JPH0498738A - 液体金属イオン源 - 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〕 本発明は集束イオンビーム装置および二次イオン質量分
析器等に装着される液体金属イオン源に関する。

〔従来の技術〕

１９８６年１日刊工業新聞社発行、日本学術振興会編、
「電子・イオンビームハンドブック」、第二板、第２２
４頁から第２２９頁に記載されているように、液体金属
イオン源では溶融状態に保った液体金属電極に正電圧を
印加するとエミッタ先端の液体金属表面には正電場によ
る負の圧力が生じる。それが表面張力を上回ると液体金
属はティラーコーンと呼ばれる円錐形状に変形する。そ
の先端径が十分に減少してそこでの電場が数十Ｖ　／　
ｎ　ｍ程度になると電界蒸発過程により表面から原子は
イオン化して脱離する。

従来技術としては、以上述べた現象を利用して集束イオ
ンビーム装置および二次イオン質量分析器のイオン源と
して液体金属イオン源が利用されている。液体金属イオ
ン源のエミッタにはキャピラリー型とニードル型がある
。前者では内径２０μｍ程度の細管の先端に試料溜から
液体金属を送る必要があるため低融点金属が用いられる
。また液体金属送出のための加圧機構も必要である。後
者は先端径０．５〜］、Ｏｕｍめ固体金属針をティラー
コーンの下地として用いる。その材料は液体金属でよく
濡れること、およびそれと反応しないことを条件として
選択される。多くの場合にタングステン、ニッケルが用
いられる。ニードル型の方が構造が簡単で高融点金属も
イオン化できるため現在の主流になっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

液体金属イオン源の電界蒸発ては固体の電界蒸発とは異
なってエミッタとなるティラーコーンの先端径は印加電
圧の上昇と共に自動的に減少する。電界蒸発が起こる程
度の高い電界を実現するためには数＋ｎｍ程度にまで先
端径が減少する必要がある。ニードル型液体金属イオン
源における電流−電圧特性はニードルの形状、その表面
状態、試料溜との位置関係、試料溜の構造等液体金属試
料がティラーコーンに供給される過程の特性、および粘
性抵抗に大きく依存する。そのなめ先端径が減少するに
つれて試料供給過程の特性の影響が顕著になり、電流−
電圧特性に異常が観測されるようになる。それを克服す
るためには試料溜からのニードルの突き出しを短くする
、ニードル表面に清をつける、ニードル先端の円錐角を
大きくするなとして粘性抵抗を低減させることが試みら
れているか効果は充分ではない。そこでこれらの工夫に
加えて、低電界でティラーコーンの先端径が大きく、試
料供給過程の特性、粘性抵抗の影響が著しく現れない状
態で、強度が十分で且つ安定した電界蒸発を実現する液
体金属イオン源か求められている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の液体金属イオン源は、針状液体金属電極に正電
圧を印加して該針状液体金属電極の先端近傍より表面の
原子をイオン化して脱離させる際に、該針状液体金属電
極の表面に光を照射する機構を具備することを特徴とし
ている。

〔作用〕

電界蒸発の原理は電荷交換モデルで説明されている。第
２図は液体金属電極の表面の原子の電界蒸発を説明する
ための原子間ポテンシャルである。ｍｔｍｔｖはポテン
シャルエネルギー、横軸Ｒは原子間距離、図中の■は液
体金属電極を構成する元素のイオン化ポテンシャル、φ
はその仕事関数である。液体金属電極の表面Ａから表面
原子Ａ３を表面に対して垂直に引き離すときの電気的に
中性状態のポテンシャルは、電界による電子雲の分極の
影響を受けて若干変化するが基本的にその形を変えない
。第２図でＵ、、Ｆは電界のある場合の電子基低状態の
ポテンシャルを表す。Ｕｌは脱離する原子の電子が液体
金属電極に移ることで形成される電荷交換状態のポテン
シャルを表す。それは電界とのクーロン相互作用のため
に大きくその形を変える。第２図では電界のある場合の
電荷交換状態のポテンシャルを０１’で表す。電界が十
分強いときには電荷交換状態のポテンシャルは電子基底
状態のポテンシャルＵｆｉＦとその極小点付近で交差す
る。それらの状態間で電子相関が強い場合には、この交
差はＣで表す疑似交差となって電子基底状態（Ｕ　ａ’
）から電荷交換状態（ｕ＋Ｆ＞への電子状態量遷移が起
こる。電荷交換状態（Ｕ　＋Ｆ）は連続エネルギー状態
であるので表面原子Ａ、はイオン化してＡ８＋の形で表
面から脱離する。

