WO2010137476A1 - 液体金属イオン銃 - Google Patents

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WO2010137476A1
WO2010137476A1 PCT/JP2010/058229 JP2010058229W WO2010137476A1 WO 2010137476 A1 WO2010137476 A1 WO 2010137476A1 JP 2010058229 W JP2010058229 W JP 2010058229W WO 2010137476 A1 WO2010137476 A1 WO 2010137476A1
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WO
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liquid metal
opening
metal ion
ion gun
metal material
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/058229
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English (en)
French (fr)
Inventor
広靖 加賀
兼弘 長尾
基英 浮穴
Original Assignee
株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Publication date
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
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    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/31749—Focused ion beam

Definitions

  • the present invention relates to a liquid metal ion source (LMIS), for example, an ion emission (emission) technique from a Ga liquid metal ion source.
  • LMIS liquid metal ion source
  • an emitter (electrode) of a liquid metal ion source (LiquidquiMetal Ion Source: hereinafter referred to as LMIS) disposed in a vacuum vessel is energized and heated via a high voltage cable, By applying a high voltage (extraction voltage) during the period, an ion beam having an ion emission amount (emission current) corresponding to the voltage is irradiated.
  • the ion beam irradiated from the LMIS is received by the beam limiting aperture, and the expansion and emission current of the ion beam emitted downstream thereof are limited.
  • liquid metal ion gun for example, a gallium liquid metal ion gun
  • Patent Document 1 As a conventional technique for suppressing the mixing of such sputtered particles into the liquid metal of LMIS, as described in Patent Document 1, a part of a beam limiting aperture irradiated with an ion beam is infiltrated with a low melting point metal. It is known that it is composed of a body and prevents the sputtered particles from being dissolved in the liquid metal and becoming slag, thereby suppressing deterioration of the stability of the ionic current.
  • a metal that is the same type as the LMIS liquid metal is used for the protective diaphragm (see Patent Document 2 etc.), or the surface of the emitter electrode or the entirety thereof is a molten metal or alloy provided at the tip of the emitter electrode. What comprises 1 type or 2 types or more of metals (refer patent document 3 etc.) is also known.
  • a beam limiting aperture is formed using the same metal as the LMIS emitter (electrode) as a base material, and a reservoir of the same liquid metal as that of the LMIS is provided in the region irradiated with the ion beam (Patent Document 4, etc.) And a liquid metal of LMIS placed on a container having a concavity having a throttle hole through which an ion beam passes at the lowest point of the surface (see Patent Document 5).
  • Patent Documents 1 to 3 does not refer to the constituent material (base material) of the beam limiting aperture. Therefore, the constituent material (base material) of the beam limiting aperture is irradiated with the ion beam. Is exposed, and there is a concern that emission stability deteriorates due to sputter particles from the base material mixed in the liquid metal of LMIS. In addition, it is desirable to use LMIS for a long time of 1000 hours or more, and it is necessary to return the emission that becomes gradually unstable as the accumulated usage time increases to a stable state, but the difficulty is also mentioned. Absent.
  • liquid metal ion source has been further extended in life, and there is still room for improvement in terms of extending the life of the beam limiting aperture.
  • the beam limiting aperture In order to realize a long life of the beam limiting aperture, for example, it is conceivable to increase the amount of liquid metal (Ga) used for the beam limiting aperture, but if the amount of liquid metal is simply increased, the ion beam passes. There is a possibility that the opening to be blocked by the liquid metal. In addition, it is conceivable that the opening is enlarged (widened) so that the opening is not easily blocked by the liquid metal (Ga), but in this case, the effect as a diaphragm is reduced by half, which is contrary to the purpose of the beam limiting aperture. .
  • the present invention has been made in view of the above, and provides a liquid metal ion gun capable of extending the life of a beam limiting aperture, maintaining emission stably for a long time, and recovering to a stable state with good reproducibility.
  • the purpose is to do.
  • the present invention is formed by a liquid metal ion material made of a first metal material, a reservoir formed of a second metal material and holding the liquid metal ion material, and the second metal material.
  • a liquid metal ion source having an emitter, and a liquid metal material made of the first metal material on a base formed of the second metal material, and an ion beam extracted from the liquid metal ion source.
  • a liquid metal ion gun having an aperture allowing passage and a beam limiting aperture for limiting the diameter of the ion beam, wherein the beam limiting aperture collects the liquid metal material around the aperture Shall be provided.
  • the life of the beam limiting aperture can be extended, the emission in the liquid metal ion gun can be stably maintained for a long time, and the emission stability can be easily recovered.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an ion beam apparatus according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the detail of a structure of LMIS in the liquid metal ion gun which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows the structural example of the liquid metal ion gun using a general beam restriction
  • Laplace pressure Place pressure
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the entire ion beam apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • an ion beam apparatus is arranged in a vacuum vessel 1 and a vacuum vessel 1 and irradiates a sample (not shown) arranged in the vacuum vessel 1 with an ion beam 2.
  • a liquid metal ion gun 3 a vacuum exhaust device 10 connected to the vacuum container 1 via a gate valve 11 and exhausting the vacuum container 1; an ion pump 12 connected to the vacuum container 1 and exhausting the vacuum container 1; And a high voltage power supply unit 20 for supplying power to the liquid metal ion gun 3.
  • the liquid metal ion gun 3 is provided on a liquid metal ion source (Liquid Metal Ion Source: hereinafter referred to as LMIS) 31, an extraction electrode 32 for extracting an ion beam 2 (ion) from the liquid metal ion source 31, and an extraction electrode 32.
  • LMIS liquid Metal ion Source
  • the high voltage power supply unit 20 includes a grounded earth 21, an extraction power supply 28 for applying an extraction voltage for extracting the ion beam 2 from the LMIS 31 between the LMIS 31 and the extraction electrode 32, and an ion beam between the earth 21 and the LMIS 31.
  • Accelerating power source 24 for applying an accelerating voltage for accelerating 2, heating power source 29 for energizing and heating LMIS 31, high voltage cables 22 and 25 for connecting these high voltage power source unit 20,
  • the voltage cables 22 and 25 are provided with high voltage connection portions 23 and 26 for connecting the LMIS 31 and the extraction electrode 32, respectively.
  • the ion beam 2 generated by being extracted from the liquid metal ion source 31 by the extraction electrode 32 passes through the beam limiting aperture 33 while the beam expansion is limited, and the ion beam 2 that has passed is accelerated by the ground electrode 34 and is downstream. Is irradiated.
  • the ion beam 2 is narrowed with a lens and deflected to irradiate the sample, and a signal for detecting a signal from the sample to be irradiated with the ion beam 2
  • a processing observation apparatus can be formed by adding a detection system.
  • FIG. 2 is a diagram showing details of the configuration of the LMIS 31 in the liquid metal ion gun 3.
  • LMIS 31 is a gallium liquid metal ion source (hereinafter referred to as GaLMIS) composed of, for example, gallium (hereinafter referred to as Ga).
  • GaLMIS 31 is connected to the filament 37, the emitter 35 having a conical tip (which may be referred to as a needle shape), a reservoir 36 for accumulating Ga, a filament 37 for electrically heating (flushing) the emitter 35 and Ga in the reservoir 36, and the filament 37.
  • a lever base 39 for fixing the energizing terminal 38.
  • the emitter 35, the reservoir 36, and the filament 37 are made of, for example, tungsten (hereinafter referred to as W).
  • the reservoir 36 is filled with Ga.
  • the tip of the emitter 35 has a conical shape, so that the electric field gradient in the axial direction becomes stronger toward the tip. Accordingly, the liquid metal in the vicinity of the tip of the emitter 35 is supplied with Ga at the tip of the emitter 35 having a strong electric field due to electric field stress, and becomes a conical shape at the vertex of the point. In this way, the apex of the liquid metal that has a conical shape due to the electric field stress is a strong electric field of about V / ⁇ , so that the ionization potential is lowered and electrons are easily lost and ionized easily. That is, in a strong electric field of about V / ⁇ , ions jump out into the vacuum and an ion flow is generated.
  • GaLMIS 31 when GaLMIS 31 is used, in the ion emission as described above, it is necessary to supply liquid metal Ga corresponding to the released amount of Ga ions, but since Ga behaves fluidly, a pressure gradient is generated, A continuous fluid surface flow occurs. Since this flow is a Poiseuille flow caused by the surface tension, the flow rate changes due to the change in the surface tension. Pure Ga has good wettability to clean W, and when W has a thin groove, it diffuses through the groove due to capillary action due to surface tension. Therefore, the emitter 35 is known to be formed of W and provided with a narrow vertical groove in the axial direction. Similarly, the Ga in the reservoir 36 formed of W is converted into the above-mentioned state by capillary action due to surface tension.
  • the basic configuration of the liquid metal ion gun 3 will be described by taking as an example the case where a general beam limiting aperture 133 is used for the liquid metal ion gun 3.
  • FIG. 3 is a diagram showing a case where a general beam limiting aperture 133 is used for the extraction electrode 32 of the liquid metal ion gun 3.
  • the liquid metal ion gun 3 of the basic configuration example includes a GaLMIS 31, an extraction electrode 32 that extracts the ion beam 2 (ions) from the GaLMIS 31, and a downstream side of the extraction electrode 32 (that is, the irradiation direction of the ion beam 2). And a beam limiting aperture 133 that limits the spread of the ion beam 2.
  • the extraction electrode 32 is made of, for example, stainless steel, and an opening 40 through which the ion beam 2 passes is provided at a position facing the emitter 35 of the GaLMIS 31.
  • the opening 40 is configured with a diameter of 3 mm and an opening sidewall thickness of 1 mm.
  • the extraction electrode 32 is arranged so that the distance from the tip of the emitter 35 to the upper surface of the extraction electrode 32 is 0.8 mm, so that the ion beam 2 is not directly irradiated onto the extraction electrode 32.
  • the portion other than the opening 40 of the extraction electrode 32 is structured such that the ion beam 2 emitted from the GaLMIS 31 is not directly irradiated.
  • the beam limiting aperture 133 is made of, for example, tin (Sn), and an opening 41 through which the ion beam 2 passes is provided at a position where the ion beam 2 extracted from the GaLMIS 31 is irradiated.
  • the opening 41 has a diameter of 0.3 mm and an opening side wall thickness of 3 mm.
  • the beam limiting aperture 133 is arranged so that the distance from the upper surface of the extraction electrode 32 to the upper surface of the beam limiting aperture 133 is 5 mm.
