JPS62139227A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マスクレス・イオン打込み装置、微細領域二
次イオン質量分析計、微細領域デポジション装置などの
イオン源に係り、特に、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、ヒ
素（Ａｓ）のうち少なくとも１元素のイオンを安定に長
時間引出すのに好適な液体金属イオン源に関する。

〔従来の技術〕

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、サブミクロンの微細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ーやドー
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）に行えることや、
化学的な手段を用いずに行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が浴びている。

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（Ｓ　ｉ　Ｃ）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（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に、ヒ素（Ａｓ）、リン
（Ｐ）、また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Ｐ４の蒸気圧が約２
４Ｐａ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。また、Ａ
ｆｔ単体も、融点が８１７℃に対して、その時の蒸気圧
が３．６　Ｘ　１０’Ｐ　ａと高蒸気圧であるためＡｓ
単体もイオン化物質には使用できない。一方、Ｂ単体は
、融点が約２４００℃と非常に高いためにＢ単体もイオ
ン化物質には適しない。

この様に、所望のイオンを放出する単元素が高蒸気圧で
あったり、高融点である場合には、その所望の元素と他
元素との合金や化合物の形にして上記難点を軽減し、こ
の合金や化合物をイオン化物質として用いる。合金や化
合物がイオン化物質である場合、引出されたイオンには
所望のイオンの他に他元素イオンや他元素との分子イオ
ンなども含まれるので、イオン源の後段に質量分離器を
設けて所望のイオンのみを得る方法が有効となる。

この様な方法は従来よく用いられており、例えば、シリ
コン（Ｓｉ）イオンを液体金属イオン源から放出させた
い場合には、融点が約１４２０℃のＳｉ単体を用いずに
、金（Ａｕ）との合金Ａ　ｕ　−Ｓ　ｉをイオン化物質
とする０合金ＡｕＳｉの共晶組成での融点は約３７０℃
とＳｉのそれに比較して非常に低い、融点を下げること
により、溶融の際に消費する電力の低減化は勿論のこと
、ヒーターやエミッターの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妨げるなどの利点を
有している。

液体金属イオン源からのＡｓ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・オブ・フィジ
ックス、第１９巻、第１０号。

１９８０年１０月、Ｌ第５９５頁〜５９８頁（Ｊｐｎ、
Ｊ。

Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｖｏｌ、　１９　、　ｋ　１００
ｃｔ、（１９８０）　Ｌ　。

５９５〜５９８）におけるＧａｍｏらによる“Ｂ、Ａｓ
アンドＳｉフィールド・イオン・ソーセズ（“Ｂ。

Ａ　ｓ　ａｎｄ　Ｓ　ｉ　Ｆｉｅｌｄ　Ｉｏｎ　５ｏｕ
ｒｃｅｓ”）と題する論文（従来例１）およびジャーナ
ル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロ
ジー、第１９巻、第４号、　１９８１年１１月７１２月
、第１１５８頁〜１１６３頁（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔ
ｅｃｈｎｏｌ、　、Ｖｏ　Ｉｔ　、　１９　、　Ｎ（１
４Ｎｏｖ、　／Ｄｅｃ、（１９８１）１１５８〜１１６
３）におけるＩｌａｎｇらによる“ア・マス・セパレー
ティング・フォーカマト・イオン・ビーム・システム・
フォア・マスクレス・イオン・インプランテーション”
Ｃ′Ａ＋＊ａｓｓ−ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ　ｆｏｃｕｓ
ｅｄ−ｉｏｎ−ｂｅａｍ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒｍａｓ
ｋｌｅｓｓ　ｉｏｎ　Ｊ、ｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ”）
と題する論文（従来例２）そしてジャーナル・オブ・バ
キューム・サイエンス・アンド・テクノロジー・Ｂ、第
１巻。

第４号、　１９８３年１０月〜１２月、第１１１７〜１
１２０頁（Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、　Ｂ
　、　Ｖｏ　Ｑ　、　１　、Ｎ　Ｏ４、Ｏｃｔ。

〜Ｄｅｃ、１　（１９８３）１１１７〜１１２０）にお
けるＳｈｉｏｋａｗａらによる“１００ｋｅＶフオーカ
スト・イオン・ビーム・システム・ウィズ・ア・ＥＸＢ
・マス・フィルター・フォア・マスクレス・イオン・イ
ンプランテーション”（“１００　ｋ　ｅ　Ｖ　ｆｏｃ
ｕｓｅｄ　ｉｏｎ　ｂｅａｍｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　
ａ　Ｅ　Ｘ　Ｂ　ｍａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ　ｆｏｒｍａ
ｓｋｌｓｓｓ　ｉｏｎ　ｉ＋ｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ”
）と題する論文（従来例３）において示されている。従
来例１においては、イオン化物質としてＳｎｅδＰｂｚ
ａＡｓａを用いており、従来例２ではＰ　ｄ４ｏＮ　１
ａｏＢｔ。

