JPS62206745A - イオン源装置 - 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〕 この発明は液体金属イオン源装置、とぐに長時間安定に
イオンビームを発生させる装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は例えば特開昭５ｓ−ｃｏ＋７４ａ　％公報に示
された従来のイオン源装置の構成を示す断面図である。

図において、ｆｉ＋はタンタルで形成されたリザーバ、
＋２ＨｄｌＪザーバ（１）の底部に設けられた開口部、
＋３）はリザーバｆｉｌ内に貯留されたガリウムであり
、イオンビームの原料金属である。（４）はタングステ
ン製のエミッタであり、開口部（２）を貫通して、一端
がリザーバ（１）の側面にスポット溶接によって固着さ
れており、他端が電解研磨によりリザーバｆｉｌ外にお
いて針状に形成さねている。（６）はエミッタ（４）の
針状部に対向する接地電位の引出し電極、（６）はリザ
ーバ（１１の側面にスポット溶接されたタングステン製
の２木のフィラメント、（７）は２木のフィラメント（
８）をそれぞれスポット溶接により支持する２個の電流
端子、（８１は２個の電流端子（７）に接続する加熱′
ａ源、（９）は一端が接地された高圧電源であり、リザ
ーバｆｉｌ：Ｔｈよびエミッタ（４）に正の高電圧を印
加する。

次に動作について説明する。加熱電源（８１を投入する
と電流は一方の電流端子（７）からフィラメント（６）
およびリザーバ！１１などを介して他方の電流端子（７
）へ流れる。この電流によりフィラメント（６）は発熱
し、このフィラメントからの伝導熱によってリザーバ（
ｌ（、エミッタ（４）オよびガリウム＋３）　ｔ／′ｉ
加熱される。高温となったガリウム（ａｔ　ｉ−を濡れ
性が良好な溶融金属となり、開口部（２）を通りエミッ
タ（４）の針状部を薄膜状に覆う。このエミッタ（４）
の針状部には高圧電源（９）により強電界が印加されて
おり、針状部を覆う溶融したガリウム（３）はこの強電
界によってテーラ−コーン（Ｔａｙｌｏｒ　Ｇｏｎｏ）
と称され、る円錐突起を形成する。この円踵突起の先端
部には電界が集中するため、ガリウム（３）は先端部で
電界蒸発し、イオンとなって引出し電極（５）方向へ引
き出される。

この際、安定なイオンビームを長時間発生させるために
は、溶融したガリウム（３）を高温に保持することによ
り、その粘性を低下させ、エミッタ（４）の針状部表面
での先端方向への流量抵抗を軽減する必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のイオン源装置は以上のように構成されているので
、リザーバ（１）の支持機能を兼ねるフィラメント（６
）には、熱歪みや機械的強度の制約から十分な電流を通
電できず、また、フィラメント（６）で発生した熱エネ
ルギーの大半は輻射などで散逸するために、リゴーバｆ
ｌｌ内のガリウム（３）を有効に加熱できなかった。さ
らに、エミッタ（４）の針状部の加熱はリザーバｆｉ＋
を介した伝導熱によるため、その間に温度勾配を生じ、
上記針状部近傍のガリウム（３）を高温に保つことが困
難であった。したがって、長時間安定なイオンビームを
発生させることが困難であるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、長時間安定なイオンビームを発生させるイオ
ン源装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るイオン源装置は、イオン化すべき金属を
貯留する容器と、この容器の貯留部に穿設さねた開口部
と、上記貯留部にν置され導電材料からなり、！２の電
源によって発熱し上記金属を加熱するヒータと、このヒ
ータの上記開口部近傍の一部を除き上記ヒータを被覆す
る絶縁体とを備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、絶縁体により被覆されたヒータを
通電することにより、そのヒータが発熱し、その伝導熱
により特に容器の開口部近傍のイオン化すべき金属を高
温に集中加熱する。

〔実施例〕

以下、この発明の第１の実権例を説明する。第１図はこ
の発明の第１の実施例のイオン源装置の構成を示す断面
図である。図において、（ｌＯ）けタングステン線等の
高融点金属力λらなる例えばＵ字形状のヒータで、リザ
ーバｆｉｌ内に配置されてオシ、その両端はスポット溶
接で後述のリード線αυ、（２）に接続されている。（
４）はタングステン製のエミッタであり、開口部（２）
を貫通して、一端がヒータｆ１０＋の下部にスポット溶
接によって接続されており、他端が電解研磨によりリザ
ーバｆｉｌ外において針状に形成されている。（至）け
ヒータ（ｌＯ）の開口部（２）近傍の一部を除きヒータ
（１０）を被覆する絶縁体であり、例えば２つ穴の開い
た絶縁チューブが用いられる。

αυおよびＯｕｔ、そわぞねヒータα０）の一端と這流
喘子＋７１とを接続するリード線、（８）ハヒータ１０
１の両端間に通電させる加熱を源である。α弔けりザー
バｆｉ＋と電流端子（７）とをろう付けで固定するか、
あるいは機械的に固定するとともに、各電流端子（７）
を電気絶縁する絶縁支持体、叩はガリウム（３）の蒸発
によるガリウム（３）飛散を防止するための絶縁性を有
する蓋材である。１１１〜１３＋　、　ｔ５）　、　（
７１および（９）は従来のものと同様のものである。

