イオンビームの平行化装置、イオン照射装置及びイオン散乱分光装置
【課題】短い距離でイオンビームを平行化できるイオンビームの平行化装置を提供する。
【解決手段】第1ベース層と、その上に形成された第1導電層と、これらの層を貫通する複数の第1貫通孔とを有する第1基板50aと、第2ベース層と、その上に形成された第2導電層と、これらの層を貫通し、複数の第1貫通孔と対応するように形成された複数の第2貫通孔とを有する第2基板50bとを備え、複数の第1貫通孔および第2貫通孔はそれぞれベース層内の壁面部分が電気絶縁性を有し、第1基板50a及び第2基板50bは、第1導電層及び第2導電層を同じ方向に向け且つ複数の第1貫通孔それぞれが対応する第2貫通孔と対向するように配置される。
【解決手段】第1ベース層と、その上に形成された第1導電層と、これらの層を貫通する複数の第1貫通孔とを有する第1基板50aと、第2ベース層と、その上に形成された第2導電層と、これらの層を貫通し、複数の第1貫通孔と対応するように形成された複数の第2貫通孔とを有する第2基板50bとを備え、複数の第1貫通孔および第2貫通孔はそれぞれベース層内の壁面部分が電気絶縁性を有し、第1基板50a及び第2基板50bは、第1導電層及び第2導電層を同じ方向に向け且つ複数の第1貫通孔それぞれが対応する第2貫通孔と対向するように配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームの平行化装置、イオン照射装置及びイオン散乱分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）法、又はイオン散乱分光法と呼ばれるイオンビームを用いた試料の分析が用いられている。この分析法では、例えば、数百ｋｅＶに加速されたＨｅイオンを試料に照射し、分析試料を形成する元素との相互作用により散乱したＨｅイオンのエネルギーを分析して、試料中の元素組成等を計測する。
【０００３】
このような分析法において磁場偏向型のエネルギー分析器を用い、分析試料に照射されて散乱されたイオンのエネルギーを数百ｅＶの分解能で測定できる位置敏感型検出器を備えた高エネルギー分解能型の装置が開発されている。そして、この高エネルギー分解能型の装置を用いて、原子層厚レベルでの組成分析が可能となってきている。
【０００４】
試料に入射したイオンは、分析試料を形成する原子核又は電子と剛体衝突又はクーロン相互作用により、弾性散乱又は非弾性散乱を行ってエネルギーを損失する。例えば、ＲＢＳ法では、分析試料により散乱されたイオンのエネルギーを入射エネルギーと比較して散乱によるエネルギー損失を調べ、分析試料中に含まれる元素又は元素の深さプロファイル等が分析される。そのため、高い精度の分析を行うためには、入射イオンビームに対して、入射エネルギーの高い均一性と共に、入射方向の高い均一性、即ち入射イオンビームの高い平行度が求められる。
【０００５】
そして、入射イオンビームの高い平行度を得るために、中心部に開口を有する２つのスリットを、イオン源と分析試料との間に配置することが行われている。この方法では、イオン源から出射するイオンビームの内、各スリットの中心部を通過するイオンビームのみを分析試料に照射する。
【０００６】
しかし、ＲＢＳ法で用いるイオンビームの入射エネルギーが高いので、２つのスリットを用いる方法では、入射イオンビームの高い平行度を得るためには、２つのスリットの間隔が数メートル以上になる場合がある。従って、この方法では、長いビームラインのために装置が大きくなるので、装置の設置に広い場所が必要となる問題があった。
【０００７】
また、入射イオンビームの高い平行度を得るために、一つのスリットと磁気レンズとを組み合わせることにより、短いビームラインで平行度の高いビームを得ることが提案されている。しかし、この方法では、イオンビームを収束させるための磁気レンズとして四重極レンズ等を用いるので、装置の構造が複雑になる問題があった。
【０００８】
更に、入射イオンビームの高い平行度を得るために、複数の貫通孔を有し、各貫通孔の入り口にはイオンビームに電場を印加して軌道を制御するための電極が配置された基板を用いることが提案されている。しかし、この方法も、複数の貫通孔それぞれに配置する電極と、各電極に電場を印加する制御部とを用いるので、装置の構造及び制御が複雑になる問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−３２６９１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１６０９号公報
【特許文献３】特公平７−１１８２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本明細書では、短い距離でイオンビームを平行化できるイオンビームの平行化装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本明細書では、短い距離でイオンビームを平行化できるイオン照射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
更に、本明細書では、短い距離でイオンビームを平行化できるイオン散乱分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書に開示するイオンビームの平行化装置によれば、第１ベース層と、上記第１ベース層上に形成された第１導電層と、上記第１導電層及び上記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有する第１基板と、第２ベース層と、上記第２ベース層上に形成された第２導電層と、上記第２導電層及び上記第２ベース層を貫通し、複数の上記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、を備え、複数の上記第１貫通孔は、上記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の上記第２貫通孔は、上記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、上記第１基板及び上記第２基板は、上記第１導電層及び上記第２導電層を同じ方向に向け、且つ複数の上記第１貫通孔それぞれが対応する上記第２貫通孔と対向するように配置される。
【００１４】
本明細書に開示するイオン照射装置によれば、イオン源と、第１ベース層と、上記第１ベース層上に形成された第１導電層と、上記第１導電層及び上記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、上記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、第２ベース層と、上記第２ベース層上に形成された第２導電層と、上記第２導電層及び上記第２ベース層を貫通し、複数の上記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、を備え、複数の上記第１貫通孔は、上記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の上記第２貫通孔は、上記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、上記第１基板及び上記第２基板は、上記第１導電層及び上記第２導電層側の面を上記イオン源に向け、且つ複数の上記第１貫通孔それぞれが対応する上記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、を備える。
【００１５】
本明細書に開示するイオン散乱分光装置によれば、イオン源と、第１ベース層と、上記第１ベース層上に形成された第１導電層と、上記第１導電層及び上記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、上記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、第２ベース層と、上記第２ベース層上に形成された第２導電層と、上記第２導電層及び上記第２ベース層を貫通し、複数の上記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、を備え、複数の上記第１貫通孔は、上記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の上記第２貫通孔は、上記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、上記第１基板及び上記第２基板は、上記第１導電層及び上記第２導電層側の面を上記イオン源に向け、且つ複数の上記第１貫通孔それぞれが対応する上記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、イオンビームのエネルギーを分析するエネルギー分析部と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本明細書に開示するイオンビームの平行化装置によれば、短い距離でイオンビームを平行化できる。
【００１７】
上述した本明細書に開示するイオン照射装置によれば、短い距離でイオンビームを平行化できる。
【００１８】
上述した本明細書に開示するイオン散乱分光装置によれば、短い距離でイオンビームを平行化できる。
【００１９】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２０】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本明細書に開示するイオン散乱分光装置の一実施形態を示す図である。
【図２】（Ａ）は、図１のイオンビームの平行化部を形成する基板の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｘ線端面図である。
【図３】第１貫通孔と第２貫通孔との位置関係を説明する図である。
【図４】第１拡がり角と第２拡がり角との関係を説明する図である。
【図５】イオンビームの入射拡がり角と第１貫通孔の長さとの関係を説明する図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その１）である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その２）である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その３）である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その４）である。
【図１０】第１貫通孔の変形例を示す図である。
【図１１】イオン散乱分光装置の変形例を示す図である。
【図１２】イオン散乱分光装置の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本明細書で開示するイオン散乱分光装置の好ましい一実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００２３】
図１は、本明細書に開示するイオン散乱分光装置の一実施形態を示す図である。図２（Ａ）は、図１のイオンビームの平行化部を形成する基板の平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ−Ｘ線端面図である。図３は、第１貫通孔と第２貫通孔との位置関係を説明する図である。
【００２４】
