JPS61267222A

JPS61267222A - 液体金属イオン源

Info

Publication number: JPS61267222A
Application number: JP10812085A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Umemura; 馨梅村; Toru Ishitani; 亨石谷; Toshiyuki Aida; 会田　敏之; Hifumi Tamura; 田村　一二三
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-05-22
Filing date: 1985-05-22
Publication date: 1986-11-26

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、マスクレスイオン打込み、イオンマイクロビ
ーム描画装置などのイオン源に係り、特に、リン（Ｐ）
イオンを安定に長時間引出すことの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されるイオンビームは、高輝
度であり、サブミクロンの微少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ソグラフィやドーピ
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（マスクレス）に行なえることや、
化学的な手法を用いずに行なえる可能性を秘めているた
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如くである。先
ず、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）。

タンタル（Ｔａ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの高融点
材料から成り、その先端が鋭く尖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
。エミッターに対して引出し電極に負の高電圧を印加し
ていくと、エミッター先端部に電界が集中する。更に高
電圧を印加すると、あるしきい値でエミッター先端部の
液体金属はテーラ−コーン（’ｌ’ａｙｌｏｒ　Ｃｏｎ
ｅ）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、安定してず目的とするイオン種のビームが引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．ＩＣで、その温度での蒸気
圧が０．１８１關Ｈｇ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。

このように、所望の元素のイオン化物質が高蒸気圧性で
あったシ、または高融点材料である場合、それらの物質
と他元素との合金や化合物の形にして上記難点を軽減し
、この合金や化合物を溶融し液体状にした後、高電界下
でこの合金成分または化合物元素のイオンを引出し、引
出し電極の後段に設けた質量分離器によって所望のイオ
ンのみを得る方法が有効となる。このような方法は従来
よく用いられており、たとえば、融点が約１４２０Ｃの
シリコン（８１）を、そのまま単体で溶融せずに、金と
の合金Ａｕ−５ｔＯ形にして溶融する。Ａｕ−８ｔの共
晶点での融点は３７０Ｃと単体Ｓｉのそれに比較して非
常に低い。融点を下げることによシ、溶融の際に消費す
る電力の低減化はもちろんのこと、ヒニターやエミッタ
ー〇熱損傷の機会が少なくなり、また、イオン化物質の
余分な蒸発が防げるなどの利点を有している。一方、欠
点としては、合金または化合物中に占める所望元素の占
有率が１００％でないため、イオンを引出した際、全放
出イオン電流に占める所望イオン電流値が小さくなる。

また、合金組成の所望元素とは別の元素、（例えば上記
例では、金）のイオンの質量電荷比ｍ　／　ｅ　（ｍ　
：質量数、ｅ：電荷数）が所望イオンのｍ／ｅと同じで
あれば、質量分離はできず、所望イオンのみの単元素イ
オンビームは得られないので、合金組成の組合わせに制
限を受ける。従って、望ましい合金としては、合金中の
所望元素の含有率が多く、融点が低く、組・成元素の種
類が少なく、さらに、所望イオンのｍ／ｅと同じになら
ないか、その値にあま９近くないｍ　／　ｅを持つイオ
ンを生じる物質との合金が望ましい。

液体金属イオン源からＰイオンの引出しは、これまで、
Ｐの高蒸気圧性の九め困難とされてきた。

Ｐイオン引出しに関する従来例としては、ジャパニーズ
・ジャーナル・オシ・フィジックス、第２３巻、第５号
、　１９８４年５月、第３３０頁〜３３２頁（Ｊｐｎ、
　Ｊ、　Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、　２３（１９８４年）Ｌ
３３０　）における、石谷らによる゛′ディベロップメ
ント・オプ・フオスフオ多ス・リキッドメタルイオン・
ソース”（’　ｌ）ｅｖｅｌｏｐｍｃｉｎｔ　ｏｆ　ｐ
ｈｏｓｐｈｏｒｕｓＬｉｑｕｉｄ　−Ｍｅｔａｌ−■ｏ
ｎ　５ｏｕｒｃｅ”）と題する論文において発表されて
いるのみである。本公知例においては、イオン化物質と
して銅とリンの合金ＣｕａＰ（Ｐの濃度が２５原子パー
セント）を用いている。本報告では、放出イオンの中で
、ＰイオンではＰ＋が最も強く、その次に、Ｐ２＋であ
るとしている。