Ａｓｚｏを用いている。さらに、従来例３においては、
ｐｔ−Ａｓ合金をイオン化物質として用いている。

また、液体金属イオン源からのＰイオンの引出しに関す
る従来例としては、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・
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）　Ｌ　３
３０〜３３２）におけるｌ５ｈｉｔａｎｉらによる“デ
ベロップリメント・オブ・フオスフオラス・リキッドメ
タルイオン・ソース”（“Ｄｓｖｅｌｏｐ＋ｍｅｎｔ　
ｏｆ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　Ｌｉｇｕｉｄ−Ｍｅｔａ
ｌ、Ｉｏｎ　５ｏｕｒｃｅ”）と題する論文（従来例４
）において発表されているのみである。本従来例におい
てはイオン化物質として鋼とリンの合金Ｃｕ５Ｐ　（Ｐ
の濃度が２５［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Ｐｚ＋であるとしている。

さらに、液体金属イオン源がらのＢイオン引出しの従来
例としては、ニュークリヤー・インスッルメンツ・アン
ド・メソッズ・イン・フィジックス・リサーチ、第２１
８号、　１９８３年、第３６３頁〜第３６７頁（Ｎｕｃ
ｌ、、Ｉｎ５ｔｒｕ＋ｗ、　＆Ｍｅｔｈｏｄｓ、　２１
８　。

（１９８３）　ｓ　ｅ　ａ−ａ　６７）におけるｌ５ｈ
ｉｔａｎｉらによる“マスセパレーテッド・マイクロビ
ーム・システム・アイズ・ア・リキッドメタルイオンソ
ース”　（“Ｍａｓｓ−Ｒｅｐａｒａｔｅｄ　Ｍｉｃｒ
ｏｂｅａｍ　Ｓｙｓｔｅｍ　１１１ｔｈａ　Ｌｉｑｕｉ
ｄ−Ｍｅｔａｌ−Ｉｏｎ−３ｏｕｒｃｅ”）と題する論
文（従来例５）かある、Ｂは高温で金属と非常に反応し
やすいために、エミッター材やヒーター（溜め部）材に
金属材料を用いることは、イオン源が短寿命に終ること
から好ましくないのに対し１本従来例５においては、イ
オン化物質としてＮ　ｊ、　ａｏ　Ｂ　ｇｏなる合金（
融点約１０００℃）を用い、エミッターとしてグラッシ
ー・カーボンなる炭素材料を用いてイオン源寿命として
２００時間を達成している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来例には以下のような問題点があった。

従来例１については、放出イオンを質量分析した結果、
放出されたＡ８÷イオンフラックの量は、少なく全体の
０．４％ｐ　Ａ　ｓ　”十は０．１％ｇＡｓ”＋も０．
１％であり、寿命については５時間程度と発表されてい
る。従来例３については、イオン源寿命として１０時間
程度と報告されている。また、従来例４については、Ｐ
＋の質量電荷比ｍ／ｅ（ｍ：質量数、ｅ：電荷数）が３
１であり、本従来例４のイオン化物質のもう一つの元素
であるＣｕの２価イオン８２１Ｃｕ！＋のｍ　／　ｅが
３１．５　と、両者のｍ／ｅの差が０．５しかないため
、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。また、このイオン源の寿命は２０時
間程度であると発表されている。従来例５については、
エミッターにグラッシーカーボンを用いたがグラッシー
・カーボンなど炭素材料に濡れやすい金属は限られてお
り、Ｎｉは非常に濡れやすいが、ｐｔやＣｕ、Ｐｄなど
は濡れにくいため、所望のイオンとなる元素を含んだイ
オン化物質の種類は限定されるという問題を有している
。

上述の如〈従来技術では、ＡｓおよびＰイオン源につい
ては、寿命が短いことや、放出されるＡｓ、Ｐイオン電
流量が微弱であること、また。

Ｂイオン源については、Ｂと金属との反応を避けるため
に用いた炭素材料に対して濡れ易い金属は限られていた
ためＢイオンを引出すことのできるイオン化物質は限ら
れているなどの問題を有していた。このため、従来技術
では液体金属イオン源からＡｓイオン、Ｐイオンもしく
はＢイオンを長時間安定に引出し、Ｓｉ半導体基板に打
込むといった応用には十分に生、かされなかった。

このような現状から、融点が比較的低く、エミッターや
溜め部又はヒーターによく濡れ、ＡｓやＰの選択蒸発が
少なく、これによる融点の変化があまりないイオン化物
質を用いて、長時間、安定してＡｓイオン又はＰイオン
又はＢイオン、もしくはこれら３種のうち、少なくとも
１種のイオンを放出する液体金属イオン源の開発が望ま
れていた。

