JPH0766767B2 - 荷電粒子装置とその集束レンズ - Google Patents

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四重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、四重極質量
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、半導体のウエ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
レンズとしては、特開昭59-40448号，特開昭62-217549
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40,42,44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59-230
246号に記載された四重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程度の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
に限界があつた。従来技術で、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
があつた。また、荷電粒子装置としても、組立作業性が
悪くなつたり、装置全体の構成が複雑になつたり、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つ
た。同様な高精度組立の問題は、高周波四重極加速器で
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、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〕

上記目的は、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複数の開口を有する集束レンズ
を設けることによって達成される。

〔作用〕

本発明によれば、複数の開口から内側電極の内部に電界
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、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の場合の本発明
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2,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1e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11eには軸に沿つて
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100
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によつて入射口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を変えることによつて検出器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、それぞれの時に検出器６で検出さ
れるイオン量によつ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1c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重筒電極によ
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14,1
5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、四重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、軸に沿つて開口を５段に配置
した場合のイオン軌道シミユレーシヨン結果である。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、ほぼ一様に軸方向に集束
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100
μｍ程度であるが、出射時の角度分布はCOS分布で、初
期エネルギーが０から数10eVまで広がつている。このた
め、一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14,15は軸に
対して対称にかつ軸に沿つて位相を90°ずつ変えながら
設けてある。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
瞰図である。電位差を与えられた外部電極内の円筒状の
内部電極11には、周に沿つて長方形の開口14,15が設け
てある。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を設けてある。開口14と1
5は、180°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。軸に沿つて位相を90°ずつ変えながら開口14,15
が設けてある内部電極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てある。電極11d,12
d,121dは互いに電気的に絶縁してある。内部電極11d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11d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が設けてある。外部電極121dの電圧を調整すること
により、内部電極11d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、四重極レンズを構
成したことに相当する。第10図は、従来の四重極レンズ
10（ａ）と本発明の電極によつて形成される四重極レン
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、単体の四重極レ
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、四重極レンズの位相を90°ずつ変えなが
ら積み重ねることによつて、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。

荷電粒子装置が四重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、本発
明の一実施例である四重極重量分析装置を示す。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、四重極質量分析器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1eで、一旦
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1mm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
持つ四重極質量分析器８へ取り込まれる。四重極質量分
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
は四重極質量分析装置８に印加する高周波の周波数を変
えることによつて、質量を選択でき、検出器に流れる電
流によつ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11dには多数の開口14が設けてなり、電位差を
与えられた内部電極11dと外部電極12dは、ビーム進行方
向に狭くなつている。この結果、四重極質量分析器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。従つて外部電極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、
進行方向に沿つ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
よつても可能である。

従つて、この減速集束レンズを用いれば、四重極質量分
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2,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2,選択部５の動作は第１図の場合と同
じてある。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エハ
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,加速用集束レンズ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
リツトがある。

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,122a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、同じ高周波電源34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Ｌは、次式で与える。

Ｌ＝v/f …（１） ここで、ｖ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
シミユレーシヨン結果を示す図、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図の
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図は従来例と本発明の集束レンズの四重極レンズの
作用の説明図、第11図は荷電粒子装置が四重極質量分析
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、14,15……開
口。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   複数の開口を有するレンズであって、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って複数個設け
   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電荷粒子装置。
4. 【請求項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
   る荷電粒子装置。
9. 【請求項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集束させる集束レンズと、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. 【請求項１０】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。
11. 【請求項１１】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って複数の開口を
    設け、前記開口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。
12. 【請求項１２】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って、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100eV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。
13. 【請求項１３】請求項11において、 筒の径を出射側にいくに伴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。
14. 【請求項１４】請求項12において、 軸方向に沿って開口面積を変化させることによって減速
    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。
15. 【請求項１５】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複数の開口を有するレンズであっ
    て、開口から浸透した電界が出口側にいくほどイオンを
    加速するように構成され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。
16. 【請求項１６】請求項15において、 外側電極に高周波電圧を印加することによりイオンを加
    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
    込装置。
17. 【請求項１７】軸方向及び周方向に沿って一定の間隔で
    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装置。
18. 【請求項１８】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複数の
    開口を有することを特徴とする集束レンズ。
19. 【請求項１９】請求項18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。
20. 【請求項２０】請求項19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。
21. 【請求項２１】電界が内部に浸透する浸透箇所を有する
    内部電極と、前記内部電極の外側に設けた外部電極と、
    前記両電極に電位を与える手段とを備えたことを特徴と
    する集束レンズ。