JPS593814B2 - solid ion source - Google Patents

solid ion source

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JPS593814B2
JPS593814B2 JP51066535A JP6653576A JPS593814B2 JP S593814 B2 JPS593814 B2 JP S593814B2 JP 51066535 A JP51066535 A JP 51066535A JP 6653576 A JP6653576 A JP 6653576A JP S593814 B2 JPS593814 B2 JP S593814B2
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JP
Japan
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ion
ion source
ions
gas
anode
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JP51066535A
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JPS52150688A (en
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一二三 田村
亨 石谷
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 最近、二次イオン分析計、イオンインプランテーション
、およびイオンビーム蒸着法その他の分野において、ガ
ス成分によるイオン種のほかに固体成分によるイオン種
が利用されはじめて来だ。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Recently, in addition to ion species based on gas components, ion species based on solid components have begun to be used in secondary ion analyzers, ion implantation, ion beam evaporation, and other fields.

一例として二次イオン分析計への応用について考えると
、従来は、一次イオンとしてガス成分元素のAr+、0
2+、N2+・・・・・・・・・などが主に利用されて
いた。
As an example, considering the application to a secondary ion analyzer, conventionally, the gas component elements Ar+, 0
2+, N2+, etc. were mainly used.

理由は、特にこれらのイオンが分析において特長がある
わけではなく、ガス成分であるためイオン化が容易であ
ることにある。
The reason is that these ions do not have particular characteristics in analysis, but are easy to ionize because they are gas components.

しかし一次イオンとしてエレクトロネガティブな元素(
例えば〇−など)または不活性イオン(例えばArなど
)を利用した場合には、元素によりイオン化率が1桁か
ら4桁の範囲で変化し、特に半導体工業において重要な
元素と考えられるAu 、As 、Teなどの二次イ
オン化率が低く、これらの元素の分析限界を高くしてい
ることがわかり、二次イオン分析法の一つの問題点とし
て指摘されている。
However, elements that are electronegative as primary ions (
When using inert ions (such as Ar) or inert ions (such as Ar), the ionization rate varies from one to four digits depending on the element, and Au, As, which are considered to be particularly important elements in the semiconductor industry, It has been found that the secondary ionization rate of , Te, etc. is low, raising the analytical limit of these elements, and this has been pointed out as one of the problems of secondary ion analysis.

第1図に、一次イオンとして、エレクトロネガティブな
0−イオンを用いた場合の各元素の相対イオン化率を示
す。
FIG. 1 shows the relative ionization rate of each element when an electronegative 0-ion is used as the primary ion.

同図より、イオン化率が元素により大幅に変化している
ことがわかる。
The figure shows that the ionization rate varies significantly depending on the element.

すなわちAl tMg 、Cr tReWなど、比
較的酸素に活性な元素のイオン化率は高く、S。
That is, the ionization rate of elements that are relatively active toward oxygen, such as Al tMg and Cr tReW, is high, and S.

As y ca t P t t Auのような
比較的不活性な元素のイオン化率は低くでている。
The ionization rate of relatively inert elements such as As y cat P t t Au is low.

一方一次イオンとしてエレクトロポジイティブなイオン
を利用すると元素と相対イオン化率の関係は、第1図に
示したエレクトロネガティブなイオンを用いた場合と全
く異なった傾向を示すことが知られている。
On the other hand, it is known that when electropositive ions are used as primary ions, the relationship between elements and relative ionization rates exhibits a completely different tendency than when electronegative ions are used as shown in FIG.

第2図は、一次イオンとしてエレクトロポジイティブな
Cs+イオンを利用した場合の各元素の相対二次イオン
化率を示したものである。
FIG. 2 shows the relative secondary ionization rate of each element when electropositive Cs+ ions are used as primary ions.

同図より、エレクトロネガティブなイオン(0−)を用
いた場合に極端に低いイオン化率を示していたS、As
The figure shows that S, As, which showed an extremely low ionization rate when electronegative ions (0-) were used.
.

(:d 、Te 、Auなどの元素のイオン化率がそ
れぞれ3桁程度増加し、0−イオンを用いた場合のCr
、At、Mg 、Crなどと比較的近い値を示し
ていることがわかる。
(: The ionization rate of elements such as d, Te, and Au increases by about three orders of magnitude, and when 0-ions are used, the ionization rate of Cr
It can be seen that the values are relatively close to those of , At, Mg, Cr, etc.

一方エレクトロポジイティブな元素にはガス状のものは
存在せず、これらの元素は固体を形成しており、イオン
源として効率よくイオン化することが困難であった。
On the other hand, there are no gaseous electropositive elements, and these elements form solids, making it difficult to efficiently ionize them as an ion source.

