JPH01193683A - イオンビームのエネルギー幅精密測定装置 - 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） 本発明はイオン源から引出されるイオンビームのエネル
ギー幅を精密に測定する装置に関する。

（従来の技術） イオン源から引き出したビーム状のイオンを例えば基板
や試料に照射し、基板の表面に薄膜を形成するイオンビ
ームデポジション、不純物として半導体に打込むイオン
注入処理、試料の分析等を行なっている。この場合、引
出された各イオンのエネルギーは総て同一ではなく、引
出しエネルギーの近くである幅を持っており、これをエ
ネルギー幅と呼んでいる。イオンエネルギーがイオンを
引出すために与えた引出エネルギーと合致せず、エネル
ギー幅が発生する原因の１つとして、イオン源プラズマ
中でイオンが何らかの相互作用によってランダム方向の
速度分布を持ち、引き出されたイオンビームと同一方向
にイオンの速度分布が残ることが考えられている。

このエネルギー幅の値が大きい場合には、例えば数＋ｅ
Ｖの単一エネルギーイオン種のみの照射を必要とする極
低エネルギーイオンビームデポジションには不適当であ
る。

そこで、イオンビームと基板等に照射するに先立ち、エ
ネルギー幅を測定し、その値を確認する必要がある。

従来のエネルギー幅の測定装置として、第１図示のよう
な減速する形式のものが知られている。この装置は、イ
オン源ａから引出電極すにより引き出したビーム状のイ
オンを、質量分離器Ｃにより質量分析したのちディファ
イニングアパーチャｄを介してファラデーカップｅへと
導き、そこでイオン種を検出し、更に該ファラデーカッ
プｅの底部に形成したアパーチャｆからイオンビームの
一部を取出す。この取出したイオンビームを環状の減速
電極ｇから減速電圧をかけ乍らコレクタｈで受ける。エ
ネルギー幅は、減速電極ｇの減速電圧ｖＲを変え乍らコ
レクターｈに流れるコレクター電流ＩＣを測定し、第２
図示の如きグラフｉを得、このグラフｉの微分係数を求
めて微分係数の値を第３図示のように減速電圧ＶＲにつ
いてプロットしてエネルギー分布曲線ｊ求めることによ
り測定され、このエネルギー分布の幅ｋが狭い程、集束
性が良く、又、極低エネルギーイオンビームデポジショ
ンに適したイオン源であると判断出来る。

（発明が解決しようとする課題） 前記第１図示の測定装置では、ファラデーカップｅの底
部に形成したアパーチャｆの前方と後方で電場が著しく
異なるために、該アパーチャｆが単光レンズとして強い
集束又は発散作用を営み、そのためイオンビームに第１
図示のよ”）　ｌ：　’）　ｏスオーバーし、コレクタ
ｈに突入すべきイオンの軌道が曲げられ、正確なエネル
ギー幅の測定が行なえない。

また、コレクターｈの前の減速電極ｇによる減速電圧の
ために、充分にコレクターｈに達すべきエネルギーを持
ったイオンが減速電界で第１図示のように放物線運動を
してコレクターｈに入らなくなり、正確なエネルギー幅
のＩＴＦＪ定を行なえなくなる欠点がある。

エネルギー幅の測定値にエラーがあると狭いエネルギー
幅のイオン源の開発が行なえず、例えばイオンビームデ
ポジションの場合、膜質の低下を来たして好ましくない
。

本発明は、イオン源から質量分離器を介して引き出され
たイオンのエネルギー幅を精密に測定し得る装置を提供
することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明では、イオン源から引き出したイオンビームを、
質量分離器、ディファイニングアパーチャ及びファラデ
ーカップを介してコレクタへと導き、該コレクタに生ず
る電流を該イオンビームのエネルギー幅のｎ１定要素と
して検出するようにしたものに於て、該ファラデーカッ
プの前方に減速電圧が印加された複数の円筒状の減速電
極を設け、更に該ファラデーカップとその後方のコレク
タとの間にアインツエルレンズとＥｘＢ質量分離器とを
設け、該エネルギー幅の測定要素として該ＥＸＢ質量分
離器に与えた電圧に関連させてコレクター電流を検出す
る手段を備えることにより前記問題点を解決するように
した。

（作　用） イオン源の電位を例えば３００Ｖに保ち、該イオン源で
発生するイオンを、例えば−２０−ＫＶ〜３５Ｋ　Ｖに
保った引出し系質量分離器、ディファイニングアパーチ
ャを通過させ、２０．３〜３５．３ＫａＶの高速で質量
分離する。

