CN103733296B - 离子束装置 - Google Patents

Abstract

在现有的气体离子化室中，存在为了避免辉光放电，只使气压下降，无法通过提高气体导入压力，增大离子电流之类的课题。本发明的目的在于通过提高气体导入压力，增大离子电流，并且防止由离子化引起的离子束散乱。通过从GND电位的结构体供给气体，不在气压更高的离子化气体的导入口附近施加高电压。另外，通过从构成加速集束透镜的透镜电极的透镜开口部进行差压排气，优先减少位于离子束通过的区域的离子化气体。

Description

离子束装置

技术领域

本发明涉及离子显微镜及离子束加工观察装置等离子束装置、以及离子束装置与电子显微镜的复合装置。

背景技术

只要在使电子进行扫描的状态下照射到试样，并检测从试样释放的二次带电粒子，就能够观察试样表面的结构。这被称为扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，以下简称为SEM）。另外，能够使用离子束观察试样表面的结构。这被称为扫描离子显微镜（ScanningIonMicroscope，以下简称为SIM）。离子束与电子束相比，对试样表面的信息敏感。在电子束中，无法忽略作为电子波的性质，由于衍射效果而产生相差，但离子束比电子重，因此能够忽略由衍射效果引起的相差。

在离子显微镜中，作为离子源，优选气体电场电离离子源。气体电场电离离子源能够产生能量宽度窄的离子束。另外，离子产生源由于尺寸小，因此能够产生微细的离子束。

在离子显微镜中，为了以高信号／干扰比观察试样，需要得到较大的电流密度的离子束。因此，需要增大电场电离离子源的离子放射角电流密度。为了增大离子放射角电流密度，只要增大发射器芯片附近的离子材料气体（离子化气体）的分子密度即可。

由于每单位压力的气体分子密度与气体的温度成反比，因此为了增大发射器芯片附近的离子化气体的分子密度，只要将发射器芯片冷却为极低温，并使发射器芯片周围的气体的温度低温化即可。

另外，通过增大发射器芯片附近的离子化气体的压力，也能够增大发射器芯片附近的离子化气体的分子密度。通常，发射器芯片周围的离子化气体的压力是10^-2～10Pa左右。并且，当提高离子化气体的压力，使离子材料气体的压力为大约1Pa以上，则离子束与中性气体碰撞而中性化，导致离子电流减少。

另外，通过提高离子化气体的压力，当电场电离离子源内的气体分子的个数增多时，与高温的真空容器壁碰撞而高温化的气体分子与发射器芯片碰撞的频率变高。因此，发射器芯片的温度上升，且离子电流下降。为了防止这种情况，在电场电离离子源中，设有机械地包围发射器芯片周围的气体离子化室。

在专利文献1中公开了构成为气体离子化室利用离子引出电极包围发射器芯片，并且在离子引出电极上设有离子化气体的导入口的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7-240165号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，如专利文献1那样，现有的气体离子化室构成为利用离子引出电极，并且在以高电压浮起的离子引出电极上设有离子化气体的导入口，因此在气压高的离子化气体的导入口附近，存在引起辉光放电的危险。因此，为了避免辉光放电，存在无法通过只使气压下降，提高气体导入压力，增大离子电流之类的课题。

用于解决课题的方法

为了解决上述课题，本发明的特征在于，在离子束装置的气体电场电离离子源中，从设在保持为接地电位的结构体上的气体导入口供给离子化气体。

发明效果

根据上述结构，由于将气压更高的离子化气体的导入口附近保持为接地电位，因此能够降低在离子化气体导入口附近的辉光放电。因此，能够提高气体导入压力，提高离子化气体的压力，增大离子电流，从而能够以高信号／干扰比观察试样。

附图说明

图1是离子束装置的第一实施例的概略结构图。

图2是离子束装置的第二实施例的概略结构图。

图3是离子束装置的第三实施例的概略结构图。

图4是离子束装置的第四实施例的概略结构图。

图5是离子束装置的第五实施例的概略结构图。

图6是离子束装置的第六实施例的概略结构图。

图7是离子束装置的第七实施例的概略结构图。

图8是离子束装置的第八实施例的概略结构图。

图9是离子束装置的第九实施例的概略结构图。

图10是说明离子化气体的导入口的配置位置的图。

具体实施方式

参照图1说明离子束装置的第一实施例。离子束装置具备具有发射器芯片1、引出电极2、加速集束透镜电极3、气体供给配管4的离子源室5、用于将离子源室5排气为真空的离子源室真空排气用泵9、离子化气体的气体源15、向发射器芯片1供给电压的加速电源7、向引出电极2供给电压的引出电源8、试样室10以及用于将试样室10排气为真空的试样室真空排气用泵11。离子源室5与试样室10通过开口部18连通。气体供给配管4连接有气体源15，通过气体导入口16向气体离子化室6内部供给气体。另外，将气体供给配管4与气体导入口16合称为气体导入部。

