JP6927493B2 - イオン源 - Google Patents
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Description
[1]電界により、イオン液体、液体金属からイオンを引き出すイオン源であって、一端に開口を有するタンクと、前記開口を覆うエミッタ電極層と、前記エミッタ電極層上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に積層されたゲート電極層と、を備え、前記エミッタ電極層、前記絶縁層、前記ゲート電極層が、それぞれ、互いに重なる位置において、前記タンクの外側に突出し、先端が尖った中空の凸部を有し、それぞれの前記凸部の先端は、互いに連通する開口部を有していることを特徴とするイオン源。
[2]前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の突出方向に沿った断面視において、前記エミッタ電極層の凸部の側面と、前記ゲート電極層の凸部の側面とのなす角度が、10度以下であることを特徴とする[1]に記載のイオン源。
[3]前記エミッタ電極層の凸部の開口部の内径が、1μm以下であることを特徴とする[1]または[2]のいずれかに記載のイオン源。
[4]前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部が、いずれも、上底と下底とが開放した中空の円錐台の形状を有していることを特徴とする[1]〜[3]のいずれか一つに記載のイオン源。
[5]前記エミッタ電極層の円錐台の底面の直径が、3μm以下であることを特徴とする[4]に記載のイオン源。
[6]前記エミッタ電極層の凸部の開口端と、前記ゲート電極層の凸部の開口端との距離が、10μm以下であることを特徴とする[1]〜[5]のいずれか一つに記載のイオン源。
[7]前記エミッタ電極層の前記タンク側に、炭素系材料からなる膜が積層されていることを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一つに記載のイオン源。
[8]前記ゲート電極層が、絶縁層を挟んだ多層構造を有しており、いずれの絶縁層も、前記凸部の先端と重なる部分が開口していることを特徴とする[1]〜[7]のいずれか一つに記載のイオン源。
[9]前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の重なり構造が、500個/cm2以上の面密度で並んでいることを特徴とする[1]〜[8]のいずれか一つに記載のイオン源。
[10]前記エミッタ電極層の凸部の内側に、前記凸部の先端側に頂点を有する円錐状の部材が配されていることを特徴とする[1]〜[9]のいずれか一つに記載のイオン源。
[11]複数の前記凸部の先端が向く側において、複数の前記凸部と対向するように延在する加速電極を有し、前記加速電極が、その延在方向と交差する加速電極孔を有し、前記加速電極孔と重なる位置ごとに、複数の前記凸部の重なり構造がグループを形成して分布していることを特徴とする[1]〜[10]のいずれか一つに記載のイオン源。
[12]それぞれの前記グループと重なる位置に、集束電極が配されていることを特徴とする[1]〜[11]のいずれか一つに記載のイオン源。
[13]それぞれの前記グループにおいて、中央の前記凸部の重なり構造側に、周囲の前記凸部の先端の向きが傾いていることを特徴とする[1]〜[12]のいずれか一つに記載のイオン源。
[イオン源の構成]
本発明の第1実施形態に係るイオン源100は、電界により、イオン液体、液体金属等の原料液Lからイオンを引き出す機能を有する装置である。イオン源100の構成について、図1を用いて説明する。図1は、イオン源100の断面図である。イオン源100は、一端に開口101aを有するタンク101と、開口101aを覆うエミッタ電極層102と、エミッタ電極層102上に積層された絶縁層103と、絶縁層103上に積層されたゲート電極層(引き出しゲート電極層)104と、を備えている。
本実施形態に係るイオン源100の製造方法について、図2(a)〜(k)を用いて説明する。イオン源100の製造方法は、主な製造工程として、下記の第1〜第11工程を有している。図2(a)〜(k)は、イオン源100の各製造工程における断面図である。
まず、図2(a)に示すように、シリコン等の半導体基板11の一方の主面11aに、ニッケル、シリコン、チタン等の金属材料からなる円錐形状の突起物19を形成する。突起物の大きさは、先端の曲率半径が100nm以下であり、高さが2μm以上であることが好ましい。突起物の材料としては、金属材料以外の任意の材料を用いることもできるが、アスペクト比や先端曲率半径が、上記の値になるような材料を用いることが好ましい。
ここで、特許文献1に開示した方法を利用して、円錐形状の突起物を形成する場合について説明する。
次に、図2(b)に示すように、突起物19を含めた基板の一方の主面11a側に、絶縁膜13Aと金属膜12とを順に形成する。ここで形成する金属膜12は、エミッタ電極として機能するものである。絶縁膜13Aの形成は、下地の円錐の形状に対してコンフォーマルに形成できる方法を用いて行うことが好ましい。例えば、テトラエトキシシランガスを用いたプラズマ援用化学気相合成法により、シリコン酸化膜等を形成する方法が好適である。金属膜12の材料は、使用する原料液Lとの濡れ性を考慮して選べばよいが、例えばシリコンなどの半導体やニオブなどの金属を用いることができる。これらの材料からなる膜は、スパッタリング法で形成することができる。
