DE102007027097A1 - Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams - Google Patents

Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams Download PDF

Info

Publication number
DE102007027097A1
DE102007027097A1 DE200710027097 DE102007027097A DE102007027097A1 DE 102007027097 A1 DE102007027097 A1 DE 102007027097A1 DE 200710027097 DE200710027097 DE 200710027097 DE 102007027097 A DE102007027097 A DE 102007027097A DE 102007027097 A1 DE102007027097 A1 DE 102007027097A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
liquid metal
metal ion
lithium
alloy
emitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE200710027097
Other languages
German (de)
Other versions
DE102007027097B4 (en
Inventor
Lothar Bischoff
Shavkat Akhmadaliev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Original Assignee
Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV filed Critical Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority to DE200710027097 priority Critical patent/DE102007027097B4/en
Priority to PCT/DE2008/000929 priority patent/WO2008151602A1/en
Publication of DE102007027097A1 publication Critical patent/DE102007027097A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102007027097B4 publication Critical patent/DE102007027097B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C12/00—Alloys based on antimony or bismuth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C28/00—Alloys based on a metal not provided for in groups C22C5/00 - C22C27/00

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle (LMIS) zur Erzeugung von Lithiumionenstrahlen, insbesondere das den Emitter benetzende Quellenmaterial einer derartigen Ionenquelle. Die Erfindung beinhaltet Flüssigmetall-Ionenquellen, deren Emitter mit einer definierten Legierung aus Lithium und einem oder mehreren der Elemente Gallium, Indium und Wismut als Quellenmaterial benetzt ist. Mit derart ausgestatteten Flüssigmetall-Ionenquellen ist es möglich, langzeitig einen stabilen Ionenstrom, der in ausreichendem Maße aus Lithiumionen besteht, zu erhalten. Die Bestandteile der Legierung im Zusammenspiel mit dem niedrigen Schmelzpunkt führen dazu, dass keine chemischen Reaktionen mit dem Emitter- und Heizermaterial auftreten sowie die Legierungsoberfläche relativ langsam an Luft korrodiert.The invention relates to a liquid metal ion source (LMIS) for generating lithium ion beams, in particular the emitter wetting source material of such an ion source. The invention includes liquid metal ion sources whose emitter is wetted with a defined alloy of lithium and one or more of the elements gallium, indium and bismuth as the source material. With such equipped liquid metal ion sources, it is possible to obtain a long-term stable ion current sufficiently composed of lithium ions. The components of the alloy in conjunction with the low melting point cause no chemical reactions occur with the emitter and heater material and the alloy surface is relatively slowly corroded in air.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigmetall-Ionenquelle (LMIS) zur Erzeugung von Lithiumionenstrahlen, insbesondere das den Emitter benetzende Quellenmaterial einer derartigen Ionenquelle.The Invention relates to a liquid metal ion source (LMIS) for generating lithium ion beams, in particular the emitter wetting source material of such an ion source.

Flüssigmetall-Ionenquellen sind spezielle Ionenquellen, die gegenüber anderen Typen von Ionenquellen einen sehr hohen Richtstrahlwert besitzen, und die auf Grund dieser Eigenschaft in Ionenmikrostrahlanlagen Verwendung finden. Diese Anlagen ermöglichen es, Ionenstrahlen auf weniger als einem Mikrometer Durchmesser zu fokussieren, und sie erlangen zunehmende Bedeutung für die Ionenstrahlbelichtung, Ionenstrahlfräsen, Mikrodotierung und Oberflächenanalyse im Submikrometerbereich.Liquid metal ion sources are special ion sources, over other types of ion sources have a very high directional radiation value, and due to this property in ion microbeams use Find. These systems make it possible to ion beams focus less than a micron in diameter, and they gain increasing importance for the ion beam exposure, Ion beam milling, micro doping and surface analysis in the submicron range.

