(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、排気している気体が排気系を逆流してガス電界電離イオン源のガスイオン化室に侵入することを防止することに関する。【解決手段】  本発明は、例えば、ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置や、当該イオンビーム装置を含む複合荷電粒子線装置において、荷電粒子線装置や試料が配置される試料室などの他の真空容器を排気する排気系とは独立したイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備えることに関する。  本発明によれば、排気している気体が排気系を逆流してガス電界電離イオン源のガスイオン化室に侵入することを防止でき、イオンビームのエミッション不良やエミッタティップの破壊を回避することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置と、荷電粒子線装置とを備えた複合荷電粒子線装置において、
ガス電界電離イオン源は、
陽極となるエミッタティップと、
陰極となる引出電極と、
少なくともエミッタティップを収容する真空容器と、
エミッタティップの先端部と引出電極との間の空間にイオン化ガスを供給するガス導入口と、
イオン化ガスを排気するガス排気口と、を備え、
荷電粒子線装置および試料が配置される試料室を排気する排気系とは独立したイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備える
ことを特徴とする複合荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の複合荷電粒子線装置において、
ガス排出口および／またはガス導入口が、接地電位の構造体に設けられていることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の複合荷電粒子線装置において、
ガスイオン化室の最低温部を5K以上昇温できる昇温機構を備えることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１に記載の複合荷電粒子線装置において、
荷電粒子線装置が、液体金属イオン源を備えたイオンビーム装置であり、
当該液体金属イオン源を収容する真空容器の排気系が不活性ガスを排気できる真空ポンプを備えることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１に記載の複合荷電粒子線装置において、
荷電粒子線装置が、液体金属イオン源を備えたイオンビーム装置であり、
当該液体金属イオン源を収容する真空容器の排気系がノーブルポンプまたはエクセルポンプを備えることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
ガス電界電離イオン源は、少なくともエミッタティップを収容する真空容器と、他の真空容器とを分離するバルブを備えることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
【請求項７】
ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置において、
ガス電界電離イオン源は、
陽極となるエミッタティップと、
陰極となる引出電極と、
少なくともエミッタティップを収容する真空容器と、
エミッタティップの先端部と引出電極との間の空間にイオン化ガスを供給するガス導入口と、
イオン化ガスを排気するガス排気口と、を備え、
試料が配置される試料室を排気する排気系とは繋がっていないイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備える
ことを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項８】
請求項７に記載のイオンビーム装置において、
ガス排出口および／またはガス導入口が、接地電位の構造体に設けられていることを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項９】
請求項７に記載のイオンビーム装置において、
ガスイオン化室の最低温部を5K以上昇温できる昇温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１０】
請求項７に記載のイオンビーム装置において、
ガス電界電離イオン源のイオン源室と試料室との間にある空間を排気する独立した排気系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、ガス電界電離イオン源を備え、イオンビームによる加工や観察の能力を有するイオンビーム装置に関する。また、当該イオンビーム装置と、イオン顕微鏡や電子顕微鏡などを組み合わせた複合荷電粒子線装置に関する。
【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】
イオン顕微鏡のイオン源としては、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とは、エミッタティップが作る電界によってガスをイオン化し、これをイオンビームとして放出するイオン源である。ガス電界電離イオン源は、高電圧が印加できる針状のエミッタティップを内部に持つガスイオン化室を有し、ガスイオン化室にはガス源からガス供給配管を介してイオン化ガスが供給される。高電圧が印加され強電界のかかった針状のエミッタティップ先端にガス供給配管から供給されたイオン化ガス（あるいはガス分子）が近づくと、ガス（ガス分子）内の電子が、電界によって低減したポテンシャル障壁をトンネリングすることによって正イオンとなり放出される。ガス電界電離イオン源では、これをイオンビームとして利用するため、エネルギー幅の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。
