(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、冷却機構によって生じる振動がイオンビーム装置に伝達するのを防止するとともに熱絶縁も可能な冷却機構を持つイオンビーム装置を提供することである【解決手段】  本発明の冷却機構は、エミッタティップを冷却する冷媒と、冷媒を冷却するための冷凍機と、冷媒を排出する手段と、冷媒を供給する手段とを持つ。本発明は、高分解能像を観察する時には、冷凍機の運転を停止する。そして、エミッタティップを冷却する冷媒を排出する。【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することで試料の観察または加工を行うイオンビーム装置において、
前記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、
少なくとも前記エミッタティップを収容する真空容器と、
前記エミッタティップの先端部と前記引出電極との間の空間にガス導入口を通してガスを供給するガス導入部と、
ガス排気口を通して真空ポンプによって前記ガスを排気するガス排気部と、
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、
前記冷却機構により冷却された冷却伝導機構と、
を備えるイオンビーム装置において、
前記冷却機構は、エミッタティップを冷却する冷媒と、冷媒を冷却するための冷凍機と、冷媒を排出する手段と、冷媒を供給する手段とを具備し、
前記冷媒を排出する手段により前記エミッタティップを冷却する冷媒を排出して、前記冷却機構と前記エミッタティップとを熱絶縁す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に記載のイオンビーム装置において、
前記エミッタティップの温度が所望の温度に達したら、前記冷却機構を停止し、前記エミッタティップを冷却する冷媒を排出して、分解能像を観察し、
前記エミッタティップが所定の温度範囲以上になったら、分解能像の観察を停止し、前記冷媒を供給する手段により前記エミッタティップを冷却する冷媒を供給し、前記冷却機構の運転を行うことを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項３】
請求項２記載のイオンビーム装置において、
前記エミッタティップを冷却する冷媒がヘリウムガスであ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に記載のイオンビーム装置において、
前記冷媒を排出する手段により前記エミッタティップを冷却する冷媒を排出して真空状態にすることで、前記冷却機構と前記エミッタティップとを熱絶縁することを特徴とするイオンビーム装置。
【請求項５】
請求項４記載のイオンビーム装置において、
前記冷媒を排出する手段が真空ポンプ、あるいはバッファータンク、あるいはその両方であ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から４のいずれか記載のイオンビーム装置において、
前記冷媒を供給する手段に、前記冷媒を前記冷却機構に供給する前段で前記冷媒を予め冷却する機能を持つ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、イオンビーム装置に関する。例えば、イオン顕微鏡およびイオンビーム加工観察装置などのイオンビーム装置、イオンビーム加工観察装置とイオン顕微鏡との複合装置、ならびにイオン顕微鏡と電子顕微鏡との複合装置に関する。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】
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てイオンビームとして用いるイオン源である。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。これをイオンビームとして利用する。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】
イオン顕微鏡において、高い信号/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化ガス（イオン材料ガス）の分子密度を大きくすればよい。単位圧力あ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を大きくすることができる。また、エミッタティップ近傍のイオン化ガスの圧力を高くすることでもエミッタティップ近傍のイオン化ガスの分子密度を大きくすることができる。例えば、エミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力は10-2〜10Pa程度である。
【０００５】
