JPH0566698B2 - - Google Patents

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JPH0566698B2
JPH0566698B2 JP7730585A JP7730585A JPH0566698B2 JP H0566698 B2 JPH0566698 B2 JP H0566698B2 JP 7730585 A JP7730585 A JP 7730585A JP 7730585 A JP7730585 A JP 7730585A JP H0566698 B2 JPH0566698 B2 JP H0566698B2
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JP
Japan
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emitter
tip
ion source
reservoir
alloy
Prior art date
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JP7730585A
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Japanese (ja)
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JPS61237327A (en
Inventor
Hirotoshi Hagiwara
Hiroshi Ooizumi
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Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/022Details
    • 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

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明は、高輝度で、かつ点状のイオンビーム
が得られる液体金属イオン源構造体に関する。 液体金属を用いたイオンビームは、従来の電子
ビーム露光がサブミクロンの微細加工が限界であ
るのに対して、ナノメーターの微細加工が可能で
あるため、これらはマスクレスイオン注入、シー
リング、X線マスクの修正用等の用途に使用でき
る可能性が大であるので注目されている。 これらの分野のうち、イオン注入用には、B、
As、P、Si、Beなど多種類のイオン源が必要で
ある。従来のGa金属イオン源は、タングステン
線の先端を電解研磨により尖がらせたエミツター
が使用されている。この場合、Gaの融点が30℃
と低いので、100〜200℃のイオンビームを発生で
きる。従つて、タングステンエミツターとGaの
反応も起らず、長期間安定に使用できる。 一方、前記した各種のイオン源を含んだ金属の
場合、融点も高く、反応性が激しいので、タング
ステンエミツターを使用すると、極端な場合数秒
で反応が起り、安定したイオンビームが得られな
い。特に、Bを含んだ合金の場合に、この現象が
顕著である。この他、エミツターに要求される性
能としては、(l)液体金属との濡れが良いこと、(2)
密度が高く、先端部に気泡や欠陥を含まないこと
と、(3)機械的強度が大で、熱的電気的衝撃で先端
がかけないこと、(4)電気抵抗が小さいこと、(5)リ
ザーバー及びヒーターとの反応がないことなどで
ある。 エミツターの材質としては、従来のタングステ
ンの他に、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Taの炭化物、
窒化物、二硼化物、原子番号57から70までの希土
類元素の六硼化物または炭素(特開昭57−132632
号公報、以下公知例1と云う)や、シリコンカー
バイト(SiC)(特開昭59−31542号公報、以下公
知例2と云う)や、BNとTiB2の複合物(特開昭
60−1717号公報、以下公知例3と云う)等が提案
されている。 公知例1には、H2、He、Ar、O2のガス及び
Ga、In、Bi、Au、Pbと、前記した炭化物、窒化
物、硼化物との相互作用が少なく、かつ金属との
濡れが良いこと、 公知例2には、BまたはAlなど反応性の大き
い元素を含む合金用に、グラツシーカーボンより
も濡れが良く、耐食性も優れているエミツター材
料として、SiCが良いこと、 公知例3には、Al金属に適したエミツター材
料として、TiB2、CrB2の硼化物、TiCの炭化物、
TiB2−BNの複合物が検討され、特にTiB2−BN
系がAlとの濡れ及び耐食性の点で優れているこ
とが示されている。 しかし、これらの公知例の技術では、合金組成
に合つたエミツター材料を選択しなければならな
い。さらに、後記する様に、従来のエミツター材
料には欠点が多く、改良すべき点が多い。 すなわち、SiCは比抵抗が200Ωcmと大きいの
で、エミツター材料には不適当である。また、
Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta等の周期律率第a
族元素及び第Va族元素の硼化物、炭化物、窒化
物は、いずれも融点が3000℃近くあり、フローテ
イングゾーン法での良質な単結晶化が難しい。ま
たホツトプレス法でも気孔率10%以下の成型体を
作ることは困難である。従つて、これらの単結晶
や焼結体を加工して作つたエミツターは、歩留り
良く先端の曲率半径を1−2μmに加工すること
が著しく困難である。また、LaB6をはじめとす
るランタンノイドの六硼化物は、電子放射材料と
して、さらにその製法や加工法が知られている
が、B含有金属、特にNi−B系の合金と反応し
やすい欠点がある。 (問題点を解決するための手段) 本発明は金属または合金を保持すると共に先端
が針状であるエミツタチツプを具えたリザーバと
ヒーターを介してエミツターチツプに電解をかけ
イオンを引出す電極と接続した液体の金属または
合金のイオン源構造体において、前記エミツター
チツプをボロンカーバイドまたはシリコンボライ
ドもしくはこれらの複合物の成形体からなること
を特徴とするイオン源構造体である。 以下さらに本発明を詳しく説明する。 本発明で言う液体金属とは、Ga、In、Bi、Al、
Pb、等の低融点の単一金属をはじめとして、Au
−Si−Be、Pt−As、Ni−Pd−B等の低融点合金
であり、Be、Si、B、As、P等を含むものをい
う。 エミツター材質は、ボロンカーバイドまたはシ
リコンボライドもしくはこれらの複合物からなる
ものである。しかしボロンカーバイドはB4Cの化
学式で示す定比化合物ばかりでなく、不定比化合
物であつても良い。またシリコンボライドは、
SiB4とSiB6のいずれのものであつてもよく、さ
らに前記と同様に定比、不定比を問わない。ま
た、これらを任意の割合で混合した複合物でも良
い。なおSiB4は融点が127℃であるから、低融点
合金に適する。これらは、いづれも電気抵抗が
1Ωcm以下である。 エミツターチツプは、50Kg/cm2以上の加圧下
で、1200〜2100℃以下の温度範囲でホツトプレス
成型した焼結体、またはフラツクス法やフローテ
イングゾーン法等で作成した単結晶を切断し、先
端を機械研磨又は電解研磨で、先端曲率半径が1
