(57)【要約】【課題】加工に十分な大電流が得られ、かつイオンビーム電流が安定するガス電界電離イオン源を有するイオンビーム装置を提供する。【解決手段】真空容器１５と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダ３５と、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップ２１と、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極２４と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材３３とを備えるガス電界電離イオン源を有し、エミッタティップホルダ３５の温度制御器、および冷熱電熱部材３３の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、を備える。ガス供給部は、少なくともアルゴンガスを供給する。また、エミッタティップは、４５Ｋ以下に保たれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材と、を含むガス電界電離イオン源と、
前記エミッタティップホルダの温度制御器、および前記冷熱電熱部材の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、を備え、
前記ガス供給部は、少なくともアルゴンガスを供給し、
前記エミッタティップは、４５Ｋ以下に保たれている、イオンビーム装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ガス供給部は、アルゴンガスとヘリウムガス又は水素ガスを切り替えて供給可能なように構成され、
前記エミッタティップは、４５Ｋ以下に保たれており、２種類のガスを切り替えて供給する、イオンビーム装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記冷熱伝達部材は、３０Ｋ以下に保たれている、イオンビーム装置。
【請求項４】
真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材と、を含むガス電界電離イオン源と、
前記エミッタティップホルダの温度制御器、および前記冷熱電熱部材の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、備え、
前記ガス供給部は、少なくともクリプトンガスを供給し、
前記エミッタティップは、６０Ｋ以下に保たれている、イオンビーム装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記ガス供給部は、クリプトンガスを含む少なくとも２種類のガスを切り替えて供給できるように構成され、
前記エミッタティップは、６０Ｋ以下に保たれており、２種類のガスを切り替えて供給する、イオンビーム装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記冷熱伝達部材は、５０Ｋ以下に保たれている、イオンビーム装置。
【請求項７】
真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材と、を含むガス電界電離イオン源と、
前記エミッタティップホルダの温度制御器、および前記冷熱電熱部材の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、を備え、
前記ガス供給部は、少なくともネオンガスを供給し、
前記冷熱伝達部材は、２５Ｋ以下に保たれている、イオンビーム装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記ガス供給部は、ネオンと水素の混合ガス又はネオンとヘリウムの混合ガスを供給する、イオンビーム装置。
【請求項９】
請求項７において、
前記エミッタティップは、３０から３５Ｋに保たれており、２種類のイオンを切り替えて試料に照射する、イオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線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すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次電子、二次イオン、反射イオンなどを検出しても、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と呼ばれる。
【０００３】
イオンビームは、電子ビームに比べて試料表面の情報に敏感である。これは、二次電子の励起領域が電子ビームに比べて、より試料表面に局在するからである。また、電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、イオンが電子に比べて重いため、回折効果による収差は電子に比べて極めて小さい。特に、輝度の高いガス電界電離イオン源を用いた場合には、電子ビームに比べて、イオンビームは極微細に集束することが可能となる。
【０００４】
ところで、ガス電界電離イオン源は、先端曲率半径を１００ｎｍ程度にした金属エミッタティップにヘリウムなどのガスを供給し、エミッタティップに数ｋＶ以上の高電圧を印加することにより、ガス分子を電界電離し、これをイオンビームとして引き出すものである。本イオン源の特徴は、イオンのエネルギー幅が狭く、さらにイオン発生源のサイズが小さいため、極微細なイオンビームを生成することができることにある。
【０００５】
また、イオンビーム装置は、極微細イオンビームを試料に照射して、試料から放出される二次電子（又はイオン）、反射電子（又はイオン）、透過電子（又はイオン）などを検出する。これにより、試料表面の構造を超高分解能で観察したり、微細化された半導体試料の表面構造の寸法を高精度に計測したり、あるいは、試料に起因する電子（イオン）のエネルギーや放出された角度を調べて試料の元素分析が可能である。また、極微細イオンビームを薄膜化した試料に照射して、試料を透過したイオンを検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。さらにネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、一酸化炭素などをイオンビームとして照射した場合には、スパッタリング現象が顕著になるため、試料の極微細な加工ができる。
【０００６】
特許文献１には、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、荷電粒子線を集束して試料に照射する荷電粒子線光学系と、チップを冷却する冷却機構とを備え、荷電粒子線源は、チップと高電圧端子との間に、大気側からの熱流入を抑制する断熱構造を有する断熱構造部材を備え、断熱構造部材における高電圧端子側の端部からチップ側の端部への伝熱経路が、断熱構造部材における高電圧端子側の端部からチップ側の端部への直線距離よりも長くなっている荷電粒子線装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１６−２７５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高信号／ノイズ比で試料を観察する、あるいは高速で試料を加工するためには、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材料ガス（イオン化ガス）の分子密度を大きくすればよい。エミッタティップに供給されるガスの分子密度は、ガスの温度を下げると増大する。そのため、エミッタティップを極低温に冷却すればよい。また、実用的にはエミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力を、例えば、１×１０-2〜１０Ｐａ程度にする。
【０００９】
エミッタティップ先端にナノピラミッド構造を持つガス電界電離イオン源では、次のような課題がある。一般に、イオン化ガスとして、水素やヘリウムの代わりにネオン、酸素、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの質量の重いイオンを用いれば、スパッタ作用が大きくなるため、試料を加工するのに好適となる。ところが、ヘリウムやネオンでのイオンビーム装置は実用化されているが、それ以外のガス種については、実験的にはイオン放出は確認されているが、必ずしも実用化レベルにはない。特に、アルゴン（沸点８７Ｋ）、クリプトン（沸点１２０Ｋ）、キセノン（沸点１５６Ｋ）などの高沸点ガスをイオン源材料とするイオンビーム加工装置は実用化されていなかった。
【００１０】
先に述べたように、ガス電界電離イオン源では、エミッタティップを冷却する。従来のヘリウムにおいては沸点が４Ｋと低く、エミッタティップをできるだけ低温化することにより電流を大きくすることができた。このためイオン源の冷却機構により可能な限り低温化するように構成した。しかし、このイオン源に、ヘリウムガスの代わりにクリプトンガスを導入しても実用的な動作は困難であった。クリプトンガスは沸点が１２０Ｋであるので、エミッタティップの温度を１２０Ｋ程度に冷却してもエミッタティップから放出されるクリプトンイオン電流は、ヘリウムイオン電流に比べて数分の１から１桁程度に低いため、極微細で電流密度の高いイオンビームは形成できなかった。そこでエミッタティップ温度をさらに低温化すると、イオン電流は増大する傾向にあったが電流が不安定となって実用的な加工に利用するのは困難であった。また、エミッタティップの温度を上昇させた場合に、一気に真空度が劣化して排気機構のターボ分子ポンプが停止してしまうという事故が生じることもあった。
【００１１】
