JPS58225537A

JPS58225537A - イオン源装置

Info

Publication number: JPS58225537A
Application number: JP57108338A
Authority: JP
Inventors: Hifumi Tamura; 田村　一二三; Hiroshi Okano; 寛岡野; Toru Ishitani; 亨石谷; Akira Shimase; 朗嶋瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-06-25
Filing date: 1982-06-25
Publication date: 1983-12-27
Also published as: DE3322839A1; US4560907A

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】本発明はイオン源装置に係り、特に、イオン源材料を加
熱して表面電離させ高電界を介してイオンビームを引出
す一電子衝撃、高電界放出形のイオン源装置に関するも
ので、例えば、ＬＳＩ（大規模集積回路）におけるサブ
ミクロン横這の製作や二次イオン質量分析におけるサブ
ミクロン計測などに使用できる。　・従来の表面電離形のイオン源装置の一例をｌｘ図（ａ）
　及びｆｂ＋に示す。（ａ）はヘアピン状またはコイル
状の抵抗加熱式ヒータ１と、ヒータＩに結合された先端
を尖らせたエミッタチップ３と、その結合部に供給され
るイオン源材料２とがら構成されている。（ｂ）は抵抗
加熱式ヒータｌと、イオン源材料２と、（ａ）図の場合
のエミッタチップに相当する多孔質のエミッタ３と、坩
堝４とがら構成されている。ｆａ）、ｆｂ）とも、図示
は省略されているが、イオン引出電極を備えている。エ
ミッタチップ及びエミッタ３は仕事関数の大きい多孔質
Ｗ（タングステン）で作られており、イオン源材料２が
Ｗ表面に侵透できるようになっている。

動作原理は次の通りである。まず、抵抗加熱式ヒータ１
に通電し、イオン源材料２を加熱溶融させ、エミッタチ
ップ３にイオン源材料２を供給し次ニエミッタチップに
高電圧を印加し、エミッタチップより表面電離によりイ
オンビームを引出す（ａ）ではヒータ１に直接エミッタ
チップ３が結合されており熱伝導によりエミッタチップ
を加熱するようになっている。動作状態ではチップ先端
にはイオン源材料が連続的に供給されており、そして高
電圧が印加されている。その結果、エミッタチップの先
端より表面電離されたイオンが放出する。

また（ｂ）では、イオン源材料２を収納した坩堝４をヒ
ータにより間接的に加熱する方式が採られており、イオ
ンは表面電離機構により放出される。

しかし、上記した従来技術には次に述べるような問題点
がある。即ち、第１の問題点として、加熱効率が悪いこ
とである。（ａ）、（ｂ）いずれの場合も、エミッタチ
ップ３の加熱は、熱伝導を利用する間接加熱である。（
ａｌにおいて、イオン源材料２が溶融状態にあるとき、
エミッタチップ先端は融点より幾分低い温度に保たれる
。従って、イオン源材料２がチップ先端に常に供給され
るようにするためにはヒータＩとチップ３との結合部即
ちイオン源材料溜部を融点以上の高温に保つことが必要
に　　　　！なる。この状態ではイオン源材料溜部にお
ける材料の蒸発がチップ先端部に比較して極めて高く、
かつ周囲が開いていることからイオン源材料の消耗が著
しく大きい。イオン源材料２の蒸発量が多いことは、周
囲部の汚染につながり、場合によっては蒸発物質が高圧
絶縁部に付着して絶縁破壊の原因になり、イオン源の長
寿命化に問題を生じ、その結果、イオン源装置としての
信頼性が低下する。（ｂ）においては、完全な間接加熱
方式であることから、イオン源材料２の加熱温度に制限
があり高融点元素をイオン源材料に用いることが困難と
なる。

次に第２の問題点として、ヒータ材料とイオン源材料と
の反応がある。一般に導伝性材料は相互に反応性が強く
、低融点で溶融し、かつチップと反応し、その結果、チ
ップの尖鋭度及び消耗が激しくなり、おのずと引出せる
イオン種に限界が与えられる。

