JPS62259332A - イオン発生装置 - 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】 、変】ユｊ冴打Ｗ分団 この発明は、各種物質のイオンを発生させるイオン発生
装置に係り、特に熔融した被イオン化物質をイオンビー
ムとして引き出すためのイオン引出針をチップに備えた
電界放出型熔融金属イオン源ををするものに関する。

丈来立技血 例えば核融合、高エネルギー物理学およびイオン打ち込
み等を行うに、各種物質のイオンを発生させるイオン発
生装置が利用されている。そのイオン源の１つとして電
解放出型融解金属イオン源を第４図に示し、同図を参照
して説明する。

同図（ａ）はニードル型と呼ばれるイオン源を示してお
り、略円筒形状をした高融点材料よりなるパイプ１の貫
通孔に、先端が流線形をした中空棒状の高融点材料より
なるチップ２が内装されている。

チップ２は、先端が数μｍから数１０μｍ径程度の円錐
状に加工されている。

（ｂ）はキャピラリー型と呼ばれるイオン源を示してお
り、略円筒形状をした高融点材料よりなるパイプ３の貫
通孔に、先端が円錐形をした略棒状の高融点材料よりな
るチップ４が内装されている。

上記ｆａ）、（ｂｌに示す各イオン源は、いずれもパイ
プ１．３内に適宜な被イオン化物質が比較的多量に収納
できるようになっていて、長時間にわたってイオンビー
ムを引き出せるようになっている。

そして、このような各イオン源は、いずれもチップ２．
４が加熱されると、被イオン化物質が熔融して、チップ
２．４に浸透しチップ２．４先端表面ににじみ出るよう
になっている。このように被イオン化物質かにじみ出て
チップ先端表面が濡れた状態において、かかるイオン源
に高電圧を印加すると、チップ先端に強電界がかかり、
電界による力でもってチップ先端から熔融した被イオン
化物質がイオン化されて引き出される。

）■　くＴ′、１　しよ゛とする口　占しかしながら、
上記各タイプのイオン源においては、被イオン化物質を
引き出すための最適動作流量の制御ができず、結局安定
な動作を行うのが困難であった。

さらに、熔融した被イオン化物質がチップ２．４に’１
ｔｉ３してその表面ににじみ出る際に、イオン源の動作
条件例えばイオン電流の大きさにより、チップ２．４先
端のすぐ前方にいわゆるプラズマボールが形成され、チ
ップ表面の濡れ状態が好ましくない。そのため、イオン
化されたビーム特性例えばイオンビームの開き角の大幅
な変化を招来していた。

これらのことから、従来のイオン源では、近年における
半導体ｓ積回路等の微細加工技術の進行に対して必要な
、イオンビームの引出し位置の安定化およびより細いイ
オンビームの引き出しを実現できない。従来のイオン発
生装置により引き出せるイオンビームの径は、約０．５
μｍが限界であった。

よって、この発明の目的は、チップ先端のすぐ前方にプ
ラズマボールが形成されるのを防止し、イオンビームの
開き角を安定して小さくすると共により細いイオンビー
ムを安定的に引き山雀るイオン発生装置を提供すること
にある。

ＡＣ占　η　　るための 上記目的を達成するため、この発明にかかるイオン発生
装置は、絶縁材からなる取付板と、この取付板に貫通し
て取り付けられる一対の良導電性材料からなる電極と、
被イオン化物質が収納され、かつ当該被イオン化物質が
熔融されてチップの表面ににじみ出たものを、選択的に
イオンビームとして引き出すイオン引出針を備えたイオ
ン源と、前記電極と前記イオン源とを電気的に接続する
高融点金属からなる接続ヒータワイヤーと、前記イオン
源のイオン引出針近傍に配設されるイオン引出し電極と
を備えたことを特徴としている。

皿 イオン源を加熱すると、被イオン化物質が溶融してチッ
プに浸透し、チップ表面ににじみ出る。

この状態にて、電極および接続ヒータワイヤーを介して
イオン源とイオン引出し電極とに電圧を印加すると、イ
オン引出針から選択的にイオンビームが引き出される。

側止 第１図はこの発明の一実施例を示す構成模式図である。

同図において、符号１０は、セラミック等の絶縁材から
なる取付板で、円形状に形成されている。

この取付板１０には、その厚み方向に貫通するように、
例えばコバール等の導電性金属からなる丸棒状の一対の
電極２０が取り付けられている。なお、電極２０は、前
記取付板１０の膨張率に近いものが好ましい。この電極
２０には、後述するイオン源３０を加熱するためのヒー
タ電源６０が接続されている。

