(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界電離イオン源を有する荷電粒子顕微鏡において、
先端が針状のエミッタティップと、
前記エミッタティップを内部に有するイオン化室と、
冷却伝導体を介して前記イオン化室の一部と接続された第１の熱交換器と、
第２の熱交換器を有する冷凍機と、
前記第２の熱交換器を経由して前記イオン化室にガスを供給する第１のガスラインと、
前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器に熱的に接続された第２ガスラインと、
を有し、
前記第２の熱交換器は、第１のガスラインに供給するガス分子を保持する真空容器と熱的に接続され、
前記真空容器と前記第1のガスラインとの経路上に、前記第1のガスラインに流れるガスの流量を調整する機構をさらに有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子顕微鏡において、
第２のガスラインに流れるガスの一部を前記イオン化室に供給可能である
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記電界電離イオン源と、試料を保持する試料台と、イオンビームを収束させるためのレンズ群と、を保持する第１の装置架台と
前記装置架台の振動を低減する除振機構と、を有し、
前記冷凍機は前記装置架台とは分離された第２の装置架台に支持される
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子顕微鏡において
前記第１のガスラインと第２のガスラインとを真空断熱する配管を有し、
前記配管内において、前記第１のガスラインと前記第２のガスラインとの外壁の一部は互いに接触している
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記冷凍機はギフォードマクマホン型の冷凍機またはパルスチューブ型の冷凍機である
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記冷凍機はコールドヘッドの温度を70K以下に冷却可能である
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記冷凍機は液体窒素を保持可能な容器を有し、
容器内の圧力を低下させることにより前記容器の内部に保持された液体窒素を固化可能である
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１記載の荷電粒子顕微鏡において、
前記イオン化室に供給されるガスはヘリウムガスである
ことを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子顕微鏡に関するものである。
【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電子荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これを走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、以下SEMと略記)と呼ぶ。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。
【０００３】
次に、表面観察に用いるイオン種は水素、ヘリウムなどの質量の軽いものが好適である。質量が軽いイオン種は、試料表面をスパッタする作用が小さく、試料の表面の損傷を最小化することができるためである。また、これらのイオンビームは、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、水素やヘリウムイオンが試料表面へ侵入するとき、電子ビームの照射に比べて、二次荷電粒子の励起領域が試料表面の方へより局在するためである。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、または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、酸素・窒素・アルゴン・クリプトン・キセノン・ガリウム・インジウムなどに代表される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。その中でも特に、液体金属イオン源を用いた集束イオンビーム装置がイオンビーム加工装置として知られている。
【０００６】
