WO2013035221A1 - イオンビーム装置 - Google Patents

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ion beam
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ion
beam apparatus
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博幸 武藤
川浪　義実
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/31749—Focused ion beam

Definitions

  • the present invention relates to an ion beam apparatus such as an ion microscope and an ion beam processing and observation apparatus, and a combined apparatus of these with an electron microscope.
  • the structure of the sample surface can be observed by irradiating the sample while scanning electrons and detecting secondary charged particles emitted from the sample. This is called a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • SIM scanning ion microscope
  • the ion beam is more sensitive to the information on the sample surface than the electron beam. In the electron beam, the nature of the electron wave can not be ignored, and an aberration is generated due to the diffraction effect, but since the ion beam is heavier than the electron, the aberration due to the diffraction effect can be ignored.
  • a gas field ionization ion source is suitable as an ion source.
  • the gas field ionization ion source can generate an ion beam with a narrow energy width.
  • the size of the ion source is small, a fine ion beam can be generated.
  • the gas molecular density per unit pressure is inversely proportional to the gas temperature
  • the emitter tip is cooled to a very low temperature and the temperature of the gas around the emitter tip is lowered You can change it.
  • the molecular density of the ionized gas in the vicinity of the emitter tip can be increased by increasing the pressure of the ionized gas in the vicinity of the emitter tip.
  • the pressure of the ionized gas around the emitter tip is about 10 -2 to 10 Pa. Further, if the pressure of the ionized gas is increased to about 1 Pa or more, the ion beam collides with the neutral gas and is neutralized, and the ion current is reduced.
  • the field ionization ion source is provided with a gas ionization chamber that mechanically encloses the periphery of the emitter tip.
  • Patent Document 1 discloses an example in which a gas ionization chamber is configured to surround an emitter tip by using an ion extraction electrode, and an ion gas introduction port is installed in the ion extraction electrode.
  • the conventional gas ionization chamber is configured using the ion extraction electrode, and the introduction port for the ionized gas is installed in the ion extraction electrode floating at a high voltage, so There was a danger of glow discharge near the high ionizing gas inlet. Therefore, in order to avoid the glow discharge, the gas pressure can only be lowered, and there is a problem that the ion current can not be increased by increasing the gas introduction pressure.
  • the gas field ionization ion source of the ion beam apparatus is characterized in that an ionized gas is supplied from a gas inlet provided in a structure maintained at a ground potential.
  • the vicinity of the ionizing gas introduction port having a higher gas pressure is maintained at the ground potential, so that glow discharge in the vicinity of the ionizing gas introduction port can be reduced. Therefore, the gas introduction pressure can be increased to raise the pressure of the ionized gas to increase the ion current, and the sample can be observed at a high signal / noise ratio.
  • the ion beam apparatus includes an ion source chamber 5 having an emitter tip 1, an extraction electrode 2, an acceleration / focusing lens electrode 3, and a gas supply pipe 4, and an ion source chamber evacuation pump for evacuating the ion source chamber 5.
  • a chamber evacuation pump 11 is provided.
  • the ion source chamber 5 and the sample chamber 10 are connected via the opening 18.
  • the gas supply pipe 4 is connected to a gas source 15, and supplies a gas into the gas ionization chamber 6 through the gas inlet 16.
  • the gas supply pipe 4 and the gas inlet 16 are collectively referred to as a gas inlet.
  • a gas is supplied to the space between the tip of the emitter tip 1 and the extraction electrode 2 by the gas introduction part, and the gas ionized in this space forms an ion beam by the extraction electrode 2.
  • the emitter tip 1 is an anode
  • the extraction electrode 2 is a cathode. Also, although not shown in the figure, it has a cooling mechanism for cooling the emitter tip 1 and its vicinity.
  • a voltage is applied to the emitter chip 1 by the acceleration power supply 7, and a voltage is applied to the extraction electrode 2 by the extraction power supply 8. Further, the acceleration / focusing lens electrode 3 is fixed to the ground potential regardless of the operation of the ion beam apparatus.
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 is configured to surround the emitter tip 1, and the space surrounded by the acceleration / focusing lens electrode 3 is a gas ionization chamber 6 for ionizing gas.
  • the gas supply pipe 4 is disposed such that an inlet for ionized gas is provided to the acceleration / focusing lens electrode 3 of the ground potential.
