JP4571003B2 - クラスターイオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は真空装置の技術に関し、特に、イオンビームを試料に照射するクラスターイオンビーム装置に関する。

クラスターイオンビーム装置は試料表面にビーム状のクラスターイオンを照射し、試料の表面改質や表面分析を行う装置である。

図３の符号２０１は従来技術のクラスターイオンビーム装置であり、ノズル室２２８と真空槽２１１とを有しており、真空槽２１１内にはイオン化室２１６が配置されている。

ノズル室２２８にはガス導入系２４１が接続されており、希ガスクラスターを得るために、ガス導入系２４１から導入された希ガスを、円錐形状の超音速ノズル２１３から数気圧以上の圧力の高い圧力で真空中に噴出させる。

ノズル２１３から噴出された希ガスの超音速噴流は断熱膨張過程で熱運動が並進運動に変換されて温度が下がり、ガス原子（分子）はファンデルワールスカによって数百〜数千個の原子（分子）の集団の集まりに成り、クラスタービームが形成される。
希ガスのクラスタービームの進行方向にはスキマー２１４が配置されている。

クラスタービームの中心部はスキマー２１４によって切りだされ、下流側のイオン化室２１６に導かれる。スキマー２１４の形状及び先端部は、超音速クラスタービームをできるだけ攪乱しないように電鋳によって厚さ１０μｍ程度のＮｉまたはＣｕの薄板で製作されている。スキマー開口径は通常直径１ｍｍ前後が用いられる。

イオン化室２１６には熱フィラメント２２５が配置されており、熱フィラメント２２５から放出され、アノードグリッド２４０を通過した電子は数１００Ｖに加速されてクラスタービーム２４７に照射される。その結果、中性のクラスタービーム２４７は電子衝撃によってイオン化され、クラスターイオン２４８が形成される。

クラスターイオン２４８の飛行方向には、試料２１２が配置されており、クラスターイオン２４８は加速電極２２７によって加速され、クラスターイオンビームとなって試料２１２に照射され、試料２１２の表面が処理される。

図３の符号２４２は加速電極２２７等に電圧を印加する電源装置、符号２４５、２４６はノズル室２２８と真空槽２１１の内部をそれぞれ真空排気する真空排気系を示している。

イオン化室２１６では数１０ｋＶの高電圧が印加されるため、イオン化室２１６を真空排気する真空排気系２４６には大容量の排気ポンプを設け、高真空状態に維持する必要がある。

このため、ノズル室２２８内に充満する中性ガスがイオン化室２１６に流入しないように、スキマー２１４は隔壁２１０に取りつけ、隔壁２１０によって両室２２８、２１６を分離する必要がある。

中性クラスタービーム２４７がイオン化されると一定速度で試料２１２の方向に進行するクラスターイオン２４８が生成されるが、ノズル室２２８から侵入した残留ガスがイオン化されると、そのイオンは正電荷であり、試料２１２の方向ばかりではなく、スキマー２１４の方向へ逆流するものも存在する。

スキマー２１４は１０μｍ程度の薄板で製作されているので、逆流イオンの衝撃に長時間曝されるとエッチングされ、容易に損傷を受けてしまう。また、逆流イオンは中性のクラスタービーム２４７の進行を妨害し、損失を引き起こすという問題もある。
特開平６−２７５５４５号公報 特表２０００−５２０３９３号公報

本発明は上記従来技術の問題点を解決するために創作されたものであり、逆流イオンによるスキマーの損傷を防止することを課題とする。

本発明は、ノズルから放出され、スキマーによって切り出されたクラスタービームがイオン化室内でイオン化され、試料に照射されるクラスターイオンビーム装置であって、前記スキマーと前記イオン化室との間には、前記スキマーに対して負電圧のバイアス電極が配置され、前記イオン化室から前記スキマー側に漏出した残留ガスイオンは、前記バイアス電極に引きつけられ、前記スキマーに照射されないように構成されたクラスターイオンビーム装置である。
また、本発明は、前記バイアス電極の後方には衝突板が配置され、前記バイアス電極に引きつけられた前記残留ガスイオンは、前記衝突板に照射されるように構成されたクラスターイオンビーム装置である。
また、本発明は、前記バイアス電極には通過孔が設けられ、前記残留ガスは前記通過孔を通過した前記衝突板に照射されるように構成されたクラスターイオンビーム装置である。
また、本発明は、前記スキマーに対して正電圧が印加された反発電極を有し、前記反発電極により、前記残留ガスイオンを前記バイアス電極が位置する方向に押し戻すように構成されたクラスターイオンビーム装置である。

