JP2016027525A - 荷電粒子線源の冷却機構を具備する荷電粒子線装置及び荷電粒子線源 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、荷電粒子線源の冷却機構を具備する荷電粒子線装置において、イオン銃を小型化してチップと熱交換器との間の伝熱効率を向上させつつ、イオン銃内の断熱性能を向上させる技術を提供する。
【解決手段】荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、荷電粒子線を集束して試料に照射する荷電粒子線光学系と、チップを冷却する冷却機構とを備える。前記荷電粒子線源は、前記チップと高電圧端子との間に、大気側からの熱流入を抑制する断熱構造を有する断熱構造部材を備え、断熱構造部材における高電圧端子側の端部からチップ側の端部への伝熱経路が、断熱構造部材における高電圧端子側の端部からチップ側の端部への直線距離よりも長くなっている。
【選択図】図４

Description

本発明は、荷電粒子線源の冷却機構を具備する荷電粒子線装置、及び、荷電粒子線装置の荷電粒子線源に関する。

電子やイオンを用いた荷電粒子線をプローブとする、荷電粒子線装置(電子顕微鏡やイオン顕微鏡)は、プローブが照射される試料面上でプローブが位置的に振動すると、分解能が劣化したり、画像ノイズが発生する。この荷電粒子線装置では、高分解能を得るためにプローブ径を小さくし、高輝度のビームを発生させるために、先端を針状に先鋭化した金属製のチップを用いて荷電粒子源を点光源とすることが多い。

特に、近年実用化されたガス電界電離イオン源（Gas Field Ionization Ion Source、略してＧＦＩＳ）のチップは、イオン放出源先端を１〜数原子の終端とする。この先端は、ほぼ原子レベルの点光源となる。したがって、チップ性能を生かし、且つ高分解能化を実現するためには、チップの振動をサブナノメートルオーダーで抑制することが必要不可欠である。

しかしながら、ＧＦＩＳは、効率的にガスの電離を行うためにチップを極低温に冷却する必要がある。冷却温度は使用するガス種によって異なるが、通常１０〜８０［Ｋ］のレベルで用いられる。歴史的にも冷却は、液体窒素、固体窒素、液体ヘリウムを冷媒とする冷却方式がとられることが多い。しかしながら、取扱いがより安全且つ容易なヘリウムガスを冷媒とした冷凍機が普及したことにより、これを用いることも可能となった。この冷凍機を使用することで、短期間での冷媒の補充や、酸欠や冷媒の無駄な消費を大幅に低減できる。

しかしながら、冷凍機は、冷媒の圧縮・膨張機構、ないしは冷媒ガスの循環機構を有するため、機械的な振動が大きい。また、チップに冷凍機を接続して冷却する場合、チップの到達温度は該冷凍機の吸熱能力、イオン銃の熱負荷、および接続経路の伝熱効率で制限されるため、伝熱（吸熱）経路は短くすることが望ましい。つまり、冷凍機とチップの接続は極力短く行う必要があり、必然的に冷凍機をイオン銃の近傍に配置することになる。一方、振動の観点からは、ＧＦＩＳの近傍に冷凍機を設置することは回避すべきである。市販されている冷凍機の中には低振動タイプのものもあるが、イオン源近傍に取付けて使用できるようなレベルとは言えない。

この課題に対して、特許文献１では、冷凍機をイオン源から距離をおいて設置し、冷凍機とイオン源との間をトランスファーチューブで接続し、該冷凍機であらかじめ冷却した冷媒ガスをトランスファーチューブにより循環させる技術が開示されている。

特開２０１１−１４２４５号公報

従来の特許文献１の方式では、冷凍機の振動が直接イオン源に伝わらないため、チップの振動を抑えることができるが、トランスファーチューブの熱負荷が冷凍機の負荷として上乗せされる。冷凍機の吸熱機能を上げることも考えられるが、冷凍機の吸熱量は物理的に現実的な範囲があり、無制限に大きくできない。また、冷凍能力が大きければ冷凍機自体も大型化し、振動、騒音なども大きくなる。特に、冷凍機自体の振動が大きくなれば床振動として、騒音が大きくなれば音波として、荷電粒子線装置に伝わることになる。

したがって、荷電粒子線の振動を低減しつつ、冷凍機の熱負荷を小さくする構造が必要となる。冷凍機の熱負荷を小さくするには、イオン銃自体を小型化してイオン銃内のチップとトランスファーチューブ末端の熱交換器との間の伝熱効率を向上させつつ、チップの断熱（熱伝導と輻射熱、および導入ガスによる熱輸送などの断熱）機能を向上させることが有効である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、荷電粒子線源の冷却機構を具備する荷電粒子線装置において、イオン銃を小型化してチップと熱交換器との間の伝熱効率を向上させつつ、イオン銃内の断熱性能を向上させる技術を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、大気側に配置された高電圧端子からチップに電圧を印加することによって荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、前記荷電粒子線を集束して試料に照射する荷電粒子線光学系と、前記チップを冷却する冷却機構と、を備える荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線源は、前記チップと前記高電圧端子との間に、前記大気側からの熱流入を抑制する断熱構造を有する断熱構造部材を備え、前記断熱構造部材における前記高電圧端子側の端部から前記チップ側の端部への伝熱経路が、前記断熱構造部材における前記高電圧端子側の端部から前記チップ側の端部への直線距離よりも長いことを特徴とする荷電粒子線装置が提供される。

