JP6282030B2 - イオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム装置に関する。

電子を走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope以下、SEMと略記）と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次電子、二次イオン、反射イオンなどを検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope以下、SIMと略記）と呼ばれる。

また、ガス電界電離イオン源は先端曲率半径を100nm程度にした金属エミッタティップに水素あるいはヘリウムなどのガスを供給し、エミッタティップに数ｋV以上の高電圧を印加することにより、ガス分子を電界電離し、これをイオンビームとして引き出すものである。ガス電界電離イオン源の特徴は、イオンのエネルギー幅が狭く、さらにイオン発生源のサイズが小さいため、極微細なイオンビームを生成することができることにある。

なお、特許文献１には、エミッタと、エミッタからのイオンビームを加速するための加速電極と、加速されたイオンビームが照射されるターゲットとを備え、静電レンズ及びターゲットの間に減速電場を形成するように構成したイオンビーム装置において、ターゲットと同電位の補助電極と補助電極及びターゲットの間に配置された二次電子検出器とを備えた構成が開示されている。

特許文献２には、集束イオンビームを試料に照射することにより、試料から放出される二次電子を二次電子検出器で検出して二次電子像を撮像し、試料に電子銃により帯電補償電子を照射する集束イオンビーム照射装置が開示されている。そして、二次電子の流れを制御するメッシュ状のサプレス電極を試料と二次電子検出器との間に配し、試料に対して負の電位となる電位Ｖをサプレス電極へ印加している。さらに、サプレス電極の電位Ｖの絶対値をイオンビームによる二次電子エネルギーの最大値に相当する電圧より小さく、前記電子銃からの帯電補償電子照射により発生する二次電子及び反射電子のエネルギーの最大値に相当する電圧より大きく設定することが開示されている。

特開昭６４−１９６６４号 特開平５−３３４９８３号

しかしながら、上述したイオンビーム装置には次のような課題がある。エネルギーを持ったイオンビームを試料に照射すると、照射したイオンが元々あった試料原子を移動させる、いわゆるカスケードミキシング現象が発生する。例えば、試料分子の結合を切断して、その性質や密度を変化させる。また、試料原子の一部は真空中に飛び出す、いわゆるスパッタリング現象が発生する。また、試料が絶縁物の場合には試料の帯電現象が発生する。

これらの現象は、試料を観察する場合において試料表面の様子を変化させたり、構造寸法を変化させたりする。あるいは、帯電によって試料観察が困難になる。特に、ガス電界電離イオン源から発生する極微細なイオンビームを効果的に用いるためには、これらの現象を低減し、表面の超高分解能観察や元素分析を実現したり、高精度の寸法計測を実現したりすることが最も重要な課題の一つとなる。

これらの現象を低減するための一つの方策は、イオンビームのエネルギーを小さくすることである。これは、イオン加速電圧を例えば１０ｋＶ以下に低下させることで実現できる。しかし、加速電圧を低下させることで、イオンビーム集束する際の静電レンズの収差が増大する。すなわち、観察分解能が劣化したり、二次電子収率の低下をもたらす。

そこで、試料に正の高電圧を印加してイオンビームを減速する方法がある。ただしこの場合には、試料から放出される二次電子が試料に戻り、像観察や寸法計測が困難になる。そのため、二次電子の検出効率を上げることが重要である。

上記課題を解決するために、本願発明のイオンビーム装置は、正のイオンを発生させるイオン源と、試料が設置される試料ステージと、前記イオン源から発生したイオンビームを前記試料へ集束させる対物レンズと、前記対物レンズと前記試料との間に設けられた第１の電極と、前記第１の電極へ第１の正電位を印加する第１の電源と、前記試料ステージへ第２の正電位を印加する第２の電源とを有する。

本発明により、イオンビーム装置における二次電子の検出効率を上げることができる。

本発明によるイオンビーム装置の一例の概略構成図である。 本発明によるイオンビーム装置の制御系の一例の概略構成図である。 本発明によるイオンビーム装置の試料室内部構造の一例である。 本発明によるイオンビーム装置の一例の概略構成図である。 本発明によるイオンビーム装置の試料室内部構造の一例である。 本発明によるイオンビーム装置の一例の概略構成図である。 本発明によるイオンビーム装置の試料室内部構造の一例である。

本発明の一実施例を以下に述べる。以下の実施例において、説明のために電圧や温度の数値を用いて説明しているが、それぞれの値の高低などを説明するための便宜的な値でもあるので、当然、本願はこの値に限定されるものではないことを前述しておく。また、本発明は電界電離イオン源にて高い効果を発揮するが、特に言及しなければ、他のイオン源でも良い。

（１）正のイオンを発生させるイオン源と、試料が設置される試料ステージと、前記イオン源から発生したイオンビームを前記試料へ集束させる対物レンズと、前記対物レンズと前記試料との間に設けられた第１の電極と、前記第１の電極へ第１の正電位を印加する第１の電源と、前記試料ステージへ第２の正電位を印加する第２の電源とを有するイオンビーム装置とすることである。

このようにすると、試料に正電圧を印加したときでも、二次電子が試料に戻ることを防止し、二次電子の検出効率を上げることが出来る。これにより試料を照射するイオンエネルギーを低くでき、試料のダメージが少なくなる。したがって、試料表面の構造を変質させずに観察することや、表面の構造寸法を精度よく計測することが可能となる。さらに、イオンレンズを通過するイオンのエネルギーが高いため、イオンレンズの収差が小さくなり、試料上でのイオンビーム径が小さくなり、高分解能の観察や寸法計測が実現する。

また、第１の電極を設けることで、試料に印加する正の電圧とは異なる電圧を印加して二次電子の軌道を制御することにより二次電子の捕集効率が高くなる。よって、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となる。これは、観察時間の短縮やスループットの向上をも可能とする。

（２）さらに、第１の正電位は、前記第２の正電位よりも大きいことを特徴とする。

このようにすると、試料から放出された二次電子が前記第１の電極には衝突することを低減できるので、より多くの二次電子を捕集できる。

（３）さらに、第１の電極は、前記イオンビームが前記試料へ集束された位置を囲う形状であることを特徴とする。

このようにすると、試料から放出された二次電子の捕集効率が高くなるため、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となる。すなわち、観察時間が短縮したり、スループットが向上したりするという効果を奏する。また、第１の電極に当たって発生した三次電子を検出することも可能である。

（４）さらに、イオンビーム装置は、前記試料から放出された荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、前記荷電粒子を前記荷電粒子検出器方向に加速する磁場を、前記試料と前記荷電粒子検出器との間に発生させるコイルまたは磁石とを有する。

図示はしていないが、このようにすると、横方向に放射した２次電子の捕集効率が高まるため、形状輪郭が明確化する効果がある。これは、他の構成でも当てはまるが、本構成はより顕著な効果となる。

（５）さらに、試料から放出された荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、前記荷電粒子検出器と前記第１の電極との間に配置された第２の電極と、前記第２の電極へ前記第１の正電位より大きい第３の正電位を印加する第３の電源と、を有する。

このようにすると、試料から放出された二次電子が前記第２の電極が作る電場により荷電粒子検出器の方向に加速されるため、二次電子の捕集効率が特に高くなり、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。

（６）さらに、上記（５）記載のイオンビーム装置において、前記第１の正電位に比べて小さい第５の正電位が印加される電子エミッタを有する電子銃と、前記第５の正電位よりも大きく、かつ前記第１の正電位以下の第６の正電位が印加される電子照射電極と、を有する電子ビーム照射系とを有する。

このようにすると、特に、前記試料に印加する第１の電圧を変化させて、イオンエネルギーを変える場合にも、二次電子の捕集効率を最適に保つ、もしくは二次電子の検出感度を一定にするという効果を奏する。

（７）さらに、前記第１の正電位に比べて小さい第５の正電位が印加される電子エミッタを有する電子銃と、前記第５の正電位よりも大きく、かつ前記第１の正電位以下の第６の正電位が印加される電子照射電極を有する電子ビーム照射系とを有する。

このようにすると、試料が絶縁物の場合にも試料の帯電状態を電子ビーム照射によって制御できるため、絶縁物の観察や寸法計測が可能になるという効果を奏する。

（８）さらに対物レンズは、第１の負電位が与えられる第３の電極と、第１の負電位よりも低い第２の負電位が与えられる第４の電極と、第２の正電位よりも低い第７の正電位が与えられる第５の電極とを有する。

