WO2011001797A1 - ガス電界電離イオン源装置およびこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

　小型で高性能であり、エミッタ先端位置をほぼ一定に維持した状態で傾斜調整が可能なガス電界電離イオン源装置を実現する。エミッタ（１）はエミッタ室の室壁（４）に囲まれ、エミッタ（１）の先端からイオンが放出される。エミッタ室にはイオン材料であるガスが高電圧の印加される引き出し電極（３）及び配管（１５）を通じて導入される。エミッタ（１）は冷凍手段（１０）から金属網（１１）及びエミッタ基部（１２）を介して冷却される。エミッタ基部（１２）は傾斜手段（１３）の可動部（１３ａ）に固定され、可動部（１３ａ）は非可動部（１３ｂ）とすべり面（１４）を介して接続される。すべり面（１４）はエミッタ（１）の先端を通過し光軸に直交する軸を中心軸とした円筒面の一部となっている。この形状面とし、すべり面（１４）のすべり量を制御すればエミッタ（１）の先端を移動させる事無くエミッタ（１）の傾斜制御ができる。

Description

ガス電界電離イオン源装置およびこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡

　本発明は、半導体デバイスや新材料などの試料表面を観察する荷電粒子顕微鏡に搭載され、イオン生成のためのガス電界電離イオン源装置に関する。

　ガス電解電離イオン源（Ｇａｓ　Ｆｉｅｌｄ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｉｏｎ　Ｓｏｕｒｃｅ、略してＧＦＩＳ）を搭載し、水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）などのガスイオンを用いた集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ、略してＦＩＢ）装置が記載されている（特許文献１、２参照）。

　これらのガスＦＩＢは、現在よく使われている液体金属イオン源（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｍｅｔａｌ　Ｉｏｎ　Ｓｏｕｒｃｅ、略してＬＭＩＳ）からのガリウム（Ｇａ：金属）ＦＩＢのように、試料にＧａ汚染をもたらさない。また、ＧＦＩＳは、そこから引き出したガスイオンのエネルギー幅が狭いこと、およびイオン発生源サイズが小さいことから、Ｇａ－ＦＩＢと比べ、より微細なビームが形成できる。

　特に、ＧＦＩＳにおいては、そのエミッタ先端に微小な突出部を持たせた（あるいは、エミッタ先端の原子数を数個以下に下げた）エミッタ（以下、ナノチップと呼ぶ）の採用によりイオン源の放射角電流密度が高くなるなどイオン源特性が良くなることが知られている。

　また、ナノチップ先端の一原子からのイオン放出角は約１度と狭く、ＧＦＩＳを搭載した顕微鏡では、ナノチップからのイオン放出方向を光軸に合わすためのエミッタにつながった傾斜手段を有するＧＦＩＳが知られている。

　ナノチップは、タングステン（Ｗ）の単結晶＜１１１＞の３原子終端エミッタである事が特許文献１に開示されている。また、Ｗ単結晶＜１１１＞の終端部にイリジュウム（Ｉｒ）および白金（Ｐｔ）などの異種金属からなるピラミッドを形成したものである事が特許文献２に開示されている。

　また、エミッタ表面の不純物を除くために使用するフラッシング加熱の温度制御に関しては、ＬＭＩＳにおいて、そのエミッタ温度をそこからの放出光を利用して非接触で検出する技術が特許文献３に開示されている。

　また、エミッタの傾斜調整に関しては、ＧＦＩＳにおいて、イオン源室の大気側に設けられたジンバル機構が特許文献１に記載されている。

　また、特許文献４の電子銃において、部品製作・組立に求められる精度をそれほど高くしなくても、十分な高エミッタンス等の性能を得るために、ウェールネルトに対するカソードのセンタリング調整を行うアクチュエータ（ピエゾ素子を使用）を設置する技術が記載されている。

米国特許公開２００８／０２１７５５５号公報 特開２００８－１４０５５７号公報 特開平５－８２０６１号公報 特開平１０－３２１１７４号公報

　ところで、ＧＦＩＳにおいては、イオン放射角電流密度を増大するためにエミッタ先端を囲い込むエミッタ室をイオン源室内に設け、その中に導入するイオン材料ガス圧力を１０－４～１０Ｐａ程度まで高める。エミッタからのイオン放出方向にあるエミッタ室の壁面にはイオン引き出すための孔が開いている。この壁面はイオン引き出し電極を兼ねている。

　また、エミッタ先端周辺のガス密度を上げるために、エミッタは導入ガスと共に数１０度Ｋ以下に冷却される。さらに、エミッタの電位はＧＦＩＳを搭載した走査荷電粒子顕微鏡において試料（通常、接地電位）に対してイオン加速電位に相当し、エミッタをイオン源筐体（接地電位）から数ｋＶ－数１０ｋＶに高絶縁する必要がある。

