JPH02112140A - Low speed ion gun - Google Patents

Low speed ion gun

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JPH02112140A
JPH02112140A JP26386188A JP26386188A JPH02112140A JP H02112140 A JPH02112140 A JP H02112140A JP 26386188 A JP26386188 A JP 26386188A JP 26386188 A JP26386188 A JP 26386188A JP H02112140 A JPH02112140 A JP H02112140A
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JP
Japan
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ion
deceleration
electrons
sample
space
Prior art date
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Pending
Application number
JP26386188A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshikazu Honma
本間 芳和
Toru Tanaka
融 田中
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of JPH02112140A publication Critical patent/JPH02112140A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To exclude the limitations of beam diameter and current value by space charge effect and enable the generation of a large current and highly focusing ion beam by confining electrons in an energy region near the ion optical axis between the deceleration and focusing space of the ion beam and a sample by a magnetic field. CONSTITUTION:An ion beam 3 drawn by an electrode 2 is focused by an electrostatic lens 4, and only a desired ion spices is separated by a mass spectrometer 5, decelerated by a deceleration and focusing lens 6 and throttled by apertures 8, 9. In this case, to prevent the divergence of the beam 3 by space charge effect, the thermoelectrons emitted from an electron generating device 7 are confined near the ion optical axis by a magnet 10. The space of the drift region not conducting acceleration and deceleration of the beam 3 is filled with the electrons. At a result, the positive charge by the ions in the beam 3 and the negative charge by the electrons are well-balanced to neutralize the space charge. The beam 3 passed through a device 7 comes into a sample 11 through the aperture 9.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、イオン源から引き出されたイオンを減速し、
集束して試料に照射する低速イオン銃に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention decelerates ions extracted from an ion source,
This invention relates to a slow ion gun that focuses and irradiates a sample.

[従来の技術1 低速イオンビームは、材料の分析や半導体素子の製造に
おける低損傷のエツチングの手段として重要である。試
料の微小部分の分析ではイオンビームな可能な限り細く
集束して試料に照射する必要かある。また、エツチング
に質量分離したイオンを用いる場合には、質量分離の分
解能を高くするために一旦加速したイオンビームを電場
や磁場を用いて質量分離し、その後減速して試料に照射
する必要がある。このようなとき、低速のイオンビーム
な効果的に集束する方法または装置が必要である。従来
、高速(例えば、10KeV以」二)のイオンビームの
集束ば、例えば電場を用いて容易に行うことができたが
、低速のイオンビームの集束は困難であった。
[Prior Art 1] Low-velocity ion beams are important as a means of low-damage etching in materials analysis and semiconductor device manufacturing. When analyzing a minute portion of a sample, it is necessary to irradiate the sample with an ion beam that is focused as narrowly as possible. In addition, when using mass-separated ions for etching, it is necessary to accelerate the ion beam, then mass-separate it using an electric or magnetic field, and then decelerate it before irradiating it onto the sample in order to increase the resolution of the mass separation. . In such cases, a method or apparatus for effectively focusing a slow ion beam is needed. Conventionally, it has been possible to easily focus a high-speed (eg, 10 KeV or higher) ion beam using, for example, an electric field, but it has been difficult to focus a low-speed ion beam.

一般に、イオンビームの直径や電流値は空間電荷効果に
よって大きな制限を受ける。従来のイオン銃では、静電
レンズによって低速のイオンビームを集束していたが、
イオンビームによる電流値が大きく、したがって、電流
密度が大きくなるにしたかって空間電荷効果によってビ
ーム径が太きくなる。その結果、小−さいビーム径を得
る場合には、電流値が制、限される。例えば、100e
VのArイオンビームの場合、電流値が50nA以上の
ビームを5.QOμm以下の直径に収束することは困難
てあった。
Generally, the diameter and current value of an ion beam are greatly limited by space charge effects. In conventional ion guns, a slow ion beam is focused using an electrostatic lens.
The current value generated by the ion beam is large, and therefore, as the current density increases, the beam diameter increases due to the space charge effect. As a result, when obtaining a small beam diameter, the current value is limited. For example, 100e
In the case of an Ar ion beam of V, the beam with a current value of 50 nA or more is 5. It was difficult to converge to a diameter of QOμm or less.

[発明が解決しようとする課題] 上述した従来の低速イオン銃は、空間電荷効果で制限さ
れる値より小さなビーム径やそれより大きな電流値を得
ることができないという欠点がある。
[Problems to be Solved by the Invention] The conventional low-velocity ion gun described above has the disadvantage that it is not possible to obtain a beam diameter smaller than the value limited by the space charge effect or a current value larger than that.

