JPS5885242A - 点状イオン源 - 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】 本発明は、イオンマイクロアナライザーなどのイオンビ
ーム応用機器に有用な点状イオン源に関する。

高輝度の細いイオンビームを放射するイオン源として、
電界イオンイヒ現象を利用した点状イオン源が知られて
いる。これは、第１図例示すように対向電極に対して正
の高電圧を印加した針状チップ電極に１０−”ｆｏｒｒ
程度に減圧したガスを供給し、針状チップ電極の表面近
傍に存在する高電界の作用でこのガスをイオン化するも
のでめる。針状チップ先端は一般に先端曲率半径凡の球
表面に近く、高電界はこの球表面近傍ではほば一様であ
る。このため供給ガスは球状表面で一様にイオン化され
るので、針状チップから一般に１〜２ｒａｄ程度の広い
開き角の範囲に放射される。ところが、イオンマイクロ
アナライザーなどのイオンビーム応用機器におｉて実際
に利用されるのは微細な絞シ穴を通ったＱ、１ｒａｄ以
下の狭い範囲に放射されるイオンビームでメジ、針状チ
ップから放射されたイオンのうち９０％以上は無駄にな
っている。

この利用されないイオンビームは、電極近傍の壁に衝突
することになるが、この際有害な２次電子を発生させた
シするのでイオン源を安定に動作させるのに障害になっ
ている。実用的な点状イオン源としては、針状チップの
軸方向に狭め開き角でイオンを放射するのが望ましい。

本発明はこの点に鑑みてなされたもので、針状チップの
軸方向に有効に高輝度のイオンビームを放射する点状イ
オン源を提供することをその目的とする。以下、本発明
の詳細な説明する。

本発明て取扱っている点状イオン源は電界イオン化現象
を利用している。電界イオン化は針状チップ表面付近で
、電界が大きい領域で優先的に起こる。したがって、針
状チップの軸方向に強いイオンビームを放射させるため
には針状チップの頂点付近で優先的に電界が大きくなる
ように工夫することが会費である。針状チップ表面近傍
の電界は針状チップ表面の幾何学的形状によって決まシ
。

曲率半径の小さい突出した部分の近傍はど電界は大きく
なる。したがって、一様な先端曲率を持つ針状チップの
頂部に微小な突起を設ければ、イオン化はこの突起の部
分で優先的に起こるので、針状チップの軸方向に有効に
イオンビームが放射されることになる。第２図は、従来
の針状チックと本発明による針状チップを比較して示し
たものであり、（ａ）が従来の針状チップ、Φ）が本発
明の針状チップである。微小突起の先端曲率半径（つと
、針状チップの平均曲率中径（Ｒ）の望ましい関係は、
である＊’＜Ｒ／１００ては微小突起を作ることも困難
となル、まえ物理的に不安定でイオンの衝突やガスとの
反応によって消滅し易く実用的でない。一方、ｒ＞Ｒ／
２では微小突起によって電界が集中する効果が少ない。

微小突起の高さｈは５λくｈく２μｍ の軛曲がｘｔｔ、ｈ。ｈ（５Å以下では突起が消滅し易
＜、ｈ＞２μｍでは突起の強度が不足するため強電界中
で破断したシする。

このような微小突起の形成方法は檀々あるが。

例えば針状テップを加熱し丸状態で高電圧を印加して針
状チップの特定な結晶面がｍｂ上ってくる現象（ビルド
アップ現象）を利用する方法、蒸着やスパンターなどで
材料を付着させて突起を形成する方法あるいは針状チッ
プ材料に微細な析出物を含む材料を用いて電解研摩等で
針状に加工する際の母材と析出物の研摩速度の差を利用
して析出物を針状チップ表面で突起として露出させる方
法。

さらには母材と析出物の電界蒸発強度の差を利用して針
状チップを電界蒸発させることによって析出物を突起と
して露出させる方法等を用いれば良い。これらの方法で
作製した微小突起は、一般的ＫＦｉ滑らかなＲ表面状を
呈することは少ないが、一般的なイオンビーム応用装置
では十分に使うことができる。滑らかな球表面状の突起
がとくに望ましい場合は、針状チップの高温アニールや
電界蒸発法を利用して突起形状を修正することもできる
。

