(57)【要約】  本発明のイオン照射装置（１０）は、イオン化室（３１）と引出電極（２５）との間にイオン化室（３１）よりも僅かに低電圧の中間電極（２４）を配置し、中間電極（２４）よりも下流側でイオンビームを収束させることにより、イオンビームの焦点位置を第一の収束装置（２６）に近づける。  これにより、イオンビームが大きく発散する前に第一の収束装置（２６）に入射するので、イオンビームの収束度が高いイオン照射装置が実現できるようになった。
2010029929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射ガスをガスクラスターにして放出するガス流形成装置と、
正電圧が印加され、前記ガスクラスターをイオン化するイオン化室と、
前記イオン化室よりも低い電圧が印加され、前記イオン化室からイオンビームを引き出す引出電極と、
前記イオンビームを収束させる第一の収束装置と、
収束された前記イオンビーム中のイオンを電荷質量比に応じて進行方向を曲げる偏向装置と、
進行方向が曲げられたイオンのうち、一部のイオンを収束させる第二の収束装置とを有し、
前記第二の収束装置で収束されたイオンを処理対象物に照射するイオン照射装置であって、
前記イオン化室と前記引出電極の間には、前記イオン化室よりも低く、前記引出電極よりも高い正電圧が印加された中間電極が配置され、
前記イオン化室と前記中間電極の間の電位差よりも、前記中間電極と前記引出電極の間の電位差が大きくされたイオン照射装置。
【請求項２】
前記中間電極には、前記イオンビームが前記引出電極と前記中間電極の間の位置で焦点を結ぶ大きさの電圧が印加された請求項１記載のイオン照射装置。
【請求項３】
前記中間電極と前記イオン化室の間には、５ｋＶ／ｃｍ以下の電界の空間が配置された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のイオン照射装置。
【請求項４】
前記イオン照射装置は、Ｘ線照射装置と二次電子検出装置を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のイオン照射装置。
【請求項５】
前記第一の収束装置と前記偏向装置の間に設けられ、前記イオンビームが通過する小孔を有する第一仕切り部材を有し、
前記第一仕切り部材の上流側と下流側は個別に排気される請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のイオン照射装置。
【請求項６】
前記第一仕切り部材の上流側の圧力は下流側の圧力よりも高い請求項５に記載のイオン照射装置。
【請求項７】
前記偏向装置と前記第二の収束装置との間に設けられ、前記イオンビームが通過する小孔を有する第二仕切り部材を有し、
前記第二仕切り部材の上流側と下流側は個別に排気される請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のイオン照射装置。
【請求項８】
前記第二仕切り部材の上流側の圧力は、下流側の圧力よりも高い請求項７に記載のイオン照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理対象物表面にイオンを照射するイオン照射装置に係り、特に、イオン化室から引き出したイオンビームを高効率で処理対象物に照射できるイオン照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２の符号１１０は従来技術のイオン照射装置を示している。
このイオン照射装置１１０は、細長の真空槽１２０を有しており、真空槽１２０の内部の一端部には、イオン照射の対象である処理対象物１２９が配置され、他端部にはガス流形成装置１２１が配置されている。【０００３】
ガス流形成装置１２１には、ガス供給系１４３から照射ガスが供給されており、ガス流形成装置１２１によって照射ガスのクラスターが生成され、真空排気された真空槽１２０の内部にガスクラスター流として放出されるようになっている。放出されたガスクラスター流はイオン化装置１２２に照射され、イオン化装置１２２の内部でイオン化される。【０００４】
イオン化装置１２２で生成されたイオンは、アース電位に接続された引出電極１２５によって、イオンビームとなって引き出され、一旦焦点を結び、発散した後、第一の収束装置１２６で収束されて偏向装置１２７に入射する。偏向装置１２７はモノマーイオン（単原子イオン、単分子イオン）や低サイズのクラスターイオンを除去するための直交する電磁界をもちいたウィーンフィルタ１３６及び高速中性粒子を除去する偏向電極１３７よりなる。通過した所望種類のイオンのイオンビームが第二の収束装置１２８で収束された後、処理対象物１２９に照射される。【０００５】
上記のようなイオン照射装置１１０は、イオン照射によって処理対象物１２９の表面をスパッタ除去することに使用できるため、処理対象物１２９を試料とする表面分析に使用することができる。
この場合、イオンビームを引き出す部分の圧力は１０-3Ｐａ台であり、試料の表面分析で要求される１０-6Ｐａ台の真空度に比べて高いため、試料表面の分析を行うためにはビーム経路中に数段の差動排気系を設けることが必要である。【０００６】
