JP5383419B2 - イオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス電解電離イオン源、およびこれを用いたイオンビーム装置に関するものである。

下記非特許文献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（Ｈ_２）、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という利点がある。また、ＧＦＩＳは、そこから引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。

下記非特許文献２および３、および下記特許文献１には、ＧＦＩＳのエミッタ先端に微小な突出部（エミッタティップ）を持たせる、あるいはエミッタ先端の原子数を数個以下に下げることにより、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。このような微小突出の作製例として、下記特許文献２および特許文献３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開示されている。また下記非特許文献３では、第１金属のエミッタ材料とは異なる第２金属を用いて微小突出を作製することが開示されている。

下記非特許文献２、特許文献２および特許文献３には、軽元素である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、照射粒子の重さの観点からは、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。そのため、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）以上に試料表面情報に敏感である特長が期待されている。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長がある。

下記非特許文献３には、ＧＦＩＳにおいてエミッタティップの温度を下げていけばイオン電流を高められることが記載されている。ただし、ガスの液化点（沸点）近傍より温度を下げてもイオン電流が増加せず逆に減少する場合もあることも記載されている。

下記特許文献３には、ＧＦＩＳにおいて混合ガスを使用することが記載されている。追加されるガスの成分比率は小さく目的も明確ではないが、明細書の記載によれば、エミッタティップ先端の形成や再生に寄与したり、イオン源の安定化に寄与したりすることを期待していると思われる。また、同文献には、複数の独立したガス供給手段を設けることが記載されている。

下記特許文献４には、第１のガスおよび第２のガスをエミッタ領域に取り込んでこれらのガスのイオンビームを生成することが記載されている。

下記特許文献５には、試料を加工するガスイオンビーム種と試料を観察するときのガスイオンビーム種を切り替えるため、ガス導入系統を２系統以上備えたイオン源が記載されている。

特開昭５８−８５２４２号公報 特開平７−１９２６６９号公報 特表２００９−５１７８４６号公報 特開２００９−１８７９５０号公報 特開２００８−２７００３９号公報

K. Edinger, V. Yun, J. Melngailis, J. Orloff, and G. Magera, J. Vac. Sci. Technol. B 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.-H. Lu, C.-Y. Lin, and T. T. Tsong, Appl. Phys. Letters 92 (2008) 063106.

ＧＦＩＳを、Ｇａ−ＦＩＢと同様に試料の加工に用いる場合、例えばアルゴン（Ａｒ）のようなスパッタ率が高い重たいイオン種を発生するガスを使うことが考えられる。ところが、このように重たいガスは一般にその液化点（沸点）が高いため、ガス温度を十分に上げておく必要があり、これに起因してエミッタティップの温度も上昇してしまう。したがって、十分なイオン電流が得がたくなるので、高輝度のイオンビームを得ることが難しくなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、試料の加工に適した重たいイオンを高輝度で放出することができるＧＦＩＳを提供することを目的とする。

本発明に係るガス電解電離イオン源は、エミッタ電極の先端部の温度とガス供給部のガス放出口の温度を個別に制御する温度制御部を備えている。

本発明に係るガス電解電離イオン源によれば、ガス温度を高く保ちながらエミッタ電極先端部の温度を下げることができるので、重たいイオンを放出するためガス温度を高くするとともに、高輝度のイオンビームを得るためエミッタ電極先端部の温度を下げることができる。

実施の形態１に係るイオンビーム装置２００の構成を示す断面図である。 引出し電圧印加部４の内部構成を示す図である。 ガス供給配管３０のガス放出口部分３を変形した構成を示す断面図である。 実施の形態２に係るイオンビーム装置２００の構成を示す模式図である。 実施の形態３に係るイオンビーム装置２００の構成を示す断面図である。 引出し電圧を高めていった場合のイオンビームの変化を示す図である。 実施の形態３における引出し電圧印加部４−２の内部構成を示す図である。 実施の形態４に係るイオンビーム装置２００の構成を示す模式図である。 実施の形態１〜５と同等の効果を発揮するＧＦＩＳの構成例を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るイオンビーム装置２００の構成を示す断面図である。イオンビーム装置２００は、ガス電解電離イオン源（ＧＦＩＳ）を備え、ＧＦＩＳから放出されるイオンビームを収束して試料に照射し、試料の観察や加工を行なう装置である。以下、図１に示す各構成要素について説明する。

