WO2009147894A1

WO2009147894A1 - イオンビーム装置

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Publication number: WO2009147894A1
Application number: PCT/JP2009/056485
Authority: WO
Inventors: 志知　広康; 信一松原; 佐保　典英; 山岡　正作; 荒井　紀明
Original assignee: 株式会社日立ハイテクノロジーズ
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2009-12-10
Also published as: US9508521B2; JPWO2009147894A1; US20140319370A1; US8779380B2; US20170076902A1; JP5097823B2; US20110147609A1

Abstract

　本発明のイオンビーム装置のガス電界電離イオン源（１）は、エミッタベースマウント（６４）に支持されたエミッタティップ（２１）と、引き出し電極（２４）と、エミッタティップ（２１）を囲むように構成されたイオン化室（１５）と、ガス供給管（２５）とを有する。そして、引き出し電極（２４）の中心軸線はイオン照射光系の中心軸線（１４Ａ）に対して重なるか平行であり、エミッタティップ（２１）及びエミッタベースマウント（６４）を通る中心軸線（６６）は、イオン化室（１５）の中心軸線に対して傾斜可能である。これにより、エミッタティップの方向を調整することができるガス電界電離イオン源を備えたイオンビーム装置を提供することができるようになった。

Description

イオンビーム装置

　本発明は、イオン顕微鏡およびイオンビーム加工装置などのイオンビーム装置、また、イオンビーム加工装置とイオン顕微鏡との複合装置、イオン顕微鏡と電子顕微鏡との複合装置に関する。また、イオン顕微鏡と電子顕微鏡を適用した解析・検査装置に関する。

　本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。

　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荷電粒子を検出しても、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。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、相対的にスパッタ作用は小さくなり試料を観察するのに好適となる。

　さらに、イオンビームは、電子ビームに比べて試料表面の情報に敏感である特徴を有する。これは、二次荷電粒子の励起領域が電子ビームの照射に比べて、試料表面により局在するからである。また、電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、電子に比べて重いため、回折効果を無視することができる。

　また、イオンビームを試料に照射して、試料を透過したイオンを検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。これは透過イオン顕微鏡と呼ばれる。特に、水素、ヘリウム、などの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、試料を透過する割合が大きくなり観察するのに好適となる。

　逆にアルゴン、キセノン、ガリウムなどの質量の重いイオン種を試料に照射すれば、スパッタ作用により試料を加工するのに好適となる。特に、液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source、以下LMIS）を用いた集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam、以下FIB）がイオンビーム加工装置として知られている。更に、近年では走査電子顕微鏡（SEM）と集束イオンビーム（FIB）の複合機FIB-SEM装置も用いられる。FIB-SEM装置では、FIBを照射して所望の箇所に角穴を形成することにより、その断面をSEM観察することができる。また、プラズマイオン源やガス電界電離イオン源により、アルゴンやキセノンなどのガスイオンを生成して試料に照射するようにしても試料の加工は可能である。

　ところで、イオン顕微鏡では、イオン源として、ガス電界電離イオン源が好適である。ガス電界電離イオン源は、エネルギ幅が狭いイオンビームを生成することができる。また、イオン発生源は、サイズが小さいため、微細なイオンビームを生成することができる。

　イオン顕微鏡では、高信号/ノイズ比で試料を観察するためには、試料上で大きな電流密度のイオンビームを得る必要がある。そのためには、電界電離イオン源のイオン放射角電流密度を大きくする必要がある。イオン放射角電流密度を大きくするためには、エミッタティップ近傍のイオン材料ガス（イオン化ガス）の分子密度を大きくすればよい。単位圧力当たりのガス分子密度は、ガスの温度に逆比例する。そのため、エミッタティップを極低温に冷却し、エミッタティップ周辺のガスの温度を低温化すればよい。それによって、エミッタティップ近傍のイオン化ガスの分子密度が大きくすることができる。エミッタティップ周辺のイオン化ガスの圧力を、例えば、10^-2～10Pa程度にすることができる。

　しかしながら、イオン材料ガスの圧力を～1Pa以上にすると、イオンビームが中性ガスと衝突して中性化し、イオン電流が低下する。また、電界電離イオン源内のガス分子の個数が多くなると、高温の真空容器壁に衝突して高温化したガス分子が、エミッタティップに衝突する頻度が高くなる。そのため、エミッタティップの温度が上昇してイオン電流が低下する。そのために、電界電離イオン源では、エミッタティップ周辺を機械的に囲うガスイオン化室が設けられる。ガスイオン化室は、エミッタティップに対向して設けられたイオン引き出し電極を利用して形成される。

　特許文献１には、エミッタティップの先端に微小な突出部を形成することによって、イオン源特性が向上することが開示されている。非特許文献１には、エミッタティップ先端の微小な突出部を、エミッタティップ材料とは異なる第２金属を用いて作製することが開示されている。非特許文献２には、ヘリウムをイオン放出するガス電界電離イオン源を搭載した走査イオン顕微鏡が開示されている。

　特許文献２には、イオン化室にベローズを設けたガス電界電離イオン源が開示されている。但し、このガス電界電離イオン源では、イオン化室が試料室壁を介して室温に接しており、イオン化室に供給されたガスが高温の試料室壁に衝突する問題には触れられていない。また、エミッタティップの傾斜についても関連する記述が無い。

　特許文献３には、イオン源の軸方向を可変にする方向調整機構を設けたガス電界電離イオン源が開示されている。但し、このガス電界電離イオン源では、イオン化室が試料室壁を介して室温に接しており、イオン化室に供給されたガスが高温の試料室壁に衝突する問題には触れられていない。また、イオン源の軸方向変化に伴って、引き出し電極が傾斜する。

　また、特許文献４には、引き出し電極用高圧導入線をエミッタティップ用高圧導入線に接続するための切り換えスイッチを設けたガス電界電離イオン源が開示されている。このガス電界電離イオン源では、イオン源外壁とエミッタティップの間の強制放電処理いわゆるコンデショニング処理の後にエミッタティップと引き出し電極間の放電を防止することができる。

　また、特許文献５には、荷電粒子装置本体を搭載するベースプレートと装置架台の間に防振具を設けた荷電ビーム装置が開示されている。しかし、特許文献５では、荷電粒子源の冷却機構については、関連する記述が全く無い。

　特許文献６には、FIBにより試料の異常箇所近傍に角穴を形成し、当該角穴の断面をSEM装置で観察することにより、欠陥や異物などを観察及び解析する装置が提案されている。特許文献７には、FIB、及び、プローブを用いて、バルク試料から透過電子顕微鏡観察用の微小試料を摘出する技術が提案されている。
公開特許公報昭５８－８５２４２号特許公報平３－７４４５４号公開特許公報昭６２－１１４２２６号公開特許公報平１－２２１８４７号公開特許公報平８－２０３４６１号公開特許公報２００２－１５０９９０号公開国際特許公報ＷＯ９９／０５５０６号 H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang, and T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379. J. Morgan, J. Notte, R. Hill, and B. Ward, Microscopy Today, July 14 (2006) 24

　従来のガスイオン化室を備えたガス電界電離イオン源では、次のような課題がある。エミッタティップには、先端に微小な突出部を設けたナノピラミッド構造を有するものがある。このような構造のエミッタティップでは、イオンビームが放出される角度の広がりがわずか１度程度である。このような微細なイオンビームを試料上の所定の位置に照射するためには、エミッタティップの方向を調整する必要がある。ガスイオン化室は固定構造であり、エミッタティップの方向を簡単に調整することができなかった。そのため、エミッタティップの装着部を機械的に調整する必要があった。エミッタティップの位置及び方向を調整すると、引き出し電極の方向も変化する。

　本願発明者は、この引き出し電極の僅かな傾斜がイオンビームの集束性能に影響することを見出した。すなわち、引き出し電極の僅かな傾斜によって、試料観察の分解能が劣化するという問題を発見した。

　また、ガスイオン化室は、イオン引き出し電極を利用してエミッタティップを囲むような構造を有するが、密閉室ではない。ガスイオン化室に供給されたイオン化ガスは不可避的に漏洩する。イオン化ガスが漏洩すると、エミッタティップ周辺のイオン材料ガスの圧力が低下し、イオン電流が低下する。ところが、従来、ガスイオン化室からのイオン化ガスの漏洩について、対策が取られていなかった。

　ガス電界電離イオン源を搭載したイオン顕微鏡では、エミッタティップを極低温に冷却するための冷却機構が設けられる。この冷却機構は、冷凍ポンプ、コンプレッサ等の振動源を有する。これらの振動源からの振動が、エミッタティップに伝達されると、高分解能の試料観察が不可能となる。

　本発明の目的は、エミッタティップの位置及び方向を調整することができ、さらにイオン源輝度の向上およびイオンビームの集束性能向上に貢献するガス電界電離イオン源を備えたイオンビーム装置を提供することにある。

　本発明の目的は、ガス電界電離イオン源用の冷却機構からの振動が、エミッタティップの振動を低減し、高分解能の試料観察を可能にするイオンビーム装置を提供することにある。

　また、本発明の目的は、試料をイオンビームにより加工して断面を形成して、断面を電子顕微鏡で観察する装置に替わり、イオンビームにより加工して断面を形成して、断面をイオン顕微鏡で観察する装置および断面観察方法を提供することを目的とする。

　また、本発明の目的は、イオンビーム装置による試料観察、電子顕微鏡による試料観察および元素分析が１台で可能な装置、欠陥や異物などを観察・解析する解析装置、および検査装置を提供することを目的とする。

　本発明によると、イオンビーム装置は、イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、を有する。

　ガス電界電離イオン源は、イオンを生成するエミッタティップと、該エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、前記エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極を有し且つ前記エミッタティップを囲むように構成されたガスイオン化室と、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、を有し、
　前記エミッタティップ、及び、前記エミッタベースマウントを通る中心軸線は、前記イオン化室の中心軸線に対して傾斜可能である。

　本発明によると、イオンビーム装置は、前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートを有し、
　前記ベースプレートには、前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室に振動が伝達することを低減するための防振機構が設けられている。

　本発明によると、エミッタティップの位置及び方向を調整することができるガス電界電離イオン源を備えたイオンビーム装置を提供することにある。

　本発明によると、ガス電界電離イオン源用の冷却機構からの振動が、エミッタティップに影響を与えることがないイオンビーム装置を提供することにある。

図１は、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の概略構成図である。図２は、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の制御系の概略構成図である。図３は、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の電界電離イオン源の冷却機構の概略構造図である。図４は、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の電界電離イオン源の概略構造図である。図５は、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の電界電離イオン源のガス分子イオン化室の概略構造図である。図６Ａは、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の電界電離イオン源のエミッタティップ傾斜前のエミッタティップ周辺模式図である。図６Ｂは、本発明によるイオン顕微鏡の第１の例の電界電離イオン源のエミッタティップ傾斜後のエミッタティップ周辺模式図である。図７は、本発明によるイオン顕微鏡の第２の例の概略構成図である。図８は、本発明によるイオン顕微鏡の第３の例の概略構成図である。図９は、本発明によるイオン顕微鏡の第４の例の概略構成図である。図１０Ａは、本発明によるイオン顕微鏡の実施例５の電界電離イオン源のガス分子イオン化室の開閉弁（開状態）の操作を説明する図である。図１０Ｂは、本発明によるイオン顕微鏡の第５の例の電界電離イオン源のガス分子イオン化室の開閉弁（閉状態）の操作を説明する図である。図１１Ａは、本発明によるイオン顕微鏡の第６の例の電界電離イオン源のガス分子イオン化室周辺の配線の切断機構（接続状態）の操作を説明する図である。図１１Ｂは、本発明によるイオン顕微鏡の第６の例の電界電離イオン源のガス分子イオン化室周辺の配線の切断機構（切断状態）の操作を説明する図である。図１２は、本発明によるイオン顕微鏡の第７の例の概略構成図である。

