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JPH0640477B2 - 集束イオンビーム装置 - Google Patents
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JPH0640477B2 - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

集束イオンビーム装置

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Publication number
JPH0640477B2
JPH0640477B2 JP1302392A JP30239289A JPH0640477B2 JP H0640477 B2 JPH0640477 B2 JP H0640477B2 JP 1302392 A JP1302392 A JP 1302392A JP 30239289 A JP30239289 A JP 30239289A JP H0640477 B2 JPH0640477 B2 JP H0640477B2
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JP
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energy
analysis component
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ion beam
ion
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豊 川田
憲一 井上
清隆 石橋
明 小林
浩司 井上
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体技術分野をはじめ医療・バイオ技術等
の分野において、高エネルギー荷電ビームを用いて微小
領域の物性、組成分析、微細加工、表面改質等をする装
置について、機能向上、構造改善を目的とする改良技術
に関する。
(従来の技術) 半導体技術分野では、膨大な量の情報をコンピュータで
処理するため、記憶容量を増大し情報処理速度を高速化
することが求められている。そのため、ICの高集積化
がLSIからVLSIへ、また3次元ICへと開発が進
められつつある。これに伴なって、個々の素子やその配
線等は極微小化し、多層化し、また表面から極めて浅い
領域が使われつつある。このようなIC、プロセス研究
においては、ミクロサイズに集束されたイオンビームが
極めて有力な手段となる。例えば、製造においては、数
百〜数MeVに加速された集束イオンビームを用いて、
マスクレスイオン注入が可能となり製造工程を大幅に簡
略化できる。一方、分析においては、ミクロな領域にお
ける原子分布の分析が極めて重要であり、そのために
は、高エネルギー(MeV)の集束イオンビームを使った1
μm以下の分解能を持つラザフオード後方散乱法(RBS)
や粒子励起X線法(PIXE)などの分析手法の有効性が認識
され、その装置の機能向上が図られつつある。
第4図は分析装置として用いた従来技術の高エネルギー
・集束イオンビーム装置の構成配置の代表的1例を示
す。
この例では、加速器(a)のイオン源(b)で発生し加速管
(c)で加速されて出た高エネルギー・イオンビーム
(d′)は、先ず偏向分析電磁石(e)を通る間に通常15
°以上の角度振られてこの間にイオン種・エネルギーを
選別され、次に対物コリメータ(f)によって数十μmに
絞られ、のち2〜5mのドリフト空間を経て2連または
3連の四重極電磁石レンズ(g)に入って集束され、試料
チヤンバー(h)内に収容されたターゲット(i)すなわち測
定試料上にビームスポットを結ぶ。(j)はチヤンバー(h)
内の検出器であり、(k)は偏向分析電磁石(e)のコイルを
示す。
対物コリメータ(f)から四重極電磁石レンズ(g)までのド
リフト空間の距離を物面距離、同レンズ(g)からターゲ
ット(i)までの距離を像面距離とよび、この光学系では
2距離の比にほぼ等しい縮小率で対物コリメータ(f)の
口径を集束してタターゲット(i)上に投影する機能を持
つ。ところで、像面距離は検出器(j)などの収納スペー
スが必要なため100〜200mm位となるので、ビームスポッ
トをより小さくし、また電流密度をより高くするために
は、物面距離をより大きくして、システムの性能の向上
を図っている。
(発明が解決しようとする問題点) 前記の従来の高エネルギー・イオンビーム集束装置の構
成配置では、加速器(a)から偏向分析電磁石(e)までの距
離と同電磁石から試料チヤンバー(h)までの距離とを合
わせたビーム経路は最低7m以上必要となる。しかも偏
