JPS61248335A - 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
装置などのイオン源、特に高蒸気圧性であるイオン種Ｐ
を単元素イオンとして効率よく安定に長時間引出せる液
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されるイオンビームは、高輝
度であシ、サブミクロンの微小径のビームが得られるこ
とから、半導体プロセスにおけるリングラフィやドーピ
ング（打込み）、エツチングなどが、従来用いられてき
たマスクを使用せずＣマスクレス）に行なえることや、
化学的な手法を用いずＣドライプロセス）に行なえる可
能性を秘めていることため、液体金属イオン源が近年注
目をあびている。

この液体金属イオン源の動作原理は次のｐ口＜である。

先ず、タングステンＷ、タンタルＴａ、カーボンＣ等か
ら成るエミッターに、抵抗加熱あるいけ、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を供
給し、エミッター先端に強電界を印加し、エミッター先
端よりイオン化すべき物質のイオンｔｌｌＥ界電離によ
って引出す。

従って、イオン源としては長時間、安定し２て目的とす
るイオンビームを引き出せることが重要である。

イオン化物質については液体金属イオン源の重要なポイ
ントであるためここで詳述する。

イオン化物質に実用上、要求される条件は、その融点が
高くても１ｏｏｏｃ程度までであることと、その温度で
の蒸気圧が低いこと、また、エミッター材料との反高が
皆無か、あるいはあっても少ないこと、さらに濡れ性も
良好であることである。

ル体的に述べると、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が生じ、所望のイオンビーム金
利き出せないかまたは、引き出すことができたとしても
放出されたイオン電流が不安定であったり、イオン源の
寿命が１時間以下と極めて短いという致命的な欠点が生
じてぐる。つまり、その問題とは、 １Ｎ　　溶融イオン化物質の蒸気圧が高いために、蒸発
が激しく、目的とする引出し元素イオンが短時間で枯渇
してしまう。

２）エミッターチップと溶融したイオン化物質が激［２
〈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濡れ性が悪い等の理由によシイオン
ビームの引き出しが困難である。

などである。

一方、所望のイオンを引出すための元素か、高融点であ
ったり、高蒸気圧性である場合、これらの元素に対し２
て他元素を加えて２元素系や３元素系の合金を用いられ
ている。このような例については、、世ｊえば、「月刊
セゴコンダクタワールド（Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
　ＷＯｒｌｄ　ｌ　Ｊ　（１９８３１１１月号における
石谷及び田村にょる１イオン・マイクロビーム源″と題
する文献において、シリコン半導体プロセスに欠くこと
のできないホウ素（Ｂ：ボロン）を、Ｂ単体ではその融
点が２０００１：’〜２５００Ｃであるのに対し、ニッ
ケル（Ｎｉ）とＯ合金ＮＩＢにすることによって融点を
約１０００１：’まで下げ、Ｂイオンを長時間引出すの
に成功している。

このようなイオン化物質が合金の場合、２元素や３元素
ばかりでなく、さらに多くの複数元素からなる場合もあ
る。

さて、シリコン半導体に対するｎ型不純物元素のうち最
も重要とされているものの１つにリン（Ｐ）がある。

Ｐ単体は、融点が４４．　Ｌ　Ｃで、その温度での蒸気
圧が０．１８１ｍＨｇと高蒸気圧の九めに、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
せしめて、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。従って、Ｐｔ含むイオ
ン化物質、つまり、安定に且つ長時間Ｐイオンを引き出
せることのできるような合金を探索することが重要なポ
イントとなる。

これまで、Ｐイオンの液体金属イオン源からの放出につ
いては、ジャパニーズ　ジャーナル　オズ　アプライド
　フィジックス（Ｊｐｒ、　Ｊ、　ｋｐｐｔ。

Ｐｈｙｓ、　）Ｖｏｔ、　２３　、　Ａ５　、　Ｌ３３
０　（１９８４年）における石谷らのデベロップメン′
ト　オブ　フオスフオラス　リキッド　メタル　イオン
　ソース（Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｒｉｔ　ｏｆ　ｐｈｏｓ
ｐｈｏｒｕｓ　Ｌｉｑｉｄ−Ｍｅｔａｌ−（ｏｎ　５ｏ
ｕｒｃｅ　）と題する文献において論じられている。こ
の論文てよると、　’ｌ’、　Ｊｓｈｉｔａｎｉ　　ら
は、イオン化物質としてＣｕ、！、Ｐの２元系合金を用
いて゛・、へる。このＣｕとＰの合金は共晶合金状態で
あっても、その融点は７２０Ｃ前後で、本論文によると
、イオン源の動作温度は７５０Ｃから７８０Ｃである。

