JPH0237649A - 電界電離型イオン源 - 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、電界電離型イオン源に関し、特に、イオンビ
ーム装置に用いて好適なものである。

〔発明の概要〕

本発明は、電界電離型イオン源において、イオンソース
ガスとしてネオンガスを用いることによって、高輝度で
かつ安定な電界電離型イオン源を実現することができる
ようにしたものである。

〔従来の技術〕

従来、集束イオンビーム装置のイオン源としては、液体
金属イオン源、電界電離型イオン源及びデュオプラズマ
トロン型イオン源が知られている。

表１にこれらのイオン源の緒特性を示す。

表１かられかるように、液体金属イオン源は、放射角電
流密度が高いので、イオン光学系（静電レンズ）でイオ
ンビームを集束すると比較的大きなプローブ電流を得る
ことができる。しかし、放射角電流密度を高くするとイ
オンのエネルギー幅が広くなるので、色収差が大きくな
り、このため集束したプローブ径は０．１μｍを越えて
しまう。

また、得られるイオンはＢｅ”及びＢｅ”を除いて質量
が比較的大きいので、物質中の飛程が短く、これはレジ
ストの露光に応用する場合には欠点となる。さらに、Ｂ
ｅ”及びＢｅ”以外のイオンは十分なイオン電流密度が
得られない。

次に、デュオプラズマトロン型イオン源は、有効ソース
サイズが大きいので、イオンを微小なスポットに集束す
ることが困難である。

一方、電界電離型イオン源は、一般にイオンソースとし
てガスを用い、このガス分子を高電界により電離させて
イオンを発生させるものである。

このイオンソースガスとしては、従来よりヘリウム（）
Ｉｅ）　、アルゴン（Ａｒ）　、水素（Ｈ，）等のガス
が用いられており、例えば特開昭５９−１１７１２２号
公報にはイオンソースガスとしてＨｅを用いたイオン源
が開示されている。

この電界電離型イオン源は、イオンのエネルギー幅が狭
いので、イオンを微小なスポットに集束しやすく、しか
も放射角電流密度も比較的高い。

従って、集束イオンビーム装置用のイオン源としては、
この電界電離型イオン源が総合的に見て最も有利である
と考えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、本発明者の検討によれば、上述の電界電離型イ
オン源は、表１に示すような高い放射角電流密度を再現
性良く安定して得ることは実際には困難である。現状で
は得られるプローブ電流は数〜数＋ｐＡ程度と小さ過ぎ
て実用的でない。

従って本発明の目的は、高輝度でかつ安定な電界電離型
イオン源を提供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するため、本発明の電界電離型イオン源
は、イオンソースガスとしてネオンガスを用いている。

〔作用］ すでに述べたように、電界電離型イオン源においては、
イオンソースとして一般にガスを用し）る。

この場合、ガス分子は、ニードル状のエミ・ツタ−の先
端に形成される高電界領域においてイオン化され、それ
によってイオンが発生する。

本発明においてイオンソースガスとして用いるネオン（
Ｎｅ）と従来よりイオンソースガスとして用いられてい
るＨｅ、　Ａｒ及びＨ２との４種類のガスについて、ガ
ス分子がイオン化する電界及び沸点を表２に示す。この
表２かられかるように、イオン化する電界はＨ２＜Ａｒ
＜Ｎｅ＜Ｈｅであり、沸点はＨｅ＜　Ｈ、＜Ｎｅ＜Ａｒ
である。

表２ イオン化する電界は低い方がガス分子をイオン化しやす
い。一方、第２図に示すＨｅガスを用いた場合について
のイオン電流のエミッター温度依存性からもわかるよう
に、一般にエミンターの温度をイオンソースガスの沸点
近くまで冷却するとイオン電流は著しく増加する。この
ことかられかるように、高いイオン電流を取り出すため
にはイオンソースガスを沸点付近まで冷却して分子回度
を高くすることが有効であるので、イオンソースガスの
沸点は高い方が有利であると言える。従って、これらの
二点からは、イオンソースガスとしてはＮｅ、　Ａｒ及
びＨ２が望ましい。

一方、イオン化する電界が低いと、残留ガス成分により
イオンビーム電流が不安定になりやすいばかりでなく、
放電が発生しやすい。従って、この観点からは、イオン
ソースガスとしてはＨｅ及びＮｅが望ましい。

以上を総合すると、イオンソースガスとしてはＨｅ及び
Ｎｅが望ましいと言える。しかし、より詳細な検討を行
うとＮｅＯ方がＨｅよりも次の点で有利であることがわ
かる。

