JPS6047342A - 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】 （技術分野） 本発明は、高安定なイオンビームを放出する電界放出型
の液体金属イオン源に関するものである。

（従来技術） 高’ｍｕイオン源として、針状エミッタを用いた電界放
出型液体金属イオン源が良く知られている。

本願人は、この種液体金属イオン源として、イオンを放
出すべき液体金属を貯溜するリザーバ部ツタと対向して
配五−され、釘状エミッタから液体金属のイオンを引き
出す引出し電極と２具え、リザーバ部において、釘状エ
ミッタに対し、イオン放出方向とは反対側に、液体金属
を貯溜するようにしたことを特徴とする液体金属イオン
源を特ｔｉ昭りｇ−／３ククＯ夕号において提案した。

かかるリザーブ構成の液体金帽１ン源の構成を第１図お
よび第２図に示す。第１図および第一図において、／は
針状エミッタ、コは液体金属針グは液体金属貯蔵部λの
囲りに配置されたヒータ、夕はこのヒータクの加熱用電
源、乙は引出し用電極、７は引出し電極乙へｓｍするグ
１出し電源、ざは引出し電極乙の支持部、？は針状エミ
ッタ／に対向する引出し電極乙の面（針状エミッタ対向
面）、／θはイオン引き出し用の孔（引出し電極孔）で
ある。さらに、／／は装置組込用の電圧導入端子（ｑフ
ランジ、７．２は給線性基板、／３はイオン源本体の支
持部、／ｌは針状エミッタ／に高電圧を供給する高電圧
供給端子、／、９は絶縁熱伝導材による液体金属貯蔵部
加熱用支持体、／６は導電性の液体金属貯蔵部固定体、
／７は熱しゃへい板、７ｇは排気用の排気口である。釘
状エミッタ／は、液体金属貯蔵部λの先端に設けられた
孔かられずかの間隙（約θ、／〜（７Ｊ’ｍ）を保って
液体金属貯蔵部−の外に突出している。

このような構成において、液体金属貯蔵部りの中にイオ
ン化すべき金ｍ３を入れ、加熱用電源りを用いて液体金
属貯蔵部内の金属Ｊを溶融することにより、針状エミッ
タｌの先端へ溶融した金属が供給される。ここで、引出
し用電源７企用いて釘状エミッタｌと引出し電極乙との
間に高電界を印加することにより、針状エミッタｌの先
端の液体金属からイオンが放出される。

第１図のよう１（構成のイオン源において、Ａｌなどの
高融点で反応性の高い金属、Ａｕなどのような高融点金
属を用いてイオンビームを放出Ｔると、引出し電極乙に
放出イオンビームとは関係ないと思われる電流の流れが
観測される。すなわち、引出し電圧をかけると、イオン
を放出する以前に既に引出し電極乙に電流が流れている
。この電流が多いと、一般には、放出イオンビームの安
定性が悪く、シかも、ビームスポット径の小さな収束イ
オンビームを得る低イオン放出が得られにくいという問
題があった。この現象は公表されておらず、その原因も
不明で推測の域を出ないが、少なくともイオン源自体の
温度が上昇するとこの現象が顕著になった。

（目　的） そこで、本発明の目的は、これらの欠点を除去するため
に、引出し電極の構造を改良することによって引出し電
極に流れるイオン電流以外の電流のＩＥを抑え、以て放
出イオンビームの安定化を図った液体金しイオン源を提
供することにある。

（発明の構成） かかる目的を達成するために、本発明では、イ、１ンを
放出すべき液体今風を貯溜するリザーバ部と、そのリザ
ーバ部の下部に配置された釘状エミッタと、上述のリザ
ーバ部から剣状エミッタに液体金！・（を（ｉＬ給する
供給部拐と、金１状エミッタと対向して配置ｊｆされ、
釘状エミッタから液体金Ｅ３のイ珂ンを引き出す引出し
電極とを具え、リザーバ部において、針状エミッタに対
し、イオン放出側向とは反対側に、液体金属を□貯溜す
るようにし、針−状エミッタの先端よりもイオンが放出
される側において、引出し電極を、針状エミッタの軸上
に近い部分では針状エミッタに最も接近させ、金１状エ
ミッタの軸上から離れた部分ではイオン放出側に近い位
置に位置させるようにしたことを特徴とする。

ここで、引出し電極には、針状エミッタの先端からイオ
ンが放出される側に排気用の排気口を設けるのが好適で
ある。

また、引出し電極に水冷用パイプを取付けるのが好適で
ある。

り［出し電極としては、その針状エミッタの先端と対向
する部分の形状を針状エミッタに向けて先ずぼまりのほ
ぼ円錐台形状とすることかできる。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明を詳細にｌｊλ明する。

