(57)【要約】【課題】  Ｇａ液体金属イオン源(LMIS)のイオン放射(エミッション)を安定に、かつ、長寿命にする。【解決手段】  Ｇａ液体金属イオン源２−１のエミッタ２−１１は、構成材料として母材のＷ１２と、表面を覆うイオン源材料のＧａ９を含んで構成されている。スパッタ粒子１１がＧａ液体金属イオン源２−１の構成材(Ｗ,Ｇａ)となるようにすることにより、スパッタ粒子１１がＧａ液体金属イオン源２−１に付着した場合でもＧａ９の物性を変えるような汚染が生じない。ビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３としてＷアパーチャを用い、ビーム照射領域７−１に掛かる部分の表面に約２５ｍｇのＧａ(融点３０℃)を置く(Ｇａ溜り１０)。ビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３にイオン照射すると、照射領域７−１のＧａが溶融してＷアパーチャのビーム照射領域の表面にＧａが拡散する。【選択図】  図４
2005174604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されるエミッタと、を有する液体金属イオン源と、該液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの照射を制限する開口を有し第３金属材により形成されるビーム制限アパーチャと、を有する液体金属イオン銃であって、
前記第３金属材が、少なくとも前記第１金属材と前記第２金属材とのそれぞれを構成する金属材を含む材料により形成されていることを特徴とする液体金属イオン銃。
【請求項２】
第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されるエミッタと、を有する液体金属イオン源と、該液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの照射を制限する開口を有し第３金属材により形成されるビーム制限アパーチャと、を有する液体金属イオン銃であって、
前記ビーム制限アパーチャを前記第２金属材を含む材料により形成するとともに、前記イオンビームが実質的に照射される領域の少なくとも一部に前記第１金属材の供給源を配置したことを特徴とする請求項１に記載の液体金属イオン銃。
【請求項３】
前記第１金属材がガリウムである場合に、前記ビーム制限アパーチャをタングステン（Ｗ）により形成するとともに、前記ビーム制限アパーチャにおいて、前記イオンビームが実質的に照射される領域の少なくとも一部にガリウム（Ｇａ）溜りを配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体金属イオン銃。
【請求項４】
前記Ｗビーム制限アパーチャの開口径(半径)ｒを、
ｒ≧ｍ／ρπ（Ｌα）２
とすることを特徴とする請求項３に記載の液体金属イオン銃。
但し、前記エミッタの先端と前記ビーム制限アパーチャとの間の距離Ｌとし、前記Ｇａ溜りにおけるＧａの質量ｍとし、Ｇａの密度ρとし、イオン放射角αとする。
【請求項５】
前記Ｇａ溜りは、前記Ｗビーム制限アパーチャの表面を溶融Ｇａにより濡らした後にこれを固化することにより形成したものであることを特徴とする請求項３又は４に記載の液体金属イオン銃。
【請求項６】
さらに、前記Ｗビーム制限アパーチャ上に配置されたＷ材を有し、前記Ｇａ溜りは、前記Ｗビーム制限アパーチャと前記Ｗ材との間に溶融Ｇａを浸透させたサンドイッチした構造により設けられていることを特徴とする請求項３から５までのいずれか１項に記載の液体金属イオン銃。
【請求項７】
開口を有し、Ｗにより形成されたビーム制限アパーチャであって、さらに、その表面上の少なくとも一部の領域にＧａ溜りを配置したことを特徴とするビーム制限アパーチャ。
【請求項８】
真空容器と、
該真空容器内に設けられ、第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されるエミッタと、を有する液体金属イオン源と、該液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの照射を制限する開口を有し第３金属材により形成されるビーム制限アパーチャと、を有する液体金属イオン銃であって、前記第３金属材が、少なくとも前記第１金属材と前記第２金属材とのそれぞれを構成する金属材を含む材料により形成されている液体金属イオン銃と、
