(57)【要約】  【課題】  イオンビームの密度低下，装置サイズの拡大等の困難を伴わずに，対象物に照射されるイオンビームのスポット径を小さくすることが可能なイオン照射装置及びイオン照射方法を提供すること。  【解決手段】  イオン源より供給されたイオンを加速してイオンビーム８を生成し，また，加速器により前記イオンビーム８の進行を加速し，発散角θ１を発散角θ０に減少させる。これにより，前記イオンビーム８が照射されるイオン出口と収束レンズ６との距離Ｌ１が仮想的に長距離になり，試料に照射されるときのスポット径が前記Ｌ１に反比例して小さくなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の対象物にイオンを照射するイオン照射装置であって，
イオンを発生させるイオン源におけるイオン出口の近傍に電場を生成し前記イオン源からイオンを引き出す第１の電場生成手段と，
前記第１の電場生成手段により前記イオン源から引き出されたイオンの進路に沿って電場を生成し該イオンの進行を加速する第２の電場生成手段と，
前記第２の電場生成手段により加速されたイオンを収束させて前記対象物に照射するイオン収束手段と，
を具備してなることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項２】
前記対象物に照射するイオンの目標エネルギーに応じて前記第１の電場生成手段及び前記第２の電場生成手段各々における電場生成用の電圧各々を所定の設定電圧比に維持しつつ調節する電圧制御手段を更に具備する請求項１に記載のイオン照射装置。
【請求項３】
前記設定電圧比が前記対象物におけるイオンの目標照射スポット径により定められるものである請求項１又は２のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項４】
前記第１の電場生成手段と前記第２の電場生成手段との間にイオンの通過範囲を制限する第１のアパーチャが設けられてなる請求項１〜３のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項５】
前記第２の電場生成手段から前記イオン収束手段側へ向かうイオンの通過範囲を制限する第２のアパーチャを具備してなる請求項１〜４のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項６】
所定の対象物に対するイオンの照射方法であって，
イオンを発生させるイオン源におけるイオン出口の近傍に第１の電場を生成し，該第１の電場により前記イオン源からイオンを引き出すイオン引き出し工程と，
前記イオン引き出し工程により前記イオン源から引き出されたイオンの進路に沿って第２の電場を生成し，該第２の電場により前記イオンの進行を加速するイオン加速工程と，
前記イオン加速工程により加速されたイオンを収束させて前記対象物に照射するイオン収束照射工程と，
を有してなることを特徴とするイオン照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，イオン源より出射されたイオンを照射するイオン照射装置及びイオン照射方法に関するものであり，特に照射スポット径を小さくすることが可能なイオン照射装置及びイオン照射方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試料に微細加工を施す際には，イオン源より出射されるイオンをイオンビーム化し，これを前記試料に照射する方法が従来から用いられている。前記試料のうち前記イオンビームを照射した部分には特性変化が生じ，特殊な溶媒に対して溶融させる等の用途が知られている。この場合，目標となる加工後の形状に応じて，前記試料の各部に対して前記イオンビームを照射することにより，前記試料を目標形状に加工することが可能である。
ここで，前記試料に対して微細な加工を施す際には，前記試料に照射される前記イオンビームのスポット径が小さい方が望ましい。即ち，スポット径が小さくなる程微細なスケールでの加工が可能となる。そこで，前記イオンビームの径を収束レンズを用いて縮小しつつ前記試料に照射する技術が，例えば特許文献１等に開示されている。
