JP3180270B2 - マイクロイオンビーム装置 - Google Patents

マイクロイオンビーム装置

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JP3180270B2
JP3180270B2 JP04010591A JP4010591A JP3180270B2 JP 3180270 B2 JP3180270 B2 JP 3180270B2 JP 04010591 A JP04010591 A JP 04010591A JP 4010591 A JP4010591 A JP 4010591A JP 3180270 B2 JP3180270 B2 JP 3180270B2
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ion
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阿川  義昭
整爾 関
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日本真空技術株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば質量分析、薄膜
形成、イオン注入等に利用される微細な口径のイオンビ
ームを発生させるマイクロイオンビーム装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、マイクロイオンビーム装置は、図
1に見られるような高電圧電源aから高電圧が印加され
た容器状の高電圧ターミナルb内に設けられたイオン源
cで発生させたイオンを、100kV〜数MVの電圧を
等配した電極を有する加速管dにより該高電圧ターミナ
ルbからビーム状に真空中へ引き出し、セクターマグネ
ットまたはE×Bフィルターで構成された質量分離器e
で所望のイオンを選択した後、2〜3μm乃至10〜2
0μmの開口径を有する対物スリットfでイオンビーム
の径を制限し、更にマイクロビーム形成用Qレンズ即ち
集束レンズgでターゲットhの表面に該開口径の1/2
〜1/3乃至1/10〜1/20に絞った微細な口径の
マイクロビームとして入射させるように構成されてい
る。該高電圧ターミナルb内には、イオン源cで発生す
るイオンを数kV〜数10kVの電圧で引き出す引出電
極iと、引き出されたビーム状のイオンを収束させるア
インツエルレンズ又はトリプレットQレンズ等のレンズ
jとが設けられ、該イオン源cとアインツエルレンズj
とに該高電圧ターミナルbの外部の電力供給装置kから
電力が供給される。該加速管dで加速されたビーム状の
イオンは、ビーム輸送用Qマグネットlにより質量分離
器eへと送られ、そこで選択されたイオンビームは、対
物スリットfで絞られ、ファラデーカップmでイオン電
流を測定したのち補助スリットnにより発散角の大きい
イオンが除去され、ターゲットhに入射するときに該集
束レンズgで微細な口径に絞られる。ターゲットh上の
ビーム位置は、スキャナoにより調整する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のマイクロビ
ーム形成装置では、イオンビームを加速管dにより加速
した後、対物スリットfの微小開口を通過させることに
より制限し、そのあと縮小像をターゲットh上に結ばせ
るため、ビームラインが長くなり、装置が大型化して大
きい設置スペースが必要になる不都合があった。また、
実際にターゲットh上で利用するイオン電流の数万倍か
ら数百万倍のイオン電流をイオンの加速のために投入す
る必要があり、イオン電流が大きくなることに伴って多
量のX線が発生して好ましくない。更に、高電圧電源a
の負荷電流の増大により加速電圧の変動が増大するよう
になり、その結果、イオンビームのエネルギー幅が広が
り、集束レンズgの色収差によりターゲットh上のビー
ム口径の下限も制限され、微小な口径が得られなくな
る。しかも、イオンエネルギーの大きいイオンを対物ス
リットfでカットすることにより、該対物スリットhが
イオンの衝突で受ける損傷も大きくなり、温度も上昇し
てその冷却が容易でなくなる。
【0004】本発明は、こうした不都合等を解消して小
型の装置でより小さく絞られたマイクロイオンビームが
得られる装置を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では、高電圧ター
ミナル内に設けたイオン源から引き出したイオンを、加
速管により加速して該高電圧ターミナルの外部へイオン
ビームとして引き出し、スキャナーと集束レンズを介し
てターゲットにマイクロイオンビームとして照射するよ
うにした装置に於いて、該高電圧ターミナル内のイオン
源から加速管までのイオンの経路に、対物スリットと質
