JP5149387B2 - 荷電粒子銃及びこれを用いた集束イオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子銃及びこれを用いた集束イオンビーム装置に関する。

近年、高エネルギーの荷電粒子線（例えば集束イオンビーム）を用いた試料の加工が盛んに行われるようになっており、その一例としては、荷電粒子源から引出電極により引出した荷電粒子線をアース電極（加速電極）により加速し、さらにレンズにより細く絞り、試料に照射することによって試料の微細加工を行う技術が知られている（特許文献１等参照）。

特開２００５−１７４６０４号公報

上記従来技術においては、アース電極により印加した加速電圧により加速した荷電粒子を試料に照射し、その試料の構成原子を弾き飛ばすことにより試料の微細加工を行うことができる。しかしその一方で、荷電粒子線の照射により試料の構成原子に空孔や配列の乱れが生じ、荷電粒子線が照射された試料表面にアモルファス層が形成されてしまう場合がある。例えば、荷電粒子の質量が比較的大きな荷電粒子線（例えばガリウム（Ｇａ）イオンビーム）を用いる場合には、試料表面（加工部）に厚さ数１００Åのアモルファス層が形成される場合がある。試料表面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等により観察する場合、試料表面がアモルファス層に覆われていると、試料表面の鮮明な画像が取得できず、試料観察の妨げとなってしまう。

このようなアモルファス層の形成は、例えば、荷電粒子に印加する加速電圧を下げて荷電粒子線のエネルギーを下げることにより、ある程度抑制することができる。

しかしながら、加速電圧を下げて荷電粒子線の照射を行うと、試料位置における色収差が増加してしまうためビームを細く絞ることができず、加工精度が低下する恐れがある。また、加速電圧に比例してビーム電流が減少するため加工速度が遅くなり、加工効率が低下してしまうという点も懸念される。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、荷電粒子ビームによる加工精度、及び加工効率の低下を抑制しつつ、荷電粒子の加速電圧を下げることができる荷電粒子銃及びこれを用いた集束イオンビーム装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、荷電粒子源と、前記荷電粒子源との距離を固定された第１引出電極と、前記第１引出電極の前記荷電粒子源と反対側に配置され、前記第１引出電極との距離を調整可能に設けられた第２引出電極と、前記第２引出電極の前記第１引出電極と反対側に配置され、前記第２引出電極との距離を固定されたアース電極とを備え、前記第１引出電極と前記第２引出電極を同電位とする。

本発明においては、荷電粒子ビームによる加工精度、及び加工効率の低下を抑制しつつ、荷電粒子の加速電圧を下げることができる。

本実施の形態に係わる集束イオンビーム装置を示す部分断面図である。 ユニポテンシャルレンズの減速モード、及び加速モードにおける収束作用を示す図である。 イオン銃におけるイオンビームの集束作用を示す図である。 Ｖｅ／Ｖａとイオン銃の仮想光源の位置の関係を示す図である。 集束イオンビーム装置を構成する部材の位置関係を示す図である。 ビーム電流とビーム径の関係を示す図である。 バイポテンシャルレンズの結像関係を説明する図である。 Ｖａ／Ｖｅとイオン銃の結像点の関係を示す図である。 比較例のイオン銃の構成を示す図である。 比較例のイオン銃の構成を示す図である。 引出電圧とＶａ／Ｖｅの関係を示す図である。 集束イオンビーム装置の全体構成を簡略化して示す図である。 ρ＾２に対するイオンビームの状態を示す図である。 ρ＾２と角度倍率、ビーム開き角の関係を示す図である。 本実施の形態における荷電粒子銃を示す図である。 引出電圧Ｖｅ、イオン源１の高さｈを変化させた場合のビーム電流の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（１）集束イオンビーム装置の全体構成
図１は、本実施の形態に係わる集束イオンビーム装置を示す部分断面図である。

図１において、本実施の形態の集束イオンビーム装置は、荷電粒子源１、引出電極１３１，１３２、ビーム制限アパーチャ１４、アース電極１５等から構成される荷電粒子銃３０、複数（例えば３つ）のコンデンサ電極１７により構成されるコンデンサレンズ２、絞り装置（対物アパーチャ）３、アライナー・スティグマ４、ブランカー５、ブランキングプレート６、ビーム走査器７、対物レンズ８、試料ステージ１１、検出器１２等から概略構成されている。

荷電粒子源１は、例えば、ガリウム液体金属イオン源などのＬＭＩＳ（Liquid Metal Ion Source）であり、荷電粒子銃３０は試料方向（図４中下方向）に荷電粒子線９としてガリウムイオンビーム（以下、イオンビームと記載する）を照射する（後に詳述）。荷電粒子銃３０から照射されたイオンビーム（荷電粒子線）９は、コンデンサレンズ２により弱い収束作用を受け、絞り装置３に入射される。

絞り装置３は、イオンビーム（荷電粒子線）９の光軸上に配置された帯状の部材であり、駆動装置（図示せず）により、その長手方向に摺動可能に設けられている。絞り装置３には長手方向に複数（例えば４つ）のアパーチャ（絞り）が並べて配置されている。アパーチャの直径は、例えば、直径５μｍ，４０μｍ，２００μｍ，５００μｍである。この絞り装置３を駆動装置（図示せず）により長手方向に移動することにより、イオンビーム９の光軸上に所望の直径のアパーチャを配置する。

絞り装置３のアパーチャを通過したイオンビーム９は、アライナー・スティグマ４、ブランカー５、ブランキングプレート６、ビーム走査器７を経た後、さらに対物レンズ８の収束作用により細く絞られて試料ステージ１１に載置された試料１０に照射される。

試料１０上におけるイオンビーム９の照射位置はビーム走査器７により制御される。イオンビーム９の照射により試料１０から生じた信号（２次電子）は、検出器１２により検出され、その検出信号は制御装置（図示せず）に送られる。

制御装置（図示せず）は、操作信号によりビーム走査器７を制御してイオンビーム９により試料１０上を走査し、ビーム走査器７への操作信号と検出器１２で検出した信号（検出信号）の同期をとることにより試料１０の画像を取得し、表示装置（図示せず）に表示する。

本実施の形態における荷電粒子銃３０は、上記のような集束イオンビーム装置に適用されるものである。

（１−１）コンデンサレンズ（静電レンズ）２の動作原理
図２（ａ），（ｂ）は、コンデンサレンズ２の構成を簡略化して示す図であり、図２（ｂ）は加速モード、図２（ａ）は減速モードの場合を示している。なお、図２（ａ），（ｂ）においては、集束イオンビーム装置におけるイオンビーム９の光軸方向を横方向に示している。コンデンサレンズ２は、中心にイオンビーム９の透過部を有する円盤状の複数（例えば３枚）の電極で構成されており、図２（ａ），（ｂ）においては、コンデンサレンズ２のレンズ光軸を通る平面における断面のうち、レンズ光軸に対して片側のみを表している。

図２（ａ），（ｂ）において、コンデンサレンズ２は、荷電粒子銃３０からのイオンビーム９が入射される側に配置された入射側電極８１と、イオンビーム９が出射される側に配置された出射側電極８３と、入射側電極８１と出射側電極８３の間に配置された中間電極８２の３枚の電極を備えている。

中央電極８２には電圧（φ）が印加され、入射側電極８１及び出射側電極８３は接地される（アース電位とする）。このように荷電粒子線の入力側と出力側の電位が変化しない静電レンズをユニポテンシャルレンズと呼ぶ。また、中央電極８２に正電圧を印加する場合（図２（ａ）参照）を減速モード、中央電極８２に負電圧を印加する場合（図２（ｂ）参照）を加速モードと呼ぶ。

