JPS6340241A - イオンビ−ム装置 - 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〕 本発明はイオンビーム装置に関し、特にイオン種選択機
構を有するイオンビーム装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に、イオン源は各種のイオン種を同時に放出してい
る。単体のイオン化物質であっても、多価イオンやクラ
スタイオンが発生する場合などがあって、単一のイオン
種を得るためにはイオン種選択機構（フィルタ）が必要
である。

微小スポットのイオンビームを発生する装置のイオン種
選択機構には、精機学会エネルギビーム分科会綿、リア
ライズ社発行、１９８５年、３１１及び３１２頁にエネ
ルギビーム加工の題名で発表された論文に記載されてい
るように、ウィンフィルタが利用されている。

即ち、従来のイオンビーム装置は、第２図に一例を示す
ように、液体金属イオン＃、１から引出されるイオンビ
ーム２をコンデンサレンズ３で集束して絞り５を通過さ
せ、対物レンズ６により試料台１４上のターゲット７に
集束投射している。

ウィンフィルタ４では、Ｓ磁極板８とＮ磁極板９の間の
磁界により、イオンビーム２を偏向しようとする作用が
静電偏向板γ１０，１１による静電偏向作用により、ち
ょうど打消される％定のイオン種が絞＃）５を通過し選
択される。そして、例えば、他のＡイオン種以外やＢイ
オン種以外などは絞シ５で遮断される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来のイオンビーム装置は、イオン洩選択機構
として用いられているウィンフィルタが、通常、電磁界
の作用を受けない中性粒子も通してしまうという欠点が
ある。

本発明の目的は、中性粒子を除去できるイオン種選択機
構を有するイオンビーム装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のイオンビーム装置は、イオン源から引出された
イオンビームのビーム軸を曲げる偏向電界を発生する偏
向電極系と、前記イオン源１ｌ１６の前置電極と該前置
電極よシも負の低電位の絞シ電極とを備え前記イオンビ
ームの偏向角を拡大する電界を発生する発散性静電レン
ズ系と、前記ビーム軸に沿う方向の磁界を発生する電磁
コイルとからなるイオン稗遷捩機構を有している。

〔作用〕 第３図は本発明の動作原理を説明するだめの電磁コイル
の断面図である。

第３図に示すように、電磁コイルは矢印Ｃの方向から進
行してくる最初のイオンビームの進路であるビーム軸２
１を回転対称中心軸とした円筒状をなし、中心軸まわり
に同口があけられている。

外周部と円筒両端面のリング状フランジとを磁気遮蔽用
の鉄被２２で覆い、内部のコイル２３に励磁電流を供給
してビーム軸２１上やその近傍に分布される磁力線２４
を形成する。

静電偏向系（図示せず）によシ偏向されたイオンビーム
２５は、この磁力線２４によってビーム軸２１０周シに
回転させられると共に集束作用を受ける。

回転作用に関しては、ビーム軸２１方向をＺ軸にとシ、
磁力線２４の磁束密度Ｂの２方向成分をＢｚ、イオンの
電荷をＥ１質量をＭとすると、イオンビーム加速電圧■
が当領域で一定（無電界）の場合は、領域ａ−ｂにおけ
るイオンビーム２５のビーム軸２１周シの回転角θは近
似的に（１）式で示される。

即ち、回転角θはイオンの質量Ｍ及び比電荷Ｅ／Ｍによ
って変るので、適当な位置にビーム軸２１に垂直な板の
絞シ電極を置くと、ある特定な比電荷を持つイオン種は
他の比電荷のイオン種とは異なる位置に当ることになる
。従って、ある位置に小孔を設けた絞シ電極によって対
応するイオン種のみを選択的に通過させることができる
。

一方、中性粒子は電磁界の作用を受けないでビーム軸２
１方向に直進するので絞シ電極で阻止される。

上述したイオン種選択作用が、当領域での空間電位、即
ち、イオンビーム加速電圧Ｖが一定でない場合にも実現
されることは（１）式から容易に理解される。（例えば
、加速電圧Ｖ、、Ｖ、、・・・の小区間毎に回転角θ１
．θ２．・・・を求めれば、θｌ＋θ２＋・・・で全回
転角θの値が近似的に得られ、加速電圧が低い部分で回
転角がよシ増加する傾向になる。

次に、第４図は本発明の動作原理を説明するための発散
性静電レンズ系の断面図である。

第４図に示すように、発散性静電レンズ系は電磁コイル
６０の磁界形成領域内に位置する前置電極７１と絞り電
極６１が異なる電位にあり、絞り電極６１を前置電極７
１よシ低い負電位にして、発散性電界の等電位面（空間
分布）７２を形成させている。

偏向電極５９（その平均電位は前置電極７１とほぼ同じ
）による偏向電界でビーム軸２１方向から曲げられたイ
オンビーム２５は、絞シ電極６１と前置電極７１との間
の発散性電界により（電磁コイル６０の集束作用を考慮
外にすれば）その偏向角が拡大される。