また、イオン顕微鏡に使用するイオン源としては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、先端の曲率半径を100 nm程度以下にした金属製のエミッタティップに高電圧を印加し、先端に電界を集中させ、その付近にガスを導入し（イオン化ガス）そのガス分子を電界電離し、イオンビームとして引き出すものである。ガス電界電離イオン源は、エネルギー幅が狭いイオンビームを生成することができる。また、イオン発生源は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。
【０００７】
イオン顕微鏡では、ノイズの少ない試料像を得るために、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化ガスの密度を大きくさせればよい。
【０００８】
次に、エミッタティップの温度を極低温に冷却すると、エミッタティップに衝突したイオン化ガスの分子のエネルギーが減少、凝集するので、イオン化ガス分子の密度を上昇させることができる。またエミッタティップ周辺に導入するイオン化ガス圧力を上昇させることもできる。ただし１Ｐａ以上導入すると、イオンビームがイオン化ガスに衝突することにより中性化し、イオンビーム電流が減少する、またはグロー放電する、というような問題がある。このような問題を解決するために、エミッタティップ先端に原子数個の突起を形成することによりガスをイオン化する領域を制限し、供給が限られたイオン化ガスを効率よくイオン化することによりイオン放射角電流密度が向上することが知られている。
【０００９】
すなわち、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。
【００１０】
また、特許文献２には、イオン照射系をコンパクトにし、イオン光学長を短くすることで、エミッタティップと試料の相対振動の振幅を小さくし、高分解能の試料観察を可能にする荷電粒子顕微鏡が開示されている。
【００１１】
また、特許文献３には、ガス電界電離イオン源を冷却する冷凍機とはイオン顕微鏡本体とは独立に設置し、ガス電界電離イオン源と冷凍機の間で冷媒を循環させる冷媒循環回路冷却機構を設けることで、ガス電界電離イオン源に伝播する冷凍機の機械的振動を低減し、ガス電界電離イオン源の輝度の向上と、イオンビームの収束性を両立することを可能にしたイオン顕微鏡が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭58-85242
【特許文献２】WO2011/055521
【特許文献３】特開2011-14245
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
エミッタティップ先端に原子数個の突起を形成したガス電界電離イオン源においては以下の課題がある。
【００１４】
ガス電界電離イオン源では、前述のようにエミッタティップ近傍にイオン化ガスを導入する必要がある。このイオン化ガスに不純物ガスが混入している場合、不純物ガス分子がエミッタティップ先端付近で脱着する可能性がある。この分子の脱着によりエミッタティップ先端の形状は変化し、先端付近の電界が変動する。この要因により電界の変動しイオンビーム電流が変動する。
【００１５】
別の問題として、さらにはこの不純物ガスが付着した箇所からのイオンビーム放出の影響も存在する。不純物ガスが付着した箇所は、不純物ガスの大きさだけ突出するため、他所と比べて電界が高くなり、その箇所からイオンビーム放射が起こる可能性がある。もし不純物ガス吸着箇所からのイオンビーム放射があると、そのイオンビーム放射に相当するイオン化ガスの分量をその個所で消費される。この結果、本来イオン源として用いていた原子の個所からのイオン化ガスの供給量が減少する。この要因によりイオンビーム電流が変動する。
【００１６】
本願発明者は、本願発明に先立って上記のような要因によりイオン源が不安定になるという問題があることを見出した。
【００１７】
さらに、不純物ガスがエミッタティップを構成する金属と反応するガス種である場合には、エミッタティップ先端に形成した原子数個の突起がこの不純物ガスによって破壊される可能性がある。このエミッタティップ先端の突起が破壊された場合には、この突起を再形成する必要がある。つまり、ユーザからみて装置の使い勝手を悪化させるという問題がある。本願発明者は使用するイオン化ガスの種類やガスの純度によってはこの突起を長時間維持することが難しく、試料の高分解能の観察が困難になるという問題を見出した。
【００１８】
この問題はイオン化ガスから不純物ガスを取り去る、つまりイオン化ガスの純化を行うことによって解決可能である。本願発明者は通常観察用途に用いられるイオン化ガス種，ヘリウム、ネオン、水素などは、極低温での蒸気圧が他種のガスに比べ非常に高いため，イオン化ガスを冷却することにより，効率よくイオン化ガスを純化できる方法を見出した。つまりイオン化ガスを冷却することにより、窒素や酸素、炭化水素ガスなどの不純物を凝集し、目的とするガスのみをエミッタティップ近傍に導入することが可能となる。
