JP6121767B2 - 集束イオンビーム装置、及び集束イオンビームの照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビーム装置、及び集束イオンビームの照射方法に関する。

従来から、半導体デバイス等の試料の観察や各種の評価、解析等を行ったり、試料から微細な薄片試料を取り出した後、該薄片試料を試料ホルダに固定してＴＥＭ試料を作製したりするための装置として、集束イオンビーム装置が知られている。
この集束イオンビーム装置は、イオンを発生させるイオン源を備えており、ここで発生したイオンを、その後集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion beam）にして照射している。

イオン源としては、いくつか種類があり、例えばプラズマ型イオン源や液体金属イオン源等が知られているが、これらのイオン源よりも高輝度で、ビーム径の小さな集束イオンビームを発生させることができるものとしてガス電界電離型イオン源（ＧＦＩＳ：Gas Field Ion Source）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ガス電界電離型イオン源は、先端が原子レベルで先鋭化されたエミッタと、エミッタの周囲にヘリウム（Ｈｅ）等のガスを供給するガス源と、エミッタを冷却させる冷却部と、エミッタの先端から離れた位置に配設された引出電極と、を主に備えている。
このような構成において、ガスを供給した後、エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加させると共にエミッタを冷却すると、ガスがエミッタ先端部の高電界によって電界電離してイオン化し、ガスイオンとなる。すると、このガスイオンは、正電位に保持されているエミッタから反発して引出電極側に引き出された後、適度に加速されながら集束されることで集束イオンビームとなる。

特に、ガス電界電離型イオン源から発生されるイオンは、上述したように高輝度で光源径が小さく、エネルギーの広がりも小さいので、ビーム径を小さく絞ったまま試料に照射することができる。従って、観察時における高分解能化や微細なエッチング加工等が可能になる。

特開平７−２４０１６５号公報

ところで、集束イオンビームを安定的に発生させるためには、イオン源から放出される電流（イオン電流）を安定させることが重要とされている。イオン電流を安定化させる手法としては、例えば、エミッタの先端の結晶構造をピラミッド状にし、１個の原子を最先端に配列するようにすることが考えられる。しかしながら、上述のような最先端に１個の原子が配置された結晶構造を製造するのは工程が非常に煩雑となることから、エミッタ先端の結晶構造によらずイオン電流を安定的に得ることができる新たな技術の提供が望まれていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エミッタ先端の終端構造によらずイオン電流を安定的に得ることができる集束イオンビーム装置、及び集束イオンビームの照射方法を提供する。

本発明者らは、鋭意研究の結果、所定値よりも低い電離エネルギーを有するガスを供給しながら引出電圧を調整することで、エミッタの先端の終端構造によらず、イオンビームの輝点の数を制御可能になるとの知見を得た。本発明者らは、上記の知見に基づき、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の集束イオンビーム装置は、先端が先鋭化され、前記先端の結晶構造がピラミッド形状からなり、前記先端の最先端部がシングルアトム構造ではないエミッタと、前記エミッタを収容するイオン源室と、前記イオン源室にヘリウムよりも電離エネルギーが低いガスを供給するガス供給部と、前記エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンとした後、前記引出電極側に引き出す引出電源部と、を備え、前記引出電源部は、前記エミッタから放出されるイオンビームの電界イオン像における輝点の数を１つにするように前記引出電圧を印加することを特徴とする。

本発明の集束イオンビーム装置によれば、エミッタから放出される前記イオンビームの輝点を１つにできるので、イオン電流を安定的に得ることができる。また、引出電圧のみを調整することでエミッタの先端部の結晶構造によらず、輝点が１つのイオンビームを生成できるので、エミッタの製造工程を大幅に簡略化することができ、エミッタの製造コストを低減できる。

また、上記集束イオンビーム装置においては、前記ガス供給部は、前記ガスとして、窒素、水素、及び酸素の少なくともいずれかを前記イオン源室に供給する構成としてもよい。
この構成によれば、電離エネルギーが高過ぎず低過ぎない所望のガスが供給されるので、上述したような輝点が１つのイオンビームを良好に生成することができる。

また、上記集束イオンビーム装置においては、前記エミッタは、前記先端部の結晶構造がピラミッド形状からなり、前記先端部の最先端を構成する原子数が３個である構成としてもよい。
この構成によれば、先端部の最先端が３個の原子から構成されたエミッタを有するので、引出電圧の調整により上述したような輝点が１つのイオンビームを確実に生成することができる。また、最先端が３個の原子から構成されたエミッタは、最先端が１個の原子から構成されたものに比べて容易に製造可能である。そのため、このような構造のエミッタを採用することで集束イオンビーム装置自体の製造コストを低減することが可能となる。

