JP3569323B2 - How to measure cluster beam intensity and cluster size distribution - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、クラスターイオンビーム(ICB)照射装置内におけるガスクラスタービームの強度とクラスターサイズ分布の計測方法に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、半導体、その他電子デバイス等の表面清浄化や、イオン注入による表面改質等に有用な、クラスターイオンビームのビームの強度とクラスターサイズ分布の計測を簡便、かつ正確に可能とする新しい計測方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、クラスターイオンビーム(ICB)装置の動作を確認するためにはクラスタービームの強度とクラスターサイズの計測が必要であると考えられてきたが、実際上は、クラスターイオンビームを固体表面に照射しながらこれらの特性等を計測することはできなかった。これがクラスターイオンビームを用いてイオン注入による表面改質プロセス等にとって大きな課題となっていた。
【0003】
すなわち、イオン注入による表面改質等においては、安定したイオンビームの照射が表面改質の優劣を決定づけることから、クラスタービームの発生をその強度として簡単に随時確認できることと、クラスターのサイズ分布の観測を簡単に随時測定することのできる方法が必要とされていた。
この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、イオンビーム照射中にクラスタービームの強度とそのクラスターサイズの計測を簡便、かつ正確に随時行うことのできる新しい測定方法を提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、塊状原子集団または分子集団であるクラスターに電子を照射して生成させたクラスターイオンビームの照射において、ノズルからガスを噴出させて形成したクラスタービームの放射軸上に可動式の電離真空計を配置し、電離真空計でクラスタービームの圧力を測定し、その圧力からクラスタービーム強度を計測することを特徴とするクラスターイオンビームのクラスタービーム強度計測方法を提供する。
【0005】
また、この発明は、塊状原子集団または分子集団であるクラスターに電子を照射して生成させたクラスターイオンビームの照射において、ビームの放射軸上に、メッシュ状減速電界電極とファラデーカップとを配置して、メッシュ状の減速電界電極の電位を変化させて様々なクラスターサイズを所定のサイズ範囲のものに分離し、ファラデーカップによってクラスターイオンビーム中のイオン数を計測し、クラスタービームのクラスターサイズを測定することを特徴とするクラスターイオンビームのクラスターサイズ測定方法をも提供する。
【0006】
【作用】
この発明においては、ビーム状のクラスターについて、その進行方向の軸上に電離真空計を配置し、この電離真空計によってクラスタービームの強度を測定する。また、その進行方向の軸上にメッシュ状の減速電界電極とファラデーカップとを配置することで、クラスターサイズを測定する。
【0007】
そして特にこの発明では、クラスタービームとしては、この発明の発明者が新たに提案した常温で気体状の物質からなるガスクラスターの強度とそのサイズの測定が精度良く、簡便な手段によって可能となる。
この場合の気体状物質としては、Ar(アルゴン)、He(ヘリウム)等の希ガス、CO、N等のガス、あるいは炭化水素やその化合物、ハロゲンあるいはその化合物等の各種のものが対象となる。通常は、これらのガスによるクラスタービームは、ノズルから断熱膨張によりクラスターを生成させ、スキマーによって整形してビーム状とすることにより生成させることができる。
【0008】
以下、実施例を示してさらに詳しくこの発明のクラスタービームの強度及びクラスターサイズ分布の測定方法について説明する。
【0009】
【実施例】
添付した図面の図1は、ガスクラスターイオンビーム照射装置におけるクラスタービームの強度とクラスターサイズ分布の測定のための構成について示した概略図である。この図に沿ってこの発明のクラスタービームの強度測定方法について説明すると、まず常温で気体状のガスをボンベ等のガスソースより導入部(1)を通して所要のガス圧で導入する。導入したガスは導入部(1)の先端に設けられたノズル(2)から噴射する。この時断熱膨張したガスは一部がクラスターとなり、スキマー(3)によって塊状のクラスターからなるビームとなる。
【0010】
このガスクラスタービームの進行方向の軸上には、電離真空計(4)を設置し、導体線によって外部の計測器と接続する。これによりクラスタービームの強度の変化を計測する。また、可動機構(5)としては伸縮式のステンレス製蛇腹を使用し、クラスタービーム強度を計測しない時には、ビームの軸上から電離真空計(4)を移動することができる。この可動機構(5)は、回転式など他の方法によっても実現できる。さらに、可動機構(5)を遠隔操作によって自動的に作動する機能を持たせることも可能である。
【0011】
ノズル(2)から噴射され、熱膨張によって生成したクラスタービームはイオン化部(6)によって電子照射されて加速されガスクラスターイオンビームになり、メッシュ状の減速電界電極(7)によってクラスターサイズが所定のサイズ範囲のものに分離され、ファラデーカップ(8)によってクラスターイオンビーム中のイオン数を計測する。
