JP3305553B2

JP3305553B2 - 高速原子線源

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Publication number: JP3305553B2
Application number: JP32380295A
Authority: JP
Inventors: 隆男加藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 2002-07-22
Anticipated expiration: 2015-11-17
Also published as: EP0774769A1; US5739528A; JPH09145896A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中性のマイクロビ
ームを発生させる高速原子線源に関し、特にサブミクロ
ンオーダーのビーム径を持つ高速原子線を生成すること
ができる高速原子線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンビームを個体に照射し、そこから
生成するイオンを質量分析することによって、試料の組
成や不純物量を調べることが出来るＳＩＭＳ（Ｓeconda
ry Ｉon Ｍass Ｓpectrometry）として知られるこの分
析法は、さまざまな表面分析の中でも最も感度の高い方
法として、半導体や新素材の開発などに広く用いられて
いる。しかしながら、イオンビームは電荷を有している
ために、絶縁体へ照射する場合には電荷が蓄積してビー
ムの偏向による誤差の発生や素子の破壊などを惹起する
場合がある。

【０００３】このイオンビームの代わりに、本発明によ
るサブミクロンの高速原子線を用いると、電荷を持たな
いために試料表面での帯電が抑制され、これまで分析の
難しかったセラミック、プラスチック、有機物といった
絶縁物の分析も容易になり、種々の物質のキャラクタリ
ゼーション解明に威力を発揮できるようになる。さら
に、微細加工用の１次ビームとして用いると、今までサ
ブミクロンの加工が難しかったセラミック、プラスチッ
ク、有機物といった絶縁物のサブミクロン加工や生体の
加工までも容易に加工できるようになる。

【０００４】電荷を持たない中性のマイクロビームを発
生させようとする技術は、ごく最近の技術でまだ完成さ
れていない。従って、その文献や、報告は極めて少な
い。文献の一つは次のものである。"A scanned microfo
cused neutral beam for use in secondary ion mass s
pectorometry" A.J.Eccles,J.A.van den Berg,A.Brow
n,and J.C.Vickerman,J.Vac.Sci.Technol.A4,1888(198
6). この文献では、プラズマタイプのイオン源から導
出したガスイオンを中性化して用いており、ビーム径は
５ミクロン程度である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術においては、未だビーム径が大きいとい
う問題があり、精密な測定や加工の目的には不充分であ
った。この背景としては、従来中性化が試みられている
のは、核融合におけるエネルギー注入のための中性ビー
ムを作るための大電流、大口径ビームのための中性化で
あり、細径イオンビームに関する実績は少ないことがあ
る。中性化したビームを制御するのは難しいので、細径
の中性化ビームを得るには、細径のイオンビームを発生
させてこれを中性化させる方法が採られるが、中性化さ
せる物質との衝突断面積が決まっているので細径のイオ
ンビームを効率良く中性化させるのは困難であった。

【０００６】本発明は、上記の課題に鑑み、１μｍ以下
のビーム径の高速原子線を効率良く得ることができる高
速原子線源を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、
液体金属をイオン化して金属イオンを発生させるイオン
源と、このイオン源からのイオンの流れを制御する制御
電極系と、イオンビーム経路に配置された中性化室とを
備え、上記中性化室には、内部の雰囲気中にイオン種の
金属と同族の金属を含む中性化ガスを供給する中性化ガ
ス供給手段が設けられていることを特徴とする高速原子
線源である。

【０００８】液体金属イオン源より放出されるイオンの
ソースサイズは数１０ｎｍ程度と微小であり、これを適
当な制御電極で目的に応じてサイズや集束条件を調整し
て流れを整え、雰囲気中に金属を含むガスを保有する中
性化室で効率良く中性化して試料に照射する。制御電極
系としては、コンデンサレンズ、アライメント電極、ス
ティグメータ、ブランキング電極、対物絞り、対物レン
ズ、偏向電極等が含まれる。