符号の説明

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…コンデンサレンズ、６…ビーム制限アパーチャ、７…ビーム走査電極、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１１…二次粒子検出器、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、１４Ａ…光軸、１５…ガス分子イオン化室、１６…コンプレッサ、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…支持棒、２７…孔、２８…側壁、２９…天板、３０…抵抗加熱器、３１…開口、３２…蓋部材、３３…操作棒、３４…蓋部材、４０…冷凍機、４０Ａ…中心軸線、４１…本体、４２Ａ、４２Ｂ…ステージ、４３…ポット、４６…ヘリウムガス、５１…上部フランジ、５２…サファイアベース、５３…冷却伝導棒、５４…銅網線、５５…サファイアベース、５６…銅網線、５７…冷却伝導管、５８…輻射シールド、５９…静電レンズ、６０…電極、６１、６２…ベローズ、６３…絶縁材、６４…エミッタベースマウント、６８…真空容器、６９…ベローズ、８１…液体又は固体窒素チャンバ、８２…液体又は固体窒素タンク、８３…真空排気口、８４…固体窒素、８５…支柱、８６…ベローズ、８７…支柱、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…ビーム制限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、１０１…定盤、１０２…除振脚、１０３、１０４…支柱、１３３…電線、１３４…電源、１３５…高電圧電源、１３６…ステンレス製の細線、１３７…切断機構、１３８…銅製の太線、１３９…ステンレス製の細線、１４０…切断機構、１４１…イオン引き出し電源、１４２…電源、３０１…走査偏向電極、３０２…アパーチャ板、３０３…可動放射パターン観察機構、３０４…二次粒子、３０５…二次粒子検出器、３０６…イオン照射系の中心線、３０７…イオン像検出器、３０８…鏡、４００…圧縮機ユニット、４０１…ＧＭ型冷凍機、４０２…熱交換器、４０３…配管、４０４…トランスファーチューブ、４０５…熱交換器、４０７…配管、４０８…第１冷却ステージ、４０９…熱交換器、４１０…熱交換器、４１１…第２冷却ステージ、４１２…熱交換器、４１３…配管、４１４…熱交換器、４１５…配管、４１６…真空断熱容器、４１７、４１８…支持体、４１９…カバー

　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。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。本例の走査イオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源１、カラム２、試料室３、及び、冷却機構４を有する。カラム２、及び、試料室３内は真空に保持され、そこに、イオンビーム照射系が配置されている。イオンビーム照射系は、静電型のコンデンサレンズ５、ビーム制限アパーチャ６、ビーム走査電極７、及び、静電型の対物レンズ８を有する。試料室３内には、試料９を載置する試料ステージ１０、及び、二次粒子検出器１１が設けられている。ガス電界電離イオン源１からのイオンビーム１４は、イオンビーム照射系を経由して、試料９に照射される。試料９からの二次粒子線は、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を設ける。

　冷却機構４は、電界電離イオン源１を冷却するための冷凍機４０を有する。本例のイオン顕微鏡では、冷凍機４０の中心軸線４０Ａはイオンビーム照射系の光軸１４Ａと平行に配置されている。

　本例のイオン顕微鏡は、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。

　装置架台１７には支柱１０３が設けられている。支柱１０３によって、冷凍機４０が支持されている。冷凍機４０の振動は、支柱１０３を経由して、装置架台１７に伝達される。しかしながら、防振機構１９によって、冷凍機４０の振動は、ベースプレート１８には低減して伝達される。従って、冷凍機４０の振動は、支柱１０３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には、ほとんど伝達されず、走査イオンビーム顕微鏡の高分解能性能が達成される。

　床２０には、例えば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）１６が設置され、例えばギフォード・マクマホン型（ＧＭ型）冷凍機４０に高圧力のヘリウムガスを、配管１１１を通じて供給する。そして高圧力のヘリウムガスがＧＭ型冷凍機内部で周期的に膨張することにより寒冷を発生させ、膨張して低圧力になった低圧ヘリウムガスは配管１１２を通じて圧縮機ユニットに回収される。

　圧縮機ユニット（コンプレッサ）１６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）１６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１６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。

　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。ベースプレート１８には支柱１０４が設けられている。支柱１０４によって冷却機構４の下部が支持されているが、これについては後に図３を参照して説明する。

　本例では、装置架台１７の上に防振機構１９を設けたが、装置架台１７の脚に防振機構１９を設ける、あるいは両者を併用してもよい。

　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４０を制御する冷凍機制御装置９２、コンデンサレンズ５を制御するレンズ制御装置９３、ビーム制限アパーチャ６を制御するビーム制限アパーチャ制御装置９４、ビーム走査電極７を制御するイオンビーム走査制御装置９５、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、各種の演算を行う計算処理装置９９を有する。計算処理装置９９は画像表示部を備える。画像表示部は、二次粒子検出器１１の検出信号から生成された画像、及び、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。

　本例のイオン顕微鏡の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、コンデンサレンズ５によって収束され、ビーム制限アパーチャ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上の試料９の上に走査されながら、照射される。

　試料から放出された二次粒子は、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。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、試料表面の高分解能観察を実現することができる。

　図３は、図１に示した本発明によるイオン顕微鏡の電界電離イオン源１とその冷却機構４の構成の例を示す。電界電離イオン源１については、図４にて詳細に説明する。ここでは、冷却機構４を説明する。本例ではガス電界電離イオン源１の冷却機構４として、ＧＭ型冷凍機４０とヘリウムガスポット４３を組み合わせた冷却機構を用いる。ＧＭ型冷凍機の中心軸線は、イオン顕微鏡のエミッタティップ２１を通るイオンビーム照射系の光軸に平行に配置されている。これにより、イオンビームの集束性の向上と冷凍機能の向上を両立できる。

　ＧＭ型冷凍機４０は、本体４１と第１冷却ステージ４２Ａと第２冷却ステージ４２Ｂを有する。本体４１は支柱１０３によって支持されている。第１冷却ステージ４２Ａ及び第２冷却ステージ４２Ｂは、本体４１より吊り下げられた構造を有する。

　第１冷却ステージ４２Ａの外径は、第２冷却ステージ４２Ｂの外径より大きい。第１冷却ステージ４２Ａの冷凍能力は約５Ｗであり、第２冷却ステージ４２Ｂの冷凍能力は約０．２Ｗである。第１冷却ステージ４２Ａは、約50Kまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、4Kまで冷却可能である。

　第１冷却ステージ４２Ａの上端部は、ベローズ６９によって囲まれている。第１冷却ステージ４２Ａの下端部と第２冷却ステージ４２Ｂは、ガス密封型のポット４３によって覆われている。ポット４３は、第１冷却ステージ４２Ａを囲むように構成された径が大きい部分４３Ａと、第２冷却ステージ４２Ｂを囲むように構成された径が小さい部分４３Ｂを有する。ポット４３は支柱１０４によって支持されている。支柱１０４は図１に示したように、ベースプレート１８に支持されている。

　ベローズ６９及びポット４３は、密閉構造を有し、その内部に、熱伝導媒体としてヘリウムガス４６が充填されている。２つの冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂはヘリウムガス４６に囲まれているが、ポット４３には接触していない。なお、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。

　本例のＧＭ型冷凍機４０では、第１冷却ステージ４２Ａは約50Kまで冷却される。そのため第１冷却ステージ４２Ａの周囲のヘリウムガス４６は、約70Kに冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂは、4Kまで冷却される。第２冷却ステージ４２Ｂの周囲のヘリウムガス４６は約6Kまで冷却される。こうして、ポット４３の下端は、約6Kまで冷却される。

　ＧＭ型冷凍機４０の本体４１の振動は、支柱１０３と２つの冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂに伝達される。冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂに伝達された振動は、ヘリウムガス４６にて減衰する。ＧＭ型冷凍機の冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂが振動しても、ヘリウムガスが中間に存在するため熱は伝導されるが、機械振動は減衰し、第１冷却ステージ４２Ａおよび第２冷却ステージ４２Ｂで冷却される密封型のポット４３に振動が伝播し難い。特に高い振動数の振動は伝達しにくい。すなわち、ポット４３の機械振動はＧＭ型冷凍機の冷却ステージ４２Ａ、４２Ｂの機械振動に比べて極めて低減するという効果を奏する。

　図１を参照して説明したように、コンプレッサ１６の振動は、床２０を経由して、装置架台１７に伝達されるが、防振機構１９によって、ベースプレート１８に伝達されることが防止される。従って、コンプレッサ１６の振動は、支柱１０４、及び、ポット４３に伝達されることはない。

　ポット４３の下端は、熱伝導率の高い銅製の冷却伝導棒５３に接続されている。冷却伝導棒５３内にはガス供給配管２５が設けられている。冷却伝導棒５３は、銅製の冷却伝導管５７によって覆われている。

　本例では、ポット４３の径が大きい部分４３Ａに、図示しない輻射シールドが接続されており、この輻射シールドは、銅製の冷却伝導管５７に接続されている。従って、冷却伝導棒５３及び冷却伝導管５７は常にポット４３と同一の温度に保持される。

　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。

　図４を参照して本発明によるイオン顕微鏡の電界電離イオン源及びその周辺の構成の例を詳細に説明する。本例の電界電離イオン源は、エミッタティップ２１、引き出し電極２４、及び、静電レンズ５９を有する。引き出し電極２４は、イオンビームが通る孔を有する。静電レンズ５９は、本例では、３つの電極を有し、それぞれ中心孔を有する。エミッタティップ２１は、引き出し電極２４に対して対向して配置されている。

　静電レンズ５９の下には、走査偏向電極３０１、アパーチャ板３０２、シャッタ３０３、二次粒子検出器３０５、及び、イオン像検出器３０７が設けられている。なお、イオンビームはイオン照射系の中心線３０６に沿って通過する。

　エミッタティップ２１は、上部フランジ５１に吊り下げられており、エミッタティップ２１の支持部は可動構造となっている。エミッタティップ２１の可動構造は、後に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して詳細に説明する。一方、引き出し電極２４は真空容器６８に対して固定的に装着されている。真空容器６８は、図１に示したカラムの上部構造である。

　エミッタティップ２１は、サファイアベース５２によって支持されている。サファイアベース５２は、銅網線５４を介して、冷却伝導棒５３に接続されている。引き出し電極２４は、サファイアベース５５によって支持されている。サファイアベース５５は、銅網線５６を介して、冷却伝導棒５３に接続されている。従って、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、銅網線５４、冷却伝導棒５３、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。同様に、引き出し電極２４、サファイアベース５５、銅網線５６、冷却伝導棒５３、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。

　すなわち、本冷却機構は、圧縮機ユニットで発生させた第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たポット４３内のヘリウムガスである第２のガスで被冷却体であるエミッタティップ２１を冷却する冷却機構である。

