JPS61232541A - イオン源装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、イオン注入、イオンエツチング等に使用され
る収束イオンビーム装置の電界放出型のイオン源装置に
関する。

〔発明の概要〕

この発明は、針状電極の先端に高電圧を印加し、この先
端部の強電界中１液体金属或いは気体をイオン化し、こ
れをイオンビームとして取シ出す収束イオンビーム装置
の電界放出型イオン源装置において、この針状電極の加
熱部分の領域を必要最小限の範囲に留めて加熱するとと
Ｋより、イオン（、 ビームの電流特性を高品質に保つようにしたもの！ある
。

〔従来の技術〕

従来の収束イオンビーム装置には、例えば第２図にその
一例を示すような本のがある。この従来の収束イオンビ
ーム装置は主にイオン源装置（１）と、このイオン源装
置（１）で発生したイオンビームａυを収束制御する収
束装置（２）とから成る。

そして、この従来のイオン源装置（１）には、通電加熱
用のニクロム線より成るヒータ（３）を設置するもので
、このヒータ（３）は中央部に巻輪部（３ａ）をもち、
その両端部（３ｂ）　（３ｄ）を冷却部材（４）に埋設
して固定する。またこのヒータ（３）の端部（３ｃ）は
、イオン発生兼加速用の例えば１００　ｋＶの電源（５
）と例えば１０〜２０　Ｖの加熱用電源（６）とに接続
し、ヒータ（３）の端部（３ｂ）は加熱用電源（６）に
接続する。

また、このヒータ（３）の巻輪部（３ａ）の輪中にはエ
ミッタを構成する針状電極（７）を挿入固定する。また
、このエミッタ（７）の先端部外方には引き出し電極（
８）を設置し、この引き出し電極を例えば９０　ｋＶの
電源（９）に接続する。

また、このイオン深襞ｆ（１）を液体金属イオン源とし
て構成する場合には、ヒータ（３）の巻輪部（３ａ）と
エミッタ（７）との間に液体金属溜（至）を設置する。

そして、この装置を動作させるときは、ヒータ（３）を
通電加熱する。すると、液体金属溜α１内の金属が溶融
し、エミッタ（７）を濡らす。このとき、エミッタ（７
）に高電界を発生させると、液体金属はエミッタ（７）
の先端部でイオン化し、イオンビームａυとなって放射
される。

このようにイオン源装置（１）から放射されたイオンビ
ームαυは、収束装置（２）のオブジェクドア・に−チ
ャαのを通電、一対の電子レンズＱ３（１４）Ｋよシ収
束され、偏向装置ａ９を通ってターゲット（ＩＩに当る
ようになっている。

また、収束イオンビーム装置のイオン源装置（１）を気
体イオン源として構成する場合には、前述したイオン源
装置（１）に液体金属溜ａ０を設けることなく、ヒータ
（３）はエミッタ（７）を加熱し得るように構成する。

そして、とのヒータ（３）に前処理時に通電加熱してエ
ミッタ（７）の表面の汚染を取シ除くために用いられる
。

なお、この気体イオン源によシ発生したイオンビームＩ
も前述した収束装置（２）Ｋより収束してターゲットａ
ｅに当てられ用いられること勿論ｆある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようにイオン源装置（１）を、液体金属イオン源又
は、気体イオン源として構成した、いずれの場合におい
ても、ヒータ（３）における本来加熱不用な部分である
一点鎖線人！示す区間の部分まフ加熱が行なわれる為に
、これらの部分で脱ガス或いは蒸発してくる汚染元素（
金属類）がイオン源装置周辺に付着し、絶縁破壊の原因
になるという問題があった。

また、気体イオン源として構成した場合には、エミッタ
（７）の先端部を汚染分子が覆う為に、イオン電流が不
安定になシ易いという問題がある。さらに、気体イオン
源として構成した場合には、工ミッタ（７）を冷却し、
イオンビームＩの輝度を上げる必要があるが、このため
には、ヒータ（３）を冷却し、間接的にエミッタ（７）
を冷却する構造″１’あるため冷却効率が悪い。よって
、特に低温ｆ液化する水素、ヘリウム等のガスをイオン
化しようとする場合に、エミッタ（７）の先端部を十分
な低温に冷却することができず、イオンビームＩの輝度
を上げられないという性能上の問題があった。

本発明は上述の点に鑑み、液体イオン源として用いた場
合針状電極の加熱部分から脱ガスされて出て来る汚染源
を最小限にし、絶縁破壊を抑制！きるようにするととも
に、気体イオン源として用いる場合には、針状電極の先
端部を加熱し、汚染分子を有効に除去できるようにする
とともに、針状電極の先端部を十分に冷却してイオンビ
ームの輝度を上げられるようにすることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のイオン源装置は第１図に例示するように、針状
電極（７）と引き出し電極（８）との間に高電圧を加え
ることにより、イオンぎ−ムａカを発生させるイオン源
装置（１）において、針状電極（７）　Ｋ電圧を加え加
熱するようにしたもの！ある。

