(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルの領域を包含する最小の正方形の辺長
【数１４】
0005473004.tif 000018
（Ａは前記領域の面積、Ｆは定数）
を決定するステップと、
前記サンプルの前記領域のＭ個の部分のそれぞれを、荷電粒子ビームに露光させるステップであって、前記Ｍ個の部分のそれぞれは、前記荷電粒子ビームに対して、期間ｔ１の間、連続的に露光され、前記Ｍ個の部分のいずれか一つを、前記荷電粒子ビームに対して、連続的に露光させる間の最短期間は、ｔ２であり、期間ｔ１及びｔ２は、
比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）が、
【数１５】
0005473004.tif 000019
以下となるように選択されることを特徴とするステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）は、
【数１６】
0005473004.tif 000020
以下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サンプル及び前記荷電粒子ビームは、ガス圧が１０-２Ｔｏｒｒ以下の共通のチャンバ内に配置され、
前記サンプルから放出される複数の粒子は、前記共通のチャンバ内に配置された検出器によって検出される
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記サンプルは、サンプルマウント上に配置されており、
前記サンプルマウントは、前記荷電粒子ビームの入射方向に直交する平面内において、前記サンプルが移動できるようにし、
前記サンプルマウントは、前記サンプルを別のサンプルに交換できるように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記サンプルは、サンプルマウント上に配置されており、
前記サンプルマウントは、前記サンプルと、前記サンプルに入射すべき前記荷電粒子ビームを方向づける荷電粒子レンズシステムのレンズと、の間の距離を調整できるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
更に、前記領域から放出される複数の粒子に基づいて、前記領域の画像を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
更に、電子表示部上において、システム操作者に対して前記サンプルの画像を表示するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
更に、前記領域を前記荷電粒子ビームに露光する前に、前記領域を電子源に露光するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
更に、前記領域を前記荷電粒子ビームに露光している間に、前記領域を電子源に露光させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記荷電粒子ビームの荷電粒子電流は、１０ｐＡ以上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記荷電粒子電流は、１００ｐＡ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記領域の前記Ｍ個の部分のそれぞれは、１００μ秒以下の露光時間の間、前記荷電粒子ビームに対して露光されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記荷電粒子ビームの荷電粒子電流は、１ｐＡ以上であり、前記Ｍ個の部分のそれぞれは、１００μ秒以下の露光時間の間、前記荷電粒子ビームに対して露光され、前記画像は、全取得時間１００秒以下で形成される
ことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記荷電粒子ビームは、希ガスイオンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記希ガスイオンは、ヘリウムイオンを含むことと特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記荷電粒子ビームは、電子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法であって、
前記荷電粒子ビームは、前記サンプルの表面において、エネルギーの広がりが５ｅＶ以下である
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記画像の解像度は、３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の粒子は、二次電子を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の粒子は、散乱イオン及び散乱中性原子からなる群の要素の少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の粒子は、光子を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項２２】
前記荷電粒子は、品質係数０．２５以上の気体電界イオン顕微鏡によって生成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記Ｍ個の部分のそれぞれは、複数の画素を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項２４】
更に、前記荷電粒子ビームに露光中に、前記サンプルを熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記荷電粒子ビームは、前記サンプルの表面における還元輝度が５×１０８Ａ／ｍ２ｓｒＶ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記最小の正方形の前記辺長を決定するステップは、前記領域の最大の大きさを決定するステップを含む、ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１に記載の方法であって、更に、
直接連続して、前記Ｍ個の部分のうちの第１の複数部分を荷電粒子ビームに露光させるステップを含み、
前記第１の複数部分は、第１方向に列を形成し、
前記荷電粒子ビームが前記サンプル表面において平均スポットサイズｆを有し、
前記第１の複数部分は、それぞれ隣接部分から、第１方向に少なくとも距離ｄだけ離れており、
比率ｄ／ｆは２以上である
ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、更に、
直接連続して、前記Ｍ個の部分のうちの第２の複数部分を荷電粒子ビームに露光させるステップを含み、
前記第２の複数部分は、前記第１方向において、前記第１の複数部分により形成される前記列に平行な列を形成し、
前記第２の複数部分のうちの各部分は、それぞれ、前記第１方向に少なくとも距離ｄだけ、前記第２の複数部分のうちの隣接する部分から離れており、前記第１方向に直交する第２方向に、少なくとも距離ｅだけ前記第１の複数部分から離れている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２９】
前記ｅは、前記ｄよりも大きいことを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ｆは５ｎｍ以下であり、前記ｄは１０ｎｍ以上、前記ｅは１０ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、荷電粒子源、システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、液体金属イオン源、又は気体電界イオン源からイオンは形成される。いくつかの例においては、イオン源により形成されたイオンは、イオンビームに露光したサンプルにおける、特定の特性を判定することや、サンプルを加工するために用いられ得る。他の例においては、イオン源により形成されたイオンは、イオン源自体の特定の特性を判定するために用いられ得る。
【発明の概要】
【０００３】
概して、本発明の第１の観点に係る発明は、直接連続(direct succession)して、サンプル表面の各部分を荷電粒子ビームに露光させるステップを含み、前記サンプル表面の前記各部分は、第１の方向に列を形成し、前記荷電粒子ビームが前記サンプル表面において平均スポットサイズｆを有し、前記各部分は、それぞれ隣接部分から、前記第１方向に少なくとも距離ｄだけ離れており、比率ｄ／ｆは２以上であることを特徴とする方法である。
【０００４】
概して、本発明の他の観点に係る発明は、サンプルを、該サンプルの表面における平均スポットサイズｆを有する荷電粒子ビームに対して露光させるステップを含み、該ステップは、前記荷電粒子ビームが前記サンプルの前記表面上において複数の露光列を形成するように、前記荷電粒子ビーム及び前記サンプルを相対的に移動させることを特徴とし、前記連続する露光列のそれぞれは、複数の露光スポットを有し、且つ、前の露光列から第１方向に少なくとも距離ｄだけ離れており、且つ、比率ｄ／ｆは２以上であり、前記サンプル及び前記荷電粒子ビームは、ガス圧が１０-２Ｔｏｒｒ以下の共通のチャンバ内に配置され、且つ、前記サンプルから放出される複数の粒子が、前記共通のチャンバ内に配置された検出器によって検出されることを特徴とする方法である。
【０００５】
概して、本発明の更に他の観点に係る発明は、サンプルの領域を包含する最小の正方形の辺長
【数１】
0005473004.tif 000002
（Aは前記領域の面積、Fは定数）
を決定するステップと、前記サンプルの前記領域のＭ個の部分のそれぞれを、荷電粒子ビームに露光させるステップであって、前記Ｍ個の部分のそれぞれは、前記荷電粒子ビームに対して、期間ｔ１の間、連続的に露光され、前記Ｍ個の部分のいずれか一つを、前記荷電粒子ビームに対して、連続的に露光させる間の最短期間は、ｔ２であり、期間ｔ１及びｔ２は、比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）が、
【数２】
0005473004.tif 000003
以下となるように選択されることを特徴とするステップと、
を含む方法である。
【０００６】
実施形態には、以下に示す特徴のうちの１つ又は複数が含まれうる。
【０００７】
上述の方法は、直接連続して、サンプル表面の複数の第２部分を荷電粒子ビームに露光させるステップを含み、前記複数の第２部分のうちの各部分は、それぞれ、前記第１方向に少なくとも距離ｄだけ、前記複数の第２部分のうちの隣接する部分から離れており、前記第１方向に直交する第２方向に、少なくとも距離ｅだけ前記第１部分から離れている、ことを特徴としうる。
【０００８】
前記サンプル及び前記荷電粒子ビームは、ガス圧力が１０-２Ｔｏｒｒ未満の共通のチャンバ内に配置され、前記サンプルから放出される複数の粒子が、前記共通のチャンバ内に配置された検出器によって検出されうる。
【０００９】
前記サンプルは、サンプルマウント上に配置されており、前記サンプルマウントは、前記荷電粒子ビームの入射方向に直交する平面内において、前記サンプルが移動できるようにし、前記サンプルマウントは、前記サンプルを別のサンプルに交換できるように構成されている、ことを特徴としうる。
【００１０】
前記サンプルは、サンプルマウント上に配置されており、前記サンプルマウントは、前記サンプルと、前記サンプルに入射すべき前記荷電粒子ビームを方向づける荷電粒子レンズシステムのレンズと、の間の距離を調整できるように構成されていることを特徴としうる。
【００１１】
比率ｅ／ｆは２以上（例えば、３以上、４以上、５以上、７以上、１０以上、２０以上、３０以上、５０以上、７０以上、１００以上）でありうる。、前記ｅは、前記ｄ以上でありうる。
【００１２】
上述の方法は、前記サンプルから放出される複数の粒子に基づいて、前記サンプルの画像を形成するステップを含みうる。上述の方法は、電子表示部上において、システム操作者に対して前記サンプルの画像を表示するステップを含みうる。
【００１３】
上述の方法は、前記サンプルを前記荷電粒子ビームに露光する前に、前記サンプルを電子源に露光するステップを含みうる。代替的又は付加的には、上述の方法は、前記サンプルを前記荷電粒子ビームに露光している間に、前記サンプルを電子源に露光させるステップを含みうる。
【００１４】
前記荷電粒子ビームの荷電粒子電流は、１０ｐＡ以上（例えば、２０ｐＡ以上、３０ｐＡ以上、４０ｐＡ以上、５０ｐＡ以上、７０ｐＡ以上、１００ｐＡ以上、１５０ｐＡ以上、２００ｐＡ以上、５００ｐＡ以上）でありうる。
【００１５】
前記各部分は、１００μ秒以下（例えば、８０μ秒以下、６０μ秒以下、４０μ秒以下、３０μ秒以下、２０μ秒以下、１０μ秒以下、５μ秒以下、１μ秒以下、０．５μ秒以下、０．１μ秒以下）の露光時間の間、前記荷電粒子ビームに対して露光されうる。
【００１６】
前記荷電粒子ビームの荷電粒子電流は、１ｐＡ以上であり、前記各部分は、１００μ秒以下の露光時間の間、前記荷電粒子ビームに対して露光され、前記画像は、全取得時間１００秒以下で形成されうる。
【００１７】
前記荷電粒子ビームは、希ガスイオンを含みうる。前記希ガスイオンは、ヘリウムイオンを含みうる。
【００１８】
前記荷電粒子ビームは、電子を含みうる。
【００１９】
前記ｆは、５ｎｍ以下（例えば、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、）でありうる。
【００２０】
前記ｄは、１０ｎｍ以上（例えば、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、４０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、７０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上）でありうる。
【００２１】
ｅは、１０ｎｍ以上（例えば、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、４０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、７０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上）でありうる。
【００２２】
前記荷電粒子ビームは、前記サンプルの前記表面において、エネルギーの広がりが５ｅＶ以下（例えば、４ｅＶ以下、３ｅＶ以下、２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下、０．１ｅＶ以下）でありうる。
【００２３】
前記画像の解像度は、３ｎｍ以下（例えば、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．２５ｎｍ以下、０．１ｎｍ以下）でありうる。
【００２４】
前記複数の粒子は、二次電子を含みうる。前記複数の粒子は、散乱イオン及び散乱中性原子からなる群の要素の少なくとも一つを含みうる。前記複数の粒子は、光子を含みうる。
【００２５】
前記荷電粒子は、品質係数０．２５以上（例えば、品質係数０．５以上、品質係数１以上、品質係数２以上、品質係数３以上、品質係数５以上、品質係数１０以上）の気体電界イオン顕微鏡によって生成されうる。
【００２６】
前記各部分は複数の画素を含みうる。
【００２７】
上述の方法は、前記荷電粒子ビームに露光中に、前記サンプルを熱するステップを含みうる。
【００２８】
前記荷電粒子ビームは、前記サンプルの前記表面における還元輝度が５×１０８Ａ／ｍ２ｓｒＶ以上（例えば、１×１０９Ａ／ｍ２ｓｒＶ以上、１×１０１０Ａ／ｍ２ｓｒＶ以上）でありうる。
【００２９】
前記露光列は、前記第１方向に直交する第２方向に沿って延在しうる。
【００３０】
前記比率ｄ／ｆは１０以上でありうる。
【００３１】
前記荷電粒子ビームは、前記露光列のそれぞれに対応する前記サンプルの領域を露光させるにあたって、前記領域のいずれかをより多くの回数露光させる前に、前記領域を同じ回数だけ露光させうる。
【００３２】
前記荷電粒子ビームは、前記サンプルの領域を露光させるにあたって、前記露光列の第１のサブセットに対応する前記サンプルの領域を露光させて、第１画像フレームを形成し、そして、前記露光列の第２のサブセットに対応する前記サンプルの領域を露光させて、第２画像フレームを形成し、そして、前記画像は、前記第１及び第２画像フレームを結合することによって形成されうる。
【００３３】
前記露光列のそれぞれは、前記第１方向における平均厚さｇを有し、比率ｄ／ｇが２以上（例えば、３以上、４以上、５以上、７以上、１０以上、２０以上、５０以上、１００以上）でありうる。
【００３４】
前記荷電粒子ビームは、最初に、各前記露光列の第１部分に対応する前記サンプルの領域を露光させ、そして、各前記露光列の第２部分に対応する前記サンプルの領域を露光させうる。
【００３５】
前記比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）は、
0005473004.tif 000004
以下でありうる。
【００３６】
前記最小の正方形の前記辺長を決定するステップは、前記領域の最大の大きさを決定するステップを含みうる。
【００３７】
上述の方法は、直接連続して、前記Ｍ個の部分のうちの第１の複数部分を荷電粒子ビームに露光させるステップを含み、前記第１の複数部分は、第１方向に列を形成し、前記荷電粒子ビームが前記サンプル表面において平均スポットサイズｆを有し、前記第１の複数部分は、それぞれ隣接部分から、第１方向に少なくとも距離ｄだけ離れており、比率ｄ／ｆは２以上であることを特徴としうる。
【００３８】
上述の方法は、直接連続して、前記Ｍ個の部分のうちの第２の複数部分を荷電粒子ビームに露光させるステップを含み、前記第２の複数部分は、前記第１方向において、前記第１の複数部分により形成される前記列に平行な列を形成し、前記第２の複数部分のうちの各部分は、それぞれ、前記第１方向に少なくとも距離ｄだけ、前記第２の複数部分のうちの隣接する部分から離れており、前記第１方向に直交する第２方向に、少なくとも距離ｅだけ前記第１の複数部分から離れている、ことを特徴としうる。
【００３９】
前記ｅは、前記ｄよりも大きくてもよい。
【００４０】
前記ｆは５ｎｍ以下であり、前記ｄは１０ｎｍ以上、前記ｅは１０ｎｍ以上でありうる。
【００４１】
実施形態は、以下の有利な効果のうちの１又は複数を含みうる。
【００４２】
一部の実施形態においては、サンプルをイオンビームに露光させるにあたって、比較的高いイオンビーム電流を使用することができる。サンプルの部分がイオンビームに比較的低頻度に露光されるような走査プロトコルを実施することによって、イオンビームが同じ場所を再度照射する前に、注入された粒子は露光された部分から拡散しうる。その結果、比較的高いイオンビーム電流は、サンプル内における注入イオンの飽和の原因とはならない。高いイオンビーム電流を使用することで、低いイオンビーム電流を使用した場合よりも、比較的良好なサンプル画像を取得することができる。これは、高いイオンビーム電流を用いた場合に得られる画像における信号ノイズ比が比較的高いからである。
【００４３】
一部の実施形態においては、サンプルをイオンビームに露光させる際に、一部分あたりの露光時間をより長くすることができる。サンプルの部分がイオンビームに比較的低頻度に露光されるような走査プロトコルを実施することによって、イオンビームが同じ場所を再度照射する前に、注入された粒子は露光された部分から拡散しうる。よって、比較的長い露光時間は、注入粒子の飽和の原因とはならない。露光時間が比較的長ければ、測定信号における信号ノイズ比が比較的高いので、比較的高品質のサンプル画像を取得することができる。
【００４４】
一部の実施形態においては、サンプルを適切に選択された走査プロトコルにおけるイオンビームに露光すれば、サンプルの荷電は低減される。特に、イオンビームによりサンプル（例えば、サンプル表面）が過剰に荷電した場合、電荷シンクに過剰な電荷を逃がすことで、サンプルを絶縁して、過剰な荷電を消滅させる。サンプルの部分がイオンビームに比較的低頻度に露光されるような走査プロトコルを使用することで、イオンビームが同じ場所を再度照射する前に、注入された粒子は露光された部分から拡散しうる。過剰な電荷は、入射イオンとサンプルとの間における変則的な相互作用により生じるイメージング誤差の原因となりうる。よって、適切な走査プロトコルを実施することで、イオンビームへのサンプルの露光により取得される画像の品質を改善することができる。
【００４５】
