２−５．低エネルギービームの特性
２−５−１．ビーム径、ビーム電流密度
以上述べてきた低エネルギー集束イオンビーム装置を用いて、低エネルギーの集束イオンビームを基板上に走査し、蒸着した金属パターンの形状観察により減速ビーム径の評価をおこなった５〜７）。金属パターンの形状観察には光学顕微鏡、走査電子顕微鏡および原子間力顕微鏡を用いた。計測するビーム径には、真のビーム径のほか、鏡筒とステージの機械的な振動、偏向電位のリップル、アスペクト比の大きなパターンの成膜の場合にマイグレーションおよび成膜パターン自身が電界に与える影響によるパターン幅のひろがりなどが含まれる。
Ａｕ＋ビームの場合、レンズ系の光軸調整を充分おこなった後、３０〜２００ｅＶのエネルギーにおいて得られるビーム径は、ビーム電流４０ｐＡから１０ｎＡに対して半値幅で０．４〜７μｍであった。その間のビーム電流密度はほぼ一定で半値幅の範囲において３００Ａ／ｍ２（３０ｍＡ／ｃｍ２）である。この電流密度は、入射したイオンがすべて成膜すると仮定すると、〜３０ｎｍ／ｓの蒸着速度に対応する。ビーム電流値をそれ以上小さくしても、最小ビーム径は０．３５μｍ程度が限度でそれ以下にはならず、ビーム電流密度が急速に低下する。また、１０ｎＡよりもビーム電流値を増やしてもビーム電流密度は急速に低下する。この傾向は、図２−９で示した電流密度とビーム電流の関係と定性的に良く一致している。したがって、ビーム電流密度が一定値をとる４０ｐＡから１０ｎＡにおいてはビーム径は色収差によって決まっており、１０ｎＡ以上では球面収差の項、４０ｐＡ以下では線源径と倍率の項により決まっているものと思われる。しかし、定量的には図２−９におけるエネルギー幅３０ｅＶの計算結果と比べて１／４程度である。最小ビーム径も計算値と比べ２．５倍程度である。これは、計算においておこなった条件の設定および仮定のうちＡｕ＋ビームに関して不適当であったものがあることを示しているが、詳細は後に議論する。
図２−１２は、ビーム電流値が４０ｐＡ、エネルギーが５４ｅＶのＡｕ＋ビームを用いて１００μｍ／ｓの走査速度で６００回繰り返しＳｉ基板上に走査して作製した、集束イオンビーム直接蒸着法の頭文字（ＦＩＢＤＤ）を走査電子顕微鏡観察した像である。線幅として０．５μｍ程度であることがわかる。しかし、走査電子顕微鏡像は表面原子に敏感なので、線幅としては通常ビーム径を表現するときに用いられる半値幅よりも大きいものと思われる。同じくビーム電流値４０ｐＡ、エネルギー３２ｅＶのＡｕ＋ビームを用いて作製したラインアンドスペースのパターンを原子間力顕微鏡で観察した例の鳥瞰図を図２−１３に、同じ試料の断面図を図２−１４に示す。ガウス分布に近いビーム分布を反映していると思われる断面形状を持ち、半値幅が０．４〜０．４５μｍ程度であることがわかる。厚みは、３０ｎｍ弱である。厚みを線幅に対して無視できない程度に（アスペクト比を大きく）すると、断面形状は、三角形に近いものとなる。例として、図２−１５に、ビーム電流１０ｎＡ、エネルギー１０４ｅＶのＡｕ＋ビームを用いてＳｉ基板上に作製した線状パターンのＳＥＭ像を示す。０．６μｍ程度の段差に交差して蒸着している。段差の両側数μｍは２０ｋｅＶのＡｕ＋イオンで短時間スパッタエッチングしてあり、断面形状が観察しやすくなっている。スパッタエッチングされていない領域では、蒸着時にスパッタされた金原子の再付着とおもわれる層が線パターンの両側に拡がっている。また、ビームを走査せず、一点上で成膜すると、円錐状のパターンが得られる。例として、図２−１６に、ビーム電流１０ｎＡ、エネルギー３２ｅＶのＡｕ＋ビームを用いて作製した円錐状パターンの走査電子顕微鏡像を示す。
Ｃｕ＋についても、同様な傾向が得られているが、数１０ｎｍ以下の薄い成膜の場合、基板原子と反応してしまい、島状に再結晶するため、最小ビーム径の評価はできなかった。
図２−１２．５４ｅＶのＡｕ＋ビームによる直接蒸着例（走査電子顕微鏡像）
図２−１３．３２ｅＶのＡｕ＋ビームによる直接蒸着例（原子間力顕微鏡像）
図２−１４．３２ｅＶのＡｕ＋ビームによる直接蒸着例（原子間力顕微鏡断面図）
図２−１５．１０４ｅＶの大電流Ａｕ＋ビームによる直接蒸着例（走査電子顕微鏡像）
