JPH0421297B2

JPH0421297B2 -

Info

Publication number: JPH0421297B2
Application number: JP793487A
Authority: JP
Inventors: Ryuzo Aihara
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1987-01-16
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1992-04-09
Also published as: JPS63175318A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はガスをイオン化してイオンビームを発
生させるようにしたガスフエーズイオン源に関す
る。

（従来の技術）集束イオンビーム装置は原子をイオン化させ、
それを取出してビームとし、このイオンビームを
物質に照射して物質の形や性質を変え、或いはそ
の物質から発生する２次イオンの質量数を測定す
ることによりその物質を分析しようとする装置で
ある。近年、この集束イオンビーム装置は、ウエ
ハ上に形成されたチツプにパターン形成等のビー
ム描画を行う手段或いはチツプにイオン注入を行
う手段として用いられるようになつてきている。
この種の集束イオンビーム装置のイオン源として
は、液体金属から金属イオンを発生させる液体金
属イオン源、或いはHe等のガスをイオン化する
ガスフエーズイオン源がある。

第２図は、ガスフエーズイオン源の従来の構成
断面を示す図である。図において、１は真空容
器、２はその中に液体ヘリウムを充填したデユワ
ー、３はイオン化室、４はデユワー２とイオン化
室３間に配された高熱伝導性の絶縁碍子である。
真空容器１内は、電界電離したイオンを得るため
には、イオン化すべきガス、例えばHe以外の分
圧を、10^-10Torr程度の超高真空に保つことがで
きるようになつている。イオン化室３内はエミツ
タ５と該エミツタ５をマウントする導電体６が設
けられている。７はイオン化室３の壁部に設けら
れたガス導入孔、８は同じく壁部に設けられたフ
イードスルーである。９はガン（Gun）か放電等
によるサージ電圧がエミツタと引出電極間に印加
されないようにする過電圧保護回路であり、過電
圧保護回路９から与えられる加速電圧Vacは、フ
イールドスルー８を介して導電体６に印加され
る。これによりエミツタ５は加速電圧Vacに保た
れることになる。

１０は外部からのヘリウム（He）ガス、水素
（H₂）ガス等をイオン化室３に導く絶縁物ででき
たガス導入パイプ、１１はイオン化室３の底部を
なすように取付けられた引出電極、１２は引出電
極１２に設けられた小孔である。該小孔１２は、
エミツタ５より出射されたイオンビームを通過さ
せるためのもので、エミツタ５の真下に設けられ
ている。引出電極１１には引出電圧Vexが印加さ
れている。１３は引出電極１１と対向して配され
たコンデンサ電極で、中央にイオンビーム通過用
の開口１４が設けられている。そして、コンデン
サ電極１３には電位V_CLが印加されている。

１５はコンデンサ電極１３の下段に配された接
地電極、１６はビーム軌道調整用のアライメン
ト、１７はコンデンサ電極１３と接地電極１５間
に取付けられた絶縁碍子である。過電圧保護回路
９の周囲には２〜３Kg／cm²のフロンガスが充填さ
れている。ヘリウムガスを接地電位より導入する
ガス導入パイプ１０にはイオン化室３のガス圧を
10^-3Torr程度になるように圧力コントロールす
る圧力調節弁（図示せず）が接続されている。

このように構成された装置において、ガスを電
界電離させる場合について説明する。十分に真空
脱ガスされたイオン銃のデユワー２に液体ヘリウ
ムを注ぎ込んで充填し、熱伝導のよい絶縁碍子４
を介してエミツタ５を液体ヘリウム温度近くまで
（例えば10K以下）冷却する。そして、イオン化
室３が10^-3Torr程度の真空になるようにイオン
化すべきガス（ここではヘリウムガス）を注入す
る。

この状態で、エミツタ５の電位との差が20〜
30KVとなるような引出電圧Vexを印加するとフ
イールドイオンが発生する。即ち、エミツタ５の
ニードル先端が強電界になり、ガス分子がこの強
電界のために電離し（電界電離）、イオン化され
る。このようにして発生したイオンは、引出電極
１１に形成された小孔１２を通り、コンデンサ電
極１３の開口１４を通過して後段に送られ、集
束、偏向等が行われる。ガスをイオン化して得ら
れるイオンは、種々のイオン源の内で最も高い輝
度を有している。

