JPH01154446A - イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イオンビーム装置、特にエミッタの長寿命化
を可能にしたイオンビーム装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、針状ニスツタの周囲に気体イオン源を供給し
、エミッタと引出し電極との間に高電圧を印加すること
によってイオンビームをエミッタ先端から発生させるイ
オンビーム装置において、エミッタを少なくとも一部を
導電材で形成した筒状部材で囲繞し、エミッタ先端を筒
状部材の先端から突出させて筒状部材により気体イオン
源をエミッタの周囲に供給することによって、エミッタ
先端部の近傍におけるガス圧を高めて高輝度化を可能に
するのと共に、筒状部材表面への２次電子による帯電を
低減して放電によるエミッタ損傷を回避してエミッタの
長寿命化を可能にしたものである。

〔従来の技術」 第６図に集束イオンビーム装置の概略をネオ。

この装置は、イオンガン（ａ）と集束レンズ系（ｂｌと
偏向電極（Ｃ）の３部・分から分けられる。イオンビー
ム装置は例えば発生したイオンビームによりサンプル上
に任意のパターンを形成するために用いられるが、この
場合、一般にパターニングを行うサンプル（ｄ、）はス
テージ上に置かれ、任忌の図形をイオンビームによって
描く。その時のスルーブツトは、イオンビームのプロー
ブ電流に強く影響され、プローブ電流を増加してスルー
ブツトを増加させようとする場合イオンガンの高輝度化
（単位面積当りのイオンビームの電流密度）も一つの重
要な条件である。なお図中（１）はエミッタ、（２）は
引出し電極、（ｅ）はアパーチャを示す。

第７図に従来のイオンガンを示ず。イオンガンは先端が
５００〜１０００人程度の曲率半径を有する鋭く尖った
形状の針状エミッタ（１）と、直径１　ａ＋＋ｍの孔を
有する引出し電極（２）から成立っている。針状エミッ
タ（１１は絶縁材（９）を介して冷凍機先端部（１０）
に取付けられている。針状エミッタ（１）に高電圧を１
４」加すると、その先端部に選択的に強電昇が発生し、
ガス供給管（４）よりエミッタ（１）周辺に満たされた
例えばヘリウムガス等のイオンｔ７９川のガス原子（分
子）がイオン化する。通常の印加電圧は２０ＫＶ〜３０
にＶである。

このイオンはニーツタ先端から放射状に発散していくイ
オンビームを形成する。このイオンビームは、エミッタ
先端部で発生するがエミ・ツタを冷却することにより、
エミッタ付近に滞在する原子（分子）の量を高密度にす
ることができ、ひいてはａｉｎｉ流密度のイオンビーム
を取り出Ｊ゛ことが可能になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

集束イオンビームのプローブ電流は実際上数１０〜１０
０ｐＡの値であることが要求されるが、その要求に応え
るにはイオンガン内部を１Ｏ−３Ｔｏｒｒ程度のガス圧
にしなければならない、すなわち、イオン電流を増すに
はヘリウムガス圧を高める必要があるので、イオンビー
ムでバターニンク等する場合に必要充分な電流を維持す
るにはそれに応じたヘリウムガス圧が必要となる。

従来のイオンガン構造では、エミッタ（１）と引出ｔ、
　電極（２１間（７）　’ａｉ　１１１　カ２１１１１
４！Ｉ！　Ｖ　；ｂ　Ｉ）、引出シミ圃（２１内のヘリ
ウムガス圧をＩＱ−３Ｔｏｒｒ程度に保つには灸量のヘ
リウムガスを供給することが必要である。

しかも、ヘリウムガスの供給量を多くするとエミッタ（
１１の温度が上昇し、エミッタ付近に滞在する原子（分
子）の密度が低下し、その結果イオンビームの電流密度
が低下する傾向が現われる。すなわち、イオンビームの
高電流密度化のためエミッタ（１）を冷却しているが、
その冷却温度は４〜ＩＯＫが限界である。そして、ヘリ
ウムは室温と同じ温度でイオンビーム装置内に供給する
のが普通であり、従って、第８図に示すようにヘリウム
の供給量を増やすとエミッタ（１）の温度が上昇するこ
とになり、その結果ガス圧を高めるべくヘリウムガスの
供給量を増やしてもイオンガンの輝度は第９図に示すよ
うに飽和し、逆に減少する傾向が現われる。