特許文献１には、熱シールドにより各構成部品を取り囲むことにより、室温にある部材からチップ、銅網線、吸熱部品及びチップホルダーなど極低温にある部位へ流入する熱輻射量を低減させることが記載されている。さらに、第２の熱交換器が熱交換器を取り囲む形状となっているので、熱交換器への熱輻射も遮蔽できる。これにより、熱負荷が減少しチップの冷却到達温度をより下げられることも期待でき、伝熱及び輻射を併せても約０．５［Ｗ］程度に抑えることができる旨記載されている。しかし、この特許文献１の構造によってもアルゴン、クリプトン、キセノンなどの高沸点ガスをイオン化ガスとして大電流のイオンビームを安定して得ることはできなかった。
【００１２】
本発明は、高沸点ガス、すなわちアルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、一酸化炭素などのガスを用いて、これらのガス種イオンビームを形成する場合に、加工に十分な大電流が得られ、かつイオンビーム電流が安定するガス電界電離イオン源を提供する。さらには、このガス電界電離イオン源を搭載して、試料の極微細領域を高精度かつ高速に加工できるイオンビーム装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様によるイオンビーム装置は、真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材と、を含むガス電界電離イオン源と、エミッタティップホルダの温度制御器、および冷熱電熱部材の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、を備え、ガス供給部は、少なくともアルゴンガスを供給し、エミッタティップは、４５Ｋ以下に保たれている。
【００１４】
本発明の他の態様によるイオンビーム装置は、真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材と、を含むガス電界電離イオン源と、エミッタティップホルダの温度制御器、および前記冷熱電熱部材の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、を備え、ガス供給部は、少なくともネオンガスを供給し、冷熱伝達部材は、２５Ｋ以下に保たれている。
【００１５】
本発明の他の態様によるイオンビーム装置は、真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材と、を含むガス電界電離イオン源と、エミッタティップホルダの温度制御器、および冷熱電熱部材の温度制御器の少なくとも２個の温度制御器と、備え、ガス供給部は、少なくともクリプトンガスを供給し、エミッタティップは、６０Ｋ以下に保たれている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、ガス電界電離イオン源を搭載して、アルゴン、ネオン、あるいはクリプトンのイオンビームを試料に照射して、試料の極微細領域を高精度かつ高速に加工できるイオンビーム装置が提供される。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】イオンビーム装置の一例の概略構成図。
【図２】ガス電界電離イオン源の拡大図。
【図３】イオンビーム装置の制御系の一例の概略構成図。
【図４】イオンビーム装置のガス電界電離イオン源の一例の概略構成図。
【図５】ガス電界電離イオン源とその冷却機構の実施例を示す模式図。
【図６】ガス電界電離イオン源とその冷却機構の実施例を示す模式図。
【図７】イオンビーム装置の一例の概略構成図。
【図８】イオンビーム装置のガス電界電離イオン源の熱交換器周辺の詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ガス電界電離イオン源では、既に述べたようにエミッタティップを冷却する。発明者らはガス電界電離イオン源を試作してイオン化ガスにクリプトンガスを用いてイオンエミッションさせた。そして、クリプトンのガス圧を３×１０-2Ｐａとし、エミッタティップの温度を変化させてエミッション電流を計測した。その結果、温度１０５Ｋの場合、イオンビーム電流は８ｐＡ、温度９０Ｋの場合、イオンビーム電流は１０ｐＡであった。
【００１９】
しかし、９０Ｋ以下に温度を低下させて実験しようとすると、クリプトンガス圧の大きな低下によりエミッション電流計測が困難になった。ガス流量を２桁程度増大させてエミッション電流計測を試みた結果、温度６０Ｋの場合、イオンビーム電流は５０ｐＡと大きくエミッション電流が増大することを確認できた。しかし、一方でガス圧を一定に保つことが困難で長時間に安定させることができないことがわかった。また、クリプトンガス圧を一定にして温度を低下させた場合に、ガス圧が急激に低下する様子を計測できた。装置を調べた結果、エミッタティップ温度９０Ｋでは冷凍機が約５６Ｋ程度に冷却されていることが分かった。
【００２０】
ガス電界電離イオン源の高輝度動作条件は、前述の通りエミッタティップを可能な限り低温化することである。ここで、従来のガス電界電離イオン源において、エミッタティップを冷凍機の冷熱によって冷却する構造の場合、冷凍機からエミッタティップまでの冷熱伝達経路において、冷凍機が最も温度が低く、エミッタティップが最も温度が高い。例えば、冷凍機の真空中伝達部が２５Ｋ、銅製の冷熱伝達部材が３５Ｋ、エミッタホルダが５５Ｋ、エミッタティップが６０Ｋのようになる。このようにエミッタティップ温度をガス凝縮が生じない最低温度に冷却しようとすると、冷熱伝達経路途中でイオン化ガスが凝縮してしまい、ガス圧制御が困難になる。また、イオン化ガスの凝縮が起きるとイオン源の温度を上昇させた時に液化したガスが一気に蒸発して真空容器に放出されるため、装置排気系に大きな負担をかける。逆にエミッタティップ温度を上昇させるとイオン源輝度が低下してしまう。このため、従来のガス電界電離イオン源においては、本来可能な高輝度条件で動作させることが困難であった。
【００２１】
このように本発明は、エミッタティップを可能な限り低温化するにあたり、エミッタティップより低温になる冷熱伝達経路途中でガスを凝縮させないことが必須であることを見出したことに基づく。この条件はこれまで見過ごされていて本発明者が初めて見出した条件である。従来のガス電界電離イオン源は、冷熱伝達経路途中でのガス凝縮を考慮した設計になっていなかったため、クリプトンイオンビームなどの電流密度を上げることができなかったのである。
【００２２】
本発明は、このような原因究明の下に、エミッタティップに冷熱を伝達する冷熱伝達経路に、内部は比較的低い温度に、表面は比較的高い温度に制御される構造の冷熱伝達部材を使用した。一例としては、冷熱伝達部材の表面をガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材で覆う構造とした。なお、本発明の冷熱伝達経路の構造は冷熱伝達経路の全てに適用することが必須ではなく、経路の一部に適用しても効果がある。特に、冷凍機に近く表面温度がガス凝縮温度より低い冷熱伝達部材の部分に適用するのが有効である。
【００２３】
本発明によると、真空容器内部でイオン化ガスが凝縮せず、かつエミッタティップ温度を最低温度としてイオン放出できるため、イオン源輝度が最大化される、あるいはイオン放射角電流密度が最大化される。これにより加工用のイオン種、例えばアルゴン、クリプトン、キセノン、窒素で、極微細で大電流のイオンビームを形成できる。したがって、極微細な加工が従来よりも高速で可能になる。
【００２４】
本発明の詳細な説明に先立ち、各構成とその効果について列挙し説明する。
（１）一例として、真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材とを備えるガス電界電離イオン源を有し、冷熱伝達部材はガスの凝縮を妨げるように表面が熱絶縁材で覆われている、イオンビーム装置とする。
【００２５】
このようにすると、イオン化ガスが凝縮しない温度範囲においてエミッタティップを最低の温度に冷却した場合にも、イオン化ガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが無い。まず、エミッタティップが低温に冷却されているためイオンエミッション電流が大きくなる。これにより、沸点が高いイオン種の放射角電流密度が大きくなる。すなわち、極微細で大電流なイオンビームが形成できる。したがって、極微細な加工が従来よりも高速で可能になる。また、試料表面の観察が高分解能かつ高Ｓ／Ｎで可能になる。また、イオン化ガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが無いため、エミッタティップに供給されるガス量が安定する。このため、イオンエミッション電流が安定する。したがって、極微細な加工が従来よりも高精度で可能になる。また、試料表面の観察が低ノイズで可能になる。
【００２６】
また従来のように、イオン化ガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮した後に、温度が上昇した場合に、凝縮したガスが蒸発して真空容器内の真空度を一気に劣化させることが無い。従来は排気システムが故障する場合もあったが、このようなことが無いために信頼性の高いイオンビーム装置が提供される。
【００２７】
また、従来はエミッタティップをイオン化ガスの沸点以下に冷却すると、イオン電流が不安定になるため、沸点以下に冷却することは不適切と考えられていた。本発明者は、エミッタティップをイオン化ガスの沸点以下に冷却することが問題なのではなく、ガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが問題であることを突き止めた。
【００２８】
また、従来はイオン化ガスの流量が一定であっても、冷熱伝達部材の表面で凝縮することによってエミッタティップ先端に供給されるガス量が実質的に減少することを突き止めた。従来は、このためエミッタティップを過度に冷却するとイオン電流が減少してしまうという誤った認識をしていたのである。このため、十分なイオン電流が得られず極微細高速加工及び超高分解能観察に好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置は提供されていなかったのである。
