特許 6112930 ガスイオン源、及び集束イオンビーム装置

(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】6112930

(24)【登録日】2017年3月24日

(45)【発行日】2017年4月12日

(54)【発明の名称】ガスイオン源、及び集束イオンビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/26 20060101AFI20170403BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/26

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-63707(P2013-63707)

(22)【出願日】2013年3月26日

(65)【公開番号】特開2014-191872(P2014-191872A)

(43)【公開日】2014年10月6日

【審査請求日】2015年11月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】503460323

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクサイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】八坂 行人

(72)【発明者】

【氏名】杉山 安彦

(72)【発明者】

【氏名】大庭 弘

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−００３３２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３１２１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７７９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−１１９６６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５４５８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／００ −２７／２６

Ｈ０１Ｊ ３７／０４

Ｈ０１Ｊ ３７／０６ −３７／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／２４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ベース部材に固定された一対の通電ピンと、
前記一対の通電ピン間に接続されたフィラメントと、
前記フィラメントに接続され、先端が先鋭化されたエミッタと、
前記エミッタの周囲にガスを供給するガス源と、
前記エミッタを冷却する冷却部と、
前記エミッタの先端から離間して配設された引出電極と、
前記エミッタと前記引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンにさせた後、前記引出電極側に引き出させる引出電源部と、を備え、
前記ベース部材には、支持部材が固定され、該支持部材に前記エミッタが接続されていることを特徴とするガスイオン源。

【請求項2】

前記支持部材は、前記フィラメントよりも熱伝導率の高い材料により形成されていることを特徴とする請求項１記載のガスイオン源。

【請求項3】

前記支持部材は、前記フィラメントよりも太く形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のガスイオン源。

【請求項4】

前記支持部材は円筒状とされ、
前記エミッタは、基端部が前記支持部材内に挿入された状態で固定されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のガスイオン源。

【請求項5】

請求項１から請求項４の何れか１項に記載のガスイオン源と、
引き出された前記ガスイオンを集束イオンビームにした後に試料に照射させるビーム光学系と、を備えてい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、ガスイオン源、及び集束イオンビーム装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、半導体デバイス等の試料の観察や各種の評価、解析等を行ったり、試料から微細な薄片試料を取り出した後、該薄片試料を試料ホルダに固定してＴＥＭ試料を作製したりするための装置として、集束イオンビーム装置が知られている。
この集束イオンビーム装置は、イオンを発生させるイオン源を備えており、ここで発生したイオンを、その後集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ ｂｅａｍ）にして照射している。

【0003】

イオン源としては、いくつか種類があり、例えばプラズマ型イオン源や液体金属イオン源等が知られている。また、近時では、上述したイオン源よりもビーム径が小さく、高輝度の集束イオンビームを発生させることができる電界電離型イオン源（ＧＦＩＳ：Ｇａｓ Ｆｉｅｌｄ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ）が提供されている。

【0004】

上述した電界電離型イオン源は、先端が原子レベルで先鋭化された針状のエミッタを有するエミッタ構造体と、エミッタの周囲にヘリウム（Ｈｅ）等のガスを供給するガス源と、エミッタを冷却する冷却部と、エミッタの先端から離れた位置に配設された引出電極と、を主に備えている。

【0005】

ここで、下記特許文献１に示されるような、従来のエミッタ構造体について簡単に説明する。
図８に示すように、従来のエミッタ構造体１００は、ベース部材１０１と、ベース部材１０１に固定された一対の通電ピン１０２と、通電ピン１０２の先端部間に接続されたフィラメント１０３と、フィラメント１０３に接続された上述したエミッタ１０４と、を主に備えている。
エミッタ１０４は、その基端部が点溶接等によってフィラメント１０３に接続された状態で、フィラメント１０３に吊り下げ保持されている。

