微小イオンビーム発生方法及び装置
【課題】 ビーム内への不純物の混入を抑え、照射対象物中に残留するビーム粒子を大幅に減少させ、しかも微小イオンビームを長時間安定供給することができる微小イオンビーム発生方法及び装置を提供する。
【解決手段】 この出願の発明は、レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを発生させ、発生したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする。
【解決手段】 この出願の発明は、レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを発生させ、発生したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、微小イオンビーム発生方法及び装置に関するものである。より詳しくは、この出願の発明は、気体をターゲットとしてマイクロビームあるいはナノビームである微小イオンビームを形成する新規な微小イオンビーム発生方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロビーム及びナノビーム（集束イオンビーム（ＦＩＢ））発生装置として液体金属イオン源が高輝度かつ点光源を持つことから多く利用されている。しかし、この装置ではイオン化物質を合金である液体金属によって供給することが多いため、ビーム中に目的元素以外の不純物が混入する。またビーム照射によってビームを形成する金属イオン物質が試料中に残留するので、ビーム照射後にこの試料を再使用する用途には不向きである。さらに強電場を形成する極小電極の劣化が短時間に進む問題点がある。
【０００３】
液体金属イオン源と同等な性質を持つガス供給型イオン源を用いることで不純物と試料への残留の問題は避けられる（たとえば非特許文献１、２）が、ガス供給型イオン源も電界電離を使用するため強電界を必要とし、ニードル等の極小電極を使用する。このため、液体金属イオン源と同様に短時間の電極劣化が起こる。
【０００４】
また、デュオプラズマトロン型のイオン源もマイクロビームあるいはナノビームの発生に用いられる（たとえば非特許文献３、４）が、これはプラズマの発生にフィラメントからの熱電子を用いるため、フィラメント電流の安定度、寿命が問題となる。
【非特許文献１】H. Hiroshima et al.: "A Focused He+ Ion Beam with a High Angular Current Density", Japanese Journal of Applied Physics 31, p.4492 (1992)
【非特許文献２】E. Salancon et al.: "A new approach to gas field ion sources", Ultramicroscopy 95, p.183 (2003)
【非特許文献３】Y. Ishii et al.: "Low-energy ion source characteristics for producing an ultra-file microbeam", Nuclear Instrument and Method B 118, p.75 (1996)
【非特許文献４】Y. Ishii et al.: "Development of a sub-micron ion beam system in the keV range", Nuclear Instrument and Method B 181, p.71 (2001)
【非特許文献５】Y. Ishii et al.: "Progress in submicron width ion beam system using double acceleration lenses", Nuclear Instrument and Method B 210, p.70 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この出願の発明は、このような従来技術の問題点を大幅に改善し、ビーム内への不純物の混入を抑え、照射対象物中に残留するビーム粒子を大幅に減少させ、しかも微小イオンビームを長時間安定供給することができる微小イオンビーム発生方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この出願の発明によれば、上記課題を解決するため、第１には、レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを生成させ、生成したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【０００７】
また、第２には、上記第１の発明において、ターゲット気体が常温でガス状の元素からなることを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【０００８】
また、第３には、上記第２の発明において、ターゲット気体が水素であることを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【０００９】
また、第４には、上記第２の発明において、ターゲット気体が希ガスであることを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【００１０】
