JP3438363B2 - イオンビーム電流及びイオンビームエネルギ測定装置並びに該電流及びエネルギの分布測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、目的物の基体等のイオ
ンビーム被照射体にイオンビーム照射するに当たり、該
被照射体上に照射されるイオンの個数やイオンビームエ
ネルギを制御するために、イオンビーム電流及びイオン
ビームエネルギ或いはそれらの分布を測定する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】イオンビーム照射は、例えばターゲット
の物質をイオンビームでスパッタして該物質を目的物の
基体上に蒸着させることで該基体上に膜形成したり、真
空蒸着との併用により基体上に膜形成したり、基体の表
面を改質したりすること等に応用されている。

【０００３】この際、スパッタターゲットや基体面内に
照射されるイオン個数密度の面内各部での均一性は、形
成される膜や基体表面改質層の特性の均一性に影響を与
える。従って、照射されるイオン個数のスパッタターゲ
ットや基体面内分布を測定し、それによりスパッタター
ゲットや基体上に所定の密度で均一にイオンビーム照射
される条件を見出すことが大切である。

【０００４】照射されるイオンの個数を測定するため
に、一般にファラデーカップが用いられる。ファラデー
カップは図４に示すように、電流計１を介して接地され
た一般的にはカップ状のイオンを捕集する電極（捕集電
極）Ｇ１を有し、さらに捕集電極Ｇ１の開口部前方に中
心部にイオン通過孔Ｇ２１が設けられた２次電子抑制電
極Ｇ２、及びその外側に中心部にイオン通過孔Ｇ３１が
設けられた制限電極Ｇ３を有している。捕集電極Ｇ１、
２次電子抑制電極Ｇ２及び制限電極Ｇ３は互いに絶縁さ
れている。制限電極Ｇ３は捕集電極Ｇ１内に照射される
イオンビームの幅を制限し、また２次電子抑制電極Ｇ２
にイオンが照射されないようにするためのものであり、
その孔Ｇ３１は２次電子抑制電極Ｇ２の孔Ｇ２１より小
さい。また、２次電子抑制電極Ｇ２には一般的には負電
圧を印加することができるようになっており、制限電極
Ｇ３は接地されている。

【０００５】このファラデーカップによると、例えば１
価の正イオンが電極Ｇ３、Ｇ２の孔Ｇ３１、Ｇ２１をそ
れぞれ通過して捕集電極Ｇ１に打ち込まれると、この電
荷を中和するための、１個の電子が移動してくる。これ
が電流計１により電流として計測され、その電流値か
ら、捕集電極Ｇ１に照射されたイオンの個数を求めるこ
とができる。また、イオンの加速エネルギに依存して捕
集電極Ｇ１から２次電子が放出されるが、この２次電子
は２次電子抑制電極Ｇ２に印加される負電圧により捕集
電極Ｇ１に押し戻される。これにより２次電子放出によ
る見かけ上のイオン電流の増加が抑制され、正味の照射
イオン個数を測定することができる。

【０００６】このファラデーカップを実際にイオン照射
応用装置内で用いる場合、１又は複数を、スパッタター
ゲット、目的物の基体等のイオンビーム被照射体を支持
するホルダ上又はイオン源とホルダとの間に設置し、成
膜、イオン注入等の処理のためのイオンビーム照射前に
予めイオン電流を測定しておき、適した照射条件を定め
る。ファラデーカップを１台のみ設置するときには、そ
の位置でのイオンビーム電流が測定され、複数台用いる
ときは、イオンビーム電流の面内分布を求めることがで
きる。

【０００７】また、イオン源から照射されるイオンビー
ムのエネルギは、イオン源による引き出しエネルギの付
近でエネルギ幅を有している。イオンビーム照射される
被照射体上の各点でのイオンビームのエネルギ幅が大き
かったり、ひいては被照射体面内でイオンビームエネル
ギが不均一であったりすると、形成される膜や基体表面
改質層の特性や面内均一性に悪影響を与える。

【０００８】従って、被照射体に照射されるイオンビー
ムについては前述のイオンビーム電流密度の分布状態の
他、イオンビームエネルギ分布状態も測定する必要があ
る。イオンビームエネルギ分布の測定にはエネルギアナ
ライザを用いるのが一般的である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ファラデーカ
ップのようなイオン電流測定器とこれとは別途準備した
エネルギアナライザの両測定器をイオン照射応用装置内
に設置する場合、該両測定器を使用しないときにイオン
ビーム照射されたり膜物質が付着したりするのを避ける
ためにそれぞれの測定器についてシャッターを設置する
等の工夫が必要で、その結果、装置構造が複雑化し、ま
た、操作が煩雑になる。そしてこれらによりコスト高に
つく。

