JPS6276242A - Ion source - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To stabilize taking out of ions even in case of highly reactive metal by employing polycrystal material produced through gas phase growth or single crystal boron nitride for a needle anode in a liquid metal ion source. CONSTITUTION:A liquid metal ion source comprises a reservoir 4 made of low reaction material such as carbon for holding an ionizing metal under fused condition, a heater 3, a needle anode 7 and an ion take-out electrode 10. Here, the needle anode 7 is formed with polycrystal material produced through gas phase growth or single crystal boron nitride (PBN). When ionizing such liquid metal as containing highly reactive metal such as aluminum or alloy, reaction with the needle anode 7 is retarded. Consequently, ions can be taken out efficiently and stably for long time resulting in long service life.

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はイオン源に関し、特に反応性の強い金属あるい
は合金を使用するイオン源において、イオンを効率よく
安定に長時間引き出す零ことができる針状陽極部材に関
する。Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ion source, and particularly to an ion source that uses highly reactive metals or alloys. The present invention relates to a shaped anode member.

（従来技術とその問題点） 液体金属イオン源は、高輝度で微小径のイオン゛　ビー
ムが容易に得られることから、電子デバイス製作におけ
るマスクレスイオン注入、イオンビームエツチングある
いは薄膜作成などの微細加工技術への応用が期待されて
いる。液体金属イオン源は、エミッタ金属線材を形成す
るための耐熱金属の細線（直径０．２ｍｍ程度）を電解
研磨法によって先端半径数μｍの針状として、ニードル
を形成し、その表面を液体金属で濡らし、先端に印加し
た強電界により液体金属をイオン化するものである。(Prior art and its problems) Liquid metal ion sources can easily obtain high-brightness, minute-diameter ion beams, so they are useful for maskless ion implantation in electronic device manufacturing, ion beam etching, and microfabrication such as thin film formation. It is expected to be applied to technology. In the liquid metal ion source, a fine wire (about 0.2 mm in diameter) of a heat-resistant metal used to form an emitter metal wire is made into a needle shape with a tip radius of several μm by electropolishing, and the surface of the needle is coated with liquid metal. The liquid metal is wetted and ionized by a strong electric field applied to the tip.

液体金属イオン源に搭載される液体金属の種類は液体金
属イオン源の使用目的により選択される。The type of liquid metal loaded in the liquid metal ion source is selected depending on the intended use of the liquid metal ion source.

特に、液体金属の反応性が強い場合、あるいは液体金属
の融点が高い場合には、液体金属とエミッタ金属線材と
の反応が容易に進行するため、エミツタ金属線材の特に
ニードル部即ち針状陽極部の材料の消耗が著しく、液体
金属イオン源の寿命が短縮されるという欠点がある。In particular, when the reactivity of the liquid metal is strong or when the melting point of the liquid metal is high, the reaction between the liquid metal and the emitter metal wire progresses easily. The disadvantage is that the material consumption is significant and the life of the liquid metal ion source is shortened.

反応性の強いものの例としては、アルミニウム（ＡＱ）
からなる液体金属があげられる。アルミニウムからなる
液体金属のイオン源は、新しい電子デバイス作製やイオ
ンビームデポジション用として重要であるが、エミッタ
金属線材としてタングステン（Ｗ）を用いるような通常
の液体金属イオン源では、寿命は数時間程度であり、実
用に耐えるものではない。また、エミッタ金属線材が液
体金属中に溶出するため、エミッタ金属線材を構成する
元素もイオン化され、放出イオンの純度低下の原因とな
る。また、電子デバイス作製において重要な元素であり
、融点が高いものの例としてボロン（Ｂ）やシリコン（
Ｓｉ）がある。これらは白金（ｐｔ）−ボロン（Ｂ）、
ニッケル（Ｎｉ）　−ボロン（Ｂ）、金（Ａｕ）−シリ
コン（Ｓｉ）などの共晶合金にして融点を下げて利用さ
れている。An example of a highly reactive substance is aluminum (AQ).
A liquid metal consisting of Liquid metal ion sources made of aluminum are important for creating new electronic devices and for ion beam deposition, but typical liquid metal ion sources that use tungsten (W) as the emitter metal wire have a lifespan of only a few hours. It is only a matter of time, and is not of practical use. Further, since the emitter metal wire is eluted into the liquid metal, the elements constituting the emitter metal wire are also ionized, causing a decrease in the purity of emitted ions. In addition, boron (B) and silicon (
There is Si). These are platinum (pt)-boron (B),
It is used as a eutectic alloy of nickel (Ni)-boron (B), gold (Au)-silicon (Si), etc. to lower the melting point.

