JPH01154436A - イオンビーム装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イオンと一ム装置、特に、エミッタの長寿命
化をＬＩＪ能ならしめたイオンビーム装置に関する。

（発明のｍ要〕 本発明は、針状エミッタの周囲に気体イオン源を供給し
、エミッタと引出し電極との間に高電圧を印加すること
によってイオンビームをエミッタ先端から発生させるイ
オンビーム装置において、エミッタを少なくとも導電材
と高抵抗体にて形成することによって、放電が起きた場
合にもエミッタ先端部の損傷を防ぎ、エミッタの長寿命
化を可能にしたものである。

〔従来の技術〕

第１０図に集束イオンビーム装置の概略を示す。

この装置は、イオンガン（ａ）と集束レンズ系（ｂ）と
偏向電極（Ｃ１の３部分から分けられる。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、一般にパターニングを行うサンプル（ｄ）はステー
ジ上に置かれ、任意の図形をイオンビームによって描く
。その時のスループットは、イオンビームのプローブ電
流に強（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度化（単
位面積当りのイオンビームの電流密度）も一つの重要な
条件である。なお図中（１）はエミッタ、（２）は引出
し電極、（Ｑｌはアパーチャを示す。

第１１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（１）と、直径ＩＩＩＩＩの孔を
有する引出し電極（２）から成立っている。多１状エミ
ッタ（１）は絶縁材（９）を介して冷凍機先端部（１０
）に取付けられている。針状エミッタ（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）よりエミッタ（１１周辺に満たされた例
えばヘリウムガス等のイオン源用のガス原子（分子）が
イオン化する０通審の印加電圧は２ｏＫｖ〜３０にＶで
ある。

このイオンはエミッタ先端から放射状に発散していくイ
オンビームを形成す・る、このイオンビームは、エミッ
タ先端ｌｉで発生するがエミッタを冷却することにより
、エミッタ付近に滞在する原子（分子）の閂を１１１＋
密度にすることができ、ひいては同電流密度のイオンビ
ームを取り出ずことが可能になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

集束イオンビームのプローブ電流は実際上数１０〜１０
０ｐＡ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程度のガス圧
にしなければならない、すなわち、イオン電流を増すに
はヘリウムガス圧を画める必要があるので、イオンビー
ムでバターニング等する場合に必要充分な′２ｔｉ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
。

従来のイオンガン構造では、エミッタ（１）と引出し電
極（２）間の距離が２ｍｍ程度あり、引出し電極（２）
内のヘリウムガス圧を１Ｏ−ｊＴｏｒｒ程度に保つには
多量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灸くするとエミッタ（
１）の温度が上昇し、エミッタ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
が低下する傾向が現われる。すなわち、イオンビームの
高電流密度化のためエミッタ（１１を冷却しているが、
その冷却温度は４〜ＩＯＫ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１２図に示すようにヘリウ
ムの供給量を増やすとエミッタ（１１の温度が上昇する
ことになり、その結果ガス圧を高めるべくヘリウムガス
の供給量を増やしてもイオンガンの輝度は第１３図に示
すように飽和し、逆に減少する傾向が現われる。

一方、この点を解決するために、本出願人は特願昭６１
−２２７３５０号において第１４図に示すイオンガンを
提案した。このイオンガンは針状エミッタ（１）を基部
（３ａ）をコバール材としたセラミック製の筒状部材（
所謂ノズル）（３）で囲み、針状エミッタ先端を筒状部
材（３）の先端から突出させて構成される。筒状部材（
３）の先端は引出し電極（２）の外に位置するようにな
される。このイオンガンにおいては、イオン源用ガス（
例えばヘリウムガス）が筒状部材（３）内を通ってエミ
ッタ先端に向って噴出することにより、少ｉせのガスで
ガス圧を尚めｒｌ！ｉ電流密度のイオンビーム電流を発
生させることができる。

このイオンガンの構造ではエミッタｉｌｌと引出し電極
（２）間の直接的な放電も抑えることがｉｉＪ能である
。

しかし乍ら、この構造ではエミッタ＋１）を囲む筒状部
材（３）がセラミック製であるために、セラミック筒状
部材（３）への２次電子による帯電が起り、時々セラミ
ック表向に沿った沿面放電が起きる弓部性があった。又
、この放電によってエミッタ（１）先端部と筒状部材（
３）間の放電が誘起され、エミッタ先端部が損傷を受け
、イオンビームの発生が不可能になる憫もあった。

