JP5559431B2 - 粒子源及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒子源に関するものである。より具体的には、電子顕微鏡、集束イオンビーム装置、微焦点Ｘ線管、電子ビームリソグラフィ装置、イオンビームリソグラフィ装置に用いられる粒子源及びその製造方法に関するものである。また、本発明は、粒子源を用いるデバイスにも関するものである。

ミクロ・ナノメートルの検出及び製造などの各分野において、電子顕微鏡、集束イオンビーム装置、微焦点Ｘ線管、電子ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィなどは、重要な役割を果たしている。

電子が発生する電子源及びイオンが発生するイオン源（「粒子源」と総称する。通常は、１本の針金である）は、これらの結像システムの肝心な部品である。結像システムの解像度、コントラストなどの重要な性能は、最終的に粒子源の性能に決定されている。

最も常用されている電子源は、ショットキー電界放射電子源であり、伝統的な熱電子源に比べると、寿命が長いメリットを有しているが、等価直径が大きい、解像度が低い、輝度が高くなくかつ電子のエネルギーの均一性がよくないなどのデメリットも有している。現在、性能が優れている冷電界放射電子源は、等価直径が非常に小さくて、高電圧時には、輝度がショットキー電界電子源よりかなり高いというメリットがあるが、低圧時には輝度が急激に悪化してしまうと考えられている。しかし、多くの材料、特に生物のサンプルについては、低圧モード下でサンプルを測定しなければ、そのサンプルに損傷を与えてしまうことになる。

ガス電界イオン放射源は、非常に早く既に出現しており、等価直径が小さくてイオンのエネルギー分布が均一であるメリットを有しているが、ビームストリーム密度が高くなく、かつミクロ・ナノ加工プロセスによって針先のサイズが制限され、イオン源の発散角が非常に大きいため、集束イオンビームシステムに応用することができない。現在、最も常用されているイオン源は、液体金属のイオン源であり、ビームストリーム密度が非常に高いが、等価直径が大きくかつイオンのエネルギー分布がムラを有している。近年、ガス電界放射イオン源は、ピラミッド型の原子レベルの針先の開発が成功したため、集束イオンへの応用が可能となるが、そのビームストリーム密度が低すぎるデメリットは、依然として、その応用を大きく制限している。特に、ミクロ・ナノ製造への応用が制限されている。

そのため、ビームストリーム密度が高く、ビームストリーム角、等価直径及びエネルギーの分散度ともに小さい粒子ストリームを供給できる粒子源が望まれている。電子源について、その放射される電子ビームが良好的な空間干渉性を有することも望まれている。

本発明の１つの局面は、真空の環境内に針金を設置して活性ガス及び触媒ガスを導入し、針金の温度に対して調節を行うと共に、針金に対して正の高電圧Ｖを印加することによって、針金表面の活性ガスを解離させて針金のヘッドの側面においてエッチング領域を形成し、このエッチング領域内で電界誘起エッチングを発生させるステップと、電界誘起エッチングにより、針金のヘッドの頂端における表面の電界を、針金の材料の電界蒸発の電界より大きくなるまで増強させ、前記針金のヘッドの頂端における金属原子を蒸発させるステップと、電界誘起エッチングによって電界蒸発を触発した後、針金のヘッド形状が台座と台座上にある針先とから構成されるようになるまで、電界誘起エッチングと、電界蒸発との二種のメカニズムを互いに調節するステップと、予め定められた形状を有する針金のヘッドが得られた時、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させるステップとを備える粒子源の製造方法を提供する。

また、触媒ガスの第１の電離エネルギーが活性ガスの第１の電離エネルギーより小さいことが好ましい。

また、前記正の高電圧Ｖは、針金のヘッドの頂端における表面電界を、活性ガスの電離電界より大きくさせることが好ましい。

また、前記活性ガスの圧力強度は、該活性ガスの放電の圧力強度より低いとともに、前記触媒ガスの圧力強度は、該触媒ガスの放電の圧力強度より低いことが好ましい。

また電界誘起エッチングの工程において、活性ガスの分子が針金の表面に吸着させられるように、針金の温度を制御することが好ましい。

また電界誘起エッチングが針金の側面で発生して粒子源の台座を形成し、電界誘起エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって針金の側面及び上方とから針金のヘッドを減少させて粒子源の針先を形成することが好ましい。

また急速に針金の温度を活性ガスの沸点より低く下げることで針金の表面の活性ガスの遷移速度を減少させ、その後、正の高電圧Ｖを切って電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させることが好ましい。

また、正の高電圧Ｖを切った後、針金の表面に吸着された活性ガス分子を取り除かせるように、針金の温度を上昇させることが好ましい。

また、触媒ガスの導入を停止させることで、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させることが好ましい。

また活性ガスの導入を停止させることで、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させることが好ましい。

また予め定められた最頂層の原子数を有する針先が得られた時、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させることが好ましい。

