(57)【要約】【課題】エミッタティップの振動を非接触で防止できるガス電界電離イオン源を備えたイオンビーム装置を提供する。【解決手段】真空容器と、真空排気機構と、真空容器内に針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極と、エミッタティップの冷却機構などから構成され、エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給しガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、イオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、ガス電界電離イオン源及びイオン照射光系を収納する真空容器と、試料を保持する試料ステージを収納する試料室とを有し、冷却機構は、第一の圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、第二の圧縮機ユニットで循環する第２の移動する冷媒ガスで被冷却体を冷却する冷却機構であることを特徴とする。【選択図】図４
2014135291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極と、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部においてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、
前記エミッタティップから引き出したイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、を有し、
前記冷却機構は、第一の圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、第二の圧縮機ユニットで循環する第２の移動する冷媒ガスで被冷却体を冷却する冷却機構であることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項２】
請求項１記載のイオンビーム装置において、
前記第２の移動する冷媒ガスがヘリウム、水素またはネオンであることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項３】
請求項１記載のイオンビーム装置において、
前記冷却機構は、冷凍機と、前記冷凍機と前記ガス電界電離イオン源との間を接続する配管と、前記配管に設けられた熱交換器と、前記配管内にてガスを循環させる循環コンプレッサと、を有し、前記配管が床または支持体に固定支持されていることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項４】
請求項３記載のイオンビーム装置において、
前記冷凍機が、ＧＭ型冷凍機、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機であることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項５】
請求項１記載のイオンビーム装置において、
前記イオンビーム装置を搭載するベースプレートと前記ベースプレートを支持する架台を有し、
前記イオンビーム装置本体とベースプレートの間に防振機構を備え、前記冷却機構が、イオンビーム装置が設置される床もしくはイオンビーム装置架台に対して固定された支持機構に支持され、さらに電界電離イオン源に接続された前記冷却機構の熱交換器と前記真空容器との間に防振機構を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項６】
請求項１記載のイオンビーム装置において、
前記電界電離イオン源に接続された前記冷却機構の熱交換器と前記電界電離イオン源のエミッタティップとの間に変形可能な素材を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン顕微鏡およびイオンーム加工装置などのイオンビーム装置、また、イオンビーム加工装置とイオン顕微鏡との複合装置、イオン顕微鏡と電子顕微鏡との複合装置に関する。また、イオン顕微鏡と電子顕微鏡を適用した解析・検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子を走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ以下、ＳＥＭと略記）と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ以下、ＳＩＭと略記）と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、相対的にスパッタ作用は小さくなり試料を観察するのに好適となる。
【０００３】
さらに、イオンビームは、電子ビームに比べて試料表面の情報に敏感である特徴を有する。これは、二次荷電粒子の励起領域が電子ビームの照射に比べて、試料表面により局在するからである。また、電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、電子に比べて重いため、回折効果を無視することができる。
【０００４】
また、イオンビームを試料に照射して、試料を透過したイオンを検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。これは透過イオン顕微鏡と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、試料を透過する割合が大きくなり観察するのに好適となる。
【０００５】
逆にアルゴン、キセノン、ガリウムなどの質量の重いイオン種を試料に照射すれば、スパッタ作用により試料を加工するのに好適となる。特に、液体金属イオン源（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ、以下ＬＭＩＳと略記）を用いた集束イオンビーム装置（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ、以下ＦＩＢと略記）がイオンビーム加工装置として知られている。更に、近年では走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と集束イオンビーム（ＦＩＢ）の複合機ＦＩＢ−ＳＥＭ装置も用いられる。ＦＩＢ−ＳＥＭ装置では、ＦＩＢを照射して所望の箇所に角穴を形成することにより、その断面をＳＥＭ観察することができる。また、プラズマイオン源やガス電界電離イオン源により、アルゴンやキセノンなどのガスイオンを生成して試料に照射するようにしても試料の加工は可能である。
【０００６】
ところで、イオン顕微鏡では、イオン源として、ガス電界電離イオン源が好適である。ガス電界電離イオン源は先端曲率半径を１００ｎｍ程度にした金属エミッタティップに水素あるいはヘリウムなどのガスを供給し、エミッタティップに数ｋＶ以上の高電圧を印加することにより、ガス分子を電界電離し、これをイオンビームとして引き出すものである。本イオン源の特徴は、エネルギ幅が狭いイオンビームを生成することができ、また、イオン発生源のサイズが小さいため、微細なイオンビームを生成することができることにある。
【０００７】
イオン顕微鏡では、高信号／ノイズ比で試料を観察するためには、試料上で大きな電流密度のイオンビームを得る必要がある。そのためには、電界電離イオン源のイオン放射角電流密度を大きくする必要がある。イオン放射角電流密度を大きくするためには、エミッタティップ近傍のイオン材料ガス（イオン化ガス）の分子密度を大きくすればよい。単位圧力当たりのガス分子密度は、ガスの温度に逆比例する。そのため、エミッタティップを極低温に冷却し、エミッタティップ周辺のガスの温度を低温化すればよい。それによって、エミッタティップ近傍のイオン化ガスの分子密度が大きくすることができる。エミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力を、例えば、１０−２〜１０Ｐａ程度にすることができる。
【０００８】
しかしながら、イオン材料ガスの圧力を〜１Ｐａ以上にすると、イオンビームが中性ガスと衝突して中性化し、イオン電流が低下する。また、電界電離イオン源内のガス分子の個数が多くなると、高温の真空容器壁に衝突して高温化したガス分子が、エミッタティップに衝突する頻度が高くなる。そのため、エミッタティップの温度が上昇してイオン電流が低下する。そのために、電界電離イオン源では、エミッタティップ周辺を機械的に囲うイオン化室が設けられる。イオン化室は、エミッタティップに対向して設けられたイオン引き出し電極を利用して形成される。
【０００９】
特許文献１には、エミッタティップの先端に微小な突出部を形成することによって、イオン源特性が向上することが開示されている。非特許文献１には、エミッタティップ先端の微小な突出部を、エミッタティップ材料とは異なる第２金属を用いて作製することが開示されている。非特許文献２には、ヘリウムをイオン放出するガス電界電離イオン源を搭載した走査イオン顕微鏡が開示されている。
【００１０】
特許文献２には、イオン源の真空槽の側壁の周方向に離間した位置に、該側壁内面から上記イオン源に向けて延びる、長さを外部にて調整可能な振動防止用の複数の支持具を貫設し、上記支持具の内端にて支持面との間に熱絶縁性材料を挟んで上記イオン源を抑えて、イオン源の振動を防止することが開示されている。しかしながら、支持具からイオン源への熱流入については考慮されていない。
【００１１】
特許文献３には、球状デバイスを露光させる際に、球状デバイスを超電導物質上の所定の位置に浮遊せしめることが開示されている。
【００１２】
特許文献４には、イオンエミッタである針状部材と、引き出し電極と、加速電極を有する液体金属イオン源において、加速電極の針状部材に対向する側に、引き出されたイオンを通過させる開口部を有し、引き出されたイオンが自分自身若しくは前記加速電極に衝突することにより発生するスパッタ粒子が針状部材に到達するのを防止するための遮蔽部材が設けられていることが開示されている。
【００１３】
特許文献５には、電子線の通路から出し入れできる可動絞りを備えた電子線装置において、電子線装置本体とは真空的に連通し、かつエアーロック手段によって遮断できる予備室と、該予備室を排気する手段とを設け、電子線装置本体を大気にさらすことなく、該予備室に可動絞りを移動し、かつ交換できるよう構成した走査形電子顕微鏡が開示されている。本装置では、電子線装置本体を大気にさらすことなく、コンタミネーションの付着した可動絞りを容易に交換又はクリーニングすることができる。
【００１４】
特許文献６には、荷電粒子線装置において、電子源の主な排気手段をイオンポンプでは無く非蒸発ゲッタにすることにより装置を小型化することが開示されている。
【００１５】
また、特許文献７には、引き出し電極用高圧導入線をエミッタティップ用高圧導入線に接続するための切り換えスイッチを設けたガス電界電離イオン源が開示されている。このガス電界電離イオン源では、イオン源外壁とエミッタティップの間の強制放電処理いわゆるコンデショニング処理の後にエミッタティップと引き出し電極間の放電を防止することができる。
【００１６】
特許文献８には、ＦＩＢにより試料の異常箇所近傍に角穴を形成し、当該角穴の断面をＳＥＭ装置で観察することにより、欠陥や異物などを観察及び解析する装置が提案されている。
【００１７】
特許文献７には、ＦＩＢ、及び、プローブを用いて、バルク試料から透過電子顕微鏡観察用の微小試料を摘出する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開昭５８−８５２４２号公報
【特許文献２】特開平７−２８２７５９号公報
【特許文献３】特開２００１−１６７９９９号公報
【特許文献４】特開２００３−１２３５６９号公報
【特許文献５】特開平４−２８６８４３号公報
【特許文献６】特開２００７−３１１１１７号公報
【特許文献７】特開２００２−１５０９９０号公報
【特許文献８】再公表特許ＷＯ９９／０５５０６号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｈ．−Ｓ．  Ｋｕｏ、  Ｉ．−Ｓ．  Ｈｗａｎｇ、  Ｔ．−Ｙ．  Ｆｕ、  Ｊ．−Ｙ．  Ｗｕ、  Ｃ．−Ｃ．  Ｃｈａｎｇ、  ａｎｄ  Ｔ．  Ｔ．  Ｔｓｏｎｇ、  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ４  （２００４）、ｐ．２３７９
【非特許文献２】Ｊ．  Ｍｏｒｇａｎ、  Ｊ．  Ｎｏｔｔｅ、  Ｒ．  Ｈｉｌｌ、  ａｎｄ  Ｂ．  Ｗａｒｄ、  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  Ｔｏｄａｙ、  Ｊｕｌｙ  １４  （２００６）、ｐ．２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来の金属エミッタ先端にナノピラミッド構造を持つガス電界電離イオン源では、次のような課題がある。本イオン源の特徴はナノピラミッドの先端の原子１個近傍から放出されたイオンを用いることである。すなわち、イオンが放出される領域が狭くイオン光源がナノメータ以下に小さい。このためイオン光源を同じ倍率で試料に集束するか、縮小率を２分の１程度に大きくすると、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。従来のガリウム液体金属イオン源では、イオン光源の寸法は、約５０ｎｍと推定されている。従って、試料上で５ｎｍのビーム径を実現するためには、縮小率を１／１０以下にする必要がある。この場合、イオン源のエミッタティップの振動は、試料上では１０分の１以下に縮小される。例えば、エミッタティップが１０ｎｍ振動していても、試料上におけるビームスポットの振動は１ｎｍ以下となる。従って、５ｎｍのビーム径に対する、エミッタティップの振動の影響は軽微である。ところが、本例では、縮小率が小さく、１〜１／２程度である。
【００２１】
従って、エミッタティップにおける１０ｎｍの振動は、縮小率が１／２の場合には試料上では５ｎｍの振動となり、ビーム径に対する試料の振動が大きい。すなわち、例えば０．２ｎｍの分解能を実現するためには、大きくともエミッタティップの振動を０．１ｎｍ以下にする必要がある。従来のイオン源はエミッタティップ先端の振動防止という観点では必ずしも十分でなかった。
【００２２】
本願発明者は、エミッタティップ先端のわずかな振動が観察像の分解能を劣化させることに着目した。この観点では従来、イオン源の真空槽の側壁から支持具によりイオン源の振動を防止する試みがあった。しかし、支持材を通してのイオン源への熱流入については考慮されていない。イオン源の温度上昇によりイオン源輝度が低下してしまうという問題があった。また、支持材がイオン源冷却により歪むという問題があった。本願発明者は、イオン源の温度を低く保ち、かつ支持材が冷却により歪むという問題を解決することが、本イオン源の性能を最大限活かすことに繋がることを見出した。
