JP2014216187A - Ion source and focused ion beam device - Google Patents

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Tatsuya Suzuki
達也 鈴木
基揚 原
Motoaki Hara
基揚 原
裕之 大口
Hiroyuki Oguchi
裕之 大口
桑野博喜
Hiroki Kuwano
博喜 桑野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion source and a focused ion beam device, capable of favorably supplying an ion material to an emitter, disposing a plurality of emitters at high density, and achieving a reduced size.SOLUTION: Reservoirs 13 and emitters 14 are integrally formed by etching, and have surfaces subjected to hydrophilic treatment. Each reservoir 13 has a ceiling plane 13a and a side wall 13b surrounding the ceiling plane 13a. A plurality of the columnar emitters 14 are provided at intervals with one another so as to protrude downward from the ceiling plane 13a of the reservoirs 13. An ion material 1 comprising an ionic liquid is reserved at the inside of the side wall 13b of each reservoir 13 so that ions can be emitted downward from the tip of each emitter 14.

Description

本発明は、イオン材料をイオン化して放出するためのイオン源および集束イオンビーム装置に関する。   The present invention relates to an ion source and a focused ion beam apparatus for ionizing and discharging an ion material.

近年、マイクロマシニング技術が急速に発達しており、マイクロマシニング技術を用いて生産されるマイクロデバイスの性能が向上している。ここで、マイクロマシニング技術とは、少品種大量生産に適した、半導体微細加工技術に基づく生産技術の総称である。しかし、マイクロマシニング技術を用いて生産されるセンサなどのデバイスは、多品種少量生産が一般的であるため、柔軟性を有し多品種少量生産に対応した新たなマイクロマシニングツールの開発が望まれている。   In recent years, micromachining technology has been rapidly developed, and the performance of microdevices produced using the micromachining technology has been improved. Here, the micromachining technology is a general term for production technology based on semiconductor microfabrication technology suitable for mass production of small varieties. However, since devices such as sensors that are produced using micromachining technology are generally produced in a wide variety of products, it is desirable to develop a new micromachining tool that is flexible and compatible with the production of products in a variety of products. ing.

このようなマイクロマシニングツールに適用できるものとして、集束イオンビーム（ＦＩＢ；Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置が期待されている。従来の集束イオンビーム装置として、イオン材料として低融点金属のガリウムをエミッタにコーティングし、下方に向かってイオンを放出するイオン源（例えば、非特許文献１参照）や、エミッタにイオン液体を塗布し、水平方向にイオンを放出するイオン源（例えば、非特許文献２参照）や、イオン液体を貯留したリザーバと、リザーバの底面から突出して設けられた、多角錐状の複数のエミッタとを有し、各エミッタの先端からイオンを放出するイオン源（例えば、非特許文献３参照）を有するものがある。   A focused ion beam (FIB) apparatus is expected to be applicable to such a micromachining tool. As a conventional focused ion beam apparatus, a low melting point metal gallium is coated on an emitter as an ion material, and an ion source for emitting ions downward (for example, see Non-Patent Document 1) or an ionic liquid is applied to the emitter. An ion source that discharges ions in the horizontal direction (see, for example, Non-Patent Document 2), a reservoir that stores ionic liquid, and a plurality of polygonal pyramid emitters that protrude from the bottom surface of the reservoir Some have an ion source (see, for example, Non-Patent Document 3) that emits ions from the tip of each emitter.

日本電子株式会社、「走査電子顕微鏡基本用語集 液体金属イオン源」、[online]、[平成２５年４月１０日検索]、インターネット〈URL:http://www.jeol.co.jp/words/semterms/〉JEOL Ltd., “Scanning Electron Microscope Basic Glossary Liquid Metal Ion Source”, [online], [Search April 10, 2013], Internet <URL: http://www.jeol.co.jp/words / semterms /> Carla Perez-Martinez, Paulo Lozano, “IonicLiquid Ion Sources (ILIS) for Micro/Nano-Fabrication”, [online], SpacePropulsion Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, [平成２５年４月１０日検索], インターネット〈http://web.mit.edu/aeroastro/labs/spl/research_carla.htm〉Carla Perez-Martinez, Paulo Lozano, “IonicLiquid Ion Sources (ILIS) for Micro / Nano-Fabrication”, [online], SpacePropulsion Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, [Search April 10, 2013], Internet <http: //web.mit.edu/aeroastro/labs/spl/research_carla.htm> B. Gassend, L. F. Velasquez-Garcia, A. I.Akinwande, and M. Martinez-Sanchez, “A Microfabricated Planar ElectrosprayArray Ionic Liquid Ion Source With Integrated Extractor”, Journal ofMicroelectromechanical System, June 2009, Vol.18, No.3, p.679-694B. Gassend, LF Velasquez-Garcia, AIAkinwande, and M. Martinez-Sanchez, “A Microfabricated Planar ElectrosprayArray Ionic Liquid Ion Source With Integrated Extractor”, Journal of Microelectromechanical System, June 2009, Vol. 18, No. 3, p. 679-694

