JP4963091B2

JP4963091B2 - イオンビームの評価方法

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Publication number: JP4963091B2
Application number: JP2007215390A
Authority: JP
Inventors: 幸次渡辺; 幸雄藤原; 直昭齋藤; 秀彦野中
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-08-22
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-08-22
Also published as: JP2009047618A

Description

本発明は、本発明はイオン銃から照射するイオンビームのビーム密度分布を特定し、照射目的に適合した照射様態で照射するためのイオンビームの測定方法及びイオンビームの評価測定装置に関するものである。

従来の技術としては、ファラデーカップの位置決めのためにクランク型ワイヤをイオンビームに挿入する技術は知られている（特許文献１参照）。また、イオンビームにナイフエッジを挿入することでビーム密度分布を検出する技術は知られている（特許文献２参照）。

また、蛍光体やポイント・センシング・デバイスなどにイオンビームを照射することで、ビーム径およびビームの中心を推定していた。

特開昭５８−２１１６８３号公報特開２００４−４５０６８号公報

従来のイオンビームの評価のための検出部は、製作に高度な技術を要するか、市販品を用いるにあたり、高度な知識と技術を必要とする問題点があった。

また、上記特許文献１に示す従来例は、ファラデーカップの位置決めのみを目的とするものであり、目的に即した照射態様を得るために、イオンビームの密度分布を測定するという技術思想は記載されていない。

さらに、上記特許文献２に示す従来例は、平板からなるナイフエッジを利用するものであり、ナイフエッジの表面に照射される電子ビームの照射領域毎の電流を検出するものであり、電子ビームの密度分布を直接得ることはできない。

例えば、Ｘ−Ｙのそれぞれの方向の密度分布を得るためには、少なくとも２枚のＸＹ方向にそれぞれ移動するナイフエッジが必要であり、複雑な装置が必要となる。

本発明は、市販の導電性ワイヤ素材を殆ど未加工のままイオンビームの検出部に用い、誰でもが容易に正確に実施可能なイオンビームの評価測定方法及びイオンビームの評価測定装置を実現することを課題とするものである。

本発明は上記課題を解決するために、全体形状が互いに直交する第１ロッド及び第２ロッドによりＬ型に形成された導電性のワイヤーロッドを、イオンビームのビーム軸に直交する平面内で、前記第１ロッドを該第１ロッドに直交する第１の方向に移動させ、前記第２ロッドを該第２ロッドに直交する第２の方向に移動させ、前記イオンビームに対して相対的に横切るように移動しながら、該ワイヤーロッドを流れるビーム電流を測定することにより、イオンビームの前記第１の方向及び前記第２の方向のビーム密度分布を検出するイオンビームの評価方法であって、前記第１ロッド及び第２ロッドを、ロッド径Φｄをｎ個に等分割した測定刻みΔｈ毎に移動させ、該測定刻みΔｈの移動毎に計測された前記ビーム電流の測定結果をＤ _i (ｉ＝１〜ｍ）としたとき、今回の測定結果Ｄ _i から前回の測定結果Ｄ _i-1 を減算することにより、今回の前記測定刻み分の移動により加算されるビーム電流の推定値Ｄ' _i と減算されるビーム電流の推定値Ｄ' _i-n との差を求め、初期値を用いてすでに算出した前記減算されるビーム電流の推定値Ｄ' _i-n を加算することにより、今回測定された前記ビーム電流のうち、今回の前記測定刻み分により新たに測定されたビーム電流の推定値Ｄ' _i を求めることを特徴とするイオンビームの評価方法を提供する。

本発明に係るイオンビームの評価測定方法及びイオンビームの評価測定装置は、ワイヤーロッドをイオンビームの検出に用いることで、簡単な構成によって、容易かつ正確にイオンビームを評価することができる。特に、イオンビーム検出部に使用するワイヤーロッドは、導電体であれば材質等を選ばないので、市販のワイヤーロッドを利用することも可能である。

