上電子を当て続けても電離が進まない状態に達したときに、電場配置を変えて多価イオンが外に飛び出すようにして、多価イオンビーム２４を生成させる。
このドリフトチューブ５で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ５から引き出される際には、図７のドリフトチューブ５とコレクタ６間で４０ｋＶで一且加速され、第１の真空容器２を出る際は、この真空容器２はアース電位であるので、１０ｋＶまで減速されて出射する。

得られる多価イオンビーム２４の強度は、イオンがトラップされているドリフトチューブ５の長さＬ１（図４参照）及びエミッション電流に比例し、電離度が究極に至るまでの時間は電子の電流密度に比例する。なお、ドリフトチューブ５の長さが長すぎる場合にはプラズマの不安定性が出現し、高電離の多価イオンができなくなる。
また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石１１によりドリフトチューブ５に印加される磁場強度が高いほど高くなる（但し、比例ではない）。このため、単位時間当たりに得られる多価イオンビーム２４の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。

上記の多価イオン発生機構は、従来の多価イオン発生源と同様である。
本発明に用いる多価イオン発生源の特徴は、イオン源電極３を収納する第１の真空容器２のための真空排気装置１５と、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０のための真空排気装置１６とを着脱して、分離することができる点にある。このため、超伝導磁石１１を収容する第２の真空容器１０を、第１の真空容器２から分離した状態で、第１の真空容器２及び収容されているイオン源電極３を十分に加熱して、脱ガスをすることができる。したがって、多価イオン発生のための第１の真空容器２を、短時間で極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ５に当てたときには、多価イオン発生源１では、イオン源電極３を収納した第１の真空容器２のみ修理すればよい。これにより、本発明に用いる多価イオン発生源１においては、イオン源電極３の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた、多価イオン発生源１となる。

本発明の多価イオン照射装置３０は以上のように構成されており、次にその動作について説明する。
多価イオン発生源１から発生した多価イオン２４は、減速レンズ３２で所定の速度にされた後で、多価イオンガイド３３の一端に入射し、その内部を通過した後で、他端に設けられたキャピラリー３３Ｃの先端部から出射し、試料３５に照射する。この場合、試料３５への多価イオンの照射位置は、可動な試料台３６により位置制御がされている。

さらに、本発明の多価イオン照射装置３０は、二次電子検出器３８を備えているので試料３５に打ち込んだ多価イオン３４の量を正確に測定することができる。また、電気的に独立した複数の二次電子検出器３８を備え、二次電子信号処理部３９において、試料３５から発生する複数の二次電子３７の計測データが一致するか否かを判定する場合には、雑音に影響されないで、さらに正確な多価イオン量を測定することができる。このように、多価イオン３４の照射により試料３５から発生する二次電子３７による信号データを解析することで１個のイオン照射の事象を正確に判断することができる。この結果、イオン照射数を正確に計測できるので、イオン注入量を精密に制御することが可能となる。

これにより、本発明の多価イオン照射装置３０においては、多価イオンの使用により所定の位置へ高精度で、不純物イオンを１個づつ計測して注入できる。しかも、多価イオンを用いるので、減速させることで、照射したときの空間的広がりをｎｍ〜１０ｎｍ程度にできるので、空間分解能を高めることができる。このため、高精度な注入が可能となり、ナノプロセスへ応用することができる。したがって、試料を搭載する可動な試料台３６の位置制御により、試料３５への周期的配列のイオン打ち込みにより、ナノ構造特有の機能を発現させることができ、例えば、Ｓｉ基板へのＥｒイオン打ち込みにより発光素子などを製作することができる。

また、試料３５が絶縁物からなる材料において、照射した多価イオン３４が、試料３５の表面をスパッター作用により除去したり改質できる場合には、本発明の多価イオン照射装置３０は、スパッター装置として動作させることができる。この改質とは試料の形状を変化させることであり、例えば突起などの形成も含むものである。
本発明の多価イオン照射装置によれば、多価イオンが照射される試料をスパッターして、ナノメータサイズの細線の切断、超微細構造の加工を行うことが可能になる。

次に、本発明の多価イオン照射装置の変形例について説明する。
図８は、本発明の多価イオン照射装置の変形例５０の構成を模式的に示す図である。本発明の多価イオン照射装置の変形例５０が、図１に示した多価イオン照射装置３０と異なるのは、多価イオンガイドの先端部３３Ｃと試料３５とを走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）５１を兼ねる構成にした点である。図８においては、図１と異なる部位のみを図示している。
走査トンネル顕微鏡５１は、多価イオンガイドの先端部３３Ｃ、即ちキャピラリーをトンネル探針とし、試料３５に印加される電源５２によりキャピラリー３３Ｃと試料３５との間隔ｔの間に流れるトンネル電流５３を用いており、その制御部５４により制御されるように構成されている。

