特許 6378360 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】6378360

(24)【登録日】2018年8月3日

(45)【発行日】2018年8月22日

(54)【発明の名称】イオンビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/02 20060101AFI20180813BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20180813BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20180813BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20180813BHJP

   H01J 37/24 20060101ALI20180813BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/02

   H01J37/08

   H01J37/28 Z

   H01J37/317 D

   H01J37/24

【請求項の数】21

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2016-561140(P2016-561140)

(86)(22)【出願日】2014年11月26日

(86)【国際出願番号】JP2014081244

(87)【国際公開番号】WO2016084162

(87)【国際公開日】20160602

【審査請求日】2017年3月29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】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100118773

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 節

(74)【代理人】

【識別番号】100102576

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 敏章

(72)【発明者】

【氏名】武藤 博幸

(72)【発明者】

【氏名】川浪 義実

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１４７８９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０８２４６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１１８１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２６６４６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３１９００３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ２７／００−２７／２６

３７／０４

３７／０６−３７／０８

３７／２４８

(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が設けられ、イオン化ガス若しくはガス分子が供給されるイオン源室を画成するイオン源筐体と、
前記イオン源室に前記エミッタティップと熱的に接続されて設けられ、冷凍機の冷却ステージが物理的に直接接触することなしに収容される冷却ポットと、
前記冷却ステージの周面と前記冷却ポットの内周面との間隔を一定以上に保つスペーサと
を有す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に記載のイオンビーム装置において、
前記スペーサは、前記冷却ポットの収容方向に沿って眺めた外周縁形状が、常温状態に対しての冷却状態で収縮変形する構成になっていることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項3】

請求項１に記載のイオンビーム装置において、
前記スペーサは、常温状態に対しての冷却状態で体積が縮む材料を用いて構成されていることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項4】

請求項３に記載のイオンビーム装置において、
前記材料は、多孔質材料であることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項5】

請求項１に記載のイオンビーム装置において、
前記スペーサは、前記冷却ステージの周面に配置され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に記載のイオンビーム装置において、
前記冷却ステージには、フィンが前記冷却ポットと物理的に直接接触することなしに設けられ、
前記冷却ポットは、前記フィンの周りに存在する熱伝導媒体を介して冷却されることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項7】

請求項６に記載のイオンビーム装置において、
前記冷却ポットは、伝熱部と断熱部とを有し、前記断熱部に対して前記伝熱部を前記イオン源室奥部に位置させるように、前記冷却ステージの収容方向に沿って両者を接合して構成され、
前記伝熱部が、前記イオン源室から露出することなく、前記エミッタティップに臨ませて前記イオン源室に配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8】

請求項７に記載のイオンビーム装置において、
前記フィンと対向する前記冷却ポットの部分が、前記伝熱部からなることを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項9】

請求項６に記載のイオンビーム装置において、
前記フィンと前記冷却ポットにおける前記冷却ステージの振動方向に垂直な内周面との間隔は、前記フィンと前記冷却ポットにおける前記冷却ステージの振動方向に平行な内周面との間隔よりも大きいことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項10】

請求項７に記載のイオンビーム装置において、
前記冷却ステージと前記フィンとの接合部に、熱伝導性が高い材料によって形成された軟性の膜又はシート部材を介在させ、前記冷却ステージ又は前記フィンの中の少なくとも一方の接合面の平滑化をはかったことを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項11】

請求項１０に記載のイオンビーム装置において、
前記軟性の膜は金メッキ膜であり、前記軟性のシート部材は熱伝導シートである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、
前記イオン源筐体の傾斜角度に合わせて、前記冷凍機の接地面に対する角度、又は前記イオン源筐体の前記冷却ポットが収容される前記イオン源室部分と前記エミッタティップが収容される前記イオン源室部分との間の角度を調整する調整機構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に記載のイオンビーム装置において、
前記冷却ポットには、前記冷却ポット内に熱伝導媒体を供給する熱伝導媒体供給機構と、前記冷却ポット内から前記熱伝導媒体を排出する熱伝導媒体排出機構と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14】

請求項１に記載のイオンビーム装置において、
前記冷却ステージ及び前記スペーサを複数有することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項15】

イオン源筐体により画成され、イオン化ガス若しくはガス分子が供給されるイオン源室に、イオンを生成するエミッタティップが備えられたイオンビーム装置に用いられ、前記エミッタティップを冷却する冷凍機であって、
前記イオン源室に前記エミッタティップと熱的に接続されて設けられる冷却ポットに、物理的に直接接触することなしに収容され、前記冷却ポットを熱伝導媒体を介して冷却する冷却ステージと、
前記冷却ステージの周面と前記冷却ポットの内周面との間隔を一定以上に保つスペーサと
を有することを特徴とする冷凍機。

【請求項16】

請求項１５に記載の冷凍機において、
前記スペーサは、常温状態に対しての冷却状態で体積が縮む材料を用いて構成されていることを特徴とする冷凍機。

【請求項17】

請求項１６に記載の冷凍機において、
前記材料は、多孔質材料であることを特徴とする冷凍機。

【請求項18】

請求項１５に記載の冷凍機において、
前記スペーサは、前記冷却ステージの周面に配置されることを特徴とする冷凍機。

【請求項19】

請求項１５に記載の冷凍機において、
前記冷却ステージには、フィンが前記冷却ポットと物理的に直接接触することなしに設けられ、
前記冷却ポットは、前記フィンの周りに存在する熱伝導媒体を介して冷却されることを特徴とする冷凍機。

【請求項20】

請求項１５に記載の冷凍機において、
前記冷却ステージ及び前記スペーサを複数有することを特徴とする冷凍機。

【請求項21】

イオン源筐体により画成され、イオン化ガス若しくはガス分子が供給されるイオン源室に、イオンを生成するエミッタティップを備えたイオンビーム装置に用いられ、前記エミッタティップを冷却する冷却機構の取り付け方法であって、
常温状態に対しての冷却状態で体積が縮む材料によって構成されたスペーサを冷凍機の冷却ステージの周面に取り付け、前記スペーサが取り付けられた前記冷却ステージを、前記スペーサを常温状態に保ちつつ、前記イオン源室に前記エミッタティップと熱的に接続されて設けられている冷却ポット内に収容し、
前記冷却ポットに収容された状態で前記スペーサを冷却状態とすることで、前記スペーサの周面と前記冷却ポットの内周面とを離間させることを特徴とする冷却機構の取り付け方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン顕微鏡，イオンビーム加工観察装置等を含むイオンビーム装置、イオンビーム装置におけるイオン源のエミッタティップの冷却に用いられる冷凍機、及びイオンビーム装置における冷却機構の取り付け方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電子ビームを走査しながら試料に照射して、その際に試料から放出される二次荷電粒子を検出することによって、試料表面の構造を観察することが可能である。このような電子ビーム装置の一例に、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、ＳＥＭとも称する）がある。

【0003】

一方、電子ビームに代えてイオンビームを走査しながら試料に照射して、その際に試料から放出される二次荷電粒子を検出することによっても、試料表面の構造を観察することが可能である。このようなイオンビーム装置の一例に、走査イオン顕微鏡（Scanning Ion
Microscope、以下、ＳＩＭとも略称する）がある。特に、走査イオン顕微鏡のようなイオンビーム装置では、水素，ヘリウム等の質量の軽いイオン種をイオンビームとして試料に照射すれば、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。

【0004】

このようなイオンビーム装置のイオン源としては、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、エミッタティップが作る電界によってガスをイオン化してイオンビームを生成するイオン源である。ガス電界電離イオン源は、高電圧が印加できる針状のエミッタティップを収容したガスイオン化室を有し、ガスイオン化室には、ガス源からガス供給配管を介してイオン化ガス（イオン材料ガス）が供給される構成になっている。

【0005】

ガス電界電離イオン源では、高電圧が印加され強電界のかかった針状のエミッタティップ先端に、ガス供給配管から供給されたイオン化ガス（或いはガス分子）が近づくと、ガス（ガス分子）内の電子が強電界によって低減したポテンシャル障壁を量子トンネル効果によりトンネリングすることによって、ガス（ガス分子）が正イオンとなって放出される。イオンビーム装置では、これをイオンビームとして利用する。

【0006】

ガス電界電離イオン源は、エネルギー幅が狭いイオンビームを生成することができる。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。

【0007】

ところで、走査イオン顕微鏡を含むイオンビーム装置において、高い信号/ノイズ比（Ｓ/Ｎ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、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化ガスの分子密度を大きくすればよい。

【0008】

この場合、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温度を低温化することが望まれる。したがって、エミッタティップを極低温に冷却することによって、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。

【0009】

その一方で、走査イオン顕微鏡を含むイオンビーム装置において、高分解能で試料を観察するためには、エミッタティップを極低温に冷却するイオンビーム装置冷却機構の冷凍機の振動がエミッタティップに伝達しないようにする必要がある。そこで、特許文献１には、冷凍機によって生じる振動がガス電界電離イオン源のエミッタティップに伝達するのを防止する機能を備えたイオンビーム装置冷却機構として、機械式の冷凍機とヘリウムガスポットとを組み合わせたイオンビーム装置冷却機構が開示されている。ヘリウムガスポットには、ガス電界電離イオン源を冷却するための冷媒ガスとしてのヘリウムガス（不活性気体）が貯留されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】公開国際特許公報ＷＯ２００９／１４７８９４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本願の発明者は、エミッタティップを極低温に冷却するとともに、冷凍機によって生じる振動がエミッタティップに伝達しないにようにするため、イオンビーム装置冷却機構を備えたイオンビーム装置について鋭意検討した結果、次に述べるような知見を得るに到った。

【0012】

特許文献１に記載されたイオンビーム装置冷却機構では、装置本体の真空容器と冷凍機との組付時、エミッタティップに寒冷を伝達するガスポットと冷凍機の冷却ステージとが物理的に直接接触してしまう可能性があった。そのため、ガスポットと冷凍機の冷却ステージとが物理的に直接接触してしまうことになると、冷凍機本体の振動もガスポットに伝達されてしまう。通常、ガスポットは、イオンビーム装置のガスイオン化室を画成する真空容器とリジッドに、すなわちその位置関係がずれないように機械的にしっかりと固定されているため、ガスポットが振動すると、呼応してイオンビーム装置の真空容器も振動することになる。加えて、真空容器とガス電界電離イオン源のエミッタティップもリジッドに固定されているため、真空容器が振動すれば、エミッタティップも振動することになってしまう。その結果、エミッタティップが振動してしまうことによって、放出されるイオンビームが十分に収束できなくなってしまい、高分解能な観察ができなくなる。

【0013】

この問題を防ぐためには、ガスポットと冷凍機の冷却ステージとのギャップ（間隙）を広くして、ポットと冷却ステージとが物理的に直接接触しないようにしなければならない。しかし、ガスポットと冷却ステージとのギャップを広くすると、ガスポットが冷却ステージによって十分冷却されなくなる。

【0014】

一方、ガスポットとエミッタティップとの間は熱的に接続されているため、ガスポットが十分冷却されないと、エミッタティップは十分冷却されなくなってしまう。エミッタティップが十分冷却されないと、エミッタティップ周辺のイオン化ガスの温度を極低温化できなくなる。そして、エミッタティップ周辺のイオン化ガスの温度の極低温化ができないと、エミッタティップ近傍のイオン化ガスの分子密度は小さくなってしまう。その結果、イオン放射角電流密度を大きくすることができず、試料上では、大きな電流密度のイオンビームが得られなくなる。そのため、走査イオン顕微鏡のようなイオンビーム装置では、高い信号/ノイズ比で試料が観察できなくなる。