【００２３】
また、前に述べたようにガス電界電離イオン源は、鋭利なエミッタティップ先端でヘリウムなどのガスを電界電離してこれをイオンビームとして引き出す。ここで、ガス分子に不純物が含まれるとこれがエミッタティップ先端近傍に付着する場合がある。ここに近づいたヘリウムがイオン化されると、ナノピラミッド先端へのヘリウムの供給が少なくなり、イオンビーム電流が少なくなってしまう。すなわち、不純物ガスの存在は、イオンビーム電流を不安定にする。従来のイオン源は、エミッタティップへの不純物ガスの低減という観点では必ずしも十分ではなかった。特に、イオンビームがビーム制限アパーチャなどに照射されたときに発生するガスに対する配慮は十分ではなかった。
【００２４】
本願発明者は、イオンビームが制限アパーチャなどに照射されたときに発生するガス、試料室側からイオン源真空容器に流入するガス、イオン源へ供給するイオン材料ガス中に含まれる不純物ガスなどがエミッタティップ先端に付着してイオンビーム電流を不安定にするという問題を見出した。
【００２５】
本発明の目的は、ガス電界電離イオン源用のエミッタティップの振動を低減し、高分解能の試料観察を可能にするイオンビーム装置を提供することにある。また、イオンビームが安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置を提供することにある。
【００２６】
また、本発明の目的は、試料をイオンビームにより加工して断面を形成して、断面を電子顕微鏡で観察する装置に替わり、イオンビームにより加工して断面を形成して、断面をイオン顕微鏡で観察する装置および断面観察方法を提供することを目的とする。
【００２７】
また、本発明の目的は、イオンビーム装置による試料観察、電子顕微鏡による試料観察および元素分析が１台の装置で可能な装置、欠陥や異物などを観察・解析する解析装置、および検査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】
【００２８】
本発明に係るイオンビーム装置は、以下の特徴を有する。
（１）真空容器と、真空排気機構と、真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極と、エミッタティップの冷却機構などから構成され、エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、エミッタティップ先端部においてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、エミッタティップから引き出したイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、ガス電界電離イオン源及びイオン照射光系を収納する真空容器と、試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、を有し、冷却機構は、第一の圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、第二の圧縮機ユニットで循環する第２の移動する冷媒ガスで被冷却体を冷却する冷却機構であることを特徴とする。
（２）上記（１）において、第２の移動する冷媒ガスがヘリウム、水素またはネオンであることを特徴とする。
（３）上記（１）において、冷却機構は、冷凍機と、冷凍機とガス電界電離イオン源との間を接続する配管と、配管に設けられた熱交換器と、配管内にてガスを循環させる循環コンプレッサと、を有し、配管が床または支持体に固定支持されていることを特徴とする。
（４）上記（３）において、冷凍機が、ＧＭ型冷凍機、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機であることを特徴とする。
（５）上記（１）において、イオンビーム装置を搭載するベースプレートとベースプレートを支持する架台を有し、イオンビーム装置本体とベースプレートの間に防振機構を備え、冷却機構が、イオンビーム装置が設置される床もしくはイオンビーム装置架台に対して固定された支持機構に支持され、さらに電界電離イオン源に接続された冷却機構の熱交換器と真空容器との間に防振機構を備えることを特徴とする。
（６）上記（１）において、電界電離イオン源に接続された冷却機構の熱交換器と電界電離イオン源のエミッタティップとの間に変形可能な素材を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、ガス電界電離イオン源用のエミッタティップの振動を低減し、高分解能の試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される。また、イオンビームが安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の概略構成図である。
【図２】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の制御系の概略構成図である。
【図３】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のガス電界電離イオン源の冷却機構の概略構造図である。
【図４】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のガス電界電離イオン源の概略構造図である。
【図５】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のガス電界電離イオン源の振動防止機構の断面図である。
【図６】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のガス電界電離イオン源の振動防止機構の概略構造図である。
【図７】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のガス電界電離イオン源のイオン化室の概略構造図である。
【図８】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のビーム制限アパーチャ傾斜を示す概略構成図である。
【図９】本発明によるイオン顕微鏡の第１の例のイオン化材料純化機構の概略構成図である。
【図１０】本発明によるイオン顕微鏡の第２の例の概略構成図である。
【図１１】本発明によるイオン顕微鏡の第２の例のガス電界電離イオン源の振動防止機構の概略構造図である。
【図１２】本発明によるイオン顕微鏡の第３の例の概略構成図である。
【図１３Ａ】本発明によるイオン顕微鏡の第４の例のガス電界電離イオン源のイオン化室周辺の配線の切断機構（接続状態）の操作を説明する図である。
【図１３Ｂ】本発明によるイオン顕微鏡の第４の例のガス電界電離イオン源のイオン化室周辺の配線の切断機構（切断状態）の操作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１を参照して本発明によるイオンビーム装置の例を説明する。以下に、イオンビーム装置として、走査イオン顕微鏡装置の第１の例を説明する。本例の走査イオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、試料室３、及び、冷却機構４を有する。イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３内は真空に保持される。イオンビーム照射系は、静電型のコンデンサレンズ５、ビーム制限アパーチャ６、ビーム走査電極７、及び、静電型の対物レンズ８を有する。試料室３内には、試料９を載置する試料ステージ１０、及び、二次粒子検出器１１が設けられている。ガス電界電離イオン源１からのイオンビーム１４は、イオンビーム照射系を経由して、試料９に照射される。試料９からの二次粒子線は、二次粒子検出器１１によって検出される。また、図示してないが、イオンビームを照射したときの試料のチャージアップを中和するための電子銃や、試料近傍にエッチングやデポジションガスを供給するガス銃を設ける。
【００３２】
冷却機構４は、ガス電界電離イオン源１を冷却するための冷凍機４０を有する。本例のイオン顕微鏡では、冷凍機４０の中心軸線４０Ａはイオンビーム照射系の光軸１４Ａと平行に配置されている。
【００３３】
本例のイオン顕微鏡は、更に、ガス電界電離イオン源１を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ１２、及び、試料室３を真空排気する試料室真空排気用ポンプ１３を有する。
【００３４】
床２０の上に配置された装置架台１７の上には、防振機構１９を介して、ベースプレート１８が配置されている。ガス電界電離イオン源１、カラム２、及び、試料室３は、ベースプレート１８によって支持されている。
【００３５】
装置架台１７には支柱１０３が設けられている。支柱１０３によって、冷凍機４０が支持されている。冷凍機４０の振動は、支柱１０３を経由して、装置架台１７に伝達される。しかしながら、防振機構１９によって、冷凍機４０の振動は、ベースプレート１８には低減して伝達される。
【００３６】
床２０には、例えばヘリウムガスを作業ガスとする圧縮機ユニット（コンプレッサ）１６が設置され、例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機４に高圧力のヘリウムガスを、配管１１１を通じて供給する。そして高圧力のヘリウムガスがＧＭ型冷凍機内部で周期的に膨張することにより寒冷を発生させ、膨張して低圧力になった低圧ヘリウムガスは配管１１２を通じて圧縮機ユニットに回収される。圧縮機ユニット（コンプレッサ）１６の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達される。装置架台１７とベースプレート１８との間には除振機構１９が配置されており、床の高周波数の振動はガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などには伝達しにくいという特徴を持つ。従って、圧縮機ユニット（コンプレッサ）１６の振動が、床２０を経由して、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３に伝達しにくいという特徴を持つ。ここでは、床２０の振動の原因として、冷凍機４０及びコンプレッサ１６を説明した。しかしながら、床２０の振動の原因はこれに限定されるものではない。
【００３７】
防振機構１９は、防振ゴム、バネ、ダンパ、又は、これらの組合せによって構成されてよい。ベースプレート１８には支柱１０４が設けられている。支柱１０４によって冷却機構４の下部が支持されているが、これについては後に図３を参照して説明する。
【００３８】
本例では、装置架台１７の上に防振機構１９を設けたが、装置架台１７の脚に防振機構１９を設ける、あるいは両者を併用してもよい。
【００３９】
図２は、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の制御装置の例を示す。本例の制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御する電界電離イオン源制御装置９１、冷凍機４０を制御する冷凍機制御装置９２、コンデンサレンズ５を制御するレンズ制御装置９３、ビーム制限アパーチャ６を制御するビーム制限アパーチャ制御装置９４、ビーム走査電極７を制御するイオンビーム走査制御装置９５、二次粒子検出器１１を制御する二次電子検出器制御装置９６、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、及び、各種の演算を行う計算処理装置９９を有する。計算処理装置９９は画像表示部を備える。画像表示部は、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、入力手段によって入力した情報を表示する。
【００４０】
試料ステージ１０は、試料９を試料載置面内にて直交２方向へ直線移動させる機構、試料９を試料載置面に垂直な方向への直線移動させる機構、及び、試料９を試料載置面内にて回転させる機構を有する。試料ステージ１０は、更に、試料９を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム１４の試料９への照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの制御は計算処理装置９９からの指令によって、試料ステージ制御装置９７によって実行される。
【００４１】
本例のイオン顕微鏡のイオンビーム照射系の動作を説明する。イオンビーム照射系の動作は、計算処理装置９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、コンデンサレンズ５によって集束され、ビーム制限アパーチャ６によって、ビーム径が制限され、対物レンズ８によって、集束される。集束されたビームは、試料ステージ１０上の試料９の上に走査されながら、照射される。
【００４２】
試料から放出された二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。計算処理装置９９は、走査イオン顕微鏡像を生成し、それを画像表示部に表示する。こうして、試料表面の高分解能観察を実現することができる。
【００４３】
図３は、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源１とその冷却機構４の構成の例を示す。ガス電界電離イオン源１およびエミッタティップの防振機構７０については、図４にて詳細に説明する。ここでは、冷却機構４を説明する。本例ではガス電界電離イオン源１の冷却機構４として、ＧＭ型冷凍機４０とヘリウムガスポット４３を組み合わせた冷却機構を用いる。ＧＭ型冷凍機の中心軸線は、イオン顕微鏡のエミッタティップ２１を通るイオンビーム照射系の光軸に平行に配置されている。これにより、イオンビームの集束性の向上と冷凍機能の向上を両立できる。
【００４４】
ＧＭ型冷凍機４０は、本体４１と第１冷却ステージ４２Ａと第２冷却ステージ４２Ｂを有する。本体４１は支柱１０３によって支持されている。第１冷却ステージ４２Ａ及び第２冷却ステージ４２Ｂは、本体４１より吊り下げられた構造を有する。
【００４５】
第１冷却ステージ４２Ａの外径は、第２冷却ステージ４２Ｂの外径より大きい。第１冷却ステージ４２Ａの冷凍能力は約５Ｗであり、第２冷却ステージ４２Ｂの冷凍能力は約０．２Ｗである。第１冷却ステージ４２Ａは、約５０Ｋまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、４Ｋまで冷却可能である。
【００４６】
第１冷却ステージ４２Ａの上端部は、ベローズ６９によって囲まれている。第１冷却ステージ４２Ａの下端部と第２冷却ステージ４２Ｂは、ガス密封型のポット４３によって覆われている。ポット４３は、第１冷却ステージ４２Ａを囲むように構成された径が大きい部分４３Ａと、第２冷却ステージ４２Ｂを囲むように構成された径が小さい部分４３Ｂを有する。ポット４３は支柱１０４によって支持されている。支柱１０４は図１に示したように、ベースプレート１８に支持されている。
