JP2920847B2 - Mass separation device and separation method - Google Patents
Mass separation device and separation methodInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、イオンビームの質量を
分離するための質量分離装置及び分離方法に関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mass separation apparatus for separating the mass of an ion beam and a separation method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】イオンビームの質量分離装置はＳＩＭＳ
などの各種分析装置や不純物を基板へ打ち込むためのイ
オン注入装置などに利用されている。装置としては、磁
場を用いた扇形質量分離装置が広く用いられている。2. Description of the Related Art An ion beam mass separation apparatus is SIMS.
It is used for various analyzers such as an ion implanter for implanting impurities into a substrate. As a device, a fan-shaped mass separation device using a magnetic field is widely used.
【０００３】図３に、従来の扇形質量分離装置を示す。
図において、２１は入射スリット、２２は透過スリッ
ト、２３は磁場、２４はイオンビームを示す。一様な磁
場中では、荷電粒子は円運動を行う。イオンの質量をｍ
（ａ．ｍ．ｕ）、イオンの加速エネルギーをＵ（ｅ
Ｖ）、軌道半径をｒ（ｃｍ）、磁束密度をＢ（gauss ）
とすると、FIG. 3 shows a conventional fan-shaped mass separation device.
In the figure, 21 is an entrance slit, 22 is a transmission slit, 23 is a magnetic field, and 24 is an ion beam. In a uniform magnetic field, the charged particles make a circular motion. The mass of the ion is m
(Amu), the acceleration energy of the ion is U (e)
V), orbit radius r (cm), and magnetic flux density B (gauss)
Then
【０００４】[0004]
【数１】 (Equation 1)
【０００５】なる関係が成り立つ。上式から明らかなよ
うに質量の異なるイオンは、軌道半径が異なるため、特
定の半径の軌道を通るイオンだけをスリット２２を用い
て分離できる。イオンの加速エネルギーＵを一定とし、
磁束密度Ｂを０から徐々に強くしていくと、質量ｍの小
さいイオンから質量ｍの大きいイオンまで順次分離され
質量スペクトルが得られる。The following relationship holds. As is apparent from the above equation, ions having different masses have different orbital radii. Therefore, only ions passing through orbits having a specific radius can be separated using the slit 22. With the ion acceleration energy U constant,
When the magnetic flux density B is gradually increased from 0, ions having a small mass m and ions having a large mass m are sequentially separated to obtain a mass spectrum.
【０００６】この質量分離装置の分解能は、スリット２
２の幅ｄと軌道半径ｒにより決められ、次式で表され
る。 Ｒ〜ｒ／２ｄ （２） すなわち、イオンを分離するためにはイオンの軌道を制
限するスリットが必要であり、大面積のままイオンビー
ム２４を質量分離することはできなかった。また、分解
能は軌道半径に比例するため小型化が難しく、さらに分
解能を高めるためにはスリット幅を小さくしなければな
らず、分解能と分離されるイオンの量には相反関係があ
った。[0006] The resolution of this mass separation device is
2, which is determined by the width d and the orbital radius r, and is expressed by the following equation. R〜r / 2d (2) That is, a slit for limiting the trajectory of the ions was necessary to separate the ions, and the ion beam 24 could not be mass-separated with a large area. Further, since the resolution is proportional to the radius of the orbit, miniaturization is difficult, and in order to further increase the resolution, the slit width must be reduced, and there is a reciprocal relationship between the resolution and the amount of ions to be separated.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、大面積
のイオンビームの質量分離を可能とするとともに、小型
化が容易であり、さらに分離されたイオンの量を減少さ
せることなく分解能を高められる質量分離装置及び分離
方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in order to improve the above-mentioned drawbacks. It is an object of the present invention to enable mass separation of a large-area ion beam and to make it easy to reduce the size. It is another object of the present invention to provide a mass separation apparatus and a separation method capable of improving the resolution without reducing the amount of separated ions.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は互いに軸線が平行な、多数の透過孔を備え
たイオン入射板と、前記イオン入射板に平行に配置さ
れ、かつ前記イオン入射板に設けられた透過孔の軸線に
対して所定の角度をもつ軸線を有する、多数の透過孔を
有するイオン透過板と、前記イオン入射板とイオン透過
板に設けられた、それぞれの透過孔の軸線に対して、と
もに垂直に磁界を発生させる磁界発生手段とを具備する
ことを特徴とする質量分離装置を発明の要旨とするもの
である。さらに、本発明は互いに軸線が平行な、多数の
透過孔を備えたイオン入射板と、前記イオン入射板に対
して平行に配置され、かつ前記イオン入射板に設けられ
た透過孔の軸線に対して所定の角度をもつ軸線を有す
る、多数の透過孔を有するイオン透過板とを用い、前記
イオン入射板を通過したイオンビームに対して、前記の
イオン入射板とイオン透過板に設けられた、それぞれの
透過孔の軸線に対して、ともに垂直に磁界を加え、イオ
ンビームを湾曲させ、これによって所望のイオンのみを
前記イオン透過板の透過孔より得て、質量の分離を行う
ことを特徴とする質量分離方法を発明の要旨とするもの
