JPH0665010B2 - 電界電離ガスイオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電界電離イオン源に関し、特にイオンを効率よ
く長時間安定に引き出すことができる針状陽極先端部を
有する電界電離ガスイオン源に関する。

（従来技術とその問題点） イオンビームの径をマイクロ化するための高輝度イオン
源として従来液体金属イオン源、電界電離イオン源が知
られている。液体金属イオン源は高輝度で0.1μｍφ以
下の微小径のイオンビームが容易に得られることから、
電子デバイス製作におけるマスクレスイオン注入やエッ
チングなどの微細加工技術への応用が期待されている。

しかしこの超ＬＳＩ加工時の基板上でのイオン電流密度
は１Ａ／cm²程度でビーム径は0.1μｍ程度であるため、
ビームを走査して一筆書きで加工を行なった場合、この
加工技術では４インチウエハ全面を加工するのに２〜３
枚／Ｈの加工も出来ずスループットが悪いという問題点
がある。

したがって、スループットを良くするためにイオン電流
密度を１０倍〜１００倍上げることが考えられるが、液
体金属イオン源においては限界がある。

上記のようにイオン電流密度を上げることができるなら
ば数十枚／Ｈの処理が可能であり、生産性が増大し、本
来の微細加工性を合わせて、６４Mbit以上の容量をもつ
半導体の製造手段として用いられる可能性がある。

これが可能なイオン源として電界電離ガスイオン源が注
目を集めている。

電界電離ガスイオン源とは、水素(H₂)、ヘリウム(He)な
どの希ガスや各種の半導体ガスを量子力学的なトンネル
効果でイオン化するものでイオン化の方法は以下の通り
に行う。

まず液体ヘリウムや液体窒素で冷却された針状陽極（通
常はタングステンを使用すす）であって、その先端部の
半径が0.3〜0.01μｍ程度に加工されたものを真空チャ
ンバー内のイオン化室内に設置し、該イオン化室の圧力
を１〜0.01pa程度の圧力に保つ。

この状態で針状陽極と開口を有する引き出し電極との間
に数ＫＶ〜数十ＫＶの電圧を印加し、先端近傍に数Ｖ／
Å程度の高電界を発生させると、ガス分子の外殻電子は
金属に移り、陽イオンとなって上記引き出し電極によっ
て加速され真空中へ放出される。この現象を電界電離現
象という。この様なイオン源は第１図の様な基本構造を
有する。図中で１は無酸素銅台座であり、該台座１は、
ネジ部２を介して液体ヘリウム、液体窒素などで冷却さ
れたコールドフィンガー（図示していない）に取付けら
れている。３はサファイアなどから成る絶縁石であり、
上記台座１によって位置決めされている。

この絶縁石３は電気的に絶縁体であり、熱的には良導体
であるため、コールドフィンガー（図示していない）か
らの冷却熱が上記台座１を介して伝導し、絶縁石３に固
定された針状陽極４は十分に冷却される。５は引き出し
電極であり、引き出し電極５は無酸素銅台座１へセラミ
ック９を介して固定、絶縁されている。このときサファ
イア絶縁石３も同時に締め込まれる。

そして上記引き出し電極５と針状陽極４との間に電圧を
印加して必要な電界にコントロールし、針状陽極４から
出るイオン電流を調整する。

６はガス導入パイプであり、室温や液体窒素、液体ヘリ
ウム等で冷却されたガスを絶縁石３と引き出し電極５で
囲まれたイオン化室７に導入する。

針状陽極４の先端でイオン化されたガスイオンは、差動
排気をかねた引き出し電極５の穴８を通って目的に応じ
たレンズ系（図示せず）へ所定の加速電圧で打ち込まれ
る。

このような作用を有するイオン源において、針状陽極の
先端部を利用する方法は２つある。第１は、先端半径0.
1〜0.01μｍに電界研研摩さたタングステン（Ｗ）、イ
リジウム(Ir)などの針状電極としての高融点金属細線
（0.1mm〜0.3mmφ）の結晶面の突出した面｛たとえば
（１１１）面｝を利用する場合と、第２は、該高融点金
属細線の先端部に吸着する数十〜数百原子層のコンタミ
ネーションの突起を利用する場合である。

ところで、針状陽極の先端部全面がほぼ均一に下地の結
晶を反映して、均一にイオンを放出するために最適な電
圧があり、これをベストイメージ電圧（ＢＩＶ）とい
う。上記の両方法は実際の使用に際してこのベストイメ
ージ電圧から徐々に電圧を下げていくようにする。そう
すると、たとえばタングステンの場合は、突出した（１
１１）方位の電界が高くなり当該（１１１）方位にイオ
ン放出が集中する。このときの突出した結晶方位を利用
するのが第１の方法である。

