JPS61248344A - 溶融イオン化物質のクリ−ニング方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、イメン化すべき物質を加熱溶融し、高電界を
介してイオンビームを得る液体金属イオン源に関するも
ので、イオンマイクロビーム描画装置、イオンマイクロ
露光装置、イオンマイクロアナライザーなどのイオン源
に応用できる溶融イオン化物質のクリーニング方法に関
する。

〔発明の背景〕

液体金属イオン源から放出されるイオンビームは、高輝
度であるため、１ミクロン以下の微小径のビームが得る
のに好適なことから、半導体装置セスにおけるリングラ
フィやドーピング（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）に行な
えることや、化学的な手法忙用いずに行なえる可能性を
秘めている０また、ビーム径が１ミクロン以下であるこ
とを利用して、液体金属イオン源から得られたイオンマ
イクロビームを試料表面に照射しそこから出てきた二次
イオンを分析することで、その試料表面の微小部分の成
分分析が可能である。このように、様々な分野で、イオ
ンマイクロビームを用いた応用が考えられることから、
液体金属イオン源が近年注目ｆｉｒ：あびている（％開
昭５８−２１４２５１号）。

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、その先端が尖鋭化されたタングステン（Ｗ）、タン
タル（Ｔａ）、カーボン（Ｃ）等から成るエミッターに
、抵抗加熱らめいは、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（目的とするイオンビー
ムの元素を含む物質、以下、イオン化物質と記す）を供
給し、エミッター先端に強電界を集中させ、エミッター
先端よシイオン化物質のイオンを引出す。イオン源とし
ては長時間、安定して目的とするイオンビームが引出せ
ることが重要である。

しかしながら、上述した従来構成には次のような問題が
あった。即ち、溶融状態のイオン化物質表面に浮遊する
スラグ（熱不溶性の不純物）が、エミッター先端に集ま
り、安定したイオン放出が望めなくなるという問題点が
あった。つまり、イオン化物質中に含まれるわずかな不
純物や、ヒーター弐面に付着している不純物、酸化物、
その他イオン源動作中に溶融イオン化物質とヒーターと
の化学的反応によって生じた物質などが、溶融状態のイ
オン化物質の表面にスラグとして浮遊する。

ところが、イオン放出のためにエミッター先端に形成し
た高電界によって引きつけられるか、もしくは、この高
電界によってエミッター先端に引き寄せられる溶融イオ
ン化物質と共に流れて来るかの原因によって、エミッタ
ー先端にスラグが集まり、安定したイオン放出を妨げる
といった問題が生じていた。このような問題に対しては
これまでエミッターの交換しか手段はなく、上記問題が
生じた場合、その都度、装置の真空を破シ、エミッター
交換という手間のかかる作業を強いられていた０そこで
Ｘ長時間・安定にイオン放出を望むために何らかのスラ
グ・クリー二／グ対策が望まれていた。

〔発明の目的〕

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであり、
本発明の目的は、長寿命でかつ、動作特性の極めて安定
した液体金属イオン源において溶融イオン化物質のクリ
ーニング方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明においては、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
ら供給される溶融状態の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るエミッターと、このエ
ミッターとの間に高電界を作り、エミッター先端に付着
した溶融状態のイ士ソイレ物＃のイナンを引出中ための
引出１．電極とからなる液体金属イオン源において、エ
ミッター先端での溶融イオン化物質の表面に浮遊してい
る熱不溶性の不純物を、その溶融イオン化物質の表面に
パルス状の電界を作ることによるか、または、この熱不
溶性の不純物の脱離用パルス状電界をエミッターと引出
し電極との間に印加する高′成圧で作るか、もしくは、
エミッターと引出し電極の間に設けた針状電極とエミッ
ターとの間に印加する高′戒圧で作ることによって、エ
ミッター先端に浮遊している熱不溶性の伏純物を脱離除
去し、クリーニングすることを特徴とした溶融イオン化
物質のクリーニング方法？用いる。この方法により、長
寿命でかつ、動作特性の極めて安定した液体金属イオン
源において溶融イオン化物質のクリーニング方法が提供
できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る液体金属イオン源の基本構成を示
す概略断面図である。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方式である。

