JPH02215027A - 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】

本発明はイオン源およびイオン源が搭載されたイオンビ
ーム装置．二次イオン質量分析装置，表面改質装置に関
する。

【従来の技術】

固体表面および微小領域の分析，微細構造の製作あるい
は部材の表面改質などを目的として多くの種類のイオン
源が開発されている．その中で半導体分野における半導
体装ＷＨ造用の集束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
に注目すると、液体金属イオン源や表面電離型イオン源
が重要なイオン源とされている。 ま４ず、液体金属イオン源と表面電離型イオン源の概略
を説明する。 液体金属イオン源は、イオン源から放出したイオンを試
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１μｍ以下のビームに集束させ
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
やドーピング（打込み）、エツチング、デポジションな
どを局所的に行うことが可能となる。 また、イオンビームを試料表面に照射し、スパッタリン
グ］９！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、所謂、二次イオン質量分析にこの液体金属イ
オン源から得られた集束イオンビームを利用すると，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。 一方、表面電離型イオン源は、イオン化エネルギの低い
原子が高温の仕事関数の高い金属表面に吸着脱離する際
、吸着原子の電子が金属に移り、吸着原子は表面で電離
して正イオンとなって放出するイオン源で、イオン種と
してはナトリウムやセシウムなどのアＪｖカリ金属がよ
く用いられる。 液体金属イオン源は，例えば、論文集ジャーナル・オブ
・ヴアキューム・サイエンス・アンド・テクノ口ぢ《一
，第Ａ２巻、（１９８４年》第１３６５頁から第１３６
９頁（Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｃｕ＋ｉ　５ｅ
ｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　Ａ２．
（１９８４）　　１３６５４３６９）に論じられている
。 このイオン源は、第２図に示したような構造となってい
る。すなわちイオン化すべき材料（イオン化物質）３を
溶融状態で保持するためのヒータ９と、このヒータ９か
ら供給される溶融状態の上記イオン材料３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
記エミッタ先端からイオン８を引出すための引出し電極
４とから構成される。 溶融状態のイオン材料３をエミッタ１先端まで濡れさせ
た後、引出し電極４に高電圧を印加していくと、ある敷
居電圧でエミッタ１先端の溶融イオン材料３はティラー
コーンと呼ばれる円錐形状となり、その先端から電界電
離過程や電界蒸発過程でイオン８が放出される。 イオン化物質３を溶融状態で保持するための手段として
は、上述したようなイオン材料３を溜める部分（溜め部
またはリザーバとも呼ばれる）とヒータが兼ねられてい
て１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、イ
オン材料３の溜め部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３は室温で
固体のものや、水銀、ガリウム、セシウム等のように室
温から３０℃程度の温度で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、酸化を嫌うものは、普通、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、真空容器内のアン
プルを真空外から圧縮応力によって破壊し、イオン材料
溜め部に導入してイオン化していた。つまり、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
オン源は、アンプルに軸方向から圧縮応力を加えるよう
に配置されたアンプル破断手段により破断していた。 アンプル破断手段は真空が保たれ、アンプルの軸方向に
変位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。 従来のこの種のイオン源では、ガラス状アンプルに封入
されたセシウムをイオン材料として用いた例が、英国の
論文集ヴアキューム（Ｖａｃｕｕｍ）　１９８４年、第
３４巻、第１−２号、第１０７頁から第１１１頁に記載
されている。 すなわち第３図の如き概略構成図を有しており、真空容
器内にあるアンプル５をベローズなどからなるアンプル
破断手段６により圧縮力によって破壊し、封入されてい
るセシウムを流路７に通し、イオン材料溜め部２に導入
してイオン化していた。

