(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、
内部に前記イオンビームが照射されるとともに、このイオンビームが当たる位置に前記試料がセットされる真空容器と、
この真空容器内に前記イオンビームの入射方向と平行な方向の磁場を形成するための磁場形成手段と、
前記磁場が形成された前記真空容器内で前記試料から散乱するイオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン測定手段とを備え、
前記磁場形成手段は、前記真空容器内に前記試料がセットされる試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段の配設位置を挟んで前記イオンビームの照射方向と平行な方向に相対向するように配置される永久磁石対と、この永久磁石対により形成される磁場の強さの分布であって前記イオンビームの照射方向と直交する面内での分布を均一化する強磁性体とを含むことを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の散乱イオン分析装置において、
前記強磁性体は、前記永久磁石対を構成する各永久磁石について設けられ、当該永久磁石よりも前記試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段に近い位置に配されていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項３】
請求項２記載の散乱イオン分析装置において、
前記各強磁性体がこれに対応する永久磁石に直接固定されていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の散乱イオン分析装置において、
前記永久磁石対における少なくとも一方の永久磁石及びこの永久磁石について設けられる強磁性体は、前記イオンビームを通過させるためのビーム挿通孔を有することを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の散乱イオン分析装置において、
前記磁場形成手段は、前記永久磁石対及び前記強磁性体に加え、前記イオンビームの照射軸を取り巻くように配設され、電流が流されることにより前記真空容器内の磁場の強さを変化させる常電導コイルを含むことを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項６】
請求項５記載の散乱イオン分析装置において、
前記真空容器内に形成される磁場の強さを検出する磁場検出手段を備えたことを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項７】
請求項６記載の散乱イオン分析装置において、
前記磁場検出手段が前記永久磁石対のうちの少なくとも一方の永久磁石の近傍に設けられていることを特徴とする散乱イオン分析装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の散乱イオン分析装置において、
前記常電導コイルに電流を供給するコイル給電手段と、前記磁場検出手段により検出される磁場の強さが目標値に近付くように前記コイル給電手段が前記常電導コイルに供給する電流の強さを変化させる磁場制御手段とを備えたことを特徴とする散乱イオン分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギーまたは中エネルギーのイオンビームを利用したラザフォード後方散乱分析装置等に好適なもので、試料成分元素の同定や深さ方向の組成分析等に有用なデータを提供するイオン散乱分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体開発や結晶性薄膜等の分野では、デバイス材料その他の試料の表面層についての情報の取得が重要とされている。このような情報を非破壊的に分析する手段として、ラザフォード後方散乱（Ｒｕｔｈｅｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＲＢＳ）分析装置が知られている。このＲＢＳ分析装置は、高電圧によって加速されたイオン（例えば水素イオンやヘリウムイオン）を試料の適所にビーム照射して当該試料からイオンを散乱させ、その散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するものである。