Lithium ist das leichteste Metall im Periodensystem, das für Flüssigmetall-Ionenquellen geeignet ist und vorteilhaft in der Ionenlithographie und der Ionenstrahl-Analytik eingesetzt werden kann. Wegen der starken chemischen Reaktivität lässt es sich nur schwierig in Quellen handhaben und langzeitstabil betreiben. Auch andere Lösungsansätze führten nicht zu einem akzeptablen Einsatz.lithium is the lightest metal in the periodic table for liquid metal ion sources is suitable and advantageous in ion lithography and ion beam analysis can be used. Because of the strong chemical reactivity It is difficult to handle in sources and operate long-term stable. Other solutions did not lead either to an acceptable use.

Flüssigmetall-Ionenquellen sind in [ P. D. Prewett and G. L. R. Mair, Focused: Ion Beams from Liquid Metal Ion Sources. Research Studies Press Ltd. 1991 ] ausführlich beschrieben. In ihnen dient eine aus Wolfram, Tantal, Kohlenstoff oder anderem geeigneten Material hergestellte feine Spitze als Emitter, der mit dem Quellenmaterial benetzt ist. Um den Emitter benetzen zu können und während des Betriebs der Ionenquelle muss das Quellenmaterial flüssig sein. Dazu wird eine elektrische Widerstandsheizung oder eine Elektronenstrahlheizung verwendet. Zwischen einer Gegenelektrode und der Emitterspitze wird eine elektrische Spannung angelegt. Die hohe elektrische Feldstärke an der Emitterspitze führt dazu, dass sich an dieser eine noch feinere Spitze aus dem flüssigen Quellenmaterial bildet und aus dieser Ionen emittiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen auf lange Zeit stabilen Ionenstrahl der Elemente des Quellenmaterials zu erzeugen. Das Quellenmaterial muss dazu spezielle physikalische und chemische Eigenschaften besitzen. Von besonderer Wichtigkeit ist, dass sich das Quellenmaterial metallisch verhält, einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt, sein Dampfdruck nicht zu hoch ist, den Emitter gut benetzt und mit dem Emittermaterial chemisch verträglich ist. Daher sind nur wenige Elemente, z. B. Indium, Gallium und Gold als Quellenmaterial geeignet. Ein wirkungsvolles Verfahren um diese Schwierigkeit zu überwinden und Ionen anderer Elemente erzeugen zu können, besteht in der Verwendung geeigneter Legierungen als Quellenmaterial. Es entsteht dann ein Ionenstrom aus allen in der Legierung enthaltenen Elementen. Mittels einer nachfolgenden Massenseparation kann die gewünschte Ionensorte abgetrennt werden. Die Verwendung von Lithium ist nicht erwähnt, ein Ionenstrom aus allen in der Legierung enthaltenen Elementen entweder nicht gewünscht oder mit weiteren Problemen verbunden.Liquid metal ion sources are available in [ PD Prewett and GLR Mair, Focused: Ion Beams from Liquid Metal Ion Sources. Research Studies Press Ltd. 1991 ] described in detail. In them, a fine tip made of tungsten, tantalum, carbon or other suitable material serves as an emitter wetted with the source material. In order to wet the emitter and during operation of the ion source, the source material must be liquid. For this purpose, an electrical resistance heater or an electron beam heater is used. Between a counter electrode and the emitter tip, an electrical voltage is applied. The high electric field strength at the emitter tip causes it to form an even finer tip of the liquid source material and are emitted from these ions. In this way it is possible to produce a long-term stable ion beam of the elements of the source material. The source material must have special physical and chemical properties. Of particular importance is that the source material is metallic, has a low melting point, is not too high in vapor pressure, is well wetted by the emitter, and is chemically compatible with the emitter material. Therefore, only a few elements, for. Indium, gallium and gold are suitable as source material. An effective method to overcome this difficulty and to produce ions of other elements is to use suitable alloys as the source material. It then creates an ion current from all elements contained in the alloy. By means of a subsequent mass separation, the desired type of ion can be separated. The use of lithium is not mentioned, an ion current from all elements contained in the alloy either unwanted or associated with other problems.