一方、この点を解決するために、本出願人は特願昭６１
−２２７３５０号において第１０図に示すイオンガンを
提案した。このイオンガンは針状エミッタ（１）を基部
（３ａ）をコバール材としたセラミック製の筒状部材（
所謂ノスル）（３）で囲み、針状エミッタ先端を筒状部
材（３）の先端から突出させて構成される。筒状部材（
３）の先端は引出し電極（２）の外に位置するようにな
される。このイオンガンにおいては、イオン源用ガス（
例えばヘリウムガス）が筒状部材（３）内を通ってエミ
ッタ先端に向って噴出することにより、小流量のガスで
ガス圧を高め高電流密度のイオンビーム電流を発生させ
ることができる。

このイオンガンの構造ではエミッタ（１）と引出し電極
（２）間の直接的な放電も抑えることが可能である。

しかし乍ら、この構造ではエミ７り（１）を囲む筒状部
材（３）がセラミック製であるために、セラミック筒状
部材（３）への２次電子による帯電が起り、時々セラミ
ック表面に沿った沿面放電が起きる可能性があった。又
、この放電によってエミッタ（１）先端部と筒状部材（
３）間の放電が誘起され、エミッタ先端部が損傷を受け
、イオンビームの発生が不弓部になる慣もあった。

本発明は、上述の点に鑑み、エミッタの長寿命化を可能
にしたイオンビーム装置を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段」 本発明は、針状エミッタの周囲に気体イオン源を供給し
、エミッタと引出し電換との間に＆電圧を印加してイオ
ンビームをエミッタ先端から発生させるイオンビーム装
置において、エミッタを全部又は一部が導電材で形成さ
れた筒状部材で囲繞し、筒状部材の先端からエミッタの
先端を突出させ、筒状部材により気体イオン源をエミッ
タの周囲に供給するように構成する。

〔作用〕

本発明のイオンビーム装置によれば、針状エミツタを筒
状部材で囲み、筒状部材内を通って気体イオン源が針状
エミッタの基部から先端側に供給されるので、気体イオ
ン源の供給量を増やさすともエミッタ先端部の近傍にお
ける気体イオン源ガス圧が高くなり、イオンガンの妬輝
度化が図れる。

そして、特に筒状部材を全部又は一部が導電材で形成し
たことにより、エミッタから放射されるイオンや他の各
部分から放出される電子が筒状部材表面に帯電すること
がなく或は帯電が低減する。

従って、このような帯電により誘起されるエミッタ先端
部と筒状部材間の放電が抑えられ、エミッタ先端部の放
電損傷を防ぐことができ、エミッタの長寿命化が図れる
。

〔実施例〕

以下、図面を参ｉｆ＠　シて本発明によるイオンビーム
装置の実施例を説明する。

第１図は本発明に係るイオンビーム装置の要部の構成図
である。同図において、針状エミッタ（１１は筒状部材
（３）内に設置されており、工＜　７り（１１の先端部
は筒状部材（３）の先端から突出している。ガス供給管
（４）を通って導入されたイオン源用ガス（ここではヘ
リウムガス）はこの筒状部材（３）内からエミッタ先端
に向って噴出する。この針状エミッタ（１）を囲む筒状
部材（３）のガス噴出口は引出し電極（２）の外に位置
している。針状エミッタ（１）はガス溜め用蓋（５）と
一体になっている筒状部材（５）の基部に支持されてお
り、エミッタ交換時にはこの蓋部分のみを交換すればよ
い構成となっている。ステンレス製ガス溜め（６）とガ
ス溜め用蓋（５）の間隙からのガスのリークを抑える為
に、メタル０−リング（７）によって間隙がシールされ
ている。上記各部分は熱輻射シールド（８）で覆われ、
また、絶縁材（９）を介して冷凍機先端部より冷却され
る。ガス供給管（４）はテフロンまたはセラミックで形
成されており、供給管を通しての外部からの熱流入を抑
えるようにしである。絶縁材（９）はサファイヤを用い
、熱輻射シールド（８）は鋼材に外面金メツキを施した
ものからなり、冷却機先端部は銅材から成る。針状エミ
ッタ（１）には高電圧導入ワイヤ（１１）を通じて高電
圧が印加されるようになされる。ここでは、引出し電極
（２）、熱輻射シールド（８）によって囲まれた…＄分
の真空度は、筒状部材（３）から噴出するガスの流量が
少ないので１０−’　Ｔｏｒｒ以下（例えば１Ｏ−ｂＴ
ｏｒｒ）の高真空が維持できる。また針状エミッタ＋１
１の先端部に供給されるガス原子数はイオンガン外部の
真空度が１０−’　丁ｏｒｒ以下であっても、十分なイ
オン電流を得ることのできる値に維持できる。引出し電
極（２）と針状エミッタ＋１１は筒状部材（３）によっ
て隔てられているのみで電気的には引出し電極の効果は
十分に生かされ、エミッタ先端部に十分に商電界領域が
形成される。エミッタ＋１１の先端は筒状部材（３）の
先端より突出しているので、エミッタ先端で生じるイオ
ンが筒状部材（３）の先端に付着してその部分の電位が
晶くなってもイオンビームの放射状態が変動せずイオン
ビームの放射の安定性は損なわれない。

