(57)【要約】【課題】荷電粒子ビームによる加工精度、及び加工効率の低下を抑制しつつ、荷電粒子の加速電圧を下げることができる荷電粒子線装置及び集束イオンビーム装置を提供する。【解決手段】ＬＭＩＳ１と引出電極１３の間に印加される電圧が５〜８（ｋＶ）、コンデンサレンズ２の印加電圧を０（ｋＶ）とした場合に、対物レンズ８によって荷電粒子を試料１０に合焦する場合の加速電極１５の印加電圧Ｖａ及び対物レンズ８の印加電圧Ｖｏｂｊの条件が、Ｖａ≧２（ｋＶ）の場合にはＶｏｂｊ≒Ａ×Ｖａであり、かつ、Ｖａ＝１（ｋＶ）の場合にはＶｏｂｊ＞Ａ×Ｖａ＋１０（Ｖ）であるように、引出電極１３の上流側の面とビーム制限アパーチャ１４の距離を構成する。【選択図】図３
2010102938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から荷電粒子を引出す引出電極と、
前記引出電極の前記荷電粒子源と反対側に設けられた加速電極と、
前記引出電極の前記加速電極側の面に設けられ、前記引出電極と同電位のビーム制限絞りと、
前記加速電極の前記荷電粒子の流れにおける下流側に設けられ、前記荷電粒子を静電的に収束する静電レンズと、
前記静電レンズの下流側に設けられ、前記荷電粒子を静電的に収束し、試料ステージに載置された照射対象試料に照射する対物レンズと、
前記静電レンズと前記対物レンズの間に設けられ、前記荷電粒子の量を制限する対物ビーム制限絞りとを備えた荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子源と前記引出電極の間に印加される電圧が５（ｋＶ）〜８（ｋＶ）、前記静電レンズの印加電圧を０（ｋＶ）とした場合に、前記対物レンズによって前記荷電粒子を前記試料に合焦する場合の前記加速電極の印加電圧Ｖａ及び前記対物レンズの印加電圧Ｖｏｂｊの条件が、Ｖａ≧２（ｋＶ）の場合には、ＶｏｂｊとＶａの関係を示す定数をＡとしてＶｏｂｊ≒Ａ×Ｖａであり、かつ、Ｖａ＝１（ｋＶ）の場合には、Ｖｏｂｊ＞Ａ×Ｖａ＋１０（Ｖ）であるように、前記引出電極の上流側の面と前記ビーム制限絞りの距離を構成したことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から荷電粒子を引出す引出電極と、
前記引出電極の前記荷電粒子源と反対側に設けられた加速電極と、
前記引出電極の前記加速電極側の面に設けられ、前記引出電極と同電位のビーム制限絞りと、
前記加速電極の前記荷電粒子の流れにおける下流側に設けられ、前記荷電粒子を静電的に集束する静電レンズと、
前記静電レンズの下流側に設けられ、前記荷電粒子を静電的に集束し、試料ステージに載置された照射対象試料に照射する対物レンズと、
前記静電レンズと前記対物レンズの間に設けられ、前記荷電粒子の量を制限する対物ビーム制限絞りとを備えた荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子源と前記引出電極の間に印加される電圧が５（ｋＶ）〜８（ｋＶ）である場合に、前記引出電極の上流面と前記ビーム制限絞りとの距離Ｌａと、前記ビーム制限絞りと前記加速電極との距離Ｌｏとの比を０．５≦Ｌａ／Ｌｏ≦０．７５としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記引出電極の上流側の面と前記ビーム制限絞りの距離に対応して前記引出電極に対する前記荷電粒子源の高さを調整する高さ調整機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子源はイオン源であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
最大加速電圧Ｖａｍａｘ（ｋＶ）と最大ビーム電流Ｉｂｍａｘ（ｎＡ）の比がＩｂｍａｘ／Ｖａｍａｘ≧１であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記引出電極の上流面と前記ビーム制限絞りとの距離Ｌａと、前記ビーム制限絞りと前記加速電極との距離Ｌｏとの比を０．５≦Ｌａ／Ｌｏ≦０．７５としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記引出電極は、
前記荷電粒子源との距離を固定された第１引出電極と、
前記第１引出電極の前記荷電粒子源と反対側に配置され、前記第１引出電極との距離を調整可能に設けられると共に前記加速電極との距離を固定された第２引出電極とを備え、
前記第１引出電極と前記第２引出電極を同電位としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項７記載の荷電粒子線装置において、
前記第１引出電極と前記第２引出電極を電気的に接続して同電位とする伸縮可能な接続子を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項７記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子源は、ガリウム液体金属イオン源であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項９記載の荷電粒子線装置において、
前記第２引出電極とアース電極の間隔が６ｍｍ〜８ｍｍで、かつ、前記第１引出電極と前記第２引出電極の間隔が５ｍｍ以上であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項２記載の荷電粒子線装置において、
前記引出電極は、
前記荷電粒子源との距離を固定された第１引出電極と、
前記第１引出電極の前記荷電粒子源と反対側に配置され、前記第１引出電極との距離を調整可能に設けられると共に前記加速電極との距離を固定された第２引出電極とを備え、
前記第１引出電極と前記第２引出電極を同電位としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の荷電粒子線装置において、
前記第１引出電極と前記第２引出電極を電気的に接続して同電位とする伸縮可能な接続子を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子源は、ガリウム液体金属イオン源であ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、
前記第２引出電極とアース電極の間隔が６ｍｍ〜８ｍｍで、かつ、前記第１引出電極と前記第２引出電極の間隔が５ｍｍ以上であ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、荷電粒子線装置及び集束イオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高エネルギーの荷電粒子線（例えば集束イオンビーム）を用いた試料の加工が盛んに行われるようになっており、その一例としては、荷電粒子源から引出電極により引出した荷電粒子線をアース電極（加速電極）により加速し、さらにレンズにより細く絞り、試料に照射することによって試料の微細加工を行う技術が知られている（特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７４６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術においては、アース電極により印加した加速電圧により加速した荷電粒子を試料に照射し、その試料の構成原子を弾き飛ばすことにより試料の微細加工を行うことができる。しかしその一方で、荷電粒子線の照射により試料の構成原子に空孔や配列の乱れが生じ、荷電粒子線が照射された試料表面にアモルファス層が形成されてしまう場合がある。例えば、荷電粒子の質量が比較的大きな荷電粒子線（例えばガリウム（Ｇａ）イオンビーム）を用いる場合には、試料表面（加工部）に厚さ数１００Åのアモルファス層が形成される場合がある。試料表面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等により観察する場合、試料表面がアモルファス層に覆われていると、試料表面の鮮明な画像が取得できず、試料観察の妨げとなってしまう。
【０００５】
このようなアモルファス層の形成は、例えば、荷電粒子に印加する加速電圧を下げて荷電粒子線のエネルギーを下げることにより、ある程度抑制することができる。
【０００６】
しかしながら、加速電圧を下げて荷電粒子線の照射を行うと、試料位置における色収差が増加してしまうためビームを細く絞ることができず、加工精度が低下する恐れがある。また、加速電圧に比例してビーム電流が減少するため加工速度が遅くなり、加工効率が低下してしまうという点も懸念される。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、荷電粒子ビームによる加工精度、及び加工効率の低下を抑制しつつ、荷電粒子の加速電圧を下げることができる荷電粒子線装置及び集束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】
【０００８】
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から荷電粒子を引出す引出電極と、前記引出電極の前記荷電粒子源と反対側に設けられた加速電極と、前記引出電極の前記加速電極側の面に設けられ、前記引出電極と同電位のビーム制限絞りと、前記加速電極の前記荷電粒子の流れにおける下流側に設けられ、前記荷電粒子を静電的に収束する静電レンズと、前記静電レンズの下流側に設けられ、前記荷電粒子を静電的に収束し、試料ステージに載置された照射対象試料に照射する対物レンズと、前記静電レンズと前記対物レンズの間に設けられ、前記荷電粒子の量を制限する対物ビーム制限絞りとを備えた荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子源と前記引出電極の間に印加される電圧が５（ｋＶ）〜８（ｋＶ）、前記静電レンズの印加電圧を０（ｋＶ）とした場合に、前記対物レンズによって前記荷電粒子を前記試料に合焦する場合の前記加速電極の印加電圧Ｖａ及び前記対物レンズの印加電圧Ｖｏｂｊの条件が、Ｖａ≧２（ｋＶ）の場合には、ＶｏｂｊとＶａの関係を示す定数をＡとしてＶｏｂｊ≒Ａ×Ｖａであり、かつ、Ｖａ＝１（ｋＶ）の場合には、Ｖｏｂｊ＞Ａ×Ｖａ＋１０（Ｖ）であるように、前記引出電極の上流側の面と前記ビーム制限絞りの距離を構成する。また、前記荷電粒子線装置において、好ましくは、前記引出電極の上流側の面に対する荷電粒子源（イオン源）の高さを調整する高さ調整機構を備えるものとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明においては、荷電粒子ビームによる加工精度、及び加工効率の低下を抑制しつつ、荷電粒子の加速電圧を下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