【０００４】
特許文献１においては、イオン顕微鏡のガス電界電離イオン源を真空排気する真空ポンプは、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組み合わせ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組み合わせ、または、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組み合わせが好適であると開示されている。また、イオン顕微鏡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み合わせ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組み合わせ、若しくは、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組み合わせとする、または、大気からの真空粗引きにターボ分子ポンプを使用し、イオンビームによる試料観察時にはターボ分子ポンプを停止することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第2009/147894号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者が、排気時のガス電界電離イオン源の安定性について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
【０００７】
特許文献１では、大気圧から、非蒸発ゲッタポンプ、ノーブルポンプ、またはエクセルポンプが起動できる圧力まで気体を排気する補助ポンプや、ターボ分子ポンプの排気口(排出口)での圧力を規定背圧まで排気する補助ポンプまで含めた真空排気系については開示されていない。
【０００８】
一方、通常、複合荷電粒子線装置では、コスト低減と装置サイズを小さくするために、補助ポンプを共用する真空排気系を用いることが普通であるため、本願発明者は、補助ポンプを共用する真空排気系を検討した。
【０００９】
しかし、この真空排気系は、全体では、ガス電界電離イオン源を真空排気する排気系と試料室を真空排気する排気系とが繋がることになるため、真空ポンプが動作していても、排気している気体がどちらかの排気系を逆流して真空容器内に侵入する場合があることを、本願発明者は突き止めた。
【００１０】
例えば、ヘリウムや水素のように排気するイオン化ガスの質量が軽い場合や、ガス電界電離イオン源の壁面に残留する不純物ガスを排出するために意図的にイオン化ガスをイオン顕微鏡による試料観察時のイオン化ガス圧（常用量）よりも高圧にした（多量に導入した）場合や、エミッタティップの寿命を延ばすためにガス電界電離イオン源のイオン化ガスを排気するレンズ開口部からの差動排気と、これとは別に排気量を変更できる排気手段とを設け、イオン化ガスの導入量を増やすと共に、した排気量を変更できる排気手段で適切な排気量に調整して、排気量も増やした導入量に応じた量に増やしてイオン化ガス圧はイオン顕微鏡による試料観察時の圧力に保つ場合や、試料室に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防止するためのガス供給手段や、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供給手段を設けて意図的に試料室へイオン化ガス以外のガス（気体）を導入する場合である。
【００１１】
排気する気体の質量、若しくはその排気量、またはその両方の要因によって、排気している気体が排気系を逆流して、イオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室に侵入すると、イオンビームのエミッションが不安定になったり、エミッタティップが破壊されたりして重大な不具合を引き起こし、イオン顕微鏡像の観察ができなくなる可能性がある。
【００１２】
本発明の目的は、排気している気体が排気系を逆流してガス電界電離イオン源のガスイオン化室に侵入することを防止することに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、例えば、ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置や、当該イオンビーム装置を含む複合荷電粒子線装置において、荷電粒子線装置や試料が配置される試料室などの他の真空容器を排気する排気系とは独立したイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備えることに関する。
【００１４】
