JPH0278143A - 荷電粒子装置とその集束レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イオン打込み装置や両電極質量分析装置など
の荷電粒子装置に係わり、特に組立作業性がよく、構造
の簡単な若しくは感度の高い荷電粒子装置あるいは荷電
粒子ビームを集束又は加減速するのに好適な集束レンズ
に関する。

〔従来の技術〕

荷電粒子装置としては、イオン打込み装置、両電極質量
分析装置又は二次イオン質量分析装置などがある。これ
らには、半専体のウェハなどに打込むためのイオンや分
析対象から発生するイオンなどの荷電粒子を集束又は加
減速するための集束レンズが使われている。従来の集束
レンズとじては、特開昭５９−４０４４８号、特開昭６
２−２１７５４９号に記載のような平行平板電極を多段
に組合せた静電レンズが良く用いられている。第１５図
は従来の静電レンズを模式的に示した横断面図である。

平行平板の中心部にビームの通る孔を有する５枚の電極
４０，４１，４２，４３，４４を組合せ、電極４０，４
２．４４は接地し、電極４１．４３は電源３３に接続し
正または負の高電圧を印加する。

これにより、二段のアインツエルレンズを形成する。ま
た、特開昭５９−２３０２４６号に記載された両電極質
量分析装置ではイオン源と分析器との間に引出電極を数
段に組合せた減速ズームレンズを配置し、数ｅＶ径程度
低エネルギーイオンビームを得ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記各従来技術は、点光源から出射されたビ
ームや平行ビームなどの良質のビームに対しては、良好
な集束性能を示すが、面光源から出射される角度分散及
びエネルギー分散の大きなビームに対しては、集束性能
に限界があった。従来技術で１面光源から良質の荷電粒
子ビームを得るには、荷電粒子ビームの通過する位置の
違いにより発生する球面収差を低減するためにビームの
通る孔径をビーム径の数倍にし、また、荷電粒子エネル
ギーの違いにより発生する色収差を低減するための電極
枚数を増加する必要がある。しかし、この場合、電極系
が大型化する上、組立に伴う軸ずれによる性能劣化を防
止するため、高精度な組立が不可欠であるという問題点
があった。また、荷電粒子装置としても１組立作業性が
悪くなったり、装置全体の構成が複雑になったり、分析
装置としての性能が低下したりするという問題点があっ
た。同様な高精度組立の問題は、高周波四重横加速器で
も発生している。

本発明の第１の目的は、組立作業性が良い荷電粒子装置
を提供することにある。

本発明の第２の目的は、装置構造の簡単な荷電粒子装置
を提供することにある。

本発明の第３の目的は１分析装置の性能を向上すること
にある。

本発明の第４の目的は、イオン源から引出す荷電粒子ビ
ームを低収差で集束が可能で、かつ組立てが容易な集束
レンズを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的は、電極を同軸状に多重に組み込んだ筒状に
し、少なくとも内側の電極に側面に開口を有する集束レ
ンズを設けることで達成される。

〔作用〕

上述した開口を周方向及び軸方向に沿って複数個設けれ
ば、その開口部により内側の電極内部に電界が浸透する
。この浸透した電界によって、荷電粒子ビームが電極を
進行中につぎつぎと集束方向に作用を受ける。色収差を
低減するために軸方向の長さを多少長く（従来技術の電
極枚数を多くすることに相当）しても、外側及び内側の
電極を一体に製作できるので構造が簡単で、組立作業性
がよく、あるいは従来の静電レンズのように電極間の位
置づれなどによる荷電粒子装置としての性能劣化はなく
なる。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を図面に用いて説明する。

