JPS5971235A - イオン源 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、イオン化物質、イオン化物質の貯め部、イオ
ン・エミッタ、イオン化物質熔融用熱源から成る液体金
属イオン源に関する。

〔従来技術〕

従来の抵抗加熱方式の液体金属イオン源を第１図に示す
。

（α）タイプのイオン源ではＶ字に成形したＷワイヤ３
の先に先端の曲率半径１μｍ以下に電解研磨したエミッ
タ２全スポット熔接し、Ｗワイヤ３の下端にイオン化物
質１を乗せである。Ｗワイヤ３に電流を流し、そこに発
生するジュール熱によってイオン化物質１を熔融する。

熔融したイオン化物質１でエミッタ２の先端まで完全に
濡らした状態でエミッタ２と引出し電極９との間に高圧
をかけると、エミッタ２の先端からイオン・ビーム１４
が引き出せる。しかし、この方式ではＷワイヤ３上に貯
められるイオン化物質１の量が少ないためイオン源とし
ての寿命が短く、生産装置用イオン源としては不適格で
ある。また、イオン化物質１が真空中に露出しており、
イオン化物質１の蒸発が激しく、イオン源の寿命が短い
だけでなく、イオン源のまわシをイオン化物質の蒸着で
汚染し、まわりに配置・　３ しである碍子類の耐電圧を低下させたシし、生産装置に
組み込むイオン源としては不適格である。

（Ａ）のタイプのイオン源ではエミッタ２を中心に通し
た円筒４中にイオン化物質１を貯めである０円筒４のま
わりを絶縁物６が覆っておシ。

そのまわりにＷヒータ５が巻いである。Ｗヒータ５に電
流を流して発生した熱が絶縁体６を伝導し、その熱によ
ってイオン化物質１を熔融する。（α）タイプのイオン
源と同様にエミッタ２と引出し電極９の間に高圧をかけ
るとエミッタ２の先端からイオン・ビームが引き出され
る。このイオン源では、（α）タイプのイオン源よりも
多くのイオン化物質１が貯められ、イオン化物質１が真
空中に露出している部分が少なく、イオン化物質１の蒸
発も少なくてすみ、（α）タイプのイオン源の欠点を修
正したものになっている。

しかし、熱伝導による加熱方式で、Ｗヒータ５と絶縁体
６との接触面積が少ないこと、絶縁体６と円筒４との接
触面積が少な込こと、絶縁体、　４ ６の熱伝導係数が小さいこと、さらに、絶縁体６の上方
に熱が逃げることなどのため、加熱効率が極めて悪い。

さらに、　Ａｔｂ等の高融点金属を熔融しようとすると
大電流を必要とし、真空中へ電流を導入するための端子
の接続部分、真空内での接続部分等に大型で接触面積が
大きく。

大電流が流せる接続端子が必要にカシ、イオン源自体が
大型化する。また、Ｆヒータ５からの輻射熱はＷヒータ
５外側の輻射熱シールド２１によってイオン源に反射さ
れ、絶縁体６を加熱するが、絶縁体６から円筒４へは熱
伝導による加熱であり、上記の通り、輻射熱による加熱
効率も悪い。このように加熱効率が悪く、イオン化物質
１の熔融に大きな電力全必要とすることは。

装置の経済性を悪くするだけでなく、装置内の不必要な
部分全加熱することになり、１μｍ以下の微細集束イオ
ン・ビームを狙うイオン・ビームによる微細加工装置、
イオン打込み装置、露光装置等の精密に組み立て調整さ
れた装置に狂いに生じさせる恐れがあ）、長時間の連続
運転を行なう生産装置では重大な問題で、イオン源とし
て不適格である。　　　□ 〔発明の目的〕 本発明の目的は熱源からの熱を低損失でイオン化物質に
伝え、輻射熱まで含めて熱源から重要エネルギーでイオ
ン源外部へ逃げる量全最小限となるようにして、加熱効
率が高いイオン源を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、冒頭に述べた種類の本発明
によるイオン源は、イオン化物質熔融用加熱室が密閉さ
れていることを要旨とする。