真空容器１０は、排気口１１に連結された排気系（図示を省略）によって１０^−８Ｐａ台の超高真空に保たれている。なお、他の装置と結合されていないときには、真空容器１０をバルブ１２で閉じきる。

真空容器１０の中に、針状の先端を持つエミッタティップ１と、その先端に対向する開口を持つ引出し電極２を配置してある。なお、エミッタティップ１には軸合わせ機構が必要であるが、記載の簡略化のため図示を省略した。

ガス供給配管３０のガス放出口部分３は、エミッタティップ１の先端近傍に、イオン化しようとするガスを供給する。ガス供給配管３０にはバルブ３２を介してガスボンベ３１が接続されている。

エミッタティップ１は高電圧導入端子４０−１を介して、引出し電極２は高電圧導入端子４０−２を介して、それぞれ引出し電圧印加部４に接続されている。イオン化のためには、エミッタティップ１へ電位を与える配線は１本で足りる。本実施の形態１では、エミッタティップ１の根元のフィラメント部加熱用に配線が２本になっている。

エミッタティップ１は、真空容器１０の外から導入された冷却ヘッド２０（例えば、Gifford-McMahon冷凍機に接続されている）との間で、伝熱用網線（無酸素銅）２１−１と伝熱支持体（無酸素銅）２２−１および伝熱絶縁碍子（サファイヤ）２３−１を介して熱交換を行うことによって冷却される。ガス放出口部分３は、冷却ヘッド２０との間で、伝熱用網線（無酸素銅）２１−２と伝熱支持体（無酸素銅）２２−２を介して熱交換を行うことによって冷却される。ガス放出口部分３は、伝熱の良い無酸素銅でできている。それぞれの部材の伝熱が良いために、エミッタティップ１とガス放出口部分３はほぼ同じ温度に冷却される。

ヒータ２５は、ガス放出口部分３を加熱する。これにより、ガス放出口部分３の温度をエミッタティップ１よりも高めることができるので、液化点の高いガスを用いる場合でもガス温度を液化点以上に保つことができる。

なお、上記の無酸素銅の材料は熱輻射を減らすために金でメッキした。また、熱絶縁支持体（ステンレス薄肉パイプ）２４−１、２４−３は、外部からの熱進入を遮断するのに役立っている。また、ガス供給配管３０はガス供給口３を除く部分が熱伝導の悪いステンレスでできており、さらに巻くことで伝導距離を長くして、外部からの熱進入を防いでいる。また、各部の温度を安定に保つために幾つかの熱シールド壁を必要とするが、簡略化のため図示を省略した。

図２は、引出し電圧印加部４の内部構成を示す図である。加速電圧制御器４３、引出し電圧制御器４４は、高圧電源４１−１、４１−２を、その電圧がマイナスとならないように、加速電圧Ｖａと引出し電圧Ｖｅｘの主従を調節しながら制御する。

エミッタティップ加熱電源４２は、エミッタティップ１を１０００Ｋ程度に加熱してその先端部の状態を改善するためのものであり、イオン放出時には使用しない。

本実施の形態１における「温度制御部」は、冷却ヘッド２０、伝熱用網線、伝熱支持体、伝熱絶縁碍子、ヒータ２５などの、エミッタティップ１およびガス供給口３の温度を調整するための機構を含む。エミッタティップ加熱電源４２は、本実施の形態１における「温度制御部」には含まれないことを付言しておく。

本実施の形態１に係る「ガス電解電離イオン源」は、エミッタティップ１、引出し電極２、ガス供給配管３０、ガス放出口部分３、引出し電圧印加部４、上記「温度制御部」を含む。

以上、本実施の形態１に係るイオンビーム装置２００の構成を説明した。次に、本実施の形態１に係るイオンビーム装置２００の動作を説明する。

引出し電圧印加部４が、エミッタティップ１を正、引出し電極を負とする電圧を印加していくと、あるところで、ガス放出口部分３から出てエミッタティップ１の先端に達したガス原子（分子の場合もある）の一部が電界電離により正のイオンとなり、イオン放出が起こる。

