JPH0685309B2

JPH0685309B2 - 液体金属イオン源

Info

Publication number: JPH0685309B2
Application number: JP60278925A
Authority: JP
Inventors: 馨梅村; 亨石谷; 敏之会田; 一二三田村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-12-13
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPS62139227A; US4774414A; DE3670398D1; EP0248914A4; EP0248914B1; WO1987003739A1; EP0248914A1

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、微細領域デポジシヨン装置などの
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イーやドー
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を浴びている。

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（SiC）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ツターに、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。エミツタ
ーに対して引出し電極に負の高電圧を印加していくと、
エミツ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ツター先端部の液体金属は
テーラーコーン（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）、または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24Pa
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、As単体
も、融点が817℃に対して、その時の蒸気圧が3.6×10⁶P
aと高蒸気圧であるためAs単体もイオン化物質には史用
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
あつたり、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Au-Siをイオン化物質とする。合金Au-Si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、ヒーターやエミツターの熱損傷
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、ジヤパニーズ・ジヤーナル・オブ・フイジツ
クス，第19巻，第10号,1980年10月,L第595頁〜598頁（J
pn.J.Appl.Phys.Vol.19,No.100ct.（1980）L.595〜59
8）におけるGamoらによる“B,AsアンドSiフイールド・
イオン・ソーセズ”（“B,As and Si Field Ion Source
s"）と題する論文（従来例１）およびジヤーナル・オブ
・バキユーム・サイエンス・アンド・テクノロジー，第
19巻，第４号,1981年11月/12月，第1158頁〜1163頁（J.
Vac.Sci.Technol.,Vol.19,No.4Nov,/Dec.（1981）1158
〜1163）におけるWangらによる“ア・マス・セパレーテ
イング・フオーカスト・イオン・ビーム・システム・フ
オア・マスクレス・イオン・インプランテーシヨン”
（“A mass-separating focused-ion-beam system for
maskless ion implantation"）と題する論文（従来例
２）そしてジヤーナル・オブ・バキユーム・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頁〜1120頁（J.Vac.Sci.Technol.B,Vo
l.1,NO4,Oct.〜Dec.1（1983）1117〜1120）におけるShi
okawaらによる“100keVフオーカスト・イオン・ビーム
・システム・ウイズ・ア・Ｅ×Ｂ・マス・フイルター・
フオア・マスクレス・イオン・インプランテーシヨン”
（“100keV focused ion beam system with a E×B mas
filter for maskless ion implantation"）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Sn₆₈Pb₂₄As₈を用いており、
従来例２ではPd₄₀Ni₄₀B₁₀As₁₀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、ジヤパニーズ・ジヤーナル・オブ・
フイジツクス，第23巻，第５号1984年５月，第330頁〜3
32頁（Jpn.J.Appl.Phys.23（1984）L330〜332）におけ
るIshitaniらによる“デベロツプリメント・オブ・フオ
スフオラス・リキツドメタルイオン・ソース”（“Deve
lopment of Phosphorus Liquid-Metal-Ion Sorce"）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銅とリン
の合金Cu₃P（Ｐの濃度が25原子パーセント）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P²⁺であるとしている。

さらに、液体金属イオン源からのＢイオン引出しの従来
例としては、ニユークリヤー・インスツルメント・アン
ド・メソツズ・イン・フイジツクス・リサーチ，第218
号,1983年、第363頁〜第367頁（Nucl.Instrum.＆Method
s.218,（1983）363〜367）におけるIshitaniらによる
“マスセパレーテツド・マイクロビーム・システム・ア
イズ・ア・リキツドタルイオンソース）”（“Mass-sep
arated Microbeam System With a Liquid-Metal-Ion-So
urce"）と題する論文（従来例５）がある。Ｂは高温で
金属と非常に反応しやすいために、エミツター材やヒー
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、本従来
例５においては、イオン化物質としてNi₅₀B₅₀なる合金
（融点約1000℃）を用い、エミツターとしてグラツシー
・カーボンなる炭素材料を用いてイオン源寿命として20
0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つた。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As＋イオンフラツクの量は、少なくとも全体の0.4％,
As²＋は0.1％,As³＋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31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⁶³のCu²＋のm/eが3
1.5と、両者のm/eの差が0.5しかないため、このイオン
化物質を使つ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、エミツターにグラ
ツシーカーボンを用いたグラツシー・カーボンなどの炭
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。