本発明によれば、イオン銃を小型化してチップと熱交換器との間の伝熱効率を向上させつつ、イオン銃内の断熱性能を向上させることが可能となる。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。 本発明のある実施例に係る荷電粒子線装置のイオン銃の構成図である。 図２の上面図である。 チップ保持部品の断熱部品の構造を示す図である。 チップ保持部品の断熱部品の構造の別の例を示す図である。 チップ保持部品の断熱部品の構造の別の例を示す図である。 本発明の別の実施例に係る荷電粒子線装置のイオン銃の構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

＜荷電粒子線装置の構成＞
図１は、本発明の第１実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。なお、以下の実施例ではＧＦＩＳを用いたイオン顕微鏡を例として説明するが、チップの冷却を行う類の荷電粒子線源を用いた顕微鏡についても同様の構成、作用、効果が得られることは明白である。

荷電粒子線装置１００は、概して、イオン銃（荷電粒子線源）１と、光学系筐体２及び試料室３から構成される真空筐体１０１と、真空筐体１０１が載置される除振台２２と、冷凍機ユニット１６とを備える。

真空筐体１０１は、図示しない真空ポンプを含む排気系により真空排気され、少なくともイオン銃１においては、超高真空より良い圧力雰囲気が実現されている。イオン銃１は、チップ４と、チップ保持部品（チップ保持部材）５と、高電圧端子８と、チップ傾斜機構１０２とを備える。イオン銃１は、大気側に配置された高電圧端子８からチップ４に電圧を印加することによって荷電粒子線を放出する。イオン銃１は、大気側に、チップ傾斜機構１０２の曲面６と、曲面６上を動くフランジ７と、フランジ７に取付られた高電圧端子８とを備える。また、イオン銃１は、真空側（真空筐体１０１側）に、チップ４と、チップ４が固定され、且つチップ傾斜機構１０２のフランジ７と連結されたチップ保持部品５とを備える。

チップ４は、先端を針状に先鋭化した金属製のチップである。チップ４には、高電圧端子８内の絶縁碍子とチップ保持部品５の内部空間とを介して、リード線によって高電圧を印加することができる。また、引出し電極１７が、チップ４に対向して配置されており、引出し電極１７に高電圧を印加することによってイオンビームが生成される。イオンビームの放出方向の調整は、フランジ７をチップ傾斜機構１０２の曲面６上で傾斜させて、フランジ７に懸架されたチップ４を傾斜することにより行うことができる。

また、光学系筐体２は、荷電粒子線光学系として、コンデンサレンズ１８と、偏向系１９と、対物レンズ２０とを備える。コンデンサレンズ１８と、偏向系１９と、対物レンズ２０とは、それぞれ、イオンビームの光学軸３０に中心軸が一致するように配置されている。これにより、イオンビームの発散、集束、移動を行うことができる。また、試料室３は、その内部において、試料２１の位置決めを行う機構（図示せず）等を備える。これにより、イオンビーム対する試料２１の位置決めを行うことができる。

荷電粒子線装置１００は、チップ４の冷却機構として、熱交換器１０と、真空隔壁１１と、第１トランスファーチューブ１２及び第２トランスファーチューブ１４と、第１クランプ１３及び第２クランプ１５と、冷凍機ユニット１６とを備える。チップ４を保持するチップ保持部品５は、振動吸収可能な柔らかい銅網線９によって熱交換器１０に接続されており、チップ保持部品５と熱交換器１０との間は、良好な熱伝導率となっている。

冷凍機ユニット１６は、その内部において、後述する本発明の効果により採用可能になった低パワーで低振動の冷凍機１６ａと、冷媒ヘリウムを循環させる循環コンプレッサー１６ｂとを備える。冷凍機１６ａの吸熱能力は、到達温度４０［Ｋ］において３［Ｗ］程度のものが使用可能であり、典型的に設計可能と思われるイオン銃（例えば、従来のイオン銃）に必要な吸熱能力の半分程度で済む。冷凍機ユニット１６内で冷却された冷媒ヘリウムは、第２トランスファーチューブ１４及び第１トランスファーチューブ１２内を循環して熱交換器１０に到達し、熱交換器１０を最終的に約３０［Ｋ］まで冷却する。

第１トランスファーチューブ１２及び第２トランスファーチューブ１４は、本実施例では説明のために２つに分けているが、実際には１本の連続した構造としてもよい。第１及び第２トランスファーチューブ１２、１４のうち少なくとも第２トランスファーチューブ１４は、フレキシブルチューブから構成されてもよい。ここで、フレキシブルチューブは、制振性を有するチューブである。例えば、フレキシブルチューブは、蛇腹状の金属（例えば、ステンレス）製の外側配管と、外側配管の内部に配置されたフレキシブルな内側配管とから構成される。冷媒ヘリウムは、内側配管を通じて輸送され、熱交換器１０に流入する。通常、内側配管と外側配管との間は、断熱のために断熱シートが配置されるか、あるいは、真空断熱空間となっている。なお、冷凍機ユニット１６は低振動化されているが、その振動は皆無でないため第２トランスファーチューブ１４の長さをある程度（２〜３ｍ）とって荷電粒子線装置１００の土台２４から離した位置で床に堅く固定するとよい。

