JP4016402B2 - 気体または蒸気のイオンを発生するためのイオン源装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は固体試料のイオンビーム処理に使用できる気体イオンまたは蒸気イオン発生用のイオン源装置に関する。この発明によるイオン源装置は直径が小さく電流密度の大きいイオンビームを比較的低い電圧で発生できる。
背景技術
イオンビームによるフライス削りは、イオンビーム利用の薄肉化装置および構造上の特徴解析のための分析装置や層状構造を用いた製造技術において広く用いられている。要件に応じて多様なイオン源装置が開発されてきた。構造研究の分野では、イオンビーム利用の薄肉化など電子顕微鏡用試料の作成、トンネル電子顕微鏡などの表面清浄化、オージェ電子分光法または二次電子質量分析法など化学分析における埋込み層の調査に気体イオン源装置が使われる。薄肉化または測定の要件に応じて10^-5乃至10^-2Pa以下の圧力の真空室の中にターゲットを配置する。
従来は、イオンビーム利用の薄肉化装置には一般に冷陰極気体イオン源装置を用い、分析装置には熱陰極気体イオン源装置を用いてきた。
冷陰極イオン源装置のもっとも単純なものは空胴型双電極の形式を備える。この種のイオン源装置の利点は小型で構造が単純であることである。しかし、欠点もいくつかある。すなわち、イオンプラズマの発生のためにイオン源装置の内部の気体圧力を40−50Pa程度に高くする必要があり、また適切なイオンビームの発生のために２−15KeVの高圧を印加する必要がある。薄肉化装置の真空室の内部に低いバックグラウンド圧力を確保するために排気速度2000−5000l/sの高速真空ポンプを必要とする。また、イオン源装置内部における散乱がかなり大きいためにイオン源装置放出開口におけるイオンビームの拡散角度が大きくなる（10°−20°）。この種のイオン源装置のもう一つの欠点は、イオン衝突に起因する二次電子のためにイオン源放出開口近傍で加速イオンの大部分が中性化されることである。試料のエッチングには高速中性化気体ビームを使用できるが、そのビームを電界または磁界でさらに偏向させたり整形したりすることはできない。
ペニング型気体イオン源装置では、冷陰極からイオン衝突により生じて補助陽極に向かう加速イオンは螺旋状の経路を通るように強制される。低圧状態ではイオンプラズマ発生のための電離衝突および電子雪崩プロセスの誘起は平均自由行程が増加しても十分にできる。イオン源装置の電離室内部の気体圧力の通常の値は0.1−１Paの範囲である。電離室内で発生したイオンを所要のエネルギーを帯びるまで抽出電極で加速し、そのイオンビームを付加電極で集束し走査する。この種のイオン源装置の欠点の一つは構造が複雑であることである。ターゲットは接地電位に保持するので、電離室は所要のイオンエネルギーに応じて相対的に高い電位に保持しなければならない。したがって、とくに冷却を要する場合に絶縁の問題が生ずる。この種のイオン源装置のもう一つの欠点は寸法が大きいことであり、そのために真空室内の限定された部位への配置に限られる。
電子の平均自由行程、すなわち電離確率は、冷陰極から出る電子を強制的に振動させるように静電界をかけることによっても上げることができる。その種のイオン源装置はEP-B10 267 481記載のいわゆる静電電子振動イオン源装置である。その冷陰極イオン源装置は、上述のペニング型イオン源装置の場合と同様にイオン源装置内の所要気体圧力は約0.1Paであるが、一階級高いイオン電流密度を有し、単純な構成を備え、冷却系を接地電位に保持可能であり、付加的集束なしでもイオン放出開口におけるイオンビーム拡散角度を１°以下にする。