【0012】
また、クラスターイオンがファラデーカップ(8)に衝突することにより発生する2次電子の飛び出しを防ぎ測定精度を向上させるために、減速電界電極(7)とファラデーカップ(8)の間に、2次電子抑制電極(9)を配置する。減速電界電極(7)、ファラデーカップ(8)、2次電子抑制電極(9)は導体線によって真空装置外部の計測器または電源と接続されている。ファラデーカップ(8)には可動機構(10)を設けており、これは伸縮式のステンレス製蛇腹を使用している。この可動機構(10)によって、ファラデーカップ(8)は、イオンビームを計測しない時には、ビームの軸上から計測器を移動することができる。この可動機構(10)は、回転式など他の方法によっても実現できる。さらに、この可動機構(10)を遠隔操作によって自動的に作動する機能を持たせることも可能である。
【0013】
図2および図3は、以上のガスクラスターイオンビームの強度とクラスターサイズの測定装置を用いて、測定した結果を例示したものである。まず図2は、ガス供給圧力を0気圧から5.0気圧まで変化させて測定したAr(アルゴン)ガスクラスタービームの強度分布を示している。ノズルとしては、内径0.18mm、発散部の長さ32mmを用いた場合、ガス供給圧力が2.0気圧以上でクラスタービームの強度に急激な増加が見られ、クラスタービームが形成されていることがわかる。Arガス圧が約3.5気圧の時に、最大値として、約4.3×10-4Torrのゲージ圧、すなわち、1.4×107(molecules/cm2 ・s)のクラスタービーム強度が得られていることがわかる。
【0014】
図3は、COのクラスターイオンのサイズを測定した減速電界スペクトルの結果を示したものである。ここでは、COのガス供給圧力を4気圧、イオン化電子電圧Veを100Vとし、加速電極電圧Vaを1kVと10kVにした場合で計測している。図3の横軸は加速電極電位と減速電極電位との電位差を表わしており、縦軸は、イオン電流密度を示している。減速電極電位を増加させることによって、イオン電流密度が減少し、電位差0Vの点で単分子イオンのカットオフ点がみられる。COイオンの場合、1分子あたりのエネルギーは0.095eVであるから、電位差をこの値で除することによりクラスターサイズを測定することができる。
【0015】
【発明の効果】
この発明により、以上詳しく説明したとおり、クラスターイオンビーム照射装置内で、クラスターイオンビームを固体表面に照射中であっても、クラスタービームの強度とそのクラスターサイズを随時簡便に、かつ精度良く監視、測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のクラスタービームの強度とクラスターサイズ分布の測定のための装置構成を例示した断面構成図である。
【図2】実施例としてのクラスタービームの強度分布図である。
【図3】実施例としてのイオンの減速電界スペクトル図である。
【符号の説明】
1 ガス導入部
2 ノズル
3 スキマー
4 電離真空計
5 可動機構
6 イオン化部
7 メッシュ状減速電界電極
8 ファラデーカップ
9 2次電子抑制電極
10 可動機構
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for measuring the intensity and cluster size distribution of a gas cluster beam in a cluster ion beam (ICB) irradiation device. More specifically, the present invention makes it easy and accurate to measure the intensity and cluster size distribution of a cluster ion beam, which is useful for cleaning the surface of semiconductors and other electronic devices, and modifying the surface by ion implantation. It relates to a new measurement method that can be used.
[0002]
[Prior art and its problems]
Conventionally, it has been considered that it is necessary to measure the intensity and cluster size of the cluster beam in order to confirm the operation of the cluster ion beam (ICB) device. However, in practice, the solid surface is irradiated with the cluster ion beam. However, these characteristics could not be measured. This has been a major problem for a surface modification process and the like by ion implantation using a cluster ion beam.