次に動作について説明する。加熱電源（８）を投入する
と、電流は電流端子（７）、リード線騰、ヒータｔｉｏ
ｌ　、　ｌ−ド線αＤおよび電流端子（７）を流れて加
熱電源（８）へ帰還する。この際、ヒータ（ｌＯ）が発
熱し、この熱はガリウム（３）の全体に伝導により伝わ
るため、ガリウム（３）は高温加熱される。また、絶縁
体（至）に被覆さねていない部分からの熱伝導により、
エミッタ（４）の針状部および針状部近傍のガリウム（
３）ハ特に集中加熱される。なお、ガリウム（３）に浸
されていないリザーバ（１１ハ部では、発生した熱は輻
射によりリザーバｉｌｌに吸収さね、リザーバ（１１の
加熱に供され、ひいてはガリウム（３：の加熱に寄与す
る。

したがって、発生する熱はガリウム）３）の量の多少に
かかわらず、効率よくガリウム１３＋の加熱に利用され
る。それ故、溶融したガリウム（３）はエミッタ（４）
０針状部へ安定的に供給され、ひいては安定なイオンビ
ームの発生をもたらす。さらに、加熱効率も向上する。

なお、第１図に示されたこの発明の第１の実施例のイオ
ン源装置ではヒータ（ｌＯ）をＵ字形に形成したが、ヒ
ータ（ｌωの形状はそれに限らない。すなわち、加熱電
［（８１からの電流の往路および復路かリザーバ（１）
内に形成されていわばよい。

第２図はこの発明の第２の実施例のイオン源装置の構成
を示す要部断面図である。第３図はそのｎｌ−１１Ｉ線
断面図である。図において、　　（１０−８）、　（ｘ
ｏ−ｂ）および（１０−（１）がそれぞれ溶接により固
定されてヒータを形成している。、絶縁体αａけ２つ穴
の開いた絶縁チューブを用いても、フィラメント（１０
−ａ）、　（ｌ□−ｂ）に直接溶着してもよい。こうす
ると、エミッタ（４）の中心軸と絶縁体０の中心軸が一
致するので、エミッタ（４）の中心軸と開口部（４）の
中心軸とを容易に一致できる。さらに、第１図および第
２図に示された２つの実施例では、エミッタ（４）をヒ
ータ（１０）に固定したが、第４図に示されるようにタ
ンタル製の補助板αり等を介して、すｆ　−／＜［１１
下部にスポット溶接して固定しても、同様の効果を奏す
る。こうすわば、エミッタ（４）のリザーバ（ｌｉ外へ
突き出る長さを容易に設定できる。なお、＠４図中の矢
印はスポット溶接すべき箇所を示す。

また、セラミックス製のリザーバとエミッタとを固定す
る場合には、高温で使用可能な無機系接着剤（例えばス
ミセラム）が利用できる。

また、木実櫂例のリザーバ［１１の開口部（２）には、
この開口部（２）に連通ずる管状部が設けられているが
、この管状部は必須で汀ない。管状部のないリザーバ（
１１を用いると、リザーバ（１＋内に貯留したガリウム
（３）の量や温度が変動することにより、ガリウム１３
＋の重力と表面張力の平衡条件も変動するため、テーラ
−コーンを形成するガリウム（３）の自由表面形状が変
化する。管状部を設けることによりこの変化を規制する
ことができる。すなわち、リザーバ（１）内あガリウム
（３）は管状部の外径以上には広がるこ七ができないの
で、ガリウム（３）の液面は管状部の底面全面を覆った
状態で安定となる。したがって、管状部の外径を十分小
さくしておけば管状部の底面に付着するガリウムの自由
表面の面積は小さくなるので、リザーバ（１１内のガリ
ウム（３）の量や温度の変化あるいけ機械的振動などに
伴う上記自由表面の変動も小さく規制される。また、ガ
リウム（３）の表面積が小さくなることから、ガリウム
＋３）の蒸発も抑制される。なお、管状部の材質をイオ
ン化すべき金属と濡れ性の悪い材料（例えば原料金属ガ
リウムに対してアルミナセラミックスなど）とすると、
ガリウム（３）は管状部表面を広がりに（〈、ガリウム
＋３）の茗発面積をいっそう小さくすることができる。

また、管状部はリザーバ（１）と別体でもよ（、例えば
タンタル製の管状部材を電子ビーム溶接などで取り付け
ねばよい。

次に、この発明の第３の実施例を図について説゛明する
。第５図はこの発明の第３の実施例のイオン源装置の構
成を示す断面図である。ここに示されたものは、いわゆ
るキャピラリ型のイオン源装置である。図において、（
２）は開口部であり、例えば直径数十声ｍ〜数百声ｍと
なっている。（ｔｌ　、　ｆ３＋　。

