JPH0721954A - Ion beam generating method and electron field ionization type gas phase ion source - Google Patents
Ion beam generating method and electron field ionization type gas phase ion sourceInfo
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- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、電界電離型ガスフェー
ズイオン源におけるイオンビーム発生方法とイオン源に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion beam generating method and an ion source in a field ionization type gas phase ion source.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図１は従来の電界電離型ガスフェーズイ
オン源の概略を示している。１はタングステン（Ｗ）製
のエミッタであり、エミッタ１は銅（Ｃｕ）のブロック
２に取り付けられている。銅ブロック２は液体ヘリウム
のクライオスタット３に熱的に接続されている。４は銅
ブロック２や引出電極５を支持する支持枠であり、支持
枠４は電気絶縁性で熱伝導の優れた材料、例えば、サフ
ァイアによって形成されている。支持枠４はクライオス
タット３に接続されている。支持枠４と引出電極５とに
よって囲まれた領域Ｒには、図示していないヘリウムガ
ス源からパイプ６を介してヘリウムガスが供給される。
７はエミッタ１と引出電極５との間に引出電圧を印加す
るための電源である。このような構成の動作を次に説明
する。2. Description of the Related Art FIG. 1 schematically shows a conventional field ionization type gas phase ion source. 1 is an emitter made of tungsten (W), and the emitter 1 is attached to a block 2 of copper (Cu). The copper block 2 is thermally connected to a liquid helium cryostat 3. Reference numeral 4 denotes a support frame that supports the copper block 2 and the extraction electrode 5, and the support frame 4 is made of an electrically insulating material having excellent heat conduction, for example, sapphire. The support frame 4 is connected to the cryostat 3. Helium gas is supplied to a region R surrounded by the support frame 4 and the extraction electrode 5 from a helium gas source (not shown) through a pipe 6.
Reference numeral 7 is a power source for applying a drawing voltage between the emitter 1 and the drawing electrode 5. The operation of such a configuration will be described below.
【０００３】まず、通常のイオンビームを発生させる場
合には、エミッタ１を支持枠４，銅ブロック２を介して
クライオスタット３からの熱伝導により冷却する。この
冷却温度は通常１０Ｋである。このエミッタ１の冷却を
行った後、パイプ６を介して支持枠４と引出電極５とに
よって囲まれた領域Ｒにヘリウムガスを供給する。この
時、エミッタ１と引出電極５との間に電源７から、例え
ば１３ｋＶ程度の引出電圧を印加する。First, when a normal ion beam is generated, the emitter 1 is cooled by heat conduction from the cryostat 3 via the support frame 4 and the copper block 2. This cooling temperature is usually 10K. After cooling the emitter 1, helium gas is supplied to the region R surrounded by the support frame 4 and the extraction electrode 5 via the pipe 6. At this time, an extraction voltage of, for example, about 13 kV is applied between the emitter 1 and the extraction electrode 5 from the power supply 7.
【０００４】領域Ｒに導入されたヘリウムガスは、冷却
されたエミッタ１先端部に引き寄せられ、更にエミッタ
１先端に印加された強電界により電界電離しイオン化さ
れる。イオン化されたヘリウムガスは、引出電極５によ
って引き出され、図示していないが加速電極によって加
速され、イオンビームとして取り出される。このイオン
ビームは材料の描画や加工のために用いられる。The helium gas introduced into the region R is attracted to the cooled tip of the emitter 1 and is further ionized by field ionization by the strong electric field applied to the tip of the emitter 1. The ionized helium gas is extracted by the extraction electrode 5, accelerated by an acceleration electrode (not shown), and extracted as an ion beam. This ion beam is used for drawing and processing a material.
