JPH117912A - イオン照射装置、及びイオンビーム径測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料の二次電子放出係数を正確に求めることが
できるイオン照射装置を提供する。 【解決手段】このイオン照射装置は、イオン源から引き
出したイオンビームを測定チャンバー４０内の試料４３
に照射し、発生した二次電子電流量を測定する。測定チ
ャンバー４０内には直線駆動軸１１と導電板２とを有す
るイオン収集装置１が配置されており、導電板２は、試
料４３に近接した状態でイオンビームの軌道上を横断で
きるように構成されている。導電板２を移動させながら
イオン電流量を測定すると、イオンビームの有効径を求
めることができる。従って、試料４３の二次電子放出係
数を正確に求めることが可能となる。イオン収集装置１
に金属ブラシ３を設け、試料４３表面のチャージアップ
を解消させてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン照射装置の技
術分野にかかり、特に、試料表面の分析に用いる低エネ
ルギーイオン照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン照射装置は、所望元素を含むガス
をプラズマ化し、イオンビームとして引き出して処理対
象物に照射する装置であり、例えば半導体基板への不純
物注入や基板表面のエッチングの他、試料表面の分析に
も用いられている。

【０００３】図３の符号１０２は、従来技術の低エネル
ギーイオン照射装置であり、イオン源１１０、真空槽１
１７、試料チャンバー１４０を有している。

【０００４】イオン源１１０は、金属製の円筒容器から
成るプラズマ源１１１と、有機物若しくはセラミックか
ら成る絶縁円筒１１２と、高融点金属で構成された引き
出し電極１１３とを有している。プラズマ源１１１は、
絶縁円筒１１２を介して真空槽１１７に取り付けられて
いる。

【０００５】プラズマ源１１１の底部には導波管１１５
の一端が接続され、他端にはマイクロ波発振器１１４が
接続されており、真空槽１１７外に配置されたガス導入
系１６０からプラズマ源１１１内に、プローブイオンの
元となる材料ガスを導入し、マイクロ波発振器１１４を
動作させると、プラズマ源１１１内に材料ガスのプラズ
マが生成されるように構成されている。

【０００６】プラズマ源１１１の前面近傍には、引き出
し電極１１３が設けられており、引き出し電極１１３に
負電圧を印加すると、プラズマ源１１１内で生成された
プラズマ中から正電荷を有するイオン粒子がイオンビー
ムとなって引き出され、真空槽１１７内で、引き出し電
極１１３の後方に配置されたコンデンサーレンズ１１８
内に照射される。

【０００７】コンデンサレンズ１１８には電圧が印加さ
れ、内部には所定強度の電界が形成されており、通過す
るイオンビームはコンデンサレンズ１１８内で収束さ
れ、後方に向けて照射される。

【０００８】コンデンサレンズ１１８の後方位置には、
電磁石とコンデンサとから成るウィーンフィルタ１２１
が設けられており、互いに直交する電界と磁界とが形成
されている。

【０００９】入射したイオンビームがウィーンフィルタ
１２１内を通過する際には、イオンビーム中のイオン種
のうち、ウィーンフィルタ１２１内の電界強度と磁界強
度に応じた電荷・質量比のイオン種だけが通過でき、他
のイオン種は壁面に衝突するので、電界強度と磁界強度
を調節することで、イオンビーム中から所望のイオン種
を分離することができる。

【００１０】ウィーンフィルタ１２１の後方には、偏向
電極１３１が配置されており、ウィーンフィルタ１２１
を通過したイオンビームは、その偏向電極１３１に入射
する。

【００１１】偏向電極１３１は、所定間隔を隔てて配置
された２枚の金属板で構成されており、一方の金属板の
先端が外側に向けて曲げられ、後方が広がるようにされ
ている。その一方の金属板に負電圧、他方の金属板に正
電圧を印加すると、偏向電極１３１内に入射したイオン
ビーム中の正電荷のイオン粒子は、負電圧が印加された
方の金属板に向けて曲げられる。このとき、イオンビー
ム中に混入している中性ガス粒子は、偏向電極１３１で
は曲げられず、直進して真空槽１１７の壁面に衝突す
る。

【００１２】偏向電極１３１の後方には、円盤状に成形
され、周辺部分を真空槽１３４の内壁に固定された電極
１３２が配置されており、電極１３２の中央のイオンビ
ーム軌道上の位置にはオリフィス１３７が設けられてい
る。