従来は、エミッタティップ１の先端近傍のガス圧を上げるために、ガス放出口部分３の先にほぼ閉じた部屋を構成したり、ガス放出口部分３とエミッタティップ１とを同じ冷媒で冷却したりしていた。これらは、ガス放出口部分３とエミッタティップ１の温度をほぼ同じにする結果となる。

したがって、イオン放出を増やすためにエミッタティップ１を冷却すると、これに併せてガスも冷却され、ガスが液化点（沸点）に近づくにつれてガスが次第に液化し、ガス供給が阻害される可能性がある。このことが原因で、一般的に液化点（沸点）が高い重いガスからの電界電離によるイオン放出を十分に高めることができないと考えられる。

そこで本実施の形態１では、ガス放出口部分３がエミッタティップ１より常に高い温度となるように、冷却システムを構成した。冷却ヘッド２０、伝熱用網線伝熱用網線２１−１および２１−２、伝熱支持体２２−１および２２−２、伝熱絶縁体２３−１の作用により、エミッタティップ１とガス放出口部分３を冷却してエミッタ電流を高め、高輝度のイオンビームを放出することができる。また、重いイオンの液化点が高いことに対応するため、必要に応じてガス放出口部分３をヒータ２５で加熱する。これらの構成により、エミッタティップ１の温度とガス放出口部分３の温度を個別に調整することができる。

以上、本実施の形態１に係るイオンビーム装置２００の動作を説明した。以下では、その他の事項について補足する。

本実施の形態１では、エミッタティップ１は、ヘアピン状フィラメントの先端にタングステン（Ｗ）の単結晶を溶接したものであり、その先端のＷ（111）結晶面の上にイリジウム（Ｉｒ）の原子状ピラミッドを形成している。ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）を使用した。Ａｒのイオンは、マスがＧａの半分強で、加工に適している。

イオンの引出し電圧は４ｋＶ程度である。ガス放出口部分３はエミッタティップ１から数ｍｍ離して、余分な放電をおこさないようにした。ガス放出口部分３を約９０Ｋの温度に保ち（Ａｒの沸点は約８７Ｋ）、エミッタティップ１の温度を約４０Ｋまで下げていったところ、単調にイオン電流が増加した。

以上の結果、従来７０Ｋ前後でピークを持つと言われていたＡｒのイオン電流を数倍以上に高めることができた。

なお、Ａｒよりも重い、例えばキセノン（Ｘｅ）ガスを使うことも可能であり、その場合はガス放出口部分３の温度を約１７０Ｋに高める必要がある。

本実施の形態１では、ＧＭ冷凍機を一つしか使わなかったが、２つの独立した冷凍機を使ってもよい。高価にはなるが、温度制御は易しくなる。例えば、ヒータ２５に代えて、またはこれと併用して２つ目のＧＭ冷凍機を設け、ガス放出口部分３の温度を調整するようにしてもよい。

本実施の形態１では、引出し電圧印加部４として図２に示すようなものを使ったが、エミッタティップ１と引出し電極２の間に適当な電圧差を生じさせられればその他の構成を採用してもよい。

図３は、ガス供給配管３０のガス放出口部分３を変形した構成を示す断面図である。図１では、ガス供給配管３０のガス放出口部分３をノズル状に突出させているが、図３に示す構成ではノズル状の突出をなくしている。この場合は、伝熱支持体２２−２の開口（ガス出口）周辺の部分をガス供給配管３０のガス放出口部分３−１として扱う。

なお、本発明では、図１および図３に示したように、ガス供給配管のガス放出口部分３、３−１の開口は、エミッタティップ１の先端に向けるのが望ましい。供給されるガスが直接エミッタティップ１の先端に到達する確率が高いからである。また、エミッタティップ１の先端ではなく根元の支持部材へガスが到達すると、液化点（沸点）以上に保たれていたガスが冷やされて吸着されてしまうため、ガスがエミッタティップ１の先端に到達することがほとんどなくなるためである。

ただし、ガス放出口部分３、３−１の開口からはガスが拡がって放出されるので、開口の向きには尤度があり、厳密にエミッタティップ１の先端を向いていなくてもよい。また、イオン化されなかったガスはほとんどが排気されてしまうが、温度の低いエミッタティップ１の支持部材に吸着される可能性がある。適当な間隔で、エミッタティップ１およびその支持部材の温度を使用するガスの液化点（沸点）以上に上げて、支持部材に吸着したガスを放出させることが望ましい。エミッタティップ加熱電源４２は、そのための加熱に用いることができる。