【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、
真空容器内でこのアンプルを破断し、イオン放出部にイ
オン材料を導入するイオン源において、従来、アンプル
の破断方法として圧縮応力による破壊に頼っていた。圧
縮応力を加える方向はアンプルの軸方向（長手方向）、
軸に垂直方向のいずれについても試みられている。 しかし、この様な従来のイオン源では、破壊後多数のガ
ラス破片がイオン材料通路に流れ込み。 液状のイオン材料の流れを阻害していた。このため、イ
オン放出時間が短くなったり、イオン電流が不安定にな
ったり、途切れたりしていた。 本発明は上記の如き問題点に鑑み、長時間安定したイオ
ン放出を実現させるために、アンプルに封入されたセシ
ウムの如きイオン材料を確実にリザーバ内、もしくはエ
ミッタ先端まで導入できるイオン源、もしくは本イオン
源を搭載した二次イオン質量分析装置、イオンビーム装
置１表面改質装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

上記目的は、ガラス状アンプルに封入されたイオン化す
べき材料、該ガラス状アンプルの保持部。 このイオン化すべき材料を溶融状態で保持する溜め部、
この溜め部から供給される上記溶融イオン化材料のイオ
ンをその先端から放出するように配置されるイオン放出
部、上記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構成され
るイオン源において、上記ガラス状アンプルを剪断応力
もしくは曲げ応力によって破断する手段を設けることに
よって達成される。

【作用１ 物体を破壊に至らす応力の負荷形態として、圧縮（引張
り）応力、剪断応力、曲げ応力がある。これら応力の加
え方およびこれら応力による破断形態はそれぞれ全く異
なる。しかし、ガラス状アンプルに封じられた薬品など
を取り出そうとする場合、アンプルの破壊方法は限定さ
れ、内容物がこぼれず、内容物に被破壊物のガラスの破
片が混入しないような破壊方法が要求される。 本発明では、アンプルを剪断応力または曲げ応力によっ
て破壊できるような構造にしたので、真空容器内にある
ガラス状アンプルの内容物に混入するガラス破片はごく
僅かであり、しかも上記破片がイオン材料の流路をふさ
ぐこともなくなる。 以下、図を用いて本発明による実施例を具体的に説明す
る。 【実施例１】 本実施例１はアンプルの破断に曲げ応力をもちいたもの
で、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は針状電極（エミッタとも言う）、
２は溜め部（リザーバとも言う）、３はイオン材料、４
は引出し電極、５はアンプル、６はアンプル破断手段、
７はイオン材料３の流路である。エミッタ１．溜め部２
、引出し電極４の役割に関しては、従来例と同じである
ため、ここでは詳細な説明は避ける。なお、本図におい
てアンプル５は破断前の状態を示しであるが、イオン源
内のイオン放出時の様子が明らかとなるようにリザーバ
内にもイオン材料３が溜まっている状態を示しである。 本実施例で用いたイオン材料３はセシウム（融点；約２
９℃）である。イオン材料３を内包するアンプル５は、
アンプル保持部７においてその両端部が支持され、アン
プル破断手段６がほぼその中央に当たるように設置され
ている。このアンプル破断手段６は、金属ベローズなど
で真空遮断され真空外の外力を直線運動に変換できる直
線導入器６０を用いており、その先端部６１はアンプル
５のくびれ５１に当たるような位置関係にある。 直線導入器６０の先端部６１が移動しアンプル５のくび
れ５１に接触し、先端部６１が更に移動してくびれ５１
に負荷が加わる。アンプル５の両端を支持する２点とく
びれ５１の力の加わる１点で、所謂、三点曲げの状態に
なっている。さらに先端部６１を移動させるとアンプル
５は曲げによる破断に至り、アンプルＳ内から゛イオン
材料３が流れ出る。 この時、被破断物のアンプル５はごく僅かに小さなガラ
スの破片を含むものの、おおよそ二分される。流れ出た
イオン材料３は流路７を通って溜め部２に至り、一方、
破断されたアンプルは流路７の手前で止まる。溜め部２
に導入されたイオン材料３にはガラス破片をほとんど含
まないため流路７やキャピラリー、リザーバを塞ぐこと
がなく長時間、安定してイオンを引出すことができた。 具体的数値として、セシウムＩｇ（約５３０ｍ＋ｓ３）
を封入した高さ５０ｍｍ、底部の直径１０ｍｍのアンプ
ルを用いたとき、全放出イオン電流を約２０μＡとして
約１０００時間のイオン放出を確認した。