　イオン材料ガスの導入に先立ち、エミッタ室およびイオン源室は超高真空にする必要があり、顕微鏡観察時におけるエミッタの振動やドリフトは観察画像障害となるため最大限の低減が要求されている。振動やドリフト低減のためには、エミッタは固く固定する必要がある。

　一方、エミッタからのイオン放出方向を光軸に合わすための、エミッタにつながった傾斜手段も必要である。

　イオンの引き出し調整の観点からは、この傾斜手段は、エミッタ先端位置を傾斜中心位置として、この傾斜中心位置を概ね一定に維持した状態で、エミッタを傾斜させることが可能な構造が必要である。

　しかし、特許文献４に記載された傾き調整用アクチュエータでは、傾斜中心位置（エミッタ先端位置）を一定に維持した状態での傾斜調整は困難であり、イオン放出方向を光軸に高精度に合わせることが困難である。

　エミッタの高絶縁と極低温冷却、イオン源室の超高真空保持、振動やドリフト低減のためのエミッタの固い固定と傾斜制御という相反機能の要求に応えるためにＧＦＩＳは大型になり易い。大型になるほど真空排気ポンプおよび冷凍機に大きなパワーが要求される。

　特許文献１には、この傾斜手段がイオン源室外に配置されたＧＦＩＳが開示されている。特許文献1に記載されたＧＦＩＳでは、その傾斜を実現するすべり面は傾斜中心となるエミッタ先端位置から遠い位置で、かつそのすべり面は大気側にあり、大気圧の力がかかっているため、ＧＦＩＳは大型化する。

　本発明の目的は、小型で高性能であり、エミッタ先端位置を一定に維持した状態で傾斜調整が可能なガス電界電離イオン源装置およびこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡を実現することである。

　上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

　本発明のガス電界電離イオン源装置は、針状の陽極エミッタと、このエミッタの先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極と、上記エミッタ及び引き出し電極が内部に配置されたイオン源室と、上記エミッタの傾斜角度を調整するための傾斜手段とを有する。

　そして、上記傾斜手段は、上記イオン源室の内部に配置され、上記エミッタの先端部の位置をほぼ一定とした状態で上記エミッタの傾斜角度が、上記傾斜手段により調整される。

　また、本発明の走査荷電粒子顕微鏡は、上記ガス電界電離イオン源装置と、このガス電界電離イオン源装置からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、上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を備える。

　小型で高性能であり、エミッタ先端位置をほぼ一定に維持した状態で傾斜調整が可能なガス電界電離イオン源装置およびこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡を実現することができる。

本発明の実施例１であるガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）の概略構成図である。 本発明の実施例１におけるＧＦＩＳ内に設置した傾斜手段の概略構成図である。 本発明の実施例２である走査荷電粒子顕微鏡の概略構成図である。 本発明の実施例におけるＧＦＩＳ内に設置した傾斜手段の駆動機構図である。 本発明の実施例におけるガス電界電離イオン源（ＧＦＩＳ）の概略構成図である。

　以下、本発明の実施例について添付図面を参照して説明する。

　図１は、本発明の実施例１であるＧＦＩＳ１００の概略構成図である。図１において、エミッタ１は、針状のＷ単結晶＜１１１＞の終端部に、ＩｒおよびＰｔなどの異種金属からなるピラミッドを形成したものであり、Ｖ字状フィラメント１ａに溶着固定されている。

　エミッタ１は、陽極であり、エミッタ室の室壁４に囲まれており、エミッタ１の先端からのイオン放出方向に対向している室壁部分はイオンの引き出し電極３を兼用している。イオン引き出し電極３にはイオン引き出し用の孔２が形成されている。イオン引き出し電極３は、エミッタ１の先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する。

　エミッタ室にはイオン材料であるガスが、高電圧が印加され得る引き出し電極３およびエミッタ１とは電気的に絶縁された配管１５を通じて導入される。エミッタ１は冷凍手段１０から熱伝導性の高い金属網１１が接続されたエミッタ基部（絶縁材）１２を介して冷却される。

　例えば、Ｈｅイオンを放出させる場合は、Ｈｅガスおよびエミッタ温度を約２０度Ｋまで冷却することによりイオン放射角電流密度が大きくなり、高いイオン源輝度が得られる。エミッタ基部（絶縁材）１２は傾斜手段１３の可動部（エミッタ１と共に傾斜する可動部）１３ａに固定されている。可動部１３ａは非可動部１３ｂとすべり面１４を介して接続されている。このすべり面１４はエミッタ１の先端を通過し、光軸に直交する軸（図１の例では、紙面に直交する軸）を中心軸とした円筒面、あるいは、エミッタ１の先端を中心点とする球面の一部を形成する面となっている。このような面形状にすることにより、すべり面１４のすべり量を制御すれば、エミッタ１の先端を移動させる事無く、エミッタ１の傾斜制御を行うことができる。

