(57)【要約】【解決課題】イオン源容器のチャージアップに伴う同容器表面からの２次電子放出を抑制、防止し、電界電離電極の針先付近の電界強度の低下や不安定化もたらすことなく長期に亘って継続して高輝度の安定したイオンビームを生成することが可能なイオン源を提供すること。【解決手段】電界電離電極２と外部電極３との間に電圧を印加して電界電離電極２の先端部近傍に電界を形成し、イオン源容器１の微小開口Ｏより噴射される原料ガスを電界電離することによりイオンビーム８を生成するガスイオン源において、前電界電離電極２の先端に近い領域に位置する、イオン源容器１の一部の表面、前記外部電極３の一部若しくは全部の表面、または同外部電極３の全部を二次電子放出抑制材の薄膜Ｔａ〜Ｔｅで構成する。【選択図】図１
2013008471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高誘電体材料で構成され、供給された原料ガスをその微小開口を通じて外部に噴射するイオン源容器と、前記イオン源容器の内部にあってその先端が同容器の前記微小開口に配置された電界電離電極と、前記イオン源容器の外部に配設された外部電極とからなり、前記電界電離電極と前記外部電極との間に電圧を印加して電界電離電極の先端近傍に電界を形成し、前記イオン源容器の微小開口より噴射される原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するガスイオン源において、前記電界電離電極の先端に近い領域に位置する、イオン源容器の一部の表面、前記外部電極の一部若しくは全部の表面、または同外部電極の全部を二次電子放出抑制材で構成したことを特徴とするガスイオン源。
【請求項２】
前記二次電子放出抑制材の二次電子放出係数が２以下である請求項１に記載のガスイオン源。
【請求項３】
前記二次電子放出抑制材の二次電子放出係数が０.５〜１.５である請求項２に記載のガスイオン源。
【請求項４】
前記二次電子放出抑制材が薄膜である請求項１または２に記載のガスイオン源。
【請求項５】
前記イオン源容器がその微小開口を形成する内周側先端部を有するとともに、  前記外部電極が、同容器の前記内周側先端部の外周部に一体的に配設されたものにおいて、前記二次電子放出抑制材の薄膜が、前記イオン源容器の内周側先端部の前面及び／または内周面及び／または前記外部電極の前面に被覆されてなる請求項３に記載のガスイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば集束イオンビーム(FIB)装置などのイオンビームを用いた加工用装置や、走査イオン顕微鏡などの分析装置などに用いられる微小径イオンビーム発生用のイオン源に関するものであり、その中でもイオンの生成手段として電界電離を用いるイオン源に関する。
【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。また、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１０-１ Pa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ことで、針状電極の先端部近傍のガス分子を電界電離現象によりイオンと電子に分離し、イオンビームを得ることができる。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に比例し、温度Ｔの２分の３乗に反比例する。
Ｉ ∝ Ｐ /Ｔ3/2  - - - - - - - - - - - - - - - (１)
【０００３】
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 Ｐａ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従来のイオン源として、例えば、特許文献1（図２参照）に示されたように、針状のエミッタ（電界電離電極）１の軸線上に位置させた開口３を有する対向電極２とを具えて、イオン化室５に原料ガス４を導入することにより、エミッタ１の先端からイオン６を放出するようにし、エミッタ１の先端が対向電極２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１の先端が、前記のように突出しているため、エミッタ１周辺のガス圧力は、エミッタ１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５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１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】
