JPH11176372A - イオン照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオンビーム効率が高く、小型のイオン照射装
置を提供する。 【解決手段】イオン源１２から引き出したイオンビーム
を質量分離器２１で集束する際に、コンデンサレンズ３
１後方位置の分離用スリット１７₁上で焦点を結ぶよう
にする。焦点位置が遠方になるので、イオン源１２を質
量分離器２１に近接配置できるようになり、また、焦点
を１回結ぶだけなので、イオンビーム効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン照射装置の技
術分野にかかり、特に、低エネルギーイオンビームを照
射するイオン照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン照射装置は、半導体基板への不純
物注入や基板表面のエッチングの他、ダイヤモンド薄膜
の製造や薄膜の膜質改善などに用いられており、所望元
素を含む化合物ガスをプラズマ化し、イオンビームとし
て引き出して処理対象物に照射する装置である。

【０００３】イオン照射装置を、処理対象物に照射する
イオンビームのエネルギーで分類した場合、高エネルギ
ー型のイオン照射装置と低エネルギー型のイオン照射装
置とに分けることができる。低エネルギー型イオン照射
装置は、ＰＤＰパネル等の薄膜の膜質改善や薄膜の表面
分析に用いられることから、近年注目されている。

【０００４】図３の符号１０１は従来技術の低エネルギ
ー型のイオン照射装置を示している。このイオン照射装
置１０１は、イオン室１１０、イオン分離室１２０、中
性粒子除去室１３０、ベローズ１４０、減速室１５０、
試料室１６０がこの順に配置されて構成されており、図
示しない真空ポンプを起動して真空排気すると、内部を
高真空状態にできるようにされている。

【０００５】イオン室１１０内には、イオン源１１２
と、加速・減速電極１１５と、引出電極１１６とがこの
順に設けられており、イオン照射装置１０１を使用する
場合には、先ず、イオン源１１２内に所望種類のガスを
導入し、イオン源１１２内部のフィラメント１１３に通
電して発熱させ、導入されたガスをイオン化する。

【０００６】イオン源１１２に正電圧、加速・減速電極
１１５と引出電極１１６に負電圧を印加しておくと、イ
オン源１１２内に生成されたイオンが引き出され、後方
に配置されたイオン分離室１２０内にイオンビームとな
って入射する。

【０００７】イオン分離室１２０は湾曲形成されてお
り、その部分には質量分離器１２１が設けられている。
質量分離器１２１内には直交する磁界が形成されてお
り、質量分離器１２１内にイオンビームが入射すると、
そのイオンビーム中に含まれる種々のイオン粒子は、電
荷質量比と質量分離器１２１内の走行距離に応じた量だ
け進行方向が曲げられる。

【０００８】その結果、入射したイオンビームは集束さ
れ、所定の電荷質量比を有するイオン種だけが後方に配
置された分析スリット１２３(１０mmの孔)上で焦点を結
び、分析スリット１２３を通過して後方の中性粒子除去
室１３０に入射するため、イオンビーム中から所望種類
のイオン種を分離することができるようになっている。

【０００９】中性粒子除去室１３０内には、円筒電極か
ら成るコンデンサーレンズ１３１と、２枚の電極板１３
２₁、１３２₂から成る偏向電極１３２がこの順に設けら
れており、分析スリット１２３上で焦点を結んだイオン
ビームは発散状態となってコンデンサレンズ１３１に入
射する。

【００１０】コンデンサレンズ１３１には負電圧が印加
されており、イオンビームはコンデンサレンズ１３１に
よって集束された後、偏向電極１３２に入射する。

【００１１】偏向電極１３２の電極板１３２₁、１３２₂
間には電界が形成されており、イオンビーム中の荷電粒
子は偏向電極１３２内を通過する際に進行方向が曲げら
れる。

