JPH0721951A - 粒子ビ−ム中和装置およびその装置を用いた粒子ビ−ム照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 中和のための粒子電荷による二次的帯電がな
く、動作圧力がより低く、制御性がよく、かつ、制御電
源が小型である中和装置を提供する。また、上記中和装
置を使用した粒子ビ−ム照射装置を提供する。 【構成】 カソ−ド電位をワ−ク３とほぼ同電位の電子
源５と、イオンビ−ム１を囲むように正電圧が印加され
ている層状グリッド２を配設し、前記電子源５から加減
速引出しされた低エネルギ−電子を前記層状グリッド２
へ供給し、蓄積させる。前記蓄積された層状グリッド２
の電子がイオンビ−ムの空間電荷に引かれてトラップさ
れイオンビ−ムを中和するものである。また、前記中和
装置がワ−ク３の直前に配設されるとファラデ−カップ
となり、イオンビ−ム１の電流値がえられるので、正確
な大きさを有する粒子ビ−ム照射装置となる。

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−ムの空間電
荷を中和する粒子ビ−ム中和装置およびイオンビ−ムを
ワ−クに照射したときに生ずる前記ワ−クの帯電を防止
する粒子ビ−ム中和装置を係り、特に、例えば、中性ビ
−ム注入装置のビ−ム中和管やイオン打込み装置のエレ
クトロンシャワ、プラズマフラッド装置などに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】イオン打込み装置の中和装置において
は、例えば、電子によりワ−クの帯電を中和する場合、
前記電子が高いエネルギ−を持っていると前記ワ−クが
負に帯電し損傷するという２次的現象が起きる。このた
め前記電子を低エネルギ−化させる方法が種種考案され
てきた。

【０００３】従来の中和装置としては、真空中における
被加工物または試料の帯電を抑制するために、前記の被
加工物または試料にこれとぼぼ同電位の電子源から電子
を供給するものがある。すなわち、電子を加速引出し、
そのあと減速して、電子の低エネルギ−化を図り、前記
電子源と前記被加工物または試料とを同電位とし、前記
被加工物または試料の帯電を防止したものである。これ
に関連するものとしては、特開平１−２２０３５０号公
報記載の技術がある。

【０００４】また、他の従来装置としては、プラズマを
用いる方法もある。プラズマを用いる方法はプラズマブ
リッジによりプラズマを発生させ中和するものである。
すなわち、プラズマ中心のプラスイオンの周囲に低エネ
ルギ−電子を蓄積し、全体としてゼロ電位とし、その密
度をあげたものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の中和装置に
おいては、電子を減速等によりで低エネルギ−化させた
場合、前記電子は自分自身の空間電荷のために発散した
り、前記電子がビ−ム周囲の電界をこえられないため、
中和に必要な十分の電荷密度または電流値が得にくいと
いう問題がある。一方プラズマを用いた中和装置は、上
述の電荷密度または電流値の点では改良されていると考
えられるが他に問題もあった。

【０００６】次に、上記問題を詳細に説明する。 １．中和装置動作時の雰囲気圧力が高い、すなわち、真
空度が低い。 このため、イオンビ−ム電流計測に誤差を生ずる恐れが
ある。また、雰囲気ガスをワ−ク表面に打ち込むイオン
ビ−ムミキシング現象が起こり、これによるワ−クの汚
染も問題になる。

【０００７】２．プラズマコントロ−ルが難しい。 現状では、種種のイオンビ−ム条件に対し、必要十分量
の最適なプラズマ量、すなわち、密度を制御することが
困難である。その理由の第一として、ワ−クの中和状態
を正確に測定する手段が確立されていないということが
ある。これは、プラズマを用いずにエレクトロンシャワ
を用いた場合も同様である。そのためプラズマコントロ
−ルの基準、すなわち、設定値を作るのが困難である。
ただ、プラズマは過剰に照射されてもエレクトロンシャ
ワ−のように負に帯電するという恐れが少ないとされて
いる。このため過大なパワ−を入力し、過剰にプラズマ
を生成し、コントロ−ルをしない場合が多い。