次に、冷凍機ユニット１６と熱交換器１０との間の接続の構成について説明する。冷凍機ユニット１６に接続されている第２トランスファーチューブ１４は、第２クランプ１５によって土台２４に固定されるとともに、第１クランプ１３によって除振台２２に固定されている。また、第１トランスファーチューブ１２の一端は、第２トランスファーチューブ１４に接続されるとともに、第１クランプ１３によって除振台２２に固定されている。なお、除振台２２は、土台２４との間にアクティブダンパーのような制振機構２３を介して載置され、床振動が真空筐体１０１に伝わらないようになっている。

第１トランスファーチューブ１２の他端は、真空隔壁１１を介して熱交換器１０に接続されている。真空隔壁１１は、熱交換器１０を保持するために大気側の室温から断熱された内部構造を有する。したがって、真空隔壁１１は、イオン銃１の真空隔壁ともなっている。

以上のような構成によって、冷凍機ユニット１６の振動は、土台２４でブロックされるとともに、フレキシブルチューブで構成される第２トランスファーチューブ１４と制振機構２３によって吸収される。このように、本実施例によれば、イオン銃１に振動は伝わらず、実用的に問題は生じない。

＜イオン銃の構成＞
次に本実施例に係るイオン銃の構成について図２から図５を用いて説明する。図２は、本発明の実施例に係る荷電粒子線装置のイオン銃１の構成図である。

チップ傾斜機構１０２は、曲面６を含む曲面フランジ１０３と、曲面フランジ１０３の曲面上に配置された傾斜フランジ１０４と、スチールボール５１、５２とを備える。曲面フランジ１０３は、イオン銃１の筐体外壁８１上の上部フランジ８２上に配置されている。上部フランジ８２は、筐体外壁８１の上部を構成しており、曲面フランジ１０３を配置するための平面を有する。また、曲面フランジ１０３の曲面６は、チップ４の先端を中心とした半径Ｒの球面４０の一部に一致するような形状である。曲面フランジ１０３は、スチールボール５２を介して上部フランジ８２上に配置されており、上部フランジ８２上で平面移動が可能な構成となっている。

また、傾斜フランジ１０４は、曲面６上にスチールボール５１を介して配置されている。また、傾斜フランジ１０４と上部フランジ８２とは、ベローズ５０によって接続されている。これにより、傾斜フランジ１０４は、曲面６上で移動が可能な構成となっている。また、傾斜フランジ１０４の上部開口部１０４ａは、高電圧端子８を備えたフランジ７によって真空封止されている。

曲面フランジ１０３及び傾斜フランジ１０４は、それぞれ、スチールボール５１、スチールボール５２を“ころ”として移動するため、移動するための摩擦抵抗は非常に小さく、小さい力での移動が可能である。上部フランジ８２には、９０°ピッチで４方向にブロック５６が締結されている。各ブロック５６には、ネジ５５が挿入されており、ネジ５５の先端が曲面フランジ１０３の側面に接触するように構成されている。図３は、図２の上面図を示し、簡略化のためブロック５６などは省略されている。曲面フランジ１０３は、４方向にあるネジ５５の差込みの具合によってＸ及びＹ方向に移動させることができる。曲面フランジ１０３は、所望の位置に移動後、ネジ５５を閉めこんで固定する。

曲面フランジ１０３には、９０°ピッチで４方向にブロック５４が締結されている。各ブロック５４には、ネジ５３が挿入されており、ネジ５３の先端が傾斜フランジ１０４の側面に接触するように構成されている。図３に示すように、傾斜フランジ１０４は、４方向にあるネジ５３の差込みの具合によってＸ及びＹ方向に移動させることができる。傾斜フランジ１０４は、所望の位置に移動後、ネジ５３を閉めこんで固定する。なお、傾斜フランジ１０４は、真空と大気圧との差圧で押さえつけられるため、この力による固定力とあいまって振動に対して強い位置の保持が可能となる。

なお、真空と大気圧との差圧は、ベローズ５０の大きさ（内径ないしは外径）を、許容可能な傾斜角度の範囲内で適切に設計することで調整も可能であり、本実施例では約３０ｋｇｆの差圧を得た。また、曲面フランジ１０３及び傾斜フランジ１０４の移動に要する力は不必要に大きくないため、ネジ５３とネジ５５の駆動を人力でなく、電動モーターや空圧駆動可能なアクチュエータによって行うことも容易である。

次に、図１のチップ保持部品５について図２を用いて説明する。チップ保持部品５は、断熱部品（断熱構造部材）３１と、吸熱部品３２と、チップ４を固定するチップホルダー（チップ保持部）３３とから構成される。吸熱部品３２は、熱交換器１０と銅網線９で連結されている。ここで、銅網線９は、フレキシブルで、且つ必要十分な熱伝導の断面積を有する。吸熱部品３２は、断熱部品３１とチップホルダー３３との間に配置されている。したがって、吸熱部品３２及びチップホルダー３３が、チップを冷却する冷却部材としての機能を果たす。吸熱部品３２は、所望の温度にもよるが、熱伝導率の良い電気銅あるいは無酸素銅を用いるのが好ましい。銅網線９は、線径の細い柔軟な無酸素銅線の網線であり、吸熱部品３２同様に輻射熱の吸収を防ぐために金メッキを施している。