【００４７】
ベローズ６９及びポット４３は、密閉構造を有し、その内部に、熱伝導媒体としてヘリウムガス４６が充填されている。２つの冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂはヘリウムガス４６に囲まれているが、ポット４３には接触していない。なお、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。
【００４８】
本例のＧＭ型冷凍機４０では、第１冷却ステージ４２Ａは約５０Ｋまで冷却される。そのため第１冷却ステージ４２Ａの周囲のヘリウムガス４６は、約７０Ｋに冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、４Ｋまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂの周囲のヘリウムガス４６は約６Ｋまで冷却される。こうして、ポット４３の下端は、約６Ｋまで冷却される。
【００４９】
ＧＭ型冷凍機４０の本体４１の振動は、支柱１０３と２つの冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂに伝達される。冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂに伝達された振動は、ヘリウムガス４６にて減衰する。ＧＭ型冷凍機の冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂが振動しても、ヘリウムガスが中間に存在するため熱は伝導されるが、機械振動は減衰し、第１冷却ステージ４１および第２冷却ステージ４２で冷却される密封型のポット４３に振動が伝播し難い。特に高い振動数の振動は伝達しにくい。すなわち、ポット４３の機械振動はＧＭ型冷凍機の冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂの機械振動に比べて極めて低減するという効果を奏する。図１を参照して説明したように、コンプレッサ１６の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達されるが、防振機構１９によって、ベースプレート１８に伝達されることが防止される。従って、コンプレッサ１６の振動は、支柱１０４、及び、ポット４３に伝達されることはない。
【００５０】
なお、ポット４３の下端は、熱伝導率の高い銅製の冷却伝導棒５３に接続されている。冷却伝導棒５３内にはガス供給配管２５が設けられている。冷却伝導棒５３は、銅製の冷却伝導管５７によって覆われている。
【００５１】
本例では、ポット４３の径が大きい部分４３Ａに、図示しない輻射シールドが接続されており、この輻射シールドは、銅製の冷却伝導管５７に接続されている。従って、冷却伝導棒５３及び冷却伝導管５７は常にポット４３と同一の温度に保持される。
【００５２】
本例では、ＧＭ型冷凍機４０を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は、２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。
【００５３】
図４を参照して本発明によるイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源、エミッタティップ防振機構７０、及びその周辺の構成の例を詳細に説明する。また、図５は図４のＡＢ線での断面図である。本例のガス電界電離イオン源は、エミッタティップ２１、エミッタベースマウント６４、引き出し電極２４、及び、静電レンズ５９を有する。引き出し電極２４は、イオンビームが通る孔を有する。静電レンズ５９は、本例では、３つの電極を有し、それぞれ中心孔を有する。エミッタティップ２１は、引き出し電極２４に対して対向して配置されている。
【００５４】
静電レンズ５９の下には、走査偏向電極３０１、アパーチャ板３０２、シャッタ３０３。及び、二次粒子検出器３０５が設けられている。なお、イオンビームはイオン照射系の中心線３０６に沿って通過する。
【００５５】
エミッタティップ２１は、上部フランジ５１に吊り下げられており、エミッタティップ２１の支持部は可動構造となっている。一方、引き出し電極２４は真空容器６８に対して固定的に装着されている。真空容器６８は、図１に示したカラムの上部構造である。
【００５６】
エミッタティップ２１は、サファイアベース５２によって支持されている。サファイアベース５２は、銅網線５４を介して、冷却伝導棒５３に接続されている。引き出し電極２４は、サファイアベース５５によって支持されている。サファイアベース５５は、銅網線５６を介して、冷却伝導棒５３に接続されている。従って、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、銅網線５４、冷却伝導棒５３、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。同様に、引き出し電極２４、サファイアベース５５、銅網線５６、冷却伝導棒５３、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却したポット４３内のヘリウムガスである第２のガスで被冷却体であるエミッタティップ２１を冷却する冷却機構である。
【００５７】
また、エミッタティップ２１及び引き出し電極２４を囲むように輻射シールド５８が設けられている。輻射シールド５８は、引き出し電極２４及びイオン化室への熱輻射による熱流入を低減する。輻射シールド５８は、冷却伝導管５７に接続されている。静電レンズ５９の３つの電極のうち、引き出し電極２４に最も近い電極６０は、輻射シールド５８に接続されている。電極６０、輻射シールド５８、冷却伝導管５７、輻射シールド、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。
【００５８】
本例では、サファイアベース５２、５５と冷却伝導棒５３は、変形可能な銅網線５４、５６によって接続されている。銅網線５４は、エミッタティップ２１の位置が変位しても、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、及び、冷却伝導棒５３からなる伝熱経路を保持する機能を有する。更に、可撓性が高い銅網線５４は、冷却伝導棒５３を経由して、サファイアベース５２及びエミッタティップ２１に高周波振動が伝達されるのを防止する。銅網線５６は、冷却伝導棒５３を経由して、サファイアベース５５及び引き出し電極２４に高周波振動が伝達されるのを防止する。なお、伝熱部材である銅網線５４は熱伝導率が高く、振動を伝えにくい柔軟な部材であれば銅に限定されるものでなく、銀網線でも良い。本装置では既に述べたように、床からの振動や冷凍機の振動がエミッタティップに減衰して伝達する工夫を施している。しかしながら、本イオン源の特性を最大限に活かすために、さらに、次のような振動防止機構を備える。すなわち、サファイアベース５２に接続されるエミッタベースマウント６４の一部に反磁性体ブロック７１を挿入し、この反磁性体ブロック７１周囲にリング状電磁石７２を配置した。反磁性体ブロック７１は極低温で反磁性を示す物質、例えばＥｒ３Ｎｉが好ましい。なお、リング状電磁石は支持材７３で真空容器６８に固定してある。この電磁石７２を動作させると、反磁性体ブロック７１との間に磁気的相互作用として反発力が働き、反磁性体ブロック７１を電磁石に対して固定する力が働く。なお、リング状電磁石７２はその位置を真空容器外部からノブ７４を操作することにより調整でき、エミッタティップ位置を調整することが可能である。また、反磁性体ブロック７１とリング状電磁石７２とは非接触であり、エミッタティップに伝導では熱を伝えない。このため、エミッタティップ２１が極低温に保たれ、エミッタティップからのイオン電流を大きくできるという効果も奏する。なお、本実施例の電磁石の代わりに、反磁性体ブロック周囲に永久磁石を配置しても良い。
【００５９】
また、本実施例の電磁石を超電導（超伝導）コイルによって構成すると、より強い磁場によってエミッタティップは強固に固定される。この場合には、超電導ブロックを冷却された輻射シールド５８と接続して、超電導体ブロックを冷却して超電導状態にする。さらに、支持材７３を熱伝導率の低い材料、例えばガラス繊維強化プラスチックやピーク材料などを用いる。これにより、超電導体ブロックへの熱の伝達を少なくして超電導状態を保つ。
【００６０】
以上の例では、エミッタティップの固定力はイオンビーム引き出し方向とは垂直方向に働いている。この場合には、特にイオン像の分解能が向上するイオンビーム装置が実現する。これとは別に、図５に示すように反磁性体ブロック７１と電磁石７２を配置して、イオンビーム引き出し方向と平行方向にエミッタティップ２１の固定力が働くようにしても良い。この場合には、エミッタティップと引き出し電極との距離が一定に保たれ、安定なイオンビーム電流が得られるという効果を奏する。また、両者を組み合わせれば、より強固なエミッタティップの固定が実現し、両者の効果を同時に実現することもできる。こうして本実施例では、エミッタティップの極低温化を実現し、より大電流のイオンビームが得られるガス電界電離イオン源が提供され、ひいては高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供されるという効果を奏する。
【００６１】
なお、本例のガス電界電離イオン源では、引き出し電極は真空容器に対して固定されているが、エミッタティップは引き出し電極に対して可動である。そのため、引き出し電極の孔に対するエミッタティップの位置調整、及び、光学系に対するエミッタティップの軸調整が可能であり、微細なイオンビームを形成することが可能である。
【００６２】
なお、本明細書でいうエミッタベースマウントとは、エミッタティップを真空容器から支える部材またはその一部を意味する。また、エミッタベースマウントを非接触で固定する場合の、「非接触」とは、固定力を発生させるのに必ずしも接触する部材が必要ないという意味で、固定力以外の目的で、例えば電圧供給や配線を接続する目的などで、接触する部材があっても、「非接触」であると定義する。
【００６３】
エミッタティップの軸調整を説明する。シャッタ３０２を移動させて、シャッタ３０２に設けられた孔をイオンビーム照射系の中心軸線３０６から偏芯させる。エミッタティップ２１によって生成されたイオンビーム１４は、静電レンズ５９を通過し、走査偏向電極３０１を通過し、更に、アパーチャ板３０２の穴を通過し、シャッタ３０２に衝突する。シャッタ３０２から、二次電子などの二次粒子３０４が発生する。二次粒子３０４を二次粒子検出器３０５によって検出し、二次粒子像を得ることができる。シャッタ３０２の上部に微小な突起を設けておけば、二次粒子像で、エミッタティップのイオン放射パターンを観察することができる。あるいは、微細な穴を設け、アパーチャ板３０２をイオンビームに垂直な２方向に機械的に移動走査させて、アパーチャ板３０２を通過したイオンビームが別のシャッタ板に照射されたときの二次粒子を検出してもイオン放出パターンを観察することができる。
【００６４】
このようにイオン放射パターンを観察しながら、エミッタティップの位置、及び、角度を調整する。エミッタティップの軸調整の後に、シャッタ３０２を移動させる。それによって、イオンビームはシャッタ３０２の孔を通過する。また、可動放射パターン観察機構３０３を用いることができる。すなわち、可動放射パターン観察機構３０３を移動させて、可動放射パターン観察機構３０３に設けられた孔をイオンビーム照射系の中心軸線３０６から偏芯させる。可動放射パターン観察機構３０３にはマイクロチャンネルプレートと蛍光版からイオン像検出器３０７が配置されており、蛍光板の像をイオン像検出器３０７の下に配置した鏡によって観察することが可能である。すなわち、イオンビームの放射方向や放射パターンを観察することができる。観察が終了したら、可動放射パターン観察機構３０３に設けられた孔をイオンビーム照射系の中心軸線３０６に戻し、イオンビームを通過させる。
【００６５】
図７を参照して、本発明によるイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源の構成を更に詳細に説明する。なお、エミッタティップ２１の非接触固定方法は前に述べた方法とは別の例を説明する。本例のガス電界電離イオン源は、エミッタティップ２１、１対のフィラメント２２、フィラメントマウント２３、支持棒２６、及び、エミッタベースマウント６４を有する。エミッタティップ２１は、フィラメント２２に固定されている。フィラメント２２は支持棒２６に固定されている。支持棒２６はフィラメントマウント２３に支持されている。フィラメントマウント２３は、エミッタベースマウント６４に固定されている。エミッタベースマウント６４は、図４に示したように、上部フランジ５１に装着されている。エミッタベースマウント６４と輻射シールド５８又は真空容器６８は、ベローズ６１によって接続されている。
【００６６】
本装置では既に述べたように、床からの振動や冷凍機の振動をエミッタティップに伝達しない工夫を施している。しかしながら、本イオン源の特性を最大限に活かすために、さらに、次のような振動防止機構を備える。すなわち、サファイアベース５２に接続されるエミッタベースマウント６４の一部に超電導体ブロック７５を挿入し、この超電導体ブロック７５周囲にリング状電磁石７２を配置した。なお、リング状電磁石は支持材７３で真空容器６８に固定してある。なお、リング状電磁石７２はその位置を真空容器外部からノブ７４を操作することにより調整できる。
【００６７】
本例のガス電界電離イオン源は、更に、引き出し電極２４、円筒状の抵抗加熱器３０、円筒状の側壁２８、及び、天板２９を有する。引き出し電極２４はエミッタティップ２１に対向して配置され、イオンビーム１４が通るための孔２７を有する。天板２９には、絶縁材６３が接続されている。絶縁材６３とフィラメントマウント２３の間には、ベローズ６２が装着されている。
【００６８】
側壁２８及び天板２９は、エミッタティップ２１を囲んでいる。引き出し電極２４、側壁２８、天板２９、ベローズ６２、絶縁材６３、及び、フィラメントマウント２３によって囲まれる空間を、イオン化室１５と呼ぶ。
【００６９】
また、イオン化室１５にはガス供給配管２５が接続されている。このガス供給配管２５によって、エミッタティップ２１に、イオン材料ガス（イオン化ガス）が供給される。イオン材料ガス（イオン化ガス）は、ヘリウム又は水素である。
【００７０】
イオン化室１５は、引き出し電極２４の孔２７とガス供給配管２５を除いて、密閉されている。ガス供給配管２５を経由してイオン化室内には供給されたガスは、引き出し電極の孔２７とガス供給配管２５以外の領域から漏洩することは無い。引き出し電極２４の孔２７の径を十分小さくすることによって、イオン化室内を高い気密性及び密閉性を保持することができる。引き出し電極２４の孔２７の径は、例えば、０．２ｍｍ以下である。それによって、ガス供給管２５からイオン化室１５にイオン化ガスを供給すると、イオン化室１５のガス圧力は真空容器のガス圧力よりも少なくとも１桁以上大きくなる。それによってイオンビームが真空中のガスと衝突して中性化する割合が減少し、大電流のイオンビームを生成することができる。
