JP6771767B2 - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスイオンを発生させるガス電界電離型のイオン源を備えた集束イオンビーム装置に関する。
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。
こうした集束イオンビーム装置に用いられ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ティップと、エミッタティップの周囲にヘリウム（Ｈｅ）等のガスを供給するガス源と、エミッタティップを冷却させる冷却部と、エミッタティップ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、エミッタティップ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ティップを冷却すると、ガスがエミッタティップの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。このガスイオンは、正電位に保持されているエミッタティップ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。
こうしたガス電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置は、イオンビームを安定化するために、予めエミッタティップの先端を調整しておく必要がある。エミッタティップの先端の調整にあたっては、ガス電界電離型イオン源の後段側にマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を設置して、エミッタティップの電界イオン顕微鏡（ＦＩＭ：Field Ion Microscope）像を形成したり、あるいは、ＦＩＢ光学系内に設けられた偏向器とアパーチャを用いて走査ＦＩＭ像を形成するなどによって行われている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−２４０１６５号公報 国際公開第２０１１／０５５５２１号
しかしながら、例えば特許文献２のように、光学系の内部に走査ＦＩＭ像を形成するためのアパーチャを設置する構成では、イオンビームの照射軸長を短くするためにアパーチャを小型のものにするとアライメントが難しくなるという課題がある。また、アライメントを容易にするためにアパーチャを大きくすると、走査ＦＩＭ像の分解能が悪化してエミッタティップの先端の調整を高精度に行うことができないという課題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであって、ＦＩＢ光学系の集束特性やアライメント特性を低下させることなく、エミッタティップの先端の調整を高精度に行うことが可能な集束イオンビーム装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の集束イオンビーム装置は、以下の構成を有する。
真空容器と、前記真空容器内に配置され、先端が先鋭化されたエミッタティップと、前記エミッタティップの先端でガスイオンを発生させるガス電界電離イオン源と、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集束させる集束レンズと、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向させる第１偏向器と、前記集束レンズと前記第１偏向器との間に配され、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを制限する第１アパーチャと、前記第１偏向器を通過した前記イオンビームを集束させる対物レンズと、測定試料を載置する試料ステージと、を備えた集束イオンビーム装置であって、前記集束レンズ、前記第１アパーチャ、前記第１偏向器および前記対物レンズとを少なくとも有する光学系と、前記試料ステージとの間に、前記イオンビームに対して点状領域で反応する信号発生源を形成し、前記信号発生源から出力される信号と、前記第１偏向器による前記イオンビームの走査とを対応させて、前記エミッタティップの走査電界イオン顕微鏡像を生成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、点状領域で反応する信号発生源をイオンビーム光学系の外部に設置することによって、例えば、ガス電界電離イオン源の後段側にＭＣＰを設置してエミッタティップのＦＩＭ像を形成するような従来の集束イオンビーム装置と比較して、イオンビームの照射軸長（光路長）を短くすることができる。これにより、エミッタティップと参照試料の相対振動の振幅が小さくなり、高精度にエミッタティップの観察、調整が可能になる。
また、本発明の集束イオンビーム装置によれば、点状領域で反応する信号発生源をイオンビーム光学系の外部に設置することによって、従来のようにサイズに制約のあるイオンビーム光学系の内部に信号発生源、例えば第２アパーチャを設置した構成と比較して、よりサイズが大きい第２アパーチャを設置することができ、アライメントを容易にすることができる。
また、本発明では、前記信号発生源は、前記イオンビームの照射軸に対して挿脱可能に、前記試料ステージ上に配されていることを特徴とする。
また、本発明では、前記信号発生源は、前記イオンビームを制限する第２アパーチャを有することを特徴とする。
