CN108496238B - 场电离离子源、离子束装置以及光束照射方法 - Google Patents

Abstract

本发明在使用离子束的试样表面的观察、加工中，为了实现提高支配观察分辨率、可加工幅度的聚焦性能、提高光束稳定性以及降低光束照射时试样表面的损坏，使用H₃ ⁺离子作为离子束。能够使用在氢气气氛中对前端以三个以下的原子终结的针状发射头施加引出电压时出现的第二峰(23)附近的电压范围(21)的探针电流而得到H₃ ⁺离子。

Description

场电离离子源、离子束装置以及光束照射方法

技术领域

本发明涉及场电离离子源、离子束装置以及光束照射方法。

背景技术

如果通过电磁透镜聚焦电子束，扫描该电子束的同时照射到试样，检测从试样释放的二次电子带电粒子，则能够观察试样表面的结构。将该装置称为扫描电子显微镜。另一方面，通过电磁透镜聚焦并扫描离子束的同时照射到试样，检测从试样释放的二次带电粒子，也能够观察试样表面的结构。将该装置称为扫描离子显微镜(Scanning IonMicroscope以下，简称为SIM)。

另外，在SIM中使用的离子源的一种中存在场电离离子源(Gas Field IonizationSource，气场电离离子源，以下，简称为GFIS)。GFIS优选对将前端曲率半径设为100nm左右以下的金属制发射头施加高电压，使电场集中于前端，在其附近导入气体(电离化气体)并对该气体分子进行场电离，作为离子束而引出。

在使用GFIS的SIM(以下，简称为GFIS-SIM)中，使用氦离子束、氖光束的装置为主流。这是由于，与液体金属离子源、使用等离子体现象的离子源相比，从GFIS释放的离子束的能量宽度较窄且光源尺寸较小，因此能够精细地聚焦。

在专利文献1中公开了以下气场电离离子源的示例，即构成气场电离离子源的发射极电极的至少基体为单晶金属，该发射极电极的前端为角锥形状或者圆锥形状，并且在使氦气电离化的情况下的引出电压成为10kV以上。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2012/017789号

发明内容

然而，作为当前主流的气体种类的氦也存在缺陷。氦的电离化能量在所有原子中最高，在发射头前端使离子进行离子化时，在前端需要生成较高的电场。而且，为了将GFIS设为实用中足够的亮度，需要在通过多个原子使发射头前端终结的状态下释放离子束，但是若用于释放离子束的引出电压过大时，发射头前端的原子由于被称为场致蒸发的现象而消失，由此不能进行离子释放。此时，为了再现GFIS的原亮度，这需要花费用于再现原子终结形状的时间、在再现之后用于再现装置的光学条件的时间。

另外，氦离子在使用GFIS引出的离子种类中也属于质量轻的种类，但是尽管如此在GFIS-SIM的观察应用中试样仍然受到损坏。在以往的要求标准中，这种程度的损坏并不令人担忧，但是，近年来，与损坏相对的影响更加明显。

因此，为了减小试样观察时的损坏且降低电离化能量，研究使用释放质量轻的氢离子的氢GFIS。然而，以往的氢GFIS也存在缺陷。即，在原理上，以往的氢GFIS与氦相比离子束的能量宽度变大。因而，产生观察分辨率或者可加工幅度变大的问题。

即，在以往技术中支配观察分辨率或可加工幅度的聚焦性能、光束的稳定性、降低光束照射时的损坏这一点并没有令人满意，兼顾它们是一种需要解决的问题。

本发明的目的在于，提供一种在基于离子束的试样表面的观察或加工中能够提高支配观察分辨率或可加工幅度的聚焦性能、提高光束稳定性以及降低光束照射时的损坏的技术。

作为用于达到上述目的的一个实施方式是一种离子束装置，其特征在于，具有：

气场电离离子源，其释放包含H₃ ⁺离子的离子束；

光束照射柱，其具备能够对从上述气场电离离子源释放的离子进行聚焦的透镜以及能够对离子束进行偏转的偏转器；

试样台，其搭载试样，该试样被照射通过了上述光束照射柱的离子束；以及

试样室，其内部至少装有上述试样台，

上述H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高。

另外，作为其它方式，是一种离子束装置，其特征在于，具有：气场电离离子源；光束照射柱，其搭载能够对从上述气场电离离子源释放的离子进行聚焦的透镜以及能够对离子束进行偏转的偏转器；试样台，其搭载试样，该试样被照射通过了上述光束照射柱的离子束；以及试样室，其内部至少装有上述试样台，

上述离子束装置具有动作状态，该动作状态是在施加从上述发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的第二引出电压附近进行离子释放的动作状态。

另外，作为其它方式，是一种气场电离离子源，其特征在于，具有：发射头，其具有针状前端；引出电极，其与上述发射头相对且在偏离的位置处具有开口；供气配管，其向上述发射头附近提供气体；形成电场的单元，其在上述发射头与上述引出电极之间施加电压并进行调整，从而使上述气体进行电离化；以及对上述发射头进行冷却的单元，

其中，上述气体为含氢的气体，上述气场电离离子源具有探针电流中的H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的动作状态。

另外，作为其它方式，是一种气场电离离子源，其特征在于，具有：发射头，其具有针状前端；引出电极，其在与上述发射头相对而偏离的位置处具有开口；供气配管，其向上述发射头附近提供气体；形成电场的单元，在上述发射头与上述引出电极之间施加电压而使上述气体进行电离；以及对上述发射头进行冷却的单元，

其中，上述气体为含氢的气体，上述气场电离离子源具有动作状态，该动作状态是在施加从上述发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的第二引出电压附近进行离子释放的动作状态。

