(57)【要約】【課題】エミッタティップを冷却する必要がないか、または従来より弱い冷却で運用可能とするガス電界電離イオン源を提供する。【解決手段】ガスをイオン化する電界を形成するガス電界電離イオン源１，２は、先端を持つエミッタティップ１１と、エミッタティップ１１に対向し、開離した位置に開口を持つ引出電極１３と、エミッタティップ１１の近傍にガスを供給するガス供給手段３１，４５と、孔１２５を有する金属製の真空隔壁１２と、エミッタティップ１１と引出電極１３との間に電圧を印加する高電圧電源１１１，１１２とを備える。孔１２５は、エミッタティップ１１の先端が通過可能となるよう構成され、真空隔壁１２は、孔１２５の周辺において引出電極１３側に向かって突出する微小突起１２１を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスをイオン化する電界を形成するガス電界電離イオン源であって、
前記ガス電界電離イオン源は、
先端を持つエミッタティップと、
前記エミッタティップに対向し、開離した位置に開口を持つ引出電極と、
前記エミッタティップの近傍にガスを供給するガス供給手段と、
孔を有する金属製の真空隔壁であって、前記孔は、前記エミッタティップの先端が通過可能となるよう構成される、真空隔壁と、
前記エミッタティップと前記引出電極との間に電圧を印加する手段と、
を備え、
前記真空隔壁は、前記孔の周辺において引出電極側に向かって突出する凸構造を有する、ガス電界電離イオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のガス電界電離イオン源において、前記ガス供給手段が、前記エミッタティップと電気的に接続されるか、または前記エミッタティップと同電位となるように構成される、ガス電界電離イオン源。
【請求項３】
請求項１に記載のガス電界電離イオン源において、前記エミッタティップと前記真空隔壁の前記孔との相対的位置関係を調整する調整機構を備える、ガス電界電離イオン源。
【請求項４】
請求項１に記載のガス電界電離イオン源において、
前記凸構造の外形状が円筒の形状であり、
前記凸構造は、軸方向の長さに対する外径の比が１．２２以下である、
ガス電界電離イオン源。
【請求項５】
請求項２に記載のガス電界電離イオン源において、
前記ガス供給手段にさらにガスを供給する、追加段ガス供給手段と、
前記ガス供給手段と前記追加段ガス供給手段とを接続する絶縁配管と、
前記絶縁配管内を真空排気する手段と、
を備える、ガス電界電離イオン源。
【請求項６】
請求項２に記載のガス電界電離イオン源において、
前記エミッタティップと前記引出電極と前記真空隔壁とを内包する真空容器を有し、
前記ガス供給手段が、前記エミッタティップと電気的に接続されるか、または前記エミッタティップと同電位となるように構成され、
前記ガス供給手段は、前記真空容器には内包されない、
ガス電界電離イオン源。
【請求項７】
請求項６に記載のガス電界電離イオン源において、
前記ガス供給手段は金属製のカバーに内包され、
前記カバーは、前記真空容器と電気的に接続されるか、または接地される、
ガス電界電離イオン源。
【請求項８】
請求項３に記載のガス電界電離イオン源において、
前記調整機構は、前記エミッタティップを支持する支持部品を備え、
前記支持部品にはネジ溝が形成されている、
ガス電界電離イオン源。
【請求項９】
請求項８に記載のガス電界電離イオン源において、前記ネジ溝の軸は前記真空隔壁の前記孔を通過する、ガス電界電離イオン源。
【請求項１０】
請求項１に記載のガス電界電離イオン源において、前記凸構造と前記引出電極との距離が１．５ｍｍ以下である、ガス電界電離イオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はガス電界電離イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームを電磁界レンズを通して集束し、これ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荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これを走査電子顕微鏡と呼ぶ。一方、電磁界レンズを通してイオンビームを集束し、走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope、以下、ＳＩＭと略記）と呼ばれる。
【０００３】
また、ＳＩＭに使用するイオン源の一種にガス電界電離イオン源（Gas Field Ionization Source、以下ＧＦＩＳと略記する場合がある）がある。ＧＦＩＳは、好ましくは先端の曲率半径を１００ｎｍ程度以下にした金属製のエミッタティップに高電圧を印加し、先端に電界を集中させ、その付近にガス（イオン化ガス）を導入し、そのガス分子を電界電離し、イオンビームとして引き出すものである。なお、本明細書において、イオン化される前のガスも含めて「イオン化ガス」と称し、これは必ずしも「イオンを含むガス」または「ガスが電離したもの」を意味しない場合がある。
【０００４】
ＧＦＩＳを用いたＳＩＭ（以下ＧＦＩＳ−ＳＩＭと略記）においては、ヘリウムイオンビームやネオンビームを用いた装置が主流である。これは、液体金属のイオン源や、プラズマ現象を用いたイオン源に比べ、ＧＦＩＳから放出されるイオンビームは、エネルギー幅が狭く、光源サイズが小さいため、微細に集束することが可能であるためである。
