JPH02207438A - イオン源 - 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、半導体分野における半導体装置用のイオンビ
ーム装置や、材料分析分野における二次イオン質量分析
装置に搭載されるイオン源に関する。

〔従来の技術〕

イオン源から放出したイオンを、最終ターゲットである
試料面上で直径１μｍ以下のビームに集束させることが
可能なイオン源として液体金属イオン源はよく知られて
いる。この液体金属イオン源は高輝度であり、点状の領
域からイオンが放出されるためイオンを直径！ｎｍ以下
のビームに集束されることが可能で、この集束イオンビ
ームを走査、偏向させることにより、半導体プロセスに
おけるリソグラフィーやドーピング（打込み）、エツチ
ング、デポジションなでを局所的に行うことが可能とな
る。また、直径が１μｍ以下のイオンビームが得られる
ことに注目して、液体金属イオン源から得られた集束イ
オンビームを試料表面に照射し、スパッタリング現象に
よって弾き出された試料面の二次イオンを分析すること
で、その試料表面のサブミクロンの極微小領域の成分分
析が可能となる。

このように、様々な分野で集束イオンビームを用いた応
用が考えられることから、液体金属イオン源は近年特に
注目を浴びている。液体金属イオン源は、例えば、「月
刊Ｓａ＋ｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＶｏｒｌｄＪ１９８
３年１１月号ｐ５２〜５６に「イオン・マイクロビーム
源」と題して石谷らが解説しているように、第２図に示
すような概略構成になっている。つまり、イオン化すべ
き材料４を溶融状態で保持するための溜め部であるリザ
ーバ２と、リザーバ２先端にはイオン化材料に熱が伝達
されやすいようにと薄肉パイプであるキャピラリ３及び
リザーバ２から供給される溶融状態の上記イオン材料４
のイオンをその先端から放出するように配置されたエミ
ッタ１と、このエミッタ１の先端に高電界を集中させる
ことによって上記エミッタ１先端からイオンを引出すた
めの引出し電極６とから構成される。イオン化すべき材
料は溶融状態で保持するための手段としては、リザーバ
２を通電によって抵抗加熱する方式や、エミッタｌの先
端近傍を電子衝撃によって加熱する方式、更には、リザ
ーバ２のまわりにヒータを巻き付けそのヒータの熱によ
ってイオン材料を溶融状態にする方式など種々の方式が
あるが、液体金属イオン源の基本構成としては大きな相
違はない、また、液体金属イオン源に用いるイオン材料
は室温で固体のものや、水銀、ガリウム、セシウム等の
ような液体であるものも用いられる。室温で液状の材料
のなかで、特に反応性の高いものや有毒物のものはアン
プルに封入されている。ガラス状アンプルに封入された
材料、例えばセシウムをイオン材料として用いる従来の
この種のイオン源では、アンプルを真空容器内で破壊し
、封入されて今る材料を取り出し、リザーバに導入して
イオン化していた。

アンプル保持部及びアンプル破断部を備えた従来型の液
体金属イオン源については、特開昭５８−７３９４８号
公報に開示されている。

上記開示された公知例では、アンプルをアンプルの軸方
向から圧縮応力が加わるように配置されたアンプル破断
部により破断される。アンプル破断手段は真空が保たれ
、アンプルの軸方向に移動する治具であれば良く、例え
ば、ベローズを利用した直線導入器であったり、単にベ
ローズだけで。

人間の力で押し割ることも可能である。このようなアン
プル破断手段によって圧縮破壊されたアンプルからイオ
ン材料が流れ出て、溜め部なるリザーバ内に導入される
。リザーバ先端にはエミツタが取付けられ、イオン材料
がエミッタに濡れ引出し電極によってイオンが放出され
ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ガラス状アンプルに封入された材料をイオン材料とし、
アンプルを破壊して封入されている材料を溜め部なるリ
ザーバに導入する従来のイオン源では、表面張力の小さ
い物質をイオン材料として利用する場合、溶融状態のイ
オン材料をエミッタの先端近傍に保持することができず
、僅かな温度変化によってエミッタとエミッタを導く円
筒上のキャピラリの間から溶融イオン材料は滴下し、イ
オン光学系をはじめ試料などを汚染する。さらに、致命
的な問題として、この滴下したイオン材料がエミッタ直
下の引出し電極の穴を塞いだり、引出し電極上に積り、
こ九とエミッタ間で放電や短絡を起こす。このような場
合、これ以上のイオン放出は望めず、イオン源を真空装
置から取り出し分解、清掃しなければならない、また、
エミッタとキャピラリとの隙間は、イオン材料の搭載量
１表面張力、動作温度、エミッタやキャピラリの表面状
態など多くの因子に依存し、最適値が存在するが、その
最適値を探すことは難しく、最適条件の設定が困難であ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を解決する手段として次の方法がある。

