TW202127493A - 液態金屬離子源和聚焦離子束裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種液體金屬離子源和聚焦離子束裝置，能夠長期間穩定地釋放離子束。該液體金屬離子源(50)具備：貯存室(10)，其對形成液體金屬的離子材料(M)進行保持；針狀電極(20)，其表面由從貯存室供給的離子材料覆蓋；引出電極(22)，其使離子材料的離子從針狀電極的前端釋放；射束光圈(24)，其配置於引出電極的下游側，對離子的束徑進行限制；以及真空室(30)，其對這些進行收納並保持為真空，該液體金屬離子源(50)的特徵在於，進一步具有氧化性氣體導入部(40)，氧化性氣體導入部與真空室連通而向針狀電極的周圍導入氧化性氣體。

Description

液態金屬離子源和聚焦離子束裝置

本發明關於能夠適當地用作例如聚焦離子束裝置的離子源的液體金屬離子源和聚焦離子束裝置。

以往使用液體金屬離子源作為聚焦離子束(FIB)裝置的離子源。 該液體金屬離子源在對液體金屬進行加熱而潤濕針狀電極並對該針狀電極與引出電極之間施加電壓時，針狀電極前端的液體金屬成為被稱為泰勒錐(Taylor cone )的圓錐狀，從該圓錐的前端產生電場蒸發而釋放離子。 但是，有時熔融金屬發生氧化而使離子釋放變得不穩定。因此，報告了向針狀電極附近導入還原氣體的技術(專利文獻1)、或對針狀電極前端的液體金屬照射離子的技術(專利文獻2)。 現有技術文獻 專利文獻 專利文獻1：日本特開昭61-22537號公報 專利文獻2：日本特開平7-153403號公報

發明所要解決的課題 另外，為了抑制離子束的擴散、聚焦透鏡的污染，有時在引出電極的下游側配置對離子的束徑進行限制的射束光圈。 但是，存在如下的問題：射束光圈被離子照射而引起濺射現象，構成射束光圈的鎢、鉬等高熔點材料成為濺射顆粒而飛散並附著於針狀電極。該附著物隨著液體金屬的流動而凝集在針狀電極前端，阻礙液體金屬的流動而使離子束的釋放不穩定化。 作為該對策，臨時進行增加離子束的釋放量的加熱或沖洗，即使如此，其效果也是有限的。 本發明是為了解決上述課題而完成的，其目的在於提供能夠長期間穩定地釋放離子束的液體金屬離子源和聚焦離子束裝置。 用於解決課題的手段 為了實現上述目的，本發明的液體金屬離子源具備：貯存室，其對形成液體金屬的離子材料進行保持；針狀電極，其表面由從上述貯存室供給的上述離子材料覆蓋；引出電極，其使上述離子材料的離子從上述針狀電極的前端釋放；射束光圈，其配置於上述引出電極的下游側，對上述離子的束徑進行限制；以及真空室，其收納貯存室、針狀電極、引出電極和射束光圈並保持為真空，該液體金屬離子源的特徵在於，進一步具有氧化性氣體導入部，上述氧化性氣體導入部與上述真空室連通而向上述針狀電極的周圍導入氧化性氣體。 根據該液體金屬離子源，在向針狀電極的周圍導入氧化性氣體，積極地將針狀電極的表面的液體金屬氧化而在最外表面形成氧化膜。並且，認為自射束光圈飛至針狀電極的濺射顆粒被該氧化膜俘獲，未到達內部的熔融體，從而不阻礙熔融體向針狀電極的前端的流動。其結果，離子束的釋放變得穩定。 在本發明的液體金屬離子源中，上述氧化性氣體可以為水蒸氣。 與氧相比，水的氧化能力高，藉由採用水蒸氣，高效地進行氧化反應。 本發明的液體金屬離子源可以進一步具備將上述真空室排氣至目標真空度的最終排氣系統，上述最終排氣系統和上述氧化性氣體導入部分別經由不同的流路而與上述真空室連通。 根據該液體金屬離子源，藉由使最終排氣系統和氧化性氣體導入部的流路不同，氧化性氣體從氧化性氣體導入部向最終排氣系統流動，因此即使氧化性氣體的流量小，也能夠有效地進行氧化反應。 本發明的液體金屬離子源可以進一步具備將上述真空室排氣至目標真空度的最終排氣系統，上述最終排氣系統和上述氧化性氣體導入部經由相同的流路而與上述真空室連通。 根據該液體金屬離子源，可以不設置氧化性氣體導入部用的流路，因此希望在既設的液體金屬離子源附加設置氧化性氣體導入部的情況下，存在設置自由度提高的優點。 在技術方案3前述的液體金屬離子源中，在上述真空室導入有上述氧化性氣體的狀態下的真空度可以為5.0×10^-6 ～1.5×10^-5 Pa。 在技術方案4前述的液體金屬離子源中，在上述真空室導入有上述氧化性氣體的狀態下的真空度可以為1.0×10^-5 ～3.0×10^-5 Pa。 在技術方案3前述的液體金屬離子源中，上述最終排氣系統的流路和上述氧化性氣體導入部的流路可以在與上述離子的射束的照射方向垂直的方向至少一部分對置。 根據該液體金屬離子源，兩流路在與離子的射束的照射方向垂直的方向重疊，因此氧化性氣體容易從氧化性氣體導入部向最終排氣系統流動。 在技術方案3或4的液體金屬離子源中，上述最終排氣系統的流路和上述氧化性氣體導入部的流路可以在與上述離子的射束的照射方向垂直的方向至少一部分分別與針狀電極對置。 根據該液體金屬離子源，氧化性氣體容易從氧化性氣體導入部向針狀電極流動。 在本發明的液體金屬離子源中，可以進一步具有氧化性氣體導入控制部，僅在對上述針狀電極與上述引出電極之間施加電壓時，向上述真空室導入上述氧化性氣體。 根據該液體金屬離子源，僅在施加電壓而使離子束釋放時導入氧化性氣體，因此能夠抑制在沒有氧化性氣體的效果的非施加電壓時導入氧化性氣體造成的浪費。 本發明的聚焦離子束裝置具備上述液體金屬離子源。 發明效果 根據本發明，得到能夠長期間穩定地釋放離子束的液體金屬離子源和聚焦離子束裝置。