【０００３】
このような散乱イオン分析装置では、前記イオンビームの照射により前記試料から散乱する散乱イオンのうち特定のエネルギーを有するイオンのみを散乱イオン検出器に誘導すべく、前記イオンビームと平行な方向の磁場を形成することが行われる。従来、このような磁場を形成する手段として、前記試料が収容される真空容器の周囲に常電導コイルが配設されたものや（特許文献１）、超電導コイルが配設されたもの（特許文献２）が知られている。
【特許文献１】特開平７−１９０９６３号公報
【特許文献２】特開２００３−３４６６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記散乱イオン分析装置の測定精度を高めるためには、十分な磁場の強さを確保することが重要である。
【０００５】
しかし、前記特許文献１が開示する常電導コイルでは、強磁場の形成は難しく、従って測定精度の向上に限りがある。
【０００６】
その一方、前記特許文献２が開示する超電導コイルを用いれば、強磁場の形成が可能であるが、当該超電導コイルを機能させるためには、当該超電導コイルを冷却するための液体ヘリウム容器等を含む大掛かりなクライオスタットを前記真空容器の周囲に構築しなければならず、装置全体の大型化及びコストアップは避けられない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、簡素かつ安価な構成で散乱イオン分析を精度良く行うための技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明者らは、磁場形成手段として、前記真空容器内に前記試料がセットされる試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段の配設位置を挟んで前記イオンビームの入射方向と平行な方向に相対向するように永久磁石対を配置することに想到した。しかし、永久磁石は強磁場を形成する能力を有する反面、当該磁場の均一性（特に磁極面内での磁場強さの分布の均一性）に劣る欠点がある。
【０００９】
本発明は、このような経緯からなされたものであり、加速されたイオンビームが試料に照射されたときに当該試料から散乱する散乱イオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン分析装置であって、内部に前記イオンビームが照射されるとともに、このイオンビームが当たる位置に前記試料がセットされる真空容器と、この真空容器内に前記イオンビームの入射方向と平行な方向の磁場を形成するための磁場形成手段と、前記磁場が形成された前記真空容器内で前記試料から散乱するイオンのエネルギースペクトルを測定するための散乱イオン測定手段とを備え、前記磁場形成手段は、前記真空容器内に前記試料がセットされる試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段の配設位置を挟んで前記イオンビームの照射方向と平行な方向に相対向するように配置される永久磁石対と、この永久磁石対により形成される磁場の強さの分布であって前記イオンビームの照射方向と直交する面内での分布を均一化する強磁性体とを含むものである。
【００１０】
この構成によれば、前記永久磁石対が前記真空容器内に前記試料がセットされる試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段の配設位置を挟んで前記イオンビームの照射方向と平行な方向に相対向するように配置されることにより、当該真空容器内に前記イオンビームの照射方向と平行な方向の磁場であって十分な強さをもつ磁場を形成することが可能である。しかも、前記永久磁石対に加えて前記強磁性体が装備されることにより、当該永久磁石により形成される磁場の強さの分布であって前記イオンビームの照射方向と直交する面内での分布が均一化される。
【００１１】
具体的に、前記強磁性体は、前記永久磁石対を構成する各永久磁石について設けられ、当該永久磁石よりも前記試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段に近い位置に配されているものが、好適である。
【００１２】