本発明による微小突起を設けた針状チップでは上に述べ
たようにイオンビームの放射方向が狭い開き角に限定で
きる効果の他に、イオンビームの輝度が瑠刀ｎするとい
う実用上の大きな効果がある。

電界イオン化現象を利用したイオン源においては、イオ
ン化するガスの供給は針状チップ外部の雰囲気から針状
チップに衝突してくる他に、針状チップの軸の表面に吸
着したガスが軸に沿って針状チップの先端に向けて拡散
することによって先端まで到達することによってもなさ
れる。針状チップおよびガスの温度がガスの液化温度に
近い領域では後者の効果が顕著になってくる。微小突起
Ｓ、を設けた針状チップでは、針状テッープに吸着し、
拡散によって先端部まで拡散したガスはほとんど微小突
起部でイオン化されることになシ、イオンビームの輝度
が向上することになる。微小突起を設けた針状チップで
は、従来の針状チップに比べて数倍以上も高輝度のイオ
ンビームを得ることができる。

以上述べてきたように、微小突起を設けた針状チップを
用いた点状イオン源ではイオンビームの放射角が狭くで
きる七同時に輝度も向上するという実用的に大きな効果
がある。

以下１本発明を実施例に従って説明する。

実施例１ ＜１００＞方位の先端曲率半径約１０００人のＷ針状チ
ップを１０′〜１０’″″’ｌ’ｏ　ｒ　ｒの酸素雰囲
気中で１４００〜２０００Ｃ’の温度に加熱しながら、
高電圧を印加してＷ針状テップ先端の（１００）面をビ
ルドアップさせて微小突起を形成させた。微小突起の形
状を高分解能の走ｆ型電子顕微鏡で観察したところ、先
端曲率半径約２００人、高さ５００人であった。

この微小突起を形成したＷ針状チップを点状イオン源に
使用し、第１図に示すイオンビーム光学系に搭載して、
Ｗ針状チップを２０Ｋまで冷却し。

同温匿まで冷却した水素ガスを供給して水素イオンビー
ムを発生させた。水素イオンビームの放射角は、微小突
起を設けない場合に比べて十分の一程度に縮小した。水
素イオンビームの放射電流密度も５０％はど増加するの
をＮｕｎ、た。

冥１ｆｆＡ例２ （１１１＞方位の先端曲率半径的２０００　人のＩｒ針
状ｆ”）プｋ　１０−ｋｒｏｒｒノ真空中テ１５００〜
１８ｏＯＣに加熱しながら高電圧を印加して、ビルドア
ップｉ象を用いてＩｒ針状チップ表面に微小突起を形成
した。突起の先端曲率半径は約５００人、高さは２０人
であった。

この針状チップを窒素および酸素ガスイオン源として使
用したところ、いずれもイオンビーム放射角が数分の一
以下になシ、イオンビーム放射電流密度が１００％以上
も向上した。

実施例３ ＜１００＞方位の先端曲率半径１０００Ａ程度の六硼化
物Ｍ　Ｂｓ　ｓ　　（Ｍ　＝　Ｃ”　ｔＢ’　＃Ｂ”　
ｅＬ”　ｒｃ”　ｒＰ　’Ｎｄ、８ｍ、Ｅｕ）針状チッ
プを電界高発法によってその先端を一様な球表面状に成
形した後、１０−’ＴＯｒｒＯ真空中で１７００〜２１
００Ｃのａ度で加熱して表面の金属元素Ｍを優先的に蒸
発させて、針状チップ表面にＢに富んだ島状の突起を形
成させた。この島状の突起は先端曲率半径ｒが５０（ｒ
（８００Ａ、Ｍさｈが５＜ｊ）＜２０ＯＡで６った。

