集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置
【課題】本発明は、目的とする引出電圧を持つナノエミッタを容易に作製することができる集束イオンビーム装置におけるナノエミッタ作製方法を提供する。
【解決手段】集束イオンビーム装置におけるナノエミッタ作製方法であって、目的の引出電圧を引出電極に印加する工程と、エミッタ先端部でマイグレーションを起こさせるようなガス圧をガス供給手段に設定する工程と、エミッタ先端部のマイグレーションの発生を認識しその状態を維持するようなガス圧をガス供給手段に設定する工程と、ナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションを遅くするようなガス圧をガス供給手段に設定する工程と、ナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止するようなガス圧をガス供給手段に設定する工程とから成る。
【解決手段】集束イオンビーム装置におけるナノエミッタ作製方法であって、目的の引出電圧を引出電極に印加する工程と、エミッタ先端部でマイグレーションを起こさせるようなガス圧をガス供給手段に設定する工程と、エミッタ先端部のマイグレーションの発生を認識しその状態を維持するようなガス圧をガス供給手段に設定する工程と、ナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションを遅くするようなガス圧をガス供給手段に設定する工程と、ナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止するようなガス圧をガス供給手段に設定する工程とから成る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置に関し、エミッタ先端を１個乃至は数個の原子から構成することができるようにした集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子ビームの光源としては、ＦＥＧ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｕｎ）が走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の光源として、そしてイオンビームに対してはＧａ液体金属イオン源があげられ、電子顕微鏡やＦＩＢ（集束イオンビーム装置）に利用されている。
【０００３】
近年、ナノエミッタと呼ばれる単原子、若しくは数原子から放出される光源の研究が行われている。これは従来の光源サイズが数１０ｎｍであるのに対し、数ｎｍ以下であること、更に輝度が１桁以上高いことが特徴として挙げられる。ナノエミッタは、通常数百ｎｍの先端径を持つエミッタ上に更に、数ｎｍ程度の微細突起を製作し、この微細突起に高電界を集中することにより小さな光学サイズとより高い高輝度を期待するものである。
【０００４】
エミッタを高電界（正電界若しくは逆電界）のもとで加熱させて結晶方位のビルドアップを行ない、微細突起を製作する手法や、エミッタ先端に貴金属等を蒸着し、ＦＩＭ（電界イオン顕微鏡）を利用し、加熱と高電界でエミッタ上に微小突起を製作する手法、更にＦＩＭにおけるＮ２ガス導入によりエミッタ先端をエッチングして、微細突起を製作する手法等が報告されている。
【０００５】
先に述べたＦＩＭについて簡単に説明する。ＦＩＭは電界イオン顕微鏡と言われ、先鋭化（２００ｎｍ程度）されたエミッタを液体窒素温度程度に冷却し、エミッタに正の高電圧を印加すると共に、エミッタ先端の近傍に希ガスを１０-3Ｐａ程度導入すると、希ガスはエミッタ先端部での原子構造に応じてイオン化され、それぞれのイオンは加速され、蛍光板に入射する。入射したイオンにより蛍光板にエミッタ先端の原子構造を表わすパターンが投影される投影タイプのイオン顕微鏡である。今日、現存する最も安価で、かつ容易に高倍率で原子構造を観察し得る装置として知られている。
【０００６】
図１はＦＩＭの一般的な構成を示す図である。図において、１はエミッタであり、通常先端が２００ｎｍ以下に電界研磨されたタングステンの単結晶が使用される。このエミッタ１は事前に電源２で加熱され、超高真空下で表面の清浄化が行われる。また、エミッタ１は、通常は図示されていない冷却装置により液体窒素温度程度に冷却されている。
【０００７】
３はガスの導入チューブであり、一般的にヘリウム（Ｈｅ）や窒素（Ｎ２）等のガスが使用される。４は超高真空下でのガスの導入量を調整するバルブであり、真空外のガスボンベ５に接続されている。６は引出し電極であり、電源７を通してエミッタ１と引出し電極６との間に高電圧が印加され、エミッタ近傍でイオン化されたガスイオンが引出し電極方向に加速され、イオンビームが作製される。
【０００８】
更にエミッタ１と引出し電極６は、共通の電源８にバイアスされ、イオンビームのエネルギーが与えられる。９はアノードであり、通常グランド電位に保持されている。１０はイオンビームの蛍光板付き検出器であり、例えばＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）が使用されている。ＭＣＰ１０に入射したイオンビームが数々の電子を発生し、それらが蛍光板１１に加速して衝突し、発光し、エミッタ先端部の原子構造を表わすエミッションパターンが投影される。
【０００９】
１２はミラーであり、蛍光板１１上のイオンビームのパターンをのぞき窓１３を経由して真空外部で観察できる構造となっており、エミッタ１から放出されるイオンビームの量やエミッションパターンの観察に用いられる。なお、光軸Ｏは、イオン光学系の中心軸である。
【００１０】
従来のこの種の装置としては、エミッタと引出電極との間にエミッタ先端部を電界蒸発させる電圧をその電圧値を高くしながら多数回繰り返し印加し、その繰り返しの都度、引出電圧を下げてイオンビームの電流を測定し、イオンビーム電流の最大値が得られたときの引出電圧を記憶し、記憶された多数回の電界蒸発後の各引出電圧に基づいて最適引出電圧の設定を行うようにした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１９２６６９号公報（段落００１４〜００１９、図３，図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２の（Ａ）は一般的なエミッタのＦＩＭ像を示している。ここで、エミッタはタングステン単結晶（１１１）方位を使用し、イメージングガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスを使用している。イメージングガスは、イオン化した希ガスイオン化ガスで、例えばＨｅ，Ｈ2，Ａｒ等のガスである。この時のエミッタに印加される電圧は＋３４ＫＶである。一部アパーチャによる視野のカットが観察されているが、矢印で示された部分がエミッタの先端に対応し、この部分が（１１１）結晶面に対応し、その周りに（２２１）方位、更に（２１１），（１２１）方位が対応し、更に外側に行くにつれてエミッタの根元に向かう各結晶面上の小さなスポットは、それぞれ原子に対応している。このパターンでは、（１１１）上に２３個の原子が存在し、１個欠けた欠陥があることが分かる。これらは通常ＦＩＭで観察されるパターンである。
【００１３】
本発明で目的としているエミッタは、ナノエミッタであり、（１１１）結晶面上に１個、若しくは３個の原子が形成された構造を再現性よく実現することである。それを実現したエミッタのＦＩＭ像が図２の（Ｂ），（Ｃ）で示されており、それぞれ３つのスポット、そして１個のスポットが観察されたパターンが示されている。エミッタ先端部に３個，１個の原子が乗っているため、先端部での電界強度が局所的に強くなり、周りの他の結晶面からのエミッションが無くなっており、真のナノエミッションとなっている。ナノエミッタを作製する上で重要なのは、（１１１）面上に多数の原子を配置させるのではなく、１個若しくは３個の原子を再現性よく配置させることにある。
【００１４】
図３はエミッタ先端の模式図である。（ｂ）が通常のエミッタにおける電界分布と開き角の状態を示している。この状態では、エミッタの先端半径が大きいため、エミッタに電圧が印加された場合の電界分布は図に示すように穏やかな曲線となるため、エミッタから放出される荷電粒の軌道は広がって、エミッションの開き角αは大きくなり、電流密度は小さくなる。図２のパターン（Ａ）はこの状態と考えられる。
【００１５】
一方、図３の（ａ）は同じエミッタ先端部に１個若しくは数個の原子を乗せた場合であり、図に小さな突起１ａで示している。この小さな突起１ａの周囲に集中的に強電界が形成されるため、荷電粒子のエミッションはこの突起１ａからのみに制限される。このため、エミッションの開き角αは極めて小さくなると共に、エネルギー幅が小さくなり、角電流密度が大幅に改善され、光源のサイズが極めて小さくなる。図２の（Ｂ），（Ｃ）のパターンはこの状態と解析できる。
【００１６】
従来のＦＩＭを用いたナノエミッタの作製法では、上記したように、導入ガスの圧力を一定に保った状態で引出電圧を可変させることにより、（１１１）面上の原子の数を数個に減らすことを行なっていた。（１１１）面上の原子は原子間引力で結合されているため、外部からの電界で原子を１つずつ解放させて取り除く努力が必要となる。
【００１７】
一般に、これらのエネルギーはフェルミレベルから数ｅＶといわれているが、この（１１１）上の原子を制御するには、個々の原子の位置を再アレンジさせるマイグレーション（移動）を行なって個々の原子の位置を外部からの電荷で制御するため、極めて微小な電圧（数Ｖ〜数十Ｖ）の狭い幅で制御を行わなければならない。これは、通常採用される１０ｋＶ〜２０ｋＶの引出電圧を再現性よく数Ｖから数十Ｖの精度で制御することを要求するものであり、極めて困難である。
【００１８】
例えば、既に示した図２の（Ａ）のＦＩＭ像で、（１１１）上の原子を１個にするために、現在の印加電圧３４ｋＶを更に数十Ｖ上昇させると、先ず（１１１）の外側の結晶面に位置する原子が（１１１）方面に移動し、更に電界が強くなると（１１１）に集まった後、エミッタの外に放出される。これは外部電界の増加と共に、エミッタの根元の原子が、エミッタ先端の（１１１）方位に集まり、更にエミッタ先端からエミッタ外部に放出されることを意味する。この過程の途中にエミッタ先端に数個の原子が配置される状態が存在するわけであるが、エミッタ先端に原子が数個移動した状態の時に、上記高電圧の上昇を止めることは至難の業といえる。
【００１９】