制御部５４は、トンネル電流５３が一定になるように、キャピラリー３３Ｃと試料３５との距離を、フィードバック制御している。この距離ｔは、試料３５を搭載する可動ＸＹＺステージ３６により制御される。この可動ＸＹＺステージ３６は、ＸＹＺのそれぞれを電歪素子で制御すれば、ｎｍオーダーの位置制御を行なうことができる。また、制御部５４は、試料を可動ＸＹＺステージ３６で走査したときのトンネル電流によりその走査トンネル顕微鏡像が表示される機能を備えている。このため、試料３５に設けた位置情報（以下、ターゲットと呼ぶ）を検出できる。

さらに、制御部５４には、上記試料に多価イオン３４が照射されたときに発生する二次電子信号処理部３９からの出力信号が入力される。この二次電子信号処理部３９は、図３で説明したように、キャピラリー３３Ｃ近傍に設けられた２つの二次電子検出器３８Ａ，３８Ｂからの二次電子を判定するＡＮＤ回路４２を含んでいる。

次に、本発明の多価イオン照射装置の変形例５０の動作について説明する。
多価イオン発生源から放出された多価イオン２４を多価イオンガイド３３の一端より内部に導き、予めキャピラリー３３Ｃをトンネル探針として用い、試料３４の表面上に設けられた位置合わせのためのターゲットを検出することができる。この位置合わせ用のターゲットにより、多価イオン３４の照射位置を決定し、キャピラリー３３Ｃの先端より多価イオン３４を放出する。
本発明の多価イオン照射装置の変形例５０によれば、ＳＴＭにより精密な位置合わせを行い、試料３５の所望の位置に多価イオンを照射することができる。

次に、本発明の多価イオン照射装置の別の変形例について説明する。
図９は本発明の多価イオン照射装置の別の変形例６０の構成を模式的に示す図である。この変形例による多価イオン照射装置６０が、図１及び図８に示した多価イオン照射装置３０，５０と異なるのは、さらに、試料３５に入射した多価イオン３４により試料３５の表面から発生するイオン６３、即ち二次イオンを検出するための質量分析装置６１と質量分析制御部６２を備えている点にある。他の構成は、図１及び８に示した多価イオン照射装置３０，５０と同じである部位は適宜省略し、異なる主要部位のみを図示している。
ここで、質量分析装置６１は各種方式を用いることができ、例えば、図示の場合には、ＴＯＦ（飛行時間：Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）型質量分析装置を用いている。

質量分析制御部６２には、試料の分析をする所定位置に関する情報がＸＹＺステージから信号として入力される。この試料の所定位置に関する情報は、多価イオンガイド３３の先端がキャピラリー３３Ｃ構造の場合には、その制御部５４からの位置情報５４Ａでもよい。
そして、試料３５の位置が決定された後、多価イオン３４が試料３５に照射されると、試料３５の所定位置に存在する原子に応じた二次イオン６３が発生する。この場合に発生する二次電子３６が二次電子検出器３８Ａ，３８Ｂにより検出され、その有無が二次電子信号処理部３９により判定される。したがって、二次電子信号処理部３９のＡＮＤ回路４２の出力がハイレベルの場合が、試料３５に多価イオン３４が照射された時間に対応する。質量分析装置６１が、ＴＯＦ型質量分析装置である場合には、この質量分析制御部６２に入力されるＡＮＤ回路の出力４２Ｃがハイレベルとなった時刻が、測定開始の時間となる。この信号を質量分析測定の開始信号と呼ぶことにする。
これにより、開始信号以降に得られるＴＯＦ型質量分析装置の二次イオン検出器６１Ａからの信号が、試料から発生した二次イオンの信号である。二次イオンの信号検出が終了した時点で、二次イオン検出器６１Ａから質量分析制御部６２へ、測定停止信号６１Ｂが送出される。したがって、この開始信号から測定停止信号６１Ｂまでの信号を解析することにより、試料３５の所定位置に存在していた原子の質量分析を行なうことができる。

本発明の本発明の多価イオン照射装置の別の変形例６０によれば、試料３５の所望の位置に多価イオン３４を照射し、試料３５から生じる二次イオン６３を、質量分析装置６１で分析することができる。この多価イオン照射装置６０によれば、試料３５の表面に多価イオン３４を照射することで、他手法では分析が困難である所謂質量の小さいＨ⁺ やＣ⁺ を高感度で測定することができる。また、位置決めを、ｎｍオーダーの分解能を有するＸＹＺステージ３６を用いれば、空間分解能を著しく高めることができる。したがって、本多価イオン照射装置６０によれば、空間分解能が高く、かつ、微量な元素を高感度で分析することができる。