エミッター１は絶縁碍子２に接続支持されている。

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
ね危溜め部３は、帯板状でその中央部はイオン化物質５
を保持するために円錐台形となっており、さらにその中
央底部には円孔６が設けられている。この円孔６の中心
軸上にエミッター１が設置されており、このエミッター
１の先端は円孔６よりわずか突出している。また、溜め
部３の両端端は電流導入端子４，４′に固定されており
、この電流導入端子４．４′は絶縁碍子２に挿入固着さ
れている。第１図は、溶融したイオン化物質５で濡れた
エミッター１が溜め部３にある円孔６から突出た状態を
示している。７はイオン引出し電極であり、この引出し
電極７と溶融したイオン化物質５で濡れたエミッター１
先端との間に数ｋｖの高電圧を作用させることにより、
エミッター１先端に付着した溶融イオン化物質５は円錐
状に尖がシ、さらに高電圧を印加すると、ついにはその
溶融イオン化物質５の円錐先端から電界電離したイオン
ビーム８を引出すことができる。引出し電極７の中心に
は、貫通孔９が設けられておシこの貫通孔９と円孔６は
同心軸上にあυ、イオンビーム８は貫通孔９を介して下
方に引出すことができる。本実施例の場合、エミッター
１は直径が０．３肱のタングステン（Ｗ）棒であり、そ
の先端は電解研磨によって曲率半径を数μｍ以下に鋭く
尖がらせである。ヒーターを兼ねた溜め部３は厚さ０．
０５ｍのニオブ（Ｎｂ）の帯板製で、中央部にらる凹部
は、イオン化物質５が約１０ｍ”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の中央部に設けられ
た円孔６の直径は約１麿で、エミッターｌの先端は円孔
６より約ＩＢ突出し、エミッター１の先端と引出し電極
７の間の距離は約１ａｌである。

第１図において、符号１０は加熱電源、１１はイオン引
出し電源、１２はイオン加速電源、１３は真空容器でち
る。

実施例１ 本実施例１は本発明のうち、溶融イオン化物質の表面に
パルス状の電界を作ることによって翫エミッター先端に
浮遊している小さな塊状の熱不溶性不純物を脱離させる
もので、第１図ないし第４図を用いて説明する。

第１図に示した従来型のイオン源におけるエミッター１
の先端、正確に言うとエミッター１の先端に付着した溶
融イオン化物質５と引出し電極７の電位関係は第２図に
示したようになる。第２図の縦軸は電位の強さく電界）
で、横軸は時間であり、イオン加速電圧Ｖ　ａ　ｇ。及
びイオン引出し電圧■、！、が定常的に印加されている
状態を示している。本実施例ではＶ、、、＝１００ｋＶ
、　Ｖ、、！＝−５，３ｋＶである。

第３図が本実施例を示す図であり、エミッター１の電位
側に、パルス状の高電圧を印加することのできる高電圧
パルス電源１５を設置した状態を示している。イオン源
の正常動作時には高電圧パルス電源１５は動作させずに
、熱不溶性不純物がエミッター１の先端に集積し、安定
なイオン放出が望めなくなった時に電源１５を動作させ
て、パルス状高電圧をエミッター１．換言すると溶融イ
オン化物質５に印加する。このノくルス状高電圧を印加
した時の時刻を’１＋　パルス幅Δｔ１．印加電圧のレ
ベルをＶｌとし、エミッター１の先端の溶融イオン化物
質５と引出し電極７の電位関係を示すと第４図の如くに
なる。具体的数値の一実施例全あげると、ｖ、＝２ｋＶ
パルス幅Δｔ＋Ｈ０，１（６）であった。なお、印加電
圧■ｌやパルス幅Δｔ１は上述の値だけでなく、おおよ
そ０．３　　≦Ｖ１≦　２　（ｋＶ） ０．０１≦Δ１．≦　１（ｌｅｃ） の範囲の値を設定すると良いことがわかった。第４図で
は加速電圧Ｖ、。、の上にパルス状電圧■ｌが重畳され
ているが、■、。、が１０ＯｋＶもの高電圧でおると、
このようなパルス状電圧を印加すると加速電源１２等の
破損に繋が９易いので、実際にはｖｌ。、＝Ｏの状態に
してパルス状電圧Ｖ１を印加すも。