また、高電圧端子８からの高電圧は、チップホルダー３３の内部空間を介してリード線によってチップ４に印加される。チップホルダー３３は、冷却されるチップ４の電気絶縁機能と良好な熱伝導機能とを得るために、熱伝導率の良いセラミックスを材料として用いることができる。また、必要とされる温度域によるが、３０［Ｋ］前後ではサファイアが、１００［Ｋ］前後では窒化アルミが熱伝導率の最大値を有するので、これらの材料を、熱伝導の良い絶縁材料として、チップホルダー３３に用いてもよい。

＜断熱部品の構造＞
図４は、チップ保持部品５の断熱部品３１の構造を示す図である。以下では、フランジ７からチップ４への熱絶縁構造を小型化して、チップ保持部品５の全長の短縮、すなわち、イオン銃１を小型化しつつ、チップの断熱機能も向上させる構造を説明する。

断熱部品３１は、実効的な伝熱経路を長くしつつ、全長を短縮する構造となっている。断熱部品３１は、第１の薄肉円筒（大）６０と、第２の薄肉円筒（中）６１と、第３の薄肉円筒（小）６２と、第１のリング（大）６３と、第２のリング（中）６４と、第１のフランジ（大）６５と、第２のフランジ（小）６６とを備える。具体的には、第１のフランジ６５がフランジ７に取付けられ、第１のフランジ６５に第１の薄肉円筒６０の高電圧端子８側の端部６０ａが取付けられる。第１の薄肉円筒６０のチップ４側の端部６０ｂは、第１のリング６３を介して第２の薄肉円筒６１のチップ４側の端部６１ａに取付けられる。また、第２の薄肉円筒６１の高電圧端子８側の端部６１ｂは、第２のリング６４を介して第３の薄肉円筒６２の高電圧端子８側の端部６２ａに取付けられる。さらに、第３の薄肉円筒６２のチップ４側の端部６２ｂは、第２のフランジ６６に取付けられ、第２のフランジ６６が吸熱部品３２に取付けられる。

断熱部品３１は、径の異なる薄肉円筒６０、６１、６２を入れ子に配置して、各薄肉円筒６０、６１、６２の端部を連結する折り返し構造である。このような構造によれば、実効的な伝熱経路を長くしながら全長を短縮し、且つ熱伝導の断面積を小さくして大きな温度勾配を生じさせることが可能となる。

ここで、折り返し構造とは、複数の部材を並べて配置し、隣接する部材の端部間を連結して１つの伝熱経路を形成する構造を意味する。本実施例では、複数の部材として円筒形状を用いているが、角柱や板状部材など、入れ子あるいは並べて配置できる形状ならば他の形状でもよい。図４の例では、外側の第１の薄肉円筒６０から内側の第２、第３の薄肉円筒６１、６２に順番に連結された構造となっているが、これに限定されず、内側の部材から外側の部材へ順番に連結するような構造でもよい。すなわち、１つの伝熱経路が形成されるように、複数の部材の端部間が連結されていればよい。

本実施例では、第１の薄肉円筒６０、第２の薄肉円筒６１、及び第３の薄肉円筒６２は、材料として、熱伝導率が小さく、薄肉加工も容易なセラミックスを用いている。使用可能なセラミックスとしては、マグネシアとシリカからなるステアタイトやジルコニアがあるが、本実施例ではシリカ、マグネシア、およびアルミナを主成分とするマシナブルセラミックスを使用し、熱伝導率は１．７［Ｗ／ｍ・Ｋ］（室温）を得た。この値は、一般的な金属の中でも熱伝導率の悪いステンレス鋼の約１／１０である。なお、他に熱伝導率の小さい材料としては、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）、ＰＥＴ（polyethyleneterephthalate）、ＰＥＥＫ（polyetheretherketone）などの高分子化合物がある。

また、断熱部品３１は、その内部に、高電圧端子８とチップ４を接続するリード線が通るため、最も内側の第３の薄肉円筒６２の内径は、放電を避ける程度の内径を有する。また、断熱部品３１において、機能として本質的でない余分な構造を作らず、コンパクト化するのがよい。例えば、各薄肉円筒６０、６１、６２の端部を締結する場合にネジなどを使用すると、コンパクト化に反する。したがって、本実施例では、ネジなどの締結部材を使用しない構成を採用する。

本実施例では、第１のリング６３と第２のリング６４が、セラミックスと線膨張率が近いチタンで形成されている。薄肉円筒６０、６１、６２のセラミックスの端面をメタライズすることで、該セラミックスと第１及び第２のリング６３、６４とのロウ付け（例えば、銀ロウ付け）が可能になる。これにより、断熱部品３１は、ネジなどの締結部材を使用しない、コンパクトな折返し構造を実現している。

また、第１のフランジ６５及び第２のフランジ６６も、チタンで形成されている。第１の薄肉円筒６０と第１のフランジ６５とをロウ付けし、第３の薄肉円筒６２と第２のフランジ６６とをロウ付けする。なお、このようなロウ付けによる連結は、非磁性のため荷電粒子線への影響がない。なお、第１のリング６３、第２のリング６４、第１のフランジ６５及び第２のフランジ６６の材料として、チタンを一例として挙げたが、セラミックの接合可能な他の金属を材料としてもよい。

