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JPH02812B2 - - Google Patents
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JPH02812B2 - - Google Patents

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JPH02812B2
JPH02812B2 JP60098068A JP9806885A JPH02812B2 JP H02812 B2 JPH02812 B2 JP H02812B2 JP 60098068 A JP60098068 A JP 60098068A JP 9806885 A JP9806885 A JP 9806885A JP H02812 B2 JPH02812 B2 JP H02812B2
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JP
Japan
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ion
ionized metal
emitter
heating element
ion source
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JP60098068A
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Yukio Honda
Tadanori Taguchi
Toshuki Aida
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • 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)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電界電離液体金属イオン源(electro
hydrodynamic ion source以下EHDイオン源と
略称する)に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a field ionization liquid metal ion source.
Hydrodynamic ion source (hereinafter abbreviated as EHD ion source).

〔発明の背景〕[Background of the invention]

EHDイオン源は、液体金属に覆われた針状の
金属エミツタ先端に強電界(数十kV)を印加し、
その電界がある臨界値になると、液体表面に加わ
る静電気力は表面張力による収縮力を上回り、テ
イラー(Taylor)コーンと呼ばれる円錐状を呈
するようになり、同時にこのコーンの先端では液
体金属の蒸発電界強度に達し、イオン放出が始ま
る。これがEHDイオン源の原理である。
The EHD ion source applies a strong electric field (several tens of kV) to the tip of a needle-shaped metal emitter covered in liquid metal.
When the electric field reaches a certain critical value, the electrostatic force applied to the liquid surface exceeds the contraction force due to surface tension, and it assumes a conical shape called a Taylor cone.At the same time, at the tip of this cone, the evaporation electric field of the liquid metal Strength is reached and ion release begins. This is the principle of the EHD ion source.

近時半導体の高集積化に伴ない、イオンビーム
による微細加工が注目されている。微細加工をす
る場合、イオンビームのスポツト径を小さくする
ことが必要であるが、これは必然的にイオンビー
ム電流の減少を伴なう。加工される試料面に照射
されるイオンビーム電流を支配するパラメータは
電流密度とイオンの横方向の運動エネルギー成分
であるので、イオン源としては電流放出面が小さ
く、かつ電流密度の高い高輝度のものが要求され
る。この要求に対して、フイールドエミツタ型
(電界電離型)のイオン源が考案されている。特
にEHDイオン源は106A/cm2・Sr以上の高い輝度
と10eV以下のエネルギー半値幅を持つので、微
小集束のイオンビームを得ることが可能である。
一方、液状のイオン化金属は針状チツプ表面に沿
つて先端に供給されるので、イオン源周囲でのイ
オン化金属の蒸発も無視できないものとなる。従
つてイオン化金属としては主としてGa、In、
Au、Bi、Pb、Li、B、Cs、Al等、低蒸気圧のも
のが用いられる。例えば、ピーデイ プレワツト
(PD Prewett)らジヤーナル・オブ・フイジツ
クス・デイー 13巻(1980)1747〜55頁(J.
Phys.D、13(1980)1747〜55)。
In recent years, as semiconductors have become more highly integrated, microfabrication using ion beams has been attracting attention. When performing microfabrication, it is necessary to reduce the spot diameter of the ion beam, but this necessarily involves a reduction in the ion beam current. The parameters governing the ion beam current irradiated onto the sample surface to be processed are the current density and the lateral kinetic energy component of the ions, so a high-intensity ion source with a small current emission surface and high current density is recommended as an ion source. things are required. In response to this requirement, a field emitter type (field ionization type) ion source has been devised. In particular, the EHD ion source has a high brightness of more than 10 6 A/cm 2 ·Sr and an energy half-width of less than 10 eV, making it possible to obtain a minutely focused ion beam.
On the other hand, since the liquid ionized metal is supplied along the surface of the needle tip to the tip, evaporation of the ionized metal around the ion source cannot be ignored. Therefore, the ionized metals are mainly Ga, In,
Low vapor pressure materials such as Au, Bi, Pb, Li, B, Cs, and Al are used. For example, PD Prewett et al. Journal of Physics Day 13 (1980) pp. 1747-55 (J.
Phys.D, 13 (1980) 1747-55).