また、本発明は、例えば、ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置や、当該イオンビーム装置を含む複合荷電粒子線装置において、荷電粒子線装置や試料が配置される試料室などの他の真空容器を排気する排気系とは繋がっていないイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備えることに関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、排気している気体が排気系を逆流してガス電界電離イオン源のガスイオン化室に侵入することを防止でき、イオンビームのエミッション不良やエミッタティップの破壊を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図２】実施例２にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図３】実施例３にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図４】実施例４にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図５】実施例５にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図６】実施例６にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図７】実施例７にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図８】実施例８にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図９】実施例９にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図１０】実施例１０にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図１１】実施例１１にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【図１２】実施例１２にかかるイオンビーム装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施例で説明するイオンビーム装置は、電子ビームを用いた装置に比べて試料表面の情報に敏感である。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。
【００１８】
これらの特徴を生かしたイオンビーム装置として、例えば走査イオン顕微鏡がある。走査イオン顕微鏡は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試料表面の構造を観察する装置である。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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）が集束イオンビーム加工観察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）の複合機であるFIB-SEM装置も用いられている。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。
【００２１】
実施例では、ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置と、荷電粒子線装置とを備えた複合荷電粒子線装置において、ガス電界電離イオン源が、陽極となるエミッタティップと、陰極となる引出電極と、少なくともエミッタティップを収容する真空容器と、エミッタティップの先端部と引出電極との間の空間にイオン化ガスを供給するガス導入口と、イオン化ガスを排気するガス排気口と、を備え、荷電粒子線装置および試料が配置される試料室を排気する排気系とは独立したイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備えることを開示する。
【００２２】
また、実施例では、ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射して試料を観察または加工するイオンビーム装置において、ガス電界電離イオン源が、陽極となるエミッタティップと、陰極となる引出電極と、少なくともエミッタティップを収容する真空容器と、エミッタティップの先端部と引出電極との間の空間にイオン化ガスを供給するガス導入口と、イオン化ガスを排気するガス排気口と、を備え、試料が配置される試料室を排気する排気系とは繋がっていないイオン化ガスを排気するイオン化ガス排気系を備えることを開示する。
【００２３】
また、実施例では、ガス排出口および／またはガス導入口が、接地電位の構造体に設けられていることを開示する。
【００２４】
また、実施例では、ガスイオン化室の最低温部を5K以上昇温できる昇温機構を備えることを開示する。
【００２５】
また、実施例では、液体金属イオン源を備えたイオンビーム装置において、当該液体金属イオン源を収容する真空容器の排気系が不活性ガスを排気できる真空ポンプを備えることを開示する。
【００２６】
また、実施例では、液体金属イオン源を備えたイオンビーム装置において、当該液体金属イオン源を収容する真空容器の排気系がノーブルポンプまたはエクセルポンプを備えることを開示する。
【００２７】
また、実施例では、ガス電界電離イオン源が、少なくともエミッタティップを収容する真空容器と、他の真空容器とを分離するバルブを備えることを開示する。
【００２８】
また、実施例では、ガス電界電離イオン源のイオン源室と試料室との間にある空間を排気する独立した排気系を備えることを開示する。
【００２９】