【０００８】その理由の第二として、プラズマをコント
ロ−ルするパラメ−タは、プラズマの発生にマイクロ波
を用いる場合、マイクロ波パワ−、磁場強度等であ
り、また、ア−ク放電を用いる場合、ア−クの電圧と
電流、フィラメント電流等である。さらに、これら上
記２方式に共通したパラメ−タとしては、供給ガス流
量がある。前記供給ガス流量は雰囲気ガス圧力を決定
し、前記雰囲気ガス圧力によってプラズマ密度が決定さ
れる。

【０００９】しかし、ワ−クにイオンビ−ムを照射した
場合にもガスが発生し、前記雰囲気ガス圧力が変化す
る。すなわち、上記の如く、設定パラメ−タが多い上に
前記ガス圧のように時間的に変化するものもあり、プラ
ズマ密度を設定すること自体が困難である。

【００１０】３．制御電源が大型である。 プラズマの発生にマイクロ波，ア−ク放電のいずれを用
いる場合でも、過剰なプラズマを生成しなければならな
いため、大きな電源容量を必要となる。本発明は、上記
従来技術の問題点を解決するためになされたもので、中
和のための粒子電荷による二次的帯電がなく、動作圧力
がより低く、制御性がよく、かつ、制御電源が小型であ
る中和装置を提供することを第一の目的とするものであ
る。本発明の第二の目的は、上記中和装置を使用しイオ
ンビ−ムの電流値が正確に制御された粒子ビ−ム照射装
置を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の中和装置に係る第一の発明の構成は、真空
チャンバ−内のワ−クにイオンビ−ムを照射するイオン
源と、前記イオンビ−ムに電子を供給する前記ワ−クと
ほぼ同電位の電子源とを備え、前記イオンビ−ムの空間
電荷もしくは前記イオンビ−ムの照射により生ずる前記
ワ−クの帯電を防止するように構成した粒子ビ−ム中和
装置において、前記イオンビ−ムの周囲に前記電子源か
らの電子を蓄積させる手段を備えたものである。

【００１２】蓄積手段は、イオンビ−ムの周囲に導電性
層状グリッドを配設し、前記グリッドに正の高電圧を印
加するようにし、電子源からの電子を前記層状グリッド
の電界を経てイオンビ−ムに供給するようにしたもので
ある。イオンビ−ムの外側に最も近いグリッドをワ−ク
または真空チャンバ−とほぼ同電位となるようにしたも
のである。

【００１３】また、層状グリッドに印加する電圧電源を
電子源カソ−ド部の電子引出し電源と共通にしたもので
ある。また、層状グリッドと電子源とワ−クとによりイ
オンビ−ム電流測定のためのファラデ−カップを構成す
るようにしたものである。また、層状グリッドに対しガ
スを供給する機構を具備したものであり、前記ガスは高
純度のアルゴン、キセノン、クリプトン等希ガスを用い
たものである。また、イオンビ−ムのガス圧力が一定に
なるようガス供給機構に制御機構を設けたものである。

【００１４】上記第二の目的を達成するために、本発明
の粒子ビ−ム照射装置に係る第二の発明は、照射される
ワ−クの直前に第一の発明に係る粒子ビ−ム中和装置を
配設したものである。

【００１５】

【作用】上記各技術的手段の働きは次のとおりである。
第一の発明の構成によれば、電子源のカソ−ド電位をワ
−クとほぼ同電位とし電子を引出しを行うので、低エネ
ルギ−の大電流電子が得られる。前記電子源の電子放射
部に層状のグリッドが配設され、前記層状グリッドは正
電圧が印加されているので、前記大電流電子を吸収す
る。その吸収された電子は、前記グリッド内を拡散し、
該グリッドの正電位を相殺するまで多量に蓄積される。

