JP2009164110A - ガス電界電離イオン源，走査荷電粒子顕微鏡，光軸調整方法、及び試料観察方法 - Google Patents

ガス電界電離イオン源，走査荷電粒子顕微鏡，光軸調整方法、及び試料観察方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明の目的は、ガス電界電離イオン源の安定性向上に関する。
【解決手段】
本発明は、ＧＦＩＳにおいて、引き出し電極の孔の孔径を少なくとも２種類の値に可変にすること、あるいは、該エミッタ先端から該引き出し電極までの距離を少なくとも２種類の値に可変とすることに関する。また、本発明は、ＧＦＩＳにおいて、固体窒素を利用して冷却することに関する。本発明によると、引き出し電極の孔に対する大角度放出イオンの通過と差動排気の観点からの孔の小径化が両立できる。また、冷却手段の機械振動が低減できる。その結果、高安定なＧＦＩＳとこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスや新材料などの試料表面の観察する荷電粒子顕微鏡に関する。例えば、該荷電粒子を軽イオンとしたもので、試料表面を浅く、高分解能で、かつ大きい焦点深度で観察する走査荷電粒子顕微鏡や、そのイオン生成のためのガス電界電離イオン源に関する。
非特許文献１には、ガス電解電離イオン源（Gas Field Ionization Ion Source、略してＧＦＩＳ）を搭載し、水素（Ｈ2），ヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎｅ）などのガスイオンを用いた集束イオンビーム（Focused Ion Beam、略してＦＩＢ）装置が記載されている。これらのガスＦＩＢは、現在よく使われている液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source、略してＬＭＩＳ）からのガリウム（Ｇａ：金属）ＦＩＢのように、試料にＧａ汚染をもたらさない。また、ＧＦＩＳは、そこから引き出したガスイオンのエネルギー幅が狭いこと、およびイオン発生源サイズが小さいことから、Ｇａ−ＦＩＢとくらべより微細なビームが形成できることが記載されている。特に、ＧＦＩＳにおいては、そのエミッタ先端に微小な突出部を持たせた（あるいは、エミッタ先端の原子数を数個以下に下げた）エミッタ（以下、ナノチップと呼ぶ）とイオン源の放射角電流密度が高くなるなどイオン源特性が良くなることが開示されている。イオンエミッタ先端の微小突出がイオン放射角電流密度を高くすることは、非特許文献２および３、および特許文献１にも開示されている。このような微小突出の作製例として、特許文献２ではエミッタ材のタングステン（Ｗ）から電解蒸発により作製することが、また非特許文献３および４では第１金属のエミッタ材料とは異なる第２金属を用いて作製することが開示されている。
非特許文献２および特許文献２には、軽元素Ｈｅをイオン放出するＧＦＩＳを搭載した走査荷電粒子顕微鏡が開示されている。Ｈｅイオンは、照射粒子の重さ観点からは、電子の約７千倍重く、Ｇａイオンの約１／１７と軽い。よって、照射Ｈｅイオンが試料原子に移送する運動量の大小に関係する試料損傷は、電子よりは少し多いが、Ｇａイオンに比べては非常に少ない。また、照射粒子の試料表面への侵入による二次電子の励起領域が電子照射に比べ試料表面により局在することから、その走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope、略してＳＩＭ）画像が走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、略してＳＥＭ）以上に極試料表面情報に敏感である特徴が期待されている。さらに、顕微鏡の観点では、イオンは電子に比べて重いため、そのビーム集束において回折効果が無視でき、焦点深度の非常に深い像が得られるという特徴がある。
特開昭５８−８５２４２号公報 特開平７−１９２６６９号公報 K. Edinger, V. Yun, J. Melngailis, J. Orloff, and G. Magera, J. Vac. Sci. Technol. A 15 (No. 6) (1997) 2365 J. Morgan, J. Notte, R. Hill, and B. Ward, Microscopy Today July 14 (2006) 24 H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, Y-C. Lin, C.-C. Chang, and T. T. Tsong, 16th Int. Microscopy Congress (IMC16), Sapporo (2006)1120 H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang, and T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379.