このため各段のイオンビーム通過孔は可能な限り小さいことが必要である。また数ｍｍ□の小さい分析範囲をイオンビームのスキャンによって均一に照射するためには、イオンビーム径を細くすることが求められる。
イオンビームは、レンズ電極を用いた第一の収束装置１２６によって収束されており、ビーム絞りを効率よく行なうには前段の引出電極系の最適化が重要である。【０００７】
第一の収束装置１２６によって収束されるイオンビームの焦点における直径をｄとするとｄはレンズ電極による倍率（縮小率）Ｍ、線源径ｄ0、球面収差により決まるビーム径ｄｓ、および色収差により決まるビーム径ｄｃより次のように表わされる。
ｄ2＝（Ｍｄ0）2＋ｄｓ2＋ｄｃ2【０００８】
これは更に焦点面でのビーム半角をαi、球面収差係数をＣｓ、イオンビームのエネルギー幅を△Ｅ、色収差係数をＣｃとおくとき、次のように表わされる。
ｄ2＝（Ｍ・ｄ0）2＋（ｌ／２αi3・Ｃｓ）2＋（αi・△Ｅ／Ｅ・Ｃｃ）2【０００９】
レンズ電極ヘの入射角α0はα0＝Ｍαiで表わされるから、上式よりレンズ電極による縮小率Ｍを大きくするだけでなく、イオンビームのレンズ電極ヘの入射角度α0も小さいことが必要である。【００１０】
しかし、イオン化装置１２２に所要エネルギーの加速電圧（５〜２０ｋＶ）を印加し、アース電位の引出電極１２５を用いてイオンビームを引き出したときに、電極間の電位差が過大であるため、イオンビームのビーム径は、イオン化装置１２２から引き出された直後に最小になり、焦点を結んだ後は大きな角度α0で発散しながら第一の収束装置１２６(レンズ電極)に入射する。大きな発散角で入射する場合、収差が大きくなるためイオンビームがレンズ電極によって十分絞れず、イオンビームのうちでも処理対象物１２９に照射されない割合が増加し、イオンビームの使用効率が低下する。
【特許文献１】特開平８−１０４９８０号公報
【特許文献２】特開平４−３５４８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、イオンビームの収束性を高める技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、照射ガスをガスクラスターにして放出するガス流形成装置と、正電圧が印加され、前記ガスクラスターをイオン化するイオン化室と、前記イオン化室よりも低い電圧が印加され、前記イオン化室からイオンビームを引き出す引出電極と、前記イオンビームを収束させる第一の収束装置と、収束された前記イオンビーム中のイオンを電荷質量比に応じて進行方向を曲げる偏向装置と、進行方向が曲げられたイオンのうち、一部のイオンを収束させる第二の収束装置とを有し、前記第二の収束装置で収束されたイオンを処理対象物に照射するイオン照射装置であって、前記イオン化室と前記引出電極の間には、前記イオン化室よりも低く、前記引出電極よりも高い正電圧が印加された中間電極が配置され、前記イオン化室と前記中間電極の間の電位差よりも、前記中間電極と前記引出電極の間の電位差が大きくされたイオン照射装置である。
また、本発明は、前記中間電極には、前記イオンビームが前記引出電極と前記中間電極の間の位置で焦点を結ぶ大きさの電圧が印加されたイオン照射装置である。
また、本発明は、前記中間電極と前記イオン化室の間には、５ｋＶ／ｃｍ以下の電界の空間が配置されたイオン照射装置である。
また、本発明は、前記イオン照射装置は、Ｘ線照射装置と二次電子検出装置を有するイオン照射装置である。
また、本発明は、前記第一の収束装置と前記偏向装置の間に設けられ、前記イオンビームが通過する小孔を有する第一仕切り部材を有し、前記第一仕切り部材の上流側と下流側は個別に排気されるイオン照射装置である。
また、本発明は、前記第一仕切り部材の上流側の圧力は下流側の圧力よりも高いイオン照射装置である。
また、本発明は、前記偏向装置と前記第二の収束装置との間に設けられ、前記イオンビームが通過する小孔を有する第二仕切り部材を有し、前記第二仕切り部材の上流側と下流側は個別に排気されるイオン照射装置である。
また、本発明は、前記第二仕切り部材の上流側の圧力は、下流側の圧力よりも高いイオン照射装置である。【００１３】
本発明は上記のように構成されており、レンズ電極への入射角α0はイオン化室と引出電極間の電界形状によって制御できる。このためイオン化室と引出電極の間に中間電極を設け、この中間電極にイオン化室の電位に比べて数ｋＶ低い電位の電圧を印加すると、イオンビーム径が最小になる焦点位置を中間電極と引出電極の間に位置させることができる。
中間電極と引出電極の間は大きな電位差があり、この間ではイオンビームの収束作用が生じるので、発散角を大きくせずに第一の収束装置へ入射させることが可能になる。【００１４】
一方、イオン化室から放出されるクラスターイオンはクラスターサイズに比例した初期エネルギーを有している。通常のモノマー（原子・分子）イオンと異なり、ガスクラスターイオンは原子数が数百〜数千個の集団であり、原子１個あたり約６０ｍｅＶの熱速度を有するので断熱膨張によって並進運動エネルギーに変換されるから、イオン化室より放出されるイオンの初速度は例えばクラスターサイズが３０００のクラスターイオンは１８０ｅＶのエネルギーを有する。【００１５】