柔軟性を有し多品種少量生産に対応したマイクロマシニングツールを構成するためには、小型で並列化が可能なイオン源が望まれる。しかしながら、非特許文献１のイオン源では、イオン材料のガリウムを液化するためにヒータ機構が必要であり、イオン源全体を小型化するのが困難であるという課題があった。非特許文献２のイオン源では、エミッタが水平を向くため、イオン液体が滴下しやすく、イオン液体をエミッタに適切に供給するのが困難であるという課題があった。非特許文献３のイオン源では、各エミッタが多角錐状で、裾が広がっているため、エミッタ同士の間隔を狭めるのに限界があった。このため、その限界を超えて、複数のエミッタを高密度に配置するのが困難であり、小型化が難しいという課題があった。なお、非特許文献３のイオン源は、イオンスラスタエンジンに用いられ無重力空間で使用されるものであり、イオン液体を担持するために、エミッタの表面に小さいスパイク状の突起を有している。   In order to construct a micromachining tool that is flexible and compatible with high-mix low-volume production, an ion source that is small and can be parallelized is desired. However, the ion source of Non-Patent Document 1 requires a heater mechanism to liquefy gallium ion material, and there is a problem that it is difficult to downsize the entire ion source. In the ion source of Non-Patent Document 2, since the emitter is horizontally oriented, there is a problem that the ionic liquid is easily dropped and it is difficult to appropriately supply the ionic liquid to the emitter. In the ion source of Non-Patent Document 3, since each emitter has a polygonal pyramid shape and a base is widened, there is a limit in reducing the interval between the emitters. For this reason, exceeding the limit, it is difficult to arrange a plurality of emitters at high density, and there is a problem that miniaturization is difficult. The ion source of Non-Patent Document 3 is used in an ion thruster engine and used in a weightless space, and has a small spike-like protrusion on the surface of the emitter in order to carry an ionic liquid.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、エミッタにイオン材料を良好に供給可能で、複数のエミッタを高密度に配置することができ、小型化が可能なイオン源および集束イオンビーム装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such a problem, and is capable of satisfactorily supplying an ion material to the emitter, arranging a plurality of emitters at a high density, and reducing the size of the ion source and focusing. An object is to provide an ion beam apparatus.

上記目的を達成するために、本発明に係るイオン源は、イオン材料をイオン化して放出するためのイオン源であって、天井面とその天井面を囲う側壁とを有するリザーバと、前記リザーバの天井面から下方に向かって突出するよう設けられた柱状のエミッタとを有し、前記イオン材料はイオン液体から成り、前記リザーバおよび前記エミッタは表面が親水処理されており、前記リザーバの側壁の内側に前記イオン材料を貯留して、前記エミッタの先端から下方に向かってイオンを放出可能に構成されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, an ion source according to the present invention is an ion source for ionizing and releasing an ion material, a reservoir having a ceiling surface and a side wall surrounding the ceiling surface; A columnar emitter provided so as to protrude downward from the ceiling surface, the ionic material is made of an ionic liquid, and the reservoir and the emitter are subjected to hydrophilic treatment on the inner surface of the side wall of the reservoir. The ionic material is stored in the upper portion of the emitter, and ions can be emitted downward from the tip of the emitter.

本発明に係るイオン源では、エミッタが、下向きに開口したリザーバの天井面から下方に向かって突出するよう設けられているため、リザーバの側壁の内側に貯留したイオン材料を、エミッタの先端に供給しやすい。また、このとき、リザーバおよびエミッタの表面が親水処理されているため、エミッタの先端にイオン材料を良好に供給することができる。これにより、大きいイオン電流で効率良くイオンの放出を行うことができる。また、エミッタの表面にスパイク状の突起等を設ける必要がなく、容易に製造することができる。なお、イオン材料であるイオン液体の表面張力により、リザーバが下向きに開口していても、イオン液体がリザーバから滴下することはない。   In the ion source according to the present invention, since the emitter is provided so as to protrude downward from the ceiling surface of the reservoir opened downward, the ion material stored inside the side wall of the reservoir is supplied to the tip of the emitter. It's easy to do. At this time, since the surfaces of the reservoir and the emitter are subjected to a hydrophilic treatment, the ion material can be satisfactorily supplied to the tip of the emitter. Thereby, it is possible to efficiently release ions with a large ion current. Further, it is not necessary to provide spike-like protrusions on the surface of the emitter, and it can be easily manufactured. Note that, even if the reservoir opens downward due to the surface tension of the ionic liquid, which is an ionic material, the ionic liquid does not drop from the reservoir.