以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。 圖1是示出包含本發明的第1實施方式的液體金屬離子源50的聚焦離子束裝置100的整體構成的方塊圖。 在圖1中，液體金屬離子源50具備：對形成液體金屬的離子材料(Ga等)進行保持的貯存室10、針狀電極20、引出電極22、射束光圈24、以及對這些進行收納並保持為真空的真空室30。 貯存室10具有將一條導線的一端側呈線圈狀捲繞的內部空間，在另一端側(圖1的前端側)具有尖銳化的針狀電極20(圖1的後端側)。燈絲加熱器14是將一條線狀加熱器加工成側視V字而成的，該V字的前端部位連接導線的呈線圈狀捲繞的部分附近。 燈絲加熱器14的後端側的兩端部分別與一對電極端子11、12電連接。並且，藉由向電極端子11、12通電，貯留在貯存室10的液體金屬狀的離子材料被燈絲加熱器14加熱，熔融物的黏性降低。並且，液體金屬向針狀電極20流動而覆蓋其表面。需要說明的是，電極端子11、12支撐於由絕緣體構成的支撐部13。 並且，在對針狀電極20的下游側的引出電極22施加電壓時，藉由處於針狀電極20前端的熔融的離子材料(液體金屬)的表面張力以及藉由向引出電極22施加電壓而形成的電場的引力，液體金屬成為被稱為泰勒錐的圓錐狀。並且，從該圓錐的前端產生電場蒸發而釋放離子的射束IB。所釋放的離子藉由由針狀電極20和引出電極22形成的電場而加速，朝向以下的聚焦透鏡70行進。 射束光圈24配置於引出電極22的下游側，對離子的束徑進行限制。由此，能夠抑制離子束的擴散、以下的聚焦透鏡70的污染。 需要說明的是，在針狀電極20與引出電極22之間配置抑制電極(Suppressor electrode)26時，藉由施加至抑制電極26的電壓，能夠控制離子束的釋放量，在容易釋放離子束時，提高電壓而抑制離子束，在不容易釋放離子束時，降低電壓而促進離子束的釋放。 並且，構成液體金屬離子源50的貯存室10、針狀電極20、引出電極22、射束光圈24收納於真空室30並保持為真空。 另外，本發明的第1實施方式的聚焦離子束裝置100除了上述液體金屬離子源50的各構成要件以外，在射束光圈24的下游側還具有用於對利用射束光圈24縮小的離子束IB進行會聚的聚焦透鏡70。聚焦透鏡70也收納於真空室30並保持為真空。 另外，在真空室30連通有向針狀電極20的周圍導入氧化性氣體的氧化性氣體導入部40，並且連通有用於使真空室30保持為真空的離子泵45和排氣系統46。 排氣系統46經由閥46a而與真空室30連接，將真空室30排氣成大致離子泵(最終排氣系統)45開始工作的(低)真空度。具體地說，排氣系統46在排氣至離子泵開始工作的真空度後，使離子泵45工作一段時間之後，將閥46a關閉，使離子泵45持續工作。由此，利用離子泵45將真空室30排氣至更高的目標真空度。排氣系統46和離子泵45的流路匯合，利用一處的流路F1與真空室30連通。 需要說明的是，在第1實施方式中，氧化性氣體導入部40在沿水平方向(與離子束IB的照射方向垂直的方向)至少一部分與排氣系統46和離子泵45的流路F1對置的位置利用其他的流路F2與真空室30連通。另外，各流路F1、F2配置於在水平方向至少一部分與針狀電極20對置的位置。 另外，如圖1所示，在第1實施方式中，從氧化性氣體導入部40經由流路F2而導入至真空室30的氧化性氣體G通過針狀電極20而藉由離子泵45從其他的流路F1排氣。 這樣，藉由使流路F1、F2不同，氧化性氣體G從流路F2向流路F1流動，因此即使氧化性氣體G的流量小，也能夠有效地進行氧化反應。 在本例中，氧化性氣體導入部40具有貯留氧化性氣體的氣缸41和限制氧化性氣體的流量的流量調整部42，將氣缸41內的氧化性氣體經由流量調整部42而導入至真空室30的針狀電極20的周圍。 作為氧化性氣體的材料，可以舉出水、氧、臭氧、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮等，也可以是液體。液體的情況下，在氣缸41內存在氧化性氣體的蒸氣(與氣缸41的溫度對應的蒸氣壓)和液體這兩相，供給該蒸氣(例如水蒸氣)。另外，也可以使用硝酸銅、硫酸銅、碘化鐵那樣在結晶內保持有水的水合物。與氧相比，水的氧化能力高，從而高效地進行氧化反應。 流量調整部42可以使用可變閥門、節流裝置、質量流量控制器、透過氧化性氣體的材料等。另外，也可以使用控制閥，根據真空室30的真空度而回饋控制供給流量。 接著，參照圖2～圖4對作為本發明的特徵部分之向真空室30內的針狀電極20的周圍導入氧化性氣體的理由進行說明。 首先，如圖2所示，通常覆蓋針狀電極20的表面的離子材料的熔融體M朝向針狀電極20的前端20t流動而作為離子束IB釋放。 但是，在射束光圈24被離子束IB濺射時，如圖3所示，射束光圈24的材料作為濺射顆粒24s而附著於針狀電極20。濺射顆粒24s隨著熔融體M的流動而凝集在針狀電極20的前端20t，阻礙熔融體M的流動而使離子束IB的釋放不穩定化。 因此，在向針狀電極20的周圍導入氧化性氣體時，如圖4所示，積極地將針狀電極20的表面的熔融體M氧化而在最外表面形成氧化膜Ox。並且，認為飛至針狀電極20的濺射顆粒24s被該氧化膜Ox俘獲，未到達內部的熔融體M，從而不阻礙熔融體M朝向針狀電極20的前端20t流動。