JPS5833649B2 - ion generator - Google Patents

ion generator

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JPS5833649B2
JPS5833649B2 JP50083882A JP8388275A JPS5833649B2 JP S5833649 B2 JPS5833649 B2 JP S5833649B2 JP 50083882 A JP50083882 A JP 50083882A JP 8388275 A JP8388275 A JP 8388275A JP S5833649 B2 JPS5833649 B2 JP S5833649B2
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ion
needle
tip
ionized
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昌徳 古室
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオンビームを発生するための装置に関する。[Detailed description of the invention] The present invention relates to an apparatus for generating an ion beam.

例えば質量分析とか半導体のイオン注入とかには、イオ
ン発生装置が用いられる。
For example, ion generators are used for mass spectrometry and ion implantation of semiconductors.

これら倒れの用途においても、イオンビームは細く絞ら
れ然も高密度であることが望ましい。
Even in these applications, it is desirable that the ion beam be narrowly focused and at a high density.

そして、このようなイオンビームの発生源としては、 (イ)イオンソースサイズ(イオン源の大きさ)が小さ
い。
As a source for generating such an ion beam, (a) the ion source size (size of the ion source) is small;

(ロ)イオンのエネルギ幅が小さい。(ハ)大電流が得
られる。
(b) The energy range of ions is small. (c) Large current can be obtained.

に)長寿命である。(ホ)金属を含めた種々の物質をイ
オン化することができる。
) have a long lifespan. (e) Various substances including metals can be ionized.

(へ)質量スペクトルがきれいである(不要な質量スペ
クトルを含まない)。
(to) The mass spectrum is clean (does not contain unnecessary mass spectra).

等の性質をそなえる必要がある。It is necessary to have the following characteristics.

そこで、従来のいくつかのイオン発生装置について検討
してみる。
Therefore, some conventional ion generators will be considered.

検討対象としては、(1)電界電離型、(2)電界蒸発
型、(3隈面電離型、(4)気中放電型を掲げる。
The following types are considered: (1) field ionization type, (2) field evaporation type, (three-sided ionization type), and (4) air discharge type.

(1)電界電離型 これは、曲率半径数100C人〕の針状陽極の尖端に生
ずる2〜4×103〔■/crrL〕の強電界により、
陽極に入射する中性ガス分子を電界電離するものである
(1) Electric field ionization type This is caused by a strong electric field of 2 to 4 x 103 [■/crrL] generated at the tip of a needle-like anode with a radius of curvature of several 100C.
Neutral gas molecules incident on the anode are ionized by an electric field.

そして、イオンソースサイズが小さいこと、イオンのエ
ネルギ幅が小さいこと、長寿命であること、および質量
スペクトルがきれいであることを長所とする。
The advantages include a small ion source size, a small ion energy width, a long lifetime, and a clean mass spectrum.

しかし、この型のものは、イオン化できる物質が特定の
気体に限られ、イオン電流もio”−t°〔A〕と極め
て少いという難点がある。
However, this type of device has the disadvantage that the substances that can be ionized are limited to specific gases, and the ion current is extremely small at io''-t° [A].

(2)電界蒸発型 電界電離型と同様に、曲率半径数100〔λ〕の針状陽
極の尖端に生ずる1×103〜1×104〔■/Crr
L〕の強電界により、陽極材料そのものを電界蒸発させ
るものである。
(2) Similar to the field evaporation type and field ionization type, 1×103 to 1×104 [■/Crr
The anode material itself is evaporated by the strong electric field L].

そして、イオンソースが小さいこと、イオンのエネルギ
幅が小さいこと、種々の物質をイオン化できること、お
よび質量スペクトルがきれいであることを長所とする。
Its advantages include a small ion source, a narrow ion energy width, the ability to ionize various substances, and a clean mass spectrum.

