JP6236480B2 - エミッタの作製方法 - Google Patents
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Description
この集束イオンビーム装置は、イオンを発生させるイオン源を備えており、ここで発生したイオンを、その後集束イオンビーム(FIB:Focused Ion beam)にして照射している。
このような構成において、ガスを供給した後、エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加させると共にエミッタを冷却すると、ガスがエミッタ先端部の高電界によって電界電離してイオン化し、ガスイオンとなる。すると、このガスイオンは、正電位に保持されているエミッタから反発して引出電極側に引き出された後、適度に加速されながら集束されることで集束イオンビームとなる。
具体的には、エミッタの先端を例えば700℃〜900℃程度まで加熱することで、原子の再配列を生じさせて結晶構造を元の状態に戻す手法である。よって、定期的、或いは必要時にこのトリートメントを行うことで原子の再配列を行わせ、エミッタ先端の結晶構造を元の状態に戻すことが行われている。
特に、引出電圧の最適値が上昇してしまうと、エミッタにかかる負荷が大きく、該エミッタが放電等により壊れ易いうえ、装置が有する引出電圧の出力限界に近づいて使用不能になり、結果的にエミッタ寿命の短命化に繋がってしまうものであった。
(1)本発明に係るエミッタの作製方法は、先鋭化された針状のエミッタを作製する方法であって、導電性のエミッタ素材の先端部を電解研磨加工し、先端に向かって漸次縮径するように加工する電解研磨工程と、前記エミッタ素材における前記加工部分に荷電粒子ビームを照射してエッチング加工を行い、先端を頂点とした角錐状の先鋭部を形成する第1エッチング工程と、前記先鋭部における先端の結晶構造を電界イオン顕微鏡で観察しながら、該先端を電界誘起ガスエッチング加工によりさらに先鋭化させ、その最先端を構成する原子数を一定数以下とさせる第2エッチング工程と、前記エミッタ素材を加熱して、前記先鋭部の最先端を構成する原子をピラミッド状に配列させる加熱工程と、を備えていることを特徴とする。
最後に、エミッタ素材を加熱し、先鋭部の最先端を構成する原子をピラミッド状に配列させる加熱工程を行う。この際、最先端を構成する原子数が従来に比べて少ないので、これら少数の原子を理想的なピラミッド状に配列し易く、例えば1原子又は3原子が最先端に配置された状態で先鋭化された針状のエミッタを得ることができる。
また、少数の原子を効率良く再配列させることができるので、加熱時間を短くすることができ、エミッタの先端の太径化を抑制できる。従って、トリートメント後の引出電圧の最適値の上昇を抑制でき、エミッタの寿命を延ばして長く使用し続けることができる。
(4)上記本発明に係るエミッタの作製方法において、前記エミッタ素材として、イリジウムを用いることが好ましい。
本実施形態では、ガス電界電離型イオン源(GFIS:Gas Field Ion Source)を構成し、イオンビームの放出源として用いられるエミッタを例に挙げて説明する。
図1に示すように、この集束イオンビーム装置1は、図示しないステージ上に載置された試料Sに対して、集束イオンビーム(FIB)を照射する集束イオンビーム鏡筒2と、集束イオンビーム(FIB)の照射によって発生した二次荷電粒子を検出する検出器4と、デポジション膜を形成するための原料ガスを供給するガス銃5と、検出された二次荷電粒子に基づいて画像データを生成すると共に該画像データを図示しない表示部に表示させる制御部7と、を主に備えている。
ところで、上述したエミッタ10、ガス源11、加熱部13、引出電極14、引出電源部15及びイオン発生室20は、ガスGからガスイオンを発生させるガス電界電離型イオン源21を構成している。
ガス銃5は、デポジション膜の原料となる物質(例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボンやタングステン等)を含有した化合物ガスを原料ガスとして供給することが可能とされている。この原料ガスは、集束イオンビーム(FIB)の照射と、それによって発生した二次荷電粒子によって分解され、気体成分と固体成分とに分離される。そして、分離した2つの成分のうち固体成分が堆積することで、デポジション膜となる。
