JPS60105148A - 液体金属イオン源 - 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、固体または粉末状のイオン化物質の貯蔵部を
設けた液体金属イオン源の構造に関するものであり、特
に、イオンマイクロビーム打込みの長時間連続運転に好
適な液体金属イオン源に関する。

〔発明の背景〕

第１図および第２図は、従来の液体金属イオン源の代表
的基本構成を示している。これらの２つの構成例は、イ
オン化すべき物質を保持する構造および加熱方法が異な
るが、現在、一般的に採用されているイオン源である。

まず、第１図は、イオン化すべき物質２を加熱部である
ヒーター４に直接接触させ、通電による抵抗加熱をする
方式を示した概略図である。絶縁性の支持体６に取付け
られた２本の電流導入端子８によって保持されたヒータ
ー４の中央部には円孔工０が設けられている。針状エミ
ッターチップ１２は、この円孔１０の中心に位置し、突
き出している。円孔１０の周辺にヒーター４と針状エミ
ッターチップ１２に接するようにイオン化物質２を置く
。ヒーター電源１４からの電流による抵抗加熱によって
イオン化物質２を溶融させ、針状エミッターチップ１２
に瀧れさぜる。この状態で、針状エミッターチップ１２
イオン加速電源１６によって正の高電圧を印加するとと
もに、イオン引出し電源１８によって引出し電極２ｏ側
に針状エミッターチップ１２に対して負の高電圧を印加
してい舎ことにより、針状エミッターチップ１２の先端
で儒れている溶融状態のイオン化物質２は、電解電離に
よってイオン化し、イオンビーム２２として引出される
。

これに対し、第２図は、イオン化すべき物質２をルツボ
等の容器２４に入れ、この容器２４の底部に設けられた
円孔２６から針状エミッターチッグ１２を突出させてい
る。イオンｆヒすべき物質２の加熱はヒーター４からの
電子線価ネによシ行なわれ、円孔２６付近にあるイオン
化すべき物質２は加熱溶融させる。制御電極２８ａ、２
８ｂは、制御電源３０によって溶融状態のイオン化すべ
き物質２０針状工ミツターチツプ１２表面での流れを制
御するだめのものである。その他、イオンビーム２２を
引出す原理は第１図に示す構成例の場合と同じである。

この例のようにルツボ等の容器２４を用いると、加熱し
たときにイオン化すべき物質２が蒸発して飛散するのを
防ぐことができる。

これらの従来のイオン源には、以下のような問題がある
。すなわち、 （１）　イオン源に搭載されたイオン化物質の全量を常
に溶融状態に保つ必要があるために、イオン化物質が固
体または粉末状であったり高融点物質である場合、加熱
するための消費電力は大きい。

（２）　ヒーター電流が一定の場合、イオン化物質の減
少に伴いイオン化物質の温度は上列し、全イオン電流値
が増加するなどのイオン放出特性が変化してくる。

（３）　イオン化物質が蒸気圧の大きく異なる金属同士
の合金である場合、長時間加熱による選択蒸発によって
合金組成の割合が変化する。

（４）　イオン化物質の搭載量は溜め部またはルツボの
大きさや加熱電気容量によって制限されるために、イオ
ン源寿命を決める一因となっている。

（５）　イオン化物質の消費によりイオン放出が望めな
くなった場合には、一度真空を破り、イオン化物質を外
部から補給しなければならない。イオン放出を一度中断
し、イオン化物質の補給を行ない、イオン放出を再開す
ると、放出再開直後、イオンが安定に放出されるように
なるまでに長時間を委し、引出し電圧の放出イオン電流
特性が中断前に比べて異なる１、また、補給の作業にも
時間を要する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、放出されるイオン電流を安定して、長
時間動作させることができるイオン源を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、イオン化すべき物質を溶融状態で保持
するだめの溜め部と、該溜め部から供給される上記溶融
状態のイオン化すべき物質のイオンを先端から放出する
エミッターと、該エミッターの先端に高電界を印加する
ことによって上記エミッターの先端からイオンを引出す
だめの引出し電極と、イオン化すべき物質の貯蔵部と、
該貯蔵部から前記溜め部へイオン化すべき物質を移すだ
めの移送手段とを備えた液体金属イオン源にある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図によシ説明する。第３
図は、本発明によるイオン化物質の貯蔵部と、溜め部ま
たは加熱部へイオン化物質を移すだめの手段を備えた液
体金属イオン源の基本構成を示したものである。同図に
おいて、２はイオン化物質、２はイオン化物質の溜め部
またはルツボ２４．４け加熱部（ヒーター）、１２は針
状エミッターチップ、２２はイオンビーム、３２は本発
明によるイオン化物質の貯蔵部、７は本発明によるイオ
ン化物質を移動させる手段としてのらせん状回転軸３４
ａおよび移動通路：１４ｂ、２０はイオン引出し電極、
１４，１６．３０は電源、８は電流導入端子、１０は円
孔である。また、電源１４．１６．３０および回転軸３
４ａの端部を除いてすべて真空容器３６内に入っている
。