【００２９】
（２）一例として、（１）に記載したガス電界電離イオン源を有し、冷熱伝達部材の表面を覆うように設けられた接着部材と、冷熱伝達部材の表面と接着部材を介して接着し接着部材を覆うように設けられた熱絶縁材と、を有するイオンビーム装置とする。
このようにすると、（１）で述べたような効果を奏する。さらに、熱絶縁材が冷熱伝達部材の表面と接着部材を介して接着されているために、冷却された場合にも加熱された場合にも熱絶縁材が剥がれたり割れたりすることが無い。また、熱絶縁材と冷熱伝達部材の間にガスが入り込むことによりガスが凝縮することが無い。すなわち、極微細高速加工及び超高分解能観察が高信頼及び高安定で実現するのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。
【００３０】
（３）一例として、（１）に記載したガス電界電離イオン源を有し、冷熱伝達部材の表面を覆うように設けられた熱絶縁材と、熱絶縁材の表面を覆うように設けられた金属材料と、金属材料を加熱する加熱機構と、を有するイオンビーム装置とする。
このようにすると、（１）で述べたような効果を奏する。さらに、熱絶縁材表面を覆うように設けられた金属材料と、金属材料を加熱する加熱機構とを有するために金属表面を均一な温度に制御することが可能になる。すなわち、表面全体を凝縮しない温度に制御できるため、高信頼でガスが凝縮することがなくなる。すなわち、極微細高速加工及び超高分解能観察が高信頼及び高安定で実現するのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。
【００３１】
（４）前記（１）（２）（３）において、冷熱伝達部材を冷却機構の冷熱を真空容器内に伝達する熱交換器とする。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、冷熱伝達部材が冷却機構の冷熱をイオン源真空容器内に伝達する熱交換器であるために、熱交換器でガスが凝縮することがない。熱交換器は最も温度が低下する冷熱伝達部材である。このため、熱交換器表面のみを（１）（２）（３）で述べたように処理した場合でも大きな効果を得ることができる。
【００３２】
（５）前記（４）において、冷却機構は冷凍機で冷却されたヘリウムガスを循環させる冷却機構であり、熱交換器はヘリウムガスで冷却される構成とする。
このようにすると、（４）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、冷凍機の機械振動がエミッタティップに伝達されにくくなる。すなわち、エミッタティップが振動しないために、より高精度な加工が実現する。また、より高分解能な観察が実現する。
【００３３】
（６）前記（４）において、冷却機構がヘリウムガス容器のヘリウムガスを冷凍機で冷却する冷却機構であり、熱交換器がヘリウムガス容器である構成とする。
このようにすると、（４）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、冷凍機の機械振動がエミッタティップに伝達されにくくなる。すなわち、エミッタティップが振動しないために、より高精度な加工が実現する。また、より高分解能な観察が実現する。
【００３４】
（７）前記（１）（２）（３）において、冷熱伝達部材が金属薄膜であって表面に熱絶縁層が接着されている構成とする。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、冷凍機の機械振動がエミッタティップに伝達されにくくなる。すなわち、エミッタティップが振動しないために、より高精度な加工が実現する。また、より高分解能な観察が実現する。さらに、金属薄膜とすることで中間接合層がない場合にも熱絶縁層との接着度合いが良くなり、金属薄膜表面ではガス凝縮は生じなくなる。さらに、本構成によると、コスト低減を図ることができる。
【００３５】
（８）前記（１）（２）（３）において、冷熱伝達部材を金属とし、熱絶縁層をフッ素樹脂とする。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、コスト低減を図ることができる。
【００３６】
（９）前記（１）（２）（３）において、冷熱伝達部材を金属とし、熱絶縁層をセラミックスとする。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、コスト低減を図ることができる。
【００３７】
（１０）前記（１）（２）（３）において、冷熱伝達部材を表面に熱絶縁層がコーティングされている金属網線とする。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、冷凍機の機械振動がエミッタティップに伝達されにくくなる。すなわち、エミッタティップが振動しないために、より高精度な加工、より高分解能な観察が実現する。さらに、金属網線とすることで中間に接着部材がない場合にも熱絶縁層との接着度合いが良くなり、金属網線表面でガス凝縮が生じなくなる。さらに、本構成によると、コスト低減を図ることができる。
【００３８】
（１１）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部からネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかを含むガスを供給する。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、試料に対する化学的な反応を少なくして加工や観察が実現する。
【００３９】
（１２）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部から一酸化炭素、酸素、窒素のいずれかを含むガスを供給する。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、化学的な反応を利用して試料を加工することができる。
【００４０】
（１３）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部からアルゴンを主たる成分とするガスを供給し、冷熱伝達部材を３０Ｋ以下に冷却する。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、安定かつ大電流のアルゴンイオンビームを照射して試料の極微細高速加工及び超高分解能観察が可能になる。
【００４１】
（１４）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部からクリプトンを主たる成分とするガスを供給し、冷熱伝達部材を５０Ｋ以下に冷却する。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、安定かつ大電流のクリプトンイオンビームを照射して試料の極微細高速加工及び超高分解能観察が可能になる。
【００４２】
（１５）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部からがネオンを主たる成分とするガスを供給し、冷熱伝達部材を２５Ｋ以下に冷却する。
このようにすると、（１）（２）（３）で述べたような効果を奏する。さらに、本構成によると、安定かつ大電流のネオンイオンビームを照射して試料の極微細高速加工及び超高分解能観察が可能になる。
【００４３】
（１６）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部はクリプトンガスを含む少なくとも２種類のガスを切り替えて供給でき、エミッタティップを６０Ｋ以下の概略同じ温度に保ち２種類のガスを切り替えて供給する構成とする。
【００４４】
（１７）前記（１）（２）（３）において、ガス供給部はアルゴンガスとヘリウムガス又は水素ガスを切り替えて供給でき、エミッタティップを４５Ｋ以下の概略同じ温度に保ちアルゴンとヘリウムを切り替えて供給する構成とする。
【００４５】
［実施例１］
図１は実施例１によるイオンビーム装置の例を示す断面模式図、図２はガス電界電離イオン源１を拡大して示した模式図である。
【００４６】
以下では、イオンビーム装置としてイオンビーム加工装置の例を説明する。本実施例のイオンビーム加工装置は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、試料室３、冷却機構４及びガス供給機構２６を有する。ここでガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２及び試料室３は真空容器である。また、ガス供給機構２６から供給されるイオン化ガスはアルゴンガスである。
【００４７】
ガス電界電離イオン源１は、針状のエミッタティップ２１、エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部２７を有する引き出し電極２４、細線状のフィラメント２２、円柱状のフィラメントマウント２３、電気絶縁柱３６、エミッタティップホルダ３５、円柱状のエミッタベースマウント３７を有する。ガス電界電離イオン源１の真空容器１５は、イオン源真空排気用ポンプ１２によって真空排気される。真空容器１５とイオン源真空排気用ポンプ１２の間には真空遮断可能なバルブ２９が配置されている。引き出し電極２４には加熱用ヒータ３０が設置されている。
【００４８】
ガス電界電離イオン源１はエミッタティップ２１の傾斜を変える傾斜機構６３を有し、これはエミッタベースマウント３７に固定されている。傾斜機構６３は、エミッタティップ先端の方向をイオンビーム照射軸６４に精度良く合わせるために用いられる。この角度軸調整によりイオンビームの歪みが低減される。ベローズ６１，６２は、エミッタティップ２１が傾斜する時に変形する。ベローズ６２はエミッタティップ２１が傾斜してもエミッタ周辺のアルゴンの圧力をほとんど変えない働きもする。また、加熱用ヒータ３０によって引き出し電極２４の温度を１５０℃まで上げると、エミッタティップ周辺の不純物ガスを低減できる。