エネルギーｈνの光３０の照射によって電子基底状態の
ポテンシャル（Ｕ、’″）から電子励起状態のポテンシ
ャル（Ｕ、”　）に光励起した場合には、疑似交差（Ｃ
）をさらに高エネルギー側の疑似交差（Ｃ゛）に移動さ
せることができる。そのときは電界蒸発を可能にする電
界のポテンシャル（Ｕ’　）の傾きを小さくすることが
できる。

従って、より一層低い電界での蒸発が可能となる。

それによってティラーコーンの先端径が比較的大きく、
先端への試料の供給が円滑に行われる状態で安定した電
界蒸発を可能とする液体金属イオン源が実現できる。

〔実施例〕

以下に液体金属イオン源の一実施例について説明する。

第１図には光照射型液体金属イオン源の略図を示す、液
体金属電極１６は絶縁を保って真空容器１４の中に設置
される。液体金属電極１６にはバイアス電源１２により
正のバイアス電圧が印加される。加熱電源１１によって
液体金属電極１６は通電加熱されて金属の溶融状態を保
つ。バイアス電極１５を設けることで効率的にイオンを
引き出し、且つその空間的発散をできるだけ防ぐ。イオ
ンの運動エネルギーは加速電源１３から印加する電圧で
決まる。

光は液体金属電極１６の斜め方向から光導入窓１８を用
いて照射する。真空紫外光の場合には光導入窓１８のフ
ランジを利用して真空紫外光の光源および分光系（図示
省略）に真空容器１４を接続する。液体金属電極１６の
先端から放射状に放出されるイオンはバイアス電８ｉ１
５を通過した後、集束レンズ系１７に入ってビーム化さ
れる。

液体金属試料２０としてガリウムを用いた。それを試料
溜１９に満たす。ガリウムは融点２９゜７８℃であるの
で容易に融解する。そのためイオン注入の場合を除いて
は集束イオンビーム装置で最もよく用いられる液体金属
試料である。その−価イオンの蒸発電界は１５Ｖ／ｎｍ
であることが知られている。本発明の液体金属イオン源
を用いて、波長４０３ｎｍ　（３，１ｅＶ）の色素レー
サー光を照射しながら電界蒸発を観測したところ、蒸発
電界は約５２％の８Ｖ／ｎｍに低下した。さらにティラ
ーコーン先端への液体金属試料供給の乱れが原因と思わ
れる電流−電圧特性の異常は著しく低下した。

〔発明の効果〕

以上説明したように光を照射しながら電界蒸発を行う本
方法によれば、従来の比べて低電界でもイオンの電界放
射が可能となる。これによって液体金属電極の先端径が
比較的大きく、電極先端部への液体金属試料の輸送が従
来に比べて円滑に進む条件で十分なイオン電流が得られ
るようになった。また使用する電源装置も低電圧型でよ
いため、その分電界蒸発を利用した装置が簡便、安価に
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液体金属イオン源の概略図、第２図は
電界蒸発の原理を示す図である。 １１・・・加熱電源、１２・・・バイアス電源、１３・
・・加速電源、１４・・・真空容器、１５・・・バイア
ス電極、１６・・・液体金属電極、１７・・・集束レン
ズ系、１８・・・光導入窓、１９・・・試料溜、２０・
・・液体金属試料。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオン化すべき液体金属試料を容れる試料溜と、試料溜
   内から外に突き出して配置され、かつ、加熱電源に接続
   される液体金属電極と、液体金属電極前方に配置された
   集束レンズ系と、液体金属電極と集束レンズ系との間に
   配置されたバイアス電極とを具備した液体金属イオン源
   において、液体金属電極の表面に光を照射する機構を具
   備したことを特徴とする液体金属イオン源。