【0006】

このような構成において、エミッタ１０４周囲にガスを供給した後、エミッタ１０４と引出電極（不図示）との間に引出電圧を印加させるとともにエミッタ１０４を冷却すると、ガスがエミッタ１０４先端部の高電界によって電界電離してイオン化し、ガスイオンとなる。すると、このガスイオンは、正電位に保持されているエミッタ１０４から反発して引出電極側に引き出される。その後、引き出されたガスイオンは、適度に加速されるとともに集束され、集束イオンビームとなる。
特に、電界電離型イオン源から発生される集束イオンビームは、上述したようにビーム径が小さく、エネルギー広がり（放射角度分布）も小さいので、ビーム径を小さく絞ったまま試料に照射することができる。したがって、観察時の高分解能化を図ったり、より微細なエッチング加工を行ったりすることが可能になる。

【0007】

一方、エミッタ１０４の結晶構造が壊れた場合等において、通電ピン１０２及びフィラメント１０３を介して図示しない電流源からエミッタ１０４に通電することで、エミッタ１０４を加熱してエミッタ１０４を構成する原子の再配列を行わせるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１２−０９８２９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、上述したように従来のエミッタ構造体１００では、エミッタ１０４がフィラメント１０３のみによって保持されているため、エミッタ１０４への熱伝達は主にフィラメント１０３を介して行われることになる。この場合、エミッタ１０４の再配列時等、エミッタ１０４の加熱時においてはエミッタ１０４からの放熱量が少ないのでフィラメント１０３を介して効率的に加熱される。一方、ガスイオンの発生時等、エミッタ１０４の冷却時においては冷却効率が低いという問題がある。
電界電離型イオン源のイオンエミッション量は、温度依存性が高く、より低い温度で動作させることが好ましい。

【0010】

また、従来のエミッタ構造体１００では、上述したようにエミッタ１０４がフィラメント１０３のみによって保持されているため、ベース部材１０１に対してエミッタ１０４を垂直に保持することが難しい。電界電離型イオン源から発生する集束イオンビームは、上述したように放出角度分布が狭いため、試料に向けて確実に照射するためには、集束イオンビームの光軸が所望の方向に揃っている必要がある。
これに対して、特許文献１には、エミッタ１０４から発生する集束イオンビームの光軸の傾きや位置を調整するジンバル機構（先端マニピュレータ）を設ける構成が開示されている。
しかしながら、ジンバル機構を設けることで、部品点数の増加や装置の複雑化に繋がるという問題がある。

【0011】

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、エミッタの冷却効率を向上させることができるとともに、部品点数の削減や装置の簡素化を図った上で、ベース部材に対してエミッタを高精度、かつ安定して保持することができるガスイオン源、及び集束イオンビーム装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
（１）本発明に係るガスイオン源は、ベース部材に固定された一対の通電ピンと、前記一対の通電ピン間に接続されたフィラメントと、前記フィラメントに接続され、先端が先鋭化されたエミッタと、前記エミッタの周囲にガスを供給するガス源と、前記エミッタを冷却する冷却部と、前記エミッタの先端から離間して配設された引出電極と、前記エミッタと前記引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンにさせた後、前記引出電極側に引き出させる引出電源部と、を備え、前記ベース部材には、支持部材が固定され、該支持部材に前記エミッタが接続されていることを特徴としている。

【0013】

この構成によれば、エミッタがフィラメントに加えて支持部材に接続されているため、従来のようにフィラメントのみによって吊り下げ支持された構成に比べて、ベース部材に対してエミッタを安定して保持させることができる。この場合、垂直保持させ易くなり、集束イオンビームの光軸を所望の方向に揃え易くすることができる。また、従来のように集束イオンビームの光軸の傾きや位置を調整するジンバル機構等を別途設ける必要がないので、部品点数の削減や装置の簡素化を図った上で、ベース部材に対してエミッタを高精度、かつ安定して保持することができる。
また、エミッタの冷却時において、エミッタの熱は支持部材を介してベース部材等に放熱されることになる。そのため、従来のようにフィラメントのみを介して放熱される場合に比べて、エミッタの冷却効率を向上させることができる。