熱陰極イオン源装置はスパッタリングによる表面清浄化および表面層除去のために主として分析機器に用いられる。イオンは別のチェンバ内で発生する。熱陰極はそのチェンバ内に通常格子状の補助陽極とともに配置する。そのチェンバをイオンエネルギーで定まる適切な電位に接続する。イオンビームの加速、整形および走査に用いる上記以外の電極の構成はペニング型イオンビーム源装置の構成と実質的に同じである。イオン源装置内部の所要圧力の値は10^-3−10^-2Paであり、真空室内の低圧は差動排気で確保される。このイオン源装置から最大数μＡのイオン電流が得られる。これらのイオン源装置は寸法が大きいので真空容器に固定しなければならない。
熱陰極と磁界とを組み合わせた気体イオン源装置もある。それらデュオプラズモトロン型気体イオン源装置は最大電流密度および所要気体圧力について好ましいパラメータを備えるが、構造が複雑であり使い方および保守が容易でない。また、寸法が大きいので真空容器に固定しなければならない。
もっとも高い効率のスパッタリングは10KeVのイオンで得られる。高エネルギー衝撃はターゲット材料に損傷を生じ、通常試料の表面に厚さ10−15nmの損傷層を生じる。この損傷層は分析分光法におけるイオンビーム利用薄肉化試料の調査を困難にする。損傷層の厚さはビーム入射の角度またはエネルギーを下げることによって小さくできる。しかし、入射の角度を低くしエネルギーを低下させるとスパッタリング速度が低下する。その場合は、残留気体の炭化水素からの炭素の堆積など固体化学反応が試料の表面に生じ、測定の妨げになる。
ビーム利用の薄肉化においても埋込み層の調査においても、ビーム入射の角度を高くしビーム衝突エネルギーを大きくしてエッチングを開始し、エッチングがある深さに達したときその値を小さくするのが好ましい。ターゲット表面の位置は分析装置で定まるので、ビーム入射の角度を適切に調節するにはイオン源装置を傾けることが可能でなければならず、そのためにイオン源装置は小型でなければならない。低エネルギーイオンエッチングの場合は、イオン源装置の加速電圧を下げるためにイオン電流が低下するのでスパッタリング速度が著しく低下する。冷陰極電子銃の場合は加速電圧に下限値があり、十分に平行なビームを得るには少なくとも1.5−２kVをかけなければならないのでイオンエネルギーもそれで定まってくる。
上記のEP-B10 267 481による冷陰極イオン源装置は中央部開口付きの陽極と二つの対称的な中空冷陰極とを備える。これら中空の陰極は両方とも陽極の一方に対して収縮部を備え、もう一方の側で陽極に向かって突出する円錐状部分を備える。このイオン源装置はイオンビームの発生のために最低1.5−２kVの電圧を要する。これらパラメータの設定により、イオン電流の値は４−６μＡとなり所要気体圧力は約0.5Paになる。
発明の開示
この発明の目的はより低い気体在中のより広いエネルギー範囲で相対的に高いイオン電流で動作する気体イオン源装置を提供することにある。
鏡対称に配置した望遠光学静電レンズを有する冷陰極イオン源で得られるイオンプラズマの雪崩プロセスを、熱陰極からの電子の印加およびそれら電子が正しい経路を通るように強制することによって、より低い気体圧およびより低い陽極電圧で発生し維持できることを発見した。
すなわち、この発明はとくに固体試料の薄肉化のための気体イオンまたは蒸気イオン発生用のイオン源装置であって、ハウジングと、そのハウジングに前記気体または蒸気を導入する手段と、そのハウジングの内部に配置され前記イオン源装置の軸に沿った両側で開いた回転方向に対称な空胴を有する陽極と、前記軸に沿って配置され前記陽極を配置するための空間を相互間に区画する第１および第２の電気光学的鏡手段であって相互間で電子を振動させるように静電界を形成する第１および第２の電気光学的鏡手段とを含み、前記第１および第２の電気光学的鏡手段の少なくとも一方が前記空間内で発生したイオンの一部を通す外部への開口を備えるイオン源装置にある。この発明によるイオン源装置は前記空胴の外側で前記空胴の前記両側の一方に配置した電子発生手段と、発生した電子を前記空胴内に導く手段とを含むことを特徴とする。
