特許 6043476 イオン源およびそれを用いたイオンビーム装置

(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】6043476

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】イオン源およびそれを用いたイオンビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/26 20060101AFI20161206BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20161206BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/26

   H01J37/08

   H01J37/28 Z

【請求項の数】13

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2011-224473(P2011-224473)

(22)【出願日】2011年10月12日

(65)【公開番号】特開2013-84489(P2013-84489A)

(43)【公開日】2013年5月9日

【審査請求日】2014年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】志知 広康

(72)【発明者】

【氏名】松原 信一

(72)【発明者】

【氏名】小瀬 洋一

(72)【発明者】

【氏名】川浪 義実

(72)【発明者】

【氏名】荒井 紀明

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５１７８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１６７７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０９６２２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０１４２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−１２０６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６９４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１５８７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２０５６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１９８２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７５６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０３／０３１６６８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／２６

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオンを生成するエミッタティップと、該エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、前記エミッタティップを加熱する機構と、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過できる開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタティップの近傍にガスを供給する機構と、を有するガス電界電離イオン源において、
前記エミッタティップ加熱機構は、少なくとも２個の突出した端子間を接続するフィラメントに通電して前記エミッタティップを加熱する機構であり、前記端子間がＶ字状のフィラメントで接続され、V字のなす角度が鈍角であり、前記フィラメントの略中央に前記エミッタティップが接続され、
前記ガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置において、イオン光源を試料に投影する倍率が少なくとも０．５以上であることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項2】

イオンを生成するエミッタティップと、該エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、前記エミッタティップを加熱する機構と、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過できる開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタティップの近傍にガスを供給する機構と、を有するガス電界電離イオン源において、
前記エミッタティップ加熱機構が、少なくとも２個の端子間を接続するフィラメントに通電して前記エミッタティップを加熱する機構であり、
前記フィラメントの形状が直線状であり、前記フィラメントの他に、少なくとも２個の端子間を接続する第２の線材が存在し、前記エミッタティップが前記フィラメントと前記第２の線材に接続される位置が前記フィラメントと前記エミッタティップとが接続される位置に比べて、前記エミッタティップの根元側であることを特徴とするガス電界電離イオン源。

【請求項3】

イオンを生成するエミッタティップと、前記エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、前記エミッタティップを加熱する機構と、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過できる開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタティップの近傍にガスを供給する機構と、を有するガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置において、
前記イオンビーム装置は防音カバーを有し、イオン光源を試料に投影する倍率が少なくとも０．５以上であることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項4】

イオンを生成するエミッタティップと、該エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、前記エミッタティップを加熱する機構と、前記エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過できる開口部を有する引き出し電極と、前記エミッタティップの近傍にガスを供給する機構と、を有するガス電界電離イオン源において、
前記エミッタティップ加熱機構が、少なくとも２個の端子間を接続するフィラメントに通電して前記エミッタティップを加熱する機構であり、前記フィラメントの略中央に前記エミッタティップが接続され、エミッタティップ温度が相対的に低温時には、エミッタティップが、前記２個の端子以外の端子に接続され、相対的に高温時には、非接続されることを特徴とするガス電界電離イオン源。

【請求項5】

請求項１に記載のイオンビーム装置であって、前記引き出し電極の略中央部が凸構造をもつことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項6】

請求項１に記載のイオンビーム装置であって、前記フィラメントの断面形状がＵ字、またはＶ字、または前記フィラメントの形状が中空チューブ状であることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項7】

請求項４に記載のガス電界電離イオン源であって、前記エミッタティップからイオンビームが放出される時には前記エミッタティップが前記２個の端子以外の端子に接続され、フィラメント加熱時には、非接続されることを特徴とするガス電界電離イオン源。

【請求項8】

請求項１に記載のイオンビーム装置であって、前記フィラメントにセラミックコーティングを施したことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項9】

請求項１に記載のイオンビーム装置であって、前記フィラメント略中央部分の局所抵抗率が相対的に高くなる構造としたことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項10】

請求項１、３のいずれかに記載の前記ガス電界電離イオン源に供給するガスが、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも１つを含むことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項11】

請求項１、３のいずれかに記載の前記ガス電界電離イオン源の前記エミッタティップをナノピラミッドで構成したことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項12】

請求項１に記載のイオンビーム装置において、
前記ガス電界電離イオン源のエミッタティップを冷却する冷凍システムに接続されるコンプレッサと前記ガス電界電離イオン源とを空間的に分離するカバーを有することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項13】

請求項１、３のいずれかに記載のイオンビーム装置において、
電界電離放出型走査電子顕微鏡の最高分解能よりも高い分解能で、試料観察像の画像ゆれが生じないことを特徴と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、荷電粒子顕微鏡及びイオン顕微鏡に係り、特にガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電子ビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope以下、SEMと称す。）と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope以下、SIMと称す。）と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、相対的にスパッタ作用は小さくなり試料を観察するのに好適となる。

【0003】

さらに、イオンビームは、電子ビームに比べて試料表面の情報に敏感である特徴を有する。これは、二次荷電粒子の励起領域が電子ビームの照射に比べて、試料表面により局在するからである。また、電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、電子に比べて重いため、回折効果による収差は電子に比べて極めて小さい。

【0004】

また、電子ビームを試料に照射して、試料を透過した電子を検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることができる。同様に、イオンビームを試料に照射して、試料を透過したイオンを検出しても、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。これは透過イオン顕微鏡と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、試料を透過する割合が大きくなり観察するのに好適となる。

【0005】

逆に酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、あるいはガリウム、インジウムなどの質量の重いイオン種を試料に照射すれば、スパッタ作用により試料を加工するのに好適となる。特に、液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source、以下LMISと称す。）を用いた集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam、以下FIBと称す。）がイオンビーム加工装置として知られている。また、プラズマイオン源やガス電界電離イオン源により、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、およびキセノンなどのガスイオンを生成して試料に照射するようにしても試料の加工は可能である。

【0006】

ところで、試料観察を主な目的とするイオン顕微鏡では、イオン源として、ガス電界電離イオン源が好適である。ガス電界電離イオン源は先端曲率半径を１００ｎｍ程度にした金属エミッタティップに水素あるいはヘリウムなどのガスを供給し、エミッタティップに数ｋV以上の高電圧を印加することにより、ガス分子を電界電離し、これをイオンビームとして引き出すものである。本イオン源の特徴は、エネルギ幅が狭いイオンビームを生成することができ、また、イオン発生源のサイズが小さいため、微細なイオンビームを生成することができることにある。