しかし、イオン電流が極めて少く、またイオン化される
物質が次々と剥ぎとられるために陽極尖端がたちどころ
に鈍化してしまい極めて寿命が短いという欠点がある。
However, the drawback is that the ion current is extremely small, and the ionized material is stripped off one after another, so the anode tip quickly dulls and has an extremely short lifespan.

(3)表面電離型 これは、高温にされた仕事関数の大きい金属表面に、ア
ルカリ金属のように電離エネルギの低い元素の蒸気を吹
き付けることによってイオン化するものである。
(3) Surface ionization type In this type, the surface of a metal with a high work function heated to high temperature is ionized by spraying the vapor of an element with low ionization energy, such as an alkali metal.

そして、イオンのエネルギ幅が小さいこと、および質量
スペクトルがきれいであることを長所とする。
Its advantages include a small ion energy width and a clean mass spectrum.

しかし、使用できる物質が極めて限定さへまたソースサ
イズも極めて大きい難点がある。
However, there are disadvantages in that the materials that can be used are extremely limited and the source size is also extremely large.

(4)気中放電型 最も一般的とされている気中放電によりイオン化するも
のである。
(4) Air discharge type This is the most common type of ionization using air discharge.

大電流を取出すのには、上記4例のうちでも最も適して
いる。
Of the four examples above, this is the most suitable for drawing out a large current.

しかし、ソースサイズが大きく、イオンのエネルギ幅も
大きく、さらに質量スペクトルがきれいでない欠点があ
る。
However, the source size is large, the ion energy range is wide, and the mass spectrum is not clear.

これらの検討結果から、従来のイオン発生装置は、倒れ
も要求される全ての事項を充足することができないこと
が分る。
From these study results, it can be seen that the conventional ion generator cannot satisfy all the requirements for collapsing.

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、イオンソー
スサイズが小さく、イオンのエネルギ幅が小さく、大電
流が得られ、長寿命であり、種々の物質をイオン化でき
、しかも質量スペクトルのきれいなイオン発生装置の提
供を目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and has a small ion source size, a narrow ion energy width, a large current, a long life, the ability to ionize various substances, and a clean mass spectrum. The purpose is to provide an ion generator.

この目的を達成するため、本発明は、イオン化すべき物
質により形成され曲率半径が充分に小さい尖端を持つ針
状陽極を設け、真空中にてこの陽極を前記イオン化すべ
き物質の融点以上に加熱すると共に、陰極との間に高電
界をかけることにより、電気流体力学的に前記陽極の尖
端から表面原子を電離離脱させるイオン発生装置として
構成されたものである。
To achieve this objective, the present invention provides a needle-shaped anode formed of a substance to be ionized and has a sufficiently small radius of curvature, and heats this anode in vacuum to a temperature above the melting point of the substance to be ionized. At the same time, by applying a high electric field between the anode and the cathode, it is configured as an ion generator that electrohydrodynamically ionizes and detaches surface atoms from the tip of the anode.

以下添付図面を参照して本発明の一実施例を説明する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第1図は本発明に係る装置の構成を示したもので、1は
タングステン等により構成された針状陽極であり、タン
グステン等からなるヒータ2に取付けられている。
FIG. 1 shows the configuration of an apparatus according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a needle-shaped anode made of tungsten or the like, which is attached to a heater 2 made of tungsten or the like.

このヒータ2は、ヒータ電源3により通電され針状陽極
1を加熱する。
This heater 2 is energized by a heater power source 3 and heats the needle-like anode 1 .

一方、針状陽極1に対向するように陰極5を設け、高圧
電源4によって針状陽極1との間に高電界を印加する。
On the other hand, a cathode 5 is provided to face the acicular anode 1 , and a high electric field is applied between the cathode 5 and the acicular anode 1 by a high voltage power source 4 .

針状陽極1は、そのソースサイズが100〔入〕未満と
なるように構成する。
The needle-shaped anode 1 is configured so that its source size is less than 100 [in].