【００１９】
本発明の目的は本来エミッタティップを冷却しイオン放射角電流密度を向上するために設けられた冷却システムを、イオン化ガスの純化に併用することにより、製造コストを抑えながらも、ガス電界電離イオン源の信頼性向上を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。電界電離イオン源を有する荷電粒子顕微鏡において、先端が針状のエミッタティップと、前記エミッタティップを内部に有するイオン化室と、冷却伝導体を介して前記イオン化室の一部と接続された第１の熱交換器と、第２の熱交換器を有する冷凍機と、前記第２の熱交換器を経由して前記イオン化室にガスを供給する第１のガスラインと、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器に熱的に接続された第２ガスラインと、を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、イオンビームを試料に照射して試料を観察する荷電粒子線装置において、安定したイオンビームの供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による荷電粒子線装置の一例の概略構成図である。
【図２】本発明による荷電粒子線装置の一例の冷却機構の概略構成図である。
【図３】本発明による荷電粒子線装置の一例の冷却機構の概略構成図である。
【図４】本発明による荷電粒子線装置の一例の概略構成図である。
【図５】本発明による荷電粒子線装置の一例の概略構成図である。
【図６】本発明による荷電粒子線装置の一例の真空断熱配管の概略構成図（断面図）である。
【図７】本発明による荷電粒子線装置の一例の真空断熱配管の概略構成図（断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、先端が針状のエミッタティップと前記エミッタティップを内包するイオン化室と前記イオン化室内部にガスを供給する第１のガスラインと、前記エミッタティップに対向するように設置された引出電極とを有する電界電離イオン源と、試料を保持する試料台と、イオンビームを収束させるためのレンズ群とを有する荷電粒子顕微鏡において、前記電界電離イオン源の一部と熱的に連結する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器に接続された冷媒が循環する第２のガスラインとコールドヘッドを冷却可能である冷凍機と、第１及び第２のガスラインをともに冷却する前記コールドヘッドに接続された第２の熱交換器を持つことを特徴とする荷電粒子顕微鏡である。これにより、イオン化室内部に供給されるイオン化ガスを効率よく純化することが可能である。すなわち、第１のガスラインが第２の熱交換器によって冷却される構造により、内部を通過するイオン化ガスに含有される不純物ガスが第１のガスラインの冷却部分に凝集するためである。また第２の熱交換器及び冷凍機はエミッタティップを冷却しイオンビームの輝度を向上し、高分解能な観察像を得るために必須の構成物であることから、これらを第1のガスラインの冷却にも併用することでより安価にガスの純化が可能となる。
【００２４】
さらに、先端が針状のエミッタティップと、前記エミッタティップを内包するイオン化室と、前記イオン化室内部にガスを供給する第１のガスラインと、前記エミッタティップに対向するように設置された引出電極とを有する電界電離イオン源と、試料を保持する試料台と、イオンビームを収束させるためのレンズ群とを有する荷電粒子顕微鏡において、前記電界電離イオン源の一部と熱的に連結する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器に接続された冷媒が循環する第２のガスラインとコールドヘッドの温度を冷却可能な冷凍機と、第１のガスラインに供給するガス分子を保持する真空容器と前記真空容器及び第２のガスラインをともに冷却する前記コールドヘッドに接続された第２の熱交換器と、前記ガスを保持する真空容器と前記イオン化室との間を結ぶ第1のガスライン中に、ガスの流量を調整する機構を有することを特徴とする荷電粒子顕微鏡である。これにより、電界電離イオン源に供給可能な純化ガスの量を増量することができる。イオン化ガスを保持可能な真空容器が冷凍機によって冷却可能な構成にすることにより、真空容器内部に保持した大量のイオン化ガスを一度に純化可能となるためである。これにより電界電離イオン源に安定的にイオン化ガスを大量に導入、消費することが可能となる。
