JPS6381736A - イオンビ−ム装置 - 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】 以下の順序に従って本発明を説明する。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ０発明の概要 Ｃ２従来技術［第４図、第５図］ Ｄ９発明が解決しようとする問題点 ［第６図、第７図］ Ｅ９問題点を解決するための手段 Ｆ５作用 Ｇ、実施例［第１図乃至第３図］ Ｈ１発明の効果 （Ａ、産業上の利用分野） 本発明はイオンビーム装置、特にイオンビームの発生状
態の安定性を損うことなく引出し電極の先端部の近傍に
おける気体イオン源のガス圧を高めて高輝度化を可能な
らしめたイオンビーム装置に関する。

（Ｂ、発明の概要） 本発明は、針状電極と引出し電極との間に高電圧を追加
することにより気体イオン源によるイオンビームを針状
電極先端部から発生させるイオンビーム装置において、 気体イオン源の供給量を徒らに増加することなく針状電
極先端部の近傍におけるガス圧を高めｒｌつイオンビー
ムの放射の安定性を損わないようにするため、 針状電極のまわりを筒状部材で囲繞し且つ針状電極の先
端を筒状部材の先端から突出させたものである。

（Ｃ，従来技術）［第４図、第５図］ 第４図に集束イオンビーム装置の典型例の概略を示す。

この装置は大まかに、イオンガンａ、集束レンズ系す、
偏向電極Ｃの３部分に分けられる。イオンビーム装置は
例えば発生したイオンビームによりサンプル上に任意の
パターンを形成するために用いられるが、この場合一般
に、バターニングを行うサンプルｄはステージーヒに置
かれ、任意の図形をイオンビームによって描く。その時
のスルーブツトは、イオンビームのプローブ電流に強く
影響され、プローブ電流を増加してスルーブツトを増加
させようとする場合、イオンガンの高輝１ヒも一つの重
要な条件である。図中符号１′はエミッタ、２′は引出
し電極、ｅはアパーチャを示す。

第５図に従来のイオンガンを示す。イオンガンは先端が
５００〜１０００人程度の曲率半径を有する鋭く尖った
形状の針状エミッター１と、直径１ｍｒｎの孔を有する
引出し用の引出し電極２とから成立っている。針状エミ
ッター１は、絶縁材９を介して冷凍機先端部１０に取り
付けられている。針状エミッター１に高電圧を印加する
と、その先端部に選択的に強電界が発生し、ガス供給管
４によりエミッター１周辺に満たされた例えばヘリウム
ガス等の気体源：ｆ−（分子）がイオン化する（通常の
印加電圧は２０ｋＶ〜３０ｋＶである。）。

このイオンは、放射状にエミッター先端から遠ざかって
いくイオンビームを形成する。このイオンビームは、エ
ミッター先端部で発生する訳だが、エミッターを冷却す
ることにより、エミッター付近に滞在する原子（分子）
の量を高密度にすることができ、延いては高電流密度の
イオンビームを取り出すことが可能になる。

（Ｄ、発明が解決しようとする問題点）［第６図、第７
図］ ところで、集束イオンビームのプローブ電流は実際上数
１０〜１００ｐＡの値であることが要求されるが、その
要求に応えるにはイオンガン内部を１Ｏ−３Ｔｏｒｒ桿
度のガス圧にｌノなけわばならない。というのは、ヘリ
ウム圧とイオン電流との間には第６図に示すような関係
がありイオン電流を増やすにはヘリウム圧を高めること
が必要であるのでイオンビームでバターニング等する場
合に必要充分な電流を維持するにはそれに応じたヘリウ
ムガス圧が必要となるのである。

そして、ヘリウムガス圧をヒ述した１Ｏ−３Ｔｏｒｒ程
度に保つにはイオンガン外部（即ち、ペルジャー内）の
真空度が１０””Ｔｏｒｒの場合、相当にＳ■のヘリウ
ムガスを供給することが必要である。しかも、ヘリウム
ガスの供給量を多くするとエミッターの温度が上昇し、
エミッター付近に滞在する原子（分子）の密度が低下し
、その結果イオンビームの電流密度が低下するという傾
向か現れる。というのは、−Ｌ述したようにイオンビー
ムの高電流密度化のためエミッターを冷却しているが、
その冷却温度は４〜ｌＯ°にが限界である。そして、ヘ
リウムは室温と同じ温度でイオンビーム装置内に供給す
るのが普通であり、従って第７図に示すようにヘリウム
の供給量を増やすとエミッター１の温度が上昇すること
になる。その結果、ガス圧を高めるべくヘリウムガスの
供給ｍを増やしてもエミッター温度の上昇によるイオン
ビーム電流の低密度化傾向が現わてしまい、結局、思っ
た程はプローブ電流を増加させることができないという
問題があった。