量分離器及び補助スリットを順次介在させることによ
り、上記の目的を達成するようにした。
【0006】
【作用】高電圧ターミナル内のイオン源からそこで生成
するイオンをビーム上に引き出し、続いて対物スリット
によりイオンビームを10μm×10μm程度に制限す
る。この制限によりイオンビームの電流値がnA程度に
削減されて加速管内に入射し、イオンは該加速管により
加速されて高電圧ターミナルからグランド側のターゲッ
トへ向かうが、イオンビームは小さい口径に絞られてお
り、またイオンビームの電流値が小さいため、加速管の
電極に衝突することが少なくなると共にX線発生量が減
少する。更に、質量分離もイオンが加速管に入射する前
のイオンエネルギーが低くまたビーム口径も小さいとき
に行うので、小形の質量分離器で質量分離を行える。イ
オンビームは、ターゲット上に於いて集束するように集
束レンズで集束されるが、途中で加速されることにより
生ずる像の縮小効果と集束レンズによる幾何光学的な像
の縮小効果のため、全体での縮小率は小さくなり、1μ
m程度の微細な口径に集束させることができる。
【0007】高電圧ターミナル内に対物スリットを収め
たことにより、加速管も集束レンズから結像位置までの
イオン光学上の距離に含めることが出来、イオンビーム
ラインが非常に短くなり、装置をコンパクトに構成する
ことが可能になる。
【0008】
【実施例】本発明の実施例を図2に基づき説明すると、
同図に於いて符号1は容器状の高電圧ターミナルを示
し、該高電圧ターミナル1にはその外部の高電圧電源2
から高電圧が印加される。該高電圧ターミナル1の内部
にはデュオプラズマトロン型、表面電離や液体金属イオ
ン源その他のイオン源3が設けられ、その前方には、該
イオン源3で発生するイオンをビーム状に引き出す引出
電極4と、引き出したイオンビームを収束させるアイン
ツエルレンズ等のレンズ5が設けられる。更に該高電圧
ターミナル1内には、該レンズ5に続いて例えば10μ
m×10μm程度の開口部を有する対物スリット6、E
×Bフィルターで構成された質量分離器7、イオン電流
を測定するファラデーカップ8及びイオンビームの口径
を制限する補助スリット9が順次に設けられる。
【0009】符号10は、高電圧ターミナル1内からイ
オンビームを加速してその外部の真空中に引き出す加速
管で、該加速管10は従来のものと同様に100kV〜
数MVの電圧が等配された複数枚の電極で構成される。
この加速管10の後方には、スキャナ11とマイクロイ
オンビーム形成用の縮小Qマグネットで構成された集束
レンズ12を介してターゲット13が設けられる。14
は高電圧ターミナル1内のイオン源3等に電力を供給す
る電力供給装置である。
【0010】その作動を図3を参照しながら説明する
と、引出電極4に数kV〜数十kVの電圧を印加してイ
オン源3内で発生させたイオンをビーム状に引き出し、
そのビームはアインツエルレンズ5で収束される。該ビ
ームの口径は、対物スリット6を通過するとき数μm〜
数10μmに制限され、続いて質量分離器7を通過する
とき該ビーム中の所定のイオン以外が取り除かれる。そ
してファラデーカップ8に於いてイオンビームの電流値
が測定調整され、次いでイオンビームの中心軸から離れ
てしまった分散角の大きいイオンは球面収差によるボケ
の原因になるのでこれを補助スリット9で取り除き、残
るイオンを加速管10に入射させる。該加速管10を通
過するとき、ビーム状のイオンは加速されると共に多少
の収束が与えられ、次のスキャナ11で集束レンズ12
の中心に向かうように制御され、集束レンズ12でター
ゲット13の表面上に1μm程度の口径のビームとして
入射させることができる。
【0011】高電圧ターミナル1の内部に対物スリット
6を設置することによって、エネルギーの小さいイオン
が該対物スリット6に衝突し、その温度上昇も低くイオ
ンの衝突による損傷も小さくなり、また、イオンの加速
管10への衝突により生じるビーム電流の量が少なくな
るため、高電圧電源2の負荷が軽減されて高電圧電源2
を小形にすることが出来、更にその負荷電流が少ないた
め負荷電流が増大しても加速電圧の変動が少なくなり、
エネルギー幅の狭いイオンビームを安定して得ることが
できる。該加速管10の前方でイオンビームを絞り、加
速管10の電極に衝突するイオンが減ることから、2次
電子発生が減少すると共にX線量が減少する。また、イ
オンが加速される前のエネルギーが低い時点でしかもビ
ーム径が数10μm程度に制限された状態で質量分離器
により質量分離するので、E×Bフィルターから成る質
量分離器を小形となし得られ、ビーム径が小さいので該
質量分離器の電極間を小さく構成出来、電場形成のため
の電源容量も少なくて済む。
【0012】該加速管10によりイオンビームが集束す
ると、集束レンズ12が光学上の対物レンズに相当する