荷電粒子装置が二次イオン質量分析装置場合の本発明の
一実施例を第１図から第１０図を用いて説明する。第１
図は、本発明の二次イオン質量分析装置を示す。二次イ
オン質量分析装置は、大別してイオン源２２選択部５．
検出器６及び制御部７から構成される。イオン源２は、
一次イオン照射部２１．シールド電極２２及び本発明の
特徴である収束レンズの１形態である引出収束レンズ１
ｅから構成される。第２図に、シールド電極２２と引出
収束レンズ１ｅの詳細図を示す。引出収束レンズ１ｅは
、内部電極１１ｅと外部電極１２ｅからなり、両者には
一定の電位が与えられている。外部電極１２ｅは、シー
ルド電極２２と電気的及び物理的に接合されている。内
部電極ｌｉｅには軸に沿って位相を９０°ずつ変えなが
ら開口１４．１５が設けてあり、絶縁体１３を介して外
部電極１２ｅに固定されている。

次に、本実施例の動作を説明をする。検査する試料１０
０に、一次イオン照射部２１から出射された一次イオン
ビーム４を照射すると、試料の成分に応じた二次イオン
３１が出射される。二次イオン３１は、引出、収束レン
ズ１ｅにより形成された引出し電位分布１６によって入
射口１９に引出され、内部電極内に発生した電界の集束
作用を受けて２次イオンビーム３を形成する。二次イオ
ンビーム３は、選択部５に入射し、選択部５内の分離用
磁石５１の磁場の強さＢに偏向され、磁場の強さＢに適
合した質量を持つイオンのみが検出器６に入射される。

すなわ・ち、分離用磁石５１の磁場の強さＢを変えるこ
とによって検出器６に入射される質量の大きさを変える
ことができるから、二次イオン分析装置は制御部７で、
分離用磁石５１の磁場の強さＢを徐々に変え、それぞれ
その時に検出器６で検出されるイオン量によってその質
量の量を知り、質量分析を行なう。

次に、本発明の特徴である集束レンズの作用について説
明する。第３図は、引出集束レンズＩＣのうち集束作用
する構成のみを抽出した集束レンズ１の第１の実施例を
示す。第３図（ａ）、（ｂ）は、同軸状の２型筒電極に
より構成したレンズ系の横断面図（ａ）と縦断面図（ｂ
）である。内部電極１１と外部電極１２とを電気的に絶
縁し、内部電極１１には、前述したように軸方向及び周
方向に複数の開口１４．１５を設ける。外部電極１２に
電源３０を接続し、内部電極１１との間に電位差を持た
せると、開口１４．１５を通して電界が内部電極１１の
内部へ浸透する。

第４図は、浸透した電界の集束作用を説明する横断面図
である。開口１４より浸透した電界は。

等電位線１７のような分布となり、両電極レンズ、を形
成することからイオンビーム３を軸上に集束させること
になる。

第５図（ａ）、（ｂ）は、軸に沿って開口を５段に配置
した場合のイオン軌道シミュレーション結果である。左
端より入射するイオンは初期エネルギーが２ｋｅＶで、
正の素電荷を持つとした。内部電極１１は接地とし、外
部電極１２には、（ａ）の場合１ｋＶ、また（ｂ）の場
合２ｋＶを印加している。イオンビーム３は、はぼ−様
に軸方向に集束している。

第２図で説明した二次イオンの出射される範囲は数１０
０μｍ程度であるが、出射時の角度分布はＣＯ８分布で
、初期エネルギーがＯから数１０ｅＶまで広がっている
。このため、−段のアインツエルレンズでは色収差や球
面収差が大きく収率が大幅に劣化する。これに対し本発
明の集束レンズを用いれば角度及びエネルギー分散が大
きい場合にも二次イオンを十分に集束でき、選択部５に
入射する二次イオンの量を多くできる。その結果、二次
イオン質量分析装置の感度、すなわち性能を向上させる
ことができる。また、少数個の電極で多数個のレンズを
形成できるため集束レンズの構造も簡単になる。更に、
内部電極と外部電極を一体化して製作できるので、二次
イオン質量分析装置への組立作業性が向上する。