  • the beam limiting aperture 133 is configured to be built in the extraction electrode 32, and the beam limiting aperture 133 and the extraction electrode 32 are configured to have the same potential.
  • the beam limiting aperture 133 and the extraction electrode 32 have different functions, and the beam limiting aperture 133 has a function as a diaphragm for limiting the ion beam 2 irradiated downstream thereof, and the extraction electrode 32.
  • the beam limiting aperture 133 is sputtered by the ion beam 2 irradiated from the GaLMIS 31, and sputtered particles 42 are generated.
  • the speed at which the beam limiting aperture 133 is sputtered depends on the incident angle. Such incident angle dependency will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the incident angle dependence of the sputtering yield of a monoatomic solid-state imaging device, with the horizontal axis representing the incident angle (°) and the vertical axis representing the incident angle of 0 °. The ratio of sputtering yield (sputtering yield) at each incident angle is shown. That is, FIG. 4 can be seen as a diagram showing the incident angle dependence of the sputtering speed of the beam limiting aperture 133.
  • the sputtering rate varies depending on the crystal orientation of the crystal grains, so that irregularities starting from the crystal grains are formed on the surface of the monoatomic solid. Further, the unevenness is further promoted due to the incident angle dependence of the sputtering rate, and thus the processing speed of the monoatomic solid surface is increased. That is, the lifetime of the beam limiting aperture is shortened.
  • the beam limiting aperture 33 according to the present embodiment is used in place of the beam limiting aperture 133 of the liquid metal ion gun 3 in the above basic configuration example. The details will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 5 is a view showing the beam limiting aperture 33 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view of the surface including the optical axis of the ion beam 2.
  • 5A to 5C show a change in the amount of liquid metal on the beam limiting aperture 33.
  • the beam limiting aperture 33 includes a base 46 having a recess provided so as to face the ion beam 2 extracted from the GaLMIS 31, and a liquid metal 44 placed on the recess of the base 46.
  • An opening 41 through which the ion beam 2 passes is provided at the lowest surface of the concave portion of the base 46, that is, at a point farthest from the GaLMIS 31.
  • the base 46 is formed of a member (that is, W) that forms the emitter 35 of the GaLMIS 31, and the liquid metal 44 is the liquid metal (that is, Ga) used for the GaLMIS 31.
  • a groove 45 is provided in the recess of the beam limiting aperture 33 so as to surround the periphery of the opening 41.
  • a taper structure is provided between the outer peripheral portion of the concave portion of the beam limiting aperture 33 and the groove portion 45 so as to increase from the groove portion 45 side toward the outer peripheral portion.
  • the radius of the recess (the distance from the opening to the outer periphery of the recess) provided in the beam limiting aperture 33 is configured to be shorter than the capillary length (k ⁇ 1 ) of the liquid metal Ga44.
  • the capillary length (k ⁇ 1 ) is expressed by the following equation where the surface tension of the liquid metal 44 is ⁇ , the density is ⁇ , and the gravitational acceleration is g.
  • the capillary length (k ⁇ 1 ) in the liquid metal Ga is about 3.5 mm.
  • the surface shape of the liquid metal 44Ga is accumulated so as to be a spherical surface with the side wall of the head as the outer periphery, and therefore the surface height of Ga increases as the distance from the opening 41 of the beam limiting aperture 33 increases.
  • the surface shape of the liquid metal Ga 44 is not affected by a structure having a size equal to or shorter than the capillary length (k ⁇ 1 ) in the portion where the liquid metal 44 is placed. That is, the surface shape of the liquid metal Ga44 is not affected by the groove 45. Therefore, the surface shape of the liquid metal Ga44 does not depend on the amount of the liquid metal Ga44, but the amount of the liquid metal Ga44 placed on the concave portion of the beam limiting aperture 33 as shown in FIGS. 5B and 5C. Even in the case where the surface area decreases, the surface height increases as the distance from the opening 41 increases. As a result, the portion where the groove 45 of the outer peripheral portion of the opening 41 of the beam limiting aperture 33 is formed is covered with the liquid metal Ga 44 having a thickness greater than the depth of the groove 45.
  • the bottom surface of the recess of the beam limiting aperture 33 is made narrower than the top surface (that is, the cross-sectional shape is trapezoidal), and the outer periphery of the groove 45 is within a range corresponding to the side length of the recess.
  • the shape of the surface does not change greatly.
  • the liquid metal Ga44 flows into the groove 45 from the side part of the recess by its surface tension, and is kept flat.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the surface tension and the internal pressure (Laplace pressure) are balanced around the opening 41.
  • the internal pressure ⁇ P is expressed by the following equation when the curvatures of the curved surfaces related to the plane parallel to the opening 41 and the plane perpendicular to the opening 41 are r1 and r2, respectively.
  • the direction in which the internal pressure ⁇ P (Laplace pressure) in the opening 41 is directed from the surface side of the liquid metal 44 toward the inside is defined as the positive direction.
  • the case where the origin is in the liquid metal inner surface direction is positive, and the case where the origin is in the outer surface direction is negative.
  • r1 ⁇ 0, 0 ⁇ r2 and for example, when the amount of the liquid metal Ga44 is increased, the film thickness of the opening 41 becomes about the diameter of the opening, and when the ⁇ E (contact angle) is large, the Laplace pressure immediately becomes negative. ( ⁇ P ⁇ 0), and the opening 41 is blocked with the liquid metal Ga44.
  • the capillary length (k ⁇ 1 ) in the liquid metal Ga is about 3.5 mm.
  • the curvature of the surface of the liquid metal Ga44 should be 3.5 mm or less.
  • the surface tension of the liquid metal Ga44 is superior to gravity, and the influence from the gravity is reduced.
  • an amount of the liquid metal Ga44 such that the curvature of the surface of the liquid metal Ga44 is 3.5 mm or more is placed on the beam limiting aperture 33, the influence of gravity increases, and particularly the curvature near the opening 41 is small. It has a negative surface tension, and therefore the opening 41 is easily clogged with the liquid metal Ga44.
  • FIG. 7 is a diagram showing a beam limiting aperture 933 of a comparative example with respect to the present embodiment.
  • a base 946 having a recess provided so as to face the ion beam 2 extracted from the GaLMIS 31 and a liquid metal 44 placed on the recess of the base 946 are provided.
  • an opening 41 through which the ion beam 2 passes is provided on the bottom surface of the concave portion of the base 946.
  • the base 946 is made of W, and the liquid metal 44 is Ga.
  • the sputtered particles by the ion beam 2 are Ga particles, and the sputtered particles are the emitters of the GaLMIS 31. Since even if it adheres to 35, the physical property of Ga of the emitter 35 is not changed, the deterioration of the stability of the emission from GaLMIS 31 can be suppressed.
  • the base material tungsten (W) is exposed, and sputtered particles of the W are generated.
  • W adheres to the emitter 35 the supply of Ga from the reservoir 36 to the emitter 35 is hindered, and the emission from the GaLMIS 31 is reduced.
  • the distance between the GaLMIS 31 and the beam limiting aperture 933 is shortened to narrow the beam diameter, so that the amount of sputtered particles (W) attached to the emitter 35 is large. The emission reduction becomes more remarkable.
  • the emission reduction rate increases, if the emission is controlled to be constant by changing the extraction voltage according to the emission reduction, the optical axis and focus change, and the extraction voltage is not controlled. If the emission reduction is left as it is, the beam current of the ion beam 2 decreases, and the irradiation target cannot be processed.
  • the emission reduction due to the adhesion of sputtered particles (W) to the emitter 35 can be restored to the original emission by appropriately flushing, but the state where the W sputtered particles are generated is determined by the beam limiting aperture 933.
  • the base material is sputtered, the opening through which the ion beam 2 passes is expanded, and the life of the beam limiting aperture 933 is shortened.
  • liquid metal gallium (Ga) is formed on a base 46 made of tungsten (W) and has an opening that allows passage of the ion beam 2 extracted from the GaLMIS 31.
  • the base 46 of the beam limiting aperture 33 that limits the diameter of the ion beam 2 is provided with a recess so as to include the opening, and a groove 45 provided so as to surround the periphery of the opening 41 inside the recess. And a structure in which the liquid metal Ga is collected around the opening.
  • the liquid metal Ga gathers around the opening of the beam limiting aperture 33 and the liquid metal Ga near the opening becomes thick, the amount of the liquid metal Ga44 is reduced by sputtering due to the irradiation of the ion beam 2, and this is the base material. Since the time until the tungsten W is exposed and begins to be sputtered can be extended, the life of the beam limiting aperture 33 can be extended. In addition, since the amount of the liquid metal Ga 44 that can be placed on the beam limiting aperture 33 is increased by providing the groove 45, the life of the beam limiting aperture 33 can be further extended.
  • the distance from the opening 41 of the beam limiting aperture 33 to the outer periphery of the recess is configured to be shorter than the capillary length (k ⁇ 1 ) of the liquid metal Ga44, even if the liquid metal Ga44 decreases, the surface tension at the opening 41 is reduced. As a result, fluid can gather around the opening 41 and extend the life of the beam limiting aperture 33.
  • gallium (Ga) is placed on the beam limiting aperture 33 as the liquid metal, when the amount of the liquid metal Ga44 is sufficient, the sputtered particles by the ion beam 2 are Ga particles, and the sputtered particles enter the emitter 35 of the GaLMIS 31. Even if it adheres, the Ga physical property of the emitter 35 is not changed, so that the deterioration of the stability of the emission from the GaLMIS 31 can be suppressed, and the emission in the liquid metal ion gun can be stably maintained for a long time. For example, when the ultimate vacuum of the liquid metal ion gun is operated at 10 ⁇ 7 Pa, the flushing, emission control, beam, etc. are performed with an extraction voltage of 7 kV and an emission current of 2.4 ⁇ A applied between the emitter 35 and the extraction electrode 32. Emissions could be maintained stably for 120 hours without maintenance such as focus adjustment.
  • the base material of the base 64 of the beam limiting aperture 33 is made of tungsten (W)
  • W tungsten
  • the contamination of GaLMIS 31 may be an oxide of Ga generated by emission, and the emission decreases as the amount of the oxide of Ga increases, but flushing (heating) is performed at about 700 degrees for about 30 seconds.
  • the emission state emission current, necessary extraction voltage and stability
  • the base material of the base 64 of the beam limiting aperture 33 is made of tungsten (W), for example, compared with the case where the base material of the base 64 is made of tin (Sn) or the like, sputtering by the ion beam 2 is performed.
