特許 6927493 イオン源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6927493

(24)【登録日】2021年8月10日

(45)【発行日】2021年9月1日

(54)【発明の名称】イオン源

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/26 20060101AFI20210823BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20210823BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/26

   H01J37/08

【請求項の数】13

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-197041(P2017-197041)

(22)【出願日】2017年10月10日

(65)【公開番号】特開2018-63946(P2018-63946A)

(43)【公開日】2018年4月19日

【審査請求日】2020年7月16日

(31)【優先権主張番号】特願2016-200401(P2016-200401)

(32)【優先日】2016年10月11日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100196058

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 彰雄

(72)【発明者】

【氏名】鷹尾 祥典

(72)【発明者】

【氏名】長尾 昌善

(72)【発明者】

【氏名】村上 勝久

【審査官】 中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−１０１９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１０６７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５３２１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５５９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４２２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５００８５８５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 Fabrication of gated nano electron source for vacuum nanoelectronics，Microelectronic Engineering，NL，Elsevier，2014年09月22日，Vol. 132，pp. 14-20

【文献】 Microfabricated electrospray emitter arrays with integrated extractor and accelerator electrodes for the propulsion of small spacecraft，Journal of Micromechanics and Microengineering，英国，IOP Publishing，2014年06月05日，Vol. 24, 075011，pp. 1-13

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／２６

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電界により、イオン液体、液体金属からイオンを引き出すイオン源であって、
一端に開口を有するタンクと、
前記開口を覆うエミッタ電極層と、
前記エミッタ電極層上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に積層されたゲート電極層と、を備え、
前記エミッタ電極層、前記絶縁層、前記ゲート電極層が、それぞれ、互いに重なる位置において、前記タンクの外側に突出し、先端が尖った中空の凸部を有し、
それぞれの前記凸部の先端は、互いに連通する開口部を有していることを特徴とするイオン源。

【請求項2】

前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の突出方向に沿った断面視において、前記エミッタ電極層の凸部の側面と、前記ゲート電極層の凸部の側面とのなす角度が、１０度以下であることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。

【請求項3】

前記エミッタ電極層の凸部の開口部の内径が、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のイオン源。

【請求項4】

前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部が、いずれも、上底と下底とが開放した中空の円錐台の形状を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項5】

前記エミッタ電極層の円錐台の底面の直径が、３μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のイオン源。

【請求項6】

前記エミッタ電極層の凸部の開口端と、前記ゲート電極層の凸部の開口端との距離が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項7】

前記エミッタ電極層の前記タンク側に、炭素系材料からなる膜が積層されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項8】

前記ゲート電極層が、絶縁層を挟んだ多層構造を有しており、いずれの絶縁層も、前記凸部の先端と重なる部分が開口していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項9】

前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の重なり構造が、５００個／ｃｍ^２以上の面密度で並んでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項10】

前記エミッタ電極層の凸部の内側に、前記凸部の先端側に頂点を有する円錐状の部材が配されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項11】

複数の前記凸部の先端が向く側において、複数の前記凸部と対向するように延在する加速電極を有し、
前記加速電極が、その延在方向と交差する加速電極孔を有し、
前記加速電極孔と重なる位置ごとに、複数の前記凸部の重なり構造がグループを形成して分布していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項12】

それぞれの前記グループと重なる位置に、集束電極が配されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のイオン源。

【請求項13】

それぞれの前記グループにおいて、中央の前記凸部の重なり構造側に、周囲の前記凸部の先端の向きが傾いていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のイオン源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン液体または液体金属からイオンを引き出すイオン源に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、超小型人工衛星の打ち上げ数が爆発的に伸びている。これは、小型化によって開発費や開発期間を大幅に削減できるようになったこと、超小型人工衛星を利用した様々なサービスがビジネス化されるようになってきたことによる。超小型人工衛星には、小型の推進システムが必要であるが、推進システムは、大きく分けると次の４つの系から構成される。（１）推進力を生み出すスラスタ系、（２）スラスタに推進剤を供給する推進剤供給系、（３）太陽電池で発生した電力を各系に必要な電力に変換する電力変換系、そして（４）各系に必要な指令を行う制御系である。このうち（１）、（２）の系は、小型化・省電力化が難しいとされている。

【0003】

５０ｋｇ級の超小型人工衛星には、すでに小惑星探査機「はやぶさ」に使われたイオンスラスタを小型化したものが搭載され、宇宙空間における実証も行われている。この超小型衛星は、推進剤のキセノンガスをマイクロ波電力によりプラズマ化し、そのプラズマからイオンを引き出すことで推力を得ている。しかし、推進剤としてガスを用いる場合、高圧タンクを含むガス配管系を備える必要がある。そのため、これ以上の小型化は難しく、また、仮に小型化できたとしても、放電室体積に対する表面積の割合が増大する結果、プラズマ生成効率が悪化するため、推進効率が著しく低下する。

【0004】

さらに、イオンスラスタに代表される従来の静電加速式スラスタでは、正イオンを放出し続けることによる人工衛星の帯電を防止するために、電子放出も同時に行う必要があり、電子放出用の機構（電子源）のスペースを設ける必要がある。ただし、電子放出を行ったとしても、電子は質量が極めて小さくて推力には寄与しないため、電子源に必要な電力、推進剤、および、スペースが推進機の性能低下に直結する。

【0005】

こうしたスペースと低効率の問題の両方を同時に解決し得るスラスタの一つとして、イオン液体を推進剤に利用する、エレクトロスプレー式マイクロスラスタが知られている。イオン液体は、蒸気圧がほぼゼロであるため、液体状態のままでも真空中での貯蔵や扱いが容易であり、かつ導電性を有することから電気的に制御することができる。放出するイオンの加速は、針状電極と引き出し電極から構成される強い電場により、イオン液体を高速で引き出すエレクトロスプレー現象を利用して行う。プラズマを生成するための電力を必要しないため、電力消費を大幅に低減することができる。

【0006】

また、イオン液体は、カチオン、アニオンという正負の電荷を持ったイオンのみから構成されるため、引き出し電極に両極性の高電圧パルスを印加すれば、正負両方のイオンを放出することができる。いずれのイオン放出も推進力に寄与し、なおかつ、正負両方のイオンの放出による自己中和可能であるため、推進効率も高くなる。

【0007】

さらに、エレクトロスプレー式マイクロスラスタでは、推進剤にガスを用いないため、体積の大きくなりがちな高圧ガスタンクやレギュレータ等を必要としない。電荷を持ち、表面張力が大きいイオン液体を用いるので、ＭＥＭＳ技術等を用いて微細なキャピラリを作製することで、毛細管現象と電極間にかかる電場だけで流量制御が可能となり、推進剤供給系の大幅な小型軽量化が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１４−４４８８５号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Ｓ．Ｄａｎｄａｖｉｎｏ，Ｃ．Ａｔａｍａｎ，Ｃ．Ｎ．Ｒｙａｎ，Ｓ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ｄ．Ｃｏｕｒｔｎｅｙ，Ｊ．Ｐ．Ｗ．Ｓｔａｒｋ ａｎｄ Ｈ．Ｓｈｅａ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２４（２０１４）０７５０１１