しかして、本実施例においては、第１図のイオンビーム
装置において特にイオンガンのエミッタ近傍の構造をｆ
ｆ１２図乃至第４図にボずように構成するものである。

第２図の例では、エミッタ（１１を、例えばタングステ
ン、イリジウム等の導電材よりなるエミッタ後部（ｌｂ
）とイオンを発生ずるエミッタ先端部（ｌａ）の間にこ
の導電材より抵抗の高い高抵抗体（２１）を一体に設け
°ζ構成する。薊抵抗体（２１）は液体窒素温度以下の
低温に於て１０７〜ＩＱ１ｊΩｃ１程度の電気抵抗をボ
ず材料で形成するを田とし、例えばＴｉ−Ｂａ系セラミ
ック材或はアルミナ糸セラミックに非晶質シリコンをス
パッタでコーティングした材料等で形成することができ
る＊　Ｔｔ−Ｂａ系セラミック材は室温で１０ｊΩＣｆ
１ｌの抵抗率を示すが冷却すると次第に抵抗率は増し、
液体窒素温度では１０″Ωｃｍに達し実際のイオンガン
動作時の温度であるｌＯ〜２０にでは１０−Ωｃｍ程度
になる。このＴｉ−Ｂａ系セラミック材は極めて好まし
い材料である。非晶質シリコンをコーティングしたアル
ミナ系セラミック材の場合は室温で１０′Ωｃｍの抵抗
率を示し、イオンガン動作温度の１０〜２０にでｉｏ”
〜１０ｉ１ΩＣ請程度となる。このエミッタ（１）は導
電材部分（ｌａ）　　（ｌｂ）とｉ抵抗体（２１）とを
溶Ｗして形成するか、或はチューブ状の高抵抗体（２１
）を設け、この高抵抗体（２１）内に導電材部分（１ａ
）（１ｂ）を嵌め込んで形成することができる。一方、
エミッタ（１）を囲む筒状部材（３）は筒状部材基部（
３ａ）を例えばコバール材で形成し、エミッタ先端側を
囲む部分（３ｂ）をアルミナ系セラミック材（室温での
抵抗率１０１３Ωｃａｒ）で形成すると共に、一部セラ
ミンク部分（３ｂ）の先端を残すように扛つコバール部
分（３ａ）に導通するようにセラミック部分（３ｂ）の
表面に例えばＡＩ、Ａｕ等の金属ＩＱ　（２２）を被着
形成して構成する。ｍ状部材（３）を支持するガス溜用
蓋（５）もコバール材で形成される。

この第２図の構成においては、筒状部材（３）のセラミ
ック部分（３ｂ）が一部金属膜（２２）によって覆われ
ているために、エミッタｉｌ＋から放射されるイオンや
他部からの２次電子がセラミック部分（３ｂ）の表面に
帯電する面積が十分減少する。従って放電の原因となり
易い帯１！量が低減するので、これに誘発される放電の
頻度を減らすことができる。即ち放電が起きにくくなる
。一方、万一エミッタ先端部（１ａ）に多量の２次電子
が入射しかけたとしてもエミッタ先端部（１ａ）の電圧
が高抵抗体（２１）により瞬間的に降下し放電が抑えら
れる。

従って放電によるエミッタ先端部の損傷を防ぎエミッタ
の長寿命化を図ることができる。高抵抗体（２１）の配
置位置はエミッタ（１）の中間部に限らず、エミッタ基
部でもよく、さらにはエミッタ（１）に直接接触させず
ともエミッタに接続される高電圧導入ワイヤに沿って比
較的エミッタに近接する位置に配してもよい。なお、こ
こで筒状部材（３）において金属膜（２２）によって覆
われている領域に沿った長さ２とエミッタ先端部に誘起
される電界は第５図に示すような相関関係があるため、
Ｅを長くしセラミック部分（３ｂ）の表面を完全に金属
膜（２２）で覆い尽くすことは困難である。しかし、金
属１！ｉ！（２２）のない筒状部材に比べて本例のセラ
ミックの部分の抵抗値は１１５程度に低減し且つ２次電
子の帯電し得るセラハック部分の面積も大幅に低減する
ためにセラミック部分（３ｂ）の２次電子帯電量は減少
する。