これには、電解研磨により、先端を数100〜数100
0C人〕に研磨した針状陽極に高電圧を印加しつつ加熱
すればよい。
For this purpose, electrolytic polishing is used to polish the tip to several 100 to several 100
It is sufficient to apply a high voltage to a needle-shaped anode polished to 0C and heat it.

この場合、針状電極尖端においては、各結晶面の仕事関
数、表面エネルギ、局部電界等が異なる。
In this case, the work function, surface energy, local electric field, etc. of each crystal plane at the tip of the needle electrode are different.

このためある特定の結晶面が生長隆起し、針状陽極の尖
端に100〔入〕未満程度の小さな曲率半径を持つ突出
部(図示せず)が形成される。
For this reason, a certain crystal face grows and bulges, and a protrusion (not shown) having a small radius of curvature of less than 100 degrees is formed at the tip of the needle-like anode.

この突出部が成長する条件は、下式による。The conditions for the growth of this protrusion are based on the following equation.

FF=■15r〉(8πr/r)’/” =−=・(
1)ただし F:針状電極尖端にかかる静電気力〔■/
cIrL〕 V:陽極と陰極との相対電位差(V) r:針状陽極の曲率半径〔動〕 r:針状陽極表面原子の表面張力 Cdyne /CrfL ) いまタングステンを例にとると、 F>8.I X 10’r−’/” CV/Cm) −
”(2)であるから、r=1000C人〕とすると、■
=1.28(KV)以上の電圧を印加すればよいことに
なる。
FF=■15r〉(8πr/r)'/” =-=・(
1) However, F: Electrostatic force applied to the tip of the needle electrode [■/
cIrL] V: Relative potential difference between anode and cathode (V) r: Radius of curvature of needle-shaped anode [dynamic] r: Surface tension of atoms on the surface of needle-shaped anode Cdyne /CrfL) Taking tungsten as an example, F>8 .. I X 10'r-'/"CV/Cm) -
” (2), so r = 1000C people], then ■
It is sufficient to apply a voltage of =1.28 (KV) or more.

そして、針状陽極の半径により定まる値以上の陽極温度
T1電界■を与えれば、陽極尖端の突出部は時間と共に
曲率半径rを減じていく。
Then, if an anode temperature T1 electric field (2) higher than a value determined by the radius of the needle-shaped anode is applied, the radius of curvature r of the protruding portion of the anode tip decreases over time.

これに伴い、F≠V15 rの関係によりFは増大し、
突出部の表面原子は極めて大きな分極エネルギを獲得し
イオン化脱離されることになる。
Along with this, F increases due to the relationship F≠V15 r,
The surface atoms of the protrusions acquire extremely large polarization energy and are ionized and desorbed.

この結果、突出部の曲率半径は一定値で平衡状態となる
As a result, the radius of curvature of the protrusion is kept at a constant value and is in an equilibrium state.

すなわち突出部においては、熱エネルギと静電気力によ
る突出部への原子供給とイオン化脱離による原子の減少
とが完全に平衡し、極めて安定なイオン電流が連続的に
得られる。
That is, in the protrusion, the supply of atoms to the protrusion due to thermal energy and electrostatic force and the reduction of atoms due to ionization and desorption are perfectly balanced, and an extremely stable ion current is continuously obtained.

第2図は本発明に係る装置におけるイオン電流の時間的
変化特性を示したものである。
FIG. 2 shows the temporal change characteristics of the ion current in the device according to the present invention.

この場合、イオン種として、タングステンすなわち(3
10)Wを用い、それによる針状電極の尖端の曲率半径
を2000C人〕、真空度を5 X 10−8(Tor
r)とする。
In this case, the ionic species is tungsten, i.e. (3
10) Using W, the radius of curvature of the tip of the needle electrode was 2000 C], and the degree of vacuum was 5 x 10-8 (Tor
r).

そして、針状電極に熱エネルギと静電気力とを同時に加
えて、陽極電位を5(KV)、温度を1800C’K)
にする。
Then, thermal energy and electrostatic force were applied simultaneously to the needle electrode, increasing the anode potential to 5 (KV) and the temperature to 1800 C'K).
Make it.

