JP4747361B2 - 多価イオン照射装置及びそれを用いた微細構造の製造方法 - Google Patents
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この多価イオンと物質の特異な相互作用は、単一イオンインプランテーションや量子ドット作製などのナノメートル領域のプロセス技術に応用できる可能性があり、注目を集めている(非特許文献3参照。)。
このためイオンの運動エネルギーを高めて二次電子放出効率を上げるようにしているが、60keVの運動エネルギーでも1イオン当たり数個の二次電子数である。この場合、イオンの運動エネルギーを高くすると散乱のため入射点から広がってしまい、空間分解能が低下するという課題がある。具体的には、1.5keVでは数nmの広がりであるが、60keV〜100keVでは数十nm〜100nmの広がりとなり、素子の微細加工には広がり過ぎるという課題がある。
上記構成において、好ましくは、さらに、複数の二次電子検出器及び二次電子信号処理部を備え、多価イオンが試料面に衝突した際に放出される二次電子を複数の二次電子検出器で検出して、多価イオンの試料への照射個数を二次電子信号処理部で計測する。
二次電子検出器は、好ましくは電気的に独立した複数の二次電子検出器を有する。この二次電子検出器は、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなっていてもよい。さらに、二次電子信号処理部は複数の二次電子検出器からの信号判定回路を備え、信号判定回路が、試料への上記多価イオンの照射個数を計測するようにしてもよい。
図1は、本発明による多価イオン照射装置30の構成を模式的に示す断面図である。図1において、本発明の多価イオン照射装置30は、多価イオン発生源1に真空容器31が接続され、真空容器31内には、減速レンズ32と、多価イオンガイド33と、多価イオン34が照射される試料35を載置する試料台36と、を含み構成されている。さらに、試料35に多価イオン34が照射されたときに発生する二次電子37を検出する二次電子検出器38を備えている。
ここで、真空容器31は、真空排気装置40により、後述する多価イオン発生源1の真空排気装置とは独立に真空排気されてもよい。
なお、二次電子検出器38の左側に設けているシールド部45は、二次電子増倍のために二次電子検出器38に印加する電圧を外部に漏らさないために設けている。このシールド部45は金属からなり、二次電子検出器38を取り囲む形状となっている。
図3(a)に示すように、二次電子信号処理部39は、判定回路として論理積演算をするAND回路42を備えている。その入力42A,42Bには、2つの二次電子検出器38A,38Bの出力が接続されている。二次電子検出器38A,38Bの出力は図示しない増幅器によりAND回路42のハイ及びローのレベルの信号を出力するように信号処理がされている。上記の二次電子検出器38としては、二次電子も検出できる所謂光電子増倍管を使用できる。このような電子増倍効果を有する二次電子検出器としては、複数のチャンネルトロンや複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートを用いることができる。
なお、2入力AND回路42を用いた判定回路について説明したが、精度を上げるために2入力以上の複数の二次電子検出器38を用いる場合には、二次電子検出器38の数だけの入力を備えたAND回路で行なえばよい。これにより、複数の二次電子検出器38の計測データが一致した場合に、多価イオン34が照射されたという判定をすることができるので、雑音を除去して精度を高めることができる。
図4は多価イオン発生源の一例の構成を模式的に示す断面図である。図4に示す多価イオン発生源1においては、第1の真空容器2及び第2の真空容器10は、それぞれ、真空排気装置15,16により独立に排気されるようになっている。第1の真空容器2内は、多価イオン発生のためには、1×10-5Pa(パスカル)以下、特に1×10-9Pa以下の極高真空とする。例えば、U92+ の生成には10-10 Pa(10-12 Torr)の真空が必要である。このため、第1の真空容器2は脱ガスのために、図示しないベーキング用ヒータなどを用いたベーキング手段を備えている。このベーキング手段を用いることで、第1の真空容器2は250〜300℃程度にまでベーキングすることができる。