また、本発明では、前記第２アパーチャを前記イオンビームの照射軸上に挿脱可能に移動させる第２アパーチャ制御装置を更に備えたことを特徴とする。
また、本発明では、前記信号発生源は、前記第２アパーチャで生じた二次電子、または前記試料ステージに配された一様な構成の参照試料に対して前記イオンビームを入射させた際に生じた二次電子を測定する二次電子検出器を有することを特徴とする。
また、本発明では、前記信号発生源は、前記第２アパーチャに接続された電流計を有することを特徴とする。
また、本発明では、前記信号発生源は、前記第２アパーチャの後段に配されたファラデーカップ、またはチャンネルトロンを有することを特徴とする。
また、本発明では、前記第１偏向器によって前記イオンビームを走査させ、放出された二次電子を前記二次電子検出器によって検出することにより、走査電界イオン顕微鏡像を形成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、ＦＩＢ光学系の集束特性やアライメント特性を低下させることなく、エミッタティップの先端の調整を高精度に行うことが可能な集束イオンビーム装置を提供できる。
本発明の第一実施形態に係る集束イオンビーム装置の一例である走査イオン顕微鏡を示す概略構成図である。 図１に示す走査イオン顕微鏡の制御系を示す概略構成図である。 ガス電界電離イオン源を示す概略構成図である。 エミッタティップの調整を説明する説明図である。 エミッタティップの調整を説明する説明図である。 エミッタティップ調整時のイオン放射パターンの像情報の一例を示す模式図である。 エミッタティップ調整時のイオン放射パターンの像情報の一例を示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る集束イオンビーム装置の一例である走査イオン顕微鏡を示す概略構成図である。
以下、本発明を適用した実施形態である集束イオンビーム装置について図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（集束イオンビーム装置：第一実施形態）
図１は本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置の一例である走査イオン顕微鏡を示す概略構成図である。
走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）１００は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム光学系カラム２、試料室３、及び、冷却機構４を有する。ガス電界電離イオン源１、イオンビーム光学系カラム２、及び試料室３は、それぞれ真空容器１０１に収容されている。
ガス電界電離イオン源１は、針状のエミッタティップ２１と、このエミッタティップ２１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とを有している。また、イオンビーム光学系（光学系）１０２は、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束させる集束レンズ５、この集束レンズを通過したイオンビーム１４を制限する第１アパーチャ６、この第１アパーチャ６を通過したイオンビーム１４を走査あるいはアラインメン卜する第１偏向器３５、第１偏向器３５を通過したイオンビームを偏向する第２偏向器７、第２偏向器７を通過したイオンビームを試料ステージ１０に載置された試料９に向けてに集束させる対物レンズ８から構成されている。
第１偏向器３５は、エミッタティップ２１からのイオン放射パターンを得るためにイオンビームを走査する偏向器である。なお、第１偏向器３５と集束レンズ５との間に、この第１偏向器３５の光学軸方向の長さに比べて短い偏向器を更に設け、こうした偏向器をイオンビームの偏向軸調整に用いる構成としてもよい。
また、試料室３内には、試料９を載置する試料ステージ１０、及び、イオンビーム光学系１０２と、試料ステージ１０との間に、イオンビーム１４に対して点状領域で反応する信号発生源１０３が形成されている。本実施形態では、信号発生源１０３として、イオンビーム１４を制限する第２アパーチャ３６と、二次粒子検出器（二次電子検出器）１１が設けられている。
第２アパーチャ３６は、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部であって、例えば試料室３内においてイオンビーム１４の照射軸１４Ａに対して挿脱可能に形成されている。即ち、第２アパーチャ３６は、試料９のうち、通常の測定に用いる測定試料９ａを測定する際には、イオンビーム１４の照射軸１４Ａ上から退避し、エミッタティップ２１の先端を調整する際にはイオンビーム１４の照射軸１４Ａ上に挿入される。
ガス電界電離イオン源１からのイオンビーム１４は、光学系１０１を経由して、試料９に照射される。イオンビーム１４の照射によって試料９から出射される二次粒子は、二次粒子検出器１１によって検出される。
また、図示してないが、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や、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ことが好ましい。