【００１２】イオンビームは、コンデンサレンズ１３１
によって集束された際に、後方に配置されたベローズ１
４０内の分離用スリット１４３(５mm〜１０mmの孔)で焦
点を結ぶようにされており、進行方向が曲げられた荷電
粒子は分離用スリット１４３上で焦点を結んだ後、発散
状態となって減速室１５０内に入射する。他方、イオン
ビームに含まれる中性粒子は偏向電極１３２内を直進す
るため、分離用スリット１４３を通過できず、減速室１
５０内に進入できない。

【００１３】このように、分析スリット１２３によって
不要なイオン種が除去され、分離用スリット１４３によ
って中性粒子が除去されている。

【００１４】減速室１５０内には、減速電極１５１とグ
ラウンド電極１５２が設けられており、入射したイオン
ビームは減速電極１５１を通過する際に減速され、低エ
ネルギー化されると共に集束された後、グラウンド電極
１５２を通過し、試料室１６０内に入射する。

【００１５】試料室１６０内には、ファラデーカップ１
６２と試料台１６１とが設けられており、予め試料台１
６１上に処理対象物を配置し、ビーム軌道上からファラ
デーカップ１６２を退避させておくと、試料室１６０に
入射したイオンビームを処理対象物に照射することがで
きる。他方、ファラデーカップ１６２をイオンビーム軌
道上に位置させておくと、イオンビームはファラデーカ
ップ１６２に照射され、試料室１６０外に配置された電
流計１６３によってイオンビーム強度を電流値として測
定することができる。

【００１６】試料室１６０内に入射するイオンビームか
らは、不要なイオンや中性粒子が除去されているため、
希望するイオン種だけを試料に照射できるようになって
いる。

【００１７】図４は、上記経路で試料に照射されるイオ
ンビームの形状変化と電位変化を説明するための図であ
り、符号１０２はイオンビームの広がり方を示してい
る。

【００１８】質量分離器１２１とコンデンサレンズ１３
１が凸レンズの機能を有しているため、イオン源１１２
から引き出され、発散状態にあるイオンビーム１０２
は、先ず、質量分離器１２１内で集束され、分析スリッ
ト１２３上で一旦焦点を結んだ後、再度発散状態にな
り、コンデンサレンズ１３１によって集束され、分離用
スリット１４３上で再度焦点を結んでいる。

【００１９】このように、従来技術のイオン照射装置１
０１では、イオンビーム１０２が発散と集束を繰り返
し、焦点を二回結んでいるため、イオンビーム損失が大
きく、またイオンビーム経路が長くなるため装置が大型
化するという問題があった。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の問題点を解決するために創作されたものであり、その
目的は、イオンビーム効率が高く、小型のイオン照射装
置を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、イオン源と質量分離器とス
リットとを有し、前記イオン源に設けられた引出孔から
引き出されたイオンは、前記質量分離器内を通過する際
に、イオンの有する電荷と質量の比と、前記質量分離器
中の走行距離に応じて軌道が曲げられ、所定のイオン種
が前記スリット上で焦点を結び、後方に配置された試料
表面に照射されるように構成されたイオン照射装置であ
って、前記イオンは、前記焦点より前では、焦点を結ば
ないように構成されたことを特徴とする。

【００２２】この場合、請求項２記載の発明のように、
前記質量分離器と前記スリットの間の位置にコンデンサ
レンズを配置し、該コンデンサレンズに印加する電圧値
を変化させると、前記イオンの焦点位置が移動するよう
に構成するとよい。

【００２３】また、請求項３記載の発明のように、前記
引出孔から前記質量分離器の中心までのイオンの経路
が、前記質量分離器の焦点距離の１倍以上２倍以下にす
ることができる。

【００２４】上述した本発明の構成によれば、質量分離
器内の磁界強度を調節することにより、イオン源の引出
孔から引き出したイオンが質量分離器を通過する際に、
イオンの有する電荷質量比と、質量分離器中の走行距離
に応じて軌道を曲げ、所定のイオン種だけをスリット上
で焦点を結ばせ、後方に配置された試料表面にイオンビ
ームとして照射させることができるようになっている。