一部の実施形態においては、適切な走査プロトコルは、サンプルに関する大まかな情報を迅速に取得することができ、より詳細な情報を、少し遅れて取得することができる。例えば、「チェッカーボード」パターンの走査プロトコルは、大きく離間した露光スポットにおいてサンプルをイオンビームに露光させることで、サンプルの低解像度画像を迅速に取得するために用いられる。大まかな情報（例えば、大まかな表面構造の特定）は、イオンビームに対してサンプルを一度露光させることで得られる。この情報は、サンプルに関する特定の特徴を調べるために用いられ、例えば、より高解像度に、イオンビームに対してサンプルを露光させる前に行われる。サンプルについての、低解像度の初期的な露光と、より高解像度の露光は、高解像度の露光のみを実施する場合に比べて、非常に迅速にサンプルのイメージングを行うことを可能にする。
【００４６】
上述の実施形態のうちの１又は複数につき、添付の図面を参照して以下に詳述する。他の特徴及び有利な効果は、以下の記載、図面、及び特許請求の範囲により明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】サンプル内への粒子注入を示す概略断面図である。
【図２】イオンビームについての走査手順を示す概略図である。
【図３】図２に示した操作手順についての他の概略図である。
【図４】フラッドガンを含む気体電界イオン顕微鏡の部分概略図である。
【図５】表面下荷電層を含むサンプルの概略図である。
【図６】イオンビームについてのバンド走査手順を示す概略図である。
【図７Ａ】サンプル内の各部分の露光状態の決定方法を示す概略図である。
【図７Ｂ】サンプルの多様な露光プロトコルを対比説明する概略図である。
【図８】イオン顕微鏡システムの概略図である。
【図９】気体電界イオン源の概略図である。
【図１０】一実施の形態に係るチップ先端を概略的に示す拡大側面図である。
【図１１】図１０に示すチップ先端を概略的に示す拡大側面図である。
【図１２】ヘリウムイオン顕微鏡システムの概略図である。
【図１３】一実施の形態に係るＷ(III)チップを概略的に示す拡大上面図である。
【図１４】図１３に示すＷ(III)チップ先端を概略的に示す拡大側面図である。
【図１５】チップを作成する一実施の形態を示すフローチャートである。
【図１６】気体電界イオン源及びイオン光学系の一実施の形態を示す概略図である。
【図１７】エバーハート−ソンリー（Evehart−Thornley）検出器の概略図である。
【図１８】マイクロチャネルプレート検出器を備える気体電界イオン顕微鏡の部分断面図である。
【図１９Ａ】カーボン表面により支持される島状金の側面図である。
【図１９Ｂ】カーボン表面により支持される島状金の上面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ａ及び図１９Ｂに示すサンプルに対するイオンビームの位置に対する関数として、二次電子の平均存在量をプロットした図である。同一の参照符号は他の図面と同様の要素を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
イオンビームは、サンプルイメージングや加工のためのサンプルの露光を含む、多様な用途に用いることができる。典型的には、サンプルイメージングは、イオンビームがサンプル表面に入射するように方向付けるステップと、そして、入射したイオンビームが反射してサンプルから放出される粒子を検出するステップとを含む。具体的には、イオンビームによってサンプル表面を走査して粒子を生成し、検出した粒子に対応する信号を測定して、入射したイオンビームの位置に対応させて、サンプルの画像を形成させる。 
【００４９】
走査型イオン顕微鏡システムにおいて、入射するイオンビームによるイオンスパッタリングに起因して、イメージング技術の達成可能な空間分解能が制限されるおそれがある。イオンスパッタリングに起因するダメージの程度は、概して、イオンビームのフルエンスと関連性がある（例えば、単位面積当たりに入射する粒子の個数）。高解像度のサンプル画像を測定するためには、許容可能な信号ノイズ比において粒子を検出するために、十分な量の入射イオンが必要である。イオンビーム電流が減少した場合には、時間経過に応じたイオンスパッタリングに起因するサンプルダメージは抑えられる。しかし、使用に耐えうる程度のノイズのサンプル画像を得るためには、撮像時間（及びサンプル上の照射箇所のそれぞれについての露光時間）が増加するおそれがある。サンプルは、撮像時間が長くなることにより生じる蓄積ダメージの影響を受けるおそれがある。 
【００５０】
一例には、ガリウムイオンビームがサンプルの機械加工に一般的に用いられる。質量が比較的大きいことに起因して、ガリウムイオンは多くのサンプルに対するスパッタ率が大きい。ガリウムイオンビームにより典型的な半導体サンプルを露光して形成した像において、最小解像幅は、約５ｎｍ程度である。これは、ガリウムイオンビームは、入射点においてタイトにフォーカスした場合には、サンプルの表面を削る傾向があるためである。 
ヘリウムイオンのような比較的軽いイオンをベースとするイオンビームは、概して、ガリウムイオンビームよりも低いスパッタ率を有する。よって、ヘリウムイオンビームに露光することによるサンプルダメージ量は、同じビーム電流のガリウムイオンビームによって生じるダメージ量よりも少ない。ヘリウムイオンビームへの露光により形成した像における最小解像幅は、５ｎｍ未満とすることが可能であり、時には、５ｎｍを大きく下回らせることも可能である。 
【００５１】
よって、イオンビームがヘリウムイオンビーム又は比較的軽いイオンにより形成される類似のイオンビームである場合、サンプルのイオンスパッタリングはサンプルイメージング中における大きな問題とはならない。しかし、本願発明者らは、サンプルにダメージを与え、画質を劣化させる原因は、イオンスパッタリングのみに留まらず、入射イオンエネルギー及びサンプルの材質、サンプルに形成されうる表面下ヘリウム気泡、及びサンプルが崩壊しはじめることに起因することを見出した。 
【００５２】
入射イオンビームに起因して、サンプル荷電も生じうる。入射イオンは二次荷電粒子（例えば、電子及び／又はイオン）を生成しうる。いくつかの入射イオンは中性子としてではなく、むしろイオンとしてサンプル中に注入される。その結果、サンプル中、特にサンプルの表面及び隣接領域においてにおいて過剰な電荷が生じうる。サンプル（例えば、金属製のサンプル）が比較的高い導電性を有する場合、過剰な電荷は比較的早期に減少してシンク（例えば、電気接地）となる。しかし、サンプルを絶縁するために、イオンビームが入射するサンプル表面近傍に電荷を蓄積させる傾向がある。サンプル表面の近傍は、過剰な電荷を接地又は隣接する絶縁サンプル領域に導電させるために十分な程度まで、表面電圧を上昇させる表面静電容量を生成する。蓄積表面電荷は、サンプル表面における電場を生成する。これらの局所的な電場は、（例えば、入射イオンビームを偏向させることにより）入射イオン及びサンプル表面間の相互作用を生じさせ、また、サンプル中において二次粒子を生成させる。よって、二次粒子を測定することにより取得したサンプル画像は劣化しうる。
【００５３】
さらに、本願の発明者らは、イオン注入及び／又は蓄積電荷を含む、イオンビーム及びサンプルの相互作用に起因するダメージ作用は、ビームのフルエンス（例えば、単位面積当たりに入射する粒子の個数）の関数として変化するだけではなく、率に依存することを見出した。すなわち、入射イオンによるサンプルの露光を比較的低速に行うことで、イオンビームへの露光を高速に行った場合に比較して、サンプルダメージを低減することができる。
【００５４】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、上記について考えられる理由は、粒子注入の可逆性と、サンプルにダメージを及ぼしうる蓄積電荷と、に関連する。例えば、サンプル内に注入された粒子は、サンプルの外に拡散し、サンプルを元の注入の無い内部構造状態に戻しうる。注入粒子の拡散は比較的ゆっくりと行われ、そして、イオンビームによる所定のサンプル部分の連続的な露光の間の比較的長時間のインターバルを含む走査方法は、露光の合間に注入粒子をサンプル外に拡散させ、注入による影響の一部を元の状態に戻す。
【００５５】
他の例としては、絶縁サンプルにおける過剰電荷は、サンプル面の露光部分から過剰電荷の少ない（又は過剰電荷のない）他の部分への拡散によって消費される。よって、サンプルを絶縁させるために、サンプルの所定部分をイオンビームに連続的に露光する間に比較的長いインターバルを含む走査方法により過剰電荷を消費することができる。さらには、これにより、サンプルの荷電に起因して生じる画質の劣化を緩和することができる。
【００５６】
サンプルダメージ及び画質の劣化を回避するために、本願において開示する操作方法は、一回の照射中に、サンプルの同一箇所を過剰に長時間にわたってイオンビームに露光しないようにすることを確実にする。反対に、特定部分について比較的長時間の総露光時間が必要な場合、イオンビームは、その特定部分を複数回にわたって、短時間の照射を連続的に行う。サンプルの各露光箇所における、イオンビームへの露光時間は、各画素の撮像が、単一の露光時間とほぼ同じ総露光時間で行われるように、変更することができる。しかし、入射イオンビーム電流はサンプルのより大きい領域に拡散している。また、本願において開示する走査手法は、サンプルの特定部分をイオンビームに連続的に露光する合間に、十分な時間が経過することにより、露光部分から粒子が拡散できるようにし、電荷を消失させることにより、イオンビームに露光する合間に、局所的な電場を低減する。 
【００５７】
また、本願において開示する走査方法は、イオンビームが、一つ又は複数の化学薬品を吸着したサンプルの表面領域と相互作用する際に用いることができる。表面に吸着された化学薬品はイオンビームにより生じた二次電子と相互作用し、サンプル中において一つ又は複数の化学反応を誘発する。これらの反応は、サンプルの被制御構造成形に用いられうる。吸着された化学薬品は、反応により消費されるので、例えば、薬品をサンプル表面に追加するために、イオンビーム近傍に配置されたガスノズルから補充される。ガスノズルの位置は、イオンビームの位置が変わると共に変更される（例えば、サンプル表面を横断する通常のパターンでは、ガスノズルはイオンビームに後続する）。 
【００５８】
ガスノズルによって供給された活性化状態の化学薬品は、概して、サンプル表面に吸着される。イオンビームが、単純な列ごと（ライン−バイ−ライン）のラスタパターンでサンプル表面を走査する場合、イオンビームは、既に照射された、隣接位置（例えば、ビームスポット）におけるイオンビームとの相互作用により、吸着された化学薬品が既に消費されている、サンプル表面の部分（例えば、イオンビームスポット）を常に探索（interrogate）する。しかし、イオンビームが本願において開示した走査方法に従って走査される場合、連続的なビームスポットは、従来のラスタスキャン方法よりも大きく離間することになる。この結果、サンプル表面上のイオンビームの位置のそれぞれにおいて、吸着された化学薬品は、イオンビームにより生成された二次電子と未だ相互作用しないか、或いは、吸着された化学薬品はイオンビームにより生成された二次電子との間の既に行われた相互作用の後に補給される。したがって、サンプルにおける、イオンビームが誘起する反応の効率は、概して、本願に開示した走査方法でサンプル表面をイオンビームで走査することにより促進され、連続的に、サンプルの何れかの領域を露光する間のインターバルは比較的長くなる。
【００５９】
一部のサンプルは、サンプル表面おいて不所望に吸着された化学薬品も含んでいる。これらの化学薬品は、サンプルにおけるイオンビーム誘起化学反応の副産物であり、例えば、様々は炭化水素類を含みうる。本願に開示した走査方法に従って、イオンビームによりサンプル表面上を走査することにより、これらの不必要な化学薬品による汚染の影響を抑制することができる。
【００６０】
本発明に係る開示は、２つの側面からなる。先ず、第１の側面においては、イオンビームの走査方法を開示する。第２の側面においては、イオンビームを生成及び走査するためのイオンビームシステムを開示する。
【００６１】
Ｉ．イオンビーム走査方法について 
準備実験（study）において、島状金（gold island）を形成したカーボン基板を含むサンプルをヘリウムイオンビームに露光する。図１９Ａは、カーボン表面１７１０上の島状部１７００を概略的に示す図である。島状金は、例えば、カーボン表面への金蒸着によって形成することができる。カーボンに蒸着された島状部を含む測定サンプルは、本願に示す測定に適しており、且つ、例えば、Structure Probe社（ペンシルバニア州、ウェストチェスター）から入手することができる。
【００６２】
Ｈｅイオン顕微鏡を、イオンビーム１９２が島状金の表面を走査するように操作し、入射イオンビームから生じ、サンプル表面から遠ざかる二次電子を検出して、サンプルイメージを取得する。サンプルの被走査領域は、１ミクロンの辺長を有する正方形であり、５００×５００ピクセルの配列を含む。ヘリウムイオンのビームエネルギーは２５ｋｅＶであり、ヘリウムイオンビーム電流は１ｐＡである。イオンビームによって形成されたサンプル上の各露光スポットは、一つの撮像画素に対応し、且つ、各スポットについての露光時間は１００μ秒であった。サンプル領域についての総露光時間は２５秒であった。比較的ノイズの少ないサンプルイメージが取得でき、像取得によりサンプルへのダメージは生じなかった。
【００６３】
２つ目の実験では、サンプル上の走査領域を辺長１００ｎｍの矩形領域に縮小し、イオンビーム電流は１ｐＡに維持した。この状態において、イオンビームのフルエンスは２５倍に上昇した。サンプル画像上で、約１００ｎｍの厚さの島状金は完全にカーボン基板に至るまで除去（removed down)されている。発明者らは、イオンビーム電流が比較的低く、且つヘリウムイオンのスパッタ率が比較的低いため、イオンスパッタリングがサンプルへのダメージについての主たる原因とはならないということを見出した。更に、その後の研究において、第１のサンプルと同様の第２のサンプルの連続したイメージの測定を、矩形走査領域は辺長１μｍ、イオンビーム電流は１pＡという条件下で行った。１００回の連続したサンプル走査について、イメージ測定を行った。このような条件下では、イオンビームのフルエンスは１００倍に増加したが、しかし、取得したイメージからはサンプルへのダメージは明示されなかった。
【００６４】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、ヘリウムイオンビームが２５ｋｅＶで金サンプルに入射する場合に、ヘリウムイオンの多くは、サンプル表面のイオンビームが入射する領域から約５０ｎｍ〜約１００ｎｍ下に注入される。図１は、上述したように、金により形成されるサンプル１８０の概略断面図である。イオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１に入射する。イオンビーム１９２からのイオンは、サンプル１８０の領域３０１０に注入され、表面１８１の下約５０ｎｍ〜１００ｎｍの深さに到達する。図１に示すように、領域３０１０の幅ｄｖは、上述の露光条件においては約２０ｎｍである。
【００６５】
注入イオンは、領域３０１０において、サンプル１８０の領域３０２０を経て表面１８１へと達することで拡散する。表面１８１からは、イオンはガス抜けによりサンプルから除去される。本願において開示したイオンビームにサンプルを露光するにあたって、数値的ガイドラインを得るために、２０ｎｍ×２０ｎｍの断面領域（例えば、サンプル１８０の表面１８１に平行な平面における、領域３０１０の略断面領域）及び高さ５０ｎｍ（表面１８０下の領域３０２０の深さ）を有する、サンプルの相互作用領域３０３０において計算を行った。
【００６６】
金により形成されるサンプル１８０は、以下を含む。
【数３】
0005473004.tif 000005
相互作用領域３０３０における金原子であって、ρAuは、金のバルク密度であり、ａv＝５０ｎｍは領域３０３０の高さであり、ｍAuは金原子の質量である。室温において、ヘリウムはモル濃度にして約０．５％まで可溶である。よって、Ｍb≒６０００を上回る濃度のヘリウム粒子（例えば、原子及び／又はイオン）が領域３０３０に存在する場合、この領域においてヘリウム泡が生成され始める。核融合炉のシミュレーションから知られている、材料中におけるヘリウムイオンフルエンスの崩壊臨界値は、Ｆc≒１０２０粒子／ｍ-２であり、ブリスタ及びサンプルダメージを生じさせないようにする臨界値として、領域３０３０におけるヘリウム粒子がＭc＝Ｆc・ｄｖ２≒４００００を満たすことを要件とする。
【００６７】
領域３０３０において、注入されたヘリウム粒子の拡散が生じる。領域３０３０中のヘリウム粒子の総濃度がＭb≒６０００粒子を超えた場合、拡散を通じて領域３０３０における濃度勾配が形成される。この勾配は、深さ５０ｎｍ（例えば、領域３０３０の下端）から表面１８１（例えば、領域３０３０の上端）におけるヘリウム濃度については略線形である。金における、ヘリウム粒子の拡散係数はＤ≒２×１０-１３ｍ２Ｓ-１であり、最大拡散係数Ｒbは、フィックの拡散の第１法則によれば、以下の式により与えられる。 
【数４】
0005473004.tif 000006
ここで、ｈg＝５０ｎｍは、拡散勾配の長さである。
【００６８】
イオンビーム１９２にサンプル１８０を露光している間のイオンビーム電流は、約Ｃi＝６×１０６イオン／秒である。露光表面領域３０４０は、辺長ｂv＝１００ｎｍ、５００画素×５００画素の配列を含み、ピクセルあたり露光時間ｔe＝１００μ秒、領域３０３０に注入され、拡散可能なヘリウム粒子数ＭＨｅは、少なくとも以下のようである。
【数５】
0005473004.tif 000007
すなわち、領域３０３０におけるヘリウム粒子数ＭＨｅは、Ｍｃ≒４０００よりも有意に多い。よって、サンプル１８０の金表面において気泡やブリスタが発生し、気泡が割れることで、観察可能なサンプルダメージを生成する。 
【００６９】
しかし、露光表面領域３０４０が辺長ｂv＝１μｍ未満であるか、又は同様の条件の場合、ＭＨｅは、臨界値Ｍcを大幅に下回る約６０００粒子まで減少する。この結果、ほとんどの場合サンプルダメージは回避することができる。２組の露光条件における差異は、第２の露光条件下における注入ヘリウム粒子のガス抜けの増加に起因するものである。 
【００７０】
したがって、その値を超えたらサンプルダメージが発生してしまう、特定の濃度限界まで、サンプル１８０の領域３０４０の表面下に対してヘリウムイオンを注入することができる。注入ヘリウム粒子の濃度は、サンプル１８０から離脱する表面１８１に向かって粒子が拡散することにより、徐々に低下する。同様の因果関係により、サンプル１８０が絶縁されている場合、イオンビーム１９２に露光している間に表面１８１付近において過剰電荷が蓄積する。特定の表面電圧限界まで、荷電は容量的に蓄積可能である。この表面電圧限界を超えると、イオンビーム１９２からのイオンとの相互作用により、サンプル１８０が著しく崩壊し、サンプル１８０からの粒子の測定により取得した像の品質が劣化する。蓄積表面荷電は、比較的ゆっくりと、漏れ電流により低減することができる。漏れ電流は、サンプル１８０の他の絶縁領域に電荷を逃がすからである。上述の考察に基づくと、入射イオンからのサンプルダメージを低減させる走査プロトコルは、サンプルの表面荷電の緩和にも役立つ。
【００７１】
ヘリウムイオン顕微鏡システムは、サンプル上をオングストローム解像度で探索することができる。典型的には、顕微鏡システムは両側（直径）１００ｎｍのオーダーの、比較的小さい視野において走査可能なように構成される。上述の議論に基づくと、粒子注入に起因するサンプルダメージはヘリウムイオン顕微鏡システムにおいて深刻な問題となりうる。操作中、イオンビーム電流は、サンプルダメージを緩和するように低減することができる。しかし、典型的な走査条件下においては、許容可能な信号ノイズ比の画像を取得するためには、１画素あたりの入射イオンを、約６００を下限とすることが必要である。したがって、低い操作イオンビーム電流を用いた場合、像取得のための時間は全体として非常に長くなりうる。像取得時間が長引けば、サンプルドリフトが測定画像に及ぼす影響が増大し、比較的弱い検出信号は、一般的に、検出器のノイズに起因する揺らぎに対して脆弱である。
【００７２】
走査プロトコルの一実施形態を図２に概略的に示す。本実施形態は、比較的高いイオンビーム電流を可能にすると共に、サンプルダメージ及び入射ヘリウムイオンに起因する荷電を緩和する。領域４０００は、サンプル１８０の一領域であり、サンプル１８０は、上述の走査プロトコルにより定められる特定の露光パターンで、イオンビーム１９２に露光される。図２に示す走査プロトコルは、領域４０００の異なる空間部分をイオンビーム１９２に露光させる順序に起因して、チェッカーボード走査プロトコルと称される。 
【００７３】
