WO2020044429A1 - イオンビーム装置 - Google Patents

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WO2020044429A1
WO2020044429A1 PCT/JP2018/031714 JP2018031714W WO2020044429A1 WO 2020044429 A1 WO2020044429 A1 WO 2020044429A1 JP 2018031714 W JP2018031714 W JP 2018031714W WO 2020044429 A1 WO2020044429 A1 WO 2020044429A1
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WO
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ion beam
sample
gas
deflector
ion
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PCT/JP2018/031714
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English (en)
French (fr)
Inventor
信一 松原
志知　広康
明佳 倉田
まさみ 井古田
Original Assignee
株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

Definitions

  • the present invention relates to an ion beam device.
  • the structure of the sample surface can be observed by focusing the electron beam through the electromagnetic field lens, irradiating the sample with the electron beam while scanning the beam, and detecting charged particles (secondary electrons) emitted from the sample. This is called a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the SEM can observe only the surface of the sample.
  • a device that focuses an ion beam through an electrostatic lens, irradiates the sample, and finely processes the irradiated portion is referred to as a focused ion beam device (Focused Ion Beam: FIB).
  • FIB-SEM having an FIB and an SEM has been developed.
  • TEM transmission electron microscope
  • Gas Field Ionization Source Technology can be used to evaluate the three-dimensional structure of a sample with high resolution and in a short time.
  • GFIS Gas Field Ionization Source
  • a high voltage is applied to a metal emitter tip having a radius of curvature of about 100 nm or less at the tip, an electric field is concentrated at the tip, and a gas is introduced near the tip (ionized gas). It is ionized and extracted as an ion beam.
  • an ion beam emitted from the GFIS is compared with an ion beam emitted from a liquid metal ion source or an ion source using a plasma phenomenon. Since the energy width is small and the light source size is small, the ion beam can be finely focused.
  • GFIS is characterized by changing the ion species to be extracted by changing gas molecules.
  • ions with a large mass, such as neon or argon, to reduce damage to the sample during observation, or conversely, It is possible to increase the processing speed during processing.
  • GFIS can theoretically acquire a three-dimensional structure of a sample with a higher resolution than FIB-SEM.
  • Patent Literature 1 describes an ion beam apparatus, “When observing, processing, and measuring with an ion beam, irradiation can be performed while changing ion energy. Depending on setting conditions, ultra-high-resolution observation, low-damage observation, and high- To provide an ion beam device that realizes accurate dimension measurement and ultra-fine high-speed processing.
  • an ion beam apparatus equipped with a gas field ion source capable of ionizing at least two types of gases and an electrostatic objective lens composed of four electrodes When the first acceleration voltage is applied, the voltage applied to each electrode of the electrostatic lens and the sample voltage are different from the first acceleration voltage when irradiating the second type of gas ions.
  • An ion beam apparatus comprising: a control device that stores at least an applied voltage to each electrode of the electrostatic lens and a sample voltage with respect to the acceleration voltage of (i). ] (See abstract).
  • Patent Literature 2 describes an ion beam apparatus, which describes "in a technique for observing a cross section of an electronic component, processing a sample using an ion beam extracted from the same ion source, and observing a processed portion of the sample.
  • Provide ion beam processing and observation technology that enables "In an ion source capable of switching between a gas ion beam type for processing a sample and a gas ion beam type for observing the sample, gas cylinders 53 and 54, gas pipes, gas amount adjustment valves 59 and 60, and At least two introduction systems including stop valves 57 and 58 are provided.
  • the gas pressure condition in the vacuum vessel can be set by each gas amount adjustment valve, and the operation of the stop valve of each gas system Switches the gas introduced into the vacuum vessel to form a pyramid structure of atoms at the tip of the emitter tip. ] (See abstract).
  • the GFIS-SIM uses, for example, helium ions having a low mass when the user wants to observe the sample, and neon ions having a relatively heavy mass, for example, when the user wants to process the sample.
  • the gas When switching the ion beam, the gas must be exhausted from the GFIS ion source and then the ionized gas to be switched must be introduced. Therefore, it takes a considerable time to replace the gas.
  • Hydrogen ions released from the GFIS include, for example, H + , H 2 +, and H 3 + .
  • Hydrogen ions are suitable for observation of the sample surface because of their light mass.
  • H 3 + has a small energy dispersion width, has excellent convergence, and is suitable for improving the resolution during observation.
  • bubbling in which gas molecules stay inside the sample by continuing to irradiate the sample with highly accelerated hydrogen ions, becomes apparent, and the flatness of the sample surface is impaired by pushing up the sample surface. It was found to occur.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an ion beam apparatus capable of efficiently and accurately obtaining information on a three-dimensional structure of a sample.
  • the ion beam device is provided with an ion source capable of generating a plurality of types of ion beams, and by repeatedly shaving the sample surface in the thickness direction of the sample and observing the surface shape, the sample is repeated. The surface shape at each position in the thickness direction is obtained.
  • the gas switching time can be suppressed to improve the observation efficiency, and the change in the sample surface shape due to the sample observation can be suppressed.
  • information on the three-dimensional structure of the sample can be obtained efficiently and accurately.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the ion beam apparatus 1000 according to the first embodiment.
  • 3 is a graph showing a time change of a current amount of a hydrogen ion beam emitted from a gas field ion source 1. An example of a scanned ion image whose surface is raised by irradiation with a hydrogen ion beam at an acceleration voltage of 30 kV is shown.
  • FIG. 3B is a schematic sectional view of FIG. 3A. It is a scanning ion image at the time of irradiating with argon ion. It is a surface enlarged image at the time of irradiating with argon ion.
  • FIG. 4B is a schematic sectional view of FIG. 4B.
  • FIG. 4B is a schematic sectional view of FIG. 4B.
  • FIG. 7 is a diagram showing a state in which a heavy ion irradiation range 80 of a sample 31 is irradiated with a low acceleration heavy ion beam. It is sectional drawing of FIG. 5A. It is sectional drawing explaining the mode that observation and processing are repeated. This is an example in which the irradiation region of the low-acceleration heavy ion beam is changed during repetition of processing and observation. The results are obtained by irradiating the sample with a neon ion beam at an acceleration voltage of 2 kV to reveal the internal structure of the sample, and then observing the sample surface with a hydrogen ion beam of 30 kV. 6 is an example of a GUI provided by the arithmetic unit 792.
  • a FIB-SEM which is a combination of a focused ion beam device (FIB) and a scanning electron microscope (SEM), processes a sample by irradiating the electron beam with, for example, a Ga + beam from a lateral or oblique direction. Information on the structure in the depth direction can be observed by SEM. On the other hand, the resolution of the SEM has to be sacrificed due to the restriction of arranging two beam columns. Since state-of-the-art semiconductor devices have a very fine and three-dimensional structure, it is necessary to achieve both sufficient resolution and information acquisition of the three-dimensional structure for inspection and measurement. The current FIB-SEM is unlikely to meet that requirement. Although very good resolution can be expected by TEM observation, much time is required for sectioning and thinning the sample. In semiconductor manufacturing, the time required for inspection is an important issue directly related to manufacturing costs. GFIS has been developed to address this issue.
  • the gas introduced into the ion source is switched, the extraction voltage is changed, and an electric field matching the ionization energy inherent in the replaced gas molecule is generated at the tip of the emitter. Thereby, an ion beam corresponding to the replaced gas molecules can be emitted.
  • the problem is that when the gas of the ion source is replaced, a required time corresponding to the exhaust capacity of the pump and the exhaust conductance of the ion source is required.
  • ⁇ Issue 2 Acceleration voltage>
  • the processing ion beam and the observation ion beam are incident in the same direction (usually perpendicular to the sample surface).
  • the ion beam acceleration is high during processing, it is not limited to the effect of sputtering and removing atoms on the surface layer.
  • the mixing effect of moving the position of atoms in the lower layer by the irradiated heavy ions occurs. Thus, there is a problem that an interesting structure is destroyed or changed before observation.
  • Hydrogen ions released from the GFIS include, for example, H + , H 2 +, and H 3 + .
  • Hydrogen ions are suitable for observation of the sample surface because of their light mass.
  • H 3 + has a small energy dispersion width and excellent convergence, and is suitable for improving the resolution during observation.
  • bubbling a phenomenon called bubbling, in which gas molecules stay inside the sample, becomes apparent, and there is a problem that information on the original structure is lost by pushing up the sample surface. This was newly found by the study of the inventors. In order to correctly extract information on the three-dimensional structure from the upper layer to the lower layer, it is necessary to suppress the bubbling phenomenon caused by irradiation with hydrogen ions.
  • ⁇ Basic principle of the present invention By using a combination of a light ion beam (for example, a hydrogen ion beam) and a heavy ion beam (for example, a neon ion beam) under the following conditions, the present inventors do not impair the stability of the observation ion beam current. It has been found that the ion beam can be switched.
  • a light ion beam for example, a hydrogen ion beam
  • a heavy ion beam for example, a neon ion beam
  • the ionization energy of neon gas is larger than the ionization energy of hydrogen gas.
  • the electric field strength at the tip of the emitter tip changes when hydrogen gas is ionized. Is greater than the electric field strength. That is, whenever the ion beam is switched from neon ions to hydrogen ions, the electric field strength at the tip of the emitter tip always changes from the larger to the smaller.
  • Hydrogen gas is a particularly common gas species among gases remaining when the pressure in the vacuum chamber is set to an ultra-high vacuum by baking, and when releasing ions other than hydrogen from GFIS, hydrogen gas becomes an impurity. sell.
  • hydrogen gas is introduced and ionized, the hydrogen gas is not an impurity, and the stability of the ion beam is relatively higher than that of other ion beams.
  • ion beams with small mass used for observation require a high degree of stability
  • ion beams used for processing can be used even if the amount of ion beam current is not stable as long as the surface of interest is sputtered uniformly. Good. That is, by controlling the irradiation amount (dose amount) of the ion beam, the time integration of the ion beam current for each irradiation position can be made uniform, and atoms can be uniformly removed from the surface. Therefore, it is considered that this problem can be solved if the current amount of the hydrogen ion beam for observation can be stabilized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an ion beam apparatus 1000 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the gas field ion source 1 includes an emitter electrode (emitter tip) 11 having a needle-like tip, an extraction electrode 13, a refrigerator 4, a vacuum chamber 17, a vacuum exhaust device 16, a gas introduction mechanism 37, and high-voltage power supplies 111 and 112. , Is provided.
  • the extraction electrode 13 has an opening at a position facing the emitter electrode 11.
  • the refrigerator 4 cools the emitter electrode 11.
  • the refrigerator 4 has a refrigerator main body 41, and the refrigerator main body 41 has a first stage 412 and a second stage 413.
  • the vacuum chamber 17 houses the emitter electrode 11, the first stage 412, and the second stage 413.
  • the evacuation device 16 evacuates the vacuum chamber 17.
  • the gas introduction mechanism 37 supplies hydrogen gas, neon gas, or other gas into the vacuum chamber 17 individually or simultaneously.
  • the high-voltage power supply 111 applies a voltage to the emitter electrode 11, and the high-voltage power supply 112 applies a voltage to the extraction electrode 13, and positively ionizes the gas near the tip of the emitter electrode 11 by a potential difference between the two. Create an electric field.
  • the high-voltage power supplies 111 and 112 can be controlled independently of each other, whereby the acceleration voltage of the ion beam and the extraction voltage for forming the ionizing electric field can be controlled independently.
  • the high voltage power supply 112 connected to the extraction electrode 13 is based on a power supply capable of bipolar output or a potential supplied by the high voltage power supply 111. It is preferable to use a negative power supply. Thus, it is possible to set an acceleration voltage of the ion beam which is lower than an extraction voltage necessary for extracting hydrogen ions or neon ions.
  • the gas introduction mechanism 37 has a gas nozzle 371, a gas flow control valve 374, and a gas cylinder 376.
  • a gas is introduced into the gas nozzle 371 and the vacuum chamber 17.
  • the gas flow adjustment valve 374 adjusts the gas flow.
  • the gas cylinder 376 contains a raw material gas.
  • a high voltage is first applied between the emitter electrode 11 and the extraction electrode 13.
  • An electric field is concentrated on the tip of the emitter electrode 11 by applying a high voltage. If the intensity of the electric field formed at the tip is sufficient for positive ionization of hydrogen, and a gas containing hydrogen gas is introduced into the vacuum chamber 17 using the gas introduction mechanism 37 in this state, the tip of the emitter electrode 11 A hydrogen ion beam is emitted.
  • a gas containing neon gas is introduced into the vacuum chamber 17 using the gas introduction mechanism 37 in this state, neon from the tip of the emitter electrode 11 An ion beam is emitted.
  • Gases such as helium, argon, krypton, nitrogen, and oxygen can similarly extract an ion beam by appropriate voltage adjustment and gas introduction.