本願発明者がＧＦＩＳについて鋭意検討した結果、次の知見を得るにいたった。
微小突起は、Ｗエミッタ先端にその軸方位＜１１１＞方向に向けて形成するのが理想であり、そこからのイオン放出方向やその放出方向の走査イオン顕微鏡の光軸との軸合わせ（調整）時には、電界イオン顕微鏡（field ion microscope、以下略してＦＩＭ）パターン、あるいはこれに相当する手段などそのイオン放出方向を確認する。このパターン観察ではイオン放出半開角αは２０度程度以上と高角であることが望ましく、これらの放出イオンを引き出し電極の孔を通過させるには、大きな孔径が必要になる。一方、光軸合わせ（調整）後において、イオン放射角電流密度（単位立体角当たりの放出イオン電流）を大きくするためには、エミッタ室内に導入しているイオン材料ガス（例えばＨｅ）圧力を１０-2〜１Ｐａ程度まで高める。この導入ガスは引き出し電極の孔を通じて差動排気される。エミッタ先端近傍におけるガス分子の高密度保持およびイオン化されないまま排気されるガス量の低減の両観点からは、この孔径は小さい方が望ましい。この大角度放出イオンの通過のための孔の大径化と差動排気の観点からの小径化の両立が、本願発明者が見出した第１の課題である。微小突起からのイオン放出方向の確認は、微小突起が損傷を受け、再生を行う場合にも要求される。
イオン電流を多く取るためには、チップ近傍のガス分子密度を増加することが重要である。単位圧力［Ｐａ］当たりのガス分子密度ｎは、次式のようにガスの温度Ｔ［Ｋ］に逆比例しており、ガスをエミッタと含めて冷やすことが重要である。
（数１）
ｎ［個cm-3Ｐａ-1］＝７.２４７×１０16／Ｔ［Ｋ］ （１）
冷却手段には機械振動を発生する要因を含むものが多く、エミッタの振動要因になりやすい。このエミッタの機械振動低減が、本願発明者が見出した第２課題である。
本発明の目的は、ガス電界電離イオン源の安定性向上に関する。
本発明は、ＧＦＩＳにおいて、引き出し電極の孔の孔径を少なくとも２種類の値に可変にすること、あるいは、該エミッタ先端から該引き出し電極までの距離を少なくとも２種類の値に可変とすることに関する。
また、本発明は、ＧＦＩＳにおいて、固体窒素を利用して冷却することに関する。
本発明によると、引き出し電極の孔に対する大角度放出イオンの通過と差動排気の観点からの孔の小径化が両立できる。また、冷却手段の機械振動が低減できる。その結果、高安定なＧＦＩＳとこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡を提供できる。
本実施例は、針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極を有し、引き出したイオンを通過させる該引き出し電極の孔の孔径が、少なくとも２種類の値に可変であるガス電界電離イオン源に関する。
また、針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、該引き出し電極が引き出したイオンを通過させる孔を持つ孔構成部と孔構成部取り付け部とに分離でき、該孔構成部がイオン光軸に対して離着できるガス電界電離イオン源に関する。また、前記孔構成部が、孔構成部取り付け部に対してスライドすることに関する。
また、針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、該エミッタ先端から該引き出し電極までの距離が、少なくとも２種類の値に可変であるガス電界電離イオン源に関する。
また、針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、該エミッタを冷却する冷却剤が、常温且つ大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを固体状態とした冷却剤であるガス電界電離イオン源に関する。また、前記冷媒ガスが窒素であることに関する。
また、ガス電界電離イオン源と、該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、を有する走査荷電粒子顕微鏡に関する。
また、引き出し電極を通過するイオン放出角を、該ガス電界電離イオン源の光軸調整時には大きく設定し、走査荷電粒子顕微鏡を用いた該試料観察時には、光軸調整時より小さく設定する走査荷電粒子顕微鏡の光軸調整方法に関する。
また、引き出し電極を通過するイオン放出角を、該ガス電界電離イオン源の光軸調整時には大きく設定し、走査荷電粒子顕微鏡を用いた該試料観察時には、光軸調整時より小さく設定する走査荷電粒子顕微鏡を用いた試料観察方法に関する。