ここで、第1及び第2の真空容器2,10は、少なくともそれらの対向面が、超伝導磁石11からの磁場がドリフトチューブ5に印加されるように、非磁性材料から形成されている。非磁性材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼(例えば、SUS−304,SUS−316)やアルミニウムを用いることができる。
図4及び図6に示すように、超伝導磁石11は第1のコイル11a及び第2のコイル11bからなる、所謂ヘルムホルツ型コイルを用いている。第1のコイル11a及び第2のコイル11bの半径をaとし、これらのコイルの間隔を半径aと同じaとしたときに、対向するコイルの中央部分の磁場を一様にすることができる。ここで、超伝導磁石11は、図示しないHeを冷媒とするクライオスタットや閉サイクル冷凍機により冷却されて、超伝導状態に保持される。
また、超伝導磁石11を収容する第2の真空容器10は、第1の真空容器2から、両者の真空を破らずに脱着が可能である。このため、イオン源電極3を第1の真空容器2に収納したものを作ればよく、超伝導磁石11は市販品を用いることができるので、製作が容易である。したがって、本発明に用いる多価イオン発生源1においては、従来の多価イオン発生源のように、超伝導磁石11とイオン源電極3とを一体化した構造を精度良く製作する必要がない。
図7は、多価イオン発生源1に印加される電源を説明するための模式的なブロック図である。電子の加速電圧が40kVの一例を示している。図示するように、電子源4のフィラメントには15V,2A、フォーカス電極には50V,1mA、アノード電極には10kV、スノート電極には15kV,1mAの電源が−30kVの電源に上乗せされて供給されている。また、ドリフトチューブ5の各電極には、10kVの電源上に、第1電極500V、第2電極500V、第3電極500Vがそれぞれ上乗せされて供給されている。さらに、コレクタ6のサプレッサ電極、コレクタ電極、エクストラクター電極には、それぞれ、2kV、3kV,500mA、−3kVの電源が、−30kVの電源に上乗せされて供給されている。
このドリフトチューブ5で生成した多価イオンが、ドリフトチューブ5から引き出される際には、図7のドリフトチューブ5とコレクタ6間で40kVで一且加速され、第1の真空容器2を出る際は、この真空容器2はアース電位であるので、10kVまで減速されて出射する。
また、電子ビーム電流密度は、超伝導磁石11によりドリフトチューブ5に印加される磁場強度が高いほど高くなる(但し、比例ではない)。このため、単位時間当たりに得られる多価イオンビーム24の強度は、電子ビーム電流密度が高くトラップ領域が長いほど高くすることができる。
本発明に用いる多価イオン発生源の特徴は、イオン源電極3を収納する第1の真空容器2のための真空排気装置15と、超伝導磁石11を収容する第2の真空容器10のための真空排気装置16とを着脱して、分離することができる点にある。このため、超伝導磁石11を収容する第2の真空容器10を、第1の真空容器2から分離した状態で、第1の真空容器2及び収容されているイオン源電極3を十分に加熱して、脱ガスをすることができる。したがって、多価イオン発生のための第1の真空容器2を、短時間で極高真空とすることができる。例えば、誤って電子ビームをドリフトチューブ5に当てたときには、多価イオン発生源1では、イオン源電極3を収納した第1の真空容器2のみ修理すればよい。これにより、本発明に用いる多価イオン発生源1においては、イオン源電極3の真空立ち上げが短時間で済むので、操作性、保守性に優れた、多価イオン発生源1となる。
多価イオン発生源1から発生した多価イオン24は、減速レンズ32で所定の速度にされた後で、多価イオンガイド33の一端に入射し、その内部を通過した後で、他端に設けられたキャピラリー33Cの先端部から出射し、試料35に照射する。この場合、試料35への多価イオンの照射位置は、可動な試料台36により位置制御がされている。