  • the vacuum chamber 17 When no gas is introduced by the gas introduction mechanism 37, the vacuum chamber 17 is maintained at an ultra-high vacuum of 10 ⁇ 7 Pa or less. In order to reach an ultra-high vacuum in the vacuum chamber 17, so-called baking for heating the entire vacuum chamber 17 to 100 degrees or more may be included in the operation of starting the gas field ion source 1.
  • the refrigerator 4 cools the inside of the gas field ion source 1, the emitter electrode 11, the extraction electrode 13, and the like.
  • a mechanical refrigerator such as a Gifford McMahon type (GM type) or a pulse tube type, or a refrigerant such as liquid helium, liquid nitrogen, or solid nitrogen can be used.
  • FIG. 1 illustrates a configuration in the case of using a mechanical refrigerator.
  • the mechanical refrigerator includes a first stage 412 and a second stage 413 of the refrigerator main body 41. Heat from the second stage 413 is transferred to the emitter electrode 11, the extraction electrode 13, and the like by the heat transfer means 416, and these are cooled.
  • the cooling temperature of the first stage 412 is lower than that of the second stage.
  • the first stage 412 may be configured to cool the heat radiation shield 415.
  • the heat radiation shield 415 is configured to cover the second stage of the refrigerator, and more preferably, to cover the emitter electrode 11 and the extraction electrode 13. The effect of thermal radiation from the vacuum chamber 17 can be reduced by the thermal radiation shield 415, and thereby, the second stage 413, the emitter electrode 11, the extraction electrode 13, and the like can be efficiently cooled.
  • the heat transfer means 416 can be made of a metal having good heat conductivity, such as copper, silver, or gold. Further, in order to reduce the influence of thermal radiation, a surface treatment for giving the surface a metallic luster, for example, a treatment such as gold plating may be performed.
  • the vibration generated by the refrigerator 4 is transmitted to the emitter electrode 11, the ion beam has an effect such as deterioration of the resolution of the sample observation image. Therefore, the vibration is transmitted to a part of the heat transfer means 416 like a metal stranded wire. You may comprise using the component which has difficult flexibility.
  • the heat transfer means 416 may be configured so as to transfer heat to the emitter electrode 11 and the extraction electrode 13 by circulating a gas or liquid cooled using the refrigerator 4. When such a configuration is used, the refrigerator 4 can be installed at a position separated from the ion beam apparatus 1000 main body.
  • a means for adjusting the temperature may be provided in the first stage 412, the second stage 413, or the heat transfer means 416.
  • the pressure of the gas introduced into the vacuum chamber 17 should be optimized. Although the total amount of ion current emitted from the emitter electrode 11 can be adjusted by the gas pressure value, the emission ratio of each ion can be adjusted to some extent by adjusting the gas pressure.
  • the raw material gas is introduced from a gas cylinder 376 through a gas flow control valve 374 with a controlled flow rate.
  • the pressure in the vacuum chamber 17 is determined by the balance between the amount of gas exhausted by the vacuum exhaust device 16 and the flow rate of the introduced hydrogen gas.
  • the gas exhaust amount may be adjusted by providing a flow control valve 161 between the vacuum exhaust device 16 and the vacuum chamber 17.
  • a gas mixed at an appropriate ratio may be used.
  • a gas obtained by mixing gas A and gas B is sealed in a gas cylinder 376 so that ions A and B can be released from the ion source.
  • each ion can be emitted by appropriately adjusting the extraction voltage.
  • the gas field ion source has a problem that the ion beam becomes unstable when an impurity gas is mixed therein. That is, there is a problem that the ion beam becomes unstable due to gas mixing.
  • the electric fields required for ionization have values close to each other, and there is a problem that an ion beam is composed of a plurality of ions.
  • the gas pressure introduced into the vacuum chamber 17 be about 0.01 Pa.
  • an inner wall surrounding the emitter electrode 11 may be provided inside the vacuum chamber 17 (not shown). This inner wall is configured to surround the extraction electrode 13, and the airtightness of the extraction electrode 13 except for the hole through which the ion beam 15 passes is maintained. If gas is introduced from the gas nozzle 371 into the inside of the inner wall, the emitter electrode 11 The gas pressure can be increased only at the periphery. With such a configuration, the gas pressure around the emitter electrode 11 can be increased from about 0.1 Pa to about 1 Pa.
  • the upper limit is due to the discharge phenomenon, and the gas pressure that can be introduced differs depending on the potential difference between the emitter electrode 11 and the component having the ground potential or the extraction electrode 13, the gas mixing ratio, and the like.
  • This inner wall may be cooled by the refrigerator 4. Since this inner wall surrounds the emitter electrode 11, the influence of thermal radiation from the vacuum chamber 17 can be reduced if the inner wall is cooled to the same extent as the emitter electrode 11. If the inside of the inner wall is maintained in an ultra-high vacuum state, the entire vacuum chamber 17 does not necessarily need to be maintained in an ultra-high vacuum state.
  • the emitter electrode driving mechanism 18 may be configured to be manually adjusted by a user, or may be automatically adjusted by an emitter electrode driving mechanism controller 181.
  • the ion beam apparatus 1000 includes a gas field ion source 1, a beam irradiation column 7, and a sample chamber 3.
  • the ion beam 15 emitted from the gas field ion source 1 passes through the beam irradiation column 7 and irradiates a sample 31 placed on a sample stage 32 inside the sample chamber 3.
  • the secondary particles emitted from the sample 31 are detected by the secondary particle detector 33.
  • the ⁇ beam irradiation column 7 includes a focusing lens 71, an aperture 72, a first deflector 731, a second deflector 732, a third deflector 733, a fourth deflector 734, and an objective lens 76.
  • the focusing lens 71, the first deflector 731, the second deflector 732, the third deflector 733, the fourth deflector 734, and the objective lens 76 are respectively a focusing lens power supply 711, a first deflector power supply 735, and a second deflector.
  • a voltage is supplied from a power supply 736, a third deflector power supply 737, a fourth deflector power supply 738, and an objective lens power supply 761.
  • each deflector can be composed of a plurality of electrodes that generate an electric field, such as 4 poles, 8 poles, and 16 poles as necessary. It is necessary to increase the number of poles of the power supply of each deflector according to the number of the electrodes.
  • the ion beam 15 is focused by the focusing lens 71, the beam diameter is limited by the aperture 72 like the probe current 151, and further focused by the objective lens 76 to have a fine shape on the sample surface.
  • the first deflector 731, the second deflector 732, the third deflector 733, and the fourth deflector 734 are used for axis adjustment so as to reduce aberration during focusing by a lens, ion beam scanning on a sample, and the like. Used.
  • the beam irradiation column 7 is evacuated using a vacuum pump 77.
  • the sample chamber 3 is evacuated using a vacuum pump 34.
  • a differential evacuation structure may be provided between the gas field ion source 1 and the beam irradiation column 7 and between the beam irradiation column 7 and the sample chamber 3 as necessary. In other words, the space may be kept airtight except for the opening through which the ion beam 15 passes.
  • the vacuum pump 34 for example, a turbo molecular pump, an ion sputtering pump, a non-evaporable getter pump, a sublimation pump, a cryopump, or the like is used. It is not always necessary to use a single pump, and a plurality of pumps as described above may be combined. Further, in conjunction with a gas introduction mechanism 38 described later, the apparatus is configured to operate the vacuum pump 34 only when gas is introduced from the gas nozzle 381, or between the vacuum pump 34 and the sample chamber 3 so as to adjust the exhaust amount. May be provided with a valve.
  • the ion beam apparatus 1000 is provided with, for example, an anti-vibration mechanism 61 so that the emitter electrode 11 of the gas field ion source 1 and the sample 31 installed inside the sample chamber 3 do not vibrate and deteriorate the performance of observation and processing of the sample. It may be configured to be installed on a device gantry 60 composed of a base plate 62 and a base plate 62.
  • the anti-vibration mechanism 61 may be configured using, for example, an air spring, a metal spring, a gel material, rubber, or the like.
  • an apparatus cover that covers the entire or a part of the ion beam apparatus 1000 may be provided.
  • the device cover is preferably made of a material that can block or attenuate pneumatic vibrations from the outside.
  • the sample chamber 3 may be provided with a sample exchange chamber (not shown). If the sample exchange chamber is configured to be able to perform preliminary evacuation for exchanging the sample 31, it is possible to reduce the degree of deterioration of the degree of vacuum in the sample chamber 3 during sample exchange.
  • the output voltage and the cycle of the output voltage may be automatically changed by the device 792 so that the scanning range, scanning speed, scanning position, and the like of the ion beam 15 can be adjusted.
  • the arithmetic unit 792 may be configured to automatically change the emitter electrode drive mechanism controller 181.
  • the arithmetic unit 792 may store control condition values in advance, and may be configured so that the control condition values can be called immediately when necessary and set to the condition values.
  • the sample chamber 3 may be provided with a gas introduction mechanism 38 for introducing a reactive gas near the sample 31 or for introducing a gas that suppresses charging of the surface of the sample 31.
  • the gas introduction mechanism 38 has a gas nozzle 381, a flow control valve 384, and a gas cylinder 386.
  • the reactive gas for example, XeF 2 gas, H 2 O gas, or a halogen-based gas can be used as a gas for promoting the etching of the sample 31.
  • TEOS, a hydrocarbon-based gas, or a gas containing a metal such as WF 6 can be used as a gas for promoting the deposition.
  • the processing amount of the sample material changes with respect to the irradiation amount of the ion beam.
  • the processing amount of only a specific sample material may greatly change. For example, if there is a structure of interest inside the sample and the structure is made of a material that is difficult to etch, the structure can be exposed quickly and with little change by ion beam irradiation using an etching gas. . Deposition is effective when there is a place on the sample surface or inside where it is desired to prevent ion beam irradiation.
  • the above-described procedure of processing and observation may include the above-described etching or deposition using gases.
  • ⁇ Embodiment 1 Stabilization of mixed gas and ion current>
  • the inventors of the present application have shown that the stability of a hydrogen ion beam used for observation is improved by using a combination of hydrogen gas and neon gas when processing and observation by sputtering are repeated by switching ion beams to be irradiated a plurality of times.
  • the hydrogen ion beam is specifically stabilized when an electric field sufficiently larger than that for ionizing hydrogen is generated at the tip of the emitter electrode 11 and then returned to an electric field suitable for hydrogen ionization. .
  • a specific example will be described below.
  • FIG. 2 is a graph showing the time variation of the current amount of the hydrogen ion beam emitted from the gas field ion source 1. After the electric field return time 155, a hydrogen ion beam stabilization interval 154 exists. Thereafter, the current amount of the hydrogen ion beam becomes relatively unstable at the hydrogen ion beam unstable interval 156.
  • the present inventors have further found that the electric field at the tip of the emitter electrode 11 required for ionization of neon is sufficient as an electric field for stabilizing the hydrogen ion beam. Therefore, by alternately changing the electric field at the tip of the emitter electrode 11 so as to alternately switch between the neon ion beam and the hydrogen ion beam, it is possible to extract a hydrogen ion beam having excellent stability intermittently and suitable for observation of a sample. Can be.
  • the stability of the beam used for observation is particularly important because it directly affects the quality of the observed image.
  • the stability of the beam used for processing is not as important as the stability of the observation beam during relatively simple processing such as removing atomic layers on the surface. This is because the amount of processing is almost determined by the total amount of current per surface of the irradiated ion beam. Therefore, even if the ion current of the neon beam is temporally unstable, a desired amount of processing can be stably provided by controlling the total amount of irradiation.
  • a Faraday cup for measuring an ion current may be arranged inside the beam irradiation column 7 for controlling the irradiation current amount. Further, an electric wire and an ammeter for measuring an ion current may be provided on the sample stage 32.
  • FIG. 3A shows an example of a scanned ion image whose surface is raised by irradiation with a hydrogen ion beam at an acceleration voltage of 30 kV.
  • the inventors of the present application have found that when the sample 31 is irradiated with the hydrogen ion beam, the surface of the sample may be raised and a surface protrusion 821 may occur. Although different depending on the type of the sample 31, such a phenomenon does not occur immediately after irradiation, and when a certain threshold value is exceeded, the sample starts to protrude.
  • FIG. 3B is a schematic sectional view of FIG. 3A.
  • the irradiation range 823 is irradiated with the hydrogen ion beam
  • the hydrogen gas staying inside the sample is aggregated to form a gas aggregate 822, which displaces the surrounding atoms and forms a bubble-like shape. Occurs. That is, the inventors of the present application have found that when the structure of the sample is deformed by the surface protrusion 821 caused by the gas aggregate 822, information on the structure inside the sample, which was originally obtained, is lost.
  • FIG. 4A is a scanning ion image when argon ions are irradiated.
  • argon ions When irradiated with argon ions, no surface bulge as shown in FIG. 3A was generated, and atoms on the surface were removed by sputtering as shown in an argon ion irradiation range 824 to form a rectangular dent.
