JP4073839B2 - 分析装置用磁場発生装置 - Google Patents

Description

本発明はラザフォードバックスキャッタリング分析装置等に用いられる磁場発生装置に関するものである。

イオンビームを試料に照射する分析装置として高分解能ラザフォードバックスキャッタリング分析装置が用いられている。この分析装置は特許文献１に示すように通常１００ＫｅＶ以上の高エネルギーの軽質量のイオン、例えば水素イオンやヘリウムイオンをプローブとして試料に照射し、試料を構成する原子との核同士の弾性後方散乱によって試料を分析するものである。

高分解能ラザフォードバックスキャッタリング分析装置では、プローブ粒子自体が軽く試料の結晶格子をほとんど破壊せず、試料の表面皮下（数１０ｎｍ以下）に入り込んで試料の表面の原子と衝突する。そして衝突原子の質量に応じたエネルギーで弾性散乱されて、試料外で散乱イオンとして観測される。その際散乱イオンのエネルギーには、結晶中の原子雲との非弾性散乱によって衝突位置の深さに比例したエネルギーロスが加わる。従って散乱イオンのエネルギースペクトルから、試料表面下の元素組成や深さの分析情報が得られる。この方法は原理的に非破壊的で、原子核クーロン散乱という物理公式で厳密に記述された現象に基づくために、極めて信頼性、定量性に優れた分析手法である。

図１はこの分析装置の原理を示すものである。本図においてソレノイド型の主コイル１１によってその中央部分にはほぼ均一な磁束密度の磁場が形成されているものとする。そして主コイル１１の内部の左方には、図示のように円板状の試料１２を主コイル１１の中心軸であるＺ軸に対して垂直に配置する。図２の破線ＡはＺ軸上に主コイル１１によって形成される均一な磁束密度の磁場を示しており、２．０Ｔ（テスラ）であるとする。主コイル１１内部の右方には中心にプローブイオンを通過させると共に、散乱されたイオンが入射するアパチャ（開口）を有する遮蔽板１３を設け、その背後には円板形の変換器１４を配置している。

この分析装置において主コイル１１の右方より、主コイルの中心のＺ軸に沿って高エネルギーのイオンを照射する。そうすればプローブイオンはＺ軸を通って試料１２に入射し、その表面で散乱する。後方散乱形のラザフォード分析装置は様々な方向に後方散乱したイオンを主コイルで形成される磁場で集めることによって、高分解能の性能を得るようにしたものである。

この分析装置においては、入射イオンは磁場発生装置のＺ軸上を進行し、試料に衝突する。散乱されたイオンは図３にＺ軸の斜めから見た斜視図を示すように、磁場軸であるＺ軸の方向から見て円形の軌道を描き、磁束に直交するＸ軸及びＹ軸の方向から見て放物線的な軌道を描いて飛翔する。試料１２で散乱されたイオンは試料１２からある距離をおいて設置された遮蔽板１３のアパチャを通過する。遮蔽板１３は試料で多重散乱されたイオンが検出器１４に入射するのを防止するために設けられている。遮蔽板１３のアパチャを通過したイオンは遮蔽板１３と検出器１４との間の磁場の中で再び回転運動しながら検出器１４に入射する。

検出器１４は中央部に開口を有し、イオンが入射した位置を電気的に検出する２次元のセンサであって、イオンの入射位置を知ることでイオンのエネルギーを知ることができる。又それによって試料表面下の元素組成と深さ分布情報が得られる。従って検出器１４の分解能によって得られるエネルギー情報の分解能が決定される。

図４は１００ＫｅＶ〜２４０ＫｅＶまで２０ＫｅＶおきのエネルギーを持つヘリウムイオンを照射した場合の、散乱後の軌道の最大半径を示す。この座標軸でＺ軸上の１６０ｍｍの位置に試料１２を設けている。又６１０ｍｍの位置に遮蔽板１３を設け、７２０ｍｍの位置に検出器１４を設置している。この図に示すようにこの例では、２４０ＫｅＶのエネルギーを持つプローブイオンを入射した場合には、散乱イオンは最大半径が１２５ｍｍの領域を飛翔する。
特許第３２７３８４４号公報