【0014】

（２）本発明に係るガスイオン源において、前記支持部材は、前記フィラメントよりも熱伝導率の高い材料により形成されていてもよい。
この構成によれば、支持部材がフィラメントよりも熱伝導率が高い材料により形成されているので、エミッタの熱が支持部材に効率的に放熱されることになる。したがって、エミッタの冷却効率を確実に向上させることができる。

【0015】

（３）本発明に係るガスイオン源において、前記支持部材は、前記フィラメントよりも太く形成されていてもよい。
この構成によれば、支持部材がフィラメントよりも太く形成されているので、エミッタの熱が支持部材に効率的に放熱されることになる。したがって、エミッタの冷却効率を確実に向上させることができる。

【0016】

（４）本発明に係るガスイオン源において、前記支持部材は円筒状とされ、前記エミッタは、基端部が前記支持部材内に挿入された状態で固定されていてもよい。
この構成によれば、円筒状の支持部材内にエミッタが挿入された状態で固定されているため、エミッタをより安定して保持することができる。

【0017】

（５）本発明に係る集束イオンビーム装置は、上記本発明のガスイオン源と、引き出された前記ガスイオンを集束イオンビームにした後に試料に照射させるビーム光学系と、を備えていることを特徴としている。
この構成によれば、上記本発明のエミッタ構造体を備えているため、ガスイオンを安定的に発生させることができ、ビーム径の小さい高輝度な集束イオンビームを所望の方向に照射し続けることができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、エミッタの冷却効率を向上させることができるとともに、部品点数の削減や装置の簡素化を図った上で、ベース部材に対してエミッタを高精度、かつ安定して保持し、集束イオンビームの光軸を所望の方向に揃え易くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る集束イオンビーム装置の一実施形態を示す全体構成図である。

【図2】集束イオンビーム装置を構成する集束イオンビーム鏡筒の構成図である。

【図3】エミッタ構造体の斜視図である。

【図4】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図5】エミッタの先端を拡大した図である。

【図6】エミッタの先端を原子レベルで拡大した図である。

【図7】エミッタの先端からガスイオンを発生させている状態を示す図である。

【図8】従来のエミッタ構造体の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［集束イオンビーム装置］
図１は、集束イオンビーム装置１の全体構成図である。
本実施形態の集束イオンビーム装置１は、図１に示すように、試料Ｓが載置されるステージ２と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する集束イオンビーム鏡筒３と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射によって発生した二次荷電粒子Ｒを検出する検出器４と、デポジション膜を形成するための原料ガスＧ１を供給するガス銃５と、検出された二次荷電粒子Ｒに基づいて画像データを生成するとともに、画像データを表示部６に表示させる制御部７と、を主に備えている。

【0021】

ステージ２は、制御部７の指示に基づいて作動するようになっており、５軸に変位可能な変位機構８により支持されている。具体的に、変位機構８は、水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿って移動する水平移動機構８ａと、ステージ２をＸ軸（またはＹ軸）回りに回転させて傾斜させるチルト機構８ｂと、ステージ２をＺ軸回りに回転させるローテーション機構８ｃと、を有している。
よって、変位機構８によりステージ２を５軸に変位させることで、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を所望する位置に向けて照射することができるようになっている。ところで、ステージ２及び変位機構８は、真空チャンバ９内に収納されている。そのため、真空チャンバ９内で集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射や原料ガスＧ１の供給等が行われるようになっている。

【0022】

＜集束イオンビーム鏡筒＞
図２は、集束イオンビーム鏡筒３の構成図である。
集束イオンビーム鏡筒３は、図２に示すように、ガスＧ２からガスイオンＧ３（図７参照）を発生させる電界電離型イオン源（ガスイオン源）２１と、ガスイオンＧ３を集束イオンビーム（ＦＩＢ）にした後に試料Ｓに照射させるビーム光学系３１と、を備えている。
また、集束イオンビーム鏡筒３のうち、電界電離型イオン源２１は、エミッタ構造体２２と、ガス源２３と、冷却部２４と、引出電極２５と、引出電源部２６と、を主に備えている。