領域４０００を露光している間、イオンビーム１９２及びサンプル１８０は、相対的に平行移動される（例えば、イオンビーム１９２を動かしたり、サンプル１８０を動かしたりするか、又は両方を動かす）ことで、領域４０００の異なる部分を交互に露光させる。図２において、イオンビーム１９２は、領域４０００において、複数の露光スポット４００１〜４０２４を形成する。明確のため、図２には全露光スポットのうちの一部のみを示す。図３には、同様のチェッカーボード走査プロトコルのための、追加の露光スポットを示す。これらにより、領域４０００の様々な部分を露光された、そのオーダーにおけるより完全なピクチャを提供することができる。 
【００７４】
図２に戻ると、イオンビーム１９２の領域４０００における平均スポットサイズはｆsである。領域４０００の走査を開始するためには、イオンビーム１９２は、露光スポット４００１に対応する領域４０００の一部分がイオンビーム１９２に露光されるように、領域４０００に対して配置される。スポット４００１を照射した後に、イオンビーム１９２をｘ軸方向に距離ｄs平行移動することにより、再配置し、照射スポット４００２に対応する領域の一部分をイオンビーム１９２に露光する。再配置及び露光は、スポット４００１〜４００４が、それぞれを直接連続して露光し終わるまで続く。スポット４００１〜４００４は、それぞれ領域４０００の異なる部分に対応し、前に露光された部分から、ｘ軸方向に距離ｄsだけ離間している。
【００７５】
領域４０００のスポット４００１〜４００４に対応する部分を露光した後に、イオンビーム１９２を、再度、領域４０００に対して再配置し、スポット４００５に対応する領域４０００の一部分をイオンビーム１９２に露光する。この、領域４０００の一部分は、スポット４００１〜４００４に対応する各部分からは、ｙ軸方向によりｅsだけ離れている。
【００７６】
そして、スポット４００６〜４００８に対応する領域４０００の部分は、それぞれ直接連続して、イオンビーム１９２に露光される。この際、先ず、イオンビーム１０２をｘ軸方向に距離ｄsだけ平行移動し、そして各領域をイオンビーム１９２に露光する。
【００７７】
スポット４００８に対応する領域を露光した後に、イオンビーム１９２を再度ｙ軸方向に距離ｅsだけ平行移動し、スポット４００９〜４０１２に対応する領域について、イオンビーム１９２を連続的にｘ軸方向にｄsだけ移動して照射する。ここまで開示してきた走査プロトコルの一部分に続いて、スポット４００１〜４０１２を含むチェッカーボード露光パターンが、サンプル１８０の領域４０００上において形成される。 
【００７８】
スポット４０１２に対応する部分を照射した後に、イオンビーム１９２は領域４０００に対して再配置され、照射スポット４０１３に対応する領域４０００の部分に対してイオンビーム１９２を照射する。したがって、照射スポット４０１４〜４０２４に対応する領域は、照射の合間に、領域４０００に対してイオンビーム１９２を適切に再配置する（例えば、ｘ軸方向に距離ｄs、ｙ軸方向に距離ｅsだけ平衡移動する）ことによって連続的に照射される。
【００７９】
図２に示すような、再配置及び照射パターンを延長して行うことにより、ｘ軸方向に、領域４０００の照射部分の一連の横列の照射を完了させることができる。図３に示すように、照射領域の横列については、参照符号４１００、４２００及び４３００を付す。列４１００、４２００、及び４３００に対応する領域４０００の部分の全てについて、イオンビーム１９２の照射した後に、イオンビームを領域４０００に対して再配置して、完全に照射された横列の間の照射を開始する。すなわち、チェッカーボード走査プロトコルによれば、領域４０００の未照射部分を含む、横列４５００、４６００、及び４７００について、別の複数の照射スポットを領域４０００上に形成することでイオンビーム１９２を照射する。横列４１００、４２００、４３００の間の部分についての一連の照射手順は、上述した手順と同様である。領域４０００の部分の横列を連続的に走査することによって、イオンビーム１９２を領域４０００全体に照射する。
【００８０】
図２及び３に示す一連の露光スポットが完了し、領域４０００を完全にイオンビーム１９２に露光することは、サンプルダメージ及び表面荷電を緩和するために効果的である。これは、イオンビーム１９２は領域４０００の特定部分の露光時間を延長させないからである。その代わり、イオンビーム１９２は、領域４０００の横断方向に比較的長い間隔でで移動する（例えば、平均スポットサイズｆsと比較して大きい）。典型的には、大きいイオン電流が比較的小さい領域に分布する場合に発生するサンプルダメージは発生しない。これは、イオンビーム電流が領域４０００上の比較的広い領域に分布しているからである。相互作用領域３０３０は、各露光スポットにおいて形成され、相互に重複しない。また、イオンビーム１９２は、比較的長時間の間、どの露光部分も再度照射しないので、注入粒子の拡散及びガス抜けにより、再びイオンビーム１９２がそれらの露光部分を照射するときには、注入粒子の濃度を低下させる。特定部分の露光の間に比較的長時間のインターバルを設ければ、絶縁サンプルにおける表面荷電を広範にわたって消失させることができる。
【００８１】
特定数の露光スポットを、図２及び３に示す領域４０００上に形成し、それぞれがイオンビーム１９２に照射される領域４０００上の部分に対応する。しかし、概して、領域４０００は、それぞれ、イオンビーム１９２に露光する所望数の部分に分割することができる。領域４０００上の露光部分の数は、例えば、領域４０００の画像の所望解像度に基づいて決定することができる。
【００８２】
典型的には、サンプル１８０の領域４０００にイオンビーム１９２を照射すれば、サンプル１８０から粒子が放出される。サンプル１８０から放出される粒子は、二次電子、後方散乱入射イオン、散乱中性子、及び光子を含みうる。これらさまざまな種類の粒子を測定するために、本明細書の第二部において詳述する検出器が用いられうる。概して、イオンビーム１９２を領域４０００に対して配置し、領域４０００にイオンビームで露光すると、１つ又は複数の検出器が、サンプル１８０から放出される粒子を測定する。この１つ又は複数の検出器は、サンプル１８０から放出される粒子の、例えば、存在量、及び／又はエネルギー及び／又は角度位置／方向に対応する電気信号を生成する。これらの生成された電気信号を、領域４０００に対するイオンビーム１９２の位置について補正することにより、領域４０００の１つ又は複数の画像を形成することができる。
【００８３】
一部の実施形態においては、イオンビーム１９２の領域４０００表面における平均スポットサイズｆsは、５ｎｍ以下（例えば、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．５ｍｍ以下、０．２５ｍｍ以下）及び／又は０．２５ｎｍ〜５ｎｍ（例えば、０．５ｎｍ〜４ｎｍ、０．５ｎｍ〜３ｎｍ、０．５ｎｍ〜２ｎｍ）である。
【００８４】
ある実施形態においては、ｄsは５ｎｍ以上（例えば、１０ｎｍ以上、１５ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上）及び／又は５００ｎｍ以下（例えば、４００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下）である。また、一部の実施形態においては、ｅsは、５ｎｍ以上（例えば、１０ｎｍ以上、１５ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上）及び／又は５００ｎｍ以下（例えば、４００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下）である。
【００８５】
ある実施形態においては、ｄs／ｆsの比率は、は２以上（例えば、３以上、４以上、５以上、１０以上、１５以上、２０以上、２５以上、３０以上）及び／又は１００以下（例えば、９０以下、８０以下、７０以下、６０以下、５０以下）である。また、一部の実施形態においては、ｅs／ｆsの比率は、２以上（例えば、３以上、４以上、５以上、１０以上、１５以上、２０以上、２５以上、３０以上）及び／又は１００以下（例えば、９０以下、８０以下、７０以下、６０以下、５０以下）である。また、ある実施形態においては、ｅsは、ｄsより大きいかｄsに等しい。また、ある実施形態においては、ｅsはｄsよりも小さい。
【００８６】
ある実施形態においては、領域４０００をイオンビーム１９２に照射した場合、ビーム１９２のイオン電流は１ｐＡ以上（例えば、２ｐＡ以上、５ｐＡ以上、１０ｐＡ以上、２０ｐＡ以上、３０ｐＡ以上、５０ｐＡ以上、１００ｐＡ以上、２００ｐＡ以上、３００ｐＡ以上、５００ｐＡ以上）である。概して、イオン電流は、サンプル画像の信号ノイズ比が十分に高くなるように大きくすると共に、サンプルダメージ及びサンプルの荷電が緩和されるのに十分な程度に低くなるように選択される。本明細書において開示する走査プロトコルは、領域４０００上において、ラスタ走査のような、シンプルな走査プロトコルを使用した場合に可能となるイオン電流よりも、比較的大きいイオン電流を使用できるようにするものである。
【００８７】
一部の実施形態において、領域４０００の各部分についてのイオンビーム１９２への露光時間は、５００μ秒以下（例えば、４００μ秒、３００μ秒、２００μ秒、１００μ秒、５０μ秒、３０μ秒、２０μ秒、１０μ秒、５μ秒、１μ秒、０．５μ秒）である。概して、露光時間は、サンプル画像の測定における信号ノイズ比が比較的大きくなるように十分なほど高く、且つ、サンプルダメージ及び荷電が緩和されるのに十分なほど小さくなるように選択される。
【００８８】
一部の実施形態においては、１０６画素を含むサンプル画像のための総取得時間は、１０００秒以下（例えば、８００秒以下、６００秒以下、４００秒以下、３００秒以下、２００秒以下、１００秒以下、５０秒以下、３０秒以下、２０秒以下、１０秒以下、１秒以下）である。
【００８９】
一部の実施形態においては、イオンビーム１９２への露光による領域４０００における過剰な電荷の消失を補助するためには、領域４０００をフラッドガンのような電子源に露光させることができる。電子源への露光は、イオンビーム１９２への露光の前、例えば、サンプル内の荷電層を注入する前に行う。これに代えて、又はこれに加えて、イオンビーム１９２への露光中に、領域４０００を電子源に露光することもできる。電子源からの電子は、表面電荷の消失を補助し、イオンビーム１９２によるサンプルからの二次電子の放出を促進する。さらに、これに代えて、又はこれに加えて、領域４０００をイオンビームにより連続的に走査し終えた合間や、領域４０００のさまざまな部分をイオンビームにより連続的にライン走査する合間や、及び／又は領域４０００の様々な部分の露光スポットをイオンビームにより連続的に露光する合間に、領域４０００を電子源に露光することができる。
【００９０】
概して、イオンがサンプル表面に入射する際に、二次電子が生成され、サンプルから放出されることにより、表面が正味正電荷を有することになる。サンプル表面における、過剰な正の電荷は、望ましくない多数の影響を及ぼす。例えば、ある実施形態においては、サンプル表面の正電荷は、検出器が、サンプルから放出される二次電子を検出する能力を制限しうる。これは、サンプルとイオンビームとの相互作用に起因するものである。サンプル表面における正電荷と、二次電子との間における引力は、電子を減速させ、検出器に電子が到達することを妨げる。
【００９１】
一部の実施形態において、サンプル表面の正電荷は、イオンビーム走査を不正確にする恐れがある。サンプル表面における正電荷により生成された電場に起因する、入射イオンビームが偏向したり、減速したりすれば、入射イオンのエネルギーが減少し、その軌道を予測し難いものに変えてしまう。
【００９２】
サンプル表面の正味正電荷が十分に大きくなれば、サンプル表面は入射イオンの静電ミラーとして作用し、イオンがサンプル表面に到達する前にイオンをサンプル表面から偏向させてしまうおそれがある。 
【００９３】
サンプル表面に電子フラックスを供給することが可能なフラッドガンを荷電による影響のための対策に用いることができる。図４は、フラット゛ガン８４０を備える気体電界イオン顕微鏡の一部を示す図である。フラッドガン８４０は、サンプル１８０の表面１８１に対して電子ビームを供給するように構成され、ヘリウムイオンビーム１９２は、表面１８１に入射している。表面１８１上の電子フラックスは、概して、電子ビーム８４２が所望程度に表面荷電の影響と釣り合うように制御される。
【００９４】
図４は、サンプル１８０の表面１８１に、別の方法で同時に入射するイオンビーム１９２及び電子ビーム８４２を示す図である。例えば、イオンビーム１９２に表面１８１を露光する前に電子ビーム８４２がサンプル１８０に供給されて、サンプル１８０の表面下領域において荷電層８４６（図５参照）を形成するように、フラット゛ガンを構成することが可能である。層８４６は、平均して、表面１８１の下の深さｍに存在し、表面１８１の法線方向における厚さｒを有する。概して、深さｍ及び厚さｒと、層８４６の電子密度とは、電子ビームの電子のエネルギー、表面１８１に対する電子ビーム８４２の電子の入射角、及びサンプル１８０に供給される電子の総供給量によって制御される。
【００９５】
一部の実施形態においては、表面１８１への入射、電子ビームにおける電子の平均エネルギーは調節可能である。例えば、電子の平均エネルギーは５００ｅＶ以上（例えば、１ｋeV以上、２ｋeV以上）、及び／又は２０ＫeV以下（例えば、１５ｋeV以下、１０ＫeV以下）である。例えば、表面１８１に入射する場合、電子エネルギー８４２の電子の平均エネルギーは５００ｅＶ〜２０ＫｅＶ（例えば、１ｋｅＶ〜１５ｋｅＶ、２ｋｅＶ〜１０ＫｅＶ）でありうる。
【００９６】
電子ビーム８４２の電子の、表面１８１に対する入射角δの角度は、電子ビーム８４２の主光線８５０と、表面１８１の法線８４８との間の角度に相当する。概して、δは０°以上（例えば、１０°以上、２０°以上）、及び／又は８０°以下（例えば、７０°以下、６０°以下）である。例えば、δは０°〜７０°（例えば、０°〜１０°、４０°〜６０°）である。
【００９７】
ある実施形態では、サンプル１８０に供給される電子の総電流は、１０ｐＡ以上（例えば、１００ｐＡ以上、１ｎＡ以上、１０ｎＡ以上）、及び／又は１００μＡ以下（例えば、１０μＡ以下、１μＡ以下、５００ｎＡ以下、１００ｎＡ以下）である。例えば、サンプル１８０に供給される総電流量は１０ｐＡ〜１μＡ（例えば、１００ｐＡ〜１００ｎＡ、１ｎＡ〜１０ｎＡ）である。
【００９８】
一部の実施形態においては、ｍは１０ｎｍ以上（例えば、２５ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、７５ｎｍ以上、１００ｎｍ以上）、及び／又は５００ｎｍ以下（例えば、４００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下）である。例えば、ｍは、１０ｎｍ〜５００ｎｍ（例えば、２５ｎｍ〜５００ｎｍ、５０ｎｍ〜５００ｎｍ、７５ｎｍ〜４００ｎｍ、１００ｎｍ〜４００ｎｍ）である。 
【００９９】
一部の実施形態においては、複数のフラッドガンを用いることができる。例えば、一部の実施形態においては、異なるフラッドガンを、サンプル１８０の表面１８１の異なる部分を電子に露光させるために用る。また、一部の実施形態においては、各フラッドガンは、表面１８１の同じ部分を電子に露光させるために用いられる。任意には、異なるフラッドガンを異なる時点において走査することもできる。例えば、１又は複数のフラッドガンを、（例えば、表面下荷電層を形成させるために）、入射イオンに表面１８１を露光させる前に、表面１８１を電子に露光させるために用いることもできるし、入射イオンに露光中の表面１８１について、１又は複数の異なるフラッドガンを表面１８１を電子にも露光させるために用いることもできる。一部の実施形態においては、（例えば、表面下荷電層を形成させるために）、入射イオンに表面１８１を露光させる前に、フラッドガンの全てを、表面１８１を電子に露光させるために用いることもできる。一方、他の実施形態においては、入射イオンに露光中の表面１８１について、全てのフラッドガンを表面１８１を電子に露光させるために用いることもできる。この他の組み合わせも可能である。
【０１００】
一部の実施形態においては、イオンビーム１９２は、希ガスイオンによって形成される。例えば、イオビーム１９２は１又は複数のヘリウムイオン、ネオンイオン、クリプトンイオン、キセノンイオンによって形成されうる。代替的又は追加的には、一部の実施形態においては、水素イオンなどの非希ガスイオンによりイオンビーム１９２を形成することも可能である。
【０１０１】
典型的には、注入粒子の拡散率は温度に依存し、温度の上昇により拡散率も上昇する。よって、幾つかの実施形態においては、サンプルはイオンビーム１９２への露光中に熱せられ、注入粒子がサンプルから放出される程度まで拡散率が上昇してしまう。サンプルが熱せられれば、注入粒子はサンプルからすばやく拡散し、イオンビーム１９２が領域４０００上の露光済みの部分を、露光しようとしても、その部分に注入されている粒子のうち残っている粒子の濃度はサンプルが熱せられなかった場合と比較して低い。よって、サンプルダメージ及び荷電が緩和される。
【０１０２】
図２及び３を再度参照すると、領域４０００の各露光スポットは、イオンビーム１９２に露光される領域４０００上の特定部分に対応している。入射イオンビームに対応してサンプルから放出される粒子は、検出され、イオンビーム１９２の領域４０００に対する位置に関連する電気信号を生成する。そのような信号のうちの複数は、その相関する位置と共に、領域４０００についての画像を形成するために用いられる。一部の実施形態においては、イオンビーム１９２に露光される領域４０００の各部分は、それぞれ一つの画素に対応する。例えば、ｎ×ｎ画素の配列により形成される画像については、領域４０００は、それぞれが画素一つ一つに対応する、ｎ×ｎ個の領域に分割することができる。また、一部の実施形態においては、領域４０００の１又は複数の部分（各部分）は、複数の画素に対応しうる。
【０１０３】
図２及び３において、領域４０００の連続的に露光された部分は、ｘ軸方向に、相互に距離ｄsだけ離れている。しかし、概して、ｄsは連続的に露光される領域の間の最小の間隔を表し、連続的に露光される領域は、ｘ軸方向にｄs又は更に大きく相互に離間して配置することができる。更に、連続的に露光される領域の間の間隔は、各領域ペアの間すべてにおいて同一でも異なっていても良い。一部の実施形態においては、例えば、連続的に照射される部分はｘ軸方向に相互に可変間隔で離間して配置されうる。このような可変間隔で離間は、例えば、サンプルの特定部分が、比較的高解像度で最適に画像化されるような比較的細かい構造（feature）を有するような場合、その部分において連続的に露光される領域間の間隔を狭める際に用いられうる。逆に、比較的粗い構造（又は、構造のない）を含む観察箇所は、比較的低解像度（連続的に露光される部分間の間隔を大きくする）で画像化し、画像取得スピードを速めることができる。
【０１０４】
同様に、図２及び図３において、走査プロトコルの実行中における露光部分の一連の横列は、ｙ軸方向に相互に距離ｅsだけ離間させる。概して、横列の間の間隔は可変であり、露光された横列の間の距離ｅsは最小間隔を表す。高解像度のためには、比較的短い間隔を用い、高速且つ低解像度の画像化のためには、比較的長い間隔を用いる。更に、ｄs及びｅsは、露光部分が領域４０００上において正方形パターンを形成するように等しい値としたり、矩形パターンを形成するように異なる値とすることもできる。
【０１０５】
また、図２及び３に示したようなチェッカーボードプロトコルに対して修正を加えた、他の様々な走査プロトコルを用いることもできる。例えば、図２及び３に示すような露光スポットに対応する部分は、上述したようなサンプルダメージ及び荷電を緩和するのに適している、あらゆる順番で露光することが可能である。操作プロトコルにおいては、連続的に走査される部分の間で、イオンビーム１９２を領域４０００に対してｘ軸方向、ｙ軸方向、又は、ｘ軸並びにｙ軸両方向に移動する。ｘ軸及びｙ軸方向は、サンプル１８０の領域４０００のエッジに対して平行であっても、平行でなくても良い。
【０１０６】
一部の実施形態においては、露光スポットのパターンは正方形や矩形配置以外を用いることもできる。例えば、一部の実施形態においては、環状（例えば、渦状）及び／又は楕円パターンの露光スポットを領域４０００上に形成することもできる。イオンビーム１９２は、領域４０００に対して移動され、イオンビームは領域４０００の部分を露光させて、一連の集中（concentric）リングを形成する。露光部分は、リングの弧に沿って相互に距離ｄs以上離間し、放射方向に距離ｅs以上離間する。
【０１０７】