本実施形態のイオン散乱分光装置１は、イオン照射部１０と、分析試料２１を収容する分析チャンバ２０と、を備える。また、イオン散乱分光装置１は、分析チャンバ２０から入射してきた散乱イオンに対して並進方向に垂直な磁場を印加するマグネット３１及び分析管３２を有する磁場偏向型エネルギー分析器３０を備えており、高エネルギー分解能を有する。更に、イオン散乱分光装置１は、位置敏感型検出器４１を有する検出部４０を備える。イオン散乱分光装置１は、磁場偏向型エネルギー分析器３０及び検出部４０を用いて、イオンビームのエネルギーを分析する。
【００２５】
イオン照射部１０は、Ｈｅ等のイオンを発生するイオン源１１と、発生したイオンを加速する加速管１２と、加速されたイオン流を所定のビームサイズに絞るスリット１３と、を有する。加速管１２では、例えば、３００ｋＶ〜５００ｋＶの加速電圧を用いて、イオンを加速する。
【００２６】
また、イオン照射部１０は、所定のエネルギーのイオンのみを通過させて単色化するエネルギーフィルタ１５と、スリット１３を通過したイオンビームの方向の均一性を揃えて、ビームの平行度を高める平行化部１４と、を有する。
【００２７】
イオン源１１で発生し、加速管１２から照射されるイオンビームの照射角は、分析に用いるには大きいので、加速管１２と平行化部１４との間にスリット１３を配置して、平行化部１４に入射するビームを所定のビームサイズに絞っている。平行化部１４の詳細については、更に後述する。
【００２８】
分析チャンバ２０内では、イオン照射部１０から入射されたイオンが、分析試料２１で散乱された後、磁場偏向型エネルギー分析器３０に進む。分析チャンバ２０内の分析試料２１に対して、磁場偏向型エネルギー分析器３０は、分析試料２１で散乱したイオンのエネルギーを分析するように配置される。
【００２９】
磁場偏向型エネルギー分析器３０は、マグネット３１を用いて、運動しているイオン等の荷電粒子に対してその並進方向に垂直な磁場を印加することで荷電粒子にローレンツ力を作用させる。つまり、イオン散乱分光装置１は、荷電粒子に作用するローレンツ力の大きさが荷電粒子の運動エネルギーに依存し、その結果、運動エネルギーによって決まる軌道を荷電粒子が辿ることを用いて荷電粒子の運動エネルギーを計測する。分析試料２１上の散乱点で散乱された荷電粒子は、磁場が印加された分析管３２を通してエネルギー毎に分光されて、検出部４０に進む。
【００３０】
検出部４０は、荷電粒子が入射した位置敏感型検出器４１上の位置及びその位置に入射した荷電粒子の数を計測する。検出部４０は、磁場偏向型エネルギー分析器３０における磁場強度で空間的に帯状にエネルギー分光された荷電粒子を、位置敏感型検出器４１により一度に検出する。このようにして、測定時間の短時間化と分析試料にかかるダメージの回避が可能になる。
【００３１】
イオン散乱分光装置１は、例えば、入射した軽イオンと分析試料２１を形成する試料形成原子とがほぼ弾性散乱するものとし、弾性散乱で跳ね返された軽イオンのエネルギーが分析試料を形成する原子の原子核の質量の関数になること、及び、侵入中に軽イオンの失うエネルギーが侵入深さの関数になることを利用して、検出部４０の測定結果を解析する。
【００３２】
本実施形態のイオン散乱分光装置１は、平行化部１４を用いることにより、分析試料２１に照射されるイオンビームの平行度を高めている。次に、平行化部１４について、以下に詳細に説明する。
【００３３】
図１〜図３に示すように、平行化部１４は、複数の第１貫通孔５３ａを有する第１基板５０ａと、複数の第１貫通孔５３ａと対応するように形成された複数の第２貫通孔５３ｂを有する第２基板５０ｂとを備える。第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂは、円板形状で、同じ寸法を有する。
【００３４】
第１基板５０ａは、第１ベース層５１ａと、第１ベース層５１ａ上に形成された第１導電層５２ａとを有する。複数の第１貫通孔５３ａは、第１導電層５２ａ及び第１ベース層５１ａを貫通する。第２基板５０ｂも、第１基板５０ａと同様の構造を有しており、第２ベース層５１ｂと、第２ベース層５１ｂ上に形成された第２導電層５２ｂとを有する。複数の第２貫通孔５３ｂは、第２導電層５２ｂ及び第２ベース層５１ｂを貫通する。
【００３５】
複数の第１貫通孔５３ａは、第１ベース層５１ａ内の壁面の部分が電気絶縁性を有している。同様に、複数の第２貫通孔５３ｂは、第２ベース層５１ｂ内の壁面の部分が電気絶縁性を有している。
【００３６】
第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂは、第１導電層５２ａ及び第２導電層５２ｂを同じ方向に向け、且つ複数の第１貫通孔５３ａそれぞれが対応する第２貫通孔５３ｂと対向するように間隔を空けて配置される。具体的には、第１基板５０ａは、第１導電層５２ａ側の面をイオン源１１に向けており、イオン源１１から照射されたイオンビームは、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に入射する。第２基板５０ｂも、第２導電層５２ｂ側の面をイオン源１１に向けており、イオン源１１から照射されて第１基板２０ａの第１貫通孔５３ａを通過したイオンビームが、第２基板５０ｂの第２導電層５２ｂ側の面に入射する。
【００３７】
また、図１に示すように、第１導電層５２ａ及び第２導電層５２ｂは接地されている。
【００３８】
第１ベース基板５１ａは、第１基板５０ａの機械的強度を提供する。第１ベース基板５１は、円板形状を有する。第１ベース基板５１は、第１貫通孔５３ａの部分のみが電気絶縁性を有していても良いし、又は、第１ベース基板５１の全体が電気絶縁性を有していても良い。
【００３９】
第１ベース基板５１の形成材料としては、例えば、シリコン又は酸化シリコンを用いることができる。
【００４０】
第１導電層５２ａは、第１貫通孔５３ａの部分を除いて、第１ベース基板５１のイオン源１１側の面に形成される。イオン源１１で発生し、加速管１２で加速された後スリット１３を通過したイオンビームは、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に入射する。第１貫通孔５３ａに入射したイオンビームは、第１貫通孔５３ａを通過した後、第２基板５０ｂの第２導電層５２ｂ側の面に入射する。そして、第２基板５０ｂの第２貫通孔５３ｂを通過したイオンビームは、エネルギーフィルタ１５を通過した後、分析試料２１によって散乱する。
【００４１】
イオンが、第１導電層５２ａの第１貫通孔５３ａ以外の部分に入射すると、イオンが持つ電荷は第１導電層５２ａに移動し、その後接地に流れる。従って、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面が帯電することが防止される。
【００４２】
仮に、第１基板５０ａに第１導電層５２ａが形成されておらず、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面が帯電して、第１貫通孔５３ａの入り口の部分が電荷を持つと、第１貫通孔５３ａに入射するイオンが、第１基板５０ａに近づく過程でクーロン斥力によりイオンが減速されるため、エネルギーを失うことになる。そのため、イオンビームの入射エネルギーに対して管理できないエネルギーロスが生じるので、分析試料に入射するイオンのエネルギーが不均一になり、その値がわからなくなる。そこで、本実施形態では、第１基板５０ａのイオン源１１側の面に第１導電層５２ａを配置すると共に、この第１導電層５２ａを接地し、管理できないエネルギーロスが生じることを防止して、上述した問題を回避している。
【００４３】
第１導電層５２ａは、イオンビームの照射に曝されるが、入射エネルギーが５００ｋｅＶ程度のＨｅイオンの入射であれば、第１導電層５２ａのイオンの衝突による損傷は小さいので、第１導電層５２は耐久性を有する。
【００４４】
第１貫通孔５３ａは、第１基板５０ａの全面に均一に配置されることが好ましい。また、第１貫通孔５３ａの断面形状を円形に換算した換算直径は、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲にあることが好ましい。
【００４５】
第１貫通孔５３ａの換算直径が、２０μｍ未満になると、試料分析のためのイオンビーム量を得ることが難しくなるおそれがある。一方、第１貫通孔５３ａの換算直径の上限値については、第１基板５０ａの機械的強度及び第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離等の観点から決定され得る。この観点から、第１貫通孔５３ａの換算直径の上限値を、２５０μｍとすることができる。第１貫通孔５３ａの換算直径と、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離との関係の説明については後述する。
【００４６】
本実施形態では、複数の第１貫通孔５３ａは、円柱形状を有する。従って、上述した第１貫通孔５３ａの断面形状を円形に換算した換算直径は、円の直径となる。本実施形態では、複数の第１貫通孔５３ａは、同じ寸法を有する。
【００４７】
第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に露出している複数の第１貫通孔５３ａの開口部の面積を合わせた総面積は、試料分析のためのイオンビーム量を得る観点又は第１基板５０ａの機械的強度を確保する観点等から決定され得る。
【００４８】
具体的には、本実施形態では、試料分析のためのイオンビーム量を得る観点から、一つの第１貫通孔５３ａの開口面積は上述した２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましいが、多数の第１貫通孔５３ａを第１基板５０ａに配置することにより、試料の分析に必要なイオンビーム量を確保している。
【００４９】
上述した第１基板５０ａの説明は、第２基板５０ｂに対しても適宜適用される。
【００５０】
次に、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの関係について以下に説明する。
【００５１】
第２基板５０ｂには、第１基板５０ａの複数の第１貫通孔５３ａと対応するように、複数の第２貫通孔５３ｂが配置される。第１基板５０ａ上に第２基板５０ｂを重ねた場合には、一の第１貫通孔５３ａと、この一の第１貫通孔５３ａと対応する第２貫通孔５３ｂとが重なるようになっている。
【００５２】
そして、本実施形態では、図３に示すように、円柱形状を有する第１貫通孔５３ａそれぞれの中心軸Ｃが対応する第２貫通孔５３ｂの中心軸と一致するように、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとが配置される。図３は、図２（Ｂ）と同様に、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂの端面図を示している。
【００５３】
次に、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂが、短い距離でイオンビームを平行化するメカニズムを、図４を参照して以下に説明する
【００５４】
図４は、第１拡がり角と第２拡がり角との関係を説明する図である。
【００５５】
図４には、第１基板５０ａの一の第１貫通孔５３ａと、この一の第１貫通孔５３ａと対応する第２基板５０ｂの第２貫通孔５３ｂとが、それぞれの中心を中心軸Ｃに一致させて配置された状態が示されている。第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離はＬ３である。なお、図４では、他の第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは示されていない。