又、選択されるイオン種以外の正イオン及び中性粒子は
絞り電極６１に当るが、絞り電極６１の負の電位が比較
的低いので比較的低速の状態でこの正イオンが絞り電極
６１に衝突することになシ、絞り電極６１のイオン衝撃
による損傷程度が軽減される。

又、電磁コイル６０は偏向されたイオンビーム２５を電
磁コイル６０の中心軸、即ち、ビーム軸２１の軸線の近
くへ戻す集束作用を発揮可能で、ビーム軸２１近傍に戻
ったイオンビーム２５を偏向する第２のビーム偏向系（
図示せず）によシ、イオンビーム２５の進行方向をビー
ム軸２１の方向と一致させたシ、自由に所望の方向に曲
げてターゲット（図示せず）上のイオンビーム衝突位置
を制御することができる。

なお、電磁コイル６０により回転作用を受けるのでイオ
ンビーム２５の進路を一平面内に記すことはできないが
、第３図はイオンビーム２５が回転する様子を表わすた
め、便宜的にイオンビーム２５を投影的に描いた。又、
第４図における回転中あるいはその後におけるイオンビ
ーム２５の軌跡を示す部分は、第４図の断面（紙面）を
その面内にイオンビーム２５を含むように追随回転させ
ながら（いわば断平面でなく新曲面に）描いたものであ
る。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例の断面図である。

第１図に示すように、本実施例は上部の電子ビーム励起
型のイオン源３１と、中央から下部のイオンビーム制御
のためのイオンビーム光学系５１とからなっている。

まず、イオン源３１について述べる。

方形又は円形状の電子放出面を′有するカソード３２と
グリッド３３と引出電極３４とで取出しアノード３５で
更に加速したイオン化用電子ビーム３６は、イオン化空
間（プラズマ）３７でガス導入装置３８から導入された
ガスを励起してイオンを発生させ、電子とイオンの共存
するプラズマ領域を形成する。

イオン化空間３７中のイオンは、電子の吸引力によシイ
オン化用電子ビーム３６の中心軸上に多くトラップされ
、アノード３５と引出電極３４間の電位差によう下方に
引出される。そして、カソード３２の電子放出面の中央
にあけられたイオン通過孔を通って、更に下方へと出射
されるイオンビーム４５が得られる。又、イオン化用電
子ビーム３６は電子コレクタ３９へ流入する。

真空容器４０はこれらの電極群を収容し、内部各領域を
それぞれ所要の真空状態に保つため、真空ポンプに接続
する排気口４１，４２．４３が設けられる。

更に、集束コイル４４でイオン化用電子ビーム３６の通
路に沿って強い磁界を与え、イオン化用電子ビーム３６
をらせん状に振回すようにしてその走行距離を増加し、
イオン化効率を高めている。

イオンビーム光学系５１はイオン源３１から得られるイ
オンビーム４５のうちアパーチャ５２を通過したイオン
ビーム２５を制御し、所定のイオン種のイオンビーム５
４を試料台５５上のターゲツト５６０所要位置に衝突さ
せる。

即ち、イオンビーム２５は２電極からなるパイポテンシ
ャルレンズで構成スるコンデンサレンズ５７によシ第１
回目の集束作用を受はビーム軸２１に沿って進行後、第
１の偏向電極５９によシビーム軸２１から曲げられる。

電磁コイル６０の回転及び集束作用によりイオンビーム
２５のうち所定のイオン種のイオンビーム５４は、絞り
電極６１の小孔６２を通過して再びビーム軸２１近傍に
戻り、第２の偏向電極６３によりビーム軸２１に一致さ
せられ、３電極構成のアインツエルレンズ式の対物レン
ズ６４で最後の集束作用を受けたイオンビーム５４とし
てターゲット５６に到達する。

上述した偏向電極５９．電磁コイル６０．小孔６２を有
する絞り電極６１．偏向電極６３が本装置におけるイオ
ン種選択機構６５を構成する。

なお、偏向電極５９及び偏向電極６３は単一方向、例え
ば、Ｘ方向にのみビーム偏向可能な静電偏向板を用いて
もよいが、任意方向にビーム偏向できる、例えば、Ｘ方
向偏向板とＹ方向偏向板を組合せた複合型静電偏向系を
使用してもよい。ただし、電磁偏向系は一般に大型構造
になり偏向電極５９．６３用としては実用的でない。

又、偏向電極６３はイオンビーム５４をビーム軸２１に
一致させるように働かせるのみでなく、ターゲット５６
上でのイオンビーム５４の照射位置を制御するため、任
意のビーム偏向を行わせることも可能である。

なお、イオンビーム５４の照射位置制御には対物レンズ
６４とターゲット５６の間に設ける別のビーム偏向系（
図示せず）や、試料台５５の移動機構を用いることもで
きる。

２次電子検出器６６はイオンビーム５４がターゲット５
６を照射する際発生する２次電子を補集して、走査電子
顕微鏡式にターゲット５６の表面状態を観測するための
ものである。