この発明の好適な実施例においては、前記電子発生手段は前記イオン源装置の軸を横切る平面内に配置した熱陰極で構成する。この熱陰極は前記軸に対して回転方向に対称な環状体で構成する。したがって、この発明は熱陰極冷陰極結合型イオン源装置である。
上記第１および第２の電気光学的鏡手段の各々はウェーネルト円筒に囲まれた回転方向に対称な冷陰極を含み、前記陽極の空胴内に電子を導入する手段は前記冷陰極と前記第１の電気光学的鏡手段内のウェーネルト円筒との間に配置した二つの回転方向に対称な補助電極を含むので有利である。熱陰極からの電子を前記陽極の空胴に導く電界は熱陰極を前記二つの補助電極の間に配置しそれら補助電極の各々を二つの軸方向に対称な電極の間に配置すれば改善されよう。
この発明によるイオン源装置は、前記第２の電気光学的鏡手段にイオンの第１の部分を被加工物に到達させる開口を備え、前記第１の電気光学的鏡手段にイオンの第２の部分をイオン電流測定デバイス、すなわち好ましくはファラデーケージで構成される測定デバイスに導くもう一つの開口を備える形で具体化できる。
この発明によるイオン源装置は、このイオン源装置の軸と心合せし第２の電気光学的鏡手段に近傍に配置した軸を有する静電レンズであって、軸方向に互いに離して配置した三つの電極を有する静電レンズを備えるのが好ましい。すなわち、この静電レンズと第２の電気光学的鏡手段とによって前記ハウジングに取付けずみの可変ユニットを形成するのである。
【図面の簡単な説明】
この発明のイオン源装置の実施例の概略的断面を示す添付図面を参照してこの発明をより詳細に述べる。
発明の実施の態様
図において、このイオン源装置は二つの冷陰極１および５を収容する金属ハウジング２８と、これら冷陰極１および５の間の陽極３と、これら冷陰極１および５をそれぞれ取り囲む二つのウェーネルト筒２および４と、冷陰極１とウェーネルト筒２との間に配置した二つの補助電極１１および１３と、二つの補助電極１１および１３の間に配置した熱陰極１２とを備える。ハウジング２８は気体導入口３１と図示してない冷却管とを備える。供給気体は、例えば水素、アルゴン、ヨウ素蒸気などである。冷陰極１の後部支持ブロックに取り付けた冷陰極１の空胴２２を通じて流れるイオン流の測定のために図示してないファラデーケージを用いる。
ハウジング２８は零ボルト（接地）電位に保ち、回転方向に対称に配置した対向電極系の第１および第２の冷陰極１および５に電気的に接続する。回転方向に対称な表面で区画された内側空胴２１を有する共通陽極３を冷陰極１および５の間に配置する。陽極３は絶縁性支持体２９によってハウジング２８から絶縁されているが、一方、高電圧Ｖ１供給プラグに電気的に接続してある。冷陰極１はウェーネルト筒２で取り囲み、一方、冷陰極５はウェーネルト筒４で取り囲み、これらウェーネルト筒２および４をハウジング２８に電気的に接続する。冷陰極１とウェーネルト筒２とで第１の電気光学的鏡を構成し、冷陰極５とウェーネルト筒４とで両者間の電子のための第２の電気光学的鏡を構成する。補助電極１１および１３を図示してない絶縁体で取付け、熱陰極１２を陽極３の円錐の直径の小さい方の端部に相対して設けた第１の冷陰極１を取り囲んで配置する。補助電極１１および１３は電圧Ｖ３およびＶ４供給用の補助電圧プラグに接続し、熱陰極１２は電圧Ｖ５の加熱用電圧プラグに接続する。電圧値は次のとおりとなる。すなわち、Ｖ１＝＋50−10000Ｖ，Ｖ３＝Ｖ４＝＋40−250Ｖ，およびＶ５＝＋４−15Ｖ．