本発明は上記のように構成されており、クラスタービームがイオン化室内に侵入する入口側孔とスキマーの間にバイアス電極が配置されており、このバイアス電極に印加される、スキマーに対する負電圧で入口側孔から逆流した逆流イオンが引きつけられ、スキマー方向から逸らされる。逆流イオンはスキマーに入射せず、損傷が防止される。

逆流イオンの飛行方向がスキマーが配置された位置から逸らされるため、逆流イオンがスキマーに衝突せず、スキマーの損傷が防止される。

図１は、本発明の第一例のクラスターイオンビーム装置１を示しており、図２は本発明の第二例のクラスターイオンビーム装置２を示している。第一、第二例のクラスターイオンビーム装置１、２において同じ構成の部材には同じ符号を付す。

＜共通の構成＞
先ず、第一、第二例のクラスターイオンビーム装置１、２の共通の構成について説明する。
図１、図２を参照し、第一、第二例のクラスターイオンビーム装置１、２はノズル室２８と真空槽１１を有している。
ノズル室２８の内部にはノズル１３が配置されており、該ノズル１３の前面には、ノズル室２８を真空槽１１の内部から分離する隔壁２０が配置されている。

隔壁２０には孔３１が形成されており、その孔３１の周囲を覆い、ノズル室２８側に突出されたスキマー１４が取りつけられている。スキマー１４は中空円錐台形状、即ちラッパ形状であり、小さい方の底面がノズル１３に向けられ、大きい方の底面が隔壁２０側に向けられており、その大きい方の底面が隔壁２０に固定されている。

ノズル１３にはガス導入系４１が接続されている。ガス導入系４１にはガスボンベが配置されており、該ガスボンベにはクラスター化とイオン化の対象となるクラスタ用ガスが充填されている。

ノズル室２８と真空槽１１には、真空排気系４５、４６がそれぞれ接続されており、ノズル室２８と真空槽１１の内部をそれぞれ真空排気できるように構成されている。

ノズル室２８と真空槽１１を真空雰囲気にしてノズル１３から常温で気体状のガスを噴出すると、噴出されたガスは断熱膨張によって凝集し、クラスターが生成される。

生成されたクラスターはスキマー１４の孔を通り、中心部分が切り出され、クラスタービームとしてノズル室２８から真空槽１１の内部に放出される。他の部分は真空排気される。

真空槽１１の内部のスキマー１４が設けられた隔壁２０とは反対側の位置には試料１２が配置されており、真空槽１１内に放出されたクラスタービームは試料１２方向に向かって飛行する。

真空槽１１の内部であって隔壁２０と試料１２の間にはイオン化室１６ａ、１６ｂと、引出電極２７が、隔壁２０側からこの順序で配置されている。

ノズル１３とスキマー１４とは、中心軸線が一致している。図１、２の符号１８は、ノズル１３とスキマー１４の中心軸線を示している。クラスタービームはこの中心軸線１８に沿って飛行する。

イオン化室１６ａ、１６ｂのスキマー１４側の壁面２２ａ、２２ｂには、クラスタービームが内部に進入するための入口側孔３３ａ、３３ｂが形成されている。
イオン化室１６ａ、１６ｂの試料１２側の壁面１３には、出口側孔３４が形成されている。

ノズル１３及びスキマー１４の中心軸線１８は入口側及び出口側孔３３ａ、３３ｂ、３４の略中心を通っており、ノズル１３から放出されたクラスタービームは、直線的に飛行し、入口側孔３３ａ、３３ｂからイオン化室１６ａ、１６ｂ内に進入する。

イオン化室１６ａ、１６ｂには、熱フィラメント２５とアノードグリッド４０とが配置されている。真空槽１１の電位を接地電位とすると、熱フィラメント２５にはアノードグリッドに対して負のバイアス電圧が印加されており、熱フィラメント２５から放出された電子はアノードグリッド４０で加速され、アノードグリッド４０を通過してイオン化室１６ａ、１６ｂ内に進入したクラスタービームに照射され、クラスタービームがイオン化されてクラスターイオンビームが生成される。

また、電子線は、イオン化室１６ａ、１６ｂ内に残留する中性ガスにも照射され、この残留ガスもイオン化される。
イオン化室１６ａ、１６ｂの前記壁面２２ａ、２２ｂ、２３には、アノードグリッド４０と同電位の正の高電圧数１０ｋＶが印加されている。