另外，作为其它方式，是一种光束照射方法，其特征在于，具有以下步骤：

从气场电离离子源的发射头照射离子束；

将H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的离子束照射到试样；以及

通过将离子束照射到试样而产生的反应，观察或者加工试样的形状或者组成或者电位。

另外，作为其它方式，是一种光束照射方法，其特征在于，施加从气场电离离子源的发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中、在第二引出电压附近进行离子释放。

以上，根据本发明，能够提供一种在基于离子束的试样表面的观察或加工中，能够提高支配观察分辨率或可加工幅度的聚焦性能、提高光束稳定性以及降低光束照射时的损坏的技术。

附图说明

图1是本发明的实施例所涉及的氢气场电离离子源的概要截面结构图(局部框图)。

图2A是图1示出的氢气场电离离子源的发射极电极前端的概要截面图。

图2B是表示图1示出的氢气场电离离子源中相对于探针电流的引出电压的变化的一例的曲线图。

图2C是发明人们研究出的氢气场电离离子源(前端原子为四个的情况下)的发射极电极前端的概要截面图。

图2D是表示发明人们研究出的氢气场电离离子源(前端原子为四个以上的情况下)中相对于探针电流的引出电压的变化的一例的曲线图。

图3A是表示H₃ ⁺离子束的能量宽度的测量的一例的曲线图。

图3B是表示H₂ ⁺离子束的能量宽度的测量的一例的曲线图。

图4A是发射极电极前端的FIM像的测量例。

图4B是发射极电极前端的FIM像的测量例。

图4C是发射极电极前端的FIM像的测量例。

图4D是发射极电极前端的FIM像的测量例。

图5是本发明的第二实施例所涉及的离子束装置的概要整体结构截面图(局部框图)。

图6A示出基于H₂ ⁺离子束的扫描离子像的一例。

图6B示出基于H⁺、H₂ ⁺和H₃ ⁺离子种类混合的光束的扫描离子像的一例。

图6C示出基于H⁺和H₂ ⁺离子种类混合的光束的扫描离子像的一例。

图6D示出图6B的局部放大图。

图6E是表示使用图5的离子束装置得到的加速电压与边缘对比度的分离宽度的关系的曲线图。

图7示出在图5的离子束装置中使用H₃ ⁺离子束得到的SIM像的一例。

具体实施方式

发明人等研究了使用氢离子束的装置进行实际应用，发现了以下情况：使用一个原子使发射头前端终结，导入氢气而计测离子电流(探针电流)，在第一峰(极大值)之后，在发射头前端的原子因被称为场致蒸发的现象而消失之前的引出电压的范围内出现第二峰(极大值)。在使用一个原子使发射头前端终结而导入氦气体的情况下并未观察到这种现象(在第一峰(极大值)之后存在第二峰的现象)。

因此进一步分析该现象的结果是，发现了以下情况：(1)第一峰的H⁺、H₂ ⁺为主体且第二峰的H₃ ⁺为主体；以及(2)作为第二峰的主体的H₃ ⁺的能量宽度小于第一峰的主体的H⁺、H₂ ⁺的能量宽度。这意味着H₃ ⁺光束比H⁺、H₂ ⁺光束更窄、即得到高分辨率。

在以往的方法中，对使用第一峰的H⁺、H₂ ⁺的观察或加工进行预测从而进行光学条件的调整，通常并未考虑设定超过第一峰的电压。即，这是由于，其它气体附着于发射头而离子束电流降低的可能性提高、特意形成的发射头前端的原子产生场致蒸发的可能性提高。因此，本发明是根据对以往并未假设使用的条件下无法发现的现象详细地进行分析而得到的见解而产生的新发明。

以下，具体地说明本发明。

在本发明中，例如将氢气场电离离子源设为以下说明的结构，由此解决上述问题。

即，设为一种气场电离离子源，具有：发射头，其具有针状前端；引出电极，其与该发射头相对，且在偏离的位置处具有开口；供气配管，其向该发射头附近提供气体；形成电场的单元，在该发射头与该引出电极之间施加电压并进行调整，从而使该气体进行电离化；以及对该发射头进行冷却的单元，其中，该气体为含氢的气体，H₃ ⁺离子的存在比率在从该发射头释放的离子种类中最高，由此解决上述问题。

H₃ ⁺离子的能量宽度小于如上所述在通常条件下引出的H₂ ⁺离子。在将上述氢气场电离离子源应用于离子束装置的情况下，观察分辨率或者可加工幅度良好，与He离子照射的情况相比降低试样观察时的损坏，并且与He离子释放的情况相比，能够减少与发射极的前端形状再生有关的时间。

另外，在H₃ ⁺离子与H₂ ⁺离子相比，相同加速能量下的光束照射的情况下，一个氢原子所具有的能量成为2/3，因此能够期望依赖于该量的试样损坏、例如混合等变得更小。另外，H₃ ⁺离子束的能量宽度较小，因此能够通过比H₂ ⁺离子更低加速来实现相同的聚焦性能，因此能够以低加速进行光束照射，从而减小试样损坏。

另外，发明人等在氢气场电离离子源中首次发现了H₃ ⁺离子的释放比率最高的离子释放方法。目前已知释放H₃ ⁺的现象本身，但是目前并未得知氢离子种类中H₃ ⁺的释放比率最高的条件。上述条件是指使用原子三个以下、最优选一个来进行终结，将离子的引出电压设为施加探针电流第二极大值的引出电压使离子源进行动作，由此提高H₃ ⁺离子释放比率。即，原子为两个比原子为三个提高效果更佳，特别是在使用单一原子使前端终结的情况下，释放比率的提高效果最佳。

即，如果搭载本发明的气场电离离子源，则提高带电粒子束装置的离子束聚焦性、稳定性。另外，在通过离子束照射观察时，试样损坏变小。另外，发射头前端的形状再生次数减少，从而装置的使用性提高。