符号３０は電界放出型溶融金属イオン源で、少なくとも
被イオン化物質よりも融点の高い材料例えばタングステ
ンよりなる両端の開口した円筒形のパイプ３１と、この
パイプ３１の一方開口部に取り付けられ、かつ少なくと
も被イオン化物質よりも融点の高い多孔質金属焼結体よ
りなる略円錐状のチップ３２と、このチップ３２の円錐
部頂点に突設され、かつ少なくとも被イオン化物質より
も融点の高い金属からなるイオン引出針３３とを備えて
いる。なお、パイプ３１内には被イオン化物質４０が収
納されるようになっていて、この被イオン化物質４０が
パイプ３１内から蒸発するのを防ぐために蓋３４が取り
付けられている。前記チップ３２は、例えば被イオン化
物質よりも融点が高い金属の粉体を適宜な媒体を介して
成形・焼結して形成されることで、熔融した被イオン化
物質を浸透させるべき多孔質になっている。前記金属の
粉体は、例えばタングステン、モリブデンおよびニッケ
ル等が用いられるが、使用すべき被イオン化物質との濡
れ性の良好な金属を選択するのが好ましい。また、前記
金属の粉体の粒径は、先端に電界が充分かかるために数
μｍ〜数１数１００捏 化物質との関連によって定められる一方、被イオン化物
質の流量制御をも行うためにその粉体は異なる粒径を有
する粉体を所定の割合で混合して用いられるものであっ
てもよい。例えば、ガリウムをイオン化する際における
チップ３２の場合、略等重量の１００ミクロン径のタン
グステン・パウダーと１０ミクロン径のタングステン・
パウダーとを混合して形成させるのが好ましい。

上記詳細したイオン源３０のパイプ３１の外周には、こ
れを熱するための高融点金属例えばタングステンからな
る接続ヒークワイヤー５０が数回巻き付けられており、
この部分は白金ろう付けして固定するのが好ましい。そ
して、接続ヒータワイヤー５０の両端は上記した電極２
０の下側適宜位置に電気的に接続されている。

さらに、イオン源３０のイオン引出針３３近傍には、イ
オン源３０のチップ３２の直径に対応して開口されたイ
オン引出し電極７０が配設されている。このイオン引出
し電極７０と前記パイプ３１の上端部との間には電極２
０および接続ヒータワイヤー５０を介して引出し電圧源
７１が接続される。なお、符号７２は回路電流、符号７
３はイオン電流を測定するための電流計、符号７４は引
き出したイオンが照射される例えば半導体基板で、基板
ホルダ８０の上に載置されている。半導体基板７４と前
記イオン引出し電極７０との間には半導体基板７４から
の２次電子を抑えるためのファラデー電極７５が設けら
れている。

なお、上記各構成部品は、イオン化すべき種々な被イオ
ン化物質例えばＡｕ−、Ｇａ，ＡＩ等のそれぞれに対し
て最適な材料を選択することは言うまでもない。

次に上記イオン発生装置の動作を説明する。

イオン化すべき被イオン化物質４０の溶融点以上に温度
になるように、電極２０の両端子間のヒータ電源６０の
電圧を設定して、被イオン化物質４０が収納されたパイ
プ３１を電極２０および接続ヒータワイヤー５０を介し
て前記ヒータ電源６０で加熱することにより、パイプ３
１内の被イオン化物質４０を溶融させる。これがパイプ
３１の下端に取り付けられたチップ３２に浸透し、チッ
プ３２の表面に熔融した被イオン化物質４０かにしみ出
る。その際の被イオン化物質４０の流量は、多孔性チッ
プの構成粒子径および温度によって制御されているので
、チップ３２表面は均等に濡れることとなる。そして、
チップ３２に近接して設けられるイオン引出し電極７０
とパイプ３１上の上端部との間に、引き出し電圧源７１
によって高電圧を印加すると、チップ３２の表面先端に
突出したイオン引出針３３から被イオン化物質４０のイ
オンが引き出され、加速されて半導体基板７４に打ち込
まれる。その際、多孔性を有するチップ３２先端のイオ
ン引出針３３の形状に沿って、イオンを放出する形状を
決定するプラズマボールが形成されるため、この発明に
よるイオン発生装置はイオン源の動作条件の変化に対し
て、プラズマボールの形状変化が少なく、イオンビーム
の特性は安定となる。

