JPH0831305B2 - イオンビ−ム装置 - Google Patents

イオンビ−ム装置

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JPH0831305B2
JPH0831305B2 JP61227350A JP22735086A JPH0831305B2 JP H0831305 B2 JPH0831305 B2 JP H0831305B2 JP 61227350 A JP61227350 A JP 61227350A JP 22735086 A JP22735086 A JP 22735086A JP H0831305 B2 JPH0831305 B2 JP H0831305B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/20Ion sources; Ion guns using particle beam bombardment, e.g. ionisers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06Sources
    • H01J2237/08Ion sources
    • H01J2237/0802Field ionization sources
    • H01J2237/0807Gas field ion sources [GFIS]

Description

【発明の詳細な説明】 以下の順序に従って本発明を説明する。
A.産業上の利用分野 B.発明の概要 C.従来技術[第4図、第5図] D.発明が解決しようとする問題点[第6図、第7図] E.問題点を解決するための手段 F.作用 G.実施例[第1図乃至第3図] H.発明の効果 (A.産業上の利用分野) 本発明はイオンビーム装置、特にイオンビームの発生
状態の安定性を損うことなく引出し電極の先端部の近傍
における気体イオン源のガス圧を高めて高輝度化を可能
ならしめたイオンビーム装置に関する。
(B.発明の概要) 本発明は、針状電極と引出し電極との間に高電圧を追
加することにより気体イオン源によるイオンビームを針
状電極先端部から発生させるイオンビーム装置におい
て、 気体イオン源の供給量を徒らに増加することなく針状
電極先端部の近傍におけるガス圧を高め且つイオンビー
ムの放射の安定性を損わないようにするため、 針状電極のまわりを先端が引出し電極の開口から突出
する筒状部材で囲繞し且つ針状電極の先端を筒状部材の
先端から突出させたものである。
(C.従来技術)[第4図、第5図] 第4図に集束イオンビーム装置の典型例の概略を示
す。この装置は大まかに、イオンガンa,集束レンズ系
b、偏向電極cの3部分に分けられる。イオンビーム装
置は例えば発生したイオンビームによりサンプル上に任
意のパターンを形成するために用いられるが、この場合
一般に、パターニングを行うサンプルdはステージ上に
置かれ、任意の図形をイオンビームによって描く。その
時のスループットは、イオンビームのプローブ電流に強
く影響され、プローブ電流を増加してスループットを増
加させようとする場合、イオンガンの高輝化も一つの重
要な条件である。図中符号1′はエミッタ、2′は引出
し電極、eはアパーチャを示す。
第5図に従来のイオンガンを示す。イオンガンは先端
が500〜1000Å程度の曲率半径を有する鋭く尖った形状
の針状エミッター1と、直径1mmの孔を有する引出し用
の引出し電極2とから成立っている。針状エミッター1
は、絶縁材9を介して冷凍機先端部10に取り付けられて
いる。針状エミッター1に高電圧を印加すると、その先
端部に選択的に強電界が発生し、ガス供給管4によりエ
ミッター1周辺に満たされた例えばヘリウムガス等の気
体原子(分子)がイオン化する(通常の印加電圧は20kV
〜30kVである。)。
このイオンは、放射状にエミッター先端から遠ざかっ
ていくイオンビームを形成する。このイオンビームは、
エミッター先端部で発生する訳だが、エミッターを冷却
することにより、エミッター付近に滞在する原子(分
子)の量を高密度にすることができ、延いては高電流密
度のイオンビームを取り出すことが可能になる。
(D.発明が解決しようとする問題点)[第6図、第7
図] ところで、集束イオンビームのプローブ電流は実際上
数10〜100pAの値であることが要求されるが、その要求
に応えるにはイオンガン内部を10-3Torr程度のガス圧に
しなければならない。というのは、ヘリウム圧とイオン
電流との間には第6図に示すような関係がありイオン電
流を増やすにはヘリウム圧を高めることが必要であるの
でイオンビームでパターニング等する場合に必要充分な
電流を維持するにはそれに応じたヘリウムガス圧が必要
となるのである。
そして、ヘリウムガス圧を上述した10-3Torr程度に保
つにはイオンガス外部(即ち、ベルジャー内)の真空度
が10-5Torrの場合、相当に多量のヘリウムガスを供給す
ることが必要である。しかも、ヘリウムガスの供給量を
