(57)【要約】  荷電粒子放出銃の作動を長時間停止することなく、チップを加熱させることなく、チップのクリーニングが可能な荷電粒子放出銃を提供する。荷電粒子放出銃は、チップに照射する紫外光又は赤外光を生成するクリーニング用照射光装置と紫外光又は赤外光をチップに導くための光ファイバを有する。クリーニング用照射光装置は、チップの吸着分子を光刺激脱離によって脱離させるために、又は、チップの吸着分子を光刺激脱離によって脱離させ、該脱離した分子をイオン化するために、所定の波長と強度の紫外光又は赤外光を生成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップと、該チップと同軸的な中心孔を有する引出し電極と、前記チップと同軸的な中心孔を有し前記チップと前記引出し電極の間に配置されたイオンコレクタと、前記チップ、前記引出し電極、及び、前記イオンコレクタを収納する真空容器と、前記チップを冷却するための冷却装置と、前記チップに照射する紫外光又は赤外光を生成するクリーニング用照射光装置と、を有することを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記クリーニング用照射光装置は、ＭＷ/ｃｍ２級のピーク出力を有する波長１μｍ以上の赤外線レーザー光を発生する赤外線レーザー光源を有することを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記クリーニング用照射光装置は、波長400ｎｍ以下の連続スペクトルを有する紫外線を発生する紫外線ランプを有することを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記クリーニング用照射光装置は、１０ＧＷ/ｃｍ２以下の出力にて、フェムト秒オーダーのパルス幅の波長400ｎｍ以下の紫外線レーザー光を発生する紫外線レーザー光源を有することを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記クリーニング用照射光装置は、前記チップの吸着分子を光刺激脱離によって脱離させるための第１の波長の光と、前記第１の波長の光の照射によって前記脱離した分子をイオン化するための第２の波長の光と、を交互に切り替えて光照射を行うことを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項６】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記クリーニング用照射光装置は、所定の周期にて前記チップに紫外光又は赤外光を照射することを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項７】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記脱離した分子のイオン化は、共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ）によってなされることを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項８】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記クリーニング用照射光装置によって生成された紫外光又は赤外光を前記チップに導くための光ファイバが設けられ、該光ファイバは前記チップと同軸的に配置されていることを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項９】
請求項８記載の荷電粒子放出銃において、
前記光ファイバは、中空光ファイバであり、該中空光ファイバの内部は真空排気されていることを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項１０】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記引出し電極の中心孔の周囲に円周状のテーパ面が形成されており、前記クリーニング用照射光装置からの紫外光又は赤外光は、前記チップの周囲を照射してから該テーパ面を反射して前記チップを再度照射するように構成されていることを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項１１】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記引出し電極の電位をＶｅ、前記チップの電位をＶｔ、前記イオンコレクタの電位をＶｉｃとするとき、Ｖｅ＞Ｖｔ＞Ｖｉｃとなるように設定することにより冷陰極電界放出電子源として構成されることを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項１２】
請求項１記載の荷電粒子放出銃において、
前記チップの電位をＶｔ、前記イオンコレクタの電位をＶｉｃ、前記引出し電極の電位をＶｅとするとき、Ｖｔ＞Ｖｉｃ＞Ｖｅとなるように設定することによりガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）として構成されることを特徴とする荷電粒子放出銃。
【請求項１３】
チップと、該チップと同軸的な中心孔を有する引出し電極と、前記チップと同軸的な中心孔を有し前記チップと前記引出し電極の間に配置されたイオンコレクタと、前記チップ、前記引出し電極、及び、前記イオンコレクタを収納する真空容器と、前記チップを冷却するための冷却装置と、前記チップに照射するための紫外線又は赤外線を生成するクリーニング用照射光装置と、を有し、
前記クリーニング用照射光装置によって生成された紫外光又は赤外光を前記チップに導くための光ファイバが設けられ、該光ファイバは前記チップと同軸的に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の荷電粒子線装置において、
前記光ファイバは、中空光ファイバであり、該中空光ファイバの内部は真空排気されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１３記載の荷電粒子線装置において、
前記引出し電極の中心孔の周囲に円周状のテーパ面が形成されており、前記クリーニング用照射光装置からの紫外光又は赤外光は、前記チップの周囲を照射してから該テーパ面を反射して前記チップを再度照射するように構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】
請求項１３記載の荷電粒子線装置において、
前記光ファイバの第１の端部は前記チップに向けられており、前記光ファイバの第２の端部は前記真空容器の外側に配置された前記クリーニング用照射光装置に接続されており、該第２の端部は密閉封止され、前記紫外線又は赤外線を入射するための光学窓が形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１７】
チップと、該チップと同軸的な中心孔を有する引出し電極と、前記チップと同軸的な中心孔を有し前記チップと前記引出し電極の間に配置されたイオンコレクタと、前記チップ、前記引出し電極、及び、前記イオンコレクタを収納する真空容器と、前記チップを冷却するための冷却装置と、前記チップに照射するための紫外線又は赤外線を生成するクリーニング用照射光装置と、を有し、
前記クリーニング用照射光装置によって生成された紫外光又は赤外光を前記チップに導くための光ファイバが設けられ、該光ファイバは前記チップと同軸的に配置されており、
前記引出し電極の中心孔の周囲に円周状のテーパ面が形成されており、前記クリーニング用照射光装置からの紫外光又は赤外光は、前記チップの周囲を照射してから該テーパ面を反射して前記チップを再度照射するように構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の荷電粒子線装置において、
前記光ファイバは、中空光ファイバであり、該中空光ファイバの内部は真空排気されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１９】
請求項１７記載の荷電粒子線装置において、
前記真空容器の底壁には、前記チップによって生成された荷電粒子線が通るための孔と、該孔を開閉するバルブが設けられており、
前記クリーニング用照射光装置によって紫外線又は赤外線を照射するとき、前記バルブを閉じることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２０】
請求項１７記載の荷電粒子線装置において、
前記チップによって生成された荷電粒子線を偏向させるビームブランカが設けられ、
前記クリーニング用照射光装置によって紫外線又は赤外線を照射するとき、前記ブランカを動作させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温に冷却した針状電極を備えた荷電粒子放出源及び荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡の電子銃として、熱電子源、ショットキー電子源、冷陰極電界放出電子源等が知られている。これらの電子源のうち、最も高輝度で単色性の良い電子源は冷陰極電界放出電子源であり、超高分解能電子顕微鏡に使用される。冷陰極電界放出電子源は、針状のタングステン製チップを非加熱状態にて用い、高強度の電界を発生させてトンネル効果により電子を発生させるものである。【０００３】
一般に、電子ビームのエネルギー幅は、室温では、理想的な清浄表面においても２００ｍｅＶ（半値幅）以上である。しかしながら、電子源を極低温で使用すれば、電子ビームのエネルギー幅を絞ることができる。例えば、タングステン製のチップを用いた電子源の場合、室温（３００Ｋ）でのエネルギー幅は２００ｍｅＶ程度であるが、液体窒素温度の約７７Ｋでは１２０ｍｅＶ程度となり、液体水素温度の約２１Ｋでは１１０ｍｅＶ程度となる。即ち、極低温の場合には、室温の場合の半分程度にまでエネルギー幅を小さくすることが可能である。この結果、電子顕微鏡の光学系で発生するレンズの色収差が半減するため、電子ビームをより小さな光線径にまで絞ることができる。【０００４】