【０００３】
図１は，特許文献１に示される技術が用いられた従来例におけるイオン照射装置の概略構成図である。以下，図１を参照しつつ，従来例におけるイオン照射装置について説明する。
図１に示されるように，従来例におけるイオン照射装置Ｂは，イオン源１，加速器２，加速器用電源３，制御装置４，アパーチャ５，集束レンズ６等により概略構成され，所定の設置箇所に設置された試料７（所定の対象物の一例）にイオンを照射するものである。
前記イオン源１では，例えば一価ヘリウムイオン等のイオンが生成される。また，前記イオン源１は開口部であるイオン出口が設けられた引き出しアパーチャ１ａと一体である。前記イオン源１は前記イオン出口から，前記加速器２の有する加速管に対して前記イオンを供給する。前記加速器２における前記加速管には，前記加速器用電源３により，例えば４００ｋＶ等の電圧Ｖ０が付与されている。これにより，電場が前記試料７に向けて（即ち，イオンの進路に沿って）生成されており，前記イオン源１より供給されたイオンは前記加速管中で加速され前記試料７に照射される。前記加速器用電源３による電圧Ｖ０は前記制御装置４により制御されている。
【０００４】
前記加速器２により加速されたイオン（イオンビーム８）は，前記イオンビーム８の軸上に開口を有する前記アパーチャ５を通過する。前記アパーチャ５を通過した前記イオンビーム８は径を拡大させつつ進行する。また，前記イオンビーム８の進行方向には複数の前記収束レンズ６が設置されている。前記収束レンズ６は電磁石からなるものであり，四重極電磁石レンズを構成する。これにより，前記収束レンズ６は，前記イオンビーム８の有する各イオンの進行方向を変化させて前記イオンビーム８の径を縮小させる。前記収束レンズ６により径が縮小された前記イオンビーム８は，その焦点（収束レンズ６により収束された前記イオンビーム８の密度が最大となる点をこのように呼ぶ）近傍に設置された前記試料７に照射される。
前記イオンビーム８における各イオンのエネルギーは，前記加速器用電源３により付与される電圧Ｖ０によりコントロールすることが可能であり，そのエネルギーのコントロールにより，前記試料７に施す微細加工の深さを調節することが可能である。
【特許文献１】特開平０３−０７４０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記試料７に照射されるときの前記イオンビーム８の径（スポット径）は，以下のように決まる。即ち，前記イオンビーム８の軸上における前記アパーチャ５から前記収束レンズ６までの距離，言い換えると前記イオンビーム８が径を拡大しつつ進行する距離をＬ１とする。また，前記イオンビーム８の軸上における前記収束レンズ６から前記試料７までの距離，言い換えると前記イオンビーム８が前記収束レンズ６により収束されつつ進行する距離をＬ２とする。更に，前記アパーチャ５に設けられた開口の径をｒ１とすると，前記イオンビーム８が前記試料７に照射されるときのスポット径ｒ２は，ｒ１，Ｌ２に略比例，Ｌ１に略反比例するような，以下の式（１）に示されるような関係を有する。
ｒ２∝ｒ１×Ｌ２／Ｌ１    …（１）
式（１）から，前記イオンビーム８のスポット径ｒ２を小さくするには，ｒ１を小さくする，Ｌ２を小さくする，Ｌ１を大きくする等の方法が考えられる。しかしながら，ｒ２を小さくすると前記アパーチャ５を通過する前記イオンの数が少なくなり，前記イオンビーム８の密度が小さくなる。また，通常前記収束レンズ６と前記試料７との間には前記試料７に散乱された散乱イオン等の検出器等を配置する必要があり，つまりＬ２を小さくするのは困難である。更に，Ｌ１を大きくすると，装置全体が大きくなってしまう。
