JP3543356B2

JP3543356B2 - イオンビーム発生装置

Info

Publication number: JP3543356B2
Application number: JP06280194A
Authority: JP
Inventors: 郁夫小西; 久米　　博; 広之藤田; 潔小河; 善之小西; 尚史坂内
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JPH07272654A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は高エネルギ（500KeV程度以上）のイオンビームを発生するための装置に関し、例えば高エネルギイオンビームを利用した分析やイオン注入などの分野に適用することのできるイオンビーム発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高エネルギのイオンビームを利用した分析装置では、通常、ＨまたはＨｅのイオンビームが用いられることが多く、これらのイオンを高エネルギに加速するには一般にタンデム型静電加速器が使用されることが多い。これは、タンデム型静電加速器が、シングルエンド加速器に比して低い電圧で同一レベルの加速エネルギを得ることができるといった利点があることによる。しかし、タンデム型静電加速器では初期イオンとして負イオンが必要となる。
【０００３】
そこで、タンデム型静電加速器を利用した装置では、例えば図４に示すようにイオン源ａの次段に荷電変換装置ｃを配置している。この荷電変換装置ｃとしては、イオン源ａから出射した正イオンをアルカリ金属またはアルカリ土類金属の蒸気中を通過させ、その蒸気と正イオンとの荷電変換反応を利用した荷電変換セルが一般に用いられる。また、このように荷電変換されたイオン中には不純物イオン等が含まれているので、目的とするイオン種のみを選択するため、荷電変換装置ｃの次段に、通常、マグネットｄあるいはウィーンフィルタ（マグネット＋静電場）を配置している。
【０００４】
さらに、アルカリ金属等の蒸気を利用して荷電変換を行う方法では、正イオンの一部のみが負イオンとなり、蒸気通過後のイオンには正イオンと負イオンとが混在している。この正イオンがそのまま加速管に入射しても加速されることはないが、加速管に正イオンが入射すると２次電子の大量発生などの有害な作用が及ぶ。そのため、変換後に正イオンと負イオンとを分離することが必要となり、この正イオンの分離には、上記した不純物イオンの分離用のマグネットｄが兼用される。
【０００５】
そして、タンデム型静電加速器ｇに導かれた負イオンは、ここで加速されて高エネルギのイオンビームとなって、分析部の後部静電レンズ系ｈ及び分析マグネットｉを経た後に分析チェンバｊ内の試料ｋに照射される。
【０００６】
なお、図４において、ｂは引き出しレンズ系で、ｅ及びｆはそれぞれビームスプリッタ及び前部静電レンズ系である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、マグネットによりイオン種の分離を行う場合、通常、電磁石が用いられている。これは、永久磁石を使用した場合、磁場を容易に変えることができないため、イオン種を含めたビームパラメータを容易に変更できないことから、その用途が極度に限定されるといった理由による。
【０００８】
一方、電磁石を用いた場合、電磁石用コイルはビームラインの真空維持のために大気中に配置する必要があり、そのヨークを含めた形状寸法が大きくなることから、イオン源から加速器入口まで間のビーラインがどうしても長くなる。
【０００９】
本発明はそのような事情に鑑みてなされたもので、イオン源からタンデム型静電加速器入口までの間の入射部のビームラインを短縮したイオンビーム発生装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のイオンビーム発生装置は、イオン源からのＨ₂ ⁺またはＨ₃ ⁺よりＨ^-を生成する荷電変換装置と、この荷電変換装置の後段に配置されるタンデム型静電加速器と、このタンデム型静電加速器と上記荷電変換装置との間に配置され、当該荷電変換装置で生成されたＨ^-を偏向して上記タンデム型静電加速器に導くための静電場を形成する偏向電極を備えていることによって特徴づけられる。