【０００５】
特許文献１には、原料ガスが充填された容器と、この容器内に配置された針状電極と、容器の外壁に設けられた微小開孔とを備え、容器内を、容器外に比べて高圧とし、原料ガスを容器内から微小開孔を介して容器外へ噴射させる構成とし、前記微小開孔周囲を開孔部電極とし、針状電極と開孔部電極とを同電位とし、針状電極および開孔部電極と、容器の外側に配置された外部電極との電位差により、針状電極の先端部に強電界を印加して原料ガスを電界電離によりイオン化し、このイオンを引き出すようにした構成の例が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、電界電離電極と外部電極との間に電圧を印加して前記電界電離電極の先端部近傍に電界を形成し、イオン源容器の微小開口より噴射される原料ガスを電界電離することによりイオンビームを生成するガスイオン源において、前電界電離電極の先端に近い領域に位置する、イオン源容器の一部の表面、前記外部電極の一部若しくは全部の表面、または同外部電極の全部を二次電子放出抑制材の薄膜で構成する例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−７６４３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−８４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の技術では、十分なイオンビーム輝度を確保するために、エミッタティップを低温に冷却する必要があるという課題があった。
【０００９】
冷却に必要な温度はどのイオンを用いるかによって異なるが、一般に液化温度が低いガス（例えば水素やヘリウムなど）ほど、十分な輝度確保には低い冷却温度が必要である。エミッタティップの冷却には、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒を用いる方法と、ギフォードマクマホン式などの機械式冷凍機を用いる方法とがある。
【００１０】
冷媒を用いる方法では、ランニングコストがかさみ、また、冷媒の補充にかかるユーザーの手間が必要となる。一方、機械式冷凍機を用いる方法では、初期コストがかさむ。また、どちらの方法でも、冷却動作時にエミッタティップが振動するため、走査イオン像の像質が悪化したり、イオンビームを用いた加工の際に精度が悪化したりする。
【００１１】
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、エミッタティップを冷却する必要がないか、またはより弱い冷却で運用可能とする、ガス電界電離イオン源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】
【００１２】
この発明に係るガス電界電離イオン源は、ガスをイオン化する電界を形成するガス電界電離イオン源であって、
前記ガス電界電離イオン源は、
先端を持つエミッタティップと、
前記エミッタティップに対向し、開離した位置に開口を持つ引出電極と、
前記エミッタティップの近傍にガスを供給するガス供給手段と、
孔を有する金属製の真空隔壁であって、前記孔は、前記エミッタティップの先端が通過可能となるよう構成される、真空隔壁と、
前記エミッタティップと前記引出電極との間に電圧を印加する手段と、
を備え、
前記真空隔壁は、前記孔の周辺において引出電極側に向かって突出する凸構造を有する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係るガス電界電離イオン源によれば、エミッタティップを冷却する必要がないか、またはより弱い冷却で運用可能とすることができる。
【００１４】
このため、たとえばＧＦＩＳ−ＳＩＭにおけるガス電界電離イオン源を、冷媒や機械式冷凍機を用いることなく運用できる。これによる効果の一例として、装置の初期導入コストおよびランニングコストを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るガス電界電離イオン源の構成を示す図である。
【図２】図１の真空隔壁の構成を説明する概略断面図である。
【図３】図１の真空隔壁の構成を説明する写真である。
【図４】図１の微小突起に関連する寸法を示す図である。
【図５】図１のエミッタティップを支持するための構成を示す図である。
【図６】本発明の実験例による実験の効果を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係るガス電界電離イオン源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者は、エミッタティップを冷却する手段を使用せずに、ガス電界電離イオン源の輝度を実用レベルに向上する技術を検討した。
【００１７】
一実施例では、エミッタティップと引出電極の間に真空隔壁を設け、その真空隔壁にエミッタティップの先端を引出電極側に突き出す孔を設け、エミッタティップの根本側からイオン化ガスを供給し、引出電極側から該イオン化ガスを真空排気することによってエミッタティップの先端近傍のガス圧を高める。
【００１８】
