JPH06203781A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ビーム形状の歪みやビームの照射位置の位置
ずれがなく、また中性粒子によるパルスイオンビームの
バックグランドを減少させるとともに、イオン化室のプ
ラズマを安定させて、安定したパルス化イオンビームを
発生することのできるイオン源を比較的に低電圧である
パルス電源によって実現する。 【構成】 パルス化されたイオンビームを生成するイオ
ン源において、イオンを発生するイオン化室１と、引出
し電極の機能を有するイオン化室１の下流側に設置され
る第１電極２及び第２電極３と、イオン化室１の下流側
に設置されるイオン化装置４とにより構成し、この第１
電極２にはイオン化室１より低い定電圧を印加し、また
第２電極３には第１電極２の定電圧より高いピーク電圧
のパルス電圧を印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビームによる表
面分析装置、計測装置あるいは薄膜製造装置におけるイ
オンビームを生成するイオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】表面分析や各種計測等の測定装置、ある
いは薄膜製造装置や加工手段などとしてイオンビームを
利用したものがある。イオンビームを分析に使用する例
としては、例えばイオンビームを固体表面や固体内部で
散乱させてその散乱を利用するイオン散乱分光法（以
下、ＩＳＳ（Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ）という）や、入射イオンによって反
跳をうけた粒子を計測する弾性反跳粒子計測法や、２次
イオンを分析する２次イオン質量分析法（以下、ＳＩＭ
Ｓ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ＩｏｎＭａｓｓ Ｓｐｅｃｔ
ｒｏｓｃｏｐｙ）という）や、中性スパッタ粒子質量分
析法ＳＮＭＳ（Ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ Ｎｅｕｔｒａｌ
Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）等が知られてお
り、また、薄膜製造装置においてはイオン注入やイオン
エッチング、さらに加工手段において微細加工等の用途
が知られている。

【０００３】前記イオンビームとして一定のビームが発
生する連続ビームと、断続したビームが発生するパルス
イオンビームがあり、このパルスイオンビームは、ＩＳ
ＳやＳＩＭＳ等の表面分析装置において飛行時間型（Ｔ
ＯＦ）型アナライザを用いる場合に使用されるものであ
る。従来、このパルス化イオンビームを作る装置とし
て、パルス電圧が印加されるチョッピング電極等の偏向
装置と、その下流のチョッピングアパーチャとの組合わ
せによって、イオン源から発生する連続イオンビームを
断続的に偏向してブランキングするものが知られてい
る。

【０００４】図７は、イオン源の第１の従来例の構成図
である。図７において、１はイオン化室、６は引出し電
極、７はチョッピング用電極、８はチョッピング用アパ
ーチャ、９はパルス発生装置、１４は加速電圧源、ｄは
パルス化イオンビーム、ｃ，ｅはイオンビームである。
イオン化室１はイオン粒子を生成する部分であり、例え
ば、電子−ガス衝突電離を利用する電子衝撃型、高周波
エネルギーを利用する高周波放電型、アーク放電による
イオン化を利用するディオプラズマトロン、電磁直交場
における電子の旋回運動によるイオン化を利用するＰＩ
Ｇ型等の電子の衝撃電離を利用する気体放電型や、金属
の仕事関数と吸着イオン源物質のイオン化の差を利用す
る背面供給型あるいは表面供給型、電子線を加熱する電
子衝撃型等の表面電離型や、その他電界放出型がある。

【０００５】前記のイオン化室１において生成されたイ
オン粒子は、加速電圧源１４の電圧Ｖ_ACC と接地された
引出し電極６との間の電位差によって前記のイオン化室
１から引き出され、イオンビームｃとなる。そして、引
き出されたイオンビームｃは、チョッピング用電極７及
びチョッピング用アパーチャ８によりパルス化される。

【０００６】チョッピング用電極７は接地された電極と
パルス発生装置９に接続された電極からなり、引出し電
極６の下流に配置されている。さらに、このチョッピン
グ用電極７の下流側にチョッピング用アパーチャ８が配
置されている。そして、イオン化室１の放出口と、引出
し電極６及びチョッピング用電極７の電極位置と、チョ
ッピング用アパーチャ８の孔の位置は、イオンビームが
照射位置に正しく合う様に軸調整されている。