また、本発明の集束イオンビームの照射方法は、先端が先鋭化され、前記先端の結晶構造がピラミッド形状からなり、前記先端の最先端部がシングルアトム構造ではないエミッタと、前記エミッタを収容するイオン源室と、前記イオン源室にヘリウムよりも電離エネルギーが低いガスを供給するガス供給部と、前記エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンとした後、前記引出電極側に引き出す引出電源部と、を備えた集束イオンビーム装置における集束イオンビームの照射方法であって、前記エミッタから放出されるイオンビームの電界イオン像を取得する画像取得工程と、前記電界イオン像における輝点の数を１つにする前記引出電圧を選択する選択工程と、前記選択工程において選択した前記引出電圧を印加して前記イオンビームを照射する照射工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の集束イオンビームの照射方法によれば、選択した所定の引出電圧を印加することでイオンビームの電界イオン像の輝点を１つにすることができる。よって、エミッタの先端部の終端構造によらず、イオン電流を安定的に得ることができる。また、エミッタの先端部の結晶構造によらず輝点が１つのイオンビームを生成できるので、エミッタの製造工程が大幅に簡略化されてエミッタの製造コストを抑えることができる。

また、上記集束イオンビームの照射方法においては、前記ガスとして、窒素、水素、及び酸素の少なくともいずれかを用いる構成としてもよい。
この構成によれば、電離エネルギーが高過ぎ、或いは、低過ぎない所望のガスが供給されるので、上述したような輝点が１つのイオンビームを良好に生成することができる。

また、上記集束イオンビームの照射方法においては、前記エミッタとして、前記先端部の結晶構造がピラミッド形状であり、且つ前記先端部の最先端を構成する原子数が３個のものを用いる構成としてもよい。
この構成によれば、先端部の最先端が３個の原子から構成されたエミッタを用いるので、引出電圧の調整により上述のような輝点が１つのイオンビームを確実に生成可能となる。また、最先端が３個の原子から構成されたエミッタは、最先端が１個の原子から構成されたものに比べて容易に製造できるため、集束イオンビーム装置自体の製造コストを低減できる。

本発明によれば、エミッタ先端の終端構造によらずイオン電流を安定的に得ることができる集束イオンビーム装置、及び集束イオンビームの照射方法を提供することができる。

本実施形態の集束イオンビーム装置の概略構成を示す図。 集束イオンビーム装置を構成する集束イオンビーム鏡筒の構成図。 エミッタの拡大図。 エミッタの理想的な先端形状を原子レベルで拡大した図。 本実施形態におけるエミッタの先端形状を原子レベルで拡大した図。 引出電圧とイオン電流との関係を示したグラフ。 （ａ）〜（ｃ）は画像取得機構により取得されたＦＩＭ像を概念的に示す図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。また、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、ガス電界電離型イオン源（ＧＦＩＳ：Gas Field Ion Source）を構成し、イオンビームの放出源として用いられるエミッタを例に挙げて説明する。

はじめに、上記ガス電界電離型イオン源を備えた集束イオンビーム鏡筒を具備する集束イオンビーム装置について、簡単に説明する。

（集束イオンビーム装置）
図１は、本実施形態の集束イオンビーム装置の概略構成を示す図である。図２は、集束イオンビーム装置を構成する集束イオンビーム鏡筒の構成図である。
本実施形態の集束イオンビーム装置１は、図１に示すように、試料Ｓが載置されるステージ２と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する集束イオンビーム鏡筒３と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射によって発生した二次荷電粒子Ｒを検出する検出器４と、デポジション膜を形成するための原料ガスＧ１を供給するガス銃５と、検出された二次荷電粒子Ｒに基づいて画像データを生成すると共に、該画像データを表示部６に表示させる制御部７と、を主に備えている。なお、以下の説明では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を簡略化して、単にイオンビームと呼ぶこともある。

ステージ２は、制御部７の指示に基づいて作動するようになっており、５軸に変位することができるようになっている。即ち、このステージ２は、水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿って移動する水平移動機構８ａと、ステージ２をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させて傾斜させるチルト機構８ｂと、ステージ２をＺ軸回りに回転させるローテーション機構８ｃとから構成される変位機構８によって支持されている。