第３図おにび第１／図は本発明液体金６イオン源の一実
施例の構成を示し、ここで、第１図および第２図と同様
の個所には同一の符号を付してその詳細は省略する。図
中１．２／は針状エミッタ対向面、ｎは中央に引出し１
１！極孔／θを有し、釘状エミッタに向けて先すぼまり
の円錐台形状の引出し電極、ユ３はｎＴｈ気口評をあけ
た引出しであり、これら引出し電極２．２と３とにより
引出し電極３を構成する。

さらに、ムは引出し電極、２夕の支持部である。このイ
オン源によっても、第１図のイオン源と同様の方法でイ
オンビームを放出することができる。

第１図示の先の提案に係るイオン源と第３図示の本発明
によるイオン源とは、引出し電極６（第１図）と引出し
’ｉｌ［ｉｕ／１．（第３図）の構造が以下に述べるよ
うに異なっている。

（１）　先の提案におりるイオン源の引出し電、極６（
第１図）は、第１図に示したように、釘状エミッタｌの
軸方向に垂直に設誼された平板乙の形態であって、この
平板乙にイオン引出し用の孔ＩＯをあけたものが用いら
れている。それに対して、本発明では、第３図のように
、円錐状引出し電極〃および排気日付き引出し電極、２
３からなる引出し電極３を、針状エミッタｌの軸」二に
近い所で最も近接させており、軸上から離れた所で釘状
エミッタｌから遠ざかるようなｔＩＩ造に打・ｒ成する
。すなわち、針状エミッタｌに対向した、針状エミッタ
ｌに近い引出しｉｌＥ極３の面積、つまり釘状エミッタ
対向面コ／の面積が小さくなるような構造とする。

そのためには、第３図のように円錐状引出し電ｔＩｌ１
１．２．２とし、その肉厚を薄くしたり、または、その
引出し電極孔１０の周縁部を、スパッタされに〈＜、か
つ放出イオンに影響を与えない範囲で鋭角にとがらせる
こともできる。

（，２ン　先の提案におけるイオン源（第１図）では、
排気用の排気口／ｇはり１呂し電極支持部ｇの側面に設
けてあり、引出し電＄Ｉｉ！ｔ、には排気用の排気口を
設けていない。それに対して、本発明では、第３図示の
ように、引出し電極孔１０の周囲に排気口２／Ｉを配置
した＜１４造としている。それによれば、金１状エミッ
タｌの近傍で発生するガスをできるだけ迷やかに排気し
て、動作時の針状エミッタｌの近傍の真空度を高真空に
することができる。

本実施例をＡｌイオン源に適用した際のイオン放出特性
を第５図および第Ａ図に示す。なお、本実施例では引υ
４し電極、２夕の総排気口断面積を約グ３０−とじた。

第９図は、針状エミッタ対向面、２／の面〃ｔを変化さ
せた際の、Ａｌイオン放出直前の引出し電極電流（イオ
ンを放出する直前の引出し電圧がかけられている状態）
の変化を示したものであり、針状エミッタ対向面コ／の
面積が小さいほど引出し電極電流が小さくなった。

また、第６図は、ＡＩイオン放出後の放出イオンビーム
電流に対する引出しＴｆ、極電流特ゼ；におりる針状エ
ミッタ対向面、２／の面和依存性を示したもので、針状
エミッタ対向面、２／の面積が小さいほどグ１出し電極
電流が小さい。なお、針状エミッタ対向面コ／の面積が
約ざθｍＩ！のイオン放出特性は、それ以上の面積のも
のに比べると、イオンビーム電流の揺ぎが大幅に軽減さ
れていた０さらに、面積約ｇ−のもの（・印）では、面
稍約ｇＯｍｄのもの（×印）に比較すると、イオンビー
ム電流の揺ぎは全く認められなかった。

これらの結果から、イオンビーム電流咥μＡ以下の低イ
オンビーム■流域で安定なイオンビームを得るためＧこ
は、針状エミッタ対向面、２／の面積を約ｇＯ−以下に
する必要があり、さらにできるだけ面積を小さくした方
がよいことが明らかになった。

第７図は、釘状エミッタ対向面２／のｍｊ積を約ｇＩｌ
ｄにし、引出し電圧を７．ｊＫＶ（一定）、イオンビー
ム電流分２０μＡとしたときの、角度電流密度の時間に
対する変動を示し、ここで、イオン電流変動率は±１％
／　ｊ　ｈｒｓ以下となり、低いイオンビーム電流（２
θμＡ）で非常に安定した。ｌイオンビームが得られた
。