従来の最も一般的なEHDイオン源は第1図a
のように、先端の曲率が1〜2μmの針状に尖つた
イオン放射体1がヘアピン形のエミツタ線2の先
に溶接され、両者の結合部分にイオン化金属3が
搭載されている構造のものであり、更に長寿命化
を図つたものとしては第1図bのように、針状に
尖つたイオン放射体1はヘアピン形のエミツタ線
2の先に溶接され、このエミツタ線に掛け渡され
て設けられた補助線4よりイオン放射体1とヘア
ピン形のエミツタ線2の結合部分に至る間にイオ
ン化金属3が搭載された構造のものである。
The most common conventional EHD ion source is shown in Figure 1a.
As shown in the figure, a needle-like ion emitter 1 with a curvature of 1 to 2 μm at the tip is welded to the tip of a hairpin-shaped emitter wire 2, and an ionized metal 3 is mounted at the joint between the two. In order to further extend the lifespan, as shown in FIG. The structure is such that an ionized metal 3 is mounted between an auxiliary wire 4 provided at the center and a connecting portion between the ion emitter 1 and the hairpin-shaped emitter wire 2.

このようなEHDイオン源に使用されるイオン
放射体1及びエミツタ線2の材料は搭載するイオ
ン化金属との濡れ性が良く、かつ反応を起さない
ものであることが必要である。そのため、例えば
イオン化金属がGa、In、Au及びアルカリ金属の
場合にはW線、Biの場合にはNi−Cr線が使用さ
れる。
The materials of the ion emitter 1 and emitter wire 2 used in such an EHD ion source must have good wettability with the ionized metal mounted and must not cause any reaction. Therefore, for example, when the ionized metal is Ga, In, Au, or an alkali metal, a W wire is used, and when the ionized metal is Bi, a Ni-Cr wire is used.

このような従来のEHDイオン源においてイオ
ン化金属は次のような方法で搭載している。即
ち、溶融したイオン化金属のプールにイオン放射
体1及びエミツタ線2の先端部を浸した後、引き
上げてイオン放射体1の周囲にイオン化金属を凝
固させるか、或はGa等の場合には注射器により
イオン放射体1の周囲にイオン化金属3を搭載す
る方法がある。EHDイオン源の動作状態では、
イオン放射体1の濡れを均一にするために、イオ
ン化金属の蒸発、エミツタ線との反応が問題にな
らない温度に加熱しながら用いる。この加熱温度
はGaの場合600〜700℃、Auの場合約1200℃が適
当とされている。
In such conventional EHD ion sources, ionized metals are loaded in the following manner. That is, the tips of the ion emitter 1 and the emitter wire 2 are immersed in a pool of molten ionized metal, and then pulled up to solidify the ionized metal around the ion emitter 1, or in the case of Ga, etc., a syringe is used. Accordingly, there is a method of mounting the ionized metal 3 around the ion emitter 1. In the operating condition of the EHD ion source,
In order to uniformly wet the ion emitter 1, the ion emitter 1 is used while being heated to a temperature at which evaporation of the ionized metal and reaction with the emitter beam do not become a problem. The appropriate heating temperature is 600 to 700°C for Ga and approximately 1200°C for Au.

前述のように、従来のEHDイオン源ではイオ
ン化金属の搭載は簡単であるが、イオン化金属の
搭載量を制御することが困難であり、イオン化金
属の搭載中にイオン放射体1の針状の先端を破損
しやすく、イオン化金属が剥出しであるので蒸発
量が多い等の欠点を有している。
As mentioned above, with the conventional EHD ion source, it is easy to load ionized metal, but it is difficult to control the amount of loaded ionized metal, and the needle-like tip of the ion emitter 1 is difficult to control while loading the ionized metal. It has drawbacks such as being easily damaged and having a large amount of evaporation because the ionized metal is exposed.

〔発明の目的〕 本発明は上述の如き欠点を補つた拡散補給型
EHDイオン源で、先端が針状に尖つたイオン放
射体と、イオン化金属を内蔵した多孔質発熱体と
からなる構造のイオン源である。
[Object of the invention] The present invention is a diffusion replenishment type that compensates for the above-mentioned drawbacks.
This is an EHD ion source with a structure consisting of an ion emitter with a needle-like tip and a porous heating element containing ionized metal.