（５）および（７）〜（至）は第１図に示された第１の
実権例のイオン源装置と同様のものである。

次に動作について説明する。かように構成されたイオン
源装置においても、加熱電源（８）を投入すると、ヒー
タ（ＩＯ）の発熱により、リザーバｆｉ＋の開口部（２
）近傍のガリウム（３），が特に高温に保たれる。

こうして、リザーバ（１１の開口部（２）近傍のガリウ
ム（３）け、濡れ性が良好な溶融金属となり、開口部＋
２）を通り、リザーバ（１）外に出る。このガリウム（
３）にｔ／′ｉ高圧電源（９）により強電界が印加さね
ており、溶融したガリウムｆ３＋　Ｉｄこの強電界によ
ってテーラ−コーン（Ｔａｙｌｏｒ　Ｃｏｎｅ　）と称
さねる円錐突起を形成する。この円錐突起の先端部には
電界が集中するため、ガリウム（３）の先端部で電界蒸
発し、イオンとなって引出しＩｔ　＆　＋５）方向へ引
き出される。

また、ガリウム（３）に浸されていないヒータ（ｌＯ）
上部では、発生した熱エネルギーは輻射によって運ばれ
、リザーバｉｌ＋に吸収さねる。したがって、リザーバ
ｉｌ＋が高温に保持され、熱シールドとしての役割をけ
たすこととなる。

故に、ヒータ（ｌＯ）で発生した熱エネルギーがリザー
バ（１）の開口部（２）近傍のガリウム（３）の粘性を
効率的に低下させ、開口部（２）へ要時間゛安定してガ
リウム（３）を供給する。ひいては、長時間安定したイ
オンビームを発生させる。さらに加熱効率も向上する０ なか、太実権例にかいても、ヒータ（ｌＯ）をＵ字型に
構成したが、ヒータ（１０）の形状はこねに限定される
ことなく、また、開口部（２）に連通ずる管状部も必須
ではない。

また、上記実権例では、原料金属としてガリウム（３）
を例にとって説明したが、セシウムや、一部の共晶合金
などの金属を使用してもよい。粉末状や粒塊状の金属で
もよい。エミッタ（４）やリザーバ（１）の材質も、タ
ングステンやタンタルなどに限うず、他の高融点金属を
使用できる。リザーバ（１）はまた、絶縁物、例えばセ
ラミックスにより形成されてもよい。こうすれば、セラ
ミックスは金属に比して原料金庫に侵蝕されることが少
ないため、イオン源装置の寿命が延び、また、反応性の
高い金属を原料金属として使用できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、イオン化すべき金属
を貯留部を有する容器と、この容器の貯留部に穿設され
た開口部と、上記貯留部に配置さね導電材料からなり、
第２の電源によって発熱し上記金属を加熱するヒータと
、このヒータの上記開口部近傍の一部を除き上記ヒータ
を被覆する絶縁体とを備え、開口部近傍の金属が高温に
保たれ、安定して供給されるので、長時間安定なイオン
ビームを発生させるイオン源装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例のイオン源装置の構叙
を示す断面図、第２図はこの発明の第２の実権例のイオ
ン源装置の構成を示す要部断面図、第３図はそのＩＩＩ
−ＩＩＩ線断面図、第４図はこの発明のさらに他の実権
例のイオン源装置の構成を示す要部断面間、第５図はこ
の発明の第３の実施例のイオン源装置の構成を示す断面
図、第６図は従来のイオン源装置の構成を示す断面間で
ある。 因において、（１）は容器としてのリザーバ、（２）は
開口部、（３）けイオン化すべき金属としてのガリウム
、（４）け針状チップとしてのエミッタ、＋５）ｉ引出
しｔ極、（８）け第２の電源としての加熱電源、＋９）
ｉｄ第１の電源としての高圧′α源、（１０１けヒータ
、０３け絶縁体である。 なお、各図中−−符Ｊ８は同一または相当部分を示す。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン化すべき金属を貯留する貯留部を有する容
   器、この容器の貯留部に穿設された開口部、第１の電源
   により上記開口部のイオン化すべき金属との間に電圧が
   印加されることによって上記金属のイオンビームを引出
   すための引出し電極、上記貯留部に配置され導電材料か
   らなり第２の電源によって発熱し上記金属を加熱するヒ
   ータ、このヒータの上記開口部近傍の一部を除き上記ヒ
   ータを被覆する絶縁体を備えたイオン源装置。
2. （２）開口部は針部が引出し電極を向いている針状チッ
   プを囲繞していることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のイオン源装置。
3. （３）針状チップは開口部近傍のヒータと熱的かつ機械
   的に接続したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載のイオン源装置。
4. （４）針状チップは容器の開口部に固定されたことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載のイオン源装置。
5. （５）針状チップはタングステンよりなることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項ないし第４項の何れかに記載
   のイオン源装置。
6. （６）容器はセラミックスよりなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。
7. （７）容器はタンタルよりなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のイオン源装置。
8. （８）容器は開口部に連通する管状部を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。
9. （９）ヒータはタングステンよりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。