これらの液体金属イオン源は、ドーピング用のボロンイ
オン、あるいは自己イオンスパッタ用のシリコンを取出
するためのイオン源として応用が期待されているにもか
かわらず、前述のようにして融点を下げても、なおかつ
、タングステンをエミッタ金属線材とするような通常の
液体金属イオン源では寿命が著しく短く、実用に耐える
ものではない。Although these liquid metal ion sources are expected to be used as ion sources for extracting boron ions for doping or silicon for self-ion sputtering, it is difficult to lower the melting point as described above. Moreover, a normal liquid metal ion source using tungsten as an emitter metal wire has an extremely short lifespan, and is not suitable for practical use.

エミッタ金属線材としてはタングステンのほかにタンタ
ル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ジ
ルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（■）。In addition to tungsten, the emitter metal wires include tantalum (Ta), molybdenum (Mo), titanium (Ti), zirconium (Zr), and vanadium (■).

あるいはニオブ（Ｎｂ）などの耐熱金属を用いることも
可能であるが、これらの場合でもタングステンをエミッ
タ金属線材として用いた場合と同様に寿命が短いという
欠点がある。Alternatively, it is also possible to use a heat-resistant metal such as niobium (Nb), but even in this case, there is a drawback that the life is short, similar to when tungsten is used as the emitter metal wire.

このほか特開５８−４６５４２は針状エミッタとして導
電性硼化物か導電性複合硼化物又は導電性炭化物の何れ
かを使用するイオン源を開示している。その明細書によ
ればこれら硼、炭化物は、針状のＴｉ　、Ｚｒなどの高
融点金属線を固気もしくは固液反応によってＴｉＢ、、
ＺｒＢ２．ＴｉＣなどに転化処理されるものである。し
かし、この転化処理された針状エミッタの寿命は、たか
だか、前記の金属線材のエミッタの数倍〜十数倍程度の
寿命であって、依然実用に耐えないことが明らかとなっ
ている。In addition, JP-A-58-46542 discloses an ion source using either a conductive boride, a conductive composite boride, or a conductive carbide as a needle emitter. According to the specification, these borons and carbides are produced by forming needle-shaped high-melting point metal wires such as Ti, Zr, etc. into TiB,...
ZrB2. It is converted into TiC or the like. However, the life of the converted needle-shaped emitter is at most several to ten times longer than that of the metal wire emitter, and it has become clear that it is still not suitable for practical use.

（発明の目的） 本発明の目的は以上の様な欠点を除去し、反応性の強い
液体金属あるいは高融点の金属および共晶合金を搭載し
た液体金属イオーン源の長寿命化を達成することにある
。(Object of the Invention) The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks and to achieve a longer life of a liquid metal ion source equipped with a highly reactive liquid metal, a high melting point metal, and a eutectic alloy. be.

（発明の構成） 本発明においては、上記目的を達成するために、イオン
化する金属を溶融させ保持する溜め部と。(Structure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention includes a reservoir portion that melts and holds the metal to be ionized.

該溜め部から溶融金属が供給される針状先端部を有した
針状陽極と、該陽極の先端からイオンをとり出すために
陽極の先端に高電界を印加するための陰極（引き出し電
極）と、をそなえた液体金属イオン源において、該針状
陽極部材をボロンナイトライドで構成することによって
前記目的を達成したものである。A needle-like anode having a needle-like tip to which molten metal is supplied from the reservoir, and a cathode (extraction electrode) for applying a high electric field to the tip of the anode in order to extract ions from the tip of the anode. In a liquid metal ion source having a liquid metal ion source, the above object is achieved by constructing the needle-shaped anode member with boron nitride.