他のタイプの走査プロトコルを用いることもできる。図６は、イオンビーム１９２によって領域４０００を露光するために適用されるバンド走査プロトコルを表す図である。イオンビーム１９２は、最初、図６に示す領域４０００の左上角に配置され、領域４０００上において露光列５００１を形成するように、領域４０００についてｘ軸方向に平行移動される。イオンビーム１９２を領域４０００に対して平行移動するため、入射イオンに対応して領域４０００から粒子が放出される。これらの粒子は１つ又は複数の検出器によって検出され、検出器によって生成される信号はイオンビーム１９２の位置に対応する。
【０１０８】
露光列５００１を形成した後、イオンビーム１９２を領域４０００に対して再配置した後に、露光列５００２を形成するためにｘ軸方向に走査する。イオンビーム１９２の再配置は、イオンビーム１９２を、領域４０００に対して距離ｄt以上ｙ方向に平行移動することを含む。露光列５００３を領域４０００上に形成するために、同様の手順を繰り返す。
【０１０９】
露光列５００３の形成に続いて、イオンビーム１９２を領域４０００について再配置し、ｘ方向に平行移動して露光列５００４を形成する。イオンビーム１９２を再配置して、ビームをｘ方向に平行移動する手順により露光列５００５及び５００６の形成を続ける。領域４０００の露光パターンは、ｙ方向に相互に距離ｄtだけ離間する一連の露光列は、領域４０００の全部分が露光し終わるまで反復する。
【０１１０】
典型的には、例えば、各露光列は、複数の露光スポットを含む。イオンビーム１９２は、領域４０００における平均スポットサイズがｆsであり、各露光列における露光スポットは、典型的には、ｘ方向に相互に距離ｆs／２以上離間している。しかし、ｘ方向におけるあらゆる所望の間隔で露光スポットを離間することができる。
【０１１１】
概して、領域４０００上における連続的に露光されるラインの間の距離ｄtは、上述したようなｄsと同様の値を有する。連続的な露光列の間の間隔は、一定又は可変であり、例えば、これにより、領域４０００の様々な部分を画像化する解像度を制御することができる。一部の実施形態においては、ｄt／ｆsの割合は２以上（例えば、３以上、４以上、５以上、１０以上、１５以上、２０以上、２５以上、３０以上）、及び／又は１００以下（例えば、９０以下、８０以下、７０以下、６０以下、５０以下）である。
【０１１２】
バンド走査プロトコルの変形例は、領域４０００上において露光列を形成するあらゆる走査プロトコルを含み、このようにすることで、ラスタ走査のような従来走査プロトコルにより発生していたサンプルダメージ及び荷電が低減される。
【０１１３】
典型的には、バンド走査プロトコルいおいて、何れかの領域が更に露光される前に、露光列に対応する全領域は同じ回数だけ露光される。換言すれば、新たな画像フレームのいかなる部分を取得する前に完全な画像フレームが取得される。しかし、ある実施形態においては、領域４０００の幾つかの部分は複数回イオンビーム１９２に露光され、他方、他の部分はイオンビーム１９２への露光回数は比較的少ない。この不均等な露光は、例えば、領域４０００の特定部分の信号ノイズ比を改善するために用いられうる。
【０１１４】
一部の実施形態においては、画像はインタレース画像フレームから形成されうる。例えば、領域４０００の画像を取得するためには、イオンビーム１９２は領域４０００に対して、領域４０００上に一連の露光列を形成するように走査される。これらの露光列は、例えば、領域４０００のある一部（例えば、半分）のみをカバーすることができ、入射イオンビームに応じて領域４０００から放出される粒子に基づいて第１の画像フレームが形成される。そして、イオンビーム１９２により、領域４０００に対して、２回目の走査を行い、１回目の走査で露光されなかった部分を露光する。第２画像フレームは、入射イオンビームに対応して領域４０００から放出される粒子に基づいて形成される。第１及び第２の画像フレームは、例えば、一連の交互の露光列を領域４０００上に形成し、この場合、第１及び第２の画像フレームはインタレースされた画像フレームに対応する。領域４０００の完全な画像は第１及び第２の画像フレームを組み合わせることで形成される。 
【０１１５】
一部の実施形態において、領域４０００上において、露光列の異なる部分は、領域４０００に対してイオンビーム１９２を走査させることにより、異なるタイミングで形成される。例えば、第１露光ステップにおいては、イオンビーム１９２は、図６に示す各露光列の最初の部分に沿って走査することができる。そして、第２露光ステップにおいてはイオンビーム１９２は、各露光列の残りの部分ん磯って走査し、領域４０００の露光を完了することができる。
【０１１６】
図６に示すように、露光列は、ｙ方向に幅ｇtを有する。一部の実施形態においてはｇtは０．２５ｎｍ以上（例えば、０．５ｎｍ以上、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、３ｎｍ以上、４ｎｍ以上、５ｎｍ以上、６ｎｍ以上、７ｎｍ以上、８ｎｍ以上）。ある実施形態においては、ｄt／ｇtの比率は、２以上（例えば、３以上、４以上、５以上、１０以上、１５以上、２０以上、３０以上、４０以上、５０以上）である。
【０１１７】
様々な走査プロトコルのパラメータを表１に比較する。表１に示す数値を得るために、一辺１００ｎｍの正方形露光領域を仮定した。この正方形領域は、１０００×１０００画素の配列に分割され、そのそれぞれが露光スポットに対応した。また、画素あたりの最小露光時間は、０．１μ秒として設定した。この値は、イオンビームをサンプルに対して平行移動できる最大の比率である。イオンビーム粒子電流Ｃiは、等価（equivalent）プローブ電流Ｉi、各画素につき少なくとも６００入射イオンを露光するための総取得時間、及び画素毎の露光時間は、領域３０３０におけるヘリウム粒子数が、Ｍb＝６０００粒子（例えば、金におけるヘリウムの飽和濃度）を超えないようにするという制約の下、算出した。
【０１１８】
【表１】
0005473004.tif 000008
【０１１９】
従来のピクセル平均走査プロトコルにおいては、観察領域を従来のラスタパターンでラインバイラインで走査する。すなわち、各連続した領域の横列は、一端から他端に向かって走査され、走査中、イオンビームは列を飛ばすことは無い。表１に示すように、この走査プロトコルのために、注入ヘリウム粒子のサンプル中における飽和を回避するために、イオンビーム電流は比較的低く抑える。これにより、取得時間は長くなる。
【０１２０】
従来の平滑化（line averaging）プロトコルでは、各領域の横列は、イオンビームが次の横列に移動する前に複数回走査されうる。画素平均化（pixel averaging）プロトコルのように、イオンビームは走査中、横列を飛ばすことは無い。しかし、次のラインに移動する前に、複数回同じ横列内の画素を再度露光できるようにすることで、高いイオンビーム電流を用いることが可能になる。この結果、表１の第２横列に示したように、総取得時間は短縮される。
【０１２１】
フレーム平均走査プロトコルにおいては、各フレーム（それぞれ、領域のピクセル平均走査に対応する）は、取得され、画像を形成するように結合される。しかし、イオンビームは領域の各横列を複数回にわたって再走査できるので（例えば、各追加フレームにつき一回ずつ）、サンプル中における注入ヘリウム粒子の飽和を回避すると共に、イオンビーム電流は更に増加する。表１に示すように、フレーム平均走査プロトコルは、滞留時間によって効果的に制限され、これにより、注目領域に対してイオビームを平行移動できる最大比率で固定することができる。
【０１２２】
図６に概略的に示すバンド走査プロトコルでは、ラインバイラインで領域を走査することにより画像を取得することができ、さらに、複数のフレームを統合することによって画像を形成することができる。フレーム平均走査プロトコルとバンド走査プロトコルとの違いは、バンド走査プロトコルにおいては連続的に走査された横列がｙ方向に距離ｄtだけ離間している天で異なる。このように、連続的に走査される横列は、離間しているので、走査される横列の露光スポットに対応するサンプルの領域における相互作用領域３０３０は、相互に影響がでるほどには重複しない。従来のフレーム平均走査プロトコルにおいては、画素あたりの露光時間と、イオンビームが同じ画素を再度照射するのに擁する時間との比率は、約（ｄv／ｂv）である。バンド走査プロトコルにおいては、この比率は約（ｄv／ｂv）２である。この値は格段に小さい。表１に示すように、バンド走査プロトコルは、高いイオンビーム電流が用いられるようにすると共に、他の走査プロトコルに比較して総取得時間を短縮することができる。
【０１２３】
図２及び３に概略的に示したチェッカーボード走査プロトコルにおいて、各画像フレームは正方形又は矩形のサブ領域に分割され、イオンビームは、いずれのサブ領域が再度照射されるよりも前に、各サブ領域における類似の対応する位置を照射する。イオンビームによる連続的な照射において、各サブ領域におけるイオンビームの相対的な照射位置は、その前の照射に対して相対的に変化する。このパターンを繰り返すことで、注目領域全体を露光させる。 
【０１２４】
チェッカーボード走査プロトコルは、サンプルのイオンビームへの露光により生じる相互作用領域３０３０の間の相互作用領域の空間重複を低減させる。露光時間が短ければ、サンプルの画像は複数の画像フレームを統合することにより形成される。表１においては、注入ヘリウム粒子のガス漏れ率のため、イオンビーム電流はバンド走査プロトコルと同じ値に制限されている。しかし、画素あたりの露光時間は、相互作用領域３０３０の間の重複を更に低減させるために、バンド走査プロトコルの場合よりも長くすることができる。実際、ここでの計算においては、画素あたりの露光時間は、１画素当たりの最小投与粒子数を６００個とすることにより制約している。例えば、仮に、１画素当たりの最小投与粒子数を６０００個よりも大きくした場合、画素あたりの露光時間は５００μ秒にまで増加し、これにより、イオンビームをすばやく移動させることにより生じうる機械ノイズの低減を補助することができる。表１に示した他の走査プロトコルにおいては、画素あたりの露光時間を長くすることはできない。これは他の走査プロトコルにおいては相互作用領域が近接しているからである。
【０１２５】
発明者らにより、典型的な走査条件下では、イオンビーム照射により生じるサンプルダメージ及び／又は荷電のような効果を緩和するための、領域４０００が連続的にイオンビームに露光される時間と、各領域がイオンビームに露光されていない時間との間の関係は一般化することができた。この関係は、サンプルの良好な画像を取得できるようにする。
【０１２６】
図７Ａを参照すると、サンプル１８０の領域４０００は、この領域について１又は複数の画像を取得するために、イオンビーム１９２に露光される。領域４０００は、典型的には、縦Ｒ1横Ｒ2の矩形又は正方形領域である。領域４０００の各部分についての連続露光時間及び非露光時間との間の関係を決定するために、領域４０５０の横の長さＳ1を決定する。このとき正方形領域４０５０は、領域４０００を完全に取り囲む最小の正方形領域である。図７Ａに示すように、領域４０００の最大寸法（例えば、Ｒ1、Ｒ2）の決定に対応して、矩形又は正方形領域４０００正方形領域４０５０の横の長さＳ１を決定する。よって、図７Ａに示す領域４０００については、Ｓ1＝Ｒ1とする。一部の実施形態においては、領域４０００は、正方形領域ではないが、多くの場合、正方形領域４０５０の横の長さを決定することは、領域４０００の最大寸法を決定することに対応する。
【０１２７】
領域４０００は、領域Ａを有する。手順における次のステップは、正方形領域４０５０の辺長Ｓ1を、下式により設定することである。
【数６】
0005473004.tif 000009
Ｆは、簡単に決定することが可能な数字定数である。領域４０００が正方形領域であれば、Ｆの値は１となる。しかし、領域４０００が正方形でなければ、Ｆは１以外の数になる。
【０１２８】
次に、領域４０００はＭ個の連続した正方形部分に分割される。各正方形部分は、同一面積であり、イオンビーム１９２に別々に露光される。概して、Ｍ個の部分のそれぞれは、領域４０００における画素の数に対応する。例えば、一部の実施形態においては、領域４０００の画素は全部でＵ個のピクセルを含み、Ｍ個の部分のそれぞれは、画像の画素の４画素〜Ｕ／４画素に対応する。
【０１２９】
一つの画像フレームを形成するための領域４０００の露光は以下の手順で行う。領域４０００のＭ個の部分のそれぞれについて、時間ｔ１の間、イオンビームに部分の小集合（一部）を継続的に露光させる。この部分の小集合は１つ又は複数の、部分の画像に含まれる１つ又は複数のピクセルに対応する。そして、イオンビームは、平行移動され、他の部分の小集合を継続的に露光させる。結果的に、イオンビームはＭ個の部分のそれぞれに戻り、各部分の異なる小集合（例えば、イオンビームに露光されていない部分の小集合）を露光させる。部分の小集合の露光の後に、イオンビームを他の部分に平行移動し、各部分の全小集合をイオンビームに露光させるまで継続し、領域４０００の露光を完了して一つの画像フレームを形成する。 
【０１３０】
一部の実施形態においては、各Ｍ個の部分の露光された小集合は、同等の数の画素に対応する。一部の実施形態においては、露光された小集合は、様々な数の画素に対応する。Ｍ個の部分は、一部の実施形態においては、入射イオンと領域４０００の材料との相互作用の大まかな量に基づいて決定される。相互作用の量は、実験的に測定することができ、領域４０００における部分Ｍの数（すなわち、間隔）を決定するために用いられる。代替的又は追加的には、入射イオンと領域４０００の材料との相互作用の量は、特定の材料について測定された相互作用量の表のようなデータベースから推定することができる。そのようなデータベースから相互作用の量が推定されると、領域４０００における、部分Ｍの数及び間隔が決定できる。
【０１３１】
一部の実施形態においては、Ｍ個の部分のイオンビームへの連続した露光の間の時間間隔は、一つの部分についての時間間隔と同様であり、領域４０００内のＭ個の部分全てについての時間間隔と同様である。しかし、Ｍ個の部分のうち１つを連続且つ継続的にイオンビームに露光する間の時間間隔は、所定の部分については可変でありうる。そして領域４０００における部分ごとに可変でありうる。
【０１３２】
時間間隔ｔ2は、Ｍ個の部分のいずれかをイオンビームに連続的に照射する間の最短の時間間隔である。所定の領域４０００及び部分数Ｍについて、異なる露光プロトコルに応じて、ｔ1及びｔ2の値は広い範囲で可変である。しかし、一般的に時間間隔ｔ1及びｔ2は、下式を満たすように選択される。
【数７】
0005473004.tif 000010
【０１３３】
上記式がイコールの場合、比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）の上限値を示す。この比率は、上記式の右辺の値以下である。例えば、一部の実施形態においては、ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）の値は、
0005473004.tif 000011
である。
【０１３４】
概して、ここで記載するいずれの走査プロトコルも、上述したような、Ｍ個の部分の継続露光時間ｔ１と、Ｍ個の部分の何れかを連続して露光する間の最短時間間隔ｔ２との間の関係に従って実行される。例えば、チェッカーボード走査プロトコル及びバンド走査プロトコルの両方、及びそれらの変形例は、サンプルダメージ及び荷電を緩和するために、上記数７に示す関係に基づいて実行される。
【０１３５】
図７Ａに、異なる走査プロトコルの比較を示す。図７Ａの領域４０００は、１０００個の画素（Ｆ＝１）に対応し、Ｍ＝１００個（１０×１０配列の画素）の部分に分割される。Ｍ個の部分のそれぞれは、１００００画素（１００×１００配列の画素）に対応する。各画素は一つの露光スポット（例えば、イオンビームにより、領域４０００のスポットを露光させる）。各スポットの露光時間は１μ秒である。よって、ビームの平行移動の時間その他の要素を考慮しなければ、領域４０００の全スポット（例えば、領域４０００の画像に含まれる全ピクセル）を露光するのに要する時間は、１秒である。明確のため、この例においては、Ｍ個の部分のそれぞれは、全て同じ方法でイオンビームに露光される。
【０１３６】
標準的なピクセル平均走査プロトコルにおいては、領域４０００における露光スポットの横列は、イオンビームに連続的に露光される。例えば、図７Ｂを参照すると、横列は、１−２−３−４−５．．．１０００の順番に露光され、領域４０００の画像取得を完了する。領域４０００における部分Ｍ１を参照すると、横列から横列へと順番に露光していった場合、イオンビームは、部分Ｍ２に移動する前に、部分Ｍ１において連続的に１００個のスポットを露光する。各スポットは１μ秒間露光されるので、ｔ１＝１００μ秒である。Ｍ個の部分の何れかをイオンビームへ連続的に露光する間の間隔で最も短い時間であるｔ２は、全ての部分について同一である。イオンビームは、各部分Ｍ２〜Ｍ１０のそれぞれについて、１００スポットを露光し、領域Ｍ１に戻り、横列２の１００個のスポットを露光させる。従って、部分Ｍ１の連続露光の間の最短時間はｔ２＝９００μ秒である。比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）は、値０．１を有し、これは下式の値より大きい。
【数８】
0005473004.tif 000012
【０１３７】
標準的な画素平均バンドプロトコルにおいては、部分Ｍ１〜Ｍ１０における、画素の各横列（例えば、横列１〜１００）は、イオンビームに連続的に露光される。そして、部分Ｍ１１〜Ｍ２０を跳び越し、部分Ｍ２１〜Ｍ３０の画素の横列（例えば、列２０１〜３００）をイオンビームに対して連続的に露光させる。しかし、この走査プロトコルについて、時間間隔ｔ１及びｔ2は、連続したピクセル走査プロトコルと同じ値であり、比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）の値は、０．１であり、これは下式の値よりも大きい。
【数９】
0005473004.tif 000013
【０１３８】
図６に概略的に示したプロトコルのような、バンド走査プロトコルにおいては、各Ｍ個の部分のスポット列は、Ｍ個の部分の追加のスポット列のいずれかが露光される前に、露光される。例えば、図７Ｂを参照すると、１、１０１、２０１、３０１、・・・９０１列が露光され、そして、列２、１０２、２０２、３０２・・・９０１列などが露光される。各部分についての連続露光時間は、ｔ１＝１００μ秒（各部分の一つの横列における全スポットを露光するために要する時間）である。各部分のそれぞれを連続して照射する間の最短時間は、９９００μ秒である。例えば、部分Ｍ１を考えると、ｔ２は、部分Ｍ１における横列１内の最後のスポットの露光から、部分Ｍ１における列２の最初のスポットの露光までの間の時間である。この時間は、９００μ秒及び９０００μ秒を含む。９００μ秒の間、横列１の他のスポット（例えば、部分Ｍ２〜Ｍ１０内のスポット）が露光され、９０００μ秒の間、横列１０１、２０１、３０１、・・・９０１のそれぞれに含まれる１０００スポットが露光される。バンド走査プロトコルについては比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）は値０．０１を有し、これは下式より小さい。
【数１０】
0005473004.tif 000014
【０１３９】
図３に概略的に示すプロトコルのような、チェッカーボード走査プロトコルにおいては、各Ｍ個の部分内の一つのスポットは、Ｍ個の部分のうち追加のスポットが露光される前に露光される。図７Ｂにおけるスポットの座標系でいえば、スポット（１，１）、（１，１０１）、（１，２０１）、・・・（１，９０１）、（１０１，１）、（１０１，１０１）、（９０１，９０１）が露光される。各部分Ｍ１〜Ｍ１００は、まさに、これらのスポットの一つを含んでいる。そして、イオンビームはＭ１に戻り、スポット（１，２）を露光させ、次に部分Ｍ２のスポット（１，１０２）、次いで、部分Ｍ３のスポット（１，２０２）等を露光させていく。各部分（例えば部分Ｍ１）についての継続露光時間は、一つのスポットについての露光時間であり、ｔ１＝１μ秒である。Ｍ個の部分それぞれの連続的な露光の間の最短時間はｔ２＝９９μ秒である。これは、イオンビームが部分Ｍ１に戻り、部分Ｍ１の第２のスポットを露光するまでには、各部分Ｍ２〜Ｍ９９の対応するスポットを照射するからである。チェッカーボード走査プロトコルについては、比率ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）は値０．０１を有し、これは下式より小さい
【数１１】
0005473004.tif 000015
【０１４０】
よって、バンド走査及びチェッカーボード走査プロトコルは、数７によって定められる関係を満たし、これにより、イオンビームへの露光によるサンプルダメージ及び／又は荷電を低減する。
【０１４１】