  • the speed is slow. That is, while the crystal grain size of Sn is about 6 to 10 ⁇ m, the crystal grain size of W is as small as about 1 ⁇ m, so W is an unevenness formed on the surface due to the difference in crystal orientation of crystal grains during ion beam irradiation. Is difficult to form, and the sputtering rate is low. Therefore, the lifetime of the beam limiting aperture 33 can be extended.
  • the sputtered particles are tin (Sn)
  • the sputtered particles (Sn) adhere to the GaLMIS 31 a compound is formed with the liquid metal Ga. Since the melting point of this compound is about 30 ° C. or less when the weight percent concentration with respect to the liquid metal Ga is about 10 wt% or less, the compound melts into the liquid metal Ga. As a result, physical properties such as the surface tension and the melting point of the liquid metal Ga Changes and emission becomes unstable.
  • the base material of the base 64 of the beam limiting aperture 33 is formed of tungsten (W), the emission in the liquid metal ion gun can be stably maintained for a long time.
  • a tapered structure is provided between the outer peripheral portion of the beam limiting aperture 33 and the groove portion 45 so as to increase from the groove portion 45 side toward the outer peripheral portion.
  • the portion corresponding to the bottom surface of the recess and the outer peripheral portion may intersect at substantially a right angle.
  • a beam limiting aperture 233 is provided instead of the beam limiting aperture 33 of the liquid metal ion gun in the first embodiment.
  • the beam limiting aperture 233 includes a plate-like base 246 formed of a member (that is, W) that forms the emitter 35 of the GaLMIS 31 and a liquid metal 244 placed on the base 246.
  • the liquid metal 244 is the liquid metal (that is, Ga) used for GaLMIS 31.
  • an opening 241 through which the ion beam 2 passes is provided at a position of the base 246 where the ion beam 2 is irradiated.
  • the base 246 is provided with a groove 245 so as to surround the opening 241.
  • the liquid metal 244 is obtained by placing a lump of liquid metal Ga on the surface of the beam limiting aperture 233, melting the Ga lump, and solidifying the beam limiting aperture 233 in a -20 ° C heating atmosphere to solidify the beam. It is possible to move integrally with the limiting aperture 233, and it is easy to mount on the liquid metal ion gun. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the beam limiting aperture 233 is formed by placing liquid metal gallium (Ga) on the base 246 formed of tungsten (W), and the opening 241 of the beam limiting aperture 233 is formed.
  • a groove portion 245 is provided so as to surround the periphery, and the liquid metal Ga 244 is collected around the opening 241. Accordingly, since the liquid metal Ga gathers around the opening of the beam limiting aperture 33 and the liquid metal Ga near the opening becomes thick, the amount of the liquid metal Ga244 is reduced by sputtering due to the irradiation of the ion beam 2, and is a base material.
  • the life of the beam limiting aperture 233 can be extended.
  • the amount of the liquid metal Ga 244 that can be placed on the beam limiting aperture 233 is increased by providing the groove 245, the life of the beam limiting aperture 233 can be further extended.
  • gallium (Ga) is placed on the beam limiting aperture 233 as the liquid metal, when the amount of the liquid metal Ga244 is sufficient, the sputtered particles by the ion beam 2 are Ga particles, and the sputtered particles reach the emitter 35 of the GaLMIS 31. Even if it adheres, the Ga physical property of the emitter 35 is not changed, so that the deterioration of the stability of the emission from the GaLMIS 31 can be suppressed, and the emission in the liquid metal ion gun can be stably maintained for a long time.
  • the base material of the base 264 of the beam limiting aperture 233 is formed of tungsten (W)
  • W tungsten
  • an annular member 347 is provided so as to surround the periphery of the groove 245 in the beam limiting aperture 233 of the liquid metal ion gun in the second embodiment.
  • the beam limiting aperture 333 includes a plate-like base 346 formed of a member (that is, W) that forms the emitter 35 of the GaLMIS 31 and a liquid metal 344 mounted on the base 346.
  • the liquid metal 344 is the liquid metal (that is, Ga) used for GaLMIS 31.
  • an opening 341 through which the ion beam 2 passes is provided at a position of the base 346 where the ion beam 2 is irradiated.
  • a groove 345 is provided in the base 346 so as to surround the periphery of the opening 341.
  • annular member 347 is provided so as to surround the groove portion 345 and not to cover the region irradiated with the ion beam 2, thereby forming a concave portion including the opening 341.
  • the annular member 347 is formed of, for example, tungsten or a tungsten sintered body.
  • a beam limiting aperture 433 is provided in place of the beam limiting aperture 33 of the liquid metal ion gun in the first embodiment.
  • the beam limiting aperture 433 includes a plate-like base 446 formed of a member (that is, W) that forms the emitter 35 of the GaLMIS 31, and a liquid metal 444 placed on the base 446.
  • the liquid metal 444 is the liquid metal (that is, Ga) used for GaLMIS 31.
  • an opening 441 through which the ion beam 2 passes is provided at a position on the base 446 where the ion beam 2 is irradiated.
  • a groove 445 is provided in the base 446 so as to surround the opening 441.
  • an annular member 447 is provided so as to surround the groove 445 and not to cover the region irradiated with the ion beam 2, thereby forming a recess including the opening 441.
  • a groove portion 449 is formed so as to surround the recess at the outer peripheral portion of the recess in the base 446, that is, at the boundary portion between the base 446 and the annular member 447.
  • the annular member 447 is formed of a substance that does not react with the liquid metal Ga 444 at 100 ° C. or lower, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or molybdenum (Mo).
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • Mo molybdenum
  • W and Ga have good wettability, but are difficult to wet when W is oxidized.
  • the base 446 formed of W is immersed in a sodium hypochlorite solution for 1 hour.
  • a clean W surface free from oxidation can be obtained by removing dirt on the surface by electropolishing using an electrolytic solution such as NaOH and then performing ultrasonic cleaning with pure water.
  • electrolytic solution such as NaOH
  • a beam limiting aperture 533 is provided in place of the beam limiting aperture 33 of the liquid metal ion gun in the first embodiment.
  • the beam limiting aperture 533 includes a plate-like base 546 formed of a member (that is, W) that forms the emitter 35 of the GaLMIS 31 and a liquid metal 544 mounted on the base 546.
  • the liquid metal 544 is the liquid metal (that is, Ga) used for GaLMIS 31.
  • an opening 541 through which the ion beam 2 passes is provided at a position of the base 546 where the ion beam 2 is irradiated.
  • an annular member 547 is provided so as to surround the opening 541 and not to cover the region irradiated with the ion beam 2, and a recess including the opening 541 is formed.
  • the annular member 547 is made of a liquid metal Ga and a member having poor wettability, such as stainless steel (SUS). Further, the radius of the recess, that is, the distance from the opening 541 to the outer periphery of the recess is formed to be shorter than the capillary length of the liquid metal Ga544. Further, in order to make the wettability of W and the liquid metal Ga 544 used for the base 546 completely wet, the base 546 is heated to 1000 ° C. or higher in a vacuum to completely remove oxidation and dirt, and then put Ga on the surface. Melted. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a beam limiting aperture 633 of a comparative example with respect to the present embodiment.
  • the comparative example shown in FIG. 13 includes a base 646 made of W and a liquid metal Ga 644 mounted on the base 646.
  • the base 646 is provided with an opening 641 through which the ion beam 2 passes.
  • the placed liquid metal Ga 644 spreads on the base 646, and it is difficult to obtain a sufficient thickness in the range where the ion beam 2 is irradiated. .
  • a base 546 formed of tungsten (W) and an annular member 547 that is provided so as to surround the opening 541 provided in the base 546 and forms a recess including the opening 541. Since the annular member 541 is formed of a member having poor wettability with respect to the liquid metal Ga544, the annular member 541 is repelled by the liquid metal Ga544 placed on the concave portion of the beam limiting aperture 533 so that the liquid metal Ga544 is opened. It will be in the state gathered around 541.
  • the liquid metal Ga 544 gathers around the opening 541 of the beam limiting aperture 533 and the liquid metal Ga near the opening becomes thick, the amount of the liquid metal Ga 544 is reduced by sputtering due to irradiation of the ion beam 2, and the base metal Since the time until a certain tungsten W is exposed and begins to be sputtered can be extended, the life of the beam limiting aperture 533 can be extended.
  • the distance from the opening 541 of the beam limiting aperture 533 to the outer periphery of the recess is configured to be shorter than the capillary length (k ⁇ 1 ) of the liquid metal Ga544, the liquid metal Ga544 is reduced.
  • the surface tension at the opening 541 gathers around the opening 541 in a fluid manner, so that the life of the beam limiting aperture 533 can be extended.
  • gallium (Ga) is placed on the beam limiting aperture 533 as the liquid metal, when the amount of the liquid metal Ga 544 is sufficient, the sputtered particles by the ion beam 2 are Ga particles, and the sputtered particles are incident on the emitter 35 of the GaLMIS 31. Even if it adheres, the Ga physical property of the emitter 35 is not changed, so that the deterioration of the stability of the emission from the GaLMIS 31 can be suppressed, and the emission in the liquid metal ion gun can be stably maintained for a long time.
  • the base material of the base 546 of the beam limiting aperture 533 is formed of tungsten (W)
  • the liquid metal Ga 544 is reduced, and when the base 546 is exposed and sputtered by the ion beam 2, the sputtered particles are applied to the emitter 35. Even if (W) adheres and the emission is reduced, the emission can be restored to the original by appropriately flushing the GaLMIS 31. Therefore, the emission stability in the liquid metal ion gun can be easily recovered.
  • the contamination of GaLMIS 31 is considered to be an oxide of Ga generated by emission, and the emission decreases as the amount of the oxide of Ga increases, but the flashing (heating) at about 700 degrees for about 30 seconds. By doing so, the emission state (emission current, required extraction voltage and stability) can be recovered with good reproducibility.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the beam limiting aperture of the present embodiment, and shows an example when the present invention is applied.
  • the beam limiting aperture has an outer diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm, a taper of 33 ° from the top surface of 6.85 mm to the bottom surface of 5 mm, and the depth from the top surface to the bottom surface of the recess is ⁇ 0.6 mm.
  • an opening of ⁇ 0.4 mm was provided in the center of the bottom surface of the recess, and a groove portion having a depth of 0.2 mm was provided in the range of ⁇ 0.6 mm to ⁇ 4 mm on the bottom surface.
  • the back surface of the opening was chamfered by 0.2 mm in the height direction.