一方、イオン顕微鏡のイオン銃として、ガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ：Ｇａｓ Ｆｉｅｌｄ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ）が知られている。ガス電界電離イオン源では、通常、冷陰極電界放出電子源と同様に、液体窒素温度以下の極低温とした針状電極（チップ）の先端部に強電界を発生させる。チップの近傍に原料ガスを供給し、チップとガス分子間の電子のトンネル効果により原料ガスをイオン化する。原料ガスとして希ガスが用いられる。近年、ヘリウムイオンをプローブとして使用するヘリウムイオン顕微鏡が注目されている。ヘリウムイオンは、電子よりも重いので、短波長化と回折収差の低減が可能であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の分解能と焦点深度を遥かに凌ぐ顕微鏡が得られる。【０００５】
尚、イオン銃のチップに印加される電圧は一般に正極性の電圧であって、電子銃のそれとは逆である。つまり、イオンはチップに対して相対的に負の電位にて放出されるが、電子はチップに対して相対的に正の電位にて放出される。【０００６】
収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）装置では、従来、ガリウムに代表される液体金属イオンが用いられていた。しかしながら、液体金属イオンの代わりに、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）等を用いることにより、低ダメージで精緻なスパッタ加工を可能とすることができる。【０００７】
特許文献１には、真空中における電子源への残留ガスの吸着を防止するために紫外線レーザーを用いる清浄化手法が開示されている。特許文献２には、商用化されたガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）を搭載した顕微鏡の技術の開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−０７９１３号公報
【特許文献２】米国公開公報２００８／０２１７５５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
チップを超高真空中で長時間使用すると、超真空中の残留ガス（主に水素と一酸化炭素）がチップに吸着し、放出電流のノイズ増加や電流量の経時的減少などが起きる。そのため、プローブとしての安定性が損なわれる。そこで、吸着ガスによるチップの汚染を防止するために、チップのクリーニングが必要である。【００１０】
従来、冷陰極電界放出電子源を用いた電子銃においては、チップを瞬間的に通電加熱（フラッシング）することにより、チップのクリーニングが行われている。しかしながら、極低温にあるチップを急激に高温に変化させると、熱応力によるチップ破損やチップ先端の鈍化を引起すため好ましくない。さらに、フラッシングを行うときは、荷電粒子放出を比較的長時間停止させる必要がある。【００１１】
本発明の目的は、荷電粒子放出銃の作動を長時間停止することなく、チップを加熱させることなく、チップのクリーニングが可能な荷電粒子放出銃を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の荷電粒子放出銃は、チップと、該チップと同軸的な中心孔を有する引出し電極と、前記チップと同軸的な中心孔を有し前記チップと前記引出し電極の間に配置されたイオンコレクタと、前記チップ、前記引出し電極、及び、前記イオンコレクタを収納する真空容器と、前記チップを冷却するための冷却装置と、前記チップに照射する紫外光又は赤外光を生成するクリーニング用照射光装置と、を有する。【００１３】
クリーニング用照射光装置は、前記チップの吸着分子を光刺激脱離によって脱離させるために、又は、前記チップの吸着分子を光刺激脱離によって脱離させ、該脱離した分子をイオン化するために、所定の波長の紫外光又は赤外光を生成する。【００１４】
前記クリーニング用照射光装置は、連続スペクトル光を生成するランプ光源、又は、パルス光を生成するレーザー光源を用いる。【００１５】
ランプ光源を用いる場合には、吸着ガスの光刺激脱離し、脱離分子を排気するか、又は、脱離ガス分子をイオン化してイオンコレクタによって捕獲する。レーザー光源の場合には、フェムト秒のパルス幅、１０１０Ｗ／ｃｍ２オーダー以下の光強度で照射し、光刺激脱離および共鳴多光子イオン化法によりチップを清浄化する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の荷電粒子放出銃によると、荷電粒子放出銃の作動を長時間停止することなく、且つ、チップを加熱させることなく、チップのクリーニングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の荷電粒子線装置の第１の例の主要部の断面構成を示す図である。
【図２】本発明の荷電粒子線装置の荷電粒子放出銃のチップの周辺の構造の例を示す図である。
【図３】本発明の荷電粒子線装置の第２の例の主要部の断面構成を示す図である。
【図４】本発明の荷電粒子線装置の荷電粒子放出銃のチップにおける残留ガス分子の吸着、吸着分子の光刺激脱離及び脱離分子のイオン化の過程を説明する模式図である。
【図５Ａ】荷電粒子放出銃のチップの先端に形成されたナノピラミッド構造の原子配列の一例をチップの先端側から見た図である。
【図５Ｂ】荷電粒子放出銃のチップの先端のナノピラミッドの原子配列の一例をチップの横側から見た図である。
【図５Ｃ】荷電粒子放出銃を冷陰極電界放出電子源として使用する場合に、チップの先端のナノピラミッドの頂点の単原子からトンネル電子が放出される状態を説明する図である。
【図５Ｄ】荷電粒子放出銃をガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）として使用する場合に、チップの先端のナノピラミッドにて原料ガスがホッピングし、頂点の単原子にて電界電離イオン化する状態を説明する図である。
【図６Ａ】チップの先端のナノピラミッド構造の頂点に二原子分子が吸着した場合を説明する模式図である。
【図６Ｂ】チップの先端のナノピラミッド構造において、吸着の影響により、電界蒸発電圧が低下した結果、ナノピラミッド先端が破壊されることを説明する模式図である。
【図６Ｃ】チップの先端のナノピラミッド構造において、吸着ガスによってナノピラミッドの形成が阻害されることを説明する模式図である。
【図７Ａ】本発明の荷電粒子放出銃を電子銃として使用する場合に、イオンコレクタの作用を説明する説明図である。
【図７Ｂ】本発明の荷電粒子放出銃をイオン銃として使用する場合に、イオンコレクタの作用を説明する説明図である。
【図８】本発明の荷電粒子放出銃においてチップの先端に赤外光又は紫外光の導入するために中空光ファイバを用いる例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１を参照して、本発明による荷電粒子線装置の第１の例を説明する。本例の荷電粒子線装置は、真空容器１０、光学系真空容器１１、及び、試料室真空容器１２を有し、更に、制御電源ユニット３０３、制御コンピュータ３０１及び表示装置３０２を有する。真空容器１０には、真空ポンプ１８０、及び、冷却装置１３０が装着され、更に、真空容器１０の周囲には、クリーニング用照射光装置１７０、及び、ガス導入装置１４０が設けられている。試料室真空容器１２の下側には、真空ポンプ１８１が装着されている。
【００１９】
ここで、本例の荷電粒子線装置より光学系真空容器１１、及び、試料室真空容器１２を除いた部分を、荷電粒子放出銃と称することとする。本例の荷電粒子放出銃は、電子銃又はイオン銃として用いることができる。特に、本例の荷電粒子放出銃は、極低温で動作する冷陰極電界放出電子源又はガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）として用いることができる。更に、本例の荷電粒子放出銃は、フォーカスドイオンビーム装置（ＦＩＢ）のイオン源として用いることができる。
【００２０】
本例の荷電粒子放出銃を電子銃として用いる場合には、光学系真空容器１１の内部に電子光学系を設け、試料室真空容器１２の内部に、試料ステージを設ければよい。それによって、超高分解能電子顕微鏡が構成される。本例の荷電粒子放出銃をイオン銃として用いる場合には、光学系真空容器１１の内部にイオン光学系を設け、試料室真空容器１２の内部にイオン顕微鏡又はフォーカスドイオンビーム用の試料ステージを設ければよい。それよって、イオン顕微鏡又はフォーカスドイオンビーム装置（ＦＩＢ）が構成される。
【００２１】
真空容器１０の内部は、真空ポンプ１８０によって真空排気される。それによって、真空容器１０の内部は、容易に１０−６Ｐａ台以下の高真空が得られる。しかしながら、荷電粒子放出銃を加熱処理（ベーキング）することにより、１０−８Ｐａ台以下の超高真空を得ることができる。加熱処理（ベーキング）は、真空容器１０内の荷電粒子放出銃を構成する部材の吸着ガスや吸蔵ガスに対する脱ガス処理である。
【００２２】
真空容器１０の天井壁１０Ａに支持構造体１０７が設けられている。支持構造体１０７はフランジ部１０７Ａと円筒部１０７Ｂを有する。支持構造体１０７のフランジ部１０７Ａは、真空容器１０の天井壁１０Ａの上面によって支持されている。支持構造体１０７のフランジ部１０７Ａの下面と、真空容器１０の天井壁１０Ａの上面の間にＯリング等のシール部材１０９が装着されている。支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂは、真空容器１０の天井壁１０Ａの孔１０Ｂに装入されている。