  • the gas pressure of the gas introduced into the gas ionization chamber 6 is highest in the vicinity of the inlet for the ionized gas inside the gas ionization chamber 6. It is known that if the gas pressure is increased, the ion current is also increased, but conventionally, an inlet for ionized gas is provided at the extraction electrode 2 to which a voltage is applied, that is, a portion floating at high voltage or near it. It was For this reason, when the gas pressure in the gas ionization chamber 6 is increased, glow discharge occurs in the vicinity of the inlet for the ionized gas, and it is difficult to increase the gas pressure of the ionized gas to increase the ion current.
  • the introduction port of the ionization gas is at the ground potential, it is possible to suppress the occurrence of glow discharge at the introduction port of the ionization gas even when the gas pressure introduced into the gas ionization chamber 6 is increased. . Therefore, in the case of the ion beam apparatus of this embodiment, the gas pressure of the ionized gas can be increased to increase the ion current.
  • the ionization chamber is in contact with room temperature through the wall of the ion source chamber or the wall of the sample chamber, and gas molecules that collide with the high temperature vacuum chamber wall and become high temperature
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 of the present embodiment is also a radiation shield that reduces the heat inflow due to the heat radiation to the emitter chip 1 being cooled. Since the acceleration / focusing lens electrode 3 is provided to surround the emitter tip 1, heat inflow due to heat radiation from the room temperature wall of the ion source chamber 5 to the emitter tip 1 can be effectively reduced.
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 is used as the gas ionization chamber 6 and a radiation shield, it contributes to the downsizing of the apparatus.
  • the gas introduced into the gas ionization chamber 6 is ionized by the emitter tip 1, extracted by the extraction electrode 2, and then accelerated and focused by the acceleration / focusing lens electrode 3. As an ion beam, it passes through the opening 18 and travels to the sample chamber 10.
  • the conventional ion beam apparatus also has a problem of how to reduce this beam scattering.
  • the gas pressure in the vicinity of the emitter tip 1 should be kept high in order to efficiently ionize the gas.
  • the space through which the ion beam consisting of the ionized gas passes may be maintained at a lower gas pressure to prevent the ion beam from colliding with the gas and scattering.
  • the acceleration / focusing lens electrode opening 17 is provided on the optical axis of the ion beam. Since the pressure of the ion source chamber 5 is lower than the pressure of the gas ionization chamber 6 and the gas ionization chamber 6 has a sealed structure except for the acceleration / focusing lens electrode opening 17, the gas introduced into the gas ionization chamber 6 is Differential pumping is performed from the acceleration / focusing lens electrode opening 17. As a result, the gas pressure around the emitter tip 1 is high, and the gas pressure near the acceleration / focusing lens electrode opening 17 through which the ion beam passes is low. Therefore, scattering of the ion beam by the ionized gas can be reduced.
  • the acceleration / focusing lens is only one acceleration / focusing lens electrode 3, but the acceleration / focusing lens may be composed of a plurality of electrodes.
  • a voltage may be applied to an acceleration / focusing lens electrode that does not constitute the gas ionization chamber 6 to adjust, for example, a virtual image point position. This can be applied to the following embodiments.
  • FIG. 2 is a view for explaining a second embodiment of the ion beam apparatus.
  • an acceleration / focusing lens electrode 3 serving as a radiation shield is connected to the ion source chamber 5 at the upper end.
  • the gas ionization chamber 6 is composed of an acceleration / focusing lens electrode 3 at ground potential and a part of the vacuum wall of the ion source chamber 5.
  • FIG. 3 is a view for explaining a third embodiment of the ion beam apparatus.
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 is the gas ionization chamber 6 and the radiation shield, but in the present embodiment, the acceleration / focusing lens electrode 3 and the radiation shield 12 are provided separately.
  • the gas ionization chamber 6 is composed of the radiation shield 12 and the extraction electrode 2.
  • the radiation shield 12 is provided with an ionized gas inlet fixed to the radiation shield 12 at the ground potential, so it is necessary to set the ground potential. This prevents the occurrence of glow discharge in the vicinity of the ionized gas inlet when the gas pressure is increased.
  • a voltage is applied to the extraction electrode 2 so as to be a cathode with respect to the emitter tip 1. Therefore, the radiation shield 12 and the lead-out electrode 2 need to be provided separately.
  • the extraction electrode 2 not only extracts ions, but also can be thermally insulated and cooled to reduce the heat radiation from the room temperature wall of the ion source chamber 5 to the emitter tip 1.
  • the gas ionization chamber 6 in which the gas is stored can be miniaturized by using this embodiment. Since the ion beam apparatus itself can be miniaturized, it is effective in terms of the efficiency of vacuum evacuation and energy saving.
