JP2006120331A - 集束イオンビーム装置および収差補正集束イオンビーム装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 装置寿命を犠牲にせず、加速型対物レンズのレンズ光学系の利点を活かす。
【解決手段】 イオン源１０からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極２０と、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズ３０と、開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り５０と、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型開き角制御レンズ６０と、静電型開き角制御レンズで開き角が制御されたイオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズ８０と、静電型開き角制御レンズでは前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段１０１とを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】 イオン源１０からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極２０と、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズ３０と、開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り５０と、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型開き角制御レンズ６０と、静電型開き角制御レンズで開き角が制御されたイオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズ８０と、静電型開き角制御レンズでは前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段１０１とを有する。
【選択図】 図１
Description
本発明は集束イオンビーム装置および収差補正集束イオンビーム装置に関し、特に、良好な収差補正により小さなビーム径を実現できる集束イオンビーム装置および収差補正集束イオンビーム装置に関する。
現在市場に出ている多くの集束イオンビーム装置は、基本的に、イオンビームの開き角を制御する静電型集束レンズ、および、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズ、の２つのレンズのみ搭載された２レンズ光学系の集束イオンビーム装置となっている。
一方、図６に示すように、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置では、イオンビームを発生するイオン源としてのエミッタ１０、エミッタ１０からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極２０、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズ（第１コンデンサレンズ（ＣＬ＃１））３０、集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームの軸合わせなどの偏向を行うビームアライナ４０、集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り５０、電流制限絞り５０の下に配置され、電流制限絞り５０を通過したイオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型の開き角制御レンズ（第２コンデンサレンズ（ＣＬ＃２））６０、開き角制御レンズ６０の下に設けられてイオンビームを偏向して試料上で走査するデフレクタ７０、開き角制御レンズ６０で開き角が制御されたイオンビームを試料９０上に集束させる静電型の対物レンズ８０、が設けられている。すなわち、この３レンズ光学系の集束イオンビーム装置では、イオンビームの開き角を制御する静電型の集束レンズ３０、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型の開き角制御レンズ６０、および、イオンビームを試料上に集束するための静電型の対物レンズ８０、の３つのレンズが搭載された３レンズ光学系の集束イオンビーム装置も、小数ながら存在している。
ここで、２レンズ光学系の集束イオンビーム装置におけるイオンビームのビーム電流は、電流制限絞り内径１つにつき原則的に１電流しか定義できない。
もちろん、集束レンズの励起強度によって、かなりの範囲のビーム電流を制御することも可能ではあるが、ある特定の電流値以外ではビーム径が極端に劣化するという問題が生じてくる。したがって、実際には、交換可能な電流絞り内径の種類の数が定義可能な電流の数になってしまう。
もちろん、集束レンズの励起強度によって、かなりの範囲のビーム電流を制御することも可能ではあるが、ある特定の電流値以外ではビーム径が極端に劣化するという問題が生じてくる。したがって、実際には、交換可能な電流絞り内径の種類の数が定義可能な電流の数になってしまう。
これに対して、３レンズ光学系では、その開き角をビーム電流に無関係に制御できるために、一つの電流絞り内径で、ビーム径の極端な劣化無しで広い範囲のビーム電流を制御することが可能になる。
例えば、図７に示すように、２レンズ光学系の集束イオンビーム装置（図７中の破線部分）では、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置（図７中の実線）と比較して、同じ電流絞り内径でも、広い範囲のビーム電流を制御しようとすると、図７中に矢印で示すように、ビーム径の劣化が生じることになる。ここでは、＃０〜＃４までの５つの異なる電流絞り内径について示しており、そのうちの＃０〜＃３では２レンズ光学系で３レンズ光学系より劣化が生じていることがわかる。
すなわち、２レンズ光学系に比較して交換可能なレンズ光学系の種類が少なくとも、レンズ光学系１つで広い範囲のビーム電流を定義できるため、実質的に任意のビーム電流を指定することが可能になる。
この結果、集束イオンビーム装置でスパッタリングを利用した微細加工のほか、デポジッションによる薄膜生成、マスクレスガスエッチング、ＳＩＭＳなどの用途で、任意のビーム電流を指定することができるようになり、これらの作業のスループットを飛躍的に高めることが期待できる。なお、この出力の３レンズ光学系の集束イオンビーム装置については、特開平４−４５５２１号公報に記載されている。
特開平７−４５５２１号公報（第１頁、第１図〜第２図）
以上のように、２レンズ光学系の集束イオンビーム装置に比べて３レンズ光学系の集束イオンビーム装置のほうが有利であるにもかかわらず、実際には３レンズ光学系の集束イオンビーム装置はあまり存在していなかった。
このように、集束イオンビーム装置で３レンズ光学系があまり用いられない理由として、以下の３点が推測される。
・レンズを１つ増やすよりも、必要なビーム電流種類に合わせて交換可能な電流制限絞りを増やすほうが、安価な場合がある。
・レンズを増やしても、利用可能な電流種が増えるだけであって、集束イオンビーム装置の性能の目安である最大分解能や最大電流密度が向上するわけではない。
・使用者側などで、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置では機器の調整が難しくなると思い込みをしている場合がある。