走査イオン顕微鏡１００は、更に、ガス電界電離イオン源１を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ１２、及び、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。床２０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、イオンビーム光学系カラム２、及び、試料室３は、このベースプレート１８によって支持されている。
冷却機構４は、ガス電界電離イオン源１の内部、エミッタティップ２１、引き出し電極２４などを冷却する。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、ヘリウムガスを作業ガスとする、図示せぬ圧縮機ユニット（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２０の高周波振動がガス電界電離イオン源１、イオンビーム光学系カラム２、試料室３などに伝達しにくいようになっている。
図２は、図１に示す走査イオン顕微鏡の制御系を示す概略構成図である。
走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）１００の制御系は、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４０を制御する冷凍機制御装置９２、集束レンズ５および対物レンズ８を制御するレンズ制御装置９３、第１アパーチャ６を動かすための第１アパーチャ可動装置６Ａ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８を制御する第２偏向器制御装置９５、第２アパーチャ３６を動かすための第１アパーチャ可動装置３６Ａを制御する第２アパーチャ制御装置９０、二次粒子検出器１１を制御する二次電子検出器制御装置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、及び、演算装置を含む計算処理装置９９を有する。
計算処理装置９９は画像表示部９９Ａを備える。画像表示部９９Ａは、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、キーボード等の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（Ｘ方向、Ｙ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に直線移動させる機構、及び、試料９を試料載置面内におい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に対する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を介して行われる。
以上のような構成の本実施形態の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）１００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、イオンビーム光学系（光学系）１０２に導入される。そして、イオンビーム光学系１０２の集束レンズ５によって集束され、第１アパーチャ６によって、ビーム径が制限され、対物レンズ８によって集束される。集束されたビームは、試料ステージ１０に載置された測定試料９ａの一面に走査されながら、照射される。
集束されたビームの照射によって、測定試料９ａからは二次粒子（二次電子）が放出される。放出された二次粒子は、二次粒子検出器（二次電子検出器）１１によって検出する。二次粒子検出器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９９ａに表示する。こうして、測定試料９ａの一面の高分解能観察を実現することができる。
こうしたイオンビーム光学系（光学系）１０２に形成された第１アパーチャ６は、イオンビームの照射軸１４Ａに対して略垂直平面内での方向に可動であり、第１アパーチャ６の開口部をイオンビームの照射軸１４Ａと一致させることによって、歪が少なく極微細なイオンビーム１４を得ることができる。また、こうした第１アパーチャ６の開口部の大きさを可変にする、あるいは大きさの異なる開口部、例えば、直径の異なる複数の穴を用意しておき、開口部大きさを選択する、あるいはある直径の穴を選択してこれにイオンビームを通過させることにより、イオンビーム１４の対物レンズ８に対する開き角を選択できる。これにより、対物レンズ８のレンズ収差の大きさを制御することができるので、イオンビーム径およびイオンビーム電流を制御することができる。
図３を参照して、ガス電界電離イオン源１の構成を更に詳細に説明する。図３は、ガス電界電離イオン源を示す概略構成図である。ガス電界電離イオン源１は、エミッタテイツプ２１、一対のフィラメント２２、フィラメントマウント２３、支持棒２６、及び、エミッタベースマウント６４とを備えている。エミッタティップ２１は、フィラメント２２に接続されている。フィラメント２２は支持棒２６に固定されている。支持棒２６はフィラメントマウント２３に支持されている。フィラメントマウント２３は、絶縁材６２を挟んで、例えば圧電素子を用いた傾斜機構６１、およびエミッタベースマウント６４に固定されている。
ガス電界電離イオン源１は、更に、引き出し電極２４、円筒状の抵抗加熱器３０、円筒状の側壁２８、及び、天板２９を有する。引き出し電極２４はエミッタティップ２１に対向して配置され、イオンビーム１４が通るための開口部２７を有する。側壁２８には、絶縁材６３が挿入されており、引き出し電極に印加される高電圧を絶縁する。