多くするとエミッターの温度が上昇し、エミッター付近
に滞在する原子(分子)の密度が低下し、その結果イオ
ンビームの電流密度が低下するという傾向が現れる。と
いうのは、上述したようにイオンビームの高電流密度化
のためのエミッターを冷却しているが、その冷却温度は
4〜10゜Kが限界である。そして、ヘリウムは室温と同
じ温度でイオンビーム装置内に供給するのが普通であ
り、従って第7図に示すようにヘリウムの供給量を増や
すとエミッター1の温度が上昇することになる。その結
果、ガス圧を高めるべくヘリウムガスの供給量を増やし
てもエミッター温度の上昇によるイオンビーム電流の低
密度化傾向が現れてしまい、結局、思った程はプローブ
電流を増加させることができないという問題があった。
尤も、冷却パワーを高めてヘリウムガスの供給量が増
大してもエミッターの温度を充分に低く保つことができ
るようにすることも考えられなくはないが、そのように
冷却パワーを増大させるためには既存のものよりも相当
に高価な装置が必要となり、好ましくない。
本発明はこのような問題点を解消すべく為されたもの
であり、ヘリウムガスの供給を増大させることなく針状
電極の先端部近傍における気体イオン源の圧力を高めて
高輝度化を図り、且つイオンビームの放射の安定性を損
なわないようにすることを目的とする。
(E.問題点を解決するための手段) 本発明イオンビーム装置は上記問題点を解決するた
め、針状電極のまわりを先端が引出し電極の開口から突
出する筒状部材で囲繞し且つ針状電極の先端を筒状部材
の先端から突出させたことを特徴とするものである。
(F.作用) 本発明イオンビーム装置によれば、針状電極のまわり
を筒状部材で囲繞したので気体イオン源は針状電極と筒
状部材との間の狭い間隔を通って針状電極の基部から先
端側に供給されることになり、気体イオン源の供給量を
増やさなくとも針状電極先端部の近傍における気体イオ
ン源ガス圧を高めることができる。従って、気体イオン
源の供給量の増大を伴うことなく高輝度化を図ることが
できる。
また、針状電極の先端を筒状部材の先端から突出させ
たので針状電極から放射されるイオンが筒状部材の先端
部に付着してその部分における電位が高くなりイオンビ
ームの放射状態が変動するという虞も全くない。従っ
て、高輝度化を図るべく筒状部材を設けてもイオンビー
ムの放射の安定性が損なわれる虞れはない。
そして、引出し電極と針状電極との間は筒状部材によ
り隔てられているのみで、電気的には針状電極からのイ
オンの引き出しの効果は十分に生かされ、針状電極先端
部に高電界領域を形成することができる。
(G.実施例)[第1図乃至第3図] 以下、本発明イオンビーム装置を図示実施例に従って
詳細に説明する。
第1図は本発明イオンビーム装置の一つの実施例を示
す断面図である。同図において、針状エミッター1はセ
ラミック管3内に設置されており、該エミッター1の先
端はセラミック管3の先端から0.2mm程度突出してい
る。ガス供給管4を通って導入されたイオン源用ガス
(ここではヘリウムガス)はこのセラミック管3内から
エミッター先端に向って噴出する。この針状エミッター
1を囲むラミック管3のガス噴出口は、引出し電極2
(本実施例ではOV)の外に位置している。針状エミッタ
ー1の支持部は、根元のガス溜め用蓋5と一体になって
セラミック管5が付いており、エミッター交換時にはこ
の蓋部分のみを交換すればよい形状となっている。ステ
ンレス製ガス溜め6とガス溜め用蓋5の間隙からのガス
のリークを抑える為に、メタルO−リング7によって、
間隙がシールされている。上記各部分は熱輻射シールド
8で覆われ、また、絶縁材9を介して冷凍機先端部10よ
り冷却される。
本実施例において、セラミック管3は外径0.5mm、内
径0.2mm、長さ20mmのものを用いた。またこの管は他の
絶縁材でも構成できる。ガス供給管4はテフロンまたは
セラミックで形成されており、供給管を通しての外部か
らの熱流入を抑えるようにしてある。絶縁材9はサファ
イヤを用い、熱輻射シールド8は銅材に外面金メッキを
施したものからなり、冷却機先端部は銅材から成る。
上記のような構成のイオンビーム装置において、針状
のエミッター1に高電圧導入ワイヤ11により高電圧を印
加する。本実施例では30KVの印加電圧をかけた。引出し
電極2、熱輻射シールド8によって囲まれた部分の真空
度は、セラミック管3から噴射するガスの流量が少ない
ので10-4Torr以下(例えば10-5Torr)の高真空が維持で
きる。尚、排気ポンプとして10/minのものを用い、ベ
ルジャー内の真空度を10-6Torr程度に保っている。ま
た、針状エミッター1の先端部に供給されるガス原子数
は、イオンガン外部の真空度が10-4Torr以下であって
も、十分なイオン電流を得ることのできる値に維持でき
る。引出し電極2と針状エミッター1はセラミック管3
によって隔てられているのみで電気的には、引出し電極
の効果は十分に生かされ、エミッター先端部に十分に高
電界領域が形成される。高電圧導入用ワイヤ11は十分に
細く(直径0.03mm)または10cm程度の長さになっている
