JPS6188436A - 液体金属イオン源 - 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、イオン化物質の予備加熱部を設けた液体全屈
イオン源の溝造に関するものであり、特に、イオン微細
打込みの長時間連続運転に好適な液体金属イオン源に関
する。

〔発明の背景〕

液体金属イオン源から放出したイオンビームをサブミク
ロンにまで集束し、これを用いたサブミクロン・ドライ
プロセス（マスクレス・ドーピング、イオンビーム露光
、イオンビーム加工等）、サブミクロン表面分析等の分
野への応用が最近注目されている。特にエレクトロデバ
イスの分野においては、半導体基板面上の狭い領域に不
純物（たとえば、ホウ素、リン、ヒ素など）をマスクな
しで直接打込む（注入、ドーピングとも言う）ことがで
き、従来のマスクを用いたイオン打込みでは得られなか
った微細領域への打込みが可能となるとともに、半導体
プロセスの大幅な簡略化が望めることなどから大いに注
目されている。

この液体全屈イオン源の動作原理と代表的基本構成につ
いては、特開昭５２−１２５９９８号に詳述されている
が、ここで、その動作原理について簡単に述べる。

まず先端が鋭く尖がらされたエミッターに、通重加熱あ
るいは、電子線衝撃、レーザー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。エミッタ
ーと引出し電極の間に高電圧を印加していくと、エミッ
ター先端部に電界が集中する。これによりエミッター先
端部の液体金属はテーラ−コーン（ＴａｙＬｏｒ　Ｃｏ
ｒ＋ａ）と呼ばれる円錐突起を形成し、その先端からイ
オンビームが引出される。

このような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ビー
ムが引出せることが重要となる。

これらの従来のイオン源には、以下のような問題がある
。すなわち、 （１）イオン源に搭載されたイオン化物質の全量を常に
溶融状態に保つ必要があるために、イオン化物質が固体
または粉末状であったり高融点物質である場合、加熱す
るための消費電力は大きい。

（２）ヒーター電流が一定の場合、イオン化物質の減少
に伴いイオン化物質の温度は上昇し、全イオン電流値が
増加するなどのイオン放出特性が変化してくる。

（３）イオン化物質が蒸気圧の大きく異なる金属同士の
合金である場合、長時間加熱による選択蒸発によって合
金組成の割合が変化する。

（４）イオン化物質の搭載量は溜め部またはルツボの大
きさや加熱電気容量によって制限されるために、イオン
源寿命を決める一因となっている。

（５）イオン化物質の消費によりイオン放出が望めなく
なった場合には、一度真空を破り、イオン化物質を外部
から補給しなければならない。イオン放出を一度中断し
、イオン化物質の補給を行ない、イオン放出を再開する
と、放出再開直後、イオンが安定に放出されるようにな
るまでに長時間を要し、引出し電圧の放出イオン電流特
性が中断前に比べて異なる。また、補給の作業にも時間
を要する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、イオン放出を安定して長時間連続動作
させることができる液体金属イオン源を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明のイオン源は、イオン化すべき物質を溶融状態で
保持するための溜め部と、該溜め部から供給される上記
溶融状態のイオン化すべき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ッターと、該エミッター
の先端に高電界を集中させることにより上記エミッター
の先端からイオンを引出すための引出し電極と、イオン
化すべき物質の貯蔵部と、該貯蔵部から前記溜め部へイ
オン化すべき物質を移すための移送手段と、イオン化す
べき物質を溶融させる予備加熱部とを備えたことを特徴
とするものである。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は、本発明によるイオン化物質の予備加熱部を備えた
液体金属イオン源の基本構成を示したものである。同図
において、２．２’はイオン化物質２４はイオン化物質
の溜め部またはルツボ、４は加熱部（ヒーター）、１２
は針状エミッターチップ、２２はイオンビーム、３２は
イオン化物質の貯蔵部、３４はイオン化物質の移送手段
、３３は本発明によるイオン化物質の予備加熱部。

３７ａ、３７ｂはイオン化物質の移動通路、２０はイオ
ン引出し電極１４，１６．１８．３５は電源、８．８’
は電流導入端子、１０は円孔である。

また、電源１４，１６．１８および３５を除いてすべて
真空容器３６内に入っている。

この液体金属イオン源はイオン化物質を通電加熱によっ
て溶融させる方式を用いたものであり、イオン化物質２
の溜め部２４は加熱部４を兼ねており、金属や炭素など
からなる加熱部４に通電することにより抵抗加熱させ、
その熱でイオン化物　゛質２を溶融させる。針状エミッ
ターチップ１２の先端まで溶融したイオン化物質２で十
分濡らせる。

