JP2015076302A - Ion beam device - Google Patents

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博幸 武藤
Hiroyuki Muto
博幸 武藤
川浪 義実
Yoshimi Kawanami
義実 川浪
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion beam device with a cooling mechanism which prevents vibration generated by the cooling mechanism from being transmitted to the ion beam device and enables heat insulation.SOLUTION: A cooling mechanism of the invention includes: a refrigerant for cooling an emitter tip; a refrigeration machine for cooling the refrigerant; refrigerant discharge means; and refrigerant supply means. The invention stops the operation of the refrigeration machine when observing a high resolution image and discharges the refrigerant which cools the emitter tip.

Description

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。
The present invention relates to an ion beam apparatus. For example, the present invention relates to an ion beam apparatus such as an ion microscope and an ion beam processing observation apparatus, a combined apparatus of an ion beam processing observation apparatus and an ion microscope, and a combined apparatus of an ion microscope and an electron microscope. The present invention relates to an analysis / inspection apparatus using an ion microscope and an electron microscope.

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。   By irradiating the sample while scanning electrons and detecting secondary charged particles emitted from the sample, the structure of the sample surface can be observed. This is called a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as “SEM”). On the other hand, the structure of the sample surface can be observed even when the sample is irradiated with the ion beam and the secondary charged particles emitted from the sample are detected. This is called a scanning ion microscope (hereinafter abbreviated as “SIM”). In particular, if the sample is irradiated with a light ion species such as hydrogen or helium, the sputtering effect becomes relatively small, which is suitable for observing the sample.

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。   A gas field ion source is suitable as the ion source of the ion microscope. A gas field ion source is an ion source that is used as an ion beam by ionizing a gas by an electric field created by an emitter tip. The ion source has a gas ionization chamber having a needle-like emitter tip to which a high voltage can be applied. An ionized gas is supplied from the gas source to the gas ionization chamber through a gas supply pipe. A potential barrier in which electrons in a gas (gas molecule) are reduced by an electric field when an ionized gas (or gas molecule) supplied from a gas supply pipe approaches the tip of a needle-like emitter tip to which a high voltage is applied and a strong electric field is applied. Is released as positive ions by tunneling. This is used as an ion beam. The gas field ion source can generate an ion beam having a narrow energy width. Further, since the size of the ion generation source is small, a fine ion beam can be generated.

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。   In order to observe a sample with a high signal / noise ratio in an ion microscope, it is necessary to obtain an ion beam having a large current density on the sample. For this purpose, it is necessary to increase the ion emission angular current density of the field ion source. In order to increase the ion radiation angle current density, the molecular density of the ionized gas (ion material gas) in the vicinity of the emitter tip may be increased. The gas molecule density per unit pressure is inversely proportional to the gas temperature. Therefore, the emitter tip may be cooled to a very low temperature, and the temperature of the gas around the emitter tip may be lowered. Thereby, the molecular density of the ionized gas near the emitter tip can be increased. Further, the molecular density of the ionized gas near the emitter tip can be increased by increasing the pressure of the ionized gas near the emitter tip. For example, the pressure of the ionized gas around the emitter tip is about 10-2 to 10 Pa.

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。
In Patent Document 1, as an ion beam device that can prevent vibration generated by a refrigeration mechanism from being transmitted to an emitter tip of a gas field ion source, a container that holds a coolant that cools the emitter tip, and the temperature of the coolant There is disclosed a cooling mechanism having a temperature measuring device for measuring the temperature and a cooling mechanism composed of a refrigerator for cooling the refrigerant, and operating and stopping the refrigerator according to the temperature of the refrigerant. Also, there are two containers for holding the refrigerant for cooling the emitter tip, and it has a temperature measuring device that measures the temperature of the refrigerant and a cooling mechanism that includes a refrigerator that cools the refrigerant. And a cooling mechanism for determining which refrigerant is connected to the container holding the refrigerant. It also has a cooling mechanism consisting of a container that holds the refrigerant that cools the emitter tip, a temperature measurement device that measures the temperature of the refrigerant, and a vacuum pump that evacuates the container that holds the refrigerant. A cooling mechanism for operating and stopping the pump is disclosed.