リザーバもしくはエミッタを導くキャピラリがらの溶融
イオン材料の滴下は、リザーバ及びキャピラリ内に搭載
された溶融イオン材料の址に大きく影響を受ける１例え
ば、キャピラリ先端での溶融イオン材料の釣合は次に示
すようになる。下向き（重力方向）にはキャピラリとエ
ミッタとの隙間面積、キャピラリ下面からリザーバ内の
イオン材料液面までの高さ、溶融イオン材料の比重等で
決定される重力が働く。

一方、上向きには、キャピラリ下端で溶融イオン材料が
接しているエミッタとキャピラリ間に作用する表面張力
が働く、これらの釣合によって溶融イオン材料が滴下す
るこ否がか決まる。勿論、上記表面張力はエミッタやキ
ャピラリの表面状態、イオン材料の温度等に依存するが
、イオン材料に働く力の釣合を考える場合、上記重力と
表面張力を考えれば良い、ここで、表面張力より重力の
方が大きければ、つまり、液面の高さが高ければ。

表面張力は重力に抗することができずイオン材料は滴下
する。

従って、イオン材料をキャピラリ内に溜まる程度の少量
にすれば、表面張力は充分イオン材料を支えることがで
き滴下は生じなくなる。この場合、イオン放出時間が短
時間に終わりそうに見えるが。

キャピラリ内に蓄えられた材料だけで数時間以上の連続
イオン放出は可能で、ある一定時間ごとにエミッタを上
下に移動させることによりエミッタ先端にイオン材料を
濡れさせることができ、イオン材料が枯渇するまでの時
間を延ばすことができ実用には耐えつる。しかし、イオ
ン材料が枯渇するまでの時間、すなわち、イオン源の寿
命は構造的に長くはできない。

そこで、本発明は更に、ピストンとシリンダ機構を用い
てイオン材料の流れる量を制御することで、キャピラリ
内への供給を可能とし、イオン源の長寿命化を図ること
である。さらに本発明は、二次イオンビーム装置やイオ
ンビーム装置さらには表面改質装置のイオン源を提供す
ることにある。

〔作用〕

溶融イオン材料の流れる量を調節する方法としては、エ
ミッタ先端をキャピラリの内径より大きな外形を有する
矢尻状に加工して、キャピラリ先端との間に一種のニー
ドルバルブ方式の機端をもたせ、エミッタを軸方向に動
がせ調整することにより１両者の隙間を調節してイオン
材料の供給量を制御できる。しかし、この場合、矢尻状
突起部の表面と溶融イオン材料との濡れが好ましくない
などの理由でエミッタ先端に溶融イオン材料が達しない
ことが生じると、エミッタ先端への流れは完全に断たれ
る。従って、本発明はエミッタ、キャピラリ間のイオン
材料の流路を完全に確保するとともに、前記のアンプル
破断方法で破壊したアンプルから流れ出たイオン材料を
リザーバ以外の容器に溜め、ピストンでイオン材料をリ
ザーバ内に押し上げ供給する構造とした。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する０本実
施例は、イオン材料を封入しているアンプルを破断し、
流れ出たイオン材料の流量を制御し、さらにエミッタを
上下させる３つの移動機構を真空を保持する容器の外側
からの１駆動機構のみで可能とした構造であり、イオン
源の形式は針状電極の先端からイオンを放出させる液体
金属イオン源である。第１図において、１はエミッタ（
針状電極）、２はリザーバ（溜め部）、３はキャピラリ
、４はイオン材料、５はアンプル、６は引出し電極であ
る。エミッタ１．リザーバ２．キャピラリ３．引出し電
極６の役割については詳細な説明は省略する。イオン材
料４を内包するアンプル５はアンプル保持部７で支持さ
れている。真空を保持する真空容器８内壁側にはアンプ
ル保持部７とリザーバ保持部９が取付けられ、また、真
空容器８には、駆動＠１２が貫通してあり、ベローズ２
９より真空封止している。駆動軸１２には、アンプル破
断用押付は治具１３が固定されており、真空容器８の外
側から外部駆動により上下移動が可能な構造となってい
る。エミッタ１を下側先端に取付けているエミッタホル
ダ１５は、駆動軸１２先端に圧縮コイルバネ１６を介し
て保持されている。リザーバ保持部９に取付いているピ
ン１７は、エミッタホルダ１５が上下移動の際のまわり
止め及びストッパの役目をしている。