このようにすると、通過するイオンのエネルギーが低くても、イオンレンズの収差を最小にするように、イオンレンズの各々の電極に印加する電圧を決めることができるため、試料上でのイオンビーム径が小さくなり、高分解能の観察や寸法計測が実現するという効果を奏する。

（９）さらに、第１の電極の一部は、前記対物レンズの電極と一体的に構成されることを特徴とする。

このようにすると、特に、前記イオンレンズと試料の距離を小さくするのに好適となり、イオンレンズの収差を小さくできる。すなわち、試料上でのイオンビーム径がさらに小さくすることができ、高分解能の観察や寸法計測が実現するという効果を奏する。
また、第１の電極の少なくとも一部が、前記試料に最も近いイオンレンズの電極から構成されるようにしても良い。

（１０）さらに、第１の電極は、透磁率が100以上の材料により構成されることを特徴とする。

このようにすると、イオンレンズを通過するイオンのエネルギーを高くすることができ、イオンレンズの収差が小さくなる。また、試料上でのイオンビーム径が小さくなり、高分解能の観察や寸法計測が実現する。特に、試料近傍が、磁気シールドできるため、交流磁場ノイズが低減して、イオンビーム径が小さくなり、分解能がさらに向上する。

（１１）さらに、試料から放出される前記荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、前記試料にて反射されたイオンを電子に変換する導電性の板を有し、前記試料から放出される二次電子を検出して得られた第１の観察像と、前記導電性の板にて変換された電子を検出して得られた第２の観察像との２種類の画像を出力する制御装置を備える。

このようにすると、試料から放出される二次電子を主に検出して得られた第１の観察像と、試料で反射される正のイオンを電子に変換してこれを検出して得られた第２の観察像との２種の観察像を表示することができるため、試料の表面元素情報や状態に関する情報を得るのに好適となる。

（１２）さらに、対物レンズよりも前記イオン源側に配置され、前記試料から放出される前記荷電粒子を検出する荷電粒子検出器を有し、前記第１の正電位は、前記第２の正電位よりも大きいことを特徴とする。

このようにすると、前記第１の電極には試料に印加する正の電圧より大なる電圧を印加することにより、試料からほぼ垂直方向に放出される二次電子はイオンレンズ方向に加速されることになり、これを効率よく検出するのに好適となるという効果を奏する。

（１３）さらに、上記（１２）記載のイオンビーム装置において、対物レンズは、第３の負電位が与えられる第６の電極と、第３の負電位よりも低い第４の負電位が与えられる第７の電極と、第２の正電位よりも低い第８の正電位が与えられる第８の電極とを有する。

このようにすると、前記イオンレンズが少なくとも３個の電極から構成されて、すべての電極に試料に印加する電圧より大なる正の電圧を印加することにより、試料からほぼ垂直方向に放出される二次電子を効率よく捕集することができ、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。

（１４）さらに、上記（１２）記載のイオンビーム装置において、イオン源と前記対物レンズとの間に、前記試料にて反射されたイオンを電子に変換する導電性の板を有し、前記荷電粒子検出器は前記変換された電子を検出する荷電粒子検出器を有する。

このようにすると、試料で反射されたイオンを、前記導電性の板で電子に変換して、好適に検出可能になる。そして、主に反射イオンによる観察像を得ることで、試料元素種に係わる情報を得ることができるという効果を奏する。

（１５）さらに、上記（１４）記載のイオンビーム装置において、試料から放出された二次電子を検出する二次電子検出器を有し、前記二次電子検出器から得られた第１の観察像と、前記荷電粒子検出器から得られた第２の観察像との２種類の画像を出力する制御装置を備える。

このようにすると、上記（１４）の効果に加えてさらに、試料から放出される二次電子を主に検出して得られた第１の観察像と、試料で反射される正のイオンを電子に変換してこれを検出して得られた第２の観察像との２種の観察像を表示することができるため、試料の表面元素情報や状態に関する情報を得るのに好適となる。

（１６）さらに上記（１乃至１５）記載のイオンビーム装置が、第１の電極に正の電圧を印加する第１の電源と、前記第２の電極に第３の正の電圧を印加する第３の電源と、前記第４の電源のいずれかが、前記第１の電源に連動して制御できることを特徴とするイオンビーム装置である。

このようにすると、試料に印加する第１の電源の電圧を変化させて、イオンエネルギーを変える場合にも、二次電子の捕集効率を最適に保つ、もしくは二次電子の検出感度を一定にできるという効果を奏する。

以下に、イオンビーム装置として、走査イオン顕微鏡装置の第１の例を説明する。

図１を参照して本発明によるイオンビーム装置の例を説明する。本例の走査イオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、試料室３、及び、冷却機構４を有する。ここでガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３内は真空もしくは真空に近い状態に保たれている。

ガス電界電離イオン源１は、針状のエミッタティップ２１、エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部２７を有する引き出し電極２４、細線状のフィラメント２２、円柱状のフィラメントマウント２３、及び、円柱状のエミッタベースマウント６４を有する。さらに、真空容器１５にはガス供給機構２６先端のガス供給配管２５が接続されエミッタティップ周辺にイオン化ガスを供給する。本実施例では、イオンとなるべきガス（イオン化ガス）として例示されるのは、ヘリウムである。

また、ガス電界電離イオン源１の真空容器１５を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ１２が設けられている。真空容器１５とイオン源真空排気用ポンプ１２の間には真空遮断可能なバルブ２９が配置されている。さらにガス電界電離イオン源１の真空容器１５には非蒸発ゲッター材料７０を内包する真空ポンプ７１が接続されている。また、非蒸発ゲッター材料には真空容器の外に加熱機構７２が備えられている。加熱機構は抵抗加熱、ランプ加熱などを原理としたものなどである。また、イオン源真空排気用ポンプ１２と真空容器１５および、非蒸発ゲッター材料７０を内包する真空ポンプ７１と真空容器１５との間には真空遮断可能なバルブ７４が配置されている。また、非蒸発ゲッター材料を内包する真空ポンプには真空遮断可能なバルブ７７を介して真空ポンプ７８が接続されている。

さらにガス電界電離イオン源１は、エミッタティップ２１の傾斜を変える傾斜機構６１を含み、これはエミッタベースマウント６４に固定されている。これは、エミッタティップ先端の方向をイオンビーム照射軸６２に精度良く合わせるために用いる。この角度軸調整により、イオンビームの歪みを少なくするという効果を奏する。

また、イオンビーム照射系は、上記ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束する集束レンズ５、該集束レンズを通過したイオンビーム１４を制限する可動な第１アパーチャ６、該第１アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする第１偏向器３５、該第１アパーチャを通過したイオンビームを偏向する第２偏向器７、該第１アパーチャを通過したイオンビーム１４を制限する第２アパーチャ３６、該第１アパーチャを通過したイオンビームを試料上に集束する静電型イオンレンズである対物レンズ８から構成される。

また、試料室３内部については後で詳しく述べるが、試料９を載置する試料ステージ１０、荷電粒子検出器１１、およびイオンビームを照射したときの試料のチャージアップを中和するための電子銃１６が設けられている。また、対物レンズ８と試料の間に電極２１１が設けられている。本例のイオン顕微鏡は、更に、試料室３を真空排気する試料室真空排気用ポンプ１３を有する。また、試料室３には図示してないが試料近傍にエッチングやデポジションガスを供給するガス銃が設けられている。

また、床２０の上に配置された装置架台１７の上には、防振機構１９を介して、ベースプレート１８が配置されている。電界電離イオン源１、カラム２、及び、試料室３は、ベースプレート１８によって支持されている。

