JPH0261941A - 電界電離型イオン源 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電界電離型イオン源に関し、例えば集束イオ
ンビーム装置に用いて好適なものである。

〔発明の概要〕

本発明は、イオンソースとしてガスを用いる電界電離型
イオン源において、上記ガスの導入路がエミッターに対
して所定の角度θ（ただし、θ≠０°）傾斜し、かつ上
記導入路の延長線上に上記エミッターの先端が位置して
いる。これによって、高輝度でかつ安定な電界電離型イ
オン源を実現することができる。

〔従来の技術〕

イオンソースとしてガスを用いる電界電離型イオン源は
、例えば集束イオンビーム装置のイオン源として用いら
れる（例えば、特開昭５９−１１７１２２号公報）。こ
の電界電離型イオン源から放射されるイオン電流を増加
させるためには、エミッターの先端付近におけるイオン
ソースガスのガス分子密度を高めるのが一つの方法であ
る。しかし、エミッターには通常、数〜数十ｋＶの高電
圧が印加されているので、単純にガス圧を高めようとす
ると放電が発生し、イオン源として作動しなくなってし
まう。

第７図は、従来の電界電離型イオン源を示す。

第７図に示すように、この従来の電界電離型イオン源に
おいては、エミッター１０１は金属製の覆い１０２によ
って囲まれており、イオンソースガスはこの覆い１０２
の内部に導入される。符号１０３はイオンビームを取り
出すためのアパーチャーを示す。覆い１０２の内部に導
入されたイオンソースガスはこのアバーナヤ−１０３を
通してのみ外部に漏れるので、この覆い１０２の内部の
ガス圧は高く、また外部のガス圧は低く保つことができ
る。アパーチャー１０３の径を小さくすれば、覆い１０
２の外部のガス圧に対するこの覆い１０２の内部のガス
圧の比を大きくすることができるが、このアパーチャー
１０３の径の下限は、イオン源の組み立て時におけるエ
ミッター１０１の先端とアパーチャー１０３との位置合
わせ精度で制限される。このため、このアパーチャー１
０３の径は通常は数鵬が限度である。なお、第７図にお
いて、符号１０４はエミッターホルダー、符号１０５は
サファイアブロック、符号１０６．１０７はガスの通路
が設けられた部材、符号１０日は液体窒素で冷却された
コールドヘッド、符号１０９はイオンソースガスを導入
するためのガス導入管を示す。

第８図は、本発明者らが以前に提案した電界電離型イオ
ン源を示す。第８図に示すように、この電界電離型イオ
ン源は、アルミナ製のノズル１１０の中にエミッター１
０１を挿入する構造であるので、このノズル１１０の内
径を数百μｍ程度に小さくすることができる。このため
、エミッター１０１の先端付近のガス分子密度を高くす
ることができるとともに、このノズル１１０から外部に
漏れるガスの量を減少させることができる。なお、第８
図において、符号１１１はノズル１１０と一体的に設け
られた部材、符号１１２はガス導入管１１２ａを有する
部材、符号１１３は０リングを示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

第８図に示す電界電離型イオン源におけるエミッター１
０１の先端付近のガス分子密度分布を解析した結果を第
９図に示す。第９図においては、エミッター１０１の先
端からの距離Ｘに対するガス圧の分布の変化が示されて
いる。第９図から明らかなように、エミッター１０１の
先端付近では周囲に比べてガス圧、従ってガス分子密度
が低くなっている。

このように、第８図に示す従来の電界電離型イオン源は
、エミッター１０１の先端付近のガス分子密度が低く、
従ってイオン源の輝度は不十分であった。

従って本発明の目的は、高輝度でかつ安定な電界電離型
イオン源を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者の検討によれば、第８図に示す電界電離型イオ
ン源においてエミッター１０１の先端付近のガス分子密
度が周囲に比べて低くなる理由は、ノズル１１０の中心
軸とエミッター１０１の中心軸とが一致しているため、
エミッター１０１の円錐状の先端部が柄の部分の影にな
ってしまうことにある。従って、エミッター１０１の先
端付近のガス分子密度を高くするためには、エミッター
１０１の先端部が柄の部分の影にならないようにしてエ
ミッター１０１の先端に効率良くイオンソースガスが供
給されるようにすればよい。