一般にエミッタの引出電圧は、任意の値ではなく接続される荷電粒子光学系に依存する電圧値が要求される。これは、光源からの荷電粒子線を荷電粒子光学系で縮小，拡大，偏向等を行なうに当たり、上記引出電圧が異なる毎にその軌道を調整する必要があり、大変煩わしい作業が発生するからである。そして、一般的には、電子源の場合はその値は５ｋＶ程度、ガスフェーズイオン源（ＧＦＩＳ）では１８ｋＶ程度が一般的な要求値である。従って、引出電圧がこの要求値に適合して一定であるナノエミッタが要求される。従来のＧＦＩＳでは、ガス圧を一定に保った状態で、引出電圧を制御して、マイグレーションを起こさせ、個々の原子の位置のアレンジメントを行なっていたが、一般的な引出電圧１０ｋＶ〜２０ｋＶを数Ｖから数十Ｖの精度で良く制御することが再現性を要求されるマイグレーションが実施できず、結果として得られるナノエミッタの引出電圧は、１５ｋＶ，１７ｋＶ，２０ｋＶなどとバラバラであり、極めて幅広い分布となっていた。
【００２０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、前述したような煩わしさを避け、引出電圧は目的とした電圧値に固定したまま、導入ガス圧を制御することで、目的とするナノエミッタを容易に作製することができるナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（１）請求項１記載の発明は、エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えた集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法において、引出電極に一定の電圧を印加する工程と、エミッタ先端部でマイグレーションが発生するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第１の工程と、該マイグレーションの発生を認識しその状態を維持するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第２の工程と、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションの速度を遅くさせるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第３の工程と、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第４の工程とから成ることを特徴とする。
【００２２】
（２）請求項２記載の発明は、エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系との間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えたナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置において、引出電極に一定の引出電圧を印加し、前記ガス供給手段により前記エミッタに前記ガスを供給しながら前記画像撮影手段で撮影された画像を輝度演算する輝度演算手段と、該輝度演算手段の結果と設定した基準値を比較し、該比較した結果に基づいて前記ガス供給手段のガス圧を制御する比較手段とを設けたことを特徴とするナノエミッタ作製手段を有することを特徴とする。
【００２３】
（３）請求項３記載の発明は、前記基準値とは、エミッタ先端部のマイグレーションの発生を認識しその状態を維持するガス圧にするために設けられた基準値Ａと、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことを認識しマイグレーションの速度を遅くさせるガス圧にするために設けられた基準値Ｂと、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことを認識しマイグレーションを停止させるガス圧にするために設けられた基準値Ｃとから成る請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有することを特徴とする。
【００２４】
（４）請求項４記載の発明は、前記輝度演算手段は、前記画像撮影手段より得られた所定画素数の画像データに基づき、あらかじめ設定された輝度区分毎に画素を区分し、各区分の画素の数を表すヒストグラムデータを作成することを特徴とする請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
（１）請求項１記載の発明によれば、反応ガスをマイグレーションが起こるように、エミッタ部分に導入して制御することにより、エミッタ先端部を１個か数個の原子からなるように作製することができ、しかもナノエミッタを比較的容易に作製することができる。
【００２６】
（２）請求項２記載の発明によれば、引出電極に一定の引出電圧を印加し、ガス供給手段によりエミッタに前記ガスを供給しながら画像撮影手段で撮影された画像を輝度演算し、該輝度演算値と設定した基準値とを比較し、該比較した結果に基づいて前記ガス供給手段のガス圧を制御することで、安定なナノエミッタを作製することができる。
【００２７】
（３）請求項３記載の発明によれば、マイグレーションの状態を維持するために用いられる基準値Ａと、マイグレーションの速度を遅くするために用いられる基準値Ｂと、マイグレーションを停止させるために用いられる基準値Ｃを設けることにより、マイグレーションの安定化を図ることができ、自動的にナノエミッタを作製することができる。
【００２８】
（４）請求項４記載の発明によれば、輝度演算手段として、得られた画像データに基づき予め設定された輝度区分毎に区分毎の画素の値を表わすヒストグラムデータを作成することで、輝度区分毎の画素値の度数を認識することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を実施するFIMの一実施の形態を示す構成図である。
【図２】エミッタ先端の様子を示す図である。
【図３】エミッタ先端の模式図である。
【図４】本発明を実施する集束イオンビーム装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図５】ナノエミッタ作製のフロー図である。
【図６】ガス圧とマイグレーション速度の関係を示す図である。
【図７】本発明によるナノエミッタの作製過程を示す図である。
【図８】本実施例のナノエミッタの作製過程を説明する図である。
【図９】本発明を実施する集束イオンビーム装置の他の一実施の形態を示す構成図である。
【図１０】本実施例のナノエミッタの作製過程を説明する説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
エミッタ先端部に個々の原子の位置を再配列させるマイグレーションによる原子の移動速度は、エミッタ先端部に供給されるガスのガス圧に比例することが発明者による実験から明らかになった。その結果を図６に示す。図中の縦軸はマイグレーションの速度で、横軸がガスのガス圧を表している。図よりマイグレーションにおける原子の移動速度はガス圧に比例し、ガス圧が高いほどその移動速度は速く、ガス圧が低いほどその移動速度が遅いことが分る。
【００３１】
そこで、発明者は、エミッタ先端部に供給するガスのガス圧を制御することにより、原子の移動を制御してナノエミッタを作製できるのではないかと考えた。
図４は本発明に係る方法を実施する集束イオンビーム装置の一実施の形態を示す構成図である。図中、図１にて使用した記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。図４において、図中１４は加速電極９の下流に配置されたエミッタ１から発生したイオンビームを集束させるための集束レンズ、１５は該イオンビームを材料１６上に細く集束させるための対物レンズ、１７は該イオンビームを材料１６上に走査するための偏向器である。
【００３２】
１８はイオンビームの照射により材料１６から放出された二次荷電粒子を検出するための検出器で、該検出器からの検出信号は、増幅器１９、AD変換器２０を介して、画像処理を行うと共に、各手段に作動指令を送る制御装置２１へ送られる。
【００３３】
図中２２は、ＭＣＰ１０，蛍光板１１，ミラー１２を一体で水平方向（矢印
Ｈで示す）に移動させるリトラクト手段で、加速電極９と集束レンズ１４間に配置されると共に、制御装置２１の指令に基づいて動作する。
【００３４】
エミッタ１からのイオンビームがＭＣＰ１０、蛍光板１１を介して光に変換され、該蛍光板に投影されたＦＩＭ像（エミッタ１先端部の素材の様子）は、ミラー１２で反射され、のぞき窓１３を介してＣＣＤカメラ２３により撮影される。２４は該ＣＣＤカメラで撮影されたＦＩＭ像を一時的に記憶する画像取込み装置である。２５は該画像取込み装置からのＦＩＭ画像を画像処理する画像処理装置で、基準値記憶手段２６と輝度演算回路２７と比較器２８から構成される。
【００３５】
基準値記憶手段２６は、エミッタ１先端部に供給するヘリウムガスのガス圧を制御するために必要な基準値を入力装置３０から読込み、比較器２８に設定するものである。
輝度演算回路２７は、画像分解部２７aと階調変換部２７bとヒストグラムデータ作成部２７cとから構成される。
【００３６】
画像分解部２７aは、ＦＩＭ画像を画素毎に分解し、階調変換部２７ｂは、該画像分解部からの分解された画素を階調変換し、輝度値を算出する。ヒストグラムデータ作成部２７ｃは、画素毎に算出された輝度値を、例えば、４つの輝度区分（低輝度区分,中間輝度区分,高輝度区分,飽和輝度区分）に振分け、各輝度区分の画素の数を線分化し、輝度ヒストグラムデータを作成するものである。
【００３７】
比較器２８は、輝度ヒストグラムデータと基準値とを比較し、その比較結果に基づいて制御装置２１にバルブ４の開閉量を制御する制御信号を送るものである。
２９は制御装置２１の指令に基づいて表示画面上に二次電子画像やＦＩＭ画像等を表示する表示装置、３０は入力装置で、オペレータが基準値を入力する例えばマウスやキーボードから成る。
【００３８】
このように構成された集束イオンビーム装置において、イオンビームによる材料の加工や材料表面の観察を行う場合、先ず、リトラクト手段２２によりＭＣＰ１０、蛍光板１１、ミラー１２がイオン光学系光軸Ｏ外に配置する。次に、オペレータが入力装置３０により加工観察の指示を行うと、制御装置２１は、各電源７に指令を送り、各電源７はエミッタと引出電極の間に一定の引出電圧を印加し、更に、エミッタ１と加速電極９との間に一定の加速電圧を印加するので、エミッタ１の先端部に高電界が形成される。
【００３９】
同時に制御装置２１から指令を受けたバルブ４が開き、ガスタンク５からヘリウムガスが導入チューブ３を介してエミッタ１の先端部に供給される。すると、ヘリウムガスの原子は、エミッタ１先端部の高電界による電界電離によってイオン化される。生成されたヘリウムイオンは、引出電極６によって、イオンビームとして取り出され、加速電極９で加速される。
【００４０】
このイオンビームは、集束レンズ１４と対物レンズ１５によって集束され、材料１６に照射される。偏向器２３には、制御装置２１の指令により偏向器制御回路（図示せず）から加工データに応じた偏向信号が偏向器１７に供給され、材料１６にはイオンビームによって所望のパターンが加工される。
