(57)【要約】【課題】極低温の冷却が不要であり、簡易な装置構造で、高輝度かつビーム集束の効率がよいイオンビームが得られるイオン源を提供することである。【解決手段】原料ガスが充填された容器４と、この容器４内に配置された針状電極２と、容器４の外壁に設けられた微小開孔３ａとを備え、容器４内を、容器４外に比べて高圧とし、原料ガスを容器４内から微小開孔３ａを介して容器４外へ噴射させる構成とし、前記微小開孔３ａ周囲を開孔部電極３とし、針状電極２と開孔部電極３とを同電位とし、針状電極２および開孔部電極３と、容器４の外側に配置された外部電極６との電位差により、針状電極２の先端部に強電界を印加して原料ガスを電界電離によりイオン化し、このイオンを引き出すようにした。それにより、引き出し電極２の極低温域への冷却を不要とした簡易な構造で、ビーム発散角が一定の高輝度イオンビームを得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが充填された容器と、前記容器内に配置された針状電極と、前記容器の外壁に設けられた微小開孔とを備え、前記容器内は、前記容器外に比べて高圧とし、前記原料ガスを前記容器内から前記微小開孔を介して容器外へ噴射させる構成とし、
前記微小開孔周囲が開孔部電極とされ、前記針状電極と前記開孔部電極とを同電位とし、前記針状電極および開孔部電極と、前記容器外側に配置された外部電極との電位差により、前記針状電極の先端部に強電界を印加して前記原料ガスを電界電離によりイオン化し、前記イオンを引き出すことを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記針状電極の先端が、前記開孔部電極の外表面より突出している請求項１に記載のイオン源。  
【請求項３】
前記微小開孔が、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成されている請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記容器が真空チャンバ内に設置され、前記容器外を真空領域とした請求項１から３のいずれかに記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば表面物理分析装置や半導体製造の検査装置、欠陥リペア装置用イオンプローブ、イオン注入、イオンビーム露光、イオンビーム堆積、イオンビームエッチング、イオンビーム描画などに用いられる微小径イオンビーム発生用の高輝度のイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体金属イオン源が開発されて以来、半導体工業等の分野では、近年、サブミクロン以下に細く集束したイオンビームの応用が急速に広まっている。しかし、液体金属イオン源では得られるイオン種に制限があり、特にアルゴンなどの不活性ガスや酸素などの集束イオンビームを得る場合には、液体金属イオン源よりガス相の電界電離型イオン源が適している。このガス相の電界電離型イオン源は、圧力が１０−１Ｐａ程度のガス中で、その先端部半径が５ｎｍ〜１００ｎｍ程度に尖らされた金属の針状電極に５０〜６０Ｖ／ｎｍ程度の強電界を加えるように装置構成されている。その結果、この針状電極の先端部近傍のガス分子は電界電離現象によりイオンと電子に分離され、分離したイオンがイオンビームとして取り出される。
【０００３】
このようなイオン源において発生するイオンビーム電流Ｉは、（１）式に示すようにガスの圧力Ｐと温度Ｔに比例する。
Ｉ∝Ｐ／Ｔ３／２      ---------------   （１）
通常、イオン源ではイオン化後のイオンの消滅を最小限に抑えるため、このイオンを、１０−３〜１０−６程度の高真空容器内を飛行させる。したがって、容器内のガス圧力Ｐを大きくすることは不可能である。このため、従来技術では、ガス温度Ｔを数十Ｋ程度まで低くしてイオンビーム電流Ｉを大きくして、放出イオンの輝度を高めるような装置構成となっていた。
【０００４】
この放出イオン、すなわちイオンビームの輝度を高めるイオン源として、例えば、特許文献１の図５に示されたように、針状のエミッタ１１とその軸線上に位置させた開口１３を有する引出し電極１２とを具えて、イオン化室１５に原料ガス１４を導入することにより、エミッタ１１の先端からイオン１６を放出するようにし、エミッタ１１の先端が引出し電極１２の内側面から外側に２mm程度（図示の寸法ｂ）突出するように配置した、イオンビーム露光装置の電界電離型イオン源が開示されている。このイオン源では、エミッタ１１の先端が、前記のように突出しているため、エミッタ１１周辺のガス圧力は、エミッタ１１の先端部の基部で高くても先端部で低くなっており、イオン化室１５内のガス圧力を高めても、高電界中で分極したガス分子の衝撃によるエミッタ１１先端部の温度上昇が小さくなり、イオン化するガス分子の供給が阻害されず、放出イオンの輝度を高めることが可能であると述べられている。  
【０００５】