【０００９】請求項１に記載の発明によれば、族の異な
る金属よりも一般に中性化効率が良いことが分かった。
請求項２に記載の発明は、上記中性化ガス中の金属は、
イオン種の金属と同種であることを特徴とする請求項１
に記載の高速原子線源である。この場合は、同族中でも
特に中性化効率が良いことが分かった。請求項３に記載
の発明は、上記中性化ガスは金属蒸気を含むことを特徴
とする請求項１又は２に記載の高速原子線源である。請
求項４に記載の発明は、上記中性化ガスは有機金属ガス
を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
記載の高速原子線源である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
１から図９によって説明する。図１は、本発明の高速原
子線源の一例を示す概略図であり、ヒータ１ａを備えた
液体金属イオン源１、電界放出によりイオンを放出させ
る引き出し電極２、対物絞り７に入射するイオンの入射
角を変えて通過するイオン電流を制御するコンデンサレ
ンズ３、ビーム照射を中断するときにイオンビームを偏
向させるブランキング電極４、イオンビーム断面が円形
でないために生じる非点収差を補正するためのスティグ
メータ５、イオンビームを微小な対物絞りを通過させる
等のために微動させるアライメント電極６、対物絞り
７、イオンビームをラスタースキャンするための偏向電
極８、イオンビームを試料上にフォーカスするための対
物レンズ９、後述するニュートラライザ（中性化装置）
１０、試料ステージ１１が一直線上に配置されて構成さ
れている。１２は、試料からの２次電子を収集する２次
電子増倍管である。また、イオンを所定の加速電圧に設
定するための加速電源、ヒータ１ａを加熱するためのヒ
ータ電源、イオンビームを引き出し、所定のエミッショ
ン電流に設定するための引き出し電源、対物レンズの電
圧を制御するためのレンズ電源などの必要な高電圧源
（図示略）が付設されている。

【００１１】液体金属イオン源１より放出されるイオン
のソースサイズは数１０ｎｍ程度であることが知られて
おり、静電レンズで等倍に投射しても、容易に５０ｎｍ
程度のビーム径のイオンビームが得られる。このイオン
は、コンデンサレンズ３によって対物絞りを通過するイ
オン電流をコントロールされた後、対物レンズにて試料
ステージ１１上のサンプル上に集束させ、後述のニュー
トラライザ１０を通過させることによってサブミクロン
の高速原子線を発生させる。

【００１２】図２は、ニュートラライザ１０の概略を示
すもので、イオンビームの経路の途中に設けられた中性
化室２３を有し、これには、それぞれ径が０.５ｍｍφ
の上部細穴２８と下部細穴２９が設けられている。これ
らの細穴はそれぞれターボ分子ポンプなどを備えた排気
系に接続されて差動排気され、室内の圧力が１０^ー3Ｔｏ
ｒｒ程度に保持される。２１は、直流電界によりビーム
軸を調整してこれらの細穴に導く偏向器である。これら
の細穴２８，２９は同時にイオンビームの入射口であ
り、中性ビームの出口でもある。中性化室２３の中に
は、金属イオン源と同種の金属を所定量擁してこれを加
熱し、蒸発させるためのヒータ２６が設けられており、
金属蒸気の圧力は差動排気により１０^ー3Ｔｏｒｒ台に調
整される。中性化室２３の出口側には、ビーム中に残留
したイオンを直流電界により除去するためのイオン除去
用偏向器２４が設けられている。

【００１３】このような装置において、液体金属イオン
源１に、加速電源により所定の電圧に設定した後、ヒー
タ１ａにヒータ電源で通電加熱し、搭載した金属の融点
以上の温度に上げる。そして、引き出し電源にて引き出
し電極２に３〜７ＫＶの高電圧を印加すると、先端半径
５〜１０μｍの針状陽極の先端で溶融金属の表面張力と
静電気力がつり合って、テイラーコーンと呼ばれる頂角
９８．６度の円錐形状に溶融金属が成長する。そしてそ
の先端より電界放出によって金属イオンが真空中に放出
される。放出された金属イオンビーム２２は、ニュート
ラライザ１０の上方のイオン光学系α制御電極で集束偏
向され、ＸＹ偏向器２１（図には４個の電極の内の１個
を示す）に付与された直流電界によってイオンビーム軸
が調整されて、中性化室２３の上部細穴２８に導かれ
る。

【００１４】上部細穴２８より中性化室２３に導かれた
イオンビームは、ヒータ２６によって十分高温に加熱さ
れた金属２７の蒸気と接触する。するとイオンは、金属
蒸気との電荷交換反応により、エネルギーを失なうこと
なく中性化して再び原子に戻る。イオンと金属蒸気との
接触はイオンの運動エネルギーを大幅に変えてしまうほ
どのものではなく、運動エネルギーの損失も無視できる
ために、イオンの持っていた運動エネルギーはほとんど
損失することなく原子に受け継がれる。この様にして大
きな運動エネルギーを有する原子が生成される。

