２−４．低エネルギー集束イオンビーム装置の構成

　前節において述べた光学系評価結果に基づき、低エネルギー集束イオンビーム装置を設計製作した５〜７）。図２−１０にこの装置の概念図を、図２−１１にこの装置の写真を示す。この装置には図２−５に示す光学系のほか、含浸電極型液体金属イオン源、光軸補正電極（aligner）、質量分離器、アパーチャ、ファラデーカップ（Faraday cup）、偏向電極、上部に電気的に絶縁された基板ホルダーを載せたＸＹＺステージ、２次電子計測用の検出器、これらを中に含む真空チェンバー、搬送用のチェンバー、搬送用のロボット、およびそれらを制御するための制御系が含まれる。

図２−１０．製作した低エネルギー集束イオンビーム装置概念図

図２−１１．製作した低エネルギー集束イオンビーム装置の写真

　イオン源には、通常、Ｎｂ−Ａｕ−ＣｕとかＡｌ−Ａｕ−Ｇｅといった合金を含浸電極型液体金属イオン源チップ１２）に充填し液体金属合金イオン源として用いる。合金イオン源を用いる理由は２つある。単体ではイオン源を構成することが困難な高融点金属（Ｎｂ、Ｓｉ等）を１０００℃程度の運転温度でイオン化するためと、イオン源の構成材料であるＷと反応性の強い材料（Ａｌ、Ｓｉ等）の反応性を抑えるためである。さらに、合金イオン源を用いるのは、イオン源の交換なしに合金組成に含まれる複数のイオン種を利用できるという積極的な利点も生じる。厳密にいえばイオン種によってエネルギー幅、実効的な線源径が異なると思われるので全く同じビーム形状が得られるわけではなく、また引き出しビーム中の目的とするイオン種の生成比によりビーム電流密度が影響を受けるが、基本的にはすべてのイオン種に対して全く同じ光学系により最適なビームが得られる。これは、異種金属を全く光学系の調整なしに組み合わせて使用することが可能であることを意味している。イオン源は引き出し電極に対して、ＸＹＺの３軸方向に位置調整可能である。イオン源に関しては、次章において詳述する。

　イオン源から５〜７ｋＶで引き出されたビームは、はじめに２０ｋＶの加速電位で加速される。その下流に第１アパーチャがある。２０〜２００μｍのアパーチャが数種類取り付けられており、交換可能である。ビーム電流の調整はまずこの第１アパーチャを用いておこなう。次に第１静電レンズにより集束される。通常はその下流の質量分離器の第２アパーチャに焦点を合わせる。ビーム電流の微調整は、このときの焦点を第２アパーチャ位置よりずらし、第２アパーチャを透過する電流を変化させることによりおこなう。第１静電レンズより上流は、下流に対してＸＹ方向の位置および軸の傾きを機械的に調整することができる。また、第１静電レンズの出口には光軸補正電極があり、通常はこちらを光軸の調整に用いる。

　次に質量分離器により、引き出された様々なイオン種のうち、必要な１種類のイオン種のみを分離する。質量分離器はＥ×Ｂ型と呼ばれるものを採用した。この質量分離器は、電界と磁界を互いに垂直方向にかけ、目的とするイオン種のみが電界から受ける力と磁界から受ける力が打ち消しあい直進するように電界か磁界の強度を調節する。他のイオン種は直進条件からはずれるために中心軸より離れていき、アパーチャによりこれらを取り除くことにより質量分離をおこなう。磁極長電極長とも４０ｍｍ、第二アパーチャまでの距離は１００ｍｍである。電界の分布と磁界の分布が厳密に一致するよう、有限要素法を用いて電磁界分布を評価しながら設計をおこなっている。第２アパーチャには、第１アパーチャと同様２０〜２００μｍのアパーチャが数種類取り付けられており、交換できる。通常は５０μｍのアパーチャを使用する。５０μｍのアパーチャを使用するときの質量分解能はおよそ質量の１／６０程度である。質量分離器と第２アパーチャの間に、ブランキングのための電極がある。

