JP2011108508A - イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】電界電離電極の先端部の損傷を抑えてその寿命の長期化を図ることができるイオン源を提供する。
【解決手段】イオン源は、尖った先端１６を有する電界電離電極１０と、これを収容する容器２０と、対向電極３０と、例えば磁石３４，３６からなる磁場形成手段とを備える。容器２０は、微小開口２６を囲む先端部２４を有し、その微小開口２６から電界電離電極１０の先端１６が容器２０の外部に突出する位置に電界電離電極１０が配置される。対向電極３０は、容器２０の先端部と対向し、電界電離電極１０の先端１６の近傍に電界電離用の電界を形成する。磁場形成手段は、対向電極３０の面であって容器２０に対向する対向面３１の上に、微小開口２６の径方向と平行な方向に延びる磁力線を有するような磁場を形成して、電界電離電極１０と二次電子や負イオンとの衝突を抑止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高輝度で微小径のイオンビームを発生させるためのイオン源であって、例えば表面物理分析装置や半導体製造の検査装置、欠陥リペア装置用イオンプローブ、イオン注入、イオンビーム露光、イオンビーム堆積、イオンビームエッチング、イオンビーム描画、走査イオン顕微鏡等に用いられるものに関する。

近年、液体金属イオン源が開発されて以来、半導体工業等の分野ではサブミクロン以下に細く集束したイオンビームの応用が急速に広まっている。しかし、液体金属イオン源では得られるイオン種に限りがある。特にアルゴンなどの不活性ガスや酸素などの集束イオンビームを得る場合には、前記液体金属イオン源よりもガス相の電界電離型イオン源が適している。

このようなガス相の電界電離型イオン源は、例えば、先端部が５ｎｍ〜１００ｎｍ程度の半径を有するように尖らされた針状の電界電離電極を備える。この針状の電界電離電極の先端の近傍に１０^−１Ｐａ程度の圧力を有する原料ガス中で５０〜６０Ｖ／ｎｍ程度の強電界が形成されることにより、当該電界電離電極の先端部近傍のガス分子が電界電離現象によりイオンと電子に分離され、分離したイオンがイオンビームとして取り出される。

このような電界電離形イオン源において発生するイオンビーム電流Ｉは、ガスの圧力Ｐと温度Ｔの関数であり、具体的には、下記の（１）式に示される関係が存在する。

Ｉ∝Ｐ／Ｔ^３／２ …（１）
従って、前記イオンビーム電流Ｉを増強してイオンビームの輝度を高めるには、電界電離電極の先端近傍のガス圧力Ｐを高くし、あるいはガス温度Ｔを低くすればよい。その一方、イオン化後のイオンの消滅を最小限に抑えるには、このイオンを例えば１０^−３Ｐａ以上１０^−６Ｐａ以下といった高真空下で飛行させることが望ましい。

従来、このような条件を満たしながらの運転を可能にするイオン源として、例えば図４に示すものが提案されている（特許文献１）。このイオン源は、針状の電界電離電極２と、これを収容する容器４と、容器４の外部に配置された対向電極６とを備える。前記容器４は、側壁４ａ及び先端壁４ｂを有し、この先端壁４ｂの中央に微小開口３が設けられている。前記電界電離電極２は、尖った先端（図では下端）２ｂを有し、この先端２ｂが前記微小開口３を通じて前記先端壁４ｂから下方に僅かに突出するように、前記容器４内に配置される。前記対向電極６は容器４の下方に設けられ、この対向電極６と前記電界電離電極２及び前記容器４との間に電圧Ｖが印加される。一般には、前記対向電極６が接地され、前記電界電離電極２及び前記容器４に適当な正の電位が与えられる。

このイオン源では、原料ガスが前記容器４内に供給され、当該容器４における微小開口３の周縁部と前記電界電離電極２の先端２ｂとの隙間から噴出する。この噴出により急激な変化をもつガス圧力分布が形成され、前記電界電離電極２の先端２ｂの近傍に局所的に高いガス圧が発生し、この領域での電界強度が高められる。その結果、前記先端２ｂから前記対向電極６の中央の開口を通じてイオンビーム５が放出される。

