JP7479810B2 - 液体金属イオン源及び集束イオンビーム装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば集束イオンビーム装置のイオン源として好適に用いることができる液体金属イオン源及び集束イオンビーム装置に関する。
従来から、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置のイオン源として液体金属イオン源が用いられている。
この液体金属イオン源は、液体金属を加熱してニードル電極を濡らし、このニードル電極と引出し電極との間に電圧を印可すると、ニードル電極先端の液体金属がテーラーコーンと呼ばれる円錐状となり、この円錐の先端から電界蒸発が生じてイオンを放出させるものである。
ところが、溶融金属が酸化してイオン放出が不安定になることがある。そこで、ニードル電極付近に還元ガスを導入する技術（特許文献１）や、ニードル電極先端の液体金属にイオンを照射する技術（特許文献２）が報告されている。
この液体金属イオン源は、液体金属を加熱してニードル電極を濡らし、このニードル電極と引出し電極との間に電圧を印可すると、ニードル電極先端の液体金属がテーラーコーンと呼ばれる円錐状となり、この円錐の先端から電界蒸発が生じてイオンを放出させるものである。
ところが、溶融金属が酸化してイオン放出が不安定になることがある。そこで、ニードル電極付近に還元ガスを導入する技術（特許文献１）や、ニードル電極先端の液体金属にイオンを照射する技術（特許文献２）が報告されている。
ところで、イオンビームの広がりや集束レンズの汚染を抑制するため、引出し電極の下流側にイオンのビーム径を制限するビーム絞りを配置することがある。
しかしながら、ビーム絞りにイオンが照射されてスパッタリング現象を引き起こし、ビーム絞りを構成するタングステンやモリブデンなどの高融点材料がスパッタリング粒子として飛散してニードル電極に付着するという問題がある。この付着物は液体金属の流れに乗ってニードル電極先端に凝集し、液体金属の流れを阻害してイオンビームの放出を不安定化させる。
この対策として、一時的にイオンビームの放出量を増やすヒーティングやフラッシングを行っても効果が限定的であった。
しかしながら、ビーム絞りにイオンが照射されてスパッタリング現象を引き起こし、ビーム絞りを構成するタングステンやモリブデンなどの高融点材料がスパッタリング粒子として飛散してニードル電極に付着するという問題がある。この付着物は液体金属の流れに乗ってニードル電極先端に凝集し、液体金属の流れを阻害してイオンビームの放出を不安定化させる。
この対策として、一時的にイオンビームの放出量を増やすヒーティングやフラッシングを行っても効果が限定的であった。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、イオンビームを長期間安定して放出できる液体金属イオン源及び集束イオンビーム装置の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の液体金属イオン源は、液体金属をなすイオン材料を保持するリザーバと、前記リザーバから供給される前記イオン材料で表面が覆われるニードル電極と、前記ニードル電極の先端から前記イオン材料のイオンを放出させる引出し電極と、前記引出し電極の下流側に配置され、前記イオンのビーム径を制限するビーム絞りと、これらを収容して真空に保持する真空室と、を備えた液体金属イオン源において、さらに、前記イオン材料で表面を覆われているニードル電極の周囲に水蒸気を導入する水蒸気導入部を有し、前記水蒸気導入部は、少なくとも前記ニードル電極と前記引出し電極との間に電圧が印加されているときに、前記真空室に前記水蒸気を導入させ、前記液体金属イオン源は、前記水蒸気導入部からの前記水蒸気により前記ニードル電極の表面に酸化膜が形成された状態で、前記電圧の印加により前記ニードル電極から前記イオンを放出することを特徴とする。
この液体金属イオン源によれば、ニードル電極の周囲に水蒸気を導入すると、ニードル電極の表面の液体金属が積極的に酸化されて最表面に酸化膜が形成される。そして、ニードル電極に飛来したビーム絞りからのスパッタリング粒子は、この酸化膜にトラップされ、内部の溶融体まで到達せず、ニードル電極の先端に向かう溶融体の流れを阻害しないと考えられる。その結果、イオンビームの放出が安定になる。