  • the amount of the liquid metal Ga accumulated in the groove portion of the beam limiting aperture configured in this way is about 15 mg, which is a liquid that decreases by sputtering when irradiated with ions of about 1000 h with an emission from GaLMIS of 3.2 uA. It corresponds to the amount of metal Ga. That is, the lifetime could be extended by about 1000 hours compared to the beam limiting aperture when no groove was provided.
  • the interface shape of the liquid metal Ga corresponds to the interface shape when 45 mg of liquid metal Ga is placed when no groove is provided.
  • the amount of the liquid metal Ga can be increased without changing the sputtering state of the liquid metal Ga by the ion beam 2.
  • the irradiation region of the ion beam 2 on the beam limiting aperture 733 is ⁇ 2.6 mm. Therefore, it is within a range of ⁇ 4 mm provided with a groove portion having a depth of 0.2 mm, and even if the amount of the liquid metal Ga is reduced, it is within a range in which the base material is not easily exposed. The lifetime of the beam limiting aperture can be extended.
  • the distance from the opening of the beam limiting aperture to the outer periphery of the recess is configured to be shorter than the capillary length of the liquid metal Ga (k ⁇ 1 ⁇ 3.5 mm), even if the liquid metal Ga decreases, the surface at the opening The tension can flow around the aperture and extend the life of the beam limiting aperture.
  • gallium (Ga) is placed on the beam limiting aperture as the liquid metal, when the amount of the liquid metal Ga is sufficient, the sputtered particles by the ion beam are Ga particles, and the sputtered particles adhere to the emitter of the GaLMIS.
  • Ga physical properties of the emitter are not changed, it is possible to suppress the deterioration of the stability of the emission from GaLMIS and to maintain the emission in the liquid metal ion gun stably for a long time.
  • the base material of the base of the beam limiting aperture is made of tungsten (W)
  • the sputtered particles (W) adhere to the emitter when the liquid metal Ga is reduced and the base is exposed and sputtered by an ion beam. Even if the emission is reduced, it can be restored to the original emission by flushing GaLMIS as appropriate. Therefore, the emission stability in the liquid metal ion gun can be easily recovered.

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Abstract

　タングステン（Ｗ）により形成され、液体金属ガリウム（Ｇａ）を保持するリザーバ３６と、Ｗにより形成されたエミッタ３５とを有する液体金属イオン源３１と、Ｗにより形成されたベース４６にＧａよりなる液体金属材４４を載せて形成され、液体金属イオン源３１から引き出されたイオンビーム２の通過を許容する開口４１を有し、イオンビーム２の径を制限するビーム制限アパーチャ３３とを備えた液体金属イオン銃３において、ビーム制限アパーチャ３３は、液体金属４４を開口４１の周囲に集める溝構造４５を備える。これにより、ビーム制限アパーチャの寿命を延ばし、エミッションを長時間安定に維持することができ、再現良く安定な状態に回復することができる。

Description

液体金属イオン銃
　本発明は、液体金属イオン源（LMIS:Liquid Metal Ion Source）に関し、例えば、Ｇａ液体金属イオン源からのイオン放射（エミッション）技術に関する。
　液体金属イオン銃は、真空容器中に配置された液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source : 以下、ＬＭＩＳと称する）のエミッタ（電極）に、高電圧ケーブルを介して通電加熱したり、引出電極との間に高電圧（引出電圧）を印加したりすることにより、その電圧に応じたイオン放射量（エミッション電流）のイオンビームを照射する。ＬＭＩＳから照射されたイオンビームは、ビーム制限アパーチャで受けられ、その下流に放射されるイオンビームの拡がりやエミッション電流が制限される。
　上記のような液体金属イオン銃、例えば、ガリウム液体金属イオン銃においては、イオン放射によりエミッタで消費されたガリウムの量とリザーバからエミッタに供給されるＧａの量がバランスした状態、つまり、Ｇａの消費量と供給量が平衡した状態が保たれることにより、エミッションの安定性が保たれている。
　しかしながら、Ｇａに異物が混入すると、その異物によってＧａの供給が阻害されたり、Ｇａの純度が変化して液体金属の物理特性が変化してＧａの消費量と供給量のバランスが崩れたりして、エミッションの安定性が悪くなる。
　ＬＭＩＳの液体金属に混入する異物の一例としては、照射されるイオンビームによりビーム制限アパーチャがスパッタリングされるときに生じる粒子（スパッタ粒子）が挙げられる。
　このようなスパッタ粒子のＬＭＩＳの液体金属への混入を抑制する従来技術としては、特許文献１に記載のように、ビーム制限アパーチャのイオンビームによって照射される部分を低融点金属を浸透させた燒結体により構成し、スパッタ粒子が液体金属中に溶け込んでスラグとならないようにすることで、イオン電流の安定性の悪化を抑制するものが知られている。
　また、ＬＭＩＳの液体金属と同種の金属を保護用絞りに用いたもの（特許文献２等参照）や、エミッタ電極の表面またはその全部をエミッタ電極の先端に設けられた溶融金属または合金を構成する金属の１種又は２種以上で構成するもの（特許文献３等参照）も知られている。
　その他にも、ＬＭＩＳのエミッタ（電極）と同じ金属を母材としてビーム制限アパーチャを構成し、さらに、イオンビームが照射される領域にＬＭＩＳと同じ液体金属の溜まりを設けたもの（特許文献４等参照）や、イオンビームが通過する絞り孔を表面最下点に持つ凹部を備えた容器に、ＬＭＩＳの液体金属を載せたもの（特許文献５等参照）が知られている。
特許第３１９０３９５号公報 特開２００１－１６０３６９号公報 特公平４－１４４５５号公報 特開２００５－１７４６０４号公報 特開２００６－７９９５２号公報
　しかしながら、特許文献１～３記載の従来技術においては、ビーム制限アパーチャの構成材(母材)について言及されておらず、従って、イオンビームの照射を受けてビーム制限アパーチャの構成材(母材)が露出し、母材からのスパッタ粒子がＬＭＩＳの液体金属に混入することによるエミッションの安定性悪化が懸念される。また、ＬＭＩＳは千時間以上の長時間に亘る使用が望ましく、使用累計時間が増加するにしたがって徐々に不安定になるエミッションを安定な状態に戻す必要があるが、その難易性についても言及されていない。
　一方、特許文献４，５記載の従来技術においては、ビーム制限アパーチャの母材にＬＭＩＳと同様の構成部材を用い、さらに、イオンビームの照射を受ける部分にＬＭＩＳと同様の液体金属を用いることにより、スパッタ粒子のエミッションへの影響を抑制するとともに、エミッションの安定性を容易に回復できるようにしている。
　しかし、液体金属イオン源においては更なる長寿命化が図られており、これに伴うビーム制限アパーチャの長寿命化の面で改善の余地が残されている。
　ビーム制限アパーチャの長寿命化を実現するために、例えば、ビーム制限アパーチャに用いる液体金属（Ｇａ）の量を増やすことが考えられるが、単純に液体金属の量を増加させると、イオンビームが通過する開口が液体金属によって塞がってしまう恐れがある。また、液体金属（Ｇａ）によって開口が塞がりにくいように開口を大きく（広く）することも考えられるが、この場合は絞りとしての効果が半減してしまい、ビーム制限アパーチャの目的に反することになる。
　本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ビーム制限アパーチャの寿命を延ばし、エミッションを長時間安定に維持することができ、再現良く安定な状態に回復することができる液体金属イオン銃を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されたエミッタとを有する液体金属イオン源と、前記第２金属材により形成されたベースに前記第１金属材よりなる液体金属材を載せて形成され、前記液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの通過を許容する開口を有し、該イオンビームの径を制限するビーム制限アパーチャとを備えた液体金属イオン銃であって、前記ビーム制限アパーチャは、前記液体金属材を前記開口の周囲に集める構造を備えたものとする。
　本発明によれば、ビーム制限アパーチャの寿命を延ばすことができ、液体金属イオン銃におけるエミッションを長時間安定に維持することができるとともに、エミッションの安定性を容易に回復することができる。