この結果、熱エネルギおよび静電気力を印加してから約
10分間で略略安定状態となる。
As a result, a substantially stable state is reached in about 10 minutes after the application of thermal energy and electrostatic force.

このとき、突出部の原子供給とイオン化脱離とが平衡し
ている。
At this time, the supply of atoms to the protrusion and the ionization and desorption are in equilibrium.

この装置で、イオン電流を制御するには、陽極温度また
は印加電圧を変えればよく、電流可変範囲は10−11
〜数μ〔A〕が得ら札充分に大電流である。
With this device, the ion current can be controlled by changing the anode temperature or applied voltage, and the current variable range is 10-11.
~ several μ[A] is a sufficiently large current.

第3図は本発明に係る装置におけるイオンの方向依存性
を示したものである。
FIG. 3 shows the directional dependence of ions in the device according to the present invention.

この装置では、2方向について強い方向性を持ち、特に
そのうち−方、図におけるAにより強い方向性を持って
おり、Bはさは強くない。
This device has strong directionality in two directions, especially the one of them, A has stronger directionality in the figure, and B has less strong directionality.

この人ピークの発散角は10−” (5ter )であ
る。
The divergence angle of this human peak is 10-'' (5ter).

これは、原理的にも陽極の突出部だけからイオンが放出
されるためであり、イオン源の太きさも100〔入〕未
満程度と小さい。
This is because, in principle, ions are emitted only from the protrusion of the anode, and the thickness of the ion source is also small, about less than 100 mm.

また、イオンのエネルギ幅は1(eV)以下であり、充
分要求に応え得る。
In addition, the energy width of the ions is 1 (eV) or less, which satisfies the requirements.

第4図は本発明に係る装置におけるイオンの質量スペク
トルを示したものである。
FIG. 4 shows the mass spectrum of ions in the apparatus according to the present invention.

図から明らかなように、W+イオン以外にはNa+、K
+がタングステン陽極中の不純物として観測される程度
で、祝めできれいな質量スペクトルを持つ。
As is clear from the figure, in addition to W+ ions, Na+, K
It has a blessedly clean mass spectrum, with + being observed as an impurity in the tungsten anode.

さらに前述の諸要求のうちで残されたものとして、寿命
およびイオン化物質の種類の問題がある。
Further remaining among the aforementioned requirements are issues of lifetime and type of ionizable material.

このうち、寿命については、原子の供給を行わない場合
、取出すイオン電流の値にもよるが、適当な電界と温度
とが与えられれば数10時間以上を得ることは容易であ
る。
Among these, as for the lifespan, when no atoms are supplied, it is easy to obtain several tens of hours or more if an appropriate electric field and temperature are given, although it depends on the value of the ion current taken out.

また、イオン化できる物質は、ベリリウムBe、硼素B
1 アルミニウムAt、 シリコンSi1チタンTi1
バナジウムv1クロムCr、鉄Fe、 コバルトCo、
ニッケルN i 。
In addition, substances that can be ionized are beryllium Be, boron B
1 Aluminum At, Silicon Si1 Titanium Ti1
Vanadium v1 Chromium Cr, Iron Fe, Cobalt Co,
Nickel Ni.

銅Cu、 亜鉛Zn、 ゲルマニウムGe1ジルコニウ
ムZr、ネプツニウムNb、モリブデンMo。
Copper Cu, Zinc Zn, Germanium Ge1 Zirconium Zr, Neptunium Nb, Molybdenum Mo.

ルテニウムRu、ロジウムRh、パラジウムPd。Ruthenium Ru, rhodium Rh, palladium Pd.

銀Ag、錫Sn1 レニウムRe、オスミウムOs。Silver Ag, Tin Sn1 Rhenium Re, Osmium Os.