【０００７】チョッピングパルスの電位が０ボルトのと
きには、チョッピング用電極７の接地電極とパルス発生
装置９が接続された電極との間の電位差は０ボルトであ
るため、イオン化室１から引き出されたイオンビームｃ
はチョッピング用電極７によって偏向されず、そのまま
直進してチョッピング用アパーチャ８を通過してイオン
ビームｄとして放出される。

【０００８】一方、パルス発生装置９からチョッピング
パルスが印加されると、チョッピング用電極７の接地電
極とパルス発生装置９が接続された電極との間に電位差
Ｖボルトが生じ、イオン化室１から引き出されたイオン
ビームｃはチョッピング用電極７によって偏向される。
偏向されたイオンビームｅは、チョッピング用アパーチ
ャ８を構成する電極を通してアースされ、チョッピング
用アパーチャ８を通過することはできない。

【０００９】したがって、チョッピング用アパーチャ８
から放出されるイオンビームは、チョッピングパルスの
タイミングに応じて断続され、パルス化イオンビームｄ
として放出される。また、図８はイオン源の第２の従来
例の構成図である。図８において、１はイオン化室、１
４は加速電圧源、１５は引出し電極、１６はパルス発生
装置である。

【００１０】イオン化室１は、前記第１の従来と同様に
イオン粒子を生成する部分であり、加速電圧源１４が接
続されている。そして、このイオン化室１の下流側には
引出し電極１５が配置され、この引出し電極１５を接地
することによってイオン化室１のイオン粒子を引き出し
ている。この第２の従来のイオン源において、イオンビ
ームのパルス化は、パルス発生装置１６から前記引出し
電極１５にパルス電位を印加することにより行われる。

【００１１】このパルス電位が０ボルトの電位の場合に
は、イオンビームは引出し電極１５により引き出され、
引出し電極１５の孔を通過してイオンビームｆとなる。
一方、パルス電位の印加により引出し電極１５の電位が
加速電圧源１４の電位Ｖ_ACCよりもある電位Ｖだけ高く
なると、イオン化室１から放出されるイオンビームは引
出し電極１５の孔を通過することができず、イオンビー
ムｆとならない。これによってイオンビームの断続が行
われる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
従来のイオン源においては、以下の問題点を有してい
る。 （１）パルス化イオンビームを得るために、ビームをチ
ョッピングする場合には、（ａ）チョッピング用電極で
ビームを偏向させているため、偏向中においてビームの
軌跡が変化して非点収差を生じ、ビーム形状が変形して
歪みが生じる。

【００１３】（ｂ）ビームをパルス化した場合とパルス
化しない場合とでは、ビームの偏向によって生じるビー
ムの履歴状態が異なり、ビーム軌道にずれが生じて試料
上におけるビームの照射位置が変化し、位置ずれが生じ
る。（ｃ）イオン源の内部でイオン化されなかった中性
粒子が常に放出され、このる中性粒子はパルスイオンビ
ームのバックグランドとなり、分析の際の障害になる場
合がある。 （２）パルス化イオンビームを得るために、引出し電圧
を直接パルス化する場合には、（ｄ）引出し電圧と同じ
電圧を持ったパルス高圧電源を必要となる。このパルス
高圧電源としては、通常パルス電圧が数ｋＶ、周波数が
十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ、またパルス幅が数ｎＡ〜数十ｎ
Ａのものが必要であるが、このようなパルス電源の作成
は非常に困難である。

【００１４】（ｅ）また、イオン化室の近傍に高圧の電
位部分を形成するため、この高圧電位の電圧変動はイオ
ン化室のプラズマに大きな擾乱を与え、一定電流のイオ
ンビームを得るのが困難である。（ｆ）また、イオン化
室のプラズマの不安定を生み、安定したビームを得るこ
とができない。

【００１５】本発明は前記の従来の問題点を除去し、ビ
ーム形状の歪みやビームの照射位置の位置ずれがなく、
また中性粒子によるパルスイオンビームのバックグラン
ドを減少させるとともに、イオン化室のプラズマを安定
させて、安定したパルス化イオンビームを発生すること
のできるイオン源を比較的に低電圧のパルス電源によっ
て実現することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
解決するために、パルス化されたイオンビームを生成す
るイオン源において、イオンを発生するイオン化室と、
イオン化室の下流側に設置される第１電極と第２電極か
らなるイオン源の引出し電極と、イオン化室の下流側に
設置されるイオン化装置とにより構成し、この第１電極
にはイオン化室より低い定電圧を印加し、また第２電極
には第１電極の定電圧より高いピーク電圧のパルス電圧
を印加するものである。