本発明の液体金属イオン源において、前記酸化性ガスが水蒸気であるとよい。
水は酸素よりも酸化能力が高く、水蒸気とすることで効率よく酸化反応する。
水は酸素よりも酸化能力が高く、水蒸気とすることで効率よく酸化反応する。
請求項１の液体金属イオン源において、前記真空室に前記水蒸気が導入された状態での真空度が１．０×１０－５～３．０×１０－５Ｐａであってもよい。
請求項１又は２の液体金属イオン源において、前記真空室を目標真空度まで排気する最終排気系を有し、前記最終排気系の流路と、前記水蒸気導入部の流路とは、前記イオンのビームの照射方向に垂直な方向に少なくとも一部がニードルとそれぞれ対向してもよい。
この液体金属イオン源によれば、水蒸気導入部から水蒸気がニードルへ向かって流れ易くなる。
この液体金属イオン源によれば、水蒸気導入部から水蒸気がニードルへ向かって流れ易くなる。
本発明の液体金属イオン源において、前記ニードル電極と前記引出し電極との間に電圧が印加されているときにのみ、前記真空室に前記水蒸気を導入させる水蒸気導入制御部をさらに有してもよい。
この液体金属イオン源によれば、電圧が印加されてイオンビームを放出しているときにのみ水蒸気を導入するので、水蒸気の効果が無い電圧非印加のときに水蒸気を導入する無駄を抑制できる。
この液体金属イオン源によれば、電圧が印加されてイオンビームを放出しているときにのみ水蒸気を導入するので、水蒸気の効果が無い電圧非印加のときに水蒸気を導入する無駄を抑制できる。
本発明の集束イオンビーム装置は、前記液体金属イオン源を備えてなる。
本発明によれば、イオンビームを長期間安定して放出できる液体金属イオン源及び集束イオンビーム装置が得られる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０を含む集束イオンビーム装置１００の全体構成を示すブロック図である。
図１において、液体金属イオン源５０は、液体金属をなすイオン材料（Ｇａ等）を保持するリザーバ１０と、ニードル電極２０と、引出し電極２２と、ビーム絞り２４と、これらを収容して真空に保持する真空室３０とを備えている。
図１は本発明の第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０を含む集束イオンビーム装置１００の全体構成を示すブロック図である。
図１において、液体金属イオン源５０は、液体金属をなすイオン材料（Ｇａ等）を保持するリザーバ１０と、ニードル電極２０と、引出し電極２２と、ビーム絞り２４と、これらを収容して真空に保持する真空室３０とを備えている。
リザーバ１０は、１本のワイヤの一端側をコイル状に巻いた内部空間を備え、他端側（図１の先端側）には先鋭化されたニードル電極２０を備えている（図１の後端側）。フィラメントヒータ１４は一本の線状ヒータを側面視Ｖ字に加工してなり、そのＶ字の先端部位がワイヤのコイル状に巻かれた部分付近に接続されている。
フィラメントヒータ１４の後端側の両端部はそれぞれ一対の電極端子１１、１２に電気的に接続されている。そして、電極端子１１、１２に通電することによりリザーバ１０に貯留された液体金属状のイオン材料がフィラメントヒータ１４で加熱されて、溶融物の粘性が低下する。そして、ニードル電極２０に液体金属が流れてその表面を覆う。なお、電極端子１１、１２は絶縁体からなる支持部１３に支持されている。
フィラメントヒータ１４の後端側の両端部はそれぞれ一対の電極端子１１、１２に電気的に接続されている。そして、電極端子１１、１２に通電することによりリザーバ１０に貯留された液体金属状のイオン材料がフィラメントヒータ１４で加熱されて、溶融物の粘性が低下する。そして、ニードル電極２０に液体金属が流れてその表面を覆う。なお、電極端子１１、１２は絶縁体からなる支持部１３に支持されている。
そして、ニードル電極２０の下流側の引出し電極２２に電圧を印可すると、ニードル電極２０先端にある、溶融しているイオン材料（液体金属）の表面張力と、引出し電極２２への電圧印可により形成された電界の引力により、液体金属がテーラーコーンと呼ばれる円錐状となる。そして、この円錐の先端から電界蒸発が生じてイオンのビームＩＢを放出させる。放出されたイオンはニードル電極２０と引出し電極２２により形成された電界によって加速され、以下の集束レンズ７０に向かって進行する。
ビーム絞り２４は、引出し電極２２の下流側に配置され、イオンのビーム径を制限する。これにより、イオンビームの広がりや、以下の集束レンズ７０の汚染を抑制することができる。
