JPH03108237A - 液体金属イオン源 - 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、パラジウムおよびヒ素を主成分とする合金を
加熱して溶融し、高電界を印加して高輝度の少くともヒ
素イオンのビームを放射させる液体金属イオン源に関す
る。

（従来の技術） 液体金属イオン源を用いた集束イオンビーム技術は、直
径０．１μｍ程度の非常に細いイオンビームを得ること
が可能であることから、フォトマスクの修正、マスクレ
スイオン注入、イオンビーム露光等の半導体分野での応
用がなされつつある。

シリコン半導体のマスクレスイオン注入に関し、Ｐ型ド
ーパントとしてホウ素、ｎ型ドーパントとして、リン、
ヒ素のイオン種が必要である。特にヒ素は、１気圧下、
６１５°Ｃで昇華し、きわめて高い蒸気圧を有するため
、ヒ素単体を液体金属イオン源のイオン化物質として用
いることは困難である。

そこで、他の金属とヒ素を合金の形にして、ヒ素の蒸気
圧を下げる工夫がなされ、その−例として５ｎ−Ｐｂ−
ＡｓＳＰｄ−ＡｓＳＰｄ−Ａｓ−Ｃｕ等の合金が提案さ
れている。しかしながら、いずれの合金においても蒸気
圧を十分に下げることができずしかも針状電極と反応す
るため、そのイオン源の寿命は１０数時間でしかなかっ
た。

そこで最近に至り、Ｐｄ、Ａｓ合金と針状電極にタング
ステンを用いた液体金属イオン源が開発され、その寿命
は１５０時間であったという報告がなされている〔ジャ
ーナル、オブ、ヴアキューム、すイエシス。テクノロジ
ー（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｔ＋＋ｎ５ｃｉｅ
ｎｃｅ　Ｔ、ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　）Ｂ　５巻、Ｎ０１
１．１９７〜２０２頁（１９８７））。しかしながらこ
の液体金属イオン源は改良されてはいるが、合金と針状
電極であるタングステンが反応して目的のヒ素イオンを
長時間、安定に発生させることはできなかった。特にＰ
ｄｚＡｓ合金に液体金属イオン源を浸漬させ合金を貯蔵
する際の浸漬温度を高くするとその反応は著しく、工業
的に利用しにくいという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 従来技術では合金と針状電極との反応が少く、長時間安
定したヒ素イオンビームを出す液体金属イオン源を得る
ことができなかった。

本発明の目的は安定なイオンビームを再現よく得ること
ができ、かつ実用的な寿命を有するパラジウムーヒ素合
金の液体金属イオン源を提供することにある。

本発明者等らはこの目的を達成するためにパラジウムー
ヒ素合金ときわめて反応しにくい針状電極の材質につい
て鋭意検討した結果、ホウ化タングステン、ホウ化モリ
ブデン、ホウ化クロム、それらの化合物、およびホウ化
タングステン、ホウ化モリブデン、ホウ化クロムの混晶
又は混合体が最も適していることを見出し、本発明を完
成するに至った。

（課題を解決するための手段） すなわち、本発明は以下を要旨とするものである。

針状電極の表面にパラジウムおよびヒ素を主成分とする
合金を液体で支持し、電界の作用で前記針状電極の先端
から少くともヒ素イオンを放射させる液体金属イオン源
において、前記針状電極がＶＩＡ族のホウ化物からなる
ことを特徴とする液体金属イオン源。

以下、さらに本発明について詳しく説明する。

本発明においてＶＩＡ族元素のホウ化物とはホウ化タン
グステン（ＷＢ　、　Ｗ、Ｂ　、　Ｗ、ＢＳなど）、ホ
ウ化モリブデン（ＭｏＢ、　、ＭｏＪｚ　、ＭｏＢなど
）、ホウ化クロム（Ｃｒ、Ｂ、、ＣｒＢ　、　Ｃｒ、Ｂ
など）、それらの化合物、およびホウ化タングステン、
ホウ化モリブデン、ホウ化クロムの混晶又は混合体など
をいう。

又針状電極とは少くとも先端が針状である電極をいう。

第１図中１の針状電極はＶＩＡ族元素のホウ化物の単結
晶又は焼結体を針状に加工したもの、あるいはタングス
テン、タンタル、モリブデンなどの高融点金属を針状に
加工し、その表面に前記したＶＩＡ族元素のホウ化物を
被覆したものでもよい。

次にこれら針状電極の製造方法を説明する。

たとえば、ホウ化タングステンの場合、ホウ化タングス
テンの粉末に、必要に応じてバインダーとして少量の鉄
、ニッケル、コバルトなどの金属粉末を加え、ホットプ
レス成型機により圧力１００ｋｇ　／　ｃｉ以上、温度
１６００〜２１００℃で焼結成型する。なおバインダー
を多く添加しすぎると、焼結体を針状電極として使用す
るときに、パラジウム、ヒ素合金による粒界腐食の問題
が生ずるので、バインダーの使用量は、必要最小限にと
どめるのが望ましい。