上述の如く従来技術では、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るため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つた応用には十分に生かされ
なかつた。

このような現状から、融点が比較的低く、エミツターや
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
ミツターと、このエミツ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_XR_YM_A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＜50,4
0＜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、比較的融点で、しかも溶
融時に低蒸気圧を呈し、かつ、放出したAs＋,As²＋もし
くはＰ＋,P²＋イオンのm/eが他元素イオンのm/eに近く
なく、質量分解能が30程度であつても所望イオンを質量
分離でき、所望のAs＋,As²＋もしくはＰ＋,P²＋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、Ag₇₅As₂₅合金（融点約540℃）,Pt
₈₀P₂₀（融点：約590℃）およびPt₆₀B₄₀合金（融点：約8
30℃）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。

Ag-As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、Ag-As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、Asや高蒸気圧性元素
であるからである。

そこで、Ag-As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、Ag,As,Geの各元素を調合し、原子濃度組成でAg
₆₀As₃₂Ge₈三元素合金を作製した。また、Ｐイオン源に
ついてはPt,P,Sbの各元素からPt₆₈P₁₇Sb₁₅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700〜8
00℃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、Ag-As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
を保つたのである。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As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つて
くる。従つて、第三元素となるSbやGe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の添下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Ag-As合金もしくはPt-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Ag-As,Pt-As,Pd-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つても、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
定してエミツター先端に供給されてイオン化させること
や、液体金属がエミツ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S
i,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。

Pt-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、イオン源のエミツ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、エミツ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Ni-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。その一例が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ツトとなる半導体基板に対する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壕効性は、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
ている。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ツター
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Ni-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⁶²N²＋と³¹P＋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、⁶²Ni²＋の質量電荷比m/e（m:質量、e:
荷電数）と³¹P＋のm/eが共に31であるためである。この
ように、Ni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Ni-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、金属製のエミツ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つた結果、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つた。

ここで混入すべきSb,Si,Geの量は、５原子パーセント以
上が望ましく、それ以下の場合は、炭沢素材料との濡れ
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、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。エミツター１は支持部２に接続
され、この支持部２は絶縁材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
濡れたエミツター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で濡れたエミツター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とエミツター１
との間に数kVの電界を印加することにより、エミツター
１の先端からイオンビーム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、エミツターは直径0.3mmのタングステン（Ｗ）
製であり、その先端は電解研磨により曲率半径を数μｍ
以下に鋭く尖らせてある。ヒーターを兼れた溜め部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mm³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1mm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、13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、Pt₆₄As_24.5Sb
_11.5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。この放出イオン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As＋,As²＋,Pt＋,Pt
²＋,Sb＋,Sb²＋などのイオンを放出しており、特に、As
イオンに注目するとAs＋よりAs²＋の方がイオン強度が
が強いことがわかる。

As²＋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As＋はＶ（keV）なるエネル
ギーで半導体基板に打込まれる。一方、As²＋は２倍の2
V（keV）のエネルギーを持つので、As²＋はAs＋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As＋とAs²＋をSi
基板に打込んだ場合、それぞれの侵入深さ（飛程）はお
よそ0.06μm,0.11μｍとなり、As²＋の方が飛程が大き
い。従つて、As²＋とAs²＋とを使い分けて打込むことに
より、同一加速電圧で違つ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抑えられ、従来
のPt-As二元系合金をイオン化物質として用いた時に比
べ、Asの選択蒸発が抑制される。従つて、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As＋,As²＋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。従つて、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Pt-As合金に第三元素を添加し
てAs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、Pt₆₄As₂₅Si₁₁,Pt₅₈As₂₂Sb₁₀Si₁₀,Pt₆₄As₂₅Ge₁₁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、Pt₆₈P₁₇Sb₁₅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I_Tは20μ
Ａである。この結果からＰ＋,P²＋,Sb＋,Sb²＋,Pt＋,Pt
²＋、その他微弱な分子イオンのピークも見られる。本
実施例のイオン源も実施例１の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つた。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Sb混入によつ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-D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、P²＋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三元系合金の場合、放出されるP
²＋，とＰ＋の強度比P²＋/P＋は極めて小さく、特に、
従来例においてはP²＋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P²＋/P＋は約１〜３
と、Ｐ＋に比べてP²＋が多く放出していることがわか
る。ただし、強度比P²＋/P＋は、全放出イオン電流量I_T
に依存し、I_Tが10μＡ付近で最大となる。