前記開口を通過したイオンビームを加速する加速電極と
を有するイオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体金属イオン源(Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ：ＬＭＩＳ)に関し、特にＧａ液体金属イオン源のイオン放射(エミッション)を安定に、かつ、長寿命にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体金属イオン銃は、液体金属イオン源がその中に配置される真空容器と、真空容器から電気的に絶縁された液体金属イオン源とを有している。液体金属イオン銃には、液体金属イオン源の両端子間に電流を流すことができる高電圧ケーブルが接続されており、これにより液体金属イオン源に高電圧を供給し、適宜、液体金属イオン源に高電圧を印加することと(通電)加熱することができる。
【０００３】
液体金属イオン源と引出電極の間の電圧によりイオン放出量(エミッション電流)を調整することができる。放射したイオンは、ビーム制限アパーチャで受ける。
【０００４】
上記のＧａ液体金属イオン源のイオン放射を安定に維持することは重要であるが、そのためには、イオン放射により消費されたガリウム(以下「Ｇａ」と称する。)を、リザーバから安定して供給する必要がある。エミッション電流が安定な状態は、Ｇａの消費とＧａの供給とがバランスしている状態、すなわち、イオン放出された分のＧａが供給される平衡状態である。
【０００５】
しかしながら、Ｇａに異物が混入すると、Ｇａの供給が阻害される場合があり、また、Ｇａの純度が変わると物性変化が生じ、Ｇａの消費と供給とのバランスが崩れる。このため、エミッションの安定性が悪くなる。
【０００６】
安定なエミッションを得るために、従来はＧａに異物が混入しないように、引出電極を放射イオンビームが直接照射しない構造にしていた。また、放射イオンビームの照射を受ける電極のスパッタ粒子が液体金属イオン源のＧａに付着してＧａが汚染されてもＧａの供給を妨げないようなＧａの化合物金属、つまり、Ｇａの融点を上昇させない金属(Ｓｎ,Ｉｎ)により、ビーム照射を受ける電極(ビーム制限アパーチャ)を構成していた。
【０００７】
また、ＬＭＩＳに再吸着するスパッタリング粒子(汚染の原因になる粒子)数は、エミッタとビーム制限アパーチャとの間の距離の２乗に比例して減少するため、エミッタとビーム制限(GUN)アパーチャとの距離を離していた。
【０００８】
例えば特許文献１では、イオンビームによって照射される部分を、低融点金属を浸透させた焼結体により構成する技術が記載されている。特許文献２では、液体金属イオン源として一般的なＧａが用いられている場合において、同種のＧａを保護用絞り素材に用いられる技術が記載されている。また、特許文献３には、エミッタ電極の表面またはその全部をエミッタ電極の先端に設けられた溶融金属または合金を構成する金属の１種または２種以上で構成することが記載されている。
【０００９】
【特許文献１】特許第３１９０３９５号公報
【特許文献２】特開２００１−１６０３６９号公報
【特許文献３】特開平４−１４４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記各先行技術においてはアパーチャの構成材(母材)の限定に関する言及がない。従って、イオン照射を受けてビーム制限アパーチャの構成材(母材)が露出した場合、母材がスパッタされて液体金属源に混入することによるエミッション安定性の変化については考慮されていない。
【００１１】
上記技術を用いても、数百時間以上の使用が望ましい液体金属イオン源において、エミッションを長時間安定に維持し不安定になったエミッションを安定な状態に戻すことは難しい。つまり、エミッションが不安定になった場合の回復の難易性について考慮されていない。
【００１２】
加えて、大電流かつ高電流密度の加工ビームの集束イオンビーム装置を実現しようとすると、エミッタとビーム制限アパーチャとの距離をあまり長くすることは好ましくない。しかしながら、汚染とビーム制限アパーチャとの寿命を考えると、エミッタとビーム制限アパーチャの距離を長くした方が良く、集束イオンビーム装置の性能を良くすることと、エミッタの汚染を少なくすることとは、相反する関係にあることがわかる。