また電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させて活性ガス及び触媒ガスを取り除いた後に、他方の正の高電圧を印加することによって、針先の最頂層の表面で電界蒸発を発生させ、針先の上に付着された非金属原子または分子を取り除き、針先の最頂層の表面における金属原子を選択的に取り除き、最終的に予め定められた最頂層の原子数を有する針先が得られ、この最頂層の原子数は、少なくとも１つとなることが好ましい。

また、針金のヘッドに対向すると共に針金の軸線に垂直する位置に順次マイクロチャネルプレートＭＣＰと導電スクリーンとを設置し、結像ガスを導入して針金のヘッドの状態を観察することが好ましい。

また、前記粒子源は電子源またはイオン源であることが好ましい。

また、電界誘起エッチング及び電界蒸発を同時に行ってかつ互いに調節する際、正の高電圧Ｖは、３ｋＶ〜１００ｋＶの範囲にある一定の正の高電圧であることが好ましい。

また、針金がだんだん細くなるヘッドを有するように前加工が行われることが好ましい。

また、触媒ガスの圧力強度、活性ガスの圧力強度、針金の温度、正の高電圧Ｖの数値のうちの１つあるいは複数を調節することによって、電界誘起エッチングの精度及び速度を制御することが好ましい。

また、針先の曲率半径及び正の高電圧Ｖの数値を制御することによって台座の曲率半径の大きさを制御することが好ましい。

また活性ガスは、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、その他の酸素元素あるいは窒素元素を含む活性ガスのうちの何れか１種あるいはその組み合せであることが好ましい。

また触媒ガスは、Ｘｅ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_２のうちの何れか１種あるいはその組み合せであることが好ましい。 また、針金の材料は、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ニオビウム、ハフニウム、イリジウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、プラチナ、パラジウムまたは金であることが好ましい。 本発明のもう１つの局面は、上記粒子源を備えるデバイスを提供する。上記デバイスは、電子顕微鏡、集束イオンビーム装置、微焦点Ｘ線管、電子ビームリソグラフィ装置、イオンビームリソグラフィ装置であっても良い。 以下、図面を参照しながら説明を詳しく行うことによって、本発明の上記及びその他のメリットが明らかになる。なお、図面は説明のために用いられるものであり、本発明を限定するものではない。また、図面は、比例に基づいて作成したものではなく、その形状が模式的に示したものであり、実際の製品の形状と厳密に対応するものではない。

本発明の実施例に係る粒子源の構造を模式的に示した図である。 （Ａ）は、本発明の実施例に係る粒子源と従来技術のピラミッド型粒子源とを電子源として用いられる時の比較例を示した図であり、（Ｂ）は、本発明の実施例に係る粒子源と従来技術のピラミッド型粒子源とをイオン源として用いられる時の比較例を示した図である。 （Ａ）は、本発明の実施例に係る粒子源の製造装置を示した図であり、（Ｂ）は、活性ガス及び触媒ガスの選択原理を模式的に示した図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例に係る粒子源の製造方法を示した図である。

以下は、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について述べる。以下に示した実施の形態は、ただ例示に過ぎず、これに限るものではないと理解すべきである。また、それらの実施の形態は、本発明の原理を説明するのに用いられたものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないと理解すべきである。

図１は、本発明の実施例に係る、電子源あるいはイオン源として利用可能な粒子源１００の構造を示した模式図である。

粒子源１００は、図１に示したように、針先１１０と台座１２０を含む。針先１１０は、台座１２０の上にある微小な突起として形成される。針先１１０は、頂部の曲率半径がサブナノメートルから数十ナノメートルのレベルであるが、最頂部にある一層の原子数は、最小として１つだけにすることができる。台座１２０の頂部は、緩やかな突起が形成されており、また、中心軸線に対して対称となることが好ましい。台座１２０における曲率半径が数十ナノメートルからミクロンのレベルであることが好ましい。また、針先１１０が台座１２０の真中に位置することが好ましい。台座１２０の曲率半径が、針先１１０の曲率半径より遥かに大きいことが好ましい。本発明の実施例によれば、台座１２０の曲率半径と針先１１０の曲率半径との比は、３：１より大きい。

粒子源１００は、大きいサイズの台座上に１つの微小な針先が形成されることによってレンズの効果が生じることができるため、非常に小さいビームストリーム角を取得することができる。本発明の実施例によれば、粒子ビームを、極めて狭いビームストリーム角内に制限したことで、ビームストリーム密度を顕著に向上することができる。

このような構造を有する粒子源が電子源として用いられる時、その電流の利用率が高いと共に空間電荷の総量が減少し、空間のクーロン斥力が減少したため、電子エネルギーの均一性を向上することができる。このような構造を有する粒子源が電子源として用いられる時、針先１１０の頂部に１つの原子しか存在しないことをさせることで、このような電子ビームは、良好的な電子干渉性を持つことになる。