【００４９】
イオンビーム照射系は、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束する集束レンズ５、集束レンズ５を通過したイオンビーム１４を制限する可動な第１アパーチャ６、第１アパーチャ６を通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器３２、イオンビームを偏向する第２偏向器７、イオンビームを制限する第２アパーチャ３８、イオンビームを試料上に集束する静電型イオンレンズである対物レンズ８を有する。対物レンズ８は３個の電極から構成される。
【００５０】
試料室３内部には、試料９を載置する試料ステージ１０、荷電粒子検出器１１、及びイオンビームを照射したときの試料のチャージアップを中和するための電子銃１６が設けられている。試料室３は試料室真空排気用ポンプ１３によって真空排気される。また試料室３には、図示してないが試料近傍にエッチングやデポジションガスを供給するガス銃が設けられている。床２０の上に配置された装置架台１７の上には、防振機構１９を介して、ベースプレート１８が配置されている。ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び試料室３は、ベースプレート１８によって支持されている。
【００５１】
冷却機構４は、ガス電界電離イオン源１の内部にあるエミッタティップ２１を冷却する。冷却機構４は、真空容器６０の内部に位置する冷凍機３１を備える。冷却機構の詳細は後述する。ここでは冷却機構の概略を説明する。冷凍機３１で発生した寒冷は、冷熱伝達部材である冷熱伝達棒３３に伝えられる。冷熱伝達棒３３は、途中で真空隔壁３９を通過する。すなわち、図１において、真空隔壁３９の左側は冷凍機３１を収納する真空容器６０に含まれ、真空隔壁３９の右側はイオン源真空容器１５に含まれる。冷熱伝達棒３３の表面はアルゴンガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材３４で覆われている。冷熱伝達棒３３は接続されたエミッタティップホルダ３５を冷却する。エミッタティップホルダ３５の表面もアルゴンガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材３４によって覆われている。エミッタティップホルダ３５は、電気絶縁柱３６を介してフィラメントマウント２３に接続されている。電気絶縁柱３６の表面もアルゴンガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材３４によって覆われている。寒冷はフィラメントマウント２３に固定されたフィラメント２２を通してエミッタティップ２１まで伝達され、エミッタティップ２１が冷却される。
【００５２】
熱絶縁材３４としては、低熱伝導率のセラミックスや樹脂などが好適である。例えば、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下のステアタイト（マグネシウム及びシリコン酸化物セラミックス）、ジルコニア（酸化ジリコニウム）、コージライト（マグネシウム，アルミニウム及びシリコン酸化物セラミックス）などが好適である。また、樹脂では低温でも使用可能なフッ素樹脂やシリコン樹脂が特に好適である。また一例として、冷熱伝達棒３３は無酸素銅、エミッタティップホルダ３５は銅又はステンレスなどの金属、電気絶縁柱３６はチッ化アルミニウムあるいはアルミナなどのセラミックス、フィラメントマウント２３はアルミナ、フィラメント２２はタングステンなどで製作される。
【００５３】
なお、冷却機構４に例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機あるいはパルス管冷凍機を用いる場合には、床２０にはヘリウムガスを作業ガスとする圧縮機ユニット（コンプレッサ）が設置される。圧縮機ユニットの振動は、床２０を経由して装置架台１７に伝達される。装置架台１７とベースプレート１８との間には防振機構１９が配置されており、床の高周波数の振動はガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などには伝達しにくくなっている。ここでは、床２０の振動の原因として、冷凍機３１及びコンプレッサを説明した。しかし、床２０の振動の原因はこれに限定されない。また、防振機構１９は、防振ゴム、バネ、ダンパ、又はこれらの組合せによって構成されてよい。
【００５４】
ガス電界電離イオン源のエミッタティップ２１の特徴は、原子サイズの微小突起構造にある。エミッタティップ２１の先端に形成される電界強度を調整することによって、エミッタティップの先端の１個の原子の近傍でイオンを生成させることができる。従って、イオンが放出される領域、即ち、イオン光源は極めて狭い領域であり、ナノメータ以下である。このため、単位面積、単位立体角あたりの電流値が大きくなり、輝度が高い。このイオン光源を同じ倍率で試料に集束するか、縮小率を数分の１程度にして試料上で集束すると例えば０．１ｎｍから１ｎｍ程度のビーム径が得られる。すなわち、０．１ｎｍから１ｎｍ程度の超高分解能観察あるいは超微細加工が実現する。
【００５５】
エミッタティップ２１の原子によるナノメートルオーダの微小突起構造は、典型的には、先端に１個の原子を有し、その下に３個又は６個の原子の層を有する。エミッタティップ２１の材質としては、タングステンやモリブデンの細線などを用いる。また、エミッタティップの先端にナノピラミッドを形成する方法として、イリジウム、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等を被覆させた後に、フィラメントに通電してエミッタティップを高温加熱する方法や、真空中での電界蒸発、ガスエッチィング、イオンビーム照射、リモデリング方法等がある。このような方法によれば、タングステン線、モリブデン線の先端に原子のナノピラミッドを形成することができる。例えば＜１１１＞のタングステン線を用いた場合には、先端が１個又は３個のタングステン原子あるいはイリジウムなどの原子で構成される。また、これとは別に、タングステン、モリブデン、白金、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウムなどに対して、電圧を印加した状態で酸素ガスあるいは窒素ガスを導入して先端をエッチングして先鋭化する。あるいは加熱した状態で電圧をエミッタティップに印加するリモデリングによっても同様に微小突起を形成することができる。
【００５６】
なお、白金、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジュウム、ロジュウム、などを用いて、先端原子１個の微小突起構造が形成された場合には、同様に単位面積・単位立体角から放出される電流すなわちイオン源輝度を大きくすることができ、試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる。ただし、エミッタティップが十分冷却され、かつガス供給が十分な場合には、必ずしも先端を原子１個にする必要はなく、３個、６個、７個、１０個などの原子数であっても十分な性能を発揮できる。特に、４個以上１０個未満の原子で先端を構成する場合には、イオン源輝度を高くでき、かつ先端原子が蒸発しにくく安定した動作が可能である。なお、この場合にも原子１個近傍から放出されたイオンビームが試料に到達する。
【００５７】
図３は、図１に示したイオンビーム装置の制御装置の例を示す模式図である。この制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御するイオン源制御装置９１、冷却機構４を制御する冷却機構制御装置９２、集束レンズ５及び対物レンズ８を制御するレンズ制御装置９３、可動な第１アパーチャ６を制御する第１アパーチャ制御装置９４、第１偏向器３２を制御する第１偏向器制御装置１９５、第２偏向器７を制御する第２偏向器制御装置９５、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、試料ステージ１０や荷電粒子検出器１１の電極等に電圧を印加する複数の電源及びその制御装置９６、及び計算処理能力をもつ本体制御装置９９を有する。本体制御装置９９は演算処理部、記憶部、画像表示部等を備える。画像表示部は、荷電粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び入力手段によって入力された情報を表示する。
【００５８】
試料ステージ１０は、試料９を試料載置面内にて直交する２方向へ直線移動させる機構、試料９を試料載置面に垂直な方向へ直線移動させる機構、及び試料９を試料載置面内にて回転させる機構を有する。試料ステージ１０は更に、試料９を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム１４の試料９への照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの機構の制御は本体制御装置９９からの指令により、試料ステージ制御装置９７によって実行される。
【００５９】
次に、本実施例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。真空排気後、十分な時間が経過した後、冷却機構４を運転する。既に述べたように冷凍機３１で発生した寒冷は、冷熱伝達棒３３、真空隔壁３９、エミッタティップホルダ３５、電気絶縁柱３６、フィラメントマウント２３、フィラメント２２、エミッタティップ２１の順番に伝達される。これによってエミッタティップ２１が冷却される。まず、エミッタティップ２１にイオンの加速電圧として、正の高電圧を印加する。また、エミッタティップ２１に対して負電位となるように引き出し電極２４に高電圧を印加する。すると、エミッタティップ２１の先端に強電界が形成される。ガス供給機構２６と接続されたイオン化ガスの供給管２５からアルゴンガスを供給すると、アルゴンガスは強電界によってエミッタティップ面に引っ張られる。さらにアルゴンガスは最も電界の強いエミッタティップ２１の先端近傍に到達する。そこでアルゴンガスが電界電離し、イオンビームが生成される。イオンビームは、引き出し電極２４の開口部２７を通ってイオンビーム照射系カラム２に導かれる。