【００５６】
図４に示すように、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面にイオンビームが入射する。ここで、入射するイオンビームは、入射拡がり角βで第１貫通孔５３ａに入射し、第１貫通孔５３ａの直径をｄ１とする。入射拡がり角βは、第１基板５０ａに入射するイオンビームの最大の拡がり角を意味する。そして、第１貫通孔５３ａの長さＬ１が、入射拡がり角βで入射したイオンビームを有効に平行化する場合には、第１貫通孔５３ａにより限定される第１拡がり角α１は、第１貫通孔５３ａの両端の開口部の対角に位置するエッジ同士を結ぶ２本の線により作られる角度となり、α１＝２ｄ１／Ｌ１と表される。
【００５７】
即ち、入射拡がり角βで第１貫通孔５３ａに入射したイオンビームは、第１貫通孔５３ａにより平行化されて、第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１で第１貫通孔５３ａから出射される。入射拡がり角βで入射したイオンビームは、第１貫通孔５３ａにより有効に平行化されるので、α１＜βである。第１貫通孔５３ａから出射したイオンビームは、対向する第２貫通孔５３ｂに入射する。
【００５８】
そして、第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔５３ｂの直径ｄ２が、上記エッジ同士を結ぶ２本の線それぞれを第２貫通孔５３ｂの方向に延長して第２導電層５２ｂの表面と交差する点同士を結んだ線の長さｄ３よりも短いことが好ましい。これにより第２貫通孔５３ｂによって、第１貫通孔５３ａを出射したイオンビームの平行度が高められる。
【００５９】
また、第１貫通孔５３ａの内の一の第１貫通孔の直径ｄ１及び長さＬ１により規定される第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１と、第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔の直径ｄ２及び長さＬ２と、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離Ｌ３とが、
第２拡がり角α２＝（ｄ１＋ｄ２）／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３） ＜ α１
なる関係を満たすことが好ましい。第２拡がり角α２＝（ｄ１＋ｄ２）／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の式は、上述した第１拡がり角α１と同様にして求められる。
【００６０】
ここで、第２拡がり角α２を小さくするには、分母を形成するｄ１＋ｄ２を小さくするか、又は、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３を大きくすることになる。
【００６１】
本実施形態では、上述したように、第１貫通孔５３ａの直径ｄ１及び第２貫通孔５３ｂの直径ｄ２が、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内にあるので、ｄ１＋ｄ２を小さくすることにより第２最大拡がり角α２を小さくする。また、このようにｄ１＋ｄ２を小さくできるので、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離Ｌ３を小さくすると共に、第２最大拡がり角α２を小さくできる。従って、平行化部１４の寸法を小さくできる。一方、従来の開口部の径が数ｍｍ程度である２つのスリットを用いて、同じ大きさの拡がり角を得る場合には、開口部の径が大きい分、２つのスリット間の距離を大きくする必要がある。
【００６２】
このように、本実施形態では、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂを用いて、２重にイオンビームを絞ることにより、短い距離でイオンビームの平行度を高くすることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂを、貫通孔内を飛行するイオンに対して静電レンズとして機能させることによって、上述した幾何学的関係により規定される拡がり角α１、α２よりも小さな拡がり角をイオンビームに持たせることができる。
【００６４】
図５は、イオンビームの入射拡がり角と第１貫通孔の長さとの関係を説明する図である。
【００６５】
図５に示すように、例えば、正電荷を有するイオンを第１貫通孔５３ａ又は第２貫通孔５３ｂに入射すると、入射したイオンの一部が貫通孔内の電気絶縁性の壁面に衝突して、壁面が正に帯電する。そして、正に帯電した円柱形状の貫通孔内では、貫通孔の中心軸Ｃを中心にした等電位線が形成される。そして、このような等電位場内を飛行する正イオンは、中心軸Ｃに近づくような静電力を受けるので、貫通孔内を通過するイオンビームの拡がり角が縮小する。即ち、イオンビームの平行度がより高められることになる。なお、負イオンを貫通孔に入射しても同様の静電レンズ効果が得られる。
【００６６】
このように、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂを静電レンズとして機能させる観点から、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは、中心軸Ｃに対して対称な形状を有していることが好ましい。そこで、本実施形態では、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは、円柱形状を有している。同様の観点から、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは、正多角形形状を有していても良い。
【００６７】
そして、第１貫通孔５３ａ内に入射したイオンの一部を貫通孔内の電気絶縁性の壁面に確実に衝突させる観点から、イオンビームの入射拡がり角と第１貫通孔の長さとの間の好ましい関係を以下に説明する。
【００６８】
入射拡がり角βのイオンが、第１貫通孔５３ａの第１導電層５２ａ側の開口部に、中心軸Ｃを通って入射して、第１導電層５２ａ側の面から距離Ｓの位置で壁面に衝突したとする。
【００６９】
ここで、距離Ｓ＝ｄ１／２／ｔａｎ（β／２）と表される。第１貫通孔５３ａ内に入射したイオンの一部を貫通孔内の電気絶縁性の壁面に確実に衝突させるためには、第１貫通孔５３ａの長さＬ１が、距離Ｓよりも長いことが必要である。
【００７０】
従って、イオンビームの入射拡がり角βと、第１貫通孔５３ａの半径ｄ１／２と、第１貫通孔５３ａの長さＬ１とが、Ｓ＝ｄ１／２／ｔａｎ（β／２）＜Ｌ１なる関係を満たすことが好ましい。
【００７１】
即ち、上記関係を満足させることにより、イオンの衝突により第１貫通孔５３ａ内の壁面を帯電させて、第１貫通孔５３ａを静電レンズとして確実に機能させることができる。
【００７２】
上述した一の第１貫通孔５３ａに対する説明は、他の複数の第１貫通孔５３ａに対しても同様に適用される。また、上述した一の第１貫通孔５３ａに対する説明は、複数の第２貫通孔５３ｂに対しても適宜適用される。
【００７３】
また、上述したように、第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔５３ｂの直径ｄ２が、上記エッジ同士を結ぶ２本の線それぞれを第２貫通孔５３ｂの方向に延長して第２導電層５２ｂの表面と交差する点同士を結んだ線の長さｄ３よりも短いので、第２貫通孔５３ｂ内に入射したイオンの一部が貫通孔内の電気絶縁性の壁面に衝突することが保証される。
【００７４】
上述した平行化部１４を用いて、イオンビームの拡がり角を低減して、平行度を高めることが、第１貫通孔５３ａの直径又は長さ、若しくは第２貫通孔５３ｂの直径又は長さ、若しくは、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離等を適宜設定することにより達成できる。
【００７５】
そこで、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離を５００ｍｍ以下とする場合の例を以下に説明する。ここで、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に入射するイオンビームの入射拡がり角を１ｍｒａｄとする。この入射拡がり角は、スリットの位置を起点として表される。また、第１貫通孔５３ａに入射したイオンビーム強度に対して、この第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔５３ｂから出射するイオンビームの強度を１％以上とする。また、第１貫通孔５３ａの直径と第２貫通孔５３ｂの直径とを同じ直径ｄとし、第１貫通孔５３ａの長さと第２貫通孔５３ｂの長さを同じ長さＬとし、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間を距離Ｌ３とする。更に、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂに入射するイオンビームの拡がり角は、イオンビームの一部が貫通孔内の壁面と衝突する角度を有するものとする。
【００７６】
上述した前提条件の下、上述したイオンビームの拡がり角と貫通孔の直径及び長さとの関係を用いて、貫通孔の直径及び長さと、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂの間の距離との間に、以下の好ましい関係が導かれる。下記関係における長さの単位は、ｍｍである。
【００７７】
（条件１）
０＜Ｌ＜５／９、且つ、Ｌ／１０＜ｄ＜１／１８、且つ、（２０００ｄ−Ｌ）＜Ｌ３＜９０００ｄ
【００７８】
（条件２）
０＜Ｌ＜５／９、且つ、１／１８＜ｄ＜（５００＋Ｌ）／２０００、且つ、（２０００ｄ−Ｌ）＜Ｌ３＜＝５００
【００７９】
（条件３）
５／９＜Ｌ＜５００／１９９、且つ、Ｌ／１０＜ｄ＜（５００＋Ｌ）／２０００、且つ、（２０００ｄ−Ｌ）＜Ｌ３＜＝５００
【００８０】
次に、上述した平行化部を形成する第１基板の好ましい製造方法の一例を、図面を参照して、以下に説明する。この第１基板の製造方法の説明は、第２基板の製造方法に対しても適宜適用される。
【００８１】
まず、図６（Ａ）に示すように、ベース基板６０が用意される。本実施形態では、ベース基板６０として、シリコンウエハを用いた。ベース基板６０の寸法は、直径が５０ｍｍであり、厚さが５００μｍであった。
【００８２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、ベース基板６０の上に、レジスト層６１が形成された後、レジスト層６１が所定のパターンにパターニングされる。レジスト層６１は、第１貫通孔が形成されるベース基板６０の部分が露出するようにパターニングされる。本実施形態では、第１貫通孔の径が５０μｍとなるようにレジスト層６１をパターニングした。
【００８３】
次に、図７（Ａ）に示すように、ベース基板６１の露出している部分がエッチングされて、所定の深さを有する孔部６２が形成される。エッチング方法としては、例えば、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＲＩＥ）法を用いることができる。エッチングガスとしては、例えば、六フッ化硫黄ガスを用いることができる。
【００８４】
次に、図７（Ｂ）に示すように、孔部６２上に保護膜６３が形成される。保護膜６３は、孔部６２の底部及び側壁上に形成されると共に、レジスト層６３上にも形成される。保護膜６３の形成には、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。ＣＶＤガスとしては、例えば、パーフルオロシクロブタンガスを用いることができる。