本発明は、上述の点に迄み、特に放電が起きたとしても
エミッタ先端部の放電損傷を防ぎ、エミッタの長寿命を
可能にしたイオンビーム装置を櫂供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、針状エミッタの周囲に気体−Ｃオン源を供給
し、このエミッタと引出しｍｍとの間に高電圧を印加し
てイオンビームをエミッタ先端がら発生させるイオンと
一ム装置においζ、エミッタを少なくとも導電材とこの
導電材よりも抵抗の尚い高抵抗体とから構成することを
特徴とするものである。

〔作用〕

本発明のイオンビーム装置によれば、針状エミッタの長
手方向の一部が高低抗体で形成されているので、万一エ
ミッタ先端部に多量の２次電子が入射し所謂放電が起き
かけたとしてもエミッタ先端部の電圧が、この高批抗体
により瞬間的に急降下し、放電が抑えられる。従って、
放電によるエミッタ先端部の損傷が防止される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明によるイオンビーム装置の
実施例を説明する。

第１図は本発明に係るイオンビーム装置の要部の構成図
である。同図において、針状エミッタ＋１）は筒状部材
（３）内に設置されており、エミ７り（１）の先端部は
筒状部材（３）の先端から突出している。ガス供給管（
４）を通って導入されたイオン線用ガス（ココではヘリ
ウムカス）はこの筒状部材（３）内からエミッタ先端に
向って噴出する。この針状エミッタ（１）を囲む筒状部
材（３）のガス噴出口は引出し電極（２）の外に位置し
ている。針状エミッタ（１）はガス溜め用量（５）と一
体になっている筒状部材（５）の裁部に支持されており
、エミッタ交換時にはこの蓋部分のみを交換すれはよい
構成となっている。ステンレス製ガス溜め（６）とガス
溜め用Ｍ（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。上記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より冷却される
。ガス供給管（４）はテフロンまたはセラミックで形成
され′ζ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
、熟輻射シールド（８）は鋼材に外面金メツキを施した
ものからなり、冷却機先端部は鋼材から成る。針状エミ
ッタ（１）には高電圧導入ワイヤ（１１）を通じて高電
圧が印加されるようになされる。ここでは、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、筒状部材（３）から噴出するガスの流量が少
ないので１０−’　Ｔｏｒｒ以下（例えば１０−’　Ｔ
ｏｒｒ）の高真空が維持できる。また針状エミッタ（１
）の先端部に供給されるガス原子数はイオンガン外部の
真空度が１０−’　Ｔｏｒｒ以下であっても、十分なイ
オン電流を得ることのでき値に維持できる。引出し電極
（２）と針状エミッタ（１）は筒状部材（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、エミッタ先端部に十分に為電界領域が形
成される。エミッタ１１）の先端は筒状部材（３）の先
端より突出しているので、エミッタ先端で生じるイオン
が筒状部材（３）の先゛端に付着してその部分の電位が
高くなってもイオンビームの放射状態が変動せずイオン
ビームの放射の安定性は損なわない。