【非特許文献2】Ｒ．Ｋｒｐｏｕｎ，Ｋ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈ，Ｊ．Ｐ．Ｗ．Ｓｔａｒｋ， ａｎｄ Ｈ．Ｒ．Ｓｈｅａ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９４，１６３５０２（２００９）

【非特許文献3】Ｍ．Ｎａｇａｏ，Ｔ． Ｙｏｓｈｉｄａ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １３２（２０１５）１４−２０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、従来のエレクトロスプレー式マイクロスラスタでは、一つの針状電極が生み出す推力は極めて小さいため、十分な推力を得るためには、１万個以上の針状電極を集積しなければならない。現状では、１万個の針状電極の集積化はまだ達成できていない。

【0011】

エレクトロスプレー式マイクロスラスタには、非特許文献１の図２に開示されているように、（ａ）ニードル型、（ｂ）含浸（ポーラス）型、（ｃ）キャピラリ型のものがある。いずれも、推進剤となるイオン液体または液体金属が接するエミッタ電極と、引き出しゲート電極とで構成され、両電極間に高電圧を印加することでエレクトロスプレー現象を発生させ、イオン液体を高速（数１０ｋｍ／ｓ）で引き出す仕組みになっている。

【0012】

ニードル型の場合、鋭利化したエミッタ先端に電界集中が促される結果、イオン液体から陽／陰イオンのみが引き出されるＰｕｒｅｌｙ Ｉｏｎｉｃ Ｒｅｇｉｍｅ（ＰＩＲ）が実現可能とされている。しかし、その構造上、推進剤となるイオン液体をエミッタ裏面から供給できないため、予め供給しておくか、エミッタの側面から供給する方法しかない。前者の供給方法では推進剤の量が確保できず、後者の供給方法では大規模アレイ化した際に、推進剤として均一に供給することが難しい。

【0013】

含浸型の場合、ポーラス素材をエッチングしてニードル型にしているため、ポーラスの形状等のバラつきが性能に影響する。つまり、ニードル型エミッタに存在するポーラスの大きさ（〜１０μｍ）にばらつきが生じるので、エミッタ−ゲート間に印加するイオン引き出し開始電圧にも差が生じ、一様にイオンを引き出すことが難しい。

【0014】

キャピラリ型の場合、エミッタの内部に推進剤であるイオン液体の導入経路が設けられている。これにより裏面からの一様な推進剤供給が可能であり、また、含浸型と比較してキャピラリ径を能動的に制御して加工し易いため、複数のキャピラリを設けた場合、１つ１つのキャピラリの形状等のバラツキを抑えることができる。ただし、エミッタ内部にキャピラリを設ける都合、エミッタ先端が平坦となり上述の２つの型のものより電界集中が弱まるためイオン引き出し開始電圧が高くなる傾向にある。

【0015】

また、従来技術ではキャピラリの内径を８μｍより小さくすることは難しく、そのためドロップレットの発生を抑えることができなかった。ドロップレットが発生すると、エミッタ電極とゲート電極との間で電気的なショートが起こってしまい、それぞれの電極の寿命が短くなるという問題がある。仮にショートが起こらなかったとしても、射出されるイオンにドロップレットが混入してしまうことにより、推進効率が極端に悪くなってしまうことが報告されている（非特許文献１の図３参照）。

【0016】

一方、ＴＥＭ試料作製の分野において用いられるＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ）は、現在の微細加工技術の発展に不可欠な存在となっている。ＦＩＢは、イオンビーム照射による加工機能を有しており、また、イオンビーム照射によって試料表面から放出される二次電子を検出することにより、ＳＩＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を取得する手段として用いることができる。さらに、ＦＩＢには、イオンビーム照射を行った領域近傍の試料表面に、化合物ガスを吹き付けて成膜を行う等の活用方法もある。

【0017】

ＦＩＢのイオン源には、液体金属を用いるのが一般的であり、実用的な温度の制約からもっぱらＧａが用いられている。液体金属はイオン液体より表面張力が大きいため、エレクトロスプレー現象を起こすには、より強い電界が必要となる。その分、高い電位差を印加する必要があり、一般的には１〜３０ｋＶの電位差をかけてＧａイオンビームを引き出している。

【0018】

例えば、ＴＥＭ試料を作製するに当たって、数１０ｋＶに加速されたＧａイオンビームを利用すると、ＴＥＭ試料にはダメージ層ができ、その厚さはＧａイオンビームの加速電圧に比例する。ダメージを減らすには印加電圧を下げるしかなく、その分加工速度が犠牲になる。また、３０ｋＶ印加をしても得られる電流は６０ｎＡ程度が現状であり、１００μｍ以上の幅をもつ断面加工には数時間を要する。さらに、液体金属をイオン源に用いる限り、実用的な温度の観点からＧａまたはＩｎが選択肢となり、イオンビームとしては正イオンしか利用することはできない。

【0019】

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ドロップレットの発生を抑えつつ、原料液を効率よく供給することを可能とし、かつ、供給された原料液からイオンを効率よく引き出すことを可能とする、イオン源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】

【0020】

本発明は、以下の手段を提供する。
［１］電界により、イオン液体、液体金属からイオンを引き出すイオン源であって、一端に開口を有するタンクと、前記開口を覆うエミッタ電極層と、前記エミッタ電極層上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に積層されたゲート電極層と、を備え、前記エミッタ電極層、前記絶縁層、前記ゲート電極層が、それぞれ、互いに重なる位置において、前記タンクの外側に突出し、先端が尖った中空の凸部を有し、それぞれの前記凸部の先端は、互いに連通する開口部を有していることを特徴とするイオン源。
［２］前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の突出方向に沿った断面視において、前記エミッタ電極層の凸部の側面と、前記ゲート電極層の凸部の側面とのなす角度が、１０度以下であることを特徴とする［１］に記載のイオン源。
［３］前記エミッタ電極層の凸部の開口部の内径が、１μｍ以下であることを特徴とする［１］または［２］のいずれかに記載のイオン源。
［４］前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部が、いずれも、上底と下底とが開放した中空の円錐台の形状を有していることを特徴とする［１］〜［３］のいずれか一つに記載のイオン源。
［５］前記エミッタ電極層の円錐台の底面の直径が、３μｍ以下であることを特徴とする［４］に記載のイオン源。
［６］前記エミッタ電極層の凸部の開口端と、前記ゲート電極層の凸部の開口端との距離が、１０μｍ以下であることを特徴とする［１］〜［５］のいずれか一つに記載のイオン源。
［７］前記エミッタ電極層の前記タンク側に、炭素系材料からなる膜が積層されていることを特徴とする［１］〜［６］のいずれか一つに記載のイオン源。
［８］前記ゲート電極層が、絶縁層を挟んだ多層構造を有しており、いずれの絶縁層も、前記凸部の先端と重なる部分が開口していることを特徴とする［１］〜［７］のいずれか一つに記載のイオン源。
［９］前記エミッタ電極層の凸部、前記絶縁層の凸部、前記ゲート電極層の凸部の重なり構造が、５００個／ｃｍ^２以上の面密度で並んでいることを特徴とする［１］〜［８］のいずれか一つに記載のイオン源。
［１０］前記エミッタ電極層の凸部の内側に、前記凸部の先端側に頂点を有する円錐状の部材が配されていることを特徴とする［１］〜［９］のいずれか一つに記載のイオン源。
［１１］複数の前記凸部の先端が向く側において、複数の前記凸部と対向するように延在する加速電極を有し、前記加速電極が、その延在方向と交差する加速電極孔を有し、前記加速電極孔と重なる位置ごとに、複数の前記凸部の重なり構造がグループを形成して分布していることを特徴とする［１］〜［１０］のいずれか一つに記載のイオン源。
［１２］それぞれの前記グループと重なる位置に、集束電極が配されていることを特徴とする［１］〜［１１］のいずれか一つに記載のイオン源。
［１３］それぞれの前記グループにおいて、中央の前記凸部の重なり構造側に、周囲の前記凸部の先端の向きが傾いていることを特徴とする［１］〜［１２］のいずれか一つに記載のイオン源。