【0023】

図３は、エミッタ構造体２２の斜視図である。
図２、図３に示すように、エミッタ構造体２２は、イオン発生室５１内に収容されたエミッタ５２及び加熱部５３と、エミッタ５２を支持する支持部材５４と、を備えている。
イオン発生室５１は、例えばセラミックス材料により形成され、下方に向けて開口した箱型とされている。具体的に、イオン発生室５１は、ベース部材６１と、ベース部材６１の外周縁から下方に向けて延設され、ベース部材６１を取り囲む囲繞部材６２と、を備え、内部が高真空状態に維持されるようになっている。

【0024】

加熱部５３は、制御部７からの指示によって作動する電流源６３からの電流により所定温度までエミッタ５２の先端を局所的に加熱して、エミッタ５２を構成する原子の再配列を行わせる働きをしている。具体的に、加熱部５３は、一対の通電ピン６５と、これら通電ピン６５の先端部間を接続するフィラメント６６と、を備えている。

【0025】

各通電ピン６５は、金属等の導電性を有する材料により形成された中実棒状とされ、ベース部材６１を貫通した状態でベース部材６１にろう付け等によって固定されている。したがって、通電ピン６５は、上端部がイオン発生室５１外に位置し、下端部がイオン発生室５１内に位置している。また、各通電ピン６５からは、上述した電流源６３に向けて配線６７が引き出されている。
フィラメント６６は、高抵抗の材料、例えばタングステン（Ｗ）等により構成され、その両端部が通電ピン６５の下端部に溶接等によってそれぞれ接続されている。図示の例において、フィラメント６６は、中央部に向かうに従い下方に向けて傾斜するＶ字状に保持されている。

【0026】

図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
ここで、図３、図４に示すように、支持部材５４は、フィラメント６６や通電ピン６５よりも大径の円筒状とされ、しかも本実施形態では例えば銅等、上述したフィラメント６６よりも熱伝導率が高い材料により形成されている。支持部材５４は、ベース部材６１のうち、側面視で上述した通電ピン６５間に位置する貫通孔６１ａ内に挿入された状態でベース部材６１にろう付け等によって固定されている。したがって、支持部材５４は、上端部がイオン発生室５１外に位置し、下端部がイオン発生室５１内に位置している。

【0027】

図５は、エミッタ５２の先端を拡大した図である。
図５に示すように、エミッタ５２は、先端（下端）が先鋭化された針状の部材であり、例えば、タングステン（Ｗ）等からなる基材５２ａにイリジウム（Ｉｒ）等の貴金属５２ｂが被膜されることで構成されている。エミッタ５２の先端は、原子レベルで先鋭化されており、詳細には図６に示すように、結晶構造がピラミッド状になるように構成されている。なお、図６は、エミッタ５２の先端を原子レベルに拡大した図である。

【0028】

このように構成されたエミッタ５２は、上部が上述したフィラメント６６の中央部（下端部）に点溶接等によって接続されている。また、エミッタ５２のうち、フィラメント６６との接続部分よりも上方に位置する上端部（挿入部分５２ｃ）は、上述した支持部材５４内に下方から挿入されている。

【0029】

一方、上述した支持部材５４のうち、エミッタ５２の挿入部分５２ｃと径方向で重なる部分（支持部材５４のうち、エミッタ５２の挿入部分５２ｃが挿入されている部分）には、径方向に貫通する貫通孔６８が形成され、この貫通孔６８内に止めねじ６９が螺着されている。止めねじ６９の先端部は、支持部材５４を径方向に貫通し、エミッタ５２（挿入部分５２ｃ）の外周面に当接している。これにより、エミッタ５２は、挿入部分５２ｃが止めねじ６９の先端面と支持部材５４の内周面との間に挟持された状態で、支持部材５４内に保持されている。