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、Ａｓ、Ｐ、Ｂのうち少なくとも１元素のイ
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。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、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出するように配置されたエ
ミッターと、このエミッターの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
、上記イオン化物質が、組成式ＬＸＲＹＭ＾で示され、
上記Ｘ。

Ｙ、Ａは原子パーセント数を示し、ＬはＰｊｐＰｄ、Ａ
ｇのうち少なくとも１元素であり、ＲはＡｓ、Ｐ、Ｂの
うち少なくとも１元素であり、ＭはＧｅ、Ｓｉ、Ｓｂの
うち少なくとも１元素である組成を有し、かつ、５＜Ａ
＜５０．４０＜Ｘ＜７０、Ｘ＋Ｙ＋Ａ＝１００である合
金を用いて液体金属イオン源を構成することにより達成
される。

また、イオン化物質は、組成式Ｌ　Ｘ　Ｒｖ　Ｍ＾のＬ
が特にＰｄ、ｐｔのうち少なくとも１元素であり、Ｒが
特にＡｓ、Ｐのうち少なくとも１元素である組成を有し
、かつ、５＜Ａ＜５０．４０＜Ｘ＜７０、Ｘ＋Ｙ＋Ａ＝
１００である合金を用いて液体金属イオン源を構成する
ことが有効である。

〔作用〕

本発明者らは、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体元素のイオン化物質を
用いて液体金属イオン源からのイオン引出しが困難とさ
れていたＡｓおよびＰイオン電流を多く安定に得るため
に、ＡｓもしくはＰを含む合金の中で、比較的低融点で
、しかも溶融時に低蒸気圧を呈し、かつ、放出したＡｓ
ｈ。

Ａ　ｓ　”＋もしくはｐ＋、ｐｘ＋イオンのｍ／θが他
元素イオンのｍ１０に近くなく、質量分解能が３０程度
であっても所望イオンを質量分離でき、所望のＡｓｈ、
Ａｓ”＋もしくはｐ＋、ｐｔ＋イオンを単元素イオンビ
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、Ａ　ｇ　７！１Ａ　ｇｘ３合金（
融点約５４０℃）＊　ｐｔａｏＰｚｏ合金（融点：約５
９０℃）およびｐｔｅｏＢ４ｏ合金（融点：約８３０℃
）の３種の合金からそれぞれＡｓイオン、Ｐイオン。

Ｂイオンを引出すことを試みたが、上記三種の合金には
以下のような問題が生じた。

９　Ａ　ｇ　−Ａ　ｓ合金およびｐｔ−ｐ合金溶融した
両合金（液体金属）からのＡｓおよびＰの選択蒸発が激
しく、Ａ　ｇ　−Ａ　ｓおよびｐｔ−Ｐの組成率が時間
と共に変化し、それに伴ない融点が上昇し、ついには、
放出開始後、１０時間程度でＡｓイオンおよびＰイオン
が放出しなくなるという問題が生じた。これは、Ａ８や
Ｐが高蒸気圧性元素であるからである。

そこで、Ａ　ｇ　−Ａ　ｓ合金ならびにｐｔ−ｐ合金の
融点の上昇（つまりは、ＡｓやＰの選択蒸発）を抑制し
、長時間、ＡｓイオンもしくはＰイオンを放出し続ける
イオン源を開発する目的で、Ａ　ｇ　ｙＡｓ、Ｇｅの各
元素を調合し、原子濃度組成でＡ　ｇ　ｅｏＡ　ｓ　ｓ
ｘＧ　ｓ　ａ三元合金を作製した。また、Ｐイオン源に
ついてはｐｔ、ｐ、ｓｂの各元素からＰｔｅａＰ１７ｓ
ｂｚａなる三元系合金を作製した。

これらをそれぞれイオン源に搭載して溶融し、イオン放
出させたところ、いずれも融点が７００〜８００℃程度
で、イオン放出開始時から約１００時間経過した後も融
点は著しく上昇せず、ＡｓイオンもしくはＰイオンが放
出し続けていることを見出した。つまり、Ａ　ｇ　−Ａ
　ｓ合金やｐｔ−ｐ合金に更に加えた第三元素のＧｅや
ｓｂがＡｓやＰの選択蒸発を抑制する働きをしたため融
点は長時間、安定を保ったのである。ここで、混入すべ
きｓｂもしくはＧｅの量は、５原子パーセントを越える
のが望ましい。これ以下であると融点の上昇を抑制する
働きが少ない。逆に、余り多くなり過ぎてｓｂ又はＧｅ
の量が上記三元系元素の大半を占めると、目的とするＡ
ｓイオンもしくはＰイオン電流量が著しく少なくなるた
めＡｓイオン放出用もしくはＰイオン放出用のイオン源
としての実用性は小さくなってくる。従って、第三元素
となるｓｂやＧｏの混入量は最大でも全体の５０原子パ
ーセントであることが望ましい。

