JPS58163135A

JPS58163135A - イオン源

Info

Publication number: JPS58163135A
Application number: JP57044884A
Authority: JP
Inventors: Masao Okubo; 昌男大久保; Kiyoshi Sugaya; 菅谷　潔; Toshinori Takagi; 俊宜高木; Junzo Ishikawa; 順三石川
Original assignee: Japan Electronic Materials Corp
Current assignee: Japan Electronic Materials Corp
Priority date: 1982-03-20
Filing date: 1982-03-20
Publication date: 1983-09-27
Also published as: JPS6322406B2; US4638217A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（１）本発明は、各種物質のイオンを発生させるイオン源に係
り、特に電昇放出型溶融金属イオン源に関する。

近年、各種物質のイオンを利用する技術分野は広範囲に
及び、例えば、核融合（プラズマ加熱、炉壁処理）、高
エネルギー物理学（加速器）、重イオン科学、イオン・
ロケット、イオン打ち込み（不純物ドーピング、表面物
性制御）、薄膜形成（表面コーティング、薄膜型デバイ
ス開発）等の分野に及ぶ。

しかして、各種物質のイオンを得るために、種々の方法
が提案実施されているが、その１つとして、イオン化す
べき物質に高電圧を印加してイオンを取り出す方法があ
る。かかる方法において各種物質のイオンを発生させる
金属イオン源の１つに電界放出型溶融金属イオン源があ
る。

第１図は電界放出型溶融金属イオン源の従来例の断面を
略示する図解図であり、一般に同図（イ）および（ロ）
はニードル型、同図ｅ＼）はキャピラリー型と呼ばれる
。

（２）すなわち同図（イ）において、ニードル型の電界放出型
溶融金属イオン源は、高融点材料よりなる略円筒状のパ
イプに、これと同心に、高融点材料よりなり、先端が数
μｍから数１０μｍ径のニードルが内装されており、前
記ニードルが加熱されると前記パイプとニードルとの間
の空隙にイオン化されるべき物質か溶融して浸透しニー
ドルの先端を濡らす。

また同図（ｏ）のニードル型電界放出型溶融金属イオン
源は、同図（イ）における略円筒状パイプが省略された
形で、高融点材料よりなり、先端が数μｍ径のニードル
が加熱用フィラメントに溶接されており、ニードルにイ
オン化されるべき物質が付着されており、ニードルが加
熱されると、イオン化されるべき物質が溶融し、ニード
ルの先端を濡らす。

一方、同図（ハ）に示すキャピラリー型の電界放出型溶
融金属イオン源は、高融点材料よりなり、その長手方向
に沿って小径の貫通孔の開設された円錐状体をなし、円
錐状体か加熱されると、イオン化されるべき物質が溶融
してその貫通孔に浸透し、（３）円錐状体の先端を濡らす。

かかる状態の金属イオン源に高電圧を印加すると、先端
に強電界かかかり、電界による力によりイオン化される
べき物質が液面の先端から放出されると共に、金属イオ
ン源先端のすぐ前方でイオン化され引き出される。その
際、イオン化領域でイオンを放出する面の形状を決定す
ると考えられている、微小のプラズマ領域（プラズマホ
′−ルと称する）が、金属イオン源先端のすぐ前方にで
きる。このプラズマボ゛−ルは、電界放出型溶融金属イ
オン源の動作条件、例えばイオン電流の大きさにより変
化して、ビームの特性、例えばイオンビームの開き角等
が大幅に変化する。

従来の電界放出型溶融金属イオン源の先端領域へのイオ
ン化されるべき物質の供給については何ら制御さねてい
ないので、最適動作流量の制御ができないのと、融点近
くの温度で蒸気圧の高い物質のイオン化では中性粒子蒸
気が多量に放出されるため安定な動作が困難である。ま
た特に同図（川の型の金属イオン源では、イオン化され
るべき物（４）質の総量がニードルに濡れて付着している微少量である
ため、長時間連続運転か困難である。