【０００５】さて、上記したイオン源において、通常の
イオンビームの発生動作に先立ってエミッタ１を１０Ｋ
程度に冷却し、ヘリウムなどの結像ガスを１０-2Ｐａ程
度の圧力の下で，タングステンのＷ（１１１）の清浄面
を露出させる必要がある。そのため、最初にエミッタ１
と引出電極５との間に通常の動作時より高い引出電圧、
例えば１５〜２０ｋＶ程度を印加し、エミッタ１の表面
を電界蒸発させる。その後、引出電圧を１３ｋＶ程度ま
でに下げることにより、他の結晶面より曲率半径の大き
い（１１１）面にヘリウムガスの供給が集中して起こ
り、その結果、１〜２μＡ／ｓｒの角電流密度が得られ
る。In the above-mentioned ion source, the emitter 1 is set to 10K prior to the normal ion beam generating operation.
It is necessary to cool it to about 10 ° C. and expose the clean surface of tungsten W (111) under a pressure of about 10 −2 Pa with an imaging gas such as helium. Therefore, first emitter 1
Between the extraction electrode 5 and the extraction electrode 5, a higher extraction voltage than in normal operation,
For example, by applying about 15 to 20 kV, the surface of the emitter 1 is field evaporated. Then, by lowering the extraction voltage to about 13 kV, the supply of helium gas is concentrated on the (111) plane having a larger radius of curvature than other crystal planes, and as a result, an angular current density of 1 to 2 μA / sr is generated. can get.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、ガス
フェーズイオン源では、エミッタ先端部の清浄化を行う
必要があるが、この清浄化の際に蒸発電界が大きければ
大きいほど、電界蒸発を行った後、エミッタ１の曲率半
径は増大してしまう。このエミッタ１の曲率半径が大き
くなると、イオンビームを得るためには高い引出電圧が
必要となってしまう。もちろん、この引出電圧は無制限
に高くする訳にはいかない。As described above, in the gas phase ion source, it is necessary to clean the tip of the emitter. However, the larger the evaporation electric field during this cleaning, the more the field evaporation is performed. After that, the radius of curvature of the emitter 1 increases. When the radius of curvature of the emitter 1 becomes large, a high extraction voltage is required to obtain an ion beam. Of course, this extraction voltage cannot be increased without limit.
【０００７】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、比較的低い蒸発電界でエミッタの
表面の清浄化を行うことができるイオンビーム発生方法
および電界電離型ガスフェーズイオン源を実現するにあ
る。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is an ion beam generating method and a field ionization type gas phase capable of cleaning the surface of an emitter with a relatively low evaporation electric field. It is to realize the ion source.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明に基づくイオンビ
ーム発生方法は、エミッタを冷却し、エミッタ部にイオ
ン種ガスを導入すると共にエミッタ先端に電界を印加し
てイオン種ガスをイオン化し、イオン化ガスをイオンビ
ームとして取り出すようにしたイオンビーム発生方法に
おいて、エミッタを比較的高い第１の温度にしてエミッ
タ先端部の電界蒸発を行わせ、その後、エミッタを比較
的低い第２の温度に冷却してイオンビームを発生させる
ようにしたことを特徴としている。An ion beam generating method according to the present invention is designed to cool an emitter, introduce an ion species gas into the emitter section, and apply an electric field to the tip of the emitter to ionize the ion species gas for ionization. In an ion beam generating method in which gas is taken out as an ion beam, the emitter is brought to a relatively high first temperature to cause field evaporation of the tip of the emitter, and then the emitter is cooled to a relatively low second temperature. The feature is that an ion beam is generated.