図２Ａは、本発明の実施例に係る粒子源１００と従来技術のピラミッド型粒子源（米国の特許ＵＳ７３６８７２７Ｂ２）とを電子源として用いた時の比較例を示した模式図である。本発明の実施例の粒子源１００のビームストリーム角が、従来技術のピラミッド型粒子源のビームストリーム角より遥かに小さくなったため、引き出し電極を通過する電流の割合が従来技術のピラミッド型粒子源より遥かに大きいことが分かる。

このような構造を有する粒子源が、イオン源として用いられる時、台座が比較的に大きい表面積を持つため、より多いガスを引きつけて針先へ供給できるので、大電流を実現することができる。図２Ｂは、本発明の実施例に係る粒子源１００と従来技術のピラミッド型粒子源とをイオン源として用いた時の比較例を示した模式図である。大きさが同じぐらい場合には、本発明の実施例に係る粒子源１００の台座の表面積が、従来技術のピラミッド型粒子源の台座の面積より遥かに大きいため、より多くのガスを引きつけることができ、より大きいイオンの電流が発生可能であることが分かる。

粒子源は、通常、非常に強い電界下で動作することになっている。針先は、強電界の針先への悪影響を低下させるため、例えば、タングステン、ニオビウム、タンタル、モリブデン、レニウム、ハフニウムなどの電界蒸発電界が非常に強いかつ熔解しにくい金属材料（溶点が２２００℃より高い）を選択して製造される。しかしながら、実際の使用においては、依然として、これらの針先の寿命及び安定性がいくつかの不利な要因の影響を受ける。これらの影響は、電子源及びイオン源を分けて検討可能である。

１.粒子源を電子源として用いる時、粒子源に対して負バイアスを印加した場合、針先における電界強度は、凡そ５Ｖ/ｎｍである。この場合、周囲環境における活性ガス分子は、針先上に容易に直接吸着されるので、電界放射の安定性に影響が与えられる。特に、針先が単原子の針先（即ち、針先には一つの原子のみ有する）の時、吸着された活性ガス分子が単原子と反応することもあり、その寿命に影響が与えられる。真空度は、凡そ１０^-８Ｐａである時、上述熔解しにくい金属で作成した単原子針先の寿命は、凡そ１００時間である。

２.粒子源を不活性ガスイオン源として用いる時、粒子源に対して正のバイアスを印加した場合、針先における電界は、数十Ｖ/ｎｍより大きい。この強電界下で、真空中に少量に存在する活性ガス（例えばＮ_２及びＯ_２）は、針先に接近する際、直接電離され、針先に影響が与えられない。しかしながら、これらの気体は、台座の側面に吸着され、強電界の働き下で台座をエッチングし、だんだん台座の形状を変化させ、最終的に粒子源を破壊してしまう。一般的には、真空度が１０^-８Ｐａの場合には、上記の熔解しにくい金属で作成した粒子源の寿命は、凡そ２００時間である。

３.集束イオンビーム装置技術の重要な一つ分岐として、ポイント活性ガスイオン源が期待されている。ポイント活性ガスイオン源が有れば、より多くの新しい応用が実現できる。例えば、二次イオン質量分析マッピングを用いて、サンプルの材料属性に対してより精確（精度が及び１ ｎｍ）の分析及び加工を実現することが期待されている。しかし、タングステン、タンタル、ニオビウム、モリブデン、レニウム、ハフニウムなどのこれらの材料は、活性ガスによってエッチングされてしまい、活性ガスの雰囲気下で全く稼動できない。

本発明の発明人は、イリジウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、プラチナ、パラジウム、金などの不活性金属で上記粒子源を製造可能であることを発見した。不活性金属は、活性ガスに強い耐食性を持つので、安定性が非常に高くかつ寿命が長い電子源を実現することができる。また、イリジウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウムなどは、低温および強電界環境下で、数多くの活性ガス(例えばＮ_２及びＯ_２)に強い耐食性を持つため、比較的に理想なポイント活性イオン源材料である。

図３Ａは、本発明の実施例に係る粒子源の製造装置の模式図を示す。図３Ａに示したように、真空の環境内に針金を設置して冷却し、活性ガス及び触媒ガスを導入する。針金に、正の高電圧Ｖが印加される。

この針金は、例えば、イリジウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、プラチナ、パラジウム、金などの、高度な化学不活性を有する不活性金属であっても良い。また、冷却された後の針金の表面に活性ガスが吸着し、後述のエッチング領域が適切な幅を持つことが好ましい。活性ガスは、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、その他の酸素元素あるいは窒素元素を含む活性ガスのうちの１種あるいはこれらの組み合せであってもよい。活性ガスは、その圧力強度を、適切な電界誘起エッチング速度となるようにする。活性ガスの圧力強度は、この活性ガスの放電の圧力強度より小さい。正の高電圧Ｖは、針金のヘッドの頂端表面における電界を、活性ガスの電離電界より大きくしたことで、針金を予め定められた位置に後述のエッチング領域が発生される。