以上のように、本実施の形態１によれば、エミッタティップ１を冷却してエミッタ電極を増加させるとともにガス放出口部分３をヒータ２５で加熱してガスを液化点以上に保つことができる。これにより、ＡｒやＸｅなどの重いイオンのガスを使用した場合でも、ガスを液化点以上に保ちながら高輝度のイオンビームを得ることができる。

＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施の形態２に係るイオンビーム装置２００の構成を示す模式図である。本実施の形態２に係るイオンビーム装置２００は、実施の形態１で説明したＧＦＩＳ（図４中の符号１００）を、従来のＧａ−ＬＭＩＳ用に作製された集束イオンビーム装置に組み込んで構成したものである。以下、図４の各構成について説明する。

エミッタティップ１から放出されたイオンビーム５は、静電レンズ１０２−１、１０２−２で集束されて試料６上に照射される。試料６上でのイオンビーム５の照射位置は、偏向器１０３−１、１０３−２でイオンビーム５を偏向することによって調整される。

試料６から発生した２次電子７は２次電子検出器１０４で検出され、その信号強度を偏向強度と対応させた２次電子観察像が表示器１１０で形成される。ユーザは、表示器１１０を用いて２次電子観察像を見ながら、イオンビーム５を照射する位置を画面上で指定することができる。

静電レンズ１０２−１、１０２−２、ビーム制限絞り１０２−３、アライナー１０２−４を含むレンズ系１０２は、レンズ系制御器１０５で制御される。偏向器１０３−１、１０３−２を含む偏向系１０３は、偏向系制御器１０６で制御される。なお、各部のドライバを表すボックスの符号は省略してある。

本実施の形態２における「画像処理部」は、表示器１１０が相当する。「制御部」は、レンズ系制御器１０５、偏向系制御器１０６が相当する。

以上のように、本実施の形態２によれば、ＡｒやＸｅなどの重いイオンビームを用いて試料を加工する集束イオンビーム装置を得ることができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態１〜２では、重いイオン種を高輝度で放出することを説明した。一方、加工を行なう前には、ビーム照射位置を決めるためにＳＩＭ像観察などを行なう。この過程でイオンビームを試料に照射する必要がある。このとき、イオンビームが試料へ余分な加工ダメージを与えてしまう可能性がある。加工ダメージを減らすために、イオン電流を減らしたり、イオンのドーズ量を減らしたりするには問題がある。

まず、ＧＦＩＳからのイオン放出角度がＧａ−ＬＭＩＳの場合よりも一桁程度小さいため、実際にそれを制限してイオン電流を減らすことが僅かしかできない。また、イオンのドーズ量を減らしてＳＩＭ像を取得すると、今度はノイズのために位置精度が悪くなってしまう。

本発明の実施の形態３では、上記のような課題を解決するため、イオン種を高速に切り替えてＳＩＭ像観察時と加工時で異なるイオン種のビームを用いることのできる構成と動作を説明する。

図５は、本実施の形態３に係るイオンビーム装置２００の構成を示す断面図である。本実施の形態３に係るイオンビーム装置２００は、実施の形態１〜２いずれかで説明した構成と概ね同様の構成を備えるが、イオン種を切り替えるための構成が実施の形態１〜２とは異なる。以下では差異点を中心に説明する。

ガスボンベ３１−２には、複数の主成分を有する混合ガスが充填されている。
引出し制限絞り８は、エミッタ電極が放出するイオンビームを通過させる開口部を有する。この開口部の位置と口径を適切に設定することにより、所望のイオン種のビームを選択的に通過させることができる。詳細は後述の図６で説明する。

引出し電圧印加部４−２には、前記混合ガスの主成分の数に対応する引出し電圧の値を記憶するメモリが搭載されている。この値は、イオン種の切り替えに応じて引出し電圧を切り替えるためのものである。詳細は後述の図６で説明する。引出し電圧印加部４−２が備える上記メモリは、本実施の形態３における「第１記憶部」に相当する。