特開2009−289670号JP 2009-289670 A

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。   As a result of intensive studies on the cooling mechanism for preventing the vibration generated by the cooling mechanism from being transmitted to the ion beam device, the present inventors have obtained the following knowledge.

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。   Patent Document 1 is very effective in preventing vibration generated by the refrigeration mechanism from being transmitted to the emitter tip of the gas field ion source. However, it has been found that the time during which an image can be acquired after the operation of the refrigerator is stopped is very short unless thermal insulation is taken into consideration, and may not be able to withstand practical use.

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。
An object of the present invention is to provide an ion beam apparatus having a cooling mechanism that can prevent vibration generated by the cooling mechanism from being transmitted to the ion beam apparatus and can also be thermally insulated.

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。
The present invention employs the configurations described in the claims. For example, when the cooling mechanism has a refrigerant that cools the emitter tip, a refrigerator that cools the refrigerant, a means that discharges the refrigerant, and a means that supplies the refrigerant. Stop driving. And it is related with discharging | emitting the refrigerant | coolant which cools an emitter tip.

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。
When the refrigerator is stopped, the temperature of the refrigerator cooler starts to rise. If the refrigerator and the emitter tip are not thermally insulated, this increased temperature continues to flow from the refrigerator to the emitter tip via the refrigerant that cools the emitter tip. Then, the temperature of the emitter tip continuously rises. According to the present invention, when the operation of the refrigerator is stopped, the refrigerant that cools the emitter tip is discharged, so that the increased temperature of the refrigerator cold temperature portion flows from the refrigerator to the emitter tip via the refrigerant that cools the emitter tip. There is no. That is, the refrigerator and the emitter tip are thermally insulated. Therefore, even when the refrigerator is stopped, the temperature of the emitter tip can hardly be increased. And since the temperature of an emitter tip does not rise easily, the time which can acquire an image becomes long.

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。1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of an ion beam apparatus according to Embodiment 1. FIG. 第1の実施例の冷媒排出例である。2 is an example of refrigerant discharge of the first embodiment. 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。It is a schematic diagram of the temperature change of the emitter tip when the refrigerator is stopped. 高分解能像観察時の動作フローである。It is an operation | movement flow at the time of high-resolution image observation. 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。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of the ion beam apparatus according to Embodiment 2. 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。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a third embodiment of the ion beam apparatus according to Embodiment 3. 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。FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a fourth embodiment of an ion beam device according to Embodiment 4.

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。   The ion beam apparatus described below is more sensitive to information on the sample surface than an apparatus using an electron beam. This is because the excitation region of the secondary charged particles is localized on the sample surface as compared with the irradiation of the electron beam. In addition, since the electron beam property cannot be ignored in the electron beam, aberration occurs due to the diffraction effect. On the other hand, since the ion beam is heavier than electrons, the diffraction effect can be ignored.

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。   As an ion beam apparatus taking advantage of these features, for example, there is a scanning ion microscope. A scanning ion microscope is an apparatus that irradiates a sample while scanning an ion beam, detects secondary charged particles emitted from the sample, and observes the structure of the sample surface. In particular, if the sample is irradiated with a light ion species such as hydrogen or helium, the sputtering effect becomes relatively small, which is suitable for observing the sample.

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。   In addition, if an ion beam is irradiated on a sample and ions that have passed through the sample are detected, information reflecting the structure inside the sample can be obtained. This is called a transmission ion microscope. In particular, if the sample is irradiated with a light ion species such as hydrogen or helium, the rate of transmission through the sample is increased, which is suitable for observation.