【0015】

本発明は、イオンビーム装置冷却機構について取得した上述した知見を基に、従来のイオンビーム装置における諸問題を解決したものであって、イオンビーム装置冷却機構の冷凍機によって生じる振動がイオン源に伝達されてしまうことを極力防ぐとともに、イオンビーム装置冷却機構の冷却性能の大幅向上をはかったイオンビーム装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明に係るイオンビーム装置は、イオンを生成するエミッタティップが設けられ、イオン化ガス若しくはガス分子が供給されるイオン源室を画成するイオン源筐体と、イオン源室にエミッタティップと熱的に接続されて設けられ、冷凍機の冷却ステージが物理的に直接接触することなしに収容される冷却ポットと、冷却ステージの周面と前記冷却ポットの内周面との間隔を一定以上に保つスペーサとを有することを特徴とする。

【0017】

また、本発明に係るイオンビーム装置に用いられる冷凍機は、イオン源室にエミッタティップと熱的に接続されて設けられる冷却ポットに、物理的に直接接触することなしに収容され、冷却ポットを熱伝導媒体を介して冷却する冷却ステージと、冷却ステージの周面と前記冷却ポットの内周面との間隔を一定以上に保つスペーサとを有することを特徴とする。

【0018】

また、本発明に係るイオンビーム装置の冷却機構の取り付け方法は、常温状態に対しての冷却状態で体積が縮む材料によって構成されたスペーサを備え、冷却ポットを冷却する冷却ステージを、スペーサを常温状態に保ちつつ、イオン源室にエミッタティップと熱的に接続されて設けられている冷却ポット内に収容し、冷却ポットに収容された状態でスペーサを冷却状態とすることで、スペーサの周面と冷却ポットの内周面とを離間させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、冷却ポットとしてのガスポットと冷凍機の冷却ステージとを物理的に直接接触させることなく、ガスポットと冷却ステージとのギャップを狭くして、冷却ステージに対してガスポットを位置決め保持しておくことができるので、冷却ステージからガスポットを介してエミッタティップへの振動伝達を極力低減させることができる一方、冷却ステージによるガスポットの冷却も良好に行うことができ、エミッタティップ及びエミッタティップ周辺の冷却性能を向上させることができる。

【0020】

これにより、イオンビーム装置として、以下の効果を奏することが可能となる。

【0021】

（１）イオンビーム装置を用いて、試料のより高感度な検査を行うことが可能となる。

【0022】

（２）検査結果において、欠陥の検出再現性を向上させることが可能となる。

【0023】

なお、上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施の形態の説明より明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係るイオンビーム装置としての走査イオン顕微鏡の概略構成図である。

【図2】図１に示した走査イオン顕微鏡のイオンビーム装置冷却機構を構成する冷却ステージユニット及びガスポット部分の部分拡大図である。

【図3】図２に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分を組み付ける前の、冷却ステージユニット部分とガスポット部分とを分離して表した図である。

【図4】図３に示した冷却ステージユニット部分とガスポット部分とを組み付けた図である。

【図5】フィンとガスポットとの位置調整に係る比較例としての、スペーサが設けられていない冷却ステージユニットの説明図である。

【図6】図２に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分についての常温時と冷却時の状態比較図である。

【図7】冷却ステージにフィンを接続固定してなる組立体の変形例の構成図である。

【図8】熱伝導媒体調整機構を備えた冷却機構の構成図である。

【図9】比較例としての熱伝導媒体調整機構を備えていない冷却機構の動作状態説明図である。

【図10】本発明の第２の実施の形態に係るイオンビーム装置としての走査イオン顕微鏡の概略構成図である。

【図11】図１０に示したイオンビーム装置のイオンビーム装置冷却機構を構成する冷却ステージユニット及びガスポット部分の部分拡大図である。

【図12】図１１に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分を組み付ける前の、冷却ステージユニット部分とガスポット部分とを分離して表した図である。

【図13】図１１に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分についての常温時と冷却時の状態比較図である。

【図14】冷却ステージにフィンを接続固定してなる組立体の変形例の構成図である。

【図15】走査イオン顕微鏡と質量分析器とを複合したイオンビーム装置の一実施例の構成図である。

【図16】図１６は、図１５に示した走査イオン顕微鏡と質量分析器とを複合したイオンビーム装置に係る別の実施例の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明の実施の形態について説明するに当たり、まず、イオンビーム装置の特徴について説明しておく。

【0026】

イオンビーム装置は、ＳＥＭ等の電子ビームを用いた電子ビーム装置に比べて、試料表面の情報に敏感である。これは、二次荷電粒子の励起領域が、イオンビームの照射では、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、イオンビーム装置では、イオンビームの回折効果を無視することができる。電子ビームは、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。これに対し、イオンビームでは、イオンは電子に比べて質量が重いため、波としての性質が無視できる。

【0027】

このような特徴を生かしたイオンビーム装置の一例として、走査イオン顕微鏡がある。走査イオン顕微鏡は、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、試料表面の構造を観察する装置である。特に、水素，ヘリウム等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。

【0028】

また、イオンビーム装置の別例として、透過イオン顕微鏡がある。透過イオン顕微鏡は、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、試料内部の構造を反映した情報を得ることができる装置である。透過イオン顕微鏡も、水素，ヘリウム等の質量が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、試料を観察するのに好適となる。

【0029】

また、イオンビーム装置のさらなる別例として、集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam、以下では、ＦＩＢとも略称する）がある。集束イオンビーム装置は、逆に、スパッタ作用により試料を加工するのに好適な、アルゴン、キセノン、ガリウム等の質量が重いイオン種を試料に照射して、スパッタ作用により試料を加工する装置である。特に、イオンビームを生成するイオン源に液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source、以下では、ＬＭＩＳとも略称する）を用いた集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）が、集束イオンビーム加工観察装置として知られている。

【0030】

加えて、近年では、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）との複合装置である、ＦＩＢ-ＳＥＭ装置も使用されている。ＦＩＢ-ＳＥＭ装置は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射して試料の所望箇所に角穴を形成することができ、かつその試料断面をＳＥＭ観察することができる。ＦＩＢ-ＳＥＭ装置では、イオン源は液体金属イオン源に限らず、イオン源としてプラズマイオン源やガス電界電離イオン源を用い、アルゴンやキセノン等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。

【0031】

本発明は、このようなイオン顕微鏡，イオンビーム加工観察装置のようなイオンビーム装置、イオンビーム加工観察装置とイオン顕微鏡との複合装置のようなイオンビーム装置同志を複合したイオンビーム装置に適用可能である。また、本発明は、イオン顕微鏡と電子顕微鏡とを適用した解析・検査装置，イオン顕微鏡と質量分析器との複合装置、イオン顕微鏡と電子顕微鏡と質量分析器の複合装置のような、イオンビーム装置とイオンビーム装置以外の装置とを複合したイオンビーム装置にも適用可能である。

【0032】

以下では、このようなイオンビーム装置同志を複合したイオンビーム装置、イオンビーム装置とイオンビーム装置以外の装置とを複合したイオンビーム装置についても、イオンビーム装置で総称する。したがって、本発明に係るイオンビーム装置は、イオン源を用いた装置、特にガス電界電離イオン源を用いた装置であれば、上述した装置に限定されない。

【0033】

以下では、本発明に係るイオンビーム装置、イオンビーム装置で用いられる冷凍機、及びイオンビーム装置における冷却機構の取り付け方法の実施の形態について、イオンビーム装置の一種である走査イオン顕微鏡を例に、図面を参照しながら説明する。なお、図面は、専ら本発明の理解のために用いられているものであり、本発明に係るイオンビーム装置やその装置冷却機構等の具体的な構成やイオンビーム装置の種別等を限定するものではなく、その権利範囲を無用に限縮するものではない。

【0034】

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るイオンビーム装置としての走査イオン顕微鏡の概略構成図である。

【0035】

図２は、図１に示した走査イオン顕微鏡のイオンビーム装置冷却機構を構成する冷却ステージユニット及びガスポット部分の部分拡大図である。

【0036】

図３は、図２に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分を組み付ける前の、冷却ステージユニット部分とガスポット部分とを分離して表した図である。

【0037】

図４は、図３に示した冷却ステージユニット部分とガスポット部分とを組み付けた図である。

【0038】

図に示すように、イオンビーム装置である走査イオン顕微鏡１０は、イオンビーム２１を生成するイオン源２０と、ビーム照射系３１が備えられたカラム（鏡筒）３０と、観察対象の試料４１が収容・配置される試料室４０と、イオン源２０を冷却するイオンビーム装置冷却機構５０（以下では、冷却機構５０とも略称する）と、顕微鏡各部の制御を行う制御装置９０とを有する。

【0039】

図示の例では、試料室４０及びカラム３０は、真空容器３２によって一体的に構成されている。その上で、試料室筐体部及びカラムを兼ねた真空容器３２は、イオン源２０のイオン源筐体２２とともに、イオンビーム装置１０の装置本体１１を構成する。真空容器３２、すなわちイオンビーム装置１０の装置本体１１は、床１２に配置された基台１３に防振機構１４を介して支持されたベース板１５上に、搭載固定されている。

【0040】

防振機構１４は、例えば、防振ゴム，バネ，ダンパ，又はこれらの組み合わせによって構成されている。防振機構１４は、床１２から基台１３を介してベース板１５に伝わる振動を減衰する。これにより、床１２から装置本体１１に伝わる振動は、走査イオン顕微鏡１０の実用上で問題にならないレベルまで低減される。

【0041】

真空容器３２は、試料室４０及びカラム３０を含むその容器内部が真空に保持される。そのために、真空容器３２には、容器内雰囲気を真空排気する真空排気系３３が接続されている。真空排気系３３は、図示の例では、ベース板１５に形成された真空容器３２の排気口に、真空ポンプ等の真空排気機器３４が真空排気管３５を介して接続された構成になっている。この場合、真空排気系３３も、図示省略するが、例えば、真空排気管３５の途中部、又は真空排気機器３４若しくはベース板１５との接続部に、例えば、ベローズ，パッキン，シール等の緩衝部材による防振機構が設けられている。これにより、真空排気管３５を介してベース板１５及び装置本体１１に伝達される真空排気機器３４の駆動振動も、走査イオン顕微鏡１０の実用上で問題にならないレベルまで低減される。

【0042】

図示の実施例では、真空容器３２の内部に、ベース板１５の板厚方向に沿って、試料室４０とビーム照射系３１を収納するカラム３０とが上下に一体的に配置された構成になっている。

【0043】

試料室４０には、試料４１を載置し、試料室４０内で移動させる試料ステージ４２と、イオンビーム２１の照射によって試料４１から発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器４３とが設けられている。加えて、真空容器３２の試料室部分の周壁には、図示省略するが、試料搬入・搬出口が形成されている。試料搬入・搬出口は、閉塞/開放可能な蓋体で常時は気密に密閉されている。観察対象の試料４１は、この試料搬入・搬出口を介して、試料室４０に対し搬入/搬出される。