このようなコンデンサレンズ（静電レンズ）２のイオンビーム９に対する収束作用について説明する。

イオンビーム９を構成するイオンは荷電粒子であるから、その荷電粒子が通過する空間に生じている電場Ｅ、及び磁場Ｂと相互作用する。

例えば、電荷ｑ、質量ｍ０の荷電粒子が電場Ｅ、磁場Ｂの中を速度ｖで移動する場合、この荷電粒子に働く力Ｆは、下記の式１により表される。

このように電場Ｅ及び磁場Ｂにより荷電粒子が受ける力をローレンツ力という。

コンデンサレンズ２において、イオンビーム９を構成する荷電粒子に作用するのは、３枚の電極８１〜８３間に生じる電場Ｅのみである。この電場Ｅは、コンデンサレンズ２のレンズ光軸に対して軸（回転）対称である。

レンズ光軸上にｚ座標（ｚ軸）、動径方向にｒ座標をとると、電場Ｅはその動径方向成分Ｅｒ、及びｚ座標向成分Ｅｚを用いて表される。これらＥｒ，Ｅｚは下記の式２及び式３で表される。

コンデンサレンズ２のレンズ作用は、そのコンデンサレンズ２により生じた電場Ｅ中を通過する間に受ける動径方向（ｒ方向）の曲がりの積分として表される。電場Ｅの動径方向（ｒ方向）の成分（電場Ｅｒ）から荷電粒子が受ける力Ｆｒは、下記の式４により表される。

また、動径方向の力Ｆｒは、下記の式５のように表すことができる。

上記の式４に式２と式５を代入すると下記の式６のように計算され、下記の式７が得られる。

上記の式７は、電場Ｅｒにより荷電粒子に生じる動径方向（ｒ方向）の速度変化ｄｖｒを示している。つまり、荷電粒子により構成されるイオンビーム９は、この速度変化ｄｖｒに従って進行方向が変わる。

上記の式７の右辺は、分母に荷電粒子の速度のｚ軸方向成分ｖｚを有しており、ｚ軸方向の速度が遅いほど、イオンビーム９（荷電粒子）の向きは大きく変わることがわかる。つまり、速度ｖｚが小さくなるにつれてｄｖｒが大きくなり、レンズ光軸（ｚ軸）側への集束作用が大きくなる。また、ｖｚが大きくなるにつれてｄｖｒが小さくなり、レンズ光軸方向への集束作用が小さくなる。

また、ｄｖｒ／ｄｚはイオンビーム９の屈折を示しており、ｚ軸方向に対するビームの傾きがｒ座標に比例していることからレンズの焦点に関係することがわかる。

図２（ａ）に示した減速モードの場合においては、イオンビーム９は入射側電極８１（接地）と出射側電極８３（接地）の付近では電界の分布形状によりレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受けるが、中間電極８２（正電圧印加）の付近ではレンズ光軸側への力（集束力）を受ける。また、荷電粒子（正電荷）は、コンデンサレンズ２内の中間電極８２付近で最も減速されて速度が遅くなる。したがって、コンデンサレンズ２は減速モードにおいて、凸レンズとして作用する。

一方、図２（ｂ）に示した加速モードの場合においては、イオンビーム９は入射側電極８１（接地）と出射側電極８３（接地）の付近ではレンズ光軸側への力（集束力）を受けるが、中間電極８２（負電圧印加）の付近ではレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受ける。また、荷電粒子（正電荷）は、コンデンサレンズ２内の中間電極８２付近で最も加速されて速度が速くなる。したがって、コンデンサレンズ２は加速モードにおいても凸レンズとして作用する。

このように、コンデンサレンズ（静電レンズ）２は、減速モード（図２（ａ）参照）、及び加速モード（図２（ｂ）参照）のいずれの場合においても、凸レンズとして作用する。

（１−２）荷電粒子銃の動作原理
ここでは、本実施の形態の荷電粒子銃（イオン銃：後述）に対する比較例として、荷電粒子源（イオン源）、引出電極１３及びアース電極１５を備えたイオン銃を例示し、その動作原理を説明する。

図３は、の一例としてのイオン銃のレンズ作用を説明する図であり、図３（ａ）は引出電極１３に正電圧を印加した場合、図３（ｂ）は引出電極１３に負電圧を印加した場合をそれぞれ示している。

図３のイオン銃は、イオン源、引出電極１３、及びアース電極１５によりレンズを構成する（レンズ作用を生じる）。このように、荷電粒子線の入射側と出射側が電位の異なる２枚の電極で構成されるレンズを、入射側と出射側の電位が変化しないユニポテンシャルレンズに対して、バイポテンシャルレンズと呼ぶ。

図３（ａ），（ｂ）においては、レンズ光軸を横方向に示している。レンズ光軸上のイオン源を原点とし、レンズ光軸に沿ってイオン源からの距離を示すｚ軸をとる。また、縦軸にはレンズ光軸（ｚ軸）上の各位置におけるイオン源を基準とした電位を示すと共に、レンズ光軸からの距離（動径方向の距離ｒ）を示している。

図３（ａ），（ｂ）に示すようにイオン銃では、イオン源から放出された電荷ｑを有するイオン（荷電粒子）が直ちに引き出し電位（イオン源を基準にした引出電極１３の電位：Ｖｅ）の運動エネルギーｑ・Ｖｅを得た後、等電位空間を等速運動して引出電極１３を通過し、引出電極１３の電位Ｖｅとアース電極１５の電位（イオン源を基準にしたアース電極の電位：Ｖａ）の電位差（Ｖａ−Ｖｅ）で加速されて最終的に運動エネルギーｑ・Ｖａのイオンビーム（荷電粒子線）が出射される。

イオン源から放出されたイオン（荷電粒子）に働く力は、上記の静電レンズ（コンデンサレンズ２）の場合と同様に表される。すなわち、イオン源、引出電極１３、及びアース電極１５により生じた電場Ｅ内をイオン源から放出された電荷ｑ、質量ｍ０、速度ｖのイオンが移動する場合、電場Ｅの動径方向成分Ｅｒ及びイオンの動径方向（ｒ方向）の速度変化ｄｖｒは、上記の式２及び式７により表される。イオンビーム（荷電粒子線）は、イオン銃においても上記の式７に示される速度変化ｄｖｒに従って進行方向が変わる。

図３（ａ）に示したように、引出電極１３に正電圧を印加した場合においては、イオンビーム（正電荷）はアース電極１５（接地）の付近では電界の分布形状によりレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受けるが、引出電極１３（正電圧印加）の付近ではレンズ光軸側への力（収束力）を受ける。また、イオンビームは、引出電極１３付近で最も減速されて速度が遅くなる。したがって、イオン銃のレンズ作用は、引出電極１３に正電圧を印加した場合おいて凸レンズ作用となる。図３（ａ）では、イオンビームはイオン銃のレンズ作用においては実像を作らず、虚結像となっている。

一方、図３（ｂ）に示したように、引出電極１３に負電圧を印加した場合においては、イオンビーム（正電荷）はアース電極１５（接地）の付近ではレンズ光軸側への力（収束力）を受けるが、引出電極１３（負電圧印加）の付近ではレンズ光軸から遠ざかる方向への力を受ける。また、イオンビームは、引出電極１３付近で最も加速されて速度が速くなる。したがって、イオン銃のレンズ作用は、引出電極１３に負電圧を印加した場合においても凸レンズとして作用する。図３（ｂ）では、イオンビームはイオン銃のレンズ作用において実像を作り、実結像となっている。