第３図の例は、タングステン、イリジウム等の導電材よ
りなるエミッタ（１）を囲む筒状部材（３）を、その先
端のセラミック部分（３ｂ）を残してコバール等の導電
材（２５）で構成した場合である。この構成においても
、筒状部材（３）に２次電子が帯電する領域は先端のセ
ラミック部分（３ｂ）のみであるので、帯電量は低減し
、放電を抑えることができる。

第４図の例は、同様に導電材よりなるエミッタ（１）を
囲む筒状部材（３）を、ガス溜用蓋と共に例えばステン
レス材或はコバール材等の導電材（２６）で構成した場
合である。この構成においては、筒状部材（３）の全て
が導電材（２６）で形成されているので筒状部材表面に
２次電子が帯電することがなく、したがって２次電子帯
電によって誘起される放電を抑えることができる。また
、筒状部材表面にエミッタから放射されるイオンや他部
分から放出される電子が帯電すると、この帯電によりイ
オンビームの軌道が変化するが、本例ではこのような帯
電が起らないので、イオンビームの軌道を変化させるこ
とがない、また筒状部材（３）に帯電が生じないのでエ
ミッタ１１）の筒状部材（３）よりの突き出し長さｄを
小さくすることができる。この突き出し長さｄが短かい
方がエミッタ先端におけるガス分子密度を轟くできるの
でイオンビーム電流も大きくなる。但し、ｄが短か過ぎ
ると筒状部材（３）の先端の影響でエミッタ先端の電界
が低下し、イオンビ−ム電流は小さくなる。さらに、筒
状部材（３；として熱電導の良い金属を用いることによ
り供給ガスやエミッタ（１）の温度をより低下させるこ
とができる。このようにエミッタの突き出し長さｄが小
さくでき、供給ガス及びエミッタの温度を低下させるこ
とに起因してエミッタ温度に更に高密度のイオン源ガス
を供給することができるのでイオンガンの輝度を高くす
ることができる。

面、第２図乃至％４図においてエミッタ（１）は第２図
の構成のもの及び第３図の構成のものを適宜選択するこ
とができる。

（発明の効果〕 本発明のイオンビーム装置によれば、針状エミッタを筒
状部材で囲繞し、この筒状部材を通って針状エミッタ先
端側に気体イオン源を供給するので、気体イオン源の供
給量を増やさなくともエミッタ先端部の近傍における気
体イオン鯨ガス圧を高めることができ、イオンガンの高
輝度化を図ることができる。

そして、この場合、筒状部材が少なくとも一部が導電材
で形成されているので、筒状部材表面への２次電子等の
帯電が低減し、この帯電に誘発される筒状部材とエミッ
タ先端部間での放電が抑えられる。従って、エミッタ先
端部の放電による損傷を防止することができ、エミッタ
の長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るイオンビーム装置の例を示す要部
の断面図、第２図乃至第４図はそのエミッタ近傍の構造
の実施例を示す要部の断面図、第５図はエミッタ先端部
に誘起される電界と金属膜の長さｌとの相関図、第６図
はイオンビーム装置の概略図、第７図は従来のイオンガ
ンの例を示す構成図、第８図はエミッタ温度とヘリウム
圧との相関図、第９図はイオンガンの輝度とヘリウム圧
との相関図、第１θ図は本発明の説明に供するイオンガ
ンの要部の断面図である。 （１１は針状エミッタ、（２）は引出し電極、（３）は
筒状部材、（２１）は高抵抗体、（２２）は金属膜、（
２６）は導電材である。 同　　松隈秀盛 第２図　　　　　第３図 第４図 ４オンご一ム装置の概略図 ａ＆来イ列のＩオンη・ンのａＸ５ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 針状エミッタの周囲に気体イオン源を供給し、該エミッ
   タと引出し電極との間に高電圧を印加してイオンビーム
   を上記エミッタ先端から発生させるイオンビーム装置に
   おいて、 上記エミッタを少なくとも一部を導電材で形成した筒状
   部材で囲繞し、該筒状部材の先端から上記エミッタの先
   端を突出させ、 上記筒状部材により上記気体イオン源を上記エミッタの
   周囲に供給することを特徴とするイオンビーム装置。