【0044】

試料ステージ４２は、搬入された試料４１が搭載される載置面と、この載置面を移動（回動、傾動も含む）させる駆動機構を備えている。試料ステージ４２は、搭載された試料４１上におけるイオンビーム照射位置、照射方向を、この載置面の移動に応動させて変位・変化させる。二次粒子検出器４３は、イオンビーム２１の照射によって試料４１から発生した二次粒子を検出し、その検出信号を制御装置９０内の画像生成部に出力する。

【0045】

ビーム照射系３１は、イオン源２０から放出されるイオンビーム２１を集束，走査するレンズ，偏向器等を含んで構成されている。図示の例では、ビーム照射系３１は、その光軸がベース板１５の板面に垂直な、ベース板１５の板厚方向に沿って延びるようにして、試料室４０上方の真空容器３２内、すなわちカラム３０に固定配置されている。ビーム照射系３１は、イオン源２０で生成されたイオンビーム２１が試料ステージ４２に搭載された試料面上の所望位置に照射されるように、制御装置９０内の照射制御部から供給される制御信号に基づいて、レンズ，偏向器等の各部を駆動制御する。

【0046】

一方、イオンビーム２１を生成するイオン源２０は、本実施の形態では、ガス電界電離イオン源（以下では、ガスイオン源とも略称する）が用いられている。ガスイオン源２０は、生成するイオンビーム２１の光軸がビーム照射系３１の光軸と同軸になるようにして、そのイオン源筐体２２が真空容器３２に一体的に固定された構成になっている。図示の例では、イオン源筐体２２は、真空容器３２の上部に連設されたイオン源収容筐体部２３と、このイオン源収容筐体部２３の側面から、ベース板１５の板面と平行に、水平方向外方に突出したポット収容筐体部（冷却機構筐体部）２４とを有する。これにより、イオン源収容筐体部２３内にはガスイオン化室２５が形成され、ポット収容筐体部２４内にはポット収容室２６が形成される。両室２５，２６は、イオン源収容筐体部２３とポット収容筐体部２４との連結部おける連通口２８を介して常時連通し、両室２５，２６を合わせて一体的なイオン源室２７を構成する。また、ポット収容筐体部２４の突出端は、冷却機構装着口２９として水平方向に向けて開口している。イオン源室２７と真空容器３２のカラム３０内とは、両室間を画成する隔壁部３６に形成された通過孔３７を介してのみ繋がっている。通過孔３７は、ビーム照射系３１の光軸位置に合わせて、隔壁部３６上に貫通形成されている。

【0047】

なお、本実施の形態では、ポット収容筐体部２４におけるポット収容室２６の延設方向及び冷却機構装着口２９の開口方向については、水平方向になっている構成として説明したが、その延設方向及び開口方向は、必ずしも水平方向に限るものではなく、例えば、垂直方向になっている構成であってもよい。

【0048】

ガスイオン源２０は、イオン源筐体２２のガスイオン化室２５にエミッタティップ４５及び引き出し電極４６を備え、ガス源４７からイオン化ガスを供給するガス供給配管４８，イオン源室２７内の雰囲気を真空排気する真空排気系４９の真空排気管３９がそれぞれガスイオン化室２５に連通接続されて構成されている。

【0049】

エミッタティップ４５は、高電圧が印加できる針状の電極で構成されている。エミッタティップ４５は、制御装置９０内のガスイオン源制御部と接続され、ガスイオン源制御部による制御で高電圧を印加され、針状の電極から強電界を発生可能になっている。エミッタティップ４５は、イオン化ガスのガス分子が近づくと、ガス分子内の電子がエミッタティップ４５の針状の電極からの強電界により低減したポテンシャル障壁を量子トンネル効果によりトンネリングすることによって、正イオンを生成する。引き出し電極４６は、制御装置９０内のガスイオン源制御部と接続され、ガスイオン源制御部による制御で引き出し電圧を印加され、エミッタティップ４５によって生成された正イオンを引き出して、イオンビームとして放出させる。エミッタティップ４５及び引き出し電極４６は、放出するイオンビーム２１の光軸が隔壁部３６の通過孔３７及びビーム照射系３１の光軸と同軸になるようにして、イオン源収容筐体部２３に固定配置されている。なお、ガス供給配管４８経由でイオン源室２７に供給されるイオン化ガスは、ガス分子であってもよい。

【0050】

ガス供給配管４８の途中や接続部等にも、ベローズ，パッキン，シール等の緩衝部材による防振機構が設けられている。これにより、ガス供給配管４８を介してイオン源筐体２２に伝達されるイオン化ガスのガス源４７の駆動振動も、走査イオン顕微鏡１０の実用上で問題にならないレベルまで低減される。同様に、真空排気管３９の途中や接続部等にも、ベローズ，パッキン，シール等の緩衝部材による防振機構が設けられている。これにより、真空排気管３９を介してイオン源筐体２２に伝達される真空排気機器３８の駆動振動も、走査イオン顕微鏡１０の実用上で問題にならないレベルまで低減される。なお、このイオン源室２７内の真空排気を行う真空排気機器３９は、真空容器３２の排気を行う真空排気機器３４で共用することも可能である。

【0051】

ガスイオン源２０のエミッタティップ４５により生成され、引き出し電極４６から放出されたイオンビーム２１は、通過孔３７を介して真空容器３２内に進入し、ビーム照射系３１によって適宜、集束，偏向，又は走査されて、試料室４０内の試料ステージ４２に搭載された試料４０上の観察箇所に照射される。その際、このイオンビーム２１の照射によって試料４０上の観察箇所から放出される二次荷電粒子は、二次粒子検出器４３によって検出され、制御装置９０内の画像生成部では、この二次粒子検出器４３からの検出信号に基づいて、イオンビームの照射箇所の観察画像が生成される。制御装置９０では、この生成された観察画像を入出力装置９１の表示部に表示し、視認可能になっている。

【0052】

一方、イオン源室２７のポット収容室２６には、冷却機構(イオンビーム装置冷却機構)５０のガスポット５１が収容配置される。そこで、このポット収容室２６におけるガスポット５１の収容配置について説明するに当たって、まず、本実施の形態の走査イオン顕微鏡１０に備えられた冷却機構５０の全体構成について説明する。

【0053】

冷却機構５０は、エミッタティップ４５周辺のガスイオン化室２５部分におけるイオン化ガスの分子密度を大きくするため、エミッタティップ４５を極低温に冷却し、エミッタティップ４５周辺のイオン化ガスの温度を低温化する。冷却機構５０は、機械式の冷凍機５２とガスポット５１とを組み合わせた冷却機構で構成されている。

【0054】

本実施の形態では、冷却機構５０の機械式の冷凍機５２には、ＧＭ型冷凍機（Gifford-McMahon cooler）が用いられている。なお、機械式の冷凍機５２としては、ＧＭ型冷凍機に限らず、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機等を用いることも可能である。

【0055】

冷凍機５２は、冷凍機本体５３と、コンプレッサ５４とを有し、冷凍機本体５３とコンプレッサ５４とは、高圧配管５５及び低圧配管５６を介して接続されている。冷凍機５２は、高圧力の作業ガスを冷凍機本体５３内部で周期的に膨張させることによって寒冷を発生させる構造になっている。

【0056】

コンプレッサ５４は、例えばヘリウムガスからなる作業ガスを圧縮して高圧状態にし、高圧配管５５を介して冷凍機本体５３に供給する。冷凍機本体５３において寒冷の発生に用いられ、圧力が低下した作業ガスは、低圧配管５６を介してコンプレッサ５４に回収される。回収された作業ガスは、コンプレッサ５４で再び圧縮される。

【0057】

冷凍機本体５３には、例えば、蓄冷器が内部に組み込まれ一体化されたディスプレーサーが往復移動可能に設けられたシリンダ（図示せず）と、シリンダ内でディスプレーサーを往復動させるディスプレーサー駆動手段（図示せず）と、シリンダ内におけるディスプレーサーの移動に合わせてシリンダ内を高圧配管５５又は低圧配管５６に連通させることにより作業ガスを流入/流出させるバルブ機構（図示せず）とが備えられている。そして、ディスプレーサーにより画成されるシリンダ内の膨張室側を含む部分が、熱負荷を冷却する冷却ステージ５７として、その筐体表面からロッド状に突出された構成になっている。

【0058】

図示の例では、冷却ステージ５７は、冷凍機本体５３の筐体表面に突出形成された基部５７ａから、軸線方向に沿って眺めた外形形状が基部５７ａの外形形状よりも小さくなっているステージ５７ｂが、同軸にさらに突出形成されている段付ロッド形状になっている。冷却ステージ５７は、ステージ先端側が最冷却面になっているため、ステージ先端５７ｃには、フィン５８の基部５８ａが冷却ステージ５７と同軸に密着固定されている。フィン５８は、熱伝導性（放熱性）が高い材料、例えば無酸素銅を用いて形成され、冷却ステージ５７の最冷却面の面積拡大をはかっている。これに伴って、冷却ステージ５７の軸線方向に沿って眺めた、軸線方向に垂直なフィン５８の外形形状は、冷却ステージ５７のステージ５７ｂの外形形状よりも大きく、大径になっている。

【0059】

また、冷却ステージ５７のステージ５７ｂの周面には、ステージ５７ｂの周面を囲繞するようにして、スペーサ５９が取り付けられている。スペーサ５９は、ステージ５７ｂに装着されている状態において、冷却ステージ５７の軸線を中心とする径方向に関し、フィン５８の外周縁部よりも径方向外方に突出する外周縁部を有するように形成されている。

【0060】

なお、このような観点に基づくスペーサ５９の具体的形態については、例えば、冷却ステージ５７のステージ５７ｂの周面全体を囲繞する管状スペーサ、複数のスペーサ片をステージ５７ｂの周回り方向に沿って所定間隔に並べて配置し、ステージ５７ｂの周面を部分的に囲繞するスペーサ片集合体等、種々の具体的形態を用いることが可能である。

【0061】

また、冷却ステージ５７のステージ５７ｂに装着されている状態のスペーサ５９をその軸線方向に沿って眺めた外周縁部の形状についても、例えばスペーサ５９が管状スペーサである場合でも、その周回りに沿った全域で外周縁部が少なくともフィン５８の外周縁部に対して突出している円形形状、その周回りに沿った複数個所でのみ部分的に外周縁部の隅部が少なくともフィン５８の外周縁部に対して突出している多角形形状等、種々の外周縁部の形状を用いることが可能である。

【0062】

本実施の形態では、スペーサ５９には、冷却ステージ５７のステージ５７ｂに装着された状態で、ステージ５７ｂの周面全体を囲繞するとともに、その周回りに沿った全域に亘って、基部５７ａ及びフィン５８それぞれの外周縁部よりもその外周縁部が径方向外方に突出している管状スペーサが用いられているものとする。以下では、フィン５８及びスペーサ５９が組み付けられた状態の冷却ステージ５７のことを、冷却ステージユニット６０と称する。

【0063】

さらに、本実施の形態では、スペーサ５９は、断熱性を有するとともに、その大きさについては、常温（例えば、走査イオン顕微鏡１０が設けられた部屋の室温が該当）に対して冷却されると収縮して常温時よりも体積が減少し、常温に戻されるとほぼ同型に戻る温度可逆性を有するようになっている。そのため、スペーサ５９は、その軸線方向に沿って眺めた外周縁部の大きさについても、冷却すると常温時よりも収縮し、常温に戻すと元の大きさに戻るといった温度可逆性を有する。このようなスペーサ５９は、例えば発泡樹脂のような多孔質材料によって構成されている。