本発明の第１の実施の形態に係るイオンビーム装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る液体金属イオン銃におけるＬＭＩＳの構成の詳細を示す図である。 一般的なビーム制限アパーチャを用いた液体金属イオン銃の構成例を示す図である。 単原子固体撮像装置のスパッタリング収量の入射角度依存性の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム制限アパーチャを示す断面図である。 ビーム制限アパーチャの開口周辺における液体金属の表面張力と内圧（ラプラス圧）の関係を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態に対する比較例のビーム制限アパーチャを示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るビーム制限アパーチャの変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るビーム制限アパーチャを示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るビーム制限アパーチャを示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るビーム制限アパーチャを示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るビーム制限アパーチャを示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に対する比較例ビーム制限アパーチャを示す断面図である。 本発明の実施例に係るビーム制限アパーチャを示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
　＜第１の実施の形態＞
  図１は、本発明の第１の実施に形態に係るイオンビーム装置全体の構成を示す概略図である。
　図１において、本実施の形態に係るイオンビーム装置は、真空容器１と、真空容器１内に配置され、その真空容器１内に配置された試料（図示せず）にイオンビーム２を照射する液体金属イオン銃３と、真空容器１にゲートバルブ１１を介して接続され、真空容器１の排気を行う真空排気装置１０と、真空容器１に接続され真空容器１の排気を行うイオンポンプ１２と、液体金属イオン銃３に電力を供給する高電圧電源部２０とを備えている。
　液体金属イオン銃３は、液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source：以下、ＬＭＩＳと称する）３１と、液体金属イオン源３１からイオンビーム２（イオン）を引き出す引出電極３２と、引出電極３２に設けられ、イオンビーム２の拡がりを制限するビーム制限アパーチャ３３と、ビーム制限アパーチャ３３を通過したイオンビーム２を加速するアース電極３４とを備えている。
　高電圧電源部２０は、接地されたアース２１と、ＬＭＩＳ３１と引出電極３２の間にＬＭＩＳ３１からイオンビーム２を引き出すための引出電圧を印加する引出電源２８と、アース２１とＬＭＩＳ３１の間にイオンビーム２を加速するための加速電圧を印加する加速電源２４と、ＬＭＩＳ３１を通電加熱するための加熱電源２９と、これらの高電圧電源部２０の構成要素を接続する高電圧ケーブル２２，２５と、高電圧ケーブル２２，２５とＬＭＩＳ３１及び引出電極３２をそれぞれ接続する高電圧接続部２３，２６とを備えている。
　引出電極３２によって液体金属イオン源３１から引き出されて発生したイオンビーム２は、ビーム制限アパーチャ３３においてビームの拡がりが制限されつつこれを通過し、通過したイオンビーム２はアース電極３４により加速され下流に照射される。なお、図示は省略するが、上記構成に加えて、イオンビーム２をレンズで細く絞り、偏向制御して試料に照射する機能と、イオンビーム２の照射対象である試料からの信号を検出する信号検出系とを付加することにより、加工観察装置を形成することができる。
　図２は、液体金属イオン銃３におけるＬＭＩＳ３１の構成の詳細を示す図である。
　図２において、ＬＭＩＳ３１は、例えば、ガリウム（以下、Ｇａと称する）により構成されたガリウム液体金属イオン源（以下、ＧａＬＭＩＳと称する）である。ＧａＬＭＩＳ３１は、先端が円錐状（針状と言い換えることもできる）のエミッタ３５と、Ｇａを溜めるリザーバ３６と、エミッタ３５及びリザーバ３６のＧａを通電加熱（フラッシング）するフィラメント３７と、フィラメント３７に接続された通電端子３８と、通電端子３８を固定する碍子ベース３９とを備えている。エミッタ３５、リザーバ３６及びフィラメント３７は、例えば、タングステン（以下、Ｗと称する）により形成されている。また、リザーバ３６内にはＧａが充填されている。
　このように構成された、ＬＭＩＳ３１のエミッション動作原理の概略について説明する。ＬＭＩＳ３１に引出電圧が印加された状態においては、エミッタ３５の先端が円錐状であるため先端ほど軸方向の電界勾配が強くなる。したがって、エミッタ３５の先端付近の液体金属は、電界応力により、電界の強いエミッタ３５の先端にＧａが供給され点頂点の円錐状になる。このように、電界応力によって円錐形状となった液体金属の頂点は、Ｖ／Å程度の強電界であるため、イオン化ポテンシャルが下がり電子を失ってイオン化し易くなる。つまり、Ｖ／Å程度の強電界においてはイオンが真空中に飛び出してイオン流が発生する。
　例えば、ＧａＬＭＩＳ３１を用いた場合、上記のようなイオン放射においては、放出されるＧａイオンの放出量に見合う液体金属Ｇａを供給する必要があるが、Ｇａは流体的に振舞うため圧力勾配が生じ、連続流体の表層流が生じる。この流れは、表面張力に起因するポアゼイユ流であるため表面張力の変化で流量が変化する。また、純粋なＧａは、清浄なＷに対して濡れ性が良く、Ｗに細い溝がある場合には、表面張力による毛細管現象により溝を通して拡散する。したがって、エミッタ３５の構成としては、Ｗで成形し、軸方向に細い縦溝を設けたものが知られており、同様にＷで成形したリザーバ３６内のＧａを表面張力による毛細管現象で上記の溝を通して拡散させ、エミッタ先端付近まで供給する。Ｇａイオン放射によりエミッタ３５で消費されたＧａの量とリザーバ３６からエミッタ３５に供給されるＧａの量がバランスした状態、つまり、Ｇａの消費量と供給量が平衡した状態が保たれることによりエミッションの安定性が保たれるが、Ｇａの表面張力が変化した場合には供給量が変わり、エミッション状態が変化する。
　ここで、液体金属イオン銃３に一般的なビーム制限アパーチャ１３３を用いた場合を例に液体金属イオン銃３の基本構成について説明する。
　図３は、液体金属イオン銃３の引出電極３２に一般的なビーム制限アパーチャ１３３を用いた場合を示す図である。
　図３において、基本構成例の液体金属イオン銃３は、ＧａＬＭＩＳ３１と、ＧａＬＭＩＳ３１からイオンビーム２（イオン）を引き出す引出電極３２と、引出電極３２の下流側（つまり、イオンビーム２の照射方向）に設けられ、イオンビーム２の拡がりを制限するビーム制限アパーチャ１３３とを備えている。
　引出電極３２は、例えば、ステンレス鋼で構成されており、ＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５と向き合う位置にイオンビーム２が通過する開口４０が設けられている。例えば、開口４０は、直径φ３ｍｍ、開口側壁の厚さ１ｍｍで構成されている。また、引出電極３２は、エミッタ３５の先端から引出電極３２の上面までの距離が０．８ｍｍになるように配置されており、引出電極３２にイオンビーム２が直接照射されないようになっている。なお、引出電極３２の開口４０以外の部分についてもＧａＬＭＩＳ３１から放射されるイオンビーム２が直接照射されないような構造となっている。
　ビーム制限アパーチャ１３３は、例えば、スズ（Ｓｎ）で構成されており、ＧａＬＭＩＳ３１から引き出されたイオンビーム２が照射される位置に、イオンビーム２が通過する開口４１が設けられている。例えば、開口４１は、直径φ０．３ｍｍ、開口側壁の厚さ３ｍｍで構成されている。また、ビーム制限アパーチャ１３３は、引出電極３２の上面からビーム制限アパーチャ１３３の上面の距離が５ｍｍになるように配置されている。
　ビーム制限アパーチャ１３３は引出電極３２に内蔵されて構成され、ビーム制限アパーチャ１３３と引出電極３２が同電位となるよう構成されている。なお、ビーム制限アパーチャ１３３と引出電極３２は異なる機能を有しており、ビーム制限アパーチャ１３３は、その下流に照射されるイオンビーム２を制限するための絞りとしての機能を有し、引出電極３２は、ＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５との間（エミッタ３５と引出電極３２上面の間）に電圧を印加することによりイオン（イオンビーム２）を放射させる機能を有する。
　このように構成した液体金属イオン銃３においては、ＧａＬＭＩＳ３１から照射されたイオンビーム２によってビーム制限アパーチャ１３３がスパッタリングされ、スパッタ粒子４２が生じる。ビーム制限アパーチャ１３３がスパッタリングされる速度（加工速度）には、入射角依存性がある。このような入射角依存性について図面を参照しつつ以下に説明する。
　図４は、単原子固体撮像装置のスパッタリング収量の入射角度依存性の例を示す図であり、横軸には入射角（°）を、縦軸には入射角０°の場合を基準とした各入射角におけるスパッタリング収量の比（スパッタリングイールド）をそれぞれ示している。つまり、図４は、ビーム制限アパーチャ１３３のスパッタリング速度の入射角度依存性を示す図と見ることができる。
　図４に示すように、単原子固体のスパッタリングイールドは、イオンビームの入射角θ（°）が大きくなるに従って、カスケード衝突がより表面側で発生するため、ジグムンドの理論が示すようにｃｏｓ－ｆθ（ｆ＝１～２）で入射角θ＝θｏｐｔとなるまで増加し、入射角θ＞θｏｐｔでは、入射角θが大きくなるに従って、表面にある隣接する原子の遮蔽効果により衝突係数が制限されてイオンビームが表面を通過しにくくなり、さらに入射角θが大きくなると入射されるイオンビームが殆どエネルギーを固体に付与することなく反射され、スパッタリング収量（スパッタリングイールド）が急激に減少する。
　また、単原子固体にイオンビームを照射した場合、結晶粒の結晶方位の違いによってスパッタリング速度に違いが生じるため、その単原子固体の表面に結晶粒を起点とした凹凸が形成される。さらに、その凹凸はスパッタリング速度の入射角依存性のため益々助長され、したがって、単原子固体表面の加工速度が早くなる。つまり、ビーム制限アパーチャの寿命が短くなる。
　本実施の形態に係るビーム制限アパーチャ３３は、上記の基本構成例における液体金属イオン銃３のビーム制限アパーチャ１３３に換えて用いるものである。以下、その詳細について図面を参照しつつ説明する。
　図５は、本実施の形態に係るビーム制限アパーチャ３３を示す図であり、イオンビーム２の光軸を含む面における断面図である。なお、図５（ａ）～図５（ｃ）は、ビーム制限アパーチャ３３上の液体金属の量の変化を示している。
　図５において、ビーム制限アパーチャ３３は、ＧａＬＭＩＳ３１から引き出されたイオンビーム２に対向するように設けられた凹部を有するベース４６と、ベース４６の凹部に載せられた液体金属４４とを備えている。また、ベース４６の凹部の表面最下点、つまり、ＧａＬＭＩＳ３１から最も遠い点には、イオンビーム２が通過する開口４１が設けられている。ベース４６はＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５を形成する部材（つまり、Ｗ）で形成されており、液体金属４４はＧａＬＭＩＳ３１に用いられた液体金属（つまり、Ｇａ）である。ビーム制限アパーチャ３３の凹部には、開口４１の周囲を囲むように溝部４５が設けられている。また、ビーム制限アパーチャ３３の凹部の外周部と溝部４５の間には、溝部４５側から外周部に向かって高くなるようにテーパ構造が設けられている。これにより、液体金属Ｇａ４４の量の変化に対して、その液体金属Ｇａ４４の表面形状が変化しにくくなる。
