JP2006331691A - Ion irradiation device and ion irradiation method - Google Patents

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Akira Kobayashi
明 小林
Chikara Ichihara
主税 一原
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Kobe Steel Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion irradiation device capable of reducing a spot diameter of an ion beam emitted to an object without causing the difficulties such as density deterioration of the ion beam and enlargement of a device size, and an ion irradiation method. <P>SOLUTION: The ion beam 8 is generated by accelerating ions supplied from an ion source. A divergence angle θ1 is reduced to a divergence angle θ0 by accelerating the traveling of the ion beam 8 with an accelerator. By this, a distance L1 is virtually made longer between an ion outlet from which the ion beam 8 is emitted, and a convergent lens 6, and the spot diameter of the ion beam when emitted to a sample is reduced in reverse proportional to L1. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は,イオン源より出射されたイオンを照射するイオン照射装置及びイオン照射方法に関するものであり,特に照射スポット径を小さくすることが可能なイオン照射装置及びイオン照射方法に関するものである。   The present invention relates to an ion irradiation apparatus and an ion irradiation method for irradiating ions emitted from an ion source, and more particularly to an ion irradiation apparatus and an ion irradiation method capable of reducing an irradiation spot diameter.

試料に微細加工を施す際には,イオン源より出射されるイオンをイオンビーム化し,これを前記試料に照射する方法が従来から用いられている。前記試料のうち前記イオンビームを照射した部分には特性変化が生じ,特殊な溶媒に対して溶融させる等の用途が知られている。この場合,目標となる加工後の形状に応じて,前記試料の各部に対して前記イオンビームを照射することにより,前記試料を目標形状に加工することが可能である。
ここで,前記試料に対して微細な加工を施す際には,前記試料に照射される前記イオンビームのスポット径が小さい方が望ましい。即ち,スポット径が小さくなる程微細なスケールでの加工が可能となる。そこで,前記イオンビームの径を収束レンズを用いて縮小しつつ前記試料に照射する技術が,例えば特許文献1等に開示されている。
Conventionally, when a sample is subjected to microfabrication, ions emitted from an ion source are turned into an ion beam and irradiated onto the sample. A characteristic change occurs in the portion irradiated with the ion beam in the sample, and uses such as melting in a special solvent are known. In this case, the sample can be processed into a target shape by irradiating each part of the sample with the ion beam in accordance with a target processed shape.
Here, when performing fine processing on the sample, it is desirable that the spot diameter of the ion beam irradiated on the sample is small. In other words, the smaller the spot diameter, the smaller the scale can be processed. Therefore, a technique for irradiating the sample while reducing the diameter of the ion beam using a converging lens is disclosed in, for example, Patent Document 1 and the like.

図1は,特許文献1に示される技術が用いられた従来例におけるイオン照射装置の概略構成図である。以下,図1を参照しつつ,従来例におけるイオン照射装置について説明する。
図1に示されるように,従来例におけるイオン照射装置Bは,イオン源1,加速器2,加速器用電源3,制御装置4,アパーチャ5,集束レンズ6等により概略構成され,所定の設置箇所に設置された試料7(所定の対象物の一例)にイオンを照射するものである。
前記イオン源1では,例えば一価ヘリウムイオン等のイオンが生成される。また,前記イオン源1は開口部であるイオン出口が設けられた引き出しアパーチャ1aと一体である。前記イオン源1は前記イオン出口から,前記加速器2の有する加速管に対して前記イオンを供給する。前記加速器2における前記加速管には,前記加速器用電源3により,例えば400kV等の電圧V0が付与されている。これにより,電場が前記試料7に向けて(即ち,イオンの進路に沿って)生成されており,前記イオン源1より供給されたイオンは前記加速管中で加速され前記試料7に照射される。前記加速器用電源3による電圧V0は前記制御装置4により制御されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ion irradiation apparatus in a conventional example in which the technique disclosed in Patent Document 1 is used. Hereinafter, an ion irradiation apparatus in a conventional example will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, an ion irradiation apparatus B in the conventional example is roughly constituted by an ion source 1, an accelerator 2, an accelerator power source 3, a control device 4, an aperture 5, a focusing lens 6, and the like, and is installed at a predetermined installation location. An installed sample 7 (an example of a predetermined object) is irradiated with ions.
In the ion source 1, ions such as monovalent helium ions are generated. The ion source 1 is integral with a drawing aperture 1a provided with an ion outlet as an opening. The ion source 1 supplies the ions from the ion outlet to the acceleration tube of the accelerator 2. The accelerator tube in the accelerator 2 is applied with a voltage V0 such as 400 kV by the accelerator power supply 3. As a result, an electric field is generated toward the sample 7 (that is, along the path of the ions), and ions supplied from the ion source 1 are accelerated in the acceleration tube and irradiated onto the sample 7. . The voltage V0 from the accelerator power supply 3 is controlled by the control device 4.