【００６０】
次に、イオンビーム照射系の動作を説明する。イオンビーム照射系の動作は、本体制御装置９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、集束レンズ５、ビームを制限する第１アパーチャ６、第２アパーチャ３８を通過して、対物レンズ８によって試料ステージ１０上の試料９の上に照射される。イオン光学条件は、イオン光源を試料上に結像する倍率を少なくとも０．５以上として、大電流が得られる条件とした。荷電粒子検出器１１からの信号は、輝度変調信号として本体制御装置９９に送られる。本体制御装置９９は、走査イオン顕微鏡像を生成し、それを画像表示部に表示する。こうして、試料表面の観察が実現される。
【００６１】
本例の冷凍機３１では、冷却ステージは約１０Ｋまで冷却される。次に熱伝導率の高い銅製の冷熱伝達棒３３は１５Ｋまで冷却される。従来のイオン源では冷熱伝達棒３３の表面が露出していた。このため、アルゴンガスが表面で凝縮する現象が生じていた。本イオン源はエミッタティップが引き出し電極２４やベローズ６２で囲まれる構造であり、アルゴンガスが閉じ込められるイオン化室の外ではアルゴンガス圧力が低い。このため従来は、アルゴンガスが冷熱伝達棒３３の表面で凝縮する現象については顧みられなかった。しかし凝縮が起きると、わずかな温度の変化で凝縮されたガスが気化してアルゴンガス圧力変動を引き起こし、イオンビームが不安定になることを発明者は突き止めた。また、冷熱伝達棒３３の温度が高くなった時に多量のアルゴンガスが発生して真空排気システムにダメージを与えることもあった。本実施例では、冷熱伝達棒３３の表面をガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材３４によって覆った。この熱絶縁材表面は約４０Ｋになっている。本イオン源で用いるガス圧においては、アルゴンガスは約３８Ｋで凝縮する。一方、熱絶縁材表面は約４０Ｋで保持しているので、熱絶縁材表面ではアルゴンガスが凝縮しない。こうして、アルゴンの沸点は約８７Ｋであるが、このイオン源の動作におけるアルゴンガス圧力では、沸点よりも低い温度においてもアルゴンガスが凝縮することがなかった。ただし、わずかな隙間があって少量のアルゴンガスが凝縮してもイオン源の安定動作に影響が少ない場合には本実施例の範囲内である。
【００６２】
冷熱伝達棒３３はエミッタティップホルダ３５に接続されている。エミッタティップホルダ３５も、表面はアルゴンガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材３４によって覆われている。この熱絶縁材表面は約５０Ｋになっている。さらにエミッタティップホルダ３５には電気絶縁柱３６を介してフィラメントマウント２３が接続されている。ここでエミッタティップホルダ３５は約３０Ｋに、フィラメントマウント２３は約４０Ｋになっている。フィラメントマウント先端に接続されているエミッタティップ２１の温度は約４５Ｋとなっており、アルゴンガスの沸点８７Ｋに比べて低い温度ではあったがアルゴンイオンビームを安定して得ることができた。
【００６３】
イオン源真空容器内にイオン化ガス以外の不純物ガスが存在するとイオンビームを不安定にする要因となる。このため、真空容器１５内はできるだけ清浄に保ち、真空度を良くする。さらに、高真空のためイオン源を１５０℃程度にベーキングすることもある。このため、従来では冷熱伝達棒としては銅を用いて、表面に金をめっきするのが常であった。また、従来の熱絶縁材はチャンバからの熱輻射を防ぐためのもので、従来の熱絶縁材を冷熱伝達棒の外側に配置する場合にも、冷熱伝達棒と熱絶縁材との間に隙間を設けることが常であった。このように冷熱伝達棒と熱絶縁材との間に隙間がある場合には、隙間にアルゴンガスが容易に入り込み冷熱伝達棒の表面でガス凝縮が生じる。すなわち従来は、本実施例のように、アルゴンガスの凝縮を妨げるように覆われた熱絶縁材を有する冷熱伝達部材を配置することは無かった。
【００６４】
以上のように本実施例では、アルゴンガスが凝縮しない温度の範囲において、エミッタティップを沸点より低い温度に冷却した場合にも、アルゴンガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが無い。すなわち、銅製の冷熱伝達棒、エミッタティップホルダ、などの表面でアルゴンガスが凝縮することが無い。さらに、エミッタティップが４０Ｋから４５Ｋに冷却されているためアルゴンイオンエミッション電流が大きくなる。これにより、アルゴンイオンビームの放射角電流密度が大きくなる。すなわち、極微細で大電流なイオンビームが形成できる。したがって、本実施例のイオンビーム装置では極微細な加工が従来よりも高速で可能になる。また、試料表面の観察が高分解能かつ高Ｓ／Ｎで可能になる。また、アルゴンガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが無いためエミッタティップに供給されるアルゴンガス量が安定する。このため、アルゴンイオンエミッション電流が安定する。したがって、本実施例のイオンビーム装置では極微細な加工が従来よりも高精度で可能になる。また、試料表面の観察が低ノイズで可能になる。
【００６５】
また、従来のようにアルゴンガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮した後に、温度が上昇した場合に、凝縮したアルゴンガスが蒸発して真空容器内の真空度を一気に劣化させることが無い。従来は、それが原因で排気システムが故障することもあったが、本実施例によると、このようなことが無いために信頼性の高いイオンビーム装置が提供される。
【００６６】
従来はエミッタティップをアルゴンガスの沸点以下に冷却するとイオン電流が不安定になるため、沸点以下に冷却することは不適切と考えられていた。発明者は、アルゴンガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが問題であることを突き止めた。
【００６７】
また、従来はアルゴンガス流量が一定であっても冷熱伝達部材の表面で凝縮することによってエミッタティップ先端に供給されるガス量が実質的に減少することを、発明者は突き止めた。従来は、このためエミッタティップを過度に冷却するとイオン電流が減少してしまうという誤った認識をしていたのである。このため、十分なイオン電流が得られず、極微細高速加工及び超高分解能観察に好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置は提供されていなかったのである。
【００６８】
また、冷熱伝達部材が金属であって熱絶縁層がフッ素樹脂あるいはセラミックスとすると、低コストで極微細高速加工及び超高分解能観察するのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。
【００６９】
また、実施例ではアルゴンガスを用いたが、イオン化ガスは一酸化炭素、酸素、窒素のいずれかを含むガスでも良い。このようにすると、化学的な反応を利用して試料を加工することができるという効果を奏する。イオン化ガスとして一酸化炭素を用いる場合、典型的なガス圧は１×１０-3Ｐａ程度であり、凝縮温度は約３５Ｋである。このとき、エミッタティップ温度は一例として約３８Ｋとすることができ、冷熱伝達部材の温度は約２０Ｋ、熱絶縁材の表面温度は約４５Ｋとすることができる。イオン化ガスとして酸素を用いる場合、典型的なガス圧は１×１０-3Ｐａ程度であり、凝縮温度は約３８Ｋである。このとき、エミッタティップ温度は一例として約４０Ｋとすることができ、熱絶縁材の表面温度は約５０Ｋ、冷熱伝達部材の温度は約２５Ｋとすることができる。イオン化ガスとして窒素を用いる場合、典型的なガス圧は１×１０-3Ｐａ程度であり、凝縮温度は約３２Ｋである。このとき、エミッタティップ温度は一例として約３５Ｋとすることができ、熱絶縁材の表面温度は約４０Ｋ、冷熱伝達部材の温度は約２０Ｋとすることができる。
【００７０】
また、本実施例のガス電界電離イオン源で、アルゴンを主たる成分とするガスを導入した時に、上記に示したように、冷熱伝達部材をアルゴンガスの沸点よりも低い３０Ｋ以下に冷却する。すると、特にアルゴンを照射して極微細高速加工及び超高分解能観察するのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。
【００７１】
なお、本実施例では、アルゴンガスを用いたが、ネオン、クリプトン、キセノンなど、その他の不活性ガスを含むガスを用いても良い。このようにすると、試料に対する化学的な反応を少なくして加工や観察が実現する。
【００７２】
また、本実施例のガス電界電離イオン源で、アルゴンガスと水素ガスを予め混合した混合ガス、あるいはアルゴンガスとヘリウムガスを予め混合した混合ガスを導入した時に、エミッタティップ温度を各ガスの凝縮温度より高く４５Ｋ以下の概略同じ温度、例えば４０Ｋに冷却する。このようにすると、アルゴンガス、ヘリウムガスあるいは水素ガスのいずれも凝縮しない。エミッタティップ温度をほとんど変化させることなく２種類のイオンビームを照射することができる。２種類のガスは、エミッタティップに印加する引き出し電圧を切り替えることにより選択することが可能である。この切り替えは電源を制御するプログラムソフトで実行できる。
【００７３】
これにより、少なくともアルゴンガスを含む２種類以上のガス種イオンビームが安定して得られ多様な効果も得られる。すなわち、アルゴンイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。一方、水素又はヘリウムイオンビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測が可能になる。さらに、水素又はヘリウムイオンビームを照射したときの観察像と、アルゴンイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面又は試料内部について、より詳細な情報が得られる。なお、２種類のガスを別の供給管でイオン源内に導入しても良い。