本発明に係るイオンビームの評価測定方法及びイオンビームの評価測定装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明のイオンビームの評価測定方法及びイオンビーム評価測定装置のイオンビームの実施例１を説明する図である。この実施例１のイオンビーム評価測定装置評価装置は、操作ロッド１と、操作ロッド１の先端に碍子等の電気的絶縁体２を介して絶縁して、ネジ３によって固定されたワイヤーロッド４と、ワイヤーロッド４を流れるビーム電流を測定する電流計５とを備えている。電流計５は、図１に示すように、一端が、ワイヤーロッド４の基端部６に結線され、他端がアースされた電線７に取り付けられている。

ワイヤーロッド４は、導電性の材料例えば金属材料で形成されており、操作ロッド１の長手方向に延びる第１ロッド８と、第１ロッドに直交する第２ロッド９とからＬ型に形成されている。操作ロッド１の先端にワイヤーロッド４の基端部６をネジによって電気的絶縁体２を介して固定し、操作ロッド１を移動させることによりワイヤーロッド４は、ＸＹ平面内で移動可能とする。

例えば、操作ロッド１を支持台１０の支持平面上に載置して、この支持水平面上において、ＸＹ方向に、人が操作してワイヤーロッド４をＸＹ平面内で移動可能とする。或いは、図示しないが、操作ロッド１をＸＹ平面可動機構によって移動し、ワイヤーロッド４をＸＹ方向に移動可能な構成としてもよい。

イオンビーム１２の評価に際しては、イオンビームの軸心方向がＺ軸方向になるようにイオンビームを照射する。そして、ワイヤーロッド４の第２ロッドをＸ方向に、所定の刻み量（ピッチ）で小刻みに移動しイオンビームを横切りながら、複数のポイント（小刻みに移動した際の各瞬間的に停止する複数の位置）において、ワイヤーロッド４を流れるビーム電流を電流計５で測定する。

即ち、各ポイントにおいて、ワイヤーロッド４は、イオンビームの照射投影面１１（図１参照）に相当する上面がイオンビームを受けて、ビーム電流がワイヤーロッド４を流れることとなる。

これにより、図２に示すように、横軸をＸ方向へのワイヤーロッド４の移動位置とし、縦軸をワイヤーロッド４を流れる電流とした、Ｘ方向の複数のポイントにおけるイオンビームのビーム電流の分布が得られる。このビーム電流の分布は、イオンビームのＸ方向のビーム密度分布にほぼ相似形をしており、また、このイオンビームのビーム電流の分布から、後記するが、ビーム密度分布を得てその評価をすることができる。

ところで、イオンビームの大まかなビーム密度分布の傾向を知るためには、比較的直径の大きなワイヤーロッド４を利用し、刻み量も大きくして、比較的少ない測定ポイントでビーム電流を測定すればよい。

イオンビームのより精度の高いビーム密度分布の測定をするためには、ワイヤーロッド４の直径及び移動の刻み量をより小さくすればよい。しかし、ワイヤーロッド４の直径を小さくすると、ビームを受ける面積が小さくなり、微小部のビーム密度のバラツキの影響を受けやすくなるので、適宜使用ワイヤーロッド４径を選択する必要がある。ワイヤーロッド４のビーム電流の測定位置への移動の刻み量は、ワイヤーロッド４径の整数分の１で、且つ、刻み量と移動量の最小読取値との公倍数として測定を行うことが望ましい。

例えば、直径０．５ｍｍのワイヤーロッド４を用いる場合、送りステージの最小読みが０．０１ｍｍであれば、直径の１／１０＝０．０５ｍｍ、あるいは１／５＝０．１ｍｍの様な刻み量と出来る。直径の１／６＝０．１６６などは避けた方がよい（後述するデータ処理時に不都合を生じることがある。）。

なお、所定の刻み量の各測定位置と、各測定位置で測定して得られたビーム電流によるビーム密度分布は、移動平均に基づくビーム密度分布である。従って、この密度分布を微分により演算処理することで、より真値に近いビーム密度分布を得ることができる。

図１において、ワイヤーロッド４の第１ロッドをＹ方向に移動し、イオンビームをＹ方向に横切りながら、複数のポイントにおいて、ワイヤーロッド４を流れるビーム電流を電流計５で測定する。これによって、上記Ｘ方向の測定と同様に、イオンビームのＹ方向のビーム密度分布を測定することができる。