[0003]
That is, in surface modification by ion implantation, etc., stable ion beam irradiation determines the superiority of surface modification, so it is possible to easily confirm the generation of cluster beam as its intensity at any time and observe the cluster size distribution. Therefore, there is a need for a method that can easily measure at any time.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a new measurement method that can easily and accurately measure the intensity of a cluster beam and its cluster size during ion beam irradiation. It is aimed at.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, as to solve the above problems, the irradiation of the cluster ion beam cluster is generated by irradiating an electron which is a massive atom population or population of molecules, the cluster beam which is formed by ejecting gas from a nozzle place the ionization gauge movable on the radial axis, to measure the pressure of the cluster beam in ionization gauges, a cluster beam intensity measuring method of the cluster ion beam, characterized by measuring the cluster beam intensity from the pressure provide.
[0005]
Further, according to the present invention, in the irradiation of a cluster ion beam generated by irradiating a cluster which is a massive atomic group or a molecular group with electrons, a mesh-shaped moderating electric field electrode and a Faraday cup are arranged on a radiation axis of the beam. By changing the potential of the mesh-shaped deceleration field electrode , various cluster sizes are separated into those within a predetermined size range, the number of ions in the cluster ion beam is measured by a Faraday cup , and the cluster size in the cluster beam is measured. A method for measuring a cluster size of a cluster ion beam, which is characterized by performing measurement, is also provided.
[0006]
[Action]
In the present invention, an ionization vacuum gauge is arranged on an axis in the traveling direction of a beam-shaped cluster, and the intensity of the cluster beam is measured by the ionization vacuum gauge. Further, the cluster size is measured by disposing a mesh-shaped deceleration field electrode and a Faraday cup on the axis in the traveling direction.
[0007]
In particular, according to the present invention, as a cluster beam, the strength and size of a gas cluster made of a gaseous substance at room temperature newly proposed by the inventor of the present invention can be measured with high accuracy and simple means.
In this case, the gaseous substance may be a rare gas such as Ar (argon) or He (helium), a gas such as CO 2 or N 2 , or a hydrocarbon, a compound thereof, or a halogen or a compound thereof. It becomes. Usually, a cluster beam of these gases can be generated by generating clusters from a nozzle by adiabatic expansion and shaping them by a skimmer into a beam shape.
[0008]
Hereinafter, a method for measuring the intensity and cluster size distribution of a cluster beam according to the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0009]
【Example】
FIG. 1 of the attached drawings is a schematic diagram showing a configuration for measuring the intensity and cluster size distribution of a cluster beam in a gas cluster ion beam irradiation apparatus. The method for measuring the intensity of a cluster beam according to the present invention will be described with reference to this drawing. First, a gaseous gas at room temperature is introduced from a gas source such as a cylinder through an introduction section (1) at a required gas pressure. The introduced gas is ejected from a nozzle (2) provided at the tip of the introduction section (1). At this time, the gas that has been adiabatically expanded partially forms a cluster, and the skimmer (3) forms a beam composed of massive clusters.
[0010]
An ionization vacuum gauge (4) is installed on the axis in the traveling direction of the gas cluster beam, and is connected to an external measuring instrument by a conductor wire. Thus, the change in the intensity of the cluster beam is measured. Also, a telescopic stainless steel bellows is used as the movable mechanism (5), and when the cluster beam intensity is not measured, the ionization vacuum gauge (4) can be moved from the axis of the beam. This movable mechanism (5) can be realized by other methods such as a rotary type. Further, it is possible to have a function of automatically operating the movable mechanism (5) by remote control.
[0011]
The cluster beam ejected from the nozzle (2) and generated by thermal expansion is irradiated with electrons by the ionization unit (6) and accelerated to become a gas cluster ion beam, and the cluster size is set to a predetermined size by the mesh-shaped deceleration field electrode (7). The particles are separated into those having a size range, and the number of ions in the cluster ion beam is measured by the Faraday cup (8).
[0012]
Further, in order to prevent secondary electrons generated by the collision of the cluster ions with the Faraday cup (8) and to improve the measurement accuracy, a secondary electrode is provided between the deceleration field electrode (7) and the Faraday cup (8). An electron suppression electrode (9) is arranged. The deceleration field electrode (7), the Faraday cup (8), and the secondary electron suppression electrode (9) are connected to a measuring instrument or a power supply outside the vacuum apparatus by conductor wires. The Faraday cup (8) is provided with a movable mechanism (10), which uses a telescopic stainless steel bellows. With this movable mechanism (10), the Faraday cup (8) can move the measuring instrument from on the beam axis when the ion beam is not measured. This movable mechanism (10) can be realized by other methods such as a rotary type. Further, it is possible to provide a function of automatically operating the movable mechanism (10) by remote control.