このようなイオン銃のバイポテンシャルレンズのレンズ作用は、ρ＾２＝（Ｖａ／Ｖｅ）をパラメータとして記述することができる。Ｖａ＝Ｖｅ（すなわち、ρ＝１）の場合、イオン銃のレンズ作用はなくなる。（０＜）ρ＜１の場合は、ρが小さくなる（１から離れる）に従って収束作用が強まり、焦点距離が短くなる。また、１＜ρの場合は、ρが大きくなる（１から離れる）に従って収束作用が強まり、焦点距離が短くなる。

光源と焦点が重なる点を発散点と呼ぶ。この発散点は、０＜ρ＜１の範囲、１＜ρの範囲にそれぞれ１つずつ存在する。

イオン銃のレンズにおける焦点位置が、イオン源１と引出電極１３との間になると、イオンビームがイオン銃のレンズ作用で結像する状態となり、クロスオーバを作る。

イオン源からのイオン放射が始まる電圧（閾値電圧）をＶｃｏとすると、加速電圧Ｖａが閾値電圧Ｖｃｏより低い場合、アース電極１５近傍でイオンビームのｚ軸方向（レンズ光軸方向）の速度成分ｖｚ（以下、速度ｖｚと記載する）が減速される。ρ＾２＝（Ｖａ／Ｖｅ）の値が小さくなればなるほど（加速電圧Ｖａが低くなればなるほど）ｚ軸方向の電界成分Ｅｚ（以下、電界Ｅｚと記載する）の勾配が大きくなり、また、速度ｖｚの速度変化（減速）が大きくなる。また、イオンビームの屈折量をｄｖｒ／ｄｚとすると、屈折量ｄｖｒ／ｄｚは離軸（動径方向のｚ軸からの距離）ｒに比例し、かつ、電界Ｅｚの勾配を速度ｖｚで割ることになるので、イオンビームはアース電極１５近傍で強く収束される（屈折量が大きくなる）。

一方、加速電圧Ｖａが閾値電圧Ｖｃｏより高い場合、引出電極１３を通過してアース電極１５を通過するまでの空間で速度ｖｚが大きくなる。ρ＾２＝（Ｖａ／Ｖｅ）の値が大きくなればなるほど（加速電圧Ｖａが高くなればなるほど）電界Ｅｚの勾配が大きくなり、また、速度ｖｚの速度変化（加速）が大きくなる。また、イオンビームの屈折量ｄｖｒ／ｄｚは、離軸ｒに比例し、かつ、電界Ｅｚの勾配を速度ｖｚで割るので、イオンビームは引出電極１３近傍で強く収束される（屈折量が大きくなる）。

ここで、イオン銃における仮想光源の位置とＶｅ／Ｖａ（＝１／ρ＾２）の関係を説明する。
図４は、Ｖｅ／Ｖａとイオン源に対する仮想光源の位置ｓ０の関係を示した図であり、横軸はＶｅ／Ｖａを、縦軸は位置ｓ０をそれぞれ示している。図４においては、イオン源と引出電極１３の距離を７ｍｍ、５ｍｍ、４．４ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍとした場合のそれぞれについてＶｅ／Ｖａと位置ｓ０の関係を示している。

ニードルタイプの液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）の場合、イオン源からのイオンの放射量（エミッション電流）Ｉｅを１μＡ増加するのに必要な電圧Ｖｅ（引出電圧）の変化量ΔＶｅを示すＩｅ−Ｖｅ特性の傾きは、ΔＶｅ／ΔＩｅ≒１０（Ｖ／μＡ）であるので、引出電圧Ｖｅ≒Ｖｃｏ（閾値電圧）として良い。例えば、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置で使われるニードルタイプのガリウム（Ｇａ）ＬＭＩＳのＶｃｏは５ｋＶ〜１０ｋＶである。エミッション電流Ｉｅの安定性を考慮してＶｃｏ≒７ｋＶとした場合を考えると、加速電圧Ｖａが４０ｋＶから１ｋＶまで変化するとき、１／ρ＾２＝Ｖｅ／Ｖａは０．１〜８の範囲の値をとる。

（２）集束イオンビーム装置の動作原理
次に、荷電粒子銃として、比較例のイオン銃を用いた場合の集束イオンビーム装置全体の動作原理を説明する。

（２−１）ビーム電流Ｉｂ
図５は、集束イオンビーム装置の各構成の位置関係を示す図である。

試料１０に照射されるイオンビーム９のビーム電流Ｉｂは、放射角電流密度Ｊω、像面の開き角αｏｉ、イオン銃の像倍率ｍ１、コンデンサレンズ２の倍率ｍ２、対物レンズの倍率ｍ３、光学系全体の像倍率Ｍ、引出電圧（物点電圧）Ｖｅ、及び加速電圧Ｖａを用いて下記の式８で求められる。

ここで、上記の式８中に用いた、像面の開き角αｏｉ、イオン銃の像倍率ｍ１、コンデンサレンズ２の倍率ｍ２、対物レンズの倍率ｍ３、光学系全体の像倍率Ｍ（以下、単に倍率Ｍと記載する）は、下記の式９〜式１３により求められる。

なお、上記の式９及び式１２中の演算子±において、−（マイナス）の場合はコンデンサ実結像を、＋（プラス）の場合はコンデンサ虚結像をそれぞれ示す。また、ａ１、ｂ１、Ｌａｐ、ｌａｐ、Ｌ、ｂ３、及びＸは、図５に示す集束イオンビーム装置の各部の距離を示している。

ここで、上記の式８に上記の式９で求めた像面の開き角αｏｉを代入すると、ビーム電流Ｉｂを求める下記の式１４が得られる。

（２−２）ビーム径ｄ
試料１０に照射されるイオンビーム９のビーム径ｄは、光学系全体の倍率Ｍ、色収差係数Ｃｃ、球面収差係数Ｃｓ、及び対物レンズの像面側のビーム開き角αを用いて下記の式１５により求められる。

また、上記の式１５中の対物レンズの像面側の開き角αは、ビーム電流Ｉｂ、及び光学系の倍率Ｍを用いて下記の式１６で求められる。

イオンビーム９のビーム径ｄを求める上記の式１５に対物レンズの像面側の開き角αを求める上記の式１６を代入することにより、ビーム径ｄが求められる。

（２−３）電流密度Ｊ
試料１０に照射されるイオンビーム９の電流密度Ｊは、ビーム電流Ｉｂとビーム径ｄとを用いて下記の式１７で求められる。

（２−４）大電流カラムの検討
より大電流の集束イオンビーム装置（大電流カラム）とするために、ビーム電流Ｉｂについて検討する。

上記の式１４（ビーム電流Ｉｂに関する式）から、ビーム電流Ｉｂを増加するには、イオン銃の像倍率ｍ１、コンデンサレンズ２の倍率ｍ２、対物アパーチャ３のアパーチャ径Ｄａｐを大きくすると良いことが分かる。このうち、倍率ｍ２の変化率は他のパラメータよりも大きく、したがって、ビーム電流Ｉｂの増加に有効である。

ここで、上記の式１１から分かるように、コンデンサレンズの倍率ｍ２は距離Ｘが大きいほど大きくなる。また、コンデンサレンズの倍率ｍ２は、距離Ｌａｐ又は（Ｌａｐ−ｌａｐ）の値が小さいほど大きくなる。このような点に着目することにより集束イオンビーム装置（大電流カラム）を構成する。

上記の式１３から分かるように、コンデンサレンズの倍率ｍ２が大きくなる場合、光学系の倍率Ｍもまた大きくなるが、大電流（ビーム電流Ｉｂが大きい状態）では上記の式１５の第１項の影響より第２項の影響が大きいので、上記の式１６で求めた対物レンズ８の像面側のビーム開き角αを同じか更に小さくできる解が存在すれば、電流密度Ｊの高いビームを得ることができる。つまり、コンデンサレンズ２を短焦点で使いイオンビーム９の離軸を抑えた平行ビーム或いは弱収束にして、アパーチャ径Ｄａｐを大きくすることなくビーム電流Ｉｂを増やすことができれば対物レンズ８の球面収差を小さくすることができるということである。