イオン化室１６ａ、１６ｂと試料１２の間には壁面２２ａ、２２ｂ、２３に対して負電圧(ここでは接地電位)が印加された加速電極２７が配置されており、イオン化されたクラスターは出口側孔３４からイオン化室１６ａ、１６ｂの外部に放出され、加速電極２７によって加速され、加速電極２７に形成された射出口３５から試料１２に向かって放出され、試料１２の表面に照射される。図１の符号４８は、出口側孔３５から放出され、加速電極２７によって加速されるクラスターイオンビームを示している。

＜第一例のクラスターイオンビーム装置＞
第一例のクラスターイオンビーム装置１では、隔壁２０とイオン化室１６ａの間であって、スキマー１４から放出されたクラスタービームの飛行経路上にバイアス電極２１ａが配置されている。

バイアス電極２１ａは、スキマー１４の中心軸線１８と交差する位置に通過孔３２ａ(φ１６ａ×３３ａの楕円形状)が設けられており、スキマー１４から放出されたクラスタービームは、通過孔３２ａを通過し、入口側孔３３ｂからイオン化室１６ｂの内部に進入するように構成されている。

このバイアス電極２１ａ、及び第二例のクラスターイオンビーム装置２の後述するバイアス電極２１ｂには、スキマー１４とそれが配置された隔壁２０に対して負電圧が印加されている。
一例としてスキマー１４及びその隔壁２０は接地電位に接続され、バイアス電極２１ａ、２１ｂは−１０００〜−２０００Ｖの負電圧が印加されている。

イオン化室１６ａ、１６ｂ内で生成された残留ガスのイオンは正電荷であり、その一部は出口側孔３４から漏出し、加速電極２７に引きつけられるものの、一部分は入口側孔３３ａ、３３ｂから漏出し、バイアス電極２１ａに引きつけられる。

イオン化室１６ａの入口側孔３３ａとその周囲の壁面２２ａとは、ノズル１３及びスキマ１４の中心軸線１８に対して傾いており、また、バイアス電極２１ａの通過孔３２ａとその周囲のバイアス電極２１ａの壁面もノズル１３及びスキマ１４の中心軸線１８に対して同程度傾いており、従って、バイアス電極２１ａの通過孔３２ａの周囲の壁面は、イオン化室１６ａの壁面２２ａのうち入口側孔３３ａ周囲の壁面２２ａに対して平行になっている。

入口側孔３３ａの中心軸線と通過孔３２ａの中心軸線とは一致している。図１の符号１９は、その中心軸線を示している。ノズル１３及びスキマ１４の中心軸線１８に対し、入口側孔３３ａ及び通過孔３２ａの中心軸線１９は、２０°傾いている。

バイアス電極２１ａとイオン化室１６ａの入口側の壁面２２ａの間の電位差により、その間には入口側孔３３ａから漏出した正電荷を通過孔３２ａの中心軸線１９と平行な方向に加速する電界が形成されている。

通過孔３２ａの中心軸線１９の延長線上には、金属板で構成された衝突板(ビームダンプ)１５ａが配置されている。衝突板１５ａは、通過孔３２ａの中心軸線１９がスキマー１４が設けられた隔壁２０と交差する位置に配置されている。

入口側孔３３ａから漏出した残留ガスのイオンはバイアス電極２１ａによって入口側孔３３ａ及び通過孔３２ａの中心軸線１９に沿って加速され、通過孔３２ａを通過して衝突板１５ａに照射される。従って、残留イオンはスキマー１４の壁面には照射されない。この第一例の衝突板１５ａ及び後述する第二例の衝突板１５ｂは接地電位に接続されており、残留イオンによって衝突板１５ａに生じた電流は接地電位に流れる。

なお、実験によると、逆流イオンの衝突板１５ａへの入射位置は、イオン化室１６ａの入口側孔３３ａの壁面の法線方向、即ち、入口側孔３３ａの中心軸線１９が衝突板１５ａと交差する位置であった。

＜第二例のクラスターイオンビーム装置＞
次に、図２に示した第二例のクラスターイオンビーム装置２を説明する。
第二例のクラスターイオンビーム装置２は、隔壁２０と試料１２の間の位置にバイアス電極２１ｂが配置されている点は第一例のクラスターイオンビーム装置１と同じであるが、この第二例のクラスターイオンビーム装置２では、バイアス電極２１ｂは、スキマー１４から放出されたクラスタービームの飛行経路から離間し、クラスタービームが通過しない位置に配置されている。