側壁２８及び天板２９は、エミッタティップ２１を囲んでいる。また、引き出し電極２４、側壁２８、天板２９、絶縁材６３、及び、フィラメントマウント２３によって囲まれたガス分子イオン化室１５が形成されている。なお、ガス分子イオン化室１５はエミッタティップ２１周辺のガス圧力を高めるための領域である。
また、ガス分子イオン化室１５にはガス供給配管２５が接続されている。このガス供給配管２５によって、エミッタティップ２１に、イオン材料ガス（イオン材料ガス）が供給される。イオン材料ガス（イオン材料ガス）としては、ヘリウムや水素が挙げられる。
ガス分子イオン化室１５は、引き出し電極２４の電極孔２７とガス供給配管２５とを除いて、密閉されている。ガス供給配管２５を経由してガス分子イオン化室１５内に供給されたイオン材料ガスは、引き出し電極２４の電極孔２７とガス供給配管２５以外の領域から漏洩することが無いようにされている。引き出し電極２４の開口部２７の面積を十分小さくすることによって、ガス分子イオン化室１５内を高い気密性及び密閉性を保持することができる。
引き出し電極２４の開口部２７を、例えば円形孔とすると、その直径は、例えば、０．３ｍｍ程度にされる。これにより、ガス供給管２５からガスイオン化室１５にイオン材料ガスを供給すると、ガスイオン化室１５のガス圧力は真空容器１０１のガス圧力よりも少なくとも１桁以上大きくなる。それによってイオンビーム１４が真空中のガスと衝突して中性化する割合が減少し、大電流のイオンビーム１４を生成することができる。
抵抗加熱器３０は、引き出し電極２４、側壁２８等を脱ガス処理するために用いられる。引き出し電極２４、側壁２８等を加熱することによって脱ガス処理が行われる。抵抗加熱器３０は、ガス分子イオン化室１５の外側に配置する。従って、抵抗加熱器３０自体が脱ガス化しても、それはガス分子イオン化室１５の外部で行われるため、ガス分子イオン化室１５内は高真空化することができる。
なお、本実施形態では脱ガス処理に抵抗加熱器３０を用いたが、代わりに、加熱用ランプを用いることもできる。加熱用ランプは、引き出し電極２４を非接触で加熱できるため、引き出し電極２４の周囲の構造を簡素にすることができる。更に、加熱用ランプを用いれば、高電圧を印加する必要が無いため、加熱用ランフ電源の構造を簡素にすることができる。
更に、抵抗加熱器３０を用いる代わりに、ガス供給配管２５を介して高温の不活性ガスを供給して、引き出し電極２４、側壁２８等を加熱することで脱ガス処理を行ってもよい。この場合、ガス加熱機構を接地電位にすることができる。更に、引き出し電極２４の周囲構造を簡素化し、また、配線及び電源を不要にすることができる。
試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３に装着された抵抗加熱器３０によって、試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を約２０００℃まで加熱し、試料室３の真空度を大きくとも１０−７Ｐａ以下にすることが好ましい。これにより、イオンビーム１４を試料９に対して照射した際に、試料９の表面にコンタミネーションが付着することが回避され、試料９の表面を良好に観察することができる。試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を真空の状態で加熱処理し、試料室３の真空内のハイドロカーボン系の残留ガスを微量化することで、試料９の最表面を高分解能で観察することが可能になる。
本実施形態では、ガス分子イオン化室１５に非蒸発ゲッタ材料を用いている。即ち、イオン材料ガス供給配管２５から放出されるイオン材料ガスが衝突する壁にゲッタ材料５２０を配置した。また、ガス分子イオン化室１５の外壁には加熱ヒータ３０が備えられており、イオン材料ガスの導入前に、非蒸発のゲッタ材料５２０を加熱して活性化する。そして、イオン源を極低温に冷却した後、イオン材料ガスをイオン材料ガス供給配管２５から供給する。このような構成によって、エミッタティップ２１に付着する不純物ガス分子が飛躍的に減少し、イオンビーム電流が安定して、観察像に明るさのムラが無い試料観察を行うことが可能になる。
図４、および図５は、エミッタティップの調整を説明する説明図である。フィラメントマウント２３を通る中心軸線６６は、鉛直線６５に対して、即ち、ガス分子イオン化室１５の中心軸線６６に対して傾斜可能とされている。図４は、フィラメントマウント２３を通る中心軸線６６が鉛直線６５に対して傾斜していない状態を示している。図５は、フィラメントマウント２３を通る中心軸線６６が鉛直線６５に対して傾斜した状態を示している。
フィラメントマウント２３は傾斜機構の可動部６０１に固定されている。可動部６０１は非可動部６０２とすべり面６０３を介して接続されている。このすべり面６０３は、エミッタティップ２１の先端を中心とした円筒面あるいは球面の一部となっており、このすべり量の制御によりエミッタティップ２１の先端をほぼ移動させること無く、傾斜制御を行うことができる。なお、エミッタティップ２１の先端の移動量が０．５ｍｍ程度であれば特に問題はない。こうした移動範囲内であれば偏向器によって調整することができる。
すベり面６０３が円筒面の一部となっている場合は、イオンビーム照射軸を中心とした円筒面の回転角制御により傾斜面の方位角制御を実施することができる。すベり面６０３が球面の一部となっている場合は、所望の方位角で傾斜制御をすればよい。傾斜手段のすべり面はエミッタティップ２１の先端を中心とした円筒面あるいは球面の一部であり、平面ではない。そのためエミッタティップ２１の先端の中心から円筒面あるいは球面までのすべり面半径が小さければすべり面も小さくでき、ガス電界電離イオン源を小型化することができる。