【発明の効果】

【0021】

本発明のエミッタ電極層は、先端が尖った凸部を有しており、ゲート電極層との間に電圧を印加した際に、尖った先端には電界集中が促される。そのため、本発明のエミッタ電極層では、供給された原料液から、陽イオンのみまたは陰イオンのみが引き出されるＰｕｒｅｌｙ Ｉｏｎｉｃ Ｒｅｇｉｍｅ（ＰＩＲ）が実現可能となっている。また、尖った先端に電界が集中することにより、原料液からのイオンの引き出しに要する電圧（イオン引き出し開始電圧）を低く抑えることができる。

【0022】

本発明では、エミッタ電極層の凸部と重なる位置において、ゲート電極層も同様に凸部を有している。ゲート電極層の凸部は、エミッタ電極層の凸部上に絶縁層を介して積層されており、両凸部の対向する側面同士が略平行となっている。後述するように、ゲート電極層は、絶縁層上に形成されるものであり、形成後にその開口端近傍の絶縁層が除去されることにより、開口端が突出した構造となるものである。開口端の内面は、製造過程において絶縁膜に接していた面であるため、滑らかであり、開口部の形状は真円度の高い滑らかな円となる。したがって、本発明のイオン源では、ゲート電極に電圧を印加した際に、開口端での電界分布の乱れが少なく、不必要な方向へのイオンの加速を減らすことができるため、イオンを所望の方向のみに効率よく加速することができる。

【0023】

本発明のイオン源では、イオンの射出口となる開口部が、凸部の尖った先端に設けられている。そのため、この開口部に流れ込むイオンに対して大きい抵抗がかかることになり、ドロップレットの発生を抑えることができる。

【0024】

本発明のイオン源では、エミッタ電極の凸部が中空となっており、先端に開口部を有している。そのため、原料液を収容するタンクの内部とイオン源の外部とが連通しており、原料液の供給経路が、当該イオン源の内部に設けられていることになる。したがって、本発明のイオン源では、この供給経路を介することにより、外部からエミッタ電極層の凸部の先端に向けて、原料液を一様に効率よく供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の第１実施形態に係るイオン源の断面図である。

【図2】（ａ）〜（ｋ）本発明の第１実施形態に係るイオン源の各製造工程における断面図である。

【図3】（ａ）、（ｂ）本発明の第１実施形態の応用例に係るイオン源の平面図、断面図である。

【図4】図３のイオン源の変形例であって、加速電極を加えたイオン源の断面図である。

【図5】図４のイオン源を加速電極側から平面視した図である。

【図6】図３のイオン源の他の変形例であって、加速電極を加えたイオン源の断面図である。

【図7】（ａ）従来技術によるゲート電極層の開口部の電子顕微鏡写真である。（ｂ）本発明によるゲート電極層の開口部の電子顕微鏡写真である。

【図8】本発明の第２実施形態に係るイオン源の断面図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係るイオン源の断面図である。

【図10】本発明の第４実施形態に係るイオン源の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明を適用した実施形態であるイオン源について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0027】

＜第１実施形態＞
［イオン源の構成］
本発明の第１実施形態に係るイオン源１００は、電界により、イオン液体、液体金属等の原料液Ｌからイオンを引き出す機能を有する装置である。イオン源１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、イオン源１００の断面図である。イオン源１００は、一端に開口１０１ａを有するタンク１０１と、開口１０１ａを覆うエミッタ電極層１０２と、エミッタ電極層１０２上に積層された絶縁層１０３と、絶縁層１０３上に積層されたゲート電極層（引き出しゲート電極層）１０４と、を備えている。

【0028】

エミッタ電極層１０２、絶縁層１０３、ゲート電極層１０４は、それぞれ、厚み方向に互いに重なる位置において、タンク１０１の外側（図１では上方）に突出し、先端が尖った中空の凸部１０２ａ、１０３ａ、１０４ａを有している。凸部１０２ａは、内部に原料液Ｌの流路（キャピラリ）を有し、かつ、その流路の下流側が尖った形状（ニードル状、錐状）をなしていることから、以下ではキャピラリニードルと呼ぶこともある。

【0029】

凸部１０２ａ、１０３ａ、１０４ａのそれぞれの先端は、互いに連通する開口部を有している。開口部の形状に関する制限はないが、等方性の高い形状であることが好ましく、円状であることが最も好ましい。

【0030】

エミッタ電極層の凸部１０２ａ、絶縁層の凸部１０３ａ、ゲート電極層の凸部１０４ａの突出方向に沿った断面視において、エミッタ電極層の凸部１０２ａの側面（側壁面）と、ゲート電極層の凸部１０４ａの側面（側壁面）とが略平行であることが好ましい。具体的には、両側面のなす角度が約１０度以下であることが好ましく、平行であればより好ましい。

【0031】

従来技術においては、内径が８μｍ以下の開口部を凸部１０２ａの先端に形成することが難しく、凸部１０２ａの開口部において、ドロップレットの発生を抑えることができないという課題がある。ドロップレットが発生すると、エミッタ電極層とゲート電極層との間で電気的なショートが起こり、各電極層の寿命が短くなってしまうことがある。仮にショートが起こらなかったとしても、ドロップレットの混入により、推進効率が極端に悪くなってしまうことが報告されている（非特許文献１の図３参照）。

【0032】

ドロップレットの発生は、キャピラリ（原料液の流路）内を流れる流体の抵抗が小さいために、キャピラリから単体のイオンではなく、ドロップレットとして放出されてしまうことに起因している。したがって、ドロップレットの発生を抑えるためには、キャピラリ内の流体の抵抗を上げる必要がある。抵抗を上げるための一つの手段として、凸部１０２ａの開口部の内径の短縮化が挙げられる。