【０００９】また、本発明に基づく電界電離型ガスフェ
ーズイオン源は、エミッタと、エミッタ先端部分にイオ
ン種ガスを供給するガス供給手段と、エミッタの冷却手
段と、エミッタの加熱手段と、エミッタ先端部に電界を
印加するための手段とを備えており、エミッタの温度を
比較的高い第１の温度と比較的低い第２の温度とに制御
するための制御手段とを有し、第１の温度でエミッタ先
端の電界蒸発を行わせ、第２の温度でイオンビームを発
生させるように構成したことを特徴としている。The field ionization type gas phase ion source according to the present invention further comprises an emitter, a gas supply means for supplying an ion species gas to the tip of the emitter, a cooling means for the emitter, a heating means for the emitter, and an emitter tip. Means for applying an electric field to the portion, and a control means for controlling the temperature of the emitter to a relatively high first temperature and a relatively low second temperature, It is characterized in that electric field evaporation of the tip of the emitter is performed at a temperature and an ion beam is generated at a second temperature.
【００１０】[0010]
【作用】タングステンエミッタにおいては、一般的に低
温になればなるほど蒸発電界が高くなるという傾向があ
る。図２は温度と電界蒸発必要電圧比との関係を示した
グラフである。図中横軸はエミッタの温度（Ｋ）、縦軸
は１００Ｋの時の必要電圧Ｖ１に対しての蒸発電界Ｖの
比（Ｖ／Ｖ１）である。この図から明らかなように、１
００Ｋ時の蒸発電界をＶ１としたとき、それ以下の温度
では蒸発電界が増加する。In a tungsten emitter, the evaporation electric field generally tends to be higher as the temperature becomes lower. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the temperature and the electric field evaporation required voltage ratio. In the figure, the horizontal axis represents the temperature (K) of the emitter, and the vertical axis represents the ratio (V / V1) of the evaporation electric field V to the required voltage V1 at 100K. As is clear from this figure, 1
When the evaporation electric field at 00K is V1, the evaporation electric field increases at a temperature lower than V1.
【００１１】このため、本発明では、エミッタの曲率半
径の増加を抑えるように、エミッタの清浄な表面を露出
する際の電界蒸発を行う時に、エミッタ温度を比較的高
い第１の温度（例えば１００Ｋ）に、その処理が終わっ
た後は速やかにエミッタ温度を比較的低い第２の温度
（例えば１０Ｋ）に下げるようにした。Therefore, in the present invention, the emitter temperature is set to a relatively high first temperature (for example, 100 K) when performing field evaporation when exposing the clean surface of the emitter so as to suppress an increase in the radius of curvature of the emitter. ), The emitter temperature is promptly lowered to a relatively low second temperature (for example, 10K) after the treatment.
【００１２】[0012]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図３は本発明の一実施例である電界電離型
ガスフェーズイオン源を示している。この図３の実施例
と図１の従来装置と同一部分には同一番号を付してその
詳細な説明は省略する。この実施例で、液体ヘリウムの
クライオスタット３のエミッタ１に接近した部分の周囲
にはヒータ１０が巻回されている。このヒータ１０はヒ
ータ制御部１１からの加熱電流の供給により加熱され
る。また、クライオスタット３のエミッタ１に接近した
先端部には熱電対などの温度センサー１２が取り付けら
れている。センサー１２からの信号はモニター回路１３
に供給される。１４はコンピュータなどの制御回路であ
り、この制御回路１４はモニター回路からの信号に基づ
きヒータ制御部１１や引出電圧電源７などを制御する。
このような構成の動作を次に説明する。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 3 shows an electric field ionization type gas phase ion source which is an embodiment of the present invention. The same parts as those of the embodiment shown in FIG. 3 and the conventional device shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, a heater 10 is wound around the portion of the liquid helium cryostat 3 that is close to the emitter 1. The heater 10 is heated by the supply of heating current from the heater controller 11. Further, a temperature sensor 12 such as a thermocouple is attached to the tip of the cryostat 3 which is close to the emitter 1. The signal from the sensor 12 is the monitor circuit 13
Is supplied to. Reference numeral 14 is a control circuit such as a computer, and this control circuit 14 controls the heater control unit 11 and the extraction voltage power supply 7 based on a signal from the monitor circuit.
The operation of such a configuration will be described below.