図３Ａに示すように、針金のヘッド（底部及び針先を含み）は、軸対称の形状を有することが好ましい。針金は、例えば、電気化学エッチング前処理によって、だんだん細くなる形状のヘッド（そのヘッドのサイズは、ミクロンまたはサブミクロンのレベルである）が形成され、前記ヘッドが軸線に対して対称の形状を有することが好ましい。異なる針金に対するエッチングの方法については、書籍Ｔｓｏｎｇ, Ｔ. Ｔ. Ａｔｏｍ-Ｐｒｏｂｅ Ｆｉｅｌｄ Iｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉvｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ: Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ, １９９０）を参照すれば良い。

本発明の実施例に係る粒子源の製造方法は、電界誘起エッチング及び電界蒸発とを結合した工程である。即ち、正の高電圧Ｖによって針金のヘッドにおいてエッチング領域が発生し、このエッチング領域内に電界誘起エッチングを発生させることと、電界誘起エッチングによって針金のヘッドの頂端における表面の電界が、金属材料の電界蒸発の電界より大きくなるまで増強させ、この箇所の金属原子を蒸発させることと、電界誘起エッチングによって電界蒸発を触発した後に、この時の正の高電圧Ｖは、一定の正の高電圧であることが好ましいため、電界誘起エッチングと電界蒸発との２種のメカニズムを互いに調節して常に１つの動的な平衡状態に保つように確保したことで、針金のヘッドの形状が、大きい台座と台座上にある小さい針先とから構成されるまで、途切れなく変化させることと、電界誘起エッチングが側面で発生し、台座が形成され、電界誘起エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって針金の側面及び上方から針金のヘッドを減少させて粒子源の針先が形成されることとを含む方法である。この作成原理に基づいて、針先の曲率半径の原子レベルの精確な制御及び底部の曲率半径のナノレベルの精確な制御を実現することができる。

ある活性ガスは、例えば、酸素及び窒素などが、強電界下でいくつかの不活性金属（例えば、イリジウム）に対して直接的なエッチング働きを持たないことが知られている（Ｊ. Ｆ. Ｍｕｌｓｏｎ＆Ｅ. Ｗ. Ｍｕｌｌｅｒ、Ｐ２６１５, Ｖｏｌ. ３８, １９６３, Ｔｈｅ jｏｕｒｎａｌ ｏf ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｈｙｓｉｃｓを参照）。触媒ガスを用いて、これらの活性ガスが、不活性金属表面において原子またはイオンの形態に解離された後、やっと強電界下で金属に対してエッチングが行われる。説明の便宜上、本明細書において、活性ガスが解離されたものは、「活性ガス」とも称する。当業者は、後述するエッチング工程の記述において、エッチングに寄与する「活性ガス」とは、活性ガスが解離されたものであることを理解できる。

触媒ガスＸの主な働きは、表面に吸着された活性ガスＹを衝撃して解離させる（一般的には、解離エネルギーは数ｅＶである）ための高エネルギーの電子を提供することである。図３Ｂは、活性ガス及び触媒ガスの選択原理を模式に示す図である。第一の電離エネルギーが活性ガスＹの第一の電離エネルギーより小さい触媒ガスＸが選択されるべきである。これによって、針金のヘッドの附近において触媒ガスＸの第一の電離断面は、活性ガスＹの第一電離断面の外側にあることが保証できる。触媒ガスＸ及び活性ガスＹの電離面と金属表面との距離を、それぞれｄｘ及びｄｙに仮定した場合、触媒ガスＸ及び活性ガスＹは、電離後に電子が発生して取得したエネルギーは、それぞれ、ｅＦｄｘ及びｅＦｄｙ（ｅは、電子の電苛であり、Ｆは、表面電界の近似値である）である。ｄｘがｄｙより大きいため、ｅＦｄｘがｅＦｄｙより大きい。即ち、触媒ガスＸの電離によって発生した電子のエネルギーは、より高い。一般的に、ｄｘは、大きければ大きいほど良い。このようにすると、電子が十分なエネルギーを取得して、表面に吸着された活性ガスＹを衝撃して解離させることが保証できる。その効果は、図３Ｂの右図に示されている。その同時、触媒ガスＸの第一の電離断面は、活性ガスＹの外側に位置しているので、活性ガスＹの解離が、針金のヘッドの表面より大きい範囲内で発生することができる。

触媒ガスＸの選択時、その沸点も考慮されるべきである。電界誘起エッチングは、通常低温環境（１０Ｋ〜室温範囲内）において発生させるので、触媒ガスＸの沸点が高い場合、針金のヘッドの表面に凝集され、活性ガスの吸着乃至エッチング効果に影響を与えてしまうためである。これによって、触媒ガスＸの沸点は、できる限り低くすべきである。例として、活性ガスをＯ_２、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏとした場合、対応する触媒ガスは、Ｘｅ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_２などを含んでよい。これらの気体の相関物理パラメータは、表１に示されている。