なお、ニードル電極２０と、引出し電極２２との間にサプレッサー電極（抑制電極）２６を配置すると、サプレッサー電極２６に印可される電圧によりイオンビームの放出量を制御でき、イオンビームが放出しやすいときは電圧を上げてイオンビームを抑制し、イオンビームが放出しにくいときは電圧を下げてイオンビームの放出を促進させる。
そして、液体金属イオン源５０を構成するリザーバ１０、ニードル電極２０、引出し電極２２、ビーム絞り２４は、真空室３０に収容されて真空に保持されている。
ビーム絞り２４は、引出し電極２２の下流側に配置され、イオンのビーム径を制限する。これにより、イオンビームの広がりや、以下の集束レンズ７０の汚染を抑制することができる。
なお、ニードル電極２０と、引出し電極２２との間にサプレッサー電極（抑制電極）２６を配置すると、サプレッサー電極２６に印可される電圧によりイオンビームの放出量を制御でき、イオンビームが放出しやすいときは電圧を上げてイオンビームを抑制し、イオンビームが放出しにくいときは電圧を下げてイオンビームの放出を促進させる。
そして、液体金属イオン源５０を構成するリザーバ１０、ニードル電極２０、引出し電極２２、ビーム絞り２４は、真空室３０に収容されて真空に保持されている。
又、本発明の第１の実施形態に係る集束イオンビーム装置１００は、上述の液体金属イオン源５０の各構成要素に加え、ビーム絞り２４で絞られたイオンビームＩＢを集光するための集束レンズ７０を、ビーム絞り２４の下流側に備えている。集束レンズ７０も真空室３０に収容されて真空に保持されている。
さらに、真空室３０には、ニードル電極２０の周囲に酸化性ガスを導入する酸化性ガス導入部４０が連通するとともに、真空室３０を真空に保持する為のイオンポンプ４５及び排気系４６が連通している。
排気系４６はバルブ４６ａを介して真空室３０に接続され、真空室３０をイオンポンプ（最終排気系）４５が作動するまでの大まかな（低い）真空度に排気する。具体的には、排気系４６がイオンポンプが動作する真空度まで排気した後、しばらくイオンポンプ４５を動作させてからバルブ４６ａを閉じ、イオンポンプ４５を動作継続する。これにより、イオンポンプ４５にて真空室３０をさらに高い目標真空度に排気する。排気系４６とイオンポンプ４５との流路は合流し、真空室３０に１カ所の流路Ｆ１にて連通している。
排気系４６はバルブ４６ａを介して真空室３０に接続され、真空室３０をイオンポンプ（最終排気系）４５が作動するまでの大まかな（低い）真空度に排気する。具体的には、排気系４６がイオンポンプが動作する真空度まで排気した後、しばらくイオンポンプ４５を動作させてからバルブ４６ａを閉じ、イオンポンプ４５を動作継続する。これにより、イオンポンプ４５にて真空室３０をさらに高い目標真空度に排気する。排気系４６とイオンポンプ４５との流路は合流し、真空室３０に１カ所の流路Ｆ１にて連通している。
なお、第１の実施形態においては、酸化性ガス導入部４０は、排気系４６及びイオンポンプ４５の流路Ｆ１と水平方向（イオンビームＩＢの照射方向に垂直な方向）に少なくとも一部が対向する位置で真空室３０に別の流路Ｆ２にて連通している。又、各流路Ｆ１，Ｆ２は水平方向にニードル電極２０と少なくとも一部が対向する位置に配置されている。
又、図１に示すように、第１の実施形態においては、酸化性ガス導入部４０から流路Ｆ２を介して真空室３０に導入された酸化性ガスＧは、ニードル電極２０を通って別の流路Ｆ１からイオンポンプ４５により排気される。
このように、流路Ｆ１、Ｆ２を異ならせることで、酸化性ガスＧは流路Ｆ２から流路Ｆ１に流れるので、酸化性ガスＧの流量が小さくても効率的に酸化反応を進行させることができる。
このように、流路Ｆ１、Ｆ２を異ならせることで、酸化性ガスＧは流路Ｆ２から流路Ｆ１に流れるので、酸化性ガスＧの流量が小さくても効率的に酸化反応を進行させることができる。
本例では、酸化性ガス導入部４０は、酸化性ガスを貯留するシリンダ４１と、酸化性ガスの流量を制限する流量調整部４２とを有し、シリンダ４１内の酸化性ガスを流量調整部４２を介して真空室３０のニードル電極２０の周囲に導入する。