【００１５】加速電圧が２０ＫＶの時には、イオンの運
動エネルギーはほぼ２０ＫｅＶとなるから、発生する高
速原子のエネルギーもほぼ２０ＫｅＶとなる。この様に
発生した高速原子がビームとなって下部細穴２９から放
出される。放出された高速原子線中に混入している中性
化されなかったイオンは、０.５ｍｍφの下部細穴２９
の下部のイオン除去用の偏向器２４によって除去され、
最終的に、サブミクロンの集束高速原子線２５のみが直
径１ｍｍφのイオン除去用のカバーの下穴３０より放出
され、試料に照射される。

【００１６】上記コンデンサレンズ３と対物レンズ８の
集束条件を変えると、高速原子線のスポットサイズとビ
ーム量を調節し、これをイオンビームのビーム径と同程
度に絞ることが出来る。また偏向電極９にＸＹ軸のイオ
ンビームの掃引用高周波信号を印加すると、高速原子線
も掃引される。さらにイオンビームの加速電源を調節す
ると、高速原子線のエネルギーも自由に設定することが
できる。

【００１７】また、試料は試料ステージ１１より電気的
に絶縁されており、試料に流入した電流あるいは試料か
ら放出する２次電子流や２次イオン流を測定することが
出来る。さらに、放出された２次電子を２次電子増倍管
１２で収集して、増幅器を通してディスプレイ上に導い
てＸＹ軸の掃引信号と同期させると、２次電子像を観察
することが出来る。

【００１８】図３は、ニュートラライザ１０の別の実施
の形態を示している。これは、中性化室２３と管３２に
よってつながった坩堝３１を中性化室２３の外側に設
け、この坩堝３１にヒータ２６を設けたもので、坩堝３
１中のガリウム金属２７をヒータ２６で加熱して中性化
室２３に供給する構造としたものである。坩堝３１に、
多量のガリウム金属を貯留することができるので、長時
間安定にガリウム金属蒸気を中性化室２３に供給するこ
とが出来る。

【００１９】図４は、さらに別のニュートラライザ１０
の実施の形態を示すもので、中性化室２３に、水素化ガ
リウムやトリメチルガリウムなどの有機金属ガス源４０
を、ガス配管４１及び弁４２を介して接続し、有機金属
ガスを真空外から導入する構造としたものである。こう
することによつて、真空を破って金属を補充することな
しに、従って、真空を破ることによる電子光学系の再調
整の必要もなく、長時間安定に高速原子線源を動作させ
続けることが出来る。

【００２０】なお、上記の実施例では、イオン種と中性
化のための金属蒸気又は有機金属ガスの金属種を同じガ
リウム同士の組み合わせとした。しかし、異種金属であ
っても中性化の効率を上げる組み合わせであれば、同様
の効果が得られ、本実施例で開示した組み合わせは本発
明の本質になんら制限を当てるものではない。この場
合、イオン種と同族である金属であると中性化効率が高
いことが分かっている。また、液体金属イオン源では、
共晶合金を使ったイオン源も使われているが、この場合
には共晶合金の蒸気を用いることもできる。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の高速原子線源の動作を確認す
るために、図１及び図２の装置を用い、試料に銅（Ｃ
ｕ）メッシュ（４００メッシュ、線径約２５μｍ）を置
き、これにガリウム（Ｇａ）の高速原子線を照射したと
きの２次電子像を、比較例としてイオンビームを照射し
た場合とともに説明する。図５は、中性化室２３中のヒ
ータ２６とイオン除去用の偏向器２４をＯＦＦにして、
集束イオンビーム２２をそのまま中性化室を通過させた
ときのイオンビームのみによる２次電子像である。図６
は、この状態からイオン除去用の偏向器２４をＯＮにし
たときの２次電子像である。偏光器２４の作用でイオン
ビームがイオン除去用のカバー下穴３０を通過できなく
なるため、２次電子像が消える。

