JPH0542094B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、液体金属イオン源に関し、特に長寿
命で安定なイオンビームを発生することの出来る
イオン源に関する。

（従来の技術） ガリウム等の金属イオンによるイオンビーム露
光が、レジスト内でのイオンの拡散が電子ビーム
露光に比較して小さいことから、サブミクロン以
下のパターン作製用の露光として注目されてお
り、そのため各方面において金属イオン源の研究
が進められている。

第４図は液体金属イオン源の一例を示してお
り、１はセラミツク製碍子、２は金属イオン源固
定用ステム、５は底部に細孔６が設けられたカー
ボン等で形成されたリザーバであり、該リザーバ
５の内部には液体金属例えばガリウム１０が収容
されている。該リザーバ底部の細孔６を貫通して
タングステン製の針状陽極８が配置され、該針状
陽極８の一端は陽極固定部材９に例えばスポツト
溶接によつて固着されており、陽極固定部材９は
ステム２，２′に固定されている。針状陽極８の、
電解研磨により針状にされた他端は、接地電位の
陰極１１に対向して配置される。該リザーバ部に
は、Ｗ、Ta、Mo等の高融点金属例えばタングス
テン製のヒーター３，３′にスポツト溶接された、
同材料のヒーター兼支持体４，４′が巻かれてス
ポツト溶接で固定されており、ヒーター３，３′、
４，４′には電源１３から加熱電流が供給されて
いる。更に該リザーバ５、針状陽極８には、図示
しない高圧電源から正の高電圧が印加されてい
る。

上述したイオン源においては、針状陽極８の先
端部に強電界が印加されるため、該先端部のガリ
ウムは強電界によつてテーラーの円錐（Taylor
Cone）と称される円錐突起を形成する。そして
この円錐突起の先端部には電界が集中し、先端部
のガリウムは電界蒸発してイオン化され、ガリウ
ムイオンとなつて引き出される。

一方、消費された先端部のガリウムは、該強電
界によつてリザーバ内から引き出され底部の細孔
６を通つて補給される。

この様なイオン源は非常に輝度が高いが、ガリ
ウムの温度がある一定の温度に保持されていない
と安定なイオンビームの発生が困難になる。即
ち、ガリウムの温度が浮動すると、針状陽極８の
表面を先端部に向けて移送される通路の移送抵抗
が変動し、先端部の電界蒸発に供されるガリウム
の流れが不安定、不連続となり、結果としてイオ
ンビームの不安定性を招くことになる。

このためヒーター３，３′、４，４′には努めて
一定電流を供給して加熱し、該ヒーター３，３′、
４，４′からの伝導熱によつて、リザーバ５、針
状陽極８、ガリウム１０を定温に加熱し、安定に
連続してリザーバ内のガリウムが針状陽極の先端
部に移送されるように特に配慮する必要がある。

（発明が解決しようとする問題点） さて一般に、ガリウム等の液体金属は熱拡散に
よつて物質表面を移動するが、この拡散速度は温
度によつて変化し高温度では速く、温度が低くな
るに従つて遅くなり、ある温度以下では拡散が生
じない。このため、上述した従来のイオン源にお
いてはリザーバ５内のガリウム１０は熱拡散によ
つてリザーバ５の外側表面ににじみ出し、さらに
はヒータ３，３′，４，４′表面を移動する。

該ヒーター３，３′はステム２，２′に一端が固
定されているが、該ステム２，２′に接近したヒ
ーター部分では温度が低くなつており、この部分
でガリウムの拡散速度は著しく低下し、そのた
め、ガリウム金属が停滞し、塊り１２を形成す
る。

このヒーター表面のガリウムや塊り１２は、ヒ
ーターの電気抵抗を変化させるほか、ヒーターと
合金を作つたり、断線を生じさせたりして加熱を
不安定にし、安定なイオンビームが得られなくな
る。更に高温のヒーター表面を熱拡散によつて移
動するガリウムは、リザーバ内のガリウムの消費
を早めてイオン源の寿命を短くする。

また、上記のほかに、針状陽極８の先端から発
射されたイオンビーム一部は、陰極１１と衝突し
て２次イオンを生じ、この２次イオンが不必要な
ぬれを起こしてヒーター等を損傷する欠点もあ
り、その解決が迫られている。

（発明の目的） 本発明は、上記の問題を解決し、長寿命で安定
なイオンビームを発生することが出来るイオン源
の提供を目的とする。

（問題を解決するための手段） 本発明は、イオン化すべき金属を貯蔵するリザ
ーバ部と、該リザーバ部から液体金属を供給され
る針状先端部を有した針状陽極と、該針状先端部
に強電界を形成するための手段と、該リザーバ部
あるいは該針状陽極に熱的に接続されイオン化さ
れる金属を加熱するためのヒーターを備え、 該ヒーターと該針状陽極の針状先端部との中間
に位置する部分に、該液体金属の拡散を阻止する
ための、熱輻射を利用する温度降下部を設ける金
属イオン源によつて、前記目的を達成したもので
ある。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面に基づき詳説
する。