　また、エミッタティップ２１及び引き出し電極２４を囲むように輻射シールド５８が設けられている。輻射シールド５８は、引き出し電極２４及びガス分子イオン化室への熱輻射による熱流入を低減する。輻射シールド５８は、冷却伝導管５７に接続されている。静電レンズ５９の３つの電極のうち、引き出し電極２４に最も近い電極６０は、輻射シールド５８に接続されている。電極６０、輻射シールド５８、冷却伝導管５７、輻射シールド、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。

　本例では、サファイアベース５２、５５と冷却伝導棒５３は、変形可能な銅網線５４、５６によって接続されている。銅網線５４は、エミッタティップ２１の位置が変位しても、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、及び、冷却伝導棒５３からなる伝熱経路を保持する機能を有する。更に、可撓性が高い銅網線５４は、冷却伝導棒５３を経由して、サファイアベース５２及びエミッタティップ２１に高周波振動が伝達されるのを防止する。銅網線５６は、冷却伝導棒５３を経由して、サファイアベース５５及び引き出し電極２４に高周波振動が伝達されるのを防止する。なお、伝熱部材である銅網線５４は熱伝導率が高く、振動を伝えにくい柔軟な部材であれば銅に限定されるものでなく、銀網線でも良い。

　こうして本例では、エミッタティップの極低温化を実現し、より大電流のイオンビームが得られるガス電界電離イオン源が提供され、ひいては高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供されるという効果を奏する。

　本例の電界電離イオン源では、引き出し電極は真空容器に対して固定されているが、エミッタティップは引き出し電極に対して可動である。そのため、引き出し電極の孔に対するエミッタティップの位置調整、及び、光学系に対するエミッタティップの軸調整が可能であり、微細なイオンビームを形成することが可能である。

　エミッタティップの軸調整を説明する。シャッタ３０２を移動させて、シャッタ３０２に設けられた孔をイオンビーム照射系の中心軸線３０６から偏芯させる。エミッタティップ２１によって生成されたイオンビーム１４は、静電レンズ５９を通過し、走査偏向電極３０１を通過し、更に、アパーチャ板３０２の穴を通過し、シャッタ３０２に衝突する。シャッタ３０２から、二次電子などの二次粒子３０４が発生する。二次粒子３０４を二次粒子検出器３０５によって検出し、二次粒子像を得ることができる。シャッタ３０２の上部に微小な突起を設けておけば、二次粒子像で、エミッタティップのイオン放射パターンを観察することができる。あるいは、微細な穴を設け、アパーチャ板３０２をイオンビームに垂直な２方向に機械的に移動走査させて、アパーチャ板３０２を通過したイオンビームが別のシャッタ板に照射されたときの二次粒子を検出してもイオン放出パターンを観察することができる。このようにイオン放射パターンを観察しながら、エミッタティップの位置、及び、角度を調整する。エミッタティップの軸調整の後に、シャッタ３０２を移動させる。それによって、イオンビームはシャッタ３０２の孔を通過する。また、可動放射パターン観察機構３０３を用いることができる。すなわち、可動放射パターン観察機構３０３を移動させて、可動放射パターン観察機構３０３に設けられた孔をイオンビーム照射系の中心軸線３０６から偏芯させる。可動放射パターン観察機構３０３には、マイクロチャンネルプレートと蛍光版からなるイオン像検出器３０７が配置されている。蛍光板の像をイオン像検出器３０７の下に配置した鏡３０８によって観察することが可能である。すなわち、イオンビームの放射方向や放射パターンを観察することができる。観察が終了したら、可動放射パターン観察機構３０３に設けられた孔をイオンビーム照射系の中心軸線３０６に戻し、イオンビームを通過させる。

　図５を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の電界電離イオン源の構成を更に詳細に説明する。本例の電界電離イオン源は、エミッタティップ２１、１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を有する。エミッタティップ２１は、フィラメント２２に固定されている。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、エミッタベースマウント６４に固定されている。エミッタベースマウント６４は、図４に示したように、上部フランジ５１に装着されている。エミッタベースマウント６４と輻射シールド５８又は真空容器６８は、ベローズ６１によって接続されている。

　本例の電界電離イオン源は、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が通るための孔２７を有する。天板２９には、絶縁材６３が接続されている。絶縁材６３とフィラメントマウント２３の間には、ベローズ６２が装着されている。

　側壁２８及び天板２９は、エミッタティップ２１を囲んでいる。引き出し電極２４、側壁２８、天板２９、ベローズ６２、絶縁材６３、及び、フィラメントマウント２３によって囲まれる空間を、ガス分子イオン化室１５と呼ぶ。

　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（イオン化ガス）が供給される。イオン材料ガス（イオン化ガス）は、ヘリウム又は水素である。

　ガス分子イオン化室１５は、引き出し電極２４の孔２７とガス供給配管２５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内には供給されたガスは、引き出し電極の孔２７とガス供給配管２５以外の領域から漏洩することは無い。引き出し電極２４の孔２７の径を十分小さくすることによって、ガス分子イオン化室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の孔２７の径は、例えば、0.2mm以下である。それによって、ガス供給管２５からガスイオン化室１５にイオン化ガスを供給すると、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る。引き出し電極２４、側壁２８等を加熱することによって、それより脱ガス化する。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、抵抗加熱器自身が脱ガス化しても、それはガス分子イオン化室外で行われるから、ガス分子イオン化室内は高真空化することができる。

　本例では脱ガス処理に、抵抗加熱器を用いたが、代わりに、加熱用ランプを用いてもよい。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、引き出し電極の周囲構造を簡単にできる。更に、加熱用ランプでは、高電圧を印加する必要が無いため、加熱用ランプ電源の構造が簡単である。更に、抵抗加熱器を用いる代わりに、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、側壁等を加熱し、脱ガス処理してもよい。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、引き出し電極の周囲構造が簡単になり、且つ、配線及び電源が不要である。

　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によって、試料室３、及び、試料室真空排気用ポンプ１３を約200℃まで加熱し、試料室３の真空度を大きくとも10^-7Pa以下にするとよい。それによって、イオンビームを試料に照射したときに、試料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、試料の表面を良好に観察できる。従来の技術では、試料の表面にヘリウムイオン又は水素イオンのビームを照射すると、コンタミネーションによるデポジションの成長が早いため、試料表面の観察が困難になる場合があった。そこで、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。それによって、試料の最表面を高分解能で観察できる。

　次に、本例の電界電離イオン源の動作を説明する。イオン源真空排気用ポンプ１２によって真空容器内を真空排気する。抵抗加熱器３０によって、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９の脱ガス処理を行う。即ち、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９を加熱することにより脱ガス化する。尚、同時に、真空容器の外側に別の抵抗加熱器を配置し、真空容器を加熱してよい。それによって、真空容器内の真空度が向上し、残留ガス濃度が低下する。この操作によりイオン放出電流の時間安定性を向上させることができる。

　脱ガス処理が終了すると、抵抗加熱器３０による加熱を停止し、十分な時間が経過した後、冷凍機を運転する。それによってエミッタティップ２１、引き出し電極２４、及び、輻射シールド５８等が冷却される。次に、ガス供給配管２５によりイオン化ガスをガス分子イオン化室１５に導入する。イオン化ガスはヘリウム又は水素であるが、ここでは、ヘリウムであるとして説明する。上述のように、ガス分子イオン化室内は高い真空度を有する。従って、エミッタティップ２１によって生成されたイオンビームがガス分子イオン化室内の残留ガスと衝突して中性化する割合が少なくなる。そのため、大電流のイオンビームを生成することができる。また、高温のヘリウムガス分子が引き出し電極と衝突する個数は減少する。そのため、エミッタティップ、及び、引き出し電極の冷却温度を下げることができる。したがって、大電流のイオンビームを試料に照射できる。

　次に、エミッタティップ２１と引き出し電極２４の間に電圧を印加する。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の多くが、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、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、別の真空容器注で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の先端に移動させる。それによって、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、白金の被覆を用いたが、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等の被覆を用いることもできる。

　イオン化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好適となる。イオン化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、パラジュウム、ロジュウム、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も可能である。

　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、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のが特徴となる。

　上述のように、本発明による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。

　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>の先端の３個の原子の場合には、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は大きくできる。すなわち、タングステンに白金を蒸着したエミッタティップとすれば、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効果を奏する。なお、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、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。

　イオン放射パターンの観察方法については既に述べたように、イオン放射パターンを観察しながら、エミッタティップ位置および角度を調整するが、イオン引き出し電圧を調整して、イオン放射パターンが原子１個からのパターンになってから、イオンビームがアパーチャを通過するように、イオンビーム軌道もしくはアパーチャ位置を調整する。

　ここで本イオン源の特徴はナノピラミッドの先端の原子１個近傍から放出されたイオンを用いることである。すなわち、イオンが放出される領域が狭くイオン光源がナノメータ以下に小さい。このためイオン光源を同じ倍率で試料に集束するか、縮小率を2分の１程度に大きくすると、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。従来のガリウム液体金属イオン源では、イオン光源の寸法は、約50nmと推定されている。従って、試料上で5nmのビーム径を実現するためには、縮小率を１／１０以下にする必要がある。この場合、イオン源のエミッタティップの振動は、試料上では10分の1以下に縮小される。例えば、エミッタティップが10nm振動していても、試料上におけるビームスポットの振動は1nm以下となる。従って、5nmのビーム径に対する、エミッタティップの振動の影響は軽微である。ところが、本例では、縮小率が小さく、１～１／２程度である。従って、エミッタティップにおける10nmの振動は、試料上では5nmの振動となり、ビーム径に対する試料の振動が大きい。

　そこで、本発明によると、図１に示したように、防振機構を設ける。即ち、防振機構１９によって、冷凍機４０及びコンプレッサ１６の振動が、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に伝達されにくくなる。コンプレッサ１６の振動が、ポット４３及び試料ステージ１０に伝達されにくくなる。従って、本発明によると、小さな径のイオンビームを生成することによって、試料表面の高分解能観察を実現することができる。また、本イオン源ではガス分子イオン化室の気密が高く、ガス分子イオン化室の外側では真空度が高いためイオンビームが真空中のガスと衝突して中性化する割合が少ないため、大電流のイオンビームを試料に照射できるという効果を奏する。また、高温のヘリウムガス分子が引き出し電極と衝突する個数が少なくなり、エミッタティップおよび引き出し電極の冷却温度を下げることができ、大電流のイオンビームを試料に照射できるという効果を奏する。

　対物レンズ８の先端と試料９の表面までの距離は仕事距離と称される。本イオンビーム装置では仕事距離が2mm未満にすると、分解能は0.5nm未満となり、超分解能が実現する。従来は、ガリウムなどのイオンが用いられていたため試料からのスパッタ粒子が対物レンズを汚染して、正常動作を妨げる懸念があった。本発明によるイオン顕微鏡ではこの懸念が少なく超高分解能を実現できた。

　なお、不測の放電現象などによりナノピラミッドが損傷した場合は、エミッタティップを約30分間加熱（1000℃程度）する。それにより、ナノピラミッドを再生することが可能である。すなわち、容易にエミッタティップを修復することができる。そのため、実用的なイオン顕微鏡を実現することができる。