向分析電磁石(e)でイオン種を選別するにはイオンビー
ムの偏向角度を15°以上とするので横方向にも拡がり、
実際の装置では約7m×3m以上のスペースを必要と
し、装置というよりも平面的拡がりを以て1つの部屋を
占拠する施設となる。
しかも装置の大型化によりその反面の不利が生じ、すな
わちイオンビームを約1μmのスポットサイズに集束す
るためには、初期調整を厳密に行い、さらに保守作業と
しても各コンポーネントの中心、軸線を一致させるアラ
インメントを精密に保つことが必要になる。この際、15
°以上偏向するビームライン上に沿って配置されるコン
ポーネント間のアラインメント調整作業は一層困難であ
る。さらに装置が大型であることから、除振のための架
台の一体化は殆ど不可能である。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、従来技術の上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、高エネルギー・イオンビームの経路
を短くしてその間にイオン種選別を行いかつビームの縮
小スポット集束を可能とするためには、加速器のすぐ下
流に対物コリメータを設置し、対物コリメータと四重極
電磁石レンズとの間のドリフト空間(物面距離)にイオ
ン種・ビームエネルギーの分析コンポーネントを挿入す
る構成配置とする。特に分析コンポーネントとしてウイ
ーン(E×B)型質量分析器を用いる場合はビームライ
ンを直線的として短縮できる。
すなわち、本発明の集束イオンビーム装置は、基本的構
成としては、加速器よりの高エネルギー・イオンビーム
がイオン種選定器、対物コリメータ、ビーム集束器を経
て試料にスポット入射する高エネルギーイオンビームを
用いる縮小領域の表面改質、又は物性、組成分析等の装
置において、加速器のすぐ下流に対物コリメータを配置
し、対物コリメータと四重極電磁石レンズとの間の物面
距離中のドリフト空間にイオン種・ビームエネルギーの
分析コンポーネントを挿入する構成としたことを特徴と
する。
(作用) 本発明によると、次の諸作用が発揮される。
(I)第4図の従来技術の装置の加速器(a)から偏向分
析電磁石(e)を経て対物コリメータ(f)に到る系のビーム
経路が省略される。本発明ではイオン種・ビームエネル
ギーの分析コンポーネントが対物コリメータと四重極電
磁石レンズとの間のドリフト空間を利用して設置される
ので、装置全体の大きさは40%以上縮小され、コンパク
トな装置が得られる。
(II)装置が小型化されることにより架台が一体化でき
るので、コンポーネント間の精密アラインメントが容易
になり、除振性能が向上する。これらのことはターゲッ
トに到達する最小ビームスポット径をより小さくできる
ことに直接結び付く。
(III)特にイオン種・ビームエネルギーの分析コンポ
ーネントとしウイーン(E×B)型質量分析器を採用す
る場合には、ビームラインは直線的になり、アラインメ
ント作業は容易になる。またウイーン型質量分析器の偏
向電極は1種のステアラー(Steerer)として作用させる
ことができるので、四重極電磁石レンズ内のビームアラ
インメントの微調整に利用でき、また測定試料上のビー
ムスポットの走査に利用することもできる。
(実施例) 以下、本発明の集束イオンビーム装置を分析装置として
用いた場合について第1〜3図を参照し、実施例を詳細
に説明する。第1図はウイーン(E×B)型質量分析器
を用いる場合の実施例を示す。
第1図において、静電型加速器(1)では、イオン源(2)に
例えばヘリウムガスを用いるとHe+、He2+を含むイオン
がつくられ、加速管(3)に例えば1MVの加速電圧を印加す
ると加速されてHe+は1MeV、He2+は2MeVのエネルギーの
高エネルギー・イオンビーム(4)となって高速、高エネ
ルギーで出て来る。それらは直接、対物コリメータ(5)
に供給され十数μmに絞られる。そのあと、イオン種・
ビームエネルギーの分析コンポーネントとしてのウイー
ン(E×B)型質量分析器(6)にはいる。ウイーン型質
量分析器(6)では電磁石コイル(7)、窓型電磁石ヨーク
(8)でつくられる磁場Bおよび側壁の分析電極(9)(9)に
それぞれ電圧+V/2、-V/2を印加して電極距離dのもとに
つくられる電場Eの一定の条件のもとに、He+イオンだ
けが直進し、他のイオンは偏向されて分析電極(9)また
は出口側のイオン選別スリット(10)に衝突し、電荷を中
和され、排気ガスとして排出される。(11)はHe+ビーム
の偏向電極である。直進したHe+イオンだけが四重極電
磁石レンズ(12)に入り集束され、試料チヤンバー(13)内
のターゲット(測定試料)(14)上にビームスポットとな
って入射される。He+イオンが測定試料(14)と相互作用
して散乱されたイオンまたは励起された蛍光X線はチヤ