【0007】

イオン顕微鏡では、高信号/ノイズ比で試料を観察するためには、試料上で大きな電流密度のイオンビームを得る必要がある。そのためには、電界電離イオン源のイオン放射角電流密度を大きくする必要がある。イオン放射角電流密度を大きくするためには、エミッタティップを極低温に冷却すればよい。特許文献１には、エミッタティップの先端に微小な突出部を形成することによって、イオン源特性が向上することが開示されている。非特許文献１には、エミッタティップ先端の微小な突出部を、エミッタティップ材料とは異なる第２金属を用いて作製することが開示されている。非特許文献２には、ヘリウムをイオン放出するガス電界電離イオン源を搭載した走査イオン顕微鏡が開示されている。

【0008】

特許文献２には、荷電粒子線用エミッタが、第１および第２の支持部に取り付けられ、それらの間を延びるフィラメントと、フィラメントに取り付けられるエミッタ先端部と、第３の支持部およびフィラメントに取り付けられる安定化要素とを備え、第１、第２、および第３の支持部により三角形が画定され、そのため、安定化要素は少なくとも部分的に、フィラメントが延びる方向に直交する方向に延びる構造が開示されている。そして、この構造により、エミッタ先端部の振動振幅が抑制され、このエミッタを使用する荷電粒子ビーム機器の分解能が向上するとしている。

【0009】

特許文献３には、電子源において、一端部に電子放出部を有する針状チップと、針状チップの一端部と異なる他端部に接合されているカップ状部品と、カップ状部品を加熱するためのフィラメントとを備え、このフィラメントは、カップ状部品の内部に設けられている空隙中に、カップ状部品に対して非接触状態になるように配置されている構造が開示されている。この電子源を用いる装置は外部より振動を受けても、安定した電子線を与えるとしている。

【0010】

特許文献４には、電子源において、絶縁碍子に一対の導電端子を設け前記導電端子間に張ったフィラメントに電子放射部を有するチップを接合して、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子に固定されている構造、さらには、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属ピンを介して絶縁碍子に固定される構造、さらには、フィラメントに曲部を設けている構造が開示されており、この電子源を用いる装置が外部より振動を受けても、安定した電子線を与えるとしている。

【0011】

特許文献５には、電界電離イオン源において、複数の支柱、例えば３、４、５、６本の支柱でフィラメントを支持する構造が開示されている。エミッタの機械的振動に対する感受性を低減することができるとしている。

【0012】

また、特許文献６には、高速電子ビーム露光装置などの用途に有効な安定な電子ビームを放射することができる熱電界放射陰極について、針状電極を加熱するためのフィラメントの構造がＶ型形状をなし、そのＶ型のなす角度が３０°〜９０°であることを特徴とする熱電界放射電子銃が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特開昭５８−８５２４２号公報

【特許文献2】特開２００６−２６９４３１号公報

【特許文献3】WO２００８−１４００８０号公報

【特許文献4】特開２００８−９１３０７号公報

【特許文献5】特表２００９−５１７８４６号公報

【特許文献6】特開平６−２４３７７６号公報

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】H.-S. Kuo， I.-S. Hwang， T.-Y. Fu， J.-Y. Wu， C.-C. Chang， and T. T. Tsong， Nano Letters 4 (2004) 2379.

【非特許文献2】J. Morgan， J. Notte， R. Hill， and B. Ward， Microscopy Today， July 14 (2006) 24

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

金属エミッタ先端にナノピラミッド構造を持つガス電界電離イオン源では、次のような課題がある。このイオン源の特徴はナノピラミッドの先端の原子１個近傍から放出されたイオンを用いることである。すなわち、イオンが放出される領域が狭くイオン光源がナノメータ以下に小さい。このため、単位面積、単位立体角あたりの電流すなわち輝度が高い。このイオン光源を同じ倍率で試料に集束するか、縮小率を数分の１程度にして試料上で集束すると例えば０．１ｎｍから１ｎｍ程度のビーム径が得られる。すなわち、０．１ｎｍから１ｎｍ程度の超分解能観察が実現する。ここで、倍率が大きいほど、イオン光源の試料投影像の径は大きくなるが、一方、得られる電流も大きくなるという特徴を持つ。電流が大きいと像の信号／ノイズ比が大きくできたり、像取得時間を短縮できたりといった利点が生まれる。すなわち、倍率が大きくとも、イオン光源径がナノメータ以下と小さいため、イオン光源の試料投影像の径も１ｎｍ未満にすることができ、かつ電流も大きいという優れた特徴が生まれるのである。これは電界放出形電子銃を備えた超高分解能走査電子顕微鏡とも事情が異なる。電界放出形電子銃も光源径は小さいが、ナノメータオーダで、電界電離イオン源よりは大きい、このためサブナノメータ分解能を得るためには、倍率を１／１０以下に小さくする。

【0016】

ところで、エミッタ先端が機械的に振動すると、これに伴い試料上のイオンビームも振動することになる。これは、試料観察における分解能の劣化や像のゆれを引き起こす。特に、上で述べたように、倍率が大きい条件で使用する場合にはこの影響は大きい。例えば倍率が１の場合には、エミッタ先端の振動振幅が１ｎｍの場合には、試料上でイオンビームが１ｎｍ振動する。これは、サブナノメータの分解能の画像には大きな分解能の劣化や像のゆれを与えることを意味する。したがって、イオン顕微鏡にとって、従来の走査電子顕微鏡に比べても、エミッタ先端の機械的振動振幅を低減することは最も重要な課題の一つとなる。

【0017】

本発明の目的は、エミッタ先端の機械的振動振幅が小さく、試料観察像にゆれなどがない超高分解能観察を実現するイオン顕微鏡及び荷電粒子線装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明は、イオンを生成するエミッタティップと、エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、エミッタティップを加熱する機構と、エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過できる開口部を有する引き出し電極と、エミッタティップの近傍にガスを供給する機構と、を有するガス電界電離イオン源において、エミッタティップ加熱機構が、少なくとも２個の突出した端子間を接続するフィラメントに通電してエミッタティップを加熱する機構であり、端子間がＶ字状のフィラメントで接続され、V字のなす角度が鈍角であり、フィラメントの略中央に前記エミッタティップが接続されたことを特徴とするガス電界電離イオン源である。