初期エネルギーが異なるクラスターイオンにおいては、ビーム径が最小になる位置はクラスターサイズによって異なる。従ってクラスターサイズ分布の強度が最大のクラスターイオンに対して、最小の発散角でレンズに入射できるように、可変電圧源によって中間電極に印加する電圧の大きさを変更することができる。
【発明の効果】
【００１６】
イオンビームの発散角を大きくせず収束させることができるので、イオンビームが高効率で偏向装置に入射し、処理対象物に照射される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一例のイオン照射装置
【図２】従来技術のイオン照射装置
【符号の説明】
【００１８】
１０……イオン照射装置
２１……ガス流形成装置
２４……中間電極
２５……引出電極
２６……第一の収束装置
２７……偏向装置
２８……第二の収束装置
３０……Ｘ線照射装置
３１……イオン化室
３６……ウィーンフィルタ
３７……偏向電極
３８……二次電子検出装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１を参照し、符号１０は、本発明の一例のイオン照射装置を示している。
このイオン照射装置１０は、真空槽２０を有している。真空槽２０は細長であり、一端部には、イオンの照射対象である処理対象物２９が配置されている。
真空槽２０の内部の処理対象物２９とは反対側の端部には、ガス流形成装置２１が配置されている。【００２０】
ガス流形成装置２１は、超音速ノズル４１とスキマー４２とを有している。真空槽２０内のスキマー４２の超音速ノズル４１側と反対側には、真空排気系４４、４５がそれぞれ接続されている。
超音速ノズル４１は、ガス導入系４３に接続されており、真空排気系４４、４５によって真空槽２０を真空排気し、真空槽２０の内部を真空雰囲気にした後、ガス導入系４３から超音速ノズル４１に照射ガスを供給し、照射ガスが超音速ノズル４１から真空槽２０内に放出される。【００２１】
放出された照射ガスは断熱膨張し、ガスクラスターが形成される。スキマー４２は、ガスクラスターの進行方向に位置しており、ガスクラスターはスキマー４２の前面に吹き付けられる。
スキマー４２の背面側にはイオン化装置２２が設けられている。スキマー４２には小孔５１が形成されており、スキマー４２に吹き付けられたガスクラスターは、スキマー４２の小孔５１を通過し、ガスクラスター流となってイオン化装置２２の内部に入射する。【００２２】
イオン化装置２２は、筒状のイオン化室３１と板状のプラズマ電極３２とを有している。イオン化室３１はプラズマ電極３２よりもガスクラスター流の上流側に配置されており、スキマー４２から放出されたガスクラスター流はイオン化室３１の開口からイオン化室３１の内部に入る。【００２３】
真空槽２０は接地電位(アース電位)に接続されており、イオン化室３１とプラズマ電極３２には、加速電源４７によって同じ大きさの正電圧が印加されている。イオン化室３１の内部に導入されたガスクラスター流は、イオン化室３１内の加熱されたＷ線フィラメントからの熱電子によって電離され、正イオンが生成される。【００２４】
プラズマ電極３２よりも下流側には、接地電位に接続された引出電極２５が配置されている。
プラズマ電極３２には引出孔５２が形成されており、イオン化室３１内で生成されたイオンは引出電極２５に引き付けられ、引出孔５２を通って、イオンビームとなってイオン化室３１の外部へ放出される。【００２５】
引出電極２５の中央位置には開口５４が設けられており、イオン化室３１から放出されたイオンビームは、引出電極２５とプラズマ電極３２の間に形成される電界によって加速され、引出電極２５の開口５４を通過する。
引出電極２５よりも下流側には、第一の収束装置２６が配置されており、プラズマ電極３２と引出電極２５の間には中間電極２４が配置されている。【００２６】
中間電極２４の中央位置には通過孔５３が形成されており、イオン化室３１から引き出されたイオンビームは、中間電極２４の通過孔５３と引出電極２５の開口５４を通過して第一の収束装置２６に入射する。【００２７】
中間電極２４は可変電圧源４８に接続されており、この可変電圧源４８によって中間電極２４にはプラズマ電極３２よりも低い正電圧が印加されている。引出電極２５は接地電位であり、従って、プラズマ電極３２と、中間電極２４と、引出電極２５は、この順序で電位が低くなっている。
中間電極２４には、プラズマ電極３２の電位に近い大きさの電圧が印加されており、イオン化室３１と中間電極２４の電位差よりも、中間電極２４と引出電極２５の間の電位差が大きくなっている。【００２８】
ここでは、プラズマ電極３２と中間電極２４の間の電界は５ｋＶ／ｃｍ以下になるように設定されており、イオン化室３１から引き出されたイオンビームは、プラズマ電極３２と中間電極２４の間では収束されず、中間電極２４を通過した後、中間電極２４と引出電極２５の間でビーム径が最小になり、その後再び発散しながら加速されるようになっている。【００２９】
また、プラズマ電極３２と中間電極２４と引出電極２５の電位は、収束されたイオンビームが少なくとも中間電極２４と引出電極２５の間の位置で焦点を結ぶように設定されており、焦点位置下流側で発散するイオンビームが、中間電極２４と引出電極２５で形成される加速電界で発散角が小さく押さえられ第一の収束装置２６に入射するようにされている。【００３０】