集束イオンビーム装置は、対物（可変）アパーチャ３でビーム電流Ｉｂを変えることができ、加工体積や精度に応じた(適した)ビーム電流Ｉｂを選び、加工に適したビーム走査を実行することにより高速・高精度の加工を行う。

ただし、ビーム電流Ｉｂによってビーム径ｄが最小になる倍率Ｍが変わるので、ビーム電流Ｉｂ(アパーチャ径)に応じて最大電流密度になるように倍率Ｍを制御する。実際には、色収差係数Ｃｃ及び球面収差係数Ｃｓを倍率Ｍの関数として求められるので、ビーム電流Ｉｂのときのビーム径ｄを倍率Ｍの関数として表し、この関数からビーム径ｄが最小になるような最適化された倍率Ｍ（ＡＰ）を求める。この倍率Ｍ（ＡＰ）は、必要なビーム電流Ｉｂが得られるアパーチャ径で、最小ビーム径ｄｍｉｎになる（最大電流密度になる）倍率Ｍ（ＡＰ）である。

具体的には、アパーチャ径に応じて、最大電流密度（最小ビーム径ｄｍｉｎ）になる倍率Ｍ（ＡＰ）となるようなコンデンサレンズ２の中間電極８２の印加電圧のテーブルを予め用意し、アパーチャ径を切り換えたときに、このテーブルに従ってコンデンサレンズ２の中間電極８２に電圧を印加することにより、最大電流密度（最小ビーム径ｄｍｉｎ）となるように制御する。

図１に示したように、集束イオンビーム装置において、イオン源（ＬＭＩＳ）１から放出されたイオンビーム９は、引出電極１３のビーム制限（ＧＵＮ）アパーチャ１４で制限を受け、ビーム走査器（偏向器）７、及び対物レンズ８を通過して、試料ステージ１１上で接地電位に保たれた試料１０に照射される。

イオン源１としてガリウム（Ｇａ）液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用い、引出電圧Ｖｅが７ｋＶ以上である集束イオンビーム装置において、加速電圧Ｖａ＝３０ｋＶでＷＤ（Working distance：作動距離）＝６ｍｍの対物レンズ（静電レンズ）８を用い、ビーム径ｄが１μｍでビーム電流Ｉｂが４０ｎＡ程度のイオンビーム９を得るには、イオン源１と引出電極１３の距離を５ｍｍとし、イオン源１とコンデンサレンズ２の主面までの距離を２１ｍｍ以下とする必要がある。引出電極１３、アース電極１５、及びコンデンサ電極１７を１６ｍｍの範囲に収める場合、各電極間の距離を８ｍｍ以下とする必要がある。

また、真空の耐電圧が１０ｋＶ／ｍｍとした場合に３０ｋＶの耐電圧で設計しようとすると、電極の板厚を１ｍｍとして、少なくとも５ｍｍ（＝１ｍｍ＋３ｍｍ＋１ｍｍ）以上の間隔が必要となる。ただし、電極の間隔を５ｍｍにした場合、加速電圧Ｖａ＝３０ｋＶで引出電圧Ｖｅ＝７ｋＶのイオン銃の倍率が高くなるため分解能が悪くなり、ビーム電流Ｉｂ＝４０ｎＡのイオンビーム９をビーム径ｄ≒１μｍ程度まで絞ることが出来ない。このため、ビーム径ｄが１μｍでビーム電流Ｉｂが４０ｎＡ程度のイオンビーム９を得るには、電極の間隔は６ｍｍ以上とする必要がある。また、加速電圧Ｖａ＝４０ｋＶまでの対応を考えると電極間の距離は最低６ｍｍが必要である。なお、イオン銃の倍率の影響が少ない場合は、装置の最大ビーム電流は加速電圧Ｖａにほぼ比例する。

図６は、加速電圧Ｖａ＝４０ｋｖ、イオン源（ＧａＬＭＩＳ）１と引出電極１３の距離を５ｍｍ、引出電極１３とアース電極１５の間隔を８ｍｍとしたイオン銃を搭載した集束イオンビーム装置におけるビーム電流Ｉｂとビーム径Ｄｐの関係を示す図である。なお、ビーム径Ｄｐは、それぞれの条件において集束イオンビーム装置における倍率制御により得られる最小値である。

ガリウム（Ｇａ）ＬＭＩＳの特性値としては、光源の大きさｄ０＝５０ｎｍ、放射角電流密度Ｊω＝１７μＡ／ｓｒ、放射ビームのエネルギー幅Ｉｅ＝２μＡ：ΔＥ＝５ｅＶ、Ｉｅ＝３．２μＡ：ΔＥ＝７ｅＶを用いた。なお、放射角電流密度Ｊωは本来２０μＡ／ｓｒ程度であるが、対物アパーチャ３の厚さと開口の関係からビーム電流Ｉｂが減少する影響を考慮して、放射角電流密度Ｊω＝１７μＡ／ｓｒとした。

（２−５）低加速の検討
集束イオンビーム照射装置においては、アース電極１５により印加した加速電圧Ｖａにより加速した荷電粒子（イオンビーム９）を試料１０に照射し、その試料１０の構成原子を弾き飛ばすことにより試料の微細加工を行う。しかしその一方で、例えばガリウム（Ｇａ）イオンのように試料１０を構成する原子（例えばシリコン（Ｓｉ））と同等以上の質量を持つイオンビーム９を試料１０に照射する場合、試料１０の構成原子は、その結合エネルギーに比べてはるかに大きいエネルギーで弾き飛ばされるため、試料１０の構成原子に空孔や配列の乱れが生じ、荷電粒子線が照射された試料表面にアモルファス層が形成されてしまう場合がある。試料の加工面を走査電子顕微鏡により観察する場合、或いは、透過電子顕微鏡により試料の薄片を観察する場合、試料表面がアモルファス層に覆われていると、試料表面の鮮明な画像が取得できず、試料観察の妨げとなってしまう。

このようなアモルファス層の形成は、例えば、荷電粒子に印加する加速電圧を下げて荷電粒子線のエネルギーを下げることにより、ある程度抑制することができる。しかしながら、加速電圧を下げて荷電粒子線の照射を行うと、試料位置における非点収差が増加してしまうためビームを細く絞ることができず、加工精度が低下する（微細な加工ができない）恐れがある。また、加速電圧に比例してビーム電流が減少する（イオンビーム９の照射エネルギーが低くなる）ため加工速度が遅くなり、加工効率が低下してしまうという点も懸念される。

そこで、集束イオンビーム装置の低加速について検討する。

低加速の状態（加速電圧Ｖａを低くした状態）では、イオンビーム（イオン）９の速度が遅いため、イオン銃のレンズ作用の影響が大きくなる。

図７は、イオン銃のレンズ作用を説明する図であり、図７（ａ）は実像結像の状態を、図７（ｂ）は虚像結像の状態をそれぞれ示す図である。

イオン銃のレンズ(バイポテンシャルレンズ)は、ビーム速度の遅いところでのレンズ作用が大きいので、図７（ａ），（ｂ）に示すように、レンズ前（イオンビーム９の上流側）とレンズ後（イオンビーム９の下流側）に物面Ｈｏと像面Ｈｉの２つの主面（光線の屈折面)を有する厚レンズとなる。また、加速電圧Ｖａが閾値電圧（エミッション閾値電圧）Ｖｃｏより低い場合は主面がアース電極１５近傍にでき、高い場合は主面が引出電極１３近傍にできるというように、主面の位置は加速電圧Ｖａによって大きく移動する。