  • FIG. 4B is an enlarged image of the surface when argon ions are irradiated.
  • argon ion irradiation process as shown in FIG. 4B, a large number of small surface protrusions 825 were generated at the portions irradiated with argon.
  • FIG. 4C is a schematic sectional view of FIG. 4B. It can be expected that gas aggregates 826 smaller than the hydrogen irradiation are generated in the lower layer of the sample. Further, at a high accelerating voltage of 30 kV, when the type of ions is switched to a heavy type, the structure inside the sample may be destroyed before observing the structure inside the sample due to the effect of mixing.
  • ⁇ Embodiment 1 Acceleration voltage and sputtering rate>
  • the depth at which the ions penetrate into the sample when the sample is irradiated also depends on the acceleration energy of the ions. By reducing the acceleration, the penetration depth becomes shallower, so that the occurrence of the phenomenon such as the surface bump 821 should tend to be suppressed.
  • an ion beam used for observation requires a resolution of at most 1 nm or less and a corresponding diameter of the ion beam, so that acceleration of at least about 30 kV is required. Therefore, it is necessary to change only the ion beam used for processing to low acceleration.
  • changing the acceleration voltage of the ion beam involves significant changes in the optical conditions. Therefore, changing the ion beam type within a short period of time (for example, within seconds or minutes) and changing the acceleration voltage at the same time Is usually inconceivable.
  • the present inventors have found that the accompanying mechanical axis adjustment by the emitter electrode driving mechanism 18 can be omitted. In other words, when irradiating the observation ion beam, the axis adjustment and optical conditions that were originally optimized for the observation ion beam were used, and when irradiating the processing ion beam, it was optimized for the processing ion beam.
  • the axis adjustment and the optical conditions are used, but in the first embodiment, the axis adjustment is common to both ion beams. Specifically, for the following reasons, it is considered unnecessary to finely adjust the angle of the emitter electrode 11 using the emitter electrode driving mechanism 18 for the processed ion beam.
  • the diameter of the processing ion beam is larger than the diameter of the observation ion beam. Therefore, it can be said that the irradiation position of the processing ion beam may have lower accuracy than the irradiation position of the observation ion beam.
  • the time integration of the ion beam current is uniform for each irradiation position, the irradiation surface can be processed flat, so that there is no need to strictly control the individual irradiation positions. For the above reasons, when irradiating the processing ion beam, the same angle and the like of the emitter electrode 11 as when irradiating the observation ion beam are used, and the optimal optical conditions are used for each ion beam. .
  • the emitter electrode driving mechanism 18 the user may adjust the optimal conditions of the first deflector 731, the second deflector 732, the third deflector 733, the fourth deflector 734, the focusing lens 71, the objective lens 76, and the like. This is assumed to be condition A.
  • the condition A is for the emitter electrode driving mechanism controller 181 or the first deflector power supply 735, the second deflector power supply 736, the third deflector power supply 737, the fourth deflector power supply 738, the focusing lens power supply 711, the objective lens power supply 761, etc.
  • Each condition may be stored in advance individually or collectively and stored in the arithmetic unit 792 so that each condition is called at a desired timing.
  • the original optical conditions are highly reproduced.
  • all types may use an electric field instead of a magnetic field.
  • the electrostatic lens and the electrostatic deflector have no hysteresis, and have an effect of improving the reproducibility when changing the conditions.
  • a low-acceleration heavy ion beam is emitted from the emitter electrode 11 and irradiated onto the sample 31 to sputter the atomic layer on the surface in order to observe the lower layer.
  • the voltage applied to the emitter electrode 11 and the extraction electrode 13 is such that a positive electric field is always generated in the emitter electrode 11 even when the acceleration voltage and the extraction voltage are changed, or even if a negative electric field is generated,
  • the target set voltage is output from the high-voltage power supply 111 and the high-voltage power supply 112 while being adjusted so that electrons are not emitted from the high-voltage power supply 11.
  • the direction of the ion beam changes according to the optical conditions.
  • the position and angle of the emitter electrode 11 at the time of each ion beam irradiation are common, it is necessary to deflect the processing ion beam toward the irradiation position again.
  • the focusing lens 71 and the aperture 72 are arranged in the path of the processing ion beam.
  • the ion beam does not operate normally.
  • the condition of the focusing lens 71 may be largely changed from the condition A mainly by focusing on the amount of current irradiating the sample rather than the resolution.
  • the first deflector 731 and the second deflector 732 are for preventing the processed ion beam from being displaced from the focusing lens 71 and the aperture 72 due to the ion beam type switching.
  • the amount may be smaller than the amount of deflection of the third deflector 733 or the fourth deflector 734 that mainly deflects the observation ion beam.
  • the length (thickness) of the first deflector 731 and the second deflector 732 along the optical axis of the ion beam may be shorter than the third deflector 733 and the fourth deflector 734.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating a state in which the heavy ion irradiation range 80 of the sample 31 is irradiated with a low acceleration heavy ion beam.
  • Irradiation may be performed by scanning an ion beam focused smaller than the heavy ion irradiation range 80 over the entire heavy ion irradiation range 80.
  • the scanning is, for example, raster scanning or vector scanning.
  • the operation procedure of vector scanning may be determined by calling a scanning method stored in the apparatus, or a user-defined scanning procedure may be used.
  • the user-defined scanning method may be stored in the arithmetic unit 792 so that a similar scanning can be performed later.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of FIG. 5A.
  • the surface atomic layer at the position of the heavy ion irradiation range 80 is scraped off by the sputter depth 81, and a new lower layer surface A82 appears.
  • the lower layer surface A82 is observed again under the optimum condition A in which high resolution can be obtained with a light beam of high acceleration. That is, the condition A optimized for the observation ion beam can be repeatedly reused every time the observation is performed.
  • FIG. 5B schematically shows a state in which the sample is scraped off in a rectangular parallelepiped shape.
  • the edge portion of the processing range is not perpendicular to the sample surface but slightly tilts.
  • the flat portion of the lower surface A82 is limited to the vicinity of the center of the heavy ion irradiation range 80. Therefore, when observing a flat region, the irradiation range of the observation ion beam is narrower than the heavy ion irradiation range 80. That is, it is desirable that the entire irradiation range of the observation ion beam be included in the heavy ion irradiation range 80.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating how observation and processing are repeated.
  • an exposed new lower layer surface A82 is observed.
  • the exposed new lower layer surface B83 is observed.
  • a new lower layer surface C84 exposed is observed.
  • the irradiation amount of the low acceleration heavy ion beam may be adjusted so that the sputter depth during processing, that is, the width of the sputter removal layer is always constant.
  • the hydrogen ion beam Because the hydrogen ion beam has a high acceleration voltage, it reaches a deeper position on the sample 31. Therefore, in the process of FIG. 6A, if the irradiation of the hydrogen ion beam is repeated, even if the observation site is removed by the processing ion beam, the bubbling may occur due to the accumulation of the influence of the hydrogen ion beam in the lower layer. There is. In order to prevent such bubbling in the sample lower layer, the thickness of the lower layer surface A82, the lower layer surface B83, the lower layer surface C84, and the like may be appropriately adjusted.
  • FIG. 6B is an example in which the irradiation area of the low acceleration heavy ion beam is changed during repetition of processing and observation.
  • an atomic layer in a range narrower than the sputter-removed layer D811 such as the sputter-removed area E812, the sputter-removed layer F813, and the sputter-removed layer G814 is removed and the lower layer is removed. It may be configured to observe.
  • the depth and the interval of each sputter removal layer may be determined with reference to a previously input value such as a design value of a sample which can be known in advance.
  • FIG. 7 shows the result of observing the sample surface with a 30 kV hydrogen ion beam after illuminating the sample with a neon ion beam at an acceleration voltage of 2 kV to reveal the internal structure of the sample.
  • the vertical stripe structure of the lower layer of the sample which is not visible, can be observed in addition to the horizontal stripe structure of the upper layer of the sample. You can see that.
  • the ion beam apparatus 1000 includes an operation mode for observing the sample 31 by irradiating a light ion beam (for example, a hydrogen ion beam, hereinafter the same in this summary) and a heavy ion beam (for example, a neon ion beam, By repeating the operation mode of irradiating the surface of the sample 31 by irradiating the three-dimensional structure of the sample 31, a three-dimensional structure of the sample 31 is obtained. This makes it possible to accurately obtain the three-dimensional structure of the sample 31 while suppressing the effect of bubbling caused by the hydrogen ion beam.
  • a light ion beam for example, a hydrogen ion beam, hereinafter the same in this summary
  • a heavy ion beam for example, a neon ion beam
  • the ion beam apparatus 1000 supplies a mixed gas obtained by mixing the raw material elements of each ion beam to the vicinity of the emitter electrode 11 and generates each ion beam by switching the ionization voltage. Further, the ionization energy of the heavy ion beam is larger than the ionization energy of the light ion beam.
  • the ion beam can be switched in a short time, and as described in the first problem, the light ion beam current during observation can be stabilized.
  • the ion beam device 1000 forms each ion beam such that the diameter of the heavy ion beam is larger than the diameter of the light ion beam. Further, the irradiation amount is strictly controlled for the light ion beam current (the ion current at each time falls within a predetermined range), and the time integration of the ion current for the heavy ion beam current is uniform at each irradiation position. So that Thus, the irradiation position and the ion current of the heavy ion beam need not be strictly controlled as compared with the light ion beam. Therefore, even if the heavy ion beam current is unstable, the surface of the sample 31 can be uniformly processed.
  • the position and the angle of the emitter electrode 11 are made common at the time of light ion beam irradiation and at the time of heavy ion beam irradiation. adjust). This eliminates the need to mechanically finely adjust the emitter electrode 11 when switching the ion beam type, thereby improving the throughput. Further, since the deflector is disposed closer to the emitter electrode 11 than the focusing lens 71 and the aperture 72, the heavy ion beam can be deflected so that the heavy ion beam surely passes through the ion beam switching.
  • the ion beam apparatus 1000 uses a high acceleration light ion beam when observing a sample, and uses a low acceleration heavy ion beam when processing a sample. Thereby, the accuracy of the observation position can be improved during sample observation, and damage to the sample lower layer can be suppressed during processing.
  • FIG. 8 is an example of a GUI (Graphical User Interface) provided by the arithmetic device 792.
  • the number-of-scans setting column 90 is a column for inputting the number of times the entire surface of the heavy ion irradiation range 80 is scanned.
  • the scanning speed setting column 91 is a column for inputting a scanning speed.
  • the irradiation amount setting column 92 is a column for inputting the irradiation amount of the low acceleration heavy ion beam. The irradiation amount of the ion beam is determined by how many times the heavy ion irradiation range 80 is scanned by the amount of the probe current 151.
  • the arithmetic unit 792 automatically calculates other values. May be displayed on the GUI.
  • the observation image display column 93 is a column for displaying a scanning ion image observed with a highly accelerated light ion beam.
  • a configuration may be adopted in which the user can specify, for example, a specification frame 94 for determining the heavy ion irradiation range 80 using a pointing device or the like.
  • the designation frame 94 may be configured to be simultaneously displayed on a large number of GUIs. With this function, the user can specify a number of irradiation ranges at the same time, and can simultaneously expose different observation surfaces inside the sample, thereby making observation faster.
  • the position at which the probe current 151 is applied to the sample 31 depends on the optical condition. It will be different according to the difference.
  • the irradiation range is designated by the designation frame 94 on the scanned ion image observed with the high acceleration light ion beam, it is necessary to perform calibration so that the low acceleration heavy ion beam is actually irradiated to that location.
  • calibration can be performed by leaving a processing mark at an appropriate position on the surface of the sample 31 with a low acceleration heavy ion beam and observing the processing mark with a high acceleration light ion beam.
  • a calibration button 95 may be provided on the GUI to initiate this procedure automatically or semi-automatically.
  • the procedure of the spatter removal and observation as described above may be displayed on a GUI and edited.
  • a setting column 96 for setting the number of repetitions may be provided on the GUI.
  • Two or more acceleration conditions may be changed during repetition of processing and observation.
  • irradiating with a heavy ion beam with a further reduced acceleration reduces damage to the structure that you want to observe.
  • the result can more closely reflect the sample structure.
  • neon ions with an acceleration voltage of 2 kV penetrate into the interior by about 20 nm. Therefore, neon ions with extremely low acceleration (for example, 500 V or less) are further irradiated and sputtered to a depth of 20 nm. Accordingly, it is possible to reduce the damage caused by the mixing effect generated inside the sample.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described above.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment.
  • the metal of the emitter electrode 11 may be a metal having a body-centered cubic lattice structure or a hexagonal close-packed structure.
  • metals such as tungsten, tantalum, molybdenum, niobium, rubidium, ruthenium, titanium, and beryllium may be used.