以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。なお、図面は専ら発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を減縮するものではない。また、各実施例は適宜組み合わせることが可能であり、本明細書ではそのような組み合わせ形態についても開示する。
【実施例１】
【００３０】
図１を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。
【００３１】
イオンビーム装置は、エミッタティップ１、引き出し電極２、ガス供給配管４、ガス排気口５２、冷却機構６０、および冷却伝導機構６１を有するイオン源室５と、イオン源室５を真空に排気するためのイオン源室真空排気用ポンプ２１、補助真空排気用ポンプ２２、バルブ３０、イオン化ガスのガス源１５、試料室１０、FIBカラム３１、FIB真空排気用ポンプ２６、FIBイオン源排気系バルブ２７、試料室真空排気用ポンプ２３、補助真空排気用ポンプ２４、ならびにガス供給手段４０を有する。なお、ガス供給配管４とガス導入口１６を総称してガス導入部ということとする。また、本実施例ではガス排気口５２をガス排出部ということとする。本実施例では、FIBカラム３１の真空容器の気体を大気圧から排気する補助ポンプを試料室真空排気用ポンプ２３、補助真空排気用ポンプ２４が兼ねているが、別途FIBカラム３１専用の独立した排気系を設けても良い。イオン源室５と試料室１０は、開口部１８を介して繋がっている。イオン源は、ガス電界電離イオン源である。高電圧（電源は図に記載していない）が印加できる針状のエミッタティップ１を内部に持つガスイオン化室６にガス源１５からガス供給配管４を介してイオン化ガスを供給する。高電圧が印加され強電界のかかった針状のエミッタティップ１先端にガス供給配管４から供給されたイオン化ガス（あるいはガス分子）が近づくと、ガス（ガス分子）内の電子が電界によって低減したポテンシャル障壁をトンネリングすることによって、正イオンとなって放出される。ガス電界電離イオン源では、これをイオンビームとして利用する。
本実施例では、イオン源室５により囲まれた空間が、ガスをイオン化するガスイオン化室６を兼ねている。つまり、ガスイオン化室６とは、少なくともエミッタティップ１を囲むように一つまたは複数の部材から構成され、内部にガスが導入される構造物といえる。
【００３２】
ガスイオン化室６にイオン化ガス（あるいはガス分子）を導入するときには、バルブ３０を閉じ、ガスイオン化室６にイオン化ガス（あるいはガス分子）を保持する。開口部１８がガス排気口５２を兼ねており、ガスイオン化室６のイオン化ガス（あるいはガス分子）は開口部１８を介して差動排気される。導入するイオン化ガス（あるいはガス分子）の導入量は、既定のイオン化ガス圧（イオン顕微鏡による試料観察や分析など、用途や目的により変化する）になるよう開口部１８を介して差動排気される排気量とバランスのとれる量に調整される。
【００３３】
また、導入するイオン化ガス（あるいはガス分子）の導入量をした場合よりも増やして、この増えた分はバルブ３０を完全に閉止せずに開放量を調整してバルブ３０を介して排気することで、既定のイオン化ガス圧になるよう排気量を調整しても良い。この場合、イオン化ガスの排気量は開口部１８を介した差動排気量とバルブ開放量を調整したバルブ３０を介した排気量の合計となる。エミッタティップの寿命を延ばすには、本方法でイオン化ガス（あるいはガス分子）を導入するのが良いが、イオン化ガスを多量に消費するという欠点もあるので目的により使い分ける必要がある。した排気系が独立していない場合、排気したイオン化ガスの逆流による悪影響は本方法で顕著となる。なお、排気したイオン化ガスには排気経路から様々な不純物ガス（ここでは不純物ガスとはイオン化ガス（あるいはガス分子）以外のガスとする）が混入するため、したようにこれが逆流すると不純物ガスが侵入することになり、エミッション不良やエミッタティップの破壊を引き起こす。
【００３４】
また、図には記載していないが、開口部１８を通じて試料室１０につながった空間には、イオンビームの照射光学系が設置され、試料室１０には、イオンビームの照射により試料から得られる信号を検出する検出器、試料を載置する試料台、および試料を移動させる試料ステージが設置されている。
【００３５】
また、イオンビーム装置には、このほかにも各部分の動作を制御する制御部や、検出器から出力される信号に基づいて画像を生成する画像生成部が含まれている。制御部や画像生成部は、専用の回路基板によってハードとして構成されていてもよいし、イオンビーム装置に接続されたコンピュータで実行されるプログラムによって構成されてもよい。
【００３６】
本実施例では、イオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室を真空排気するイオン源室真空排気用ポンプ２１、補助真空排気用ポンプ２２を設けた排気系と、他の真空容器を排気するFIB真空排気用ポンプ２６、試料室真空排気用ポンプ２３、補助真空排気用ポンプ２４を設けた排気系とが独立しているので、イオン源室真空排気用ポンプ２１、補助真空排気用ポンプ２２を設けた排気系から排出される多量のイオン化ガス（あるいはガス分子）と排気過程で混入する不純物ガスとの混合ガスが他の真空容器を排気する排気系から逆流してイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室６に侵入することを防止でき、イオンビームのエミッション不良やエミッタティップ破壊を避けられる。