  • the opening of the gas ionization chamber 6 also serves as the opening of the acceleration / focusing lens electrode 3, differential discharge is performed from the opening of the acceleration / focusing lens electrode 3.
  • the extraction electrode 2 constitutes a part of the gas ionization chamber 6, the gas introduced into the gas ionization chamber 6 passes through the extraction electrode opening 19 which is the opening of the extraction electrode 2. Differentially pumped. As a result, the gas pressure around the emitter tip 1 can be high, and the gas pressure at the extraction electrode opening through which the ion beam passes can be low, so the gas pressure in the gas ionization chamber 6 can be kept high. And scattering of the ion beam by the ionized gas can be reduced.
  • FIG. 4 is a view for explaining a fourth embodiment of the ion beam apparatus.
  • the present embodiment is a modification of the third embodiment.
  • the radiation shield 12 is connected to the ion source chamber 5 at the upper end as compared with the third embodiment.
  • the gas ionization chamber 6 of the present embodiment is configured of a part of the ion source chamber 5.
  • the simplified radiation shield as in this embodiment may be used. This has the advantage that the structure is simpler than in the third embodiment and can be miniaturized.
  • FIG. 5 is a view for explaining a fifth embodiment of the ion beam apparatus.
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 and the radiation shield 12 are not integrated but separately provided.
  • the gas ionization chamber 6 of the present embodiment comprises an acceleration / focusing lens electrode 3 and a radiation shield 12. If the shape of the accelerating / focusing lens electrode 3 needs to be complicated, the configuration of the present embodiment is good in order to increase the design freedom. Since the acceleration / focusing lens electrode 3 and the radiation shield 12 are maintained at the ground potential, the vicinity of the gas inlet 16 provided in the radiation shield 12 is kept at the ground potential.
  • the accelerating / focusing lens electrode 3 is in the form of a box by the lens electrode and the bottom surface of the ion source chamber, and the opening of the gas ionization chamber 6 and the accelerating / focusing lens electrode opening 17 are openings that are spatially connected thereto.
  • Section 18 The gas introduced into the gas ionization chamber 6 is not mainly the ion source evacuation pump of the ion source chamber 5 but the sample chamber evacuation pump via the sample chamber 10 to accelerate / focus lens electrode opening 17 and opening The differential exhaust from the unit 18 is performed.
  • the introduced gas is a rare gas
  • the ion source evacuation pump 9 is a non-evaporable getter pump that can not evacuate the rare gas.
  • the impurity gas other than the rare gas is preferentially discharged to increase the purity of the introduced rare gas. be able to. Furthermore, if the sample chamber evacuation pump is a turbo molecular pump, differential gas exhaustion of the gas ionization chamber filled with a rare gas can be achieved.
  • FIG. 6 is a view for explaining a sixth embodiment of the ion beam apparatus.
  • This embodiment is a modification of the fifth embodiment, and the radiation shield 12 is connected to the ion source chamber 5 at the upper end. That is, in addition to the radiation shield 12 and a part of the acceleration / focusing lens electrode 3, the gas ionization chamber 6 of the present embodiment is constituted of a part of the ion source chamber 5.
  • the simplified radiation shield as in this embodiment may be used. There is an advantage that the structure is simplified and can be miniaturized.
  • FIG. 7 is a view for explaining a seventh embodiment of the ion beam apparatus.
  • This embodiment is a modification of the first embodiment, and the acceleration / focusing lens electrode 3 is the gas ionization chamber 6 and the radiation shield 12 as in the first embodiment.
  • the gas ionization chamber 6 since the radiation shield 12 and the acceleration / focusing lens electrode 3 are separately provided separately, the gas ionization chamber 6 not only has the acceleration / focusing lens electrode opening 17 but also the radiation shield 12 and acceleration. ⁇ It is connected to the outside also by the gap of the focusing lens electrode 3.
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 is integrated with the radiation shield 12, the gas inside the gas ionization chamber 6 is exhausted to the outside only by the acceleration / focusing lens electrode opening 17.
  • the degree of sealing of the gas ionization chamber 6 can be increased.
  • FIG. 8 is a view for explaining an eighth embodiment of the ion beam apparatus.
  • This embodiment is a modification of the seventh embodiment, and an acceleration / focusing lens electrode 3 is connected to the ion source chamber 5 at the upper end.
  • the gas ionization chamber 6 of this embodiment is constituted of an acceleration / focusing lens electrode 3 and a part of the ion source chamber 5.
  • the acceleration / focusing lens electrode 3 is a radiation shield 12.
  • FIG. 9 is a view for explaining a ninth embodiment of the ion beam apparatus.