ンバー(13)内の検出器(15)によってエネルギー分析さ
れ、試料の物性データを得ることができる。また偏向電
極(11)に電圧を印加することでスポット位置を走査させ
ることができ、2次元分析が可能となる。
以上、この実施例装置の構成を作用およびイオン種例と
ともに説明したが、本発明において、対物コリメータ
(5)と四重極電磁石レンズ(12)との間に設置するイオン
種・ビームエネルギーの分析装置としてウイーン(E×
B)型質量分析器が採用可能であり適切なものであるこ
とを解析および例示によって裏付けると次のとおりであ
る。
ウイーン(E×B)型質量分析器(6)は、磁場Bの偏向
作用(イオンの運動量に比例)と電場Eの偏向作用(イ
オンエネルギーに比例)とが互いに反対方向に働くよう
に、電磁石と平行電極が配置された構造をしており、そ
れらが打消しあうようなイオン種のみが直進できるフイ
ルターとして働く、このE×B板でのイオンビームの運
動方程式は、偏向量をx、ビームの進む方向をzとし
て、 ここにm:イオン質量(Heの場合 m He=4×1.67×10-27kg) e:イオン電荷(He+の場合 e He+=1.6×10-19Cクーロン) v:イオン速度=(2eVo/m)1/2 Vo:加速電圧 いま分析器(6)の全長をLと置いて、イオンが分析器を
出るときの偏向量Δxを上記方程式を解くことにより求
めると次式となる。ここにΔx<<Lとして近似する。
例えばHe+イオンが直進するΔx=0と条件としては (磁場Bの磁束密度単位:Tesla、 1 Tesla=104Gauss) 電場Eの強度単位:V/m、1V/m=10-2V/cm) 第2図は単位をGaussとV/cmに変えて、この関係を図示
したものである。
次にL=2mと仮定して、この条件のときのHe+、He2+
の偏向量Δx(単位:m)を磁場B(単位:tesla)と
の関係として求めると次のようになる。
He+につき Δx6.9 B He2+につき Δx2.8 B さてイオン選別スリットの幅を、この種の四重極電磁石
レンズのボーア直径を5mm程度とし、He2+がその10倍程
度は離れるように偏向させるという要求条件を課する
と、磁場Bとして180Gaussと、第2図より電場Eとして
約1230V/cmが要求されることになる。これらの値は通常
の電磁、電場配置で容易に得られるので、ウイーン(E
×B)型質量分析器はこの目的に採用可能であり適切で
ある。
第3図は本発明の集束イオンビーム装置の他の実施例を
示す。第1図実施例と均等の各部は第3図中に同一符号
を記入して指摘し説明の重複を省略する。
この実施例では、対物コリメータ(5)と四重極電磁石レ
ンズ(12)との間に挿入されるイオン種・ビームエネルギ
ーの分析コンポーネントとして90°偏向電磁石(16)を設
置する。偏向電磁石(16)の偏向角度は45°〜180°の範
囲で選ぶことができる。偏向電磁石の代わりに偏向電極
を使用してもよい。
以上、本発明の集束イオンビーム装置を分析装置として
用いた場合の実施例について説明したが、本実施例のハ
ード構成はそのままイオン注入装置としても用いること
ができる。但し、そのように用いる場合は検出器(15)は
なくてもよい。
(発明の効果) 以上のように本発明によると、集束イオンビーム装置の
構成を集約的とすることができ、各コンポーネントの精
密アラインメントが容易となり防振性能も向上し、これ
らが相俟ってビームスポット径を小さくして分析機能を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の集束イオンビーム分析装置の第1実施
例の構成配置図、第2図はそのウイーン型質量分析器の
各種イオンビーム直進条件を横軸の磁束密度(Gauss)と
縦軸の電場強さ(V/cm)の関係において示す図表、第3図
は本発明装置の第2実施例の構成配置図、第4図は従来
技術の装置の構成配置図である。 (1)……静電型加速器、(2)……イオン源、(3)……加速
管、(4)……イオンビーム、(5)……対物コリメータ、
(6)……ウイーン(E×B)型質量分析器、(7)……電磁
石コイル、(8)……窓型電磁石ヨーク、(9)……分析電
極、(10)……イオン選別スリット、(11)……偏向電極、
(12)……四重極電磁石レンズ、(13)……試料チヤンバ
ー、(14)……ターゲット(測定試料)、(15)……検出
器、(16)……90°偏向電磁石、(B)……磁場、磁束密
度、(E)……電場、電界強度、(V)……印加電圧、(d)…
…極間距離、(L)……分析器全長、(a)……加速器、(b)
……イオン源、(c)……加速管、(d′)……イオンビ
ーム、(e)……偏向分析電磁石、(f)……対物コリメー
タ、(g)……四重極電磁石レンズ、(h)……試料チヤンバ
ー、(i)……ターゲット、(j)……検出器、(k)……コイ
ル。