【００１７】

【作用】本発明によれば、イオン化室の出口にある第１
電極とは別個に、独立した第２電極を設け、第１電極に
定電圧を与えるとともに、第１電極の下流側の第２電極
に比較的に低電圧のパルス電圧を与えてビームをパルス
することにより、イオン化室内のプラズマを擾乱させる
ことなく、安定にパルスビームを取り出すことができ
る。また、イオン化室の下流側にイオン化装置を設ける
ことにより中性粒子をイオン化させることができる。

【００１８】また、第２電極にエネルギーフィルタの機
能を持たせることによって、エネルギーの広がりを抑え
ることができる。したがって、表面分析面からパルス化
ビームに要請されるパルス化ビームの空間的広がりや、
エネルギーの広がりをできるだけ抑え、かつ不純物粒子
が少ないビームを得ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本発明のイオン源の第１の
実施例の構成図である。図１において、１はイオン化
室、２は第１電極、３は第２電極、４はイオン化装置、
１１はフィラメント、１２はグリッド、１３はコレク
タ、１４は加速電圧源、２１は定電圧源、３１は第１フ
ィルタ電極、３２は第２フィルタ電極、３３はパルス化
電極、３４は設定電源、３５はパルス化電源、４１はイ
オン化用電源、４２はフィラメント、４３はグリッドで
ある。

【００２０】図１において、本発明のイオン源はイオン
化室１と、第１電極２と、第２電極３と、イオン化装置
４とから構成され、イオン化室１の下流に第１電極２と
第２電極３が配置され、さらに第１電極２と第２電極３
との間にイオン化装置４を設けてなるものである。以
下、各構成要素について説明する。 Ａ：イオン化室について はじめにイオン化室１について説明する。イオン化室１
としては、例えば電子衝撃型イオン源がある。この電子
衝撃型イオン源は、基本的にはフィラメント１１、グリ
ッド１２及びコレクタ１３で構成され、コレクタ１３に
は加速電圧源１４が接続されている。イオン化室１から
イオンビームを放出するには、イオン化室１内にイオン
種に相当するガスを導入し、フィラメント１１から電子
を放出して放電を励起させてプラズマを生成させ、ガス
をイオン化することによって行われる。

【００２１】なお、このときコレクタ１３は電子にとっ
てはコレクタの役割をするが、イオンにとってはリペラ
ーの役割をすることになる。 Ｂ：第１電極について 次に、第１電極２について説明する。第１電極２は、イ
オン化室１の下流に設けられ、定電圧源２１により一定
電圧が印加されている。この定電圧源２１の電位は前記
イオン化室１に印加されている加速電圧源１４より低い
電圧に設定されており、イオン化室１からのイオンビー
ムの引出し電極としての機能を有している。

【００２２】また、この第１電極２は、前記の引出し電
極としての機能の他に、イオン化室１内のプラズマの安
定化を図る機能をも有している。このプラズマ安定化機
能は、イオン化室１内のプラズマの近傍を一定の電圧に
保持することによって、外部の電位変動に対してイオン
化室１内の電位を安定させることによって行われる。し
たがって、この第１電極２を設けて定電圧を印加するこ
とによって、外部環境の変化にかかわらず、イオン化室
１内から一定電流のイオンビームを引き出すことができ
る。 Ｃ：第２電極について 次に、第２電極３について説明する。第２電極３は、前
記第１電極２のさらに下流側に設置されるものであり、
第１フィルタ電極３１、第２フィルタ電極３２及びパル
ス化電極３３から構成されている。第１フィルタ電極３
１、第２フィルタ電極３２及びパルス化電極３３はこの
順にイオンビームの下流方向に配置されており、第１フ
ィルタ電極３１は接地されてアース電位に保持され、第
２フィルタ電極３２には設定電源３４が接続され、ある
設定電位が印加され、またパルス化電極３３には設定電
源３４及びパルス化電源３５が接続されてある設定電位
をバイアス電位としたパルス電圧が印加される。

【００２３】そして、第２電極３は引出し電極としての
機能の他に、パルス化電極３３はイオンビームを断続す
るパルス化機能を有し、また第１フィルタ電極３１及び
第２フィルタ電極３２はイオンビームのエネルギー選択
の機能を有している。 ａ：パルス化電極３３の機能について はじめにパルス化電極３３の機能について図２及び図３
によって説明する。