しかし、長時間イオン放出を行なうと、その動作温度の
高さのためにＰがイオンとなる前に溶融状態のイオン化
物質からＰが蒸発してしまい、イオン源の寿命が制限さ
れてしまうため、Ｃｕ−Ｐ合金をイオン化物質として用
いる場合よりも、所望のＰイオン電流がやや少なくとも
、更に長時間安定して、所望のＰイオンが放出し続ける
イオン源の開発が望まれていた。

そこで上記のような問題点を考慮対象とし、Ｐを含む種
々の合金を検討した結果、Ｃｕ−Ｐ系合金、その中でも
特に、Ｃｕ−Ｐ合金に更に低融点金属、例えば、融点が
５００Ｃ以下の金属を混ぜ合わせ、その合金の融点？Ｃ
ｕ−Ｐ合金よりも低く押えることによってＰの選択的な
蒸発を防ぐとともに、前記問題点すべてを解決し、本目
的を達成することができるイオン源であることが明らか
となった。

なお、本発明の技術分野の状況を示すために、（１）日
本国公開特許公報９特開昭５７−１３２８５３号、およ
び（１１）日本国公開特許公報、特開昭５８−１７８９
４４　号を挙げることができる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の難点を解消し安定で、
且つ長寿命のＰイオンビームを引き出ぜる液体金属イオ
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に、本発明においては、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、イオン化すべき物質が、Ｍが低融点金属
である少なくとも一元素とする時、一般式が、（ｒｕｘ
ＰｙＭＡで示される組成？有していて、且つ、４０≦Ｘ
（１００（Ｃｕの成分が４０原子］仁−セント以上で１
００原子バーセント（７ｉ′二満たないと一一を一意味
し、以下同様に解する）、ｏ＜ｙ≦４（１１０（Ａ≦４
０．Ｘ＋Ｙ＋Ａ＝　１００である合金を用いるか、もし
くは、特にＭの融点が、２０？：’以上で５００Ｃ以下
の範囲に属する低融点合金を用いるか、もしくは、特に
、Ｍとして、インジウム。

ガリウム、亜鉛、ビスマスおよび鉛よりなる群から選択
した少なくとも一元素である合金を用いる。

上記本発明の液体金属イオン源を用いると、Ｐイオン金
安定に、かつ、長時間放出することが可能となった。

本発明の液体金属イオン源の、通常の構造は、上記イオ
ン化物質を溶融して保持している溜め部と、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形成してエミッター先端からイオ
ンを引出す引出し電極とから構成される。

エミッター先端から引出されたイオンビームは、イオン
化物質の合金における各構成元素のイオンが混合したも
のであるから、このイオンビームを質量分離することに
より、目的とする元素のイオンビームを得ることができ
る。しか（７、イオン化物質が、Ｃｕ、Ｐを含む多糧類
の合金である場合、Ｐを除いた成分の原子イオンや分子
イオンさらに、多価イオンが所望のＰイオンと同じ質量
電荷比（ｍ／ｅ：ｍは質量、ｅは荷亀素ｉｔ示す１３１
？持つ可能性が高くなり、その場合、所望のＰ”イオン
ビームを単元素イオンビームと１〜で得られなくなる。

また、全放出イオン電流に占めるＰ“イオン電流の割合
が小さくなるため、合金成分の種類はできる限り少ない
方が望ましく、ＣｕとＰの他に、合金の融点を低下させ
るための元素は、１攬類の３元合金が望ましい。

〔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属イオン源の基本構成を示
す概略断面図である。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方式である。

エミッター１は絶縁碍子２に接続され支持されている。

イオン化物質５を溶融するための通電加熱ヒーターを兼
ねた溜め部３は、帯板状でその中央部ハイオン化物質５
を保持するための円錐台形となっておシ、さらＫその中
央底部には円孔６が設けられている。この円孔６の中心
軸上にエミッター１が設置されておシ、このエミッター
１の先端は円孔６よりわずか突出している。また、溜め
部３の両端は電流導入端子４．４′に固定されており、
この電流導入端子４．４′は絶縁碍子２に固着されてい
る。第１図は、溶融したイオン化物質５で濡れたエミッ
ター１が溜め部３にある円孔６から突出た状態を示して
いるう７はイオン引出し電極であシ、この引出し電極７
と溶融したイオン化物質５で濡れたエミッター１先端と
の間に数ＫＶＯ高電界を作用させることによシ、エミッ
ター１先端に付着した溶融イオン化物質５は円錐状に尖
がシ、さらに高電圧を印加すると、つぃＫはその溶融イ
オン化物質５の円錐先端から電界電離したイオンビーム
８を引出すことができる。引出し電極７の中心くけ、貫
通孔９が設けられておシこの貫通孔９と円孔６は同心軸
上にあり、イオンビーム８は貫通孔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１は直
径が０．３ｍのタングステン（Ｗ）棒であり、その先端
は電解研磨によって曲率半径を数μｍ以下に鋭く尖から
せである。ヒーターを兼ねた溜め部３は厚さ０．０５ｍ
のタンタル（Ｔａｌ板製で、中央部にある凹部は、イオ
ン化物質５が約１０１１１１３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の中央部に設けられた
円孔６の直径は約１＋ｍで、エミッターｌの先端は円孔
６よシ約ｌＩｍ突出し、エミッター１先端と引出し電極
７の間の距離は約０．５■である。