一実施例では、該孔の引出電極側の周辺を微小に隆起させる凸構造をとることによって、エミッタティップ先端のイオン化ガスをイオン化させるための電界を、大きな電位差（例えば３０ｋＶ以上の電位差）をエミッタティップと引出電極の間にかけることなく、生じることができる。
【００１９】
一実施例では、エミッタティップ側に供給するイオン化ガスのガス圧を、該イオン化ガスの供給手段（例えばガスシリンダー）をエミッタティップと等電位にすることにより、放電の恐れなく高めることができる。
【００２０】
一実施例では、エミッタティップと引出電極との相対位置を調整する機構を設けることにより、エミッタティップ先端近傍に生じる電界と、エミッタティップ周辺に供給されるイオン化ガスの圧力とのバランスを調節できる。
【００２１】
以下、本発明について、実施例により図面を用いて説明する。ただし、以下に記載される実施例以外の構成でも、特許請求の範囲に規定される本願の発明の思想を逸脱しない範囲において、本発明を実施できることはいうまでもない。
【００２２】
実施例１．
本発明の実施例１に係るガス電界電離イオン源について、図１、図２、図３、図４、図５を参照して説明する。
【００２３】
ガス電界電離イオン源１は、エミッタティップ１１（エミッタ電極ともいう）と、引出電極１３と、真空チャンバ１７（真空容器）と、真空排気手段１６と、ガスボンベ３５と、高電圧電源１１１及び高電圧電源１１２と、マイクロチャンネルプレート５とを備え、ガス（イオン化ガス）をイオン化する電界を形成する。
【００２４】
エミッタティップ１１は先端を有する。先端とは、たとえば引出電極１３側の端部をいう。先端は、小さい範囲内に強い電界を生成できる形状に形成されることが好ましく、たとえば針状と形容される形状である。引出電極１３は、引出電極孔１３１（開口）を有する。引出電極孔１３１は、エミッタティップ１１（厳密にはその先端）と開離して、これに対向するよう設けられる。
【００２５】
真空チャンバ１７は、エミッタティップ１１及び引出電極１３を内包する。真空排気手段１６は、真空チャンバ１７に接続される。ガスボンベ３５は、イオン化ガスを、真空チャンバ１７内部に供給する。
【００２６】
高電圧電源１１１は、エミッタティップ１１と接地電位との間に電圧を印加する。このために、高電圧電源１１１とエミッタティップ１１との間に導電部材（図示せず）を配置してもよい。また、高電圧電源１１２は、引出電極１３と接地電位との間に電圧を印加する。このようにして、高電圧電源１１１及び高電圧電源１１２は、エミッタティップ１１と引出電極１３との間に電圧を印加する手段として作用し、これによって、エミッタティップ１１の先端近傍に、ガスをイオン化（たとえば正イオン化）する電界を形成する。
【００２７】
高電圧電源１１１及び高電圧電源１１２は、エミッタティップ１１および引出電極１３の電位を独立に制御可能であるように構成してもよい。これによって、イオンビームの加速、電界形成、および引出の電圧が制御可能となる。ただし、高電圧電源１１１及び高電圧電源１１２は、いずれか一方のみを用い、他方を省略してもよい（その場合には、省略される側は常に接地電位となってもよい）。
【００２８】
ガス電界電離イオン源１は、エミッタティップ１１からイオンビーム１５を放出するために、まずエミッタティップ１１と引出電極１３との間に高電圧を印加する。高電圧の印加により、エミッタティップ１１の先端近傍に強い電界が集中する。この先端近傍に形成される電界の強さが、イオン化ガスのイオン化（たとえば水素ガスの正イオン化）に足る強さとなるようにする。この状態で、ガスボンベ３５を用いて、イオン化ガスを真空チャンバ１７内（とくにエミッタティップ１１の近傍）に導入すれば、エミッタティップ１１の先端からイオンビームが放出される。
【００２９】
イオンビーム１５は観察対象の試料に衝突し、試料から二次電子または二次荷電粒子が放出される。放出された二次電子または二次荷電粒子は、マイクロチャンネルプレート５において検出される。
【００３０】
エミッタティップ１１（またはエミッタティップ１１と電気的に接続される部分）と、引出電極１３（または引出電極１３と電気的に接続される部分）との間に、絶縁碍子１３２を配置してもよい。このようにすると、エミッタティップ１１と引出電極１３との間により高い電圧を印加することができる。
【００３１】
また、エミッタティップ１１（またはエミッタティップ１１と電気的に接続される部分）と、引出電極１３（または引出電極１３と電気的に接続される部分）との間に、可動部材（たとえばベローズ１９）を配置してもよい。このようにすると、エミッタティップ１１と引出電極１３との位置関係を調整することが可能となる。可動部材は、たとえばエミッタティップ１１の先端と引出電極孔１３１との距離を調整することができるように構成される。
【００３２】
さらに、ガス電界電離イオン源１のエミッタティップ１１の近傍に、種々のイオン化ガスが導入可能なように構成されてもよい。たとえば、単一のガスボンベ３５のみならず、他のガスボンベを備えてもよい。また、複数のガスボンベを備える場合には、それぞれが異なる種類のイオン化ガスを供給するものであってもよい。イオン化ガスの種類としては例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、水素等のガスを用いることができる。
【００３３】