一方、金属イオン源からのイオンの放出は長時間持続さ
れることが望ましく、また、イオンビームを用いて微細
な対象を加工し、又は制御しようとする場合等にあって
は、イオンビームの開き角は安定して小さいことか必要
である。

しかしながら、前述の如〈従来の電界放出溶融金属イオ
ン源はこれを満足するものでない。

それ故、本発明の目的は、金属イオン源からのイオンの
放出を長時間持続させるとともに、イオン化されるべき
物質の量を制御し、かつプラズマホ゛−ル領域の安定化
を図り、イオンビームの開き角度を安定して小さくする
ことができる電界放出型溶融金属イオン源を提供するこ
とにある。

そして、そのために本発明は、少くともイオン化される
物質よりも融点の高い材料よりなるノＲイブと、少くと
もイオン化される物質よりも融点の錘い金属を含み、そ
の先端部が略円錐状をなすとともに、溶融したイオン化
される物質を浸透させ（５）るべき多孔性を有するチップよりなり、このチップは、
前記パイプの一端開口部に、その先端部が突出する如く
取り付けられていることを特徴としている。

以下１本発明に係る電界放出型溶融金属イオン源（以下
１本発明品」と呼ぶ）について図面とともに説明する。

第２図は本発明品の一実施例たる電界放出溶融金属イオ
ン源２０の断面を略示する図解図である。

同図（仙とおいて、２１は少くともイオン化される物質
よりも融点の高い材料よりなる両端の開口したパイプで
あり、本実施例においては例えばタングステンで構成さ
れている。一方、２２は、少くともイオン化される物質
−よりも融点の高い金属を含み。

長さが前記パイプ２１よりも短くて、その先端部が略円
錐状をなしているチップである。かかるチップ２２は例
えば少くともイオン化される物質よりも融点の高い金属
の粉体を適宜な媒体を介して成形し、焼結して形成され
ることにより溶融したイオン化される物質を浸透させる
べき多孔性を有する。

（６）そして前記金属の粉体は、例えは、タングステン、モリ
ブデン、ニッケル等が用いられるが、好ましくは溶融し
たイオン化される物質との濡れ性の良好な金属が選択さ
れる。また、前記金属の粉体の粒径は、先端に電界が充
分か＼るために数μｍ〜数１数１００川１質との関連等において定められる一方、イオン化される
べき物質の流量制御をも行う為にその粉体は異なる粒径
を有する粉体を所定の割合で混合して用いられるもので
あってもよい。例えは、ガリウムをイオン化する場合、
本実施例においては、略等重量の１００ミクロン径のタ
ングステン・パウダーと１０ミクロン径のタングステン
・パウダーを混合してチップ２２を形成している。かか
るチップ２２は前記パイプ２１の一端開口部に、その先
端部が突出する如く取り付けられている一方、パイプ別
内にはイオン化されるべき物質３２が入れられる。

１　　　　　　　　　一方、同図（口）は本発明品のそ
の他の実施例の断面を略示する図解図である。すなわち
、電界放出型金属イオン源４０は前述した如き多孔性を
有する（７）チップ４２をパイプ４２に嵌入固定し、かかるパイプ４
２をイオン化されるべき物質４４の封入された金属容器
４３に挿着して一体に形成されるものであってもよい。

次に、上述した如き電界放出型溶融金属イオン源の使用
例を説明する。第３図は本発明品を使用する金属イオン
発生装置の原理図であり、同図において２０は本発明品
たる電界放出型溶融金属イオン源であり、電界放出型溶
融金属イオン源２０のパイプ２１の両端には、例えばモ
リブデンよりなる接触片２３を介してヒータ電源２４か
接続されている。

一方、２５は接地されている引き出し電極で、この引き
出し電極と前記パイプ２１の上端部との間には引き出し
電圧源２６が接続される。また、図に示した２７は回路
電流、麓はイオン電流を測定するための電流針である。

そして、２９は、基板ホルダ３０の上に載置され、イオ
ンの照射される例えば基板であり、基板加と前記引き出
し電極２５との間には基板からの２次電子を抑えるため
のファラデー電極３１が設けられている。