以上、本実施の形態３に係るイオンビーム装置２００の構成を説明した。次に、Ｈｅを４０％とＸｅを６０％含む混合ガスを使用した場合について、本実施の形態３に係るイオンビーム装置２００の動作を説明する。

図６は、引出し電圧を高めていった場合のイオンビームの変化を示す図である。図６（Ａ）は引出し電圧が低い時点、図６（Ｂ）は引出し電圧が高い時点の様子を示す。

ＸｅはＨｅに比べて電界電離でのイオン化が起きやすい。そのため、引出し電圧を高めていくと、まず図６（Ａ）のようにＸｅイオンだけで構成されるイオンビーム５−１がエミッタティップ１の特に先端の微小突起１−１から放出される。

さらに引出し電圧を高めていくと、Ｘｅが広い領域から放出されるようになってイオン源の輝度は低下し、さらには微小突起１−１ではイオン放出できなくなる。これによりイオン源の輝度はさらに低下する。

さらに引出し電圧を高めていくと、ＸｅだけでなくＨｅもイオン化した状態になる。この状態では、図６（Ｂ）のように、エミッタティップ１の先端の微小突起１−１からＨｅイオンだけで構成されるイオンビーム５−２が放出される。Ｘｅイオンだけで構成されるイオンビーム５−１は、イオンビーム５−２の周辺から大きな角度で放出される。

図６（Ｂ）の状態では、微小突起１−１から放出されるイオンビーム５−２の開き角度は数°以下になっているため、適正な開口を有する引出し制限絞り８を使うことにより、ＨｅイオンとＸｅイオンの中からＨｅイオンだけのイオンビーム５−２を選択的に通過させることができる。図６の例では、エミッタティップ１直下の開き角度数°以内の開口部を有する引出し制限絞り８を配置することにより、引出し電圧が低いときはＸｅイオンビームが通過し、引出し電圧が高いときはＨｅイオンビームが通過することになる。

以上のように、図６（Ａ）（Ｂ）それぞれの状態における引出し電圧の値とそのときに用いるイオン種との対応関係をメモリ等の記憶装置に格納しておけば、それを呼び出して引出し電圧値を変更することにより、瞬時にイオン種（ここではＨｅイオンとＸｅイオン）を切り替えることができる。

図７は、本実施の形態３における引出し電圧印加部４−２の内部構成を示す図である。引出し電圧印加部４−２の構成は、実施の形態１の図２で説明した構成と概ね同様であるが、引出し電圧制御器４４−２が、ガス成分に対応する引出し電圧を引出し電圧メモリ４５にメモリしたり、それを呼び出して引出し電圧を変更したりすることができる点が異なる。

ＧＦＩＳでイオン種を切り替えることは、本実施の形態３で説明した方法を用いなくても、例えば、複数のガスボンベ３１をバルブで切り替えて使うなどの方法でも実現することができる。しかしながら、ガスの切り替えは安定状態に達するまでに数時間を要するため、現実的ではない。本実施の形態３では、引出し電圧を変更するために要する時間（数ｍｓ程度）でイオン種を切り替えることができる点で有利である。

本実施の形態３で説明した、引出し制限絞り８を用いて混合ガスに含まれる複数種のイオンビームのうち所望のものを選択的に通過させる手法は、単独で用いることもできるし実施の形態１〜２で説明した手法と組み合わせて用いることもできる。

実施の形態１で説明した、重いイオンのガスを使用するための手法を本実施の形態３に組み合わせた場合には、実施の形態２において混合するガスとして多種の重いイオンのガスを使うことができる。この場合、ガス放出口部分３の温度は、使用する混合ガスの中で最も沸点の高いガス成分に合わせて決める必要がある。本実施の形態３で挙げた例ではＨｅよりＸｅの沸点が高いので、それに合わせてガス放出口部分３の温度を例えば約１７０Ｋに設定するとよい。

本実施の形態３では、２つの主成分を持つ混合ガスをとリあげたが、３つ以上の主成分を持つ混合ガスについても本実施の形態３と同様の手法を用いることができる。また、３つ以上の主成分を持つ混合ガスを使用して、そのうちの２つのガス成分に対応するイオン種しか使用せず、引出し電圧値を２つのみ記憶しておく場合でも、本実施の形態３と同様の効果を発揮することができる。