以下，根据实施例并使用附图说明本发明。

第一实施例

参照图1、图2、图3、图4说明本发明的实施例所涉及的氢气场电离离子源。其中，在以下所述的内容以外，在不脱离本申请的发明思想的范围内能够应用本申请的结构也是显而易见的。

氢气场电离离子源1具备：发射极电极(发射头)11，其具有针状前端；引出电极13，其在与发射极电极11相对的位置处具有开口；制冷机4，其对上述发射极电极11进行冷却；真空室17，其包括发射极电极11、上述引出电极13、冷却机构4的制冷机主体41所具有的制冷机第一台412和制冷机第二台413；真空排气单元16，其与真空室17相连接；供气单元(气体导入机构)37，其向真空室17内部提供包含氢气的气体；以及高压电源111，其在发射极电极11与上述引出电极13之间施加电压，且在发射极电极11前端附近形成使气体进行正电离化的电场。也可以构成为能够独立地控制各电极的电压，能够独立地控制用于进行离子束的加速以及进行形成上述电场的引出电压。

为了从氢气场电离离子源1的发射头11释放离子束15，首先，在发射头11和引出电极13之间施加高电压。通过施加高电压，在发射头11的前端集中电场。将前端处形成的电场的强度设为足以使氢正电离化的强度，如果在该状态下使用供气单元37将氢气导入到真空室17内，则从发射头11的前端释放氢离子束。此外，附图标记161表示流量调整单元，附图标记371表示气体喷嘴，附图标记374表示气体流量调整单元，附图标记376表示储气瓶，附图标记415表示热辐射屏蔽板，附图标记416表示传热单元。

并且，表示了在图2A示出的发射极电极11的前端的形状100中发射极电极11的前端5使用一个原子终结的示例。这样在发射极电极的前端使用三个以下原子终结的情况下，以某一固定的放射角度将从该氢气场电离离子源1引出的离子束15进行限制的探针电流值24相对于如图2B所示的施加于发射极电极11和引出电极13的电压的差分的引出电压的值如曲线图200那样发生变化。此外，附图标记151表示探针电流，附图标记152表示光束限制张角，附图标记153表示光轴。.

通过施加在发射极电极11与引出电极13之间的引出电压，例如即使引出电压的值相同，在发射极电极前端产生的电场的值也根据以发射极电极前端的曲率半径等为代表的形状不同而不同。另外，在本实施例中澄清的现象基于在前端产生的电场。即，在此，方便起见，使用确定本实施例的效果时的试验结果、即图2B和图2D示出的曲线图200和201进行说明，但是在此示出的引出电压的绝对值在不脱离其思想的范围内并不限制本发明的范围。

在图2B示出的曲线图200的示例中，探针电流值24在大约10kV的引出电压下具有第一极大值22，在比施加该极大值(峰)22的引出电压更大的大约11.68kV的引出电压值下具有第二极大值23。发明人发现在施加该第二极大值的引出电压附近，H₃ ⁺离子释放比率高于其它氢的离子H⁺、H₂ ⁺这一情况。上述附近意味着相对于施加第二极大值23的引出电压的绝对值，优选5％左右的电压范围21。在曲线图200的示例中，意味着相对于施加第二极大值的引出电压11.68kV，优选从11.1kV至12.26kV的范围内设定引出电压这一情况。

另一方面，图2C是发射极电极11的前端6使用四个以上的原子终结的示例。在该情况下，以某一固定的放射角度对从该氢气场电离离子源引出的离子束15进行限制的探针电流值24相对于在发射极电极与引出电极13之间施加的引出电压的值，如图2D示出的曲线图201的示例那样发生变化。即，探针电流值24在大约10kV的引出电压下具有唯一的极大值(峰)25。此时与图2B示出的曲线图200的示例有所不同，在所有引出电压中H₃ ⁺离子释放在曲线图上无法观测到，比率不会超过其它氢的离子H⁺、H₂ ⁺。另外，与极大值25相比在低电压侧H₂ ⁺的释放比率较大，在高电压侧H+的释放比率增大。此外，在前端6的原子数较少时，探针电流的第二极大值附近的H₃ ⁺离子束的释放比率越高。即，与原子为三个相比，原子为两个释放比率更大，前端为一个的状态在提高H₃ ⁺离子束的释放比率上最好。

并且，在图3A示出的曲线图203中示出在与H₃ ⁺离子释放比率高于其它氢的离子H⁺、H₂ ⁺的极大值23相当的引出电压附近测量得到的离子束的能量宽度的示例。同样地在图3B示出的曲线图204中示出与H₂ ⁺离子释放比率最高的极大值25相当的低于引出电压的引出电压中测量得到的离子束的能量宽度的示例。发明人发现了如该图3A的示例所示H₃ ⁺离子束的能量宽度小于其它氢离子(H⁺离子和H₂ ⁺离子)的光束这一情况。即，根据搭载释放H₃ ⁺离子束的气场电离离子源的离子束装置，与具备释放氦离子束的气场电离离子源的离子束装置相比，不会由离子束引起使观察分辨率恶化或增加可加工幅度，而能够降低基于离子束照射进行观察时的试样损坏。此时，如果照射到试样的离子束中H₃ ⁺离子的比率最高，则由其它氢离子(H⁺离子和H₂ ⁺离子)的光束引起的影响减小，从而更有利于观察或加工。

发明人发现了在H₃ ⁺离子释放比率高的上述区域中离子束的能量宽度也存在变化这一情况。即，发现了与相当于第二极大值23的引出电压相比，根据低至5％的范围内的引出电压值引出的离子束的能量宽度比高至5％的范围更低这一情况。即，为了与氦离子束相比不会使观察分辨率恶化或增加可加工幅度且降低基于离子束照射进行观察时的试样损坏，针对相对于第二极大值23的引出电压的绝对值，优选在低至5％的范围26(图2B)中设定引出电压即可。在图2B示出的曲线图200的示例中意味着针对施加第二极大值的引出电压11.68kV，优选在11.1kV至11.68kV的范围内设定引出电压。