上記の如きｓｂまたはＧｅの添加による融点上昇抑制効
果は、Ｓｉについても見られ、これら三元素のうち少な
くとも１元素を、上記Ａ　ｇ　−Ａ　ｓ合金もしくはｐ
ｔ−ｐ合金に加えることにより、融点上昇抑制効果が見
られる。さらに、母材となる金属が、Ａｓに対してＡｇ
の他にｐｔやＰｄの場合、Ｐに対してはｐｔの他にＡｇ
やＰｄの場合についても上記と同様の効果が見られる。

ただし、上記のＡ　ｇ　−Ａ　ｓ　、　Ｐ　ｔ　−Ａ　
ｓ　、　Ｐ　ｄ−Ａｓ、Ａｇ−Ｐ、Ｐｔ−Ｐ、Ｐｄ−Ｐ
の各二元合金に対する添加材であるＳｉやｓｂやＧｅと
いう元素は、周期律表や合金の状態図（相図）、融点な
ど机上の既知の物性値のみからでは容易に探し出すこと
ができない。つまり、第三、第四元素を添加して一時的
に合金の融点が低下するという見通しがあっても、イオ
ン源に搭載すべきイオン化物質として十分か否かの判断
は下せないのである。即ち、選択蒸発を抑制することに
より液体金属の融点や成分が長時間一定で、かつ、液体
金属が安定してエミッター先端に供給されてイオン化さ
せることや、液体金属がエミッターやイオン化物質の溜
め部と化学反応を起こさないことなどの重要な選択条件
についても考慮しなければならないからである。このよ
うな厳しい条件に対して、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇのうち少な
くとも１元素を母材金属とし、Ａｓ、Ｐのうち少なくと
も１元素を所望の元素、さらに融点上昇抑制のために添
加する元素としてＳｉ、、Ｓｂ、Ｇｅのうち少なくとも
１元素を組み合わせた合金が十分満足する結果をもたら
す。

０Ｐｔ−Ｂ合金 前述の如く、Ｂは高温において金属材料と非常に化学反
応し易いために、イオン源のエミッターや溜め部に従来
の液体金属イオン源に用いられていたようなタングステ
ン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）を用いることができず、
これに対処するため、エミッターや溜め部に炭素材料を
用いて、Ｂとの反応を回避した例がある。炭素材料には
溶融Ｎｉが非常に良く濡れるためＮ１−Ｂ合金をイオン
化物質としてＢイオン源として用いられてきた。

このように炭素材料はＢとの反応を抑制するのに対して
絶大なる有効性を示すが、炭素材料に濡れ易い金属は限
られている。その−例がＮｉである。しかし、Ｎｉを母
材金属としたイオン化物質には以下のような欠点がある
。

イオン打込みのターゲットとなる半導体基板に対すゝる
ｎ型およびｐ型ドーパントのイオンが、一つのイオン源
から放出されることの有効性は、イオン源の後段に設け
られた質量分離器の調整のみで、ｎ型、ｐ型の両イオン
を打分けることができることから容易に認めることがで
きる。このｎ型。

ｐ型ドーパントは、例えば、Ｓｉ基板に対して、ｎ型は
Ａｓやｐ、ｓｂなどであり、ｐ型はＢなどが低られでい
る。もし、上記の様な１つのイオン源からＢ　（ｐ型）
イオンとＰ　（ｎ型）イオンを引出すことを望むなら、
前記のＢと金属との反応から炭素材料のエミッターや溜
め部を使わざるを得なくなり、この炭素材料に濡れ易い
金属としてＮｉがあるのでＢ、Ｐ両イオンを引き出すた
めのイオン化物質としてはＮ　ｉ　−Ｂ　−Ｐ系合金が
適当と考えることができる。しかし、この合金をイオン
化物質として用いた場合、放出イオン中に含まれるＢユ
Ｎｚ＋と１ｌｌｐ＋は質量分離できず、Ｐ＋のみの単元
素イオンビームは得られない、つまり、”Ｎｉ′！Ｌ＋
の質量電荷比ｍ／　ａ　（ｍ　：質量、ｅ：荷電数）と
８１ｐ÷のｍ／ｅ　　が共に３１であるためでｍｌる。

このように、Ｎｊ、を母材金属とした場合、Ｐを共に用
いることができないという致命的な欠点を有している。

Ｂを含む他の合金はＮ　ｊ、　−Ｂ合金以外に、ｐｔ−
Ｂ、Ｐｄ−Ｂなどがあるが、いずれも炭素材料には全く
濡れないため、イオン源としての役割は全く果たすこと
はできない。たとえ、金属製のエミッターや溜め部を用
いたとしても、寿命が数時間であるので、致命的である
。