【００２３】
支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂの下端には、熱絶縁構造体１１３を介して、ホルダー１１４が装着されている。ホルダー１１４には、チップ碍子１１５、金属製のイオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８が装着されている。チップ碍子１１５にはチップ１１７が装着されている。本例では、ホルダー１１４、チップ碍子１１５、チップ１１７、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８によってチップユニット１００が構成されている。熱絶縁構造体１１３及びチップユニット１００は支持構造体１０７より吊り下げられた状態にて支持されている。チップユニット１００の構造及び動作は後に図２を参照して詳細に説明する。
【００２４】
真空容器１０の天井壁１０Ａの孔１０Ｂの内径は、支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂの外径より大きい。両者の差に相当する分だけ、支持構造体１０７は、真空容器１０に対して水平方向の移動が可能である。支持構造体１０７のフランジ部１０７Ａの外周面には、チップ移動用ねじ１０８が当接している。このねじ１０８を回転させて半径方向に移動させることによって、支持構造体１０７は、真空容器１０に対して水平方向に移動する。即ち、チップ移動用ねじ１０８を回転させることにより、チップ１１７は水平方向に移動する。それによって、チップの光軸を真空容器１０の中心軸線１０Ｃに整合させることができる。
【００２５】
真空容器１０の天井壁１０Ａと熱絶縁構造体１１３の外周の間はベローズ１１０によって接続されている。ベローズ１１０は、支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂを囲むように配置されている。ベローズ１１０によって支持構造体１０７のフランジ部１０７Ａの下面と、真空容器１０の天井壁１０Ａの上面の間がシールされる。
【００２６】
支持構造体１０７には高電圧導入碍子１１１が装着されている。制御電源ユニット３０３に接続された電線１１２は、高電圧導入碍子１１１を経由して真空容器１０内に導入され、その先端はチップ１１７に接続されている。この電線を介して、チップ１１７に高電圧（最大±４０ｋＶ程度）が印加される。尚、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８は、電線を介して制御電源ユニット３０３に接続されている。この電線を介して、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８に所望の高電圧が印加される。
【００２７】
支持構造体１０７のフランジ部１０７Ａの温度は室温であるが、チップ１１７は極低温に冷却される。熱絶縁構造体１１３は、外部からの熱が、支持構造体１０７を経由して、チップ１１７へ流入しないように構成されている。熱絶縁構造体１１３は、熱の流入量を小さくするために、薄肉（０．３ｍｍ程度）の金属円筒、又は、複数本の薄肉の金属円筒パイプによって構成される。熱絶縁構造体１１３の材料として、熱伝導率と線膨張係数が小さいスーパーインバーが用いられてよい。それによって、実用的に、真空容器１０の中心軸線１０Ｃ方向の熱収縮を無視できるレベルにすることができる。熱絶縁構造体１１３の材料として、熱伝導率と線膨張係数が小さいセラミックのアルミナ等を用いることも可能である。更に、熱絶縁構造体１１３の材料として、加熱処理（ベーキング）に耐えることができる、耐熱性のプラスチック、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）の利用も可能であるが、機械的強度を求める場合には適さない。
【００２８】
外部からの熱が、支持構造体１０７を経由して、チップ１１７へ流入しないように、支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂとチップ碍子１１５の間の距離は、熱絶縁に必要な寸法に設定される。本例では、支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂとチップ碍子１１５の間の距離は約１００ｍｍである。尚、外部からの熱が、電線１１２を経由してチップ１１７へ流入する可能性があるが、電線１１２として細線を用いることにより、熱の流入を阻止することができる。
【００２９】
チップ１１７の冷却機構を説明する。冷却装置１３０は機械振動を生じる本体部分と本体部分から供給される冷却済みガスを循環させるコールドエンド１３１を有する。本例では、冷却装置１３０の本体部分が真空容器１０の外側に配置され、コールドエンド１３１が真空容器１０の内側に配置されている。コールドエンド１３１の内端は、網線１３４を介してホルダー１１４に接続されている。網線１３４は、熱伝導率の良い材料、例えば、無酸素銅によって形成されてよい。冷却装置１３０の本体部分の機械振動は、網線１３４によって減衰するから、チップ１１７に伝達されることはない。
【００３０】
エネルギー幅の狭い電子ビーム、又は、高輝度イオンビームを発生させるためには、チップを極低温に、望ましくは液体窒素温度７７Ｋ以下に冷却する必要がある。本例では、冷却装置１３０の冷凍能力は７０Ｋで１０Ｗ程度であり、チップ１１７をほぼ７０Ｋに冷却することが可能である。
【００３１】
チップのクリーニング用照射光装置１７０について説明する。クリーニング用照射光装置１７０は、チップのクリーニング用照射光を生成する。チップのクリーニング用照射光は、チップに吸着した吸着分子を光刺激脱離させ、更に、光刺激脱離した脱離分子をイオン化する機能を有する。クリーニング用照射光として、所定の波長及び強度の赤外線又は紫外線が用いられる。赤外線を発生させる赤外線光源として、赤外線ランプ又は赤外線レーザー光源を用いてよい。紫外線を発生させる紫外線光源として、真空紫外光ランプ又は紫外線レーザー光源を用いてよい。真空紫外光ランプとして重水素ランプを用いてよい。
【００３２】
クリーニング用照射光装置１７０には光ファイバ１７１が接続されている。光ファイバ１７１は中空光ファイバであってよい。光ファイバ１７１は、支持構造体１０７、及び、熱絶縁構造体１１３の中心軸線に沿って延びており、その内端は、チップ碍子１１５を貫通し、チップ１１７の先端に向けられている。光ファイバ１７１の中心軸線、即ち、光ファイバ１７１の光軸は、チップ１１７から発生する電子ビーム又はイオンビームの光軸に整合している。即ち、光ファイバ１７１の中心軸線と、電子ビーム又はイオンビームの光軸は、同軸に配置されている。真空容器１０の中心軸線１０ＣをＺ軸とすると、光ファイバ１７１の中心軸線と、電子ビーム又はイオンビームの光軸は、Ｚ軸に沿って配置されている。
【００３３】
クリーニング用照射光装置１７０からの赤外光又は紫外光は、光ファイバ１７１を経由し、チップ１１７の先端を照射する。光ファイバ１７１を用いることによって、真空容器に光学窓、レンズ等の光学系を直接装着する必要性がなくなる。
【００３４】
支持構造体１０７には、光ファイバ１７１が通るための孔１０７Ｃが形成されている。光ファイバ１７１と支持構造体１０７の孔１０７Ｃの間のシール用に、市販の真空気密フランジが用いられてよい。尚、クリーニング用照射光装置１７０と光ファイバ１７１のシール構造については、後に、図８を参照して説明する。光ファイバ１７１は、絶縁材料である石英を素材とする。そのため、光ファイバ１７１によって、チップ碍子１１５と接地電位である支持構造体１０７の間の電気的絶縁が可能となる。
【００３５】
ガス導入装置１４０にはガス導入パイプ１４１が接続されている。ガス導入パイプ１４１は、真空容器１０内に配置され、その内端は、チップ１１７の先端の領域に向けられている。ガス導入装置１４０の内部には、高純度ガスボンベ類、及び、それらを制御するバルブ及び純化器が設けられている。純化器では、市販されている化学的に活性な合金を用いたゲッター材を用いてよい。それにより、不純物の濃度を１ｐｐｂレベルに低減することが可能である。従って、ガス導入装置１４０からガス導入パイプ１４１を介して真空容器１０内に、不純物が除去されたガスを導入することができる。
【００３６】
本例の荷電粒子放出銃をイオン銃として用いる場合には、ガス導入装置１４０を用いて、原料ガスを導入する。原料ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスが一般的である。しかしながら、チップ材料の電界蒸発に必要な電界強度よりも低い電界強度で電離するガスであれば、他のガスであってもよい。例えば、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）等でもよい。近年、走査電子顕微鏡に代わる高分解能顕微鏡であるヘリウムイオン顕微鏡が商用化している。ヘリウムイオン顕微鏡では、ヘリウム（Ｈｅ）がプローブガスとして用いられる。更に、Ｈ２イオン又はＨイオンをプローブガスとして用いることにより、低ダメージ且つ高分解能の顕微鏡の実現が可能となる。
【００３７】
導入する原料ガスの圧力は、０．０１〜０．１Ｐａ程度である。従って、導入される原料ガス中の不純物の濃度は、純化器によって１Ｅ−１１〜１Ｅ−１０Ｐａオーダーの超高真空以下の分圧に低減されている。
【００３８】
本例の荷電粒子放出銃を電子銃として用いる場合には、ガス導入装置１４０は、基本的に不要である。しかしながら、チップ先端形状を意図的に鈍化させ、先鋭化（ナノピラミッド形成を含む）させるために、ガス導入装置１４０を用いて、酸素（Ｏ２）又は窒素（Ｎ２）、又はこれらの混合ガスを導入してもよい。
【００３９】