である。In order to achieve the above object, the present invention provides an ion incident plate having a large number of transmission holes whose axes are parallel to each other, and an ion incident plate disposed parallel to the ion incident plate; An ion transmission plate having a large number of transmission holes having an axis having a predetermined angle with respect to an axis of a transmission hole provided in the ion incidence plate; and a transmission line provided in the ion incidence plate and the ion transmission plate, respectively. An object of the present invention is to provide a mass separation device including a magnetic field generating means for generating a magnetic field both perpendicular to the axis of the hole. Further, the present invention provides an ion incident plate having a large number of transmission holes, whose axes are parallel to each other, and is disposed parallel to the ion incident plate, and with respect to the axis of the transmission hole provided in the ion incident plate. Having an axis with a predetermined angle, using an ion transmission plate having a large number of transmission holes, for an ion beam passing through the ion incidence plate, provided on the ion incidence plate and the ion transmission plate, A magnetic field is applied perpendicularly to the axis of each transmission hole, and the ion beam is bent, whereby only desired ions are obtained from the transmission hole of the ion transmission plate, and mass separation is performed. SUMMARY OF THE INVENTION
【０００９】[0009]
【作用】本発明は、角度の付いた多数のスリットを２枚
平行に配列し、磁界と組み合わせることにより、大面積
のイオンビームの質量分離を可能とする作用を有する。The present invention has an effect of enabling mass separation of a large area ion beam by arranging a large number of angled slits in parallel and combining them with a magnetic field.
【００１０】[0010]
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。な
お、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得ること
は言うまでもない。Next, an embodiment of the present invention will be described. The embodiment is merely an example, and it goes without saying that various changes or improvements can be made without departing from the spirit of the present invention.
【００１１】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例を示す。（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は
装置全体を示す。イオン入射板１は、イオンの入射方向
を揃えるためのものでアスペクト比の高い透過孔２を多
数備えている。透過孔の軸線は互いに平行である。イオ
ン透過板３は、角度θ曲げられたイオンだけが透過する
ように、アスペクト比が高く、かつ角度θをもった透過
孔４を多数備えている。透過孔の軸線は互いに平行であ
る。イオン入射板１とイオン透過板３は平行に配置され
ている。イオンの軌道を曲げるために可変な一様磁場Ｂ
５が、イオン入射板１の透過孔の軸とイオン透過板３の
透過孔の軸に対してともに垂直に印加される。(Embodiment 1) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. (A) is a sectional view, (b) is a perspective view, and (c) shows the entire device. The ion incidence plate 1 is provided for aligning the incident direction of ions, and has a large number of transmission holes 2 having a high aspect ratio. The axes of the transmission holes are parallel to each other. The ion transmission plate 3 has a large number of transmission holes 4 having a high aspect ratio and an angle θ so that only ions bent at an angle θ are transmitted. The axes of the transmission holes are parallel to each other. The ion incidence plate 1 and the ion transmission plate 3 are arranged in parallel. Variable uniform magnetic field B to bend the trajectory of ions
5 is applied perpendicular to both the axis of the transmission hole of the ion incidence plate 1 and the axis of the transmission hole of the ion transmission plate 3.
【００１２】本実施例では、イオン入射板１の透過孔２
の形状は矩形状であり、スリット幅ｄ1 ＝１０μｍ、深
さｌ1 ＝１ｍｍのスリットが、２０μｍごとに多数配置
してある。イオン透過板３の形状も矩形状であり、この
スリット４の軸は、スリット２の軸に対してある角度θ
だけ傾いている。イオン入射板１と同様にアスペクト比
が大きいスリットを用いており、スリット幅ｄ2 は１０
μｍ、深さｌ2 は１ｍｍ、角度θは２０度であり、１０
μｍ間隔で配置されている。イオン入射板１とイオン透
過板３は、距離Ｌだけ離して平行に設置されている。距
離Ｌはｌ2 よりかなり大きくする必要があり、５０ｍｍ
としてある。In this embodiment, the transmission hole 2 of the ion incidence plate 1
Is a rectangular shape, and a number of slits each having a slit width d 1 = 10 μm and a depth l 1 = 1 mm are arranged every 20 μm. The shape of the ion transmission plate 3 is also rectangular, and the axis of the slit 4 is at an angle θ with respect to the axis of the slit 2.