【００７１】
抵抗加熱器３０は、引き出し電極２４、側壁２８等を脱ガス処理するために用いる。引き出し電極２４、側壁２８等を加熱することによって、それより脱ガス化する。抵抗加熱器３０は、イオン化室１５の外側に配置する。従って、抵抗加熱器自身が脱ガス化しても、それはイオン化室外で行われるから、イオン化室内は高真空化することができる。
【００７２】
本例では脱ガス処理に、抵抗加熱器を用いたが、代わりに、加熱用ランプを用いてもよい。加熱用ランプは、引き出し電極２４を非接触で加熱できるため、引き出し電極の周囲構造を簡単にできる。更に、加熱用ランプでは、高電圧を印加する必要が無いため、加熱用ランプ電源の構造が簡単である。更に、抵抗加熱器を用いる代わりに、ガス供給配管２５を介して高温の不活性ガスを供給して、引き出し電極、側壁等を加熱し、脱ガス処理してもよい。この場合、ガス加熱機構を接地電位にすることができる。更に、引き出し電極の周囲構造が簡単になり、且つ、配線及び電源が不要である。
【００７３】
試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３に装着された抵抗加熱器によって、試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を約２００℃まで加熱し、試料室３の真空度を大きくとも１０−７Ｐａ以下にするとよい。それによって、イオンビームを試料に照射したときに、試料の表面にコンタミネーションが付着することが回避され、試料の表面を良好に観察できる。従来の技術では、試料の表面にヘリウムイオン又は水素イオンのビームを照射すると、コンタミネーションによるデポジションの成長が早いため、試料表面の観察が困難になる場合があった。そこで、試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を真空の状態で加熱処理し、試料室３の真空内のハイドロカーボン系の残留ガスを微量化する。それによって、試料の最表面を高分解能で観察できる。
【００７４】
次に、本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。イオン源真空排気用ポンプ１２によって真空容器内を真空排気する。抵抗加熱器３０によって、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９の脱ガス処理を行う。即ち、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９を加熱することにより脱ガス化する。尚、同時に、真空容器の外側に別の抵抗加熱器を配置し、真空容器を加熱してよい。それによって、真空容器内の真空度が向上し、残留ガス濃度が低下する。この操作によりイオン放出電流の時間安定性を向上させることができる。
【００７５】
脱ガス処理が終了すると、抵抗加熱器３０による加熱を停止し、十分な時間が経過した後、冷凍機を運転する。それによってエミッタティップ２１、引き出し電極２４、及び、輻射シールド５８等が冷却される。次に、ガス供給配管２５によりイオン化ガスをイオン化室１５に導入する。イオン化ガスはヘリウム又は水素であるが、ここでは、ヘリウムであるとして説明する。上述のように、イオン化室内は高い真空度を有する。従って、エミッタティップ２１によって生成されたイオンビームがイオン化室内の残留ガスと衝突して中性化する割合が少なくなる。そのため、大電流のイオンビームを生成することができる。また、高温のヘリウムガス分子が引き出し電極と衝突する個数は減少する。そのため、エミッタティップ、及び、引き出し電極の冷却温度を下げることができる。したがって、大電流のイオンビームを試料に照射できる。
【００７６】
次に、エミッタティップ２１と引き出し電極２４の間に電圧を印加する。エミッタティップの先端に強電界が形成される。ガス供給配管２５から供給されたヘリウムの多くが、強電界によってエミッタティップ面に引っ張られる。ヘリウムは、最も電界の強いエミッタティップの先端近傍に到達する。そこでヘリウムが電界電離し、ヘリウムイオンビームが生成される。ヘリウムイオンビームは、引き出し電極２４の孔２７を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。
【００７７】
なお、エミッタティップの固定方法、すなわち、サファイアベース５２に接続されるエミッタティップマウントの一部に超電導体ブロックを用いた振動防止機構については後述する。
【００７８】
次に、エミッタティップ２１の構造及び作製方法を説明する。先ず、直径約１００〜４００μｍ、軸方位＜１１１＞のタングステン線を用意し、その先端を鋭利に成形する。それによって、曲率半径が数１０ｎｍの先端を有するエミッタティップが得られる。このエミッタティップの先端に、別の真空容器注で白金を真空蒸着させる。次に、高温加熱下にて、白金原子をエミッタティップの先端に移動させる。それによって、白金原子によるナノメートルオーダのピラミッド型構造が形成される。これをナノピラミッドと呼ぶことにする。ナノピラミッドは、典型的には、先端に１個の原子を有し、その下に３個又は６個の原子の層を有し、さらにその下に１０個以上の原子の層を有する。
【００７９】
なお、本例では、タングステンの細線を用いたがモリブデンの細線を用いることもできる。また、本例では、白金の被覆を用いたが、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等の被覆を用いることもできる。
【００８０】
イオン化ガスとしてヘリウムを用いる場合には、ヘリウムが電離する電界強度よりも金属の蒸発強度が大きいことが重要である。従って、白金、レニウム、オスミウム、イリジウムの被覆が好適となる。イオン化ガスとして水素を用いる場合には、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム、イリジウムの被覆が好適である。なお、これらの金属の被覆の形成は、真空蒸着法によっても可能であるが、溶液中でのメッキによっても可能である。
【００８１】
また、エミッタティップの先端にナノピラミッドを形成する方法として、他に、真空中での電界蒸発、イオンビーム照射等を用いてもよい。このような方法によって、タングステン線又はモリブデン線の先端にタングステン原子又はモリブデン原子ナノピラミッドを形成することができる。例えば＜１１１＞のタングステン線を用いた場合には、先端が３個のタングステン原子で構成されるのが特徴となる。
【００８２】
上述のように、本発明によるガス電界電離イオン源のエミッタティップ２１の特徴は、ナノピラミッドにある。エミッタティップ２１の先端に形成される電界強度を調整することによって、エミッタティップの先端の１個の原子の近傍でヘリウムイオンを生成させることができる。従って、イオンが放出される領域、即ち、イオン光源は極めて狭い領域であり、ナノメータ以下である。このように、非常に限定された領域からイオンを発生させることによって、ビーム径を１ｎｍ以下とすることができる。そのため、イオン源の単位面積及び単位立体角当たりの電流値は大きくなる。これは試料上で微細径・大電流のイオンビームを得るためには重要な特性である。
【００８３】
特に、タングステンに白金を蒸着した場合には、先端に１個の原子が存在するナノピラミッド構造が安定して形成される。この場合、ヘリウムイオン発生箇所は、先端の１個の原子近傍に集中される。タングステン＜１１１＞の先端の３個の原子の場合には、ヘリウムイオン発生箇所は、３個の原子近傍に分散される。したがって、ヘリウムガスが１個の原子に集中して供給される白金のナノピラミッド構造を持つイオン源の方が単位面積・単位立体角から放出される電流は大きくできる。すなわち、タングステンに白金を蒸着したエミッタティップとすれば、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる効果を奏する。なお、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジュウム、ロジュウム、などを用いても、先端原子１個のナノピラミッドが形成された場合には、同様に単位面積・単位立体角から放出される電流を大きくすることができ、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる。
【００８４】
図８に、ビーム制限アパーチャから脱離ガスのエミッタティップへの付着低減に関するイオンビーム装置を示す。既に述べたように、ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、コンデンサレンズ５によって集束され、ビーム制限アパーチャ６によって、ビーム径が制限され、対物レンズ８によって、集束される。集束されたビームは、試料ステージ１０上の試料９の上に走査されながら、照射される。ここで、従来のイオン顕微鏡では、イオンビームがビーム制限アパーチャなどに照射されたときに発生するガスに対するエミッタティップへの付着およびイオンビーム電流安定度低下という観点では十分な対策が採られていなかった。すなわち、本願発明者は、イオンビームがビーム制限アパーチャなどに照射されたときに発生する脱離分子がエミッタティップ先端に付着してイオンビーム電流を不安定にするという問題を見出した。すなわち、エミッタティップ先端に付着した分子に近づいたヘリウムがイオン化されると、ナノピラミッド先端へのヘリウムの供給が少なくなり、イオンビーム電流が少なくなってしまう。すなわち、不純物ガスの存在は、イオンビーム電流を不安定にする。
【００８５】
そこで、ビーム制限アパーチャが板５００に開けられた穴であるとき、本発明では図８に示すようにイオンビームの照射方向５０１と板の垂線５０２とが傾斜関係にあるように構成した。これによると、イオンビーム１４がビーム制限アパーチャ５００に照射されたときに発生する脱離分子５０３の多くはエミッタティップ２１の方向には飛行せず、エミッタティップ２１に付着する分子も飛躍的に減少する。したがって、イオンビーム電流を不安定にするということが少なくなる、すなわちイオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される。特に、イオンビームの照射方向と板の垂線との角度を４５度以上に大きくすると、エミッタティップには、ほとんど不純物ガス分子が付着することなくイオンビーム電流が特に安定することがわかった。
【００８６】
また、ビーム制限アパーチャに吸着した不純物ガスが脱離するという観点で、ビーム制限アパーチャを含む真空容器の真空度を１０−７Ｐａ以下にすると特に効果的であることを見出した。また、このビーム制限アパーチャを含む真空容器は約２００℃に加熱可能なベーキングヒータ５０４を備えており真空排気しながらベーキングすることにより真空度を１０−７Ｐａ以下にすることが可能である。また、ビーム制限アパーチャの板５００はプラズマを使ったクリーニングにより付着分子が少ない状態にしておくとさらに効果的である。なお、ビーム制限アパーチャを内包する真空容器を排気する真空ポンプ５０５はノーブルポンプ、イオンポンプ及び非蒸発ゲッタポンプなどが好適であり、特にターボ分子ポンプやロータリポンプを動作させない真空排気システムとすると、エミッタティップの振動が低下して高分解能の像が得られるという効果を奏する。
【００８７】
また、ヘリウムや水素などの質量の軽い元素をイオンビームとして引き出す前に、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの質量の重い元素をイオンビームとして引き出して、ビーム制限アパーチャに照射する。こうすると、ビーム制限アパーチャに付着していた不純物の多くが脱離して、ヘリウムや水素などの質量の軽い元素をイオンビームとして照射する場合に、ビーム制限アパーチャから脱離する不純物ガスが減少することを見出した。すなわちイオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される。
【００８８】
次に、エミッタティップ周辺に供給するイオン化ガス中の不純物がイオン電流を不安定化する現象に着目した例について、図９を用いて説明する。本イオン源のイオン化ガスを供給するガスの純度は高く、不純物の濃度は１／１０５レベルである。しかし、本願発明者は、わずかに含まれる不純物ガスがエミッタティップ先端に付着してイオンビーム電流を不安定にするという問題を見出した。このため、本実施例では、図９に示すように非蒸発ゲッタ材料を含んだイオン源純化用バッファタンク５１１を設けた。本バッファタンク周囲にはバッファタンク全体を約２００℃に加熱可能なベーキングヒータ５１２および、非蒸発ゲッタ材料５１３を５００℃に加熱可能な活性化ヒータ５１４を備える。また、イオン材料ガスボンベ５１５との間に開閉バルブ５１６および、真空ポンプ５１７との間に開閉バルブ５１８を備える。
【００８９】
次に、イオン源純化用バッファタンクの使い方について述べる。まず、真空ポンプ５１７との間のバルブ５１８を開けて、バッファタンク５１１を真空状態にする。その後、バッファタンク全体を約２００℃で加熱して、タンク内壁に吸着した不純物ガスを排気する。加熱終了直後に、非蒸発ゲッタ材料５１３を５００℃に加熱する。これにより非蒸発ゲッタ材料５１３は活性化され、ガス分子を吸着する。ただし、イオン材料ガスをヘリウムや、アルゴンなどの不活性ガスにした場合にはこれらを吸着しない。次に、真空ポンプとの間のバルブを閉めて、ボンベガス５１５との間のバルブ５１６を開けて一定量バッファタンク中にイオン材料ガスが溜まった後、バルブ５１６を閉める。すると、イオン源材料中に含まれる不純物ガスは非蒸発ゲッタ材料に吸着して、イオン源材料ガスが純化される。このガスを流量調整バルブで流量を制御して、イオン源中に導く。すなわち、イオン化室のエミッタティップ２１周辺に導入する。すると、エミッタティップ２１に付着する不純物ガス分子も飛躍的に減少し、イオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される
また、図７では、イオン化室に非蒸発ゲッタ材料を用いている。本実施例では、イオン材料ガス供給配管２５から放出されるガスが衝突する壁にゲッタ材料５２０を配置した。また、イオン化室外壁には加熱ヒータ３０が備えられておりイオン化ガス導入前に、非蒸発ゲッタ材料５２０を加熱して活性化する。また、非蒸発ゲッタ材料から放出される不純物ガスがエミッタティップ２１に直接向かわないように、エミッタティップには汚れ防止カバー５２１を設けた。そして、イオン源を極低温に冷却した後、イオン化ガスをイオン材料ガス供給配管２５から供給する。このようにすると、エミッタティップに付着する不純物ガス分子が飛躍的に減少し、イオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される
