JPH0616383B2 - イオンビーム形成方法および液体金属イオン源 - Google Patents

イオンビーム形成方法および液体金属イオン源

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JPH0616383B2
JPH0616383B2 JP59072248A JP7224884A JPH0616383B2 JP H0616383 B2 JPH0616383 B2 JP H0616383B2 JP 59072248 A JP59072248 A JP 59072248A JP 7224884 A JP7224884 A JP 7224884A JP H0616383 B2 JPH0616383 B2 JP H0616383B2
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    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はマイクロイオンビーム形成用のイオン源に係
り、特に、半導体装置製造分野及び微細領域の三次元解
析等に必要な各種活性イオンビーム(例えばCs +、AS +
など)の形成に用いて好適な還元作用を利用したイオン
ビーム形成方法および液体金属イオン源に関する。
〔発明の背景〕
最近、半導体関連時にマイクロエレクトロニクス分野及
び微細領域の三次元解析において各種活性イオンビーム
(例えばAs +、Cs +など)の形成が必要になって来た。
従来採用されてきた、表面電離機構を利用したCs +イオ
ン源を第1図に、キャピラリ・ニードル型液体金属イオ
ン源を第2図に示す〔雑誌「真空」第25巻、第5号、38
0〜388頁(昭57)参照〕。
第1図の表面電離機構によるイオン源は、多孔質イオン
エミッタ1−1、イオン源材料(Cs)溜1−2、開閉
バルブ1−3、イオン源材料(Cs)入りアンプル1−
4、アンプル破壊器1−5、Cs蒸気1−6、制御電極
1−7、加熱用ヒータ1−8、1−8′及びイオン引出
し電極1−9より構成されている。その動作は、まず、
イオン源材料溜1−2及びイオン源周辺部を排気し、次
にイオン源材料入りアンプル1−4を破壊し、加熱用ヒ
ータ1−8によりアンプル1−4近傍を局所的に加熱し
てアンプル内のCsを気化させ、開閉バルブ1−3を開
け、Cs蒸気1−6をイオン源材料溜1−2に送り込
む。次に多孔質エミッタチップ1−1を加熱用ヒータ1
−8′またはエミッタ先端のみを加熱するためのヒータ
(図示省略)で加熱してCsを多孔質エミッタチップ1
−1に浸透させる。最後にイオン引出し電極1−9とエ
ミッタチップ1−1との間にイオン引出し電圧を印加
し、表面電離機構によりCs +ビーム1−10を引出す。こ
の場合、多孔質エミッタチップ1−1の材料としては、
仕事関数の高い物質、例えばW、Moなど、が用いられ
る。
しかし、第1図従来技術には次のような問題点があっ
た。即ち、(1)表面電離機構を利用しており、エミッ
タにおける電流密度は10-3A/cm2程度と低い、(2)
イオンエミッタとして微小点源が得られないので、細束
イオンビームが得難い、(3)Cs単元素を利用してお
り、水、空気に活性であり、取扱いが極めて危険であ
り、その結果、イオン源の交換時のクリーニングがはん
雑であるとともにCsが無駄に消費される、などの問題
点があった。
第2図のキャピラリ・ニードル型液体金属イオン源は、
エミッタニードル2−1、キャピラリ2−2、イオン源
材料2−3、イオン電流制御電極2−4、イオン引出し
電極2−5より構成されている。アンプルからのイオン
源材料の供給方法は第1図従来例と同じであり、第2図
では省略した。動作は、まず、キャピラリ2−2とエミ
ッタニードル2−1との間の空間を利用してイオン源材
料2−3を溶融状態で供給し、イオン源材料2−3でエ
ミッタニードル2−1の先端を濡らし、次にイオン引出
し電極2−5に引出し電界を印加し、イオンビーム2−
6を引出す。
しかし、第2図従来技術には次にような問題点があっ
た。即ち、(1)エミッタニードル先端より溶融状態で
イオン源材料が滴下しやすく、安定動作が困難である、
(2)イオン源材料が空気中で安定に存在しない物質、
例えばCs、Na、Clなど、では真空を破る時に危険を
伴ない、また、イオン源材料は真空を破るごとに新しい
ものに替える必要があるとともにイオン源材料のチップ
先端までの供給操作を行なう必要がある構成であること
から、材料の消費量及び時間の浪費が大きい、(3)イ
オン源材料の供給が極めてはん雑である、(4)イオン
源の交換が容易でない、などの問題点があった。
[発明の目的] 本発明の目的は、従来技術での上記した問題点を解決
し、各種の安定なイオン源を取り扱い上の危険がなく、
交換容易に提供でき、コンパクトで低コストかつ長寿命
とすることのできるイオンビーム形成方法および液体金
属イオン源を提供することにある。
〔発明の概要〕 上記目的を達成するための本発明の第1の要旨は、イオ