【００１６】前記層状グリッドをイオンビ−ムを囲むよ
うに配設し、イオンビ−ム側に最も近い一連のグリッド
をワ−クまたは真空チャンバと同電位とすると、イオン
ビ−ムの正空間電荷が、前記グリッドに蓄積した電子を
トラップする。この結果、前記イオンビ−ムの正の空間
電荷が中和される。このようなイオンビ−ムが、絶縁物
表面を持つワ−クに照射されるとワ−ク表面が正に帯電
し電位が上昇する。

【００１７】前記の如くワ−ク表面が正に上昇すると、
前記イオンビ−ム中の電子が前記ワ−クに吸いとられ、
前記イオンビ−ムは、その有する正の空間電荷により電
位が上昇する。再び、前記層状グリッドに蓄積された電
子が前記イオンビ−ムに供給される。前記層状グリッド
はイオンビ−ム全体を囲んでいるので、電子は均一に前
記イオンビ−ムに供給され、前記イオンビ−ムを中和す
る。この場合、前記電子は前記イオンビ−ムの一方向か
ら供給されないので、局所的に電子密度が上昇すること
がなく、電子供給時のインピ−ダンスが上昇することを
最小限に抑えることができる。

【００１８】また、イオン源側との最近接層の層状グリ
ッドをワ−クとほぼ同電位とすることにより、外層グリ
ッドに対し電位障壁を作り、一度イオンビ−ムに取込ま
れた電子が再び前記層状グリッド側に移動することを防
止する。イオンビ−ム照射によってワ−ク表面からガス
が発生するような場合、発生したガスが層状グリッドに
達すると、前記グリッド内に蓄積されている電子がガス
分子と衝突しプラズマ化され、このプラズマが前記イオ
ンビ−ムを中和するように作用する。

【００１９】長時間イオンビ−ムを照射すると、前記ガ
ス放出は低下し、中和装置の中和能力が変化する場合が
ある。このような場合、前記グリッド部分に外部からガ
スを供給し、前記ガス圧を一定に保持することにより中
和能力をビ−ム照射時間中一定にすることができる。

【００２０】また、ワ−クからイオンビ−ムによるガス
放出がない場合でも、外部からガスをグリッドに放出す
ることにより、プラズマを効率よく生成させ、中和に寄
与させることができる。この場合ア−ク放電を起こさせ
る必要はないので、前記ガス圧をア−ク放電の場合ほど
あげる必要はなく、低い圧力で動作させることができ
る。

【００２１】第二の発明の構成によれば、ワ−クの直前
に粒子ビ−ム中和装置を配設したので、前記粒子ビ−ム
中和装置の電子源，層状グリッドとワ−クとを組合せる
ことによってファラデ−カップが構成され、前記ワ−ク
に入射するイオンビ−ム電流を正確に測定することがで
きるので、正確な電流値を有するイオンビ−ムをワ−ク
に照射することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１ないし図３を
参照して説明する。 〔実施例 １〕図１は、本発明の一実施例に係る粒子ビ
−ム中和装置本体の略示斜視図、図２は、図１の粒子ビ
−ム中和装置本体のＡ−Ａ´断面図、図３は、図１の粒
子ビ−ム中和装置本体を含む粒子ビ−ム中和装置全体構
成図である。

【００２３】第一の発明に係る本実施例の粒子ビ−ム中
和装置は、図１，２，３において、１はイオンビ−ム、
２はイオンビ−ム１を集束する層状グリッド、３はイオ
ンビ−ム１を照射するワ−ク、４はファラデ−ケ−ジ、
５は電子源、６は電子源５のフィラメント、７はフィラ
メント６からの電子引出し電極、８はフィラメント６の
遮蔽板、９はフィラメント６から電子、１０はファラデ
−ケ−ジ４内にガスを導入するガス管、１１はガス流量
制御装置、１２はガスボンベ、１３はア−スアパ−チ
ャ、１４はサプレッサ電極、１５はワ−ク３のバイアス
電源、１６，１７は電流計、１８はフィラメント６の加
熱電源、１９は電子引出し電極７のバイアス電源、Ｐ
ａ，Ｐｂ，Ｑａ，Ｑｂは導体板である。