ホウ化タングステンの単結晶または焼結体から針状電極
に加工するにはまず必要に応じて、放電加工法により針
状に加工したのち、機械研磨又は電解研磨により先端を
尖らせ、先端の曲率半径を１〜２μｍ以下にする。

ホウ化タングステンで被覆された針状電極を製造するに
は、あらかじめ先端の曲率半径を１〜２μｌ以下に研磨
した高融点金属の表面に、ホウ化タングステンをＣＶＤ
法、プラズマ溶射法等で被覆すればよい。ホウ化モリブ
デン、ホウ化クロム、ホウ化タングステン、それらの化
合物およびそれらの混晶又は混合体の場合も同様の方法
で製造できる。

パラジウムおよびヒ素を主成分とする合金は、たとえば
Ｐｄ　−Ａｓ元素の場合、Ｐｄ／Ａｓ（原子比）が５〜
１位のものが使用され、次のような方法でつくられる。

パラジウム、ヒ素の粉末を原子比で２：１となるように
均一に混ぜ、石英アンプル内に入れた後、不活性ガスで
あるアルゴン等で十分置換して、還元雰囲気の電気炉内
で８５０°Ｃ以上の温度で加熱、溶解し製作する。でき
あがった合金はパラジウムとヒ素の原子比が７５：２５
であった。

パラジウムおよびヒ素を主成分とする合金は、針状電極
の表面を覆う程度の量で足りるが、長時間使用するため
には、該合金を貯蔵するリザーバ（第１図２Ａ、２Ｂ）
を針状電極に併設することが好ましい。リザーバは、’
ｆａ、　Ｗ、　Ｍｏなどの高融点金属、ＴｉＣ、ＺｒＣ
、ＴａＣ、ＷＣなどの炭化物、ＴｉＢｚ、ＺｒＢ　２、
ＴａＢｚ、ＣｒＢ２、Ｗ２Ｂ５などのホウ化物、ＴｉＮ
　、　ＴａＮなどの窒化物の形成体が用いられている。

これらの材料の中でも、ホウ化タングステン、ホウ化ク
ロムは、前記のパラジウムーヒ素合金に対する耐食性に
すぐれ好ましい。

リザーバの構造は、前記合金を液体で貯蔵するとともに
、針状電極に安定に供給できるものであればよいが、針
状電極の基部外形に合わせた内面を有する基部と前記合
金を貯蔵する凹部を備えたものが好ましい。

前記合金を液体に保つために、ヒーター（第１図４Ａ、
４Ｂ）を併設することが好ましい。ヒーターはグラッシ
ーカーボン又は熱分解カーボン等のカーボンブロックを
針状電極に圧接して、カーボンブロックに通電する構造
にするとよい。とくにリザーバをホウ化タングステン又
はホウ化モリブデン、ホウ化クロムなどの導電性の高い
材料で製作し、針状電極、リザーバ、およびヒーターを
この順序で圧接すると、ヒーターへの通電が容易でかつ
安定した構造の液体金属イオン源になる。

なおこの場合にリザーバとヒーターの間にカーボン板な
ど液体金属との漏れ性が悪く、かつ導電性の材料からな
る隔壁を設けると液体金属のヒーターへの浸透が防止で
きる。

リザーバ内に合金を貯める方法としては、従来よりハケ
塗り等の方法も行われているが、最近十分に合金を充填
させる実用的な方法として、窒化ホウ素等のルツボ内で
合金の融点より１５０〜３００℃以上高い温度で溶かし
た合金中゛に針状電極およびリザーバを浸す方法がとら
れている。

〈実施例〉 以下、実施例をあげて本発明を具体的に説明する。

（実施例１〜５、比較例６〜１０） 針状電極の材質として表の実施例の１〜５に示すホウ化
物を使用した。この針状電極は次のようにして製作した
。表に示す各々の材質の粉末を温度２０００°Ｃ１圧力
２００　ｋｇ／ｃｉの真空中で３０分間ホントプレスに
より加圧焼結して、成型体を製作した。いずれの成型体
も相対密度は９５％以上であった。これら成型体をワイ
ヤカット放電加工機により、０．５　Ｘ　０．５　Ｘ　
５　ｍｍの棒状に切断した。

その先端を機械研磨して先端が円錐形の針状電極にした
。この円錐の円錐角は３０度とし、円錐先端の曲率半径
は２μｍにした。

次に前記針状電極と同じ材質の成型体をワイヤカット放
電加工法によって加工して先端が湾曲したスプーン状の
リザーバを製作した。

第１図は液体金属イオン源の構造を示すものであるが、
針状電極１の両側にリザーバ２人、２Ｂ、グラッシーカ
ーボン製の陽極３Ａ、３Ｂ、熱分解カーボン製のヒータ
ー４Ａ、４Ｂおよびステンレス製の電極５Ａ、５Ｂを配
置し、ボルト６、絶縁座金７Ａ、７Ｂおよびナツト８Ａ
、８Ｂにより締め付けて、これらの部品を固定した。な
お電極５Ａ、５Ｂは金属板９Ａ、９Ｂを経て、端子１０
Ａ、１０Ｂに接続し、端子は端子に固定して製作した。