  • iridium or tantalum which has excellent chemical resistance may be used as the metal of the emitter electrode 11. If a metal having excellent chemical resistance is used, the effect that the emitter electrode 11 is eroded by the ionized gas or the impurity gas contained in the ionized gas is suppressed, and an effect that the ion source operates stably is expected.
  • the metal of the emitter electrode 11 may be a single crystal.
  • an axis with good symmetry such as the ⁇ 111> orientation of tungsten, in the major axis direction of the emitter electrode 11, it may be configured such that an atomic-sized projection can be easily formed at the tip of the emitter electrode.
  • the emitter electrode 11 may be heated to terminate the tip of the emitter electrode 11 to three or less atoms, preferably one atom.
  • a gas such as O 2 or N 2 may be introduced into the vacuum chamber 17 while heating the emitter electrode 11.
  • a gas such as O 2 or N 2 may be introduced into the vacuum chamber 17 while applying a high voltage between the emitter electrode 11 and the extraction electrode 13.
  • the emitter electrode 11 may be composed of a needle containing tungsten as a main component, and a noble metal, for example, iridium, palladium, platinum, or the like may be deposited on the surface of the emitter electrode 11, and then the emitter electrode 11 may be heated.
  • a noble metal for example, iridium, palladium, platinum, or the like
  • the optical design for irradiating the sample with the ion beam may be changed depending on which performance is important. Therefore, the beam irradiation column 7 may further include a lens for converging the ion beam 15 and a deflector for deflecting the ion beam 15 as necessary, may change the order of arrangement, and may take other elements. You may look in.
  • the ion beam device 1000 may include an electron beam irradiation function unit in addition to the ion beam irradiation function.
  • the electron beam can be used, for example, to obtain an observation image of the sample 31.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

本発明は、試料の３次元構造についての情報を効率的かつ精度よく取得することができるイオンビーム装置を提供することを目的とする。本発明に係るイオンビーム装置は、複数種のイオンビームを生成することができるイオン源を備え、試料の厚さ方向において試料表面を均一に削って表面形状を観察することを繰り返すことにより、試料の厚さ方向の各位置における表面形状を取得する（図１参照）。

Description

イオンビーム装置
 本発明は、イオンビーム装置に関する。
　電磁界レンズを通して電子ビームを集束し、これを走査しながら試料に照射して、試料から放出される荷電粒子（２次電子）を検出することにより、試料表面の構造を観察することができる。これを走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）と呼ぶ。ＳＥＭは試料の表面のみ観察することができる。一方で静電レンズを通してイオンビームを集束し、試料に照射して照射した箇所を微細に加工する装置を集束イオンビーム装置（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）と呼ぶ。近年ではＳＥＭにＦＩＢを併設した装置ＦＩＢ－ＳＥＭが開発されている。この技術を用いると、試料を加工しながら観察することができ、試料の３次元的な構造についての情報も取得することができる。さらにこの技術を用いると試料の所望の位置から薄膜切片試料を取り出すことができる。この薄膜試料を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察することにより、試料の３次元的な情報を得ることもできる。
　しかしながら、上記のような試料の３次元構造を取得する技術は課題がある。ＦＩＢ－ＳＥＭにおいてはＳＥＭカラムとＦＩＢカラムを併設しているので、ＳＥＭの分解能が犠牲になる。ＴＥＭ観察は分解能の面においては問題ないが、薄膜試料作製に時間を擁する点が課題である。特に近年構造が３次元化してきている半導体デバイスの検査計測においては、評価にかかる時間はコストに直結する。
　ガス電界電離イオン源技術（Ｇａｓ　Ｆｉｅｌｄ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｏｕｒｃｅ：ＧＦＩＳ）は、試料の３次元構造を高分解能かつ短時間で評価するために用いることができる。ＧＦＩＳは、好ましくは先端の曲率半径を１００ｎｍ程度以下にした金属製のエミッタティップに高電圧を印加し、先端に電界を集中させ、その付近にガスを導入し（イオン化ガス）そのガス分子を電界電離し、イオンビームとして引き出すものである。
　ＧＦＩＳを用いた走査イオン顕微鏡（ＧＦＩＳ－Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＩＭ）においては、液体金属のイオン源やプラズマ現象を用いたイオン源から放出されるイオンビームに比べて、ＧＦＩＳから放出されるイオンビームはエネルギー幅が狭く、光源サイズが小さいので、イオンビームを微細に集束することができる。
　ＧＦＩＳは、ガス分子を変更することによって引き出すイオン種を変更することが特徴である。試料表面を観察したいときは質量の小さい水素やヘリウムを引き出し、試料表面を加工したいときにはネオンやアルゴンなど質量の大きいイオンを引き出すことにより、観察時の試料へのダメージを減少したり、逆に試料加工時の加工スピードを上げたりすることができる。
　ＧＦＩＳにおける観察と加工の切り替えは、ＦＩＢ－ＳＥＭとは異なり、同一のビームカラムから異なる種類のビームを放出する。したがって、分解能を左右する重要な条件であるレンズと試料の距離（作動距離）を最適に保ったまま切り替え可能である。したがってＧＦＩＳは理論上、ＦＩＢ－ＳＥＭに比べて高い分解能で試料の３次元構造を取得することができる。
　下記特許文献１は、イオンビーム装置に関して、『イオンビームにより観察・加工・計測する際に、イオンエネルギーを変えて照射することが可能で、設定条件によって、超高分解能観察・低損傷観察・高精度寸法計測や極微細高速加工を実現するイオンビーム装置を提供する。』ことを課題として、『少なくとも２種類のガスをイオン化できるガス電界電離イオン源と、４個の電極から構成される静電対物レンズを備えたイオンビーム装置において、 第一種のガスイオンを照射するときの第一の加速電圧に対して、前記静電レンズの各々の電極への印加電圧および試料電圧と、第二種のガスイオンを照射するとき、第一の加速電圧とは異なる第二の加速電圧に対して、前記静電レンズの各々の電極への印加電圧および試料電圧とを少なくとも記憶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。』という技術を開示している（要約参照）。
　下記特許文献２には、イオンビーム装置に関して、『電子部品の断面を観察するための技術において、同一のイオン源から引き出したイオンビームを用いて、試料を加工し、試料の被加工部分の観察を可能にするイオンビーム加工・観察技術を提供する。』ことを課題として、『試料を加工するガスイオンビーム種と試料を観察するときのガスイオンビーム種を切り替え可能なイオン源において、ガスボンベ５３、５４、ガス配管、ガス量調整バルブ５９、６０およびストップバルブ５７、５８とを備えた導入系統を少なくとも２系統備え、各々のガス系統において各々のガス量調整バルブにより真空容器内のガス圧力条件を各々設定でき、各々のガス系統のストップバルブの操作により真空容器内に導入するガスを切り替えてエミッタティップ先端に原子のピラミッド構造を形成する。』という技術を開示している（要約参照）。
特開２０１５－２０４１８１号公報 特開２０１５－１６７１４１号公報
　ＧＦＩＳ－ＳＩＭは、ユーザが試料を観察したい場合は例えば質量の軽いヘリウムイオンを用い、試料を加工したい場合は例えば比較的質量の重いネオンイオンを用いる。イオンビームを切り替える際には、逐一ガスをＧＦＩＳイオン源から排気してから、切り替えたいイオン化ガスを導入せねばならない。したがって、ガス入替にともなって相応の時間を要する。
　ガス切替時間に関する上記課題を解決するため、観察用途に用いるイオン種を発生させるためのガスと、加工用途に用いるイオン種を発生させるためのガスを混合して導入し、引出電圧の変更によって、瞬時にイオンビームの種類を切り替える手法もいくつか提案されている。しかし、実際に混合ガスをＧＦＩＳに導入すると、イオンビーム電流が不安定になるという不都合が生じることが分かった。イオンビーム電流の不安定は、特に観察像の質を低下させる原因となる。
　ＧＦＩＳから放出される水素イオンとして例えばＨ＋やＨ２ ＋やＨ３ ＋がある。水素イオンは質量が軽いので試料表面の観察に好適である。なかでもＨ３ +はエネルギーの分散幅が小さく集束性に優れ観察時の分解能向上に好適である。ただし高加速の水素イオンを試料に照射し続けることによって、試料内部にガス分子が滞留する、バブリングと呼ばれる現象が顕在化し、試料表面を押し上げることにより試料表面の平坦性が損なわれてしまう課題が生じることが分かった。上層から下層にいたる３次元構造の情報を正しく抽出するためには、上層原子層を除去する際、可能な限り試料表面は平坦に保つ必要があり、バブリング現象はその妨げとなる。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、試料の３次元構造についての情報を効率的かつ精度よく取得することができるイオンビーム装置を提供することを目的とする。
　本発明に係るイオンビーム装置は、複数種のイオンビームを生成することができるイオン源を備え、試料の厚さ方向において試料表面を均一に削って表面形状を観察することを繰り返すことにより、試料の厚さ方向の各位置における表面形状を取得する。
　本発明に係るイオンビーム装置によれば、ガス切替時間を抑制して観察効率を向上させるとともに、試料観察にともなう試料表面形状の変動を抑制することができる。これにより試料の３次元構造についての情報を効率的かつ精度よく取得することができる。
実施形態１に係るイオンビーム装置１０００の構成図である。 ガス電界電離イオン源１から放出される水素イオンビームの電流量の時間変化を示すグラフである。 加速電圧３０ｋＶの水素イオンビーム照射により表面が盛り上がった走査イオン像の例を示す。 図３Ａの断面模式図である。 アルゴンイオンを照射した際の走査イオン像である。 アルゴンイオンを照射した際の表面拡大画像である。 図４Ｂの断面模式図である。 試料３１の重イオン照射範囲８０に低加速の重イオンビームを照射した様子を示す図である。 図５Ａの断面図である。 観察と加工を繰り返す様子を説明する断面図である。 低加速重イオンビームの照射領域を加工と観察の繰り返しのなかで変更する例である。 実際にネオンイオンビームを加速電圧２ｋＶで試料に照射して試料の内部構造をあらわにした後、３０ｋＶの水素イオンビームで試料表面を観測した結果である。 演算装置７９２が提供するＧＵＩの例である。