このような構成に基づき、集束イオンビーム装置１は、変位機構８によりステージ２を５軸に変位させることで、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を所望する位置に向けて照射することができるようになっている。ステージ２及び変位機構８は、真空チャンバ９内に収納されている。これにより、真空チャンバ９内で集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射や原料ガスＧ１の供給等が行われるようになっている。

集束イオンビーム鏡筒３は、図２に示すように、エミッタ１０と、ガス源（ガス供給部）１１と、冷却部１２と、加熱部１３と、引出電極１４と、引出電源部１５と、ビーム光学系１６と、画像取得機構１７と、を主に備えている。

図３は、エミッタ１０の拡大図である。エミッタ１０は、図３に示すように先端が先鋭化された針状の導電性部材であり、イオンビームを放出する放出源である。このエミッタ１０は、その先端が原子レベルオーダーで先鋭化されている。具体的に結晶構造がピラミッド状になるように構成されている。なお、結晶構造の詳細については、後述する。

このように構成されたエミッタ１０は、図２に示したように、イオン発生室（イオン源室）２０内に収容された状態で支持されている。このイオン発生室２０は、内部が高真空状態に維持されるようになっている。上記ガス源１１は、エミッタ１０の周囲に微量のガスＧ２を供給するものであり、ガス導入管１１ａを介してイオン発生室２０に連通している。

上記加熱部１３は、エミッタ１０の先端を局所的に加熱するものであり、例えばフィラメントである。この加熱部１３は、制御部７からの指示によって作動する電流源１３ａからの電流により所定温度までエミッタ１０の先端を局所的に加熱して、エミッタ１０を構成する原子の再配列を行わせる働きをしている。

イオン発生室２０の開口には、上記引出電極１４がエミッタ１０の先端から離間した状態で配設されている。この引出電極１４には、エミッタ１０の先端に対向する位置に開口部１４ａが形成されている。上記引出電源部１５は、引出電極１４とエミッタ１０との間に引出電圧を印加する電極である。この引出電源部１５は、引出電圧を印加することにより、エミッタ１０の最先端でガスＧをイオン化させてガスイオンにさせた後、このガスイオンを引出電極１４側に引き出させる役割を果している。

上記冷却部１２は、液体ヘリウムや液体窒素等の冷媒によってエミッタ１０を冷却するものであり、本実施形態では図示したように引出電極１４を含む空間Ｅの全体を冷却するように設計されている。但し、少なくともエミッタ１０が冷却されていれば良い。また、冷却方法として、冷凍機を使用しても構わない。

上述したエミッタ１０、ガス源１１、加熱部１３、引出電極１４、引出電源部１５及びイオン発生室２０は、ガスＧからガスイオンを発生させる電界電離型イオン源２１を構成する。

また、引出電極１４の下方には、接地電位の陰極２２が設けられている。この陰極２２とエミッタ１０との間には、加速電源部２３から加速電圧が印加されるようになっており、引き出されたガスイオンにエネルギーを与えて加速させ、イオンビームにしている。陰極２２の下方には、イオンビームを絞り込む第１のアパーチャー２４が設けられている。
第１のアパーチャー２４の下方には、イオンビームを集束して集束イオンビーム（ＦＩＢ）にするコンデンサーレンズ２５が設けられている。なお、本実施形態においては、第１のアパーチャー２４を設ける場合を例に挙げたが、第１のアパーチャー２４を設けなくても良い。

コンデンサーレンズ２５の下方には、水平方向に移動可能とされ、集束イオンビーム（ＦＩＢ）をさらに絞り込む第２のアパーチャー２６が設けられている。第２のアパーチャー２６の下方には、試料Ｓ上で集束イオンビーム（ＦＩＢ）を走査する偏向器２７が設けられている。偏向器２７の下方には、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の焦点を試料Ｓ上に合わせる対物レンズ２８が設けられている。

上述した陰極２２、加速電源部２３、第１のアパーチャー２４、コンデンサーレンズ２５、第２のアパーチャー２６、偏向器２７及び対物レンズ２８は、引き出されたガスイオンを集束イオンビーム（ＦＩＢ）にした後に試料Ｓに照射させる上記ビーム光学系１６を構成している。また、図示していないが、従来の集束イオンビーム装置で使用されている非点補正器、ビーム位置調整機構もこのビーム光学径に含まれる。