以下、上記及びその他の本実施例の新規な特徴と効果について、図面を参照して説明する。尚、図面は説明のために用いるものであり、権利範囲を限定するものではない。また、各実施例は、適宜組み合わせることができる。
図１は、ＧＦＩＳを搭載した走査荷電粒子顕微鏡の概略構成図である。ＧＦＩＳ４のエミッタ１から放出されたイオン５は、集束レンズ６と対物レンズ１２で試料１４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７，可動ビーム制限絞り８，ブランキング電極９，ブランクビーム停止板１０，ビーム偏向器１１がある。試料１４から放出される二次電子１５は、二次電子検出器１６で検出される。ビーム制御部１７は、ＧＦＩＳ４，集束レンズ６，対物レンズ１２，上段ビーム偏向器／アライナー７，下段ビーム偏向器１１，二次電子検出器１６などを制御する。ＰＣ１８は、ビーム制御部１７を制御し、かつ種々のデータの処理や保存を行う。画像表示手段１９は、ＳＩＭ像の表示やＰＣ１８での制御画面を表示する。
図２（ａ）は、エミッタ先端と引き出し電極の孔径との関係を説明する図である。図２（ｂ）は、微小突起生成前のＷエミッタ＜１１１＞からの電界イオン顕微鏡（field ion microscope、以下略してＦＩＭ）パターン例であり、代表的な方位＜１１１＞，＜２１１＞および＜１１０＞をパターン上に書き込んである。この方位＜１１１＞方向に微小突起を形成するが、これらの生成方位を確認するには方位＜１１１＞を中心軸として少なくとも方位＜２１１＞方向の半開角αで放出したイオンの観察が望ましい。方位＜ｈｋｌ＞と＜ｈ′ｋ′ｌ′＞間の開角θは以下の式を用いて求められ、方位＜１１１＞と＜２１１＞間においてはθ＝約１９.５°となる。
Figure 2009164110
エミッタ先端から引き出し電極までの距離ｓを５mmとすると、必要な孔径ｄaptureは２×５×tan１９.５°＝３.５［mm］となる。微小突起（ナノチップ）が生成された後に微小突起から放出されるイオン放出角は１度以下に狭められており、孔径ｄaptureは０.２［mm］あれば十分である。放射角電流密度を大きくするためにナノチップ室にはイオン材料ガス（例えばＨｅ）を１０-2〜１０Ｐａ程度の真空度にまで導入する。引き出し電極から後方の集束レンズ，対物レンズおよび試料の周囲は高真空に排気されており、差動排気の観点からはｄapture＝０.２［mm］は有効である。
距離ｓの設定には、このイオン放出角だけでなく、短すぎることによるエミッタと引き出し電極間の放電、長すぎることによる放出イオンの導入ガス原子（あるいは分子）Ｈｅとの衝突などの観点も配慮されている。この衝突は放出イオンの進行方向を曲げるため、イオン源の仮想光源サイズを実効的に大きくし、走査荷電粒子顕微鏡のビーム集束特性を劣化させる。放出イオンの平均自由行程λはガス分子の密度ｎおよび直径σを用いて次式から計算できる。
Figure 2009164110
Ｈｅ分子（σ＝０.２２ｎｍ）において、ガスの温度をＴ［Ｋ］、圧力をｐ［Ｐａ］で表すと、以下に書き改められる。
（数４）
λ［cm］＝６.４Ｅ−３（Ｔ／ｐ） （４）
例えば、ｐ＝５Ｐａにおいて、室温（Ｔ＝２７３Ｋ）および液体窒素温度（Ｔ＝７７Ｋ）の時、λはそれぞれ３.５および１.０［mm］となる。
本実施例では、引き出し電極３に孔径ｄaptureを可変にする手段を採用した。具体的には、大きな孔径（例えば直径６mm）の固定電極３ａと２つの大小異なる孔径（ｄapture＝０.２および３.５［mm］）を同一平面に並べた可動平板電極３ｂの組み合わせである（図３参照）。固定電極の大きな孔中心は、走査荷電粒子顕微鏡の光軸２０に合わされており、可動平板電極３ｂの垂線は光軸方向と一致させたまま、大気側からの移動操作によりその可動平板電極３ｂは可動でき、大小いずれかの孔を選択して光軸上に合わせることができる。本実施例では、孔径は大小２種類であるが、３種類以上あっても良い。種類が多くあれば、後述のガス差動排気において、その種類の数だけの調整選択範囲が広がる。ＧＦＩＳの走査荷電粒子顕微鏡への搭載時には、引き出し電極３には高電圧がかかるため可動平板電極３ｂは接地電位の顕微鏡カラム（図示せず）からは絶縁してある。
本実施例では、実施例１と異なる、引き出し電極３の孔径ｄaptureの可変手段を備えた走査荷電粒子顕微鏡について説明する。以下、本実施例の特徴的事項を中心に説明する。