・レンズを１つ増やすよりも、必要なビーム電流種類に合わせて交換可能な電流制限絞りを増やすほうが、安価な場合がある。
・レンズを増やしても、利用可能な電流種が増えるだけであって、集束イオンビーム装置の性能の目安である最大分解能や最大電流密度が向上するわけではない。
・使用者側などで、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置では機器の調整が難しくなると思い込みをしている場合がある。
ところで、通常の静電型のレンズでは、レンズ内で荷電粒子を減速するようにレンズ電極に電圧を印加する減速型静電レンズ（以下、減速型レンズと呼ぶ）と、レンズ内で荷電粒子を加速するようにレンズ電極に電圧を印加する加速型静電レンズ（以下、加速型レンズと呼ぶ）との２種類が存在している。
本件出願の出願時点で市場に出ている一般的な集束イオンビーム装置である、Ga-LMIS搭載加速電圧30kVの集束イオンビーム装置では、加速型対物レンズを使用することで、減速型対物レンズの約半分近くのビーム径が得られることが計算によって確認されている。
しかし、実際に市場にでている集束イオンビーム装置のほとんどは、減速型対物レンズを使用している。その理由としては、以下のものが考えられる。
・実際に集束イオンビーム装置を制作し、対物レンズを減速型／加速型に変えて実験してみると、両者の違いはわずかでしかない。
・減速型対物レンズを使用した場合のＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像の方が、加速型対物レンズ使用時の像よりも良いコントラストを得られる。なお、電流制限絞り径を小さくして、電流値を小さくするほど、すなわち高解像度になるほど、この現象は顕著になる。
・実際に集束イオンビーム装置を制作し、対物レンズを減速型／加速型に変えて実験してみると、両者の違いはわずかでしかない。
・減速型対物レンズを使用した場合のＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像の方が、加速型対物レンズ使用時の像よりも良いコントラストを得られる。なお、電流制限絞り径を小さくして、電流値を小さくするほど、すなわち高解像度になるほど、この現象は顕著になる。
なお、以上の３レンズ光学系の集束イオンビーム装置の開き角制御レンズ６０（第２コンデンサレンズ（ＣＬ＃２））の部分を静電型の収差補正手段に置き換えた収差補正集束イオンビーム装置については、論文等では論じられ始めているものの、本件出願の時点ではまだ市場にでてはいない。
以上述べたように、２レンズ光学系の集束イオンビーム装置では加速型対物レンズを使用しても、収差係数が小さくビーム径を小さくできるという減速型対物レンズに対する利点を実際に引き出すことは困難であった。
ここで、加速型対物レンズを使用した場合には、減速型対物レンズ使用時とは異なり、以下の問題点が発現することが確認された。
・絞り径を小さくするほど、その実測ビーム電流は計算にあわなくなる。また、電流制限絞りより下部に電流検出器を載置して角電流密度を測定すると、角電流密度が一定と想定できる範囲で絞り径を変化させているにもかかわらず、絞り径が小さくなるほど極端に角電流密度が大きく測定される。
・絞り径を小さくするほど、その実測ビーム電流は計算にあわなくなる。また、電流制限絞りより下部に電流検出器を載置して角電流密度を測定すると、角電流密度が一定と想定できる範囲で絞り径を変化させているにもかかわらず、絞り径が小さくなるほど極端に角電流密度が大きく測定される。
たとえば、電流制限絞りの材質をモリブデン、絞り径を２０μm 、絞り厚を１００μm としたとき、想定値の３倍近くの角電流密度が測定される。すなわち、最小ビーム電流領域では、ある電流値を得るのに想定される径よりかなり小さい径が実際には必要とされてくる。
・絞り径以外の光学条件を全て同じにして、最大分解能の絞り径依存性を測定すると、最大分解能はある絞り径で極値（最大値）を持つことがわかる。すなわち、最小電流（最小絞り径）で最大分解能を得ることができないことになる。なお、通常の集束イオンビーム装置では、イオンの質量と加速電圧とを考慮すれば、回折収差は無視できることが知られている。
・絞り径以外の光学条件を全て同じにして、最大分解能の絞り径依存性を測定すると、最大分解能はある絞り径で極値（最大値）を持つことがわかる。すなわち、最小電流（最小絞り径）で最大分解能を得ることができないことになる。なお、通常の集束イオンビーム装置では、イオンの質量と加速電圧とを考慮すれば、回折収差は無視できることが知られている。
以上の３レンズ光学系の集束イオンビーム装置の問題点は、光学理論で説明することはできない。本件出願の発明者が鋭意研究を進めた結果、これらの問題点は、以下の現象が加速型対物レンズでの分解能の向上を妨げていることを見いだした。
・ＰＣＤ等の電流検出器で測定するビーム電流Ｉexpは、エミッタからの主電流（Ｉｐ（プローブ電流））に、バックグランド電流（≒Ｉbck）を重畳したかたちで検出している。すなわち、Ｉexp＝Ｉｐ＋Ｉbckが成り立っている。
・上述のバックグランド電流Ｉbckは、電流制限絞りのエッジに照射される主電流Ｉｐのスパッタ現象によって発生する。すなわち、電荷を持った加速電圧より低いエネルギーのイオンが電流制限絞りのアパーチャエッジより大量に発生している。
・したがって、加速電圧を一定にすると、バックグランド電流Ｉbckの大きさは、アパーチャ位置での主電流密度Ｊapと電流制限絞りのアパーチャ径ｒapに比例する。さらに、ビームの種類と加速度、電流制限絞り厚ｄ、電流制限絞りの材質等、ビーム電流の物点ａ（アパーチャへの入射角）に依存する。この結果、バックグランド電流Ｉbckは以下の式表すことができる。
Ｉbck＝ε・Ｊap（Ｖcl1）・ｒap、
ここで、ε＝ε（material,ｄ）である。
・ＰＣＤ等の電流検出器で測定するビーム電流Ｉexpは、エミッタからの主電流（Ｉｐ（プローブ電流））に、バックグランド電流（≒Ｉbck）を重畳したかたちで検出している。すなわち、Ｉexp＝Ｉｐ＋Ｉbckが成り立っている。
・上述のバックグランド電流Ｉbckは、電流制限絞りのエッジに照射される主電流Ｉｐのスパッタ現象によって発生する。すなわち、電荷を持った加速電圧より低いエネルギーのイオンが電流制限絞りのアパーチャエッジより大量に発生している。
・したがって、加速電圧を一定にすると、バックグランド電流Ｉbckの大きさは、アパーチャ位置での主電流密度Ｊapと電流制限絞りのアパーチャ径ｒapに比例する。さらに、ビームの種類と加速度、電流制限絞り厚ｄ、電流制限絞りの材質等、ビーム電流の物点ａ（アパーチャへの入射角）に依存する。この結果、バックグランド電流Ｉbckは以下の式表すことができる。
Ｉbck＝ε・Ｊap（Ｖcl1）・ｒap、
ここで、ε＝ε（material,ｄ）である。
以上のような加速型対物レンズ使用時の問題点については、更に以下のように説明することができる。
・スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーである。その結果、この種の低エネルギー荷電イオンは、イオンを減速する働きを有する減速型対物レンズを通過できない。一方、この種の低エネルギー荷電イオンは、イオンを加速する働きを有する加速型対物レンズをほとんど通過できる。これが、加速型対物レンズを使用した場合に、予想させる性能を出し切れないと考えられる。
・加速型対物レンズを使用した場合、絞り径を小さくすると、バックグランド電流が急激に増加する。その結果、微細なコントラストがバックグランド電流に埋もれてしまい、あたかも分解能が低下したように観察されることになる。事実、画像処理等でコントラストを強調すると、僅かに微細構造が観察される場合があり得る。
・スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーである。その結果、この種の低エネルギー荷電イオンは、イオンを減速する働きを有する減速型対物レンズを通過できない。一方、この種の低エネルギー荷電イオンは、イオンを加速する働きを有する加速型対物レンズをほとんど通過できる。これが、加速型対物レンズを使用した場合に、予想させる性能を出し切れないと考えられる。
・加速型対物レンズを使用した場合、絞り径を小さくすると、バックグランド電流が急激に増加する。その結果、微細なコントラストがバックグランド電流に埋もれてしまい、あたかも分解能が低下したように観察されることになる。事実、画像処理等でコントラストを強調すると、僅かに微細構造が観察される場合があり得る。
以上のことから、上式のεを小さくしてＩbckを小さくすることで良好な結果が得られることが導かれる。そして、この場合、電流制限絞りの厚ｄを小さくすればεを小さくできる。
ここで、加速型対物レンズの集束イオンビーム装置で、電流制限絞りの厚ｄとして、１００μmのものと１０μm のものとを作成し、それ以外の条件はかえずに、ビーム電流の評価実験を実行してみた。なお、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置として、開き角制御レンズは一般的な加速型レンズを使用した。
その結果、厚ｄが１０μm の場合には、最小電流範囲でもビーム電流計算値は、実測値を正確に再現できる。角電流密度のアパーチャ径依存性が消え、想定される一定の値を得ることができるようになる。そして、厚ｄが１０μmの場合には、ＳＩＭ像のコントラスト・分解能共に、厚ｄが１００μm の像のそれを大幅に上回ることが確認された。
但し、厚ｄが１０μm の場合には、ビーム照射後僅かな時間で、電流制限絞り内径周りの欠けや、径の増大が確認された。すなわち、絞りとしての寿命が大幅に低下し、１００μm 程度の通常の場合の１／１０程度の寿命となって、実用には耐えないことが確認された。
なお、以上の３レンズ光学系の集束イオンビーム装置で加速型対物レンズを使用する場合の理論上の利点および現実の問題点についての考察は、収差補正集束イオンビーム装置についても同様に当てはまると考えられる。
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、装置の寿命を犠牲にすることなく、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能な集束イオンビーム装置を実現することである。
また、本発明の他の目的は、装置の寿命を犠牲にすることなく、加速型対物レンズを使用する理論上の利点を活かすことが可能な収差補正集束イオンビーム装置実現することである。
すなわち、上記の課題を解決する本願発明は、以下のそれぞれに述べるようなものである。
（１）集束イオンビーム装置の発明は、イオンビームを発生するイオン源と、前記イオン源からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズと、前記集束レンズによって開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りと、前記電流制限絞りの下に配置され、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型開き角制御レンズと、前記静電型開き角制御レンズで開き角が制御された前記イオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズと、前記静電型開き角制御レンズでは前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
（１）集束イオンビーム装置の発明は、イオンビームを発生するイオン源と、前記イオン源からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズと、前記集束レンズによって開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りと、前記電流制限絞りの下に配置され、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型開き角制御レンズと、前記静電型開き角制御レンズで開き角が制御された前記イオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズと、前記静電型開き角制御レンズでは前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
この発明では、イオン源からの荷電粒子が引き出し電極によりイオンビームとして引き出され、この引き出されたイオンビームの開き角が集束レンズにより制御され、集束レンズによって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞りにより取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型開き角制御レンズによって開き角の制御がなされ、この静電型開き角制御レンズで開き角が制御されたイオンビームは静電型対物レンズにより試料上に集束される。
なお、ここで、電流制限絞りの後段の静電型開き角制御レンズでは荷電粒子を減速する極性で制御され、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御されている。
なお、前記静電型開き角制御レンズで開き角が制御された前記イオンビームを試料上で走査する偏向手段と、前記試料上で前記イオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段と、を有することが望ましい。
（２）収差補正集束イオンビーム装置の発明は、イオンビームを発生するイオン源と、前記イオン源からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズと、前記集束レンズによって開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りと、前記電流制限絞りの下に配置され、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに収差補正が可能に構成された静電型収差補正手段と、前記収差補正手段で収差補正がなされた前記イオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズと、前記静電型収差補正手段の収差補正レンズ成分を前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
この発明では、イオン源からの荷電粒子が引き出し電極によりイオンビームとして引き出され、この引き出されたイオンビームの開き角が集束レンズにより制御され、集束レンズによって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞りにより取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型収差補正手段によって収差補正がなされ、この静電型収差補正手段で収差補正されたイオンビームは静電型対物レンズにより試料上に集束される。なお、ここで、電流制限絞りの後段の静電型収差補正手段では荷電粒子を減速する極性で制御され、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御されている。