上記画像取得機構１７は、コンデンサーレンズ２５と第２のアパーチャー２６との間に設けられたＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）３０及びミラー３１と、ＭＣＰ３０の下面に設けられる蛍光スクリーン３２と、ＣＣＤカメラ３３と、を含む。

ＭＣＰ３０及びミラー３１は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の光軸上の位置と光軸から離れた位置との間で移動自在に設けられている。この際、ＭＣＰ３０とミラー３１とは、制御部７からの指示に基づいて同期しながら移動するようになっており、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を試料Ｓに照射する場合には同じタイミングで光軸上から離れ、エミッタ１０先端のＦＩＭ像（電界イオン像）を取得する場合には光軸上に位置するように制御されている。なお、ＭＣＰ３０は、ＦＩＭ像の取得時にはゲインが自動調整されるようになっている。また、ＭＣＰ３０及びミラー３１は、常に位置が記録されており、毎回光軸上の同じ位置にセットされるようになっている。

画像取得機構１７は、ＦＩＭ像をＭＣＰにより増幅させた後に蛍光スクリーン３２に入射させているようにしている。これにより、蛍光スクリーン３２にエミッタ１０先端のＦＩＭ像が映し出されるようになっている。映し出されたＦＩＭ像は、ミラー３１で反射されて向きが変わり、ＣＣＤカメラ３３に導かれる。このようにして、画像取得機構１７は、ＦＩＭ像を取得することが可能とされている。なお、取得されたＦＩＭ像は、後述の制御部７に送られるようになっている。制御部７は、取得したＦＩＭ像を表示部６に表示させるようになっている。

上記検出器４は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）が照射されたときに、試料Ｓから発せられる二次電子、二次イオン、反射イオンや散乱イオン等の二次荷電粒子を検出して、制御部７に出力している。
ガス銃５は、デポジション膜の原料となる物質（例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボンやタングステン等）を含有した化合物ガスを原料ガスとして供給することが可能とされている。この原料ガスは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射と、それによって発生した二次荷電粒子によって分解され、気体成分と固体成分とに分離される。そして、分離した２つの成分のうち固体成分が堆積することで、デポジション膜となる。

なお、ガス銃５には、エッチングを選択的に加速させる物質（例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、水）を使用することができる。例えば、試料Ｓが、Ｓｉ系の場合にはフッ化キセノンを、有機系の場合には水を使用する。また、イオンビームと同時に照射することで、特定の材質のエッチングを進めることができる。また、ガス銃５とは別にガス銃を設けることで、該ガス銃をエッチング用途に使用するようにしても良い。

制御部７は、上述した各構成品を総合的に制御していると共に、引出電圧や加速電圧やビーム電流等を適宜変化させることが可能とされている。そのため、集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム径を自在に調整し、観察画像を取得するだけでなく、試料Ｓを局所的にエッチング加工（粗加工や仕上げ加工等）すること等が可能とされている。

また、制御部７は、検出器４で検出された二次荷電粒子Ｒを輝度信号に変換して観察画像データを生成した後、該観察画像データに基づいて表示部６に観察画像を出力させている。これにより、表示部６を介して観察画像を確認できるようになっている。また、制御部７には、オペレータが入力可能な入力部７ａが接続されており、該入力部７ａによって入力された信号に基づいて各構成品を制御している。つまり、オペレータは、入力部７ａを介して、所望する領域に集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射して観察したり、所望する領域をエッチング加工したり、所望する領域に原料ガスＧ１を供給しながら集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射してデポジション膜を堆積させたりすることができるようになっている。

ところで、一般に、集束イオンビーム装置においては、ガス電界電離型イオン源から放出される電流（以下、イオン電流と称す場合もある）が安定しないと、試料の観察時において誤った情報を取得する、或いは、試料の微細加工時において深さ方向の加工精度が一様とならなくなるといった問題が生じてしまう。

ここで、例えば、ガス電界電離型イオン源におけるイオンビームのＦＩＭ像（電界イオン像）の輝点が複数ある場合、全ての輝点から発生するイオン電流は全体として一定であるが、各輝点で発生するイオン電流は一定にならない。そのため、複数の輝点を有するイオンビームは試料観察や微細加工における信頼性が低いものとされていた。特に、ネオンや窒素等といったヘリウム（Ｈｅ）よりも電離エネルギーが低いガスをイオン源に供給した場合、上述したイオン電流の変動が大きくなってしまい、試料観察や試料加工を所定の精度で行うことが難しくなる。そのため、従来、集束イオンビーム装置においては、イオン源に供給するガスとして一般的にヘリウム（Ｈｅ）が使用されていた。