　図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本発明の電界電離イオン源のエミッタティップの傾斜構造を説明する。フィラメントマウント２３はエミッタベースマウント６４に固定されており、両者は一体的に変位する。また、ガスイオン化室は真空容器とほとんど接触していない。これにより、イオン化室の極低温化を実現する。少なくともイオン化室を囲む壁が真空容器とほとんど接触しないこと必要である。エミッタティップ２１、及び、エミッタベースマウント６４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の中心軸線に対して傾斜可能である。図６Ａは、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４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す（図では２つの線は重なっている）。図６Ｂは、フィラメントマウント２３とエミッ
タベースマウント６４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す。

　本例では、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線６６が傾斜しても、エミッタティップ２１の位置は一定である。即ち、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線６６は、エミッタティップ２１を中心として枢動する。従って、エミッタティップ２１は自転するが、横方向に変位しない。フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線が傾斜しても、エミッタティップ２１の先端にて発生したイオンビームは、引き出し電極２４の孔２７を通過する。また、引き出し電極の中心軸線は鉛直線６５すなわちイオン照射系の中心軸線と重なっているかあるいは平行である。したがって、引き出し電極とレンズの間の電界が歪むことがなくなり、イオンビームの集束性が高まる。

　ただし、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線が、エミッタティップ２１を中心として枢動しない場合には、エミッタティップ２１傾斜後にエミッタベースマウント６４をＸＹ平面内で移動すれば良い。

　本構造の特徴は、エミッタティップ２１が変形可能なベローズ６２および、絶縁材６３を介して引き出し電極２４と接続されることである。これにより、引き出し電極を固定構造として、同時にエミッタティップ２１が傾斜を含めて移動可能でありながら、エミッタティップ周辺を囲んで、引き出し電極の小穴２７およびガス供給配管２５以外にはヘリウムの漏洩は無い。これは、変形可能なベローズ６２を挟んでエミッタティップ２１と引き出し電極２４を接続したことによるものであり、ガス分子イオン化室の気密を高める効果を奏する。なお、本例では金属ベローズを用いたが、ゴムなどの変形可能な材料で接続しても同様な効果が得られる。また、エミッタベースマウント、形状可変な機構部品、引き出し電極などによってエミッタティップが概ね囲まれるイオン化室が前記真空容器内で変形可能であることが特徴である。さらに、このイオン化室が概ね室温の真空容器と接していないことが特徴となる。これによりイオンビームの集束性が高く、さらにガス分子イオン化室の密閉度が高まり、ガス分子イオン化室の高ガス圧力を実現できる。

　また、フィラメントマウント２３とエミッタベースマウント６４を通る中心軸線が傾斜するとき、エミッタベースマウント６４の変位量のほうが、フィラメントマウント２３の変位量より大きい。エミッタベースマウント６４に接続されたベローズ６１の径は、フィラメントマウント２３に接続されたベローズ６２の径より大きい。従って、ベローズ６１はエミッタベースマウント６４の変位を吸収することができるように、変形可能である。ベローズ６２はフィラメントマウント２３の変位を吸収することができるように、変形可能である。

　以上、本発明の電界電離イオン源によれば、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いから、高分解能観察が可能となる。

　更に、本発明の電界電離イオン源によれば、引き出し電極２４の孔２７を十分小さくすることによって、ガス分子イオン化室の密閉度が高まり、ガス分子イオン化室の高ガス圧力を実現できる。そのため、大電流のイオン放出が可能となる。

　また、本発明の電界電離イオン源によれば、冷却機構４からエミッタティップ２１までの伝熱経路が設けられるため、エミッタの極低温化が実現できる。そのため、大電流のイオンビームが得られる。また、本発明の電界電離イオン源によれば、引き出し電極を固定構造とし、エミッタティップを可動構造とし、変形可能な素材を挟んでエミッタティップと引き出し電極を接続したことにより、エミッタティップの軸調整が容易化およびイオンの大電流化が実現できる。

　図７を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第２の例を説明する。本例のイオン顕微鏡を、図１に示した第１の例と比較すると、本例のイオン顕微鏡では、装置架台１７及び防振機構１９の代わりに除振脚１０２が設けられ、ベースプレート１８の代わりに定盤１０１が設けられている。定盤１０１は、鋳物又は石材によって形成されている。除振脚１０２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。

　電界電離イオン源１、カラム２、及び、試料室３は、定盤１０１によって支持されている。

　本例ではガス電界電離イオン源１の冷却機構４として、パルス管冷凍機４０とヘリウムガスポット４３を組み合わせた冷却機構を用いる。パルス型冷凍機の中心軸線は、イオン顕微鏡のエミッタティップ２１を通るイオンビーム照射系の光軸１４Ａに平行に配置されている。これにより、イオンビームの集束性の向上と冷凍機能の向上を両立できる。

　図３及び図４に示した冷却機構と同様に、本例でも、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、銅網線５４、冷却伝導棒５３、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。同様に、引き出し電極２４、サファイアベース５５、銅網線５６、冷却伝導棒５３、及び、ポット４３は伝熱経路を構成する。なお、なお、伝熱部材である銅網線５４は熱伝導率が高く、振動を伝えにくい柔軟な部材であれば銅に限定されるものでなく、銀網線でも良い。

　冷凍機の冷却ステージは、密封型のポット４３によって覆われている。冷却ステージは、ヘリウムガスポット４３に収容された熱伝導体のヘリウムガスに接触しているが、ヘリウムガスポット４３からは離れている。パルス型冷凍機の本体からの振動が、冷却ステージを経由してヘリウムガスポット４３に伝達されることはない。

　支柱１０３は床２０に支持されている。支柱１０３によって、冷凍機４０が支持されている。冷凍機４０の振動は、支柱１０３を経由して床２０に伝達される。しかしながら、除振脚１０２によって、冷凍機４０の振動が、床２０から定盤１０１にはほとんど伝達されない。従って、冷凍機４０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にほとんど伝達されず、イオンビーム顕微鏡による高分解能観察が可能になる。

　コンプレッサ１６の振動は、床２０に伝達される。しかしながら、除振脚１０２によって、コンプレッサ１６の振動は、床２０から定盤１０１にはほとんど伝達されない。従って、コンプレッサ１６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にほとんど伝達されず、イオンビーム顕微鏡による高分解能観察が可能になる。

　定盤１０１には支柱１０４が設けられている。図３に示した冷却機構と同様に、本例でも、支柱１０４によってヘリウムガスポット４３が支持されている。定盤１０１と床２０の間に除振脚１０２が設けられている。そのため、冷凍機４０及びコンプレッサ１６の振動が、支柱１０４を経由して、ヘリウムガスポット４３にほとんど伝達されない。

　パルス型冷凍機は、冷却ステージの近くに機械的な駆動部を有さない。従って、本例の冷却機構によって生成される振動は少ない。従来の電界電離イオン源、及び、イオン顕微鏡では、冷凍機の振動によって、観察の分解能が劣化するという問題があった。しかしながら、本例によるイオン顕微鏡では、機械振動の低減を実現することができる。そのため、高分解能観察が可能となる。

　上述の例１、及び、例２では、ガス電界電離イオン源１の冷却機構４として機械式冷凍機を用いた。しかし、機械式冷凍機は本質的には機械的振動を発生し、それがエミッタティップ又は試料ステージに伝達する可能性がある。イオン顕微鏡では、エミッタティップの振動はビームの試料上の照射点を振動させ、顕微鏡分解能を劣化させる。以下の例では、冷却機構４として機械式冷凍機を用いない。

　図８を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第３の例を説明する。本例のイオン顕微鏡を、図１に示した第１の例と比較すると、電界電離イオン源１のための冷却機構４の構成が異なる。ここでは、冷却機構４について説明する。本例の冷却機構４は、真空チャンバ８１と冷却タンク８２を有する。真空チャンバ８１は、真空容器によって構成されており、その中に、冷却タンク８２が収納されている。真空チャンバ８１と冷却タンク８２は接触していない。従って、振動及び熱が、真空チャンバ８１と冷却タンク８２の間ではほとんど伝達されない。

　冷却タンク８２は、真空排気口８３を有する。真空排気口８３は図示しない真空ポンプに接続されている。冷却タンク８２には図３に示した例１と同様に銅製の冷却伝導棒５３が接続されている。図３及び図４に示した冷却機構と同様に、本例でも、エミッタティップ２１、サファイアベース５２、銅網線５４、冷却伝導棒５３、及び、冷却タンク８２は伝熱経路を構成する。同様に、引き出し電極２４、サファイアベース５５、銅網線５６、冷却伝導棒５３、及び、冷却タンク８２は伝熱経路を構成する。なお、伝熱部材である銅網線５４は熱伝導率が高く、振動を伝えにくい柔軟な部材であれば銅に限定されるものでなく、銀網線でも良い。

　先ず、冷却タンク８２に、液体窒素を導入し、真空排気口８３を介して、冷却タンク内を真空排気する。それによって、液体窒素の温度は低下する。液体窒素は凝固し、固体窒素８４となる。液体窒素の真空中の凝固温度は約５１Ｋである。

　本例では、液体窒素が完全に固化したら、真空排気口８３に接続された真空ポンプを停止し、エミッタティップ２１よりイオンビームを生成する。真空ポンプを停止すると、真空ポンプの機械振動は生じない。そのため、イオンエミッタが振動することはない。

　イオンビームの生成中、エミッタティップ２１及び引き出し電極２４と冷却タンク８２の間の伝熱経路を介して、熱が伝達される。それによって、冷却タンク８２内の固体窒素は、昇華又は融解する。本例ではエミッタティップ２１及び引き出し電極２４の冷却に、固体窒素の昇華熱、融解熱等の潜熱を利用することができる。

　固体窒素がすべて液化して沸騰が始まる前に、真空排気口８３に接続された真空ポンプを作動し、冷却タンク８２内を真空排気する。それによって、液体窒素の温度が低下し、固化する。液体窒素が全て固化したら、再度、真空排気口８３に接続された真空ポンプを停止する。これを繰返し、冷却タンク８２内の窒素の温度を常に窒素の融点付近に維持することができる。冷却タンク８２内の窒素の温度は、常に、沸騰点より低温である。従って、液体窒素の沸騰に起因する振動は生じない。こうして本例の冷却機構は機械的振動を発生させない。そのため、高分解能観察が可能となる。

　本例では、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を制御するために、冷却タンク８２内の窒素の温度を計測する。例えば、窒素の温度が融点より高い所定の温度になったら、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を開始する。窒素の温度が融点より低い所定の温度になったら、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を停止する。尚、冷却タンク８２内の窒素の温度の代わりに、真空度を計測し、それによって、真空排気口８３に接続された真空ポンプの運転を制御してもよい。

　本例では、冷却タンク８２内を真空排気することによって、冷却タンク８２内の液体窒素を冷却した。しかしながら、それでは、気相の窒素が排気され、窒素は時間と共に減少する。そこで、冷凍機を用いて、冷却タンク８２内の固体窒素を冷却してもよい。それによって、窒素の減少を防止することができる。尚、好ましくは、冷凍機の運転中は、電界電離イオン源１によるイオンビームの生成を停止する。すなわち、本実施例のイオン源によれば、機械振動の低減が実現し高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供される。

　装置架台１７には支柱８５が設けられている。支柱８５によって、冷却タンク８２の真空排気口８３が支持されている。支柱８５と真空チャンバ８１の間は、ベローズ８６によって接続されている。ベースプレート１８には支柱８７が設けられている。真空チャンバ８１は、支柱８７によって支持されていると同時に、ベローズ８６を介して、支柱８５によって吊り下げられている。