酸化性ガスの材料としては、水、酸素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素などが挙げられ、液体でもよい。液体の場合、シリンダ４１内には酸化性ガスの蒸気（シリンダ４１の温度に応じた蒸気圧）と液体の二相が存在し、その蒸気（例えば水蒸気）が供給される。また、硝酸銅、硫酸銅、ヨウ化鉄のように、結晶内に水を保持している水和物を用いてもよい。水は酸素よりも酸化能力が高く、効率よく酸化反応する。
流量調整部４２は、バリアブルバルブやオリフィスやマスフローコントローラや酸化性ガスを透過させる材料などが使用可能である。また、コントロールバルブを用いて真空室３０の真空度に応じて供給流量をフィードバック制御することも可能である。
酸化性ガスの材料としては、水、酸素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素などが挙げられ、液体でもよい。液体の場合、シリンダ４１内には酸化性ガスの蒸気（シリンダ４１の温度に応じた蒸気圧）と液体の二相が存在し、その蒸気（例えば水蒸気）が供給される。また、硝酸銅、硫酸銅、ヨウ化鉄のように、結晶内に水を保持している水和物を用いてもよい。水は酸素よりも酸化能力が高く、効率よく酸化反応する。
流量調整部４２は、バリアブルバルブやオリフィスやマスフローコントローラや酸化性ガスを透過させる材料などが使用可能である。また、コントロールバルブを用いて真空室３０の真空度に応じて供給流量をフィードバック制御することも可能である。
次に、図２～図４を参照し、本発明の特徴部分である、真空室３０内のニードル電極２０の周囲に酸化性ガスを導入する理由について説明する。
まず、図２に示すように、通常、ニードル電極２０の表面を覆ったイオン材料の溶融体Ｍは、ニードル電極２０の先端２０ｔに向かって流れてイオンビームＩＢとして放出される。
ところが、ビーム絞り２４がイオンビームＩＢでスパッタリングされると、図３に示すように、ビーム絞り２４の材料がスパッタリング粒子２４ｓとしてニードル電極２０に付着する。スパッタリング粒子２４ｓは溶融体Ｍの流れに乗ってニードル電極２０の先端２０ｔに凝集し、溶融体Ｍの流れを阻害してイオンビームＩＢの放出を不安定化させる。
まず、図２に示すように、通常、ニードル電極２０の表面を覆ったイオン材料の溶融体Ｍは、ニードル電極２０の先端２０ｔに向かって流れてイオンビームＩＢとして放出される。
ところが、ビーム絞り２４がイオンビームＩＢでスパッタリングされると、図３に示すように、ビーム絞り２４の材料がスパッタリング粒子２４ｓとしてニードル電極２０に付着する。スパッタリング粒子２４ｓは溶融体Ｍの流れに乗ってニードル電極２０の先端２０ｔに凝集し、溶融体Ｍの流れを阻害してイオンビームＩＢの放出を不安定化させる。
そこで、ニードル電極２０の周囲に酸化性ガスを導入すると、図４に示すように、ニードル電極２０の表面の溶融体Ｍが積極的に酸化されて最表面に酸化膜Ｏｘが形成される。そして、ニードル電極２０に飛来したスパッタリング粒子２４ｓは、この酸化膜Ｏｘにトラップされ、内部の溶融体Ｍまで到達せず、ニードル電極２０の先端２０ｔに向かう溶融体Ｍの流れを阻害しないと考えられる。その結果、イオンビームＩＢの放出が安定になる。
なお、ニードル電極２０の先端２０ｔの酸化膜Ｏｘは薄く、又、先端２０ｔには引出し電極２２の印加電圧が集中するので、先端２０ｔの溶融体Ｍは酸化膜Ｏｘを容易に破ってイオンビームＩＢになると考えられる。
なお、ニードル電極２０の先端２０ｔの酸化膜Ｏｘは薄く、又、先端２０ｔには引出し電極２２の印加電圧が集中するので、先端２０ｔの溶融体Ｍは酸化膜Ｏｘを容易に破ってイオンビームＩＢになると考えられる。
以上のことから、導入される酸化性ガスの量が少なすぎると、スパッタリング粒子２４ｓがニードル電極２０に付着し、イオンビームＩＢの放出を不安定化させる。
一方、導入される酸化性ガスの量が多過ぎると、ニードル電極２０の先端２０ｔの酸化膜Ｏｘが厚くなってイオンビームの放出を不安定化させる。
但し、真空室３０に導入される酸化性ガスの量は、排気系４６及びイオンポンプ４５の排気速度や真空室３０の容積により変化するので、個々の装置毎に実際のイオンビームの放出が安定化するよう、適切な範囲を求めればよい。
一方、導入される酸化性ガスの量が多過ぎると、ニードル電極２０の先端２０ｔの酸化膜Ｏｘが厚くなってイオンビームの放出を不安定化させる。
但し、真空室３０に導入される酸化性ガスの量は、排気系４６及びイオンポンプ４５の排気速度や真空室３０の容積により変化するので、個々の装置毎に実際のイオンビームの放出が安定化するよう、適切な範囲を求めればよい。