本実施例の可変手段は、カメラなどの可変絞りと同種の構造のもので複数の絞り羽を組み合わせ、絞り羽の重なり量を変えることにより絞り径を同軸上で可変にした手段である。このように引き出し電極の孔径を可変にする手段の採用により大角度放出イオンの通過と差動排気の観点からの孔の小径化の両立ができた。
本実施例では、実施例１や２と異なる、引き出し電極３の孔径ｄaptureの可変手段を備えた走査荷電粒子顕微鏡について説明する。以下、本実施例の特徴的事項を中心に説明する。
本実施例の可変手段は、図４に示す引き出し電極が引き出したイオンを通過させる孔を持つ孔構成部３ｄと孔構成部取り付け部３ｃとに分離でき、該孔構成部３ｄが光軸２０に対して離着できる。記号３ｄ′は孔構成部３ｄが孔構成部取り付け部３ｃ上をスライドし、光軸２０に対して離脱した時の孔構成部である。
本実施例では、実施例１〜３とやや異なるアプローチで、大角度放出イオンの通過と差動排気の観点からの孔の小径化の両立を解決するものであり、具体的には、引き出し電極３（ｄapture＝１［mm］）に軸方向移動手段を持たせたものである。以下、本実施例の特徴的事項を中心に説明する。
図５は、光軸方向に移動可能な引き出し電極の概略図である。図中には、移動後の引き出し電極３′も描かれている。エミッタ先端から引き出し電極の孔までの距離ｓは、１と５［mm］の２種類の値に設定できる。ｓ＝１および５mmは、孔通過のイオン放出半開角αでは約２７および６°に相当する。このようにして、引き出し電極の軸方向移動により大角度放出イオンの通過と差動排気の観点からの孔の小径化の両立ができる。
引き出し電極３の孔径ｄapture＝１［mm］とｓ＝１の組み合わせは、大角度放出イオンの通過と差動排気のための小孔径化が両立できるが、高輝度化のためにイオン材料ガスの圧力ｐを上げた時にエミッタ先端と引き出し電極間で放電が起こりやすくなる。ｓ＝５mmは、この放電防止のためのものである。ｓが余り大きすぎると、エミッタからの放出イオンがガス分子と衝突し、イオンの軌道が偏向したり、運動エネルギーが一部失ったりして不都合が生じる。しかし、このｓ変化は、エミッタ電位を固定してもエミッタ先端に形成される電界強度の変化を伴い、その結果イオン化効率も変化するために得られるイオン電流の変化は大きい。この為、イオン電流変化を軽減するために引き出し電圧の調整有無の選択モードが設けてある。
尚、本実施例では、距離ｓは１と５［mm］の２種類の値の不連続変化であるが、連続変化でも、調整が連続的に行えることから好ましい。距離ｓを少なくとも２種類の値に変化させるために、本実施例では引き出し電極を軸方向に移動したが、引き出し電極を固定しておいてエミッタを軸方向に移動し、エミッタ先端から引き出し電極までの距離を少なくとも２種類の値に可変にしても同等の効果が得られる。
イオン電流を多く取るためには、イオン・エミッタばかりでなく、イオン材料としての導入ガスも冷やすことが重要である。Ｈｅガスにおいては、１０Ｋ辺りまで冷却することが望ましい。しかし、冷却機は機械的振動を発生し、エミッタに伝達しやすい。エミッタの振動は、走査荷電粒子顕微鏡においてビームの試料照射点をも振動させ、顕微鏡分解能を劣化させる。冷却機からの機械的振動のエミッタへの伝達の遮断は難しい。そこで、本実施例では、冷却剤として固体窒素（真空中の凝固温度は約５１Ｋ）を採用している。以下、本実施例の特徴的事項を中心に説明する。
図６に、イオン源の概略構成図を示す。エミッタ１近傍には、イオン材料ガスであるＨｅガス３２が、細管であるガス導入管３３を通じて導入される。冷却剤は、固体窒素３４が使われる。始めに、冷却剤室３６に液体窒素３０を導入パイプ３１から導入し、その後、排気パイプ３５から蒸発窒素を真空引きすることにより、液体窒素は固体窒素３４に凝固する。真空排気環境の固体窒素は、エミッタや導入ガスからの熱吸収により昇華して、それらを冷却する。昇華においては、液体窒素の蒸発の泡立ちに起因する機械的振動要因は伴わず、エミッタ先端の振動低減に大きな効果がある。エミッタの十分な冷却のためには、エミッタ１および制御電極２への電位印加導線３７および３８の冷却および引き出し電極３の冷却が望ましい。また、冷却部と室温部との間の接合部材には低熱伝導材を用い、冷却部への室温部からの熱輻射による熱流入に対する輻射シールドにも配慮した。本冷却手段は１０Ｋ辺りまでの冷却を目指したＨｅ冷却手段と比べて、かなり小型で、価格も安い特徴もある。
