JPH0449740B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は液体金属イオン源に係り、特に、加熱
効率が高く、イオン化物質の蒸散を抑制すること
ができ、しかも熱応力によつて破損する虞れの無
いように改良した液金属イオン源、及びその製造
に好適な方法に関するものである。

〔発明の背景〕

従来のマイクロイオンビーム装置において、イ
オン源として広く用いられてきた、ニードル型の
液体金属イオン源を第１図に示す。イオン源チツ
プ１はタングステン（以下Ｗと略記する）フイラ
メント２及びその先端にＷニードル４を有する。
加熱電源６によつてＷフイラメント２を直接加熱
し、その上にのせたイオン化物質３を溶融し、Ｗ
ニードル４の先端を溶融したイオン化物質３でぬ
らす。この状態でＷニードル４と引出し電極５と
の間に、引出し電源７によつて電圧を印加しＷニ
ードル４の先端からイオン化物質３をイオンビー
ムとして引出す。第２図は前記のＷニードル４付
近の拡大断面詳細図である。Ｗフイラメント２の
先に先端の鋭く尖つたＷニードル４を設け、溶融
したイオン化物質３で先端部までぬらす。ところ
が、こうした構造ではイオン化物質３を周囲に露
出した状態でＷフイラメント２上にのせているた
めに、イオン化物質３の蒸発を抑制することは不
可能であり、高蒸気圧のイオン化物質を長時間に
わたつて安定して引出すことは困難であつた。ま
た加熱方法がＷフイラメント２に電流を流す直接
加熱であるために、高融点のイオン化物質を安定
して溶融し続けるのに充分な加熱効率を得ること
も困難であつた。

上記の様なニードル型の液体金属イオン源の持
つ欠点を補うものとして、従来考案されているイ
オン源として、キヤピラリーニードル型液体金属
イオン源（第３図）が有る。Ｗニードル４の周囲
にＷあるいはセラミツクのキヤピラリー８を設
け、キヤピラリー８とニードル４の間の密閉され
た隙間を通して、イオン化物質３をニードル４の
先端に供給する。このキヤピラリーニードル型イ
オン源は、イオン化物質３を密閉された空間内で
溶融するため、イオン化物質３の蒸発を抑制する
ことはできるが、キヤピラリー８に熱を奪われる
ため加熱効率は非常に悪いものであつた。

加熱効率を改善した公知のキヤピラリーニード
ル型イオン源を第４図に示す。第３のキヤピラリ
ーニードル型液体金属イオン源におけるセラミツ
クのキヤピラリー８の周囲に加熱用のフイラメン
ト９を設けたものである。これは、フイラメント
９によりキヤピラリー８を直接的に加熱すること
によつて加熱効率の向上を計つたものであるが、
実際はフイラメント９とキヤピラリー８とは線接
触しかしないため、わずかしか加熱効率は向上し
ない。またフイラメント９をキヤピラリー８の内
部に埋め込んで、加熱効率の向上を計つたイオン
源の場合、Au等の非常に高融点のイオン化物質
に適用した時、フイラメント９とキヤピラリー８
を構成する物質の熱膨脹率の差によつて、イオン
源の構造が破壊されるという問題が生じる。

上記いずれの公知例においても、高融点高蒸気
圧のイオン化物質に対応する上で要求される条
件、すなわち加熱効率が高く高融点の物質を溶融
できること、及びイオン化物質の蒸発を抑制でき
ること、の２点を満足できておらず、マイクロイ
オンビーム技術を改質、成膜、修正等の分野に広
く応用していく上で克服しなければならない、重
要な技術的課題となつていた。なお、この種のイ
オン源については1979年、米国ベル研究所発行の
文献（Journal Of Vacum Science And
Technology，16(6)Nov／Dec 1979）においてワ
グナー（Wagner）及びホール（Hall）がリキツ
ドゴールドソース（Liquid Gold Source）と題
して論じている。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為され、加熱効率
が高く、イオン化物質の蒸散を抑制することがで
き、しかも熱応力によつて破損する虞れの無い液
体金属イオン源、及びその製造に好適な方法を提
供しようとするものである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成する為、本発明の液体金属イオ
ン源は、熱膨脹率をほぼ等しくする導電性の焼結
部材と電気絶縁性の焼結部材とを用いて金属イオ
ン源を構成し、かつ、上記双方の焼結部材の少な
くとも一部分を相互に連設して一体を成形し、前
記導電性の焼結部材に通電して発熱させ、この発
生熱が該導電性焼結部材と一体成形された電気絶
縁性焼結部材に伝導して溶融金属を加熱するよう
に構成したことを特徴とする。