【0033】

具体的には、キャピラリニードル内の原料液の流れを、管径が一定の円管を流れる粘性流体の定常層流解として得られるハーゲン・ポアズイユの流れとすると、キャピラリ内の流体の抵抗Ｒは、圧力損失と体積流量の比から得られる下記の式（１）で定義される。

【0034】

【数1】

【0035】

ここで、μは粘性率、Ｌはキャピラリの長さ、Ｄはキャピラリの内径である。非特許文献１では、Ｌが１００μｍ、Ｄが８μｍであり、原料液としてイオン液体ＥＭＩ−ＢＦ_４を用いた場合に、μが０．０３８Ｐａ・ｓであることから、Ｒが３．８×１０^１６ｋｇ／ｓ^−１ｍ^−４と算出されている。同文献では、この時、ＰＩＲ（Ｐｕｒｅｌｙ Ｉｏｎｉｃ Ｒｅｇｉｍｅ）が実現できておらず、ドロップレットが混入しているとの説明がなされている。

【0036】

一方、非特許文献２では、キャピラリ内部にシリカビーズを詰め込み、抵抗Ｒを１０^１８ｋｇ／ｓ^−１ｍ^−４程度まで高めた結果、ＰＩＲを実現できていることが報告されている。

【0037】

上記の式（１）から明らかように、抵抗Ｒは、長さＬに比例し、内径Ｄの４乗に反比例することから、スケールを相似的に小さくして内径Ｄを小さくすることで、抵抗Ｒを大幅に大きくすることができる。例えば、内径を１μｍまで小さくすれば、長さＬが２μｍであっても、抵抗Ｒは３．１×１０^１８ｋｇ／ｓ^−１ｍ^−４に到達するため、ＰＩＲの実現が可能であると考えられる。

【0038】

上述した理由により、本実施形態において、原料液Ｌの流路をなす凸部１０２ａの開口部の内径は、１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であればより好ましい。

【0039】

凸部１０４ａの開口部の内径は、凸部１０２ａの開口部から射出されるイオンが発散することを考慮すると、少なくとも凸部１０２ａの開口部の内径より大きいことが好ましい。ただし、凸部１０４ａの開口部が広くなりすぎると、イオン源１００として動作させた際に、射出されるイオンの発散角が大きくなり、本来射出したい方向と垂直な方向の速度成分が増えてしまう。この場合、イオン源１００を、例えば人工衛星等の推進システムに用いる場合には、推力として寄与しない損失成分が多く発生することになる。

【0040】

したがって、例えば図１においては、ゲート電極端１０４ｂはエミッタ電極端１０２ｂから見て上方にある方が好ましい。より詳細には、凸部１０４ａの開口部の内径は、凸部１０２ａの開口部の内径より大きく、かつ、凸部１０２ａの開口部の内径の５倍以下であることが好ましく、３倍以下であればより好ましい。

【0041】

エミッタ電極層の凸部１０２ａ、絶縁層の凸部１０３ａ、ゲート電極層の凸部１０４ａは、いずれも、上底（開口部）と下底（タンク１０１との連結部）とが開放した中空の円錐台の形状を有していることが好ましい。この場合の円錐台の底面に相当する部分の直径は、３μｍ以下であることが好ましい。

【0042】

また、この場合、エミッタ電極層の凸部１０２ａの開口端（エミッタ電極端）１０２ｂと、ゲート電極層の凸部１０４ａの開口端（ゲート電極端）１０４ｂとの距離は、１０μｍ以下であることが好ましい。この距離にすると、従来数ｋＶ必要であった引き出し電圧を１００Ｖ程度に抑えることが可能である。

【0043】

引き出し電圧をこのように低く抑えたイオン源１００は、例えば人工衛星に搭載するスラスタモジュールに用いる際に、同時に搭載する電源としてより小さいものを用いることができ、スラスタモジュールを格段に小型化することができる。

【0044】

また、引き出し電圧をこのように低く抑えたイオン源１００は、例えばＦＩＢ用途において、低エネルギーのイオン照射を行うことができ、ダメージレスなＴＥＭ試料の作製が実現可能となる。

【0045】

さらに、エミッタ電極端１０２ｂとゲート電極端１０４ｂとの距離を狭めることにより、両電極端の間で、イオン分子のフラグメンテーションが発生する確率を下げることができる。イオン分子のフラグメンテーションが発生すると、電荷をもたない中性分子は電界による加速を得られず、イオンの引き出し効率が下がるため、イオン源１００としての性能悪化につながる。

【0046】

タンク１０１は、シリコン等の半導体または絶縁体で構成されている。タンク１０１の開口面積は、少なくとも凸部１０２ａの後端側の開口面積より大きい。凸部１０２ａの後端で囲まれる面は、タンクの開口面１０１ａより小さく、開口面１０１ａの略中央に位置している。

【0047】

エミッタ電極層１０２は、少なくとも１層の導電性を有する材料で構成されている。エミッタ電極層１０２の材料としては、例えば、ニオブ、タンタル、タングステン等が挙げられる。エミッタ電極層１０２の厚さは、基本的には任意に選ぶことができるが、最終的には中空に自立した膜として形成するためには、１０ｎｍ以上であることが好ましく、さらに１μｍ以下の開口を得るためには、３００ｎｍ以下であることが好ましい。

【0048】

ゲート電極層１０４は、少なくとも１層の導電性を有する材料で構成されている。ゲート電極層１０４の材料としては、例えば、ニオブ、タンタル、タングステン、白金等が挙げられる。ゲート電極層１０４の厚さについては、特に制約はないが、適切な強度を有し、なおかつエッチング加工が容易な厚さであればよく、例えば、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であれば好ましい。

【0049】

原料液Ｌとしてガリウムやインジウムなどの液体金属を用いる場合には、それらの濡れ性を考慮した材料を選択することが好ましい。例えば、原料液Ｌとしてガリウムを用いる場合には、タングステンのエミッタ電極層１０２、ゲート電極層１０４を用いることが好ましい。

【0050】

エミッタ電極層１０２、ゲート電極層１０４に対する原料液Ｌの濡れ性を良くする上では、イオン源１００の近傍にヒーター（加熱手段）を付設し、２つの電極層１０２、１０４を加熱することも有効である。

【0051】

また、原料液Ｌの濡れ性を良くする上では、２つの電極層１０２、１０４のそれぞれを通電加熱してもよく、それぞれの電極層の温度を独立して制御することができる点において有効である。この場合、例えば、ゲート電極層１０４をエミッタ電極層１０２より高温にすることで、イオンとして引き出せずに蒸気圧により蒸発した液体金属材料が、ゲート電極に再付着してゲート電極を汚染するのを防ぐこともできる。

【0052】

なお、原料液Ｌとして液体金属を用いる場合には、正イオンしか抽出できなくなるため、宇宙推進機として用いる際には、電荷中和のための電子源が別途必要となるが、非特許文献３等で開示されている任意の電子源を別途製作することで対応可能となる。