しかし、Ｐｌのｍ　／　ｅは３１であ夛、上記イオン化
物質のもう一つの元素であるＣｕの２価イオン６ａＣｕ
ｔ４−のｍ／ｅが３１．５と、両者＋７）　ｍ　／　ｅ
　（Ｄ差が０．５シかないため、このイオン化物質を使
ったイオン源を搭載した装置は、最低６３の質量分解能
を持つ、高分解能質量分離器の設置が必要となる。

このような現状から、質量分解能が３０程度の質量分離
器でもＰイオンビームを単独ビームとして得ることので
きる液体金属イオン源の開発が望まれていた。

なお、特開昭５７−１３２６５３号には、Ａｔ。

Ａｓ、Ｂ、Ｃ，Ｇｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓ　ｉおよびＳｎから
成る群より選ばれた少なくとも１メタロイド元素と遷移
元素との合金からなるイオン化物質が示されているが、
その遷移元素として具体的に示されているのは、Ｎｉ、
Ｐｄ’、Ｐｔ、Ｌａ、Ａｕ。

ｐｅのみである。後述するように、本発明の液体金属イ
オン源におけるイオン化物質はＣｕ−Ｐ基合金であるが
、特開昭５７−１３２６５３号公報には、この合金が特
にすぐれている事を開示する記載は全くない。

〔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、Ｐ１イオンおよびＰ２＋イオンを安定に且
つ、長時間引出すことのできる液体金属イオン源を提供
することにある。

〔発明の概要〕

本発明者等は、Ｓｉ半導体プロセスにおいて重要とされ
ているが高蒸気圧性のために単元素イオン化物質からの
イオン引出しが困難とされていたＰイオン電流を多くと
るために、Ｐを含む合金の中で、比較的低融点で、しか
も低蒸気圧を有し、かつ、放出したＰ”、Ｐ２＋イオン
の質量電荷比ｍ　／　ｅが、他元素イオンのｍ　／　ｅ
に近くなく、質量分解能が３０程度であっても、放出イ
オンを質量分離でき、所望のＰ”、Ｐ２＋イオンの単独
ビームとして得ることのできる液体金属イオン源を得る
ことを試み、本発明に到達したものである。

本発明者等は、先ず、溶融したＣｕ−Ｐ合金とＭＯ製エ
ミッターとの濡れ性を良くする目的で、Ｃｕ−Ｐ共晶合
金（１５，７ａｔ％Ｐ）に白金（ｐｔ）を原子濃度で１
０ａｔ％加え、Ｐｔ−Ｃｕ−Ｐ三元合金を作製し、これ
をイオン源においてイオン化し、放出イオンを質量分離
した結果、Ｐ＋のイオン電流は減らずに　ｐ２＋のイオ
ン電流が増加しＰ　２　＋イオンがＰｌと同程度のイオ
ン強度で放出していることを見出した。つまり、Ｃｕ−
Ｐ二元合金ではＰ”ｉｄＰ＋の１０分の１程度で、Ｐ！
“のイオン電流値としては小さいためにイオン打込み等
への応用ができなかったが、Ｃｕ−Ｐに更にｐｔ又はＡ
ｕを加えることによってＰ＋イオン電流は減少せずにＰ
！＋イオン電流は増大し　Ｐ　＋と同程度得られること
から、Ｐ２１イオンビームの半導体プロセスへの応用の
可能性を見出した。

ここで、混入すべきｐｔＯ量は、ｐｔ＋イオンを多く引
出すために、５原子パーセントを越えるのが望ましい。

しかし、余り多くなυ過ぎてｐｔがこのＣｕ−Ｐ−Ｐｔ
三元合金の大半を占めると、この合金（イオン化物質）
の融点が高くなる。イオン源の動作温度が上昇すること
によって、溶融イオン化物質からＰのみが選択的に蒸発
するという問題を生じる。また、ｐｔは高価な貴金属で
あるため、Ｐｔを多くすると不経済であるという欠点も
持っている。従って、Ｐ　ｔＱ量として、５０原子パ一
セント未満にするのが望ましい。