其結果，離子束IB的釋放變得穩定。 需要說明的是，因為針狀電極20的前端20t的氧化膜Ox薄或者引出電極22的施加電壓集中在前端20t，因此認為前端20t的熔融體M容易破壞氧化膜Ox而成為離子束IB。 根據以上的內容，在所導入的氧化性氣體的量過少時，濺射顆粒24s附著於針狀電極20而使離子束IB的釋放不穩定化。 另一方面，在所導入的氧化性氣體的量過多時，針狀電極20的前端20t的氧化膜Ox變厚而使離子束的釋放不穩定化。 其中，導入至真空室30的氧化性氣體的量根據排氣系統46和離子泵45的排氣速度或真空室30的容積而變化，因此按照在每個裝置中使實際的離子束的釋放穩定化的方式要求適當的範圍即可。 如圖1所示，液體金屬離子源50可以進一步具有氧化性氣體導入控制部48，僅在對針狀電極20與引出電極22之間施加電壓時，使氧化性氣體導入至真空室30。 氧化性氣體導入控制部48由微電腦等電腦構成，例如對針狀電極20與引出電極22之間的電壓進行監視，能進行控制，在對針狀電極20與引出電極22之間施加電壓的期間，將流量調整部42以規定的開度打開，在探測到針狀電極20與引出電極22之間的電壓為零時，將流量調整部42關閉。 在對針狀電極20與引出電極22之間施加電壓而使熔融體M在針狀電極20的表面流動時發揮基於氧化性氣體的效果。因此，這樣能夠在針狀電極20與引出電極22之間的電壓為零時抑制浪費地導入氧化性氣體，能夠降低氧化性氣體的用量。 需要說明的是，所導入的氣體吸附在真空室內的表面，從該表面慢慢地向真空室內釋放。由此，在未施加高壓時預先吸附氣體，利用從該表面的供給也得到同樣的效果。 接著，參照圖5對包含本發明的第2實施方式的液體金屬離子源50B的聚焦離子束裝置100B進行說明。 對於包含第2實施方式的液體金屬離子源50B的聚焦離子束裝置100B，氧化性氣體導入部40與真空室30的連通流路不同，除此以外，構成與第1實施方式相同，對於與第1實施方式相同的構成部分標記與圖1相同的符號，並省略了說明。 即，在第2實施方式中，排氣系統46和氧化性氣體導入部40的流路在F3匯合，進而流路F3和離子泵45的流路匯合，利用一處的流路F4與真空室30連通。排氣系統46和離子泵45的動作與第1實施方式同樣。 流路F4配置於在水平方向至少一部分與針狀電極20對置的位置。 在第2實施方式中，可以不設置氧化性氣體導入部40用的流路F2(圖1)，因此在既設的液體金屬離子源希望附加設置氧化性氣體導入部的情況下，具有設置的自由度增加的優點。 另一方面，如圖5所示，在第2實施方式中，從氧化性氣體導入部40經由流路F3而導入的氧化性氣體G分成兩個部分，不僅藉由流路F4向真空室30側流動，而且還向離子泵45側流動。因此，在假定在分子流上均等地分開時，認為用於有效地作用於氧化反應的氧化性氣體G的導入量需要為第1實施方式的2倍左右。 並且，進入到真空室30的氧化性氣體G最終也利用離子泵45排氣，因此與第1實施方式相比，真空度降低。 在第2實施方式中，也向針狀電極20的周圍導入氧化性氣體，由此積極地使針狀電極20的表面的熔融體M氧化，從而離子束IB的釋放變得穩定。 本發明不限於上述實施方式，當然擴及本發明的思想和範圍所包含的各種變形和等同物。 在第1實施方式中，流路F1、F2可以不在水平方向(與離子束IB的照射方向垂直的方向)對置。 另外，第1實施方式中的流路F1、F2以及第2實施方式中的流路F4也可以不配置於在(與離子束IB的照射方向垂直的方向)與針狀電極20對置的位置。 實施例 分別使用圖1和圖5所示的液體金屬離子源(聚焦離子束裝置)，對基於有無向真空室30導入氧化性氣體的離子束釋放的穩定性進行評價。 需要說明的是，排氣系統46在抽吸至離子泵45開始動作的真空度後從系統分離。將離子泵45的排氣能力設為30L/mm，將真空室30的容積設為2L。 離子束釋放的穩定性藉由施加至抑制電極26的電壓的變動來評價。如後述的圖8所示，在不容易釋放離子束時，抑制電極26的電壓降低。 具體地說，將從開始對針狀電極20與引出電極22之間施加電壓起50小時以上抑制電極26的電壓維持0.1kv以上的情況評價為〇(離子束釋放穩定)，將從開始起小於50小時抑制電極26的電壓降低至小於0.1kv的情況評價為×(離子束釋放不穩定)。 將所得到的結果示於圖6～圖9。 如圖6所示可知，第1實施方式的液體金屬離子源50的情況下，在向真空室30導入有氧化性氣體的狀態下的真空度為5.0×10^-6 ～1.5×10^-5 Pa的範圍，離子束釋放穩定。 另一方面，如圖7所示可知，第2實施方式的液體金屬離子源50的情況下，在向真空室30導入有氧化性氣體的狀態下的真空度為1.0×10^-5 ～3.0×10^-5 Pa的範圍，離子束釋放穩定。認為第2實施方式的液體金屬離子源50的真空度低(增多氧化性氣體的導入量)的理由是因為如上述那樣氧化性氣體的一部分利用排氣系統46排氣而未能到達真空室30。 圖8示出在第1實施方式的液體金屬離子源50中未向真空室30導入氧化性氣體時的抑制電極26的電壓的時間變化。從開始起14小時，抑制電極26的電壓降低為小於0.1kv。 圖9示出在第1實施方式的液體金屬離子源50中向真空室30導入1.0×10^-5 Pa氧化性氣體時的抑制電極26的電壓的時間變化。從開始起50小時時間以上，抑制電極26的電壓維持0.1kv以上。