　すべり面１４が円筒面の一部となっている場合は、ビーム光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が実施できる。すべり面１４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。ＧＦＩＳ１００の走査荷電粒子顕微鏡への搭載時におけるエミッタ１の光軸合わせに必要な傾斜角は、エミッタ１の軸のエミッタベース１２に対する固定精度、エミッタ１の軸と所望結晶方位との一致精度などから最大プラスマイナス４度、傾斜角制御分解能は最大０．０１度である。

　傾斜手段１３のすべり面１４は、エミッタ１の先端を通過する軸を中心軸とする円筒面あるいはエミッタ１の先端を中心とする球面の一部であり、平面ではない。そのため、エミッタ１の先端から円筒面あるいは球面までのすべり面半径が大きいほど特定傾斜角をカバーするすべり面の面積は大きくなる。この半径が小さければすべり面も小さくでき（つまり、小型化でき）、精密加工が容易になる。ただし、小さすぎると通常の精密加工は困難になる。

　本発明の実施例１では、傾斜手段１３の可動部１３ａ、非可動部１３ｂおよび両部間のすべり面１４もイオン源室内にあり、すべり面１４の曲率半径はイオン源の真空筐体半径よりも小さい。すべり面１４には大気圧力はかかっておらず、可動部１３ａおよび非可動部１３ｂは小型化かつ軽量化できる。

　また、すべり面１４にてすべらす力の下限値は関係部品の重力や摩擦力の総力であり、傾斜するための力発生部のパワーやその発生力を伝える機械部品も小型化かつ軽量化できる。

　本発明の実施例１では、傾斜手段１３の作動にピエゾ素子を採用した。これにより、サイズ［ｍｍ］は約１５x１５x１０と小さく、重さは約２５ｇと軽くできた。傾斜手段１３の小型化は、冷却パワーの低減に非常に重要でもある。約２０度Ｋから室温間にて高精度でかつ安定した、エミッタ１の傾斜制御が可能である。

　小型の傾斜手段１３をイオン源室（イオン源の真空筐体８により包囲される室）内に配置したことから、イオン源自体も小型かつ軽量にできた。その結果、走査荷電粒子顕微鏡の対振動の強化および顕微鏡自体の小型化に大いに効果をもたらすことができる。

　また、製作容易性と制御容易性の観点から傾斜手段１３の最も有用な構造は、図２に示すように、エミッタ１の先端にその中心軸を置き、すべり面１４ａ（図２の（ａ））、１４ｂ（図２の（ｂ））が各々異なった半径を有する円筒の部分面である傾斜手段１７ａと、傾斜手段１７ｂとを２個組み合わせた構造である。

　傾斜手段１７ｂにより第１の可動部１７ｄが駆動され、傾斜手段１７ａによりエミッタ１を支持する第２の可動部１７ｃが駆動される。傾斜手段１７ａ、１７ｂは、図４の非可動部１３ｂであり、第１の可動部１７ｄ、第２の可動部１７ｃは、図４の可動部１３ａである。

　すべり面１４ａ（第２のすべり面）および１４ｂ（第１のすべり面）は、ビーム光軸を中心として相対的に９０度回転させて上下に組み合わされ、すべり面１４ａ、１４ｂを独立に制御することで、エミッタ１は直交方向の傾斜が可能なため、すべり面１４ａの傾斜とすべり面１４ｂの傾斜との合成によって任意方向への傾斜が可能となる。ここで、第１のすべり面１４ｂは、エミッタ１の先端を通り、かつ、エミッタ１のイオン放出方向とほぼ直交する第１の直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面であり、第２のすべり面１４ａは、上記第１の直線とほぼ直交する第２の直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面である。

　この場合、各すべり面１４ａ、１４ｂは、すべり方向に一致したアーチ上のガイドに沿って１次元的にピエゾ素子を配置しておけば良いので、構造および制御が簡便である。

　なお、すべり面１４ａの傾斜半径Ｒａとすべり面１４ｂの傾斜半径ＲｂはＲａ＜Ｒｂである。また、傾斜手段１３の可動面１６ａ、１６ｂは傾斜角度が０度のときには平行を成し、このときの面間隔をＷとし、Ｒｂ－Ｒａ＝Ｗとすればエミッタ１を中心とした任意方向傾斜が可能である。

　一方、すべり面１４を球面とする場合には、すべり面は１つで済むものの球面上に２次元的にピエゾ素子を配置する必要があるため素子の数が増加し、球面に配置する工作精度も非常に高くなる。また、ピエゾ素子の制御も複雑になるため、コストパフォーマンスに乏しい。