本発明に係るイオン源では、イオン材料がイオン液体から成るため、液化させるためのヒータ機構が不要であり、装置の小型化および簡素化を図ることができる。イオン材料としては、室温で液体状態の常温イオン液体から成ることが好ましく、例えば、イオンスラスタエンジンなどで使用されるＥＭＩ−ＢＦ４（１−エチル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボラート）から成っている。また、イオン液体は、エミッタの先端に適切に供給されるよう、エミッタの根元を浸した状態で、リザーバの側壁の内側に貯留されることが好ましい。エミッタは、リザーバの側壁の下端より先端が突出していてもよく、引っ込んでいてもよい。 In the ion source according to the present invention, since the ion material is made of an ionic liquid, a heater mechanism for liquefaction is unnecessary, and the apparatus can be reduced in size and simplified. The ionic material is preferably composed of a room temperature ionic liquid in a liquid state at room temperature, and is composed of, for example, EMI-BF 4 (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) used in an ion thruster engine or the like. ing. Further, the ionic liquid is preferably stored inside the side wall of the reservoir in a state where the base of the emitter is immersed so that the ionic liquid is appropriately supplied to the tip of the emitter. The tip of the emitter may protrude from the lower end of the side wall of the reservoir, or may be retracted.

本発明に係るイオン源は、エッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）や蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、改質（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、イメージ観測（ｉｍａｇｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ）、表面再構築（ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ）などのマイクロマシニング技術に使用される集束イオンビーム装置のイオン源として、好適に利用することができる。   The ion source according to the present invention is a focused ion beam used for micromachining techniques such as etching, deposition, modification, image observation, and surface reconstruction. It can be suitably used as an ion source of the apparatus.

本発明に係るイオン源で、前記エミッタは複数から成り、互いに間隔を開けて設けられていることが好ましい。この場合、複数のエミッタからイオンを放出することができる。各エミッタが柱状を成しているため、多角錐状で裾を引いている場合に比べて、エミッタ同士の間隔を狭めることができる。このため、複数のエミッタを高密度に配置することができ、小型化を図ることができる。また、各エミッタからのイオンの放出を個々に制御することにより、１つのリザーバで様々な並列化処理を可能にすることができる。これにより、多品種少量生産に対応したマイクロマシニングツールを構成することが可能になる。   In the ion source according to the present invention, it is preferable that the emitter includes a plurality of emitters that are spaced apart from each other. In this case, ions can be emitted from a plurality of emitters. Since each emitter has a columnar shape, the interval between the emitters can be narrowed as compared with the case where the skirt is drawn with a polygonal pyramid shape. For this reason, a plurality of emitters can be arranged with high density, and downsizing can be achieved. Also, by controlling the emission of ions from each emitter individually, various parallel processings can be made possible with one reservoir. As a result, it is possible to configure a micromachining tool that supports high-mix low-volume production.

本発明に係るイオン源で、前記エミッタは、柱状の胴体部と、前記胴体部の先端に、前記胴体部から徐々に径が小さくなるよう設けられた尖端部とを有することが好ましい。特に、前記エミッタはシリコン製で、前記胴体部の外径が６０μｍ以上であることが好ましい。さらに、胴体部の外径は１００μｍ以上であることがより好ましい。この場合、イオン材料のイオン液体を、より良好にエミッタの先端に供給することができ、より大きいイオン電流で効率良くイオンの放出を行うことができる。   In the ion source according to the present invention, it is preferable that the emitter has a columnar body part and a tip part provided at a tip of the body part so that the diameter gradually decreases from the body part. In particular, the emitter is preferably made of silicon, and the body portion has an outer diameter of 60 μm or more. Furthermore, the outer diameter of the body part is more preferably 100 μm or more. In this case, the ionic liquid of the ionic material can be supplied to the tip of the emitter more satisfactorily, and ions can be efficiently emitted with a larger ion current.

本発明に係るイオン源で、前記親水処理は、酸素プラズマ処理であることが好ましい。この場合にも、イオン材料のイオン液体を、より良好にエミッタの先端に供給することができる。   In the ion source according to the present invention, the hydrophilic treatment is preferably an oxygen plasma treatment. Also in this case, the ionic liquid of the ionic material can be supplied to the tip of the emitter better.

本発明に係るイオン源で、前記リザーバおよび前記エミッタは、エッチング加工により一体的に形成されていることが好ましい。この場合、リザーバおよびエミッタを容易に製造することができる。また、複数のエミッタを有するときには、各エミッタの間隔をより小さくして高集積化することができる。   In the ion source according to the present invention, it is preferable that the reservoir and the emitter are integrally formed by etching. In this case, the reservoir and the emitter can be easily manufactured. In addition, when a plurality of emitters are provided, the interval between the emitters can be made smaller and higher integration can be achieved.