また、従来、ＦＩＭ像の輝点を１つにすることでイオン電流を安定化させるエミッタを作成することも行われていた。このようなエミッタは、図４に示すように、先端に原子Ａ１が１個のみ配置された構造（以下、説明の都合上、適宜、シングルアトム構造と称す場合もある）を有する。

しかしながら、このようなシングルアトム構造を有するエミッタの製造には、特殊な装置や複雑な工程が必要となるため、コストが増加するといった問題に加え、エミッタ自体の耐久性が低い等といった問題が生じており、シングルアトム構造のエミッタは実用化レベル（量産レベル）での使用は難しかった。

このような技術背景の下、上述のシングルアトム構造を用いることなく、すなわち、エミッタの先端構造によらず、１つの輝点のイオンビームを生成することでイオン電流を安定化させることができる新たな技術の提供が望まれていた。

本発明者らは、鋭意研究の結果、ガス電界電離型イオン源に従来において一般的には使用されていなかったヘリウム（Ｈｅ）以外のガス（ヘリウム（Ｈｅ）よりも電離エネルギーが低いガス）を供給しつつ引出電圧を調整すると、シングルアトム構造を有しないエミッタを用いた場合でも、１つの輝点のイオンビームを生成することでイオン電流を安定化させることができるとの知見を得た。

そして、本発明者らは、上記知見に基づき、本発明を完成するに至った。
本実施形態に係る集束イオンビーム装置１は、ガス源１１によりガス導入管１１ａを介してイオン発生室２０内にヘリウムよりも電離エネルギーが低いガスＧ２を供給するとともに、引出電源部１５においてエミッタ１０から放出されるイオンビームの輝点が１つにする引出電圧を印加する構成を採用している。

また、本実施形態において、エミッタ１０として、結晶方位を（１１１）面とし、先端（最先端）のピラミッド状の結晶構造が、図５に示すように３つの原子Ａ１が配列されてなる構造（以下、説明の都合上、適宜、トリマー構造と称す場合もある）のものを用いるのが好ましい。このようなトリマー構造を採用したエミッタ１０を用いれば、後述のように引出電圧を調整した際にイオンビームの輝点を確実に１つにすることが可能となるからである。

また、上述のトリマー構造は、上述のシングルアトム構造に比べて、先鋭化工程に特殊な装置や多数の工程を伴うことなく、比較的容易に製造可能である。そのため、エミッタ１０を作成する時間及び手間が大幅に抑えられることで低コスト化を図ることが可能である。

なお、上述のトリマー構造を有するエミッタ１０は、例えば、タングステン（Ｗ）を基材とするチップを加熱により先鋭化することで製造可能である。また、上記トリマー形状のエミッタ１０における第二の製造方法としては、タングステン（Ｗ）を基材とするチップをガスによってエッチングして原子レベルで先鋭化させる電界誘起窒素エッチング法、或いは電界誘起酸素エッチング法を例示できる。さらに、また、上記トリマー形状のエミッタ１０における第三の製造方法としては、タングステン（Ｗ）を基材とするチップの先端にイリジウム（Ｉｒ）からなる金属膜を形成し、イリジウム膜を加熱により先鋭化する方法を例示できる。

ここで、イオン発生室２０内に供給するガスの種類をヘリウム（Ｈｅ）と窒素（Ｎ）とで異ならせた場合における、引出電圧とイオン電流との関係について説明する。図６は、引出電圧とイオン電流との関係を示したグラフである。

図６に示されるように、従来、ガス電界電離型イオン源において一般に用いられていたヘリウム（Ｈｅ）ガスは、イオン電流の変化に対応する引出電圧の変化幅が大きい。一方、窒素（Ｎ）ガスは、イオン電流の変化に対応する引出電圧の変化幅が小さい。すなわち、ヘリウム（Ｈｅ）ガスは、イオン電流と引出電圧との関係がブロードであるのに対し、窒素ガスは、イオン電流と引出電圧との関係がピーキーであると換言することができる。

これは、ヘリウム（Ｈｅ）ガスよりも電離エネルギーが小さい窒素ガスは、限られた狭い範囲での引出電圧域においてのみイオン化が生じるものの、他のガスに比べて電離エネルギーが最大となるヘリウム（Ｈｅ）ガスは広い範囲での引出電圧域においてイオン化が生じさせるためと考えられる。なお、窒素ガスに電離エネルギーが近い、酸素（Ｏ）ガス、水素（Ｈ）ガスを用いた場合、図６に示される窒素ガスと同様の傾向を示す。