更に、制御部7には、オペレータが入力可能な図示しない入力部が接続されており、該入力部によって入力された信号に基づいて各構成品を制御している。従って、オペレータは、入力部を介して、所望する領域に集束イオンビーム(FIB)を照射して観察したり、所望する領域をエッチング加工したり、所望する領域に原料ガスを供給しながら集束イオンビーム(FIB)を照射してデポジション膜を堆積させたりすることが可能である。
次に、上述したエミッタ10の作製方法について、図5に示すフローチャートを参照しながら説明する。
具体的には、まず、図6に示すようにエミッタ素材30として、例えば結晶面(111)面を軸方向に有するタングステン単結晶からなるワイヤを準備し、該エミッタ素材30の基端部を例えば固定用線材31を介して保持具32で保持する。
なお、エミッタ素材30である上記ワイヤとしては、例えば直径が0.1〜0.3mm前後で長さが数mmのものを用いる。また、固定用線材31は、エミッタ素材30を支持することに加え、通電によりエミッタ素材30を加熱させる役割を有している。
そして、エミッタ素材30と陰極34との間に電圧印加部35によりエッチング電圧(例えば、DC3V)を所定のエッチング時間(例えば、400秒前後)の間印加して、エミッタ素材30の先端部の電解研磨加工を行う。
具体的には、図9及び10に示すように、電解研磨加工部分のうち例えば先端から50μmまでの加工領域Hに亘って、エミッタ素材30をその軸線O回りに間欠的に回転させながら集束イオンビーム(FIB)を照射して、角錐状の先鋭部40を形成する。図示の例では、集束イオンビーム(FIB)により角錐面41が6面現れるように加工し、6角錐状の先鋭部40を形成している。
この際、図11に示すように、先鋭部40の先端を頂点として、その頂角θ2が20度以下となるように先鋭部40を仕上げる。図示の例では、頂角θ2を約10度に仕上げている。
まず、図12に示すように、上記電界イオン顕微鏡(FIM:Field Ion Microscope)50は、各種ガスが所定圧力で導入される図示しない真空チャンバと、該真空チャンバ内において、エミッタ素材30の先鋭部40に対して間隔を開けて配置されたMCP(マイクロチャネルプレート)51と、該MCP51によって増幅された先鋭部40の先端のFIM像(電界イオン像)を映し出す蛍光スクリーン52と、エミッタ素材30を加熱させるヒータ等の加熱部53と、を備えている。
なお、図12では、エミッタ素材30の先端部40における結晶構造を図示している。
従って、この電界誘起ガスエッチング加工を行うことで、先鋭部40の先端を徐々に削ることができ、原子レベルオーダーで先鋭化させることができる。このとき、先鋭化するほど、最先端を構成する原子数が減るので、図14に示すようにFIM像の輝点が時間の経過と共に徐々に減少する。
本実施形態では、エミッタ素材30を上記電界イオン顕微鏡50にセットしたまま、本工程を行う。具体的には、真空チャンバ内からヘリウムガス及び混合ガスを排出すると共にエミッタ素材30への電圧印加を停止した後、上記加熱部53によりエミッタ素材30を例えば700度前後の温度で5分程度加熱する。
更には、タングステンに代えて、イリジウムを用いても良く、この場合であってもタングステンを用いた場合と同様の作用効果を奏効できる。
40…先鋭部
S10…電解研磨工程
S20…第1エッチング工程
S30…第2エッチング工程
S40…加熱工程
Claims (3)
- 先鋭化された針状のエミッタを作製する方法であって、
エミッタ素材の先鋭部における先端の結晶構造を電界イオン顕微鏡で観察しながら、該先端を電界誘起ガスエッチング加工によりさらに先鋭化させ、その最先端を構成する原子数を一定数以下とさせるエッチング工程と、
前記エミッタ素材を加熱して、前記先鋭部の最先端を構成する原子をピラミッド状に配列させる加熱工程と、を備えていることを特徴とするエミッタの作製方法。 - 請求項1に記載のエミッタの作製方法において、
前記エミッタ素材として、タングステンを用いることを特徴とするエミッタの作製方法。 - 請求項1に記載のエミッタの作製方法において、
前記エミッタ素材として、イリジウムを用いることを特徴とするエミッタの作製方法。
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