図３は、本発明のイオンビームの評価測定方法及びオンビーム評価測定装置の実施例２を説明する図である。この実施例２は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、イオンビーム評価測定装置の構成が若干異なり、この異なる構成を中心に以下説明する。

この実施例２のイオンビーム評価測定装置は、ワイヤーロッド１３を、ワーク支持台１４上に設けた構成を特徴とするものである。ここで、ワーク支持台１４とは、通常のイオンビームを用いた測定装置あるいは加工装置において、イオンビームによる被測定物１５あるいはワーク（工作物）を支持する板状の支持板であり、通常、ステージ駆動装置１６によりＸＹＺ方向に移動可能である。

また、ステージ駆動装置１６は、演算制御装置１７からの制御信号により駆動制御が可能であり、また、ステージ駆動装置１６からワーク支持台１４の位置信号を受取ることが可能となっている。

ワーク支持台１４上に、ワーク支持平面と平行にワイヤーロッド１３が設けられている。ワイヤーロッド１３は、互いに直交する第１ロッド１８と第２ロッド１９とから成り、それぞれの端部が支柱２０でワーク支持台１４に固定されている。

電流計５は実施例１と同様に、ワイヤーロッド１３の一端に電気的に接続されており、その信号出力は信号・制御線２１を介して、演算制御装置１７に接続して設けられている。さらに、電流計５から得られる電流値とステージ駆動装置１６からの位置とを基に演算によりイオンビームの評価が可能となっている。

実施例２に示すイオンビーム評価測定装置を利用したイオンビーム評価測定方法は、実施例１と同じである。即ち、ワーク支持台１４をＸ方向に小刻みに移動し、第１ロッド１９でイオンビーム（図示せず）をＸ方向に横切り、Ｘ方向の複数の測定位置において電流計５でイオン電流を測定し、イオンビームのＸ方向のビーム密度分布を測定することができる。

同様に、第２ロッドでイオンビームをＹ方向に横切り、電流計５でイオン電流を測定し、イオンビームのＹ方向のビーム密度分布を測定することができる。

図４は、本発明のイオンビームの評価測定方法及びイオンビーム評価測定装置の実施例３を説明する図である。この実施例３は、基本的には実施例１及び実施例２と同じ技術思想であるが、イオンビーム１２内にその軸心を通るように、直線状のワイヤーロッド２２を、その長手方向に挿入して、突刺す様に小刻みに移動しながら、逐次ワイヤーロッド２２を流れる電流を測定して、これをイオンビーム電流とする。

ワイヤーロッド２２がイオンビーム内に挿入されると、ワイヤーロッド２２の挿入長さが大きくなるにつれて、ワイヤーロッド２２の照射表面が大きくなるからイオンビーム電流は、図５に示す「挿入長さと電流量」のグラフのように増大する。

イオンビームにワイヤーロッド２２を挿入した際に、イオンビーム１２内を移動するワイヤーロッド２２の第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２における投影面の差２３（図４参照）に対応して、第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２での測定ビーム電流の差が生じるが、この差を得ることで、イオンビーム内の任意の局所のビーム電流が測定可能であり、それにより局所的なビーム密度を測定することが可能となる。

この投影面の差２３を微小としてイオンビーム内の任意の局所のビーム電流が測定することで、図５に示すように、ワイヤーロッド２２の挿入方向の位置に対するビーム電流の分布が得られるが、これは、図５のグラフを微分して得られる図６に示すような、ワイヤーロッド２２の挿入方向の位置に対するビーム電流の分布に相当する。

なお、この実施例３の場合は、測定位置の刻み量を特に考えなくともよいが、順次多点の測定を行う場合は、測定位置の刻み量を一定にしておく方がよい。

また、図７に示すように、ワイヤーロッド２２先端部を、照射軸に対して上向き（図７（ａ）参照）又は下向き（図７（ｂ）参照）に角度θで斜めに面加工した方が、イオンビーム内への挿入時における、ワイヤーロッド２２の先端面がイオンビームに与える外乱を少なくし、ビーム電流を精度良く測定できる。