特開２００９−５９６２８号公報

前記の電界電離型イオン源では、その繰返しの使用により電界電離電極の先端部が損傷してその先端の形状が鈍ってしまう現象が生じる。かかる現象は、当該電界電離電極により有効な電界強度を得ることをできなくし、その寿命を短くしてしまう。

本発明は、このような事情に鑑み、電界電離電極の先端部の損傷を抑えてその寿命の長期化を図ることができるイオン源を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記電界電離電極の先端部を損傷させる要因として、イオンビームが対向電極に当たることにより二次電子や負イオンが発生し、かつ、これらの二次電子や負イオンが正電位を与えられている電界電離電極側に逆流して当該電界電離電極に衝突することを突き止めた。従って、このような逆流及び衝突の抑制が、電界電離電極の先端部の損傷を抑えてその寿命の長期化を可能にする。

本発明は、このような観点からなされたものであり、原料ガスを噴射するとともにその噴射する原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するイオン源であって、特定の軸方向に沿って延びると共に、尖った先端を有し、正の電位が与えられる電界電離電極と、絶縁材料からなり、前記電界電離電極をその径方向の外側から囲む内周面を有するとともに、内部に供給された前記原料ガスを噴射するための微小開口を囲む形状の先端部を有し、その微小開口の近傍に前記電界電離電極の先端が位置するように当該電界電離電極との相対位置が決められる容器と、前記容器の外部において当該容器の先端部と対向する位置に設けられ、前記電界電離電極よりも低い電位が与えられることにより前記電界電離電極の先端近傍に電界電離用の電界を形成して前記電界電離電極の軸方向と平行な方向にイオンビームを生成する対向電極と、前記対向電極の面のうち前記容器の先端部に対して対向する対向面の上に前記微小開口の径方向と平行な方向に延びる磁力線を有するような磁場を形成する磁場形成手段とを備えたものである。

このイオン源によれば、電界電離電極の先端から照射されるイオンビームが対向電極に当たって二次電子や負イオンが生じても、これら二次電子や負イオンは磁場形成手段により形成される磁場により捕捉されるため、当該二次電子や当該負イオンが電界電離電極側に逆流することが有効に抑制され、当該逆流に起因して当該二次電子や当該負イオンが電界電離電極の先端部の損傷が有効に抑えられる。

前記磁場形成手段としては、Ｎ極及びＳ極を有する永久磁石からなる主リング磁石を含み、この主リング磁石が、そのＮ極及びＳ極が前記イオンビームの軸方向と平行な方向に並び、かつ当該主リング磁石が前記イオンビームを囲む姿勢で、前記対向電極を挟んで前記容器の先端部と反対の側の位置に設けられるものが、好適である。この主リング磁石は、その存在がイオンビームの形成を阻害することなく、対向電極の対向面上に前記二次電子や前記負イオンを有効に捕捉することが可能な磁場を形成する。

さらに、前記磁場形成手段が、前記主リング磁石に加え、Ｎ極及びＳ極を有する永久磁石からなる副リング磁石を含み、この副リング磁石が、そのＮ極及びＳ極が前記イオンビームの軸方向と平行な方向に並び、かつ当該副リング磁石が前記電界電離電極を囲む姿勢で、前記対向電極の対向面よりも前記容器の先端部側の位置に設けられるものであれば、前記二次電子や前記負イオンの捕捉により有効な磁場を形成することができる。

この副リング磁石は、例えば、前記容器の周囲に設けられることが、好ましい。この副リング磁石の配置も、当該副リング磁石の存在がイオンビームの形成を阻害することなく、前記の好ましい磁場の形成に寄与することができる。

以上のように、本発明に係るイオン源によれば、イオンビームが対向電極に当たることにより生ずる二次電子や負イオンが電界電離電極側に逆流することが抑制され、これにより、その逆流に起因する電界電離電極の先端部の損傷が抑制されて、当該電界電離電極の寿命が長期化される。

本発明の実施の形態に係るイオン源の全体構成を示す断面正面図である。 前記イオン源の要部において形成される磁場を示す図である。 前記イオン源のうち副リング磁石が省略されたものの要部において形成される磁場を示す図である。 従来のイオン源の一例を示す断面正面図である。