【００２２】図７及び図８は、上記の状態を観察した
後、中性化室２３中のヒータ２６をＯＮにしたときの２
次電子像を示している。イオンは偏向器２４に入る直前
に電気的に中性な原子になるため、偏向器２４の作用を
受けることなく試料に入射し、再び２次電子像が観察さ
れるようになる。図７及び図８の２枚の写真は、ヒータ
電流を２.０Ａ及び２.２Ａに調節し、ガリウム金属蒸気
の圧力を増加させたときのメッシュの２次電子像の変化
を示している。

【００２３】図９は、最終的にヒータ電流を３.５Ａに
調節したときのガリウム高速原子線による２次電子像の
写真である。ガリウムイオンによる２次電子像と比較す
ると、像の解像度がイオンによるそれと同程度であるこ
とから、高速原子線の集束性もイオンビームと同程度で
あことが分かる。すなわち、ニュートラライザ１０が細
いイオンビームを効率良く中性化しており、エネルギー
ビームとしての能力がイオンビームに匹敵する実用性の
高い高速原子線が生成されていることが分かる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高速原子
線源によれば、液体金属イオン源より放出される微小な
サイズのイオンビームを雰囲気中に金属を含むガスを保
有する中性化室で効率良く中性化することにより、これ
まで分析の難しかったセラミック、プラスチック、有機
物といった絶縁物の分析を高精度で容易に出来るように
なり、物質のキャラクタリゼーション解明に威力を発揮
する。さらに、微細加工用の１次ビームとして用いる
と、今までサブミクロンの加工が難しかったセラミッ
ク、プラスチック、有機物といった絶縁物のサブミクロ
ン加工や生体の加工までも容易に加工できるようになる
という優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高速原子線源の一例を示す斜視図であ
る。

【図２】図１のニュートラライザの部分を拡大して示す
概略図である。

【図３】本発明に使用されるニュートラライザの別の例
を示す概略図である。

【図４】本発明に使用されるニュートラライザのさらに
別の例を示す概略図である。

【図５】ガリウムイオンによる金属試料の表面構造を示
す２次電子像の写真である。

【図６】ガリウムイオンを除去したときの金属試料の表
面構造を示す２次電子像の写真である。

【図７】ガリウム高速原子線によるヒータ電流２．０Ａ
のときの金属試料の表面構造を示す２次電子像の写真で
ある。

【図８】ガリウム高速原子線によるヒータ電流２．２Ａ
のときの金属試料の表面構造を示す２次電子像の写真で
ある。

【図９】ガリウム高速原子線によるヒータ電流３．５Ａ
のときの金属試料の表面構造を示す２次電子像の写真で
ある。

【符号の説明】

１液体金属イオン源２引き出し電極３コンデンサレンズ４ブランキング電極５スティグメータ電極６アライメント電極７対物絞り８走査用偏向電極９対物レンズ１０ニュートラライザ１１試料ステージ１２２次電子増倍管２１軸位置調整用ＸＹ偏向器２２集束イオンビーム２３中性化室２４イオン除去用偏向器２５集束高速原子線２６ヒータ２７ガリウム金属２８上部細穴２９下部細穴３０カバー下穴３１坩堝３２管４０有機金属ガス源４１ガス配管４２弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−324238（ＪＰ，Ａ) 特開平６−308300（ＪＰ，Ａ) 特開平３−145038（ＪＰ，Ａ) 特開平２−105099（ＪＰ，Ａ) 特開平５−144408（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−128527（ＪＰ，Ａ) 特開平２−44300（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−195599（ＪＰ，Ａ) 特表平３−500829（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21K 1/00 G21K 1/14 H05H 3/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】液体金属をイオン化して金属イオンを発
生させるイオン源と、このイオン源からのイオンの流れを制御する制御電極系
と、イオンビーム経路に配置された中性化室とを備え、上記中性化室には、内部の雰囲気中にイオン種の金属と
同族の金属を含む中性化ガスを供給する中性化ガス供給
手段が設けられていることを特徴とする高速原子線源。
【請求項２】上記中性化ガス中の金属は、イオン種の
金属と同種であることを特徴とする請求項１に記載の高
速原子線源。
【請求項３】上記中性化ガスは金属蒸気を含むことを
特徴とする請求項１又は２に記載の高速原子線源。
【請求項４】上記中性化ガスは有機金属ガスを含むこ
とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高
速原子線源。