为了提高H₃ ⁺离子释放比率，也可以将发射极电极11的金属设为具有体心立方晶格结构或者密排六方晶格结构的金属。例如也可以是钨、钽、钼、铌、铷、钌、钛、铍等金属。或者，发射极电极的金属也可以使用耐化学性良好的例如铱、钽等。如果使用耐化学性良好的金属则发射极电极被电离化气体或电离气体内包含的杂质气体侵蚀的效果得到抑制，期望一种离子源稳定地进行动作的效果。发明人们使用钨的<111>方位为长轴方向的发射极电极来确认上述现象。

在气体导入机构37未将气体导入到氢气场电离离子源1的真空室17内的情况下，保持为10-7Pa以下的超高真空。为了使真空室17内达到超高真空，也可以在氢气场电离离子源1的启动作业中包含将真空室17整体加热到100度以上的所谓热烘。

前端5使用一个原子终结是意味着在存在用于释放照射到试样等的离子束的原子的发射极电极的金属的结晶面上不存在与该原子邻接的原子这一情况。在GFIS中假设在发射极电极的表面存在多个用于释放离子束的原子，从各原子向不同角度释放离子束的状况。例如存在从钨的<111>方位的结晶表面的邻接的三个原子中释放氦离子束的示例。在本实施例的范围内期望的是用于释放相同程度电流量的离子束的原子不会邻接，由此例如假设从在与用于释放照射到试样等的离子束的原子分离的位置上吸附气体分子而形成的发射极电极表面的突起释放离子束或者从保持该原子的下一层结晶面的端面部分释放离子束，但是在这种情况下也包含在本发明的范围中。另外，在结晶面的下一层中，与该原子结合或邻接的原子不包含在该面上的邻接原子。

在图4A至图4D中示出通过场离子显微镜(Field Ion Microscopy，以下，简称为FIM)的方法获取到的发射极电极11前端形状的原子像。在图4A和图4B中分别示出的FIM像301、302在前端5使用一个原子终结的示例中相当于图2A示出的发射极电极11的前端的形状100。实际确认了存在H₃ ⁺离子通过该发射极电极11的前端形状以高比率进行释放的如上所述电压条件。即，如图2B示出的曲线图200的示例那样确认了探针电流相对于引出电压发生变化这一情况。此时相对于从前端的一个原子51释放的离子电流，即使释放出足够小的离子电流的原子52存在于与原子51分离的位置，也能够从原子51以高比率释放H₃ ⁺离子。

在图4C和图4D中分别示出的FIM像303、304在发射极电极11的前端6使用四个以上的原子终结的示例中相当于图2C示出的发射极电极11前端的形状101。实际确认了不存在H₃ ⁺离子通过该发射极电极11的前端形状以高比率进行释放的电压条件。即，如图2D示出的曲线图201的示例那样确认了探针电流值24相对于引出电压发生变化这一情况。

为了提高H₃ ⁺离子释放比率，也可以使用对光轴153的某一固定的光束限制张角152对从发射极电极11的前端5引出的离子电流进行限制(图2A)。与不限制的情况相比，被光束限制张角152限制的探针电流151能够期望提高H₃ ⁺离子释放比率。探针电流151的大小相当于探针电流值24。优选可以将光束限制张角152设为5mrad以下。例如，在以从上述原子51释放的离子束成为H₃ ⁺离子释放比率高的电场的方式设定引出电压的情况下，存在于相同头的不同部位的上述原子52那样的原子部位的电场与原子51的电场不同，因此从原子52的离子束放射有可能是H₃ ⁺离子释放比率较小的释放。发明人确认了通过在该情况下进行5mrad以下的光束限制，由此能够减少来自上述原子52那样的原子的H⁺离子与H₂ ⁺离子的混入这一情况。另外，在考虑仅从上述原子51的释放离子束的情况下，在H⁺离子与H₂ ⁺离子释放角度大于H₃ ⁺离子释放角度的情况下，通过缩小光束限制张角，也能够减小H⁺离子与H₂ ⁺离子的混入。另外，在光束限制张角152足够大的情况下，探针电流151与离子束15一致。

为了提高H₃ ⁺离子束的亮度，优选调节冷却机构4对发射头11的冷却温度。获取本次探针电流的示例为将发射极电极冷却到大约40K的状态。冷却机构4对氢气场电离离子源1的内部、发射极电极11、引出电极13等进行冷却。冷却机构4例如能够使用吉福德麦克马洪型(GM型)或脉冲管型等的机械式制冷机、或者液氦、液氮、固氮等制冷剂。在图1中例示了使用机械式制冷机的情况下的结构。机械式制冷机由制冷机主体41所具有的制冷机第一台412和制冷机第二台413构成。来自第二台413的热通过传热单元416被传到发射极电极11、引出电极13等，并对它们进行冷却。

冷却温度低于第二台的第一台412也可以构成为对热辐射屏蔽板415进行冷却。热辐射屏蔽板415构成为覆盖制冷机第二台，优选还覆盖发射极电极11、引出电极13。能够通过热辐射屏蔽板415减小由来自真空室17的热辐射引起的影响，从而能够高效地对制冷机第二台413、发射极电极11、引出电极13等进行冷却。

传热单元416也可以由导热性良好的铜、银、金等金属构成。另外，为了减小热辐射的影响，也可以进行表面具有金属光泽的表面处理、例如镀金等处理。若冷却机构4所产生的振动传递至发射极电极11，则产生由离子束引起试样观察像的分辨率恶化等影响，因此也可以使用金属制绞合线等具有不易传递振动的柔性的部件来构成传热单元416的一部分。根据相同的理由，传热单元416也可以构成为将通过冷却单元4进行冷却的气体、液体进行循环而向发射极电极11、引出电极13传递热。在这种结构中，还能够将冷却单元4设置于与装置主体隔离的位置。