そこで発明者等は、Ｐｔ−Ｂ合金に第三さらには第四元
素を添加して炭素材料との濡れを改善することを目的と
して、種々の元素について検討を行った結果、添加する
に値する元素として、Ｓｂ。

Ｓｉ、Ｇｅであることを見出した。例えば、イオン源寿
命で比較すると、Ｐｔ−Ｂ合金を用いた場合数分の寿命
であるに対し、Ｐｔ−Ｂ−Ｓｉ三元合金の場合、炭素材
料によく濡れ、安定しており、約１００時間経過しても
イオン放出し続けている。

このような効果は、Ｓｉの代わりにｓｂでもＧｅでも、
さらに、これらを二種以上複合して用いても同様であっ
た。

ここで混入すべきＳｂ、Ｓｉ、Ｇｏの量は、５原子パ一
セント以上が望ましく、それ以下の場合は、炭素材料と
の濡れを改善する働きが少ない。

逆に、余り多くなりすぎて、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅの量は作
製した合金の大半を占めると、目的とするＢイオンの電
流量が微弱となるため、混入量は最大でも全体の５０原
子パーセントであることが望ましい。

このような効果は、母材となる合金がＰｔ−Ｂ以外にも
、Ｐｄ−ＢやＡｇ−Ｂ合金でも同様に見られる。

〔実施例〕

以下１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２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）春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２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り、
エミッター１の先端からイオンビーｔｓ　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０．３閣のタ
ンゲステン（Ｗ）　ｌｌ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０．１ｍｍ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
Ｉ！１１８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１ｍ
ｍである。

第２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、ｐｔｅｓＡ　８
２４．８Ｓ　ｂ　ｔｔ、ａである。このイオン化物質５
の融点は約６００℃である。このイオン化物質５を溜め
部を兼ねたヒーター３の上に乗せ、約７００℃まで加熱
し、イオン源を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。この放出イオを質量分析す
るために、イオン源を扇形磁極を有する質量分離器（図
示せず）に搭載した。その時の質量スペクトルの典型例
を示したのが第１図である。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５．７ｋＶで、全放出イオン
電流は２０μＡである。

このスペクトルから、本イオン源はＡｇｅ。

Ａ　ｓ”＋、　Ｐ　ｔ＋、Ｐ　ｔ”＋、Ｓ　ｂ＋、　Ｓ
　ｂ”＋ナト（１）イオンを放出しており、特に、Ａｓ
イオンに注目するとＡｇｅよりＡｓ”十の方がイオン強
度が強いことがわかる。

Ａ　ｓ　”十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ＡｇｅはＶ（ｋｅＶ
）なるエネルギーで半導体基板に打込まれる。一方、Ａ
ｓ”÷は２倍の２ｖ（ｋｅＶ）のエネルギーを持つので
、Ａ　ｓ　”＋はＡｇｅに比べて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Ａ８＋とＡ　ｓ　”十を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
０．０６　ｐ　ｍ　、　０．１１　ｐ　ｍとなり、Ａ　
ｓ　”十の方が飛程が大きい、従って、Ａ　ｓ　”十と
Ａｓ”十とを使い分けて打込むことにより、同一加速電
圧で違った深さに打込めるという効果をもつ。

本実施例の有する効果は、Ｐｔ−Ａｓ合金にｓｂを添加
したことにより、イオン化物質の融点の上昇が押えられ
、従来のＰ　ｔ　−Ａ　ｓ二元系合金をイオン化物質と
して用いた時に比べ、八８の選択蒸発が抑制される。従
って、本イオン源からは所望のＡｓイオンが長時間放出
することができるという効果をもたらす。具体的には、
イオン放出直後から累積１００時間経過後でもＡｓ４．
Ａｓ”＋の両イオン電流はほとんど変動せず安定して放
出し続けた。

さらに、本実施例が有する特徴は、ｓｂイオンである。

ｓｂは第Ｖ族元素であり、Ｓｉ基板に対するｎ型ドーパ
ントである。従って、本イオン源からは、質量の異なる
２種のｎ型ドーパント、Ａｓとｓｂを放出させることが
でき、しかも、両イオンとも２価イオンが多く放出する
という特徴を有する。

上述の如き基合金であるＰ　ｔ　−Ａ　ｓ合金に第三元
素を添加してＡＦｌの選択蒸発を防ぐ効果は、本実施例
で示したｓｂの他に、ＳｉやＧｅでも良く、さらには、
Ｓｂ、Ｓｉ、Ｇｅのうち２元素以上を複合して用いても
同様の効果をもたらす。具体的には、Ｐｔｏ４Ａｑｚｎ
Ｓｉｔｔ、Ｐｔ＋５ａＡｓｔｚＳｂｔ。

Ｓ　ｉｘｏ、　Ｐ　ｔｎ４Ａ　５ｚＩＩＧ　ｅｘｓなど
である・実施例２ 本実施例では、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り。