また、本発明の液体金属イオン源製造方法は、
焼結によつて電気絶縁性の固形部材となるように
絶縁体粒子を練り合わせたペースト（絶縁ペース
ト）を構成すると共に、焼結によつて前記の電気
絶縁性固形部材とほぼ等しい熱膨脹率を有する導
電性固形部材となるように導電性粒子と絶縁体粒
子とを練り合わせたペースト（導電ペースト）を
構成し、共通の型の中に前記絶縁ペーストと導電
ペーストとを入れて一緒に焼結して、導電性焼結
部材と絶縁性焼結部材とが一体成形されたイオン
源用部材を構成することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

本発明の液体金属イオン源について、第５図以
降を参照しつつ、実施例を順次に６例説明し、併
せて本発明の製造方法を述べる。

実施例 １ 第５図は第１の実施例の断面図、第６図は同実
施例の斜視図である。

Ｗニードル４の周囲にセラミツクのキヤピラリ
ー８を設け、Ｗニードル４とキヤピラリー８の間
の密閉された隙間を通して、イオン化物質３を供
給する点は従来のキヤピラリーニードル型イオン
源と同様である。本実施例においてはキヤピラリ
ー８の周囲に、Ｗ粒子を混入して焼結した導電性
のあるセラミツク１０（以下Ｗセラミツクと記述
する）によつて加熱用ヒータのパターンを形成し
てある。加熱用ヒータのパターンの一例を第６図
に示すが、次にこのパターンの形成方法を説明す
る。セラミツクのキヤピラリー８の周囲にセラミ
ツクのペーストでヒータパターン形状の溝を設
け、この溝をＷセラミツクのペーストで充填して
焼結することにより、隙間をセラミツク１１で絶
縁されたＷセラミツク１０のヒータパターンを形
成する。ここでＷセラミツクとセラミツクの熱膨
脹率がほぼ等しくなる様に、Ｗセラミツクにおけ
るＷ粒子とセラミツク粒子の混合比を決めること
が重要である。

セラミツク材料としてAl₂O₃を用いた場合、
W100％に対してAl₂O₃を10％（重量比）混合し
た焼結体では、Ｗの熱膨脹率（100％）に対して
熱膨脹率が８％変化し、Al₂O₃の熱膨脹率に接近
する。

その上、Al₂O₃の混合率を変化させると熱膨脹
率はこれにほぼ比例して変化するので、前記の混
合焼結部材の熱膨脹率をAl₂O₃の熱膨脹率とほぼ
等しからしめることは別段の困難を伴わない。

上述のようにして両者の熱膨脹率をほぼ等しか
らしめることにより、焼結の際のパターン形状の
変形を小さく抑えることができ、さらにはＷセラ
ミツクヒータに高温を発生させた時のキヤピラリ
ーの破壊を防ぐことができる。上記の方法により
製造した、加熱用ヒーター体型のキヤピラリーに
おいては、Ｗセラミツクのヒータはその周囲の大
半をキヤピラリーに接しているため、加熱効率は
非常に高く、電源１２によつてＷセラミツクヒー
タ１０に電流を流して、高融点イオン化物質を安
定して溶融し続けるに充分な熱量を得ることがで
きる。またＷセラミツクのヒータパターンの周囲
をさらにセラミツクの層で覆いヒータからの輻射
熱を閉じ込めることもでき、これによつて加熱効
率はさらに向上する。