本実施例によれば、断熱部品３１は、径の異なる薄肉円筒６０、６１、６２を入れ子にして配置して、各薄肉円筒６０、６１、６２の端部を連結する折り返し構造となっている。これにより、チップ保持部品５の全長の短縮、すなわち、イオン銃１を小型化できる。これは、図２における球面４０の半径Ｒを従来よりも小さくできることを意味する。しかも、チップ保持部品５の熱絶縁構造を小型しつつも、実効的な伝熱経路（図４の例では、薄肉円筒６０、６１、６２の合計の長さ）は従来より長くなっているため、チップの断熱機能を向上させることが可能となる。

したがって、本実施例によれば、イオン銃１を小型化してチップ４と熱交換器１０との間の伝熱効率を向上させつつ、イオン銃１内の断熱性能を向上させることができる。なお、本実施例では、球面４０の半径Ｒを小さくすることでイオン銃１の小型化を実現しているが、本実施例の構成では、断熱部品３１の全長を短縮することで、チップホルダー３３の全長を沿面耐電圧の確保にも余裕が持てる値で設計できる。

なお、本実施例では、断熱部品３１は、径の異なる薄肉円筒６０、６１、６２を入れ子にして配置して、各薄肉円筒６０、６１、６２の端部を連結する折り返し構造としているが、この構成に限定されない。チップ保持部品５の熱絶縁構造を小型しつつ、実効的な伝熱経路は長くするという点においては、断熱部品３１における伝熱経路が、断熱部品３１の高電圧端子８側の端部とチップ４側の端部との間の距離ｌ_１よりも長くなっていればよい。例えば、断熱部品３１が、波状やジグザク状などの部材から構成されてもよく、断熱部品３１における伝熱経路が断熱部品３１の高電圧端子８側の端部とチップ４側の端部との間の距離ｌ_１よりも長くなっている形状であれば本発明に全て含まれる。

なお、本実施例のように、複数の部材（薄肉円筒６０、６１、６２）を入れ子にして配置した場合、低温となる内側の第３の薄肉円筒６２は室温であるイオン銃１の内壁から直接的な熱輻射を受けない。したがって、この構成によれば、熱輻射による熱の侵入を小さくできるという利点がある。

次に、断熱部品３１の他の実施例について図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、チップ保持部品の断熱部品の構造の別の例を示す図である。

図５Ａは、薄肉円筒を５個用いた例である。断熱部品３１は、第１の薄肉円筒７１と、第２の薄肉円筒７２と、第３の薄肉円筒７３と、第４の薄肉円筒７４と、第５の薄肉円筒７５と、第１のリング７６と、第２のリング７７と、第３のリング７８と、第４のリング７９と、第１のフランジ６５と、第２のフランジ６６とを備える。各薄肉円筒７１、７２、７３、７４、７５及び各リング７６、７７、７８、７９は、上述した実施例と同様の材料で形成されている。また、上述した実施例と同様に、各薄肉円筒７１、７２、７３、７４、７５は、それぞれ、リング７６、７７、７８、７９とロウ付けによって連結されている。また、第１の薄肉円筒７１と第１のフランジ６５ともロウ付けによって連結され、第５の薄肉円筒７５と第２のフランジ６６ともロウ付けによって連結されている。

薄肉円筒７１、７２、７３、７４、７５は、０．５ｍｍ前後に薄肉化が可能である。したがって、本実施例によれば、各薄肉円筒７１、７２、７３、７４、７５間の隙間の設定とあいまって、外径と内径を極端に変更することなく断熱性能を維持したままで、図４の例に比べて全長の短縮が可能となる。

図５Ｂは、薄肉円筒を３個用いた別の例である。本実施例では、内側の第３の薄肉円筒６２が、マシナブルセラミックス製の薄肉円筒とし、波状に加工して伝熱距離が長くなるように構成されている。第１の薄肉円筒６０及び第２の薄肉円筒６１は、ステンレス鋼で形成されている。このように、薄肉円筒６０、６１、６２のうち少なくとも１つを、円筒の直径が円筒の長軸方向に一定でない形状に形成してもよい。

このように、セラミックス製の第３の薄肉円筒６２の外周をステンレス鋼製の第１の薄肉円筒６０及び第２の薄肉円筒６１で覆うことにより、割れやすいセラミックスを衝撃から保護することができる。また、ステンレス鋼はセラミックスよりもさらに薄肉化が容易である。よって、第１の薄肉円筒６０及び第２の薄肉円筒６１を更に薄肉化しつつ、実用的な断熱性能の範囲で設計が可能である。