Es ist bereits eine Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Kobalt-Ionenstrahlen bekannt, bei der eine Legierung des Kobalts mit Elementen aus der Gruppe der Seltenen Erden eingesetzt wird ( DE 43 12 028 A1 ). Das Prinzip dieser technischen Lösung lässt sich für eine Lithium-Ionenquelle nicht übertragen.There is already known a liquid metal ion source for producing cobalt ion beams using an alloy of cobalt with elements of the rare earth element ( DE 43 12 028 A1 ). The principle of this technical solution can not be transferred to a lithium-ion source.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigmetall-Ionenquelle zu schaffen, die durch Ausstattung mit einem neuen Lithium-Quellenmaterial, insbesondere einer Legierung mit ausreichend hohem Anteil des Elements Lithium einen insgesamt langzeitig stabilen Betrieb mit ausreichend hoher Emission des Elements Lithium gewährleistet.Of the Invention is based on the object, a liquid metal ion source to create, by equipping with a new lithium source material, in particular an alloy with a sufficiently high proportion of the element Lithium a long term stable operation with sufficient ensured high emission of the element lithium.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit Flüssigmetall-Ionenquellen gelöst, deren Emitter mit den in den Patentansprüchen definierten Legierungen als Quellenmaterial benetzt ist.According to the invention solved the problem with liquid metal ion sources, their emitter with the defined in the claims Alloys wetted as source material.

Mit derart ausgestatteten Flüssigmetall-Ionenquellen ist es möglich, langzeitig einen stabilen Ionenstrom, der im ausreichenden Maße aus Lithiumionen besteht, zu erhalten.With It is such equipped liquid metal ion sources possible, long-term stable ion current, the sufficient Dimensions of lithium ions is to obtain.

Die Bestandteile der Legierung im Zusammenspiel mit dem niedrigen Schmelzpunkt führen dazu, dass keine chemischen Reaktionen mit dem Emitter- und Heizermaterial auftreten. Die Verwendung der Legierungselemente ist vorteilhaft, da dadurch die Legierung im Temperaturbereich des Schmelzpunktes einen niedrigen Dampfdruck besitzt. Somit wird nur ein geringer Anteil des Quellenmaterials verdampft. Beide genannten Sachverhalte garantieren eine lange Lebensdauer der Flüssigmetall-Ionenquelle.The Components of the alloy in conjunction with the low melting point cause no chemical reactions with the emitter and heater material occur. The use of alloying elements is advantageous, since thereby the alloy in the temperature range of the melting point has a low vapor pressure. Thus, only a small one Proportion of source material evaporates. Both mentioned facts guarantee a long life of the liquid metal ion source.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in den günstigen physikalischen Eigenschaften der Legierung in der flüssigen Phase. Die Legierung benetzt die Emitternadel leicht und vollständig, es erfolgt ein ausreichender Nachfluss von Quellenmaterial aus dem Reservoir zur Emitterspitze, und ein Tropfen der Legierung, welcher als Reservoir dienen kann, haftet gut und stabil am Heizer und Emitter. Die Legierung zeichnet sich durch eine sehr geringe Korrosion an Luft aus.One Another advantage of the solution according to the invention consists in the favorable physical properties of Alloy in the liquid phase. The alloy wets the emitter needle lightly and completely, it takes place sufficient supply of source material from the reservoir to Emitter tip, and a drop of the alloy, which serves as a reservoir can serve well and stably adheres to the heater and emitter. The alloy is characterized by a very low corrosion in air.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be described below with reference to an embodiment explained in more detail.