イオン化ガスは、ガスボンベ３５から、流量調整手段３７と、絶縁碍子管３８と、弁３３とを介して、ガス供給手段３１にまず供給されるように構成される。ガス供給手段３１は金属製（または導電性）の、気密性のある容器としてもよい。ガス供給手段３１は、ガスシリンダーであってもよい。ガス供給手段３１は、エミッタティップ１１の近傍（とくにエミッタティップ１１の先端近傍）にイオン化ガスを供給する。
【００３４】
ここで、ガスボンベ３５は、ガス供給手段３１にガスを供給する、追加段ガス供給手段であるということができる。絶縁碍子管３８は、絶縁配管として、ガス供給手段３１とガスボンベ３５とを接続する。これによって、ガス供給手段３１とガスボンベ３５とは、間接的に流体連通しつつ、電気的には絶縁されることになる。
【００３５】
なお、ガスボンベ３５からガス供給手段３１にイオン化ガスが供給された後、流路（絶縁碍子管３８を含む）に滞留しているイオン化ガスが排気されてもよい。たとえば、弁３３および流量調整手段３７を閉じた後、弁３６を開け、弁３３と流量調整手段３７との間のイオン化ガスを真空ポンプ３４にて排気してもよい。このようにして、真空ポンプ３４は絶縁碍子管３８内を真空排気する。
【００３６】
このようにして流路が真空排気されることにより、イオン化ガスの放電が抑制される。とくに、絶縁碍子管３８内が真空排気されるので、放電経路を全面的になくすことができる。
【００３７】
ガス供給手段３１は、エミッタティップ１１と同様に、真空チャンバ１７に内包されている。ガス電界電離イオン源１は、エミッタティップ支持部品１１３と、エミッタティップ位置決め部品１１４と、真空隔壁１２と、流量調整手段３２とを備えてもよい。真空隔壁１２は、真空チャンバ１７に内包される。
【００３８】
エミッタティップ支持部品１１３と、エミッタティップ位置決め部品１１４と、真空隔壁１２と、流量調整手段３２と、ガス供給手段３１とは、すべて金属製（または導電性）の部材または材料から構成されてもよく、これらすべてが電気的に接続されてもよい。このようにすると、これらの構成要素すべての電位が、高電圧電源１１１によってエミッタティップ１１に表れる電位と等しい電位になる。すなわち、ガス供給手段３１が、エミッタティップ１１と電気的に接続されるか、または、エミッタティップ１１と同電位となる。
【００３９】
さらに、その場合には、これらの構成要素（たとえばガス供給手段３１）と、真空チャンバ１７との間に絶縁碍子管３８を配置し、電気的に絶縁してもよい。このように構成すると、エミッタティップ１１とガス供給手段３１とが等電位となるため、その間にイオン化ガスが高いガス圧で存在していたとしても、エミッタティップ１１とガス供給手段の間でガス放電が起きる恐れが原理的になくなる。つまり、エミッタティップ１１の周辺に導入されるイオン化ガスの圧力をより高くすることができ、これによって、イオンビーム１５の電流をより大きくすることが可能になる。
【００４０】
また、本実施例のように、流量調整手段３２や弁３３が真空チャンバ１７に内包される構成とする場合には、流量調整手段３２および弁３３を制御するための調整機構を、真空チャンバ１７の外に設けてもよい。たとえば大気側調整機構３３０が設けられ、弁３３（または流量調整手段３２）と、接続機構３３１によって接続される。接続機構３３１は、動力伝達機構であってもよいし、情報伝達手段であってもよい。接続機構３３１が動力伝達機構である場合には、絶縁性の部材で構成することができる。また、接続機構３３１が情報伝達手段である場合には、大気側調整機構３３０から出された指令を、電波等を用いて遠隔で、弁３３（または流量調整手段３２）へ伝えるよう構成することができる。
【００４１】
本実施例では、エミッタティップ１１の近傍にイオン化ガスを高ガス圧で導入することによりイオンビーム１５の電流を増加させる。ここで、一般的に、ガス電界電離イオン源では、ガス圧が高くなるにつれ、イオンビーム１５とガス分子との衝突によるイオンビーム１５の集束性能の劣化が大きくなる場合がある。
【００４２】
イオンビーム１５が散乱される割合は、ガスの圧力の増加に伴って増加する。この割合は、イオンがガス分子に衝突せず空間を直進する距離の平均値（平均自由行程）であらわされる。平均自由行程は、ガス圧が増加すると減少することは明らかである。イオンビーム１５がエミッタティップ１１の先端から目的の試料に到達するまでの距離に比べて、この平均自由行程が短くなると、上記の散乱の影響によりイオンビーム１５の集束が困難になる。つまり、放電の恐れがなくなったとしても、今度は散乱の影響によるイオン化ガス導入の圧力の上限が存在する。
【００４３】
従来のガス電界電離イオン源では、排気を多段に構成する差動排気を用いてイオンビームの行路の真空を高めることにより、上記の散乱の影響を軽減する構成としたものがある。具体的には、エミッタティップと引出電極とを含む気密性の高い容器で密閉し、その容器内にイオン化ガスを導入し、引出電極孔のみからイオン化ガスを真空排気することによりエミッタティップ周辺のみイオン化ガス圧が高まるように構成し、上記の散乱の問題の影響を軽減しようとするものである。
【００４４】
本実施例でも、このような差動排気を採用することができる。差動排気は、たとえばエミッタティップ１１周辺に真空隔壁１２を設けることにより実現可能である。
【００４５】