【００１３】まず、タングステン製エミッタ１の（１１
１）面の清浄面を露出させるため、エミッタ１の電界蒸
発が行われる。この時、制御回路１４はヒータ制御部１
１を制御し、ヒータ１０に加熱電流を供給する。制御回
路１４は温度センサー１２とモニター回路１３により得
られたクライオスタット３の先端部の温度（実質的にエ
ミッタ１の温度）を監視し、その温度が１００Ｋに維持
されるようにヒータ制御部１１を制御する。エミッタ１
の温度が１００Ｋになった時、制御回路１４は引出電圧
電源７を制御し、エミッタ１と引出電極５との間にタン
グステンエミッタ１を電界蒸発させるための電圧Ｖ１を
印加する。この電圧Ｖ１は従来の電界蒸発電圧より低い
電圧とされる。First, the tungsten emitter 1 (11
1) The field evaporation of the emitter 1 is performed to expose the clean surface. At this time, the control circuit 14 controls the heater control unit 1
1 is controlled to supply a heating current to the heater 10. The control circuit 14 monitors the temperature of the tip of the cryostat 3 (substantially the temperature of the emitter 1) obtained by the temperature sensor 12 and the monitor circuit 13, and controls the heater control unit 11 so that the temperature is maintained at 100K. Control. Emitter 1
When the temperature reaches 100 K, the control circuit 14 controls the extraction voltage power supply 7 and applies the voltage V1 for field evaporation of the tungsten emitter 1 between the emitter 1 and the extraction electrode 5. This voltage V1 is lower than the conventional field evaporation voltage.
【００１４】この電界蒸発動作を数秒間行った後、制御
回路１４はヒータ制御部１１を制御し、ヒータ１０への
加熱電流の供給を停止する。この結果、クライオスタッ
ト３の先端部、すなわちエミッタ１は徐々に冷却され
る。温度センサー１２，モニター回路１３からの温度信
号に基づき、クライオスタット先端部の温度が１０Ｋに
まで下がったことを確認した後、引出電圧電源７が制御
され、エミッタ１と引出電極５との間には１〜２μＡ／
ｓｒの角電流密度が得られるような引出電圧が印加され
る。After performing this field evaporation operation for several seconds, the control circuit 14 controls the heater control section 11 to stop the supply of the heating current to the heater 10. As a result, the tip of the cryostat 3, that is, the emitter 1, is gradually cooled. Based on the temperature signals from the temperature sensor 12 and the monitor circuit 13, after confirming that the temperature at the tip of the cryostat has dropped to 10K, the extraction voltage power supply 7 is controlled, and between the emitter 1 and the extraction electrode 5. 1-2 μA /
The extraction voltage is applied so as to obtain the angular current density of sr.
【００１５】以上本発明の実施例を説明したが、本発明
はこの実施例に限定されない。例えば、実施例中のエミ
ッタの温度や引出電圧は単なる例示であり、本発明の効
果が達成できる範囲で適宜変更できるものである。Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment. For example, the temperature of the emitter and the extraction voltage in the embodiments are merely examples, and can be appropriately changed within the range in which the effects of the present invention can be achieved.
【００１６】[0016]
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、エミッタの曲率半径の増加を抑えるように、エミッ
タの清浄な表面を露出する際の電界蒸発を行う時に、エ
ミッタ温度を比較的高い第１の温度（例えば１００Ｋ）
に、その処理が終わった後は速やかにエミッタ温度を比
較的低い第２の温度（例えば１０Ｋ）に下げるようにし
たので、比較的低い蒸発電界でエミッタの表面の清浄化
を行うことができる。その結果、エミッタの先端の曲率
半径がそれほど大きくならず、実際にイオンビームを発
生させる際の引出電圧も高くする必要がなくなる。As described above, according to the present invention, in order to suppress the increase of the radius of curvature of the emitter, when the field evaporation is performed when exposing the clean surface of the emitter, the emitter temperature is relatively high. 1 temperature (eg 100K)
In addition, since the emitter temperature is quickly lowered to the relatively low second temperature (for example, 10K) after the processing is completed, the surface of the emitter can be cleaned with a relatively low evaporation electric field. As a result, the radius of curvature of the tip of the emitter does not become so large, and it is not necessary to increase the extraction voltage when actually generating the ion beam.
