JP2007227381A - 気体イオン源を備えた粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低エネルギー拡がりで、現在実現可能な輝度よりも明るい輝度の実現が可能な気体イオン源が備えられた粒子光学装置を提供する。
【解決手段】高輝度は、一の空間から小さなイオン化容積（1μm未満から数十μmの大きさ）に電子を注入し、他方の空間からのイオンを引き出すことによって実現される。注入される電子は、電界放出型放出体又はショットキー型放出体のような高輝度電子源３で生成される。 本発明の一の実施例では、高電子密度は、電界放出型放出体をイオン化容積の近くに設けて、電子源とイオン化容積との間に光学系を設けることなく実現される。本発明の他の実施例では、電子源はMEMS構造上で結像される。50nmの2つの小さな絞りは1μmの間隔を空けて設けられている。電子は1の絞り２から入り込み、イオンはもう一方の絞り７を介してイオン化容積から出て行く。
【選択図】図２

Description

本発明は気体イオン源を備えた粒子光学装置に関する。前記気体イオン源は、最大直径が20μmの射出絞りが供されているダイヤフラム壁(diaphragm wall)、電子ビームを発生させる電子放出表面を有する電子源、ダイヤフラム壁の第1空間に気体を収容する気体収容手段、ダイヤフラム壁の他方の空間を真空-第1空間よりも低圧の状態-にする真空手段、電子ビームの電子がイオン化容積中の気体をイオン化するエネルギーに、電子ビームを加速させる加速電場を発生させる加速手段、及びイオン化容積から生成された気体イオンを引き出す引き出し電場を発生させる引き出し手段を有する。

本発明はまた、そのような装置で利用される気体イオン源にも関する。

そのような装置の気体イオン源は特許文献1から既知である。

現在、集束イオンビームを有する粒子光学装置は、たとえば集束イオンビームでウエハを処理することを目的として半導体産業で利用されている。この目的のため、イオン源はウエハ上の所謂イオンスポット上に集束される。そのようなイオン源の処理速度は、このイオンスポットでのイオン電流密度によって制限される。高イオン電流密度は、明るいイオン源をイオンスポットへ集束させることによって実現される。そのため、たとえば希ガスイオンのように、処理された後のウエハに残らないイオンを使用することが望ましい。

特許文献1で説明されている気体イオン源は、第1空間において、たとえば0.2[bar]の気体圧力を有するイオン化される気体が設けられているダイヤフラム壁を有する。ダイヤフラム壁の他方の空間では、真空、又は少なくとも第1空間よりも低圧の空間が設けられている。ダイヤフラム壁では、射出絞りが供されている。前記射出絞りを介して、気体は真空の空間へ流入する。ダイヤフラム壁の真空の空間で電子源によって生成される電子は、第1電場すなわち加速電圧によって加速され、電子レンズによって集束される。電子焦点は、ダイヤフラム壁の真空の空間にある射出絞りの直前に設けられている。電子焦点内の電子と放出される気体原子との衝突の結果、気体イオンが、射出絞りのすぐ近くにあるイオン化容積内で形成される。イオン化容積の容積は、高電子密度及び高気体密度が同時に生じる領域によって決定される。イオンは、第2電場すなわち引き出し電場の助けを借りて、イオン化容積から引き出される。続いて、それ自体は既知である粒子光学的手段の助けを借りて引き出されたイオンを結像及び操作することができる。

特許文献1では、イオン化容積が小さくなければ輝度はプラズマ及び空間電荷効果によって制限されるので、イオン化容積を小さく保持することによって、高輝度気体イオン源を得ることができる方法について説明されている。所望である小さなイオン化容積は、射出絞りの直径が最大でも20μmであるという結果として実現される。そのような小さな射出絞りの結果、ダイヤフラム壁の真空空間では小さな容積のみが存在する。その際、気体圧力は、イオンが生成される機会が大きくなるほどに高い。それに加えて特許文献1に従うと、電子ビームは高い電流密度を有していなければならない。

輝度の大きさは特許文献1からは導くことができないし、生成されたイオンのエネルギーの拡がりもまた特許文献1からは導くことができない。

現在高輝度電子源が必要なときには、ショットキー放出体又はカーボンナノチューブのような電界放出型の放出体を使用する電子源がよく用いられている。これらの電子源は小さな電子放出表面を有する。当業者に既知なように、特に像中で比較的大きな電流が得られるときには、これらの電子源は収差の小さい光学系によって結像されなければならない。

しかし、イオン化容積からイオンが放出されるので、光学系はイオン化容積から放出されるイオンと空間的に干渉する恐れがあるか、又は光学系で利用される電場が干渉を起こす恐れがある。その結果、結像光学系の焦点距離を任意に小さくすることができない。当業者に知られているように、大きな焦点距離と小さな収差とを兼ね備えることは相反する要求である。