【0030】

上述したガス源２３は、エミッタ５２の周囲に微量のガス（例えば、ヘリウム（Ｈｅ）ガス）Ｇ２を供給するものであり、ガス導入管２３ａを介してイオン発生室５１に連通している。

【0031】

引出電極２５は、上述したイオン発生室５１の開口縁から内側に向けて延設され、エミッタ５２の先端（下端）から離間した状態で配設されている。そして、引出電極２５のうち、エミッタ５２の先端（下端）に上下方向で対向する位置には、開口部２５ａが形成されている。
引出電源部２６は、引出電極２５とエミッタ５２との間に引出電圧を印加する電極である。この引出電源部２６は、引出電圧を印加することにより、図７に示すようにエミッタ５２の先端でガスＧ２をイオン化させてガスイオンＧ３にさせた後、このガスイオンＧ３を引出電極２５側に引き出させる役割を果している。

【0032】

冷却部２４は、液体ヘリウム若しくは液体窒素等の冷媒によってエミッタ５２を冷却するものである。ただし、この場合に限定されるものではなく、少なくともエミッタ５２を冷却できればどのように構成されていても良く、例えば冷却ブロックや冷凍機等を使用して冷却する構成としても構わない。また、イオン発生室５１の上部には、エミッタ５２の熱を放熱するためのコールドヘッド７１が配設されている。
コールドヘッド７１は、アルミナやサファイヤ、窒化アルミニウム等のセラミックス材料により形成されたブロック状のものであり、上述したベース部材６１の上面に固定されている。コールドヘッド７１のうち、支持部材５４と対向する部分には、支持部材５４の上端部（ベース部材６１からの突出部分）を収容する収容凹部７２が形成されている。そして、支持部材５４は、外周面が収容凹部７２の内周面に近接または接触した状態で収容凹部７２内に収容されている。
また、コールドヘッド７１のうち、通電ピン６５と対向する部分には、コールドヘッドを上下方向に貫通する貫通孔７３がそれぞれ形成されている。これら貫通孔７３内には、通電ピン６５の上端部が下方から挿入され、貫通孔７３内において上述した配線６７に接続されている。

【0033】

＜ビーム光学系＞
図２に示すように、引出電極２５の下方には、接地電位の陰極３２が設けられている。この陰極３２とエミッタ５２との間には、加速電源部３３から加速電圧が印加されるようになっており、引き出されたガスイオンＧ３にエネルギーを与えて加速させ、イオンビームにしている。陰極３２の下方には、イオンビームを絞り込む第１のアパーチャー３４が設けられている。第１のアパーチャー３４の下方には、イオンビームを集束して集束イオンビーム（ＦＩＢ）にするコンデンサーレンズ３５が設けられている。

【0034】

コンデンサーレンズ３５の下方には、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の光軸を調整するアライナ３６が設けられている。
また、アライナ３６の下方には、集束イオンビーム（ＦＩＢ）をさらに絞り込む第２のアパーチャー３７が、Ｘ軸及びＹ軸方向に移動可能に設けられている。第２のアパーチャー３７の下方には、試料Ｓ上で集束イオンビーム（ＦＩＢ）を走査する偏光器３８が設けられている。偏光器３８の下方には、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の焦点を試料Ｓ上に合わせる対物レンズ３９が設けられている。

【0035】

そして、上述した陰極３２、加速電源部３３、第１のアパーチャー３４、コンデンサーレンズ３５、アライナ３６、第２のアパーチャー３７、偏光器３８及び対物レンズ３９は、引き出されたガスイオンＧ３を集束イオンビーム（ＦＩＢ）にした後に試料Ｓに照射させる上述したビーム光学系３１を構成している。また、図示していないが、従来の集束イオンビーム（ＦＩＢ）で使用されている非点補正器、ビーム位置調整機構もビーム光学系３１に含まれる。