【実施例２】 本実施例２はアンプルの破断を剪断応力で行ったもので
、イオン源の形式は実施例１と同様の液体金属イオン源
である。 第４図においてエミッタ１、溜め部２、引出し電極４、
流路７は実施例１と共通であり、アンプル破断手段６が
異なる。イオン材料３は実施例１同様セシウムである。 アンプル５は１図の如くアンプル内のセシウムを底部に
固まらせた状態で下向き（重力方向）に設置する。アン
プル設置時はアンプル５の上半分（セシウムの溜ってい
る部分）がアンプル破断手段６に固定された状態であり
、下半分は真空容器外から力を与えることが可能な別の
治具６２によって支持されでいる。 このアンプル破断治具６２はアンプル受は部６３、孔６
４．金属ベローズ６５、ストレバ６６、つまみ６７など
から成立っている。イオン化部とアンプル５を含む真空
容器内の真空が引けた状態で、アンプル破断治具６２に
アンプルの軸に対して垂直方向に外力を加え、アンプル
を剪断破壊させる。つまり、ストッパ６６を解除し、つ
まみ６７を押し込むことにより、アンプル５は剪断破壊
され、固定されたアンプルの口にアンプル破断治具６２
の孔６４が来る。 その後アンプルに若干の熱を与え、アンプル内のセシウ
ムを溶解させ孔６４．流路７を通過させ溜め部２に導入
させる。このような剪断力による破壊では、圧縮力によ
る破壊に比ベガラスの破片は圧倒的に少ない。特にアン
プルの切り口になると思われる部分に、真空容器内に装
填する前に予め傷を付けておくと尚−層綺麗に剪断され
る。

【実施例３】 本実施例３を第５図に示す。本実施例はアンプルの破断
を曲げ応力によって行うようにしたもので、焼結体の先
端から表面電離によりイオンを放出させる形式のイオン
源、所謂１表面電離型イオン源に実施したものである。 イオン放出部およびイオン材料３溜め部はそれぞれタン
グステン粉末（１〜１００μｍφ）を直径約１．５ｍｍ
、高さ約３ｍｍの円板状に成形した焼結体２０およびタ
ンタルパイプ２１を用いた。 アンプル破断手段６はアンプル固定具６８．６９゜ベロ
ーズ７０、蓋７１等からなる。蓋７１に固定されたアン
プル固定具６８と、アンプル破断手段６内に備えられた
アンプル固定具６９でアンプル５が支えられる。アンプ
ル内には実施例１．２同様セシウムが封入されている。 アンプルを所定の場所に８置した後、真空排気し、１ｄ
断後セシウムが流れ易くするためアンプル破断手段６全
体を若手暖めておく。 その後ベローズ７０を曲げると上端と下端部が固定され
たアンプル５は曲げにより第５図（ｂ）に示したように
１割れたアンプル５１．５′９の状態に破断され、セシ
ウム３は流路７に流れ込み、イオン材料３の溜め部２に
至る。 本実施例では表面電離方式のイオン源であるので、上記
成形焼結体２０を包む筒２１（以降これをエミッタチッ
プと呼ぶ）を１０００＠〜２０００℃程度に加熱する必
要があり、加熱方法としては電子衝撃加熱方式を採用し
た。即ち、フィラメント２５より放出した電子を加速電
源（図示せず）で加速し、エミッタチップ２１およびイ
オン材料３の溜め部２に照射し、約１０００℃まで加熱
した。エミッタチップ２１近傍のイオン材料３は熱伝導
により加熱、蒸気化され５工ミツタチツプ２１表面に供
給される。このセシウムは表面電離機構によりイオン化
され、エミッタチップ２１直後に設置された加速電極３
１によりイオンビームとして引きだされる。 このようにアンプルを破断する手段としてベローズを利
用したため、僅かな力により、確−実にアンプルを破断
し、確実にイオン材料３の溜め部に導入することができ
た。勿論、アンプルの破壊形式は曲げ破壊であるため、
”アンプルは２分され流路を塞ぐような大きなガラス破
片は生じず、安定したイオン放出が妨げられるようなこ
とはなかった。