真空容器１０の底壁には孔１０Ｄが形成されている。チップ１１７によって生成された荷電粒子線１００Ａは、真空容器１０の底壁の孔１０Ｄを経由して、光学系真空容器１１内に導入される。この孔１０Ｄにはバルブ１５１が装着されている。バルブ１５１は、真空容器１０の底壁の下面、即ち、光学系真空容器１１の天井に装着されている。バルブ１５１を開くことによって、真空容器１０と光学系真空容器１１の間は接続され、バルブ１５１を閉じることによって、真空容器１０と光学系真空容器１１の間は遮断される。バルブ１５１の開閉は、バルブ駆動装置１５０によって制御される。バルブ駆動装置１５０は、制御電源ユニット３０３によって制御される。
【００４０】
光学系真空容器１１内には、光学系２０１が設けられている。光学系２０１は、基本的には、荷電粒子線１００Ａの成形や軌道制御を行うアライナーやレンズ系（図示せず）を備えた電子光学系又はイオン光学系であってよい。更に、本例の光学系２０１は、絞り板２０２、及び、ビームブランカ２０３を有する。絞り板２０２は微小径の孔を有し、荷電粒子線の一部を遮断することにより、荷電粒子線の所定の開き角及び電流量を得るように構成されている。ビームブランカ２０３は、荷電粒子線１００Ａを電磁的または静電的に偏向させる機能を有する。絞り板２０２とビームブランカ２０３は、後述する散乱電子や散乱イオンの低減作用も有する。
【００４１】
試料室真空容器１２内には、試料ステージ２０６が設けられ、その上に試料２０５が配置される。光学系真空容器１１及び試料室真空容器１２内部は、真空ポンプ１８１によって真空排気される。
【００４２】
制御コンピュータ３０１は、荷電粒子放出銃の各電極への高電圧の印加、真空容器１０、１１、１２内の真空排気等を制御する。更に、制御コンピュータ３０１は、冷却装置１３０、ガス導入装置１４０、バルブ駆動装置１５０、クリーニング用照射光装置１７０、電子／イオン光学系２０１及び試料ステージ２０６の駆動及び制御を統合的行う。表示装置３０２は、ＧＵＩ（ＧｒａｐｈｉｃａｌＵｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を表示する。制御コンピュータ３０１は、制御電源ユニット３０３に接続されており、上述の各制御を個別に、又は予め用意されたプログラムによって自動的に運転することが可能である。
【００４３】
図２を参照して、本発明の荷電粒子放出銃の主要部の構造について説明する。本例の荷電粒子放出銃は、円筒形のホルダー１１４と、その下端に装着された円板状のチップ碍子１１５と、チップ碍子１１５に支持された２本の電極１２０と、この電極に溶接されたタングステンのヘアピンフィラメント１２１と、ヘアピンフィラメント１２１の先端に溶接されたチップ１１７を有する。チップ１１７には、電線１１２を介して、高電圧が印加される。本例の荷電粒子放出銃は、更に、チップ碍子１１５の外周に接続された金属製のイオンコレクタ１１６と、ホルダー１１４の円周外面に装着された引出し電極１１８を有する。
【００４４】
本例の荷電粒子放出銃では、ホルダー１１４、チップ碍子１１５、２本の電極１２０、タングステン製のヘアピンフィラメント１２１、チップ１１７、及び、引出し電極１１８によってチップユニットが構成される。本例の荷電粒子放出銃では、チップ１１７の中心軸線が、円板状のチップ碍子１１５の中心軸線に一致するように、チップユニットが組み立てられる。即ち、チップユニットの組立て時に、ホルダー１１４に対して、チップ１１７及びフィラメント１２１が装着されたチップ碍子１１５を、同心的に嵌め合わせることによって、両者の中心軸線を整合させる。
【００４５】
本例の荷電粒子放出銃では、真空容器１０の中心軸線１０Ｃに沿って光ファイバ１７１が配置されている。光ファイバ１７１の端部には金属キャップが装着されている。チップ碍子１１５の中心に、孔１１５Ａが形成されている。この孔１１５Ａに、光ファイバ１７１の端部の金属キャップが係合している。光ファイバ１７１の端部に金属キャップを装着することにより、光ファイバ１７１の光軸が真空容器１０の中心軸線１０Ｃに整合した状態で、光ファイバ１７１を固定することができる。こうしてチップ１１７と光ファイバ１７１が同軸に配置されるため、チップユニットを構成する部品は、中心軸線１０Ｃに対して軸対称に構成される。そのため、極低温でもチップユニットを構成する部品の軸がずれることはない。
【００４６】
熱膨張又は熱収縮によって、Ｚ軸方向の変位ばかりでなく、Ｚ軸に直交する２方向（Ｘ軸およびＹ軸と呼ぶ）の変位も起きる。しかしながら、Ｘ軸およびＹ軸の変位は同軸的に起きるため、軸ずれは起きない。また、Ｚ軸方向の変位が発生しても、以下に説明するように、光ファイバ１７１からのクリーニング用照射光の照射光学系に影響を与えることはない。
【００４７】
イオンコレクタ１１６の底面には孔１１６Ａが形成され、引出し電極１１８の底面には孔１１８Ａが形成されている。孔１１８Ａの周囲には円周状のテーパ面１１８Ｂが形成されている。引出し電極１１８の底面の孔１１８Ａの内径φを０．５ｍｍ、チップ１１７と引出し電極１１８の孔１１８Ａの間の距離を１０ｍｍとすると、テーパ面１１８Ｂが水平面となす角θは２°である。尚、チップ１１７の外径φは、約０．１ｍｍとする。
【００４８】
光ファイバ１７１、チップ１１７、イオンコレクタ１１６の孔１１６Ａ及び引出し電極１１８の孔１１８Ａは、同軸に配置されている、即ち、真空容器１０の中心軸線１０Ｃに沿って配置されている。そのため、光ファイバ１７１の先端から照射されたクリーニング用照射光８６２は、先ず、チップ１１７を背後から照射し、更に、テーパ面１１８Ｂにて反射する。反射光８６３は、チップ１１７を下から照射する。
【００４９】
反射光８６３を得るには、光ファイバ１７１の先端から照射されたクリーニング用照射光８６２の光線の径は、引出し電極１１８の孔１１８Ａの径（約０．５ｍｍ）より大きくなければならない。本例によると、光ファイバ１７１の先端から照射されたクリーニング用照射光８６２の光線を収束させることなく、チップ１１７の先端を照射することができる。また、チップ１１７の外径（約０．１ｍｍ）よりも大きなスポット径で、且つ、光強度をほぼ維持した状態の反射光８６３をチップ１１７に照射することができる。
【００５０】
特に、クリーニング用照射光装置１７０からの照射光がレーザー光の場合には、指向性が良いため、光ファイバ１７１の先端から照射されたクリーニング用照射光８６２の光束の径は、光ファイバ１７１の内径とほぼ同一となり、また、テーパ面１１８Ｂからの反射光の光束の径も、光ファイバ１７１の内径とほぼ同一となる。そのため、チップ１１７の先端には、全方向から照射光が確実に照射される。
【００５１】
ホルダー１１４およびチップ碍子１１５は絶縁材料によって形成される。ホルダー１１４およびチップ碍子１１５は、極低温に冷却されるため、熱伝導率の大きいセラミックス、具体的には窒化アルミニウムまたはサファイアが用いられる。
【００５２】
引出し電極１１８は、単一の部材によって構成してもよいが、円板と円筒を組み合わせた複合構造によって構成してもよい。引出し電極１１８を単一の部材によって構成する場合には、引出し電極１１８をアルミニウムによって形成し、その表面又はテーパ面１１８Ｂを鏡面としてよい。更に、引出し電極１１８の表面又はテーパ面１１８Ｂに、蒸着、めっき、又は、イオンプレーティングによりコーティングしてもよい。コーティング材はアルミニウムであってもよいが、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属を用いてもよい。これらの貴金属は、アルミニウムよりも反射率が低い。しかしながら、Ｈ２は、極低温にて貴金属に物理吸着するため、吸着したＨ２は、容易に光刺激脱離する。
【００５３】
本願の発明者が行なった実施例では、引出し電極１１８のテーパ面１１８Ｂに、金（Ａｕ）メッキを装着することより反射率が３０〜４０％に減少した。しかしながら、反射率の減少は、クリーニング用照射光である赤外光又は紫外光の強度を調整することにより、補うことが可能であった。
【００５４】
引出し電極１１８を、円板と円筒を組み合わせた複合構造によって構成する場合には、引出し電極１１８の主要部分である円板を、無酸素銅によって形成してよい。この場合には、円板に孔を形成し、その周囲に、テーパ面１１８Ｂを形成する。このテーパ面１１８Ｂは、無酸素銅の母材を研磨後にアルミニウムを蒸着することにより形成してよい。それにより、反射率９０％以上を得ることができる。尚、テーパ面１１８Ｂを貴金属によってコーティングしてもよい。上述のようにＨ２は、極低温にて貴金属上に物理吸着するため、吸着したＨ２は容易に光刺激脱離する。チップ１１７の材質については、後に図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。
【００５５】
図３を参照して本発明による荷電粒子線装置の第２の例を説明する。ここでも、荷電粒子線装置の主要部、特に、荷電粒子放出銃の部分を詳細に説明する。本例の荷電粒子線装置の構造は、基本的には図１の第１の例と同様であるが、引出し電極をチップユニットから分離した点が、第１の例と異なる。これは荷電粒子放出銃の光学系の性能的な要求や、引出し電極をチップに対して、第一の実施形態より高電圧で用いるための電気絶縁性能の要求がある場合に好ましい。
【００５６】
真空容器１０の天井壁１０Ａに支持構造体１０７が設けられている。支持構造体１０７の円筒部１０７Ｂの下端には、熱絶縁構造体１１３を介して、ホルダー１１４が装着されている。ホルダー１１４には、チップ碍子１１５、及び、金属製のイオンコレクタ１１６が装着されている。チップ碍子１１５にはチップ１１７が装着されている。本例では、ホルダー１１４、チップ碍子１１５、チップ１１７、及び、イオンコレクタ１１６によってチップユニット１０１が構成されている。本例のチップユニット１０１には、引出し電極は含まれていない。熱絶縁構造体１１３及びチップユニット１０１は支持構造体１０７より吊り下げられた状態にて支持されている。
【００５７】
引出し電極１１９は、真空容器１０の底壁に装着された熱及び電気絶縁構造体１４５によって支持されている。熱及び電気絶縁構造体１４５は円筒形状を有し、その内部には、荷電粒子放出銃の光学系が設けられてよい。尚、荷電粒子放出銃の光学系は、荷電粒子線１００Ａを収束させるための静電レンズまたは電磁レンズ等を含み、その光軸は、真空容器１０の中心軸線１０Ｃに整合するように構成される。
