JPS61101938A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はイオン打込み機、イオンマイクロビーム描画装
置に係り、特にリン（Ｐ）イオンもしくはＰイオンおよ
びほう素（Ｂ）イオンを安定に長時間引き出すことがで
きる液体金属イオン源に関する。

〔発明の背景〕

液体金属イオン源から放出したイオンビームをサブミク
ロンにまで集束し、これを用いたサブミクロン・ドライ
プロセス（マスクレス・ドーピング、イオンビーム露光
、イオンビーム加工等）やサブミクロン表面分析等の分
野への応用が最近注目されている。特にエレクトロ・デ
バイスの分野においては、イオン種としてＢ、Ｓｉ、Ｂ
ｅなどの液体金属イオン源を用いてマスクなしで直接打
込む（注入、ドーピング）試みがなされている。

この液体金属イオン源の動作原理は次の如くである。先
ず、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデ
ン（ＭＯ）等から成り、その先端が鋭く尖がらされたエ
ミッターに、抵抗加熱あるいは、電子線衝撃、レーザ光
などにより溶融させたイオン化すべき物質（液体金属）
を供給する。エミッターと引出し電極の間に高電圧を印
加していくと、エミッター先端部に電界が集中する。

これによりエミッター先端部の液体金属はテーラ−コー
ン（Ｔａｙｌｏｒ　Ｃｏｎｅ　）と呼ばれる円錐状突起
を形成し、その先端からイオンが引出される。

このような液体金属イオン源を種々の分野で利用する場
合、イオン源としては長時間、安定して目的とするイオ
ン種のビームが引き出せることが重要となる。

ところで、シリコン半導体に対するｎ型不純物元素のう
ちで最も重要とされているものの１つにリン（Ｐ）、一
方、ｐ型にはホウ素（Ｂ）がある。

Ｐ単体は、融点が４４．１℃で、その温度での蒸気圧が
０　、１８１　ｎｕｎ　Ｈｙ、　　と高蒸気圧のために
、Ｐ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、Ｐ以外の金属とＰとの合
金の形にして、上記難点を軽減し、高温下でＰ含有の液
体金属を形成させ、高電界下で、この合金をイオン化物
質として合金成分元素のイオンを引出し、質量分離によ
ってＰイオンのみを得る方法が有効となる。したがって
、Ｐを含むイオン化物質、つまり、安定にして且つ長時
間Ｐイオンを引き出せるような合金を探索することが重
要なポイントとなる。

このようなイオン物質の選択については、イオン源動作
の重要なポイントとなり、かつ、本発明の背景となるの
で、ここで詳述する。

液体金属イオン源に用いるイオン化物質に要求される条
件は、一般に、その融点が高くとも１５００℃程度まで
であり、その温度で蒸気圧が低く、また、高温長時間使
用した場合にエミッター材料との反応が皆無か、あるい
はあっても少なく、かつ濡れ性も良好であることである
。

具体的に述べると、イオン化物質を適切に選択しなけれ
ば以下に示すような問題を生じ、所望のイオンビームが
引出せないか、または、引出すことができたとしても放
出されたイオン電流が不委定であったり、イオン源の寿
命が極めて短いという致命的な欠点が生じる。つまり、
この問題点とは、 １）溶融イオン化物質の蒸気圧が高いために、蒸発が激
しく、目的とする引出しイオン種が短時間で枯渇してし
まう。