このように，従来例においては前記イオンビーム８のスポット径を小さくするのが困難であり，そのため微細加工のスケールには限界があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，イオンビームの密度低下，装置サイズの拡大等の困難を伴わずに対象物に照射されるイオンビームのスポット径を小さくすることが可能なイオン照射装置及びイオン照射方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は，所定の対象物（試料）にイオンを照射するイオン照射装置であって，イオンが充填されたイオン源におけるイオン出口（開口）の近傍に第１の電場を生成して前記イオン源からイオンを引き出し，引き出された前記イオンの進路に沿って第２の電場を生成して前記イオンの進行を加速し，加速された前記イオンを収束させて前記試料に照射するイオン照射装置として照射される。
前記イオンによるイオンビームは，前記イオンが前記イオン出口を通過後に前記第１の電場により加速されることにより生成される。このように生成され径が拡大するイオンビーム（つまり，該イオンビームの軸から拡散するイオン各々）を前記第２の電場により加速することにより，詳しくは図３を参照しつつ後述するが，上述の従来例において説明したＬ１（前記アパーチャ５と収束レンズ６との距離）を大きくするのと同様の効果を得ることが可能であり，これにより前記イオンビームが試料に照射されるときのスポット径が縮小される。
【０００７】
ここで，詳しくは後述のように，前記イオンのエネルギー及び前記スポット径は，前記第１の電場及び前記第２の電場を介して調節することが可能である。詳しくは，前記第１の電場及び前記第２の電場を生成するときの電圧の比（所定の設定比）を一定に保ったままそれらを調節することにより，前記スポット径を保ったままエネルギーのみを調節することが可能である。
更に，前記第１の電場の生成領域と前記第２の電場の生成領域との間に前記イオンの通過範囲を制限する第１のアパーチャが設けられた例が望ましく，これにより，前記イオンビームの径の拡大が前記第１のアパーチャを通過後に開始される。前記第１のアパーチャの設置により，前記イオンビームの径の拡大開始地点及びその地点での径が明確になり，前記スポット径の調節が高精度かつ容易になる。
また，前記収束レンズに入射前の前記イオンの通過範囲を制限する目的で，前記第２の電場の生成領域と前記収束レンズとの間の領域に第２のアパーチャを設置することが考えられる。尚，前記第２のアパーチャはあくまで前記イオンビームの軸から大きく離れたイオンを遮断するものであり，開口の径は前記イオンビームの通過後に径変化の度合い（つまり発散角）に変化を生じさせない（回折を生じさせない）程度，かつイオンの遮断によるビーム電流の減少を極微小にする（ビーム電流に極力変化を生じさせない）程度に広く設ける必要がある。
更に，本発明は，イオンを対象物に照射するイオン照射方法として捉えたものであっても良い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば，イオンビームの密度低下，装置サイズの拡大等の困難を伴わずに対象物に照射されるイオンビームのスポット径を小さくすることが可能であり，これにより更に微細な加工を対象物に施すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は従来例におけるイオン照射装置の概略構成図，図２は本発明の実施形態におけるイオン照射装置の概略構成図，図３は本発明の実施形態におけるイオン照射装置で照射されるイオンの軌道を説明する概念図，図４は電圧Ｖ０，電圧Ｖ１とイオンビームの縮小率との対応関係を表す表，図５は本発明の実施例に係るイオン照射装置の概略構成図である。尚，従来例と同様の構成については同様の符号を付すものとする。
【００１０】
（１）本発明の実施形態に係るイオン照射装置の概略構成について。
以下，図１を参照しつつ，本発明の実施形態に係るイオン照射装置について説明する。
図１に示されるように，本発明の実施形態に係るイオン照射装置Ａ１は，イオン源１，引き出し電極９，引き出し用電源１１，加速器２，加速器用電源３，制御装置４，収束レンズ６等により概略構成され，前記収束レンズ６による焦点付近の設置箇所に設置された試料７（所定の対象物の一例）にイオンを照射する装置である。