（１）荷電粒子線装置の全体構成
図１は、本実施の形態に係わる荷電粒子線装置を示す部分断面図である。
【００１２】
図１において、本実施の形態の荷電粒子線装置は、荷電粒子源１、引出電極１３、ビーム制限アパーチャ１４、アース電極１５等から構成される荷電粒子銃３０、複数（例えば３つ）のコンデンサ電極（後述）により構成されるコンデンサレンズ２、絞り装置（対物アパーチャ）３、アライナー・スティグマ４、ブランカー５、ブランキングプレート６、ビーム走査器７、対物レンズ８、試料ステージ１１、及び検出器１２を備えている。
【００１３】
図２は荷電粒子銃３０の構成を模式的に示す図であり、図３はその荷電粒子源１の周辺の詳細を示す拡大図である。
【００１４】
図２及び図３において、イオン銃３０は、荷電粒子源１、引出電極１３、ビーム制限アパーチャ１４、アース電極１５を備えている。
【００１５】
荷電粒子源１は、例えば、ガリウム液体金属イオン源などのＬＭＩＳ（Liquid Metal Ion Source）であり、この場合の荷電粒子線装置は集束イオンビーム装置である。以下、荷電粒子源１がＬＭＩＳである場合を例にとり説明する。
【００１６】
荷電粒子源１（以下、ＬＭＩＳ１と記載する）はＬＭＩＳホルダ２３に保持され、ＬＭＩＳホルダ２３はイオン源碍子２０を介して筒状部材１９に固定されている。筒状部材１９は、その外周部におねじ部を有しており、このおねじ部には内周部にめねじ部を有するリング状円盤１８が螺着されている。リング状円盤１８は、支持部材２２に回転可能に支持されており、支持部材２２は支持部材２５に固定されている。筒状部材１９と支持部材２２はベローズ２１を介して接続されており、リング状円盤１８を筒状部材１９に対して回転することにより、ＬＭＩＳホルダ２３の位置、すなわちＬＭＩＳホルダ２３に保持されたＬＭＩＳ１の位置（図２及び図３中上下方向の位置）を調整することができる。また、ＬＭＩＳホルダ２３は、ＬＭＩＳ１への高電圧印加用の電圧端子（図示せず）及びＬＭＩＳ１を一時的に加熱（フラッシング）するための加熱機構（図示せず）を備えている。
【００１７】
ＬＭＩＳ１の下流側（図２及び図３中下側）には、ＬＭＩＳ（荷電粒子源）１から荷電粒子（イオン）を引き出す引出電極１３が配置されており、碍子２６を介して支持部材２５に固定されている。また、引出電極１３の下流側（図２及び図３中下側）には、引出電極１３と同電位に保たれ、ＬＭＩＳ１からの荷電粒子線（イオンビーム：後述）の量を制限するビーム制限アパーチャ１４が設けられている。引出電極１３は電圧端子２４を有しており、その電圧端子２４を介してＬＭＩＳ１の表面に強電界を作るための引出電圧が引出電源（図示せず）により印加される。また、引出電極１３の下流側にはアース電極１５が配置されており支持部材２５に固定されている。また、引出電極１３の中心（イオンビーム透過部分の中心：後述）とアース電極１５の中心は同軸上に位置するよう構成されている。
【００１８】
このように、荷電粒子銃３０においては、引出電極１３の上流側の面とＬＭＩＳ１の間の距離ｈ（＝Ｚｏ−Ｌａ）は調整可能であり、引出電極１３とアース電極１５の相対位置（距離）は固定されている。また、荷電粒子銃３０において、引出電極１３とアース電極１５は荷電粒子銃３０のレンズ（静電レンズ：後述）を構成しているが、距離ｈが調整可能であるので、そのレンズとＬＭＩＳ１の距離ｈが調整可能である。
【００１９】
荷電粒子銃３０は、ＬＭＩＳ１、引出電極１３及びアース電極１５のそれぞれの間に印加された電圧の作用により試料方向（図４中下方向）に荷電粒子線９としてガリウムイオンビーム（以下、イオンビームと記載する）を照射する（後に詳述）。なお、本実施例は、その他の荷電粒子線装置に適用可能であり、例えば、荷電粒子源１を電子源とした場合は、高電圧の極性が変わるだけで集束イオンビーム装置と同様の荷電粒子線装置（電子線装置）を構成できる。
【００２０】
図１に戻る。
【００２１】
荷電粒子銃３０から照射されたイオンビーム（荷電粒子線）９は、コンデンサレンズ２により静電的に弱い集束作用を受け、絞り装置３に入射される。
【００２２】
絞り装置３は、イオンビーム（荷電粒子線）９の光軸上に配置された帯状の部材であり、駆動装置（図示せず）により、その長手方向に摺動可能に設けられている。絞り装置３は長手方向に並べて配置された複数（例えば４つ）のアパーチャ（絞り）を有している。アパーチャの直径は、例えば、直径５μｍ，４０μｍ，２００μｍ，５００μｍである。この絞り装置３を駆動装置（図示せず）により長手方向に移動することにより、イオンビーム９の光軸上に所望の直径のアパーチャを選択的に配置する。
【００２３】
絞り装置３のアパーチャを通過したイオンビーム９は、アライナー・スティグマ４、ブランカー５、ブランキングプレート６、ビーム走査器７を経た後、さらに対物レンズ８の静電的な集束作用により細く絞られて試料ステージ１１に載置された試料１０に照射される。
【００２４】
試料１０上におけるイオンビーム９の照射位置はビーム走査器７により制御される。イオンビーム９の照射により試料１０から生じた信号（２次電子）は、検出器１２により検出され、その検出信号は制御装置（図示せず）に送られる。
【００２５】
制御装置（図示せず）は、走査信号によりビーム走査器７を制御してイオンビーム９により試料１０上を走査し、ビーム走査器７への操作信号と検出器１２で検出した信号（検出信号）の同期をとることにより試料１０の画像を取得し、表示装置（図示せず）に表示する。
【００２６】
（１−１）コンデンサレンズ（静電レンズ）２の動作原理
図４（ａ），（ｂ）は、コンデンサレンズ２の構成を簡略化して示す図であり、図４（ａ）は減速モード、図４（ｂ）は加速モードの場合をそれぞれ示している。図４（ａ），（ｂ）においては、荷電粒子線装置（集束イオンビーム装置）におけるイオンビーム９の光軸方向（図１中上下方向）を横方向に示している。なお、図１における対物レンズ８においてもコンデンサレンズ２と同様の構成であり同様の動作原理が適用されるので、対物レンズ８における動作原理の説明は省略する。
【００２７】
コンデンサレンズ２は、イオンビーム９が通過するビーム通過部を中心部に有する円盤状の複数（例えば３枚）のコンデンサ電極８１〜８３で構成されている。なお、図４（ａ），（ｂ）においては、コンデンサレンズ２のレンズ光軸を通る平面における断面のうち、レンズ光軸に対して片側のみを表している。
【００２８】
図４（ａ），（ｂ）において、コンデンサレンズ２は、荷電粒子銃３０からのイオンビーム９が入射される側（上流側）に配置された入射側電極８１と、イオンビーム９が出射される側（下流側）に配置された出射側電極８３と、入射側電極８１と出射側電極８３の間に配置された中間電極８２とを備えている。
【００２９】
中央電極８２には電圧が印加され、入射側電極８１及び出射側電極８３は接地される（アース電位とする）。このように荷電粒子線の入力側と出力側の電位が変化しない静電レンズをユニポテンシャルレンズと呼ぶ。また、中央電極８２に正電圧を印加する場合（図４（ａ）参照）を減速モード、中央電極８２に負電圧を印加する場合（図４（ｂ）参照）を加速モードと呼ぶ。
【００３０】
以上のように構成したコンデンサレンズ（静電レンズ）２のイオンビーム９に対する集束作用について説明する。
【００３１】
イオンビーム９を構成するイオンは荷電粒子であるから、その荷電粒子が通過する空間に生じている電場Ｅ、及び磁場Ｂと相互作用する。
【００３２】
例えば、電荷ｑ、質量ｍ０の荷電粒子が電場Ｅ、磁場Ｂの中を速度ｖで移動する場合、この荷電粒子に働く力Ｆは、下記の式１により表される。
【００３３】
【数１】
2010102938.tif 000003
【００３４】
このように電場Ｅ及び磁場Ｂにより荷電粒子が受ける力をローレンツ力という。
【００３５】
コンデンサレンズ２において、イオンビーム９を構成する荷電粒子に作用するのは、３枚の電極８１〜８３間に生じる電場Ｅのみである。この電場Ｅは、コンデンサレンズ２のレンズ光軸に対して対称である。
【００３６】
コンデンサレンズ２のレンズ光軸上にｚ座標（ｚ軸）、動径方向にｒ座標をとると、電場Ｅはその動径方向成分Ｅｒ、及びｚ座標向成分Ｅｚを用いて表される。これらＥｒ，Ｅｚは下記の式２及び式３で表される。
【００３７】
【数２】
2010102938.tif 000004
【００３８】
【数３】
2010102938.tif 000005
【００３９】
コンデンサレンズ２のレンズ作用は、そのコンデンサレンズ２により生じた電場Ｅ中を通過する間に受ける動径方向（ｒ方向）の曲がりの積分として表される。電場Ｅの動径方向（ｒ方向）の成分（電場Ｅｒ）から荷電粒子が受ける力Ｆｒは、下記の式４により表される。
【００４０】
【数４】
2010102938.tif 000006
【００４１】
また、動径方向の力Ｆｒは、下記の式５のように表すことができる。
【００４２】
【数５】
2010102938.tif 000007
【００４３】
上記の式４に式２と式５を代入すると下記の式６のように計算され、下記の式７が得られる。
【００４４】
【数６】
2010102938.tif 000008
【００４５】
【数７】