　以下では本発明の理解を容易にするため、まず現行のイオンビーム装置における課題について説明する。次に本発明の基本的原理について概略を説明する。その後に本発明の実施形態に係るイオンビーム装置の具体的構成について図面を用いて説明する。
＜課題１：ＧＦＩＳの混合ガスについて＞
　集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）と走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が複合したＦＩＢ－ＳＥＭは、電子ビームに対して横もしくは斜めの方向から例えばＧａ＋ビームを照射して試料を加工することにより、試料の深さ方向における構造についての情報をＳＥＭにより観察できる。他方で、２つのビームカラムを配置する制約により、ＳＥＭの分解能を犠牲にせざるを得ない。最先端の半導体デバイスは非常に微細かつ３次元構造を有しているので、その検査や計測には十分な分解能と３次元構造の情報取得を両立することが必要である。現行のＦＩＢ－ＳＥＭはその要求を満たしているとは言い難い。ＴＥＭによる観測によれば非常に良い分解能が期待できるものの、試料の切片化や薄膜化などに多くの時間を要する。半導体製造においては検査の所要時間は製造のコストに直結する重要な問題である。この課題に対処するため、ＧＦＩＳが開発されている。
　ＧＦＩＳのイオンビームを切り替える際には、イオン源に対して導入するガスを入れ替え、引出電圧を変更して入れ替えたガス分子に固有のイオン化エネルギーに合った電界をエミッタ先端に生成する。これにより、入れ替えたガス分子に対応するイオンビームを放出することができる。このとき、イオン源のガスを入れ替える際にポンプの排気能力やイオン源の排気コンダクタンスに対応した所要時間を要する点が課題である。この課題に対処する手法として、使用するイオンビームの原料ガスをあらかじめ混合しておくことが考えられる。この手法はガスを排気する所要時間を省略できるので、イオンビームを高速に切り替えることができる。ただし、ガス分子を安定的にイオン化することを、他の原料ガスが阻害し、イオンビームの電流量が不安定になる新たな課題が生じる。特に観察時に使用するイオンビームの電流量が不安定になると画像の質が劣化するので、可能な限りイオンビーム電流を安定にすることが望まれる。
＜課題２：加速電圧について＞
　ＧＦＩＳが用いるイオンビーム切替手法によれば、加工用イオンビームと観察用イオンビームは同一の方向において（通常は試料面に対して垂直方向）入射することになる。試料表面の観察時の分解能を十分に向上するためにはイオンビームの加速をあげる必要があるが、加工時においてイオンビーム加速が高いと、表層の原子をスパッタし除去する効果だけにとどまらず、照射した重イオンにより下層の原子の位置を動かしてしまうミキシング効果が生じる。これにより、興味ある構造が観察する前に破壊または変化してしまう課題がある。
　この課題に対処するためには、イオンビームの種類を変更する際に、加速電圧を併せて変更することが考えられる。すなわち、試料表面の観察時には高加速の軽イオンを用い、試料表面の原子を除去する際には低加速の重イオンを用いる。低加速の重イオンは、加速が高い場合に比べて、試料内部に侵入する長さが短くなるので、下層における試料破壊を抑制できると考えられるからである。ただしイオンビームの加速電圧を変更するためにはレンズや偏光器や機械軸など多くの調整を伴うので、所要時間を要するという新たな課題が生じる。したがって一般的には、加速電圧は頻繁に変えるべきパラメーターではないと考えられている。
＜課題３：スパッタ率について＞
　興味ある構造よりも小さい直径を持つ加工イオンビームを表面走査して表面をスパッタしようとすると、局所的なスパッタ率の変化により、またはイオンビームの電流量の不安定性により、スパッタが平坦に進まず、興味ある構造を観察する前に破壊または変化してしまう課題がある。
＜課題４：バブリングについて＞
　ＧＦＩＳから放出される水素イオンとして、例えばＨ＋やＨ２ ＋やＨ３ ＋がある。水素イオンは質量が軽いので試料表面の観察に好適である。なかでもＨ３ ＋はエネルギーの分散幅が小さく集束性に優れ、観察時の分解能向上に好適である。ただし高加速の水素イオンを試料に照射し続けることによって、試料内部にガス分子が滞留する、バブリングと呼ばれる現象が顕在化し、試料表面を押し上げることにより、本来の構造の情報が消失する課題が生じることが発明者らの検討によって新たに分かった。上層から下層にいたる３次元構造の情報を正しく抽出するためには、水素イオン照射によるバブリング現象を抑制する必要がある。
＜本発明の基本原理について＞
　本願発明者等は、以下のような条件にしたがって軽イオンビーム（例えば水素イオンビーム）と重イオンビーム（例えばネオンイオンビーム）の組み合わせを用いることにより、観察イオンビーム電流の安定性を損なわず、イオンビームを切り替えることができることを見出した。
＜本発明の基本原理：課題１について＞
　ＧＦＩＳにおいて混合ガスを使用した場合にイオンビーム電流が不安定になる原因として、不純物ガスの存在が挙げられる。不純物ガスがＧＦＩＳのエミッタ先端表面付近に吸着すると、エミッタ先端近傍の電界の分布を大きく乱す。電界の分布が乱れるとこれに応じてイオンビーム放出も乱れる。例えば先端表面付近に不純物が吸着し、局所的に電界が増強される。電界が増強されることにより、不純物が吸着した個所からイオンの放出が始まる。一方で不純物が吸着することにより、エミッタ先端のイオンビームの取り出し箇所からのイオンビーム電流量は減少することになる。これはイオン化される原料ガス分子がイオン化領域に対して供給される量が一定であることによる。
　水素ガスとネオンガスの混合ガスを用いる場合、ネオンガスのイオン化エネルギーは水素ガスのイオン化エネルギーよりも大きいので、ネオンガスをイオン化している際、エミッタティップ先端の電界強度は、水素ガスをイオン化している際の電界強度よりも大きくなる。つまりネオンイオンから水素イオンへイオンビームを切り替えた際には必ずエミッタティップ先端の電界強度は大きい方から小さい方に変化することになる。
　イオンビームの安定性を阻害するガス分子もそれぞれある一定のイオン化エネルギーを持ち、エミッタティップ表面の電界によりイオン化する。ネオンガスのイオン化エネルギーはヘリウムガスのイオン化エネルギーに次いで高く、ほとんどのガス分子はネオンガスがイオン化される先端には接近できない。したがってネオンイオンを放出している際、先端は非常に清浄な状態となる。イオン源がネオンイオン放出から水素イオン放出に切り替わる際には上記の状態を必ず経るので、水素イオンの放出時には先端付近に不純物ガスが少なくイオン電流量は非常に安定する。
　また我々は水素イオンを用いること自体にも有利な点があることを見出した。水素ガスは、真空チャンバの圧力をベーキングにより超高真空とした際に残留するガスのなかでも特に一般的なガス種であり、水素以外のイオンをＧＦＩＳより放出する際には水素ガスが不純物となりうる。これに対して水素ガスを導入してイオン化している場合は、当然水素ガスは不純物ではなく、イオンビームの安定性は他のイオンビームに比べて相対的に高くなる。
　観察に用いる質量の小さいイオンビームが安定性を高度に求められる一方で、加工に用いられるイオンビームは、興味ある表面を一様にスパッタするのであれば、イオンビーム電流量は安定でなくてもよい。すなわち、イオンビームの照射量（ドーズ量）を制御することにより、各照射箇所に対するイオンビーム電流の時間積分を均一にし、表面から一様に原子を除去することができる。したがって、観察用の水素イオンビームの電流量を安定化することができれば、本課題を解決することができると考えられる。
＜本発明の基本原理：課題２について＞
　加速電圧を変更することにより、光学条件なども変化するので、機械的な再調整が必要になるのが一般的である。しかし本願発明者等は、低加速の重イオンビームによる表面原子のスパッタと高加速の軽イオンビームによる高分解能観察を繰り返して試料内部の３次元構造の情報を得るという特殊な状況においては、加速電圧の変更に付随する機械的な軸調整を省略できることを見出した。この結果、イオンビームの照射による表面隆起を抑制しながら、試料内部の３次元構造の情報を忠実に抽出することが可能となった。詳細は後述する。
＜本発明の基本原理：課題３について＞
　ネオンイオンビームを表面に照射する際、観察に用いる水素イオンビームの直径よりもネオンイオンビームの直径を十分大きくすることにより、イオンビーム電流が不安定であり、あるいは表面の素材が不均一でスパッタ率が局所的に変化する場合であっても、表面を一様にさらに平滑に保った状態で原子を除去できることを、本願発明者等は見出した。
＜本発明の基本原理：課題４について＞
　本願発明者等は、水素イオンビームを用いた観察後、低加速のネオンイオンビームを一定量間欠的に照射することにより、バブリング現象を抑制できることを見出した。すなわち、試料内部にガス分子が滞留する前に表面原子を取り除くことによって、バブリングを防ぐことができることを見出した。さらに本願発明者等は、低加速のネオンイオンビームはイオンが試料内に侵入する距離が短く、かつ試料表面の原子を取り除くスパッタ能も十分高く、現実的に上記条件を満たす照射方法が存在することを見出した。さらに低加速のネオンイオンビームの照射によると、下層の興味ある構造をミキシング現象により破壊または大きく変化させることなく、露出可能であることを見出した。
＜実施の形態１：装置構成＞
　図１は、本発明の実施形態１に係るイオンビーム装置１０００の構成図である。ガス電界電離イオン源１は、針状の先端を有するエミッタ電極（エミッタティップ）１１、引出電極１３、冷凍機４、真空チャンバ１７、真空排気装置１６、ガス導入機構３７、高電圧電源１１１と１１２、を備える。
　引出電極１３は、エミッタ電極１１と対向する位置に開口を有する。冷凍機４は、エミッタ電極１１を冷却する。冷凍機４は冷凍機本体４１を有し、冷凍機本体４１は１ｓｔステージ４１２と２ｎｄステージ４１３を有する。真空チャンバ１７は、エミッタ電極１１と１ｓｔステージ４１２と２ｎｄステージ４１３を収容する。真空排気装置１６は、真空チャンバ１７を真空排気する。ガス導入機構３７は、真空チャンバ１７内部に水素ガスまたはネオンガスまたはその他のガスを個別にまたは同時に供給する。高電圧電源１１１はエミッタ電極１１に対して電圧を印加し、高電圧電源１１２は引出電極１３に対して電圧を印加し、両者の間の電位差によってエミッタ電極１１の先端近傍にガスを正イオン化する電界を形成する。
　高電圧電源１１１と１１２は互いに独立して制御することができ、これによりイオンビームの加速電圧とイオン化電界形成のための引出電圧を独立に制御することができる。イオンビームの加速電圧をイオン化エネルギーの大きさにかかわらず自由に変化させるためには、引出電極１３に接続する高電圧電源１１２は正負両極出力可能な電源もしくは高電圧電源１１１が供給する電位を基準として負極性の電源とすることが望ましい。これにより、水素イオンあるいはネオンイオンを引き出すために必要な引出電圧を下回ったイオンビームの加速電圧を設定することができる。
　ガス導入機構３７は、ガスノズル３７１、ガス流量調整バルブ３７４、ガスボンベ３７６を有する。ガスノズル３７１、真空チャンバ１７に対してガスを導入する。ガス流量調整バルブ３７４は、そのガス流量を調整する。ガスボンベ３７６は、原料ガスを収容している。
　ガス電界電離イオン源１のエミッタ電極１１からイオンビーム１５を放出するためには、まずエミッタ電極１１と引出電極１３との間に高電圧を印加する。高電圧の印加によりエミッタ電極１１の先端に電界が集中する。先端に形成された電界の強さが水素の正イオン化に足る強さとし、この状態でガス導入機構３７を用いて水素ガスを含むガスを真空チャンバ１７内に導入すれば、エミッタ電極１１の先端から水素イオンビームが放出される。先端に形成された電界の強さがネオンの正イオン化に足る強さとし、この状態でガス導入機構３７を用いてネオンガスを含むガスを真空チャンバ１７内に導入すれば、エミッタ電極１１の先端からネオンイオンビームが放出される。ヘリウム、アルゴン、クリプトン、窒素、酸素などのガスも同様に適する電圧調整とガス導入によってイオンビームを引き出すことができる。
　真空チャンバ１７内は、ガス導入機構３７によるガスの導入がない場合、１０－７Ｐａ以下の超高真空に保たれている。真空チャンバ１７内を超高真空に到達するため、真空チャンバ１７全体を１００度以上に加熱するいわゆるベーキングをガス電界電離イオン源１の立ち上げ作業に含めてもよい。
　イオンビームの輝度を上昇するためには、冷凍機４によりエミッタ電極１１の冷却温度を調節することが好ましい。冷凍機４は、ガス電界電離イオン源１の内部、エミッタ電極１１、引出電極１３などを冷却する。冷凍機４は例えばギフォードマクマホン型（ＧＭ型）やパルスチューブ型などの機械式冷凍機、または液体ヘリウムや液体窒素、固体窒素などの冷媒を用いることができる。図１では機械式の冷凍機を使用する場合の構成を例示した。機械式冷凍機は、冷凍機本体４１が持つ１ｓｔステージ４１２と２ｎｄステージ４１３からなる。２ｎｄステージ４１３からの熱は伝熱手段４１６によってエミッタ電極１１、引出電極１３などに伝熱され、これらが冷却される。
　１ｓｔステージ４１２は２ｎｄステージよりは冷却温度が低い。１ｓｔステージ４１２は熱輻射シールド４１５を冷却するように構成してもよい。熱輻射シールド４１５は冷凍機２ｎｄステージを、さらに好ましくは、エミッタ電極１１や引出電極１３を、覆うように構成される。熱輻射シールド４１５により真空チャンバ１７からの熱的な輻射による影響を小さくすることができ、これにより２ｎｄステージ４１３、エミッタ電極１１、引出電極１３などを効率よく冷却することができる。