しかして、本実施例においては、第１図のイオンビーム
装置において特にイオンガンのエミッタ近傍の構造を第
２図乃至第８図に示すように構成するものである。

第２図の例では、エミッタ（１）を、例えばタングステ
ン、イリジウム等の導電材よりなるエミッタ後部（１ｂ
）とイオンを発生するエミッタ先端部（ｌａ）の間にこ
の導電材より抵抗の高い高抵抗体（２１）を一体に設け
て構成する。高抵抗体（２１）は液体窒素温度以下の低
温に於て１０゛ｆ〜１０１ノΩｃｍ程度の電気瓜抗を示
す材料で形成するを可とし、例えばＴｉ−Ｂａ系セラミ
ック材或はアルミナ糸セラミックに非晶質シリコンをス
パッタでコーティングした材料等で形成することができ
る。　Ｔｉ−１１ａ系セラミツク材は室温で１０３ΩＣ
−の抵抗率を示すが冷却すると次第に抵抗率は増し、液
体窒素温度では１０８Ωｃｎ＋に達し実際のイオンガン
動作時の温度である１０ｙ２０にでは１０ツΩＣ−ν度
になる。このＴｉ−Ｂａ系セラミック材は極めて好まし
い材料である。非晶質シリコンをコーティングしたアル
ミナ糸セラミック材の場合は室温で１０３ΩｃＩＩ＋の
抵抗率を示し、イオンガン動作温度の１０〜２０にで１
０１ｕ〜１０１１Ωｃ１１程度となる。このエミッタ（
１）は導電材部分（ｌａ）　　（ｌｂ）と高抵抗体（２
１）とを溶着して形成するか、或はチューブ状の高低抗
体（２１）を設け、この高批抗体（２１）内に導電材部
分（１ａ）（１ｂ）を嵌め込んで形成することができる
。一方、エミッタ（１）を囲む筒状部材（３）は筒状部
材基部（３ａ）を例えばコバール材で形成し、エミッタ
先端側を囲む部分（３ｂ）をアルミナ系セラミック材（
室温での抵抗４！ＩＱＩＪΩｃａｂ）で形成すると共に
、一部セラミンク部分（３ｂ）の先端を残すように且つ
コバール部分（３ａ）に導通するようにセラミック部分
（３ｂ）の表面に例えばＡＩ　、Ａｕ等の金属膜（２２
）を被着形成して構成する。筒状部材（３）を支持する
ガス溜用蓋（５）もコバール材で形成する。

この第２図の構成においては、筒状部材（３）のセラミ
ック部分（３ｂ）が一部金属１９（２２）によって覆わ
れているために、エミッタ（１）から放射されるイオン
や他部からの２次電子がセラミック部分（３ｂ）の表面
に帯電する面積が十分減少する。従って放電の原因とな
り易い帯電せが低減するので、これに誘発される放電の
頻度を減らすことができる。即ち放電が起きにくくなる
。一方、万一エミッタ先端部（ｌａ）に多縦の２次電子
が入射しかけたとしてもエミッタ先端部（１ａ）の電圧
が高抵抗体（２１）により瞬間的に降下し放電が抑えら
れる。

従って放電によるエミッタ先端部の損傷を防ぎエミッタ
の長寿命化を図ることができる。なお、ここで筒状部材
（３）において金属Ｉｆｆ（２２）によって覆われてい
る領域に沿った長さＥとエミッタ先端部に誘起される電
界は第９図に示すような相関関係があるため、βを長ク
シセラミック部分（３ｂ）の表面を完全に金属ＩＱ（２
２）で覆い尽くすことは困難である。しかし、金属膜（
２２）のない筒状部材に比べて本例のセラミックの部分
の批抗値は１１５程度に低減しｒｔつ２次電子の帯電し
得るセラハック部分の面積も大幅に低減するためにセラ
ミック部分（３ｂ）の２次電子帯電量は減少する。

第３図の例は、エミッタ後部を上述の高低抗体（２１）
で形成すると共に、エミッタ先端（ｌａ）側を導電材で
形成してエミッタ（１）を構成した場合である。筒状部
材（３）はセラミック部分（３ｂ）とコバール材の基部
（３ａ）で形成される。この第３図の構成においても、
上例と同様にエミッタ先端部（１ａ）に多量の２次電子
が入射し放電しかけても高抵抗体ｃ　ｉｘ＞によりエミ
ッタ先端部の電圧が降ドし放電が抑えられ、エミッタ先
端の放電損傷が回避される。

なお、高低抗体（２１）としてはエミッタ（１１に直接
接触させずともエミッタに接続される高電圧導入ワイヤ
に沿って比較的エミッタに近接した位置に配することも
可能である。

第４図の例は、エミッタ（１）を第２図と同様に構成し
、このエミッタ＋１）を囲む筒状部材（３）を上述のＴ
ｉ−Ｂａ系セラミック或は非晶質シリコンをコーティン
グしたアルミナ糸層ラミックによる高抵抗体（２３）で
形成した場合である。この構成において、筒状部材（３
）の高抵抗体（２３）はイオンガン動作時の温度で１０
″〜１０１１Ωｃａｍ程度の抵抗率であるため、筒状部
材（３）表面への２次電子の帯電が十分防止でき、放電
の頻度を減すことができる。同時にエミッタ（１）では
高低抗体（２１）を有するのでエミッタ先端部の放電に
よる損傷を防ぐことができる。

