JPS6093745A - 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〕 本発明はイオン化すべき物質ヲ加熱して溶融し高電界を
介してイオンビームを得る液体金属イオン源に関するも
ので、イオンマイクロアナライザイオン打込み機、イオ
ンマイフロビーム描画装置などのイオン源として使用で
きる。

〔発明の背景〕

従来技術とその問題点を第１図によって謂明する。第１
図は針状陽極を用いた従来の通電加熱型の液体金属イオ
ン源の基本構成を示す図である。

針状陽極１は、支持部２に接続され支持されており、イ
オン化物質５を浴融するための通電力り熱ヒーターを兼
ねた溜め部３は、その両端でＴｌｌｌｌ流部入端子４′
に固定されでいる。イオン化物質５が浴けている時は、
針状陽極ｌと舗め部３とは固定されないが、温度が低く
７町ってイオン化物質５の融点以下になると針状陽極１
と溜め部３とはイオン化物質５によって固定されること
になる。６は引出し電極であり、イオン化物５１Ｌ５を
溶融状態にして、この引出し′電極６と針状陽極１との
間に数ｋＶの電界を印加することにより、剣状陽極ｌの
先端部から電離したイオンを、引出し電極６にあけた貫
通孔１９を介して下方に引出すことができる。

しかしながら、上述した従来構成には次のような問題点
刀ｊあっｆこ。即ち、イオン化物質５の融点が高い場合
、その融点から室温゛までの温度差が太キ＜、イオン源
の動作スイッチのオン・オフによる針状陽極１と榴め部
３にかかる熱歪のために。

針状陽極１および溜め部３が破損しやすく、イオン諒装
置の信頼性を貼いものに−づるという問題点があった。

また、動作中のイオン曽に注目した場合には。

次のような問題点がめる。つまり、動作中のイオン源の
安定性である０液体釡属イオン源において。

イオン源が安定に動作する条件は、その針状陽極１の先
端において、イオン化物質５のイオンビーム７となって
先端から出でいく放出量と、イオン化物質５の溜め部３
から先端への流入量とのバランスがとれることである。

このイオン化物質５の放出量は引出すイオン電流値に依
存しており、一方、流入量はイオン化物質５の粘性１表
面張力。

針状陽極１との濡れ性１重力、および引出し゛電界によ
る力などに影Ｉ＃を受ける。そのため、上述のバランス
はなかなか取りづらく、仮りに取れても許容条件が非常
に狭い場合が多くイ０」らかの対策が望まれていた。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は、従来技術での上記した問
題点を解決し、長寿命かつ動作特性の極めて安定な液体
釜属イオン源を提供することにある０ 〔発明の概要〕 上記目的を達成するために本発明においでは。

イオン化物質を溶融して保持する溜め部と、この溜め部
から供給される溶融物質のイオンをその先端から放射す
るように配置される針状陽極と、この針状′電極先端か
らイオンを引出す引出し電極と針状陽極を溜め部から離
間して設け、かつ、溜め部から針状陽極の先端までの距
離を可変にする手段、および、針状陽極とその支持体と
の間に歪吸収のための手段を設けて液体金属イオン源を
構成囲む剛体部材ならひに針状′電極の端がａ数個のば
ねによってはさまれた構造を持つ。

〔発明の実施例〕

以下、不発８Ａを図を用いて詳細ｌこ説明する。

はじめに１本発明の原理ζこついて説明する。針状陽極
の先端ｌこおけるイオン化物質の放出量と流入量とのバ
ランスを広軛囲の実ｊｌ１件の下で満足させるためには
、イオン化物質の溜め部から剣状陽極の先端までの距離
を真空容器壁の外側から微調整して最適値に設定するこ
とが有効であることが判明した。つまり、第２図に示し
たように、溜め部３から針状陽極１の先端までの距離が
長ずきる場都（第２図（Ａ））、ａ状のイオン化物質５
の溜め部３から針状陽極１の先端への流れは、特にイオ
ン化物質５の融点が高い場合や、針状陽極１（７）表面
との藺れ性が悪い場合には、そのぴＬれが不テ定となり
、流れが途中でとぎれたりする。逆ｌこ。