　ビーム制限アパーチャ３３に設けられた凹部の半径（開口から凹部の外周までの距離）は、液体金属Ｇａ４４の毛管長（ｋ－１）よりも短く構成されている。毛管長（ｋ－１）は、液体金属４４の表面張力をγ、密度をρ、重力加速度をｇとすると下記式により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式１により表される毛管長（ｋ－１）よりも大きい距離範囲においては、液体金属Ｇａ４４の表面（界面）形状に対して重力が支配的となり、毛管長（ｋ－１）よりも小さい距離範囲においては表面張力が支配的となる。液体金属Ｇａにおける毛管長（ｋ－１）は、約３．５ｍｍである。
　このように構成したビーム制限アパーチャ３３に液体金属４４としてＧａを載せた場合、Ｗの表面が清浄であればＧａとの濡れ性が良いので、ビーム制限アパーチャ３３の凹部はＧａによって完全に濡れる。また、液体金属４４Ｇａの表面形状は、頭部の側壁を外周とする球面になるように溜まり、したがって、ビーム制限アパーチャ３３の開口４１から離れるに従ってＧａの表面高さが高くなる。これは、毛管長（ｋ－１）（ガリウムの毛管長は約３．５ｍｍ）より大きい距離範囲では重力が支配的となって液体金属の表面形状が平面になり、毛管長（ｋ－１）より小さい距離範囲では表面張力が支配的となって液体金属Ｇａ４４の表面形状が曲面になることによる。
　また、液体金属Ｇａ４４の表面形状は、液体金属４４が載せられた部分における毛管長（ｋ－１）以下の大きさの構造からは影響を受けない。つまり、液体金属Ｇａ４４の表面形状は、溝部４５の影響を受けないということである。したがって、液体金属Ｇａ４４の表面形状は、その液体金属Ｇａ４４の量によらず、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すようにビーム制限アパーチャ３３の凹部に載せられた液体金属Ｇａ４４の量が少なくなった場合においても、開口４１から離れるにしたがって表面高さが高くなる。これにより、ビーム制限アパーチャ３３の開口４１の外周部の溝部４５を形成した部分においては、その溝部４５の深さ以上の厚さの液体金属Ｇａ４４で覆われる。
　更に、ビーム制限アパーチャ３３の凹部の底面部を上面部に比べ狭くなるように（つまり、断面形状が台形になるように）し、溝部４５の外周が凹部の側辺長さに相当する範囲内にかかるように構成したので、図５（ｂ）に示すように、液体金属Ｇａ４４が減少してもその表面の形状が大きく変わらない。また、図５（ｃ）に示すように、液体金属Ｇａ４４の量が更に減っても、液体金属Ｇａ４４がその表面張力で凹部の側辺部から溝部４５に流れ込んで埋め、平面に保たれる。
　ここで、液体金属Ｇａ４４による開口４１の詰まり易さについて、その内圧の観点から考察する。液体金属などの液体の形状は、重力ではなく表面張力による表面エネルギーが最小になるように、その表面張力と内圧(ラプラス圧)がバランスしている。図６は、開口４１周辺において表面張力と内圧（ラプラス圧）がバランスしている様子を示す図である。図６において内圧ΔＰは、開口４１に平行な面と垂直な面に関する曲面の曲率をそれぞれｒ１，ｒ２とすると下記式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記式２では、開口４１における内圧ΔＰ（ラプラス圧）が液体金属４４表面側から内部側に向く方向を正方向とする。また、曲率半径ｒ１，ｒ２のそれぞれについては、原点が液体金属内面方向に在る場合を正、外面方向に在る場合を負とする。図６においては、ｒ１＜０，０＜ｒ２であり、例えば、液体金属Ｇａ４４の量を増やして開口４１の膜厚が開口径程度になり、θＥ（接触角）が大きいと直ちにラプラス圧が負（ΔＰ＜０）となり開口４１が液体金属Ｇａ４４で塞がってしまう。
　また、前述したように、毛管長（ｋ－１）よりも大きい距離範囲においては、液体金属４４の表面（界面）形状に対して重力が支配的となり、毛管長（ｋ－１）よりも小さい距離範囲においては表面張力が支配的となる。液体金属Ｇａにおける毛管長（ｋ－１）は、約３．５ｍｍである。例えば、ビーム制限アパーチャ３３の凹部の内径をφ７ｍｍ以下（つまり、開口から外周までの距離を３．５ｍｍ以下）にしてＧａ４４を載せた場合、液体金属Ｇａ４４の表面の曲率が３．５ｍｍ以下であれば、液体金属Ｇａ４４の表面張力が重力に勝り、重力から受ける影響は少なくなる。しかし、液体金属Ｇａ４４の表面の曲率が３．５ｍｍ以上になるような量の液体金属Ｇａ４４をビーム制限アパーチャ３３に載せると、重力の影響力が大きくなり、特に、開口４１付近における曲率は小さいので負の表面張力を持ち、したがって、開口４１が液体金属Ｇａ４４により詰まり易い状態になる。
　さらに、外部からの衝撃などにより開口４１付近の液体金属Ｇａ４４に働く衝撃は数Ｇに及ぶので、衝撃による液体金属Ｇａ４４の移動により開口４１が詰まらないようにするには、毛管長（ｋ－１）が（１／√ｇ）（ｇ：撃力）に比例することを考慮し、ビーム制限アパーチャ３３の液体金属Ｇａ４４を載せる量による式２のｒ１を毛管長（ｋ－１）より数倍小さくする必要がある。
　以上のように構成した本実施の形態における効果を図面を参照しつつ説明する。
　図７は、本実施の形態に対する比較例のビーム制限アパーチャ９３３を示す図である。図中、図５に示す部分と同様のものには同じ符号を付している。図７に示す比較例では、ＧａＬＭＩＳ３１から引き出されたイオンビーム２に対向するように設けられた凹部を有するベース９４６と、ベース９４６の凹部に載せられた液体金属４４とを備えている。また、ベース９４６の凹部の底面には、イオンビーム２が通過する開口４１が設けられている。ベース９４６はＷで形成されており、液体金属４４はＧａである。
　このように構成した比較例のビーム制限アパーチャ９３３においては、その凹部に載せられた液体金属Ｇａ４４の量が十分である場合、イオンビーム２によるスパッタ粒子はＧａ粒子であり、スパッタ粒子がＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５に付着してもエミッタ３５のＧａの物性を変化させないため、ＧａＬＭＩＳ３１からのエミッションの安定性悪化を抑制することができる。
　しかしながら、長時間のエミッションによりビーム制限アパーチャ９３３の凹部に載せられた液体金属Ｇａ４４の量が減少した場合は、母材であるタングステン（Ｗ）が露出し、そのＷのスパッタ粒子が生成される。エミッタ３５にＷが付着すると、リザーバ３６からエミッタ３５へのＧａの供給が妨げられ、ＧａＬＭＩＳ３１からのエミッションが減少してしまう。特に、大電流で高電流密度のイオンビーム２を照射する場合は、ＧａＬＭＩＳ３１とビーム制限アパーチャ９３３の距離を短くしてビーム径を絞るため、エミッタ３５へのスパッタ粒子（Ｗ）の付着量が多くなり、エミッションの減少がより顕著となる。これは、ＧａＬＭＩＳ３１とビーム制限アパーチャ９３３の距離を短くすると、ビーム制限アパーチャ９３３へのイオンビーム２の照射領域が狭くなり照射電流密度が高くなるので、スパッタ粒子の単位面積当たりの発生数が多くなるため、エミッタ３５へのスパッタ粒子の付着量が増加するとともに、ＧａＬＭＩＳ３１の見込み角（ＧａＬＭＩＳ３１に付着可能なスパッタ粒子が作る立体角であり、面積／距離２で表される）が大きくなるため、エミッタ３５へのスパッタ粒子の付着量が増加することによる。このように、エミッションの減少速度が大きくなる場合に、エミッションの減少に応じて引出電圧を変えることによってエミッションを一定に制御しようとすると、光軸とフォーカスが変わってしまい、引出電圧を制御せず、エミッションの減少を放置すると、イオンビーム２のビーム電流が減少し、照射対象の加工ができなくなる。
　また、エミッタ３５へのスパッタ粒子（Ｗ）の付着によるエミッションの減少は、適宜、フラッシングすることにより元のエミッションに戻すことができるが、Ｗのスパッタ粒子が生成される状態は、ビーム制限アパーチャ９３３の母材がスパッタリングされている状態であり、イオンビーム２の通過する開口が拡がり、ビーム制限アパーチャ９３３の寿命が短くなってしまう。
　また、ビーム制限アパーチャ９３３の凹部に載せる液体金属４４（Ｇａ）の量を増やして母材であるＷの露出を抑制することも考えられるが、単純にＧａの量を増加させると、イオンビームが通過する開口がＧａによって塞がってしまう恐れがある。また、Ｇａによって開口が塞がりにくいように開口を大きく広くすることも考えられるが、この場合はイオンビームのビーム径を絞る効果が低下し、ビーム制限アパーチャの目的に反する。
　これに対し、本実施の形態においては、タングステン（Ｗ）により形成されたベース４６に液体金属ガリウム（Ｇａ）を載せて形成され、ＧａＬＭＩＳ３１から引き出されたイオンビーム２の通過を許容する開口を有し、イオンビーム２の径を制限するビーム制限アパーチャ３３のベース４６に、その開口を含むように凹部を設け、さらに、凹部の内側に開口４１の周囲を囲むように設けられた溝部４５とを設けて、液体金属Ｇａを開口の周囲に集める構造とした。したがって、ビーム制限アパーチャ３３の開口の周辺に液体金属Ｇａが集まり、開口部付近の液体金属Ｇａが厚くなるので、イオンビーム２の照射によるスパッタリングによって液体金属Ｇａ４４の量が減少し、母材であるタングステンＷが露出してスパッタリングされ始めるまでの時間を延ばすことができるので、ビーム制限アパーチャ３３の寿命を延ばすことができる。また、溝部４５を設けることにより、ビーム制限アパーチャ３３に載せることが可能な液体金属Ｇａ４４の量が増えるので、さらに、ビーム制限アパーチャ３３の寿命を延ばすことができる。さらに、ビーム制限アパーチャ３３の開口４１から凹部の外周までの距離を、液体金属Ｇａ４４の毛管長（ｋ－１）よりも短く構成したので、液体金属Ｇａ４４が減少しても、開口４１における表面張力で流動的に開口４１の周囲に集まり、ビーム制限アパーチャ３３の寿命を延ばすことができる。
　また、ビーム制限アパーチャ３３に液体金属としてガリウム（Ｇａ）を載せたので、液体金属Ｇａ４４の量が十分である場合、イオンビーム２によるスパッタ粒子はＧａ粒子であり、スパッタ粒子がＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５に付着してもエミッタ３５のＧａの物性を変化させないため、ＧａＬＭＩＳ３１からのエミッションの安定性悪化を抑制することができ、液体金属イオン銃におけるエミッションを長時間安定に維持することができる。例えば、液体金属イオン銃の到達真空度を１０－７Ｐａとして動作させると、エミッタ３５と引出電極３２の間に印加する引出電圧７ｋＶ、エミッション電流２．４μＡの状態で、フラッシングやエミッション制御、ビームフォーカス調整などのメンテナンスを行うことなく連続して１２０時間、エミッションを安定に維持することができた。
　さらに、ビーム制限アパーチャ３３のベース６４の母材をタングステン（Ｗ）で形成したので、液体金属Ｇａ４４が減少し、ベース４６が露出してイオンビーム２によりスパッタリングされた場合に、エミッタ３５にスパッタ粒子（Ｗ）が付着してエミッションが減少しても、適宜ＧａＬＭＩＳ３１をフラッシングすることにより元のエミッションに戻すことができる。したがって、液体金属イオン銃におけるエミッションの安定性を容易に回復することができる。
　また、ＧａＬＭＩＳ３１の汚染としては、エミッションにより生成されるＧａの酸化物が考えられ、そのＧａの酸化物量が増加するに従ってエミッションが減少するが、約７００度で約３０秒間のフラッシング（加熱）を行うことにより、再現性が良くエミッション状態(エミッション電流と必要な引出電圧と安定性)を回復させることができる。