【００８５】
そして、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す工程を繰り返しながら、孔部６２が掘り下げられて、図８（Ａ）に示すように、ベース基板６０を貫通する孔部６２が形成される。このように、孔部６２のエッチングと、孔部６２の側壁上への保護膜６３の形成とを繰り返すことにより、孔部６２の側壁のエッチングを防止して、アスペクト比の高い孔部を形成することができる。なお、図８（Ａ）には、保護膜６３は示していない。
【００８６】
次に、図８（Ｂ）に示すように、レジスト層６１が除去される。レジスト層６１が除去される。
【００８７】
次に、図９（Ａ）に示すように、複数の孔部６２内の壁面と共に、ベース基板６０の表面に絶縁層６４が形成されて、第１ベース層５１ａとなる。本実施形態では、シリコンウエハであるベース基板６０を水熱酸化して、絶縁層６４として酸化珪素層を形成した。絶縁層６４の厚さとしては、例えば、２μｍとすることができる。
【００８８】
そして、図９（Ｂ）に示すように、第１ベース層５１ａの上に導電層５２ａが形成されて、複数の第１貫通孔５３ａを有する第１基板５０ａとなる。導電層５２ａの形成方法として、例えば、スパッタリング法を用いることができる。導電層５２としては、Ｔｉ層上にＡｕ層を積層して形成することができる。Ａｕ層の厚さとしては、例えば、３００ｎｍとすることができる。
【００８９】
このようにして、第１ベース層５１ａと、第１ベース層５１ａ上に形成された第１導電層５２ａと、第１導電層５２ａ及び第１ベース層５１ａを貫通する複数の第１貫通孔５３ａと、を有する第１基板５０ａが形成される。
【００９０】
そして、上述したような第１基板５０ａを２つ製造して、一方を第２基板５０ｂとして用いて、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂを有する平行化部１４を形成した。そして、この平行化部１４を、図１に示すイオン散乱装置１に取り付けた。第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離は１５０ｍｍであった。第１基板５０ａとスリット１３との間の距離を２５０ｍｍとした。また、スリット１３の中心部の開口部の径を１ｍｍとした。スリット１３と分析試料２１との間の距離を２３００ｍｍとした。そして、イオン源１１でＨｅイオンを発生し、加速管１２で４００ｋｅＶの加速電圧でＨｅイオンを加速した所、分析試料２１の位置におけるイオンビームの拡がり角は、０．５８ｍｒａｄであった。この拡がり角は、第１基板の第１導電層側の面の位置を起点として表される。また、平行化部１４をスリット１３とエネルギーフィルタ１５との間から取り除いた所、分析試料２１の位置におけるイオンビームの拡がり角は、１．７４ｍｒａｄであった。
【００９１】
また、平行化部を用いる代わりに、第２のスリットをエネルギーフィルタ１５と分析試料２１との間に配置した状態で、分析試料２１の位置におけるイオンビームの拡がり角を０．５８ｍｒａｄにした場合を計算した所、第２のスリットをスリット１３から３５０９ｍｍ離れた位置に配置しなければならないことが分かった。なお、第２のスリットの中心部の開口部の径は１ｍｍとした。
【００９２】
通常、イオンビームの平行度として、分析試料の位置におけるイオンビームの拡がり角が０．７ｍｒａｄ程度あれば十分に高いエネルギー分解能が得られる。本実施形態では、短い距離でこの拡がり角を上回る０．５８ｍｒａｄという値を達成することができた。
【００９３】
上述した本実施形態のイオン散乱分光装置によれば、短い距離でイオンビームの拡がり角を縮小させて、高い平行度のイオンビームを得ることができる。そのため、分析試料により散乱されたイオンのエネルギー損失を正確に測定することができるので、試料の分析精度が高い。
【００９４】
本発明では、上述した実施形態のイオンビームの平行化装置、イオン照射装置及びイオン散乱分光装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【００９５】
例えば、上述した実施形態では、第１貫通孔及び第２貫通孔は、円柱形状であったが、図１０に示すように、第１貫通孔及び第２貫通孔は、イオンビームの進行方向に向かって先細りのテーパ状の形状を有していても良い。第１貫通孔及び第２貫通孔が形成する空間は、ほぼ円錐台形状となる。なお、図１０には、第一貫通孔のみが示されているが、第２貫通孔も同様の形状を有する。
【００９６】
また、上述した実施形態では、平行化部１４は、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとを有していたが、平行化部１４は、第１基板５０ａのみを有していても良い。
【００９７】
図１１は、イオン散乱分光装置の変形例を示す図である。
【００９８】
図１１に示すように、平行化部１４は、第１基板５０ａのみを有する。この場合、１枚の基板を用いて、短い距離でイオンビームを平行化する上で、アスペクト比（貫通孔の直径に対する長さの比）を大きくするように、貫通孔の寸法を適宜調整することが好ましい。
【００９９】
また、平行化部１４は、３枚以上の複数の貫通孔を有する基板を有してもいても良い。
【０１００】
図１２は、イオン散乱分光装置の他の変形例を示す図である。
【０１０１】
図１２に示すイオン散乱分光装置の変形例では、平行化部１４は、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂと、両基板間に配置される第３基板５０ｃを有する。第３基板５０ｃは、上述した実施形態の第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂと同様の構造を有する。第３基板５０ｃが有する複数の貫通孔それぞれは、対応する第１基板５０ａの第１貫通孔及び第２基板５０ｂの第２貫通孔と対向するように配置される。
【０１０２】
このように、３重にイオンビームを絞ることにより、より短い距離でイオンビームの平行度を高くすることができる。
【０１０３】
また、上述した実施形態では、平行化部の第１基板を形成する際に、ベース基板であるシリコンウエハに貫通孔を形成するためにエッチングを用いていたが、ベース基板として酸化シリコン基板を用いても良い。
【０１０４】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１０５】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１０６】
（付記１）
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層を同じ方向に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化装置。
【０１０７】
（付記２）
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔の断面形状を円形に換算した換算直径は、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲にある付記１に記載の平行化装置。
【０１０８】
（付記３）
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔は、円柱形状を有する付記１又は２に記載の平行化装置。
【０１０９】
（付記４）
複数の前記第１貫通孔の内の一の第１貫通孔の両端の開口部の対角に位置するエッジ同士を結ぶ２本の線により作られる角度が、前記一の第１貫通孔の直径ｄ１及び長さＬ１により規定される第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１であり、
前記一の第１貫通孔と対向する前記第２貫通孔の直径が、前記エッジ同士を結ぶ２本の線それぞれを前記第２貫通孔の方向に延長して前記第２導電層の表面と交差する点同士を結んだ線の長さよりも短い付記３に記載の平行化装置。
【０１１０】
（付記５）
複数の前記第１貫通孔の内の一の第１貫通孔の直径ｄ１及び長さＬ１により規定される第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１と、
前記一の第１貫通孔と対向する第２貫通孔の直径ｄ２及び長さＬ２と、
前記第１基板と前記第２基板との間の距離Ｌ３とが、
（ｄ１＋ｄ２）／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３） ＜ α１
なる関係を満たす付記３に記載の平行化装置。
【０１１１】
（付記６）
複数の前記第１貫通孔の内の一の第１貫通孔の前記第１導電層側の開口部に入射するイオンビームの入射拡がり角βと、
前記一の第１貫通孔の半径ｄ１／２と、
前記一の第１貫通孔の長さＬ１とが、
ｄ１／２／ｔａｎ（β／２）＜Ｌ１
なる関係を満たす付記３に記載のイオンビームの平行化装置。
【０１１２】
（付記７）
ベース層と、前記ベース層上に形成された導電層と、前記導電層及び前記ベース層を貫通する複数の貫通孔と、を有する基板を備え、
複数の前記貫通孔は、前記ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有する、イオンビームの平行化装置。
【０１１３】
（付記８）
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
を備えたイオン照射装置。
【０１１４】
（付記９）
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
イオンビームのエネルギーを分析するエネルギー分析部と、
を備えたイオン散乱分光装置。
【０１１５】
（付記１０）
前記第１導電層及び前記第２導電層が接地される付記９に記載のイオン散乱分光装置。
【符号の説明】
【０１１６】
１ イオン散乱分光装置
１０ イオン照射部
１１ イオン源
１２ 加速管
１３ スリット
１４ 平行化部
１５ エネルギーフィルタ
２０ 分析チャンバ
２１ 分析試料
３０ 磁場偏向型エネルギー分析器
３１ マグネット
３２ 分析管
４０ 検出部
４１ 位置敏感型検出器
５０ａ 第１基板
５１ａ 第１ベース層
５２ａ 第１導電層
５３ａ 第１貫通孔
５０ｂ 第２基板
５１ｂ 第２ベース層
５２ｂ 第２導電層
５３ｂ 第２貫通孔
６０ ベース基板
６１ レジスト層
６２ 孔部
６３ 保護膜
６４ 絶縁層
ｄ１ 第１貫通孔の直径
Ｌ１ 第１貫通孔の長さ
α１ 第１拡がり角
β イオンビームの入射拡がり角
ｄ２ 第２貫通孔の直径
Ｌ２ 第２貫通孔の長さ
α２ 第２拡がり角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームの平行化装置、イオン照射装置及びイオン散乱分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）法、又はイオン散乱分光法と呼ばれるイオンビームを用いた試料の分析が用いられている。この分析法では、例えば、数百ｋｅＶに加速されたＨｅイオンを試料に照射し、分析試料を形成する元素との相互作用により散乱したＨｅイオンのエネルギーを分析して、試料中の元素組成等を計測する。
【０００３】
このような分析法において磁場偏向型のエネルギー分析器を用い、分析試料に照射されて散乱されたイオンのエネルギーを数百ｅＶの分解能で測定できる位置敏感型検出器を備えた高エネルギー分解能型の装置が開発されている。そして、この高エネルギー分解能型の装置を用いて、原子層厚レベルでの組成分析が可能となってきている。