本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもので
、その目的は、空間電荷効果による上述の制約を除去し
、大電流、かつ、集束性の高いイオンビームを発生する
ことができる低速イオン銃を提供することにある。
The present invention was proposed to improve the above-mentioned drawbacks, and its purpose is to eliminate the above-mentioned limitations due to space charge effects, and to generate a low-speed ion beam with high current and high focusability. Our goal is to provide ion guns.

[課題を解決するための手段] 本発明の低速イオン銃は、 イオンビームを減速・集束させる減速・集束領域と試料
との間の空間に、正イオンと結合する確率が小さいエネ
ルギー領域の電子を発生させる電子発生手段と、 該電子をイオン光学軸付近に閉じ込める磁場を発生する
磁場発生手段を備えている。
[Means for Solving the Problems] The low-velocity ion gun of the present invention includes electrons in an energy range with a low probability of bonding with positive ions in the space between the sample and the deceleration/focusing region that decelerates and focuses the ion beam. The apparatus includes an electron generating means for generating electrons, and a magnetic field generating means for generating a magnetic field for confining the electrons near the ion optical axis.

[作用] したがって、電子発生手段によって発生し、イオン光学
軸のまわりに閉し込められた電子は、イオンと結合する
ことなく、それぞれのイオンを空間電荷から遮へいして
空間電荷効果を減少させ、イオンビームの発散を防止す
る。
[Function] Therefore, the electrons generated by the electron generation means and confined around the ion optical axis do not combine with the ions, but shield each ion from the space charge, thereby reducing the space charge effect. Prevents ion beam divergence.

[実施例] 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。[Example] Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の低速イオン銃の第1の実施例の構成図
、第2図は第1図の電子発生装置7の構成図である。
FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the low-velocity ion gun of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of the electron generator 7 of FIG. 1.

本発明の低速イオン銃は正イオン源1、イオンビーム3
の引き出し電極2、静電レンズ4、質量分析器5、減速
・集束レンズ6、電子発生装置7、アパーチャ8.9、
磁場発生用コイル1o、および電源12.13.14に
よって構成されている。イオンビーム3は、引き出し電
極2によって加速電圧1kVで引き出され、静電レンズ
4の電極4+ 、42.43によって集束された後、静
磁場と、静電場を利用した質量分析器5で所望のイオン
種のみが分離らされ、減速・集束レンズ6の電極61’
、 62 、’6’3’によって減速されながらイオン
ビーム3の集束が行われ、アパーチャ8,9によって絞
られる。この際、空間電荷効果によるイオンビーム3の
発散を防ぐため、後述するように、電子発生装置7から
熱電子放射された電子は磁石10によってイオン光学軸
付近に閉じ込められ、イオンビーム3のドリフト領域(
減速・集束レンズ6と試料11の間の加速・減速が行わ
れない領域)の空間を満たす。これにより、イオンビー
ム3の中のイオンによる正電荷と電子による負電荷はバ
ランスされ、空間電荷は実効的に中和される。電子発生
装置7を通過したイオンビーム3は、アパーチャ9を通
って試料11に入射する。イオンビーム3が、試料11
に入射するエネルギーは、電源12によって与えられる
。イオン源1、静電レンズ4、減速・集束レンズ6、質
量分析器5は第1図に示されているように浮遊電位にあ
る。コイルlOは、減速・集束レンズ6、電子発生装置
7、試料11を内包する真空容器の外に設置されている
。また、本実施例ではコイル10の長さは減速・集束レ
ンズ6の一部と試料11を含むようにされている。
The low-speed ion gun of the present invention includes a positive ion source 1 and an ion beam 3.
extraction electrode 2, electrostatic lens 4, mass spectrometer 5, deceleration/focusing lens 6, electron generator 7, aperture 8.9,
It is composed of a magnetic field generating coil 1o and power supplies 12, 13, and 14. The ion beam 3 is extracted by the extraction electrode 2 at an accelerating voltage of 1 kV, focused by the electrodes 4+ and 42, 43 of the electrostatic lens 4, and then subjected to a mass spectrometer 5 using a static magnetic field and an electrostatic field to extract desired ions. Only the seeds are separated, and the electrode 61' of the deceleration/focusing lens 6
, 62 and '6'3', the ion beam 3 is focused while being decelerated, and narrowed down by the apertures 8 and 9. At this time, in order to prevent divergence of the ion beam 3 due to the space charge effect, as will be described later, the electrons emitted from the electron generator 7 are confined near the ion optical axis by the magnet 10, and the drift region of the ion beam 3 is (
This fills the space between the deceleration/focusing lens 6 and the sample 11 (an area where acceleration/deceleration is not performed). As a result, the positive charges caused by the ions and the negative charges caused by the electrons in the ion beam 3 are balanced, and the space charges are effectively neutralized. The ion beam 3 that has passed through the electron generator 7 passes through the aperture 9 and enters the sample 11 . The ion beam 3 hits the sample 11
The energy incident on is provided by a power source 12. The ion source 1, electrostatic lens 4, deceleration and focusing lens 6, and mass spectrometer 5 are at a floating potential as shown in FIG. The coil IO is installed outside the vacuum container containing the deceleration/focusing lens 6, the electron generator 7, and the sample 11. Further, in this embodiment, the length of the coil 10 is such that it includes a part of the deceleration/focusing lens 6 and the sample 11.