また特許文献２に示すように電界電離電極とイオン源容器に設けた微小開口の周りの開孔部電極とを同電位とし、外部電極を容器外に置き、電界電離電極を容器外に出すことで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が可能であることを示すものもある。
【０００６】
また特許文献３においては、イオン源容器の電界電離電極先端付近の形状を工夫し、またその材料として、比誘電率(以降ε)が５以上、特に９以上の高誘電体材料、具体的にはアルミナ系セラミックスを用いることで、針状電極先端部の電界強度が向上し、針先に与える電圧に対して高効率に電解強度が得られることを示している。
【０００７】
また特許文献４においては、外部電極の位置をイオン源容器に接触させ、電界電離電極の先端部付近に近づけることで、針先付近の電界強度を上げることが可能であることを示している。
【０００８】
しかしながら、従来技術による改善、改良においてもなお未解決の課題が残されている。すなわち、これらの従来技術においても、イオンビームの高輝度化に焦点を当てて電界電離電極の針先付近の電界強度を確保するため、イオン源容器としてアルミナなどの高誘電体材料の使用を推奨しているが、このεが大きい高誘電体材料でイオン源容器を構成した場合、高速で噴射される原料ガスのイオン化によるイオンビームの生成に伴ってイオン源容器自体が正に帯電する（チャージアップ）問題がある。
【０００９】
これは、針状の電界電離電極の先端部にてイオン発生後、下流にむかってイオンが加速されたイオンがアパーチャ等の対象物に衝突し、対象物から２次電子が放出され、この２次電子は、正電圧を印加している針状の電極に向かって逆流する現象が起き、この逆流してきた電子の一部がイオン源容器に当たり、この衝撃によってイオン源容器の表面からさらに２次電子が放出するといった現象が繰り返されることになるからである。そして、アルミナなどの高誘電体材料は２次電子放出係数(以降γとする)が高いため、イオン源容器から放出される２次電子が、逆流して衝突した電子の何倍もの量に達する。
このようにして、イオン源容器は徐々に正に帯電して行き、この結果、電界電離電極の針先付近の電界強度が低下したり、不安定となり、また電極の針先の形状変化を引き起こすなど、高輝度の安定したイオンビームの生成に支障を来たすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭６４−６３２４７号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７１０２号公報
【特許文献３】特開２００９−２７７４３４号公報
【特許文献４】特開２００９−２７７４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明ではこうした事情に鑑み、イオン源容器のチャージアップに伴う同容器表面からの２次電子の放出を抑制、防止し、電界電離電極の先端近傍の電界強度の低下や不安定化もたらすことなく長期に亘って継続して高輝度の安定したイオンビームを生成することが可能なガスイオン源を提供することをその課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するための具体的手段として、以下のガスイオン源を提案する。
（１）高誘電体材料で構成され、供給された原料ガスをその微小開口を通じて外部に噴射するイオン源容器と、前記イオン源容器の内部にあってその先端が同容器の前記微小開口に配置された電界電離電極と、前記イオン源容器の外部に配設された外部電極とからなり、前記電界電離電極と前記外部電極との間に電圧を印加して電界電離電極の先端近傍に電界を形成し、前記イオン源容器の微小開口より噴射される原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するガスイオン源において、前記電界電離電極の先端に近い領域に位置する、イオン源容器の一部の表面、前記外部電極の一部若しくは全部の表面、または同外部電極の全部を二次電子放出抑制材で構成したことを特徴とするガスイオン源（請求項１）。
（２）前記二次電子放出抑制材の二次電子放出係数が２以下である請求項１に記載のガスイオン源（請求項２）。
（３）前記二次電子放出抑制材の二次電子放出係数が０.５〜１.５である請求項２に記載のガスイオン源（請求項３）
（４）前記二次電子放出抑制材が薄膜である請求項１〜３のいずれかに記載のガスイオン源（請求項４）。