前記イオン源１には，例えば一価ヘリウムイオン等のイオンが充填されている。また，前記イオン源１は開口部であるイオン出口が設けられた引き出しアパーチャ１ａと一体である。前記イオン源１は前記イオン出口から，前記引き出しアパーチャ１ａと前記引き出し電極９との間に形成される空間１０に前記イオンを供給する。前記空間１０には，前記引き出し用電源１１により電圧Ｖ１が付与されており，これにより第１の電場が形成されている。前記引き出しアパーチャ１ａ，前記引き出し電極９，引き出し用電源１１が第１の電場生成手段の一例である。尚，前記引き出し電極９にはアパーチャ開口が設けられており，アパーチャ開口の大きさにより前記イオンの通過範囲が限定される。前記引き出し電極９が第１のアパーチャの一例である。該第１のアパーチャを設けることにより，イオンビームの生成地点及び該地点でのイオンビームの径が明確になり，前記試料７に照射されるときのスポット径の調節等が容易になる（第１のアパーチャにより径を絞らない場合にも，前記イオン出口付近を生成地点として拡散するイオンビームが得られるものと考えられるが，前記生成地点及びその地点での径が不明瞭になる）。
【００１１】
前記空間１０において前記第１の電場（第１の電場生成手段により生成された電場）により前記イオン源１から引き出され加速され，前記引き出し電極９を通過した前記イオンは加速されイオンビームとして引き出される（イオン引き出し工程の一例）。前記イオンビームは，前記引き出し電極９に設けられた前記アパーチャ開口を通過することにより，その径を拡大させつつ前記加速器２の有する加速管に入射する（加速器２は後述のように第２の電場生成手段の一例であり，前記引き出し電極９は第１の電場生成手段と第２の電場生成手段との間に設けられていることが理解できる）。前記加速器２には前記加速器用電源３により電圧Ｖ０が付与されており，これにより前記加速管には前記イオンビーム８の軸に沿った方向（前記イオンの進路に沿った方向）に第２の電場が生成されている。前記イオンビーム８の有する前記イオン各々は，前記第２の電場により前記イオンビーム８の軸に沿った方向に加速される（イオン加速工程の一例）。前記加速器２及び前記加速器用電源３が第２の電場生成手段の一例である。
尚，前記加速器用電源３による電圧Ｖ０，前記引き出し用電源１１による電圧Ｖ１は前記制御装置４により制御されている。
また，前記イオンビーム８の進行方向（軸に沿う方向）には複数の前記収束レンズ６が設置されている。前記収束レンズ６は電磁石からなるものであり，四重極電磁石レンズを構成する。即ち，前記収束レンズ６各々は前記イオンビーム８の通過領域に対して磁場を生成し，前記イオンビーム８の有する各イオンの進行方向を変化させて前記イオンビーム８の径を縮小させる（つまり，収束させる）。前記収束レンズ６（イオン収束手段の一例）により径が縮小された前記イオンビーム８は，その焦点近傍に設置された前記試料７に照射される（イオン収束照射工程の一例）。
【００１２】
（２）イオンの軌道及びイオンビームのスポット径について。
当該イオン照射装置は，上述のような構成により，前記イオンビーム８の前記収束レンズ６による焦点での径（試料７に照射されるときの径であり，つまりスポット径）を小さくすることが可能である。図３は当該イオン照射装置で照射されるイオンの軌道を示す図であり，図３を参照しつつ小さなスポット径が得られる理由を以下に説明する。
前記第１の電場により加速されたイオン各々からなるイオンビーム８は，その発散角がθ１で径が拡大されつつ，前記イオンビームの軸に沿った進行方向に速度ｖ１で進行する。また，前記加速器２の有する加速管に侵入後は，前記イオン各々は前記第２の電場により，前記イオンビーム８の軸に沿った進行方向の速度がｖ０に加速される。また，該進行方向と直交する方向（以下，直交方向）における前記イオン各々の速度成分には変化がないので，前記加速管を通過後には前記イオンビーム８の発散角はθ０（＜θ１）に押さえられる。