すでに述べたように、エミッターの温度をイオンソース
ガスの沸点近（まで冷却するとイオン電流は著しく増加
する。しかし、Ｈｅの沸点である２６８．９“Ｃ（４，
２Ｋ）までエミッターを冷却することは、イオンガンの
構造やエミッター周辺をある程度のガス圧に保つ必要が
あることを考えると実際にはほとんど不可能である。こ
れに比べると、エミッターの温度をＮｅの沸点である−
２４６．１’Ｃ（２７Ｋ）まで冷却することはかなり容
易である。次に、第３図はイオン電流（ｉ）−エミッタ
ーへの印加電圧（Ｖ）特性を示す。今、エミッターを例
えば液体窒素温度、すなわち−１９５°Ｃ（７８Ｋ）に
冷却した場合に得られるイオン電流を比較する。第３図
にはＨｅ５Ｈｚ及びＡｒについてのデータしか示されて
いないが、沸点はＨａ＜Ｈ，＜Ｎｅ＜Ａｒであることか
ら、この液体窒素温度では、ＮｅはＨｅより２桁程度イ
オン電流が大きいと考えられる。さらに、第３図かられ
かるように、同一のイオン電流を得るために必要なエミ
ッターへの印加電圧はＨｅよりもＮｅを用いた場合の方
が低くなる。通常、この印加電圧は数ｋＶ程度であり、
印加電圧が高（なるほど著しく放電しやすくなり、イオ
ン電流の不安定性をもたらすので、この観点からはＨｅ
よりもＮｅの方が優れている。

以上よ・す、電界電離型イオン源のイオンソースガスと
してはＮｅガスが最も優れていると結論することができ
る。

これによって、上記した手段によれば、高輝度でかつ安
定な電界電離型イオン源を実現することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。この実施例は、電界電離型イオン源を用いた集
束イオンビーム装置に本発明を適用した実施例である。

第１図に示すように、本実施例による集束イオンビーム
装置においては、イオンガンホルダー１に保持されたイ
オンガン２にニードル状のタングステン（Ｗ）から成る
エミッタ−３が取りつけられている。このエミッター３
の近傍には、ガス供給管４の先端からＮｅガスが供給さ
れるようになっている。このＮｅガスは、エミッター３
に高電圧を印加することによりこのエミッター３の先端
の近傍に発生される高電界によりイオン化される。この
イオン化により発生したＮｅ’はアパーチャー５により
絞られてイオンビーム６が形成される。このイオンビー
ム６は静電レンズ系６により集束される。このようにし
て得られた集束イオンビーム６は偏向器８により偏向さ
れて例えば半導体ウェーハのような試料９上で走査され
、これによって所望のイオンビーム描画が行われる。

−イオンソースガスとしてＮｅガスを用いた上述の電界
電離型イオン源の性能を調べるために、エミッター３を
液体窒素温度（７８Ｋ）に冷却した状態で電界イオン顕
微鏡（ＦＩＭ）像を撮影した所、エミッター３の先端の
Ｗの原子配列を反映した斑点が高輝度でかつ鮮明に観察
された。また、このＦＩＭ像の観察中のイオンビームの
放射パターンは比較的安定していた。一方、比較のため
にイオンソースガスとしてＨｅガスを用いた場合につい
ても同様の条件でＦＩＭ像を撮影した所、得られたＦＩ
Ｍ像は斑点模様がぼやけており、しかも輝度も低かった
。

このように、本実施例によれば、電界電離型イオン源の
イオンソースガスとしてＮｅガスを用いているので、高
輝度でかつ安定な電界電離型イオン源を実現することが
できる。この高性能の電界電離型イオン源を用いた本実
施例による集束イオンビーム装置を用いることにより、
イオンビームによる微細加工やレジストの露光、さらに
は微小領域の分析等を行うことができる。

以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本発
明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想から逸脱しない範囲で各種の変形が可能で
ある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、イオンソースガス
としてネオンガスを用いているので、高輝度でかつ安定
な電界電離型イオン源を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による集束イオンビーム装置
の概略構成を示す図、第２図は電界電離型イオン源のイ
オンソースガスとしてＨｅガスを用いた場合のイオン電
流のエミッター温度依存性を示すグラフ、第３図は種々
のイオンソースガスを用いた場合についての電界電離型
イオン源のｉ−■特性を示すグラフである。 図面における主要な符号の説明 ２：イオンガン、　　３：エミッタ−６：イオンビーム
、　　７：静電レンズ系、　　９：試料。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオンソースガスとしてネオンガスを用いたことを特徴
   とする電界電離型イオン源。