図８は、ρの値とイオン銃の焦点位置Ｈｉ−ｆｏ及び結像点Ｈｉ＋ｂの対応を示す図であり、図８（ａ）は０≦ρ≦１の場合を、図８（ｂ）は１≦ρの場合をそれぞれ示している。

イオン源（ＬＭＩＳ）１は、加速電圧Ｖａが閾値電圧Ｖｃｏより高いときイオン銃のレンズの焦点距離Ｆｏの内側（引出電極１３側）に置く（図７（ｂ）参照）。ただし、ρが変化することによりレンズ主面（物面、像面）Ｈｏ，Ｈｉ、焦点距離Ｆｏ，Ｆｉは変化する。

なお、イオンビーム９を大電流・高電流密度とするためにはコンデンサレンズ２をイオン源１に近づける必要があるため、イオン源１と引出電極１３の距離を５ｍｍに、引出電極１３とアース電極の距離（Ｌｏ）を８ｍｍとした。

（２−６）比較例のイオン銃
ここで、本実施の形態の荷電粒子銃（イオン銃）に対する比較例のイオン銃の具体例を示してその動作原理を説明し、集束イオンビーム装置の動作原理についてより詳細に説明する。

図９は、比較例のイオン銃（荷電粒子銃）の構成を示す図であり、図１０はそのイオン源（ＬＭＩＳ）周辺の拡大図である。

図９において、比較例のイオン銃は、イオン源１（図１０参照）、引出電極１３、ビーム制限アパーチャ１４、アース電極１５等から構成されている。

イオン源（ＬＭＩＳ）１はＬＭＩＳホルダ２３に保持され、ＬＭＩＳホルダ２３はイオン源碍子２０を介して筒状部材１９に固定されている。筒状部材１９は、その外周部におねじ部を有しており、このおねじ部には内周部にめねじ部を有するリング状円盤１８が螺着されている。リング状円盤１８は、支持部材２２に回転可能に支持されており、支持部材２２は支持部材２５に固定されている。筒状部材１９と支持部材２２はベローズ２１を介して接続されており、リング状円盤１８を筒状部材１９に対して回転することにより、ＬＭＩＳホルダ２３（イオン源）の高さ（図９中上下方向の位置）を調整することができる。ＬＭＩＳホルダ２３は電圧端子及び通電加熱機構（共に図示せず）を有しており、イオン源（ＬＭＩＳ）１への高電圧の印加、フラッシング（通電加熱処理）を行うことができる。

ＬＭＩＳホルダ２３（イオン源１）の下流側（図９中下側）には、引出電極１３が配置されており、碍子２６を介して支持部材２５に固定されている。また、引出電極１３の上流側（図９中上側）には、ビーム制限アパーチャ１４が設けられている。引出電極１３には電圧端子２４を介して電圧を印加することができる。また、引出電極１の下流側にはアース電極１５が配置されており支持部材２５に固定されている。つまり、引出電極１３とアース電極１５の相対位置（距離）は固定されている。また、引出電極１３のイオンビーム透過部分の中心とアース電極１５のビーム透過部分の中心は同軸上になるよう配置されている。

このように構成したイオン銃において、引出電極１３とアース電極１５はイオン銃のレンズを構成しており、イオン源１とイオン銃のレンズは分離して（距離調整可能に）構成されている。

なお、引出電極１３の絶縁を軽減するため、ＬＭＩＳ１のイオン銃碍子２０に引出電極１３を吊り下げた構造もあるが、引出電極１３とアース電極１５の同芯度が落ちる問題があり、ビーム径ｄを細く絞ることができない。

図１０において、引出電極１３の下流側（図１０中下側）の面を基準とし、引出電極１３の上流側（図１０中上側）までの距離をＬａ、ＬＭＩＳ１の先端までの距離をＺｏとすると、イオン源１の高さ（ＬＭＩＳ１の先端と引出電極１３の距離）ｈは、ｈ＝Ｚｏ−Ｌａで表される。比較例のイオン銃においては、イオン源１の高さｈ＝Ｚｏ−Ｌａを変えると引出電圧Ｖｅが変わる。また、引出電圧Ｖｅは、ＬＭＩＳ１の閾値電圧Ｖｃｏと同じと考えることができるので、イオン源１の高さｈと閾値電圧Ｖｃｏの関係は下記の式１８で表される。

なお、上記の式１８において、γはガリウム（Ｇａ）液体金属の表面張力、ｒは放出点の大きさである。

上記の式１８においては、引出電極１３とＬＭＩＳ１の先端の距離ｈ（＝Ｚｏ−Ｌａ）が距離ｈ＋Δｈに変わった場合、閾値電圧Ｖｃｏは元の値に対してｌｎ（１＋Δｈ／ｈ）×（γ・ｒ／ε_０）^０．５増加する。従って、Δｈ＜０の場合、すなわち、引出電極１３とＬＭＩＳ１の距離を近づけた場合、閾値電圧Ｖｃｏは下がりρの値が大きくなる。しかし、距離ｈを変化させたことによりイオン銃のレンズ（バイポテンシャルレンズ）のレンズ作用が変化するので、ビーム電流Ｉｂの増減を考察するには、ρとイオン源１の高さｈの両方の変化によるイオン銃のレンズ作用(バイポテンシャルレンズの特性)を考慮する必要がある。

ここで、図８からわかるように、Ｖａ＝Ｖｅ（ρ＝１）でレンズ作用はなくなる、つまり、焦点ｆが無限遠点となる。０＜ρ＜１の場合は、ρが小さくなる（１から離れる）に従って収束作用が強まり、１＜ρの場合は、ρが大きくなる（１から離れる）に従って収束作用が強まる。

また、引出電極１３の位置を基準にした場合のＬＭＩＳ１の位置ｓｏと焦点位置Ｈｉ−ｆｏが重なった場合、結像点Ｈｉ＋ｂが発散する。発散点は、０＜ρ＜１の範囲、及びρ＞１の範囲にそれぞれ存在する。焦点が更に短くなるとクロスオーバ(イオン銃のレンズ作用によりイオンビームの結像)を作るようになる。

比較例のイオン銃のレンズ作用で加速電圧Ｖａが４０ｋＶから２ｋＶの範囲では仮想光源と呼ばれる虚像をイオン源１の上流側（上方）に作るが、加速電圧１ｋＶではイオン源１の下流側(下方)にクロスオーバを作るので、したがって、加速電圧Ｖａが２ｋＶから１ｋＶの範囲の何れかの値の場合に発散することがわかる。例えば、実際のイオン銃（図１０参照）において加速電圧Ｖａが２ｋＶの場合、Ｖｃｏ＝７ｋＶに対してρ＾２＝０．２８となるのに対し、加速電圧Ｖａが１ｋＶの場合、ρ＾２＝０．１４となり、イオン銃のレンズ作用でクロスオーバを作る状態になるので、加速電圧Ｖａが１ｋＶから２ｋＶの間に有る場合に発散点があり、その値を調べるとρ＾２≒０．１６である。

このようなイオン銃において、加速電圧１ｋＶにしてビーム（集束イオンビーム装置の各パラメータ）を調整する実験を行った結果、引出電圧Ｖｅ＝７±０．２５ｋＶにおいて、ＬＭＩＳ１の位置や対物アパーチャ３の位置を変えずに、加速電圧Ｖａを４０ｋＶから１ｋＶまでの範囲で常にビームが通る（試料１０に到達する）ようには調整できないことが分かった。例えば、加速電圧Ｖａ１ｋＶにおいてビームが通るようにＬＭＩＳ１の位置、及び対物アパーチャ３の位置を調整すると加速電圧Ｖａを４０ｋＶに変えた場合にはビームが通らなくなってしまう。