【００２５】
さらに、真空容器とイオン化室との間の第１のガスライン中に設けた流量調整機構により、純化が終了するまで電界電離イオン源へのイオン化ガスの供給を停止することが可能となる。これにより、電界電離イオン源の信頼性を損なうことなくイオン化ガスの純化を実行することができる。また流量調節を行うことにより、イオン化室内部のイオン化ガス圧力を調節することが可能となる。
【００２６】
さらに、前記電界電離イオン源と、前記試料台と前記レンズ群とを保持する装置架台と前記装置架台の振動を低減する除振機構を備え、前記冷凍機が前記装置架台とは異なる架台に支持されることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とする。これにより、冷凍機による振動をエミッタティップもしくは試料台に伝導させることなく、エミッタティップ及びイオン化ガスを冷却することが可能となる。この振動の低減によりエミッタティップと試料の相対振動の振幅が小さくなる。その結果高分解能での試料観察が可能となる。
【００２７】
さらに、第１及び第２のガスラインをともに真空断熱する配管を有し、第１および第２のガスラインの外壁の一部もしくはすべてが互いに接触していることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とすることによって、第１のガスラインは第２のガスライン中を循環する冷媒の温度と同程度に冷却される。これにより、一度冷却されて純化されたイオン化ガスの純度を保ったまま、イオン化室へ導入することが可能となる。
【００２８】
さらに、前記冷凍機はギフォードマクマホン（ＧＭ）型の冷凍機またはパルスチューブ型の冷凍機であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とする。これにより、簡便にこの荷電粒子顕微鏡を連続運転することが可能となる。
【００２９】
さらに、前記冷凍機は液体窒素を保持可能な容器であって、容器内の圧力を低下させる手段でもって、内部の液体窒素を固化可能であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とする。これにより、比較的安価にエミッタティップとイオン化ガスを冷却することが可能になる。また冷凍機の振動を抑えることが可能となる。
【００３０】
さらに、先端が針状のエミッタティップと前記エミッタティップ近傍にガス分子を供給する第１のガスラインと、前記エミッタティップに対向するように設置された引出電極とを有する電界電離イオン源と、試料を保持する試料台と、イオンビームを収束させるためのレンズ群とを有する荷電粒子顕微鏡において、前記電界電離イオン源の一部と熱的に連結する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器に接続された冷媒が循環する第２のガスラインとコールドヘッドが冷却可能である冷凍機と、第２のガスラインを冷却する前記コールドヘッドに接続された第２の熱交換器を持ち、第１のガスラインと第２のガスラインは流量調整が可能な機構を介して接続されていて、第２のガスラインを循環する冷媒の一部を前記イオン化室に供給可能であることを特徴とする荷電粒子顕微鏡とする。これにより、第２のガスライン内を循環する冷媒としてイオン化ガスとしても使用可能なガス、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、水素等を選択すれば、このガスをイオン化ガスとしてイオン化室に導入することが可能となる。第２のガスラインを循環する冷媒は第２の熱交換器及び冷凍機により冷却されるため、不純物ガスの凝集効果により純化される。このため安価に純化されたイオン化ガスをイオン化室に供給することが可能となる。
【００３１】
次に、図１を参照して本発明による荷電粒子線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、及び冷凍機構４を有する。ここで、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、試料室３、冷却機構４は真空容器である。
【００３２】
ガス電界電離イオン源１には針状のエミッタティップ１１、前記エミッタティップ１１に対向して設けられ、イオンが通過する開口部１２を有する引き出し電極１３が含まれる。なお本例ではイオン化室外壁１４がエミッタティップ１１を覆いイオン化室１７を形成しているが、イオン化室外壁１４をガス電界電離イオン源部の真空容器の外壁と共通になるように構成することも可能である。
【００３３】