本発明の多価イオン照射装置によれば、多価イオンが照射される試料をスパッターして、ナノメータサイズの細線の切断、超微細構造の加工を行うことが可能になる。
図8は、本発明の多価イオン照射装置の変形例50の構成を模式的に示す図である。本発明の多価イオン照射装置の変形例50が、図1に示した多価イオン照射装置30と異なるのは、多価イオンガイドの先端部33Cと試料35とを走査トンネル顕微鏡(STM)51を兼ねる構成にした点である。図8においては、図1と異なる部位のみを図示している。
走査トンネル顕微鏡51は、多価イオンガイドの先端部33C、即ちキャピラリーをトンネル探針とし、試料35に印加される電源52によりキャピラリー33Cと試料35との間隔tの間に流れるトンネル電流53を用いており、その制御部54により制御されるように構成されている。
多価イオン発生源から放出された多価イオン24を多価イオンガイド33の一端より内部に導き、予めキャピラリー33Cをトンネル探針として用い、試料35の表面上に設けられた位置合わせのためのターゲットを検出することができる。この位置合わせ用のターゲットにより、多価イオン34の照射位置を決定し、キャピラリー33Cの先端より多価イオン34を放出する。
本発明の多価イオン照射装置の変形例50によれば、STMにより精密な位置合わせを行い、試料35の所望の位置に多価イオンを照射することができる。
図9は本発明の多価イオン照射装置の別の変形例60の構成を模式的に示す図である。この変形例による多価イオン照射装置60が、図1及び図8に示した多価イオン照射装置30,50と異なるのは、さらに、試料35に入射した多価イオン34により試料35の表面から発生するイオン63、即ち二次イオンを検出するための質量分析装置61と質量分析制御部62を備えている点にある。他の構成は、図1及び8に示した多価イオン照射装置30,50と同じである部位は適宜省略し、異なる主要部位のみを図示している。
ここで、質量分析装置61は各種方式を用いることができ、例えば、図示の場合には、TOF(飛行時間:Time of Flight)型質量分析装置を用いている。
そして、試料35の位置が決定された後、多価イオン34が試料35に照射されると、試料35の所定位置に存在する原子に応じた二次イオン63が発生する。この場合に発生する二次電子37が二次電子検出器38A,38Bにより検出され、その有無が二次電子信号処理部39により判定される。したがって、二次電子信号処理部39のAND回路42の出力がハイレベルの場合が、試料35に多価イオン34が照射された時間に対応する。質量分析装置61が、TOF型質量分析装置である場合には、この質量分析制御部62に入力されるAND回路の出力42Cがハイレベルとなった時刻が、測定開始の時間となる。この信号を質量分析測定の開始信号と呼ぶことにする。
これにより、開始信号以降に得られるTOF型質量分析装置の二次イオン検出器61Aからの信号が、試料から発生した二次イオンの信号である。二次イオンの信号検出が終了した時点で、二次イオン検出器61Aから質量分析制御部62へ、測定停止信号61Bが送出される。したがって、この開始信号から測定停止信号61Bまでの信号を解析することにより、試料35の所定位置に存在していた原子の質量分析を行なうことができる。
図10(a)から明らかなように、高配向熱分解カーボン35においてXe44+ の照射された領域は、発泡状の突起が生起していることが分かる。この突起の高配向熱分解カーボン35表面での直径は10nm程度であった。また、図10(b)から明らかなように、Xe44+ の照射により生起した突起の高さは1nm程度である。
表1は、高配向熱分解カーボン35に照射されたイオン数、発生する二次電子数、突起数を調べた結果を示す表である。
表1から明らかように、高配向熱分解カーボン35に照射された入射イオン数が1.07×107 個に対して、高配向熱分解カーボン35から発生する二次電子数は1.03×107 個でありほぼ1:1になっている。また、10μm×10μmの面積範囲で観察した突起数が917個であることから、その密度は9.17×106 /mm2 であった。これから、入射するイオン1個でほぼ1つの突起が形成され、かつ、そのとき高配向熱分解カーボン35の表面から発生する二次電子数も入射イオンに対応して発生することが分かった。
