(57)【要約】【課題】Ｃ６０クラスターを含む重イオンが得られるイオンビーム用質量フィルタを提供し、また重イオンビームのイオンビーム装置を小型で経済的に製作できるようにする。【解決手段】イオン源側に、光軸に垂直な面内で回転する所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極１１を配置すると共に、イオンビームＩＢの放出側には前記第一の偏向電極１１の回転電界と同じ周波数で所定の偏向角の回転電界を作る第二の偏向電極１２を配置している。第一及び第二の偏向電極１１、１２間には、複数の円筒状電極１４から１６よりなるレンズシステム１３を設けて回転電場型の質量フィルタ１０を構成する。第一の偏向電極１１のイオン源側及び第二の偏向電極１２のイオンビーム放出側に、それぞれアパーチャ２０を配置し、また、レンズシステム１３の略軸方向の中間部には、イオンビーム通路の中央部分を遮蔽する遮蔽手段１７を配置する。【選択図】図２
2007234508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源側に、光軸に垂直な面内で回転する所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側に、前記第一の偏向電極の回転電界とは同じ周波数で所定の偏向角の光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置し、前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設けて構成したことを特徴とするイオンビーム用質量フィルタ。
【請求項２】
イオン源側に、光軸に垂直な面内で回転する所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側に、前記第一の偏向電極の回転電界とは同じ周波数で所定の偏向角の光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置し、前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設け、前記レンズシステムの略軸方向中間部には、イオンビーム通路の中央部分を遮蔽する遮蔽手段を配置して構成したことを特徴とするイオンビーム用質量フィルタ。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかにおいて、前記第一の偏向電極のイオン源側及び第二の偏向電極のイオンビーム放出側に、それぞれアパーチャを配置して構成したことを特徴とするイオンビーム用質量フィルタ。
【請求項４】
請求項２において、前記レンズシステムの軸方向中間部に位置する円筒状電極に、前記遮蔽手段を保持させて構成したことを特徴とするイオンビーム用質量フィルタ。
【請求項５】
筒状容器の一端側にイオン源を配置し、筒状容器の他端側の放出部からイオンビームを放出するイオンビーム装置であって、前記筒状容器内のイオン源側に、光軸に垂直な面内で回転する所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側に、前記第一の偏向電極の回転電界とは同じ周波数で所定の偏向角の光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置し、前記第一及び第二の偏向電極の回転電界は、前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設け、前記第一の偏向電極のイオン源側及び第二の偏向電極のイオンビーム放出側に、それぞれアパーチャを配置して構成したことを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項６】
請求項５において、前記レンズシステムの略軸方向中間部には、イオンビーム通路の中央部分を遮蔽する遮蔽手段を配置して構成したことを特徴とするイオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオンビーム用質量フィルタ及びイオンビーム装置に係り、特にイオンビームをＣ６０（炭素６０クラスター）イオンを主体とする重イオンとするのに好適なイオンビーム用質量フィルタ及びイオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、ｎｍ級の微小膜厚である有機薄膜等の有機材料は、表示装置や半導体装置、生命科学（バイオテクノロジ）等の種々の分野で用いられてきている。有機材料を活用するためには、材料表面及び内部の組成や形態等の化学構造を詳細に分析する必要がある。
【０００３】