（実　施　例） ミンク製の絶縁体である。２，２′はイオン源を固定す
る２本のステムで、例えばコバールで作られ、適当な間
隔で該碍子１に銀ろう、金属ガラスなどで溶着されてい
る。３，３′はヒーターでタングステン（Ｗ）、タンタ
ル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属細線で
形成されており、それぞれの一方の端は、カーボン、Ｐ
ＢＮ、セラミック等の反応性の低い材質でできたリザー
バー４に固定され、他方の端はステム２，２′にスボッ
１〜溶接されている。(Example) The insulator is made of mink. Reference numerals 2 and 2' denote two stems for fixing the ion source, which are made of Kovar, for example, and are welded to the insulator 1 at appropriate intervals with silver solder, metallic glass, or the like. 3 and 3' are heaters made of fine wires of high melting point metals such as tungsten (W), tantalum (Ta), and molybdenum (Mo), and one end of each is made of carbon, P, etc.
It is fixed to a reservoir 4 made of a material with low reactivity such as BN or ceramic, and the other end is welded to the stem 2, 2' through the socket 1.

該リザーバー４の低部には細孔５、上部には細孔６がお
いており、両細孔５，６を、先端の頂角３０°〜６０’
、先端半径を１〜１０μｍに研摩したＰＢＮ針状陽極７
が貫通している。The reservoir 4 has a pore 5 in its lower part and a pore 6 in its upper part.
, PBN needle-shaped anode 7 with a polished tip radius of 1 to 10 μm
is penetrated.

該リザーバー４の上部の細孔６より上方に突き出た該針
状陽極７は高融点金属（たとえばＴ　ａ　）で出来た陽
極固定部材８がその一端で固定し、他端をステム２に固
定している。The needle-shaped anode 7 protruding upward from the pore 6 at the upper part of the reservoir 4 is fixed at one end by an anode fixing member 8 made of a high melting point metal (for example, T a ), and the other end is fixed to the stem 2 . ing.

ステム２，２′には加速電源（図示せず）の電圧上にフ
ロートした加熱電源（図示せず）が接続され、該ヒータ
ー３，３′　を加熱し、リザーバー４に入れられたイオ
ン化する金属９を溶融させている。陰極（イオン引き出
し電極）１０はイオン引き出し電源（図示せず）に接続
されている。該針状陽極７とイオン引き出し電極１０の
間には５〜ｌ０ＫＶの電圧が印加され、針状陽極７の先
端部にイオンが電界放出可能なまでの強電界が形成され
る。なお、これらとアース電位との間には目的に応じて
数ＫＶ〜２００ＫＶ程度のイオン加速電圧が印加される
。A heating power source (not shown) floating on the voltage of an accelerating power source (not shown) is connected to the stems 2, 2', and heats the heater 3, 3' to ionize the metal placed in the reservoir 4. 9 is melted. The cathode (ion extraction electrode) 10 is connected to an ion extraction power source (not shown). A voltage of 5 to 10 KV is applied between the acicular anode 7 and the ion extraction electrode 10, and a strong electric field is formed at the tip of the acicular anode 7 to the extent that ions can be field-emitted. Note that an ion accelerating voltage of several kilovolts to about 200 kilovolts is applied between these and the earth potential depending on the purpose.

上記の様な構成において、ステム２，２′を通してヒー
ター３，３′に電流を流し、リザーバー４を加熱し、内
部の金属または共晶合金９をその融点以上に加熱しそれ
を液状とする。In the above structure, current is passed through the stems 2, 2' to the heaters 3, 3' to heat the reservoir 4 and heat the metal or eutectic alloy 9 inside to a temperature above its melting point, turning it into a liquid.

この状態でイオンを引き出し電極１０との間に５〜ｌ０
ＫＶの電圧が印加されるとその電界によって引っ張られ
る力と液体金属の表面張力によって逆方向へ戻す力とが
、電界のある臨界値でつり合って針状陽極７の先端（図
の下端）はＴａｙｌｏｒＣｏｎｅと呼ばれる頂角９８．
６°の円錐形状を呈する。このときの電界は数７７人（
オングストローム）にも達し、電界蒸発によってイオン
化が起こり、イオンが引き出される。イオン引き出しに
よって失なわれた液体金属は静電気力により、リザーバ
ーの下穴５より引張られてよく濡れた陽極表面を移動し
て、針状陽極７の先端部へ供給される。In this state, ions are extracted and between the electrode 10 and the
When a voltage of KV is applied, the pulling force due to the electric field and the force returning in the opposite direction due to the surface tension of the liquid metal are balanced at a certain critical value of the electric field, and the tip of the needle-shaped anode 7 (lower end of the figure) Vertical angle 98. called TaylorCone.
It has a 6° conical shape. The electric field at this time was several 77 people (
angstrom), ionization occurs by field evaporation, and ions are extracted. The liquid metal lost due to ion extraction is pulled from the prepared hole 5 of the reservoir by electrostatic force, moves on the well-wet anode surface, and is supplied to the tip of the needle-like anode 7.