また、大半の有機気体の使用は、通常炭元素の堆積を引き起こし、真空システムを汚染してしまう。これによって、触媒ガスは、ＸｅまたはＣＨ_４であることが好ましい。

以下、図４Ａを参照しながら、電界誘起エッチングの工程について説明する。針金は、冷却させると共に活性ガスの雰囲気に設置しておく。そして、針金に対して正の高電圧Ｖを印加したことによって、針金の表面で電界が形成される。この電界の強度は、下部からヘッドまで順次に増加していく。針金の表面に吸着された活性ガスは、触媒ガスを導入した際、活性ガス原子又はイオンを含む解離物に解離される。

活性ガスの針金の表面における分布は、対応する位置における電界強度に関連している。活性ガスは、電界強度がガスの電離電界強度（Ｅ_I）より上回る場合、針金の表面から離れた一定の距離（約０.４ｎｍ）のところに電離され、真空中において直接針金の表面に到達することができない。このため、電界強度がＥ_Iより大きい領域に分布された活性ガスは、主に、電界誘起遷移に由来する。すなわち、電界強度の低い針金表面に吸着された活性ガスが、電界の作用下で、針金の表面に沿って電界強度の低い位置から電界強度の高い位置へ移動する。これらの活性ガスは、針金の表面（０.４ｎｍ以内）に密着して分布するので、電離されない。これらの活性ガスが、針先のヘッドへ遷移する工程で、針金の表面の電界が電界誘起エッチングの電界閾値Ｅ_Ｃを超えれば、電界誘起エッチングが触発され、活性ガスを絶えずに消費していくため、活性ガスの針金の表面における濃度が、電界の増加（すなわち、底部から先端への方向）によって減少していく。その分布の上限は、エッチングを触発可能な最高な位置であり、電界強度Ｅ_upと対応している。ここで、電界強度がＥ_Ｃの位置と、この最高な位置Ｅ_upとの間の領域を、エッチング領域と定義する。電界閾値Ｅ_Ｃは、針金の材料と活性ガスの成分により決定される。

針金の表面に吸着された活性ガスの数量と、活性ガスが針金の表面に沿った遷移速度とが、電界誘起エッチングの速度及び精度に影響を与えている。

エッチング速度は、針金の表面に吸着された活性ガスの数量の増加によって増加していく。導入された活性ガスの濃度が、大きいほど（即ち、圧力強度が高いほど）、針金の表面に吸着される活性ガスが多くなり、エッチング速度が速くなる。それ以外に、活性ガスは、温度が低いほど、針金の表面に吸着され易くなるが、温度を下げることで、活性ガスが針金の表面に沿って遷移する遷移速度も下がることによって、エッチング速度を下げることになる。また、針金の表面は、その電界が強いほど、活性ガスを引きつけ易くなる。しかし、当業者は、エッチング速度が速い時、エッチングの精度が下がる恐れがあると理解できる。このため、実際の必要に応じて、導入した活性ガスの圧力強度、針金の温度及び正の高電圧Ｖの数値を調節することによって、エッチングの速度や精度を調節できる。

活性ガスは、針金の表面に沿って遷移する遷移速度が速ければ、エッチングの速度が速くなる。上記遷移速度が、主に２つの要因によって決定される。すなわち、（１）電界が針金の表面に沿った接線方向の勾配の分布：この分布は主に針金の表面の幾何形状及び材料の属性などの要因によって決定される。（２）活性ガスの熱運動エネルギー：針金の温度を調節することによって、その表面に吸着される活性ガスの熱運動エネルギーの大きさを変更することができるため、その遷移速度を変更する。

針金の温度が低いほど、活性ガスの遷移速度が低くなり、エッチング領域が狭くなり、エッチングに対して制御可能な精度が高くなるが、エッチングの速度が遅くなる。その反面、針金の温度が高いほど、エッチング領域が広くなり、エッチング精度が低くなり、エッチング速度が速くなる。そのため、針金の温度を制御することで、電界誘起エッチングの工程を制御して所望のエッチング精度及び速度を得ることができる。

図４Ａに示したように、エッチングが始まる時、電界強度が針金の頂端においてガスの電離電界強度（Ｅ_I）を上回り、針金の頂端には活性ガスが存在せず、すなわち、エッチング領域が針金の頂端まで一定の距離を持つように、十分高い正の高電圧Ｖが選択される。針金のヘッドの曲率半径の大きさに応じて、適切な正の高電圧が選択される。本発明の実施例において、正の高電圧Ｖの範囲は、３ｋＶ〜１００ｋＶであっても良い。図４Ｂに示したように、エッチングの工程において、活性ガスによって針金の側面を絶えずにエッチングしていき、エッチング領域の曲率が大きくなって、頂部が緩やかな台座が形成される。具体的には、活性ガスと金属の表面にある原子との結合が発生したことによって、金属原子とその他の隣り合う金属原子との結合力を弱めさせ、強い電界の作用下で、活性ガスと金属原子との結合物は、金属の表面から蒸発される。この工程は、電界誘起エッチングと称する。