【0053】

本実施形態に係るイオン源１００において、原料液Ｌとして用いることが可能なイオン液体としては、例えば、ＥＭＩ−ＢＦ_４、ＥＭＩ−ＤＣＡ、ＥＭＩ−ＧａＣｌ_４、ＥＭＩ−Ｃ（ＣＮ）_３、ＥＭＩ−Ｎ（ＣＮ）_２、ＥＭＩ−Ｉｍ、ＢＭＩ−ＤＣＡ、ＢＭＩ−ＮＯ_３、ＥＭＩ−ＥｔＳＯ_４、ＥＭＩ−Ｂｅｔｉ、Ｃ_５ＭＩ−（Ｃ_２Ｆ_５）_３ＰＦ_３、Ｃ_４ｍｉｍ−Ｉ、ＢＭＩ−ＦｅＢｒ_４、Ｃ_６ＭＩ−ＦｅＢｒ_４、Ｃ_６ＭＩ−ＦｅＣｌ_４、ＤＭＰＩ−Ｍｅ、［１−Ｍｅ−３−Ｈ−ＩＭ］［Ｎｏ_３］、［１−Ｂｕ−３−Ｈ−ＩＭ］［ＮＯ_３］、［Ｃ_４−ｍｉｍ］［Ｔｆ_２Ｎ］、［Ｃ_２−ｍｉｍ］［Ｔｆ_２Ｎ］、［Ｃ_２−ｍｉｍ］［ＴｆＯ］、［Ｃ_４−ｍｉｍ］［ＰＦ_６］等のイオンの液体が挙げられる。当該イオン液体は、１種類のイオンを含むものであってもよいし、２種類以上のイオンを混合して含むものであってもよい。

【0054】

上述した構成のイオン源１００において、イオン液体、液体金属等の原料液Ｌからイオンを引き出す仕組みについて説明する。

【0055】

まず、タンク１０１内およびエミッタ電極層の凸部１０２ａ内に、原料液Ｌを充填する。充填箇所については図示していないが、タンク１０１の壁部に設けられているものとする。なお、応用例として後述するように、イオン源をアレイ化する場合には、充填箇所はタンク１０１の底部側に設けられていることが好ましい。

【0056】

エミッタ電極層１０２とゲート電極層１０４との間に電位差がない場合には、充填された原料液Ｌは、表面張力によって、凸部１０２ａの開口部から外部に若干盛り上がった形状で静止している。

【0057】

エミッタ電極層１０２とゲート電極層１０４との間に所定の強さの電界が発生するように電圧を印加すると、原料液Ｌは、その電界に引っ張られることにより、凸部１０２ａの開口部から外部に突出したテーラーコーンＬ１が形成される。

【0058】

テーラーコーンＬ１が形成されると、その先端部分において局所的に電界が強まり、その結果として、テーラーコーンＬ１の先端は、更に引っ張られるようになり、やがて原料液Ｌの一部がイオンとして引き出される。凸部１０２ａの開口部は、イオンの射出口として機能することになる。

【0059】

この時、エミッタ電極層の凸部１０２ａの開口端（エミッタ電極端）１０２ｂ、ゲート電極の凸部１０４ａの開口端（ゲート電極端）１０４ｂにも、同様の強電界が発生する。この強電界は、各電極端１０２ｂ、１０４ｂから電子が放出される現象（電界放出現象）の発生要因となり、放出された電子による放電破壊に繋がる可能性が高い。したがって、電界放出現象の発生を抑えるように、各電極端１０２ｂ、１０４ｂは、滑からな曲面に加工されていることが好ましい。

【0060】

なお、電界放出現象の発生を抑える上では、原料液Ｌに接することのないゲート電極層１０４の材料として、Ｐｔ等の仕事関数が大きい材料を用いることも有効である。

【0061】

［イオン源の製造方法］
本実施形態に係るイオン源１００の製造方法について、図２（ａ）〜（ｋ）を用いて説明する。イオン源１００の製造方法は、主な製造工程として、下記の第１〜第１１工程を有している。図２（ａ）〜（ｋ）は、イオン源１００の各製造工程における断面図である。

【0062】

（第１工程）
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン等の半導体基板１１の一方の主面１１ａに、ニッケル、シリコン、チタン等の金属材料からなる円錐形状の突起物１９を形成する。突起物の大きさは、先端の曲率半径が１００ｎｍ以下であり、高さが２μｍ以上であることが好ましい。突起物の材料としては、金属材料以外の任意の材料を用いることもできるが、アスペクト比や先端曲率半径が、上記の値になるような材料を用いることが好ましい。

【0063】

上記突起物を形成する方法としては、例えば、非特許文献３に開示されているように、シリコン基板をエッチングすることでシリコンの円錐形状を作製するような方法、本発明者らが特許文献１に開示した方法等が挙げられる。
ここで、特許文献１に開示した方法を利用して、円錐形状の突起物を形成する場合について説明する。

【0064】

まず、半導体基板の一方の主面１１ａに、リフトオフレジストを回転塗布する。リフトオフレジストとしては、感光性はないが、通常のフォトリソグラフィー工程で用いる現像液（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、ＴＭＡＨ）でエッチングされる材料、例えば、マイクロケム社製ＬＯＲ−７Ａ等を用いることができる。

【0065】

次に、回転塗布したリフトオフレジストの上に、さらに通常のフォトレジストを回転塗布し、通常のフォトリソグラフィー法を用いて、１μｍ程度の穴を露光し、現像することでアンダーカット構造を形成する。フォトレジストとしては、所望の大きさのパターニングができるものであればよく、例えば住友化学社製ＰＦＩ−３８Ａ７等を用いることができる。現像時間は、レジストのパターニングに必要な時間と、リフトオフレジストをエッチストップ層までエッチングするための時間を考慮して設定する。

【0066】

次に、電子ビーム蒸着法等の成膜粒子の直進性が高い方法により、ニッケル等の金属材料をレジストに蒸着させる。この時、金属材料はレジストの上にも、穴の底にも蒸着されるが、レジストの穴の周りに蒸着された部分が次第に張り出すように膜成長が起こるので、穴の径が徐々に小さくなっていき、結果として穴の底に蒸着される形状は円錐形状となる。

【0067】

この時の、穴のふさがり具合は、成膜時の基板温度や蒸着材料によって異なる。基板温度が高いほど穴がふさがりにくいので、円錐のアスペクト比が高くなる傾向にある。したがって、作製したいキャピラリのアスペクト比に応じて基板温度を選択する。また、成膜する膜厚は穴が完全に塞がるまで成膜するが、この時の膜厚は概ね２μｍ以上である。

【0068】

蒸着材料は、特に限定されるものではないが、２μｍ程度の厚膜をフォトレジスト上に蒸着している時に、応力などで剥離することがない材料を選ぶ必要がある。本実施形態においては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｉ等が、この条件を満足する材料として挙げられる。特にＮｉは、アスペクト比を高く維持することもでき、キャピラリを形成する上でより好適な材料である。