冷却機構４は、電界電離イオン源１の内部、エミッタティップ２１を冷却する。なお、冷却機構４は例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機を用いる場合には、床２０には、図示してないがヘリウムガスを作業ガスとする圧縮機ユニット（コンプレッサ）が設置される。圧縮機ユニット（コンプレッサ）の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達される。装置架台１７とベースプレート１８との間には除振機構１９が配置されており、床の高周波数の振動は電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などには伝達しにくいという特徴を持つ。従って、圧縮機ユニット（コンプレッサ）の振動が、床２０を経由して、電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、及び、試料室３に伝達しにくいという特徴を持つ。ここでは、床２０の振動の原因として、冷凍機４０及びコンプレッサを説明した。しかしながら、床２０の振動の原因はこれに限定されるものではない。また、防振機構１９は、防振ゴム、バネ、ダンパ、又は、これらの組合せによって構成されてよい。

ここで、本実施例のガス電界電離イオン源のエミッタティップ２１の構造及び作製方法を説明する。先ず、直径約100〜400μm、軸方位＜111＞のタングステン線を用意し、その先端を鋭利に成形する。それによって、曲率半径が数10nmの先端を有するエミッタティップが得られる。このエミッタティップの先端に、別の真空容器でイリジウムを真空蒸着させる。次に、フィラメントに通電してエミッタティップを高温加熱して、イリジウム原子をエミッタティップの先端に移動させる。それによって、イリジウム原子によるナノメートルオーダのピラミッド型構造が形成される。これをナノピラミッドと呼ぶことにする。ナノピラミッドは、典型的には、先端に１個の原子を有し、その下に３個又は６個の原子の層を有し、さらにその下に１０個以上の原子の層を有する。

なお、本例では、タングステンの細線を用いたがモリブデンの細線を用いることもできる。また、本例では、イリジウムの被覆を用いたが、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等の被覆を用いることもできる。

また、エミッタティップの先端にナノピラミッドを形成する方法として、他に、真空中での電界蒸発、ガスエッチィング、イオンビーム照射、リモデリング法等を用いてもよい。このような方法によって、タングステン線、又はモリブデン線先端にタングステン原子又はモリブデン原子ナノピラミッドを形成することができる。例えば＜111＞のタングステン線を用いた場合には、先端が１個または３個のタングステン原子で構成されるのが特徴となる。また、これとは別に、白金、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウムなどの、細線の先端に真空中でのエッチング作用により同様なナノピラミッドを形成してもよい。これらの原子オーダの鋭利な先端構造をもつエミッタティップをナノティップと呼ぶことにする。

上述のように、本実施例によるガス電界電離イオン源のエミッタティップ２１の特徴は、ナノピラミッドにある。エミッタティップ２１の先端に形成される電界強度を調整することによって、エミッタティップの先端の１個の原子の近傍でヘリウムイオンを生成させることができる。従って、イオンが放出される領域、即ち、イオン光源は極めて狭い領域であり、ナノメータ以下である。このように、非常に限定された領域からイオンを発生させることによって、ビーム径を１nm以下とすることができる。そのため、イオン源の単位面積及び単位立体角当たりの電流値は大きくなる。これは試料上で微細径・大電流のイオンビームを得るためには重要な特性である。

なお、白金、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジュウム、ロジュウム、などを用いて、先端原子１個のナノピラミッドが形成された場合には、同様に単位面積・単位立体角から放出される電流すなわちイオン源輝度を大きくすることができ、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる。ただし、エミッタティップが十分冷却され、かつガス供給が十分な場合には、必ずしも先端を１個に形成する必要はなく、３個、６個、７個、１０個などの原子数であっても十分な性能を発揮できる。特に、４個以上の１０個未満の原子で先端を構成する場合には、イオン源輝度を高くでき、かつ先端原子が蒸発しにくく安定した動作が可能であることを本願発明者は見出した。したがって、本願で述べるナノピラミッド構造は、特に、先端原子１個の構造であることに言及しなければ、上述したように複数の原子数の先端を持つ構造でもよい。

図２は、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の制御装置の例を示す。本例の制御装置は、ガス電界電離イオン源１を制御する電界電離イオン源制御装置９１、冷凍機４を制御する冷凍機制御装置９２、非蒸発ゲッター材料の加熱機構および冷却機構などの温度制御装置１９１、集束レンズ５および対物レンズを制御するレンズ制御装置９３、可動な第１アパーチャ６を制御する第１アパーチャ制御装置９４、第１偏向器３５を制御する第１偏向器制御装置１９５、第２偏向器７を制御する第２偏向器制御装置９５、荷電粒子検出器１１を制御する荷電粒子検出器制御装置９６、試料ステージ１０を制御する試料ステージ制御装置９７、試料室真空排気用ポンプ１３を制御する真空排気用ポンプ制御装置９８、電子銃１６の制御装置１９２、対物レンズと試料との間の電極２１１、試料台１０、荷電粒子検出器１１の電極等に電圧を印加する複数の電源１９４およびその制御装置１９３、および計算処理装置９９を有する。計算処理装置９９は演算処理部、記憶部、画像表示部等を備える。画像表示部は、荷電粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、入力手段によって入力した情報を表示する。

試料ステージ１０は、試料９を試料載置面内にて直交２方向へ直線移動させる機構、試料９を試料載置面に垂直な方向への直線移動させる機構、及び、試料９を試料載置面内にて回転させる機構を有する。試料ステージ１０は、更に、試料９を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム１４の試料９への照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの制御は計算処理装置９９からの指令によって、試料ステージ制御装置９７によって実行される。

図３に、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の試料室内部の様子を示す。対物レンズ８は、３個の電極２０１、２０２、２０３から構成されている。各々の電極は電気絶縁されており、それぞれ３個の高圧電源３０１、３０２、３０３から電圧を印加できる。

荷電粒子検出器１１は、その先端に電極２０６を備え、蛍光体２０７、および大気側に光電子増倍管２０８を備える。荷電粒子検出器先端の電極２０６および蛍光体２０７も、各々電気絶縁されていて、２個の高圧電源３０７、３０８から電圧を印加できる。

電子銃１６は電子エミッタ２０９および電子照射電極２１０などから構成されている。電子エミッタ２０９および電子照射電極２１０も、各々電気絶縁されていて、２個の高圧電源３０９、３１０から電圧を印加できる。試料台１０も電気絶縁されていて高圧電源３０５から電圧を印加できる。また、対物レンズと試料の間に配置された電極２１１も電気絶縁されていて高圧電源３０６から電圧を印加できる。

次に、本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。ここでは、イオン化ガスの一例としてはヘリウムを用いて説明する。ちなみに、各構成にかける電圧はあくまで一例である。例えば、加速電圧や引出電圧は、装置や測定条件において、また他の電極との相対的な電圧の高低差やその機能を果たす範囲で変化することは言うまでもない。

まず、真空排気後、十分な時間が経過した後、冷凍機４を運転する。それによってエミッタティップ２１が冷却される。まず、エミッタテフィップにイオンの加速電圧として、正の７ｋVを印加する。次に、引き出し電極２４に負の１０ｋVを印加する。すると、エミッタティップの先端に強電界が形成される。ガス供給配管２５から供給されたヘリウムが、強電界によってエミッタティップ面に引っ張られる。ヘリウムは、最も電界の強いエミッタティップ２１の先端近傍に到達する。そこでヘリウムが電界電離し、ヘリウムイオンビームが生成される。ヘリウムイオンビームは、引き出し電極２４の孔２７を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。

次に、イオンビーム照射系の動作を説明する。イオンビーム照射系の動作は、計算処理装置９９からの指令により制御される。ガス電界電離イオン源１によって生成されたイオンビーム１４は、集束レンズ５、ビーム制限アパーチャ６、対物レンズ８、対物レンズと試料間の電極２０１を通過して、試料ステージ１０上の試料９の上に照射される。まず、イオン光学条件は、イオン光源を試料上に結像する倍率を少なくとも０．５以上として、大電流を得られる条件とした。なお、荷電粒子検出器１１からの信号は、輝度変調され、計算処理装置９９に送られる。計算処理装置９９は、走査イオン顕微鏡像を生成し、それを画像表示部に表示する。こうして、試料表面の観察が実現される。

ここで、試料に照射されるイオンエネルギーを低減するため、試料には、正の５ｋVを印加しておく。しかし、対物レンズと試料の間の電極２０１が接地電位の場合には、試料から放出された二次電子のほとんどは、試料に戻ってしまい、信号／ノイズ比の高い画像を得ることは困難であることを見出した。

