特許 6328023 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】6328023

(24)【登録日】2018年4月27日

(45)【発行日】2018年5月23日

(54)【発明の名称】イオンビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/26 20060101AFI20180514BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20180514BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20180514BHJP

   H01J 37/18 20060101ALI20180514BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/26

   H01J37/08

   H01J37/28 Z

   H01J37/18

【請求項の数】13

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2014-207229(P2014-207229)

(22)【出願日】2014年10月8日

(65)【公開番号】特開2016-76431(P2016-76431A)

(43)【公開日】2016年5月12日

【審査請求日】2017年3月6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】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(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】川浪 義実

(72)【発明者】

【氏名】武藤 博幸

【審査官】 佐藤 仁美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１９１８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７００３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８７９５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１５３１９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／００−２７／２６、３７／００−３７／１８、３７／２１、

３７／２４−３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器と、前記真空容器内に設置され、エミッタティップを備えたガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射し、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段は、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガスを含む混合ガス容器と、前記真空容器と前記混合ガス容器とを接続する配管を備え、前記混合ガス容器内の水素ガス濃度は爆発下限以下であることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項2】

請求項１記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器内のガス種に少なくも不活性ガスを含むことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項3】

請求項１記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器内のガス種に少なくもヘリウムを含むことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項4】

請求項１記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器内のガス種に少なくもネオンを含むことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項5】

請求項１記載のイオンビーム装置において、前記エミッタティップを含む前記真空容器には非蒸発ゲッタポンプを備えることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項6】

請求項１記載のイオンビーム装置において、
前記エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧を供給する電源の制御装置を備え、前記電源の制御装置は、前記エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧の差分であるイオン引出電圧を記憶することが可能であり、少なくともヘリウムイオン引出電圧と水素イオン引出電圧が記憶されること有することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項7】

請求項１記載のイオンビーム装置において、前記ガス供給手段は、前記混合ガス容器の水素ガス濃度を前記混合ガス容器の濃度とは異なる濃度でエミッタティップ近傍に供給することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項8】

真空容器と、前記真空容器内に設置され、エミッタティップを備えたガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射し、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段は、水素ガス、及び水素ガス濃度が爆発下限以下となるように不活性ガスまたは窒素ガスを含む混合ガス容器と、前記水素ガスを吸着する材料を含む水素ガス吸着材料含有容器と、水素ガスを前記エミッタティップ近傍に供給する水素ガス配管とを有することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項9】

請求項８記載のイオンビーム装置において、前記水素ガス配管とは別に、不活性ガスまたは窒素ガスを前記エミッタティップ近傍に供給する不活性ガス配管または窒素ガス配管を有することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項10】

請求項８記載のイオンビーム装置において、前記水素ガス配管には水素ガスとは異なる不純物ガス濃度を低下させる水素ガス純化器が設置されていることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項11】

請求項８記載のイオンビーム装置において、前記水素ガス配管には水素選択透過膜が設置されていることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項12】

請求項８記載のイオンビーム装置において、前記ガス供給手段は２種のガス系統を有し、それぞれのガス系統はガス供給経路に設置された加熱機構と排気経路とを有し、それぞれの前記排気経路は真空ポンプに接続されており、それぞれの前記排気経路を分離するバルブが設けられてい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記載のイオンビーム装置において、前記エミッタティップを有する前記真空容器には真空排気ポンプが少なくとも２個接続されて、各々の前記真空排気ポンプと前記真空容器との間に真空バルブを有し、さらに前記少なくとも２個の真空排気ポンプ内にはゲッタ材を有しており、一つの真空排気ポンプは水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上大きく、他の一つの真空排気ポンプは水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上小さ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、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電子を検出すれば、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と略記）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電子、二次イオン、反射イオンなどの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と略記）と呼ばれる。

【0003】

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、二次電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。特に、輝度の高いガス電界電離イオン源を用いた場合には、電子ビームに比べて、イオンビームは極微細に集束することが可能となる。すなわち、試料表面の超高分解能が可能になる。

【0004】

ところで、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、イオンのエネルギー幅が狭く、さらにイオン発生源のサイズが小さいため、極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。さらに、ガス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には、エミッタティップを極低温に冷却し、エミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力を、例えば、１０^−２〜数Ｐａ程度にする。

【0005】

また、極微細イオンビームを微細化された半導体試料に照射して、試料上を走査して検出した二次電子を検出すれば、半導体試料の表面構造の寸法を高精度に計測することできる。さらに、極微細イオンビームを薄膜化した試料に照射して、試料を透過したイオンを検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。

【0006】

特許文献１には、真空容器と、真空容器内の排気を行う第１のポンプと、真空容器内に配置されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給手段と、を有する荷電粒子顕微鏡において、イオン化ガス供給手段は、エミッタティップで使用されなかったガスを循環させる第２のポンプを有し、この第２のポンプは、イオン化ガスを吸着するガス吸着材料を有している荷電粒子顕微鏡が開示されている。
また、特許文献２には、ガス電界電離イオン源において水素またはヘリウムを用いること、および水素とヘリウムの混合ガスや、その他のガスとの混合ガスを用いることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２０１１／０９６２２７号

【特許文献2】特開２０１３−２１３７４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ガス電界電離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。

【0009】

また、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、エミッタティップ近傍のイオン材料ガス（以下、イオン化ガスという）の分子密度を大きくすればよい。単位圧力当たりのガス分子密度は、ガスの温度に逆比例する。そのため、エミッタティップを極低温に冷却し、エミッタティップ周辺のガスの温度を低温化すればよい。それによって、エミッタティップ近傍のイオン化ガスの分子密度を大きくすることができる。エミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力を、例えば、１０^−２〜１０Ｐａ程度にすることができる。

【0010】

一般に、イオン化ガスとして、ヘリウムの代わりに水素を用いれば試料に対するダメージが小さくなり、観察や寸法計測に有利となる。また試料によっては低ダメージ加工にも適する、さらに、試料を透過する割合が大きいので試料内部の観察にも適する。また、イオン化ガスとして、ヘリウムの代わりにネオン、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの質量の重い元素のイオンを用いれば、スパッタ作用が大きくなりため、試料を加工するのに好適となる。また、２種類以上の異なるイオン種のビームを照射して、各々のイオンビーム照射によって得られた二次粒子または透過イオン強度を比較あるいは演算すれば試料表面または内部について、より詳細な情報が得られることが期待されている。

【0011】

ところが、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。即ち、ヘリウム単独のイオン種でのイオンビーム装置は実用化されているが、２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られる装置は実用化されていない。従来、２種のガス容器を備えた装置では、さらにはヘリウムやネオン以外のガス種については、実験的にはイオン放出は確認されているが、必ずしも信頼性および安定性などについて実用化レベルにはない。特に、水素ガスについては従来のヘリウムガスを導入するガス電界電離イオン源に水素ガスを導入しただけでは、実用化レベルの動作が保証されていない。また、水素ガスを用いた際の安全対策が考慮されていない。

【0012】

本発明の目的は、水素イオンを試料に照射する場合であっても、安全性・安定性に優れたイオンビーム装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するための一実施形態は、真空容器と、前記真空容器内に設置され、エミッタティップを備えたガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射し、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段は、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガスを含む混合ガス容器と、前記真空容器と前記混合ガス容器とを接続する配管を備え、前記混合ガス容器内の水素ガス濃度は爆発下限以下であることを特徴とするイオンビーム装置とする。

【0014】

また、真空容器と、前記真空容器内に設置され、エミッタティップを備えたガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する集束レンズと、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射し、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段は、水素ガス、及び水素ガス濃度が爆発下限以下となるように不活性ガスまたは窒素ガスを含む混合ガス容器と、前記水素ガスを吸着する材料を含む水素ガス吸着材料含有容器と、水素ガスを前記エミッタティップ近傍に供給する水素ガス配管とを有することを特徴とするイオンビーム装置とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、水素イオンを試料に照射する場合であっても、安全性に優れたイオンビーム装置およびそれに用いるガス純化システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第１の実施例に係るイオンビーム装置の一例を示す概略構成図である。

【図2】本発明の第１の実施例に係るイオンビーム装置における制御系の一例を示す概略構成図である。

【図3】本発明の第１の実施例に係るイオンビーム装置における要部（試料室の構造）の一例を示す断面図である。

【図4】本発明の第１の実施例に係るイオンビーム装置における静電レンズの電極間隔を説明するための断面図であり、（Ａ）は静電レンズの概略構成図、（Ｂ）は他の静電レンズの概略構成図、（Ｃ）は静電レンズの詳細構成図である。

【図5】本発明の第２の実施例に係るイオンビーム装置の一例を示す概略構成図である。

【図6】本発明の第２の実施例に係るイオンビーム装置における要部（ガス電界電離イオン源およびガス供給機構）の一例を示す概略構成図である。

【図7】本発明の第３の実施例に係るイオンビーム装置における要部（ガス電界電離イオン源）の一例を示す概略構成図である。

【図8】本発明の第２の実施例に係るイオンビーム装置における要部（ガス供給機構およびイオン源）の他の例を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

発明者等は、水素ガスを用いる場合の安全性を考慮しつつ、水素イオンビームを安定化させる各種条件について検討した。その結果、水素ガスの濃度が低い（５０％未満）ガスを用いることにより水素イオンビーム電流が安定すること、水素ガス濃度が爆発限界以下であっても水素イオンビーム電流の安定性は変わらず、安全性と安定性とを両立できることを見出した。本発明はこの新規な知見により生まれたものである。

【0018】

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。

【実施例1】

【0019】

本発明の第１の実施例に係るイオンンビーム装置の一例について図１を用いて説明する。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の例を説明する。本例の走査イオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源１０１、イオンビーム照射系カラム１０２、試料室１０３、冷却機構（冷凍機）１０４、及び、ガス供給機構１２６を有する。ここでガス電界電離イオン源１０１、イオンビーム照射系カラム１０２、及び、試料室１０３は真空容器である。

【0020】

ガス電界電離イオン源１０１は、針状のエミッタティップ１２１、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（孔）１２７を有する引き出し電極１２４、細線状のフィラメント１２２、円柱状のフィラメントマウント１２３、及び、円柱状のエミッタベースマウント１６４を有する。

【0021】

また、ガス電界電離イオン源１０１が配置された真空容器１１５を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ１１２が設けられている。真空容器１１５とイオン源真空排気用ポンプ１１２の間には真空遮断可能なバルブ１２９が配置されている。