図２−１６．３２ｅＶの大電流Ａｕ＋ビームによるポイント蒸着例（走査電子顕微鏡像）
Ａｕ＋の非減速ビーム（２０ｋｅＶ）については、小電流において線状にスパッタエッチングした溝幅を観察した結果、その幅は〜０．２μｍ程度であった。ビーム径もほぼこの程度であろうと思われる。なお、同じイオン源から引き出されたＣｕ＋の非減速ビームによる溝幅（ビーム径）は〜０．１４μｍ程度であった。
２−５−２．ビーム位置
前述したように、２重偏向電極を第２静電レンズの上流に配置することにより、レンズ電位によりビーム位置が影響されることはないが、減速場は偏向電極の走査範囲に影響を与える。すなわち、減速時には同じ偏向電位に対して偏向する距離が長くなる。たとえば減速長Ｌ＝１０ｍｍのとき、実測で５０ｅＶにおける偏向距離は２０ｋｅＶ（非減速時）の場合のおよそ１．９倍となっている。
また、減速場は第２静電レンズの外面とターゲット基板間に生じるが、これらの平行性が良くないとき、減速時と非減速時における位置ずれが生じる。たいていの場合には非減速ビームを用いた走査イオン顕微鏡による位置確認のみで、減速ビームの位置合わせをするのは無理であり、一度位置合わせのために試験的に蒸着してその位置を光学顕微鏡か走査イオン顕微鏡により確認し、その位置ずれを補正しながら蒸着する必要がある。また、試料自体が平坦でない場合にも減速電場の乱れによる位置ずれが生じる。しかし、それらも偏向位置を補正することによりパターニング可能である。逆に非平面上への蒸着も位置補正がきく範囲であるかぎり可能である。
合金イオン源の組成の範囲で、イオン種の切り替えが質量分離器のみの設定でおこなえ、それ以上の調整が不要なことは前述したが、ビーム位置に関してもイオン種を変更しても変わらない。したがって、パターン化された積層薄膜を成膜することが可能である。たとえば、後に第５章において詳細は述べるが、Ｃｏ-Ｃｕ-Ａｕ-Ｎｂイオン源から得られるＣｕ＋とＣｏ２＋ビームによりＣｏ／Ｃｕ磁気多層膜を作製し、巨大磁気抵抗効果の発現を確認している。
２−５−３．実測結果と計算結果との比較と考察
図２−１７に減速したＡｕ＋ビームの実測値と計算結果の比較を示す。定性的には、両者はよく一致している。すなわち低電流領域でビーム径一定、中間電流領域でビーム電流密度一定、大電流領域でビーム電流密度が急激に減少する減速ビームの実測結果の傾向は、計算結果とよく一致している。しかし、Ａｕ＋ビームにおける測定したビーム径の絶対値は計算結果と幾分の開きがある。低電流領域における５０ｅＶビームの最小ビーム径０．３５μｍは計算結果の２．５倍である。また、中電流領域における電流密度もＡｕ＋ビームのエネルギー幅を３０ｅＶ程度と考えても計算結果の１／４となっている。このような計算結果と実測結果の差を生じさせた原因について、議論をおこなう。
低電流領域においては、ビーム電流値、あるいはビームの半角によらずビーム径が一定値をとることから、式（２−７）に示されている最初の項、すなわち線源径と倍率により決まる項によりビーム径が決定されているものと考えられる。その他、ビーム径の観察の精度を落とす様々な項目のうち、ビーム電流値に依存しない項目、すなわち機械的な振動、偏向電位のリップルの影響、蒸着パターン自体の電界に対する影響、成膜時のイオンのマイグレーションの影響などが可能性としてあり得る。しかし、機械的な振動はエネルギー、イオン種にかかわりなくビーム径に常に一定の影響を与えるものであるが、減速ビームと非減速ビームで２倍程度のビーム径の差が生じている事実と矛盾するために、可能性としては除外することができる。蒸着パターン自体の電界に対する影響、およびマイグレーションの影響は、アスペクト比の大きなパターン（例えば図２−１５）を想定しているが、アスペクト比が充分小さな領域における実測値なので、これについても可能性としては除外できる。偏向電位のリップルの影響は減速ビーム径と非減速ビーム径の比を説明できるため、可能性として充分あり得る。そこで、直接偏向電位（駆動回路の増幅器出力）を実測した結果、その影響は非減速ビームに対して０．０８μｍ、減速ビームに対して０．１６μｍの影響を与え得るものであった。