図２および図３を用いて、真空隔壁１２の構成を説明する。図２は概略断面図であり、図３は図２の一部を図２と略同一の方向から見た写真である。真空隔壁１２は金属製（または導電性）である。真空隔壁１２は、真空を厳密に維持する気密隔壁ではなく、イオン化ガスを定常流量で供給した場合に気圧差を定常的に維持することができる程度の孔１２５を有する。孔１２５は、エミッタティップ１１の先端（または先端を含む特定の長さ部分）が通過可能となるように構成される。図２の例では、孔１２５の内径は、エミッタティップ１１の外径（より厳密には、エミッタティップ１１の先端近傍または先端を含む特定の長さ部分の外径）より大きく、これによってエミッタティップ１１が貫通できるようになっている。
【００４６】
エミッタティップ１１は、真空隔壁１２に対し、根元側が高圧側すなわち流量調整手段３２側となり、先端側が低圧側すなわち引出電極１３側となるように、孔１２５を貫通して配置される。図２の符号１１７で示すように、エミッタティップ１１の先端は、真空隔壁１２の孔１２５から引出電極１３側に突出している。真空隔壁１２により、エミッタティップ１１の先端の圧力を局所的に高めることが可能となる。
【００４７】
ここで、仮に真空隔壁１２を誘電体で形成すれば、先端周辺の電界強度をより高くすることができ、より確実なイオン化が行える可能性があるが、エミッタティップ１１周辺の誘電体が帯電することにより、電界強度が不安定化すると考えられる。一方、本実施例のように真空隔壁１２を金属または導電材料で形成すると、電界が遮蔽されるので、真空隔壁１２の形状によっては、エミッタティップ１１先端付近に十分な電界強度を形成することが困難になる。
【００４８】
そこで、本実施例では、電界の遮蔽による影響を抑制するために、真空隔壁１２に微小突起１２１を設ける。微小突起１２１は、真空隔壁１２の孔１２５の周辺において、引出電極１３側に向かって突出する凸構造の例である。なお、図２に示すように、エミッタティップ１１の先端は、微小突起１２１の先端からさらに引出電極１３側に突出している。
【００４９】
このように、微小突起１２１を介してエミッタティップ１１が真空隔壁１２の孔１２５から引出電極１３側に突出する（符号１１７）ことにより、エミッタティップ１１の先端周辺では電界がそれほど遮蔽されなくなるので、エミッタティップ１１の先端に形成される電界の強度が高まり、イオン化ガスをイオン化するのに十分な電界強度を生成することが容易になる。
【００５０】
微小突起１２１の形状は、イオンビーム１５を放出する方向を軸方向とした円筒状に構成してもよい。また、微小突起１２１は、真空隔壁１２の孔１２５の周辺において、エミッタティップ１１の周囲を取り囲むように形成されてもよい。
【００５１】
図４に、微小突起１２１に関連する寸法を示す。微小突起１２１の寸法は任意に設計可能であるが、たとえば、微小突起１２１の高さ１２２（軸方向の長さ）に対する、微小突起１２１の外径１２３（微小突起１２１の外形状が円筒の形状である場合には、直径）の比（すなわち外径１２３／高さ１２２の値）が、１．２２以下になるように構成することができる。このような値とすると、イオン化ガスの圧力と電界強度とのバランスがよりよく実現される。
【００５２】
具体的な形状の寸法値の範囲としては、微小突起１２１の高さ１２２を０．５ｍｍ以上とすることができ、微小突起１２１の外径１２３を０．６１ｍｍ以下とすることができる。また、この場合には、微小突起１２１の孔１２５の内径（微小突起１２１の内形状が円筒の形状である場合には、直径）は０．２１ｍｍ以下とすることができる。
【００５３】
また、微小突起１２１と引出電極１３との距離１２４は、たとえば１．５ｍｍ以下とすることができる。この距離１２４を小さくすることにより、エミッタティップ１１周辺の電界強度を高く維持することができる。
【００５４】
図５に、エミッタティップ１１を支持するための構成を示す。本実施例に係るガス電界電離イオン源１は、エミッタティップ１１と真空隔壁１２の孔１２５との相対的位置関係（たとえば軸方向の位置関係）を調整する調整機構を備える。調整機構は、図５の例ではエミッタティップ支持部品１１３およびエミッタティップ位置決め部品１１４を備える。
【００５５】
エミッタティップ支持部品１１３は、エミッタティップ１１を固定して支持する。また、エミッタティップ支持部品１１３は、エミッタティップ位置決め部品１１４により支持される。エミッタティップ位置決め部品１１４は真空隔壁１２に固定され、孔１２５に対する位置関係も固定される。エミッタティップ位置決め部品１１４は、エミッタティップ支持部品１１３との相対的位置関係を調整することにより、エミッタティップ１１と真空隔壁１２の孔１２５との相対的位置関係を自由に調整する機能を備える。
【００５６】
図５の例では、位置関係の調整はネジ機構によって実現される。すなわち、エミッタティップ支持部品１１３の外周にはネジ溝１１５ａが形成され、エミッタティップ位置決め部品１１４の内周にはこれと対応するネジ溝１１５ｂが形成される。エミッタティップ支持部品１１３とエミッタティップ位置決め部品１１４とが、それぞれのネジ溝１１５ａおよび１１５ｂにおいて互いに嵌合しつつ回転移動することにより、エミッタティップ１１が孔１２５に対して軸方向に移動する。
【００５７】
このように構成することで、ネジ溝１１５ａおよびネジ溝１１５ｂに沿ってエミッタティップ支持部品１１３を回転させるだけでエミッタティップ１１と引出電極１３（または引出電極孔１３１の中心）との距離を簡便に調節できる。このような調整機構を用いると、エミッタティップ１１の位置（とくに先端の位置）が調整できるので、イオン化ガスの圧力分布と、エミッタティップ１１の先端の電界との関係をバランスよく実現することができる。また、とくにネジ溝を用いて調整機構を実現することにより、調整機構の構成を比較的簡素なものとすることができる。
