JP2013008471A - Gas ion source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は例えば集束イオンビーム(FIB)装置などのイオンビームを用いた加工用装置や、走査イオン顕微鏡などの分析装置などに用いられる微小径イオンビーム発生用のイオン源に関するものであり、その中でもイオンの生成手段として電界電離を用いるイオン源に関する。 The present invention relates to an ion source for generating a small-diameter ion beam used in, for example, a processing apparatus using an ion beam such as a focused ion beam (FIB) apparatus or an analysis apparatus such as a scanning ion microscope. The present invention relates to an ion source using field ionization as a means for generating ions.
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、近年、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。また、液体金属イオン源では得られるイオン種に制限があり、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、液体金属イオン源よりガス相の電界電離型イオン源が適している。このガス相の電界電離型イオン源は、圧力が10-1 Pa程度のガス中で、その先端部半径が5nm 〜100nm程度に尖らされた金属の針状電極に50 〜 60V/nm程度の強電界を加えることで、針状電極の先端部近傍のガス分子を電界電離現象によりイオンと電子に分離し、イオンビームを得ることができる。このようなイオン源において発生するイオンビーム電流Iは、(1)式に示すようにガスの圧力Pに比例し、温度Tの2分の3乗に反比例する。
I ∝ P /T3/2 - - - - - - - - - - - - - - - (1)
Since the development of the liquid metal ion source, in the fields of the semiconductor industry and the like, in recent years, the application of the ion beam finely focused to submicron or less has been rapidly spreading. In addition, there are limitations on the ion species that can be obtained with a liquid metal ion source. In particular, when obtaining a focused ion beam such as an inert gas such as argon or oxygen, a gas phase field ionization ion source is more suitable than a liquid metal ion source. Is suitable. This gas-phase field ion source is a metal needle-like electrode whose tip radius is pointed to about 5 to 100 nm in a gas having a pressure of about 10 −1 Pa, and a strong force of about 50 to 60 V / nm. By applying an electric field, gas molecules near the tip of the needle electrode can be separated into ions and electrons by the field ionization phenomenon, and an ion beam can be obtained. The ion beam current I generated in such an ion source is proportional to the gas pressure P as shown in the equation (1) and inversely proportional to the third power of the temperature T.
I ∝ P / T 3/2--------------- (1)
通常、イオン源ではイオン化後のイオンの消滅を最小限に抑えるため、このイオンを、10−3〜 10−6 Pa程度の高真空容器内を飛行させる。したがって、容器内のガス圧力Pを大きくすることは不可能である。このため、従来技術では、ガス温度Tを数十K程度まで低くしてイオンビーム電流Iを大きくして、放出イオンの輝度を高めるような装置構成となっていた。 Usually, in an ion source, in order to minimize the disappearance of ions after ionization, the ions are caused to fly in a high vacuum chamber of about 10 −3 to 10 −6 Pa. Therefore, it is impossible to increase the gas pressure P in the container. For this reason, in the prior art, the device configuration is such that the gas temperature T is lowered to about several tens of K and the ion beam current I is increased to increase the brightness of emitted ions.