ここで、前記各強磁性体は前記各永久磁石から離間した位置に配設されていてもよいが、これらの強磁性体がそれぞれ対応する永久磁石に直接固定されている構成であれば、当該強磁性体を保持する構造を省略または簡略化することができるとともに、当該強磁性体による磁場強さ分布均一化効果をより確実にすることができる。
【００１３】
前記永久磁石対における少なくとも一方の永久磁石及びこの永久磁石について設けられる強磁性体は、前記イオンビームを通過させるためのビーム挿通孔を有することが、好ましい。この構成によれば、前記ビーム挿通孔を通じて前記永久磁石対の外側から不都合なく前記真空容器内にイオンビームを照射することができる。
【００１４】
前記永久磁石対は、強い磁場を形成することが可能である利点を有するが、当該磁場の強さを調節することが困難であるという事情がある。しかし、前記磁場形成手段が、前記永久磁石対及び前記強磁性体に加え、さらに、前記イオンビームの照射軸を取り巻くように配設され、電流が流されることにより前記真空容器内の磁場の強さを変化させる常電導コイルを含むものであれば、前記永久磁石対によって十分な磁場強さを確保しながら、これに加えて前記常電導コイルに電流を流し、かつ、この電流の大きさを適宜調節することにより、磁場の強さの調節をも行うことができる。
【００１５】
さらに、前記真空容器内に形成される磁場の強さを検出する磁場検出手段を備えたものによれば、その検出結果を利用して前記真空容器内の磁場の強さを適正に調節することができる。この磁場検出手段は、前記永久磁石対のうちの少なくとも一方の永久磁石の近傍に設けられていることが、好ましい。
【００１６】
さらに、前記常電導コイルに電流を供給するコイル給電手段と、前記磁場検出手段により検出される磁場の強さが目標値に近付くように前記コイル給電手段が前記常電導コイルに供給する電流の強さを変化させる磁場制御手段とを備えたものでは、前記磁場検出手段により検出される磁場の強さに基づいて前記真空容器内の磁場の強さが自動的に制御される。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、真空容器内に磁場を形成する手段として、前記真空容器内に前記試料がセットされる試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段の配設位置を挟んで前記イオンビームの入射方向と平行な方向に相対向するように配置される永久磁石対と、この永久磁石対により形成される磁場の強さの分布であって前記イオンビームの照射方向と直交する面内での分布を均一化する強磁性体とを含むことにより、簡素かつ安価な構成で十分な強度及び均一性をもつ磁場を前記真空容器内に形成することができ、これにより散乱イオン分析を精度良く行うことができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る散乱イオン分析装置の全体構成を示す。
【００１９】
この装置は、イオン照射装置を構成する加速器１０及びビームライン機器１２と、その下方に位置する本体ハウジング１４とを備え、この本体ハウジング１４内に真空容器１５が形成されている。
【００２０】
前記加速器１０は、図略のイオン供給源から供給される軽イオン（例えば水素イオンやヘリウムイオン）を高電圧により加速する。この加速されたイオンは、前記ビームライン機器１２から前記真空容器１５内にイオンビーム１３として下向きに照射される。
【００２１】
前記本体ハウジング１４は、上下に配される天壁１６及び底壁１８と、これら天壁１６と底壁１８との間に設けられる筒状の周壁２０とを有する。さらに、この周壁２０の内側に筒状の内壁２２が設けられ、この内壁２２の上下端がそれぞれ前記天壁１６と前記底壁１８とに接合されている。そして、これらの内壁２２、天壁１６、及び底壁１８により前記真空容器１５が構成されている。
【００２２】
前記内壁２２の下部の適当な部位には、図略の試料導入機構によって前記真空容器内１５内に試料を導入するための試料導入管２４が接続されている。また、当該内壁２２の他の部位には、図略の排気ポンプにより前記真空容器１５内を排気するための排気管２６が接続されている。
【００２３】
前記真空容器１５内には、磁場形成手段を構成する上下一対の永久磁石２８Ａ，２８Ｂ及び強磁性体３０Ａ，３０Ｂと、試料ステージ３２と、散乱イオン測定手段を構成するアパーチャ３４及びイオン検出器３６とが設けられている。
【００２４】