前記加速器2により加速されたイオン(イオンビーム8)は,前記イオンビーム8の軸上に開口を有する前記アパーチャ5を通過する。前記アパーチャ5を通過した前記イオンビーム8は径を拡大させつつ進行する。また,前記イオンビーム8の進行方向には複数の前記収束レンズ6が設置されている。前記収束レンズ6は電磁石からなるものであり,四重極電磁石レンズを構成する。これにより,前記収束レンズ6は,前記イオンビーム8の有する各イオンの進行方向を変化させて前記イオンビーム8の径を縮小させる。前記収束レンズ6により径が縮小された前記イオンビーム8は,その焦点(収束レンズ6により収束された前記イオンビーム8の密度が最大となる点をこのように呼ぶ)近傍に設置された前記試料7に照射される。
前記イオンビーム8における各イオンのエネルギーは,前記加速器用電源3により付与される電圧V0によりコントロールすることが可能であり,そのエネルギーのコントロールにより,前記試料7に施す微細加工の深さを調節することが可能である。
特開平03−074037号公報
Ions (ion beam 8) accelerated by the accelerator 2 pass through the aperture 5 having an opening on the axis of the ion beam 8. The ion beam 8 that has passed through the aperture 5 travels while increasing its diameter. A plurality of converging lenses 6 are installed in the traveling direction of the ion beam 8. The converging lens 6 is made of an electromagnet and constitutes a quadrupole electromagnet lens. Thereby, the converging lens 6 changes the traveling direction of each ion of the ion beam 8 to reduce the diameter of the ion beam 8. The ion beam 8 whose diameter has been reduced by the converging lens 6 is the sample placed near the focal point (the point at which the density of the ion beam 8 converged by the converging lens 6 is maximized). 7 is irradiated.
The energy of each ion in the ion beam 8 can be controlled by the voltage V0 applied by the accelerator power supply 3, and the depth of fine processing applied to the sample 7 is adjusted by controlling the energy. It is possible.
Japanese Patent Laid-Open No. 03-074037

前記試料7に照射されるときの前記イオンビーム8の径(スポット径)は,以下のように決まる。即ち,前記イオンビーム8の軸上における前記アパーチャ5から前記収束レンズ6までの距離,言い換えると前記イオンビーム8が径を拡大しつつ進行する距離をL1とする。また,前記イオンビーム8の軸上における前記収束レンズ6から前記試料7までの距離,言い換えると前記イオンビーム8が前記収束レンズ6により収束されつつ進行する距離をL2とする。更に,前記アパーチャ5に設けられた開口の径をr1とすると,前記イオンビーム8が前記試料7に照射されるときのスポット径r2は,r1,L2に略比例,L1に略反比例するような,以下の式(1)に示されるような関係を有する。
r2∝r1×L2/L1 …(1)
式(1)から,前記イオンビーム8のスポット径r2を小さくするには,r1を小さくする,L2を小さくする,L1を大きくする等の方法が考えられる。しかしながら,r2を小さくすると前記アパーチャ5を通過する前記イオンの数が少なくなり,前記イオンビーム8の密度が小さくなる。また,通常前記収束レンズ6と前記試料7との間には前記試料7に散乱された散乱イオン等の検出器等を配置する必要があり,つまりL2を小さくするのは困難である。更に,L1を大きくすると,装置全体が大きくなってしまう。
このように,従来例においては前記イオンビーム8のスポット径を小さくするのが困難であり,そのため微細加工のスケールには限界があった。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,イオンビームの密度低下,装置サイズの拡大等の困難を伴わずに対象物に照射されるイオンビームのスポット径を小さくすることが可能なイオン照射装置及びイオン照射方法を提供することにある。
The diameter (spot diameter) of the ion beam 8 when the sample 7 is irradiated is determined as follows. That is, the distance from the aperture 5 to the converging lens 6 on the axis of the ion beam 8, in other words, the distance that the ion beam 8 travels while increasing its diameter is L1. Further, the distance from the focusing lens 6 to the sample 7 on the axis of the ion beam 8, in other words, the distance that the ion beam 8 travels while being converged by the focusing lens 6 is L2. Further, when the diameter of the opening provided in the aperture 5 is r1, the spot diameter r2 when the ion beam 8 is irradiated onto the sample 7 is substantially proportional to r1 and L2 and substantially inversely proportional to L1. , And have the relationship shown in the following formula (1).
r2∝r1 × L2 / L1 (1)
From formula (1), in order to reduce the spot diameter r2 of the ion beam 8, methods such as decreasing r1, decreasing L2, increasing L1 can be considered. However, if r2 is reduced, the number of ions passing through the aperture 5 is reduced, and the density of the ion beam 8 is reduced. Further, it is usually necessary to arrange a detector such as scattered ions scattered by the sample 7 between the focusing lens 6 and the sample 7, that is, it is difficult to reduce L2. Further, when L1 is increased, the entire apparatus becomes larger.
As described above, in the conventional example, it is difficult to reduce the spot diameter of the ion beam 8, and therefore there is a limit to the scale of fine processing.
Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a spot of an ion beam that is irradiated onto an object without difficulty such as a reduction in the density of the ion beam and an increase in the apparatus size. An object of the present invention is to provide an ion irradiation apparatus and an ion irradiation method capable of reducing the diameter.