【００１３】
ビーム制限アパーチャは、イオン源の全エミッション電流(2〜3μA)を受ける構造のため、イオン照射時間(エミッション電流×使用時間)が増えるに従ってビーム制限アパーチャがスパッタリングされて薄くなり開口が拡がり始める。開口が拡がり始めると、ビーム制限アパーチャ下流のビーム電流が増加するのと合わせて下部電極が露出してスパッタリング粒子の中にビーム制限アパーチャ以外の下部電極からの粒子が含まれるようになる。下部電極は、ビーム制限アパーチャと構成材が異なることのが一般的であり、スパッタリング粒子がエミッタに付着すると下部電極からのスパッタリング粒子は、Ｇａに溶けず、また、溶けても融点が上昇してＧａの供給が阻害される。
【００１４】
また、ビーム制限アパーチャをＩｎやＳｎなどの金属により構成した場合であっても、スパッタリング粒子がエミッタに付着してＧａの純度が落ちるという問題がある。ＩｎやＳｎなどの金属が混入しても、それが10wt%程度までであれば、Ｇａの融点を下げるが、長時間使用してＳｎ、Ｉｎが蓄積された結果としてＧａの純度が落ち物理特性が変化すると、Ｇａの供給状態が変わり、エミッション電流が変化する。
【００１５】
以下に、一般的な液体金属イオン銃の問題点について図３を参照しつつより具体的に説明する。図３に示すように、イオン銃は、Ｇａ液体金属イオン源２−１と、イオンを放出させるための引出電極２−２と、ビーム制限アパーチャ２−３とを有しており、引出電極２−２はＳＵＳ製で開口φ３ｍｍ、開口側壁の厚さ１ｍｍ、エミッタ先端から引出電極２−２までの距離は０．８ｍｍであり、液体金属イオン源２−１からの放射イオンビーム７が引出電極２−２に直接照射しない構造を有する。引出電極２−２にはビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３が内蔵されており、φ０．３ｍｍの開口２−３１が形成されており、厚さ３ｍｍのＳｎ製のアパーチャを引出電極２−２上面から５ｍｍ下方に配置している。
【００１６】
尚、ビーム制限アパーチャ２−３は、ビーム照射を制限するための絞りとして機能する。引出電極２−２は、エミッタと引出電極の間(エミッタと引出電極上面の空間)に電圧を与えてイオンを放射させる機能を有する。引出電極２−２の中にビーム制限アパーチャ２−３を組み込んだ構造を有しており、両者は同電位であるが役割が異なる。
【００１７】
Ｇａ液体金属イオン源２−１と引出電極２−２の間に７ｋＶ程度の電圧差を与えるとＧａ液体金属イオン源２−１からＧａ+イオンが放出され、Ｓｎ製ビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３上に照射される。Ｓｎ製ビーム制限アパーチャ２−３は、Ｇａ+イオンでスパッタされＳｎ原子(スパッタ粒子１１)が周りに飛び散り、その一部は飛散してＧａ液体金属イオン源２−１に吸着する。
【００１８】
また、ビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３は、Ｇａ+イオンによるスパッタリングが進むと、その厚さが薄くなり開口径が大きくなるためビーム制限アパーチャ２−３は寿命になる。ビーム制限アパーチャ２−３の寿命を越えて使用すると、ビーム制限アパーチャ２−３の下部電極が露出し、Ｇａ+イオンによるスパッタリングにより電極材の構成原子が周りに飛散し、その一部はＧａ液体金属イオン源２−１に吸着する。この吸着物は、Ｇａの融点を上昇させ、あるいは、直接Ｇａの供給流路を阻害してエミッションを不安定にする。ビーム制限アパーチャがＳｎの場合は、Ｓｎのスパッタ粒子はＧａと化合物を作り、Ｇａの中に溶け込み、約１０ｗｔ％までは融点３０℃以下になるため、Ｇａ液体金属イオン源に吸着したＳｎはＧａに溶解し、その溶質の濃度によりＧａの表面張力、融点などの物理特性が変化してしまう。
【００１９】
イオンの安定放射には、放射に見合うＧａの供給行われ、これが時間的に変化しないことが望ましいが、Ｇａの物理特性が変化すると平衡点が変化してしまうためエミッション電流も変化する。また、Ｇａの流路が塞がったりしＧａの供給量が変化した場合にもエミッション電流が変化する。従って、図３に示す一般的な構成例では安定なエミッションを長時間、例えば数１００時間にわたって得ることが困難であった。
【００２０】