電子発生装置7は、第2図に示されているように、アパ
ーチャ8.9の間にイオン光学軸を取り巻く配置で設け
られ、熱電子を放射するためのフィラメント15とグリ
ッド16および電源によって構成されている。
As shown in FIG. 2, the electron generator 7 is provided between the apertures 8.9 in an arrangement surrounding the ion optical axis, and is composed of a filament 15 for emitting thermoelectrons, a grid 16, and a power source. has been done.

空間電荷効果の遮へいに最適な電子密度は以下のように
調整される。フィラメント15は接地電位のグリッド1
6に対して負電位■fにバイアスされている。ドリフト
領域に注入される電子数はバイアス電圧V、とフィラメ
ント電流Itによって調整できる。さらに、イオンビー
ム3が通過するドリフト領域のイオン光学軸付近の電子
密度はコイル10によって発生する外部磁場LXの太き
さによって制御できる。減速・集束レンズ6の電極板6
3は正にバイアスされているため、ドリフト領域の電子
の一部は減速・集束レンズ6の内部に引き込まれ、この
領域のイオンビーム3の空間電荷効果を低減する。また
、電子の一部はアパーチャ9の孔から試料11にも流入
し、アパーチャ9と試料11との間のイオンビーム3の
空間電荷効果を低減する。また、電子によるイオン自体
の中性化を防ぐため、フィラメント15のバイアス電圧
■、は10V以上で使用されている。なぜならば、電子
かイオンに結合する確率(中性化確率)は電子のエネル
ギーか数eVの低い値の場合に高いからである。たたし
、イオンビーム3を中性化した原子ビームあるいは分子
ビームを必要とする場合にはこの限りではない。
The optimum electron density for shielding the space charge effect is adjusted as follows. The filament 15 is connected to the grid 1 at ground potential.
6, it is biased to a negative potential ■f. The number of electrons injected into the drift region can be adjusted by bias voltage V and filament current It. Furthermore, the electron density near the ion optical axis in the drift region through which the ion beam 3 passes can be controlled by the thickness of the external magnetic field LX generated by the coil 10. Electrode plate 6 of deceleration/focusing lens 6
3 is positively biased, some of the electrons in the drift region are drawn inside the deceleration and focusing lens 6, reducing the space charge effect of the ion beam 3 in this region. Further, some of the electrons also flow into the sample 11 through the hole of the aperture 9, reducing the space charge effect of the ion beam 3 between the aperture 9 and the sample 11. Further, in order to prevent neutralization of the ions themselves by electrons, the bias voltage (1) of the filament 15 is set to 10 V or more. This is because the probability of an electron bonding to an ion (neutralization probability) is high when the energy of the electron is as low as several eV. However, this does not apply when an atomic beam or molecular beam in which the ion beam 3 is neutralized is required.

第3図はコイル10による磁場の大きさHoxを変化さ
せたとき、直径500μmのアパーチャ9を通過して試
料に入射したArイオンビーム電流の大きさを示してい
る。Arイオンのエネルギは]、 OOe V、フィラ
メント電流■、は50mA、バイアス電圧は20Vであ
る。試料に流入する電子の影響は補正しである。電子発
生装置7を用いない場合のArイオン電流値は、50n
△になり小さい。これば、ドリフト領域の間をイオンビ
ーム3か通過する間に空間電荷効果のためビームの径が
500μm以上に広かり、アパーチャ9を通過するイオ
ン電流値が減少するためである。電子発生装置7を用い
、1−18.を印加していくと、Arイオンビームの集
束性が改善されることによりArイオン電流値か増加す
る。H6Xが30 [Oe)のとき最大の△rイオン電
流6μAが得られた。このように、空間電荷効果を補正
することにより120倍のイオン電流を得ることができ
た。
FIG. 3 shows the magnitude of the Ar ion beam current that passes through the aperture 9 with a diameter of 500 μm and enters the sample when the magnitude of the magnetic field Hox by the coil 10 is varied. The energy of the Ar ions is OOe V, the filament current is 50 mA, and the bias voltage is 20 V. The effect of electrons flowing into the sample is corrected. The Ar ion current value when the electron generator 7 is not used is 50n
△ and small. This is because while the ion beam 3 passes between the drift regions, the diameter of the beam increases to 500 μm or more due to the space charge effect, and the value of the ion current passing through the aperture 9 decreases. Using the electron generator 7, 1-18. As the voltage is applied, the Ar ion current value increases due to the improvement of the focusing property of the Ar ion beam. When H6X was 30 [Oe], the maximum Δr ion current of 6 μA was obtained. In this way, by correcting the space charge effect, it was possible to obtain an ion current 120 times greater.