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。   Conversely, if the sample is irradiated with a heavy ion species such as argon, xenon, or gallium, it is suitable for processing the sample by sputtering. In particular, a focused ion beam apparatus (Focused Ion Beam, hereinafter abbreviated as FIB) using a liquid metal ion source (hereinafter abbreviated as LMIS) is known as a focused ion beam processing observation apparatus. Furthermore, in recent years, a combined machine FIB-SEM apparatus of a scanning electron microscope (SEM) and a focused ion beam (FIB) is also used. In the FIB-SEM apparatus, the cross section can be observed by SEM by irradiating the FIB and forming a square hole at a desired location. The sample can also be processed by generating gas ions such as argon and xenon by a plasma ion source or a gas field ion source and irradiating the sample.

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。   The present invention can be applied to an ion microscope, an ion beam processing observation apparatus, a combined apparatus of an ion beam processing observation apparatus and an ion microscope, and a combined apparatus of an ion microscope and an electron microscope. Moreover, it is applicable also to the analysis / inspection apparatus which applied the ion microscope and the electron microscope. These are collectively referred to as an ion beam apparatus. The ion beam apparatus of the present invention is not limited to the above apparatus as long as it is an ion beam apparatus using a gas field ion source.

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。   In an embodiment, in an ion beam apparatus that irradiates a sample with an ion beam generated from a gas field ion source, the gas field ion source includes an emitter tip serving as an anode, an extraction electrode serving as a cathode, and at least an emitter tip. A gas container that supplies gas through a gas inlet to the space between the tip of the emitter tip and the extraction electrode, a gas exhaust that exhausts gas by a vacuum pump through the gas exhaust, and a gas electric field And a cooling mechanism for cooling the ionization ion source.

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。   In the embodiment, it is disclosed that the cooling mechanism includes a refrigerant for cooling the emitter tip, a refrigerator for cooling the refrigerant, a means for discharging the refrigerant, and a means for supplying the refrigerant.

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。   Moreover, in an Example, it discloses that the gas exhaust port or the gas introduction port is provided in the structure of the ground potential.

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。   The above and other novel features and effects will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the drawings are used exclusively for understanding the invention and do not limit the scope of rights.

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。   Further, illustration of a vacuum exhaust system including a valve for evacuating the vacuum vessel, a sample stage for placing and moving the sample, and a control means for controlling each mechanism are omitted.

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。   Also, the focusing lens, objective lens / beam deflector / aligner, blanking electrode, and power source of the beam deflector are not shown.

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。
An image generation unit that generates an image based on a signal output from the detector is not shown.

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。
A first embodiment of the ion beam apparatus will be described with reference to FIG.
The ion beam apparatus evacuates the ion source chamber 5 having the emitter tip 1, the extraction electrode 2, the gas supply pipe 4, the gas exhaust port 52, the cooling mechanism 60, the cooling conduction mechanism 61, and the radiation shield 12, and the ion source chamber 5. Ion source evacuation pump 20 for evacuation, valve 21, ionized gas source 15, acceleration power supply 7 for supplying voltage to emitter tip 1, extraction power supply 8 for supplying voltage to extraction electrode 2, and vacuum vessel 10 A connection port (or a connection port with the radiation shield 12) between the gas supply pipe 4 and the ion source chamber 5 is generically referred to as a gas introduction part. In this embodiment, the gas exhaust port 52 is referred to as a gas exhaust unit. The ion source chamber 5 and the vacuum vessel 10 are connected via an opening 18. The ion source is a gas field ionization ion source (abbreviated as a gas ion source), which is connected to a gas ionization chamber 6 having a needle-like emitter tip 1 to which a high voltage can be applied from a gas source 15 through a gas supply pipe 4. To supply ionized gas. When the ionized gas (or gas molecule) supplied from the gas supply pipe 4 approaches the tip of the needle-like emitter tip 1 to which a high electric field is applied and a strong electric field is applied, electrons in the gas (gas molecule) are reduced by the electric field. The potential barrier is tunneled and released as positive ions. The gas ion source is an ion source that uses this as an ion beam.