【0019】

さらに、端子とフィラメントとの接続点間をフィラメントが略最短距離で接続され、フィラメントの略中央に前記エミッタティップが接続されたことを特徴とする。

【0020】

さらに、フィラメントの形状が直線状であることを特徴とする。

【0021】

さらに、ガス電界電離イオン源において、フィラメントの他に、少なくとも２個の端子間を接続する第２の線材が存在し、エミッタティップがフィラメントと第２の線材に接続されることを特徴とする。

【0022】

さらに、エミッタティップ加熱機構が、少なくとも２個の端子間を接続するフィラメントに通電してエミッタティップを加熱する機構であり、フィラメントの略中央にエミッタティップが接続され、エミッタティップ温度が相対的に低温時には、エミッタティップが、２個の端子以外の端子に接続され、相対的に高温時には、非接続されることを特徴とする。

【0023】

さらに、ガス電界電離イオン源であって、引き出し電極の略中央部が凸構造をもつことを特徴とする。

【0024】

さらに、ガス電界電離イオン源であって、フィラメントの断面形状がＵ字、Ｖ字、中空チューブ状であることを特徴とする。

【0025】

さらに、ガス電界電離イオン源であって、フィラメントの材質がマンガニンであることを特徴とする。

【0026】

さらに、ガス電界電離イオン源であって、フィラメントにセラミックコーティングを施したことを特徴とする。

【0027】

さらに、ガス電界電離イオン源であって、フィラメント略中央部分の局所抵抗率が相対的に高くなる構造としたことを特徴とする。

【0028】

さらに、ガス電界電離イオン源であって、局所抵抗率が相対的に高くなる構造が、局所的にV字もしくはU字構造をもつことを特徴とする。

【0029】

さらに、ガス電界電離イオン源に供給するガスが、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

【0030】

さらに、ガス電界電離イオン源のエミッタティップをナノピラミッドで構成したことを特徴とする。

【0031】

さらに、ガス電界電離イオン源を搭載した荷電粒子線装置において、イオン光源を試料に投影する倍率が少なくとも０．５以上であることを特徴とする荷電粒子線装置。

【0032】

さらに、ガス電界電離イオン源を搭載し、ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを走査して試料に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置において、電界電離放出形走査電子顕微鏡の最高分解能よりも高い分解能で、試料観察像で画像ゆれが顕在化しないことを特徴とするイオンビーム装置である。

【発明の効果】

【0033】

本発明によると、荷電粒子線顕微鏡において、エミッタティップ先端の機械的振動振幅が小さく、超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明による荷電粒子顕微鏡の一例の概略構成図である。

【図2】本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源のエミッタティップ周辺構造の一例である。

【図3】本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源のエミッタティップ周辺構造の一例である。

【図4】本発明による荷電粒子顕微鏡の一例の制御系の概略構成図である。

【図5】本発明による荷電粒子顕微鏡で得られる走査イオン像の模式図一例である。

【図6】本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源のエミッタティップ周辺構造の一例である。

【図7】本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源のエミッタティップ周辺構造の一例である。

【図8】本発明による荷電粒子顕微鏡の一例の概略構成図である。

【図9】本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源のエミッタティップ周辺構造の一例である。

【図10】本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源のエミッタティップ周辺構造の一例である。

【図11】本発明による荷電粒子顕微鏡の一例である。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0035】

図１を参照して本発明による荷電粒子顕微鏡の例を説明する。以下に、イオンビーム装置として、走査イオン顕微鏡装置の第１の実施例を説明する。本実施例の走査イオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、試料室３、及び冷却機構４を有する。ここでガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３内は真空容器である。

【0036】

ガス電界電離イオン源１の構成は後で詳細に述べるが、真空容器６８内に針状のエミッタティップ２１、エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部２７を有する引き出し電極２４が含まれる。また、エミッタティップ周辺のイオン化ガス圧力を高めるためイオン化室１５が設けられている。さらに、イオン化室１５にはガス供給機構７６先端のガス供給配管２５が接続されエミッタティップ周辺にイオン化ガスを供給する。

【0037】

また、ガス電界電離イオン源１の真空容器６８を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ１２が設けられている。真空容器６８とイオン源真空排気用ポンプ１２の間には真空遮断可能なバルブ６９が配置されている。

【0038】

さらにガス電界電離イオン源１の真空容器６８には非蒸発ゲッター材料７０を内包する真空ポンプ７１が接続されている。また、非蒸発ゲッター材料７０には真空容器の外に加熱機構７２が備えられている。加熱機構は抵抗加熱、ランプ加熱などを原理としたものなどである。

【0039】

また、非蒸発ゲッター材料７０を内包する真空ポンプ７１と真空容器６８との間には真空遮断可能なバルブ７４が配置されている。また、非蒸発ゲッター材料７０を内包する真空ポンプ７１には真空遮断可能なバルブ７７を介して真空ポンプ７８が接続されている。

【0040】

さらにガス電界電離イオン源１は、エミッタティップ２１の傾斜を変える傾斜機構６１を含み、これはエミッタベースマウント６４に固定されている。これは、エミッタティップ先端の方向をイオンビーム照射軸１４Aに精度良く合わせるために用いる。この角度軸調整により、イオンビームの歪みを少なくするという効果を奏する。

【0041】

また、イオンビーム照射系は、上記ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束する集束レンズ５、集束レンズ５を通過したイオンビーム１４を制限する可動な第１アパーチャ６、第１アパーチャ６を通過したイオンビーム１４を走査あるいはアラインメントする第１偏向器３５、第１アパーチャ６を通過したイオンビーム１４を偏向する第２偏向器７、第１アパーチャ６を通過したイオンビーム１４を制限する第２アパーチャ３６、第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する対物レンズ８から構成される。

【0042】

なお、図示していないが、イオンビーム照射系に質量分離器を導入する場合がある。また、 集束レンズをイオンビーム照射軸１４Aに対して傾斜できる構造を持たせる場合もある。傾斜機構６１は圧電素子で構成すれば比較的コンパクトに実現できる。