本実施例２で用いたイオン化物質５は、組成式、Ｐｔｅ
ａＰｘフＳｂｔδである。融点は約６００℃である。

このイオン源を約７００℃で動作させ、安定なイオン放
出を確認した。この放出イオン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ＩＴは
２０μＡである。この結果からＰ＋、ｐ”＋、Ｓｂ＋、
Ｓｂ”＋ｔ　Ｐｔ＋、Ｐｔ”＋、その他機器な分子イオ
ンのピークも見られる０本実施例のイオン源も実施例１
のイオン源と同様に比較的低融点（８００℃以下）で安
定にイオンを放出し続け、イオン放出開始後累積１５０
時間経ても質量スペクトルのパターンに著しい変化は見
られなかった。このことから溶融イオン化物質からのＰ
の選択的な蒸発はあまりないものと考えられ、これはｓ
ｂ混入によって融点の上昇が抑制されたものと考えられ
る。

寿命は２００〜３００時間程度で、ｐｔ−ｐイオン源に
比べ約１０〜１５倍延びた。

第３図のスペクトルから、特に、ｐｔ”十のイオン強度
がＰ＋より強いことがわかる。

イオン化物質がＣｕ−Ｐ二元系合金の場合、放出される
Ｐ２−÷、とＰ＋の強度比ｐｌＬ÷／Ｐ＋は極めて小さ
く、特に、従来例においてはｐｘ＋の放出については記
述がない。しかし、本実施例においては強度比ｐ　２４
７　ｐ÷は約１〜３と、Ｐ＋に比べてＰ２すが多く放出
していることがわかる。ただし、強度比Ｐ”＋／Ｐ＋は
、全放出イオン電流量■↑に依存し、Ｉ丁が１０μＡ付
近で最大となる。

Ｐｚ＋のイオン強度が強いことから、Ｐｚ＋イオンビー
ムをイオン打込みに用いると実施例１での説明同様、１
価イオンに比べ深く打込めるという有意を有する。

本実施例におけるもう一つの効果は、第３図の質量スペ
クトル力られかるように、Ｐ２＋のピークの周辺には他
元素イオンはなく、Ｐ２＋のみ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器の質
量分解は小さくてすむ。

本実施例の場合、Ｐ！Ｌ＋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、これに対し、Ｃ
ｕ　−Ｐイオン源においては、Ｐイオンの中で最大ピー
クであるＰ＋を得るためには、８１Ｐ＋と”Ｃ：ｕ”十
の分離が必要で、これには６２の質量分解能が必要とな
るから、ｐｔ−ｐ−ｓｂイオン源からＰｚ＋を分離する
方が１／６程度の分解能で済むことになる。

上述の如き基合金であるｐｔ−ｐ合金に第三元素を添加
してＰの選択蒸発を防ぐ効果は、上記三元合金ｐｔ−ｐ
−ｓｂのうちのｓｂの代わりに、ＳｉもしくはＧｏ、も
しくはＳｉとＧｅ、Ｓｉとｓｂ、ｓｂとＧｓ、Ｓｉとｓ
ｂとＧｅと置換えたもの、すなわち、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｇｏ
なる群から少なくとも１元素以上のものと置換えた場合
についても見られた。具体的成分を挙げると、Ｐ　　ｔ
ｅａＰｚｓｓ　　ｉｚｏ、Ｐ　　ｔｅｔＰｘｅ、ＩＩＧ
　　ｅｘｅ、ａ、Ｐ　　ｔｅａＰｚｅＳ　ｂｔｏ、　Ｓ
　ｉｔｏ、Ｐ　ｔｅｏＰｔＩ！Ｇ　ｅｘｔｓ　ｉｔｓな
どである。

実施例３ Ａｇ、ＡｓおよびＧｅの粉末を、それぞれ原子濃度でＡ
　ｇｓｏＡ　ｓ　ｓｚＧ　ｅｇになるように調合し、加
圧成形機により、直径５１１ｆｉ、高さ約１０ｍｍの円
柱に成形した。この成形物をガラス製アンプルに入れ、
加圧Ａｒ対しした後、電気炉内にこのアンプルを設置、
Ａ　ｇ　−Ａ　ｓ　−Ｇ　ｅの成形物を溶解させた。加
圧Ａｒ封じは溶解時のＡｓの揮散を防ぐのが目的である
。