【0022】

さらにガス電界電離イオン源１０１の真空容器１１５には非蒸発ゲッタ材料１７０を内包する真空室１７１が接続されている。また、非蒸発ゲッタ材料には真空室１７１の外に加熱機構１７２が備えられている。加熱機構１７２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。また、イオン源真空排気用ポンプ１１２と真空容器１１５および、非蒸発ゲッタ材料１７０を内包する真空室１７１と真空容器１１５との間には真空遮断可能なバルブ１７４が配置されている。また、非蒸発ゲッタ材料１７０を内包する真空室１７１には真空遮断可能なバルブ１７７を介して真空ポンプ１７８が接続されている。

【0023】

さらにガス電界電離イオン源１０１は、エミッタティップ１２１の傾斜を変える傾斜機構１６１を含み、これはエミッタベースマウント１６４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（光軸）１６２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。

【0024】

また、イオンビーム照射系は、上記ガス電界電離イオン源１０１から放出されたイオンを集束する集束レンズ１０５、該集束レンズ１０５及び差動排気口１６７を通過したイオンビーム１１４を制限する可動な第１アパーチャ１０６、該第１アパーチャ１０６を通過したイオンビーム１１４を走査あるいはアラインメントする第１偏向器１３５、該第１アパーチャ１０６を通過したイオンビーム１１４を偏向する第２偏向器１０７、該第１アパーチャ１０６を通過したイオンビーム１１４を制限する第２アパーチャ１３６、該第２アパーチャ１３６を通過したイオンビームを試料１０９の上に集束する静電型イオンレンズである対物レンズ１０８から構成される。本対物レンズ１０８は４個の電極から構成される。

【0025】

また、イオンビーム照射系カラム１０２の真空容器を真空排気するイオンビーム照射系カラム真空排気用ポンプ１１７が設けられている。真空容器とイオンビーム照射系カラム真空排気用ポンプ１１７の間には真空遮断可能なバルブ１２８が配置されている。

【0026】

また、試料室１０３内部には、試料１０９を載置する試料ステージ１１０、荷電粒子検出器１１１、および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１１６が設けられている。本実施例のイオン顕微鏡は、更に、試料室１０３を真空排気する試料室真空排気用ポンプ１１３を有する。また、試料室１０３には図示してないが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が設けられている。

【0027】

また、床１２０の上に配置された装置架台１３７の上には、防振機構１１９を介して、ベースプレート１１８が配置されている。ガス電界電離イオン源１０１、イオンビーム照射系カラム１０２、及び、試料室１０３は、ベースプレート１１８によって支持されている。

【0028】

冷却機構１０４は、ガス電界電離イオン源１０１の内部、エミッタティップ１２１を冷却する。なお、冷却機構１０４は例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機あるいは、パルス管冷凍機を用いる場合には、床１２０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１２０を経由して、装置架台１３７に伝達される。装置架台１３７とベースプレート１１８との間には除振機構１１９が配置されており、床の高周波数の振動はガス電界電離イオン源１０１、イオンビーム照射系カラム１０２、試料室１０３などには伝達しにくいという特徴を持つ。従って、圧縮機ユニット（コンプレッサ）の振動が、床１２０を経由して、ガス電界電離イオン源１０１、イオンビーム照射系カラム１０２、及び、試料室１０３に伝達しにくいという特徴を持つ。ここでは、床１２０の振動の原因として、冷凍機（図示せず）及びコンプレッサを説明した。しかしながら、床１２０の振動の原因はこれに限定されるものではない。

【0029】

また、防振機構１１９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よい。

【0030】

また、ガス供給機構１２６は、混合ガス容器１４０、混合ガス容器バルブ１４１、ガス微量調整バルブ１４２、ガス溜め容器１４３、ガス圧力測定器１４４、第一のガス供給配管１４５、水素選択透過膜１４６、水素選択透過膜加熱機構１４７、水素ガス純化器１４８、第二のガス供給配管１４９、第二のガス供給配管バルブ１５０、混合ガス容器カバー１５１、水素ガスセンサー１５２、ガス溜め容器排気ポンプ１５３、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４などから構成されている。

【0031】

ここで、本実施例のガス電界電離イオン源１０１のエミッタティップ１２１先端には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ている。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。

【0032】

エミッタティップとしては、タングステン、モリブデン細線などを用いる。また、エミッタティップの先端にナノピラミッドを形成する方法は公知であり、イリジウム、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等を被覆させた後に、フィラメントに通電してエミッタティップを高温加熱する方法や、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、リモデリング方法等がある。このような方法によれば、タングステン線、モリブデン線先端に原子のナノピラミッドを形成することができる。例えば＜１１１＞のタングステン線の先端をイリジウムで被覆した場合には、先端が１個または３個のタングステン原子あるいはイリジウムなどの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あるいはリモデリングにより同様なナノピラミッドを形成することもできる。

【0033】

エミッタティップ１２１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１２１の先端の１個の原子の近傍で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。

【0034】

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個以上の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長寿命の動作が可能である。

【0035】

図２は、図１に示した本実施例に係るイオン顕微鏡の制御装置の一例を示す。本実施例で示す制御装置は、ガス電界電離イオン源１０１を制御する電界電離イオン源制御装置１９１、冷凍機１０４を制御する冷凍機制御装置１９２、非蒸発ゲッタ材料の加熱機構および冷却機構などの温度制御装置２９１、引き出し電極印加電圧電源２９５、水素濃度制御装置２９６、集束レンズ１０５および対物レンズ１０８を制御するレンズ制御装置１９３、可動な第１アパーチャ１０６を制御する第１アパーチャ制御装置（図示せず）、第１偏向器１３５を制御する第１偏向器制御装置（図示せず）、第２偏向器１０７を制御する第２偏向器制御装置１９５、試料ステージ１１０を制御する試料ステージ制御装置１９７、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１９８、試料ステージ１１０、荷電粒子検出器１１１の電極等に電圧を印加する複数の電源およびその制御装置１９６、および計算処理能力をもつ本体制御装置１９９を有する。本体制御装置１９９は演算処理部１９９ｂ、記憶部１９９ｃ、画像表示部１９９ａ等を備える。画像表示部１９９ａは、荷電粒子検出器１１１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。

【0036】

試料ステージ１１０は、試料１０９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１０９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１０９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１１０は、更に、試料１０９を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム１１４の試料１０９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（本体制御装置）１９９からの指令により、試料ステージ制御装置１９７によって実行される。

【0037】

図３に、図１に示した本実施例に係るイオン顕微鏡の試料室内部の様子を示す。対物レンズ１０８は、４個の電極３０１、３０２、３０３、３０４から構成されている。図４に静電レンズ電極間隔を模式的に示す。試料が載置される試料ステージ１１０に最も近い電極３０１と、試料に２番目に近い電極３０２との第１の間隔ｓ１が、試料ステージ１１０に２番目に近い電極３０２と試料ステージ１１０に３番目に近い電極３０３との第２間隔ｓ２、および 試料ステージ１１０に３番目に近い電極３０３と試料ステージ１１０に４番目に近い電極３０４との第３間隔ｓ３のいずれに比べても 小さく、さらに第２の間隔ｓ２が第３間隔ｓ３に比べて略同じまたは小さくなっている。

【0038】

ここで、図４（Ａ）では各々の電極形状は、同じ穴径で平らなドーナッツ形円板となっており、電極間隔とは平行な円板距離である。しかし、レンズ電極形状は、同じ穴径を持つドーナッツ形円板でなくても、図４（Ｂ）に示したように、各電極の穴径が異なっても良く、電極の穴側が尖った形状を有する構造であっても良い。また、平らなドーナッツ形円板でなくても図４（Ｃ）に示したような形状でも良い。図４（Ｃ）に示したような電極形状では、電極間隔としては、イオンビームが通過する穴の近傍の最も近い距離ｓ２ａと、レンズ電極の周辺での間隔ｓ２ｂがある。静電レンズの収差を少なくして、さらに高電圧印加に対して放電などの事故を生じない安定した構造にするためには、ｓ２ａがｓ２ｂに比べて略同じか小さくすれば良いということが分かった。このため、本実施例では、電極間の距離とは、電極間で最も接近する距離ではなく、イオンビームが通過する穴の近傍の最も近い距離とする。したがって、図４（Ｃ）の電極３０２と電極３０３の間隔で、図示ｓ２ａとｓ２ｂを比べて、ｓ２ｂが短くても、電極３０２と電極３０３の間隔はｓ２ａとする。ただし、繰り返しになるがｓ２ａはｓ２ｂに比べて、同じか短いことが好ましい。同じく図４（Ｃ）電極３０３と電極３０４の間隔としては、ｓ３ａとｓ３ｂなどがあるが、電極２０３と電極２０４の間隔はｓ３ａとする。

【0039】

なお、本実施例では、試料に最も近い電極３０１と、試料に２番目に近い電極３０２との第１の間隔は０．５ｍｍ、試料に２番目に近い電極３０２と、試料に３番目に近い電極３０３との第２間隔は４ｍｍ、および 試料に３番目２０３に近い電極と、試料に４番目に近い電極３０４との第３間隔は４ｍｍとした。ただし、これらの数字に限定されるものではない。

【0040】

また、各々の電極は電気絶縁されており、図３に示すように、各々、４個の高圧電源４０１、４０２、４０３、４０４から電圧を印加できる。ただし、４個の高圧電源のうち、高圧電源４０１と、高圧電源４０４が無い場合も本実施例の効果は得られる。特に、静電レンズの２個の電極に異なる電圧を印加できる電源、あるいは２個の電源のみで構成する場合には、装置コストを低減できるという効果を奏する。

【0041】

なお、荷電粒子検出器１１１は、その先端に電極３０６を備え、蛍光体３０７、および大気側に光電子増倍管３０８を備える。符号４０７は荷電粒子検出器先端の電極印加用電源、符号４０８は蛍光体印加用電源である。電子銃１１６は電子エミッタ３０９および電子照射電極３１０などから構成されている。電子エミッタ３０９および電子照射電極３１０も、各々電気絶縁されていて、２個の高圧電源４０９、４１０（但し、高圧電源４０９は図示せず）から電圧を印加できる。試料ステージ１１０も電気絶縁されていて高圧電源（試料印加用電源）４０５から電圧を印加できる。

【0042】

次に、本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。真空排気後、十分な時間が経過した後、冷凍機１０４を運転する。それによってエミッタティップ１２１が冷却される。まず、エミッタティップ１２１にイオンの加速電圧として、正の高電圧を印加する。次に、エミッタティップ１２１に対して負電位となるように引き出し電極１２４に高電圧を印加する。すると、エミッタティップの先端に強電界が形成される。イオン化ガスの供給機構１２６からイオン化ガスを供給すると、イオン化ガスは強電界によって分極し、エミッタティップ面に引っ張られる。さらにイオン化ガスは最も電界の強いエミッタティップ１２１の先端近傍に到達する。そこでイオン化ガスが電界電離し、イオンビーム１１４が生成される。イオンビーム１１４は、引き出し電極１２４の孔１２７を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。

