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JPS6340013B2 - - Google Patents
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JPS6340013B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6340013B2
JPS6340013B2 JP57051626A JP5162682A JPS6340013B2 JP S6340013 B2 JPS6340013 B2 JP S6340013B2 JP 57051626 A JP57051626 A JP 57051626A JP 5162682 A JP5162682 A JP 5162682A JP S6340013 B2 JPS6340013 B2 JP S6340013B2
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JP
Japan
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ion beam
signal
liquid metal
electric field
tip
Prior art date
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Expired
Application number
JP57051626A
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Japanese (ja)
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JPS58169761A (en
Inventor
Ryuzo Aihara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Ltd
Original Assignee
Nihon Denshi KK
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Filing date
Publication date
Application filed by Nihon Denshi KK filed Critical Nihon Denshi KK
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08Ion sources; Ion guns
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体金属を電界蒸発させてイオン化
し、イオンビームとして取り出す装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for ionizing liquid metal by electric field evaporation and extracting it as an ion beam.

ガリウム等の金属イオンによるイオンビーム露
光においては、レジスト内でのイオンの拡散が電
子ビームによる露光に比較して小さいことから、
サブミクロン以下のパターン製作用の露光手段と
して注目されており、その為各方面において金属
イオン源の研究が進められている。第1図は液体
金属イオン源の一例を示しており、1は底部に細
孔2が設けられたタンタル,タングステン等の金
属で形成されたリザーバであり、該リザーバ内部
には液体金属、例えばガリウム3が入れられてい
る。該リザーバ底部の細孔2を貫通して配置され
たタングステン製の針状部材4の一端は該リザー
バ側面に例えばスポツト溶液によつて固着されて
おり、電界研磨によつて針状された他端はこの他
端の電位に対し負の電位に保たれた引き出し電極
5に対向して配置される。該リザーバ1にタング
ステン製のヒーター6がスポツト溶接されてお
り、該ヒーター6には加熱電源7から加熱電流が
供給される。更に該リザーバ1,針状部材4には
加速電源8から正の高電圧が印加されている。9
は支持棒である。
In ion beam exposure using metal ions such as gallium, the diffusion of ions within the resist is smaller than in exposure using an electron beam.
Metal ion sources are attracting attention as an exposure means for producing sub-micron patterns, and research into metal ion sources is being carried out in various fields. FIG. 1 shows an example of a liquid metal ion source, in which numeral 1 is a reservoir made of metal such as tantalum or tungsten with pores 2 provided at the bottom. 3 is included. One end of a tungsten needle member 4 disposed through the pore 2 at the bottom of the reservoir is fixed to the side surface of the reservoir using, for example, a spotting solution, and the other end is made into a needle shape by electropolishing. is arranged opposite to the extraction electrode 5 which is kept at a negative potential with respect to the potential at the other end. A tungsten heater 6 is spot-welded to the reservoir 1, and a heating current is supplied to the heater 6 from a heating power source 7. Further, a positive high voltage is applied to the reservoir 1 and the needle member 4 from an acceleration power source 8. 9
is the support rod.

上述したイオン源において針状部材4の先端部
には強電界が印加され、その結果リザーバ内部の
ガリウムは該強電界によつて底部の細孔2を通
り、針状部材4先端まで引出される。該先端部の
ガリウムは強電界によつてテーラーの円錐
(Taylor Cone)と称される円錐突起Tを形成す
る。この円錐突起Tの先端部には電界が集中し、
先端部のガリウムは電界蒸発し、ガリウムイオン
となつて引出される。尚針状部材4の先端と引き
出し電極5間に印加される電圧と取り出されるイ
オンビーム電流との関係は第2図において実線イ
で示す如きものである。
In the above-described ion source, a strong electric field is applied to the tip of the needle member 4, and as a result, the gallium inside the reservoir is drawn out through the pore 2 at the bottom to the tip of the needle member 4 by the strong electric field. . The gallium at the tip forms a conical protrusion T called a Taylor Cone by a strong electric field. The electric field is concentrated at the tip of this conical protrusion T,
The gallium at the tip is evaporated by the electric field and extracted as gallium ions. The relationship between the voltage applied between the tip of the needle member 4 and the extraction electrode 5 and the extracted ion beam current is as shown by the solid line A in FIG.