本実施例では、第１のリング６３及び第１のフランジ６５は、ステンレス鋼で形成されている。また、第２のリング６４及び第２のフランジ６６は、チタンで形成されている。チタンとセラミックス、チタンとステンレス鋼は同じロウ材を用いてロウ付け（例えば、銀ロウ付け）が可能であるため、製造工程において、真空炉を用いたロウ付けによって各部材の接合を同時に行うことができる。なお、折返し構造の組合せは、図５Ｂの材質と適用した薄肉円筒６０、６１、６２の組合せに限られるものではなく、類似の組合せにおいても同様の効果が得られる。本発明の適用によって、結果的に半径Ｒは１００ｍｍ以下に短縮できた。なお、上述では、第１の薄肉円筒６０、第２の薄肉円筒６１、第１のリング６３、第２のリング６４、第１のフランジ６５、及び、第２のフランジ６６の材料の一例として、チタンやステンレス鋼を挙げたが、セラミックの接合可能な他の金属を材料としてもよい。

＜イオン銃の別の実施例＞
図６は、本発明の別の実施例に係る荷電粒子線装置のイオン銃の構成図である。なお、上述した実施例と同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本実施例では、荷電粒子線装置が、熱交換器１０よりも高い温度、例えば６０［Ｋ］程度になる第２の熱交換機３４を更に備える。第２の熱交換機３４は、熱交換器１０を取り囲むような形状で構成されている。また、イオン銃１の筐体外壁８１の内側には、チップ４、チップホルダー３３、及び吸熱部品３２を取り囲む熱シールド３５が配置されている。熱シールド３５は、例えば、円筒状の形状である。熱シールド３５は、第２の熱交換機３４に接続されており、第２の熱交換機３４によって冷却される。

例えば、第２の熱交換機３４は、図１に示す冷却機構（真空隔壁１１と、第１トランスファーチューブ１２及び第２トランスファーチューブ１４と、第１クランプ１３及び第２クランプ１５と、冷凍機ユニット１６）と同様の機構に接続される。なお、別の例として、第２の熱交換機３４は、熱交換器１０での吸熱後に温度上昇した冷媒ヘリウムを用いて冷凍機ユニット１６に戻る過程で冷却してもよいし、冷凍機ユニット１６にて適温に整えた冷媒ヘリウムを第２の熱交換機３４との間で循環させて冷却してもよい。

本実施例によれば、熱シールド３５を追加して、チップ４、銅網線９、吸熱部品３２およびチップホルダー３３を取り囲むことにより、イオン銃１の筐体外壁８１や上部フランジ８２など、室温にある部材からチップ４、銅網線９、吸熱部品３２およびチップホルダー３３など極低温にある部位へ流入する熱輻射量を低減させることが可能となる。

さらに、本実施例によれば、第２の熱交換機３４が熱交換器１０を取り囲む形状となっているので、熱交換器１０への熱輻射も遮蔽でき、熱負荷が減少するためチップ４の冷却到達温度をより下げられることも期待できる。本実施例によれば、チップ保持部品５に外部から流入する熱量は、伝熱および輻射を併せても約０．５［Ｗ］程度に抑えることができ、低パワー、低振動の冷凍機を用いてもチップの到達温度を４０［Ｋ］程度にすることが実現できた。

以下では、図１〜図６の実施例により得られる効果について説明する。本発明では、イオン源の熱負荷低減策として必要となるイオン源の小型化が、高性能（低振動）かつ安価な荷電粒子線装置、特にイオン顕微鏡の実現策と考えた。具体的にイオン源の設計を行う場合、筐体大径化の原因となるチップの保持部品の熱絶縁構造及び電気絶縁構造が課題となる。
本実施例では、断熱部品３１は、径の異なる薄肉円筒６０、６１、６２を入れ子にして配置して、各薄肉円筒６０、６１、６２の端部を連結する折り返し構造となっている。これにより、チップ保持部品５の全長の短縮、すなわち、イオン銃１を小型化できる。しかも、チップ保持部品５の熱絶縁構造を小型化しつつも、実効的な伝熱経路（図４の例では、薄肉円筒６０、６１、６２の合計の長さ）は従来より長くなっているため、チップの断熱機能を向上させることが可能となる。

また、各薄肉円筒６０、６１、６２は熱伝導率の小さい材料を母体としており、伝熱による熱流入を小さくしたまま伝熱経路を短縮できるので、コンパクトに設計できる。また、各薄肉円筒６０、６１、６２は折返し構造であるため、最外部の第１の薄肉円筒６０の端面を室温である高電圧端子８側に固定し、最も内側の第３の薄肉円筒６２の一方の端面を極低温となるチップ４側に固定することにより、室温から極低温の温度勾配が生じる。この結果、低温となる内側の第３の薄肉円筒６２は、室温である高電圧端子８側の内壁から直接的な熱輻射を受けず、各薄肉円筒６０、６１、６２間の温度差も小さいことから、熱輻射による熱の侵入を小さくできる。

さらに、省スペース化のための解決策として、薄肉円筒６０、６１、６２間はロウ付けにより接続されている。さらに、チップ保持部品５を熱絶縁部品であり且つ折返し構造である断熱部品３１と、チップ４を直接保持する電気絶縁部品であるチップホルダー３３とに分けて、かつ冷凍機ユニット１６と接続して極低温となる吸熱部品３２を両者間に設ける。チップホルダー３３は、折返し構造とは逆に、熱伝導率の大きい材料を使用した伝熱部品でもある。これにより、吸熱部品３２とチップ４との間の温度差を小さくし、チップ４を極低温に冷却することも可能となる。