また、総排気口断面積を約１Ｉ３０−から約ｉｈｏ　１
．ｌに減少させた際の、同様なＡＡイオン源に対するこ
れらの特性変化を検討した結果、断面積約り３゜−のイ
オン源は断面積約／りＯｍｌのものに比べて全ての点で
良好な結果を示した。しかも、液体金属Ａ／温度約Ａ６
０〜９θＯ℃、総稼動時間約／！；Ｏｈｒｓ以上経過さ
せた後も、針状エミッタｌの先端の液体金属ｉの変質等
は全く認められなかった。

以上のことから、針状エミッタ対向面、２／の面積を約
ｇｏ−以下にし、かつ引出し電極孔１０の周囲にＨト気
ロＪ’を設けた引出し電極構成により、へ１等の反応性
の高い高融点金属のイオンビームを長時間安定に得られ
ることが明らかになった。

このような引出し↑ｎ極イ、ニア＋　ｉてイオンビーム
を安定に放出できる理由として、以下のことが考えられ
る。

（１）　引出し１１１．ＩＪ４の加熱（昇温）により熱
１（１，子放出が生じ、この熱電ｐ電流が不安定要因の
７つと推定される。従って、引出し電ｔｉｊｌｊの温度
を上げないようにするか、引出し′ｔ１−；、、　ｉ・
ｉｉｌの熱電子放出面積を小さくするのが有効と考えら
１１る。実ｆ＋’ｔｉ例では、針状エミッタ／に対向す
る小１１’ｉ積ｆｆ：’＋　’）Ｊのみが！′Ｉ湿し、
それ以外の部分でけ温１ズ［−トゲｌ。も小さいため、
不安定要因に４ぐる引出し電極電流か減少したと考えら
れる。

（，２）　さらに、・ｒオン源を加熱（昇Ｗｉ’ｕ　）
　シＴ、：す、イオン２放出さけ−ると、金１状エミッ
タｌに対向する引出し電極表面、２／に導電性のイ」着
物がス・えき易い。これが温度上屏にイ１′ない、より
一層多くのｉ！′Ｊ、を電子を放出し易くなると考えら
れる。従って、付着物がイ」着する面積を小さくすると
共しご、（Ｉｔ：温化を図った本発明の構造により、不
安定要因になる引出し電極３への電流がｚｌｒれにくく
なつたと考えられる。

（３）針状エミッタｌの近傍の工゛Ｉ空度が悪いと、針
状エミツタノに対向する引出し電極表面、２／に付着物
が着き易い傾向がある。本実施例では１排気ローグによ
り釘状エミッタｌの近傍での↓′（空度を常に高真空に
保つ構造にしているため、性能がより一層向上したと考
えられる。

第ｇ図および第９図は、本発明の別の実施Ｉ！ＡＪを排
気口、３／Ｉは釘状エミッタ対向面である。本実施例は
、第３図の引出し電極Ｊのｌｉ’＜造をさらに改良した
もので、イオン引き出しに必Ｈｇ　ｌよ引出し電極孔／
θの部分以外の引出し電極３／のｎｒｒ稍を一層小さく
形成する。図示のように、引出し電極３／の面積が第３
図の実施例よりも減少しており、しかも、引出し電極３
）はほぼ帯状をなしているので、残余の排気口部分３月
こよりほぼ定められる総損気口断面積が増大しているた
め、イオンビームのよリ一層安定な放出が可能である。

第１θ図は、本発明のさらに別の実施例を示し、ここで
、Ｑ／は引出し電極、侵は引出し電極ｌ！／の支持部、
り３は引出し電極り／に取付けた水冷用パイプ、弘りは
排気口である。前述したように、引出し電ｆｆ５１１／
の温度上昇を阻止することがイオンビームの安定な放出
な保証する／要因であることを考慮して、本例でけり［
出し電極４ｔ／に水冷用バイブｌ／３を設けることによ
り、イオンビ・−ム電流の安定化を図る。７１（ｉ用パ
イプ４／３は、放出されたイオンビームに影響を与えな
い範囲で、できる限り引出し電極ｌＩ／の温度上昇し易
い部分に配置することが有効であることは言うまでもな
いことである。