【0036】

検出器４は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）が照射されたときに、試料Ｓから発せられる二次電子、二次イオン、反射イオンや散乱イオン等の二次荷電粒子Ｒを検出して、制御部７に出力している。
ガス銃５は、デポジション膜の原料となる物質（例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボンやタングステン等）を含有した化合物ガスを原料ガスＧ１として供給するようになっている。この原料ガスＧ１は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射によって発生した二次荷電粒子Ｒによって分解され、気体成分と固体成分とに分離するようになっている。そして、分離した２つの成分のうち固体成分が堆積することで、デポジション膜となる。
また、ガス銃５には、エッチングを選択的に加速させる物質（例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、水）を使用することができる。例えば、試料Ｓが、Ｓｉ系の場合にはフッ化キセノンを、有機系の場合には水を使用する。また、イオンビームと同時に照射することで、特定の材質のエッチングを進めることができる。

【0037】

制御部７は、上述した各構成品を総合的に制御していると共に、引出電圧や加速電圧やビーム電流等を適宜変化させることができるようになっている。そのため、集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム径を自在に調整できるようになっている。これにより、観察画像を取得するだけでなく、試料Ｓを局所的にエッチング加工（粗加工や仕上げ加工等）することができるようになっている。

【0038】

また、制御部７は、検出器４で検出された二次荷電粒子Ｒを輝度信号に変換して観察画像データを生成した後、該観察画像データに基づいて表示部６に観察画像を出力させている。これにより、表示部６を介して観察画像を確認できるようになっている。また、制御部７には、オペレータが入力可能な入力部７ａが接続されており、入力部７ａによって入力された信号に基づいて各構成品を制御している。つまり、オペレータは、入力部７ａを介して、所望する領域に集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射して観察したり、所望する領域をエッチング加工したり、所望する領域に原料ガスＧ１を供給しながら集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射してデポジション膜を堆積させたりすることができるようになっている。

【0039】

次に、このように構成された集束イオンビーム装置１を使用する場合について、以下に説明する。
はじめに、試料Ｓや目的に応じて集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する際の初期設定を行う。すなわち、引出電圧、加速電圧やガスＧ２を供給するガス圧、温度等を最適な値にセットする。また、電界電離型イオン源２１の位置や傾き、第２のアパーチャー３７の位置等を調整して、光軸調整を行う。

【0040】

この初期設定が終了した後、ガス源２３からイオン発生室５１内にガスＧ２を供給するとともに、冷却部２４によりエミッタ５２を所定の温度、例えば２０Ｋ〜１００Ｋ程度まで冷却する。
この場合、エミッタ５２の熱は、主に支持部材５４を介してコールドヘッド７１自体、または支持部材５４及びベース部材６１を介してコールドヘッド７１自体に放熱された後、冷却部２４を介して外部に放熱される。このとき、エミッタ５２の熱は、フィラメント６６や通電ピン６５等の加熱部５３を介してコールドヘッド７１にも放熱されるが、支持部材５４経由の放熱量の方が加熱部５３経由の放熱量に比べて大きい。そのため、エミッタ５２が効率的に冷却される。

【0041】

ガスＧ２の供給及びエミッタ５２の冷却が十分に行われた後、引出電源部２６により引出電極２５とエミッタ５２との間に引出電圧を印加する。すると、エミッタ５２の先端の電界が局所的に高まるので、図７に示すようにイオン発生室５１内のガスＧ２がエミッタ５２の先端で電界電離してイオン化し、ガスイオンＧ３となる。そして、このガスイオンＧ３は、正電位に維持されているエミッタ５２から反発して引出電極２５側に引き出される。