さらに、第５には、ターゲット気体を収容するプラズマ発生用チャンバと、プラズマ発生用チャンバ内のターゲット気体中にレーザーを照射、集光させるレーザー照射手段と、レーザーの照射、集光により発生したプラズマ中のイオンを引き出すイオン引き出し手段と、イオン引き出し手段により引き出されたイオンを集束させて微小イオンビームとするイオン集束手段を備えることを特徴とする微小イオンビーム発生装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
この出願の第１及び第５の発明によれば、ビーム照射による照射対象物への影響を抑えることができるため、高分解能微量元素分析後に試料を再利用する場合には非常に有効である。また、半導体等の微細加工を行う場合には、従来の液体金属イオン源を用いた場合のような加工後に被加工物内に残留するガリウム等の不純物除去をする工程を省くことができるため、コスト削減と加工時間短縮が可能となる。また、微小イオンビームを長時間安定供給することが可能となる。
【００１２】
この出願の第２の発明によれば、常温で気体状の元素をターゲット気体として使用するので、照射対象物中にビーム粒子が残存することがなくなる。
【００１３】
この出願の第３の発明によれば、常温で気体状の元素の中でも比較的軽い水素をターゲット気体として使用するので、特に試料の表面領域での高分解能微量元素分析に対して有利となる。
【００１４】
この出願の第４の発明によれば、希ガスをターゲット気体として使用するので、照射対象物との化学反応を抑えることができる。また、希ガスのうち比較的重いキセノンやクリプトンなどをターゲット気体として使用すると、特に半導体デバイス等の微細加工に対して有利となる。
【００１５】
また、この出願の発明によれば、微小イオンビームによって細胞内の特定部位のみイオン照射ができ、バイテクノロジーにおける細胞加工等も可能となるためバイオテクノロジー分野への貢献が期待でき、さらにはナノメートルオーダーの微細加工などのナノテクノロジー分野への貢献も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１７】
この出願の発明による微小イオンビーム発生方法は、レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを発生させ、発生したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする。
【００１８】
ターゲット気体としては、微小イオンビームの利用目的等により種々の気体を使用することができるが、照射対象物に残留するビーム粒子を大幅に減少させるために、常温でガス状である元素からなるものが好ましく使用される。高分解能微量元素分析においては、ターゲット気体として、常温でガス状の元素の中でも比較的軽いもの、たとえば水素を用いることが好ましい。半導体デバイス等の微細加工においては、ターゲット気体として、常温でガス状の元素の中でも比較的重いもの、たとえばキセノンやクリプトンを用いることが好ましい。また、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを用いると、照射対象物との化学反応を抑えることができる。
【００１９】
ターゲット気体は、微小イオンビーム内への不純物の混入を抑えるために、高純度、たとえば９９．９９９％以上の純度のものを使用することが望ましい。プラズマチャンバ内
のガス圧力は引き出し側の真空チャンバ内の真空度に影響がない程度に、できるだけ高くすることが望ましい。
【００２０】
プラズマ発生用レーザーは、レンズ等で可能な限り集光したとき、焦点位置でガス分子をプラズマ化できるパワー密度（１０8W／ｃｍ2程度）以上を得られるレーザーであればあらゆる種類のものが使用できる。たとえば、商品化されている一般的なパルスレーザー（ヤグ、エキシマ等）の場合、パルス当りのエネルギーが１００ｍＪ、時間幅が数十ナノ秒であれば、点光源となる位置において０．１ｍｍ程度以下に集光すればよい。集光にはレンズ等の公知の光学系を用いることができる。
【００２１】
ターゲット気体は、ステンレス鋼、アルミニウム等の材料からなるプラズマ生成用チャンバ内に収容する。プラズマ生成用チャンバは少なくともレーザー照射のための透明窓と、発生したプラズマからイオンを引き出すためのイオン引き出し口を有している必要がある。透明窓には、たとえばガラス等の材料を用いることができる。また、プラズマ生成用チャンバ自体をガラスで作ってもよい。
【００２２】
チャンバ内で発生したプラズマ中のイオンは、イオン引き出し手段によりチャンバ内から引き出す。イオン引き出し手段としては、液体金属イオン源と同様なものを用いることができる。イオン引き出し手段により引き出されたイオンは、静電レンズ等のイオン集束手段により集束され、マイクロメートルオーダーあるいはナノメートルオーダーの微小イオンビームとなる。たとえば、非特許文献５に記載されているような加速レンズを用いたイオン引き出しと集束方法を利用すると効果的である。
【００２３】
以上のような方法により、微小電極を使用する必要がなくなり、ビームへの不純物の混入を抑え、照射対象物への影響が少ない、安定かつ長寿命なイオン源が実現する。
【００２４】
次に、この出願の発明による微小イオンビーム発生装置の一実施形態を説明する。