2010102938.tif 000009
【００４６】
上記の式７は、電場Ｅｒにより荷電粒子に生じる動径方向（ｒ方向）の速度変化ｄｖｒを示している。つまり、荷電粒子により構成されるイオンビーム９は、この速度変化ｄｖｒに従って進行方向が変わる。
【００４７】
上記の式７の右辺は、分母に荷電粒子の速度のｚ軸方向成分ｖｚを有しており、ｚ軸方向の速度が遅いほど、イオンビーム９（荷電粒子）の向きは大きく変わることがわかる。つまり、速度ｖｚが小さくなるにつれてｄｖｒが大きくなり、レンズ光軸（ｚ軸）側への集束作用が大きくなる。また、ｖｚが大きくなるにつれてｄｖｒが小さくなり、レンズ光軸方向への集束作用が小さくなる。
【００４８】
また、ｄｖｒ／ｄｚはイオンビーム９の屈折を示しており、ｚ軸方向に対するビームの傾きがｒ座標に比例していることから、イオンビーム９はコンデンサレンズ２の焦点に関係する（１点に収束する）ことがわかる。
【００４９】
図４（ａ）に示した減速モードの場合においては、イオンビーム９は入射側電極８１（接地）と出射側電極８３（接地）の付近では電界の分布形状によりレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受けるが、中間電極８２（正電圧印加）の付近ではレンズ光軸側への力（集束力）を受ける。また、荷電粒子（正電荷）は、コンデンサレンズ２内の中間電極８２付近で最も減速されて速度が遅くなる。したがって、コンデンサレンズ２は減速モードにおいて、凸レンズとして作用する。
【００５０】
一方、図４（ｂ）に示した加速モードの場合においては、イオンビーム９は入射側電極８１（接地）と出射側電極８３（接地）の付近ではレンズ光軸側への力（集束力）を受けるが、中間電極８２（負電圧印加）の付近ではレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受ける。また、荷電粒子（正電荷）は、コンデンサレンズ２内の中間電極８２付近で最も加速されて速度が速くなる。したがって、コンデンサレンズ２は加速モードにおいても凸レンズとして作用する。
【００５１】
このように、コンデンサレンズ（静電レンズ）２は、減速モード及び加速モードのいずれの場合においてもイオンビーム９に対して凸レンズとして作用する。
【００５２】
（１−２）荷電粒子銃３０の動作原理
図５は、荷電粒子銃３０のレンズ作用を説明する図であり、図５（ａ）は引出電極１３に正電圧を印加した場合、図５（ｂ）は引出電極１３に負電圧を印加した場合をそれぞれ示している。
【００５３】
荷電粒子銃３０は、ＬＭＩＳ１、引出電極１３、及びアース電極１５によりレンズを構成する（レンズ作用を生じる）。このように、荷電粒子線の入射側と出射側が電位の異なる２枚の電極で構成されるレンズを、入射側と出射側の電位が変化しないユニポテンシャルレンズに対して、バイポテンシャルレンズと呼ぶ。
【００５４】
図５（ａ），（ｂ）においては、レンズ光軸を横方向に示している。レンズ光軸上のＬＭＩＳ１（光源）の位置を原点にとり、レンズ光軸に沿ってｚ軸をとる。また、縦軸にはレンズ光軸（ｚ軸）上の各位置におけるＬＭＩＳ１を基準とした電位を示すと共に、レンズ光軸からの距離（動径方向の距離ｒ）を示している。
【００５５】
図５（ａ），（ｂ）に示すように荷電粒子銃３０では、ＬＭＩＳ１から放出された電荷ｑを有するイオン（荷電粒子）が直ちに引き出し電位（ＬＭＩＳ１を基準にした引出電極１３の電位：Ｖｅ）の運動エネルギーｑ・Ｖｅを得た後、等電位空間を等速運動して引出電極１３を通過し、引出電極１３の電位Ｖｅとアース電極１５の電位（ＬＭＩＳ１を基準にしたアース電極１５の電位：Ｖａ）の電位差（Ｖａ−Ｖｅ）で加速されて最終的に運動エネルギーｑ・Ｖａのイオンビーム（荷電粒子線）９が射出される。
【００５６】
ＬＭＩＳ１から放出されたイオン（荷電粒子）に働く力は、上記のコンデンサレンズ２の場合と同様に表される。すなわち、ＬＭＩＳ１、引出電極１３、及びアース電極１５により生じた電場Ｅ内をＬＭＩＳ１から放出された電荷ｑ、質量ｍ０、速度ｖのイオンが移動する場合、電場Ｅの動径方向成分Ｅｒ及びイオンの動径方向（ｒ方向）の速度変化ｄｖｒは、上記の式２及び式７により表される。したがって、イオンビーム（荷電粒子線）９は、荷電粒子銃３０においても上記の式７に示される速度変化ｄｖｒに従って進行方向が変わる。
【００５７】
図５（ａ）に示したように、引出電極１３に正電圧を印加した場合においては、イオンビーム（正電荷）９はアース電極１５（接地）の付近では電界の分布形状によりレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受けるが、引出電極１３（正電圧印加）の付近ではレンズ光軸側への力（集束力）を受ける。また、イオンビーム９は、引出電極１３付近で最も減速されて速度が遅くなる。したがって、荷電粒子銃３０のレンズ作用は、引出電極１３に正電圧を印加した場合おいて凸レンズ作用となる。また、図５（ａ）は、イオンビーム９が荷電粒子銃３０のレンズ作用において虚結像となる場合を示す。
【００５８】
一方、図５（ｂ）に示したように、引出電極１３に負電圧を印加した場合においては、イオンビーム（正電荷）９はアース電極１５（接地）の付近ではレンズ光軸側への力（集束力）を受けるが、引出電極１３（負電圧印加）の付近ではレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受ける。また、イオンビーム９は、引出電極１３付近で最も加速されて速度が速くなる。したがって、荷電粒子銃３０のレンズ作用は、引出電極１３に負電圧を印加した場合においても凸レンズとして作用する。また、図５（ｂ）は、イオンビーム９が荷電粒子銃３０のレンズ作用において実像を作り実結像となる場合を示す。
【００５９】
このような荷電粒子銃３０のバイポテンシャルレンズのレンズ作用は、ρ＾２＝（Ｖａ／Ｖｅ）をパラメータとして記述することができる。Ｖａ＝Ｖｅ（すなわち、ρ＝１）の場合、荷電粒子銃３０のレンズ作用はなくなる。（０＜）ρ＜１の場合は、ρが小さくなる（１から離れる）に従って集束作用が強まり、焦点距離が短くなる。また、１＜ρの場合は、ρが大きくなる（１から離れる）に従って集束作用が強まり、焦点距離が短くなる。
【００６０】
荷電粒子銃３０の光源とレンズの焦点とが重なる点を発散点と呼ぶ。この発散点は、０＜ρ＜１の範囲、１＜ρの範囲にそれぞれ１つずつ存在する。
【００６１】
荷電粒子銃３０のレンズ（作用）における焦点位置が光源の位置より内側になると、イオンビーム９が荷電粒子銃３０のレンズ作用で結像する状態となり、クロスオーバを作る。
【００６２】
ＬＭＩＳ１からのイオン放射が始まる電圧（閾値電圧）をＶｏｃとすると、加速電圧Ｖａが閾値電圧Ｖｏｃより低い場合、アース電極１５近傍でイオンビーム９のｚ軸方向（レンズ光軸方向）の速度成分ｖｚ（以下、速度ｖｚと記載する）が減速される。ρ＾２＝（Ｖａ／Ｖｅ）の値が小さくなればなるほど（加速電圧Ｖａが低くなればなるほど）ｚ軸方向の電界成分Ｅｚ（以下、電界Ｅｚと記載する）の勾配が大きくなり、また、速度ｖｚの速度変化（減速）が大きくなる。また、イオンビーム９の屈折量をｄｖｒ／ｄｚとすると、屈折量ｄｖｒ／ｄｚは離軸（動径方向のｚ軸からの距離）ｒに比例し、かつ、電界Ｅｚの勾配を速度ｖｚで割ることになるので、イオンビーム９はアース電極１５近傍で強く集束される（屈折量が大きくなる）。
【００６３】
一方、加速電圧Ｖａが閾値電圧Ｖｏｃより高い場合、引出電極１３を通過してアース電極１５を通過するまでの空間で速度ｖｚが大きくなる。ρ＾２＝（Ｖａ／Ｖｅ）の値が大きくなればなるほど（加速電圧Ｖａが高くなればなるほど）電界Ｅｚの勾配が大きくなり、また、速度ｖｚの速度変化（加速）が大きくなる。また、イオンビーム９の屈折量ｄｖｒ／ｄｚは、離軸ｒに比例し、かつ、電界Ｅｚの勾配を速度ｖｚで割るので、イオンビームは引出電極１３近傍で強く集束される（屈折量が大きくなる）。
【００６４】
ここで、荷電粒子銃３０における仮想光源の位置（荷電粒子銃３０の下流（＋）側から上流（−）側を見た時の見かけ上の光源の位置）とＶｅ／Ｖａ（＝１／ρ＾２）の関係を説明する。
図６は、Ｖｅ／ＶａとＬＭＩＳ１に対する仮想光源の位置ｓ０の関係を示した図であり、横軸はＶｅ／Ｖａを、縦軸はＬＭＩＳ１を原点にしてＬＭＩＳ１に対する仮想光源の位置ｓ０をそれぞれ示している。図６においては、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離を７ｍｍ、５ｍｍ、４．４ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍとした場合のそれぞれについてＶｅ／Ｖａと位置ｓ０の関係を示している。
【００６５】
引出電圧ＶｅとＬＭＩＳ１からの荷電粒子の放射量(エミッション電流)Ｉｅの関係はＬＭＩＳ１の種類によって決まり、ＬＭＩＳ１がニードルタイプの液体金属イオン源の場合、エミッション電流Ｉｅを１μＡ増加するのに必要な引出電圧Ｖｅの変化量ΔＶｅを示すＩｅ−Ｖｅ特性の傾きは、ΔＶｅ／ΔＩｅ≒１５（Ｖ／μＡ）である。引出電極１３と引出電極１３に引出電圧を印加する引出電源（図示せず）の間には抵抗値Ｒの制限抵抗（図示せず）が直列に挿入されており、引出電源の出力電圧Ｖｅｘｔの変化値ΔＶｅｘｔ＝ΔＩｅ×Ｒで表され、さらに変形するとΔＶｅｘｔ＝ΔＶｅ×（Ｒ／１５）となる。つまり、Ｒ／１５を係数とし引出電圧の変化量ΔＶｅを引出電源の出力電圧Ｖｅｘｔの変化値ΔＶｅｘｔで制御することができる。
【００６６】
ＬＭＩＳ１からエミッション電流Ｉｅが得られ始める引出電圧Ｖｅを閾値電圧ＶｏｃとするとＶｏｃ≒Ｖｅ＋Ｉｅ×Ｒと表される。ここで、制限抵抗の抵抗値Ｒを十分小さい値とする（Ｒ＜＜１）ことによってＶｏｃ≒Ｖｅとすることができる。また、Ｒ＜＜１とすることは、エミッション電流Ｉｅと引出電圧Ｖｅの関係において、Ｉｅ＝０に外挿した電圧ＶｏｘがＶｏｘ≒Ｖｏｃで表されるということである。例えば、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置で使われるニードルタイプのガリウム（Ｇａ）ＬＭＩＳのＶｏｃは５ｋＶ〜１０ｋＶである。エミッション電流Ｉｅの安定性を考慮して閾値電圧Ｖｏｃ≒７ｋＶとした場合を考えると、加速電圧Ｖａが４０ｋＶから１ｋＶまで変化するとき、１／ρ＾２＝Ｖｅ／Ｖａは０．１〜８の範囲の値をとる。