本実施形態では、傾斜手段の可動部６０１、非可動部６０２およびこの部材の間のすべり面６０３もイオン源室内にあり、すベり面の半径はイオン源の真空僅体半径よりも小さい。
圧電素子６０４は、すべり面６０３と平行な傾斜手段の非可動部６０２側の面に沿って配列され、すベり面６０３は圧電素子６０４に密着されている。圧電素子６０４にパルス状の電圧を印加することで圧電素子６０４は一方向に伸縮が可能であり、すベり面６０３を摩擦力によって移動させることが可能である。
なお、傾斜力の発生手段は、本実施形態のように圧電素子を用いる以外にも、例えば、モータに繋がれた歯車の組合せによる回転機構、およびリニアアクチュエータによるプッシュプル機構などを用いることも可能である。
エミッタティップ２１の作成は、例えば、直径約１００〜４００μｍ程度の軸方位＜１１１＞のタングステン線を用いて、その先端を鋭利に成形する。こうしたエミッタティップ２１は、曲率半径が数１０ｎｍ程度の先端を有する。このエミッタティップ２１の先端に、例えば真空蒸着器などを用いて白金を真空蒸着させる。次に、高温加熱下にて、白金原子をエミッタティップ２１の先端に移動させる。これにより、白金原子によるナノメートルオーダのピラミッド型構造（以下、ナノピラミッドと称する）が形成される。エミッタティップ２１のナノピラミッドは、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。
本実施形態では、エミッタティップ２１の母材としてタングステンの細線を用いたが、これ以外にも、例えばモリブデンの細線を用いることもできる。また、本実施形態では、白金の被覆を用いたが、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジウム、ロジウム等の被覆を用いることもできる。
イオン材料ガスとしてヘリウムを用いる場合には、ヘリウムが電離する電界強度よりも金属の蒸発強度が大きいことが重要である。従って、白金、レニウム、オスミウム、イリジウムの被覆が特に好適である。イオン材料ガスとして水素を用いる場合には、白金、レニウム、オスミウム、パラジウム、ロジウム、イリジウムの被覆が好適である。なお、これらの金属の被覆の形成は、真空蒸着法によっても可能であるが、溶液中でのメッキによって被覆を形成することもできる。
エミッタティップ２１の先端にナノピラミッドを形成する別な方法として、例えば、真空中での電界蒸発、イオンビーム照射等を用いてもよい。このような方法によって、タングステン線、又はモリブデン線の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３個のタングステン原子で構成されるナノピラミッドを形成することができる。
また、これとは別に、白金、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジウム、ロジ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ナノピラミッドを形成してもよい。
エミッタティップ２１の特徴は、ナノピラミッド構造にある。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２１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、イオンビーム１４のビーム径を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９上で微細径・大電流のイオンビームを得るために重要な特性である。
特に、タングステンに白金を蒸着した場合には、先端に１個の原子が存在するナノピラミッド構造が安定して形成される。この場合、ヘリウムイオンの発生箇所は、先端の１個の原子近傍に集中される。タングステン＜１１１＞の先端が３個の原子の場合に、ヘリウムイオン発生箇所は、３個の原子近傍に分散される。
したがって、ヘリウムガスが１個の原子に集中して供給される白金のナノピラミッド構造を持つイオン源の方が単位面積・単位立体角から放出される電流を大きくすることができる。即ち、タングステンに白金を蒸着したエミッタティップ２１とすれば、試料９に照射されるイオンビーム１４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である。なお、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジウム、ロジウムなどを用いても、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を大きくすることができ、試料９に照射されるイオンビーム１４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である。
なお、エミッタティップ２１が十分冷却され、かつガス供給が十分な場合には、必ずしも先端を原子１個に形成する必要はなく、３個、７個、１０個などの原子の数であっても十分にイオンビーム１４のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりすることができる。