【００１３】コンデンサレンズ１１８は、イオンビーム
がオリフィス１３７上で焦点を結ぶように収束させてお
り、偏向電極１３１から入射したイオンビームの大半は
オリフィス１３７を通過して、後方位置の測定チャンバ
ー１４０内に照射される。

【００１４】電極１３２の前方には、真空槽１１７、１
３４外に配置された真空排気系１７０が接続されてお
り、オリフィス１３７を通過できなかったイオン粒子
や、直進し、真空槽１１７壁面に取り付けられたカップ
形状のビームダンパー１３６に衝突した中性粒子等の残
留ガス粒子は、真空排気系１７０によって真空排気さ
れ、オリフィス１３７の後方に侵入しないように構成さ
れている。

【００１５】オリフィス１３７後方位置の測定チャンバ
ー１４０は、絶縁体１３８を介して真空槽１３４に接続
されており、その測定チャンバー１４０内には、減速電
極１４１が設けられている。

【００１６】減速電極１４１には、引き出し電極１１３
に対して正電圧が印加され、電界が形成されており、測
定チャンバー１４０内に入射したイオンビームは、減速
電極１４１を通過する際に減速され、後方に配置された
コリメータ１４８に入射する。そのコリメータ１４８を
通過したイオンビームは、試料台１４２上に設けられた
円筒形形状のファラデーケージ１４４内に入射する。

【００１７】ファラデーケージ１４４は、後方位置にあ
る試料台１４２に絶縁した状態で固定されており、イオ
ンビーム軌道上に位置する試料台１４２表面部分には、
測定対象物である試料１４３が配置されている。

【００１８】測定チャンバー１４０内は高真空状態にさ
れており、ファラデーケージ１４４を通過したイオンビ
ームは、その試料１４３に照射されると、図４に示すよ
うに、試料１４３表面から二次電子ｅ^-が発生する。

【００１９】このとき、ファラデーケージ１４４には正
電圧が印加されており、試料１４３表面から発生した二
次電子ｅ^-はファラデーケージ１４４によって効率よく
捕集される。

【００２０】試料台１４２とファラデーケージ１４４に
は、電流計１５１、１５２がそれぞれ接続されており、
試料１４３にイオンビームが照射されたときに発生する
イオン電流Ｉ_ionは、試料台１４２を介して電流計１５
１を通ってグラウンドに向けて流れ、他方、ファラデー
ケージ１４４が捕集した二次次電子ｅ^-によって発生し
た二次電子電流Ｉ_seは、ファラデーケージ１４４から試
料１４３に流れる際に、ファラデーケージ１４４に接続
された電流計１５２を通る。

【００２１】従って、試料台１４２に接続された電流計
１５１には、二次電子電流Ｉ_seとイオン電流Ｉ_ionを合
計した量の電流が流れるのに対し、ファラデーケージ１
４４に接続された電流計１５２には、二次電子電流Ｉ_se
だけが流れるので、試料台１４２に接続された電流計１
５１が示す電流値をＩ_M1とし、ファラデーケージ１４４
に接続された電流計１５２の示す電流値をＩ_M2とする
と、 Ｉ_M1 ＝ Ｉ_ion＋Ｉ_se ……(３) Ｉ_M2 ＝ −Ｉ_se ……(４) となる(電流計１５２ではＩ_seはマイナスで計測され
る)。

【００２２】このように、二次電子電流Ｉ_seの値は電流
値Ｉ_M2から直接求めることができ、イオン電流Ｉ_ionは
Ｉ_M1＋Ｉ_M2を計算して求めることができるので、−Ｉ_se
／Ｉ_{i on}(二次電子放出比)を求め、試料１４３の二次電
子放出能力を評価をすることが可能となっている。

【００２３】なお、符号１４９はファラデーカップを示
しており、そのファラデーカップ１４９をイオンビーム
軌道上に置いた場合には、コリメータ１４８に入射する
イオンビーム量を測定することができる。他方、イオン
ビーム軌道上から退避させた場合には、上述のように、
試料１４３にイオンビームを入射させられるようになっ
ている。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな構成のイオン照射装置１０２では、試料１４３に照
射されたイオンビーム径が分からないため、試料１４３
の単位表面積当たりの二次電子電流Ｉ_seの発生量が不明
であり、試料１４３の二次電子放出比(イオンビームの
照射面積をＳとした場合はＩ_se／Ｓ)を求めることがで
きない。