　次にビームは、２連８極偏向電極により偏向される。８極（オクタポールとも呼ばれる）よりなる偏向電極は、平行平板型偏向電極と比較して、一般的に光学特性が優れている（幾何収差が小さい）。著者等は、これを２重に配置した。第一偏向電極によりビームはまずある方向に偏向される。次に第２偏向電極により、第２静電レンズの中心を常に通過するよう反対方向に偏向される。このような偏向をおこなうことにより、第２静電レンズが偏向に及ぼす影響を最小になるようにすると同時に、偏向電極の幾何収差の影響をも最小にしている。第１偏向電極の電極長さは５０ｍｍ、第２偏向電極の電極長さは１００ｍｍである。第１偏向電極と第２偏向電極には、位相を１８０度回転させて、同じ８個の偏向電位を供給する。走査範囲は、第２静電レンズとターゲット間の減速場により影響を受ける。減速時における走査範囲は、およそ６００μｍ四方である。イオンビームは偏向電極を通り抜けた後、第２静電レンズにより集束され、最後に第２静電レンズとターゲット間の減速場により、加速電位とターゲットに印加された減速電位の差分に対応する最終エネルギー０〜２０ｋｅＶ（１価イオン）まで減速される。

　ＸＹＺステージはＸＹ方向に１００ｍｍ、Ｚ方向に１０ｍｍ（減速長Ｌ＝４〜１４ｍｍ）動く。ＸＹの動きはレーザー測長器によって０．０１μｍの精度で読みとることができる。ＸＹは０．１μｍの単位で送ることが可能で、広範囲の描画に用いることができる。ＸＹＺステージの上部には電気的に絶縁された基板ホルダーがおかれ、ここに減速電位が供給される。基板ホルダーには４インチまでの基板を装着することができる。ステージは１０−７Ｐａの桁の超高真空中での使用をめざしたので、部品の選択、表面の処理には特に注意を払ってある。

　ステージ上の試料の観察のために、光学顕微鏡と走査イオン顕微鏡の検出器が組み込まれている。走査イオン顕微鏡観察のために２次電子検出をおこなう電子増倍管がステージの横に取り付けられており、偏向電極の位置信号をオシロスコープのＸＹ信号に、電子倍増管の出力を強度信号に入力することにより、走査イオン顕微鏡像が得られる。また、第２静電レンズにはイオン光学系と同軸に反射対物レンズ型の光学顕微鏡（倍率３００倍）が組み込まれている。これらの顕微鏡により、試料の観察と位置合わせをおこなう。走査イオン顕微鏡は高倍率であるが、試料に対してイオンビームを照射するためにスパッタリングによる損傷あるいはイオン注入といった効果が生じてしまう。また、２次電子に対して減速電場は強い閉じこめ効果を持つので、減速電位を印加中は試料の観測が不可能である。こういったことをさけ、損傷なしに減速中の試料を観察するために、光学顕微鏡が低倍率ではあるが有用である。蒸着中に試料を観察することが可能である。光学顕微鏡にはＣＣＤカメラが取り付けられており、通常はモニターテレビに映った画像により試料の観察をおこなう。

　真空系は３台のイオンポンプ、２台のターボ分子ポンプおよび２台のロータリーポンプで構成されている。鏡筒は１４０ｌ／ｓの２台のイオンポンプにより、プロセスチェンバーは５００ｌ／ｓのイオンポンプと５５０ｌ／ｓのターボ分子ポンプ（もともと中真空領域で用いるために取り付けたものであり、高真空領域では停止させる予定であったが、振動の影響がないことがわかったため、常時イオンポンプと並列で使用することが多い）により引く。真空度もビーム電流密度と同様、成膜した薄膜の膜質を決定する重要な要因である。１０^−７Ｐａの桁に入ることを目標として設計製作したが、運転当初よりその目標は達成された。この論文で報告する測定結果の多くは、２〜７×１０^−７Ｐａ程度の運転中の真空度の中で得られたものである。運転開始より３年程度経過した後、１０−８Ｐａの桁に到達するようになっている。輸送チェンバーは３３０ｌ／ｓのターボ分子ポンプで引く。輸送チェンバー内にはウエハ搬送用ロボットがあり、１時間程度の所要時間で試料の交換をおこなうことができる。