JP2005150058A - 液体金属イオン放出用装置、イオンビーム照射装置、該イオンビーム照射装置を備えた加工装置、分析装置、および液体金属イオン放出用装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属イオンの放出面積を極微小化することができ、液体金属のイオン放出部への流れを真空環境等の影響が受けにくい構造とすることが可能となる液体金属イオン放出用装置、該液体金属イオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置、該イオンビーム照射装置を備えた加工装置、分析装置、および液体金属イオン放出用装置の製造方法を提供する。
【解決手段】溶融した液体金属に電圧を印加して金属イオンを放出させるための液体金属イオン放出用装置であって、前記金属イオンの放出用装置が、前記液体金属が移動可能な細孔を有する針状部（５）を備え、該針状部（５）は前記液体金属を前記細孔内に供給するための第一の開口部と、前記液体金属を金属イオンとして放出するための第２の開口部と、を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体金属イオン放出用装置、該液体金属イオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置、該イオンビーム照射装置を備えた加工装置、分析装置、および液体金属イオン放出用装置の製造方法に関し、特に微細領域における加工や成膜、あるいは微細領域の質量分析等に用いられる液体金属イオン放出用装置、液体金属イオン放出用装置の製造方法に関するものである。

溶融した液体金属に強電界を印加して金属イオンを放出させる液体金属イオン源（Ｌｉｑｕｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ：ＬＭＩＳ）を用いると、微小面積からイオンを放出させ、高い電流密度を保持して微細なプローブを試料上に集束させることができる。近年、この高輝度で微小なプローブという特徴を生かしたＬＭＩＳの応用が工業的にも分析技術の分野でも普及しつつある。
集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）はＬＭＩＳをイオン源として備えた微細加工技術であり、低融点金属であるＧａやＩｎをＬＭＩＳの材料として用いた装置が製品化されており、マスクレスの微細加工手段として広く利用されている。

また、ＦＩＢは透過電子顕微鏡等の分析用試料の作製手段としても有効であり、ＦＩＢを用いると着目する特定の個所を高精度かつ効率的に薄片化できる。
さらに、イオン照射により試料から発生する２次イオンを検出することにより、試料表面を高い空間分解能で観察・分析する手段としてもきわめて有効である。ＴＯＦ−ＳＩＭＳ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ−Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）はこのような分析方法の１つであり、ＦＩＢ照射により試料から放出される２次イオンの質量を測定することにより、サブミクロンの空間分解能で表面の成分を分析することができる。

ＬＭＩＳの構成は、例えば特許文献１に詳述されているように、ヘアピンタイプとリザーバタイプがあり、リザーバタイプの変形としてキャピラリニードルタイプ等が知られている。さらに、これらの改良タイプが上記特許文献１に開示されている。

上記ヘアピンタイプでは、ヘアピン状の金属線の中央屈曲部に針状金属が点溶接され、溶融された金属は表面張力によりこの屈曲部付近から上記針状金属の表面に貯留されている。また、リザーバタイプはエミッター付近に液体金属を保持するリザーバを配置して、ヘアピンタイプに比べて多量の液体金属を貯留できる構造を有している。また、上記リザーバタイプの変形としてのキャピラリニードルタイプは、リザーバ下端にキャピラリを設け、このキャピラリを貫通するエミッター間との毛細管現象を利用してエミッター先端に溶融イオン材料を供給し易くしている。
さらに、上記特許文献１に開示された改良タイプは、溶融イオン材料を未搭載の状態で、通電加熱したリザーバからの熱電子により、エミッター部を電子衝撃加熱できることを特徴としている。この電子衝撃加熱でエミッターを清浄化することにより、溶融イオン材料の安定した流れが図られている。
特開平０６−００３３２６号公報

