JPH07198897A - 粒子線の電荷中和器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大電流イオンビ−ム等の粒子線の電荷を効率
よく中和する粒子線の電荷中和器を提供すること。 【構成】 高速の粒子線の正電荷を電子源からの電子で
中和する粒子線の電荷中和器において、電子供給源とし
て電子銃（１）を用いると共に、該電子銃（１）から発
射された電子（１１）を減速及び反射する電極（２）を
設け、該減速及び反射された電子雲中を高速の粒子線が
通過するように構成し、更に該粒子線通過経路の中心軸
付近に電子を導くための電位決定電極（５）を設け、電
子の空間密度を制御できるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造等に使うイ
オンビ−ム等の粒子線の電荷を中和する粒子線の電荷中
和器に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、この種のイオン中和器としては特開
昭５６−２８４９９号公報に開示された熱フィラメント
等からの熱電子を直接電子雲として利用したものや（図
省略）、特開昭６３−１２５０００号公報に開示された
グロ−放電を利用したものがある。図１１は特開昭６３
−１２５０００号公報に開示されたイオン中和器の構造
例を示す図である。図示するように、直流高圧電源１６
によって針状陰極１３、円筒状陽極１８間にグロ−放電
を発生させ、磁石１７によって電子に磁界を印加して電
子密度を上げた電子雲を発生させ、該電子雲の中をイオ
ンビ−ム１４を通過させて粒子線１５を発生させてい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のイオン中和器ではフィラメント付近や陰極１３付近
の電子密度が高くなり、イオンビ−ム通過部の電子密度
を高めることは困難であった。従ってイオン中和を効率
よく行うとすると、フィラメント付近や陰極１３付近に
イオンビ−ム１４を通過させねばならない。イオンビ−
ム１４がフィラメントや陰極１３の付近を通過すれば、
該フィラメントや陰極１３と衝突する機会が多くなる。
衝突すれば、スパッタリングによってイオンビ−ム１４
内にタングステンやタンタル等の不純物が混入してしま
うと云う問題がある。

【０００４】また、イオンビ−ム１４が衝突しないよう
にフィラメントや陰極１３を中心軸から離して設置した
場合、イオンビ−ム１４の中心は電荷密度が高いから電
子密度も同様のプロファイルにするのがよいが、空間電
荷効果の為に中心軸の電子密度を最大にするのは困難で
あると云う問題がある。

【０００５】また、従来の電子雲を使う方法は熱電子の
エネルギーを決定する要因はフィラメントの温度である
ため電子雲領域の電子エネルギーを制御する範囲が狭
く、かつ、制御性が悪いと云う問題もある。

【０００６】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、上記問題点を除去し、大電流イオンビ−ム等の粒子
線の電荷を効率よく中和する粒子線の電荷中和器を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願の請求項１に記載の発明は、高速の粒子線の正電荷
を電子源からの電子で中和する粒子線の電荷中和器にお
いて、図１に示すように、電子供給源として電子銃
（１）を用いると共に、該電子銃（１）から発射された
電子（１１）を減速及び反射する電極（２）を設け、該
減速及び反射された電子中で形成された電子雲中を高速
の粒子線が通過するように構成し、更に該粒子線通過経
路の中心軸付近に電子を導くための電位決定電極（５）
を設け、電子の空間密度を制御できるように構成したこ
とを特徴とする。

【０００８】また、上記請求項１に記載の発明におい
て、電位決定電極（５）に接地電位を印加することを特
徴とする。

【０００９】また、上記請求項１に記載の発明におい
て、電位決定電極（５）に正電位を印加することを特徴
とする。

【００１０】また、上記請求項１に記載の発明におい
て、電位決定電極（５）に負電位を印加することを特徴
とする。

【００１１】また、上記請求項１に記載の発明におい
て、電位決定電極（５）に高周波電圧を印加することを
特徴とする。

【００１２】また、上記請求項１に記載の発明におい
て、電子銃（１）から発射される電子に適切な磁界を印
加し、該電子の電子プロファイルが粒子線の電荷プロフ
ァイルに合うようにすることを特徴とする。