Ein Wolframemitter wird nach einem bekannten Standardverfahren hergestellt und mit der Legierung aus Ga35Bi60Li5 (at. %) benetzt. Der Emitter wird in eine Ionenquelle eingesetzt und in einem Analyseteststand untersucht. Die Betriebstemperatur beträgt ca. 300°C, der Heizstrom etwa 2.4 A, der Emissionsstrom 2 μA. Das Lithium ist aufgetrennt in die beiden Isotope (93% 7Li, 7% 6Li). Die Anteile der Ionen Bi, Ga, Li am Gesamtstrom sind eine Funktion des Emissionsstromes und des Ladungszustandes.A tungsten emitter is made by a known standard method and with the alloy of Ga 35 Bi 60 Li 5 (at.%) wetted. The emitter is placed in an ion source and examined in an analysis booth. The operating temperature is approx. 300 ° C, the heating current approx. 2.4 A, the emission current 2 μA. The lithium is separated into the two isotopes (93% 7 Li, 7% 6 Li). The proportions of the ions Bi, Ga, Li in the total current are a function of the emission current and the state of charge.

Für Li konnte durch die Massenabhängigkeit der Energiebreite von m1/3 des Projektilions ein Wert von nur 2 eV gefunden werden. Für reine Li-LMIS betrug dieser Parameter 4 eV durch die hohe Winkelintensität und der dadurch entstehenden Coulomb – Abstoßung. Im Falle der Legierungsquelle wird eine normale Winkelverteilung erwartet. Diese kleine Energiebreite gestattet auch kleinere Strahldurchmesser eines fokussierten Ionenstrahls durch die verringerte chromatische Aberration.For Li, a value of only 2 eV could be found by the mass dependence of the energy width of m 1/3 of the projectile. For pure Li-LMIS this parameter was 4 eV due to the high angle intensity and the resulting Coulomb repulsion. In the case of the alloy source, a normal angular distribution is expected. This small energy width also allows smaller beam diameters of a focused ion beam due to the reduced chromatic aberration.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 4312028 A1 [0005] - DE 4312028 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - P. D. Prewett and G. L. R. Mair, Focused: Ion Beams from Liquid Metal Ion Sources. Research Studies Press Ltd. 1991 [0004] - PM Prewett and GLR Mair, Focused: Ion Beams from Liquid Metal Ion Sources. Research Studies Press Ltd. 1991 [0004]

Claims (5)

Flüssigmetall-Ionenquelle zur Erzeugung von Lithium-Ionenstrahlen, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung des den Emitter benetzenden Quellenmaterials als Legierung aus Lithium und einem oder mehreren der Elemente Gallium, Indium und Wismut.Liquid metal ion source for production of lithium ion beams, characterized by the composition of the emitter wetting source material as an alloy of lithium and one or more of the elements gallium, indium and bismuth. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium, 33 bis 43 Atomprozent Gallium und 56 bis 66 Atomprozent Wismut besteht.Liquid metal ion source according to claim 1, characterized in that the alloy of 5 to 10 atomic percent Lithium, 33 to 43 atomic percent gallium and 56 to 66 atomic percent Bismuth exists. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium und 90 bis 95 Atomprozent Gallium besteht.Liquid metal ion source according to claim 1, characterized in that the alloy of 5 to 10 atomic percent Lithium and 90 to 95 atomic percent gallium exists. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium und 90 bis 95 Atomprozent Indium besteht.Liquid metal ion source according to claim 1, characterized in that the alloy of 5 to 10 atomic percent Lithium and 90 to 95 atomic percent indium. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 5 bis 10 Atomprozent Lithium, 75 bis 80 Atomprozent Indium und 20 bis 25 Atomprozent Wismut besteht.Liquid metal ion source according to claim 1, characterized in that the alloy of 5 to 10 atomic percent Lithium, 75 to 80 atomic percent indium and 20 to 25 atomic percent Bismuth exists.
DE200710027097 2007-06-12 2007-06-12 Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams Active DE102007027097B4 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710027097 DE102007027097B4 (en) 2007-06-12 2007-06-12 Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams
PCT/DE2008/000929 WO2008151602A1 (en) 2007-06-12 2008-06-05 Liquid metal ion source for generating lithium ion beams