[0013]
FIGS. 2 and 3 exemplify the results of measurement using the above-described gas cluster ion beam intensity and cluster size measuring apparatus. First, FIG. 2 shows an intensity distribution of an Ar (argon) gas cluster beam measured by changing a gas supply pressure from 0 atm to 5.0 atm. When the inner diameter of the nozzle is 0.18 mm and the length of the diverging portion is 32 mm, the intensity of the cluster beam sharply increases at a gas supply pressure of 2.0 atm or more, and the cluster beam is formed. I understand. When the Ar gas pressure is about 3.5 atm, the maximum value is a gauge pressure of about 4.3 × 10 −4 Torr, that is, a cluster beam intensity of 1.4 × 10 7 (mole curves / cm 2 · s ). It can be seen that is obtained.
[0014]
FIG. 3 shows the result of a deceleration electric field spectrum obtained by measuring the size of cluster ions of CO 2 . Here, the measurement is performed when the gas supply pressure of CO 2 is 4 atm, the ionization electron voltage Ve is 100 V, and the accelerating electrode voltage Va is 1 kV and 10 kV. The horizontal axis in FIG. 3 represents the potential difference between the accelerating electrode potential and the decelerating electrode potential, and the vertical axis represents the ion current density. By increasing the deceleration electrode potential, the ion current density decreases, and a cutoff point of a single molecular ion is observed at a potential difference of 0V. In the case of CO 2 ions, the energy per molecule is 0.095 eV, so that the cluster size can be measured by dividing the potential difference by this value.
[0015]
【The invention's effect】
According to the present invention, as described in detail above, even when a cluster ion beam is being irradiated on a solid surface in a cluster ion beam irradiation apparatus, the intensity of the cluster beam and the cluster size can be easily and accurately monitored at any time, It becomes possible to measure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram illustrating an apparatus configuration for measuring the intensity and cluster size distribution of a cluster beam according to the present invention.
FIG. 2 is an intensity distribution diagram of a cluster beam as an example.
FIG. 3 is a deceleration electric field spectrum diagram of ions as an example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas introduction part 2 Nozzle 3 Skimmer 4 Ionization gauge 5 Movable mechanism 6 Ionization part 7 Mesh deceleration electric field electrode 8 Faraday cup 9 Secondary electron suppression electrode 10 Movable mechanism

Claims (2)

塊状原子集団または分子集団であるクラスターに電子を照射して生成させたクラスターイオンビームの照射において、ノズルからガスを噴出させて形成したクラスタービームの放射軸上に可動式の電離真空計を配置し、電離真空計でクラスタービームの圧力を測定し、その圧力からクラスタービーム強度を計測することを特徴とするクラスターイオンビームのクラスタービーム強度計測方法。When irradiating a cluster ion beam generated by irradiating a cluster of clusters of clusters of atoms or molecules, a movable ionization vacuum gauge is placed on the radiation axis of the cluster beam formed by ejecting gas from the nozzle. A method for measuring the cluster beam intensity of a cluster ion beam, comprising measuring the pressure of the cluster beam with an ionization vacuum gauge, and measuring the cluster beam intensity from the pressure. 塊状原子集団または分子集団であるクラスターに電子を照射して生成させたクラスターイオンビームの照射において、ビームの放射軸上に、メッシュ状減速電界電極とファラデーカップとを配置して、メッシュ状の減速電界電極の電位を変化させて様々なクラスターサイズを所定のサイズ範囲のものに分離し、ファラデーカップによってクラスターイオンビーム中のイオン数を計測し、クラスタービームのクラスターサイズを測定することを特徴とするクラスターイオンビームのクラスターサイズ測定方法。In the irradiation of a cluster ion beam generated by irradiating a cluster of clusters of mass atoms or molecules with electrons, a mesh-shaped deceleration field electrode and a Faraday cup are arranged on the radiation axis of the beam, and a mesh-shaped deceleration is performed. By changing the potential of the electric field electrode , various cluster sizes are separated into those of a predetermined size range, the number of ions in the cluster ion beam is measured by a Faraday cup , and the cluster size in the cluster beam is measured. Cluster ion beam cluster size measurement method.
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