ン種を含む化合物を収容手段に収容し、前記化合物を前
記イオン種に還元する作用を有する還元手段を通過さ
せ、前記還元手段で還元された液体状態の前記イオン種
を前記還元手段と一体的に形成された針状電極へ導き、
前記イオン種をイオン引出手段でイオンビーム化するイ
オンビーム形成方法にあり、第2の要旨は、イオン種を
含む化合物を収容する収容手段と、前記化合物を前記イ
オン種に還元する作用を持つ物質を有する還元手段と、
前記還元手段と一体的に形成された針状電極とを有する
ことを特徴とする液体金属イオン源にある。
さらに換言すれば、本発明は、ルツボ状保持体内の下部
に多孔質還元性物質を配置し、単体では危険な元素であ
る場合にはその安定な化合物をイオン源材料に用いて上
記多孔質還元性物質の上方に充填し、保持体外より加熱
することにより上記イオン源材料として用いた化合物が
多孔質還元性物質を通過する際に還元されて単元素とし
てエミッタ表面に供給されるようにしたことにある。
従来構成におけるイオン放出機構が温度と時間との2つ
の因数に関係して極めて複雑であったのに対し、本発明
の上記構成によれば、多孔質還元性物質とイオン源材料
との反応が加熱温度と単純な関係にあり、温度制御のみ
により必要なイオン種元素を定量的に析出させることが
できるようになる。
〔発明の実施例〕
本発明の一実施例を第3図により説明する。これは、針
状エミッタとして、イオン源材料含浸体を形成している
多孔質還元性物質とは別個の物質で針状に加工したエミ
ッタを用いる場合である。第3図実施例のイオン源は、
針状エミッタ3−1、イオン源材料に対して還元性の物
質の粉体を焼結して多孔質に形成したイオン源材料含浸
体3−2、金属または絶縁材製の中空円筒状容器である
保持体3−3、この保持体3−3を鉛直方向に固定支持
するイオン源支持部品3−4、イオン源材料3−5、イ
オン源材料の蒸発を防止するためのふた3−6、イオン
引出し電極3−7及びイオンビーム制御電極3−8より
構成されている。なお、3−9は引出されたイオンビー
ムを示し、また図示は省略されているが保持体3−3の
外周部にはイオン源を加熱する加熱ヒータが設けられて
いる。
動作は次の通りである。まず、イオン源材料3−5を保
持体3−3内の上部、イオン源材料含浸体3−2の上方
に充填入し、ふた3−6をして、針状エミッタ3−1及
びイオン源材料含浸体3−2近傍を加熱し、これによ
り、イオン源材料3−5を溶融させ、イオン源材料含浸
体3−2中にしみ込ませ、得ようとしている元素を還元
作用により析出させ、かつ、針状エミッタ3−1の先端
に供給する。次に、針状エミッタ3−1とイオン引出し
電極3−7との間に高電圧を印加し、電界による液体金
属イオン源モードで高輝度のイオンビーム3−9を引出
す。
第3図実施例のイオン源を利用してCsビームを引出し
た一例を示す。イオン源材料3−5としてCs2CrO4を用
い、イオン源材料含浸体3−2として上記Cs2CrO4の還
元剤であるSiを多孔質に焼結した焼結部品を用いた。
この場合のSi粉体の粒径は1μm〜100μm範囲のもの
が使用できる。Cs析出反応は次式により与えられる。
4Cs2CrO4+5Si →2Cr2O3+8Cs+5SiO2 析出したCsは針状エミッタ3−1の先端に供給され
る。針状エミッタ3−1と引出し電極3−7との間にイ
オン引出し電圧を印加して針状エミッタ3−1より、高
純度、高輝度かつ安定度の高いCsビームを得た。こう
して得られたCsビームは二次イオン質量分析法におけ
る一次イオン源として利用し、C、O、H、As、P、
Seなどの陰性元素及びAg、Auなどの貴金属の分析が、
従来構成のイオン源による場合に比較して10〜105倍の
高感度で可能であることが実証された。なお、上記反応
の進行に伴って生じるCs析出量の減少は、約1grのCs
使用のイオン源装置の寿命が約1万時間であるのに対し
て、一般の使用目的でのCsビームの使用時間が高々200
時間程度であることから、全く考慮する必要がない。
以上はCs +引出しについて一例を示したが、同様な技法
を多くの例について適用して、その有用性及び実用化の
可能性が確認された。
第4図は本発明の他の実施例の構成を示す断面図で、こ
れは、針状エミッタ3−1を還元性物質とは別個の物質
で針状に加工して用いる第3図構成における針状エミッ
タを用いる代わりに、イオン源材料含浸体3−2の焼結
形成時に還元性物質の粉体から一体的に焼結形成される
針エミッタを用いる場合である。この構成によれば、部
品数を減少させて、しかも第3図実施例の場合と全く同
じ興亜を発揮させることができる。
第3図及び第4図実施例によれば (1)イオン源材料に対して還元性の物質の粉体を焼結
して形成される多孔質焼結体と、所望のイオン種を含む
安定な化合物を用いたイオン源材料とを、ルツボ状の保
持体内に装填したものをカセット式に取付け取外し可能
にイオン源支持部品で支持する構成であるので、従来構
成のイオン源材料を気化させて開閉バルブを介してイオ