第６図は、本発明の集束レンズの第２の実施例を示す。

電位差を与えられている外部電極と内部電極が存在し、
内部電極１１を角筒により製作する。電極１１の材質は
通常ステンレス、銅、アルミニウムであるが、ビームが
当ると予想される場合には、高融点金属であるタンタル
またはタングステンを用いる。第６図でも開口１４．ｉ
５は軸に対して対称にかつ軸に沿って位相を９０’ずつ
変えながら設けである。切り込みの深さを調整すること
により開口の面積が変えられる。本実施例でも、本発明
の集束レンズの第１の実施例と同様な効果が得られる。

第７図は、本発明の集束レンズの第３の実施例を示す鳥
＋ｍ図である。電位差を与えられた外部型　　−極内の
円筒状の内部電極１１には１周に沿って長方形の開口１
４．１５が設けである。この開口は、９０”ずつ位相が
回転しており、荷電粒子ビームの進行方向に対して、開
口の面積が増加している。

これは、ビームの進行とともに中心軸付近にビームが集
束されるのにあわせて電界を中心軸付近まで浸透させる
ためである。この結果、より荷電粒子ビームの集束性を
高めることができる。

第８図は、本発明の集束レンズの第４の実施例を示す横
断面図である。電位差を与えられた外部電極内の内部電
極１１には、螺旋状に開口１４゜１５を設けである。開
口１４と１５は、１８０６だけ位相がずれているので、
ある開口と軸に関して対称な位置には必ず開口が存在す
る。ビームの集束方向が、ビームの進行とともに回転す
るので、断面が均一な円形状の集束ビームが得られる。

第９図は、本発明集束レンズの第５の実施例を示す図で
ある。軸に沿って位相を９０゛ずつ変えながら開口１４
．１５が設けである内部電極１１ａを同軸上に取り囲む
外部電極を１２ｄ及び１２１ｄの複数の筒で構成しであ
る。ｆ１１極ｌｉｄ、１２ｄ。

１２１ｄは互いに電気的に絶縁しである。内部電極ｌｉ
ｄは接地し、外部電極１２ｄ及び１２１ｄにはそれぞれ
電源３１．３２が接続されている。

内部電極ｌｉｄに設けた開口１４．１５のうち。

特定の開口を選んで、その外側の外部電極１２ｄに開口
１８が設けである。外部電極１２１ｄの電圧を調整する
ことにより、内部電極ｌｉｄの中に浸透する電界が調整
できる。本実施例では、外部電極１２ｄを筒状の外部電
極１２１ｄで取り囲んだが、開口１８の外側の開口１８
と同じ程度の面積を持つ平板電極を設置してもよい。

以上の集束レンズの多くでは、内部電極１１の開口１４
，１５が周方向に９０°ずつ位相をづらして設けられて
いるが必ずしも９０’ずつ位相をづらして設けなくても
よい。なお、９０’ずつ位相をづらした場合は、両電極
レンズを構成したことに相当する。第１０図は、従来の
両電極レンズ１０　（ａ）と本発明の電極によって形成
される両電極レンズ（ｂ）の縦断面図である。四重極電
極４５と互いに対向する電極を一対として、電圧を印加
することにより、鞍形の電位分布１７を形成する。この
ため、単体の両電極レンズは、ビームの飛行方向と直角
な一方向にのみ集束作用があるから、両電極レンズの位
相を９０°ずつ変えながら積み重ねることによって、二
方向の集束が実現できる。

ところで、（ａ）の四重極電極４５を波状に加工し、高
周波電圧を印加することにより、荷電粒子ビームを加速
できる。本発明の（ｂ）の場合でも、外部電極２に高周
波電圧を印加することにより、荷電粒子ビームが加速で
きる。