また、同様に試料室真空容器からイオン源真空容器に流入する不純物ガスがエミッタティップ先端に付着してイオンビーム電流を不安定にするという問題を見出した。このため、試料室の真空度をノーブルポンプ、イオンポンプ及び非蒸発ゲッタポンプで１０−７Ｐａまで排気して、イオン源真空容器に流入する不純物ガスをできるだけ減少するようにした。これにより、エミッタティップに付着する不純物ガス分子も飛躍的に減少し、イオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を可能にするイオンビーム装置が提供される。
【００９０】
本イオン源の特徴はナノピラミッドの先端の原子１個近傍から放出されたイオンを用いることである。すなわち、イオンが放出される領域が狭くイオン光源がナノメータ以下に小さい。このためイオン光源を同じ倍率で試料に集束するか、縮小率を２分の１程度に大きくすると、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。従来のガリウム液体金属イオン源では、イオン光源の寸法は、約５０ｎｍと推定されている。従って、試料上で５ｎｍのビーム径を実現するためには、縮小率を１／１０以下にする必要がある。この場合、イオン源のエミッタティップの振動は、試料上では１０分の１以下に縮小される。例えば、エミッタティップが１０ｎｍ振動していても、試料上におけるビームスポットの振動は１ｎｍ以下となる。従って、５ｎｍのビーム径に対する、エミッタティップの振動の影響は軽微である。ところが、本例では、縮小率が小さく、１〜１／２程度である。従って、エミッタティップにおける１０ｎｍの振動は、縮小率が１／２の場合には試料上では５ｎｍの振動となり、ビーム径に対する試料の振動が大きい。すなわち、例えば０．２ｎｍの分解能を実現するためには、大きくともエミッタティップの振動を０．１ｎｍ以下にする必要がある。従来のイオン源はエミッタティップ先端の振動防止という観点では必ずしも十分でなかった。
【００９１】
そこで、本発明によると、図１に示したように、防振機構を設ける。即ち、防振機構１９によって、冷凍機４０及びコンプレッサ１６の振動が、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３に伝達されにくくなる。コンプレッサ１６の振動が、ポット４３及び試料ステージ１０に伝達されにくくなる。
【００９２】
さらに、図７に示すように、本発明では、サファイアベース５２に接続されるエミッタベースマウント６４の一部に超電導体ブロック７５を用いた振動防止機構を設けた。超電導体ブロック周囲にはリング状電磁石７２が配置してあり、リング状電磁石は支持材７３で真空容器に固定してある。まず、超電導状態に無い温度で電磁石を動作させておく。そして、エミッタティップ冷却に伴い超電導体ブロックを超電導状態にする。すると、超電導体ブロックは電磁石からの磁場を固定する、いわゆるピニング効果が表れる。すると、超電導体ブロック７５とリング状電磁石７２は非接触で固定されることになり、超電導体ブロック７５の先端に取り付けられたエミッタティップの振動が防止されることになる。なお、リング状電磁石はその位置を真空容器外部から調整でき、エミッタティップ位置を調整することが可能である。また、超電導体ブロックとリング状電磁石とは非接触であり、エミッタティップに伝導では熱を伝えない。このため、エミッタティップが極低温に保たれ、エミッタティップからの電流を大きくできるという効果も奏する。
【００９３】
なお、本発明の電磁石を超電導コイルによって構成すると、より強い磁場によってエミッタティップは強固に固定される。また、リング状電磁石の代わりに、超電導ブロック周囲に永久磁石を配置しても良い。
【００９４】
また、超電導体ブロック７５周囲に複数の電磁石を配置しても良い。そして、複数の電磁石の磁場強度を制御することにより、エミッタティップベースマウントの位置を制御することができるようになる。以上述べたように、本発明によると、微小な径のイオンビームを生成し、かつエミッタティップの振動を防止することによって、試料表面の高分解能観察を実現することができる。また、本イオン源ではイオン化室の気密が高く、イオン化室の外側では真空度が高いためイオンビームが真空中のガスと衝突して中性化する割合が少ないため、大電流のイオンビームを試料に照射できるという効果を奏する。また、高温のヘリウムガス分子が引き出し電極と衝突する個数が少なくなり、エミッタティップおよび引き出し電極の冷却温度を下げることができ、大電流のイオンビームを試料に照射できるという効果を奏する。
【００９５】
なお、不測の放電現象などによりナノピラミッドが損傷した場合は、エミッタティップを約３０分間加熱（１０００℃程度）する。それにより、ナノピラミッドを再生することが可能である。すなわち、容易にエミッタティップを修復することができる。そのため、実用的なイオン顕微鏡を実現することができる。なお、対物レンズ８の先端と試料９の表面までの距離は仕事距離と称される。本イオンビーム装置では仕事距離が２ｍｍ未満にすると、分解能は０．５ｎｍ未満となり、超分解能が実現する。従来は、ガリウムなどのイオンが用いられていたため試料からのスパッタ粒子が対物レンズを汚染して、正常動作を妨げる懸念があった。本発明によるイオン顕微鏡ではこの懸念が少なく超高分解能を実現できた。
【００９６】
以上、本発明のガス電界電離イオン源およびイオンビーム装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。
【００９７】
更に、本発明のガス電界電離イオン源によれば、引き出し電極２４の孔２７を十分小さくすることによって、イオン化室の密閉度が高まり、イオン化室の高ガス圧力を実現できる。そのため、大電流のイオン放出が可能となる。
【００９８】
また、本発明のガス電界電離イオン源によれば、冷却機構４からエミッタティップ２１までの伝熱経路が設けられるため、エミッタの極低温化が実現できる。そのため、大電流のイオンビームが得られる。また、本発明のガス電界電離イオン源によれば、引き出し電極を固定構造とし、エミッタティップを可動構造とし、変形可能な素材を挟んでエミッタティップと引き出し電極を接続したことにより、エミッタティップの軸調整が容易化およびイオンの大電流化が実現できる。
【００９９】
図１０を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第２の例を説明する。本例のイオン顕微鏡を、図１に示した第１の例と比較すると、ガス電界電離イオン源１のための冷却機構４の構成が異なる。ここでは、冷却機構４について説明する。本例の冷却機構４は、真空チャンバ８１と冷却タンク８２を有する。真空チャンバ８１は、真空容器によって構成されており、その中に、冷却タンク８２が収納されている。真空チャンバ８１と冷却タンク８２は接触していない。従って、振動及び熱が、真空チャンバ８１と冷却タンク８２の間ではほとんど伝達されない。
【０１００】
冷却タンク８２は、真空排気口８３を有する。真空排気口８３は図示しない真空ポンプに接続されている。冷却タンク８２には図３に示した例１と同様に銅製の冷却伝導棒５３が接続されている。図３及び図４に示した冷却機構と同様に、本例でも、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、銅網線５４、冷却伝導棒５３、及び、冷却タンク８２は伝熱経路を構成する。同様に、引き出し電極２４、サファイアベース５５、銅網線５６、冷却伝導棒５３、及び、冷却タンク８２は伝熱経路を構成する。なお、伝熱部材である銅網線５４は熱伝導率が高く、振動を伝えにくい柔軟な部材であれば銅に限定されるものでなく、銀網線でも良い。
【０１０１】
先ず、冷却タンク８２に、液体窒素を導入し、真空排気口８３を介して、冷却タンク内を真空排気する。それによって、液体窒素の温度は低下する。液体窒素は凝固し、固体窒素８４となる。
【０１０２】
本例では、液体窒素が完全に固化したら、真空排気口８３に接続された真空ポンプを停止し、エミッタティップ２１よりイオンビームを生成する。真空ポンプを停止すると、真空ポンプの機械振動は生じない。
【０１０３】
イオンビームの生成中、エミッタティップ２１及び引き出し電極２４と冷却タンク８２の間の伝熱経路を介して、熱が伝達される。それによって、冷却タンク８２内の固体窒素は、昇華又は融解する。本例ではエミッタティップ２１及び引き出し電極２４の冷却に、固体窒素の昇華熱、融解熱等の潜熱を利用することができる。
【０１０４】
固体窒素がすべて液化して沸騰が始まる前に、真空排気口８３に接続された真空ポンプを作動し、冷却タンク８２内を真空排気する。それによって、液体窒素の温度が低下し、固化する。液体窒素が全て固化したら、再度、真空排気口８３に接続された真空ポンプを停止する。これを繰返し、冷却タンク８２内の窒素の温度を常に窒素の融点付近に維持することができる。冷却タンク８２内の窒素の温度は、常に、沸騰点より低温である。従って、液体窒素の沸騰に起因する振動は生じない。こうして本例の冷却機構は機械的振動を発生させない。そのため、高分解能観察が可能となる。
【０１０５】
本例では、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を制御するために、冷却タンク８２内の窒素の温度を計測する。例えば、窒素の温度が融点より高い所定の温度になったら、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を開始する。窒素の温度が融点より低い所定の温度になったら、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を停止する。尚、冷却タンク８２内の窒素の温度の代わりに、真空度を計測し、それによって、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を制御してもよい。
【０１０６】
本例では、冷却タンク８２内を真空排気することによって、冷却タンク８２内の液体窒素を冷却した。しかしながら、それでは、気相の窒素が排気され、窒素は時間と共に減少する。そこで、冷凍機を用いて、冷却タンク８２内の固体窒素を冷却してもよい。それによって、窒素の減少を防止することができる。尚、好ましくは、冷凍機の運転中は、ガス電界電離イオン源１によるイオンビームの生成を停止する。すなわち、本実施例のイオン源によれば、機械振動の低減が実現し高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供される。
【０１０７】
床２０の上に配置された装置架台１７の上には、防振機構１９を介して、ベースプレート１８が配置されている。ガス電界電離イオン源１、カラム２、及び、試料室３は、ベースプレート１８によって支持されている。
【０１０８】
装置架台１７には支柱８５が設けられている。支柱８５によって、冷却タンク８２の真空排気口８３が支持されている。支柱８５と真空チャンバ８１の間は、ベローズ８６によって接続されている。ベースプレート１８には支柱８７が設けられている。真空チャンバ８１は、支柱８７によって支持されていると同時に、ベローズ８６を介して、支柱８５によって吊り下げられている。
【０１０９】
ベローズ８６は、高周波の振動の伝達を低減する。従って、床２０からの振動が、装置架台１７を経由して支柱８５に伝達されても、ベローズ８６によって低減される。従って、床２０からの振動は、支柱８５を経由して真空チャンバ８１にほとんど伝達されない。床２０からの振動は、装置架台１７に伝達される。しかしながら、防振機構１９によって、床２０からの振動は、ベースプレート１８にはほとんど伝達されない。従って、床２０からの振動は、支柱８７を経由して、真空チャンバ８１にほとんど伝達されない。
【０１１０】
以上より、本例によると、床２０からの振動が、真空チャンバ８１及び冷却タンク８２に伝達されることはない。従って、床２０からの振動が、冷却機構４を介してガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３に伝達されることがない。
【０１１１】
従来技術では、液体窒素を収納するタンクの振動を考慮する例があった。しかしながら、タンクの振動が真空チャンバに伝達し、更に、イオンビームに影響を及ぼすことは、充分検討されていなかった。本発明によると、冷却タンク８２の振動は真空チャンバ８１に伝達されにくい。また、真空チャンバ８１及び冷却タンク８２を介した床２０からの振動が低減されるため、高分解能のイオンビーム顕微鏡が提供される。
【０１１２】
なお、本例では冷却タンク８２に窒素を装填したが、窒素以外に、ネオン、酸素、アルゴン、メタン、水素などを用いてもよい。特に固体ネオンを用いた場合には、ヘリウム又は水素イオンビームを大電流化するのに好適な低温を実現できる。次に、図１１に本実施例でのエミッタティップ防振機構を示す。本実施例では、エミッタベースマウント６４の一部に複数の永久磁石５３０を埋め込んだ振動防止機構を設けた。永久磁石５３０周囲には超電導体ブロック５３１が配置してあり、イオン化室側壁２８に固定してある。エミッタティップすなわちイオン化室の冷却に伴い超電導体ブロック５３１を超電導状態にする。すると、超電導体ブロックは永久磁石５３０からの磁場を固定する、いわゆるピニング効果が表れる。すると、超電導体ブロック５３１と永久磁石５３０は非接触で固定されることになり、エミッタベースマウント６４の先端に取り付けられたエミッタティップの振動が防止されることになる。また、超電導体ブロックは極低温のイオン化室側壁２８に接続されているため、本防振機構は、エミッタティップに多量の熱を加えない。このため、エミッタティップが極低温に保たれ、エミッタティップからのイオンビーム電流を大きくできるという効果も奏する。
【０１１３】
なお、本実施例で、エミッタベースマウント６４に超電導体ブロックを埋め込み、イオン化室側壁２８に永久磁石を配置しても同様な効果が得られる。
【０１１４】
また、図示してないが、永久磁石からの磁場がイオンビーム軌道に影響しないように磁気シールドをエミッタティップマウント２３上部に配置した。これによりエミッタティップ振動防止とイオンビームの軌道を曲げないことが両立する。以上、本発明のガス電界電離イオン源およびイオンビーム装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。
【０１１５】