（近似値の抽出方法）
本発明の実施例１〜３は以上のとおりであるが、これらの実施例で測定されたビーム電流分布に基づき、極力真値に近いイオン密度分布（小刻みのポイントにおける密度分布ではなく連続したポイントにおける密度分布）を取得するための、近似値の抽出方法について、以下説明する。

なお、実施例１〜３のいずれについても、測定データ及び近似値の抽出方法は同様であるが、以下、実施例１による測定データを想定して説明する。まず、測定データ自体について説明する。

図８は、実施例１によって得られた測定結果を仮定した表（表１とする。）である。この表１中、測定番号は、ワイヤーロッドの複数の測定位置（投影面端部の位置）での測定に付した番号であり、各測定に対して、測定値及び近似値に符号を付した。ここで、測定値はビーム電流であるが、その持つ意味は、実施例１において説明したが、イオンビームによる投影面（図１参照）内のビーム量である。

図９は、表１の測定値をプロットしたグラフであり、横軸は測定番号（測定位置に対応する）であり、縦軸はビーム電流を示している。表１に示す測定結果は、ビームの密度分布（正確には相似形）を示しており、ビーム一般の密度分布はベル形と推定される。

ビームの中心をビーム密度のピーク位置と仮定すれば、測定値の最大値から、ロッド径の１／２だけ測定位置を戻した、Ｂｍａｘ位置と推定できる。但し、ビーム密度を質量と置換えて考えた場合の重心の位置に相当するので真位置ではないが、誤差は小さいと考えてよい。

このとき、プロットしたグラフの形状を、ビーム密度分布形状と相似形と考えてよい、但し、注意しなければならないのは、実測例のグラフ図１０および図１１から分かる様に、ロッド径がビームの照射範囲より小さい場合と大きい場合とがあり、ロッド径が小さい場合はグラフの曲線をそのまま相似的に形状と考えてよいが、径が大きい場合はグラフのプラトー部分を除いて考えなければいけない点に注意しなければならない。

上記測定データから極力真値に近いイオン密度分布を取得するための、近似値の抽出方法について、図１２のグラフ及び図１３の表２を参照して、以下説明する。なお、図１３は、図８（表１）と同様に実施例１によって得られた測定結果を仮定した表とし、図１２は、表２の測定値をプロットしたグラフであり、横軸は測定番号（測定位置に対応する）であり、縦軸はビーム電流を示している。

ロッド径をΦdとし、測定刻みをΔhとするとき、n=Φd/Δhとし、測定結果をDi、近似値をD'iで表すと、近似値D'iは、次の式（１）〜（４）で算出できる。
Di − = D’i + D’i-1 + D’i-2 + … + D’i-n+1 ………（２）
Di-1 = D’i-1 + D’i-2 + … + D’i-n+1 + D’i-n ………（１）
式（２）から式（１）のそれぞれ各辺を差し引くと次の式（３）のようになる。
∵ Di − Di-1 = D’i −D’i-n ………（３）
∴ D’i = Di − Di-1 + D’i-n ………（４）
つまり、ｉ番目の測定値であるＤｉに、近似値の計算結果であるＤ’ｉ−ｎを加算して、ｉ−ｎ番目からｉ番目までの、測定刻みΔhごとの電流の累積値とすることが出来るので、ｉ−ｎ番目からｉ-1番目までの電流の累積値Ｄi-1で、その値を引けば、目的とするｉ番目の近似値を求めることが出来る。

近似値の計算を開始する為には、まず、近似値D'-1〜-nの値を決めてやらなければならないが、測定の開始位置が、殆どビームの影響を受けない位置から測定を開始した場合と、ビーム照射内から開始した場合とで、選択的に変えなければならない。

（１）ビーム照射範囲外からの場合は、ナイフエッジ法の処理方法に見られる様に、測定番号１〜ｎの間は、近似値D'-(n-1)〜0=0と置いて計算を開始してよい。

（２）ビーム照射範囲内からの場合は、初期値の決め方は種々あるが、単純に理解しやすい決め方として、次の方法で決めることとした。即ち、測定値DはΔh・nの間の全電流値であるから、その間の刻みΔh幅の電流値の平均値であるD/nをΔh・n/2の位置の近似値D’とする。