第３図、第４図はガスフエーズイオン源の特性
を示す図である。第３図は引出電圧KVと角電流
密度（μA／Sr）の関係を示し、第４図はHeガス
圧Paと角電流密度（μA／Sr）の関係を示してい
る。引出電圧が12KV程度の時に角電流密度は最
大となり、又、Heガス圧が3Pa程度の時に最大
となることがわかる。

（発明が解決しようとする問題点）前述したように、エミツシヨン（イオン発生）
はエミツタ５と引出電極１１間に引出電圧を印加
することにより発生する。発生したイオンビーム
を100KeV程度に加速しようとすると、エミツタ
５の電位を−100KV、引出電極１１の電位を−
80〜−70KVに設定し、コンデンサ電極１３には
−70KV程度の高電圧を印加する必要がある。

しかしながら、ガス導入パイプ１０内のイオン
化されるべきガス圧はイオン化室３の圧力に近い
圧力であるため耐電圧は非常に低いものとなる。
例えば、ヘリウムHeガス圧は、１気圧（atm）、
20℃の標準状態では密度が0.18mg／cm³で耐電圧は
約600V／mmである。ガス導入パイプ１０内のガ
ス圧が10^-3Torr程度の場合では、パツシエンの
法則に従うとすれば耐電圧は0.6V／mm程度とな
り、加速電圧100KVを印加することは不可能と
なる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので
あつて、その目的は、100KV程度の高加速電圧
を印加しても絶縁破壊を起こすことのないガスフ
エーズイオン源を実現することある。

（問題点を解決するための手段）前記した問題点を解決するための本発明は、冷
却したエミツタが内包されたイオン化室に大地電
位側からガスを導入して電界電離によりイオン化
し、イオンビームを発生させるガスフエーズイオ
ン源において、前記イオン化室前段に、前記イオ
ン化すべきガスを予め冷却し、ガス相を維持しつ
つガス密度を向上させる冷却器が設けられ、この
冷却器を通過したガスは、絶縁チユーブを介して
前記イオン化室に導かれるようになつており、さ
らに、その絶縁チユーブと前記イオン化室との間
に、イオン化室に向かうガスの量を制限するオリ
フイスが設けられていることを特徴とするもので
ある。

（作用）イオン化室に導入するガスを予め冷却器で冷却
してガスの密度を上げた後、イオン化室に導く。

一般に、ヘリウムガスは液体ヘリウム温度に近
い状態では非常にクリテイカルな相状態を示す。
第５図はヘリウムの密度と温度との関係を示す図
である。横軸が温度Ｋを縦軸が分子密度（mg／
cm³）である。図に示す特性は気圧（atm）をパラ
メータとして示したものである。擬臨界線を境に
して液体領域と気体（ガス）領域に略２分するこ
とができる。この図からわかるように、大気圧に
おいても、4.2Kに近づけるとその密度は17mg／
cm³まで上昇する。

そこでイオン化室３にヘリウムガスを供給する
のに図の擬臨界線の下側、即ち擬ガス相の範囲で
ヘリウムガスをイオン化すべきイオン化室３に導
入すれば、ヘリウムガスの密度が高いので、その
絶縁破壊電圧は上昇する。第６図は低温ヘリウム
ガスの密度−耐電圧特性を示している。ここで、
ヘリウムガスの気圧はＰ＝0.98atm、平板電極間
距離ｄ＝3.0mm、加圧電圧は直流インパルスであ
る。図において、縦軸は絶縁破壊電圧KVを、横
軸は密度（ｇ／cm³）をそれぞれ表わしている。
又、横軸方向に示す温度目盛は密度に対応する温
度である。図より例えば10Kの低温ヘリウムでは
５mg／cm³の密度をもつことになる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す構成断面図で
ある。第２図と同一のものは同一の符号を付して
示す。２０はイオン化室３にガスを導入する絶縁
チユーブで、その両端は例えばコバール封じさ
れ、電界緩和リング２１ａ，２１ｂが取付けられ
ている。

２２は絶縁チユーブ２０をイオン化室に嵌合す
る嵌合部、２３は絶縁チユーブ２０のイオン化室
３側に設けられたオリフイス（絞り）である。外
部からのヘリウムガスはこのオリフイス２３から
イオン化室３に吹込まれる。尚、絶縁チユーブ２
０の先端を除々に穴径を小さくするように構成す
ればオリフイスは不要であるが、オリフイスを用
いた方が絞りの調整がしやすく都合がよい。絶縁
チユーブ２０の材質としては、例えば碍子が用い
られる。２４は絶縁チユーブ２０の一端と接続さ
れ、嵌合部２２の洩れを少なくするためのバネ作
用も重ねたベローズである。