図１は、本発明の好ましい実施の形態にかかるイオン源の全体構成を示した断面図である。このイオン源は、電界電離型イオン源であり、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスや酸素からなるイオン原料ガス（原料ガス）を電界電離することにより高輝度のイオンビーム５０を生成するためのものである。なお、以下の各実施形態においては、イオンビーム５０の照射方向が前方（又は先端側；図では下方）とされる。

前記イオン源は、電界電離電極１０と、この電界電離電極１０を収容する容器２０と、この容器２０の外部に設置される対向電極３０とを備える。これらは図略の真空槽内に設置され、当該真空槽内は例えば１×１０^−６Ｐａ程度の高真空状態に保たれる。

前記電界電離電極１０は、電極支持体４０を介して前記容器２０に支持されるもので、尖った先端１６をもつ針状をなす。具体的には、円柱部１２と、この円柱部１２から前記先端１６に向かって徐々に縮径する円錐部１４とを一体に有する。この電界電離電極１０の具体的な寸法は限定されないが、好ましくは、前記先端１６の半径が１００ｎｍ以下（例えば５０ｎｍ程度）とされ、その先端１６でのテーパー角βは全角で５°程度、全長は２０ｍｍ程度に設定される。この電界電離電極１０の材質としては、例えばタングステンが好適である。その他、イリジウム等の金属やシリコン、又はそれらを含む合金、若しくはそれらに貴金属、高融点金属、高融点金属の炭化物若しくは窒化物等でコーティング処理を施したものであってもよい。

前記容器２０は、セラミックス（例えばアルミナセラミックスやジルコニウム系セラミックス）やガラスといった絶縁材料により成形され、前記電界電離電極１０をその径方向外側から囲む形状を有する。具体的には、一定の外径をもつ略筒状の本体壁２２と、この本体壁２２の後ろ側（図１では上側）の開口を塞ぐ背壁２３と、前記本体壁２２よりも先端側（図１では下側）に位置する先端壁（先端部）２４とを一体に有する。

前記先端壁２４は、前記本体壁２２の外径よりも小さい外径を有し、その先端面（図１では下端面）２４ａにおいては、微小開口２６を囲む。この微小開口２６は、例えば５μｍ〜１００μｍといった微小な直径をもつ開口であり、この開口を前記電界電離電極１０の先端部分が挿通可能である。

この容器２０は、前記電界電離電極１０を径方向外側から囲む内周面２８を有する。この内周面２８は、一定の内径を有する円筒状内周面２８ａと、この円筒状内周面２８ａの前端（図１では下端）から前記微小開口２６に至るまで徐々に縮径する形状の縮径内周面２８ｂとで構成される。

この容器２０に対し、前記電界電離電極１０は、その中心軸が前記内周面２８の中心軸と合致し、かつ、当該電界電離電極１０の先端１６が前記微小開口２６の近傍に位置するように、配置される。具体的には、前記容器２０の背壁２３に前記電極支持体４０を介して前記電界電離電極１０の円柱部１２が連結されることにより、当該電界電離電極１０が当該容器２０に取付けられ、図例では、前記先端１６が当該容器２０の外部に僅かに突出するように、前記容器２０に対する前記電界電離電極１０の取付位置が設定されている。

前記容器２０内には、外部から原料ガスが送入される。この原料ガスは、イオンの原料となるガスであり、常温で気相を保つもの、例えばヘリウムやアルゴン等の不活性ガス、酸素などが用いられる。この実施の形態では、前記本体壁２２の後部（図１では上部）に原料ガス導入口２２ｂが設けられ、この原料ガス導入口２２ｂに配管４２及びその途中に設けられた流量調整弁４４を通じて図略の原料ガス源から前記原料ガスが供給される。この原料ガスは、前記微小開口２６から高い圧力で容器２０の外部に噴射される。

ここで、前記縮径内周面２８ｂのテーパー角αは、当該円錐部１４のテーパー角βよりも大きく設定されている。この設定は、当該縮径内周面２８ｂと前記電界電離電極１０の円錐部１４との間に、前記微小開口２６に向かって徐々に流路面積が減少する原料ガス流路を確保するためのものである。