上記の本発明の多価イオン照射装置３０，５０，６０においては、さらに、試料３５の表面の観察装置を備えていてもよい。このような観察装置としては、電子回折装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などが挙げられる。

実施例の多価イオン照射装置３０により多価イオン照射を行なった。多価イオン発生源１として非特許文献６のＥＢＩＴを用い、Ｘｅ²²⁺ ，Ｘｅ³²⁺ ，Ｘｅ⁴⁴⁺ ，Ｘｅ⁴⁶⁺ を発生させた。加速電圧は３〜５ｋｅＶである。

試料３５としては、高配向熱分解カーボン（ＨＯＰＧ、Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ）を用いた。二次電子検出器３８としてはチャンネルトロンを用いた。さらに、試料３５に照射される多価イオン３４を計測するために、試料３５の裏面側に別のチャンネルトロンを配置した。

試料となる高配向熱分解カーボン３５に上記多価イオン３４を照射した。試料台３６を走査し、試料台３６の位置を制御した。多価イオン３４の照射後、試料３５は真空容器３１に設けた走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を有する真空容器に超高真空を保った状態で移動し、その表面を観察した。

図１０は、実施例のＸｅ⁴⁴⁺ を照射した試料表面のＳＴＭ像を示す図であり、（ａ）は１μｍ×１μｍの領域を示し、（ｂ）は（ａ）の拡大図で、５００ｎｍ×５００ｎｍの領域を示す。Ｘｅ⁴⁴⁺ の照射量、即ちドーズ量は、３×１０⁷ イオン／ｍｍ² である。また、Ｘｅ⁴⁴⁺ の試料への衝突速度は４×１０⁵ ｍ／ｓである。
図１０（ａ）から明らかなように、高配向熱分解カーボン３５においてＸｅ⁴⁴⁺ の照射された領域は、発泡状の突起が生起していることが分かる。この突起の高配向熱分解カーボン３５表面での直径は１０ｎｍ程度であった。また、図１０（ｂ）から明らかなように、Ｘｅ⁴⁴⁺ の照射により生起した突起の高さは１ｎｍ程度である。

さらに、高配向熱分解カーボン３５にＸｅ²²⁺ を照射した場合にも、Ｘｅ⁴⁴⁺ と同様な突起が生じ、突起の高配向熱分解カーボン３５表面での直径は１ｎｍ程度であった。この直径は、Ｘｅ⁴⁴⁺ の場合の１／１０程度であるが、突起の高さは１ｎｍ程度でほぼ同じ高さであった。

次に、多価イオン照射時に発生した二次電子について説明する。
表１は、高配向熱分解カーボン３５に照射されたイオン数、発生する二次電子数、突起数を調べた結果を示す表である。
表１から明らかように、高配向熱分解カーボン３５に照射された入射イオン数が１．０７×１０⁷ 個に対して、高配向熱分解カーボン３５から発生する二次電子数は１．０３×１０⁷ 個でありほぼ１：１になっている。また、１０μｍ×１０μｍの面積範囲で観察した突起数が９１７個であることから、その密度は９．１７×１０⁶ ／ｍｍ² であった。これから、入射するイオン１個でほぼ１つの突起が形成され、かつ、そのとき高配向熱分解カーボン３５の表面から発生する二次電子数も入射イオンに対応して発生することが分かった。

上記実施例から、試料３５である高配向熱分解カーボンへのＸｅ⁴⁴⁺ やＸｅ²²⁺ の多価イオン３４の照射により、ｎｍオーダーの突起の形成ができた。この場合、照射多価イオン１個で、ほぼ１個の突起が形成され、かつ、かつ、そのとき高配向熱分解カーボン３５の表面から発生する二次電子数も入射イオンに対応して発生することが分かった。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、多価イオンガイドの形状や多価イオン照射装置の真空容器の構造や付属させる観察機器の構成などは、試料に応じて適宜変更できる。

本発明による多価イオン照射装置の構成を模式的に示す断面図である。 図１の多価イオンガイドの先端部の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）は２つの二次電子検出器出力が入力する二次電子信号処理部の構成を示す模式図、（ｂ）はＡＮＤ回路の真理値表を示す図である。 多価イオン発生源の一例の構成を模式的に示す断面図である。 図４に示す電子源の構成を模式的に示す拡大断面図である。 固体のイオン源を有する多価イオン発生源の構成を模式的に示す断面図である。 多価イオン発生源に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。 本発明の多価イオン照射装置の変形例の構成を模式図である。 本発明の多価イオン照射装置の別の変形例の構成を模式図である。 実施例のＸｅ⁴⁴⁺ を照射した試料表面のＳＴＭ像を示す図で、（ａ）は１μｍ×１μｍの領域を示し、（ｂ）は（ａ）の拡大図であり５００ｎｍ×５００ｎｍの領域を示す。