実施例 ２ 第７図は第２の実施例の断面図と示す。本実施
例においてはキヤピラリー８の周囲に形成するＷ
セラミツクの層１０′を円筒状に構成する。

上記Ｗセラミツク層１０′の周囲に、Ｗセラミ
ツク層１０′よりも大径のコイル状フイラメント
１３を設け、Ｗセラミツク層１０′とフイラメン
ト１３との間に電圧を印加するための電源１４を
設ける。Ｗセラミツクは導電性があるので、他の
導電体との間に電圧を印加することによつて、そ
の間の空間に電場を生成することができる。従つ
て本実施例では、加熱されたフイラメント１３と
Ｗセラミツク層１０′との間に電源１４により電
圧を印加して、フイラメント１３で発生する熱電
子をＷセラミツクの層１０′に照射することによ
つて、電子線衝撃加熱を行う。Ｗセラミツクの層
１０′とセラミツクキヤピラリー８とはその境界
面全面で接触しており、加熱効率は非常に高い。

実施例 ３ 第３の実施例について第８図を用いて説明す
る。本実施例が前記の実施例２と異なるところ
は、キヤピラリー８の最下端部に該キヤピラリー
８と一体的に連設してＷセラミツクのコントロー
ル電極１５を設けたものである。Ｗセラミツクは
セラミツクと全く同様に焼結可能であるので、キ
ヤピラリー８及びコントロール電極１５と一体と
なつた型の中にＷセラミツク及びセラミツクのペ
ーストを各部に充填して焼結し、上記の構造を形
成する。すなわち、キヤピラリー８に相当する部
分にセラミツクのペーストを充填するとともに、
電極１５に相当する部分にＷセラミツクのペース
トを充填して一体に成形し、これを焼結して固化
させる。本例は、イオンビームを引出す際に、コ
ントロール電極１５に電源１６から適当な電位を
与えて、コントロール電極１５と引出し電極５と
の間に一様な電場を生成することによつて、イオ
ンビームのエミツシヨンを安定化する。キヤピラ
リーの加熱方法としては、第１の実施例あるいは
第２の実施例のどちらを用いてもよいが、第２の
実施例を用いた場合フイラメント１３からの熱電
子が、コントロール電極１５の生成する電場によ
つて、その軌道を曲げられる虞れが有るので、こ
れを防止する手段を併設することが望ましい。

実施例 ４ 第４の実施例について第９図及び第１０図を用
いて説明する。本実施例はニードル４′の側面に
イオン化物質３の流路を形成するために、突条の
パターン１７を設けたものである。この突条パタ
ーン１７の外径と等しい内径を有するキヤピラリ
ー８を構成して、該キヤピラリーの中にニードル
４′を嵌合すると（第１０図参照）、イオン化物質
（溶融金属）３は数本に分割された縦方向（第１
０図において紙面と垂直）を通つて先端部に供給
される。従つて、加熱効率が向上し、毛細管現象
の効果も加わつて、イオン化物質３は安定して先
端部に供給される。次に突条パターン１７の形成
方法を説明する。Ｗセラミツクのニードル４の周
囲に、昇華性のあるパラフイン等の高分子化合物
で突条パターン１７の型を形成して、その隙間を
Ｗセラミツクペーストで充填する。Ｗセラミツク
ペーストを焼結すると同時に高分子化合物は昇華
し、その結果突条パターン１７が形成される。

実施例 ５ 第５の実施例について第１１図を用いて説明す
る。高蒸気圧のイオン化物質に対応するイオン源
として、従来キヤピラリーニードル型イオン源の
他に含浸電極型イオン源が公知である。含浸電極
型イオン源とはキヤピラリーの先端につけられ
た、微小な毛細管構造をもつ導電体をエミツタと
して用いるもので、イオン化物質は密閉されたキ
ヤピラリー内部から、毛細管を通して外部にしみ
出すことによつて供給され、エミツタ先端からイ
オンビームとして引出される。本実施例はエミツ
タ部をＷセラミツクにより形成するとともに、キ
ヤピラリーに第１の実施例と同様の加熱用ヒータ
パターンを設けた含浸電極型イオン源である。

本実施例の装置（第１１図）を構成する場合、
その含浸電極、即ち、毛細管構造を有する多孔質
の導電物質で形成された針状の部材であるニード
ル１８を次記のようにして製造する。