　ベローズ８６は、高周波の振動の伝達を低減する。従って、床２０からの振動が、装置架台１７を経由して支柱８５に伝達されても、ベローズ８６によって低減される。従って、床２０からの振動は、支柱８５を経由して真空チャンバ８１にほとんど伝達されない。床２０からの振動は、装置架台１７に伝達される。しかしながら、防振機構１９によって、床２０からの振動は、ベースプレート１８にはほとんど伝達されない。従って、床２０からの振動は、支柱８７を経由して、真空チャンバ８１にほとんど伝達されない。

　以上より、本例によると、床２０からの振動が、真空チャンバ８１及び冷却タンク８２に伝達されることはない。従って、床２０からの振動が、冷却機構４を介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に伝達されることがない。

　従来技術では、液体窒素を収納するタンクの振動を考慮する例があった。しかしながら、タンクの振動が真空チャンバに伝達し、更に、イオンビームに影響を及ぼすことは、充分検討されていなかった。本発明によると、冷却タンク８２の振動は真空チャンバ８１に伝達されにくい。また、真空チャンバ８１及び冷却タンク８２を介した床２０からの振動が低減されるため、高分解能のイオンビーム顕微鏡が提供される。

　なお、本例では冷却タンク８２に窒素を装填したが、窒素以外に、ネオン、酸素、アルゴン、メタン、水素などを用いてもよい。特に固体ネオンを用いた場合には、ヘリウム又は水素イオンビームを大電流化するのに好適な低温を実現できる。

　図９を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第４の例を説明する。本例のイオン顕微鏡を、図１に示した第１の例と比較すると、電界電離イオン源１のための冷却機構４の構成が異なる。ここでは、冷却機構４について説明する。本例の冷却機構４は、ヘリウム循環方式である。

　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、４０５、４０９、４１０、４１２、４１４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。圧縮機ユニット（コンプレッサ）４００で加圧された例えば０．９ＭＰaの常温の温度３００Ｋのヘリウムガスは配管４０３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に流入する。ヘリウムガスはここで、温度約５０Ｋに冷却され、熱交換器４１０に流入する。ここで、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に流入する。ヘリウムガスは、ここで、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に流入する。ヘリウムガスは、熱交換器４１４に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に順次流入する。それにより、前述のヘリウムガスと熱交換してほぼ常温お温度約２７５Ｋになる。このヘリウムガスは、配管４１５を通じて圧縮機ユニット４００に回収される。なお、前述した低温部は真空断熱容器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的に接続されている。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に強固に固定支持されている。ここで、図示していないが、配管４０３、４０７、４１３、４１５は、トランスファーチューブ４０４の内部にて、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の断熱体で固定支持されている。この配管４０３、４０７、４１３、４１５も床２０に固定支持されている。

　また、ガス電界電離イオン源１近くにおいても、トランスファーチューブ４０４は、ベースプレート１８に設置された支持体４１８に強固に固定支持されている。同様に、ここでも、図示していないが、配管４０３、４０７、４１３、４１５は、トランスファーチューブ４０４の内部にて、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の断熱体で固定支持されている。また、ここでも、この配管４０３、４０７、４１３、４１５は、ベースプレート１８に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いる。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いる。そのため、これらの配管は振動しない。さらに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、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。

　すなわち、本実施例のガス電界電離イオン源によれば、機械振動の低減が実現し高分解能観察が可能なガス電界電離イオン源およびイオン顕微鏡が提供される。

　更に、本例でも、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を支持するベースプレート１８に防振機構を設けてよい。それによって、機械振動の低減及び伝達が防止され、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４１９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。尚、図１、図７、及び図８に示した例においても、コンプレッサの音に起因した振動の影響を低減するために、カバーを設けてもよい。

　また、本実施例の場合、圧縮機ユニット（コンプレッサ）４００を用いて第２のヘリウムガスを循環させた。しかしながら、図示しないが、ヘリウム圧縮機１６の配管１１１、１１２と配管４０３、４１４を、それぞれ流量調整弁を介して、連通してもよい。それにより、配管４０９内にヘリウム圧縮機１６からのヘリウムガスの一部を、第２のヘリウムガス即ち循環ヘリウムガスとして、供給し、配管４１６からガスをヘリウム圧縮機１６に回収することができる。それにより、同様な効果を生じる。

　また、本例では、ＧＭ型冷凍機４０１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よい。これにより、最低冷却温度が５０Ｋの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。

　図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第５の例を説明する。ここでは、ガス電界電離イオン源のガス分子イオン化室の構造を説明する。本例では、ガス分子イオン化室の真空排気機構に特徴がある。本例のガス分子イオン化室１５では、天板２９に開口３１が設けられ、この開口３１に対して開閉バルブが取り付けられている。開閉バルブは、この開口３１を封鎖する蓋部材３２とこの蓋部材３２に取り付けられた操作棒３３を有する。操作棒３３は、輻射シールド５８又は真空容器６８を貫通し真空容器の外部まで延びている。操作棒３３は、真空容器の外側にて操作可能に構成されている。

　図１０Ａは、蓋部材３２が開口３１より離れた状態を示す。このとき、開閉バルブはガス分子イオン化室１５の壁構造体から隔離されており、開閉バルブを経由して、ガス分子イオン化室１５に熱が流入するのを防止することができる。すなわち、ガス分子イオン化室の温度を下げるのに好適となる。図１０Ｂは、蓋部材３２によって開口３１が閉じられた状態を示す。このとき、ガス分子イオン化室１５は、ガス供給配管２５、及び、孔２７を除いて、密閉される。

　次に、本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。先ず、図１０Ａに示すように、ガス分子イオン化室１５の開口３１を開けた状態で、粗排気を行う。予め準備したエミッタティップ２１を装着し、真空ポンプ１２により真空容器を排気する。ガス分子イオン化室１５の真空排気系に対するコンダクタンスは、開口３１が開いているとき、比較的大きい。従って、短時間で、ガス分子イオン化室１５内の粗排気が完了する。

　以上より、本例によれば、ガス分子イオン化室１５に開口３１を設けることにより、引き出し電極２４の孔２７の寸法を小さくしても、真空粗引き時のコンダクタンスを増大化することが可能である。また、引き出し電極の孔の寸法を小さくすることにより、ガス分子イオン化室１５の密閉化が可能となる。そのため、ガス分子イオン化室１５内の高真空化が可能となり、大電流のイオンビームが得られる。

　ガス分子イオン化室１５の側壁の外側の抵抗加熱器３０によって、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９を加熱することにより、それらを脱ガス処理する。本例でも、真空容器の外側に脱ガス処理用の別の抵抗加熱器を設けてもよい。真空容器の脱ガス処理によって、残留ガス濃度が低下し、真空度が向上する。脱ガス処理によって、イオン放出電流の時間安定性を向上させることが可能となる。次に、図１０Ｂに示すように、ガス分子イオン化室１５の開口３１を閉じ、ガス供給配管２５からヘリウムを供給する。エミッタティップ２１に高電圧を供給し、引き出し電極２４に引き出し電圧を印加する。エミッタティップ２１の先端からイオンビームが生成される。

　本例では、抵抗加熱器３０をガス分子イオン化室１５の外側に配置した。そのため、抵抗加熱器自身の脱ガスは、ガス分子イオン化室１５の外で行うことになる。そのため、ガス分子イオン化室１５内をより高真空にできる。

　図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第６の例を説明する。ここでは、ガス電界電離イオン源のガス分子イオン化室の構造を説明する。本例では、ガス分子イオン化室の配線構造に特徴がある。ガス電界電離イオン源は、エミッタティップ２１を加熱するための加熱電源１３４、イオンを加速するための加速電圧をエミッタティップ２１に供給する高電圧電源１３５、イオンを引き出すための引き出し電圧を引き出し電極２４に供給する引き出し電源１４１、及び、抵抗加熱器３０を加熱するための加熱電源１４２を有する。

　加熱電源１３４、１４２は１０Ｖ、高電圧電源１３５は３０ｋＶ、引き出し電源１４１は３ｋＶであってよい。

　図１１Ａに示すように、フィラメント２２と高電圧電源１３５は、銅製の太線１３３とステンレス製の細線１３６によって接続されている。フィラメント２２と加熱電源１３４は、銅製の太線１３３によって接続されている。抵抗加熱器３０と加熱電源１４２は、銅線の太線１３８によって接続されている。引き出し電極２４と抵抗加熱器３０は同一電位を有する。

　図１１Ｂに示すように、フィラメント２２と高電圧電源１３５は、ステンレス製の細線１３６によって接続されている。引き出し電極２４と引き出し電源１４１は、ステンレス製の細線１３９によって接続されている。

　銅線の太線１３３には切断機構１３７が設けられている。切断機構１３７は、可動機構を有し、銅製の太線１３３をフィラメント２２から切断する切断位置と、銅製の太線１３３をフィラメント２２に接続する接続位置の、２つの位置の間を移動するように構成されている。銅線の太線１３８には切断機構１４０が設けられている。切断機構１４０は、可動機構を有し、銅製の太線１３８を抵抗加熱器３０から切断する切断位置と、銅製の太線１３８を抵抗加熱器３０に接続する接続位置の、２つの位置の間を移動するように構成されている。図１１Ａは、切断機構１３７、１４０が共に接続位置にある状態を示し、図１１Ｂは、切断機構１３７、１４０が共に切断位置にある状態を示す。切断機構１３７、１４０が共に切断位置にあるとき、銅製の太線１３３、１３８を経由して、それぞれ、熱が
、フィラメント２２及び引き出し電源１４１に、流入することが防止される。切断機構１３７、１４０は真空容器の外部から操作可能である。

　本例でも、ガス分子イオン化室１５を開閉する開閉バルブが取り付けられている。開閉バルブは、蓋部材３４を有する。図１１Ａは、蓋部材３４が開けられた状態を示し、図１１Ｂは、蓋部材３４が閉じられた状態を示す。

　本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。先ず、図１１Ａに示すように、ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４を開けた状態で、粗排気を行う。ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４が開いているため、短時間で、ガス分子イオン化室１５内の粗排気が完了する。

　次に、ガス分子イオン化室１５の側壁の外側の抵抗加熱器３０によって、引き出し電極２４、側壁２８、及び、天板２９を加熱することにより脱ガス処理する。脱ガス処理が完了すると、図１１Ｂに示すように、切断機構１４０を切断位置に移動させる。それによって、銅製の太線１３８を経由して熱がガス分子イオン化室１５内に流入することが防止される。

　ガス分子イオン化室１５の蓋部材３４を閉じ、ガス供給配管２５からヘリウムを供給する。エミッタティップ２１に高電圧を供給し、引き出し電極２４に引き出し電圧を印加する。エミッタティップ２１の先端からイオンビームが生成されると、切断機構１３７を切断位置に移動させる。それによって、銅製の太線１３３を経由して熱がガス分子イオン化室１５内に流入することが防止される。切断機構１３７が切断位置にあるとき、高電圧電源１３５からの加速電圧は、銅製の太線１３３を経由してフィラメント２２に印加されることはないが、ステンレス製の細線１３６を経由してフィラメント２２に印加される。切断機構１４０が切断位置にあるとき、引き出し電源１４１からの引き出し電圧は、銅製の太線１３８を経由して引き出し電源１４１に印加されることはないが、ステンレス製の細線１３９を経由してフィラメント２２に印加される。フィラメント２２及び引き出し電源１４１はステンレス製の細線１３６、１３９に、それぞれ常時接続されている。従って、ステンレス製の細線１３６、１３９を経由して、熱がガス分子イオン化室１５内に流入する可能性がある。しかしながら、ステンレス製の細線１３６、１３９は断面が十分小さいため、ステンレス製の細線１３６、１３９を経由した伝熱量は十分小さい。