２）エミッターチップと溶融状態のイオン化物質が激し
く反応し、短時間でイオンビームの引出しが停止する。

３）溶融イオン化物質の粘性が高すぎる、あるいは、エ
ミッターチップとの儒れ性が悪い等の理由によりイオン
ビームの引出しが困難である。

などである。

上記のような問題点を考慮対象として、イオン化物質を
選択しな番プればならない。

なお、この種の液体金属イオン源に関連するものとして
、例えば特ｒ３ＦＪ昭５７−１３２６５３号（イＪｒン
ｇおよび物質の性質の改変方法）があるにの中では、液
体状態の合金がアルミニウム、ヒ素、ホウ素、炭素、ゲ
ルマニウム、インジウム、リン、ケイ素およびスズより
なる群の中から選ばれた少なくとも１種のメタロイド元
素１０ないし３０原子％および少なくとも１種の遷移元
素残部から実質的になる金属−メタロイド元素よりなる
などと規定しているものの、メタロイド−メタロイド元
素については考慮されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、本発
明の目的は安定で且つ長寿命のＰイオンビーム、または
、ＰイオンビームおよびＢイオンビームの引き出せる液
体金属イオン源を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明のイオン源はイオン化物質を溶融して保持する溜
め部と、この溜め部から供給される溶融イオン化物質の
イオンをその先端から放出するように配置されたエミッ
ターと、このエミッターとの間に高電界を印加してエミ
ッター先端からイオンを引き出す引出し電極とから構成
される液体金属イオン源において、イオン化物質が、一
般式Ｓｎ、ＰＹで示される組成を有し、且つ、Ｏ＜Ｙ≦
７０（ＰがＯａｔ％（原子パーセント）を越え、かつ７
０ａｔ％以下であることを意味し、以下同様に解する）
　、Ｘ＝１００−Ｙである合金を用いるが。

イオン化物質が一般式５ｎｘＰ、Ｂ、で示される組成を
有し、且つ、３０≦Ｘ＜１００．０＜Ｙ＜７０、Ｏ＜Ｚ
≦１５．Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００である合金を用いるか、イ
オン化物質が一般式りｎ、Ｐ、Ｍ、で示される組成を有
し５ＭをＳｎ。

ＰおよびＢを除く元素から選択して少なくとも１種以上
の元素とし、且つ、３０≦ｘ＜ｉｏｏ、。

くＹ≦７０．Ｏ＜Ａｓ２Ｏ，Ｘ＋Ｙ＋Ａ＝１００である
合金を用いるか、または、イオン化物質が一般式りｎ、
ＰｙＭＡで示される組成を有し、ＭをＡｇ、Ｚｎ、Ｆｅ
、Ｃ，ＳｉおよびＰｔよりなる群より選択したいずれか
一元素又はその組合わせとし、かつ、３０≦Ｘ＜１００
．Ｏ＜Ｙ≦７０゜０＜Ａｓ２Ｏ，Ｘ＋Ｙ＋Ａ＝１００で
ある合金を用いたことを＃徴とする。

かかる本発明の特徴によって、これまで液体金属イオン
源か゛らの放出が困難とされてきたＰイオンを、または
−ＰイオンおよびＢイオンを安定に、かつ、長時間放出
することが可能となり、その結果、Ｐイオン放出用、も
しくはＰイオンおよびＢイオン放出用の液体金属イオン
源の提供が可能となった。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図を用いて詳細に説明する。

実施例１ 第１図は本発明に係る液体金屑イオン源の基本構成を示
す図である。このイオン源のイオン化物質５の溶融の仕
方は通電加熱型である。エミッター１は支持部２に接続
され、この支持部２は絶縁材１４に固定されている。イ
オン化物質５を溶融するための；ｆｉｆｌＺ加熱ヒータ
ーを兼ねた溜め部３は。

その両端で電流導入端子４，４′に固定されており、溜
め部３の中央には溶融したイオン化物質５で濡れたエミ
ッター１が通る円孔６が設けられている。第１図は、溶
融イオン化物質５で濡れたエミッター１が溜め部３にあ
る円孔６から突出した状態を示している。７は引出し’
Ｆｌ！ｔｌであり、この引出し電極７とエミッター１と
の間に数ｋＶの電界を印加することにより、エミッター
１の先端からイオンビーム８を、引出し電極７にあけた
貞通孔９を介して下方に引出すことができる。本実施例
の場合、エミッターは直径０．８ｍのタングステン（Ｗ
）製であり、その先端は電解研磨により曲率半径を数μ
ｍ以下に鋭く尖らせである。ヒーターを兼ねた溜め部３
は、厚さ０．１＋＋ｓｎのモリブデン（ＭＯ）Ｆｉ製で
、中央にある凹部は、イオン化物質５を数ｍ３溜めるこ
とができるように加工されている。この溜め部３の中央
に設けられだ円孔６の直径は約Ｉ閣である。

本実施例１で用いてイオン化物質Ｓは、Ｓ　ｎ　Ｓｏ　
Ｐ　ｓ６である。５ｎ−Ｐ合金の状Ｍ図をｉ２図に示す
。（参考文献：　Ｍｅｔａｌｓ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　
Ｂｏｏｋ。

ＦＩＦＴＩＩ　　ＣＤｌＴｌ０Ｎ、Ｅｄｉｔｏｒ　　Ｃ
０ＩＪＮ　　Ｊ、ＳＭＩＴＩＩＥＬＬＳ　　：ＢＵＴＴ
ＥＲ’ＡＯｆｌＴｌｌＳ）この図から見る限りＰを７０
ａｔ％（原子パーセント）近く含有させることは可能で
あるが、２０ｔ３：＊ｊ％から４０％’ｌａｔ％の範囲
では。