利用气体导入部向发射器芯片1的前端部与引出电极2之间的空间供给气体，在该空间中被离子化的气体利用引出电极2形成离子束。此时，发射器芯片1为阳极，引出电极2为阴极。另外，未图示，具有用于冷却发射器芯片1及其附近的冷却机构。

发射器芯片1由加速电源7施加电压，引出电极2由引出电源8施加电压。另外，加速集束透镜电极3与离子束装置的动作无关地固定为接地电位。加速集束透镜电极3构成为包围发射器芯片1，由该加速集束透镜电极3包围的空间为使气体离子化的气体离子化室6。气体供给配管4配置为在接地电位的加速集束透镜电极3上设有离子化气体的导入口。

就被导入气体离子化室6的气体的气压而言，在气体离子化室6内部，离子化气体的导入口附近最高。已知的是如果增大气压，则离子电流也增大，但以往在施加了电压的引出电极2、即在高电压中漂浮的部分、或其附近设置离子化气体的导入口。因此，当提高气体离子化室6的气压时，在离子化气体的导入口附近产生辉光放电，难以通过提高离子化气体的气压来增加离子电流。还存在即使由于绝缘筒的带电或污染物等的附着、由历时性变化引起的绝缘性能的劣化，也在气压高的离子化气体的导入口附近引起辉光放电的危险。但是，在本实施例中，由于该离子化气体的导入口是接地电位，因此即使增大导入气体离子化室6的气压，也能够抑制在离子化气体的导入口产生辉光放电。因此，只要是本实施例的离子束装置，就能够通过提高离子化气体的气压来增加离子电流。

另外，在现有的气体电场电离离子源中，离子化室通过离子源室的壁或试样室壁而接近室温，与高温的真空容器壁碰撞而高温化的气体分子与发射器芯片碰撞，存在发射器芯片的温度上升而使离子电流下降之类的课题。但是，本实施例的加速集束透镜电极3还为降低由向冷却的发射器芯片1的热辐射引起的热流入的辐射屏蔽件。该加速集束透镜电极3以包围发射器芯片1的方式设置，因此能够有效地降低由从离子源室5的室温壁向发射器芯片1的热辐射引起的热流入。另外，由于将加速集束透镜电极3用作气体离子化室6及辐射屏蔽件，因此还有助于装置的小型化。

当在离子源室5中关注离子束通过的空间，则被导入气体离子化室6的气体利用发射器芯片1而离子化，并在由引出电极2引出后，利用加速集束透镜电极3加速及集束，并作为离子束通过开口部18而流向试样室10。

当提高气体离子化室内的气压时，由于滞留在气体离子化室中的气体，离子束容易散乱，离子束电流下降。在现有的离子束装置中，也存在如何降低该离子束散乱之类的课题。发射器芯片1附近的气压为了有效地使气体离子化，优选维持气压高的状态。另一方面，由被离子化的气体构成的离子束通过的空间为了防止离子束与气体碰撞而散乱，优选维持为气压更低的状态。

在本实施例中，加速集束透镜电极开口部17设在离子束的光轴上。离子源室5的压力比气体离子化室6的压力低，气体离子化室6除了加速集束透镜电极开口部17之外为密封结构，因此被导入气体离子化室6的气体从加速集束透镜电极开口部17进行差压排气。由此，为发射器芯片1周围的气压高，并且，离子束通过的加速集束透镜电极开口部17附近的气压低的状态。因此，能够降低由离子化气体引起的离子束的散乱。

在本实施例中，加速集束透镜只有加速集束透镜电极3一个，但也可以由多个电极构成加速集束透镜。在多个电极构成的场合，可以在未构成气体离子化室6的加速集束透镜电极上施加电压，例如调整假想的像点位置。这也能够应用于以后的实施例。

图2是说明离子束装置的第二实施例的图。在本实施例中，成为辐射屏蔽件的加速集束透镜电极3在上端与离子源室5连接。气体离子化室6由接地电位的加速集束透镜电极3与离子源室5的真空壁的一部分构成。在将发射器芯片1冷却到液体氦温度附近的场合，需要在如第一实施例那样使辐射屏蔽件热浮起后，包围发射器芯片1，防止由进入发射器芯片1的热辐射引起的热流入，但在发射器芯片1的冷却温度高的场合，可以为第二例那样的简易型辐射屏蔽件。本实施例具有结构简单，能够小型化的优点。