【００２４】真空に保持されているチャンバ−（図示せ
ず）内にファラデ−ケ−ジ４が配設され、前記ファラデ
−ケ−ジ４は、その中空の筐体が方形体を形成してい
る。前記ファラデ−ケ−ジ４の両面（図示では左右の両
面）の近接した内側には、前記両面にそれぞれ相対して
導体板Ｐａ，Ｐｂが設けられ、該導体板Ｐａ，Ｐｂ間に
は層状をしたワイアのグリッド２が張設されている。

【００２５】前記導体板Ｐａ，Ｐｂの内側には近接して
導体板Ｑａ，Ｑｂが配設されている。前記導体板Ｑａ，
Ｑｂに多数の小孔が設け、該小孔に前記層状ワイアグリ
ッド２を通し、該導体板Ｑａ，Ｑｂと前記層状ワイアグ
リッド２とは、電気的に絶縁されている。前記ファラデ
−ケ−ジ４と前記導体板Ｐａ，Ｐｂとは電気的に絶縁さ
れるように、前記ファラデ−ケ−ジ４と前記導体板Ｑ
ａ，Ｑｂとは電気的に接続されるようにそれぞれ構成さ
れている。

【００２６】前記ファラデ−ケ−ジ４の前記左右両面に
は、イオンビ−ム１の通し穴Ｈａ，Ｈｂが設けられ、前
記Ｈａ，Ｈｂに対応する前記導体板Ｐａ，Ｐｂ、前記導
体板Ｑａ，Ｑｂの部分もそれぞれ通し穴が穿設されてい
る。一の通し穴（図示では左方側）Ｈａはイオンビ−ム
１の入口側、他の一の通し穴（図示では右方側）Ｈｂは
出口側となっている。前記入口の通し穴Ｈａの外側には
ア−スアパ−チャ１３、サプレッサ電極１４が配設さ
れ、前記出口通し穴Ｈａの外側に近接してワ−ク３が配
設されている。

【００２７】前記ファラデ−ケ−ジ４の上下両面には、
電子源５がそれぞれ１つずつ設けられている。前記それ
ぞれの電子源５は、フィラメント６と電子引出し電極７
とから構成される。前記フィラメント６はフィラメント
電源１８と接続されて加熱されると共に、前記ファラデ
−ケ−ジ４の筐体と接続されている。そして、ワ−ク３
とほぼ同電位となっている。

【００２８】前記電子引出し電極７は、電子引出し電源
１９と接続され、５０〜１ＫＶ高くバイアスされてい
る。なお、前記電子引出し電源１９はＣＰＵにより制御
されている。前記フィラメント６には、前記ワ−ク３と
前記イオンビ−ム１から遮蔽するように遮蔽板８を設け
ている。

【００２９】前記遮蔽板８は、前記導体板Ｑａ，Ｑｂ間
に配設され、前記フィラメント６に対して凸状になるよ
う左右に傾斜して構成されている。前記ファラデ−ケ−
ジ４の筐体上面には、ファラデ−ケ−ジ４内にガスを導
入するガス管１０が設けられ、前記ガス管１０はＣＰＵ
により制御されるガス流量制御装置１１とガスボンベ１
２とに配管接続されている。

【００３０】前記ワ−ク３は、バイアス電源１５と該ワ
−クに入射する電荷量を測定する電流計１６，１７とが
直列に接続される。電流計１６と電流計１７との共通端
子には、前記ファラデ−ケ−ジ４の筐体と前記電子引出
し電源１９とが接続されている。前記電流計１７の前記
共通端子の反対側端子はア−スされている。前記電流計
１６は中和後のイオンビ−ム電流を示し、電流計１７
は、イオンビ−ム１の電流値を示めすものである。ま
た、前記電流計１６，１７はその電流値をＣＰＵに出力
する。

【００３１】本実施例の動作を説明する。イオンビ−ム
１は、グランド電位のアパ−チャ１３とサプレッサ電極
１４を通過し、ファラデ−ゲ−ジ４に通し孔Ｈａから入
り、導体板Ｐａ，Ｑａの通し孔を通り、層状グリッド２
に囲まれた部分を通り、導体板Ｑｂ，Ｐｂの通し孔を通
り、通し孔Ｈｂを出てワ−ク３に照射される。