【００５８】
引出し電極１１９は、単一の部材によって構成してもよいが、円板と円筒を組み合わせた複合構造によって構成してよい。ここでは、引出し電極１１９を円板と円筒を組み合わせた複合構造によって構成したものとして説明する。引出し電極１１９は、円形の金属電極と、それを支持する円筒部材を有する。金属電極は、中心に孔を有し、孔の周囲には円周状のテーパ面１１９Ｂが形成されている。支持部材は電気的絶縁材料によって形成されている。光ファイバ１７１、チップ１１７、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１９は、同軸に配置されている、即ち、真空容器１０の中心軸線１０Ｃに沿って配置されている。
【００５９】
真空容器１０には高電圧導入碍子１６０が装着されている。制御電源ユニット３０３（図１参照）に接続された電線１６１は、高電圧導入碍子１６０を経由して真空容器１０内に導入され、その先端は引出し電極１１９の金属電極に接続されている。この電線１６１を介して、金属電極に所望の高電圧が印加される。
【００６０】
真空容器１０にはガス導入装置１４０が装着されている。ガス導入装置１４０には真空容器１０の外側のガス導入パイプ１４１と真空容器１０の内側のガス導入パイプ１４２が接続されている。
【００６１】
本例の荷電粒子放出銃における冷却機構を説明する。冷却装置１３０は本体部分とコールドエンド１３１、１３２を有する。本例では、２つのコールドエンド１３１、１３２が設けられている。冷却装置１３０の本体部分は真空容器１０の外側に配置され、コールドエンド１３１、１３２が真空容器１０の内側に配置されている。内側の第１のコールドエンド１３１は低温用であり、外側の第２のコールドエンド１３２は高温用である。第２のコールドエンド１３２は、第１のコールドエンド１３１を覆うように形成されており、第１のコールドエンド１３１への熱輻射を低減するための熱シールドの機能を有する。
【００６２】
第１のコールドエンド１３１は、チップ１１７を冷却するために設けられている。第１のコールドエンド１３１の内端は、網線１３４を介してホルダー１１４に接続されている。
【００６３】
第２のコールドエンド１３２の内端は、網線１３５を介して引出し電極１１９に接続されている。本例では、引出し電極１１９は、ホルダー１１４に接続されていない。その代わりに、第２のコールドエンド１３２に接続されている。したがって、引出し電極１１９は、第２のコールドエンド１３２によって直接冷却される。本例では、引出し電極１１９は、チップ１１７の近くに、且つ、チップ１１７の対向面として形成されている。そのため、チップ１１７への熱輻射を低減する目的で引出し電極１１９を冷却する。引出し電極１１９の金属電極は中心に孔を有する円形であり、また、熱及び電気絶縁構造体１４５は円筒形であるため、冷却により熱収縮しても、軸ずれは生じない。
【００６４】
更に、第２のコールドエンド１３２の内端は、網線１３６を介して真空容器１０の内側のガス導入パイプ１４２に接続されている。ガス導入パイプ１４２は、熱絶縁に必要な長さを確保し、且つ、伝熱経路の断面積が十分小さくなるように構成されている。本例では、ガス導入パイプ１４２が冷却されるため、ガス導入装置１４０から供給される室温程度のガスを低温に冷却してから、導入することができる。そのため、チップ１１７や他の極低温にある部材に直接、室温程度のガスが衝突して熱負荷となることを避けることができる。網線１３４、１３５、１３６は、熱伝導率の良い材料、例えば、無酸素銅、銅網線、グラファイト製シートを用いてよい。
【００６５】
本例の冷却装置１３０は、市販されている二段ステージ型の冷凍機であってよく、低温側コールドエンド１３１の冷媒ガス温度と高温側のコールドエンド１３２の冷媒ガス温度の両者の設定が可能なものを使用すればよい。本例の冷却装置１３０では、熱シールド用の第２のコールドエンド１３２が設けられているため、低温用の第１のコールドエンド１３１の熱負荷の低減が可能となる。そのため、第１のコールドエンド１３１をより低温化することができる。なお、本例では冷凍機の低温側ステージは、２０Ｋで２Ｗ程度の冷凍能力を有していればよい。
【００６６】
本例の冷却装置１３０によると、チップ１１７の温度を２０Ｋ程度の極低温とすることができ、荷電粒子線のエネルギー幅低減と高輝度化が可能になる。
【００６７】
本例の荷電粒子放出銃では、支持構造体１０７に設けたチップ１１７の移動機構によって、チップユニット１０１の中心軸線、即ち、チップ１１７の中心軸線を真空容器１０の中心軸線１０Ｃに整合させることができる。従って、極低温でも、クリーニング用照射光を引出し電極１１９の金属電極によって反射させ、チップ１１７の先端を照射することが可能である。尚、図３に示した冷却装置１３０を、図１の荷電粒子放出銃に用いてもよい。
【００６８】
図４を参照し、チップの汚染と清浄化について説明する。図４はチップ１１７の先端部分を拡大して示す。チップのシャンク１１７Ａは、本来、円柱状であるが、電解研磨法にてエッチングすることにより、針状の先端部１１７Ｃが形成される。本例では、チップの先端部１１７Ｃの終端１１７Ｂは単原子からなる。終端１１７Ｂの原子配列については後に説明する。
【００６９】
真空容器１０の真空雰囲気中には残留ガス分子４５１が不可避的に存在する。真空容器１０の超高真空雰囲気中における、主な除去対象のガス分子は、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）である。長時間のうちに、残留ガス分子４５１の幾つかは、真空中を運動しているうちに所定の確率にてチップに吸着される。本例では、チップは極低温に冷却されているため、吸着ガスは容易にチップにトラップされる。こうして、チップのシャンク１１７Ａ、先端部１１７Ｃ、及び、終端１１７Ｂには、それぞれ、吸着分子４５２、４５３、４５４が付着する。チップのシャンク１１７Ａに吸着した吸着分子４５２の一部も、吸着後に何らかの刺激をうけて、先端部１１７Ｃに移動する。こうしてチップが吸着分子４５２、４５３、４５４によって汚染されると、放出電流のノイズ増加や電流量の経時的減少を引き起こす。そこで、チップの吸着分子４５２、４５３、４５４を除去する必要がある。
【００７０】
本発明によると、チップのシャンク１１７Ａ及び先端部１１７Ｃには、クリーニング用照射光装置１７０からクリーニング用の照射光８６２を照射する。照射光８６２として、所定の波長領域の紫外光又は赤外光が用いられる。チップには、背後からの照射光８６２と引出し電極１１８、１１９を反射した反射光８６３が照射される。
【００７１】
チップのシャンク１１７Ａ及び先端部１１７Ｃの吸着分子４５２、４５３、４５４は、照射光８６２又は反射光８６３を吸収すると、チップ構成原子との結合が切れる。こうして、吸着分子４５３は、光刺激脱離により、脱離分子４５６となる。
【００７２】
脱離分子４５６は速やかに除去する必要がある。脱離分子が存在すると、真空容器内の超高真空度を維持することが困難となる。また、真空容器内を再度、超高真空に戻すのに時間がかかる。更に、脱離したガス分子は、真空中を浮遊する間に、再度チップに吸着する可能性がある。
【００７３】
本発明によると、脱離分子４５６を極低温にあるチップ周辺部材にクライオポンプと同様の作用でトラップさせるか、又は、脱離分子４５６を真空ポンプ１８０によって排気する。更に、本発明によると、吸着分子４５２、４５４を脱離させ、照射光８６２又は反射光８６３によってイオン化してもよい。イオン４５７、４５８は、イオンコレクタ１１６によって吸収することによって、除去される。尚、脱離分子のイオン化は、共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ：Resonance Enhanced Multi Photon Ionization）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ：Non-resonant Multi Photon Ionization）によってなされてよい。これについては、後に説明する。イオンコレクタ１１６の機能は、図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。
【００７４】
次に、チップのクリーニング用照射光の光源について説明する。吸着分子の光刺激脱離には、所定の波長及び強度の赤外光を用いることができる。赤外光用の光源として、赤外線ランプ又は赤外線レーザー光源を用いることができる。例えば、ＭＷ/ｃｍ２級のピーク出力を有し、波長１μｍ以上の赤外光を生成する赤外線レーザー光源を用いてよい。赤外光を照射することにより、チップに吸着した分子内の振動、又は、チップ表面と吸着分子の結合に係る振動を励起することができる。赤外光は、紫外光より長波長であるため、光学系材料が大きな制約を受けることはない。そのため、Ｈ２、ＣＯの脱離、及び、解離に好適な波長と光強度を選択することが可能である。
【００７５】
吸着分子の光刺激脱離には、所定の波長及び強度の紫外光を用いることができる。紫外光用の光源として、市販の真空紫外光ランプが最も簡便かつ安価に利用可能である。真空紫外光ランプとして、重水素ランプが用いられてよい。重水素ランプは、波長１２０〜１６０ｎｍの強い紫外光を生成し、簡単に数１０μＷ／ｃｍ２〜数ｍＷ／ｃｍ２の強度が得られる。従って、重水素ランプによってチップを連続的に照射することにより、チップからＨ２、ＣＯを脱離させることができる。しかしながら、真空紫外光ランプは、照射光の指向性に乏しい。そのため、チップの先端に照射される光強度の低下が予想され、比較的長時間の光照射が必要となる。そこで、紫外光用の光源として、レーザー光源を使用することは好ましい。
【００７６】
