JPS62290042A - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超微細加工を対象とする液体金属イオン源に
関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は本件出願人がすでに開発した液体金属イオン源
を示す断面概念図である。図において、１は例えばタン
タルなどで形成されたリザーバで、底部には細管２が設
けられている。３は上記リザーバ１に貯蔵された例えば
ガリウムなどのイオン化すべき試料金属である。５ａ、
５ｂはリード線で電流端子８ａ、　　８ｂにスポット溶
接されている。

９は電流端子８ａ、８ｂをそれぞれ電気絶縁するための
絶縁支持体であり、これはりザーバ１に例えばろう付け
などで機械的に固定されている。１０は接地電位の陰極
、１１は試料金属３の飛散を防止するためのフタ、１２
は電流端子８ａ、８ｂに接続された加熱電源、１３は高
圧電源である。

１６は先端の曲率半径が数μｍになるよう、片端が電解
研磨された例えばタングステンなどの高融点金属からな
る針状フィラメントである。その針状の先端は細管２を
貫通突出して配置され、他端はリード線５ｂにスポット
溶接されている。１７は針状フィラメント１６の周りに
取り付けられた例えば一つ穴の開いた絶縁チューブで、
アルミナ。

ジルコニアなどの耐蝕性絶縁材からなる。１８は例えば
タンタルからなる取り付は板で、針状フィラメント１６
とリザーバ１を電気的に接続する役割を果たす。このよ
うに構成された゛イオン源は高真空中に配置されている
。

次に動作について説明する。

加熱電源１２を作動させると、電流は電流端子８ａ、リ
ード線５ａ、リザーバ１．取り付は板１８、針状フィラ
メント１６．　　リード線５ｂ、電流端子８ｂを、経路
として流れる。この経路のうち、針状フィラメント１６
の電気抵抗が一番高いので、熱はこの部分で集中して発
生する。発生する熱エネルギーは試料金属３に伝動され
るため、試料金属３は最初、粒塊状あるいは粉末状であ
っても溶融し液体となる。このため以後の説明では試料
金属３を液体金属と呼ぶ、液体金属３の温度が充分高く
なれば（例えば、ガリウムの場合７００℃前後）、その
表面張力が充分下がるため、針状フィラメント１６の先
端部は薄膜状液体金属に被覆される。次いで高圧電源１
３で、数ＫＶの高電圧を印加すると、針状フィラメント
１６の針状端には強電界が発生するため、上記の薄膜状
液体金属は電界蒸発し、イオンビームが発生する。電界
蒸発して針状先端より飛び去った液体金属はリザーバ１
から補給されるため、イオンビームの発生は連続して行
なわれる。

ところで絶縁物で被覆されていない針状フィラメント１
６の先端部およびリザーバ１は液体金属と接触している
ため、液体金属との反応あるいは侵食はさけることがで
きない。侵食度合は用いる液体金属の種類により当然具
なるが、温度にも依存し、温度が高い程、侵食度合は激
しくなる。針状フィラメント１６の温度は先端部では液
体金属やリザーバｌの温度と同程度であるが、絶縁物で
被覆されている部分では非常に高い。例えばリザーバ１
．および液体金属の温度が７００℃のとき、フィラメン
トの中央部で１５００℃前後、絶縁物の被覆がなくなる
部分で１０００℃前後である。温度はフィラメント中央
部で最も高いが、耐蝕性のある絶縁物で保護されている
ので侵食はすすまず、絶縁物の被覆がなくなる付近で最
も侵食が進行する。

このため、たとえリザーバ１の侵食が問題にならないよ
うな侵食性の低い金属（例えば金等）を用いても侵食は
徐々に進むため、針状フィラメント１６は絶縁物の被覆
がなくなる付近からしだいにやせ細るため加熱特性が変
化する。さらに、侵食性の高い液体金属（例えばアルミ
ニウム、ガリウム）を用いれば、針状フィラメントは短
期間のうちに断線する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような液体金属イオン源では他の構成材料に比べ高
温になる針状フィラメントは液体金属による侵食作用を
さけることができず、侵食により加熱特性が変化して安
定したビームが発生できないあるいは寿命が短いなどの
１”Ｊ１８点があった。

この発明は上記のよ、うな問題点を解消するためになさ
れたもので、侵食性の強い液体金属を用いても、フィラ
メントの断線を防止できるとともに、長時間安定に動作
する液体金属イオン源を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る液体金属イオン源は、フィラメントの電
気導出入部以外の全側面を耐蝕性の高い絶縁物で被覆し
、かつリザーバおよび針状チップを耐蝕性の高い材料で
構成したものである。

〔作用〕

この発明においては、フィラメントの電気導出入部以外
の全側面を耐蝕性の高い絶縁物で被覆し、かつリザーバ
および針状チップを耐蝕性の高い材ったフィラメントと
液体金属とが直接接触することを防止でき、これにより
フィラメントの反応および侵食を抑えることができる。

〔実施例〕

以下この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例による液一体金属イオン源を
示し、図において、第４図と同一または相当の構成要素
に対しては同一番号を付し説明を省略する。４は例えば
Ｕ字形状をしたフィラメントで、その両端はリード線５
ａ、５ｂにスポット溶接されている。７はフィラメント
４が相互に接触するのを防止するとともに、フィラメン
トが液体金属と直接接触するのを防止する、アルミナ、
窒化ホウ素などの耐蝕性の高い絶縁物からなる絶縁体で
、フィラメント４と一体成形されている。なお一体成型
せずに二つ穴の開いた絶縁チューブを用いる場合には、
フィラメントの折り返し点が露呈するので、この部分に
絶縁物を蒸着すれば良い。