本発明に係るイオン源は、前記エミッタの下方に、前記エミッタと対向するよう設けられた引出電極と、前記エミッタの先端からイオンが放出されるよう、前記エミッタと前記引出電極との間に電圧を印加する印加用電源とを、有することが好ましい。この場合、印加用電源で電圧を印加することにより、イオンを放出することができる。   The ion source according to the present invention includes an extraction electrode provided below the emitter so as to face the emitter, and a voltage between the emitter and the extraction electrode so that ions are emitted from a tip of the emitter. It is preferable to have an application power source for applying In this case, ions can be released by applying a voltage with an application power source.

本発明に係る集束イオンビーム装置は、本発明に係るイオン源と、前記イオン源から放出されたイオンを集束させる集束手段とを、有することを特徴とする。
本発明に係る集束イオンビーム装置は、小型で並列化処理が可能なイオン源を有しているため、多品種少量生産に対応したマイクロマシニングツールを構成することができる。 A focused ion beam apparatus according to the present invention includes the ion source according to the present invention and a focusing unit that focuses ions emitted from the ion source.
Since the focused ion beam apparatus according to the present invention has a small ion source that can be processed in parallel, a micromachining tool that can be used for high-mix low-volume production can be configured.

本発明によれば、エミッタにイオン材料を良好に供給可能で、複数のエミッタを高密度に配置することができ、小型化が可能なイオン源および集束イオンビーム装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an ion source and a focused ion beam apparatus that can satisfactorily supply an ion material to an emitter, can arrange a plurality of emitters at high density, and can be miniaturized.

本発明の実施の形態の集束イオンビーム装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the focused ion beam apparatus of embodiment of this invention. 図１に示す集束イオンビーム装置の、イオン源のリザーバおよびエミッタの製造方法を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the manufacturing method of the reservoir | reserver of an ion source, and an emitter of the focused ion beam apparatus shown in FIG. 図１に示す集束イオンビーム装置の、イオン源の（ａ）リザーバおよびエミッタを示す走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）エミッタを拡大した走査型電子顕微鏡写真である。2A is a scanning electron micrograph showing an ion source (a) reservoir and emitter of the focused ion beam apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 2B is an enlarged scanning electron micrograph showing an emitter. 本発明の実施の形態の集束イオンビーム装置のイオン源に関し、下向きのエミッタによるイオン放出の実験装置を示す側面図である。It is a side view which shows the experimental apparatus of the ion emission by a downward emitter regarding the ion source of the focused ion beam apparatus of embodiment of this invention. 図４に示す実験装置による測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the experimental apparatus shown in FIG. 図１に示す集束イオンビーム装置の、イオン源のリザーバおよびエミッタを用いたイオン放出実験による測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result by the ion emission experiment using the reservoir | reserver and emitter of an ion source of the focused ion beam apparatus shown in FIG.

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態のイオン源および集束イオンビーム装置を示している。
図１に示すように、集束イオンビーム装置１０は、イオン源１１と集束手段１２とを有している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 6 show an ion source and a focused ion beam apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the focused ion beam apparatus 10 includes an ion source 11 and a focusing means 12.

イオン源１１は、イオン材料１をイオン化して放出するためのイオン源１１であって、リザーバ１３とエミッタ１４と引出電極１５と印加用電源（図示せず）とを有している。   The ion source 11 is an ion source 11 for ionizing and releasing the ion material 1, and includes a reservoir 13, an emitter 14, an extraction electrode 15, and an application power source (not shown).

リザーバ１３は、天井面１３ａとその天井面１３ａを囲う側壁１３ｂとを有しており、側壁１３ｂの内側にイオン材料１を貯留可能になっている。なお、イオン材料１は、室温で液体状態の常温イオン液体から成っている。イオン液体は、例えば、ＥＭＩ−ＢＦ４（１−エチル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボラート）である。 The reservoir 13 has a ceiling surface 13a and a side wall 13b surrounding the ceiling surface 13a, and the ionic material 1 can be stored inside the side wall 13b. The ionic material 1 is made of a room temperature ionic liquid in a liquid state at room temperature. The ionic liquid is, for example, EMI-BF 4 (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate).

エミッタ１４は、柱状で複数から成り、互いに間隔を開けて、リザーバ１３の天井面１３ａから下方に向かって突出するよう設けられている。エミッタ１４は、先端が尖っており、柱状の胴体部１４ａと、その胴体部１４ａの先端に、胴体部１４ａから徐々に径が小さくなるよう設けられた尖端部１４ｂとを有している。   The emitter 14 is formed in a columnar shape, and is provided so as to protrude downward from the ceiling surface 13 a of the reservoir 13 with a space therebetween. The emitter 14 has a pointed tip, and has a columnar body 14a and a pointed end 14b provided at the tip of the body 14a so that the diameter gradually decreases from the body 14a.