　ところで、傾斜力の発生手段には、図４（ａ）に示すように、すべり面１４ａないしは１４ｂに、一つ以上のピエゾ素子３００を配置し、これの伸縮を用いた尺取虫的な移動機構に代わりに、図４（ｂ）に示すモータ３０１に接続された歯車３０２による回転機構や、図４（ｃ）に示すリニアアクチュエータ３０３によるプッシュプル機構を用いることも可能である。

　図４（ａ）に示したピエゾ素子３００は、すべり面１４と平行に配置される非可動部１３ｂ側の面に沿って配列され、すべり面１４はピエゾ素子３００に密着されている。ピエゾ素子３００にパルス状の電圧を印加することで、ピエゾ素子３００は、一方向に伸縮が可能であり、すべり面１４を摩擦力によって移動させることが可能である。

　一方、図４（ｂ）に示したモータ３０１は、傾斜手段の内部或いは外部に配置され、歯車３０２と同軸ないしは追加の歯車を介して互いに接続される。また、すべり面１４には歯車３０２と噛合うように歯が形成されている。

　さらに、図４（ｃ）に示した傾斜手段の可動部１３ａには、リニアアクチュエータ３０３で伸縮させるシャフト３０４が、ユニバーサルジョイント等、シャフト３０４に対して角度的にフレキシブルな部品を用いて締結されている。また、傾斜手段１３の可動部１３ａは、すべり面１４と平行な非可動部１３ｂの面がガイドとなるように取り付けられている。これにより、シャフト３０４を伸縮させることで、傾斜手段１３の可動部１３ａのすべり面１４に沿った傾斜移動が可能となる。

　ただし、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示した機構では、モータ３０１やリニアアクチュエータ３０３の内部を含めて機械的可動部品が多く、複雑となり、部品からのアウトガスも多くなるため、超高真空の実現が困難となる。極低温化での熱収縮や真空中での摩擦抵抗増加の要因によっても機械的動作の信頼性が前者（図４（ａ）に示す機構）に比べて劣る。また、傾斜制御のバックラッシュ量が大きいことからも前者に比べて劣ることになる。

　なお、ピエゾ素子３００、モータ３０１、リニアアクチュエータ３０３の駆動指令は、パソコン等の指令手段を用いて操作者がエミッタ１の傾斜角度を確認しながら行うことができる。後述するように、本発明のＧＦＩＳ１００を走査荷電粒子顕微鏡に搭載した場合は、イオンビームの照射位置を検出して、エミッタ１の傾斜角度を調整することができる。この場合、図３に示したＰＣ３８により、自動的にエミッタ１の傾斜角度を変更（調整）することも可能である。

　ここで、本発明の実施例１の比較として、公知技術である特許文献１に記載の技術について述べる。特許文献１に記載の技術においては、傾斜手段の可動部および非可動部ともに、イオン源の真空筐体壁の一部をかねている。そのため、両部は、大気圧に対して変形せずに耐えるために強固な厚みのある大型部品となり重量も大きくなる。また、両部間のすべり面は大気圧力で押さえられているため、ここをすべらして傾斜を行うには非常に大きな力が必要になる。そのため、その力を発生する発生部のパワーやその力を伝える機械部品は大型化する。この大型化および大重量化は、イオンエミッタの耐震性および冷却効率の観点では大いに不利に作用する。

　これに対して、本発明の実施例１においては、傾斜手段１３は、内部がほぼ真空のイオン源室内に配置されており、大気圧を考慮した機械的強度は要求されないので、小型軽量化することができる。

　さらに、本発明の実施例１においては、エミッタ１の先端位置を一定とした状態で、エミッタ１の傾斜角度を調整可能であるため、エミッタ１からのイオン放出方向を、イオン源装置が取り付けられる荷電粒子顕微鏡の光軸に合わせる調整制御を、容易に、かつ高精度に行うことができる。

　次に、本願発明の実施例１における傾斜手段１３が取り付けられ、エミッタ室内に配置されたエミッタの交換について説明する。

　ＧＦＩＳ１００の真空を破ってのエミッタの交換は、新たなエミッタ１付きベースをエミッタ基部（絶縁材）１２に固定し、イオン源として整える。エミッタ室は、排気バルブ１８（図１、図５に示す）を介してエミッタ室につながっており、エミッタ交換時には、この排気バルブ１８を開け、エミッタ室およびイオン源室を排気して超高真空にする。その後、Ｖ字状フィラメント１ａの通電加熱により、エミッタ１を真空中でのフラッシング（短時間高温加熱）やアニーリング（長時間高温加熱）を行なって清浄化する。イオン放出のため、イオン材料ガスをイオン化室に導入する場合は、排気バルブ１８は閉じられる。このバルブ開閉は、走査荷電粒子顕微鏡からの操作指令に連動した自動、あるいは、非連動のマニュアルで操作することができる。