６は例えばタングステン等の高融点金属からなる針状チ
ップで先端の曲率半径が数μｍになるよう電解研磨され
ている。針状チップ６は針状端が細管２を貫通し突出す
るよう配置され、例えばタンタル製のりザーバ１にスポ
ット溶接で、取り付は板１８を介して固定されている。

取り付は板１８は必ずしも必要ではなく細管２に直接ス
ポット溶接してもよい。１４は短絡線で、針状チップ６
をフィラメント４と同電位にするためのものである。

次に作用効果について説明する。

加熱電源１２を作動させると、フィラメント４゜リード
線５ａ、５ｂを経路して、電流が流れる。

フィラメント４で集中して熱が発生して、やがて試料金
属３は溶融する。そして液体金属３の温度が充分高くな
れば、針状チップ６に液体金属３の皮膜が形成される。

次いで高圧電源１３を作動させると、液体金属３は電界
蒸発し、イオンビームが発生する。

このときフィラメント４の温度は第４図に示した例と同
様に例えば１５００℃の高温になるが、液体金属３と直
接接触していないため、侵食をうけることはなく、フィ
ラメントの寿命は飛躍的に延びる。また、リザーバ１お
よび針状チップ６は液体金属と接触しているため侵食は
さけられないが、両者は比較的低い温度に保たれている
ためガリウムの場合でも、その侵食度合いは穏やかであ
る。

すなわち、両者をタンタルあるいはタングステンで形成
しても、長時間の使用に耐えることができる。

また、液体金属にアルミニウムのように非常に侵食性の
激しい金属を用いる場合、リザーバｌや針状チップ１の
尋侵食は無視できなくなるが、このような場合には両者
の材質を耐蝕性の高い材質に変えればよく、即ち、針状
チップ６及びリザーバ１にアルミナ、窒化ホウ素などの
絶縁性耐蝕材あるいはＢＮコンポジットなどの導電性耐
蝕材を使用すればよい。ただしりザーバ１を絶縁性耐蝕
材で形成した場合、帯電により電位が安定せず、イオン
の発生が不安定になるため、リザーバ表面に高融点金属
を蒸着しておくことが望ましい。

なお、上記実施例では針状チップ６を取り付は板１８を
介してリザーバに固定したものを示したが、これは第２
図に示す第２の実施例のように、タンクルチューブ１５
に針状チップ６を差し込み、タンクルチューブ１５とフ
ィラメント４をスポラｌ接して固定してもよく、但しこ
の場合、接続部に絶縁物を蒸着するなどして被覆すれば
よい。

また、上記実施例は針状チップを備えたニードル型イオ
ン源の構成例を示したが、本発明は第３図に示す第３の
実施例のように、針状チップをなくし、細管２の直径を
例えば数μｍから数１００μｍとした、液体金属の液体
面から直接イオンを引き出すキャピラリ型のイオン源に
も適用できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、フィラメントを耐蝕
性の高い絶縁物で被覆し、かつリザーバおよび針状チッ
プを耐蝕性の高い材料で構成したので、フィラメントが
試料金属と接触することがなく、フィラメントの寿命を
長くでき、また侵食性の高い試料金属も使用できる液体
金属イオン源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例による液体金属イオン
源を示す断面概念図、第２図および第３図はそれぞれこ
の発明の第２．第３の実施例を示す断面概念図、第４図
は従来のイオン源を示す断面概念図である。 図において、ｌはリザーバ、２は細管、３は試料金属、
４はフィラメント、６は針状チップ、７は絶縁体である
。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン化すべき金属を貯蔵するリザーバと、該リ
   ザーバ内に設けられ上記金属を加熱するフィラメントと
   を備えた液体金属イオン源において、上記フィラメント
   はその電気導出入部を除く全側面が絶縁物で被覆されて
   いることを特徴とする液体金属イオン源。
2. （２）上記リザーバはその底部に細孔あるいは細管を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の液体
   金属イオン源。
3. （３）上記リザーバは上記細管あるいは細孔を貫通突出
   して配置され、上記底部に固定された針状チップを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の液体金
   属イオン源。
4. （４）上記フィラメントに、上記細孔あるいは細管を貫
   通突出して配置された針状チップが接触固定され、該接
   触固定部は絶縁材で被覆されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の液体金属イオン源。
5. （５）上記針状チップを耐蝕性の高い材料で形成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項記載
   の液体金属イオン源。
6. （６）上記針状チップを導電性耐蝕材のＢＮコンポジッ
   トで形成したことを特徴とする特許請求の範囲第３項な
   いし第５項のいずれかに記載の液体金属イオン源。
7. （７）上記針状チップを絶縁性耐蝕材で形成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第３項ないし第５項のいずれ
   かに記載の液体金属イオン源。
8. （８）上記リザーバを耐蝕性の高い材料で形成したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第７項のいず
   れかに記載の液体金属イオン源。
9. （９）上記リザーバを導電性耐蝕材のＢＮコンポジット
   で形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第８項のいずれかに記載の液体金属イオン源。
10. （１０）上記リザーバを絶縁性耐蝕材で形成したことを
    特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれ
    かに記載の液体金属イオン源。