ビーム照射系カラム２には上記ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束する集束レンズ２１、集束レンズ２１を通過したイオンビーム１５を制限する可動な第１アパーチャ２２、該第１アパーチャ２２を通過したイオンビーム１５を走査あるいはアライメントする第１偏向器２３、該第１アパーチャ２２を通過したイオンビーム１４を偏向する第２偏向器２４、該第１アパーチャを通過したイオンビーム１５を制限する第２アパーチャ２５、該第１アパーチャ２２及び第２アパーチャ２５を通過したイオンビーム１５を試料３１上に集束する対物レンズ２６が含まれる。
【００３４】
試料室３内には試料３１を載置する試料ステージ３２及び二次粒子検出器３３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１５はイオンビーム照射系カラム２を経由して試料３１に照射される。試料３１からの二次粒子は、二次粒子検出器３３によって検出される。また図示はされていないがイオンビームを照射したときの試料の帯電を中和するための電子銃や試料近傍にガスを供給するガス銃を設けている。このガス銃によりデポジションガスや帯電中和用等のガスが供給される。
【００３５】
冷却機構４は、電界電離イオン源１の内部、エミッタティップ１１、引き出し電極１２、イオン化室などを冷却する機構である。冷却機構４は例えばギフォードマクマホン型（ＧＭ型）冷凍機を用いる場合には、ヘリウムガスを循環させる圧縮機ユニット４１１（コンプレッサ）が設置され、冷凍機本体４１とコンプレッサ４１１との間は冷凍機用の配管４２で接続される。冷凍機本体４１には通常その冷却能を伝えるのに適した個所がある。例えば、図１ではＧＭ型の冷凍機を使用する場合を例にとっている。この場合、冷却に適した部分とは、後述する第２コールドヘッド４１３よりも高い冷凍能力を持ち、比較的高い温度からの冷却を始めることができる第１コールドヘッド４１２が挙げられる。もしくは、第１コールドヘッド４１２よりも到達温度の低い冷凍能力を持ち、比較的低い温度にすることができる第２コールドヘッド４１３である。
【００３６】
第１のガスライン４３及び第２のガスライン４４は第２の熱交換器４７を介して、第２コールドヘッド４１３に接続されている。また、ガスボンベ４３１から供給されるヘリウム、ネオン、アルゴン、水素などのイオン化ガスは第１のガスラインを通じて、エミッタティップ１１近傍に導入される。その過程でガスボンベ４３１から供給されるイオン化ガスは少なくとも第２の熱交換器によって冷却される。また第１のガスライン４３は第２の熱交換器４７とは異なる他の熱交換器を介して、第１コールドヘッド４１２や、第２のガスラインの一部と接続されてもよい。このような接続を付け加えることによりイオン化ガスの予備冷却が可能となり、冷凍機にかかる熱負荷が減少し、よりガスを低温に冷却することができる。予備冷却にかかる装置構成の例は後に詳述する。
【００３７】
熱交換機とは、熱伝導率の良い素材、例えば銅などの素材に冷媒またはイオン化ガスを流す配管をまきつけ溶接したものであってよい。パイプの長さをできる限りとれば、より熱交換の効率が良くなり冷媒やイオン化ガスはより低温により大量に冷却することが可能になる。また熱交換器のパイプ内部には多孔質で表面積の大きい物質、例えば活性炭や金属等の微粒子等でパイプの中を満たし焼結したような素材であってもよい。表面積の大きい物質でパイプの内部が満たされれば、熱交換の効率が良くなり冷媒やイオン化ガスはより低温により大量に冷却することが可能になる。
【００３８】
また第１のガスライン４３及び第２のガスライン４４は図示されていない真空ポンプにより真空排気が可能なように構成してもよい。真空ポンプとしては例えば、ロータリーポンプ、スクロールポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンスパッタポンプ、Ｔｉサブリメーション等の蒸発型ゲッターポンプ、または非蒸発ゲッターポンプ等があげられる。これら単一の装置による真空排気だけでなく、これらを組み合わせた装置構成により、真空引きされてもよい。この装置構成により、冷媒やイオン化ガスなどを導入する前に予備排気を行うことにより、冷媒やイオン化ガスの純度を上げることが可能となる。
【００３９】
また第１のガスライン４３及び第２のガスライン４４は図示されていないヒーター等の加熱手段で加熱可能な構成としてもよい。予備排気の際にヒーター等で加熱することによりガスライン内部の吸着ガスの脱離を促進し、導入時のガスライン内部の真空度を向上することが可能になる。つまりイオン化ガスや冷媒の純度を向上することができる。
【００４０】