イオンビームの発散角が抑制されて第一の収束装置２６に入射する結果、第一の収束装置２６による収束性が高くなる。
第一の収束装置２６の下流側には、第一仕切り部材６３が設けられており、第一仕切り部材６３の下流側には、偏向装置２７が配置されている。【００３１】
第一仕切り部材６３には小孔６８が設けられており、第一の収束装置２６で収束されたイオンビームは、ほぼ平行なイオン束のイオンビームとなって、第一仕切り部材６３に設けられた小孔６８を通って、偏向装置２７に入射する。【００３２】
偏向装置２７の内部には、互いに直交する磁界と電界が形成されたウィーンフィルタ３６が設置され、入射したイオンビーム中のイオンは、磁界と電界によって、進行方向とは垂直方向の力を受ける。
その結果イオンビーム中のイオンのうち、電荷質量比((電荷)／(質量))が大きいイオンは、電荷質量比が小さなイオンよりも進行方向が大きく曲げられ、ビーム経路中より除去される。【００３３】
ウィーンフィルタ３６を通過したイオンビームは高速中性粒子を除去するために、一対の電極からなる偏向電極板３７によって軌道が偏向される。偏向されたイオンの飛行方向前方には、第二仕切り部材６４が設けられており、第二仕切り部材６４の下流側には、第二の収束装置２８と処理対象物２９がこの順序で配置されている。【００３４】
第二仕切り部材６４には小孔６９が設けられており、偏向装置２７で曲げられたビーム経路を飛行するイオンビームは、第二仕切り部材６４の小孔６９を通り、第二の収束装置２８に入射する。
第二の収束装置２８に入射したイオンビームは第二の収束装置２８によって収束され、処理対象物２９上で焦点を結ばれる。
その結果、処理対象物２９には、狭い範囲に高密度のイオンが照射され、スパッタリングによる処理対象物２９の表面層の剥離が行われる。【００３５】
スキマー４２と第一仕切り部材６３の間と、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４の間と、第二仕切り部材６４よりも下流側であって第二の収束装置２８が位置する側には、真空排気系４５、６０、６１がそれぞれ接続され、それぞれ個別に真空排気されている。【００３６】
超音速ノズル４１からガスが放出されるが、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４は、コンダクタンスが５Ｌ／secであり、上述したように、第一仕切り部材６３の上流側の部分と、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４の間の部分と、第二の仕切り部材６４の下流側の部分とは、それぞれ個別に真空排気されているから、第二仕切り部材６４の下流側であって第二の収束装置２８が配置された部分の圧力が、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４の間の部分の圧力よりも低くなっている。従って、処理対象物２９の周囲は低圧力になっている。
また、第一仕切り部材６３の上流側であって中間電極２２が配置された部分の圧力は、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４間の圧力よりも高くなっている。【００３７】
処理対象物２９の近傍には、Ｘ線照射装置３０と二次電子検出装置３８とが配置されており、表面が剥離された処理対象物２９の表面にＸ線が照射され、処理対象物２９の表面から放出された二次電子を検出すると、処理対象物２９の清浄な表面の分析を行うことができる。
【図１】
2010029929.tif 000003
【図２】
2010029929.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月3日(2011.3.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
超音速ノズル４１からガスが放出されるが、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４は、コンダクタンスが５Ｌ／secであり、上述したように、第一仕切り部材６３の上流側の部分と、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４の間の部分と、第二の仕切り部材６４の下流側の部分とは、それぞれ個別に真空排気されているから、第二仕切り部材６４の下流側であって第二の収束装置２８が配置された部分の圧力が、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４の間の部分の圧力よりも低くなっている。従って、処理対象物２９の周囲は低圧力になっている。
また、第一仕切り部材６３の上流側であって中間電極２４が配置された部分の圧力は、第一仕切り部材６３と第二仕切り部材６４間の圧力よりも高くなっている。
【国際調査報告】
2010029929.tif 000005
2010029929.tif 000006
2010029929.tif 000007
2010029929.tif 000008