【００１３】また、上記請求項１に記載の発明におい
て、電子銃（１）から発射される電子の方向を粒子線通
過経路の中心軸からずらし、粒子線の電荷プロファイル
に合う低速電子を発射することを特徴とする。

【００１４】また、電位決定電極（５）を囲む形状で且
つ電子銃（１）と該電位決定電極（５）の間に電極
（２）を設置し、電極（１２）と電位決定電極（５）の
間の空間に電子雲を形成することを特徴とする。

【００１５】また、粒子線通過経路の周囲に低速電子を
発生する電子銃及び、反射電極を複数個設けることを特
徴とする。

【００１６】

【作用】本発明は上記構成を採用することにより、従来
のようにフィラメントからの熱電子をそのまま使用する
のと異なり、その熱フィラメントから電子を取り出して
利用する電子銃（１）を使って電子雲の状態を作り出
し、該電子雲中に粒子線を通してその電荷を中和するの
で、粒子線の通過経路に不純物が入り込むことがない
し、また中和のため多くの電子を引き出すことができ
る。

【００１７】また、電子銃（１）を使うことで多量の電
子電流が得られ、粒子線の電荷の中和効率が大幅に向上
する。特に、使用する電子銃（１）の数を多く使用すれ
ば、電子雲の密度を増やすことができるから、中和効率
が大幅に向上する。

【００１８】一般的に粒子線の粒子と電子の相対速度が
０に近いとき粒子と電子の再結合の確率が大きいという
関係がある。従来の電子雲を使用して粒子線の電荷を中
和する方法では、熱電子のエネルギーを決定する要因は
フィラメントの温度であるため、電子雲領域の電子エネ
ルギーを制御する範囲が狭く、且つ制御性が悪い。これ
に対して本発明では電極（２）の電位と電位決定電極
（５）の電位を調節することにより、粒子線のエネルギ
ーから算出される粒子速度に対応した、同じ速度の電子
を得ることが容易にでき、中和率制御性が高くなる。

【００１９】また、本発明では粒子線の通過経路中心軸
にある電位決定電極（５）を接地電位とすることで中心
軸上の電子密度をあげることができ、電位決定電極
（５）を正又は負或いは交流電位とすることで電子密度
を制御することができるから、電子線の中和効率及びそ
の制御ができる。

【００２０】従来この種の電荷中和器は空間電荷制限で
電子雲密度に制限があったが、本発明では電子雲の回り
に適当な磁場を印加し電子軌道を変えることにより、中
心軸付近の電子密度を上げることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。本実施例では粒子線の電荷中和器として、イオン
中和器を例に説明する。図１は本発明のイオン中和器
（請求項１に記載の本発明に相当する）の概略構成を示
す図（イオン通過経路に対する直交断面図）である。図
示するように、本イオン中和器は電子銃１、電極２、電
極バイアス用の電源３、電位決定電極５及びイオン通過
チャンバー７で構成される。反射電極２は円弧状でイオ
ン通過チェンバー７の外周に電子銃１と対向して配設さ
れている。電位決定電極５はイオン通過チェンバー７の
中心部に配設されている。電極２には電源３から負電圧
が印加され、電位決定電極５はア−ス４に接続されてい
る。

【００２２】図１に示す構成のイオン中和器において、
電子銃１から発射された電子１１は図２に示すように、
電極２に印加された負電位による電界により減速された
後電極２によって反射される。中和したいイオンビ−ム
は電子銃１と電極２の間の反射前の電子１１と反射後の
電子１１’で形成された電子雲の中を通過し（図面の紙
面に対して直角方向に通過）、これらの電子１１，１
１’により中和される。なお、ここで使用する電子銃１
はフィラメント熱電子を使うものでもよいし、又大電流
が得られるホロカソ−ド電子銃でもよく、電子銃の種類
はどのようなものでもよい。

【００２３】イオン中和器を図１に示すように構成する
ことにより、従来のようにフィラメントからの熱電子を
そのまま使用するのと異なり、その熱フィラメントから
電子を取り出して利用する電子銃１を使って電子１１，
１１’からなる電子雲の状態を作り出し、該電子雲中に
イオンビームを通してその電荷を中和するので、イオン
ビームの通過経路に不純物が入り込むことがないし、ま
た中和に必要な多くの電子を引き出すことができる。