より具体的には、n=5のとき、D1/5の値を測定番号1-5/2（但しn/2の値は小数点以下を切捨てて整数とする）つまり測定番号−１のところのD'に置く、これを表にすると、図１４に示す表３となる。後は、この値を基に式（１）で近似値D'を求める。

近似値D'の算出は、測定値Dを０のまま測定番号m＋2n程度まで実施する。その結果として、測定中のビームのゆらぎ等の変動および累積離散化誤差などが、n(nはΦD/Δh)の周期で掃き出されて来るので、掃き出されて来たD'の最終算出値を含めて逆順にｎ番目までを１周期とし、その値で、適宜減算補正をすれば、経験的にはかなり真に近い近似値が求められる。

以上、本発明に係るイオンビームの評価測定方法及びイオンビームの評価測定装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係るイオンビームの評価測定方法及びイオンビームの評価測定装置は、以上のような構成であるから、イオンビームを利用する各種の工作装置、実験装置等のイオンビームのビーム密度分布を測定に適用できる。

本発明の実施例１を説明する図である。本発明の実施例１の作用を説明するグラフである。本発明の実施例２を説明する図である。本発明の実施例３を説明する図である。本発明の実施例３の測定結果を示すビーム電流の分布を示すグラフである。本発明の実施例３の測定結果を示すビーム電流の分布を示すグラフである。本発明の実施例３を説明する図である。本発明の実施例１によって得られた測定結果を仮定した表（表１）である。表１の測定値をプロットしたグラフである。本発明の実測例を示す図である。本発明の別の実測例を示す図である。本発明の測定データからビーム密度分布の真の値の近似値の抽出方法を説明するためのグラフであり、表２の測定値をプロットしたグラフである。本発明の測定データからビーム密度分布の真の値の近似値の抽出方法を説明するために、実施例１によって得られた測定結果を仮定した表（表２）である。

符号の説明

（実施例１）
１操作ロッド
２電気的絶縁体
３ネジ
４ワイヤーロッド
５電流計
６ワイヤーロッドの基端部
７電線
８第１ロッド
９第２ロッド
１０支持台
１１照射投影面
１２イオンビーム
（実施例２）
１３ワイヤーロッド
１４ワーク支持台
１５被測定物
１６ステージ駆動装置
１７演算制御装置
１８第１ロッド
１９第２ロッド
２０支柱
２１信号・制御線
（実施例３）
２２ワイヤーロッド
２３投影面の差
Ｐ１第１の位置
Ｐ２第２の位置

Claims

全体形状が互いに直交する第１ロッド及び第２ロッドによりＬ型に形成された導電性のワイヤーロッドを、イオンビームのビーム軸に直交する平面内で、前記第１ロッドを該第１ロッドに直交する第１の方向に移動させ、前記第２ロッドを該第２ロッドに直交する第２の方向に移動させ、前記イオンビームに対して相対的に横切るように移動しながら、該ワイヤーロッドを流れるビーム電流を測定することにより、イオンビームの前記第１の方向及び前記第２の方向のビーム密度分布を検出するイオンビームの評価方法であって、
前記第１ロッド及び第２ロッドを、ロッド径Φｄをｎ個に等分割した測定刻みΔｈ毎に移動させ、該測定刻みΔｈの移動毎に計測された前記ビーム電流の測定結果をＤ_i（ｉ＝１〜ｍ）としたとき、今回の測定結果Ｄ_iから前回の測定結果Ｄ_i-1を減算することにより、今回の前記測定刻み分の移動により加算されるビーム電流の推定値Ｄ’_iと減算されるビーム電流の推定値Ｄ’_i-nとの差を求め、初期値を用いてすでに算出した前記減算されるビーム電流の推定値Ｄ’_i-nを加算することにより、今回測定された前記ビーム電流のうち、今回の前記測定刻み分により新たに測定されたビーム電流の推定値Ｄ’_iを求めることを特徴とするイオンビームの評価方法。