図１は同上一実施形態の微小イオンビーム発生装置の構成を模式的に示す断面図である。この微小イオンビーム発生装置（１）では、プラズマ生成用チャンバ（２）と真空チャンバ（３）が隣接して配置される。プラズマ生成用チャンバ（２）内にはターゲット気体（４）が収容される。プラズマ生成用チャンバ（２）はレーザー（５）の照射、集光のための透明窓（６ａ）、（６ｂ）と、発生したプラズマを引き出すための引き出し口（７）を備えている。レーザー（５）は集光レンズ（８）によりターゲット気体（４）中で集光され、その集光位置においてプラズマ（９）が生成する。すなわちレーザー（５）の集光位置がイオン源となる。真空チャンバ（３）内において、イオン引き出し口（７）の近傍にはプラズマ（９）中のイオンを引き出すためのイオン引き出し電極（１０）が設けられ、さらにそれに隣接して、引き出されたイオンを集束するための静電レンズ（１１）が設けられている。（１２）は得られた微小イオンビームである。
【００２５】
動作について述べると、図示しないレーザー出射装置から出射したレーザー（５）は、集光レンズ（８）により、プラズマ生成用チャンバ（２）内のターゲット気体（４）中に集光される。レーザー（５）の集光によりプラズマ（９）が生成し、生成したプラズマ（９）中のイオンはイオン引き出し電極（１０）が作り出す電場によりイオン引き出し口（７）から引き出されて加速され、さらに静電レンズ（１１）によりそのビーム径が集束され、微小イオンビーム（１２）となる。
【００２６】
以上、この出願の発明の一実施形態を述べたが、この出願の発明はこれに限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この出願の発明による一実施形態の微小イオンビーム発生装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 微小イオンビーム発生装置
２ プラズマ生成用チャンバ
３ 真空チャンバ
４ 気体ターゲット
５ レーザー
６ａ、６ｂ 透明窓
７ イオン引き出し口
８ 集光レンズ
９ プラズマ
１０ イオン取り出し電極
１１ 静電レンズ
１２ 微小イオンビーム
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、微小イオンビーム発生方法及び装置に関するものである。より詳しくは、この出願の発明は、気体をターゲットとしてマイクロビームあるいはナノビームである微小イオンビームを形成する新規な微小イオンビーム発生方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロビーム及びナノビーム（集束イオンビーム（ＦＩＢ））発生装置として液体金属イオン源が高輝度かつ点光源を持つことから多く利用されている。しかし、この装置ではイオン化物質を合金である液体金属によって供給することが多いため、ビーム中に目的元素以外の不純物が混入する。またビーム照射によってビームを形成する金属イオン物質が試料中に残留するので、ビーム照射後にこの試料を再使用する用途には不向きである。さらに強電場を形成する極小電極の劣化が短時間に進む問題点がある。
【０００３】
液体金属イオン源と同等な性質を持つガス供給型イオン源を用いることで不純物と試料への残留の問題は避けられる（たとえば非特許文献１、２）が、ガス供給型イオン源も電界電離を使用するため強電界を必要とし、ニードル等の極小電極を使用する。このため、液体金属イオン源と同様に短時間の電極劣化が起こる。
【０００４】
また、デュオプラズマトロン型のイオン源もマイクロビームあるいはナノビームの発生に用いられる（たとえば非特許文献３、４）が、これはプラズマの発生にフィラメントからの熱電子を用いるため、フィラメント電流の安定度、寿命が問題となる。
【非特許文献１】H. Hiroshima et al.: "A Focused He+ Ion Beam with a High Angular Current Density", Japanese Journal of Applied Physics 31, p.4492 (1992)
【非特許文献２】E. Salancon et al.: "A new approach to gas field ion sources", Ultramicroscopy 95, p.183 (2003)
【非特許文献３】Y. Ishii et al.: "Low-energy ion source characteristics for producing an ultra-file microbeam", Nuclear Instrument and Method B 118, p.75 (1996)
【非特許文献４】Y. Ishii et al.: "Development of a sub-micron ion beam system in the keV range", Nuclear Instrument and Method B 181, p.71 (2001)
【非特許文献５】Y. Ishii et al.: "Progress in submicron width ion beam system using double acceleration lenses", Nuclear Instrument and Method B 210, p.70 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この出願の発明は、このような従来技術の問題点を大幅に改善し、ビーム内への不純物の混入を抑え、照射対象物中に残留するビーム粒子を大幅に減少させ、しかも微小イオンビームを長時間安定供給することができる微小イオンビーム発生方法及び装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この出願の発明によれば、上記課題を解決するため、第１には、レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを生成させ、生成したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【０００７】