【００５８】
ネジ溝１１５ａの回転中心軸１１６が真空隔壁１２の孔１２５を通過するように構成してもよい。また、ネジ溝１１５ａの回転中心軸１１６がエミッタティップ１１の軸と一致するように構成してもよい。このようにすると、エミッタティップ１１の横方向（すなわち軸方向と直交する方向）の位置を事前に固定しておくことができるので、使用時の位置決め動作を比較的容易に実施することができる。
【００５９】
なお、位置関係の調整は他の機構によって実現されてもよい。例えば、エミッタティップ１１の軸と引出電極孔１３１の中心とが整合するようにエミッタティップ１１を上下左右に動かすための機構を備えてもよい。なお、このような調整機構は省略してもよい。
【００６０】
図１に戻り、ガス電界電離イオン源１は、真空チャンバ１７内の真空度を測定するため真空計１８を備えてもよい。測定された真空度に応じ、自動または手動で、たとえば流量調整手段３２を調整することにより、ガス圧を調整することができる。ガス圧を適切に調整することにより、イオンビーム１５がイオン化ガスに散乱される割合を小さくすることができる。たとえば、真空チャンバ１７内において、真空隔壁１２に対して低圧側となる領域のガス圧が、０．１Ｐａより高い真空度（すなわち０．１Ｐａ未満の気圧）となるように調整してもよい。
【００６１】
また、真空計１８をモニタすることにより、間接的にエミッタティップ１１の周辺の真空度を知ることができる。ガス電界電離イオン源１から放出される電流の量は、エミッタティップ１１の周辺のガス圧に比例するため、ガス圧を制御することは非常に需要である。真空計１８によって測定される真空度に応じ、真空チャンバ１７内のガス圧を一定とするようにまたは真空チャンバ１７内のガス圧の変動を抑制するように、流量調整手段３２を調整してもよい。
【００６２】
特にガスの使用量が多い場合には、ガス供給手段３１にためられたガスが時間とともに減少するので、流量調整手段３２のコンダクタンスが一定の場合には、エミッタティップ１１に供給されるイオン化ガスのガス圧が低下することになる。上記のように、真空度に応じて流量調整手段３２を調整することにより、このような現象を防止することができる。
【００６３】
上記のようなガス電界電離イオン源１を構成することで、エミッタティップ１１周辺のイオン化ガスのガス圧を局所的に高める効果が得られる。このため、エミッタティップ１１を冷却せずとも、または従来より弱い冷却で、イオンビーム１５の輝度を十分に確保することができる。
【００６４】
また、イオン化ガスをイオンするに足る電界をエミッタティップ１１の先端に生じさせるために必要な電圧（エミッタティップ１１と引出電極１３との間の電位差）は、十分に実用可能な程度の電位差（例えば３０ｋＶ以下）とすることができる。
【００６５】
さらに、ガス供給手段３１が、エミッタティップ１１と電気的に接続されるか、またはエミッタティップ１１と同電位となるように構成されるので、ガス圧を高めてもイオン化ガスを介した放電の恐れがない。
【００６６】
さらに、エミッタティップ１１と真空隔壁１２の孔１２５との相対位置を調整する調整機構を有するので、イオン化ガスの圧力分布と、エミッタティップ１１の先端の電界との関係が最適になるように調整することが可能となる。
【００６７】
なお、従来技術において、エミッタティップの先端を原子１個から３個程度に先鋭化することが要求される場合がある。原子レベルの先鋭化のための手法は数多く提案されているが、技術的難易度は高く、また金銭的なコストがかかるという問題がある。また、手法によっては先鋭化のための工程に時間がかかるという問題もある。これに対し、本実施例によれば、十分なイオンビーム輝度を確保することが比較的容易であるので、エミッタティップ１１の先端を原子レベルにまで先鋭化する必要はない。ただし、先鋭化によって性能をより高めることも可能である。
【００６８】
図６に、本発明の実験例による効果を示す。本発明者は、実際に実施例１と同等の構成を備えるガス電界電離イオン源を作成し、実際にイオンビームを生成する実験を行うことにより、実施例１に係るガス電界電離イオン源１の効果を確かめた。
【００６９】
図６（ａ）は、比較例すなわち従来のガス電界電離イオン源によるイオン化の評価結果を示す。従来の構成では、イオンを検出するマイクロチャンネルプレートの検出面５１０によって検出された結果を表す画像が暗く、試料の原子からのイオン放出５１１が少ないことがわかる
【００７０】
図６（ｂ）は、本実験に係るガス電界電離イオン源によるイオン化の評価結果を示す。この構成では、イオンを検出するマイクロチャンネルプレート５（図１）の検出面５２０によって検出された結果を表す画像が明るく、試料の原子からのイオン放出５２１が多いことがわかる。
【００７１】
これら２通りの評価について、マイクロチャンネルプレートの検出条件は同等であり、かつ、真空計により測定された真空度も同等である（したがってイオンビームが通る行路の真空度も同等である）。すなわち、イオンビームが散乱される程度は二つの結果で同程度であると言える。にも関わらず試料からのイオン放出量に差が現れたという結果は、本実験例において、エミッタティップ１１の周辺のみのガス圧を増強することにより、イオンビーム１５の電流量を増加することができたということを示している。マイクロチャンネルプレートの検出明度によると、本実験例に係るイオン電流は、従来のイオン電流と比較して７倍から２０倍にまで増加されている。