第１図は、本発明の実施例であつて、各部材の
名称、符号は第４図に対応する。

この実施例の装置では、ガリウム１０が収容さ
れたリザーバ５に、リング状の熱放射盤（ひれ）
３０が付設されている。熱放射盤（ひれ）３０の
周端部はやゝ薄くしてあり、熱放射によつてその
部分で殊に温度が降下するように考慮されてい
る。

従つて、リザーバ５の底部を出て外側表面を拡
散する液体ガリウムは、この周端部で塊り１２を
生じ、以後の拡散は阻止される。この結果、ヒー
ター３，３′，４，４′には液体金属は到達せず、
従つてその塊りも発生せず、ヒーターの電気抵抗
に変化を生ずることはない。リザーバ５内のガリ
ウム１０は所望の一定温度に加熱出来、安定にリ
ザーバ内のガリウムを針状陽極８の先端に移送す
ることが出来る。

また、液体金属がヒーター３，３′，４，４′の
表面に達しないため、金属の無駄な消費が無くな
り、長寿命のイオン源が提供される。

また、ひれ３０は上記のほかに、針状陽極８の
先端から発射されたイオンビームの一部が、陰極
１１と衝突して生ずる２次イオンからヒーター等
を守る役割も果たす。

第２図は本発明の他の実施例を示しており、ひ
れ３１はやゝ大型に筒状に構成されてヒーター
３，４等を包囲し、ヒーターからの熱放散を防止
してリザーバ部の温度を安定させると共に、ひれ
３１の一部から別のひれ３２を突出させて、この
ひれ３２の周端部に熱輻射による温度低下部を作
つている。液体金属はひれ３２の温度低下部で塊
り１２を作り、それを越える拡散は阻止される。

第３図は本発明の別の実施例であつて、一端が
針状に成形された針状陽極２１の中間部分は、コ
イル状に成形されて、この部分が液体金属のリザ
ーバ部２２となつている。針状陽極２１の他端は
ヒーター２３にスポツト溶接されており、ヒータ
ーには加熱電流が供給されている。ヒーターの加
熱によつて、針状陽極２１従つて、コイル状のリ
ザーバ部２２に蓄えられた液体金属は所望温度に
加熱され、針状陽極２１の針状先端部には拡散に
よつて液体金属が供給される。

さて、上記のようにした針状陽極２１の、ヒー
ター２３と溶接された部分のやゝ下方には、本発
明の円盤状のひれ２４が設けられており、ひれ２
４の周縁部には熱輻射によつて低温部を生ずるよ
うになつている。リザーバ部２２から拡散した液
体金属はこの周縁部にて塊り１２を生じ、その結
果、ヒーター２３表面への液体金属の熱拡散が阻
止される。

以上本発明を詳述したが、本発明は上記実施例
に限定されることなく幾多の変形が可能である。

例えば、イオン化する金属として上記ではガリ
ウムを用いて説明したが、金属は単体金属に限ら
ない。合金を用いたイオン源の場合にも本発明は
適用しうる。

リザーバの材質としては、カーボンのほかタン
タル、PBN（パイロリチツク・ボロン・ナイトラ
イド）等も便利に使用出来る。

（発明の効果） 本発明の金属イオン源は、ヒーターへの液体金
属の拡散を防止できるため、長寿命で安定なイオ
ンビームを発生することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１，２，３図は、本発明の金属イオン源の実
施例の概略断面図。第４図は、従来の金属イオン
源の概略断面図。 ５……リザーバ、６……細孔、１０……ガリウ
ム、８……針状陽極、１１……陰極、３，３′，
４，４′……ヒーター、１３……加熱電源、１２
……塊り、３０……ひれ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン化すべき金属を貯蔵するリザーバ部
   と、該リザーバ部から液体金属を供給される針状
   先端部を有した針状陽極と、該針状先端部に強電
   界を形成するための手段と、該リザーバ部あるい
   は該針状陽極に熱的に接続されイオン化される金
   属を加熱するためのヒーターを備え、 該ヒーターと該針状陽極の針状先端部との中間
   に位置する部分に、該液体金属の拡散を阻止する
   ための、熱輻射を利用する温度降下部を設けこと
   を特徴とする金属イオン源。 ２ 該リザーバ部は低部に細孔を有する容器であ
   り、該細孔を貫通して該針状陽極が配置されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   金属イオン源。 ３ 該針状陽極の一部がイオン化すべき金属を保
   持するリザーバ部となつていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の金属イオン源。