【0069】

次に、有機溶剤に浸漬し、リフトオフレジストより上の部分を剥離させる。有機溶剤としては、使用するレジストやリフトオフレジストに応じて任意に選ぶことができるが、本実施形態においては、Ｎメチル２ピロリジノン（ＮＭＰ）を用いることが好ましい。Ｎメチル２ピロリジノンを７０℃程度に加熱し、ウエハを浸漬することにより、良好に剥離することができる。

【0070】

このようにして、図２（ａ）に示すように、基板１１上に円錐形状の突起物１９を形成することができる。突起物１９の形状は、単純な円錐に限定されることはなく、円柱の上に円錐を載せたような形状であっても良い。形成方法も上述したものに限定されることはない。ただし、基板１１上の突起物１９の密度が最終的にキャピラリニードルの密度になるので、土台の部分があまり大きくなり過ぎないような方法を選ぶ必要がある。

【0071】

（第２工程）
次に、図２（ｂ）に示すように、突起物１９を含めた基板の一方の主面１１ａ側に、絶縁膜１３Ａと金属膜１２とを順に形成する。ここで形成する金属膜１２は、エミッタ電極として機能するものである。絶縁膜１３Ａの形成は、下地の円錐の形状に対してコンフォーマルに形成できる方法を用いて行うことが好ましい。例えば、テトラエトキシシランガスを用いたプラズマ援用化学気相合成法により、シリコン酸化膜等を形成する方法が好適である。金属膜１２の材料は、使用する原料液Ｌとの濡れ性を考慮して選べばよいが、例えばシリコンなどの半導体やニオブなどの金属を用いることができる。これらの材料からなる膜は、スパッタリング法で形成することができる。

【0072】

（第３工程）
次に、第２工程で成膜した金属膜１２上に、フォトレジスト膜Ｒ１を形成する。フォトレジスト膜Ｒ１は、金属膜１２のうち突起物１９を覆う部分が隠れる厚さとなるように形成する。酸素プラズマ等によって、形成したフォトレジスト膜Ｒ１の所定の厚さ分を除去し、図２（ｃ）に示すように、金属膜１２のうち突起物１９の形状に沿って尖った部分を露出させ、露出した部分をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等で除去する。

【0073】

（第４工程）
次に、図２（ｄ）に示すように、残ったフォトレジスト膜Ｒ１をレジスト剥離液等で除去し、更に絶縁膜１３Ｂと金属膜１４とを順に形成する。ここで形成する金属膜１４は、引き出しゲート電極として機能するものである。

【0074】

（第５工程）
次に、第３工程と同様にフォトレジスト膜Ｒ２を形成する。形成したフォトレジスト膜Ｒ２を、酸素プラズマで薄くすることにより、金属膜１４のうち突起物１９の形状に沿って尖った部分を露出させ、これを図２（ｅ）に示すようにＲＩＥで除去する。

【0075】

（第６工程）
次に、残ったフォトレジストをレジスト剥離液等で除去し、絶縁膜の一部を除去することで、第２工程で形成した金属膜１２にイオン射出口となる開口部１２ａを形成し、さらに第４工程で形成した金属膜１４にも開口部１４ａを形成することができる。絶縁膜がシリコン酸化膜である場合には、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いて除去することができる。

【0076】

イオン射出口となる開口部１２ａの口径は、第２工程で形成した絶縁膜１３Ｂの厚さで決定することができる。例えば、絶縁膜１３Ｂの厚さを２００〜３００ｎｍ程度と設定しておくことで１μｍ以下の口径の開口部１２ａを再現性良く形成することができる。

【0077】

次に、金属膜１２、１４の開口端（電極端）を、図２（ｆ）に示すように滑らかな曲面とするために、それぞれの開口端に対してイオン照射を行う。具体的には、１００ｋＶのアルゴンイオンを１０^１６個／ｃｍ^２程度照射する。

【0078】

（第７工程）
次に、後続工程でエッチング処理を行う際に、第１〜第６工程を経て形成した金属膜１２、１４の構造を保護するために、図２（ｇ）に示すように、金属膜１２、１４を覆うフォトレジスト膜Ｒ３等を形成する。

【0079】

（第８工程）
次に、図２（ｈ）に示すように、基板の他方の主面１１ｂのうち、外周部分をマスク材Ｍでマスクする。通常の半導体基板は、数百μｍの厚さを有するので、そのエッチングに耐え得るようなマスク材を選ぶ必要がある。例えば、フッ素系のＲＩＥによりシリコン基板をエッチングする際には、マスク材としてアルミニウム等を用いることができる。

【0080】

（第９工程）
次に、ＲＩＥ等により、基板を他方の主面１１ｂ側からエッチングし、図２（ｉ）に示すように、貫通口を形成する。エッチング方法としては、ボッシュプロセスなど深掘りが可能な方法を用いることができる。この時、ニッケルなどの金属材料は、ボッシュプロセス等に用いるフッ素系のＲＩＥではエッチングされないので、円錐形状の突起物１９はエッチングされずに残るが、その周りにある絶縁膜１３Ａはわずかながらエッチングされる可能性がある。その場合には、第１工程の前に、基板の一方の主面１１ａに、予めエッチストップ層を形成しておくこともできる。エッチストップ層の材料としては、アルミニウム等のフッ素系のＲＩＥではほとんどエッチングが進行しないものを選ぶ。

【0081】

（第１０工程）
次に、図２（ｊ）に示すように、円錐形状の突起物１９を、所定の溶液で除去する。突起物１９がニッケルからなり、エッチストップ層がアルミニウムからなる場合には、アルミニウムとニッケルの両方をエッチング可能な、リン硝酸を用いることができる。また、深掘りエッチングの際にマスクとして用いた膜も、同時にエッチングすることができる。それぞれの膜を別々にエッチングしてもよい。

【0082】

続いて、金属膜１２の内側に残った絶縁膜１３Ａを、所定の溶液で除去する。絶縁膜１３Ａがシリコン酸化膜である場合には、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いて除去することができる。なお、絶縁膜１３Ａは、イオンの射出に問題がないようであれば、必ずしも除去する必要はない。

【0083】

（第１１工程）
最後に、図２（ｋ）に示すように、第７工程で形成したフォトレジスト膜Ｒ３および第８工程で形成したマスク材Ｍを、所定の溶液で除去することにより、サブミクロンの口径を有する、キャピラリニードル型のイオン源１００を得ることができる。上述した第１〜第１１工程を経ることによって、エミッタ電極層１２の凸部に、内径が１μｍ以下の開口部１２ａを精度よく、かつ、応用例として後述するように大量に製造することができる。

【0084】

なお、基板１１とエミッタ電極層１２との間に絶縁膜１３Ａが形成されているが、この絶縁膜１３Ａは、製造過程において利用されるものであって、最終形態であるイオン源１００の構成要素としては必須ではない。絶縁膜１３Ａを備えていても、イオン源１００の動作に支障が生じることはない。絶縁膜１３Ａを備えていない構成とする場合には、例えば、第２工程において、金属膜１２を形成する前に、形成した絶縁膜１３Ａのうち、突起物１９を被覆していない部分を除去しておけばよい。ここで、突起物１９を被覆していない部分とは、基板の一方の主面１１ａに対する厚さが略一定となる部分を意味している。