　ただし、イオン化室の排気速度を犠牲にし、冷却するイオン化室への熱輻射や熱伝導による熱入力の低減を優先する場合は、排気用の排気穴４０３を設けず、かつ排気バルブ１８を取り付けない場合もある。

　図５を参照して、さらに詳細に真空筐体８内部の構造について説明する。

　イオン源の真空筐体８内部は、真空ポンプ４０６にて超高真空レベルに排気される。真空筐体８内のエミッタ１は極低温に冷却されるが、室温である筐体８からの熱輻射を防ぐために筐体８よりも低温で、かつ、エミッタ１の温度よりも高温、具体的には、１００度Ｋ程度とした熱シールド４０２を設けても良い。

　この場合、エミッタ基部１２が保持される傾斜手段１３は、断熱部４０４を介して熱シールド４０２に保持されるか、熱シールド４０２で熱アンカーをとりつつ、イオン源の真空筐体８で保持しても良い。断熱部４０４は熱伝導率の悪い材料であるプラスチックスや薄肉の金属パイプを用いて製作すればよい。

　また、上述したフラッシングやアニーリングはＶ字状フィラメント１ａに接続した電気導線４００を真空外に取り出し、加熱電源４０１に接続することで行なわれる。さらに、エミッタ交換時には、イオン源の真空筐体８内部は、一旦大気圧にするため、エミッタ交換時にはパージガスである大気や窒素を真空ポンプ４０６で排気する必要がある。

　真空筐体８内はイオン材料ガスの純度が悪くならないように、超高真空レベルに排気するが、大気開放によって真空筐体８内に吸着または吸蔵された不純物ガスをデガス（ガスを取り去る）するために、真空筐体８内外を加熱（ベーキング）する必要がある。

　ベーキング時にはイオン化室内の不純物ガス圧力が高まることから、イオン化室側壁に空けられた排気穴４０３の開閉が可能な排気バルブ１８を後退させる（開く）ことで排気穴４０３を開放状態として、真空ポンプ４０６による排気速度を改善してイオン化室内の超高真空化が可能となる。

　真空排気バルブ１８は、バルブ駆動機構４０５にて開閉が可能となっているが、真空排気バルブ１８とバルブ駆動機構４０５が常に繋がった状態であると、冷却するイオン化室への室温からの熱流入が大きく、温度が下がらなくなる。

　よって、真空排気バルブ１８は、通常、排気穴４０３を塞ぐノーマルクローズ状態となっており、バルブ駆動機構４０５とは保持部品１８ｃにて分離されている。保持部品１８ｃは熱シールド４０２に接続しており、バルブシール１８ａと断熱材である薄肉パイプ１８ｂを介して繋がっているため、イオン化室への熱流入は極めて小さく抑えることができる。

　したがって、ベーキングやイオン材料ガスを排気する場合にのみ、バルブ駆動機構４０５を保持部品１８ｃに連結して、バルブ駆動機構４０５の動きをバルブシール１８ａに伝えることで、イオン化室への不必要な熱流入を無くすことができる。

　加えて、重要な考察として、ナノチップの再生に関してイオンエミッタ１にトラブルが生じた際には、フラッシングやアニーリング時のエミッタ１の温度を測定する必要が生じる場合がある。

　エミッタ１は高電圧ラインに接続され、かつ冷却効率の観点からこの近くに温度測定用の熱電対を付けることは難しい。これに応えたのがエミッタ１の放出光を利用した温度測定である。

　ＧＦＩＳを搭載した走査荷電粒子顕微鏡において、ナノチップの再生は、通常、冷却手段のパワーをオフにすることなく（冷却系統の温度ドリフトの長時間化を避けるため）、エミッタのフラッシングや短時間のアニーリングを行う。フラッシングやアニーリングのパワーを一定とする制御にしても、その加熱温度はエミッタ基部１２の温度（熱伝導を介して）およびエミッタ１を見込む物体の温度により（熱輻射を介して）大きく影響される。

　エミッタ１を取り付けてあるＶ字状フィラメント（Ｗ線）１ａの抵抗も温度の関数となっており、抵抗一定制御で行っていても、やはり、上記の影響を受ける。そのため、所望のエミッタ温度に加熱するには、その温度を測定することが望まれる。

　本発明の実施例１では、図１に示すように、エミッタ１からの放出光６をイオン源室の窓７を通して放出光利用温度測定手段９からにて測定する構成となっている。この放出光６の光路には、エミッタ室側壁４が存在するが、エミッタ室側壁４には、放出光６に対して透明な部材の部品５がエミッタ室側壁４に形成されている。