【０００４】
試料に入射したイオンは、分析試料を形成する原子核又は電子と剛体衝突又はクーロン相互作用により、弾性散乱又は非弾性散乱を行ってエネルギーを損失する。例えば、ＲＢＳ法では、分析試料により散乱されたイオンのエネルギーを入射エネルギーと比較して散乱によるエネルギー損失を調べ、分析試料中に含まれる元素又は元素の深さプロファイル等が分析される。そのため、高い精度の分析を行うためには、入射イオンビームに対して、入射エネルギーの高い均一性と共に、入射方向の高い均一性、即ち入射イオンビームの高い平行度が求められる。
【０００５】
そして、入射イオンビームの高い平行度を得るために、中心部に開口を有する２つのスリットを、イオン源と分析試料との間に配置することが行われている。この方法では、イオン源から出射するイオンビームの内、各スリットの中心部を通過するイオンビームのみを分析試料に照射する。
【０００６】
しかし、ＲＢＳ法で用いるイオンビームの入射エネルギーが高いので、２つのスリットを用いる方法では、入射イオンビームの高い平行度を得るためには、２つのスリットの間隔が数メートル以上になる場合がある。従って、この方法では、長いビームラインのために装置が大きくなるので、装置の設置に広い場所が必要となる問題があった。
【０００７】
また、入射イオンビームの高い平行度を得るために、一つのスリットと磁気レンズとを組み合わせることにより、短いビームラインで平行度の高いビームを得ることが提案されている。しかし、この方法では、イオンビームを収束させるための磁気レンズとして四重極レンズ等を用いるので、装置の構造が複雑になる問題があった。
【０００８】
更に、入射イオンビームの高い平行度を得るために、複数の貫通孔を有し、各貫通孔の入り口にはイオンビームに電場を印加して軌道を制御するための電極が配置された基板を用いることが提案されている。しかし、この方法も、複数の貫通孔それぞれに配置する電極と、各電極に電場を印加する制御部とを用いるので、装置の構造及び制御が複雑になる問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−３２６９１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１６０９号公報
【特許文献３】特公平７−１１８２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本明細書では、短い距離でイオンビームを平行化できるイオンビームの平行化装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本明細書では、短い距離でイオンビームを平行化できるイオン照射装置を提供することを目的とする。
【００１２】
更に、本明細書では、短い距離でイオンビームを平行化できるイオン散乱分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書に開示するイオンビームの平行化装置によれば、第１ベース層と、上記第１ベース層上に形成された第１導電層と、上記第１導電層及び上記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有する第１基板と、第２ベース層と、上記第２ベース層上に形成された第２導電層と、上記第２導電層及び上記第２ベース層を貫通し、複数の上記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、を備え、複数の上記第１貫通孔は、上記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の上記第２貫通孔は、上記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、上記第１基板及び上記第２基板は、上記第１導電層及び上記第２導電層を同じ方向に向け、且つ複数の上記第１貫通孔それぞれが対応する上記第２貫通孔と対向するように配置される。
【００１４】
本明細書に開示するイオン照射装置によれば、イオン源と、第１ベース層と、上記第１ベース層上に形成された第１導電層と、上記第１導電層及び上記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、上記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、第２ベース層と、上記第２ベース層上に形成された第２導電層と、上記第２導電層及び上記第２ベース層を貫通し、複数の上記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、を備え、複数の上記第１貫通孔は、上記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の上記第２貫通孔は、上記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、上記第１基板及び上記第２基板は、上記第１導電層及び上記第２導電層側の面を上記イオン源に向け、且つ複数の上記第１貫通孔それぞれが対応する上記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、を備える。
【００１５】
本明細書に開示するイオン散乱分光装置によれば、イオン源と、第１ベース層と、上記第１ベース層上に形成された第１導電層と、上記第１導電層及び上記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、上記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、第２ベース層と、上記第２ベース層上に形成された第２導電層と、上記第２導電層及び上記第２ベース層を貫通し、複数の上記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、を備え、複数の上記第１貫通孔は、上記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の上記第２貫通孔は、上記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、上記第１基板及び上記第２基板は、上記第１導電層及び上記第２導電層側の面を上記イオン源に向け、且つ複数の上記第１貫通孔それぞれが対応する上記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、イオンビームのエネルギーを分析するエネルギー分析部と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本明細書に開示するイオンビームの平行化装置によれば、短い距離でイオンビームを平行化できる。
【００１７】
上述した本明細書に開示するイオン照射装置によれば、短い距離でイオンビームを平行化できる。
【００１８】
上述した本明細書に開示するイオン散乱分光装置によれば、短い距離でイオンビームを平行化できる。
【００１９】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２０】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本明細書に開示するイオン散乱分光装置の一実施形態を示す図である。
【図２】（Ａ）は、図１のイオンビームの平行化部を形成する基板の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｘ線端面図である。
【図３】第１貫通孔と第２貫通孔との位置関係を説明する図である。
【図４】第１拡がり角と第２拡がり角との関係を説明する図である。
【図５】イオンビームの入射拡がり角と第１貫通孔の長さとの関係を説明する図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その１）である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その２）である。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その３）である。
【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、本明細書に開示する平行化部の製造方法の一例を示す図（その４）である。
【図１０】第１貫通孔の変形例を示す図である。
【図１１】イオン散乱分光装置の変形例を示す図である。
【図１２】イオン散乱分光装置の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本明細書で開示するイオン散乱分光装置の好ましい一実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００２３】
図１は、本明細書に開示するイオン散乱分光装置の一実施形態を示す図である。図２（Ａ）は、図１のイオンビームの平行化部を形成する基板の平面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ−Ｘ線端面図である。図３は、第１貫通孔と第２貫通孔との位置関係を説明する図である。
【００２４】
本実施形態のイオン散乱分光装置１は、イオン照射部１０と、分析試料２１を収容する分析チャンバ２０と、を備える。また、イオン散乱分光装置１は、分析チャンバ２０から入射してきた散乱イオンに対して並進方向に垂直な磁場を印加するマグネット３１及び分析管３２を有する磁場偏向型エネルギー分析器３０を備えており、高エネルギー分解能を有する。更に、イオン散乱分光装置１は、位置敏感型検出器４１を有する検出部４０を備える。イオン散乱分光装置１は、磁場偏向型エネルギー分析器３０及び検出部４０を用いて、イオンビームのエネルギーを分析する。
【００２５】
イオン照射部１０は、Ｈｅ等のイオンを発生するイオン源１１と、発生したイオンを加速する加速管１２と、加速されたイオン流を所定のビームサイズに絞るスリット１３と、を有する。加速管１２では、例えば、３００ｋＶ〜５００ｋＶの加速電圧を用いて、イオンを加速する。
【００２６】
また、イオン照射部１０は、所定のエネルギーのイオンのみを通過させて単色化するエネルギーフィルタ１５と、スリット１３を通過したイオンビームの方向の均一性を揃えて、ビームの平行度を高める平行化部１４と、を有する。
【００２７】
イオン源１１で発生し、加速管１２から照射されるイオンビームの照射角は、分析に用いるには大きいので、加速管１２と平行化部１４との間にスリット１３を配置して、平行化部１４に入射するビームを所定のビームサイズに絞っている。平行化部１４の詳細については、更に後述する。
【００２８】
分析チャンバ２０内では、イオン照射部１０から入射されたイオンが、分析試料２１で散乱された後、磁場偏向型エネルギー分析器３０に進む。分析チャンバ２０内の分析試料２１に対して、磁場偏向型エネルギー分析器３０は、分析試料２１で散乱したイオンのエネルギーを分析するように配置される。
【００２９】
磁場偏向型エネルギー分析器３０は、マグネット３１を用いて、運動しているイオン等の荷電粒子に対してその並進方向に垂直な磁場を印加することで荷電粒子にローレンツ力を作用させる。つまり、イオン散乱分光装置１は、荷電粒子に作用するローレンツ力の大きさが荷電粒子の運動エネルギーに依存し、その結果、運動エネルギーによって決まる軌道を荷電粒子が辿ることを用いて荷電粒子の運動エネルギーを計測する。分析試料２１上の散乱点で散乱された荷電粒子は、磁場が印加された分析管３２を通してエネルギー毎に分光されて、検出部４０に進む。