結果として、本実施例の断熱部品３１の適用によって、イオン銃１の筐体外径は１５０ｍｍ以下にできる。これにより、室温である内部表面積の低減が可能となり、イオン銃１の熱負荷低減、つまりは冷凍機の低パワー化、低振動化および低騒音化が図れ、結果的に冷凍機ユニット１６からイオン顕微鏡に伝わる振動も極めて小さくすることが可能となった。また、チップ傾斜機構１０２の傾斜角度は±５°程度はベローズ５０の大きさ（内径ないしは外径）などを適切に選択することによって容易に得られ、チップ４の先端面方位（ビーム放出方向）の光軸合わせにも十分余裕が持てる構成となっている。

一方、従来のイオン銃筐体は巨大なものであり、その要因と付随する弊害は下記のようなものであった。
（１）室温となるイオン源筐体とチップ間の熱絶縁と電気絶縁のためにチップを保持する軸部が長いため、チップを支点とした傾斜機構の傾斜半径（Ｒ）が大きくなる。よって、数度の傾斜角度でも軸部の移動領域は大きくなり、傾斜機構を構成するすべり球面の開口部も大きくする必要がある。さらに、筐体内外の大気圧と真空間の差圧も大きなものとなり、結果的に筐体外径の巨大化と堅牢化が必要となる。
（２）チップを保持する軸部が長いので、傾斜機構を強固にしても冷凍機の取付けられた筐体ないしは冷凍機との接続部品が振動すれば、該軸部先端に取り付けられたチップの変位も大きくなる。
（３）材料、構造も強固なもの（リン青銅、硬化鋼）が必要であり、加工も含めて高価になる。
（４）接触面積が大きいことと大径化による大気圧負荷上昇が摩擦抵抗を増加させるため、高圧空気で傾斜移動面を浮かせる必要が生じており、不必要となる機能とコストの増加が生じている。
（５）従来の傾斜機構は巨大であり、傾斜機構自体を動かすことができない。よって、チップの平面移動は傾斜した平面上となり、傾斜時の平面移動によって微少とはいえチップ先端の高さが変化し、光学性能が変化する。
（６）荷電粒子線装置のイオン銃に必要な機能としてチップの傾斜機構があり、チップの小型化を阻害する要因となる。また、チップおよび付属部品に加え、傾斜機構自体を冷却する必要が生じる。よって、冷凍機の負荷が増加する。また、従来の傾斜機構では、材質や駆動方法も含めて安価なシステムとはならない。

これに対し、本実施例では、以下の効果がある。
（１）チップ保持部品５を小さく設計できるため、筐体の小型化が図れ、熱負荷の低減と耐電圧の向上のみならず、主眼とした荷電粒子線装置の低振動化が可能となる。
（２）筐体内部の表面積の縮小により真空中の部材からの放出ガスが低減されるため、イオン銃１に必要なもう一つの能力である真空性能の向上も可能となる。真空中の残留ガスはチップに吸着して、荷電粒子線の安定性を悪化させる。つまり、真空性能の向上は荷電粒子線の安定性を向上させる。
（３）また、高温ベーキングにも耐え、真空中での放出ガスが低減できるため、真空の質が向上する。さらに、線膨張率が小さいため、部分的に低温となっても寸法変化が小さく、機械的、光学的信頼性が向上する。
（４）チップ傾斜機構１０２の曲面６はすり合わせ構造ではなく、スチールボール５１、５２を配置する構成である。したがって、摩擦が軽減し、かつ曲面加工も片側のみで済むため低コストである。

（５）断熱部品３１の短縮により球面４０の半径Ｒを小さくできるので、曲面フランジ１０３自体をＸ−Ｙ方向（図３参照）に移動することが可能になる。よって、チップ４を傾斜させてもチップ４の高さ変化がなく、移動面間にスチールボール５１、５２を挟むことで小さい力での移動も可能となる。
（６）チップ傾斜機構１０２を小型化してもベローズ５０の開口部面積の適切な設計によって大気圧負荷は設計可能であり、傾斜および平行移動機構を保持・制振に必要十分な負荷を得ることができる。
（７）チップ傾斜機構１０２が小型化されるため、移動推力は小径のネジ５３、５５で十分であり、所望の位置でネジ５３、５５を固定すれば制振能力も補助される。また、電動モーターや空圧駆動アクチュエータの使用も容易になる。
（８）チップ傾斜機構１０２が小型化されるため、冷凍機の負荷が増加しない。また、従来のような大型で複雑な機構が必要なく、安価なシステムとなる。
（９）振動の低減に加えて、従来と同じ能力の冷凍機を用いても冷却温度の低減が可能となる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ ：イオン銃
２ ：光学系筐体
３ ：試料室
４ ：チップ
５ ：チップ保持部品
６ ：曲面
７ ：フランジ
８ ：高電圧端子
９ ：銅網線
１０ ：熱交換器
１１ ：真空隔壁
１２ ：第１トランスファーチューブ
１３ ：第１クランプ
１４ ：第２トランスファーチューブ
１５ ：第２クランプ
１６ ：冷凍機ユニット
１６ａ ：冷凍機
１６ｂ ：循環コンプレッサー
１７ ：引出し電極
１８ ：コンデンサレンズ
１９ ：偏向系
２０ ：対物レンズ
２１ ：試料
２２ ：除振台
２３ ：制振機構
２４ ：土台
３０ ：光学軸
３１ ：断熱部品
３２ ：吸熱部品
３３ ：チップホルダー
３４ ：第２の熱交換機
３５ ：熱シールド
４０ ：球面
５０ ：ベローズ
５１ ：スチールボール
５２ ：スチールボール
５３ ：ネジ
５４ ：ブロック
５５ ：ネジ
５６ ：ブロック
６０ ：第１の薄肉円筒
６０ａ、６０ｂ ：第１の薄肉円筒の端部
６１ ：第２の薄肉円筒
６１ａ、６１ｂ ：第２の薄肉円筒の端部
６２ ：第３の薄肉円筒
６２ａ、６２ｂ ：第３の薄肉円筒の端部
６３ ：第１のリング
６４ ：第２のリング
６５ ：第１のフランジ
６６ ：第２のフランジ
７１ ：第１の薄肉円筒
７２ ：第２の薄肉円筒
７３ ：第３の薄肉円筒
７４ ：第４の薄肉円筒
７５ ：第５の薄肉円筒
７６ ：第１のリング
７７ ：第２のリング
７８ ：第３のリング
７９ ：第４のリング
８１ ：筐体外壁
８２ ：上部フランジ
１００ ：荷電粒子線装置
１０１ ：真空筐体
１０２ ：チップ傾斜機構
１０３ ：曲面フランジ
１０４ ：傾斜フランジ
１０４ａ ：上部開口部