也可以设置对第一台412或者第二台413、传热单元416进行调节温度的单元。如果通过调节温度的单元调节发射极电极的温度，以使H₃ ⁺离子束的亮度提高，则试样观察时的信噪比、试样加工时的产量提高。

为了提高H₃ ⁺离子束的亮度，将导入到真空室17内的氢气压力设为最佳即可。根据气压值能够调整从发射极电极释放的总离子电流量是显而易见的，但是H₃ ⁺离子的释放比率通过气压调整也能够调整为某种程度。供气单元37由气体喷嘴371、气体流量调整单元374以及储气瓶376构成。氢气从储气瓶376通过气体流量调整单元374调节流量而导入。根据真空排气单元16的气体排量和被导入的氢气流量的平衡，来决定真空室17内的压力。气体排量也可以在真空排气单元16与真空室17之间设置流量调整单元161来进行调节。若氢气的纯度足够高，则起到稳定离子源动作的效果。因此，根据需要也可以使用用于提高氢气纯度的过滤器。

也可以构成为将含氢气的混合气体作为从气体喷嘴371提供的气体导入到发射头附近。例如，也可以从气体喷嘴371导入将氖气与氢气混合而成的气体。在上述示例中，从发射极电极释放氖离子和氢离子所需的引出电压大不同，因此仅切换上述电压，就能够切换氢离子释放与氖离子释放。氖离子与氢离子不同质量较大，因此根据试样表面的溅射效果，优选有用于对试样的精细加工。此外，不仅是例示的混合气体，通过切换单一气体也能够进行离子切换是显而易见的。

另外，也可以将贮存于储气瓶376的气体设为氢气与其它气体的混合气体。以上述离子切换目的的混合气体贮存是显而易见的，但是例如如果构成为将氢气爆炸界限以下分压的混合气体贮存于储气瓶376而使用上述过滤器选择性地仅提供氢气，则安全性提高。

发射极电极11可以被冷却机构4冷却。例如根据氢离子电流量的增加、离子释放的稳定性的观点优选冷却到40K左右。另外，通过调整冷却温度，还能够将H₃ ⁺离子释放比率调整为某种程度。

当从上述供气单元以高气压在真空室17内部整体中导入氢气时，在发射极电极与真空室17之间经由导入的氢气产生热交换，因此产生发射极电极11的冷却不足、真空室17凝结等不良状况。另外，在从发射极电极11释放的离子束15的光路整体上氢气气压处于高的状态时，则产生离子束局部散射且光束的聚焦性变差等不良状况。因此，作为导入到真空室的氢气压，优选设为大约0.01Pa左右。

在与上述气压相比需要进一步提高导入压力的情况并未图示，但是也可以在真空室17的内部设置围绕发射头11的内壁。此时，该内壁构成为包含引出电极13，保持引出电极13的离子束15通过的孔以外部分的气密，如果将氢气从气体喷嘴371导入到该内壁内部，则氢气气压能够只在发射极电极11外围提高。如果设为这种结构，则能够使发射极电极外围的气压大约从0.1Pa提高至1Pa左右。上述上限基于放电现象，根据发射极电极与具有接地电位的结构部件或者引出电极之间的电位差，而可导入的气压不同。另外，也可以使用上述冷却机构4对该内壁进行冷却。该内壁围绕发射极电极11，因此如果冷却至与发射极电极11相同程度则能够减小来自真空室17的热辐射的影响。另外，如果内壁内部保持为超高真空状态，则真空室17整体不一定必须保持为超高真空状态。

另外，为了使用三个以下原子、优选一个原子来终结发射头11的前端，也可以使用包括发射头11的加热的方法。另外，同样地，为了使发射头11的前端尖锐化，也可以使用对发射头11进行加热的同时向真空室17内例如导入O₂或N₂等气体的方法。另外，同样地，为使发射头11尖锐化，也可以使用在发射头11与引出电极13之间施加高电压的同时向真空室17内例如导入O₂或N₂等气体的方法。另外，同样地，也可以使用以下方法：发射头11由以钨为主成分的针构成，在其表面蒸镀贵金属例如铱、钯、铂等之后，对发射头11进行加热。

以上，根据本实施例，能够提供一种在基于离子束的试样表面的观察或加工中，能够提高支配观察分辨率或可加工幅度的聚焦性能、提高光束稳定性以及降低光束照射时的损坏的气场电离离子源。

第二实施例

参照图5、图6说明本发明的第二实施例。此外，只要没有特殊情况，则第一实施例所记载且本实施例未记载的事项还能够应用于本实施例。

离子束装置1000由上述氢气场电离离子源1、光束照射柱7、试样室3以及其它结构要素构成，从上述氢气场电离离子源1释放的离子束15通过光束照射柱7照射到设置于试样室3内部的试样台32上的试样31。由二次粒子检测器33检测从试样31释放的二次粒子。此外，该离子束装置还能够包括电子束照射功能部。

示出光束照射柱7由聚焦透镜71、光圈72、第一偏转器73、第二偏转器74、物镜76、质量过滤器(mass filter)78、法拉第杯79构成的示例。用于将离子束照射到试样的光学设计也可以根据重视哪个性能被来进行变更。因此，光束照射柱7根据需要还可以附加使离子束15聚焦的透镜、偏转的偏转器等要素，也可以变更要配置的顺序，另外，也可以去除要素。

离子束由聚焦透镜71聚焦，使用光圈72将离子束15如探针电流151那样进行限制，使用物镜76进一步聚焦使得在试样表面形成细微的形状。第一偏转器和第二偏转器使用于由透镜进行聚焦时减小像差的轴调整、试样上的离子束扫描等。