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710027097 DE102007027097B4 (en) 2007-06-12 2007-06-12 Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102007027097A1 true DE102007027097A1 (en) 2008-12-18
DE102007027097B4 DE102007027097B4 (en) 2010-12-30

Family

ID=39817071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200710027097 Active DE102007027097B4 (en) 2007-06-12 2007-06-12 Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102007027097B4 (en)
WO (1) WO2008151602A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4312028A1 (en) 1993-04-13 1994-10-20 Rossendorf Forschzent Liquid metal ion source for generating cobalt ion beams
US20050100793A1 (en) * 2003-11-10 2005-05-12 Polyplus Battery Company Active metal electrolyzer

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1574611A (en) * 1976-04-13 1980-09-10 Atomic Energy Authority Uk Ion sources
US4367429A (en) * 1980-11-03 1983-01-04 Hughes Aircraft Company Alloys for liquid metal ion sources
US4752692A (en) * 1985-04-26 1988-06-21 Hughes Aircraft Company Liquid metal ion source

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4312028A1 (en) 1993-04-13 1994-10-20 Rossendorf Forschzent Liquid metal ion source for generating cobalt ion beams
US20050100793A1 (en) * 2003-11-10 2005-05-12 Polyplus Battery Company Active metal electrolyzer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bell,A.E. et al., Lithium ion emission from a liquid metal ion source of LiNO3, Int. J. Mass Spectrom. and Ion Process., 88, 59-68, 1989 *
P. D. Prewett and G. L. R. Mair, Focused: Ion Beams from Liquid Metal Ion Sources. Research Studies Press Ltd. 1991

Also Published As

Publication number Publication date
WO2008151602A1 (en) 2008-12-18
DE102007027097B4 (en) 2010-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013004297B4 (en) Target for X-ray generator, method of manufacturing the same and X-ray generator
DE3039283C2 (en)
DE2623003A1 (en) ELECTRODE MATERIAL BASED ON LANTHANE AND NICKEL AND ITS ELECTROCHEMICAL APPLICATION
DE1806803A1 (en) Compound with oriented components for a porous fuel element electrode
DE2723872A1 (en) PART OF A FUEL ELEMENT COMPRISING THE CATHOD AND THE ELECTROLYTE
DE112017006569T5 (en) ELECTRON SOURCE AND THIS USING ELECTRON BEAM
DE2941096A1 (en) NEUTRON GENERATOR WITH A MEETING PLATE
DE102017107422A1 (en) A method of making a bipolar plate current collector unit, bipolar plate current collector unit and their use
DE667942C (en) Process for the manufacture of oxide cathodes, in particular glow cathodes for electrical discharge vessels
DE3630419C2 (en)
DE102007027097B4 (en) Liquid metal ion source for generating lithium-ion beams
EP0620582B1 (en) Liquid metal ion source for producing cobalt ion beams
DD275861A5 (en) Method and device for depositing a thin layer on a transparent material, in particular on glass
DE3443405A1 (en) LIQUID METAL ION SOURCE
DE112004001895T5 (en) Electron spectroscope with emission induced by a monochromatic electron beam
DE2333866A1 (en) FIELD DESORPTION ION SOURCE AND METHOD FOR MANUFACTURING IT
DE1186953B (en) Supply cathode
DE102020116068A1 (en) Transparent resonant tunnel diode and process for its manufacture
DE102016204407A1 (en) Method of producing extreme ultraviolet and / or soft x-ray radiation
DE102015206288A1 (en) Apparatus, system and method for recovering hydrogen from water using a working agent
DE2501232C2 (en) Material for cathode oxide coating
DE261914C (en)
DE1043533B (en) Electricity generator based on atomic nucleus processes
AT151139B (en) Electric discharge tube device.
DE737465C (en) Procedure for shifting the grid current application point in electron tubes with an intrinsically positive grid current application towards more negative grid voltage values

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R020 Patent grant now final

Effective date: 20110330