本実施例の冷却剤は、常温、大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを固体状態とした冷却剤であることが特徴である。よって、冷媒ガスは窒素（大気圧下での融点：５１Ｋ，沸点７７Ｋ）の他に、水素（融点：１４ｋ，沸点：２０ｋ），ネオン（融点：２４Ｋ，沸点：２７Ｋ），酸素（融点：５４Ｋ，沸点：９０Ｋ），アルゴン（融点：８４Ｋ，沸点：８７Ｋ），メタン（融点：９０Ｋ，沸点：１１１Ｋ）なども利用できる。コスト，安全性の観点からは窒素が優れている。
実施例５では、冷媒ガスを固体状態とした冷却剤を使用するが、本実施例では、固体冷却剤をさらに冷却している。以下、本実施例の特徴的事項を中心に説明する。
図７に、冷媒ガスを固体状態とした固体冷却剤をさらに冷却する冷凍機付きのガス電界電離イオン源の概略図を示す。本例では、冷却ガスは窒素であり、始めに冷却剤室３６に液体窒素３０を導入パイプ３１から導入する。冷却剤室３６内には、Ｈｅ冷凍機５０の冷却ヘッド５１があり、そこに接続された冷却金属棒５２の先端は液体窒素内まで延びている。排気パイプ３５から蒸発窒素を真空引きすることにより、液体窒素は固体窒素３４に凝固する。その後、冷凍機の運転により固体窒素はさらに融点以下に冷却される。
イオン顕微鏡の観察時には、冷凍機の運転はオフする。これにより、エミッタ温度は、固体窒素のみの場合より約２０Ｋ低くなり、イオン源はより高輝度になる。また、イオン顕微鏡の観察時には、冷凍機の運転をオフすることにより、冷凍機特有の機械的振動の発生を抑えることができる。
本実施例では、エミッタ微小突起からのイオン放出方向やその放出方向の走査イオン顕微鏡の光軸との軸合わせ（調整）時におけるＦＩＭ相当パターン観察例を図１および図６を用いて説明する。
エミッタ１から広放出角範囲に放出されたイオン５は、集束レンズ（レンズ電圧Ｖaccを接地電位にしてレンズ作用オフ）を通過して可動ビーム制限絞り８に到達する。到達したイオンビームの一部は、可動ビーム制限絞り８の孔を通過し、通過したイオンは試料１４を照射し二次電子１５を放出する。二次電子１５は、二次電子検出器１６により検出される。ビーム偏向器／アライナー７の偏向作用によりビームを可動ビーム制限絞り８上で走査し、この走査信号と同期した信号をＸＹ信号、二次電子検出器１６の検出強度をＺ（輝度）信号としてＳＩＭ画像を作り、画像表示手段１９にモニタ表示する。可動ビーム制限絞り８は、光軸調整のため光軸に垂直な面内でＸＹ微動調整できるようになっている。
またその孔径も、大小種々の孔が選択できるようになっている。対物レンズ１２は、ビーム偏向器／アライナー７の偏向支点を試料１４上に投影するようにレンズ作用を調整する。この調整により、ビーム偏向器／アライナー７でビーム走査しても、試料上でのビームは走査されなくなる。よって、モニタ画面のＳＩＭ像は、そのＸＹ軸をイオンのＸＹ方向放出角とした放出イオン強度分布となる。ＦＩＭ像がエミッタにおけるイオン放出部を原子レベルで投影した分解能をもっていることから、本ＳＩＭ像は、可動ビーム制限絞り４４の絞り孔に相当するイオン放射立体角でＦＩＭ像を畳み込みしてぼかした画像に相当する。このＦＩＭ相当画像のイオン放出方向＜１１１＞が、ビーム偏向器／アライナー７の走査オフ時に対物レンズ１２中心および可動ビーム制限絞り８の孔中心を通るようにビーム偏向器／アライナー７のＸＹ微動調整とアライナー調整を行う。
図８において、集束レンズ６は、３枚電極（６ａ，６ｂおよび６ｃ）構成の静電レンズであり、その両端電極６ａおよび６ｃは接地電位である。引き出し電極３と集束レンズ第１電極６ａ間にはイオンの加速レンズ作用があり、このレンズのイオンの入射角および出射角をそれぞれαoおよびαiとし、角倍率Ｍangが次式で定義される。
（数５）
Ｍang＝αi／αo （５）
加速レンズ作用がない場合、つまり、加速電圧（Ｖacc）＝引き出し電圧（Ｖext）に設定すると、Ｍang＝１が成立する。例えば、イオン加速電圧Ｖacc＝２５ｋＶ、引き出し電極３と集束レンズ第１電極６ａ間距離Ｚacc＝２０mmに設定した場合、ｓ＝３，５および７mmにおけるＭangのＶext依存性カーブを図９に示す。Ｍang値の正および負はそれぞれイオンの出射状態が発散および集束であることを表し、ゼロは光軸に平行であることを表している。集束レンズがオフ状態でも、エミッタからのイオン放出角は加速レンズによりＭang倍されており、高角放出イオン５の可動ビーム制限絞り８上でのビーム径は、これらの数値で変わることがわかる。つまり、可動ビーム制限絞り８の最適な絞り径もこれら数値により異なる。よって、ＧＦＩＳの走査荷電粒子顕微鏡への搭載時における光軸調整、およびエミッタ先端の微小突起の形成や再生などの調整観察時には、低いＶaccにて実施し、その後、Ｖaccを所望の電位に高めて走査荷電粒子顕微鏡の標準的な操作を行う。