法拉第杯79也可以构成为与电流表790相连接，该电流表790计测离子束的电流量。并且，也可以设置控制装置791，该控制装置791使用由电流表790计测出的结果来控制高压电源111。也可以构成为在第一实施例中说明的H₃ ⁺离子释放比率高的引出电压的范围内使用控制装置791自动地调整高压电源111的输出。控制装置791例如也可以由PC、微型计算机、电路等构成。另外，控制装置791也可以构成为将一次测量得到的离子束电流与引出电压的关系保持于存储介质中。如果发射极电极11前端的曲率半径等没有较大地变化，则期望H₃ ⁺离子释放比率高的引出电压的范围不会较大地变化。

在图6A至图6D中示出离子种类进行混合的扫描离子像的示例。具体而言，示出H⁺离子与H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子的离子束的轨道由于因磁场而产生的偏转作用而分离的状态下获取的扫描离子像。图6A是通过大约仅由H₂ ⁺离子构成的离子束来观察试样的示例，图6B是通过H⁺离子与H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子进行混合的离子束来观察试样的示例，图6C是通过H⁺离子与H₂ ⁺离子进行混合的离子束来观察试样的示例。在图6A中观察到H₂ ⁺离子的试样边缘对比度的仅一种试样边缘对比度，与此相对，在图6B中观察到H⁺离子与H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子的试样边缘对比度的三种试样边缘对比度，在图6C中观察到H⁺离子与H₂ ⁺离子的两种试样边缘对比度。在图6D中将图6B局部放大且用虚线强调了从各离子起的边缘对比度。

若在这样通过偏转磁场各离子的轨道分离的状态下获取扫描离子像，则多重地观测到试样表面的结构。在图6A至图6D中，在对比度被强调的部分、例如试样的凹凸边缘部分中该现象特别显著，优选用于推定离子种类的释放比率。还能够根据该对比度比来决定H₃ ⁺离子释放比高的引出电压。此时在根据边缘部分的对比度比来推定各离子种类的存在比率时，还优选考虑由各离子种类引起的二次电子释放量的差。

能够根据边缘对比度的分离宽度来推定哪个边缘对比度基于哪个离子种类的离子束。在质荷比大的H₃ ⁺离子中由磁场引起的偏转的影响较小，在质荷比小的H+离子中由磁场引起的偏转的影响较大。根据质荷比，在图6B的示例中能够推定分离宽度的差最大的边缘对比度81、83的对相当于H⁺离子与H₃ ⁺离子，分离宽度的差最小的边缘对比度82、83的对相当于H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子。通过变更偏转磁场的强度或者变更离子束的加速，还能够变更该三种边缘对比度的分离宽度。在图6E中示出变更离子束加速并计测其分离宽度的示例。在本例中变更为离子束加速30kV、20kV、15kV。当在如图6B的状态下减小加速电压时，如图6E所示，由于偏转磁场的影响相对变大，因此分离宽度增加。另外，即使加速电压固定，如果变更偏转磁场则分离宽度也发生变化。在此，最大的分离宽度84相当于H⁺离子与H₃ ⁺离子，最小的分离宽度86相当于H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子。中间的分离宽度85相当于H⁺离子与H₂ ⁺离子。

在不期望的磁场施加到离子束15并且多个离子种类混合在离子束中时，上述那样的分离作用有可能阻碍试样表面观察。因此，为了防止在离子束15中产生上述那样不期望的磁漏，真空室17的材料期望由高磁导率的材料例如坡莫合金、纯铁等构成。或者，也可以在离子束15通过的光路附近、即真空室17内部具备由磁导率高的材料制作的防磁漏用的部件。或者，在真空室17外部也可以具备具有防磁漏功能的装置罩。上述三个防磁漏的策略根据需要也可以适当地进行组合。

根据需要也可以安装质量过滤器78。质量过滤器78能够构成为使特定的离子透过。也可以用于测量H₃ ⁺离子以外的离子从离子源释放什么程度。例如，能够使用于测量引出电压的设定值是否为适合于提高H₃ ⁺离子释放比率的值。

在质量过滤器78中也可以至少含有一个产生偏转磁场的要素。质荷比不同的从相同部位释放的相同加速的H⁺离子与H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子期望通过偏转电场使其离子束的轨道变得相同，但是期望通过偏转磁场使其离子束的轨道分离。在测量离子种类的释放比率时也可以使用该轨道分离。

如果将该质量过滤器78设计成像差尽可能小，则不仅测量H₃ ⁺离子释放比率，还能够使用于过滤不需要的离子种类而照射H₃ ⁺离子释放比率高且保持聚焦性能的光束。并且，如果设为专门仅从H₃ ⁺离子分离除此以外的氢离子(H⁺离子与H₂ ⁺离子)的过滤器，则能够将上述像差的产生抑制为最小限度。或者，能够抑制成本而制作过滤器。通常，质荷比越小则离子由磁场引起的偏转量越大。另外，质荷比的比越大则不同离子种类的分离越容易。

用于分离离子束的偏转磁场不一定必须使用专用质量过滤器78，例如在第一偏转器73、第二偏转器74、试样室3中能够从物镜76在试样31之间的空间内施加。在离子束加速大的情况下，例如当10kV以上时在实际应用中很多情况下将电场使用于离子束的偏转，因此第一偏转器73、第二偏转器74如以往那样构成为产生由电场引起的偏转场，也可以重新设置产生用于离子束分离的偏转磁场的第三偏转器。另外，第一偏转器73或者第二偏转器也可以构成为能够将磁场叠加到电场。

通过将施加到上述质量过滤器78、发射极电极11引出电压进行调整等，将H₃ ⁺离子在离子束中的占比设为80％以上时更优选观察试样。

以往，假设(1)使用常规电流为峰值(第一极大值)的引出电压、或者(2)使用期望能量宽度变窄这一情况的低于峰值的电压。即，第二峰与第一峰相比其宽度非常窄，发现需要详细的试验。另外，为了识别质荷比不同的离子，需要施加磁场，但是，通常在离子显微镜中并不假设使用用于产生磁场的偏转器等，通常全都使用电场偏转和电场透镜。本次试图通过施加用于识别的磁场，如图6所示进行识别。