リザーバ１３およびエミッタ１４は、エッチング加工により一体的に形成されている。リザーバ１３およびエミッタ１４は、図２に示すようにして製造される。まず、材料となるシリコン基板２１を洗浄し（図２（ａ）参照）、炉の中で表面を熱酸化させる（図２（ｂ）参照）。このとき、具体的な一例では、基板２１の表面に生成されるＳｉＯ２層２２の厚さは、約８００ｎｍである。ＳｉＯ２層２２は、少なくとも基板２１の表面に生成されればよく、基板２１の裏面や側面には生成されても、生成されなくてもよい。基板２１の表面のＳｉＯ２層２２にフォトリソグラフィ技術を適用して、複数の円形のパターンを残す（図２（ｃ）参照）。このとき、具体的な一例では、円形パターンの直径は１５０μｍである。 The reservoir 13 and the emitter 14 are integrally formed by etching. The reservoir 13 and the emitter 14 are manufactured as shown in FIG. First, the silicon substrate 21 as a material is cleaned (see FIG. 2A), and the surface is thermally oxidized in a furnace (see FIG. 2B). At this time, in a specific example, the thickness of the SiO 2 layer 22 generated on the surface of the substrate 21 is about 800 nm. The SiO 2 layer 22 may be generated at least on the surface of the substrate 21, and may or may not be generated on the back surface or side surface of the substrate 21. A photolithography technique is applied to the SiO 2 layer 22 on the surface of the substrate 21 to leave a plurality of circular patterns (see FIG. 2C). At this time, in a specific example, the diameter of the circular pattern is 150 μm.

次に、ＳＦ６プラズマを使用して、シリコン基板２１を等方的にエッチングを行い（図２（ｄ）参照）、さらにボッシュプロセス（Ｂｏｓｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ）に基づいた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して、垂直方向にエッチングを行う（図２（ｅ）参照）。再び、ＳＦ６プラズマで等方エッチングを行い、先端が尖った鋭いエミッタ１４を複数形成する（図２（ｆ）参照）。これにより、ＳｉＯ２層が全て取り除かれ、リザーバ１３と複数のエミッタ１４とが形成される。具体的な一例では、リザーバ１３の深さは１００μｍ、各エミッタ１４の高さは８０μｍである。 Next, the silicon substrate 21 is isotropically etched using SF 6 plasma (see FIG. 2D), and further, reactive ion etching (RIE) based on the Bosch process is used. Then, etching is performed in the vertical direction (see FIG. 2E). Again, isotropic etching is performed with SF 6 plasma to form a plurality of sharp emitters 14 with sharp tips (see FIG. 2 (f)). Thereby, the SiO 2 layer is completely removed, and the reservoir 13 and the plurality of emitters 14 are formed. In a specific example, the depth of the reservoir 13 is 100 μm, and the height of each emitter 14 is 80 μm.

リザーバ１３および各エミッタ１４が形成された基板２１を、酸素（Ｏ２）プラズマにさらして親水処理を行い（図２（ｇ）参照）、各エミッタ１４の根元を浸すよう、リザーバ１３にイオン材料１のイオン液体を入れる（図２（ｈ）参照）。このとき、メニスカス力により、各エミッタ１４がイオン液体で覆われる。こうして形成されたリザーバ１３および各エミッタ１４の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、図３に示す。図３に示す具体的な一例では、各エミッタ１４の間隔は１ｍｍ、各エミッタ１４の胴体部１４ａの外径は６０μｍである。 The substrate 21 on which the reservoir 13 and each emitter 14 are formed is exposed to oxygen (O 2 ) plasma to perform a hydrophilic treatment (see FIG. 2G), and an ion material is placed in the reservoir 13 so that the root of each emitter 14 is immersed. 1 (see FIG. 2 (h)). At this time, each emitter 14 is covered with the ionic liquid by the meniscus force. A scanning electron microscope (SEM) photograph of the reservoir 13 and each emitter 14 formed in this way is shown in FIG. In a specific example shown in FIG. 3, the interval between the emitters 14 is 1 mm, and the outer diameter of the body portion 14a of each emitter 14 is 60 μm.

図１に示すように、引出電極１５は、各エミッタ１４の下方に、各エミッタ１４と対向するよう設けられている。引出電極１５は、各エミッタ１４から放出されたイオン２が通過可能に、各エミッタ１４の直下に貫通孔１５ａを有している。   As shown in FIG. 1, the extraction electrode 15 is provided below each emitter 14 so as to face each emitter 14. The extraction electrode 15 has a through hole 15a immediately below each emitter 14 so that the ions 2 emitted from each emitter 14 can pass therethrough.