上記知見に基づき、本実施形態に係る集束イオンビーム装置１においては、ガス源１１によりイオン発生室２０内にヘリウム（Ｈｅ）よりも電離エネルギーが低いガスＧ２を供給するようにした。なお、ガスＧ２としては、電離エネルギーがヘリウム（Ｈｅ）よりも低いものであれば適宜採用可能であるが、窒素、水素、及び酸素の少なくともいずれかを用いるのが望ましい。これら窒素（Ｎ）ガス、酸素（Ｏ）ガス、及び水素（Ｈ）ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）ガスの電離エネルギーに比べて、それぞれ電離エネルギーが高すぎることもなく、且つ低すぎることのない適度な値を有する。そのため、後述のように引出電圧を選択することでイオンビームにおけるＦＩＭ像の輝点の数を１つにする状態を良好に作り出すことが可能となる。

また、本発明者らは、上述したようにイオン電流と引出電圧との関係がピーキーとなる電離エネルギーがヘリウム（Ｈｅ）ガスよりも低いガスをイオン発生室２０内に上記ガスＧ２を供給しつつ、引出電圧を所定値に調整するとシングルアトム構造の如く、輝点が１つとなる安定化したイオンビームを生成可能となることを見出した。

したがって、本実施形態に係る集束イオンビーム装置１では、後述のように、イオン発生室２０内に上記ガスＧ２を供給しつつ、イオンビームのＦＩＭ像における輝点を１つにすることが可能な引出電圧を予め選択しておき、該選択した引出電圧を印加することでイオンビームを生成するようにしている。

ここで、引出電圧を選択するステップについて説明する。
本実施形態において、引出電圧の選択においては、画像取得機構１７により取得したエミッタ１０先端のＦＩＭ像（イオンビームの輝点数）を参照する。

従来のようにイオン発生室に電離エネルギーが高いヘリウム（Ｈｅ）ガスを供給した場合、ＦＩＭ像によって、エミッタ先端の結晶構造をなすピラミッド構造の高さ方向における数原子層分の像が取得されてしまう。そのため、取得されたＦＩＭ像は多数の起点を含むものとなるので、特定の原子層に対応した輝点を判別することは難しかった。

これに対し、本実施形態に係る構成のようにイオン発生室２０内にヘリウム（Ｈｅ）よりも電離エネルギーが低いガスＧ２を供給することで取得されたＦＩＭ像では一度に取得可能な原子層の数が少なくなる。すなわち、電離エネルギーが低いガスＧ２を用いると、ＦＩＭ像によるエミッタ１０の表面に対する凹凸への応答性が高くなる（凹凸に敏感であると換言することもできる）。

本発明者らは、このようにＦＩＭ像によるエミッタ１０の表面に対する凹凸への応答性が高くなる特性を利用し、上述のようにヘリウム（Ｈｅ）よりも電離エネルギーが低いガスＧ２を供給しながら引出電圧の値を徐々に変化させていくと（高くしていくと）取得されるＦＩＭ像に現れる輝点の数が変化することを見出した。すなわち、ＦＩＭ像を参照することで輝点の数を１つにすることが可能な引出電圧を探し出すことができることを見出したのである。

図７は、上記画像取得機構１７により取得されたＦＩＭ像を概念的に示す図であり、図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれが印加される引出電圧の値が異なり、図７（ａ）〜（ｃ）の順に電圧値が高くなっている。

エミッタ１０（先端がトリマー構造）に対して引出電圧を徐々に大きくしていくと、図７（ａ）に示されるようにＦＩＭ像１００として３つの輝点Ｐを有する像が得られる。さらに、引出電圧を大きくしていくと、図７（ｂ）に示されるようなＦＩＭ像１０１として１つの輝点Ｐを有する像が得られる。さらに、引出電圧を大きくしていくと、図７（ｃ）に示されるようなＦＩＭ像１０２として、図７（ａ）に比べて各輝点間の距離が同等または拡大した３つの輝点Ｐを有する像が得られる。すなわち、図７（ｂ）に示される状態がイオンビームを安定化させる最適な引出電圧が印加された状態である。なお、図７（ａ）に示される状態は引出電圧が小さく、図７（ｃ）に示される状態は引出電圧が大きく、いずれも最適な引出電圧ではない。