10:貯存室 20:針狀電極 22:引出電極 24:射束光圈 26:抑制電極 30:真空室 40:氧化性氣體導入部 45:離子泵(最終排氣系統) 48:氧化性氣體導入控制部 50,50B:液體金屬離子源 70:聚焦透鏡 100,100B:聚焦離子束裝置 IB:離子束 M:離子材料(液體金屬)

[圖1]是示出包含本發明的第1實施方式的液體金屬離子源的聚焦離子束裝置的整體構成的圖。 [圖2]是示出從通常的針狀電極釋放離子束的狀態的示意圖。 [圖3]是示出射束光圈的材料濺射時的離子束從針狀電極釋放的狀態的示意圖。 [圖4]是示出向針狀電極的周圍導入氧化性氣體時的離子束從針狀電極釋放的狀態的示意圖。 [圖5]是示出包含本發明的第2實施方式的液體金屬離子源的聚焦離子束裝置的整體構成的圖。 [圖6]是示出在第1實施方式的液體金屬離子源中氧化性氣體的導入量和離子束釋放的穩定性的關係的表。 [圖7]是示出在第2實施方式的液體金屬離子源中氧化性氣體的導入量和離子束釋放的穩定性的關係的表。 [圖8]是示出在第1實施方式的液體金屬離子源中未向真空室導入氧化性氣體時的抑制電極的電壓的時間變化的圖。 [圖9]是示出在第1實施方式的液體金屬離子源中向真空室導入1.0×10^-5 Pa氧化性氣體時的抑制電極的電壓的時間變化的圖。