【0043】

次に、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、本体制御装置１９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１０１によって生成されたイオンビーム１１４は、集束レンズ１０５、ビーム制限アパーチャ（第１アパーチャ）１０６、対物レンズ１０８（電極３０４、３０３、３０２、３０１）を順次通過して、試料ステージ１１０上の試料１０９の上に照射される。まず、イオン光学条件は、イオン光源を試料上に結像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。なお、荷電粒子検出器１１１からの信号は、輝度変調され、本体制御装置１９９に送られる。本体制御装置１９９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、試料表面の観察が実現される。

【0044】

次に、本実施例の特徴であるイオン化ガス供給機構の動作について説明する。容量５リットルの混合ガス容器１４０には、濃度９９％のヘリウムガスと濃度１％の水素ガスの混合ガスが約５ＭＰａの圧力で封入されている。混合ガス容器バルブ１４１を開けてヘリウムと水素の混合ガスをガス溜め容器１４３に導入する。ここで、ガス微量調整バルブ１４２により、ガス溜め容器１４３内のガス圧を０．１ＭＰａ以下の約５００Ｐａに調整する。ガス溜め容器１４３内のガス圧力はガス圧力測定器１４４によりモニタする。なお、混合ガス容器バルブ１４１とガス微量調整バルブ１４２との間の圧力を、混合ガス容器１４０に圧力調整器を取り付けて、例えば０．４ＭＰａに一定にすると、ガス溜め容器１４３内のガス圧調整精度が向上するという効果を奏する。次に、第二のガス供給配管バルブ１５０を閉めた状態で、水素選択透過膜１４６の温度を水素選択透過膜加熱機構１４７によって上昇させると水素ガスのみが、水素選択透過膜１４６を通過する。さらに、水素ガス純化器１４８を通して、ガス電界電離イオン源の真空容器１１５に導入する。そして、エミッタティップ１２１と引き出し電極１２４との間の電圧、すなわち引き出し電圧を３ｋＶに設定する。すると、既に述べたように水素ガスは強電界によって分極し、エミッタティップ面に引っ張られる。さらに水素ガスは最も電界の強いエミッタティップ１２１の先端近傍に到達する。そこで水素ガスが電界電離し、水素イオンビーム１１４が生成される。水素イオンビーム１１４は、引き出し電極１２４の孔１２７を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。すると、既に述べたように、本体制御装置１９９は、水素イオンビームを照射したときの走査イオン顕微鏡像を演算処理部１９９ｂにより生成し、それを画像表示部に表示する。

【0045】

次に、水素選択透過膜１４６の温度を下げて、水素ガス供給を止める。そして、第二のガス供給配管バルブ１５０を開ける。こうすると、ヘリウムと水素の混合ガスがガス電界電離イオン源の真空容器１１５に導入される。そして、引き出し電圧１２４を８ｋＶに設定する。すると、既に述べたようにヘリウムガスと水素ガスは強電界によって分極し、エミッタティップ面に引っ張られる。ここで、水素ガスはエミッタ先端までの途中でイオン化されてエミッタ先端には、ほとんど到達しない。しかし、ヘリウムガスは最も電界の強いエミッタティップ１２１の先端近傍に到達する。そこでヘリウムガスが電界電離し、ヘリウムイオンビームが生成される。同様にヘリウムイオンビームは、引き出し電極１２４の孔１２７を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。

【0046】

すると、既に述べたように、本体制御装置１９９は、ヘリウムイオンビームを照射したときの走査イオン顕微鏡像を演算処理部１９９ｂにより生成し、それを画像表示部に表示する。ここで、得られた走査イオン像のコントラストは、水素イオンビーム照射による走査イオン像と異なることが分かった。これらの２種の走査イオン像を本体制御装置１９９の記憶部１９９ｃに記憶させ、演算処理部１９９ｂによる加減乗除などの演算処理によって、試料の元素情報や状態情報が得られることが分かった。

【0047】

本実施例では、ガス電界電離イオン源１０１が配置された真空容器１１５に導入される水素濃度が、混合ガス容器１４０の濃度とは異なる濃度に制御できることが分かる。まず、ガス微量調整バルブ１４２の調整により、ガス溜め容器１４３内のガス圧を制御できる。そして、濃度１％の水素ガスが、水素選択透過膜の温度を制御することにより、水素選択透過膜を通過する水素ガス量が制御されて、ほぼ１００％の濃度の水素ガスとなり真空容器１１５に供給される。供給する水素ガス量は、ガス溜め容器１４３内のガス圧と水素選択透過膜１４６の温度で制御される。また、第二のガス供給配管バルブ１５０を開けると、濃度１％の水素ガスが真空容器１１５に供給される。したがって、これらの制御をすることにより、水素ガス濃度を１％から１００％まで制御することができるのである。したがって、水素濃度制御装置２９６は、ガス微量調整バルブ１４２、ガス溜め容器１４３内のガス圧力測定器１４４、水素選択透過膜１４６の加熱機構１４７、及び第二のガス供給配管バルブ１５０の開閉度の少なくとも１つを制御する。

【0048】

なお、ここで、引き出し電圧を３ｋＶにすると、ヘリウムガスと水素ガスはエミッタティップ１２１の先端近傍に到達する。ヘリウムはほとんどイオン化されないが、水素はイオン化されて、水素イオンビームが生成される。この場合には、ヘリウムガスの存在によって、水素のイオン電流が若干不安定になるという現象が発生することが分かった。なお、水素イオンの引き出し電圧およびヘリウムイオンの引き出し電圧を本体制御装置１９９の記憶部１９９ｃに記憶させて、必要に応じて引き出し電圧を切り替えれば、水素イオンビームとヘリウムイオンビームを効率良く切り替えることができて、試料の観察および元素分析・状態解析の効率が向上するという効果を奏する。

【0049】

なお、混合ガス容器１４０はカバー１５１に覆われており、万が一に混合ガス容器からガスが漏れると、水素ガスセンサー１５２で警報する。

【0050】

以上のようにして、ヘリウムと水素の混合ガスを用いて、安定した水素イオンビームとヘリウムイオンビームが得られる。なお、本実施例では、濃度約１％の水素ガスを用いたが、本願発明者は、混合ガス容器１４０内の水素ガス濃度が０．１％以上であって、かつ爆発下限以下すなわち約４％以下の濃度とすると、この混合ガスをエミッタティップ１２１に供給して、水素ガスイオンを安定して得られ、かつヘリウムイオンを安定して得られることも見出した。すなわち、水素イオン化電界は他のガス種に比べて低く、他のガスに比べ濃度を小さくすることが、他のガスとの共存する場合には肝要であることを、本願発明者は突き止めた。特に、上記濃度範囲の水素濃度にすると、水素イオンビームの安定度が良好であり、他のガスイオン種との強度の調整も容易なイオンビーム装置が提供される。さらに、爆発下限以下すなわち約４％以下の濃度とすることにより、万が一に混合ガスが大気圧に比べて高い圧力であるときに、容器外に漏れ出しても安全であるという効果を奏する。このため、安全対策の簡略化が可能となる。

【0051】

従来は、水素ガスを供給する時には、１００％水素ガスの１Ｍｐａ以上の高圧ガス容器を用いていたが、特に１気圧以上の水素ガスが入った容器や配管から水素ガスが漏れるとイオンビーム装置設置場所での水素ガス爆発の懸念があった。本発明を適用すればこの問題も回避できるという効果を奏する。

【0052】

さらに、ヘリウムイオンを用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。特に、ヘリウムは、イオン化電界が高く、水素と同居しても、高い引き出し電圧を印加した状態ではヘリウムイオンの放出にはあまり影響を与えない。逆に、水素イオンを放出している場合には、ヘリウムガスが中性の状態で存在するが、これは水素ガスの安定度にはあまり影響しないことを見出したのである。本実施例によると以上のような効果を奏する。このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。

【0053】

特に、水素イオンビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のヘリウムビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0054】

また、本実施例では、ヘリウムと水素ガスとの混合ガスを用いたが、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他の不活性ガス、あるいは窒素ガスおよび酸素ガスでも本発明は適用可能である。

【0055】

各々のガス種に対して、水素ガス濃度制御装置により最適な水素ガス濃度でガス電界電離イオン源の真空容器１１５に水素ガスを供給できる。すなわち、混合ガスを用いた場合の水素イオン強度と他のガスイオン強度の調整が容易になるという効果を奏する。

【0056】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスと不活性ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が０．１％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給して、水素ガスイオンを安定して得られる。特に、上記濃度範囲の水素濃度とすると、水素イオンビームの安定度が良好であり、他のガスイオン種との強度の調整も容易なイオンビーム装置が提供される。水素イオンビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。その効果はガス種の質量数が大きくなるにしがって大きくなる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、不活性ガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、不活性ガスイオン種を用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0057】

また、特にネオンを用いた場合には、水素ガスとネオンガスの混合ガスを真空容器１１５内に導入したときに、水素イオンビームが安定化（ビーム電流値の安定化）することを見出した。これは、ネオンガスがエミッタティップに吸着して、その上層で水素がイオン化されるためと考えられる。また、ネオンイオンビームを用いれば、水素やヘリウムに比べれば高速の加工が可能になるという効果を奏する。なお、２種類の混合ガスのみならず、ヘリウムとネオンと濃度約４％以下の水素ガスの３種の混合ガスであっても良い。また、同様に複数のガス種を含む混合ガスであっても良い。

【0058】

また、既に述べたように、エミッタティップを含む真空容器には非蒸発ゲッタポンプを備えるようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が０．１％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。非蒸発ゲッタポンプは、混合ガス中に含まれる不純物ガスを取り除く効果を発揮する。水素ガスも非蒸発ゲッタポンプによって排気されるが、水素ガス濃度が０．１％以上に大量にあるため、水素ガスの排気能力は飽和する。一方、その他の不純物ガスの排気は可能であるため、不純物ガス濃度をさげることが可能であることを本願発明者は見出したのである。混合ガス中に含まれるガス種が不活性ガスである場合には、非蒸発ゲッタポンプによって、ほとんど排気されないため、この効果が特に顕著になる。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0059】