この液体金属イオン源は通電加熱タイプであシ、イオン
化物質２の溜め部２４は加熱部４と兼ねており、カーホ
ンからなる加熱部４に通電することにより抵抗加熱させ
、その熱で固体または粉末状のイオン化物質２を溶融す
る。上下可動機構を有する針状エミッターチップ１２全
溶融したイオン化物質に浸けて十分濡らせ、溜め部２４
の底部にある円孔１０からの液体状イオン化物質２の流
れを針状チップ２４の上下運動によって制御する。

そこで、イオン引出し電極２０に負の高電圧を印加する
ことによって針状エミッターチップ１４の先端に付着し
ているイオン化物質２は電界電離によシイオンとなりイ
オンビーム２２が引出される。

本実施例では、イオン化物質２としてＮｉＢにッケル・
ポロン合金）を用いた。また、ヒーター４の形状は、イ
オン化物質２の移動通路３４ｂからのイオン化物質２の
ヒーター４上での散乱を避けるためにヒータ−４中央部
に四部２４を設け、イオン化物質２の溜め部と兼ねた形
状である。との凹部２４に溜められるＮｉＢの搭載容量
は約５−３で、安定なイオン放出が望めなくなるまでの
時間（寿命）は、約１００時間であった。もらろん、こ
の寿命は、イオン放出Ｎ（全イオン電流値）やイオン化
物質の加熱による蒸発量などに依存するため定まった数
値ではない。

本発明によるイオン化物質の貯蔵部３２はヒーター４の
溜め部２４に比べその容量が大きく、本実施例では、そ
の内部に直径が最大でもＯ１５閣程度にまで砕かれた粒
状または粉末状のＮ　ｒ　Ｂ、約１ｃ１ｎ３搭載されて
いる。

イオン化物質２の溜め部２４への供給量と供給時期は、
予め測定を行なっておいた、らせん状回転軸３４ａの回
転量とイオン化物質の供給量の関係から、らせん状回転
軸３４ａを回転させることによって溜め部２４へ約２ｔ
ｍ”ずつ約５０時間おきに供給した。

以下の実施例においても、基本的思想としてはイオン化
物質の貯蔵部３２と、イオン化物質２を貯蔵部３２から
溜め部２４または加熱部４へ移動させるだめの手段を設
けるという点で同じであるが、イオン化物質２の移動手
段を機構的に改良した実施例である。

第４図ないし第８図に示す名実施例においては、電源、
真空容器および配線は省略しである。

第４図の実施例では、移動通路３８内にピストン４０を
設け、この移動によって、イオン化物質２の貯蔵部３２
からヒーター４への移動量を調節できるものである。こ
のピストン４０は直線導入機によって真空容器外から＃
調整可能である。この構造では、イオン化物質が粉末又
は粒径のそろった微粒子である場合のイオン化物質の移
動量制御に対して有効である。イオン化物質の移動量の
微調整が重要な意義について説、明する。新たにイオン
化物質２を溜め部２４へ供給する場合に、ヒーター４上
ではイオン化物質２は溶融状態になっている。このとき
、イオン化物質２を一挙に多量に供給すると、第５図（
ａ）にボすように、ヒーター４上にあるイオン化物質の
温度が急激に低下する。

温度低下は、放出イオン電流値などのイオン放出特性が
変化するか、あるいは、極端な場合にはイオン放出が停
止する。このため、安定したイオン放出を長時間連続に
得ることが困難である。しかしながら、第５図（ｂ）に
示すように、’１　ｍ　’２　ｍ’３　＊　’４などの
短時間ごとに微量ずつイオン化物質を供給していくと、
温度降下は小さく、イオン放出特性に大きな変動がない
。従って、イオン化物質を微量ずつ供給することが重要
になる。そこで、第３図および次に説明する第６図の実
施例のように、回転軸の回転角と供給量がある程度相関
をもつ機構が有効である。ガリウムのように室温付近で
液状であるような物質については、供給口の開口量、開
口時間と供給量に相関を持つ第４図の実施例が有効であ
る。