さらに電圧を下げていくと、Ｗの結晶面では電界電離が
不可能な状態となり、そのうえコンタミネーションが先
端部に吸着する。このような吸着したコンタミネーショ
ンは数十原子〜数百原子で構成されていると考えられ局
所的に下地のＷ表面より突出した状態となり、その先端
においては導入したイオン化ガスを電界電離させること
が可能となる。このようなイオンエミッションサイトが
Ｗ表面上にランダムに無数に出来る。その中で最も電流
密度の高いエミッションサイトを使うのが第２の方法で
ある。

ところがこのような従来の使用法では次のような大きな
問題点がある。

まず第１の方法では、Ｗの線材の方位が（１１０）であ
ることから、これを電界研摩した場合、針状陽極の先端
の方位も（１１０）となる。しかし実際に使用する（１
１１）方位は真下より約３５°傾いた方向であるため、
イオンのエミッション方向も約３５°前後傾くことにな
る。したがってイオンを真下のレンズ系に導くためには
高電圧の印加されたイオンソース部を約３５°傾けなけ
ればならないことになる。このように高電圧部を約３５
°も傾ける機構（ティルト機構）を真空装置に設けなけ
ればならないことは装置が大型化、複雑化するという問
題点となる。さらに（１１１）の突出は後述の吸着によ
る突出よりも小さいため、全エミッション電流が少ない
という問題点もある。

第２の方法では不純物原子の物理吸着によっているため
針状陽極先端部のどこに吸着するかは全くランダムで予
想が困難であり、最も電流密度の高いエミッションサイ
トがどこへ出来るかも一定ではない。したがって吸着し
た位置によっては、前記の複雑なティルト機構が必要と
なる。

そのうえ吸着した原子自身も不安定な吸着のため、電界
蒸発(Field Evaporation)を起こす。その結果、吸着、
脱離をくり返し同じ位置で安定なエミッションが得られ
ないという問題点がある。

（発明の目的） 本発明は、上記従来の問題点を解決し、電界電離現象を
利用したイオン源において長時間安定にイオン化ガスを
イオン化することができる電界電離ガスイオン源を提供
することを目的とする。

（発明の構成） 本発明の電界電離ガスイオン源は、上記目的を達成する
ため、針状陽極と、引き出し電極をと有し、所定のイオ
ン化ガスを導入しながら針状陽極と引き出し電極との間
に電圧を印加してイオンを引き出す電界電離ガスイオン
源であって、前記イオン化ガスに所定の添加ガスが添加
された状態で針状陽極と引き出し電極との間に第一の電
圧を印加して針状陽極の周辺部に添加ガスを吸着せしめ
て周辺部から先端部に向けてエッチングを生じさせるこ
とによって当該先端部に針状電極の材料よりなる微小突
起を形成した構造であり、その微小突起は、前記第一の
電圧より低い第二の電圧を針状陽極と引き出し電極の間
に印加することによってその微小突起上にイオン化を集
中させることが可能なものである構成にしている。

（実施例） 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

なお、説明に当っては従来技術において示した装置を使
用するものとして使用する符号も同一のものを使用す
る。

第２図はベストイメージ電圧におけるＷの結晶構造を表
した電界イオン顕微鏡(Field Ion Microscope)，以下Ｆ
ＩＭと略す）像である。そして中心の大きな円が（１１
０）方位である。

このようなＦＩＭ像を得るためには、針状陽極４として
0.1〜0.3mmφのＷ線を使用し、これを塩化ナトリウム(N
aCl)、塩化カリウム(Kcl)等のエッチング液を使って先
端半径0.3〜0.01μｍ程度になるように電界研摩する。
そしてそのＷ線を前記イオン化室７の中で引き出し電極
孔８の中心に位置する様にセッティングする。

そしてその状態でセラミック９を介して引出し電極５が
固定された無酸素銅台座１を真空チャンバー内のコール
ドフィンガー（図示していない）に固定する。そして真
空チャンバー内を１×10^-6pa以下の超高真空に排気す
る。その後冷凍機、液体ヘリウム(LiqHe)、液体窒素(Li
qN₂)、ヒーターなどを用いて針状陽極４を所定の温度に
冷却する。そしてガス導入バルブ６を開けてイオン化す
る希ガスイオン化ガス、ＦＩＭではこれをイメージング
ガスともいう。たとえばHe,H₂,Ar，半導体ガス）を導入
し、イオン化室内の圧力を１〜0.01paに保つ。圧力が一
定になったところで、針状陽極４の先端部の半径によっ
て針状陽極４に数ＫＶから数十ＫＶの範囲の電圧を印加
する。そうすると針先端部では電界強度が数Ｖ／Åにも
なり吸着している種々の不純物や微小突起が電界蒸発(F
ield Evaporation)を起こし、タングステンの清浄表面
が表われ第２図の様なＦＩＭ像が得られる。

