JPS59230239A - 電界放出液体金属イオン源の製造方法 - Google Patents

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】 本発明はニードルタイプの電界放出形液体金属イオン源
（以下、単に液体金属イオン源と略す。）の製造方法に
関する。

液体金属イオン源は、超ＬＳＩ製造におけるマスクレス
イオン注入、イオンビームリソグラフィー、イオンビー
ムデポジション等のサブミクロン加工技術およびサブミ
クロン表面分析技術に用いられる高輝度マイクロイオン
ビーム用イオン源として、近年多大な関心を集めている
。

液体金属イオン源は、金（Ａｕ）やガリウム（Ｇａ）等
の比較的低融点で蒸気圧の低い金属あるいは必要成分を
含む共晶合金を付着（これは通常。

濡らすと呼ばれる）せしめた先端半径数μｍのニードル
部分と、ヒータ部分より構成される。

この液体金属イオン源に、対向電極に対して数ＫＶない
し１０ＫＶ程度の高電圧を印加すると。

ニードル先端部分で電界が集中し、ニードル先端部より
金属イオンが電界放出される。液体金属イオン源は、前
記したような種々の用途への適用のために、イオン放出
機構等の基礎的研究および実用化のための技術開発が急
務とされている。そのうち実用化への開発課題として液
体金属イオン源の安定供給が重要な位置を占めている。

本発明は液体金属イオン源の材料科学的観点からの研究
過程から生じたもので、製造過程の歩留りを著しく向上
させるものである。

以下９本発明をヘアピン型イオン源により説明スるが、
ニードルを使用する他の型のイオン源においても本発明
の有為性は失なわれるものではない。

第１図（ａ）　、　（ｂ）　ｌ　（ｅ）は液体金属イオ
ン源における問題点および９本発明を説明するだめの図
である。このうち第１図（、）は液体金属イオン源のエ
ミッタ線材部を模式的に示したものである。

図におい七、１はニードル、２は金属溜め。

３はヒータ、４は液体金属を示す。これらは通常、　０
．２〜０．３　ｒｍφのタングステン（Ｗ）、タンタル
（Ｔａ）等の高融点金属線をスポット溶接することで形
成されておシ、ニードル１の先端はエツチングにより先
端半径が数μｍの形状となっている。

このエミッタ線材部に液体金属を付着させて完成させる
には次の二つの工程が必要である。

工程１；エミッタ線材部を真空チェンバーに入れ、ヒー
タ３に通電加熱することによって数十分間高温に保ち、
ガス出しを行なって表面を清浄化する。次にエミッタ線
材部を同チェンバー内に設置された液体金属るつぼ中に
浸し、十分な量の液体金属を付着させると、第１図（ｂ
）に示したように、金属溜め２に液体金属２が付着搭載
された形となる。

工程２；第１図（ｂ）の状態でヒータ３への通電加熱に
より液体金属２の蒸発が問題とならない範囲で高温に保
ち、同チェンバー内に設置された対向電極に対して数Ｋ
Ｖから１０ＫＶ程度の高電圧を印加する。その結果、電
界により液体金属２の表面拡散が促進されて濡れはニー
ドル１の先端へ進行し、ニードル１に対する濡れが均一
となって第１図（ｃ）のような完成された形状となる。

上記の工程１および２は液体金属イオン源を製造するだ
めの一般的工程であり、工程１により第１図（ｂ）の状
態とならしめることは従来の製造方法においても容易で
ある。しかしながら。

工程２により第１図（ｂ）から第１図（ｃ）に至らしめ
る場合、従来の製造方法では次のような欠点がある。す
なわち、■工程２の終了までに長時間を要するか、ある
いは全く濡れが進行しない単体あるいは合金の液体金属
がある。■ニードル先端をエツチングにより形成をする
際のエツチング条件の微妙な変化によりニードル１の表
面状態が大きく変化し、濡れの進行が大きな影響を受け
る。これらの欠点は、いずれも液体金属イオン源製造過
程の再現性や歩留シ向上の障害となっており１本発明は
これらの欠点の解消を目的としてなされたものである。