荷電粒子装置が両電極質量分析装置の本発明の一実施例
を第１１図及び第１２図を用いて説明する。第１１図は
０本発明の一実施例である両電極重量分析装置を示す２
四重極質量分析装置は、第１図に示したイオン源２と減
速集束レンズ１ｄ、両電極質量分析器８．検出器６及び
制御部７から構成されている。イオン源２にて生成した
二次イオン３は、加速用として用いた引出集束レンズ１
ｅで、−旦数１００ｅＶ〜数ＫｅＶまで加速された二次
イオンビーム３になる。数１００ｅＶ〜数ＫｅＶで減速
集束レンズ１ｄに入射した二次イオンビーム３は、減速
集束レンズ１ｄ内で数１０ｅＶまで減速されるとともに
集束されて、ビーム径がｌｏｗ以下の細いビームとなり
、高透過率で四重レンズと同様な構造を持つ両電極質量
分析器８へ取り込まれる。両電極質量分析器内には高周
波電界が印加されており、入射した二次イオンビーム３
のうちこの高周波に選択された質量をもつイオンのみが
検出器６に入射する。そこで、制御部７は両電極質量分
析装置８に印加する高周波の周波数を変えることによっ
て、質量を選択でき、検出器に流れる電流によってその
量を検出できる。

第１２図は、減速集束レンズの一実施例を示す図である
。内部電極ｌｉｄには多数の開口１４が設けてあり、電
位差を与えられた内部型１１１ｄと外部電極１２ｄは、
ビーム進行方向に狭くなっている。この結果、両電極質
量分析器８側に行く程、内部に電界が生成されるので、
第１２図の破線に示す様な等電位線が形成される。従っ
て外部電極１２ｄにビームを減速するような電圧を印加
することにより、進行方向に沿ってビームを集束しなが
ら減速するような電界が形成できる。減速集束レンズの
他の実施例としては、第７図に示すように開口面積を徐
々に変えることによっても可能である。

従って、この減速集束レンズを用いれば、両電極質量分
析器の高感度化、高分解能化に不可欠な低エネルギーで
角度分散の小さい集束ビームが得られる。本実施例にお
いても装置への組立作業性等の効果は二次イオン分析装
置の場合と同様に得られる。

荷電粒子装置がイオン打込装置の場合の本発明の一実施
例を第１３図及び第１４図を用いて説明する。第１３図
は、本発明の一実施例である半導体用高エネルギーイオ
ン打込装置を示す。本イオン打込装置は、第１図に示す
イオン源２２選択部５、加速用集束レンズ″１ａ及び打
込室９から構成される。イオン源２２選択部５の動作は
第１図の場合と同じである。選択部５から出射される二
次イオンビーム３は、加速用集束レンズ１ａで加速され
、加速されたイオンは、打込室９内の回転円盤９１上に
置かれた半導体ウェハに打込まれる。

本構成のイオン打ち込み装置では、イオン源２゜選択部
５．加加速用束レンズ１ａ及び打込室９を接地電位に保
てるので、絶縁や感電の問題が無くなる等のメリットが
ある。

第１４図（ａ）、（ｂ）は、本発明の加速用集束レンズ
１の実施例を示す図で、第１４図（ａ）は横断面図、第
１４図（ｂ）は縦断面図である。内部電極１１ａは、角
筒を用いて作成している。内部電極１１ａの対向する面
には長方形の開口１４゜１５が設けられている。各面の
外側には、棒状の四重極電極状の外部電極１２１ａ、１
２２ａが設けられており、対向している軸方向の開口の
位置が同じ外部電極同士には、同じ高周波型′ｇ３４が
接続されている。二次イオンビーム３が入射された時に
そのイオンが波乗りの様に加速される位相でこの高周波
電源の高周波を印加する。また、各開口部を通過させる
時間を一定にするために、内部電極１１ａの開口の間隔
りは、次式で与える。

Ｌ＝ｖ／ｆ　　　　　　　　　　　　・・・（１）ここ
で、■は荷電粒子の速度、ｆは高周波電圧３４の周波数
である。本加速用集束レンズを用いれば、左端より入射
した荷電粒子ビームを加速できる。