【0064】

冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａの周面は、常温で、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂの周面よりも、冷却ステージユニット６０の軸線を中心とする径方向に関して、その周回りに沿った全域で、径方向外方に突出しているようになっている。

【0065】

一方、ガスポット５１は、一端が閉塞され他端が開放された有底筒状のポット本体６１を有し、ポット本体６１内に、冷却ステージユニット６０のフィン５８、及びスペーサ５９が設けられた冷却ステージ５７のステージ５７ｂを収容可能なステージ収容室６２を有する構造になっている。本実施の形態では、このステージ収容室６２の軸方向に沿った長さは、冷却ステージユニット６０における、スペーサ装着部分６０ａの軸方向長さ（スペーサ５９が装着された冷却ステージ５７のステージ５７ｂの軸方向長さ）とフィン部分６０ｂの軸方向長さ（冷却ステージ５７のステージ５７ｂに密着固設されたフィン５８の軸方向長さ）とを加えた長さよりも適宜長くなっている。これにより、ステージ収容室６２に冷却ステージユニット６０が収容された状態で、フィン５８の軸方向先端部分とポット本体６１の収容室底面６１ｃとの間の端面ギャップｇ１（図２を参照）を形成できるようになっている。

【0066】

なお、図示の例では、ポット本体６１のステージ収容室６２には、冷凍機本体５３の筐体表面に突出形成された基部５７ａの一部も収容されるようになっている。そのため、冷却ステージユニット６０の軸方向に沿って眺めたスペーサ装着部分６０ａの軸線方向に垂直な外形形状は、基部５７ａの軸線方向に垂直な外形形状よりも大きくなっており、スペーサ装着部分６０ａの外周縁部は、その周回りに沿った全域で、基部５７ａの外周縁部よりも径方向外方に突出している。しかし、ポット本体６１のステージ収容室６２に、冷凍機本体５３の筐体表面に突出形成された基部５７ａが全く収容されない場合は、この基部５７ａがステージ収容室６２の壁面となるポット本体６１の内周面に接触することはほとんど無いから、スペーサ装着部分６０ａの外周縁部が基部５７ａの外周縁部よりも径方向外方に突出していることは、必須の構成ではない。

【0067】

また、ステージ収容室６２は、軸線に垂直な断面形状が、軸方向に沿った全域で一様な、段差が無い断面形状になっており、冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａの外周面形状に合わせた断面形状になっている。この断面形状の大きさ（ステージ収容室６２の径方向長さ）は、常温状態の冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａ、すなわち冷却ステージユニット６０における非収縮状態のスペーサ５９の外周縁部が接触可能な大きさになっている。これにより、図示の例では、常温状態で、冷却ステージユニット６０が、スペーサ５９をステージ収容室６２の壁面となるポット本体６１の内周面に接触させ、ステージ収容室６２に収容されている状態では、冷却ステージユニット６０はポット本体６１と同軸になっており、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂの外周縁部とポット本体６１の内周面との間には、ギャップｇ２（図２を参照）がフィン部分６０ｂの周回りに形成される構成になっている。なお、このギャップｇ２のギャップ長については、フィン部分６０ｂの周回りの全域で必ずしも同じギャップ長になっている必要はない。

【0068】

したがって、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂとポット本体６１の底面側本体部６１ａとの間には、ギャップｇ１，ｇ２を有する非接触空間部６７が形成される。加えて、冷凍機本体５３の筐体表面に突出形成された基部５７ａの周面とポット本体６１の内周面とが重合する場合には、基部５７aの周面とポット本体６１の内周面との間にも、ギャップｇ３（図２を参照）が形成されるようになっている。

【0069】

このポット本体６１は、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂを収容する部分からなる底面側本体部６１ａと、冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａを収容する部分からなる開口側本体部６１ｂとを、同軸に一体的に接合固定した構成になっている。底面側本体部６１ａは、伝熱材によって構成されているのに対し、開口側本体部６１ｂは断熱材（底面側本体部６１ａに比して熱伝導性が極端に低い部材）によって構成されている。これにより、冷却ステージ５７のステージ５７ｂ、及び冷却ステージ５７の最冷却面であるステージ先端５７ｃに密着固設されたフィン５８により冷却されるガスポット５１の部分を、底面側本体部６１ａに限定できる構成になっている。同時に、この冷却される底面側本体部６１ａへの外部からの熱進入も、断熱材からなる開口側本体部６１ｂを介して行われるので、開口側本体部６１ｂで熱遮断されて低減することができる。これにより、冷却ステージ５７によるガスポット５１の底面側本体部６１ａの冷却速度が向上し、冷却効率の向上がはかれるようになっている。

【0070】

冷却機構５０は、ガスポット５１のポット本体６１の他端側開口から挿入された冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂ及びスペーサ装着部分６０ａを、冷却ステージユニット６０とガスポット５１とが同軸になるようにしてステージ収容室６２に収容配置し、ガスポット５１を冷凍機本体５３に一体的に連結して構成される。そして、このステージ収容室６２への冷却ステージユニット６０の収容配置の際は、ガスポット５１の内周面と接触し得るのは、冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａの外周縁部だけであり、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂを含む他の周面部分は、ガスポット５１の内周面には接触しないようになっている。

【0071】

一方、伝熱材によって構成されているポット本体６１の底面側本体部６１ａは、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に設けられたエミッタティップ４５に、冷却伝導機構７０を介して熱的に接続されている。

【0072】

冷却伝導機構７０は、例えば金メッキ施した銅網線部を有して構成され、冷却伝導機構７０自体は、その銅網線部の変形によって撓み或いは屈曲等の変形が可能になっている。これにより、ポット本体６１の底面側本体部６１ａとエミッタティップ４５との相対配置が僅かにずれていたとしても、冷却伝導機構７０は、銅網線部が変形することによって破損せず、そのずれを吸収して両者を連結保持できるようになっている。

【0073】

ガスポット５１と冷凍機本体５３との連結は、伸縮可能な管状ベローズ６３を介して行われる。管状ベローズ６３は、冷却ステージユニット６０が同軸に内挿された状態で、その基部５７ａの周面が当接することがなく、基部５７ａの周面と所定距離だけ離間して対向可能な内周面を有する構成になっている。管状ベローズ６３は、一端側に、ガスポット５１のポット本体６１の他端に一体的に形成された取付フランジ６４と接合可能なポット連結枠６５を備えている。管状ベローズ６３の他端側は、冷凍機本体５３に密着固定されている。

【0074】

本実施の形態では、管状ベローズ６３を介してガスポット５１と冷凍機本体５３とを連結するのに際して、ガスポット５１は、予め、イオン源筐体２２の冷却機構装着口２９からポット収容筐体部２４内に収容配置されており、例えば、ポット本体６１の取付フランジ６４が、ポット収容筐体部２４の突出端に形成された取付フランジ６６に図示せぬパッキン等のシール部材を介して気密に取り付けられた状態になっている。これに対し、冷凍機本体５３には、管状ベローズ６３の他端側が密着固定され、冷却ステージユニット６０が同軸に内挿された状態になっている。そのため、ガスポット５１と冷凍機本体５３との連結は、冷凍機本体５３に予め固定されている管状ベローズ６３のポット連結枠６５を、ポット本体６１の取付フランジ６４若しくはポット収容筐体部２４の取付フランジ６６に、図示せぬパッキン等のシール部材を介して気密に接合連結することによって行われる。その際には、ガスポット５１のステージ収容室６２に、ポット本体６１の他端側開口からガスポット５１と同軸になるようにして、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂ及びスペーサ装着部分６０ａが配置される。

【0075】

管状ベローズ６３のポット連結枠６５をポット本体６１の取付フランジ６４若しくはポット収容筐体部２４の取付フランジ６６に気密に接合連結した状態で、管状ベローズ６３の内周面と冷凍機本体５３の筐体表面に突出形成された基部５７ａの周面との間には、外部雰囲気（走査イオン顕微鏡１０が設けられた部屋の雰囲気）に対して気密に画成された振動抑制空間部６８が形成され、ステージ収容室６２内には、非接触空間部６７が形成される。

【0076】

その後、非接触空間部６７には熱伝導媒体が、振動抑制空間部６８には振動緩衝媒体が貯留される。本実施の形態では、冷却ステージユニット６０によるポット本体６１の底面側本体部６１ａの冷却時、体積が縮小したスペーサ５９によって非接触空間部６７と振動抑制空間部６８との間はガスポット５１内で連通されるので、熱伝導媒体及び振動緩衝媒体には同じ種類の媒体、例えばヘリウムガスが利用される。したがって、非接触空間部６７及び振動抑制空間部６８には、同じヘリウムガスが送り込まれ、両空間部６７，６８それぞれに、ガスイオン化室２５に供給されたイオン化ガスのヘリウムガスとは隔絶されて貯留される。以下では、共通のヘリウムガスからなる熱伝導媒体及び振動緩衝媒体を、熱伝導媒体６９で総称する。

【0077】

この両空間部６７，６８それぞれに対する熱伝導媒体６９の送り込みについても、本実施の形態では、両空間部６７，６８のいずれか一方側へヘリウムガスを送り込めば、他方側へもヘリウムガスを送り込めるようになっている。すなわち、本実施の形態では、冷却ステージ５７のステージ５７ｂに取り付けられたスペーサ５９が発泡樹脂を用いて構成され、その周面は微視的には大きな凹凸面となっており、細かな微視的な隙間が多数生じているので、スペーサ５９の周面が常温状態でポット本体６１の開口側本体部６１ｂの内周面の周回り方向に沿って全域で接触している場合であっても、この細かな微視的な隙間を介して、両空間部６７，６８のいずれか一方側に送り込むだけで、他方側にも送り込むことが可能になっている。そのため、図示の例では、ガス供給配管４８と同様に同じヘリウムガスのガス源４７に接続された、図示せぬ別個のガス供給配管がガスポット５１内の振動抑制空間部６８に連通し、熱伝導媒体６９を非接触空間部６７及び振動抑制空間部６８に貯留することができるようになっている。

【0078】

一方、冷凍機本体５３は、走査イオン顕微鏡１０の装置本体１１が搭載固定されたベース板１５とは別個の支持台８３上に、ロッド状に突出した冷却ステージユニット６０の軸線方向を、イオン源筐体２２のポット収容筐体部２４に設けられた冷却機構装着口２９と高さ位置に合わせて、搭載固定されている。本実施の形態では、装置本体１１の姿勢が水平状態になっている場合、イオン源筐体２２における冷却機構装着口２９の開口向きが水平方向を向いているから、冷凍機本体５３も、冷却ステージユニット６０の軸線方向が水平方向になるように冷凍機本体５３を向けて、支持台８３上に搭載固定されている。なお、支持台８３上での冷凍機本体５３の搭載姿勢は、イオン源筐体２２のポット収容筐体部２４におけるガスポット５１の収容向き（冷却機構装着口２９の向き）が変われば、それに応じて変更される。

【0079】

支持台８３は、基台部８４と、支柱部８５と、位置調整・固定機構部８７と有した構造になっている。支柱部８５は基台部８４に立設され、走査イオン顕微鏡１０のポット収容筐体部２４の高さ位置に合わせた長さを有する。位置調整・固定機構部８７は、冷凍機本体５３が搭載固定される搭載部８８を含み、支柱部８５の取付部８６に取り付け固定されている。位置調整・固定機構部８７は、搭載部８８を所定量範囲内で、昇降、回動、又は傾動できる構造になっており、搭載部８８に搭載固定された冷凍機本体５３の姿勢状態を、この所定量範囲に基づく許容範囲で微調整可能になっている。