なお、静電型収差補正手段は、収差補正レンズ成分を生じさせるために複数の偏向子からなる偏向子群が複数段配置されており、上側の偏向子群の収差補正レンズ成分が荷電粒子を減速する極性で制御される、ことが望ましい。
また、静電型収差補正手段で収差補正がなされたイオンビームを試料上で走査する偏向手段と、試料上でイオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段と、を有することが望ましい。
これらの発明によると、以下のような効果を得ることができる。
（１）集束イオンビーム装置の発明では、引き出し電極によりイオン源からイオンビームとして引き出され、この引き出されたイオンビームの開き角が集束レンズにより制御され、開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞りにより取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型開き角制御レンズによって開き角の制御がなされ、この静電型開き角制御レンズで開き角が制御されたイオンビームは静電型対物レンズにより試料上に集束される際に、電流制限絞りの後段の静電型開き角制御レンズでは荷電粒子を減速する極性で制御されており、電流制限絞りのアパーチャエッジより大量に発生している電荷を持った加速電圧より低いエネルギーの荷電粒子は、本来のイオンビームの荷電粒子よりも遙かに大きいレンズ作用を静電型開き角制御レンズから受けるため、対物レンズに到達することができなくなる。
（１）集束イオンビーム装置の発明では、引き出し電極によりイオン源からイオンビームとして引き出され、この引き出されたイオンビームの開き角が集束レンズにより制御され、開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞りにより取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型開き角制御レンズによって開き角の制御がなされ、この静電型開き角制御レンズで開き角が制御されたイオンビームは静電型対物レンズにより試料上に集束される際に、電流制限絞りの後段の静電型開き角制御レンズでは荷電粒子を減速する極性で制御されており、電流制限絞りのアパーチャエッジより大量に発生している電荷を持った加速電圧より低いエネルギーの荷電粒子は、本来のイオンビームの荷電粒子よりも遙かに大きいレンズ作用を静電型開き角制御レンズから受けるため、対物レンズに到達することができなくなる。
このため、ビーム電流に含まれるバックグランド電流が低減された状態になり、加速型対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になり、また、電流制限絞り厚を薄くする必要がなくなるため装置の寿命を犠牲にすることなく、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能になる。
なお、開き角が制御されたイオンビームを試料上で走査する偏向手段と、試料上で前記イオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段とを備えることで、高コントラスト・高解像度の良好なＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることが可能になる。
（２）収差補正集束イオンビーム装置の発明では、イオン源からの荷電粒子が引き出し電極によりイオンビームとして引き出され、この引き出されたイオンビームの開き角が集束レンズにより制御され、集束レンズによって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞りにより取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型収差補正手段によって収差補正がなされ、この静電型収差補正手段で収差補正されたイオンビームは静電型対物レンズにより試料上に集束される際に、電流制限絞りの後段の収差補正手段では荷電粒子を減速する極性で制御されているため、電流制限絞りのアパーチャエッジより大量に発生している電荷を持った加速電圧より低いエネルギーの荷電粒子は、本来のイオンビームの荷電粒子よりも遙かに大きいレンズ作用を静電型収差補正手段から受けるため、対物レンズに到達することができなくなる。
このため、ビーム電流に含まれるバックグランド電流が低減された状態になり、加速型対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になり、また、電流制限絞り厚を薄くする必要がなくなるため装置の寿命を犠牲にすることなく、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能になる。
なお、静電型収差補正手段が、収差補正レンズ成分を生じさせるために複数の偏向子からなる偏向子群が複数段配置されている場合には、少なくとも上側の偏向子群の収差補正レンズ成分が荷電粒子を減速する極性で制御されることにより、電流制限絞りのアパーチャエッジで発生する荷電粒子の成分が対物レンズに到達できなくなり、良好な結果が得られる。
また、収差補正されたイオンビームを試料上で走査する偏向手段と、試料上でイオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段とを備えることで、高コントラスト・高解像度の良好なＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることが可能になる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）を詳細に説明する。
〈第１の実施形態〉
まず図１を参照して第１の実施形態の集束イオンビーム装置の全体の機械的および電気的構成を説明する。なお、この図１においては、鏡筒や架台などの各部を保持するための基本的部材については省略した状態で示している。また、この図１に示すものは、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置である。
〈第１の実施形態〉
まず図１を参照して第１の実施形態の集束イオンビーム装置の全体の機械的および電気的構成を説明する。なお、この図１においては、鏡筒や架台などの各部を保持するための基本的部材については省略した状態で示している。また、この図１に示すものは、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置である。
ここで、１０は荷電粒子をイオンビームを発生する液体金属（ＬＭＩＳ）やガスフィールド（ＧＦＩＳ）で構成されたイオン源としてのエミッタ、２０はエミッタ１０からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極、３０は引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズ（第１コンデンサレンズ（ＣＬ＃１））、４０は集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームの軸合わせなどの偏向を行うビームアライナ、５０は集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りである。
なお、電流制限絞り５０は可動式に構成されており、図１（ｂ）に示すように、絞り支えに対して複数の内径の異なる絞り（虹彩絞り）５４が設けられており、いずれかの絞りが光軸に合致するように、図示されない絞り駆動機構によって適切な位置に配置される。なお、この絞り５４の厚みに応じてスパッタ現象によってバックグランド電流Ｉbckが発生するものの、逆にこの厚みを薄くすると性能の向上が期待できるものの寿命が短くなる欠点を有する。そこで、この第１の実施形態においては、後述するように、この絞り５４の厚みを薄くすることなく良好な性能を得るようにしている。