ニードル１８を形成すべきＷセラミツクを焼結
する際に、Ｗとセラミツクとの極端に大きさの異
なる粒子（例えば10倍程度大きさの異なる粒子）
を互いに混合して用いることにより、多数の微小
な毛細管を有する多孔質のＷセラミツク（以下毛
細管Ｗセラミツクと記述する）を形成することが
できる。従つてセラミツクキヤピラリー８の先端
に毛細管Ｗセラミツクのニードル１８を、側面に
Ｗセラミツクのヒータパターン１０を同時に焼結
して一体成形することができる。本実施例によれ
ば、Ｗセラミツクヒータによる加熱効率が高いこ
と、イオン化物質３が完全に密閉されたキヤピラ
リー８の内部から供給されること等の利点があ
り、高融点高蒸気圧のイオン化物質に適用するイ
オン源として最適である。

実施例 ６ 第６の実施例を第１２図に示す。この実施例
は、前記第５の実施例（第１１図）を次の如く改
良したものである。

毛細管Ｗセラミツクのニードル１８の周囲を覆
うためのセラミツクのカバー１９を、セラミツク
キヤピラリーと一体化して設ける。毛細管Ｗセラ
ミツクのニードル１８はその最先端部のみが外部
に露出する。毛細管Ｗセラミツクのニードル１８
とセラミツクカバー１９との間には非常に狭い隙
間２０が形成してあり、イオン化物質３は完全に
密閉されたキヤピラリー８の内部から毛細管を通
して、ニードル１８の表面にしみ出した後、隙間
２０に満たされながらニードル１８の先端部に供
給される。第５の実施例の場合、ニードル１８の
表面にしみ出したイオン化物質３は、ニードル１
８の全表面から蒸発していくのに対して、本実施
例ではニードル１８の最先端部のみが外部に露出
しているために、イオン化物質３の供給量に対す
る蒸発量の比は非常に小さく、さらに高蒸気圧の
イオン化物質に適用可能である。次に本実施例に
おけるセラミツクカバー１９の形成方法を説明す
る。毛細管Ｗセラミツクニードル１８を形成した
後、その表面及び先端部を覆うように昇華性高分
子化合物の薄い層を作り、さらに外側にセラミツ
クペーストでカバー１９となる層を形成する。上
記のセラミツクペーストを焼結すると同時に高分
子化合物は昇華し、その結果セラミツクカバー１
９及び隙間２０が形成される。

前述の各実施例におけるが如くＷセラミツクの
ペーストを焼結することによつて、任意の形状の
導電体を形成することが可能であり、しかも絶縁
体のセラミツク部分と熱膨脹率をほぼ等しくする
ことによつて、イオン源構造全体の一体成形が可
能となる。さらに微小な毛細管構造をもつ導電体
の形成も可能であり、従つてキヤピラリーニード
ル型イオン源や含浸電極型イオン源等の液体金属
イオン源を最適形状に一体成形することが可能で
ある。以上のようにして得られた最適形状を有す
る液体金属イオン源は、加熱効率が高くイオン化
物質の蒸発も抑制できるので、Au等の高融点高
蒸気圧のイオン化物質を長時間安定して引出すこ
とができる。こうした特性はマイクロイオンビー
ム技術の進歩に貢献するところが大きく、サブミ
クロンの分野における電子部品の成膜、修正等広
範囲の応用が期待される。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の液体金属イオン
源は加熱効率が高く、イオン化物質の蒸散を抑制
することができ、しかも熱応力によつて破損する
虞れが無いという優れた実用的効果を奏する。