集束手段１２は、集束レンズから成り、引出電極１５の貫通孔１５ａを通過したイオン２を収束させるよう、貫通孔１５ａを挟むようにして引出電極１５の下方に複数設けられている。印加用電源は、エミッタ１４の尖端部１４ｂの先端から下方に向かってイオン２が放出されるよう、各エミッタ１４と引出電極１５との間に電圧を印加可能に構成されている。   The focusing means 12 is composed of a focusing lens, and a plurality of the focusing means 12 are provided below the extraction electrode 15 so as to sandwich the through hole 15a so as to converge the ions 2 that have passed through the through hole 15a of the extraction electrode 15. The power supply for application is configured such that a voltage can be applied between each emitter 14 and the extraction electrode 15 so that ions 2 are emitted downward from the tip of the tip portion 14b of the emitter 14.

次に、作用について説明する。
集束イオンビーム装置１０では、イオン源１１の各エミッタ１４が、下向きに開口したリザーバ１３の天井面１３ａから下方に向かって突出するよう設けられているため、リザーバ１３の側壁１３ｂの内側に貯留したイオン材料１のイオン液体を、各エミッタ１４の先端に供給しやすい。また、このとき、リザーバ１３および各エミッタ１４の表面が親水処理されているため、各エミッタ１４の先端にイオン液体を良好に供給することができる。これにより、大きいイオン電流で効率良くイオン２の放出を行うことができる。また、各エミッタ１４の表面にスパイク状の突起等を設ける必要がなく、容易に製造することができる。なお、イオン液体の表面張力により、リザーバ１３が下向きに開口していても、イオン液体がリザーバ１３から滴下することはない。 Next, the operation will be described.
In the focused ion beam device 10, each emitter 14 of the ion source 11 is provided so as to protrude downward from the ceiling surface 13 a of the reservoir 13 that opens downward, and thus is stored inside the side wall 13 b of the reservoir 13. It is easy to supply the ionic liquid of the ionic material 1 to the tip of each emitter 14. At this time, since the surface of the reservoir 13 and each emitter 14 is subjected to hydrophilic treatment, the ionic liquid can be satisfactorily supplied to the tip of each emitter 14. Thereby, ion 2 can be efficiently emitted with a large ion current. Further, it is not necessary to provide spike-like protrusions on the surface of each emitter 14, and the emitter 14 can be manufactured easily. In addition, even if the reservoir 13 is opened downward due to the surface tension of the ionic liquid, the ionic liquid does not drop from the reservoir 13.

集束イオンビーム装置１０では、イオン材料１がイオン液体から成るため、液化させるためのヒータ機構が不要であり、イオン源１１の小型化および簡素化を図ることができる。また、エッチング加工により、イオン源１１のリザーバ１３およびエミッタ１４を容易に一体的に製造することができる。また、各エミッタ１４が柱状を成しているため、多角錐状で裾を引いている場合に比べて、エミッタ１４同士の間隔を狭めることができる。このため、エッチング加工により、各エミッタ１４の間隔を小さくして高集積化することができ、小型化を図ることができる。   In the focused ion beam apparatus 10, since the ion material 1 is made of an ionic liquid, a heater mechanism for liquefaction is unnecessary, and the ion source 11 can be reduced in size and simplified. Further, the reservoir 13 and the emitter 14 of the ion source 11 can be easily and integrally manufactured by etching. In addition, since each emitter 14 has a columnar shape, the interval between the emitters 14 can be reduced as compared with a case where the hem is drawn in a polygonal pyramid shape. For this reason, by etching, the intervals between the emitters 14 can be reduced to achieve high integration, and downsizing can be achieved.

集束イオンビーム装置１０では、イオン源１１が、複数のエミッタ１４からイオン２を放出することができるため、各エミッタ１４からのイオン２の放出を個々に制御することにより、１つのリザーバ１３で様々な並列化処理を可能にすることができる。これにより、多品種少量生産に対応したマイクロマシニングツールを構成することが可能になる。このため、図１に示すように、例えば、基板３などに対するエッチングや蒸着、改質、イメージ観測、表面再構築などのマイクロマシニング技術に使用される集束イオンビーム装置として、好適に利用することができる。   In the focused ion beam apparatus 10, the ion source 11 can emit ions 2 from a plurality of emitters 14. Parallel processing can be made possible. As a result, it is possible to configure a micromachining tool that supports high-mix low-volume production. For this reason, as shown in FIG. 1, for example, it can be suitably used as a focused ion beam apparatus used in micromachining techniques such as etching, vapor deposition, modification, image observation, and surface reconstruction on the substrate 3 and the like. it can.