  • the gas supply pipe 4 and the introduction port for the ionized gas are provided on the side surface, but they may be disposed on the upper surface. Naturally, the first to eighth examples can be applied.
  • FIG. 10 illustrates the arrangement position of the inlet for the ionized gas.
  • the highest gas pressure in the gas ionization chamber 6 is in the vicinity of the ionized gas inlet.
  • the gas pressure in the vicinity of the emitter tip 1 is desired to be high in order to ionize the gas efficiently, but the space through which the ionized gas passes as an ion beam is an ionized gas. I want to lower the gas pressure to prevent scattering.
  • the optical axis through which ions pass is the Z axis 20
  • the direction in which the gas ionized from the emitter tip 1 is extracted and advanced by the extraction electrode 2 is the positive direction of the Z axis 20
  • the gas inlet 16 with the highest gas pressure in the gas ionization chamber 6 is installed away from the space through which the ion beam passes, so the gas pressure in the gas ionization chamber 6 is increased while the ion beam is increased. Scattering can be suppressed.
  • gas is passed from the emitter chip 1 through the extraction electrode 2 to the acceleration / focusing lens electrode opening 17 for differential evacuation, or from the emitter chip 1 to the opening of the extraction electrode 2 differentially evacuation.
  • the present invention is applicable to any ion beam apparatus using a gas field ionization ion source.
  • the ion beam apparatus described above includes, for example, a scanning ion microscope and an apparatus called a transmission ion microscope, which irradiates an ion beam to a sample and detects ions transmitted through the sample to obtain information reflecting the internal structure of the sample.
  • a focused ion beam apparatus (Focused Ion Beam) is used which irradiates the sample with a heavy ion species and processes the sample by sputtering.
  • FIB-SEM apparatus of a scanning electron microscope (SEM) and a focused ion beam (FIB).
  • Reference Signs List 1 emitter tip 2 extraction electrode 3 acceleration / focusing lens electrode 4 gas supply piping 5 ion source chamber 6 gas ionization chamber 7 acceleration power supply 8 extraction power supply 9 ion source evacuation pump 10 sample chamber 11 sample chamber evacuation pump 12 radiation shield 13 emitter tip end position 14 extraction electrode upper surface position 15 gas source 16 gas introduction port 17 acceleration / focusing lens electrode opening 18 opening 19 extraction electrode opening 20 Z axis