（８）一方、イオン化させる物質をパイプ２１の上端開口部よ
り注入するとともに、ヒータ電源２４を駆動してパイプ
２１を加熱すると、パイプ２１に注入された物質が溶融
し、これがパイプ２１の下端に取り付けられたチップ２
２に浸透する結果、チップ２２の表面か溶融したイオン
化されるべき物質で濡らされる。その際イオン化される
べき物質の流量は，多孔性チップの構成粒子径および温
度によって制御される。そして、チップ２２に近接して
設けられる引き出し電極２５とパイプ２１上の上端部と
の間に、引き出し電圧源２６によって高電圧を印加する
と、チップ２２の表面に突出した１００μｍ径の粒体表
面の溶融した物質からそのイオンか引き出され、加速さ
れて例えば基板２９に打ち込まれる。その際、多孔性を
有するチップ先端の形状に沿って、イオンを放出する形
状を決定するプラズマボールが形成されるため、本発明
品はイオン源の動作条件の変化に対して、プラズマボー
ルの形状変化か少なく、イオンビームの特性は安定であ
る。

第４図は本発明品と従来品における、イオン電（９）流の変化に対するイオンビームの開き角の変化を表わし
た説明図である。すなわち、同図（イ）は金属イオン源
から所定の距離を隔てた位置のイオンビームプロファイ
ルを示すものであり、本実施例においては、いわゆるフ
ァラデーカップによって測定している。同図（イ）にお
いて、Ａはイオンビームの強度か極大値Ｃの２分の１の
値を示すイオンビームの広がり幅を示し、イオンビーム
の開き角（半角）θは、多孔性チップ先端とファラデー
カップ間距離をＤとしてで表わされる。

一方、同図（口）は本発明のイオン電流とイオンビーム
開き角の関係を示し、同図ｅ＼）は従来品のそれを示す
。ここでイオン電流は、第３図に示す電流計２８によっ
て測定される。また、同図（口）において○印は引き出
し電圧が９．５ＫＶ、口中は引き出し電圧が１３．８Ｋ
Ｖのときの値をそれぞれ示している。

以上の説明より明らかなように本発明品を用いたときの
イオンビームの開き角は従来品を用いたと（１０）きより、イオン電流の大きさによる変化か少なく安定し
ており、かつ開き角が小さい。

さらに、本発明品はパイプ２１を長くするか、溶融金属
溜と組み合わせればイオン化されるべき物質を比較的多
音に注入しておくことができ、また多孔性チップの構成
粒子径を適当に選ぶことにより流量制御ができるため、
イオンの放出を長時間持続させることか可能である。

以上の本発明品の一実施例の説明より明らかなように、
本発明に係る電界放出型溶融金属イオン源は、イオンの
放出を長時間持続させることが可能であるとともに、イ
オンビームの開き角を安定して小さくすることができる
ので実使用上極めて有用性に富むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は電界放出型溶融金属イオン源の従来例の断面を
略示する図解図、第２図は本発明品の一実施例の断面を
略示する図解図、第３図は本発明品を使用する金属イオ
ン発生装置の原理図、第４図は本発明品と従来品におけ
る、イオン電流の（１１）変化に対するイオンビームの開き角の変化を表わした説
明図である。２０・・・電界放出型溶融金属イオン源、２１・・・パ
イプ、２２・・・チップ。特許出願人　日本電子材料株式会社代理人弁理士大西孝治（１２）（イ）第２図（四）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）イオン化される物質よりも融点の高い材料よりな
るパイプと、イオン化される物質よりも融点の高い金属
を含み、その先端部が略円錐状をなすとともに、溶融し
たイオン化される物質を浸透させるべき多孔性を有する
チップよりなり、前記チップは、前記パイプの一端開口
部に、その先端部が突出する如く取り付けられているこ
とを特徴とするイオン源。
（２）前記チップは、イオン化される物質よりも融点の
高い金属の粉体を成形することに基づいて形成されるも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
イオン源。
（３）前記金属の粉体は、それぞれ異なる粒子径を有す
る粉体を混合してなるものであることを特徴とする特許
請求の範囲第２項記載のイオン源。