また、試料室１０に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防止するためのガス、あるいは試料近傍にエッチングガスやデポジションガス（これらのガスはイオン化ガス以外のガス（気体）であり、不純物ガスとなる。）をガス供給手段４０から試料室１０へ導入しても、試料室真空排気用ポンプ２３により排気されるこのイオン化ガス以外のガス（気体）が、イオン源室真空排気用ポンプ２１の系を逆流してガスイオン化室６に侵入することを防止できる。
【実施例２】
【００３７】
図２を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。なお、以下においては、実施例１との相違点を中心に説明する。
【００３８】
本実施例では、エミッタティップ１は加速電源７により電圧が印加され、引き出し電極２は引き出し電源８により電圧が印加される。また、イオン源室５は、イオンビーム装置の動作如何に関わらず接地電位（GND）に固定されている。イオン源室５は、エミッタティップ１を囲むように構成された真空容器である。本実施例では、実施例１と同様に、このイオン源室５により囲まれた空間がガスをイオン化するガスイオン化室６を兼ねている。つまり、ガスイオン化室６とは、少なくともエミッタティップ１を囲むように一つまたは複数の部材から構成され、内部にガスが導入される構造物といえる。
【００３９】
ガス供給配管４のガス導入口１６は、接地電位（GND）のイオン源室５に設置されている。ガス導入口１６は、イオン源室５に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。ガス排気口５２は接地電位（GND）のイオン源室５に設置されている。ガス排気口５２は、イオン源室５に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。
【００４０】
ガスイオン化室６に着目すると、ガス源１５からガス供給配管４を通ってガスイオン化室６に導入されるガスのガス圧は、イオン化ガスの導入口１６の近傍が最も高くなる。ガス圧を上げればイオンビームの電流も増えることは知られているが、従来は、電圧の印加される引き出し電極２、すなわち高電圧に浮いている部分、またはその近傍にイオン化ガスの導入口１６が設置されていたため、ガスイオン化室６のガス圧を高めていくとイオン化ガスの導入口１６近傍でグロー放電を起してしまい、イオン化ガスのガス圧を高めてイオン電流を増加させることが困難であった。そこで、本実施例では、このイオン化ガスの導入口１６が接地電位（GND）となるようにした。これによって、ガスイオン化室６に導入するガス圧を高くしても、イオン化ガスの導入口１６でグロー放電が発生することを抑制できる。したがって、本実施例のイオンビーム装置であれば、イオン化ガスのガス圧を高めてイオン電流を増加させることができる。
【００４１】
また、ガス排気口５２の近傍でも排気量が大きくなると局所的にガス圧が大きくなるので、ガス排気口が高電圧である場合にはグロー放電が起きる可能性があった。本実施例では、イオン化ガスの排気手段のガス排気口が接地電位（GND）の構造体に設置されているため、ガス圧力が局所的に高い部分であるイオン化ガスのガス排気口付近に高電圧が印加されず、ガスの排気量を大きくしてもグロー放電を抑制できる。
【実施例３】
【００４２】
図３を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の概略構成を説明する。なお、以下においては、実施例１および２との相違点を中心に説明する。
【００４３】
本実施例は、実施例１のイオンビーム装置に、昇温機構６２を追加した構成となっている。本実施例では、ガスイオン化室６の最低温部は、冷却機構６０と冷却伝導機構６１との接続部となる。そこで、昇温機構６２は、冷却機構６０と冷却伝導機構６１との接続部に設置されている。昇温機構６２は、たとえばヒーターなどを用いることが可能である。
そこで、昇温機構６２としてヒーターを用いた場合を説明する。エミッタティップ１は、タングステンの先端に白金の被膜を形成したものとする。なお、エミタッティップはこの組み合わせに限らず、例えば特許文献1に開示されている組み合わせでも良い。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、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を形成する前に、昇温機構６２のヒーターを通電加熱してガスイオン化室６の最低温部の温度を5K以上昇温する。すると、ガスイオン化室６の最低温部にクライオ効果で溜めこまれた不純物ガスが最低温部から放出され、イオン源室真空排気用ポンプ９によりガスイオン化室６の外部に排出される。本処理後は、例えばエミッタティップの通電加熱によりエミッタティップが高温加熱され、エミッタティップの熱がガスイオン化室の最低温部に伝わって温度上昇を起こしてもガスイオン化室の最低温部から放出される不純物ガスの量は微量となり、ナノメートルオーダのピラミッド型構造の形成を阻害しない。
【００４４】
冷却機構６０が機械的冷凍機の場合には、昇温機構６２はヒーターではなく単なる温度測定機構とし、冷却機構６０を停止して自然昇温させる方法もある。昇温機構６２は５K以上温度が上がったか否かを確認するだけである。本方法は、ヒーターやヒーター電源などの構成物を減らせるという利点があるが、温度制御が粗くなる、液体窒素での直接冷却には適用できないなどの欠点もある。どの方法を選ぶかは目的により決めればよい。
【実施例４】
【００４５】