〔作用〕

上述のように構成することによシ、液体イオン源装置と
して用いる場合イオンを発生させるため針状電極自体の
必要最小限な部分を加熱するに留めることにより、汚染
元素の発生を極力減少させ、汚染元素付着による絶縁破
壊やイオン電流が不安定になることを少なくするという
作用を有するとともに、気体イオン源として用いた場合
は、針状電極の先端部を加熱して汚染分子を有効に除去
〒きるとともに、針状電極の先端部を冷却してイオンビ
ームの輝度を上げることができる作用を有する０ 〔実施例〕 以下、本発明のイオン源装置の一実施例を、第１図によ
って説明する。なお、この第１図において、第２図に対
応する部分には同一符号を付すこととし、説明の便なら
しめる。第１図は、本例のイオン源装置（１）をもつ収
束イオンビーム装置の概略を断面で示すものである。

このイオン源装置（１）は、円筒状に形成され、中心部
を円筒状に中ぐシされた冷却部材翰の下にサファイヤ製
の円板の中央にエミッタ挿入用透孔ｅ４を穿孔した絶縁
部材（２１）を設置し、その下に、エミッタとの接触面
積を広げるため、中央の穿孔に筒体を連通して形成した
エミッタ取付孔部（ハ）をもつ銅製の円板状電極＠を直
接設置し、冷却部材■と絶縁部材Ｑυと円板状電極のさ
らには後述するエミッタ（７）との間の熱伝導が良好に
行なわれるように構成する。

また、その下には環状絶縁部材（ハ）を設置し、さらに
、その下には新たに、エミッタの通電加熱用電源（６）
からの電圧を印加する為の印加電極（１）を設置する。

さらにこの印加電極（イ）の中央部は円錐状の凹部（２
６ａ）を形成し、その頂部にはエミッタ挿通孔−を穿孔
する。また、との印加電極（イ）の下には、肉厚環状の
絶縁部材■を設置する。この絶縁部材（ハ）の自由平端
面には引き出し電極（８）を設置する。

さらに、この一連の透孔１ある絶縁部材Ｑυの透孔（財
）と、円板状電極（社）の取付孔部（ハ）と、印加電極
−の挿通孔■とにタングステン製の針状電極であるエミ
ッタ（７）を電気的に導通するよう固定して、これが取
付孔部（２！９に導電性及び熱交換が良好なように取付
け、エミッタ（〕）の針状の先端部（７ａ）が引き出し
電極（８）の間隙に接近するように設置する。

そして、高電圧電源ｆあるイオン発生兼加速用電源（５
）を、円板状電極器と引き出し電極（８）との間に接続
する。また、加熱用電源（６）の正極を円板状電極＠に
接続すると共に１この負極を印加電極（至）Ｋ接続する
。

すなわち、エミッタ（７）自体のエミッタ取付孔部（ハ
）とエミッタ挿通孔−との間に加熱用電源（６）から電
流を通じて加熱可能に構成するものｆある。

また、この収束イオンビーム装置におけるイオン源装置
（１）　′ｅ発生したイオンビーム（１１）は、従来例
と同様な収束装置（２）のオブジェクトアパーチャａ３
を通電、一対のレンズ（１３α４１収束され、偏向装置
α９を通ってターゲットαＱに当るようＫなっている。

次に、このイオン源装置（１）を気体イオン源として用
いる場合には、イオン発生兼加速用電源（５）から電圧
を供給し、エミッタ（７）で気体をイオン化し、イオン
ビーム住υを発生させるもの１ある。

この際、円板状電極器は、熱交換にょシ常に冷却部材翰
とほぼ同温度の状態を保つ。さらにこの円板状電極＠に
広い接触面積で取付けられたエミッタ（７）も熱交換に
よシ冷却されるの１、このエミッタ（７）の先端部も、
エミッタ（７）の円板状電極のからさほど離れていない
から効率よく冷却されることになシ、エミッタ（力の先
端部（７ａ）の温度を冷却部材（イ）とほぼ同温度に冷
却ｆきるもので、エミッタ（７）の冷却効果を高めるこ
とが１きる。よって、低温１液化する水素、ヘリウム等
のガスをイオン化しようとする場合に、エミッタ（７）
の先端部の温度を十分に下げイオンビームαυの輝度を
上げることができるもの１ある。