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Abstract

　従来のガスイオン化室では、グロー放電を避けるためにはガス圧を下げるしかなく、ガス導入圧を高めることでイオン電流を増やすことができないという課題があった。本発明は、ガス導入圧を高めることでイオン電流を増やすとともに、イオン化ガスによるビーム散乱を防ぐことを目的とする。　ＧＮＤ電位の構造体からガスを供給することで、ガス圧力のより高いイオン化ガスの導入口近傍に高電圧が印加されないようにする。また、加速・集束レンズを構成するレンズ電極のレンズ開口部から差動排気することでイオンビームが通過する領域に存在するイオン化ガスを優先的に減らす。

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観察装置などのイオンビーム装置、また、これらと電子顕微鏡との複合装置に関する。
　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、イオンビームを用いて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。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。電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できず、回折効果により収差が発生するが、イオンビームは、電子に比べて重いため、回折効果による収差を無視することができる。
　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、エネルギー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、エミッタチ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。
　単位圧力あたりのガス分子密度はガスの温度に逆比例するので、エミッタチップ近傍のイオン化ガスの分子密度を大きくするには、エミッタチップを極低温に冷却し、エミッタチップ周辺のガスの温度を低温化すればよい。
　また、エミッタチップ近傍のイオン化ガスの圧力を大きくすることでもエミッタチップ近傍のイオン化ガスの分子密度を大きくすることができる。通常エミッタチップ周辺のイオン化ガスの圧力は１０-2～１０Ｐａ程度である。さらにイオン化ガスの圧力を上げ、イオン材料ガスの圧力を約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、イオン電流が低下してしまう。
　また、イオン化ガスの圧力を上げることにより、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チップに衝突する頻度が高くなる。そのため、エミッタチップの温度が上昇してイオン電流が低下する。これを防ぐため、電界電離イオン源では、エミッタチップ周辺を機械的に囲うガスイオン化室が設けられる。
　特許文献１には、ガスイオン化室がイオン引出電極を利用してエミッタチップを囲むように構成され、かつイオン引出電極にイオン化ガスの導入口が設置される例が開示されている。
特開平７－２４０１６５号公報
　しかし、特許文献１のように従来のガスイオン化室は、イオン引出電極を利用して構成され、かつ高電圧で浮いているイオン引出電極にイオン化ガスの導入口が設置されるため、ガス圧力の高いイオン化ガスの導入口近傍でグロー放電が起こる危険があった。したがって、グロー放電を避けるためにはガス圧を下げるしかなく、ガス導入圧を高めることでイオン電流を増やすことができないという課題があった。
　上記課題を解決するため、イオンビーム装置のガス電界電離イオン源では、接地電位に保たれた構造体に設けられたガス導入口からイオン化ガスが供給されることを特徴とする。
　上記構成により、ガス圧力のより高いイオン化ガスの導入口近傍が接地電位に保たれるので、イオン化ガス導入口近傍でのグロー放電を低減できる。したがって、ガス導入圧を高めてイオン化ガスの圧力を高くしてイオン電流を増やすことができ、高信号／ノイズ比で試料を観察することができる。
イオンビーム装置の第１の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第２の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第３の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第４の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第５の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第６の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第７の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第８の実施例の概略構成図である。 イオンビーム装置の第９の実施例の概略構成図である。 イオン化ガスの導入口の配置位置を説明する図である。