このイオン源装置の共通軸３０と共軸の開放集束用静電レンズ、すなわち第２の冷陰極５に電気的に接続した第１の電極６とこの第１の電極６から絶縁空隙２６で分離された第２の電極７とこの第２の電極７から絶縁空隙２７で分離された第３の電極８とから成る静電レンズを第２の冷陰極５の外側に接続する。第１の電極６および第３の電極８はハウジング２８に接続し、中間の第２の電極７は絶縁体１０に取り付けて0.6Ｖ１の値の電圧Ｖ２を供給する第２の高電圧プラグに電気的に接続する。熱陰極１２は陽極空胴２１内で生ずる高エネルギーイオンによるスパッタリング効果の影響を受けないようにしなければならない。寿命が極端に短くなるからである。上記構成においては熱陰極１２は高エネルギーイオンによる衝撃を受けないことがコンピュータシミュレーションでも実験でも確認された。
環状の熱陰極１２から放出された電子は、電子振動を効率的にするために陽極３の空胴２１内部に入るまでに対称軸３０近傍の通路を強制的に通さなければならない。角度方向広範囲にわたって子午線面状に熱陰極１２から放出された熱電子は補助電極１１および１３並びにウェーネルト筒２と陽極３との間に生ずる電界によって陽極３の空胴２１に集束される。それら熱電子は、陽極３の二つの互いに相対する端部にそれぞれ配置してある冷陰極１および５で反射され、そのために陽極軸に沿って振動し、陰極１および５の間の空間にある気体分子を能率良く電離させる。
この発明によるイオン源装置の動作を次に述べる。
このイオン源装置において、イオンは電子との衝突によって発生し、陽極３と冷陰極１，５との間の高電圧によって冷陰極１，５の向きに加速される。これら冷陰極１，５に衝突したイオンにより発生した二次電子は陽極−陰極間電圧によって陽極３の向きに加速され、陽極空胴２１内の気体分子を衝突によって電離させる。それによって生じたイオンが冷陰極１，５のいずれかに衝突すると、新たな二次電子が発生する。陽極２１内部における上述の雪崩プロセスによってイオンプラズマが発生し維持される。陽極３と第１および第２の冷陰極１，５との間の高電圧がイオンプラズマ内部にあるイオンを加速し、それらイオンのごく一部が陰極空胴２２を通じてイオン源装置から放出され、図示してないファラデーケージに達し、それらイオンの他の一部が陰極空胴２３を通じてイオン源装置からイオンビームとして放出され、電気光学的集束レンズを通って被加工物に集束される。熱陰極冷陰極組合せ型のこの発明のイオン源装置においては、上記の雪崩プロセスを５０Ｖ程度の低い陽極−陰極間電圧で発生させることができる。
熱陰極１２から放出された電子は、補助電極１１および１３、冷陰極１および５、陽極３、並びにウェーネルト筒２および４の加速電界、減速電界、および鏡状電界の中で振動する。このイオン源装置の内部空間、すなわち陽極空胴２１または内部空間２４および２５の内部に気体分子が存在すれば、加熱陰極１２で発生し陽極電圧Ｖ１で加速された電子がそれら気体分子を衝突によって電離させ上述の雪崩プロセスを引き起こす。イオンプラズマは陽極空胴２１内部における上述の雪崩プロセスによって形成され、陽極３と冷陰極１および５との間の電位差によって加速された陽極空胴２１からのイオンが放出開口１４および１６を通過し、電気光学的レンズで集束されて放出口１５経由でこのイオン源装置から放出される。このイオンビームのエネルギーと集束点は陽極電圧Ｖ１および集束電圧Ｖ２の値および比によって定まる。走査型イオン源装置は、放出口１５の外部に配置した図示してない偏向電極によりそれ自体公知の手法で実現できる。
好適な実施例では、陽極３をステンレス鋼または銅で構成し、冷陰極１および５をアルミニウムで構成し、熱陰極１２をタングステンで構成する。