次に質量分離されたイオンを減速電極とファラデーカッ
プとで３０　ＯＶに減速する。該減速電極は例えば２つ
の円筒状の電極で構成され、ディファイニングアパーチ
ャまでが一３５ｋＶである場合、入ってくるエレクトロ
ンをはね返すために減速電界として一３７Ｋ　Ｖの電圧
をイオンの入口側の減速電極に与え、次の減速電極に−
４に７の電圧を与えて一部イオンを４．３ＫＶ”に減速
する。これらの円筒状の減速電極は弱い集束作用を持つ
のでイオンビームは余り拡がりもせず、クロスオーバー
もせずに真直ぐに進み、アースレベル（０７）のファラ
デーカップに入り、ここで３００７に減速される。

該ファラデーカップに於てイオンビームの質量スペクト
ルが検出され、該ファラデーカップの底に形成したアパ
ーチャから単一種のイオンビームを取出し、エネルギー
分析のためにコレクタへと導かれるが、減速電極及びフ
ァラデーカップに於てイオンが３７ＫｅＶから４　Ｋｅ
Ｖに一且減速され、更にアース電位において３００ｅＶ
’ｌｌ：減速される際に円筒状の減速電極のレンズ作用
によりイオンビームを真直ぐに進め得、しかもファラデ
ーカップの底では減速電極による電場が非常に弱くなる
ので、その底に形成したアパーチャの前後の電場の差が
小さくなり、該アパーチャのレンズ作用が非常に弱まっ
てイオンのクロスオーバーによるビームの発散がなく細
いビームとして取出せる。

該ファラデーカップのアパーチャから取出した細いイオ
ンビームは、空間電荷のために多少とも発散するので、
これをアインツエルレンズで平行ビームないし多少収束
的なビームに整形したのち、ＥＸＢエネルギー分離器を
介してコレクタへと導かれる。

該ＥＸＢエネルギー分離器に与える磁場Ｂを一定にし電
場Ｅを変化させると、これを通るイオンビームのうちＥ
に比例するエネルギーをもったイオンのみが直進して進
んでコレクタの前方におかれたスリットを通り、該コレ
クタで検出される。該ＥＸＢ質量分離器に与えた電場Ｅ
を掃引することによりコレクタ電流をＥと関連させてＸ
−Ｙレコーダで記録すると直接第３図示のような曲線ｊ
が求まり、エネルギー分布、エネルギー幅が測定出来る
が、本発明の装置では、減速電極の電界がコレクタに入
るべきイオンを妨げず、又ファラデーカップのアパーチ
ャによるイオンビームの乱れがないので、正確にエネル
ギー幅の測定を行なえる。

（実施例） 本発明の実施例を図面に基づき説明すると、第４図及び
第５図に於て、符号（１）はフリーマン型、プラズマフ
ィラメント型その他のイオン源、（２）は該イオン源（
１）内で発生するイオンを引出す引出電極、（３）は該
イオン源（１）から連続してビーム状に引出されたイオ
ンを質量分布して特定のイオン種のみを選別するセクタ
型の質量分離器、（４）は該質量分離器（３）を通過し
たイオンビーム（５）を分別するディファイニングアパ
ーチャを示す。

該ディファイニングアパーチャ（４）を通して引出され
たイオン源（１）からのイオン集束レンズを介して用意
した基板や試料に入射させるとイオン注入処理や表面分
析を行なえ、該イオンが金属イオンであれば基板面に薄
膜を形成するイオンビームデポジションを行なうことが
出来る。

こうした場合、引き出されたイオンのエネルギー幅が大
きいと許されるエネルギーより大きなエネルギーをもつ
イオンが基板に入り、好ましくないので、基板等への入
射に先立ち、エネルギー幅を測定し、イオン源（１）や
引出電極（２）、質量分ｉ！ｉｌ器（３）等を所定のエ
ネルギー幅のイオンが得られるように調整しておく必要
があり、そのためディファイニングアパーチャ（４）を
通過したイオンビームをファラデーカップ（６）とその
底部に開口形成したアパーチャ（７）を介してコレクタ
〈８）へと導き、該コレクタ（８）に発生する電流をＹ
−Ｘレコーダ（９）に接続した電流計ＧＧで検出し、こ
れをエネルギー幅の測定要素としている。

エネルギー幅は、コレクタ電流と、イオンビームに作用
させた電圧とを測定要素として測定されるが、その測定
の精度を高めるために、本発明では、該ファラデーカッ
プ（６）の前方に減速電圧が印加された複数の円筒状の
減速電極（＋１）　（＋１）を設けて各減速電極ｌ′Ｉ
ｖ内を通過するイオンを減速し、更に該ファラデーカッ
プ（６）とその後方のコレクタ（８）との間にアインツ
エルレンズ（＋２１とＥｘＢ質量分離器１１３とを設け
、該アインツエルレンズ■により、ファラデーカップ（
６）のアパーチャ（７）を通過したイオンビームの拡散
を防ぎ、Ｅ×Ｂ質量分離器ａ３から該イオンビームに作
用させた電圧をエネルギー幅の測定要素として電圧計ａ
＠の手段により検出するようにした。