【0043】

ここで第１偏向器３５とは、エミッタティップからのイオン放射パターンを得るためにイオンビームを走査する偏向器である。また、第１とは、イオン源１から試料９方向に最初に配置される偏向器という意味である。ただし、第１偏向器３５と集束レンズ５間に、第１偏向器３５の光学軸方向の長さに比べて短い偏向器を備え、これをイオンビーム１４の偏向軸調整に用いる荷電粒子線装置としてもよい。

【0044】

また、試料室３内には、試料９を載置する試料ステージ１０、及び二次粒子検出器１１が設けられている。ガス電界電離イオン源１からのイオンビーム１４は、イオンビーム照射系を経由して、試料９に照射される。試料９からの二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出される。ここで、二次粒子検出器１１で計測される信号量は、第２アパーチャ３６を通過したイオンビーム電流にほぼ比例している。

【0045】

本実施例のイオン顕微鏡は、更に、試料室３を真空排気する試料室真空排気用ポンプ１３を有する。また、図示してないが、試料室３にはイオンビームを照射したときの試料のチャージアップを中和するための電子銃や、試料近傍にエッチングやデポジションガスを供給するガス銃を設ける。

【0046】

また、床２０の上に配置された装置架台１７の上には、防振機構１９を介して、ベースプレート１８が配置されている。電界電離イオン源１、カラム２、及び試料室３は、ベースプレート１８によって支持されている。

【0047】

冷却機構４は、電界電離イオン源１の内部、エミッタティップ２１、引き出し電極２４などを冷却する。本実施例では、冷却経路はエミッタベースマウント６４内部に配されている。なお、冷却機構４は例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機を用いる場合には、床２０には、図示してないがヘリウムガスを作業ガスとする圧縮機ユニット（コンプレッサ）が設置される。圧縮機ユニット（コンプレッサ）の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達される。装置架台１７とベースプレート１８との間には除振機構１９が配置されており、床の高周波数の振動は電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などには伝達しにくいという特徴を持つ。ここでは、床２０の振動の原因として、冷凍機４０及びコンプレッサ１６を説明した。しかしながら、床２０の振動の原因はこれに限定されるものではない。

【0048】

また、防振機構１９は、防振ゴム、バネ、ダンパ、又はこれらの組合せによって構成されてもよい。

【0049】

図２を参照して、本発明による荷電粒子顕微鏡のガス電界電離イオン源１の一例を詳細に説明する。本実施例のガス電界電離イオン源１は、針状のエミッタティップ２１、細線状のフィラメント２２、支柱形状をした２個の端子２６、円柱状のフィラメントマウント２３、及び、円柱状のエミッタベースマウント６４を有する。

【0050】

図３（Ａ）は円柱状のフィラメントマウント２３をエミッタティップ側から見た立体図である。針状のエミッタティップ２１は、細線状のフィラメント２２の略中央に接続されている。細線状のフィラメント２２は、図３（Ａ）ではＶ字状であり、支柱形状をした２個の端子間２６に接続されている。図３（Ｂ）は正面図であり、フィラメント２２の V字のなす角度は鈍角である。なお、図３（Ｃ）は側面図である。すでに述べたように、本装置は床２０等からの振動をイオン源に伝達しにくい構造となっている。しかし、本構造の機械振動シミュレーションにより、音のイオン源への影響により、図３（Ｃ）に示すようにフィラメント２２が図の左右にゆれることを見出した。そして、その振動振幅はV字のなす角度に依存し、従来の約６０度の鋭角ではなく、本発明のように鈍角にすると低減されることを見出したのである。特に、約１００度以上で従来に比べて著しく振動低減効果が向上する。

【0051】

なお、フィラメントマウント２３は、絶縁物などを挟んで、エミッタベースマウント６４に固定されている。これにより、エミッタティップ２１には高電圧を印加できる。また、イオン源真空容器６８には、イオンビームが通過する作動排気孔６７がある。

【0052】

本実施例の電界電離イオン源は、更に、引き出し電極２４、及び、円筒状の側壁２８、を有する。引き出し電極２４はエミッタティップ２１に対向して配置され、イオンビーム１４が通るための開口部２７を有する。なお、引き出し電極には高電圧を印加できる。

【0053】

引き出し電極２４、側壁２８、及びフィラメントマウント２３によって囲まれる空間をガス分子のイオン化室１５と呼ぶ。

【0054】

また、ガス分子イオン化室１５にはガス供給機構７６先端のガス供給配管２５が接続されている。このガス供給配管２５を通って、エミッタティップ２１に、イオンとなるべきガス（イオン化ガス）が供給される。

【0055】

本実施例では、イオンとなるべきガス（イオン化ガス）はヘリウムである。なお、図２ではエミッタティップ２１の冷却機構については省略した。

【0056】

図４は、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の制御装置の例を示す。本実施例の制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御する電界電離イオン源制御装置９１、冷凍機４を制御する冷凍機制御装置９２、非蒸発ゲッター材料７０の加熱機構７２および冷却機構４などの温度制御装置１９１、ガス電界電離イオン源周辺に配置された複数の真空遮断可能なバルブ６９、７４、７７の開閉を制御するバルブ制御装置１９２、集束レンズ５および対物レンズ８を制御するレンズ制御装置９３、可動な第１アパーチャ６を制御する第１アパーチャ制御装置９４、第１偏向器を制御する第１偏向器制御装置１９５、第２偏向器を制御する第２偏向器制御装置９５、二次粒子検出器１１を制御する二次電子検出器制御装置９６、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、及び演算装置を含む計算処理装置９９を有する。計算処理装置９９は画像表示部を備える。画像表示部は、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び入力手段によって入力した情報を表示する。

【0057】

試料ステージ１０は、試料９を試料載置面内にて直交２方向へ直線移動させる機構、試料９を試料載置面に垂直な方向への直線移動させる機構、及び試料９を試料載置面内にて回転させる機構を有する。試料ステージ１０は、更に、試料９を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム１４の試料９への照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの制御は計算処理装置９９からの指令によって、試料ステージ制御装置９７によって実行される。

【0058】

次に、本実施例の電界電離イオン源の動作を説明する。ここでは、イオン化ガスはヘリウムであるとして説明する。真空排気後、十分な時間が経過した後、冷凍機４を運転する。それによってエミッタティップ２１、および引き出し電極２４等が冷却される。