このように本実施形態では、ヘリウム（Ｈｅ）よりも電離エネルギーが低いガスＧ２を用いることでＦＩＭ像によるエミッタ１０の表面に対する凹凸への応答性を向上させ、引出電圧の調整に伴ってＦＩＭ像を大きく変化させることが可能である。このようにして、エミッタ１０先端のＦＩＭ像を参照することで輝点が１つとなるイオンビームを照射可能な最適な引出電圧を選択可能である。

以上のように、本実施形態に係る集束イオンビーム装置１は、上記ガスＧ２を供給しつつ、引出電源部１５が上述のようにして選択された引出電圧を引出電極１４に印加することでエミッタ１０から輝点が１つとなるイオンビームを照射させるようにしている。

次に、上記構成を有する集束イオンビーム装置１の動作とともに本発明の集束イオンビームの照射方法の一例について説明する。
はじめに、集束イオンビーム装置１を動作させるに先立ち、輝点が１つとなるイオンビームを照射可能となる引出電圧を選択する（選択工程）。このとき、ＭＣＰ３０及びミラー３１を光軸上に移動させておく。

ガス源１１からイオン発生室２０内にガスＧ２を供給すると共に、冷却部１２によりエミッタ１０を所定の温度、例えば２０Ｋ程度まで冷却する。ガスＧ２の供給及びエミッタ１０の冷却が十分に行われた後、引出電源部１５により引出電極１４とエミッタ１０との間に引出電圧を印加する。引出電圧の値を徐々に高くしていくと、エミッタ１０の先端の電界が局所的に高まるので、イオン発生室２０内のガスＧ２がエミッタ１０の先端で電界電離してイオン化し、ガスイオンとなる。そして、このガスイオンは、正電位に維持されているエミッタ１０から反発して引出電極１４側にイオンビームとして引き出される。

この状態において、エミッタ１０から放出されるイオンビームのＦＩＭ像を画像取得機構１７により取得する（画像取得工程）。引出電圧の調整は、上述のように画像取得機構１７により取得されたＦＩＭ像を参照しながらＦＩＭ像の輝点が１つになるように設定される。引出電圧の設定値は、制御部７に設けられた不図示のメモリーに記憶される。

なお、ＦＩＭ像に基づく最適な引出電圧の選択は、集束イオンビーム装置１を使用するユーザが例えば表示部６に表示されたＦＩＭ像の輝点の数を目視で数えることで行っても良いし、制御部７が取得したＦＩＭ像における輝点の数を測定することで自動的に行うようにしても良い。

このようにして本実施形態に係る集束イオンビーム装置１は、上記ガスＧ２を供給しつつ、引出電源部１５が上述のようにして選択された引出電圧を引出電極１４に印加することでエミッタ１０から輝点が１つとなるイオンビームを照射させることができる（照射工程）。エミッタ１０から引き出されたイオンビームは、ビーム光学系１６によって集束イオンビーム（ＦＩＢ）となり、試料Ｓに向けて照射される。このとき、ＭＣＰ３０及びミラー３１を光軸上から退避させておく。

これにより、試料Ｓの観察やエッチング加工等を行える。また、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する際に、ガス銃５から原料ガスＧ１を供給することで、デポジション膜を生成することも可能である。つまり、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の照射によって発生した二次電子が、原料ガスＧ１を分解して気体成分と固体成分とに分離させる。すると、分離した２つの成分のうち、固体成分だけが試料Ｓ上に堆積してデポジション膜となる。
このように、観察や加工だけでなくデポジション膜の生成も可能とすることができる。
従って、本実施形態の集束イオンビーム装置１は、これらの特徴を適宜使い分けることで、顕微鏡、測長、断面観察、断面測長、ＴＥＭ試料作製、マスクリペア、描画等を行う装置して幅広く利用することができる。

特に、本実施形態の集束イオンビーム（ＦＩＢ）は、電界電離型イオン源２１から発生されたビームであるので、プラズマ型イオン源や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さく高輝度のビームである。また、本実施形態において、上述の引出電圧を印加することでＦＩＭ像の輝点が１つとなることでイオン電流が安定化している。従って、観察を行う場合にはより高分解能で観察でき、加工を行う場合にはより微細で非常に高精度な加工を行うことができる。

また、本実施形態では、従来のシングルアトム構造を用いることなく、電離エネルギーが低いガスＧ２の供給と引出電圧の調整という新たな知見に基づいて、ＦＩＭ像の輝点を１つにすることでイオン電流を安定的に得ることができる。よって、エミッタ１０の製造工程を大幅に簡略化することができ、集束イオンビーム装置１全体としてのコストを低減することができる。