また、既に述べたように本実施例のイオンビーム装置において、少なくとも、エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧を供給する電源の制御装置を備えて、これらの電源の制御装置あるいは本体制御装置１９９が、エミッタティップに印加する電圧と引き出し電極に印加する電圧の差分であるイオン引出電圧を記憶することが可能であり、少なくともヘリウムイオン引出電圧と、水素イオン引出電圧を記憶する制御装置であること有することを特徴とするイオンビーム装置とすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスとヘリウムガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が０．１％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧の差分であるイオン引出電圧について、ヘリウムイオンを用いる場合には、比較的高い最適な引出電圧を用いる。一方、水素イオンを用いる場合には、比較的低い最適な引出電圧を用いる。このようにすると、各々のイオン強度を最適な状態に調整することが容易になる。このようにすると、水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、ヘリウムイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、ヘリウムイオンを用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。特に、ヘリウムは、イオン化電界が高く、水素と同居しても、高い引き出し電圧を印加した状態ではヘリウムイオンの放出にはあまり影響を与えない。逆に、水素イオンを放出している場合には、ヘリウムガスが中性の状態で存在するが、これは水素ガスの安定度にはあまり影響しないことを見出したのである。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0060】

また、本実施例のイオンビーム装置のように、混合ガス容器の水素ガス濃度を前記混合ガス容器の濃度とは異なる濃度でエミッタティップ近傍に供給すると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が０．１％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給するときに、エミッタティップの温度によっては、混合ガス濃度とは変えてエミッタティップ周辺に供給すると、より安定な水素ビームが得られることが分かった。また、水素ガス種以外のガスによっては、水素ガス濃度を下げた方が、より安定なイオンビームが得られることが分かった。特に、上記濃度範囲の水素濃度とすると、水素ガス除去するのに好適であり、また、水素イオンビームを得るのに十分な量が得られる。このようにして、水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他のガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0061】

次に、図３に示す対物レンズの動作について詳細に説明する。
まず、試料に大きなダメージを与えなることなしに観察するため、イオン加速電圧は２ｋＶとした。また、試料１０９は、接地電位とした。そして、対物レンズ１０８の４個の電極の内、３０１、３０３、３０４は、接地電位とし、試料から２番目に近い３０２電極にイオンビーム１１４を試料上で集束するように正の高電圧１ｋＶを印加した。このときは、対物レンズの４個の電極の内、試料に最も近い電極３０１と、試料に２番目に近い電極３０２、試料に３番目に近い電極３０３によって形成される電界によってイオンビーム１１４の軌道を制御して、試料上で集束させる。なお、試料に３番目に近い電極３０３に補助的に電圧を印加してイオンビーム１１４を試料上に集束しても良い。ここで、試料１０９に最も近い電極３０１と、試料１０９に２番目に近い電極３０２、試料１０９に３番目に近い電極３０３との関係で、試料１０９に２番目に近い電極３０２に対して、試料１０９に最も近い電極３０１と電極３０３とが非対称位置に配置されていることが特徴となる。また、電極形状としては、電極３０１と電極３０２は略平坦となっており、電極３０２がより試料に近づくのに好適となっている。このときに、対物レンズ１０８の主面は、試料に２番目に近い電極３０２付近に形成される。加速電圧が２ｋＶと低く、試料１０９に２番目に近い電極３０２に印加する電圧も低い。このため、電極３０２を、電極３０１に近づけても十分信頼性を保つことができ、さらに対物レンズ１０８の焦点距離を短くすることができるため、レンズの収差を少なくすることが可能となった。すなわち、当該加速電圧２ｋＶにおいても十分小さいビーム径として約１ｎｍが得られる。このことから、低加速電圧イオンビーム照射により、低損傷観察を実現できる。

【0062】

次に、より詳細な観察をするために、イオン加速電圧は５０ｋＶとした。また、試料は、接地電位とした。そして、対物レンズ１０８の４個の電極の内、電極３０１、３０２、３０４は、接地電位とし、試料１０９から３番目に近い電極３０３にイオンビーム１１４を試料上で集束するように正の高電圧４０ｋＶを印加した。このときは、対物レンズ１０８の４個の電極の内、試料１０９に２番目に近い電極３０２、試料１０９に３番目に近い電極３０３と、試料１０９に４番目に近い電極３０４によって形成される電界によってイオンビームの軌道を制御して、試料上で集束させる。このときに、対物レンズ１０８の主面は、試料１０９に３番目に近い電極３０３付近に形成される。すなわち、上記の加速電圧２ｋＶのときの焦点距離に比べて長くなる。なお、試料１０９に２番目に近い電極３０２に補助的に電圧を印加してイオンビーム１１４を試料上に集束しても良い。このときの焦点距離は若干変わるが、上記の本質には変わりない。ここで、試料１０９に２番目に近い電極３０２、試料１０９に３番目に近い電極３０３、試料１０９に４番目に近い電極３０４との関係で、試料１０９に２番目に近い電極３０２に対して、試料１０９に４番目に近い電極３０４とが対称位置に配置されていることが特徴となる。また、電極形状としては、電極３０３は他の電極に比べて厚く、かつ、中心に向かって傾斜構造をもっており、いわゆるバトラー型となっており、特に球面収差が少なくするのに好適となっている。この特徴は、特に大電流のイオンビームを照射するのにビームの制限開き角を大きくした時にレンズ収差を少なくするのに好適となる。また、上記で述べたように電極３０１と電極３０２が平坦な構造を持ち、バトラー型の特徴を持つ電極３０３、電極３０４との組み合わせが本体物レンズ１０８の構造上の特徴となっている。この構造は、本実施例の効果をもたらすのに好適となっている。

【0063】

また、電極３０２、電極３０３、電極３０４は、その間隔を十分にとっているため高電圧４０ｋＶの印加に対しても十分な信頼性を持ち、さらに、試料１０９に３番目に近い電極３０３を、試料１０９に２番目に近い電極３０２に十分近づけることによって、レンズの収差を少なくすることが可能となる。すなわち、当該加速電圧５０ｋＶにおいても極小のビーム径として約０．２ｎｍが得られる。このことから、高加速電圧イオンビーム照射により、超高分解能観察を実現できる。ここで、イオン加速電圧５０ｋＶとしたときの超高分解能を強調したが、イオン種として水素や、ヘリウムを用いた場合には、試料材質によっては、スパッタリング率が低下するという場合もある。また、試料中に入射したイオンの存在分布の広がりが大きく、局所的なダメージが少なくなるということがわかった。すなわち、高加速電圧にすると低損傷観察あるいは、低損傷で超高精度寸法計測が実現できる場合もあることがわかった。

【0064】

なお、上記のイオン加速電圧２ｋＶとイオン加速電圧５０ｋＶの場合の２種の対物レンズの動作と、水素イオンビーム照射と、別種のイオンビーム照射の組み合わせを自在にすると、観察や加工を種々の条件で実現できるという効果を奏する。

【0065】

例えば、相対的に小さい質量数の水素を用いるとイオンビームで試料極表面の観察に好適となり、相対的に大きい質量数のネオン、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こと好適となる。

【0066】

また、特に、２０ｋＶ以上の高加速電圧で、相対的に大きい質量数のネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンを試料に照射した場合には、特にスパッタリング率が向上して高速の加工が実現できる。また、逆に試料材質によっては、２ｋＶ程度の加速電圧を印加して試料に照射すれば、損傷を少なくして加工することができる。

【0067】

以上で述べた、相対的に高い加速電圧を用いる場合の対物レンズに印加する電圧等の条件、および相対的に低い加速電圧を用いる場合の対物レンズに印加する電圧等の条件は、本体制御装置１９９に記憶されており、イオンビーム照射の目的および試料構造・材質などに応じて、適した条件を呼び出して観察・加工・計測する。特に一枚のウエハに対して異なる条件の２つ以上を記憶しておき短時間で切り替えて計測すると、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。

【0068】

また、特に、本実施例では４個の電極により対物静電レンズを構成することにより、各電極の光学軸を精度良く一致させることが可能となった。すなわち、各電極の中心軸の違いを大きくても２０マイクロメートル以内に調整して構成すると収差を少なくすることができた。このことにより、極微細ビームを形成することが可能になった。ただし、電極数を４個以上にしても、同様な電極構成とすれば、本実施例の効果は得られる。電極の数を補助的に加えても本発明の範囲内である。

【0069】

なお、本実施例ではレンズ電極に正の高電圧を印加したが、負の高電圧を印加しても良い。このときには、印加する電圧の絶対値が高くなるが、収差をさらに少なくできるという効果を奏する。

【0070】

以上述べたように、本実施例では、ガスイオンビームにより観察・加工・計測する際に、イオンエネルギーを変えて照射することが可能となる。そして、少なくとも２つの異なる加速電圧に対して、イオンビームを試料上で集束させたときに、４個の電極からなる静電レンズの焦点距離が異なるようにすることで、各々の加速電圧に対して静電レンズの収差を少なくすることが可能となる。すなわち、各加速電圧で、試料上のビーム径を小さくすることができる。このことにより、高加速電圧イオンビーム照射により、超高分解能観察を実現する一方で、低加速電圧イオンビーム照射により、低損傷観察を実現できる。また、試料構造に依存して、加速電圧を変えてイオンビーム照射して、試料構造寸法を計測する場合にも、各々の加速電圧条件で、高精度の寸法計測を実現できる。また、試料材質によって加速電圧を変えてイオンビーム照射して微細加工する場合にも、各々の加速電圧条件で、極微細高速加工を実現できる。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0071】

また、本実施例では、少なくとも２つの異なる加速電圧に対して、イオンビームを試料上で集束させたときに、相対的に低い第一の加速電圧をエミッタティップに印加したときに静電レンズの４個の電極のうちで、試料に相対的に近い電極Ａに、絶対値が最も高い電圧を印加して、相対的に高い第二の加速電圧を印加したときに、前記静電レンズの４個の電極のうちで、試料から相対的に遠い電極Ｂに、絶対値が最も高い電圧を印加すると、各々の加速電圧に対して静電レンズの収差を少なくすることが可能となる。すなわち、各加速電圧で、試料上のビーム径を小さくすることができる。

【0072】

以上述べたように、本実施例では、超高分解能観察、低損傷観察、高精度寸法計測および極微細高速加工を実現できるという効果を奏する。さらには、本実施例では、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供されるという効果を奏する。

【実施例2】

【0073】

次に図５および図６を参照して、本発明の第２の実施例に係るイオンビーム装置の一例について説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

【0074】

図５は、本実施例に係るイオンビーム装置の一例を示す概略構成図である。本実施例の冷却機構１０４は、ヘリウム循環方式を採用している。図６は、図５に示したイオンビーム装置のガス供給機構１２６および水素ガス濃度制御機構について詳細に説明する。本例では、エミッタティップ周辺が円筒の壁１９０や引き出し電極１２４に囲まれてガス分子イオン化室１５９が構成され、供給したガスがエミッタティップ周辺で圧力が高くなり、イオン電流を増加できる構造であり、ガス供給配管はこのイオン化室１５９に接続されている。