［下向きエミッタによるイオン放出検証実験］
下向きのエミッタにより、イオン液体からイオンを放出できることを検証するために、実験を行った。その実験装置を、図４に示す。図４に示すように、実験装置は、真空チャンバ３１の中に、エミッタ３２と、引出電極３３と、イオンを検出するためのファラデーカップ３４とが設置されている。また、真空チャンバ３１には、真空排気を行うために、メインバルブ３５を介してターボ分子ポンプ３６とロータリーポンプ３７が接続されている。また、真空チャンバ３１には、質量分析を行うために、ゲージバルブ３８を介して四重極形質量分析計（Ｑ−ｍａｓｓ）３９が取り付けられている。また、真空チャンバ３１には、内部の圧力を測定するためのイオンゲージ４０が取り付けられている。 [Ion emission verification experiment with downward emitter]
An experiment was conducted to verify that ions could be released from the ionic liquid with a downward-facing emitter. The experimental apparatus is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the experimental apparatus includes an emitter 32, an extraction electrode 33, and a Faraday cup 34 for detecting ions in a vacuum chamber 31. In addition, a turbo molecular pump 36 and a rotary pump 37 are connected to the vacuum chamber 31 via a main valve 35 for evacuation. Further, a quadrupole mass spectrometer (Q-mass) 39 is attached to the vacuum chamber 31 via a gauge valve 38 in order to perform mass analysis. The vacuum chamber 31 is attached with an ion gauge 40 for measuring the internal pressure.

実験には、イオン液体としてＥＭＩ−ＢＦ４を用い、エミッタ３２として、一般的に使用されているタングステン（Ｗ）製のエミッタを用いた。エミッタ先端の直径は１０μｍである。実験では、イオン液体を付けたエミッタ３２と引出電極３３との間に電圧Ｖａｃｃを印加し、ファラデーカップ３４に向けてイオンの放出を行った。実験では、エミッタ３２から上向きにイオンを放出した場合、および、エミッタ３２から下向きにイオンを放出した場合について、イオンの放出によるイオン電流Ｉｅの測定を行った。その測定結果を、図５に示す。 In the experiment, EMI-BF 4 was used as the ionic liquid, and a commonly used emitter made of tungsten (W) was used as the emitter 32. The diameter of the emitter tip is 10 μm. In the experiment, a voltage V acc was applied between the emitter 32 attached with the ionic liquid and the extraction electrode 33, and ions were emitted toward the Faraday cup 34. In the experiment, the ion current Ie due to the ion emission was measured when ions were emitted upward from the emitter 32 and when ions were emitted downward from the emitter 32. The measurement results are shown in FIG.

図５に示すように、下向きの場合でも、印加電圧が閾値電圧（約０．７ｋＶ）を超えるとイオンを放出することが確認された。また、上向きにイオンを放出した場合には、印加電圧を大きくしても、イオン電流が所定の値（約１５０ｐＡ）で頭打ちになるのに対して、下向きにイオンを放出した場合には、閾値電圧以上で、印加電圧が大きくなるにつれて指数関数的にイオン電流が大きくなっていくことが確認された。また、印加電圧が２ｋＶ以上になると、下向きにイオンを放出した場合のほうが上向きにイオンを放出した場合よりもイオン電流が大きくなっており、効率良くイオンが放出されていることが確認された。   As shown in FIG. 5, it was confirmed that ions were released when the applied voltage exceeded the threshold voltage (about 0.7 kV) even in the downward direction. Also, when ions are released upward, the ion current reaches a predetermined value (about 150 pA) even when the applied voltage is increased, whereas when ions are released downward, the threshold value is increased. Above the voltage, it was confirmed that the ionic current increased exponentially as the applied voltage increased. Further, when the applied voltage was 2 kV or higher, the ion current was larger when ions were released downward than when ions were released upward, and it was confirmed that ions were efficiently released.

図１乃至３に示すリザーバ１３および複数のエミッタ１４を用いて、イオンの放出実験を行った。実験では、各エミッタ１４の下方に、引出電極と検出電極とを兼ねたＡｕ／Ｃｒ多層膜を設置し、このＡｕ／Ｃｒ多層膜に向けてイオンの放出を行った。各エミッタ１４の先端とＡｕ／Ｃｒ多層膜との距離は、５００μｍである。実験では、各エミッタ１４の胴体部１４ａの直径がそれぞれ６０μｍ、１４０μｍ、２００μｍの３種類のものを使用した。各直径のエミッタ１４について、印加電圧に対するイオン電流の測定を行い、その測定結果を図６に示す。なお、図６には、比較のため、タングステン製のエミッタを使用したときの測定値と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置で利用される範囲とを示している。   Ion emission experiments were performed using the reservoir 13 and the plurality of emitters 14 shown in FIGS. In the experiment, an Au / Cr multilayer film serving as both an extraction electrode and a detection electrode was installed below each emitter 14, and ions were emitted toward the Au / Cr multilayer film. The distance between the tip of each emitter 14 and the Au / Cr multilayer film is 500 μm. In the experiment, three types having the diameter of the body portion 14a of each emitter 14 of 60 μm, 140 μm, and 200 μm were used. With respect to the emitter 14 of each diameter, the ion current was measured with respect to the applied voltage, and the measurement result is shown in FIG. For comparison, FIG. 6 shows measured values when a tungsten emitter is used and a range used in a focused ion beam (FIB) apparatus.