この微小開口２６からの前記電界電離電極１０の先端１６の突出量δは、前記微小開口２６の近傍の位置であって当該微小開口２６から噴射される原料ガスの圧力が最も高い位置を基準として、この基準位置から僅かに当該原料ガスの圧力が低くなる位置（前記基準位置から僅かに容器２０の外部側に寄った位置）に前記先端１６が位置するような量に設定される。具体的には、電界電離電極１０の軸方向と直交する平面（図１では水平断面）上での前記容器２０の内部空間の面積と前記電界電離電極１０の断面積との差であるガス噴出面積が、当該電界電離電極１０の先端１６又は当該先端１６よりも僅かに基部側（図１では上側）の位置で最小になると共に他の位置では前記最小の面積よりも大きくなるように、前記突出量δが設定されている。

前記原料ガスの流路に関する具体的な形状及び寸法は、適宜設定可能であるが、好適な例としては、前記電界電離電極１０のテーパー角（全角）βが５°、容器２０内での原料ガスの圧力が１００Ｐａ程度である場合、前記縮径内周面２８ｂのテーパー角（全角）αが６０°、微小開口２６の直径が２５μｍ、前記微小開口２６からの前記電界電離電極先端１６の突出量δが５μｍに設定される。

なお、本発明は前記電界電離電極１０の先端１６が前記微小開口２６を通じて容器２０の外部に突出するものに限定されず、例えば当該先端１６が容器２０の内部に位置していてもよい。要は、当該先端１６の付近で原料ガスの圧力がピークになるように当該先端１６が前記微小開口２６の近傍に配置されていればよい。しかし、前記先端１６が容器２０の外部に突出している場合に当該先端１６が後述のようなダメージをより受けやすいので、本発明はより有効となる。

前記対向電極３０は、この対向電極３０と前記電界電離電極１０との間に電圧Ｖが印加されることによって当該電界電離電極１０の先端１６の近傍に電離用の強電界を形成するためのものである。具体的に、前記電界電離電極１０には正の電位が与えられ、その具体的な数値は、前記各寸法の諸元及び要求される電界強度に基いて設定される（一般には最高３０ｋＶまでの範囲内で定められる。）。一方、前記対向電極３０には前記電界電離電極１０の電位よりも低い電位が与えられる（一般には接地される。）。

この実施の形態に係る対向電極３０は、ステンレス鋼等の導電材料からなる厚みが一定の板状をなし、かつ、前記電界電離電極１０の先端１６から照射されるイオンビーム５０を囲む環状をなしている。すなわち、この対向電極３０は前記イオンビーム５０を囲む内周面３２を有している。

さらに、このイオン源は、その特徴として、前記対向電極３０の上面、すなわち、前記容器２０の先端壁２４に対して対向する対向面３１の上に前記微小開口２６の径方向と平行な方向に延びる磁力線を有するような磁場を形成する磁場形成手段を備える。この磁場形成手段は、この実施の形態では、主リング磁石３４と副リング磁石３６とで構成される。

前記主リング磁石３４は、前記対向電極３０の内径よりも大きな内径を有するリング状の永久磁石からなり、その厚み方向の一方にＮ極、他方にＳ極を有する。そして、これらのＮ極及びＳ極が前記イオンビームの軸方向と平行な方向に並ぶ姿勢（図例ではＳ極が上側、Ｎ極が下側となる姿勢）であって、当該主リング磁石３４が前記イオンビームを囲む姿勢で、前記対向電極３０の下面すなわち当該対向電極３０を挟んで前記先端壁２４と反対の側の位置に設けられる。

前記副リング磁石３６は、前記容器２０の本体壁２２の外径と同等またはこれよりも大きな内径を有するリング状の永久磁石からなり、前記主リング磁石３４と同様、その厚み方向の一方にＮ極、他方にＳ極を有する。そして、これらのＮ極及びＳ極が前記イオンビームの軸方向と平行な方向に並ぶ姿勢（図例ではＳ極が上側、Ｎ極が下側となる姿勢）で、当該副リング磁石３６が前記容器２０の本体壁２２を囲む位置（すなわち前記電界電離電極１０を囲む位置であって前記対向電極３０の対向面３１よりも前記容器２０の先端壁２４側の位置）に設けられる。