第4図は本発明の第2の実施例の主要部を説明する図で
ある。
FIG. 4 is a diagram illustrating the main parts of the second embodiment of the present invention.

本実施例は第]の実施例のコイル10をヘルムホルツコ
イル17に変えたものであって、同様の作用を持つ磁場
HoXを発生ずることができる。ヘルムホルツコイル1
7の利点は、2個のコイルの間に他の構造物、例えば、
真空容器の継目があっても、所望の大きさの均一磁場を
ドリフト空間に発生できることである。
In this embodiment, the coil 10 of the second embodiment is replaced with a Helmholtz coil 17, and a magnetic field HoX having a similar effect can be generated. helmholtz coil 1
7 has the advantage that other structures between the two coils, e.g.
Even if there are joints in the vacuum container, a uniform magnetic field of a desired magnitude can be generated in the drift space.

[発明の効果] 以上説明したように本発明は、イオンと結合する確率の
低いエネルギー領域の電子を、イオンビームの減速・集
束空間と試料の間のイオン光学軸付近に磁場で閉し込め
ることにより、空間電荷効果を低減して電流密度の高い
低速イオンビームの使用が可能になり、その結果、低損
傷のエツチングが可能になり、材料の分析や半導体の製
造に利益をもたらす効果がある。
[Effects of the Invention] As explained above, the present invention is capable of confining electrons in an energy region with a low probability of bonding with ions near the ion optical axis between the ion beam deceleration/focusing space and the sample using a magnetic field. This reduces space charge effects and allows the use of slower ion beams with higher current densities, resulting in less damaging etching, which benefits materials analysis and semiconductor manufacturing.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の低速イオン銃の第1の実施例の構成図
、第2図は第1図の電子発生装置7の構成図、第3図は
コイル10による磁場の大きさHeXを変化させたとき
、直径500μmのアパーチャ9を通過して試料に入射
したArイオンビーム電流の強さを示す図、第4図は本
発明の第2の実施例の主要部を説明する図である。 1・・・イオン源、  2・・・引き出し電極、3・・
・イオンビーム、4・・・静電レンズ、41.42.4
3・・・電極、 5・・・質量分析器、  6・・・減速・集束レンズ、
6□、62;’63・・・電極、 7・・・電子発生装置、8,9・・・アパーチャ、0・
・・コイル、   11・・・8大村、2.13.14
・・・電源、 5・・・フィラメント、 6・・・グリッド、17・・・ヘルムホルツコイル。
FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the low-speed ion gun of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of the electron generator 7 of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating the main part of the second embodiment of the present invention. 1... Ion source, 2... Extraction electrode, 3...
・Ion beam, 4... Electrostatic lens, 41.42.4
3... Electrode, 5... Mass spectrometer, 6... Deceleration/focusing lens,
6□, 62; '63...electrode, 7...electron generator, 8,9...aperture, 0.
... Coil, 11...8 Omura, 2.13.14
...power supply, 5...filament, 6...grid, 17...Helmholtz coil.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、正イオン源から引き出されたイオンを減速し、集束
して試料に照射する低速イオン銃において、 イオンビームを減速・集束させる減速・集束領域と試料
との間の空間に、イオンと結合する確率が小さいエネル
ギー領域の電子を発生させる電子発生手段と、 該電子をイオン光学軸付近に閉じ込める磁場を発生する
磁場発生手段を備えていることを特徴とする低速イオン
銃。
[Claims] 1. In a low-speed ion gun that decelerates and focuses ions extracted from a positive ion source and irradiates them onto a sample, a space between the deceleration/focusing region that decelerates and focuses the ion beam and the sample. A low-speed ion gun characterized by comprising: an electron generating means for generating electrons in an energy range where the probability of bonding with ions is low; and a magnetic field generating means for generating a magnetic field that confines the electrons near the ion optical axis.
JP26386188A 1988-10-21 1988-10-21 Low speed ion gun Pending JPH02112140A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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