【0075】

まず、図５を参照して、本実施例に係るイオンビーム装置の一例を説明する。本図では、図１に示したイオンビーム装置の冷却機構１０４の一例について詳細に説明する。

【0076】

本例の冷却機構１０４は、冷媒となるヘリウムガスをＧＭ型冷凍機５０１および熱交換器５０２、５０９、５１０、５１２を用いて冷却して、これを圧縮機ユニット（コンプレッサ）５００により循環させる。コンプレッサ５００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５０３を通じて熱交換器５０２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５０４内の配管５０３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１０１近くに配置された熱交換器５０５に流入する。ここで、熱交換器５０５に熱的に一体化された熱伝導体（図示せず）を温度約６５Ｋに冷却し、前記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５０５を流出し配管５０７を通じて、ＧＭ型冷凍機５０１の一次冷却ステージ５０８に熱的に一体化された熱交換器５０９に流入し、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器５１０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５０１の二次冷却ステージ５１１に熱的に一体化された熱交換器５１２に流入し、温度約９Ｋに冷却され、トランスファーチューブ５０４内の配管５１３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１０１近くに配置された熱交換器５１４に流入し、熱交換器５１４で熱的に接続された良熱伝導体の冷却伝導棒２５３を温度約１０Ｋに冷却する。熱交換器５１４で加温されたヘリウムガスは配管５１５を通じて熱交換器５１０、５０２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お温度約２７５Ｋになって、配管５１５を通じて圧縮機ユニット５００に回収される。なお、前述した低温部は真空断熱容器５１６内に収納され、トランスファーチューブ５０４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５１６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。

【0077】

また、トランスファーチューブ５０４は床１２０または床１２０に設置された支持体５２７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５０４の内部で固定支持された配管５０３、５０７、５１３、５１５も床１２０で固定支持されている。また、ガス電界電離イオン源１０１近くにおいて、トランスファーチューブ５０４は、ベースプレート１１８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５０４の内部で固定支持された配管５０３、５０７、５１３、５１５もベースプレート１１８で固定支持されている。

【0078】

すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニット（コンプレッサ）２１６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５００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。なお、符号２１１、２１２はヘリウムガス配管である。

【0079】

冷却伝導棒２５３は変形可能な銅網線およびサファイアベースを経てエミッタティップ１２１に接続される。これによりエミッタティップ１２１の冷却が実現する。本実施例では、ＧＭ型冷凍機５０１は床を振動させる原因になるが、ガス電界電離イオン源１０１、イオンビーム照射系カラム１０２、試料室１０３などはＧＭ冷凍機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１０１近傍に設置した熱交換器５０５、５１４に連結された配管５０３、５０７、５１３、５１５は殆ど振動しない床１２０やベースプレート１１８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。

【0080】

本例では、ＧＭ型冷凍機５０１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。

【0081】

本実施例のガス電界電離イオン源およびイオンビーム装置によれば、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という特徴を持つ。

【0082】

更に、本願の発明者等は、コンプレッサ２１６又は５００の音がガス電界電離イオン源１０１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２１６とガス電界電離イオン源１０１を空間的に分離するイオンビーム装置に防音カバー５１７を設けた。これにより、コンプレッサ２１６の音に起因した振動の影響を低減することができる。それによって、高分解能観察が可能となる。特に、音を防ぐには隙間をなくすことが肝要である。イオン光源の試料に対する光学倍率が大きく、エミッタティップの振動が試料上のビーム振動として現れる。このため、振動防止が本イオンビーム装置の性能向上には重要である。

【0083】

図６に、本実施例に係るイオンビーム装置のガス電界電離イオン源１０１およびガス供給機構１２６を示す。冷凍機構１０４については、詳細は省略した。

【0084】

まず、ガス電界電離イオン源１０１およびイオンビーム照射系の動作、走査イオン像取得の動作は、実施例１で記述したイオンビーム装置と同じである。

【0085】

また、ガス供給機構１２６は、混合ガス容器１４０、混合ガス容器バルブ１４１、ガス微量調整バルブ１４２、ガス溜め容器１４３、ガス圧力測定器１４４、第一のガス供給配管１４５、水素選択透過膜１４６、水素選択透過膜加熱機構１４７、水素ガス純化器１４８、第二のガス供給配管１４９、第二のガス供給配管バルブ１５０、混合ガス容器カバー（図示せず）、ガス溜め容器排気ポンプ１５３、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４、非蒸発ゲッタ材料１５６、非蒸発ゲッタ材料の加熱機構１５７などから構成されている。

【0086】

次に、イオン化ガス供給機構の動作について説明する。まず、容量１０リットルの混合ガス容器１４０には、濃度９６％のヘリウムガスと濃度４％の水素ガスの混合ガスが約１０ＭＰａの圧力で封入されている。ここで、水素ガス濃度とは、全ガスに対する水素ガスの体積比率である。

【0087】

まず、非蒸発ゲッタ材料１５６を加熱機構１５７により加熱して、非蒸発ゲッタ材料１５６を活性化する。ここでは、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４を開けて非蒸発ゲッタ材料１５６から放出されたガスを、ガス溜め容器排気ポンプ１５３により排気する。なお、この非蒸発ゲッタ材料１５６は水素ガスを効率良く吸蔵することができる。非蒸発ゲッタ材料１５６の温度が十分さがったら、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４を閉める。

【0088】

次に、混合ガス容器バルブ１４１を開けてヘリウムと水素の混合ガスをガス溜め容器１４３に導入する。ここで、ガス微量調整バルブ１４２により、ガス溜め容器１４３内のガス圧を０．１ＭＰａ以下の約２００Ｐａに調整する。ガス溜め容器１４３内のガス圧力はガス圧力測定器１４４によりモニタする。なお、混合ガス容器バルブ１４１とガス微量調整バルブ１４２との間の圧力を、混合ガス容器１４０に圧力調整器を取り付けて、例えば０．４ＭＰａに一定にすると、ガス溜め容器１４３内のガス圧調整精度が向上するという効果を奏する。

【0089】

ここで、導入されたヘリウムと水素の混合ガスの内、水素ガスは非蒸発ゲッタ材料１５６に吸蔵される。一方、ヘリウムガスは、ほとんど吸着されない。また、不純物ガスの窒素ガスや酸素ガスなども非蒸発ゲッタ材料１５６に吸着される。ここで、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４を開けてヘリウムガスを、ガス溜め容器排気ポンプ１５３により排気する。その後に、非蒸発ゲッタ材料１５６を加熱機構１５７により加熱して、吸蔵された水素ガスを放出させる。この時に非蒸発ゲッタ材料１５６の温度を、窒素ガスや酸素ガスなどの不純物ガスがあまり放出しないように制御する。すると、混合ガス中の不純物ガス濃度が低下する。なお、非蒸発ゲッタ材料１５６の加熱機構１５７は、図２に示された非蒸発ゲッタ材料温度制御装置２９１により制御される。非蒸発ゲッタ材料温度制御装置は水素濃度制御装置２９６に組み込むこともできる。

【0090】

次に、第二のガス供給配管バルブ１５０を閉めた状態で、水素選択透過膜１４６の温度を水素選択透過膜加熱機構１４７によって上昇させると水素ガスのみが、水素選択透過膜１４６を通過する。さらに、水素ガス純化器１４８を通して、ガス電界電離イオン源１０１が設置された真空容器１１５に導入する。そして、エミッタティップ１２１と引き出し電極１２４との間の電圧、すなわち引き出し電圧を３ｋＶに設定する。すると、既に述べたように水素ガスは強電界によって分極し、エミッタティップ面に引っ張られる。さらに水素ガスは最も電界の強いエミッタティップ１２１の先端近傍に到達する。そこで水素ガスが電界電離し、水素イオンビームが生成される。水素イオンビームは、引き出し電極１２４の孔を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。すると、既に述べたように、本体制御装置１９９は、水素イオンビームを照射したときの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。

【0091】

本実施例では、水素ガス中の不純物はほとんど除去されており、水素イオンビームの安定度は飛躍的に向上するという効果を奏する。

【0092】

同様に、まず、非蒸発ゲッタ材料１５６を加熱機構１５７により加熱して、非蒸発ゲッタ材料１５６を活性化する。ここでは、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４を開けて非蒸発ゲッタ材料１５６から放出されたガスを、ガス溜め容器排気ポンプ１５３により排気する。非蒸発ゲッタ材料１５６の温度が十分さがったら、ガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４を閉める。

【0093】

次に、混合ガス容器バルブ１４１を開けてヘリウムと水素の混合ガスをガス溜め容器１４３に導入する。ここで、ガス微量調整バルブ１４２により、ガス溜め容器１４３内のガス圧を０．１ＭＰａ以下の約２００Ｐａに調整する。ガス溜め容器１４３内のガス圧力はガス圧力測定器１４４によりモニタする。ここで、導入されたヘリウムと水素の混合ガスの内、水素ガスは非蒸発ゲッタ材料１５６に吸蔵される。一方、ヘリウムガスは、ほとんど吸着されない。また、不純物ガスの窒素ガスや酸素ガスなども非蒸発ゲッタ材料１５６に吸着される。ここで、第二のガス供給配管バルブ１５０を開けて純化されたヘリウムガスが、ガス電界電離イオン源１０１が設置された真空容器１１５に導入される。そして、引き出し電圧を８ｋＶに設定する。すると、既に述べたようにヘリウムガスは最も電界の強いエミッタティップ１２１の先端近傍に到達する。そこでヘリウムガスが電界電離し、ヘリウムイオンビームが生成される。

【0094】

すると、既に述べたように、本体制御装置１９９は、ヘリウムイオンビームを照射したときの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。ここで、得られた走査イオン像のコントラストは、水素イオンビーム照射による走査イオン像と異なる。これらの２種の走査イオン像を本体制御装置１９９の記憶部に記憶させて、加減乗除などの演算処理によって、試料の元素情報や状態情報が得られる。