ン放出部まで移送させる方式に比較して、構造が極めて
簡単であり、かつ、カセット方式に容易に取付け取外し
ができる保持体であることから、取扱い時の危険がな
く、イオン源のクリーニング及び交換が容易である。
(2)活性イオン種、例えばCs +、Ba +、As +など、の
イオン生成に安定な化合物を利用することが可能な構成
であるので、安全性が保証される。
(3)多孔質焼結体中をイオン源材料を溶融通過させる
構成となっており、その空孔率を調整することにより任
意種類のイオン種の引出しが可能である。
(4)多孔質還元性物質とイオン源材料との反応が加熱
温度と単純な関係にあり、温度制御により必要なイオン
種元素を定量的に析出させることができる。
等の効果を生じる。
〔発明の効果〕
以上説明してきたように、本発明によれば、単体として
は危険な元素の安定な化合物をイオン源材料に用い、そ
の還元剤で形成される多孔質焼結体とをルツボ状保持体
内に装填したものをカセット式に交換可能にイオン源支
持部品で支持させる構成であるので、取扱い時の安全性
が保証され、イオン源の交換、再生が容易であり、構造
が簡単であることから低コスト、長寿命のイオン源を提
供することができ、また、多孔質焼結体の空孔率の調整
で任意種類のイオン種の引出しを可能としたり、反応時
の加熱温度の制御で必要なイオン種元素の定量的な析出
を可能としたりする効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は表面電離機構によるイオン源の従来例説明図、
第2図はキャピラリ・ニードル型液体金属イオン源の従
来例説明図、第3図は本発明の一実施例の構成を示す断
面図、第4図は本発明の他の実施例の構成を示す断面図
である。 符号の説明 3−1……針状エミッタ 3−2……イオン源材料含浸体 3−3……保持体 3−4……イオン源支持部品 3−5……イオン源材料 3−6……蒸発防止用のふた 3−7……イオン引出し電極 3−8……イオンビーム制御電極 3−9……イオンビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三谷 英介 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 石谷 亨 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−158839(JP,A) 特開 昭58−30055(JP,A)

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】イオン種を含む化合物を収容手段に収容
    し、前記化合物を前記イオン種に還元する作用を有する
    還元手段を通過させ、前記還元手段で還元された液体状
    態の前記イオン種を前記還元手段と一体的に形成された
    針状電極へ導き、前記イオン種をイオン引出手段でイオ
    ンビーム化するイオンビーム形成方法。
  2. 【請求項2】前記還元手段は還元性物質の粉体を焼結し
    て多孔質に形成したイオン源材料含浸体であることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載のイオンビーム形成
    方法。
  3. 【請求項3】前記還元性物質はSiであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第2項記載のイオンビーム形成方法。
  4. 【請求項4】前記収容手段は金属または絶縁材製の中空
    円筒状容器であることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項、第2項または第3項記載のイオンビーム形成方法。
  5. 【請求項5】前記収容手段を加熱手段により前記収容手
    段の外部から加熱することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項、第2項、第3項または第4項記載のイオンビー
    ム形成方法。
  6. 【請求項6】前記還元手段をその一部が前記収容手段の
    下端から露出するように前記収容手段内の下部に配置す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項、第
    3項、第4項または第5項記載のイオンビーム形成方
    法。
  7. 【請求項7】前記収容手段の上部に前記化合物を配置
    し、かつ、前記化合物の下面に前記還元手段の上面が接
    触するように充填することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項、第2項、第3項、第4項、第5項または第6項
    記載のイオンビーム形成方法。
  8. 【請求項8】前記収容手段の上端面には蒸発防止用のふ
    たを設けたことを特徴とする特許請求の範囲第1項、第
    2項、第3項、第4項、第5項、第6項または第7項記