材料解析のため、真空雰囲気とする真空容器内に、有機材料の試料を配置し、試料の表面をＡｒイオン等の希ガスイオン源によりエッチングすると、試料の表面の損傷が著しく、有機物の化学構造を内部深くまで分析できないでいた。最近では、Ｃ６０主体の重イオンビームを用いて試料の表面を加工すると、均一にエッチング処理しかも表面の損傷が殆どなく、試料の組成や化学状態等の分析に好適であることが知られてきている。このため、分析装置の真空容器に、定められた加速電圧でＣ６０主体のイオンビームを加速するイオンビーム装置を取り付け、試料の低損傷エッチング源とすることも提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
通常イオンビーム装置は、イオン源と筒体内に配置する電磁レンズや対物レンズや偏向レンズ等を備えた構造が一般的である。そして、イオン源でガスに対して電極の間で高い直流電圧を印加して、供給されたガスを電離してガスのプラズマを発生させ、プラズマ中のガスイオンを電極間の電圧によって加速し、ガスイオンをイオンビームとして放出するとき、レンズ等によってイオンビームを偏向或いは収束を行って、試料の表面の加工に適するイオンビームとするものである（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
ところで、従来のイオンビーム装置は、Ｃ６０クラスターイオンビームと呼んではいるが、このイオンビームの中には、元となるＣ６０の他に水素元素Ｈ、炭素元素Ｃ、酸素元素Ｏ等の軽イオンや、Ｃ６０クラスターの中性粒子の成分が混入して多く存在する。これら不純物である軽イオンやＣ６０クラスターの中性粒子の成分を除去し、より高純度のＣ６０クラスターイオンビームを得るための工夫か行われている。
【０００６】
イオンビーム装置で重イオンを取り出すには、例えば、四重極フィルタやウィーンフィルタやセクターマグネット等で代表され、一般に質量フィルタと呼ばれる分離機構が用いられる。また、従来のイオンビーム装置には、イオンビーム中から中性粒子の成分を除去するため、中性粒子が電界や磁界中においても直進するという性質を利用し、中性粒子をイオンと分離することが行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１３４１７０号公報
【特許文献２】特開２００５−４４５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
分離機構の一つである四重極フィルターは、４本の柱が互いに等距離に配置され、この柱に直流電圧に高周波を重畳した信号を入れて中心を飛行するイオンに進行方向に対して垂直の力を与えて振動させる方式である。そして、直流電圧の大きさと高周波の振幅の大きさがある特定の値のとき、その値に相当した質量のイオンのみが柱の中を通過でき、他の質量のイオンは発散して通過できないものである。しかし、この方式は、比較的低い周波数の高周波を利用しているため、主に軽イオンに適し、重イオンに適用させるには、機構や構造が複雑で寸法が大きくなり、設備が経済的に製作できない問題がある。
【０００９】
また、ウィーンフィルタは、直行する電場と磁場を用いて、所望の電荷と質量比のイオンのみを通過させる方式であって、重イオンの分離のために、非常に強力な磁束線を必要とするからマグネットが巨大化するので、小型のイオンビーム装置には採用できないし、更にセクターマグネットにおいても、同様な問題がある。
【００１０】
上記の高周波電界や静電界や静磁界中での荷電粒子の運動を利用する形式の質量フィルタでは、いずれの方式もイオン質量が大きくなるほど質量分解能は劣化するため、必要とする質量分解能を確保するには、選択すべきイオンの質量に対応してフィルタの形状を大きくしなければならず、重イオンに対して原理的に不利であった。
【００１１】
これに対して、従来から飛行時間（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ、以下「ＴＯＦ」と略称する。）法のフィルタでは、イオンの質量が大きくなるほど、質量分解能は向上するし、飛行時間が長くなるので飛行距離は短くでき、それ故イオン質量が大きくなるほど全体を小型にできることが知られている。しかし、従来のＴＯＦ型フィルタでは、イオンビームをパルス化する必要があり、イオンの使用効率は極めて悪くなってしまう欠点がある。
【００１２】
また、イオンビーム装置でイオンビーム中から中性粒子の成分を除去するのに、イオン源から加工対象の標的である試料の間で、イオンビームを偏向する必要がある従来の方式では、イオン源とイオン光学系の光軸と試料の三者を、一直線上に配置することができない構成となる。この結果、小型のイオンビーム装置を構築する上で大きな欠点となるし、またイオンビームを収束させるビームスポット寸法の微小化の観点からも問題となる。