【００４１】
又、材料表面を観察する場合には、イオンビームの照射により材料１６から放出された二次イオンが検出器１８で検出され、この検出信号が増幅器１９で増幅され、ＡＤ変換器２０でＡＤ変換され、制御装置２１に送られる。該制御装置は送られてきた信号に基づいて画像処理を行って、表示装置２９の表示画面上に二次イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像）を表示させる。
【００４２】
このような集束イオンビーム装置において、引出電圧がＶexのナノエミッタを自動的に作製する方法を図４、図５、図６、図７、図８を用いて説明する。オペレータが入力装置３０を介して制御装置２１に対して引出電圧がＶexのナノエミッタ製作の指示を行うと、制御装置２１は、リトラクト手段２２を制御してＭＣＰ１０と蛍光板１１とミラー１２をイオン光学系の光軸O上に配置させる。併せて、制御装置２１の指令によりバルブ４が閉じられ、エミッタ１の先端部へのヘリウムガスのガス供給が遮断される。
【００４３】
次に、制御装置２１の指令を受けた電源７が、エミッタ１と引出電極６との間に要求値の引出電圧Ｖexを印加する（Ｓ１）と、エミッタ１の先端部に引出電圧Ｖexによる高電界が形成される。そして、Ｓ２において、制御装置２１の指令によりバルブ４が開かれ、例えばエミッタ周囲のガス圧が５×１０-5Ｐaとなるようにヘリウムガスが導入チューブ３を介してエミッタ１の先端部に供給されるので、エミッタ１先端部の高電界によりヘリウムがイオン化される。発生したヘリウムイオンは引出電極６及びアノード９を介して取り出されてＭＣＰ１０に入射し、その結果、ＣＣＤカメラ２３によりエミッタ先端部のＦＩＭ像が撮影されるようになる。このときＦＩＭ像は、ナノエミッタ作製前の一般的なＦＩＭ像であり、図７の（Ａ）に示すようなものである。撮影されたＦＩＭ画像は画像取込み装置２４に記憶される。
【００４４】
その後、エミッタ先端部でマイグレーションが発生するように、ガス圧は
５×１０-5Ｐaから徐々に上昇させられる（Ｓ２）。このガス圧の上昇に合わせて、制御装置２１の指令によりＣＣＤカメラ２３は、一定時間の間隔でＦＩＭ画像を撮影し、撮影されたＦＩＭ画像は画像取込み装置２４に順次記憶される。
【００４５】
画像処理装置２５は、撮影されたＦＩＭ画像に基づき、マイグレーションの発生を判別し、マイグレーションの制御を行うが、その詳細については以下に説明する。
すなわち、制御装置２１の指令により画像処理装置２５の輝度演算回路２７は、画像取込み装置２４からＦＩＭ画像を読込む。
【００４６】
輝度演算回路２７の画像分解部２７aは、読込まれたＦＩＭ画像を画素毎に分解する。
階調変換部２７ｂは、画素毎に分解されたＦＩＭ画像を画素毎の輝度を２５６階調の輝度値に変換する。ヒストグラムデータ作成部２７ｃは、２５６階調に変換された画素毎の輝度値を、例えば、低輝度区分（０から８５までの輝度値）、中間輝度区分（８５から１７０までの輝度値）、高輝度区分（１７０から２５６までの輝度値）と飽和輝度区分（２５６以上の輝度値）の４区分の何れかに分け、区分毎の画素の数を線分化した輝度ヒストグラムデータを作成し、比較器２８に送る。
【００４７】
この輝度ヒストグラムデータの一例を図８に示す。図中の縦軸は輝度区分毎の画素の数を、横軸は輝度区分を表している。次に、比較器２８は、送られてきた輝度ヒストグラムデータと基準値記憶手段２６よりの各基準値との比較を行う。
【００４８】
該各基準値は、マイグレーションが始まったか否かを判断するための基準値Ａとマイグレーションの速度を遅くさせるための基準値Ｂとマイグレーションを停止させるための基準値Ｃとから成り、該基準値Ａは、エミッタ１先端部でマイグレーションが起きると、ＦＩＭ画像が焦点ぼけに成り、且つ、輝度が極端に低下することに着目して、マイグレーションが始まったことを認識しそのガス圧を維持させるために設けられた。
【００４９】
本実施例の基準値Ａは、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数をゼロ、且つ、輝度ヒストグラムデータの中間輝度区分の画素の数をＢ１とする。又、基準値Ｂは、マイグレーションにおける原子の移動速度は、図６に示すようにヘリウムのガス圧が高いほど原子の移動速度は速く、ガス圧が低いほど原子の移動速度が遅くなることに着目して、マイグレーションにおける原子移動速度を遅くして、ナノ突起物の形成を制御し易くするガス圧にするために設けられた。
【００５０】
本実施例の基準値Ｂは、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数がＡ１、且つ、輝度ヒストグラムデータの中間輝度区分の画素の数がＢ２とする値である。又、基準値Ｃは、マイグレーションによる原子移動の結果、エミッタ１先端部に原子レベルのナノ突起物が形成されると、形成されたナノ突起物が壊れ、再び、新たなナノ突起物の形成が始まり、ＦＩＭ画像の飽和輝度値が顕著に変化することに着目して、エミッタ１先端部に所望のナノ突起物を形成させるためにマイグレーションを停止させるガス圧にするために設けられた。
【００５１】
本実施例の基準値Ｃは、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数がＡ２、且つ輝度ヒストグラムデータの低輝度区分の画素の数がＣ１とする値である。尚、比較器２８には、事前に基準値記憶手段２６から入力装置３０で入力された基準値Ａ,Ｂ,Ｃの中から基準値Ａを読み込み設定されている。
【００５２】
次に、比較器２８は、先ず、送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ａとの比較を行い、エミッタ先端部でマイグレーションが始まったことを制御装置２１に知らせる（Ｓ３）、マイグレーションが始まっていない場合には、Ｓ２に戻り、ガス圧の上昇を継続する。図７の（Ｂ）に示すような輝度が低下したＦＩＭ画像が輝度演算回路２７で輝度演算処理されると、図８の（Ｂ）に示すような輝度ヒストグラムデータを得る。このような輝度ヒストグラムデータが比較器２８に送られてくると、該比較器は、該輝度ヒストグラムデータが基準値Ａ、即ち、輝度ヒストグラムの飽和輝度区分の画素の数がゼロ、且つ、中間輝度区分の画素の数がＢ１以上を上回ったことを認識し、マイグレーションが始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００５３】
該制御装置２１は、判別信号に基づいて、ガス圧の上昇は停止され、ガス圧はその時の圧力に維持されると共に、比較器２８には、基準値記憶手段２６からの基準値Ｂが設定される。上昇停止時の圧力が、例えば、１×１０-2Ｐａであるとすると、その圧力のもとで、マイグレーションの速度は一定速度に成り、エミッタ１先端部の（１１１）面上やその周辺で原子レベルのナノ突起物の形成が始まるようになる（Ｓ４）。
【００５４】
更に、マイグレーションが進行し、エミッタ先端部の（１１１）面上やその周辺で幾つかの原子レベルのナノ突起物が幾つか形成されるようになると、図７の（Ｃ）に示すようなＦＩＭ画像から図７の（Ｄ）に示すようなＦＩＭ画像へと徐々に変わる（Ｓ５）。このようなＦＩＭ画像、図７（Ｃ），（Ｄ）を輝度演算回路２７で輝度演算処理を行うと図８（Ｃ），（Ｄ）に示す輝度ヒストグラムデータに成る。
【００５５】
次に、比較器２８は、送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ｂとの比較を行い、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が始まったことを制御装置２１に知らせる（Ｓ５）、ナノ突起物の形成が始まっていない場合には、Ｓ４に戻り、マイグレーションは継続される。マイグレーションが進行して図７の（Ｄ）に示すようなＦＩＭ画像が得られるようになり、それが輝度演算回路２７で輝度演算処理され、図８の（Ｄ）に示すような輝度ヒストグラムデータが得られるようになると、比較器２８は該輝度ヒストグラムデータが基準値Ｂ、即ち、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素数がＡ１値以上、且つ、中間輝度区分の画素数がＢ２値以上を上回ったことを認識し、ナノ突起物の形成が始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００５６】
該制御装置２１は、判別信号に基づいて、バルブ４に第３のガス圧、例えば、それまでのガス圧２×１０-2Ｐａより低いガス圧２×１０-3Ｐａが設定される（Ｓ６）。同時に比較器２８には、基準値記憶手段２６から基準値Ｃが設定される。エミッタ１先端部のガス圧が２×１０-3Ｐａになると、エミッタ１先端部のマイグレーションの速度が遅くなり、ゆっくりとした速度で原子の再配列が行われる。
【００５７】
更にマイグレーションが進行すると、図７の（Ｄ）に示すようなＦＩＭ画像から図７の（Ｅ）に示すようなＦＩＭ画像へと変わり、エミッタ１先端部の（１１１）面上に数個の原子が再配列されるようになる。次に、比較器２８は、送られてきた輝度ヒストグラムデータと基準値Ｃと比較を行い、エミッタ先端部のナノ突起物の形成が完了したことを制御装置２１に知らせる（Ｓ７）。
【００５８】
図７の（Ｅ）に示すようなＦＩＭ画像が輝度演算回路２７で輝度演算処理されると、図８の（Ｅ）に示すような輝度ヒストグラムデータを得る。このような輝度ヒストグラムデータが送られてくると、比較器２８は、該輝度ヒストグラムデータが基準値Ｃ、即ち、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数がＡ２値以上で、且つ、低輝度区分の画素の数がＣ１値以上を上回ったことを認識し、ナノ突起物の形成が完了したことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００５９】
該制御装置２１は、判別信号に基づきバルブ４にマイグレーションを停止させる第４のガス圧、例えば、ガス圧７×１０-4Ｐａが設定される（Ｓ８）。すると、エミッタ１先端部のマイグレーションは停止し、該先端部の（１１１）面上に数個の原子が固定し、ナノ突起物が形成される。このように一連の動作を自動的に行うことにより要求値の引出電圧Ｖexに対するナノエミッタを作製することができる。
【００６０】
以上のような過程によりナノエミッタが作製され、作製されたナノエミッタを使用して集束イオンビーム装置で材料の加工や材料表面の観察あるいは加工を行うことができる。
次に、本発明の第２の実施の形態を示す集束イオンビーム装置の構成の一例を図９に示す。図中、図４にて使用した記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示し、説明を省略する。
【００６１】