上記目的を達成するために本発明は,所定の対象物(試料)にイオンを照射するイオン照射装置であって,イオンが充填されたイオン源におけるイオン出口(開口)の近傍に第1の電場を生成して前記イオン源からイオンを引き出し,引き出された前記イオンの進路に沿って第2の電場を生成して前記イオンの進行を加速し,加速された前記イオンを収束させて前記試料に照射するイオン照射装置として照射される。
前記イオンによるイオンビームは,前記イオンが前記イオン出口を通過後に前記第1の電場により加速されることにより生成される。このように生成され径が拡大するイオンビーム(つまり,該イオンビームの軸から拡散するイオン各々)を前記第2の電場により加速することにより,詳しくは図3を参照しつつ後述するが,上述の従来例において説明したL1(前記アパーチャ5と収束レンズ6との距離)を大きくするのと同様の効果を得ることが可能であり,これにより前記イオンビームが試料に照射されるときのスポット径が縮小される。
In order to achieve the above object, the present invention is an ion irradiation apparatus for irradiating a predetermined object (sample) with ions, and a first electric field in the vicinity of an ion outlet (opening) in an ion source filled with ions. To extract ions from the ion source, generate a second electric field along a path of the extracted ions, accelerate the progress of the ions, and focus the accelerated ions on the sample. Irradiation is performed as an ion irradiation apparatus for irradiation.
The ion beam by the ions is generated by the ions being accelerated by the first electric field after passing through the ion outlet. The ion beam generated in this way and whose diameter is enlarged (that is, each ion diffusing from the axis of the ion beam) is accelerated by the second electric field, which will be described in detail later with reference to FIG. It is possible to obtain the same effect as increasing L1 (distance between the aperture 5 and the converging lens 6) described in the conventional example, and thereby the spot diameter when the sample is irradiated with the ion beam. Is reduced.

ここで,詳しくは後述のように,前記イオンのエネルギー及び前記スポット径は,前記第1の電場及び前記第2の電場を介して調節することが可能である。詳しくは,前記第1の電場及び前記第2の電場を生成するときの電圧の比(所定の設定比)を一定に保ったままそれらを調節することにより,前記スポット径を保ったままエネルギーのみを調節することが可能である。
更に,前記第1の電場の生成領域と前記第2の電場の生成領域との間に前記イオンの通過範囲を制限する第1のアパーチャが設けられた例が望ましく,これにより,前記イオンビームの径の拡大が前記第1のアパーチャを通過後に開始される。前記第1のアパーチャの設置により,前記イオンビームの径の拡大開始地点及びその地点での径が明確になり,前記スポット径の調節が高精度かつ容易になる。
また,前記収束レンズに入射前の前記イオンの通過範囲を制限する目的で,前記第2の電場の生成領域と前記収束レンズとの間の領域に第2のアパーチャを設置することが考えられる。尚,前記第2のアパーチャはあくまで前記イオンビームの軸から大きく離れたイオンを遮断するものであり,開口の径は前記イオンビームの通過後に径変化の度合い(つまり発散角)に変化を生じさせない(回折を生じさせない)程度,かつイオンの遮断によるビーム電流の減少を極微小にする(ビーム電流に極力変化を生じさせない)程度に広く設ける必要がある。
更に,本発明は,イオンを対象物に照射するイオン照射方法として捉えたものであっても良い。
Here, as will be described in detail later, the energy of the ions and the spot diameter can be adjusted via the first electric field and the second electric field. Specifically, by adjusting the voltage ratio (predetermined setting ratio) when generating the first electric field and the second electric field while maintaining a constant value, only the energy is maintained while maintaining the spot diameter. Can be adjusted.
Furthermore, it is preferable that a first aperture for limiting a passage range of the ions is provided between the generation region of the first electric field and the generation region of the second electric field. The diameter expansion is started after passing through the first aperture. By installing the first aperture, the ion beam diameter expansion start point and the diameter at that point become clear, and the adjustment of the spot diameter becomes highly accurate and easy.
Further, in order to limit the passage range of the ions before being incident on the focusing lens, it is conceivable to install a second aperture in a region between the generation region of the second electric field and the focusing lens. The second aperture only blocks ions that are far away from the axis of the ion beam, and the diameter of the aperture does not change the degree of change in diameter (that is, the divergence angle) after the ion beam passes. It is necessary to provide a wide enough range (not to cause diffraction) and to minimize the decrease in the beam current due to the interruption of ions (to prevent the beam current from changing as much as possible).
Furthermore, the present invention may be understood as an ion irradiation method for irradiating an object with ions.

本発明によれば,イオンビームの密度低下,装置サイズの拡大等の困難を伴わずに対象物に照射されるイオンビームのスポット径を小さくすることが可能であり,これにより更に微細な加工を対象物に施すことが可能である。   According to the present invention, it is possible to reduce the spot diameter of the ion beam irradiated on the object without difficulty such as a decrease in the density of the ion beam and an increase in the size of the apparatus. It can be applied to an object.

以下添付図面を参照しながら,本発明の実施の形態について説明し,本発明の理解に供する。尚,以下の実施の形態は,本発明を具体化した一例であって,本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに,図1は従来例におけるイオン照射装置の概略構成図,図2は本発明の実施形態におけるイオン照射装置の概略構成図,図3は本発明の実施形態におけるイオン照射装置で照射されるイオンの軌道を説明する概念図,図4は電圧V0,電圧V1とイオンビームの縮小率との対応関係を表す表,図5は本発明の実施例に係るイオン照射装置の概略構成図である。尚,従来例と同様の構成については同様の符号を付すものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that the present invention can be understood. The following embodiment is an example embodying the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
1 is a schematic configuration diagram of an ion irradiation apparatus in a conventional example, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an ion irradiation apparatus in an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is irradiated by the ion irradiation apparatus in the embodiment of the present invention. FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the trajectory of ions, FIG. 4 is a table showing the correspondence between the voltage V0, the voltage V1, and the reduction rate of the ion beam, and FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the ion irradiation apparatus according to the embodiment of the present invention. . In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected about the structure similar to a prior art example.