【００２５】本発明は上記のような従来技術の不都合を
解決するために創作されたもので、その目的は、試料の
二次電子放出比を正確に求めることができるイオン照射
装置を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明装置は、イオン源と測定チャン
バーとを有し、前記イオン源から引き出したイオンビー
ムを前記測定チャンバー内に配置された試料に照射し、
前記試料表面から発生した二次電子の電流量を測定でき
るように構成されたイオン照射装置であって、前記測定
チャンバー内には直線駆動軸と導電板とを有するイオン
収集装置が配置され、前記導電板は、前記試料に近接し
た状態で前記イオンビームの軌道上を横断できるように
構成されたことを特徴とする。

【００２７】この場合、請求項２記載の発明装置のよう
に、前記試料上にはファラデーケージを設け、前記導電
板を前記ファラデーケージと前記試料との間に挿入して
前記イオンビームの軌道上を横断させるように構成する
ことができる。

【００２８】また、請求項３記載の発明装置のように、
前記イオンビーム収集装置に、前記試料と接触可能な導
電性の接触部を設けることもできる。

【００２９】他方、請求項４記載の発明方法は、イオン
ビーム径測定方法であって、測定チャンバー内に配置さ
れた導電板を試料に近接して移動させながらイオンビー
ムを照射し、前記導電板に流れるイオン電流量と前記導
電板の移動量とから、前記イオンビームの径を求めるこ
とを特徴とする。

【００３０】上述した本発明の構成によれば、イオン源
から引き出したイオンビームを測定チャンバー内に配置
された試料に照射し、試料表面から発生した二次電子の
電流量を測定できるように構成されていおり、その電流
量の大きさとイオンビーム電流の大きさから、試料の二
次電子放出比を求めることが可能となっている。

【００３１】その測定チャンバー内には、直線駆動軸と
導電板とを有するイオン収集装置が配置されており、導
電板は、試料に近接した状態で移動し、イオンビーム軌
道上を横断できるように構成されている。従って、導電
板に流れるイオン電流値を、導電板の移動量(位置)と対
応させながら測定すると、イオン電流の変化量を求める
ことができる。一般に、イオンビームスポットは円形で
あり、形状が定まっているので、イオン電流の変化量が
求められれば、試料に照射されるイオンビームスポット
の大きさを求めることができる。従って試料の単位面積
当たりの二次電子放出比を求めることが可能となる。

【００３２】また、その測定結果からイオンビームの有
効径を定義しておき、有効径と、イオンビームのイオン
種や、引き出し電極、コンデンサレンズの、ウィーンフ
ィルタ、減速電極の電圧等との関係を対応させておく
と、イオン種を替えたときや、引き出し電極等の電圧を
変化させたときに、減速電極の電圧を調整することでイ
オンビームの有効径を一定にすることができる。

【００３３】試料から放出される二次電子の量を正確に
測定するためには、試料の周囲に円筒形のファラデーゲ
ージを配置し、正電圧を印加して二次電子を捕集させる
が、その場合には、ファラデーゲージと試料台との間に
隙間を設け、導電板を隙間から挿入して、イオン軌道上
を横断させるようにするとよい。

【００３４】また、イオンビーム収集装置に接触部を設
けておき、イオン電流の測定を妨害しない状態で試料表
面に接触できるように構成しておくと、チャージアップ
した試料から電荷を逃がすことができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１の符号４０は測定チャンバー
であり、本発明の一実施形態のイオン照射装置に設けら
れている。そのイオン照射装置も、上述のイオン照射装
置１０２と同様に、イオン源からイオンビームを引き出
せるように構成されており、引き出したイオンビームを
コンデンサレンズで収束させ、ウィーンフィルタによっ
て所望のイオン種に分離させ、偏向電極によって中性粒
子を除去した後、測定チャンバー４０内に入射させてい
る。

【００３６】測定チャンバ４０内のイオンビーム軌道上
には、減速電極４１、コリメータ４８がこの順で配置さ
れており、測定チャンバ４０内に入射したイオンビーム
は、減速電極４１、コリメータ４８を通過した後、コリ
メータ４８の後方に配置された円筒形形状のファラデー
ケージ４４内に入射するように構成されている。

