(57)【要約】【課題】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。【解決手段】リザーバ１３およびエミッタ１４が、エッチング加工により一体的に形成されており、表面に親水処理が施されている。リザーバ１３は、天井面１３ａとその天井面１３ａを囲う側壁１３ｂとを有している。エミッタ１４は、柱状で複数から成り、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、互いに間隔を開けて設けられている。リザーバ１３の側壁１３ｂの内側に、イオン液体から成るイオン材料１を貯留して、エミッタ１４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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】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/〉
【非特許文献２】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〉
【非特許文献３】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.679-694
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
［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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【実施例１】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【符号の説明】
【００３６】
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
【図１】
2014216187.tif 000003
【図２】
2014216187.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014216187.tif 000007
【図６】
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