特許文献１には、冷凍機構によって生じる振動がガス電界電離イオン源のエミッタティップに伝達するのを防止することができるイオンビーム装置として、エミッタティップを冷却する冷媒を保持する容器と、冷媒の温度を測定する温度測定装置と、冷媒を冷却する冷凍機により構成される冷却機構を持ち、冷媒の温度により冷凍機の動作・停止を行う冷却機構が開示されている。また、エミッタティップを冷却する冷媒を保持する容器が二個であり、冷媒の温度を測定する温度測定装置と、冷媒を冷却する冷凍機により構成される冷却機構を持ち、冷媒の温度により冷凍機といずれの冷媒を保持する容器と接続するかを判断する冷却機構が開示されている。また、エミッタティップを冷却する冷媒を保持する容器と、冷媒の温度を測定する温度測定装置と、冷媒を保持する容器を真空排気する真空ポンプにより構成される冷却機構を持ち、冷媒の温度により真空ポンプの動作・停止を行う冷却機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２８９６７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明者が、冷却機構によって生じる振動がイオンビーム装置に伝達するのを防止する冷却機構について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
【０００８】
特許文献１は、冷凍機構によって生じる振動がガス電界電離イオン源のエミッタティップに伝達するのを防止するには非常に効果的である。しかし、冷凍機の運転を停止した後に画像取得が可能な時間は熱絶縁を考慮しないと非常に短くなり実用に耐えられなくなる場合が発生することを見出した。
【０００９】
本発明の目的は、冷却機構によって生じる振動がイオンビーム装置に伝達するのを防止するとともに熱絶縁も可能な冷却機構を持つイオンビーム装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。例えば、冷却機構が、エミッタティップを冷却する冷媒と、冷媒を冷却するための冷凍機と、冷媒を排出する手段と、冷媒を供給する手段とを持ち、高分解能像を観察する時には、冷凍機の運転を停止する。そして、エミッタティップを冷却する冷媒を排出することに関する。
【発明の効果】
【００１１】
冷凍機を停止すると、冷凍機冷温部の温度は上昇を始める。冷凍機とエミッタティップとが熱絶縁されていない場合には、この上昇した温度は冷凍機からエミッタティップを冷却する冷媒を介してエミッタティップに流れ続ける。すると、エミッタティップの温度は継続的に上昇してゆく。本発明によれば、冷凍機の運転を停止するとエミッタティップを冷却する冷媒を排出するため、冷凍機冷温部の上昇した温度が冷凍機からエミッタティップを冷却する冷媒を介してエミッタティップに流れることはない。即ち、冷凍機とエミッタティップとが熱絶縁される。よって、冷凍機を停止しても、エミッタティップの温度が上昇し難くできる。そして、エミッタティップの温度が上昇し難いので、画像取得が可能な時間が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１にかかるイオンビーム装置の第1の実施例の概略構成図である。
【図２】第1の実施例の冷媒排出例である。
【図３】冷凍機を停止したときのエミッタティップの温度変化の模式図である。
【図４】高分解能像観察時の動作フローである。
【図５】実施例2にかかるイオンビーム装置の第2の実施例の概略構成図である。
【図６】実施例3にかかるイオンビーム装置の第3の実施例の概略構成図である。
【図７】実施例4にかかるイオンビーム装置の第4の実施例の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明は、イオン顕微鏡、イオンビーム加工観察装置、イオンビーム加工観察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おいて適用可能である。また、イオン顕微鏡と電子顕微鏡を適用した解析・検査装置にも適用可能である。これらを総称してイオンビーム装置とする。本発明のイオンビーム装置とは、ガス電界電離イオン源を用いたイオンビーム装置であれば上記の装置に限られない。
【００１８】
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、陰極となる引き出し電極と、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ガス導入口を通してガスを供給するガス導入部と、ガス排気口を通して真空ポンプによってガスを排気するガス排気部と、ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、を備えることを開示する。
【００１９】
また、実施例では、冷却機構が、エミッタティップを冷却する冷媒と、冷媒を冷却するための冷凍機と、冷媒を排出する手段と、冷媒を供給する手段とを具備することを開示する。
【００２０】
また、実施例では、ガス排出口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。
【００２１】
以下、上記およびその他の新規な特徴と効果について、図面を参照して説明する。なお、図面はもっぱら発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を限縮するものではない。
【００２２】
また、真空容器を真空排気するバルブなどを含めた真空排気系、試料を載置・移動する試料ステージ、各機構等を制御する制御手段は図示を省略している。
【００２３】
また、集束レンズ、対物レンズ・ビーム偏向器／アライナ、ブランキング電極、ビーム偏向器の電源は図示を省略している。
【００２４】
また、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は図示を省略している。
【実施例１】
【００２５】
図１を参照してイオンビーム装置の第１の実施例を説明する。