図１１は、ビームが通らなくなってしまう引出電圧Ｖｅとρ＾２（＝Ｖａ／Ｖｅ）の関係を示した図であり、図１２は集束イオンビーム装置の構成要素を模式的に示した図である。

図１１において、横軸は引出電圧Ｖｅを、縦軸はρ＾２（＝Ｖａ／Ｖｅ）をそれぞれ示している。図１１中に示した２本の点線は、引出電極１３とイオン源（ＬＭＩＳ）１の距離が５ｍｍの条件において、加速電圧Ｖａが２ｋＶの場合と１ｋＶの場合のそれぞれの場合におけるビームが通らなくなってしまう引出電圧ＶｅとＶａ／Ｖｅの関係を示す線である。

前述したように、イオン銃レンズのレンズ作用は、引き出し電圧Ｖｅと加速電圧Ｖａの比Ｖａ／Ｖｅ＝ρ＾２によって変化し、Ｖａ＝Ｖｅ（ρ＝１）でレンズ作用はなくなる。０＜ρ＜１の場合は、ρが小さくなる（１から離れる）に従って収束作用（レンズ作用）が強まり、焦点距離が短くなる。１＜ρの場合は、ρが大きくなる（１から離れる）に従って収束作用（レンズ作用）が強まり、焦点距離が短くなる。また、焦点と光源が重なる点をと発散点と呼ぶ。

また、比較例のイオン銃においては、イオン銃のレンズ作用により加速電圧Ｖａが４０ｋＶから２ｋＶの範囲では仮想光源と呼ばれる虚像をイオン源１の上流側（上方）に作るが、加速電圧Ｖａが１ｋＶではイオン源１の下流側(下方)にクロスオーバを作るので、したがって、加速電圧Ｖａが２ｋＶから１ｋＶの範囲の何れかの値の場合に発散することがわかる。

すなわち、図１１に示した２本の点線（加速電圧Ｖａが２ｋＶの場合と１ｋＶの場合のそれぞれの場合における引出電圧ＶｅとＶａ／Ｖｅの関係を示す点線）の間の範囲に発散点が存在することが分かる。発散点付近ではイオン源１に対する仮想光源の位置ｓ０が、イオン源１の上流側（−∞）の虚像（見かけの結像）から下流側（＋∞）の実像（光源を下流に結像）に変わる。

比較例のイオン銃における発散点（Ｖｅ（≒Ｖｃｏ）≒７ｋＶ、ρ＾２≒０．１６）も図１１に示した２本の点線の間の範囲に存在する。

図１２は、集束イオンビーム装置の構成要素を模式的に示す図であり、図１３は、その構成要素とイオンビーム９との関係を示す図である。

図１２に示すように、集束イオンビーム装置において、イオン源１から射出された荷電粒子（イオンビーム）は、イオン銃レンズ、コンデンサレンズ２、対物アパーチャ３、及び対物レンズ８を通過して試料１０に照射される。

したがって、図１３に示すように、引出電極１３とアース電極１５で成すレンズのレンズ光軸とイオン源（ＬＭＩＳ）１と対物アパーチャ３の中心を通る軸にずれがあると、発散から収束においてイオンビーム９が対物アパーチャ３を通らなくなる。また、このときに集束イオンビーム装置から照射されるイオンビーム９の位置は、図１３に示すように移動する。

イオン銃のレンズ、コンデンサレンズ２、対物レンズ８の各レンズのレンズ光軸が全て一致している場合には、加速電圧Ｖａによらずイオンビーム９は通る。

しかし、各レンズのレンズ光軸を完全に合わせることは難しく、少なからずずれがある。イオンビーム９（荷電粒子）に対して対物レンズ８と同じくらい強く作用するレンズがあると、そのレンズのレンズ光軸の方向にイオンビーム９が振られてしまい、対物レンズ８のレンズ光軸から外れてしまう。特に、イオン銃のレンズ作用は、加速電圧Ｖａが２ｋＶ以下になると急激に強くなり、イオンビーム９に対して対物レンズ８と同等の強さでレンズ作用を及ぼすので無視できなくなる。

集束イオンビーム装置におけるビーム軸調では、まず、コンデンサレンズ２の中心（レンズ光軸上）にイオン源１（光源）の位置を調整する。次に、対物レンズ８の中心（レンズ光軸上）に対物アパーチャ３（可変絞り)の中心を調整する。これを繰返してイオンビーム９が収束するように調整する。この調整により、光源とコンデンサレンズ２の中心（レンズ光軸）、光源と可変絞りと対物レンズ中心が一直線上になるが、この直線とイオン銃レンズのレンズ光軸にはずれがある。また、この状態でイオン銃のレンズに対して調整すると他のレンズに対してずれてしまう。

このため、イオン銃の引出電極１３とアース電極１５で作るレンズの軸精度の良し悪しでイオンビームの通る条件が変わることが十分考えられる。対策としては、イオン銃のレンズの軸精度の良し悪しで選別を行うことが考えられるが、イオンビームを照射した状態でしか選別することができないので、非常に手間がかかり現実的ではない。また、イオン銃のレンズ（引出電極１３及びアース電極１５）を組み直す場合においても、機械的精度の範囲でずれが発生するので、軸精度が向上するとは限らない。したがって、加速電圧Ｖａが４０ｋＶから１ｋＶの範囲において、イオンビーム９が通るように上記以外の対策を講じる必要がある。

ここで、前述したように、加速電圧Ｖａの２ｋＶから１ｋＶの範囲に発散点があるため、加速電圧Ｖａが４０ｋＶから２ｋＶでは無視できていたイオン銃のレンズ作用が、加速電圧Ｖａが１ｋＶではクロスオーバを作るほど強く作用して引出電極１３とアース電極１５で成すレンズのレンズ光軸とイオン源１（ＬＭＩＳ）と対物アパーチャ３の中心の関係にずれがあると、発散点からクロスオーバが対物アパーチャ３の上流側になる点までイオンビーム９が対物アパーチャ３（可変絞り）で遮られて通らなくなる。

対物アパーチャ３（可変絞り）の上流側にクロスオーバが生じた場合、そのクロスオーバは光源となって対物アパーチャ３方向にイオンビーム９照射するので、対物レンズ８のレンズ光軸に対してずれがあってもビームが通るようになる。

引出電圧Ｖｅでイオンビーム９の通る範囲が変わるのは、イオンビーム９の集束状態が変わるためであることが分かったが、比較例のイオン銃では引出電圧Ｖｅとイオン源１（ＬＭＩＳ）の高さｈが連動して変わるため引出電圧Ｖｅの変化でビーム電流Ｉｂが大きく変わり、ビーム電流Ｉｂを変えずにイオンビーム９を通すとの課題は解決されない。

イオン源１（ＬＭＩＳ）の高さｈを変えると、上記の式１８からわかるようにＶｃｏが変わり、そのためρが変わる。

また、物点と焦点距離の両方が変わり結像点も変わるのでビーム電流Ｉｂが変わる。ビーム電流Ｉｂが増えれば分解能が悪くなり、ビーム電流Ｉｂが減れば分解能が良くなる。したがって、イオン源１の高さｈを変えると所望のビーム電流Ｉｂが得られなかったり、分解能が得られなかったりして、装置の基本性能が変わってしまうという問題がある。特に、加速電圧Ｖａ≒１ｋＶ時に大電流・高電流密度のイオンビーム９を得ることは困難になる。