【図１】従来の電界電離型ガスフェーズイオン源を示す
図である。FIG. 1 is a view showing a conventional field ionization type gas phase ion source.
【図２】エミッタの温度と電界蒸発必要電圧比との関係
を示したグラフである。FIG. 2 is a graph showing a relationship between an emitter temperature and a field evaporation required voltage ratio.
【図３】本発明の一実施例である電界電離型ガスフェー
ズイオン源を示す図である。FIG. 3 is a view showing an electric field ionization type gas phase ion source which is one embodiment of the present invention.
１ エミッタ ２ 銅ブロック ３ 液体ヘリウムクライオスタット ４ 支持枠 ５ 引出電極 ６ ヘリウムガス供給パイプ ７ 引出電圧電源 １０ ヒータ １１ ヒータ制御部 １２ 温度センサー １３ モニター回路 １４ 制御回路 1 Emitter 2 Copper Block 3 Liquid Helium Cryostat 4 Support Frame 5 Extraction Electrode 6 Helium Gas Supply Pipe 7 Extraction Voltage Power Supply 10 Heater 11 Heater Controller 12 Temperature Sensor 13 Monitor Circuit 14 Control Circuit
Claims (2)
種ガスを導入すると共にエミッタ先端に電界を印加して
イオン種ガスをイオン化し、イオン化ガスをイオンビー
ムとして取り出すようにしたイオンビーム発生方法にお
いて、エミッタを比較的高い第１の温度にしてエミッタ
先端部の電界蒸発を行わせ、その後、エミッタを比較的
低い第２の温度に冷却してイオンビームを発生させるよ
うにしたイオンビーム発生方法。1. An ion beam generating method, wherein an emitter is cooled, an ion species gas is introduced into the emitter section, an electric field is applied to the tip of the emitter to ionize the ion species gas, and the ionized gas is taken out as an ion beam. , An ion beam generating method in which the emitter is heated to a relatively high first temperature to cause field evaporation of the tip of the emitter, and then the emitter is cooled to a relatively low second temperature to generate an ion beam.
種ガスを供給するガス供給手段と、エミッタの冷却手段
と、エミッタの加熱手段と、エミッタ先端部に電界を印
加するための手段とを備えており、エミッタの温度を比
較的高い第１の温度と比較的低い第２の温度とに制御す
るための制御手段とを有し、第１の温度でエミッタ先端
の電界蒸発を行わせ、第２の温度でイオンビームを発生
させるように構成した電界電離型ガスフェーズイオン
源。2. An emitter, gas supply means for supplying an ion species gas to the emitter tip portion, emitter cooling means, emitter heating means, and means for applying an electric field to the emitter tip portion. And a control means for controlling the temperature of the emitter to a relatively high first temperature and a relatively low second temperature, and the electric field evaporation of the emitter tip is performed at the first temperature. A field-ionization gas phase ion source configured to generate an ion beam at a temperature of.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5163472A JPH0721954A (en) | 1993-07-01 | 1993-07-01 | Ion beam generating method and electron field ionization type gas phase ion source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5163472A JPH0721954A (en) | 1993-07-01 | 1993-07-01 | Ion beam generating method and electron field ionization type gas phase ion source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0721954A true JPH0721954A (en) | 1995-01-24 |
Family
ID=15774525
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP5163472A Withdrawn JPH0721954A (en) | 1993-07-01 | 1993-07-01 | Ion beam generating method and electron field ionization type gas phase ion source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0721954A (en) |
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1993
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