　伝熱手段４１６は熱導率の良い銅や銀や金などの金属で構成することができる。また熱的な輻射の影響を少なくするため、表面が金属光沢を持つような表面処理、例えば金メッキなどの処理をしてもよい。冷凍機４が生じる振動がエミッタ電極１１に伝わるとイオンビームによる試料観察像の分解能の劣化等の影響があるので、伝熱手段４１６の一部を金属製のより線などのように振動が伝わりにくい柔軟性を持つ部品を用いて構成してもよい。同様の理由で、冷凍機４を用いて冷却したガスや液体を循環することにより、エミッタ電極１１と引出電極１３に熱を伝えるように、伝熱手段４１６を構成してもよい。このような構成を用いる場合、冷凍機４をイオンビーム装置１０００本体から隔離された位置に設置することもできる。
　１ｓｔステージ４１２、または２ｎｄステージ４１３、伝熱手段４１６に温度を調節する手段を設けてもよい。温度調節手段によりエミッタ電極１１の温度をそれぞれのイオンビームの輝度が上昇するように調節することにより、試料観察時のシグナルノイズ比と試料加工時のスループットが向上する。
　イオンビームの輝度を上昇するためには、真空チャンバ１７内に導入するガスの圧力を最適にするとよい。ガス圧値によってエミッタ電極１１から放出される総イオン電流量が調整できるが、さらにそれぞれのイオンの放出比率もガス圧調整によってある程度調整できる。原料ガスは、ガスボンベ３７６からガス流量調整バルブ３７４を通して流量を調節して導入される。真空排気装置１６によるガス排気量と導入される水素ガスの流量とのバランスにより、真空チャンバ１７内の圧力が決定される。ガス排気量は真空排気装置１６と真空チャンバ１７との間に流量調整バルブ１６１を設けて調節してもよい。
　ガスボンベ３７６に封入するガスとして、適当な比で混合したガスを用いてもよい。例えばイオンＡとイオンＢがイオン源から放出できるようにするため、ガスＡとガスＢを混合したガスをガスボンベ３７６に封入する。このように構成すると、適宜引出電圧を調整することにより、それぞれのイオンを放出することができる。ただしガス電界電離イオン源では不純物ガスが混入するとイオンビームが不安定になる不具合が生じる課題がある。つまりガス混合によりイオンビームが不安定になる課題がある。また混合したガスのイオン化エネルギーが互いに近いと、イオン化に必要な電界が互いに近い値になり、イオンビームが複数のイオンで構成される課題が生じる。
　 ガス導入機構３７から真空チャンバ１７内部全体にわたって高いガス圧でガスが導入されると、エミッタ電極１１と真空チャンバ１７との間に導入されたガスを介した熱交換が生じることにより、エミッタ電極１１が十分に冷却なされず、真空チャンバ１７が結露するなどの不具合が生じる。またエミッタ電極１１から放出されたイオンビーム１５の光路上全体にわたって水素ガス圧が高い状態であると、イオンビーム１５の一部が散乱されビームの集束性が悪くなるなどの不具合が生じる。このため真空チャンバ１７に導入するガス圧としては約０．０１Ｐａ程度とするのが好適である。
　上記好適ガス圧よりもさらに導入圧力を上げる必要がある場合は、真空チャンバ１７の内部にエミッタ電極１１を囲む内壁を設けてもよい（図示せず）。この内壁が引出電極１３を囲むように構成し、引出電極１３のイオンビーム１５が通過する孔以外の部分の気密を保ち、ガスノズル３７１からガスをこの内壁の内部に導入すれば、エミッタ電極１１の周辺のみガス圧が高める事ことができる。このような構成により、エミッタ電極１１周辺のガス圧を約０．１Ｐａから１Ｐａ程度まで上げることができる。この上限は放電現象によるものであり、エミッタ電極１１と接地電位を持つ構成部品、または引出電極１３との間の電位差、ガスの混合比などにより導入できるガス圧は異なる。この内壁を冷凍機４により冷却してもよい。この内壁はエミッタ電極１１を取り囲むので、エミッタ電極１１と同程度に冷却されていれば真空チャンバ１７からの熱的な輻射の影響を小さくすることができる。内壁内部が超高真空状態に保たれていれば、必ずしも真空チャンバ１７全体が超高真空状態に保たれている必要はない。
　エミッタ電極１１から放出されるイオンビーム１５は非常に指向性が高いので、エミッタ電極駆動機構１８によってエミッタ電極１１の位置や角度を、プローブ電流１５１の集束のために有利な条件になるように調整できるようにしてもよい。エミッタ電極駆動機構１８はユーザが手動で調整できるように、またはエミッタ電極駆動機構コントローラ１８１によって自動で調整できるように構成してもよい。
　イオンビーム装置１０００は、ガス電界電離イオン源１、ビーム照射カラム７、試料室３を備える。ガス電界電離イオン源１から放出されたイオンビーム１５がビーム照射カラム７を通り試料室３の内部の試料ステージ３２の上に設置された試料３１に照射される。試料３１から放出された２次粒子は２次粒子検出器３３で検出される。
　ビーム照射カラム７は、集束レンズ７１、アパーチャ７２、第１偏向器７３１、第２偏向器７３２、第３偏向器７３３、第４偏向器７３４、対物レンズ７６を備える。集束レンズ７１、第１偏向器７３１、第２偏向器７３２、第３偏向器７３３、第４偏向器７３４、対物レンズ７６は、それぞれ集束レンズ電源７１１、第１偏向器電源７３５、第２偏向器電源７３６、第３偏向器電源７３７、第４偏向器電源７３８、対物レンズ電源７６１により電圧が供給される。各偏向器の電極は必要に応じて４極、８極、１６極など電場を生じる複数の電極で構成することができる。この電極の数に応じて、各偏向器の電源の極数を増加する必要がある。
　イオンビーム１５は集束レンズ７１により集束され、アパーチャ７２によりプローブ電流１５１のようにビーム径を制限し、対物レンズ７６により試料表面で微細な形状になるようさらに集束される。第１偏向器７３１、第２偏向器７３２、第３偏向器７３３、第４偏向器７３４は、レンズによる集束の際の収差を小さくなるような軸調整や、試料上でのイオンビーム走査などに用いられる。
　ビーム照射カラム７は真空ポンプ７７を用いて真空排気される。試料室３は真空ポンプ３４を用いて真空排気される。ガス電界電離イオン源１とビーム照射カラム７の間およびビーム照射カラム７と試料室３の間は必要に応じて差動排気構造にしてもよい。つまりイオンビーム１５が通過する開口部を除いて互いの空間が気密に保たれるように構成してもよい。このように構成することにより、試料室３に導入されるガスがガス電界電離イオン源１に流入する量が減り、影響が少なくなる。またガス電界電離イオン源１に導入されるガスが試料室３に流入する量が減り、影響が少なくなる。
　真空ポンプ３４としてはたとえばターボ分子ポンプ、イオンスパッタポンプ、非蒸発ゲッターポンプ、サブリメーションポンプ、クライオポンプなどが用いられる。必ずしも単一である必要はなく上記のようなポンプを複数組み合わせてもよい。また後述するガス導入機構３８と連動して、ガスノズル３８１からガス導入があるときのみ真空ポンプ３４を動作するよう装置を構成するか、または排気量を調整するよう真空ポンプ３４と試料室３の間にバルブを設けてもよい。
　イオンビーム装置１０００は、ガス電界電離イオン源１のエミッタ電極１１や試料室３内部に設置した試料３１などが振動して、試料の観察や加工の性能を劣化しないように、例えば防振機構６１及びベースプレート６２からなる装置架台６０の上に設置するように構成してもよい。防振機構６１は例えば空気ばねや金属ばね、ゲル状の素材、ゴム等を用いて構成してよい。また図示はしていないが、イオンビーム装置１０００全体または一部を覆う装置カバーを設置してもよい。装置カバーは外部からの空気的な振動を遮断、または減衰できる素材で構成するのが好ましい。
　試料室３には試料交換室（図示せず）を設けてもよい。試料交換室では試料３１を交換するための予備排気を可能なように構成すると、試料交換の際に試料室３の真空度の悪化の度合いを低減することができる。
　高電圧電源１１１、高電圧電源１１２、集束レンズ電源７１１、対物レンズ電源７６２、第１偏向器電源７３５、第２偏向器電源７３６、第３偏向器電源７３７、第４偏向器電源７３８は、演算装置７９２によって出力電圧や出力電圧の周期などを自動で変更し、イオンビーム１５の走査範囲、走査速度、走査位置などを調整できるように構成してよい。また演算装置７９２によってエミッタ電極駆動機構コントローラ１８１を自動で変更できるように構成してよい。演算装置７９２には制御条件値をあらかじめ保存しておき、必要な時にすぐに呼び出してその条件値に設定できるように構成してよい。
　試料３１近傍に反応性のガスを導入し、または試料３１の表面が帯電することを抑制するガスを導入するために、ガス導入機構３８を試料室３は備えてもよい。ガス導入機構３８はガスノズル３８１と流量調整バルブ３８４とガスボンベ３８６を有する。反応性のガスとしては、試料３１のエッチングを促進するためのガスとして、例えばＸｅＦ２ガスやＨ２Ｏガスやハロゲン系のガスを用いることができる。デポジションを促進するためのガスとして、ＴＥＯＳや炭化水素系のガス、あるいは金属を含む例えばＷＦ６の様なガスを用いることができる。
　エッチングを促進するガスを利用して試料を加工すると、イオンビームの照射量に対する試料素材の加工量が変化する。ガス種によっては特定の試料素材のみ加工量が大きく変化することもある。例えば試料内部に興味のある構造があり、かつその構造がエッチングされにくい素材で構成されているような場合、エッチング性のガスを併用したイオンビーム照射により迅速かつ変化少なく構造を露出させることができる。試料表面または内部にイオンビーム照射を防止したい個所がある場合、デポジションが有効である。例えばタングステンをデポジションすることにより試料表面に膜を形成すれば、その下の試料部分にはイオンビームが到達困難となる。試料の一部に空隙があるような場合、その周辺のスパッタレートが高まり一様なスパッタが困難になる場合がある。このような場合、デポジションで空隙を埋めてから、低加速重イオンビームでスパッタすると、スパッタレートが空間的に一様に近づくので、観察結果がもとの構造を忠実に反映する。このように加工と観察の繰り返しの手順に、ガス類を用いた上記のようなエッチングまたはデポジションを含めてよい。
＜実施の形態１：混合ガスとイオン電流の安定化について＞
　複数回にわたって照射するイオンビームを切り替えて、スパッタによる加工と観察を繰り返す際、水素ガスとネオンガスの組み合わせを用いることにより、観察に用いる水素イオンビームの安定性が向上することを、本願発明者等は見出した。具体的には、水素をイオン化するよりも十分大きい電界をエミッタ電極１１の先端に生じさせた後、水素イオン化に適する電界に戻したとき、水素イオンビームが特異的に安定化することを見出した。以下にその具体例を説明する。
　図２は、ガス電界電離イオン源１から放出される水素イオンビームの電流量の時間変化を示すグラフである。電界復帰時刻１５５の後、水素イオンビーム安定間隔１５４が存在する。この後、水素イオンビーム不安定間隔１５６において水素イオンビームの電流量は比較的不安定となる。
　さらに本願発明者等は、ネオンのイオン化に必要なエミッタ電極１１先端の電界は、水素イオンビームを安定化する電界として十分であることも見出した。ゆえにネオンイオンビームと水素イオンビームを交互に切り替えるように、エミッタ電極１１先端の電界を交互に変更することにより、間欠的に安定性に優れた、試料の観測に適した水素イオンビームを引き出すことができる。
　観測に使用するビームの安定性は観測像の質に直結するので特に重要である。加工に使用するビームの安定性は、表面の原子層を除去するなど比較的単純な加工の際には、観測ビームの安定性ほど重要ではない。加工量は照射したイオンビームの表面あたりの総電流量でほとんど決定されるからである。よってネオンビームのイオン電流が時間的に不安定であっても、照射した総電流量を管理することにより、所望の加工量を安定的に提供することができる。照射電流量の管理のためビーム照射カラム７の内部にイオン電流を測定するためのファラデーカップを配置してもよい。また試料ステージ３２にイオン電流を測定するための電線および電流計を設置してもよい。
　水素のイオン化エネルギーとネオンのイオン化エネルギーは、イオンビームが混合しない程度に十分かい離しており、イオンビーム混合の恐れもない。このため独立に互いのイオンビームを使用可能である。
＜実施の形態１：バブリングについて＞
　図３Ａは、加速電圧３０ｋＶの水素イオンビーム照射により表面が盛り上がった走査イオン像の例を示す。本願発明者等は、水素イオンビームを試料３１に照射した際に、試料の表面が盛り上がって表面隆起８２１が生じる場合があることを見出した。試料３１の種類によってことなるが、このような現象は照射後すぐに起こるわけではなく、ある閾値を超えた場合に試料の隆起がはじまる。
　図３Ｂは、図３Ａの断面模式図である。照射範囲８２３に水素イオンビームが照射されると、試料内部に滞留した水素ガスが凝集し、ガス凝集体８２２となり周囲の原子を押しのけて泡のような形状を形成し、これにより表面隆起８２１が生じる。つまり本願発明者等は、ガス凝集体８２２による表面隆起８２１により試料の構造が変形を受けると、本来得たかった試料内部の構造の情報が失われてしまう課題を見出した。
　水素イオンによる観測により試料の下層に蓄積したガスが表面を隆起させる許容量を超える前に、表面の原子を除去することによって下層をあらわにすれば、表面隆起を予防することができるはずである。そこで水素イオンビームを照射した後、水素ガスに代わってネオンガスやアルゴンガスなど質量の大きいガスを導入して質量の大きいイオンビームに切り替え、これを試料に照射することにより、試料表面の原子を除去できる。イオンが試料に照射される際、試料内部に侵入する深さは、イオンの種類などによって異なる。一般的に質量が大きいイオンの方が試料内部に入り込みにくく、表面隆起８２１のような現象の発生は抑制される傾向にあるはずである。