【実施例４】 本実施例４は、アンプルの破断を曲げ応力で行ったもの
で、焼結体の先端から表面電離によりイオンを放出させ
る実施例３で示した表面電離型イオン源で、イオン材料
３として、特にセシウムを使用した二次イオン質量分析
計である。 従来、二次イオン質量分析計に搭載されていたセシウム
イオン源の大半は表面電離型イオン源であって、例えば
、論文集「アナリティカル・ケミストリー、第４９巻、
１３号、１９７７年の第２０２３頁から第２０３０頁（
Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、　ｖｏｌ
、４９．　Ｎｏ、１３．　（１９７７）２０２３〜２０
３０）　Ｊに記載の論文の中に記載されている。 この論文のイオン源は、イオン放出部から離れた部材内
で一度セシウムを加熱させ蒸気化し、この蒸気状セシウ
ムを導入パイプ内に通し、イオン放出部に到達させ、イ
オン放出部で液状にしてイオン放出部先端に至らせ、こ
の部分でセシウムを表面電離させる。このような従来例
ではセシウムをイオン放出部に導入する際の温度制御が
難しいことや、装置として多くの加熱電源を必要とする
などの問題を抱えていた。 本実施例では、セシウムが封入されたアンプルを曲げ応
力によって破断するアンプル破断具を備えた表面電離型
イオン源を二次イオン質量分析計に搭載した。 本発明によるイオン源の構成により余分な加熱電源を必
要とせずイオン材料３であるセシウムを液状のまま確実
にリザーバまで導入することができた。−度、アンプル
を破断するとセシウムが枯渇するまでイオン源を動作さ
せ続けることができる。、本実施例によるイオン源を搭
載した二次イオン質量分析計は、アンプル内に封入され
た１ｇのセシウムで約１０００時間以上も材料の分析が
可能であった。 本実施例では、アンプル破断治具として曲げ応力を利用
した表面電離型イオン源を用いたが、実施例２で示した
剪断応力を利用したアンプル破断治具を備えた液体金属
イオン源を搭載した二次イオン質量分析計でも同様の効
果が得られた。 【実施例５１ 本実施例５は、実施例１に示した曲げ応力によるアンプ
ル破断手段を備えた液体金属イオン源が搭載された集束
イオンビーム装置である。本実施例では、イオン材料３
としてガリウムを用いた。 通常、ガリウムはガラスアンプルに充填されていないが
、ガリウム表面に付着する酸化物などを嫌う場合、アン
プルに充填したものを使用する。 ガリウム液体金属イオン源を搭載した集束イオンビーム
装置は従来良く知られており、半導体製造におけるフォ
トマスクの修正などに使用されている。 従来、ガリウムをイオン源に充填する場合、大気中で充
填するか、別の真空容器で一旦リザーバに充填しそのリ
ザーバを大気中でイオン源に内蔵して集束イオンビーム
装置に搭載していた。いずれの場合もイオン材料３であ
るガリウムを一旦大気中に曝すため、ガリウム表面に酸
化物が形成され、この酸化物が放出イオン電流の安定性
に悪影響を及ぼし、長時間安定したイオン放出部が必要
とされる半導体製造に用いるには信頼性を欠く場合も生
じていた。 しかし、本発明によるアンプル破断治具を備えたイオン
源によると、イオン材料３であるガリウムを大気に触れ
ずにリザーバ内に充填できるため。 上記のような酸化物によって引き起こされるイオン電流
の不安定性といった問題は解決できた。 本実施例では液体金属イオン源と表面電離イオン源につ
いて説明したが、他のイオン源、例えば高周波型イオン
源、クラスタイオン源はじめその他のイオン源にも適応
でき、本発明によるアンプル破断手段によって抽出され
たイオン材料をガス化してこれをイオン化することも可
能である。 【発明の効果フ 圧縮応力による破壊よりも剪断応力または曲げ応力によ
る破壊の方がガラスの破片が小さく、また少ないため、
液体金属の流路を塞ぐことはなく、イオンを長時間、安
定して引出すことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のイオン源の縦断面図、第２
図は液体金属イオン源の原理を示す概略縦断面図、第３
図は圧縮応力を利用したアンプル破断手段を備えた従来
型の液体金属イオン源の概略縦断面図図、第４図は本発
明による別の実施例を示したもので、剪断応力を利用す
るアンプル破断手段を備えた液体金属イオン源の縦断面
図、第５図（ａ）は本発明による別の実施例のイオン源
を示したもので、曲げ応力を利用するアンプル破断手段
を備えた表面電離型イオン源の縦断面図。 同図（ｂ）はアンプル破断時の状態を示したアンプル破
断手段の部分の縦断面図である。 符号の説明 １・・・エミッター　２・・・溜め部、３・・・イオン
材料４・・・引出し電極、５・・・アンプル、６・・・
アンプル破断手段、７・・・イオン材料の流路 第２図 算３図