６０は電流制限絞り５０の下に配置され、電流制限絞り５０を通過したイオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型の開き角制御レンズ（第２コンデンサレンズ（ＣＬ＃２））、６５は開き角制御レンズ６０に開き角制御レンズ電圧を供給する開き角制御レンズ電圧電源である。なお、この開き角制御レンズ６０は、開き角制御レンズ電圧電源６５によって、荷電粒子を減速する極性で制御される。
７０は開き角制御レンズ６０の下に設けられてイオンビームを偏向させて試料上で走査させるデフレクタ、８０は開き角制御レンズ６０で開き角が制御されたイオンビームを試料９０上に集束させる静電型の対物レンズである。８５は対物レンズ８０に対物レンズ電圧を供給する対物レンズ電圧電源である。なお、この対物レンズ８０は、対物レンズ電圧電源８５によって、荷電粒子を加速する極性で制御される。
１０１は集束イオンビーム装置の各部を制御する制御手段としての制御部であり、少なくとも、開き角制御レンズ電圧電源６５が発生する開き角制御レンズ電圧を減速極性に制御し、対物レンズ電圧電源８５が発生する対物レンズ電圧を加速極性に制御する。１０２は集束イオンビーム装置をオペレータが操作する際に各種操作入力を行う操作部としての操作パネルである。
すなわち、この集束イオンビーム装置では、イオンビームの開き角を制御する静電型の集束レンズ３０、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型の開き角制御レンズ６０、および、イオンビームを試料上に集束するための静電型の対物レンズ８０、の３つのレンズが搭載された３レンズ光学系の集束イオンビーム装置として構成されている。
ここで、３レンズ光学系では、その開き角をビーム電流に無関係に制御できるために、一つの電流絞り内径で、ビーム径の極端な劣化無しで広い範囲のビーム電流を制御することが可能になる（図７参照）。
なお、以上の集束イオンビーム装置の各部は、図示されない鏡筒によって保持され、かつ、外気と遮断されるように構成されており、図示されない排気装置によって高真空に排気されている。
また、この図１の集束イオンビーム装置では、図示されていないが、デフレクタ７０により試料９０上でイオンビームが走査されつつ照射された場合に、イオンビームが照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出する検出手段と、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段とを備え、ＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることが可能に構成されていてもよい。
以上のような集束イオンビーム装置において、イオン源であるエミッタ１０からの荷電粒子が引き出し電極２０によりイオンビームとして引き出される。この引き出されたイオンビームの開き角は、集束レンズ（ＣＬ＃１）３０により制御される。
そして、集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームは、軸合わせあるいはブランキングなどのために、ビームアライナ４０により所定方向および所定量（所定偏向角）の偏向がなされる。
そして、集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞り５０により取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに開き角制御レンズ６０によって開き角の制御がなされる。ここで、電流制限絞り５０の後段の開き角制御レンズ６０では荷電粒子を減速する極性で制御されれている。
さらに、この開き角制御レンズ６０で開き角が制御されたイオンビームは対物レンズ８０により試料９０上に集束される。ここで、対物レンズで８０は前記荷電粒子を加速する極性で制御されている。
なお、開き角制御レンズ６０で開き角が制御されたイオンビームは、デフレクタ７０によって試料９０上で走査されており、このようにして試料９０上でイオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子が図示されない検出手段により検出されて、該二次荷電粒子に応じた画像が図外のディスプレイなどに画像表示される。
ここで、開き角制御レンズ６０で開き角が制御されたイオンビームは対物レンズ８０により試料９０上に集束される際に、電流制限絞り５０の後段の開き角制御レンズ６０では荷電粒子を減速する極性で制御されているため、電流制限絞り５０のアパーチャエッジよりスパッタ現象によって大量に発生している電荷を持った加速電圧より低いエネルギーの荷電粒子は、本来のイオンビームの荷電粒子よりも遙かに大きいレンズ作用を開き角制御レンズ６０から受ける。
このように、電流制限絞り５０のアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、減速極性で制御される開き角制御レンズ６０から大きいレンズ作用を受けることにより、この荷電粒子は対物レンズ８０に到達することができなくなる。一方、本来のイオンビームの荷電粒子は通常のレンズ作用を開き角制御レンズ６０から受けるだけであり、対物レンズ８０に到達できる。
このような作用により、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが低減された状態になり、加速型の対物レンズ８０を使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になる。そして、電流制限絞り５０の厚を薄くする必要がなくなるため、集束イオンビーム装置としての寿命を犠牲にすることなく、加速型の対物レンズ８０を使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能になる。
なお、デフレクタ７０によってイオンビームを試料９０上で偏向・走査し、試料９０上でイオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成することで、高コントラスト・高解像度の良好なＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることが可能になる。
また、電流制限絞り５０を従来より厚くして、電流制限絞り５０のアパーチャエッジより発生する荷電粒子が増えたとしても、その荷電粒子は資料９０に到達できないため、周辺ダメージの小さい高精度加工が可能になる。
また、電流制限絞り５０のアパーチャエッジより発生する荷電粒子が増えたとしても、その荷電粒子は資料９０に到達できないことによりＳＩＭ像の劣化や加工精度の低下が生じないため、電流制限絞り５０を従来より厚くすることで、電流制限絞り５０の交換頻度を大幅に下げ、メンテナンス性を向上させることが可能になる。
なお、３レンズ光学系の集束イオンビーム装置におけるビーム径は、ビーム電流Ｉpが１０ｐＡ以下の小電流領域では、ほぼガウス像大きさ（系倍率）と対物レンズ８０の色収差係数に支配される。一方、ビーム電流Ｉpが１０ｎＡ以上の大電流領域では、集束レンズ３０や対物レンズ８０の球面収差係数と色収差係数の両方に支配され、電流が大きくなるほど、集束レンズ８０の球面収差係数と色収差係数の影響が大きくなる。一方、開き角制御レンズ６０の球面収差係数と色収差係数は、あくまでも開き角制御を目的とする弱励磁領域で使用する場合は、全電流領域でビーム径にほとんど影響を与えない。すなわち、開き角制御レンズ６０を加速型から減速型に変更することによる開き角制御レンズ６０の球面収差係数と色収差係数の増大は、ビーム径にほとんど影響を与えることがない、ことを意味している。