前記試料ステージ３２は、その上に図略の試料（例えば半導体デバイスや成膜された基板）がセットされるもので、前記試料導入管２４と略同等の高さ位置に設けられている。この試料ステージ３２上の試料セット位置は、その試料の特定部位に前記イオンビーム１３が上から当たる位置に設定されている。
【００２５】
前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂは、前記真空容器１５内に上下方向の磁力線をもつ磁場を形成すべく、Ｎ極及びＳ極が上下を向く姿勢で、前記試料ステージ３２上の試料セット位置及び前記散乱イオン測定手段（アパーチャ３４及びイオン検出器３６）の配設位置を挟んで上下方向に相対向するように配置されている。具体的には、前記永久磁石２８Ａが前記本体ハウジング１４の天壁１６の下面に固定され、前記永久磁石２８Ｂが同ハウジング１４の底壁１８の上面に固定されている。
【００２６】
なお、これら永久磁石２８Ａ，２８Ｂには、例えばネオジウム・鉄系のものやサマリウム・コバルト系のものを用いることが可能である。また、その配置姿勢は、一方のＮ極と他方のＳ極が上下方向に相対向していればよく、その上下の向きは問わない。
【００２７】
前記強磁性体３０Ａ，３０Ｂは、前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂにより形成される磁場の強さの分布であって前記イオンビーム１３の照射方向と直交する磁極面（図例では水平面内）での分布を均一化するために設けられている。図例の強磁性体３０Ａ，３０Ｂは、前記各永久磁石２８Ａ，２８Ｂと略同等の外形をもつ円板状をなし、前記強磁性体３０Ａが前記永久磁石２８Ａの下面に固定され、前記強磁性体３０Ｂが前記永久磁石２８Ｂの上面に固定されている。これらの強磁性体３０Ａ，３０Ｂには、例えば飽和磁束密度の高い軟鉄やパーメンジュールなどを用いることが可能である。
【００２８】
前記永久磁石及び強磁性体のうち、上側の永久磁石２８Ａ及び強磁性体３０Ａは、前記加速器１０及びビームライン装置１２から放射されるイオンビーム１３を通過させて真空容器１５内に入射させるためのビーム挿通孔２８ｈ，３０ｈをそれぞれ有している。
【００２９】
前記アパーチャ３４は、前記試料ステージ３２から上方に所定寸法だけ距離を置いた高さ位置に設けられ、その中央に貫通孔３４ｈを有している。この貫通孔３４ｈは、前記イオンビーム１３を上から下に通過させるとともに、前記試料ステージ３２上の試料から散乱する散乱イオンのうち特定のエネルギーをもつ散乱イオンのみを下から上に通過させて前記イオン検出器３６に至らせる形状を有している。
【００３０】
前記イオン検出器３６は、前記アパーチャ３４の貫通孔３４ｈを通過してきた散乱イオンの到達部位を検出し、その検出信号を図略の増幅器に向けて出力するものである。このイオン検出器３６の中央にも、前記イオンビーム１３を通過させる貫通孔３６ｈが設けられている。
【００３１】
さらに、この装置では、前記磁場形成手段として、前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂ及び前記強磁性体３０Ａ，３０Ｂに加え、前記真空容器１５の外側に上下一対の常電導コイル４０Ａ，４０Ｂが設けられている。これらの常電導コイル４０Ａ，４０Ｂは、前記イオンビーム１３の照射軸を中心とする螺旋状に巻かれている。
【００３２】
これら常電導コイル４０Ａ，４０Ｂには、図２に示すようなコイル用電源回路（コイル給電手段）４１が接続されている。このコイル用電源回路４１は、前記各常電導コイル４０Ａ，４０Ｂに電流を流すことにより、その電流の大きさに対応した度合いで前記真空容器１５内の磁場（すなわち前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂにより形成される磁場）を強化させるとともに、当該電流の大きさを変化させる電流調節機能を有している。前記各常電導コイル４０Ａ，４０Ｂに流れる電流は、各々個別に制御することが可能である。
【００３３】
一方、前記真空容器１５内の適所には、図２に示すような磁気センサ４２が設けられている。この磁気センサ４２は、前記真空容器１５内に形成される磁場の強さを検出するためのもので、その配設箇所としては、例えば図１に示すような前記各永久磁石２８Ａ，２８Ｂの近傍箇所が好適である。この磁気センサ４２は、前記両永久磁石２８Ａ，２８Ｂのいずれか一方についてのみ設けられていてもよいし、両永久磁石２８Ａ，２８Ｂの中間位置に設けられていてもよい。この磁気センサ４２の好適な具体的配設箇所としては、前記強磁性体３０Ａ，３０Ｂの表面、内壁２２の表面、アパーチャ３４の表面等が挙げられる。