以上に説明した問題点に鑑み本発明の目的について以下に述べる通りである。すなわち、エミッタとビーム制限アパーチャとの距離が短くても、エミッションを長時間安定にすること。加えて、ビーム照射によるスパッタリングを受けてもビーム制限アパーチャの寿命を延ばすこと。さらに、液体金属イオン源のエミッションが不安定になった場合に、再現性良くエミッションが安定な状態に回復させ、液体金属イオン源を長期間使用することにより寿命を長くすること。また、集束イオンビーム装置のビーム調整を必要としない安定性のある液体金属イオン銃を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一観点によれば、第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されるエミッタと、を有する液体金属イオン源と、該液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの照射を制限する開口を有し第３金属材により形成されるビーム制限アパーチャと、を有する液体金属イオン銃であって、前記第３金属材が、少なくとも前記第１金属材と前記第２金属材とのそれぞれを構成する金属材を含む材料により形成されていることを特徴とする液体金属イオン銃が提供される。上記液体金属イオン銃を用いると、エミッタの汚染要因を少なくすることができる。尚、ビーム制限アパーチャを構成する第３金属材は、第１金属材と第２金属材とのみにより構成されていても良い。また、イオン銃には加速機構が設けられていても良い。
【００２２】
また、第１金属材よりなる液体金属イオン材と、第２金属材により形成され前記液体金属イオン材を保持するリザーバと、前記第２金属材により形成されるエミッタと、を有する液体金属イオン源と、該液体金属イオン源から引き出されたイオンビームの照射を制限する開口を有し第３金属材により形成されるビーム制限アパーチャと、を有する液体金属イオン銃であって、前記ビーム制限アパーチャを前記第２金属材を含む材料により形成するとともに、前記イオンビームが実質的に照射される領域の少なくとも一部に前記第１金属材の供給源を配置すると好ましい。これにより、上記汚染要因を簡単に低減することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、液体金属イオン源を備えた集束イオンビーム装置などの大電流ビームによる加工において、加工周辺にイオン照射のダメージのない加工ができる。本発明の液体金属イン銃によれば、数百時間以上の使用を目的とする液体金属イオン源において、エミッションを長時間安定に維持する点と不安定になったエミッションを安定な状態に確実に戻す点、つまり、エミッション安定性の回復の容易性と再現性が優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施の形態による液体金属イオン銃について図面を参照しつつ説明を行う。本発明に係る液体イオン銃は、液体金属イオン源とイオン源からの放射イオンの照射を受けるビーム制限アパーチャを搭載した液体金属イオン銃に関する。
【００２５】
まず、本発明の一実施の形態によるイオン銃を搭載した装置の全体構成について図１を参照しつつ説明を行う。図１は、本発明の一実施の形態によるＧａ液体金属イオン銃を用いたイオンビーム装置の概略構成図である。図１において。符号１はイオンビーム装置、符号２はイオン銃であって、このうち符号２−１はイオン源、２−２は引出電極、２−３はビーム制限アパーチャ、２−４はアース電極を示す。符号３は真空容器、４は真空排気装置、５はイオンポンプ、６は高電圧電源部であって、このうち符号６−１はイオン加速用の高電圧電源であり、符号６−１ａ、６−２ａは高電圧接続部、符号６−２はイオン引出用の高電圧電源、符号６−３ａ、６−３ｂは高電圧ケーブル、符号６−４はイオン源の加熱電源、符号７は照射イオンビーム、符号８は真空容器３と真空排気装置４との間に設けられたゲートバルブである。
【００２６】
本装置の主な動作（作用）について説明する。引出電極２−２によってイオン源(エミッタ) ２−１から引き出されて発生したイオンビームは、ビーム制限アパーチャ２−３においてビームの拡がりが制限されつつこれを通過し、通過したビームはアース電極２−４で加速され下流に照射される。上記構成に加えて、イオンビーム照射試料からの信号を検出する信号検出系と照射イオンビームとをレンズで細く絞り、ビームを偏向制御して試料に照射する機能を付加すると加工観察装置を形成することができる。