上記のＰ２＋イオンの増加現象は、Ｃｕ−Ｐ合金にＡｕ
を加えた場合でも同様に見られる。また、Ｃｕ−Ｐ合金
に加えるＡｕの量もｐｔと同程度でよい。つまシ、混合
すべき量は全体の５ａｔ％から５０ａｔ％であることが
望ましい。

本発明で見出したＰ２＋の増加現象については、以下の
ようなモデルで説明できるものと考えている。

液体金属イオン源のイオン放出のメカニズムは主として
電界蒸発である。単元素の固体エミッターから０価イオ
ンを放出させるための蒸発電界の理論値Ｆｎは、Ｔ、　
Ｔ、　Ｔｓｏｎｇにより５ｕｒｆａｃｅ　８ｃｉ。

υ１（１９７８）２１１に発表されている。表１にＣｕ
、ｐｔ、およびＡｕのＦｎを示す。Ｐについては、’Ｉ
’ｓｏｎｇの論文に示されておらず不明である。

ｐｎ（ｎ＝１〜４）の低い値の部分にアンダーラインを引いである。これらの
アンダーライン部の値の大小関係を比較すると、Ｃｕの
Ｆｌ　＝３．０　（ｖ／人）に比べてＰｔのＦ２　　＝
４．５　　（ｖ／Ａ）　　、　　ＡｕのＦｌ　＝５．３
　　（ｖ／人）。

Ｆ　２　＝　５．４　（ｖ／人）はいずれも大きい。従
ってＣｕにｐｔあるいはＡｕを添加するに従って、溶融
金属からのイオン放出時における電界値がＣｕのみの場
合より高くなるものと思われる。このためＰについては
、イオン強度比Ｐ”／Ｐ＋がＣｕ−Ｐ合金の場合よ勺、
Ｃｕ−Ｐ−ＰｔおよびＣｕ−Ｐ　−Ａ　ｕ合金の方が高
くなったものであろう。

上記モデルは、蒸発電界値の低い物質に、高い物質ある
いは低い物質を添加することにより、イオン放出時の電
界値を高めた９あるいは低めたり制御でき、その結果、
放出元素Ｍのイオン強度比、Ｍ”７Ｍ”　、Ｍ”／Ｍ２
＋などが制御できることを示唆している。

本発明の液体金属イオン源は、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作
り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、ａ、ｂおよびＣ
を原子パーセント数を表わすものとして、イオン化物質
として、Ｃｕ　−Ｐ　ｂＰ　ｔ　ｃで示され、かつ、５
０＜ａ＜９５。

０＜ｂ＜４０，５≦ｃ≦５０　、　ａ＋ｂ＋ｃ＝１００
で示される合金を用いるか、′１ｆｃはｄ、ｅまたはｆ
を原子パーセント数を表わすものとして、イオン化物質
としてＣｕｄＰ−Ａｕｔで示され、かつ、５０　（ｄ　
（９５、０（ｅ　（４０、５≦ｆ≦５０゜ｄ　＋ｅ　＋
ｆ　＝　１００で示される合金を用いることを特徴とす
る。

かかる本発明によシ、これまで放出が困難とされてきた
Ｐ＋イオンおよびＰ２＋イオンを安定に、かつ、長時間
放出することが可能とな９、その結果、シリコン半導体
プロセスにおいて重要なＰ　＋。

ｐ　ｌ　＋を放出することのできる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属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を溶融するための通電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
されておシ、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は引出し電極であり、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シ、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、エミッターは直径０．８　ｒｔａｎのタ
ングステｔ１ワ旭ン（Ｗ）製であり、その先端は電解研磨により曲率半径
を数μｍ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　ｒｕｎのモリブデン（ＭＯ）板
製で、中央にある凹部は、イオン化物質５を数回３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
中央に設けられた円孔６の直径は約１ｍｍである。