【0080】

次に、本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０に備えられた冷却機構５０に係り、冷却機構５０の組み立て、その際におけるスペーサ５９によるフィン５８とガスポット５１との位置調整について、図１〜図６に基づいて説明する。

【0081】

図３は、冷却ステージ５７にフィン５８が接合固定された冷凍機６０と、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に取り付けられたガスポット５１とが、未だ組み付けられていない状態に該当する。

【0082】

図３において、図示した矢印は、冷却ステージユニット６０とガスポット５１とが同軸になるようにして、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂ及びスペーサ装着部分６０ａをガスポット５１のポット本体６１の他端側開口から挿入し、ステージ収容室６２に収容配置する収容方向を示す。このガスポット５１のステージ収容室６２への冷却ステージユニット６０の収容作業は、常温下で行われる。

【0083】

図４は、冷却ステージ５７にフィン５８が接合固定された冷却ステージユニット６０と、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に取り付けられたガスポット５１とが、組み付けられた後の状態に該当する。なお、図示の状態では、この組み付けにより形成された非接触空間部６７及び振動抑制空間部６８には、未だ熱伝導媒体６９は封入されていない。そのため、スペーサ５９は冷却されることなく、常温状態のままである。なお、図３及び図４では、組み付けに当たり、ガスポット５１が予めリジッドに取り付けられているイオン源筐体２２については、図示省略されている。

【0084】

図３に示すように、ガスポット５１のステージ収容室６２に冷却ステージユニット６０を収容する際は、冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａのみが、本実施の形態の場合では、非収縮状態の管状スペーサ５９の外周縁部のみが、ステージ収容室６２の壁面となるポット本体６１の内周面の周回り全域に亘って接触支持されながら、ポット本体６１内に収容される。そのため、冷却ステージユニット６０を、ステージ収容室６２を形成するポット本体６１と同軸に配置することができる。すなわち、冷却ステージユニット６０の軸がポット本体６１の軸に対してずれたり、傾いたりすることなく、ステージ収容室６２に配置することができる。

【0085】

そして、ポット連結枠６５を、ポット本体６１の取付フランジ６４若しくはポット収容筐体部２４の取付フランジ６６に、図示せぬパッキン等のシール部材を介して気密に接合連結する際も、非収縮状態のスペーサ５９の外周縁部がステージ収容室６２の壁面となるポット本体６１の内周面の周回り全域に亘って接触し、支持されている状態で行われるので、その接合連結によっても、冷却ステージユニット６０とポット本体６１との同軸性が損なわれることもない。

【0086】

また、仮に、冷却ステージユニット６０の軸線方向に沿って眺めたスペーサ装着部分６０ａの外周縁部の形状の大きさが、ポット本体６１の軸線方向に沿って眺めたステージ収容室６２の内周形状の大きさよりも小さな場合でも、ガスポット５１の内周面と接触し得るのは、冷却ステージユニット６０のスペーサ装着部分６０ａの外周縁部だけであり、冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂを含む他の周面部分は、ガスポット５１の内周面には接触しない。このように、スペーサ５９の周回りに沿った一部だけでしか、ステージ収容室６２の壁面となるポット本体６１の内周面に接触していない場合でも、そのスペーサ５９の接触している部分が冷却ステージユニット６０のそれ以外の部分とポット本体６１の内周面との接触を規制する。この場合は、冷却ステージユニット６０は、スペーサ装着部分６０ａの接触部分だけがポット本体６１の内周面で支持されるだけであるが、冷却ステージユニット６０の軸に対するポット本体６１の軸の傾きで表される傾斜角θは、このスペーサ装着部分６０ａの接触部分に該当するスペーサ５９の一部がステージ収容室６２の内周面に接触したときの値以下に確実に抑えられる。

【0087】

なお、この冷却ステージユニット６０の軸線方向に沿って眺めたスペーサ装着部分６０ａの外周縁部の形状の大きさが、ポット本体６１の軸線方向に沿って眺めたステージ収容室６２の内周形状の大きさよりも小さい場合とは、冷却ステージユニット６０の軸線方向に沿って眺めたスペーサ装着部分６０ａの外周縁部の形状が、ポット本体６１の軸線方向に沿って眺めたステージ収容室６２の内周形状と相似になっている場合や、両者の形状が異なる場合等が該当する。

【0088】

図５は、フィンとガスポットとの位置調整に係る比較例としての、スペーサが設けられていない冷却ステージユニットの説明図である。

【0089】

図５（ａ）は、冷却ステージ５７にフィン５８が接合固定された冷凍機６０と、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に取り付けられたガスポット５１とが、未だ組み付けられていない状態に該当する。図５（ａ）において、図示した矢印は、ガスポット５１のステージ収容室６２に冷却ステージユニット６０を収容する収容方向を示す。図５（ｂ），（ｃ）は、冷却ステージ５７にフィン５８が接合固定された冷凍機６０と、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に取り付けられたガスポット５１とが、組み付けられた後の状態に該当する。なお、各部の構成については、スペーサ５９が設けられていない以外は、図１〜図３に示した本実施の形態の冷却機構５０と同一なので、同一符号を付し、個別の詳細な説明は省略する。

【0090】

比較例の、冷却ステージ５７にフィン５８を接続固定してなる組立体からなり、スペーサ５９が設けられていない冷却ステージユニット６０では、冷却ステージユニット６０の外周面とガスポット５１の内周面との間に、スペーサ非装着部分６０ａ’，フィン部分６０ｂそれぞれの軸線方向に沿った長さの合計分からなる長さを有する隙間が形成される。そのため、ステージ収容室６２での冷却ステージユニット６０の偏芯や、傾斜角θで表されるステージ収容室６２における冷却ステージユニット６０の傾きに対し、その許容度は必要以上に大きくなってしまっている。

【0091】

これにより、冷凍機６０とガスポット５１との組み付けに当たって、冷却ステージユニット６０をガスポット５１と同軸にして、冷却ステージユニット６０の外周面とガスポット５１の内周面との間に隙間が形成されるように、冷却ステージユニット６０をステージ収容室６２に対して位置決めしたとしても、冷却ステージユニット６０の偏芯や傾きに対しての許容度は、必要以上に大きい状態になってしまっている。その結果、実際に、ポット連結枠６５をポット本体６１若しくはポット収容筐体部２４の取付フランジ６４，６６に接合連結するとき、ステージ収容室６２内で冷却ステージユニット６０が偏芯したり、図５（ｂ），（ｃ）に示すように冷却ステージユニット６０が傾いて、フィン部分６０ｂがステージ収容室６２の内周面に接触してしまうことも起こり得る。

【0092】

一方、走査イオン顕微鏡１０では、冷却機構５０の組み立てに係り、冷却ステージ５７にフィン５８が接合固定された冷凍機６０と、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に取り付けられたガスポット５１との組み付けが完了すると、冷却ステージ５７が組み込まれたガスポット５１の空間部に、熱伝導媒体６９が所定量だけ送りこまれ、封入される。その際、本実施の形態のように、スペーサ５９がポット本体６１の内周面とその周回り方向に沿って全域で接触する管状のスペーサ５９になっている場合でも、スペーサ５９は断熱性を有する多孔質材料で形成されているため、両空間部６７，６８のいずれか一方側に熱伝導媒体６９を送り込むだけで、他方側にも熱伝導媒体６９を送り込むことができる。例えば、振動抑制空間部６８に熱伝導媒体６９を送り込めば、ポット本体６１の内周面とその周回りに沿った全域で接触している管状のスペーサ５９であったとしても、スペーサ５９の微視的な隙間を介して、ガスポット５１の奥部にある非接触空間部６７まで、熱伝導媒体６９を送り込むことができる。図２は、この非接触空間部６７及び振動抑制空間部６８に熱伝導媒体６９が送り込まれ、貯留している状態の冷却ステージユニット６０及びガスポット５１部分に該当する。

【0093】

このようにして組み立てられた本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０の冷却機構５０では、スペーサ５９が冷却されると、収縮して常温時よりも体積が減少し、ポット本体６１の内周面とその周面が接触していたスペーサ５９は、その接触していた外周縁部がポット本体６１の内周面から離間し、冷却ステージユニット６０は、その周回りに沿った全域において、ポット本体６１の内周面と物理的に直接接触しなくなる。これにより、ポット本体６１の内周面との間には、隙間Ｓ（図６参照）が形成される。

【0094】

また、この冷却は、イオンビーム２１の生成のためにエミッタティップ４５を冷却するための、冷凍機５２の冷却ステージユニット６０による寒冷で行われる。そのため、冷却時は、イオンビーム装置の動作温度で冷却されることになる。このイオンビーム装置の動作温度は、例えば、イオン電流のピークに対応して設定されるエミッタティップの冷却温度（例えば、イオン化ガスがヘリウムガスである場合は、数Ｋ〜数１０Ｋ）に該当する。

【0095】

図６は、図２に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分についての常温時と冷却時の状態比較図である。図６（ａ）は、常温時における冷却ステージユニット及びガスポット部分を示し、図６（ｂ）は、冷却時における冷却ステージユニット及びガスポット部分を示す。

【0096】

したがって、冷凍機６０とガスポット５１との組み付けに当たって、組み付けの完了時に冷却ステージユニット６０の外周面とガスポット５１の内周面とが接触している場合には、本実施の形態では、ガスポット５１の内周面はスペーサ５９とだけしか冷却ステージユニット６０の外周面と接触していない。そのため、走査イオン顕微鏡１０が使用され、冷凍機５２も駆動されている状況では、組み付けの完了時に互いの配置位置が固定された冷却ステージユニット６０とガスポット５１との間で、スペーサ５９の収縮によって、冷却ステージユニット６０の外周面とポット本体６１の内周面との間には、その周回り方向に沿った全域において、隙間Ｓが確実に確保されることになる。また、これに伴い、冷凍機６０とイオン源筐体２２との組み付け固定においても、図５に示したような冷却ステージユニット６０のフィン部分６０ｂとポット本体６１の内周面との接触について、冷却ステージユニット６０をステージ収容室６２に対して位置決めする段階で配慮する必要がなくなり、冷凍機６０とイオン源筐体２２との組み付け組立作業が容易かつ効率的になる。

【0097】

具体的には、フィン５８の外周縁部とポット本体６１の内周面との位置関係は、スペーサ５９により指定した隙間Ｓの大きさに対応して略決めることができる。また、冷却ステージユニット６０をガスポット５１のステージ収容室６２に収容配置するにしても、冷却ステージユニット６０とガスポット５１との間で許容範囲を超える傾斜角θが生じることを防止できる。その結果として、冷却ステージユニット６０の外周面とポット本体６１の内周面との間には、その周回りに沿った全域において、隙間Ｓが確実に確保され、フィン５８とポット本体６１の内周面との物理的な直接接触を防止できる。フィン５８の外周縁部とポット本体６１の内周面との間のギャップｇ２についても、冷凍機６０とイオン源筐体２２との組み付け後の状態は視認できずとも、スペーサ５９のその軸線方向に沿って眺めた外周縁部の形状の大きさを常温時と冷却時とで管理することで、従来にも増して厳密に設計することが可能になる。