したがって従来、エレクトロポジイティブなイオンを引
き出すだめの強力でしかも安定なイオン源は存在しなか
った。
Therefore, until now, there has been no powerful and stable ion source capable of extracting electropositive ions.

エレクトロポジイティブなイオン源とじて+ 利用されていたものにCsイオン源があるが、Csは、
蒸発温度が低く、熱的にイオン化することが容易である
ために使われていた。
As an electropositive ion source, there is a Cs ion source that has been used.
It was used because it has a low evaporation temperature and is easy to thermally ionize.

しかし問題点として材料の安定供給が困難なため、二次
イオン分析計のようなビームの安定化を必要とする場合
には問題であり、実用化が阻まれていた。
However, the problem is that it is difficult to provide a stable supply of materials, which is a problem in cases where beam stabilization is required, such as in secondary ion analyzers, and this has prevented practical application.

本発明は、上記のような従来の問題点を除去した新しい
固体イオン源に関するものである。
The present invention relates to a new solid-state ion source that eliminates the above-mentioned conventional problems.

以後実施例について説明する。Examples will be described below.

第3図に、従来のデュオプラズマトロン形イオン銃の構
成を示す。
FIG. 3 shows the configuration of a conventional duoplasmatron ion gun.

装置は、ガス導入部1、ホローカソード2、シールド電
極3、中間電極4、中間電極4とアノード6より成る空
間に磁場を供給するだめのマグネット5、二次イオン引
出し電極8より構成されている。
The device is composed of a gas introduction part 1, a hollow cathode 2, a shield electrode 3, an intermediate electrode 4, a magnet 5 for supplying a magnetic field to a space consisting of the intermediate electrode 4 and an anode 6, and a secondary ion extraction electrode 8. .

またイオン銃の駆動電源13は、保護抵抗15および放
電安定化抵抗16を通してホローカソード2、中間電極
4、アノード6に接続されている。
Further, the driving power source 13 of the ion gun is connected to the hollow cathode 2, the intermediate electrode 4, and the anode 6 through a protective resistor 15 and a discharge stabilizing resistor 16.

また二次イオン加速電源14は、アノード6と引出し電
極80間に接続されている。
Further, the secondary ion accelerating power source 14 is connected between the anode 6 and the extraction electrode 80.

動作原理は、はじめにガス導入部1を閉じ、イオン銃全
体の排気を行い、次に必要なイオン種に相当するガスを
導入し、アノード6または中間電極4の作る空間の真空
度を10’ 〜1O−2Torrに保つ。
The principle of operation is to first close the gas inlet 1, evacuate the entire ion gun, then introduce a gas corresponding to the required ion species, and reduce the degree of vacuum in the space created by the anode 6 or intermediate electrode 4 to 10'~ Maintain at 1O-2 Torr.

次に放電電源13により、アノード6または中間電極4
とホローカソード2の空間に放電を起こさせ、ガスの電
離状態すなわちプラズマを生成させる。
Next, the discharge power supply 13 causes the anode 6 or the intermediate electrode 4 to
A discharge is caused in the space of the hollow cathode 2 to generate an ionized state of gas, that is, plasma.

アノード6と引出電極8の作る空間は、アノード孔の差
動排気効果により、〜1O−5Torrの真空に保たれ
ている。
The space created by the anode 6 and the extraction electrode 8 is maintained at a vacuum of ~10-5 Torr due to the differential pumping effect of the anode hole.

この状態では、アノード孔より、拡散によりプラズマが
吹き出しており、引出し電場が印加されると正または負
イオンが取り出される。
In this state, plasma is blown out from the anode hole due to diffusion, and when an extraction electric field is applied, positive or negative ions are extracted.

ホローカソードの動作は、先ず放電によりホロー中に強
力なプラズマが生成され、中間電極4に向って電子ビー
ムが放出される。
In operation of the hollow cathode, first, strong plasma is generated in the hollow by discharge, and an electron beam is emitted toward the intermediate electrode 4.

それによりアノード6と中間電極4の作る空間に電離塵
の高いプラズマが生成される。
As a result, plasma with high ionized dust is generated in the space created by the anode 6 and the intermediate electrode 4.

マグネット5による磁場は、アノード6と中間電極4の
空間に軸方向に生成され、この空間のプラズマ密度を高
くする(ピンチ効果)役割をはたす。
A magnetic field by the magnet 5 is generated in the axial direction in the space between the anode 6 and the intermediate electrode 4, and serves to increase the plasma density in this space (pinch effect).

次に本発明の実施例について記す。Next, examples of the present invention will be described.

第4図に、イオン銃の構成図を示す。FIG. 4 shows a configuration diagram of the ion gun.

大部分の構成は従来法と同様であり、ここでは新しい部
分のみ説明する。
Most of the configuration is the same as the conventional method, and only new parts will be explained here.