ここで、対物レンズと試料の間の電極２１１に試料と同じ電圧である正の５ｋVを印加する。このようにすると、試料から放出された二次電子の多くを荷電粒子検出器１１によって検出できるようになる。さらに、本発明では、対物レンズと試料の間の電極２１１に、試料電圧に比べて小なる電圧を印加して、荷電粒子検出器と反対方向に飛び出した二次電子を追い返して、そのほとんどを荷電粒子検出器で検出できるようにした。このようにして信号／ノイズ比がさらに高い鮮明な画像を得ることに成功した。

また、このときに荷電粒子検出器の先端の電極２０６には、試料に印加した正の電圧よりも大なる電圧を印加して、二次電子の捕集効率を最大化すると、信号／ノイズ比がさらに高い鮮明な画像を得ることができた。すなわち、試料から放出された二次電子が、荷電粒子検出器の先端の電極２０６が作る電場により荷電粒子検出器の方向に加速されるため、二次電子の捕集効率が特に高くなる。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。

さらに、このとき再度、対物レンズと試料の間の電極２１１の電圧を調整すると、二次電子捕集効率を増大できる場合もある。なお、以上のように二次電子捕集効率が最大の条件で、イオンビームが試料上で集束するように、すなわち、像分解能が最も高くなるように対物レンズに印加する電圧を調整する。

以上、本実施例によると、前記試料に正の電圧を印加することにより試料を照射するイオンエネルギーを低くでき、試料のダメージが少なくなり、試料表面の構造を変質させずに観察することや、表面の構造寸法を精度よく計測することが可能となる。さらに、イオンレンズを通過するイオンのエネルギーが高いため、イオンレンズの収差が小さくなり、試料上でのイオンビーム径が小さくなり、高分解能の観察や寸法計測が実現する。

さらに、第１の電極を設け、試料に印加する正の電圧とは異なる電圧を印加して二次電子の軌道を制御することにより二次電子の捕集効率が高くなるため、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となる。これは、観察時間の短縮やスループットの向上をも可能とする。特に、イオンの照射エネルギーを５kＶ以下にしても、寸法計測の精度を０．５ｎｍ以下にできることがわかった。

また、対物レンズと試料の間の電極２１１の形状が、平な板状であるよりも、本実施例のように試料のイオンビーム照射位置を略囲う形状（側面から囲うような立体的な形状）であることにより二次電子捕集効率を高められることを、本願発明者は見出した。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となる。すなわち、単純に平板を対物レンズと試料の間に配置して試料と同じ電圧を印加した場合と比較した場合、平板の脇から入り込む接地電位の影響を低減し二次電子捕集効率を向上させることが出来る。

ここで、この電極の形状は、対物レンズと試料の距離が長くならない形状であることが好適な形状である。対物レンズと試料の距離が長くなり、対物レンズの収差が増大するためである。従って、図３に記載のように、対物レンズと試料の間における高さ方向での間隔は短く、荷電粒子検出器などを配置する側面の近くでは、それらの機器を配置するための高さを有するような形状が一例である。従って、対物レンズの下側の形状に沿うような形状でも、検出器の検出側の形状に沿うような形状でもよい。

また、試料の種類に応じて、電極の中に直接試料を入れるような構造としてもよい。このように、接地電位の影響を低減できる形状にする構成を有することで、二次電子捕集効率を向上させることが出来る。

また、対物レンズと試料の間の電極２１１の形状が、試料のイオンビーム照射位置を略囲う形状であり、少なくとも透磁率100以上の材料により構成されることにより、試料近傍の磁場交流ノイズを低減することにより、イオンビームを微細化できることがわかった。

また、試料ステージ１０近傍に、磁場を発生するコイルまたは磁石を配置して、試料から放出される二次電子を前記荷電粒子検出器方向に加速するようにすると、二次電子捕集効率をさらに高められることがわかった。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。

また、荷電粒子検出器１１の蛍光体２０７に印加する電圧、対物レンズと試料の間の電極２１１に印加する電圧と、荷電粒子検出器の前段に配置した電極２０６に印加する電圧とのいずれかが、試料９に印加する電圧に連動させて制御できるようにすると、試料電圧を変化させても最適な二次電子捕集条件を容易に再現できることとがわかった。特に、前記試料に印加する電圧を変化させて、イオンエネルギーを変える場合にも、二次電子の捕集効率を最適に保ったり、二次電子の検出感度を一定にできたりするという効果を奏する。

また、電子銃１６の電子エミッタ２０９に印加する電圧を試料９に印加する電圧に比べて小なる正の電圧を印加して、電子照射電極２１０には、電子エミッタ２０９に印加する電圧よりも大とすることで、試料に電子ビームを照射することができ、試料が絶縁物で帯電した場合にはこれを中和することにより良好に試料観察が可能になることがわかった。さらに、対物レンズと試料の間の電極２１１に印加する電圧と比べておおよそ同じか、もしくは小なる正の電圧を電子照射電極２１０印加することによって、二次電子の捕集効率を高められることがわかった。すなわち、試料が絶縁物の場合でも試料の帯電状態を電子ビーム照射によって制御できるため、絶縁物の観察や寸法計測が可能になるという効果を奏する。

また、ガス電界電離イオン源、イオンビーム照射系および試料室などの真空チャンバ材質を磁性材料で構成させ外部磁気をシールドするとイオンビームの径が小さくなり、より高分解能観察が実現するという効果を奏する。

また、本実施例に示したいずれかの構成に加えて、ガス電界電離イオン源のエミッタティップをナノピラミッドで構成すると、極微小なビーム径で、電流が大きいというイオンビームが得られるため、高信号／ノイズ比で超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

さらに、前記ガス電界電離イオン源を搭載した荷電粒子線装置において、イオン光源を試料に投影する倍率が少なくとも０．５以上であることを特徴とする荷電粒子線装置とすると、イオンビーム電流が大きくなる。このとき、前記ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを走査して試料に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、高信号／ノイズ比で超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

また、エミッタティップの傾斜を変える傾斜機構を省略した装置構成とした場合、エミッタティップ先端から放出されるイオンビームの方向に合わせて集束レンズの傾斜を調整すれば、集束レンズでのイオンビームの歪みを小さくでき、イオンビームの径が小さくなり、より高分解能観察が実現するという効果を奏する。また、エミッタティップ２１の傾斜機構を省略できるので、イオン源構造を単純化できる、ひいては低コストの装置を実現できるという効果を奏する。

さらに、別の真空装置でエミッタティップからのイオン放出パターンを観察して、エミッタティップの傾斜方向を精密に調整しておき、次に本実施例装置に導入すれば、エミッタティップの傾斜を変える傾斜機構を省略するか、あるいは、傾斜範囲を小さくすることができる。このことによりイオン源構造を単純化できる、ひいては低コストの装置を実現できるという効果を奏する。

さらに、上記したガス電界電離イオン源において、エミッタティップの先端を原子で構成されるナノピラミッドとすることにより、イオン化領域が制限されるため、より高輝度のイオン源が形成され、より高分解能の試料観察ができ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。また、このときには全イオン電流はより少なくなるため、イオン化ガスを循環利用することで、イオン化ガスの利用効率がより高いガス電界電離イオン源が提供されるという効果を奏する。

なお、本実施例では、ヘリウムガスについて述べたが、水素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他のガスでも本発明は適用可能である。水素、ヘリウムを用いるとイオンビームで試料極表面の観察ができ、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンを用いるとイオンビームで試料を加工することができる。

次に図４を参照して、本発明によるイオンビーム装置の一例を説明する。本図では、図１に示したイオンビーム装置の冷却機構４の一例について詳細に説明する。本例の冷却機構４は、ヘリウム循環方式を採用している。

本例の冷却機構４は、冷媒となるヘリウムガスをＧＭ型冷凍機４０１および熱交換器４０２、４０６、４０７、４０８を用いて冷却して、これを圧縮機ユニット４００により循環させる。コンプレッサ４０３で加圧された（例えば０．９ＭＰaの）常温の温度のヘリウムガスは配管４０９を通じて熱交換器４０２に流入し、後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約６０Ｋに冷却される。冷却されたヘリウムガスは断熱されたトランスファーチューブ４０４内の配管４０３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４０５に流入する。