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。   The cooling mechanism 60 includes a refrigerator 62, a bellows 63, a refrigerant 64 (in this embodiment, helium gas is used as a refrigerant), a high temperature side stage 65 that cools the radiation shield 12, a low temperature side stage 66 that cools the emitter tip 1, A compressor (compressor unit) 69 that uses helium gas as a working gas, a high-pressure pipe 67 that supplies high-pressure helium gas to the refrigerator 62, and the high-pressure helium gas that is periodically expanded inside the refrigerator 62 causes cooling. And a low-pressure pipe 68 that recovers the low-pressure helium gas that has expanded to a low pressure in the compressor 69, a refrigerant discharge means, and a refrigerant supply means. The refrigerant discharge means includes a refrigerant discharge pipe 84, a valve 8, and a refrigerant discharge mechanism 86 (a vacuum pump is used in this embodiment). The refrigerant supply means includes a refrigerant supply pipe 81, a valve 82, and a refrigerant source 83.

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。   A voltage is applied to the emitter tip 1 by the acceleration power supply 7, and a voltage is applied to the extraction electrode 2 from the extraction power supply 8. The ion source chamber 5 is fixed to the ground potential (GND) regardless of the operation of the ion beam apparatus. The ion source chamber 5 is a vacuum container configured to surround the emitter tip 1. In this embodiment, the space surrounded by the ion source chamber 5 and the radiation shield 12 is a gas ionization chamber 6 that ionizes the gas. In this embodiment, the gas ionization chamber 6 refers to a structure that is composed of one or more members so as to surround at least the emitter tip 1 and into which gas is introduced.

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。   Ions emitted from the emitter tip 1 are focused on the sample 72 by the focusing lens 70 and the objective lens 71. Between both lenses are a beam deflector / aligner 73, a movable beam limiting aperture 74, a blanking electrode 75, a blanking beam stop plate 76, and a beam deflector 77. Secondary electrons emitted from the sample 72 are detected by a secondary electron detector 78. The control means (not shown) includes an acceleration power source 7, a drawing power source 8, a focusing lens 70, an objective lens 71, a beam deflector / aligner 73, a movable beam limiting aperture 74, a blanking electrode 75, a beam deflector 77, and secondary electrons. The detector 78 and the like are controlled. The control means (not shown) may be configured as hardware by a dedicated circuit board, or may be configured by a program executed by a computer (not shown) connected to the ion beam apparatus. In this embodiment, the number of the exhaust ports 80 and the vacuum pumps 22 of the vacuum container 10 is one, but a plurality of them may be provided.

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。   The vacuum vessel 10 is fixed to a base plate 24, and the base plate 24 is fixed by a vibration isolation mechanism 23 and a mount 25 that reduce vibration transmitted from the floor to the apparatus. The refrigerator 62 is fixed to the gantry 25 by a column 26.

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。   A method of observing a high resolution image will be described with reference to FIGS.

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。   FIG. 1 shows a state where the helium gas refrigerant 64 is filled with 1 atm and the emitter tip 1 is cooled by the cooling mechanism 60. The refrigerator 62 and the compressor 69 are operating, and each is a mechanical vibration source. A refrigerant 64 and a bellows 63 are disposed between the refrigerator 62 and the ion source 5 serving as a vacuum container. Therefore, the vibration of the refrigerator 62 has a characteristic that it is difficult to transmit to the ion source 5 which is a vacuum container. The vibration of the compressor 69 is transmitted to the apparatus main body via the floor where the apparatus is installed. An anti-vibration mechanism 23 is disposed between the base plate 24 and the gantry 25. Therefore, the high-frequency vibration of the floor is difficult to transmit to the apparatus. Thereby, the vibration of the compressor 69 is difficult to transmit to the apparatus via the floor. Here, the compressor 69 has been described as the cause of the floor vibration, but the cause of the floor vibration is not limited to this. The anti-vibration mechanism 23 may be configured by an anti-vibration rubber, a spring, a damper, or a combination thereof.