【0042】

引き出されたガスイオンＧ３は、図２に示すように、ビーム光学系３１によって集束イオンビーム（ＦＩＢ）となり、試料Ｓに向けて照射される。これにより、試料Ｓの観察やエッチング加工等を行える。また、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する際に、ガス銃５から原料ガスＧ１を供給することで、デポジション膜を生成することも可能である。つまり、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射によって発生した二次電子が、原料ガスＧ１を分解して気体成分と固体成分とに分離させる。すると、分離した２つの成分のうち、固体成分だけが試料Ｓ上に堆積してデポジション膜となる。
このように、観察や加工だけでなくデポジション膜の生成も可能とすることができる。したがって、本実施形態の集束イオンビーム装置１は、これらの特徴を適宜使い分けることで、顕微鏡、測長、断面観察、断面測長、ＴＥＭ試料作製、マスクリペア、描画等を行う装置して幅広く利用することができる。

【0043】

特に、本実施形態の集束イオンビーム（ＦＩＢ）は、電界電離型イオン源２１から発生されたビームであるので、プラズマ型イオン源や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さく高輝度のビームである。したがって、観察を行う場合には高分解能で観察でき、加工を行う場合には微細で非常に高精度な加工を行うことができる。

【0044】

ところで、使用中にエミッタ５２の結晶構造が壊れてしまった場合、エミッタ５２を構成する原子の再配列を行わせる。具体的には、加熱部５３を作動させてエミッタ５２の先端を局所的に加熱（例えば、８００℃〜９００℃で数分間）する。この際、メモリ７ｂに記憶されている加熱シーケンスに基づいて加熱を行う。すると、エミッタ５２を構成する原子が再配列され、エミッタ５２先端の結晶構造を図６に示す元のピラミッド状の構造に戻すことができる。

【0045】

次に、エミッタ５２の交換作業について説明する。
図３、図４に示すように、エミッタ５２を取り外す際は、まず止めねじ６９の螺着を解除して、エミッタ５２を支持部材５４から抜く。次に、フィラメント６６の両端部を通電ピン６５から取り外し、エミッタ５２をフィラメント６６毎取り外す。
一方、新なエミッタ５２を取り付ける際は、まずフィラメント６６の両端部を通電ピン６５の下端部に接続した後、フィラメント６６の中央部にエミッタ５２の上部を点溶接等により接続する。その後、エミッタ５２の上端部（挿入部分５２ｃ）を支持部材５４内に挿入した後、止めねじ６９によってエミッタ５２を支持部材５４内で固定する。
以上により、エミッタ５２の交換作業が終了する。

【0046】

このように、本実施形態では、エミッタ５２がベース部材６１に固定された支持部材５４に接続される構成とした。
この構成によれば、エミッタ５２がフィラメント６６に加えて支持部材５４に接続されているため、従来のようにフィラメント１０３（図８参照）のみによって吊り下げ支持された構成に比べて、ベース部材６１に対してエミッタ５２を安定して保持することができる。この場合、ベース部材６１に対してエミッタ５２を垂直保持させ易くなり、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の光軸を所望の方向に揃え易くすることができる。
また、従来のように集束イオンビーム（ＦＩＢ）の光軸の傾きや位置を調整するジンバル機構等を別途設ける必要がないので、部品点数の削減や装置の簡素化を図った上で、ベース部材６１に対してエミッタ５２を高精度、かつ安定して保持することができる。

【0047】

さらに、本実施形態では、エミッタ５２の冷却時において、エミッタ５２の熱は支持部材５４を介してベース部材６１やコールドヘッド７１等に放熱されることになる。そのため、従来のようにフィラメント１０３（図８参照）のみを介して放熱される場合に比べて、エミッタ５２の冷却効率を向上させることができる。
この場合、支持部材５４がフィラメント６６よりも熱伝導率が高く、かつフィラメント６６よりも太く形成されているので、エミッタ５２の熱が支持部材５４に効率的に放熱されることになる。したがって、エミッタ５２の冷却効率を確実に向上させることができる。