【0095】

本実施例では、ガス電界電離イオン源１０１が設置された真空容器１１５に導入される水素ガスの濃度およびヘリウムガスの濃度が、混合ガス容器１４０の濃度とは異なる濃度に制御できることが分かる。まず、ガス微量調整バルブ１４２の調整により、ガス溜め容器１４３内のガス圧を制御できる。そして、濃度４％の水素ガスが、水素選択透過膜１４６の温度を制御することにより、水素選択透過膜１４６を通過する水素ガス量が制御されて、ほぼ１００％の濃度で不純物ガスが極めて少ない水素ガスとなり真空容器１１５に供給される。ここで供給される水素ガス量は、ガス溜め容器１４３内のガス圧と水素選択透過膜１４６の温度で制御される。また、第二のガス供給配管バルブ１５０を開けると、ほぼ１００％の濃度のヘリウムガス、すなわち濃度がほぼ０％の水素ガスが真空容器１１５に供給される。したがって、これらの制御をすることにより、水素ガス濃度を０％から１００％まで制御することができる。したがって、水素濃度制御装置２９６は、ガス微量調整バルブ１４２、ガス溜め容器１４３内のガス圧力測定器１４４、水素選択透過膜の加熱機構１４７、第二のガス供給配管バルブ１５０の開閉度、非蒸発ゲッタ材料１５６の加熱機構１５７、及びガス溜め容器排気ポンプバルブ１５４の少なくとも１つを制御する。

【0096】

また、本実施例では、ヘリウムと水素ガスとの混合ガスを用いたが、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他の不活性ガスでも本発明は適用可能である。

【0097】

各々のガス種に対して、水素ガス濃度制御装置２９６により最適な水素ガス濃度でガス電界電離イオン源１０１が設置された真空容器１１５に水素ガスを供給できる。すなわち、混合ガスを用いた場合の水素イオン強度と他のガスイオン強度の調整が容易になるという効果を奏する。

【0098】

本実施例では、濃度４％の水素ガスを含んだ混合ガスを用いている。このため、万が一、この混合ガスが混合ガス容器１４０から外部に漏れても、水素ガスの空気に対する爆発下限に比べて低いため爆発事故を発生しない。通常は、イオンビームを形成するためのガス量はわずかなため、このような配慮はなされていなかった。しかしながら、ガス電界電離イオン源１０１を用いて、その能力を最大限に生かす場合には、既に述べたように機械振動を極めて小さく必要がある。これはイオン光源の試料に対する光学倍率が大きく、エミッタティップの振動が試料上のビーム振動として現れるからである。本実施例でも、イオンビーム装置に防音カバー５１７を設けた。従来のイオンビーム装置の防音カバーに比べて、さらに隙間をなくした構造になっている。このような装置の構造で、わずかでも水素ガスが漏れると、水素ガスが防音カバー内に滞留して水素爆発の懸念が大きくなった。すなわち、従来の考え方では決して生まれない発想であった。

【0099】

以上の実施例では、真空容器と、真空容器内にエミッタティップと、該エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段を備えるガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する静電レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射して、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段には、少なくとも水素ガスと、不活性ガスまたは窒素ガスを含む混合ガス容器と、前記水素を吸着する材料を含む容器と、水素をエミッタティップ近傍に供給する配管を有することを特徴とするイオンビーム装置である。

【0100】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。この混合ガスをエミッタティップに供給するときに、まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素ガスを吸着させる。吸着されなかった水素ガス以外のガスは真空排気ポンプで排気する。その後に、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られる。この結果、水素イオンビーム電流が特に安定するということを見出した。

【0101】

ここで、水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。その効果はガス種の質量数が大きくなるにしがって大きくなる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、不活性ガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、不活性ガスイオン種を用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。本発明の上記構成によると以上のような効果を奏する。

【0102】

また、特にネオンを用いた場合には、水素ガスとネオンガスの混合ガスを真空容器１１５内に導入したときに、水素イオンビームが安定化することを見出した。これは、ネオンガスがエミッタティップに吸着して、その上層で水素がイオン化されるためと考えられる。

【0103】

また、以上の実施例では、水素をエミッタティップ近傍に供給する配管とは別に、不活性ガスまたは窒素ガスをエミッタティップ近傍に供給する配管を有することを特徴とするイオンビーム装置である。

【0104】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。この混合ガスをエミッタティップに供給するときに、まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素濃度を下げる。このときに水素濃度があまりに大きいと、水素ガス吸着材料への負担が大きい。水素濃度を下げられた混合ガス中に含まれる不活性ガスまたは窒素ガスはエミッタティップに供給される。これにより安定した不活性ガスまたは窒素ガスイオンビームが得られる。また一方で、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られる。この結果、水素イオンビーム電流が特に安定する。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種や窒素ガスのイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明の上記構成によると以上のような効果を奏する。

【0105】

また、以上の実施例では、水素をエミッタティップ近傍に供給する配管には水素ガスとは異なる不純物ガス濃度を低下させる純化器を備えることを特徴とするイオンビーム装置である。

【0106】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素ガスを吸着させる。吸着されなかった水素ガス以外のガスは真空排気ポンプで排気する。その後に、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られるのである。さらに、水素ガスとは異なる不純物ガス濃度を低下させる純化器を通す。これにより、さらに安定した水素イオンビームが得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。本発明の上記構成によると以上のような効果を奏する。

【0107】

また、以上の実施例では、前記水素を吸着する材料を含む容器と、該吸着された水素をエミッタティップ近傍に供給する配管との間に水素選択透過膜を有す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、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素ガスを吸着させる。吸着されなかった水素ガス以外のガスは真空排気ポンプで排気する。その後に、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られるのである。さらに、水素選択透過膜を通すことにより不純物ガス濃度を低下させる。これにより、さらに安定した水素イオンビームが得られる、このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。本発明の上記構成によると以上のような効果を奏する。

【0108】

さらに、本実施例のイオンビーム装置の他の例において、２種のガスの供給管があって、該ガス供給経路に加熱機構と排気経路を設け、少なくとも２つの排気経路が真空ポンプと接続されており、少なくとも２つの排気経路を分離するバルブを設けることを特徴とするイオンビーム装置とする。
本実施例について図８を用いて説明する。図８にガスの供給機構およびイオン源の詳細を示す。ガスの供給機構は、ボンベバルブ５５１を備えたガスボンベ５５３、減圧弁５５５、ストップバルブ５５７、および微量なガス流量を調整可能である微量流量調整バルブ５５９からなる第1系統と、ボンベバルブ５５２を備えたガスボンベ５５４、減圧弁５５６、ストップバルブ５５８、および微量なガス流量を調整可能である微量流量調整バルブ５６０からなる第２系統との２系統を有する。なお、微量流量調整バルブ５５９、５６０は例えばニードルバルブである。一方の系統の第一のガスボンベ５５３には希釈された水素が高圧力で充填されている。また、他方の第二のガスボンベ５５４にはアルゴン、キセノン、クリプトン、ネオン、酸素、窒素のいずれかが高圧力で充填されている。ガス電界電離イオン源１０１に先端にタングステンエミッタ１２１を持つ。本実施例では、第一のガスボンベ５５３には希釈水素、第二のガスボンベ５５４にはキセノンが充填される例について述べる。なお、図８では水素ガスを吸着する非蒸着ゲッタ材料については図示されていないが、所望の箇所に設置することができる。

【0109】

次に、イオン源の動作について述べる。水素ボンベ５５３のボンベバルブ５５１を開け、次に減圧弁５５５によりガス配管内の圧力を調整する。次にイオン源へガス供給に開閉を行うためのストップバルブ５５７を開ける。最後に微量流量調整バルブ５５９によりイオン源内へのガス流量を調整する。イオン源のガス圧が０．２Ｐａ程度になるように調整する。ここで、タングステンエミッタ１２１に２０ｋＶ高電圧を印加して、先端より水素イオンを引き出す。ここで、水素イオンビームの量が最高になるようにガス流量を微量流量調整バルブ５５９で調整し、さらに印加高電圧についても調整する。そして微量流量調整ノブ５６１は固定し、放電電圧は制御装置５９１に記憶する。次に、ストップバルブ５５７を閉止し、電圧を印加解除して水素ビームを止める。そしてバイパスバルブ５８１を開けてイオン源中の水素を真空ポンプ５８２により排気する。なお、イオン源カラムは真空ポンプ５８３によっても排気されている。次に、キセノンガスについても同様に、キセノンボンベバルブ５５２を開け、減圧弁５５６によりガス配管内の圧力を調整し、ストップバルブ５５８を開ける。最後に微量流量調整バルブ５６０によりイオン源内へのガス流量を調整して、イオンエミッションが生じるようにする。キセノンについても水素と同様にキセノンイオンビームの量が適正になるようにガス流量を微量流量調整バルブ５６０で調整し、微量流量調整ノブ５６２を固定する。次に水素ビームに切り替えるためには同様にストップバルブ５５８を閉止し、放電電圧を印加解除してキセノンの放電を止め、バイパスバルブ５８１を開けてイオン源中のキセノンを排気する。

【0110】

このようにすると、ガス電界電離イオン源１０１を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。さらに、ガス排気供給管６０１、６０２をヒータ６０３、６０４で加熱して、ガスを供給する時には温度を下げることによって配管からの放出不純物ガスを低減する。２種のガス供給管を各々処理する必要があるが、この際に一方の配管６０１の不純物ガスが、他方の配管６０２を汚染しないようにすることが肝要であることを本願発明者は突き止めた。すなわち、水素供給配管を清浄化するためにヒータ６０３により配管６０１を加熱している際には、分離バルブ６０６を閉じて、キセノンガスを汚染しないようにする。このときの不純物ガスは真空配管６０７を介して真空ポンプ６０８により排気する。また、キセノンガス供給配管を清浄化するためにヒータ６０４により配管６０２を加熱している際には、分離バルブ６０５を閉じて、水素ガス供給配管６０１を汚染しないようにする。このときの不純物ガスは真空配管６０７を介して真空ポンプ６０８により排気する。以上の処置により供給するイオン化ガスの不純物ガス濃度を下げることができる。これにより、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種や窒素ガスのイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明の上記構成によると以上のような効果を奏する。

【0111】

さらに、本実施例のイオンビーム装置において、第一のガス供給経路に、第一のガスである水素ガスの純化器を有して、第二のガス供給経路には、非蒸発ゲッタ材を有する容器を有し、該非蒸発ゲッタ材の不活性ガスの吸着速度が、水素の吸着速度に比べて少なくとも１桁以上低いことを特徴とするイオンビーム装置とする。

【0112】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。さらに、ガス供給管の不純物ガス濃度を下げることができる。さらに、第一のガス供給経路に、第一のガスである水素ガスの純化器を配置することにより、水素ガスの純度を上げることができる。また、第二のガス供給経路には、非蒸発ゲッタ材を有する容器を有し、該非蒸発ゲッタ材の不活性ガスの吸着速度が、水素の吸着速度に比べて少なくとも１桁以上低くすると、特に不活性ガスの純度を上げることができる。これにより、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明の上記構成によると以上のような効果を奏する。