　この部品５は、エミッタ室の導入ガスに対しては遮断効果があり、エミッタ室側壁４に開口部を設けたような導入ガスの通過・放散はおこらない。これにより、開口部からガスが漏れ出た場合に生じるエミッタ先端へのガス供給効率の低下、および漏れ出たガスがイオン引き出し電極の孔後方の真空度を劣化させ、引き出されたイオンとガス原子（あるいは分子）との衝突確率の増加によるイオンビームの広がりを避ける事ができる。

　加えて、本発明の実施例１でエミッタ室側壁４を熱伝導に優れた透明な部材、例えばサファイアで製作すれば、透明部品５を設けることなく、エミッタ１からの放出光を測定することが可能となり、同様な効果を得ることができる。

　なお、本発明の実施例１では、イオン源室壁の窓７から放出光利用温度測定手段９までの光路は直線であるが、その光路の一部、あるいは全部を光ファイバーに置き換えてもよい。これにより、電気的絶縁を保持したまま光路を曲げることが可能になる。

　また、イオン源室の窓７などを光ファイバーの終端面で塞げば、その窓からの導入ガスの通過・放散も防ぐことができる。

　本発明の実施例１の比較例として、公知技術である特許文献３に記載された技術について述べる。特許文献３に開示されているエミッタからの放射光を利用した非接触温度検出においては、エミッタを濡らしている液体金属自体がイオン材料であるＬＭＩＳである。

　しかし、ＧＦＩＳにおいて、イオン材料はガスであり、エミッタ先端にガス原子（あるいは分子）を効率よく供給するためにエミッタはエミッタ室に入れてある。そのため、加熱時のエミッタの放出光はエミッタ室に設けたイオンの引き出し用の孔（引き出し電極のイオン引き出し用孔を兼用）の方向以外には漏れてこない。

　もし、エミッタ室に放出光検出用の開口部を設ければ、そこからイオン材料ガスが漏れ出て、ガスがエミッタ先端に効率よく供給できなくなると共に、漏れ出たガスがイオン引き出し電極の孔後方の真空度を劣化させ、引き出されたイオンとガス原子（あるいは分子）との衝突確率が増し、ビーム性能が劣化することになる。

　これに対して、本発明の実施例１においては、ビーム性能を劣化させることなく、エミッタ温度を検出することができる。

　次に、本発明の実施例２について説明する。図３は、本発明の実施例２である走査荷電粒子顕微鏡の概略構成図である。

　図３において、本発明の実施例２である走査荷電粒子顕微鏡は、ＧＦＩＳ１００のエミッタ１からのイオン２５を加速し、集束して試料上に照射するレンズ系２００と、試料から放出される荷電粒子３５を検出する荷電粒子検出器３６とを備えている。ＧＦＩＳ１００は、実施例１で説明したＧＦＩＳと同等の構成を有している。

　レンズ系２００の主構成要素である集束レンズ２６と対物レンズ３２とによりイオン２５を試料３４上に集束される。両レンズ２６、３２間にはビーム偏向器／アライナー２７、可動ビーム制限絞り２８、ブランキング電極２９、ブランクビーム停止板３０、ビーム偏向器３１が配置されている。

　試料３４から放出される二次電子３５は二次電子検出器３６で検出される。ビーム制御部３７は、ＧＦＩＳ１００、集束レンズ２６、対物レンズ３２、上段ビーム偏向器／アライナー２７、下段ビーム偏向器３１、二次電子検出器３６などを制御する。

　ＰＣ３８は、ビーム制御部３７を制御し、かつ種々のデータの処理や保存を行う。画像表示手段３９は、走査イオン顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、略してＳＩＭ）像の表示やＰＣ３８での制御画面を表示する。

　ＧＦＩＳ１００にＡｒガスあるいはＮｅガスを導入して、ＡｒイオンあるいはＮｅイオンを放出する場合はエミッタ１を約７０度Ｋに冷却する。また、Ｈｅガスを導入してＨｅイオンを放出する場合は、エミッタ１を約２０度Ｋに冷却し、イオン源の輝度を高めた。

　特に、Ｈｅイオン顕微鏡のように約２０度Ｋという低温にエミッタ１を冷却する場合は、冷却効率の良いイオン源構造にする必要があり、本発明の実施例１のようにエミッタ１につながった傾斜手段１３をイオン源室内に配置した小型構造が非常に好適である。

　走査Ｈｅイオン顕微鏡による観察像は、試料の極表面情報に敏感で、かつ高分解能および大きい焦点深度であることが特長である。Ｈｅイオンは軽いために照射による試料損傷は少ない。一方、ＮｅおよびＡｒイオンは重いためにその照射はスッパタリングを引き起こし、微細加工応用に利用できる。

