JPH0160891B2

JPH0160891B2 -

Info

Publication number: JPH0160891B2
Application number: JP15305683A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamada; Yasuhiro Torii
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1989-12-26
Also published as: JPS6047342A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、高安定なイオンビームを放出する電
界放出型の液体金属イオン源に関するものであ
る。

（従来技術）高輝度イオン源として、針状エミツタを用いた
電界放出型液体金属イオン源が良く知られてい
る。

本願人は、この種液体金属イオン源として、イ
オンを放出すべき液体金属を貯溜するリザーバ部
と、そのリザーバ部の下部に配置された針状エミ
ツタと、上述のリザーバ部から針状エミツタに液
体金属を供給する供給部材と、針状エミツタと対
向して配置され、針状エミツタから液体金属のイ
オンを引き出す引出し電極とを具え、リザーバ部
において、針状エミツタに対し、イオン放出方向
とは反対側に、液体金属を貯溜するようにしたこ
とを特徴とする液体金属イオン源を特願昭58―
134405号において提案した。

かかるリザーブ構成の液体金属イオン源の構成
を第１図および第２図に示す。第１図および第２
図において、１は針状エミツタ、２は液体金属貯
蔵部、３はこの貯蔵部２内に貯留される液体金
属、４は液体金属貯蔵部２の囲りに配置されたヒ
ータ、５はこのヒータ４の加熱用電源、６は引出
し用電極、７は引出し電極６へ給電する引出し電
源、８は引出し電極６の支持部、９は針状エミツ
タ１に対向する引出し電極６の面（針状エミツタ
対向面）、１０はイオン引き出し用の孔（引出し
電極孔）である。さらに、１１は装置組込用の電
圧導入端子付フランジ、１２は絶縁性基板、１３
はイオン源本体の支持部、１４は針状エミツタ１
に高電圧を供給する高電圧供給端子、１５は絶縁
熱伝導材による液体金属貯蔵部加熱用支持体、１
６は導電性の液体金属貯蔵部固定体、１７は熱し
やへい板、１８は排気用の排気口である。針状エ
ミツタ１は、液体金属貯蔵部２の先端に設けられ
た孔からわずかの間隙（約0.1〜0.2mm）を保つて
液体金属貯蔵部２の外に突出している。

このような構成において、液体金属貯蔵部２の
中にイオン化すべき金属３を入れ、加熱用電源５
を用いて液体金属貯蔵部内の金属３を溶融するこ
とにより、針状エミツタ１の先端へ溶融した金属
が供給される。ここで、引出し用電源７を用いて
針状エミツタ１と引出し電極６との間に高電界を
印加することにより、針状エミツタ１の先端の液
体金属からイオンが放出される。

第１図のような構成のイオン源において、Al
などの高融点で反応性の高い金属、Auなどのよ
うな高融点金属を用いてイオンビームを放出する
と、引出し電極６に放出イオンビームとは関係な
いと思われる電流の流れが観測される。すなわ
ち、引出し電圧をかけると、イオンを放出する以
前に既に引出し電極６に電流が流れている。この
電流が多いと、一般には、放出イオンビームの安
定性が悪く、しかも、ビームスポツト径の小さな
収束イオンビームを得る低イオン放出が得られに
くいという問題があつた。この現象は公表されて
おらず、その原因も不明で推測の域を出ないが、
少なくともイオン源自体の温度が上昇するとこの
現象が顕著になつた。

（目的）そこで、本発明の目的は、これらの欠点を除去
するために、引出し電極の構造を改良することに
よつて引出し電極に流れるイオン電流以外の電流
の発生を抑え、以て放出イオンビームの安定化を
図つた液体金属イオン源を提供することにある。

（発明の構成）かかる目的を達成するために、本発明では、イ
オンを放出すべき液体金属を貯溜するリザーバ部
と、そのリザーバ部の下部に配置された針状エミ
ツタと、上述のリザーバ部から針状エミツタに液
体金属を供給する供給部材と、針状エミツタと対
向して配置され、針状エミツタから液体金属のイ
オンを引き出す引出し電極とを具え、リザーバ部
において、針状エミツタに対し、イオン放出方向
とは反対側に、液体金属を貯溜するようにし、針
状エミツタの先端よりもイオンが放出される側に
おいて、引出し電極を、針状エミツタの軸上に近
い部分では針状エミツタに最も接近させ、針状エ
ミツタの軸上から離れた部分ではイオン放出側に
近い位置に位置させるようにしたことを特徴とす
る。