さらに従来技術における共通でかつ本質的な問題点とし
て、熱伝導を利用する方式であることから、エミッタチ
ップ材料を導伝性材料中から選ぶことが必須条件となる
ことが挙げられる。導伝性材料には前述した反応性の問
題がある。また、抵抗加熱方式であることから、エミッ
タチップの高温化にも制限が加わる。

本発明の目的は、上記した従来技術での問題点を解決し
、イオン源材料の消耗及び周囲汚染のＩＩφ少、イオン
種の拡張、装置の長寿命化及び信頼性の向上を実現でき
るイオン源装置を提供することにある。

本発明の特徴は、上記目的を達成するために、先端を尖
らせた丸棒状のエミッタチップと、高融点材料で作った
坩堝の内部に上記チップを同軸状に保持し上記坩堝の下
端面壁に上記チップ先端が外部に貫通する開口を有しか
つチップ先端部の外周にイオン源材料が装填されている
イオン源材料保持部と、上記チップを下方より電子線衝
撃するための電子線を放出するフィラメント及びその加
熱電源と、上記チップと上記フィラメント間に配置され
フィラメントとほぼ同電位に保たれるイオンビーム引出
電極と、この引出電極と上記チップ間に高電圧を印加し
て電子線及びイオンビームを〃１１速する加速電源とを
備えた構成とするにある。

本発明の一実施例を第２図により説明する。第２図にお
いて、２はイオン源材料、３はエミッタチップ、４は坩
堝である。坩堝４は高融点でかつ反応性の小さい材料で
作られ、先端を尖らせた丸棒状のエミッタチップ３を同
軸状に保持しており坩堝４の下端面壁にはチップ３の先
端を外部に貫通させる開口があけてあり、坩堝の内部の
下部、チップ３の先端部外周、にイオン源材料２が装填
されている。チップ３には熱抵抗を大きくするための（
びれ（経径部）が設けである。また、チップ３の軸合せ
用として、中空円板７が取付けられている。この実施例
では中空円板７は１個だけ取付けた例を示したが、必要
に応じて複数個取付けるようにする。これらの２．３．
４．７で、イオン源装置のイオン源材料保持部を構成し
ている。

６はチップ３を下方より電子線衝撃するための電子線を
放出するフィラメント、９はその加熱電源、５はチップ
３とフィラメント６との間に配置されフィラメント６の
丁、端と電気的に接続されているイオンビーム引出電極
、８はこのイオンビー。

ム引出電極５とエミッタチップ３との間に高電圧を印加
して、フィラメント６からチップ３への電子線１０及び
チップ３から引出されるイオンビーム１１を加速する加
速電源である。

動作原理は次の通りである。まず、加熱電源９によりフ
ィラメント°６を加熱し、次に加速電源８よりチップ３
とイオン引出電極５との間に高電圧を印加する。この場
合、チップ３を上下方向にその位置を微少調節して印加
電界値を微少調節してやる。その結果、フィラメント６
より放出された電子線１０はチップ３の先端部に照射さ
れ、チップ３の先端部が加熱される。チップ３の先端部
が加熱されると熱伝導によりイオン源材料２が加熱され
、そして溶解され、チップ先端にイオン源材料２が連続
的に供給されるようになる。一方、チップ３の先端は加
熱されており、イオン源材料２が　　　・１イオン化し
、これがイオンビーム１１として引出されることになる
。

エミッタチップ３の材料選択は、イオン源材料２の仕事
関数、融点及び反応性などを考慮して決定する。しかし
一般に金属相互間では反応性が強く、かつ、反応生成物
（化合物）は元素に比較して融点が低くなるので、チッ
プ３として金属（ま適当ではない。