このときのＦＩＭ像の得られた電圧は前述の通りベスト
イメージ電圧（ＢＩＶ）と呼ばれる。もし、ＢＩＶ電圧
以上の電圧を印加するとＷ自身が電界蒸発を起こしてし
まう。またもし、ＢＩＶ電圧以下の電圧を印加すると、
イオン化ガス（イメージングガス）は金属表面で電離出
来なくなり、一方では金属表面に不純物の吸着可能な状
態となり、数十〜数百原子層の不純物原子が吸着したり
脱離したりをくり返す。この様なコンタミネーションの
吸着した針状陽極４の先端部では突起が出来、イオン化
ガスが電離可能な電界強度となる。この状態で上記ＢＩ
Ｖ程度の電圧を印加した場合、不純物の吸着や脱離にと
もなってイオンのエミッションがいたるところから出た
り消えたりする。当該ＢＩＶ電圧以下の電圧を印加した
場合には、不純物の突起の先端でもイオン化ガスの電離
は不可能となる。

次にベストイメージ電圧でＦＩＭ像を得た後、ベストイ
メージ電圧より電圧をすこし下げた状態でイオン化ガス
（イメージングガス）中に同ガスに対して数％〜数ＰＰ
Ｍの少量の添加ガス（酸素、窒素、炭酸ガス、H₂Oなど
針状陽極の材質によって適当なガスを選定する。Ｗの場
合にはO₂、H₂Oなどで実現出来たが詳しくは実験によって
決定する。）を添加する。もっとも、事前にイオン化ガ
ス（イメージングガス）中に添加しておいてもよい。

そうすると先端の周辺部では電界が下がり、イオン化ガ
ス（イメージングガス）中の添加ガスが吸着可能とな
り、適切な添加ガスを選ぶことによって、周辺部から先
端部に向かってエッチングが進む。そしてイメージング
ガスへの所定の添加ガスの添加時間と電界をコントロー
ルすることによって、第３図中央部に見られる様に先端
部で微小突起を形成することができ、周辺部では添加ガ
スによるエッチングが進むとともに上述した不純物の吸
着脱離にもとなうイオンエミッションの生成消滅が起き
ているようなＦＩＭ像が得られる。

この方法では、相対的に低い電界の周辺部から高い電界
の先端部に向けて針状電極の表面をエッチングするよう
にしているため、必ず先端の中心部付近がエッチングさ
れないで残るような形で針状電極の材料であるＷの微小
突起が形成される。ことが出来る。

また先端の微小突起は、添加ガスの添加時間と添加量を
コントロールすることによってその大きさを変えること
ができる。

そして微小突起が完成した後、印加電圧を、ベストイメ
ージ電圧（ＢＩＶ）のおよそ８０％〜４０％程度に下げ
ると前記不純物の吸着によるイオン化ガスのイオン化が
微小突起上に集中し、針状陽極の真下に安定なイオンエ
ミッションが得られた。

また針状陽極としてはタングステンに必ずしも限定され
るものではなく、前記の様なエッチング作用のあるガス
との組合せによってエッチングが起こる組合せであれば
あるゆる組合せが考えられる。しかし、イオンエミッシ
ョンを行う部材としての寿命を考えると高融点金属であ
ることが望ましい。

（発明の効果） 本発明によれば針状陽極のエミッションサイトを先端部
に確実に集中して形成することができ、放射イオンの角
電流密度の大きい、しかも真下にエミッションを起こす
電界電離ガス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図は電界電離ガスイオン源の構造図。 第２図は、Ｗ（１１０）方位の結晶構造を表したＦＩＭ
像、第３図は、不純物ガスで微小突起が出来た後のＷ
（１１０）方位の結晶構造を表したＦＩＭ像である。 １……無酸素銅台座 ２……取り付けネジ ３……サファイヤ絶縁石 ４……針状陽極 ５……引き出し電極 ６……ガス導入パイプ ７……イオン化室 ８……引き出し電極孔 ９……セラミック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】針状陽極と、引き出し電極とを有し、所定
   のイオン化ガスを導入しながら針状陽極と引き出し電極
   との間に電圧を印加してイオンを引き出す電界電離ガス
   イオン源であって、前記イオン化ガスに所定の添加ガス
   が添加された状態で針状陽極と引き出し電極との間に第
   一の電圧を印加して針状陽極の周辺部に添加ガスを吸着
   せしめて周辺部から先端部に向けてエッチングを生じさ
   せることによって当該先端部に針状電極の材料よりなる
   微小突起を形成した構造であり、その微小突起は、前記
   第一の電圧より低い第二の電圧を針状陽極と引き出し電
   極の間に印加することによってその微小突起上にイオン
   化を集中させることが可能なものであることを特徴とす
   る電界電離ガスイオン源。