【0048】

さらに、本実施形態では、円筒状の支持部材５４内にエミッタ５２が挿入された状態で固定されているため、エミッタ５２をより安定して保持することができる。

【0049】

そして、本実施形態の電界電離型イオン源２１及び集束イオンビーム装置１によれば、上述したエミッタ構造体２２を備えているため、ガスイオンＧ３を安定的に発生させることができ、ビーム径の小さい高輝度な集束イオンビーム（ＦＩＢ）を所望の方向に照射し続けることができる。

【0050】

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

【0051】

例えば、上述した実施形態では、エミッタ５２の結晶方位を（１１１）面としたが、例えば（１００）面でも構わないし、（１１０）面としても構わない。
また、上述した実施形態では、エミッタ５２の基材５２ａをタングステン（Ｗ）としたが、モリブデン（Ｍｏ）としても構わない。また、基材５２ａの表面を被膜する貴金属５２ｂをイリジウム（Ｉｒ）としたが、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）等を用いても構わない。特に、エミッタ５２は、このような各種の貴金属５２ｂによって表面が被膜されているので、化学的な耐性を有している。なお、化学的な耐性という点においては、イリジウム（Ｉｒ）を用いることが好ましい。

【0052】

また、上述した実施形態では、最先端に１原子（原子Ａ１）が配列されている結晶構造を有するエミッタ５２を例に挙げて説明したが、必ずしも１原子で終端されている場合に限定されるものではなく、再生処理（原子の再配列）により同じ結晶構造が再現されるのであれば、３原子等が最先端に配列されるような結晶構造でも構わない。なお、結晶構造は、結晶の材質や再生処理に異なる。

【0053】

また、上述した実施形態では、イオン発生室５１内に供給するガスＧ２として、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを供給したが、この場合に限定されず、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等を用いても構わない。さらに、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）等の希ガス以外のガスも使用可能である。この際、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の用途に応じて、ガスＧ２の種類を途中で切り替えたり、２種類以上のガスＧ２を混合して供給したりするようにしても構わない。

【0054】

また、上述した実施形態では、エミッタ５２を構成する原子を再配列する際に、エミッタ５２先端を局所的に加熱したが、この際、単に加熱するだけでなく、加熱に加え、強電界中で電子放出することで再配列させても構わない。さらに、加熱に加え、強電界中でヘリウム（Ｈｅ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを導入しながら電子放出することで再配列させても構わない。さらには、加熱に加え、酸素（Ｏ_２）や窒素（Ｎ_２）を導入しながら再配列させても構わない。これらの場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。

【0055】

また、上述した実施形態では、通電ピン６５や支持部材５４をろう付け等によってベース部材６１に固定する構成について説明したが、これに限らず、ねじ止め等、種々の方法によって固定することが可能である。例えば、外周面に雄ねじ部が形成された支持部材５４をベース部材６１の貫通孔６１ａに挿入した後、ベース部材６１に対して上下方向両側から支持部材５４にナット部材を螺着する。これにより、両ナット部材によってベース部材６１が挟持され、ベース部材６１に対して支持部材５４を固定することができる。なお、通電ピン６５についても同様の方法によりベース部材６１に固定することが可能である。
さらに、上述した実施形態では、支持部材５４を銅により形成する場合について説明したが、これに限らず、フィラメント６６よりも熱伝導率が高い材料か、フィラメント６６よりも太い材料であれば適宜設計変更が可能である。

【0056】

さらに、上述した実施形態では、円筒状の支持部材５４内でエミッタ５２を保持する構成について説明したが、これに限らず、支持部材５４とエミッタ５２との接続方法は適宜変更が可能である。

【符号の説明】

【0057】

１…集束イオンビーム装置 ２１…電界電離型イオン源（ガスイオン源） ２２…エミッタ構造体 ２３…ガス源 ２４…冷却部 ２５…引出電極 ２６…引出電源部 ３１…ビーム光学系 ５２…エミッタ ５４…支持部材 ６１…ベース部材 ６５…通電ピン ６６…フィラメント ＦＩＢ…集束イオンビーム Ｇ２…ガス Ｇ３…ガスイオン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】