このようなイオン発生源よりのイオンをイオン
ビームとして取り出す従来の電界放出型イオンビ
ーム発生装置においては、イオンビームの発生を
停止させる際には針状部材4の先端と引き出し電
極5間に電圧を印加するための電源をオフにして
いた。その為、引出し電界が無くなるため針状部
材4の根元の方へ液体金属が移動(拡散)してし
まい、或る程度の時間がたつと、針状部材4の先
端にテーラーコーンを形成するのに充分な金属の
滞留がなくなつてしまう。そのため、再度イオン
ビームを発生させるため引き出し電圧を印加して
も、直ぐにイオンビームを発生させることができ
ず、数分乃至数10分の待ち時間を必要としたり、
直ぐに発生したとしても液体金属が充分先端に供
給されるまでビームが不安定であつた。
In a conventional field emission type ion beam generator that extracts ions from such an ion source as an ion beam, a voltage is applied between the tip of the needle member 4 and the extraction electrode 5 to stop generation of the ion beam. The power for applying was turned off. Therefore, since the extraction electric field disappears, the liquid metal moves (diffuses) toward the root of the needle-like member 4, and after a certain amount of time, a Taylor cone is formed at the tip of the needle-like member 4. There is no longer sufficient metal retention. Therefore, even if an extraction voltage is applied to generate an ion beam again, the ion beam cannot be generated immediately, and a waiting time of several to several tens of minutes may be required.
Even if it occurred immediately, the beam remained unstable until enough liquid metal was supplied to the tip.

本発明はこのような従来の問題を解決し、イオ
ンビームの発生を停止させて長い時間経過した後
においても、待ち時間無しに安定なイオンビーム
を発生させることのできる電界放出型イオンビー
ム発生装置を提供するもので、リザーバに貯えら
れた液体金属を針状先端と引出し電極との間に形
成される電界によつて針状先端へ引き出させ、該
引き出された液体金属を電界蒸発させてイオン化
し、イオンビームとして取り出すようにした装置
において、イオンビーム通路に配置されたイオン
ビーム検出手段と、該検出手段からの信号と基準
信号とを比較してその差に応じた信号を発生する
差動増幅器と、該差動増幅器の出力信号とバイア
ス信号とを加算する加算回路と、該加算回路の出
力信号に応じた電圧を該針状先端と引出し電極と
の間に印加するように構成すると共に、該差動増
幅器から加算回路への信号を零とする手段を設け
たことを特徴としており、以下第3図に基づき本
発明の一実施例を詳述するが、第1図と同一の構
成要素に対しては同一番号を付し説明を省略す
る。
The present invention solves these conventional problems and provides a field emission type ion beam generator that can generate a stable ion beam without waiting time even after a long period of time has passed since generation of the ion beam was stopped. The liquid metal stored in the reservoir is drawn out to the needle tip by an electric field formed between the needle tip and the extraction electrode, and the drawn liquid metal is ionized by electric field evaporation. In a device that extracts an ion beam as an ion beam, an ion beam detection means arranged in the ion beam path and a differential differential that compares the signal from the detection means with a reference signal and generates a signal according to the difference. an amplifier, an adder circuit for adding an output signal of the differential amplifier and a bias signal, and a voltage corresponding to the output signal of the adder circuit is configured to be applied between the needle tip and the extraction electrode; , is characterized by providing a means for zeroing the signal from the differential amplifier to the adder circuit.An embodiment of the present invention will be described below in detail based on FIG. 3, but the configuration is the same as that in FIG. Elements are given the same numbers and their explanations are omitted.