Ｈ２とＣＯはＡｒＦレーザーで光刺激脱離可能である。例えば、数１０μＪ／ｃｍ２の波長１９３ｎｍ（６．４ｅＶ）のＡｒＦエキシマレーザによってＨ２の光刺激脱離が可能であること、数ｍＪ／ｃｍ２オーダーの６．４ｅＶ以下のエネルギーのＡｒＦエキシマレーザでもＣＯの脱離が可能なことが知られている。従って、２００ｎｍ程度の紫外光でも十分に光刺激脱離が可能である。例えば、ＡｒＦレーザー（１９３ｎｍ）、ＫｒＦレーザー（２４８ｎｍ）を用いることができる。こうして、光刺激脱離した分子は、上述のように、真空ポンプによって排気するか、又は、冷却した部材によってトラップすることにより除去することができる。
【００７７】
脱離分子のイオン化に紫外線レーザー光源を使用することができる。Ｈ２及びＣＯのイオン化エネルギーはそれぞれ、１５．４ｅＶ、１４．０ｅＶ程度であることが知られている。これらを一光子過程で直接イオン化するにはイオン化エネルギーに相当する波長８０．５ｎｍ、８８．６ｎｍの真空紫外光が必要となる。しかしながら、このような短波長の紫外線光源は、例えば、光学系に特殊な材質を要求する等の理由から、一般的な方法で入手することは困難である。
【００７８】
そこで、本発明によると、脱離分子のイオン化は、共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ：Resonance Enhanced Multi Photon Ionization）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ：Non-resonant Multi Photon Ionization）によってなされる。共鳴多光子イオン化法は真空中の希薄気体を高効率かつ選択的にイオン化する方法である。本例では、ガス種に応じた共鳴吸収波長を有する紫外光を照射することにより、脱離分子を選択的にイオン化する。非共鳴多光子吸収イオン化法は、非共鳴吸収波長を有する紫外光を照射することにより、多種の脱離分子を非選択的にイオン化する。
【００７９】
光刺激脱離によるクリーニングに加えて、脱離分子をイオン化してより積極的なクリーニングを行う場合には、クリーニング用照射光の光源として、吸着分子の光刺激脱離を行うための照射光を生成する光源と脱離分子のイオン化を行うための照射光を生成する光源が必要である。クリーニング用照射光の光源は、異なる波長の光を発振する複数のレーザー光源を切り替えて用いるように構成してもよいが、ランプ光源と少なくとも一つ以上のレーザー光源とを切り替えて用いてもよい。
【００８０】
クリーニング用照射光の光源として、複数の波長のレーザー光を切換えるか、又は、波長をスキャンすることにより、波長に応じた吸着ガスの除去が可能である。従って、吸着分子を光刺激脱離させるばかりでなく、共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ）によって、脱離分子をイオン化することができる。
【００８１】
例えば、色素レーザー（波長３８０〜１０００ｎｍ）、Ｔｉ：サファイアレーザー（６７０〜１１３０ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（１０６４ｎｍ）等の波長可変型レーザーを用いて吸着分子の光刺激脱離と脱離分子のイオン化を行うことができる。これらのレーザー光源では、赤外波長を用いてＨ２及びＣＯの光刺激脱離を行い、紫外波長を用いてＨ２及びＣＯのイオン化を行う。紫外波長を生成する場合には、非線形光学結晶を用いた非線形光学現象を利用してよい。
【００８２】
例えば、２波長を相互に切換え、又は、波長のスキャンを行うことにより、Ｈ２とＣＯをイオン化することが可能である。また、波長可変型レーザーの高調波を用いて、それぞれの共鳴吸収波長である２０１ｎｍ近傍、２３０ｎｍ近傍の紫外光で３光子吸収過程の共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）を行ってよい。
【００８３】
レーザー光源からのレーザー光は指向性を有するから、引出し電極１１８での反射光の強度を最大限に使用することができる。更に、吸着ガス分子の種類に応じて効率的に光刺激脱離や吸着ガス分子とチップ表面間の振動の励起を行うことができる。
【００８４】
荷電粒子放出銃をガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）として用いる場合には、原料ガスとして０．０１〜０．１Ｐａ程度の希ガスをチップ付近に導入する。１０−５Ｐａオーダーの希ガスのイオン化は１０１４Ｗ／ｃｍ２オーダーのレーザー光強度で起こることが知られている。イオンの発生数は分子密度に比例する。従って、０．１Ｐａ程度の原料ガスを導入する場合には、１０１０Ｗ／ｃｍ２程度の強度の紫外線によってイオンが発生する可能性がある。よってチップ先端の領域以外の気相でのイオン化を避ける必要がある。そのためには、高強度の紫外光を使用することは避けることが好ましい。更に、高強度の紫外光を使用する場合には、光の導入経路のソラリゼーション及び光が照射される部材のアブレーションが問題となる。アブレーションやソラリゼーションが起きると、経時的な照射強度の減少、引出し電極での反射率の減少、飛散した金属によるチップの汚染、電気絶縁性の低下などの問題が生じる。
【００８５】
この問題を解決するために、フェムト秒オーダー（数１００フェムト秒以下をいう）の超短パルス幅のレーザー光を用いればよい。フェムト秒オーダーの超短パルス幅のレーザー光を駆動する技術は、Ｑスイッチに代表されるように、近年一般的に利用可能な技術となっている。これは、小さなレーザー出力を短時間に集約して高強度（光子密度の高い）のレーザー光を得る技術である。例えば、フェムト秒のパルス幅を有し、１００ｍＪ／ｃｍ２以下のレーザー光を用いると、アブレーションを無視することができる。
【００８６】
一般的に入手可能な１ｍＪ／ｃｍ２の出力で１００ｆｓといった超短パルスでレーザー光源を用いれば、大きなピーク強度１０１０Ｗ／ｃｍ２、３０μＪ／ｐｕｌｓｅ程度の光強度は簡単に得られる。従って、吸着ガス分子の脱離や共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ）によるイオン化が可能である。
【００８７】
また、従来、ナノ秒オーダーで実施されていた共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）を同程度の光強度で、フェムト秒オーダーで行うため、より短い励起寿命準位での多光子吸収も起こり、イオン化効率は向上すると考えられる。この光強度では、アブレーションは起こらず、チップや部材が損傷することはなく、希ガス中での不要なイオン化も生じない。
【００８８】
ここでは、荷電粒子放出銃をイオン銃として用いる場合を説明したが、これらの手法は、荷電粒子放出銃を電子銃として用いる場合にも適用可能である。
【００８９】
また、レーザー光の波長や出力を調整すれば、Ｈ２とＣＯ以外の残留ガスを光刺激脱離およびイオン化することも可能であり、適用する荷電粒子放出銃の形態やコストパフォーマンスを勘案して、ランプ光源やレーザー光源を選択すればよい。
【００９０】
本発明によると、紫外線又は赤外線よって、不要な吸着分子を非熱的に且つチップの母材に対してダメージを与えることなく除去することができる。そのため、高輝度でコヒーレントな荷電粒子放出源を得ることができる。
【００９１】
図５Ａは、チップの先端部の終端をチップの中心軸線方向から観察したときの原子配列を模式的に示す図である。図５Ｂは、チップの先端部の終端をチップの側面から観察したときの原子配列を模式的に示す図である。これらの図では、原子配列が判るように、原子を模式的に丸で示している。また、原子層ごとにハッチングを施してある。図示のように、チップの先端部の終端は、３角錐状のナノピラミッド構造を有し、ピラミッドの頂点は単原子５４０からなる。従って、本例のチップは、真の意味での点光源が構成される。このような単原子光源により、通常の荷電粒子放出源よりも高輝度化が可能である。
【００９２】
通常の荷電粒子放出源のチップの終端は、２点鎖線の曲線５４１にて示すように、頂点の単原子５４０から４〜５層目の原子配列面によって構成される。即ち、通常のチップの終端は、ナノピラミッド構造のうち、頂点部分を除いた原子配列によって構成され、その曲率半径は、数１００〜１０００Å程度である。
【００９３】
ナノピラミッド構造のチップは、先端が単原子から数原子からなる突起形状を備え、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の探針の微細化や電子源の輝度向上の手法としても古くから研究されている。チップは、金属製針によって構成される。チップの母材として、高融点金属であるタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、炭素（Ｃ）が使用される。特に、電子源の場合には、チップの母材として、カーボンナノチューブやダイヤモンドが使用されることができる。これらの金属元素は、高温において、瞬間的な加熱による不純物除去や強電界の形成に対して安定である。
【００９４】
更に、チップの先端部は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びオスミウム（Ｏｓ）のいずれかによってコーティングしてよい。これらの貴金属は、酸化防止、ナノピラミッドの形成材料としても使用される。特にＨ２は、極低温で貴金属上に物理吸着することが知られている。そのため貴金属を用いると、Ｈ２の光刺激脱離が容易となる利点もある。
【００９５】
本発明の、荷電粒子放出銃では、好ましくは、タングステンのみからなるナノピラミッド構造のチップを用いる。タングステンのみからなるナノピラミッド構造を有するチップの製造方法は既知である。
【００９６】
図５Ｃを参照して、単原子光源を、冷陰極電界放出電子源として使用する場合を説明する。この場合には、最も電界が強い頂点の単原子５４０からのみトンネル電子５４２が放出される。そのため、指向性が高く且つエネルギーの揃った高輝度の電子線を放出することができる。
【００９７】