符号の説明

１：多価イオン発生源
２：第１の真空容器
２ａ：超高真空用フランジ
２ｂ：支持部
３：イオン源電極
４：電子源
４ａ：フィラメント（カソード電極）
４ｂ：フォーカス電極
４ｃ：アノード電極
４ｄ：スノート電極
４ｅ：絶縁碍子
５：ドリフトチューブ
６：コレクタ
７：バッキングコイル
８：磁気シールド部
１０：第２の真空容器
１１：超伝導磁石
１１ａ：第１のコイル
１１ｂ：第２のコイル
１２：イオン用気体導入手段
１５：第１の真空容器の真空排気装置
１６：第２の真空容器の真空排気装置
１８：磁気シールド
２０：気体イオン導入手段
２０ａ：気体源
２０ｂ：流量調整部
２０ｃ：配管部
２２：固体イオン導入手段
２４：多価イオンビーム
３０，５０，６０：多価イオン照射装置
３１：真空容器
３２：減速レンズ
３３：多価イオンガイド
３３Ｃ：先端部（キャピラリー）
３４：多価イオン
３５：試料
３６：試料台（ＸＹＺステージ）
３７：二次電子
３８：二次電子検出器
３９：二次電子信号処理部
４０：真空排気装置
４２：ＡＮＤ回路
４２Ａ，４２Ｂ：入力
４２Ｃ：出力
４５：シールド部
５１：走査トンネル顕微鏡
５２：電源
５３：トンネル電流
５４：制御部
５４Ａ：位置情報
６１：質量分析装置
６１Ａ：二次イオン検出器
６１Ｂ：測定停止信号
６２：質量分析制御部
６３：二次イオン

Claims (12)

1. 多価イオン発生源と、
   上記多価イオンを試料に導くための多価イオンガイドと、
   上記試料を搭載する可動の試料台と、
   二次電子検出器と、を含み、
   上記多価イオンを上記可動の試料台の制御により上記試料の所定位置に照射することを特徴とする、多価イオン照射装置。
2. 多価イオン発生源と、
   上記多価イオンを試料に導くための多価イオンガイドと、
   上記試料を搭載する可動の試料台と、
   複数の二次電子検出器及び二次電子信号処理部と、を含み、
   上記多価イオンガイドに導かれた多価イオンを、上記可動の試料台の位置制御により上記試料表面の所望の位置に照射し、
   上記多価イオンが上記試料面に衝突した際に放出される二次電子を上記複数の二次電子検出器で検出して、上記多価イオンの上記試料への照射個数を上記二次電子信号処理部で計測することを特徴とする、多価イオン照射装置。
3. 前記多価イオンガイドは、その一端に前記多価イオン発生源からの多価イオンを入射しその他端から前記多価イオンを出射する構造を有し、該多価イオンガイドの他端部がキャピラリー部からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多価イオン照射装置。
4. 前記キャピラリー部をトンネル探針とし、さらに、該トンネル探針及び前記試料との間に生じるトンネル電流を制御する制御部を有し、該制御部が前記可動の試料台を制御して、上記トンネル探針の走査をすることにより前記試料に設けられた位置情報を検出することを特徴とする、請求項３に記載の多価イオン照射装置。
5. 前記二次電子検出器は、電気的に独立した複数の二次電子検出器を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多価イオン照射装置。
6. 前記二次電子検出器は、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなることを特徴とする、請求項５に記載の多価イオン照射装置。
7. さらに、前記二次電子信号処理部が前記複数の二次電子検出器からの信号判定回路を備え、該信号判定回路が、上記試料への上記多価イオンの照射個数を計測することを特徴とする、請求項２に記載の多価イオン照射装置。
8. 前記多価イオン発生源が、前記試料の不純物源となることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多価イオン照射装置。
9. 前記多価イオン発生源が、前記試料のスパッター源となることを特徴とする、請求項１又は２に記載の多価イオン照射装置。
10. さらに、質量分析装置を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の多価イオン照射装置。
11. 前記質量分析装置により、前記試料の所望の位置に照射された前記多価イオンにより該試料表面から放出された元素を測定することを特徴とする、請求項１０に記載の多価イオン照射装置。
12. 請求項１又は２の多価イオン照射装置により放出された多価イオンを、前記可動の試料台により前記試料の所定位置にイオン注入又はスパッターを施して、前記試料表面の微細加工を行なうことを特徴とする、多価イオン照射装置を用いた微細構造の製造方法。