＜実施の形態４＞
図８は、本発明の実施の形態４に係るイオンビーム装置２００の構成を示す模式図である。本実施の形態４に係るイオンビーム装置２００は、実施の形態３で説明したＧＦＩＳ（図４中の符号１００−２）を、従来のＧａ−ＬＭＩＳ用に作製された集束イオンビーム装置に組み込んで改良を加えたものである。以下、図８の各構成について説明する。

ＧＦＩＳ１００−２を備えていることにより、混合ガスに含まれるイオン種を高速に切り替えることができる。イオン引出し電圧印加部４−２は、読み出す引出し電圧値を切り替えるとき、その旨の信号をレンズ系制御器１０５−２と偏向系制御器１０６−２に出力する。

イオン種毎に引出し電圧が変化すると、それに対応してレンズ系や偏向系の設定も変更する必要がある。レンズ系制御器１０５−２、偏向系制御器１０６−２は、それぞれの設定をイオン種毎に記憶するメモリ等の記憶装置を備え、イオン引出し電圧印加部４−２からイオン種を切り替える旨の信号を受け取ると、対応する設定を呼び出してイオン種に対応する制御を行なう。レンズ系制御器１０５−２、偏向系制御器１０６−２が備える上記メモリは、本実施の形態４における「第２記憶部」に相当する。

表示器１１０−２は、２次電子観察像をメモリ等の記憶装置に格納する。このとき、表示器１１０−２は、イオン引出し電圧印加部４−２からのイオン種切り替え信号をラベルとして一緒にメモリする。これにより、イオン種とその２次電子観察像の対応関係を記憶することができる。

上記のような構成により得られるメリットを、ＨｅとＸｅの混合ガスを使用した場合について説明する。

Ｈｅイオンのイオンビーム５を試料６に照射して２次電子観察像を取得し、これを表示器１１０−２が備える記憶装置に格納する。その後、ユーザはこの２次電子観察像を表示器１１０−２上で目視確認しながら、試料６を加工したい位置を２次電子観察像上で指定し、イオンビーム５をＸｅイオンに切り替えて、その位置にイオンビームを照射して加工を実施することができる。すなわち、イオンビームの照射位置を決定する際はＨｅイオンビームを試料６に照射し、加工を実施する際はより重いＸｅイオンビームを試料６に照射する、といった目的毎のイオン種の切り替えを行なうことができる。

Ｈｅイオンはほとんどスパッタを起こさないので、高ＳＮで高分解能の２次電子観察像が得られる。ユーザは、この２次電子観察像を見ながら照射位置を決定し、その位置にＸｅイオンビームを照射して加工する。これにより、試料６にダメージをあたえずに高精度で加工を行なうことができる効果がある。

＜実施の形態５＞
実施の形態４では、照射位置を決めるときと加工を行なうときでイオン種を切り替えることのできるイオンビーム装置２００の構成を説明した。本発明の実施の形態５では、イオン種を切り替える機能を別の目的に使用する例を説明する。

本実施の形態５では、ＧＦＩＳに供給するガスとして、Ｈ_２が３０％、Ｈｅが７０％の混合ガスを使用する。この場合、同じ試料６に対して、ＨとＨｅの２種類の２次電子観察像が得られる。どちらのイオン種もほとんどスパッタを起こさないので、高ＳＮで高分解能の表面像が得られる。

これら２つの２次電子観察像には、表面凹凸に対してほぼ同様の感度を持つ成分と、表面元素種に対して異なる感度を持つ成分とが含まれている。表示器１１０−２は、これら２つの２次電子観察像を比較演算する。これにより、例えば表面凹凸に特化した像や表面元素種に特化した像を生成することができる。

一方、単一のイオン種で２次電子観察像を得た場合、元素・材料の質量数の違いに起因する２次電子収率（＝検出値／イオン電流）は、元素周期律に対する依存性を持っているため、異なる質量数に対して非常に近い値を持つ場合がある。その場合は、２次電子観察像でこれらの違いを決定しにくい。