図１に示すように、液体金属イオン源５０は、ニードル電極２０と引出し電極２２との間に電圧が印加されているときにのみ、真空室３０に酸化性ガスを導入させる酸化性ガス導入制御部４８をさらに有してもよい。
酸化性ガス導入制御部４８はマイコン等のコンピュータからなり、例えばニードル電極２０と引出し電極２２の間の電圧をモニタし、ニードル電極２０と引出し電極２２の間に電圧が印加されている間は、流量調整部４２を所定の開度で開け、ニードル電極２０と引出し電極２２の間の電圧がゼロであると検知すると、流量調整部４２を閉じる制御を行うことができる。
酸化性ガス導入制御部４８はマイコン等のコンピュータからなり、例えばニードル電極２０と引出し電極２２の間の電圧をモニタし、ニードル電極２０と引出し電極２２の間に電圧が印加されている間は、流量調整部４２を所定の開度で開け、ニードル電極２０と引出し電極２２の間の電圧がゼロであると検知すると、流量調整部４２を閉じる制御を行うことができる。
酸化性ガスによる効果は、ニードル電極２０と引出し電極２２の間に電圧が印加され、溶融体Ｍがニードル電極２０の表面で流れているときに発揮される。従って、このようにすると、ニードル電極２０と引出し電極２２の間の電圧がゼロであるときに酸化性ガスを無駄に導入することが抑制され、酸化性ガスの使用量を低減することができる。
なお、導入したガスは真空室内の表面に吸着され、そこから徐々に真空室内に放出される。これにより、高圧が印加されていない時にガスを吸着させておき、そこからの供給でも同様の効果が得られる。
なお、導入したガスは真空室内の表面に吸着され、そこから徐々に真空室内に放出される。これにより、高圧が印加されていない時にガスを吸着させておき、そこからの供給でも同様の効果が得られる。
次に図５を参照し、本発明の第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０Ｂを含む集束イオンビーム装置１００Ｂについて説明する。
第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０Ｂを含む集束イオンビーム装置１００Ｂは、真空室３０への酸化性ガス導入部４０の連通流路が異なること以外は、第１の実施形態と構成が同一であり、第１の実施形態と同一構成部分については図１と同一符号を付して説明を省略する。
すなわち、第２の実施形態においては、排気系４６と酸化性ガス導入部４０との流路はＦ３にて合流し、さらに流路Ｆ３とイオンポンプ４５との流路は合流し、真空室３０に１カ所の流路Ｆ４にて連通している。排気系４６とイオンポンプ４５の動作は第１の実施形態と同様である。
流路Ｆ４は水平方向にニードル電極２０と少なくとも一部が対向する位置に配置されている。
第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０Ｂを含む集束イオンビーム装置１００Ｂは、真空室３０への酸化性ガス導入部４０の連通流路が異なること以外は、第１の実施形態と構成が同一であり、第１の実施形態と同一構成部分については図１と同一符号を付して説明を省略する。
すなわち、第２の実施形態においては、排気系４６と酸化性ガス導入部４０との流路はＦ３にて合流し、さらに流路Ｆ３とイオンポンプ４５との流路は合流し、真空室３０に１カ所の流路Ｆ４にて連通している。排気系４６とイオンポンプ４５の動作は第１の実施形態と同様である。
流路Ｆ４は水平方向にニードル電極２０と少なくとも一部が対向する位置に配置されている。
第２の実施形態においては、酸化性ガス導入部４０用の流路Ｆ２（図１）を設けなくてよいので、既設の液体金属イオン源に後付けで酸化性ガス導入部を設置したい場合に、設置の自由度が増すという利点がある。
一方、図５に示すように、第２の実施形態においては、酸化性ガス導入部４０から流路Ｆ３を介して導入された酸化性ガスＧは、流路Ｆ４を通って真空室３０側は流れるだけでなく、イオンポンプ４５側へも二手に分かれる。従って、分子流的には均等に別れると仮定すると、酸化反応に有効に働くための酸化性ガスＧの導入量が第１の実施形態の２倍程度必要になると考えられる。
そして、真空室３０に入った酸化性ガスＧも結局はイオンポンプ４５で排気されるので、真空度が第１の実施形態より低下する。
第２の実施形態においても、ニードル電極２０の周囲に酸化性ガスを導入することで、ニードル電極２０の表面の溶融体Ｍを積極的に酸化させ、イオンビームＩＢの放出が安定になる。