ここで、熱交換器４０５に熱的に一体化された熱伝導体４０６を温度約６５Ｋに冷却し、前記した輻射シールド等を冷却する。加温されたヘリウムガスは熱交換器４０５を流出し配管４０７を通じて、ＧＭ型冷凍機４０１の第１冷却ステージ４０８に熱的に一体化された熱交換器４０９に流入し、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器４１０に流入する。後述する戻りの低温のヘリウムガスと熱交換して温度約１５Ｋに冷却され、そののち、ＧＭ型冷凍機４０１の第２冷却ステージ４１１に熱的に一体化された熱交換器４１２に流入し、温度約９Ｋに冷却され、トランスファーチューブ４０４内の配管４１３を通じて輸送され、ガス電界電離イオン源１近くに配置された熱交換器４１４に流入し、熱交換器４１４で熱的に接続された良熱伝導体の冷却伝導棒５３を温度約１０Ｋに冷却する。

熱交換器４１４で加温されたヘリウムガスは配管４１５を通じて熱交換器４１０、４０２に順次流入し、前述のヘリウムガスと熱交換してほぼ常温である温度約２７５Ｋになって、配管４１５を通じて圧縮機ユニット４００に回収される。なお、前述した低音部は真空断熱容器４１６内に収納され、トランスファーチューブ４０４とは、図示していないが断熱状態で接続されている。また、真空断熱容器４１６内において、図示していないが低温部は輻射シールド板や、積層断熱材等により室温部からの輻射熱による熱侵入を防止している。

また、トランスファーチューブ４０４は床２０または床２０に設置された支持体４１７に固定支持されている。ここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５も床２０で固定支持されている。また、ガス電界電離イオン源１近くにおいて、トランスファーチューブ４０４は、ベースプレート１８に支持固定されており、同様にここで、図示していないが熱伝導率が低い断熱材であるガラス繊維入りのプラスチック製に断熱体でトランスファーチューブ４０４の内部で固定支持された配管４０３、４０７、４１３、４１５もベースプレート１８で固定支持されている。

すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニット１６で発生させた第１の高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、この寒冷発生手段の寒冷で冷却し、圧縮機ユニット４００で循環する第２の移動する冷媒であるヘリウムガスで被冷却体を冷却する冷却機構である。

冷却伝導棒５３は変形可能な銅網線５４およびサファイアベースを経てエミッタティップ２１に接続される。これによりエミッタティップ２１の冷却が実現する。この実施例では、ＧＭ型冷凍機は床を振動させる原因になるが、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム照射系カラム２、真空試料室３などはＧＭ冷凍機とは隔離されて設置されており、さらにガス電界電離イオン源１近傍に設置した熱交換器４０５、４１４に連結された配管４０３、４０７、４１３、４１５は殆ど振動しない床２０やベース１８に強固に固定支持されて振動せず、さらに床から振動絶縁されているため機械振動の伝達の極めて少ないシステムとなることが特徴である。

図５に、図４に示した本発明によるイオン顕微鏡の試料室内部の様子を示す。対物レンズ８は、３個の電極２０１、２０２、２０３から構成されている。各々の電極は電気絶縁されており、各々、３個の高圧電源３０１、３０２、３０３から電圧を印加できる。荷電粒子検出器１１は、その先端に電極２０６を備え、蛍光体２０７、および大気側に光電子増倍管２０８を備える。電子銃１６は電子エミッタ２０９および電子照射電極２１０などから構成されている。電子エミッタ２０９および電子照射電極２１０も、各々電気絶縁されていて、２個の高圧電源３０９、３１０から電圧を印加できる。試料台１０も電気絶縁されていて高圧電源３０５から電圧を印加できる。また、対物レンズと試料の間に配置された電極２１１は、対物レンズの電極で最も試料に電極２０３の下部を包むような形状で、これも他の電極および接地電位とは電気絶縁されていて高圧電源３０６から電圧を印加できる。

まず、ガス電界電離イオン源１およびイオンビーム照射系の動作は、実施例１で記述したイオンビーム装置と同じである。また、ガス電界電離イオン源、イオンビーム照射系、および試料から放出された信号検出・画像表示等も実施例１の装置と同じく計算処理装置９９からの指令により制御される。次に、試料室内部の対物レンズ、電極、荷電粒子検出器などの動作について説明する。

まず、試料に照射されるイオンエネルギーを低減するため、試料には、正の５ｋVを印加しておく。そして、対物レンズと試料の間に配置された電極２１１に試料と同じ電圧である正の５ｋVを印加する。また、レンズ電極２０３にも試料と同じ電圧である正の５ｋVを印加する。ここで、電極２１１とレンズ電極２０３は試料上部の空間を真空チャンバなどの接地電位からの電場をほぼ遮断する働きをしており、対物レンズと試料の間に配置された電極２１１の電位とレンズ電極２０３の電位でほぼ決定される。このようにすると、試料から放出された二次電子の多くを荷電粒子検出器１１によって検出できるようになる。

さらに、本発明では、対物レンズと試料の間の電極２１１および対物レンズ電極２０３に、試料電圧に比べて小なる電圧を印加して、荷電粒子検出器と反対方向に飛び出した二次電子を追い返して、そのほとんどを荷電粒子検出器で検出できるようにした。すると、信号／ノイズ比がさらに高い鮮明な画像を得ることに成功した。また、このときに荷電粒子検出器の先端の電極２０６には、試料に印加した正の電圧よりも大なる電圧を印加して、二次電子の捕集効率を最大化すると、信号／ノイズ比がさらに高い鮮明な画像を得ることができた。すなわち、試料から放出された二次電子が、荷電粒子検出器の先端の電極２０６が作る電場により荷電粒子検出器の方向に加速されるため、二次電子の捕集効率が特に高くなる。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。このとき、再度、対物レンズと試料の間の電極２１１および対物レンズ電極２０３の電圧を調整すると、二次電子捕集効率を増大できる場合もある。なお、以上のように二次電子捕集効率が最大の条件で、イオンビームが試料上で集束するように、すなわち、像分解能が最も高くなるように対物レンズに印加する電圧を調整する。

以上、本実施例によると、前記試料に正の電圧を印加することにより試料を照射するイオンエネルギーを低くでき、試料へのダメージが少なくなり、試料表面の構造を変質させずに観察することや、表面の構造寸法を精度よく計測することが可能となる。さらに、イオンレンズを通過するイオンのエネルギーが高いため、イオンレンズの収差が小さくなり、試料上でのイオンビーム径が小さくなり、高分解能の観察や寸法計測が実現する。さらに、対物レンズと試料との間に電極２１１を設け、同電極２１１と対物レンズ電極２０３と、試料に印加する正の電圧とは異なる電圧を印加して二次電子の軌道を制御することにより二次電子の捕集効率が高くなるため、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となる。これは、観察時間の短縮やスループットの向上をも可能とする。

特に、イオンの照射エネルギーを５kＶ以下にしても、寸法計測の精度を０．５ｎｍ以下にできることがわかった。なお、電極２１１と対物レンズ電極２０３には、必ずしも同じ電圧を印加する必要がなく、異なる電圧を印加して、二次電子の捕集効率を最大化しても良い。また、電極２１１と対物レンズ電極２０３を一体化した構造としても良い。すなわち、一体化した電極に、試料電圧に比べて小なる電圧を印加して二次電子の捕集効率を最大化しても良い。

また、対物レンズと試料の間の電極２１１の形状が、平らな板状であるよりも、本実施例のように試料のイオンビーム照射位置を略囲う形状であることにより二次電子捕集効率を高められることを、本願発明者は見出したのである。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となる。すなわち、単純に平板を対物レンズと試料の間に配置して、試料と同じ電圧を印加しても、平板の脇から入り込む接地電位の影響により二次電子捕集効率は低下してしまうのである。

また、対物レンズと試料の間の電極２１１と対物レンズ電極２０３の形状が、試料のイオンビーム照射位置を略囲う形状であり、少なくともどちらかの電極が透磁率100以上の材料により構成されることにより、試料近傍の磁場交流ノイズが低減される。よって本構成により、イオンビームを微細化できることがわかった。

また、試料ステージ１０近傍に、磁場を発生するコイルまたは磁石を配置して、試料から放出される二次電子を前記荷電粒子検出器方向に加速するようにすると、二次電子捕集効率をさらに高められることがわかった。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。