フロントページの続き (72)発明者 井上 浩司 兵庫県神戸市灘区篠原伯母野山町2―3― 1 (56)参考文献 特開 昭62−82634(JP,A) 特開 昭47−31686(JP,A)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】加速器よりの高エネルギー・イオンビーム
    がイオン種選定器、対物コリメータ、ビーム集束器を経
    て試料にスポット入射する高エネルギー荷電ビームを用
    いた微小領域の表面改質、又は物性・組成分析等の装置
    において、 加速器のすぐ下流に対物コリメータを配置し、対物コリ
    メータと四重極電磁石レンズとの間の物面距離中のドリ
    フト空間に、イオン種・ビームエネルギーの分析コンポ
    ーネントを挿入する構成とするとともに、 前記分析コンポーネントとして、磁場型質量分析器を使
    用することを特徴とする集束イオンビーム装置。
  2. 【請求項2】前記分析コンポーネントとして45°〜180
    °偏向電磁石を使用することを特徴とする請求項1に記
    載の集束イオンビーム装置。
  3. 【請求項3】加速器よりの高エネルギー・イオンビーム
    がイオン種選定器、対物コリメータ、ビーム集束器を経
    て試料にスポット入射する高エネルギー荷電ビームを用
    いた微小領域の表面改質、又は物性・組成分析等の装置
    において、 加速器のすぐ下流に対物コリメータを配置し、対物コリ
    メータと四重極電磁石レンズとの間の物面距離中のドリ
    フト空間に、イオン種・ビームエネルギーの分析コンポ
    ーネントを挿入する構成とするとともに、 前記分析コンポーネントとして、ウイーン(E×B)型
    質量分析器を使用することを特徴とする集束イオンビー
    ム装置。
  4. 【請求項4】加速器よりの高エネルギー・イオンビーム
    がイオン種選定器、対物コリメータ、ビーム集束器を経
    て測定試料にスポット入射する高エネルギー荷電ビーム
    を用いた微小領域の物性・組成分析等の装置において、 加速器のすぐ下流に対物コリメータを配置し、対物コリ
    メータと四重極電磁石レンズとの間の物面距離中のドリ
    フト空間にイオン種・ビームエネルギーの分析コンポー
    ネントを挿入する構成とするとともに、 前記分析コンポーネントとして、磁場型質量分析器を使
    用することを特徴とする集束イオンビーム分析装置。
  5. 【請求項5】前記分析コンポーネントとして45°〜180
    °偏向電磁石を使用することを特徴とする請求項4に記
    載の集束イオンビーム分析装置。
  6. 【請求項6】加速器よりの高エネルギー・イオンビーム
    がイオン種選定器、対物コリメータ、ビーム集束器を経
    て測定試料にスポット入射する高エネルギー荷電ビーム
    を用いた微小領域の物性・組成分析等の装置において、 加速器のすぐ下流に対物コリメータを配置し、対物コリ
    メータと四重極電磁石レンズとの間の物面距離中のドリ
    フト空間にイオン種・ビームエネルギーの分析コンポー
    ネントを挿入する構成とするとともに、 前記分析コンポーネントとして、ウイーン(E×B)型
    質量分析器を使用することを特徴とする集束イオンビー
    ム分析装置。
JP1302392A 1989-05-17 1989-11-20 集束イオンビーム装置 Expired - Lifetime JPH0640477B2 (ja)

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US07/524,432 US5063294A (en) 1989-05-17 1990-05-17 Converged ion beam apparatus
EP90109351A EP0398335B1 (en) 1989-05-17 1990-05-17 Converged ion beam apparatus
DE69026751T DE69026751T2 (de) 1989-05-17 1990-05-17 Ionenbündelfokussierungsvorrichtung

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1-125373 1989-05-17
JP12537389 1989-05-17
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Publication Number Publication Date
JPH0374037A JPH0374037A (ja) 1991-03-28
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