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
   、該ガラス状アンプルの保持部、上記アンプルの破断手
   段、上記イオン化すべき材料を溶融して保持する溜め部
   、この溜め部から供給される上記溶融イオン化材料のイ
   オンをその先端から放出するように配置されるイオン放
   出部から構成されるイオン源において、上記ガラス状ア
   ンプルの破断手段がアンプルを剪断応力によって破断す
   る構造であることを特徴とするイオン源。 ２、上記イオン源において、イオン放出部が針状の電極
   であり、溶融イオン化材料が上記針状電極に付着するよ
   うにイオン化材料の溜め部を配置し、更に、上記針状電
   極との間に高電界を形成して針状電極先端からイオンを
   引出す引出し電極を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のイオン源。 ３、イオン放出部が、微細な粒子の焼結体から成り、上
   記焼結体の端面でイオン化材料が表面電離によってイオ
   ン化されるように配置されたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のイオン源。 ４、ガラス状アンプルに封入されたイオン化すべき材料
   、上記ガラス状アンプルの保持部、上記アンプルの破断
   手段、上記イオン化すべき材料を溶融して保持する溜め
   部、この溜め部から供給される上記溶融イオン化材料の
   イオンをその先端から放出するように配置されるイオン
   放出部から構成されるイオン源において、上記ガラス状
   アンプルの破断手段がアンプルを曲げ応力によって破断
   する構造であることを特徴とするイオン源。 ５、上記イオン源において、イオン放出部が針状の電極
   であり、溶融イオン化材料が上記針状電極に付着するよ
   うにイオン化材料の溜め部を配置し、更に、上記針状電
   極との間に高電界を形成して針状電極先端からイオンを
   引出す引出し電極を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第４項記載のイオン源。 ６、イオン放出部が、微細な粒子の焼結体から成り、上
   記焼結体の端面でイオン化材料が表面電離によってイオ
   ン化されるように配置されたことを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載のイオン源。 ７、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前記特許請求の範囲第１項から第６
   項のうちのいずれかに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。 ８、イオン源から放出したイオンを集束、偏向などして
   、試料へ打込み、露光、エッチングなどを行う半導体装
   置製造用のイオンビーム装置に前記特許請求の範囲第１
   項から第６項のうちのいずれかに記載のイオン源が搭載
   されていることを特徴とするイオンビーム装置。 ９、イオン源から放出したイオンを集束、偏向などして
   、試料へ打込み試料表面の機械的性質を改変する表面改
   質装置においてに前記特許請求の範囲第１項から第６項
   のうちのいずれかに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。 １０、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前記特許請求の範囲第１項
   から第６項のうちのいずれかに記載のイオン源。 １１、イオン化すべき材料が、特に、セシウムであるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第７項記載の二次イ
   オン質量分析装置。 １２、イオン化すべき材料が、特に、セシウムであるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第８項記載のイオン
   ビーム装置。 １３、イオン化すべき材料が、特に、セシウムであるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第９項記載の表面改
   質装置。