【００２４】図２は図１の本発明のイオン源の第１の実
施例の一部構成図であり、図３は本発明のイオン源の電
位分布及びイオンビームの速度分布図である。同図にお
いて、説明を容易にするためにイオン化装置４と第１フ
ィルタ電極３１、第２フィルタ電極３２、設定電源３４
を省略している。なお、符号は図１と同様である。図２
において、イオン化室１内から放出されたイオンビーム
は、加速電圧源１４と定電圧源２１との電位差により引
き出されて第１電極２の孔を通過して、パルス化電極３
３に進む。このパルス化電極３３には、パルス化電源３
５が接続されており電圧Ｖ₃₅ボルトのパルス電圧が印加
される。この電圧Ｖ₃₅ボルトは、定電圧源２１の定電圧
Ｖ₂₁ボルトより若干高い電圧である。。

【００２５】図３において、（ａ）と（ｂ）はパルス化
電極３３に印加されるパルス電圧が０ボルトの場合の電
位分布とイオンビームの速度分布を示している。この場
合には、パルス化電極３３の電位は第１電極２の電位よ
りも低いため、イオンビームはこの電位勾配による電界
により引かれ、パルス化電極３３の孔を通過する。一
方、図３において、（ｃ）と（ｄ）はパルス化電極３３
に印加されるパルス電圧が電圧Ｖ₃₅ボルトの場合の電位
分布とイオンビームの速度分布を示している。この場合
には、パルス化電極３３の電位は第１電極２の電位より
も若干高いため、イオンビームはこの電位勾配による電
界により反発され、パルス化電極３３の孔を通過するこ
とはできない。

【００２６】したがって、イオンビームはパルス化電極
３３に印加されるパルス電圧により断続され、パルス化
イオンビームが形成される。なお、このパルス電圧の電
圧Ｖ₃₅ボルトは、定電圧源２１の定電圧Ｖ₂₁ボルトより
若干高い電圧であれば十分であり、また、この定電圧Ｖ
₂₁ボルトも引出し機能及びプラズマ安定化機能を果たす
ためには低電圧で十分であるため、従来のパルス電圧よ
り低い電圧とすることができ、通常のパルス電圧を用い
て実現することができる。

【００２７】例えば、イオン化室１の電圧が２ｋＶ、第
１電極２の電圧が０．４ｋＶ程度であれば、パルス化電
極３３のパルス電圧は０．５ｋＶで十分である。また、
このパルス化電極３３を第１電極２より若干電圧を高く
することによる副次的な効果として、第１電極２から放
出される定電流をパルス化電極３３によって発散させて
パルス化電極３３への流れ込みを防止し、最終的なパル
スビームの質を向上させることができる。

【００２８】ｂ：イオンビームのエネルギーの選択機能
について 次に、第１フィルタ電極３１及び第２フィルタ電極３２
によるイオンビームのエネルギーの選択について説明す
る。図４は本発明のイオンビームのエネルギーの選択の
ための構成図であり、（ａ）は第１フィルタ電極及び第
２フィルタ電極のフィルタ構成を示し、（ｂ）は通過ビ
ームのエネルギー状態図を示している。

【００２９】図４において、ある設定エネルギーＥ以上
のイオンビームを通過させるフィルタ構成は、第１フィ
ルタ電極３１と下流側の第２フィルタ電極３２よりな
り、この第１フィルタ電極３１は接地され、第２フィル
タ電極３２には設定電源３４の電圧Ｖ₃₄が印加されてい
る。この第１フィルタ電極３１と第２フィルタ電極３２
の電位差や、入射されるイオンビームの粒子の質量等の
関係から、第２フィルタ電極３２の孔を通過するイオン
ビームのエネルギーを選別することができ、（ｂ）に示
すようにエネルギーＥ以上のイオンビームを通過させる
ハイパスフィルタとして機能させることができる。

【００３０】したがって、このエネルギーＥの値は、イ
オンビームの粒子の質量に応じて設定電源３４の電圧Ｖ
₃₄を調整することによって設定することができる。 Ｄ：イオン化装置について 再び図１において、このイオン化装置４はイオン化室１
と第１電極２の間に配置されるものであり、イオン化室
１から放出される中性粒子に電子を照射することによっ
てイオン化を行うものである。イオン化装置４は、イオ
ン化用電源４１により印加されるフィラメント４２とそ
の前方に配置される設置されたグリッド４３とから構成
され、このフィラメント４２とグリッド４３は中性粒子
が通過する部分を囲むように配置されている。