次に、第2工程で成膜した金属膜12上に、フォトレジスト膜R1を形成する。フォトレジスト膜R1は、金属膜12のうち突起物19を覆う部分が隠れる厚さとなるように形成する。酸素プラズマ等によって、形成したフォトレジスト膜R1の所定の厚さ分を除去し、図2(c)に示すように、金属膜12のうち突起物19の形状に沿って尖った部分を露出させ、露出した部分をRIE(Reactive Ion Etching)等で除去する。
次に、図2(d)に示すように、残ったフォトレジスト膜R1をレジスト剥離液等で除去し、更に絶縁膜13Bと金属膜14とを順に形成する。ここで形成する金属膜14は、引き出しゲート電極として機能するものである。
次に、第3工程と同様にフォトレジスト膜R2を形成する。形成したフォトレジスト膜R2を、酸素プラズマで薄くすることにより、金属膜14のうち突起物19の形状に沿って尖った部分を露出させ、これを図2(e)に示すようにRIEで除去する。
次に、残ったフォトレジストをレジスト剥離液等で除去し、絶縁膜の一部を除去することで、第2工程で形成した金属膜12にイオン射出口となる開口部12aを形成し、さらに第4工程で形成した金属膜14にも開口部14aを形成することができる。絶縁膜がシリコン酸化膜である場合には、BHF(バッファードフッ酸)を用いて除去することができる。
次に、後続工程でエッチング処理を行う際に、第1〜第6工程を経て形成した金属膜12、14の構造を保護するために、図2(g)に示すように、金属膜12、14を覆うフォトレジスト膜R3等を形成する。
次に、図2(h)に示すように、基板の他方の主面11bのうち、外周部分をマスク材Mでマスクする。通常の半導体基板は、数百μmの厚さを有するので、そのエッチングに耐え得るようなマスク材を選ぶ必要がある。例えば、フッ素系のRIEによりシリコン基板をエッチングする際には、マスク材としてアルミニウム等を用いることができる。
次に、RIE等により、基板を他方の主面11b側からエッチングし、図2(i)に示すように、貫通口を形成する。エッチング方法としては、ボッシュプロセスなど深掘りが可能な方法を用いることができる。この時、ニッケルなどの金属材料は、ボッシュプロセス等に用いるフッ素系のRIEではエッチングされないので、円錐形状の突起物19はエッチングされずに残るが、その周りにある絶縁膜13Aはわずかながらエッチングされる可能性がある。その場合には、第1工程の前に、基板の一方の主面11aに、予めエッチストップ層を形成しておくこともできる。エッチストップ層の材料としては、アルミニウム等のフッ素系のRIEではほとんどエッチングが進行しないものを選ぶ。
次に、図2(j)に示すように、円錐形状の突起物19を、所定の溶液で除去する。突起物19がニッケルからなり、エッチストップ層がアルミニウムからなる場合には、アルミニウムとニッケルの両方をエッチング可能な、リン硝酸を用いることができる。また、深掘りエッチングの際にマスクとして用いた膜も、同時にエッチングすることができる。それぞれの膜を別々にエッチングしてもよい。
最後に、図2(k)に示すように、第7工程で形成したフォトレジスト膜R3および第8工程で形成したマスク材Mを、所定の溶液で除去することにより、サブミクロンの口径を有する、キャピラリニードル型のイオン源100を得ることができる。上述した第1〜第11工程を経ることによって、エミッタ電極層12の凸部に、内径が1μm以下の開口部12aを精度よく、かつ、応用例として後述するように大量に製造することができる。
本実施形態を応用したイオン源110について、図3(a)、(b)を用いて説明する。図3(a)は、イオン源110を、イオンの射出口側から見た場合の平面図である。図3(b)は、図3(a)においてイオン源110を、α−α線を通る面で切断した際の断面図である。
本発明の第2実施形態に係るイオン源200について、図8を用いて説明する。図8は、イオン源200の断面図である。イオン源200の構成は、炭素系材料からなる膜(炭素系材料層)206が、エミッタ電極層202上に積層されている点において、第1実施形態に係るイオン源100の構成と異なる。炭素系材料からなる膜206は、エミッタ電極層202のタンク201側、すなわち、凸部202aの内壁面およびタンク開口201aとの対向面に積層されている。イオン源200の他の部分の構成については、イオン源100と同様である。
第11工程を経たあと、メタンと水素の混合ガスを導入した雰囲気で構造体を800℃以上に加熱することで、エミッタ電極のうち、Fe、Ni、Co、Cuからなる面の部分に選択的にグラフェンもしくはグラファイトを選択的に成膜することができる。基板温度が高すぎて構造体にダメージが入る場合には、メタンと水素ガスのプラズマを援用することで基板温度を400℃にまで下げても、同様の効果が得られる。このように炭素系の薄膜をエミッタ電極に選択的に被覆することにより、イオン液体との濡れ性が向上し、イオン液体の良好な放出が可能となる。
本発明の第3実施形態に係るイオン源300について、図9を用いて説明する。図9は、イオン源300の断面図である。イオン源300の構成は、ゲート電極層304が多層構造である点において、第1実施形態に係るイオン源100の構成と異なる。ゲート電極層304は、絶縁層307を挟んだ多層構造を有しており、いずれの絶縁層307も、各電極層の凸部302a、304aの先端と重なる部分が開口している。図9では、ゲート電極層304が3層構造(304A、304B、304C)である場合の例を示しているが、層数は2以上であればよい。イオン源300の他の部分の構成については、イオン源100と同様である。