本発明は、前記工程２における濡れに関して。

以下に述べる材料科学的観点からの観察結果に着目して
なされたものである。たとえば。

（１）高融点金属であるタングステンを例にとると、こ
の金属は安価で入手し易く、ニードル先端を形成するエ
ツチングも水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液中で容易
に出来、比較的液体金属との反応も起こりにくい。実際
、液体金属イオン源用エミッタ線材として使用する際も
長寿命であり、エミッタ線材として優れた性質を持って
いる。しかし、タングステンは付着せしめる液体金属と
の濡れに関して選択性があり１例えば鉛（Ｐｂ）、イン
ジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）のような液体金属を
付着させる場合、前述したように工程２の終了に多大な
時間を要するか、あるいは工程２が終了し得ないという
欠点をもっている。

（２）一方９例えばニッケル（Ｎｉ）をエミッタ線材と
して、鉛、ビスマスのような液体金属を付着させる場合
には、濡れの進行は速く、工程２は容易に終了する。し
かし、液体金属イオン源完成後における実際の使用にお
いて、ニッケルは液体金属との反応性が大なため、液体
金属と反応を起こし液体金属中に溶出する。その結果。

ニードル先端部が短時間で消耗し、連続的で安定なイオ
ン放出が不可能となるという欠点をもっている。

（６）さらに、タングステンは溶融ニッケルに対して容
易に濡れ、また９両者の反応性も比較的大でありそれら
の界面で合金が生成される。

本発明は上記（１）ないしく３）の利用によるものであ
る。すなわち、液体金属あるいはニードル線材のいずれ
かに、濡れを促進あるいは生起せしめる第３の元素を微
量添加し固液界面の付着力を増大せしめることによシ、
前記工程２を容易に進行せんとするものである。

以下９本発明の実施例について説明する。

（実施例１）：　液体金属中にニードル線材に対して濡
れやすい金属を少量添加する方法。

例えば、タングステンによるニードル線材に鉛、ビスマ
ス等の液体金属を付着させる場合において、前述の工程
１で説明したるつぼ中の上記液体金属に９例えばニッケ
ルを前もって添加しておく。上記のように前記工程１に
おいてニッケルを添加した上記液体金属を金属溜め２に
搭載すれば、それに引き続く工程２は容易に進行せしめ
ることが可能となる。なお、ニッケルの添加量は少ない
ほどよいが、濡れ易さの程度により増減させる必要があ
る。しかしながら。

添加量の大小は本発明の本質に何らかかわるものではな
い。また実施例ではニードル線材としてタングステン、
液体金属として鉛、ビスマス。

添加元素としてニッケルを用いて説明したが。

ニードル線材と液体金属界面の付着力を増大せしめる組
合せであれば同様の効果が得られるのは自明であり９本
実施例で開示した組合せは本発明の本質に対して制限を
加えるものではない。

（実施例２）：　液体金属とニードル線材の双方に対し
て濡れやすい元素を微量含む合金ニードル線材を用いる
方法。

例えば、ニードル線材としてニッケルを少量含ませたタ
ングステン線を用い、液体金属として鉛、ビスマス等を
用いると、前記工程２を容易ならしめる効果が得られる
。ニッケルの含有量は少ないほどよいが、濡れ易さの程
度により含有量を調整する。過度のニッケル含有は、ニ
ッケルの液体金属への溶出によりニードルが消耗する為
好ましくない。実施例１で述べたと同様に、含有元素は
、液体金属とニードル線材と７− の界面との付着力を増大せしめる組合せであれば９本発
明で開示しだ組合せは本発明の本質に制限を加えるもの
ではない。

上記のような特徴を持つ液体金属イオン源の製造方法は
、濡れの起こらない組合せ、又は濡れの進度のおそい液
体金属に対して効力が著しい。たとえば、エミッタ線材
がタングステンで液体金属が鉛の場合、従来製作不能で
あったものが可能となり、ビスマスの場合には製作時間
が１０分の１以下になシ９歩留シも５倍以上に向上させ
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）は液体金属イオ
ン源の製造過程を説明するだめの図である。 図中、１はニードル、２は金属−溜め、“３はヒータ、
４は液体金属。 ８− ４９ 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、あらかじめ定められた材料によるニードル線材に対
   して濡れ性の悪いあらかじめ定められた液体金属材料を
   付着せしめるに際し、濡れ性を促進する材料をあらかじ
   め前記ニードル線材あるいは液体金属のいずれかに少量
   添加するようにしたことを特徴とする液体金属イオン源
   の製造方法。