図９の構成が図４の構成と異なるのは、画像処理装置２５´であり、図４におけるヒストグラムデータ作成部２７ｃの代わりに、輝度分布グラフ作成部２７ｃ´を設け、比較器２８により輝度分布グラフ作成部２７ｃ´からの輝度分布グラフデータと基準値記憶手段２６よりの基準値とを比較するようにした点である。
【００６２】
ここで、輝度分布グラフ作成部２７ｃ´の動作について説明すると、図４の実施例と同様に、画像取込み装置２４に記憶されたＦＩＭ画像は、画像処理装置２５´の輝度演算回路２７に読込まれ、輝度演算回路２７は、画像分解部２７aでＦＩＭ画像を画素毎に分解し、階調変換部２７ｂで画素毎の輝度を２５６階調の輝度値に変換される。輝度分布グラフ作成部２７ｃ´は、各画素の輝度値に対応した長さの線分を最も高い輝度値ののも（最も長い線分）を一番目に、その右側に輝度値が低くなるように、すなわち、各画素に対応した線分を輝度順に５１２番目まで並べた輝度分布グラフデータを作成し、比較器２８に送る。
【００６３】
この輝度分布グラフデータの一例を図１０に示す。図中の縦軸は輝度値を、横軸は画素の輝度順位を表している。
次に、比較器２８は、送られて来た輝度分布グラフデータと基準値記憶手段２６からの各基準値との比較を行う。各基準値は、マイグレーションが始まったか否かを判断するための輝度値に関する基準値ＭＧと、飽和輝度の画素数に関するマイグレーションの速度を遅くさせるための基準値Ｐ１とマイグレーションを停止させるための基準値Ｐ２とから成る。
【００６４】
尚、比較器２８には、基準値記憶手段２６から入力装置３０で入力された基準値ＭＧ,Ｐ１,Ｐ２中の基準値ＭＧのみが設定されているものとする。いま、入力装置３０からナノエミッタ作製開始の指示を行うと、制御装置２１の指令によりバルブ４に第１ガス圧が設定される。この第１ガス圧の状態では、先に説明したように図７（Ａ）に示すような飽和輝度から輝度０までの画素が存在するＦＩＭ像が得られるため、図１０の（Ａ）に示すような輝度分布グラフデータが得られる。
【００６５】
その後、ガス圧が上昇すると、マイグレーションが発生し始め輝度分布グラフデータの飽和輝度値の画素が減少してやがてなくなり、更に、最高輝度値も低下して図７（Ｂ）に示すようなＦＩＭ像が得られるようになると、図１０の（Ｂ）に示すような輝度分布グラフデータへと変わる。
【００６６】
この間、比較器２８は、送られてくる輝度分布グラフデータと基準値ＭＧと比較を行い、エミッタ先端部でマイグレーションが始まったことを制御装置２１に知らせる。図１０の（Ｂ）に示すような輝度分布グラフデータが送られてくると、比較器２８は、該輝度分布グラフデータの最高輝度値が基準値ＭＧを下回ったことを認識し、マイグレーションが始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００６７】
該制御装置２１は、判別信号に基づいて、バルブ４にそのときガス圧を第２ガス圧として設定し、同時に比較器２８に、基準値記憶手段２６から基準値Ｐ１を送って設定する。
すると、マイグレーションの速度は一定速度になり、エミッタ１先端部の（１１１）面上やその周辺で原子レベルのナノ突起物の形成が徐々に始まる。それに伴い、得られるＦＩＭ像は図７（Ｂ）に示すようなものから図７（Ｃ）に示すように最高輝度が上昇して行くため、輝度分布グラフデータも図１０の（Ｂ）に示すようなものから最高輝度値が徐々に高くなり、図１０の（Ｃ）に示すようなものに変わる。更にマイグレーションが進行すると、ナノ突起物の形成も増えて、最高輝度値が飽和輝度値となり、更に飽和輝度値の画素数も増加して、図１０の（Ｃ）の破線で示すような輝度分布グラフデータへと変わる。ナノ突起物の形成が更に進むと、得られるＦＩＭ像は図７（Ｄ）に示すようになって飽和輝度の画素が更に増加するため、図１０の（Ｄ）に示すような輝度ヒストグラムデータが得られるようになる。
【００６８】
比較器２８は、順次送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ｐ１と比較を行い、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が始まったことを制御装置２１に知らせる。
図１０の（Ｄ）に示すような輝度ヒストグラムデータが送られてくると、比較器２８は、該輝度分布グラフデータの飽和輝度値の数が基準値Ｐ１と一致したことを認識し、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００６９】
該制御装置２１は、判別信号に基づき、ナノ突起物の形成が十分に進行したと判断し、バルブ４に第２のガス圧よりも低い第３のガス圧を設定する。
該制御装置２１は、バルブ４に第３のガス圧を設定すると、同時に、比較器２８に基準値記憶手段２６から基準値Ｐ２を設定する。第２のガス圧よりも低い第３のガス圧になると、エミッタ１先端部のマイグレーションの速度が遅くなり、ゆっくりとした速度で原子の再配列が行われ、徐々に数個のナノ突起物が形成されるようになる。これに伴い、得られるＦＩＭ像は、図７（Ｅ）に示すように、大部分の画素が輝度０で飽和輝度の画素がわずかに存在するものとなって行く。
【００７０】
比較器２８は、順次送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ｐ２と比較を行い、飽和輝度の画素数が基準値Ｐ２と一致するまで減少したことでエミッタ先端部でナノ突起物の形成が完了したことを制御装置２１に知らせる。図１０の（Ｄ）に示すような輝度分布グラフデータから送られてくると、比較器２８は、該輝度分布グラフデータの飽和輝度値の画素数が基準値Ｐ２と一致したことを認識し、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が完了したことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。制御装置２１は、判別信号に基づき、ナノ突起物の形成が完了したと判断し、バルブ４に第３のガス圧より低い第４のガス圧を設定する。
【００７１】
すると、エミッタ１先端部のマイグレーションは停止し、該エミッタ１先端部の（１１１）面上に数個の原子が固定し、ナノ突起物が形成する。このように一連の動作を自動的に行うことにより要求値の引出電圧Ｖexに対するナノエミッタを作製することができる。尚、前記実施例における基準値Ａ,基準値Ｂ,基準値Ｃ、又は基準値ＭＧ，基準値Ｐ１，基準値Ｐ２は、事前の実験により求めた値である。
【００７２】
また、実施例で示したようなナノエミッタの作製手順、即ち、要求値の引出電圧を引出電極に印加した後、エミッタに供給するヘリウムのガス圧を低圧から高圧側に徐々に圧力を高くして行き、マイグレーションの発生に基づいてその状態を維持するガス圧、ナノ突起物の形成が始まったことの基づいてマイグレーションの速度を遅くさせる低いガス圧、ナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させる更に低いガス圧を順に設定してナノエミッタを作製しているが、本実施例の手順に限定されるものではない。
【００７３】
例えば、要求値の引出電圧を引出電極に印加した後、最初にマイグレーションが発生する高い圧力のガス圧、ナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションの速度を遅くさせる低いガス圧、ナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させる更に低いガス圧を順に設定する手順でも良い。
【００７４】
このように、本発明によれば、引出電圧は目的とした電圧値に固定したまま、導入ガス圧を制御することで、目的とするナノエミッタを容易に作製することができる集束イオンビーム装置におけるナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００７５】
１ エミッタ
２、７、８ 電源
３ 導入チューブ
４ バルブ
５ ガスタンク
６ 引出電極
９ 加速電極
１０ ＭＣＰ
１１ 蛍光板
１２ ミラー
１３ 覗き窓
１４ 集束レンズ
１５ 対物レンズ
１６ 材料
１７ 偏向器
１８ 検出器
１９ 増幅器
２０ ＡＤ変換器
２１ 制御装置
２２ リトラクト手段
２３ ＣＣＤカメラ
２４ 画像取込み装置
２５ 画像処理装置
２６ 基準値記憶手段
２７ 輝度演算回路
２７a 画像分解部
２７b 階調変換部
２７c ヒストグラムデータ作成部
２７c´ 輝度分布グラフデータ作成部
２８ 比較器
２９ 表示装置
３０ 入力装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置に関し、エミッタ先端を１個乃至は数個の原子から構成することができるようにした集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子ビームの光源としては、ＦＥＧ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｇｕｎ）が走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の光源として、そしてイオンビームに対してはＧａ液体金属イオン源があげられ、電子顕微鏡やＦＩＢ（集束イオンビーム装置）に利用されている。
【０００３】
近年、ナノエミッタと呼ばれる単原子、若しくは数原子から放出される光源の研究が行われている。これは従来の光源サイズが数１０ｎｍであるのに対し、数ｎｍ以下であること、更に輝度が１桁以上高いことが特徴として挙げられる。ナノエミッタは、通常数百ｎｍの先端径を持つエミッタ上に更に、数ｎｍ程度の微細突起を製作し、この微細突起に高電界を集中することにより小さな光学サイズとより高い高輝度を期待するものである。
【０００４】
エミッタを高電界（正電界若しくは逆電界）のもとで加熱させて結晶方位のビルドアップを行ない、微細突起を製作する手法や、エミッタ先端に貴金属等を蒸着し、ＦＩＭ（電界イオン顕微鏡）を利用し、加熱と高電界でエミッタ上に微小突起を製作する手法、更にＦＩＭにおけるＮ２ガス導入によりエミッタ先端をエッチングして、微細突起を製作する手法等が報告されている。
【０００５】
先に述べたＦＩＭについて簡単に説明する。ＦＩＭは電界イオン顕微鏡と言われ、先鋭化（２００ｎｍ程度）されたエミッタを液体窒素温度程度に冷却し、エミッタに正の高電圧を印加すると共に、エミッタ先端の近傍に希ガスを１０-3Ｐａ程度導入すると、希ガスはエミッタ先端部での原子構造に応じてイオン化され、それぞれのイオンは加速され、蛍光板に入射する。入射したイオンにより蛍光板にエミッタ先端の原子構造を表わすパターンが投影される投影タイプのイオン顕微鏡である。今日、現存する最も安価で、かつ容易に高倍率で原子構造を観察し得る装置として知られている。
【０００６】
図１はＦＩＭの一般的な構成を示す図である。図において、１はエミッタであり、通常先端が２００ｎｍ以下に電界研磨されたタングステンの単結晶が使用される。このエミッタ１は事前に電源２で加熱され、超高真空下で表面の清浄化が行われる。また、エミッタ１は、通常は図示されていない冷却装置により液体窒素温度程度に冷却されている。