この距離が短かすぎる場合（第２図（Ｂ））は必要以上
の流入量になり、針状陽極ｌの先端で液体金属５が表面
張力のため丸くなり、イオン放出のための必要な電界強
度が侍らイｔず、イオン放出が停止する。そこで１本発
明では、イオン化物質５の溜め部３から針状陽極１の先
端までの距離をその都度最適化するためその距離を可変
にできる手段（以下、針状陽極の上下微動手段と呼ぶ）
を設けたＯ 第３図は、上下微動機？Ｓを備えた剣状陽極１がイオン
化物質５と接触する前第３図四接触した時第３図（Ｈ）
、濡れてイオンビーム７を放出している時ｙＡ３図（０
）、ｔｔｌ状陽極１をイオン化物質５から引抜く時第３
図ｐ）のそれぞれ上下微動機構、針状陽極１、イオン化
物質５．ヒーター３の位置関係を示したものである。第
３図では、針状電極１の上下微動機構の一実施例と１７
でベローズ１１を使用している。第３図（Ｂ）や（１）
）に示されているように、針状陽極１を液状のイオン化
物質５内に没し濡らそうとする時や、イオン化物質５か
ら引抜こうとする時、針状陽極１やその支持体２には、
そちらのＭｈきの向き（図中、黒矢印の向き）とは反対
の向き（図中、白矢印の向き）にイオン化物質５によっ
て、圧縮または引張応力を受ける。その結果。

針状陽極１やその支持体２は歪を生じるか破損する０そ
こで１本発明では、これら圧縮または引張応力によって
生じる歪を吸収する手段、および。

イオン化物質の熱ｌこよる針状１鍼極１や溜め部３に生
じる熱歪を吸収するための手段（以下、歪吸収手段と呼
ぶ）を設けた。

次に１本発明による液体金属イオン源の一実施例を詳細
に駅、明する。まず、針状陽極１の上下微動手段を歪吸
収手段ならびに針状陽極１を直列に配置する。上下微動
手段としで、第４間開のｔＪ！勝導入機１２、第４図（
Ｂ）のシップとビニョン１３゜第４図（ｑのスクＩＪ、
−１４等が考えられるが、本実施例では第５図に示した
如く、直線導入機１２とベローズ１１と併用した０直縁
弄入機１２の最大移道量は約６ｍｍであり、ベローズ１
１の最大移動量は約ＩＱｍｍである。

歪吸収手段として、針状陽極１の支持部２の一部にコイ
ルはねを挿入設置した。１個のコイルはねをその菫才挿
入装置・イした構成においては、第３図ＣＢ）、　＋１
））に示した。針状陽極１を液状のイオン化物質５に挿
入する時や、離脱させる時に生じる圧縮や引張応力によ
る歪は吸収できるが、イオン化物質５の熱によって、コ
イルはね自体が熱膨張する。コイルばねの熱膨張のため
、溜め部３からの針状陽極１の突出し量は、最適長さよ
りも長くなり、その結果、イオン放出時性が変化する。

また。

歪吸収用のコイルはわが１個の場合、釘状陽極ｌに加わ
る各種の応力（上記圧縮、引張応力または熱応力）によ
りて軸ずれの恐れがある。イオンビームを長寿命で安定
して得たいという本来の目的に対して、これらイオン放
出特性や軸ずれの問題は、目的７ｉ−満足させない結果
をもたらす。そこで本実施例では、第５図に示すように
構成された歪吸収手段を用いてこれらの問題を解決した
。つまり、膨張係数の小さい剛体容器１７に挿入された
同質の２個のコイルはね１６’、１６”によって。

針状陽極１の支持部２が支持されているＯ支持部２の一
部は、容器１７の底にある貫通孔２０を通じて容器１７
外に出ており、容器Ｉ７７内は、連結治具１８によって
、ベローズ１１と直、に４人機１２が接着されている端
面に固定されている。このような構成によって、針状陽
極Ｈ−液液状イオン化物質５に挿入する時に生じる圧縮
応力による針状陽極１とその支持部２の歪はコイルばね
１６’が吸収し、逆に、離脱させる時に生じる引張応力
による歪はコイルはね１６′Ｉが吸収する。また。

イオン化物質５の熱が、　ｆｉｔ状陽極１とその支持部
２を通じてコイルばね１６’、ｌｌｉ″に伝導されても
、両コイルの釣合および、゛容器１７のコイルばね１６
′、１６″の全体長さの拘束によって針状陽極１の先端
の位置は変化しない。

本実施例では、ばね部材１６’、１６″としてステンレ
ス製の密巻コイル圧縮はねを採用している。２個のばね
部材１６’、１６”は、長さ、素材。

ばね定数１巻数、コイル半径、熱膨張係数など全く同様
なものであり、たとえば、コイル半径３０ｍｍ、＠径０
．３ｍｍである。このばね部材１６’、１６″を取り囲
む剛体容器１７および、針状陽極１の支持体２はアルミ
ナを採用した。釘状陽極１はグラッシー・カーボン製で
直径が約０．５ｍｍ。