ここで、以下のように従来例、比較例（比較例＃１〜比較例＃２）、実施形態について比較実験を行って、その結果として、ＳＩＭ像のコントラスト、ＳＩＭ像の解像度、装置の寿命を比較・評価した。なお、加速型の開き角制御レンズ、減速型の対物レンズ、電流制限絞りの厚１００μm （通常厚）の集束イオンビーム装置を従来例とする。また、加速型の開き角制御レンズ、加速型の対物レンズ８０、電流制限絞りの厚１００μm （通常厚）の集束イオンビーム装置を比較例＃１とする。また、加速型の開き角制御レンズ、加速型の対物レンズ８０、電流制限絞りの厚１０μm （薄厚）の集束イオンビーム装置を比較例＃２とする。
そして、減速型の開き角制御レンズ、加速型の対物レンズ８０、電流制限絞りの厚１００μm （通常厚）の集束イオンビーム装置を実施形態とする。また、この比較・評価では、従来例での状態を基準として、それよりも良い、悪い、という形で評価を行い、その結果を図２に示す。
従来例では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーであり、加速型の開き角制御レンズであるが、減速型の対物レンズであるため、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、イオンを減速する働きを有する減速型対物レンズを通過できない。このため、コントラスト、解像度は比較的良好である。また、電流制限絞り５０が通常厚であり、寿命の点で問題はない。
比較例＃１では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーであるものの、加速型の開き角制御レンズと加速型の対物レンズであるため、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、開き角制御レンズと対物レンズとを通過する。このため、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが増大し、加速型の対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が出来ない状態になる。このため、電流制限絞り径を小さくするほど、コントラスト、解像度は悪化する。ただし、電流制限絞り５０が通常厚であり、寿命の点で問題はない。
比較例＃２では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、加速型の開き角制御レンズと加速型の対物レンズを用いているため通過しやすくなるものの、電流制限絞りの厚を薄厚にしたことにより、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子の発生量が低下する。このため、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが減少し、加速型の対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になる。ただし、電流制限絞り５０が薄厚であるため、寿命が極端に低下し、実用性に問題がある。
実施形態では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーであり、加速型の対物レンズを用いるものの、減速型の開き角制御レンズであるため、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、イオンを減速する働きを有する開き角制御レンズを通過できない。このため、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが減少し、加速型の対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になる。このことが実験からも確認された。しかも、電流制限絞り５０が通常厚であり、寿命の点で全く問題はなかった。すなわち、装置の寿命を犠牲にすることなく、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能な集束イオンビーム装置を実現できることが、確認された。
また、電流制限絞り５０の厚を通常より厚くした場合（図示せず）では、コントラストと解像度は良好なまま、寿命が従来装置よりさらに延びた状態で、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能な集束イオンビーム装置を実現できることが確認された。
〈第２の実施形態〉
まず図３を参照して第２の実施形態の収差補正集束イオンビーム装置の全体の機械的および電気的構成を説明する。なお、この図３においては、鏡筒や架台などの各部を保持するための基本的部材については省略した状態で示している。
まず図３を参照して第２の実施形態の収差補正集束イオンビーム装置の全体の機械的および電気的構成を説明する。なお、この図３においては、鏡筒や架台などの各部を保持するための基本的部材については省略した状態で示している。
また、この図３に示すものは、レンズ成分を有する収差補正装置をレンズとしてカウントした場合に、集束レンズ、収差補正装置、対物レンズ、を有する３レンズ光学系の収差補正集束イオンビーム装置である。
ここで、１０は荷電粒子をイオンビームを発生する液体金属（ＬＭＩＳ）やガスフィールド（ＧＦＩＳ）で構成されたイオン源としてのエミッタ、２０はエミッタ１０からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極、３０は引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズ（第１コンデンサレンズ（ＣＬ＃１））、４０は集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームの軸合わせなどの偏向を行うビームアライナ、５０は集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りである。
なお、電流制限絞り５０は可動式に構成されており、第１の実施形態で説明した図１（ｂ）に示すように、絞り支えに対して複数の内径の異なる絞り（虹彩絞り）５４が設けられており、いずれかの絞りが光軸に合致するように、図示されない絞り駆動機構によって適切な位置に配置される。なお、この絞り５４の厚みに応じてスパッタ現象によってバックグランド電流Ｉbckが発生するものの、逆にこの厚みを薄くすると性能の向上が期待できるものの寿命が短くなる欠点を有する。そこで、この第２の実施形態においては、後述するように、この絞り５４の厚みを薄くすることなく良好な性能を得るようにしている。
１６０は電流制限絞り５０の下に配置され、電流制限絞り５０を通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型のレンズ成分により収差補正が可能に構成された収差補正装置である。ここで、ここに示した収差補正装置１６０は、静電型の収差補正装置・上段部１６１と静電型の収差補正装置・下段部１６２とに分かれて構成されている。
また、収差補正装置・上段部１６１と、静電型収差補正装置・下段部１６１とはそれぞれ、図４に示すように、収差補正レンズ成分を生じさせるために複数の偏向子１６１ａ（１６２ａ）〜１６１ｎ（１６２ｎ）を有する偏向子群１６１Ａ（１６２Ａ）が複数段配置されている。なお、ここで、収差補正装置・上段部１６１の偏向子群の収差補正レンズ成分が、荷電粒子を減速する極性となるように制御される。