一方、イオンビームの輝度を高めるとともに、その集束を効率よく行なうことも重要であり、そのためには、イオンビームの発生段階でのビーム発散角を小さく抑えることが効果的である。このビーム発散角を小さく抑えるため、例えば、非特許文献１では、数百nmオーダの針状電極の上に数nmオーダの突起(スーパーチップ)を形成する方法を用いた高輝度イオンビームが記載されている。また、非特許文献２では、この突起形成のベースとなる針状電極の半径が大きいほど、イオンビーム電流は大きくなることが記載されている。
【特許文献１】特開昭６４−６３２４７号公報
【非特許文献１】S.Kalbitzer:Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 158(1999),P.53
【非特許文献２】R.Borret et al:Applied Physics 23(1990),P.1271
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記の、イオンビーム電流Ｉを大きくするためにガス温度Ｔを数十Ｋ程度まで低くして放出イオンの輝度を高めるような装置構成では、温度を下げるために、通常、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒、または圧縮機などを用いた冷凍機が用いられる。しかし、いずれを用いる場合でも、装置の大型化、複雑化が避けられないだけではなく、冷媒を用いる場合には、冷媒補充の煩雑さがあり、冷凍機を用いる場合には、集束ビームシステムとしては致命的な振動の問題がある。
【０００７】
前記特許文献１に開示されたイオン源では、エミッタ１１は、依然として、イオン化室１５に配置された冷却器により、１０〜２０Ｋ程度の低温域に冷却されており、前記イオンビームの集束を効率よく行うことについては何も記載されていない。また、非特許文献１および２に記載された、突起（スーパーチップ）形成により高輝度化を行なう方法では、この突起の生成に１０００Ｋ以上の高温が必要となり、突起（スーパーチップ）の形成に大がかりな装置が必要となるだけではなく、原理上、突起を任意の場所に形成することはできないために針状電極製作のスループット、すなわち生産性がわるく、実用的ではない。
【０００８】
そこで、この発明の課題は、極低温の冷却が不要であり、簡易な装置構造で、高輝度かつビーム発散角が小さく、ビーム集束の効率がよいイオンビームが得られるイオン源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【００１０】
請求項１に係るイオン源は、原料ガスが充填された容器と、前記容器内に配置された針状電極と、前記容器の外壁に設けられた微小開孔とを備え、前記容器内は、前記容器外に比べて高圧とし、前記原料ガスを前記容器内から前記微小開孔を介して容器外へ噴射させる構成とし、前記微小開孔周囲が開孔部電極とされ、前記針状電極と前記開孔部電極とを同電位とし、前記針状電極および開孔部電極と、前記容器外側に配置された外部電極との電位差により、前記針状電極の先端部に強電界を印加して前記原料ガスを電界電離によりイオン化し、前記イオンを引き出すことを特徴とするイオン源である。
【００１１】
請求項２に係るイオン源は、前記針状電極の先端が、前記開孔部電極の外表面より突出しているイオン源である。  
【００１２】
請求項３に係るイオン源は、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成されているイオン源である。
【００１３】
請求項４に係るイオン源は、前記容器が真空チャンバ内に設置され、前記容器外を真空領域としたイオン源である。
【発明の効果】
【００１４】
この発明では、原料ガスが充填される容器の外側に外部電極を配置し、針状電極と容器に設けた微小開孔の周りの開孔部電極とを同電位とし、前記針状電極および開孔部電極と、前記外部電極との電位差により、前記針状電極の先端部に強電界を印加して原料ガスをイオン化しており、このイオン化する原料ガスを前記微小開孔から噴出させるようにしたので、前記微小開孔の出側で急激な圧力勾配を発生する。この急激な圧力勾配により、極めて効率良く原料ガスをイオン化しながら、生成したイオンが雰囲気ガスと衝突する確率すなわちイオン消滅確率を低く抑えることが可能となる。これらによって、針状電極の極低温域への冷却が不要になるなど、簡易な構造で、イオン化を効率よく行うことができるイオン源を得ることが可能となる。
【００１５】
また、針状電極の先端を開孔部電極の外表面から突出させるようにしたので、前記針状電極の先端部に非常に局所的な強電界を印加することが可能となり、ビーム発散角が小さく、一定した高輝度のイオンビームを効率よく得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図３に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、実施形態の微小径イオンビーム発生用のイオン源１を示したものである。このイオン源１は、通常、イオン化後のイオン消滅を最小限におさえるため、１０−３Ｐａ程度以下の高真空チャンバ（図示省略）内に設置され、先細り部２ａの先端２ｂの直径が１００ｎｍ程度以下で、軸対称形状のタングステンまたはインジウムで作製された針状電極２と、この針状電極２の軸心に中心を一致させた微小開孔３ａを有するステンレスまたは導電性シリコンの開孔部電極３を備えている。