次に、このイオン源の作用を説明する。

このイオン源を収容する真空槽の内部が真空ポンプにより１×１０^−６Ｐａ程度の高真空状態とされる一方、イオン原料となる原料ガスが配管４２を通じて容器２０内に供給され、この容器２０内の圧力が１００Ｐａに保たれるように前記配管４２の途中の流量調整弁４４の開度が調節される。この原料ガスは、電界電離電極１０の外周面と容器２０の内周面２８との間に形成された原料ガス流路を通じて微小開口２６に至り、この微小開口２６から高い圧力で容器２０の外部に噴射される。

一方、前記電界電離電極１０と前記対向電極３０との間に適当な電圧Ｖが印加されることにより、当該電界電離電極１０の先端１６の近傍に強電界が形成される。従って、前記微小開口２６から噴射される原料ガスは当該強電界を通過し、ここで電界電離作用を受けることによりイオン化する。

このイオン源では、前記原料ガス流路の流路面積が微小開口２６に向かうに従って縮小し、微小開口２６にて最小となるため、当該微小開口２６での原料ガスの圧力は非常に高くなる（例えば１０Ｐａ程度）。つまり、この微小開口２６の近傍で原料ガスの分子密度が高まり、かつ、その近傍に前記電界電離電極１０の先端１６が位置するので、当該先端１６の近傍で効率よく原料ガスがイオン化され、多くのガス分子がイオンビーム５０として放出される。

前記微小開口２６よりも真空側の領域では、噴出した原料ガスの拡散を阻害するものがないので、前記ガス分子は一気に拡散し、これにより急激な圧力降下が生ずる。すなわち、この領域は前記原料ガスのガス分子同士の衝突や当該ガス分子と雰囲気ガスの分子との衝突が生ずる可能性がきわめて低い高真空領域であるため、当該領域でのイオンの消滅またはそのエネルギーの低下が抑制され、このことが高輝度の集束イオンビームの生成を可能にする。

このイオン源において、イオンビーム５０が対向電極３０に当たると、二次電子や負イオンが発生するが、その一方で電界電離電極１０は正電位を与えられているので、前記二次電子や前記負イオン（以下「二次電子等」と称する。）はそのままでは電界電離電極１０側に引き付けられやすく、当該電界電離電極１０の先端１６に衝突することによりその損傷や磨耗を促進するおそれがある。しかしながら、このこのイオン源では、前記主リング磁石３４及び前記副リング磁石３６を含む磁場形成手段が前記対向電極３０の対向面３１上で前記微小開口２６の径方向と平行な方向に延びる磁力線を有するような磁場を形成するため、この磁場が前記二次電子等を捕捉して当該二次電子等が電界電離電極１０の先端１６に衝突するのを有効に抑止する。

図２は、前記両リング磁石３４，３６により形成される磁場の具体例を示したものである。この磁場は、図示のように、対向電極３０の対向面３１の上方において微小開口２６の径方向（図では左右方向）に延びる磁力線を含むため、前記イオンビーム５０が前記対向電極３０に当たることにより生成する二次電子等をその速度が小さいうちに有効に捕捉することができる。詳しくは、前記対向面３１上で中央貫通孔の近傍（図２のＡ部）に径方向の磁力線が形成され、前記二次電子等に作用するローレンツ力が当該二次電子等を前記磁力線に沿うように強制移動させる。

この捕捉効果は、例えば主リング磁石３４のみを設置した場合にも得ることが可能であるが、当該主リング磁石３４と副リング磁石３６との協働により、前記捕捉のためにさらに有効な磁場が形成される。これら主リング磁石３４及び副リング磁石３６は、それぞれ、対向電極３０の裏面（対向面３１と反対側の面）上や容器２０の周囲に設けられるので、いずれも、その存在がイオンビーム５０の形成を阻害することなく前記磁場を形成することができる。