【0085】

（応用例）
本実施形態を応用したイオン源１１０について、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、イオン源１１０を、イオンの射出口側から見た場合の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）においてイオン源１１０を、α−α線を通る面で切断した際の断面図である。

【0086】

イオン源１１０の構成は、一つのタンク１１１に対して、エミッタ電極層１１２の凸部、絶縁層１１３の凸部、ゲート電極層１１４の凸部の重なり構造１１５が、複数設けられている点で、上述したイオン源１００の構成と異なっている。一つ一つの重なり構造１１５、その他の部分の構成については、イオン源１００と同様である。

【0087】

３つの層１１２、１１３、１１４の凸部の重なり構造１１５は、５００個／ｃｍ^２以上の面密度で並んでアレイ化していることが好ましい。重なり構造１１５の並び方に関しては、特に制限されることはないが、図３（ａ）に示すように、各重なり構造１１５に対して、他の６つの重なり構造が等距離で隣接するように配置すると、最も高密度で並ぶことになるため好ましい。

【0088】

一つ一つの重なり構造によるイオンの放出量が十分でない場合であっても、このように複数並べて駆動させることによって、所望の量のイオンを放出することができる。例えば人工衛星等の推進システムとして用いる場合、１万個以上の重なり構造１１５を並べて駆動させることによって、十分な推力を得ることができる。

【0089】

収束イオンビームを照射し、一つずつイオンの射出口を形成する従来の方法によって、このように多数の重なり構造１１５を得ようとすることは、多大な時間を要し、現実的でない。しかしながら、上述した本実施形態に係る製造方法であれば、複数の重なり構造１１５を同時に製造することが可能であるため、このような問題を解消することができる。

【0090】

図４は、図３に示したイオン源１１０の変形例となる、イオン源５００の断面図である。イオン源５００では、イオンビームの射出方向、すなわち、複数の凸部５０４ａの先端が向く側において、複数の凸部５０４ａと対向するように延在する加速電極５１６を有している。加速電極５１６は、その延在方向Ｅと交差する方向に貫通する加速電極孔５１６Ｈを有している。

【0091】

図５は、本例のイオン源５００を、加速電極５１６側から平面視した図である。図５に示すように、加速電極孔５１６Ｈと重なる位置ごとに、複数の凸部の重なり構造（以下ではエミッタと呼ぶ）５１５がグループ（以下ではエミッタアレイと呼ぶ）５１０を形成して分布している。加速電極孔５１６Ｈと重ならない位置には、エミッタ５１５は分布していないことが好ましい。本例のイオン源５００の構成によれば、ビームが、加速電極孔５１６Ｈを貫通するように射出されることになるため、ビーム発散角の存在による加速電極へのビーム衝突を抑え、スラスタの動作寿命への影響を大幅に抑えることができる。

【0092】

このような加速電極へのビーム衝突を抑える上では、エミッタアレイ５１０と加速電極５１６との間において、エミッタアレイ５１０と重なる位置に、集束電極（アインツェルレンズ）が配されていることが、より好ましい。

【0093】

なお、エミッタ５１５の厚み（凸部の突出方向の寸法）Ｄ_１は数μｍスケールであり、ｋＶオーダーの電圧印加に備えた絶縁耐性を確保するため、エミッタ５１５と加速電極５１６との間には、数１００μｍスケールの距離Ｄ_２が必要となる。加速電極孔５１６Ｈの孔径Ｄ_３は、エミッタアレイ５１０のサイズ（エミッタ５１５の分布範囲の寸法）Ｄ_４以上であることが好ましい。

【0094】

図６は、図３に示したイオン源１１０の他の変形例となる、イオン源６００の断面図である。イオン源６００では、それぞれのエミッタアレイ６１０において、中央の凸部の重なり構造６１５Ａ側に、周囲の凸部の重なり構造６１５Ｂを構成する、凸部６０４ａの先端の向きが傾いている。それ以外の構成については、図４に示したイオン源５００の構成と同様である。本例のイオン源６００の構成によれば、加速電極５１６に向かうビームを、貫通孔６１６Ｈの中心側に収束させることができる。そのため、ビームが貫通孔５１６Ｈから外れた位置に衝突するのを防ぐことができ、ビーム発散角の存在による加速電極へのビーム衝突を、より一層抑え、スラスタの動作寿命への影響を最小限にすることができる。

【0095】

以上説明したように、本実施形態に係るエミッタ電極層１０２は、先端が尖った凸部１０２ａを有しており、ゲート電極層１０４との間に電圧を印加した際に、尖った先端には電界集中が促される。そのため、本実施形態に係るエミッタ電極層１０２では、供給された原料液Ｌから、陽イオンのみ、または陰イオンのみが引き出されるＰＩＲが実現可能となっている。また、尖った先端に電界が集中することにより、原料液Ｌからのイオンの引き出しに要する電圧（イオン引き出し開始電圧）を低く抑えることができる。

【0096】

本実施形態では、エミッタ電極層の凸部１０２ａと重なる位置において、ゲート電極層１０４も同様に凸部１０４ａを有している。ゲート電極層の凸部１０４ａは、エミッタ電極層の凸部１０２ａ上に絶縁層１０３を介して積層されており、両凸部１０２ａ、１０４ａの対向する側面同士が略平行となっている。

【0097】

イオンビームの軌道を決める上で、ゲート電極層の開口部の真円度は重要である。従来の平坦なゲート電極層に開口部を形成する場合、通常のフォトリソグラフィー工程においては、様々な要因により、エッチングの端面がきれいな直線や曲線とならず、ゆらぎのあるギザギザした面になる。例えば、２μｍ程度の円形パターンをエッチングしてゲート電極にホールを形成した場合には、図７（ａ）の電子顕微鏡写真に示すように、エッチング端面がきれいな滑らかな円とならない。これでは、電圧をかけたときにきれいな電位分布とならない。

【0098】

推進機用途としては、このような電界分布の乱れは、イオンの加速される向きが所望の推力のベクトルとは異なる方向の成分を持つことになるわけであるから、効率の良い推進力が得られないばかりか、方向の制御性が悪いことになる。また、集束イオンビームなどの用途においては、ビームを収束する際の収差の発生につながるので、良好な集束ビームが得られないという結果になる。

【0099】

一方、略平行に作製した場合、作製方法の図２（ｅ）に示すように、開口部の内面は、エッチングの端面とはならずに、もともとＣＶＤで成膜した絶縁膜（ＣＶＤ膜等）に接していた面であるので、滑らかな円となる。したがって、図７（ｂ）の電子顕微鏡写真に示すように、滑らかな円となり、結果として、イオンビームの加速成分に、不必要な方向のベクトルは加わらず効率の良い推進力が得られ、制御性の良いイオンビームが得られる。

【0100】

本実施形態に係るイオン源１００では、イオンの射出口となる開口部が、凸部の尖った先端に設けられている。そのため、この開口部に流れ込むイオンに対して大きい抵抗がかかることになり、ドロップレットの発生を抑えることができる。