本発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである
。

すなわち、上記課題を解決するため、本発明は、イオン
ソースとしてガスを用いる電界電離型イオン源において
、ガスの導入路（３）がエミッター（１）に対して所定
の角度θ（ただし、θ≠Ｏ°）傾斜し、かつ導入路（３
）の延長線上にエミッター（１）の先端が位置している
。

上記角度θはＯ°以外の種々の角度とすることができる
。しかし、この角度θが９０°よりも大きいと、ガスの
導入路（３）を形成するノズル等の存在によりエミッタ
ー（１）の先端付近の電界が弱まるほか、エミッター（
１）から放射されたイオンの一部がこのガス導入路（３
）を形成するノズル等に照射されて二次電子が発生した
りこのノズル等がチャージアップを起こしたりするおそ
れがあるため、この角度θは９０″以下とするのが好ま
しい。

本発明の好ましい態様では、第２図に示すように、エミ
ッター１に対して角度θ（≠０）をなす方向にノズル２
が配置される。このノズル２によりガス導入路３が形成
される。イオンソースガスは、このガス導入路３を通っ
てエミッター１の先端に供給される。なお、θ−９０＠
の場合を第３図に示す。

〔作用〕

上記した手段によれば、イオンソースガスをエミッタ・
−（１）の先端に効率良く供給することができるので、
このエミッター（１）の先端付近のガス分子密度を高く
することができる。これによって、電界電離型イオン源
の高輝度化を図ることができる。Ｌ７かも、放電の発生
も抑えられ、この電界電離型・イオン源の安定性は良好
である。

第４図は、エミッターの先端におけるガス分子密度のイ
オン源構造依存性を示し、本発明による電界電離型イオ
ン源をモデル化した第５図に示すイオン源（θ＝４５”
とした）と第８図に示す従来の電界電離型イオン源をモ
デル化した第６図に示すイオン源とについてエミッター
の先端のガス分子密度を計算機で解析した結果を示す。

第４図の横軸は第５図に示すノズル２の内径ＤＮであり
、縦軸は第６図に示すエミッター１０１の先端のガス分
子密度Ｎ、。に対する、第５図に示すエミッター１の先
端のガス分子密度Ｎ、の比Ｎ、／Ｎｓ、である。この第
４図においては、第５図に示すノズル２の先端とエミッ
ター１の先端との間の距離ＬＫＮをパラメータとしてい
る。なお、第５図においてエミッター１の径ｄ＝１２０
μｍ、エミッター１の先端の円錐部の長さ１　＝３００
　ａｍ、ノズル２の先端とこのノズル２の底部のガス分
子発生領域４との間の距離Ｌ’＝１０００μｍであり、
第６図においてエミッター１０１の径ｄ＝１２０μｍ、
エミッター１０１の先端の円錐部の長さ１＝３００μｍ
、ノズル１１０の内径ＤＮＯ＝　５００　ｐｍ、ノズル
１１０の先端とガス分子発生領域１１４との間の距離Ｌ
’＝２０ｍ、ノズル１１０の先端からのエミッター１０
１の突き出し長し＝２００μｍである。また、ガス分子
は上述のガス分子発生領域４．１１４から一様に発生し
、この発生するガス分子数も同一であると仮定した。ガ
ス分子密度Ｎ　ｓ　、Ｎ　ｓ。の測定は、エミッター１
．１０１の先端に設けた半径５０μｍの球状のガス検出
器Ｓにより、このエミッター１．１０１の先端に入射す
るガス分子数をカウントすることにより行った。

第４図から明らかなように、第５図に示すノズル２の内
径ＤＮが小さいほど、またノズル２の先端とエミッター
ｌの先端との間の距離ＬＥＮが小さいほどガス分子密度
比Ｎ　ｓ　／　Ｎ　ｓ。が高くなる。

実際にイオン源を製作する場合を考えると、ノズル２の
延長線上にエミッター１の先端を合わせる精度を１００
μｍ前後、エミッター１の先端がノズル２の先端より突
き出なければならない限界を１００μｍ程度とすると、
ノズル２の内径り。

は１００μｍ程度、ノズル２の先端とエミッター１の先
端との間の距離ＬＥＮは３５０μｍ程度が限界であると
考えられ、そのときのガス分子密度比Ｎ　ｓ　／　Ｎ　
ｓ。は７．４である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