図６に示すように、エミッタ１４の胴体部１４ａの直径が１４０μｍおよび２００μｍのものでは、印加電圧が大きくなると、タングステン製のエミッタと同じ程度かそれ以上のイオン電流が得られており、効率良くイオンが放出されていることが確認された。また、エミッタ１４の胴体部１４ａの直径が６０μｍのものでも、ＦＩＢ装置で利用される範囲のイオン電流が得られており、ＦＩＢ装置で利用可能であることが確認された。なお、図６では、１４０μｍおよび２００μｍのエミッタ１４で、１回目よりも２回目に使用したときの方が、閾値電圧が低下していることも確認できる。   As shown in FIG. 6, when the body portion 14a of the emitter 14 has a diameter of 140 μm and 200 μm, when the applied voltage is increased, an ion current equal to or higher than that of the tungsten emitter is obtained, which is efficient. It was confirmed that ions were released. Further, even when the diameter of the body portion 14a of the emitter 14 is 60 μm, an ion current in the range used in the FIB apparatus is obtained, and it was confirmed that the emitter 14 can be used in the FIB apparatus. In FIG. 6, it can also be confirmed that the threshold voltage is lower when the emitters 14 of 140 μm and 200 μm are used for the second time than for the first time.

１ イオン材料
２ イオン
１０ 集束イオンビーム装置
１１ イオン源
１３ リザーバ
１３ａ 天井面
１３ｂ 側壁
１４ エミッタ
１４ａ 胴体部
１４ｂ 尖端部
１５ 引出電極
１５ａ 貫通孔
１２ 集束レンズ
２１ 基板
２２ ＳｉＯ２層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion material 2 Ion 10 Focused ion beam apparatus 11 Ion source 13 Reservoir 13a Ceiling surface 13b Side wall 14 Emitter 14a Body part 14b Pointed part 15 Extraction electrode 15a Through-hole 12 Focusing lens 21 Substrate 22 SiO 2 layer

Claims (8)

イオン材料をイオン化して放出するためのイオン源であって、
天井面とその天井面を囲う側壁とを有するリザーバと、
前記リザーバの天井面から下方に向かって突出するよう設けられた柱状のエミッタとを有し、
前記イオン材料はイオン液体から成り、
前記リザーバおよび前記エミッタは表面が親水処理されており、
前記リザーバの側壁の内側に前記イオン材料を貯留して、前記エミッタの先端から下方に向かってイオンを放出可能に構成されていることを
特徴とするイオン源。 An ion source for ionizing and releasing an ionic material,
A reservoir having a ceiling surface and side walls surrounding the ceiling surface;
A columnar emitter provided to protrude downward from the ceiling surface of the reservoir;
The ionic material comprises an ionic liquid;
The reservoir and the emitter have a hydrophilic surface.
An ion source configured to store the ion material inside a side wall of the reservoir so as to emit ions downward from a tip of the emitter. 前記エミッタは複数から成り、互いに間隔を開けて設けられていることを特徴とする請求項１記載のイオン源。   The ion source according to claim 1, wherein the emitter is composed of a plurality of electrodes and is spaced from each other. 前記エミッタは、柱状の胴体部と、前記胴体部の先端に、前記胴体部から徐々に径が小さくなるよう設けられた尖端部とを有することを特徴とする請求項１または２記載のイオン源。   3. The ion source according to claim 1, wherein the emitter has a columnar body part and a tip part provided at a tip of the body part so that a diameter gradually decreases from the body part. 4. . 前記エミッタはシリコン製で、前記胴体部の外径が６０μｍ以上であることを特徴とする請求項３記載のイオン源。   4. The ion source according to claim 3, wherein the emitter is made of silicon, and the body portion has an outer diameter of 60 μm or more. 前記親水処理は、酸素プラズマ処理であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のイオン源。   The ion source according to claim 1, wherein the hydrophilic treatment is an oxygen plasma treatment. 前記リザーバおよび前記エミッタは、エッチング加工により一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のイオン源。   6. The ion source according to claim 1, wherein the reservoir and the emitter are integrally formed by etching. 前記エミッタの下方に、前記エミッタと対向するよう設けられた引出電極と、
前記エミッタの先端からイオンが放出されるよう、前記エミッタと前記引出電極との間に電圧を印加する印加用電源とを、
有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のイオン源。 An extraction electrode provided below the emitter so as to face the emitter;
An application power source for applying a voltage between the emitter and the extraction electrode so that ions are emitted from the tip of the emitter;
The ion source according to claim 1, wherein the ion source is provided. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のイオン源と、
前記イオン源から放出されたイオンを集束させる集束手段とを、
有することを特徴とする集束イオンビーム装置。
The ion source according to any one of claims 1 to 7,
Focusing means for focusing the ions emitted from the ion source;
A focused ion beam apparatus comprising:
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