この開孔部電極３は、アルゴン等の不活性ガスや酸素などの原料ガスが導入され、これらの原料ガスが充填される容器４の外壁の一部を構成すればよいが、図１に示したように、この開孔部電極３が、前記容器４を形成することもできる。容器４内の圧力は、１０００Ｐａから１ＭＰａとしており、容器４内は容器４外の真空領域に比べて高圧とし、原料ガスが容器内から微小開孔を介して容器外へ噴射させる構成としている。前記針状電極２は、その先端２ｂが微小開孔３ａから突出して配置され、その突出量ａは、通常、２ｍｍ程度以下である。また、前記微小開孔３ａは、図２に示すように、開孔部の厚さｃが０．５ｍｍ程度で、イオンの引き出し方向に向かって先細りのテーパ形状に形成され、イオン化される原料ガスが微小開孔３ａから噴出しやすく、かつ、微小開孔３ａ先端部での絞り効果により、容器４の出側で、より急激な圧力勾配を発生させるようにしている。前記テーパ状の微小開孔３ａのその小径側の孔径ｄ１は、通常、１００μｍ以下であり、本実施形態では５０μｍであり、この微小開孔３ａのテーパ角度θは、３０°〜８０°程度で、本実施形態では約５４．７°である。前記容器４の外側のイオンの引き出し方向に、イオンビーム５の通過部６ａを備えた外部電極６が、そのイオンビーム通過部６ａの中心が微小開孔３ａの中心と一致するようにして配置されている。前記針状電極２と開孔部電極３は同電位とし、外部電極６に対して、針状電極２と開孔部電極３は、１０Ｖ〜３０ＫＶ程度の広範囲の正電位が印加されるようになっている。この針状電極２および開孔部電極３と、外部電極６との間の前記正電位（電位差）により、針状電極２の先端周りに強電界が形成される。そして、微小開孔３ａを介して容器４から噴射された原料ガスは、イオン化されて引き出され、イオンビーム５が形成される。また、突出した針状電極２の先端２ｂに強電界が集中してイオンビーム５の発散角を小さくすることができ、イオンビーム５が効率よく集束される。
【００１８】
図３は、前記微小開孔３ａ周りの圧力勾配を模式的に示したもので、ｉ１〜ｉ３は等圧線を示している。前記のように、外部電極６に対して、針状電極２を、微小開孔部３ａを有する開孔部電極３と同電位とし、針状電極２の先端２ｂを開孔部電極３、すなわち微小開孔３ａの外表面より突出した装置構成とすることによって針状電極２の先端２ｂに強電界が集中し、イオン化ビームの発散角が小さくなる。また、原料ガスを、前記微小開孔３ａから噴出させることにより、微小開孔３ａの出側では急激な圧力勾配領域７（図中の微小開孔３ａ付近から等圧線ｉ３付近までの領域）が発生する。前記等圧線ｉ１より内側の針状電極２ｂの周辺部、すなわち原料ガスが存在する高ガス圧の部分で、原料ガスを電界電離によりイオン化し、イオン化後、引き出された直後の、高真空チャンバ内の等圧線ｉ２〜ｉ３にかけての領域では、引き出されたイオンが雰囲気ガスと衝突する確率が低い、すなわちイオン消滅確率が低い高真空領域となる。この高真空領域８は、生成したイオンが雰囲気ガスと衝突する確率すなわちイオン消滅確率を低く抑えるに十分な高真空領域である。このようにして、イオン消滅確率を低く抑えてイオンビーム電流を多く発生させることができるため、針状電極２を極低温域に冷却することが不要であり、簡易な構造で、発散角がさらに小さく一定し、ビーム集束を効率よく行うことができる高輝度イオンビームを得ることが可能となる。なお、前記針状電極２の突出量ａおよび、外部電極６に対する針状電極２と開孔部電極３の正電位（電圧）を調節することにより、電界強度の調節を行なうことができる。また、容器４内の圧力および容器４外の圧力等によって、微小開孔３ａの大きさや針状電極２の突出量ａを適宜設定することができる。また、外部電極６はビーム通過部６ａを備えた一体電極が望ましいが、ビーム通過部を備えた非一体構造の電極とすることもできる。なお、前記開孔部電極３は、容器４の外壁の一部を構成する代わりに、容器４とは別体として、前記微小開孔３ａの周囲に設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施形態のイオン源を示す説明図である。
【図２】図１のイオン源の要部を示す説明図である。
【図３】図１のイオン源の開孔部電極の微小開孔周りの圧力勾配を模式的に示す説明図である。
【図４】従来技術のイオン源を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２０】
１：イオン源          ２：針状電極      ２ａ：先細り部    ２ｂ：先端
３：開孔部電極  ３ａ：微小開孔            ４：容器
５：イオンビーム      ６：外部電極      ６ａ：イオンビーム通過部
７：圧力勾配領域      ８：高真空領域    ｉ１〜ｉ３：等圧線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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