【００７４】
［実施例２］
図４は、図１に示したイオンビーム装置のガス電界電離イオン源とその冷却機構の別の実施例を示す模式図である。ここでは、冷却機構を説明する。本実施例では、イオン化ガスとしてネオンガスを用いた。
【００７５】
本実施例ではガス電界電離イオン源１の冷却機構４として、ＧＭ型冷凍機４０とヘリウムガスポット４３を組み合わせた冷却機構を用いる。ＧＭ型冷凍機の中心軸線は、イオンビーム装置のエミッタティップ２１を通るイオンビーム照射系の光軸に平行に配置されている。これにより、イオンビームの集束性の向上と冷凍機能の向上を両立できる。
【００７６】
ＧＭ型冷凍機４０は、冷凍機本体４１と第１冷却ステージ４２Ａと第２冷却ステージ４２Ｂを有する。冷凍機本体４１は支柱１０３によって支持されている。第１冷却ステージ４２Ａ及び第２冷却ステージ４２Ｂは、冷凍機本体４１より吊り下げられた構造を有する。第１冷却ステージ４２Ａの外径は、第２冷却ステージ４２Ｂの外径より大きい。第１冷却ステージ４２Ａの冷凍能力は約５Ｗであり、第２冷却ステージ４２Ｂの冷凍能力は約０．２Ｗである。
【００７７】
第１冷却ステージ４２Ａの上端部は、ベローズ６９によって囲まれている。第１冷却ステージ４２Ａの下端部と第２冷却ステージ４２Ｂは、ガス密封型のヘリウムガスポット４３によって覆われている。ヘリウムガスポット４３は、第１冷却ステージ４２Ａを囲むように構成された径が大きい部分４３Ａと、第２冷却ステージ４２Ｂを囲むように構成された径が小さい部分４３Ｂを有し、支柱１０４によって支持されている。支柱１０４は図１のベースプレート１８に支持されている。ベローズ６９及びヘリウムガスポット４３は密閉構造を有し、その内部に熱伝導媒体としてヘリウムガス４６が充填されている。２つの冷却ステージ４２Ａ，４２Ｂはヘリウムガス４６に囲まれているが、ヘリウムガスポット４３には接触していない。
【００７８】
本例のＧＭ型冷凍機４０では、第１冷却ステージ４２Ａは約５０Ｋまで冷却される。そのため第１冷却ステージ４２Ａの周囲のヘリウムガス４６は、約７０Ｋに冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、４Ｋまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂの周囲のヘリウムガス４６は約６Ｋまで冷却される。こうして、ヘリウムガスポット４３の下端は、約６Ｋまで冷却される。
【００７９】
このヘリウムガスポットはイオン源真空容器１５内に配置されており、ＧＭ型冷凍機４０の寒冷をエミッタティップ２１まで伝達する冷熱伝達部材でもある。このヘリウムポット表面にはネオンガスの凝縮を妨げるように覆われた熱絶縁材３４を有する。本実施例では熱絶縁材３４として５ｍｍ以上の厚さを有するフッ素樹脂を用いた。この熱絶縁材表面は約２０Ｋになっている。ネオンガスの圧力は約１×１０-3Ｐａとした。ネオンの沸点は約２７Ｋであるが、このイオン源の動作におけるネオンガス圧力では凝縮温度は約１０Ｋであり、沸点よりも低い温度においてもネオンガスが凝縮することがなかった。これは、この条件におけるネオンの凝縮温度が約１０Ｋであり、ヘリウムポット表面を覆いネオンガスと接触する熱絶縁材３４の表面温度がネオンガスの凝縮温度より高くなっているからである。ポットの下端は約６Ｋであるので表面にガスが触れるとネオンガスが凝縮する。ネオンガスの凝縮を妨げるように熱絶縁材３４でヘリウムガスポット４３を覆っているのでネオンガスがほとんど凝縮しない。ただし、わずかな隙間があって少量のネオンガスが凝縮してもイオン源の安定動作に影響が少ない場合には本実施例の範囲内である。
【００８０】
一方、ヘリウムガスポット４３の下端は、熱伝導率の高い銅製の冷熱伝達棒３３に接続されている。また、冷熱伝達棒３３も冷熱伝達部材であり、表面にはネオンガスの凝縮を妨げるように覆われた熱絶縁材３４を有する。熱絶縁材３４は、厚さ約１０ｍｍのシリコン樹脂である。冷熱伝達棒３３は約１５Ｋであるが、熱絶縁材表面は約３０Ｋになっていてネオンガスが凝縮することはない。さらに、冷熱伝達棒３３は銅製の網線５６と接続されている。網線は太さ約０．０５ｍｍの細い線が１０００本程度に束になっている。冷熱伝達部材を構成する網線５６の個々の細い線は、ネオンガスの凝縮を妨げるように表面が熱絶縁性を有するフッ素樹脂で覆われている。このためネオンガスが網線で凝縮しない。さらに網線５６はエミッタティップホルダ３５に接続されている。エミッタティップホルダ３５には電気絶縁柱３６を介してフィラメントマウント２３が接続されている。なお、このフィラメントマウント２３は自身でエミッタティップの傾斜機構を備えている。ここでエミッタティップホルダ３５は約２０Ｋに、フィラメントマウント２３は約２５Ｋになっている。
【００８１】
エミッタティップホルダ３５及び電気絶縁柱３６も冷熱伝達部材を構成し、ネオンガスの凝縮を妨げるように表面を熱絶縁材３４である厚さ約５ｍｍのイットリウム混合ジリコニウムセラミックス材で覆われている。エミッタティップホルダ３５の熱絶縁材表面は約４０Ｋになっており、電気絶縁柱３６に設けられた熱絶縁材３４の表面は約４５Ｋになっている。エミッタティップホルダ先端に接続されているエミッタティップ２１の温度は約２５Ｋとなっており、ネオンガスの沸点２７Ｋに比べて低いが、ネオンガスの凝縮温度である１０Ｋよりは高く、ネオンイオンビームが安定して得られた。
【００８２】
以上のようにすると、ネオンガスが凝縮しない温度の範囲において、エミッタティップをネオンの沸点に比べて低く冷却した場合にも、ネオンガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが無い。すなわち、ヘリウムガスポット、銅製の冷熱伝達棒、網線、エミッタティップホルダ、電気絶縁柱及びフィラメントマウントなどの表面でネオンガスが凝縮することが無い。さらに、エミッタティップ２１が低温に冷却されているため、ネオンイオンエミッション電流が大きくなる。これにより、ネオンイオンビームの放射角電流密度が大きくなる。すなわち、極微細で大電流なイオンビームが形成できる。したがって、本実施例のイオンビーム装置では極微細な加工が従来よりも高速で可能になる。また、試料表面の観察が高分解能かつ高Ｓ／Ｎで可能になる。また、ネオンガスが冷熱伝達部材の表面で凝縮することが無いためエミッタティップに供給されるネオンガス量が安定する。このため、ネオンイオンエミッション電流が安定する。したがって、本実施例のイオンビーム装置では極微細な加工が従来よりも高精度で可能になる。また、試料表面の観察が低ノイズで可能になる。図４に示した実施例によると、その他、実施例１で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００８３】
本例では、ＧＭ型冷凍機４０を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。
【００８４】
本実施例の冷却機構は、ヘリウムポット内部のヘリウムガスをＧＭ型冷凍機によって冷却する。冷却されたヘリウムガスはヘリウムポットを冷却する。ＧＭ型冷凍機のコールドステージがヘリウムポットとは切り離されているため、ＧＭ型冷凍機の機械振動がヘリウムポットを振動させないという特徴を合わせて持つ。
【００８５】
また、本実施例のガス電界電離イオン源で、ネオンを主たる成分とするガスを導入した時に、上記の実施例に示したように、冷熱伝達部材をネオンの沸点よりも低い２０Ｋ以下に冷却する。すると、特にネオンを照射して極微細高速加工及び超高分解能観察するのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。
【００８６】
上記の例ではエミッタティップの温度は約２５Ｋであったが、例えば約２０Ｋとより低温にすることもできる。このとき、冷熱伝達部材の温度を例えば８Ｋ程度とし、熱絶縁材の表面温度を約１５Ｋ程度にする。
【００８７】
また、本ガス電界電離イオン源で、ネオンと水素の混合ガス又はネオンとヘリウムの混合ガスを導入した時に、エミッタティップを例えば３０〜３５Ｋに冷却する。このようにすると、ネオンガス、ヘリウムガス、水素ガスのいずれも凝縮しない。従って、エミッタティップの温度をほとんど変化させることなく２種類のイオンビームを照射することができる。これにより、少なくともネオンガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られ多様な効果も得られる。すなわち、ネオンイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。一方、水素又はヘリウムイオンビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測が可能になる。さらに、水素又はヘリウムイオンビームを照射したときの観察像と、ネオンイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面又は試料内部について、より詳細な情報が得られる。なお、２種類のガスを別の供給管でイオン源内に導入しても良い。
【００８８】
上記ではイオン化ガスとしてネオンを用いたが、ネオンに代えてクリプトンやキセノンを用いることもできる。例えばイオン化ガスとしてクリプトンを用いる場合、典型的なガス圧は１×１０-3Ｐａ程度であり、凝縮温度は約５６Ｋである。このとき、エミッタティップ温度は一例として約６０Ｋとすることができ、熱絶縁材の表面温度は約６５Ｋ、冷熱伝達部材の温度は約４５Ｋとすることができる。
【００８９】
図５は、図１に示したイオンビーム装置のガス電界電離イオン源１と、その冷却機構４の冷熱伝達経路の別の実施例を示す模式図である。
【００９０】