【００３０】
検出部４０は、荷電粒子が入射した位置敏感型検出器４１上の位置及びその位置に入射した荷電粒子の数を計測する。検出部４０は、磁場偏向型エネルギー分析器３０における磁場強度で空間的に帯状にエネルギー分光された荷電粒子を、位置敏感型検出器４１により一度に検出する。このようにして、測定時間の短時間化と分析試料にかかるダメージの回避が可能になる。
【００３１】
イオン散乱分光装置１は、例えば、入射した軽イオンと分析試料２１を形成する試料形成原子とがほぼ弾性散乱するものとし、弾性散乱で跳ね返された軽イオンのエネルギーが分析試料を形成する原子の原子核の質量の関数になること、及び、侵入中に軽イオンの失うエネルギーが侵入深さの関数になることを利用して、検出部４０の測定結果を解析する。
【００３２】
本実施形態のイオン散乱分光装置１は、平行化部１４を用いることにより、分析試料２１に照射されるイオンビームの平行度を高めている。次に、平行化部１４について、以下に詳細に説明する。
【００３３】
図１〜図３に示すように、平行化部１４は、複数の第１貫通孔５３ａを有する第１基板５０ａと、複数の第１貫通孔５３ａと対応するように形成された複数の第２貫通孔５３ｂを有する第２基板５０ｂとを備える。第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂは、円板形状で、同じ寸法を有する。
【００３４】
第１基板５０ａは、第１ベース層５１ａと、第１ベース層５１ａ上に形成された第１導電層５２ａとを有する。複数の第１貫通孔５３ａは、第１導電層５２ａ及び第１ベース層５１ａを貫通する。第２基板５０ｂも、第１基板５０ａと同様の構造を有しており、第２ベース層５１ｂと、第２ベース層５１ｂ上に形成された第２導電層５２ｂとを有する。複数の第２貫通孔５３ｂは、第２導電層５２ｂ及び第２ベース層５１ｂを貫通する。
【００３５】
複数の第１貫通孔５３ａは、第１ベース層５１ａ内の壁面の部分が電気絶縁性を有している。同様に、複数の第２貫通孔５３ｂは、第２ベース層５１ｂ内の壁面の部分が電気絶縁性を有している。
【００３６】
第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂは、第１導電層５２ａ及び第２導電層５２ｂを同じ方向に向け、且つ複数の第１貫通孔５３ａそれぞれが対応する第２貫通孔５３ｂと対向するように間隔を空けて配置される。具体的には、第１基板５０ａは、第１導電層５２ａ側の面をイオン源１１に向けており、イオン源１１から照射されたイオンビームは、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に入射する。第２基板５０ｂも、第２導電層５２ｂ側の面をイオン源１１に向けており、イオン源１１から照射されて第１基板２０ａの第１貫通孔５３ａを通過したイオンビームが、第２基板５０ｂの第２導電層５２ｂ側の面に入射する。
【００３７】
また、図１に示すように、第１導電層５２ａ及び第２導電層５２ｂは接地されている。
【００３８】
第１ベース基板５１ａは、第１基板５０ａの機械的強度を提供する。第１ベース基板５１は、円板形状を有する。第１ベース基板５１は、第１貫通孔５３ａの部分のみが電気絶縁性を有していても良いし、又は、第１ベース基板５１の全体が電気絶縁性を有していても良い。
【００３９】
第１ベース基板５１の形成材料としては、例えば、シリコン又は酸化シリコンを用いることができる。
【００４０】
第１導電層５２ａは、第１貫通孔５３ａの部分を除いて、第１ベース基板５１のイオン源１１側の面に形成される。イオン源１１で発生し、加速管１２で加速された後スリット１３を通過したイオンビームは、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に入射する。第１貫通孔５３ａに入射したイオンビームは、第１貫通孔５３ａを通過した後、第２基板５０ｂの第２導電層５２ｂ側の面に入射する。そして、第２基板５０ｂの第２貫通孔５３ｂを通過したイオンビームは、エネルギーフィルタ１５を通過した後、分析試料２１によって散乱する。
【００４１】
イオンが、第１導電層５２ａの第１貫通孔５３ａ以外の部分に入射すると、イオンが持つ電荷は第１導電層５２ａに移動し、その後接地に流れる。従って、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面が帯電することが防止される。
【００４２】
仮に、第１基板５０ａに第１導電層５２ａが形成されておらず、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面が帯電して、第１貫通孔５３ａの入り口の部分が電荷を持つと、第１貫通孔５３ａに入射するイオンが、第１基板５０ａに近づく過程でクーロン斥力によりイオンが減速されるため、エネルギーを失うことになる。そのため、イオンビームの入射エネルギーに対して管理できないエネルギーロスが生じるので、分析試料に入射するイオンのエネルギーが不均一になり、その値がわからなくなる。そこで、本実施形態では、第１基板５０ａのイオン源１１側の面に第１導電層５２ａを配置すると共に、この第１導電層５２ａを接地し、管理できないエネルギーロスが生じることを防止して、上述した問題を回避している。
【００４３】
第１導電層５２ａは、イオンビームの照射に曝されるが、入射エネルギーが５００ｋｅＶ程度のＨｅイオンの入射であれば、第１導電層５２ａのイオンの衝突による損傷は小さいので、第１導電層５２は耐久性を有する。
【００４４】
第１貫通孔５３ａは、第１基板５０ａの全面に均一に配置されることが好ましい。また、第１貫通孔５３ａの断面形状を円形に換算した換算直径は、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲にあることが好ましい。
【００４５】
第１貫通孔５３ａの換算直径が、２０μｍ未満になると、試料分析のためのイオンビーム量を得ることが難しくなるおそれがある。一方、第１貫通孔５３ａの換算直径の上限値については、第１基板５０ａの機械的強度及び第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離等の観点から決定され得る。この観点から、第１貫通孔５３ａの換算直径の上限値を、２５０μｍとすることができる。第１貫通孔５３ａの換算直径と、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離との関係の説明については後述する。
【００４６】
本実施形態では、複数の第１貫通孔５３ａは、円柱形状を有する。従って、上述した第１貫通孔５３ａの断面形状を円形に換算した換算直径は、円の直径となる。本実施形態では、複数の第１貫通孔５３ａは、同じ寸法を有する。
【００４７】
第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に露出している複数の第１貫通孔５３ａの開口部の面積を合わせた総面積は、試料分析のためのイオンビーム量を得る観点又は第１基板５０ａの機械的強度を確保する観点等から決定され得る。
【００４８】
具体的には、本実施形態では、試料分析のためのイオンビーム量を得る観点から、一つの第１貫通孔５３ａの開口面積は上述した２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内にあることが好ましいが、多数の第１貫通孔５３ａを第１基板５０ａに配置することにより、試料の分析に必要なイオンビーム量を確保している。
【００４９】
上述した第１基板５０ａの説明は、第２基板５０ｂに対しても適宜適用される。
【００５０】
次に、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの関係について以下に説明する。
【００５１】
第２基板５０ｂには、第１基板５０ａの複数の第１貫通孔５３ａと対応するように、複数の第２貫通孔５３ｂが配置される。第１基板５０ａ上に第２基板５０ｂを重ねた場合には、一の第１貫通孔５３ａと、この一の第１貫通孔５３ａと対応する第２貫通孔５３ｂとが重なるようになっている。
【００５２】
そして、本実施形態では、図３に示すように、円柱形状を有する第１貫通孔５３ａそれぞれの中心軸Ｃが対応する第２貫通孔５３ｂの中心軸と一致するように、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとが配置される。図３は、図２（Ｂ）と同様に、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂの端面図を示している。
【００５３】
次に、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂが、短い距離でイオンビームを平行化するメカニズムを、図４を参照して以下に説明する
【００５４】
図４は、第１拡がり角と第２拡がり角との関係を説明する図である。
【００５５】
図４には、第１基板５０ａの一の第１貫通孔５３ａと、この一の第１貫通孔５３ａと対応する第２基板５０ｂの第２貫通孔５３ｂとが、それぞれの中心を中心軸Ｃに一致させて配置された状態が示されている。第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離はＬ３である。なお、図４では、他の第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは示されていない。
【００５６】
図４に示すように、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面にイオンビームが入射する。ここで、入射するイオンビームは、入射拡がり角βで第１貫通孔５３ａに入射し、第１貫通孔５３ａの直径をｄ１とする。入射拡がり角βは、第１基板５０ａに入射するイオンビームの最大の拡がり角を意味する。そして、第１貫通孔５３ａの長さＬ１が、入射拡がり角βで入射したイオンビームを有効に平行化する場合には、第１貫通孔５３ａにより限定される第１拡がり角α１は、第１貫通孔５３ａの両端の開口部の対角に位置するエッジ同士を結ぶ２本の線により作られる角度となり、α１＝２ｄ１／Ｌ１と表される。
【００５７】
即ち、入射拡がり角βで第１貫通孔５３ａに入射したイオンビームは、第１貫通孔５３ａにより平行化されて、第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１で第１貫通孔５３ａから出射される。入射拡がり角βで入射したイオンビームは、第１貫通孔５３ａにより有効に平行化されるので、α１＜βである。第１貫通孔５３ａから出射したイオンビームは、対向する第２貫通孔５３ｂに入射する。
【００５８】
そして、第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔５３ｂの直径ｄ２が、上記エッジ同士を結ぶ２本の線それぞれを第２貫通孔５３ｂの方向に延長して第２導電層５２ｂの表面と交差する点同士を結んだ線の長さｄ３よりも短いことが好ましい。これにより第２貫通孔５３ｂによって、第１貫通孔５３ａを出射したイオンビームの平行度が高められる。
【００５９】
また、第１貫通孔５３ａの内の一の第１貫通孔の直径ｄ１及び長さＬ１により規定される第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１と、第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔の直径ｄ２及び長さＬ２と、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離Ｌ３とが、