また、第２には、上記第１の発明において、ターゲット気体が常温でガス状の元素からなることを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【０００８】
また、第３には、上記第２の発明において、ターゲット気体が水素であることを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【０００９】
また、第４には、上記第２の発明において、ターゲット気体が希ガスであることを特徴とする微小イオンビーム発生方法を提供する。
【００１０】
さらに、第５には、ターゲット気体を収容するプラズマ発生用チャンバと、プラズマ発生用チャンバ内のターゲット気体中にレーザーを照射、集光させるレーザー照射手段と、レーザーの照射、集光により発生したプラズマ中のイオンを引き出すイオン引き出し手段と、イオン引き出し手段により引き出されたイオンを集束させて微小イオンビームとするイオン集束手段を備えることを特徴とする微小イオンビーム発生装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
この出願の第１及び第５の発明によれば、ビーム照射による照射対象物への影響を抑えることができるため、高分解能微量元素分析後に試料を再利用する場合には非常に有効である。また、半導体等の微細加工を行う場合には、従来の液体金属イオン源を用いた場合のような加工後に被加工物内に残留するガリウム等の不純物除去をする工程を省くことができるため、コスト削減と加工時間短縮が可能となる。また、微小イオンビームを長時間安定供給することが可能となる。
【００１２】
この出願の第２の発明によれば、常温で気体状の元素をターゲット気体として使用するので、照射対象物中にビーム粒子が残存することがなくなる。
【００１３】
この出願の第３の発明によれば、常温で気体状の元素の中でも比較的軽い水素をターゲット気体として使用するので、特に試料の表面領域での高分解能微量元素分析に対して有利となる。
【００１４】
この出願の第４の発明によれば、希ガスをターゲット気体として使用するので、照射対象物との化学反応を抑えることができる。また、希ガスのうち比較的重いキセノンやクリプトンなどをターゲット気体として使用すると、特に半導体デバイス等の微細加工に対して有利となる。
【００１５】
また、この出願の発明によれば、微小イオンビームによって細胞内の特定部位のみイオン照射ができ、バイテクノロジーにおける細胞加工等も可能となるためバイオテクノロジー分野への貢献が期待でき、さらにはナノメートルオーダーの微細加工などのナノテクノロジー分野への貢献も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１７】
この出願の発明による微小イオンビーム発生方法は、レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを発生させ、発生したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする。
【００１８】
ターゲット気体としては、微小イオンビームの利用目的等により種々の気体を使用することができるが、照射対象物に残留するビーム粒子を大幅に減少させるために、常温でガス状である元素からなるものが好ましく使用される。高分解能微量元素分析においては、ターゲット気体として、常温でガス状の元素の中でも比較的軽いもの、たとえば水素を用いることが好ましい。半導体デバイス等の微細加工においては、ターゲット気体として、常温でガス状の元素の中でも比較的重いもの、たとえばキセノンやクリプトンを用いることが好ましい。また、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガスを用いると、照射対象物との化学反応を抑えることができる。
【００１９】
ターゲット気体は、微小イオンビーム内への不純物の混入を抑えるために、高純度、たとえば９９．９９９％以上の純度のものを使用することが望ましい。プラズマチャンバ内
のガス圧力は引き出し側の真空チャンバ内の真空度に影響がない程度に、できるだけ高くすることが望ましい。
【００２０】
プラズマ発生用レーザーは、レンズ等で可能な限り集光したとき、焦点位置でガス分子をプラズマ化できるパワー密度（１０8W／ｃｍ2程度）以上を得られるレーザーであればあらゆる種類のものが使用できる。たとえば、商品化されている一般的なパルスレーザー（ヤグ、エキシマ等）の場合、パルス当りのエネルギーが１００ｍＪ、時間幅が数十ナノ秒であれば、点光源となる位置において０．１ｍｍ程度以下に集光すればよい。集光にはレンズ等の公知の光学系を用いることができる。
【００２１】
ターゲット気体は、ステンレス鋼、アルミニウム等の材料からなるプラズマ生成用チャンバ内に収容する。プラズマ生成用チャンバは少なくともレーザー照射のための透明窓と、発生したプラズマからイオンを引き出すためのイオン引き出し口を有している必要がある。透明窓には、たとえばガラス等の材料を用いることができる。また、プラズマ生成用チャンバ自体をガラスで作ってもよい。
【００２２】