エミッタティップ２１の先端の調整を行う際には、試料ステージ１０にエミッタティップ調整用の参照試料９ｂを載置し、また、第１アパーチャ６として開口部の大きいものを選択する。例えば、直径３ｍｍの円形開口部をもつ第１アパーチャ６を選択する。すなわち、集束レンズ５を構成するドーナッツ状の円盤の開口部を通過したイオンビーム１４はこの第１アパーチャ６の開口部をすべて通過できる条件とする。
第１アパーチャ６を通過したイオンビームは第１偏向器３５を通過し、更に第２偏向器７および対物レンズ８を通過して、イオンビーム光学系（光学系）１０２から出射される。そして、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部、例えば、試料室３に設置された第２アパーチャ３６の開口部を通過して参照試料９ｂに到達する。第２アパーチャ３６は、対物レンズ８を通過したイオンビームを制限することによって、イオンビームの放射パターンを取りやすくして、分解能を向上させる。
そして、参照試料９ｂから放出された二次粒子（二次電子）は既に述べたように、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器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。ここで、第１偏向器３５によってイオンビーム１４を走査させる。すると、エミッタティップ２１から放出されたイオンビームのうち、第２アパーチャ３６を通過したイオンビームのみが参照試料９ｂに到達する。
イオンビーム１４の照射によって参照試料９ｂから放出された二次粒子（二次電子）は、二次粒子検出器１１によって検出する。二次粒子検出器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。
ここでエミッタティップ２１の先端が原子１個で形成されるナノピラミッドである場合には、計算処理装置９９の画像表示装置９９ａには、図６に示すように、イオン放射パターンとして１個所のみ明るいパターンが得られる。すなわち、エミッタティップ２１の傾斜角度としては、この明るい点が得られる角度になるように調整する。表示されたイオン放射パターン画像を参照して、エミッタティップ２１の傾斜角度調整、さらにイオンビーム１４の照射軸へのアライメントについても行うことができる。
なお、エミッタティップ２１の先端の１個の原子のみから、ほぼ全てのイオンビームが得られている場合には、ガス供給が原子１個に集中しており、例えば原子３個以上の場合に比べて、特に輝度の高いイオン源が実現される。エミッタティップ２１の先端の原子が１個の場合には、第２アパーチャ３６で他の原子からのイオンエミッションを遮る必要はなく、イオン放射パターンから、原子を選択する必要はない。
また、第１アパーチャ６を通過したイオンビーム１４を第１偏向器３５によって走査させ、放出された二次電子を二次粒子検出器（二次電子検出器）１１によって検出することにより、イオン放射パターンとして走査電界イオン顕微鏡像を形成することもできる。
こうした手順によって、エミッタティップ２１からのイオン放射パターンを得ることができる。そして、こうしたイオン放射パターンに基づいて、エミッタティップ２１の傾斜角度調整およびイオンビーム光軸へのアライメントを行うことができる。
そして、本発明の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）１００によれば、点状領域で反応する信号発生源１０３を構成する第２アパーチャ３６をイオンビーム光学系（光学系）１０２の外部、例えば、試料室３に設置することによって、例えば、ガス電界電離イオン源の後段側にＭＣＰを設置してエミッタティップのＦＩＭ像を形成するような従来の集束イオンビーム装置と比較して、イオンビームの照射軸長（光路長）を短くすることができる。これにより、エミッタティップ２１と参照試料９ｂの相対振動の振幅が小さくなり、高精度にエミッタティップ２１の観察、調整が可能になる。
また、本発明の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）１００によれば、点状領域で反応する信号発生源１０３を構成する第２アパーチャ３６をイオンビーム光学系（光学系）１０２の外部、例えば、試料室３に設置することによって、従来のようにサイズに制約のあるイオンビーム光学系の内部に第２アパーチャを設置した構成と比較して、サイズが大きい第２アパーチャ３６を設置することができ、アライメントを容易にすることができる。
なお、こうした第２アパーチャ３６は、測定試料９ａの観察時には、第２アパーチャ制御装置９０を操作することによってイオンビームの照射軸１４Ａから退避させることができるので、効率的に測定試料９ａの観察を行うことができる。
エミッタティップ２１の先端が、複数の原子、例えば原子６個で形成されるナノピラミッドである場合には、第２アパーチャ３６において、エミッタティップ２１の先端の原子１個周辺から放出されたイオンビームの面積、あるいはその直径が、第２アパーチャ３６の開口部の面積、あるいはその直径に比べて、少なくとも閉じ幅か大きくなるような条件では、エミッタティップ２１の複数の原子のそれぞれからのイオンビームを分離して参照試料９ｂに到達させることができる。
これは、第１偏向器３５によってイオンビーム１４を走査させことによって、エミッタティップ２１からのイオン放射パターンを観察することができることを意味する。なお、このイオン放射パターンは図７に示すように、計算処理装置９９の画像表示部９９ａに表示される。このイオン放射パターンを観察しながらエミッタティップ２１の角度を調整する。