　図１を参照してイオンビーム装置の第１の実施例を説明する。イオンビーム装置は、エミッタチップ１、引出電極２、加速・集束レンズ電極３、ガス供給配管４を有するイオン源室５と、イオン源室５を真空に排気するためのイオン源室真空排気用ポンプ９、イオン化ガスのガス源１５、エミッタチップ１に電圧を供給する加速電源７、引出電極２に電圧を供給する引出電源８、試料室１０、及び、試料室１０を真空に排気するための試料室真空排気用ポンプ１１を有する。イオン源室５と試料室１０は、開口部１８を介して繋がっている。ガス供給配管４はガス源１５が接続されており、ガス導入口１６を通してガスイオン化室６内部にガスを供給する。なお、ガス供給配管４とガス導入口１６を合わせてガス導入部と呼ぶ。
　ガス導入部によってエミッタチップ１の先端部と引出電極２の間の空間にガスが供給され、この空間でイオン化されたガスは引出電極２によってイオンビームを形成する。このときエミッタチップ１は陽極、引出電極２は陰極となる。また、図には記載していないが、エミッタチップ１およびその近傍を冷却するための冷却機構を有する。
　エミッタチップ１は加速電源７により電圧が印加され、引出電極２は引出電源８により電圧が印加される。また、加速・集束レンズ電極３はイオンビーム装置の動作如何に関わらず接地電位に固定されている。加速・集束レンズ電極３はエミッタチップ１を囲むように構成されており、この加速・集束レンズ電極３により囲まれた空間がガスをイオン化するガスイオン化室６となっている。ガス供給配管４は、イオン化ガスの導入口が接地電位の加速・集束レンズ電極３に設けられるように配置される。
　ガスイオン化室６に導入されるガスのガス圧は、ガスイオン化室６内部ではイオン化ガスの導入口近傍が最も高くなる。ガス圧を増やせばイオン電流も増えることは知られているが、従来は、電圧の印加される引出電極２、すなわち高電圧に浮いている部分、あるいはその近傍にイオン化ガスの導入口が設置されていた。このため、ガスイオン化室６のガス圧を高めていくとイオン化ガスの導入口近傍でグロー放電を起こしてしまい、イオン化ガスのガス圧を高めてイオン電流を増加させることが困難であった。絶縁筒の帯電やコンタミ等の付着、経年変化による絶縁性能の劣化によっても、ガス圧力の高いイオン化ガスの導入口近傍でグロー放電が起こる危険がある。しかし、本実施例では、このイオン化ガスの導入口が接地電位であるため、ガスイオン化室６に導入するガス圧を高くしても、イオン化ガスの導入口でグロー放電が発生することを抑制できる。したがって、本実施例のイオンビーム装置であればイオン化ガスのガス圧を高めてイオン電流を増加させることができる。
　また、従来のガス電界電離イオン源では、イオン化室がイオン源室の壁または試料室壁を介して室温に接しており、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チップに衝突してエミッタチップの温度が上昇してしまいイオン電流が低下するという課題があった。しかし、本実施例の加速・集束レンズ電極３は、冷却しているエミッタチップ１への熱輻射による熱流入を低減する輻射シールドにもなっている。この加速・集束レンズ電極３はエミッタチップ１を囲むように設けられているので、イオン源室５の室温壁からエミッタチップ１への熱輻射による熱流入を効果的に低減することができる。また、加速・集束レンズ電極３をガスイオン化室６および輻射シールドとして利用しているため、装置の小型化にも貢献している。
　イオン源室５でイオンビームが通る空間に着目すると、ガスイオン化室６に導入されたガスはエミッタチップ１でイオン化されて引出電極２により引き出された後、加速・集束レンズ電極３で加速および集束されてイオンビームとして開口部１８を抜けて試料室１０へ向かう。
　ガスイオン化室内のガス圧を高くするとガスイオン化室に溜まったガスによってイオンビームが散乱されやすくなりイオンビーム電流が低下する。従来のイオンビーム装置ではこのビーム散乱をどのように低減するかという課題もあった。エミッタチップ１近傍のガス圧は、ガスを効率的にイオン化するためにガス圧が高い状態を維持するのがよい。一方で、イオン化されたガスからなるイオンビームが通過してゆく空間は、イオンビームがガスと衝突し散乱することを防ぐためにガス圧がより低い状態に維持するのがよい。
　本実施例において、加速・集束レンズ電極開口部１７はイオンビームの光軸上に設けられている。イオン源室５の圧力がガスイオン化室６の圧力より低く、ガスイオン化室６は加速・集束レンズ電極開口部１７を除いて密閉構造となっているため、ガスイオン化室６に導入されたガスは加速・集束レンズ電極開口部１７から差動排気される。これによってエミッタチップ１周囲のガス圧は高く、かつ、イオンビームが通る加速・集束レンズ電極開口部１７近傍のガス圧は低い状態をつくる。したがってイオン化ガスによるイオンビームの散乱を低減することができる。
　本実施例では、加速・集束レンズは加速・集束レンズ電極３の一枚のみであったが、加速・集束レンズは複数の電極で構成しても良い。複数の電極構成の場合は、ガスイオン化室６を構成しない加速・集束レンズ電極に電圧を印加して、例えば仮想的な像点位置を調整するようにしても良い。これは以降の実施例にも適用できる。
　図２はイオンビーム装置の第２の実施例を説明する図である。本実施例では輻射シールドとなる加速・集束レンズ電極３がイオン源室５と上端で接続されている。ガスイオン化室６は接地電位の加速・集束レンズ電極３とイオン源室５の真空壁の一部で構成されている。エミッタチップ１を液体ヘリウム温度近傍まで冷却する場合には、第１の実施例のように輻射シールドを熱的に浮かせたうえでエミッタチップ１を囲うようにして、エミッタチップ１に入る熱輻射による熱流入を防止する必要があるが、エミッタチップ１の冷却温度が高温の場合には、第２の例のような簡易型輻射シールドでもよい。本実施例は構造が簡単になり、小型化できるというメリットがある。