従って，前記イオンビーム８は，図３に示されるように，見かけ上実際の前記アパーチャ開口から照射されるのではなく，実際の前記アパーチャ開口よりも前記進行方向上流側に位置する仮想的な開口より照射されるように見える。
前述のように，アパーチャ５（本発明の構成では，前記引き出し電極９）を通過後の前記イオンビーム８が径を拡大させつつ進行するときの進行距離Ｌ１（図１参照）が大きくなる程，前記イオンビーム８のスポット径が小さくなる（詳しくは，Ｌ１に反比例する）。そこで，この場合は前記仮想的な開口と前記収束レンズ６との前記軸方向に沿った距離Ｌ１”を前記進行距離Ｌ１と同一視することが可能であり，実際のアパーチャ開口と前記収束レンズ６との距離Ｌ’を拡大せずとも小さな前記イオンビーム８のスポット径を得ることが可能である。
【００１３】
（３）電圧Ｖ１，電圧Ｖ０の制御について。
前述のように，前記イオンビーム８のスポット径の大きさはＬ２／Ｌ１”に比例する。以下，Ｌ２／Ｌ１”を縮小率Ｍという。ここで，通常前記発散角θ１及びθ０は小さく，前記縮小率Ｍ（＝Ｌ２／Ｌ１”）は√（θ０／θ１）で近似することが可能である。また，前記加速器２において前記イオン各々は前記イオンビーム８の軸方向のみに加速され，前記直交方向には速度変化がないので，θ０／θ１は前記加速器２による加速後の速度ｖ０と加速前の速度ｖ１との比ｖ１／ｖ０に一致する。また，前記速度の比ｖ１／ｖ０は，前記空間１０に付与される電圧（引き出し用電源１１による電圧）Ｖ０と前記加速器２に付与される電圧（加速器用電源３による電圧）Ｖ１とを用いて，√｛Ｖ０／（Ｖ０＋Ｖ１）｝と表される。また，通常Ｖ０≪Ｖ１を満たすように前記引き出し用電源１１，前記加速器用電源３が制御されるので，√｛Ｖ０／（Ｖ０＋Ｖ１）｝≒√（Ｖ０／Ｖ１）のように近似することが可能である。
以上から，前記スポット径の縮小率Ｍは，前記引き出し用電源１１による電圧Ｖ１，前記加速器用電源３による電圧Ｖ０の比により定められる。
【００１４】
尚，前述したが，前記イオン各々に付与するエネルギーにより，前記試料７に施す微細加工の深さが調節可能である。即ち，エネルギーの大きなイオンが照射される程，前記試料７における照射部分の特性変化がより深部にまで生じる。
前記イオン各々に付与するエネルギーは，前記加速器用電源３による電圧Ｖ０と前記引き出し用電源１１による電圧Ｖ１との合計値に比例するものであり，前記制御装置４は，それらの電圧を制御することにより前記イオン各々のエネルギーを調節する。
ところが，前述の通り，前記縮小率Ｍは前記Ｖ０と前記Ｖ１との比により定められるものであり，それを考慮せずに前記Ｖ０及びＶ１を制御したのでは，前記イオンのエネルギーと同時に前記縮小率Ｍが変化し，前記イオンビーム８のスポット径が変化する。
そこで，前記制御装置４（電圧制御手段の一例）は，予め前記イオンビーム８のスポット径（対象物における目標照射スポット径）がユーザの操作入力に入力される等して定められている場合，前記Ｖ０と前記Ｖ１の比を入力されているスポット径から算出し，その値を設定電圧比として以下のような電圧制御に用いる。つまり，前記試料７（対象物）に照射される前記イオン各々に付与する目標エネルギーに応じて，前記Ｖ０（第２の電場生成手段における電場生成用の電圧）及び前記Ｖ１（第１の電場生成手段における電場生成用の電圧）の比を前記設定電圧比に維持しつつそれらの値を調節する。これにより，前記スポット径の大きさを変化させずに前記イオンのエネルギーのみを調節することが可能である。
逆に，前記イオンのエネルギーを変化させずにスポット径のみを調節する場合には，前記Ｖ０と前記Ｖ１との合計を所定の合計値に維持しつつ比率のみを変化させるものとすれば良い。
【００１５】
図４に前記Ｖ０，前記Ｖ１にして前記縮小率Ｍが対応付けられた表を示す。複数の前記収束レンズ６により形成される四重極電磁石レンズは前記イオンビーム８の軸に直交する平面内で非対称の収束力を持つ。前記イオンビーム８の軸に直交する第１の軸をｘ軸とし，前記イオンビーム８の軸と直交する第２の軸（前記イオンビーム８の軸及び前記ｘ軸と直交する軸）をｙ軸という。そこで，図４にはｘ軸方向に対する縮小率Ｍｘ，ｙ軸方向に対する縮小率Ｍｙの両方を示す。