次に、図４Ｂを参照しながら、電界蒸発の工程について説明する。電界誘起エッチングの進行につれ、針金のエッチング領域より上の部分にある頂部における曲率半径が小さくなることで、頂部の電界Ｅ_ｔｏpが、ずっと強くなっていき、Ｅ_ｔｏpが金属の材料の自身の電界蒸発の電界Ｅ_Ｐ以上になった時には、頂部の金属原子が、強い電界の作用下で直接に金属の表面から引っ張り出されることが起こる。この工程は、電界蒸発と称する。電界誘起エッチングによって両側から針金のヘッドを減少させ、電界蒸発は、針金の上方から針金のヘッドを減少させていくことになる。

電界誘起エッチング及び電界蒸発の進行につれ、針金のヘッドがだんだん減少していく。針金のヘッドが所望の形状までに減少した場合、電界蒸発及び電界誘起エッチングを停止させる。これによって、図４Ｃに示したように、大きい台座と小さい針先を有する粒子源が得られる。電界蒸発及び電界誘起エッチングを停止した後、活性ガスを排出する。その後、他方の正の高電圧を印加することによって、針先の最頂層の表面において電界蒸発が発生し、針先上に付着された非金属原子および分子(例えば、活性ガス分子)を取り除くと共に、針先における金属原子を選択的に取り除くことによって、最終的に、予め定められた最頂層の原子数を有する針先が得られる。

本発明の実施例によれば、所望の形状のヘッドが得られた時に、急速に針金の温度を活性ガスの沸点より低く下げることで、針金の表面における活性ガスの遷移速度を減少させ、その後、正の高電圧を切って電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止することが好ましい。そのとき、空中には、依然として触媒ガス分子が存在し、また、電離工程において絶えず電子が供給されることになっても、ヘッドの針先に活性気体が欠け、針先に対して更なるエッチングすることができない。

また、針金の温度を下げ、正の高電圧を切る前に、活性ガス及び触媒ガスの導入を停止することが好ましい。正の高電圧を切った後に、針金の表面に吸着された活性ガス分子を取り除かせるように、針金の温度を適切な温度(例えば、ガス溶点以上、実施例は室温の３００Kの程度に選択する)まで上昇させることが好ましい。 本発明の実施例によれば、一定の正の高電圧下で、電界誘起エッチングと電界蒸発とを互いに調節し、常に１つの動的な平衡状態を保つようにする。電界誘起エッチングは、エッチング領域の曲率半径を大きくするので、電界が小さくなる。この時、ヘッドの中心領域のサイズが小さくなり、曲率半径が小さくなって、電界が強められるため、電界蒸発が起こる。針金のヘッド中心領域の曲率半径は、電界蒸発によって大きくなり、縦方向から、中心領域のサイズを減少していく。中心領域の表面の電界は、常に電界蒸発の電界Ｅ_Ｐを維持しているため、中心領域の幾何形状の変化によって底部の電界とヘッドの電界との差が小さくなり、これによって台座の部分の電界が大きくなる。ここで、注意すべきなのは、台座の電界の全体的な傾向がだんだん減少していき、該当台座のある領域の電界がＥ_Ｃより小さく減少した時、この領域の電界誘起エッチングが停止することになる。

また、結像ガスを導入して電界誘起エッチング及び電界蒸発の工程を観測することが可能である。図３Ａに示したように、針金の真正面に導電性スクリーンを設置しておく。結像ガスは、例えば、Ｈｅ、Ｎｅなど不活性ガスである。高電圧が発生する強い電界の作用下で、結像ガスの分子が分極されて針先に引きつけられ、針先のヘッドに到達した後に電離され、スクリーンに衝撃することで、ライトスポットが発生する。各ライトスポットは、一つの原子の像に対応している。それによって、針金のヘッドの状態を観察することができる。本発明の実施例によれば、結像を補助するために、針金と導電スクリーンの前にマイクロチャネルプレートＭＣＰを設置しておく。

針金のヘッドの状態を観察することによって、所望の粒子源形状が得られた際、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させ、精確的に粒子源形状を制御することができる。本公開の実施例によれば、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させた後に、電界蒸発のみで、正確に針先の最頂層の原子の数量を制御することができる。特に、電子源として最頂層に１つの原子のみ存在する針先が得られる。このような針先は、粒子源として良好な干渉性を持つ。ここで、当業者は、この観察工程が必ずしも必要ではないと理解すべきである。実験によってプロセスのパラメーターを特定した後に、この観察工程を省略してもよい。