前記図１に示されるイオン源において図２に示すような磁界を形成するものを実施例としてシミュレーションを行った。

この実施例に係るイオン源（実施例）の各構成要素の諸元は次のとおりである。

１）電界電離電極１０
材質：タングステン（イリジウムや低抵抗シリコンでもよい。）
全長：２０ｍｍ
円柱部１２の直径：０．２ｍｍ
先端側部分のテーパー角（全角）β：５°
先端１６の半径：約５０ｎｍ
２）容器２０
材質：アルミナセラミックス（ジルコニウム系セラミックスやガラス等でもよい。）
本体壁２２の外径：３２ｍｍ
縮径内周面２８ｂのテーパー角（全角）α：６０°
容器内圧力：１００Ｐａ
微小開口２６の直径：２５μｍ
微小開口２６からの先端１６の突出量δ：５μｍ
３）対向電極３０
材質：ステンレス鋼
内径：１．５ｍｍ
内周面３２のテーパー角（全角）：４５°
電位：０Ｖ
４）主リング磁石３４
材質：ＮＥＯＭＡＸ４４ＣＨ（商品名）
外径：３０ｍｍ
内径：２０ｍｍ
厚さ：３ｍｍ
５）副リング磁石３６
材質：ＮＥＯＭＡＸ４４ＣＨ（商品名）
外径：４２ｍｍ
内径：３２ｍｍ
厚さ：３ｍｍ
以上の諸元をもつリング磁石３４，３６を用いることにより、図２に示されるような磁力線をもつ磁場が形成される。この磁場では、対向電極３０の対向面３１上においてその開口付近に径方向の磁力線を含んでおり、この磁力線に沿って二次電子や負イオンが強制移動させられることにより、これらが電界電離電極１０の先端１６に衝突することが有効に抑止される。

なお、前記の径方向の磁力線は、前記実施例において副リング磁石３６を省略した場合（主リング磁石３４のみを配置した場合）にも形成することが可能である。その場合に形成される磁場の磁力線を図３に示す。

また、図２及び図３に示す実施例では、副リング磁石３６の内周面が容器２０の本体壁２２の外周面に接触した状態で当該副リング磁石３６が当該容器２０に取付けられるが、当該副リング磁石３６の内周面と当該本体壁２２の外周面との間に適当な隙間があっても、同様の磁力線を得ることが可能である。

１０ 電界電離電極
１６ 電界電離電極の先端
２０ 容器
２２ 容器の本体壁
２６ 微小開口
３０ 対向電極
３１ 対向面
３４ 主リング磁石
３６ 副リング磁石
５０ イオンビーム

Claims (4)

1. 原料ガスを噴射するとともにその噴射する原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するイオン源であって、
   特定の軸方向に沿って延びると共に、尖った先端を有し、正の電位が与えられる電界電離電極と、
   絶縁材料からなり、前記電界電離電極をその径方向の外側から囲む内周面を有するとともに、内部に供給された前記原料ガスを噴射するための微小開口を囲む形状の先端部を有し、その微小開口の近傍に前記電界電離電極の先端が位置するように当該電界電離電極との相対位置が決められる容器と、
   前記容器の外部において当該容器の先端部と対向する位置に設けられ、前記電界電離電極よりも低い電位が与えられることにより前記電界電離電極の先端近傍に電界電離用の電界を形成して前記電界電離電極の軸方向と平行な方向にイオンビームを生成する対向電極と、
   前記対向電極の面のうち前記容器の先端部に対して対向する対向面の上に前記微小開口の径方向と平行な方向に延びる磁力線を有するような磁場を形成する磁場形成手段とを備えたことを特徴とするイオン源。
2. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記磁場形成手段は、Ｎ極及びＳ極を有する永久磁石からなる主リング磁石を含み、この主リング磁石は、そのＮ極及びＳ極が前記イオンビームの軸方向と平行な方向に並び、かつ当該主リング磁石が前記イオンビームを囲む姿勢で、前記対向電極を挟んで前記容器の先端部と反対の側の位置に設けられることを特徴とするイオン源。
3. 請求項２に記載のイオン源において、
   前記磁場形成手段は、前記主リング磁石に加え、Ｎ極及びＳ極を有する永久磁石からなる副リング磁石を含み、この副リング磁石は、そのＮ極及びＳ極が前記イオンビームの軸方向と平行な方向に並び、かつ当該副リング磁石が前記電界電離電極を囲む姿勢で、前記対向電極の対向面よりも前記容器の先端部側の位置に設けられることを特徴とするイオン源。
4. 請求項３記載のイオン源において、
   前記副リング磁石は、前記容器の周囲に設けられることを特徴とするイオン源。

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