JPS5833649B2 - イオン発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオンビームを発生するための装置に関する。

例えば質量分析とか半導体のイオン注入とかには、イオ
ン発生装置が用いられる。

これら倒れの用途においても、イオンビームは細く絞ら
れ然も高密度であることが望ましい。

そして、このようなイオンビームの発生源としては、 （イ）イオンソースサイズ（イオン源の大きさ）が小さ
い。

（ロ）イオンのエネルギ幅が小さい。（ハ）大電流が得
られる。

に）長寿命である。（ホ）金属を含めた種々の物質をイ
オン化することができる。

（へ）質量スペクトルがきれいである（不要な質量スペ
クトルを含まない）。

等の性質をそなえる必要がある。

そこで、従来のいくつかのイオン発生装置について検討
してみる。

検討対象としては、（１）電界電離型、（２）電界蒸発
型、（３隈面電離型、（４）気中放電型を掲げる。

（１）電界電離型 これは、曲率半径数１００Ｃ人〕の針状陽極の尖端に生
ずる２〜４×１０３〔■／ｃｒｒＬ〕の強電界により、
陽極に入射する中性ガス分子を電界電離するものである
。

そして、イオンソースサイズが小さいこと、イオンのエ
ネルギ幅が小さいこと、長寿命であること、および質量
スペクトルがきれいであることを長所とする。

しかし、この型のものは、イオン化できる物質が特定の
気体に限られ、イオン電流もｉｏ”−ｔ°〔Ａ〕と極め
て少いという難点がある。

（２）電界蒸発型 電界電離型と同様に、曲率半径数１００〔λ〕の針状陽
極の尖端に生ずる１×１０３〜１×１０４〔■／Ｃｒｒ
Ｌ〕の強電界により、陽極材料そのものを電界蒸発させ
るものである。

そして、イオンソースが小さいこと、イオンのエネルギ
幅が小さいこと、種々の物質をイオン化できること、お
よび質量スペクトルがきれいであることを長所とする。

しかし、イオン電流が極めて少く、またイオン化される
物質が次々と剥ぎとられるために陽極尖端がたちどころ
に鈍化してしまい極めて寿命が短いという欠点がある。

（３）表面電離型 これは、高温にされた仕事関数の大きい金属表面に、ア
ルカリ金属のように電離エネルギの低い元素の蒸気を吹
き付けることによってイオン化するものである。

そして、イオンのエネルギ幅が小さいこと、および質量
スペクトルがきれいであることを長所とする。

しかし、使用できる物質が極めて限定さへまたソースサ
イズも極めて大きい難点がある。

（４）気中放電型 最も一般的とされている気中放電によりイオン化するも
のである。

大電流を取出すのには、上記４例のうちでも最も適して
いる。

しかし、ソースサイズが大きく、イオンのエネルギ幅も
大きく、さらに質量スペクトルがきれいでない欠点があ
る。

これらの検討結果から、従来のイオン発生装置は、倒れ
も要求される全ての事項を充足することができないこと
が分る。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、イオンソー
スサイズが小さく、イオンのエネルギ幅が小さく、大電
流が得られ、長寿命であり、種々の物質をイオン化でき
、しかも質量スペクトルのきれいなイオン発生装置の提
供を目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、イオン化すべき物
質により形成され曲率半径が充分に小さい尖端を持つ針
状陽極を設け、真空中にてこの陽極を前記イオン化すべ
き物質の融点以上に加熱すると共に、陰極との間に高電
界をかけることにより、電気流体力学的に前記陽極の尖
端から表面原子を電離離脱させるイオン発生装置として
構成されたものである。

以下添付図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明に係る装置の構成を示したもので、１は
タングステン等により構成された針状陽極であり、タン
グステン等からなるヒータ２に取付けられている。

このヒータ２は、ヒータ電源３により通電され針状陽極
１を加熱する。

一方、針状陽極１に対向するように陰極５を設け、高圧
電源４によって針状陽極１との間に高電界を印加する。

針状陽極１は、そのソースサイズが１００〔入〕未満と
なるように構成する。

これには、電解研磨により、先端を数１００〜数１００
０Ｃ人〕に研磨した針状陽極に高電圧を印加しつつ加熱
すればよい。

この場合、針状電極尖端においては、各結晶面の仕事関
数、表面エネルギ、局部電界等が異なる。

このためある特定の結晶面が生長隆起し、針状陽極の尖
端に１００〔入〕未満程度の小さな曲率半径を持つ突出
部（図示せず）が形成される。

この突出部が成長する条件は、下式による。

ＦＦ＝■１５ｒ〉（８πｒ／ｒ）’／” ＝−＝・（
１）ただし Ｆ：針状電極尖端にかかる静電気力〔■／
ｃＩｒＬ〕 Ｖ：陽極と陰極との相対電位差（Ｖ） ｒ：針状陽極の曲率半径〔動〕 ｒ：針状陽極表面原子の表面張力 Ｃｄｙｎｅ ／ＣｒｆＬ ） いまタングステンを例にとると、 Ｆ＞８．Ｉ Ｘ １０’ｒ−’／” ＣＶ／Ｃｍ） −
”（２）であるから、ｒ＝１０００Ｃ人〕とすると、■
＝１．２８（ＫＶ）以上の電圧を印加すればよいことに
なる。