本発明のイオンビーム発生装置において、前記偏向電極を、負イオンのビーム偏向コースに沿う形状の湾曲電極としてもよい。
本発明のイオンビーム発生装置において、前記偏向電極を構成する負電極の一部に、正イオンの衝突を避けるための貫通穴を設けておいてもよい。
本発明のイオンビーム発生装置において、前記偏向電極を構成する負電極の内方側に溝を設けておいてもよい。
【００１１】
【作用】
この種の高エネルギイオンビーム発生装置において、タンデム型静電加速器に導く負イオンを、例えば H^-とする場合、その負イオンの生成に用いる正イオンは、通常、 H⁺が選択されており、このため、生成した H^-のエネルギは、元の引き出しエネルギのままで他の不純物イオンと相違がなく、静電場での分離は不可能である。
【００１２】
しかし、例えば H^-を得るにあたり、生成の起点となる正イオンをH₂ ⁺またはH₃ ⁺とすれば、これらのイオンから生成される H^-のエネルギは、後述するように、元の引き出しエネルギに対して低くなり、他の不純物イオンとの間にエネルギの相違ができる。従って、これらの正イオンH₂ ⁺またはH₃ ⁺から生成した H^-を利用すれば、静電場でのイオン種の選別が可能になる。
【００１３】
【実施例】
図１は本発明実施例の構成図で、本発明装置を表面分析装置に適用した例を示す。
【００１４】
まず、この例のイオンビーム発生装置は、高周波イオン源１，引き出しレンズ系２，荷電変換セル３及び前部静電レンズ系５が順次に配置された入射部と、加速部としてのタンデム型静電加速器６によって構成されている。
【００１５】
タンデム型静電加速器６は、前部加速管６ａ及び後部加速管６ｂと、この間に配置されたガス変換セル６ｃにより構成されるビームラインと、このビームラインの中央部に高電圧を印加する高電圧発生装置６ｄを備えており、先の高周波イオン源１から引き出され荷電変換セル３によって電荷が変換された負イオンを、前部加速管６ａで加速し、中央部で正イオンに荷電変換した後、後部加速管６ｂにより再び加速することによって高エネルギビームを出射するように構成されている。
【００１６】
そして、この例では、タンデム型静電加速器６から出た高エネルギビームが、分析部へと導かれ、後部静電レンズ７及び分析マグネット８を経た後、分析チェンバ９内の試料表面（図示せず）に照射される。
【００１７】
なお、この例で使用する荷電変換セル３は、セル内部にアルカリ金属またはアルカリ土類金属の蒸気を生成する構造のものである。
さて、本発明実施例で注目すべきところは、荷電変換セル３とタンデム型静電加速器６との間に偏向電極４を配置している点にある。また、その偏向電極４に電圧を印加する偏向電源４ａは可変電源で、後述する負イオン偏向のための静電場を形成するのに適した電圧値を設定することができる。
【００１８】
次に、本発明実施例の作用を述べる。
まず、上記した荷電変換セル３により負イオンを生成する場合、変換効率は正イオンのエネルギに依存する。しかし、そのエネルギ（すなわち変換電圧）の最適値は概して低く、正イオンの引き出し最適電圧がその値より高くなる。従って両者の最適電圧の間に、最大負イオンビームを得ることのできる最適電圧が存在する。
【００１９】
ここで、Ｈ（水素）の負イオンを得る場合は、通常、次の過程が選択される。
H⁺＋(Li)→ H^*＋Li⁺ H^*＋Li ⇒ H^-＋Li⁺
しかし、荷電変換により水素負イオンを得る場合、次に示すように、H₂ ⁺またはH₃ ⁺から H^-イオンが形成される過程が存在する。
【００２０】
H₂ ⁺＋(Li)→ H^-＋ H^* ｏr H^-＋ H⁺
H₃ ⁺＋(Li)→ H^-＋ H^*＋ H^* ｏr H^-＋ H₂ (H^*: 励起状態）