【００７２】
以下、実施例１に係るガス電界電離イオン源と、従来のガス電界電離イオン源との比較についてさらに説明する。
特許文献１では、イオンビームの輝度を向上させるために、イオン化ガスが充填される容器の外側に外部電極を配置し、針状電極と容器に設けた微小開孔の周りの開孔部電極とを同電位とし、前記針状電極および開孔部電極と、前記外部電極との電位差により、前記針状電極の先端部に強電界を印加してガスをイオン化している。このイオン化ガスを前記微小開孔から噴出させるようにしたことにより生じる急激な圧力勾配を利用し効率良くガスをイオン化し、かつイオンとガスとの衝突する確率を低く抑えることが可能となるとしている。この構造によって冷却が不要になるなど、簡易な構造で、イオン化を効率よく行うことができるとしている。
【００７３】
しかしながら、特許文献１の手法においては、針状電極と外部電極との間に存在する開口部電極の存在のため針状電極の先端に電界が生じにくく、針状電極と外部電極との間に印加する電圧が非常に大きくなるという問題がある。また開口部電極の外部周辺に生じる圧力勾配は非常に急峻であるため、イオン源輝度を向上させるためのガス導入の条件と針状電極の位置との最適な関係を見出すのは非常に困難である。また容器内部にイオン化ガスをなるべく高い圧力で導入することが必要不可欠であるが、高電圧が印加された容器と、接地電位にあるガス導入源（例えば高圧ガスボンベ）との間の電位差によってイオン化ガスが放電を起こすので、導入ガス圧には上限が存在する。上記の針状電極と外部電極との間の印加電圧が大きいことを鑑みると、問題はさらに困難なものになる。
【００７４】
上記の、針状電極の先端に電界が生じにくいという問題を解決するために、特許文献２では、上記の容器を金属ではなく高誘電体材料とし外部電極との間に電界を生じやすくしている。かつ針状電極近傍の高誘電率材料の表面を二次電子の発生を抑制する素材とすることで針状電極の先端近傍の電界強度の低下や不安定化もたらすことなく長期に亘って継続して高輝度の安定したイオンビームを生成することが可能であるとしている。
【００７５】
しかしながら、特許文献２の手法においては、針状電極の近傍に高誘電率材料があるので、外部から針状電極の電界を制御できない。定常状態においては先端の近傍の電界強度の低下や不安定化は抑えられる可能性があるが、例えば放出するイオンビームの電流などを変更した場合はこの限りではなく、例えばイオンビームの集束性能を維持するために外部電極や電界レンズなどの光学要素に対して再調整が必要になる問題が生じる。また再度定常状態に落ち着くまでの時間が必要となる問題が生じる。また放電による高ガス圧化の上限や、ガス導入と針状電極の位置の条件最適化に関しては、依然問題が残っている。
【００７６】
本発明の実施例１に係るガス電界電離イオン源１によれば、エミッタティップ１１の冷却を不要としながらも、特許文献１および２に関連して上述したような問題を回避することができる。
【００７７】
上述の実施例１において、以下のような変形を施すことができる。
ガス供給手段３１にため込まれるイオン化ガスは、必要に応じてガスフィルターなどを用いてガスの純度を高めてから供給されてもよい。ガスフィルターは、ガス供給手段３１の前段に設けてもよく、ガス供給手段３１の後段に設けてもよく、その両方に備えてもよい。
【００７８】
ガス電界電離イオン源１の真空チャンバ１７内は、流量調整手段３７によるガスの導入がない場合に、たとえば１０−７Ｐａ以下の超高真空に保たれるようにすることができる。真空チャンバ１７内を超高真空に到達させるため、真空チャンバ１７全体を１００度以上に加熱する処理（いわゆるベーキング）を、ガス電界電離イオン源１の立ち上げ作業に含めてもよい。
【００７９】
ガス供給手段３１から真空チャンバ１７内部全体にわたって過度に高いガス圧でガスが導入されると、エミッタティップ１１から放出されたイオンビーム１５の光路上全体にわたってガス圧が高い状態となり、イオンビーム１５の一部が散乱されビームの集束性が悪くなるなどの不具合が生じる。これを適切に抑制するためには、真空チャンバ１７に導入するガス圧を、約０．０１Ｐａ程度とするのが好適である。
【００８０】
また、エミッタティップ１１周辺のイオン化ガスの圧力は、１Ｐａ以上とすることができる。
【００８１】
エミッタティップ１１の先端を先鋭化してもよい。たとえば、原子３個以下、好ましくは１個に終端させるために、エミッタティップ１１の加熱を含む方法を用いてもよい。また同様にエミッタティップ１１の先端を先鋭化するために、エミッタティップ１１を加熱しながら真空チャンバ１７内に例えばＯ２やＮ２などのガスを導入する方法を用いてもよい。また同様にエミッタティップ１１を先鋭化するために、エミッタティップ１１と引出電極１３との間に高電圧を印加しながら、真空チャンバ１７内に例えばＯ２やＮ２などのガスを導入する方法を用いてもよい。また同様にエミッタティップ１１をタングステンを主成分とする針で構成し、その表面に貴金属、例えばイリジウム、パラジウム、プラチナなどを蒸着した後、エミッタティップ１１を加熱する方法を用いてもよい。
【００８２】