（ａ）はＶ１＝５ｋＶ，Ｖ０＝１０００ｋＶの場合の縮小率Ｍｘ，Ｍｙのシミュレーション結果である。（ｂ）はＶ１＝１０ｋＶ，Ｖ０＝１０００ｋＶの場合の縮小率Ｍｘ，Ｍｙのシミュレーション結果である。（ｃ）はＶ１＝２．５ｋＶ，Ｖ０＝５００ｋＶの場合の縮小率Ｍｘ，Ｍｙのシミュレーション結果である。（ｄ）は従来例の構成（前記加速器２で加速後にアパーチャ５を通過，即ち前記加速器２による発散角の変化なし）におけるＶ１＝１０ｋＶ，Ｖ０＝１０００ｋＶの場合の収束率Ｍｘ，Ｍｙのシミュレーション結果である。
（ｄ）と（ａ），（ｂ），（ｃ）とを比較することにより，本発明の構成により前記縮小率Ｍｘ，Ｍｙが大幅に小さくなり，より小さなスポット径を得られることが理解される。（ａ）と（ｂ）との比較から，前記Ｖ０と前記Ｖ１との比率が維持されなかった場合には前記縮小率Ｍｘ，Ｍｙが変化することが理解される。一方，（ａ）と（ｂ）との比較から，前記Ｖ０と前記Ｖ１との比率を維持しつつ各々を変化させても，前記縮小率Ｍｘ，Ｍｙは変化しないことが理解される。
【実施例】
【００１６】
上述ような実施形態で開示した構成に加えて，図５に示されるように，イオンビーム８の照射経路における加速器２（第２の電場生成手段の一例）から収束レンズ６（イオン収束手段の一例）へ向かう経路上に，前記イオンビーム８の有するイオン各々の通過範囲を制限するアパーチャ１２を更に具備した構成（本発明の実施例に係るイオン照射装置Ａ２）も考えられる。
前記イオンビーム８の軸から大きく発散するイオンは，前記収束レンズ６による収束が得られにくい場合も想定される。そこで，前記アパーチャ１２は，前記イオンビーム８の軸から大きく離れたイオンを遮断する目的で用いられる。尚，前記アパーチャ１２の有する開口の径は，引き出し電極９の有するアパーチャ開口の径に比べて相当大きく設けられるものであり，従って前記イオンビーム８は前記アパーチャ１２を通過する際に発散角の変化（回折）を生じない。
【００１７】
上述の実施形態では，イオンとして一価ヘリウムを用いる例について開示したが，本発明はこれに限られるものではなく，水素イオン（Ｈ+）等の別の化学種によるイオンを用いる場合も考えられる。また，陽子，電子などの荷電粒子を試料に照射するものであっても良い。
更に，上述の説明は前記試料の微細加工を本発明の適用対象分野としたものであったが，これに限られるものではない。例えば，前記試料により散乱された散乱イオンを検出し，その検出結果に基づいて前記試料を分析する等の目的にも適用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来例におけるイオン照射装置の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態におけるイオン照射装置の概略構成図。
【図３】本発明の実施形態におけるイオン照射装置で照射されるイオンの軌道を説明する概念図。
【図４】電圧Ｖ０，電圧Ｖ１とイオンビームの縮小率との対応関係を表す表。
【図５】本発明の実施例に係るイオン照射装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００１９】
Ａ１…本発明の実施形態に係るイオン照射装置
Ａ２…本発明の実施例に係るイオン照射装置
Ｂ…従来例におけるイオン照射装置
１…イオン源
１ａ…引き出しアパーチャ
２…加速器
３…加速器用電源
４…制御装置
５…アパーチャ
６…収束レンズ
７…試料（対象物）
８…イオンビーム
９…引き出し電極
１０…空間
１１…引き出し用電源
１２…アパーチャ
【図１】
2006331691.tif 000003
【図２】
2006331691.tif 000004
【図３】
2006331691.tif 000005
【図４】
2006331691.tif 000006
【図５】
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