　本例の配線構造によると、銅配線からガス分子イオン化室１５への熱流入を回避することができる。そのため、エミッタティップ及び引き出し電極を所望の温度に保持することができる。すなわち、イオン源の輝度の向上、イオンビームの大電流化を達成することができる。更に、高分解能観察が可能となる。

　本例によれば、ガス分子イオン化室１５に蓋部材３４を設けることにより、引き出し電極の孔の寸法を小さくしても、真空粗引き時のコンダクタンスを増大化することが可能である。また、引き出し電極の孔の寸法を小さくすることにより、ガス分子イオン化室１５の密閉化が可能となる。そのため、ガス分子イオン化室１５内の高真空化が可能となり、大電流のイオンビームが得られる。

　ここで説明した配線構造は、図１、図７、及び図８に示した例においても適用可能である。

　また、上述の走査イオン顕微鏡では、イオンビームをイオンビーム走査電極により走査させることにより走査イオン像を得る。しかしながら、この場合、イオンビームがイオンレンズを通過するときにイオンビームが傾斜するためイオンビームが歪む。そのため、ビーム径が小さくならないという問題があった。そこで、イオンビームを走査させる代わりに、試料ステージを機械的に直交２方向に走査移動させてもよい。この場合、試料から放出される二次粒子を検出し、これを輝度変調することにより、計算処理装置の画像表示手段上に走査イオン像を得ることができる。すなわち、試料表面の0.5nm未満の高分解能観察を実現する。この場合、イオンビームを対物レンズに対して常に同じ方向に保持することができるため、イオンビームの歪を比較的に小さくすることができる。

　これは、例えば、第１及び第２のステージを組み合わせた試料ステージを用いて実現可能である。第１のステージは、数センチメートルの移動が可能な４軸可動ステージであり、例えば、平面の垂直２方向（X、Y方向）の移動、高さ方向（Z方向）の移動、及び傾斜（T方向）が可能である。第２のステージは、数マイクロメートルの移動が可能な２軸可動ステージであり、例えば、平面の垂直２方向（X、Y方向）に移動が可能である。

　例えば電気モータ駆動の第１のステージの上に、ピエゾ素子駆動による第２のステージを配置することによって構成される。試料の観察位置の探索などの場合には、第１のステージを用いて試料を移動させ、高分解能観察の場合には、第２のステージを用いて微動を行う。これにより、超高分解能観察が可能なイオン顕微鏡が提供される。

　次に図１２を参照して、本発明によるイオン顕微鏡の第７の例を説明する。本例のイオン顕微鏡を、図９に示した第４の例のイオン顕微鏡で用いたヘリウム循環方式の冷凍機構を採用している。第７の例は第４の例と比較すると、試料ステージが異なる。ここでは試料ステージはサイドエントリ型である。

　本例のサイドエントリ型試料ステージ５００は試料室３の真空を開放することなく、イオンビーム装置内に挿入できる。逆にサイドエントリ型試料ステージ５００を取り出す場合にも真空を破る必要は無い。本サイドエントリ型試料ステージ５００は試料ステージ微動機構５０１に搭載される構造である。試料ステージ微動機構５０１によって、試料はイオンビームに対して垂直Ｘ、Ｙ方向に移動できる。また、本サイドエントリ型試料ステージ５００には、円柱部５０３と、試料ステージを操作するための握り部５０２と、試料載置部５０５が設けられている。更に、試料ステージの先端には、試料室の内部壁面に接触される微小突起５０４が設けられている。特に、本イオンビーム装置では、この微小突起５０４により試料ステージが固定される。そのため、試料の振動が低減され、超高分解能の観察が可能になる。従来、このようなサイドエントリ型試料ステージは1nm以下の分解能の性能を持つイオンビーム装置に採用されることはなかった。特に本イオンビーム装置の性能を最大限に発揮するには、発明者がエミッタと試料との相対位置変動に着目して、電界電離イオン源と試料室を振動の少ない構造とすること、および、この強固な装置構造を実現するのに好適な試料ステージがサイドエントリ型試料ステージであること見出したことによる。

　また、サイドエントリ型試料ステージでは、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、試料近傍に反応ガスを供給するガス銃を設ける場合がある。サイドエントリ型試料ステージでは、このような場合でも、試料ステージと空間的な干渉を避けることが比較的に容易になるという効果を奏する。また、試料と対物レンズの距離、すなわち仕事距離を小さくすることが可能になる。そのため、超分解能を実現することができる。また、電界電離型イオン源を用いたイオンビーム装置の特長を活かすことができる。

　以上の発明による本イオンビーム装置では、従来の走査型電子顕微鏡でも困難な高分解能が達成できることがわかった。特に、エミッタティップから放出されるイオンを試料上に投影する倍率を0.2よりも小さくして、さらに、エミッタティップと試料の相対位置の時間に対する変動を0.1nm以下にすると0.2nm以下の超高分解能のイオンビーム装置が実現することがわかった。本来、エミッタティップから放出されるイオンを試料上に投影する倍率は0.5から１程度にした方が電流は多く得られるが、振動の対策にコストが必要になる。このため、エミッタの振動が試料上で縮小されるように、0.2以下として、電流はエミッタ温度を50K以下に冷却することにより増大させれば、大電流が得られ、さらに高分解能のイオンビーム装置が実現することを見出したからである。

　以上、本発明のイオンビーム装置の例として走査イオン顕微鏡を説明した。しかしながら、本発明のイオンビーム装置は、走査イオン顕微鏡ばかりでなく、透過イオン顕微鏡、イオンビーム加工機にも適用可能である。

　次に、電界電離イオン源を真空排気する真空ポンプ１２について説明する。真空ポンプ１２としては、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成するのが好適である。また、サブリメーションポンプでもよい。このようなポンプを用いることによって、真空ポンプ１２の振動による影響を低減することができ、高分解能観察が可能となることが判った。なお、真空ポンプ１２としてはターボ分子ポンプを用いる時は、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプの振動が観察の妨げになることがあることがわかった。ただし、イオンビーム装置のいずれかの真空容器に、ターボ分子ポンプが装着されていたとしても、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプを停止させておけば高分解能観察が可能であることがわかった。すなわち、本発明では、イオンビームによる試料観察時の主たる真空排気ポンプを、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成するが、ターボ分子ポンプを装着した構成としても本発明の目的を妨げるものではない。

　非蒸発ゲッタポンプは、加熱による活性化でガス吸着する合金を用いて構成された真空ポンプである。電界電離イオン源のイオン化ガスとしてヘリウム用いる場合には、ヘリウムが真空容器内に比較的大量に存在する。しかしながら、非蒸発ゲッタポンプはヘリウムをほとんど排気しない。即ち、ゲッタ表面が吸着ガス分子で飽和することがない。そのため、非蒸発ゲッタポンプの動作時間は十分長い。これはヘリウムイオン顕微鏡と非蒸発ゲッタポンプを組み合わせた場合の利点である。また、真空容器中の不純物ガスが減少することによりイオン放出電流が安定するという効果も奏する。

　非蒸発ゲッタポンプは大きな排気速度でヘリウム以外の残留ガスを排気するが、これだけではヘリウムがイオン源に停留する。そのため、真空度が不十分となり、電界電離イオン源が正常に動作しない。そこで不活性ガスの排気速度が大きいイオンポンプまたはノーブルポンプを非蒸発ゲッタポンプと組み合わせて用いる。イオンポンプまたはノーブルポンプのみでは、排気速度が不十分である。こうして本発明によると、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプ又はノーブルポンプを組合せることにより、コンパクトで低コストの真空ポンプ１２を得ることができる。なお、真空ポンプ１２として、チタンなどの金属を加熱蒸発させて金属膜でガス分子を吸着して真空排気するゲッタポンプあるいはチタンサブリメーションポンプを組み合わせたものを用いてもよい。

　従来の技術では、機械振動への配慮が足らずイオン顕微鏡の性能が十分には得られなかったが、本発明により、機械振動の低減が実現し高分解能観察が可能なガス電界電離イオン源およびイオン顕微鏡が提供される。

　次に、試料室３を真空排気するための試料室真空排気用ポンプ１３について説明する。試料室真空排気用ポンプ１３として、ゲッタポンプ、チタンサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプ、エクセルポンプ等を用いてよい。このようなポンプを用いることによって、試料室真空排気用ポンプ１３の振動による影響を低減することができ、高分解能観察が可能となることが判った。

　なお、試料室真空排気用ポンプ１３として、ターボ分子ポンプを用いてもよい。しかしながら、装置の振動軽減構造を実現するのにはコストが要する。また、試料室に、ターボ分子ポンプが装着されていたとしても、イオンビームによる試料観察時にターボ分子ポンプを停止させておけば高分解能観察が可能であることがわかった。すなわち、本発明では、イオンビームによる試料観察時の試料室の主たる真空排気ポンプを、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプの組合せ、非蒸発ゲッタポンプとノーブルポンプの組合せ、又は、非蒸発ゲッタポンプとエクセルポンプの組合せによって構成する。ただし、装置構成として、ターボ分子ポンプを装着して、大気からの真空粗引きに用いたとしても、本発明の目的を妨げるものではない。

　走査電子顕微鏡では、ターボ分子ポンプを用いて0.5nm以下の分解能を比較的容易に実現できる。しかし、ガス電界電離イオン源を用いるイオン顕微鏡では、イオン光源から試料までのイオンビームの縮小率が比較的大きく、１から0.5程度である。それによって、イオン源の特性を最大限に活かすことができる。しかしながら、イオンエミッタの振動はほとんど縮小されずに試料上に再現されるため、従来の走査電子顕微鏡などの振動対策に比べても慎重な対策が必要になるのである。

　従来技術では、試料室真空排気ポンプの振動が試料ステージに影響を与えることは考慮されていたが、試料室真空排気ポンプの振動がイオンエミッタにまで影響を与えることは考慮されていなかった。そこで、本願発明者は、試料室真空排気ポンプの振動がイオンエミッタに深刻な影響を与えることに見出した。本願発明者は、試料室真空排気用ポンプとして、ゲッタポンプ、チタンサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプ、エクセルポンプ等の非振動型の真空ポンプを主ポンプとして用いることがよいと考えた。それによって、イオンエミッタの振動が低減し、高分解能観察が可能となるのである。

　また、本例で用いた冷凍機のガスの圧縮機ユニット（コンプレッサ）、あるいはヘリウムを循環させる圧縮機ユニット（コンプレッサ）は騒音の音源となる可能性がある。騒音は、イオン顕微鏡を振動させることもある。そこで、本発明によると、図９に示した例のように、ガスの圧縮機ユニット（コンプレッサ）にカバーを設けて、ガスの圧縮機ユニットが発生する騒音が外部に伝わるのを防止する。尚、カバーの代わりに、音の遮蔽板を設けてもよい。また、圧縮機ユニット（コンプレッサ）を別室に設置してもよい。それによって、音に起因する振動を低減し、高分解能観察が可能となる。