〔発明の概要、実施例〕[Summary of the invention, Examples]

即ち、第2図に示すように、イオン化金属は多
孔質発熱体2′に内蔵され、これに先端が針状に
尖つたイオン放射体1が取りつけられている。な
お同図aは多孔質発熱体2′がヘアピン形で同図
bはコイル状の場合を示している。多孔質発熱体
2′の材料はイオン化金属と反応しにくい高抵抗
材料であればよく、W、Mo、Re、Ta、Niある
いはこれらの合金のいずれかが適用される。多孔
質発熱体2′の製造をWを材料とする場合につい
て述べれば、直径5〜20μm、長さ10〜20cmのW
フアイバを撚り合わせた束を作り、H2中で1000
℃、1h熱処理して表面の酸化被膜や炭素被膜を
除去するとともに仮焼結を行なう。次に真空中も
しくはH2中で1600〜1900℃で1〜2h熱処理し、
Wフアイバの本焼結を行なう。以上の処理によつ
て、空孔率20〜40%のWの多孔質体が得られる。
この多孔質体の直径は用いたWフアイバの本数、
本焼結の熱処理条件により任意に制御することが
できる。また必要に応じて、本焼結後の多孔質体
を線引きして空孔率を容易に調整することができ
る。即ち線引きの加工度に応じて空孔率は変えら
れる。なお他の金属でも上記に準じて多孔質体を
製造することができる。
That is, as shown in FIG. 2, the ionized metal is contained in a porous heating element 2', to which an ion emitter 1 having a needle-like tip is attached. Note that FIG. 1A shows the porous heating element 2' having a hairpin shape, and FIG. The material of the porous heating element 2' may be any high-resistance material that does not easily react with ionized metals, and any one of W, Mo, Re, Ta, Ni, or an alloy thereof may be used. Regarding the case where the porous heating element 2' is manufactured using W as a material, W with a diameter of 5 to 20 μm and a length of 10 to 20 cm is used.
Make a bundle of twisted fibers and heat 1000 in H2
℃ for 1 hour to remove the oxide film and carbon film on the surface, and perform preliminary sintering. Next, heat treatment is performed at 1600-1900℃ for 1-2 hours in vacuum or H2 ,
Perform main sintering of the W fiber. By the above treatment, a porous body of W having a porosity of 20 to 40% is obtained.
The diameter of this porous body is the number of W fibers used,
It can be arbitrarily controlled by the heat treatment conditions for main sintering. Further, if necessary, the porosity can be easily adjusted by drawing the porous body after main sintering. That is, the porosity can be changed depending on the degree of wire drawing. Note that porous bodies can be manufactured using other metals in the same manner as described above.

次に例えば直径0.15mmの多孔質体からなる線を
作り、この多孔質体からなる線を適当な長さに切
断し、第2図aのヘアピン形多孔質発熱体2′ま
たは同図bのコイル状多孔質発熱体2′を作り、
これをイオン化金属の融液中に浸すか、もしくは
多孔質発熱体2′の周囲にイオン化金属の線また
は粉末を付けて、真空中あるいはH2中で熱処理
して多孔質発熱体2′の空孔内にイオン化金属を
浸み込ませることにより、イオン化金属を内蔵し
た多孔質発熱体2′ができ上る。次にこの多孔質
発熱体2′の先にイオン放射体用の線材、例えば
W線を溶接し、先端をカセイソーダ水溶液等のエ
ツチング液でエツチングして曲率半径1〜2μmの
針状のイオン放射体1を作る。
Next, for example, a wire made of a porous material with a diameter of 0.15 mm is made, and the wire made of this porous material is cut to an appropriate length, and the hairpin-shaped porous heating element 2' shown in FIG. Make a coiled porous heating element 2',
This is immersed in a melt of ionized metal, or a wire or powder of ionized metal is attached around the porous heating element 2', and the porous heating element 2' is heat-treated in vacuum or in H2 . By infiltrating the ionized metal into the pores, a porous heating element 2' containing the ionized metal is completed. Next, a wire for an ion emitter, for example, a W wire, is welded to the tip of this porous heating element 2', and the tip is etched with an etching solution such as a caustic soda aqueous solution to form a needle-shaped ion emitter with a radius of curvature of 1 to 2 μm. Make 1.

本発明の拡散補給形EHDイオン源は上記のよ
うにして構成され、多孔質発熱体2′を通電加熱
することにより空孔内に内蔵しているイオン化金
属をイオン放射体1の針状チツプの先端に拡散補
給することができる。
The diffusion replenishment type EHD ion source of the present invention is constructed as described above, and by heating the porous heating element 2' with electricity, the ionized metal contained in the pores is transferred to the acicular tip of the ion emitter 1. Diffusion replenishment can be performed at the tip.