【００３４】
この磁気センサ４２が出力する検出信号は、図２に示すようなコントローラ４４に入力される。このコントローラ４４は、コンピュータ等により構成され、前記磁気センサ４２により検出される磁場の強さを予め設定された目標値に近付ける磁場制御手段としての機能を有する。具体的に、同コントローラ４４は、検出される磁場の強さとその目標値との偏差に基づくフィードバック補正量を演算し、このフィードバック補正量に基づいて、前記コイル用給電回路４１が前記各常電導コイル４０Ａ，４０Ｂに供給する電流の大きさを変化させる。
【００３５】
すなわち、この散乱イオン分析装置では、上下の永久磁石２８Ａ，２８Ｂが主たる磁場発生源であり、その磁場の強さの磁極面内分布が上下の強磁性体３０Ａ，３０Ｂにより均一化され、その磁場の強さが常電導コイル４０Ａ，４０Ｂの通電によって補正される。
【００３６】
次に、この散乱イオン分析装置の作用を説明する。
【００３７】
まず、図略の試料搬入機構により、試料導入管２４を通じて真空容器１５内に図略の試料が導入され、試料ステージ３２上の所定の試料セット位置にセットされる。その後、試料導入管２４が図略の開閉機構により閉じられ、真空容器１５内のエアが図略の排気ポンプにより排気管２６から吸引されることにより、当該真空容器１５内に真空状態が形成される。
【００３８】
この状態で、前記加速器１０及び前記ビームライン機器１２が下向きにイオンビーム１３を放射すると、このイオンビーム１３は、上側の永久磁石２８Ａ及び強磁性体３０Ａにそれぞれ設けられたビーム挿通孔２８ｈ，３０ｈを通じて前記真空容器１５内に照射され、さらに、イオン検出器３６及びアパーチャ３４の貫通孔３６ａ，３４ａを通過して前記試料ステージ３２上の試料の特定部位に当たる。このとき、磁場形成手段により形成される磁場の方向は前記イオンビーム１３の照射方向と平行な方向（図例では上下方向）であるため、当該イオンビーム１３は前記磁場の影響を受けることなく前記試料の特定部位に向かって直進する。
【００３９】
この試料の特定部位へのイオンビーム１３の照射は、当該部位からのイオンの散乱を引き起こす。その散乱イオンは、当該イオンのもつ電荷と散乱エネルギーから前記磁場に起因するローレンツ力を受け、前記イオンビーム１３の照射軸を取り巻く螺旋軌道を描きながら上方に進行する。この螺旋軌道は、前記散乱イオンのもつエネルギーによって変わるため、結局、特定のエネルギーをもつ散乱イオンのみが前記アパーチャ３４の貫通孔３４ａを通過してイオン検出器３６に到達する。すなわち、検出対象となる散乱イオンが前記アパーチャ３４によって選別される。その検出信号は前記イオン検出器３６から増幅器を経て適当な分析表示装置に送られる。
【００４０】
この装置では、前記磁場の発生源が前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂであるため、例えば常電導コイルのみで磁場が形成される装置に比べて強い磁場を形成することが可能であり、しかも、超電導コイルを用いる装置と違って大掛かりなクライオスタット等を要しない。さらに、各永久磁石２８Ａ，２８Ｂに固定されている強磁性体３０Ａ，３０Ｂの存在により、前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂ間に形成される磁場の強さの磁極面内における分布が均一化される。従って、簡素かつ安価な構成で前記散乱イオンの分析を精度良く行うことができる。
【００４１】
前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂが形成する磁場は、基本的に一定であるが、真空容器１５内の環境温度が変わると、前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂの特性が変動するために当該永久磁石２８Ａ，２８Ｂが形成する磁場も変化することになる。しかし、図示の装置では、前記永久磁石２８Ａ，２８Ｂに加えて常電導コイル４０Ａ，４０Ｂが設けられているので、そのコイル電流の調節によって前記磁場の強さを適宜調節することが可能である。
【００４２】