一方、図５に示すように、第２の実施形態においては、酸化性ガス導入部４０から流路Ｆ３を介して導入された酸化性ガスＧは、流路Ｆ４を通って真空室３０側は流れるだけでなく、イオンポンプ４５側へも二手に分かれる。従って、分子流的には均等に別れると仮定すると、酸化反応に有効に働くための酸化性ガスＧの導入量が第１の実施形態の２倍程度必要になると考えられる。
そして、真空室３０に入った酸化性ガスＧも結局はイオンポンプ４５で排気されるので、真空度が第１の実施形態より低下する。
第２の実施形態においても、ニードル電極２０の周囲に酸化性ガスを導入することで、ニードル電極２０の表面の溶融体Ｍを積極的に酸化させ、イオンビームＩＢの放出が安定になる。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
第１の実施形態において、流路Ｆ１、Ｆ２が水平方向（イオンビームＩＢの照射方向に垂直な方向）に対向しなくてもよい。
又、第１の実施形態における流路Ｆ１、Ｆ２、及び第２の実施形態における流路Ｆ４が（イオンビームＩＢの照射方向に垂直な方向）にニードル電極２０と対向する位置に配置されていなくてもよい。
第１の実施形態において、流路Ｆ１、Ｆ２が水平方向（イオンビームＩＢの照射方向に垂直な方向）に対向しなくてもよい。
又、第１の実施形態における流路Ｆ１、Ｆ２、及び第２の実施形態における流路Ｆ４が（イオンビームＩＢの照射方向に垂直な方向）にニードル電極２０と対向する位置に配置されていなくてもよい。
図１及び図５に示す液体金属イオン源（集束イオンビーム装置）をそれぞれ用い、真空室３０への酸化性ガスの導入の有無によるイオンビーム放出の安定性を評価した。
なお、排気系４６は、イオンポンプ４５が動作する真空度まで引いた後は系から分離される。イオンポンプ４５の排気能力を３０Ｌ/ｍｍとし、真空室３０の容積を２Ｌとした。
なお、排気系４６は、イオンポンプ４５が動作する真空度まで引いた後は系から分離される。イオンポンプ４５の排気能力を３０Ｌ/ｍｍとし、真空室３０の容積を２Ｌとした。
イオンビーム放出の安定性は、サプレッサー電極２６に印可される電圧の変動により評価した。後述する図８に示すように、イオンビームの放出しにくくなると、サプレッサー電極２６の電圧が低下する。
具体的には、ニードル電極２０と引出し電極２２の間に電圧印加を開始してから５０時間以上、サプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ以上を維持した場合を評価〇（イオンビーム放出が安定）とし、開始から５０時間未満でサプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ未満に低下した場合を評価×（イオンビーム放出が不安定）とした。
具体的には、ニードル電極２０と引出し電極２２の間に電圧印加を開始してから５０時間以上、サプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ以上を維持した場合を評価〇（イオンビーム放出が安定）とし、開始から５０時間未満でサプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ未満に低下した場合を評価×（イオンビーム放出が不安定）とした。
得られた結果を図６～図９に示す。
図６に示すように、第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０の場合、真空室３０に酸化性ガスが導入された状態での真空度が５．０×１０－６～１．５×１０－５Ｐａの範囲で、イオンビーム放出が安定することがわかった。
一方、図７に示すように、第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０の場合、真空室３０に酸化性ガスが導入された状態での真空度が１．０×１０－５～３．０×１０－５Ｐａの範囲で、イオンビーム放出が安定することがわかった。第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０の方が真空度が低い（酸化性ガスの導入量を多くする）理由は、上述のように酸化性ガスの一部は排気系４６で排気されて真空室３０に到達できないためと考えられる。