（５）前記イオン源容器がその微小開口を形成する内周側先端部を有するとともに、前記外部電極が、同容器の前記内周側先端部の外周部に一体的に配設されたものにおいて、前記二次電子放出抑制材の薄膜が、前記イオン源容器の内周側先端部の前面及び／または内周面及び／または前記外部電極の前面に被覆されてなる請求項４に記載のガスイオン源（請求項５）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のガスイオン源によれば、上記解決手段によりイオン源容器のチャージアップ及びこれに伴って発生する同容器表面からの２次電子の放出を有効に抑制、防止することができるから、アルミナなどの高誘電体材料をイオン源容器として用いた場合においても、電界電離電極の先端近傍の電界強度の低下や不安定化もたらすことなく長期に亘って継続して高輝度の安定したイオンビームを生成することが可能であるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明イオン源の実施形態１における全体構成を示したもので左図はその縦断面、右図はその要部底面図である。
【図２】本発明ガスイオン源の実施形態２における同様な図である。
【図３】本発明ガスイオン源の実施形態３における同様な図である。
【図４】本発明ガスイオン源の実施形態４における同様な図である。
【図５】本発明ガスイオン源の実施形態５における同様な図である。
【図６】本発明ガスイオン源の実施形態６における同様な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明について、その実施形態を中心に図面を参照しながら以下に説明して行くことにする。
【００１６】
図１は本発明ガスイオン源の典型的な実施形態１に関する構成を示したもので、本実施形態を参照して本発明の概要並びに特徴を含めてその構成を全体的に詳述する。
【００１７】
本発明のガスイオン源の前提となる基本構成は、同図１のように、ベース７に固設され、その内部先端に５〜１００μｍの微小開口Ｏを有するノズル状のイオン源容器（本体）１と、原料ガス制御手段５を備えてこのイオン源容器１に接続された原料ガス供給管２と、同容器１の内部中心の軸線方向に沿って設けられ、その先端が前記微小開口Ｏに挿通して配置された針状の電界電離電極２と、外部電極である対向電極３と、これら電界電離電極２と対向電極３の間に電圧を印加する強電界印加用電源６とから成っている。また、これらは図示しないが真空槽に設置され、１×１０-６Ｐａ前後の高真空状態に保たれる。
【００１８】
こうした基本構成を有する電界電離型のガスイオン源により、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを原料ガスとして原料ガス供給管４からイオン源容器１に供給し、上記両電極２、３間に電圧を印加すると、電界電離電極２の先端近傍に数１０Ｖ/ｎｍの強電界が形成され、原料ガスは高真空中で電離して微小開口Ｏを起点とする高速のイオンビーム８が連続的に前方（図では下方）に引き出されて得られる。
【００１９】
イオン源容器１はアルミナ、ジルコニア、高純度シリコン、ガラスなどの好ましくはεが５以上の高誘電体材料を使用する。ところで、前述したようにイオン源容器１として高誘電体材料を用いた場合、容器１がチャージアップして、同容器１の表面より、二次電子が電界電離電極２の先端に大量に放出、逆流する問題が生じる。
【００２０】
本発明は、この問題を解決するため、電界電離電極２の先端に近い領域に位置する、イオン源容器１や外部電極２の表面などを、二次電子放出抑制材で構成し、容器１の二次電子によるチャージアップ並びに容器１からの二次電子の放出を阻止することをその重要な特徴とするものである。
【００２１】
この二次電子放出抑制材は文字通り、二次電子放出を抑制できるものであれば如何なる材料を選択しても良いが、その二次電子放出係数（γ）が２以下、特に０.５〜１.５の値を有する材料が好ましい。これに該当する具体的材料としては、ＴｉＮ、Ｃｒ２Ｏ３、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｂａ、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などを挙げることができる。
【００２２】
また、これら材料は薄膜の形態は、容器及びまたは外部電極の必要箇所、部分の表面に予めＰＶＤ、ＣＶＤなどのコーティング手段により成膜することにより実現できる。特にコーティング手段としてはスパッタリンッグを採用することが好適である。例えばアルミナ製の容器（ノズル）を対象としてこれにＴＩＮを成膜する際はＴｉをターゲットとし、アルゴンガス、窒素ガス雰囲気下で直流放電させ、反応性スパッタリンッグ法によりアルミナ表面に直接コーティングすることが望ましい。