第１図において、符号１０は加熱電源、１１はイオン引
出し電源、１２はイオン加速電源、１３は真空容器であ
る。

本実施例で用いたイオン化すべき物質５は、Ｃｕｅ。Ｐ
２゜Ｉｎ２Ｏである。このイオン化物質５はＣｕ３　Ｐ
合金にＩｎを解かし混ぜ合わせた。Ｃｕ３ｐ合金はＰが
２５ａｔ％含まれておシ、融点は約７６０Ｃである。ま
た、Ｉｎの融点は１５５．４Ｃである。Ｃｕ５Ｐ（！：
Ｉｎをガラス製アンプルに封入し、加熱していくと、Ｃ
ｕ５Ｐ合金の融点よシも低い温度で解け、３元系合金が
できる。本実施例ではＣｕ３Ｐ合金にＩｎ’を原子パー
セントでＣｕａｏＰｚｏＩｎ＊。

となるように混合し念。このイオン化物質５を、イオン
源のヒーターを兼ねた溜め部３に乗せ、約５００Ｃで動
作させたところ、安定なイオンビーム８の放出を確認し
た。イオン源の動作温度、つまりイオン化物質５の溶融
状態の温度は、その物質の融点よシやや高いのが通例で
ある。

このようＫして得られたイオンビーム８を質量分析計に
通し、質量分離して得られた質量スペクトルの一例を第
２図に示す。ただし、横軸は質量電荷比（ｍ／ｅｌであ
シ、横軸はイオン強度（任意単位）を示している。この
時のイオン引出し電圧Ｆｉ４．３　Ｋ　Ｖであシ、全放
出イオン電流は２０μＡ１イオン加速電圧は３．２　Ｋ
　Ｖであった。このイオン源から得た放出イオン電流の
大部分がＣｕゝイオンとＩｎ＋イオンであるが　Ｐ　＋
のビークが認められ、Ｐ＋放出が確認できる。このイオ
ン源の寿命として１００時間以上を達している。

以上のように、本実施例１ではイオン化すべき物質ｆＩ
：ＣＵとＰとＩｎの合金にすることによって、従来のｃ
ｕ−ｐ共晶合金よシも融点を約２００Ｃ下げることがで
き、これに伴ないＰの揮散を少なくすることができた。

さらに、Ｉｎを加えたことにより溶融イオン化物質とエ
ミッターの濡れ性が更に良くなり、エミッター先端への
溶融イオン化物質の供給がさらに安定化したため、イオ
ン源の寿命として従来の約２倍に伸びた。

実施例２ 本実施例２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構成であシ、本実施例２で
用いたイオン化物質５は、一般式ＣｕｘＰｙＭａ　（た
だし、ＭはＧａ、Ｉｎ、ｐｂ。

Ｂｉのうちの少なくとも１元素を示す）においてＭをＧ
ａとした場合で、Ｃｕ　ｓｌＰ　ｔｙＧ　ａ　ｓｔであ
る。

このイオン化物質５け、Ｃｕ　ｓ　Ｐ合金（２５ａｔ優
）に上記酸になるようにＱａを配合、溶融し合金化した
。

Ｇａ（ガリウム）の融点は２９．８　Ｃと低く、Ｃｕ−
Ｐ合金に加えるほど、つま＃）Ｃｕ−Ｐ−Ｇａ３元系合
金中のＧａの含有率が増すに従い、Ｃｕ−Ｐ−Ｇａの融
点は下がる。このイオン源の動作温度は約４５０Ｃであ
、りＣｕ−Ｐ共晶合金に比べ、動作温度が約２５０Ｃ低
くすることができた。

また、Ｑａ’２加えることによシ、溶融イオン化物質５
の表面張力が低下し、エミッターチップ１先端への流れ
が良くなり、イオン放出が安定化するという効果も得ら
れた。