この加速用集束レンズは、５つの部品から成り、組立が
容易であり、イオン打込み装置の構造を簡単にできる効
果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、荷電粒子装置の収束レンズとして
電極を同軸状に多重に組み込んだ筒状にし、少なくとも
内側の電極に開口を有する集束レンズを用いることで以
下に記載する効果を奏する。

内部電極と外部電極を一体化して製作できるので組立作
業性が良い荷電粒子装置を提供することができる。

また、少数個の電極で従来の多数個で形成されるレンズ
を生成できるので装置構造の簡単な荷電粒子装置を提供
できる。

さらに、イオンビームの利用率が高くその結果分析装置
の性能の向上、特に感度の向上を図ることができる。

また、従来のような電極間の位置ずれによる性能劣化の
ない荷電粒子装置を提供できる。

最後に、イオン源から引出す荷電粒子ビームを低収差で
集束が可能で、かつ組立が容易な集束レンズを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は荷電粒子装置が二次イオン質量分析装置の場合
の本発明の一実施例を示す図、第２図はシールド電極と
引出集束レンズの詳細図、第３図は集束レンズの第１の
実施例を示す図、第４図は本発明の集束レンズの集束作
用の説明図、第５図は本発明の集束レンズの集束作用の
シミュレーション結果を示す図、第６図は集束レンズの
第２の実施例を示す図、第７図は集束レンズの第３の実
施例を示す図、第８図は集束レンズの第４の実施例を示
す図、第９図は集束レンズの第５の実施例を示す図、第
１０図（ａ）、（ｂ）は各々従来例と本発明の集束レン
ズの両電極レンズの作用の説明図、第１１図は荷電粒子
装置が両電極質量分析装置の場合の本発明の一実施例を
示す図、第１２図は減速集束レンズの一実施例を示す図
、第１３図は荷電粒子装置がイオン打込装置の場合の本
発明の一実施例を示す図、第１４図は加速用集束レンズ
の一実施例を示す図、第１５図は従来の集束レンズを示
す図である。 １・・・集束レンズ、２・・・イオン源、３，４・・・
イオンビーム、１１・・・内部電極、１２・・・外部電
極、１４゜第２図 １３・・・・・・・・・絶縁体 第３図（ａ） 第３図（ｂ） ３０・・・・・・・・可変電源 第４図 １７・・・・・・等電位線 第６図 第７図 第８図 第９図（ａ） １２ｄ、　１２１ｄ・・・・・・外部電極３１．３２・
・・・・・・旧・・可変電源第９図（ｂ） 第１０図 ４５・・・四重極電極 第１１図 １ｄ・・・減速集束レンズ ８・・・四重極質量分析器 第１２図（ａ） 第１２図（ｂ） 第１３図 １ａ・・・加速集束レンズ ３４・・・高周波電源 ９・・・打入室 ９１・・・回転円盤 ２００・・・半導体ウェハ 第１４図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷電粒子を発生させる手段と、同軸状に多重に組込
   んだ筒状電極を有し、少なくとも内側の電極に開口を複
   数個設け、前記荷電粒子を集束させる集束レンズとを有
   することを特徴とする荷電粒子装置。 ２、請求項１において、 前記開口を電極の周方向及び軸方向に沿つて複数個設け
   た集束レンズを有することを特徴とする荷電粒子装置。 ３、請求項１において、 筒の軸に対して対称な位置にある開口対を複数設けた集
   束レンズを有することを特徴とする荷電粒子装置。 ４、請求項１において、 筒の軸方向に開口面積を変化させた集束レンズを有する
   ことを特徴とする荷電粒子装置。５、請求項１において
   、 筒の軸方向に開口ピッチを変化させた集束レンズを有す
   ることを特徴とする荷電粒子装置。 ６、請求項１において、 荷電粒子装置を二次イオン質量分析装置としたことを特
   徴とする荷電粒子装置。 ７、請求項１において、 荷電粒子装置を四重極質量分析装置としたことを特徴と