この島状の突起の位置を電界イオン顕微鏡で確認した後
、この突起がイオンビーム光学系の軸上にくるように、
第１図に示す装置に搭載した。

Ｎｅ　ｔＡｒ　＊に’ガスを該針状チップを用いてイオ
ン化したところ、イオンビームの放射角縮小。

イオンビーム放射電流密度の向上において顕著な効果が
認められ丸。

実施例４ 熱処理を行なったＦｅ−Ｍｏ−Ｃ合金を針状チップ材料
として用いた。この試料中には微細なＭ　ｏ、　Ｃ粒が
含まれていることを電子顕微鏡法によって確認した。試
料を電ｗＩ研摩で針状に加工する過程でＦｅ−ＭＯ−Ｃ
合金母相とＭＯＩＣ粒子の研摩速度の差を利用して、針
状チップ表面にＭＯ，Ｃ粒子を突出させた。つづいて、
電界蒸発法によってＭＯ＊Ｃ粒子を均一な先端曲率半径
を持つように加工してＭ　ｏ　ｔ　Ｃの微小突起を形成
させた。針状テップ先端Ｋｊｌ出したＭＯ，Ｃ突起の大
きさは、先端曲率半径５００Ａ、高さ３０人であった。

この針状チップの平均先端曲率半径は２０００Ａでめっ
た。

この針状チップを、　Ｎｔ　　、Ｘｅ　、ｌ（ｅガスイ
オン発生用の点状イオン源として使用したところ。

イオンビーム放射角の縮小、イオンビーム放射電流密度
の向上において顕著な望ましい効果が認められた。

実施例５ ＜０００１＞方位の先端曲率半径１６００人のＢｅ針状
チップを電界蒸発法で球表面状に成形した後、針状チッ
プの軸方向直上からＲｅｔ−蒸着し、（０００１１面上
にＢｅの微小量を埋積させた。Ｈｅ埋積の過程は電界イ
オン顕微鏡もしくは電界電子放射顕微鏡法で観察した。

Ｒｅの埋積が多すざたシ、目的の結晶面に埋積しなかっ
た場合は、再び電界蒸発法で埋積したＲＣを除去して目
的の埋積が得られるまでＢｅ蒸着を繰夛返した。この手
法によって、先端曲率半径約１６００人のＲｅ針状チッ
プの頂部に、Ｉ［径３００人、高さ２００人程鹿のｌｅ
ｅを蒸着した。この針状チップを高温で加熱して、ｓｓ
し九Ｈｅを下地となじませると同時に、弐面拡散によっ
て先端曲率半径１５０人、高さ１００人の微小突起とな
るように成形した。

この針状チップを、ＣＨ，、ＢＨ魯、Ｒｅｔ４．ＰＨＩ
。

ＰＣｔ・ｅ　Ｈ鵞＋　Ａ　’ガスをイオン化するのに用
いたところ、イオンビームの放射角に微小突起を設けな
い場合の数分の一以下、放射電流密度ＦｉＳＯ〜１００
％程度向上することを確認した。

なお、上記実施例ではＨ，ｅ針状チップの上にＢｅを蒸
着する場合について述べたが、針状チツプ材料と蒸着す
る材料が異なっても同様な効果が得られることはもちろ
んでるる。例えばＢｅ針状チップの上にＩ　ｒ　、Ｐｔ
　＋Ｒｈ　＋Ｗ　、Ｍｏ　＋Ｔ　ｉ　ＩＣなどを蒸着し
ても良い。

以上の実施例で述べたように、針状チップ先端部に微小
突起を設けることによシ点状イオン源のイオンビーム放
射角が狭い領域に限定されると四時にイオンと一ムの放
射電流密度が向上する。さらにこの形状を待つ針状チッ
プは上記実施例で述べたように簡単に製造することがで
きる。故に。

本発明はイオンビーム応用機器の性能を向上させるうえ
で実用上有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電界イオン化現象を利用した点状イオン源を
示す図、第２図（ａ）は従来の針状チップ先端を、Φ）
は本発明による針状チップ先端の形状を示す図である。 １・・・針状チップ電極、２・・・対向電極、３・・・
ガスリークパルプ、４・・・ガスボンベ、５・・・イオ
ンビームレンズ、６・・・イオンビーム。 第　　１　　回 ｌｉＺ （ｄ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電界イオン化現象によってガスをイオン化する方式の点
   状イオン源において、イオン化のための先端平均曲率半
   径凡の針状チップ電極の先端に。 ５人くｈく２μｍ なる縄さり、先端自軍半径ｒを持つ微小突起を設けたこ
   とを特徴とする点状イオン源。