そこで、イオン引出し電極２０に負の高電圧を印加する
ことによって針状エミッターチップ１２の先端に付着し
ているイオン化物質２はイオン化され、イオンビーム２
２が引出される。

本実施例では、イオン化物質２′としてＮ　ｉＢにッケ
ル・ボロン合金、融点、約１０００℃）を用いた。また
、ヒーターはカーボン製で、その形状は、イオン化物質
２の移動通路３７からのイオン化物質２のヒーター４上
での散乱を避けるために、ヒーター４の中央部に凹部２
４を設け、イオン化物質２の溜め部と兼ねた形状になっ
ている。また、ヒーター４の発熱効率を高めるために、
溜め部２４と電流導入端子８，８′の間のヒーター４の
幅を１ｍｍ程度にまで細くしである。なお、このヒータ
ー４の板厚は０．２　ａ＋ｍである。この凹部２４に溜
められるＮ　ｉ　Ｂの搭載容量は約５ｍｍ”で、安定な
イオン放出が望めなくなるまでの時間（寿命）は約１０
０時間であった。もちろん、この寿命はイオン放出量（
全放出イオン電流値）やイオン化物質の加熱による蒸発
量などに依存するため定まった値ではない。

イオン化物質の貯蔵部３２はヒーター４の溜め部２４に
比べその容量は大きく、本実施例では、その内部に直径
が最大でも０．５　ｍｌ１１程度にまで砕かれた粒状ま
たは粉末状のＮｉＢ約２ｃｍ３搭載されている。

イオン化物質の移送手段の具体例として本実施例では、
第２図に示したようならせん状回転軸３４ａを用いた。

イオン化物質２の溜め部２４への供給量と供給時期、ら
せん状回転軸３４ａの回転量とイオン化物質の予備加熱
部３３への供給量は予め測定を行なっておき、らせん状
回転量３４ａを回転させることにより、イオン化物質２
′を予励熱部３３へ約２　ｍｍ３ずつ約５０時間おきに
供給し、予備加熱部３３で加熱溶融させた。この場合、
予備加熱部３３は常に加熱状態である必要はなく、予励
熱部３３ヘイオン化物質２が供給された時のみ、ｆｆ１
ｆｉ３５を作動させればよい。また、予備加熱部３３の
温度は溜め部２４とほぼ同じであることが望ましい。

ここで、イオン化物質２を溶融するための溜め部２４も
しくはヒーター４とは独立してイオン化物質２の貯蔵部
３２を有した液体金属イオン源において予備加熱部３３
が必要な意義について説明する６ 従来の液体金属イオン源にイオン化物質２′の貯蔵部３
３を設け、イオン化物質２′が溶融状態にある溜め部２
４又はヒーター上に補給すべき未溶融のイオン化物質２
′を移送手段３４を用いて投入する場合、未溶融のイオ
ン化物質２′を一挙に加える。当然、溶融状態にあるイ
オン化物質２の温度は急激に低下する。この温度降下の
ために放出イオン電流値などイオン放出特性が変わった
り、極端な場合は、イオン放出が停止することもある。

イオン放出特性の変動は、イオン微細打込みなどを行な
う場合、イオンが打込まれた半導体の特性も変化してし
まうという問題があった。この温度降下を小さくする方
法として、イオン化物質を微量ずつ供給するイオン化物
質２′の移送手段３４が考えら九る。この時の溶融イオ
ン化物質２の温度と時間の関係は、第２図（ａ）に示し
たイオン化物質２′を一挙に投入した場合の温度変化は
ど激しくはないが、第３図（ｂ）に示した如く、”ｌ　
＋　ｔｚ＋　　ｔｉ　＋　　ｔａなどの短時間ごとにイ
オン化物質２をｖｔｔ量ずつ供給していくと温度降下の
変動は小さくなる。（ただし１両図においてＴ１は溶融
イオン化物質２の温度である。）しかし、この温度降下
の問題は解決したわけではなく、温度変動を全く生じさ
せないイオン化物質２′の補給手段が必要となっていた
。