ので、ターゲット13上の像のオブジェクトは、図3の
ように見掛け上、対物スリット6の後側に形成され、そ
の縮小率は、図3に示したα/βで与えられるが、実際
にはαはこれよりも小さいα´で与えられる。対物スリ
ット6の作る物像に対し、見掛け上の物像は、加速によ
る像の縮小効果を除けばα/α´となるが、加速の効果
により√E1/E2倍に縮小される。ただしE1、E2は加
速の前後におけるエネルギーである。したがって、その
縮小率はα/βより小さくなって微細な1μm程度の口
径の像をターゲット13上に結像させることができる。
【0013】対物スリット6のイオン源3寄りに設けた
アインツエルレンズ5にビーム縮小作用を営ませると、
集束レンズ12とで2段の縮小レンズを設けた構成とな
り、イオンビームの輸送中に中性化などによるロスや空
間電荷効果による発散が無視できるほどに小さくなり、
電流密度の高いマイクロイオンビームを得ることができ
る。
【0014】従来の装置では、加速管は質量分離器の前
方に設けられており、イオンビームを絞るラインは該質
量分離器の後方にイオンビーム引き出しラインとは別個
に存在しているので、装置が長くなったが、本発明の装
置では、イオンビームを絞る対物スリット6を高電圧タ
ーミナル1内に設け、絞られたイオンビームを質量分離
し加速管で加速するので、イオンビーム引き出しライン
が短くなり、全体として装置を短く構成できる。
【0015】イオン源3として、アノード径が0.1〜
0.4mmのデュオプラズマトロンイオン源を使用するこ
とが好ましいが、ビームの出発点の小さい液体金属イオ
ン源を使用すると、本発明の装置では0.1μm程度に
までビーム径を絞ることができる。
【0016】
【発明の効果】以上のように、本発明に於いては、マイ
クロイオンビーム装置の高電圧ターミナル内のイオン源
から加速管までのイオンの経路に、対物スリットと質量
分離器及び補助スリットを順次介在させたので、ビーム
ラインが短くなって装置を小形化でき、小さなイオン電
流でマイクロイオンビームが得られるのでX線の発生が
少なくなり、高電圧電源の負荷電流が小さくなるため加
速電圧の変動が少なくなって、エネルギー幅の狭いイオ
ンビームが得られて集束レンズの色収差による影響がな
くなり、微小な口径のイオンビームが得られ、対物スリ
ットでカットするイオンのエネルギーが小さいので、対
物スリットがイオンの衝突で受ける損傷や温度上昇も小
さくなる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のマイクロイオンビーム装置の説明図
【図2】 本発明の実施例の説明図
【図3】 図2の装置のイオンビームの制御状態を示
す線図
【図4】 図3のイオンビームの集束状態の説明図
【符号の説明】
1 高電圧ターミナル 2 高電
圧電源 3 イオン源 4 引出電極 5 アイ
ンツエルレンズ 6 対物スリット 7 質量分離器 8 ファ
レデーカップ 9 補助スリット 10 加速管 11 スキ
ャナ 12 集束レンズ 13 ターゲット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−57766(JP,A) 特開 昭58−210161(JP,A) 特開 昭64−19664(JP,A) 特開 平2−144841(JP,A) 特開 平2−234340(JP,A) 特公 昭48−30702(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高電圧ターミナル内に設けたイオン源か
    ら引き出したイオンを、加速管により加速して該高電圧
    ターミナルの外部へイオンビームとして引き出し、スキ
    ャナーと集束レンズを介してターゲットにマイクロイオ
    ンビームとして照射するようにした装置に於いて、該高
    電圧ターミナル内のイオン源から加速管までのイオンの
    経路に、対物スリットと質量分離器及び補助スリットを
    順次介在させたことを特徴とするマイクロイオンビーム
    装置。
  2. 【請求項2】 上記イオン源の前方には、イオン源で生
    成するイオンを引き出す引出電極と引き出されたイオン
    ビームを収束させるアインツエルレンズとを順次設け、
    収束したイオンビームを更に続いて設けた対物スリッ
    ト、質量分離器、ファラデーカップ及び補助スリットに
    より制限することを特徴とする請求項1に記載のマイク
    ロイオンビーム装置。
JP04010591A 1991-03-06 1991-03-06 マイクロイオンビーム装置 Expired - Lifetime JP3180270B2 (ja)

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