磁場発生装置は試料１２、遮蔽板１３と検出器１４を全て主コイル内に挿入するため、この例では磁場発生装置によって直径が少なくとも２６０ｍｍ、Ｚ軸方向に長さが５６０ｍｍの空間に均一な磁束密度の磁場を形成する必要がある。この磁場を電磁石で発生するために、同心ソレノイド型の主コイルを用い、均一な磁束密度とするために複数の補助コイル等を用いて磁場発生装置を形成している。このため分析装置全体のサイズが大きくなり、重量も大きくなるという欠点があった。

このような分析装置は半導体製造分野や半導体分析装置等の分野で用いられる。従っていわゆるクリーンルームで使用されることが多いが、クリーンルームに設置される機器のサイズはできるだけ小型でしかも軽量であることが好ましい。

本発明はこのような従来の磁場発生装置の問題点に着目してなされたものであって、要求される磁束密度とその均一度を満足しながら、できるだけ小型の磁場発生装置を提供することを目的とする。

本発明による分析装置用磁場発生装置は、中心軸に沿って第１の位置から第２の位置までの所定範囲（以下、均一磁場範囲という）に均一な磁束密度の磁場を形成するコイルと、前記コイルによって形成される前記均一磁場範囲の中心軸上の前記第1の位置に試料を保持するための試料保持部材と、前記コイルによって形成される前記均一磁場範囲の中心軸上の前記第２の位置に配置され、中央に開口を有する遮蔽板と、前記コイルによって形成される前記均一磁場範囲の前記第２の位置より外側であって、前記均一磁場範囲での磁束密度より低い磁束密度の位置に配置され、中央に開口を有し、散乱イオンを検出する検出器と、を具備することを特徴とする。

ここで分析装置用磁場発生装置は、前記コイルは主コイルとその近傍に配置された補助コイルとからなってもよい。又この補助コイルは主コイルの端部の近傍に設けるようにしてもよい。こうすれば均一磁場範囲の磁束密度を均一としたり、又は前記検出器部分で磁束密度を低下させることができる。

ここで分析装置用磁場発生装置の補助コイルは、前記主コイルの中央部の近傍に設けるようにしてもよい。この場合は均一磁場範囲の磁束密度を均一にすることができる。

ここで分析装置用磁場発生装置の補助コイルは、前記主コイルと逆方向の磁束を生じさせる補助コイルとしてもよく、その場合は端部の近傍に設けるようにしてもよい。こうすれば前記検出器の位置での磁束密度を低下させることができる。

本発明によれば、磁場発生装置において検出器の位置で磁束密度を低下させることによって検出器の空間分解能を拡大することができる。これに加えてコイルを短くすることができ、全体を小型化することができる。又空間分解能を従来例と同一にとどめておく場合には、磁場発生装置のコイルを大幅に短くすることができ、磁場発生装置全体を小型軽量化することができるという効果が得られる。

まず本発明の原理について説明する。図１に原理図を示すように入射イオンをＺ軸に沿って試料に向けて照射すると、試料の面上で散乱イオンが生じ、これが図３に一例を示す軌跡をたどる。この図においては従来例と同様に１６０ｍｍの位置に試料を配置し、６１０ｍｍの位置に遮蔽板を設け、７２０ｍｍの位置に検出器を設けている。

ここで従来の検出領域の全てに対して図２の破線Ａで示すように、一定の磁束密度２．０Ｔとすることに代えて、図２の折れ線の実線Ｂに示すように遮蔽板１３から検出器１４までの間では連続的に磁束密度を低下させることができれば、磁束密度の低下に伴って散乱イオンの飛翔する径が拡大する。図５はプローブイオンのエネルギーを１００ＫｅＶから２４０ＫｅＶの間で２０ＫｅＶ毎に変化させたときの、散乱イオンの軌跡の最大半径を示す図である。