ここで、引出し電極には、針状エミツタの先端
からイオンが放出される側に排気用の排気口を設
けるのが好適である。

また、引出し電極に水冷用パイプを取付けるの
が好適である。

引出し電極としては、その針状エミツタの先端
と対向する部分の形状を針状エミツタに向けて先
すぼまりのほぼ円錘台形状とすることができる。

（実施例）以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。第３図および第４図は本発明液体金属イオン
源の一実施例の構成を示し、ここで、第１図およ
び第２図と同様の個所には同一の符号を付してそ
の詳細は省略する。図中、２１は針状エミツタ対
向面、２２は中央に引出し電極孔１０を有し、針
状エミツタに向けて先すぼまりの円錘台形状の引
出し電極、２３は排気口２４をあけた引出しであ
り、これら引出し電極２２と２３とにより引出し
電極２５を構成する。さらに、２６は引出し電極
２５の支持部である。このイオン源によつても、
第１図のイオン源と同様の方法でイオンビームを
放出することができる。

第１図示の先の提案に係るイオン源と第３図示
の本発明によるイオン源とは、引出し電極６（第
１図）と引出し電極２４（第３図）の構造が以下
に述べるように異なつている。

(1) 先の提案におけるイオン源の引出し電極６
（第１図）は、第１図に示したように、針状エ
ミツタ１の軸方向に垂直に設置された平板６の
形態であつて、この平板６にイオン引出し用の
孔１０をあけたものが用いられている。それに
対して、本発明では、第３図のように、円錘用
引出し電極２２および排気口付き引出し電極２
３からなる引出し電極２５を、針状エミツタ１
の軸上に近い所で最も近接させており、軸上か
ら離れた所で針状エミツタ１から遠ざかるよう
な構造に構成する。すなわち、針状エミツタ１
に対向した、針状エミツタ１に近い引出し電極
２５の面積、つまり針状エミツタ対向面２１の
面積が小さくなるような構造とする。

そのためには、第３図のように円錘状引出し
電極２２とし、その肉厚を薄くしたり、また
は、その引出し電極孔１０の周縁部を、スパツ
タされにくく、かつ放出イオンに影響を与えな
い範囲で鋭角にとがらせることもできる。

(2) 先の提案におけるイオン源（第１図）では、
排気用の排気口１８は引出し電極支持部８の側
面に設けてあり、引出し電極６には排気用の排
気口を設けていない。それに対して、本発明で
は、第３図示のように、引出し電極孔１０の周
囲に排気口２４を配置した構造としている。そ
れによれば、針状エミツタ１の近傍で発生する
ガスをできるだけ速やかに排気して、動作時の
針状エミツタ１の近傍の真空度を高真空にする
ことができる。

本実施例をAlイオン源に適用した際のイオン
放出特性を第５図および第６図に示す。なお、本
実施例では引出し電極２５の総排気口断面積を約
430mm²とした。第５図は、針状エミツタ対向面２
１の面積を変化させた際の、Alイオン放出直前
の引出し電極電流（イオンを放出する直前の引出
し電圧がかけられている状態）の変化を示したも
のであり、針状エミツタ対向面２１の面積が小さ
いほど引出し電極電流が小さくなつた。

また、第６図は、Alイオン放出後の放出イオ
ンビーム電流に対する引出し電極電流特性におけ
る針状エミツタ対向面２１の面積依存性を示した
もので、針状エミツタ対向面２１の面積が小さい
ほど引出し電極電流が小さい。なお、針状エミツ
タ対向面２１の面積が約80mm²のイオン放出特性
は、それ以上の面積のものに比べると、イオンビ
ーム電流の揺ぎが大幅に軽減されていた。さら
に、面積約８mm²のもの（Γ印）では、面積約80mm²
のもの（×印）に比較すると、イオンビーム電流
の揺ぎは全く認められなかつた。