また、荷電粒子検出器１１の蛍光体２０７に印加する電圧、対物レンズ電極２０３、対物レンズと試料の間の電極２１１に印加する電圧と、荷電粒子検出器の前段に配置した電極２０６に印加する電圧とのいずれかが、試料９に印加する電圧に連動させて制御できるようにする。これにより、試料電圧を変化させても最適な二次電子捕集条件を容易に再現できることとがわかった。特に、前記試料に印加する電圧を変化させて、イオンエネルギーを変える場合にも、二次電子の捕集効率を最適に保つ、もしくは二次電子の検出感度を一定にするという効果を奏する。

また、電子銃１６の電子エミッタ２０９に印加する電圧を試料９に印加する電圧に比べて小なる正の電圧を印加して、電子照射電極２１０には、電子エミッタ２０９に印加する電圧よりも大とすることで、試料に電子ビームを照射することができ、試料が絶縁物で帯電した場合にはこれを中和することにより良好に試料観察が可能になることがわかった。

さらに、対物レンズと試料の間の電極２１１に印加する電圧と比べておおよそ同じか、もしくは小なる正の電圧を電子照射電極２１０印加することによって、二次電子の捕集効率を高められることがわかった。すなわち、特に、試料が絶縁物の場合にも試料の帯電状態を電子ビーム照射によって制御できるため、絶縁物の観察や寸法計測が可能になるという効果を奏する。

また、ガス電界電離イオン源、イオンビーム照射系および試料室などの真空チャンバ材質を磁性材料で構成させ外部磁気をシールドするとイオンビームの径が小さくなり、より高分解能観察が実現するという効果を奏する。

また、本実施例に示したように、ガス電界電離イオン源のエミッタティップをナノピラミッドで構成すると、より極微小なビーム径で、電流が大きいというイオンビームが得られるため、高信号／ノイズ比で超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

さらに、前記ガス電界電離イオン源を搭載した荷電粒子線装置において、イオン光源を試料に投影する倍率が少なくとも０．５以上であることを特徴とする荷電粒子線装置とすると、特に、イオンビーム電流が大きくなり、前記ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを走査して試料に照射して、試料から放出される二次粒子を検出して試料観察像を得るイオンビーム装置とすると、高信号／ノイズ比で超高分解能の試料観察像が得られ、かつ試料観察像にゆれなどをなくすことができるという効果を奏する。

また、エミッタティップの傾斜を変える傾斜機構を省略した装置構成とした場合、エミッタティップ先端から放出されるイオンビームの方向に合わせて集束レンズの傾斜を調整すれば、集束レンズでのイオンビームの歪みを小さくでき、イオンビームの径が小さくなり、より高分解能観察が実現するという効果を奏する。また、エミッタティップ２１の傾斜機構を省略できるので、イオン源構造を単純化できる、ひいては低コストの装置を実現できるという効果を奏する。

さらに、別の真空装置でエミッタティップからのイオン放出パターンを観察して、エミッタティップの傾斜方向を精密に調整しておき、次に本実施例装置に導入すれば、エミッタティップの傾斜を変える傾斜機構を省略するか、あるいは、傾斜範囲を小さくすることができる。このことによりイオン源構造を単純化できる、ひいては低コストの装置を実現できるという効果を奏する。

さらに、以上の実施例によると、上記したガス電界電離イオン源において、エミッタティップの先端を原子で構成されるナノピラミッドとすることにより、イオン化領域が制限される。そのため、より高輝度のイオン源が形成され、より高分解能の試料観察ができるという効果を奏する。また、このときには全イオン電流はより少なくなるので、イオン化ガスを循環利用することで、イオン化ガスの利用効率がより高いガス電界電離イオン源が提供されるという効果を奏する。

なお、本実施例では、ヘリウムガスについて述べたが、水素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他のガスでも本発明は適用可能である。水素、ヘリウムを用いるとイオンビームで試料極表面の観察ができ、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンを用いるとイオンビームで試料を加工することができる。

さらに、本発明のガス電界電離イオン源および荷電粒子線装置によれば、冷却機構からの振動は、エミッタティップに伝達されにくく、エミッタベースマウントの固定機構が備えられているためエミッタティップの振動が防止され高分解能観察が可能となる。

更に、本願の発明者は、コンプレッサ１６又は４００の音が電界電離イオン源１を振動させてその分解能を劣化させることを突き止めた。そのため、本例では、コンプレッサと電界電離イオン源を空間的に分離するカバー４１７を設けた。これにより、コンプレッサの音に起因した振動の影響を低減することができる。それによって、高分解能観察が可能となる。

また、本実施例の場合、ヘリウム圧縮機４００を用いて第２のヘリウムガスを循環させたが、図示しないが流量調整弁を介して、ヘリウム圧縮機１６の配管１１１、１１２と、それぞれ流量調整弁を介して、配管４０９、４１６を連通し、配管４０９内にヘリウム圧縮機１６の一部のヘリウムガスを第２のヘリウムガスとして循環ヘリウムガスを供給し、配管４１６でガスをヘリウム圧縮機１６に回収しても、同様な効果を生じる。

また、本例では、ＧＭ型冷凍機４０を用いたが、その代わりに、パルス管冷凍機、又はスターリング型冷凍機を用いてもよい。また、本例では、冷凍機は、２つの冷却ステージを有するが、単一の冷却ステージを有するものでもよく、冷却ステージの数は特に限定されるものではない。例えば、１段の冷却ステージを持つ小型のスターリング型冷凍を用いて、最低冷却温度を５０Ｋとしたヘリウム循環冷凍機とすれば、コンパクトで低コストのイオンビーム装置を実現できる。また、この場合には、ヘリウムガスの代わりにネオンガスや水素を用いてもよい。

また、本実施例の場合に、走査イオン像取得時に、ヘリウム圧縮機４００を停止させると、走査イオン像のノイズが減少して、鮮明で分解能の高い画像がえられることを見出した。この場合に、イオンエミッタの温度が大きな電流変化をもたらさない間に、ヘリウム圧縮機４００を駆動させてヘリウムを循環させて、温度を低下させる。この方法によれば、走査イオン像取得時に冷凍機の動作を停止させるよりも簡便にノイズ低減効果が生じることを見出した。さらに、ヘリウム圧縮機と、冷凍機の動作の両者を停止させる、さらにノイズが減少して、鮮明で分解能の高い画像が得られることを見出した。

次に、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、該針状のエミッタティップからイオンビームまたは電子を引き出すハイブリッド粒子源を用いて、試料表面、試料加工、および試料内部の観察を駆使した複合的な試料解析が可能なイオンビーム装置について、図６を用いて説明する。なお、実施例１、２と重複する内容についての説明は省略する。

本実施例のイオンビーム装置は、エミッタティップ２１の先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、該針状のエミッタティップからイオンビームまたは電子を引き出すハイブリッド粒子源５０１、ハイブリッド粒子源の冷却機構４、真空ポンプ１２、電子ビームおよびイオンビームを試料に照射するハイブリッド照射系５０２、試料台５０３、試料９から放出される二次電子を検出する二次電子検出器３０４、および試料を透過した荷電粒子を結像する光学系５０５、検出器５０６、真空ポンプ１３などからなる。なお、本装置で冷却機構４は液体窒素および固体窒素を冷媒とする冷却機構とした。

ここでは、エミッタティップには、正の高電圧、および負の高電圧電源のいずれかを選択して接続可能である。すなわち、正の高電圧を印加した場合には正のイオンビーム、負の高電圧を印加した場合には、電子ビームをエミッタティップから引き出すことができる。また、ハイブリッド粒子源には、少なくとも２種類以上のガスが導入可能である。すなわち、水素、ヘリウムのいずれか一つと、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つを加えた少なくとも２種類のガス種を導入可能である。

本イオンビーム装置では、エミッタティップからネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つのイオンビームを引き出し、これを試料に照射して試料を加工できる。また、該針状のエミッタティップから水素、ヘリウムのいずれか一つのイオンビームを引き出し、試料表面を観察することができる。また、該針状のエミッタティップから電子を引き出し、これを試料に照射して試料を透過した電子を結像することにより試料内部情報を得ることができる。これにより、試料を大気に暴露することなく、試料の複合的な解析が可能になる。