図４を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。なお、以下においては、実施例１〜３との相違点を中心に説明する。
【００４６】
イオン顕微鏡像を観察しているときには、ガスイオン化室６のイオン化ガス（あるいはガス分子）は開口部１８を介して差動排気されている。イオン顕微鏡像の観察にはイオン化ガスとして希ガスを使うことが多い。この差動排気されたイオン化ガス（あるいはガス分子）は、試料室１０とFIBカラム３１との真空度の違いにより、微量ながら試料室１０を介してFIBカラム３１に侵入する。通常、FIBカラム３１はFIB真空排気用ポンプ２６としてイオンポンプを用い、FIBカラム３１にあるイオン源（LMISであることが多い）の真空容器の真空度を上げるために、FIBイオン源排気系バルブ２７を閉止している。FIB真空排気用ポンプが希ガスの排気能力が劣るイオンポンプである場合には、FIBカラム内に希ガスが溜まってゆき、FIBカラム３１の真空度が徐々に悪化する。真空度の悪化はFIBのエミッション不良を引き起こす可能性があり避けたい現象である。そこで、本実施例では、実施例１のFIB真空排気用ポンプ２６を希ガス対応FIB真空排気用ポンプ２８とすることで、この問題を回避する。希ガス対応FIB真空排気用ポンプ２８は、例えばノーブルポンプやエクセルポンプを用いる。
【実施例５】
【００４７】
図５を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。なお、以下においては、実施例１〜４との相違点を中心に説明する。
【００４８】
本実施例は、実施例１の開口部１８に開口部バルブ９を追加した構成となっている。ガス供給手段４０からガスを試料近傍に供給してFIBによりガスアシストエッチングあるいはイオン誘起デポジションを行う場合、ガス供給手段４０から試料室１０内に供給されたガスが開口部１８を経由してガスイオン化室６に侵入する可能性がある。そこで、開口部１８に開口部バルブ９を設け、FIBによりガスアシストエッチングまたはイオン誘起デポジションを行う間は、開口部バルブ９を閉止して、ガス供給手段４０から試料室１０内に供給されたガスが、ガスイオン化室６に侵入しないようにする。
【実施例６】
【００４９】
図６を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。図６には、ガス電界電離イオン源のイオン源室５、ならびにイオン源室５およびガスイオン化室６を真空排気する排気系のみを図示する。なお、以下においては、実施例１〜５との相違点を中心に説明する。
【００５０】
本実施例は、ガスイオン化室６の内部で発生したイオンビームを加速または集束するレンズ電極３が設けられている点、イオン源室５を構成する真空容器の中にさらにガスイオン化室６が設けられている点、ガスイオン化室６にガス排気配管５１とガス排気口５２が設けられている点（ガス排気管５１とガス排気口５２を総称してガス排出部ということとする）、ガス排気管５１には可変バルブ５０が設けられている点、ガスイオン化室６を真空に排気するためのガスイオン化室真空排気用ポンプ２０と補助真空排気用ポンプ３３が設けられており、ガスイオン化室６の真空排気系が独立している点、レンズ電極開口部１７がガス排気口５２を兼ねており、ガスイオン化室６のイオン化ガス（あるいはガス分子）はレンズ電極開口部１７を介して差動排気される点、後述するガスイオン化室６の最低温部の位置が変わる点、昇温機構６２が設けられている点で実施例１と異なる。
【００５１】
本実施例では、実施例１で説明した、導入するイオン化ガス（あるいはガス分子）の導入量を増やしてエミッタティップの寿命を延ばす場合、バルブ３０の開放量を調整する代わりに可変バルブ５０の開放量を調整することで、導入するイオン化ガス（あるいはガス分子）の導入量と、レンズ電極開口部１７を介した差動排気量とバルブ開放量を調整した可変バルブ５０を介した排気量を足したイオン化ガスの排気量とを増やし、既定のイオン化ガス圧になるよう排気量を調整する。
【００５２】
本実施例では、ガスイオン化室６の最低温部はレンズ電極３と冷却伝導機構６１との接続部となる。そこで、昇温機構６２はレンズ電極３と冷却伝導機構６１との接続部に設置する。あとは実施例３と同じである。また、図６には示していないが、昇温機構６２は実施例３と同じ冷却機構６０と冷却伝導機構６１との接続部に設置し、冷却伝導機構６１を介して熱伝導でガスイオン化室６の最低温部を５K以上昇温してもよい。
【００５３】
また、本実施例のレンズ電極３は、冷却しているエミッタティップ１への熱輻射による熱流入を低減する輻射シールドにもなっている。イオン化ガスに水素やヘリウムを使用する場合には極低温にエミッタティップ１を冷却する必要があるため、エミッタティップ１への熱輻射による熱流入を低減する輻射シールドがあったほうがよい。この輻射シールドはエミッタティップ１を囲むように設けられているので、実施例１のようにイオン源室５の室温壁とエミッタティップ１の間に何もない場合に比べて、イオン源室５の室温壁からエミッタティップへの熱輻射による熱流入を効果的に低減することができる。また、レンズ電極３がガスイオン化室６および輻射シールドを兼ねているため、装置の小型化にも貢献している。
【００５４】
イオン源室５でイオンビームが通る空間に着目すると、ガスイオン化室６に導入されたガスは、エミッタティップ１でイオン化されて引き出し電極２により引き出された後、レンズ電極３で加速および集束されてイオンビームとして開口部１８を抜けて試料室１０へ向かう。エミッタティップ１近傍のガス圧は、ガスを効率的にイオン化するためにガス圧が高い状態を維持したい。反対に、イオン化されたガスがイオンビームとなり通過してゆく空間は、イオンビームがガスと衝突し散乱することを防ぐために、ガス圧がより低い状態に維持したい。そこで、ガス導入口１６は、エミッタティップ１の先端部と同じ高さ、またはエミッタティップ１の先端部より上部に設置され、ガス排気口５２は、エミッタティップ１の先端部よりも下部に設置する。
