JPH1064438A - 液体金属イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は安定したイオン材料（液体金
属）の流れに個体差が生じることのない、安定したイオ
ン放出が可能な液金属イオン源を提供することにある。 【解決手段】針状エミッタ１２の下方のイオン引出電極
（図示せず）に、針状エミッタ１２に対して負の高電圧
を印加して、その先端に電界を集中させると、表面張力
に逆らって、イオン材料のイオンが針状エミッタ１２の
先端から放出される。溶融状態で保持されているイオン
材料は針状エミッタ１２の円筒部表面、特にその表面に
形成された加工溝１４を濡れ伝わって、針状エミッタ１
２の、先端に安定に供給され、したがって、イオンの放
出は安定に行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液体金属イオン源、
特に半導体製造工程におけるマスクの製作、修正及びイ
オン露光や、分析の分野における試料の切り出しなどに
用いられるのに適した液体金属イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体金属イオン源（Liquid Metal Ion S
ource = ＬＭＩＳ）は溶融状態にした金属から強電界に
よってイオンを引き出すことを目的としたイオン源であ
り、主として収束イオンビ−ム（一般にFIBと呼ばれ
る）を得るのに用いられる。

【０００３】特公昭５８−３５７９号公報にはＬＭＩＳ
の代表的なヘアピンタイプのイオン源が記載されてい
る。このタイプのイオン源を例としてＬＭＩＳの動作を
図３を参照して先ず説明する。

【０００４】これは、電気絶縁物製の座４に２本の電流
導入端子が立ち、これらの端子を結ぶ、ヘアピン状に曲
げられた金属細線１の中央部に針状エミッタ２が点状溶
接（固定）されている、非常に簡単な構造のものであ
る。

【０００５】通常、この金属細線１は耐熱金属の丸形線
材から作られ、２本の電流端子５、５’間に電流を流す
ことにより加熱用ヒ−タとして使われる。この加熱用ヒ
−タとしての金属細線１により溶融状態となったイオン
材料（液体金属）３はこの金属細線１と針状エミッタ２
の交差点を中心に表面張力によって保持される。したが
って、このヘアピン状に曲げられた金属細線１と針状エ
ミッタ２の交差部はイオン材料を貯蔵するいわばリザ−
バの役割を果たしている。もちろん、針状エミッタ２も
イオン材料３で濡れている。

【０００６】針状エミッタ２の下方に配置されるイオン
引出電極（図示せず）に、針状エミッタ２に対して負の
高電圧を印加していくと、この高電圧によって、金属細
線１と針状エミッタ２の交差部を中心に表面張力により
保持されているイオン材料３及び針状エミッタ２を全体
的に濡らしているイオン材料３に静電気力が働く。更に
高電圧を印加していくと、針状エミッタ２の先端に電界
が集中し、ある高電圧のしきい値において、針状エミッ
タ２の先端を濡らしているイオン材料３の表面張力より
も静電気力が勝るようになり、溶融状態で保持されてい
るイオン材料３は、同じくイオン材料で濡れている針状
エミッタ２の円筒部を濡れ伝わって、針状エミッタ２
の、曲率半径が数μｍ程度の先端からイオンが放出され
る。

【０００７】このイオンビ−ムは、イオンが点状領域か
ら放出されるため、高輝度、高電流密度の極微細なビ−
ムとなり、したがって、半導体製造プロセスにおけるリ
ソグラフィ、イオン注入がマスクレスで行えるばかりで
なく、試料の断面切り出し、微小領域の２次イオン質量
分析にも適用され始めている。

【０００８】ＬＭＩＳのもう一つの代表例はリザ−バタ
イプのイオン源である。これも、基本原理はヘアピンタ
イプのイオン源と同じである。図４に示されるように、
電気絶縁物製の座１０に２本の電流導入端子１１、１
１’が立ち、イオン材料を貯蔵するリザ−バ６は銅線
９、９’により電流導入端子１１、１１’と結ばれ、加
熱される。また、針状エミッタ７はリザ−バ６に固定さ
れている。特徴は多量のイオン材料８が保持できること
である。このタイプのイオン源は特公昭５８−３８９０
５に開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ＬＭＩＳにおいては、
長時間安定してイオン放出ができることがＦＩＢ装置の
使用者にとって最も望まれる事項の一つである。

【００１０】安定に動作している状態のＬＭＩＳにおい
ては、イオン材料（液体金属）はリザ−バから針状エミ
ッタ表面に安定に供給され、針状エミッタの先端にスム
−ズに流れている。このスム−ズな流れを維持するため
に、一般にはヘアピン又はリザ−バに表面張力により保
持された溶融状態のイオン材料によって針状エミッタ先
端を濡らしてある。

【００１１】具体的には、ヘアピンの屈曲部や、リザ−
バからイオン材料が供給される出口部を、針状エミッタ
先端に近づけることにより、イオン材料はリザ−バから
安定に供給される。同時に、リザ−バから針状エミッタ
先端までが近いので、イオン材料のスム−ズな流れが期
待できる。