Just leaning. Like the ion incident plate 1, a slit having a large aspect ratio is used, and the slit width d 2 is 10
μm, depth l 2 is 1 mm, angle θ is 20 degrees, and 10
They are arranged at intervals of μm. The ion incidence plate 1 and the ion transmission plate 3 are installed in parallel at a distance L apart. The distance L needs to be much larger than l 2 , 50 mm
There is.
【００１３】スリットの内壁はある程度導電性を持って
いる材質を使用する。これは、内壁にイオンが衝突する
ため絶縁体だとチャージアップする可能性があるためで
ある。The inner wall of the slit is made of a material having a certain degree of conductivity. This is because ions may collide with the inner wall and charge up if it is an insulator.
【００１４】本実施例では矩形のスリットを用いている
が、アスペクト比が高ければ円形の孔でももちろん良
い。スリット２の軸とスリット４の軸に対して垂直に一
様な磁界Ｂ５がイオン入射板１とイオン透過板３の間に
印加されている。Although a rectangular slit is used in this embodiment, a circular hole may be used as long as the aspect ratio is high. A uniform magnetic field B5 is applied between the ion incident plate 1 and the ion transmitting plate 3 perpendicularly to the axis of the slit 2 and the axis of the slit 4.
【００１５】本装置の動作を説明する。ある加速エネル
ギーＵをもったイオンビームは、まずイオン入射板１に
より、入射方向を揃えられる。方向の揃ったイオンビー
ムは一様磁界Ｂ５により距離Ｌを通る間に角度θだけ曲
げられる。ここでθは、The operation of the apparatus will be described. An ion beam having a certain acceleration energy U is first made incident by the ion incidence plate 1 in the same direction. The ion beam whose direction is uniform is bent by the angle θ while passing through the distance L by the uniform magnetic field B5. Where θ is
【００１６】[0016]
【数２】 (Equation 2)
【００１７】となる。スリットのアスペクト比が高いた
め角度θだけ曲げられた質量のイオンだけがスリット４
を透過でき、その質量以外のイオンはほとんどスリット
の内壁に衝突して再結合し中性粒子となる。本実施例で
は、Δθ＝±0.57°の分解能で分離できる。磁界Ｂ５が
０の時は、すべてのイオンが直進し、スリットに衝突し
透過できない。徐々に磁界を強めていくと軽いイオンか
ら曲がりはじめ、イオンの加速エネルギーＵが５００ｅ
Ｖのときは、Ｂが２２０gauss でまず水素原子イオン
が、３１１gauss で水素分子イオンが透過する。さらに
磁界を強めていくと、徐々に重いイオンが透過してい
き、質量スペクトルが得られる。## EQU1 ## Due to the high aspect ratio of the slit, only ions with a mass bent by the angle θ
Most of the ions other than the mass collide with the inner wall of the slit and recombine to form neutral particles. In the present embodiment, separation can be performed with a resolution of Δθ = ± 0.57 °. When the magnetic field B5 is 0, all ions travel straight and collide with the slit and cannot be transmitted. When the magnetic field is gradually increased, the light ions start to bend and the ion acceleration energy U is 500 e
In the case of V, B is 220 gauss and hydrogen atom ions are transmitted therethrough at 311 gauss. When the magnetic field is further strengthened, heavy ions are gradually transmitted, and a mass spectrum is obtained.
【００１８】通常の扇形質量分離装置では、イオンの通
る軌道を狭い領域に制限して質量分離を行うため、広い
面積にわたって質量分離ができないが、本分離装置では
イオンの曲がる角度の違いだけで質量分離を行うため、
広い面積にわたって同時に質量分離ができる。また、分
解能は、回転曲率半径Ｒにはほとんど依存せず、スリッ
トのアスペクト比すなわち角度の分解能にのみ依存する
ため、分離装置を大幅に小型化することが可能である。In a general fan mass separation device, mass separation cannot be performed over a wide area because mass separation is performed by limiting the trajectory of ions to a narrow region. To perform the separation,
Mass separation can be performed simultaneously over a large area. Further, since the resolution hardly depends on the radius of curvature R, but only on the aspect ratio of the slit, that is, the resolution of the angle, the size of the separation device can be significantly reduced.