上述したような方法において、イオン引出針３３の先端
の径を約０．１〜０．０５μｍに設定すれば、引き出す
べきイオンビームの径を約０．１μｍにまで細くできる
ことが実験にて確認されている。

第２図はこの発明と従来のイオン発生装置における、イ
オン電流の変化に対するイオンビームの開き角の変化を
表わした説明図である。すなわち、同図（ａ）はイオン
源３０から所定の距離を隔てた位置のイオンビームプロ
ファイルを示すものであって、本実施例においてはいわ
ゆるファラデーカップによって測定している。同図（ａ
ｌにおいて、Ａはイオンビームの強度が極大値Ｃの２分
の１の値を示すイオンビームの広がり幅を、またＤは多
孔性チップ３２先端とファラデーカップとの間の距離を
それぞれ示す。これらより、イオンビームの開き角（半
角）θは、次式で表される。

一方、同図ｆｂ）は本発明のイオン電流とイオンビーム
開き角の関係を示し、同図（Ｃ１は従来品のそれを示す
。ここでイオン電流は、第１図に示す電流計７３によっ
て測定される。また、同図（ｂ）において○印は引き出
し電圧が９．５ＫＶ、目印は引き出し電圧が１３．８Ｋ
Ｖのときの値をそれぞれ示している。

以上の説明より明らかなように本発明によるイオンビー
ムの開き角は従来のそれより、イオン電流の大きさによ
る変化が少なく安定しており、かつ開き角が小さいと言
える。

なお、本発明品はパイプ３１をさらに長くするか、熔融
金属溜と組み合わせれば被イオン化物質４０を比較的多
量に注入しておくことができ、また多孔性チップの構成
粒子径を適当に選ぶことにより流量制御ができるため、
イオンの引出しがさらに長時間持続できる。また、イオ
ン源３０は第３図に示すように前述した如き多孔性を有
するチップ３２をパイプ３１に嵌入固定し、かかるパイ
プ３１を被イオン化物質４０の封入された金属容器３５
に挿着して一体に形成されるものであってもよい。

光凱Ω立果 以上説明したように、この発明によれば、チップが多孔
性であるから、熔融した被イオン化物質がチップ表面に
均等ににじみ出るようになると共に、当該チップにイオ
ン引出針を配設したことから、チップ表面の被イオン化
物質からイオンを安定的に引き出せる効果が得られる。

さらに、イオンのビーム特性つまりイオン電流等による
イオンビームの開き角の変化を抑え、安定して小さくす
ることが可能となった。

これらのことに基づいて、従来では実現できなかった細
さのイオンビームを、安定な位置から容易に引き出すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成模式図、第２図
（ａ）はイオン源３０から所定の距離を隔てた位置のイ
オンビームプロファイルを示す説明図、第２図（ｂｌは
この発明にかかるイオン発生装置における、イオン電流
の変化に対するイオンビームの開き角の変化を表わした
説明図、第２図（Ｃ）は従来のイオン発生装置における
、イオン電流の変化に対するイオンビームの開き角の変
化を表わした説明図、第３図は第１図に示したイオン源
３０の別の実施例を示す断面説明図、第４図（ａｌ、（
ｂ）は従来のイオン発生装置におけるイオン源を略示し
た説明図である。 １０・・・取付板、２０・・・電極、３０・・・イオン
源、３１・・・パイプ、３２・・・チップ、３３・・・
イオン引出針、４０・・・被イオン化物質、７０・・・
イオン引出し電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁材からなる取付板と、 この取付板に貫通して取り付けられる一対の良導電性材
   料からなる電極と、 被イオン化物質が収納され、かつ当該被イオン化物質が
   溶融されてチップの表面ににじみ出たものを、選択的に
   イオンビームとして引き出すイオン引出針を備えたイオ
   ン源と、 前記電極と前記イオン源とを電気的に接続する高融点金
   属からなる接続ヒータワイヤーと、前記イオン源のイオ
   ン引出針近傍に配設されるイオン引出し電極とを備えた
   ことを特徴とするイオン発生装置。