【００１２】しかし、ＬＭＩＳの寿命を長くするため
に、消耗していくイオン材料をできるだけ多く保持させ
ようとすると、イオン材料の保持部から針状エミッタ先
端までが近いので、針状エミッタ先端がイオン材料によ
って覆われてしまい、電界の集中が行われず、イオンが
出なくなる。最悪の場合は、イオン材料の落下等の問題
を引き起こす。

【００１３】現在実用されているＬＭＩＳでは、ヘアピ
ンタイプ、リザ−バタイプとも溶融状態で保持されてい
るイオン材料の部分から、ある距離（１〜２ｍｍ）だけ
隔てた位置に針状エミッタ先端を配置することにより前
記したイオン材料の落下等の問題を解消している。しか
し、これは、イオン材料をリザ−バから安定に供給し、
針状エミッタ先端へスム−ズに流すという点については
逆効果となってしまう。

【００１４】一般に、イオン材料は、針状エミッタを作
製するに当たってその材料として使われる耐熱金属線、
例えばタングステン線、の素材を線引きした際にその軸
方向に偶然に発生する数本から数十本の溝に沿って濡れ
伝わり、針状エミッタまでスム−ズな流れを形成するこ
と、すなわち、針状エミッタ材の線引きの際偶然に発生
する溝がイオン材料の針状エミッタ先端へのスム−ズな
供給に役立っていることが知られている。

【００１５】しかし、そのように偶然に発生する溝を有
するタングステン線材はその溝部である結晶粒界が非常
に脆く、たとえ耐熱金属とはいえ、熱等により結晶粒界
の端面から裂けやすいという現象が生じることが知られ
ている。そのため、素材メ−カ−では結晶粒界による溝
（引き抜き溝）が極力ない線材を作ることが最も重要と
され、結晶粒界による溝を有するタングステン線は不良
品扱いされる。

【００１６】このような素材を用いたＬＭＩＳでは、イ
オンが放出される一番大切な針状エミッタ先端部に裂け
目（割れ目）が確認され、安定なイオン放出は不可能で
ある。また、同じ構造のＬＭＩＳでも、製法上偶然生じ
る溝を利用している針状エミッタを用いる限り、その素
材によって、溝の本数は数本から数十本とバラツキが発
生するため、安定したイオン材料の流れに個体差が生
じ、それは、すなわち、安定したイオン放出に個体差が
生じることに他ならない。よって、消耗品であるＬＭＩ
Ｓの安定した製作ができない。

【００１７】本発明の目的は安定したイオン材料（液体
金属）の流れに個体差が生じることのない、安定したイ
オン放出が可能な液金属イオン源を提供することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、針状エミッタ
を伝わってその先端に供給される液体金属を電界放出に
よりイオン化する液体金属イオン源において、前記針状
エミッタに、その先端に前記液体金属を案内する加工案
内路を形成したことを特徴とするものである。

【００１９】加工案内路は積極的に加工によって形成さ
れる案内路を意味するものとし、したがって、前述し
た、針状エミッタ材の線引きの際に偶然に生じる溝は加
工案内路に含まれないものとする。

【００２０】このような液体金属イオン源によれば、加
工案内路の故に前述したような割れの問題は生ぜず、ま
た加工案内路の数も予め定めることができる。したがっ
て、安定したイオン材料（液体金属）の流れに個体差が
生ぜず、安定したイオンの放出が可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明にもとづくヘアピン
タイプの液体金属イオン源の要部を示す。同図におい
て、ヘアピン状に曲げられた金属細線１９の中央部には
先端が尖った針状エミッタ１２が点状溶接（固定）され
ている。金属細線１９は０．２ｍｍ程度の直径をもつ耐
熱金属細線、典型的にはタングステン線、で作られてい
る。

【００２２】金属細線１９の両端は電気絶縁物製の座
（図示せず）に立てられた２本の電流導入端子（図示せ
ず）に接続されている。この点は、図３と同じなので、
図１においては省略されている。２本の電流導入端子間
に電流を流すと、金属細線１９は加熱され、これによっ
て溶融状態となったイオン材料（液体金属）１３は金属
細線１９と針状エミッタ１２との交差部に表面張力によ
って保持される。したがって、その交差部はイオン材料
１３を貯蔵するいわばリザ−バの役割を果たしている。
もちろん、針状エミッタ１２の下側部分の表面もイオン
材料１３によって濡れている。

【００２３】針状エミッタ１２の先端は溶融状態で保持
されているイオン材料１３からある距離、約１〜２ｍ
ｍ、離してあり、イオン材料の１３の落下を防止してい
る。そのため、イオン材料１３から、針状エミッタ１２
の円筒部が目視できる状態にある。