【０００７】
３はガスの導入チューブであり、一般的にヘリウム（Ｈｅ）や窒素（Ｎ２）等のガスが使用される。４は超高真空下でのガスの導入量を調整するバルブであり、真空外のガスボンベ５に接続されている。６は引出し電極であり、電源７を通してエミッタ１と引出し電極６との間に高電圧が印加され、エミッタ近傍でイオン化されたガスイオンが引出し電極方向に加速され、イオンビームが作製される。
【０００８】
更にエミッタ１と引出し電極６は、共通の電源８にバイアスされ、イオンビームのエネルギーが与えられる。９はアノードであり、通常グランド電位に保持されている。１０はイオンビームの蛍光板付き検出器であり、例えばＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）が使用されている。ＭＣＰ１０に入射したイオンビームが数々の電子を発生し、それらが蛍光板１１に加速して衝突し、発光し、エミッタ先端部の原子構造を表わすエミッションパターンが投影される。
【０００９】
１２はミラーであり、蛍光板１１上のイオンビームのパターンをのぞき窓１３を経由して真空外部で観察できる構造となっており、エミッタ１から放出されるイオンビームの量やエミッションパターンの観察に用いられる。なお、光軸Ｏは、イオン光学系の中心軸である。
【００１０】
従来のこの種の装置としては、エミッタと引出電極との間にエミッタ先端部を電界蒸発させる電圧をその電圧値を高くしながら多数回繰り返し印加し、その繰り返しの都度、引出電圧を下げてイオンビームの電流を測定し、イオンビーム電流の最大値が得られたときの引出電圧を記憶し、記憶された多数回の電界蒸発後の各引出電圧に基づいて最適引出電圧の設定を行うようにした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−１９２６６９号公報（段落００１４〜００１９、図３，図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２の（Ａ）は一般的なエミッタのＦＩＭ像を示している。ここで、エミッタはタングステン単結晶（１１１）方位を使用し、イメージングガスとしてヘリウム（Ｈｅ）ガスを使用している。イメージングガスは、イオン化した希ガスイオン化ガスで、例えばＨｅ，Ｈ2，Ａｒ等のガスである。この時のエミッタに印加される電圧は＋３４ＫＶである。一部アパーチャによる視野のカットが観察されているが、矢印で示された部分がエミッタの先端に対応し、この部分が（１１１）結晶面に対応し、その周りに（２２１）方位、更に（２１１），（１２１）方位が対応し、更に外側に行くにつれてエミッタの根元に向かう各結晶面上の小さなスポットは、それぞれ原子に対応している。このパターンでは、（１１１）上に２３個の原子が存在し、１個欠けた欠陥があることが分かる。これらは通常ＦＩＭで観察されるパターンである。
【００１３】
本発明で目的としているエミッタは、ナノエミッタであり、（１１１）結晶面上に１個、若しくは３個の原子が形成された構造を再現性よく実現することである。それを実現したエミッタのＦＩＭ像が図２の（Ｂ），（Ｃ）で示されており、それぞれ３つのスポット、そして１個のスポットが観察されたパターンが示されている。エミッタ先端部に３個，１個の原子が乗っているため、先端部での電界強度が局所的に強くなり、周りの他の結晶面からのエミッションが無くなっており、真のナノエミッションとなっている。ナノエミッタを作製する上で重要なのは、（１１１）面上に多数の原子を配置させるのではなく、１個若しくは３個の原子を再現性よく配置させることにある。
【００１４】
図３はエミッタ先端の模式図である。（ｂ）が通常のエミッタにおける電界分布と開き角の状態を示している。この状態では、エミッタの先端半径が大きいため、エミッタに電圧が印加された場合の電界分布は図に示すように穏やかな曲線となるため、エミッタから放出される荷電粒の軌道は広がって、エミッションの開き角αは大きくなり、電流密度は小さくなる。図２のパターン（Ａ）はこの状態と考えられる。
【００１５】
一方、図３の（ａ）は同じエミッタ先端部に１個若しくは数個の原子を乗せた場合であり、図に小さな突起１ａで示している。この小さな突起１ａの周囲に集中的に強電界が形成されるため、荷電粒子のエミッションはこの突起１ａからのみに制限される。このため、エミッションの開き角αは極めて小さくなると共に、エネルギー幅が小さくなり、角電流密度が大幅に改善され、光源のサイズが極めて小さくなる。図２の（Ｂ），（Ｃ）のパターンはこの状態と解析できる。
【００１６】
従来のＦＩＭを用いたナノエミッタの作製法では、上記したように、導入ガスの圧力を一定に保った状態で引出電圧を可変させることにより、（１１１）面上の原子の数を数個に減らすことを行なっていた。（１１１）面上の原子は原子間引力で結合されているため、外部からの電界で原子を１つずつ解放させて取り除く努力が必要となる。
【００１７】
一般に、これらのエネルギーはフェルミレベルから数ｅＶといわれているが、この（１１１）上の原子を制御するには、個々の原子の位置を再アレンジさせるマイグレーション（移動）を行なって個々の原子の位置を外部からの電荷で制御するため、極めて微小な電圧（数Ｖ〜数十Ｖ）の狭い幅で制御を行わなければならない。これは、通常採用される１０ｋＶ〜２０ｋＶの引出電圧を再現性よく数Ｖから数十Ｖの精度で制御することを要求するものであり、極めて困難である。
【００１８】
例えば、既に示した図２の（Ａ）のＦＩＭ像で、（１１１）上の原子を１個にするために、現在の印加電圧３４ｋＶを更に数十Ｖ上昇させると、先ず（１１１）の外側の結晶面に位置する原子が（１１１）方面に移動し、更に電界が強くなると（１１１）に集まった後、エミッタの外に放出される。これは外部電界の増加と共に、エミッタの根元の原子が、エミッタ先端の（１１１）方位に集まり、更にエミッタ先端からエミッタ外部に放出されることを意味する。この過程の途中にエミッタ先端に数個の原子が配置される状態が存在するわけであるが、エミッタ先端に原子が数個移動した状態の時に、上記高電圧の上昇を止めることは至難の業といえる。
【００１９】
一般にエミッタの引出電圧は、任意の値ではなく接続される荷電粒子光学系に依存する電圧値が要求される。これは、光源からの荷電粒子線を荷電粒子光学系で縮小，拡大，偏向等を行なうに当たり、上記引出電圧が異なる毎にその軌道を調整する必要があり、大変煩わしい作業が発生するからである。そして、一般的には、電子源の場合はその値は５ｋＶ程度、ガスフェーズイオン源（ＧＦＩＳ）では１８ｋＶ程度が一般的な要求値である。従って、引出電圧がこの要求値に適合して一定であるナノエミッタが要求される。従来のＧＦＩＳでは、ガス圧を一定に保った状態で、引出電圧を制御して、マイグレーションを起こさせ、個々の原子の位置のアレンジメントを行なっていたが、一般的な引出電圧１０ｋＶ〜２０ｋＶを数Ｖから数十Ｖの精度で良く制御することが再現性を要求されるマイグレーションが実施できず、結果として得られるナノエミッタの引出電圧は、１５ｋＶ，１７ｋＶ，２０ｋＶなどとバラバラであり、極めて幅広い分布となっていた。
【００２０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、前述したような煩わしさを避け、引出電圧は目的とした電圧値に固定したまま、導入ガス圧を制御することで、目的とするナノエミッタを容易に作製することができるナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（１）請求項１記載の発明は、エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えた集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法において、引出電極に一定の電圧を印加する工程と、エミッタ先端部でマイグレーションが発生するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第１の工程と、該マイグレーションの発生を認識しその状態を維持するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第２の工程と、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションの速度を遅くさせるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第３の工程と、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第４の工程とから成ることを特徴とする。
【００２２】
（２）請求項２記載の発明は、エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系との間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えたナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置において、引出電極に一定の引出電圧を印加し、前記ガス供給手段により前記エミッタに前記ガスを供給しながら前記画像撮影手段で撮影された画像を輝度演算する輝度演算手段と、該輝度演算手段の結果と設定した基準値を比較し、該比較した結果に基づいて前記ガス供給手段のガス圧を制御する比較手段とを設けたことを特徴とするナノエミッタ作製手段を有することを特徴とする。
【００２３】
（３）請求項３記載の発明は、前記基準値とは、エミッタ先端部のマイグレーションの発生を認識しその状態を維持するガス圧にするために設けられた基準値Ａと、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことを認識しマイグレーションの速度を遅くさせるガス圧にするために設けられた基準値Ｂと、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことを認識しマイグレーションを停止させるガス圧にするために設けられた基準値Ｃとから成る請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有することを特徴とする。
【００２４】
（４）請求項４記載の発明は、前記輝度演算手段は、前記画像撮影手段より得られた所定画素数の画像データに基づき、あらかじめ設定された輝度区分毎に画素を区分し、各区分の画素の数を表すヒストグラムデータを作成することを特徴とする請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
（１）請求項１記載の発明によれば、反応ガスをマイグレーションが起こるように、エミッタ部分に導入して制御することにより、エミッタ先端部を１個か数個の原子からなるように作製することができ、しかもナノエミッタを比較的容易に作製することができる。