該電圧計（′ｌｌＤはＸ−Ｙレコーダ（９）に接続され
、ＥＸＢ質量分離器０３に与える電圧ＶＲを変化させた
とき、コレクタ（８）に流れるコレクタ電流ＩＣが同時
にＸ−Ｙレコーダ（９）に入力し、電圧Ｔｎに関連して
ＩＣを記録して第３図示のようなエネルギー幅が測定さ
れる。

該アインツエルレンズミツは、実施例では３枚の電極（
１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）で構成し、該レンズ■の
前方即ちファラデーカップ（６）のアパーチャ（７）と
該レンズ１１ツとの間に、該レンズ■に入るイオンビー
ムのスポットサイドを小さくするため、小さく細い直方
形のスリットからなる第２アパーチヤ（Ｉ５＋を設け、
イオンビームのエネルギー分解能が向上されるようにし
た。

またＥＸＢ質量分離器（１３は電場と磁場とが直交した
形の質量分離器で、公知のものであり、イオンビームを
挾んで対向する十と−の電極（１３ａ）（１３ｂ）と、
これにより生ずる電場に直交するように磁石（１３ｃ）
（１３ｄ）が配置され、両磁石（１３ｃ）（１３ｄ）の
磁場と釣合うように電源ａｅから画電極（１３ａ）　（
１３ｂ）に電圧を与え、その電圧を少しずつ変えるとイ
オンビームの一部のｖＲに比例するエネルギーをもった
もののみが、該ＥＸＢ質量分離器０ｅを真直ぐ通ってコ
レクタ（８）に入るのでコレクタ電流が変わり、該電圧
及び電流を測定することにより前記のようにエネルギー
幅が側歪される。

ファラデーカップ（６）の前方に設けた複数個の減速電
極（１１）の詳細は第６図示の如くであり、そのうち、
ディファイニングアパーチャ（４）寄りの減速電極＜１
１ａ＞には例えば−３７ＫＶの比較的大きい負電０位を
与えると共にファラデーカップ（６）寄りの減速電極（
１１ｂ）には例えば−４ＫＶ程度の比較的小さい負電位
を与えてＯＶのファラデーカップ（６）に入るイオンビ
ームの減速を行なうことが出来るので、該ファラデーカ
ップ（６）のアパーチャ（７）の前方に作用する減速電
極（１１ｂ）による電場と、アパーチャ（７）の後方に
作用するアインツエルレンズ１つによる電場との差が小
さくなり、ファラデーカップ（６）のアパーチャ（７）
を通過したイオンビームをクロスオーバーさせる不都合
がな（、該アパーチャ（７）を通過したイオンビームを
そのままアインツエルレンズＣＤで集束しコレクタ（８
）に入射させることが出来る。またコレクタ（８）の直
前に減速電極ａｔが設けられていないので、減速電界の
ためにコレクタ（８）に達すべきエネルギーを持ち乍ら
軌道が曲りてコレクタ（８）に入らないイオンを発生さ
せることがない。従ってファラデーカップ（６）のアパ
ーチャ（７）を通過したイオンは全てＥＸＢ質量分離器
（１３へ細いビームとして入射させることが可能になり
、エラーの少ない正確なエネルギー幅の測定が可能にな
る。第４図の０はコレクタ（８）の前方に設けた反射電
極■■■０は真空ポンプに接続される真空排気口、第６
図の■は絶縁物を示す。

第４図乃至第６図示の実施例を具体的に述べると次の通
りである。

まず、各真空排気口からイオンビーム経路を例えばｌＯ
°５ｔｏｒｒに排気し、プラズマフィラメント型或はフ
リーマン型等のイオン源（１）を３００ｖに保持し乍ら
該イオン源（１）に於て発生する例えばＣｕ等の金属イ
オンを一３５ＫＶに夫々保持した引出電極（２）、セク
タ型の質量分離器（３）及びディファイニングアパーチ
ャ（４）を介して高速で質量分離して引き出す。該ディ
ファイニングアパーチャ（４）により整形されて引き出
されたイオンビームは、入ってくるエレクトロンをはね
返すように一３７ＫＶの電圧が与えられた減速電極（１
１ａ）と、−４に’￥の電圧が与えられた減速電極（１
１ｂ）とによって４．３Ｋｅ７に一旦減速される。これ
らの円筒状の減速電極（１１ａ）（１１ｂ）は弱い収束
作用を持っているので、イオンビームは余り拡がりもせ
ず、クロスオーバーもせずに次のファラデーカップ（６
）へと進む。該ファラデーカップ（６）は直径６０１１
１１１％深さ４５龍に形成され、これをアースレベル（
Ｏｖ）に保持してイオンビームを３００Ｖに減速する。