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。   As described above, the present embodiment has a function of reducing the vibration transmitted from the refrigerator 62 and the compressor 69 to the apparatus, but in order to completely stop the vibration from the refrigerator 62 and the compressor 69, the refrigerator 62 and the compressor 69 are used. Good to stop. However, simply stopping the refrigerator 62 and the compressor 69 causes the following problems. This problem will be described with reference to FIG. When the refrigerator 62 and the compressor 69 are operating, the emitter tip 1 is at the temperature T1. Assuming that the refrigerator 62 and the compressor 69 are stopped at the time t1, the temperature of the emitter tip 1 increases exponentially like a temperature increase curve 90 when the refrigerant remains. The temperature range of the emitter tip in which a high resolution image can be observed is from the temperature T1 to T2. The time during which the temperature of the emitter tip rises from T1 to T2 is the time from time t1 to t2. Therefore, the time during which the high resolution image can be observed is the time from the time point t1 to t2. When the refrigerant remains, the time during which this high-resolution image can be observed is too short, and the operability becomes very poor.

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。   Therefore, when the refrigerator 62 and the compressor 69 are stopped, the following operation is added to thermally insulate the emitter tip 1. First, after the emitter tip 1 has cooled to the desired temperature T1, the refrigerator 62 and the compressor 69 are stopped. While the vibrations of the refrigerator 62 and the compressor 69 are damped, the refrigerant discharge mechanism 86 of the vacuum pump is activated and the valve 85 is opened to discharge the helium gas refrigerant 64 filled with 1 atm from the refrigerant discharge pipe 84. And make a vacuum. When the discharge of the helium gas refrigerant 64 is completed, the valve 85 is closed and the refrigerant discharge mechanism 86 of the vacuum pump is stopped (FIG. 2). The high temperature side stage 65 and the low temperature side stage 66 are thermally insulated from the emitter tip 1 and the radiation shield 12 by a vacuum. Therefore, it is possible to prevent the rising temperature of the cooling mechanism 60 from being transmitted to the emitter tip 1 and the radiation shield 12. The temperature change of the emitter tip 1 at this time becomes a temperature rise curve 91 when the refrigerant in FIG. 3 is discharged. At this time, the time during which the temperature of the emitter tip rises from T1 to T2 is the time from time t1 to time t3. Therefore, the time during which a high-resolution image can be observed can be lengthened and operability is improved. When the temperature of the emitter tip 1 reaches T2, the observation of the high resolution image is terminated. Then, the valve 82 is opened, and the refrigerant 64 of helium gas is filled with 1 atm from the refrigerant source 83 through the refrigerant supply pipe 81. When filling is completed, the valve 82 is closed. Then, the refrigerator 62 and the compressor 69 are operated to cool the temperature of the emitter tip 1.

これまで説明した操作を図4にフローとして纏めた。   The operations described so far are summarized as a flow in FIG.

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。
Although not shown, the method for forming the gas ionization chamber 6 using the radiation shield 12 is not limited to the present embodiment. For example, the gas ionization chamber is provided with the radiation shield 12 serving as a closed space in the ion source chamber 5. It can be realized in various forms such as 6.

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。   A second embodiment of the ion beam apparatus will be described with reference to FIG. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.

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。
In FIG. 5, the refrigerant discharge mechanism 86 includes a buffer tank 87, a valve 88, and a vacuum pump 89. In advance, the valve 88 is opened and the buffer tank 88 is evacuated by the vacuum pump 89. When the valve 88 is closed, the buffer tank is in a vacuum regardless of whether the vacuum pump 89 is in operation. As soon as the valve 85 is opened, the refrigerant 64 can be discharged.

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。   A third embodiment of the ion beam apparatus will be described with reference to FIG. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.

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。
A refrigerant cooling mechanism 92 is provided in front of the refrigerant source 83. When cooling the emitter tip 1 after high-resolution observation, the cooling time of the emitter tip 1 can be shortened by filling the coolant 64 that has been cooled by the coolant cooling mechanism 92 in advance.