(1)本発明の実施形態に係るイオン照射装置の概略構成について。
以下,図1を参照しつつ,本発明の実施形態に係るイオン照射装置について説明する。
図1に示されるように,本発明の実施形態に係るイオン照射装置A1は,イオン源1,引き出し電極9,引き出し用電源11,加速器2,加速器用電源3,制御装置4,収束レンズ6等により概略構成され,前記収束レンズ6による焦点付近の設置箇所に設置された試料7(所定の対象物の一例)にイオンを照射する装置である。
前記イオン源1には,例えば一価ヘリウムイオン等のイオンが充填されている。また,前記イオン源1は開口部であるイオン出口が設けられた引き出しアパーチャ1aと一体である。前記イオン源1は前記イオン出口から,前記引き出しアパーチャ1aと前記引き出し電極9との間に形成される空間10に前記イオンを供給する。前記空間10には,前記引き出し用電源11により電圧V1が付与されており,これにより第1の電場が形成されている。前記引き出しアパーチャ1a,前記引き出し電極9,引き出し用電源11が第1の電場生成手段の一例である。尚,前記引き出し電極9にはアパーチャ開口が設けられており,アパーチャ開口の大きさにより前記イオンの通過範囲が限定される。前記引き出し電極9が第1のアパーチャの一例である。該第1のアパーチャを設けることにより,イオンビームの生成地点及び該地点でのイオンビームの径が明確になり,前記試料7に照射されるときのスポット径の調節等が容易になる(第1のアパーチャにより径を絞らない場合にも,前記イオン出口付近を生成地点として拡散するイオンビームが得られるものと考えられるが,前記生成地点及びその地点での径が不明瞭になる)。
(1) About schematic structure of the ion irradiation apparatus which concerns on embodiment of this invention.
Hereinafter, an ion irradiation apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, an ion irradiation apparatus A1 according to an embodiment of the present invention includes an ion source 1, an extraction electrode 9, an extraction power supply 11, an accelerator 2, an accelerator power supply 3, a control apparatus 4, a converging lens 6, and the like. Is an apparatus that irradiates ions to a sample 7 (an example of a predetermined object) installed at an installation location near the focal point of the convergent lens 6.
The ion source 1 is filled with ions such as monovalent helium ions. The ion source 1 is integral with a drawing aperture 1a provided with an ion outlet as an opening. The ion source 1 supplies the ions from the ion outlet to a space 10 formed between the extraction aperture 1 a and the extraction electrode 9. A voltage V1 is applied to the space 10 by the power supply 11 for extraction, thereby forming a first electric field. The extraction aperture 1a, the extraction electrode 9, and the extraction power supply 11 are an example of a first electric field generating means. The extraction electrode 9 is provided with an aperture opening, and the ion passing range is limited by the size of the aperture opening. The extraction electrode 9 is an example of a first aperture. By providing the first aperture, the generation point of the ion beam and the diameter of the ion beam at the point become clear, and adjustment of the spot diameter when the sample 7 is irradiated becomes easy (first Even if the aperture is not reduced by the aperture, it is considered that an ion beam diffusing with the vicinity of the ion exit as a generation point can be obtained, but the generation point and the diameter at the point become unclear).

前記空間10において前記第1の電場(第1の電場生成手段により生成された電場)により前記イオン源1から引き出され加速され,前記引き出し電極9を通過した前記イオンは加速されイオンビームとして引き出される(イオン引き出し工程の一例)。前記イオンビームは,前記引き出し電極9に設けられた前記アパーチャ開口を通過することにより,その径を拡大させつつ前記加速器2の有する加速管に入射する(加速器2は後述のように第2の電場生成手段の一例であり,前記引き出し電極9は第1の電場生成手段と第2の電場生成手段との間に設けられていることが理解できる)。前記加速器2には前記加速器用電源3により電圧V0が付与されており,これにより前記加速管には前記イオンビーム8の軸に沿った方向(前記イオンの進路に沿った方向)に第2の電場が生成されている。前記イオンビーム8の有する前記イオン各々は,前記第2の電場により前記イオンビーム8の軸に沿った方向に加速される(イオン加速工程の一例)。前記加速器2及び前記加速器用電源3が第2の電場生成手段の一例である。
尚,前記加速器用電源3による電圧V0,前記引き出し用電源11による電圧V1は前記制御装置4により制御されている。
また,前記イオンビーム8の進行方向(軸に沿う方向)には複数の前記収束レンズ6が設置されている。前記収束レンズ6は電磁石からなるものであり,四重極電磁石レンズを構成する。即ち,前記収束レンズ6各々は前記イオンビーム8の通過領域に対して磁場を生成し,前記イオンビーム8の有する各イオンの進行方向を変化させて前記イオンビーム8の径を縮小させる(つまり,収束させる)。前記収束レンズ6(イオン収束手段の一例)により径が縮小された前記イオンビーム8は,その焦点近傍に設置された前記試料7に照射される(イオン収束照射工程の一例)。
In the space 10, the ions are extracted from the ion source 1 and accelerated by the first electric field (the electric field generated by the first electric field generating means), and the ions passing through the extraction electrode 9 are accelerated and extracted as an ion beam. (An example of an ion extraction process). The ion beam passes through the aperture opening provided in the extraction electrode 9 and is incident on an acceleration tube of the accelerator 2 while expanding its diameter (the accelerator 2 has a second electric field as described later). It is an example of the generation means, and it can be understood that the extraction electrode 9 is provided between the first electric field generation means and the second electric field generation means). A voltage V0 is applied to the accelerator 2 by the accelerator power supply 3, whereby the accelerator tube has a second direction in the direction along the axis of the ion beam 8 (direction along the path of the ions). An electric field is generated. Each of the ions of the ion beam 8 is accelerated in the direction along the axis of the ion beam 8 by the second electric field (an example of an ion acceleration step). The accelerator 2 and the accelerator power supply 3 are an example of second electric field generating means.
The voltage V0 from the accelerator power supply 3 and the voltage V1 from the lead-out power supply 11 are controlled by the control device 4.
A plurality of converging lenses 6 are installed in the traveling direction of the ion beam 8 (direction along the axis). The converging lens 6 is made of an electromagnet and constitutes a quadrupole electromagnet lens. That is, each of the converging lenses 6 generates a magnetic field in the passage region of the ion beam 8 and changes the traveling direction of each ion of the ion beam 8 to reduce the diameter of the ion beam 8 (that is, Converge). The ion beam 8 whose diameter has been reduced by the focusing lens 6 (an example of ion focusing means) is applied to the sample 7 placed in the vicinity of the focal point (an example of an ion focusing irradiation process).