【００６７】
（２）荷電粒子線装置（集束イオンビーム装置）の動作原理
次に、荷電粒子線装置全体の動作原理を説明する。
【００６８】
（２−１）ビーム電流Ｉｂ
図７は、荷電粒子線装置（集束イオンビーム装置）の各構成の位置関係を示す図である。
【００６９】
試料１０に照射されるイオンビーム９のビーム電流Ｉｂは、放射角電流密度Ｊω、像面の開き角αｏｉ、荷電粒子銃の像倍率ｍ１、コンデンサレンズ２の倍率ｍ２、対物レンズの倍率ｍ３、光学系全体集束イオンビーム装置の像倍率Ｍ、引出電圧（物点電圧）Ｖｅ、及び加速電圧Ｖａを用いて下記の式８で求められる。
【００７０】
【数８】
2010102938.tif 000010
【００７１】
ここで、上記の式８で用いた、像面の開き角αｏｉ、荷電粒子銃の像倍率ｍ１、コンデンサレンズ２の倍率ｍ２、対物レンズの倍率ｍ３、光学系全体の像倍率Ｍ（以下、単に倍率Ｍと記載する）は、下記の式９〜式１３により求められる。
【００７２】
【数９】
2010102938.tif 000011
【００７３】
【数１０】
2010102938.tif 000012
【００７４】
【数１１】
2010102938.tif 000013
【００７５】
【数１２】
2010102938.tif 000014
【００７６】
【数１３】
2010102938.tif 000015
【００７７】
なお、上記の式９及び式１２中の演算子±において、−（マイナス）の場合はコンデンサ実結像を、＋（プラス）の場合はコンデンサ虚結像をそれぞれ示す。また、ａ１、ｂ１、Ｌａｐ、ｌａｐ、Ｌ、ｂ３、及びＸは、図７に示す荷電粒子線装置（集束イオンビーム装置）の各部の距離を示している。
【００７８】
ここで、上記の式８に上記の式９で求めた像面の開き角αｏｉを代入すると、ビーム電流Ｉｂを求める下記の式１４が得られる。
【００７９】
【数１４】
2010102938.tif 000016
【００８０】
（２−２）ビーム径ｄ
試料１０に照射されるイオンビーム９のビーム径ｄは、光学系全体の倍率Ｍ、色収差係数Ｃｃ、球面収差係数Ｃｓ、及び対物レンズの像面側のビーム開き角αを用いて下記の式１５により求められる。
【００８１】
【数１５】
2010102938.tif 000017
【００８２】
また、上記の式１５で用いた対物レンズの像面側の開き角αは、ビーム電流Ｉｂ、及び光学系の倍率Ｍを用いて下記の式１６で求められる。
【００８３】
【数１６】
2010102938.tif 000018
【００８４】
イオンビーム９のビーム径ｄを求める上記の式１５に対物レンズの像面側の開き角αを求める上記の式１６を代入することにより、ビーム径ｄが求められる。
【００８５】
（２−３）電流密度Ｊ
試料１０に照射されるイオンビーム９の電流密度Ｊは、ビーム電流Ｉｂとビーム径ｄとを用いて下記の式１７で求められる。
【００８６】
【数１７】
2010102938.tif 000019
【００８７】
（３）荷電粒子線装置（集束イオンビーム装置）の検討
次に、荷電粒子線装置の動作について検討する。
【００８８】
（３−１）大電流カラムの検討
より大電流の集束イオンビーム装置（大電流カラム）とするために、ビーム電流Ｉｂについて検討する。
【００８９】
上記の式１４（ビーム電流Ｉｂに関する式）から、ビーム電流Ｉｂを増加するには、荷電粒子銃の像倍率ｍ１、コンデンサレンズ２の倍率ｍ２、絞り装置（対物アパーチャ）３のアパーチャ径Ｄａｐを大きくすると良いことが分かる。このうち、倍率ｍ２の変化率は他のパラメータよりも大きく、したがって、ビーム電流Ｉｂの増加に有効である。
【００９０】
ここで、上記の式１１から分かるように、コンデンサレンズの倍率ｍ２は距離Ｘが大きいほど大きくなる。また、コンデンサレンズの倍率ｍ２は、距離Ｌａｐ又は（Ｌａｐ−ｌａｐ）の値が小さいほど大きくなる。このような点に着目することにより集束イオンビーム装置（大電流カラム）を構成する。
【００９１】
上記の式１３から分かるように、コンデンサレンズの倍率ｍ２が大きくなる場合、光学系全体の倍率Ｍもまた大きくなるが、大電流（ビーム電流Ｉｂが大きい状態）では上記の式１５の第１項の影響より第２項の影響が大きいので、上記の式１６で求めた対物レンズ８の像面側のビーム開き角αを同じか更に小さくできる解が存在すれば、電流密度Ｊの高いビームを得ることができる。つまり、コンデンサレンズ２を単焦点で使いイオンビーム９の離軸を抑えた平行ビーム或いは弱集束にして、アパーチャ径Ｄａｐを大きくすることなくビーム電流Ｉｂを増やすことができ、対物レンズ８の球面収差を小さくすることができるということである。
【００９２】
集束イオンビーム装置は、対物アパーチャ３でビーム電流Ｉｂを変えることができ、加工体積や精度に応じた(適した)ビーム電流Ｉｂを選び、加工に適したビーム走査を実行することにより高速・高精度の加工を行う。
【００９３】
ただし、ビーム電流Ｉｂによってビーム径ｄが最小になる倍率Ｍが変わるので、ビーム電流Ｉｂ(アパーチャ径Ｄａｐ)に応じて最大電流密度になるように倍率Ｍを制御する。実際には、色収差係数Ｃｃ及び球面収差係数Ｃｓを倍率Ｍの関数として求められるので、ビーム電流Ｉｂのときのビーム径ｄを倍率Ｍの関数として表し、この関数からビーム径ｄが最小になるような最適化された倍率Ｍ（ＡＰ）を求める。この倍率Ｍ（ＡＰ）は、必要なビーム電流Ｉｂが得られるアパーチャ径で、最小ビーム径ｄｍｉｎになる（最大電流密度になる）倍率Ｍ（ＡＰ）である。
【００９４】
具体的には、アパーチャ径Ｄａｐに応じて、最大電流密度（最小ビーム径ｄｍｉｎ）になる倍率Ｍ（ＡＰ）となるようなコンデンサレンズ２の中間電極８２の印加電圧のテーブルを予め用意し、アパーチャ径Ｄａｐを切り換えたとき（絞り装置３のアパーチャの直径を切り換えたとき）に、このテーブルに従ってコンデンサレンズ２の中間電極８２に電圧を印加することにより、最大電流密度（最小ビーム径ｄｍｉｎ）となるように制御する。
【００９５】
図１に示したように、集束イオンビーム装置において、イオン源（ＬＭＩＳ）１から放出されたイオンビーム９は、引出電極１３のビーム制限（ＧＵＭ）アパーチャ１４で制限を受け、ビーム走査器（偏向器）７、及び対物レンズ８を通過して、試料ステージ１１上で接地電位に保たれた試料１０に照射される。
【００９６】
ＬＭＩＳ１としてガリウム（Ｇａ）液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用い、引出電圧Ｖｅが７ｋＶ以上である集束イオンビーム装置において、加速電圧Ｖａ＝３０ｋＶでＷＤ（Working distance：作動距離）＝６ｍｍの対物レンズ（静電レンズ）８を用い、ビーム径ｄが１μｍでビーム電流Ｉｂが４０ｎＡ程度のイオンビーム９を得るには、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離を５ｍｍとし、ＬＭＩＳ１とコンデンサレンズ２の主面までの距離を２１ｍｍ以下とする必要がある。引出電極１３、アース電極１５、及びコンデンサ２の入射側電極８１を１６ｍｍの範囲に収める場合、各電極間の距離を８ｍｍ以下とする必要がある。
【００９７】
また、真空の耐電圧が１０ｋＶ／ｍｍとした場合に３０ｋＶの耐電圧で設計しようとすると、電極の板厚を１ｍｍとして、少なくとも５ｍｍ（＝１ｍｍ＋３ｍｍ＋１ｍｍ）以上の間隔が必要となる。ただし、電極の間隔を５ｍｍにした場合、加速電圧Ｖａ＝３０ｋＶで引出電圧Ｖｅ＝７ｋＶの荷電粒子銃３０の倍率が高くなるため分解能が悪くなり、ビーム電流Ｉｂ＝４０ｎＡのイオンビーム９をビーム径ｄ≒１μｍ程度まで絞ることが出来ない。このため、ビーム径ｄが１μｍでビーム電流Ｉｂが４０ｎＡ程度のイオンビーム９を得るには、電極の間隔は６ｍｍ以上とする必要がある。また、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶまでの対応を考えると電極間の距離は最低６ｍｍが必要である。なお、荷電粒子銃３０の倍率の影響が少ない場合は、装置の最大ビーム電流は加速電圧Ｖａにほぼ比例する。
【００９８】
図８は、荷電粒子銃３０において、加速電圧Ｖａ＝４０ｋｖ、ＬＭＩＳ（ＧａＬＭＩＳ）１と引出電極１３の距離を５ｍｍ、引出電極１３とアース電極１５の間隔を８ｍｍとした場合の集束イオンビーム装置におけるビーム電流Ｉｂとビーム径Ｄｐの関係を示す図である。なお、ビーム径Ｄｐは、それぞれの条件において集束イオンビーム装置における倍率制御により得られる最小値である。
【００９９】
ガリウム（Ｇａ）ＬＭＩＳの特性値としては、光源の大きさｄ０＝５０ｎｍ、放射角電流密度Ｊω＝１７μＡ／ｓｒ、放射ビームのエネルギー幅Ｉｅ＝２μＡ：ΔＥ＝５ｅＶ、Ｉｅ＝３．２μＡ：ΔＥ＝７ｅＶを用いた。なお、放射角電流密度Ｊωは本来２０μＡ／ｓｒ程度であるが、対物アパーチャ３の厚さと開口の関係からビーム電流Ｉｂが減少する影響を考慮して、放射角電流密度Ｊω＝１７μＡ／ｓｒとした。
【０１００】
図８においては、各条件においてビーム径１μｍ以下のビーム電流Ｉｂの最大値Ｉｂｍａｘ≒６０ｎＡであり、したがって、最大加速電圧Ｖａｍａｘ（ｎＡ）と最大ビーム電流Ｉｂｍａｘ（ｋＶ）の比をみると、Ｉｂｍａｘ／Ｖａｍａｘ＝６０（ｎＡ）／４０（ｋＶ）＝１．５≧１である。
【０１０１】
（３−２）低加速の検討
集束イオンビーム装置においては、アース電極１５により印加した加速電圧Ｖａにより加速した荷電粒子（イオンビーム９）を試料１０に照射し、その試料１０の構成原子を弾き飛ばすことにより試料の微細加工を行う。しかしその一方で、例えばガリウム（Ｇａ）イオンのように試料１０を構成する原子（例えばシリコン（Ｓｉ））と同等以上の質量を持つ荷電粒子のイオンビーム９を試料１０に照射する場合、試料１０の構成原子は、その結合エネルギーに比べてはるかに大きいエネルギーで弾き飛ばされるため、試料１０の構成原子に空孔や配列の乱れが生じ、荷電粒子線が照射された試料表面にアモルファス層が形成されてしまう場合がある。試料の加工面を走査電子顕微鏡により観察する場合、或いは、透過電子顕微鏡により試料の薄片を観察する場合、試料表面がアモルファス層に覆われていると、試料表面の鮮明な画像が取得できず、試料観察の妨げとなってしまう。