ガス電界電離イオン源１のエミッタティップホルダ３５、電気絶縁柱３６、フィラメントマウント２３、フィラメント２２、エミッタティップ２１、引き出し電極２４はイオン化室７５内に配置されている。イオン化室７５には、ガス供給機構２６から供給管２５を通してイオン化ガスとして例えばクリプトンガスが圧力約０．２Ｐａとなるように導入されている。冷凍機３１の冷熱は銅製の冷熱伝達棒３３によってガス電界電離イオン源のエミッタティップホルダ３５に伝達される。冷熱伝達棒３３の表面は、中間接着層７１を間に挟んで熱絶縁材３４で覆われている。中間接着層７１は熱絶縁材３４を冷熱伝達棒に密着させるためのもので、例えばクロム・アルミニウム・イットリウム合金が用いられる。熱絶縁材３４としてはイットリウム混合ジリコニウムセラミックスを用いた。
【００９１】
冷凍機３１からエミッタティップ２１までの冷熱伝達経路の温度は、冷凍機３１の温度を２０Ｋとしたとき、冷熱伝達棒３３が約３０Ｋ、エミッタティップホルダ３５が約５０Ｋ、エミッタティップ２１が約６０Ｋであった。イオン化ガスとして用いたクリプトンの凝縮温度は約５６Ｋである。この条件ではクリプトンの凝縮を回避するため、冷熱伝達棒３３及びエミッタティップホルダ３５の表面を熱絶縁材で覆い、熱絶縁材の表面温度を５６Ｋより高くする必要がある。冷熱伝達棒３３の表面を覆った熱絶縁材３４の表面温度は約６５Ｋであり、クリプトンガスの凝縮が生じない温度になっていた。エミッタティップホルダ３５には抵抗加熱器及び温度センサーなどからなる温度制御部７６が設けられ、温度制御部７６によりエミッタティップ２１の温度を制御することが可能である。
【００９２】
なお、熱絶縁材は必ずしも冷熱伝達経路の全てに施す必要はなく、少なくともイオン化ガスの凝縮温度以下となる冷熱伝達経路の部分に施せばよい。従って、冷熱伝達経路の温度条件及びイオン化ガスの種類等の条件によっては、図５に示したように、冷熱伝達棒３３の表面だけを中間接着層７１を介して熱絶縁材３４で覆い、エミッタティップホルダ３５や電気絶縁柱３６の表面は熱絶縁材で覆わずに露出させた構成も可能である。図５には冷熱伝達棒３３の全長にわたって、その表面を中間接着層７１を介して熱絶縁材３４で覆った状態を示したが、必ずしも冷熱伝達棒３３の全長を熱絶縁材３４で覆わなくてもよい。条件によっては、冷凍機３１に近く、より低温になる冷熱伝達棒３３の表面だけを中間接着層７１を介して熱絶縁材３４で覆うことでもイオン化ガスの凝縮を回避する効果が得られる。
【００９３】
図６は、図１に示したイオンビーム装置のガス電界電離イオン源１と、その冷却機構４の冷熱伝達経路の別の実施例を示す模式図である。イオン化ガスとしては窒素ガスを用いた。
【００９４】
本実施例と図５に示した実施例との違いは、冷熱伝達棒３３の表面を中間接着層７１を介して覆う熱絶縁材３４の上に更に金属層７２として厚さ０．１ｍｍのアルミニウム薄膜を形成し、金属層７２に接して抵抗加熱器７３を配置した点である。他の構成は図５に示した構成と同様であるため詳細な説明を省略する。
【００９５】
本実施例によると、冷熱伝達棒３３によって冷熱が伝達される冷熱伝達経路の表面温度を抵抗加熱器７３の出力を制御することにより自由に制御することができる。一例として、冷凍機３１の温度を２０Ｋとするとき、冷熱伝達棒３３は約３０Ｋ、エミッタティップホルダ３５は約５０Ｋ、エミッタティップ２１は約６０Ｋであり、金属層７２の温度は約６５Ｋであった。従って、本実施例の冷熱伝達棒３３は、イオン化ガスを凝縮させることなく冷凍機３１の冷熱をエミッタティップホルダ３５に伝達し、エミッタティップ２１を所望温度に冷却することができる。
【００９６】
［実施例３］
図７は、イオンビーム装置の一例を示す概略模式図である。本実施例では、イオンビーム装置の冷却機構の一例について詳細に説明する。
【００９７】
本実施例の冷却機構４は、ヘリウム循環方式を採用している。ガス電界電離イオン源１は、イオン化ガスとしてクリプトンガスを用いた。本実施例では、エミッタティップ周辺が円筒の壁や引き出し電極に囲まれて、供給したガスがエミッタティップ周辺で圧力が高くなる構造を有し、ガス供給配管は、このイオン化室に接続されている。
【００９８】
冷却機構４は、圧縮機ユニット４００、パルス管冷凍機４０１、真空断熱容器４１６、及びトランスファーチューブ４０４などを有する。パルス管冷凍機４０１は、ヘリウムガスを循環させて寒冷を生じさせる。圧縮機ユニット１１６はパルス管冷凍機に付属しており、トランスファーチューブ１１１，１１２はヘリウムガスを通して、ヘリウムガスを循環させる。真空断熱容器４１６は真空ポンプで排気されており、真空度は約１×１０-4Ｐａである。すなわち、容器内を真空に保つことによって容器外との熱伝達を遮断している。真空断熱容器４１６内には、パルス管冷凍機４０１の冷却ステージ４０８，４１１、熱交換器及びヘリウムガス配管などが配置されている。またヘリウムガスは、圧縮機ユニット４００によって配管の中を循環する。
【００９９】
ヘリウムガスは、パルス管冷凍機４０１及び熱交換器４０２，４０９，４１０，４１２によって冷却される。圧縮機ユニット４００で約０．９ＭＰａに加圧された温度３００Ｋのヘリウムガスは配管４１９を通じて熱交換器４０２に流入し、後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約６０Ｋに冷却される。冷却されたヘリウムガスは断熱されたトランスファーチューブ４０４内の配管４０３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４０５に流入する。ここで、熱交換器４０５に熱的に一体化された熱伝導体５４を温度約６５Ｋに冷却し、イオン源内部の輻射シールドを冷却する。なお、輻射シールドは図示を省略した。
【０１００】
そして加温されたヘリウムガスは熱交換器４０５を流出し配管４０７を通じて、パルス管冷凍機４０１の第１冷却ステージ４０８に熱的に一体化された熱交換器４０９に流入し、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器４１０に流入する。後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約１５Ｋに冷却され、その後、パルス管冷凍機４０１の第２冷却ステージ４１１に熱的に一体化された熱交換器４１２に流入し、温度約９Ｋに冷却され、トランスファーチューブ４０４内の配管４１３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４１４に流入し、熱交換器４１４で熱的に接続された良熱伝導体の冷熱伝達棒５３を約１０Ｋに冷却する。
【０１０１】
次に熱交換器４１４で加温されたヘリウムガスは配管４１５を通じて熱交換器４１０，４０２に順次流入し、前述のヘリウムガスと熱交換してほぼ常温約２７５Ｋになって、配管４１５を通じて圧縮機ユニット４００に回収される。なお、前述した低温部は真空断熱容器４１６内に収納され、トランスファーチューブ４０４とは、図示していないが断熱的に接続されている。また、真空断熱容器４１６内において、図示していないが低温部は輻射シールド板や、積層断熱材等により室温部からの輻射熱による熱侵入を防止している。
【０１０２】
ここで、輻射シールド板及び積層断熱材と低温部との間には隙間がある。これは、真空による断熱効果があるからである。仮に真空断熱容器４１６内にクリプトンガスを導入すると低温部表面でガスが凝縮する。従来の断熱材の配置は、低温部への熱侵入を防ぐことに目的があり、高沸点ガス凝縮に関しては全く考慮する必要がない。従って、ガスが凝縮しないように低温部を覆って断熱材を配置することはなかった。また、このような真空断熱容器は超高真空にする必要はなく、真空度向上のために施す１５０℃を超えるようなベーキングに関しても全く考慮されていなかった。すなわち、断熱材の変質、割れなどを防ぐような考慮はされてなかった。
【０１０３】
また、トランスファーチューブ４０４は床２０又は床２０に設置された支持体４１７に強固に固定支持されている。ここで、図示していないが熱伝導率が低い熱絶縁材であるガラス繊維入りのプラスチック製の断熱材でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３，４０７，４１３，４１５も床２０で固定支持されている。
【０１０４】
以上、本実施例の冷却機構は、圧縮機ユニット１１６で発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生部と、この寒冷発生部の寒冷で冷却され圧縮機ユニット４００で循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構である。
【０１０５】
図８は、熱交換器４１４の詳細を示す模式図である。熱交換器４１４はガス電界電離イオン源と同じ真空容器１５内に配置されており、熱絶縁材３４でクリプトンガスが凝縮するのを防ぐように表面を覆われている。熱交換器は、無酸素銅で作製されており熱伝導率が高い。熱交換器４１４内部には冷却されたヘリウムガスが通過する経路としての配管４１３，４１５が形成されている。すなわち、熱交換器４１４で冷却されたヘリウムの寒冷が無酸素銅に伝達される。また、熱交換器４１４と熱絶縁材３４の間には接着部材８１が配置されている。熱絶縁材３４には、例えばクロム・アルミニウム・イットリウム合金が用いられる。また、接着部材８１は熱絶縁材３４を冷熱伝達部材に密着させるためのものであり、例えばクロム・アルミニウム・イットリウム合金が用いられる。熱絶縁材３４はこの接着部材８１を覆っており、接着部材表面でガス吸着するのを妨げている。このようにすると、熱交換器が本来の機能を果たすために冷却された場合に、あるいは真空度向上のために施す１５０℃を超えるようなベーキングなどで熱交換器が加熱された場合にも、熱絶縁材が剥がれたり、あるいは割れたりすることが無い。また、熱絶縁材と冷熱伝達部材の間にクリプトンガスが入り込むことによりガスが凝縮することは無い。
【０１０６】