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、冷却伝導機構６１、および輻射シールド１２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真空排気用ポンプ２０、バルブ２１、イオン化ガスのガス源１５、エミッタティップ１に電圧を供給する加速電源７、引き出し電極２に電圧を供給する引き出し電源８、ならびに真空容器１０を有する。なお、ガス供給配管４とイオン源室５との接続口（輻射シールド１２との接続口でもよい）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。イオン源室５と真空容器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（ガスイオン源と略称する）であり、高電圧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し、正イオンとなり放出される。ガスイオン源は、これをイオンビームとして利用するイオン源である。
【００２６】
冷却機構６０は、冷凍機６２、べローズ６３、冷媒６４（本実施例では冷媒としてヘリウムガスを用いる）、輻射シールド１２を冷却する高温側ステージ６５、エミッタティップ１を冷却する低温側ステージ６６、作業ガスをヘリウムガスとするコンプレッサ（圧縮機ユニット）６９、冷凍機６２に高圧力のヘリウムガスを供給する高圧配管６７、高圧力のヘリウムガスが冷凍機６２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力のヘリウムガスをコンプレッサ６９に回収する低圧配管６８、冷媒排出手段および冷媒供給手段を具備する。冷媒排出手段は、冷媒排出配管８４、バルブ８、冷媒排出機構８６（本実施例では真空ポンプを用いる）を具備する。冷媒供給手段は、冷媒供給配管８１、バルブ８２、冷媒源８３を具備する。
【００２７】
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、このイオン源室５と輻射シールド１２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。本実施例では、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のことをいう。
【００２８】
エミッタティップ１から放出されたイオンは、集束レンズ７０と対物レンズ７１で試料７２上に集束される。両レンズ間にはビーム偏向器／アライナー７３、可動ビーム制限絞り７４、ブランキング電極７５、ブランキングビーム停止板７６、ビーム偏向器７７がある。試料７２から放出される二次電子は、二次電子検出器７８で検出される。制御手段（図示省略）は、加速電源７、引き出し電源８、集束レンズ７０、対物レンズ７１、ビーム偏向器／アライナー７３、可動ビーム制限絞り７４、ブランキング電極７５、ビーム偏向器７７、二次電子検出器７８などを制御する。制御手段（図示省略）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（図示省略）で実行されるプログラムによって構成されてもよい。本実施例では、真空容器１０の排気口８０と真空ポンプ２２は一つであるが、複数設けても良い。
【００２９】
真空容器１０はベース板２４に固定されており、ベース板２４は床から装置に伝わる振動を低減する防振機構２３と架台２５で固定されている。冷凍機６２は支柱２６により架台２５に固定されている。
【００３０】
図１から図４を参照して高分解能像の観察方法を説明する。
【００３１】
図１は、ヘリウムガスの冷媒６４が１気圧充填されており、エミッタティップ１を冷却機構６０により冷却している状態である。冷凍機６２とコンプレッサ６９は動作しており、各々が機械的振動源となっている。冷凍機６２と真空容器となっているイオン源５との間には、冷媒６４とべローズ６３が配置されている。よって、冷凍機６２の振動は、真空容器となっているイオン源５に伝達し難いという特徴を持つ。コンプレッサ６９の振動は、装置を設置している床を経由して、装置本体に伝達される。ベース板２４と架台２５との間には防振機構２３が配置されている。よって、床の高周波数の振動は装置には伝達し難いという特徴を持つ。これにより、コンプレッサ６９の振動が床を経由して装置に伝達し難いという特徴を持つ。ここでは、床の振動の原因として、コンプレッサ６９を説明したが、床の振動の原因はこれに限定されるものではない。防振機構２３は、防振ゴム、バネ、ダンパ、またはこれらの組み合わせによって構成されてよい。
【００３２】
前述したように、本実施例は冷凍機６２とコンプレッサ６９から装置に伝わる振動を低減する機能を持つが、完全に冷凍機６２とコンプレッサ６９からの振動を断つには、冷凍機６２とコンプレッサ６９を停止するのが良い。しかし、単に冷凍機６２とコンプレッサ６９とを停止しただけでは次のような問題が生じる。この問題を図３を用いて説明する。冷凍機６２とコンプレッサ６９が動作しているときは、エミッタティップ１は温度Ｔ１になっている。時点ｔ１にて、冷凍機６２とコンプレッサ６９を停止したとすると、エミッタティップ１の温度は、冷媒が残っている場合の温度上昇カーブ９０のように指数関数的に上昇してゆく。高分解能像が観察できるエミタッティップの温度範囲は、温度Ｔ１からＴ２までである。エミタッティップの温度がＴ１からＴ２まで上昇する間の時間は時点ｔ１からｔ２までの時間となる。よって、高分解能像が観察できる時間は、時点ｔ１からｔ２までの時間となる。冷媒が残っている場合は、この高分解能像が観察できる時間があまりにも短く、操作性が非常に悪くなる。