【0059】

次に、エミッタティップ２１の構造及び作製方法を説明する。先ず、直径約１００〜４００μm、軸方位＜１１１＞のタングステン線を用意し、その先端を鋭利に成形する。それによって、曲率半径が数１０ｎｍの先端を有するエミッタティップ２１が得られる。このエミッタティップ２１の先端に、別の真空容器でイリジウムを真空蒸着させる。次に、フィラメント２２に通電してエミッタティップ２１を高温加熱して、イリジウム原子をエミッタティップ２１の先端に移動させる。それによって、イリジウム原子によるナノメートルオーダのピラミッド型構造が形成される。これをナノピラミッドと呼ぶことにする。ナノピラミッドは、典型的には、先端に１個の原子を有し、その下に３個又は６個の原子の層を有し、さらにその下に１０個以上の原子の層を有する。

【0060】

ここで、このナノピラミッドを再現性よく形成するためには、フィラメント２２通電によるエミッタティップ加熱における温度を再現性良く管理する必要があることを本願発明者は突き止めた。フィラメント２２単体での加熱特性のほかに、フィラメントの熱が端子へ逃げることをも考慮する必要があるが、本イオン源１のように極低温に冷却する場合には、特にその影響が大きい。これは、従来の電子銃やイオン源のエミッタティップ加熱制御の条件とは、本イオン源のエミッタティップ加熱制御の条件が異なることを意味する。先に、フィラメント２２のＶ字形状が機械振動特性に大きく影響することを述べたが、同じく、フィラメント２２のＶ字形状はエミッタティップ２１の加熱特性に影響するのである。

【0061】

なお、本実施例では、タングステンの細線を用いたがモリブデンの細線を用いることもできる。また、本例では、イリジウムの被覆を用いたが、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等の被覆を用いることもできる。

【0062】

また、エミッタティップ２１の先端にナノピラミッドを形成する方法として、他に、真空中での電界蒸発、ガスエッチィング、イオンビーム照射等を用いてもよい。このような方法によって、タングステン線、又はモリブデン線先端にタングステン原子又はモリブデン原子ナノピラミッドを形成することができる。例えば＜１１１＞のタングステン線を用いた場合には、先端が１個または３個のタングステン原子で構成されるのが特徴となる。また、これとは別に、白金、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウムなどの、細線の先端に真空中でのエッチング作用により同様なナノピラミッドを形成してもよい。これらの原子オーダの鋭利な先端構造をもつエミッタティップをナノティップと呼ぶことにする。

【0063】

上述のように、本実施例によるガス電界電離イオン源のエミッタティップ２１の特徴は、ナノピラミッドにある。エミッタティップ２１の先端に形成される電界強度を調整することによって、エミッタティップ２１の先端の１個の原子の近傍でヘリウムイオンを生成させることができる。従って、イオンが放出される領域、即ち、イオン光源は極めて狭い領域であり、ナノメータ以下である。このように、非常に限定された領域からイオンを発生させることによって、ビーム径を１ｎｍ以下とすることができる。そのため、イオン源の単位面積及び単位立体角当たりの電流値は大きくなる。これは試料上で微細径・大電流のイオンビームを得るためには重要な特性である。

【0064】

なお、白金、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジュウム、ロジュウム、などを用いて、先端原子１個のナノピラミッドが形成された場合には、同様に単位面積・単位立体角から放出される電流すなわちイオン源輝度を大きくすることができ、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる。ただし、エミッタティップが十分冷却され、かつガス供給が十分な場合には、必ずしも先端を１個に形成する必要はなく、３個、６個、７個、１０個などの原子数であっても十分な性能を発揮できる。特に、４個以上、１０個未満の原子で先端を構成する場合には、イオン源輝度を高くでき、かつ先端原子が蒸発しにくく安定した動作が可能であることを見出した。

【0065】

次に、エミッタティップ２１と引き出し電極２４の間に電圧を印加する。エミッタティップの先端に強電界が形成される。ガス供給配管２５から供給されたヘリウムが、強電界によってエミッタティップ面に引っ張られる。ヘリウムは、最も電界の強いエミッタティップ２１の先端近傍に到達する。そこでヘリウムが電界電離し、ヘリウムイオンビームが生成される。ヘリウムイオンビームは、引き出し電極２４の孔２７を経由してイオンビーム照射系に導かれる。

【0066】

次に、本実施例のイオン顕微鏡のイオンビーム照射系の動作を説明する。イオンビーム照射系の動作は、計算処理装置９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、集束レンズ５によって集束され、ビーム制限アパーチャ６によって、ビーム径が制限され、対物レンズ８によって集束される。集束されたビームは、試料ステージ１０上の試料９の上に走査されながら照射される。ここで、集束レンズと対物レンズで、イオン光源を試料上に集束する倍率を少なくとも０．５以上として、大電流を得られる条件とした。このようにすると、ビーム径に対する電流が大きくでき走査イオン像の信号/ノイズ比を大きくできることになる。

【0067】

試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、二次電子検出器制御装置９６で輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。計算処理装置９９は、走査イオン顕微鏡像を生成し、それを画像表示部に表示する。こうして、試料表面の高分解能観察を実現することができる。

【0068】

図５は、試料表面の超高分解能観察像の模式図である。試料構造は、２本の直線である。図５（Ａ）は、エミッタティップ先端が機械振動して、２本の直線のエッジがゆれているように観察されている。図５（Ｂ）は、エミッタティップ先端が機械振動しているとき、イオンビーム走査周波数が遅いとき、２本の直線のエッジがボケで観察されている。図５（Ｃ）は本装置が正常動作した状態で得た超高分解能観察像の模式図である。２本の直線のエッジが明瞭に観察されていることを示す。これは、フィラメント形状をＶ字として、その間の角度を鈍角として、エミッタティップ先端振動振幅を低減した効果である。この結果、試料表面の走査イオン像でレンズの収差である０．２ｎｍ程度の分解能を得ることができた。

【0069】

また、別の実施例である図６（Ａ）では、支柱形状をした端子２６とフィラメント２１との接続点間をフィラメント２２が略最短距離で接続され、フィラメント２２の略中央に前記エミッタティップ２１が接続されている。