【０１０２】
このようなアモルファス層の形成は、例えば、荷電粒子に印加する加速電圧を下げて荷電粒子線のエネルギーを下げることにより、ある程度抑制することができる。しかしながら、加速電圧を下げて荷電粒子線の照射を行うと、試料位置における色収差が増加してしまうためビームを細く絞ることができず、加工精度が低下する（微細な加工ができない）恐れがある。また、加速電圧に比例してビーム電流が減少する（イオンビーム９の照射エネルギーが低くなる）ため加工速度が遅くなり、加工効率が低下してしまうという点も懸念される。
【０１０３】
そこで、集束イオンビーム装置におけるイオンビームの低加速について検討する。
【０１０４】
低加速の状態（加速電圧Ｖａを低くした状態）では、イオンビーム９を構成する荷電粒子の速度（ビーム速度）が遅いため、荷電粒子銃３０のレンズ作用の影響が大きくなる。
【０１０５】
図９は、荷電粒子銃３０のレンズ作用を示す図であり、図９（ａ）は実像結像の状態を、図９（ｂ）は虚像結像の状態をそれぞれ示す図である。
【０１０６】
荷電粒子銃３０のレンズ(バイポテンシャルレンズ)は、ビーム速度の遅いところでのレンズ作用が大きいので、図９（ａ），（ｂ）に示すように、レンズ前（イオンビーム９の上流側）とレンズ後（イオンビーム９の下流側）に物面Ｈｏと像面Ｈｉの２つの主面（光線の屈折面)を有する厚レンズとなる。また、加速電圧Ｖａが閾値電圧（エミッション閾値電圧）Ｖｏｃより低い場合は主面がアース電極１５近傍にでき、高い場合は主面が引出電極１３近傍にできるというように、主面の位置は加速電圧Ｖａによって大きく移動する。
【０１０７】
図１０は、ρの値と荷電粒子銃３０の焦点位置Ｈｏ−ｆｏ及び結像点Ｈｉ＋ｂの対応を示す図であり、図１０（ａ）は０≦ρ≦１の場合を、図１０（ｂ）は１≦ρの場合をそれぞれ示している。
【０１０８】
ＬＭＩＳ１は、荷電粒子銃３０のレンズの焦点距離Ｆｏの内側（引出電極１３側）に置く。ただし、ρが変化することによりレンズ主面（物面、像面）Ｈｏ，Ｈｉ、焦点距離Ｆｏ，Ｆｉは変化する。
【０１０９】
なお、引出電極１３の位置を基準としたイオンビーム９を大電流・高電流密度とするためにはコンデンサレンズ２をＬＭＩＳ１に近づける必要があるため、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離ｈを５ｍｍに、引出電極１３とアース電極１５の距離Ｌｏを８ｍｍとした。
【０１１０】
ここで、図３において、引出電極１３の下流側（図３中下側）の面を基準とし、引出電極１３の上流側（図３中上側）の面までの距離をＬａ、ＬＭＩＳ１の先端までの距離をＺｏとすると、ＬＭＩＳ１の高さ（ＬＭＩＳ１の先端と引出電極１３の距離）ｈは、ｈ＝Ｚｏ−Ｌａで表される。荷電粒子銃３０においては、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈ＝Ｚｏ−Ｌａを変えると引出電圧Ｖｅが変わる。また、引出電圧Ｖｅは、ＬＭＩＳ１の閾値電圧Ｖｏｃと同じと考えることができるので、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈと閾値電圧Ｖｏｃの関係は下記の式１８で表される。
【０１１１】
【数１８】
2010102938.tif 000020
【０１１２】
なお、上記の式１８において、ε０は真空の誘電率、γはガリウム（Ｇａ）液体金属の表面張力、ｒは放出点の大きさである。
【０１１３】
上記の式１８においては、引出電極１３とＬＭＩＳ１の先端の距離ｈ（＝Ｚｏ−Ｌａ）が距離ｈ＋Δｈに変わった場合、閾値電圧Ｖｏｃは元の値に対してｌｎ（１＋Δｈ／ｈ）×（（γ×ｒ）／ε０）＾（１／２）増加する。従って、Δｈ＜０の場合、すなわち、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離を近づけた場合、閾値電圧Ｖｏｃは下がりρの値が大きくなる。しかし、距離ｈを変化させたことにより荷電粒子銃３０のレンズ作用が変化するので、ビーム電流Ｉｂの増減を考察するには、ρと引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈの両方の変化による荷電粒子銃３０のレンズ作用(バイポテンシャルレンズの特性)を考慮する必要がある。
【０１１４】
ここで、図１０からわかるように、Ｖａ＝Ｖｅ（ρ＝１）で焦点ｆが無限遠点となり、荷電粒子銃３０のレンズ作用はなくなる。０＜ρ＜１の場合は、ρが小さくなる（１から離れる）に従って集束作用が強まり、１＜ρの場合は、ρが大きくなる（１から離れる）に従って集束作用が強まる。
【０１１５】
また、引出電極１３の位置を基準にした場合のＬＭＩＳ１の位置ｓｏと焦点位置Ｈｏ−ｆｏが重なった場合、結像点Ｈｉ＋ｂに平行になり発散する。発散点は、０＜ρ＜１の範囲、及びρ＞１の範囲にそれぞれ存在する。焦点が更に短くなるとクロスオーバ(荷電粒子銃３０のレンズ作用によりイオンビームが一点に結像)を作るようになる。
【０１１６】
荷電粒子銃３０のレンズ作用によって、加速電圧Ｖａが４０ｋＶから２ｋＶの範囲では仮想光源と呼ばれる虚像をＬＭＩＳ１の上流側（上方）に作るが、加速電圧１ｋＶではＬＭＩＳ１の下流側(下方)にクロスオーバを作るので、したがって、加速電圧Ｖａが２ｋＶから１ｋＶの範囲の何れかの値の場合に発散することがわかる。例えば、荷電粒子銃３０において加速電圧Ｖａが２ｋＶの場合、Ｖｏｃ＝７ｋＶに対してρ＾２＝０．２８となるのに対し、加速電圧Ｖａが１ｋＶの場合、ρ＾２＝０．１４となり、荷電粒子銃３０のレンズ作用でクロスオーバを作る状態になるので、加速電圧Ｖａが１ｋＶから２ｋＶの間に有る場合に発散点があり、その値を調べるとρ＾２≒０．１６である。
【０１１７】
このような荷電粒子銃３０において、加速電圧１ｋＶにしてビーム（集束イオンビーム装置の各パラメータ）を調整する実験を行った結果、引出電圧Ｖｅ＝７±０．２５ｋＶにおいて、ＬＭＩＳ１の位置や対物アパーチャ３の位置を変えずに、加速電圧Ｖａを４０ｋＶから１ｋＶまでの範囲で常にビームが通る（試料１０に到達する）ようには調整できないことが分かった。例えば、加速電圧Ｖａ１ｋＶにおいてビームが通るようにＬＭＩＳ１の位置、及び対物アパーチャ３の位置を調整すると加速電圧Ｖａを４０ｋＶに変えた場合にはビームが通らなくなってしまう。
【０１１８】
図１１は、ビームが通らなくなってしまう引出電圧Ｖｅとρ＾２（＝Ｖａ／Ｖｅ）の関係を示した図であり、図１２は集束イオンビーム装置の構成要素を模式的に示した図である。
【０１１９】
図１１において、横軸は引出電圧Ｖｅを、縦軸はρ＾２（＝Ｖａ／Ｖｅ）をそれぞれ示している。図１１中に示した２本の点線は、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離が５ｍｍの条件において、引出電圧Ｖｅに対してビームが通らなくなるＶａ／Ｖｅの範囲を示す線である。
【０１２０】
前述したように、荷電粒子銃３０レンズのレンズ作用は、引き出し電圧Ｖｅと加速電圧Ｖａの比Ｖａ／Ｖｅ＝ρ＾２によって変化し、Ｖａ＝Ｖｅ（ρ＝１）でレンズ作用はなくなる。０＜ρ＜１の場合は、ρが小さくなる（１から離れる）に従って集束作用（レンズ作用）が強まり、焦点距離が短くなる。１＜ρの場合は、ρが大きくなる（１から離れる）に従って集束作用（レンズ作用）が強まり、焦点距離が短くなる。また、焦点と光源が重なる点をと発散点と呼ぶ。
【０１２１】
荷電粒子銃３０においては、そのレンズ作用により加速電圧Ｖａが４０ｋＶから２ｋＶの範囲では仮想光源と呼ばれる虚像をＬＭＩＳ１の上流側（上方）に作るが、加速電圧Ｖａが１ｋＶではＬＭＩＳ１の下流側(下方)にクロスオーバを作るので、したがって、加速電圧Ｖａが２ｋＶから１ｋＶの範囲の何れかの値の場合に発散することがわかる。
【０１２２】
すなわち、図１１に示した２本の点線（加速電圧Ｖａが２ｋＶの場合と１ｋＶの場合のそれぞれの場合における引出電圧ＶｅとＶａ／Ｖｅの関係を示す点線）の間の範囲に発散点が存在することが分かる。発散点付近ではＬＭＩＳ１に対する仮想光源の位置ｓ０が、ＬＭＩＳ１の上流側（−∞）の虚像（見かけの結像）から下流側（＋∞）の実像（光源を下流に結像）に変わる。
【０１２３】
荷電粒子銃３０における発散点（Ｖｅ（≒Ｖｏｃ）≒７ｋＶ、ρ＾２≒０．１６）も図１１に示した２本の点線の間の範囲に存在する。
【０１２４】
図１２は、集束イオンビーム装置の構成要素を模式的に示す図であり、図１３は、その構成要素とイオンビーム９との関係を示す図である。
【０１２５】
図１２に示すように、集束イオンビーム装置において、ＬＭＩＳ１から射出された荷電粒子（イオンビーム）は、イオン銃（荷電粒子銃）レンズ、コンデンサレンズ２、対物アパーチャ３、及び対物レンズ８を通過して試料１０に照射される。
【０１２６】
したがって、図１３に示すように、引出電極１３とアース電極１５で成すレンズのレンズ光軸とイオン源（ＬＭＩＳ）１と対物アパーチャ３の中心を通る軸にずれがあると、発散から集束においてイオンビーム９が対物アパーチャ３を通らなくなる。また、このときに集束イオンビーム装置から照射されるイオンビーム９の位置は、図１３に示すように移動する。
【０１２７】
荷電粒子銃３０のレンズ、コンデンサレンズ２、対物レンズ８の各レンズのレンズ光軸が全て一致している場合には、加速電圧Ｖａによらずイオンビーム９は通る。
【０１２８】
しかし、各レンズのレンズ光軸を完全に合わせることは難しく、少なからずずれがある。イオンビーム９（荷電粒子）に対して対物レンズ８と同じくらい強く作用するレンズがあると、そのレンズのレンズ光軸の方向にイオンビーム９が振られてしまい、対物レンズ８のレンズ光軸から外れてしまう。特に、荷電粒子銃３０のレンズ作用は、加速電圧Ｖａが２ｋＶ以下になると急激に強くなり、イオンビーム９に対して対物レンズ８と同等の強さでレンズ作用を及ぼすので無視できなくなる。