−2μm以下になる様に加工する。 また、あらかじめ先端曲率半径1−2μmに研
磨したW、Ta、Mo等の高融点金属成形体に、前
記したボロンカーバイトまたはシリコンボライド
もしくはこれらの複合物を、CVD法、プラズマ
溶射法等で薄く被覆しても良い。 リザーバは、Ta等の加工しやすい高融点金属
を用いて、必要により、表面にCVD法又はプラ
ズマ溶射法等でTi、Zr、Hf、V、NbTa等の炭
化物又は硼化物を被覆する。リザーバの形状は、
実質的に溶融金属を保持すると共にエミツターに
該溶融金属を安定に供給できる構造であれば良
い。 ヒーターは、W、Ta、等の高融点金属線をリ
ザーバ又はエミツタの一部にスポツト溶接等で接
合する。又、グラツシーカーボンもしくは熱分解
カーボン等の炭素質ヒータを、リザーバ又はエミ
ツターの一部に接合しても良い。以上説明した方
法により第1図に示されるイオン源構造体が得ら
れる。 (発明の実施例) 実施例 1 第1表に示す成分組成及びホツトプレス条件
で、焼結体を製造した。各々の相対密度は、90%
以上であつた。これを、0.5×0.5×3mmに切断し
た。次いでこれを先端の円錐角30°先端曲率半径
2μmに機械研磨し、エミツタチツプを作成した。
これを第2図に示す幅0.7mm、流さ6mm、厚さ0.1
mmのTa板3の中央部に該チツプ底部4を電子ビ
ーム溶接した後、そのTa板3を第3図に示すよ
うに折り曲げてリザーバ5を作成した。さらに、
リザーバ5の底部に経0.18mmのW線7をスポツト
溶接して、第1図に示す様な液体金属イオン源を
作成した。 また1×10-6Torrの真空下で、BNルツボ中
に、Alを溶かし、エミツタを加熱しながら該溶
融Alに浸し、エミツタとリザーバとの間に10mg
を溜めた。この様にして作成した液体金属イオン
源のエミツタチツプを温度700℃にして、イオン
ビームの取出しを行つたところ、引出し電圧kv
で100μAのイオンビームが、300時間安定であつ
た。 実施例 2 実施例1で作成した各エミツタチツプにおい
て、Ni、Pd、B、Beの合金(30、60、8、2)
を10mg溜めた液体金属イオン源を作成した。エミ
ツタの温度850℃の時、引出し電圧5kvで100μA
を1000時間安定であつた。 実施例 3 実施例1で作成した各エミツタチツプにおい
て、Pt、Asの合金(70、30)を10mg溜めた液体
金属イオン源を作成した。エミツタの温度800℃
の時、引出し電圧7kvで、50μAのイオンビーム
を200時間安定であつた。
(Industrial Application Field) The present invention relates to a liquid metal ion source structure capable of producing a high-intensity, point-shaped ion beam. Ion beams using liquid metals are capable of nanometer microfabrication, whereas conventional electron beam exposure is limited to submicron microfabrication. It is attracting attention because it has great potential to be used for applications such as line mask correction. Among these fields, for ion implantation, B,
Many types of ion sources such as As, P, Si, and Be are required. Conventional Ga metal ion sources use emitters made by sharpening the tips of tungsten wires by electrolytic polishing. In this case, the melting point of Ga is 30℃
Because the temperature is so low, it is possible to generate an ion beam at a temperature of 100 to 200 degrees Celsius. Therefore, no reaction occurs between the tungsten emitter and Ga, and it can be used stably for a long period of time. On the other hand, metals containing the various ion sources described above have high melting points and are highly reactive, so if a tungsten emitter is used, in extreme cases a reaction will occur within a few seconds, making it impossible to obtain a stable ion beam. This phenomenon is particularly noticeable in the case of alloys containing B. Other performance requirements for emitters include (l) good wettability with liquid metal; (2)
High density, no bubbles or defects in the tip, (3) high mechanical strength, so the tip will not be damaged by thermal or electrical shock, (4) low electrical resistance, (5) There is no reaction with the reservoir or heater. In addition to conventional tungsten, the material of the emitter is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta carbide,
Nitride, diboride, hexaboride of rare earth elements with atomic numbers from 57 to 70 or carbon (JP-A-57-132632
Publication No. 59-31542 (hereinafter referred to as Publication Example 1), silicon carbide (SiC) (Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-31542, hereinafter referred to as Publication Example 2), and a composite of BN and TiB 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No.