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。   A fourth embodiment of the ion beam apparatus will be described with reference to FIG. In the following, differences from the first embodiment will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.

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。
In this embodiment, the low temperature side stage 66 and the radiation shield 12 are omitted. When the required cooling temperature is high, it is effective for cost reduction.

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。
As described above, the embodiments described above do not have to be implemented individually, but a plurality of examples can be applied simultaneously, and the scope of rights is not limited.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Emitter tip 2 Extraction electrode 4 Gas supply piping 5 Ion source chamber 6 Gas ionization chamber 7 Acceleration power source 8 Extraction power source 10 Vacuum vessel 12 Radiation shield 15 Gas source 18 Opening 20 Ion source vacuum exhaust pump 21 Valve 22 Vacuum pump 23 Prevention Shaking mechanism 24 Base plate 25 Base 26 Support column 52 Gas exhaust port 60 Cooling mechanism 61 Cooling conduction mechanism 62 Refrigerator 63 Bellows 64 Refrigerant 65 High temperature side stage 66 Low temperature side stage 67 High pressure piping 68 Low pressure piping 69 Compressor 70 Focusing lens 71 Objective lens 72 Sample 73 Beam deflector / aligner 74 Movable beam limiting aperture 75 Blanking electrode 76 Blanking beam stop plate 77 Beam deflector 78 Secondary electron detector 80 Exhaust port 81 Refrigerant supply piping 82 Valve 83 Refrigerant source 84 Refrigerant exhaust Outlet piping 85 Valve 86 Refrigerant discharge means 87 Buffer tank 88 Valve 89 Vacuum pump 90 Temperature rise curve when refrigerant remains 91 Temperature rise curve when refrigerant is discharged 92 Refrigerant cooling mechanism

Claims (6)

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。
In an ion beam apparatus that observes or processes a sample by irradiating the sample with an ion beam generated from a gas field ion source,
The gas field ion source is:
An emitter tip to be the anode,
An extraction electrode serving as a cathode;
A vacuum vessel containing at least the emitter tip;
A gas introduction part for supplying gas through a gas introduction port to a space between the tip of the emitter tip and the extraction electrode;
A gas exhaust part for exhausting the gas by a vacuum pump through a gas exhaust port;
A cooling mechanism for cooling the gas field ion source;
A cooling conduction mechanism cooled by the cooling mechanism;
In an ion beam apparatus comprising:
The cooling mechanism includes a refrigerant for cooling the emitter tip, a refrigerator for cooling the refrigerant, means for discharging the refrigerant, and means for supplying the refrigerant,
An ion beam apparatus characterized in that a coolant for cooling the emitter tip is discharged by means for discharging the coolant to thermally insulate the cooling mechanism from the emitter tip.
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。
The ion beam device according to claim 1.
When the temperature of the emitter tip reaches a desired temperature, stop the cooling mechanism, discharge the coolant that cools the emitter tip, and observe the resolution image,
When the emitter tip reaches or exceeds a predetermined temperature range, the observation of the resolution image is stopped, the coolant for cooling the emitter tip is supplied by means for supplying the coolant, and the cooling mechanism is operated. Ion beam device.
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。
The ion beam apparatus according to claim 2.
An ion beam apparatus, wherein the coolant for cooling the emitter tip is helium gas.
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。
The ion beam apparatus according to claim 3.
An ion beam apparatus characterized in that the cooling mechanism and the emitter tip are thermally insulated from each other by discharging the refrigerant for cooling the emitter tip by means of discharging the refrigerant to make a vacuum state.
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。
The ion beam device according to claim 4.
An ion beam apparatus characterized in that the means for discharging the refrigerant is a vacuum pump, a buffer tank, or both.
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。
In the ion beam apparatus in any one of Claim 1 to 4,
An ion beam apparatus characterized in that the means for supplying the refrigerant has a function of cooling the refrigerant in advance before supplying the refrigerant to the cooling mechanism.
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