【０１２９】
集束イオンビーム装置におけるビーム軸調では、まず、コンデンサレンズ２の中心（レンズ光軸上）にＬＭＩＳ１（光源）の位置を調整する。次に、対物レンズ８の中心（レンズ光軸上）に対物アパーチャ３（可変絞り)の中心を調整する。これを繰返してイオンビーム９が集束するように調整する。この調整により、光源とコンデンサレンズ２の中心（レンズ光軸）、光源と可変絞りと対物レンズ中心が一直線上になるが、この直線と荷電粒子銃３０のレンズのレンズ光軸にはずれがある。また、この状態で荷電粒子銃３０のレンズに対して調整すると他のレンズに対してずれてしまう。
【０１３０】
このため、荷電粒子銃３０の引出電極１３とアース電極１５で作るレンズの軸精度の良し悪しでイオンビームの通る条件が変わることが十分考えられる。対策としては、荷電粒子銃３０のレンズに対する選別を行うことが考えられるが、イオンビームを照射した状態でしか選別することができないので、非常に手間がかかり現実的ではない。また、荷電粒子銃３０のレンズ（引出電極１３及びアース電極１５）を組み直す場合においても、機械的精度の範囲でずれが発生するので、軸精度が向上するとは限らない。
【０１３１】
前述したように、加速電圧Ｖａの２ｋＶから１ｋＶの範囲に発散点があるため、加速電圧Ｖａが４０ｋＶから２ｋＶでは無視できていた荷電粒子銃３０のレンズ作用が、加速電圧Ｖａが１ｋＶではクロスオーバを作るほど強く作用して引出電極１３とアース電極１５で成すレンズのレンズ光軸とＬＭＩＳ１と対物アパーチャ３の中心の関係にずれがあると、発散点からクロスオーバが対物アパーチャ３の上流側になる点までイオンビーム９が対物アパーチャ３（可変絞り）で遮られて通らなくなる。
【０１３２】
これに対し、対物アパーチャ３（可変絞り）の上流側にクロスオーバが生じた場合、そのクロスオーバは光源となって対物アパーチャ３方向にイオンビーム９照射するので、対物レンズ８のレンズ光軸に対してずれがあってもビームが通るようになる。
【０１３３】
荷電粒子銃３０においては、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈを変えると、上記の式１８からわかるようにＶｏｃが変わり、そのためρが変わる。また、物点と焦点距離の両方が変わり結像点も変わるのでビーム電流Ｉｂが変わる。ビーム電流Ｉｂが増えれば分解能が悪くなり、ビーム電流Ｉｂが減れば分解能が良くなる。したがって、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈを変えると所望のビーム電流Ｉｂが得られなかったり、分解能が得られなかったりして、装置の基本性能が変わってしまうという問題がある。特に、加速電圧Ｖａ≒１ｋＶ時に大電流・高電流密度のイオンビーム９を得ることは困難になる。
【０１３４】
（３−３）ビーム電流増減の検討
以上のように、荷電粒子銃３０を用いた集束イオンビーム装置においては、荷電粒子銃３０のレンズ光軸が対物レンズ８の中心と対物アパーチャ３の中心で作る軸に対して少しでもずれがある場合、加速電圧が１ｋＶの場合（低加速の場合）にクロスオーバになると、荷電粒子銃３０の発散点付近においてイオンビーム９が対物アパーチャ３から外れてしまい通過できない。しかし、クロスオーバが対物アパーチャ３の上流側に出来る場合は、クロスオーバが光源となりイオンビーム９が対物アパーチャ３を通るようになる。クロスオーバが対物アパーチャの上流側に位置するようにするには、荷電粒子銃３０の発散点（すなわち、イオンビーム９がクロスオーバ状態に変わる点）を変える方法がある。
【０１３５】
荷電粒子銃３０における発散点を変える方法としては、例えば次の３つがある。第１の方法は引出電圧Ｖｅを変える方法、第２の方法はＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離ｈを変える方法、第３の方法は引出電極１３とアース電極１５の距離（間隔）を変える方法である。このうち、第１の方法と第２の方法は集束イオンビーム（荷電粒子銃３０）を調整するだけで対応できるが、第３の方法は荷電粒子銃３０のレンズ性能が変化してしまう。
【０１３６】
ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離ｈを短くした場合は、加速電圧Ｖａが２ｋＶ以上のときに荷電粒子銃３０の像倍率が小さくなりビーム電流が減少するため得策でない。逆に、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離ｈを長くして、加速電圧Ｖａが１ｋＶのときにイオンビーム９がクロスオーバとなる状態でとする方が加速電圧Ｖａ≧２ｋＶの場合においても良い。一方、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離ｈを離すことによって引出電圧Ｖｅが高くなり、その影響でビーム電流が減少する。
【０１３７】
そこで、荷電粒子銃３０のレンズ（バイポテンシャルレンズ）の特性によるビーム電流の増減について検討する。
【０１３８】
前述の図９において、倍率Ｍ、角度倍率Ｍα、主面位置Ｈｉ，Ｈｏ、焦点距離Ｆｉ，Ｆｏ、結像点ａ，ｂとすると下記の式１９〜式２２が得られる。
【０１３９】
【数１９】
2010102938.tif 000021
【０１４０】
【数２０】
2010102938.tif 000022
【０１４１】
【数２１】
2010102938.tif 000023
【０１４２】
【数２２】
2010102938.tif 000024
【０１４３】
荷電粒子銃３０のレンズ（バイポテンシャルレンズ）において、引出電極１３の位置を基準としたＬＭＩＳ１の位置をｓｏ、結像点ａをＬＭＩＳ１の位置ｓｏを用いてａ＝Ｈｏ−（−ｓｏ）、物点側の焦点位置をｆｏとすると下記の式２３及び式２４が得られる。
【０１４４】
【数２３】
2010102938.tif 000025
【０１４５】
【数２４】
2010102938.tif 000026
【０１４６】
（∵Ｄａｐ／２＝ａ＊αｇ＋(Ｌａｐ＋Ｈｉ)＊αｇ＊Ｍα）
なお、上記の式２４に用いたＤａｐは対物アパーチャ（可変絞り）３の大きさ（アパーチャ径）であり、Ｌａｐは引出電極１３と可変絞り３までの距離である（図７参照）。
【０１４７】
上記の式２４で示したαｇは、コンデンサレンズ２が動作しない場合の純粋な荷電粒子銃３０の特性である。また、αｇは対物アパーチャ３の大きさＤａｐにより制限されるビームのＬＭＩＳ１での開き角であり、ビーム電流に相当する。
【０１４８】
図１４は、ρ＾２（＝Ｖａ／Ｖｅ）に対するＭα、Ｍｇ、αｇ／Ｄａｐの関係を示す図である。
【０１４９】
なお、バイポテンシャルレンズの発散点は、引出電極１３の位置を基準としたＬＭＩＳ１の位置sｏ、及び引出電極１３とアース電極１５の電極間距離Ｌｏの影響を受けるので、図１４に示した関係は、Ｌｏ＝８ｍｍ（一定）として、ｓｏ＝３，４，５ｍｍの場合における場合の関係を示した。なお、計算では、引出電圧Ｖｅと引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈが独立である。
【０１５０】
ＬＭＩＳ１のレンズ特性（図１４参照）から引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離ｈが変わるとρに対するレンズ特性が変わることがわかる。
【０１５１】
図１４において、Δｈ＜０の場合、ρ＾２＞１のときαｇは減少する。また、ρ＾２＜１のときはρが発散点より大きいとαｇは増加するが、発散点より小さいとαｇは減少する。
【０１５２】
Δｈ＞０の場合で、かつ、仮想光源を作る状態ではΔｈ＞０によって光源が焦点に近づき、これにつれてαｇは増加する。
【０１５３】
また、Δｈ＞０の場合で、かつ、クロスオーバを作る状態ではΔｈ＞０によって光源が焦点から遠ざかる。ビーム制限アパーチャ（制限絞り）１４の下流側にクロスオーバができる状態では、光源が焦点から遠ざかるにつれてαｇが増加するが、ビーム制限アパーチャ（制限絞り）１４の上流側にクロスオーバができる状態では、光源が焦点から遠ざかるにつれてαｇが減少する。
【０１５４】
（４）荷電粒子銃１３０
ここで、荷電粒子銃３０における引出電極１３の上流側の面とビーム制限絞り１４の距離Ｌａを調整可能とした荷電粒子銃１３０を考える。
【０１５５】
図１５は、荷電粒子銃１３０のＬＭＩＳ１の周辺を拡大して示す図である。図中、図２及び図３に示した荷電粒子銃３０と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
【０１５６】
図１５において荷電粒子銃１３０は、荷電粒子源（ＬＭＩＳ）１と、ＬＭＩＳ１との距離を固定された第１引出電極１３１と、第１引出電極１３１のＬＭＩＳ１と反対側に配置され、第１引出電極１３１との距離を調整可能に設けられた第２引出電極１３２と、第２引出電極１３２の第１引出電極１３１と反対側に配置され、第２引出電極１３２との距離を固定された加速電極１５と、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２を電気的に接続して同電位とする伸縮可能な接続子２７とを備えている。
【０１５７】
第１引出電極１３１の外周部は、ＬＭＩＳ１側（上流側）に、ＬＭＩＳホルダ２３を囲むように延びる保持部を有している。
【０１５８】
ＬＭＩＳ１は、ＬＭＩＳホルダ２３に保持されており、このＬＭＩＳホルダ２３はイオン源碍子２０を介して筒状部材１９に固定されている（図２参照）。第１引出電極１３１は、絶縁碍子２２を介してＬＭＩＳホルダ２３の保持部に保持されている。これにより、ＬＭＩＳ１は第１引出電極１３１に対して固定されている。
【０１５９】
第２引出電極１３２とアース電極１５は、それぞれ、絶縁碍子２６等を介して支持部材２５（図２参照）に固定されており、第２引出電極１３２とアース電極１５の位置関係は固定された状態となっている。また、第２引出電極１３２は電圧端子２４を有しており（図２参照）、その電圧端子２４を介して引出電圧が印加される。