この発明によるイオン源装置は従来公知のものに対比して次のような利点を備える。
−このイオン源装置は50Ｖ程度の低い電圧で点火する。
−イオンのエネルギーを50eV乃至10KeVの広い範囲に設定できる。
−市販されている他の熱陰極静電イオン源装置を同等のイオンエネルギーすなわち同等の陽極電圧で用いた場合に比べて、一段階高いイオン電流がこのイオン源装置から得られる。
−イオンビームをイオン源装置のイオンビーム放出口から５−100mmの広範囲の距離に集束できる。
−熱陰極および補助電極は接地電位近傍の値にし、高電圧絶縁についての要件がイオン源装置および電源装置の両観点から見て緩やかである。
−直径30−50mm、長さ60−90mm程度であり寸法が小さい。
−冷却は接地電位に維持したこのイオン源装置の金属ハウジングによって容易に達成できる。

Claims (7)

1. とくに固体試料の薄肉化のための気体イオンまたは蒸気イオン発生用のイオン源装置であって、ハウジング（２８）と、そのハウジング（２８）に前記気体または蒸気を導入する手段と（３１）、そのハウジング（２８）の内部に配置され前記イオン源装置の軸（３０）に沿った両側で開いた回転方向に対称な空胴（２１）を有する陽極（３）と、前記軸に沿って配置され前記陽極を配置するための空間を相互間に区画する第１および第２の電気光学的鏡手段（１，２；５，４）であって相互間で電子を振動させるように静電界を形成する第１および第２の電気光学的鏡手段（１，２；５，４）とを含み、前記第１および第２の電気光学的鏡手段（１，２；５，４）の少なくとも一方が前記空間内で発生したイオンの一部を通す外部への開口を備えるイオン源装置であって、前記空胴（２１）の前記両側の一方で前記空間の外側に配置した電子発生手段（１２）と、発生した電子を前記空胴（２１）内に導く手段とを含み、前記電子を発生する手段が前記軸（３０）と交わる平面内に配置した熱陰極（１２）であり、前記熱陰極（１２）が前記軸（３０）について回転方向に対称な環状体であるイオン源装置において、前記第１および第２の電気光学的鏡手段がウェーネルト筒（２，４）で囲まれた回転方向に対称な冷陰極（１，５）を含むことを特徴とするイオン源装置。
2. 前記電子を前記空胴（２１）内に導く手段が前記第１の電気光学的鏡手段の中の前記冷陰極（１）と前記ウェーネルト筒（２）との間に配置した二つの回転方向に対称な補助電極（１１，１３）を含むことを特徴とする請求項１記載のイオン源装置。
3. 前記熱陰極（１２）が前記二つの補助電極（１１，１３）の間に配置されていることを特徴とする請求項２記載のイオン源装置。
4. 前記補助電極（１１，１３）の各々をさらに二つの回転方向に対称な電極（１７，１８，１９，２０）の間に配置したことを特徴とする請求項３記載のイオン源装置。
5. 前記第２の電気光学的鏡手段（５，４）が前記イオンの第１の部分を被加工物に向けて放出するための開口（１６）を有し、前記第１の電気光学的鏡手段（１，２）が前記イオンの第２の部分をイオン電流測定装置に向けて放出するためのもう一つの開口（２２）を有することを特徴とする請求項１記載のイオン源装置。
6. 前記軸（３０）と整合した軸を有し前記第２の電気光学的鏡手段（５，４）の近傍に配置されるとともに、軸方向に互いに離して配置された三つの電極（６，７，８）を有する静電レンズ（６，７，８）をさらに含む請求項１記載のイオン源装置。
7. 前記静電レンズ（６，７，８）および前記第２の電気光学的鏡手段（５，４）が前記ハウジング（２８）に取り付けた交換可能なユニットであることを特徴とする請求項６記載のイオン源装置。

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