エミッタティップ１１はヘリウムガス、ネオンガス、窒素ガスなどの冷媒が第２のガスライン４４を通じて第１の熱交換器４６と第２の熱交換器４７との間を循環し,冷却伝導体４５に冷却熱を伝達させることにより冷却される。冷媒の循環には圧縮機ユニット４４１が用いられる。冷却伝熱体４５はエミッタティップ１１または引出電極１３またはイオン化室外壁１４などガス電界電離イオン源の一部に接続されている。第２のガスライン４４は第２の熱交換器４７とは異なる他の熱交換器を介して、第１コールドヘッド４１２に接続されてよい。また第２のガスライン４４の一部であって冷媒が第１の熱交換器へ向かう個所と、第２のガスライン４４の一部であって冷媒が第１の熱交換器４６から帰ってくる個所とが、第２の熱交換器４７とは異なる他の熱交換器を介して接続されてよい。このような接続を付加することにより冷媒の予備冷却が可能となり、冷凍機にかかる熱負荷が減少し、より冷媒を低温に冷却することができる。予備冷却にかかる装置構成の例は後に詳述する。なお、コールドヘッドの温度は70K以下に冷却できることが好ましい。
【００４１】
本例の走査イオン顕微鏡は、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１６、及び試料室３を真空排気する試料室真空排気用ポンプ３４を有する。床５の上に配置された装置架台６の上には防振機構６１を介してベースプレート６２が配置されている。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はベースプレート６２によって支持されている。
【００４２】
以上のような構成とすれば、イオン化ガスに含有される不純物ガスが第１のガスラインの冷却部分に凝集するため、純度が向上したイオン化ガスを定常的にイオン化室内部に導入することが可能となる。また、第２の熱交換器４７及び冷凍機はエミッタティップを冷却しイオンビームの輝度を向上し、高分解能な観察像を得るために必須の構成物であることから、安価にガスの純化が可能となる。
【００４３】
図２には図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の構成のうち第１のガスライン及び第２のガスラインを予備冷却した上で第２コールドヘッド４１３に接続した例を示している。第１のガスラインは第1コールドヘッド４１２に接続された第３の熱交換器４８１で冷却され、さらに第２コールドヘッド４１３に接続された第２の熱交換器４７で冷却される。第２のガスラインは第１コールドヘッド４１２に接続された第３の熱交換器４８１で冷却され、さらに第２コールドヘッド４１３に接続された第２の熱交換器４７で冷却される。第２のガスラインはさらに第４の熱交換器４８２により往路と復路が互いに熱交換される。このような構成にすれば冷凍機の熱負荷が低減され、エミッタティップとイオン化ガスをより低温に冷却することが可能となる。図１及び図２ではＧＭ冷凍機１台を使用する例が記載されているが、複数台使用しても本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００４４】
ただし、少なくとも一つの熱交換器に第１のガスライン４３と第２のガスライン４４がともに接続されていることが本発明の特徴である。このような構成にすることで、それぞれのガスラインが好適に冷却され、純度の高いイオン化ガスをエミッタティップ１１に供給可能である、信頼性の高いイオン顕微鏡を、冷凍機の台数を最小限にとどめ、コストを抑え安価に提供することが可能となる。
【００４５】
図３にはＧＭ冷凍機のかわりに冷媒を保持する容器４１４を用いてエミッタティップ及びイオン化ガスを冷却する構成を示した。この構成においては第２の熱交換器が冷媒４１６を保持する容器４１４に接続されている。冷媒４１６としては液体窒素や固体窒素、液体ネオンや液体ヘリウム等が用いられる。第１のガスライン及び第２のガスラインはこの第２の熱交換器を介して冷媒を保持する容器に接続され、冷媒４１６の潜熱によって冷却される。冷媒４１６を保持する容器４１４には真空排気配管４１５が取り付けられている。この真空排気配管４１５を介して図示はされていないポンプを用いて冷媒を保持する容器４１４内部を真空引きすることができる。この真空引きにより容器内部の圧力を低下させ、保持された冷媒４１６の温度を下げることができる。特に冷媒４１６として液体窒素を使用する場合には、この真空引きにより液体窒素を固体窒素に相転移させることができる。また、液体から固体にすることで、液体窒素の沸騰による装置振動を低減することができる。特に走査イオン顕微鏡ではエミッタティップと試料の相対振動により試料像の分解能が劣化する。この真空引きにより試料分解能の劣化をある程度低減することができる。 