图3是说明离子束装置的第三实施例的图。在第一、第二实施例中，加速集束透镜电极3为气体离子化室6及辐射屏蔽件，但在本实施例中，分别设置加速集束透镜电极3与辐射屏蔽件12。即，气体离子化室6由辐射屏蔽件12与引出电极2构成。离子化气体的导入口固定在接地电位的辐射屏蔽件12上而设在辐射屏蔽件12上，因此，需要为接地电位。由此，在增大气压时，防止在离子化气体的导入口附近引起辉光放电。另一方面，以引出电极2相对于发射器芯片1为阴极的方式施加电压。因此，辐射屏蔽件12与引出电极2需要离开地设置。

另外，引出电极2不仅引出离子，通过还热绝缘地进行冷却，还能够减少从离子源室5的室温壁向发射器芯片1的热辐射。

在施加在发射器芯片1、引出电极2上的电压比较低且绝缘结构简单的场合，通过使用本实施例，能够使贮存气体的气体离子化室6小型化。由于离子束装置自身也能够小型化，因此，在真空排气的效率、节能方面是有效的。

另外，在第一、第二实施例中，由于气体离子化室6的开口部兼作加速集束透镜电极3的开口部，因此从加速集束透镜电极3的开口部进行差压排气。相对于此，在本实施例中，由于引出电极2构成气体离子化室6的一部分，因此被导入气体离子化室6的气体通过作为引出电极2的开口部的引出电极开口部19进行差压排气。由此，能够维持发射器芯片1周围的气压高，并且离子束通过的引出电极开口部的气压低的状态，因此，能够将气体离子化室6内的气压保持为较高的状态，并且能够减少由离子化气体引起的离子束的散乱。

图4是说明离子束装置的第四实施例的图。本实施例是第三实施例的变形例，在本实施例中，与第三实施例相比，辐射屏蔽件12在上端与离子源室5连接。本实施例的气体离子化室6除了辐射屏蔽件12与引出电极2之外，还由离子源室5的一部分构成。在发射器芯片1的冷却温度高的场合，可以为本实施例那样的简易型辐射屏蔽件。由此，具有结构比第三实施例简单，能够小型化的优点。

图5是说明离子束装置的第五实施例的图。在本实施例中，加速集束透镜电极3与辐射屏蔽件12不是一体式，而是分别设置。本实施例的气体离子化室6由加速集束透镜电极3与辐射屏蔽件12构成。在需要使加速集束透镜电极3的形状复杂的场合，为了增大设计自由度，可以为本实施例的结构。加速集束透镜电极3及辐射屏蔽件12维持为接地电位，因此，设在辐射屏蔽件12上的气体导入口16附近保持为接地电位。

加速集束透镜电极3由透镜电极与离子源室底面构成为箱状态，离子化室6的开口部是加速集束透镜电极开口部17和与加速集束透镜电极开口部17在空间上连通的开口部18。被导入气体离子化室6的气体主要不是利用离子源室5的离子源真空排气用泵，而是通过试样室10并利用试样室真空排气用泵从加速集束透镜电极开口部17及开口部18进行差压排气。通过导入气体为稀有气体，离子源真空排气用泵9为无法排出稀有气体的非蒸发型收气泵，优先排出稀有气体以外的杂质气体，能够使导入的稀有气体的纯度高。另外，试样室真空排气用泵如果为碳分子泵，则能够对充满了稀有气体的气体离子化室进行差压排气。

图6是说明离子束装置的第六实施例的图。本实施例是第五实施例的变形例，辐射屏蔽件12在上端与离子源室5连接。即，本实施例的气体离子化室6除了辐射屏蔽件12与加速集束透镜电极3的一部分，还由离子源室5的一部分构成。在发射器芯片1的冷却温度高的场合，可以为本例子那样的简易型辐射屏蔽件。具有结构简单，能够小型化之类的优点。

图7是说明离子束装置的第七实施例的图。本实施例是第一实施例的变形例，如第一实施例那样，加速集束透镜电极3为气体离子化室6、辐射屏蔽件12。在实施例五的结构中，辐射屏蔽件12与加速集束透镜电极3离开地分别设置，因此，气体离子化室6不仅利用加速集束透镜电极开口部17，还利用辐射屏蔽件12与加速集束透镜电极3的间隙与外部连通。相对于此，在本实施例中，由于使加速集束透镜电极3与辐射屏蔽件12一体，因此气体离子化室6内部的气体只由加速集束透镜电极开口部17排出到外部，能够提高气体离子化室6的密封度。