　以上２つの効果を確かめるため、加速電圧３０ｋＶでネオンイオンとアルゴンイオンを照射して表面の原子層の除去を試みた。ネオンイオンを用いた場合は水素イオン同様表面の隆起が見られた。アルゴンイオンを用いた場合について以下さらに説明する。
　図４Ａは、アルゴンイオンを照射した際の走査イオン像である。アルゴンイオンを照射した場合は図３Ａのような表面隆起は発生せず、アルゴンイオン照射範囲８２４のように表面の原子をスパッタにより除去して矩形のへこみが形成できた。
　図４Ｂは、アルゴンイオンを照射した際の表面拡大画像である。アルゴンイオン照射過程において、図４Ｂに示すように、小さい表面隆起８２５がアルゴンを照射した個所で大量に発生した。
　図４Ｃは、図４Ｂの断面模式図である。水素の照射にくらべて小さいガス凝集体８２６が試料下層に発生していると予想できる。さらに高加速電圧３０ｋＶでは、イオンを重い種類に切り替えた場合、ミキシングの効果により試料内部の構造を観測する前に破壊してしまう恐れもある。
＜実施の形態１：加速電圧とスパッタ率について＞
　イオンが試料に照射される際に試料内部に侵入する深さは、イオンの加速エネルギーにも依存する。加速を低減することにより、侵入する深さが浅くなるので、表面隆起８２１のような現象の発生は抑制される傾向にあるはずである。ただし、観測する際に使用するイオンビームには大きくとも１ｎｍ以下の分解能とこれに対応するイオンビームの直径が求められるので、少なくとも３０ｋＶ程度の加速が必要になる。したがって加工に使用するイオンビームのみを低加速に変更する必要に迫られることになる。しかしながらイオンビームの加速電圧を変更する際には光学条件の大きな変更がともなうので、短時間内で（例えば数秒以内や数分以内）イオンビーム種類を切り替えるのと同時に加速電圧も変更するようなことは通常考えられない。
　加速電圧の変更による光学的な条件の変化には、偏向器による偏向感度の違いなど様々な要因がある。それぞれの加速条件においてイオンビームの直径が最少となる最適条件を実現するには、エミッタ電極１１の位置や角度の調整などを機械的な調整が必要になる。これは電磁界レンズや偏光器などの光学要素の組み立て精度を理想状態にすることは原理的にできず、現実には必ず機械的に各光学要素の軸がずれていることによる。機械的な調整をともなう光学条件の変更は通常手間と時間が多くかかる。
　ただし、低加速の重イオンビームによる表面原子のスパッタと高加速の軽イオンビームによる高分解能観察を繰り返して試料内部の３次元構造の情報を得るという特殊な状況用途においては、加速電圧の変更に付随するエミッタ電極駆動機構１８による機械的な軸調整を省略できことを、本願発明者等らは見出した。すなわち、本来であれば観察イオンビームを照射する際には観察イオンビームのために最適化した軸調整と光学条件を用い、加工イオンビームを照射する際には加工イオンビームのために最適化した軸調整と光学条件を用いるのが原則であるが、本実施形態１においては、軸調整に関しては両イオンビーム間で共通にすることとした。具体的には以下の理由により、加工イオンビームについてはエミッタ電極駆動機構１８を用いてエミッタ電極１１の角度などを微調整しなくともよいと考えられる。
　本実施形態１に係るイオンビーム装置１０００において、加工イオンビームの直径は観察イオンビームの直径よりも大きい。したがって加工イオンビームの照射位置は、観察イオンビームの照射位置よりも精度が低くて構わないといえる。また加工イオンビームについてはイオンビーム電流の時間積分が照射位置ごとに均一であれば、照射面を平坦に加工することができるので、個別の照射位置を厳密に制御する必要はない。以上の理由により加工イオンビームを照射する際には、観察イオンビームを照射するときと同じエミッタ電極１１の角度等を用いることとし、光学条件についてはイオンビームごとに最適な条件を用いることとした。
　表面の観測に関して、観察に適した軽量かつ高加速のビームをエミッタ電極１１から引き出した後、イオンビームの直径を最少にするため、エミッタ電極駆動機構１８によって厳密に機械的な軸調整を実施したうえ、第１偏向器７３１、第２偏向器７３２、第３偏向器７３３、第４偏向器７３４、集束レンズ７１、対物レンズ７６、などの最適条件をユーザが調整してよい。これを仮に条件Ａとする。条件Ａはエミッタ電極駆動機構コントローラ１８１または第１偏向器電源７３５、第２偏向器電源７３６、第３偏向器電源７３７、第４偏向器電源７３８、集束レンズ電源７１１、対物レンズ電源７６１、などにそれぞれ個別にあらかじめ保存しておき、もしくは演算装置７９２にまとめて保存しておき、所望のタイミングで各条件が呼び出されるよう構成してよい。
　第１偏向器７３１、第２偏向器７３２、第３偏向器７３３、第４偏向器７３４、集束レンズ７１、対物レンズ７６、は各条件の呼び出し時、元の光学的な条件が高度に再現するように、すべて磁場ではなく電場を用いるタイプとしてよい。静電レンズや静電偏向器はヒステリシスがなく、条件の変更の際の再現性が向上する効果を奏する。
　観察に適したイオンビームの条件で所望の位置を観察した後、その下層を観察するため、低加速の重イオンビームをエミッタ電極１１から放出して試料３１に照射して表面の原子層をスパッタする。エミッタ電極１１と引出電極１３に印加される電圧は、加速電圧と引出電圧を変更している間においても常にエミッタ電極１１に正の電界が生じるか、もしくは負の電界が生じたとしてもエミッタ電極１１から電子が放出されない程度に調整されながら、目標の設定電圧を高電圧電源１１１と高電圧電源１１２から出力する。
　イオンビーム種を切り替えるとイオンビームの方向が光学条件に応じて変化する。本実施形態１においては各イオンビーム照射時におけるエミッタ電極１１の位置や角度を共通としたので、加工イオンビームを照射位置に向けて改めて偏向させる必要がある。加工イオンビームの経路には集束レンズ７１やアパーチャ７２が配置されているが、イオンビーム種を切り替えることによって加工イオンビームの方向が変化して集束レンズ７１やアパーチャ７２を通過できなくなると、イオンビーム装置１０００が正常に動作しない。そこで加工イオンビームが集束レンズ７１やアパーチャ７２へ到達する前に、加工イオンビームを偏向できるようにする必要がある。具体的には、第１偏向器７３１や第２偏向器７３２のように集束レンズ７１またはアパーチャ７２よりもエミッタ電極１１寄りに偏向器を配置することが望ましい。このとき、分解能よりは試料に照射する電流量を重視して主に集束レンズ７１の条件を条件Ａから大きく変更してよい。このように静電的な効果のみで条件変更をすると、条件の再現が迅速になり、上記の像のずれやゆがみ等が減少する効果を奏する。
　第１偏向器７３１や第２偏向器７３２は、イオンビーム種切替にともなって加工イオンビームが集束レンズ７１やアパーチャ７２からずれてしまうことを防止するためのものであるので、これら偏向器の偏向量は、主に観察イオンビームを偏向させる第３偏向器７３３や第４偏向器７３４の偏向量より小さくても足りる。具体的には、イオンビームの光軸に沿った第１偏向器７３１や第２偏向器７３２の長さ（厚さ）は、第３偏向器７３３や第４偏向器７３４より短くてもよい。
＜実施の形態１：加工プロセスの例＞
　図５Ａは、試料３１の重イオン照射範囲８０に低加速の重イオンビームを照射した様子を示す図である。重イオン照射範囲８０に比べて小さく集束されたイオンビームを重イオン照射範囲８０全面にわたって走査することにより照射してもよい。走査は例えばラスター走査やベクター走査である。装置に保存された走査方法を呼び出すことによりベクター走査の操作手順を定めてもよいし、ユーザ定義の走査手順を用いてもよい。ユーザ定義の走査方法は、後に呼び出して同様の走査ができるように、演算装置７９２に保存してもよい。
　図５Ｂは、図５Ａの断面図である。図５Ｂのように重イオン照射範囲８０の位置の表面原子層がスパッタ深さ８１だけ削り取られ、あらたな下層表面Ａ８２が出現する。この下層表面Ａ８２を高加速の軽イオンビームで高分解能が得られる最適条件Ａによって再度観測する。すなわち観察イオンビームのために最適化した条件Ａは、観察を実施するごとに繰り返し再利用することができる。
　図５Ｂは模式的に試料が直方体形状で削り取られた様子を示したが、実際には加工範囲のエッジ部分は試料表面に対して垂直ではなく、やや傾斜が生じる。換言すると、下層表面Ａ８２のうち平坦な部分は重イオン照射範囲８０の中心付近に限られる。したがって平坦領域を観察するのであれば、観察イオンビームの照射範囲は重イオン照射範囲８０よりも狭いことになる。すなわち、観察イオンビームの照射範囲全体が重イオン照射範囲８０のなかに含まれていることが望ましい。
　図６Ａは、観察と加工を繰り返す様子を説明する断面図である。図６Ａのように加工によってスパッタ除去層Ａ８５を除去した結果、露出したあらたな下層表面Ａ８２を観測する。その後、再度加工にてスパッタ除去層Ｂ８６を除去した結果、露出したあらたな下層表面Ｂ８３を観測する。さらにその後、再々度加工にてスパッタ除去層Ｃ８７を除去した結果、露出したあらたな下層表面Ｃ８４を観測する。このように次々と下層を観測することにより、擬似的に下層の３次元構造を再現することができる。ここでは３回の繰り返しに対応する図を示しているが、３回以上の繰り返しを実施するとより深さ方向に詳細な情報が得られる。加工時のスパッタ深さ、すなわちスパッタ除去層の幅を常に一定になるように低加速重イオンビームの照射量を調整してよい。
　水素イオンビームは加速電圧が大きいので、試料３１のより深い位置まで到達する。したがって図６Ａの過程において、水素イオンビームを照射することを繰り返すと、加工イオンビームによって観察箇所を除去したとしても、さらにその下層において水素イオンビームの影響が蓄積することにより、バブリングが発生する可能性がある。このような試料下層におけるバブリングを防ぐために、下層表面Ａ８２、下層表面Ｂ８３、下層表面Ｃ８４などの厚さを適宜調整してもよい。
　図６Ｂは、低加速重イオンビームの照射領域を加工と観察の繰り返しのなかで変更する例である。例えば照射領域を広くしてスパッタ除去層Ｄ８１１を除去した後、スパッタ除去領域Ｅ８１２、スパッタ除去層Ｆ８１３、スパッタ除去層Ｇ８１４のようにスパッタ除去層Ｄ８１１より狭い範囲の原子層を除去してその下層を観察するように構成してよい。この際、各スパッタ除去層の深さや間隔は、前もって知りうる試料の設計値など前もって入力された値を参考に決定されるように構成してよい。このように構成すると、試料内部に存在する同一構造の繰り返し部分を比較しながら迅速に観測できる。
　図７は、実際にネオンイオンビームを加速電圧２ｋＶで試料に照射して試料の内部構造をあらわにした後、３０ｋＶの水素イオンビームで試料表面を観測した結果である。ネオンイオンビーム２ｋＶを照射した領域においては、表面の隆起は起こらず、ネオンイオンビームを照射していない領域では見えていない試料下層の縦縞構造が、試料上層の横縞構造に加えて観測できていることがわかる。
＜実施の形態１：まとめ＞
　本実施形態１に係るイオンビーム装置１０００は、軽イオンビーム（例えば水素イオンビーム、以下本まとめにおいて同様）を照射することによって試料３１を観察する動作モードと、重イオンビーム（例えばネオンイオンビーム、以下本まとめにおいて同様）を照射することによって試料３１の表面を除去する動作モードとを繰り返し実施することにより、試料３１の３次元構造を取得する。これにより、水素イオンビームによって生じるバブリングの影響を抑制しつつ、試料３１の３次元構造を正確に取得することができる。
　本実施形態１に係るイオンビーム装置１０００は、各イオンビームの原料元素を混合した混合ガスをエミッタ電極１１近傍に供給し、イオン化電圧を切り替えることによってそれぞれのイオンビームを生じさせる。さらに、重イオンビームのイオン化エネルギーは軽イオンビームのイオン化エネルギーよりも大きい。混合ガスを用いてイオンビームを生じさせることによりイオンビームを短時間で切り替えることができることに加えて、課題１について説明したように、観察時における軽イオンビーム電流を安定化させることができる。
　本実施形態１に係るイオンビーム装置１０００は、重イオンビームの直径が軽イオンビームの直径よりも大きくなるように、各イオンビームを形成する。さらに、軽イオンビーム電流については照射量を厳密に制御する（各時刻におけるイオン電流が所定範囲内に収まるようにする）とともに、重イオンビーム電流についてはイオン電流の時間積分が各照射箇所において均一となるようにする。これにより、重イオンビームについては軽イオンビームと比較して、照射位置やイオン電流を厳密に制御しなくともよいことになる。したがって、重イオンビーム電流が不安定であっても、試料３１の表面を均一に加工することができる。
　本実施形態１に係るイオンビーム装置１０００は、軽イオンビーム照射時と重イオンビーム照射時それぞれにおいて、エミッタ電極１１の位置や角度を共通にする（軽イオンビーム照射時において最適となるようにあらかじめ調整する）。これによりイオンビーム種を切り替える際にエミッタ電極１１を機械的に微調整する必要がなくなるので、スループットを向上できる。さらに、集束レンズ７１やアパーチャ７２よりもエミッタ電極１１側に偏向器を配置しているので、イオンビーム切換にともなって重イオンビームがこれらを確実に通過するように偏向させることができる。
　本実施形態１に係るイオンビーム装置１０００は、試料観察時には高加速の軽イオンビームを用い、試料加工時には低加速の重イオンビームを用いる。これにより、試料観察時には観察位置の精度を向上させるとともに、加工時には試料下層に対するダメージを抑制することができる。