アンプル破断用押付は治具１３に、圧縮コイルバネ１８
を介してビントン軸１９を取付け、アンプル破断用押付
は治具１３とアンプル５の間には。

アンプル破断治具２０が設置されている。ここで、機構
を説明する。外部から駆動軸１２を下方へ除徐に移動さ
せると、アンプル破断用押付は治具１３も同時に下方へ
移動し、アンプル破断治具２０の接触している斜面で摺
動し、アンプル破断治具２０が支点２１を中心として右
回転する。アンプル破断治具２０が回転することによっ
て、売可へアンプル５に押付けられ、アンプル５が破断
される。破断されたアンプル５からはイオン材料４が流
れ出し、金属のメツシュ２２でイオン材料°４がろ過さ
れ、ろ過されてイオン材料４は流路２３を通ってシリン
ダ２４内のピストン２５上に溜まる。シリンダ２４内に
溜まったイオン材料４をリザーバ２に供給する際は、ア
ンプル破断時と逆に駆動軸１２を上方に移動させる。す
なわち、アンプル破断用押付は治具１３がピストン＃１
１９の上方先端のピストンストッパ２６に当たり始める
と、アンプル破断用押付は治具１３の上昇とともにピス
トン軸１９も上昇を開始する。するとピストン２５上に
溜まっていたイオン材料は流路２７．２８を通ってリザ
ーバ２内に押し出される。

ここで駆動軸１２の上方移動量を調整さえすれば。

イオン材料４の供給址の制御も可能となる。

アンプル破断時及びイオン材料供給時、エミッタホルダ
１５は、圧縮コイルバネ１６で駆動軸１２に押し付けら
れており、駆動軸１２と同時に上下に移動するため、イ
オン材料供給時、キャネラリ３からエミッタ１が抜は出
ないようにビン１７を設けている。従ってピン１７に当
たらない範囲でエミッタ１は容易に上下移動できる。ア
ンプル破断用押付は治具１３とピストンストッパ２６が
離れるまで駆動軸１２を押し下げるとピストン２５は圧
縮コイルバネ１８の反発力で下方に押し下げられている
ため、イオン材料４をリザーバ２内に供給制御した後で
も、アンプル破断用押付は治具１３とピストンストッパ
２６の接触しない範囲内に容易にエミッタホルダ１５、
すなわち、キャピラリ３内のエミッタ１を容易に上下移
動させることができる。

ここで、例えばエミッタ１先端が引出し電極６の上面か
ら２■のところに位置するところで、目盛が０となるよ
うにスケール３０．３１を調整し、スケール３０．３１
の目盛がＯ〜−４ｍｍとなるように駆動軸１２を下げる
と、アンプル５が破断し、−２〜５閣に駆動軸１２を上
昇させるとエミッタ１が上へ移動し、さらに６〜２０ｍ
上方へ移動するとピストン軸１９が働きイオン材料４を
リザーバ２に供給することができるようになる。すなわ
ち、以上の構造にすると、駆動軸１２をスケール３０．
３１の目盛を見ながら１本の駆動軸１２を上下移動させ
るだけで３つの動作が可能となり。

真空駆動軸の占有面積が小さくなり、イオン源自体も小
さくできることから、多くのバルブやポートが取付けら
れる二次イオン質量分析装置や表面改質装置等に搭載す
るイオン源としては最適である。また、イオン材料を供
給する目的で駆動軸１２を上下移動させても駆動軸１２
と同時にエミッタ１も同じく上下移動しているため、エ
ミッタ１が濡れやすく、駆動軸１２の無駄な動作が少な
くなる。また、ピン１７を設置していることから。