(2)イオンの軌道及びイオンビームのスポット径について。
当該イオン照射装置は,上述のような構成により,前記イオンビーム8の前記収束レンズ6による焦点での径(試料7に照射されるときの径であり,つまりスポット径)を小さくすることが可能である。図3は当該イオン照射装置で照射されるイオンの軌道を示す図であり,図3を参照しつつ小さなスポット径が得られる理由を以下に説明する。
前記第1の電場により加速されたイオン各々からなるイオンビーム8は,その発散角がθ1で径が拡大されつつ,前記イオンビームの軸に沿った進行方向に速度v1で進行する。また,前記加速器2の有する加速管に侵入後は,前記イオン各々は前記第2の電場により,前記イオンビーム8の軸に沿った進行方向の速度がv0に加速される。また,該進行方向と直交する方向(以下,直交方向)における前記イオン各々の速度成分には変化がないので,前記加速管を通過後には前記イオンビーム8の発散角はθ0(<θ1)に押さえられる。
従って,前記イオンビーム8は,図3に示されるように,見かけ上実際の前記アパーチャ開口から照射されるのではなく,実際の前記アパーチャ開口よりも前記進行方向上流側に位置する仮想的な開口より照射されるように見える。
前述のように,アパーチャ5(本発明の構成では,前記引き出し電極9)を通過後の前記イオンビーム8が径を拡大させつつ進行するときの進行距離L1(図1参照)が大きくなる程,前記イオンビーム8のスポット径が小さくなる(詳しくは,L1に反比例する)。そこで,この場合は前記仮想的な開口と前記収束レンズ6との前記軸方向に沿った距離L1”を前記進行距離L1と同一視することが可能であり,実際のアパーチャ開口と前記収束レンズ6との距離L’を拡大せずとも小さな前記イオンビーム8のスポット径を得ることが可能である。
(2) About ion trajectory and ion beam spot diameter.
With this configuration, the ion irradiation apparatus can reduce the diameter of the ion beam 8 at the focal point of the focusing lens 6 (the diameter when the sample 7 is irradiated, that is, the spot diameter). It is. FIG. 3 is a diagram showing the trajectory of ions irradiated by the ion irradiation apparatus. The reason why a small spot diameter can be obtained will be described below with reference to FIG.
The ion beam 8 composed of each of the ions accelerated by the first electric field travels at a velocity v1 in the traveling direction along the axis of the ion beam while its divergence angle is θ1 and the diameter is expanded. Further, after entering the accelerator tube of the accelerator 2, each of the ions is accelerated by the second electric field in the traveling direction along the axis of the ion beam 8 to v0. Further, since there is no change in the velocity component of each of the ions in the direction orthogonal to the traveling direction (hereinafter referred to as the orthogonal direction), the divergence angle of the ion beam 8 becomes θ0 (<θ1) after passing through the accelerator tube. Pressed.
Therefore, as shown in FIG. 3, the ion beam 8 is not actually irradiated from the actual aperture opening, but is a virtual opening positioned upstream in the traveling direction from the actual aperture opening. It seems to be more irradiated.
As described above, the traveling distance L1 (see FIG. 1) when the ion beam 8 after passing through the aperture 5 (in the configuration of the present invention, the extraction electrode 9) travels while increasing its diameter increases. The spot diameter of the ion beam 8 is reduced (specifically, it is inversely proportional to L1). Therefore, in this case, the distance L1 ″ along the axial direction between the virtual aperture and the convergent lens 6 can be identified with the travel distance L1, and the actual aperture aperture and the convergent lens 6 can be identified. It is possible to obtain a small spot diameter of the ion beam 8 without increasing the distance L ′.