図４に示すように従来の散乱イオンの半径は、例えばプローブイオンのエネルギーが２４０ＫｅＶの場合には１２５ｍｍである。従って従来例ではエネルギー分解能は、１００ＫｅＶと２４０ＫｅＶとの差１４０ＫｅＶを距離の差（即ち半径が５５ｍｍ〜１２５ｍｍの差の７０ｍｍ）で除した値となり、エネルギー分解能は２ＫｅＶ／ｍｍとなる。一方図５の実線Ｂに示すように磁束密度を低下させると、検出器１４の位置では例えば散乱イオンの半径は１３３ｍｍとなる。半径が１３３ｍｍとなれば、検出器１４の位置での距離の差（半径６０ｍｍ〜１３３ｍｍの差）は約７３ｍｍ、分解能は約１．９ＫｅＶ／ｍｍとなり、約５％分解能が向上する。更に均一な磁場空間の軸方向の必要な長さは４５０ｍｍであり、従来技術の５６０ｍｍに比べて２０％軽減されている。コイルの長さは均一磁場の長さにおおむね比例するため、磁場発生装置全体の長さもこの場合には約２０％短くすることができる。このように本発明では、検出器の位置での磁束密度を低下させることによって目的を達成するようにしている。

尚、ここで試料を主コイル内に設けるようにしているが、磁場発生装置としては試料は必須でなく、試料を保持することができる何らかの保持部材を設けておけば足りる。

次に本発明のより具体的な実施の形態について更に詳細に説明する。

（実施の形態１）
図６は比較例であり、コイル２１とその中央部に配置される試料１２、遮蔽板１３、検出器１４の配置を示している。尚、試料１２は試料保持部材１５によって保持されている。図７はそのＺ軸方向の磁束密度を示すグラフである。この比較例では広い均一磁場を形成するためにコイル２１の中心に対し対称に試料１２と検出器１４とを配置している。この例ではコイル２１は全長が１４４０ｍｍとすると、試料１２と検出器１４との間の５５０ｍｍとの間において、図７に示すように磁束密度Ｂを±１％の範囲の変化に留めることができる。このとき前述したように磁束密度を１７０ＫｅＶから３７０ＫｅＶにまで変化させたときに散乱イオンの軌跡の最大半径は１０ｍｍから７６ｍｍに変化し、エネルギー分解能は３．１ＫｅＶ／ｍｍとなる。

これに対して図８は、本発明の実施の形態１による磁場発生装置の主要部の構成を示す端面図であり、図９はそのＺ軸方向に対する磁束密度の変化を示すグラフである。これらの図に示すようにソレノイド型コイルはコイル３１の中心点から左右対称の磁束密度を有している。本実施の形態では、原点をコイル３１の中心点とする。そして磁束密度の変化が±１％以内の範囲をここでは均一な磁束密度の範囲（以下、均一磁場範囲という）とし、図中でのその左端を第１の位置、右端を第２の位置とする。そして試料１２を第１の位置に、遮蔽板１３を第２の位置に配置する。試料保持部材１５はこの位置に試料１２を保持するものである。

そして均一磁場範囲の一端である第２の位置から外側の位置、ここでは遮蔽板１３から１００ｍｍ離れた位置に、検出器１４を配置する。この位置では図９に示すように均一磁場範囲の磁束密度より低い磁束密度となる。ここでコイル３１は全長が１２６０ｍｍ、試料１２と検出器１４の間は５５０ｍｍとする。このように検出器１４の位置で磁束密度を大幅に低下させることによって、散乱イオンの分散を大きくし、空間分解能を拡大することができる。

このため前述したように散乱イオンの軌道は印加するプローブ粒子のエネルギーを１７０ＫｅＶ〜３７０ＫｅＶに変化させたときの検出器１４の位置での散乱半径は５０ｍｍ〜１３１ｍｍまで変化し、散乱半径を拡大することができる。このとき空間分解能は２．５ＫｅＶ／ｍｍとなり、図６の比較例に比べて分解能を約２０％改善することができる。