ステンレス製で外部からの熱流入を1mw以下に抑える事
ができる。また、一旦、熱輻射シールド内でセラミック
絶縁材を介して冷却が行われるので、針状エミッター支
持部に流入する熱量は更に減る。
第2図はエミッター1の先端のセラミック管3先端か
らの突出量とエミッター先端部近傍のヘリウム圧との相
関図である。この図から、若し10-3Torr以上のヘリウム
圧を得るには0.2mm程度以下の突出量にすることが必要
であることが解る。但し、エミッター1の先端をセラミ
ック管3の先端よりもほんの僅かでも引っ込めるとエミ
ッター1の先端で生じたイオンがセラミック管3の先端
部に付着してその部分の電位が高くなる。すると、イオ
ンビームの発生状態が変化、イオンビームの安定した発
生を望めなくなり好ましくない。従って、ほんの僅かで
あってもエミッター1の先端をセラミック管3の先端か
ら突出させる必要がある。
尚、エミッター1の先端のセラミック管3の先端から
の突出量の最適値はセラミック管3の口径によって変化
し、第2図はあくまでもセラミック管3の内径が0.2mm
の場合の相関図である。一般的には突出量をlとし、セ
ラミック管3の口径をdとすると、 O<l2d の条件を満たすのが好ましい。
尚、第3図はヘリウム圧とイオン電流の相関図であ
る。この図からも解るように途中でヘリムウ圧の増加に
対するイオン電流の増加量が少なくなり相関曲線が非直
線になっているが、これはヘリウム圧の増加に伴ってエ
ミッターが温度上昇しイオンビームの高密度化を阻む傾
向が現れているからほかならない。しかし、この傾向は
10-4Torr台において現れるのであり、本実施例において
はチャンバー内の圧力が10-6Torrと非常に低いので温度
上昇に起因してイオンビームの高密度化が阻まれるとい
う傾向は現れず問題はない。また、エミッター先端部近
傍とチャンバー内とのヘリウムの圧力比は500:1であ
り、チャンバー内の圧力が低いので静電光学系に放電が
生じる虞れもない。
(H.発明の効果) 以上に述べたように、本発明イオンビーム装置は、開
口を有する引出し電極との間に高電圧を印加されて気体
イオン源によるイオンビームを先端部から発生する針状
電極のまわりを先端が引出し電極の開口から突出する筒
状部材が囲繞し、上記針状電極の先端が上記筒状部材の
先端から突出していることを特徴とするものである。
従って、本発明イオンビーム装置によれば、針状電極
のまわりを筒状部材で囲繞したので気体イオン源は針状
電極と筒状部材との間の狭い間隔を通って針状電極の基
部から先端側に供給されることになり、気体イオン源の
供給量を増やさなくとも針状電極先端部の近傍における
気体イオン源のガス圧を高めることができる。従って、
高輝度化を図ることができる。
また、針状電極の先端を筒状部材の先端から突出させ
たので針状電極の先端から発生したイオンが筒状部材の
先端部に付着する虞れがない。従って、筒状部材の先端
部分における電位がイオンによって高くなりイオンビー
ムの放射状態が変動するという虞れがない。依って、高
輝度化のためにイオンビームの放射の安定性を犠牲にし
なくて済む。
そして、引出し電極と針状電極との間は筒状部材によ
り隔てられているのみで、電気的には針状電極からのイ
オンの引き出しの効果は十分に生かされ、針状電極先端
部に高電界領域を形成することができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明イオンビーム装置の一つの実施の要部を
示す断面図、第2図は針状電極先端の筒状部材先端から
の突出量と気体イオン源(ヘリウム)圧力との相関図、
第3図は気体イオン源(ヘリウム)圧力とイオン電流の
相関図、第4図はイオンビーム装置の概略図、第5図は
従来例の要部(イオンガン)を示す断面図、第6図及び
第7図は発明が解決しようとする問題点を説明するため
のもので、第6図はヘリウム圧とイオン電流との相関
図、第7図はヘリウム圧とエミッター温度との相関図で
ある。 符号の説明 1……針状電極、2……引出し電極、 3……筒状部材。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】開口を有する引出し電極との間に高電圧を
    印加されて気体イオン源によるイオンビームを先端部か
    ら発生する針状電極のまわりを先端が上記引出し電極の
    上記開口から突出する筒状部材が囲繞し、 上記針状電極の先端が上記筒状部材の先端から突出して
    いる ことを特徴とするイオンビーム装置。
JP61227350A 1986-09-25 1986-09-25 イオンビ−ム装置 Expired - Fee Related JPH0831305B2 (ja)

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JPS6381736A JPS6381736A (ja) 1988-04-12
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