この放出イオン、すなわちイオンビームの輝度を高める従来のイオン源として、例えば、特許文献1(図2参照)に示されたように、針状のエミッタ(電界電離電極)1の軸線上に位置させた開口3を有する対向電極2とを具えて、イオン化室5に原料ガス4を導入することにより、エミッタ1の先端からイオン6を放出するようにし、エミッタ1の先端が対向電極2の内側面から外側に2mm程度(図示の寸法b)突出するように配置した、イオンビーム露光装置の電界電離型イオン源が開示されている。このイオン源では、エミッタ1の先端が、前記のように突出しているため、エミッタ1周辺のガス圧力は、エミッタ1の先端部の基部で高くても先端部で低くなっており、イオン化室5内のガス圧力を高めても、高電界中で分極したガス分子の衝撃によるエミッタ1先端部の温度上昇が小さくなり、イオン化するガス分子の供給が阻害されず、放出イオンの輝度を高めることが可能であると述べられている。
As a conventional ion source for increasing the brightness of the emitted ions, that is, the ion beam, for example, as shown in Patent Document 1 (see FIG. 2), it is positioned on the axis of a needle-like emitter (field ionization electrode) 1. In addition, the
また特許文献2に示すように電界電離電極とイオン源容器に設けた微小開口の周りの開孔部電極とを同電位とし、外部電極を容器外に置き、電界電離電極を容器外に出すことで極低温の冷却が不要であり、簡易な装置構造で、高輝度かつビーム集束の効率がよいイオンビームが得られるイオン源を提供することが可能であることを示すものもある。
In addition, as shown in
また特許文献3においては、イオン源容器の電界電離電極先端付近の形状を工夫し、またその材料として、比誘電率(以降ε)が5以上、特に9以上の高誘電体材料、具体的にはアルミナ系セラミックスを用いることで、針状電極先端部の電界強度が向上し、針先に与える電圧に対して高効率に電解強度が得られることを示している。
In
また特許文献4においては、外部電極の位置をイオン源容器に接触させ、電界電離電極の先端部付近に近づけることで、針先付近の電界強度を上げることが可能であることを示している。
しかしながら、従来技術による改善、改良においてもなお未解決の課題が残されている。すなわち、これらの従来技術においても、イオンビームの高輝度化に焦点を当てて電界電離電極の針先付近の電界強度を確保するため、イオン源容器としてアルミナなどの高誘電体材料の使用を推奨しているが、このεが大きい高誘電体材料でイオン源容器を構成した場合、高速で噴射される原料ガスのイオン化によるイオンビームの生成に伴ってイオン源容器自体が正に帯電する(チャージアップ)問題がある。 However, there are still unsolved problems in the improvements and improvements of the prior art. That is, in these conventional technologies, it is recommended to use a high dielectric material such as alumina as the ion source container in order to secure the electric field strength in the vicinity of the needle tip of the field ionization electrode by focusing on increasing the brightness of the ion beam. However, when the ion source container is made of a high dielectric material having a large ε, the ion source container itself is positively charged as the ion beam is generated by ionization of the source gas injected at high speed (charge). Up) There is a problem.
これは、針状の電界電離電極の先端部にてイオン発生後、下流にむかってイオンが加速されたイオンがアパーチャ等の対象物に衝突し、対象物から2次電子が放出され、この2次電子は、正電圧を印加している針状の電極に向かって逆流する現象が起き、この逆流してきた電子の一部がイオン源容器に当たり、この衝撃によってイオン源容器の表面からさらに2次電子が放出するといった現象が繰り返されることになるからである。そして、アルミナなどの高誘電体材料は2次電子放出係数(以降γとする)が高いため、イオン源容器から放出される2次電子が、逆流して衝突した電子の何倍もの量に達する。
このようにして、イオン源容器は徐々に正に帯電して行き、この結果、電界電離電極の針先付近の電界強度が低下したり、不安定となり、また電極の針先の形状変化を引き起こすなど、高輝度の安定したイオンビームの生成に支障を来たすことになる。
This is because after ions are generated at the tip of the needle-shaped field ionization electrode, ions whose ions are accelerated toward the downstream collide with a target such as an aperture, and secondary electrons are emitted from the target. The secondary electrons reversely flow toward the needle-like electrode to which a positive voltage is applied, and a part of the backflowed electrons hits the ion source container. Due to this impact, secondary electrons are further secondary from the surface of the ion source container. This is because the phenomenon of electron emission is repeated. In addition, since a high dielectric material such as alumina has a high secondary electron emission coefficient (hereinafter referred to as γ), the secondary electrons emitted from the ion source container reach many times the number of electrons colliding in reverse flow. .
In this way, the ion source container gradually becomes positively charged, and as a result, the electric field strength near the needle tip of the field ionization electrode decreases or becomes unstable, and causes a change in the shape of the needle tip of the electrode. For example, this may hinder the generation of a stable and high-brightness ion beam.
そこで、本発明ではこうした事情に鑑み、イオン源容器のチャージアップに伴う同容器表面からの2次電子の放出を抑制、防止し、電界電離電極の先端近傍の電界強度の低下や不安定化もたらすことなく長期に亘って継続して高輝度の安定したイオンビームを生成することが可能なガスイオン源を提供することをその課題としたものである。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention suppresses and prevents the emission of secondary electrons from the surface of the ion source container due to charge-up, resulting in a decrease or instability of the electric field strength near the tip of the field ionization electrode. An object of the present invention is to provide a gas ion source that can continuously generate a high-brightness stable ion beam without a long period of time.
