JPH01265429A

JPH01265429A - イオン発生装置およびイオン発生方法

Info

Publication number: JPH01265429A
Application number: JP9530288A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Ono; 俊郎小野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-04-18
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1989-10-23

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、半導体集積回路などの微細な加工に用いる集
束イオンビーム装置に適用するイオン発生装置およびイ
オン発生方法に関するものである。

（従来の技術）集束イオンビーム装置は種々のイオンをサブミクロン領
域の微細スポットに集束させ、イオン種。

イオンエネルギー、照射位置、照射時間を制御して試料
に照射する。半導体集積回路加工においては、レジスト
露光３選択的イオン注入１選択的材料改質など種々の応
用が検討されている。加工の性能を向上させるにはイオ
ンエネルギー分散が小さく、大イオン電流を得ることの
できるイオン発生装置の開発が急務である。従来、イオ
ンを生成するイオン発生装置としては針状電極を用いる
電界電離形イオン発生装置が広く検討されており、操作
形態によりガス形と液体金属形が提案されている。

（発明が解決しようとする課題）ガス形は水素、ヘリウム等のガスを針状電極近傍に導入
し、拡散により針状電極近傍に到達したガスをイオン化
する。イオン化は針状電極先端部分の狭い領域でおこる
ため、イオン化されるエネルギー分散が小さく、このた
めエネルギーの揃ったイオンが生成される。イオン電流
は拡散で到達するイオンの個数で律速されるため、大イ
オン電流を得るにはガス圧を高くすることが効果的であ
る。しかし、必要以上にガス圧を高くすると不要な放電
が生じ、不安定となるばかりでなく、針状電極そのもの
を破壊するおそれがある。このためガス圧を高くするこ
とには限界があり、実用的なイオン電流を得ることが困
難であった。

一方、液体金属形イオンでは針状電極を加熱し、金属合
金を液体として針状電極先端に流動させ、針状電極先端
部分に形成される微小コーンの先端において電荷交換に
よりイオン化する。イオン化原子が液体状で多量に供給
されるため大イオン電流が得られる。しかし、金属が溶
融し蒸気となって周辺に拡散し、これとイオンが衝突し
てイオンエネルギーの一部を失うため、結果的にイオン
エネルギー分散が大きく、微細スポットに集束できない
欠点があった。また、金属合金の消耗が大きいため寿命
が短かく、実用上の大きな障害となっている。

本発明の目的はかかる欠点を改善し、大電流。

低エネルギー分散、長寿命のイオン発生装置およびイオ
ン発生方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するため、光学系筐体内に針状
電極に対向して引出電極を配置した電界電離形ガスイオ
ン発生装置において、前記針状電極の温度制御機構と針
状電極温度と関連してイオン化すべきガスの圧力調整機
構とを存することを特徴とするイオン発生装置を第１の
要旨とする。

また、針状電極に対向して引出電極を配置した電界電離
形ガスイオン発生装置を用いて、針状電極の先端表面に
イオン化すべきガス分子を凝縮させることを特徴とする
イオン発生方法を第２の要旨とする。

（作用）本発明は上記構成により、大電流、低エネルギー分散、
長寿命のイオン発生方法を実現するために、イオン化原
子をガスで供給し、針状電極表面に凝縮させることを特
徴とする。

（実施例）以下、図面を用いて本発明について詳細に説明する。な
お、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で種々の変更あるいは改良を行いうることは
言うまでもない。

第１図は本発明の一実施例の一部断面図である。

１は針状電極、２は中央部に孔を有する板状の引出電極
、３は針状電極保持機構、４は絶縁ブロック、５は冷媒
、６はガス導入系、７は加熱機構、８は温度測定器、９
は加熱電源、１０は加速電源、１１は引出電源、１２は
絶縁碍子、１３はイオン光学系筐体、１４は圧力計、１
５はイオンビームである。

イオンビームを生成するとき、イオン光学系筺体１３内
を排気ポンプにより高真空に排気し、絶縁ブロック４に
冷媒５を充填する。絶縁ブロック４はたとえばアルミナ
であり、電気的には絶縁体であるが、熱的には良導体で
ある。このため、冷媒５により絶縁ブロック４．金属性
の針状電極保持機構３を介して針状電極ｌが冷却される
。冷媒５の温度よりも高温にするためには加熱機構７．
加熱型ａ９によって絶縁ブロック４を加熱し、冷媒５に
よる冷却との均衡によって、任意の温度に設定できる。

針状電極１の温度は、保持部分周辺の温度を温度測定器
８によって測定し、制御できる。

針状電極１が所望の温度に到達したら、ガス導入系６に
より所望の圧力までガスを導入し、針状電極ｌの表面に
ガスの凝縮層を形成する。ガス圧力は圧力計１４により
測定する。絶縁碍子１２を介してイオン光学系筺体１３
に固定されている引出電極２と針状電極１の間に、引出
電源１１により高電圧を印加し、イオンビーム１５を生
成する。さらに、加速電源１０によりイオンに所望のエ
ネルギーを与え、集束レンズ（図示せず）を介して試料
台上の試料に照射する。

ガス圧は、圧力計１４で測定しながらガス導入系６から
のガスの流量を調整して制御できるが、排気ポンプと使
用する圧力によってはガス流量のみで容易に制御できる
。また、加熱機構７は本実施例では独立に設けたが、針
状電極１を抵抗性金属細線に溶接固定して、抵抗性金属
細線に電流を流して直接加熱することも有効である。さ
らに、冷媒５の消耗防止、温度安定性のために密閉循環
式にすることもできる。温度測定器８は熱電対の他、光
学的測定器を使用できる。