【００２４】一般的にイオンビームのイオンと電子の相
対速度が０に近いとき粒子と電子の再結合の確率が大き
いという関係がある。本実施例ではイオン中和器を上記
のように構成することにより、電極２の電位と電位決定
電極５の電位を調節することにより、イオンビームのエ
ネルギーから算出されるイオン速度に対応した、同じ速
度の電子を得ることが容易で、中和率制御性が高くな
る。これに対して従来の電子雲を使用してイオンビーム
の電荷を中和する方法では、熱電子のエネルギーを決定
する要因はフィラメントの温度であるため、電子雲領域
の電子エネルギーを制御する範囲が狭く、且つ制御性が
悪い。

【００２５】上記のようにイオンビームの中心の電荷密
度が高いことから、中和効率を向上させるためには、電
子密度も同様のプロファイルにするのが良い。本実施例
ではイオンビームの通過経路中心軸にある電位決定電極
５を接地電位とすることで中心軸上の電子密度をあげる
ことができる。

【００２６】図３は本発明のイオン中和器（請求項９に
記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図である。
本イオン中和器は電子銃１及び電極２をイオン通過チェ
ンバー７の回りに複数（図では５個）設けた場合であ
る。電子銃１をこのように複数にすることにより、空間
の電子雲密度を向上させることができる。

【００２７】図４は本発明のイオン中和器（請求項３に
記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図である。
本イオン中和器は電子銃１及び電極２をイオン通過チェ
ンバー７の回りにそれぞれ３個配置した構成であり、電
位決定電極５にバイアス電圧を印加する電源６を設け、
該電源６から電位決定電極５に正電位を印加している。
このように構成することにより、電位決定電極５の回り
に電子１１が集まりやすいため、イオンビ−ム電荷分布
に合わせて電位決定電極５に電位を与え、この部分にイ
オンビ−ムを通過させれば、イオンビ−ムの中和を促進
できる。

【００２８】図５は本発明のイオン中和器（請求項４に
記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図である。
本イオン中和器が図４と相違する点は、電源６から電位
決定電極５に負電位を印加している点である。

【００２９】図６は本発明のイオン中和器（請求項５に
記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図である。
本イオン中和器は電位決定電極５に交流バイアスを印加
する高周波電源８を設け、電位決定電極５に電子軌道に
較べてイオンビ−ム軌道が影響を受けない程度の高周波
電圧を印加している。これにより高周波電位による電子
分布が高周波で変動し、電子分布が均一となる。従っ
て、この均一な電子分布の中をイオンビ−ムを通過させ
ることにより、イオンビームは均一に中和される。

【００３０】図７、図８は本発明のイオン中和器（請求
項６に記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図
で、図７はイオン通過チェンバー７に対してチェンバー
周方向に磁場９を印加して電子１１の方向を変え電子軌
道を螺旋状に変化させている。図８はイオン通過チェン
バー７に対してチャンバー軸方向に磁場１０を印加して
電子１１の方向を変え電子軌道を螺旋状に変化させてい
る。本実施例ではこのように電子雲の回りに磁場９，１
０を印加することにより、イオンビーム通過経路の中心
軸付近の電子密度を上げることができる。

【００３１】図９は本発明のイオン中和器（請求項７に
記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図である。
本イオン中和器は、電子銃１´の方向を電位決定電極５
に対して若干ずらして電子１１を入射する。この電子入
射方向が中心軸からずらすことで電子１１がイオン通過
チャンバー７で漂う時間を増やすことができる。図９の
イオン中和器に図７、図８の磁場、あるいは図６の高周
波を印加してイオン通過チャンバー７内の電子密度を高
めることにより、イオン中和を促進することができる。

【００３２】図１０は本発明のイオン中和器（請求項８
に記載の本発明に相当する）の概略構成を示す図であ
る。本イオン中和器は、イオンビーム通過経路の中心軸
の電位決定電極５の外側に接地電位のメッシュ状電極１
２を配設し、該電位決定電極５とメッシュ状電極１２を
接地電位している。これにより、電位決定電極５とメッ
シュ状電極１２の間の空間に電子１１が漂い、該電子雲
の中をイオンビームを通過させることにより、イオン中
和を促進することができる。更にこれを発展させて例え
ば電位決定電極５とメッシュ状電極１２の間に高周波電
圧を印加してその空間に電子１１を漂わせることにより
イオン通過チャンバー７内の電子密度を高めイオン中和
を促進することもできる。