ところで、ＬＭＩＳから安定なイオンビームを発生させるには、ＬＭＩＳのエミッター先端に溶融イオン材料が安定に供給されることが重要である。
また、微小なプローブを形成するには、エミッター先端部のイオン放出面積ができるだけ小さいことが望ましい。
イオン放出面積については、上記した従来例のいずれのＬＭＩＳにおいても、イオン放出領域がエミッター先端部を覆う溶融イオン材料の曲率に左右されているので、極微小のイオン放出面積を得ることは困難である。さらに、これらの従来例におけるＬＭＩＳの問題点は、溶融イオン材料がエミッター先端部に供給される過程で必ずエミッター表面をその経路として通過しなければならないことである。したがって、エミッター先端に到達するまでの溶融金属の流れは、エミッターの表面状態と真空の状態に大きく影響される。溶融液体の流れを安定に保持するためには、エミッター表面は清浄かつ滑らかである必要があり、さらに残存する気体分子の影響を避けるために、雰囲気を超高真空に保持する必要がある。
しかしながら、如何に細心の注意を払ったとしても、現実にはエミッションを常に安定化させることはむずかしい。気体分子運動論より、一般に分圧ｐに対してｐ／√２πｍｋＴの気体分子フラックスが表面上に入射することが知られている。ここでｍは着目する気体分子の分子量、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である。したがって例えば１Ｅ−１０Ｔｏｒｒ超高真空であっても、一定時間以上エミッションを停止した場合、清浄表面を回復するためにフラッシングやエージングといった操作が避けられない。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、金属イオンの放出面積を極微小化することができ、液体金属のイオン放出部への流れを真空環境等の影響が受けにくい構造とすることが可能となる液体金属イオン放出用装置、該液体金属イオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置、該イオンビーム照射装置を備えた加工装置、分析装置、および液体金属イオン放出用装置の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、以下のように構成した液体金属イオン放出用装置、該液体金属イオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置、該イオンビーム照射装置を備えた加工装置、分析装置、および液体金属イオン放出用装置の製造方法を提供するものである。
すなわち、本発明の液体金属イオン放出用装置は、溶融した液体金属に電圧を印加して金属イオンを放出させるための液体金属イオン放出用装置であって、前記金属イオンの放出用装置が、前記液体金属が移動可能な細孔を有する針状部を備え、該針状部は前記液体金属を前記細孔内に供給するための第一の開口部と、前記液体金属を金属イオンとして放出するための第２の開口部と、を有することを特徴としている。
また、本発明の液体金属イオン放出用装置は、前記針状物質が、カーボンナノチューブであることを特徴としている。
また、本発明のイオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置は、該イオンビーム照射装置におけるイオン放出用装置が該上記いずれかに記載の液体金属イオン放出用装置で構成されていることを特徴としている。
また、本発明のイオンビーム照射装置を備えた加工装置は、該加工装置における該イオンビーム照射装置が上記イオンビーム照射装置で構成されていることを特徴としている。
また、本発明のイオンビーム照射装置を備えた分析装置は、該分析装置における該イオンビーム照射装置が上記イオンビーム照射装置で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の液体金属イオン放出用装置の製造方法は、溶融した液体金属に電圧を印加し、リザーバの先端部に設けられた金属イオンの放出部から、金属イオンを放出させる液体金属イオン放出用装置の製造方法であって、アーク放電により真空容器中で生成された生成物の中から前記金属イオンの放出部に適した形状の細孔を有する針状部材を選別する工程と、前記リザーバの先端部に形成された平坦領域に、前記選別された針状部材を搬送し、該平坦領域にハイドロカーボンを堆積させて該針状部材を固定する工程と、を有することを特徴としている。
また、本発明の液体金属イオン放出用装置の製造方法は、前記針状部材を選別する工程が、前記生成物の中からカーボンナノチューブを選別する工程であることを特徴としている。

本発明によれば、金属イオンの放出面積を極微小化することができ、液体金属のイオン放出部への流れを真空環境等の影響が受けにくい構造とすることが可能となる液体金属イオン放出用装置、該液体金属イオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置、該イオンビーム照射装置を備えた加工装置、分析装置、および液体金属イオン放出用装置の製造方法を実現することができる。