（実施の形態２）
図１０は広い均一磁場を形成するために、主コイルの外周部に補正用のコイルを配置した比較例を示している。ここで図６と同様に主コイル４１の中心をＺ軸の中心として対称な位置に試料１２と検出器１４とを配置し、遮蔽板１３は検出器１４から１００ｍｍ中央部に近い位置に配置する。この例では主コイル４１の両端部に補正コイル４２，４３を設けることによって主コイルの全長を比較的小さくすることができる。ここでは補正コイルを含めたコイルの全長を８７１ｍｍとすると、図１１に示すようにその中央部の５５０ｍｍの範囲内で磁束密度の変化が±１％以内の均一磁場範囲の領域が得られる。この両端に試料１２と検出器１４とを配置している。このときプローブ粒子のエネルギーを１９０ＫｅＶから３７０ＫｅＶまで変化させると、検出器１４の位置での散乱半径は２５ｍｍから７５ｍｍとなり、エネルギー分解能は３．６ＫｅＶ／ｍｍとなる。

これに対し、図１２は本発明の実施の形態２による磁場発生装置の主要部の構成を示す端面図、図１３はそのＺ軸方向に対する磁束密度を示すグラフである。この実施の形態２では主コイル５１の端部に補助コイル５２，５３を外周部に設けたコイルを用いている。これにより主コイル５１の中心からＺ軸に沿って±２２５ｍｍの範囲では磁束密度の変化量が±１％となり、この範囲が均一磁場範囲となる。そして図１２に示すようにこの均一磁場範囲の左端の第１の位置に試料１２を配置し、右端の第２の位置に遮蔽板１３を配置する。更に第２の位置の外側の遮蔽板１３から１００ｍｍの位置に検出器１４を配置する。この実施の形態では補正コイルを含めたコイルの全長を７１０ｍｍとする。こうすれば試料１２と遮蔽板１３との間は磁束密度は均一となり、且つ検出器１４の位置では磁束密度を−２０．３％と低下させることができる。このように検出器１４の位置で磁束密度を大幅に低下させることによって、散乱イオンの分散を大きくし、空間分解能を拡大することができる。

例えば散乱イオンの軌道は印加するプローブ粒子のエネルギーを１９０ＫｅＶ〜３７０ＫｅＶまで変化させると、磁束密度の低下に伴い検出器１４の位置では散乱半径は１５ｍｍ〜７０ｍｍとなり、散乱半径を拡大することができる。このため空間分解能は３．３ＫｅＶ／ｍｍとなり、図１０の比較例に比べて約８．３％改善することができる。

（実施の形態３）
次に図１４は本発明の実施の形態３による磁場発生装置の主要部の構成を示す端面図、図１５はその磁束密度を示すグラフである。この実施の形態３では主コイル６１の端部に補助コイル６２，６３を設け、中央部にも補助コイル６４を設けたコイルを用いている。こうして主コイル６１の中心から±２２５ｍｍの範囲で磁束密度の変化が±１％以内となる均一磁場範囲を形成することができる。この均一磁場範囲の左端の第１の位置に試料１２、右端の第２の位置に遮蔽板１３を配置する。そして遮蔽板１３から１００ｍｍ外側の位置に検出器１４を配置する。尚、図１４において補助コイル６２，６３，６４を主コイル６１の内側に設けるようにしてもよい。

そして主コイル６１の検出器１４が設けられる側の近傍に、磁束を打ち出すための電流反転コイル６５を設ける。電流反転コイル６５は主コイルや補助コイル６２〜６４によって形成される均一な磁場とは反対方向の磁束を形成するためのコイルである。この電流反転コイル６５を用いることによって、図１５に示すように検出器１４の位置での磁束密度を−２２％と大幅に低くすることができる。この例では全てのコイルを含む軸方向の最大長さは７８５ｍｍであり、全体を大幅に小型化することができる。又検出器１４の位置で磁束密度を低下させることによって散乱イオンの分散を大きくし、これによって空間分解能を拡大することができる。