60-1717 (hereinafter referred to as known example 3), etc. have been proposed. Known example 1 includes gases such as H 2 , He, Ar, O 2 and
There is little interaction between Ga, In, Bi, Au, and Pb and the above-mentioned carbides, nitrides, and borides, and there is good wettability with metals. SiC is a good emitter material for alloys containing elements, as it has better wettability and corrosion resistance than glassy carbon. Known Example 3 describes TiB 2 and CrB 2 as emitter materials suitable for Al metals. boride, TiC carbide,
Composites of TiB 2 −BN have been investigated, especially TiB 2 −BN
It has been shown that the system is excellent in terms of wetting with Al and corrosion resistance. However, in these known techniques, it is necessary to select an emitter material that matches the alloy composition. Furthermore, as will be described later, conventional emitter materials have many drawbacks and there are many points to be improved. In other words, SiC has a high specific resistance of 200 Ωcm, so it is not suitable as an emitter material. Also,
Periodic ratio a of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, etc.
Borides, carbides, and nitrides of group elements and group Va elements all have melting points of nearly 3000°C, making it difficult to form high-quality single crystals using the floating zone method. Furthermore, even with the hot press method, it is difficult to produce a molded body with a porosity of 10% or less. Therefore, it is extremely difficult to process emitters made by processing these single crystals or sintered bodies to a radius of curvature of 1 to 2 μm at the tip with a good yield. In addition, lanthanoid hexaborides such as LaB 6 are known as electron emitting materials, and their manufacturing and processing methods are known, but they have the disadvantage of easily reacting with B-containing metals, especially Ni-B alloys. There is. (Means for Solving the Problems) The present invention consists of a reservoir that holds a metal or an alloy and is equipped with an emitter tip with a needle-like tip, and a liquid that is connected to an electrode that applies electrolysis to the emitter tip via a heater and extracts ions. An ion source structure made of metal or alloy, characterized in that the emitter chip is made of a molded body of boron carbide, silicon boride, or a composite thereof. The present invention will be further explained in detail below. The liquid metals referred to in the present invention include Ga, In, Bi, Al,
In addition to low melting point single metals such as Pb, Au
- A low melting point alloy such as Si-Be, Pt-As, Ni-Pd-B, etc., which includes Be, Si, B, As, P, etc. The emitter material is made of boron carbide, silicon boride, or a composite thereof. However, boron carbide is not limited to the stoichiometric compound represented by the chemical formula B 4 C, but may also be a non-stoichiometric compound. Also, silicon boride is
It may be either SiB 4 or SiB 6 , and as mentioned above, it does not matter whether it is stoichiometric or non-stoichiometric. Alternatively, a composite obtained by mixing these in an arbitrary ratio may be used. Note that SiB 4 has a melting point of 127°C, so it is suitable as a low melting point alloy. All of these have electrical resistance.