第二例のバイアス電極２１ｂにも、上述したように、壁面２２ｂに対してスキマー１４やその隔壁２０よりも大きな負電圧が印加されており、イオン化室１６ｂの入口側孔３３ｂからイオン化室１６ｂの外部に漏出した逆流イオンはバイアス電極２１ｂに引き寄せられ、その結果、スキマー１４が位置する方向から逸らされる。

クラスタービームの飛行経路、即ち、ノズル１３及びスキマ１４の中心軸線１８を中間にし、第二例のバイアス電極２１ｂとは反対側の位置には、反発電極２６が配置され、バイアス電極２１ｂと反発電極２６とでクラスタービームの飛行経路を挟むように構成されている。
反発電極２６には、スキマー１４やその隔壁２０に対して正電圧が印加されている。例えば１０００Ｖ程度の電圧である。

入口側孔３３ｂから漏出した逆流イオンは、反発電極２６から反発力を受け、バイアス電極２１ｂ方向に曲げられる。従って、反発電極２６により、逆流イオンはスキマー１４が位置する方向から一層逸らされる。

バイアス電極２１ｂには通過孔３２ｂが形成されており、反発電極２６から反発されると共にバイアス電極２１ｂに引きつけられた逆流イオンは通過孔３２ｂを通過するように構成されている。通過孔３２ｂの後方には、金属で構成された衝突板(ビームダンプ)１５ｂが配置されており、通過孔３２ｂを通過した逆流イオンは衝突板１５ｂに照射される。

従って、第二例のクラスターイオンビーム装置２でも、スキマー１４に逆流イオンは照射されず、スキマー１４の損傷が防止される。

なお、衝突板３２ａ、３２ｂに逆流イオンが衝突すると二次電子が発生し、二次電子がイオン化室１６ａ、１６ｂ内に侵入すると加速電源の負担が増大してしまう。本発明のクラスターイオンビーム装置１、２では、バイアス電極２１ａ、２１ｂに数ｋＶの負電圧が印加されており、発生した二次電子はバイアス電極２１ａ、２１ｂから反発され、イオン化室１６ａ、１６ｂ内に侵入しないようになっている。

なお、上記クラスターイオンビーム装置１、２は、熱フィラメント２５によって電子線を発生させ、中性のクラスタービームに照射してイオン化していたが、本発明に用いることができるイオン化の方法は冷陰極で発生させた電子線や、アルゴン等のプラズマ用ガスにレーザ光、紫外光、マイクロ波、ＲＦ放電、又は誘導結合等でプラズマを発生させ、そのプラズマから引き出した電子線をクラスタービームに照射してもよい。

本発明の第一例のクラスターイオンビーム装置 本発明の第二例のクラスターイオンビーム装置 従来技術クラスターイオンビーム装置の参考例

符号の説明

１、２……クラスターイオンビーム装置
１１……真空槽
１２……試料
１３……ノズル
１４……スキマー
１５ａ、１５ｂ……衝突板
１６ａ、１６ｂ……イオン化室
２１ａ、２１ｂ……バイアス電極
２６……反発電極
２７……加速電極
２８……ノズル室
３２ａ……通過孔

Claims (4)

1. ノズルから放出され、スキマーによって切り出されたガスクラスタービームがイオン化室内でイオン化され、試料に照射されるクラスターイオンビーム装置であって、
   前記スキマーと前記イオン化室との間には、前記スキマーに対して負電圧のバイアス電極が配置され、
   前記イオン化室から前記スキマー側に漏出した残留ガスイオンは、前記バイアス電極に引きつけられ、前記スキマーに照射されないように構成されたクラスターイオンビーム装置。
2. 前記バイアス電極の後方には衝突板が配置され、前記バイアス電極に引きつけられた前記残留ガスイオンは、前記衝突板に照射されるように構成された請求項１記載のクラスターイオンビーム装置。
3. 前記バイアス電極には通過孔が設けられ、前記残留ガスは前記通過孔を通過した前記衝突板に照射されるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のクラスターイオンビーム装置。
4. 前記スキマーに対して正電圧が印加された反発電極を有し、
   前記反発電極により、前記残留ガスイオンを前記バイアス電極が位置する方向に押し戻すように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のクラスターイオンビーム装置。

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