これに対して、イオン種を変更すると、元素・材料の質量数の違いに起因する２次電子収率の元素周期律に対する依存性が変化する。したがって、異なるイオン種に対する２次電子収率の組み合わせを用いれば、元素・材料の違いを明確に判断することができる。この場合は、あらかじめ両イオン種に対する２次電子イールドの元素・材料毎のテーブルを準備しておくとよい。これにより、単一のイオン種の２次電子観察像では値が近いために決定しにくい元素・材料の同定を容易にする効果がある。例えば、試料ステージ１０１上に既知材料の２次電子イールド基準を設けておき、あらかじめ両イオン種のイオンビーム５の電流補正をしておくと、前記同定を正確に行うことができる。

上記のように複数のイオン種の処理結果を比較してより正確な観察像を得ることは、単一のイオン種の２次電子観察像だけでは不可能である。

以上の説明では、２次電子観察像を比較することを説明したが、２次イオンやＸ線など、２次電子以外の２次粒子を検出して得た像についても、異なるイオン種毎に取得した２次粒子像を比較演算することで、２次電子観察像と同様に試料についての新たな情報が得られる可能性がある。

＜実施の形態６＞
実施の形態３〜５では、あらかじめ記憶しておいた混合ガスの主成分に対応する引出し電圧を記憶装置から呼び出し、それと対応するレンズ系や偏向系の設定を連動して呼び出すことで、高速にイオン種を切り替え可能なことを示した。

イオン種に応じて引出し電圧を変更することは、イオン種に応じてエミッタティップ１先端の電界強度を変化させることと等価であるといえる。そこで本発明の実施の形態６では、エミッタティップ１先端の電界強度を、実施の形態３〜５とは異なる手法で変化させることにより、引出し電圧を変化させることと同等の効果を発揮させる構成と動作例を説明する。

図９は、実施の形態３〜５と同等の効果を発揮するＧＦＩＳの構成例を示す図である。記載の簡易のため、各電極と電源の配置のみ示す。

図９（Ａ）は、実施の形態１と同じ電極と電源の配置を示している。図９（Ｂ）は、これと同等の効果を発揮する別構成例を示す。

図９（Ｂ）では、エミッタティップ１と引出し電極２の間に抑制電極１２０を配置している。エミッタティップ１と抑制電極１２０の間には抑制電圧印加部１２１が接続されている。抑制電圧印加部１２１は、引出し電圧に比べて小さな抑制電圧を抑制電極１２０に印加することで、エミッタティップ１先端の電界強度を変更する。

図９（Ｃ）は、実施の形態３〜５と同じ電極と電源の配置を示している。図９（Ｄ）は、これと同等の効果を発揮する別構成例を示す。

図９（Ｃ）において、引出し電圧を切り替えてイオン種を切り替えることは、抑制電極１２０を配置した図９（Ｄ）において、抑制電圧を切り替えてイオン種を切り替えることと等価である。

抑制電圧印加部１２１−２は、混合ガスの主成分に対応する抑制電圧値を記憶する記憶部を備え、その値を呼び出して抑制電圧をその値に変更する機能を有する。イオン種を切り替えるときは、切り替え後のイオン種に対応する抑制電圧値を読み出し、その抑制電圧を抑制電極１２０に印加する。これにより、エミッタティップ１先端部の電界強度をイオン種に応じて切り替えることができる。

以上の説明では、イオン種を切り替える際の電解強度の変更を、抑制電圧の変更のみで行なうことを説明したが、抑制電圧と引き出し電圧をともに変更して総合的に同等の電圧変化を発生させても、同等の効果を発揮することができる。

＜実施の形態７＞
実施の形態４の図８で説明したイオンビーム装置２００において、実施の形態６で説明したような、抑制電極１２０を用いてエミッタティップ１先端部の電界強度を変化させる構成を採用することもできる。

この場合、引出し電圧印加部４−２がイオン種切り替え信号を出力することに代えて、抑制電圧印加部１２１−２が抑制電圧切り替え信号を出力する。レンズ系制御器１０５−２、偏向系制御器１０６−２、表示器１１０−２は、抑制電圧切り替え信号を受け取ると切り替え後のイオン種に応じた動作を実行する。これにより、実施の形態４〜５と同等の効果を発揮することができる。