特に、図例の装置では、前記磁場の強さの変動を前記各磁気センサ４２が検出し、その検出する磁場の強さを目標値に近付けるように、前記コントローラ４４がコイル用給電回路４１から前記常電導コイル４０Ａ，４０Ｂへの供給電流を変化させるため、前記温度変化にかかわらず磁場を安定させる制御が自動的に実行される。
【００４３】
また、この装置では、前記目標値を変えることで磁場強さを積極的に変更することも可能である。
【００４４】
なお、前記温度変化に起因する磁場の変化については、例えば真空容器１５内の温度を温度センサで検出し、その検出温度に応じて前記コイル電流を変えるようにしても、対処することが可能である。
【００４５】
その他、本発明は例えば次のような実施の形態をとることも可能である。
【００４６】
・本発明ではイオンビーム１３の照射方向を問わない。例えばイオンビーム１３が水平方向に照射される場合には、左右両端に永久磁石を配し、これらの永久磁石の内側に強磁性体を配すればよい。
【００４７】
・前記各強磁性体３０Ａ，３０Ｂは、必ずしも各永久磁石２８Ａ，２８Ｂに直接固定されていなくてもよく、前記の磁場強さ分布均一化の効果が得られる位置にあればよい。ただし、前記各強磁性体３０Ａ，３０Ｂが前記各永久磁石２８Ａ，２８Ｂに直接固定されていない場合でも、当該永久磁石２８Ａ，２８Ｂになるべく近接していることが好ましい。
【００４８】
・前記常電導コイル４０Ａ，４０Ｂは、仕様によっては省略が可能である。また、常電導コイルが設けられる場合に、その配設態様は図示のように上下に分かれたものに限らず、例えばイオンビーム１３の照射軸と平行な方向について前記真空容器１５の略全域２２わたり連続的に常電導コイルが配設されていてもよい。
【実施例１】
【００４９】
ヘリウムイオンを１００ｋｅＶで加速してイオンビームとし、強さ１．４Ｔの磁場が形成された真空容器内に照射したときの測定結果をシミュレーションにより求める。当該結果を図３及び図４に示す。
【００５０】
図３は、中心軸（イオンビーム照射軸）からの半径方向の距離ρについて、測定エネルギーＥ（ｅＶ）及びイオン補足立体角ω（ｍｓｔｒ）の分布を求めた結果を示している。同図によれば、中心軸から半径３０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲をカバーするようにイオン検出器を配置することにより、１０〜９０ｋｅＶのエネルギースペクトルを一度の分析操作で得ることができることになる。
【００５１】
また、図４に示されるように、前記領域でのエネルギー分解能ｄＥ／Ｅ（％）は概ね１％以下であり、通常の半導体ＲＢＳ分析装置での分析に比べて数倍から１０倍以上の性能が得られる。しかも、イオン補足立体角ωは１０ｍｓｔｒ以上あり、通常のＲＢＳ分析装置と比較して１０倍以上の分析効率が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に係る散乱イオン分析装置の全体構成を示す断面正面図である。
【図２】前記分析装置に装備される磁場制御手段の構成を示すブロック図である。
【図３】前記分析装置のイオンビーム照射軸からの距離について散乱イオンの測定エネルギー及び散乱角の分布をシュミレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図４】前記分析装置のイオンビーム照射軸からの距離について測定エネルギー分解の装置及びイオン捕捉立体角の分布をシュミレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
１３    イオンビーム
１４    本体ハウジング
１５    真空容器
１６    天壁
１８    底壁
２２    内壁
２８Ａ，２８Ｂ  永久磁石
２８ｈ  永久磁石のビーム挿通孔
３０Ａ，３０Ｂ  強磁性体
３０ｈ  強磁性体のビーム挿通孔
３２    試料ステージ
３４    アパーチャ（散乱イオン測定装置）
３６    イオン検出器（散乱イオン測定装置）
４０Ａ，４０Ｂ  常電導コイル
４１    コイル用給電回路（コイル給電手段）
４２    磁気センサ（磁場検出手段）
４４    コントローラ（磁場制御手段）
【図１】
0004680123.tif 000002
【図２】
0004680123.tif 000003
【図３】
0004680123.tif 000004
【図４】
0004680123.tif 000005