第６図に示す実施例では、貯蔵部３２内にらせん状回転
軸４２を設け、この回転によりイオン化物質２の貯蔵部
３２から移動通路４４を経てヒーター４への移動量を調
節できる。この構造では、特に、イオン化物質が粉砕物
のように粒径の不均一である場合でもイオン化物質の移
動量制御に効果がある。

第７図は、電子衝撃加熱型液体金属イオン源に貯蔵部３
２およびイオン化物質２の移動手段を用いた実施例であ
る。第７図の実施例では、２個の回転軸４６ａ、４６ｂ
の回転力によシ、ベルト４８上にあるイオン化物質を貯
蔵部３２から移動通路５０を経て溜め部２４へ移動でき
、回転軸４６ａ、４６ｂの回転量によシイオン化物質２
の移動量が調節できる。この構造では、特に、回転軸４
８ａ、４８ｂを真壁容器外から手動によっても回転させ
ることができるので、イオン化物質２の移動量の微調整
が可能である。

第８図の実施例では、イオン化物質の貯蔵部３２と移動
通路５２の間に弁５４を設け、これをベローズまたはバ
ネ５６を介して開閉することによシイオン化物質２の移
動量を調節することができる。

以上のように、本発明の思想が開示された以上、その他
、本発明の改良例は数多く考えられ、まだ、例に挙げた
第４図から第８図の各実施例をいくつか組み合わせるこ
とも可能であシ、ここで挙げたものとは別の加熱方式を
用いた液体金属イオン源への適用も可能である。

さらに、上記実施例のエミッターは針状エミッターであ
るが、毛細管中に液体金属を貯める方式のキャピラリー
タイプのエミッタ〜や、毛細管中に針状チップを通して
、両者の間に液体金属を貯める方式のキャピラリーニー
ドルタイプのエミッターでも同様の効果を得ることがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、固体粉末状または液体状のイオン化物
質あ貯蔵部の容量を大きくすることによりイオン化物質
を多く貯蔵することができ、連続補給によって安定した
イオン放出を長時間連続してすることができる。しかも
、貯蔵部は加熱部および溜め部と独立しているので、イ
オン源に搭載されたイオン化物質の全量を常に溶融状態
に保つ必要がなく、消費電力は従来と同程度で済む。ま
た、イオン化物質の補給が真空容器内で行なえるので、
真空外からのイオン化物質の補給のだめのイオン放出中
断によって生じる補給前後でのイオン放出特性の変化が
避けられる。さらに、蒸気圧の大きく異なった金属同志
の合金がイオン化物質である場合、長時間加熱による選
択蒸発が、貯蔵部からのイオン化物質の連続補給により
避けることができるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の通電加熱型液体金属イオン源の縦断面図
、第２図は従来のルツボ型容器を有した電子衝撃加熱型
液体金属イオン源の縦断面図、第３図は本発明の一実施
例を示し、特に通電加熱型の場合の断面図、第４図およ
び第６図は同型の他の実施例を示す断面図、第５図（ａ
）および（ｂ）はイオン化物質の供給毎と温度の関係を
説明するための図、第７図および第８図は電子衝撃加熱
型の他の実施例を示す断面図である。 ２・・・イオン化物質、４・・・加熱部、１ｏ・・・円
孔、１２・・・針状エミッターチップ、２ｏ・・・引出
し電極、２２・・・イオンビーム、２４・・・溜め部、
２８・・・制御電極、３２・・・貯蔵部、３４ａ、４２
・・・らせん状回転軸、３４ｂ、３Ｂ、４４，５０，５
２・・・移動通路、３６・・・真空容器、４ｏ・・・ピ
ストン、４６・・・回第　１　図 ａ３　図 第４−　口 １５　図 （ム） 渫 ′ｆＪ　ｔ　図 Ｍ　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン化すべき物質を溶融状態で保持するだめの溜
   め部と、該溜め部から供給される上記溶融状態のイオン
   化すべき物質のイオンを先端から放出するエミッターと
   、該エミッターの先端に高電界を印加することによって
   上記エミッターの先端からイオンを引出すだめの引出し
   電極と、イオン化すべき物質の貯蔵部と、該貯蔵部から
   前記溜め部へイオン化すべき物質を移すだめの移送手段
   とを備えたことを特徴とする液体金属イオン源。 ２、前記移送手段がらせん状回転軸であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の液体金属イオン源。 ３、前記移送手段が前記貯蔵部と前記溜め部を結ぶ移動
   通路と、そこに設けられる弁手段であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の液体金属イオン源。 ４、前記移送手段が複数個の回転軸とこれら回転軸の間
   を連結するベルトであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の液体金属イオン源。