１６５は収差補正装置１６０に収差補正レンズ成分電圧を供給する収差補正レンズ成分電圧電源である。なお、この収差補正装置１６０は、収差補正レンズ成分電圧電源１６５によって、荷電粒子を減速する極性で制御される。
７０は収差補正装置１６０の下に設けられてイオンビームを偏向させて試料上で走査させるデフレクタ、８０は収差補正装置１６０で収差補正がなされたイオンビームを試料９０上に集束させる静電型の対物レンズである。８５は対物レンズ８０に対物レンズ電圧を供給する対物レンズ電圧電源である。なお、この対物レンズ８０は、対物レンズ電圧電源８５によって、荷電粒子を加速する極性で制御される。
１０１は収差補正集束イオンビーム装置の各部を制御する制御手段としての制御部であり、少なくとも、収差補正レンズ成分電圧電源１６５が発生する収差補正レンズ成分電圧を減速極性に制御し、対物レンズ電圧電源８５が発生する対物レンズ電圧を加速極性に制御する。１０２は収差補正集束イオンビーム装置をオペレータが操作する際に各種操作入力を行う操作部としての操作パネルである。
すなわち、この収差補正集束イオンビーム装置では、イオンビームの開き角を制御する静電型の集束レンズ３０、電流制限絞り５０を通過したイオンビームの電流量を変えずに静電型のレンズ成分により収差補正が可能に構成された収差補正装置１６０、および、イオンビームを試料上に集束するための静電型の対物レンズ８０、の３つのレンズ成分を有する３レンズ光学系の収差補正集束イオンビーム装置として構成されている。
ここで、この収差補正集束イオンビーム装置では、収差補正装置が静電型のレンズ成分を有しており、３レンズ光学系として考えることが可能であり、その結果、一つの電流絞り内径で、ビーム径の極端な劣化無しで広い範囲のビーム電流を制御することが可能になる（図７参照）。
なお、以上の収差補正集束イオンビーム装置の各部は、図示されない鏡筒によって保持され、かつ、外気と遮断されるように構成されており、図示されない排気装置によって高真空に排気されている。
また、この図３の収差補正集束イオンビーム装置では、図示されていないが、デフレクタ７０により試料９０上でイオンビームが走査されつつ照射された場合に、イオンビームが照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出する検出手段と、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段とを備え、ＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることが可能に構成されていてもよい。
以上のような収差補正集束イオンビーム装置において、イオン源であるエミッタ１０からの荷電粒子が引き出し電極２０によりイオンビームとして引き出される。この引き出されたイオンビームの開き角は、集束レンズ（ＣＬ＃１）３０により制御される。
そして、集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームは、軸合わせあるいはブランキングなどのために、ビームアライナ４０により所定方向および所定量（所定偏向角）の偏向がなされる。
そして、集束レンズ３０によって開き角が制御されたイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームが電流制限絞り５０により取り出され、電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えずに収差補正装置１６０によって各種収差補正がなされる。ここで、電流制限絞り５０の後段の収差補正装置１６０では荷電粒子を減速する極性で制御されれている。
さらに、この収差補正装置１６０で収差補正されたイオンビームは対物レンズ８０により試料９０上に集束される。ここで、対物レンズで８０は前記荷電粒子を加速する極性で制御されている。
なお、収差補正装置１６０で収差補正がなされたイオンビームは、デフレクタ７０によって試料９０上で走査されており、このようにして試料９０上でイオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子が図示されない検出手段により検出されて、該二次荷電粒子に応じた画像が図外のディスプレイなどに画像表示される。
ここで、収差補正装置１６０で収差補正がなされたイオンビームは対物レンズ８０により試料９０上に集束される際に、電流制限絞り５０の後段の収差補正装置１６０では荷電粒子を減速する極性で制御されているため、電流制限絞り５０のアパーチャエッジよりスパッタ現象によって大量に発生している電荷を持った加速電圧より低いエネルギーの荷電粒子は、本来のイオンビームの荷電粒子よりも遙かに大きいレンズ作用を収差補正装置１６０から受ける。
このように、電流制限絞り５０のアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、減速極性で制御される収差補正装置１６０から大きいレンズ作用を受けることにより、３レンズ光学系での開き角制御レンズに比べて遙かに長いディメンジョンの収差補正装置１６０下部に衝突し、そこでほとんどの荷電粒子が吸着あるいは吸収されてしまい、収差補正装置１６０を通過することができなくなる。一方、本来のイオンビームの荷電粒子は通常のレンズ作用を収差補正装置１６０から受けるだけであり、対物レンズ８０に到達できる。
このような作用により、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが低減された状態になる。さらに、対物レンズ８０を加速型とすることで、収差係数の増大を抑え、収差補正装置そのものによる高次の収差の発生を抑えることができる。
なお、デフレクタ７０によってイオンビームを試料９０上で偏向・走査し、試料９０上でイオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成することで、収差補正集束イオンビーム装置として本来あるべき高コントラスト・高解像度の良好なＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることが可能になる。
そして、電流制限絞り５０の厚を薄くする必要がなくなるため、収差補正集束イオンビーム装置としての寿命を犠牲にすることなく、加速型の対物レンズ８０を使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能になる。
また、電流制限絞り５０を従来より厚くして、電流制限絞り５０のアパーチャエッジより発生する荷電粒子が増えたとしても、その荷電粒子は資料９０に到達できないため、周辺ダメージの小さい高精度加工が可能になる。
また、電流制限絞り５０のアパーチャエッジより発生する荷電粒子が増えたとしても、その荷電粒子は資料９０に到達できないことによりＳＩＭ像の劣化や加工精度の低下が生じないため、電流制限絞り５０を従来より厚くすることで、電流制限絞り５０の交換頻度を大幅に下げ、メンテナンス性を向上させることが可能になる。
なお、この収差補正集束イオンビーム装置の実施形態では、静電型の収差補正装置１６０は、収差補正レンズ成分を生じさせるために複数の偏向子からなる偏向子群が複数段（上段／下段）配置されている場合には、少なくとも上側の偏向子群（収差補正装置・上段部１６１）の収差補正レンズ成分が荷電粒子を減速する極性で制御されることにより、電流制限絞りのアパーチャエッジで発生する荷電粒子の成分が対物レンズに到達できなくなり、良好な結果が得られる。