【００１９】（実施例２）図２に本発明の第２の実施例
を示す。（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は装
置全体を示す。イオン入射板１１及びイオン透過板１３
には、マイクロチャネルプレートを用いている。マイク
ロチャネルプレートは、通常、電子増倍のために使われ
ている。しかし、アスペクト比の高い孔を多数備えてお
り、また、その孔は角度をつけてあけられている。従っ
て、本発明の装置で用いる入射板，透過板として使用で
きる。μｍのオーダーのアスペクト比の高い孔を多数平
行にあけるのは加工が難しいが、マイクロチャネルプレ
ートを用いれば比較的容易に装置を作製できる。(Embodiment 2) FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. (A) is a sectional view, (b) is a perspective view, and (c) shows the entire device. Ion incidence plate 11 and ion transmission plate 13
Uses a microchannel plate. Microchannel plates are commonly used for electron multiplication. However, it has a large number of high aspect ratio holes, and the holes are angled. Therefore, it can be used as an incident plate and a transmission plate used in the apparatus of the present invention. Although it is difficult to form a large number of holes having a high aspect ratio on the order of μm in parallel, it is relatively easy to manufacture a device by using a microchannel plate.
【００２０】本実施例では、イオン入射板１１とイオン
透過板１３は同じマイクロチャネルプレートを使用して
いる。孔の直径は１２μｍ、深さは0.48ｍｍ、ピッチは
１５μｍ、角度は８度である。イオン入射板１１とイオ
ン透過板１３を平行にかつ孔の軸相互の角度が最大の１
６度になるように配置してある。距離Ｌは５０ｍｍであ
る。一様な磁界Ｂ１５が両方の孔の軸に垂直に印加され
ている。In the present embodiment, the same micro channel plate is used for the ion incidence plate 11 and the ion transmission plate 13. The diameter of the holes is 12 μm, the depth is 0.48 mm, the pitch is 15 μm, and the angle is 8 degrees. The ion incidence plate 11 and the ion transmission plate 13 are parallel to each other and the angle between the axes of
It is arranged to be 6 degrees. The distance L is 50 mm. A uniform magnetic field B15 is applied perpendicular to the axes of both holes.
【００２１】本装置の動作は実施例１とほぼ同様であ
る。ある加速エネルギーＵをもったイオンビームは、ま
ずイオン入射板１１により、入射方向を揃えられ角度θ
1 で入射する。方向の揃ったイオンビームは一様磁界Ｂ
１５により距離Ｌを通る間に軌道半径ｒで曲げられ角度
θ2 で透過していく。θ1 ，θ2 とＢおよび距離Ｌとの
関係は以下の式で表される。The operation of this apparatus is almost the same as that of the first embodiment. The ion beam having a certain acceleration energy U is first made incident by the ion incidence plate 11 so that the incident direction is uniformed and the angle θ
Incident at 1 . An ion beam with a uniform direction has a uniform magnetic field B
15 passes through the distance L and is bent at the orbital radius r, and is transmitted at an angle θ 2 . The relationship between θ 1 and θ 2 and B and distance L is expressed by the following equation.
【００２２】[0022]
【数３】 (Equation 3)
【００２３】本実施例では、θ1 ＝θ2 ＝８度のイオン
のみがイオン透過板１３を透過する。加速エネルギーＵ
が５００ｅＶの時、Ｂが１７９gauss でまず水素原子イ
オンが、２５３gauss で水素分子イオンが透過する。さ
らに磁界を強めていくと、徐々に重いイオンが透過して
いき、質量スペクトルが得られる。In this embodiment, only ions of θ 1 = θ 2 = 8 degrees pass through the ion transmission plate 13. Acceleration energy U
Is 500 eV, B is 179 gauss, and hydrogen atom ions are transmitted first, and hydrogen molecule ions are transmitted at 253 gauss. When the magnetic field is further strengthened, heavy ions are gradually transmitted, and a mass spectrum is obtained.
【００２４】実施例１と同様に、本分離装置ではイオン
の曲がる角度の違いだけで質量分離を行うため、広い面
積にわたって同時に質量分離ができる。また、分解能
は、回転半径Ｒにはほとんど依存せず、孔のアスペクト
比すなわち角度の分解能にのみ依存するため、分離装置
を大幅に小型化することが可能である。さらに、マイク
ロチャネルプレートを用いるため製作も容易である。As in the first embodiment, in the present separation apparatus, mass separation is performed only by the difference in the bending angle of ions, so that mass separation can be performed simultaneously over a wide area. Further, since the resolution hardly depends on the radius of gyration R but only on the aspect ratio of the hole, that is, the resolution of the angle, it is possible to greatly reduce the size of the separation device. Further, since the microchannel plate is used, the production is easy.