　さらにまた、ビーム制限アパーチャ３３のベース６４の母材をタングステン（Ｗ）で形成したので、例えば、ベース６４の母材をスズ（Ｓｎ）などで形成する場合と比較して、イオンビーム２によるスパッタリング速度が遅い。すなわち、Ｓｎの結晶粒径が約６～１０ｕｍであるのに対し、Ｗの結晶粒径は約１ｕｍと小さいので、Ｗはイオンビーム照射時に結晶粒の結晶方位の違いにより表面に形成される凹凸が形成されにくく、スパッタリング速度が小さい。したがって、ビーム制限アパーチャ３３の寿命を延ばすことができる。
　また、スパッタ粒子がスズ（Ｓｎ）の場合、そのスパッタ粒子（Ｓｎ）がＧａＬＭＩＳ３１に付着すると、液体金属Ｇａと化合物を作る。この化合物の融点は、液体金属Ｇａに対する重量パーセント濃度が約１０ｗｔ％以下では約３０℃以下であるため、液体金属Ｇａの中に溶け込み、その結果、液体金属Ｇａの表面張力、融点などの物理特性が変化し、エミッションが不安定になってしまう。これに対し、本実施においては、ビーム制限アパーチャ３３のベース６４の母材をタングステン（Ｗ）で形成したので、液体金属イオン銃におけるエミッションを長時間安定に維持することができる。
　なお、第１の実施の形態においては、ビーム制限アパーチャ３３の外周部と溝部４５の間に、溝部４５側から外周部に向かって高くなるようにテーパ構造を設けたが、図８に示す第１の実施の形態の変形例のように、凹部の底面に相当する部分と外周部とが略直角に交差する構成としても良い。
　＜第２の実施の形態＞
  本発明の第２の実施の形態を図９を参照しつつ説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における液体金属イオン銃のビーム制限アパーチャ３３に換えてビーム制限アパーチャ２３３を設けた構成としたものである。
　図９において、ビーム制限アパーチャ２３３は、ＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５を形成する部材（つまり、Ｗ）で形成された板状のベース２４６と、ベース２４６に載せられた液体金属２４４とを備えている。液体金属２４４はＧａＬＭＩＳ３１に用いられた液体金属（つまり、Ｇａ）である。また、ベース２４６のイオンビーム２が照射される位置には、イオンビーム２が通過する開口２４１が設けられている。ベース２４６には、開口２４１の周囲を囲むように溝部２４５が設けられている。液体金属２４４は、ビーム制限アパーチャ２３３の表面に液体金属Ｇａの塊を置いて、そのＧａの塊を溶かし、さらに、ビーム制限アパーチャ２３３を－２０℃の加冷却雰囲気にして固化することにより、ビーム制限アパーチャ２３３と一体的に移動可能とし、液体金属イオン銃への搭載を容易にした。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
　以上のように構成した本実施の形態においては、タングステン（Ｗ）により形成されたベース２４６に液体金属ガリウム（Ｇａ）を載せてビーム制限アパーチャ２３３を形成し、そのビーム制限アパーチャ２３３の開口２４１の周囲を囲むように溝部２４５を設けて、液体金属Ｇａ２４４を開口２４１の周囲に集める構造とした。したがって、ビーム制限アパーチャ３３の開口の周辺に液体金属Ｇａが集まり、開口部付近の液体金属Ｇａが厚くなるので、イオンビーム２の照射によるスパッタリングによって液体金属Ｇａ２４４の量が減少し、母材であるタングステンＷが露出してスパッタリングされ始めるまでの時間を延ばすことができるので、ビーム制限アパーチャ２３３の寿命を延ばすことができる。また、溝部２４５を設けることにより、ビーム制限アパーチャ２３３に載せることが可能な液体金属Ｇａ２４４の量が増えるので、さらに、ビーム制限アパーチャ２３３の寿命を延ばすことができる。
　また、ビーム制限アパーチャ２３３に液体金属としてガリウム（Ｇａ）を載せたので、液体金属Ｇａ２４４の量が十分である場合、イオンビーム２によるスパッタ粒子はＧａ粒子であり、スパッタ粒子がＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５に付着してもエミッタ３５のＧａの物性を変化させないため、ＧａＬＭＩＳ３１からのエミッションの安定性悪化を抑制することができ、液体金属イオン銃におけるエミッションを長時間安定に維持することができる。
　さらに、ビーム制限アパーチャ２３３のベース２６４の母材をタングステン（Ｗ）で形成したので、液体金属Ｇａ２４４が減少し、ベース２４６が露出してイオンビーム２によりスパッタリングされた場合に、エミッタ３５にスパッタ粒子（Ｗ）が付着してエミッションが減少しても、適宜ＧａＬＭＩＳ３１をフラッシングすることにより元のエミッションに戻すことができる。したがって、液体金属イオン銃におけるエミッションの安定性を容易に回復することができる。
　＜第３の実施の形態＞
  本発明の第３の実施の形態を図１０を参照しつつ説明する。本実施の形態は、第２の実施の形態における液体金属イオン銃のビーム制限アパーチャ２３３に溝部２４５の周囲を囲むように環状部材３４７を設けたものである。
　図１０において、ビーム制限アパーチャ３３３は、ＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５を形成する部材（つまり、Ｗ）で形成された板状のベース３４６と、ベース３４６に載せられた液体金属３４４とを備えている。液体金属３４４はＧａＬＭＩＳ３１に用いられた液体金属（つまり、Ｇａ）である。また、ベース３４６のイオンビーム２が照射される位置には、イオンビーム２が通過する開口３４１が設けられている。ベース３４６には、開口３４１の周囲を囲むように溝部３４５が設けられている。さらに、溝部３４５を囲むように、かつ、イオンビーム２の照射される領域にかからないように環状部材３４７が設けられており、開口３４１を含む凹部を形成している。環状部材３４７は、例えばタングステン、或いは、タングステン燒結体で形成されている。
　以上のように構成した本実施の形態においても、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
　＜第４の実施の形態＞
  本発明の第４の実施の形態を図１１を参照しつつ説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における液体金属イオン銃のビーム制限アパーチャ３３に換えてビーム制限アパーチャ４３３を設けた構成としたものである。
　図１１において、ビーム制限アパーチャ４３３は、ＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５を形成する部材（つまり、Ｗ）で形成された板状のベース４４６と、ベース４４６に載せられた液体金属４４４とを備えている。液体金属４４４はＧａＬＭＩＳ３１に用いられた液体金属（つまり、Ｇａ）である。また、ベース４４６のイオンビーム２が照射される位置には、イオンビーム２が通過する開口４４１が設けられている。ベース４４６には、開口４４１の周囲を囲むように溝部４４５が設けられている。さらに、溝部４４５を囲むように、かつ、イオンビーム２の照射される領域にかからないように環状部材４４７が設けられており、開口４４１を含む凹部を形成している。また、ベース４４６における凹部の外周部、すなわち、ベース４４６と環状部材４４７の境界部分に凹部を囲むように溝部４４９が形成されている。環状部材４４７は、１００℃以下で液体金属Ｇａ４４４と反応しない物質、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、或いは、モリブデン（Ｍｏ）等で形成されている。ここで、タングステン（Ｗ）とガリウム（Ｇａ）の濡れ性について説明すると、ＷとＧａは濡れ性が良いが、Ｗが酸化していると濡れにくい。酸化のない清浄なＷ表面を得るため、Ｗで形成したベース４４６を次亜塩素酸Ｎａ溶液に１時間浸漬する。あるいは、ＮａＯＨなどの電解液を使った電界研磨で表面の汚れを落としてから純水で超音波洗浄を行うことにより、酸化のない清浄なＷ表面が得られる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
　以上のように構成した本実施の形態においても、第２の実施の形体と同様の効果を得ることができる。
　＜第５の実施の形態＞
  本発明の第５の実施の形態を図１２を参照しつつ説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における液体金属イオン銃のビーム制限アパーチャ３３に換えてビーム制限アパーチャ５３３を設けた構成としたものである。
　図１２において、ビーム制限アパーチャ５３３は、ＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５を形成する部材（つまり、Ｗ）で形成された板状のベース５４６と、ベース５４６に載せられた液体金属５４４とを備えている。液体金属５４４はＧａＬＭＩＳ３１に用いられた液体金属（つまり、Ｇａ）である。また、ベース５４６のイオンビーム２が照射される位置には、イオンビーム２が通過する開口５４１が設けられている。さらに、開口５４１を囲むように、かつ、イオンビーム２の照射される領域にかからないように環状部材５４７が設けられており、開口５４１を含む凹部を形成している。環状部材５４７は、液体金属Ｇａと濡れ性の悪い部材、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などで構成されている。また、この凹部の半径、すなわち開口５４１から凹部の外周までの距離は液体金属Ｇａ５４４の毛管長よりも短くなるよう形成されている。さらに、ベース５４６に用いたＷと液体金属Ｇａ５４４の濡れ性を完全濡れ性にするために、真空中でベース５４６を１０００℃以上に加熱、酸化や汚れを完全に除去した後、Ｇａを載せて溶融させた。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
　以上のように構成した本実施の形態における効果を図面を参照しつつ説明する。
　図１３は、本実施の形態に対する比較例のビーム制限アパーチャ６３３を示す図である。図１３に示す比較例では、Ｗで形成されたベース６４６と、ベース６４６に載せられた液体金属Ｇａ６４４とを備えている。また、ベース６４６には、イオンビーム２が通過する開口６４１が設けられている。このように構成した比較例のビーム制限アパーチャ６３３においては、載せられた液体金属Ｇａ６４４がベース６４６上に広がってしまい、イオンビーム２が照射される範囲において十分な厚みを得ることが困難であった。
　これに対し、本実施の形態においては、タングステン（Ｗ）により形成されたベース５４６と、このベース５４６に設けた開口５４１を囲むように設けられ、開口５４１を含む凹部を形成する環状部材５４７とを備え、環状部材５４１を液体金属Ｇａ５４４に対する濡れ性の悪い部材により形成したので、ビーム制限アパーチャ５３３の凹部に載せた液体金属Ｇａ５４４によって環状部材５４１が濡れないために弾かれ、液体金属Ｇａ５４４が開口５４１の周囲に集まる状態となる。したがって、ビーム制限アパーチャ５３３の開口５４１の周辺に液体金属Ｇａ５４４が集まり、開口部付近の液体金属Ｇａが厚くなるので、イオンビーム２の照射によるスパッタリングによって液体金属Ｇａ５４４の量が減少し、母材であるタングステンＷが露出してスパッタリングされ始めるまでの時間を延ばすことができるので、ビーム制限アパーチャ５３３の寿命を延ばすことができる。
　また、ビーム制限アパーチャ５３３の開口５４１から凹部の外周（つまり、環状部材５４１）までの距離を、液体金属Ｇａ５４４の毛管長（ｋ－１）よりも短く構成したので、液体金属Ｇａ５４４が減少しても、開口５４１における表面張力で流動的に開口５４１の周囲に集まり、ビーム制限アパーチャ５３３の寿命を延ばすことができる。