P²＋のイオン強度が強いことから、P²＋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点を有する。

本実施例におけるもう一つの効果は、第３図の質量スペ
クトルカらわかるように、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、P²＋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、Cu-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、³¹P＋と⁶³Cu²＋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P²＋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Ge、もしくはSiとGe,Si
とSb,SbとGe,SiとSbとGeと置換えたもの、すなわち、S
i,Sb,Ge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、 Pt₆₄P₁₆Si₂₀,Pt₆₇P_16.5Ge_16.5,P₆₄P₁₆Sb₁₀Si₁₀,Pt₆₀P₁₅
Ge₁₂Si₁₃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Ag₆₀As₃₂G
e₈になるように調合し、加圧成形機により、直径5mm、
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封じした後、電気炉内にこのアン
プルを設置、Ag-As-Ge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Ag₇₅As₂₅なる成分率の時、融点は約540℃にま
で低下する。AgもAs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Ag-As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Ag-Asの成分率が変
化するためである。しかし、このAg-As二元系合金に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、液体金属がエミツター先
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As-As-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Ag₆₀As₂₄Sb₁₆,Ag₆₀As₂₅Si₁₅,Ag₅₄As₂₁Sb₁₄Ge₁₀,Ag
₅₄As₂₃Si₁₃Sb₁₀,Ag₅₄As₂₃Siイオン₃Ge₁₀,Ag₅₀As₂₁Si₁₂S
b₉Ge₃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Ag-As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⁷⁸Geの
１価イオンと⁷⁵Asの１価イオンさらには、⁷⁴Geと⁷⁶Geと
⁷⁵As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（Pt₆₀B₄₀:融点約800℃）とPt-Si共
晶合金（Pt₇₇-Si₂₃:融点約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、Pt₆₅B₂₈Si₇三元合金を得た。

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、エミツ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、
炭素材料に良く濡れる金属材料は限られたものだけで、
PtやPdなどは溶融状態でほとんど濡れない。したがつ
て、Pt-B合金をイオン化物質とし、炭素材料をエミツタ
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
加することによつて、炭素材料によく濡れるようになつ
た。具体例を挙げると、エミツ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
電流中約20％を占めていることが明らかになつた。この
Ｂ＋イオン電流は、イオン放出後約100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素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S
b,Ge,もしくは、Si,Sb,Geの中から二元素以上複合して
混入しても同様である。具体例として、Pd₅₈B₂₂Sb₂₀,Pd
₆₆B₂₄Ge₁₀,Pt₅₄B₃₆Ge₁₀,Ag₆₇B₂₃Sb₁₀Ag₆₇B₂₃Si₁₀,Ag₆₇B
₂₃Ge₅Si₅,Pt₅₃B₂₅Sb₇Ge₅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が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つた。エミツ
ター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、Pt₆₄B₂₃P₇Sb₆である。

本実施例は次のような効果もをたらす。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、イオン放出開後、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つた。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、エミツター
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であつても
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つ
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が蒸発しやすくなつたり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
よつてＰやAsイオン電流が減少してくるといつた問題が
生じる。従つて、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
スペクトルの説明図である。１…エミツター、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

【特許請求の範囲】

【請求項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
ツターと、該エミツ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
記イオン化物質として、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。
【請求項２】上記イオン化物質として、上記組成式中の
ＬがPt,Pdのうち少なくとも１元素であり、ＲがB,As,P
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項に記載の液体
金属イオン源。
【請求項３】上記イオン化物質として、Pt_XAs_YSb_Aなる
組成の三元合金を用いたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の液体金属イオン源。
【請求項４】上記イオン化物質として、Pt_XP_YSb_Aなる組
成の三元合金を用いたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の液体金属イオン源。
【請求項５】上記イオン化物質として、Pt_XB_YSi_Aなる組
成の三元合金を用いたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の液体金属イオン源。
【請求項６】上記イオン化物質として、Pd_XP_YSb_Aなる組
成の三元合金を用いたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の液体金属イオン源。
【請求項７】上記イオン化物質として、Pd_XB_YSb_Aなる組
成の三元合金を用いたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の液体金属イオン源。
【請求項８】上記イオン化物質として、Pt_XP_aB_bSb_Aなる
組成式で表わされ、上記a,bは原子パーセント数を示
し、かつ、ａ＋ｂ＝Ｙである四元合金を用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の液体金属イオン
源。