図４を参照して本発明による荷電粒子線装置の一例を説明する。本例では図１とは異なり、第１のガスライン中にイオン化ガスを保持することが可能な真空容器４３２を有し、さらに真空容器４３３とイオン化室を結ぶ第１のガスライン中にガスの流量が調整可能な手段４３４を有することを特徴とする。本例では第１のガスラインはガスボンベ４３１から弁４３３を介し一度真空容器４３３と接続される。その後流量調整手段４３４を介しイオン化室１７に導入される。
【００４６】
本例ではＧＭ冷凍機を使用する場合を例にとっている。真空容器４３３は第２の熱交換機を介し冷却されるように図示されているが、第２コールドヘッドに直接接続されるように構成してもよい。また冷凍機は複数台用いても本発明の範囲を逸脱するものではない。ただし本発明では第２のガスラインを冷却する冷凍機と同一の冷凍機に真空容器４３３が冷却されることを特徴としている。すなわち少なくとも一つの冷凍機は、真空容器４３３の冷却と、第２のガスラインの冷却を同時に行う。このような構成にすることで、純度の高いイオン化ガスをエミッタティップ１１に供給可能である、信頼性の高いイオン顕微鏡を、冷凍機の台数を最小限にとどめ、コストを抑え安価に提供することが可能となる。
【００４７】
また本例においても第１のガスライン４３及び第２ガスライン４４を予備冷却する構成としてもよい。すなわち例えば、第１のガスライン中を流れるイオン化ガスが真空容器４３３に保持される前に、第1コールドヘッド４１２によって冷却されるような構成としてもよい。第２ガスラインについても同様に第２の熱交換器とは異なる他の熱交換器を介して、第１コールドヘッド４１２に接続されてよい。また第２のガスライン４４の一部であって冷媒が第１の熱交換器へ向かう個所と、第２のガスライン４４の一部であって冷媒が第１の熱交換器４６から帰ってくる個所とが、第２の熱交換器４７とは異なる他の熱交換器を介して接続されてよい。このような接続を付け加えることにより冷媒の予備冷却が可能となり、冷凍機にかかる熱負荷が減少し、より冷媒を低温に冷却することができる。
【００４８】
イオン化ガスが冷却された真空容器４３３の内部に保持されると、イオン化ガスに含有される不純物ガスが真空容器４３３の内壁に凝集するため、イオン化ガスの純度は向上する。イオンビームの輝度が高い状態で装置を動作させる際には、イオン化室のイオン化ガス圧力を高く保つ必要がある。これは高分解能の像観察には純度の高い大量のイオン化ガスの消費に対応する必要性を意味している。このためイオン化ガスの導入はイオン顕微鏡を動作させる前の予備段階で行ってもよい。一度冷却されたイオン化ガスを保持しておくことで、常に一定の純度を保ちつつも、冷凍機にかかる熱負荷は低減することができる。また予備段階で真空容器４３３内部のイオン化ガス圧力を必要量まで高めておくことで、大量のイオン化ガスを消費に対応することが可能になる。
【００４９】
また真空容器４３３、第１のガスライン４３及び第２のガスライン４４は図示されていない真空ポンプにより真空排気が可能なように構成してもよい。真空ポンプとしては例えば、ロータリーポンプ、スクロールポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンスパッタポンプ、Ｔｉサブリメーション等の蒸発型ゲッターポンプ、または非蒸発ゲッターポンプ等があげられる。これら単一の装置による真空排気だけでなく、これらを組み合わせた装置構成により、真空引きされてもよい。この装置構成により、冷媒やイオン化ガスなどを導入する前に予備排気を行うことにより、冷媒やイオン化ガスの純度を上げることが可能となる
また真空容器４３３、第１のガスライン４３及び第２のガスライン４４は図示されていないヒーター等の加熱手段で加熱可能な構成としてもよい。予備排気の際にヒーター等で加熱することによりガスライン内部の吸着ガスの脱離を促進し、導入時のガスライン内部の真空度を向上することが可能になる。つまりイオン化ガスや冷媒の純度を向上することができる。
【００５０】
図５を参照して本発明による荷電粒子線装置の例を説明する。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、及び試料室３で構成される走査イオン顕微鏡本体を支持する装置架台とは別の装置架台に冷凍機が支持されていることを特徴とする。つまり走査イオン顕微鏡本体と冷却機構４が別の装置架台により支持されている。通常冷凍機は運転時に振動する。ＧＭ冷凍機を例にとればピストンの振動により冷凍機本体が振動源となる。またヘリウムを循環させる圧縮機ユニットの運転も振動源となる。また冷媒を保持する容器を冷凍機として使用する際にも冷媒の沸騰のさいに生じる気泡が、装置を振動させる原因となる。前述のように走査イオン顕微鏡ではエミッタティップ１１と試料３１の相対振動が像分解能劣化の原因となる。このように振動の原因となる冷凍機とイオン顕微鏡本体を別の装置架台で支持することにより振動の伝達を低減し像分解能の劣化を低減することができる。