本発明は、上記課題を解決するための具体的手段として、以下のガスイオン源を提案する。
(1)高誘電体材料で構成され、供給された原料ガスをその微小開口を通じて外部に噴射するイオン源容器と、前記イオン源容器の内部にあってその先端が同容器の前記微小開口に配置された電界電離電極と、前記イオン源容器の外部に配設された外部電極とからなり、前記電界電離電極と前記外部電極との間に電圧を印加して電界電離電極の先端近傍に電界を形成し、前記イオン源容器の微小開口より噴射され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ガスイオン源において、前記電界電離電極の先端に近い領域に位置する、イオン源容器の一部の表面、前記外部電極の一部若しくは全部の表面、または同外部電極の全部を二次電子放出抑制材で構成したことを特徴とするガスイオン源(請求項1)。
(2)前記二次電子放出抑制材の二次電子放出係数が2以下である請求項1に記載のガスイオン源(請求項2)。
(3)前記二次電子放出抑制材の二次電子放出係数が0.5〜1.5である請求項2に記載のガスイオン源(請求項3)
(4)前記二次電子放出抑制材が薄膜である請求項1〜3のいずれかに記載のガスイオン源(請求項4)。
(5)前記イオン源容器がその微小開口を形成する内周側先端部を有するとともに、前記外部電極が、同容器の前記内周側先端部の外周部に一体的に配設されたものにおいて、前記二次電子放出抑制材の薄膜が、前記イオン源容器の内周側先端部の前面及び/または内周面及び/または前記外部電極の前面に被覆されてなる請求項4に記載のガスイオン源(請求項5)。
The present invention proposes the following gas ion source as a specific means for solving the above problems.
(1) An ion source container that is made of a high dielectric material and injects the supplied source gas to the outside through the minute opening, and the tip of the ion source container is disposed in the minute opening of the container. A field ionization electrode and an external electrode disposed outside the ion source container. A voltage is applied between the field ionization electrode and the external electrode to cause an electric field near the tip of the field ionization electrode. In a gas ion source that is formed and generates an ion beam by field ionizing a source gas injected from a minute opening of the ion source container, the ion source container is located in a region near the tip of the field ionization electrode. A gas ion source characterized in that the surface of a portion, the surface of a part or all of the external electrode, or the entire external electrode is made of a secondary electron emission suppressing material (Claim 1).
(2) The gas ion source according to
(3) The gas ion source according to
(4) The gas ion source according to any one of
(5) The ion source container has an inner peripheral tip that forms the minute opening, and the external electrode is integrally disposed on the outer peripheral part of the inner peripheral tip of the container. 5. The gas according to
本発明のガスイオン源によれば、上記解決手段によりイオン源容器のチャージアップ及びこれに伴って発生する同容器表面からの2次電子の放出を有効に抑制、防止することができるから、アルミナなどの高誘電体材料をイオン源容器として用いた場合においても、電界電離電極の先端近傍の電界強度の低下や不安定化もたらすことなく長期に亘って継続して高輝度の安定したイオンビームを生成することが可能であるという優れた効果を奏する。 According to the gas ion source of the present invention, the above solution can effectively suppress and prevent the charge-up of the ion source container and the emission of secondary electrons generated from the surface of the ion source container. Even when a high-dielectric material such as is used as an ion source container, a stable, high-brightness ion beam can be produced over a long period of time without lowering or destabilizing the electric field strength near the tip of the field ionization electrode There is an excellent effect that it can be generated.
本発明について、その実施形態を中心に図面を参照しながら以下に説明して行くことにする。 The present invention will be described below with reference to the drawings focusing on the embodiments.