また、本発明の製造方法によれば、上記の液体
金属イオン源を容易に低コストで製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来のニードル型液体金属
イオン源の模式図、第３図及び第４図は従来のキ
ヤピラリーニードル型液体金属イオン源の模式
図、第５図及び第６図は本発明の第１の実施例を
示す模式図、第７図は本発明の第２の実施例を示
す模式図、第８図は本発明の第３の実施例を示す
模式図、第９図及び第１０図は本発明の第４の実
施例を示す模式図、第１１図は本発明の第５の実
施例を示す模式図、第１２図は本発明の第６の実
施例を示す模式図である。 １……イオン源チツプ、２……Ｗフイラメン
ト、３……イオン化物質、４，４′……Ｗニード
ル、５……引出し電極、８……キヤピラリー、９
……フイラメント、１０……Ｗとセラミツクの混
合粒子を焼結して形成した加熱用ヒータ、１０′
……Ｗとセラミツクの混合粒子を焼結して形成し
た円筒電極、１３……熱電子放出用フイラメン
ト、１５……Ｗとセラミツクの混合粒子を焼結し
て形成したコントロール電極、１７……ニードル
の周囲に管路を形成するための突条パターン、１
８……Ｗとセラミツクの大きさの異なる混合粒子
を焼結して形成した、微小な毛細管構造を有する
ニードル、１９……セラミツクカバー、２０……
イオン化物質が通る狭い〓間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱膨脹係数をほぼ等しくする導電性の焼結部
   材と電気絶縁性の焼結部材とを用いて金属イオン
   源を構成し、かつ、上記双方の焼結部材の少なく
   とも一部分を相互に連設して一体に成形し、前記
   導電性の焼結部材に通電して発熱させ、この発生
   熱が該導電性焼結部材と一体成形された電気絶縁
   性焼結部材に伝導して溶融金属を加熱するように
   構成したことを特徴とする液体金属イオン源。 ２ 前記の金属イオン源はキヤピラリーニードル
   型のイオン源構造であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の液体金属イオン源。 ３ 前記のキヤピラリーニードル型構造のイオン
   源構造のキヤピラリーは、電気絶縁性の焼結部材
   で構成した管状部分の外周に導電性焼結部材で構
   成した抵抗発熱パターンを一体に成形したもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
   載の液体金属イオン源。 ４ 前記のキヤピラリーニードル型構造のイオン
   源構造のキヤピラリーは、電気絶縁性の焼結部材
   で構成した管状部分の外周面に導電性焼結部材で
   構成した熱電子集中電極を一体に成形し、電子線
   衝撃加熱を受けるように構成したものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の液体
   金属イオン源。 ５ 前記の金属イオン源は、含浸電極型のイオン
   源構造であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の液体金属イオン源。 ６ 前記の含浸電極型イオン源構造は、微細な毛
   細管構造を有するエミツタの周囲に電気絶縁性焼
   結部材で構成したカバーを設けたものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の液体
   金属イオン源。 ７ 前記のエミツタの周囲に設けたカバーは、エ
   ミツタとの間に〓間を設け、溶融金属が上記の〓
   間を流動して供給されるように構成したものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
   の液体金属イオン源。 ８ 焼結によつて電気絶縁性の固形部材となるよ
   うに絶縁体粒子を練り合わせた絶縁ペーストを構
   成すると共に、焼結によつて前記の電気絶縁性固
   形部材とほぼ等しい熱膨脹率を有する導電性固形
   部材となるように導電体粒子と絶縁体粒子とを練
   り合わせた導電ペーストを構成し、共通の型の中
   に前記絶縁ペーストと前記導電ペーストとを入れ
   て一緒に焼結して、導電性焼結部材と絶縁性焼結
   部材とが一体成形されたイオン源用部材を構成す
   ることを特徴とする液体金属イオン源の製造方
   法。 ９ 前記の導電ペーストと絶縁ペーストとを共通
   の型の中に入れて成形する際、双方のペーストの
   境界面に沿つて昇華性高分子化合物の薄層を介装
   し、焼結の際に上記昇華性高分子化合物を昇華さ
   せ、導電性焼結部材と絶縁性焼結部材との間に〓
   間を形成することを特徴とする特許請求の範囲第
   ８項に記載の液体金属イオン源の製造方法。 １０ 前記の導電ペーストの少なくとも一部は、
   導電体粒子と絶縁体粒子の粒径を不揃いとし、焼
   結によつて微細な毛細管構造を有する導電性焼結
   部材を構成することを特徴とする特許請求の範囲
   第８項に記載の液体金属イオン源の製造方法。