そして、針状陽極の半径により定まる値以上の陽極温度
Ｔ１電界■を与えれば、陽極尖端の突出部は時間と共に
曲率半径ｒを減じていく。

これに伴い、Ｆ≠Ｖ１５ ｒの関係によりＦは増大し、
突出部の表面原子は極めて大きな分極エネルギを獲得し
イオン化脱離されることになる。

この結果、突出部の曲率半径は一定値で平衡状態となる
。

すなわち突出部においては、熱エネルギと静電気力によ
る突出部への原子供給とイオン化脱離による原子の減少
とが完全に平衡し、極めて安定なイオン電流が連続的に
得られる。

第２図は本発明に係る装置におけるイオン電流の時間的
変化特性を示したものである。

この場合、イオン種として、タングステンすなわち（３
１０）Ｗを用い、それによる針状電極の尖端の曲率半径
を２０００Ｃ人〕、真空度を５ Ｘ １０−８（Ｔｏｒ
ｒ）とする。

そして、針状電極に熱エネルギと静電気力とを同時に加
えて、陽極電位を５（ＫＶ）、温度を１８００Ｃ’Ｋ）
にする。

この結果、熱エネルギおよび静電気力を印加してから約
１０分間で略略安定状態となる。

このとき、突出部の原子供給とイオン化脱離とが平衡し
ている。

この装置で、イオン電流を制御するには、陽極温度また
は印加電圧を変えればよく、電流可変範囲は１０−１１
〜数μ〔Ａ〕が得ら札充分に大電流である。

第３図は本発明に係る装置におけるイオンの方向依存性
を示したものである。

この装置では、２方向について強い方向性を持ち、特に
そのうち−方、図におけるＡにより強い方向性を持って
おり、Ｂはさは強くない。

この人ピークの発散角は１０−” （５ｔｅｒ ）であ
る。

これは、原理的にも陽極の突出部だけからイオンが放出
されるためであり、イオン源の太きさも１００〔入〕未
満程度と小さい。

また、イオンのエネルギ幅は１（ｅＶ）以下であり、充
分要求に応え得る。

第４図は本発明に係る装置におけるイオンの質量スペク
トルを示したものである。

図から明らかなように、Ｗ＋イオン以外にはＮａ＋、Ｋ
＋がタングステン陽極中の不純物として観測される程度
で、祝めできれいな質量スペクトルを持つ。

さらに前述の諸要求のうちで残されたものとして、寿命
およびイオン化物質の種類の問題がある。

このうち、寿命については、原子の供給を行わない場合
、取出すイオン電流の値にもよるが、適当な電界と温度
とが与えられれば数１０時間以上を得ることは容易であ
る。

また、イオン化できる物質は、ベリリウムＢｅ、硼素Ｂ
１ アルミニウムＡｔ、 シリコンＳｉ１チタンＴｉ１
バナジウムｖ１クロムＣｒ、鉄Ｆｅ、 コバルトＣｏ、
ニッケルＮ ｉ 。

銅Ｃｕ、 亜鉛Ｚｎ、 ゲルマニウムＧｅ１ジルコニウ
ムＺｒ、ネプツニウムＮｂ、モリブデンＭｏ。

ルテニウムＲｕ、ロジウムＲｈ、パラジウムＰｄ。

銀Ａｇ、錫Ｓｎ１ レニウムＲｅ、オスミウムＯｓ。

イリジウムＩｒ、白金Ｐｔ、金Ａｕ等があり、極めて多
種である。

上記実施例では、針状電極を単一種金属により構成し、
針状陽極の構成原子をそのままイオン化する場合を示し
たが、これは針状陽極に該陽極と同種または異種の元素
を蒸着、表面拡散、含浸等によって供給するようにして
もよい。

また、ヒータはレーザ光、電子衡撃て置き換えてもよい
し、その材料をタングステン以外にタンタルＴａ、 炭
素Ｃ等で構成してもよい。

さらに、陽極、陰極間に高電界を印加するための電源は
、陽極と接地との間に挿入しているが、陽極と陰極との
間に挿入してもよい。

本発明は上述のように、イオン化すべき物質により形成
され曲率半径が充分に小い尖端を持つ針状陽極を設ける
と共に、この陽極に前記物質が融点以上に昇温する熱エ
ネルギを与えるヒータおよび高電界を与える陰極を配し
、針状陽極の表面原子を電気流体力学的に移動させて尖
端からイオン化脱離させるため、イオン発生装置が具備
すべき要求を全て充足した装置を提供することができる
。

したがって、質量分析用としても、イオン打込み用とし
ても極めて優れた性能の装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の電気的構成を示す説明図、
第２図は同装置におけるイオン化電流の時間的変化特性
を示した図、第３図は同装置におけ・るイオンの方向依
存性を示す図、第４図は同装置における質量スペクトル
の説明図である。 １・・・針状電極、２・・・ヒータ、３，４・・・電源
、５・・・陰極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 曲率半径が数１０００Ｃ人〕より小さくイオン化す
   べき物質によって形成された尖端を有する針状陽極と、
   この陽極を前記物質が融点以上まで昇温するように加熱
   して前記尖端の表面原子を電離させるための熱エネルギ
   を与えるヒータと、前記陽極との間に前記表面原子を電
   離させるための電界を与える陰極とを真空雰囲気中に設
   けてなるイオン発生装置。