第１図は、本発明の一実施例による電界電離型イオン源
を示す。

第１図において、符号１は例えばニードル状のタングス
テン（Ｗ）から成るエミッター、符号５は例えば円柱状
のエミッターホルダーを示す。イオン源は極低温に冷却
する必要があるので、このエミッターホルダー５の材質
としては熱伝導率が高く、しかも加工しやすいものが用
いられ、具体的には例えばサファイアが用いられる。エ
ミッター１は、このエミッターホルダー５の中心軸上に
設けられた穴に固定されている。また、このエミッター
ホルダー５には、例えば円形の断面形状を有するガス導
入路３が設けられている。このガス導入路３は、エミッ
ター１と平行な部分とエミッター１に対して角度θ（例
えば４５°）傾斜した部分とから成り、この傾斜部の延
長線上にエミッター１の先端が位置している。そして、
このガス導入路３から例えばヘリウム（Ｈｅ）や水素（
Ｈｚ）のようなイオンソースガスが供給されるようにな
っている。

この実施例によれば、上述のようにガス導入路３がエミ
ッター１に対して角度θ傾斜し、かつこのガス導入路３
の延長線上にエミッター１の先端が位置しているので、
エミッター１の先端に効率良くイオンソースガスを供給
することができ、従ってエミッターｌの先端付近におけ
るイオンソースガスのガス分子密度を高くすることがで
きる。

このため、イオン源の高輝度化を図ることができる。ま
た、放電等の発生も少なく、イオン源の安定性が優れて
いる。これによって、高輝度でかつ安定な電界電離型イ
オン源を実現することができる。さらに、エミッター１
とガス導入路３とが一体に構成されているので、別々の
エミッターとノズルとを組み合わせてイオン源を構成す
る場合に比べて、イオン源の組み立てや取り扱いが簡単
である。

本実施例による電界電離型イオン源は、例えば集束イオ
ンビーム装置のイオン源として用いることができ、例え
ば半導体ウェーハにイオンビーム描画を行う場合に用い
られる。本実施例による高性能の電界電離型イオン源を
用いた集束イオンビーム装置により、イオンビームによ
る微細加工やレジストの露光、さらには微小領域の分析
等を行うことができる。

以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本発
明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想から逸脱しない範囲で各種の変形が可能で
ある。

例えば、上述の実施例におけるガス導入路３の断面形状
は円形以外の形状であってもよいし、このガス導入路３
は必要に応じて複数個設けてもよい。また、第１図に示
すガス導入路３の断面形状をエミッターホルダー４の中
心軸の周りに回転させることにより得られる回転体の形
状を有するガス導入路を用いることも可能である。

〔発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、イオンソースガス
の導入路がエミッターに対して所定の角度θ（ただし、
θ≠０）傾斜し、かつ上記ガスの導入路の延長線上にエ
ミッターの先端が位置しているので、放電を起こすこと
なくエミッターの先端付近のガス分子密度を高くするこ
とができ、従って高輝度でかつ安定な電界電離型イオン
源を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による電界電離型イオン源を
示す断面図、第２図はエミッターに対してノズルを角度
θ傾斜させた本発明による電界電離型イオン源を示す断
面図、第３図は第２図の角度θ＝９０°である電界電離
型イオン源を示す断面図、第４図はエミッターの先端に
おけるガス分子密度のイオン源構造依存性を示すグラフ
、第５図は本発明による電界電離型イオン源の構造評価
モデルを示す図、第６図は従来の電界電離型イオン源の
構造評価モデルを示す図、第７図は従来の電界電離型イ
オン源を示す断面図、第８図は従来の電界電離型イオン
源の他の例を示す断面図、第９図は第８図に示す電界電
離型イオン源のエミッターの先端付近のガス圧分布を示
す図である。 図面における主要な符号の説明 １：エミッタ−２：ノズル、　３：ガス導入路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 イオンソースとしてガスを用いる電界電離型イオン源に
   おいて、 上記ガスの導入路がエミッターに対して所定の角度θ（
   ただし、θ≠０°）傾斜し、かつ上記導入路の延長線上
   に上記エミッターの先端が位置することを特徴とする電
   界電離型イオン源。