尤も、冷却パワーを高めてヘリウムガスの供給量が増大
してもエミッターの温度を充分に低く保つことができる
ようにすることも考えられなくはないが、そのように冷
却パワーを増大させるためには既存のものよりも相当に
高価な装置が必要となり、好ましくない。

本発明はこのような問題点を解決すべく為されたもので
あり、ヘリウムガスの供給を増大させることなく針状電
極の先端部近傍における気体イオン源の圧力を高めて高
輝度化を図り、且つイオンビームの放射の安定性を損な
わないようにすることをＬｌ的とする。

（Ｅ、問題点を解決するための手段） 本発明イオンビーム装置は上記問題点を解決するため、
針状電極のまわりを筒状部材で囲繞し且つ針状電極の先
端を筒状部材の先端から突出させたことを特徴とするも
のである。

（Ｆ、作用） 本発明イオンビーム装置によれば、針状電極のまわりを
筒状部材で囲繞したので気体イオン源は針状電極と筒状
部材との間の狭い間隔を通って針状電極の基部から先端
側に供給されることになり、気体イオン源の供給量を増
やさなくとも針状電極先端部の近傍における気体イオン
源ガス圧を高めることができる。従って、気体イオン源
の供給量の増大を伴うことなく高輝度化を図ることがで
きる。

また、針状電極の先端を筒状部材の先端から突出させた
ので針状′Ｉ′「極から放射されるイオンが筒状部材の
先端部に付着してその部分における電位が高くなりイオ
ンビームの放射状態が変動するという虞わも全くない。

従って、高輝度化を図るべく筒状部材を設りてもイオン
ビームの放射の安定性が損なわれる虞れはない。

（Ｇ、実施例）［第１図乃至第３図］ 以下、本発明イオンビーム装置を図示実施例に従って詳
細に説明する。

第１図は本発明イオンビーム装置の一つの実施例を示す
断面図である。同図において、針状エミッター１はセラ
ミック管３内に設置されており、該エミッター１の先端
はセラミック管３の先端から０．２ｍｍ程度突出してい
る。ガス供給管４を通って導入されたイオン源用ガス（
ここではヘリウムガス）はこのセラミック管３内からエ
ミッター先端に向って噴出する。この針状エミッター１
を囲むラミック管３のガス噴出口は、引出し電極２（本
実施例ではＯＶ）の外に位置している。

針状エミッター１の支持部は、根元のガス溜め川石５と
一体になってセラミック管５が付いており、エミッター
交換時にはこの蓋部分のみを交換すればよい形状となっ
ている。ステンレス製ガス溜め６とガス溜め用蓋５の間
隙からのガスのリークを抑える為に、メタルＯ−リング
７によって、間隙がシールされている。」二足各部分は
熱輻射シールド８で覆われ、また、絶縁材９を介して冷
凍機先端部１０より冷却される。

本実施例において、セラミック管３は外径０．５１１１
ＩＩ＋、内径０．２ｍｍ、長さ２０ＩＩｌｆｆ＋のもの
を用いた。またこの管は他の絶縁材でも構成できる。

ガス供給管４はテフロンまたはセラミックで形成されて
おり、供給管を通しての外部からの熱流入を抑えるよう
にしである。絶縁材９はサファイヤを用い、熱輻射シー
ルド８は鋼材に外面金メッキを施したものからなり、冷
却機先端部は鋼材から」二足のような構成のイオンビー
ム装置において、針状のエミツター１に高電圧導入ワイ
ヤ１１により高電圧を印加する。本実施例では３０ＫＶ
の印加電圧をかけた。引出し電極２、熱輻射シールド８
によって囲まれた部分の真空度は、セラミック管３から
噴射するガスの流ｈ１が少ないので１０−’Ｔｏｒｒ以
下（例えば１Ｏ−５Ｔｏｒｒ）の高真空が維持できる。

尚、排気ポンプとして１０２７　ｍ　ｉ　ｎのものを用
い、ペルジャー内の真空度を１０−’Ｔｏｒｒ程度に保
っている。また、針状エミッター１の先端部に供給され
るガス［数は、イオンガン外部の真空度が１０−’Ｔｏ
ｒｒ以下であっても、十分なイオン電流を得ることので
きる値に維持できる。引出し電極２と針状エミッター１
はセラミック管３によって隔てられているのみで電気的
には、引出し電極の効果は十分に生かされ、エミッター
先端部に十分に高電界領域が形成される。高電圧導入用
ワイヤ１１は十分に細く（直径０．０３＋ａｍ）また１
０（：ＩＩ＋程度の長さになっていスフチー）１ノブ制
で彼処ｈ）らｔハ執倍ムル１　ｍ　ｕｔ　Ｉ・１下に抑
えるｉ１￥ができる。また、−μ、熱輻射シールド内で
セラミック絶縁材を介して冷却が行われるので、針状エ
ミッター支持部に流入する熱量は更に減る。