なお、エミッタ１０における経時的な変化が生じた場合、エミッタ１０を構成する原子を再配列するトリートメントを行うようにすればよい。トリートメントは、例えば、エミッタ１０の先端を局所的に加熱することで行われる。

この場合、トリートメントのタイミングに合わせて、引出電圧の再設定を行い、再設定後の引出電圧に基づいてエミッタ１０を駆動させればよい。これによれば、長期に亘ってビーム径の小さい集束イオンビームを安定的に得ることが可能な信頼性の高い集束イオンビーム装置１を提供できる。

以上、添付図面を参照しながら本実施形態に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

また、上記実施形態では、イオン発生室２０内に供給するガスＧ２として、ヘリウム（Ｈｅ）ガスよりも電離エネルギーが低いとして、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）、及び酸素（Ｏ）の少なくともいずれかを供給したが、この場合に限定されず、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等を用いても構わない。この際、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の用途に応じて、ガスＧ２の種類を途中で切り替えたり、２種類以上のガスＧ２を混合して供給したりするようにしても構わない。

また、上記実施形態では、エミッタ１０の結晶方位を（１１１）面としたが、（１００）面でも構わないし、（１１０）面としても構わない。

また、上記実施形態では、エミッタ１０の基材をタングステン（Ｗ）としたが、イリジウム（Ｉｒ）、或いはモリブデン（Ｍｏ）としても構わない。また、基材の表面を被膜する金属膜をイリジウム（Ｉｒ）としたが、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）等を用いても構わない。

また、上記実施形態では、トリートメントの際に、エミッタ１０先端を局所的に加熱したが、この際、単に加熱するだけでなく、加熱に加え、強電界中で電子放出することで再配列させても構わない。更に、加熱に加え、強電界中でヘリウム（Ｈｅ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを導入しながら電子放出することで再配列させても構わない。更には、加熱に加え、酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）を導入しながら再配列させても構わない。これらの場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。

ＦＩＢ…集束イオンビーム、Ｇ２…ガス、１…集束イオンビーム装置、１０…エミッタ、１１…ガス源（ガス供給部）、１４…引出電極、１５…引出電源部、１７…画像取得機構、２０…イオン発生室（イオン源室）、１００，１０１，１０２…ＦＩＭ像（電界イオン像）

Claims (6)

1. 先端が先鋭化され、前記先端の結晶構造がピラミッド形状からなり、前記先端の最先端部がシングルアトム構造ではないエミッタと、
   前記エミッタを収容するイオン源室と、
   前記イオン源室にヘリウムよりも電離エネルギーが低いガスを供給するガス供給部と、
   前記エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンとした後、前記引出電極側に引き出す引出電源部と、を備え、
   前記引出電源部は、前記エミッタから放出されるイオンビームの電界イオン像における輝点の数を１つにするように前記引出電圧を印加することを特徴とする集束イオンビーム装置。
2. 前記ガス供給部は、前記ガスとして、窒素、水素、及び酸素の少なくともいずれかを前記イオン源室に供給することを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
3. 前記エミッタは、前記先端の最先端部を構成する原子数が３個であることを特徴とする請求項１又は２に記載の集束イオンビーム装置。
4. 先端が先鋭化され、前記先端の結晶構造がピラミッド形状からなり、前記先端の最先端部がシングルアトム構造ではないエミッタと、前記エミッタを収容するイオン源室と、前記イオン源室にヘリウムよりも電離エネルギーが低いガスを供給するガス供給部と、前記エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンとした後、前記引出電極側に引き出す引出電源部と、を備えた集束イオンビーム装置における集束イオンビームの照射方法であって、
   前記エミッタから放出されるイオンビームの電界イオン像を取得する画像取得工程と、
   前記電界イオン像における輝点の数を１つにする前記引出電圧を選択する選択工程と、
   前記選択工程において選択した前記引出電圧を印加して前記イオンビームを照射する照射工程と、を含むことを特徴とする集束イオンビームの照射方法。
5. 前記ガスとして、窒素、水素、及び酸素の少なくともいずれかを用いることを特徴とする請求項４に記載の集束イオンビームの照射方法。
6. 前記エミッタとして、前記先端の最先端を構成する原子数が３個のものを用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の集束イオンビームの照射方法。

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