【００２７】
次に、ＬＭＩＳの構成と原理について説明する。図２は、液体金属イオン源の構成を示す図である。図２に示すように、液体金属イオン源、例えば、Ｇａ液体金属イオン源２−１は、先端が円錐状の針状エミッタ２−１１と、Ｇａを溜めるリザーバ２−１２と、リザーバ２−１２内のＧａ及び針状エミッタ２−１１を通電加熱するフィラメント２−１３と、フィラメント２−１３に通電する端子２−１４を固定する碍子ベース２−１５とを有している。
【００２８】
針状エミッタ２−１１とリザーバ２−１２とフィラメント２−１３の材質は、タングステン(Ｗ)であり、リザーバ２−１２内にはＧａが充填されている。このように、一般的なＧａ液体金属イオン源の構成材料は、ＷとＧａと碍子である。
【００２９】
イオン放射に関する動作原理は、針状エミッタの先端が円錐状であるため先端ほど軸方向の電界勾配が強くなる。針状エミッタの先端付近のＧａは、電界応力により、電界の強いエミッタ先端に供給され点頂点の円錐状になる。これにより液体金属の頂点はＶ／Å程度の強電界になるため、イオン化ポテンシャルが下がり電界蒸発を起こしたり電子を失ってイオン化し易くなったりする。従って、Ｖ／Å程度の強電界ではイオンが真空中に飛び出しイオン流が発生する。
【００３０】
イオン放出に伴い、Ｇａイオンの放出量に見合うＧａを供給する必要があるが、Ｇａは流体的にふるまうため圧力勾配が生じ、連続流体の表層流が生じる。この流れは、表面張力に起因するポアゼイユ流であるため表面張力と粘性の変化で流量が変化する。
【００３１】
一般に、純粋なＧａは清浄なタングステンに対し濡れ性が良く、例えば、タングステンに細い溝があると表面張力による毛細管現象により溝を通して拡散する。また、一般に針状エミッタは、Ｗ材で軸方向に細い縦溝がある材料を用いており、これによりリザーバ内のＧａを表面張力の毛細管現象で上記の溝を通して拡散させ、エミッタ先端付近まで供給することができる。安定なエミッションは、イオン放出に見合うＧａの供給を受けるが、表面張力が変化すると供給量が変わり、エミッションが変化する。
【００３２】
本実施の形態による液体金属イオン銃においては、以下に説明するようにＧａ溜り（リザーバを第１のＧａ供給源とすると、これは第２のＧａ供給源と称することもできる）を設ける。この構成に関して図４（ａ）を参照しつつ説明を行う。図４（ａ）に示すように、Ｇａ液体金属イオン源２−１のエミッタ２−１１は、構成材料として母材のＷ１２と、表面を覆うイオン源材料のＧａ９を含んで構成されている。ここで、スパッタ粒子１１がＧａ液体金属イオン源２−１の構成材(Ｗ,Ｇａ)となるようにすることにより、スパッタ粒子１１がＧａ液体金属イオン源２−１に付着した場合でもＧａ９の物性を変えるような汚染が生じない。
【００３３】
すなわち、ビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３としてＷアパーチャを用い、ビーム照射領域７−１に掛かる部分の表面に約２５ｍｇのＧａ(融点３０℃)を置いた(Ｇａ溜り１０)。このビーム制限(ＧＵＮ)アパーチャ２−３にイオン照射すると、照射領域７−１のＧａが溶融してＷアパーチャのビーム照射領域の表面にＧａが拡散する(図４（ｂ）参照)。従って、イオン照射に伴ってＧａの溶融および照射領域への拡散が自発的に生じるため、予めＷアパーチャにＧａを塗布しなくても良い。本実施の形態によるビーム制限アパーチャを、一般的なＳｎ製ビーム制限アパーチャから上記のビーム制限アパーチャに置き換えたところ、安定なエミッション状態を１２００時間（ｈ）に渡って得ることができた。
【００３４】
次に液体金属イオン銃の開口について説明する。液体金属イオン源として一般的なガリウムを用いる場合において、Ｇａ液体金属イオン銃のエミッタ先端とビーム制限アパーチャまでの距離Ｌ（７ｍｍ）とし、Ｇａ溜りのＧａの質量ｍ(２５ｍｇ)と、Ｇａの密度ρ(5.93ｇ/ｃｍ３)とし、イオン放射角α(２０°)とすると、Ｇａ溜りのあるＷビーム制限アパーチャの開口径(半径)ｒは、
ｒ≧ｍ／ρπ（Ｌα）２
の関係で表され、この場合、開口径（半径）ｒは０．２３ｍｍとなる。
【００３５】