　さらに、ビーム制限アパーチャ５３３に液体金属としてガリウム（Ｇａ）を載せたので、液体金属Ｇａ５４４の量が十分である場合、イオンビーム２によるスパッタ粒子はＧａ粒子であり、スパッタ粒子がＧａＬＭＩＳ３１のエミッタ３５に付着してもエミッタ３５のＧａの物性を変化させないため、ＧａＬＭＩＳ３１からのエミッションの安定性悪化を抑制することができ、液体金属イオン銃におけるエミッションを長時間安定に維持することができる。
　また、ビーム制限アパーチャ５３３のベース５４６の母材をタングステン（Ｗ）で形成したので、液体金属Ｇａ５４４が減少し、ベース５４６が露出してイオンビーム２によりスパッタリングされた場合に、エミッタ３５にスパッタ粒子（Ｗ）が付着してエミッションが減少しても、適宜ＧａＬＭＩＳ３１をフラッシングすることにより元のエミッションに戻すことができる。したがって、液体金属イオン銃におけるエミッションの安定性を容易に回復することができる。
　さらにまた、ＧａＬＭＩＳ３１の汚染としては、エミッションにより生成されるＧａの酸化物が考えられ、そのＧａの酸化物量が増加するに従ってエミッションが減少するが、約７００度で約３０秒間のフラッシング（加熱）を行うことにより、再現性が良くエミッション状態(エミッション電流と必要な引出電圧と安定性)を回復させることができる。
　なお、以上に本発明の幾つかの実施の形態を説明したが、これら実施の形態は本発明の精神の範囲内で種々の変形および組み合わせが可能である。
　図１４は、本実施例のビーム制限アパーチャを示す断面図であり、本発明を適用した場合の一例を示すものである。
　図１４において、ビーム制限アパーチャの形状は、外径φ１０ｍｍ、厚さ１ｍｍであり、上面のφ６．８５ｍｍから底面φ５ｍｍまでは３３°のテーパをつけており、上面から凹部の底面までの深さはφ０．６ｍｍである。また、凹部の底面の中心にはφ０．４ｍｍの開口を設け、さらに、底面のφ０．６ｍｍからφ４ｍｍの範囲に、深さ０．２ｍｍの溝部を設けた。また、開口の裏面には高さ方向に０．２ｍｍの面取りをした。
　このように構成したビーム制限アパーチャの溝部に溜まる液体金属Ｇａの量は、約１５ｍｇであり、これは、ＧａＬＭＩＳからのエミッションを３．２ｕＡとして約１０００ｈイオン照射を受けたときにスパッタリングにより減少する液体金属Ｇａの量に相当する。すなわち、溝部を設けない場合のビーム制限アパーチャに比べて寿命を約１０００ｈ延ばすことができた。
　また、ビーム制限アパーチャ７３３に、６０ｍｇの液体金属Ｇａを載せた場合、その液体金属Ｇａの界面形状は、溝部を設けない場合に４５ｍｇの液体金属Ｇａを載せた時の界面形状に相当するので、イオンビーム２による液体金属Ｇａのスパッタリング状態を変えずに液体金属Ｇａの量を増やすことができる。
　さらに、ＧａＬＭＩＳ３１からのエミッションが２ｕＡのとき、ＧａＬＭＩＳ３１とビーム制限アパーチャ７３３の距離を５ｍｍとすると、そのビーム制限アパーチャ７３３上におけるイオンビーム２の照射領域はφ２．６ｍｍである。したがって、深さ０．２ｍｍの溝部を設けたφ４ｍｍの範囲内であり、液体金属Ｇａの量が減少した場合にも母材が露出しにくい範囲内であるので、溝部を設けない場合に比べてビーム制限アパーチャの寿命を延ばすことができる。
　また、ビーム制限アパーチャの開口から凹部の外周までの距離を、液体金属Ｇａの毛管長（ｋ－１≒３．５ｍｍ）よりも短く構成したので、液体金属Ｇａが減少しても、開口における表面張力で流動的に開口の周囲に集まり、ビーム制限アパーチャの寿命を延ばすことができる。
　さらにまた、ビーム制限アパーチャに液体金属としてガリウム（Ｇａ）を載せたので、液体金属Ｇａの量が十分である場合、イオンビームによるスパッタ粒子はＧａ粒子であり、スパッタ粒子がＧａＬＭＩＳのエミッタに付着してもエミッタのＧａの物性を変化させないため、ＧａＬＭＩＳからのエミッションの安定性悪化を抑制することができ、液体金属イオン銃におけるエミッションを長時間安定に維持することができる。
　また、ビーム制限アパーチャのベースの母材をタングステン（Ｗ）で形成したので、液体金属Ｇａが減少し、ベースが露出してイオンビームによりスパッタリングされた場合に、エミッタにスパッタ粒子（Ｗ）が付着してエミッションが減少しても、適宜ＧａＬＭＩＳをフラッシングすることにより元のエミッションに戻すことができる。したがって、液体金属イオン銃におけるエミッションの安定性を容易に回復することができる。
１　真空容器
２　イオンビーム
３　液体金属イオン銃
１０　真空排気装置
１１　ゲートバルブ
１２　イオンポンプ
２０　高電圧電源部
２１　アース電極
２２，２５　高電圧ケーブル
２３，２６　高電圧接続部
２４　加速電源
２７　引出電源
２９　加熱電源
３１　液体金属イオン源
３２　引出電極
３３　ビーム制限アパーチャ
３４　アース電極
３５　エミッタ
３６　リザーバ
３７　フィラメント
３８　通電端子
３９　碍子ベース
４０，４１　開口
４２　スパッタ粒子

Claims (17)

  1. 　第１金属材よりなる液体金属イオン材と、
    　第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されたエミッタとを有する液体金属イオン源と、
    　前記第２金属材により形成されたベースに前記第１金属材よりなる液体金属材を載せて形成され、前記液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの通過を許容する開口を有し、該イオンビームの径を制限するビーム制限アパーチャとを備えた液体金属イオン銃であって、
    　前記ビーム制限アパーチャは、前記液体金属材を前記開口の周囲に集める構造を備えたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  2. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記ベースは、前記開口の周囲を囲むように設けられた溝構造を備えたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  3. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記ベースは、前記開口を含むように設けられた凹部と、
    　前記凹部の内側に前記開口の周囲を囲むように設けられた溝構造とを備えたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  4. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記ベースは、前記開口の周囲を囲むように設けられた溝構造を有し、
    　前記溝構造を囲むように配置され、前記開口を含むように設けられた凹部を形成する環状部材を備えたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  5. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記ベースは、前記開口を含むように設けられた凹部を有し、
    　前記凹部の内側の側面は、前記第１金属材よりなる液体金属材に対する濡れ性が少なくとも前記第２金属材に対する濡れ性よりも悪い金属材により形成されたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  6. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記開口を囲むように配置され、前記開口を含むように設けられた凹部を形成する環状部材を備え、
    　前記環状部材は、前記第１金属材よりなる液体金属材に対する濡れ性が少なくとも第２金属材に対する濡れ性よりも悪い金属材により形成されたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  7. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記ベースは、前記開口を含むように設けられた凹部を有し、
    　前記開口から前記凹部の外周までの距離は前記第１金属よりなる液体金属材の毛管長よりも短いことを特徴とする液体金属イオン銃。
  8. 　請求項１記載の液体金属イオン銃において、
    　前記開口を含むように配置され、前記開口を含むように設けられた凹部を形成する環状部材を備え、
    　前記開口から前記凹部の外周までの距離は前記第１金属よりなる液体金属材の毛管長よりも短いことを特徴とする液体金属イオン銃。
  9. 　請求項３～６の何れか１項記載の液体金属イオン銃において、
    　前記開口から前記凹部の外周までの距離は前記第１金属よりなる液体金属材の毛管長よりも短いことを特徴とする液体金属イオン銃。
  10. 　請求項５又は６記載の液体金属イオン銃において、
    　前記凹部の内側に前記開口の周囲を囲むように設けられた溝構造を備えたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  11. 　請求項５又は６記載の液体金属イオン銃において、
    　前記凹部の内側に前記開口の周囲を囲むように設けられた溝構造を備え、
    　前記開口から前記凹部の外周までの距離は前記第１金属よりなる液体金属材の毛管長よりも短いことを特徴とする液体金属イオン銃。
  12. 　請求項１０記載の液体金属イオン銃において、
    　前記溝構造は、前記凹部の底面内径に架からないことを特徴とする液体金属イオン銃。
  13. 　請求項１０記載の液体金属イオン銃において、
    　前記凹部の外周から該凹部の深さに相当する距離に、前記溝構造の少なくとも一部が位置するように配置されたことを特徴とする液体金属イオン銃。
  14. 　請求項１～８の何れか１項記載の液体金属イオン銃において、
    　前記第１金属材はガリウムであり、前記第２金属材はタングステンであることを特徴とする液体金属イオン銃。
  15. 　請求項１４記載の液体金属イオン銃において、
    　前記ビーム制限アパーチャの表面を溶融ガリウムにより濡らした後にこれを固化することにより形成したものであることを特徴とする液体金属イオン銃。
  16. 　第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されたエミッタとを有する液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの径を制御するビーム制限アパーチャであって、
    　前記第２金属材により形成されたベースに前記第１金属材よりなる液体金属材を載せて形成され、
    　前記イオンビームの通過を許容する開口を有し、
    　前記液体金属材を前記開口の周囲に集める構造を備えたことを特徴とするビーム制限アパーチャ。
  17. 　真空容器と、
    　第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されたエミッタとを有する液体金属イオン源と、前記第２金属材により形成されたベースに前記第１金属材よりなる液体金属材を載せて形成され、前記液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの通過を許容する開口を有し、該イオンビームの径を制限するビーム制限アパーチャとを備えた液体金属イオン銃であって、前記ビーム制限アパーチャは、前記液体金属材を前記開口の周囲に集める構造を備えた液体金属イオン銃と、
    　前記開口を通過したイオンビームを加速する加速電極と
    を備えたことを特徴とするイオンビーム装置。
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