チャンバ内で発生したプラズマ中のイオンは、イオン引き出し手段によりチャンバ内から引き出す。イオン引き出し手段としては、液体金属イオン源と同様なものを用いることができる。イオン引き出し手段により引き出されたイオンは、静電レンズ等のイオン集束手段により集束され、マイクロメートルオーダーあるいはナノメートルオーダーの微小イオンビームとなる。たとえば、非特許文献５に記載されているような加速レンズを用いたイオン引き出しと集束方法を利用すると効果的である。
【００２３】
以上のような方法により、微小電極を使用する必要がなくなり、ビームへの不純物の混入を抑え、照射対象物への影響が少ない、安定かつ長寿命なイオン源が実現する。
【００２４】
次に、この出願の発明による微小イオンビーム発生装置の一実施形態を説明する。
図１は同上一実施形態の微小イオンビーム発生装置の構成を模式的に示す断面図である。この微小イオンビーム発生装置（１）では、プラズマ生成用チャンバ（２）と真空チャンバ（３）が隣接して配置される。プラズマ生成用チャンバ（２）内にはターゲット気体（４）が収容される。プラズマ生成用チャンバ（２）はレーザー（５）の照射、集光のための透明窓（６ａ）、（６ｂ）と、発生したプラズマを引き出すための引き出し口（７）を備えている。レーザー（５）は集光レンズ（８）によりターゲット気体（４）中で集光され、その集光位置においてプラズマ（９）が生成する。すなわちレーザー（５）の集光位置がイオン源となる。真空チャンバ（３）内において、イオン引き出し口（７）の近傍にはプラズマ（９）中のイオンを引き出すためのイオン引き出し電極（１０）が設けられ、さらにそれに隣接して、引き出されたイオンを集束するための静電レンズ（１１）が設けられている。（１２）は得られた微小イオンビームである。
【００２５】
動作について述べると、図示しないレーザー出射装置から出射したレーザー（５）は、集光レンズ（８）により、プラズマ生成用チャンバ（２）内のターゲット気体（４）中に集光される。レーザー（５）の集光によりプラズマ（９）が生成し、生成したプラズマ（９）中のイオンはイオン引き出し電極（１０）が作り出す電場によりイオン引き出し口（７）から引き出されて加速され、さらに静電レンズ（１１）によりそのビーム径が集束され、微小イオンビーム（１２）となる。
【００２６】
以上、この出願の発明の一実施形態を述べたが、この出願の発明はこれに限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この出願の発明による一実施形態の微小イオンビーム発生装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ 微小イオンビーム発生装置
２ プラズマ生成用チャンバ
３ 真空チャンバ
４ 気体ターゲット
５ レーザー
６ａ、６ｂ 透明窓
７ イオン引き出し口
８ 集光レンズ
９ プラズマ
１０ イオン取り出し電極
１１ 静電レンズ
１２ 微小イオンビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを生成させ、生成したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする微小イオンビーム発生方法。
【請求項２】
ターゲット気体が常温でガス状の元素からなること特徴とする請求項１記載の微小イオンビーム発生方法。
【請求項３】
ターゲット気体が水素であることを特徴とする請求項２記載の微小イオンビーム発生方法。
【請求項４】
ターゲット気体が希ガスであることを特徴とする請求項2記載の微小イオンビーム発生方法。
【請求項５】
ターゲット気体を収容するプラスマ発生用チャンバと、
プラズマ発生用チャンバ内のターゲット気体中にレーザーを照射、集光させるレーザー照射手段と、
レーザーの照射、集光により発生したプラズマ中のイオンを引き出すイオン引き出し手段と、
イオン引き出し手段により引き出されたイオンを集束させて微小イオンビームとするイオン集束手段を備えることを特徴とする微小イオンビーム発生装置。
【請求項１】
レーザーをターゲット気体中で集光させてプラズマを生成させ、生成したプラズマ中のイオンを引き出して集束させることにより微小イオンビームを形成することを特徴とする微小イオンビーム発生方法。
【請求項２】
ターゲット気体が常温でガス状の元素からなること特徴とする請求項１記載の微小イオンビーム発生方法。
【請求項３】
ターゲット気体が水素であることを特徴とする請求項２記載の微小イオンビーム発生方法。
【請求項４】
ターゲット気体が希ガスであることを特徴とする請求項2記載の微小イオンビーム発生方法。
【請求項５】
ターゲット気体を収容するプラスマ発生用チャンバと、
プラズマ発生用チャンバ内のターゲット気体中にレーザーを照射、集光させるレーザー照射手段と、
レーザーの照射、集光により発生したプラズマ中のイオンを引き出すイオン引き出し手段と、
イオン引き出し手段により引き出されたイオンを集束させて微小イオンビームとするイオン集束手段を備えることを特徴とする微小イオンビーム発生装置。
【図１】
【公開番号】特開２００６−８００２９（Ｐ２００６−８００２９Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６５４５０（Ｐ２００４−２６５４５０）
【出願日】平成１６年９月１３日（２００４．９．１３）
【出願人】（０００００４０９７）日本原子力研究所 (55)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１３日（２００４．９．１３）
【出願人】（０００００４０９７）日本原子力研究所 (55)
【Ｆターム（参考）】
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