（２−７）比較例のイオン銃による課題の検討
以上のように、比較例のイオン銃を用いた集束イオンビーム装置においては、イオン銃のレンズ光軸が対物レンズ８の中心と対物アパーチャ３の中心で作る軸に対して少しでもずれがある場合、イオン銃の発散点付近においてイオンビーム９が対物アパーチャ３から外れてしまい通過できない。この問題を解決するには、イオン銃の発散点を変える方法がある。

イオン銃における発散点を変える方法は、例えば次の３つが考えられる。第１の方法は引出電圧Ｖｅを変える方法、第２の方法はイオン源（ＬＭＩＳ）１と引出電極１３の距離ｈを変える方法、第３の方法は引出電極１３とアース電極１５の距離（間隔）を変える方法である。このうち、第１の方法と第２の方法は集束イオンビーム（イオン銃）を調整するだけで対応できるが、第３の方法はイオン銃のレンズ性能が変化してしまう。

イオン源（ＬＭＩＳ）１と引出電極１３の距離ｈを短くした場合は、加速電圧Ｖａが２ｋＶ以上のときにイオン銃の像倍率が小さくなりビーム電流が減少するため得策でない。逆に、イオン源（ＬＭＩＳ）１と引出電極１３の距離ｈを長くして、加速電圧Ｖａが１ｋＶのときにイオンビーム９がクロスオーバとなる状態でとする方が加速電圧Ｖａ≧２ｋＶの場合においても良い。このようにイオン源（ＬＭＩＳ）１と引出電極１３の距離ｈを離すことによって引出電圧Ｖｅが高くなり、その影響でビーム電流が減少する。

そこで、イオン銃のレンズ（バイポテンシャルレンズ）の特性によるビーム電流の増減について検討する。

前述の図７において、倍率Ｍ、角度倍率Ｍα、主面位置Ｈｉ，Ｈｏ、焦点距離Ｆｉ，Ｆｏ、結像点ａ，ｂとすると下記の式１９〜式２２が得られる。

イオン銃のレンズ（バイポテンシャルレンズ）において、引出電極１３の位置を基準としたイオン源（ＬＭＩＳ１）の位置をｓｏ、結像点ａをイオン源１の位置ｓｏを用いてａ＝Ｈｏ−（−ｓｏ）、物点側の焦点位置をｆｏとすると下記の式２３及び式２４が得られる。

（∵Ｄａｐ／２＝ａ＊αｇ＋(Ｌａｐ＋Ｈｉ)＊αｇ＊Ｍα）
なお、上記の式２４に用いたＤａｐは対物アパーチャ（可変絞り）３の大きさ（アパーチャ径）であり、Ｌａｐは引出電極１３と可変絞り３までの距離である（図５参照）。

上記の式２４で示したαｇは、コンデンサレンズ２が動作しない場合の純粋なイオン銃の特性である。また、αｇは対物アパーチャ３の大きさＤａｐにより制限されるビームのイオン銃での開き角であり、ビーム電流に相当する。

図１４は、ρ＾２（＝Ｖａ／Ｖｅ）に対するＭα、Ｍｇ、αｇ／Ｄａｐの関係を示す図である。

なお、バイポテンシャルレンズの発散点は、引出電極１３の位置を基準としたイオン源（ＬＭＩＳ）１の位置sｏ、及び引出電極１３とアース電極１５の電極間距離Ｌｏの影響を受けるので、図１４に示した関係は、Ｌｏ＝８ｍｍ（一定）として、ｓｏ＝３，４，５ｍｍの場合における場合の関係を示した。なお、計算では、引出電圧Ｖｅとイオン源１の高さｈが独立である。

イオン銃のレンズ特性（図１４参照）からイオン源１の高さｈが変わるとρに対するレンズ特性が変わることがわかる。

図１４において、Δｈ＜０の場合、ρ＾２＞１のときαｇは減少する。また、ρ＾２＜１のときはρが発散点より大きいとαｇは増加するが、発散点より小さいとαｇは減少する。

Δｈ＞０の場合で、かつ、仮想光源を作る状態ではΔｈ＞０によって光源が焦点に近づき、これにつれてαｇは増加する。

また、Δｈ＞０の場合で、かつ、クロスオーバを作る状態ではΔｈ＞０によって光源が焦点から遠ざかる。ビーム制限アパーチャ（制限絞り）１４の下流側にクロスオーバができる状態では、光源が焦点から遠ざかるにつれてαｇが増加するが、ビーム制限アパーチャ（制限絞り）１４の上流側にクロスオーバができる状態では、光源が焦点から遠ざかるにつれてαｇが減少する。

（３）本実施の形態の荷電粒子銃
図１５は、本実施の形態における荷電粒子銃（イオン銃）を示す図である。

図１５において、本実施の形態の荷電粒子銃は、イオン源（ＬＭＩＳ）１と、イオン源１との距離を固定された第１引出電極１３１と、第１引出電極１３１のイオン銃１と反対側に配置され、第１引出電極１３１との距離を調整可能に設けられた第２引出電極１３２と、第２引出電極１３２の第１引出電極１３１と反対側に配置され、第２引出電極１３２との距離を固定されたアース電極１５と、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２を電気的に接続して同電位とする伸縮可能な接続子２７とを備えている。

第１引出電極１３１の外周部は、イオン源１側（上流側）に、ＬＭＩＳホルダ２３を囲むように延びる保持部を有している。

イオン源（ＬＭＩＳ）１は、ＬＭＩＳホルダ２３に保持されており、このＬＭＩＳホルダ２３は、絶縁碍子２２を介して第１引出電極１３１の保持部に保持されている。これにより、イオン源１は第１引出電極１３１に対して固定されている。

第２引出電極１３２とアース電極１５は、それぞれ、絶縁碍子等を介して共通の支持部材（図示せず）に固定されており、第２引出電極１３２とアース電極１５の位置関係は固定された状態となっている。

第１引出電極１３１は、支持部材（図示せず）に対して駆動可能に支持されており、図示しない駆動装置により駆動される。したがって、この駆動装置によりイオン源１と第１引出電極１３１は、第２引出電極１３２及びアース電極１５に対して一体的に駆動される。

接続子２７は、第２引出電極１３２に対して第１引出電極１３１が相対的に移動する範囲内において、第１引出電極と第２引出電極を電気的に接続したままの移動を許容できる伸縮性、或いは長さを有すれば良く、例えば、導電性の素材からなる板ばねやスプリング、移動を許容できる長さを有する伝導線などである。接続子２７により、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２を接続して同電位とすることにより、第１引出電極１３１と第２引出電極１３２の間の空間は等電位空間となる。

以上のように構成した本実施の形態におけるイオン銃においては、引出電極（第１引出電極１３１）とイオン源（ＬＭＩＳ）１の位置関係（距離ｈ）を変えずにイオン源１の位置を変えられる。つまり、イオン源１と第１引出電極１３１を一体的に移動する。これにより、イオン源１と引出電極（第２引出電極１３２）の距離Ｚｏが変わることによってイオン源１にかかる電界強度が変化することを抑制する。また、上記の式１８において、高さ（距離）ｈが変化しないので閾値電圧Ｖｃｏが変化せず、したがって、ρ＾２＝Ｖａ／Ｖｅも変化しない（ただし、引出電圧Ｖｅ≒閾値電圧Ｖｃｏ）。

また、イオン銃のレンズを構成する第１引出電極１３２とアース電極１５の位置関係を固定した。これにより、高い軸精度が要求される静電レンズにおいて、レンズ光軸が狂うことによる非点収差の増加を抑制し、イオンビーム９を細く絞れるようにした。また、引出電極（第２引出電極１３２）とアース電極１５の電極間距離Ｌｏの変化によってイオン銃のレンズ特性（バイポテンシャルレンズの焦点距離など）も変化しないので、ビーム性能の検討などの再計算が不要となる。