另外，与氢气H₂同样地，期望双原子分子的气体N₂、O₂也出现相同的现象。与H₃ ⁺同样地，如果N₂、O₂也作为N₃ ⁺、O₃ ⁺而释放，则与N₂ ⁺、O₂ ⁺相比期望得到基于能量宽度减小而产生的聚焦性能提高效果、与N₂ ⁺、O₂ ⁺相比期望得到反应性提高且加工速度加快的效果。

在图7中示出观察了在H₃ ⁺离子在离子束中的占比被估计为80％以上的状态下在碳基质上蒸镀金微粒子的试样表面的示例。可知并没有图6B、图6C示出的边缘对比度的分离而能够良好地观察试样表面。在进行试样观察时，也可以设为照射到试样的离子束在试样面上的直径为10nm以下。

控制装置791也可以构成为具备根据如图6A至图6D所示那样的离子种类进行混合的扫描离子像来推定离子种类的比率的功能。通过控制装置791在变更引出电压的同时自动地获取将偏转磁场施加到离子束15的扫描离子像，并进行分析，由此能够明确在离子束中进行混合的离子种类的比率的引出电压依赖性。并且，控制装置791也可以构成为具备根据其结果来控制高压电源111的功能。另外，离子束装置1000也可以具备显示功能792。通过显示功能792也可以显示当前以最高比率进行释放的离子种类。并且，也可以构成为显示由其它相同元素构成的质荷比不同的离子，用户能够使用控制装置791来选择显示。例如，可以通过显示功能792显示H⁺离子与H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子以什么程度的比率进行释放。另外，也可以显示哪个氢离子以最高比率进行释放。

另外，通过将施加到上述质量过滤器78、发射极电极11的引出电压进行调整等，也可以切换照射到试样的离子。并且，也可以构成为用户能够选择将哪个氢离子以最高比率进行释放。在H⁺离子与H₂ ⁺离子与H₃ ⁺离子中即使是相同加速能量，向试样内的侵入深度也有所不同，因此通过上述切换功能，能够进行变更了向试样的侵入范围的离子注入，能够使用于电子设备的制作工序、特性调整等。另外，除了引出电压的调整以外，例如也可以通过透镜的电压、头的角度等进行控制。

光束照射柱7使用真空泵77进行真空排气。试样室3使用真空泵34进行真空排气。在氢气场电离离子源1与光束照射柱7之间以及光束照射柱7与试样室3之间根据需要也可以设为差动排气结构。即，也可以构成为除了离子束15所通过的开口部以外相互的空间保持为气密。通过设为这种结构，导入到试样室3的气体流入到氢气场电离离子源的量减小，从而影响变小。另外，相反地，导入到氢气场电离离子源1的气体流入到试样室3的量减小，从而影响变小。

离子束装置1000也可以构成为设置于例如由防振机构61和底板62构成的装置架台60上，以使不会由于氢气场电离离子源1的发射极电极11或设置于试样室3内部的试样31等产生振动而使试样的观察或加工的性能恶化。防振机构61例如也可以使用空气弹簧、金属弹簧、凝胶状材料、橡胶等构成。另外，虽然并未图示，但是也可以设置用于覆盖离子束装置1000整体或者局部的装置罩。装置罩优选由能够使来自外部的空气振动遮断或者衰减的材料构成。

为了在试样31附近导入反应性气体或者用于抑制试样31的表面带电这一情况的气体，试样室3也可以具备气体导入机构38。气体导入机构38由气体喷嘴381和流量调整单元384、储气瓶386构成。在反应性气体中，作为用于促进试样31的蚀刻的气体，例如可以使用XeF₂气体、H₂O气体、卤素类气体等，作为用于促进沉积物的气体，可以使用TEOS、碳氢类气体或者含金属的例如WF6那样的气体。在使用了用于促进蚀刻的气体的试样加工中，由于能够增加试样加工量相对于离子注入量，因此能够减小对试样的基板的损坏。

也可以将使用了这样各种反应性气体的试样加工进行组合而构成离子束装置1000，使得例如能够进行使用于半导体工序的通常的光掩膜的修正、使用于基于EUV的半导体工序的光掩膜的修正、使用于纳米压印光刻的模具的修正等。聚焦性良好的能量宽度较小的H₃ ⁺离子束优选使用于具有与半导体设备的结构相同程度的尺寸的上述光掩膜、模具的修正。另外，离子束装置1000也可以构成为通过使用了反应性气体的试样加工以及使用不向试样导入气体的H₃ ⁺离子束本身的反应性来制作设备。

试样室3通过真空泵34进行真空排气。真空泵34例如使用涡轮分子泵、离子溅射泵、非蒸发吸气泵、升华泵、低温泵等。不一定必须使用单一的某个泵，可以将上述多个泵进行组合使用。另外，也可以将装置构成为仅在与上述气体导入机构38连动地从气体喷嘴381导入气体时使真空泵34进行动作或者在真空泵34与试样室3之间设置阀以调整排气量。

虽然并未图示，但是在试样室3中也可以设置试样更换室。当构成为在试样更换室中能够进行用于更换试样31的预备排气时，在更换试样时能够降低试样室3的真空度的恶化程度。

以上，根据本实施例，能够提供一种在基于离子束的试样表面的观察或加工中观察分辨率高、可加工幅度小、光束稳定性良好、光束照射时的损坏小的离子束装置、光束照射方法(观察方法以及加工方法)。