第3図において10は支持棒9を固定する例え
ば碍子からなる絶縁体、11は設置された加速電
極である。12は発生したイオンビームをモニタ
ーするためのアパーチヤ板であり、このアパーチ
ヤ板12によつて検出されたイオン電流信号は電
流電圧変換器13によつて電圧信号に変換され、
差動増幅器14の一方の入力端に供給される。こ
の差動増幅器14の他方の入力端には基準信号源
15よりの基準信号がスイツチ16を介して供給
されている。差動増幅器14の出力信号は加算回
路17の一方の入力端に供給されており、加算回
路17の他方の入力端にはバイアス信号源18に
より出力信号が供給されている。この加算回路1
7の出力信号はコレクタ端子が電源20に接続さ
れたゲートトランジスタ19のベースに接続され
ている。ゲートトランジスタ19のエミツタ出力
は高周波発振器21に供給されている。高周波発
振器21よりの出力は昇圧トランス22a、ブリ
ツジ整流器22b等より成る昇圧整流回路22に
供給されており、この回路22より高周波発振器
21の出力の振幅に応じた電圧が発生し、この電
圧は針状部材4と引き出し電極5の間に印加され
る。又前記バイアス信号源18の出力信号は、こ
の出力信号のみに基づいて昇圧整流回路22より
電圧が発生した際にこの電圧がテーラーコーンが
形成される臨界電圧よりやや低い第2図において
V0で示す電圧になるように設定されている。
In FIG. 3, 10 is an insulator made of, for example, an insulator for fixing the support rod 9, and 11 is an installed accelerating electrode. Reference numeral 12 denotes an aperture plate for monitoring the generated ion beam, and the ion current signal detected by this aperture plate 12 is converted into a voltage signal by a current-voltage converter 13.
It is supplied to one input terminal of the differential amplifier 14. A reference signal from a reference signal source 15 is supplied to the other input terminal of the differential amplifier 14 via a switch 16. The output signal of the differential amplifier 14 is supplied to one input terminal of an adder circuit 17, and the output signal is supplied by a bias signal source 18 to the other input terminal of the adder circuit 17. This addition circuit 1
The output signal 7 is connected to the base of a gate transistor 19 whose collector terminal is connected to the power supply 20. The emitter output of the gate transistor 19 is supplied to a high frequency oscillator 21. The output from the high-frequency oscillator 21 is supplied to a step-up rectifier circuit 22 consisting of a step-up transformer 22a, a bridge rectifier 22b, etc., and this circuit 22 generates a voltage corresponding to the amplitude of the output of the high-frequency oscillator 21. A voltage is applied between the shaped member 4 and the extraction electrode 5. Further, the output signal of the bias signal source 18 is such that when a voltage is generated from the boost rectifier circuit 22 based only on this output signal, this voltage is slightly lower than the critical voltage at which a Taylor cone is formed, as shown in FIG.
It is set to the voltage indicated by V 0 .