【0070】

図６（Ａ）は円柱状のフィラメントマウント２３をエミッタティップ２１側から見た立体図である。図６（Ｂ）は正面図であり、フィラメントは直線状であり、その略中央にエミッタティップ２１が接続されている。本実施例においても、試料表面の走査イオン像でレンズの収差である０．２ｎｍ程度の分解能を得ることができた。ただし、フィラメント加熱特性を安定させるため、フィラメント端子間隔を広げて、フィラメント２２を長くしたり、制御回路に安定化回路を追加したりする対策が必要であった。また、略中央にＵ字またはＶ字の微小変形を加えるようにすると、フィラメント２２略中央部分の局所抵抗率が相対的に高くなるため、フィラメント２２を高温に加熱するのに好適となり、さらにエミッタティップ２１先端の機械的振動振幅を小さくすることができるという効果を奏する。そして、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビーム１４を走査して試料９に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0071】

また、図６（Ｃ）側面図に示すように、エミッタティップ２１自身がわずかに揺れていることを見出した。そこで、別の実施例である図７では、フィラメント２２の形状が直線状であり、フィラメント２２の他に、少なくとも２個の端子間を接続する第２の線材２９が存在し、エミッタティップ２１の根元がフィラメント２２と第２の線材２９に接続されている構造とした。これにより、エミッタティップ２１自身がわずかな振動も低減することに成功した。その結果、レンズ収差を改善することにより０．１ｎｍ程度の分解能を得ることができた。
さらに、図７に示すように引き出し電極２４の略中央部がエミッタティップ２１に向かって凸構造３１をもつことを特徴とする。このようにすると、２個の端子と前記引き出し電極との距離が長くなり、２個の端子と前記引き出し電極間の放電などが無くなり、信頼性が高くなるという効果を奏する。

【0072】

以上述べた実施例では、エミッタティップ先端の機械的振動振幅を小さくすることができるという効果を奏する。そして、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビームを走査して試料９に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれやボケなどを低減することができるという効果を奏する。

【0073】

また、電界電離イオン源１、イオンビーム照射系および試料室３などの真空チャンバ材質を磁性材料で構成させ外部磁気をシールドするとイオンビームの径が小さくなり、より高分解能観察が実現するという効果を奏する。

【0074】

また、本実施例に示したように、ガス電界電離イオン源１のエミッタティップをナノピラミッドで構成すると、極微小なビーム径で、電流が大きいというイオンビームが得られるため、高信号/ノイズ比で超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0075】

さらに、ガス電界電離イオン源１を搭載した荷電粒子線装置において、イオン光源を試料に投影する倍率が少なくとも０．５以上であることを特徴とする荷電粒子線装置とすると、特に、イオンビーム電流が大きくなり、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビームを走査して試料９に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、高信号/ノイズ比で超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0076】

また、エミッタティップの傾斜を変える傾斜機構６１を省略した装置構成とした場合、エミッタティップ先端から放出されるイオンビームの方向に合わせて集束レンズ５の傾斜を調整すれば、集束レンズ５でのイオンビームの歪みを小さくでき、イオンビームの径が小さくなり、より高分解能観察が実現するという効果を奏する。また、エミッタティップ２１の傾斜機構を省略できるので、イオン源構造を単純化できる、ひいては低コストの装置を実現できるという効果を奏する。

【0077】

さらに、別の真空装置でエミッタティップ２１からのイオン放出パターンを観察して、エミッタティップ２１の傾斜方向を精密に調整しておき、次に本実施例装置に導入すれば、エミッタティップ２１の傾斜を変える傾斜機構６１を省略するか、あるいは、傾斜範囲を小さくすることができる。このことによりイオン源構造を単純化できる、ひいては低コストの装置を実現できるという効果を奏する。

【0078】

さらに、以上の実施例によると、上記したガス電界電離イオン源において、エミッタティップ２１の先端を原子で構成されるナノピラミッドとすることにより、イオン化領域が制限されるため、より高輝度のイオン源１が形成され、より高分解能の試料観察ができるという効果を奏する。また、このときには全イオン電流はより少なくなるので、イオン化ガスを循環利用することで、イオン化ガスの利用効率がより高いガス電界電離イオン源が提供されるという効果を奏する。

【0079】

なお、本実施例では、ヘリウムガスについて述べたが、水素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他のガスでも本発明は適用可能である。このようにすると、水素、ヘリウムを用いるとイオンビームで試料極表面の観察ができ、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンを用いるとイオンビームで試料を加工するのに好適となり、さらにエミッタティップ先端の機械的振動振幅を小さくすることができるという効果を奏する。

【実施例2】

【0080】

次に図８を参照して、本実施例による荷電粒子線装置の一例を説明する。図８では、図１に示した荷電粒子線装置の冷却機構４の一例について詳細に説明する。本例の冷却機構４は、ヘリウム循環方式を採用している。

【0081】

本実施例の冷却機構４は、冷媒となるヘリウムガスをＧＭ型冷凍機４０１および熱交換器４０２、４０５、４０９、４１２を用いて冷却して、これを圧縮機ユニット４００により循環させる。コンプレッサで加圧された例えば０．９ＭＰaの常温の温度３００Ｋのヘリウムガスは配管４０９を通じて熱交換器４０２に流入し、後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約６０Ｋに冷却される。冷却されたヘリウムガスは断熱されたトランスファーチューブ４０４内の配管４０３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４０５に流入する。ここで、熱交換器４０５に熱的に一体化された熱伝導体を温度約６５Ｋに冷却し、前記した輻射シールド等を冷却する。加温されたヘリウムガスは熱交換器４０５を流出し配管４０７を通じて、ＧＭ型冷凍機４０１の第１冷却ステージ４０８に熱的に一体化された熱交換器４０９に流入し、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器４１０に流入する。後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約１５Ｋに冷却され、そののち、ＧＭ型冷凍機４０１の第２冷却ステージ４１１に熱的に一体化された熱交換器４１２に流入し、温度約９Ｋに冷却され、トランスファーチューブ４０４内の配管４１３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４１４に流入し、熱交換器４１４で熱的に接続された良熱伝導体の冷却伝導棒５３を温度約１０Ｋに冷却する。熱交換器４１４で加温されたヘリウムガスは配管４１５を通じて熱交換器４１０、４０２に順次流入し、前述のヘリウムガスと熱交換してほぼ常温の温度約２７５Ｋになって、配管４１５を通じて圧縮機ユニット４００に回収される。なお、前述した低温部は真空断熱容器４１６ないに収納され、トランスファーチューブ４０４とは、図示していないが断熱的に接続されている。また、真空断熱容器４１６内において、図示していないが低温部は輻射シールド板や、積層断熱材等により室温部からの輻射熱による熱侵入を防止している。