溶融Ｓｎと７８融Ｐの２種の溶融金属は溶は合わない。

それ以外では、つまり、Ｑ＜Ｐ（２５ａｔ％。

４５＜Ｐ（６５ａｔ％の範１川では２種の１容融金属は
溶は合い、その合金の融点は１．Ｐの含有率に依存して
いることがわかる。したがって、５ｎ−Ｐ合金を液体金
属イオン源のイオン化物質として用いる場合にはＰの含
有率は制限されてくる。その−例として、Ｐの含有率が
約４８８ｔ％の時、ＰはＳｎと溶けあいその融点は約５
４０℃であり、この組成をもった合金をイオン化物質と
して使用する１錫合、イオン源の動作温度としては約５
４０℃以上にしなければならないことがわかる。

本実施例１で用いたイオン化物質５はＳｎ、。Ｐ、。

であり、その融点は第２図からもわかるように約５５０
℃である。

このイオン源を約６００　’Ｃで動作させたところ安定
なイオンビーム８の放出を得ることができた。

この放出イオンビーム８を質量分離器に通し質量分離し
、質量スペクトルの一例を見たものが第３図である。た
だし、横軸は質量電荷比ｍ／ｅ（ｍは質量数、ｅは電荷
量である）であり、縦軸はイオン強度（任意単位）を示
している、この時のイオン引出し電圧は６．５ｋＶであ
り、全数、Ｌｒ４イオン電流は約５０μＡであった。た
だし、イオン引出し電圧と全放出イオン電流の関係は、
一般に、エミッターチップの先端曲率半径、動作温度、
エミッターチップと引出し電極の間の距隔などに依存す
るため、ここで挙げた数値はほんの一例にすぎない。

第３図のスペクトルから、Ｓｎ”、Ｓｎ＋とともにＰ９
のピークが確認できる。ここで−３ｎの同位体１８４Ｓ
ｎ　の４価イオン１２４Ｓｎ４＋のｍ　／　ｅ。

が３１となり３１Ｐ１と重なる。しかし、１２４Ｓｎ４
１は非常に微弱と考えられるので、ｍ／ｅ＝３１のピー
クのほとんどが３１Ｐ＋と見ることができる。

実施例２ 本実施例２では、エミッター１、ヒーターを兼ねた溜め
部３およびイオン化物質５を除いて実施例ｆで用いた液
体金属イオン源と同じ桶成であり、本実施例２で用いて
イオン化物質５は、Ｓｎ、。Ｐ４ｆｌＢ、、で、エミッ
ター１および溜め部３は高温時にＢとの反応をさけるた
めに、金属は使用せずに、エミッター１は炭化珪素（Ｓ
　ｉ　Ｃ）を。

溜め部３には炭素（Ｃ）を用いた。

約７００℃でこのイオン源を動作させることにより、安
定なイオンビーム８の放出を得ることができた。引出し
電圧が６．２ｋＶで、全放出イオン電流が約５０μＡの
時、放出イオンビーム８の質量分析を行ない、得られた
質量スペクトル（図示せず）から、このイオン源から得
られた放出イオン電流の大部分がＳｎ”ゝとＳｎ＋イオ
ンで占められているが、Ｓｎ”イオンに比べ、約５％か
ら１０％程度のＰ″″″イオン′″イオンが放出されて
いることが確認でき、た。従って、このイオン源からは
、シリコン半導体に対するｎ型不純物であるＰイオンと
、ｐ型不純物であるＢイオンを引出すことができるのが
特徴である。また、このイオン源の寿命としては約１０
時間の連続動作をさせることができている。

実施例３ 本実施例３では、イオン化物質５を除いて実施例１で用
いた液体金属イオン源と同じ溝成であり。

本実施例３で用いたイオン化物質５は、一般式ＳｎＸＰ
ＹＭＡ　（ただし、ＭはＳｎ、ＢとＰを除いた元素であ
・る）において、Ｍとして白金（Ｐｔ）を用いた場合で
、Ｓｎ、、Ｐ、、Ｐｔ５である。