本発明の有利な実施の態様においては、上記密閉された
加熱室は電子線衝撃加熱を行なうための電子線源および
高電圧導入端子を備え、輻射熱源からの輻射を有効に用
いてイオン化物質を加熱できるように、加熱室内壁の形
状は回転楕円体の組合せであり、電子線源が同時に輻射
熱源でもちす、ｖＬ電子線源ら出る電子と光がともに熔
融されるイオン化物質に集中するような構造を有してお
り、電子線衝撃加熱のために、電界または磁界によって
電子の飛行の速さと方向の制御を行なえる電極または磁
極を備えている。

その際、電子線源とイオン化物質全結ぶ直線上に、イオ
ン化物質蒸着防止用シールドの役全果す加熱室内壁が存
在すれば一層有利である。加熱室は内部にイオン化物質
からの蒸発物質が直接到達できないシールド部分を持っ
ているのがよい。

本発明はつぎのような本発明者等の知見に基すいて外さ
れたものである。

１　従来の液体金属イオン源の基本構成は第１図（αｌ
、（ｈｌに示したものであるが、このタイプでは前述し
たような欠点がある。そこでイオン化物質熔融用に密閉
した加熱室全役けて、加熱源をその中に入れ、加熱源か
ら出た熱が外部に洩れると七ヲ最小限に抑えるようにし
て、イオン化物質を加熱し熔融する。この時。

加熱室は密閉状態のため、加熱源からの輻射熱も加熱室
外部へ洩れず、蒸発したイオン化物質もエミッタ近傍の
みが真空中に露出しているため、イオン源外部を汚染す
ることがない。

λ　加熱室内でのイオン化物質の加熱には抵抗加熱、高
周波誘導加熱等もあるが、電子線源から出た電子がその
エネルギを直接イオン化物質に伝えるため、加熱効率の
高い電子線衝撃加熱法を採用する。これは、Ｆフィラメ
ント等を高温に加熱しその電子線源から放出される熱電
子をイオン化物質との間の電界によって加速し、その電
圧に対応する運動エネルギでイオン化物質に衝突させ、
その運動エネルギを熱に変換する加熱方法である。

五　回転楕円体では１つの焦点から出た光はもう１つの
焦点に集光する。そこで加熱室内壁全回転楕円体形状と
し、一方の焦点にＷフィラメント等の輻射熱源を配置し
、もう一方の焦点にイオン化物質を位置させ、輻射熱源
からの光全イオン化物質に集光するようＩ／ｒ　ｌ、、
輻射熱からのエネルギ全イオン化物質熔融に有効に利用
する。この時１回転楕円体を２個以上組み合わせて、多
くの輻射熱源を使用し。

よシ高温を得ることもできる。

ａ、　　Ｗフィラメント等の電子線源は熱電子全放出さ
せるために高温に加熱される必要がある。

この時、同時に相轟量の輻射熱が放出される。

そこで、加熱室内壁を前記３．のように回転楕円体の組
合せ等の形状を成すように加工成形し、電子線衝撃加熱
法と輻射熱加熱を併用し。

よシ高効率にイオン化物質の熔融を行なう。

５、電子は電界または磁界により力を受けるため、外部
から電界または磁界を制御することによって、電子の速
度と方向を制御することができる。そこで、高速の電子
を全てイオン化物質に集め、効率の良い加熱を行なう。

＆　イオン化物質によっては熔融した状態での蒸気圧が
高すものがあシ、蒸発したイオン化物質がＷフィラメン
ト等の電子線源または輻射熱源の表面に蒸着し、電子線
源材料の仕事関数を大きくし、電子が出にくくする等の
悪影響を与える。そこで、電子線源を熔融したイオン化
物質の上方には位置させず、イオン化物質から見て電子
線源が必ず加熱室内壁の影となる位置に持って込き、電
子線源へのイオン化物質の蒸着を避ける。