　図３はイオンビーム装置の第３の実施例を説明する図である。第１、第２の実施例では、加速・集束レンズ電極３がガスイオン化室６および輻射シールドとなっていたが、本実施例では、加速・集束レンズ電極３と輻射シールド１２が別々に設けられている。すなわち、ガスイオン化室６は、輻射シールド１２と引出電極２とで構成される。輻射シールド１２にはイオン化ガスの導入口は接地電位の輻射シールド１２に固定して設けられるので、接地電位にする必要がある。これによってガス圧を高くしたときにイオン化ガスの導入口付近でグロー放電を起こすことを防止している。一方、引出電極２はエミッタチップ１に対して陰極となるように電圧が印加される。したがって輻射シールド１２と引出電極２は離間して設けられる必要がある。
　また、引出電極２は、イオンを引き出すだけでなく、さらに熱絶縁して冷却することでイオン源室５の室温壁からエミッタチップ１への熱輻射を低減することもできる。
　エミッタチップ１や引出電極２に印加する電圧が比較的低くて絶縁構造が単純な場合は、本実施例を使用することでガスを溜め込むガスイオン化室６を小型化できる。イオンビーム装置自体も小型化できるので、真空排気の効率や省エネの観点で有効である。
　また、第１、第２の実施例ではガスイオン化室６の開口部が加速・集束レンズ電極３の開口部を兼ねていたため加速・集束レンズ電極３の開口部から差動排気することとした。これに対して本実施例では引出電極２がガスイオン化室６の一部を構成しているため、ガスイオン化室６に導入されたガスは引出電極２の開口部である引出電極開口部１９を通して差動排気される。これによって、エミッタチップ１周囲のガス圧は高く、かつ、イオンビームが通る引出電極開口部のガス圧は低い状態をつくることができるので、ガスイオン化室６内のガス圧を高い状態に保ちつつ、イオン化ガスによるイオンビームの散乱を低減することができる。
　図４はイオンビーム装置の第４の実施例を説明する図である。本実施例は第３の実施例の変形例であり、本実施例では第３の実施例に比べて、輻射シールド１２がイオン源室５と上端で接続されている。本実施例のガスイオン化室６は輻射シールド１２と引出電極２に加えてイオン源室５の一部から構成されている。エミッタチップ１の冷却温度が高い場合には、本実施例のような簡易型輻射シールドにしてもよい。これによって第３の実施例より構造が簡単になり、小型化できるというメリットがある。
　図５はイオンビーム装置の第５の実施例を説明する図である。本実施例では、加速・集束レンズ電極３と輻射シールド１２が一体型ではなく、別々に設けられている。本実施例のガスイオン化室６は加速・集束レンズ電極３と輻射シールド１２から構成されている。加速・集束レンズ電極３の形状を複雑にする必要がある場合には、設計自由度を増やすために本実施例の構成がよい。加速・集束レンズ電極３および輻射シールド１２は接地電位に維持されているので、輻射シールド１２に設けられたガス導入口１６の近傍は接地電位に保たれる。
　加速・集束レンズ電極３はレンズ電極とイオン源室底面とで箱状態になっており、ガスイオン化室６の開口部は加速・集束レンズ電極開口部１７と、これに空間的につながっている開口部１８である。ガスイオン化室６に導入されたガスは、主にイオン源室５のイオン源真空排気用ポンプではなく、試料室１０を介して試料室真空排気用ポンプで加速・集束レンズ電極開口部１７および開口部１８から差動排気される。導入ガスは希ガス、イオン源真空排気用ポンプ９は希ガスが排気できない非蒸発型ゲッターポンプとすることで希ガス以外の不純物ガスを優先的に排出し、導入した希ガスの純度を高くすることができる。さらに試料室真空排気用ポンプはターボ分子ポンプとすれば希ガスを満たしたガスイオン化室を差動排気できる。
　図６はイオンビーム装置の第６の実施例を説明する図である。本実施例は第５の実施例の変形例であり、輻射シールド１２がイオン源室５と上端で接続されている。すなわち、本実施例のガスイオン化室６は輻射シールド１２と加速・集束レンズ電極３の一部に加えてイオン源室５の一部から構成されている。エミッタチップ１の冷却温度が高い場合には、本例のような簡易型輻射シールドにしてもよい。構造が簡単になり、小型化できるというメリットがある。
　図７はイオンビーム装置の第７の実施例を説明する図である。本実施例は第１の実施例の変形例であり、第１の実施例のように加速・集束レンズ電極３がガスイオン化室６、輻射シールド１２となっている。実施例５の構造では輻射シールド１２と加速・集束レンズ電極３が離間して別々に設けられているため、ガスイオン化室６は加速・集束レンズ電極開口部１７だけでなく、輻射シールド１２と加速・集束レンズ電極３の隙間によっても外部とつながっている。これに対して、本実施例では加速・集束レンズ電極３を輻射シールド１２と一体としているので、ガスイオン化室６内部のガスは加速・集束レンズ電極開口部１７のみによって外部に排気されることになり、ガスイオン化室６の密閉度を上げることができる。
　図８はイオンビーム装置の第８の実施例を説明する図である。本実施例は第７の実施例の変形例であり、加速・集束レンズ電極３がイオン源室５と上端で接続されている。本実施例のガスイオン化室６は加速・集束レンズ電極３とイオン源室５の一部から構成されている。また本実施例では加速・集束レンズ電極３が輻射シールド１２となっている。エミッタチップ１の冷却温度が高い場合には、本実施例のような簡易型輻射シールドにしてもよい。これによって本実施例では実施例７の効果に加えて、構造が簡単になり、小型化できるというメリットがある。