【００２５】そのイオンビームは、(分離用)スリット上
でだけ焦点を結ぶように構成されているので、イオンビ
ーム強度が低下せず、効率の高いイオン照射装置を得る
ことができる。また、質量分離器から焦点までの距離が
長くなるので、イオン源を質量分離器に近接させられる
ようになり、装置を小型化できる。

【００２６】上述した質量分離器では、イオンビーム中
から所望のイオン種を分離させるため、イオンビームの
焦点位置を移動させることができない。従って、質量分
離器とスリットの間の位置にコンデンサレンズを設け、
コンデンサレンズによってイオンビームの集束度を調節
し、焦点位置を移動させるようにすると、イオン源の状
態が変わった場合等でも、正確にスリット上に焦点を結
ばせることができる。

【００２７】質量分離器と焦点との間に中性粒子除去器
を設けた場合、焦点位置は質量分離器から離れるため、
イオン源を質量分離器に近接させることができるように
なる。イオン源と質量分離器の距離は、具体的には、イ
オン源の引出孔から質量分離器の中心までのイオンの経
路として表せるが、その経路は、質量分離器の焦点距離
の２倍以下であって１倍以上まで近接させることができ
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１を参照し、符号１は本発明の
一実施形態のイオン照射装置であり、イオン室１０、イ
オン分離室２０、中性粒子除去室３０、ベローズ４０、
減速室５０、試料室６０を有している。

【００２９】各室１０、２０、３０、４０、５０、６０
は、先頭のイオン室１０から最後方の試料室６０に向け
てこの順に配置されており、図示しない真空ポンプを起
動すると、各室内部を高真空状態にできるように構成さ
れている。

【００３０】イオン室１０内にはイオン源１２が配置さ
れており、イオン源１２の後方位置には、加速・減速電
極１５と引出電極１６とが設けられている。

【００３１】イオン源１２内にはフィラメント１３が設
けられており、このイオン照射装置１を用いて試料にイ
オンビームを照射する場合には、先ず、イオン源１２内
に所望種類のガスを導入し、フィラメント１３に通電し
て発熱させ、図中に示されていないがアーク電源によっ
て導入ガスをイオン化する。

【００３２】イオン源１２、加速・減速電極１５、引出
電極１６には、引出孔１７₁〜１７₃がそれぞれ設けられ
ており、予め約２００Ｖの電圧をイオン源１２に印加
し、グラウンド電位に対して−２２０００Ｖの電圧を引
出電極１６に印加し、引出電極１６に対して−２０００
Ｖの電圧を加速・減速電極１５に印加しておくと、イオ
ン源１２内で生成された正電荷のイオンが、引出孔１７
₁〜１７₃からイオンビームとなって引き出される。

【００３３】このとき、一部のイオンビームが引出電極
１６に衝突し、二次電子が発生するが、引出電極１６の
電位よりも前方の加速・減速電極１５の電位の方が低い
ので、二次電子はイオン源１２の方向には飛行しないよ
うになっている。

【００３４】引出孔１７₁〜１７₃から引き出されたイオ
ンビームは、発散状態となって後方に配置されたイオン
分離室２０に入射する。イオン分離室２０は、イオンビ
ームの進行方向に対して湾曲形成されており、その湾曲
部分に質量分離器２１が配置されている。

【００３５】質量分離器２１には電磁石とコンデンサと
が設けられており、質量分離器２１内のイオンビームの
通過経路上には、互いに直交する電界と磁界が形成され
ている。イオン分離室２０に入射したイオンビームは、
その磁界強度と、イオンが有する加速電圧、電荷・質量
比に応じた量だけ軌道が曲げられる。

【００３６】従って、磁界強度を調節すると、所望の電
荷・質量比を持ったイオン種だけを通過させ、他のイオ
ン種をイオン分離室２０の壁面や、後述する円盤電極４
１に衝突させ、質量分離器２１内に入射したイオンビー
ム中から所望のイオン種だけを分離することができる。

【００３７】また、質量分離器２１に入射したイオン
は、質量分離器２１内の走行距離が長いもの程大きく曲
げられるので、発散状態にあるイオンビームは、質量分
離器２１内の走行中に集束され、イオン種に応じた位置
に焦点を結ぶようになる。

