JPS59191225A - 液体金属イオン種合金 - 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〕 本発明は液体金属イオン源において、Ｂ、ｓｉ。

Ｐ、Ａｓ等の高融点元素イオン種を単元素イオンとして
効率よく安定に長時間引出せるイオン種材料に関する。

〔発明の背景〕

マイクロ・ドライ・プロセス（イオンビーム露光・ドラ
イ現像、マイクロドーピング等）、サブミクロン表面分
析等の分野における高性能化と共に、高輝度の液体金属
イオン源の開発が強く要望されておシ、特にエレクトロ
・デバイスの分野においては、ドープイオン種として重
要なり、Ｐ。

Ｓｉ、Ａｓ等を液体金属イオン源を用いて、直接半導体
材料にドーピングする試みがなされている。

この液体金属イオン源の動作原理は次の如くである。先
ずＷ、Ｔａ、′カーボン等から成るエミッタチップに、
抵抗加熱あるいは電子線加熱によシ溶融させたイオン種
材料を供給し、チップ先端に強電界を印加し、チップ先
端よシミ界電離イオンを引出す。従ってイオン源として
は長時間、安定に、目的とするイオンビームを引き出せ
ることが重要である。

従来このイオン種材料として融点が４００〜１０００　
ＣのＰ　ｔｓｚ　Ｂｓｓ　＊　Ｐ　ｄ４ｏ　Ｎ　１４０
　Ｂ１０　＋Ｐ　ｔ２７　　Ｎｊ１３　　Ｂｅ０　　、
　　Ａ　ｕｓｓ、ｓ　　Ｐ　　ｔ　２ｏ　Ｉ　Ｇ　ｅ１
３．Ｓ　　Ｂ２Ｏ。

Ｐ　ｄ４ｏＮＩ　４ＯＢ＋ｏ　ＡＳｓｏ　＋　Ｐ　ｔｙ
ｚ　ＡＳ２＠１Ｐｄ２４８ｎ６８ＡＳｌ１等の合金が用
いられている。しかしこれらイオン種材料は以下に示す
いずれかの問題があるため、イオン源の寿命が１０時間
以下と極めて短いという致命的な欠点を有していた。

１）溶融イオン種材料の蒸気圧が高いため、蒸発が激し
く、目的とする引出し元素イオンが短時間で枯渇してし
まう。

２）エミッタチップと溶融したイオン種材料が激しく反
応し、短時間でイオンビームの引出しが停止する。

３）溶融イオン種材料の粘性が高すぎる、あるいはエミ
ッタチップとのぬれ性が悪い等の理由によりイオンビー
ムの引出しが困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は安定で且つ長寿命のＢ、ｓｉ。

Ｐ、Ａｓ等の高融点元素イオンビームを取り出せるイオ
ン源のイオン種材料を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記のように、本発明はＢ、Ｓｔ、Ｐ、ＡＳ等の高融点
イオン種を安定に且つ長寿命で引き出すことを目的とし
ており、融点が低くて、その温度での蒸気圧も低く、特
にチップ材料として高温長時間使用可能なガラスカーボ
ンあるいはＳｉＣ系、ＷＣ系、ＬａＢ５系材料を用いた
時それと反応が皆無か、あるいはあっても少で、濡れ性
も良好なイオン種材料（合金）を得ようと試み、本発明
に到達したものである。

本発明者等は先ずＮｔ元素が目的とする高融点イオン種
元素のＢ、Ｓｔ、Ｐ、もしくはＡｓと、これら元素の低
濃度側（２０〜５０原子パーセント）で、比較的低融点
（８００〜１００ＯＣ）の共晶合金が得られることに着
目し、これら二元系合金のイオン種材料を作製した。し
かし、ガラスカーボンあるいは炭化物をエミッタチップ
材料とし、これらＮｉ基二元系合金をイオン種材料とし
て用いた場合：）融点での粘性が高い、１１）エミッタ
チップとのぬれ性が悪い、ｉ＋Ｄエミッタチップと反応
する、ｌｖ）融点での蒸気圧が高く短時間で蒸発してし
まう等々、これまでと同様の問題が生じ、イオン源の寿
命は従来材と比べて延びたものの高々１００時間程度で
あった。従ってさらに長寿命のイオン源を得るために、
これら共晶合金組成附近のＮｉ基２元系合金に各種の添
加元素を加えることによシ、融点をさらに下げ、その温
度での蒸気圧、粘性を低くし、またエミッタチップ材料
（主としてガラスカーボン、炭化物、Ｌ　ａ　Ｂｅ等）
との反応を軽減して、ぬれ性を良くすることを試みた。