　また、ガス分子イオン化室内に、非蒸発ゲッタ材料を配置してもよい。それによって、ガス分子イオン化室内が高真空化し、高安定なイオン放出が可能となる。また、非蒸発ゲッタ材料あるいは水素吸蔵合金に水素を吸着させ、それを加熱する。それによって放出された水素をイオン化ガスとして用いれば、ガス供給配管２５からガスを供給する必要がなく、コンパクトで安全なガス供給機構を実現できる。

　また、非蒸発ゲッタ材料をガス供給配管２５内に配置してもよい。ガス供給配管２５を経由して供給するガスの中に不純物ガスは、非蒸発ゲッタ材料によって減少する。そのため、イオン放出電流が安定する。

　なお、本発明ではガス供給配管２５を経由してガス分子イオン化室１５に供給するイオン化ガスとしてヘリウム、水素を用いる。しかしながら、イオン化ガスとして、ネオン、酸素、アルゴン、クリプトン、キセノン等を用いてもよい。特に、ネオン、酸素、アルゴン、クリプトン、キセノン等を用いた場合には、試料を加工する装置、あるいは試料を分析する装置が提供されるという効果を奏する。

　ここで、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスを用いる場合に、ガス供給配管２５に非蒸発ゲッタ材料を配置してもよい。あるいは、ガス供給配管２５途中にガスタンクを設け、ガスタンク中に非蒸発ゲッタ材料を配置してもよい。それによって、イオン化ガス以外のガスが吸着され、不活性ガスを純化することができる。そのため、イオン放出電流が安定する。

　また、試料室３内に質量分析計を設けてもよい。質量分析計によって、試料から放出される二次イオンの質量分析を行う。あるいは、試料から放出されるオージェ電子をエネルギ分析してもよい。それによって、試料の元素分析が容易になり、イオン顕微鏡による試料観察および元素分析が１台の装置で可能となる。

　また、本発明のイオン顕微鏡では、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出すこともできる。この電子ビームを試料に照射し、試料から放出されるX線またはオージェ電子を検出する。それによって、試料の元素分析が容易となり、イオン顕微鏡による超高分解能の試料観察および元素分析が１台の装置で可能となる。

　さらに、このとき1nm以下の分解能のイオン像と元素分析像を並べ、又は、重ねて表示してよい。それにより、試料表面を好適にキャラクラリゼーションできる。

　また、このときには、電子ビームを集束するための対物レンズに磁場型レンズと静電レンズを組み合せた複合型レンズを用いると電子ビームを大電流でかつ微細なビーム径に集束できて、高空間分解能で高感度な元素分析が可能になる。

　また、従来のイオンビーム装置では外部磁場の擾乱については考慮されていなかったが、イオンビーム0.5nm未満に集束する場合には、磁気をシールドすると効果があることを突き止めた。このため電界電離イオン源およびイオンビーム照射系、および試料室の真空チャンバを純鉄もしくはパーマロイで作製しることにより超高分解能を達成でききる。また、真空容器中に、磁気シールドとなる板を挿入しても良い。

　また、本願の発明者は、イオンビームの加速電圧を50kV以上にして半導体試料上の構造寸法を計測すると精度よく計測できることを見出した。これはイオンビームによる試料のスパッタイールドが低下するため、試料の構造を破壊する程度が低くなり、寸法計測精度が向上することによる。特に、イオン化ガスとして、水素を用いるとスパッタイールドが低下し、寸法計測の精度が向上する。

　以上、本発明によれば、イオンビームにより試料上の構造寸法を計測するのに好適な解析装置、イオンビームを用いた測長装置または検査装置が提供される。

　また、本発明によれば、従来の電子ビームを用いた計測に比べると、得られる画像の焦点深度が深いため精度の良い計測ができる。また、特にイオン化ガスとして、水素を用いると、試料表面を削る量が少なく精度の良い計測ができる。

　本発明によれば、試料上の構造寸法を計測するのに好適なイオンビームを用いた測長装置または検査装置が提供される。

　本発明によると、試料をイオンビームにより加工して断面を形成して、断面を電子顕微鏡で観察する装置に代わりに、イオンビームにより加工して断面を形成して、断面をイオン顕微鏡で観察する装置、及び、断面観察方法を提供することができる。

　本発明によると、イオン顕微鏡による試料観察、電子顕微鏡による試料観察、及び、元素分析が１台の装置で可能な装置、欠陥や異物などを観察及び解析する解析装置、及び、検査装置を提供することができる。

　イオン顕微鏡は超高分解能の観察を実現する。しかしながら、従来、イオンビーム装置を半導体試料の製造プロセスにおける構造寸法の計測装置あるいは検査装置として用いた時に、イオンビーム照射を、電子ビーム照射として比較して、半導体試料の表面の破壊の製造への影響を考察した例はない。例えば、イオンビームのエネルギを1keV未満にすると、試料が変質する割合が少なく、イオンビームのエネルギを20keVとする場合と比較すると、寸法計測の精度が向上する。この場合に装置のコストも小さくなるという効果を奏する。なお、逆に加速電圧が50kV以上の場合には、加速電圧が低い場合と比較すると観察分解能を小さくできる。

　また、本願の発明者は、イオンビームの加速電圧を200kV以上にして、さらにビーム径を0.2nm以下に細束化して試料に照射して、試料からラザフォード後方散乱されるイオンをエネルギ分析すると、試料元素の平面および深さを含めた３次元構造が原子単位で計測できることを見出した。従来のラザフォード後方散乱装置ではイオンビーム径が大きく原子オーダでの３次元計測は困難であったが、本発明を適用することによって実現できる。

　また、イオンビームの加速電圧を500kV以上にして、さらにビーム径を0.2nm以下に細束化して試料に照射して、試料から放出されるＸ線のエネルギ分析をすると試料元素の２次元分析が可能になる。

　本発明によると、以下のガス電界電離イオン源、イオン顕微鏡、イオンビーム装置が開示される。

（１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源において、
　前記エミッタティップのマウントと、前記引き出し電極が、形状可変な機構部品を含んで接続され、少なくとも前記エミッタティップのマウントと前記引き出し電極と、前記形状可変な機構部品などによって前記エミッタティップが概ね囲まれるイオン化室が前記真空容器にほとんど接することなく、前記真空容器内で変形可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（２）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、
　イオン化室にガス分子が供給されたときにイオン化室のガス圧力を前記真空容器のガス圧力よりも少なくとも１桁以上大とすることが可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（３）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、
　前記エミッタティップのマウントが、前記形状可変な機構部品とは別の形状可変な機構部品を含んで真空容器に接続されることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（４）上記（１）から（３）記載のガス電界電離イオン源であって、
　形状可変な機構部品がベローズであることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（５）上記（４）記載のガス電界電離イオン源であって、
　前記エミッタティップのマウントと、前記引き出し電極の間のベローズの最小直径が、前記エミッタティップのマウントと真空容器の間のベローズの最大直径よりも小なることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（６）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置本体と、イオンビーム装置本体を搭載するベースプレートと前記ベースプレートを支持する架台とからなるイオンビーム装置において、前記イオンビーム装置本体とベースプレートの間に防振機構を備え、前記冷却機構が、イオンビーム装置が設置される床もしくはイオンビーム装置架台に対して固定された支持機構に支持され、さらに前記冷凍機と前記真空容器との間に防振機構を備えることを特徴とするイオンビーム装置。

（７）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段と、前記寒冷発生手段の寒冷でステージを冷却する冷凍機であることを特徴とするイオンビーム装置。

（８）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた第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、前記寒冷発生手段の寒冷で冷却したガスで被冷却体を冷却する冷却手段であることを特徴とするイオンビーム装置。

（９）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた第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、前記寒冷発生手段の寒冷で冷却した第２の高圧ガスで被冷却体を冷却する冷却手段であることを特徴とするイオンビーム装置。

（１０）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、
前記冷凍機と前記真空容器との間の防振機構が、ヘリウムあるいはネオンガスで振動の伝達を妨げる機構を少なくとも含むことを特徴とするイオンビーム装置。

（１１）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、
前記冷却機構の冷却ステージとエミッタティップとの間に少なくとも形状可変な機構部品が存在することを特徴とするイオンビーム装置。

（１２）上記（６）記載のイオンビーム装置であって、
前記冷却機構が、常温、大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを液体または固体状態とした冷却剤を真空容器によって保持する機構であり、該真空容器は前記イオンビーム装置の真空容器と少なくとも一つの除振動機構部品を挟んで接続され、冷却剤によって冷却された箇所とエミッタティップとの間が形状可変な機構部品の少なくとも一つを挟んで接続されることを特徴とするイオンビーム装置。

（１３）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、
前記ガス分子イオン化室を真空排気するコンダクタンスを可変とする機構が、真空容器外部で操作可能なバルブであり、イオン化室の壁構造体と機械的に切り離し可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（１４）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、
前記ガス分子イオン化室を加熱可能な抵抗加熱器を備え、前記抵抗加熱器に接続される複数の電気配線と、前記複数の電気配線の少なくとも１本を真空外部から操作して機械的に切断が可能であることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（１５）上記（１）記載のガス電界電離イオン源であって、
前記冷却機構の冷却剤が、常温、大気圧下ではガス状態である冷媒ガスを固体状態とした冷却剤であることを特徴とするガス電界電離イオン源。

（１６）上記（１）から（５）、あるいは（１３）から（１５）のいずれかに記載の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引き出したイオンを集束するレンズ系と、
二次粒子を検出する二次粒子検出器と、
イオン顕微鏡像を表す画像表示部と、
を含むイオン顕微鏡。

　本発明によると、以下のイオン顕微鏡、イオンビーム装置、イオンビーム検査装置が開示される。

（１７）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、対物レンズ先端と試料の表面までの距離を2mm未満に短くして、イオンビーム径を0.5nmに集束することを特徴とするイオンビーム装置。

（１８）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオン顕微鏡において、試料室を約200℃まで加熱できるようにして試料室の真空度を大きくとも10^-7Pa以下にできるようにしたことを特徴とするイオン顕微鏡。

（１９）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器と、試料室を真空排気する真空ポンプ、を含むイオン顕微鏡において、イオン顕微鏡での顕微鏡像観察中に試料室を真空排気する主たる真空ポンプが、サブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプ、イオンポンプ、ノーブルポンプあるいはエクセルポンプのいずれかを含むことを特徴とするイオン顕微鏡。

（２０）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記ガス電界電離イオン源を真空排気する真空ポンプと、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオン顕微鏡において、イオン顕微鏡での顕微鏡像観察中にガス電界電離イオン源を真空排気する主たる真空ポンプがサブリメーションポンプ、非蒸発ゲッタポンプとイオンポンプ、ノーブルポンプまたはエクセルポンプのいずれかを含むことを特徴とするイオン顕微鏡。

（２１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構するための液体寒剤の容器、および上記液体寒剤の容器を真空排気する真空ポンプなどから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオン顕微鏡において、
　前記液体寒剤の容器の真空度計測、あるいは温度計測により上記真空ポンプの動作を制御して、前記液体寒剤の容器の温度を制御する制御装置を備えることを特徴とするイオンビーム装置。