(3)電圧V1,電圧V0の制御について。
前述のように,前記イオンビーム8のスポット径の大きさはL2/L1”に比例する。以下,L2/L1”を縮小率Mという。ここで,通常前記発散角θ1及びθ0は小さく,前記縮小率M(=L2/L1”)は√(θ0/θ1)で近似することが可能である。また,前記加速器2において前記イオン各々は前記イオンビーム8の軸方向のみに加速され,前記直交方向には速度変化がないので,θ0/θ1は前記加速器2による加速後の速度v0と加速前の速度v1との比v1/v0に一致する。また,前記速度の比v1/v0は,前記空間10に付与される電圧(引き出し用電源11による電圧)V0と前記加速器2に付与される電圧(加速器用電源3による電圧)V1とを用いて,√{V0/(V0+V1)}と表される。また,通常V0≪V1を満たすように前記引き出し用電源11,前記加速器用電源3が制御されるので,√{V0/(V0+V1)}≒√(V0/V1)のように近似することが可能である。
以上から,前記スポット径の縮小率Mは,前記引き出し用電源11による電圧V1,前記加速器用電源3による電圧V0の比により定められる。
(3) Control of voltage V1 and voltage V0.
As described above, the spot diameter of the ion beam 8 is proportional to L2 / L1 ″. Hereinafter, L2 / L1 ″ is referred to as a reduction ratio M. Here, the divergence angles θ1 and θ0 are usually small, and the reduction ratio M (= L2 / L1 ″) can be approximated by √ (θ0 / θ1). Since it is accelerated only in the axial direction of the ion beam 8 and there is no speed change in the orthogonal direction, θ0 / θ1 matches the ratio v1 / v0 of the speed v0 after acceleration by the accelerator 2 and the speed v1 before acceleration. In addition, the speed ratio v1 / v0 is obtained by dividing the voltage applied to the space 10 (voltage by the power supply 11 for extraction) V0 and the voltage applied to the accelerator 2 (voltage by the power supply 3 for accelerator) V1. √ {V0 / (V0 + V1)} In addition, since the extraction power supply 11 and the accelerator power supply 3 are normally controlled to satisfy V0 << V1, √ {V0 / (V0 + V1) } ≒ √ (V0 It is possible to approximate as V1).
From the above, the spot diameter reduction rate M is determined by the ratio of the voltage V1 from the extraction power supply 11 and the voltage V0 from the accelerator power supply 3.

尚,前述したが,前記イオン各々に付与するエネルギーにより,前記試料7に施す微細加工の深さが調節可能である。即ち,エネルギーの大きなイオンが照射される程,前記試料7における照射部分の特性変化がより深部にまで生じる。
前記イオン各々に付与するエネルギーは,前記加速器用電源3による電圧V0と前記引き出し用電源11による電圧V1との合計値に比例するものであり,前記制御装置4は,それらの電圧を制御することにより前記イオン各々のエネルギーを調節する。
ところが,前述の通り,前記縮小率Mは前記V0と前記V1との比により定められるものであり,それを考慮せずに前記V0及びV1を制御したのでは,前記イオンのエネルギーと同時に前記縮小率Mが変化し,前記イオンビーム8のスポット径が変化する。
そこで,前記制御装置4(電圧制御手段の一例)は,予め前記イオンビーム8のスポット径(対象物における目標照射スポット径)がユーザの操作入力に入力される等して定められている場合,前記V0と前記V1の比を入力されているスポット径から算出し,その値を設定電圧比として以下のような電圧制御に用いる。つまり,前記試料7(対象物)に照射される前記イオン各々に付与する目標エネルギーに応じて,前記V0(第2の電場生成手段における電場生成用の電圧)及び前記V1(第1の電場生成手段における電場生成用の電圧)の比を前記設定電圧比に維持しつつそれらの値を調節する。これにより,前記スポット径の大きさを変化させずに前記イオンのエネルギーのみを調節することが可能である。
逆に,前記イオンのエネルギーを変化させずにスポット径のみを調節する場合には,前記V0と前記V1との合計を所定の合計値に維持しつつ比率のみを変化させるものとすれば良い。
As described above, the depth of fine processing applied to the sample 7 can be adjusted by the energy applied to each of the ions. That is, as the ion with higher energy is irradiated, the characteristic change of the irradiated portion in the sample 7 occurs deeper.
The energy applied to each of the ions is proportional to the total value of the voltage V0 from the accelerator power supply 3 and the voltage V1 from the extraction power supply 11, and the control device 4 controls these voltages. To adjust the energy of each of the ions.
However, as described above, the reduction ratio M is determined by the ratio between the V0 and the V1, and if the V0 and V1 are controlled without considering this, the reduction simultaneously with the energy of the ions. The rate M changes, and the spot diameter of the ion beam 8 changes.
Therefore, when the control device 4 (an example of voltage control means) is determined in advance by, for example, inputting the spot diameter of the ion beam 8 (target irradiation spot diameter of the object) to the user's operation input, The ratio between V0 and V1 is calculated from the input spot diameter, and the value is used for the following voltage control as a set voltage ratio. That is, according to the target energy applied to each of the ions irradiated to the sample 7 (object), the V0 (voltage for generating an electric field in the second electric field generating means) and the V1 (first electric field generating). These values are adjusted while maintaining the ratio of the electric field generating voltage) in the means at the set voltage ratio. Thereby, it is possible to adjust only the ion energy without changing the size of the spot diameter.
On the contrary, when only the spot diameter is adjusted without changing the ion energy, only the ratio may be changed while maintaining the sum of V0 and V1 at a predetermined total value.