半導体製造においては、マルチレイヤ半導体装置の所定の層に材料を添加し、及び／又は、層から除去するために、ガスアシスト化学反応がよく用いられている。例えば、ガスアシスト化学反応は、半導体製品（article）に形成されたダメージを受けた、又は誤って製造された回路修正するための、半導体回路の編集に用いられうる。ガスアシスト化学反応はフォトリソグラフィマスク修正にも用いられうる。この場合、ガスアシスト化学反応は、使用又は誤製造による欠陥を修復するために、マスクに材料を添加する、又はマスクから材料を除去するために用いられる。
【０１４２】
このプロセスは、電子と活性ガスとを相互作用させて、反応ガスを形成し、この反応ガスを、半導体製品の表面における化学反応に作用させて、材料を表面に添加又は表面から除去させるか、或いはその両方をさせる。典型的には、電子は、Ｇａイオンビームとサンプルとの相互作用により生じる二次電子として生成された電子か、及び／又は、電子ビーム（例えば、ＳＥＭから供給された電子ビーム）とサンプルとの相互作用による二次電子として生成された電子である。任意には、適切なポンプシステムを適用して、表面化学反応により生じた、不所望な揮発性生成物を除去することもできる。
【０１４３】
表面から材料を除去するために用いることができる活性ガスの例としては、Ｃｌ２、Ｏ２、Ｉ２、ＸｅＦ２、Ｆ２、ＣＦ４及びＨ２Ｏである。例示的には、一部の実施形態においては、クロム、酸化クロム、窒化クロム、及び／又はクロムオキシニトライドにより形成された表面領域は、Ｃｌ２、Ｏ２と共に、電子と相互作用させることで少なくとも部分的には除去可能であり、また、生じた化学種により表面領域をエッチングすることができる。他の例として、一部の実施形態においては、窒化タンタルによって形成された表面領域は、ＸｅＦ２、Ｆ２、ＣＦ４と共に電子と相互作用させることで少なくとも部分的には除去することができ、また、生じた化学種により表面領域をエッチングすることができる。更に他の例として、一部の実施形態においては、炭素含有材料により形成された表面領域は、Ｈ２Ｏと共に電子と相互作用させることで、少なくとも部分的には除去することができ、また、生じた化学種により表面領域をエッチングすることができる。
【０１４４】
表面に材料を堆積させるために用いられうる活性ガスは、例えば、ＷＦ６である（例えば、Ｗプラグのような、Ｗを堆積させる）。
【０１４５】
本願において述べるような、ガス原子と気体電界イオン源（例えば、Ｈｅイオン源）とを相互作用させることにより生成されるイオンビームは、ガスアシスト化学反応を実行するために用いられうる。このようなプロセスにおいては、例えば、イオンビームとサンプルとの相互作用によりサンプルから放出される二次電子は、化学反応をアシストするための電子となりうる。このようなイオンビームを用いることで、Ｇａイオンビームを用いる場合に比較していくつかの有利な効果が生じる。例えば、Ｈｅイオンビームを利用した不所望なイオン注入が少なくなる（例えば、低減される）が、他方、Ｇａイオンビームを用いた場合には不所望なＧａ注入が一般的な課題である。他の例としては、気体電界イオンビーム（例えば、Ｈｅイオンビーム）は、Ｇａイオンビームに比べて解像度を改善し、及び／又は、正確又は制御可能に化学反応を利用できるようにする入射電子ビーム（例えば、ＳＥＭから供給される入射イオンビーム）を提供することができる。これは、例えば、イオンとサンプルの特定部分との間における不所望な相互作用（例えば、Ga注入により半導体製品の性能に問題が生じる、サンプル上の不所望な領域にまでビームプロファイルが延在するＧａイオンビームにより引き起こされる相互作用）を減らす（例えば、低減する）ことができる。
【０１４６】
上述したとおり、イオンビームをサンプル中におけるビームアシスト化学反応を実施するために用いた場合、表面において吸着された化学薬品は、イオンビームにより生成される二次電子と相互作用し、サンプルと化学反応を起こす。化学反応はサンプルの構造を修正することで制御できる。サンプル表面において消費された化学薬品は、追加の薬品にサンプルを曝すことで補充することができる（例えば、ガスフローノズルを利用する）。
【０１４７】
単純にラインバイライン（標準ラスタパターン）でイオンビームをサンプル表面上で走査させると、イオンビームはサンプル上面の部分（例えば、イオンビームスポット）を探索し、吸着された化学薬品は、イオンビームが近傍位置を露光した際における相互作用により既に消費されている。しかし、本願において開示したような走査プロトコルに基づくイオンビームを走査プロトコルに従ってイオンビームを走査させた場合、連続的なビームスポットは、従来のラスタ走査プロトコルよりも大きい間隔で相互に離間する。この場合、サンプル表面上のイオンビームの各位置において、吸着された化学薬品は、イオンビームによって生成された二次電子と相互作用していないか、又は、イオンビームにより生成された二次電子と相互作用した後に補充されている。よって、サンプルにおけるイオンビーム化学反応の効率は、本願に開示するような走査プロトコルに従って、サンプル表面をイオンビームによって走査することによって促進される。これにより、サンプル上のあらゆる位置における連続的な照射の間のインターバルは比較的長くなる。
【０１４８】
II.イオンビームシステム
本節では、イオンビームを生成し、且つ、イオンビームへの露光により観察対象のサンプルから放出された粒子を検出するためのシステム及び方法を開示する。本システム及び方法は、サンプルについて１つ又は複数の画像を得るために用いられうる。典型的には、サンプルを探索するために用いられるガスイオンビームは、多目的顕微鏡システムにおいて生成される。
【０１４９】
サンプル分析（例えば、イメージング）のために用いられうるイオンを生成に気体電界イオン源を用いる顕微鏡システムは、気体電界イオン顕微鏡と称される。気体電界イオン源は、中性気体（neutral gas）類をイオン化してイオン（例えば、イオンビーム）を生成するために用いられうる導電性チップ（典型的には、先端が１０以下の原子を有するものである）を備える。イオンの生成にあたって、中性気体類は導電性チップの近傍（例えば、約４〜５Å以内）に集められ、導電性チップの先端には高い陽電位（例えば、抽出器（以下に詳述する）に対して１ｋＶ以上）が印加される。
【０１５０】
図８は、気体電界イオン顕微鏡システム１００の概略構成を示す図である。気体電界イオン顕微鏡システム１００は、ガス源１１０、気体電界イオン源１２０、イオン光学系１３０、サンプルマニピュレータ１４０、前側検出器１５０、後側１６０、及び通信線１７２ａ〜１７２ｆを介してシステム１００の様々な構成要素に接続された電子制御システム１７０（例えば、コンピュータのような電子的な処理装置）を備える。サンプル１８０は、イオン光学系１３０と検出器１５０、１６０との間であって、サンプルマニピュレータ１４０の中又は上に配置される。使用中、イオンビーム１９２は、イオン光学系１３０を通じてサンプル１８０の表面１８１に向けられ、イオンビーム１９２とサンプル１８０との相互作用により生じる粒子１９４は、検出器１５０及び／又は１６０によって測定される。
【０１５１】
一般的に、システムを真空にすることでシステム１００内における特定の不所望な化学種を抑制することが望ましい。典型的には、システム１００の異なる構成要素は異なるバックグラウンド圧力に維持される。例えば、気体電界イオン源１２０は、約１０-１０Ｔｏｒｒに維持されうる。気体を気体電界イオン源１２０に導入する際には、バックグラウンド圧力は約１０-５Ｔｏｒｒまで上昇する。イオン光学系１３０は、気体電界イオン源１２０にガスを導入する前は、約１０-８Ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力に維持される。そして、ガスが導入された際には、イオン光学系１３０のバックグラウンド圧力は、典型的には約１０-７Ｔｏｒｒまで上昇する。サンプル１８０は、典型的には約１０-６Ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力に維持されるチャンバ内に配置される。この圧力は、気体電界イオン源１２０内におけるガスの有無によってはあまり変化しない。
【０１５２】
図９に示すように、ガス源１１０は、１又は複数のガス１８２を気体電界イオン源１２０に供給するように構成される。以下に詳述するとおり、ガス源１１０は、ガスを様々な純度、流率、圧力、及び温度で供給するように構成されている。概して、ガス源１１０によって供給されるガスのうち少なくとも一つは、希ガス（ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ））であり、希ガスのイオンは、望ましくは、イオンビーム１９２の主要成分である。概して、サンプル１８０の表面１８１において測定されるように、イオンビーム１９２のイオンの電流はシステム１００における希ガスの圧力が増加することに従って、単調に増加する。一部の実施形態においては、この関係は、べき乗則（power-law）に従う。この場合、ある範囲の希ガス圧力については、電流はガス圧力に比例して増加する。操作中、希ガスの圧力は、典型的には約１０-２Ｔｏｒｒ以下（例えば、１０-３Ｔｏｒｒ以下、１０-４Ｔｏｒｒ以下）、及び／又は、チップ先端周辺においては、１０-７Ｔｏｒｒ以上（例えば、１０-６Ｔｏｒｒ以上、１０-５Ｔｏｒｒ以上）である（以下に詳述する）。概して、（例えば、システム中における不所望な化学種の存在を低減するために、）比較的高純度のガスを使用することが望ましい。例えば、Ｈｅを用いる場合、Ｈｅは、少なくとも９９．９９％の純度（例えば、９９．９９５％純度、９９．９９９％純度、９９．９９９５％純度、９９．９９９９％純度）である。同様に、他の希ガスを用いる場合（Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス）には、ガスの純度は市販グレードの高純度であることが望ましい。
【０１５３】
任意には、ガス源１１０は、希ガスに加えて、１又は複数のガスを供給できる。以下に更に詳述するように、そのようなガスの一例は窒素である。典型的には、追加のガスは、希ガスにおける不純物を超えるレベルで存在しうるが、ガス源１１０によって導入されるガス混合物全体のうちのごく少量の成分を構成するに過ぎない。例えば、Ｈｅガス及びNeガスがガス源１１０によって気体電界イオン源１２０に導入されるような実施形態において、ガス混合物は、全体として２０％以下（例えば、１５％以下、１２％以下）のNe、及び／又は１％以上（例えば、３％以上、８％以上）のNeを含みうる。例えば、Ｈｅガス及びNeガスがガス源１１０によって導入される実施形態において、ガス混合物全体として、５〜１５％（例えば、８〜１２％、９〜１１％）のNｅを含みうる。他の例としては、Ｈｅ  ガス及び窒素ガスがガス源１１０によって導入される実施形態において、ガス混合物全体として、１％以下（例えば、０．５％以下、０．１％以下）の窒素、及び／又は０．０１％以上（例えば０．０５％以上）の窒素を含みうる。例えば、Ｈｅガス及び窒素ガスがガス源１１０によって導入される実施形態において、ガス混合物全体として、０．０１〜１％（例えば、０．０５〜０．５％、０．０８〜０．１２％）の窒素を含みうる。一部の実施形態において、追加のガスは、（例えば、ガスを混合し、単一のインレットからシステムに供給するガスマニホールドを用いることによって、）システム１００に導入される前に希ガスと混合される。一部の実施形態においては、システム１００に導入される前に追加のガスは希ガスと混合されない（例えば、分離インレットを用いてガスをシステム１００に注入することによる。この場合、分離インレットは、ガスが、気体電界イオン源１２０のいかなる要素とも相互作用する前に、混合されるために十分な程度に近接している）。
【０１５４】
気体電界イオン源１２０は、１又は複数のガス１８２をガス源１１０から受けて、ガス１８２から気体イオンを生成するように構成されている。気体電界イオン源１２０は、チップ端１８７、抽出器１９０、及び、任意には抑制器を有する導電性チップ１８６を備える。典型的には、チップ端１８７からサンプル１８０（図２には図示しない）の表面１８１までの距離は、５ｃｍ以上（例えば、１０ｃｍ以上、１５ｃｍ以上、２０ｃｍ以上、２５ｃｍ以上）、及び／又は１００ｃｍ以下（例えば、８０ｃｍ以下、６０ｃｍ以下、５０ｃｍ以下）である。例えば、一部の実施形態においては、チップ端１８６からサンプル１８０の表面１８１までの距離は５〜１００ｃｍ（例えば、２５〜７５ｃｍ、４０〜６０ｃｍ、４５〜５５ｃｍ）である。
【０１５５】
導電性チップ１８６は、様々な素材によって形成されうる。一部の実施形態においては、チップ１８６は、金属（例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｈ）、ニオブ（Ｎｂ）、プラチナ（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ））により形成される。一部の実施形態においては、導電性チップ１８６は、合金によって形成されうる。一部の実施形態においては、導電性チップ１８６は、非金属（例えば、カーボン（Ｃ））によって形成されうる。
【０１５６】
使用中、チップ１８６には、抽出器１９０に対して正のバイアスがかかる（例えば、約２０ｋＶ）。抽出器１９０には、大地アースに対して、負又は正にバイアスがかかる（例えば、−２０ｋＶ〜＋５０ｋＶ）。そして、付加的な抑制器１８８は、チップ１８６に対して正又は負にバイアスが係る（例えば、−５ｋＶ〜＋５ｋＶ）。チップ１８６は、導電性金属により掲載されているため、チップ端１８７におけるチップ１８６の電場は、チップ端１８７から外に向かって形成される。チップ１８６の形状に起因して、電場はチップ端１８７の付近で最も強い。チップ１８６の電場の強度は、例えば、チップ１８６に印加される正電圧を変更することによって調節可能である。この構成によれば、ガス源１１０によって供給される脱イオン化ガス原子１８２が、イオン化されて、チップ端１８７付近において正荷電イオンとなる。この、正荷電イオンは、同じく正に荷電したチップ１８６によって一斉に押し出され、負に荷電した抽出器１９０に引き付けられて、チップ１８６から出てきた正荷電イオンが、イオンビームとして、イオン光学系１３０に入っていく。抑制器１８８は、チップ１８６と抽出器１９０との間の電場全体を制御を支援し、これにより、チップ１８６からイオン光学系１３０へと向かう正荷電イオンの軌道が調節される。一般的に、チップ１８６と抽出器１９０との間の電場全体は、チップ端１８７において正荷電イオンが生成されるような比率であり、チップ１８６からイオン光学系１３０に正荷電イオン送られるような効率になるように調整される。
【０１５７】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、例えば、Ｈｅイオンは以下のようにして生成されるものとして考えられている。気体電界イオン源１２０は、チップ端１８７付近におけるチップ１８６の電場が、非イオン化Ｈｅガス原子１８２のイオン化電場を越え、チップ１８６が比較的低温に維持されるように構成されている。脱イオン化Ｈｅガス原子１８２がチップ端１８７に近接している場合、Ｈｅ原子はチップの電場によって分極し、Ｈｅ原子１８２とチップ端１８７との間で弱い引力を生成する。その結果、Ｈｅ原子１８２は、チップ端１８７に接触し、暫くの間、その場所に結合したままになる（例えば、物理吸着）。チップ端１８７の近傍において、電場は、チップ端１８７に吸着したＨｅ原子をイオン化するのに十分に高くなり、正に荷電したＨｅイオン（例えば、イオンビーム）を生成する。
【０１５８】
図１０は、チップ端１８７（Ｗ(III)によって形成される）を概略的に示した図である（以下に詳述する）。チップ端１８７は、原子棚（atomic shelf)を形成するように配置された原子の層を含む。原子１４２により、末端原子棚（terminal atomic shelf）が形成される。第２の原子棚は原子１４４により形成され、第３の原子棚は原子１４６によって形成される。ガス源１１０によって供給される中性気体原子１８２は、チップ端１８７の近傍に存在する。原子１８２について付した矢印によって示すように、原子１８２は、チップ端１８７の電場によって分極され、原子１８２がチップ１８７に向かって移動するようにする比較的弱い引力の影響を受ける。
【０１５９】
チップの電場の強度に依存して、チップ端１８７付近の原子棚中の各原子は、対応するイオン化ディスク１４８を有しうる。イオン化ディスク１４８は、その中に飛び込んだ中性Ｈｅ原子が高確率でイオン化される空間領域である。典型的には、中性Ｈｅ原子は、中性Ｈｅ原子からチップ端原子への電子トンネルを経て生じる。したがって、イオン化ディスク１４８は、Ｈｅイオンが生成され、且つ、そこからＨｅイオンが発生する空間領域として示される。
【０１６０】
特定のチップ端原子のためのイオン化ディスク１４８のサイズは、チップ端１８７の形状と、チップ端１８７に印加される電位とに依存する。一般的に、Ｈｅ原子のイオン化は、局所的な電場がＨｅイオンのイオン化ポテンシャルを超えるチップ端１８７に近接する空間領域において発生する。従って、チップ端１８７に印加された高い電気ポテンシャルのため、多くのチップ原子がイオン化ディスクを有するようになる。更に、チップ端１８７の付近における局所的な電場は、チップ端１８７の形状に依存する。比較的鋭角のチップ端については、チップ端１８７の付近における局所的な電場は比較的高い。比較的鈍角のチップ端については、チップ端１８７付近でさえ、局所的な電場が小さい。
【０１６１】
図１０において、チップ端１８７の各原子に対応するイオン化ディスク１４８は、空間的に相互に離間する。一部の実施形態においては、チップ端１８７の電場が十分に大きければ、一つ以上の原子（例えば、原子１４２）からのイオン化ディスクは空間的に重複し、複数のチップ端原子の付近の空間領域に延在する、より大きいイオン化ディスクを形成する。チップ端１８７における電場を低減することにより、イオン化ディスク１４８によって占有される空間体積が減少し、少ないチップ端のそれぞれが独自の空間的に離れたイオン化ディスクを有する、図１０に表したような構造が実現する。多くの例において、チップ端１８７の形状は、イオン源１２０の使用中において、簡単には変更されないが、チップ端１８７の付近における電場は、典型的には、チップ端１８７に印加される電気ポテンシャルを調整することによって制御される。
【０１６２】
チップ端１８７に印加されるポテンシャルを更に減少させることにより、図１０に示すイオン化ディスクのうちの幾つかは取り除かれる。例えば、チップ端１８７は、第２原子棚の原子１４４の付近にある場合よりも、鋭角ではなく、更に、チップ端１８７に印加するポテンシャルを減少させることにより、原子１４４の付近におけるチップ端１８７の電場は低減され、Ｈｅ原子のイオン化がこれらの領域では発生しない確率が高くなる。これにより、原子１４４に対応するイオン化ディスクは存在しなくなる。しかし、末端棚原子（terminal shelf atoms）１４２の付近におけるチップ端１８７の電場は、Ｈｅ原子のイオン化を生じさせるために十分に高く、これにより、原子１４２に対応するイオン化ディスク１４８は残る。チップ端１８７に印加される電気ポテンシャルを身長に制御することにより、イオン源１２０は、末端棚原子１４２に対応して、イオン化ディスクが存在し、末端棚原子に対応するイオン化ディスクが相互に空間的に離間するようになる。この結果、チップ端１８７付近においてイオン化されたＨｅ原子は、特定の末端棚原子の付近におけるイオン化を経て生成される。
【０１６３】
中性ヘリウム原子１８２は、イオン化ディスク１４８内において、より長時間残留することにより、よりイオン化の影響を受ける確率が高い。Ｈｅ原子の分極化は、チップ端１８７の電場により誘発され、チップ端１８７に向かって分極化Ｈｅ原子を移動させる。これにより、分極化Ｈｅ原子がチップ端１８７に結合したままとなり、Ｈｅ原子１８２がイオン化ディスク１４８内に残留し、分極化Ｈｅ原子が長時間を経てイオン化する確率を増大する。
【０１６４】
分極化Ｈｅ原子は、一つの位置から他の位置へとチップ端１８７の表面に沿って移動する。分極化Ｈｅ原子とチップ端１８７との間の引力は、分極化Ｈｅ原子の位置における、チップ端１８７における電場の強度に依存し、分極化Ｈｅ原子の移動により、局所的な電場が最も強いチップ１８６のチップ端の先端（例えば、末端棚１４２）に向かって原子が運ばれる。分極化Ｈｅ原子の移動のメカニズムは、（例えば、末端棚原子１４２のみに対応する散在するイオン化ディスクが確実に存在するように）、チップ１８６に印加される電気ポテンシャルを制御することと組み合わせることで、イオン源１２０を操作するために用いられ、これにより、ガス場イオン化源１２０によってＨｅイオンビーム１９２が生成される。この場合、イオンビームに含まれる各Ｈｅイオンは、Ｈｅガスと末端棚原子１４２のうちの一つとの相互作用により生成される。従って、イオンビーム１９２は、各末端棚原子１４２からの複数のＨｅイオンを含み、このとき、各Ｈｅイオンは末端棚原子１４２におけるイオン化によって生じうる。
【０１６５】