第２拡がり角α２＝（ｄ１＋ｄ２）／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３） ＜ α１
なる関係を満たすことが好ましい。第２拡がり角α２＝（ｄ１＋ｄ２）／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の式は、上述した第１拡がり角α１と同様にして求められる。
【００６０】
ここで、第２拡がり角α２を小さくするには、分母を形成するｄ１＋ｄ２を小さくするか、又は、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３を大きくすることになる。
【００６１】
本実施形態では、上述したように、第１貫通孔５３ａの直径ｄ１及び第２貫通孔５３ｂの直径ｄ２が、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲内にあるので、ｄ１＋ｄ２を小さくすることにより第２最大拡がり角α２を小さくする。また、このようにｄ１＋ｄ２を小さくできるので、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離Ｌ３を小さくすると共に、第２最大拡がり角α２を小さくできる。従って、平行化部１４の寸法を小さくできる。一方、従来の開口部の径が数ｍｍ程度である２つのスリットを用いて、同じ大きさの拡がり角を得る場合には、開口部の径が大きい分、２つのスリット間の距離を大きくする必要がある。
【００６２】
このように、本実施形態では、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂを用いて、２重にイオンビームを絞ることにより、短い距離でイオンビームの平行度を高くすることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂを、貫通孔内を飛行するイオンに対して静電レンズとして機能させることによって、上述した幾何学的関係により規定される拡がり角α１、α２よりも小さな拡がり角をイオンビームに持たせることができる。
【００６４】
図５は、イオンビームの入射拡がり角と第１貫通孔の長さとの関係を説明する図である。
【００６５】
図５に示すように、例えば、正電荷を有するイオンを第１貫通孔５３ａ又は第２貫通孔５３ｂに入射すると、入射したイオンの一部が貫通孔内の電気絶縁性の壁面に衝突して、壁面が正に帯電する。そして、正に帯電した円柱形状の貫通孔内では、貫通孔の中心軸Ｃを中心にした等電位線が形成される。そして、このような等電位場内を飛行する正イオンは、中心軸Ｃに近づくような静電力を受けるので、貫通孔内を通過するイオンビームの拡がり角が縮小する。即ち、イオンビームの平行度がより高められることになる。なお、負イオンを貫通孔に入射しても同様の静電レンズ効果が得られる。
【００６６】
このように、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂを静電レンズとして機能させる観点から、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは、中心軸Ｃに対して対称な形状を有していることが好ましい。そこで、本実施形態では、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは、円柱形状を有している。同様の観点から、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂは、正多角形形状を有していても良い。
【００６７】
そして、第１貫通孔５３ａ内に入射したイオンの一部を貫通孔内の電気絶縁性の壁面に確実に衝突させる観点から、イオンビームの入射拡がり角と第１貫通孔の長さとの間の好ましい関係を以下に説明する。
【００６８】
入射拡がり角βのイオンが、第１貫通孔５３ａの第１導電層５２ａ側の開口部に、中心軸Ｃを通って入射して、第１導電層５２ａ側の面から距離Ｓの位置で壁面に衝突したとする。
【００６９】
ここで、距離Ｓ＝ｄ１／２／ｔａｎ（β／２）と表される。第１貫通孔５３ａ内に入射したイオンの一部を貫通孔内の電気絶縁性の壁面に確実に衝突させるためには、第１貫通孔５３ａの長さＬ１が、距離Ｓよりも長いことが必要である。
【００７０】
従って、イオンビームの入射拡がり角βと、第１貫通孔５３ａの半径ｄ１／２と、第１貫通孔５３ａの長さＬ１とが、Ｓ＝ｄ１／２／ｔａｎ（β／２）＜Ｌ１なる関係を満たすことが好ましい。
【００７１】
即ち、上記関係を満足させることにより、イオンの衝突により第１貫通孔５３ａ内の壁面を帯電させて、第１貫通孔５３ａを静電レンズとして確実に機能させることができる。
【００７２】
上述した一の第１貫通孔５３ａに対する説明は、他の複数の第１貫通孔５３ａに対しても同様に適用される。また、上述した一の第１貫通孔５３ａに対する説明は、複数の第２貫通孔５３ｂに対しても適宜適用される。
【００７３】
また、上述したように、第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔５３ｂの直径ｄ２が、上記エッジ同士を結ぶ２本の線それぞれを第２貫通孔５３ｂの方向に延長して第２導電層５２ｂの表面と交差する点同士を結んだ線の長さｄ３よりも短いので、第２貫通孔５３ｂ内に入射したイオンの一部が貫通孔内の電気絶縁性の壁面に衝突することが保証される。
【００７４】
上述した平行化部１４を用いて、イオンビームの拡がり角を低減して、平行度を高めることが、第１貫通孔５３ａの直径又は長さ、若しくは第２貫通孔５３ｂの直径又は長さ、若しくは、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離等を適宜設定することにより達成できる。
【００７５】
そこで、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離を５００ｍｍ以下とする場合の例を以下に説明する。ここで、第１基板５０ａの第１導電層５２ａ側の面に入射するイオンビームの入射拡がり角を１ｍｒａｄとする。この入射拡がり角は、スリットの位置を起点として表される。また、第１貫通孔５３ａに入射したイオンビーム強度に対して、この第１貫通孔５３ａと対向する第２貫通孔５３ｂから出射するイオンビームの強度を１％以上とする。また、第１貫通孔５３ａの直径と第２貫通孔５３ｂの直径とを同じ直径ｄとし、第１貫通孔５３ａの長さと第２貫通孔５３ｂの長さを同じ長さＬとし、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間を距離Ｌ３とする。更に、第１貫通孔５３ａ及び第２貫通孔５３ｂに入射するイオンビームの拡がり角は、イオンビームの一部が貫通孔内の壁面と衝突する角度を有するものとする。
【００７６】
上述した前提条件の下、上述したイオンビームの拡がり角と貫通孔の直径及び長さとの関係を用いて、貫通孔の直径及び長さと、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂの間の距離との間に、以下の好ましい関係が導かれる。下記関係における長さの単位は、ｍｍである。
【００７７】
（条件１）
０＜Ｌ＜５／９、且つ、Ｌ／１０＜ｄ＜１／１８、且つ、（２０００ｄ−Ｌ）＜Ｌ３＜９０００ｄ
【００７８】
（条件２）
０＜Ｌ＜５／９、且つ、１／１８＜ｄ＜（５００＋Ｌ）／２０００、且つ、（２０００ｄ−Ｌ）＜Ｌ３＜＝５００
【００７９】
（条件３）
５／９＜Ｌ＜５００／１９９、且つ、Ｌ／１０＜ｄ＜（５００＋Ｌ）／２０００、且つ、（２０００ｄ−Ｌ）＜Ｌ３＜＝５００
【００８０】
次に、上述した平行化部を形成する第１基板の好ましい製造方法の一例を、図面を参照して、以下に説明する。この第１基板の製造方法の説明は、第２基板の製造方法に対しても適宜適用される。
【００８１】
まず、図６（Ａ）に示すように、ベース基板６０が用意される。本実施形態では、ベース基板６０として、シリコンウエハを用いた。ベース基板６０の寸法は、直径が５０ｍｍであり、厚さが５００μｍであった。
【００８２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、ベース基板６０の上に、レジスト層６１が形成された後、レジスト層６１が所定のパターンにパターニングされる。レジスト層６１は、第１貫通孔が形成されるベース基板６０の部分が露出するようにパターニングされる。本実施形態では、第１貫通孔の径が５０μｍとなるようにレジスト層６１をパターニングした。
【００８３】
次に、図７（Ａ）に示すように、ベース基板６１の露出している部分がエッチングされて、所定の深さを有する孔部６２が形成される。エッチング方法としては、例えば、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＲＩＥ）法を用いることができる。エッチングガスとしては、例えば、六フッ化硫黄ガスを用いることができる。
【００８４】
次に、図７（Ｂ）に示すように、孔部６２上に保護膜６３が形成される。保護膜６３は、孔部６２の底部及び側壁上に形成されると共に、レジスト層６３上にも形成される。保護膜６３の形成には、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。ＣＶＤガスとしては、例えば、パーフルオロシクロブタンガスを用いることができる。
【００８５】
そして、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す工程を繰り返しながら、孔部６２が掘り下げられて、図８（Ａ）に示すように、ベース基板６０を貫通する孔部６２が形成される。このように、孔部６２のエッチングと、孔部６２の側壁上への保護膜６３の形成とを繰り返すことにより、孔部６２の側壁のエッチングを防止して、アスペクト比の高い孔部を形成することができる。なお、図８（Ａ）には、保護膜６３は示していない。
【００８６】
次に、図８（Ｂ）に示すように、レジスト層６１が除去される。レジスト層６１が除去される。
【００８７】
次に、図９（Ａ）に示すように、複数の孔部６２内の壁面と共に、ベース基板６０の表面に絶縁層６４が形成されて、第１ベース層５１ａとなる。本実施形態では、シリコンウエハであるベース基板６０を水熱酸化して、絶縁層６４として酸化珪素層を形成した。絶縁層６４の厚さとしては、例えば、２μｍとすることができる。
【００８８】
そして、図９（Ｂ）に示すように、第１ベース層５１ａの上に導電層５２ａが形成されて、複数の第１貫通孔５３ａを有する第１基板５０ａとなる。導電層５２ａの形成方法として、例えば、スパッタリング法を用いることができる。導電層５２としては、Ｔｉ層上にＡｕ層を積層して形成することができる。Ａｕ層の厚さとしては、例えば、３００ｎｍとすることができる。
【００８９】
このようにして、第１ベース層５１ａと、第１ベース層５１ａ上に形成された第１導電層５２ａと、第１導電層５２ａ及び第１ベース層５１ａを貫通する複数の第１貫通孔５３ａと、を有する第１基板５０ａが形成される。
【００９０】
そして、上述したような第１基板５０ａを２つ製造して、一方を第２基板５０ｂとして用いて、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂを有する平行化部１４を形成した。そして、この平行化部１４を、図１に示すイオン散乱装置１に取り付けた。第１基板５０ａと第２基板５０ｂとの間の距離は１５０ｍｍであった。第１基板５０ａとスリット１３との間の距離を２５０ｍｍとした。また、スリット１３の中心部の開口部の径を１ｍｍとした。スリット１３と分析試料２１との間の距離を２３００ｍｍとした。そして、イオン源１１でＨｅイオンを発生し、加速管１２で４００ｋｅＶの加速電圧でＨｅイオンを加速した所、分析試料２１の位置におけるイオンビームの拡がり角は、０．５８ｍｒａｄであった。この拡がり角は、第１基板の第１導電層側の面の位置を起点として表される。また、平行化部１４をスリット１３とエネルギーフィルタ１５との間から取り除いた所、分析試料２１の位置におけるイオンビームの拡がり角は、１．７４ｍｒａｄであった。