しかしこの影響はイオン種による差は生じないため、Ａｕ＋とＣｕ＋の非減速ビーム径の差は説明できない。したがって、ビーム径にある程度の効果は与えているものと考えられるが、決定的な要因とはなっていないと思われる。したがって、測定値と計算値の差を説明できるものは、計算における設定、仮定に現実を反映していないことがあるのではないかという点にしぼられてくる。倍率は、レンズ系の幾何的な配置により決定されるものであり、不確定な結果を生じさせる可能性は小さい。その結果、最後まで残る可能性は、実効的な線源径の仮定（５０ｎｍ）が妥当であるかどうかである。小電流運転におけるＧａイオン源の線源径については４０〜５０μｍという報告があるが１０、１３）、金を主成分としたイオン源の実効的な線源径に関する報告値はない。一般的に液体金属イオン源において、軽いイオンの方がエネルギー幅が小さいことが観測されており、その理由が引き出し直後の空間電荷効果により説明されている。それと全く同じ理由により、重いイオンの実効的な線源径が大きくなるであろうことは容易に推定できる。引き出し条件、質量とも極端な例ではあるが、金の液体金属イオン源から大電流ビーム引き出しにより、クラスターイオンを発生させた実験があり、実効的な線源径として８μｍが報告されている１４）。この報告は、上記の推定が充分あり得るものであることを示している。したがって、Ａｕ＋イオンの場合には線源径が計算において仮定した５０ｎｍよりも大きく、計算結果と実測結果の差の主な原因となっている可能性が大きい。もし、最小ビーム径が線源径により決定されていると仮定すると、およそ０．１３μｍ程度のとき、減速ビーム、非減速ビームの実測値をほぼ再現する計算結果が得られる。以上の議論より、Ａｕ＋ビームの最小ビーム径は、線源径により決定されており、線源径は０．１３μｍであると推測している。
中電流領域においては、ビーム電流密度がほぼ一定値をとることから色収差によってビーム径が決定されていることは明らかである。しかし、図２−５のエネルギー幅１０ｅＶの計算値は実測値の３０倍程度、エネルギー幅をたとえ３０ｅＶ（Ａｕ＋ビームにおける著者等の実測値である）としても、なお実測値の４倍程度であり、なお有意な差が存在する。イオン源引き出し時の角電流密度を２０μＡ／ｓｒと仮定しているが、合金イオン源の場合、イオン種の成分比に比例して角電流密度を分配する必要が生じるものと思われる。使用したＮｂ−Ａｕ−Ｃｕイオン源について、Ａｕ＋ビームの角電流密度を実測した結果、およそ１０μＡ／ｓｒという結果が得られた。この値を用いて計算をおこなうと、計算結果として得られるビーム電流密度は実測値の２倍程度、すなわちビーム径に関しては実測値の１．４倍程度が再現できる。色収差の評価は、計算手法自体の信頼性がこの程度であり、むしろ良い一致が得られたのではないかと考えている。
もし、線源径に０．１３μｍ、エネルギー幅に３０ｅＶ、角電流密度に１０μＡ／ｓｒを用いて計算をおこなうならば、実測結果として得られているＡｕ＋ビームの特性をほぼ（中電流領域においてビーム径で１．４倍程度の誤差は生じるが）再現することができる。図２−１８は、このようにして計算したエネルギー５０ｅＶのときのビーム電流とビーム径の関係および線源径と倍率、色収差、および球面収差の寄与を示す。図２−１９は、エネルギー５０ｅＶにおけるビーム電流値とビーム電流密度の関係を示す。
エネルギー幅３０ｅＶと角電流密度１０μＡ／ｓｒに関しては、実測に基づいた値を代入しているので疑問の余地はなく、線源径のみ０．１３μｍであると仮定すれば実測値が再現できるという結果を得たわけであるが、これはむしろ、このような評価手法により、Ａｕ＋ビームの線源径が実測できたと言うべきであろう。また、著者のおこなった光学系の評価手法が、設計の手法としてかなり現実に近い結果を与える確度の高い手法であることが確認されたということができよう。
図２−１７．減速したＡｕ＋ビーム実測値と計算結果の比較
図２−１８．５０ｅＶビームの電流値とビーム径の関係
（Ａｕ＋ビームにおける実測値を再現する計算結果）
図２−１９．５０ｅＶビームの電流値とビーム電流密度の関係
（Ａｕ＋ビームにおける実測値をほぼ再現する計算結果）