（２２）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構するための液体寒剤の容器、および上記液体寒剤の容器を真空排気する真空ポンプなどから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオンビーム装置において、
　前記冷却機構が、圧縮機ユニットで発生させた高圧ガスを膨張させて寒冷を発生する寒冷発生手段の寒冷で冷凍機のステージを冷却する冷凍機であって、前記高圧ガスを発生するための圧縮機ユニットにカバーを設けて、ガスの圧縮機ユニットからの音を低減したことを特徴とするイオンビーム装置。

（２３）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構するための液体寒剤の容器、および上記液体寒剤の容器を真空排気する真空ポンプなどから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、イオンビーム照射平面内の少なくとも２方向に対して少なくとも２種類の移動機構を持つ試料ステージと、該試料ステージに置かれた試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器、を含むイオンビーム装置において試料ステージを機械的に直交２方向に走査移動させて、試料から放出される二次粒子を検出してイオン顕微鏡像を得ることを特徴とするイオン顕微鏡。

（２４）上記（２３）記載のイオン顕微鏡において、前記イオンビーム照射平面内の少なくとも２方向に対して少なくとも２種類の移動機構を持つ試料ステージにおいて、少なくともピエゾ素子駆動機構を用いるステージを含み、イオン顕微鏡像の像分解能が0.5nm未満であることを特徴とするイオン顕微鏡。

（２５）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構、ガス供給配管などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズ系と、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器と、試料室を真空排気する真空ポンプ、を含むイオンビーム装置において、
　ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスを用いて、供給配管に非蒸発ゲッタ材料を配置したことを特徴とするイオンビーム装置。

（２６）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出して試料に照射して試料から放出されるX線またはオージェ電子を検出して元素分析が可能であり、1nm以下の分解能の走査イオン像と元素分析像を並べるあるいは重ねて表示すれることができるイオンビーム装置。

（２７）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置において、
イオンビームの加速電圧を50kV以上にして半導体試料上の構造寸法を計測することを特徴とするイオンビーム検査装置。

（２８）上記（２７）記載のイオンビーム検査装置において、水素ガスを用いることを特徴とするイオンビーム検査装置。

（２９）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出して試料表面の構造寸法を計測するイオンビーム検査装置において、
イオンビームのエネルギを1keV未満にすることを特徴とするイオンビーム検査装置。

（３０）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップに負の高電圧を印加して、エミッタティップから電子を引き出して、磁場型レンズと静電レンズを組み合せた複合型の対物レンズを通過させて試料に照射して、試料から放出されるX線またはオージェ電子を検出して元素分析が可能であることを特徴とするイオンビーム装置。

（３１）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置を用いた試料元素分析方法において、イオンビームの加速電圧を200kV以上にして、さらにビーム径を0.2nm以下に細束化して試料に照射して、試料からラザフォード後方散乱されるイオンをエネルギ分析して、試料元素の平面および深さを含めた３次元構造を原子単位で計測する元素分析方法。

（３２）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置を用いた試料元素分析方法において、500kV以上にして、さらにビーム径を0.2nm以下に細束化して試料に照射して、試料から放出されるＸ線のエネルギ分析をして２次元元素分析する元素分析方法。

（３３）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、エミッタティップを50K以下に冷却して、エミッタティップから放出されるイオンを試料上に投影する倍率を0.2よりも小さくして、さらに、エミッタティップと試料の相対位置の振動を0.1nm以下することにより、走査イオン像分解能を0.2nm以下としたたことを特徴とするイオンビーム装置。

（３４）真空容器と、真空排気機構と、前記真空容器内に、針状の陽極となるエミッタティップと、陰極となる引き出し電極、前記エミッタティップの冷却機構などから構成され、前記エミッタティップ先端近傍にガス分子を供給し、前記エミッタティップ先端部にてガス分子を電界にてイオン化するガス電界電離イオン源と、前記エミッタティップから引き出したイオンビームを集束するレンズと対物レンズと、試料を内蔵する試料室と、試料から放出される二次粒子を検出する二次粒子検出器とを含むイオンビーム装置において、試料ステージがサイドエントリ型の試料ステージであり、先端が試料室壁面に接触した構造であることを特徴とするイオンビーム装置。

（３５）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
　該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
　前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
　試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
　前記ガス電界電離イオン源を冷却するためのガス循環方式の冷却機構と、
　を有し、
　前記冷却機構は、冷凍機と、前記冷凍機と前記ガス電界電離イオン源の間を接続する配管と、前記配管に設けられた熱交換器と、前記配管内にて液体ヘリウムを循環させる循環コンプレッサと、を有し、前記配管は床または支持体に固定支持されていることを特徴とするイオンビーム装置。

（３６）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
　該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
　前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
　試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
　前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
　を有し、
　前記冷却機構は、圧縮機ユニットで発生させた第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ことを特徴とするイオンビーム装置。

（３７）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
　該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
　前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
　試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
　前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
　前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートと、
　を有しているイオンビーム装置において、
　イオンビーム照射経路に磁気シールドする機構を備えることを特徴とするイオンビーム装置。

（３８）イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
　該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
　前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
　試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
　前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
　前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートと、
　を有しているイオンビーム装置において、
　電界電離イオン源およびイオンビーム照射系、および試料室のいずれかの真空チャンバの主な材料が鉄もしくはパーマロイであり、走査イオン像の分解能が0.5nm以下であることを特徴とするイオンビーム装置。

Claims

　イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、を有し、
　前記ガス電界電離イオン源は、イオンを生成するエミッタティップと、該エミッタティップを支持するエミッタベースマウントと、前記エミッタティップに対向して設けられた引き出し電極を有し且つ前記エミッタティップを囲むように構成されたガスイオン化室と、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、を有し、
　前記イオン化室の壁は前記真空容器とほとんど接触することなく構成され、前記引き出し電極の中心軸線が前記イオン照射光系の中心軸線に対して重なるか平行であり、前記エミッタティップ、及び、前記エミッタベースマウントを通る中心軸線は、前記イオン化室の中心軸線に対して傾斜可能であることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、
　前記エミッタベースマウントは吊り下げ構造を有することを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、前記エミッタティップ、及び、前記エミッタベースマウントを通る中心軸線が傾斜しても、前記エミッタティップの位置は一定であることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、
　前記真空容器はフランジ部材を有し、
　前記ガス電界電離イオン源は、前記エミッタティップに接続された１対のフィラメントと、該フィラメントを支持するフィラメントマウントと、を有し、
　前記ガス電界電離イオン源は、前記エミッタベースマウントと前記フランジ部材を接続し且つ前記エミッタベースマウントを囲むように配置された第１の変形可能部材と、前記フィラメントマウントと前記引き出し電極を接続し且つ前記フィラメントマウントを囲むように配置された第２の変形可能部材と、を有し、
　前記エミッタティップ、及び、前記エミッタベースマウントを通る中心軸線が傾斜すると、前記第１及び第２の変形可能部材が変形するように構成されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項４記載のイオンビーム装置において、
　前記第１の変形可能部材の外径は、前記第２の変形可能部材の外径より大きいことを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、
　前記ガスイオン化室は、前記引き出し電極に接続された側壁と、該側壁に接続された天板と、を有し、前記引き出し電極は前記エミッタティップからのイオンビームが通る孔を有し、前記ガスイオン化室は、前記引き出し電極の孔と前記ガス供給管を除いて密閉室を形成していることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項６記載のイオンビーム装置において、
　前記天板には開閉可能な蓋部材が設けられていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、
　前記ガス供給管からイオン化ガスを前記ガスイオン化室に供給するとき、前記ガスイオン化室のガス圧力は前記真空容器のガス圧力よりも少なくとも１桁以上大きいことを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、
　前記ガス電界電離イオン源は、前記エミッタティップに高圧電圧を供給する高電圧電源と、前記エミッタティップと前記高電圧電源を接続する銅製の太線及びステンレス製の細線と、前記銅製の太線に設けられた切断機構と、を有し、前記切断機構は、前記銅製の太線を前記エミッタティップから切断する切断位置と、前記銅製の太線を前記エミッタティップに接続する接続位置の２つの位置の間を移動するように構成されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１記載のイオンビーム装置において、
　前記ガス電界電離イオン源は、前記イオン化室を加熱する加熱器と、該加熱器に電力を供給する加熱器電源と、前記引き出し電極にイオン引き出し電圧を供給するイオン引き出し電源と、前記加熱器と前記加熱器電源を接続する銅製の太線と、前記引き出し電極と前記引き出し電源を接続するステンレス製の細線と、前記銅製の太線に設けられた切断機構と、を有し、前記切断機構は、前記銅製の太線を前記加熱器から切断する切断位置と、前記銅製の太線を前記加熱器に接続する接続位置の２つの位置の間を移動するように構成されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
　該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
　前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
　試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
　前記ガス電界電離イオン源を冷却するための冷却機構と、
　前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室を支持するベースプレートと、
　を有し、
　前記ベースプレートには、前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室に振動が伝達することを防止するための防振機構が設けられているイオンビーム装置において、
　前記冷却機構は、冷凍機と、該冷凍機を支持する冷凍機支柱と、を有し、
　前記冷凍機からの振動は、前記冷凍機支柱に伝達されるが、前記防振機構によって、前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室には減衰して伝達されるように構成されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１１記載のイオンビーム装置において、
　前記冷凍機は、前記冷凍機支柱より吊り下げられて支持されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１１記載のイオンビーム装置において、
　前記冷凍機の中心軸線は、前記電界電離イオン源の光軸に平行に配置されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１１記載のイオンビーム装置において、
　前記冷却機構は、前記冷凍機に高圧力のガスを供給するコンプレッサを有し、
　前記コンプレッサからの振動は、前記防振機構によって、前記電界電離イオン源、前記真空容器、及び、前記試料室に伝達されることが阻止されるように構成されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１１記載のイオンビーム装置において、
　前記冷却機構は、前記ガス電界電離イオン源を冷却するための不活性気体を収納するガスポットを有し、前記不活性気体は前記冷凍機によって冷却化されることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１１記載のイオンビーム装置において、
　前記冷却機構は、前記電界電離イオン源と前記冷却機構を接続する伝熱部材を有し、該伝熱部材は柔軟な部材を含むことを特徴とするイオンビーム装置。
　イオンビームを生成するためのガス電界電離イオン源と、
　該ガス電界電離イオン源からのイオンビームを試料上に導くためのイオン照射光系と、
　前記ガス電界電離イオン源及び前記イオン照射光系を収納する真空容器と、
　試料を保持する試料ステージを収納する試料室と、
　前記ガス電界電離イオン源を冷却するためのガス循環方式の冷却機構と、
　を有し、
　前記冷却機構は、冷凍機と、前記冷凍機と前記ガス電界電離イオン源の間を接続する配管と、前記配管に設けられた熱交換器と、前記配管内にて液体ヘリウムを循環させる循環コンプレッサと、を有し、前記循環コンプレッサは、前記ガス電界電離イオン源より隔離して配置されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１７記載のイオンビーム装置において、
　前記ガス電界電離イオン源と前記真空容器には、前記コンプレッサからの騒音を遮断するカバーによって覆われていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１７記載のイオンビーム装置において、
　前記冷却機構は、前記冷凍機に高圧力のガスを供給する冷凍機コンプレッサを有し、前記冷凍機コンプレッサは、前記ガス電界電離イオン源より隔離して配置されていることを特徴とするイオンビーム装置。
　請求項１７記載のイオンビーム装置において、
　前記試料ステージはサイドエントリ型であり、サイドエントリ型ステージを微動する機構を有することを特徴とするイオンビーム装置。