そこで、図１に示す本実施形態においては、対向電極３がイオン源容器１の微小開口Ｏを形成する内周側先端部１-１の外周部が一体的に配設されたタイプで、この内周側先端部１-１の前面ａ（図では下面）及び内周面ｂが二次電子放出抑制材、例えばＴＩＮからなる薄膜Ｔａ及びＴｂで構成されている。この内周側先端部１-１は電界電離電極２の先端に最も近く位置（電極先端近傍）し、電極２に正の電圧が印加されており、且つアパーチャなどから逆流した二次電子が集中的にここに衝突するところからこの部分が最も帯電しやすい容器１の領域となり、とりわけ、前面ａを二次電子放出抑制材の薄膜Ｔａで構成することが重要且つ必須となる。
【００２３】
ここに適用される薄膜の厚みについて検討すると、二次電子が１０ｋＶ前後で入射する標準的な条件においては、上記薄膜Ｔａ及びＴｂの厚みは、２ｎｍ以上とすることが好ましい。２ｎｍ以上の厚みにすることで電極先端近傍の導電性が確保され、電界強度を向上させることができる。
【００２４】
次に、図２に示す実施形態２は、前記図１の実施形態１の領域に加えて、容器１の内周側先端部１-１の外周部に一体的に配設された対向電極３の前面ｃ（図では下面）も二次電子放出抑制材の薄膜Ｔｃで構成されている例である。ここに適用される薄膜Ｔａ、Ｔｂの厚みは前実施形態１と同様に２ｎｍ以上とすることが好ましい。対して、針先から離れたＴcにおいては２ｎｍ以下とし、電子放出係数を1に近づけてチャージアップの可能性を極力防ぐことが好ましいと考えられる。
【００２５】
また、図３に示す実施形態３は前記実施形態の変形例で、容器１の内周側先端部１-１の前面ａと容器１一体的に配設された対向電極３の前面ｃに二次電子放出抑制材の薄膜Ｔａと薄膜Ｔｃが構成され、内周面ｂは薄膜を有さない例である。ここでも同じく、適用される薄膜Ｔａの厚みは２ｎｍ以上とし、対してＴcでは２ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
次に、図４に示す実施形態４は、対向電極３が前記実施形態１〜３          のように容器１に一体的に配設されたものでなく、その少し前方（図では下方）に独立して設置されたタイプのものであって、容器１の内周側先端部１-１の前面ａと、その外周部の全面ｄが二次電子放出抑制材の薄膜Ｔａと薄膜Ｔｄで構成されている例である。ここに適用される薄膜Ｔａに関しては前記実施形態１〜３と異なり、２ｎｍ未満とすることが好ましい。これは膜厚を２ｎｍ以上に厚くすると導電性を有し、電極２の先端部の電界強度を低下させることになるためである。対して、Ｔdについては他の構成とおなじく２ｎｍ以下としてチャージアップを防ぐのが好ましい。
【００２７】
次に、図５に示す実施形態５は、前記図４の実施形態４の領域に加えて、さらに独立した対向電極３の全表面ｅが二次電子放出抑制材の薄膜Ｔｅで構成されている例である。この実施形態は容器１の前方に位置する対向電極３の全表面ｅが薄膜を有するため、アパーチャから逆流してくる二次電子自体が容器１に到達するのを抑止する効果も併せ持っている。この実施形態に適用される薄膜については前記実施形態１〜３と同じ考え方に基づき、電極先端近傍の導電性を確保して電界強度を上げる意味で、２ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、薄膜Ｔｅについては二次電子の跳ね返りや針先での電界強度低下を防ぐため、２ｎｍ未満とすることが望ましい。
【００２８】
さらに、図６に示す実施形態６は、図３の前記実施形態３においては容器１に一体的に配設された対向電極３の前面ｃに薄膜Ｔｃが構成されていたが、これに替えてその表面だけでなく対向電極３そのものを薄膜Ｔｄで構成した例である。この場合のＴａは２ｎｍ以上とし、対してＴｄの厚みは二次電子の跳ね返りを考慮して２ｎｍ未満とすることが望ましい。
【符号の説明】
【００２９】
１：イオン源容器（本体）１-１：内周側先端部  ２：電界電離電極
３：対向電極（外部電極）  ４：原料ガス供給管  ５：原料ガス制御手段
６：強電界印加用電源  ７：ベース  ８：イオンビーム
Ｏ：微小開口
Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ：薄膜（二次電子放出抑制材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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