【0082】

また、トランスファーチューブ４０４は床２０または床２０に設置された支持体４１７に強固に固定支持されている。ここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５も床２０で固定支持されている。また、ガス電界電離イオン源１近くにおいて、トランスファーチューブ４０４は、ベースプレート１８に支持固定されており、同様にここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５もベースプレート１８で固定支持されている。

【0083】

すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニット１６で発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、圧縮機ユニット４００で循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構である。

【0084】

冷却伝導棒５３は変形可能な銅網線５４およびサファイアベースを経てエミッタティップ２１に接続される。これによりエミッタティップ２１の冷却が実現する。この実施例では、ＧＭ型冷凍機４０１は床を振動させる原因になるが、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などはＧＭ冷凍機４０１とは隔離されて設置されており、さらにガス電界電離イオン源１近傍に設置した熱交換器４０５、４１４に連結された配管４０３、４０７、４１３、４１５は殆ど振動しない床２０やベース１８に強固に固定支持されて振動せず、さらに床から振動絶縁されているため機械振動の伝達の極めて少ないシステムとなることが特徴である。

【0085】

次に、本実施例でのエミッタティップ周辺での構造について述べる。図９は円柱状のフィラメントマウント２３をエミッタティップ側から見た立体図である。

【0086】

ガス電界電離イオン源１において、エミッタティップ加熱機構７２が、少なくとも２個の端子２６間を接続するフィラメント２２に通電してエミッタティップ２１を加熱する機構であり、フィラメント２２の略中央にエミッタティップ２１が接続され、エミッタティップ温度が相対的に低温時には、図９（Ａ）に示すように、エミッタティップ２１が、２個の端子２６以外の端子に接続され、エミッタティップ温度が相対的に高温時には、図９（Ｂ）に示すように２個の端子以外の端子へは非接続されることを特徴とする。

【0087】

このようにすると、エミッタティップ温度が相対的に低温時には、エミッタティップが、２個の端子２６以外の端子に接続されるためエミッタティップ先端の機械的振動振幅を小さくすることができるという効果を奏する。ここで、エミッタティップ温度が低温であれば、イオンビーム電流が大きくなるという効果を奏する。また、高温時はエミッタティップが、２個の端子２６以外の端子に接続されないため、フィラメント加熱時に熱が逃げず加熱制御精度が向上するという効果を奏する。そして、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビームを走査して試料９に照射して、試料９から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、より一層に超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0088】

さらに、別の実施例において、ガス電界電離イオン源１であって、フィラメント２２の断面形状がＵ字、Ｖ字、中空チューブ状であることを特徴とする。

【0089】

さらに、別の実施例において、ガス電界電離イオン源１であって、フィラメント２２の材質がマンガニンであることを特徴とする。

【0090】

さらに、別の実施例において、ガス電界電離イオン源１であって、フィラメント２２にセラミックコーティングを施したことを特徴とする。

【0091】

このようにすると、フィラメント２２の剛性が一層に高まるため、フィラメントの振動振幅が小さくさるため、エミッタティップ先端の機械的振動振幅を小さくすることができるという効果を奏する。そして、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビームを走査して試料９に照射して、試料９から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、より一層の超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0092】

また、別の実施例において、図１０に示すようにエミッタティップ２１を直接フィラメントマウント２３と接続して、フィラメント２２とは接続しない構造とする。エミッタティップ加熱は、フィラメント２２加熱後に、エミッタティップ２１とフィラメント２２との間に電圧を印加してフィラメント２２からエミッタティップ２１に電子を放射させて実現する。この構造では、フィラメント振動はエミッタティップに伝達しない。

【0093】

このようにして、さらに前記ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを走査して試料９に照射して、試料９から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0094】

さらに、ガス電界電離イオン源１を搭載し、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビーム１４を走査して試料９に照射して、試料９から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置において、振動数５０００Ｈｚ以上の音波をイオンビーム装置に向けて照射したときに、試料観察像にゆれが生じることを特徴とするイオンビーム装置である。このようにすると、エミッタティップの取り付け構造の固有振動数が５０００Ｈｚ以上であるため、床などから伝達される振動ではエミッタティップは伝達しにくいという特性を持つことになる。

【0095】

さらに、図１１に示すように音が遮断される防音カバー４１８をするとこの効果は一層高まる。

【0096】

このようにして、さらに前記ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを走査して試料に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0097】

さらに、ガス電界電離イオン源を搭載し、ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを走査して試料に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置において、電界電離放出型走査電子顕微鏡の最高分解能よりも高い分解能で、試料観察像で画像ゆれが顕在化しないことを特徴とするイオンビーム装置とすると、超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

【0098】

さらに、本発明のガス電界電離イオン源および荷電粒子線装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。

【0099】

さらに、本願の発明者は、図8に示すコンプレッサ（圧縮機）１６、４００の騒音が電界電離イオン源１を振動させてその分解能を劣化させることを突き止めた。そのため、本実施例では、コンプレッサ１６、４００と電界電離イオン源１を空間的に分離するカバー４１８を設けた。これにより、コンプレッサ１６、４００の騒音に起因した振動の影響を低減することができ、高分解能観察が可能となる。

【0100】

また、本実施例の場合、ヘリウム圧縮機４００を用いて第２のヘリウムガスを循環させたが、図示しないが流量調整弁を介して、ヘリウム圧縮機１６の 配管１１１、１１２と、それぞれ流量調整弁を介して、配管４０９、４１５を連通し、配管４０９内にヘリウム圧縮機１６の一部のヘリウムガスを第２のヘリウムガスとして循環ヘリウムガスを供給し、配管４１５でガスをヘリウム圧縮機１６に回収しても、同様な効果を生じる。