このイオン源を約７００℃で動作させることにより、安
定なイオンビーム８の放出を得ることができた０例えば
、イオン引出し電圧が５．８ｋＶで、全放出イオン電流
が約５０μＡの時の放出イオンビーム８の質量分析を行
なった結果、得られた質量スペク、トルからこのイオン
源からは、Ｓｎ”ゝイオン、Ｐｔ”イオンとともに、Ｐ
０イオンが放出されていることがわかった。Ｐ“イオン
のイオン強度は、全放出イオン強度の約５〜１０％程度
であることが確認できた。本実施例３の効果としては、
イオン化物質の流動性が実施例１および２より良好であ
るため、溶融したイオン化物質５がエミッター１先端へ
安定して供給される点が挙げられる。これにより、イオ
ンビーム８の放出も非常に良好になり、また、溶融イオ
ン化物質５のエミッター１先端への流れ不良によるイオ
ン放出の停止はない。

実施例４ 本実施例４では、イオン化物質５を除いて実施例２で用
いた液体金属イオン源を同じ構成であり、本実施例４で
用いたイオン化物質５は、一般式Ｓｒｉ、ＰｖＭＡ　（
ただし、ＭはＡｇ、Ｚｎ、Ｆｓ。

Ｃ，ＳｉおよびＰｔの群から選択した少なくとも一元素
、又は、上記群より選択した少なくとも一元素と上記群
以外の元素との組合すせからなる元素）においてＭがＡ
ｇとＢの組合わせである場合で、Ｓｎ　ｓｏ　Ｐ　４０
　Ｂ　ｓ　Ａ　ｇ　、である。

このイオン源を約８００℃で動作させることによって、
安定なイオンビーム８の放出を得ることができた。引出
し電圧が６．０ｋＶ　で、全放出イオン電流が約５０μ
Ａの時、放出イオンビーム８の質量分析を行ない、得ら
れた質量スペクトルから、このイオン源から得られた全
放出イオン電流中、約５％から１０％程度のＰ０イオン
とＢ＋イオンが放出されていることを確認した。本実施
例の効果として、このイオン源からはシリコン半導体に
対するｎ型不純物であるＰ＋イオンとｐ型不純物である
Ｂ０イオンを引出すことができ、また。

イオン化物質５にＡｇを混ぜることにより実施例３同様
溶融イオン化物質５の流動性が良好なるためエミッター
１先端への流れが安定化し、放出イオン電流を安定して
長時問掛られる。なお、このイオン源寿命として３０時
間以上を達成している。

なお、本実施例４ではＭがＡｇとＢの組合わせであった
が、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃ，ＳｉおよびＰｔのいずれか又はそ
の組合わせ、又はＡｇ、Ｚｎ。

Ｆｅ、、Ｃ，ＳｉまたはＰｔと、これ以外の元素とを組
合わせてイオン化物質は液体金属の流動性が良くなるた
め、エミッター１先端への流れが安定するという効果を
持つ。特に、ＭがＡｇもしくはＰしのみの場合、Ａｇま
たはＰｔとＳｉの組合わせの場合は液体金属の流動性が
良くなる効果を持つ。さらに、ＭがＢとＳｉ、ＢとＣ，
ＢとＰｔの組合わせの場合、Ｐイオン（ｎ型）とＢイオ
ン（ｐ型）の両イオンを同一イオン源から得られるとい
う効果を持っている。この同一イオン源からのｎ型不純
物とｐ型不純物の放出は、一方の型の不純物しか放出し
ないイオン源２機からそれぞれの不純物を放出するより
も、打込み精度上、光学系の軸合せ、そしてイオン源の
取替えに要する消費時間などの面からはるかに優れた効
果をもたらすものである。

以上述べてきた如く、本発明はＳｎにＰ、ＳｎにＰとＢ
、ＳｎにＰと他元素の組合わせを成分とする液体金属を
イオン源とするものであるが、上記実施例からも明らか
なように、これらの成分に対して更に異種元素を添加し
て液体金属を安定化させたものも液体金属イオン源のイ
オン化物質として有効であることは自明である。

上記実施例では、エミッター１の材料として針状に加工
したタングステン（Ｗ）あるいは炭化珪素（Ｓ　ｉ　Ｃ
）を用いたが、イオン化物ｇ５の成分にＢを含まないも
のについては、その他タンタル（Ｔａ）、モリブデン（
ＭＯ）等で構成しても同様な効果を得ている。ヒーター
を兼ねた溜め部３についても、本実施例ではタンタル（
Ｔａ）もしくは炭素（Ｃ）板であったが４イオン化物質
５にＢを含まないものについては、その他、モリブデン
（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）等の高融点材料でも良好な結
果を得た。