【００３２】フィラメント６は、加熱用フィラメント電
源１８によりヒ−トされ、電子９を放射させる。前記フ
ィラメント６には電子引出し電極７がおかれ、大量の電
子が引出されるようにバイアスされている。遮蔽板８は
前記導体板Ｑａ，Ｑｂに取り付けられているので前記フ
ァラデ−ケ−ジ４の筐体と同電位である。また、前記フ
ィラメント６も前記ファラデ−ケ−ジ４の筐体と接続さ
れているので前記遮蔽板８とほぼ同電位である。従っ
て、前記電子９は前記遮蔽板８により減速され、前記遮
蔽板８には入射しない。

【００３３】前記遮蔽板８は、上述のごとく、前記フィ
ラメント６に対して凸、かつ、左右に傾斜して形成され
ているので、前記電子９は左右へ偏向される。この結
果、この電子９の運動は図２に示すような軌道を描いて
行動する。そして、前記電子９は、前記層状グリッド２
のそれぞれのワイアグリッドに巻きつくようにして前記
ファラデ−ゲ−ジ４内全体に拡散する。前記電子９がフ
ァラデ−４全体に拡散し、中心の前記イオンビ−ム１に
近づくと、イオンビ−ム１の正の空間電荷にトラップさ
れ、イオンビ−ム１を中和することになる。

【００３４】いま、前記ワ−ク３に入る前記イオンビ−
ム１と前記電子流とは重畳し、電流計１６により測定さ
れる。前記電流値がほぼ０ないし若干負の電流値になる
よう電子源５から出る電子量をＣＰＵにてコントロ−ル
する。このとき前記ワ−ク３は、１〜１０Ｖ程度の正電
圧をバイアス電源１５により印加すると前記電子量の制
御が容易になる。

【００３５】前記電子源５から出射される電子９は、前
記電子９の引出し電極７に印加する電子引出し電源１９
によるバイアス電圧をＣＰＵがコントロ−ルして制御し
ている。このバイアス電圧は５０〜１ｋＶにすることが
望ましい。なお、前記フィラメント電源１８をコントロ
−ルしても差し支えない。前記電子９の制御は、チャ−
ジセンサ等による他の方法をもとにしても差し支えな
い。このようにして、電子９の量を最適値に設定できる
ので電源容量を必要以上にすることがない。また、電子
のエネルギ−は、前記ワ−ク３と前記フィラメント６と
の電位差で決定されるので自由に設定することができ
る。

【００３６】前記ワ−ク３の表面に前記イオンビ−ム１
が照射されたとき、ガスが放出され真空度が低下する。
このガスが層状グリッド２に達すると、この層状グリッ
ド２中に拡散している電子と衝突してイオン化されると
同時に電子を放出する。ここで発生し前記のイオンと電
子とは、プラズマ状態で拡散し、前記イオンビ−ム１お
よび前記ワ−ク３に達してそれぞれの電荷を中和する。
放出ガスは、時間経過とともに減少して来る。このため
中和効果がガス圧とともに変化する。

【００３７】この変化を抑えるため、ガス流量制御装置
１１とボンベ１２とが接続されているパイプ１０からフ
ァラデ−ゲ−ジ４内にガスが供給される。このガス供給
系は、ガス圧を必要以上に供給するためではなく前記ワ
−ク３の直前の圧力が一定になるようＣＰＵから制御さ
れている。この時供給される前記ガスは、アルゴン、キ
セノン、クリプトン等の希ガスが望ましい。上記のよう
に、本実施例によれば、高密度，低エネルギ−の電子を
供給し、イオンビ−ムを中性化し、ワ−クの帯電および
損傷が発生しない。