その結果、ＸをＢ　＋　Ｓ　ｉ＊　Ｐ　＋　Ｃ、および
Ａｓからなる群よシ選択した少なくとも２元素とすると
き、一般式Ｎ　’　＊　Ｘ　ｂで示される組成を有し、
且つ３０≦ａ≦６８（Ｎｉが３０ａｔ％以上６８ａｔチ
以下を示す、以下同様に解する）、ｂ＝１００−ａであ
る液体金属イオン種合金によシ前記目的が達成できるこ
とを見出した。したがって、本発明の液体イオン種合金
はＮｉを含む少なくとも３元素からなシ、Ｂ、ｓｔ、ｐ
、ｃおよびＡｓからなる群よシ選択した２以上の元素の
合計量は３２〜７０ａｔ％であるが、とのＮｉ以外の元
素のうちの少なくとも２元素はそれぞれ１ｓｔ１以上含
有されていることが、よシ好ましい。これは上記Ｈｉ基
２元合金に添加する元素の効果を大ならしめるためには
添加元素の量を１ａｔ％以上とすることが望ましいから
である。しかし、この添加元素は少量でも添加すればそ
れなシの効果があるので、１８１４未満でも前記２元系
合金よりすぐれた特性を示す。

さらにまた、より好ましい添加元素は、Ｈｒ−Ｂ合金に
はＳｉ、Ｐおよび／もしくはＣで、Ｎ１−Ｐ合金にはＢ
、Ｓｉ、および／もしくはＣで、Ｎｉ−３ｉ合金にはＢ
で、Ｎｔ−Ａｓ合金にはＢ。

ｓｉ、ｐおよび／もしくはＣであった。

上記の如く構成した本願発明の液体金属イオン種合金は
、融点が約１０００Ｃ以下である他、前記の各目標特性
を満足するものであシ、良好な特性で寿命も長いイオン
源を得ることに成功した。

なお、上記組成範囲外では融点が高く、好ましくない。

Ｂおよび／もしくはＳｉのイオンを目的とする場合には
、特にＢとＢｌの２元素を同時に含むＮｉ基合金でＢと
３ｉの濃度の合計が３５〜７゜ａｉ％のものが、融点１
０００ｔｌ’未満であることはもちろん、エミッタチッ
プ材料との反応がほとんど無く、ぬれ性も良好で、イオ
ン源の寿命を飛躍的に向上させることが見出された。こ
の場合、この合金系に２０ａｔ％以下のＰおよび／もし
くはＣを添加することによシ、その合金の融点、粘性を
さらに低下せしめ、且つチップ材料とのぬれ性をさらに
改善することができた。Ｐおよび／もしくはＣが２ｏａ
ｔｌを越えると合金の融点が高まり、且つ求めるイオン
となる元素の量が減シイオン放射の効率の点から好まし
くない。この組成を示す一般式は、ＹをＢおよびｓｉと
し、ＺをＰおよびＣからなる群より選択した少なくとも
１元素とするとき、Ｎ１．Ｙ４Ｚ−で示され且つ３ｏ≦
Ｃ≦６５．３５≦ｄ≦７０１０≦ｅ≦２０．Ｃ−１−ｄ
十ｅ＝１００であるとするものである。この場合も、Ｂ
およびＢ＋はいずれもｌａｔ％以上含まれていることが
より好ましい。

Ｐイオンを目的とするイオン種合金ではＮｉ以外の上記
元素（Ｐ、Ｂ、Ｃおよび／もしくけｓｉ）の総量を３５
ａｔ％以上、５Ｑａｔ％以下とすることがよシ望ましく
、このようにすることにょシ、より長寿命のイオン源が
得られることを見出した。

これは、ＴをＢ、Ｃおよびｓｉからなる群よシ選択した
少なくとも１元素とするとき、一般式Ｎｌ＊Ｐ、Ｔｈで
示される組成を有し、且っ５ｏ≦ｆ≦６５．３５≦ｇ　
＋ｉｔ≦５０．ｆ＋ｇ＋ｈ＝１００である液体金属イオ
ン種合金である。この場合も、Ｂ、Ｃおよび／もしくは
ｓｉはｆａｔ％以上であることがざらに望ましい。

また、Ａ８イオンを目的とするイオン種合金の場合も、
同様に、ＭをＢ、ｓｔ、ｃ、およびＰからなる群よシ選
択した少なくとも１元素とするとき、一般式Ｎ１ｋＡ８
ｚＭｍ　で示される組成を有し、且つ５５≦に≦６５．
３５≦ｔ≦４５、Ｑ（ｍ≦２０、ｌｃ＋ｚ＋ｍ＝ｉ　０
０Ｃｈる？ニーとがＬＦ）’ｌｉｔしい。この場合もＢ
、ｓｔ、ｃおよび／もしくはＰは１ａｔ％以上であるこ
とがさらに好ましい。