第２図は種々のガスの温度と蒸気圧の関係を示す図であ
る。一般に温度と蒸気圧との関係は次式％式％ただし、Ａ、Ｂ、Ｃは定数（参考文献、［化学便覧Ｊ改
訂３版、日本化学会鳩、ｐ、　ｒｒ−ｉｔ１〜ｌｌ−１
３２）　、Ｐは圧力（Ｔｏｒｒ）　、Ｔは温度（°Ｃ）
である。図面上で曲線の左上は凝縮（多分子層吸着）、
液化の生じる領域、右下は単分子吸着の生じる領域であ
る。従来のガス形イオン源で使用されている、例えば水
素（Ｈ２）では針状電極温度４〜２０Ｋ。

ガス圧１０−’〜１０−’ｔｏｒｒの領域であって単分
子吸着が支配的である。

吸着過程については、単分子吸着では表面のある一部（
吸着面積確立が１より小さい）にガス分子が吸着してい
る状態であり、凝縮（多分子吸着）では分子が表面を覆
い、さらに多層に吸着している状態である。また、凝縮
は蒸気圧以上の圧力で生じる（参考文献、「界面化学」
第２版、近藤保著、工具出版）。

水素イオン電流を増加させるにはガス圧を上昇させるこ
とが必要であるが、針状電極、引出電極とイオン光学系
筐体との間で異常放電が起き、安定に動作しなくなる。

また、たとえ動作したとしてもイオンの進行する空間で
ガス分子と衝突して、結果的にエネルギー分散が大きく
なるので、微小スポットを形成するためには障害となる
。針状電極温度は針状電極の電界蒸発を抑制するためで
あって、これは逆説的には針状電極表面のごく一部にし
かガス分子が吸着していない単分子吸着領域であるから
こそ必要な措置であって、吸着作用を有効には活用して
はいない。

針状電極にガスを凝縮させるには、例えば窒素（Ｎ２）
では温度２５″′Ｋ、ガス圧Ｉ　Ｘｌ０−’ｔｏｒｒと
すれば良い。同様に、キセノン（Ｘｅ）では温度５５６
Ｋ、ガス圧５　Ｘｌ０−５ｔｏｒｒ、ホスフィン（Ｐｌ
ｕｓ）では温度６０″′に１ガス圧Ｉ　Ｘ　１０−　’
　ｔｏｒｒとすれば良い。それぞれ窒素イオン、キセノ
ンイオン、燐イオン、水素イオンが生成される。イオン
の原料をガスの形で導入し、さらに異常放電の住じない
圧力とするため、長時間、安定にイオン生成できる。

酸化窒素（Ｎ、０．）等のように多数の原子で構成され
る分子では、針状電極先端部分での電荷交換だけでは分
解が不十分であり、Ｎ”、０”のような単原子イオンが
得にくい場合がある。この場合は、針状電極先端部分に
紫外光を照射して分子の分解を中間的に補助することが
効果的である。紫外光を照射する方法としては、レーザ
ーダイオードを用いるのが簡便である。第１図において
、１６はレーザーダイオード、１７は紫外光である。針
状電極先端部分に凝縮した分子は紫外光により、光解離
。

光励起され、分解、イオン化が促進される。また、」い
るガス分子の励起に適当な波長を発光するレーザーダイ
オードがない場合には、外部にレーザ管など発光管を配
置し、これをフィルタ等で分光した後に、外部から光フ
ァイバを用いて導入することができる。さらには、引出
電極上に蛍光物質を塗布し、針状電極から発生するイオ
ンを照射して発生する紫外光を直接利用することができ
る。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば大電流。

低エネルギー分散、長寿命のイオン源を実現することが
できる。この結果、大電流密度で微細なスポットの集束
イオンビームを形成できるため、集束イオンを用いる加
工の高速化、高精度化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の一部断面図、第２図は本発明
を説明するための種々のガスの温度と蒸気圧の関係を示
す図である。１・・・・・針状電極２・・・・・引出電極３・・・・・針状電極保持ａｍ４・・・・・絶縁ブロック５・・・・・冷媒６・・・・・ガス導入系７・・・・・加熱機構８・・・・・温度測定器９・・・・・加熱電源１０・・・・・加速電源１１・・・・・引出電源１２・・・・・絶縁碍子１３・・・・・イオン光学系筺体１４・・・・・圧力計１５・・・・・イオンビーム１６・・・・・レーザーダイオード１７・・・・・紫外光

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光学系筺体内に針状電極に対向して引出電極を配
置した電界電離形ガスイオン発生装置において、前記針
状電極の温度制御機構と針状電極温度と関連してイオン
化すべきガスの圧力調整機構とを有することを特徴とす
るイオン発生装置。
（２）請求項１記載のイオン発生装置において、針状電
極先端部分に紫外光の照射機構を有することを特徴とす
るイオン発生装置。
（３）針状電極に対向して引出電極を配置した電界電離
形ガスイオン発生装置を用いて、針状電極の先端表面に
イオン化すべきガス分子を凝縮させることを特徴とする
イオン発生方法。
（４）請求項３記載のイオン発生方法において、針状電
極先端温度に関連して針状電極近傍のガス圧を制御する
ことを特徴とするイオン発生方法。
（５）請求項３記載のイオン発生方法において、針状電
極先端部分に紫外光を照射することを特徴とするイオン
発生方法。