It is less than 1Ωcm. Emitter chips are made by cutting a sintered body hot press-molded at a temperature range of 1200 to 2100°C or less under pressure of 50 kg/cm 2 or more, or a single crystal made by the flux method or floating zone method, and then mechanically cutting the tip. By polishing or electrolytic polishing, the tip curvature radius is 1
-Process so that it is less than 2μm. In addition, the above-mentioned boron carbide, silicon boride, or a composite thereof is applied to a molded body of a high-melting metal such as W, Ta, or Mo that has been polished to a radius of curvature of 1 to 2 μm at the tip using a CVD method, plasma spraying method, etc. It may be coated thinly. The reservoir is made of a high melting point metal such as Ta that is easy to process, and if necessary, the surface is coated with carbide or boride such as Ti, Zr, Hf, V, NbTa, etc. by CVD or plasma spraying. The shape of the reservoir is
Any structure may be used as long as it can substantially hold the molten metal and stably supply the molten metal to the emitter. The heater is made by joining a high melting point metal wire such as W or Ta to a part of the reservoir or emitter by spot welding or the like. Furthermore, a carbonaceous heater such as glassy carbon or pyrolytic carbon may be joined to a portion of the reservoir or emitter. By the method described above, the ion source structure shown in FIG. 1 can be obtained. (Examples of the Invention) Example 1 A sintered body was manufactured using the component composition and hot pressing conditions shown in Table 1. The relative density of each is 90%
That's all. This was cut into 0.5 x 0.5 x 3 mm. Next, change this to the tip cone angle of 30° and the tip curvature radius.
It was mechanically polished to 2 μm to create an emitter chip.
This is shown in Figure 2 with a width of 0.7 mm, a flow of 6 mm, and a thickness of 0.1 mm.
The bottom part 4 of the chip was electron beam welded to the center of a Ta plate 3 having a diameter of 1 mm, and then the Ta plate 3 was bent as shown in FIG. 3 to form a reservoir 5. moreover,
A W wire 7 with a diameter of 0.18 mm was spot welded to the bottom of the reservoir 5 to create a liquid metal ion source as shown in FIG. Also, under a vacuum of 1 × 10 -6 Torr, Al was melted in a BN crucible, and the emitter was immersed in the molten Al while heating, and 10mg of aluminum was placed between the emitter and the reservoir.
I accumulated. When the emitter chip of the liquid metal ion source prepared in this way was heated to a temperature of 700℃ and the ion beam was extracted, the extraction voltage kv
The 100 μA ion beam was stable for 300 hours. Example 2 In each emitter chip created in Example 1, alloys of Ni, Pd, B, and Be (30, 60, 8, 2) were used.
A liquid metal ion source containing 10 mg of ion was created. When the temperature of the emitter is 850℃, the extraction voltage is 100μA at 5kV.
was stable for 1000 hours. Example 3 In each emitter chip prepared in Example 1, a liquid metal ion source was prepared in which 10 mg of an alloy of Pt and As (70, 30) was stored. Emitsuta temperature 800℃
At that time, the ion beam of 50μA was stable for 200 hours at an extraction voltage of 7kV.

【表】 (発明の効果) 本発明の液体イオン源構造体は、ボロンカーバ
イド及びシリコンボライドもしくはこれらの複合
物からなるエミツタチツプを用いた液体金属イオ
ン源であるので、各種の液体金属に対して濡れが
よく、反応しにくいものであるので長時間安定に
使用できる。
[Table] (Effects of the Invention) The liquid ion source structure of the present invention is a liquid metal ion source using an emitter tip made of boron carbide, silicon boride, or a composite thereof, so it is suitable for various liquid metals. It wets well and does not react easily, so it can be used stably for a long time.

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

図面は本発明の実施例を示すもので、第1図は
イオン源構造体の説明図、第2図及び第3図はそ
の製造工程の説明図である。 付号、1……エミツ−チツプ、2……チツプ先
端、3……Ta板、4……チツプ底部、5……リ
ザーバ、6……電極、7……ヒーター、8……溶
融金属、9……絶縁碍子。
The drawings show an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is an explanatory diagram of an ion source structure, and FIGS. 2 and 3 are explanatory diagrams of its manufacturing process. Number, 1... Emitchip, 2... Chip tip, 3... Ta plate, 4... Chip bottom, 5... Reservoir, 6... Electrode, 7... Heater, 8... Molten metal, 9 ...Insulator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 金属または合金を保持すると共に先端が針状
であるエミツタチツプを具えたリザーバとヒータ
ーを介してエミツタチツプに電界をかけイオンを
引出す電極と接続した液体の金属または合金のイ
オン源構造体において、前記エミツタチツプをボ
ロンカーバイドまたはシリコンボライドもしくは
これらの複合物の成形体からなることを特徴とす
るイオン源構造体。
1 In a liquid metal or alloy ion source structure connected to a reservoir equipped with an emitter tip that holds a metal or alloy and has a needle-like tip, and an electrode that applies an electric field to the emitter tip via a heater and extracts ions, the emitter tip An ion source structure comprising a molded body of boron carbide, silicon boride, or a composite thereof.
JP7730585A 1985-04-11 1985-04-11 Ion source structure Granted JPS61237327A (en)

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