【0098】

加えて、冷却機構５０のスペーサ５９は、常温に戻すと元の大きさに戻るといった温度可逆性を有している。これにより、例えば、冷凍機５２のメンテナンスのために冷凍機６０をイオン源筐体２２が一体の装置本体１１から分離した場合、又は、エミッタティップ４５の交換のためにイオン源筐体２２を冷凍機５２及び真空容器３２に対して分離した場合に、作業完了後、再び冷凍機６０或いはイオン源筐体２２を組み付ける際には、スペーサ５９をその組み付けに再び利用することができる。

【0099】

そして、この冷却機構５０におけるフィン５８とポット本体６１の内周面との物理的な直接接触を防止する構成は、エミッタティップ４５の振動防止のため、冷却機構５０からエミッタティップ４５に伝達される振動を、エミッタティップ４５及び冷却機構５０のガスポット５１がリジッドに接続されているイオン源筐体２２に対して、伝達させない。

【0100】

この場合、冷却機構５０がイオン源筐体２２を介してエミッタティップ４５に伝達してしまう恐れがある振動としては、冷凍機５２の冷凍機本体５３で発生する振動、高圧配管５５と低圧配管５６を介して冷凍機本体５３に伝達されるコンプレッサ５４の振動、支持台８３及び位置調整・固定機構部８７を介して冷凍機本体５３に伝達される床１２からの振動が、主な振動である。冷凍機本体５３からの振動は、自身が発生する機械的振動で、シリンダ内をディスプレーサーが高速で往復動を繰り返しているのが主因である。また、床１２からの振動には、コンプレッサ５４の振動も含まれる。そして、これら振動は、いずれも冷凍機本体５３から伝達される振動である。ところで、走査イオン顕微鏡１０が使用されている場合は、冷凍機５２も駆動され、スペーサ５９は冷却ステージユニット６０による寒冷で収縮され、冷却ステージユニット６０は、その先端部やその周回りに沿った全域においてポット本体６１の内周面と物理的に直接接触しなくなっており、ポット本体６１の収容室底面６１ｃとの間には端面ギャップｇ１が形成され、ポット本体６１の内周面との間には隙間Ｓが形成されている。そのため、冷凍機本体５３から伝達される振動が冷却ステージユニット６０、特にそのフィン５８を介して、ガスポット５１すなわちイオン源筐体２２に伝達されてしまうことはない。その結果、冷凍機本体５３とイオン源筐体２２との間は、ベローズ６３を介して間接的にのみでしか物理的に接触していないので、冷凍機本体５３から伝達される振動は、ベローズ６３の弾性並びに伸縮性とベローズ６３内の振動抑制空間部６８に貯留されている振動緩衝媒体としての熱伝導媒体６９によって、実用上問題にならないレベルまで低減される。

【0101】

なお、冷凍機本体５３から伝達される振動の原因の例を列挙したが、振動源はこれらだけに限定されるものではない。また、冷凍機本体５３から伝達される振動の低減メカニズムについては、ステージ収容室６２に対する冷凍機５２の冷却ステージユニット６０の収容方向が水平方向であるポット収容筐体部２４を例に説明したが、水平方向以外の冷却ステージユニット６０の収容方向を有するポット収容筐体部２４を備えたイオンビーム装置にも適用可能である。

【0102】

したがって、本実施の形態の走査イオン顕微鏡１０によれば、その使用時に、イオン源筐体２２に対してリジッドに取り付けられているガスポット５１に、冷凍機本体５３から振動が伝達されることはないので、エミッタティップ４５が振動してしまい、イオンビーム２１が集束できなくなるとの問題はない。また、この問題を回避するために、ガスポット５１と冷却ステージユニット６０との間、特にフィン５８とガスポット５１の内周面との間のギャップを、両者の接触防止を考慮して十二分に広くしなければならない、との必要も生じない。そのため、ガスポット５１の内周面とフィン５２の外周縁部とのギャップｇ２を、冷凍機本体５３からの振動をガスポット５１介してイオン源筐体２２ひいてはエミッタティップ４５に伝達されないようにするために広くする必要もないので、イオン化ガスの冷却性能が低下して、エミッタティップ４５の冷却温度が冷凍機５２の本来の冷却温度に対し上昇せざるを得ないことも防げる。

【0103】

次に、本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０の冷却性能について、図２に基づき説明する。

【0104】

冷凍機５２において寒冷な低温部となるのは、冷却ステージ５７のステージ５７ｂの先端側部分である。そのため、熱伝導媒体６４を用いてガスポット５１を冷却する場合は、この低温部の面積が大きくなるほどガスポット５１に対する冷却効率が良好になる。そのため、冷却ステージ５７の先端部５７ｃには、フィン５８を接合固定して冷却ステージ５７の低温部の表面積が拡大されている。また、ガスポット５１については、底面側本体部６１ａを伝熱材で、開口側本体部６１ｂを断熱材で形成し、主な冷却部分を伝熱材で形成された底面側本体部６１ａに限定するとともに、断熱材で形成された開口側本体部６１ｂによってフィン５８により冷却された開口側本体部６１ｂへの熱進入を低減することができるようになっている。

【0105】

また、冷凍機本体５３から伝達される振動、特に、シリンダ内をディスプレーサーが高速で往復動を繰り返していることで発生する振動がガスポット５１に伝達されてしまうのを防止する観点からは、その振動方向に沿った、フィン５８とポット本体６１の収容室底面６１ｃとの間の端面ギャップｇ１は大きい方が好ましい。しかし、端面ギャップｇ１を大きくすると、フィン５８によるポット本体６１の収容室底面６１ｃに対する冷却性能が低下する。そこで、フィン５８とポット本体６１の内周面との間の側面ギャップｇ２については、このフィン５８によるポット本体６１の収容室底面６１ｃに対しての冷却性能が低下を補完すべく、できるだけ狭くして冷却効率の向上をはかるが好ましい。この点に関し、本実施の形態では、フィン５８の外周縁部とポット本体６１の内周面との位置関係は、スペーサ５９により指定した隙間Ｓの大きさに対応して略決定することができるので、容易かつ正確に側面ギャップｇ２を狭くすることができる。

【0106】

これらにより、ガスポット５１は、側面ギャップｇ２を狭くして、冷却対象を底面側本体部６１ａに絞り、外部からの熱進入に対しても開口側本体部６１ｂにより保護されて、フィン５８の寒冷をその冷却に効率的に利用できるようになっている。

【0107】

また、ガスポット５１に対しての冷却ステージユニット６０による冷却性能については、図７に示すような、冷却ステージ５７にフィン５８を接続固定してなる組立体を構成することによって、さらなる冷却性能の向上をはかることができる。

【0108】

図７は、冷却ステージにフィンを接続固定してなる組立体の変形例の構成図である。なお、組立体の構成の説明に当たっては、図３に示した組立体と同一の構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0109】

冷却ステージユニット６０における、冷却ステージ５７にフィン５８を接合固定してなる組立体については、互いに接触する面積が大きいほど、すなわち双方の接合固定面の熱伝導の効率がよいほど、ガスポット５１に対しての冷却ステージユニット６０による冷却性能は向上する。この観点から、両者それぞれの接合固定面を微視的に見ると、両者とも完全な平面ではなく、凹凸面である。そのため、単純に冷却ステージ５７とフィン５８とを接合固定すると、互いの凹凸面の凹面同志が非接触になり、接触面積が小さくなってしまう。

【0110】

そこで、図７（ａ）に示す冷却ステージユニット６０においては、例えばインジウムのような軟らかくて熱伝導のよい軟性材料からなる熱伝導シート９５を、冷却ステージ５７とフィン５８との接合固定に際して、両者間に予め介在させて挟持される構成とした。これにより、冷却ステージ５７にフィン５８を接合固定した際、熱伝導シート９５を変形させて、両者それぞれの接合固定面に生じている凹凸面が埋まることになり、双方の接合固定面同志の熱伝導の効率を向上させた。

【0111】

これに対し、図７（ｂ）に示す冷却ステージユニット６０においては、冷却ステージ５７と接合固定するフィン５８の面に、例えば金メッキのように、軟らかくて熱伝導のよい軟性材料からなる熱伝導膜９６を形成した。これにより、冷却ステージ５７にフィン５８を接合固定した際、熱伝導膜９６が変形して、両者それぞれの接合固定面に生じている凹凸面が埋まることになり、双方の接合固定面同志の熱伝導の効率を向上させた。

【0112】

また、ガスポット５１に対しての冷却ステージユニット６０による冷却性能については、冷却機構５０に、図８に示すような、振動抑制空間部６８及び非接触空間部６７それぞれの熱伝導媒体６９の貯留量を調整する熱伝導媒体調整機構１００を設けることによって、さらなる冷却性能の向上をはかることができる。

【0113】

図８は、熱伝導媒体調整機構を備えた冷却機構の構成図である。

【0114】

図９は、比較例としての熱伝導媒体調整機構を備えていない冷却機構の動作状態説明図である。

【0115】

なお、本実施例に係る熱伝導媒体調整機構を備えた冷却機構の構成の説明に当たっては、図２に示した冷却機構の構成と同一又は同様な構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0116】

図８に示すように、熱伝導媒体調整機構１００は、冷却機構５０の振動抑制空間部６８及び非接触空間部６７それぞれに、熱伝導媒体６９を供給して貯留する熱伝導媒体供給機構１０１と、冷却機構５０の振動抑制空間部６８及び非接触空間部６７それぞれから、貯留されている熱伝導媒体６９を排出する熱伝導媒体排出機構１０２とを有して構成されている。

【0117】

熱伝導媒体供給機構１０１は、熱伝導媒体源１０３とレギュレータ１０４とを有し、図示せぬ防振機構を介して、ポット連結枠６５に形成された熱伝導媒体口１０５に接続されている。これに対し、熱伝導媒体排出機構１０２は、逆止弁１０６と圧力計１０７とを有し、図示せぬ防振機構を介して、ポット連結枠６５に形成された熱伝導媒体排出口１０８に接続されている。

【0118】

ところで、例えば、図１に示した走査イオン顕微鏡１０の場合、エミッタティップ４５を先鋭化するために加熱した場合、エミッタティップ４５の熱が冷却伝導機構７０からガスポット５１の伝熱材からなるポット本体６１の底面側本体部６１ａに伝わり、冷却機構５０の非接触空間部６７、この非接触空間部６７に連通している振動抑制空間部６８に貯留されている熱伝導媒体６９が加熱される。これにより、非接触空間部６７及び熱伝導媒体６４それぞれの熱伝導媒体６９は、膨張して体積が増すことになる。これに伴い、冷却機構５０では、そのベローズ６３が図９（ａ）に示された当初状態から、図９（ｂ）に示すように伸張変形して、冷却ステージユニット６０が、ステージ収容室６２内を外側に押出される。その結果、フィン５８と、ガスポット５１の、伝熱材により形成されたポット本体６１の収容室底面６１ｃとの位置関係が離間変化してしまい、効率的に冷却できなくなってしまう。