本発明の拡散補給形EHDイオン源を一層長寿
命化をはかつた例は第2図cに示すように、多孔
質発熱体2′に、イオン化金属の融液6を入れた
融液溜5を接続して用いるが、動作中イオン化金
属は融液溜5から多孔質発熱体2′を介してイオ
ン放射体1に拡散補給され、必要に応じて融液溜
5にイオン化金属を補充することにより、一層長
寿命化を達成することができる。
An example of a diffusion replenishment type EHD ion source of the present invention with a further extended life is shown in FIG. 2c, as shown in FIG. During operation, ionized metal is diffused and supplied from the melt reservoir 5 to the ion emitter 1 via the porous heating element 2', and the melt reservoir 5 can be replenished with ionized metal as necessary. This makes it possible to achieve even longer life.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の如く本発明によれば、多孔質発熱体の空
孔率により、これに内蔵されるイオン化金属の
量、即ち搭載量が変るので、搭載量の制御が可能
となり、また従来のようにイオン化金属が露出し
た状態で搭載されていないので、イオン源周囲へ
の蒸発量を減少することができ、更にイオン化金
属の融液溜を並用することにより、一層長寿命の
EHDイオン源を提供することができる。
As described above, according to the present invention, the amount of ionized metal contained in the porous heating element, that is, the loading amount changes depending on the porosity of the porous heating element. Since the metal is not mounted in an exposed state, the amount of evaporation around the ion source can be reduced, and by using a melt reservoir for ionized metal, the service life can be extended.
EHD ion source can be provided.

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

第1図は従来の電界電離液体金属イオン源の構
造を示す正面図で、aはヘアピン形の通常のも
の、bは補助線を用いてイオン化金属の搭載量を
多くした場合を示す。第2図は本発明の拡散補給
形電界電離液体金属イオン源の構造例を示し、a
はヘアピン形の正面図、bはコイル状の正面図、
cはaに融液溜を付した場合の一部縦断正面図で
ある。 1:イオン放射体、2′:多孔質発熱体、5:
融液溜、6:イオン化金属の融液。
FIG. 1 is a front view showing the structure of a conventional field ionization liquid metal ion source, in which a shows a normal hairpin-shaped source and b shows a case in which the amount of ionized metal loaded is increased using an auxiliary line. FIG. 2 shows an example of the structure of the diffusion-supplemented field ionization liquid metal ion source of the present invention, a
is a hairpin-shaped front view, b is a coil-shaped front view,
c is a partially longitudinal front view of the case where a melt reservoir is attached to a. 1: Ion emitter, 2': Porous heating element, 5:
Melt reservoir, 6: Melt of ionized metal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 先端が針状に尖つたイオン放射体とイオン化
金属を内蔵した多孔質発熱体とからなることを特
徴とする拡散補給形のEHDイオン源。 2 イオン放射体がW、Mo、Re、Ta、Niある
いはこれらの合金からなり、イオン化金属がGa、
In、Au、Bi、Pb、Li、B、Cs、Alあるいはこれ
らの合金からなり、多孔質発熱体がW、Mo、
Re、Ta、Niあるいはこれらの合金からなること
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の拡散補
給形のEHDイオン源。
[Claims] 1. A diffusion replenishment type EHD ion source characterized by comprising an ion emitter with a needle-like tip and a porous heating element containing ionized metal. 2 The ion emitter is made of W, Mo, Re, Ta, Ni or an alloy thereof, and the ionized metal is Ga,
The porous heating element is made of In, Au, Bi, Pb, Li, B, Cs, Al or an alloy thereof, and the porous heating element is made of W, Mo,
The diffusion replenishment type EHD ion source according to claim 1, characterized in that it is made of Re, Ta, Ni, or an alloy thereof.
JP60098068A 1985-05-10 1985-05-10 Diffusion replenishment type EHD ion source Granted JPS60236431A (en)

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JPS60236431A JPS60236431A (en) 1985-11-25
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04179303A (en) * 1990-11-13 1992-06-26 Dx Antenna Co Ltd Plane antenna

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JPS5812703B2 (en) * 1978-08-12 1983-03-09 大阪大学長 ion source device

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JPH04179303A (en) * 1990-11-13 1992-06-26 Dx Antenna Co Ltd Plane antenna

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