The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

拡散実験用 2.45GHz ECR イオン源の動作特性
東條栄喜、片山一郎、川上宏金、鄭淳讃、小柳津充広、石山博信、榎本一志、宮武宇也、渡辺高エネルギー加速器研究機構〒305-0801 茨城県つくば市大穂 1-1

概要
固体内の拡散実験装置に使用する目的で、平坦な軸方向磁界型の小型軽量 ECR イオン源を製作し、照射試料に適合したビーム取り出し特性の改善を進めてきた。試料に照射して表面変位を均一にし、かつスパッタ効率を高めるイオン源の動作条件・ビーム引き出し条件を探索した。その概略を報告する。

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図 1 は RF 導入部・イオン源本体とアインツェルレンズを結合した断面図である。

まえがき

固体内の拡散実験用装置[1]に組み込む目的で 2.45GHz
ECR イオン源を設計製作し、そのビーム取り出し特性の改善を進めてきた[2][3]。このイオン源は RI ビームの照射を受けた薄膜状試料にスパッタエッチングを行い、そのエッチング量と残留放射能を測定して固体内拡散の実験研究を行うためのスパッタビーム源として用いられるものである。
イオン源の動作パラメーターとしては、数 keV－15keV前後のビームエネルギー、10-7-10-6Torr 台の高真空環境で1mA 程度のビームをφ８以下の小スポットで試料に照射し、均一なスパッタエッチングの実現を目標としている。
イオン源本体を製作したのちは、薄膜試料に照射して、ビームによる試料表面のスパッタ効率の向上と一様性の実現を目標にして、ビーム引出特性の改善を進めてきた。その過程で取り組んだ課題としては、試料の大きさに見合うビームスポットの縮小（ビーム電流密度の増加）と、5kV前後の比較的低い電圧領域と 15kV 前後の高電圧領域での照射条件の適正化、プラズマと取り出しビームの長時間安定化を図ったことである。このイオン源を組み込んで、試料の RI ビーム照射・エッチング・変位測定・残留放射能測定を繰り返すシステムが構成される。

2

裕

イオン源の構造と磁界構成

このイオン源本体の特徴としては第一に、円筒状の永久磁石・ヨークにより外形φ140×150 程度の小型形状で、平坦な軸方向 ECR 磁界を実現してイオン化する方式をとっていることである。１価イオン用なので、径方向の 6 極磁界は用いず、軸方向磁界を平坦にすることで取り出しビームの拡散要因を減らすようにした[4]。第二に、RF 窓をプラズマ室軸と垂直な位置に設置しているので、プラズマ電子の直撃による損傷の恐れがなく、ビーム軸上に RF 窓がある場合に比べて、プラズマ及び取り出しビームの短時間・長時間安定性も大変良い。RF 導入部は WRJ-2/WRJ-3の放熱板付きテーパ管を経て厚さ 16mm の矩形偏平導波管をφ78×110 のプラズマ室円筒に結合している。偏平管とプラズマ室円筒を直角に結合した部分が RF 結合器として機能し、TE10/TE11 モード変換を実現している。簡潔化のため、ショートプランジャーを省略した。軸方向磁界の平坦長は約 80mm で、平坦度は±1.5%以内に収まった。

図13

イオン源の構造断面

ビーム取出し特性

照射試料の材質に応じて、その表面を効率よくスパッタできるように、ビーム取り出し電圧が 8kV 以下の場合と、15kV 前後で用いる場合に分けて、いずれの場合も照射ビームがφ8 以内のスポットで 0.5～1.2ｍＡの範囲で均等に照射できることを目標にした。前者の領域では通常の 2 極構成（プラズマ電極と引き出し電極）で問題ないことが分かったが、後者の領域では同一焦点に必要なビーム値が得られなかったので、3 極構成にした。

3.1

低電圧領域の取り出し

図 2 に 8kV 以下で用いる場合の、イオン源本体とあわせた引き出し部の断面を示した。ビームの照射スポットをφ8 以内にできる、ビーム取り出し電圧の有効動作範囲を探した。その結果、引出側の動作圧力を 10-7Torr 台の半ばで動作させれば、微少なガス流量でも数 kV で 1mA 前後のビームが得られることが分かった。レンズの口径は当初、ビームの均一性を重視して大口径(φ46/70/46)にしたが、ビームスポットが広がりすぎるので等口径に縮小(φ46/46/46)
した結果、取出し電圧 2kV 以下は交換前と大差ないが、3kV以上ではφ7 のスポット内での収束効果とビーム値が明らかに増加した。
なおテストスタンドでは、図 2 に示したアインツェルレンズ（イオン源と一体化）の直下にもう一組のアインツェルレンズ（口径φ38）を装着しているが、殆ど使用せず、図示した引出電極とレンズだけで収束可能であった。