第２図はエミッター１の先端のセラミック管３先端から
の突出量とエミッター先端部近傍のヘリウム圧との相関
図である。この図から、若し１Ｏ−ＪＴｏｒｒ以上のヘ
リウム圧を得るには０゜２０１１ｎ程度以下の突出！ｉ
ｔにすることが必要であることが解る。但し、エミッタ
ー１の先端をセラミック管３の先端よりもほんの僅かで
も引っ込めるとエミッター１の先端で生じたイオンがセ
ラミック管３の先端部に付着してその部分の電位が高く
なる。すると、イオンビームの発生状態が変化、イオン
ビームの安定した発生を望めなくなり好ましくない。従
フて、はんの僅かであってもエミッター１の先端をセラ
ミック管３の先端から突出させる必要がある。

尚、エミッター１の先端のセラミック管３の先端からの
突出量の最適値はセラミック管３の口径によって変化し
、第２図はあくまでセラミック管３の内径が０．２ｍｍ
の場合の相関図である。一般的には突出量を１とし、セ
ラミック管３の「口径をｄとすると、 ０＜ｆｆｉ＜２ｄ の条件を満たすのが好ましい。

尚、第３図はヘリウム圧とイオン電流の相関図である。

この図からも解るように途中でヘリウム圧の増加に対す
るイオン電流の増加量が少なくなり相関曲線が非直線に
なっているが、これはヘリウム圧の増加に伴ってエミッ
ターが温度上昇しイオンビームの高密度化を阻む傾向が
現れているからほかならない。しかし、この傾向は１Ｏ
−４Ｔｏｒｒ台において現れるのであり、本実施例にお
いてはチャンバー内の圧力が１Ｏ−６Ｔｏｒｒと非常に
低いので温度上昇に起因してイオンビームの高密度化が
阻まれるという傾向は現れず問題はない。また、エミッ
ター先端部近傍とチャンバー内とのヘリウムの圧力比は
５００　：　１であり、チャンバー内の圧力が低いので
静電光学系に放電が生じる虞わもない。

（Ｈ，発明の効果） 以上に述べたように、本発明イオンビーム装置は、引出
し電極との間に高電圧を印加されて気体イオン源による
イオンビームを先端部から発生する針状電極のまわりを
筒状部材が囲繞し、上記針状電極の先端が上記筒状部材
の先端から突出していることを特徴とするものである。

従って、本発明イオンビーム装置によれば、針状電極の
まわりを筒状部材で囲繞したので気体イオン源は針状電
極と筒状部材との間の狭い間隔を通って針状電極の基部
から先端側に供給されることになり、気体イオン源の供
給量を増やさなくとも針状電極先端部の近傍における気
体イオン源のガス圧を高めることができる。従って、高
輝度化を図ることができる。

また、針状電極の先端を筒状部材の先端から突出させた
ので針状電極の先端から発生したイオンて、筒状部材の
先端部分における電位がイオンによって高くなりイオン
ビームの放射状態が変動するという虞れがない。依って
、高輝度化のためにイオンビームの放射の安定性を犠牲
にしなくて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明イオンビーム装置の一つの実施の要部を
示す断面図、第２図は針状電極先端の筒状部材先端から
の突出量と気体イオン源（ヘリウム）圧力との相関図、
第３図は気体イオン源（ヘリウム）圧力とイオン電流の
相関図、第４図はイオンビーム装置の概略図、第５図は
従来例の要部（イオンガン）を示す断面図、第６図及び
第７図は発明が解決しようとする問題点を説明するため
のもので、第６図はヘリウム圧とイオン電流との相関図
、第７図はヘリウム圧とエミッター温度との相関図であ
る。 γ乍ゼー／７１　、’４　［１１ １・・・針状電極、２・・・引出し電極、３・・・筒状
部材。 気イ本イオン源のガス圧とイオン電）瓦の相聞図第３図 イオンビーム駁費Ｉの構成図 第４図 ヘリウム圧− 従来例の要部（イオンカ゛ン音ｂ）乏示ず萌面図第５図 ヘリウム圧とイオン＠流の相関図 ＋ヘリウｔＡＦｆ　（Ｔｏｒｒ） ヘリウム圧とエミッター温度の相関図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）引出し電極との間に高電圧を印加されて気体イオ
   ン源によるイオンビームを先端部から発生する針状電極
   のまわりを筒状部材が囲繞し、上記針状電極の先端が上
   記筒状部材の先端から突出している ことを特徴とするイオンビーム装置