【００３７】ファラデーケージ４４の後方位置には、フ
ァラデーケージ４４とは非接触の状態で試料台４２が配
置されており、試料台４２のイオンビーム軌道上に位置
する部分の表面には、測定対象物である試料４３が配置
されている。

【００３８】測定チャンバー４０内は高真空状態にされ
ており、ファラデーケージ４４を通過したイオンビーム
が試料４３表面に照射すると、二次電子が発生する。

【００３９】試料台４２はグラウンド電位に置かれてい
るのに対し、ファラデーケージ４４には正電圧が印加さ
れており、従って、試料４３から発生した二次電子はフ
ァラデーケージ４４に引きつけられ、ファラデーケージ
４４に入射した二次電子は二次電子電流Ｉ_seを発生させ
る。ファラデーケージ４４には電流計５２が接続されて
おり、その二次電子電流Ｉ_seは、電流計５２によってマ
イナス方向の測定される。

【００４０】また、二次電子電流Ｉ_seは、試料台４２に
接続された電流計５１を通ってグラウンドに流れるの
で、その電流計５１では、二次電子電流Ｉ_seとイオン電
流Ｉ_{io n}を合計した大きさの電流が測定される。

【００４１】この測定チャンバー４０には膨出部２０が
設けられており、該膨出部２０の大気側への開放部分に
は、絶縁部材１２を介して蓋部１３が気密に取り付けら
れている。また、測定チャンバー４０内には、導電板２
と直線駆動軸１１とを有するイオン収集装置１が配置さ
れており、直線駆動軸１１の一端は蓋部１３に取り付け
られ、直線駆動軸１１の他端には、導電板２が固定され
ている。

【００４２】直線駆動軸１１と導電板２とは金属で構成
されており、導電板２は四角形形状に成形されている。
直線駆動軸１１を軸線方向に移動させ、試料４３とファ
ラデーケージ４４の間の隙間に導電板２を挿入すると、
導電板２は、試料４３に近接した状態でイオンビーム軌
道を横断できるように構成されている。

【００４３】直線駆動軸１１は、膨出部２０内でオーリ
ング１５に密着されており、軸線方向に移動する際に
も、測定チャンバー４０内の高真空状態を維持できるよ
うに構成されている。

【００４４】蓋部１３の外部には、導線導入部１７が設
けられており、測定チャンバー４０の外部に配置された
電流計５が、導線導入部１７を介して直線駆動軸１１に
電気的に接続されている。

【００４５】導電板２をイオンビーム軌道上から退避さ
せた状態で、試料４３にイオンビームを照射し、図２に
示すように、導電板２をイオンビームスポットＰに近づ
けてゆくと、イオンビームが導電板２に照射され始めた
ところで、導電板２に流れるイオン電流Ｉ_ionが電流計
５によって測定され始める。

【００４６】導電板２の移動方向先頭の辺は、進行方向
に対して垂直になっており、イオンビームの強度分布が
一様であると仮定した場合、イオンビームスポットＰ内
に進入する導電板２に流れるイオン電流Ｉ_ionは、図２
中段の曲線Ｌ₁に示すように徐々に増加する。ファラデ
ーゲージ４４に入射したイオンビームの全量が導電板２
に照射されたところで、最大値Ｉ_maxに達する。

【００４７】上記電流計５によって測定されるイオン電
流Ｉ_ionの変化は、導電板２の移動量(位置)と、導電板
２に照射されたイオンビーム量との関係を示しており、
導電板２の移動量をｚ、導電板２に流れたイオン電流を
Ｉ_ionとした場合、イオン電流値Ｉ_ionの進入量に対する
微分量 ｄＩ_ion／ｄｚ は、図２下段の曲線Ｌ₂で示すよ
うに山形に変化する。

【００４８】曲線Ｌ₂は、導電板２の先端部分がビーム
スポットＰの中心と一致したときに最大値をとる。ここ
では、その最大値をｈとすると、試料４３に照射される
イオンビームの有効径は、微分量ｄＩ_ion／ｄｚがｈ／
２以上の範囲であると定義できる。その場合の有効径は
符号ｗで示す大きさとなる。