本発明は、上記のような構成に特徴を有するものであるが、それは理想的な液体金属イオン放出用装置（液体金属放出源）を実現するために鋭意検討した結果、カーボンナノチューブ内に液体を注入し、滑らかに移動させることができるということに着目し、一方の開口端から溶融した液体金属を供給し、他方の開口端から該液体金属を放出させることにより、微小な放出面積を有する液体材料のエミッターを実現したものである。
具体的には、溶融金属に引き出し電圧を印加して金属イオンを放出させる液体金属イオン源において、上記液体金属イオン源のエミッター部を自己組織化的に形成された細孔を有する針状物質で構成し、該針状物質の一方の開口部から上記液体金属を供給して上記細孔を通して輸送するようにする一方、他方の開口部から金属イオンとして放出するようにしたものである。ここで、自己組織化的に形成された細孔を有する針状物質としては、例えばカーボンナノチューブを用いることができる。カーボンナノチューブはナノメータサイズの直径をもつ円柱状の中空領域をグラファイト層で覆った構造を有し、単層グラファイト層の構造をＳＷＣＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、多層のものはＭＷＣＮＴ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）と呼ばれている（例えば文献Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７３，４８３（１９９６））。カーボンナノチューブの作製法は黒鉛を用いたアーク放電による方法、ＣＶＤ法、等が知られている（例えば文献「金属 Ｖｏｌ１．７２ Ｎｏ．９ （２００２） ｐ８５９」）。

カーボンナノチューブの先端はグラファイトシートにより閉じた構造をもつものと、開放された構造をもつものがある。開放端をもたせたカーボンナノチューブに表面張力の作用により液体が注入できることが理論的に示され、実験的には文献Ｎａｔｕｒｅ ４１５，５９９，２００２で報告されている。さらに上記文献には、低融点金属であるＧａをカーボンナノチューブに注入すると、熱膨張によりナノチューブ中のＧａ液体表面が移動することを利用して、微小な温度計として用いることができることが報告されている。

本発明は上記文献に示されているようにカーボンナノチューブ内に液体を注入し、滑らかに移動させることができるという事実に着目し、一方の開口端から溶融金属を供給し、他方の開口端から該溶融金属を放出させることにより、微小な放出面積を有する液体材料のエミッターを実現したものである。
本発明をＬＭＩＳとして用いると、液体金属の放出面積は開放端におけるナノチューブの内径により決まるので、ナノメータオーダーの微小な放出サイズを形成することも容易である。さらに、本発明によれば、液体金属が放出部に達するまでのナノチューブ内の経路は、ナノチューブの内壁により外部環境から保護され、外部環境における雰囲気の影響を受けにくい。しかも自己組織化によって形成されたナノチューブは、滑らかで理想的な１次元チャンネルであり、安定で定常的な液体金属の流れを形成することができる理想的な構造を有している。

以下、本発明に実施例について図を用いて説明するが、本発明はこの実施例によって、何ら限定されるものではない。
図１に本実施例の液体金属放出源（液体金属イオン放出用装置）の構造を示し、また、図２に図１の矢印Ａ方向から見た液体金属放出源の構造の拡大模式図を示す。
図１において１は絶縁碍子、２は絶縁碍子１に貫通固着した支柱電極、３は支柱電極２にスポット溶接したタングステンワイヤー、４はタングステンワイヤー３を螺旋状に成型したリザーバ、５は両端部が開口した多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）を表している。
また、図２において、６はリザーバ先端部分、７はカーボンナノチューブ、８はカーボンナノチューブをリザーバに接合しているハイドロカーボンを表している。

ここで、まずカーボンナノチューブの作製法およびリザーバ先端に固定法の１例について以下に説明する。
真空容器の中に対向させた炭素棒を電極としてアーク放電を行い、陰極上の生成物を回収し、この回収物およびリザーバが形成されたタングステンワイヤー３をＦＩＢと走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が複合化された装置（以下、これをＦＩＢ−ＳＥＭ装置と記す）に導入する。このＦＩＢ−ＳＥＭ装置には位置移動等の調整手段を持つマニピュレータにカーボンナノチューブプローブ（以下、これをナノプローブと記す）が装着されており、微小な試料片をマニピュレートすることができるように構成されている。

ＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用いてＦＩＢ加工を行い、リザーバ先端のタングステンワイヤー側面部にカーボンナノチューブを固定するための平坦領域９を形成する。つぎに、ＳＥＭ観察により上述したアーク放電の回収物から、エミッターとして適した形状を持つカーボンナノチューブを選び、上記ナノプローブを用いて上記ＦＩＢ加工面に搬送した。この際、ナノプローブの操作を習熟することにより、上記カーボンナノチューブを所望のリザーバ先端位置に着地させることができる。

つぎに、メタンガスをリザーバ先端付近に噴射しながらＳＥＭの電子線を一定領域走査して、この電子線走査領域にハイドロカーボン８を堆積させることによりカーボンナノチューブをリザーバ先端部に固着し、さらにメタンガスの噴射を停止して十分排気した後、支柱電極２から電流を流して通電加熱することによりリザーバ付近の清浄化を行う。