【００３１】そして、フィラメント４２から放出された
電子は、グリッド４３によって加速されてグリッド４３
を通過し、反対側において対向するフィラメント４２に
向けて進む。この電子は反対側のフィラメント４２に接
近するとその電位により減速され、逆の方向に加速され
て元の方向に戻される。このようにして中性粒子が通過
する部分には電子が多数存在することになり，中性粒子
のイオン化の確率が高くなる。

【００３２】また、このイオン化装置の他に、レーザー
ビームの照射による中性粒子のイオン化も可能である。
次に、イオン源がパルスビームを発生しない場合（以
下、オフパルス時という）に漏れ出る低エネルギーのイ
オンビームの除去について説明する。なお、これに対し
てイオン源がパルスビームを発生する場合をオンパルス
時という。

【００３３】図５は本発明のイオン源のオンパルス時の
状態図であり、図６は本発明のイオン源のオフパルス時
の状態図である。図５及び図６において、５は偏向器、
５１は偏向電極、５２は偏向電極電源、ａ，ｂはイオン
ビームである。偏向器５はイオンビームの下流側に設置
され、偏向電極５１に偏向電極電源５２を接続すること
によって構成される。

【００３４】図５のイオン源のオンパルス時において
は、偏向電極５１に電圧は印加されておらず、イオン室
からのイオンビームａはそのまま図示されない照射位置
に向けて放出される。一方、図６のイオン源のオフパル
ス時においては、偏向電極５１に電圧を印加してイオン
室からのイオンビームｂを偏向させ、図示されない照射
位置に対してイオンビームｂが照射しないようにするこ
とができる。

【００３５】これによって、オフパルス時において漏れ
出る低エネルギーのビームをビーム上から除いて、バッ
クグランドの低減を図ることができる。なお、前記偏向
器５に代えて集束器を用いることもできる。なお、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣
旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の
範囲から排除するものではない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、 （１）イオン化室のプラズマの擾乱を抑え、安定したイ
オンビームを得ることができる。 （２）パルス電源を比較的低電圧とすることができる。 （３）歪みがなく空間的広がりの少ないビーム形状のパ
ルスイオンビームを得ることができる。 （４）ビーム照射位置の位置ずれを防ぐことができる。 （５）中性粒子によるパルスイオンビームのバックグラ
ンドを除くことができる。 （６）イオンビームのエネルギー選別によりエネルギー
の広がりを抑えることができる。 等の効果があり、ＩＳＳ、ＳＩＭＳ／ＳＮＭＳ等の表面
分析装置等のパルスイオンビームにおいて、制御系が比
較的容易になるとともにパルスビームの質を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン源の第１の実施例の構成図であ
る。

【図２】本発明のイオン源の第１の実施例の一部構成図
である。

【図３】本発明のイオン源の電位分布及びイオンビーム
の速度分布図である。

【図４】本発明のイオンビームのエネルギーの選択のた
めの構成図である。

【図５】本発明のイオン源のオンパルス時の状態図であ
る。

【図６】本発明のイオン源のオフパルス時の状態図であ
る。

【図７】イオン源の第１の従来例の構成図である。

【図８】イオン源の第２の従来例の構成図である。

【符号の説明】

１…イオン化室、２…第１電極、３…第２電極、４…イ
オン化装置、１１，４２…フィラメント、１２，４３…
グリッド、１３…コレクタ、１４…加速電圧源、２１…
定電圧源、３１…第１フィルタ電極、３２…第２フィル
タ電極、３３…パルス化電極、３４…設定電源、３５…
パルス化電源、４１…イオン化用電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス化されたイオンビームを生成する
   イオン源において、（ａ）イオンを発生するイオン化室
   と、（ｂ）前記イオン化室の下流側に設置される第１電
   極と第２電極からなる引出し電極と、（ｃ）前記イオン
   化室の下流側に設置されるイオン化装置とからなり、
   （ｄ）前記第１電極には前記イオン化室より低い定電圧
   を印加し、前記第２電極には前記定電圧より高いピーク
   電圧のパルス電圧を印加することを特徴とするイオン
   源。