【００３３】また、上記実施例において、電位決定電極
５にイオンが衝撃し不純物などの問題が生じないよう
に、電位決定電極５にはアルミ（Ａｌ）等の材料を使用
し、冷却するようにしてもよい。また、図１、図２に示
す構成を基本にイオンビーム通過経路の中心軸に電位、
あるいはイオン通過チャンバー７に磁場を印加してイオ
ン通過チャンバー７内に高密度の電子１１で電子雲を作
ることにより、大電流イオンを効率よく中和することが
出来る。

【００３４】なお、上記実施例ではイオンビームの正電
荷を中和するイオン中和器を例に説明したが、本発明は
イオンビームに限られるものではなく、広く電荷を有す
る荷電粒子線の電荷の中和に使用することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明によ
れば、下記のような優れた効果が期待される。 （１）一個又は複数個の電子銃を使用し、また磁場を印
加して中和器内の電子密度を高めることが出来るので、
例えば半導体製造等に使用されるイオンビ−ムの中和器
に用いれば中和効率を向上できる。 （２）高効率で粒子線の電荷の中和ができるから、例え
ば半導体製造装置で現在使用されている大電流イオン注
入装置に使用し、イオンの代りに中性粒子を使用する
と、現在半導体製造時に絶縁膜上に不純物注入する際起
きるチャ−ジアップの問題は一気に解決出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図２】本発明のイオン中和器の電子の移動状態を説明
するための図である。

【図３】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図４】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図５】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図６】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図７】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図８】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図９】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図であ
る。

【図１０】本発明のイオン中和器の概略構成を示す図で
ある。

【図１１】従来のイオン中和器の構造例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ 電極 ３ 電源 ４ ア−ス ５ 電位決定電極 ６ 電源 ７ イオン通過チャンバー ８ 高周波電源 ９ 磁場 １０ 磁場 １１ 電子 １２ メッシュ状電極

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速の粒子線の正電荷を電子源からの電
   子で中和する粒子線の電荷中和器において、 電子供給源として電子銃を用いると共に、該電子銃から
   発射された電子を減速及び反射する電極を設け、該減速
   及び反射された電子で形成された電子雲中を前記高速の
   粒子線が通過するように構成し、 更に該粒子線通過経路の中心軸付近に電子を導くための
   電位決定電極を設け、電子の空間密度を制御できるよう
   に構成したことを特徴とする粒子線の電荷中和器。
2. 【請求項２】 前記電位決定電極に接地電位を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の粒子線の電荷中和
   器。
3. 【請求項３】 前記電位決定電極に正電位を印加するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の粒子線の電荷中和器。
4. 【請求項４】 前記電位決定電極に負電位を印加するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の粒子線の電荷中和器。
5. 【請求項５】 前記電位決定電極に高周波電圧を印加す
   ることを特徴とする請求項１に記載の粒子線の電荷中和
   器。
6. 【請求項６】 前記電子銃から発射される電子に適切な
   磁界を印加し、該電子の電子プロファイルが前記粒子線
   の電荷プロファイルに合うようにすることを特徴とする
   請求項１に記載の粒子線の電荷中和器。
7. 【請求項７】 前記電子銃から発射される電子の方向を
   粒子線通過経路の中心軸からずらし、前記粒子線の電荷
   プロファイルに合う低速電子を発射することを特徴とす
   る請求項１に記載の粒子線の電荷中和器。
8. 【請求項８】 前記電位決定電極を囲む形状で且つ前記
   電子銃と該電位決定電極の間に電極を設置し、該電極と
   前記電位決定電極の間の空間に電子雲を形成することを
   特徴とする請求項１に記載の粒子線の電荷中和器。
9. 【請求項９】 前記粒子線の周囲に低速電子を発生する
   電子銃と、該電子銃に対向し該電子銃からの電子を減速
   ・反射させる電極を複数個設けることを特徴とする請求
   項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の粒子線の電荷
   中和器。