さらに上記Ｎｉ基合金のＮｉをｃｕ、Ｒｕ＊Ｒｈ＋Ｐｄ
、Ａｇ、Ａｕ、Ｐ　を等の元素で１部置換（１０原子パ
ーセント以下）することによっても、合金の融点をさら
に下げることが出来、イオン源の寿命をさらに向上出来
ることを見い出した。ここで重金属は半導体材料では特
性を劣化させる効果があるため、イオンドープ時にその
混入を防止するためにもイオン種材料としては１ｏ原子
パーセント以下に抑えることが好ましい。このようにし
て得た上記発明の該Ｎｉ基イオン種材料は、特にガラス
カーボン、炭化物（ｓｉｃ、ｗＣ）、ＬａＢａ等をエミ
ッタチップ材料として用いた場合イオン源として１００
時間を越える長寿命化を図ることが出来る。

以上の本発明の該Ｎｉ基合金でＮｉの一部あるいは全部
をｐｅあるいはＣｏで置換して、上記と同様の長寿命化
を図ることが出来るが、この場合１０００　ｔｌ；以下
の低融点を得るにはＦｅ　、　ＣＯ＊Ｎｉの全濃度を７
０〜８５原子パーセントにする必要がある。

〔発明の実施例〕

以下、実施例により本発明の詳細な説明する。

実施例１ 本発明のイオン種材料を用いたイオン源の構造の概略図
を第１図に示す。イオン源は幅２〜３酵、長さ２０ｍｍ
、厚さ２００μｍの板状焼結カーボンからなる抵抗加熱
ヒータ１、イオン種材料２、電流導入端子３、止めネジ
４、イオン引出し電極５、ニードル状エミッタチップ（
ガラスカーボンあるいはｓＩｃ、ｗｃ等の炭化物あるい
はＬａＢ６）６、支持台８、加熱電源９、引出し電源１
０、加速電源１１より構成されている。７はイオンビー
ムを示す。

Ｂイオンのイオン種材料としてＮ１５ｏ　Ｂ４ＯＳ　ｊ
＋ｏ、Ｎ　Ｉｕ＋　Ｂ４８　　Ｓ　’ｔｏ　　、　Ｎ　
’　４６　ＣｕＳ　　Ｂ４ＯＳ　Ｉ　１ｃ＋　　、Ｎｊ
４３　Ｂ４５　Ｓ　！　ｔｏ　Ｃ２、Ｎｊ４５　Ｂ４５
　Ｐｌｏ、Ｎ１５ｏＢｓｏＳｌ＋ｏＰｓＣｓ合金を、Ｐ
イオンのイオン種材料として、Ｎ１６５Ｐ２５０１０１
Ｎ’６０Ｐ３０ＢＩＱ、Ｎｊｓｏ　ＣＬｌｓ　Ｐａｓ　
Ｂ＋ｏ合金を、Ｓｉイオンのイオン種拐料としてＮ１ａ
ｓＳｌ＜ｓＢ＋ｏ、Ｎ’３５Ｓ’５５ＢＩＯ１ＮＩａｏ
　Ｐｄｓ　Ｓ　’４５ＢＩＯ合金を、Ａｓイオンのイオ
ン種材料としてＮｊ　５０ＡＳ４０８　ｉｌｏ、Ｎｊｓ
ｏＡＳ４ｏ　Ｅ３１０、Ｎ　ｉ　ａｓ　ＡＳｎｏ　ＢＬ
ｏ　Ｃｓ合金をプラズマ溶解、高周波加熱により作製し
た。ここでＰあるいはＡｓを含む合金系は焼結後、石英
管に真空対じこめした後、加熱溶解することにより作製
した。これら合金の測定した融点を第１表に示す。表に
は比較のためＮ１５ｏ　Ｂｓｏ　＊　Ｎ１５ｏ８ｆ５ｏ
　、　Ｎ１ｙｓ　Ｐ２Ｓ％　Ｎ’６０Ａ５４０合金の融
点も示しである。表から二元系にＢ、Ｐ。