図５Ｄを参照して、単原子光源を、ガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）として使用する場合を説明する。この場合には、原料ガス５４３が極低温のチップの表面と衝突し、エネルギーを失いながら、ホッピングし、最も電界が強い頂点の単原子５４０にて電界電離イオン化する。原料ガスのイオン５４４が頂点の単原子５４０から引出される。こうして、高輝度な荷電粒子線を放出することができる。
【００９８】
図６Ａ、図６Ｂ、及び、図６Ｃを参照して、ナノピラミッド構造の頂点付近に吸着分子が付着した場合を説明する。図６Ａに示すように、ナノピラミッド構造を有する荷電粒子放出源の場合、ナノピラミッド構造の頂点に異種の吸着分子６４６が配置されることがある。この場合には、荷電粒子放出が不安定になる。特にガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）では、ナノピラミッド構造を構成する原子６４５と吸着分子６４６間での電子の移動や、吸着分子６４６の分極によって下地との結合が弱くなる。
【００９９】
そこで図６Ｂに示すように、吸着の影響により、電界蒸発電圧が低下し、ナノピラミッドの先端が破壊される。ナノピラミッド構成原子６４７を残して、原子団６４８の電界蒸発が起こり、ナノピラミッドが破壊されることもある。
【０１００】
ナノピラミッド構造は、チップ表面にある母材の原子を移動させるか、又は、蒸着やメッキによってコーティングされた異種原子を移動させることにより形成される。従って、図６Ｃに示すように、チップの先端部を構成する原子６４９上に吸着分子６５０が存在すると、頂点を構成するための原子の移動（マイグレーション）が阻止又は妨害される。そのため、単原子からなる頂点を形成することができない。
【０１０１】
図７Ａを参照して、本発明による荷電粒子放出銃を電子銃として使用する場合に、チップ１１７、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８に印加する高電圧と散乱電子について説明する。チップ１１７には高電圧電源３１３が接続され、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８には、高電圧電源３１１、３１２が、それぞれ接続されている。図１を参照して説明したように、これらの高電圧電源３１１、３１２、３１３は、制御電源ユニット３０３によって構成される。
【０１０２】
電子銃の場合には、引出し電極１１８の電位はチップ１１７の電位より高い（正の）電位に設定される。チップ１１７からの電子ビームは、引出し電極１１８によって引き出され、引出し電極１１８の孔１１８Ａを通って、光学系真空容器１１に導かれる。
【０１０３】
例えば、紫外光の波長１２０ｎｍとすると、その光子エネルギーは１０．３ｅＶであり、通常の金属のイオン化エネルギー（約７ｅＶ）よりも大きな値となる。従って、紫外光により光電子が発生する。引出し電極１１８に、イオン化エネルギー（約６ｅＶ）の小さいアルミニウムをコーティングした場合には、波長２００ｎｍの紫外光でも光電子の放出が起きる。更に、ＲＥＭＰＩ法によってもイオンが発生する。
【０１０４】
図示のように、光ファイバ１７１からの紫外光８６５が経路上の部材を照射することにより、光電子７０１（図中の−に丸）が励起される可能性がある。この光電子７０１はチップよりも正の電位にある引出し電極１１８の方向に加速される。光電子７０１は、光刺激脱離した分子と衝突して、イオン化させる。それによって、脱離分子のイオン７１１（図中の＋に丸）が生成される。ただし、イオン７１１は共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ）によっても生じる。
【０１０５】
イオン７１１は、イオンコレクタ１１６が無ければ、負の電位を有するチップ１１７に引っ張られる。その結果、チップ１１７と衝突し、チップ１１７の先端を破壊する。特にナノピラミッド構造の破壊は致命的である。電子銃の場合には、イオン７１１を、イオンコレクタ１１６によって捕獲する。そのために、イオンコレクタ１１６の電位は、チップ１１７の電位より低い電位に設定する。即ち、引出し電極の電位＞チップの電位＞イオンコレクタの電位、となる。
【０１０６】
さらに、チップ碍子１１５とイオンコレクタ１１６の間で発生した光電子７０１は、イオンコレクタ１１６の電界によって、チップ１１７又はヘアピンフィラメント１２１方向に押し返されて吸収される。従って、イオンコレクタ１１６にチップ１１７の電位より低い電位を印加すると、イオン７１１の生成に寄与する光電子７０１を低減させることができる。
【０１０７】
光電子７０１の中には、引出し電極１１８の孔１１８Ａを抜けて、プローブとして使用する電子ビーム以外の電子、即ち、散乱電子となるものもある。散乱電子７０２が、真空容器１０の孔１０Ｄを経由して光学系真空容器１１に入り、試料に照射されると、試料から得る情報信号、及び、画像にノイズが生成される。しかしながら、バルブ１５１を閉じれば、散乱電子７０２が光学系真空容器１１又は試料に影響を与えることはない。試料がレジストのように紫外線に対して感光性を有する場合には、同様に、バルブ１５１を閉じればよい。それによって、紫外線が試料に照射されることが回避される。
【０１０８】
試料２０５が紫外光８６５に対して感度がない（ダメージがない）場合には、バルブ１５１を閉じなくてもよい。この場合には、絞り板２０２によって散乱電子７０２を低減させる。更に、ビームブランカ２０３を動作させることにより、散乱電子７０２を偏向させ、試料２０５への散乱電子７０２の照射を防止することができる。
【０１０９】
こうして、本発明によると、基本的には、電子銃の運転中でも光照射によるチップの清浄化が可能である。しかしながら、電子銃の運転中に常時、チップの清浄化を行うと、バルブ１５１の開閉、ビームブランカ２０３の作動等も常時行う必要があり、好ましくない。そこで、チップの清浄化を所定の周期にて定期的に行うとよい。
【０１１０】
真空中での吸着量の指標とされるラングミュア量（１ラングミュアは１．３３×１０−４Ｐａの真空中で、１秒間に残留ガスが表面に単原子層吸着する量）によると、１×１０−８Ｐａの真空中では、単原子層の吸着が起こるのに３．７時間を要する。従って、チップの清浄化を実行する周期を、３．７時間より短い時間とすればよい。例えば、チップの清浄化作業の周期を３時間として設定してよい。チップのクリーニングの周期は、短くても数時間に１度の頻度でよい。
【０１１１】
一般的に超短パルスのレーザー発振は１０Ｈｚ以上の繰返し照射が可能である。数十回の照射が必要であったとしても、チップの清浄化に要する時間は数秒にすぎない。従って、１回のチップの清浄化作業に必要な時間は、数秒程度である。従って、チップの清浄化作業では、電子銃の高電圧のみを一時的に停止してもよい。それによって、光電子及び散乱電子の発生を最小限に抑えることができる。尚、この場合において、バルブ１５１を閉じて、上述のように、試料２０５への散乱電子の照射及び紫外線の照射を回避してもよい。
【０１１２】
チップのクリーニングを行う場合には、荷電粒子放出銃に印加する高電圧をＯＦＦして、更に、バルブ１５１を閉じた状態で実行しても装置の稼働時間を大きく妨げない。
【０１１３】
クリーニングの周期、紫外光の照射時間及びパルス幅、高電圧のＯＮ／ＯＦＦ制御、等は、制御コンピュータ３０１によって制御される。これらのクリーニングのパラメータ及びスケジュールは、制御コンピュータ３０１に保存され、実行される。
【０１１４】
高電圧をＯＦＦして再度ＯＮすると、電源の出力安定化に時間を要する場合がある。このような場合には、高電圧電源の電圧をＯＮしたまま清浄化を実行して、速やかにイオンを除去する必要がある。
【０１１５】
そこで、制御コンピュータ３０１に登録された電圧を高電圧電源３１１〜３１３に印加すればよい。ただしこの方式の適用は、金属部材のイオン化エネルギー（約７ｅＶ以上）よりも大きな光子エネルギーをもつ短波長の紫外光を含むランプ光源を使用した場合や、波長２００ｎｍの紫外光でも光電子放出が可能なイオン化エネルギーの小さいアルミニウム（約６ｅＶ）を引出し電極１１８にコーティングした場合、およびＲＥＭＰＩ法によるイオンが発生する場合に適用される。
【０１１６】
図７Ｂを参照して、本発明による荷電粒子放出銃をガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）のようにイオン銃として使用する場合に、チップ１１７、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８に印加する高電圧と散乱イオンについて説明する。チップ１１７には高電圧電源３２３が接続され、イオンコレクタ１１６及び引出し電極１１８には、高電圧電源３２１、３２２が、それぞれ接続されている。イオン銃の場合には、チップ１１７の電位は引出し電極１１８の電位より高い（正の）電位に設定される。即ち、チップの電位＞イオンコレクタの電位＞引出し電極の電位、である。
【０１１７】
チップ１１７の先端部に発生した強電界によって、原料ガスはイオン化する。この原料ガスのイオンは、引出し電極１１８によって引き出され、引出し電極１１８の孔１１８Ａを通って、光学系真空容器１１に導かれる。
【０１１８】
電子銃の場合と同様に、光ファイバ１７１からの紫外光８６５が経路上の部材を照射することにより、光電子７０１（図中の−に丸）が励起される可能性がある。イオン銃では、光電子７０１の加速方向はチップ１１７の方向である。光電子７０１は、光刺激脱離した吸着分子と衝突して、イオン化させる。それによって、脱離分子のイオン７１１（図中の＋に丸）が生成される。ただし、イオン７１１は、光共鳴多光子イオン化（ＲＥＭＰＩ）又は非共鳴多光子吸収イオン化（ＮＲＭＰＩ）によっても生じる。また、このイオン７１１には、原料ガスと光電子７０１の衝突によって生じたものも含まれる。
【０１１９】