このような構成において、基準信号源15の出
力信号が例えば第2図において1で示すイオン
電流量に対応した値に設定されているものとする
と、スイツチ16をオンしてこの基準信号源を差
動増幅器14に供給すれば差動増幅器14の出力
信号とバイアス信号源18の出力信号とが加算回
路17において加算された信号がゲートトランジ
スタ19のベースに供給される。そのためトラン
ジスタ19のコレクタよりこのベース入力に基づ
いた出力が高周波発振器21に供給されてこの高
周波発振器21の発振振幅を定め、この振幅に対
応した例えば第2図においてV1で示すような引
出し電圧が針状部材4と引き出し電極5間にかけ
られ、針状部材4の先端よりイオンビームが発生
する。このイオンビームの電流量は、アパーチヤ
板12によつて検出された信号と基準信号源15
よりの基準信号とを一致させる負帰還ループが差
動増幅器14を用いて構成されているため、前述
した1に一致した値となる。そこで、イオンビ
ームの発生を停止させるためスイツチ16をオフ
にしたとすると、差動増幅器14の出力信号は0
となるが加算回路17にはバイアス信号源18の
出力信号が引き続き供給されているため、高周波
発振器21はこのバイアス信号源18よりの出力
に対応したエミツタ出力に応じた振幅の高周波出
力を発生する。従つて昇圧整流回路22よりテー
ラーコーンが形成される臨界電圧(この実施例の
場合には約5KV)よりもやや低い前記電圧V0
発生し、スイツチ16をオフした後も針状部材4
と引き出し電極5との間に印加される。そのため
スイツチ16をオフにしてイオンビームの発生を
停止させた後においても、常時液体金属3は針状
部材4の先端に引き付けられており、この先端部
に充分な量の液体金属が引き続いて停溜すること
になる。従つてスイツチ16を再びオンにしてイ
オンビームを発生させる時には直ちに安定したビ
ームを発生させることができる。
In such a configuration, if the output signal of the reference signal source 15 is set to a value corresponding to the amount of ion current shown as 1 in FIG. When the signal is supplied to the dynamic amplifier 14, the output signal of the differential amplifier 14 and the output signal of the bias signal source 18 are added together in the adder circuit 17, and a signal is supplied to the base of the gate transistor 19. Therefore, an output based on this base input is supplied from the collector of the transistor 19 to the high frequency oscillator 21 to determine the oscillation amplitude of the high frequency oscillator 21 . The ion beam is placed between the needle member 4 and the extraction electrode 5, and an ion beam is generated from the tip of the needle member 4. The amount of current of this ion beam is determined by the signal detected by the aperture plate 12 and the reference signal source 15.
Since the negative feedback loop that matches the reference signal with the reference signal is configured using the differential amplifier 14, the value matches the value 1 mentioned above. Therefore, if the switch 16 is turned off to stop the generation of the ion beam, the output signal of the differential amplifier 14 will be 0.
However, since the output signal of the bias signal source 18 is continuously supplied to the adder circuit 17, the high frequency oscillator 21 generates a high frequency output with an amplitude corresponding to the emitter output corresponding to the output from the bias signal source 18. . Therefore, the voltage V0 , which is slightly lower than the critical voltage at which a Taylor cone is formed (approximately 5 KV in this embodiment), is generated by the step-up rectifier circuit 22, and even after the switch 16 is turned off, the needle-shaped member 4
and the extraction electrode 5. Therefore, even after the switch 16 is turned off and generation of the ion beam is stopped, the liquid metal 3 is always attracted to the tip of the needle-like member 4, and a sufficient amount of liquid metal continues to stop at this tip. It will accumulate. Therefore, when the switch 16 is turned on again to generate an ion beam, a stable beam can be generated immediately.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は液体金属イオン源の一例を示すための
図、第2図はイオンビーム発生時に印加される引
き出し電圧とイオンビーム発生停止時に印加され
る電圧との関係を示すための図、第3図は本発明
の一実施例を示すための図である。 1:リザーバ、3:液体金属、4:針状部材、
5:引き出し電極、6:ヒーター、7:加熱電
源、8:加速電源、11:加速電極、12:アパ
ーチヤ板、14:差動増幅器、15:基準信号
源、16:スイツチ、17:加算回路、18:バ
イアス信号源、19:ゲートトランジスタ、2
1:高周波発振器、22:昇圧整流回路。
Figure 1 is a diagram showing an example of a liquid metal ion source, Figure 2 is a diagram showing the relationship between the extraction voltage applied during ion beam generation and the voltage applied when ion beam generation is stopped, and Figure 3. The figure is a diagram for showing one embodiment of the present invention. 1: Reservoir, 3: Liquid metal, 4: Needle member,
5: extraction electrode, 6: heater, 7: heating power supply, 8: acceleration power supply, 11: acceleration electrode, 12: aperture plate, 14: differential amplifier, 15: reference signal source, 16: switch, 17: addition circuit, 18: bias signal source, 19: gate transistor, 2
1: High frequency oscillator, 22: Boost rectifier circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 リザーバに貯えられた液体金属を針状先端と
引出し電極との間に形成される電界によつて針状
先端へ引出させ、該引出された液体金属を電界蒸
発させてイオン化し、イオンビームとして取出す
ようにした装置において、イオンビーム通路に配
置されたイオンビーム検出手段と、該検出手段か
らの信号と基準信号とを比較してその差に応じた
信号を発生する差動増幅器と、該差動増幅器の出
力信号とバイアス信号とを加算する加算回路と、
該加算回路の出力信号に応じた電圧を該針状先端
と引出し電極との間に印加するように構成すると
共に、該差動増幅器から加算回路への信号を零と
する手段を設けたことを特徴とする電界放出型イ
オンビーム発生装置。
1. The liquid metal stored in the reservoir is drawn out to the needle tip by an electric field formed between the needle tip and the extraction electrode, and the drawn liquid metal is ionized by electric field evaporation to form an ion beam. In the apparatus for extracting the ion beam, the ion beam detection means arranged in the ion beam path, a differential amplifier that compares the signal from the detection means with a reference signal and generates a signal according to the difference, and an adding circuit that adds the output signal of the dynamic amplifier and the bias signal;
A voltage corresponding to the output signal of the adder circuit is applied between the needle tip and the extraction electrode, and a means is provided for zeroing the signal from the differential amplifier to the adder circuit. Features: Field emission type ion beam generator.
JP57051626A 1982-03-30 1982-03-30 Field emission type ion beam generator Granted JPS58169761A (en)

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JPS58169761A JPS58169761A (en) 1983-10-06
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