【００５１】
イオン顕微鏡本体と冷却機構４を別々の装置架台とすることにより、第１のガスライン４３及び第２のガスライン４４は延伸する必要がある。さらに冷却機構で冷却された第１のガスライン４３中を流れるイオン化ガスや、第２のガスライン４４中を流れる冷媒を冷却された状態に保ったまま、イオン顕微鏡本体に搬送するため、これらのガスラインは真空断熱配管４９に覆われ、外部からの熱流入を遮断する必要がある。この際この真空断熱配管４９は単一の配管で第１のガスライン及び第２のガスラインの往路と復路を同時に真空断熱可能な構成であってよい。また第１のガスラインが冷却機構４からイオン化室にいたるまでのどこか一部あるいはすべてが、第２のガスラインと接触した構成としてもよい。このような構成にすると、第１のガスラインを広範囲にわたり冷却された状態で保持することが可能になる。
【００５２】
図６にはこの第１のガスラインと第２のガスラインを含む真空断熱配管の断面図を示す。図６Ａは第１のガスライン４３と第２のガスライン往路４４Ａが接触している例を示している。図６Ｂは第１のガスラインが第２のガスライン往路４４Ａに内包されている例を示している。
【００５３】
真空断熱配管４９の外壁は図示はされていないがその一部、またはすべてが、ベローズ状、または蛇腹状の可動な構造であってもよい。真空断熱配管４９は振動源となる冷却機構４とイオン顕微鏡本体を結合しているため、冷却機構４の振動をイオン顕微鏡本体に伝える伝達部となりうる。上記のように可動な構造とすれば振動が伝達されづらくなり、顕微鏡像の分解能劣化が低減される。さらに上記の可動な構造を持つ真空断熱配管４９の一部はイオン源本体を支える装置架台または冷却機構を支持する装置架台、または上記二つの装置架台とも異なる第３の装置架台のうち、いずれか一つ以上に固定されてもよい。特に第３装置架台に固定すれば、冷凍機構４で発生した振動のイオン顕微鏡本体への伝達が抑制される。
【００５４】
図５では第２のガスラインは冷凍機構４とイオン顕微鏡本体の間を1往復しているが、１往復以上冷媒が循環する構造であってもよい。
【００５５】
図７にこの場合の真空断熱配管の断面図を示す。この例では第２のガスラインの往路と復路の１往復目を内側、２往復目を外側に配置しさらに熱輻射遮蔽シールドを内側のガスラインを囲むように配置し、さらに外側の第２のガスラインで熱輻射遮蔽をシールド冷却するように互いを接続している。このような構造をとれば熱輻射遮蔽シールドの内側に配置されたガスラインへの熱流入が減少され、冷媒及びイオン化ガスはより低温に保たれたままイオン顕微鏡本体へと搬送可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１…ガス電界電離イオン源  １１…エミッタティップ  １２…イオンが通過する開口部  １３…引出電極  １４…イオン化室外壁  １５…イオンビーム  １６…イオン源真空排気用ポンプ  １７…イオン化室  ２…ビーム照射系カラム  ２１…集束レンズ  ２２…第１アパーチャ  ２３…第１偏向器  ２４…第２偏向器  ２５…第２アパーチャ  ２６…対物レンズ  ３…試料室  ３１…試料  ３２…試料ステージ  ３３…二次粒子検出器  ３４…試料室真空排気用ポンプ  ４…冷却機構  ４１…冷凍機本体  ４１１…圧縮機ユニット  ４１２…第１コールドヘッド  ４１３…第２コールドヘッド  ４１４…液体窒素を保持する容器  ４１５…真空排気配管  ４２…冷凍機用の配管  ４３…第１のガスライン  ４３１…ガスボンベ  ４３２…真空容器（ガス溜め）４３３…弁  ４３４…流量調整手段  ４４…第２のガスライン  ４４Ａ…第２のガスライン往路  ４４Ｂ…第２のガスライン復路  ４４１…圧縮機ユニット  ４５…冷却伝導体  ４６…第１の熱交換器  ４７…第２の熱交換器  ４８１…第３の熱交換器  ４８２…第４の熱交換器  ４９…真空断熱配管  ４９１…熱輻射遮蔽シールド  ５…床  ６…装置架台  ６１…防振機構  ６２…ベースプレート
【図１】
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【図２】
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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３】
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