以下１本発明を実施例にしたがって一層詳しく説明する
。

〔発明の実施例〕

〈実施例ｔ〉 第２図は本発明の１実施例であるＡｗイオン源を示した
ものである。イオン化物質１のＡｔｂは円錐形Ｗメツシ
ュ１０の中に入っている。電子線源のＷのフィラメント
８（０，２φ）［７〜８Ａの電流を流すとＷフィラメン
ト８の温度が１６００℃以上に上昇し、Ｗフィラメント
８よシ熱電子１３が放出される。Ｗフィラメント８とイ
オン化物質１との間に１　ｋＶ程度の電圧をかけると電
子１３がイオン化物質１に向って飛行し、イオン化物質
１に衝突し、電子１３の運動エネルギが熱に変換される
。この熱でイオン化物質１を熔融する。

熔融したイオン化物質１はＷメツシュ１０の表面から浸
み出し、エミッタ２の先端までイオン化物質１で濡らす
。このエミッタ２は先端の曲率半径１μｍ以下に電解研
磨しである。エミッタ２と引出し電極９との間に５ｋＶ
以上の電圧をかけると、エミッタ２の先端からイオンビ
ームが引き出せる。Ａｕ、の融点は１０６３℃でイオン
化物質１のＡｔｂは１０６３℃以上の温度に加熱する必
要がある。

本実施例ではイオン化物質１を直接加熱できる電子線衝
撃加熱性全採用したが、はぼ密閉された加熱室７内にＷ
フィラメント８が入っているため、Ｗフィラメント８の
輻射熱が外部へ逃げずにさらに加熱効率を良くすること
ができた。

例えば、従来の抵抗加熱法では２１のＡｔｂｆ熔融する
のに５０Ｆ以上の電力全必要としたが、本実施例では２
０Ｆ以下の電力で熔融可能であった。

また、Ａｕのような高融点金属では融点における蒸気圧
が高く、イオン化物質１の蒸発が問題となる。しかし、
加熱室を設けることにより、イオン化物質１の蒸発を加
熱室７内に限定し、碍１ 子１５その他イオン源のまわシをイオン化物質１で汚染
することを防ぐことができた。

〈実施例２．〉 第３図（αｊはループ状のＷフィラメント８全使用した
イオン源の縦断面図、（ｈ）は同図のＡ−Ａ線に沿って
切った横断面南ヲ示している。第３図（Ａ＋に示すよう
にループ状Ｗフィラメント８全使用することによシ、電
子を放出する面積が広くなって、熱電子の量が多くなり
、よ）高融点のＳｉ等のイオン化物質１の熔融も可能と
なった。

また、本実施例ではイオン化物＠１から見てＷフィラメ
ント８がセラミック・ホルダ１１の内壁の影に入るよう
にしてあり、イオン化物質１によるＷフィラメント８の
汚染を防いでいる。また、イオン化物質１の貯め部であ
る円錐形のＷメツシュ１０には先端を落とした円錐状の
Ａｙ−Ｔａ製キャップ１６ヲかぶせ、貯め部のＷメツシ
ュ１０の先端のみを露出させ、必要以上のイオン化物質
１がＷメツシュ１０から浸み出し、エミッタ２の先端全
必要以上に濡らさないようにした。こ、１２　・ のＷメツシュ２を露出させる量は各イオン化物質１の粘
度にしたがい最適な量を選定した。

〈実施例３．〉 第４図は電子線源のＷフィラメント８からの輻射熱をイ
オン化物質１の加熱に有効に利用した実施例を示したも
のである。輻射熱の有効利用のためにＷフィラメント８
の背面を楕円体面とし、一方の焦点にＷフィラメント８
．もう一方の焦点に貯め部中のイオン化物質１の中心を
持っていき、Ｗフィラメント８から出た光の大部分がイ
オン化物質１に集中するようにした。