イオン銃では、脱離分子のイオン７１１（図中の＋に丸）がチップ１１７に引き付けられることはない。従って、脱離分子のイオン７１１がチップ１１７に衝突し、それを破壊することはない。イオン銃では、イオンコレクタ１１６は、チップ１１７より低い電位に設定されている。脱離分子のイオン７１１は、最も電位の低い引出し電極１１８又は二番目に電位の低いイオンコレクタ１１６に引寄せられて捕獲される。
【０１２０】
電子銃の場合と同様に、チップ碍子１１５とイオンコレクタ１１６の間で発生した光電子７０１は、イオンコレクタ１１６の電界によって、チップ１１７又はヘアピンフィラメント１２１方向に押し返されて吸収される。従って、イオンコレクタ１１６にチップ１１７の電位より低い電位を印加すると、イオン７１１の生成に寄与する光電子７０１を低減させることができる。また、引出し電極１１８で発生した光電子が、イオンコレクタ１１６に衝突することにより、二次電子７０３が発生する。この二次電子７０３はチップ１１７又はイオンコレクタ１１６自身に吸収されて消滅することになる。
【０１２１】
イオン７１１の中には、引出し電極１１８の孔１１８Ａを抜けて、散乱イオン７１２となるものもある。しかしながら、電子銃の場合と同様に、バルブ１５１を閉じれば、散乱イオン７１２が光学系真空容器１１又は試料に影響を与えることはない。試料が紫外線に対して感光性を有する場合には、同様に、バルブ１５１を閉じればよい。それによって、紫外線が試料に照射されることが回避される。
【０１２２】
試料２０５が紫外光８６５に対して感度がない（ダメージがない）場合には、バルブ１５１を閉じなくてもよい。この場合には、絞り板２０２によって散乱イオン７１２を低減させる。更に、ビームブランカ２０３を動作させることにより、散乱イオン７１２を偏向させ、試料２０５への散乱イオン７１２の照射を防止することができる。
【０１２３】
ガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）では、原料ガスを流しながら微少量の排気を行う方法か、又は、チップの周辺領域に原料ガスを封入して排気しない方法が用いられる。従って、イオンの発生量は、電子銃の場合よりも比較的多いと考えられる。そのため、ガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）では、チップの清浄化において、光刺激脱離処理ばかりでなく、イオン化処理を用いることが特に有効である。
【０１２４】
原料ガスのイオン化については既に説明した。原料ガスに含まれる不純物ガスのイオン化を考察する。原料ガスに含まれる不純物ガスは、希ガスの場合よりも小さい電界強度でイオン化する。従って、チップの周囲に高強度の電界が発生している場合には、不純物ガスがチップに吸着することはできない。例えば、希ガスとしてヘリウムを想定し、不純物ガスとして水素を想定する。ヘリウムの電界電離強度は４．４Ｖ／Å程度、水素の電界電離強度は２．２Ｖ／Å程度であり、２倍の開きがある。従って、水素がチップに吸着することはない。
【０１２５】
しかしながら、イオン電流を減少させるために、チップの周囲の電界強度を小さくすると、チップの先端近傍にて、不純物ガスの吸着が起きる可能性が高くなる。更に、イオン銃を停止した場合には、不純物ガスの吸着が起こり、イオンビームの放出位置の変化や安定性を損なう問題がある。そこで本発明によると、イオン銃の運転を停止させることなく、チップの清浄化作業を行う。
【０１２６】
しかしながら、イオン銃の運転中に常時、チップの清浄化を行うのは好ましくない。それについては電子銃の場合と同様である。従って、電子銃の場合と同様に、所定の周期にて、チップの清浄化を行う。
【０１２７】
チップの清浄化を行う場合には、イオンコレクタのみに負の電圧を印加して、チップ及び引出し電極は接地電位とするか、又は、イオンコレクタに印加する電圧よりも相対的に正の電圧を印加してよい。イオン銃として動作していない状態から動作状態とする直前に、毎回、レーザー光又はランプ光を任意の繰返し周波数で照射してもよい。
【０１２８】
図８を参照して、本例のクリーニング用照射光装置１７０と光ファイバ１７１について説明する。レーザー光源によって高強度のレーザー光を生成する場合には、光の導入経路のソラリゼーション及び光が照射される部材のアブレーションが問題となる。アブレーションやソラリゼーションが起きると、経時的に照射強度の減少、引出し電極での反射率の減少や飛散した金属によるチップの汚染や電気絶縁性の低下などの問題が生じる。そこで本例のクリーニング用照射光装置１７０と光ファイバ１７１は、ソラリゼーションの発生を防止するように構成されている。
【０１２９】
本例のクリーニング用照射光装置１７０は、密閉室１７０Ｂと、その内部に配置されたレーザー光源１７０Ａを有する。密閉室１７０Ｂには、紫外光の減衰を防止するために、乾燥窒素が封入されている。光ファイバ１７１として、市販の水素やフッ素をドープした石英ガラス製の光ファイバ又は光ファイババンドルを使用してよい。本例では、特に、光ファイバ１７１として、中空光ファイバ１７１を用いる。レーザー光源１７０Ａとして紫外線レーザ光源を用いる場合を説明する。
【０１３０】
図示のように、紫外線レーザー光源１７０Ａからの紫外線レーザー光８６６は、適当なレンズ系（図示せず）によって整形され、石英ガラス製又はフッ化カルシウム製の紫外光入射窓１７２を介して、中空光ファイバ１７１の端部に導かれる。紫外光入射窓１７２は、中空光ファイバ１７１の端部をフッ化カルシウムによって気密封止したものである。従って、中空光ファイバ１７１の内部の空間１７１Ｂは、クリーニング用照射光装置１７０の内部空間に対して完全に密閉される。
【０１３１】
一方、真空容器１０の天井壁に設けられた支持構造体１０７の孔には、真空フランジ１７３が設けられている。中空光ファイバ１７１と真空フランジ１７３は気密性を持たせて一体化しており、真空フランジ１７３はコンフラットフランジ等のガスケットシールにより真空容器１０に取り付けられる。中空光ファイバ１７１の下端には、光ファイバ出射口１７１Ａが形成されている。光ファイバ出射口１７１Ａは、チップ碍子１１５を介して、真空容器１０内の真空雰囲気中に開口している。従って、中空光ファイバ１７１の内部の空間１７１Ｂは、真空容器１０の内部空間と接続される。即ち、中空光ファイバ１７１の内部の空間は、真空容器１０の内部空間と同様に高真空に保持される。従って、中空光ファイバ１７１を伝播する紫外光の減衰を最小限に抑えることが可能となる。こうして、本例では、ソラリゼーションの発生を防止することができる。
【０１３２】
本発明によると、荷電粒子放出源として用いられるチップを極低温に保持し、非加熱的に、効果的に且つ短時間に清浄化できる。従って、荷電粒子放出銃の停止時間を最短とし、狭エネルギー幅および高輝度で変動やノイズがない、安定した荷電粒子線プローブが利用可能となる。
【０１３３】
更に、本発明によると、高エネルギー分解能で空間的にもプローブサイズが小さい、高分解能な電子顕微鏡、イオン顕微鏡、荷電粒子を用いた描画装置や分光装置といった荷電粒子線装置を提供可能にする。
【０１３４】
更に、極低温にある荷電粒子放出源にクリーニング手段を設けることにより、従来、超高真空以上の良い真空度が必要であった冷陰極電界放出電子源やガス電界電離イオン源を、超高真空よりも悪い真空雰囲気中で使用可能にできる。
【０１３５】
その結果、超高真空の実現に必要な荷電粒子放出銃のベーキングが不要となり、荷電粒子放出銃の内部を大気暴露しても短期間で使用可能な状態にすることができる。そのため、荷電粒子線装置のダウンタイムを最短にすることができる。
【０１３６】
以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。
【符号の説明】
【０１３７】
１０…真空容器、１０Ａ…天井壁、１０Ｂ…孔、１０Ｃ…中心軸線、１０Ｄ…孔、１１…光学系真空容器、１２…試料室真空容器、１００…チップユニット、１００Ａ…荷電粒子線、１０１…チップユニット、１０７…支持構造体、１０７Ａ…フランジ部、１０７Ｂ…円筒部、１０７Ｃ…孔、１０８…チップ移動用ねじ、１０９…シール部材、１１０…ベローズ、１１１…高電圧導入碍子、１１２…電線、１１３…熱絶縁構造、１１４…ホルダー、１１５…チップ碍子、１１５Ａ…孔、１１６…イオンコレクタ、１１６Ａ…孔、１１７…チップ、１１７Ａ…シャンク、１１７Ｂ…終端、１１７Ｃ…先端部、１１８…引出し電極、１１８Ａ…孔、１１８Ｂ…テーパ面、１１９…引出し電極、１１９Ｂ…テーパ面、１２０…電極、１２１…ヘアピンフィラメント、１３０…冷却装置、１３１、１３２…コールドエンド、１３４，１３５，１３６…網線、１４０…ガス導入装置、１４１，１４２…ガス導入パイプ、１４５…熱及び電気絶縁構造体、１５０…バルブ駆動装置、１５１…バルブ、１６０…高電圧導入碍子、１６１…電線、１７０…クリーニング用照射光装置、１７０Ａ…レーザー光源、１７０Ｂ…密閉室、１７１…光ファイバ、１７１Ａ…光ファイバ出射口、１７１Ｂ…空間、１７２…紫外光入射窓、１７３…真空フランジ、１８０，１８１…真空ポンプ、２０１…光学系、２０２…絞り板、２０３…ビームブランカ、２０４…光学系、２０５…試料、２０６…試料ステージ、３０１…制御コンピュータ、３０２…表示装置、３０３…制御電源ユニット、３１１、３１２、３１３…高電圧電源、３２１、３２２、３２３…高電圧電源、４５１…残留ガス分子、４５２、４５３、４５４…吸着分子、４５７、４５８…イオン、４５６…脱離分子、５４０…単原子、５４１…曲線、５４２…トンネル電子、５４４…イオン、６４５…原子、６４６…吸着分子、６４７…ナノピラミッド構成原子、６４８…原子団、６４９…原子、６５０…吸着分子、７０１…光電子、７０２…散乱電子、７０３…二次電子、７１１…イオン、７１２…散乱イオン、８６２…照射光、８６３…反射光、８６５…紫外光、８６６…紫外線レーザー光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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