上述した方法によって、エミッター１の先端に浮遊し、
集積した熱不溶性不純物を取り除くことが可能となった
。

実施例２ 本実施例２は本発明のうち、エミッター１先端に浮遊し
集積した熱不溶性不純物の脱離用のパルス状電界を、エ
ミッター１と引出し電極７の間に印加する高電圧で作る
もので、第５図と第６図を用いて説明する。

本実施例では、パルス状高電圧が出力可能な高電圧パル
ス電源１５′を引出し電極７側に設置し、パルス状電圧
として負の電圧である場合で、概略構成を第５図に示す
。ただし、第５図では本発明を説明する几めの主要部の
み図示しており、第５図に示されていない部分は第１図
と同様である。

イオン源の正常動作時には高電圧パルス電源１５′は動
作させずに、熱不溶性不純物がエミッター１の先端に集
積し、安定なイオン放出が望めなくなった時に電圧１５
’を動作させて、パルス状の負の高電圧を引出し電極７
に印加する。パルス状の高電圧を印加した時刻をｔ２．
パルス幅をΔｔ２．印加電圧をＶ２（＜０）として、エ
ミッター１の先端と引出し電極７の電位関係を示すと第
６図のようになる。具体的数値の１例をあげると Ｖｌ。　＝　　】、　　０　０　　ｋＶＶ　−−＞　　
＝　　　　５．５　　ｋＶＶｚ　　　　　＝　　−１，
５ｋＶ Δ　ｔｚ＝０．１　　潰幻 である。

本実施例の場合、加速電圧Ｖ、４．は変化しないため、
■、、、を印加しながらパルス状電圧■２を印加させる
ことができるので、実施例１に比べ、■、０．の昇降の
手間が省けるという効果を持つ。

なお、印加するパルス状電圧は１回のみとは限らず、エ
ミッター１の先端の不純物の状態によって複数回、行な
っても問題はない。

なお、繰返し実施例１．２におけるＶ、、Ｖ、。

Ｖ　＊　ｘ　＠の符号は加速電圧■１゜を基準にしてい
る。

実施例３ 第７図は、本発明のうち熱不溶性不純物の脱離用のパル
ス状電界を、エミッター１と引出し電極７の間に設けた
針状電極と、エミッター１との間に印加する高電圧によ
って作る溶融イオン化物質のクリーニング方法について
説明するための図である。

符号２０が本発明による針状電極であり、この針状電極
２０は絶縁棒２１を介して直線導入機２２に固定されて
いて、直線導入機２２の軸方向に５０關趨可能である。

針状電極２ｏを最も突出した状態でエミッター１先端に
約０．５　ｍｓまで近づけることができ、引いた状態で
は針状電極２ｏは絶縁碍子２の外側に保持することがで
きる。

エミッターｌ先端に溶融イオン化物質５に浮遊している
スラグが集積し、安定したイオン放出が望めなくなった
時、この針状電極２ｏをエミッター１先端近傍まで近づ
ける。この時、引出し電極７には高電圧を印加せず、針
状電極２ｏにパルス状高電圧を印加する。つまり、第１
図中の端子ａと端子ｄを結線し、さらに端子すと端子Ｃ
を結線した状態にしておく。この状態で数ｋｖ程度のパ
ルス状の高電圧を印加すると、エミッター１と針状電極
２０先端の間でパルス状電界が生じる。このパルス状電
界によってエミッター１先端に集積されていたスラグは
溶融イオン化物質５表面に沿ってヒーター３まで上昇す
るが、パルス状電界のショックでエミッター１から脱離
する。これによってエミッター１先端にはスラグのない
イオン化物質の新生面が現われる。

次に、針状電極２ｏを直線導入機２１の操作によって、
エミッター１から最も遠ざけた状態にし端子ａと端子す
さらに端子Ｃと端子ｄを結線し直して、引出し電極７に
高電圧が印加できる状態に戻す。

以上の操作により、引出し電極７に高電圧を印加すると
、再びエミッター１先端よりイオン８が安定して放出さ
れる。

本実施例によると、針状電極２（１−エミッター１のす
ぐ近くまで近づけることができるため、印加する電圧は
実施例２に比べ低くてすむ利点を持つ。

実施例４ 本実施例では、上記実施例１乃至３で示したパルス状電
界の代わりに交番電界を用いた。つまり、上記実施例１
，２．３における高電圧パルス電源１５．１５’　、１
５“の代わりに、高電圧交番電圧電源１６．１６’、１
６”を用いて、溶融イオン化物質の表面、エミッターと
引出し電極間に印加する高′成圧か、エミッターと引出
し電極の間に設けた針状電極とエミッターの間に印加す
る高電圧かに、熱不溶性の不純物の脱離用の交番電圧を
印加もしくは重畳する。