なお、これらの変換反応において中間過程は確立されたものではないため、現状で提案されている一例を記載している。また、これらの反応過程では上記と同様にＬｉを介して荷電変換が行われるので、そのＬｉの記載は省略している。
【００２１】
そして、以上の変換反応過程の途中において分子状水素イオン (H₂ ⁺, H₃ ⁺) の解離が生じると、 H^*または H⁺のエネルギは、元の引き出しエネルギの1/2 または1/3 となり、中性化または負イオン化を生じるのに適当な電圧（速度）となる。これにより、引き出し電圧及び変換電圧の最適化をはかることが可能となり、その結果、より多くの H^-イオンを得ることができる。
【００２２】
さらに、このような過程で生成した H^-イオンはエネルギが、元の引き出しエネルギの1/2 または1/3 となるので、他の不純物イオンに対してエネルギが異なることになり、従って、その H^-イオンのエネルギに合った静電場を、図１で示した偏向電極４により形成することによって、必要とする負イオンのみを選択することが可能となる。また、静電場を用いて低エネルギイオンビームの偏向を行うことにより、正イオンと負イオンとの分離も可能になる。
【００２３】
そして、以上のように静電場により負イオンの選別が可能になることにより、入射部のビームラインの長さを、負イオンの偏向に電磁石を用いる場合に比して短くすることができる。
【００２４】
ところで、H₂ ⁺またはH₃ ⁺から H^-を生成する場合、得られた H^-イオンのエネルギが低く、かつ、分子の解離過程を含むため、 H^-イオンビームのエミッタンスが悪くなり発散しやくなることが問題となる。
【００２５】
そこで、このような H^-イオンを利用する際には、電荷変換後にできるだけ早い時点で加速を行うことが重要となり、そのビームラインの短縮化が必要になるが、本発明では、先に述べたように、偏向電極４で形成される静電場により不純物イオンの分離を行うので、荷電変換セル３から加速器６の入口までのビームラインの短縮化が可能で、従って、H₂ ⁺またはH₃ ⁺から H^-を生成するといった反応過程の利用が可能になる。
【００２６】
また、負イオンの偏向に静電場を用いた場合、イオンの分離は電荷とエネルギだけで決まるため、同一エネルギの D^-(D：重水素) と H^-とを分離することはできない。通常の圧縮水素ガスを水素源として使用する場合、微量であるが重水素が含まれている（ 0.014% 程度）。しかし、本発明実施例のように、H₂ ⁺またはH₃ ⁺を起点とする H^-を利用すると、重水素による影響を防ぐことができる。
【００２７】
すなわち、水素源に重水素の存在量が少ないと、その分子イオンとしてD₂ ⁺またはD₃ ⁺が存在する確率は極めて少なく（重水素の存在比率の２乗または３乗程度）、殆ど無視することができる。一方、水素源にはDH⁺または DH₂ ⁺イオンが存在する確率は比較的大であるが、これらのイオンから生じる D^-は、H₂ ⁺またはH₃ ⁺から生じる H^-イオンとエネルギが異なるので、静電場により分離可能である。ただし、 DH₂ ⁺から生成した D^-は、H₂ ⁺から生成した H^-とエネルギが同一となり分離できないが、 DH₂ ⁺の生成確率及び DH₂ ⁺から D^-が生じる生成確率が重水素の存在比率との積となるため、その殆どを無視することができる。
【００２８】
ここで、以上説明したような静電場による負イオンの偏向を行う場合、以下の二つの点を考慮する必要がある。
まず、その第１の点は、偏向静電場を形成する電極として図２(a) に示すような平行電極を用いた場合、ビーム出口側において電極端部の電場に乱れが生じ、その乱れによるビーム形状への影響である。この影響を避けるには、電極形状を同図(b) に示すように、目的とするビーム偏向コースに沿った湾曲形状とすればよい。また、この場合、図２(a) と(b) とを比較して明らかなように、正電極と負電極との間の隙間を小さくすることができるので、偏向に必要な電圧も低く抑えることができる。
【００２９】