＜実施の形態２＞
　図８は、演算装置７９２が提供するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の例である。走査回数設定欄９０は、重イオン照射範囲８０の全面を走査する回数を入力する欄である。走査スピード設定欄９１は、走査スピードを入力する欄である。照射量設定欄９２は、低加速重イオンビームの照射量を入力する欄である。イオンビームの照射量は、プローブ電流１５１の電流量によって重イオン照射範囲８０を何回走査したかにより決定される。つまり、照射範囲／プローブ電流量／走査回数／走査スピード／走査回数は互いに相関しているので、ユーザがこれらのうちいずれかの値を設定した際に、演算装置７９２は他の値を自動計算してＧＵＩ上に表示してもよい。
　観測像表示欄９３は、高加速軽イオンビームで観測した走査イオン像を表示する欄である。この欄に表示された観測像に基づき、ユーザが例えば重イオン照射範囲８０を決定するための指定枠９４をポインティングデバイス等で指定できるように構成してよい。指定枠９４は同時に多数ＧＵＩ上に表示されるように構成してよい。この機能によりユーザは同時に多数の照射範囲を指定でき、試料内部の異なる観測面を同時にあらわにすることができ、観測がより迅速になる。
　高加速軽イオンビーム照射時におけるイオンビームの光学条件と低加速重イオンビーム照射時におけるイオンビームの光学条件は異なるので、一般的には試料３１にプローブ電流１５１が照射される位置は光学条件の違いに応じて異なることになる。高加速軽イオンビームで観測した走査イオン像上で照射範囲を指定枠９４によって指定した際、実際にその個所に低加速重イオンビームが照射されるように較正される必要がある。例えば低加速重イオンビームにより試料３１の表面のどこか適当な位置に加工痕を残し、この加工痕を高加速軽イオンビームで観測することにより較正することができる。ＧＵＩ上にこの手順を自動もしくは半自動で開始するための較正ボタン９５を備えてもよい。
　上記のようなスパッタ除去と観察の手順はＧＵＩ上に表示され、編集できるように構成してもよい。毎回同一の条件でスパッタ除去と観察を繰り返す場合には、繰り返す回数を設定する設定欄９６をＧＵＩ上に設けてもよい。
　加工と観察の繰り返しの中で加速条件を２つ以上変更してよい。特に低加速重イオンビームによるスパッタ除去の際、目的の表面部が露出する前に、さらに加速を落とした重イオンビームを照射することにより、観測したい構造部へのダメージを減少し、これにより観測結果が試料構造をより忠実に反映するようにできる。例えば試料３１がＳｉである場合、加速電圧２ｋＶのネオンイオンは約２０ｎｍほど内部に侵入するので、さらに極低加速（例えば５００Ｖ以下）のネオンイオンを照射して２０ｎｍ分の深さスパッタ除去することにより、試料内部に生じるミキシング効果によるダメージを低減することができる。
＜本発明の変形例について＞
　本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　以上の実施形態において、エミッタ電極１１の金属を体心立方格子構造、または六方最密充填構造を持つ金属としてもよい。例えばタングステン、タンタル、モリブデン、ニオブ、ルビジウム、ルテニウム、チタン、ベリリウムなどの金属としてもよい。またはエミッタ電極１１の金属として化学的耐性に優れる例えばイリジウムやタンタルなどを用いてもよい。化学的耐性に優れる金属を使用するとエミッタ電極１１がイオン化ガスやイオン化ガスに含まれる不純物ガスにより浸食される効果を抑え、イオン源が安定に動作する効果が期待される。またエミッタ電極１１の金属は単結晶であってよい。例えばエミッタ電極１１の長軸方向をタングステンの＜１１１＞方位のように、対称性の良い軸を選ぶことによって、エミッタ電極先端に原子サイズの突起が成形しやすいように構成してもよい。
　以上の実施形態において、エミッタ電極１１の先端を原子３個以下、好ましくは１個に終端するために、エミッタ電極１１を加熱してもよい。同様にエミッタ電極１１の先端を先鋭化するために、エミッタ電極１１を加熱しながら真空チャンバ１７内に例えばＯ２やＮ２などのガスを導入してもよい。同様にエミッタ電極１１を先鋭化するために、エミッタ電極１１と引出電極１３の間に高電圧を印加しながら、真空チャンバ１７内に例えばＯ２やＮ２などのガスを導入してもよい。同様にタングステンを主成分とする針でエミッタ電極１１を構成し、その表面に貴金属、例えばイリジウム、パラジウム、プラチナなどを蒸着した後、エミッタ電極１１を加熱してもよい。
　以上の実施形態において、イオンビームを試料に照射するための光学設計は、どの性能を重視するかによって変更するとよい。このためビーム照射カラム７には必要に応じて、イオンビーム１５を集束するレンズや、偏向する偏向器などをさらに加えてもよいし、配置する順序を変更してもよいし、また要素をとりのぞいてもよい。
　以上の実施形態において、水素イオンビームを試料観察のために用い、ネオンイオンビームを試料加工のために用いる例を説明したが、これら以外の元素種を用いて同様の効果を発揮することもできる。
　以上の実施形態において、イオンビーム装置１０００は、イオンビーム照射機能に加えて、電子ビーム照射機能部を含むこともできる。電子ビームは、例えば試料３１の観察像を得るために用いることができる。
１：ガス電界電離イオン源
１１：エミッタ電極（エミッタティップ）
１３：引出電極
１５：イオンビーム
１６：真空排気装置
１７：真空チャンバ
１８：エミッタ電極駆動機構
１１１：高電圧電源
１１２：高電圧電源
１５１：プローブ電流
１６１：流量調整バルブ
１８１：エミッタ電極駆動機構コントローラ
３：試料室
３１：試料
３２：試料ステージ
３３：２次粒子検出器
３４：真空ポンプ
３７：ガス導入機構
３７１：ガスノズル
３７４：ガス流量調整バルブ
３７６：ガスボンベ
３８：ガス導入機構
３８１：ガスノズル
３８４：流量調整バルブ
３８６：ガスボンベ
４：冷凍機
４１：冷凍機本体
４１２：１ｓｔステージ
４１３：２ｎｄステージ
４１５：熱輻射シールド
４１６：伝熱手段
６０：装置架台
６１：防振機構
６２：ベースプレート
７：ビーム照射カラム
７１：集束レンズ
７１１：集束レンズ電源
７２：アパーチャ
７３１：第１偏向器
７３２：第２偏向器
７３３：第３偏向器
７３４：第４偏向器
７３５：第１偏向器電源
７３６：第２偏向器電源
７３７：第３偏向器電源
７３８：第４偏向器電源
７６：対物レンズ
７６１：対物レンズ電源
７７：真空ポンプ
７９２：演算装置
１０００：イオンビーム装置

Claims (15)

  1. 　試料に対してイオンビームを照射することにより前記試料を観察または加工するイオンビーム装置であって、
    　針状の先端を持つエミッタティップ、
    　前記エミッタティップに対向して配置され前記エミッタティップから離れた位置に開口を有する引出電極、
    　前記エミッタティップの近傍に対してガスを供給するガス供給源、
    　前記エミッタティップと前記引出電極との間に電圧を印加することにより前記エミッタティップからイオンビームを照射させる電圧印加部、
    　前記イオンビームを前記試料に対して照射することにより前記試料から生じる荷電粒子を検出することにより前記試料の観察画像を生成する演算部、
    　を備え、
    　前記ガス供給源は、第１質量数を有する第１元素種と、前記第１質量数よりも大きい第２質量数を有する第２元素種とを含む混合ガスを供給し、
    　前記電圧印加部は、前記第１元素種がイオン化することにより生じる第１イオンビームを前記エミッタティップから照射させる第１電圧を印加する第１モードと、前記第２元素種がイオン化することにより生じる第２イオンビームを前記エミッタティップから照射させる第２電圧を印加することにより前記試料を厚さ方向において加工する第２モードとを繰り返し、
    　前記演算部は、前記電圧印加部が前記第１モードを実施するごとに前記観察画像を生成することにより、前記試料の厚さ方向における複数の位置それぞれにおいて、前記観察画像を取得する
    　ことを特徴とするイオンビーム装置。
  2. 　前記電圧印加部は、前記第１モードにおいては、前記第１イオンビームのイオン電流量の変動が所定範囲内に収まるように前記第１電圧を制御し、
    　前記電圧印加部は、前記第２モードにおいては、前記第２イオンビームのイオン電流量の時間積分が前記試料の表面における前記第２イオンビームの照射位置ごとに所定範囲内に収まるように前記第２電圧を制御する
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  3. 　前記イオンビーム装置はさらに、前記イオンビームを偏向させることにより前記試料に対する前記イオンビームの照射位置を走査する偏向器を備え、
    　前記偏向器は、前記第１モードにおける前記第１イオンビームの前記試料に対する照射範囲の全体が、前記第２モードにおける前記第２イオンビームの前記試料に対する照射範囲のなかに含まれるように、前記第１イオンビームと前記第２イオンビームをそれぞれ偏向させる
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  4. 　前記電圧印加部は、前記第１イオンビームの直径よりも前記第２イオンビームの直径のほうが大きくなるように、前記第１電圧と前記第２電圧を制御する
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  5. 　前記第２元素種のイオン化エネルギーは、前記第１元素種のイオン化エネルギーよりも大きい
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  6. 　前記ガス供給源は、前記第１元素種として水素を含むとともに前記第２元素種としてネオンを含む前記混合ガスを供給する
    　ことを特徴とする請求項５記載のイオンビーム装置。
  7. 　前記イオンビーム装置はさらに、前記イオンビームを偏向させることにより前記試料に対する前記イオンビームの照射位置を走査する第１偏向器を備え、
    　前記イオンビーム装置はさらに、前記イオンビームの開き角度を制限する開口を有する開口板を備え、
    　前記第１偏向器は、前記開口板と前記エミッタティップとの間に配置されている
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  8. 　前記イオンビーム装置はさらに、前記第１モードにおいて前記第１イオンビームを偏向させることにより前記観察画像を取得すべき位置を調整する第２偏向器を備え、
    　前記イオンビームの光軸に沿った方向における前記第１偏向器の長さは、前記光軸に沿った方向における前記第２偏向器の長さよりも短い
    　ことを特徴とする請求項７記載のイオンビーム装置。
  9. 　前記イオンビーム装置はさらに、前記イオンビームを偏向させることにより前記試料に対する前記イオンビームの照射位置を走査する第１偏向器を備え、
    　前記イオンビーム装置はさらに、前記イオンビームを集束させる集束レンズを備え、
    　前記第１偏向器は、前記集束レンズと前記エミッタティップとの間に配置されている
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  10. 　前記イオンビーム装置はさらに、前記第１モードにおいて前記第１イオンビームを偏向させることにより前記観察画像を取得すべき位置を調整する第２偏向器を備え、
    　前記イオンビームの光軸に沿った方向における前記第１偏向器の長さは、前記光軸に沿った方向における前記第２偏向器の長さよりも短い　
    　ことを特徴とする請求項９記載のイオンビーム装置。
  11. 　前記イオンビーム装置はさらに、前記エミッタティップの角度を調整するエミッタティップ調整機構を備え、
    　前記エミッタティップ調整機構は、前記第１モードと前記第２モードそれぞれにおいて前記エミッタティップの位置と角度を共通とする
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  12. 　前記電圧印加部は、
    　　前記エミッタティップに対して電位を供給する第１電源、
    　　前記引出電極に対して電位を供給する第２電源、
    　を備え、
    　前記第２電源は、正負両極性の電位を出力することができる電源として構成されている
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  13. 　前記電圧印加部は、
    　　前記エミッタティップに対して電位を供給する第１電源、
    　　前記引出電極に対して電位を供給する第２電源、
    　を備え、
    　前記第２電源は、前記第１電源が供給する電位を基準として負極性の電位を供給するように構成されている
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  14. 　前記電圧印加部は、前記第１イオンビームの加速電圧を前記第２イオンビームの加速電圧よりも高くする
    　ことを特徴とする請求項１記載のイオンビーム装置。
  15. 　前記第２イオンビームの加速電圧は２ｋＶ以下であり、前記第１イオンビームの加速電圧は３０ｋＶ以上である
    　ことを特徴とする請求項１４記載のイオンビーム装置。
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