本発明の第4実施形態に係るイオン源400について、図10(a)、(b)を用いて説明する。図10(a)は、イオン源400の断面図である。イオン源400の構成は、エミッタ電極層402の凸部402aの内側に、円錐状の部材408が配されている点において、第1実施形態に係るイオン源100の構成と異なる。イオン源400の他の部分の構成については、イオン源100と同様である。
101、111、201、301、401・・・タンク
101a、111a、201a、301a、401a・・・開口
102、112、202、302、402・・・エミッタ電極層
102a、202a、302a、402a・・・凸部
102b、202b、302b、402b・・・エミッタ電極端
103、113、203、303、307、403・・・絶縁層
104、114、204、304、404・・・ゲート電極層
104a、204a、304a、404a・・・凸部
104b、204b、304b、404b・・・ゲート電極端
115・・・重なり構造
206・・・炭素系材料層
408・・・突起物
409・・・梁部材
L・・・原料液
L1・・・テーラーコーン
M・・・マスク材
R1、R2、R3・・・レジスト膜
11・・・基板
11a・・・基板の一方の主面
11b・・・基板の他方の主面
12、14・・・金属膜
12a、14a・・・開口部
13A、13B・・・絶縁膜
11c・・・基板の貫通口の内壁面
19・・・突起物
Claims (13)
- 電界により、イオン液体、液体金属からイオンを引き出すイオン源であって、
一端に開口を有するタンクと、
前記開口を覆うエミッタ電極層と、
前記エミッタ電極層上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に積層されたゲート電極層と、を備え、
前記エミッタ電極層、前記絶縁層、前記ゲート電極層が、それぞれ、互いに重なる位置において、前記タンクの外側に突出し、先端が尖った中空の凸部を有し、
それぞれの前記凸部の先端は、互いに連通する開口部を有していることを特徴とするイオン源。 - 前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の突出方向に沿った断面視において、前記エミッタ電極層の凸部の側面と、前記ゲート電極層の凸部の側面とのなす角度が、10度以下であることを特徴とする請求項1に記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の凸部の開口部の内径が、1μm以下であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部が、いずれも、上底と下底とが開放した中空の円錐台の形状を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の円錐台の底面の直径が、3μm以下であることを特徴とする請求項4に記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の凸部の開口端と、前記ゲート電極層の凸部の開口端との距離が、10μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の前記タンク側に、炭素系材料からなる膜が積層されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のイオン源。
- 前記ゲート電極層が、絶縁層を挟んだ多層構造を有しており、いずれの絶縁層も、前記凸部の先端と重なる部分が開口していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の重なり構造が、500個/cm2以上の面密度で並んでいることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のイオン源。
- 前記エミッタ電極層の凸部の内側に、前記凸部の先端側に頂点を有する円錐状の部材が配されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のイオン源。
- 複数の前記凸部の先端が向く側において、複数の前記凸部と対向するように延在する加速電極を有し、
前記加速電極が、その延在方向と交差する加速電極孔を有し、
前記加速電極孔と重なる位置ごとに、複数の前記凸部の重なり構造がグループを形成して分布していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のイオン源。 - それぞれの前記グループと重なる位置に、集束電極が配されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のイオン源。
- それぞれの前記グループにおいて、中央の前記凸部の重なり構造側に、周囲の前記凸部の先端の向きが傾いていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載のイオン源。
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