１：エミッタティップ、１−１：微小突起、２：引出し電極、３、３−１：ガス供給配管のガス放出口部分、４、４−２：引出し電圧印加部、５、５−１、５−２：イオンビーム、６：試料、７：２次電子、８：引出し制限絞り、１０：真空容器、１１：排気口、１２：バルブ、２０：冷却ヘッド、２１−１、２１−２：伝熱用網線（無酸素銅）、２２−１、２２−２：伝熱支持体（無酸素銅）、２３−１、２３−３：伝熱絶縁碍子（サファイヤ）、２４−１、２４−３：熱絶縁支持体（ステンレス薄肉パイプ）、２５：ヒータ、３０：ガス供給配管、３１、３１−２：ガスボンベ、３２：バルブ、４０−１、４０−２：高電圧導入端子、４１−１、４１−２：高圧電源、４２：エミッタティップ加熱電源、４３：加速電圧制御器、４４、４４−２：引出し電圧制御器、４５：引出し電圧メモリ、１００、１００−２：ガス電界電離イオン源、１０１：試料ステージ、１０２：レンズ系、１０２−１、１０２−２：静電レンズ、１０２−３：ビーム制限絞り、１０２−４：アライナー、１０３：偏向系、１０３−１、１０３−２：偏向器、１０４：２次電子検出器、１０５、１０５−２：レンズ系制御器、１０６、１０６−２：偏向系制御器、１１０、１１０−２：表示器、１２０：抑制電極、１２１、１２１−２：抑制電圧印加部。

Claims (5)

1. ガス電界電離イオン源と、
   試料を保持する試料ステージと、
   前記ガス電界電離イオン源から放出されるイオンビームを集束して前記試料上に照射するレンズ系と、
   前記イオンを偏向して前記試料上のイオンビームの照射位置を変える偏向系と、
   前記試料から放出される２次粒子を検出する２次粒子検出器と、
   前記２次粒子検出器の検出結果を用いて前記試料の観察像を形成する画像処理部と、
   前記レンズ系および前記偏向系を制御して前記イオンビームの照射位置を調整する制御部と、
   を備え、
   前記ガス電界電離イオン源は、
   エミッタ電極と引出し電極を有する電極部と、
   前記エミッタ電極の先端近傍にガスを供給するガス供給部と、
   前記エミッタ電極と前記引出し電極の間に電圧を印加して前記ガスをイオン化する電界を形成する電圧印加部と、
   前記エミッタ電極の先端部の温度より前記ガス供給部のガス放出口部分の温度が高くなるように、前記エミッタ電極の先端部の温度と前記ガス供給部のガス放出口部分の温度を個別に制御する温度制御部と、
   前記エミッタ電極が放出するイオンビームを通過させる開口部を有する引出し制限絞りと、
   前記エミッタ電極から放出されるイオンの種類とそのとき前記電圧印加部が印加する電圧値との対応関係を表すデータを記憶する第１記憶部と、
   を備え、
   前記ガス供給部は、複数の元素のガスを主成分として含む混合ガスを供給するように構成されており、
   前記画像処理部は、
   前記エミッタ電極から放出される少なくとも２種類のイオンに対応した前記観察像を形成し、
   各前記観察像を比較演算した新たな２次粒子画像を形成して表示する
   ことを特徴とするイオンビーム装置。
2. 前記温度制御部は、
   前記エミッタ電極の先端部と前記ガス供給部のガス放出口部分を同時に冷却する冷却部と、
   前記ガス供給部のガス放出口部分を加熱する加熱部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
3. 前記エミッタ電極と前記引出し電極の間に配置する抑制電極を備え、
   前記電圧印加部は、前記抑制電極と前記エミッタ電極の間に抑制電圧を印加して前記ガスをイオン化する電界を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
4. 前記エミッタ電極から放出されるイオンの種類とそのときの前記レンズ系および前記偏向系の設定値との対応関係を表すデータを記憶する第２記憶部を備え、
   前記制御部は、
   前記第１記憶部が格納しているデータに対応するデータを前記第２記憶部から読み出してそのデータが表す前記設定値に基づき前記レンズ系および前記偏向系を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
5. 前記画像処理部は、前記イオンビームの照射位置を指定する旨の操作入力を受け取り、
   前記制御部は、その照射位置に前記イオンビームを照射するよう前記偏向系を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。

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