第１図において、符号１０はイオン化物質５の加熱電源
、１１はイオン引出し電源、１２はイオン加速電源、１
３は真空容器である。

本実施例１で用いたイオン化物質５は、Ｃｕａｏ　Ｆ２
０　Ｐ　Ｌ　ｇｏである。このイオン化物質はＣｕａＰ
にｐｔを加えて作製した。混入割合は重量割合で約４７
％である。この物質５の融点は約８００Ｃである。この
イオン化物質５をヒーター３上に乗せ、約９００ｔｌ；
１で加熱し、イオン源を動作させたところ、安定なイオ
ンと一ム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（図示せず）に通し質量分析し、
その時の質量スペクトルの典型例を示したものが第２図
である。

ただし、横軸は質量電荷比ｍ　／　ｅ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５．８ｋＶで、全放出イオン電流は３０μＡ
である。

このスペクトルから、本イオン源からｐ　１　＋。

Ｐ　””　Ｉ　Ｐ”　Ｉ　Ｐ”　ｌ　Ｃｕ”　ｌ　Ｃｕ
２＋のイオンが放出されており、この中で　ｐ２”のイ
オン強度はＰ＋の約２２倍であることもわかる。

イオン化物質がＣｕ−Ｐの場合、放出されるＰ２＋とＰ
＋の強度比Ｐ”／Ｐ＋は極めて小さく、特に、前記の公
知例においては、Ｐ２＋の放出についての記述はない。

しかし、本実施例においては強度比Ｐ”／Ｐ＋は０゜５
〜２．５と、Ｐ“に比べてＰ２＋が多く放出している。

ただし、強度比ｐｔ＋／Ｐ＋は、全放出イオン電流量Ｉ
Ｔに依存し、ＩＴが低いほど強度比は大きくなる。望ま
しくは、ＩＴを４０μＡ以下で動作させるのがよい。

Ｐ２＋が多く放出することは、次のような効果をもたら
す。例えば、本発明によるイオン源を、半導体へのイオ
ン打込みプロセスに適用する場合が考えられる。ある加
速電圧Ｖ　（ｋＶ）で加速されたＰｌは２倍の２Ｖ（ｋ
ｅＶ）なるエネルギーで半導体基板に打込まれる。−万
　Ｐ　＋のエネルギーはＶ　（ｋｅＶ）であるので　Ｐ
　ｌ　＋はＰ＋に比べより深く基板内に打込まれること
になる。具体的数値を挙げると、Ｖ＝１００（ｋＶ）で
加速されたＰｏとＰ２“をＳｉ基板に打込んだ場合、そ
れぞれの侵入深さく飛程）はおよそ０．１２　ｔｔｍ、
　０．２５　μｍとな、Ｃ１Ｐ”の方が飛程が大きいこ
とがわかる。従って、Ｐ＋とｐｌ＋とを使いわけて打込
むことによシ、同一加速電圧で違った深さに打込めると
いう効果をもたらす。

本実施例におけるもう一つの効果は、第２図の質量スペ
クトルかられかるように、Ｐｌのピークの周辺には他元
素のイオンはなく、Ｐ！＋の単独イオンビームを得るた
めには引出し電極７の後段に設ける質量分離針の質量分
解能は小さくてすむ。

本実施例の場合、Ｐ！＋のイオンビームのみを得るため
には、質量分解能は１０以下で済む。

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、組成式がＣｕｅ８Ｐ　２２　
Ａｕｔｏ　である。融点は約１００ｏ　ｒ　テある。

このイオン源を約１１００１．’で動作させ、安定なイ
オン放出を確認した。このイオンビーム８を質量分析し
た結果の典型例を第３図に示す。この時の、全放出イオ
ン電流は２０μＡであった。この結果からＣｕ４　、　
Ｃｕ２＋、Ｐ＋、ｐｉ！＋、、Ｖｕ＋＋Ａｕ”等のピー
クが見られ、特に、Ｐ２＋が、Ｐ＋と同程度の強度で放
出していることがわかる。ただし、実施例１で用いたＣ
　ｕ　−Ｐ　−Ｐ　ｔはどＰ”／Ｐ”の比は大きくない
。つまり、Ｃｕ−Ｐの二元合金を用いた液体金属イオン
源からは引出し難かったＰ２＋イオンを、ｃｕ−ｐにＡ
ＬＩを加えることによって多量に放出させることができ
た。ｐ　ｌ　＋イオンの多量放出により、Ｓｉ半導体へ
の微細領域打込みなどへの応用に、このイオン源を用い
ることができる。上記実施例ではイオン化物質５として
Ｃｕ−Ｐ−Ｐｔ合金およびＣｕ　−Ｐ　−Ａ　ｕ合金を
用いて　ｐ２＋イオン電流の著しい増加を確認した。