【００３８】質量分離器２１の後方位置の中性粒子除去
室３０内には、円筒形形状のコンデンサレンズ３１が配
置されており、そのコンデンサレンズ３１の後方には、
２枚の電極板３２₁、３２₂から成る偏向電極３２が配置
されている。

【００３９】コンデンサレンズ３１には、所望値の電圧
を印加できるように構成されており、その電圧値を調整
することで、通過するイオンビームの集束度を変更する
ことができる。

【００４０】コンデンサレンズ３１後方の偏向電極３２
では、一方の電極板３２₁に、他方の電極板３２₂よりも
高い電圧が印加されており、偏向電極３２内に入射した
イオンビーム中のイオンは、電極板３２₁、３２₂間の電
界の影響を受け、軌道が曲げられる。

【００４１】中性粒子除去室３０の後方には、偏向電極
３２に入射する前のイオンビームの進行方向からはやや
外れた位置にベローズ室１４３が配置されており、偏向
電極３２を通過したイオンビームはベローズ室１４３内
に入射する。

【００４２】ベローズ室１４３内には、分離用スリット
４３(５mm〜１０mmの孔)が設けられた円盤電極４１が配
置されており、偏向電極３２で軌道が曲げられたイオン
は分離用スリット４３方向に進行する。

【００４３】そのイオンビームは、質量分離器２１とコ
ンデンサレンズ３１によって分離用スリット４３上で焦
点を結ぶようにされており、分離用スリット４３上で焦
点を結んで円盤電極４１を通過したイオンビームは、後
方の減速室５０内に入射する。

【００４４】ところで、偏向電極３２内に入射したイオ
ンビーム中には、試料に照射したいイオン種とは異なる
イオン粒子が含まれているが、そのようなイオン粒子
は、質量分離器２１での集束度や軌道の曲げ量が分離対
象のイオン種とは異なるため、ベローズ室１４３内に入
射すると円盤電極４１に衝突し、分離用スリット４３を
通過できない。

【００４５】また、イオンビーム中には、飛行中に電荷
を失った中性粒子が含まれているが、その中性粒子は、
偏向電極３２内を走行する際に電界の影響を受けないた
め、偏向電極３２内で直進し、その結果、円盤電極４１
に衝突し、分離用スリット４１を通過できない。

【００４６】このように、分離用スリット４１によって
不要なイオンや中性粒子が除去された状態で、減速室５
０内にイオンビームが入射する。減速室５０内には減速
電極５１とグラウンド電極５２が設けられており、分離
用スリット４３上で焦点を結んだイオンビームは、発散
状態となって減速電極５１内に入射する。

【００４７】減速電極５１内では、イオンビームは減速
されることで低エネルギー化されると共に集束され、グ
ラウンド電極５１に向けて照射される。グラウンド電極
５１の中央には孔５３が設けられており、その孔５３を
通過したイオンビームが試料室６０内に入射する。

【００４８】試料室６０内には、ファラデーカップ６２
と試料台６１とが設けられており、予め試料台６１上に
試料を配置し、ファラデーカップ６２をイオンビームの
軌道上から退避させておくと、試料室６０内に入射した
イオンビームは試料表面に照射される。

【００４９】他方、ファラデーカップ６２をイオンビー
ムの軌道上に位置させておくと、ファラデーカップ６２
にイオンビームが照射されるので、試料室６０内に入射
したイオンビーム量を、試料室６０外に配置され、ファ
ラデーカップ６２に接続された電流計６３によって電流
値として測定する。

【００５０】図２は、このイオン照射装置１のイオンビ
ームの形状変化と電位変化を説明するための図であり、
符号２はイオンビームの発散と集束の状態を模式的に示
している。

【００５１】この図２から分かるように、イオン源１２
から引き出されたイオンビームは発散状態となって質量
分離器２１に入射するが、質量分離器２１内の走行中に
集束される。