例えば前述したように印加するプローブ粒子のエネルギーを２２０ＫｅＶ〜３８０ＫｅＶまで変化させると、磁束密度の低下に伴い検出器１４の位置では散乱イオンの散乱半径は１５ｍｍ〜８８ｍｍとなり、散乱半径を拡大することができる。このため空間分解能を２．２ＫｅＶ／ｍｍとすることができる。

尚、本発明でいう均一磁場範囲は、散乱したイオンが磁場により集められ、検出に必要な程度のイオン量が遮蔽板１３の任意に開けられたアパチャを通過する程度に均一な磁場であればよく、目的とするイオン量、アパチャの間隔等により適宜変化するものであるから一義的に定義することはできないが、例えば、磁束密度変化が±３％の範囲を選択すれば良好であり、±１％の範囲を選択すれば更に良好である。

又、前述した実施の形態に加えて、図１４において電流反転コイル６５を設けることなく検出器の近い側の補助コイル６３に与える電流値を他方の補助コイル６２より低くすることによって、検出器１４の位置での磁束密度を低下させることにすることも考えられる。

本発明にかかる磁場発生装置は、検出器の位置で磁束密度を低下させることによって検出器の空間分解能を拡大できる効果を有し、技術分野としてラザフォードバックスキャッタリング分析装置等に用いることができる。又このような装置は半導体製造分野、半導体分析装置等の分野で用いることができる。

分析装置用の磁場発生装置の原理を示す端面図である。 磁場発生装置における散乱イオンの軌跡を示す図である。 磁場中における散乱イオンの軌道を示すグラフである。 検出器での周辺での磁束密度を低下させたときの散乱イオンの軌道を示すグラフである。 磁場の分布を示すグラフである。 磁場発生装置の比較例における試料と遮蔽板、検出器との関係を示す端面図である。 図６に示す磁場発生装置の磁束密度の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１による磁場発生装置を示す端面図である。 本発明の実施の形態１による磁場発生装置の磁束密度を示すグラフである。 磁場発生装置の比較例における試料と遮蔽板、検出器との関係を示す端面図である。 図１０に示す磁場発生装置の磁束密度の変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態２による磁場発生装置を示す端面図である。 本発明の実施の形態２による磁場発生装置の磁束密度を示すグラフである。 本発明の実施の形態３による磁場発生装置を示す端面図である。 本発明の実施の形態３による磁場発生装置の磁束密度を示すグラフである。

符号の説明

１１，４１，５１，６１ 主コイル
１２ 試料
１３ 遮蔽板
１４ 検出器
１５ 試料保持部材
２１，３１ コイル
４２，４３，５２，５３，６２，６３，６４ 補助コイル
６５ 電流反転コイル

Claims (5)

1. 中心軸に沿って第１の位置から第２の位置までの所定範囲（以下、均一磁場範囲という）に均一な磁束密度の磁場を形成するコイルと、
   前記コイルによって形成される前記均一磁場範囲の中心軸上の前記第1の位置に試料を保持するための試料保持部材と、
   前記コイルによって形成される前記均一磁場範囲の中心軸上の前記第２の位置に配置され、中央に開口を有する遮蔽板と、
   前記コイルによって形成される前記均一磁場範囲の前記第２の位置より外側であって、前記均一磁場範囲での磁束密度より低い磁束密度の位置に配置され、中央に開口を有し、散乱イオンを検出する検出器と、を具備することを特徴とする分析装置用磁場発生装置。
2. 前記コイルが主コイルとその近傍に配置された補助コイルからなることを特徴とする請求項１記載の分析装置用磁場発生装置。
3. 前記補助コイルは、前記主コイルの端部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項２記載の分析装置用磁場発生装置。
4. 前記補助コイルは、前記主コイルの中央部の近傍に設けられていることを特徴とする請求項２記載の分析装置用磁場発生装置。
5. 前記補助コイルは、主コイルと逆方向の磁束を生じさせる補助コイルであることを特徴とする請求項２又は３記載の分析装置用磁場発生装置。
   
   

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