ここで、Ｇａの装填は図１の矢印Ｂ方向から溶融Ｇａ液滴を滴下することにより、容易に行うことができる。図３にＧａ充填後のエミッター断面を模式的に示す。図３において、液体Ｇａはその表面張力により、図３で示されている符号１０の領域から落下することなくリザーバに保持され、また同様に表面張力の作用により、カーボンナノチューブ内部１１に浸透する。Ｇａの液面とカーボンナノチューブ先端との相対位置は、カーボンナノチューブの長さ、内径、および液体Ｇａの温度等に依存するが、一定の条件内であれば液面が先端付近まで達する。図３から明らかなように液体Ｇａは該液体領域の内部１２からカーボンナノチューブの一端１３に供給され、カーボンナノチューブ内１１を通って先端部１４に到達する。この過程でＧａはカーボンナノチューブの内壁以外の金属表面や真空界面に近接することはない。

上記工程により形成されたカーボンナノチューブからなるＬＭＩＳを、ＦＩＢ装置に装着し、液体Ｇａに電界を印加すると、カーボンナノチューブの先端部１４からイオン化したＧａが放出される。本実施例によると、イオン放出部となる先端部１４のイオン放出領域は、カーボンナノチューブのサイズを選択して微小な面積に規定できるため、集束性に優れたプローブを形成することができる。また、カーボンナノチューブの内壁はＧａの定常的な流れを形成する上で理想的な経路になっており、安定なイオン放出特性を得ることができる。

本発明の実施例における液体金属放出源（液体金属イオン放出用装置）の構造を示す図である。 本発明の実施例における図１の矢印Ａ方向から見た液体金属放出源（液体金属イオン放出用装置）の構造を示す拡大模式図である。 本発明の実施例におけるＧａ充填後のエミッター断面構造を模式的に示した図である。

符号の説明

１：絶縁碍子
２：支柱電極
３：タングステンワイヤー
４：リザーバ
５：多層カーボンナノチューブ
６：リザーバ先端部分
７：カーボンナノチューブ
８：ハイドロカーボン
９：平坦領域
１１：カーボンナノチューブの内部
１２：液体領域の内部
１３：液体Ｇａが供給されるカーボンナノチューブの一端
１４：イオン化したＧａが放出されるカーボンナノチューブの先端部

Claims (7)

1. 溶融した液体金属に電圧を印加して金属イオンを放出させるための液体金属イオン放出用装置であって、
   前記金属イオンの放出用装置が、前記液体金属が移動可能な細孔を有する針状部を備え、該針状部は前記液体金属を前記細孔内に供給するための第一の開口部と、前記液体金属を金属イオンとして放出するための第２の開口部と、を有することを特徴とする液体金属イオン放出用装置。
2. 前記針状物質が、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の液体金属イオン放出用装置。
3. イオン放出用装置を備えたイオンビーム照射装置において、前記イオン放出用装置が請求項１または請求項２に記載の液体金属イオン放出用装置で構成されていることを特徴とするイオンビーム照射装置。
4. イオンビーム照射装置を備えた加工装置において、前記イオンビーム照射装置が請求項３に記載のイオンビーム照射装置で構成されていることを特徴とする加工装置。
5. イオンビーム照射装置を備えた分析装置において、前記イオンビーム照射装置が請求項３に記載のイオンビーム照射装置で構成されていることを特徴とする分析装置。
6. 溶融した液体金属に電圧を印加し、リザーバの先端部に設けられた金属イオンの放出部から、金属イオンを放出させる液体金属イオン放出用装置の製造方法であって、
   アーク放電により真空容器中で生成された生成物の中から前記金属イオンの放出部に適した形状の細孔を有する針状部材を選別する工程と、
   前記リザーバの先端部に形成された平坦領域に、前記選別された針状部材を搬送し、該平坦領域にハイドロカーボンを堆積させて該針状部材を固定する工程と、
   を有することを特徴とする液体金属イオン放出用装置の製造方法。
7. 前記針状部材を選別する工程が、前記生成物の中からカーボンナノチューブを選別する工程であることを特徴とする請求項６に記載の液体金属イオン放出用装置の製造方法。

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