【００５２】質量分離器２１を通過したイオンビーム２
は集束状態になっているが、焦点を結ぶ前にコンデンサ
レンズ３１に入射し、コンデンサレンズ３１によって更
に集束され(又はそのまま通過し)、偏向電極３２後方位
置の分離用スリット４１上で焦点を結んでいる。

【００５３】従来技術のイオン照射装置１０１では、図
４から分かるように、イオンビーム１０２はコンデンサ
レンズ１３１の前方で一旦焦点を結んでおり、そのた
め、コンデンサレンズ１３１には、発散状態となったイ
オンビーム１０２が入射している。

【００５４】それに対し本発明のイオン照射装置１で
は、上述したように、イオンビーム２はコンデンサレン
ズ３１の前方では焦点を結んでおらず、焦点位置が、従
来技術のイオン照射装置１０１よりも遠方にある。従っ
て、質量分離器２１には、発散状態の強いイオンビーム
を入射させることができるため、イオン源１２を質量分
離器２１に近接して配置することが可能となっている。

【００５５】イオン源１２の引出孔１７₁の中心位置を
符号Ａで示し、質量分離器２１の中央位置を符号Ｂで示
すと、ＡＢ間を結ぶイオンの飛行経路Ｌは、質量分離器
２１の焦点距離ｆの１倍から２倍(ｆ≦Ｌ≦ｆ×２)の大
きさにすることができる。

【００５６】また、従来技術のイオン照射装置１０１の
コンデンサレンズ１３１は、図４に示したように、発散
状態にあるイオンビーム１０２を集束させるため、−３
０ｋＶ程度の大きな負電圧が印加されているが、本発明
のイオン照射装置１のコンデンサレンズ３１は、イオン
ビームの集束度を調節するだけなので、図２に示したよ
うに、印加する負電圧も−２５ｋＶ程度と小さくなって
いる。

【００５７】以上説明したように、本発明のイオン照射
装置１によれば、イオン源１２をイオン分離器２１に近
接配置でき、コンデンサレンズ３１の印加電圧が小さく
て済む。

【００５８】また、試料への照射対象とは異なるイオン
種や中性粒子を１個の分離用スリット４１によってイオ
ンビーム中から除去しているので、従来技術のような分
析スリット１２３は不要であり、イオンビームの効率を
高くすることができる。

【００５９】

【発明の効果】イオンの照射効率が高い。イオン装置を
小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン照射装置の一例の概略構成図

【図２】そのイオン照射装置のイオンビーム形状と電位
を説明するための図

【図３】従来技術のイオン照射装置の一例の概略構成図

【図４】そのイオン照射装置のイオンビーム形状と電位
を説明するための図

【符号の説明】

１……イオン照射装置 １２……イオン源 １７₁
‥‥引出孔 ４３……(分離用)スリット ２１……
質量分離器 ３１……コンデンサレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関 整爾 茨城県つくば市松代１−13−12

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源と質量分離器とスリットとを有
   し、 前記イオン源に設けられた引出孔から引き出されたイオ
   ンは、前記質量分離器内を通過する際に、イオンの有す
   る電荷と質量の比と、前記質量分離器中の走行距離に応
   じて軌道が曲げられ、所定のイオン種が前記スリット上
   で焦点を結び、後方に配置された試料表面に照射される
   ように構成されたイオン照射装置であって、 前記イオンは、前記焦点より前では、焦点を結ばないよ
   うに構成されたことを特徴とするイオン照射装置。
2. 【請求項２】 前記質量分離器と前記スリットの間の位
   置にコンデンサレンズが配置され、該コンデンサレンズ
   に印加する電圧値を変化させると、前記イオンの焦点位
   置を移動させられるように構成されたことを特徴とする
   請求項１記載のイオン照射装置。
3. 【請求項３】前記引出孔から前記質量分離器の中心まで
   のイオンの経路が、前記質量分離器の焦点距離の１倍以
   上２倍以下にされていることを特徴とする請求項１又は
   請求項２のいずれか１項記載のイオン照射装置。