【００１３】
本発明の目的は、高純度のＣ６０クラスターを含む重イオンが得られるイオンビーム用質量フィルタを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、Ｃ６０クラスターを含む重イオンビームのイオンビーム装置を小型で経済的に製作できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のイオンビーム用質量フィルタは、イオン源側に、光軸に垂直な面内で回転する所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側に、前記第一の偏向電極の回転電界とは同じ周波数で所定の偏向角の光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置し、前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設けて構成したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のイオンビーム用質量フィルタは、イオン源側に、所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側に、前記第一の偏向電極の回転電界とは同じ周波数で所定の偏向角の光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置し、前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設け、前記レンズシステムの略軸方向中間部には、イオンビーム通路の中央部分を遮蔽する遮蔽手段を配置して構成したことを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記第一の偏向電極のイオン源側及び第二の偏向電極のイオンビーム放出側に、それぞれアパーチャを配置して構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、好ましくは前記レンズシステムの軸方向中間部に位置する円筒状電極に、前記遮蔽手段を保持させて構成したことを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明のイオンビーム装置は、筒状容器の一端側にイオン源を配置し、筒状容器の他端側の放出部からイオンビームを放出するイオンビーム装置であって、前記筒状容器内のイオン源側に、光軸に垂直な面内で回転する所定の偏向角の回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側には前記第一の偏向電極の回転電界とは同じ周波数で所定の偏向角の光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置し、前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設け、前記第一の偏向電極のイオン源側及び第二の偏向電極のイオンビーム放出側に、それぞれアパーチャを配置して構成したことを特徴とする。
【００２０】
好ましくは、前記レンズシステムの略軸方向中間部には、イオンビーム通路の中央部分を遮蔽する遮蔽手段を配置して構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の如くイオンビーム用質量フィルタは、飛行時間法でしかも連続ビーム型に構成したので、簡単な構造で軽イオン及びＣ６０の中性粒子を除去した高純度のＣ６０クラスターを主体とする重イオンが得ることができる。
【００２２】
また、本発明の如くイオンビーム用質量フィルタ用いてイオンビーム装置を構成すれば、重イオンビームを放出する装置が小型で経済的に製作できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明のイオンビーム用質量フィルタは、イオン源側に光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第一の偏向電極を配置すると共に、イオンビームの放出側には光軸に垂直な面内で回転する回転電界を作る第二の偏向電極を配置している。第一及び第二の偏向電極の回転電界は、所定の偏向角でかつ同じ周波数で回転させており、しかも前記第一及び第二の偏向電極間に、複数の円筒状電極よりなるレンズシステムを設けて構成する。
【００２４】
また、本発明のイオンビーム装置は、筒状容器内に上記の質量フィルタを配置し、しかも第一の偏向電極のイオン源側及び第二の偏向電極のイオンビーム放出側に、それぞれアパーチャを配置して構成する。