本発明と従来法との本質的な差は、ホローカソード2中
に新しく、イオン源材料11をそう人することにあり、
本実施例においてはイオン源材料の保持のためのメツシ
ュ(金線)12を具備させたことにある。
The essential difference between the present invention and the conventional method is that a new ion source material 11 is placed in the hollow cathode 2.
In this embodiment, a mesh (gold wire) 12 is provided for holding the ion source material.

7は、絶縁体であり、イオン源と引出し電極の高圧絶縁
の役割を演じている。
7 is an insulator, which plays the role of high-voltage insulation between the ion source and the extraction electrode.

イオン源材料11としては、用途に応じてNaC1。The ion source material 11 may be NaCl depending on the purpose.

Cao 1 Cs Ot Na OHt KCtt M
gO* Cs Ctなどを用いる。
Cao 1 Cs Ot Na OHt KCtt M
gO* Cs Ct etc. are used.

第5図は、本発明のイオン源の構成と電源回路を示す。FIG. 5 shows the configuration and power supply circuit of the ion source of the present invention.

電源回路は、従来法と全く同様であり、説明を省略する
The power supply circuit is completely the same as that of the conventional method, and its explanation will be omitted.

以下実施例について説明する。イオン源材料11として
はNaC1結晶を用いた。
Examples will be described below. As the ion source material 11, NaCl crystal was used.

用いたNaCt 結晶のサイズは、5mmX5皿×10
mmtであり、NaC1の支え12としては、0.4m
mφの金線をスペース占有率50受の網状に組んだもの
、又はホローカソード2中に設けた段差を利用した。
The size of the NaCt crystal used was 5 mm x 5 dishes x 10
mmt, and the support 12 of NaC1 is 0.4m.
Mφ gold wires were assembled into a mesh with a space occupation rate of 50, or a step provided in the hollow cathode 2 was used.

いずれの場合も試料は良好に支えられた。In both cases the samples were well supported.

動作原理は、従来法とほぼ同様であり、先ずホローカソ
ード2中にN a Ct 結晶をそう人し、ガス導入部
1を閉じ、イオン源部を〜1O−6T□r7まで排気し
、次にAr ガスをガス導入部1から導入し、イオン源
室を1O−1Torrに保ち、放電電源13より約30
0Vの電圧を供給し、Arによるホロー放電を励起させ
る。
The operating principle is almost the same as the conventional method; first, a Na Ct crystal is placed in the hollow cathode 2, the gas introduction section 1 is closed, the ion source is evacuated to ~1O-6T□r7, and then the Ar gas is introduced from the gas introduction part 1, the ion source chamber is maintained at 1O-1 Torr, and the discharge power source 13 is heated to about 30
A voltage of 0V is supplied to excite a hollow discharge due to Ar.

この状態では、+ NaC1は、Arによるイオン衝撃を受けると同時に加
熱効果を受け、スパッタまたは蒸発され、プラズマ中で
イオン化される。
In this state, +NaCl is bombarded with ions by Ar and simultaneously receives a heating effect, is sputtered or evaporated, and is ionized in the plasma.

その結果、Arガス導入を遮断してもNaCt のみの
スパッタまたは蒸発粒子によりイオン化が持続する。
As a result, even if the introduction of Ar gas is cut off, ionization continues due to sputtered or evaporated particles of only NaCt.

このようにして中間電極4とアノード空間に生成された
プラズマは、マグネット5から供給される磁場により、
高密度化され、より強力なイオン源となる。
The plasma generated in the intermediate electrode 4 and the anode space in this way is caused by the magnetic field supplied from the magnet 5.
High density, making it a more powerful ion source.

生成されたプラズマは、アノード6の孔より拡散により
放出される。
The generated plasma is released through the holes of the anode 6 by diffusion.

この状態で、加速電源14に正又は負の電圧を印加し、
正負両イオンを独立に引き出す。
In this state, apply a positive or negative voltage to the acceleration power supply 14,
Extracts both positive and negative ions independently.

第6図に一実施例を示す。FIG. 6 shows one embodiment.

一次イオン源用材料11としてNaC1結晶を用い、放
電電圧として300vの直流を印加して放電を持続した
NaCl crystal was used as the primary ion source material 11, and a direct current of 300 V was applied as the discharge voltage to sustain the discharge.

なお最初の放電励起においてはAr ガスをガス導入部
より導入したが、のちにガス導入を遮断し、NaC1の
スパッタ粒子(または蒸着粒子)のみによる放電を利用
した。
In the initial discharge excitation, Ar gas was introduced from the gas inlet, but later the gas introduction was shut off, and the discharge caused only by the sputtered particles (or evaporated particles) of NaCl was utilized.