本発明の実施例によれば、精確的に針先と底部の曲率半径（Ｒ_Tｉp及びＲ_Ｂａｓｅ）を制御することができる。以上に述べたように、正の高電圧Ｖは、エッチングの工程中において、一定の値に維持される。電界誘起エッチングにより電界蒸発が触発されると、電界誘起エッチング及び電界蒸発への相互の調節の工程を同時に実現する。この時、同時に観察することによって、針先の変化を監視する。予め定められた形状の粒子源が得られた時に、電界誘起エッチング及び電界蒸発を停止させ、針先の曲率半径Ｒ_Tｉpを原子レベルまで精確的に制御することができる。

針先の最頂層の電界Ｅ_ｔｏpは、電界蒸発を開始した後に、針金の材料の電界蒸発の電界Ｅ_Ｐに維持される。Ｅ_Ｐは、材料と結晶面とによって決定される定数である。説明の便宜上、ここでは、電界イオンと電界放射顕微鏡の分野において通常よく使用されているパラメーター、即ち電界増強因子βを導入する。電界増強因子βは、下記のように定義される。

ここで、βは、針先からスクリーンまでの距離ｄと、台座及び針先の曲率半径（Ｒ_Tｉp及びＲ_Ｂａｓｅ）とによって決定され、以下のような関数として表すことができる。

作製の工程において、電界誘起エッチング及び電界蒸発が発生した領域の大きさは、ミクロンレベルであり、通常電界イオン顕微鏡におけるｄの設定（センチメートルレベル）より遥かに小さいため、ｄが定数と見なすことができ、数式（２）の変数のうち、ｄを省略することができる。また、Ｒ_TｉpがＲ_Ｂａｓｅより遥かに小さいため、（２）式を下記のように書き換えることができる。

ただし、

は、台座と針先のそれぞれの電界増強因子であり、それぞれの曲率半径によって決定される。
数式（１）と数式（３）とを結合して、下記の数式が得られる。

ここで、数式（１）に示したように、正確に

を制御することができる。また、Ｅ_Ｐは、材料の自身によって決定される。このため、

は、Ｖの数値を調節することによって、正確に制御することができる。

本発明によって提供した方法は、例えば熔解しにくい金属であるタングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ハフニウムなど、その他の種類の針金のエッチングにも適応できる。

選択された異なる金属に応じて、適切な活性ガス及び触媒ガスを選択してもよい。例えば、窒素のプラチナへのエッチング効果が、酸素よりかなり良いため、窒素を用いてプラチナに対してエッチングを行うことができる。

任意の材料に対しても、針金のヘッドの頂端における表面電界が活性ガスの電離電界より大きくなるように、正の高電圧を制御し、活性ガスの圧力強度が該活性ガスの放電圧力強度より低くなるように制御し、触媒ガスの圧力強度が該触媒ガスの放電圧力強度より低くなるように制御し、活性ガス分子が針金の表面に吸着可能になるように、針金の冷却温度を制御する。電界誘起エッチング及び電界蒸発の開始後、正の高電圧Ｖを一定の値に維持することが好ましい。

例えば、活性ガスがＯ_２である場合、圧力強度の範囲が１０^-６Ｐａから１０^-１Ｐａになるようにガスの圧力強度を制御すればよい。活性ガスがＮ_２である場合、圧力強度の範囲が１０^-６Ｐａから１０^-２Ｐａになるようにガスの圧力強度を制御すればよい。活性ガスがＣＯである場合、圧力強度の範囲が１０^-６Ｐａから１０^-１Ｐａになるようにガスの圧力強度を制御すればよい。

例えば、活性ガスがＯ_２である場合、温度の範囲が１０Ｋ〜２００Ｋになるように、針金の温度を制御すればよい。活性ガスがＮ_２である場合、温度の範囲が１０Ｋ〜２００Ｋになるように、針金の温度を制御すればよい。活性ガスがＣＯである場合、温度の範囲が１０Ｋ〜２００Ｋになるように、針金の温度を制御すればよい。

正の高電圧については、３ｋＶ〜１００ｋＶ内の値を採用してもよい。
以上の数値の範囲が、選択可能な好ましい例示に過ぎず、本発明の原理及び工程に対する理解に寄与するものであって、決してこの範囲以外のパラメーターで本発明を実現できないことを意味しないことは、当業者が理解すべきである。

本発明の方法によれば、電子顕微鏡に用いられる電子源、イオン顕微鏡に用いられるイオン源、電子ビームリソグラフィ装置に用いられる電子源、イオンビームリソグラフィ装置に用いられるイオン源、微焦点X線管に用いられる電子源を製造することができ、その他の用途に用いられる粒子源も製造することができる。本発明の方法によれば、正確に粒子源とする針先の原子数を制御することができる。例えば、少なくとも原子数を１つにすることができる。