10:貯存室

11,12:電極端子

13:支撐部

14:燈絲加熱器

20:針狀電極

22:引出電極

24:射束光圈

26:抑制電極

30:真空室

40:氧化性氣體導入部

41:汽缸

42:流量調整部

45:離子泵(最終排氣系統)

46:排氣系統

46a:閥

48:氧化性氣體導入控制部

50:液體金屬離子源

70:聚焦透鏡

100:聚焦離子束裝置

IB:離子束

F1,F2:流路

G:氧化性氣體

Claims (10)

1. 一種液體金屬離子源，其具備： 貯存室，其對形成液體金屬的離子材料進行保持； 針狀電極，其表面由從前述貯存室供給的前述離子材料覆蓋； 引出電極，其使前述離子材料的離子從前述針狀電極的前端釋放； 射束光圈，其配置於前述引出電極的下游側，對前述離子的束徑進行限制；以及 真空室，其收納貯存室、針狀電極、引出電極和射束光圈並保持為真空， 該液體金屬離子源的特徵在於，進一步具有氧化性氣體導入部，前述氧化性氣體導入部與前述真空室連通而向前述針狀電極的周圍導入氧化性氣體。
2. 如請求項1所述的液體金屬離子源，其中， 前述氧化性氣體為水蒸氣。
3. 如請求項1或2所述的液體金屬離子源，其中， 該液體金屬離子源進一步具備將前述真空室排氣至目標真空度的最終排氣系統， 前述最終排氣系統和前述氧化性氣體導入部分別經由不同的流路而與前述真空室連通。
4. 如請求項1或2所述的液體金屬離子源，其中， 該液體金屬離子源進一步具備將前述真空室排氣至目標真空度的最終排氣系統， 前述最終排氣系統和前述氧化性氣體導入部經由相同的流路而與前述真空室連通。
5. 如請求項3所述的液體金屬離子源，其中， 在前述真空室導入有前述氧化性氣體的狀態下的真空度為5.0×10^-6 Pa～1.5×10^-5 Pa。
6. 如請求項4所述的液體金屬離子源，其中， 在前述真空室導入有前述氧化性氣體的狀態下的真空度為1.0×10^-5 Pa～3.0×10^-5 Pa。
7. 如請求項3所述的液體金屬離子源，其中， 前述最終排氣系統的流路和前述氧化性氣體導入部的流路，係在與前述離子的射束的照射方向垂直的方向至少一部分對置。
8. 如請求項3或4所述的液體金屬離子源，其中， 前述最終排氣系統的流路和前述氧化性氣體導入部的流路在與前述離子的射束的照射方向垂直的方向至少一部分分別與針狀電極對置。
9. 如請求項1～8中任一項所述的液體金屬離子源，其中， 該液體金屬離子源進一步具有氧化性氣體導入控制部，僅在對前述針狀電極與前述引出電極之間施加電壓時，向前述真空室導入前述氧化性氣體。
10. 一種聚焦離子束裝置，其具備請求項1～9中任一項所述的液體金屬離子源。

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