以上説明した本発明の実施例においては、ＡＡのような
特に反応性の高い高融点金属を例にとって本発明を説明
してきたが、Ａｕ等の高融点金属や他の合金等の液体金
属イオン源にも本発明を適用できることは当然のことで
ある。さらに、本発明において開示した引出し電極構成
をもつイオン源ハ、電界放出型のイオン以外の荷電粒子
発生装置にも適用することが可能なことは言うまでもな
い。

（効　果） 以上説明したように、本発明によれば、電界放出型液体
金属イオン源に対して、針状エミッタ先端に近接して対
向した引出し電極の面積を小さくし、また、引出し電極
孔の周囲に排気口を設けることによって、引出し電極へ
の余分な電流の流れを軽減することができ、Ａｕ等の高
融点金属のみならず、Ａ１等の反応性の亭い金属に対し
ても、イオンビームの長時間、かつ、高安定な放出を実
現できるので、非常に有用である。このように、本発明
は、液体金５イオン源として有用である。

本発明液体金属イオン源は高輝度で種々のイオン種の発
生が可能であるから、バタンニング（ｆｉ光等）、イオ
ン打込み、マイクロエツチング、付％ｗ　）−ｅ’ング
、さらにはイオンビームマイクロアナリシス用のイオン
源として広範な応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電界放出型液体金属イオン源の一例を示
す構成図、 第一図はそのＡ−Ａ線断面図、 第３図は本発明電界放出型液体金属イオン源の一例を示
す構成図、 第９図はそのＢ−Ｂ線断面図、 第タ図、第６図および第７図は本発明のイオン源の各種
特性を示す線図蔦 第ｇ図は本発明イオン源の別の実施例？示す構成図、 第り図はそのＣ−Ｃ線断面図、 第１０図は本発明のさらに別の実施例を示す構成図であ
る。 ｌ・・・針状エミッタ、 コ・・・液体金属貯蔵部、 ３・・・液体金属、 り・・・ヒータ、 Ｓ・・・加熱用電源、 ６・・・引出し用電極、 ７・・・引出し電源１ ｇ・・・引出し電極支持部、 フ・・・針状エミッタ対向面、 ＩＯ・・・引出し電極孔、 ／か・・電圧導入端子付フランジ１ ７．２・・・絶縁性基板、 ／３・・・引出し電極支持部１ ／ｌｌ・・・高電圧供給端子、 ／Ｓ・・・液体金属貯蔵部加熱用支持体、／／、・・・
液体金属貯蔵部固定体、 ／７・・・熱しゃへい板、 ７ｇ・・・排気口、 ２／・・・針状エミッタ対向面１ ．２λ・・・円錐台形状引出し電極、 ２．７・・・排気口付の引出し電極、 Ｊ・・・排気口１ ．２Ｓ・・・引出し電極、 ユ４・・・引出し電極支持部１ ３１・・・引出し電極、 ３２・・・引出し電極支持部１ ３３・・・排気口、 ３’ｌ・・・針状エミッタ対向面１ ３Ｓ・・・排気口部分、 ダハ・・引出し電極、 侵・・・引出し電極支持部、 す・・・水冷用パイプ、 ｑｌＩ・・・排気口。 特許出願人　日本電信電話公社 代理人弁理士　谷　義　−： ：１ イ才〉ヒーム電ユ斤　（）ＩＡ） 第８図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）イオンを放出すべき液体金属を貯溜するリザーバ部
   と、 該リザーバ部の下部に配置された針状エミッタと、 前記リザーバ部から前記針状エミッタに前記液体金属を
   供給する供給部材と、 前記針状エミッタと対向して配置され、当該釘状エミッ
   タから前記液体金属のイオンを引き出す引出し電極とを
   具え、 前記リザーバ部において、前記針状エミッタに対し、イ
   オン放出方向とは反対側に、前記液体金属を貯溜するよ
   うにし、前記針状エミッタの先端よりもイオンが放出さ
   れる側において、前記引出し電極を、前記針状エミッタ
   の軸上に近い部分では前記針状エミッタに最も接近させ
   、前記針状エミッタの軸上から離れた部分ではイオン放
   出側に近い位置に位置させるようにしたことを特徴とす
   る液体金属イオン源。 、２）前記引出し電極には、前記針状エミッタの先端か
   らイオンが放出される側に排気用の排気口を設けたこと
   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
   ン源。 、７）前記引出し、電極のうち、前記針状エミッタの先
   端に対向する部分の形状を前記針状エミッタに向けて先
   ずぽまりのほぼ円錐台形状となしたこと企特徴どする特
   許請求の範囲第１項記載の液体金属イオン源。 り）前記引出し電極に水冷用バイブ２取付けたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体金属イオン源
   。 （以下、金白）