このようにして連続的にイオンビームが得られる。In this way, an ion beam can be obtained continuously.

ところで従来は針状陽極７の材料として既述のようにタ
ングステン、チタンやそれらの転化物その他が用いられ
、リザーバー４としてもタングステン、タンタル等が用
いられていた。しかし、反応性の強い金属、例えばＡＱ
、Ｂは高温下で上記部材と反応を起こし、リザーバー４
からは不純物が液体金属９に溶けこんで、針状陽極７と
顕著に反応を起こし、針状陽極７の先端が丸まって針先
端部に高電界を印加することが出来なくなり、短時間で
イオンのエミッションが完全に停止してしまうという決
定的な不都合を生じていた。実験によればその寿命は１
時間程度、改良されたものでも数時間であって極めて短
かい。（ただし実験では例えばＢの場合では単独では融
点が２３００℃とあまりに高いため、Ｂ−Ｐｔ融点８３
０℃、Ｂ−Ｐｄ融点８４５℃、Ｐｄ−Ｎ１−Ｂ融点６７
５℃などのような２元、３元共晶合金にしてかなり低温
で用いている、それでも寿命は短い。）それに対し本発
明の実施例では、針状陽極７の材料としう てＰＢＮを採用した。ＰＢＮとしては例えばボ皇ロ ライ（ＢＯＲＡＬＬＯＹ）（商品名、ユニオンカーパイ
１〜社）を使用した。（リザーバー４の材料としてはガ
ラス状カーボンを用いた。）そして液体金属としては反
応性の強いＡＱを用いた。その結果、ＰＢＮ針状陽極は
−ＡＱＣＢその他の反応性の高い多くの金属でも同じで
あった）と反応せず。By the way, conventionally, tungsten, titanium, their conversions, and the like have been used as the material for the needle-shaped anode 7, as described above, and tungsten, tantalum, etc. have been used for the reservoir 4 as well. However, highly reactive metals such as AQ
, B react with the above members at high temperature, and the reservoir 4
Impurities dissolve into the liquid metal 9 and cause a significant reaction with the needle-shaped anode 7, causing the tip of the needle-shaped anode 7 to become rounded and making it impossible to apply a high electric field to the needle tip. This caused a decisive inconvenience in that the emissions of the engine stopped completely. According to experiments, its lifespan is 1
Even the improved version takes only a few hours, which is extremely short. (However, in experiments, for example, in the case of B alone, the melting point is too high at 2300°C, so the melting point of B-Pt is 83°C.
0℃, B-Pd melting point 845℃, Pd-N1-B melting point 67
Binary and ternary eutectic alloys are used at fairly low temperatures, such as 5°C, but even then their lifespan is short. ) On the other hand, in the embodiment of the present invention, PBN was used as the material for the needle-shaped anode 7. As the PBN, for example, BORALLOY (trade name, Union Carpai 1~) was used. (Glass-like carbon was used as the material for the reservoir 4.) AQ, which has strong reactivity, was used as the liquid metal. As a result, the PBN acicular anode did not react with -AQCB (which was the same with many other highly reactive metals).

また、イオンを安定に陽極先端部へ供給するための濡れ
についても、溶融ＡＱ　（Ｂ系の共晶合金をはじめ多く
の金属に対しても同じであった）との濡れも非常によく
液体金属イオン源のニードル材として最適のものである
ことが確認された。In addition, regarding wetting to stably supply ions to the anode tip, wetting with molten AQ (the same was true for many metals including B-based eutectic alloys) is very good. It was confirmed that this material is optimal as a needle material for ion sources.