すなわち、イオン放射パターンの中で、６個の輝点から所望の１個の輝点、あるいは複数の輝点を選択して、これが参照試料９ｂに到達するように、エミッタティップ２１の角度を調整する。なお、イオン放射パターンは図７に示すような６個のパターンのみならず、典型的には、３個、１０個、１５個、あるいは１５個を超える原子のパターンが得られる。特に、エミッタティップ２１の先端の原子４個から１５個の原子の状態でイオン放射されている場合には、原子１個から３個に比べて電流は少ないが、イオン電流が安定して、長寿命のガス電界電離イオン源１を実現することができる。
なお、このイオン放射パターンの像情報は、画像表示せずに計算処理装置９９の演算装置に記憶され、例えば、イオン放射パターンを画像解析して、その結果から、エミッタティップ２１の位置・角度調整、あるいは第１偏向器３５の電圧調整することもできる。
（集束イオンビーム装置：第二実施形態）
図８は、本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置の別な一例である走査イオン顕微鏡を示す概略構成図である。なお、以下の説明において、上述した第一実施形態と同様の構成には同一の番号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）２００は、ガス電界電離イオン源１、イオンビーム光学系カラム２、試料室３、及び、冷却機構４を有する。ガス電界電離イオン源１、イオンビーム光学系カラム２、及び試料室３は、それぞれ真空容器１０１に収容されている。
ガス電界電離イオン源１は、針状のエミッタティップ２１と、このエミッタティップ２１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とを有している。また、イオンビーム光学系（光学系）１０２は、ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンを集束させる集束レンズ５、この集束レンズを通過したイオンビーム１４を制限する第１アパーチャ６、この第１アパーチャ６を通過したイオンビーム１４を走査あるいはアラインメン卜する第１偏向器３５、第１偏向器３５を通過したイオンビームを偏向する第２偏向器７、第２偏向器７を通過したイオンビームを試料ステージ１０に載置された試料９に向けてに集束させる対物レンズ８から構成されている。
また、試料室３内には、試料９を載置可能な試料ステージ５１が形成されている。そして、試料ステージ５１の一端には、イオンビーム１４に対して点状領域で反応する信号発生源２０３が形成されている。
試料ステージ５１は、試料９を試料載置面内にて直交２方向（Ｘ方向、Ｙ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に直線移動させる機構、及び、試料９を試料載置面内におい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に対する照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの制御は試料ステージ制御装置９７を介して行われる。
また、試料ステージ５１は、直交２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）のうち、少なくとも一方向に大きく移動可能とされ、試料ステージ５１の一端形成されている信号発生源２０３をイオンビーム１４の照射軸１４Ａ上に挿入した挿入位置と、信号発生源２０３をイオンビーム１４の照射軸１４Ａ上から退避させた退避位置との間で移動可能にされている。
このような集束イオンビーム装置２００では、信号発生源２０３から出力される信号と、第１偏向器３５によるイオンビーム１４の走査とを対応させて、エミッタティップ２１の走査電界イオン顕微鏡像を生成する。
そして、本実施形態の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）２００によれば、通常の測定に用いる試料９を測定する際には、試料ステージ５１の移動によって、信号発生源２０３はイオンビーム１４の照射軸１４Ａ上から外れた位置に退避する。一方、エミッタティップ２１の先端を調整する際には、試料ステージ５１の移動によって、イオンビーム１４の照射軸１４Ａ上に挿入され、エミッタティップ２１の先端調整が行われる。
第二実施形態の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）２００によれば、例えば、第一実施形態の走査イオン顕微鏡１００と比較して、第２アパーチャが省略されているので、イオンビーム光学系（光学系）１０２と試料ステージ５１とを接近させることができる。これによって、通常の測定に用いる試料９を測定する際には、対物レンズ８の作動距離が短くなり、イオンビーム１４の集束性能を高めることが可能になる。
（集束イオンビーム装置：他の実施形態）
なお、上述した実施形態の走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）１００では、イオンビームに対して点状領域で反応する信号発生源１０３として、イオンビーム１４を制限する第２アパーチャ３６と、二次粒子検出器（二次電子検出器）１１とを用いているが、こうした信号発生源１０３としては、これ以外にも例えば、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部に設けた第２アパーチャ３６と、この第２アパーチャ３６に接続した電流計によって構成することもできる。