   する荷電粒子装置。 ８、請求項１において、 荷電粒子装置をイオン打込み装置としたことを特徴とす
   る荷電粒子発生装置。 ９、一次イオンを発生させ、発生した一次イオンを試料
   に照射するイオン照射部と、中空な内部電極と前記内部
   電極の外側に置かれた外部電極と、前記両電極に電位を
   与え、前記内部電極に設けた電界の浸透箇所から前記電
   極内部に浸透した電界により試料から発生する二次イオ
   ンを引出し収束させる収束レンズと、二次イオンの質量
   を選択する選択部と、二次イオンの電荷量を検出する検
   出部とを有することを特徴とする二次イオン質量分析装
   置。 １０、高エネルギーの荷電粒子を試料に照射し、同軸状
   に多重に組込んだ筒状電極を有し、少なくとも内側の電
   極の同方向及び軸方向に沿つて複数の開口を有する集束
   レンズで、試料から発生した二次イオンを引出し、集束
   せさ、二次イオンの質量を分析することを特徴とする二
   次イオン質量分析装置。 １１、同軸状に多重に組込んだ筒状電極を有し、内側電
   極と外側電極に電位差を与え、最も内側の電極内部に電
   界を浸透させ、かつ軸方向にイオンを減速させるように
   電界を発生させる集束レンズでイオン減速させ、四重極
   質量分析器に入射させることを特徴とする四重極質量分
   析装置。 １２、回転状に２重に組込んだ筒状電極を有し、内部電
   極の周方向及び軸方向に沿つて複数の開口を設け、前記
   開口部から内部電極の内部に電界を浸透させ、かつ軸方
   向にイオンを減速させるように電界を発生させる集束レ
   ンズを有することを特徴とする四重極質量分析装置。 １３、同軸状に２重に組込んだ筒状電極を有し、内部電
   極内に電界を浸透させることによつて、軸方向にイオン
   の減速電界を発生させ、高エネルギーイオンを１００ｅ
   Ｖ以下に減速して四重極質量分析器に入射させることを
   特徴とする四重極質量分析装置。 １４、請求項１２において、 筒の径を出射側に行くにしたがい小径にすることにより
   減速電界を発生させることを特徴とする四重極質量分析
   装置。 １５、請求項１３において、 軸方向に沿つて開口面積を変化させることによつて減速
   電界を発生させることを特徴とする四重極質量分析装置
   。 １６、同軸状に多重に組込んだ筒状電極を有し、少なく
   とも内側電極に多数の開口部を設け、開口部から浸透さ
   せる電界を出口側に行く程イオンを加速させるようにす
   る集束レンズを有することを特徴とするイオン打込装置
   。 １７、請求項１６において、 多側電極に高周波電圧に印加することによりイオン加速
   させる集束レンズを有することを特徴とするイオン打込
   み装置。 １８、軸方向及び周方向に沿つて一定の間隔で設けられ
   た開口を有する筒状の内部電極と、内部電極の開口に対
   向するように設けられた外部電極とを有し、対向してい
   る軸方向の開口の間隔が同じ外部電極同士には同位相の
   高周波電圧を印加した集束レンズでイオンを加速するこ
   とを特徴とするイオン打込み装置。 １９、同軸状に多重に組込んだ筒状電極を有し、少なく
   とも内側の電極の周方向及び軸方向に少なくとも複数の
   開口を有することを特徴とする集束レンズ。 ２０、請求項１９において、 筒の軸に対して対称な位置にある開口対を複数有するこ
   とを特徴とする集束レンズ。 ２１、請求項２０において、 周方向に互いに１８０°の位置に前記開口を設け、かつ
   軸方向に隣接する開口が９０°ずれたことを特徴とする
   集束レンズ。 ２２、中空な内部電極と、前記内部電極の外側に置かれ
   た外部電極と、前記両電極に電位を与える手段と前記内
   部電極に設けた電界の浸透個所からなることを特徴とす
   る集束レンズ。