Ｗフィラメント８の背面を放物面にして、Ｗフィラメン
ト８から出た光１７ヲ平行光としてイオン化物質１に照
射しても、本実施例と近い効果が得られた。このとき、
Ｗフィラメント８の背面はイオン化物質１を強制的に蒸
着し、鏡面になるようにした。最初から別種の金属を蒸
着しておいてもよいが、この金属とイオン化物質１が混
合することを嫌う場合には、上記の方法が適当である。

輻射熱を有効に利用することによって、Ｇα、　Ｉｎ、
　Ｂｉ等の比較的低融点の金属では電子線衝撃加熱を使
わず、輻射熱による加熱のみで十分熔融可能であった。

〈実施例４．〉 第５図（α］は輻射熱有効利用の別の実施例を示した縦
断面図で、（ｈ）は同図のＡ−Ａ線に沿って切った横断
面図である。加熱室内壁は楕円の一方の焦点を通る長軸
に垂直な直線を軸とする回転体形状である０回転体の軸
上にある楕円の焦点位置をイオン化物質１の中心とし１
回転している楕円の焦点にＷフィラメント８をループ状
に配置した。このような配置によシ、Ｗフィラメント８
から出た光１７＠Ｗフィラメント８上部の曲面に蒸着し
たイオン化物質１で反射させ貯め部中のイオン化物質１
に集光し、イオン化物質１の加熱に有効に利用できる。

これを、電子線衝撃加熱法に併用し、２ｆ程度の電力で
も。

１０００℃以上の高融点金属３１程度の熔融が可能であ
った。

〈実施例５．〉 第６図（α）は実施例４．と同様にＷフィラメント８の
輻射熱全有効に利用した上で、磁界により電子線１３を
偏向させ、電子線衝撃加熱を打力った実施例を示す縦断
面図で、（ｈ）は同図のＡ−Ａ線に沿って切った横断面
図である。加熱室７内壁形状は楕円体２個を組み合わせ
た形状で、両方の楕円°体の共通焦点をイオン化物質１
の中心とし、他の二つの焦点にＷフィラメント８を持っ
てきた。この配置によシ、Ｗフィラメント８から出た光
はイオン化物質１全蒸着して鏡面状態の加熱室７の内壁
で反射され、イオン化物質１に集光し、加熱に寄与する
。また、Ｗフィラメント８から出た熱電子はＷフィラメ
ント８の下の反撥電極１９にかけた負電位によって、上
の方向へ飛行し始める。ここで、イオン化物質′１にか
けた正電位に引きつけられて電子はイオン化物質１に向
うが、イオン源の両側に置いた磁石２０の磁界によりロ
ーレンツカ全受け、磁界強度を適当に選ぶことによって
、Ｗフィラメント１から出た熱電子を全てイオン化物質
１上に照せられた。２重矢印は磁界を表わす。また１本
実施例では楕円体二つを組み合わせたが、楕円体を一つ
、または、３個以上組み合わせた形状でも同様の結果が
得られた。しかし、多数の楕円体を組み合わせた場合、
第７図に示すように磁極２０間の磁界を有効に利用でき
る利点がある。

〈実施例＆〉 上記までの実施例はイオン化物質１の貯め部の先端にエ
ミッタ２を備えた微細集束用イオン・ビームを得るため
のイオン源であった。しかし、本実施例は大電流の金属
イオン・ビームを得ることを目的に製作したイオン源で
ある。本実施例では実施例４の形状の加熱室音用い、貯
め部を円板形Ｗメツシュ１０のみとし、熔融したイオン
化物質１で濡れたＷメツシュ１０と引出し電極９０間に
１２ｋＶ以上の電圧をかけ、ＩＱｍＡオーダの金属１例
えばＧａ、　Ｉｎ、　Ｂｉ、　ＡｔＬ等のイオン・ビー
ム１４を引き出せた。この時、加熱室７の形状が他の実
施例で述べた形状であっても同等の効果が得られた、ま
た、Ｗメッシ＝−１０から多数の針をつき出して、針の
先端に電界を集中させ、引出し電圧の閾電圧ｆ１０ｋＶ
に下げることができた。