また、熱交換器でクリプトンガスが凝縮することがない。熱交換器は、最も温度が低下する冷熱伝達部材である。このため、熱交換器表面のみを処理した場合でも大きな効果を得ることができる。さらに熱絶縁材表面は無酸素銅薄膜８２で覆われており、その一部は加熱機構８３と接している。加熱機構８３は例えば抵抗加熱器であり、その出力を制御することが可能である。また、無酸素銅薄膜８２の表面には温度計８４が装着されており、温度計８４で計測した温度を温度制御部に入力することにより予め設定した温度に制御できる。本実施例では、この無酸素銅薄膜８２の表面は約６５Ｋで一定になるように制御した。一方、熱交換器４１４は約３０Ｋに保たれている。なお、加熱機構８３にはランプ加熱を用いてもよい。
【０１０７】
次に、熱交換器４１４は冷熱伝達薄膜８５と接続される。冷熱伝達薄膜８５は薄膜からなり、熱交換器４１４の振動をほとんど伝達しないという特徴を持つ。この薄膜は、図中の円内に拡大断面図を示すように、内部は無酸素銅８６からなり、その周囲をマグネシウム・シリコン酸化物セラミックスからなる熱絶縁体薄膜８７で覆われ、さらにその上をアルミニウム薄膜８８で覆われている。内部無酸素銅は約４５Ｋ、アルミニウム薄膜表面は約６５Ｋに保たれている。そして図７に示すように、冷熱伝達薄膜８５はエミッタティップホルダ３５に接続される。エミッタティップホルダ３５も、クリプトンガスが凝縮するのを防ぐように熱絶縁材３４としてのジルコニウム酸化物でその表面を覆われている。エミッタティップホルダ３５は電気絶縁柱３６を介してフィラメントマウント２３と接続される。そしてエミッタティップ２１を約６０Ｋに冷却する。
【０１０８】
このガス電界電離イオン源１で使用しているガス圧力１×１０-3Ｐａではクリプトンの凝縮温度は約５６Ｋであり、クリプトンは５６Ｋよりも低温になると固体表面で凝縮する。しかし、熱交換器４１４及び冷熱伝達薄膜８５の表面を６５Ｋよりも高温に保ったのでクリプトンガスが凝縮することはなかった。また、エミッタティップ２１は６０Ｋに冷却されるためエミッタティップ２１先端へのガス供給量が多く、イオンビーム電流が多く得られた。
【０１０９】
本実施例によると、熱絶縁材表面を覆うように設けられた金属材料と、金属材料を加熱する加熱機構とを有するために金属表面を均一な温度に制御することが可能になる。すなわち、表面全体を凝縮しない温度に制御できるため、高信頼でガスが凝縮することがなくなる。本実施例によれば、極微細高速加工及び超高分解能観察が高信頼及び高安定で実現されるのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。さらに、アルゴンに比べてクリプトンは原子量が大きく、単位イオン電流当たりの加工速度が速い。また、試料表面の浅い領域に止まるため試料中にガスバブルを作りにくい。
【０１１０】
パルス管冷凍機４０１は床を振動させる原因になるが、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などはパルス管冷凍機４０１とは隔離されて設置されており、さらにガス電界電離イオン源１近傍に設置した熱交換器４０５，４１４に連結された配管４０３，４０７，４１３，４１５は殆ど振動しない床２０やベースプレート１８に強固に固定支持されて振動せず、さらに床から振動絶縁されているため機械振動の伝達の極めて少ないシステムとなる。
【０１１１】
本実施例では、パルス管冷凍機４０１を用いたが、その代わりに、ＧＭ型冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されない。例えば、１段の冷却ステージを持つ小型のスターリング型冷凍機を用いて、最低冷却温度を５０Ｋとしたヘリウム循環冷凍機とすれば、コンパクトで低コストのイオンビーム装置を実現できる。また、この場合には、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。
【０１１２】
本実施例のイオンビーム装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。更に、発明者は、圧縮機ユニット１１６，４００の音がガス電界電離イオン源１を振動させてその分解能を劣化させることを突き止めた。そのため、本実施例では、圧縮機ユニットとガス電界電離イオン源を空間的に分離する防音カバー４１８を設けた。これにより、圧縮機ユニットの音に起因した振動の影響を低減することができ、高分解能観察が可能となる。特に、音を防ぐには隙間をなくすことが肝要である。イオン光源の試料に対する光学倍率が大きく、エミッタティップの振動が試料上のビーム振動として現れる。このため、振動防止がイオンビーム装置の性能向上には必須となる。
【０１１３】
また、このガス電界電離イオン源で、クリプトンを主たる成分とするイオン化ガスを導入した時に、上記のように、冷熱伝達部材を沸点よりも低い５０Ｋ以下に冷却する。すると、クリプトンを照射して極微細高速加工及び超高分解能観察するのに好適なガス電界電離イオン源及びイオンビーム装置が提供される。
【０１１４】
また、本実施例のガス電界電離イオン源で、クリプトンと水素の混合ガス又はクリプトンとヘリウムの混合ガスを導入した時に、エミッタティップを６０Ｋ以下でクリプトンの凝縮温度より高い温度に冷却する。クリプトンガスの凝縮温度は約５６Ｋであり、ヘリウムガス、水素ガスの凝縮温度は２０Ｋ以下であるため、このようにするとクリプトンガス、ヘリウムガス、水素ガスのいずれも凝縮しない。従って、エミッタティップ温度をほとんど変化させることなく２種類のイオンビームを照射することができる。
【０１１５】
これにより、少なくともクリプトンガスを含む２種類以上のガス種イオンビームを安定して得られ多様な効果も得られる。すなわち、クリプトンイオンビームを用いれば、高速の加工が可能になる。一方、水素又はヘリウムイオンビームを試料に照射した場合には、試料の低ダメージ観察、計測が可能になる。さらに、水素又はヘリウムイオンビームを照射したときの観察像と、クリプトンイオンビームを照射したときの観察像とを比較する、あるいは演算することにより、試料表面又は試料内部について、より詳細な情報が得られる。なお、２種類のガスを別の供給管でイオン源内に導入しても良い。
【０１１６】
［実施例４］
本実施例のイオンビーム装置は、基本的に図１と同様の装置構成を有する。ただし、冷却機構４としてパルス管冷凍機直結方式を採用した。また、イオン化ガスとして窒素ガスを用いた。
【０１１７】
本実施例の冷却機構は、冷凍機のコールドヘッドがイオン源と同じ真空容器内に配置されている。そして冷凍機のコールドヘッドがエミッタティップまで接続されてエミッタを冷却する。途中の冷熱伝達部材として無酸素銅の細線束を採用している。この細線は一本毎に表面が熱絶縁被覆されている。この細線束はパルス管冷凍機の機械振動をエミッタに伝達しないという特徴を持つ。また、冷凍機のコールドヘッドは、熱絶縁材でその表面を覆われており、さらに熱絶縁材表面は無酸素銅薄膜で覆われている。また、その一部は抵抗加熱機構と接している。この無酸素銅薄膜表面は約４０Ｋで一定になるように制御した。一方、コールドヘッド内部は約２０Ｋに保たれている。次に、上記の無酸素銅の細線束はエミッタマウントに接続され、エミッタティップを約３５Ｋに冷却する。
【０１１８】
このガス電界イオン源で使用しているガス圧力１×１０-3Ｐａでは、窒素ガスの凝縮温度は約３２Ｋであり、３２Ｋよりも低温になると窒素ガスは固体表面で凝縮する。しかし、冷凍機のコールドヘッド表面を３５Ｋ以上に保ったので窒素ガスが凝縮することはなかった。また、エミッタティップは３５Ｋに冷却されるためエミッタ先端へのガス供給量が多く、大イオンビーム電流が得られた。これにより極微細な加工が従来よりも高速で可能になった。
【０１１９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【０１２０】
また、本発明によると、以下のガス電界電離イオン源、イオンビーム装置が開示される。
【０１２１】
真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材とを備えるガス電界電離イオン源を有し、  温度センサーとヒータを備える温度制御部を少なくとも２個備え、
ガス供給部はクリプトンガスを供給し、
エミッタティップは６０Ｋ以下の概略同じ温度に保たれている、イオンビーム装置。
【０１２２】
真空容器と、真空容器内に設けられたエミッタティップホルダと、エミッタティップホルダに接続されたエミッタティップと、エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極と、エミッタティップにガスを供給するガス供給部と、真空容器の内部にてエミッタティップホルダに寒冷を伝達する冷熱伝達部材とを備えるガス電界電離イオン源を有し、  温度センサーとヒータを備える温度制御部を少なくとも２個備え、
ガス供給部はアルゴンガスを供給し、
エミッタティップは４５Ｋ以下の概略同じ温度に保たれている、イオンビーム装置。
【符号の説明】
【０１２３】
１…ガス電界電離イオン源、２…イオンビーム照射系カラム、３…試料室、４…冷却機構、５…集束レンズ、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１４…イオンビーム、１５…真空容器、２１…エミッタティップ、２２…フィラメント、２３…フィラメントマウント、２４…引き出し電極、２６…ガス供給機構、３１…冷凍機、３３…冷熱伝達棒、３４…熱絶縁材、３５…エミッタティップホルダ、３６…電気絶縁柱、３７…エミッタベースマウント、４０…ＧＭ型冷凍機、６３…傾斜機構、８１…接着部材、８２…無酸素銅薄膜、８３…加熱機構、８４…温度計、８５…冷熱伝達薄膜、４１４…熱交換器 
【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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【図８】
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