【実施例１】
【００２５】
以下本発明のイオンビーム用質量フィルタ及びイオンビーム装置について、図面に示す実施例を用いて説明する。一般にイオン銃と呼ばれるイオンビーム装置は、図１に示すように筒状容器１の一端にイオン源２を設け、筒状容器１の他端側の放出部３からイオンビームを放出する直線状に構成している。イオン源２と放出部３との間には、イオン源２からイオンビームＩＢを加速して引き出す引出電極４、イオンビームＩＢを収束するコンデサレンズ５、イオンビームＩＢ軸を中心にするアライナ電極６及びアライナ可動絞り７、イオンビームＩＢの対物レンズ８、イオンビームＩＢを加工対象物へ偏向させる偏向電極９を、順に配設しており、放出部３からイオンビームＩＢを加工対象物へ放出する直線状の構造にしている。
【００２６】
しかも、イオン源２と放出部３間、即ち図１の例ではアライナ電極６とアライナ可動絞り７間に、本発明の回転電場を利用した連続型ＴＯＦ法を用いた回転電場の質量フィルタ（ＲＦＭＦ：Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｄ  Ｍａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ、以下「ＲＦＭＦ」と略称する）１０を設け、このＲＦＭＦ１０でイオンビームＩＢを一旦偏向させた後、もとの状態に振り戻すようにしている。これによって、本発明のイオンビーム装置では、イオン源２と、イオンビームＩＢの光学系の光軸、加工対象物である試料を直線上に配置できる小型の構造にでき、後述するように６０クラスターイオンの中性粒子を効率的に除去し、イオンビームを収束させてビームスポット寸法の微小化も可能になる。
【００２７】
本発明の連続型ＴＯＦ法のＲＦＭＦ１０は、図２に示すように第一及び第二の偏向電極１１、１２と、これら間に配置するアインツェルレンズ（Ｅｉｎｚｅｌ  Ｌｅｎｓ）と称される複数個の静電型の円筒状電極からなるレンズシステム１３とによって構成している。
【００２８】
ＲＦＭＦ１０を構成する第一及び第二の偏向電極１１、１２は、種々の偏向方式のものを使用することができるが、この図２の例ではそれぞれ光軸に垂直な面内の回転電場発生用に、ｘ軸とｙ軸方向に直交する二対の平行平板電極を用いており、例えばｘ方向に正弦波、ｙ方向に余弦波の交流電圧を印可することによって、光軸に垂直な面内での回転電界を発生させている。また、レンズシステム１３は、この例では銅やステンレス鋼等の如き非磁性材料で製作する３個の静電型の円筒状電極１４、１５、１６を用いている。
【００２９】
静電型の円筒状電極１４、１５、１６からなるレンズシステム１３は、この軸方向寸法の略中間部の位置となる円筒状電極１５部分に、イオンビーム通路となる円筒状電極１５の空間断面の中心部分、即ちイオンビームＩＢの進行軸の中心部を遮蔽するように遮蔽手段１７を配置しており、これによって６０クラスターイオンの中性成分を阻止している。
【００３０】
遮蔽手段１７を取り付けるには、例えば、中央の円筒状電極１５を２分割し、これら分割部分間に挟持させて固定するか、図４に示すように円筒状電極１５のイオンビームＩＢの進路側端面にボルト等の固定部材２２を用いて固定する。
【００３１】
遮蔽手段１７は、ステンレス鋼等の非磁性材料を用い、例えば図５に示すように円筒状電極１５のイオンビーム通路の空間断面積に対し、２０％程度の面積を持つ大きさ円形の遮蔽板で製作し、環状の支持部材１８に同一材料のワイヤや針金等の支持手段１９にてイオンビーム通路を確保できるように中心部分に位置させるか、これと同様の形状に非磁性材料から切削加工によって、一体に製作して使用する。
【００３２】
また、ＲＦＭＦ１０は、タングステン等の高融点材料を用いて中央部に小孔２１を形成したアパ−チャ２０を、図２の例では第一の偏向電極１１のイオン源側及び第二の偏向電極１２のイオンビーム放出側、即ちイオンビームＩＢの入口側位置及び出口側位置にそれぞれ配置している。これら両アパ−チャ２０で、不要な水素元素等を遮蔽し、イオンビームＩＢを６０クラスターイオン主体の重イオンにすることができる。
【００３３】
この連続型ＴＯＦの法のＲＦＭＦ１０は、図３に示すようにレンズシステム１３の両端の第一及び第二の偏向電極１１、１２が、例えばそれぞれ直交する二組の平行平板電極で構成されていると、これらで作る回転電界Ａ及びＢが配置され、回転電界Ａは偏向角θで、また回転電界Ｂは、回転電界Ａと同一周波数で光軸に垂直な面内を回転している。
【００３４】