上述したように、一般的に、イオン化ディスク１４８のサイズ及び形状は、チップ端１８７に印加される電気ポテンシャルを変更することによって修正することができ、隣接するイオン化ディスク１４８は、適切な大きさで印加された電位により相互に重複するか、又は、適切な小ささで印加された電位により、空間的に相互に分散して維持される。典型的には、イオン化ディスク１４８はチップ端１４２、１４４、及び１４６から、約０．４ｎｍ離間される。チップ原子に対応する各イオン化ディスクは、所定のディスクと対応する原子とを結んだ線に沿って約０．０２ｎｍの厚さを有する。イオン化ディスク１４８は、典型的には、所定のディスクと対応する原子とを結んだ線の法線に沿って、対応する原子の略等しい直径を有する。
【０１６６】
図１１は、チップ端１８７の操作構成を示し、チップ１８６に印加される電気ポテンシャルは３つのイオン化ディスク１４８を生成し、そのそれぞれが、３つの末端原子棚原子１４８のうちの１つに対応する。一旦、イオンがチップ端１８７の付近で生成されると、チップのポテンシャルが高いため、急速に加速され、チップから遠ざかる。Ｈｅイオンはチップ端１８７から複数の軌道を経て加速されて遠ざかる。このような軌道として、２つの軌道１５６を図１１に示す。図１１に示すように、軌道１５６は、中間末端棚原子の半値全幅（ＦＷＨＭ）軌道の分布における左右の限界に対応する。このように、軌道１５６が、中間末端棚原子の位置に対して（例えば、ライン１５４に沿って）後退させると、中間末端棚原子の仮想源１５２が定まる。この仮想源１５２の直径は、一般的には、中間末端棚原子の直径より小さく、中間末端棚原子の直径よりもかなり小さい（例えば、２倍以上、３倍以上、５倍以上、１０倍以上）場合もある。同様のことが、他の末端棚原子についても言え、各末端棚原子は、対応する仮想源サイズを有している。
【０１６７】
末端棚原子の仮想源サイズが小さいことで、幾つかの有利な点がある。例えば、イオンビーム１９２の仮想源サイズが小さく、且つ、イオンビーム１９２を生じさせるイオン化ディスク１４８の厚さが比較的薄ければ、比較的高輝度且つ比較的エネルギー分布の狭いイオンビーム１９２を確実に得られる。
【０１６８】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、低すぎるチップ温度は電流の安定性に悪影響を及ぼし、及び／又は、チップにおける不純物の吸着による不所望な影響を増大させる。概して、チップ１８６の温度は５K以上（例えば、１０Ｋ以上、２５K以上、５０Ｋ以上、７５K以上）、及び／又は１００Ｋ以下（例えば、９０Ｋ以下、８０Ｋ以下）である。例えば、チップ１８６の温度葉５K〜１００Ｋ（例えば、２５K〜９０Ｋ、５０Ｋ〜９０Ｋ、７５K〜８０Ｋ）である。チップ１８６の温度は、例えば、液体ヘリウム又は液体窒素のような冷却材と熱結合させることにより達成される。代替的又は追加的には、チップ１８６は、極低温冷凍庫を用いて熱冷却されうる。
【０１６９】
チップ１８６の温度が低すぎれば、吸着されたＨｅ原子が、チップ端１８７の末端原子棚における末端棚原子１４２へと移動することにより運ばれる比率が減少し、単位時間当たりに末端棚原子１４２に到達してイオン化されるＨｅ原子の数が不十分となる。この結果、（フィールドイオン顕微鏡（ＦＩＭ）技術、又は走査型ＦＩＭ（ＳＦＩＭ）技術によって）チップ１８６の放出パターンを観察すると、各末端棚原子からのイオンの存在量（abundance）について、比較的高い存在量から比較的低い存在量が交互に観察される（一般的に、ブリンキングと称される）。このような現象は、例えば、ある時点において、末端棚原子の付近にイオン化することができるＨｅ原子が存在しない場合に生じうる。チップ１８６の温度が高くなると、Ｈｅ原子が、チップ端１８７の原子の末端棚に向かって移動する移動率が増加し、上述のように、末端棚原始１４２からのイオンの存在量が交互に高くなったり低くなったりする現象は低減又は抑制される。
【０１７０】
また、チップ１８６の温度が高すぎれば、分極化Ｈｅ原子は、非常に高い動的エネルギーを有するようになると考えられている。この動的エネルギーは、末端棚原子１４２の付近におけるＨｅ原子を、効率的且つ確実にイオン化するためには十分に長い時間の間、チップ１８６に対して結合させておくためには高すぎる。また、ＦＩＭ及び／又はＳＦＩＭを用いて観察されたような各末端棚原子からの放出パターンの消失にもつながりうる。よって、末端棚原子１４２におけるＨｅイオン化過程において、各末端棚原子１４２からの安定したイオン電流が確実に生成されるようにするために、チップ１８６の温度は慎重に制御され、不所望な高温又は低温効果を緩和させる。
【０１７１】
概して、イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２をサンプル１８０の表面１８１に方向付けるように構成される。以下に更に詳述するように、イオン光学系１３０は、例えば、イオンビーム１９２に含まれるイオンをフォーカスし、コリメートし、偏向し、加速し、及び／又は減速させることができる。イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２におけるイオンの一部のみがイオン光学系１３０を通過できるようにする。概して、イオン光学系１３０は、所望に構成された、多様な静電素子及び他のイオン光学素子を含む。イオン光学系１３０内の、１つ又は複数の素子（例えば、静電偏向器）の電場強度を操作することにより、Ｈｅイオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１を走査する。例えば、イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２を２つの直交方向に偏向する２つの偏向器を有する。これらの偏向器は、イオンビーム１９２が表面１８１における各領域をラスタ状に横断できるように電場強度を変化させることができる。
【０１７２】
イオンビーム１９２がサンプル１８０に当たると、多様な種類の粒子１９４が生成されうる。これらの粒子は、例えば、二次電子、オージェ（Auger）電子、二次イオン、二次中性粒子、散乱イオン、及び光子（例えば、Ｘ線光子、ＩＲ光子、可視光子、ＵＶ光子）である。検出器１５０及び１６０は、それぞれ、Ｈｅイオンビームとサンプル１８０との相互作用によって生じた１又は複数の様々なタイプの粒子を計測するように、配置及び構成されている。図８に示すように、検出器１５０は、サンプル１８０の表面１８１から主に発生する粒子１９４を検出するように配置されており、検出器１６０は、サンプル１８０の表面１８３から主に発生する粒子１９４（放出粒子）を検出するように配置される。以下に更に詳述するように、概して、本願に係る顕微鏡においては、検出器の数及び構成はいかなるものであってもよい。一部の実施形態においては、複数の検出器を用い、そのうちのいくつかは、異なるタイプの粒子を計測するように構成されうる。また、ある実施形態においては、検出器は、粒子についての様々な情報（例えば、粒子エネルギー、所定の粒子の角度分布、所定の粒子の全存在量）を同時に生成するように構成されることも可能である。選択的には、これらのような検出器を組み合わせて用いることも可能である。
【０１７３】
概して、検出器によって計測される情報は、サンプル１８０に関する情報を決定するために用いられうる。典型的には、この情報は、サンプル１８０について、１つ又は複数の画像を取得することにより決定される。表面１８１上でイオンビーム１９２をラスタ走査させることにより、離散的なステップにおいて、サンプル１８０についての画素ごとの情報を取得することができる。検出器１５０及び１６０は、各画素において、１又は複数の異なるタイプの粒子１９４検出するように構成されている。典型的には、画素は正方形であるが、一部の実施形態においては、画素は異なる形状（例えば、矩形）を有しうる。画素の横長に対応する画素サイズは、例えば、１００ｐｍ〜２μｍ（例えば、１ｎｍ〜１μｍ）でありうる。一部の実施形態においては、隣接画素の配置は、少なくとも２００ｐｍ以内（例えば、少なくとも１００ｐｍ以内、少なくとも７５ｐｍ以内、少なくとも５０ｐｍ以内）となるように決定されうる。よって、システムのオペレータは、ビームスポットの中心位置が、少なくとも２００ｐｍ以内（例えば、１００ｐｍ以内、７５ｐｍ以内、５０ｐｍ以内）と成るように決定しうる。ある実施形態においては、サンプル１８０の視野（ＦＯＶ）は、２００ｎｍ以上（例えば、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上、５００μｍ以上、１ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上）、及び／又は２５ｍｍ以下（例えば、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下）である。視野とは、イオン顕微鏡によってイメージングされる、サンプル表面の領域を指す。
【０１７４】
顕微鏡システム１００は、典型的には、電子制御システム１７０を介して制御される。例えば、電子制御システム１７０は、ガス源１１０によって供給されるガス、チップ１８６の温度、チップ１８６の電気ポテンシャル、抽出器１９０の電気ポテンシャル、抑制器１８８の電気ポテンシャル、イオン光学系１３０の構成素子の設定、サンプルマニピュレータ１４０の位置、及び／又は検出器１５０並びに１６０の位置並びに設定を制御するように構成されている。選択的には、これらのパラメータのうち１つ又は複数は、（例えば、電子制御システム１７０に一体化されたユーザインタフェースを介して）手動制御されうる。付加的又は代替的には、電子制御システム１７０は、検出器１５０並びに１６０によって収集された情報を（例えば、コンピュータのような電子プロセッサにより）分析して、サンプル１８０に関する情報（例えば、トポグラフィ情報、材料構成成分情報、結晶情報、電圧コントラスト情報、光学特性情報、磁気情報）を提供するために用いられうる。この情報は、画像、グラフ、表、スプレッドシートなどとして提供されうる。典型的には、電子制御システム１７０は、表示部又は他の出力装置、入力装置及び記憶媒体を持つユーザインタフェースを有しうる。
【０１７５】
電子制御システム１７０は、本明細書に開示した走査プロトコルに従って、イオンビーム１９２をサンプル１８０の表面上を走査させるようにも構成される。例えば、電子制御システム１７０は、部分Ｍの数や間隔などの様々な走査パラメータを、手動（例えば、操作者のアシストによる）で入力できるように構成される。代替的又は追加的には、電子制御システム１７０は、多様な走査パラメータ（例えば、部分Ｍの数及び間隔）を、入力情報（例えば、入射イオンエネルギー、サンプルの素材）に基づいて自動で決定するように構成されることもできる。一般的に、電子制御システム１７０は、本願に開示したあらゆる走査プロトコルを顕微鏡システム１００において実施するように構成され、自動化の程度についても、全自動から手動までの様々な程度において実施するように構成される。
【０１７６】
Ａ．全体
図１２は、Ｈｅイオン顕微鏡システム２００の概略構成を示す図である。顕微鏡システム２００は、Ｈｅイオン源及びイオン光学系１３０を含む第１真空ハウジング２０２を備え、且つ、サンプル１８０及び検出器１５０並びに１６０を含む第２真空ハウジング２０４を備える。ガス源１１０は、供給管２２８からＨｅガスを顕微鏡システム２００に供給する。フローレギュレータ２３０は供給管２２８を経たＨｅガスの流率を制御し、温度制御器２３２は、ガス源１１０内のＨｅガスの温度を制御する。Ｈｅイオン源は、チップマニピュレータ２０８に添付されたチップ１８６を含む。イオン光学系１３０は、第１レンズ２１６、整列偏向器２２０及び２２２、開口２２４、非点収差補正器２１８、走査偏向器２１９並びに２２２、及び第２レンズ２２６を含む。開口２２４は、開口マウント２３４内に配置される。サンプル１８０は、第２真空ハウジング２０３内で、サンプルマニピュレータ１４０の中又は上に配置される。検出器１５０及び１６０も、第２真空ハウジング２０４内に配置され、サンプル１８０からの粒子１９４を検出するように構成されている。典型的には、ガス源１１０、チップマニピュレータ２０８、抽出器１９０、抑制器１８８、第１レンズ２１６、整列偏向器２２０及び２２２、開口マウント２３４、非点収差補正器２１８、走査偏向器２１９並びに２２２、サンプルマニピュレータ１４０、及び／又は、検出器１５０及び／又は１６０が、電子制御システム１７０によって制御される。付加的には、電子制御システム１７０は、真空ポンプ２３６並びに２３７も制御する。これらは、真空ハウジング２０２並びに２０４、及びイオン光学系１３０の内部を減圧状態にするように構成されている。
【０１７７】
Ｂ．イオン源
上述したように、概して、チップ１８６は、あらゆる導電性材料で形成されうる。ある実施形態においては、チップ１８６は、単一の結晶金属のような、単一の結晶材料によって形成されうる。典型的には、チップ端１８７の原子の末端棚における、特定の単一の結晶方向は、チップ１８６の長軸方向に対して３°以内（例えば、２°以内、１°以内）の方向に整列する。一部の実施形態においては、チップ１８６の先端１８７は、特定数の原子（例えば、２０原子以下、１５原子以下、１０原子以下、９原子以下、６原子以下、３原子以下）を有する原子棚に相当する。例えば、チップ１８６の先端１８７は、Ｗ(III)によって形成され、３つの原子（トリマー）を持つ末端棚を有することができる。図１３及び１４は、それぞれ、Ｗで形成されたチップ１８６の２つの原子棚であって、チップ端に最も近い原子棚を概略的に示す、拡大上面図及び、拡大側面図である。トリマーとして配置された３つのＷ原子３０２を含む末端棚は、Ｗ(III)表面に相当する。特定の理論に縛られることを望むものではないが、このトリマー表面は（成形、再成形、及び安定性の面で）有利である。これは、Ｗ(III)結晶面の表面エネルギーは、好適には、トリマーを形成するように、正三角形に配置された３つのＷ原子により形成される末端棚を支持している。これらのトリマー原子３０２は、Ｗ原子３０４の第２棚によって支持される。
【０１７８】
一部の実施形態においては、チップ１８６は、３つ未満の原子又は３つ以上の原子を含む末端棚を有しうる。例えば、Ｗ(III)チップは、２つの原子を含む末端棚か、又は１だけの原子を含む末端棚を有しうる。或いは、Ｗ(III)チップは、４以上の原子（例えば、５以上、６以上、７以上、８以上、９以上、１０以上、又は、それ以上の原子）を有しうる。代替的又は付加的には、他のＷ結晶方向に対応するチップ（例えば、Ｗ（１１２）、Ｗ（１１０）、又はＷ（１００））を用いることも可能であり、このようなチップは、一つ又は複数の原子（例えば、２以上、３以上、４以上、５以上、６以上、７以上、８以上、９以上、１０以上、又は、それ以上の原子）を含む末端棚を有しうる。
【０１７９】
一部の実施形態においては、単結晶Ｗ以外の素材（例えば、上述下金属のうちの一つの単結晶のような、金属単結晶）により形成されるチップを、イオン源において用いることが可能であり、そのようなチップは、１又は複数の原子（例えば２以上、３以上、４以上、５以上、６以上、７以上、８以上、９以上、１０以上、又は、それ以上の原子）を含む末端棚を有しうる。
【０１８０】
以下に述べるように、チップ端１８７の形状はイオンビームの品質に影響しうる。イオンビームの品質は、顕微鏡システム２００の性能に影響を及ぼしうる。例えば、横から見た場合、チップ端１８７は、長軸に対して左右対称に形成されるか、長軸に対して左右非対称に形成されうる。ある実施形態においては、１又は複数の側面から見ると、チップ端１８７は、その長軸に対して左右対称に形成されており、１又は複数の他の側面から見ると、チップ端１８７は、その長軸に対して左右非対称に形成されていてもよい。
【０１８１】
図１５は、トリマーの末端原子棚を有するＷ(III)チップを作成するためのプロセス４００を示すフローチャートである。第１ステップ４０２では、単結晶Ｗ(III)前駆体線が、サポートアセンブリに取り付けられる。第２ステップ４０４では、前駆体線からチップを成形するために、前駆体線が電気化学浴中でエッチングされる。そして、プロセス４００のステップ４０６において、エッチングされたチップは検査され、適切な構造的特性を有しているか検証される。構造的特性の検証は、エッチングされたチップの輪郭線画像を取得し、その輪郭線画像から得られたデータに基づいて様々な構造パラメータを計算することによって行う。例えば、この検査はSEMを用いて実施される。
【０１８２】
その後、ステップ４０８において、エッチング済前駆体線のチップ端の末端棚はトリマーに形成される。このプロセスは、（例えば、ＦＩＭ又はＳＦＩＭを用いた）チップのイメージング及び、（例えば、電界蒸発を用いた）チップの成形を含む。そして、プロセス４００のステップ４１０において、チップ１８６の先端１８７をシステム２００内に配置する。顕微鏡システム２００内に支持アセンブリが設けられている状態において、顕微鏡システム２００は１又は複数の真空ポンプにより真空とされ、そして、チップ１８７を熱することにより、例えば、酸素、凝縮物、及び／又は他のチップ表面に付着しうる不純物を除去する。典型的には、例えば、チップ１８６は、９００Ｋ以上（例えば、１０００Ｋ以上、１１００Ｋ以上）まで、１０秒以上（例えば、３０秒以上、６０秒以上）の間、熱せられる。不純物の存在によりチップ形状が劣化した場合に、熱せられることでチップ１８６は再度削ることができる。
【０１８３】
システム２００内にチップ１８６が整列された状態において、Ｈｅイオンビームは、イオンビーム１９２の一部は開口２２４を通るように整列され、プロセス４００のステップ４１２において、顕微鏡システム２００はＨｅイオンモードで操作されうる。
【０１８４】
チップ１８６の完全性を検証するために、顕微鏡システムをＦＩＭ又はＳＦＩＭモードで動作させることにより、チップ１８６からの電界放出パターンを周期的に監視する。チップ端１８７におけるトリマー構造が無傷であれば、チップ１８６はイオンビーム１９２を顕微鏡システム２００に供給するために継続して用いられる。しかし、ある状況下においては、チップ１８６をＦＩＭ又はＳＦＩＭでイメージングすることにより、チップ端１８７のトリマー構造が、既に無傷ではないことを確認することができる。この場合、チップ１８６は、先ず、電界蒸発されて、チップを丸め、ダメージを受けたトリマー構造を除去し、その場所において（例えば、顕微鏡システム２００からチップ１８６を取り出すことなく）、上述したプロセスにより再度鋭角化する。チップを形成及び検査し、そして、チップを顕微鏡システム内において調整する方法は、例えば、既に組み込んだ、米国特許出願１１／６００，７１１（米国特許出願公開第２００７／０１５８５５８号明細書）、「イオン源、システム及び方法」、ビリーＷ. Ｗａｒｄら、出願日２００６年１１月１５日、において開示されている。
【０１８５】
図１６を参照すると、顕微鏡システム２００内におけるチップ１８６の調整は、チップ１８６の長軸２０７をイオン光学系１３０の長軸１３２と整列させることを含む。これにより、チップ１８６の先端１８７における、軸２０７と軸１３２との間の距離は、２ｍｍ以下（例えば、１ｍｍ以下、５００μｍ以下、２００μｍ以下）となる。一部の実施形態においては、チップ１８６の先端１８７における軸２０７と軸１３２との間の角度は２°以下（例えば、１°以下、０．５°以下、０．２°以下）である。
【０１８６】
抽出器１９０は、開口１９１を含む。概して、抽出器２９０の形状と、開口１９１の形状は、所望に選択できる。典型的には、これらの特徴は、Ｈｅイオンが、確実に、高効率且つ高信頼性でイオン光学系１３０に方向付けられるように選択される。一部の実施形態においては、図１６に示すように、抽出器１９０は、チップ１８６よりも＋ｚ方向に更に配置される。ある実施形態においては、抽出器１９０は、チップ１８６よりも、更に−ｚ方向に配置される。そのような実施形態においては、例えば、チップ１８６は、抽出器１９０から突出して、ｚ軸に沿って、抽出器１９０よりも更に＋ｚ方向に延在するようになる。抽出器１９０は、図１６に示すような特定の構造を有するが、一般的に、抽出器１９０は、どのように設計されていてもよい。例えば、一部の実施形態においては、開口１９１の側面は、どのような形状の曲面であってもよい。
【０１８７】
抽出器１９０は、チップ１８６に対して、正と負のいずれにバイアスされていてもよい。一部の実施形態においては、抽出器１９０に印加される電気ポテンシャルは、チップ１８６に対して、−１０ＫＶ以上（例えば、−５kＶ以上、０ＫＶ以上）、及び／又は、２０ＫＶ以下（例えば１５ｋＶ以下、１０ＫＶ以下）である。
【０１８８】
付加的には、抑制器１８８もチップ１８６の付近に存在する。抑制器１８８は、例えば、抑制器１８８に印加されたポテンシャルを調節することによりチップ１８６付近における電場分布を変更させるために用いられうる。抑制器１８８は、抽出器１９０と共に、チップ１８６において生成されるＨｅイオンの軌道を制御するために用いられる。ある実施形態においては、図１６に示すように、抑制器１８８は、＋ｚ方向に沿ってチップ１８６よりも遠くに配置される。一部の実施形態においては、チップ１８６は、＋ｚ方向に沿って抑制器１８８よりも遠くに配置され、チップ１８６は、抑制器１８８を通って＋ｚ方向に延在する。