この場合にもイオン源は、安定に動作し、励起用Arの
イオンの混入を少なくできることがわかった。
In this case as well, it was found that the ion source operated stably and that the mixing of excitation Ar ions could be reduced.

イオン源材料11としてCaOなどを用いる場合には、
動作中宮にArガスを導入しておく必要がある。
When using CaO or the like as the ion source material 11,
It is necessary to introduce Ar gas into the chamber during operation.

すなわち材料によってはAr導入が必要不可欠である。That is, introduction of Ar is essential depending on the material.

第6図に+ は、NaおよびCt−イオン電流の加速電圧依存性を示
したが、本実施例より、次のことが明らかになった。
In FIG. 6, + indicates the acceleration voltage dependence of Na and Ct- ion currents, and the following became clear from this example.

(1)両者(Na+およびCt−イオン)とも従来のガ
ス成分イオン、例えばAr+、02+ イオンと同程度
のイオン電流が得られている。
(1) For both (Na+ and Ct- ions), ion currents comparable to those of conventional gas component ions, such as Ar+ and 02+ ions, are obtained.

(2Na+イオン電流もCt−イオン電流も挙動が類似
しており、Ct−イオン量は、Na+イオンの4 程度
になっている。
(2Na+ ion current and Ct- ion current have similar behavior, and the amount of Ct- ions is about 4 times that of Na+ ions.

以上の結果より、従来困難とされていた固体成分元素イ
オンが比較的容易に得られるようになり、イオン注入法
や二次イオン分析計への応用や性能向上に有効であるこ
とが明らかになった。
From the above results, it has become clear that solid component element ions, which were traditionally difficult to obtain, are now relatively easy to obtain, and are effective for application and performance improvement in ion implantation methods and secondary ion analyzers. Ta.

最後に、本発明のイオン源を二次イオン分析計に応用し
てその効果を検討した結果を示す。
Finally, the results of studying the effects of applying the ion source of the present invention to a secondary ion analyzer will be shown.

第1図に一次イオンとして、エレクトロポジイティブな
Naイオンを本発明のイオン源からひきだし、試料室に
エレクトロネガティブな02 ガスを導入し、各元素の
二次イオン化率を測定した結果を示す。
FIG. 1 shows the results of measuring the secondary ionization rate of each element by extracting electropositive Na ions as primary ions from the ion source of the present invention and introducing electronegative 02 gas into the sample chamber.

効果として、従来極端に低い値を示していたS 、As
$Auなどの二次イオン化率が103〜104に増
加し、従来イオン化率の高かったAt。
As an effect, S and As, which had previously shown extremely low values,
The secondary ionization rate of $Au etc. has increased to 103 to 104, and At has traditionally had a high ionization rate.

Si、Mgなどの値とほぼ同程度になることが明らかに
なった。
It has become clear that the values are approximately the same as those of Si, Mg, etc.

これにより、従来困難とされていた定量分析が得られた
質量スペクトル強度より直接見積ることが可能になった
This has made it possible to directly estimate quantitative analysis from the obtained mass spectral intensity, which was previously considered difficult.

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

第1図は、一次イオンとしてO−イオンを用いた場合の
各元素のイオン化率を示す図、第2図は、一次イオンと
してCs+イオンを用いた場合の各元素のイオン化率を
示す図、第3図は、従来のデュオプラズマトロン形イオ
ン源の構成図、第4図は、本発明の実施例図、第5図は
、本発明の実施例図、第6図、第1図は、本発明の効果
を示す図である。
Figure 1 is a diagram showing the ionization rate of each element when O- ions are used as the primary ions, Figure 2 is a diagram showing the ionization rates of each element when Cs + ions are used as the primary ions, 3 is a block diagram of a conventional duoplasmatron ion source, FIG. 4 is an embodiment of the present invention, FIG. 5 is an embodiment of the present invention, and FIGS. 6 and 1 are diagrams of the present invention. It is a figure showing the effect of the invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 ホローカソードを備えたデュオプラズマトロン形イ
オン銃において、ホローカソード中にイオン源となる材
料をそう人し、イオン銃を動作させることにより、上記
イオン源材料をスパッタまたは蒸発させ且つイオン化さ
せ、上記イオン源材料を構成している元素または分子イ
オンを取り出すようにしたことを特徴とする固体イオン
県。
1. In a duoplasmatron ion gun equipped with a hollow cathode, a material serving as an ion source is placed in the hollow cathode, and the ion source material is sputtered or evaporated and ionized by operating the ion gun, A solid ion device characterized by extracting elemental or molecular ions constituting the ion source material.
JP51066535A 1976-06-09 1976-06-09 solid ion source Expired JPS593814B2 (en)

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