【００２４】針状エミッタ１２の表面には加工案内路と
しての加工溝１４が形成されている。この加工溝の数は
任意であってよいが、実施例では等角度間隔に４個の溝
が形成されている。加工溝はたとえば放電加工によって
容易に形成され得る。放電加工の場合は、針状エミッタ
１２を一方の電極とし、これと対向するもう一方の電極
として厚さが５〜２０μｍ程度のシムを用い、これらの
電極間に電圧を印加して放電を生じさせることにより幅
が５〜２０μｍ程度の加工溝を形成することができる。
深さは１０μｍ程度で十分である。加工案内路としては
加工溝の代わりに針状エミッタ１２にその軸方向に沿っ
て孔をあけてもよいが、加工の容易性の観点からは加工
孔よりも加工溝が望ましいと言える。

【００２５】針状エミッタ１２の下方に配置されている
イオン引出電極（図示せず）に、針状エミッタ１２に対
して負の高電圧を印加すると、これによって、金属細線
１９と針状エミッタ１２との交差部に表面張力によって
保持されているイオン材料（液体金属）１３及び針状エ
ミッタ１２を濡らしているイオン材料（液体金属）に静
電気力が働く。更に高電圧を印加していくと、針状エミ
ッタ１２の、曲率半径が数μｍ程度の先端に電界が集中
し、あるしきい値において、針状エミッタ１２の先端を
濡らしているイオン材料（液体金属）の表面張力よりも
静電気力が勝るようになり、その先端からイオン材料
（液体金属）のイオンが放出される。溶融状態で保持さ
れているイオン材料（液体金属）は、同じくイオン材料
で濡れている針状エミッタ１２の円筒部表面、特にその
表面に形成された加工溝１４を濡れ伝わって、針状エミ
ッタ１２の先端に安定に供給され、したがって、その先
端からのイオン材料（液体金属）の放出は安定に行われ
る。

【００２６】加工案内路１４は、前述したように、針状
エミッタ材の線引きの際に偶然に生じる溝と違って、積
極的に加工によって形成されるものであるため、割れの
問題が生ぜず、しかも、その加工案内路の数も予め定め
ることができ、バラツクこともない。したがって、イオ
ン材料（液体金属）の針状エミッタ１２を伝わっての安
定した流れに個体差が生ぜず、安定したイオンの放出が
可能となる。

【００２７】なお、加工溝１４は実施例では直線的に形
成されているが、他の形、例えば螺旋状、に形成されて
もよい。

【００２８】図２はリザ−バタイプの液体金属イオン源
の要部を示す。このタイプの液体金属イオン源も図１に
示されるヘアピンタイプの液体イオン源と基本原理は同
じである。

【００２９】リザ−バ１８は２本の銅線（図示せず）を
介して２本の電流導入端子（図示せず）に接続され、該
２本の電流導入端子は電気絶縁物製の座（図示せず）に
立設されている。この点は図４に示される例と同じであ
る。図４の実施例と異なる点は針状エミッタ１５の表面
に図１の実施例と同じように加工溝１７が形成されてい
ることである。したがって、リザ−バ１８内のイオン材
料（液体金属）１６は図２の実施例の場合と同様に、針
状エミッタ１２の円筒部表面、特にその表面に形成され
た加工溝１７を濡れ伝わって、針状エミッタ１５の、曲
率半径が数μｍ程度の先端に安定に供給され、その先端
からイオン材料（液体金属）のイオンが安定して放出さ
れる。よって、図２の実施例によっても図１の実施例と
同様の効果が得られることが明らかである。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、安定したイオン材料
（液体金属）の流れに個体差が生じることのない、安定
したイオン放出が可能な液金属イオン源が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にもとづく一実施例を示すヘアピンタイ
プの液体金属イオン源の要部の構成図。

【図２】本発明にもとづくもう一つの実施例を示すリザ
−バタイプの液体金属イオン源の要部の構成図。

【図３】一般に知られているヘアピンタイプの液体金属
イオン源の構成図。

【図４】一般に知られているリザ−バタイプの液体金属
イオン源の構成図。

【符号の説明】

１、１９：金属細線、２、７、１２、１５：針状エミッ
タ、３、８、１３、１６：イオン材料（液体金属）、
６、１８：リザ−バ、４、１０：座、５、５’、１１、
１１’：電流導入端子、９、９’：導線、１４、１７：
加工溝（加工案内路）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鵜沢 明 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器事業部内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】針状エミッタを伝わってその先端に供給さ
   れる液体金属を電界放出によりイオン化する液体金属イ
   オン源において、前記針状エミッタに、その先端に前記
   液体金属を案内する加工案内路を形成したことを特徴と
   する液体金属イオン源。
2. 【請求項２】前記加工案内路は前記針状エミッタの表面
   に形成された加工溝であることを特徴とする請求項１に
   記載された液体金属イオン源。
3. 【請求項３】前記加工溝は放電加工溝であることを特徴
   とする請求項２に記載された液体金属イオン源。