【００５５】
本実施例では、レンズはレンズ電極３の一枚のみであったが、レンズ電極は複数の電極で構成しても良い。複数の電極構成の場合は、ガス導入口１６およびガス排気口５２が設置された構造物であるガスイオン化室６を構成しないレンズ電極に電圧を印加して、例えば仮想像点位置を調整するようにしても良い。これは以降の実施例にも適用できる。
【００５６】
本実施例では昇温機構６２を設けたが、実施例１のように省略しても良い。
【実施例７】
【００５７】
図７を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。図７には、ガス電界電離イオン源のイオン源室５、ならびにイオン源室５およびガスイオン化室６を真空排気する排気系のみを図示する。なお、以下においては、実施例１〜６との相違点を中心に説明する。
【００５８】
本実施例は、実施例６に電位状況を追加した構成となっている。エミッタティップ１は加速電源７により、引き出し電極７は引き出し電源８により、所望の電位が与えられる。
また、ガスイオン化室は接地電位（GND）である。
【００５９】
本実施例では、レンズ電極３がイオンビーム装置の動作如何に関わらず接地電位（GND）に固定されている。レンズ電極３は、エミッタティップ１と引き出し電極２を囲むように構成されており、このレンズ電極３により囲まれた空間が、ガスをイオン化するガスイオン化室６となっている。すなわち、本実施例のガスイオン化室６は、ガス導入口１６およびガス排気口５２が設けられた接地電位の構造体であるレンズ電極３で構成されている。
【００６０】
ガス供給配管４のガス導入口１６は、接地電位（GND）のレンズ電極３に設置されている。ガス導入口１６は、イオン源室５に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。ガス排気口５２は、接地電位（GND）のレンズ電極３に設置されている。ガス排気口５２は、イオン源室５に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。
【実施例８】
【００６１】
図８を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。図８には、ガス電界電離イオン源のイオン源室５、ならびにイオン源室５およびガスイオン化室６を真空排気する排気系のみを図示する。なお、以下においては、実施例１〜７の相違点を中心に説明する。
【００６２】
本実施例では、レンズ電極３と輻射シールド１２が異なる構造物として設置されている。
【００６３】
ガス排気口５２は上述の実施例と同じである。輻射シールド１２には冷却伝導機構６１が接続されており、冷却できる構造となっている。昇温機構６２は冷却機構６０と冷却伝導機構６１との接続部に設置されている。
【００６４】
ガス導入口１６は、接地電位（GND）の輻射シールド１２に設置されている。ガス導入口１６は、輻射シールド１２に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。ガス排気口５２も接地電位（GND）の輻射シールド１２に設置されている。ガス排気口５２は、輻射シールド１２に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。これによって、ガス圧を高くしたときにイオン化ガスのガス導入口１６およびガス排気口５２付近でグロー放電を起こすことを抑制している。
【００６５】
本実施例のガスイオン化室６は、ガス導入口１６およびガス排気口５２が設けられた接地電位の構造体である輻射シールド１２と、引き出し電極２とで構成されている。
【００６６】
引き出し電極２は、イオンを引き出すだけでなく、たとえば熱絶縁して冷却することで輻射シールドとして機能させることもできる。例えば、エミッタティップ１や引き出し電極２に印加する電圧が比較的低くて絶縁構造が単純な場合は、本実施例を使用することで、ガスを溜め込むガスイオン化室６を小型化できる。イオンビーム装置自体も小型化できるので、真空排気の効率や省エネの観点で有効である。
【実施例９】
【００６７】
図９を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。本実施例は、実施例１から、FIBカラム３１、FIB真空排気用ポンプ２６、およびFIBイオン源排気系バルブ２７を除いた、観察と加工の能力を持つイオン顕微鏡の実施例である。なお、以下においては、実施例１〜８との相違点を中心に説明する。
【００６８】