　走査荷電粒子顕微鏡の上部に搭載するＧＦＩＳ１００が大型で重いと、左右に揺れやすく、顕微鏡画像に振動障害が起き易い。

　本発明の実施例２による高分解能の走査荷電粒子顕微鏡においては、ＧＦＩＳ１００のイオン源性能を落とすことなく小型化と軽量化が可能であるため、左右に揺れ難く、顕微鏡画像での振動障害の発生を抑制することができる。

　さらに、ＧＦＩＳ１００のエミッタ１は、このエミッタ１の先端位置を一定とした状態で、エミッタ１の傾斜角度を調整することが可能であるため、イオン放出方向と走査荷電粒子顕微鏡の光軸との調整を、容易に、かつ、高精度に行うことができる。

　次に、本発明の実施例３について説明する。

　エミッタ１に、超高真空中で引き出し電極３に対して負に高電圧を印加するとエミッタ１の先端から強電界により電子が放出し、ＧＦＩＳ１００は電界放出（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ、略してＦＥ）電子源装置としても動作できる。

　本発明の実施例３は、本発明を電子源装置、走査電子顕微鏡にも適用可能とした場合の例である。本発明の実施例３の構成は、図１、図３に示した例と同等となる。

　図３を参照して説明する。レンズ系２００は静電系であるので印加するレンズ電位の正負を逆極性にして調整することにより、ＳＩＭは走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、略してＳＥＭ）にもなる。

　エミッタ１から電子を引き出した場合、原子１個からの放出角は、２～３度とイオン放出の約１度より広い。しかし、エミッタ１からの電子放出軸をＳＥＭ光軸に合わせる場合とイオン放出軸をＳＩＭ光軸に合わせる場合とのエミッタ軸は必ずしも一致しない場合が多く、ＳＥＭおよびＳＩＭのそれぞれにおいて傾斜手段１３によりエミッタ１を合わせる必要がある。

　ただし、それぞれの軸合わせによる傾斜角、レンズ系の電位、および軸調整条件とともにＰＣ３８内に一度保存しておけば、これらはその後のＳＥＭおよびＳＩＭの操作選択により自動的に切り替えられる。

　本発明の実施例３によれば、小型で高性能であり、エミッタ先端位置を一定に維持した状態で傾斜調整が可能なガス電界電離イオン源装置及びこれを搭載した走査荷電粒子顕微鏡であり、かつ、電子源装置及びこれを搭載した走査電子顕微鏡を兼用することができる。

　１・・・エミッタ、２・・・イオン引き出し用の孔、３・・・引き出し電極、４・・・エミッタ室壁、５・・・透明部品、６・・・エミッタからの放出光、７・・・イオン源室壁の窓、８・・・イオン源の真空筐体、９・・・放出光利用温度測定手段、１０・・・冷凍手段、１１・・・金属網、１２・・・エミッタ基部（絶縁材）、１３・・・傾斜手段、１３ａ・・・傾斜手段の可動部、１３ｂ・・・傾斜手段の非可動部、１４、１４ａ、１４ｂ・・・すべり面、１５・・・金属製配管、１６ａ、１６ｂ・・・傾斜手段の可動面、１７ａ、１７ｂ・・・傾斜手段、１７ｃ・・・第２の可動部、１７ｄ・・・第１の可動部、１８・・・排気バルブ、１８ａ・・・バルブシール、１８ｂ・・・薄肉パイプ、１８ｃ・・・保持部品、２５・・・放出イオンビーム、２６・・・集束レンズ、２７・・・ビーム偏向器／アライナー、２８・・・可動ビーム制限絞り、２９・・・ブランカー、３０・・・ブランクビーム停止板、３１・・・ビーム偏向器、３２・・・対物レンズ、３４・・・試料、３５・・・二次電子、３６・・・二次電子検出器、３７・・・ビーム制御部、３８・・・ＰＣ、３９・・・画像表示手段、１００・・・ガス電界電位イオン源（ＧＦＩＳ）、２００・・・レンズ系、３００・・・ピエゾ素子、３０１・・・モータ、３０２・・・歯車、３０３・・・リニアアクチュエータ、３０４・・・シャフト、４００・・・電気導線、４０１・・・加熱電源、４０２・・・熱シールド、４０３・・・排気穴、４０４・・・断熱部、４０５・・・バルブ起動機構、４０６・・・真空ポンプ

Claims (10)