附图标记说明

1：氢气场电离离子源；5：前端；6：前端；11：发射极电极(发射头)；13：引出电极；15：离子束；16：真空排气单元；17：真空室；21：电压范围；22：第一极大值；23：第二极大值；24：探针电流值；25：极大值；26：电压范围；100：发射极电极11前端的形状；101：发射极电极11前端的形状；111：高压电源；151：探针电流；152：光束限制张角；153：光轴；161：流量调整单元；200：曲线图；201：曲线图；203：曲线图；204：曲线图；301：FIM像；302：FIM像；303：FIM像；304：FIM像；3：试样室；31：试样；32：试样台；33：二次粒子检测器；34：真空泵；37：气体导入机构(供气单元)；371：气体喷嘴；374：气体流量调整单元；376：储气瓶；38：气体导入机构；381：气体喷嘴；384：流量调整单元；386：储气瓶；4：冷却机构；41：制冷机主体；412：制冷机第一台；413：制冷机第二台；415：热辐射屏蔽板；416：传热单元；51：原子；52：原子；60：装置架台；61：防振机构；62：底板；7：光束照射柱；71：聚焦透镜；72：光圈；73：第一偏转器；74：第二偏转器；76：物镜；77：真空泵；78：质量过滤器；79：法拉第杯；790：电流表；791：控制装置；792：显示功能；81：基于H⁺离子的试样的边缘对比度；82：基于H₂ ⁺离子的试样的边缘对比度；83：基于H₃ ⁺离子的试样的边缘对比度；84：分离宽度；85：分离宽度；86：分离宽度；1000：离子束装置。

Claims (13)

1.一种离子束装置，其特征在于，具有：

气场电离离子源，其释放包含H₃ ⁺离子的离子束；

光束照射柱，其具备能够使从上述气场电离离子源释放的离子进行聚焦的透镜以及能够使离子束进行偏转的偏转器；

试样台，其搭载试样，该试样被照射通过了上述光束照射柱的离子束；以及

试样室，其内部至少装有上述试样台，

在施加从气场电离离子源的发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的在第二引出电压附近进行离子释放，离子源的发射极电极的前端使用三个原子以下使发射头前端终结，以使上述H₃ ⁺离子的存在比率在从上述气场电离离子源的发射头释放的离子种类中最高。

2.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述离子束装置具备过滤器，该过滤器根据离子质量使被释放的H₃ ⁺离子选择性地透过。

3.根据权利要求2所述的离子束装置，其特征在于，

上述过滤器具备仅使H₃ ⁺离子选择性透过的功能。

4.根据权利要求2所述的离子束装置，其特征在于，

上述过滤器具备产生磁场的功能。

5.根据权利要求1所述的离子束装置，其特征在于，

上述离子束装置具备通过上述离子束来修正掩膜或者纳米压印光刻的模具的功能。

6.一种离子束装置，其特征在于，具有：气场电离离子源；光束照射柱，其搭载能够使从上述气场电离离子源释放的离子进行聚焦的透镜以及能够使离子束进行偏转的偏转器；试样台，其搭载试样，该试样被照射通过了上述光束照射柱的离子束；以及试样室，其内部至少装有上述试样台，

上述离子束装置具有动作状态，该动作状态是在施加从上述气场电离离子源的发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压和施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的第二引出电压附近进行离子释放的动作状态，离子源的发射极电极的前端使用三个原子以下使发射头前端终结，以使上述气场电离离子源具有探针电流中的H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的动作状态。

7.根据权利要求6所述的离子束装置，其特征在于，

上述离子束装置具备过滤器，该过滤器根据离子质量使被释放的离子选择性地透过。

8.根据权利要求7所述的离子束装置，其特征在于，

上述过滤器具备仅使H₃ ⁺离子选择性地透过的功能。

9.一种气场电离离子源，其特征在于，具有：发射头，其具有针状前端；引出电极，其与上述发射头相对且在偏离的位置处具有开口；供气配管，其向上述发射头附近提供气体；形成电场的单元，其在上述发射头与上述引出电极之间施加电压并进行调整，从而使上述气体电离化；以及对上述发射头进行冷却的单元，其中，

上述气体为含氢的气体，在施加从气场电离离子源的发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的在第二引出电压附近进行离子释放，离子源的发射极电极的前端使用三个原子以下使发射头前端终结，以使上述气场电离离子源具有探针电流中的H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的动作状态。

10.一种气场电离离子源，其特征在于，具有：发射头，其具有针状前端；引出电极，其在与上述发射头相对而偏离的位置处具有开口；供气配管，其向上述发射头附近提供气体；形成电场的单元，在上述发射头与上述引出电极之间施加电压而使上述气体电离化；以及对上述发射头进行冷却的单元，其中，

上述气体为含氢的气体，上述气场电离离子源具有动作状态，该动作状态是在施加从上述发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压和施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的第二引出电压附近进行离子释放的动作状态，离子源的发射极电极的前端使用三个原子以下使发射头前端终结，以使上述气场电离离子源具有探针电流中的H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的动作状态。

11.根据权利要求10所述的气场电离离子源，其特征在于，

H₃ ⁺离子的存在比率为80％以上。

12.一种光束照射方法，其特征在于，包括：

从场电离离子源的发射头照射离子束；

在施加从气场电离离子源的发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的在第二引出电压附近进行离子释放，离子源的发射极电极的前端使用三个原子以下使发射头前端终结，从而将H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的离子束照射到试样；以及

通过将上述离子束照射到试样而产生的反应，观察或者加工上述试样的形状或者组成或者电位。

13.一种光束照射方法，其特征在于，在施加从场电离离子源的发射头引出的离子电流的第一极大值的第一引出电压以及施加上述离子电流的第二极大值的大于第一引出电压的第二引出电压中的在第二引出电压附近进行离子释放，离子源的发射极电极的前端使用三个原子以下使发射头前端终结，以使气场电离离子源具有探针电流中的H₃ ⁺离子的存在比率在从上述发射头释放的离子种类中最高的动作状态。

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