２５はベローズ２４の他端が接続された熱交換
器、２６は真空容器、２７は液体窒素で冷却され
る熱シールド板である。２８はイオン化されるヘ
リウムガスが導入されるヘリウムガス導入部、２
９は冷却用液体ヘリウムが導入される液体ヘリウ
ムが導入部、３０は液体ヘリウムが気化したヘリ
ウムガスが排出されるヘリウムガス排出部であ
る。

このような構成とすることにより、イオン化さ
れるヘリウムガスは大地電位側からもイオン化室
３側からも液体ヘリウムで冷却される。従つて、
絶縁碍子チユーブ２０内のヘリウムガスは、気相
でありながら高密度となるので高い絶縁耐電圧を
有することになる。

例えば、ガス圧を大気圧（1atm）としたとき
であつても、ヘリウムガス温度を6K程度に冷却
すれば、第６図より明らかなように、電極間距離
３mmで30KV程度に上昇させることができる。こ
の時の密度は９ｇ／cm³程度となる。具体的には絶
縁破壊電圧を6KV／mm程度まで上昇させること
ができる。尚、8.8K程度に冷却すれば、絶縁耐
電圧は4KV／mm程度となる。

従つて、大地電位からイオン化室までヘリウム
ガスを導入する絶縁チユーブ２０の長さは碍子チ
ユーブ内壁の沿面破壊電圧がギヤツプ間の電圧の
１／２〜1/3としても10cm程度の長さを準備すれば、
100KVの加速電圧を印加することができるよう
になる。

上述の実施例ではイオン化するガスとしてヘリ
ウムを用いたがその他の種類のガスであつてもよ
いことは勿論である。又、上述の実施例ではヘリ
ウムガスを冷却するのに熱交換器を用いたが、ヘ
リウムガスを冷却することができるものであれば
どのようなものでもよい。

（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明によれば、
絶縁チユーブ２０とイオン化室３との間にオリフ
イス２３を設けたので、イオン化室３内を
10^-3Torr程度に維持しつつ、絶縁チユーブ２０
内のガス圧を高くし、ガス密度を上げることがで
きる。更に、イオン化室に導入するガスを予め冷
却して密度を上げてから導入しているため、ガス
自身の絶縁破壊電圧を更に上げることができるの
で、100KV程度の高加速電圧を印加しても絶縁
破壊を起こすことのないガスイオン源を実現する
ことができる。また、大地電位部において、液体
ヘリウムでイオン化すべきヘリウムガスを冷却
し、ガス相を保ちつつ、できるだけガス密度を高
め、絶縁耐圧を向上させることにより、ガスをイ
オン化室に導入するための絶縁碍子チユーブ長を
短くすることができ、装置を小型化できる効果も
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成断面図、
第２図は従来装置の構成断面図、第３図は引出電
圧と角電流密度との関係を示す図、第４図はHe
ガス圧と角電流密度との関係を示す図、第５図は
ヘリウムの密度と温度の関係を示す図、第６図は
低温ヘリウムガスの密度−絶縁破壊電圧特性を示
す図である。１，２６……真空容器、２……デユワー、３…
…イオン化室、４，１７……絶縁碍子、５……エ
ミツタ、６……導電体、１１……引出電極、１３
……コンデンサ電極、１５……接地電極、２０…
…絶縁チユーブ、２１ａ，２１ｂ……電界緩和リ
ング、２２……嵌合部、２３……オリフイス、２
４……ベローズ、２５……熱交換器、２７……熱
シールド板、２８……ヘリウムガス導入部、２９
……液体He導入部、３０……Heガス排出部。

Claims

【特許請求の範囲】１冷却したエミツタが内包されたイオン化室に
大地電位側からガスを導入して電界電離によりイ
オン化し、イオンビームを発生させるガスフエー
ズイオン源において、前記イオン化室前段に、前記イオン化すべきガ
スを予め冷却し、ガス相を維持しつつガス密度を
向上させる冷却器が設けられ、この冷却器を通過したガスは、絶縁チユーブを
介して前記イオン化室に導かれるようになつてお
り、さらに、その絶縁チユーブと前記イオン化室と
の間に、イオン化室に向かうガスの量を制限する
オリフイスが設けられていることを特徴とするガ
スフエーズイオン源。