【００９１】
また、平行化部を用いる代わりに、第２のスリットをエネルギーフィルタ１５と分析試料２１との間に配置した状態で、分析試料２１の位置におけるイオンビームの拡がり角を０．５８ｍｒａｄにした場合を計算した所、第２のスリットをスリット１３から３５０９ｍｍ離れた位置に配置しなければならないことが分かった。なお、第２のスリットの中心部の開口部の径は１ｍｍとした。
【００９２】
通常、イオンビームの平行度として、分析試料の位置におけるイオンビームの拡がり角が０．７ｍｒａｄ程度あれば十分に高いエネルギー分解能が得られる。本実施形態では、短い距離でこの拡がり角を上回る０．５８ｍｒａｄという値を達成することができた。
【００９３】
上述した本実施形態のイオン散乱分光装置によれば、短い距離でイオンビームの拡がり角を縮小させて、高い平行度のイオンビームを得ることができる。そのため、分析試料により散乱されたイオンのエネルギー損失を正確に測定することができるので、試料の分析精度が高い。
【００９４】
本発明では、上述した実施形態のイオンビームの平行化装置、イオン照射装置及びイオン散乱分光装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【００９５】
例えば、上述した実施形態では、第１貫通孔及び第２貫通孔は、円柱形状であったが、図１０に示すように、第１貫通孔及び第２貫通孔は、イオンビームの進行方向に向かって先細りのテーパ状の形状を有していても良い。第１貫通孔及び第２貫通孔が形成する空間は、ほぼ円錐台形状となる。なお、図１０には、第一貫通孔のみが示されているが、第２貫通孔も同様の形状を有する。
【００９６】
また、上述した実施形態では、平行化部１４は、第１基板５０ａと第２基板５０ｂとを有していたが、平行化部１４は、第１基板５０ａのみを有していても良い。
【００９７】
図１１は、イオン散乱分光装置の変形例を示す図である。
【００９８】
図１１に示すように、平行化部１４は、第１基板５０ａのみを有する。この場合、１枚の基板を用いて、短い距離でイオンビームを平行化する上で、アスペクト比（貫通孔の直径に対する長さの比）を大きくするように、貫通孔の寸法を適宜調整することが好ましい。
【００９９】
また、平行化部１４は、３枚以上の複数の貫通孔を有する基板を有してもいても良い。
【０１００】
図１２は、イオン散乱分光装置の他の変形例を示す図である。
【０１０１】
図１２に示すイオン散乱分光装置の変形例では、平行化部１４は、第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂと、両基板間に配置される第３基板５０ｃを有する。第３基板５０ｃは、上述した実施形態の第１基板５０ａ及び第２基板５０ｂと同様の構造を有する。第３基板５０ｃが有する複数の貫通孔それぞれは、対応する第１基板５０ａの第１貫通孔及び第２基板５０ｂの第２貫通孔と対向するように配置される。
【０１０２】
このように、３重にイオンビームを絞ることにより、より短い距離でイオンビームの平行度を高くすることができる。
【０１０３】
また、上述した実施形態では、平行化部の第１基板を形成する際に、ベース基板であるシリコンウエハに貫通孔を形成するためにエッチングを用いていたが、ベース基板として酸化シリコン基板を用いても良い。
【０１０４】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１０５】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１０６】
（付記１）
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層を同じ方向に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化装置。
【０１０７】
（付記２）
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔の断面形状を円形に換算した換算直径は、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲にある付記１に記載の平行化装置。
【０１０８】
（付記３）
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔は、円柱形状を有する付記１又は２に記載の平行化装置。
【０１０９】
（付記４）
複数の前記第１貫通孔の内の一の第１貫通孔の両端の開口部の対角に位置するエッジ同士を結ぶ２本の線により作られる角度が、前記一の第１貫通孔の直径ｄ１及び長さＬ１により規定される第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１であり、
前記一の第１貫通孔と対向する前記第２貫通孔の直径が、前記エッジ同士を結ぶ２本の線それぞれを前記第２貫通孔の方向に延長して前記第２導電層の表面と交差する点同士を結んだ線の長さよりも短い付記３に記載の平行化装置。
【０１１０】
（付記５）
複数の前記第１貫通孔の内の一の第１貫通孔の直径ｄ１及び長さＬ１により規定される第１拡がり角α１＝２ｄ１／Ｌ１と、
前記一の第１貫通孔と対向する第２貫通孔の直径ｄ２及び長さＬ２と、
前記第１基板と前記第２基板との間の距離Ｌ３とが、
（ｄ１＋ｄ２）／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３） ＜ α１
なる関係を満たす付記３に記載の平行化装置。
【０１１１】
（付記６）
複数の前記第１貫通孔の内の一の第１貫通孔の前記第１導電層側の開口部に入射するイオンビームの入射拡がり角βと、
前記一の第１貫通孔の半径ｄ１／２と、
前記一の第１貫通孔の長さＬ１とが、
ｄ１／２／ｔａｎ（β／２）＜Ｌ１
なる関係を満たす付記３に記載のイオンビームの平行化装置。
【０１１２】
（付記７）
ベース層と、前記ベース層上に形成された導電層と、前記導電層及び前記ベース層を貫通する複数の貫通孔と、を有する基板を備え、
複数の前記貫通孔は、前記ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有する、イオンビームの平行化装置。
【０１１３】
（付記８）
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
を備えたイオン照射装置。
【０１１４】
（付記９）
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
イオンビームのエネルギーを分析するエネルギー分析部と、
を備えたイオン散乱分光装置。
【０１１５】
（付記１０）
前記第１導電層及び前記第２導電層が接地される付記９に記載のイオン散乱分光装置。
【符号の説明】
【０１１６】
１ イオン散乱分光装置
１０ イオン照射部
１１ イオン源
１２ 加速管
１３ スリット
１４ 平行化部
１５ エネルギーフィルタ
２０ 分析チャンバ
２１ 分析試料
３０ 磁場偏向型エネルギー分析器
３１ マグネット
３２ 分析管
４０ 検出部
４１ 位置敏感型検出器
５０ａ 第１基板
５１ａ 第１ベース層
５２ａ 第１導電層
５３ａ 第１貫通孔
５０ｂ 第２基板
５１ｂ 第２ベース層
５２ｂ 第２導電層
５３ｂ 第２貫通孔
６０ ベース基板
６１ レジスト層
６２ 孔部
６３ 保護膜
６４ 絶縁層
ｄ１ 第１貫通孔の直径
Ｌ１ 第１貫通孔の長さ
α１ 第１拡がり角
β イオンビームの入射拡がり角
ｄ２ 第２貫通孔の直径
Ｌ２ 第２貫通孔の長さ
α２ 第２拡がり角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層を同じ方向に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化装置。
【請求項２】
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔の断面形状を円形に換算した換算直径は、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲にある請求項１に記載の平行化装置。
【請求項３】
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔は、円柱形状を有する請求項１又は２に記載の平行化装置。
【請求項４】
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
を備えたイオン照射装置。
【請求項５】
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
イオンビームのエネルギーを分析するエネルギー分析部と、
を備えたイオン散乱分光装置。
【請求項１】
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層を同じ方向に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化装置。
【請求項２】
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔の断面形状を円形に換算した換算直径は、２０μｍ以上２５０μｍ以下の範囲にある請求項１に記載の平行化装置。
【請求項３】
複数の前記第１貫通孔及び複数の前記第２貫通孔は、円柱形状を有する請求項１又は２に記載の平行化装置。
【請求項４】
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
を備えたイオン照射装置。
【請求項５】
イオン源と、
第１ベース層と、前記第１ベース層上に形成された第１導電層と、前記第１導電層及び前記第１ベース層を貫通する複数の第１貫通孔と、を有し、前記イオン源から照射されたイオンビームが入射する第１基板と、
第２ベース層と、前記第２ベース層上に形成された第２導電層と、前記第２導電層及び前記第２ベース層を貫通し、複数の前記第１貫通孔と対応するように形成された複数の第２貫通孔と、を有する第２基板と、
を備え、
複数の前記第１貫通孔は、前記第１ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、且つ複数の前記第２貫通孔は、前記第２ベース層内の壁面の部分が電気絶縁性を有し、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記第１導電層及び前記第２導電層側の面を前記イオン源に向け、且つ複数の前記第１貫通孔それぞれが対応する前記第２貫通孔と対向するように配置される、イオンビームの平行化部と、
イオンビームのエネルギーを分析するエネルギー分析部と、
を備えたイオン散乱分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１９５２１６（Ｐ２０１２−１９５２１６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５９４４０（Ｐ２０１１−５９４４０）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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