長さが約ｇｍｍで、その先端の曲率半径を約１０μｍ以
下の針状に加工したものである。溜め部３は厚さ０．２
ｍｍのリボン状シートのカーボンである。イオン化部質
５は、実施例ではニッケル・ボロン（ＮＩＢ）であり、
融点は約１．０００℃である。引出し電圧１３ｋＶに対
し、ＮｉイオンとＢイオンの総和イオン電流として約２
００μＡが安定して得られた。この時の溜め部３への加
熱入力電力は約８０Ｗである。イオン源のスイッチのオ
ン・オフの繰返し回数５０回以上が得られ、イオン源装
置の高信頼性が解誌された。

また、放出イオン電流の安定性に注目した場合上下微動
機構を設けない従来イオン源では、イオン電流の変動率
が約２０〜５０％／１０分と大きいが、針状陽極１の先
端の位ＩＫを上下微動機構によって調整することにより
イオン＋ｌＩ流変動率を２〜５％／１０分と低減下する
ことができた。この時のイオン電流は約３０μＡである
。引出し電圧の調節によりこのイオン′電流値は１０〜
２００μＡの範囲で可変でき、それぞれの’ｉｌｉ、ｔ
ｊｆｔ値に対して剣状陽極１を微動させ、針状陽極１の
先端から溜メ部３までの距離の最適化を行なった。この
結果、この広範囲のイオン亀流値に対し、イオン電流の
変動率を３〜１０チ／１０分にとどめることが可能とな
った。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、イオン化すべき物質の溜め部から針状
陽極の先端までの距離を可変にし得る針状陽極上下微動
機構と、針状陽極の上下微動時に生じる歪および２ｒ状
陽極と溜め部とにがかる熱歪を歪吸収機構を備えた不発
月による液体金属イオン源によって、常に安定したイオ
ンビームが得られるようになり、歪に起因する破損がな
くなり。

このようなイオン源を備えた愼器の長埒命化を実現化し
、高性能化を達成し、イｄ頼性を高めることができるよ
うになった。

なお、上述の実施例はイオン化物質の溜め部を状であっ
ても同様な効果が得られることが確認されている。また
、イオン化物質の加熱方式として本実施例では通電加熱
方式を用いた例であるが。

これは、電子衝撃や、レーザ光による加熱やルツボ型溜
め部の容器外からの間接的加熱方式に対しても同様な効
果が侍らイすることか確認されている。

さらに、イオン化物質としてニッケル・ボロン（ＮｉＢ
）以外の物質に対しても同様であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の通電加熱方式の剣状陽極型液体金属イオ
ン源の基本構成を示す図、第２図（５）、（Ｂ）は、針
状陽極の位置によるイオン化物質の流れの違いを示す説
明図、第３図（〜、　（８１，（０）、　（ＩＩはそれ
ぞれ陽極の位置によるイオン化物質から受ける応力の向
きを示す説明図、第４図（Ａ）、ｆＢｌ、　（Ｃ１は本
発明による針状陽極の上下微動機構の実施例の概略構成
図、Ｍ５図は本発明によるガ状陽極の上下微動機構と歪
吸収機構の具体的実施例の縦断面図である。 １・・・針状陽極、２・・・支持部、３・・・溜め部、
４゜４′・・・溜め部の電流導入端子、５・・・イオン
化物質６・・・引出し電極、７・・・イオンビーム、８
・・・加熱電源、９・・・イオン引出し電源、１０・・
・イオエ加速電諒、１１・・・ベローズ、１２・・・直
線導入機、１３・・・ラックとビニョン、１４・・・ス
クリュー、１５・・・真空容器壁、１６’、１６″・・
・圧縮コイルばね、１７・・・容器、１８・・・連結治
具、１９・・・貫通孔、２０・・・貫通孔、２１・・・
貫通孔。 第　１　図 第　２　図 （Ａ）　” 第３　図 （Ａ　）　（Ｂ） （Ｃ）　ＣＤ） 第　４　団 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　イオン化すべき物質ヲ浴解して保持する溜め部か
   ら供給される上記溶融物質のイオンをその先端から放射
   するように配置される針状陽極と、この針状陽極との間
   に高電界を印加して針状電極先端からイオンを引出す引
   出し′電極と、上記針状陽極を上記溜め部から離間して
   設け、かつ。 上記溜め部から上記針状陽極の先端までの距離を可変に
   する手段、および、上記針状陽極とその支持体との間に
   歪吸収のための手段とからなることを特徴とする液体金
   属イオン源０２　歪吸収のための手段として、複数個の
   ばねとそれを囲む剛体部材を用いた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０ ３、イオン化すべき物質を＃融して保存する溜め部と、
   この溜め部から供給される上記溶融物質のイオンをその
   先端から放射するように配置さされる針状陽極と、この
   針状陽極との間に高電界を印加して針状電極先端からイ
   オンを引出す引出し電極と、上記針状陽極とその支持体
   との間に歪吸収のための複数のバネを囲む剛体部材とか
   らなることを特徴とする液体金属イオン源０