イオン源および電源の構成はそれぞれ第３図。

第５図、もしくは第７図と同じで、本実施例における概
略構成図は省略するが、高電圧パルス電源１５．１５’
　、１５“は高電圧交番電圧電源１６゜１６’、１６“
に入れ替えるものとする。

本実施例のうち、溶融イオン化物質５の表面に交番電圧
を印加する場合の、エミッター１の先端と引出し電極７
の電位関係を第８図に、エミッター１と引出し電極７の
間に印加する高電圧に交番電圧を重畳する場合の電位関
係を第９図に示す。

第８図および第９図におけるＶ＋’、Ｖ２’は、印加す
る電圧のレベルで、本実施例の場合、異符号の同じ大き
さの電圧であるが、必ずしも同じである必要はない。

本実施例においても、実施例１乃至３で示した効果と同
じ効果を示し、エミッター１の先端に集積した熱不溶性
の不純物を除去することができて、従来見られた熱不溶
性の不純物によるイオン電流の不安定さや、イオン放出
の停＋ｈといった問題はなくなり、溜め部３に搭載され
たイオン化物質５を消費するまで安定にイオンが放出し
続けた。

具体的数値を挙げると、ｖ１′＝±１．５ｋＶ。

Ｖｚ＝±１．５　ｋ　Ｖ、Ｖ−！ｔ＝５．３ｋＶ、　Ｖ
−ｅｅ＝１００ｋＶで、寿命は本実施例４ので３例とも
１００時間を超えたつ 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、安定したイオン
放出を妨げる原因となっていたエミッター先端に集積す
る溶融イオン化物質の熱不溶性の不純物（スラグ）を、
エミッター先端と可動針状電極との間の放電によって除
去することができ、この結果、長寿命でかつ動作特性の
極めて安定な液体金属イオン源を提供することが可能と
なる。

また、前記問題が生じた場合、その都度、装置の真空１
０、エミッターの交換といった手間のかかる作業から開
放され、真空度を保ちつつ、短時間で問題を克服できる
といった効果をも持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液体金属イオン源の概略全体構成を示す
ための図、第２図は第１図での加速電位と引出し電位の
関係を説明するための図、第３図は本発明の一実施例を
説明するための概略構成図、第４図は第３図の電位関係
を説明するための図、第５図は本発明の一実施例を説明
するための概略構成図、第６図は第５図の電位関係を説
明するための図、第７図は本発明の一実施例を示すため
の概略構成図、第８図および第９図は本発明の実施例の
電位関係を説明するための図である。 １・・・エミッター、２・・・絶縁碍子、３・・・ヒー
ター又は溜め部、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、１５．１５’、１５
“・・・高電圧パルス電源、１６．１６’、１６”・・
・交番高電圧電源、２０・・・針状電極、２１・・・絶
縁棒、２２・・・直線導入機。 第　１　　図 不　２　図 篤　３　図 ノｎ 第４図 電イｋｖ ＶＪ　　５　　図 ３７　　図 第　Ｆ　　図 ′ｆＪｑ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン化すべき物質を溶融して保持する溜め部と、
   上記溜め部から供給される溶融状態の上記イオン化物質
   のイオンをその先端から放出するように配置されるエミ
   ッターと、上記エミッターとの間に高電界を作り、上記
   エミッター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、上記エミッター先
   端での溶融イオン化物質の表面に浮遊している小さな塊
   状の熱不溶性の不純物を、上記溶融イオン化物質の表面
   にパルス状の電界を作ることにより、上記不純物を脱離
   除去しクリーニングすることを特徴とした溶融イオン化
   物質のクリーニング方法。 ２、上記熱不溶性の不純物の脱離用のパルス状電界を上
   記エミッターと上記引出し電極との間に印加する高電圧
   で作ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶
   融イオン化物質のクリーニング方法。 ３、上記熱不溶性の不純物の脱離用のパルス状電界を上
   記エミッターと上記引出し電極の間に設けた針状電極と
   上記エミッターとの間に印加する高電圧で作ることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶融イオン化物質
   のクリーニング方法。