予励熱部３３でのイオン化物質２の加熱方法としては様
々な形式を考えることができる。例えば第４図（ａ）に
示したよ、うに、移送手段３４によって移送されたイオ
ン化物質２を受けとることができるように加工された薄
い金属板４０を通電加熱する方法や、（ｂ）に示したよ
うに、未溶融のイオン化物質２′を受けとめるように加
工された受は部４１を取り巻（ように加工されたヒータ
ー４２の輻射熱によって加熱する方法などがある。

以下本実施例の予備加熱部について第５図を用いて説明
する。本実施例の予備加熱部３３は、移送手段３４によ
って移送されてきた未溶融のイオン化物質２を受は取り
、保持する受は部５１と、電流導入端子５２．５２’　
より成り、受は部５１は通電により加熱されるヒーター
を兼ねており、受は部５１に保持された未溶融のイオン
化物質２′を溶融させることができる。この受は部５１
は高融点金属の１種であるモリブデン（ＭＯ）で、板厚
０．１ｍｍの板より成る。さらに、上部開口部が３〜４
ｍｍの７字もしくはＵ字断面をして、長手方向は、約２
０ｏ＋ｍでやや傾斜をもった構造である。この傾斜によ
って受は部５１上で溶融したイオン化物質２が、溶融イ
オン化物質２の溜め部２４に流れ込むことができる。

このような構造によって、貯蔵部３２より移送されてき
た未溶融イオン化物質２′は、予備加熱部３３上で１〜
２分で溶解され、溜め部２４へ供給することができ、こ
の結果溜め部２４にある溶融イオン化物質２の温度は、
第３図（ｃ）に示したように、はとんど変わらなかった
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、固体粉末状または液体状のイオン化物
質の貯蔵部の容量を大きくすることによりイオン化物質
を多く貯蔵することができ、連続補給によって長時間連
続して安定したイオン放出をすることができる。しかも
、貯蔵部は加熱部および溜め部と独立しているので、イ
オン源に搭載されたイオン化物質の全量を常に溶融状態
に保つ必要はなく、消費電力は従来と同程度で済む。ま
た、イオン化物質の補給が真空容器内で行なえるので、
真空外からのイオンビームの補給のためのイオン放出中
断によって生じる補給前後でのイオン放出特性の変化が
避けられる。しかも、蒸気圧の大きく異なった金属同士
の合金がイオン化物質である場合、長時間加熱による選
択蒸発が、貯蔵部からのイオン化物質の連続補給により
避けることができる。さらに、イオン化物質の予備加熱
部を設けることによって、溜め部にある溶融状態のイオ
ン化物質とはぼ同じ温度で溜め部に補給することができ
るので、イオン放出特性を変化させることはなく、一定
時間おきに溜め部に供給することによって安定したイオ
ン放出を長時間連続して行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液体金属イオン源の縦断面図、第
２図はイオン化物質の移送手段の一実施例を示す図、第
３図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はイオン化物質の供給
量による溶融イオン化物質の温度と時間の関係を説明す
るための図、第４図（ａ）および（ｂ）は本発明による
予備加熱部を説明するための概略植成図、第５図は本発
明の予励熱部の一実施例を示す構成図である。 ２．２′・・・イオン化物質、４・・・加熱部、１ｏ・
・・円孔、１２・・・針状エミッターチップ、２０・・
・引出し電極、２２・・・イオンビーム、２４・・・溜
め部、３２・・・貯蔵部、３３・・・予備加熱部、３４
・・・移送手段、３４ａ・・・らせん状回転軸、３５・
・・電源、３６・・・真空容器、４０・・・金属板、４
１・・・受は部、４２・・・ヒ第３図 （ユ９ 遠 席１ ｚ　５　ロ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、イオン化すべき物質を溶融状態で保持するための溜
   め部と、該溜め部から供給される上記溶融状態のイオン
   化すべき物質のイオンをその先端から放出するように配
   置されたエミッターと、該エミッター間に高電界を集中
   させることによって上記エミッターの先端からイオンを
   引出すための引出し電極とからなる液体金属イオン源に
   おいて、イオン化すべき物質の貯蔵部と、該貯蔵部から
   イオン化すべき物質を移すための移送手段と、イオン化
   すべき物質を溶融させるための予備加熱部を備えたこと
   を特徴とする液体金属イオン源。