図1は本発明ガスイオン源の典型的な実施形態1に関する構成を示したもので、本実施形態を参照して本発明の概要並びに特徴を含めてその構成を全体的に詳述する。
FIG. 1 shows a configuration relating to a
本発明のガスイオン源の前提となる基本構成は、同図1のように、ベース7に固設され、その内部先端に5〜100μmの微小開口Oを有するノズル状のイオン源容器(本体)1と、原料ガス制御手段5を備えてこのイオン源容器1に接続された原料ガス供給管2と、同容器1の内部中心の軸線方向に沿って設けられ、その先端が前記微小開口Oに挿通して配置された針状の電界電離電極2と、外部電極である対向電極3と、これら電界電離電極2と対向電極3の間に電圧を印加する強電界印加用電源6とから成っている。また、これらは図示しないが真空槽に設置され、1×10-6Pa前後の高真空状態に保たれる。
As shown in FIG. 1, the basic configuration of the gas ion source of the present invention is a nozzle-like ion source container (main body) fixed to the
こうした基本構成を有する電界電離型のガスイオン源により、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを原料ガスとして原料ガス供給管4からイオン源容器1に供給し、上記両電極2、3間に電圧を印加すると、電界電離電極2の先端近傍に数10V/nmの強電界が形成され、原料ガスは高真空中で電離して微小開口Oを起点とする高速のイオンビーム8が連続的に前方(図では下方)に引き出されて得られる。
With an ionization gas ion source having such a basic configuration, an inert gas such as helium or argon is supplied as a source gas from the source
イオン源容器1はアルミナ、ジルコニア、高純度シリコン、ガラスなどの好ましくはεが5以上の高誘電体材料を使用する。ところで、前述したようにイオン源容器1として高誘電体材料を用いた場合、容器1がチャージアップして、同容器1の表面より、二次電子が電界電離電極2の先端に大量に放出、逆流する問題が生じる。
The
本発明は、この問題を解決するため、電界電離電極2の先端に近い領域に位置する、イオン源容器1や外部電極2の表面などを、二次電子放出抑制材で構成し、容器1の二次電子によるチャージアップ並びに容器1からの二次電子の放出を阻止することをその重要な特徴とするものである。
In order to solve this problem, the present invention is configured such that the surface of the
この二次電子放出抑制材は文字通り、二次電子放出を抑制できるものであれば如何なる材料を選択しても良いが、その二次電子放出係数(γ)が2以下、特に0.5〜1.5の値を有する材料が好ましい。これに該当する具体的材料としては、TiN、Cr2O3、Ti、Al、Si、Ni、Cu、Ba、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)などを挙げることができる。 Any material can be selected as the secondary electron emission suppressing material as long as it can suppress the secondary electron emission, but the secondary electron emission coefficient (γ) is 2 or less, particularly 0.5 to 1. A material having a value of .5 is preferred. Specific materials corresponding to this include TiN, Cr 2 O 3 , Ti, Al, Si, Ni, Cu, Ba, DLC (diamond-like carbon), and the like.
また、これら材料は薄膜の形態は、容器及びまたは外部電極の必要箇所、部分の表面に予めPVD、CVDなどのコーティング手段により成膜することにより実現できる。特にコーティング手段としてはスパッタリンッグを採用することが好適である。例えばアルミナ製の容器(ノズル)を対象としてこれにTINを成膜する際はTiをターゲットとし、アルゴンガス、窒素ガス雰囲気下で直流放電させ、反応性スパッタリンッグ法によりアルミナ表面に直接コーティングすることが望ましい。
そこで、図1に示す本実施形態においては、対向電極3がイオン源容器1の微小開口Oを形成する内周側先端部1-1の外周部が一体的に配設されたタイプで、この内周側先端部1-1の前面a(図では下面)及び内周面bが二次電子放出抑制材、例えばTINからなる薄膜Ta及びTbで構成されている。この内周側先端部1-1は電界電離電極2の先端に最も近く位置(電極先端近傍)し、電極2に正の電圧が印加されており、且つアパーチャなどから逆流した二次電子が集中的にここに衝突するところからこの部分が最も帯電しやすい容器1の領域となり、とりわけ、前面aを二次電子放出抑制材の薄膜Taで構成することが重要且つ必須となる。
Further, these materials can be realized in the form of a thin film by previously forming a film on the surface of the container and / or the necessary portion or portion of the external electrode by a coating means such as PVD or CVD. In particular, it is preferable to employ sputtering as the coating means. For example, when a TIN film is formed on an alumina container (nozzle), Ti is used as a target, and direct current discharge is performed under an atmosphere of argon gas or nitrogen gas, and the alumina surface is directly coated by a reactive sputtering method. desirable.
Therefore, in the present embodiment shown in FIG. 1, the
ここに適用される薄膜の厚みについて検討すると、二次電子が10kV前後で入射する標準的な条件においては、上記薄膜Ta及びTbの厚みは、2nm以上とすることが好ましい。2nm以上の厚みにすることで電極先端近傍の導電性が確保され、電界強度を向上させることができる。 Considering the thickness of the thin film applied here, the thickness of the thin films Ta and Tb is preferably 2 nm or more under standard conditions where secondary electrons are incident at around 10 kV. By setting the thickness to 2 nm or more, the electrical conductivity in the vicinity of the electrode tip can be secured, and the electric field strength can be improved.