このようＰｔやＡｕ混入によるＰ２＋の増大効果は、Ｎ
ｉ、、　Ｐ、、　ｐｔ２．合金についても確認すること
ができた。

ところで、Ｎｉの同位体６２Ｎ１の４価イオン６ｆｌ　
Ｎ　ｉ　４　、”のｍ／ｅは１５．５で１ｌＩｐ２＋の
ｍ　／　ｅと同じである。しかし、ＮｔＰ以外の物質に
よって、６２Ｎ４＋の放出は無視しうるほど微弱である
ことがわかった。用いたイオン化物質はＮｒ−Ｂであシ
、質量分析の結果から”　Ｎ　ｉ’＋は、放出Ｎｉイオ
ンの中で最大強度であるｌ１ａＨ１ｉ＋に対して１／２
０００以下であった。この測定結果からＮｔ−ｐ合金か
ら得られたｍ　／　ｅ　＝　１５．５のピークはほとん
どｊｌｐ！＋と考えてよい。

Ｎ　ｉ　−Ｐ二元合金の場合　ｐｔ＋強度はＰ＋に比べ
１／１０以下であったが、これにｐｔを原子濃度で２Ｑ
ａｔ％程度混入することで、Ｐ”／Ｐ＋の強度比は２近
くにな、り、Ｐ”の放出増大が確認できた。

Ｃ１８）上述のよりなｐｉを加えることによって放出２価イオン
を著しく増加させることのできた合金としては、Ｐの代
わシにＡ８を用いたＣｕ　−Ａｓ−Ｐｔ＋Ｎｉ−Ａｓ−
Ｐｔ合金についても確認できた。

また上記実施例では、エミッター１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Ｔ
ａ１カーボンＣ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、本実施例ではモ
リブデン（ＭＯ）板であったが、タンタル（Ｔａ　）、
ニオブ（Ｎｂ）、カーボンｆｃ）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
ターであったが、毛細管を用いて、その中にイオン化物
質５を溜める方式であったシ、毛細管の中に細い針状エ
ミッターを通し、毛細管と針状エミッターの間にイオン
化物質５を溜める方式のエミッターであってもよい。

］　　　　　　　さらに、ヒーターは通電加熱方式以外
で、電子衝撃やレーザ光によってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したところから明らかなように、本発明によれ
ば、シリコン半導体に対するｎ型不純物のリン（Ｐ）の
イオンを、特に、Ｐの２価イオンを安定に、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、本発明の一実施例における液体金属イオン源
の概略断面図、第２図は、実施例１における質量スペク
トルの説明図、第３図は、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、１０・・
・加熱電源、１１・・・イオン引出し電源、１２・・・
イオン加速電源、第　　１　　図１ρ ノ３−〜」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　ＩＬ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　Ｊ％Ｚ　　図恐仝

Claims

【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
をその先端から放出するように配置されたエミッターと
、該エミッターの先端に高電界を集中させ、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、
組成式Ｃｕ＿ａＰ＿ｂＰｔ＿ｃで示され、上記ａ、ｂ、
ｃは原子パーセント数を表わし、５０＜ａ＜９５、０＜
ｂ＜４０、５≦ｃ≦５０、ａ＋ｂ＋ｃ＝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、
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
をその先端から放出するように配置されたエミッターと
、該エミッターの先端に高電界を集中させ、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、
組成式Ｃｕ＿ｄＰ＿ｅＡｕ＿ｆで示され、上記ｄ、ｅ、
ｆは原子パーセント数を表わし、５０＜ｄ＜９５、０＜
ｅ＜４０、５≦ｆ≦５０、ｄ＋ｅ＋ｆ＝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。