【0101】

また、本実施例では、ＧＭ型冷凍機４０１を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよく、冷凍機の方式に限定されない。また、本実施例では、冷凍機は、２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。例えば、１段の冷却ステージを持つ小型のスターリング型冷凍を用いて、最低冷却温度を５０Ｋとしたヘリウム循環冷凍機とすれば、コンパクトで低コストのイオンビーム装置を実現できる。また、この場合には、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。また、複数の冷凍機を用いても良い。

【0102】

また、本実施例の場合に、走査イオン像取得時に、ヘリウム圧縮機４００を停止させると、走査イオン像のノイズが減少して、鮮明で分解能の高い画像がえられることを見出した。この場合に、イオンエミッタの温度が大きな電流変化をもたらさない間に、ヘリウム圧縮機４００を駆動させてヘリウムを循環させて、温度を低下させる。この方法によれば、走査イオン像取得時に冷凍機の動作を停止させるよりも簡便にノイズ低減効果が生じることを見出した。さらに、ヘリウム圧縮機と、冷凍機の動作の両者を停止させる、さらにノイズが減少して、鮮明で分解能の高い画像がえられることを見出した。

【実施例3】

【0103】

次に、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、針状のエミッタティップからイオンビームまたは電子を引き出すハイブリッド粒子源を用いて、試料表面、試料加工、および試料内部の観察を駆使した複合的な試料解析が可能な荷電粒子顕微鏡について、図１１を用いて説明する。

【0104】

尚、実施例１、２と重複する内容についての説明は省略する。

【0105】

本実施例の荷電粒子顕微鏡は、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、針状のエミッタティップからイオンビームまたは電子を引き出すハイブリッド粒子源３０１、電子ビームおよびイオンビームを試料に照射するハイブリッド照射系３０２、試料台３０３、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器３０４、および試料を透過した荷電粒子を結像する光学系３０５などからなる。

【0106】

ここでは、エミッタティップには、正の高電圧、および負の高電圧電源のいずれかを選択して接続可能である。すなわち、正の高電圧を印加した場合には正のイオンビーム、負の高電圧を印加した場合には、電子ビームをエミッタティップから引き出すことができる。また、ハイブリッド粒子源には、少なくとも２種類以上のガスが導入可能である。すなわち、水素、ヘリウムのいずれか一つと、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つを加えた少なくとも２種類のガス種を導入可能である。

【0107】

本荷電粒子顕微鏡では、エミッタティップからネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つのイオンビームを引き出し、これを試料に照射して試料を加工できる。また、針状のエミッタティップから水素、ヘリウムのいずれか一つのイオンビームを引き出し、試料表面を観察することができる。また、針状のエミッタティップから電子を引き出し、これを試料に照射して試料を透過した電子を結像することにより試料内部情報を得ることができる。これにより、試料を大気に暴露することなく、試料の複合的な解析が可能になる。

【0108】

以上の実施例では、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、該針状のエミッタティップからイオンビームまたは電子を引き出すハイブリッド粒子源と、ハイブリッド粒子源からの荷電粒子を試料上に導くための荷電粒子照射光学系と、 試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器と、試料を透過した荷電粒子を結像する荷電粒子結像光学系と、 エミッタティップの近傍にガスを供給するガス供給管とを有し、 ガスは水素、ヘリウムのいずれか一つと、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つを加えた少なくとも２種類のガス種を選択可能であり、針状のエミッタティップには正の高電圧、および負の高電圧電源のいずれかを選択して接続可能であるハイブリッド荷電粒子顕微鏡とすることで、水素、ヘリウムのいずれか一つのビームで試料極表面の観察ができ、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つのイオンビームで試料を加工し、電子ビームを試料に照射して、試料を透過した電子を検出することにより試料内部の観察が可能である荷電粒子顕微鏡が提供されるという効果を奏する。特に、ナノピラミッドエミッタティップを用いることにより、極微小径イオンビームおよび極微小径電子ビームが得られるため、サブナノメータオーダの試料情報解析が可能な荷電粒子顕微鏡が提供されるという効果を奏する。

【0109】

さらに、以上の実施例では、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、針状のエミッタティップからネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つのイオンビームを引き出し、これを試料に照射して試料を加工し、該針状のエミッタティップから水素、ヘリウムのいずれか一つのイオンビームを引き出し、試料表面を観察し、該針状のエミッタティップから電子を引き出し、これを試料に照射して試料を透過した電子を結像することにより試料内部情報を得るハイブリッド荷電粒子線顕微鏡法とすることで、試料表面、試料加工、および試料内部の観察を駆使した複合的な試料解析が可能になるという効果を奏する。特に、ナノピラミッドエミッタティップを用いることにより、極微小径イオンビームおよび極微小径電子ビームを駆使した試料情報解析が可能な荷電粒子顕微鏡法が提供されるという効果を奏する。

【符号の説明】

【0110】

１…ガス電界電離イオン源、２…イオンビーム照射系カラム、３…試料室、４…冷却機構、５…集束レンズ、６…可動アパーチャ、７…偏向器、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１１…二次粒子検出器、１２…イオン源真空排気用ポンプ、１３…試料室真空排気用ポンプ、１４…イオンビーム、１４Ａ…光軸、１５…ガス分子イオン化室、１６…コンプレッサ、１７…装置架台、１８…ベースプレート、１９…防振機構、２０…床、２１…エミッタティップ、２２…フィラメント、２３…フィラメントマウント、２４…引き出し電極、２５…ガス供給配管、２６…端子、２７…開口部、２８…側壁、２９…第２の線材、３１…凸構造、３５…第１偏向器、３６…第２アパーチャ、６４…エミッタベースマウント、６７…差動排気孔、６８…真空容器、６９…真空遮断可能なバルブ、７０…非蒸発ゲッター材料、７１…真空ポンプ、７２…加熱機構、７４…真空遮断可能なバルブ、７６…ガス供給機構、７７…真空遮断可能なバルブ、７８…真空ポンプ、９１…電界電離イオン源制御装置、９２…冷凍機制御装置、９３…レンズ制御装置、９４…第一アパーチャ制御装置、９５…イオンビーム走査制御装置、９６…二次電子検出器制御装置、９７…試料ステージ制御装置、９８…真空排気用ポンプ制御装置、９９…計算処理装置、１９５…第一偏向器制御装置、１９６…温度制御装置、４１８…カバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】