実験によって１００時間以上の寿命が確認された上記実
施例ではりザーバ−４の材料としてガラス状カーボンを
用いているが、これは、この材料がＡＱなど反応性の強
い金属をはじめ多くの金属に対して濡れが悪いためであ
る。濡れがよすぎるとりサーバー中の金属がリザーバー
４のわずかなすきまを通って徐々に外へ出て行ってしま
うおそれがある。In the above example, in which a life of more than 100 hours was confirmed through experiments, glassy carbon is used as the material for the beam reservoir 4, which is because this material is compatible with many metals including highly reactive metals such as AQ. This is because the wetness is poor. If the reservoir is too wet, there is a risk that the metal in the server will gradually come out through the slight gap in the reservoir 4.

なおこの実施例ではＡＱ（とＢの共晶合金など）を用い
て説明したが、ＰＢＮニードルをよく濡らし、しかもる
つぼ材と濡れを起こしにくい材料は上記に限定されない
。反応性の弱い若しくは全くない他の共晶合金、単体金
属は当然、ＰＢＮと濡れの良いものである限り、目的に
応じて広く使用出来る。Although this example has been explained using AQ (eutectic alloy of AQ and B, etc.), materials that can wet the PBN needle well and are less likely to wet the crucible material are not limited to the above materials. Of course, other eutectic alloys and single metals with weak or no reactivity can be widely used depending on the purpose, as long as they have good wettability with PBN.

第２図は単収束磁場型マススペクトロメータを用いて測
定した本発明のＡＱイオン源の質量スペクトルの一例で
あるが、陽極材やりザーバー材の溶出による不純物のピ
ークは観測されず、極めてすぐれたＡＩ２イオン源であ
ることがわかる。Figure 2 is an example of the mass spectrum of the AQ ion source of the present invention measured using a single-focusing magnetic field mass spectrometer. No peaks of impurities due to elution of the anode material or server material were observed, and the result was extremely good. It can be seen that this is an AI2 ion source.

（発明の効果） 以上説明したごとく、針状陽極としてＰＢＮを使用する
本発明のイオン源は反応性の強い金属や合金を含む液体
金属のイオン源として安定に長時間動作する効果がある
。(Effects of the Invention) As explained above, the ion source of the present invention using PBN as the needle-shaped anode has the effect of operating stably for a long time as an ion source for liquid metals containing highly reactive metals and alloys.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の実施例のイオン源の正面断面図。 第２図は本発明のＡＱイオン源の質量スペクトルの一例
の図である。 １−一一一碍子、２．２’−−−−ステム、３．３’−
−ヒーター、４−−−−リザーバー、５．６−−−−穴
。 ７−−−−針状陽極、８−一一一針状陽極固定部材、９
−−溶融金属。FIG. 1 is a front sectional view of an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an example of a mass spectrum of the AQ ion source of the present invention. 1-111 insulator, 2.2'---- stem, 3.3'-
-Heater, 4-----reservoir, 5.6----hole. 7----Acicular anode, 8-111 Needle-shaped anode fixing member, 9
--Molten metal.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）イオン化する金属を溶融させ保持する溜め部（リ
ザーバー）と、該溜め部から溶融金属が供給される針状
先端部を有した針状陽極と、該陽極の先端からイオンを
とり出すために陽極の先端に高電界を印加するための陰
極（引き出し電極）と、をそなえた液体金属イオン源に
おいて、該針状陽極部材をボロンナイトライドによって
構成したことを特徴とするイオン源。(1) A reservoir for melting and holding the metal to be ionized, a needle-shaped anode having a needle-like tip to which the molten metal is supplied from the reservoir, and a mechanism for extracting ions from the tip of the anode. 1. A liquid metal ion source comprising: a cathode (extracting electrode) for applying a high electric field to the tip of the anode; and the acicular anode member is made of boron nitride. （２）上記ボロンナイトライドが、気相成長法によるボ
ロンナイトライド多結晶体あるいは単結晶体（パイロリ
ティックボロンナイトライド、ＰＢＮと略称）であるこ
とを特徴とする特許請 求の範囲第１項記載のイオン源。(2) Claim 1, characterized in that the boron nitride is a boron nitride polycrystal or single crystal (pyrolytic boron nitride, abbreviated as PBN) produced by a vapor phase growth method. ion source.