走査荷電粒子顕微鏡におけるＧＦＩＳの光軸調整時（エミッタ先端の修復時も含む）には、引き出し電極を通過するイオン放出角を大きく設定して電界放出パターンをモニタし、一方、走査荷電粒子顕微鏡にて該試料の観察時にはその通過するイオン放出角を小さく設定することにより、高精度の光軸調整と試料観察がスムースに効率よく実施することができる。
ガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）の概略構成図。 エミッタ先端と引き出し電極の孔サイズ関係とＦＩＭパターン。 大小異なる孔径を同一平面に並べた可動平板電極を用いた引き出し電極。 持つ孔構成部と孔構成部取り付け部を有する可変手段。 光軸方向に移動可能な引き出し電極。 冷却剤が固体窒素を利用したガス電界電離イオン源。 冷媒ガスを固体状態とした冷却剤をさらに冷却する冷凍機付きのガス電界電離イオン源。 引き出し電極と集束レンズ第１電極間の加速レンズ作用の説明図。 引き出し電極と集束レンズ第１電極間の加速レンズにおける角倍率Ｍangの引き出し電圧Ｖext依存性カーブ。
符号の説明
１ エミッタ
２ 制御電極
３ 引き出し電極
５ イオン
６ 集束レンズ
７ ビーム偏向器／アライナー
８ 可動ビーム制限絞り
９ ブランキング電極
１０ ブランクビーム停止板
１１ ビーム偏向器
１２ 対物レンズ
１４ 試料
１５ 二次電子
１６ 二次電子検出器
１７ ビーム制御部
１８ ＰＣ
１９ 画像表示手段
２０ 光軸
３０ 液体窒素
３１ 導入パイプ
３２ Ｈｅガス
３３ ガス導入管
３４ 冷却剤（固体窒素）
３５ 排気パイプ
３６ 冷却剤室
３７ エミッタ電位印加導線
３８ 制御電極電位印加導線
３９ 絶縁物
４０ イオン源フランジ

Claims (14)

  1. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極を有するガス電界電離イオン源であって、
    引き出したイオンを通過させる該引き出し電極の孔の孔径が、少なくとも２種類の値に可変であるガス電界電離イオン源。
  2. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有するガス電界電離イオン源であって、
    該引き出し電極が引き出したイオンを通過させる孔を持つ孔構成部と孔構成部取り付け部とに分離でき、該孔構成部がイオン光軸に対して離着できるガス電界電離イオン源。
  3. 請求項２記載の該ガス電界電離イオン源において、
    前記孔構成部が、孔構成部取り付け部に対してスライドすることを特徴とするガス電界電離イオン源。
  4. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有するガス電界電離イオン源であって、
    該エミッタ先端から該引き出し電極までの距離が、少なくとも２種類の値に可変であるガス電界電離イオン源。
  5. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有するガス電界電離イオン源であって、
    該エミッタを冷却する冷却剤が、常温且つ大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを固体状態とした冷却剤であるガス電界電離イオン源。
  6. 請求項５記載の該ガス電界電離イオン源において、
    前記冷媒ガスが窒素であることを特徴とするガス電界電離イオン源。
  7. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、引き出したイオンを通過させる該引き出し電極の孔の孔径が少なくとも２種類の値に可変であるガス電界電離イオン源と、
    該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、
    該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、
    該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
    を有する走査荷電粒子顕微鏡。