ＡｇとＡｓはＡ　ｇ７ｓＡ　ｓ　ｘｌＳなる成分率の時
、融点は約５４０℃にまで低下する。ＡｇＧＡｓも単体
で溶融させると、蒸気圧が高いためにイオン化物質とし
て用いることはできない。また、上記二元合金、Ａ　ｇ
　−Ａ　ｓについてはイオン放出後数時間で融点が上昇
し、安定してイオンを引き出すことが困難となる。これ
も、ＡｇやＡｓが蒸発してＡ　ｇ　−Ａ　ｓの成分率が
変化するためである。しかし、このＡｇ−Ａｓ二二元系
合金口Ｇｅを混入することで、融点の上昇は抑制され、
長時間、同程度の温度で溶融状態を保ち、液体金属がエ
ミッター先端に供給され続け、累積約１００時間のイオ
ン放出の後でも、所望とするＡｓイオンは安定に放出し
続けた。

このような効果は、上記三元合金Ａ　ｇ　−Ａ　ｓ　−
ＧｅのうちのＧｅの代わりにｓｂもしくはＳｉもしくは
ｓｂとＳｉ、ＳｉとＧｅ、ＳｂとＧｅと置き換えた場合
についても見られた。具体的成分を挙げるとＡ　ｇｅｏ
Ａ　Ｂ＋ｚａＳ　ｂｓｅｔ　Ａ　ｇｅｏＡ　５ｐａＳ　
　ｉ　１ｓ＋　　Ａ　　ｇ　ｌ１ｔＡ　　５ｚｘｓ　　
ｂｚ４Ｇ　　＋！！１０１　　Ａ　　ｇ　１１ａＡｓｘ
ｓＳ　１ｘｓｓｂｔｏ、Ａｇ！Ｉ４ＡｓｚａＳｉｚｇＧ
ｅｚｏ＋ＡｇｇｏＡｓｚｉＳｉｚｚＳｂｏＧｅａである
。これらはいずれも融点の著しい変化は見られず、基合
金Ａ　ｇ　−Ａ　ｓに更にＳｉやｓｂやＧｅを添加する
ことによる効果が見られた。

ただし、本実施例の場合、Ｇｅの同位体７４Ｇｅおよび
７Ｂにｅの１価イオンと７ＩＩＡｓの１価イオンさらに
は、７４Ｇｅと７８にｅと”Ａｓの各２価イオンの質量
分離には分解能が７５以上必要である。

実施例４ 本実施例で用いたイオン化物質は、Ｐｔ−Ｂ−Ｓｉ三元
合金である。Ｐｔ−Ｂ共晶合金（Ｐｔｅ。

Ｂａｏ：融点的８３０℃）とＰｔ−８ｉ共晶合金（Ｐｔ
７７−８ｉｔｓ：融点的８３０℃）とをそれぞれ粉末状
で調合し、実施例３同様加圧成形機で円柱状に成形した
後、電気炉内で溶融し、Ｐｔ５ＩＩＢ１８Ｓｊ７王元合
金を得た。

前述の如く、ＢおよびＢを含んだ合金は、溶融状態で他
金属と反応し合うために、エミッターや溜め部にタング
ステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）など、従来、液体金
属イオン源に用いられてきた金属材料はできず、これに
対処するために炭素材料を用いる例も見られる。しかし
、炭素試料に良く濡れる金属材料は限られたものだけで
、ｐｔやＰｄなとは溶融状態でほとんど濡れない。した
がって、Ｐｔ−Ｂ合金をイオン化物質とし、炭素材料を
エミッターや溜め部に用いて液体金属イオン源を構成す
ることはなかなか困難である。しかし、Ｐｔ−Ｂ合金に
さらにＳｉを添加することによって、炭素材料によく濡
れるようになった。具体例を挙げると、エミッターは炭
化タングステン（ＷＣ）で、ヒーターを兼ねた溜め部は
炭素（Ｃ）である。このような構成によりイオンは安定
に放出し、質量分析の結果、所望のＢ＋イオン電流は試
料面到達イオン電流巾約２０％を占めていることが明ら
かになった。このＢ＋イオン電流は、イオン放出後約１
００時間経てもほとんど変化せず、本イオン源から安定
にイオン放出されていることが示された。

このように、炭素材料に濡れにくいＢ系合金に第三、第
四元素を添加して、濡れを著しく改善できる例として、
Ｐｄ−Ｂ合金、Ａｇ−Ｂ合金にＳｉもしくはｓｂもしく
はＧｅ、もしくは上記三元素を二元製以上複合して添加
しても、本実施例５を同様な結果が得られた。もちろん
、Ｐｔ−Ｂ合金にＳｂ、Ｇｅ、もしくは、Ｓｉ、Ｓｂ、
Ｇｅの中から二元製以上複合して混入しても同様である
。