該液体金属イオン源を真空装置内に取付は真空度２．０
Ｘ１０−６ｔｏｒｒにした。この真空装置内には、あら
かじめパラジウムヒ素合金（Ｐｄ７ｓＡＳｚｓ融点７５
０°Ｃ）を満たした窒化ホウ素製のルツボを入れておき
、ルツボを加熱して９００°Ｃに保ち該合金を溶解させ
ておいた。液体金属イオン源のヒーターに通電して、針
状電極を加熱しながら、針状電極およびリザーバをルツ
ボ中の溶融合金に浸すことによって針状電極とリザーバ
間に合金を溜めた。

比較のため、針状電極の材質、針状電極とリザーバ間の
合金の溜め方を変えたものについて実施した。表の比較
例６〜１０に示す材質（Ｗ、　ＴｉＢｚ、ＺｒＢ２、ｈ
ｃ　）についても上記と全く同じ方法で液体金属イオン
源を製作し、同様の方法で針状電極とリザーバ間に合金
を溜めた。

このようにして作製された液体金属イオン源を別の真空
装置に取り付けた。比較例１０は針状電極とリザーバ間
の合金の溜め方を変えた方法を採用した。すなわち、リ
ザーバ内にＰｄ？５Ａｓｚｓの粉末（粒径１０〜５０μ
ｍ）をメタノールと混ぜて、しめりけを持たせ、小さな
ハケでリザーバ内に塗り込む。その後、すばやく、振動
を与えないように該イオン源を真空装置内に取付け２×
１０〜６ｔｏｒｒまで真空引きした。該イオン源のヒー
ターに通電して、針状電極およびリザーバを加熱して該
合金の融点温度より５０°Ｃ高い８００°Ｃに保ち、溶
かした。その後、その温度を保持し、針状電極の先端ま
で合金を濡れ拡がらせた。

このように液体金属イオン源が調整取付けられた真空装
置内を圧力８　Ｘ　１０−’　ｔｏｒｒの真空度にした
。液体金属イオン源のヒーターに通電し、その電流の調
節により針状電極先端の温度を輝度温度８００〜８２０
°Ｃにした。なお輝度温度は光高温計で測定した。針状
電極先端より１．５Ｍ離れたところに穴あき金属円板か
らなる引出し電極を設は引出し電極に印加する電圧の調
整により電流１０μＡのイオンビームを放出させた。定
電流モードでイオンビームの放出を続は引出し電圧の変
動を測定し下記の式でイオンビーム変動率を求めた。

Ｅ、、ｘ：　１０分間の引出し電圧の最大値ＥＩＩｉ＋
ｑ：　　　　／／　　　　　　　最小値それらの結果を
表に示す。針状電極、およびリザーバにＷＢ、　Ｗ、Ｂ
Ｓ、ＭＯＢＺ、ＣｒＢｚ、Ｗ［ｌ　＋　ＭｏＢ　ｚ　＋
　ＣｒＢ　ｚ（４０，３０，３０；重量％）を用いた液
体金属イオン源の場合には、イオンビームの変動率が１
％以下と良好であった。寿命となったイオン源を真空槽
からとり出し観察した結果、ｈｉｓｓ、ＭｏＢ　ｔ、Ｃ
ｒｙ、を用いたイオン源は、針状電極およびリザーバが
合金と反応している様子はなかった。ｗＢの場合、先端
の曲率半径３μｍと含浸前に比べ大きくなっており、わ
ずかの反応が認められた。だが実用上問題とならなかっ
た。

一方、針状電極およびリザーバにＷ、　ＴｉＢｚ、Ｚｒ
Ｊ、礼を用いた液体金属イオン源の場合には、表に示す
通りリザーバ内に合金を含浸した時に針状電極と合金が
反応したり、濡れなかったりでイオンビームを放射させ
ることができなかった。

比較例１ＯＯ含浸方法では、合金が１回の塗布で十分に
リザーバ内に充てんされず寿命が５０時間と短かった。

又、針状電極と合金の濡れが不十分でビームの安定性は
悪かった。

（発明の効果） 本発明の液体金属イオン源はパラジウムーヒ素合金によ
る針状電極の浸食がなく、濡れ性が良好であり、ビーム
の変動率が小さく、長時間、安定してヒ素イオンビーム
を放射させることができ、安定して使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液体金属イオン源の正面図である。 １・−針状電極、　　　　２Ａ、２Ｂ−リザーバ、３Ａ
、３Ｂ−隔壁、　　　４Ａ、４Ｂ−・ヒーター５Ａ、５
Ｂ・・−電極、　　６・−ポルト、７Ａ、７Ｂ−絶縁座
金、８Ａ、８Ｂ−ナツト、９Ａ、９Ｂ−金属板、ＩＯＡ
、１０　Ｂ一端子、１１−・−碍子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　針状電極の表面にパラジウムおよびヒ素を主成分とす
   る合金を液体で支持し、電界の作用で前記針状電極の先
   端から少くともヒ素イオンを放射ささせる液体金属イオ
   ン源において、前記針状電極がVIＡ族元素のホウ化物か
   らなることを特徴とする液体金属イオン源。