これらの結果から、イオンビーム電流20μA以
下の低イオンビーム電流域で安定なイオンビーム
を得るためには、針状エミツタ対向面２１の面積
を約80mm²以下にする必要があり、さらにできるだ
け面積を小さくした方がよいことが明らかになつ
た。

第７図は、針状エミツタ対向面２１の面積を約
８mm²にし、引出し電圧を7.3KV（一定）、イオンビ
ーム電流を20μAとしたときの、角度電流密度の
時間に対する変動を示し、ここで、イオン電流変
動率は±１％／3hrs以下となり、低いイオンビー
ム電流（20μA）で非常に安定したAlイオンビー
ムが得られた。

また、総排気口断面積を約430mm²から約150mm²に
減少させた際の、同様なAlイオン源に対するこ
れらの特性変化を検討した結果、断面積約430mm²
のイオン源は断面積約150mm²のものに比べて全て
の点で良好な結果を示した。しかも、液体金属
Al温度約660〜900℃、総稼動時間約150hrs以上
経過させた後も、針状エミツタ１の先端の液体金
属Alの変質等は全く認められなかつた。

以上のことから、針状エミツタ対向面２１の面
積を約80mm²以下にし、かつ引出し電極孔１０の周
囲に排気口２４を設けた引出し電極構成により、
Al等の反応性の高い高融点金属のイオンビーム
を長時間安定に得られることが明らかになつた。

このような引出し電極構造でイオンビームを安
定に放出できる理由として、以下のことが考えら
れる。

(1) 引出し電極の加熱（昇温）により熱電子放出
が生じ、この熱電子電流が不安定要因の１つと
推定される。従つて、引出し電極の温度を上げ
ないようにするか、引出し電極の熱電子放出面
積を小さくするのが有効と考えられる。実施例
では、針状エミツタ１に対向する小面積部分の
みが昇温し、それ以外の部分では温度上昇も小
さいため、不安定要因になる引出し電極電流が
減少したと考えられる。

(2) さらに、イオン源を加熱（昇温）したり、イ
オンを放出させると、針状エミツタ１に対向す
る引出し電極表面２１に導電性の付着物が着き
易い。これが温度上昇に伴ない、より一層多く
の熱電子を放出し易くなると考えられる。従つ
て、付着物が付着する面積を小さくすると共
に、低温化を図つた本発明の構造により、不安
定要因になる引出し電極２５への電流が流れに
くくなつたと考えられる。

(3) 針状エミツタ１の近傍の真空度が悪いと、針
状エミツタ１に対向する引出し電極表面２１に
付着物が着き易い傾向がある。本実施例では、
排気口２４により針状エミツタ１の近傍での真
空度を常に高真空に保つ構造にしているため、
性能がより一層向上したと考えられる。

第８図および第９図は、本発明の別の実施例を
示し、ここで、３１は第９図に示すようなほぼ帯
状の引出し電極、３２および３６は引出し電極３
１の支持部、３３は排気口、３４は針状エミツタ
対向面である。本実施例は、第３図の引出し電極
２５の構造をさらに改良したもので、イオン引き
出しに必要な引出し電極孔１０の部分以外の引出
し電極３１の面積を一層小さく形成する。図示の
ように、引出し電極３１の面積が第３図の実施例
よりも減少しており、しかも、引出し電極３１は
ほぼ帯状をなしているので、残余の排気口部分３
５によりほぼ定められる総排気口断面積が増大し
ているため、イオンビームのより一層安定な放出
が可能である。

第１０図は、本発明のさらに別の実施例を示
し、ここで、４１は引出し電極、４２は引出し電
極４１の支持部、４３は引出し電極４１に取付け
た水冷用パイプ、４４は排気口である。前述した
ように、引出し電極４１の温度上昇を阻止するこ
とがイオンビームの安定な放出を保証する１要因
であることを考慮して、本例では引出し電極４１
に水冷用パイプ４３を設けることにより、イオン
ビーム電流の安定化を図る。水冷用パイプ４３
は、放出されたイオンビームに影響を与えない範
囲で、できる限り引出し電極４１の温度上昇し易
い部分に配置することが有効であることは言うま
でもないことである。