【００１０】そこで構造の簡素化のために、図４に示す
イオンビーム電流測定のためのファラデーカップにおい
て、イオンビームエネルギ測定にあたっては、２次電子
抑制電極Ｇ２に正電圧を印加することが考えられる。こ
のようにすれば、正イオンを照射する場合、該正イオン
の有するイオンエネルギが電極Ｇ２に印加される正電圧
より大きいと該イオンは電極Ｇ２の孔Ｇ２１を通過する
が、印加される正電圧より小さいと該イオンは通過しな
い。従って、電極Ｇ２に印加する正電圧を様々に変え
て、その電圧で電極Ｇ２の孔Ｇ２１を通過して捕集電極
Ｇ１に打ち込まれるイオンの個数を測定することによ
り、この正イオンのイオンビームのエネルギ幅を知るこ
とができ、このようなファラデーカップを複数個配列す
ることでエネルギ分布を求めることができる。

【００１１】しかしながら、この場合電極Ｇ２のイオン
通過孔Ｇ２１の周縁部でイオンビームが曲げられて収束
するレンズ効果が生じる。このレンズ効果により、本来
捕集電極Ｇ１に垂直に入射してくるイオンビームが曲げ
られ、その垂直成分エネルギが変化する。従ってイオン
ビームエネルギの分解能が悪く、イオンビームエネルギ
或いはその分布状態を正確に求めることができない。

【００１２】そこで本発明は、イオンビーム電流とイオ
ンビームエネルギの両者を正確、簡単、安価に測定する
ことがでる構造簡単な装置を提供することを第１の課題
とする。また、本発明はイオンビーム電流の分布とイオ
ンビームエネルギの分布の両者を正確、簡単、安価に測
定することができる構造簡単な装置を提供することを第
２の課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記第１の課題を解決す
る本発明のイオンビーム電流及びイオンビームエネルギ
測定装置は、イオン電流測定用の、電流計測手段に接続
される、イオンを捕集する捕集電極の前方に第１、第２
及び第３の３枚の電極が並列に配置されて構成されてお
り、該第１、第２及び第３の各電極は中心部にイオンが
通過する孔が設けられ、該捕集電極に最も近い第１電極
は正電圧が印加され又は接地される電極であり、その外
側の第２電極は正電圧又は負電圧が選択的に印加される
電極であり、さらにその外側の第３電極は第１及び第２
電極へのイオンビーム照射を防止するための電極であ
り、該捕集電極、第１電極、第２電極及び第３電極は互
いに絶縁が保持されていることを特徴とする。

【００１４】また、前記第２の課題を解決する本発明の
イオンビーム電流及びイオンビームエネルギの分布測定
装置は、前記第１の課題を解決する測定装置を同一平面
上に複数個配列してなることを特徴とする。本発明装置
において、第３電極は装置内に入射するイオンビーム幅
を制限するためのいわば制限電極であり、第１電極及び
第２電極にイオンビームが照射されるのを避けるため
に、第３電極に設けられたイオン通過孔は、普通には第
１電極及び第２電極に設けられた各イオン通過孔よりも
小さい。

【００１５】

【作用】本発明のイオンビーム電流及びイオンビームエ
ネルギ測定装置によると、第１電極を接地し、第２電極
に負電圧を印加した状態で、第３電極側から正イオンの
イオンビームを照射すると、第３電極のイオン通過孔を
通過したイオンビームは、捕集電極に打ち込まれ、該正
イオンの電荷を中和するために電子が移動してきて、こ
の電子の流れが捕集電極に接続された電流計等の電流測
定手段により電流として測定される。このときイオンビ
ームエネルギの大きさに応じて捕集電極から放出される
２次電子は、第２電極に印加された負電圧により捕集電
極側に押し戻されて、見かけ上のイオンビーム電流の増
加を抑制することができる。

【００１６】また、第１電極、第２電極共に正電圧を印
加した状態で正イオンのイオンビームを照射し、第２電
極に印加する正電圧をそれによるイオン通過抑制エネル
ギがイオン源からのイオンエネルギよりも小さくなるよ
うにすると、第３電極のイオン通過孔を通過したイオン
は第２電極に近づきつつそのエネルギが減少する。第２
電極のイオン通過孔を通過した正イオンは、第１電極に
印加される正電圧によるエネルギよりも大きいエネルギ
を有するものは第１電極のイオン通過孔を通過し、第１
電極に印加される電圧エネルギよりも小さいエネルギの
ものは該第１電極により反射される。第１電極の孔を通
過したイオンは捕集電極に打ち込まれ、該捕集電極に接
続された電流計測手段により電流として測定される。そ
して、第１電極に印加する正電圧の大きさを様々に変え
て、その電圧印加時に第１電極のイオン通過孔を通過し
たイオンの個数を調べることにより、そのイオンビーム
エネルギ或いはエネルギ幅を求めることができる。