【００４９】一般に、用いるイオンの種類を替えた場合
や、引き出し電極の電圧を増減させた場合には、イオン
ビームスポットＰの大きさが変化し、有効径ｗの大きさ
も変化してしまう。その場合、導電板２にビーム軌道上
を横断させ、イオン電流Ｉ_{io n}の変化量を求めること
で、変化後のイオンビームスポットＰの有効径ｗを求め
ることができる。従って、減速電極４１の電圧を調整
し、ビーム径を伸縮させると、試料４３には、常に一定
の有効径ｗを有するイオンビームを照射させることがで
きる。

【００５０】また、上述の導電板２を用い、引き出し電
極、コンデンサレンズ、ウィーンフィルタ、減速電極４
１への印加電圧と有効径ｗとの関係を、予めイオンの種
類に対応させて求めておき、イオンビームの照射条件が
変わったときに、求めておいた関係から減速電極４１の
電圧を逆に求めると、導電板２を用いなくても有効径ｗ
を一定値にするための減速電極４１の電圧値が分かる。

【００５１】従って、このような関係を予め求めておく
と、それ以後に製造するイオン照射器の測定チャンバー
４０には、導電板２を設けることが不要になる。

【００５２】なお、この導電板２には、軟質の金属ブラ
シで構成された接触部３が設けられており、導電板２を
奥まで進入させた場合、導電板２に照射されるイオン電
流値の測定が終了した状態で、接触部３と試料４３の端
部とが接触できるように構成されている。

【００５３】試料４３表面が絶縁物で被覆されている場
合には、イオンビームを照射すると、試料４３表面がプ
ラスにチャージアップしてしまい、二次電子放出ができ
なくなる。従来のイオン照射装置では、測定を中断し、
自然放電によってチャージアップが解除されるまで待機
していたが、本発明のイオン照射装置では、接触部３を
試料４３表面の端部に接触させた場合、試料４３表面に
蓄積された電荷が、接触部３からイオン収集装置１と電
流計５とを通ってグラウンドに流れるので、試料４３の
チャージアップが解除される。従って、試料４３の測定
時間を短縮させることが可能である。金属ブラシでな
く、例えばメッシュ状の金属等、導電性で軟質のもので
あれば、接触部３に用いることができる。

【００５４】

【発明の効果】イオンビームスポットの大きさ、イオン
ビームの有効径を求めることができるので、試料の二次
電子放出係数を正確に算出することができる。試料に照
射されるイオンビームの有効径を一定にできるので、試
料の評価を正確に行うことができる。また、試料表面に
チャージアップした電荷を放出させることができるの
で、測定時間が短縮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例のイオン照射装置の試料チャンバ
ーを説明するための図

【図２】イオンビーム径の求め方の一例を説明するため
の図

【図３】従来技術のイオン照射装置を説明するための図

【図４】二次電子電流の測定方法を説明するための図

【符号の説明】

１……イオン収集装置 ２……導電板 ３……接触
部 １１……直線駆動軸 ４０……測定チャンバー
４４……ファラデーケージ Ｉ_ion……イオン電流 Ｉ_se……２次電子電流

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源と測定チャンバーとを有し、 前記イオン源から引き出したイオンビームを前記測定チ
   ャンバー内に配置された試料に照射し、前記試料表面か
   ら発生した二次電子の電流量を測定できるように構成さ
   れたイオン照射装置であって、 前記測定チャンバー内には直線駆動軸と導電板とを有す
   るイオン収集装置が配置され、 前記導電板は、前記試料に近接した状態で前記イオンビ
   ームの軌道上を横断できるように構成されたことを特徴
   とするイオン照射装置。
2. 【請求項２】前記試料上にはファラデーケージが設けら
   れ、前記導電板を前記ファラデーケージと前記試料との
   間に挿入して前記イオンビームの軌道上を横断させるよ
   うに構成されたことを特徴とするイオン照射装置。
3. 【請求項３】前記イオンビーム収集装置には、前記試料
   と接触可能な導電性の接触部が設けられたことを特徴と
   する請求項１又請求項２のいずれか１項記載のイオン照
   射装置。
4. 【請求項４】測定チャンバー内に配置された導電板を試
   料に近接して移動させながらイオンビームを照射し、前
   記導電板に流れるイオン電流量と前記導電板の移動量と
   から、前記イオンビームの径を求めることを特徴とする
   イオンビーム径測定方法。