図4に前記V0,前記V1にして前記縮小率Mが対応付けられた表を示す。複数の前記収束レンズ6により形成される四重極電磁石レンズは前記イオンビーム8の軸に直交する平面内で非対称の収束力を持つ。前記イオンビーム8の軸に直交する第1の軸をx軸とし,前記イオンビーム8の軸と直交する第2の軸(前記イオンビーム8の軸及び前記x軸と直交する軸)をy軸という。そこで,図4にはx軸方向に対する縮小率Mx,y軸方向に対する縮小率Myの両方を示す。
(a)はV1=5kV,V0=1000kVの場合の縮小率Mx,Myのシミュレーション結果である。(b)はV1=10kV,V0=1000kVの場合の縮小率Mx,Myのシミュレーション結果である。(c)はV1=2.5kV,V0=500kVの場合の縮小率Mx,Myのシミュレーション結果である。(d)は従来例の構成(前記加速器2で加速後にアパーチャ5を通過,即ち前記加速器2による発散角の変化なし)におけるV1=10kV,V0=1000kVの場合の収束率Mx,Myのシミュレーション結果である。
(d)と(a),(b),(c)とを比較することにより,本発明の構成により前記縮小率Mx,Myが大幅に小さくなり,より小さなスポット径を得られることが理解される。(a)と(b)との比較から,前記V0と前記V1との比率が維持されなかった場合には前記縮小率Mx,Myが変化することが理解される。一方,(a)と(b)との比較から,前記V0と前記V1との比率を維持しつつ各々を変化させても,前記縮小率Mx,Myは変化しないことが理解される。
FIG. 4 shows a table in which the reduction ratio M is associated with V0 and V1. A quadrupole electromagnet lens formed by a plurality of the converging lenses 6 has an asymmetric focusing force in a plane perpendicular to the axis of the ion beam 8. The first axis orthogonal to the axis of the ion beam 8 is the x axis, and the second axis orthogonal to the axis of the ion beam 8 (the axis of the ion beam 8 and the axis orthogonal to the x axis) is the y axis. That's it. FIG. 4 shows both the reduction rate Mx in the x-axis direction and the reduction rate My in the y-axis direction.
(A) is a simulation result of the reduction ratios Mx and My when V1 = 5 kV and V0 = 1000 kV. (B) is a simulation result of the reduction ratios Mx and My when V1 = 10 kV and V0 = 1000 kV. (C) is a simulation result of the reduction ratios Mx and My when V1 = 2.5 kV and V0 = 500 kV. (D) is a simulation result of convergence rates Mx and My when V1 = 10 kV and V0 = 1000 kV in the configuration of the conventional example (passing through the aperture 5 after acceleration by the accelerator 2, that is, no change in the divergence angle by the accelerator 2) It is.
By comparing (d) with (a), (b), (c), it is understood that the reduction ratios Mx, My are greatly reduced by the configuration of the present invention, and a smaller spot diameter can be obtained. The From the comparison between (a) and (b), it is understood that the reduction ratios Mx and My change when the ratio between V0 and V1 is not maintained. On the other hand, it is understood from the comparison between (a) and (b) that the reduction ratios Mx and My do not change even if each is changed while maintaining the ratio between V0 and V1.

上述ような実施形態で開示した構成に加えて,図5に示されるように,イオンビーム8の照射経路における加速器2(第2の電場生成手段の一例)から収束レンズ6(イオン収束手段の一例)へ向かう経路上に,前記イオンビーム8の有するイオン各々の通過範囲を制限するアパーチャ12を更に具備した構成(本発明の実施例に係るイオン照射装置A2)も考えられる。
前記イオンビーム8の軸から大きく発散するイオンは,前記収束レンズ6による収束が得られにくい場合も想定される。そこで,前記アパーチャ12は,前記イオンビーム8の軸から大きく離れたイオンを遮断する目的で用いられる。尚,前記アパーチャ12の有する開口の径は,引き出し電極9の有するアパーチャ開口の径に比べて相当大きく設けられるものであり,従って前記イオンビーム8は前記アパーチャ12を通過する際に発散角の変化(回折)を生じない。
In addition to the configuration disclosed in the above-described embodiment, as shown in FIG. 5, the accelerator 2 (an example of the second electric field generating unit) in the irradiation path of the ion beam 8 to the focusing lens 6 (an example of the ion focusing unit). A configuration (an ion irradiation apparatus A2 according to an embodiment of the present invention) further including an aperture 12 that restricts the passage range of each ion of the ion beam 8 on the path toward () is conceivable.
It is assumed that ions that are greatly diverged from the axis of the ion beam 8 are difficult to be converged by the focusing lens 6. Therefore, the aperture 12 is used for the purpose of blocking ions largely separated from the axis of the ion beam 8. The diameter of the aperture of the aperture 12 is set to be considerably larger than the diameter of the aperture opening of the extraction electrode 9, so that the ion beam 8 changes in the divergence angle when passing through the aperture 12. (Diffraction) does not occur.

上述の実施形態では,イオンとして一価ヘリウムを用いる例について開示したが,本発明はこれに限られるものではなく,水素イオン(H+)等の別の化学種によるイオンを用いる場合も考えられる。また,陽子,電子などの荷電粒子を試料に照射するものであっても良い。
更に,上述の説明は前記試料の微細加工を本発明の適用対象分野としたものであったが,これに限られるものではない。例えば,前記試料により散乱された散乱イオンを検出し,その検出結果に基づいて前記試料を分析する等の目的にも適用し得る。
In the above-described embodiment, an example in which monovalent helium is used as the ion has been disclosed. However, the present invention is not limited to this, and an ion using another chemical species such as hydrogen ion (H + ) may be used. . Alternatively, the sample may be irradiated with charged particles such as protons and electrons.
Furthermore, although the above description has dealt with the microfabrication of the sample as an application target field of the present invention, it is not limited to this. For example, the present invention can be applied to the purpose of detecting scattered ions scattered by the sample and analyzing the sample based on the detection result.