2:第1の真空容器
2a:超高真空用フランジ
2b:支持部
3:イオン源電極
4:電子源
4a:フィラメント(カソード電極)
4b:フォーカス電極
4c:アノード電極
4d:スノート電極
4e:絶縁碍子
5:ドリフトチューブ
6:コレクタ
7:バッキングコイル
8:磁気シールド部
10:第2の真空容器
11:超伝導磁石
11a:第1のコイル
11b:第2のコイル
12:イオン用気体導入手段
15:第1の真空容器の真空排気装置
16:第2の真空容器の真空排気装置
18:磁気シールド
20:気体イオン導入手段
20a:気体源
20b:流量調整部
20c:配管部
22:固体イオン導入手段
24:多価イオンビーム
30,50,60:多価イオン照射装置
31:真空容器
32:減速レンズ
33:多価イオンガイド
33C:先端部(キャピラリー)
34:多価イオン
35:試料
36:試料台(XYZステージ)
37:二次電子
38:二次電子検出器
39:二次電子信号処理部
40:真空排気装置
42:AND回路
42A,42B:入力
42C:出力
45:シールド部
51:走査トンネル顕微鏡
52:電源
53:トンネル電流
54:制御部
54A:位置情報
61:質量分析装置
61A:二次イオン検出器
61B:測定停止信号
62:質量分析制御部
63:二次イオン
Claims (10)
- 多価イオン発生源と、
上記多価イオン発生源により発生した多価イオンを試料に導くための多価イオンガイドと、
上記試料を搭載する可動の試料台と、
二次電子検出器と、を含み、
上記多価イオンを上記可動の試料台の制御により上記試料の所定位置に照射する多価イオン照射装置において、
上記多価イオンガイドが、その一端に上記多価イオン発生源から多価イオンを入射し、その他端から多価イオンを出射する構造を有し、
上記多価イオンガイドの他端部がキャピラリー部からなっており、
上記キャピラリー部をトンネル探針として該トンネル探針と上記試料との間に流れるトンネル電流を制御する制御部を有しており、
上記制御部が上記可動の試料台を制御して上記トンネル探針を走査することにより上記試料に設けた位置情報を検出し、上記可動の試料台の位置制御により上記試料表面の所望の位置に多価イオンを照射することを特徴とする、多価イオン照射装置。 - さらに、複数の二次電子検出器及び二次電子信号処理部を備え、
上記多価イオンが上記試料面に衝突した際に放出される二次電子を上記複数の二次電子検出器で検出して、上記多価イオンの上記試料への照射個数を上記二次電子信号処理部で計測することを特徴とする、請求項1に記載の多価イオン照射装置。 - 前記二次電子検出器は、電気的に独立した複数の二次電子検出器を有していることを特徴とする、請求項1又は2に記載の多価イオン照射装置。
- 前記二次電子検出器は、複数のチャンネルトロン又は複数のアノード電極を持つマイクロチャンネルプレートからなることを特徴とする、請求項3に記載の多価イオン照射装置。
- さらに、前記二次電子信号処理部が前記複数の二次電子検出器からの信号を判定する信号判定回路を備え、該信号判定回路が、上記試料への上記多価イオンの照射個数を計測することを特徴とする、請求項2に記載の多価イオン照射装置。
- 前記多価イオン発生源が、前記試料の不純物源となることを特徴とする、請求項1又は2に記載の多価イオン照射装置。
- 前記多価イオン発生源が、前記試料のスパッター源となることを特徴とする、請求項1又は2に記載の多価イオン照射装置。
- さらに、質量分析装置を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の多価イオン照射装置。
- 前記質量分析装置により、前記試料の所望の位置に照射された前記多価イオンにより該試料表面から放出された元素を測定することを特徴とする、請求項8に記載の多価イオン照射装置。
- 請求項1又は2の多価イオン照射装置により放出された多価イオンを、前記可動の試料台により前記試料の所定位置にイオン注入又はスパッターを施して、前記試料表面の微細加工を行なうことを特徴とする、多価イオン照射装置を用いた微細構造の製造方法。
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