また、信号発生源１０３として、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部に設けた第２アパーチャ３６と、二次粒子検出器に代えて、第２アパーチャ３６の後段側に配したファラデーカップやチャンネルトロンとこれに接続した電流計とから構成することもできる。ファラデーカップは、導電性金属からなるカップ状体であり、荷電粒子を捕捉するものである。
また、信号発生源１０３として、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部に設けた第２アパーチャ３６と、第２アパーチャ３６の後段側に配したファラデーカップやチャンネルトロンと、二次粒子検出器（二次電子検出器）１１とから構成することもできる。こうした構成では、第２アパーチャ３６で生じた二次電子を二次粒子検出器（二次電子検出器）１１で検出することで、明暗を反転させた観察像を得ることができる。
また、信号発生源１０３として、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部に設けた第２アパーチャ３６と、第２アパーチャ３６の後段側に配した蛍光板と、二次粒子検出器に代えて、蛍光板の後段側に配した蛍光検出器とから構成することもできる。
また、信号発生源１０３として、第２アパーチャ３６に代えて、イオンビーム光学系（光学系）１０２の外部に設けたマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）と、これに接続された電流計とから構成することもできる。ＭＣＰは、絶縁性の基板、例えばガラス板に溝（マイクロチャンネル）を一面側から他面側に傾斜して貫通するように形成したものである。ＭＣＰは、荷電粒子が入射することにより放出された二次電子チャンネルの壁面に当たってアバランシェ効果により二次電子が増幅されるものであり、出射面側に電極を設けて電流計によって検出する。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ ガス電界電離イオン源
２ イオンビーム光学系カラム
３ 試料室
５ 集束レンズ
６ 第１アパーチャ
８ 対物レンズ
９ 試料
１１ 二次粒子検出器（二次電子検出器）
１４ イオンビーム
２１ エミッタティップ
３６ 第２アパーチャ
１００ 走査イオン顕微鏡（集束イオンビーム装置）
１０１ 真空容器
１０２ イオンビーム光学系（光学系）
１０３，２０３ 信号発生源

Claims (8)

  1. 真空容器と、前記真空容器内に配置され、先端が先鋭化されたエミッタティップと、前記エミッタティップの先端でガスイオンを発生させるガス電界電離イオン源と、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集束させる集束レンズと、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを偏向させる第１偏向器と、前記集束レンズと前記第１偏向器との間に配され、前記集束レンズを通過した前記イオンビームを制限する第１アパーチャと、前記第１偏向器を通過した前記イオンビームを集束させる対物レンズと、測定試料を載置する試料ステージと、を備えた集束イオンビーム装置であって、
    前記集束レンズ、前記第１アパーチャ、前記第１偏向器および前記対物レンズとを少なくとも有する光学系と、前記試料ステージとの間に、前記イオンビームに対して点状領域で反応する信号発生源を形成し、
    前記信号発生源から出力される信号と、前記第１偏向器による前記イオンビームの走査とを対応させて、前記エミッタティップの走査電界イオン顕微鏡像を生成することを特徴とする集束イオンビーム装置。
  2. 前記信号発生源は、前記イオンビームの照射軸に対して挿脱可能に、前記試料ステージ上に配されていることを特徴とする請求項１記載の集束イオンビーム装置。
  3. 前記信号発生源は、前記イオンビームを制限する第２アパーチャを有することを特徴とする請求項１記載の集束イオンビーム装置。
  4. 前記第２アパーチャを前記イオンビームの照射軸上に挿脱可能に移動させる第２アパーチャ制御装置を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の集束イオンビーム装置。
  5. 前記信号発生源は、前記第２アパーチャで生じた二次電子、または前記試料ステージに配された一様な構成の参照試料に対して前記イオンビームを入射させた際に生じた二次電子を測定する二次電子検出器を有することを特徴とする請求項３または４記載の集束イオンビーム装置。
  6. 前記信号発生源は、前記第２アパーチャに接続された電流計を有することを特徴とする請求項３または４記載の集束イオンビーム装置。
  7. 前記信号発生源は、前記第２アパーチャの後段に配されたファラデーカップ、またはチャンネルトロンを有することを特徴とする請求項３または４記載の集束イオンビーム装置。
  8. 前記第１偏向器によって前記イオンビームを走査させ、放出された二次電子を前記二次電子検出器によって検出することにより、走査電界イオン顕微鏡像を形成することを特徴とする請求項５記載の集束イオンビーム装置。
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