〔発明の効果〕

本発明では液体金属イオン源中にイオン化物質熔融用の
密閉された加熱室を設けたことに特徴がある。加熱室を
設けたことにより、加熱効率を良くできるとともにイオ
ン化物質の蒸発による真空チャンバ内汚染を避けること
ができる。

本発明では、主に電子線衝撃加熱法金採用したが、電子
線源から出る輻射熱も加熱室内壁形状を楕円体等とする
ことによって有効に利用でき。

加熱効率をさらに高めることができた。また。

電子線衝撃加熱法の場合、電子線源を加熱室に閉じ込め
ているため、イオンの引出し電極からの電界の影響１受
けず、加熱の制御に不要な因子が入シ込まず、加熱の制
御性が良くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図（α）および（ｈ）は従来の２種類の抵抗加熱方
式の液体金属イオン源の縦断面図、第２図は本発明によ
るイオン源の基本構成を示す縦断面図、第３図（、ｚ）
および（Ａｌはループ状電子線源を採用した本発明によ
るイオン源のそれぞれ縦断面図および横断面図、第４図
は加熱室内壁を楕円面とした本発明によるイオン源の縦
断面図、第５図（αＪおよび（句は加熱室内壁を偏心回
転楕円体面とした本発明によるイオン源のそれぞれ縦断
面図および横断面図、第６図（８１および（ｈｌは磁場
を利用した本発明によるイオン源のそれぞれ縦断面図お
よび横断面図、第７図は磁場を利用した本発明による他
の一つのイオン源の横断面図。 第８図は本発明による大電流用イオン源の縦断面図であ
る。 １・・・イオン化物質　　　２・・・工きツタ３・・・
Ｗワイヤ　　　　　４・・・円筒５・・・Ｗヒータ　　
　　　６・・・絶縁物７・・・加熱室　　　　　　８・
・・Ｗフィラメント９・・・引出し電極　　　　　１ｏ
・・・Ｗメツシュ１１・・・セラミック・ホルダ １２・・・シールド　　　　　１３・・・電子線１４・
・・イオン・ビーム　　１５・・・碍子１６・・・キャ
ップ　　　　　１７・・・光１日・・・蒸着金属　　　
　　１９・・・反撥電極２０・・・磁石　　　　　　　
２１・・・輻射熱シールド、１９゜ 憔　１　図 第　２　図 （し〜。 寛　　４　　ロ ー１　　６　　しろ 罵　　５　　図 （呑） 第　７　図 罵　　３　図 横浜市戸塚区吉田町２９２番地株 式会社日立製作所生産技術研究 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｔ　イオン化物質、イオン化物質の貯め部、イオン・エ
   ミッタ、イオン化物質熔融用熱源から成る液体金属イオ
   ン源において、イオン化物質熔融用加熱室が密閉されて
   因ることを特徴とするイオン源。 ２、　上記密閉された加熱室が電子線衝撃加熱を行なう
   ための電子線源および高電圧導入端子を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン源。 ３、　輻射熱源からの輻射を有効に用いてイオン化物質
   を加熱できるように、加熱室内壁の形状が回転楕円体の
   組合せ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。 ４、　上記密閉された加熱室が、電子線源が同時に輻射
   熱源でもあり、電子線源から出る電子と光がともに熔融
   されるイオン化物質に集中するような構造を有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項または第３項記載の
   イオン源。 ５、　電子線衝撃加熱のために、電界または磁界によっ
   て電子の飛行の速さと方向の制御を行なえる電極または
   磁極を備えることを特徴とする特許請求の範囲第４項記
   載のイオン源。 ＆　上記電子線源と上記イオン化物質を結ぶ直線上に加
   熱室内壁が存在し、イオン化物質蒸着防止用シールドの
   役を果すこと′ｆｒ：特徴とする、特許請求の範囲第５
   項記載のイオン源。 ２　上記加熱室が内部にイオン化物質からの蒸発物質が
   直接到達できないシールド部分を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のイオン源。