  8. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、該引き出し電極が引き出したイオンを通過させる孔を持つ孔構成部と孔構成部取り付け部とに分離でき、該孔構成部がイオン光軸に対して離着できるガス電界電離イオン源と、
    該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、
    該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、
    該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
    を有する走査荷電粒子顕微鏡。
  9. 請求項８記載の走査荷電粒子顕微鏡において、
    前記孔構成部が、孔構成部取り付け部に対してスライドすることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
  10. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、該エミッタ先端から該引き出し電極までの距離が少なくとも２種類の値に可変であるガス電界電離イオンと、
    該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、
    該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、
    該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
    を有する走査荷電粒子顕微鏡。
  11. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極とを有し、該エミッタを冷却する冷却剤が、常温且つ大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを固体状態とした冷却剤であるガス電界電離イオン源と、
    該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、
    該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、
    該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
    を有する走査荷電粒子顕微鏡。
  12. 請求項１０記載の走査荷電粒子顕微鏡において、前記冷媒ガスが窒素であることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。
  13. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成するための引き出し電極とを有するガス電界電離イオン源と、
    該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、
    該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、
    該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
    を有する走査荷電粒子顕微鏡の光軸調整方法であって、
    該引き出し電極を通過するイオン放出角を、該ガス電界電離イオン源の光軸調整時には大きく設定し、走査荷電粒子顕微鏡を用いた該試料観察時には、光軸調整時より小さく設定する方法。
  14. 針状の陽極エミッタと、該エミッタ先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成するための引き出し電極とを有するガス電界電離イオン源と、
    該イオン源からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、
    該試料上に集束されるイオンを制限する制限絞りと、
    該試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、
    を有する走査荷電粒子顕微鏡を用いた試料観察方法であって、
    該引き出し電極を通過するイオン放出角を、該ガス電界電離イオン源の光軸調整時には大きく設定し、走査荷電粒子顕微鏡を用いた該試料観察時には、光軸調整時より小さく設定する方法。
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