本実施例では、イオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室を真空排気するイオン源室真空排気用ポンプ２１、補助真空排気用ポンプ２２を設けた排気系と、他の真空容器を排気する試料室真空排気用ポンプ２３、補助真空排気用ポンプ２４を設けた排気系とが独立しているので、イオン源室真空排気用ポンプ２１、補助真空排気用ポンプ２２を設けた排気系から排出される多量のイオン化ガス（あるいはガス分子）と排気過程で混入する不純物ガスとの混合ガスが、他の真空容器を排気する排気系から逆流して試料室１０や、開口部１８を介してイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室６に侵入することを防止でき、イオンビームのエミッション不良やエミッタティップ破壊を避けられる。また、試料室１０にイオンビームを照射したときに試料のチャージアップを防止するためのガス、あるいは試料近傍にエッチングガスやデポジションガス（これらのガスはイオン化ガス以外のガス（気体）であり、不純物ガスとなる。）を、ガス供給手段４０から試料室１０へ導入しても、試料室真空排気用ポンプ２３により排気されるこのイオン化ガス以外のガス（気体）がイオン源室真空排気用ポンプ２１の系を逆流してガスイオン化室６に侵入することを防止できる。なお、この場合、開口部１８を介してイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室６に侵入するエッチングガスやデポジションガスの量をエミッションなどに悪影響を及ぼさない水準まで減らすために、イオン化ガス（あるいは分子）のガス圧をエッチングガスやデポジションガスの量に応じて高くするなど調整する。
【実施例１０】
【００６９】
図１０を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。本実施例は、実施例２から、FIBカラム３１、FIB真空排気用ポンプ２６、およびFIBイオン源排気系バルブ２７を除いた、観察と加工の能力を持つイオン顕微鏡の実施例である。なお、以下においては、実施例１〜９との相違点を中心に説明する。
【００７０】
ガス供給配管４のガス導入口１６は、接地電位（GND）のイオン源室５に設置されている。ガス導入口１６は、イオン源室５に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。ガス排気口５２は接地電位（GND）のイオン源室５に設置されている。ガス排気口５２は、イオン源室５に直接固定されていてもよいし、他の部材に固定されていてもよいが、接地電位（GND）となっていることが重要である。
【００７１】
開口部１８を介してイオン顕微鏡のガス電界電離イオン源のガスイオン化室６に侵入するエッチングやデポジションガスの量をエミッションなどに悪影響が及ぼさない水準まで減らすために、イオン化ガス（あるいは分子）のガス圧をエッチングガスやデポジションガスの量に応じて高くしても、高ガス圧となる部分は接地電位（GND）となっているため、グロー放電を抑制できる。
【実施例１１】
【００７２】
図１１を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。本実施例は、実施例３から、FIBカラム３１、FIB真空排気用ポンプ２６、およびFIBイオン源排気系バルブ２７を除いた、観察と加工の能力を持つイオン顕微鏡の実施例である。
【００７３】
本実施例は昇温機構６２を持つので、以下のようにしてクライオ効果で溜めこまれた不純物ガスを減らすことができる。昇温機構６２のヒーターを通電加熱してガスイオン化室６の最低温部の温度を5K以上昇温する。すると、ガスイオン化室６の最低温部にクライオ効果で溜めこまれた不純物ガスが最低温部から放出され、イオン源室真空排気用ポンプ９によりガスイオン化室６の外部に排出される。本処理後は、例えばエミッタティップの通電加熱によりエミッタティップが高温加熱され、エミッタティップの熱がガスイオン化室の最低温部に伝わって温度上昇を起こしてもガスイオン化室の最低温部から放出される不純物ガスの量は微量となり、ナノメートルオーダのピラミッド型構造の形成を阻害しない。
【実施例１２】
【００７４】
図１２を参照して、本実施例にかかるイオンビーム装置の構成を説明する。なお、以下においては、実施例１〜１１との相違点を中心に説明する。
【００７５】
本実施例は、イオン源室５と試料室１０との間の空間である中間室に、中間室真空排気用ポンプ３４と補助真空排気用ポンプ３５とを設け、中間室を排気する独立した排気系を追加した。
【００７６】
上述したように、ガス供給手段４０からガスを試料近傍に供給してガスアシストエッチングあるいはイオン誘起デポジションを行う場合、ガス供給手段４０から試料室１０内に供給されたガスが、開口部１８を経由してガスイオン化室６に侵入する可能性があるが、中間室を排気する独立した排気系を設けることで、エッチングガスやデポジションガスがガスイオン化室６に侵入する前に、中間室でこれらガスを排気して除去してしまう。
【符号の説明】
【００７７】
１  エミッタティップ
２  引き出し電極
３  レンズ電極
４  ガス供給配管
５  イオン源室
６  ガスイオン化室
７  加速電源
８  引き出し電源
９  開口部バルブ
１０  試料室
１２  輻射シールド
１５  ガス源
１６  ガス導入口
１７  レンズ電極開口部
１８  開口部
１９  引き出し電極開口部
２０  ガスイオン化室真空排気用ポンプ
２１  イオン源真空排気用ポンプ
２２  補助真空排気用ポンプ
２３  試料室真空排気用ポンプ
２４  補助真空排気用ポンプ
２６  FIB真空排気用ポンプ
２７  FIBイオン源排気系バルブ
２８  希ガス対応FIB真空排気用ポンプ
３０  バルブ
３１  FIBカラム
３３  補助真空排気用ポンプ
３４  中間室真空排気用ポンプ
３５  補助真空排気用ポンプ
４０  ガス供給手段
５０  可変バルブ
５１  ガス排気配管
５２  ガス排気口
６０  冷却機構
６１  冷却伝導機構
６２  昇温機構
【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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