【0119】

また、例えば、室温から冷却機構５０による冷却を開始した場合は、非接触空間部６７及び振動抑制空間部６８に貯留されている熱伝導媒体６９は、ガスポット５１の温度が冷えるに従い、収縮して体積が減ることになる。これに伴い、冷却機構５０では、そのベローズ６３が図９（ａ）に示された当初状態から、図９（ｃ）に示すように収縮変形して、冷却ステージユニット６０が、ステージ収容室６２の奥部側に引き込まれる。その結果、ポット本体６１の収容室底面６１ｃとの位置関係が接近変化してしまい、フィン５８とガスポット５１の収容室底面６１ｃとのギャップｇ１が小さくなってしまう。さらには、ギャップｇ１が無くなって、フィン５８とガスポット５１の収容室底面６１ｃとが接触しまうと、冷凍機６０からの振動がガスポット５１に伝わり、イオン源筐体２２におけるエミッタティップ４５を振動させてしまうことになる。

【0120】

熱伝導媒体調整機構１００は、このような熱伝導媒体６９の圧力変化に基づく冷却ステージユニット６０の変動を、熱伝導媒体６９の圧力が一定になるように非接触空間部６７及び振動抑制空間部６８における熱伝導媒体６９の量を調整する。

【0121】

具体的には、ベローズ６３が図９（ｂ）に示すように伸張変形して、冷却ステージユニット６０がステージ収容室６２内を外側に押出される兆候が生じた場合は、熱伝導媒体調整機構１００は、熱伝導媒体排出機構１０２から増加した体積分の熱伝導媒体６９を排出する。一方、ベローズ６３が図９（ｃ）に示すように収縮変形して、冷却ステージユニット６０がステージ収容室６２の奥部側に引き込まれる兆候が生じた場合は、熱伝導媒体調整機構１００は、熱伝導媒体供給機構１０１から減少した体積分の熱伝導媒体６９を供給する。

【0122】

このように、熱伝導媒体調整機構１００を備えた冷却機構５０では、熱伝導媒体６９の温度変動にかかわらず、ポット本体６１の収容室底面６１ｃとの位置関係を、図８に示すような一定状態に保持し、冷却機構５０のさらなる冷却性能の向上をはかっている。

【0123】

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係るイオンビーム装置としての走査イオン顕微鏡１０’について、図１０〜図１３に基づいて説明する。なお、その説明に当たって、第１の実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０と構成が同一若しくは同様な各部については図中で同一符号を付し、その説明は省略する。

【0124】

図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るイオンビーム装置としての走査イオン顕微鏡の概略構成図である。

【0125】

図１１は、図１０に示したイオンビーム装置のイオンビーム装置冷却機構を構成する冷却ステージユニット及びガスポット部分の部分拡大図である。

【0126】

図１２は、図１１に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分を組み付ける前の、冷却ステージユニット部分とガスポット部分とを分離して表した図である。

【0127】

図１３は、図１１に示した冷却ステージユニット及びガスポット部分についての常温時と冷却時の状態比較図である。

【0128】

図１０に示すように、本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０’は、イオン源収容筐体部２３のイオン源室２７を、輻射シールド１１１によって、エミッタティップ４５が収容される内側空間部２７ｉと、その周りの外側空間部２７ｏとに画成し、ガスイオン化室２５がこの画成された空間部２７ｉで形成されている点が、まず、図１に示した第１の実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０と異なっている。これにより、本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０’では、図１に示した、イオン源室２７内がガスイオン化室２５である走査イオン顕微鏡１０に比べて、冷却機構５０による冷却対象であるガスイオン化室２５の小型化がはかられている。

【0129】

また、本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０'は、このイオン源室２７内でさらにガスイオン化室２５が輻射シールド１１１によって画成された構成を採用したのに伴い、冷却機構５０の冷凍機５２に、例えば、蓄冷器が内部に組み込まれ一体化されたディスプレーサーが往復移動可能に設けられた大小２つのシリンダを用いた二段冷却式の冷凍機５２を使用し、冷却ステージユニット６０が、輻射シールド１１１を極低温に冷却する高温側冷却ステージユニット部６０Ｈと、エミッタティップ４５を輻射シールド１１１よりも温度が低い極低温に冷却する低温側冷却ステージユニット部６０Ｌとを有する構成になっている点が、図１に示した第１の実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０と異なっている。

【0130】

本実施の形態では、図１０に示したように、輻射シールド１１１は、イオン源収容筐体部２３内でイオンビーム２１の放出方向を開放してエミッタティップ４５を包囲するように、イオン源筐体２２に取り付け固定されている。輻射シールド１１１は、例えば金メッキを施した銅網線等を用いて構成され、ガスイオン化室２５に対する外部からの熱進入を防止する。イオン化ガスを供給するガス供給配管４８の開口端は、空間部２７ｏを通り越して空間部２７ｉで開口し、イオン化ガス又はガス分子をガスイオン化室２５としての空間部２７ｉに供給するようになっている。また、輻射シールド１１１には、冷却機構５０の冷却ステージユニット６０で生成した寒冷をエミッタティップ４５に伝達する冷却伝導機構７０を非接触で通過させるための通過孔１１２も形成されている。

【0131】

一方、本実施の形態では、冷却機構５０は、二段冷却式の冷凍機５２を使用していることに係り、冷却ステージユニット６０は、冷却ステージユニット６０が高温側，低温側の２つの冷却ステージユニット部６０Ｈ，６０Ｌを同軸に２段接続してなる構造になっているとともに、ガスポット５１のポット本体６１も、高温側，低温側の２つのポット本体部６１Ｈ，６１Ｌを同軸に連設してなる構造になっている。

【0132】

図１１〜図１３で示すように、冷却ステージユニット部６０Ｈ，６０Ｌは、低温側の小型のシリンダ内の膨張室側を含むステージ５７ｂＬを有した先端側の低温側冷却ステージユニット部６０Ｌの大きさが、高温側の大型のシリンダ内の膨張室側を含むステージ５７ｂＨを有した基端側の高温側冷却ステージユニット部６０Ｈの大きさよりも小型になっている。そして、各冷却ステージユニット部６０Ｈ，６０Ｌとも、軸方向に沿って眺めた外形形状は、ステージ５７ｂ（５７ｂＨ，５７ｂＬ）よりもフィン５８（５８Ｈ，５８Ｌ）が大きくなっている。

【0133】

その上で、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈの、ステージ５７ｂＨの周回りに沿った全域でステージ５７ｂＨの周面を囲繞する管状スペーサ５９Ｈが設けられたスペーサ装着部分６０ａＨは、その軸方向に沿って眺めた軸線方向に垂直な外形形状がフィン部分６０ｂＨよりも大きくなっており、スペーサ装着部分６０ａＨの外周縁は、その周回りに沿った全域で、フィン部分６０ｂＨの外周縁部よりも径方向外方に突出している。同様に、低温側冷却ステージユニット部６０Ｌの、ステージ５７ｂＬの周回りに沿った全域でステージ５７ｂＬの周面を囲繞する管状スペーサ５９Ｌが設けられたスペーサ装着部分６０ａＬは、その軸方向に沿って眺めた軸線方向に垂直な外形形状がフィン部分６０ｂＬよりも大きくなっており、スペーサ装着部分６０ａＬの外周縁部は、その周回りに沿った全域で、フィン部分６０ｂＬの外周縁部よりも径方向外方に突出している。そして、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈのフィン部分６０ｂＨは、その軸方向に沿って眺めた軸線方向に垂直な外形形状が低温側冷却ステージユニット部６０Ｌのフィン部分６０ｂＬよりも大きくなっており、フィン部分６０ｂＨの外周縁部は、その周回りに沿った全域で、フィン部分６０ｂＬの外周縁部よりも径方向外方に突出している。このようなスペーサ５９Ｈ，５９Ｌは、例えば発泡樹脂のような多孔質材料によって構成されている。

【0134】

一方、高温側，低温側の２つのポット本体部６１Ｈ，６１Ｌを同軸に連設してなるガスポット５１のポット本体６１は、一端が閉塞され他端が開放された有底段付筒状になっており、一端側の、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈを収容するポット本体部６１Ｈと、他端側の低温側冷却ステージユニット部６０Ｌを収容するポット本体部６１Ｌとが、段部１１６を介して、一体化された構成になっている。そして、ポット本体部６１Ｈには、高温側ステージ収容室６２Ｈが形成されている。

【0135】

高温側ステージ収容室６２Ｈは、軸線に垂直な断面形状が、軸方向に沿った全域で一様な、段差が無い断面形状になっており、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈのスペーサ装着部分６０ａＨの外周面形状に合わせた断面形状になっている。この断面形状の大きさ（高温側ステージ収容室６２Ｈの径方向長さ）は、常温状態の高温側冷却ステージユニット部６０Ｈのスペーサ装着部分６０ａＨ、すなわち冷却ステージユニット６０における非収縮状態のスペーサ５９Ｈの外周縁部が接触可能な大きさになっている。また、高温側ステージ収容室６２Ｈの軸方向に沿った長さは、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈにおける、スペーサ装着部分６０ａＨの軸方向長さとフィン部分６０ｂＨの軸方向長さとを加えた長さよりも適宜長くなっている。

【0136】

低温側ステージ収容室６２Ｌは、高温側ステージ収容室６２Ｈと同軸に形成され、高温側ステージ収容室６２Ｈと連通している。低温側ステージ収容室６２Ｌは、軸線に垂直な断面形状が、軸方向に沿った全域で一様な、段差が無い断面形状になっており、低温側冷却ステージユニット部６０Ｌのスペーサ装着部分６０ａＬの外周面形状に合わせた断面形状になっている。この断面形状の大きさ（低温側ステージ収容室６２Ｌの径方向長さ）は、常温状態の低温側冷却ステージユニット部６０Ｌのスペーサ装着部分６０ａＬ、すなわち非収縮状態の低温側スペーサ５９Ｌの外周縁部が接触可能な大きさになっている。また、低温側ステージ収容室６２Ｌの軸方向に沿った長さは、低温側冷却ステージユニット部６０Ｌのフィン部分６０ｂＬの軸方向長さよりも適宜長くなっている。

【0137】

その上で、ポット本体部６１に形成された、高温側ステージ収容室６２Ｈと低温側ステージ収容室６２Ｌとからなるステージ収容室６２の軸方向に沿った長さは、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈの軸方向長さと低温側冷却ステージユニット部６０Ｌの軸方向長さとを加えた長さよりも適宜長くなっている。

【0138】

そして、各ポット本体部６１Ｈ，６１Ｌとも、軸方向に沿って、断熱材によって構成された開口側本体部６１ｂ（６１ｂＨ，６１ｂＨ）と、伝熱材によって構成された底面側本体部６１ａ（６１ａＨ，６１ａＨ）とを、同軸に一体的に接合固定した構成になっている。

【0139】

これにより、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈのフィン部分６０ｂＨとポット本体部６１Ｈの底面（断面）側本体部６１ａＨとの間には、高温側非接触空間部６７Ｈが形成される。また、低温側冷却ステージユニット部６０Ｌのフィン部分６０ｂＬとポット本体部６１Ｌの底面側本体部６１ａＬとの間には、低温側非接触空間部６７Ｌが形成される。そして、高温側非接触空間部６７Ｈ及び低温側非接触空間部６７Ｌ内には、熱伝導媒体６９が貯留される。そして、ガスポット５１は、ポット本体６１の高温側ポット本体部６１Ｈにおける底面側本体部６１ａＨが、高温側冷却ステージユニット部６０Ｈのフィン部分６０ｂＨの寒冷によって、極低温に冷却され、ポット本体６１の低温側ポット本体部６１Ｌにおける底面側本体部６１ａＬが、低温側冷却ステージユニット部６０Ｌのフィン部分６０ｂＬの寒冷によって、さらに低い極低温に冷却される。