上記の式は、Ｇａの厚みの断面が開口部で塞がる(図５（ａ）参照)場合、Ｇａが開口から厚さを直径とする半円上にはみ出して対向部において接触する(図５（ｂ）参照)ためであり、上記条件では、実際に開口が直径φ０．３では、直ちに開口が詰まるが、φ０．６では詰まりにくいことがわかっている(図５（ｃ）参照)。そこで、開口φ０．６ｍｍのＧａ溜りのあるＷビーム制限アパーチャを用いた。
【００３６】
次に、液体金属イオン銃の角度依存性について説明する。イオンによる加工速度(スパッタリング収量)には、入射角依存性がある。スパッタリング収量の入射角依存性に関する特性例を図６に示す。図６に示すように、入射角θが大きくなるとカスケードがより表面側で発生するため、ジグムンドの理論が示すようにcos-fθ(ｆ＝１〜２)で増加する。入射角θが大きくなると、表面にある隣接する原子の遮蔽効果により衝突係数が制限され表面を通過しにくくなり、最後には全ての入射イオンは殆どエネルギーを固体に付与することなく反射され、収量が急激に減少する。
【００３７】
また、スパッタ現象は、結晶粒の結晶方位の違いでスパッタリング速度が違うため結晶粒を起点とした凹凸できる。この凹凸とイオン加工速度の入射角依存性のため表面の凹凸が益々助長され加工速度を速くするためビーム制限アパーチャの寿命が短くなる。しかしながら、Ｗの結晶粒径は1μｍ程度で、Ｓｎの結晶粒径は６〜１０μｍである。このため、ＷはＳｎに比べ凹凸ができなく、また、スパッタリングイードも小さい。さらに、本発明のＧａ溜りのあるＷビーム制限アパーチャを用いると１μｍ程度の凹凸が形成された場合でも、表面がＧａで濡れるために表面は鏡面状になり、ビーム制限アパーチャを使い込んでもスパッタ速度の変化が少ない。
【００３８】
その上、表面がＧａで覆われているため、Ｇａのスパッタリングが起きてもＷのスパッタリングは起きにくい。ビーム制限アパーチャはＧａが枯れることが無ければＷアパーチャがスパッタリングを受けることが無いため、Ｗアパーチャが薄くても所望の寿命を得ることができる。
【００３９】
次に、液体金属イオン銃の実装状態について説明する。Ｇa溜り１０ｄは、開口２−３１を有するＷビーム制限アパーチャ２−３の表面にＧａの塊を置いてＧａの塊を溶かし、Ｗビーム制限アパーチャを−２０℃の加冷却雰囲気にして固化したものを用いた(図７（ａ）参照)。また、イオン照射領域に掛からないように配置されたリング状のＷ材やＷ焼結体９にＧａ１０ｅを塗布し、ビーム制限アパーチャ２−３の上に置いたもの、或いは、Ｇａをリング状のＷ材やＷ焼結体９とＷビーム制限アパーチャ２−３との間にサンドイッチした構造のものでも良い(図７（ｂ）)。或いは、Ｇａ溜り１０ｆが形成されやすいように、開口２−３１から離れた領域に、Ｗビーム制限アパーチャ２−３の表面に凹部や凹溝２−３−１などを形成することにより、Ｇａが溶融し流動性を持った場合でも、所定の位置に液状Ｇａをためておくことも可能である。
【００４０】
ＷとＧａとは濡れ性が良いが、Ｗが酸化していると濡れにくい。酸化のない清浄なＷ表面を得るため、Ｗビーム制限アパーチャを次亜塩素酸Ｎａ溶液に1時間浸漬した。あるいは、ＮａＯＨなどの電解液を使った電界研磨で表面の汚れを落としてから純水で超音波洗浄を行った。
【００４１】
Ｇａ溜りのあるＷビーム制限アパーチャを用いたＧａ液体金属イオン銃を装置に搭載することにより、イオン銃の到達真空度を10-7Ｐａで動作させたところ、引出電圧７ｋＶ、エミッション２．４μＡの状態を連続して１２０時間保持することができ、その間、フラッシングやエミッション制御などのメンテナンスを行うことなくビームフォーカス状の変化を抑制することができた。
【００４２】
以上に説明したように、本実施の形態によるＷビーム制限アパーチャを用いると、ビーム制限アパーチャからスパッタリングされたＧａやＷ粒子がエミッタに付着しても液体金属イオン源のＧａを汚染することにはならないため、Ｇａ液体金属イオン源の近傍に、ビーム制限アパーチャを置いた場合でも安定なエミッション状態を長時間維持することができる。
【００４３】
また、本実施の形態によるＷビーム制限アパーチャによれば、基本動作としてＧａでイオン照射領域が濡れているために、Ｗの露出が無く、イオン照射によるスパッタリングはＧａが主であり、液体金属イオン源にスパッタリング粒子が吸着しても汚染にならないためエミッションの変化が抑制される。さらに、長時間イオン照射を受けてビーム制限アパーチャの構成材(Ｗ母材)が露出した場合、Ｗ母材がスパッタされる場合もある。この場合にはＷがスパッタリングされてＧａ液体金属源に付着混入してもエミッションが減少するが、ＷとＧａの濡れ性が良いためフラッシング(エミッタを一時的に加熱)によりＷはＧａで覆われ回復が簡単である。