本発明の方法によれば、ビームストリーム密度が高く、ビームストリーム角、等価直径、エネルギー分散度ともに小さい粒子ストリームを放射する粒子源を提供することができる。本発明に基づいて取得した電子源により放射された電子ビームは、良好な空間干渉性を有している。

以上、具体的実施例に基づいて本発明の原理について説明した。当業者は、以上に列挙した各詳細部分が本発明を説明するためのものであって、本発明への制限にはならないことを理解すべきである。以上の方法に含まれたステップは、本発明の目的を実現さえできれば、異なる順で実行してもよい。また、本発明の保護範囲は、請求の範囲及びそれに等価な範囲によって限定されるものである。

Claims (19)

1. 真空の環境内に針金を設置して活性ガス及び触媒ガスを導入し、前記針金の温度に対して調節を行うと共に、前記針金に対して正の高電圧Ｖを印加することによって、前記針金の表面の活性ガスを解離させて前記針金のヘッドの側面においてエッチング領域を形成し、このエッチング領域内で電界誘起エッチングを発生させるステップと、
   前記電界誘起エッチングにより、前記針金のヘッドの頂端における表面の電界を、前記針金の材料の電界蒸発の電界より大きくなるまで増強させ、前記針金のヘッドの頂端における金属原子を蒸発させるステップと、
   前記電界誘起エッチングによって前記電界蒸発を触発した後、前記針金のヘッド形状が台座と台座上にある針先とから構成されることになるまで、前記電界誘起エッチングと前記電界蒸発との二種のメカニズムを互いに調節するステップと、
   予め定められた形状を有する針金のヘッドが得られた時、前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発を停止させるステップであって、前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発を停止させるステップは、前記針金の表面における前記活性ガスの遷移速度を減少させるように急速に針金の温度を前記活性ガスの沸点より低く下げ、その後、前記正の高電圧Ｖを切って前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発を停止させることを含むステップと
   を含む粒子源を製造するための方法。
2. 前記触媒ガスの第１の電離エネルギーが前記活性ガスの第１の電離エネルギーより小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記正の高電圧Ｖは、
   前記針金のヘッドの頂端における表面電界を、前記活性ガスの電離電界より大きくすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記活性ガスの圧力強度は、前記活性ガスの放電の圧力強度より低いとともに、前記触媒ガスの圧力強度は、前記触媒ガスの放電の圧力強度より低いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記電界誘起エッチングの工程において、前記活性ガスの分子が前記針金の表面に吸着可能になるように、前記針金の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記電界誘起エッチングが前記針金の側面で発生し前記粒子源の台座を形成し、前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発のそれぞれによって前記針金の側面及び上方から前記針金のヘッドを減少させて前記粒子源の針先を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 電圧を切った後、前記針金の表面に吸着された前記活性ガス分子を取り除くように前記針金の温度を上昇させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記活性ガス及び前記触媒ガスの導入を停止させることで、前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発を停止させることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発を停止させて前記活性ガス及び前記触媒ガスを取り除いた後に、他方の正の高電圧を印加することによって、前記針先の最頂層の表面で前記電界蒸発を発生させ、前記針先の上に付着された非金属原子または分子を取り除くと共に、前記針先の最頂層の表面における前記金属原子を選択的に取り除き、最終的に予め定められた最頂層の原子数を有する針先が得られ、この最頂層の原子数は、少なくとも１つとなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記針金のヘッドに対向すると共に前記針金の軸線に垂直な位置にマイクロチャネルプレートＭＣＰと導電スクリーンとを順次に設置して前記針金のヘッドの状態を観察することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記台座の曲率半径は、数十ナノメートルからミクロンのレベルであり、前記針先の曲率半径は、サブナノメートルから数十ナノメートルのレベルであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記正の高電圧Ｖは、前記電界誘起エッチング及び前記電界蒸発を同時に行いかつ互いに調節する際、３ｋＶ〜１００ｋＶの範囲にある一定の正の高電圧であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記針金がだんだん細くなるヘッドを有するように前加工が行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記活性ガスの圧力強度、前記針金の温度、前記正の高電圧Ｖの数値のうちの１つあるいは複数を調節することによって、前記電界誘起エッチングの精度及び速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記針先の曲率半径及び前記正の高電圧Ｖの数値を制御することによって前記台座の曲率半径の大きさを制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 前記活性ガスは、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、その他の酸素元素あるいは窒素元素を含む活性ガスのうちの何れか１種あるいはその組み合せであり、
    前記触媒ガスは、Ｘｅ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_２Ｈ_２のうちの何れか１種あるいはその組み合せであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
17. 前記針金の材料は、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ニオビウム、ハフニウム、イリジウム、オスミウム、ロジウム、ルテニウム、プラチナ、パラジウムまたは金であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
18. 請求項１から１７の何れか一項に記載の方法によって製造されることを特徴とする粒子源。
19. 請求項１８に記載の粒子源を備えることを特徴とするデバイス。