【００２６】
（２）請求項２記載の発明によれば、引出電極に一定の引出電圧を印加し、ガス供給手段によりエミッタに前記ガスを供給しながら画像撮影手段で撮影された画像を輝度演算し、該輝度演算値と設定した基準値とを比較し、該比較した結果に基づいて前記ガス供給手段のガス圧を制御することで、安定なナノエミッタを作製することができる。
【００２７】
（３）請求項３記載の発明によれば、マイグレーションの状態を維持するために用いられる基準値Ａと、マイグレーションの速度を遅くするために用いられる基準値Ｂと、マイグレーションを停止させるために用いられる基準値Ｃを設けることにより、マイグレーションの安定化を図ることができ、自動的にナノエミッタを作製することができる。
【００２８】
（４）請求項４記載の発明によれば、輝度演算手段として、得られた画像データに基づき予め設定された輝度区分毎に区分毎の画素の値を表わすヒストグラムデータを作成することで、輝度区分毎の画素値の度数を認識することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明を実施するFIMの一実施の形態を示す構成図である。
【図２】エミッタ先端の様子を示す図である。
【図３】エミッタ先端の模式図である。
【図４】本発明を実施する集束イオンビーム装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図５】ナノエミッタ作製のフロー図である。
【図６】ガス圧とマイグレーション速度の関係を示す図である。
【図７】本発明によるナノエミッタの作製過程を示す図である。
【図８】本実施例のナノエミッタの作製過程を説明する図である。
【図９】本発明を実施する集束イオンビーム装置の他の一実施の形態を示す構成図である。
【図１０】本実施例のナノエミッタの作製過程を説明する説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
エミッタ先端部に個々の原子の位置を再配列させるマイグレーションによる原子の移動速度は、エミッタ先端部に供給されるガスのガス圧に比例することが発明者による実験から明らかになった。その結果を図６に示す。図中の縦軸はマイグレーションの速度で、横軸がガスのガス圧を表している。図よりマイグレーションにおける原子の移動速度はガス圧に比例し、ガス圧が高いほどその移動速度は速く、ガス圧が低いほどその移動速度が遅いことが分る。
【００３１】
そこで、発明者は、エミッタ先端部に供給するガスのガス圧を制御することにより、原子の移動を制御してナノエミッタを作製できるのではないかと考えた。
図４は本発明に係る方法を実施する集束イオンビーム装置の一実施の形態を示す構成図である。図中、図１にて使用した記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示す。図４において、図中１４は加速電極９の下流に配置されたエミッタ１から発生したイオンビームを集束させるための集束レンズ、１５は該イオンビームを材料１６上に細く集束させるための対物レンズ、１７は該イオンビームを材料１６上に走査するための偏向器である。
【００３２】
１８はイオンビームの照射により材料１６から放出された二次荷電粒子を検出するための検出器で、該検出器からの検出信号は、増幅器１９、AD変換器２０を介して、画像処理を行うと共に、各手段に作動指令を送る制御装置２１へ送られる。
【００３３】
図中２２は、ＭＣＰ１０，蛍光板１１，ミラー１２を一体で水平方向（矢印
Ｈで示す）に移動させるリトラクト手段で、加速電極９と集束レンズ１４間に配置されると共に、制御装置２１の指令に基づいて動作する。
【００３４】
エミッタ１からのイオンビームがＭＣＰ１０、蛍光板１１を介して光に変換され、該蛍光板に投影されたＦＩＭ像（エミッタ１先端部の素材の様子）は、ミラー１２で反射され、のぞき窓１３を介してＣＣＤカメラ２３により撮影される。２４は該ＣＣＤカメラで撮影されたＦＩＭ像を一時的に記憶する画像取込み装置である。２５は該画像取込み装置からのＦＩＭ画像を画像処理する画像処理装置で、基準値記憶手段２６と輝度演算回路２７と比較器２８から構成される。
【００３５】
基準値記憶手段２６は、エミッタ１先端部に供給するヘリウムガスのガス圧を制御するために必要な基準値を入力装置３０から読込み、比較器２８に設定するものである。
輝度演算回路２７は、画像分解部２７aと階調変換部２７bとヒストグラムデータ作成部２７cとから構成される。
【００３６】
画像分解部２７aは、ＦＩＭ画像を画素毎に分解し、階調変換部２７ｂは、該画像分解部からの分解された画素を階調変換し、輝度値を算出する。ヒストグラムデータ作成部２７ｃは、画素毎に算出された輝度値を、例えば、４つの輝度区分（低輝度区分,中間輝度区分,高輝度区分,飽和輝度区分）に振分け、各輝度区分の画素の数を線分化し、輝度ヒストグラムデータを作成するものである。
【００３７】
比較器２８は、輝度ヒストグラムデータと基準値とを比較し、その比較結果に基づいて制御装置２１にバルブ４の開閉量を制御する制御信号を送るものである。
２９は制御装置２１の指令に基づいて表示画面上に二次電子画像やＦＩＭ画像等を表示する表示装置、３０は入力装置で、オペレータが基準値を入力する例えばマウスやキーボードから成る。
【００３８】
このように構成された集束イオンビーム装置において、イオンビームによる材料の加工や材料表面の観察を行う場合、先ず、リトラクト手段２２によりＭＣＰ１０、蛍光板１１、ミラー１２がイオン光学系光軸Ｏ外に配置する。次に、オペレータが入力装置３０により加工観察の指示を行うと、制御装置２１は、各電源７に指令を送り、各電源７はエミッタと引出電極の間に一定の引出電圧を印加し、更に、エミッタ１と加速電極９との間に一定の加速電圧を印加するので、エミッタ１の先端部に高電界が形成される。
【００３９】
同時に制御装置２１から指令を受けたバルブ４が開き、ガスタンク５からヘリウムガスが導入チューブ３を介してエミッタ１の先端部に供給される。すると、ヘリウムガスの原子は、エミッタ１先端部の高電界による電界電離によってイオン化される。生成されたヘリウムイオンは、引出電極６によって、イオンビームとして取り出され、加速電極９で加速される。
【００４０】
このイオンビームは、集束レンズ１４と対物レンズ１５によって集束され、材料１６に照射される。偏向器２３には、制御装置２１の指令により偏向器制御回路（図示せず）から加工データに応じた偏向信号が偏向器１７に供給され、材料１６にはイオンビームによって所望のパターンが加工される。
【００４１】
又、材料表面を観察する場合には、イオンビームの照射により材料１６から放出された二次イオンが検出器１８で検出され、この検出信号が増幅器１９で増幅され、ＡＤ変換器２０でＡＤ変換され、制御装置２１に送られる。該制御装置は送られてきた信号に基づいて画像処理を行って、表示装置２９の表示画面上に二次イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像）を表示させる。
【００４２】
このような集束イオンビーム装置において、引出電圧がＶexのナノエミッタを自動的に作製する方法を図４、図５、図６、図７、図８を用いて説明する。オペレータが入力装置３０を介して制御装置２１に対して引出電圧がＶexのナノエミッタ製作の指示を行うと、制御装置２１は、リトラクト手段２２を制御してＭＣＰ１０と蛍光板１１とミラー１２をイオン光学系の光軸O上に配置させる。併せて、制御装置２１の指令によりバルブ４が閉じられ、エミッタ１の先端部へのヘリウムガスのガス供給が遮断される。
【００４３】
次に、制御装置２１の指令を受けた電源７が、エミッタ１と引出電極６との間に要求値の引出電圧Ｖexを印加する（Ｓ１）と、エミッタ１の先端部に引出電圧Ｖexによる高電界が形成される。そして、Ｓ２において、制御装置２１の指令によりバルブ４が開かれ、例えばエミッタ周囲のガス圧が５×１０-5Ｐaとなるようにヘリウムガスが導入チューブ３を介してエミッタ１の先端部に供給されるので、エミッタ１先端部の高電界によりヘリウムがイオン化される。発生したヘリウムイオンは引出電極６及びアノード９を介して取り出されてＭＣＰ１０に入射し、その結果、ＣＣＤカメラ２３によりエミッタ先端部のＦＩＭ像が撮影されるようになる。このときＦＩＭ像は、ナノエミッタ作製前の一般的なＦＩＭ像であり、図７の（Ａ）に示すようなものである。撮影されたＦＩＭ画像は画像取込み装置２４に記憶される。
【００４４】
その後、エミッタ先端部でマイグレーションが発生するように、ガス圧は
５×１０-5Ｐaから徐々に上昇させられる（Ｓ２）。このガス圧の上昇に合わせて、制御装置２１の指令によりＣＣＤカメラ２３は、一定時間の間隔でＦＩＭ画像を撮影し、撮影されたＦＩＭ画像は画像取込み装置２４に順次記憶される。
【００４５】
画像処理装置２５は、撮影されたＦＩＭ画像に基づき、マイグレーションの発生を判別し、マイグレーションの制御を行うが、その詳細については以下に説明する。
すなわち、制御装置２１の指令により画像処理装置２５の輝度演算回路２７は、画像取込み装置２４からＦＩＭ画像を読込む。
【００４６】
輝度演算回路２７の画像分解部２７aは、読込まれたＦＩＭ画像を画素毎に分解する。
階調変換部２７ｂは、画素毎に分解されたＦＩＭ画像を画素毎の輝度を２５６階調の輝度値に変換する。ヒストグラムデータ作成部２７ｃは、２５６階調に変換された画素毎の輝度値を、例えば、低輝度区分（０から８５までの輝度値）、中間輝度区分（８５から１７０までの輝度値）、高輝度区分（１７０から２５６までの輝度値）と飽和輝度区分（２５６以上の輝度値）の４区分の何れかに分け、区分毎の画素の数を線分化した輝度ヒストグラムデータを作成し、比較器２８に送る。
【００４７】
この輝度ヒストグラムデータの一例を図８に示す。図中の縦軸は輝度区分毎の画素の数を、横軸は輝度区分を表している。次に、比較器２８は、送られてきた輝度ヒストグラムデータと基準値記憶手段２６よりの各基準値との比較を行う。
【００４８】
該各基準値は、マイグレーションが始まったか否かを判断するための基準値Ａとマイグレーションの速度を遅くさせるための基準値Ｂとマイグレーションを停止させるための基準値Ｃとから成り、該基準値Ａは、エミッタ１先端部でマイグレーションが起きると、ＦＩＭ画像が焦点ぼけに成り、且つ、輝度が極端に低下することに着目して、マイグレーションが始まったことを認識しそのガス圧を維持させるために設けられた。
【００４９】
本実施例の基準値Ａは、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数をゼロ、且つ、輝度ヒストグラムデータの中間輝度区分の画素の数をＢ１とする。又、基準値Ｂは、マイグレーションにおける原子の移動速度は、図６に示すようにヘリウムのガス圧が高いほど原子の移動速度は速く、ガス圧が低いほど原子の移動速度が遅くなることに着目して、マイグレーションにおける原子移動速度を遅くして、ナノ突起物の形成を制御し易くするガス圧にするために設けられた。