【００４４】
この他に、Ｇａ液体金属イオン源の汚染としてＧａの酸化物も考えられるが、動作真空度が10-6Ｐａであれば、数日に渡ってエミッションが安定しており、同時にＧａの酸化も進むため酸化の進行につれてエミッションが減少する。しかしながら、酸化Ｇａは７００℃程度で３０秒間程度のフラッシング(加熱)を行うことにより再現性が良くエミッション状態(エミッション電流と必要な引出電圧と安定性)を回復させることができる。
【００４５】
また、動作真空度が10-7Ｐａオーダであれば、数日間にわたって引出電圧などの放射条件を変えることなくエミッションが安定であるため、イオン光学系のレンズ作用が変化しない。このため、数日間フォーカス調整を行わなくてもイオン加工することができ、装置の安定性と操作性の簡便さとが格段に向上する。
【００４６】
ビーム制限アパーチャのビーム照射領域に一部でもＧａ溜りがあればビーム制限アパーチャのビーム照射領域に自発的にＧａが拡散して濡れる。このため、ビーム制限アパーチャのビーム照射領域は凹凸が存在しないＧａの鏡面状になるため、スパッタリングの角度依存性が最低に抑えられ寿命が延びる。さらに、ビーム制限アパーチャの表面ではＧａのスパッタリングが主であり、Ｗのスパッタリングは殆ど無くなるため、ビーム制限アパーチャが薄くても長寿命にできる。
【００４７】
また、薄くするとビーム制限アパーチャの側壁で散乱するビームの数が減るのでエネルギーと方向が整ったビームをビーム制限アパーチャの下流に通すことができる。従って、集束イオンビーム装置の大電流ビームによる加工において、加工周辺にイオン照射のダメージのない加工ができる。特に、本実施の形態によるＷビーム制限アパーチャを用いた液体金属イン銃によれば、数百時間以上の使用を目的とする液体金属イオン源において、エミッションを長時間安定に維持する点と不安定になったエミッションを安定な状態に確実に戻す点、つまり、エミッション安定性の回復の容易性と再現性が優れている。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、長時間の加工が必要な場合に特に有効である。また、メンテナンスが容易なため、大規模な生産ラインにおいても利用性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態によるイオンビーム装置の構成例を示す図である。
【図２】Ｇａ液体金属イオン源の構成を示す図である。
【図３】一般的な液体金属イオン銃の構成を示す図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施の形態による液体金属イオン銃であって、Ｇａ溜りを設けた構成例を示す図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）までは、本発明の一実施の形態によるビーム制限アパーチャの構成例を示す図である。
【図６】単原子固体撮像装置のスパッタリング収量の入射角度依存性の例を示す図である。
【図７】図７（ａ）から（ｃ）までは、本発明の一実施の形態によるビーム制限アパーチャの構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…イオンビーム装置、２…イオン銃、２−１…Ｇａ液体金属イオン源、２−１１…エミッタ母材、２−１２…リザーバ、２−１３…フィラメント、２−１４…端子、２−１５…ベース、２−２…引出電極、２−２１…開口、２−３…ビーム制限アパーチャ、２−３１…開口、２−４…アース電極、３…真空容器、４…真空排気装置、５…イオンポンプ、６…高電圧電源、６−１…加速電源、６−１ａ…高電圧接続部、６−２…引出電源、６−２ａ…高電圧接続部、６−３ａ…高電圧ケーブル、６−４…加熱電源、７…照射イオンビーム、７−１…ビーム照射領域、８…ゲートバルブ、９…エミッタ表面を覆うＧａ、１０…Ｇａ溜り、１１…スパッタ粒子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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