【００２５】[0025]
【発明の効果】叙上のように本発明によれば、従来の扇
形質量分離装置ではできなかった大面積のままのイオン
ビームの質量分離が可能となる。また、小型化が容易で
ありイオンの量を減少させることなく分解能を高めるこ
とができる。As described above, according to the present invention, it is possible to perform mass separation of an ion beam with a large area, which cannot be performed by a conventional fan mass separation apparatus. Further, miniaturization is easy, and the resolution can be increased without reducing the amount of ions.
【図１】本発明の第１の実施例の構成図を示す。（ａ）
は断面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は装置全体を示す。FIG. 1 shows a configuration diagram of a first embodiment of the present invention. (A)
Is a sectional view, (b) is a perspective view, and (c) shows the entire apparatus.
【図２】本発明の第２の実施例の構成図を示す。（ａ）
は断面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は装置全体を示す。FIG. 2 shows a configuration diagram of a second embodiment of the present invention. (A)
Is a sectional view, (b) is a perspective view, and (c) shows the entire apparatus.
【図３】従来の扇形質量分離装置の構成図を示す。FIG. 3 shows a configuration diagram of a conventional fan-shaped mass separation device.
１ イオン入射板 ２ 透過孔（スリット） ３ イオン透過板 ４ 透過孔（スリット） ５ 磁場 ６ イオンビーム １１ イオン入射板 １２ 透過孔 １３ イオン透過板 １４ 透過孔 １５ 磁場 １６ イオンビーム ２１ 入射スリット ２２ 透過スリット ２３ 磁場 ２４ イオンビーム REFERENCE SIGNS LIST 1 ion incidence plate 2 transmission hole (slit) 3 ion transmission plate 4 transmission hole (slit) 5 magnetic field 6 ion beam 11 ion incidence plate 12 transmission hole 13 ion transmission plate 14 transmission hole 15 magnetic field 16 ion beam 21 incidence slit 22 transmission slit 23 Magnetic field 24 Ion beam
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−144048（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−67549（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 49/30 H01J 37/317 H01J 49/20 H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-144048 (JP, A) JP-A-4-67549 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 6 , DB name) H01J 49/30 H01J 37/317 H01J 49/20 H01J 27/00-27/26 H01J 37/08
Claims (2)
えたイオン入射板と、前記イオン入射板に平行に配置さ
れ、かつ前記イオン入射板に設けられた透過孔の軸線に
対して所定の角度をもつ軸線を有する、多数の透過孔を
有するイオン透過板と、前記イオン入射板とイオン透過
板に設けられた、それぞれの透過孔の軸線に対して、と
もに垂直に磁界を発生させる磁界発生手段とを具備する
ことを特徴とする質量分離装置。1. An ion incident plate having a number of transmission holes, whose axes are parallel to each other, and a predetermined position with respect to the axis of the transmission hole provided in the ion incident plate and arranged in parallel with the ion incident plate. An ion transmission plate having a large number of transmission holes having an axis having an angle of, and a magnetic field which is provided in the ion incidence plate and the ion transmission plate and generates a magnetic field perpendicular to the axis of each transmission hole. A mass separation device comprising: a generation unit.
えたイオン入射板と、前記イオン入射板に対して平行に
配置され、かつ前記イオン入射板に設けられた透過孔の
軸線に対して所定の角度をもつ軸線を有する、多数の透
過孔を有するイオン透過板とを用い、前記イオン入射板
を通過したイオンビームに対して、前記のイオン入射板
とイオン透過板に設けられた、それぞれの透過孔の軸線
に対して、ともに垂直に磁界を加え、イオンビームを湾
曲させ、これによって所望のイオンのみを前記イオン透
過板の透過孔より得て、質量の分離を行うことを特徴と
する質量分離方法。2. An ion incidence plate having a number of transmission holes, whose axes are parallel to each other, and an ion incidence plate disposed parallel to the ion incidence plate and having an axis of a transmission hole provided in the ion incidence plate. Having an axis with a predetermined angle, using an ion transmission plate having a large number of transmission holes, for an ion beam passing through the ion incidence plate, provided on the ion incidence plate and the ion transmission plate, A magnetic field is applied perpendicularly to the axis of each transmission hole, and the ion beam is bent, whereby only desired ions are obtained from the transmission hole of the ion transmission plate, and mass separation is performed. Mass separation method.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05101806A (en) | 1993-04-23 |
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