1. 　針状の陽極エミッタ（１）と、このエミッタ（１）の先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極（３）と、上記エミッタ（１）及び引き出し電極（３）が内部に配置されたイオン源室と、上記エミッタの傾斜角度を調整するための傾斜手段（１３）とを有するガス電界電離イオン源装置であって、
   　上記傾斜手段（１３）は、上記イオン源室の内部に配置され、上記エミッタ（１）の先端部の位置をほぼ一定とした状態で上記エミッタ（１）の傾斜角度が、上記傾斜手段（１３）により調整されることを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
2. 　請求項１に記載のガス電界電離イオン源装置において、上記傾斜手段（１３）は、上記エミッタ（１）に接続され、エミッタ（１）と共に傾斜する可動部（１３ａ）と、この可動部（１３ａ）をすべり面（１４）を介して移動させる非可動部（１３ｂ）とを有することを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
3. 　請求項２に記載のガス電界電離イオン源装置において、上記傾斜手段（１３）の上記すべり面は、上記エミッタ（１）の先端を通る直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面であることを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
4. 　請求項３に記載のガス電界電離イオン源装置において、上記傾斜手段（１３）の上記可動部（１３ａ）は、上記非可動部（１３ｂ）により第１のすべり面（１４ｂ）を介して駆動される第１の可動部（１７ｄ）と、この第１の可動部（１７ｄ）と第２のすべり面（１４ａ）を介して上記第１の可動部（１７ｄ）に駆動される第２の可動部（１７ｃ）とを有し、上記第１のすべり面（１４ｂ）は、上記エミッタ（１）の先端を通り、かつ、上記エミッタ（１）のイオン放出方向とほぼ直交する第１の直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面であり、上記第２のすべり面（１４ａ）は、上記第１の直線とほぼ直交する第２の直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面であることを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
5. 　請求項４に記載のガス電界電離イオン源装置において、上記傾斜手段（１３）の上記非可動部（１３ｂ）は、上記第１の可動部（１７ｄ）を駆動する第１のピエゾ素子を有し、上記傾斜手段の上記第１の可動部は、上記第２の可動部（１７ｃ）を駆動する第２のピエゾ素子を有することを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
6. 　針状の陽極エミッタ（１）と、このエミッタ（１）の先端部にてガス分子をイオン化し引き出し、放出させる電界を形成する引き出し電極（３）と、上記エミッタ（１）が内部に配置され、イオン材料であるガスが導入されるエミッタ室とを有するガス電界電離イオン源装置であって、
   　上記エミッタ室の少なくとも一部は光を透過する透明部材で形成され、この透明部材を透過した上記エミッタ（１）の放出光に基づいて上記エミッタ（１）の温度を測定する放射光利用温度測定手段（９）を備えることを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
7. 　針状の陽極エミッタ（１）と、このエミッタ（１）の先端部にてガス分子をイオン化して引き出す電界を形成する引き出し電極（３）と、上記エミッタ（１）が内部に配置され、イオン材料であるガスが導入されるエミッタ室と、上記エミッタ室及び引き出し電極（３）が内部に配置されたイオン源室と、上記エミッタ（１）の傾斜角度を調整するための傾斜手段（１３）とを有するガス電界電離イオン源装置であって、
   　上記傾斜手段（１３）は、上記イオン源室の内部に配置され、上記エミッタ（１）の先端部の位置をほぼ一定とした状態で上記エミッタ（１）の傾斜角度が、上記傾斜手段（１３）により調整され、
   　上記エミッタ室の少なくとも一部は光を透過する透明部材で形成され、この透明部材を透過した上記エミッタ（１）の放出光に基づいて上記エミッタ（１）の温度を測定する放射光利用温度測定手段（９）を備えることを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
8. 　請求項７に記載のガス電界電離イオン源装置において、上記傾斜手段（１３）の可動部（１３ａ）は、非可動部（１３ｂ）により第１のすべり面（１４ｂ）を介して駆動される第１の可動部（１７ｄ）と、この第１の可動部（１７ｄ）と第２のすべり面（１４ａ）を介して上記第１の可動部（１７ｄ）に駆動される第２の可動部（１７ｃ）とを有し、上記第１のすべり面（１４ｂ）は、上記エミッタ（１）の先端を通り、かつ、上記エミッタ（１）のイオン放出方向とほぼ直交する第１の直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面であり、上記第２のすべり面（１４ａ）は、上記第１の直線とほぼ直交する第２の直線を中心軸とする円筒面の一部を形成する形状の面であることを特徴とするガス電界電離イオン源装置。
9. 　請求項１から８のうちのいずれか一項に記載されたガス電界電離イオン源装置と、このガス電界電離イオン源装置からのイオンを加速し、集束して試料上に照射するレンズ系と、上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を備える走査荷電粒子顕微鏡。
10. 　請求項９に記載の走査荷電粒子顕微鏡において、上記ガス電界電離イオン源装置からのイオンは、ヘリウムイオンであることを特徴とする走査荷電粒子顕微鏡。

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