【0140】

そして、伝熱材によって構成されているポット本体６１の高温側ポット本体部６１Ｈにおける底面側本体部６１ａＨは、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に設けられた輻射シールド１１１に、例えば金メッキ施した銅網線部を有して構成された高温側冷却伝導機構７０Ｈを介して熱的に接続されている。また、伝熱材によって構成されているポット本体６１の低温側ポット本体部６１Ｌにおける底面側本体部６１ａＬは、イオン源筐体２２のイオン源収容筐体部２３に設けられたエミッタティップ４５に、低温側冷却伝導機構７０Ｌを介して熱的に接続されている。

【0141】

本実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０’の場合も、その冷却機構５０に係り、冷却機構５０の組み立て、その際におけるスペーサ５９によるフィン５８とガスポット５１との位置調整について、また走査イオン顕微鏡１０’の冷却性能について、第１の実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０と同様な作用・効果を奏する。

【0142】

例えば、冷凍機本体５３から伝達される振動、特に、シリンダ内をディスプレーサーが高速で往復動を繰り返していることで発生する振動がガスポット５１に伝達されてしまうのを防止する観点からは、その振動方向に沿ったフィン５８Ｈとポット本体６１の段部１１６との間の端面ギャップｇ１Ｈや、フィン５８Ｌとポット本体６１の収容室底面６１ｃとの間の端面ギャップｇ１Ｌは、大きい方が好ましい。しかし、端面ギャップｇ１Ｈ，ｇ１Ｌを大きくすると、フィン５８Ｈ，５８Ｌによるポット本体６１の段部１１６，収容室底面６１ｃに対する冷却性能が低下する。そこで、フィン５８Ｈ，５８Ｌとポット本体６１の内周面との間の側面ギャップｇ２Ｈ，ｇ２Ｌについては、このフィン５８Ｈ，５８Ｌによるポット本体６１の段部１１６，収容室底面６１ｃに対しての冷却性能が低下を補完すべく、できるだけ狭くして冷却効率の向上を図るが好ましい。この点に関し、本実施の形態では、フィン５８Ｈ，５８Ｌの外周縁部とポット本体６１の内周面との位置関係は、スペーサ５９Ｈ，５９Ｌにより指定した隙間Ｓの大きさに対応して略決定することができるので、容易かつ正確に側面ギャップｇ２Ｈ，ｇ２Ｌを狭くすることができる。

【0143】

なお、図示の例では、２つのスペーサ５９Ｈ，５９Ｌとも同じ材質のものを使用するものとして説明したが、高温側スペーサ５９Ｈと低温側スペーサ５９Ｌとで、スペーサ５９の材質を変えてもよい。また、高温側スペーサ５９Ｈと低温側スペーサ５９Ｌとで、例えば、管状スペーサ、スペーサ片集合体等のスペーサ５９の具体的形態や、円形形状、多角形形状等の軸線方向に沿って眺めた外周縁部の形状を変えてもよい。

【0144】

図１４は、冷却ステージにフィンを接続固定してなる組立体の変形例の構成図である。なお、組立体の構成の説明に当たっては、図７及び図１２に示した組立体と同一の構成部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0145】

図１４（ａ）に示す冷却ステージユニット６０においては、例えばインジウムのような軟らかくて熱伝導のよい軟性材料からなる熱伝導シート９５（９５Ｈ，９５Ｌ）を、ステージ５７ｂ（５７ｂＨ，５７ｂＬ）とフィン５８（５８Ｈ，５８Ｌ）との接合固定に際して、両者間に予め介在させて挟持される構成とした。これにより、ステージ５７ｂにフィン５８を接合固定した際、熱伝導シート９５を変形させて、両者それぞれの接合固定面に生じている凹凸面が埋まることになり、双方の接合固定面同志の熱伝導の効率を向上させた。

【0146】

これに対し、図１４（ｂ）に示す冷却ステージユニット６０においては、ステージ５７ｂ（５７ｂＨ，５７ｂＬ）と接合固定するフィン５８（５８Ｈ，５８Ｌ）の面に、例えば金メッキのように、軟らかくて熱伝導のよい軟性材料からなる熱伝導膜９６（９６Ｈ，９６Ｌ）を形成した。これにより、冷却ステージ５７にフィン５８を接合固定した際、熱伝導膜９６が変形して、両者それぞれの接合固定面に生じている凹凸面が埋まることになり、双方の接合固定面同志の熱伝導の効率を向上させた。

【0147】

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態に係るイオンビーム装置は、イオンビーム装置とイオンビーム装置以外の装置とを複合したイオンビーム装置について、例えば、オプション品としての質量分析器１２１を、図１〜図４に示した第１の実施の形態に係る走査イオン顕微鏡１０の真空容器３２に取り付けたイオンビーム装置を例に、図面に基づき説明する。なお、その説明に当たっては、図１〜図４に示した走査イオン顕微鏡１０についての重複説明は省略する。

【0148】

図１５は、走査イオン顕微鏡と質量分析器とを複合したイオンビーム装置の一実施例の構成図である。

【0149】

図１５に示すように、例えば、オプション品としての質量分析器１２１を、図１に示した走査イオン顕微鏡１０の真空容器３２に取り付けたイオンビーム装置では、走査イオン顕微鏡１０の装置本体１１の重心位置が、質量分析器１２１が設けられていない標準構成時の重心位置から変化することによって、基台１３に搭載固定した走査イオン顕微鏡１０の装置本体１１が、傾斜角θだけ傾くことになる。

【0150】

このような場合でも、イオンビーム装置を構成する走査イオン顕微鏡１０には、搭載部８８に搭載固定された冷凍機本体５３の姿勢状態を許容範囲内で微調整可能な位置調整・固定機構部８７が設けられているので、支持台８３上での冷凍機本体５３の搭載姿勢を、装置本体１１の傾斜によるイオン源筐体２２のポット収容筐体部２４におけるガスポット５１の収容向き（冷却機構装着口２９の向き）の変化に応じて搭載部８８の取り付け角度を調整することによって、ガスポット５１の収容向きに対して、冷凍機５２の冷却ステージユニット６０の向きが同軸上になるように調整することができる。

【0151】

したがって、例えイオンビーム装置の装置本体が傾斜しても、冷却機構５０の組み立て、その際におけるスペーサ５９によるフィン５８とガスポット５１との位置調整について、また走査イオン顕微鏡１０の冷却性能については、図１に示した走査イオン顕微鏡１０と同様な作用・効果を奏する。

【0152】

図１６は、図１５に示した走査イオン顕微鏡と質量分析器とを複合したイオンビーム装置に係る別の実施例の構成図である。

【0153】

本実施例では、走査イオン顕微鏡１０のイオン源筐体２２におけるイオン源収容筐体部２３とポット収容筐体部２４との接続部に、イオン源筐体２２のポット収容筐体部２４におけるガスポット５１の収容向き（冷却機構装着口２９の向き）を、イオン源収容筐体部２３に対して許容範囲内で微調整可能な収容向き調整・固定機構部８９が設けられている。

【0154】

本実施例においても、例えイオンビーム装置の装置本体が傾斜しても、冷却機構５０の組み立て、その際におけるスペーサ５９によるフィン５８とガスポット５１との位置調整について、また走査イオン顕微鏡１０の冷却性能については、図１に示した走査イオン顕微鏡１０と同様な作用・効果を奏する。

【0155】

また、本実施例においては、冷却伝導機構７０は、金メッキを施した銅網線を用いて構成され、その銅網線部の変形によって撓み或いは屈曲等の変形が可能になっているので、ガスポット５１の収容向きがイオン源収容筐体部２３に対して変化しても、その変化に応じて冷却伝導機構７０が撓み或いは屈曲等の変形ができる。これにより、冷却伝導機構７０は、その切断等によって寒冷の伝達が遮断されることもない。

【0156】

なお、本発明の実施の形態は、上記説明した実施の形態の具体的構成だけに限定されるものではない。例えば、複数のスペーサ片をステージ５７ｂの周回り方向に沿って所定間隔に並べて配置し、ステージ５７ｂの周面を部分的に囲繞するスペーサ片集合体の場合、スペーサ片は、ガスポット５１の内周面に設けるようにすることも可能である。

【0157】

また、説明した実施例は各々単独で実施する必要はなく、複数の例を同時に適用でき、権利範囲を制限するものではない。

【符号の説明】

【0158】

１０ 走査イオン顕微鏡、 １１ 装置本体、 １２ 床、 １３ 基台、
１４ 防振機構、 １５ ベース板、 ２０ イオン源（ガスイオン源）、
２１ イオンビーム、 ２２ イオン源筐体、 ２３ イオン源収容筐体部、
２４ ポット収容筐体部（冷却機構筐体部）、 ２５ ガスイオン化室、
２６ ポット収容室、 ２７ イオン源室、 ２８ 連通口、
２９ 冷却機構装着口、 ３０ カラム（鏡筒）、 ３１ ビーム照射系、
３２ 真空容器、 ３３ 真空排気系、 ３４ 真空排気機器、
３５ 真空排気管、 ３６ 隔壁部、 ３７ 通過孔、
３８ 真空排気機器、 ３９ 真空排気管、 ４０ 試料室、
４１ 試料、 ４２ 試料ステージ、 ４３ 二次粒子検出器、
４５ エミッタティップ、 ４６ 引き出し電極、 ４７ ガス源、
４８ ガス供給配管、 ４９ 真空排気系、
５０ イオンビーム装置冷却機構（冷却機構）、 ５１ ガスポット、
５２ 冷凍機、 ５３ 冷凍機本体、 ５４ コンプレッサ、
５５ 高圧配管、 ５６ 低圧配管、 ５７ 冷却ステージ、
５７ａ 基部、 ５７ｂ ステージ、 ５７ｃ ステージ先端、
５８ フィン、 ５８ａ 基部、 ５９ スペーサ、
６０ 冷却ステージユニット、 ６０ａ スペーサ装着部分、
６０ｂ フィン部分、 ６１ ポット本体、 ６１ａ 底面側本体部、
６１ｂ 開口側本体部、 ６１ｃ 収容室底面、 ６２ ステージ収容室、
６３ ベローズ、 ６４ 取付フランジ、 ６５ ポット連結枠、
６６ 取付フランジ、 ６７ 非接触空間部、 ６８ 振動抑制空間部、
６９ 熱伝導媒体、 ７０ 冷却伝導機構、 ８３ 支持台、
８４ 基台部、 ８５ 支柱部、 ８６ 取付板、
８７ 位置調整・固定機構部、 ８８ 搭載部、
８９ 収容向き調整・固定機構部、 ９０ 制御装置、 ９１ 入出力装置、
９５ 熱伝導シート、 ９６ 熱伝導膜、 １００ 熱伝導媒体調整機構、
１０１ 熱伝導媒体供給機構、 １０２ 熱伝導媒体排出機構、
１０３ 熱伝導媒体源、 １０４ レギュレータ、
１０５ 熱伝導媒体口、 １０６ 逆止弁、 １０７ 圧力計、
１０８ 熱伝導排出口、 １１１ 輻射シールド、 １１２ 通過孔、
１１６ 段部、 １２１ 質量分析器、

【0159】

本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】