イリジウムIr、白金Pt、金Au等があり、極めて多
種である。
There are a wide variety of materials, including iridium Ir, platinum Pt, gold Au, etc.

上記実施例では、針状電極を単一種金属により構成し、
針状陽極の構成原子をそのままイオン化する場合を示し
たが、これは針状陽極に該陽極と同種または異種の元素
を蒸着、表面拡散、含浸等によって供給するようにして
もよい。
In the above embodiment, the needle electrode is made of a single metal,
Although the case where the constituent atoms of the acicular anode are ionized as they are is shown, the acicular anode may be supplied with elements of the same or different type as the anode by vapor deposition, surface diffusion, impregnation, etc.

また、ヒータはレーザ光、電子衡撃て置き換えてもよい
し、その材料をタングステン以外にタンタルTa、 炭
素C等で構成してもよい。
Further, the heater may be replaced with a laser beam or an electron beam, and its material may be made of tantalum Ta, carbon C, etc. in place of tungsten.

さらに、陽極、陰極間に高電界を印加するための電源は
、陽極と接地との間に挿入しているが、陽極と陰極との
間に挿入してもよい。
Furthermore, although the power source for applying a high electric field between the anode and the cathode is inserted between the anode and the ground, it may be inserted between the anode and the cathode.

本発明は上述のように、イオン化すべき物質により形成
され曲率半径が充分に小い尖端を持つ針状陽極を設ける
と共に、この陽極に前記物質が融点以上に昇温する熱エ
ネルギを与えるヒータおよび高電界を与える陰極を配し
、針状陽極の表面原子を電気流体力学的に移動させて尖
端からイオン化脱離させるため、イオン発生装置が具備
すべき要求を全て充足した装置を提供することができる
As described above, the present invention includes a needle-like anode formed of a substance to be ionized and having a sufficiently small tip with a sufficiently small radius of curvature, and a heater that applies thermal energy to the anode to raise the temperature of the substance above its melting point. It is possible to provide a device that satisfies all the requirements that an ion generator should have, since it is equipped with a cathode that applies a high electric field, and the surface atoms of the needle-like anode are electrohydrodynamically moved to ionize and desorb from the tip. can.

したがって、質量分析用としても、イオン打込み用とし
ても極めて優れた性能の装置が得られる。
Therefore, an apparatus with extremely excellent performance can be obtained both for mass spectrometry and for ion implantation.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に係る装置の電気的構成を示す説明図、
第2図は同装置におけるイオン化電流の時間的変化特性
を示した図、第3図は同装置におけ・るイオンの方向依
存性を示す図、第4図は同装置における質量スペクトル
の説明図である。 1・・・針状電極、2・・・ヒータ、3,4・・・電源
、5・・・陰極。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the electrical configuration of the device according to the present invention,
Figure 2 is a diagram showing the temporal change characteristics of the ionization current in the same device, Figure 3 is a diagram showing the directional dependence of ions in the same device, and Figure 4 is an explanatory diagram of the mass spectrum in the same device. It is. 1... Needle electrode, 2... Heater, 3, 4... Power supply, 5... Cathode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 曲率半径が数1000C人〕より小さくイオン化す
べき物質によって形成された尖端を有する針状陽極と、
この陽極を前記物質が融点以上まで昇温するように加熱
して前記尖端の表面原子を電離させるための熱エネルギ
を与えるヒータと、前記陽極との間に前記表面原子を電
離させるための電界を与える陰極とを真空雰囲気中に設
けてなるイオン発生装置。
1. A needle-like anode having a tip formed of a substance to be ionized with a radius of curvature smaller than several thousand centimeters;
An electric field is provided between the anode and the anode and a heater that provides thermal energy to heat the anode to a temperature higher than the melting point of the substance and ionize the surface atoms of the tip. An ion generator that has a cathode and a cathode in a vacuum atmosphere.
JP50083882A 1975-07-08 1975-07-08 ion generator Expired JPS5833649B2 (en)

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