このイオン源から得られたイオンビーム８を質量分離し
て得られた質量スペクトルの典型例を第３図に示す。た
だし、このスペクトルは、質量電荷比ｍ　／　ｅが２５
から８０の範囲について示したものである。この時のイ
オン引出し電圧は、４．ＯＫＶであシ、全放出イオン電
流は２０μＡ１イオン加速電圧は３．２ＫＶであった。

第３図から放出イオン電流のうち、Ｃｕ＋とＧａ＋のイ
オン電流が多くを占めているが　Ｐ　＋のピークが認め
られ、Ｐ９放出が確認できる。このイオン源も寿命とし
て１００時間以上を達成している。

実施例３ 本実施例３で用いたイオン化物質５は、ＣＬｌｓｓＰｚ
ｚＰｂｔｚであシ、その他のイオン源構成については実
施例１と同様である。このイオン化物質５は、Ｃｕ−Ｐ
共晶合金に低融点金属である鉛（ｐｂｌ（融点、３２７
Ｃ）を混ぜ、加熱溶融したものである。融点は７００Ｃ
前後であり、実施例２に比べやや高いが、Ｃｕ−Ｐ共晶
合金よりも低い。

実施例４ 本実施例４で用いたイオン化物質５は、ＣｕａａＰｚｔ
Ｂｉｘｓである。ビスマスＣＢｉ）の融点は２７１Ｃと
低く、Ｃｕ−Ｐ−Ｂｉａ元系合金中のＢｉの含有率が多
いほど％Ｃｕ−Ｐ−Ｂｉの融点は低下する。本実施例４
の場合、融点は約６００Ｃであった。イオン引出し電圧
４．５　Ｋ　Ｖの時、全放出イオン電流で３０μＡ放出
され、安定して放出し続けた。特に、本実施例４の場合
、Ｂｉをｃｕ−ｐ合金に加えることによシ、融点が下が
る他に、エミッターチップｌ先端へ安定して溶融イオン
化物質が供給されるという利点も有している。

この利点によシ長時間、安定してイオン放出が得られ、
所望のＰイオンを安定して得ることができた。

また、ＢｉはＶ族の元素であシ、シリコン半導体に対し
てｎ型不純物で、ドーパントとしても有効である。従っ
て、本実施例では、同一イオン源から２種のｎｑドーパ
ントを放出できるという利点を有している。よって、こ
のイオン源を用いて、放出されたイオンビーム８を細く
絞シ、半導体基板の微細領域にイオンを打込むことく利
用するなラバ、シリコン半導体に２種のｎ型ドーパント
を打込める。同一の打込みエネルギーなら、打込むイオ
ン種の質量によって打込み深さが異なるため、本実施例
４のように、Ｐに比ベア倍近く質量の大きいＢｉは、Ｐ
に比べて打込み深さは浅くなり、この２種のイオン種、
ＰとＢｉを打込み分けることにより、打込み深さの異な
るｎ型打込み層が得られるという効果をもたらす。

以上、述べてきた如く、本発明はｃｕ−ｐ合金に低融点
金属であるＧａ、　Ｉｎ、ｐｂ、　Ｂｉなどを加えるこ
とにより、イオン化物質の融点をＣｕ−Ｐ合金より低く
し、Ｐの選択的蒸発を防いだものであるが、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極
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）を用いたが、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）であったが、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、毛細管を用いて、その中にイオン化物
質５を溜め、毛細管の先端からイオンを放出させる方式
であったり、毛細管の中に針状エミッター全通し、毛細
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を大容量搭載させ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、電子衝繋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は困難とされてきた、
シリコン半導体に対するｎ型不純物元素として重要なリ
ン（Ｐ）ｔ−１効率よく安定に、長時間引出すことので
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、本発明の一実８例における液体金属イオン源
の概略断面図、第２図は、本実施例１における質量スペ
クトルの説明図、第３図は、本実施例２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・・・絶縁碍子、３・・・ヒー
ターを兼ねた溜め部、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、１ｏ・・
・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。

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、
   該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
   、該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、Ｍ
   を低融点金属である少なくとも一元素とするとき、一般
   式、Ｃｕ＿ＸＰ＿ＹＭ＿Ａで示される組成を有し、且つ ４０≦Ｘ＜１００、０＜Ｙ≦４０ ０＜Ａ≦４０、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
   。 ２、前記Ｍが、その融点Ｔｍ（℃）が２０≦Ｔｍ≦５０
   ０を満たす低融点金属であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の液体金属イオン源。 ３、前記Ｍが、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、ＢｉおよびＰｂより
   なる群から選択した少なくとも一元素であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の液体金属イオン源。