【００３８】〔実施例 ２〕第一の発明に係る本実施例
の粒子ビ−ム照射装置を〔実施例 １〕の説明に使用し
た図１，３により説明する。図１，３は〔実施例 １〕
において説明したので省略する。図１に示す如く、粒子
ビ−ム中和装置とワ−ク３とを近接して配設する。前記
粒子ビ−ムによる前記ワ−ク３の二次電子が拡散しない
ように構成すると、電子源５と層状グリッド２とワ−ク
３とはファラデ−カップを形成し、電流計１６によりイ
オンビ−ム電流を正確に測定することができる。これに
より正確に粒子ビ−ムを照射する必要が場合、例えばイ
オン打ち込み装置等において利用することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、第一に、中和のための粒子電荷による二次的帯電
がなく、動作圧力がより低く、制御性がよく、かつ、制
御電源が小型である中和装置を提供することができる。
また、第二に、上記中和装置を使用しイオンビ−ムの電
流値が正確に制御された粒子ビ−ム照射装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る粒子ビ−ム中和装置本
体の略示斜視図である。

【図２】図１の粒子ビ−ム中和装置本体のＡ−Ａ´断面
図である。

【図３】図１の粒子ビ−ム中和装置本体を含む粒子ビ−
ム中和装置全体構成図である。

【符号の説明】

１ イオンビ−ム ２ 層状グリッド ３ ワ−ク ４ ファラデ−ケ−ジ ５ 電子源 ６ フィラメント ７ 電子引出し電極 ８ 遮蔽板 ９ 電子 １０ ガス導入管 １１ ガス流量制御装置 １２ ガスボンベ １３ ア−スアパ−チャ １４ サプレッサ電極 １５ バイアス電極 １６，１７ 電流計 １８ フィラメント電源 １９ 電子引出し電源 Ｐａ，Ｐｂ，Ｑａ，Ｑｂ 導体板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/027

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバ−内のワ−クにイオンビ−
   ムを照射するイオン源と、前記イオンビ−ムに電子を供
   給する前記ワ−クとほぼ同電位の電子源とを備え、前記
   イオンビ−ムの空間電荷もしくは前記イオンビ−ムの前
   記ワ−クへの照射により生ずる当該ワ−クの帯電を防止
   するように構成した粒子ビ−ム中和装置において、 前記イオンビ−ムの周囲に前記電子源からの電子を蓄積
   させる手段を備えたことを特徴とする粒子ビ−ム中和装
   置。
2. 【請求項２】 蓄積手段は、イオンビ−ムの周囲に導電
   性層状グリッドを配設し、前記グリッドに正の高電圧を
   印加するようにしたことを特徴とする請求項１記載の粒
   子ビ−ム中和装置。
3. 【請求項３】 イオンビ−ムの外側に最も近いグリッド
   をワ−クまたは真空チャンバ−とほぼ同電位としたこと
   を特徴とする請求項２記載の粒子ビ−ム中和装置。
4. 【請求項４】 層状グリッドに印加する電圧電源を電子
   源カソ−ド部の電子引出し電源と共通にしたことを特徴
   とする請求項２または３記載のいずれかの粒子ビ−ム中
   和装置。
5. 【請求項５】 層状グリッドと電子源とワ−クとによ
   り、イオンビ−ム電流測定のためのファラデ−カップを
   構成するようにしたことを特徴とする請求項２ないし４
   記載のいずれかの粒子ビ−ム中和装置。
6. 【請求項６】 層状グリッドに対しガスを供給するガス
   供給機構を具備したことを特徴とする請求項２ないし５
   記載のいずれかの粒子ビ−ム中和装置。
7. 【請求項７】 ガス供給機構は、イオンビ−ムのガス圧
   力が一定になるようにガス供給を制御する制御部を具備
   していることを特徴とする請求項６の粒子ビ−ム中和装
   置。
8. 【請求項８】 ガスは高純度のアルゴン、キセノン、ク
   リプトン等希ガスであることを特徴とする請求項６また
   は７記載のいずれかの粒子ビ−ム中和装置。
9. 【請求項９】 ワ−クの直前に請求項１ないし請求項８
   記載のいずれかの粒子ビ−ム中和装置を配設したことを
   特徴とする粒子ビ−ム照射装置。