具体例として、Ｐ　ｄ３ｓＢｚｘｓ　ｂｚｏ＋　Ｐ　ｄ
ｅｅＢｚｉＧ　ｅｌａ、　Ｐ　ｔｓａＢｇｅＧ　ｅｓｏ
、　Ａ　ｇｅ７Ｂｚ＋ｓ　ｄｚ。

Ａ　ｇｅ７Ｂｚ８ｓ　ｉｔｏ、　Ａ　ｇｅ７ＢｚｇＧ　
ｅｎｓ　ｉｓＰ　ｔ！！ａＢａｓｓｂ７Ｇｅｓなどであ
る。

実施例５ 本実施例で用いたイオン化物質は、Ｐｔ−Ｂ−ｐ−ｓｂ
四元系合金である。つまり、母材金属としてＰｔ、融点
上昇抑制のための元素としてｓｂを用いて、所望の元素
としてＢ、Ｐの二元素とした。すなわち、このイオン源
からは、ｎ型（Ｐ）とｐ型（Ｂ）元素の二種を放出させ
るためのイオン源である。

従来、Ｐｔ−Ｂ’ｅ）Ｐｔ−Ｐ液体金属は炭素材料に濡
れず、また、ｐｔ−ｐについてはＰの選択蒸発という問
題を有していたため、ｐｔを母材金属として、１つのイ
オン源からＢ、Ｐ両イオンを放出するイオン源の開発は
困難であった。エミッタ−や溜め部にタングステンなど
金属材料を用い、さらに、金属との反応を避けるために
Ｂの成分率を著しく低くして、短寿命覚悟でＢ、Ｐイオ
ン放出させることは可能であるが実用的でない。

しかし、本実施例では、Ｐｔ−Ｂ−Ｐ合金にさらにｓｂ
を添加することにより、上記問題点が解決できた。具体
的成分を示すと、ＰｔａｈＢｘｓＰｔＳｂｓである。

本実施例は次のような効果をもたらす、つまり１つのイ
オン源からｎ型（ｐ、ｓｂ）とｐ型（Ｂ）のイオンを放
出することは勿論のこと、ｓｂの添加によりＰの選択蒸
発は著しく減少し、イオン放出間抜、累積で約１００時
間の経過後もイオン化物質の融点はほとんど変化せず、
放出イオン強度もほとんど変化はなかった。さらには、
ｓｂの添加により、炭素材料への濡れ性が改善され、エ
ミッターや溜め部に、炭化タングステンや炭化チタンな
ど炭素化物が用いることができ、これらはＢと反応しな
いためＢの成分率を増したイオン化物質を用いても寿命
は延びる。

上述の如き、高蒸気圧性物質の蒸発に伴なう融点の上昇
の抑制効果と、炭素材料との濡れ性改善は、上記四元素
合金のｓｂの代わりにＳｉやＧｅを用いても同様の効果
を示す。

また、上記四元合金のうち、Ｐの代わりにＡｓであって
も同様の効果を示す。

以上、実施例１〜５の他にＰおよびＡｓ、Ｂの混入量を
変化させたイオン化物質についてもイオン放出の実験を
行った。その結果、所望のＰ。

ＡｓもしくはＢのイオン電流を増加させるためには、混
入量を増すことが望ましい、しかし、Ｐ。

ＡｓもしくはＢの量が多すぎれば、イオン化物質を溶融
させたときにＰやＡｓが蒸発しやすくなったりＢの増加
のために融点が上昇する。また、ＰやＡｓが選択的に蒸
発すると、イオン化物質の組成率が変わり融点は上昇す
る。これらを溶融するためには、ヒーター加熱用の電流
を増加させなければならないとともに、ＰやＡｓの蒸発
によってＰやＡｓイオン電流が減少してくるといった問
題が生じる。従って、ＰやＡｓの選択的蒸発が少なく、
比較的低融点（６００〜１０００℃）を長時間保ち、所
望のイオン電流が長時間安定であるためには、Ｐ、Ａｓ
またはＢの混入量が最大でも全体の５０ａｔ％であるこ
とが望ましい。

〔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、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、ホウ素（Ｂ）のうち少
なくとも１元素のイオンを安定にか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ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のうち実施例１における質量スペクトル
の説明図、第２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３図は実施例２における質量
スペク１−ルの説明図である。 １・・・エミッター、２・・・絶縁碍子、３・・・溜め
部兼ヒーター、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・・・Ｏリング。

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
   化物質が、組成式Ｌ＿ＸＲ＿ＹＭ＿Ａで示され、上記Ｘ
   、Ｙ、Ａは原子パーセント数を示し、ＬはＰｔ、Ｐｄ、
   Ａｇのうち少なくとも１元素であり、ＲはＢ、Ａｓ、Ｐ
   のうち少なくとも１元素であり、ＭはＧｅ、Ｓｉ、Ｓｂ
   のうち少なくとも１元素である組成を有し、かつ、５＜
   Ａ＜５０、４０＜Ｘ＜７０、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、上記イオン化物質が、組成式のＬがＰｔ、Ｐｄのう
   ち少なくとも１元素であり、ＲはＰ、Ａｓのうち少なく
   とも１元素である組成を有した合金を用いたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項の液体金属イオン源。