【０１６０】
ＬＭＩＳホルダ２３（ＬＭＩＳ１）は、荷電粒子銃３０と同様の構成により駆動可能に支持されており、したがって、ＬＭＩＳ１と第１引出電極１３１は、第２引出電極１３２及びアース電極１５に対して一体的に駆動される。
【０１６１】
接続子２７は、第２引出電極１３２に対して第１引出電極１３１が相対的に移動する範囲内において、第１引出電極と第２引出電極を電気的に接続したままの移動を許容できる伸縮性、或いは長さを有すれば良く、例えば、導電性の素材からなる板ばねやスプリング、移動を許容できる長さを有する伝導線などである。接続子２７により、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２を接続して同電位とすることにより、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２の間の空間は等電位空間となる。
【０１６２】
その他の構成については荷電粒子銃３０と同様である。
【０１６３】
（４−１）荷電粒子銃１３０の動作原理
荷電粒子銃１３０において、ＬＭＩＳ１の高さ（ビーム制限絞りからＬＭＩＳ１までの距離）Ｚｏを変えると、ＬＭＩＳ１は第１引出電極１３１と一体となって移動するので、ＬＭＩＳ１と第１引出電極１３１の距離ｈは変わらない。したがって、上記の式１８示したように閾値電圧Ｖｏｃが変化せず、ρ＾２＝Ｖａ／Ｖｅの値も変化しない。また、第２引出電極１３２とアース電極１５の距離Ｌｏも変化せず、したがって、荷電粒子銃１３０のレンズ作用（バイポテンシャルレンズ）の焦点距離は変化しない。
【０１６４】
ＬＭＩＳ１の高さＺｏを変えると、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２の距離Ｌａが変化する。この第１引出電極１３１と第２引出電極１３２は接続子２７によって接続され等電位であるので、２つの引出電極１３１，１３２の間の空間は等電位空間であり、電解が０であるため、この空間においては荷電粒子は等速運動を行う。
【０１６５】
ＬＭＩＳ１の高さＺｏが大きくなると２つの引出電極１３１,１３２の間の等電位空間（ドリフト空間）の距離Ｌａが大きくなるので、物点（ＬＭＩＳ１）の像点が変わり、荷電粒子銃１３０の倍率が変化するので、ビーム電流の量が変化する。すなわち、ＬＭＩＳ１の高さＺｏを変えてもρ、及び荷電粒子銃１３０のレンズ（バイポテンシャルレンズ）の焦点ｆが変わらず、荷電粒子銃１３０の倍率Ｍのみが変化し、これによってビーム電流が変化する。
【０１６６】
加速電圧Ｖａが４０ｋＶでＬＭＩＳ１の高さＺｏを変えて高くするということは、ＬＭＩＳ１を荷電粒子銃１３０のレンズの焦点ｆに近づけることに相当する。上記の式２３から倍率Ｍがより大きくなることがわかり、像点の仮想光源が発散に近づくことがわかる。このため、対物アパーチャ３に照射されるビームの電流密度が高くなりビーム電流が増加する。
【０１６７】
また、加速電圧１ｋＶでは、荷電粒子銃１３０のレンズ作用がとても強く焦点ｆが短くなっているのでＬＭＩＳ１の高さＺｏを変えて高くすることは、ＬＭＩＳ１を焦点ｆから離すことに相当する。上記の式２３から倍率Ｍがより小さくなることがわかり、像点のクロスオーバがＬＭＩＳ１側に寄ってくることがわかる。このため、対物アパーチャ３より下流にあるクロスオーバを、対物アパーチャ３の上流側に移動させビームを通すことができる。対物アパーチャ３を通った直後のビーム電流は対物アパーチャ３による制限が無いので非常に多いが、更にＬＭＩＳ１の高さＺｏを大きくするとビーム電流は減少する。
【０１６８】
さらに、引出電圧Ｖｅを変化させることなく（ΔＶｅ＝０）、ＬＭＩＳ１と第２引出電極１３２の距離Ｚｏのみを変化させることができるので、加速電圧Ｖａが４０ｋＶ〜２ｋＶまでは、ＬＭＩＳ１の位置を上流側に移動したとしても引出電圧Ｖｅはほぼ変わらず（ΔＶｅ≒０）、光源が焦点に近くなるため倍率Ｍを増加してビーム電流を増加することができる。
【０１６９】
引出電圧Ｖｅ、ＬＭＩＳ１の高さｈを変化させた場合のビーム電流の変化を整理して図１６に示す。
【０１７０】
図１６は、各加速電圧Ｖａにおいて、引出電圧Ｖｅを小さくした場合（ΔＶｅ＜０）のビーム電流と引出電圧Ｖｅを大きくした場合（ΔＶｅ＞０）のビーム電流の大小関係を示したものであり、また、各加速電圧Ｖａにおいて、ＬＭＩＳ１の高さｈ（以下、高さｈと記載する）を低くした場合（Δｈ＜０）のビーム電流と高さｈを高くした場合（Δｈ＞０）のビーム電流の大小関係を示したものである。
【０１７１】
加速電圧４０ｋＶでは、Ｌａｐ、または、（Ｌａｐ−ｌａｐ）の距離を短くする他に、第１引出電極１３１と第２引出電極間１３２の距離を長くすると加速電圧Ｖａが２５ｋＶ以上のイオンビームに対して更にビーム電流密度を高くできる。
【０１７２】
また、荷電粒子銃１３０では、引出電圧Ｖｅ＝７ｋＶのままＬＭＩＳ１の高さＺｏを高くすることができるので光源としてのクロスオーバを対物アパーチャ３より上流側に移動して対物アパーチャ３で遮らないように、すなわち、ビームが通るように調整できる。また、加速電圧４０ｋＶでは、荷電粒子銃１３０の倍率が増加しビーム電流が増えるので、このビーム電流が増えた分、引出電圧Ｖｅを高く設定でき、したがって、引出電圧Ｖｅ＝７．５ｋＶでも低加速と大電流・高電流密度を両立した集束イオンビーム装置とすることができる。
【０１７３】
以上のように構成した荷電粒子銃１３０においては、引出電極（第１引出電極１３１）とＬＭＩＳ１の位置関係（距離ｈ）を変えずにＬＭＩＳ１の位置を変えられる。つまり、ＬＭＩＳ１と第１引出電極１３１を一体的に移動する。これにより、ＬＭＩＳ１と引出電極（第２引出電極１３２）の距離Ｚｏが変わるが、ＬＭＩＳ１にかかる電界強度が変化しないので引出電圧Ｖｅの変化を抑制する。また、上記の式１８において、高さ（距離）ｈが変化しないので閾値電圧Ｖｏｃが変化せず、したがって、ρ＾２＝Ｖａ／Ｖｅも変化しない（ただし、引出電圧Ｖｅ≒閾値電圧Ｖｏｃ）。
【０１７４】
（４−３）荷電粒子銃３０，１３０の各部設定の最適化
荷電粒子銃３０,１３０において、加速電圧１ｋＶで光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流にして絞りで遮らないような各部の設定条件（以下、最適設定条件と称する）が求められれば、ビーム電流の低下を抑制しつつ荷電粒子の加速電圧Ｖａを下げることができる。
【０１７５】
荷電粒子銃３０は、ＬＭＩＳ１、引出電極１３、及びアース電極１５を備えており、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の上流側の面の距離ｈは変数値、引出電極１３とアース電極１５の距離Ｌｏ、及び引出電極１３の上流側の面とビーム制限絞り１４の距離Ｌａは固定値である。
【０１７６】
また、荷電粒子銃１３０は、ＬＭＩＳ１と第１引出電極１３１、第１引出電極１３１と同電位の第２引出電極１３２（ビーム制限絞り１４）、及びアース電極１５で構成されている。ここで、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２の距離Ｌａ、第２引出電極とアース電極１５の距離Ｌｏ、ＬＭＩＳ１と第１引出電極の距離ｈ≒０として、加速電圧１ｋＶで光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流にして絞りで遮らないような各部の設定条件を求め、荷電粒子銃３０の引出電極１３の上流側の面とビーム制限絞り１４の距離Ｌａを荷電粒子銃１３０の第１引出電極１３１と第２引出電極１３２距離Ｌａと同じに構成すれば、荷電粒子銃３０においても荷電粒子銃１３０と同様に最適設定条件とすることができる。すなわち、Ｌａ／Ｌｏの設定を最適化し、加速電圧１ｋＶで光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流にして絞りで遮らないようにする。
【０１７７】
荷電粒子銃３０,１３０において、計算で求めた最適設定条件を適用した場合の結果を図１７に示す。
【０１７８】
ＦＩＢ装置で使われるニードルタイプのＧａ  ＬＭＩＳの場合、Ｖｅは、５ｋＶ〜８ｋＶである。
【０１７９】
加速電圧が４０ｋＶから１ｋＶまで変化すると、ρ＾２＝Ｖａ／Ｖｅの範囲は、０．１２５〜８をとる。
【０１８０】
図１７においては、荷電粒子銃１３０における引出電極１３１と引出電極１３２の距離Ｌａを４ｍｍ〜６ｍｍ、第２引出電極１３１とアース電極１５の距離Ｌｏを８ｍｍ、ＬＭＩＳ１と引出電極１３１の距離ｈは０とし、荷電粒子銃はＬａ／Ｌｏの比が同じであれば同じ特性を示すので、Ｌａ／Ｌｏを０．５〜０．７５の範囲で変化させた場合について、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶとしたときの発散点のρ＾２および対物アパーチャ３の上流側に光源のクロスオーバが位置するときのρ＾２の閾値と、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶとしたときの発散点のρ＾２を示す。図１７の横軸はＬａ／Ｌｏ、右側の縦軸は加速電圧１ｋＶのρ＾２＝Ｖａ／Ｖｅ、左側の縦軸は加速電圧４０ｋＶのρ＾２＝Ｖａ／Ｖｅを示している。
【０１８１】
図１７からＬａ／Ｌｏ＝０．７５では、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶでρ＾２＝８のとき発散点付近になるので、ρ＾２＜８、例えば、ρ＾２＝５、Ｖｅ＝８ｋＶで使えば発散の影響を避けられる。また、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶでは、光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流側にするには、ρ＜０．１６であるから、Ｖｅ＞６ｋＶとなり、かつ、ＬＭＩＳの閾値電圧Ｖｏｃの範囲から６ｋＶ＜Ｖｅ＜８ｋＶにする。
【０１８２】