【００１７】なお、このとき第１電極と第２電極との間
の電位差は、接地電位にある第３電極と第１電極との間
の電位差に比べて小さくしておく。それより第１電極の
孔の周縁部でイオンビームが曲げられて収束するレンズ
効果が抑制され、従ってレンズ効果によって、測定され
るイオンビーム電流値に誤差が生じるのを抑制すること
ができ、これによりイオンビームエネルギ測定時の分解
能が向上し、正確なイオンビームエネルギを求めること
ができる。

【００１８】なお、捕集電極に打ち込まれるイオンビー
ムは減速されているため、そのイオンビームエネルギは
小さく、カップ状電極からの２次電子放出は実質上生じ
ない。また、本発明のイオンビーム電流及びエネルギの
分布測定装置によると、前記イオンビーム電流及びエネ
ルギ測定装置が同一面上に複数配置されていることで、
イオンビーム被照射体の面内におけるイオンビーム電流
とイオンビームエネルギの分布状態が測定される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の１実施例であるイオンビーム電流
及びイオンビームエネルギ測定装置Ａの概略構成を示す
図である。この装置は図４に示すファラデーカップにお
いて、２次電子抑制電極Ｇ２に代えて、カップ状の捕集
電極Ｇ１側に正電圧を印加できるか、又は接地できる第
１電極Ｇ４、及び制限電極Ｇ３（本発明ではこれが第３
電極となる。）側に正負のいずれの電圧でも印加するこ
とができる第２電極Ｇ５を有している。電極Ｇ４、Ｇ５
にはそれぞれイオン通過孔Ｇ４１、Ｇ５１が設けられて
いる。制限電極Ｇ３の孔Ｇ３１は、第１電極Ｇ４の孔Ｇ
４１及び第２電極Ｇ５の孔Ｇ５１よりも小さい。制限電
極Ｇ３、第２電極Ｇ５、第１電極Ｇ４及び捕集電極Ｇ１
は互いに絶縁されている。その他の構成は図４に示すフ
ァラデーカップと同様である。

【００２０】第１電極Ｇ４はスイッチＳＷ１を介して接
地されるか、又は正電圧電源ＰＷ１に接続される。第２
電極Ｇ５はスイッチＳＷ２を介して負電圧電源ＰＷ２又
は正電圧電源ＰＷ３に接続される。この装置によると、
第１電極Ｇ４を接地し、第２電極Ｇ５に負電圧電源ＰＷ
２を接続して負電圧を印加した状態で制限電極Ｇ３側か
ら正イオンのイオンビームを照射すると、イオン通過孔
Ｇ３１の孔を通過したイオンビームは第２電極Ｇ５のイ
オン通過孔Ｇ５１及び第１電極Ｇ４のイオン通過孔Ｇ４
１を通過して捕集電極Ｇ１に打ち込まれ、打ち込まれた
イオンの個数が電流計１により電流として測定される。
このとき捕集電極Ｇ１から放出される２次電子は第２電
極Ｇ５に印加される負電圧により捕集電極Ｇ１に押し戻
され、見かけ上のイオン電流の増加を抑制することがで
きる。

【００２１】また、第１電極Ｇ４を正電圧電源ＰＷ１に
接続するとともに第２電極Ｇ５を正電圧電源ＰＷ３に接
続し、これら電極に正電圧を印加し、第２電極Ｇ５に印
加する正電圧を、それによるイオン通過抑制エネルギが
図示しないイオン源からのイオンのエネルギより小さく
した状態で制限電極Ｇ３側から正イオンのイオンビーム
を照射すると、制限電極Ｇ３のイオン通過孔Ｇ３１を通
過したイオンビームは第２電極Ｇ５に近づきつつそのエ
ネルギを減少させる。第２電極Ｇ５のイオン通過孔Ｇ５
１を通過したイオンのうち、第１電極Ｇ４に印加される
正電圧よりも大きいエネルギを有するものはイオン通過
孔Ｇ４１を通過して捕集電極Ｇ１に打ち込まれ、打ち込
まれたイオンの個数が電流計１により電流として測定さ
れる。そして、第１電極Ｇ４に印加する正電圧の大きさ
を様々に変え、その電圧印加時に第１電極Ｇ４のイオン
通過孔Ｇ４１を通過したイオンの個数を調べることによ
り、そのイオンビームの有するイオンビームエネルギ或
いはエネルギ幅を求めることができる。