【００５０】
本実施例の基準値Ｂは、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数がＡ１、且つ、輝度ヒストグラムデータの中間輝度区分の画素の数がＢ２とする値である。又、基準値Ｃは、マイグレーションによる原子移動の結果、エミッタ１先端部に原子レベルのナノ突起物が形成されると、形成されたナノ突起物が壊れ、再び、新たなナノ突起物の形成が始まり、ＦＩＭ画像の飽和輝度値が顕著に変化することに着目して、エミッタ１先端部に所望のナノ突起物を形成させるためにマイグレーションを停止させるガス圧にするために設けられた。
【００５１】
本実施例の基準値Ｃは、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数がＡ２、且つ輝度ヒストグラムデータの低輝度区分の画素の数がＣ１とする値である。尚、比較器２８には、事前に基準値記憶手段２６から入力装置３０で入力された基準値Ａ,Ｂ,Ｃの中から基準値Ａを読み込み設定されている。
【００５２】
次に、比較器２８は、先ず、送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ａとの比較を行い、エミッタ先端部でマイグレーションが始まったことを制御装置２１に知らせる（Ｓ３）、マイグレーションが始まっていない場合には、Ｓ２に戻り、ガス圧の上昇を継続する。図７の（Ｂ）に示すような輝度が低下したＦＩＭ画像が輝度演算回路２７で輝度演算処理されると、図８の（Ｂ）に示すような輝度ヒストグラムデータを得る。このような輝度ヒストグラムデータが比較器２８に送られてくると、該比較器は、該輝度ヒストグラムデータが基準値Ａ、即ち、輝度ヒストグラムの飽和輝度区分の画素の数がゼロ、且つ、中間輝度区分の画素の数がＢ１以上を上回ったことを認識し、マイグレーションが始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００５３】
該制御装置２１は、判別信号に基づいて、ガス圧の上昇は停止され、ガス圧はその時の圧力に維持されると共に、比較器２８には、基準値記憶手段２６からの基準値Ｂが設定される。上昇停止時の圧力が、例えば、１×１０-2Ｐａであるとすると、その圧力のもとで、マイグレーションの速度は一定速度に成り、エミッタ１先端部の（１１１）面上やその周辺で原子レベルのナノ突起物の形成が始まるようになる（Ｓ４）。
【００５４】
更に、マイグレーションが進行し、エミッタ先端部の（１１１）面上やその周辺で幾つかの原子レベルのナノ突起物が幾つか形成されるようになると、図７の（Ｃ）に示すようなＦＩＭ画像から図７の（Ｄ）に示すようなＦＩＭ画像へと徐々に変わる（Ｓ５）。このようなＦＩＭ画像、図７（Ｃ），（Ｄ）を輝度演算回路２７で輝度演算処理を行うと図８（Ｃ），（Ｄ）に示す輝度ヒストグラムデータに成る。
【００５５】
次に、比較器２８は、送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ｂとの比較を行い、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が始まったことを制御装置２１に知らせる（Ｓ５）、ナノ突起物の形成が始まっていない場合には、Ｓ４に戻り、マイグレーションは継続される。マイグレーションが進行して図７の（Ｄ）に示すようなＦＩＭ画像が得られるようになり、それが輝度演算回路２７で輝度演算処理され、図８の（Ｄ）に示すような輝度ヒストグラムデータが得られるようになると、比較器２８は該輝度ヒストグラムデータが基準値Ｂ、即ち、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素数がＡ１値以上、且つ、中間輝度区分の画素数がＢ２値以上を上回ったことを認識し、ナノ突起物の形成が始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００５６】
該制御装置２１は、判別信号に基づいて、バルブ４に第３のガス圧、例えば、それまでのガス圧２×１０-2Ｐａより低いガス圧２×１０-3Ｐａが設定される（Ｓ６）。同時に比較器２８には、基準値記憶手段２６から基準値Ｃが設定される。エミッタ１先端部のガス圧が２×１０-3Ｐａになると、エミッタ１先端部のマイグレーションの速度が遅くなり、ゆっくりとした速度で原子の再配列が行われる。
【００５７】
更にマイグレーションが進行すると、図７の（Ｄ）に示すようなＦＩＭ画像から図７の（Ｅ）に示すようなＦＩＭ画像へと変わり、エミッタ１先端部の（１１１）面上に数個の原子が再配列されるようになる。次に、比較器２８は、送られてきた輝度ヒストグラムデータと基準値Ｃと比較を行い、エミッタ先端部のナノ突起物の形成が完了したことを制御装置２１に知らせる（Ｓ７）。
【００５８】
図７の（Ｅ）に示すようなＦＩＭ画像が輝度演算回路２７で輝度演算処理されると、図８の（Ｅ）に示すような輝度ヒストグラムデータを得る。このような輝度ヒストグラムデータが送られてくると、比較器２８は、該輝度ヒストグラムデータが基準値Ｃ、即ち、輝度ヒストグラムデータの飽和輝度区分の画素の数がＡ２値以上で、且つ、低輝度区分の画素の数がＣ１値以上を上回ったことを認識し、ナノ突起物の形成が完了したことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００５９】
該制御装置２１は、判別信号に基づきバルブ４にマイグレーションを停止させる第４のガス圧、例えば、ガス圧７×１０-4Ｐａが設定される（Ｓ８）。すると、エミッタ１先端部のマイグレーションは停止し、該先端部の（１１１）面上に数個の原子が固定し、ナノ突起物が形成される。このように一連の動作を自動的に行うことにより要求値の引出電圧Ｖexに対するナノエミッタを作製することができる。
【００６０】
以上のような過程によりナノエミッタが作製され、作製されたナノエミッタを使用して集束イオンビーム装置で材料の加工や材料表面の観察あるいは加工を行うことができる。
次に、本発明の第２の実施の形態を示す集束イオンビーム装置の構成の一例を図９に示す。図中、図４にて使用した記号と同一記号の付されたものは同一構成要素を示し、説明を省略する。
【００６１】
図９の構成が図４の構成と異なるのは、画像処理装置２５´であり、図４におけるヒストグラムデータ作成部２７ｃの代わりに、輝度分布グラフ作成部２７ｃ´を設け、比較器２８により輝度分布グラフ作成部２７ｃ´からの輝度分布グラフデータと基準値記憶手段２６よりの基準値とを比較するようにした点である。
【００６２】
ここで、輝度分布グラフ作成部２７ｃ´の動作について説明すると、図４の実施例と同様に、画像取込み装置２４に記憶されたＦＩＭ画像は、画像処理装置２５´の輝度演算回路２７に読込まれ、輝度演算回路２７は、画像分解部２７aでＦＩＭ画像を画素毎に分解し、階調変換部２７ｂで画素毎の輝度を２５６階調の輝度値に変換される。輝度分布グラフ作成部２７ｃ´は、各画素の輝度値に対応した長さの線分を最も高い輝度値ののも（最も長い線分）を一番目に、その右側に輝度値が低くなるように、すなわち、各画素に対応した線分を輝度順に５１２番目まで並べた輝度分布グラフデータを作成し、比較器２８に送る。
【００６３】
この輝度分布グラフデータの一例を図１０に示す。図中の縦軸は輝度値を、横軸は画素の輝度順位を表している。
次に、比較器２８は、送られて来た輝度分布グラフデータと基準値記憶手段２６からの各基準値との比較を行う。各基準値は、マイグレーションが始まったか否かを判断するための輝度値に関する基準値ＭＧと、飽和輝度の画素数に関するマイグレーションの速度を遅くさせるための基準値Ｐ１とマイグレーションを停止させるための基準値Ｐ２とから成る。
【００６４】
尚、比較器２８には、基準値記憶手段２６から入力装置３０で入力された基準値ＭＧ,Ｐ１,Ｐ２中の基準値ＭＧのみが設定されているものとする。いま、入力装置３０からナノエミッタ作製開始の指示を行うと、制御装置２１の指令によりバルブ４に第１ガス圧が設定される。この第１ガス圧の状態では、先に説明したように図７（Ａ）に示すような飽和輝度から輝度０までの画素が存在するＦＩＭ像が得られるため、図１０の（Ａ）に示すような輝度分布グラフデータが得られる。
【００６５】
その後、ガス圧が上昇すると、マイグレーションが発生し始め輝度分布グラフデータの飽和輝度値の画素が減少してやがてなくなり、更に、最高輝度値も低下して図７（Ｂ）に示すようなＦＩＭ像が得られるようになると、図１０の（Ｂ）に示すような輝度分布グラフデータへと変わる。
【００６６】
この間、比較器２８は、送られてくる輝度分布グラフデータと基準値ＭＧと比較を行い、エミッタ先端部でマイグレーションが始まったことを制御装置２１に知らせる。図１０の（Ｂ）に示すような輝度分布グラフデータが送られてくると、比較器２８は、該輝度分布グラフデータの最高輝度値が基準値ＭＧを下回ったことを認識し、マイグレーションが始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００６７】
該制御装置２１は、判別信号に基づいて、バルブ４にそのときガス圧を第２ガス圧として設定し、同時に比較器２８に、基準値記憶手段２６から基準値Ｐ１を送って設定する。
すると、マイグレーションの速度は一定速度になり、エミッタ１先端部の（１１１）面上やその周辺で原子レベルのナノ突起物の形成が徐々に始まる。それに伴い、得られるＦＩＭ像は図７（Ｂ）に示すようなものから図７（Ｃ）に示すように最高輝度が上昇して行くため、輝度分布グラフデータも図１０の（Ｂ）に示すようなものから最高輝度値が徐々に高くなり、図１０の（Ｃ）に示すようなものに変わる。更にマイグレーションが進行すると、ナノ突起物の形成も増えて、最高輝度値が飽和輝度値となり、更に飽和輝度値の画素数も増加して、図１０の（Ｃ）の破線で示すような輝度分布グラフデータへと変わる。ナノ突起物の形成が更に進むと、得られるＦＩＭ像は図７（Ｄ）に示すようになって飽和輝度の画素が更に増加するため、図１０の（Ｄ）に示すような輝度ヒストグラムデータが得られるようになる。
【００６８】
比較器２８は、順次送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ｐ１と比較を行い、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が始まったことを制御装置２１に知らせる。
図１０の（Ｄ）に示すような輝度ヒストグラムデータが送られてくると、比較器２８は、該輝度分布グラフデータの飽和輝度値の数が基準値Ｐ１と一致したことを認識し、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が始まったことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。