【０１８９】
概して、顕微鏡システム２００は、ビーム１９２におけるイオンのエネルギーが抽出器１９０を通過した後に所望の値に選択されるように構成される。典型的には、イオン光学系１３０の入口開口１３３を通過後の、イオンビーム１９２に含まれるイオンの平均エネルギーは、５ｋｅＶ以上（例えば、１０ＫｅＶ以上、２０ＫｅＶ以上、３０ＫｅＶ以上）、及び／又は、１００ＫｅＶ以下（例えば、９０ＫｅＶ以下、８０ＫｅＶ以下、６０ＫｅＶ以下、５０ＫｅＶ以下、４０ＫｅＶ以下、３０ＫｅＶ以下）である。例えば、一部の実施形態においては、入口開口１３３を通過した後のイオンビーム１９２に含まれるイオンのエネルギーは、５ｋｅＶ〜１００ＫｅＶ（例えば、１０ＫｅＶ〜９０ＫｅＶ、２０ＫｅＶ〜８０ＫｅＶ）である。例えば、サンプルを透過したイオンを検出することが望ましい実施形態においては、より高いイオンエネルギー（例えば、５０ＫｅＶ〜１００ＫｅＶ）が用いられうる。
【０１９０】
更に、ある実施形態においては、イオンビーム１９２のイオンのエネルギーは、イオン電流を変更することなく、変更することができる。すなわち、チップ１８６に印加される電気ポテンシャルは、実質的にイオンビーム１９２からのイオンビーム電流を変更することなく、イオンビームの平均エネルギーを加減するために調整されうる。
【０１９１】
イオン光学系１３０は、概して、例えば、レンズ、偏向器、フィルタのような、１又は複数の素子を有し、これらの素子は、イオン源１２０から発せられるイオンビームを、イオンビームがサンプルにあたる前に、コリメート、フォーカス、偏向、及び成形するために用いられうる。
【０１９２】
例示的な次元において、電圧その他の顕微鏡システム２００の様々な構成要素についての設定は、例えば、米国特許出願１１／６００，７１１（米国特許出願公開第２００７／０１５８５５８号明細書）、「イオン源、システム及び方法」、ビリーＷ． Ｗａｒｄら、出願日２００６年１１月１５日、において開示されている。この開示内容の全体を、参照として本願に組み込む。
【０１９３】
Ｃ．検出器
検出器１５０及び１６０を、図１２に概略的に示す。検出器１５０は、サンプル１８０（この表面にイオンがあたる）の表面１８１からの粒子を検出するように配置され、検出器１６０は、サンプル１８０の表面１８３からの粒子を検出するように配置される。概して、顕微鏡システム２００において、様々な粒子を検出するために多様な検出器を用いることができる。そして、顕微鏡システム２００は、いくつの検出器を備えてもよい。上述の多様な検出器は、測定すべき粒子や測定条件に応じて選択することができる。一部の実施形態においては、スペクトル分解検出器を用いることができる。このような検出器は、異なるエネルギー及び／又は波長の粒子を検出し、そして、検出した各粒子のエネルギー及び／又は波長に応じて、粒子を分類（resolve）することができる。ある実施形態においては、スペクトル分解検出器は、粒子のエネルギー及び／又は波長に応じて、粒子を検出器中の異なる領域に移動させることができる構成素子を含んでいる。
【０１９４】
ある例示的な検出器及び偏向器の構成を以下に示す。検出システム及び方法は、例えば、既に言及した、米国特許出願１１／６００，７１１（米国特許出願公開第２００７／０１５８５５８号明細書）、「イオン源、システム及び方法」、ビリーＷ． Ｗａｒｄら、出願日２００６年１１月１５日、において開示されている。この開示内容の全体を、参照として本願に組み込む。
【０１９５】
（i）エバーハート−ソンリー検出器
エバーハート−ソンリー（ＥＴ）検出器を、二次電子、イオン、及び／又は中性粒子を検出するために用いることができる。図１７は、ＥＴ検出器６００を概略的に示す図である。ＥＴ検出器６００は、粒子選択器６０１、変換材料６０２、サポート６０４、光子検出器６０６、及び電圧源６０７並びに６０８を備える。
【０１９６】
動作中、電圧源６０７は比較的小さい電圧（例えば、１００〜５００Ｖのような５００Ｖ以下の電圧)を、（導電性材料によって形成される）粒子選択器６０１に印加する。電圧源６０８は、比較的大きい電圧（例えば、５kＶ以上、１０ＫＶ以上）を変換材料６０２に印加する。ＥＴ検出器がサンプル１８０からの電子（例えば、二次電子）を検出するために用いられる実施形態においては、粒子選択器６０１及び変換材料６０２に対して印加される電圧の符号は、サンプル１８０に対しては正である。ＥＴ検出器がサンプル１８０からの電子（例えば、二次電子、後方散乱電子）を検出するために用いられる実施形態においては、粒子選択器６０１及び変換材料６０２に対して印加される電圧の符号は、サンプル１８０に対しては負である。ある実施形態においては、サンプル１８０にも（大地アースに対して）バイアスがかけられ、サンプル１８０から検出器６００への粒子の供給を補助する。例えば、ＥＴ検出器がサンプル１８０からの二次電子を測定するために用いられる場合、サンプルは大地アースと比較して負のバイアスがかけられる。マニピュレータ１４０に負のポテンシャルバイアスをかけることは特に有益であり、例えば、高アスペクト比のホール部（例えば、深いホール部）又はサンプルのビア部を介して生成された二次電子を検出する場合に有益である。大地アースと比較して負のポテンシャルバイアスは、ホール部又はビア部から放出される電子の加速と、サンプルから遠ざかることとを補助し、電子の検出を容易にする。負のバイアスのない状態では、二次電子の多くは、ホール部又はビア部の壁部付近でサンプル内に再度入り、ホール部又はビア部から放出されず、検出されない。
【０１９７】
例えば、ＥＴ検出器をサンプルからのイオンを検出するために用いた場合、サンプル１８０には正のバイアスがかけられる。バイアスとしてかけられる電気ポテンシャルの大きさは、、５Ｖ以上（例えば、１０Ｖ以上、１５Ｖ以上、２０Ｖ以上、３０Ｖ以上、５０Ｖ以上、１００Ｖ以上）である。
【０１９８】
サンプル１８０からの荷電粒子６１０（例えば、電子又はイオン）は、粒子選択器６０１に引き付けられ、粒子選択器６０１を通過して、変換材料６０２に向かって加速される。そして、荷電粒子６１０は、変換材料６０２にあたり、光子６１２を生成する。光子６１２は、サポート６０４を通過して、光子検出器６０６によって検出される。
【０１９９】
ＥＴ検出器は、中性又は荷電粒子を検出するためには、サンプル１８０に対してどこに配置してもよい。典型的には、例えば、ＥＴ検出器は、イオン光学系１３０の第２レンズ２２６に隣接して配置される。選択的には、ＥＴ検出器は、サンプル１８０に向かって僅かに傾斜させて配置してもよい（例えば、図１２に示した構成と同様の構成に配置してもよい）。
【０２００】
ある実施形態においては、ＥＴ検出器をサンプル１８０の表面１８３の付近に配置することもできる。このような構成は、例えば、表面１８３から生じた、サンプル１８０の二次電子（例えば、サンプル１８０を透過した後の二次電子）を測定するために探索する場合に望ましい。この場合、ＥＴ検出器は、図１２に示す検出器１６０の構成に類似する構成を有しうる。
【０２０１】
（ii）マイクロチャネルプレート検出器
一部の実施形態においては、マイクロチャネルプレート検出器は、サンプルからの二次電子のフラックス、中性原子、又はイオンを増幅させるために用いられる。マイクロチャネルプレートは、典型的には、融合シリカのような材料から形成され、アレー状に配置された、直径の小さい多くのチャネルを含む。各チャネルに入る粒子は、チャネル壁に衝突し、自由電子を生成する。典型的には、粒子（中性原子、イオン、又は、電子）が一回チャネル壁に衝突する度に、複数の自由電子が生成される。これにより、入力粒子信号の増幅に対応するカスケード電気信号がマイクロチャネルプレートから放出される。
【０２０２】
マイクロチャネルプレートベースの検出器（１又は複数のマイクロチャネルプレートを備える）は、イオン、二次電子、及び／又はサンプル１８０からの中性原子を検出するように構成されている。サンプル１８０から形成された中性粒子及び／又はイオンは（例えば、二次電子及び原子、散乱イオン及び一次原子）は、典型的には、サンプル１８０の表面１８１（イオンビームがあたった表面）から放出される。したがって、マイクロチャネルプレートベースの検出器は、サンプル１８０からの中性子及び／又はイオンを測定するように構成されており、一般的には、図８及び１２に示した検出器１５０の位置と同じ位置に配置される。しかし、ある実施形態においては、中性粒子及び／又はイオン（例えば、透過イオン）を検査することもできる。このような実施形態においては、マイクロチャネルプレートベースの検出器は図８及び１２に示す検出器１６０の位置と同じ位置に配置される。二次電子は、表面１８１（イオンビームがあたる表面）及び／又はサンプル１８０の表面１８３（イオンビームがあたる表面とは逆側の表面）の何れかから検出される。そして、マイクロチャネルプレートベースの検出器は、サンプル１８０からの二次電子を検出するように構成されており、図１０及び１４に示す検出器１５０及び／又は検出器１６０の位置と同じ位置に配置される。
【０２０３】
マイクロチャネルプレートは、入力粒子信号を増幅し、入力信号を出力電気信号に変換する。出力電気信号を可視化するために、マイクロチャネルプレートベースの検出器は、変換材料、スクリーン、及び光子検出器（上述参照）も備えうる。
【０２０４】
一部の実施形態においては、マイクロチャネルプレートは、イオン光学系１３０の構成要素に直接取り付けられる。図１８は、静電レンズ２２６に直接マウントされたマイクロチャネルプレート検出器６２０の断面図である。レンズ２２６は、平坦な下表面６２２を有する円錐形状である。検出器６２０は、表面６２２に直接マウントされる。サンプル１８０がイオンビーム１９２に露光されるとき、サンプル１８０からのイオン、二次電子、及び／又は中性原子（矢印６２４で集合として示す）は、マイクロチャネルプレート検出器６２０によって検出されうる。検出器６２０は、検出された粒子フラックスに比例する電流を記録して、電子制御システム１７０に伝える。
【０２０５】
（iii）変換プレート
一部の実施形態において、変換プレートは、サンプル又は中性粒子（例えば、一次中性Ｈｅ原子）からのイオン（例えば、散乱イオン、二次イオン）の検出に用いられうる。典型的には、変換プレートは、入射イオン又は原子が当たった際の二次電子収率の高い薄箔材料により形成されうる。このような材料の一例としては、プラチナが挙げられる。この二次電子収率は、例えば、検出器１５０及び／又は１６０（図８及び１２）として構成された適切な電子検出器により検出可能な二次電子の量を増加させることができる。
【０２０６】
（iv）チャンネルトロン検出器
チャンネルトロン検出器は、サンプルから放出される、電子、イオン及び中性原子のような粒子を検出するために用いられうる。チャンネルトロン検出器は、マイクロチャンネルプレート検出器に関して説明したものと同様の、複数の内部での衝突によって粒子信号を増幅することによって機能する。チャンネルトロン検出器から出力される増幅された粒子信号を、（例えば、電子制御システムを用いて）測定することによって、サンプル１８０からの、比較的弱い二次電子、イオン、又は中性原子フラックスを測定することが可能である。サンプル１８０からの二次電子を測定する場合、チャンネルトロン検出器は、図１０及び１４に示す検出器１５０及び／又は検出器１６０の位置と同じ位置に配置される。典型的には、サンプル１８０からのイオン及び／又は中性粒子の測定のために、チャンネルトロン検出器は、図８及び１２に示した検出器１５０の位置及び／又は検出器１６０の位置と同じ位置に配置される。
【０２０７】
（v）りん光検出器
りん光ベースの検出器は、透過性基板の上に体積されたりん光材料の薄層を含み、ＣＣＤカメラ、PMT、又は１又は複数のダイオードのような光子検出器を用いて、サンプルからのイオン及び／又は中性粒子を検出することができるものである。りん光性層にあたる粒子は、光子検出器によって検出されたりん光性材料から放出された光子を含む。りん光ベースの検出器は、測定される粒子のタイプに応じて（上記参照）、図８及び１２に示した検出器１５０の位置及び／又は検出器１６０の位置と同じ位置に配置される。
【０２０８】
（vi）半導体検出器
半導体検出器（ＳＳＤ）は、サンプルからのイオン及び／又は中性粒子を検出するために用いられうる。半導体検出器は、シリコン又はドープされたシリコン材料によって形成されるセンサによって構成されうる。入射粒子がセンサにあたると、センサ材料内で電子ホールペアが生成され、電子制御システム１７０により検出されうる電流を供給する。入射粒子によって生成される電子ホールペアの数と、これらにより生成される電流の大きさは、ある程度粒子のエネルギーに依存する。したがって、半導体検出器は、粒子のエネルギー計測に特に有効であり、サンプル１８０からの高エネルギー粒子（例えば、散乱Ｈｅイオン及び中性Ｈｅ原子）を検出するにあたって特に有効である。
【０２０９】
（vii）シンチレータ検出器
りん光ベースの検出器と同様に、シンチレータベースの検出器は、入射粒子（電子、イオン、又は中性原子）の衝突により光子を生成するシンチレータ素材を含む。適当なシンチレータ素材は、例えば、ＹＡＧ及びＹＡＰである。シンチレータベースの検出器における光子収率は、入射粒子のエネルギーに依存する。よって、シンチレータ検出器は、粒子のエネルギー計測に有効であり、具体的には、サンプル１８０からの高エネルギー粒子（例えば、散乱Ｈｅイオン及び中性Ｈｅ原子）を検出するにあたって特に有効である。
【０２１０】
（viii）イオンのためのエネルギー検出器
サンプルからのイオン（例えば、散乱Ｈｅイオン）のエネルギー検出を実行するために、様々な検出器及び検出スキームを用いることができる。静電プリズム検出器は、電場及び／又は磁場を用いて入射イオンを偏向させ、それらのエネルギーに依存する偏向量を利用して、異なるエネルギーのイオンを空間的に分離することができる。磁気プリズム検出器も、イオンのエネルギーに基づいてイオンを空間的に分離するために利用することができる。上述した検出器（例えば、マイクロチャンネルプレート、チャンネルトン、その他）の何れかを用いて、偏向されたイオンを検出することができる。
【０２１１】
四極子検出器は、サンプルからのイオンのエネルギーを分析するためにも用いることができる。四極子検出器において、四極子内の無線周波数（ＲＦ）電場は、選択した質量及びエネルギーを有するイオンが、四極子内において、真直ぐな、偏向のない軌道に沿って確実に進むようにする。異なる質量及び／エネルギーのイオンは、四極子内で曲線軌道を進む。四極子分析器内におけるイオンの偏向位置から、イオンのエネルギーを検出することができる。
【０２１２】
一部の実施形態においては、イオンの飛行経路に沿い、且つ検出器の手前に配置した、正のバイアスをかけた粒子選択器（例えば、導電性材料のスクリーン或いは格子、又は円筒状金属管、又はリング）を配置することによってイオンエネルギーを判定できる。粒子選択器６０１に印加することが可能な電気ポテンシャルの大きさは、最初は非常に高くすることができ（例えば、サンプル１８０からのイオンが全く通過できないような値とする）、そして、イオンの検出に適切な検出器（上記参照）を使用している間は、この電気ポテンシャルを減少させることができる。粒子選択器にかけられるポテンシャルバイアスの大きさに応じて、検出器に到達するイオンの電流は、イオンのエネルギーに関する情報を判定するために用いることができる。
【０２１３】
（ix）電子のためのエネルギー検出器
サンプルからの電子（例えば、二次電子）のエネルギーを測定するために、様々な検出器及び検出スキームを実施することができる。プリズム検出器は、電場及び／又は磁場を用いて入射イオンを偏向させ、それらのエネルギーに依存する偏向量を利用して、異なるエネルギーのイオンを空間的に分離することができる。上述した検出器の何れかを用いて、偏向されたイオンを検出することができる。
【０２１４】
一部の実施形態においては、イオンの飛行経路に沿い、且つ検出器の手前に配置した、負のバイアスをかけた粒子選択器（例えば、導電性材料のスクリーン或いは格子、又は円筒状金属管、又はリング）を配置することによってイオンエネルギーを判定できる。粒子選択器における電気ポテンシャルの大きさは、最初は非常に高くすることができ（例えば、サンプル１８０からのイオンが全く通過できないような値とする）、そして、イオンの検出に適切な検出器（上記参照）を使用している間は、この電気ポテンシャルを減少させることができる。粒子選択器にかけられるポテンシャルバイアスの大きさに応じて、検出器に到達するイオンの電流は、イオンのエネルギーに関する情報を判定するために用いることができる。
【０２１５】
（x）飛行時間検出器
上述した検出器は、二次電子、イオン、中性原子の飛行時間を計測するようにも構成されうる。飛行時間検出を行うために、イオンビーム１９２をパルスモードで操作する。イオンビーム１９２は、例えば、１又は複数のビーム偏向器に印加される電気ポテンシャルを迅速に変更させることにより、パルスにすることができる。例えば、これらのポテンシャルを上昇させることで、イオン光学系１３０における通常の経路とは異ならせて、イオンビーム１９２を一時的に開口部２２４から遮ることができる。ポテンシャルを再度上昇させる前の短時間の間、偏向器のポテンシャルを通常の値に戻せば、Ｈｅイオンのパルスをサンプル１８０に供給することができる。
【０２１６】
同時に、検出器１５０及び１６０を電子制御システム１７０からのクロック信号に同期させることも可能である。このクロック信号は、偏向器に印加するポテンシャルの時間間隔の変化に基づくものである。よって、Ｈｅイオンのパルスの発射の間の時間間隔と、サンプル１８０からの粒子の検出について、正確に測定することができる。イオン光学系１３０内におけるＨｅイオンパルスの伝播時間に関して把握した情報から、サンプル１８０と検出器１５０及び／又は１６０との間において検出される粒子の飛行時間を決定することができる。
【０２１７】
（xi）角度依存計測
サンプルからの粒子の、相対的な存在量及びエネルギーを測定することに加えて、上述したような検出器を用いて角度依存散乱情報を取得することができる。典型的には、角度依存情報を取得するために、検出器はマウント（例えば、スイベルマウント）に取り付けられる。これにより、検出器をサンプル１８０についての立体角範囲全体で検出器を動かすことができる。ある立体角に対応する、サンプル１８０ついての所定方向における、粒子の存在量及び／又はエネルギー計測結果が記録される。検出器は、連続的に異なる立体角に配置され、測定された量の角度依存性を決定するために、繰り返し測定する。一部の実施形態においては、ピンホールのような制限された開口部を、散乱粒子の経路において検出器の手前に配置し、サンプル１８０からの粒子の計測を行う角度範囲を更に制限する。
【０２１８】
（xii）光子検出器
イオンとサンプル１８０との相互作用によって生成された光子を検出するために、PMTのような標準的な光子検出器を用いることができる。サンプル１８０から発せられる光子フラックスが十分に大きければ、ダイオード、ダイオードアレー及びＣＣＤカメラのような、比較的低感度の光子検出器を用いることができる。
【０２１９】
一部の実施形態においては、光子検出器は、例えば、対象とする特定の光学信号を他の光学信号から独立させるために構成された、様々な光学素子も含みうる。例えば、ある実施形態においては、光子検出器は、サンプル１８０から発せられる光子信号における特定の波長帯を選択するためのフィルタのような光学素子を備えうる。このフィルタは、サンプル１８０についての材料の構成成分の情報を提供することができる。このフィルタは、例えば、不所望な波長の光子をブロックすることができる（例えば、不所望な波長の光子を吸着したり、不所望な波長の光子を屈折させたり、不所望な波長の光子を偏向させたりする）。一部の実施形態においては、（１又は複数のグレーチングのような回折素子、及び／又は１又は複数のプリズムのような屈折素子、及び／又は、光子の波長分解検出が可能な１又は複数のスペクトロメータシステムによって）異なる波長を空間的に分散させることにより、（サンプル１８０により生成された光子のスペクトルを測定するために）光学素子はスペクトル解像度を提供することができる。一部の実施形態においては、光子検出器は、波長板及び／又は偏光子のような偏光操作素子を含みうる。これらの偏光操作素子は、選択された偏光状態の光子のみをＰＭＴに到達させるように構成され、例えば、サンプル１８０から生じた光子信号について、偏光選択的な検出を行うことを可能にする（これにより、例えば、サンプル１８０の結晶方向情報の決定が補助される）。一部の実施形態においては、光子検出器は、ミラー、レンズ、ビームスプリッター、その他入射イオンの方向を再度方向付け、操作するための光学素子も備えうる（例えば、検出された光子の立体角を大きくするためである）。