【００２２】なお、この装置によるイオンビームエネル
ギの測定においては、第１電極Ｇ４と第２電極Ｇ５との
間の電位差は、接地電位にある制限電極Ｇ３と第１電極
Ｇ４との間の電位差に比べて小さくしておく。それによ
り第１電極Ｇ４のイオン通過孔Ｇ４１の周縁部でイオン
ビームが曲げられて収束するレンズ効果が抑制され、従
って、電流計１に測定される電流値にレンズ効果による
誤差が生じるのが抑制されて、イオンビームエネルギ測
定時の分解能が向上し、正確なイオンエネルギを求める
ことができる。

【００２３】次に、実際にイオン照射装置内で前記のイ
オンビーム電流及びエネルギ測定装置Ａを用いる場合の
例について説明する。例えば図２（Ａ）に示すように、
排気装置２１が付設されたチャンバ２内に基体ホルダ３
とイオン源４が対向して設けられ、基体ホルダとイオン
源４との間に開閉可能なシャッター５が設けられたイオ
ン注入装置において、図示しない被処理基体を基体ホル
ダ３に支持させる前に基体ホルダ３上に本発明装置Ａを
設置し、シャッター５を開けた状態で装置Ａを設置した
位置でのイオンビーム電流及びイオンビームエネルギを
測定することができる。

【００２４】また、例えば図２（Ｂ）のように、図２
（Ａ）と同様のイオン注入装置において、シャッター５
上に本発明装置Ａを設置し、イオン源４からイオン照射
し、装置Ａを設置した位置でのイオンビーム電流及びイ
オンビームエネルギを測定することができる。前記のい
ずれの場合も、図示しない被処理基体を基体ホルダ３に
支持させてイオン源４による該基体へのイオン照射を行
うときには、装置Ａはチャンバ２外又はチャンバ２内の
イオン照射されない位置に退避させる。

【００２５】以上説明したイオンビーム電流及びエネル
ギ測定装置Ａは、これをイオンビーム照射面上に例えば
図３のように複数配置してイオンビーム電流及びエネル
ギの面内分布状態を測定する装置を形成できる。その例
を次に説明する。例えば図３に示すように、基体ホルダ
３又はシャッター５上に放射状に複数台の本発明装置Ａ
を設置して同様にイオンビーム電流及びイオンビームエ
ネルギを測定するときには、イオン電流の面内分布及び
イオンエネルギの面内分布を求めることができる。この
ほか、適当な支持部材に複数個の装置Ａを配列して分布
測定装置とし、これをホルダ３やシャッター５に取りつ
けるようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明によると、イオンビーム電流とイ
オンビームエネルギの両者を正確、簡単、安価に測定す
ることがでる構造簡単な装置を提供することができる。
また、本発明によると、イオンビーム電流の分布とイオ
ンビームエネルギの分布の両者を正確、簡単、安価に測
定することができる構造簡単な装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例であるイオンビーム電流及び
イオンビームエネルギ測定装置の概略構成を示す図であ
る。

【図２】イオン注入装置内における図１に示す装置の設
置例を示す図である。

【図３】図２に示すイオン注入装置の基体ホルダ又はシ
ャッター上に、図１に示す装置を複数配置して形成され
たイオンビーム電流及びイオンビームエネルギの分布測
定装置を示す図である。

【図４】従来のファラデーカップの概略構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 電流計 ２ チャンバ ２１ 排気装置 ３ 基体ホルダ ４ イオン源 ５ シャッター Ａ イオンビーム電流及びイオンビームエネルギ測定装
置 Ｇ１ 捕集電極 Ｇ２ ２次電子抑制電極 Ｇ３ 制限電極（第３電極） Ｇ４ 第１電極 Ｇ５ 第２電極 Ｇ２１、Ｇ３１、Ｇ４１、Ｇ５１ イオン通過孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−44931（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−144841（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−48189（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−310082（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 G01T 1/00 - 7/12 H01J 37/00 - 37/36

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン電流測定用の、電流計測手段に接
   続される、イオンを捕集する捕集電極の前方に第１、第
   ２及び第３の３枚の電極が並列に配置されて構成されて
   おり、該第１、第２及び第３の各電極は中心部にイオン
   が通過する孔が設けられ、該捕集電極に最も近い第１電
   極は正電圧が印加され又は接地される電極であり、その
   外側の第２電極は正電圧又は負電圧が選択的に印加され
   る電極であり、さらにその外側の第３電極は第１及び第
   ２電極へのイオンビーム照射を防止するための電極であ
   り、該捕集電極、第１電極、第２電極及び第３電極は互
   いに絶縁が保持されていることを特徴とするイオンビー
   ム電流及びイオンビームエネルギ測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のイオンビーム電流及びイ
   オンビームエネルギ測定装置を同一平面上に複数個配列
   してなるイオンビーム電流及びイオンビームエネルギの
   分布測定装置。