ここで、以下のように比較例（比較例＃１〜比較例＃３）、実施形態について比較実験を行って、その結果として、ＳＩＭ像のコントラスト、ＳＩＭ像の解像度、装置の寿命を比較・評価した。なお、加速型のレンズ成分の収差補正装置、減速型の対物レンズ、電流制限絞りの厚１００μm （通常厚）の収差補正集束イオンビーム装置を比較例＃１とする。また、加速型のレンズ成分の収差補正装置、加速型の対物レンズ８０、電流制限絞りの厚１００μm （通常厚）の収差補正集束イオンビーム装置を比較例＃２とする。また、加速型のレンズ成分の収差補正装置、加速型の対物レンズ８０、電流制限絞りの厚１０μm （薄厚）の収差補正集束イオンビーム装置を比較例＃３とする。
そして、減速型のレンズ成分の収差補正装置、加速型の対物レンズ８０、電流制限絞りの厚１００μm （通常厚）の収差補正集束イオンビーム装置を実施形態とする。また、この比較・評価では、比較例＃１での状態を基準として、それよりも良い、悪い、という形で評価を行い、その結果を図５に示す。
比較例＃１では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーであり、加速型のレンズ成分の収差補正装置であるが、減速型の対物レンズであるため、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、イオンを減速する働きを有する減速型対物レンズを通過できない。このため、コントラスト、解像度は比較的良好である。また、電流制限絞り５０が通常厚であり、寿命の点で問題はない。
比較例＃２では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーであるものの、加速型のレンズ成分の収差補正装置と加速型の対物レンズであるため、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、収差補正装置と対物レンズとを通過する。このため、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが増大し、加速型の対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が出来ない状態になる。このため、電流制限絞り径を小さくするほど、コントラスト、解像度は悪化する。ただし、電流制限絞り５０が通常厚であり、寿命の点で問題はない。
比較例＃３では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、加速型のレンズ成分の収差補正装置と加速型の対物レンズを用いているため通過しやすくなるものの、電流制限絞りの厚を薄厚にしたことにより、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子の発生量が低下する。このため、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが減少し、加速型の対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になる。ただし、電流制限絞り５０が薄厚であるため、寿命が極端に低下し、実用性に問題がある。
実施形態では、スパッタリングのメカニズムによってスパッタされる荷電イオンの運動エネルギーは、そのほとんどが加速電圧と比較してかなり低エネルギーであり、加速型の対物レンズを用いるものの、減速型のレンズ成分の収差補正装置であるため、電流制限絞りのアパーチャエッジより発生する荷電粒子が、イオンを減速する働きを有する収差補正装置を通過できない。このため、イオンビームにビーム電流全体Ｉexpに含まれるバックグランド電流Ｉbckが減少し、加速型の対物レンズを使用する際に期待される本来の高コントラスト・高解像度の像観察が可能になる。このことが実験からも確認された。しかも、電流制限絞り５０が通常厚であり、寿命の点で全く問題はなかった。すなわち、装置の寿命を犠牲にすることなく、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能な収差補正集束イオンビーム装置を実現できることが、確認された。
また、電流制限絞り５０の厚を通常より厚くした場合（図示せず）では、コントラストと解像度は良好なまま、寿命が従来装置よりさらに延びた状態で、加速型対物レンズを使用する３レンズ光学系の理論上の利点を活かすことが可能な収差補正集束イオンビーム装置を実現できることが確認された。
１０ エミッタ
２０ 引き出し電極
３０ 集束レンズ
４０ ビームアライナ
５０ 電流制限絞り
６０ 開き角制御レンズ
７０ デフレクタ
８０ 対物レンズ
９０ 試料
１０１ 制御部
２０ 引き出し電極
３０ 集束レンズ
４０ ビームアライナ
５０ 電流制限絞り
６０ 開き角制御レンズ
７０ デフレクタ
８０ 対物レンズ
９０ 試料
１０１ 制御部
Claims (5)
- イオンビームを発生するイオン源と、
前記イオン源からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極と、
引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズと、
前記集束レンズによって開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りと、
前記電流制限絞りの下に配置され、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに開き角の制御が可能に構成された静電型開き角制御レンズと、
前記静電型開き角制御レンズで開き角が制御された前記イオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズと、
前記静電型開き角制御レンズでは前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段と、
を有する集束イオンビーム装置。 - 前記静電型開き角制御レンズで開き角が制御された前記イオンビームを試料上で走査する偏向手段と、
前記試料上で前記イオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の集束イオンビーム装置。 - イオンビームを発生するイオン源と、
前記イオン源からの荷電粒子をイオンビームとして引き出すための引き出し電極と、
引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズと、
前記集束レンズによって開き角が制御された前記イオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞りと、
前記電流制限絞りの下に配置され、前記電流制限絞りを通過した前記イオンビームの電流量を変えずに収差補正が可能に構成された静電型収差補正手段と、
前記収差補正手段で収差補正がなされた前記イオンビームを試料上に集束させる静電型対物レンズと、
前記静電型収差補正手段の収差補正レンズ成分を前記荷電粒子を減速する極性で制御すると共に、前記静電型対物レンズでは前記荷電粒子を加速する極性で制御する制御手段と、
を有する収差補正集束イオンビーム装置。 - 前記静電型収差補正手段は、収差補正レンズ成分を生じさせるために複数の偏向子からなる偏向子群が複数段配置されており、上側の偏向子群の収差補正レンズ成分が前記荷電粒子を減速する極性で制御される、
ことを特徴とする請求項３記載の収差補正集束イオンビーム装置。 - 前記静電型開き角制御レンズで開き角が制御された前記イオンビームを試料上で走査する偏向手段と、
前記試料上で前記イオンビームが走査されつつ照射された位置から発生する二次荷電粒子を検出し、該二次荷電粒子に応じた画像を生成する画像生成手段と、
を有することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の収差補正集束イオンビーム装置。
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