【００６９】
該制御装置２１は、判別信号に基づき、ナノ突起物の形成が十分に進行したと判断し、バルブ４に第２のガス圧よりも低い第３のガス圧を設定する。
該制御装置２１は、バルブ４に第３のガス圧を設定すると、同時に、比較器２８に基準値記憶手段２６から基準値Ｐ２を設定する。第２のガス圧よりも低い第３のガス圧になると、エミッタ１先端部のマイグレーションの速度が遅くなり、ゆっくりとした速度で原子の再配列が行われ、徐々に数個のナノ突起物が形成されるようになる。これに伴い、得られるＦＩＭ像は、図７（Ｅ）に示すように、大部分の画素が輝度０で飽和輝度の画素がわずかに存在するものとなって行く。
【００７０】
比較器２８は、順次送られてくる輝度ヒストグラムデータと基準値Ｐ２と比較を行い、飽和輝度の画素数が基準値Ｐ２と一致するまで減少したことでエミッタ先端部でナノ突起物の形成が完了したことを制御装置２１に知らせる。図１０の（Ｄ）に示すような輝度分布グラフデータから送られてくると、比較器２８は、該輝度分布グラフデータの飽和輝度値の画素数が基準値Ｐ２と一致したことを認識し、エミッタ先端部でナノ突起物の形成が完了したことを示す判別信号を発生し制御装置２１に送る。制御装置２１は、判別信号に基づき、ナノ突起物の形成が完了したと判断し、バルブ４に第３のガス圧より低い第４のガス圧を設定する。
【００７１】
すると、エミッタ１先端部のマイグレーションは停止し、該エミッタ１先端部の（１１１）面上に数個の原子が固定し、ナノ突起物が形成する。このように一連の動作を自動的に行うことにより要求値の引出電圧Ｖexに対するナノエミッタを作製することができる。尚、前記実施例における基準値Ａ,基準値Ｂ,基準値Ｃ、又は基準値ＭＧ，基準値Ｐ１，基準値Ｐ２は、事前の実験により求めた値である。
【００７２】
また、実施例で示したようなナノエミッタの作製手順、即ち、要求値の引出電圧を引出電極に印加した後、エミッタに供給するヘリウムのガス圧を低圧から高圧側に徐々に圧力を高くして行き、マイグレーションの発生に基づいてその状態を維持するガス圧、ナノ突起物の形成が始まったことの基づいてマイグレーションの速度を遅くさせる低いガス圧、ナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させる更に低いガス圧を順に設定してナノエミッタを作製しているが、本実施例の手順に限定されるものではない。
【００７３】
例えば、要求値の引出電圧を引出電極に印加した後、最初にマイグレーションが発生する高い圧力のガス圧、ナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションの速度を遅くさせる低いガス圧、ナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させる更に低いガス圧を順に設定する手順でも良い。
【００７４】
このように、本発明によれば、引出電圧は目的とした電圧値に固定したまま、導入ガス圧を制御することで、目的とするナノエミッタを容易に作製することができる集束イオンビーム装置におけるナノエミッタ作製方法及びナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００７５】
１ エミッタ
２、７、８ 電源
３ 導入チューブ
４ バルブ
５ ガスタンク
６ 引出電極
９ 加速電極
１０ ＭＣＰ
１１ 蛍光板
１２ ミラー
１３ 覗き窓
１４ 集束レンズ
１５ 対物レンズ
１６ 材料
１７ 偏向器
１８ 検出器
１９ 増幅器
２０ ＡＤ変換器
２１ 制御装置
２２ リトラクト手段
２３ ＣＣＤカメラ
２４ 画像取込み装置
２５ 画像処理装置
２６ 基準値記憶手段
２７ 輝度演算回路
２７a 画像分解部
２７b 階調変換部
２７c ヒストグラムデータ作成部
２７c´ 輝度分布グラフデータ作成部
２８ 比較器
２９ 表示装置
３０ 入力装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えた集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法において、引出電極に一定の電圧を印加する工程と、エミッタ先端部でマイグレーションが発生するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第１の工程と、該マイグレーションの発生を認識しその状態を維持するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第２の工程と、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションの速度を遅くさせるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第３の工程と、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第４の工程とから成る集束イオンビーム装置のナノエミッタの作製方法。
【請求項２】
エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系との間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えたナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置において、引出電極に一定の引出電圧を印加し、前記ガス供給手段により前記エミッタに前記ガスを供給しながら前記画像撮影手段で撮影された画像を輝度演算する輝度演算手段と、該輝度演算手段の結果と設定した基準値を比較し、該比較した結果に基づいて前記ガス供給手段のガス圧を制御する比較手段とを設けたことを特徴とするナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置。
【請求項３】
前記基準値とは、エミッタ先端部のマイグレーションの発生を認識しその状態を維持するガス圧にするために設けられた基準値Ａと、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことを認識しマイグレーションの速度を遅くさせるガス圧にするために設けられた基準値Ｂと、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことを認識しマイグレーションを停止させるガス圧にするために設けられた基準値Ｃとから成る請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置。
【請求項４】
前記輝度演算手段は、前記画像撮影手段より得られた所定画素数の画像データに基づき、あらかじめ設定された輝度区分毎に画素を区分し、各区分の画素の数を表すヒストグラムデータを作成することを特徴とする請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置。
【請求項１】
エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えた集束イオンビーム装置のナノエミッタ作製方法において、引出電極に一定の電圧を印加する工程と、エミッタ先端部でマイグレーションが発生するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第１の工程と、該マイグレーションの発生を認識しその状態を維持するようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第２の工程と、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことに基づいてマイグレーションの速度を遅くさせるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第３の工程と、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことに基づいてマイグレーションを停止させるようなガス圧を前記ガス供給手段に設定する第４の工程とから成る集束イオンビーム装置のナノエミッタの作製方法。
【請求項２】
エミッタと、該エミッタにガスのガス圧を変えて供給するガス供給手段と、該エミッタ先端部からイオンビームを引き出す引出電極と、該イオンビームを材料上に集束する集束レンズ系と、該イオンビームで材料上を走査させるための走査レンズ系とを備え、引出電極と集束レンズ系との間にエミッタ先端部の素材の様子を撮影する画像撮影手段を備えたナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置において、引出電極に一定の引出電圧を印加し、前記ガス供給手段により前記エミッタに前記ガスを供給しながら前記画像撮影手段で撮影された画像を輝度演算する輝度演算手段と、該輝度演算手段の結果と設定した基準値を比較し、該比較した結果に基づいて前記ガス供給手段のガス圧を制御する比較手段とを設けたことを特徴とするナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置。
【請求項３】
前記基準値とは、エミッタ先端部のマイグレーションの発生を認識しその状態を維持するガス圧にするために設けられた基準値Ａと、エミッタ先端部にナノ突起物の形成が始まったことを認識しマイグレーションの速度を遅くさせるガス圧にするために設けられた基準値Ｂと、エミッタ先端部に所望のナノ突起物の形成が完了したことを認識しマイグレーションを停止させるガス圧にするために設けられた基準値Ｃとから成る請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置。
【請求項４】
前記輝度演算手段は、前記画像撮影手段より得られた所定画素数の画像データに基づき、あらかじめ設定された輝度区分毎に画素を区分し、各区分の画素の数を表すヒストグラムデータを作成することを特徴とする請求項２記載のナノエミッタ作製手段を有する集束イオンビーム装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図７】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
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【公開番号】特開２０１１−８２０５６（Ｐ２０１１−８２０５６Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３４２４４（Ｐ２００９−２３４２４４）
【出願日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
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