また、気体イオン源として用いる場合にはエミッタ（７
）の先端部表面を常に清浄にしておくことが必！！１あ
る。この為、前処理時に加熱用電源（６）を通電し、エ
ミッタ（７）自体のエミッタ取付孔部（ハ）とエミッタ
挿通孔■との間である一点鎖線Ｂで示す範囲を加熱し、
汚染分子を取シ除くようにするの−ｅあるが、その場合
でも加熱部分が一点鎖線Ｂ１示す範囲に限定されている
ので、従来のように加熱用のループやその他の部分に付
着していた汚染分子がエミッタ（７）に再付着するよう
なことを防止できる。

また、本例のエミッタ（７）は絶縁部材（２１）、＠、
＠によって取シ囲まれるように構成されているの１、使
用時における副射熱によるエミッタの先端部（７ａ）の
冷却効率の低減を極力抑えることが１きるものである。

次に、このイオン源装置（１）をガリウム等の液体金属
イオン源として用いる場合には、エミッタ（７）の周囲
にある印加電極（イ）の円錐状の凹部（２６ａ）を従来
の液体金属溜の代わシにしてここに液体金属を溜めて用
いるものである。

すなわち、この液体金属イオン源の使用時には、イオン
発生兼加速用電源（５）及びエミッタの通電加熱用電源
（６）を使用し、エミッタ（７）によシ金属を加熱溶融
し、液状になった金属をエミッタ（７）の先端部（７ａ
）まで拡散させるのに必要最小限が部分子あるエミッタ
（７）自体の範１ｆｉＢを通電加熱する。これによシ、
液状になった金属はニオツタ挿通孔（５）部分に設けた
液体金属導通用孔からエミッタ（７）に沿って、その先
端部（７ａ）まで拡散し、引き出し電極（８）との間の
強電界中１イオン化してイオンぎ−ムαυとなシ、収束
装置（２）により収束してターゲットαｅに当てられ用
いられる。

この際、一般には冷却部材（イ）は液体金属イオン源と
して用いる機能上冷却する必要は彦い。しかし、エミッ
タ（７）の通電加熱する範囲Ｂから周囲へ液体金属が拡
散するのを防ぐようにするにはこの冷却部材（１）を冷
却した方がよい。

すなわち、エミッタ（７）を通電加熱して金属を溶融し
、液状となった金属がエミッタ（７）に沿ってその先端
部（７ａ）に拡散していく過程１、エミッタ（７）の通
電加熱する範囲Ｂと、エミッタの先端部（７ａ）との間
の温度勾配はほとんどない。よって、エミッタ（７）の
通電加熱する範囲Ｂ部分の温度を液体金属の融点近くの
温度に保っておけば、エミッタ（７）に沿って拡散する
液体金属が、エミッタの先端部（７ａ）まｆ行く途中で
冷却され固化す為事はない。

よって、エミッタ（７）を不要に高温に加熱したり、エ
ミッタ（））の機能上不用な部分を高温に加熱すること
Ｋよって、液体金属の蒸気圧を高めることを避けるため
に冷却部材（至）を冷却して、エミッタ（７）の不用な
加熱を抑えるもの受ある。

このようにするととにより１従来のヒータにおけるよう
な不用な部分を通電加熱することはないから液体金属に
よってエミッタ（７）の周辺電極における絶縁部が汚染
され絶縁破壊を起すのを最小限に防ぐことができ節電が
可能である。さらに安定したビーム電流を得ることがで
きるもの′１？ある。

また、液体金属を溜めた凹部（２６ａ）部分から望まし
くない方向に拡散する液体金属の流れを抑えることがｆ
き、液体金属が蒸散して抜は出てしまう損失を低く抑え
ることが１きるもの１ある。

尚本発明は上述実施例に限ることなく、本発明の要旨を
逸脱することなくその他種々の構成が取シ得ることは勿
論ｆある。

〔発明の効果〕

本発明のイオン源装置によれば、液体イオン源として用
いる場合イオン化するためのエミッタ自体における必要
最小限の範囲を加熱して機能させるようにしたので、絶
縁破壊を抑制して性能を向上させることが１きる。さら
に、気体イオン源として用いる場合には、作業の前処理
として針状電極の先端部を加熱し、汚染分子を有効に除
去１きるし、また、針状電極の先端部を十分に冷却して
イオンビームの輝度を上げられるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源装置の一実施例を示すための
収束イオンビーム装置の概略断面図、第２図は従来のイ
オン源装置を具備した収束イオンビーム装置の概略断面
図１ある。 （１）はイオン源装置、（２）は収束装置、（７）はエ
ミッタ、（８）は引き出し電極、（１１）はイオンビー
ム、（イ）は冷却部材１％ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 針状電極と引き出し電極との間に高電圧を加えることに
   より、イオンビームを発生させるイオン源装置において
   、 前記針状電極に電圧を加え加熱する手段を有することを
   特徴とするイオン源装置。