【０２２０】
一般的に、光子検出器は、サンプル１８０対してあらゆる角度及び距離の光子を検出するように配置されうる。例えば、ある実施形態においては、光子検出器は、表面１８１（イオンビーム１９２が入射する、サンプル１８０の表面）又は、表面１８３（イオンビーム１９２が入射する表面の反t内側に位置する、サンプル１８０の表面）から発せられた光子を検出するように配置されることも可能である。選択的には、表面１８１（イオンビームが入射する表面）、表面１８３（イオンビームが入射する表面の反対側の表面）、及び／又はサンプル１８０の他の表面から発せられた光子を検出するように、複数の光子検出器を用い、又は、構成することができる。
【０２２１】
［操作パラメータ］
イオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１上において比較的小さいスポットサイズを有しうる。例えば、一部の実施形態においては、イオンビーム１９２のサンプル１８０の表面１８１上におけるスポットサイズは、寸法が１０ｎｍ以下（例えば、９ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下）でありうる。ある実施形態においては、サンプル１８０の表面１８１におけるイオンビーム１９２のスポットサイズは、０．５ｎｍ以上（例えば、０．１ｎｍ以上、０．２ｎｍ以上、０．２５ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．７５ｎｍ以上、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、３ｎｍ以上）である。一部の実施形態においては、表面１８１上のイオンビーム１９２のスポットサイズは、寸法が、０．０５ｎｍ〜１０ｎｍ（例えば、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、０．２ｎｍ〜１０ｎｍ、０．２５ｎｍ〜３ｎｍ、０．２５ｎｍ〜ｎｍ、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍ、０．１ｎｍ〜０．２ｎｍ）である。本明細書において使用したように、スポットサイズは図１９Ａ〜１９Ｃを参照して、以下のように決定されうる。金で形成された島状部１７００は、寸法が５０ｎｍ〜２０００ｎｍであり、カーボン表面１７１０上に配置される。島状金は、例えば、カーボン表面への金蒸着により形成される。カーボンに蒸着された島状部を含む測定サンプルは、本願に示す測定に適しており、且つ、例えば、Structure Probe社（ペンシルバニア州、ウェストチェスター）から入手することができる。イオン顕微鏡を、イオンビーム１９２が島状金の表面と、島状金の片側上のカーボン表面の部分を走査するように操作する（矢印１７３０）。二次電子の強度をイオンビームの位置の関数として測定する（図１９Ｃ）。漸近線１７４０及び１７５０は、カーボン及び金の平均総存在量に対応して算出（描画）され、漸近線１７６０及び１７７０の間の存在量の違いに関連する、垂線１７６０及び１７７０は、総存在量がそれぞれ２５％及び７５％の位置に対応して算出（描画）される。イオン顕微鏡２００のスポットサイズは、垂線１７６０及び１７７０の間の距離である。
【０２２２】
概して、サンプル１８０の表面１８１におけるイオンビーム１９２の電流は、１ｎＡ又はそれ以下（例えば、１００ｐＡ又はそれ以下、５０ｐＡ又はそれ以下）、及び／又は、０．１ｆＡ又はそれ以上（例えば、１ｆＡ又はそれ以上、１０ｆＡ又はそれ以上、５０ｆＡ又はそれ以上、１００ｆＡ又はそれ以上、１ｐＡ又はそれ以上、１０ｐＡ又はそれ以上）である。例えば、一部の実施形態においては、サンプル１８０の表面１８１におけるイオンビーム１９２の電流は、０．１ｆＡ〜１ｎＡ（例えば、１０ｆＡ〜１００ｐＡ、１００ｆＡ〜５０ｐＡ）である。一部の実施形態においては、サンプルイメージングに当たって、比較的低いビーム電流を用いることが望ましい。例えば、いくつかの生物学的及び／又は薬学的用途においては、（例えば、サンプルに与えるダメージを低減するために、）サンプルイメージングにあたって低い電流を用いることが更に重要である。このような実施形態においては、１つの電流（例えば、１０ｆＡ以上の電流）が気体電界イオン顕微鏡を使用するための準備に用いられ、これとは異なる大きさの電流（例えば、０・１ｆＡのような、１ｆＡ以下の電流）が、サンプルイメージングに用いられうる。
【０２２３】
概して、イオンビーム１９２の、サンプル１８０の表面１８１におけるエネルギーの広がりは、５ｅＶ以下（例えば、５ｅＶ以下、３ｅＶ以下、２ｅＶ以下、１ｅＶ以下、０．５ｅＶ以下）である。一部の実施形態においては、イオンビーム１９２の、サンプル１８０の表面１８１におけるエネルギーの広がりは、０．１ｅＶ以上（０．２ｅＶ以上、０．３ｅＶ以上、０．４ｅＶ以上）である。例えば、イオンビーム１９２の、サンプル１８０の表面１８１におけるエネルギーの広がりは、０．１〜５ｅＶ（０．１〜３ｅＶ、０．１〜１ｅＶ）である。
【０２２４】
イオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１において比較的高い輝度を有する。例えば、イオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１において、輝度が１×１０９Ａ／ｃｍ２ｓｒ（例えば、１×１０１０Ａ／ｃｍ２ｓｒ以上、１×１０１１Ａ／ｃｍ２ｓｒ以上）である。一部の実施形態においては、チップ１８６付近におけるガス圧力を上昇させるか、及び／又はチップ１８６の温度を低下させることによって、輝度を上昇させることができる。本明細書において参照したように、イオンビームの輝度は以下のように計測する。イオンビーム１９２におけるイオン軌道の分布のＦＷＨＭは、正味の電場が比較的小さく、イオン軌道が略直線に近い、抽出器１９０と第１レンズ２１６との間の空間領域においては、ｘ、ｙの両方向について決定される。全体で１００個のイオン軌道が、イオンビーム１９２におけるイオン軌道の分散からランダムに選択されたｘ、ｙの両方向のＦＷＨＭ幅内に入る。１００個のイオン軌道のそれぞれは、略直線であり、チップ端１８７に向かって突き出している。特定のポイントｚtにおける軌道のｚ軸に沿う空間的広がりは、ｘ−ｙ平面に平行であり、且つポイントｚtを通る平面Ｚtにおいて、後方に突き出す軌道と平面Ztとが交差するポイントの全てを含む最小の円を生成することによって評価できる。最小直径の円の直径はｄsmである。典型的には、ポイントＺtがチップ端１８７に近くなるほど、ｄsmは小さくなり、ポイントＺtがサンプル１８０に近くなるほど、ｄsmは大きくなる。Ｚt＝Ｚ0のポイントにおいて、ｄsmは、最小値ｄ0である。すなわち、ｘ−ｙ平面に平行な平面における軌道の空間的広がりは最小となる。ポイントＺ0における、最小直径円の直径ｄ0は、顕微鏡システム２００の仮想のソースサイズとして示される。次いで、上述したように、抽出器１９０と第１レンズ２１６との間における、イオンビーム１９２のＦＷＨＭ領域におけるイオンビーム１９２の発散及びビーム電流が測定される。最終的に、輝度は、ビーム電流を仮想源サイズ及び立体発散角で割ることによって算出される。
【０２２５】
イオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１において、比較的高い、還元輝度を有する。例えば、イオンビーム１９２の還元輝度は、サンプル１８０の表面１８１において、５×１０８Ａ／ｃｍ２ｓｒＶ以上（例えば、１×１０９Ａ／ｃｍ２ｓｒＶ以上、１×１０１０Ａ／ｃｍ２ｓｒＶ以上）である。本明細書において述べたように、イオンビームの還元輝度は、イオンビームの輝度を、イオンビーム電流を測定した位置におけるイオンビームに含まれるイオンの平均エネルギーで割った値である。
【０２２６】
イオンビーム１９２は、抽出器１９０の遠位端１９３において比較的エタンデュ（etendue）が低い。例えば、抽出器１９０の遠位端１９３における、イオンビーム１９２のエタンデュは、５×１０-２１ｃｍ２ｓｒ以下（例えば、１×１０-２２ｃｍ２ｓｒ以下、１×１０-２３ｃｍ２ｓｒ以下、１×１０-２４ｃｍ２ｓｒ）である。本明細書において述べたように、イオンビームのエタンデュは、輝度の逆数と、ビーム電流の数学的結果として得られる。
【０２２７】
イオンビーム１９２は、抽出器１９０の遠位端１９３における還元エタンデュが比較的低い。例えば、例えば、抽出器１９０の遠位端１９３における、イオンビーム１９２の還元エタンデュは、１×１０-１６ｃｍ２ｓｒ以下（例えば、１×１０-１７ｃｍ２ｓｒ以下、１×１０-１８ｃｍ２ｓｒ以下、１×１０-１９ｃｍ２ｓｒ）である。イオンビームの還元エタンデュは、イオンビームのエタンデュと、ビーム電流を測定した位置におけるイオンビームに含まれるイオンのエネルギー対荷電の平均比率との数学的結果として得られる。
【０２２８】
イオンビーム１９２は、サンプル１８０の表面１８１に対して、比較的低い角度に集束する。例えば、一部の実施形態においては、イオンビーム１９２の集束半角は、５ｍｒａｄ以下（例えば、１ｍｒａｄ以下、０．５ｍｒａｄ以下、０．１ｍｒａｄ以下）、及び／又は０．０５ｍｒａｄ以上でありうる。本明細書において述べたように、イオンビームの半角集束は以下のように決定される。上述したような、カーボン基板上の島状金を有するサンプルを、イオン顕微鏡２００にマウントし、ｚ方向に移動してイオンビーム１９２の焦点位置が可能な限り金島の直径方向における最高点の付近となるように配置する。イオンビーム１９２を、金島の直径に沿って直線的に移動し、上述したように、フォーカスされた状態のイオンビームのスポットサイズｓfを測定する。そして、サンプルを、イオン光学系１３０から遠ざかるように、＋ｚ方向にｓz＝１μｍだけ移動し、イオンビーム１９２を、同じ金島の直径に沿って直線的に移動し、フォーカスされていない状態のイオンビームのスポットサイズｓdを測定する。集束角度ηは、フォーカスされたスポットサイズ並びにフォーカスされていないスポットサイズの測定と、移動距離と、に基づいて下式のように、三角関数を用いることで決定することができる。
【数１２】
0005473004.tif 000016
ここで、イオン顕微鏡２００の集束半角は、η／２である。
【０２２９】
イオン顕微鏡２００は、比較的解像度が良好である。例えば、一部の実施形態においては、イオン顕微鏡２００の解像度は、１０ｎｍ以下（例えば、９ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下）でありうる。ある実施形態においては、イオン顕微鏡２００の解像度は、０．０５ｎｍ以上（例えば、０．１ｎｍ以上、０．２ｎｍ以上、０．２５ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．７５ｎｍ以上、１ｎｍ以上、２ｎｍ以上、３ｎｍ以上）である。一部の実施形態においては、イオン顕微鏡２００の解像度は、０．０５ｎｍ〜１０ｎｍ（例えば、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、０．２ｎｍ〜１０ｎｍ、０．２５ｎｍ〜３ｎｍ、０．２５ｎｍ〜１ｎｍ、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍ、０．１ｎｍ〜０．２ｎｍ）である。以下で言及する、イオンビームの解像度とは、イオン顕微鏡を用いて得られる画像から高い信頼度で計測することができる最も小さい構造の大きさである。同一条件下で計測された１０枚の画像において、計測誤差が実際の構造の大きさに対して１０％以下であり、測定された大きさの標準偏差が、実際の構造の大きさの５％以下である場合に、その構造のサイズは高い信頼度で計測されたものとする。
【０２３０】
イオン顕微鏡２００は、比較的短時間で高品質の画像を取得するために用いることができる。例えば、イオン顕微鏡２００は、品質係数０．２５以上（例えば、０．５以上、０．７５以上、１以上、１．５以上、２以上）である。本明細書において述べたように、品質係数は以下のようにして算出される。半分がシリコン（Ｓｉ）で、もう半分が銅（Ｃｕ）により形成され、これらの境界はサンプルを横切る直線であるような平面サンプルは、この境界がｙ軸に平行に成るように配置される。このサンプルは、ｘ−ｙ配列が５１２×５１２となるようにサンプル表面をサブ領域に分割して、画素毎にイメージングされる。測定中のピクセル毎の滞留時間は、１００ｎｓである。サンプルからの二次電子の総存在量は、サンプル表面おけるイオンビームの位置の関数として測定される。サンプル中のＳｉに対応する画素については、Ｓｉ画素輝度の分布に基づく標準偏差ＳＤ１と、平均画素輝度Ｇ１とを決定する。サンプル中におけるＣｕに対応する画素については、平均画素輝度Ｇ２Ｃｕ画素輝度の分布に基づく標準偏差ＳＤ２と、平均画素輝度Ｇ２とを決定する。そして、下式により、品質係数が算出される。
【数１３】
0005473004.tif 000017
【０２３１】
イオンビーム１９２に露光されても、サンプル１８０の表面１８１は、比較的小さいダメージを受けるだけである。例えば、ダメージ試験によれば、サンプル１８０の表面１８１は、値２５ｎｍ以下（例えば、２０ｎｍ以下、１５ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下）でありうる。本明細書において述べたように、ダメージ試験は以下のようにして実施される。４平方μｍ視野を有する原子平坦シリコン（純度９９．９９％）サンプルを、サンプル上でのビーム電流が１０ｐＡ、スポットサイズが１０ｎｍ以下のイオンビーム電流を用いて、サンプル表面上で画素毎にラスタ走査させて、１２０秒間イメージングする。ラスタ化のために、４平方μｍ視野を５１２×５１２ピクセル配列に分割する。ダメージ試験の値は、ダメージ試験の実施により得られるシリコンサンプルのイメージングされた部分における最大のエッチング距離に相当する。
【０２３２】
イオン顕微鏡２００は、比較的深いフォーカス深度を有する。例えば、一部の実施形態においては、イオン顕微鏡２００のフォーカス深度は５ｎｍ以上（例えば、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、１μｍ以上）、及び／又は２００μｍ以下（例えば、１００μｍ以下、１０μｍ以下）でありうる。一部の実施形態においては、イオン顕微鏡２００のフォーカス深度は、２００μｍ〜５ｎｍ（例えば、５００μｍ〜５ｎｍ、１ｍｍ〜５ｎｍ）でありうる。ここで使用したように、イオンビームのフォーカス深度は、以下のようにして測定される。（Ｈｅイオンビームスポットサイズの測定に関連して上述したように、）カーボン基板上の島状金を有するサンプルを、Ｈｅイオン顕微鏡内に挿入し、Ｈｅイオンビームのスポットサイズを、上述の方法で測定する。ｚ軸法クのサンプル位置を、対話的に調整して、最小のＨｅイオンビームスポットサイズとなるサンプル位置を決定する。このときのｚ軸における位置をｚfと称する。Ｈｅイオンビームのｚfにおけるスポットサイズは、ｓｓfとして示す。そして、サンプルを、ｚfに対して−ｚ方向に段階的に移動させる。連続的且つ段階的な移動の後に、Ｈｅイオンビームのスポットサイズ計測を（zfの決定のために用いたサンプル上の位置と同じ位置について）行う。サンプルの移動は、計測されたＨｅイオンビームスポットサイズが、２ｓｓfになった時点で終了する。このときの、ｚ軸方向におけるサンプルの位置は、ｚuとして示す。そして、サンプルを、ｚuに対して、ポイントｚfを経由して、＋ｚ方向に段階的に移動させる。連続的且つ段階的な移動の後に、Ｈｅイオンビームのスポットサイズ計測を（ｚfの決定のために用いたサンプル上の位置と同じ位置について）行う。サンプルの移動は、計測されたＨｅイオンビームスポットサイズが、２ｓｓfになった時点で終了する。このときの、ｚ軸方向におけるサンプルの位置は、ｚlとして示す。Ｈｅイオン顕微鏡のフォーカス深度ｄfは、ｄf＝｜ｚl−ｚu｜により算出される。
【０２３３】
一部の実施形態においては、本明細書に示す気体電界イオン顕微鏡（例えば、Ｈｅイオン顕微鏡）は、例えば、二次電子収率、散乱イオン存在量、及び／又は角度及びエネルギー分解イオン検出を利用して、原子番号（ｚ値）が非常に近いサンプル内の成分を区別するために用いることができる。例えば、ある実施形態においては、気体電界イオン顕微鏡は、原子番号（ｚ値）が１異なる成分を区別するために用いられる。
【０２３４】
ある実施形態では、本願に開示したような気体電界イオン顕微鏡（例えば、Ｈｅイオン顕微鏡）が、例えば、二次電子収率、散乱イオン存在量、及び／又は角度及びエネルギー分解イオン検出を利用して、質量の非常に近いサンプル内の成分を区別するために用いられうる。ある実施形態においては、気体電界イオン顕微鏡は、１原子質量単位以下（例えば、０．９原子質量単位以下、０．８原子質量単位以下、０．７原子質量単位以下、０．６原子質量単位以下、０．５原子質量単位以下、０．４原子質量単位以下、０．３原子質量単位以下、０．２原子質量単位以下、０．１原子質量単位以下）だけ異なる成分を区別するために用いられうる。一部の実施形態においては、サンプルは、平均質量の異なる領域を有する素材（例えば、合金）により形成されうる。このような実施形態においては、ガスbイオン顕微鏡は、例えば、質量が１原子質量単位以下（例えば、０．９原子質量単位以下、０．８原子質量単位以下、０．７原子質量単位以下、０．６原子質量単位以下、０．５原子質量単位以下、０．４原子質量単位以下、０．３原子質量単位以下、０．２原子質量単位以下、０．１原子質量単位以下）だけ異なる成分を区別するために用いられうる。
【０２３５】
本願明細書に開示したようなシステム及び方法に関連する追加の走査パラメータは、たとえば、上述した、米国特許出願１１／６００，７１１（米国特許出願公開第２００７／０１５８５５８号明細書）、「イオン源、システム及び方法」、ビリーＷ．Ｗａｒｄら、出願日２００６年１１月１５日、において開示されている。
【０２３６】
コンピュータハードウェア及びソフトウェア
概して、上述した分析方法は、コンピュータハードウェア又はソフトウェアにおいて、或いはそれらの組み合わせにより実行されうる。この方法は、標準的なプログラミングテクニックを用いて、本明細書において開示した方法及び図面を参照することにより、コンピュータプログラムに実装可能である。プログラムコードが、入力データに適用され、本明細書に開示したような機能が実行され、出力情報が生成される。出力情報は、１つ又は複数の表示モニタの様な出力装置に適用される。各プログラムは、コンピュータと通信するためのハイレベル手続型言語又はオブジェクト指向言語において実装されうる。しかし、これらのプログラムは、必要に応じて、アセンブリ又はマシン言語においても実装されうる。どのような場合であっても、言語は、コンパイル又は翻訳された言語である。更には、プログラムは、この目的のための専用集積回路において実行することが可能である。
【０２３７】
このような各コンピュータプログラムは、好適には、一般的又は特定目的のプログラム制御可能なコンピュータによって読み出し可能な、記憶媒体又は装置（例えば、ROM又は磁気ディスケット）に記憶され、記憶媒体又は装置をコンピュータによって読み込んで上述の手順を実行する場合に、コンピュータを構成又は動作させる。このコンピュータプログラムは、プログラム実行中において、キャッシュ又はメインメモリに記憶されうる。分析方法は、コンピュータプログラムの記憶されたコンピュータ可読記憶媒体としても実装可能である。この記憶媒体は、コンピュータを特定且つ予め定められた方法で本明細書に記載したような機能を実行するように動作させるように構成されている。
【０２３８】
［変形例］
イオンビームを用いる実施形態について記載してきたが、更に一般的には、あらゆる適切に荷電された粒子ビームを利用することができる。例えば、電子ビームを用いることができる。一部の実施形態においては、電子ビームは走査電子顕微鏡を用いて生成することができる。電子ビームを利用する場合は、本明細書に示した走査プロトコルは、電子ビーに露光することによるサンプルダメージ及び／又は荷電の低減を含む、同様の利点を有する。電子ビーム源及び走査電子顕微鏡システムは、例えば、米国特許第７，１８６，９７６号明細書、「走査電子顕微鏡」、米国特許第７，１０５，８１４号明細書、「電子顕微鏡システム及び電子顕微鏡方法」、米国特許第７，２８５，７８０号明細書、「走査電子顕微鏡のための検出システム及び該検出システムを含む走査電子顕微鏡」、及び、米国特許第６，８５５，９３８号明細書、「電子顕微鏡システムの対物レンズ及び電子顕微鏡システム」に開示される。これらの米国特許の開示内容は、参照により本明細書に組み入れられる。他の実施形態は、請求の範囲に記載する。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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