本実施例では、対物レンズと試料との間の電極２１１は試料９を内部に含む構造である。
まず、試料に照射されるイオンエネルギーを低減するため、試料には、正の５ｋVを印加しておく。そして、対物レンズと試料の間に配置された電極２１１に試料と同じ電圧である正の５ｋVを印加する。ここで、電極２１１は試料周囲の空間を真空チャンバなどの接地電位からの電場をほぼ遮断する働きをしており、対物レンズと試料の間に配置された電極２１１の電位でほぼ決定される。このようにすると、試料から放出された二次電子の多くを荷電粒子検出器１１によって検出できるようになる。

さらに、本発明では、電極２１１に試料電圧に比べて小なる電圧を印加して、荷電粒子検出器と反対方向に飛び出した二次電子を追い返して、そのほとんどを荷電粒子検出器で検出できるようにした。すると、信号／ノイズ比がさらに高い鮮明な画像を得ることに成功した。

また、このときに荷電粒子検出器の先端の電極２０６には、試料に印加した正の電圧よりも大なる電圧を印加して、二次電子の捕集効率を最大化すると、信号／ノイズ比がさらに高い鮮明な画像を得ることができた。すなわち、試料から放出された二次電子が、荷電粒子検出器の先端の電極２０６が作る電場により荷電粒子検出器の方向に加速されるため、二次電子の捕集効率が特に高くなる。すなわち、観察像の信号／ノイズ強度比を高くして観察や寸法計測が可能となるという効果を奏する。

このとき、再度、対物レンズと試料の間の電極２１１および対物レンズ電極２０３の電圧を調整すると、二次電子捕集効率を増大できる場合もある。なお、以上のように二次電子捕集効率が最大の条件で、イオンビームが試料上で集束するように、すなわち、像分解能が最も高くなるように対物レンズに印加する電圧を調整する。本実施例では、試料９が電極２１１に包まれるように配置されるため、特に二次電子捕集効率が大きくなるという効果を奏する。

また、本実施例では、集束レンズと対物レンズの間に、荷電粒子変換板３１１を配置した。本荷電粒子変換板３１１は、試料から放出された荷電粒子が衝突したときに二次電子を放出する。このため、二次電子放出効率を高くするように、その表面は小さくとも原子番号５０以上の元素で構成される。例えば、タンタルや、タングステンで構成されたり、金、白金などの薄膜を板材に貼り付けたりしたものである。

ここで、イオンビームの加速電圧は１０ｋVとして、試料には、正の５ｋVを印加する。また、対物レンズには、７kＶを印加して試料に集束させる。そして、電極２１１に試料よりも低い電圧である正の３ｋVを印加する。こうすると、試料にから放出された二次電子のほとんどは試料に戻る。しかし、照射したイオンが、試料表面に衝突して、対物レンズ方向に反射されたイオンは、電極２１１および対物レンズ８を通過して、一部は荷電粒子変換板３１１に衝突する。ここで、発生した二次電子を上部荷電粒子検出器３１２で検出する。すると、反射イオン強度によって輝度変調された試料表面像を得ることができる。この像には、試料表面の元素種に係わる情報が含まれる。

次に、そして、電極２１１に試料よりも高い電圧である正の５．１ｋVを印加する。こうすると、試料にから放出された二次電子の一部は、電極２１１および対物レンズ８を通過する。通過した二次電子を上部荷電粒子検出器３１２で検出する。すると、今度は二次電子強度によって輝度変調された試料表面像を得ることができる。この像には、主に試料表面の立体構造に係わる情報が含まれる。これら２種類の像、すなわち反射イオン像と二次電子像を計算処理装置９９に記憶させて、２種類の像を演算した像を表示させることもできる。例えば、反射イオン像を二次電子像で除した像は、試料表面元素種の違いに敏感な像となる。これら２種類の像は、主に電極２１１に印加する電圧で選択することができる。また、交互に取得することもできる。なお、二次電子像は、荷電粒子検出器１１で取得した像であっても良いことは言うまでも無い。

以上の実施例では、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、該針状のエミッタティップからイオンビームまたは電子を引き出すハイブリッド粒子源と、該ハイブリッド粒子源からの荷電粒子を試料上に導くための荷電粒子照射光学系と、前記試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、前記試料を透過した荷電粒子を結像する荷電粒子結像光学系と、前記エミッタティップの近傍にガスを供給するガス供給管と、を有する。

また、前記ガスは水素、ヘリウムのいずれか一つと、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つを加えた少なくとも２種類のガス種を選択可能であり、前記針状のエミッタティップには正の高電圧、および負の高電圧電源のいずれかを選択して接続可能であるハイブリッド荷電粒子顕微鏡とすることで、水素、ヘリウムのいずれか一つのビームで試料極表面の観察ができ、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つのイオンビームで試料を加工し、電子ビームを試料に照射して、試料を透過した電子を検出することにより試料内部の観察が可能であるイオンビーム装置が提供されるという効果を奏する。

特に、ナノピラミッドエミッタティップを用いることにより、極微小径イオンビームおよび極微小径電子ビームが得られるため、サブナノメータオーダの試料情報解析が可能な荷電粒子顕微鏡が提供されるという効果を奏する。

さらに、以上の実施例では、エミッタティップの先端が原子で構成されるナノピラミッドであり、該針状のエミッタティップからネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、酸素のうちのいずれか一つのイオンビームを引き出し、これを試料に照射して試料を加工し、該針状のエミッタティップから水素、ヘリウムのいずれか一つのイオンビームを引き出し、試料表面を観察し、該針状のエミッタティップから電子を引き出し、これを試料に照射して試料を透過した電子を結像することにより試料内部情報を得るハイブリッド荷電粒子線顕微鏡法とする。これにより、試料表面、試料加工、および試料内部の観察を駆使した複合的な試料解析が可能になるという効果を奏する。

特に、ナノピラミッドエミッタティップを用いることにより、極微小径イオンビームおよび極微小径電子ビームを駆使した試料情報解析が可能な荷電粒子顕微鏡法が提供されるという効果を奏する。

図７は、本発明によるイオンビーム装置の試料室内部構造の一例を示す。本図に示す試料室内部構造は、実施例１の図１、実施例２の図４、実施例３の図６にも適用可能である。

本実施例の試料室内部には、荷電粒子変換板３１１、上部荷電粒子検出器３１２、対物レンズ８、対物レンズと試料との間の電極２１１、試料９、試料台１０、荷電粒子検出器１１、電子銃１６などが配置されている。ここで、上部荷電粒子検出器３１２には、二次電子捕集効率を向上させる電極２２６および、電子を光に変換する蛍光板２２７、および蛍光板の光を検出する光電子増倍管２２８などから構成され、電極２２６には電源３１７、蛍光板２２７には電源３１８が接続され電圧を印加できる。対物レンズ８、対物レンズと試料との間の電極２１１、試料９、試料台１０、荷電粒子検出器１１、および電子銃１６などは、実施例１の図１と同じである。

また、イオンビームを試料に照射して、試料から放出される二次電子を検出する動作については、実施例１と同じである。また、上部荷電粒子検出器３１２を用いて、反射イオン強度による観察像および二次電子像を得る動作については、実施例３と同じである。本実施例では、試料で反射されたイオン強度を荷電粒子検出器１１で計測する手法について説明する。

ここで、イオンビームの加速電圧は１０ｋVとして、試料には、正の５ｋVを印加する。そして、電極２１１に試料よりも低い電圧である正の３ｋVを印加する。こうすると、試料にから放出された二次電子のほとんどは試料に戻る。しかし、照射したイオンが、試料表面に衝突して、対物レンズ方向に反射されたイオンの一部は電極２１１を通過するが、別の一部は電極２１１に衝突して電子を発生させる。

ここで、発生した電子を荷電粒子検出器１１で検出する。すると、試料から放出された二次電子強度情報がほとんど含まれない反射イオン強度によって輝度変調された試料表面像を得ることができる。この像には、特に試料表面の元素種に係わる情報が含まれる。また、電極２１１の内面は、電子放出効率を高くするように、その表面は小さくとも原子番号５０以上の元素で構成される。例えば、タンタルや、タングステンで構成されたり、金、白金などの薄膜を板材に貼り付けたり、蒸着したものである。