エミッタ１が上方に移動する際、キャピラリ３からはず
れる危険性もない。

なお、前述の如く、イオン材料の重力とエミッタ１外径
とキャピラリ３内径の間の表面張力の釣合いからイオン
材料４の供給片は決められるが、表面張力は、エミッタ
１外径０．３５ｍ、キャピラリ３内径０．４ｍ　と極小
径であるため、エミッタ１、キャピラリ３の表面形状状
態、エミッタ１゜キャピラリ３の隙間面積、及び動作時
の周囲温度等の因子に大きく依存する。従ってイオン材
料４の最適供給値を事前に決定することは非常に難しい
。しかし、今回発明のイオン源では、エミッタ１、キャ
ピラリ３間の隙間面積は約０．０３ｍ”であり、このと
きリザーバ２内には約０．３　ｃ　ｃ　　までイオン材
料４が滴下せずリザーバ２内に溜まっていたことが実験
から判明している。すなわち。

隙間面積が０．０３１２の場合、リザーバ２内へのイオ
ン材料４供給量は、イオン材料４が枯渇すれば、再度供
給することが可能であるためＱ、３ｃｃ以下の値であれ
ばよいか程でも良い。

なお１本実施例において、イオン材料への加熱方式、イ
オン放出方式についての説明は省略する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、アンプルに内包されたイオン材料は、
ガラス破片を殆んど含まずにリザーバ内への供給が可能
で、かつ、供給量の制御が可能とともにエミッター先端
にイオン材料を容易に濡れさせることができることから
、安定、長寿命のイオン源の実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略構成図、第２図は液
体金属イオン源の原理を示す概略図である。 １・・・エミッタ、２・・・リザーバ、３・・・キャピ
ラリ、４・・・イオン材料、５・・・アンプル、６・・
・引出し電極。 ７・・・アンプル保持部、８・・・真空容器、９・・・
リザーバ保持部、１２・・・駆動軸、１３・・・アンプ
ル破断用押付は治具、１５・・・エミッタホルダ、１６
．１８・・・圧縮コイネバネ、１７・・・ピン、１９・
・・ピストン軸、２０・・・アンプル破断治具、２１・
・・支点、２２・・・金属メツシュ、２３，２７，２８
・・・流路、２４・・・シリンダ、２５・・・ピストン
、２６・・・ピストンストッパ、２９・・・ベローズ、
３０，３１・・・スケール。 亭　ＩＦＩ ６４工し！セと　　１５　　エミッタホルダ２？　　’
（ローズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラス状アンプルに封入されたイオン化すべき材料
   と、該ガラス状アンプルの保持部と該ガラス状アンプル
   を破断する手段と、該イオン化すべき材料を溶融して保
   持する溜め部、該溜め部への該溶融イオン化材料の供給
   手段とイオンを放出するイオン放出部と、該イオン放出
   部との間に高電界を形成してイオン放出部先端からイオ
   ンを引出す引出し電極から成るイオン源において、該溜
   め部への溶融イオン化材料の供給調整手段を付追したこ
   とを特徴とするイオン源。 ２、請求項１記載のイオン源において、針状電極を上記
   溜め部内で直線往復運動手段を有することを特徴とする
   イオン源。 ３、請求項２記載のイオン源において、上記ガラス状ア
   ンプルの破断手段、上記溜め部への該溶融イオン化材料
   の供給手段、及び該針状電極の直線往復運動手段を１本
   の直線往復運動駆動軸の駆動で可能とする構造としたこ
   とを特徴とするイオン源。 ４、イオンを試料に照射し、該照射部より放出した二次
   イオンを質量分析して上記試料の組成分析を行う二次イ
   オン質量分析装置に請求項３記載のイオン源が搭載され
   ていることを特徴とする二次イオン質量分析装置。 ５、イオン源から放出したイオンを集束、偏向して、試
   料へ打込み、露光、エッチングを行う半導体装置製造用
   のイオンビーム装置に請求項３記載のイオン源が搭載さ
   れていることを特徴とする二次イオンビーム装置。 ６、イオン源から放出したイオンを集束、偏向して、試
   料へ打込み試料表面の機械的性質を改変する表面改質装
   置において、請求項３記載のイオン源が搭載されている
   ことを特徴とする表面改質装置。 ７、請求項３記載のイオン源において、アンプルに封入
   されたイオン材料が、特にセシウムであることを特徴と
   するイオン源。 ８、請求項４記載のアンプルに封入されたイオン材料が
   、セシウムであることを特徴とする二次イオン質量分析
   装置。 ９、請求項５記載のアンプルに封入されたイオン材料が
   、セシウムであることを特徴とするイオンビーム装置。 １０、請求項６記載のアンプルに封入されたイオン材料
   が、セシウムであることを特徴とする表面改質装置。