第５図の例は、エミッタ＋１）を第２′図と同様に構成
し、エミッタ（１）を囲む筒状部材（３）及びこれを支
持するガス溜用蓋（５）の全てを上述と同様の高批抗体
（２３）で構成した場合である。このときのエミッタ１
１）への高電圧の供給はステンレス製のガス溜め（６）
より例えば銅製の弾性接触片（２４）を介して行われる
。この構成においても、高抵抗体による筒状部材（３）
表面への２次電子の帯電が防止され放電が抑えられる。

エミッタ（１）の効果は上例と同様である。

さらに、第６図に示すように筒状部材（３１のセラミッ
ク部分（３ｂ）の表向のみを上述の高抵抗体例えばＴｔ
−Ｂａ系セラミック（２３）で覆うようにしても、同様
に筒状部材表面への２次電子帯電を防止し、放電を抑え
ることができる。

第７図の例は、エミッタ（１）を第２図と同様に形成し
、筒状部材り３）をその先端のセラミック部分（３ｂ）
を残してコバール等の導電材（２５）で構成した場合で
ある。この構成においても、筒状部材（３）に関しては
２次電子の帯電面積が先端のセラミック部分（３ｂ）の
みであるので、帯電績が減り、放電を抑えることができ
る。

第８図の例はエミッタ（１）を第２図と同様に構成する
と共に、筒状■５材（３）をガス溜用蓋と同様に例えば
コバール或はステンレス材等の導電材（２６）で構成し
た場合である。この構成において、エミッタ（１）に関
する効果は上剥と同様である。そして、この例では４電
材による筒状部材（３）であるため、筒状部材表面が２
次電子により帯電することはなく２次電子帯電によって
誘起される放電は抑えられる。また、筒状部材表面がエ
ミッタから放射されるイオンや他の部分から放出される
電子により帯電されるとこの帯電によりイオンビームの
軌道が変化するが、本例ではこのような２次電子の帯電
が起らないので、イオンビームの軌道を変化させること
がない、また筒状部材の表面に帯電が起らないのでエミ
ッタ＋１１の筒状部材（３）よりの突き出し長さｄを小
さくすることができる。この突き出し長さｄが短い方が
エミッタ先端におけるガス分子密度を高くできるのでイ
オンビーム電流も大キくなる。但し、ｄが短か過ぎると
筒状部材（３）の先端の影響でエミッタ先端の電界が低
下し、イオンビーム電流は小さくなる。さらに筒状部材
（３）として熱電導の良い金属を用いることにより供給
ガスやエミッタ（１ンの温度をより低下させることがで
きる。このようにエミッタの突き出し陸さｄが小さくで
き、供給ガス及びエミッタの温度を低下させることがで
きることに起因してエミッタ先端に史にｈｗ度のイオン
源ガスを供給することができるのでイオンガンの輝度を
高くすることができる。

尚、第２図乃至第８図において、エミッタ（１）は第２
図の構成のもの及び第３図の構成のものを適宜選択する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明のイオンビーム装置によれは、そのエミッタが少
なくとも導電材とこれよりも砥杭の高い高抵抗体から構
成されることにより、エミッタ先端部に万一２次電子が
入射しかけても（所謂放電が起りかけても）エミッタ先
端ｌｌ＃１９の電圧が高抵抗体によって瞬時に降下し、
放電が抑えられる。従って、放電によるエミッタ先端部
の損傷を防ぐことができ、エミッタの長寿命化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るイオンビーム装置の例を示す要部
の断面図、第２図乃至第８図はそのエミッタ近傍の構造
の実施例を示す要部の断面図、第９図はエミッタ先端部
に誘起される電界と金属膜の長さｌとの相関図、第１θ
図はイオンビーム装置の概略図、第１１図は従来のイオ
ンガンの例を示す構成図、第１２図はエミッタ温度とヘ
リウム圧との相関図、第１３図はイオンガンの輝度とヘ
リウム圧との相関図、第１４図は本発明の説明に供する
イオンガンの要部の断面図である。 （１）は針状エミッタ、（２）は引出し電極、（３）は
筒状部材、（２１）は高抵抗体、（２２）は金属膜であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 針状エミッタの周囲に気体イオン源を供給し、該エミッ
   タと引出し電極との間に高電圧を印加してイオンビーム
   を上記エミッタ先端から発生させるイオンビーム装置に
   おいて、 上記エミッタが少なくとも導電材と該導電材よりも抵抗
   の高い高抵抗体とから成ることを特徴とするイオンビー
   ム装置。