【実施例3】

【0113】

次に、本発明の第３の実施例について説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。本実施例においては、ガス電界電離イオン源について、エミッタティップを有する真空容器１１５には真空排気ポンプが少なくとも２個接続されて、各々の真空排気ポンプと真空容器との間に真空バルブを有して、さらに真空排気ポンプ内にはゲッタ材を有している実施例について、図７を用いて説明する。なお、冷却機構およびイオンビーム照射系については図示していない。

【0114】

まず、イオン化ガス供給機構１２６の混合ガス容器には、濃度０．１％の水素ガスと９９．９％の濃度のネオンガスが充填されている。そして、ガス電界電離イオン源１０１が配置された真空容器１１５に水素ガスとネオンガスを供給する。水素ガスの濃度は、０％から１００％まで制御可能である。なお、実施例２と同様に、円筒の壁１９０や引き出し電極１２４に囲まれたガス分子イオン化室１５９にガスを供給する構成とすることもできる。

【0115】

本実施例では、図７の左側に、第一の真空排気ポンプとして、水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上大きいゲッタ材（第一のゲッタ材料）１７０を内包する真空室１７１と、真空容器１１５との間に真空遮断可能なバルブ１７４を配置する。ここで、第一のゲッタ材料１７０を加熱機構１７２によって加熱し、第一のゲッタ材料１７０を活性化する。この時に発生した不純物ガスは真空遮断可能なバルブ１７７を開けて、真空ポンプ１７８で排気する。そして、ネオンイオンビームを照射している場合には、バルブ１７４を開けて、ネオンガス以外の不純物ガスを除去する。これによりネオンイオンビームが安定化するという効果を奏する。

【0116】

図７の右側に、第二の真空排気ポンプとして、水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上小さいゲッタ材（非蒸発ゲッタ材料、第二のゲッタ材料）１８０が含まれている。また、真空室１８１と、真空容器１１５との間に真空遮断可能なバルブ１８４を配置する。ここで、第二のゲッタ材料１８０を加熱機構１８３によって加熱し、第二のゲッタ材料１８０を活性化する。この時に発生した不純物ガスはバルブ１８７を開けて、真空ポンプ１８８で排気する。そして、水素イオンビームを照射している場合には、バルブ１８４を開けて、水素ガス以外の不純物ガスを除去する。これにより水素イオンビームが安定化するという効果を奏する。

【0117】

なお、本実施例では、ネオンと水素ガスとの混合ガスを用いたが、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他の不活性ガスでも本発明は適用可能である。

【0118】

すなわち、本実施例は、真空容器と、真空容器内にエミッタティップと、該エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段を備えるガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する静電レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射して、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記エミッタティップを有する真空容器１１５には真空排気ポンプが少なくとも２個接続されて、各々の真空排気ポンプと真空容器との間に真空バルブを有して、さらに真空排気ポンプ内にはゲッタ材を有しており、第一の真空排気ポンプには水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上大きいゲッタ材が含まれており、第二の真空排気ポンプには水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上小さいゲッタ材が含まれていることを特徴とするイオンビーム装置である。

【0119】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。さらに、ガス供給管の不純物ガス濃度を下げることができる。エミッタティップを有する真空容器には真空排気ポンプを、水素イオンを放出している時には、その他のガス種を排気することができ、不活性ガスイオンを放出しているときは、水素ガスを含んだ、他のガス種を排気することができる。これにより、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種や窒素ガスのイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0120】

なお、本実施例では濃度０．１％の水素ガスを用いたが、これよりも濃度の低い水素ガスの場合に、イオンビーム形成に対して水素ガス量が少なく混合ガスが早く枯渇して装置利用効率が下がる。また、水素ガス量に対する不純物ガス量が相対的に大きくなり水素イオンビーム電流が不安定になるという問題が発生することが分かった。これは、ネオンガスに当てはまるばかりでなく、他の不活性ガスや窒素ガスなどにも、同じであることが分かった。

【0121】

また、本実施例に示したイオンビーム装置で、エミッタティップに少なくとも２つの異なる電圧を印加可能な加速電源、および引き出し電極に電圧を印加する電源、静電レンズに電圧を印加する電源、試料に電圧を印加する電源を備えており、異なる加速電圧に対して、前記引き出し電極電圧、前記静電レンズ電極電圧、試料電圧の少なくとも２種類の値を記憶する制御装置を備えて、試料に応じて制御装置に記憶された条件を呼び出して、試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム装置とすると、ガスイオンビームにより試料表面の構造寸法を計測する際に、水素ガスを含む２種類以上のガスから計測に適したガスを選択することができ、さらに加速電圧を変えて照射することが可能となる。試料構造や試料材質によって、試料損傷が相対的に少ない条件で、あるいは寸法計測精度が相対的に高い条件で試料表面の構造寸法を計測できるという効果を奏する。

【0122】

また、本実施例のイオンビーム装置で試料表面の構造寸法を計測した結果を用いて、デバイス製造プロセスを管理するシステムを構築すれば、デバイス製造の歩留まりが向上する、あるいは、より微細デバイスを製造可能となるという効果を奏する。

【0123】

また、水素ガスの爆発限界の範囲は、空気との混合では下限４．１％から上限７４．２％である。本願明細書で爆発限界下限は、この空気との混合下限４．１％を意味するが、酸素との混合比下限４．６５％を排除するものではない。

【0124】

なお、本願明細書では、ガス名などの元素種から同位体を区別していない。例えば水素ガスには重水素ガスも含む。

【0125】

以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）真空容器と、真空容器内にエミッタティップと、該エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段を備えるガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する静電レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射して、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段は、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガスを含む混合ガス容器を備えて、該容器内の水素ガス濃度が爆発下限以下の濃度であって、前記エミッタティップを含む前記真空容器と該混合ガス容器とを接続する配管を備えることを特徴とするイオンビーム装置である。

【0126】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給して、水素ガスイオンを安定して得られる。水素イオン化電界は他のガス種に比べて低く、他のガスに比べ濃度を小さくすることが、他のガスとの共存する場合には肝要であることを、本願発明者は突き止めたのである。特に、上記濃度範囲に水素濃度をすると、水素イオンビームの安定度が良好であり、他のガスイオン種との強度の調整も容易なイオンビーム装置が提供される。水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他のガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（２）前記（１）記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器内のガス種に少なくも不活性ガスを含むことを特徴とするイオンビーム装置である。

【0127】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスと不活性ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給して、水素ガスイオンを安定して得られる。特に、上記濃度範囲に水素濃度をすると、水素イオンビームの安定度が良好であり、他のガスイオン種との強度の調整も容易なイオンビーム装置が提供される。水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、不活性ガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。その効果はガス種の質量数が大きくなるにしがって大きくなる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、不活性ガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、不活性ガスイオン種を用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。本発明によると以上のような効果を奏する。
（３）前記（１）記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器内のガス種に少なくもヘリウムを含むことを特徴とするイオンビーム装置である。

【0128】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスとヘリウムガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給して、水素ガスイオンを安定して得られる。特に、上記濃度範囲に水素濃度をすると、水素イオンビームの安定度が良好であり、ヘリウムイオンとの強度の調整も容易なイオンビーム装置が提供される。水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、ヘリウムイオンビームを用いれば、水素に比べれば高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、ヘリウムイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、ヘリウムイオンを用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。特に、ヘリウムは、イオン化電界が高く、水素と同居しても、高い引き出し電圧を印加した状態ではヘリウムイオンの放出にはあまり影響を与えない。逆に、水素イオンを放出している場合には、ヘリウムガスが中性の状態で存在するが、これは水素ガスの安定度にはあまり影響しないことを見出したのである。本発明によると以上のような効果を奏する。
（４）前記（１）記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器内のガス種に少なくともネオンガスを含むことを特徴とするイオンビーム装置である。

【0129】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスとネオンガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給して、水素ガスイオンを安定して得られる。特に、上記濃度範囲に水素濃度をすると、水素イオンビームの安定度が良好であり、ネオンイオンとの強度の調整も容易なイオンビーム装置が提供される。水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、ネオンイオンビームを用いれば、水素やヘリウムに比べれば高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、ネオンイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、ネオンイオンを用いた場合には、より安定な微細加工が実現するという効果がある。特に、ネオンガスはエミッタティップ表面に吸着して、水素ガスイオン放出を安定化させるという効果があるということを本願発明者は見出したのである。本発明によると以上のような効果を奏する。
（５）前記（１）記載のイオンビーム装置において、前記エミッタティップを含む前記真空容器には非蒸発ゲッタポンプを備えることを特徴とするイオンビーム装置である。

【0130】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。非蒸発ゲッタポンプは、混合ガス中に含まれる不純物ガスを取り除く効果を発揮する。水素ガスも非蒸発ゲッタポンプによって排気されるが、水素ガス濃度が0.1％以上に大量にあるため、水素ガスの排気能力は飽和する。一方、その他の不純物ガスの排気は可能であるため、不純物ガス濃度をさげることが可能であることを本願発明者は見出したのである。混合ガス中に含まれるガス種が不活性ガスである場合には、非蒸発ゲッタポンプによって、ほとんど排気されないため、この効果が特に顕著になる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（６）前記（１）記載のイオンビーム装置において、少なくとも、前記エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧を供給する電源の制御装置を備えて、前記の電源の制御装置が、前記エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧の差分であるイオン引出電圧を記憶することが可能であり、少なくともヘリウムイオン引出電圧と、水素イオン引出電圧を記憶する制御装置であること有することを特徴とするイオンビーム装置である。

【0131】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスとヘリウムガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。エミッタティップに印加する電圧と前記引き出し電極に印加する電圧の差分であるイオン引出電圧について、ヘリウムイオンを用いる場合には、比較的高い最適な引出電圧を用いる。一方、水素イオンを用いる場合には、比較的低い最適な引出電圧を用いる。このようにすると、各々のイオン強度を最適な状態に調整することが容易になる。このようにすると、水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、ヘリウムイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。さらに、ヘリウムイオンを用いた場合には、より安定な動作が実現するという効果がある。特に、ヘリウムは、イオン化電界が高く、水素と同居しても、高い引き出し電圧を印加した状態ではヘリウムイオンの放出にはあまり影響を与えない。逆に、水素イオンを放出している場合には、ヘリウムガスが中性の状態で存在するが、これは水素ガスの安定度にはあまり影響しないことを見出したのである。本発明によると以上のような効果を奏する。
（７）前記（１）記載のイオンビーム装置において、前記混合ガス容器の水素ガス濃度を前記混合ガス容器の濃度とは異なる濃度でエミッタティップ近傍に供給することを特徴とするイオンビーム装置である。