以上説明した本発明の実施例においては、Al
のような特に反応性の高い高融点金属を例にとつ
て本発明を説明してきたが、Au等の高融点金属
や他の合金等の液体金属イオン源にも本発明を適
用できることは当然のことである。さらに、本発
明において開示した引出し電極構成をもつイオン
源は、電界放出型のイオン以外の荷電粒子発生装
置にも適用することが可能なことは言うまでもな
い。

（効果）以上説明したように、本発明によれば、電界放
出型液体金属イオン源に対して、針状エミツタ先
端に近接して対向した引出し電極の面積を小さく
し、また、引出し電極孔の周囲に排気口を設ける
ことによつて、引出し電極への余分な電流の流れ
を軽減することができ、Au等の高融点金属のみ
ならず、Al等の反応性の高い金属に対しても、
イオンビームの長時間、かつ、高安定な放出を実
現できるので、非常に有用である。このように、
本発明は、液体金属イオン源として有用である。

本発明液体金属イオン源は高輝度で種々のイオ
ン種の発生が可能であるから、パタンニング（露
光等），イオン打込み，マイクロエツチング，付
着，ドーピング，さらにはイオンビームマイクロ
アナリシス用のイオン源として広範な応用が可能
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電界放出型液体金属イオン源の
一例を示す構成図、第２図はそのＡ―Ａ線断面
図、第３図は本発明電界放出型液体金属イオン源
の一例を示す構成図、第４図はそのＢ―Ｂ線断面
図、第５図，第６図および第７図は本発明のイオ
ン源の各種特性を示す線図、第８図は本発明イオ
ン源の別の実施例を示す構成図、第９図はそのＣ
―Ｃ線断面図、第１０図は本発明のさらに別の実
施例を示す構成図である。１…針状エミツタ、２…液体金属貯蔵部、３…
液体金属、４…ヒータ、５…加熱用電源、６…引
出し用電極、７…引出し電源、８…引出し電極支
持部、９…針状エミツタ対向面、１０…引出し電
極孔、１１…電圧導入端子付フランジ、１２…絶
縁性基板、１３…引出し電極支持部、１４…高電
圧供給端子、１５…液体金属貯蔵部加熱用支持
体、１６…液体金属貯蔵部固定体、１７…熱しや
へい板、１８…排気口、２１…針状エミツタ対向
面、２２…円錘台形状引出し電極、２３…排気口
付の引出し電極、２４…排気口、２５…引出し電
極、２６…引出し電極支持部、３１…引出し電
極、３２…引出し電極支持部、３３…排気口、３
４…針状エミツタ対向面、３５…排気口部分、４
１…引出し電極、４２…引出し電極支持部、４３
…水冷用パイプ、４４…排気口。

Claims

【特許請求の範囲】１イオンを放出すべき液体金属を貯溜するリザ
ーバ部と、該リザーバ部の下部に配置された針状エミツタ
と、前記リザーバ部から前記針状エミツタに前記液
体金属を供給する供給部材と、前記針状エミツタと対向して配置され、当該針
状エミツタから前記液体金属のイオンを引き出す
引出し電極とを具え、前記リザーバ部において、前記針状エミツタに
対し、イオン放出方向とは反対側に、前記液体金
属を貯溜するようにし、前記針状エミツタの先端
よりもイオンが放出される側において、前記引出
し電極を、前記針状エミツタの軸上に近い部分で
は前記針状エミツタに最も接近させ、前記針状エ
ミツタの軸上から離れた部分ではイオン放出側に
近い位置に位置させるようにしたことを特徴とす
る液体金属イオン源。２前記引出し電極には、前記針状エミツタの先
端からイオンが放出される側に排気用の排気口を
設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の液体金属イオン源。３前記引出し電極のうち、前記針状エミツタの
先端に対向する部分の形状を前記針状エミツタに
向けて先すぼまりのほぼ円錘台形状となしたこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体金
属イオン源。４前記引出し電極に水冷用パイプを取付けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体
金属イオン源。