　図９はイオンビーム装置の第９の実施例を説明する図である。第１から第８の実施例では、ガス供給配管４およびイオン化ガスの導入口が側面部に設けられていたが、これらを上面に配置しても良い。当然、第１から第８の例に適用できる。
　図１０はイオン化ガスの導入口の配置位置を説明するものである。先にも述べたように、ガスイオン化室６内部で最もガス圧が高いのはイオン化ガスの導入口近傍である。前述の通り、エミッタチップ１近傍のガス圧は、ガスを効率的にイオン化するためにガス圧は高くしたいが、イオン化されたガスがイオンビームとなり通過してゆく空間は、イオン化ガスでイオンビームが散乱することを防ぐためにガス圧を低くしたい。
　そこで、イオンが通過する光軸をＺ軸２０とし、エミッタチップ１からイオン化されたガスが引出電極２により引き出されて進む方向をＺ軸２０の正方向とすると、引出電極のエミッタチップ側の面である引出電極上面位置１４に存在するＺ軸２０に垂直な平面を境界（Ｚ＝０の位置）として、マイナスＺ側の空間にイオン化ガスの導入口を配置する。すなわち、ガス導入口１６は、引出電極２のエミッタチップ側の面を含む平面よりエミッタチップ１側の空間に設けられる。これによって、ガス圧がガスイオン化室６の内部で最も高いガス導入口１６はイオンビームが通過する空間から離れて設置されることになるので、ガスイオン化室６のガス圧を上げつつ、イオンビームの散乱を抑えることができる。
　また、エミッタチップ１から引出電極２を経て差動排気をしている加速・集束レンズ電極開口部１７へ、またはエミッタチップ１から差動排気をしている引出電極２の開口部へとガスの流れを確実に作りたい場合には、前述した境界平面（Ｚ＝０の位置）をエミッタチップ先端位置１３を含み光軸に垂直な平面として、マイナスＺ側の空間にイオン化ガスの導入口を配置してもよい。すなわち、ガス導入口１６は、イオンビームの光軸と垂直であって前記エミッタチップの先端を含む平面よりエミッタチップ１側の空間に設けられる。
　以上、図１０を用いて説明したガス導入口の配置位置は第１から第９の実施例に適用できる。
　本発明はガス電界電離イオン源を用いるイオンビーム装置であれば適用可能である。以上に説明したイオンビーム装置には、例えば走査イオン顕微鏡や、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して試料内部の構造を反映した情報を得る、透過イオン顕微鏡と呼ばれる装置や、質量の重いイオン種を試料に照射してスパッタ作用により試料を加工する集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam）が含まれる。更に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と集束イオンビーム（ＦＩＢ）の複合機ＦＩＢ－ＳＥＭ装置にも適用可能である。
１　エミッタチップ
２　引出電極
３　加速・集束レンズ電極
４　ガス供給配管
５　イオン源室
６　ガスイオン化室
７　加速電源
８　引出電源
９　イオン源真空排気用ポンプ
１０　試料室
１１　試料室真空排気用ポンプ
１２　輻射シールド
１３　エミッタチップ先端位置
１４　引出電極上面位置
１５　ガス源
１６　ガス導入口
１７　加速・集束レンズ電極開口部
１８　開口部
１９　引出電極開口部
２０　Ｚ軸

Claims (7)

  1. 　ガス電界電離イオン源から発生するイオンビームを試料に照射することで試料の観察または加工を行う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、
    　陽極となるエミッタチップと、
    　陰極となる引出電極と、
    　前記エミッタチップの先端部と前記引出電極の間の空間にガス導入口からガスを供給するガス導入部と、
    　前記エミッタチップと前記引出電極とを収容し、前記ガスを排出する排気口を備えた真空容器とを有し、
    　前記ガス導入口は接地電位の構造体に設けられていることを特徴とするイオンビーム装置。
  2. 　請求項１に記載のイオンビーム装置であって、
    　前記構造体は、前記イオンビームを加速、または集束するレンズ電極であることを特徴とするイオンビーム装置。
  3. 　請求項１に記載のイオンビーム装置であって、
    　前記構造体は、前記エミッタチップを囲むように設けられることを特徴とするイオンビーム装置。
  4. 　請求項１に記載のイオンビーム装置であって、
    　前記引出電極は前記エミッタチップと対向して設けられ、
    　前記引出電極と前記構造体は、前記エミッタチップを囲むように設けられることを特徴とするイオンビーム装置。
  5. 　請求項２に記載のイオンビーム装置であって、
    　前記構造体は、前記エミッタチップを囲むように設けられ、かつ、前記イオンビームが通過する開口部を有し、
    　前記ガスは、前記開口部を通して差動排気されることを特徴とするイオンビーム装置。
  6. 　請求項１に記載のイオンビーム装置であって、
    　前記ガス導入部のガス導入口は、前記イオンビームの光軸と垂直であって前記エミッタチップの先端を含む平面より前記エミッタチップ側に設けられることを特徴とするイオンビーム装置。
  7. 　請求項１に記載のイオンビーム装置であって、
    　前記ガス導入部のガス導入口は、前記引出電極の前記エミッタチップ側の面を含む平面より前記エミッタチップ側に設けられることを特徴とするイオンビーム装置。
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