なお、本発明は、エミッタティップ１１の冷却を不要とするか、または従来より弱い冷却で運用可能とするものであるが、エミッタティップ１１を従来と同程度に冷却する構成を除外するものではない。イオンビームの応用目的等に応じ、冷却に伴う不利益（コストまたは手間の増加等）を許容できる場合には、エミッタティップ１１を冷却することにより、さらにイオンビーム１５の電流量を増加することが可能になる。
【００８３】
実施例２．
実施例２は、実施例１において、イオン化ガスを供給するための構成を変更するものである。以下、実施例１との相違を説明する。
【００８４】
図７に、実施例２に係るガス電界電離イオン源２の構成を示す。ガス電界電離イオン源２は、実施例１に係るガス供給手段３１およびガスボンベ３５に代えて、ガス供給手段４５を備える。また、ガス電界電離イオン源２は、実施例１に係る流量調整手段３２、弁３３および流量調整手段３７に代えて、流量調整手段４３を備える。ガス供給手段４５は真空チャンバ１７には内包されない。このため、イオン化ガスの供給を実施例１のように二段ではなく単段で行うことができ、構成が比較的簡素となる。
【００８５】
ガス導入管４６が、ガス供給手段４５とエミッタティップ１１の近傍の空間との間を接続する。ガス導入管４６を金属（導電材料）で構成することにより、ガス供給手段４５とエミッタティップ１１を同電位に保ってもよい。
【００８６】
ガス電界電離イオン源２が動作すると、ガス供給手段４５には高電圧が印加されることになるので、安全のために、金属製（導電性）のカバー４２でガス供給手段４５を覆ってもよい。すなわち、ガス供給手段４５はカバー４２に内包されてもよい。なお、ここでいう「内包」とは、その全方向が完全に覆われることを必要としない。図７の例では、ガス供給手段４５の周囲の一部は真空チャンバ１７、絶縁碍子４０または絶縁碍子４１によって覆われ、他の部分がカバー４２によって覆われている。
【００８７】
カバー４２は、真空チャンバ１７と電気的に接続されてもよく、または接地されてもよい。カバー４２の内部は真空（たとえば真空チャンバ１７と同程度の真空）としてもよいし、放電しにくい気体（例えばＰＦ６等）で満たしてもよい。また、図７では明確さのため真空チャンバ１７、絶縁碍子４０および絶縁碍子４１とカバー４２との間に空隙があるように示しているが、これらは実用上十分な程度の気密性をもって接合されてもよい。
【００８８】
イオン化ガスは、ガス供給手段４５から流量調整手段４３を介してエミッタティップ１１の近傍に導入される。流量調整手段４３もエミッタティップ１１と同電位となるので、流量調整手段４３を調整できるようにグランド側調整機構３３２を設けてもよい。グランド側調整機構３３２と流量調整手段４３とは、接続機構３３３によって接続される。
【００８９】
接続機構３３３は、動力伝達機構であってもよいし、情報伝達手段であってもよい。接続機構３３３が動力伝達機構である場合には、絶縁性の部材で構成することができる。また、接続機構３３３が情報伝達手段である場合には、グランド側調整機構３３２から出された指令を、電波等を用いて遠隔で、流量調整手段４３へ伝えるよう構成することができる。
【００９０】
ガス供給手段４５は小型のガスシリンダーで構成してもよい。また、ガス供給手段４５には封止弁４４を設けてもよく、外部から封止弁４４を介して充填用のガスシリンダーを接続できるように構成してもよい。このようにすると、ガス供給手段４５内部のガス圧がイオン源使用により低下した際等に、カバー４２を取り外してガスシリンダーを接続することにより、ガス供給手段４５の内部にイオン化ガスを新たに充填できる。充填後は、充填用のガスシリンダーを切り離して再度カバー４２で覆うことにより、継続的にガス電界電離イオン源２を使用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１，２…ガス電界電離イオン源
５…マイクロチャンネルプレート
１１…エミッタティップ
１２…真空隔壁
１３…引出電極
１５…イオンビーム
１６…真空排気手段
１７…真空チャンバ（真空容器）
１８…真空計
１９…ベローズ
３１…ガス供給手段
３２…流量調整手段
３３…弁
３４…真空ポンプ
３５…ガスボンベ（追加段ガス供給手段）
３６…弁
３７…流量調整手段
３８…絶縁碍子管
４０，４１…絶縁碍子
４２…カバー
４３…流量調整手段
４４…封止弁
４５…ガス供給手段
４６…ガス導入管
１１１，１１２…高電圧電源（電圧を印加する手段）
１１３…エミッタティップ支持部品（調整機構）
１１４…エミッタティップ位置決め部品（調整機構）
１１５ａ，１１５ｂ…ネジ溝
１１６…回転中心軸
１１７…エミッタティップの突出
１２１…微小突起（凸構造）
１２２…微小突起の高さ
１２３…微小突起の外径
１２４…微小突起と引出電極との距離
１２５…真空隔壁の孔
１３１…引出電極孔
１３２…絶縁碍子
３３０…大気側調整機構
３３１，３３３…接続機構
３３２…グランド側調整機構
５１０，５２０…マイクロチャンネルプレートの検出面
５１１，５２１…原子からのイオン放出
【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５】
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【図６】
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【図７】
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