また、上記実施例では、エミッター１として針状エミッ
ターを用いたが１毛細管を用いて、その中にイオン化物
質５を溜め、毛割管の先端からイオンを放出さ仕る方式
であったり、毛ａＩ管の中に針状エミッターを通し、毛
割管と針状エミッターの間にイオン化物質５を溜め、毛
細管の先端から突出した針状エミッター先端からイオン
を放出させる方式でもよいし、イオン化物質５の溜め部
がイオン化物質５を大容−ｉｇ＋ａさ仕ることを目的と
したルツボ型のものであってもよい。さらに、イオン化
物質５の溶融のさせ方はヒーターへの通電加熱による方
式以外で、電子衝撃やレーザー光などによってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したところから明らかなように、本発明の液体
金属イオン源は、従来、高蒸気圧性という短所を有して
おり、液体金属イオン源からの放出が困難とされてきた
シリコン半導体に対するｎ型不純物元素として重要な元
素のＰを、または、ｎ型不純物元素のＰおよびｐ型不純
物元素のＢを単元素イオンとして効率よく安定に、長時
間引き出すことのできる液体金属イオン源を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による液体金属イオン源の縦断面図、
第２図は、本発明の一実施例においてイオン化物質とし
て用いた５ｎ−Ｐ合金の状態図、第３図は、実施例１に
おける質量スペクトルの説明図である。 １・・・エミッター、２・・・支持部、３・・・ヒータ
ー、４゜４′・・・電流導入端子、５・・・イオン化物
質、６・・・円孔、７・・・引出し電極、８・・・イオ
ンビーム、９・・・貫通孔、１０・・・加熱電源、１１
・・・イオン引出し電源、１２・・・イオン加速電源、
１３・・・真空容器、１４・・・第　１　（２） ′ｆＪ　２　図 ０　　　　１０　　　２０　　　３０　　　４０　　　
　Ｓθｗｔｙ、ｐ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン化すべき物質を溶融して保持する溜め部と、
   この溜め部から供給される上記溶融イオン化物質のイオ
   ンをその先端から放射するように配置されるエミッター
   と、このエミッターとの間に高電界を印加してエミッタ
   ー先端からイオンを引き出す引出し電極とから構成され
   る液体金属イオン源において、上記イオン化すべき物質
   が一般式Ｓｎ＿ＸＰ＿Ｙで示される組成を有し、かつ、
   ３０≦Ｘ＜１００，０＜Ｙ≦７０，Ｘ＋Ｙ＝１００であ
   る合金を用いたことを特徴とする液体金属イオン源。 ２、イオン化すべき物質を溶融して保持する溜め部と、
   この溜め部から供給される上記溶融イオン化物質のイオ
   ンをその先端から放射するように配置されるエミッター
   と、このエミッターとの間に高電界を印加してエミッタ
   ー先端からイオンを引き出す引出し電極とから構成され
   る液体金属イオン源において、上記イオン化すべき物質
   が、一般式Ｓｎ＿ＸＰ＿ＶＢ＿Ｚで示される組成を有し
   、且つ、３０≦Ｘ＜１００，０＜Ｙ＜７０，０＜Ｚ≦１
   ５，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００である合金を用いたことを特徴
   とする液体金属イオン源。 ３、イオン化すべき物質を溶融して保持する溜め部と、
   この溜め部から供給される上記溶融イオン化物質のイオ
   ンをその先端から放射するように配置されるエミッター
   と、このエミッターとの間に高電界を印加してエミッタ
   ー先端からイオンを引き出す引出し電極とから構成され
   る液体金属イオン源において、上記イオン化すべき物質
   が、一般式Ｓｎ＿ＸＰ＿ＹＭ＿Ａで示される組成を有し
   、ＭをＳｎ、ＢおよびＰを除いた元素から選択した少な
   くとも一元素とし、且つ、３０≦Ｘ＜１００，０＜Ｙ＜
   ７０，０＜Ａ≦３０，Ｘ＋Ｙ＋Ａ＝１００である合金を
   用いたことを特徴とする液体金属イオン源。 ４、上記Ｍが、Ａｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃ、ＳｉおよびＰｔ
   からなる群より選択した少なくとも一元素、又は、上記
   群より選択した少なくとも一元素と上記群以外の元素と
   の組合わせからなる元素である特許請求の範囲第３項記
   載の液体金属イオン源。