図１２を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第３の例を説明する。本例のイオン顕微鏡を、図１に示した第１の例と比較すると、ガス電界電離イオン源１のための冷却機構４の構成が異なる。ここでは、冷却機構４について説明する。本例の冷却機構４は、ヘリウム循環方式である。本例の冷却機構４は、冷媒となるヘリウムガスをＧＭ型冷凍機４０１および熱交換器４０２、４０５、４１０、４１４を用いて冷却して、これを圧縮機ユニット４００により循環させる。コンプレッサ４０３で加圧された例えば０．９ＭＰａの常温の温度３００Ｋのヘリウムガスは配管４０９を通じて熱交換器４０２に流入し、後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約６０Ｋに冷却される。冷却されたヘリウムガスは断熱されたトランスファーチューブ４０４内の配管４０３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４０５に流入する。ここで、熱交換器４０５に熱的に一体化された熱伝導体４０６を温度約６５Ｋに冷却し、前記した輻射シールド等を冷却する。加温されたヘリウムガスは熱交換器４０５を流出し配管４０７を通じて、ＧＭ型冷凍機４０１の第１冷却ステージ４０８に熱的に一体化された熱交換器４０９に流入し、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器４１０に流入する。後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約１５Ｋに冷却され、そののち、ＧＭ型冷凍機４０１の第２冷却ステージ４１１に熱的に一体化された熱交換器４１２に流入し、温度約９Ｋに冷却され、トランスファーチューブ４０４内の配管４１３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４１４に流入し、熱交換器４１４で熱的に接続された良熱伝導体の冷却伝導棒５３を温度約１０Ｋに冷却する。熱交換器４１４で加温されたヘリウムガスは配管４１５を通じて熱交換器４１０、４０２に順次流入し、前述のヘリウムガスと熱交換してほぼ常温お温度約２７５Ｋになって、配管４１５を通じて圧縮機ユニット４００に回収される。なお、前述した低音部は真空断熱容器４１６ないに収納され、トランスファーチューブ４０４とは、図示していないが断熱的に接続されている。また、真空断熱容器４１６内において、図示していないが低温部は輻射シールド板や、積層断熱材等により室温部からの輻射熱による熱侵入を防止している。
【０１１６】
また、トランスファーチューブ４０４は床２０または床２０に設置された支持体４１７に強固に固定支持されている。ここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５も床２０で固定支持されている。また、ガス電界電離イオン源１近くにおいて、トランスファーチューブ４０４は、ベースプレート１８に支持固定されており、同様にここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５もベースプレート１８で固定支持されている。
【０１１７】
すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニット１６で発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、圧縮機ユニット４００で循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構である。
【０１１８】
冷却伝導棒５３は変形可能な銅網線５４およびサファイアベースを経てエミッタティップ２１に接続される。これによりエミッタティップ２１の冷却が実現する。この実施例では、ＧＭ型冷凍機は床を振動させる原因になるが、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などはＧＭ冷凍機とは隔離されて設置されており、さらにガス電界電離イオン源１近傍に設置した熱交換器４０５、４１４に連結された配管４０３、４０７、４１３、４１５は殆ど振動しない床２０やベース１８に強固に固定支持されて振動せず、さらに床から振動絶縁されているため機械振動の伝達の極めて少ないシステムとなることが特徴である。
【０１１９】
しかしながら、本イオン源の特性を最大限に活かすために、図１１に示したような振動防止機構を備える。すなわち、エミッタベースマウントの周囲に複数箇所に永久磁石を配置し、その周囲に超電導体ブロックを配置する。この超電導体ブロックはイオン化室側壁に固定される。この場合には超電導体ブロックはイオン化室冷却に伴い超電導状態になる。まず、超電導状態に無い温度でエミッタティップ位置を調整しておく。そして、エミッタティップ冷却に伴い超電導体ブロックを超電導状態にする。すると、超電導体ブロックは永久磁石からの磁場を固定する、いわゆるピニング効果が表れる。すると、永久磁石が配置されたエミッタティップマウントは、超電導体ブロックが配置されたイオン化室に非接触で固定されることになり、エミッタティップマウントの先端に取り付けられたエミッタティップの振動が防止されることになる。また、超電導体ブロックは極低温のイオン化室側壁２８に接続されているため、本防振機構は、エミッタティップに多量の熱を加えない。このため、エミッタティップが極低温に保たれ、エミッタティップからのイオンビーム電流を大きくできるという効果も奏する。なお、エミッタベースマウントに超電導体ブロックを配置し、その周囲に永久磁石を配置して、これをイオン化室側壁に固定しても同様な効果が得られる。
【０１２０】
以上、本発明のガス電界電離イオン源およびイオンビーム装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。
【０１２１】
更に、本願の発明者は、コンプレッサ１６又は４００の音がガス電界電離イオン源１を振動させてその分解能を劣化させることを突き止めた。そのため、本例では、コンプレッサとガス電界電離イオン源を空間的に分離するカバー４１７を設けた。これにより、コンプレッサの音に起因した振動の影響を低減することができる。それによって、高分解能観察が可能となる。尚、図１、図７、及び図８に示した例においても、コンプレッサの音に起因した振動の影響を低減するために、カバーを設けてもよい。
【０１２２】
また、本実施例の場合、ヘリウム圧縮機４００を用いて第２のヘリウムガスを循環させたが、図示しないが流量調整弁を介して、ヘリウム圧縮機１６の  配管１１１、１１２と、それぞれ流量調整弁を介して、配管４０９、４１６を連通し、配管４０９内にヘリウム圧縮機１６の一部のヘリウムガスを第２のヘリウムガスとして循環ヘリウムガスを供給し、配管４１６でガスをヘリウム圧縮機１６に回収しても、同様な効果を生じる。また、本例では、ＧＭ型冷凍機４０を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は、２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。例えば、１段の冷却ステージを持つ小型のスターリング型冷凍を用いて、最低冷却温度を５０Ｋとしたヘリウム循環冷凍機とすれば、コンパクトで低コストのイオンビーム装置を実現できる。また、この場合には、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。
【０１２３】
図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第４の例を説明する。ここでは、ガス電界電離イオン源のイオン化室の構造を説明する。本例では、イオン化室の配線構造に特徴がある。ガス電界電離イオン源は、エミッタティップ２１を加熱するための加熱電源１３４、イオンを加速するための加速電圧をエミッタティップ２１に供給する高電圧電源１３５、イオンを引き出すための引き出し電圧を引き出し電極２４に供給する引き出し電源１４１、及び、抵抗加熱器３０を加熱するための加熱電源１４２を有する。
【０１２４】
加熱電源１３４、１４２は１０Ｖ、高電圧電源１３５は３０ｋＶ、引き出し電源１４１は３ｋＶであってよい。
【０１２５】
図１３Ｂに示すように、フィラメント２２と高電圧電源１３５は、銅製の太線１３３と高温超電導物質製の細線１３６によって接続されている。フィラメント２２と加熱電源１３４は、銅製の太線１３３によって接続されている。抵抗加熱器３０と加熱電源１４２は、銅線の太線１３８と、高温超電導物質製の細線１３９によって接続されている。引き出し電極２４と抵抗加熱器３０は同一電位を有する。
【０１２６】
銅線の太線１３３には切断機構１３７が設けられている。切断機構１３７は、可動機構を有し、銅製の太線１３３をフィラメント２２から切断する切断位置と、銅製の太線１３３をフィラメント２２に接続する接続位置の、２つの位置の間を移動するように構成されている。銅線の太線１３８には切断機構１４０が設けられている。切断機構１４０は、可動機構を有し、銅製の太線１３８を抵抗加熱器３０から切断する切断位置と、銅製の太線１３８を抵抗加熱器３０に接続する接続位置の、２つの位置の間を移動するように構成されている。図１３Ａは、切断機構１３７、１４０が共に接続位置にある状態を示し、図１３Ｂは、切断機構１３７、１４０が共に切断位置にある状態を示す。切断機構１３７、１４０が共に切断位置にあるとき、銅製の太線１３３、１３８を経由して、それぞれ、熱が、フィラメント２２及び引き出し電源１４１に、流入することが防止される。切断機構１３７、１４０は真空容器の外部から操作可能である。
【０１２７】
本例では、イオン化室１５を開閉する開閉バルブが取り付けられている。開閉バルブは、蓋部材３４を有する。図１３Ａは、蓋部材３４が開けられた状態を示し、図１３Ｂは、蓋部材３４が閉じられた状態を示す。
【０１２８】
本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。先ず、図１３Ａに示すように、イオン化室１５の蓋部材３４を開けた状態で、粗排気を行う。イオン化室１５の蓋部材３４が開いているため、短時間で、イオン化室１５内の粗排気が完了する。
【０１２９】
次に、イオン化室１５の側壁の外側の抵抗加熱器３０によって、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９を加熱することにより脱ガス処理する。脱ガス処理が完了すると、図１３Ｂに示すように、切断機構１４０を切断位置に移動させる。それによって、銅製の太線１３８を経由して熱がイオン化室１５内に流入することが防止される。
【０１３０】
イオン化室１５の蓋部材３４を閉じ、ガス供給配管２５からヘリウムを供給する。エミッタティップ２１に高電圧を供給し、引き出し電極２４に引き出し電圧を印加する。エミッタティップ２１の先端からイオンビームが生成されると、切断機構１３７を切断位置に移動させる。それによって、銅製の太線１３３を経由して熱がイオン化室１５内に流入することが防止される。切断機構１３７が切断位置にあるとき、高電圧電源１３５からの加速電圧は、銅製の太線１３３を経由してフィラメント２２に印加されることはないが、高温超電導物質製の細線１３６を経由してフィラメント２２に印加される。切断機構１４０が切断位置にあるとき、引き出し電源１４１からの引き出し電圧は、銅製の太線１３８を経由して引き出し電源１４１に印加されることはないが、高温超電導物質製の細線１３９を経由してフィラメント２２に印加される。フィラメント２２及び引き出し電源１４１は高温超電導物質製の細線１３６、１３９に、それぞれ常時接続されている。従って、ステンレス製の細線１３６、１３９を経由して、熱がイオン化室１５内に流入する可能性がある。しかしながら、ステンレス製の細線１３６、１３９は断面が十分小さいため、高温超電導物質製の細線１３６、１３９を経由した伝熱量は十分小さい。
【０１３１】
本例の配線構造によると、銅配線からイオン化室１５への熱流入を回避することができる。そのため、エミッタティップ及び引き出し電極を所望の温度に保持することができる。すなわち、イオン源の輝度の向上、イオンビームの大電流化を達成することができる。更に、高分解能観察が可能となる。
【０１３２】
なお、本実施例では、銅製の太線を用いたが高温超電導物質製の極細線を用いても良い、この場合には、極低温では電気抵抗が極めて低くなるため、極細線を用いてもフィラメント電流を流すのに充分であり、必ずしも切断機構により配線を切断しない場合にでも、イオン化室１５への熱流入を回避することができるという効果を奏する。
【０１３３】
本例によれば、イオン化室１５に蓋部材３４を設けることにより、引き出し電極の孔の寸法を小さくしても、真空粗引き時のコンダクタンスを増大化することが可能である。また、引き出し電極の孔の寸法を小さくすることにより、イオン化室１５の密閉化が可能となる。そのため、イオン化室１５内の高真空化が可能となり、大電流のイオンビームが得られる。
【０１３４】
ここで説明した配線構造は、図１、図１０、及び図１２に示した例においても適用可能である。
【０１３５】
また、上述の走査イオン顕微鏡では、イオンビームをイオンビーム走査電極により走査させることにより走査イオン像を得る。しかしながら、この場合、イオンビームがイオンレンズを通過するときにイオンビームが傾斜するためイオンビームが歪む。そのため、ビーム径が小さくならないという問題があった。そこで、イオンビームを走査させる代わりに、試料ステージを機械的に直交２方向に走査移動させてもよい。この場合、試料から放出される二次粒子を検出し、これを輝度変調することにより、計算処理装置の画像表示手段上に走査イオン像を得ることができる。すなわち、試料表面の０．５ｎｍ未満の高分解能観察を実現する。この場合、イオンビームを対物レンズに対して常に同じ方向に保持することができるため、イオンビームの歪を比較的に小さくすることができる。
【０１３６】
これは、例えば、第１及び第２のステージを組み合わせた試料ステージを用いて実現可能である。第１のステージは、数センチメートルの移動が可能な４軸可動ステージであり、例えば、平面の垂直２方向（Ｘ、Ｙ方向）の移動、高さ方向（Ｚ方向）の移動、及び傾斜（Ｔ方向）が可能である。第２のステージは、数マイクロメートルの移動が可能な２軸可動ステージであり、例えば、平面の垂直２方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動が可能である。
【０１３７】
例えば電気モータ駆動の第１のステージの上に、ピエゾ素子駆動による第２のステージを配置することによって構成される。試料の観察位置の探索などの場合には、第１のステージを用いて試料を移動させ、高分解能観察の場合には、第２のステージを用いて微動を行う。これにより、超高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供される。
【０１３８】
以上、本発明のイオンビーム装置の例として走査イオン顕微鏡を説明した。しかしながら、本発明のイオンビーム装置は、走査イオン顕微鏡ばかりでなく、透過イオン顕微鏡、イオンビーム加工機にも適用可能である。
【０１３９】
次に、ガス電界電離イオン源を真空排気する真空ポンプ１２について説明する。真空ポンプ１２としては、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成するのが好適である。また、サブリメーションポンプでもよい。このようなポンプを用いることによって、真空ポンプ１２の振動による影響を低減することができ、高分解能観察が可能となることが判った。なお、真空ポンプ１２としてはターボ分子ポンプを用いる時は、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプの振動が観察の妨げになることがあることがわかった。ただし、イオンビーム装置のいずれかの真空容器に、ターボ分子ポンプが装着されていたとしても、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプを停止させておけば高分解能観察が可能であることがわかった。すなわち、本発明では、イオンビームによる試料観察時の主たる真空排気ポンプを、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成するが、ターボ分子ポンプを装着した構成としても本発明の目的を妨げるものではない。