一方、Ｌａ／Ｌｏ＝０．５では、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶでρ＾２＜０．１３５、かつ、ＬＭＩＳの閾値Ｖｏｃの範囲Ｖｅ＜８ｋＶから、ρ＾２＝０．１２５から０．１３５の範囲で光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流側にすることができる。つまり、Ｖｅ＝７．４ｋＶ〜８ｋＶにおいて光源のクロスオーバを対物アパーチャより上流側にすることができる。
【０１８３】
また、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶでは、ρ＾２＝１１．５のとき発散点付近になるので、ρ＾２＜１１．５、例えば、ρ＾２＜８、Ｖｅ＞５ｋＶで使えば発散の影響が避けられる。同時に、加速電圧１ｋＶでは、Ｖｅ＝５ｋＶ、ρ＾２＝０．２であるから発散点から離れ、かつ、光源のクロスオーバをつくらないので対物アパーチャ３に遮られることなくビームが通る。
【０１８４】
したがって、荷電粒子銃３０，１３０において、Ｌａ／Ｌｏ＝０．５〜０．７５となるように設定し、ＬＭＩＳの閾値電圧Ｖｏｃの範囲５ｋＶから８ｋＶにわたって、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶ〜１ｋＶまでメカ的調整をしないでビームを得ることができる。
【０１８５】
図１７からＬａ／Ｌｏ＝０．５〜０．７５となるように設定し、ＬＭＩＳの閾値電圧Ｖｏｃの範囲５ｋＶから８ｋＶにわたって加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶ〜１ｋＶまでメカ的調整を必用としないでビームを得ることができる。この条件であれば加速電圧１ｋＶでは荷電粒子銃３０，１３０のレンズ作用で光源のクロスオーバが対物アパーチャ３より上流側になる。
【０１８６】
図１８及び図１９は、コンデンサレンズ２の印加電圧を０とし、対物レンズのみでＷＤ＝５．６ｍｍの試料上にイオンビーム９を合焦させる対物レンズ電圧を加速電圧Ｖａを変えて調べた結果を示す図である。図１８及び図１９において、対物レンズ電圧は、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶ〜２ｋＶまではほぼ比例する。すなわち加速電圧Ｖａと対物レンズ電圧の比がほぼ一定であり、Ｖｏｂｊ≒０．７×Ｖａの関係を示している。しかし、加速電圧１ｋＶにおいては、加速電圧Ｖａと対物レンズ電圧の比が加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶ〜２ｋＶから予測される対物レンズ電圧よりも高くなり、Ｖｏｂｊ≒７３５（Ｖ）＞０．７×Ｖａ（＝１ｋＶ）＋１０（Ｖ）となっている。これは、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶ〜２ｋＶにおいては荷電粒子銃３０,１３０のレンズ作用が弱く対物レンズ８の合焦（対物レンズ８がイオンビーム９を合焦させる電圧）に与える影響がほぼ無いが、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶにおいては、Ｌａ／Ｌｏを調整して荷電粒子銃３０,１３０のレンズ作用で光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流側になるように構成することにより、光源(クロスオーバ)の位置が対物アパーチャ３の近くになるため、対物レンズ８によりイオンビーム９を試料上に合焦させるためにそのレンズ作用を強くする必要があり、対物レンズ電圧が高くなるためである。
【０１８７】
ＷＤが更に大きくなると、光源と対物レンズの距離をａとして、また、加速電圧４０ｋＶから２ｋＶまでの光源の位置と加速電圧１ｋＶの（光源）クロスオーバ位置の違いをΔａとして、加速電圧１ｋＶの対物レンズの焦点距離の変化Δｆｏｂｊ≒（ｆｏｂｊ／ａ）＾２・Δａ、Δａ＝ｃｏｎｓｔの関係から、対物レンズの焦点距離ｆｏｂｊが大きい方がΔｆｏｂｊが大きくなり、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶの加速電圧と対物レンズ電圧の比（≒０．７）に余分に加える電圧が更に大きくなる。
【０１８８】
例えば、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶで対物レンズ電圧が２８ｋＶとしたとき（加速電圧Ｖａと対物レンズ電圧の比＝２８ｋＶ／４０ｋＶ＝０．７）、加速電圧Ｖａ＝２ｋＶにすると対物レンズ電圧が１．４ｋＶとなる（加速電圧Ｖａと対物レンズ電圧の比＝１．４ｋＶ／２ｋＶ＝０．７）が、さらに加速電圧Ｖａ＝１ｋＶとすると対物レンズ電圧は０．７ｋＶよりも１０Ｖ〜５０Ｖ高い電圧（図１８では３１Ｖ高い電圧）になる。
【０１８９】
加速電圧Ｖａと対物レンズ電圧の関係が図１８及び図１９に示した関係となるように荷電粒子銃３０,１３０を構成する。このように構成した荷電粒子銃３０,１３０を用いた集束イオンビーム装置においては、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶ〜１ｋＶにおいてメカ的調整を必要としないでビームを得ることができ、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶでは荷電粒子銃３０,１３０のレンズ作用で光源のクロスオーバが対物アパーチャ３より上流側になる。
【０１９０】
引出電圧Ｖｅ＝７ｋＶでもＬａ／Ｌｏ＞０．６（Ｌａ＞４．８ｍｍ）にすれば、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶで光源のクロスオーバを対物アパーチャ３より上流側にして絞りで遮らないように集束イオンビーム装置を構成できる。このとき加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶでは、荷電粒子銃３０の倍率Ｍが増加するのでビーム電流が増える。ＬＭＩＳ１の高さｈを調整できる構造なのでビーム電流が増えた分、ＬＭＩＳ１の高さｈを調整してＶｅを最適化、例えばＶｅ＝７．５ｋＶに変えることができる。Ｖｅ＝７．５ｋＶとすることによって、ビーム電流の増加を相殺させた形になるが、ビームが絞れるので電流密度と分解能が向上した集束イオンビーム装置を構成できる。
【０１９１】
（５）本実施の形態の効果
以上のように構成した本実施の形態においては、加速電圧Ｖｅ＝４０ｋＶ〜１ｋＶにおいてメカ的調整を必要としないでビーム電流を得ることができ、したがって、荷電粒子ビームによる加工精度、及び加工効率の低下を抑制しつつ、荷電粒子の加速電圧を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】本実施の形態の荷電粒子線装置を示す部分断面図である。
【図２】本実施の形体に係わる荷電粒子銃の構成を示す図である。
【図３】本実施の形体に係わる荷電粒子銃の構成を示す図である。
【図４】ユニポテンシャルレンズの減速モード、及び加速モードにおける集束作用を示す図である。
【図５】荷電粒子銃におけるイオンビームの集束作用を示す図である。
【図６】Ｖｅ／Ｖａと荷電粒子銃の仮想光源の位置の関係を示す図である。
【図７】荷電粒子線装置を構成する部材の位置関係を示す図である。
【図８】ビーム電流とビーム径の関係を示す図である。
【図９】バイポテンシャルレンズの結像関係を説明する図である。
【図１０】Ｖａ／Ｖｅと荷電粒子銃の結像点の関係を示す図である。
【図１１】引出電圧とＶａ／Ｖｅの関係を示す図である。
【図１２】荷電粒子線装置の全体構成を簡略化して示す図である。
【図１３】ρ＾２に対するイオンビームの状態を示す図である。
【図１４】ρ＾２と角度倍率、ビーム開き角の関係を示す図である。
【図１５】本実施の形態に係わる荷電粒子銃の構成を示す図である。
【図１６】引出電圧、及びイオン源の高さを変化させた場合のビーム電流の変化を示す図である。
【図１７】Ｌａ／Ｌｏに対する発散時のρ＾２の関係を示す図である。
【図１８】加速電圧と対物レンズ電圧の関係を示す図である。
【図１９】加速電圧と対物レンズ電圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１９３】
１  荷電粒子源
２  コンデンサレンズ
３  対物アパーチャ
４  アライナー・スティグマ
５  ブランカー
６  ブランキングプレート
７  ビーム操作器
８  対物レンズ
９  イオンビーム
１０  試料
１１  試料ステージ
１２  検出器
１３  引出電極
１４  ビーム制限アパーチャ
１５  アース電極
１８  ネジ付きリング状円盤
１９  ネジ付き筒
２０  イオン源碍子
２１  ベローズ
２２、２５  支持部材
２３  ＬＭＩＳホルダ
２４  電圧端子
２６  碍子
８１  入射側電極
８２  中間電極
８３  出射側電極
【図１】
2010102938.tif 000027
【図２】
2010102938.tif 000028
【図３】
2010102938.tif 000029
【図４】
2010102938.tif 000030
【図５】
2010102938.tif 000031
【図６】
2010102938.tif 000032
【図７】
2010102938.tif 000033
【図８】
2010102938.tif 000034
【図９】
2010102938.tif 000035
【図１０】
2010102938.tif 000036
【図１１】
2010102938.tif 000037
【図１２】
2010102938.tif 000038
【図１３】
2010102938.tif 000039
【図１４】
2010102938.tif 000040
【図１５】
2010102938.tif 000041
【図１６】
2010102938.tif 000042
【図１７】
2010102938.tif 000043
【図１８】
2010102938.tif 000044
【図１９】
2010102938.tif 000045