第１引出電極１３１と第２引出電極１３２の間の空間は等電位空間であり、荷電粒子が等速運動する空間（ドリフト空間）である。第１引出電極１３１と第２引出電極１３２の間の距離（ドリフト空間の距離）Ｌａを変えることで物点（イオン源１）の像点が変化し、また、イオン銃のレンズの倍率が変化することによりビーム電流が変化する。

（３−２）本実施の形態における効果
以上のように構成した本実施の形態の効果を比較例のイオン銃を用いた場合と比較しつつ説明する。

比較例のイオン銃を用いた集束イオンビーム装置においては、引出電極１３に対するイオン源の高さを変えるとρが変化してしまう。

これに対し、本実施の形態における荷電粒子銃（イオン銃）及びこれを用いた集束イオンビーム装置においては、引出電極１３２に対するイオン源（ＬＭＩＳ）１の高さＺｏを変えてもρが一定であり、イオン銃のレンズの焦点を変えないので物点位置Ｚｏの変化でイオン銃の倍率のみが変わる。ビーム電流は、イオン銃の倍率変動により変わるので、ビーム電流を調整することができる。

加速電圧Ｖａが４０ｋＶでイオン源（ＬＭＩＳ）１の高さＺｏを変えて高くすることは、イオン源（ＬＭＩＳ）１をイオン銃の焦点ｆに近づけることに相当する。上記の式２３から倍率Ｍがより大きくなることがわかり、像点の仮想光源が発散に近づくことがわかる。このため、可変絞り３に照射されるビームの電流密度が高くなりビーム電流が増加する。

また、加速電圧１ｋＶでは、イオン銃のレンズ作用がとても強く焦点ｆが短くなっているのでＬＭＩＳ１の高さＺｏを変えて高くすることは、ＬＭＩＳ１を焦点ｆから離すことに相当する。上記の式２３から倍率Ｍがより小さくなることがわかり、像点のクロスオーバがＬＭＩＳ１側に寄ってくることがわかる。このため、対物(可変)絞り３より下流にあるクロスオーバを、対物絞り３の上流側に移動させビームを通すことができる。

また、比較例のイオン銃では、加速電圧Ｖａが４０ｋＶ〜２ｋＶまでは、ＬＭＩＳ１の高さを上げる（Δｈ＞０）と引出電圧Ｖｅが上がり（ΔＶｅ＞０）、この結果、ビーム電流が減少してしまう。また、加速電圧Ｖａが１ｋＶにおいてもビーム電流が減少してしまう。

これに対し、本実施の形態においては、引出電圧Ｖｅを変化させることなく（ΔＶｅ＝０）、イオン源１の高さｈのみを変化させる（Δｈ≠０）ことができるので、加速電圧Ｖａが４０ｋＶ〜２ｋＶまでは、イオン源（ＬＭＩＳ）１の高さｈを上げた（Δｈ＞０）としても引出電圧Ｖｅはほぼ変わらず（ΔＶｅ≒０）、光源が焦点に近くなるため倍率Ｍを増加してビーム電流を増加することができる。

引出電圧Ｖｅ、イオン源１の高さｈを変化させた場合のビーム電流の変化を整理して図１６に示す。

図１６は、各加速電圧Ｖａにおいて、引出電圧Ｖｅを小さくした場合（ΔＶｅ＜０）のビーム電流と引出電圧Ｖｅを大きくした場合（ΔＶｅ＞０）のビーム電流の大小関係を示したものであり、また、各加速電圧Ｖａにおいて、イオン源１の高さｈ（以下、高さｈと記載する）を低くした場合（Δｈ＜０）のビーム電流と高さｈを高くした場合（Δｈ＞０）のビーム電流の大小関係を示したものである。

加速電圧４０ｋＶでは、Ｌａｐ、または、（Ｌａｐ−ｌａｐ）の距離を短くする他に、第１引出電極１３１と第２引出電極間１３２の距離を長くすると加速電圧Ｖａが２５ｋＶ以上のイオンビームに対して更にビーム電流密度を高くできる。

また、比較例のイオン銃では、引出電圧Ｖｅ＝ ７．０±０．２５ｋＶの範囲で、大電流・高電流密度ビーム装置として用いることができても、引出電圧Ｖｅをこの範囲のままでは加速電圧Ｖａを１ｋＶとしたときにビームが通らない。仮に、引出電圧ＶｅをＶｅ＝７．５ｋＶにすると加速電圧Ｖａを１ｋＶとした場合でもビームが通るがビーム電流が減少してしまうため、低加速と大電流・高電流密度を両立した集束イオンビーム装置とすることはできない。

これに対し、本実施の形態のイオン銃では、引出電圧Ｖｅ＝７ｋＶのままイオン源１の高さｈを高くすることができるので光源としてのクロスオーバを対物(可変)絞り３より上流側に移動して可変絞り３で遮らないように、すなわち、ビームが通るように調整できる。また、加速電圧４０ｋＶでは、イオン銃の倍率が増加しビーム電流が増えるので、このビーム電流が増えた分、引出電圧Ｖｅを高く設定でき、したがって、引出電圧Ｖｅ＝７．５ｋＶでも低加速と大電流・高電流密度を両立した集束イオンビーム装置とすることができる。

１ 荷電粒子源（イオン源）
２ 静電レンズ（コンデンサレンズ）
３ 対物アパーチャ（絞り装置）
４ アライナー・スティグマ
５ ブランカー
６ ブランキングプレート
７ ビーム操作器
８ 対物レンズ
９ イオンビーム
１０ 試料
１１ 試料ステージ
１２ 検出器
１３ 引出電極
１４ ビーム制限アパーチャ
１５ アース電極
１７ コンデンサ電極
１８ ネジ付きリング状円盤
１９ ネジ付き筒
２０ イオン源碍子
２１ ベローズ
２２、２５ 支持部材
２３ ＬＭＩＳホルダ
２４ 電圧端子
２６ 碍子
８１ 入射側電極
８２ 中間電極
８３ 出射側電極
１３１ 第１引出電極
１３２ 第２引出電極

Claims (5)

1. 荷電粒子源（１）と、
   前記荷電粒子源との距離を固定された第１引出電極（１３１）と、
   前記第１引出電極の前記荷電粒子源と反対側に配置され、前記第１引出電極との距離を調整可能に設けられた第２引出電極（１３２）と、
   前記第２引出電極の前記第１引出電極と反対側に配置され、前記第２引出電極との距離を固定されたアース電極（１５）とを備え、
   前記第１引出電極と前記第２引出電極を同電位としたことを特徴とする荷電粒子銃。
2. 請求項１記載の荷電粒子銃において、
   前記第１引出電極（１３１）と前記第２引出電極（１３２）を電気的に接続して同電位とする伸縮可能な接続子（２７）を備えたことを特徴とする荷電粒子銃。
3. 請求項１又は２記載の荷電粒子銃において、
   前記荷電粒子源（１）はイオン源であることを特徴とする荷電粒子銃。
4. 請求項３記載の荷電粒子銃を用いた集束イオンビーム装置において、
   前記荷電粒子銃からの荷電粒子線を集束するコンデンサレンズ（２）及び対物レンズ（８）を備え、
   前記イオン源（１）は、ガリウム液体金属イオン源であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
5. 請求項４記載の集束イオンビーム装置において、
   前記第２引出電極（１３２）とアース電極（１５）の間隔が６ｍｍ〜８ｍｍで、かつ、前記第１引出電極（１３１）と前記第２引出電極の間隔が５ｍｍ以上であることを特徴とする集束イオンビーム装置。

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