そしてこのファラデーカップ（６）でイオンのスペクト
ルを検出し、その底に開口形成したアパーチャ（７）か
らイオンビームを取出す。この場合、該アパーチャ（７
）の前方の電場は、減速電極（１１ｂ）の電圧が小さく
、しかもファラデーカップ（６）の深さが充分深いので
、非常に弱く、また該アパーチャ（７）の後方の電場も
非常に弱いので、アパーチャ（７）のレンズ作用が非常
に弱くなり、第６図のように殆んど平行の細いイオンビ
ームをアパーチャ（７）から取出すことが出来る。

該アパーチャ（７）から取出した細いイオンビームはＥ
ＸＢ質量分離器（１３でエネルギー分析されるが、該Ｅ
ＸＢ質量分離器ａ３の前方に設けた３枚の電極からなる
アインツエルレンズａつで幾分発散してくるイオンビー
ムを多少収束的なイオンビームとし、ＥＸＢ質量分離器
■でエネルギー分析する。該アインツエルレンズ（１２
＋の前方には出発点のスポットサイズを小さくするため
の幅１關〜０．３＋＋＋ｓ、長さ２　＋ａｍ位の直方形
の小さいスリットを有する第２アパーチヤａ９を設けて
エネルギー分解能を向上させているが、この第２アパー
チヤａ９を前記アパーチャ（７）から取出した発散のな
い細いイオンビームがきれいに通過する。

電場と磁場を釣合わせたＥｘＢ質量分離器ａ３を通った
イオンビームはその５０ｃｍ後方に設けたコレクタ（８
）に該分析器ｑ３を真直ぐ通ったものと多少ディフレク
トされたしのとが区別されて入射する。実際の設計値で
はイオンビームはコレクタ（８）に１　ｉｎのスポット
で収束する。該コレクタに入射するイオンビームのエネ
ルギー幅は、ＥＸＢ質量分析器ａ３の電極に与える電圧
を少しずつ変えてコレクタ（８）に入るイオンビームの
スィーブし乍らコレクタ（８）に流れる電流を測定し、
第３図示のような曲線を描くことによりエネルギー分布
とエネルギー幅を知ることが出来る。

この場合、エネルギー分解能としては、３００分の１以
上の精度を得ることが出来、イオン源（１）に於けるイ
オンエネルギーが３００ｅＶであるので３００／３００
ｅＶ即ちｌｅＶまで正確にエネルギー幅を知ることが出
来る。

エネルギー幅の測定が終ると、減速電極（１１）からコ
レクタ（８）までの各機器を取外し、代わりに例えばイ
オンビームデポジション装置が取付けられる。

（発明の効果） 以上のように本発明によるときは、円筒状の複数個の減
速電極をファラデーカップの前方のディファイニングア
パーチャとの間に設けると共に該ファラデーカップの後
方のコレクタとの間にアインツエルレンズとＥＸＢ質量
分離器とを設け、該質量分離器に与えた電圧をエネルギ
ー幅の測定要素として検出する手段を設けるようにした
ので、イオン源に於てイオンに与えたエネルギーにほぼ
等しいエネルギーでイオンがコレクタに入り、ファラデ
ーカップのアパーチャに於てイオンの軌道を乱すことな
く細いビームとしてコレクタへと導くことが出来、精密
なエネルギー幅を測定出来る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の説明線図、第２図及び第３図はエネル
ギー幅のｎ１定例の線図、第４図は本発明の実施例の裁
断平面図、第５図は第４図の一部截断側面図、第６図は
第４図の要部の拡大断面図である。 （１）・・・イオン源 （３）・・・質量分離器 （４）・・・ディファイニングアパーチャ（５）・・・
イオンビーム （６）・・・ファラデーカップ （７）・・・アパーチャ （８）・・・コレクタ （Ｉｔ）（１１ａ）（１１ｂ）−減速電極（＋２１・・
・アインツエルレンズ （１３・・・ＥＸＢ質量分離器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオン源から引き出したイオンビームを質量分離器、デ
   ィファイニングアパーチャ及びファラデーカップを介し
   てコレクタへと導き、該コレクタに生ずる電流を該イオ
   ンビームのエネルギー幅の測定要素として検出するよう
   にしたものに於て、該ファラデーカップの前方に減速電
   圧が印加された複数の円筒状の減速電極を設け、更に該
   ファラデーカップとその後方のコレクタとの間にアイン
   ツェルレンズとＥ×Ｂ質量分離器とを設け、該エネルギ
   ー幅の測定要素として該Ｅ×Ｂ質量分離器に与えた電圧
   に関連させてコレクター電流を検出する手段を備えたこ
   とを特徴とするイオンビームのエネルギー幅精密測定装
   置。