従来例におけるイオン照射装置の概略構成図。The schematic block diagram of the ion irradiation apparatus in a prior art example. 本発明の実施形態におけるイオン照射装置の概略構成図。The schematic block diagram of the ion irradiation apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるイオン照射装置で照射されるイオンの軌道を説明する概念図。The conceptual diagram explaining the track | orbit of the ion irradiated with the ion irradiation apparatus in embodiment of this invention. 電圧V0,電圧V1とイオンビームの縮小率との対応関係を表す表。The table | surface showing the correspondence of the voltage V0, the voltage V1, and the reduction rate of an ion beam. 本発明の実施例に係るイオン照射装置の概略構成図。The schematic block diagram of the ion irradiation apparatus which concerns on the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A1…本発明の実施形態に係るイオン照射装置
A2…本発明の実施例に係るイオン照射装置
B…従来例におけるイオン照射装置
1…イオン源
1a…引き出しアパーチャ
2…加速器
3…加速器用電源
4…制御装置
5…アパーチャ
6…収束レンズ
7…試料(対象物)
8…イオンビーム
9…引き出し電極
10…空間
11…引き出し用電源
12…アパーチャ
A1 ... Ion irradiation apparatus A2 according to an embodiment of the present invention ... Ion irradiation apparatus B according to an example of the present invention ... Ion irradiation apparatus 1 in conventional example ... Ion source 1a ... Drawer aperture 2 ... Accelerator 3 ... Accelerator power supply 4 ... Control device 5 ... Aperture 6 ... Converging lens 7 ... Sample (object)
8 ... Ion beam 9 ... Extraction electrode 10 ... Space 11 ... Extraction power supply 12 ... Aperture

Claims (6)

所定の対象物にイオンを照射するイオン照射装置であって,
イオンを発生させるイオン源におけるイオン出口の近傍に電場を生成し前記イオン源からイオンを引き出す第1の電場生成手段と,
前記第1の電場生成手段により前記イオン源から引き出されたイオンの進路に沿って電場を生成し該イオンの進行を加速する第2の電場生成手段と,
前記第2の電場生成手段により加速されたイオンを収束させて前記対象物に照射するイオン収束手段と,
を具備してなることを特徴とするイオン照射装置。
An ion irradiation apparatus for irradiating ions on a predetermined object,
First electric field generating means for generating an electric field in the vicinity of an ion outlet in an ion source for generating ions and extracting ions from the ion source;
Second electric field generating means for generating an electric field along the path of ions extracted from the ion source by the first electric field generating means and accelerating the progress of the ions;
Ion focusing means for converging ions accelerated by the second electric field generating means and irradiating the object;
An ion irradiation apparatus comprising:
前記対象物に照射するイオンの目標エネルギーに応じて前記第1の電場生成手段及び前記第2の電場生成手段各々における電場生成用の電圧各々を所定の設定電圧比に維持しつつ調節する電圧制御手段を更に具備する請求項1に記載のイオン照射装置。   Voltage control for adjusting each of the electric field generating voltages in the first electric field generating means and the second electric field generating means while maintaining a predetermined set voltage ratio according to the target energy of ions irradiated on the object. The ion irradiation apparatus according to claim 1, further comprising means. 前記設定電圧比が前記対象物におけるイオンの目標照射スポット径により定められるものである請求項1又は2のいずれかに記載のイオン照射装置。   The ion irradiation apparatus according to claim 1, wherein the set voltage ratio is determined by a target irradiation spot diameter of ions in the object. 前記第1の電場生成手段と前記第2の電場生成手段との間にイオンの通過範囲を制限する第1のアパーチャが設けられてなる請求項1〜3のいずれかに記載のイオン照射装置。   The ion irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a first aperture is provided between the first electric field generating unit and the second electric field generating unit to limit an ion passage range. 前記第2の電場生成手段から前記イオン収束手段側へ向かうイオンの通過範囲を制限する第2のアパーチャを具備してなる請求項1〜4のいずれかに記載のイオン照射装置。   The ion irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a second aperture that limits a passage range of ions from the second electric field generating unit toward the ion converging unit. 所定の対象物に対するイオンの照射方法であって,
イオンを発生させるイオン源におけるイオン出口の近傍に第1の電場を生成し,該第1の電場により前記イオン源からイオンを引き出すイオン引き出し工程と,
前記イオン引き出し工程により前記イオン源から引き出されたイオンの進路に沿って第2の電場を生成し,該第2の電場により前記イオンの進行を加速するイオン加速工程と,
前記イオン加速工程により加速されたイオンを収束させて前記対象物に照射するイオン収束照射工程と,
を有してなることを特徴とするイオン照射方法。
A method of irradiating ions to a predetermined object,
An ion extraction step of generating a first electric field in the vicinity of an ion outlet in the ion source for generating ions, and extracting the ions from the ion source by the first electric field;
An ion acceleration step of generating a second electric field along a path of ions extracted from the ion source by the ion extraction step, and accelerating the progression of the ions by the second electric field;
An ion focused irradiation step of focusing the ions accelerated by the ion acceleration step and irradiating the target object;
An ion irradiation method comprising:
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