    載のイオンビーム形成方法。
  9. 【請求項9】前記針状電極は前記還元手段を形成する物
    質とは異なる物質によって形成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項、第2項、第3項、第4項、
    第5項、第6項、第7項または第8項記載のイオンビー
    ム形成方法。
  10. 【請求項10】前記針状電極は前記還元手段を形成する
    物質と同一の物質によって形成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項、第2項、第3項、第4項、
    第5項、第6項、第7項または第8項記載のイオンビー
    ム形成方法。
  11. 【請求項11】前記イオン種を含む化合物はCs2CrO
    4であることを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2
    項、第3項、第4項、第5項、第6項、第7項、第8
    項、第9項または第10項記載のイオンビーム形成方
    法。
  12. 【請求項12】前記還元性物質の粉体は1μm以上10
    0μm以下の範囲の粒径の粉体であることを特徴とする
    特許請求の範囲第2項、第3項、第4項、第5項、第6
    項、第7項、第8項、第9項、第10項または第11項
    記載のイオンビーム形成方法。
  13. 【請求項13】イオン種を含む化合物を収容する収容手
    段と、前記化合物を前記イオン種に還元する作用を持つ
    物質を有する還元手段と、前記還元手段と一体的に形成
    された針状電極とを有することを特徴とする液体金属イ
    オン源。
  14. 【請求項14】前記還元手段は還元性物質の粉体を焼結
    して多孔質に形成したイオン源材料含浸体であることを
    特徴とする特許請求の範囲第13項記載の液体金属イオ
    ン源。
  15. 【請求項15】前記還元性物質はSiであることを特徴と
    する特許請求の範囲第14項記載の液体金属イオン源。
  16. 【請求項16】前記収容手段は金属または絶縁材製の中
    空円筒状容器であることを特徴とする特許請求の範囲第
    13項、第14項または第15項記載の液体金属イオン
    源。
  17. 【請求項17】前記収容手段を前記収容手段の外部から
    加熱する加熱手段を有することを特徴とする特許請求の
    範囲第13項、第14項、第15項または第16項記載
    の液体金属イオン源。
  18. 【請求項18】前記還元手段をその一部が前記収容手段
    の下端から露出するように前記収容手段内の下部に配置
    することを特徴とする特許請求の範囲第13項、第14
    項、第15項、第16項または第17項記載の液体金属
    イオン源。
  19. 【請求項19】前記収容手段の上部に前記化合物を配置
    し、かつ、前記化合物の下面に前記還元手段の上面が接
    触するように充填することを特徴とする特許請求の範囲
    第13項、第14項、第15項、第16項、第17項ま
    たは第18項記載の液体金属イオン源。
  20. 【請求項20】前記収容手段の上端面に蒸発防止用のふ
    たを有することを特徴とする特許請求の範囲第13項、
    第14項、第15項、第16項、第17項、第18項ま
    たは第19項記載の液体金属イオン源。
  21. 【請求項21】前記針状電極は前記還元手段を形成する
    物質とは異なる物質によって形成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第13項、第14項、第15項、
    第16項、第17項、第18項、第19項または第20
    項記載の液体金属イオン源。
  22. 【請求項22】前記針状電極は前記還元手段を形成する
    物質と同一の物質によって形成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第13項、第14項、第15項、第
    16項、第17項、第18項、第19項または第20項
    記載の液体金属イオン源。
  23. 【請求項23】前記イオン種を含む化合物はCs2CrO
    4であることを特徴とする特許請求の範囲第13項、第
    14項、第15項、第16項、第17項、第18項、第
    19項、第20項、第21項または第22項記載の液体
    金属イオン源。
  24. 【請求項24】前記還元性物質の粉体は1μm以上10
    0μm以下の範囲の粒径の粉体であることを特徴とする
    特許請求の範囲第14項、第15項、第16項、第17
    項、第18項、第19項、第20項、第21項、第22
    項または第23項記載の液体金属イオン源。
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