图8是说明离子束装置的第八实施例的图。本实施例是第七实施例的变形例，加速集束透镜电极3在上端与离子源室5连接。本实施例的气体离子化室6由加速集束透镜电极3与离子源室5的一部分构成。另外，在本实施例中，加速集束透镜电极3为辐射屏蔽件12。在发射器芯片1的冷却温度高的场合，可以为本实施例那样的简易型辐射屏蔽件。由此，在本实施例中，除了实施例七的效果之外，还具有结构简单，能够小型化之类的优点。

图9是说明离子束装置的第九实施例的图。在从第一至第八实施例中，在侧面部设置气体供给配管4及离子化气体的导入口，但也可以配置在上表面。当然，能够应用于第一至第八例。

图10是说明离子化气体的导入口的配置位置的图。如上所述，在气体离子化室6内部，气压最高之处是离子化气体的导入口附近。如上所述，发射器芯片1附近的气压为了有效地使气体离子化，期望气压高，但被离子化的气体成为离子束通过的空间为了防止离子束由于离子化气体散乱，期望降低气压。

因此，当使离子通过的光轴为Z轴20，使从发射器芯片1被离子化的气体由引出电极2引出且前进的方向为Z轴20的正向时，以位于引出电极的作为发射器芯片侧的面的引出电极上面位置14的与Z轴20垂直的平面为边界（Z=0的位置），在负Z侧的空间配置离子化气体的导入口。即，气体导入口16设置在比包含引出电极2的发射器芯片侧的面的平面靠发射器芯片1侧的空间。由此，气压在气体离子化室6的内部最高的气体导入口16从离子束通过的空间离开地设置，因此能够提高气体离子化室6的气压，抑制离子束的散乱。

另外，在想要可靠地产生向从发射器芯片1经过引出电极2进行差压排气的加速集束透镜电极开口部17或向从发射器芯片1进行差压排气的引出电极2的开口部的气流的场合，也可以使上述边界平面（Z=0的位置）为包括发射器芯片前端位置13且与光轴垂直的面，在负Z侧的空间配置离子化气体的导入口。即，气体导入口16设置在与离子束的光轴垂直且比包括上述发射器芯片的前端的平面更靠发射器芯片1侧的空间。

以上，使用图10说明的气体导入口的配置位置能够应用于第一至第九实施例。

本发明只要是使用气体电场电离离子源的离子束装置就能应用。在以上说明的离子束装置中包括例如被称为扫描离子显微镜、将离子束照射到试样上并检测透过试样的离子而得到反映试样内部的结构的信息的、透过离子显微镜的装置、将质量重的离子种类照射到试样上并利用飞溅作用加工试样的集束离子束装置（FocusedBeam）。另外，也能应用于扫描电子显微镜（SEM）与集束离子束（FIB）的复合机FIB-SEM装置。

符号说明

1—发射器芯片，2—引出电极，3—加速集束透镜电极，4—气体供给配管，5—离子源室，6—气体离子化室，7—加速电源，8—引出电源，9—离子源真空排气用泵，10—试样室，11—试样室真空排气用泵，12—辐射屏蔽件，13—发射器芯片前端位置，14—引出电极上面位置，15—气体源，16—气体导入口，17—加速集束透镜电极开口部，18—开口部，19—引出电极开口部，20—Z轴。

Claims (7)

1.一种离子束装置，其通过将从气体电场电离离子源产生的离子束照射到试样上，进行试样的观察或加工，该离子束装置的特征在于，

上述气体电场电离离子源具有：

从加速电源供给电压且为阳极的发射器芯片；

从引出电源供给电压且为阴极的引出电极；

从气体导入口向上述发射器芯片的前端部与上述引出电极之间的空间供给气体的气体导入部；以及

收放上述发射器芯片与上述引出电极，并具备排出上述气体的排气口的真空容器，

上述气体导入口设在接地电位的结构体上，上述结构体设置于上述真空容器中，

上述结构体为降低热辐射引起的热流入的辐射屏蔽件。

2.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述结构体是对上述离子束进行加速或集束的透镜电极。

3.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述结构体以包围上述发射器芯片的方式设置。

4.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述引出电极与上述发射器芯片对置地设置，

上述引出电极与上述结构体以包围上述发射器芯片的方式设置。

5.根据权利要求2所述的离子束装置，其特征在于，

上述结构体以包围上述发射器芯片的方式设置，并且，具有上述离子束通过的开口部，

上述气体通过上述开口部进行差压排气。

6.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述气体导入部的气体导入口设在与上述离子束的光轴垂直且比包括上述发射器芯片的前端的平面靠上述发射器芯片侧。

7.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述气体导入部的气体导入口设在比包括上述引出电极的上述发射器芯片侧的面的平面靠上述发射器芯片侧。