Claims (15)

1. 大気側に配置された高電圧端子からチップに電圧を印加することによって荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
   前記荷電粒子線を集束して試料に照射する荷電粒子線光学系と、
   前記チップを冷却する冷却機構と、
   を備え、
   前記荷電粒子線源は、前記チップと前記高電圧端子との間に、前記大気側からの熱流入を抑制する断熱構造を有する断熱構造部材を備え、
   前記断熱構造部材における前記高電圧端子側の端部から前記チップ側の端部への伝熱経路が、前記断熱構造部材における前記高電圧端子側の端部から前記チップ側の端部への直線距離よりも長いことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記断熱構造部材は、複数の部材を並べて配置し、隣接する部材の端部間を連結して１つの伝熱経路を形成する折り返し構造を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
   前記複数の部材は、径の異なる複数の筒状部材であり、
   前記折り返し構造は、前記複数の筒状部材を入れ子に配置し、隣接する筒状部材の端部を接続して、１つの伝熱経路を形成する構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
   前記隣接する筒状部材の端部は、接続部材とロウ付けによって接続されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
   前記筒状部材は、セラミックにより形成され、前記接続部材は、セラミックに接合可能な金属により形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
   前記複数の筒状部材は、セラミックス製の第１の筒状部材と、セラミックに接合可能な金属により形成された第２の筒状部材とを含み、
   前記断熱構造部材は、前記第１の筒状部材の外側に前記第２の筒状部材が配置された構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
   前記複数の筒状部材の少なくとも１つは、当該筒状部材の直径が当該筒状部材の長軸方向に一定ではない形状であることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線源は、前記冷却機構に接続された冷却部材を有し、
   前記荷電粒子線源は、大気側から、前記高電圧端子、前記断熱構造部材、前記冷却部材、前記チップの順で配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項８に記載の荷電粒子線装置において、
   前記冷却部材は、サファイアまたは窒化アルミ製のセラミックスであるチップ保持部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    前記チップを傾斜させて、前記チップから放出される前記荷電粒子線の方向を調整可能な傾斜機構を更に備え、
    前記傾斜機構は、曲面上を移動する傾斜フランジと、前記チップを保持するチップ保持部材と、前記曲面と前記傾斜フランジとの間に配置されたボールとを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
    前記曲面は、前記チップの先端の位置を中心とする球面の一部に一致する形状であることを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
    前記傾斜機構は、前記曲面を有し、且つ前記荷電粒子線源の上部を構成する平面上に配置された曲面フランジを更に備え、
    前記曲面フランジが、ボールを介して前記平面上に配置されて、前記平面上を移動可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    前記冷却機構が、冷媒を循環させる冷凍機と、前記冷凍機に接続されたトランスファーチューブと、前記トランスファーチューブに接続された熱交換器と、前記熱交換器に接続された冷却部材とを備え、
    前記トランスファーチューブは、床に固定された土台と、前記床から振動絶縁された除振台に固定されており、前記トランスファーチューブにおける少なくとも前記除振台の固定位置と前記冷凍機との間の部分は、制振性を有するフレキシブルチューブであることを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項１３に記載の荷電粒子線装置において、
    前記冷却機構が、
    前記熱交換器を取り囲む第２の熱交換器と、
    前記第２の熱交換器に接続され、前記チップを取り囲む熱シールドと、
    を更に備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 大気側に配置された高電圧端子からチップに電圧を印加することによって荷電粒子線を放出する荷電粒子線源であって、
    前記チップと前記高電圧端子との間に、前記大気側からの熱流入を抑制する断熱構造を有する断熱構造部材を備え、
    前記断熱構造部材における前記高電圧端子側の端部から前記チップ側の端部への伝熱経路が、前記断熱構造部材における前記高電圧端子側の端部から前記チップ側の端部への直線距離よりも長いことを特徴とする荷電粒子線源。

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