【００３３】
そこで、冷凍機６２とコンプレッサ６９を停止する際には、以下の操作を追加して、エミッタティップ１を熱絶縁する。初めに、エミッタティップ１が所望の温度Ｔ１まで冷えた後に冷凍機６２とコンプレッサ６９を停止する。冷凍機６２とコンプレッサ６９の振動が減衰している間に、真空ポンプの冷媒排出機構８６を起動してバルブ８５を開け、冷媒排出配管８４から１気圧充填されているヘリウムガスの冷媒６４を排出し、真空状態にする。ヘリウムガスの冷媒６４の排出が終わったら、バルブ８５を閉じ、真空ポンプの冷媒排出機構８６を停止する（図２）。高温側ステージ６５と低温側ステージ６６は真空によりエミッタティップ１と輻射シールド１２と熱絶縁される。よって、冷却機構６０の上昇温度がエミッタティップ１、輻射シールド１２に伝達されることを防止できる。このときのエミッタティップ１の温度変化は、図３の冷媒を排出した場合の温度上昇カーブ９１となる。この時、エミタッティップの温度がＴ１からＴ２まで上昇する間の時間は時点ｔ１からｔ３までの時間となる。よって、高分解能像が観察できる時間が長くでき、操作性が向上する。エミッタティップ１の温度がＴ２に達したら、高分解能像の観察を終了する。そして、バルブ８２を開け、冷媒源８３から冷媒供給配管８１を介してヘリウムガスの冷媒６４を１気圧充填する。充填が終わったら、バルブ８２を閉止する。そして、冷凍機６２とコンプレッサ６９を動作させて、エミッタティップ１の温度を冷却する。
【００３４】
これまで説明した操作を図４にフローとして纏めた。
【００３５】
尚、図示はしないが、輻射シールド１２を利用したガスイオン化室６の形成方法は本実施例に限られず、例えば、イオン源室５の中に閉空間となる輻射シールド１２を設けてガスイオン化室６としたりと様々な形態で実現できる。
【実施例２】
【００３６】
図５を参照してイオンビーム装置の第２の実施例を説明する。なお、以下においては、実施例１との相違点を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【００３７】
図５では、冷媒排出機構８６がバッファータンク８７とバルブ８８、真空ポンプ８９で構成されている。予め、バルブ８８を開いて真空ポンプ８９によりバッファータンク８８を真空にしておく。バッファータンクはバルブ８８を閉止すれば、真空ポンプ８９の動作有無にかかわらず、真空となっている。バルブ８５を開ければ直ぐに冷媒６４を排出できる。
【実施例３】
【００３８】
図６を参照してイオンビーム装置の第３の実施例を説明する。なお、以下においては、実施例１との相違点を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【００３９】
冷媒源８３の前段に冷媒冷却機構９２を設けた。高分解能観察後にエミタッティップ１を冷却する際、予め冷媒冷却機構９２により冷却された冷媒６４を充填することで、エミッタティップ１の冷却時間を短縮できる。
【実施例４】
【００４０】
図７を参照してイオンビーム装置の第４の実施例を説明する。なお、以下においては、実施例１との相違点を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。
【００４１】
本実施例は、低温側ステージ６６と輻射シールド１２を省略したものである。必要な冷却温が高い場合などでは、コストダウンに有効である。
【００４２】
以上、説明した実施例は各々単独で実施する必要はなく、複数の例を同時に適用でき、権利範囲を制限するものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１    エミッタティップ
２    引き出し電極
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
１０  真空容器
１２  輻射シールド
１５  ガス源
１８  開口部
２０  イオン源真空排気用ポンプ
２１  バルブ
２２  真空ポンプ
２３  防振機構
２４  ベース板
２５  架台
２６  支柱
５２  ガス排気口
６０  冷却機構
６１  冷却伝導機構
６２  冷凍機
６３  べローズ
６４  冷媒
６５  高温側ステージ
６６  低温側ステージ
６７  高圧配管
６８  低圧配管
６９  コンプレッサ
７０  集束レンズ
７１  対物レンズ
７２  試料
７３  ビーム偏向器／アライナー
７４  可動ビーム制限絞り
７５  ブランキング電極
７６  ブランキングビーム停止板
７７  ビーム偏向器
７８  二次電子検出器
８０  排気口
８１  冷媒供給配管
８２  バルブ
８３  冷媒源
８４  冷媒排出配管
８５  バルブ
８６  冷媒排出手段
８７  バッファータンク
８８  バルブ
８９  真空ポンプ
９０  冷媒が残っている場合の温度上昇カーブ
９１  冷媒を排出した場合の温度上昇カーブ
９２  冷媒冷却機構
【図１】
2015076302.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2015076302.tif 000006
【図５】
2015076302.tif 000007
【図６】
2015076302.tif 000008
【図７】
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