本実施例では、エミッタチップ３として反応性の乏しい
酸化物などの絶縁物材料、例えば石英ガラス、アルミナ
（Ａｌ　２０ｓ　）、サファイアなど、を採用し１．予
めチップ表面を仕事関数の高い物質例えばＷ、　Ｔａな
どによりコーティングしておき、別に供給されるイオン
源材料が表面電離により安定に取出せるようにすると共
に、チップ材料とイオン源材料との反応性を避けている
。上記したチップ表面へのコーティングは、電離効率を
向上させるための手段であり、１００ＯＡ以下の薄膜で
も十分である。このような゛、絶縁物材料のチップとす
ることにより、金属材料を用いたチップに比較して入熱
効率が著しくよ（なり、消費電力も少なくできる。

坩堝４としては、目的に応じて金属材料を用いることも
絶縁材料を用いることもできる。即ち、イオン源材料と
して高融点材料を利用する場合には、熱伝導による熱損
失を少なくする目的から、石英ガラスなどの絶縁材料を
用いる方がよい。また、チップ３の軸合せ用に設けた中
空円板７は、蒸発粒子の外部への飛散を防止する働きを
も兼ね。

周辺部の汚染やイオン源材料の蒸発損失を軽減させる効
果を生じる。

第３図は本発明の他の実施例を示し、これは第２図実施
例にさらに、フィラメント６の下方にイオン加速電極１
３と、このイオン加速電極１３とイオン引出電極５との
間にイオン加速用の電圧を供給するイオン加速電源１２
とを追加したものであり、この加速用電圧の制御により
イオンビームのエネルギーを任意に変化できるようにし
たものでありその他の構成２作用は第２図実施例の場合
と同じである。

本発明によれば、（１）チップ先端を直接電子線加熱す
る構成であるので、従来の抵抗加熱方式に比較して熱効
率が良く、また電子線加熱であるので３０００℃以上の
高温も容易に達成できる、（２）坩堝を備えその内部下
端部にイオン源材料を保持する構成であるので、蒸発に
よるイオン源材料損失が従来構成に比べて著しく少な（
なり、蒸発粒、子による外部汚染が低下し、（３）エミ
ッタチップ材料として熱伝導率の低い絶縁物材料が利用
でき、熱効率が高くできると共にイオン源材料との反応
を避けることができ、（４）表面電離と電子衝撃との２
つのイオン化機構を重畳させる構成であることから、イ
オンビームの高輝度化が達成可能となる、などの効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術説明用の断面図、第２図及び、第３図
はそれぞれ本発明の実施例を示す断面図である。符号の説明 ■・・・抵抗加熱用−ヒータ　２・・・イオン源材料３
・・・エミッｊチップ　４・・・坩堝５・・・イオン引
出電極　　６・・・フィラメント７・・・中空円板　　
　　　８，１２・・・加速電源９・・・加熱電源　　　
　１０・・・電子線１１・・・イオンビーム　　１３・
・・イオン加速電極代理人弁理士　中村純之助、１

Claims

【特許請求の範囲】（１）　　イオン源材料を加熱して表面電離させ高電界
を介してイオンビームを引出すイオン源装置において、
先端を尖らせた丸棒状のエミッタチップと、高融点材料
で作った坩堝の内部に上記チップを同軸状に保持し上記
坩堝の下端面壁に上記チップ先端が外部に貫通する開口
を有しかつチップ先端部の外周にイオン源材料が装填さ
れぞいるイオン源材料保持部と、上記チップを下方より
電子線衝撃するための電子線を放出するフィラメント及
びその加熱電源と、上記チップと上記フィラメント間に
配置されフィラメントとほぼ同電位に保たれるイオンビ
ーム引出電極と、この引出電極と上記チップ間に高電圧
を印加して電子線及びイオンビームを加速する加速電源
とを諦えたことを特徴とするイオン源装置（２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
エミッタチップは、その先端近傍に熱抵抗を太き（する
断面狭隘部を設けたエミッタデツプであることを特徴と
するイオン源装置。（３）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
エミッタチップは、絶縁物材料で作られその表面に高い
仕事関数を有する材料を薄膜状に塗布したエミッタチッ
プであることを特徴とするイオン源装置。（４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
エミッタチップは、それを同軸状に保持している前記坩
堝の下端面に対し上下移動可能に設けたエミッタチップ
であることを特徴とするイオン源装置。