Ｃ，５ｉ、ＣＯ，ｐｄ等を添加したことによシ融点がさ
らに低下していることがわかる。

このように作製した合金から径が１〜２ｒｒｒＭの大き
さのイオン種試料を作製し、第１図に示す抵抗加熱ヒー
タ１の上にのせて溶融し、イオン源の寿命を検討した。

その結果エミッタチップ材として、ガラスカーボンある
いはｓｉｃ、ｓるいはＬ　ａ　Ｂａを用いた時、いずれ
の試料においてもチップとのぬれ性が良く、チップとの
反応も少なく、１００時間を越えてもイオンビームを引
出せることを確認した。

特にＮ＋Ｂｓｉ合金のイオン種材料とＳｉＣエミツクチ
ップ材料とを組み合わせだイオン源ではチップとのぬれ
性が極めて良く、反応も全く無く、溶融イオン種材料が
枯渇するまでイオンビームを引出すことが出来た。第２
図に代表的な本発明のＮ４４１１８４ＳＳｊｌ（１イオ
ン種材料のイオン放出角が数ｍ　ｒａｄでの質量分析ス
ペクトルの一例を示す。この時の引出し電圧は１０．５
　ｋＶ、全イオン電流は約１５０μＡであった。

なお、本発明の液体金属イオン種合金ならびにその応用
方法において、上記せざる事項については、従来この分
野で知られている知見を利用してよい。

〔発明の効果〕

以上説明したところから明らかなように、本発明のイオ
ン種材料は従来の液体金属イオン源の致命的な欠点であ
った短寿命を克服し、Ｂ、Ｓｔ。

Ｐ、Ａｓ等の高融点元素イオン種を単元素イオンとして
効率よく安定に長時間引出せる材料として極めて優れて
いることがわかった。

第１表

【図面の簡単な説明】

第１図は液体金稿イオン源の縦断面図、第２図は本発明
の一実施例におけるＮｉ４Ｓ　Ｂ４６　Ｓ　ｉｔ。合金
をイオン種材料として用いた時のイオンビームの質量分
析図である。 １・・・ヒータ、２・−・イオン種材料、３・・・電流
導入端子、４・・・止めネジ、５・・・イオン引出し電
極、６・・・ニードル状チップ、７・・・イオンビーム
、８・・・支持台、９・・・加熱電源、１０・・・引出
し電源、１１・・・別霜　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　　ＸをＢ、Ｓｉ、ｐ、ｃ、およびＡｓからなる群
   より選択した少なくとも２元素とするとき、一般式Ｎｊ
   、Ｘｂで示される組成を有し、且つ３０≦ａ≦６８、ｂ
   ＝１００−ａであることを特徴とする液体金属イオン種
   合金。 ２、上記Ｘを構成する元素の少なくとも２元素がいずれ
   もｌａｔ％以上含有されてなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の液体金属イオン種合金。 ３、　　ＹをＢおよび３ｉとし、ＺをＰおよびＣからな
   る群より選択した少なくとも１元素とするとき、一般式
   Ｎ　’　＊　Ｙ　ａ　Ｚ　＊で示される組成を有し、且
   つ３０≦Ｃ≦６５．３５≦ｄ≦７０．０≦ｅ≦２０．Ｃ
   ＋ｄ＋ｅ＝１００であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項もしくは第２項記載の液体金属イオン種合金。 ４、　上記Ｙを構成するＢおよびＳｉがいずれも１ａｉ
   ％以上含有されてなることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の液体金属イオン種合金。 ５、　　ＴをＢ、ＣおよびＢｉからなる群より選択した
   少なくとも１元素とするとき、一般式ＮｉｔＰｇＴｂで
   示される組成を有し、且つ５０≦ｆ≦６５．３５≦ｇ＋
   ｈ≦５０、ｆ＋ｇ＋ｈ＝１００であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の液体金属イ
   オン種合金。 ６、ｈ≧１なることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   記載の液体金属イオン種合金。 ７、　　ＭをＢ、ｓｉ、ｃおよびＰからなる群よシ選択
   した少なくとも１元素とするとき、一般式Ｎ’　ｋＡ　
   ＳＡＭｍで示される組成を有し、且つ５５≦に≦６５．
   ３５≦ｔ≦４５、Ｑ（ｍ≦２０、ｋ＋４＋ｍ＝１００で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第
   ２項記載の液体金属イオン種合金。 ｆ３．　　ｍ≧１なることを特徴とする特許請求の範囲
   第７項記載の液体金属イオン種合金。 ９．　上記Ｈ＋を、ｃｕ、ａｕ、Ｒｈ、Ｐｄ＋　Ａｇ。 Ａｕおよびｐｔからなる群よシ選択した少なくとも１元
   素で、１０ａｔ％以下置換してなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項乃至第８項のいずれかの項に記載の
   液体金属イオン種合金。