【0101】

本実施形態に係るイオン源１００では、エミッタ電極の凸部１０２ａが中空となっており、先端に開口部を有している。そのため、原料液Ｌを収容するタンク１０１の内部とイオン源１００の外部とが連通しており、原料液Ｌの供給経路が、当該イオン源１００の内部に設けられていることになる。したがって、本発明のイオン源では、この供給経路を介することにより、外部からエミッタ電極層の凸部１０２ａの先端に向けて、原料液Ｌを一様に効率よく供給することができる。

【0102】

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係るイオン源２００について、図８を用いて説明する。図８は、イオン源２００の断面図である。イオン源２００の構成は、炭素系材料からなる膜（炭素系材料層）２０６が、エミッタ電極層２０２上に積層されている点において、第１実施形態に係るイオン源１００の構成と異なる。炭素系材料からなる膜２０６は、エミッタ電極層２０２のタンク２０１側、すなわち、凸部２０２ａの内壁面およびタンク開口２０１ａとの対向面に積層されている。イオン源２００の他の部分の構成については、イオン源１００と同様である。

【0103】

イオン源２００は、第１実施形態に係るイオン源１００を製造する場合と同様に、第１〜第１１工程を経るが、第２工程においてエミッタ電極（金属膜）１２を形成する際に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕから選択される金属を用いた上で、さらに、次に説明する第１２工程を経ることによって得ることができる。

【0104】

または、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕから選択される金属を用いて１層からなるエミッタ電極１２とする代わりに、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕから選択される金属を用いて１層形成した後に、他の金属、例えばニオブ、タングステンなどを用いてさらに１層形成し、２層からなるエミッタ電極としても良い。いずれにしても、後にグラフェンやグラファイトなどイオン液体との濡れ性がよい炭素系薄膜をコーティングしたい面に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕから選択される材料の膜を形成しておくことが重要である。

【0105】

（第１２工程）
第１１工程を経たあと、メタンと水素の混合ガスを導入した雰囲気で構造体を８００℃以上に加熱することで、エミッタ電極のうち、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕからなる面の部分に選択的にグラフェンもしくはグラファイトを選択的に成膜することができる。基板温度が高すぎて構造体にダメージが入る場合には、メタンと水素ガスのプラズマを援用することで基板温度を４００℃にまで下げても、同様の効果が得られる。このように炭素系の薄膜をエミッタ電極に選択的に被覆することにより、イオン液体との濡れ性が向上し、イオン液体の良好な放出が可能となる。

【0106】

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係るイオン源３００について、図９を用いて説明する。図９は、イオン源３００の断面図である。イオン源３００の構成は、ゲート電極層３０４が多層構造である点において、第１実施形態に係るイオン源１００の構成と異なる。ゲート電極層３０４は、絶縁層３０７を挟んだ多層構造を有しており、いずれの絶縁層３０７も、各電極層の凸部３０２ａ、３０４ａの先端と重なる部分が開口している。図９では、ゲート電極層３０４が３層構造（３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃ）である場合の例を示しているが、層数は２以上であればよい。イオン源３００の他の部分の構成については、イオン源１００と同様である。

【0107】

イオン源３００は、第１実施形態と同様に、第１〜第５工程を経た後にレジスト膜を除去し、さらに、第４工程、第５工程、レジスト膜除去工程を、それぞれ、形成するゲート電極層の層数分繰り返した後に、第６〜第１１工程を経ることによって得ることができる。

【0108】

ゲート電極層３０４が多層構造であることにより、電位の与え方の自由度が大幅に向上し、イオンの射出口（凸部３０２ａ、３０４ａの開口部）近傍の電界分布を自在に制御することができる。

【0109】

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係るイオン源４００について、図１０（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１０（ａ）は、イオン源４００の断面図である。イオン源４００の構成は、エミッタ電極層４０２の凸部４０２ａの内側に、円錐状の部材４０８が配されている点において、第１実施形態に係るイオン源１００の構成と異なる。イオン源４００の他の部分の構成については、イオン源１００と同様である。

【0110】

円錐状の部材４０８は、凸部４０２ａの先端側に頂点を有し、その中心軸が、凸部４０２ａの中心軸上、およびイオンの射出方向と略一致するように配されている。ここでの凸部４０２ａの中心軸は、凸部の先端の開口部の中心と後端の開口部の中心とを結ぶ軸を意味するものとする。

【0111】

図１０（ｂ）は、円錐状の部材４０８の近傍の領域Ａをタンク側から見た図である。円錐状の部材４０８は、絶縁性の梁部材４０９を介してエミッタ電極層４０２に連結されることによって、支持されている。

【0112】

イオン源４００は、第１実施形態の製造工程のうち、第１工程において、基板の一方の主面に、円錐形状の突起物に連結された梁部材を形成し、かつ、第１０工程において、突起物および梁部材が除去されない溶液を選択することによって、得ることができる。

【0113】

このように円錐状の部材４０８が配されていることにより、テイラーコーンの先端の位置を、円錐の中心軸上、すなわち凸部４０２ａの中心軸上に固定することができる。そのため、射出されるイオンビームの方向が、凸部４０２ａの中心軸方向から逸脱するのを防ぐことができる。

【0114】

さらに、凸部４０２ａの内側に円錐状の部材４０８が配されていることにより、原料液Ｌの流路が第１実施形態に比べてさらに狭くなり、抵抗が大きくなるため、上述したようにドロップレットの発生をより抑えることができる。

【産業上の利用可能性】

【0115】

本発明のイオン源は、人工衛星等の推進システム、試料の加工や試料の表面の観察等に用いるＦＩＢにおいて利用することができる。

【符号の説明】

【0116】

１００、１１０、２００、３００、４００・・・イオン源
１０１、１１１、２０１、３０１、４０１・・・タンク
１０１ａ、１１１ａ、２０１ａ、３０１ａ、４０１ａ・・・開口
１０２、１１２、２０２、３０２、４０２・・・エミッタ電極層
１０２ａ、２０２ａ、３０２ａ、４０２ａ・・・凸部
１０２ｂ、２０２ｂ、３０２ｂ、４０２ｂ・・・エミッタ電極端
１０３、１１３、２０３、３０３、３０７、４０３・・・絶縁層
１０４、１１４、２０４、３０４、４０４・・・ゲート電極層
１０４ａ、２０４ａ、３０４ａ、４０４ａ・・・凸部
１０４ｂ、２０４ｂ、３０４ｂ、４０４ｂ・・・ゲート電極端
１１５・・・重なり構造
２０６・・・炭素系材料層
４０８・・・突起物
４０９・・・梁部材
Ｌ・・・原料液
Ｌ１・・・テーラーコーン
Ｍ・・・マスク材
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３・・・レジスト膜
１１・・・基板
１１ａ・・・基板の一方の主面
１１ｂ・・・基板の他方の主面
１２、１４・・・金属膜
１２ａ、１４ａ・・・開口部
１３Ａ、１３Ｂ・・・絶縁膜
１１ｃ・・・基板の貫通口の内壁面
１９・・・突起物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】