【0132】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。容器内の水素ガス濃度が0.1％以上であって、かつ爆発下限以下の濃度とする。この混合ガスをエミッタティップに供給するときに、エミッタティップの温度によっては、混合ガス濃度とは変えてエミッタティップ周辺に供給すると、より安定な水素ビームが得られることが分かった。また、水素ガス種以外のガスによっては、水素ガス濃度を下げた方が、より安定なイオンビームが得られることが分かった。特に、上記濃度範囲に水素濃度をすると、水素ガス除去するのに好適であり、また、水素イオンビームを得るのに十分な量が得られる。このようにして、水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他のガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（８）また、本発明の一実施例は、真空容器と、真空容器内にエミッタティップと、該エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段を備えるガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する静電レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射して、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記ガス供給手段には、少なくとも水素ガスと、不活性ガスまたは窒素ガスを含む混合ガス容器と、前記水素を吸着する材料を含む容器と、水素をエミッタティップ近傍に供給する配管を有することを特徴とするイオンビーム装置である。

【0133】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。この混合ガスをエミッタティップに供給するときに、まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素ガスを吸着させる。吸着されなかった水素ガス以外のガスは真空排気ポンプで排気する。その後に、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られるのである。この結果、水素イオンビーム電流が特に安定するということを見出したのである。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（９）前記（８）記載のイオンビーム装置において、水素をエミッタティップ近傍に供給する配管とは別に、不活性ガスまたは窒素ガスをエミッタティップ近傍に供給する配管を有することを特徴とするイオンビーム装置である。

【0134】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。この混合ガスをエミッタティップに供給するときに、まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素濃度を下げる。このときに水素濃度があまりに大きいと、水素ガス吸着材料への負担が大きい。水素濃度を下げられた混合ガス中に含まれる不活性ガスまたは窒素ガスはエミッタティップに供給される。これにより安定した不活性ガスまたは窒素ガスイオンビームが得られる。また一方で、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られるのである。この結果、水素イオンビーム電流が特に安定する。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種や窒素ガスのイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（１０）前記（８）記載のイオンビーム装置において、水素をエミッタティップ近傍に供給する配管には水素ガスとは異なる不純物ガス濃度を低下させる純化器を備えることを特徴とするイオンビーム装置である。

【0135】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素ガスを吸着させる。吸着されなかった水素ガス以外のガスは真空排気ポンプで排気する。その後に、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られるのである。さらに、水素ガスとは異なる不純物ガス濃度を低下させる純化器を通す。これにより、さらに安定した水素イオンビームが得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（１１）前記（８）記載のイオンビーム装置において、前記水素を吸着する材料を含む容器と、該吸着された水素をエミッタティップ近傍に供給する配管との間に水素選択透過膜を有す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、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。まず、水素ガスを吸着する材料を含む容器において、水素ガスを吸着させる。吸着されなかった水素ガス以外のガスは真空排気ポンプで排気する。その後に、水素を吸着する材料から水素を放出させる。このときには、その他の不純物ガスの放出は少ないように温度で制御する。これにより、より純度の高い水素ガスが得られるのである。さらに、水素選択透過膜を通すことにより不純物ガス濃度を低下させる。これにより、さらに安定した水素イオンビームが得られる、このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（１２）前記（８）記載のイオンビーム装置において、２種のガスの供給管があって、該ガス供給経路に加熱機構と排気経路を設け、少なくとも２つの排気経路が真空ポンプと接続されており、少なくとも２つの排気経路を分離するバルブを設け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、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。さらに、ガス排気供給管を加熱して、ガスを供給する時には温度を下げることによって配管からの放出不純物ガスを低減する。２種のガス供給管を各々処理する必要があるが、この際に一方の配管の不純物ガスが、他方の配管を汚染しないようにすることが肝要であることを本願発明者は突き止めたのである。以上の処置により供給するイオン化ガスの不純物ガス濃度を下げることができる。これにより、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種や窒素ガスのイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（１３）前記（８）記載のイオンビーム装置において、第一のガス供給経路に、第一のガスである水素ガスの純化器を有して、第二のガス供給経路には、非蒸発ゲッタ材を有する容器を有し、該非蒸発ゲッタ材の不活性ガスの吸着速度が、水素の吸着速度に比べて少なくとも１桁以上低いことを特徴とするイオンビーム装置である。

【0136】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。さらに、ガス供給管の不純物ガス濃度を下げることができる。さらに、第一のガス供給経路に、第一のガスである水素ガスの純化器を配置することにより、水素ガスの純度を上げることができる。また、第二のガス供給経路には、非蒸発ゲッタ材を有する容器を有し、該非蒸発ゲッタ材の不活性ガスの吸着速度が、水素の吸着速度に比べて少なくとも１桁以上低くすると、特に不活性ガスの純度を上げることができる。これにより、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種のイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。
（１４）、本発明の一実施例は、真空容器と、真空容器内にエミッタティップと、該エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、前記エミッタティップにガスを供給するガス供給手段を備えるガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから放出されたイオンビームを集束する静電レンズと、該集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向する偏向器と、前記イオンビームを試料に照射して、前記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を備えるイオンビーム装置であって、
前記エミッタティップを有する真空容器には真空排気ポンプが少なくとも２個接続されて、各々の真空排気ポンプと真空容器との間に真空バルブを有して、さらに真空排気ポンプ内にはゲッタ材を有しており、第一の真空排気ポンプには水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上大きいゲッタ材が含まれており、第二の真空排気ポンプには水素ガスを吸着する速度が、不活性ガスを吸着する速度に比べて１桁以上小さいゲッタ材が含まれていることを特徴とするイオンビーム装置である。

【0137】

このようにすると、ガス電界電離イオン源を搭載して、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種を用いて多様な効果が得られるイオンビーム装置が提供される。さらに、ガス供給管の不純物ガス濃度を下げることができる。エミッタティップを有する真空容器には真空排気ポンプを、水素イオンを放出している時には、その他のガス種を排気することができ、不活性ガスイオンを放出しているときは、水素ガスを含んだ、他のガス種を排気することができる。これにより、少なくとも水素ガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られる。このようにして、得られた水素ビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測および加工が可能になる。また、他の不活性ガス種や窒素ガスのイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。さらに、水素イオンビームを照射したときの観察像と、他のガス種イオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面または内部について、より詳細な情報が得られる。本発明によると以上のような効果を奏する。

【0138】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0139】

１０１…ガス電界電離イオン源、１０２…イオンビーム照射系カラム、１０３…試料室、１０４…冷却機構、１０５…集束レンズ、１０６…可動アパーチャ、１０７…第２偏向器、１０８…対物レンズ、１０９…試料、１１０…試料ステージ、１１１…荷電粒子検出器、１１２…イオン源真空排気用ポンプ、１１３…試料室真空排気用ポンプ、１１４…イオンビーム、１１５…真空容器、１１６…電子銃、１１７…イオンビーム照射系カラム真空排気用ポンプ、１１８…ベースプレート、１１９…防振機構、１２０…床、１２１…エミッタティップ、１２２…フィラメント、１２３…フィラメントマウント、１２４…引き出し電極、１２６…ガス供給機構、１２７…開口部（孔）、１２８…真空遮断可能なバルブ、１２９…真空遮断可能なバルブ、１３５…第１偏向器、１３６…第２アパーチャ、１３７…装置架台、１４０…混合ガス容器、１４１…混合ガス容器バルブ、１４２…ガス微量調整バルブ、１４３…ガス溜め容器、１４４…ガス圧力測定器、１４５…第一のガス供給配管、１４６…水素選択透過膜、１４７…水素選択透過膜加熱機構、１４８…水素ガス純化器、１４９…第二のガス供給配管、１５０…第二のガス供給配管バルブ、１５１…混合ガス容器カバー、１５２…水素ガスセンサー、１５３…ガス溜め容器排気ポンプ、１５４…ガス溜め容器排気ポンプバルブ、１５６…非蒸発ゲッタ材料、１５７…非蒸発ゲッタ材料の加熱機構、１５９…イオン化室、１６１…傾斜機構、１６２…イオンビーム照射軸（光軸）、１６４…エミッタベースマウント、１６７…差動排気孔、１７０…非蒸発ゲッタ材料（第一のゲッタ材料）、１７１…真空ポンプ、１７２…加熱機構、１７４…真空遮断可能なバルブ、１７７…真空遮断可能なバルブ、１７８…真空ポンプ、１８０…非蒸発ゲッタ材料（第二のゲッタ材料）、１８１…真空室、１８３…加熱機構、１８４…真空遮断可能なバルブ、１８８…真空ポンプ、１９０…円筒の壁、１９１…電界電離イオン源制御装置、１９２…冷凍機制御装置、１９３…レンズ制御装置、１９５…イオンビーム走査制御装置、１９６…二次電子検出器制御装置、１９７…試料ステージ制御装置、１９８…真空排気用ポンプ制御装置、１９９…本体制御装置、２１１，２１２…Ｈｅガス配管、２１６…圧縮機ユニット（コンプレッサ）、２５３…冷却伝導棒、２９１…非蒸発ゲッタ材料温度制御装置、２９５…引き出し電極印加電圧電源、２９６…水素濃度制御装置、３０１，３０２，３０３，３０４…対物レンズの４個の電極、３０６…荷電粒子検出器先端の電極、３０７…蛍光体、３０８…光電子増倍管、３０９…電子エミッタ、３１０…電子照射電極、４０１，４０２，４０３，４０４…対物レンズに電圧を印加する４個の電源、４０５…試料印加用電源、４０７…荷電粒子検出器先端の電極印加用電源、４０８…蛍光体印加用電源、４１０…電子照射電極印加用電源、５００…圧縮機ユニット（コンプレッサ）、５０１…ＧＭ型冷凍機、５０２，５０９，５１０，５１２…熱交換器、５０３，５０７，５１３，５１５…配管、５０４…トランスファーチューブ、５０５，５１４…熱交換器、５０８…一次冷却ステージ、５１１…二次冷却ステージ、５１６…真空断熱容器、５１７…防音カバー、５２７…支持体、５５１，５５２…ボンベバルブ、５５３，５５４…ガスボンベ、５５５，５５６…減圧弁、５５７，５５８…ストップバルブ、５５９，５６０…微量流量調整バルブ、５６１，５６２…微量流量調整ノブ、５８１…バイパスバルブ、５８２，５８３…真空ポンプ、５９１…制御装置、６０１，６０２…ガス排気供給管、６０３，６０４…ヒータ、６０５，６０６…分離バルブ、６０７…真空配管、６０８…真空ポンプ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】