このため、イオン源２から加速して引き出されたイオンビームＩＢが、図１及び図２に示すように最初の第一の偏向電極１１が作る回転電界Ａに入ったとき、光軸を中心とし、頂角θのコーン状に発散されレンズシステムに入射する。このとき、一個のイオンに着目し、矢印で示すように偏向角θでｙ軸の正の方向に曲げられたとする。中間に配置するレンズシステム１３により、再び収束されるＣ６０クラスターのイオンは第二の偏向電極１２にｙ軸の負の方向に偏向角−θで入射することになる。このとき、たまたま回転電界Ｂにおける回転電界の位相が回転電界Ａと同位相であれば、イオンは再び光軸上に振り戻され、イオン源２からでてくるときのイオンビームＩＢと同方向の成分となり、この状態で放出部から加工対象物に放出することができる。
【００３５】
ＲＦＭＦ１０について図２及び図３を用いて更に詳細に説明すると、図の左側からｚ軸に沿ってイオンビームＩＢが入射しているとき、例えば直行する二組の平行平板電極で構成する第一及び第二の偏向電極１１、１２に、例えばｘ軸方向に正弦波、ｙ軸方向に余弦波の交流電圧を印可し、光軸に垂直な面内を回転するそれぞれ定めた偏向角の回転電界Ａ、Ｂを発生させた状態にしている。イオンビームＩＢが、第一の偏向電極１１に入ってきた時点で、電界がたまたまｙ軸の正の方向に向いていると、図３のようにイオンビームＩＢはｙ軸方向に偏向角θで方向を変え、レンズシステム１３に入射する。
【００３６】
イオンビームＩＢは、レンズシステム１３の各円筒状電極１４から１６の収束作用により軌道を変え、第二の偏向電極１２にｙ軸の負の方向に偏向角−θで入射する。このときの第二の偏向電極１２における電界の方向がｙ軸方向であれば、イオンビームＩＢは角度θだけ偏向し、軌道は元の中心光軸に復帰し、イオンビーム出口側に配置したアパーチャ２０を通過することができる。イオンビームがアパーチャ２０を通過する条件は、イオンのエネルギーと質量及び回転電界の周波数と二つの回転電界の位相差によって決定される。
【００３７】
イオンビームＩＢが入射したときの電界の方向は、ｙ軸方向でなくても任意の方向で良いものであって、イオンビームＩＢがＲＦＭＦ１０に入射したときの第一の偏向電極１１での電界の方向と、イオンビームＩＢがＲＦＭＦ１０をでるときの第二の偏向電極１２での電界の方向とが同位相で一致しておれば、イオンビームＩＢはＲＦＭＦ１０を通過することができる。どのような回転角においても、上記が成り立つものであって、イオンビームは連続ビームとなる。
【００３８】
イオンビームＩＢが、第一及び第二の偏向電極１１、１２間の飛行する時間ｔは、イオンの加速電圧Ｖとイオンの質量Ｍ、イオンの電荷ｅ、電極間距離Ｌで決まり、下記の（１）式で求まる。
2007234508.tif 000003
【００３９】
回転電界の周波数ｆ、偏向電極１２における回転電界Ｂが、第一の回転電界Ａより位相φだけ遅れているとすると、次の（２）式を満たす質量のイオンのみが通過できる。
2007234508.tif 000004
【００４０】
このため、周波数ｆ又は位相φを調整することで、通過するイオンの質量を選別することができる。重いイオンほど電極間距離Ｌを小さくでき、かつイオンビームＩＢは連続ビームとなる。
【００４１】
また、レンズシステム１３の軸方向寸法の中央部付近では、等電位面は中心の光軸に対して垂直であるから、遮蔽手段１７はイオンビーム通路を確保できる状態の中央位置に配置し、レンズシステムの軸方向の中央部に位置する円筒状電極１５と同電位にしておけば、イオンビームの軌道に影響は与えずに６０クラスターイオンの中性粒子を除去でき、装置全体は中心の光軸に対して対称であり、小型でイオンビームの収束に対して有利にできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を適用したイオンビーム装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２】本発明のイオンビーム用質量フィルタを示す要部拡大図である。
【図３】本発明のイオンビーム用質量フィルタの原理を示す模式図である。
【図４】図２のイオンビーム用質量フィルタおけるレンズシステムの一例を示す要部図である。
【図５】イオンビーム用質量フィルタに用いる中性粒子の遮蔽手段の一例を示す正面図と側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…筒状容器、２…イオン源、３…放出部、１０…回転電場型の質量フィルタ、１１…第一の偏向電極、１２…第二の偏向電極、１３…レンズシステム、１４、１５、１６…円筒状電極、１７…遮蔽手段、２０…アパーチャ、ＩＢ…イオンビーム。
【図１】
2007234508.tif 000005
【図２】
2007234508.tif 000006
【図３】
2007234508.tif 000007
【図４】
2007234508.tif 000008
【図５】
2007234508.tif 000009