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図2２極型のビーム取り出し構造

図4３極型のビーム取り出し構造

図53 極型のビーム取り出し特性

図 3 2 極型のビーム取り出し特性

3.2高電圧領域の取り出し

4

試料プレート(CAF2) への照射

試料のスパッタ効率を良くするために、照射ビームのエ
図 6 は CaF2 の試料円板に 8keV の Ar ビームを 1.1mA, ス
ネルギーを 15kV 前後に引き上げて使う場合[5]も想定し、ポット径φ7 で約 20 分間照射(パルス幅 25ms,繰り返し前述の２極型でビーム取り出しを試みたが、同一物点での20pps)したときの, スポット内側と周縁部をレーザー変位収束性が低下し、同一スポットのビーム値も低下したので、 計で測定したスパッター深さと、その３次元合成のグラフ引き出し部を補助電極付きの３極構成にして取り出した。 の例である。ビームスポットの中心部については±1.5μm
その構造と典型動作例が図 4，5 である。この方式では P.
程度の起伏、周縁部では約 4μm の段差がついており、ス
Spadtke ほか[6], R. Leroy ほか[7]の報告を参考にして電極ポット内では照射前の起伏と同程度の一様さになってい間隔と口径その他を決めた。いずれも 10～20kV の領域でる。このときの引出側の動作真空度は 4×10-7 Torr であっ
細い平行ビーム取り出しを目標にしている。
10kV 以上でのた。
ビーム値は最適化の余地がある。
図 7 は同じく CaF2 の試料円板に 15keV の Ar ビームを0.9mA, スポット径φ8 で 5 分間照射(パルス幅 10ms,繰り返し 50pps)した時の周縁部と内側の変位を示す。この場合のスパッタによる段差は 1.09μm であった。同一ビーム電流・同一照射面積・同一照射時間に換算すると、8keV の場合の約７倍のスパッタ量になる。これは数 10kV 以下の範

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囲では、照射エネルギーの高い方がスパッタ効率が上がるという、これまでの報告例[5]と一致する結果である。
なお 15keV の照射で、パルスビームを(10ms,50pps)から(25ms,20pps)に変更したところ(デューテイは 50%で同一値)、スパッタ変位量は約 2.4 倍になった。パルス幅の延長でスパッタ効率は上がったが、どこまで比例的に増せるかは未詳である。

5まとめ

固体内の拡散実験装置で、スパッタエッチングに適合した小型軽量で動作が安定な ECR イオン源を製作し、できるだけ一様で平行なビーム取り出しを行い、スパッタ効率を上げることを目標に開発を進めてきた。
現在、CaF2 試料については、数分間のパルス照射で 1-2μm のスパッタ変位ができるようになった。今後の課題としては、ビーム中心部と周辺部の、より均一なスパッタ動作の実現、10-7Torr 台での真空動作環境の改善、多種の試料への適応性などの問題が残っている。また照射による試料表面の荷電蓄積が無視できない場合の対策も課題になるかも知れない。
本イオン源の RF 導入部とレンズの改造に関しては、当機構・工作センターの小林勝治氏、寺島眞一氏に多大なご協力を戴いた。また照射試料 CaF2 の表面測定には同センターの渡辺勇一氏、（株）KEYENCE 社の倉元康次氏のご協力を戴いた。併せて感謝申し上げる。

参考文献[1] 片山他：京大原子炉実験所研究会報告,KURRI-KR-60,1-2, 2000.
[2] 東條他：第 12 回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム(BEAMS 2001）報告集, 17-20, 2001.
[3] 東條 他：第１ 回 21 世紀連合 シンポジウ ム論文集 ,427-429, 2002.
[4] T. Taylor and J.F. Mouris：Nucl. Instr. and Meth. A336, 1-5,1993.
[5] G.Bets and G.K. Wehner ： Sputtering by Particle
Bombardment Ⅱ , edited by R. Behrisch, 58-59 ；Springer-Verlag, 1983.
[6] P. Spadtke et al.：Rev. Sci. Instrum. 65, 1431-1434, 1994.
[7] R. Leroy et al.：Rev. Sci. Instrum. 67, 1350-1352, 1996.
図 6 8kV, 1.1mA の Ar ビームによる照射変形

図 7 15kV, 0.9mA の Ar ビームによる照射変形