本実施例では、第１図の前置電極７１に対し絞シ電極６
１の負電位（電源は図示せず）を低くして、この両電極
間にイオンビーム２５の偏向角を拡大する発散性電界を
発生させている。従って、イオンビーム２５は電磁コイ
ル６０による回転及び集束作用とこの偏向拡大作用との
合成作用を受けた軌道をとる。これらの作用のうち、電
磁コイルによる回転作用と集束作用とがイオン種の比電
荷により異なる軌道をとらせる原因となる。

又、絞シ電極６１と後段の後置電極７３との中間に画電
極よりも負の低電位にした集束電極７４を設けてこの領
域の電界を集束性とし、電磁コイル６０の集束作用に相
乗してイオンビーム２５のビーム軸２１への復帰を助け
ている。

以上説明したとおシ、本実施例ではイオン源３１として
電子ビーム励起型を用いたが、既に利用されているデー
オプラズマトロン型イオン源、液体金属イオン源、電界
電離型ガスイオン源などのイオン源を用いてもよい。

又、パイポテンシャルレンズやアインツエルレンズで構
成したコンデンサレンズ５７や対物レンズ６４などの集
束レンズ系として他の構成や組合せ方式を採用してもよ
く、例えば、四重極レンズとしたり、非点収差補正系を
追加したりしても、よいことは勿論である。

イオン種選択機構６５の絞シ電極６１は、前述した第４
図に示すように、偏向電極５９で偏向されたイオンビー
ム２５が電磁コイル６ｏで回転作用を受けた後ならどの
位置に設けてもよく、更に、偏向電極６３を設けない構
成をとることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のイオンビーム装置は、従来
の微小スポットのイオンビーム装置に用いられている通
常中性粒子を分離できないウィンフィルタの代りに、偏
向電極系と発散性静電レンズ系と電磁コイルとからなる
イオン種選択機構を用いることによシ、中性粒子を遮断
してターゲットに所定のイオン種だけを入射させること
ができ、電磁界で集束などの制御が効かない中性粒子が
混入しないので、ターゲットへの入射粒子ビームの鮮鋭
贋が向上（ビームスポットの裾野がだらだらと大きく拡
がる程度を最小に抑える）できるという効果がある。

又、大型の電磁偏向装置を用いないので、ウィンフィル
タ方式やセクタ磁石方式に比べてコンパクトなイオン種
選択機構とすることができるという効果がある。

更に、絞り電極でのイオンビーム加速電圧全比較的低く
できるので、イオンビームによる絞り電極の損傷が軽減
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は従来のイ
オンビーム装置の一例の断面斜視図、第３図は本発明の
動作原理を説明するための電磁コイルの断面図、第４図
は本発明の動作原理を説明するだめのイオン種選択機構
の断面図である。 １・・・・・・液体金属イオン源、２・・・・・・イオ
ンビーム、３・・・・・・コンデンサレンズ、４・・・
・・・ウィンフィルタ、５・・・・・・絞シ、６・・・
・・・対物レンズ、７・・・・・・ターゲット、８・・
・・・・Ｓ磁極板、９・・・・・・Ｎ磁極板、１０．１
１−・・・・・静電偏向板、２１・・・・・・ビーム軸
、２２・・・・・・鉄被、２３・・・・・・コイル、２
４・・・・・・磁力線、２５・・・・・・イオンビーム
、３１・・・・・・イオン源、３２・・・・・・カソー
ド、３３・・・・・・グリッド、３４・・・・・・引出
電極、３５・・・・・・アノード、３６・・・・・・イ
オン化電子ビーム、３７・・・・・・イオン化空間、３
８・・・・・・ガス導入装置、３９・・・・・・電子コ
レクタ、４０・・・・・・真空容器、４１，４２゜４３
・・・・・・排気口、４４・・・・・・集束コイル、４
５・・・・・・イオンビーム、５１・・・・・・イオン
ビーム光学系、５２・・・・・・アパーチャ、５４・・
・・・・イオンビーム、５５・・・・・・試料台、５６
・・・・・・ターゲット、５７・・・・・・コンデンサ
レンズ、５９・・・・・・偏向電極、６０・・・・・・
電磁コイル、６１・・・・・・絞り電極、６２・・・・
・・小孔、６３・・・・・・偏向電極、６４・・・・・
・対物レンズ、６５・・・・・・イオン種選択機構、６
６・・・・・・２次電子検出器、７１・・・・・・前置
電極、７２・・・・・・等電位面（空間分布）、７３＼
、・、。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋゛−０−牛　／ｖＪ 磐２　ｚ イオンビーム 手３　図 牛＋　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオン源から引出されたイオンビームのビーム軸を曲げ
   る偏向電界を発生する偏向電極系と、前記イオン源側の
   前置電極と該前置電極よりも負の低電位の絞り電極とを
   備え、前記イオンビームの偏向角を拡大する電界を発生
   する発散性静電レンズ系と、前記ビーム軸に沿う方向の
   磁界を発生する電磁コイルとからなるイオン種選択機構
   を有するイオンビーム装置。