【０１４０】
非蒸発ゲッタポンプは、加熱による活性化でガス吸着する合金を用いて構成された真空ポンプである。ガス電界電離イオン源のイオン化ガスとしてヘリウム用いる場合には、ヘリウムが真空容器内に比較的大量に存在する。しかしながら、非蒸発ゲッタポンプはヘリウムをほとんど排気しない。即ち、ゲッタ表面が吸着ガス分子で飽和することがない。そのため、非蒸発ゲッタポンプの動作時間は十分長い。これはヘリウムイオン顕微鏡と非蒸発ゲッタポンプを組み合わせた場合の利点である。また、真空容器中の不純物ガスが減少することによりイオン放出電流が安定するという効果も奏する。
【０１４１】
非蒸発ゲッタポンプは大きな排気速度でヘリウム以外の残留ガスを排気するが、これだけではヘリウムがイオン源に停留する。そのため、真空度が不十分となり、ガス電界電離イオン源が正常に動作しない。そこで不活性ガスの排気速度が大きいイオンポンプまたはノーブルポンプを非蒸発ゲッタポンプと組み合わせて用いる。イオンポンプまたはノーブルポンプのみでは、排気速度が不十分である。こうして本発明によると、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプ又はノーブルポンプを組合せることにより、コンパクトで低コストの真空ポンプ１２を得ることができる。なお、真空ポンプ１２として、チタンなどの金属を加熱蒸発させて金属膜でガス分子を吸着して真空排気するゲッタポンプあるいはチタンサブリメーションポンプを組み合わせたものを用いてもよい。
【０１４２】
従来の技術では、機械振動への配慮が足らずイオン顕微鏡の性能が十分には得られなかったが、本発明により、機械振動の低減が実現し高分解能観察が可能なガス電界電離イオン源およびイオン顕微鏡が提供される。
【０１４３】
次に、試料室３を真空排気するための試料室真空排気用ポンプ１３について説明する。試料室真空排気用ポンプ１３として、ゲッタポンプ、チタンサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプ、エクセルポンプ等を用いてよい。このようなポンプを用いることによって、試料室真空排気用ポンプ１３の振動による影響を低減することができ、高分解能観察が可能となることが判った。なお、試料室真空排気用ポンプ１３として、ターボ分子ポンプを用いてもよい。しかしながら、装置の振動軽減構造を実現するのにはコストが要する。また、試料室に、ターボ分子ポンプが装着されていたとしても、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプを停止させておけば高分解能観察が可能であることがわかった。すなわち、本発明では、イオンビームによる試料観察時の試料室の主たる真空排気ポンプを、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成する。ただし、装置構成として、ターボ分子ポンプを装着して、大気からの真空粗引きに用いたとしても、本発明の目的を妨げるものではない。
【０１４４】
走査電子顕微鏡では、ターボ分子ポンプを用いて０．５ｎｍ以下の分解能を比較的容易に実現できる。しかし、ガス電界電離イオン源を用いるイオン顕微鏡では、イオン光源から試料までのイオンビームの縮小率が比較的大きく、１から０．５程度である。それによって、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。しかしながら、イオンエミッタの振動はほとんど縮小されずに試料上に再現されるため、従来の走査電子顕微鏡などの振動対策に比べても慎重な対策が必要になるのである。
【０１４５】
従来技術では、試料室真空排気ポンプの振動が試料ステージに影響を与えることは考慮されていたが、試料室真空排気ポンプの振動がイオンエミッタにまで影響を与えることは考慮されていなかった。そこで、本願発明者は、試料室真空排気ポンプの振動がイオンエミッタに深刻な影響を与えることに見出した。本願発明者は、試料室真空排気用ポンプとして、ゲッタポンプ、チタンサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプ、エクセルポンプ等の非振動型の真空ポンプを主ポンプとして用いることがよいと考えた。それによって、イオンエミッタの振動が低減し、高分解能観察が可能となるのである。
【０１４６】
また、本例で用いた冷凍機のガスの圧縮機ユニット（コンプレッサ）、あるいはヘリウムを循環させる圧縮機ユニット（コンプレッサ）は騒音の音源となる可能性がある。騒音は、イオン顕微鏡を振動させることもある。そこで、本発明によると、図９に示した例のように、ガスの圧縮機ユニット（コンプレッサ）にカバーを設けて、ガスの圧縮機ユニットが発生する騒音が外部に伝わるのを防止する。尚、カバーの代わりに、音の遮蔽板を設けてもよい。また、圧縮機ユニット（コンプレッサ）を別室に設置してもよい。それによって、音に起因する振動を低減し、高分解能観察が可能となる。
【０１４７】
また、イオン化室内に、非蒸発ゲッタ材料を配置してもよい。それによって、イオン化室内が高真空化し、高安定なイオン放出が可能となる。また、非蒸発ゲッタ材料あるいは水素吸蔵合金に水素を吸着させ、それを加熱する。それによって放出された水素をイオン化ガスとして用いれば、ガス供給配管２５からガスを供給する必要がなく、コンパクトで安全なガス供給機構を実現できる。
【０１４８】
また、非蒸発ゲッタ材料をガス供給配管２５内に配置してもよい。ガス供給配管２５を経由して供給するガスの中に不純物ガスは、非蒸発ゲッタ材料によって減少する。そのため、イオン放出電流が安定する。
【０１４９】
なお、本発明ではガス供給配管２５を経由してイオン化室１５に供給するイオン化ガスとしてヘリウム、水素を用いる。しかしながら、イオン化ガスとして、ネオン、酸素、アルゴン、クリプトン、キセノン等を用いてもよい。特に、ネオン、酸素、アルゴン、クリプトン、キセノン等を用いた場合には、試料を加工する装置、あるいは試料を分析する装置が提供されるという効果を奏する。
【０１５０】
また、試料室３内に質量分析計を設けてもよい。質量分析計によって、試料から放出される二次イオンの質量分析を行う。あるいは、試料から放出されるオージェ電子をエネルギ分析してもよい。それによって、試料の元素分析が容易になり、イオン顕微鏡による試料観察および元素分析が１台の装置で可能となる。
【０１５１】
また、本発明のイオン顕微鏡では、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出すこともできる。この電子ビームを試料に照射し、試料から放出されるＸ線またはオージェ電子を検出する。それによって、試料の元素分析が容易となり、イオン顕微鏡による超高分解能の試料観察および元素分析が１台の装置で可能となる。
【０１５２】
さらに、このとき１ｎｍ以下の分解能のイオン像と元素分析像を並べ、又は、重ねて表示してよい。それにより、試料表面を好適にキャラクタリゼーションできる。
【０１５３】
また、このときには、電子ビームを集束するための対物レンズに磁場型レンズと静電レンズを組み合せた複合型レンズを用いると電子ビームを大電流でかつ微細なビーム径に集束できて、高空間分解能で高感度な元素分析が可能になる。
【０１５４】
また、従来のイオンビーム装置では外部磁場の擾乱については考慮されていなかったが、イオンビーム０．５ｎｍ未満に集束する場合には、磁気をシールドすると効果があることを突き止めた。このためガス電界電離イオン源およびイオンビーム照射系、および試料室の真空チャンバを純鉄もしくはパーマロイで作製することにより超高分解能を達成できる。また、真空容器中に、磁気シールドとなる板を挿入しても良い。また、本願の発明者は、イオンビームの加速電圧を５０ｋＶ以上にして半導体試料上の構造寸法を計測すると精度よく計測できることを見出した。これはイオンビームによる試料のスパッタイールドが低下するため、試料の構造を破壊する程度が低くなり、寸法計測精度が向上することによる。特に、イオン化ガスとして、水素を用いるとスパッタイールドが低下し、寸法計測の精度が向上する。以上、本発明によれば、イオンビームにより試料上の構造寸法を計測するのに好適な解析装置、イオンビームを用いた測長装置または検査装置が提供される。
【０１５５】
また、本発明によれば、従来の電子ビームを用いた計測に比べると、得られる画像の焦点深度が深いため精度の良い計測ができる。また、特にイオン化ガスとして、水素を用いると、試料表面を削る量が少なく精度の良い計測ができる。
【０１５６】
本発明によれば、試料上の構造寸法を計測するのに好適なイオンビームを用いた測長装置または検査装置が提供される。
【０１５７】
本発明によると、試料をイオンビームにより加工して断面を形成して、断面を電子顕微鏡で観察する装置に代わりに、イオンビームにより加工して断面を形成して、断面をイオン顕微鏡で観察する装置、及び、断面観察方法を提供することができる。
【０１５８】
本発明によると、イオン顕微鏡による試料観察、電子顕微鏡による試料観察、及び、元素分析が１台の装置で可能な装置、欠陥や異物などを観察及び解析する解析装置、及び、検査装置を提供することができる。
【０１５９】
イオン顕微鏡は超高分解能の観察を実現する。しかしながら、従来、イオンビーム装置を半導体試料の製造プロセスにおける構造寸法の計測装置あるいは検査装置として用いた時に、イオンビーム照射を、電子ビーム照射として比較して、半導体試料の表面の破壊の製造への影響を考察した例はない。例えば、イオンビームのエネルギを１ｋｅＶ未満にすると、試料が変質する割合が少なく、イオンビームのエネルギを２０ｋｅＶとする場合と比較すると、寸法計測の精度が向上する。この場合に装置のコストも小さくなるという効果を奏する。なお、逆に加速電圧が５０ｋＶ以上の場合には、加速電圧が低い場合と比較すると観察分解能を小さくできる。
【０１６０】
また、本願の発明者は、イオンビームの加速電圧を２００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料からラザフォード後方散乱されるイオンをエネルギ分析すると、試料元素の平面および深さを含めた３次元構造が原子単位で計測できることを見出した。従来のラザフォード後方散乱装置ではイオンビーム径が大きく原子オーダでの３次元計測は困難であったが、本発明を適用することによって実現できる。また、イオンビームの加速電圧を５００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料から放出されるＸ線のエネルギ分析をすると試料元素の２次元分析が可能になる。
【０１６１】
本発明によると、以下のガス電界電離イオン源、イオン顕微鏡、イオンビーム装置が開示される。
【０１６２】
（１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源において、前記エミッタティップのマウントと、前記引き出し電極が、形状可変な機構部品を含んで接続され、少なくとも前記エミッタティップのマウントと前記引き出し電極と、前記形状可変な機構部品などによって前記エミッタティップが概ね囲まれるイオン化室が前記真空容器にほとんど接することなく、前記真空容器内で変形可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１６３】
（２）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、イオン化室にガス分子が供給されたときにイオン化室のガス圧力を前記真空容器のガス圧力よりも少なくとも１桁以上大とすることが可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１６４】
（３）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、前記エミッタティップのマウントが、前記形状可変な機構部品とは別の形状可変な機構部品を含んで真空容器に接続されることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１６５】
（４）上記（１）から（３）記載のガス電界電離イオン源であって、形状可変な機構部品がベローズであることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１６６】
（５）上記（４）記載のガス電界電離イオン源であって、前記エミッタティップのマウントと、前記引き出し電極の間のベローズの最小直径が、前記エミッタティップのマウントと真空容器の間のベローズの最大直径よりも小なることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１６７】
（６）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置本体と、イオンビーム装置本体を搭載するベースプレートと前記ベースプレートを支持する架台とからなるイオンビーム装置において、前記イオンビーム装置本体とベースプレートの間に防振機構を備え、前記冷却機構が、イオンビーム装置が設置される床もしくはイオンビーム装置架台に対して固定された支持機構に支持され、さらに前記冷凍機と前記真空容器との間に防振機構を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１６８】
（７）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷でステージを冷却する冷凍機であることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１６９】
（８）上記（６）６記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷で冷却したガスで被冷却体を冷却する冷却手段であることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１７０】
（９）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷で冷却した第２の高圧ガスで被冷却体を冷却する冷却手段であることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１７１】
（１０）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷凍機と前記真空容器との間の防振機構が、ヘリウムあるいはネオンガスで振動の伝達を妨げる機構を少なくとも含むことを特徴とするイオンビーム装置。
【０１７２】