次に、第２の点は、正イオンの電極板への衝突による２次電子の発生で、このような正イオン及び２次電子は偏向電源に対する負荷となり、場合によっては電源の故障や電圧低下をまねくことになる。このような現象を避けるための手法としては二つの方法が考えられる。
【００３０】
その第１の方法は、図３(a) に示すように、負電極４ｂの一部に貫通穴４１を設けて正イオンの衝突を避けるか、また、同図(b) に示すように、負電極４ｂの内方側に溝４２を設けて、その溝４２の内部に正イオンを衝突させ、この溝４２内で、２次電子 ( e^-) を捕獲（トラップ）して正電極側への移動を抑制する方法である。
【００３１】
また、第２の方法は、負電極の長手方向（偏向電場と直交する方向）に弱い磁場を形成し、発生した２次電子を負電極側へと戻して２次電子が負電極から失われることを防ぐ方法である。なお、この場合、２次電子のエネルギは高々数十eV程度であり、数十gauss 程度の磁場によってイオンビームには殆ど影響を与えずに十分な防止効果を得ることできる。また、負電極自体を磁性材料製として着磁しておけば同等な防止効果を得ることも可能である。
【００３２】
なお、以上の実施例では、表面分析装置に本発明を適用した例を示したが、このほか、高エネルギのイオンビームを用いるイオン注入装置にも本発明は適用可能である。
【００３３】
ここで、本発明装置において、偏向電極に電圧を印加する偏向電源を可変電源とし、その偏向電圧の調整により、H₂ ⁺またはH₃ ⁺を起点として生成された H^-を選別するのに適した強さの静電場を形成するように構成しておいてもよい。
【００３４】
また、本発明装置で用いる偏向電極を、負イオンのビーム偏向コースに沿う形状の湾曲電極としておけば、ビーム出口側の電極端部の電場に乱れ少なくなり、ビーム形状への影響を軽減できる。しかも、電極間の隙間も狭くできるので、偏向に必要な電圧を低く抑えることができる。なお、湾曲電極としては、例えば同心円筒電極あるいは球面電極などが挙げられる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、タンデム型静電加速器に導くＨ^-イオンをＨ_２ ⁺またはＨ_３ ⁺から生成しているので、Ｈ^-イオンのエネルギを他の不純物イオンに対して異なるエネルギにすることができ、そのＨ^-イオンと他の不純物イオンとの分離を偏向電極による静電場で行うことができる。これにより、イオン源からタンデム型静電加速器までの間の入射部のビームラインの短縮化をはかることができ、装置全体の小型化を達成できる。また、偏向電極は、この種のイオン選別に利用される電磁石に比して構造が簡単なことから、コストの低減化も達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の全体構成図
【図２】その実施例の偏向電極の形状を説明するための図
【図３】負イオンの偏向に偏向電極を用いた際に発生する問題を解消するための手段の説明図
【図４】従来の高エネルギイオンビーム発生装置の構成例を示す図
【符号の説明】
１高周波イオン源
３荷電変換セル
４偏向電極
４ａ偏向電源
６タンデム型静電加速器

Claims

イオン源からのＨ₂ ⁺またはＨ₃ ⁺よりＨ^-を生成する荷電変換装置と、この荷電変換装置の後段に配置されるタンデム型静電加速器と、このタンデム型静電加速器と上記荷電変換装置との間に配置され、当該荷電変換装置で生成されたＨ^-を偏向して上記タンデム型静電加速器に導くための静電場を形成する偏向電極を備えてなるイオンビーム発生装置。
請求項１記載のイオンビーム発生装置において、前記偏向電極が、負イオンのビーム偏向コースに沿う形状の湾曲電極であることを特徴とするイオンビーム発生装置。
請求項１記載のイオンビーム発生装置において、前記偏向電極を構成する負電極の一部に、正イオンの衝突を避けるための貫通穴が設けられていることを特徴とするイオンビーム発生装置。
請求項１記載のイオンビーム発生装置において、前記偏向電極を構成する負電極の内方側に溝が設けられていることを特徴とするイオンビーム発生装置。