本実施例の構成では、対物レンズ穴を通過するような、試料表面法線からの角度の小さい反射イオンの強度と、法線からの角度が大きい反射イオンの強度が得られる。この２種の反射イオン強度の観察像を、計算処理装置９９に記憶させて、２種類の像を演算した像を表示させることもできる。この演算結果を用いれば試料表面元素の種類に関する情報が得ることがわかった。

また、本構成で、電極２１１の電圧を変化させると、反射イオンの軌道が変わり電子に変換される反射イオンのエネルギーが変わることが分かった。また、電極２１１の電圧によっては、観察像のコントラストが反転することが分かった。これは、試料表面に元素の種類による分布があり、質量の大きい元素が明るく観察される場合と、質量の小さい元素が明るく観察される場合とがあることがわかった。すなわち、電極２１１の電圧を変化させることによって、試料元素分析が可能であることが分かった。

なお、電極２１１の電圧を変化させると、イオンビームの試料上での集束するための対物レンズ電極に印加する電圧が変化する。これをあらかじめ求めておき、元素分析する場合には、電極２１１の電圧変化に連動させて、対物レンズ電極に印加する電圧が変化するようにすると、高分解能で元素分析が可能であることがわかった。

また、実施例１で述べたように、本構成で、電極２１１の電圧を試料と同じ電圧にするか、わずかに低い電圧を印加すると試料から放出される二次電子を効率よく捕集することができる。すなわち、二次電子強度によって輝度変調された試料表面像を得ることができる。この像には、主に試料表面の立体構造に係わる情報が含まれるが、２種の反射イオン強度の像と、この二次電子像を計算処理装置９９に記憶させて、演算した像を表示させることもできる。

以上、本実施例によると、前記試料に正の電圧を印加することにより試料を照射するイオンエネルギーを低くでき、試料のダメージが少なくなり、試料表面の構造を変質させずに観察することや、表面の構造寸法を精度よく計測することが可能となる。さらに、イオンレンズを通過するイオンのエネルギーが高いため、イオンレンズの収差が小さくなり、試料上でのイオンビーム径が小さくなり、高分解能の観察や寸法計測が実現する。

さらに、対物レンズと試料との間に電極２１１を設け、同電極２１１に印加する電圧を選択することによって、試料で反射されたイオンの強度による観察像を得ること、試料から放出された二次電子像を得ることを選択することが可能となる。また、集束レンズと対物レンズの間の上部荷電粒子検出器で反射イオン強度によって輝度変調された試料表面像を得ることも可能になり、対物レンズ横の荷電粒子検出器で得た反射イオン強度像と演算することにより試料元素解析が可能となる。例えば、元素質量に関する情報を得られる。

なお、本実施例では、ヘリウムガスについて述べたが、水素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなど、その他のガスでも本発明は適用可能である。水素、ヘリウムを用いるとイオンビームで試料極表面の観察ができ、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンを用いるとイオンビームで試料を加工することができる。

１…ガス電界電離イオン源、２…イオンビーム照射系カラム、３…試料室、４…冷却機構、５…集束レンズ、６…可動アパーチャ、７…偏向器、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１１…荷電粒子検出器、１２…イオン源真空排気用ポンプ、１３…試料室真空排気用ポンプ、１４…イオンビーム、１５…真空容器、１６…電子銃、１７…装置架台、１８…ベースプレート、１９…防振機構、２０…床、２１…エミッタティップ、２２…フィラメント、２３…フィラメントマウント、２４…引き出し電極、２５…ガス供給配管、２６…ガス供給機構、２７…開口部、２８…、２９…真空遮断可能なバルブ、３５…第１偏向器、３６…第２アパーチャ、６１…傾斜機構、６２…光軸、６４…エミッタベースマウント、６７…差動排気孔、６９…真空遮断可能なバルブ、７０…非蒸発ゲッター材料、７１…真空ポンプ、７２…加熱機構、７４…真空遮断可能なバルブ、７７…真空遮断可能なバルブ、７８…真空ポンプ、９１…電界電離イオン源制御装置、９２…冷凍機制御装置、９３…レンズ制御装置、９４…第一アパーチャ制御装置、９５…イオンビーム走査制御装置、９６…二次電子検出器制御装置、９７…試料ステージ制御装置、９８…真空排気用ポンプ制御装置、９９…計算処理装置、１９１…非蒸発ゲッタポンプ制御装置、１９２…電子銃制御装置、１９３…対物レンズと試料間の電極制御装置、２０１、２０２、２０３…対物レンズの３個の電極、２０６…荷電粒子検出器先端の電極、２０７…蛍光体、２０８…光電子増倍管、２０９…電子エッタ、２１０…電子照射電極、２１１…対物レンズと試料間の電極、３０１、３０２、３０３…対物レンズに電圧を印加する３個の電源、３０５…試料印加用電源、３０６…対物レンズと試料の間に配置された電極印加用電源、３０７…荷電粒子検出器先端の電極印加用電源、３０８…蛍光体印加用電源、３０９…電子エッタ印加用電源、３１０…電子照射電極印加用電源。

Claims (10)

1. 正のイオンを発生させるイオン源と、
   試料が設置される試料ステージと、
   前記イオン源から発生したイオンビームを前記試料へ集束させる対物レンズと、
   前記対物レンズと前記試料との間に設けられ、前記対物レンズの試料側の先端と前記試料との高さよりも高い側面および前記試料のイオンビーム照射位置に孔を有し前記試料面に対向する下面を有した第１の電極と、
   前記第１の電極の前記側面に配置された孔と接続された荷電粒子検出器と、
   前記第１の電極へ第１の正電位を印加する第１の電源と、
   前記試料ステージへ第２の正電位を印加する第２の電源とを有するイオンビーム装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の正電位は、前記第２の正電位よりも大きいことを特徴とするイオンビーム装置。
3. 請求項１において、前記イオンビーム装置は、
   前記荷電粒子を前記荷電粒子検出器方向に加速する磁場を、前記試料と前記荷電粒子検出器との間に発生させるコイルまたは磁石を有するイオンビーム装置。
4. 請求項１において、
   前記荷電粒子検出器と前記第１の電極との間に配置された第２の電極と、
   前記第２の電極へ前記第１の正電位より大きい第３の正電位を印加する第３の電源と、を有するイオンビーム装置。
5. 請求項４において、前記荷電粒子検出器は、
   前記荷電粒子が衝突すると光を放出する蛍光体と、
   前記蛍光体から放出される前記光を検出する光検出素子と、
   前記蛍光体へ第４の正電位を印加する第４の電源と、を有することを特徴とするイオンビーム装置。
6. 請求項１において、前記イオンビーム装置はさらに、
   前記第１の正電位に比べて小さい第５の正電位が印加される電子エミッタを有する電子銃と、
   前記第５の正電位よりも大きく、かつ前記第１の正電位以下の第６の正電位が印加される電子照射電極を有する電子ビーム照射系とを有することを特徴とするイオンビーム装置。
7. 請求項１において、
   前記第１の電極の一部は、前記対物レンズの電極と一体的に構成されることを特徴とするイオンビーム装置。
8. 請求項１において、
   前記第１の電極は、透磁率が100以上の材料により構成されることを特徴とするイオンビーム装置。
9. 請求項１において、
   前記試料にて反射されたイオンを電子に変換する導電性の板を有し、
   前記試料から放出される二次電子を検出して得られた第１の観察像と、前記導電性の板にて変換された電子を検出して得られた第２の観察像との２種類の画像を出力する制御装置を備えるイオンビーム装置。
10. 正のイオンを発生させるイオン源と、
    試料が設置される試料ステージと、
    前記イオン源から発生したイオンビームを前記試料へ集束させる対物レンズと、
    前記対物レンズと前記試料との間に設けられた第１の電極と、
    前記第１の電極へ第１の正電位を印加する第１の電源と、
    前記試料ステージへ第２の正電位を印加する第２の電源とを有し、
    前記対物レンズは、
    第１の負電位が与えられる第３の電極と、
    第１の負電位よりも低い第２の負電位が与えられる第４の電極と、
    第２の正電位よりも低い第３の正電位が与えられる第５の電極とを有するイオンビーム装置。