（１１）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構の冷却ステージとエミッタティップとの間に少なくとも形状可変な機構部品が存在することを特徴とするイオンビーム装置。
【０１７３】
（１２）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、常温、大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを液体または固体状態とした冷却剤を真空容器によって保持する機構であり、該真空容器は前記イオンビーム装置の真空容器と少なくとも一つの除振動機構部品を挟んで接続され、冷却剤によって冷却された箇所とエミッタティップとの間が形状可変な機構部品の少なくとも一つを挟んで接続されることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１７４】
（１３）上記（１２）記載のガス電界電離イオン源であって、前記イオン化室を真空排気するコンダクタンスを可変とする機構が、真空容器外部で操作可能なバルブであり、イオン化室の壁構造体と機械的に切り離し可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１７５】
（１４）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、前記イオン化室を加熱可能な抵抗加熱器を備え、前記抵抗加熱器に接続される複数の電気配線と、前記複数の電気配線の少なくとも１本を真空外部から操作して機械的に切断が可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１７６】
（１５）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、前記冷却機構の冷却剤が、常温、大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを固体状態とした冷却剤であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
【０１７７】
（１６）上記（１）から（５）、あるいは（１３）から（１５）のいずれかに記載のガス電界電離イオン源と、前記ガス電界電離イオン源から引き出したイオンを集束するレンズ系と、二次粒子を検出する二次粒子検出器と、イオン顕微鏡像を表す画像表示部と、を含むイオン顕微鏡。
【０１７８】
本発明によると、以下のイオン顕微鏡、イオンビーム装置、イオンビーム検査装置が開示される。
【０１７９】
（１７）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、対物レンズ先端と試料の表面までの距離を２ｍｍ未満に短くして、イオンビーム径を０．５ｎｍに集束することを特徴とするイオンビーム装置。
【０１８０】
（１８）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオン顕微鏡において、試料室を約２００℃まで加熱できるようにして試料室の真空度を大きくとも１０−７Ｐａ以下にできるようにしたことを特徴とするイオン顕微鏡。
【０１８１】
（１９）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器と、試料室を真空排気する真空ポンプ、を含むイオン顕微鏡において、イオン顕微鏡での顕微鏡像観察中に試料室を真空排気する主たる真空ポンプが、サブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプあるいはエクセルポンプのいずれかを含むことを特徴とするイオン顕微鏡。
【０１８２】
（２０）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記ガス電界電離イオン源を真空排気する真空ポンプと、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオン顕微鏡において、イオン顕微鏡での顕微鏡像観察中にガス電界電離イオン源を真空排気する主たる真空ポンプがサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプ、ノーブルポンプまたはエクセルポンプのいずれかを含むことを特徴とするイオン顕微鏡。
【０１８３】
（２１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構するための液体寒剤の容器、および上記液体寒剤の容器を真空排気する真空ポンプなどから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオン顕微鏡において、前記液体寒剤の容器の真空度計測、あるいは温度計測により上記真空ポンプの動作を制御して、前記液体寒剤の容器の温度を制御する制御装置を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１８４】
（２２）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構するための液体寒剤の容器、および上記液体寒剤の容器を真空排気する真空ポンプなどから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオンビーム装置において、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段の寒冷で冷凍機のステージを冷却する冷凍機であって、前記高圧ガスを発生するための圧縮機ユニットにカバーを設けて、ガスの圧縮機ユニットからの音を低減したことを特徴とするイオンビーム装置。
【０１８５】
（２３）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構するための液体寒剤の容器、および上記液体寒剤の容器を真空排気する真空ポンプなどから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、イオンビーム照射平面内の少なくとも２方向に対して少なくとも２種類の移動機構を持つ試料ステージと、該試料ステージに置かれた試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオンビーム装置において試料ステージを機械的に直交２方向に走査移動させて、試料から放出される二次粒子を検出してイオン顕微鏡像を得ることを特徴とするイオン顕微鏡。
【０１８６】
（２４）上記（２３）記載のイオンビーム装置において、前記イオンビーム照射平面内の少なくとも２方向に対して少なくとも２種類の移動機構を持つ試料ステージにおいて、少なくともピエゾ素子駆動機構を用いるステージを含み、イオン顕微鏡像の像分解能が０．５ｎｍ未満であることを特徴とするイオン顕微鏡。
【０１８７】
（２５）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構、ガス供給配管などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器と、試料室を真空排気する真空ポンプ、を含むイオンビーム装置において、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスを用いて、供給配管に非蒸発ゲッタ材料を配置したことを特徴とするイオンビーム装置。
【０１８８】
（２６）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出して試料に照射して試料から放出されるＸ線またはオージェ電子を検出して元素分析が可能であり、１ｎｍ以下の分解能の走査イオン像と元素分析像を並べるあるいは重ねて表示すれることができるイオンビーム装置。
【０１８９】
（２７）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置において、イオンビームの加速電圧を５０ｋＶ以上にして半導体試料上の構造寸法を計測することを特徴とするイオンビーム検査装置。
【０１９０】
（２８）上記（２７）記載のイオンビーム検査装置において、水素ガスを用いることを特徴とするイオンビーム検査装置。
【０１９１】
（２９）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置において、イオンビームのエネルギを１ｋｅＶ未満にすることを特徴とするイオンビーム検査装置。
【０１９２】
（３０）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出して、磁場型レンズと静電レンズを組み合せた複合型の対物レンズを通過させて試料に照射して、試料から放出されるＸ線またはオージェ電子を検出して元素分析が可能であることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１９３】
（３１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置を用いた試料元素分析方法において、イオンビームの加速電圧を２００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料からラザフォード後方散乱されるイオンをエネルギ分析して、試料元素の平面および深さを含めた３次元構造を原子単位で計測する元素分析方法。
【０１９４】
（３２）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置を用いた試料元素分析方法において、５００ｋＶ以上にして、さらにビーム径を０．２ｎｍ以下に細束化して試料に照射して、試料から放出されるＸ線のエネルギ分析をして２次元元素分析する元素分析方法。
【０１９５】
（３３）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップを５０Ｋ以下に冷却して、エミッタティップから放出されるイオンを試料上に投影する倍率を０．２よりも小さくして、さらに、エミッタティップと試料の相対位置の振動を０．１ｎｍ以下することにより、走査イオン像分解能を０．２ｎｍ以下としたたことを特徴とするイオンビーム装置。
【０１９６】
（３４）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、試料ステージがサイドエントリ型の試料ステージであり、先端が試料室壁面に接触した構造であることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１９７】
（３５）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、前記ガス電界電離イオン源を冷却するためのガス循環方式の冷却機構と、を有し、前記冷却機構は、冷凍機と、前記冷凍機と前記ガス電界電離イオン源の間を接続する配管と、前記配管に設けられた熱交換器と、前記配管内にて液体ヘリウムを循環させる循環コンプレッサと、を有し、前記配管は床または支持体に固定支持されていることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１９８】
（３６）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、を有し、前記冷却機構は、圧縮機ユニットで発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、圧縮機ユニットで循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構であることを特徴とするイオンビーム装置。
【０１９９】
（３７）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートと、を有しているイオンビーム装置において、イオンビーム照射経路に磁気シールドする機構を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
【０２００】
（３８）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、前記ガス電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートと、を有しているイオンビーム装置において、ガス電界電離イオン源およびイオンビーム照射系、および試料室のいずれかの真空チャンバの主な材料が鉄もしくはパーマロイであり、走査イオン像の分解能が０．５ｎｍ以下であることを特徴とするイオンビーム装置。
【符号の説明】
【０２０１】
１…ガス電界電離イオン源、２…イオンビーム照射系カラム、３…試料室、４…冷却機構、５…コンデンサレンズ、６…ビーム制限アパーチャ、７…ビーム走査電極、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１１…二次粒子検出器、１２…イオン源真空排気用ポンプ、１３…試料室真空排気用ポンプ、１４…イオンビーム、１４Ａ…光軸、１５…イオン化室、１６…コンプレッサ、１７…装置架台、１８…ベースプレート、１９…防振機構、２０…床、２１…エミッタティップ、２２…フィラメント、２３…フィラメントマウント、２４…引き出し電極、２５…ガス供給配管、２６…支持棒、２７…孔、２８…側壁、２９…天板、３０…抵抗加熱器、３１…開口、３２…蓋部材、３３…操作棒、３４…蓋部材、４０…冷凍機、４０Ａ…中心軸線、４１…本体、４２Ａ，４２Ｂ…ステージ、４３…ポット、４６…ヘリウムガス、５１…上部フランジ、５２…サファイアベース、５３…冷却伝導棒、５４…銅網線、５５…サファイアベース、５６…銅網線、５７…冷却伝導管、５８…輻射シールド、５９…静電レンズ、６０…電極、６１、６２…ベローズ、６３…絶縁材、６４…エミッタベースマウント、６８…真空容器、６９…ベローズ、７０…防振機構、７１…反磁性体ブロック７１、７２…リング状電磁石、７３…支持材７３、７４…ノブ、７５…超電導体ブロック、８１…液体又は固体窒素チャンバ、８２…液体又は固体窒素タンク、８３…真空排気口、８４…固体窒素、８５…支柱、８６…ベローズ、８７…支柱、９１…電界電離イオン源制御装置、９２…冷凍機制御装置、９３…レンズ制御装置、９４…ビーム制限アパーチャ制御装置、９５…イオンビーム走査制御装置、９６…二次電子検出器制御装置、９７…試料ステージ制御装置、９８…真空排気用ポンプ制御装置、９９…計算処理装置、１０１…定盤、１０２…除振脚、１０３，１０４…支柱、１３３…電線、１３４…電源、１３５…高電圧電源、１３６…ステンレス製の細線、１３７…切断機構、１３８…銅製の太線、１３９…ステンレス製の細線、１４０…切断機構、１４１…イオン引き出し電源、１４２…電源、３０１…走査偏向電極、３０２…アパーチャ板、３０３…可動放射パターン観察機構、３０４…二次粒子、３０５…二次粒子検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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