図６に示すように、第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０の場合、真空室３０に酸化性ガスが導入された状態での真空度が５．０×１０－６～１．５×１０－５Ｐａの範囲で、イオンビーム放出が安定することがわかった。
一方、図７に示すように、第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０の場合、真空室３０に酸化性ガスが導入された状態での真空度が１．０×１０－５～３．０×１０－５Ｐａの範囲で、イオンビーム放出が安定することがわかった。第２の実施形態に係る液体金属イオン源５０の方が真空度が低い（酸化性ガスの導入量を多くする）理由は、上述のように酸化性ガスの一部は排気系４６で排気されて真空室３０に到達できないためと考えられる。
図８は、第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０において、真空室３０へ酸化性ガスを導入しなかったときのサプレッサー電極２６の電圧の時間変化を示す。開始から１４時間でサプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ未満に低下した。
図９は、第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０において、真空室３０へ酸化性ガスを１．０×１０－５Ｐａ導入したときのサプレッサー電極２６の電圧の時間変化を示す。開始から５０時間時間以上、サプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ以上を維持した。
図９は、第１の実施形態に係る液体金属イオン源５０において、真空室３０へ酸化性ガスを１．０×１０－５Ｐａ導入したときのサプレッサー電極２６の電圧の時間変化を示す。開始から５０時間時間以上、サプレッサー電極２６の電圧が０．１ｋｖ以上を維持した。
１０ リザーバ
２０ ニードル電極
２２ 引出し電極
２４ ビーム絞り
２６ サプレッサー電極
３０ 真空室
４０ 酸化性ガス導入部
４５ イオンポンプ（最終排気系）
４８ 酸化性ガス導入制御部
５０、５０Ｂ 液体金属イオン源
７０ 集束レンズ
１００、１００Ｂ 集束イオンビーム装置
ＩＢ イオンビーム
Ｍ イオン材料（液体金属）
２０ ニードル電極
２２ 引出し電極
２４ ビーム絞り
２６ サプレッサー電極
３０ 真空室
４０ 酸化性ガス導入部
４５ イオンポンプ（最終排気系）
４８ 酸化性ガス導入制御部
５０、５０Ｂ 液体金属イオン源
７０ 集束レンズ
１００、１００Ｂ 集束イオンビーム装置
ＩＢ イオンビーム
Ｍ イオン材料（液体金属）
Claims (5)
- 液体金属をなすイオン材料を保持するリザーバと、
前記リザーバから供給される前記イオン材料で表面が覆われるニードル電極と、
前記ニードル電極の先端から前記イオン材料のイオンを放出させる引出し電極と、
前記引出し電極の下流側に配置され、前記イオンのビーム径を制限するビーム絞りと、
これらを収容して真空に保持する真空室と、を備えた液体金属イオン源において、
さらに、前記イオン材料で表面を覆われているニードル電極の周囲に水蒸気を導入する水蒸気導入部を有し、
前記水蒸気導入部は、少なくとも前記ニードル電極と前記引出し電極との間に電圧が印加されているときに、前記真空室に前記水蒸気を導入させ、
前記液体金属イオン源は、前記水蒸気導入部からの前記水蒸気により前記ニードル電極の表面に酸化膜が形成された状態で、前記電圧の印加により前記ニードル電極から前記イオンを放出することを特徴とする液体金属イオン源。 - 前記真空室に前記水蒸気が導入された状態での真空度が１．０×１０－５～３．０×１０－５Ｐａである請求項１に記載の液体金属イオン源。
- 前記真空室を目標真空度まで排気する最終排気系を有し、前記最終排気系の流路と、前記水蒸気導入部の流路とは、前記イオンのビームの照射方向に垂直な方向に少なくとも一部がニードルとそれぞれ対向する請求項１又は２に記載の液体金属イオン源。
- 前記ニードル電極と前記引出し電極との間に電圧が印加されているときにのみ、前記真空室に前記水蒸気を導入させる水蒸気導入制御部をさらに有する請求項１～３のいずれか一項に記載の液体金属イオン源。
- 請求項１～４のいずれか一項に記載の液体金属イオン源を備えてなる集束イオンビーム装置。
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