次に、図2に示す実施形態2は、前記図1の実施形態1の領域に加えて、容器1の内周側先端部1-1の外周部に一体的に配設された対向電極3の前面c(図では下面)も二次電子放出抑制材の薄膜Tcで構成されている例である。ここに適用される薄膜Ta、Tbの厚みは前実施形態1と同様に2nm以上とすることが好ましい。対して、針先から離れたTcにおいては2nm以下とし、電子放出係数を1に近づけてチャージアップの可能性を極力防ぐことが好ましいと考えられる。
Next, in the second embodiment shown in FIG. 2, in addition to the region of the first embodiment shown in FIG. 1, the
また、図3に示す実施形態3は前記実施形態の変形例で、容器1の内周側先端部1-1の前面aと容器1一体的に配設された対向電極3の前面cに二次電子放出抑制材の薄膜Taと薄膜Tcが構成され、内周面bは薄膜を有さない例である。ここでも同じく、適用される薄膜Taの厚みは2nm以上とし、対してTcでは2nm以下とすることが好ましい。
In addition,
次に、図4に示す実施形態4は、対向電極3が前記実施形態1〜3 のように容器1に一体的に配設されたものでなく、その少し前方(図では下方)に独立して設置されたタイプのものであって、容器1の内周側先端部1-1の前面aと、その外周部の全面dが二次電子放出抑制材の薄膜Taと薄膜Tdで構成されている例である。ここに適用される薄膜Taに関しては前記実施形態1〜3と異なり、2nm未満とすることが好ましい。これは膜厚を2nm以上に厚くすると導電性を有し、電極2の先端部の電界強度を低下させることになるためである。対して、Tdについては他の構成とおなじく2nm以下としてチャージアップを防ぐのが好ましい。
Next,
次に、図5に示す実施形態5は、前記図4の実施形態4の領域に加えて、さらに独立した対向電極3の全表面eが二次電子放出抑制材の薄膜Teで構成されている例である。この実施形態は容器1の前方に位置する対向電極3の全表面eが薄膜を有するため、アパーチャから逆流してくる二次電子自体が容器1に到達するのを抑止する効果も併せ持っている。この実施形態に適用される薄膜については前記実施形態1〜3と同じ考え方に基づき、電極先端近傍の導電性を確保して電界強度を上げる意味で、2nm以上とすることが好ましい。一方、薄膜Teについては二次電子の跳ね返りや針先での電界強度低下を防ぐため、2nm未満とすることが望ましい。
Next, in the fifth embodiment shown in FIG. 5, in addition to the region of the fourth embodiment shown in FIG. 4, the entire surface e of the
さらに、図6に示す実施形態6は、図3の前記実施形態3においては容器1に一体的に配設された対向電極3の前面cに薄膜Tcが構成されていたが、これに替えてその表面だけでなく対向電極3そのものを薄膜Tdで構成した例である。この場合のTaは2nm以上とし、対してTdの厚みは二次電子の跳ね返りを考慮して2nm未満とすることが望ましい。
Further, in the sixth embodiment shown in FIG. 6, the thin film Tc is formed on the front surface c of the
1:イオン源容器(本体)1-1:内周側先端部 2:電界電離電極
3:対向電極(外部電極) 4:原料ガス供給管 5:原料ガス制御手段
6:強電界印加用電源 7:ベース 8:イオンビーム
O:微小開口
Ta、Tb、Tc、Td:薄膜(二次電子放出抑制材)
1: Ion source container (main body) 1-1: inner peripheral tip 2: field ionization electrode 3: counter electrode (external electrode) 4: source gas supply pipe 5: source gas control means 6: power source for applying a strong electric field 7 : Base 8: Ion beam O: Minute aperture Ta, Tb, Tc, Td: Thin film (secondary electron emission suppressing material)
Claims (5)
The ion source container has an inner peripheral tip that forms the minute opening, and the external electrode is integrally disposed on the outer periphery of the inner peripheral tip of the container. 4. The gas ion source according to claim 3, wherein a thin film of a secondary electron emission suppressing material is coated on a front surface and / or an inner peripheral surface of the ion source container and / or a front surface of the external electrode.
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