イオン化容積への電子の横からの注入、つまりイオン化容積からイオンを引き出す電場に垂直に注入すること、は小さな収差を得る上で問題を一層深刻にする。

よって、特許文献1で説明されたイオン源が、高い電子電流を得ながら高輝度電子源からの電子をイオン化容積に集束させるのは問題である。

加工部品（たとえばウエハのような）が集束イオンビームによって処理されるような、それらの産業分野では、高輝度でかつエネルギー拡がりの小さな気体イオン源を使用する粒子光学装置が求められる。そこでイオンスポットを形成する結像光学系によって引き起こされる幾何収差及び色収差のみを小さくすることができる結果、所望である小さなイオンスポットが実現される。
米国特許第4500787号明細書 特開昭61-193348号明細書 欧州特許第0056899号明細書

本発明は「技術分野」で述べた型である、低エネルギー拡がりで、かつ現在実現可能な輝度よりも明るい輝度の実現が可能な気体イオン源が備えられた粒子光学装置の提供を目的とする。

この目的のため、本発明に従った装置は、電子放出表面がダイヤフラム壁の気体が存在する空間に設けられ、かつイオン化容積の位置における電子ビームの直径は30μmより小さいことを特徴とする。

本発明は、イオン源が高輝度を示すには、次に示す複数の境界条件を同時に満足しなければならないという知見に基づいている。
・イオン化容積内で高電流密度を得ることができなければならない。このことは、ショットキー源又はカーボンナノチューブ(CNT)のような電界放出型電子源のような高輝度電子源を用いることによって実現可能である。
・電子源をイオン化容積で集束させるのに用いられる如何なる光学系の収差も小さくなければならない。
・同時に、電子源を集束させるのに用いられる如何なる光学系も放出イオンビームと空間的に干渉できず、又はこれらの光学系で用いられる如何なる電場も放出イオンビームと干渉できない。
・イオン化容積内でのプラズマ及び空間電荷効果は、輝度を制限するので回避されなければならない。このことは、イオン化容積にわたる高電場によってイオン化容積からイオンを引き出すことによって実現される。
・同時に、イオン化容積にわたる電場はイオン源のエネルギー拡がりを支配するので、そのような電場は十分に小さくなくてはならない。イオン化容積にわたって、高電場と低い電圧とを兼ね備えるため、イオン化容積は小さくなくてはならない。
・当業者に知られているように、イオン化容積での所望の高い電子電流密度は、約50-1000[eV]の電子エネルギーで実現されなければならない。電子―イオン衝突のイオン化効率は、50-300[eV]の間で最大を示す。300[eV]より大きくなると効率は急激に減少する。しかしそのような減少は最初、約1[keV]までは、より高い電子エネルギーを使用することによって実現される電子輝度の増大によって補償される。電子は従って、イオン化容積では約50-1000[eV]エネルギーを有していなければならない。
・たとえば電子放出表面の機械的変位/振動、又は漂遊電磁場によって引き起こされる如何なる干渉も、スポットを劣化させないほど、又はほとんど劣化させないほどに十分小さくなければならない。

上述の複数の因子を兼ね備えることで、この問題に対する2つの関連する解決法を、発明者は思いついた。

第1の解決法では、集束光学系はイオン化容積上で電子スポットを生成する。イオン化容積内で電子電流密度を最適にするため、これらの光学系は、電子放出表面の幾何的結像の大きさが光学系の収差によって引き起こされるディスクの大きさと同程度となるような倍率で、電子源の電子放出表面を結像しなければならない。このことは、1つのレンズで構成される単純光学系については、次のように説明することができる。

電子源の存在する空間でレンズが受けるときの開口角α_inは、電子スポットに集束される、電子源から受ける電子電流を決定する。レンズの電子源とは反対の空間での角度α_outは、たとえば球面収差のような収差を決定する。電子源から電子スポットへの倍率Mは、M=α_in/α_outに等しい。所与のα_in（よって電子スポットで結像される所与の電流）では、大きな倍率の結果として、幾何的結像が支配的となり、高電子電流密度となる。他方で、小さな倍率（結果としてα_outが大きくなる）では、光学系の収差が支配的となる結果、低電子電流密度となる。幾何的結像と幾何収差とが均等に支配するときに電子電流密度は最適となる。

電子電流密度を最適にするためには、たとえば0.1-10倍の倍率が選択されなければならないことを実験結果は示している。そのような倍率が選択された結果、電子スポットはたとえば5-500nmとなる。

収差が小さくなる結果、明らかに最適電子電流密度は大きくなる。当業者に既知であるように、小さな収差は、レンズからイオン化容積までの距離がたとえば1[mm]以下のように小さいことを示唆している。従来技術のイオン源のように、電子源及び光学系がダイヤフラム壁の真空空間に設けられるとき、電子源及び光学系は射出絞りから放出されるイオンビームを妨げる。

電子源及び光学系をダイヤフラム壁の気体が存在する空間に設けることによって、電子源及び光学系は射出絞りから放出されるイオンを妨げなくなる。

第2の解決法では、高輝度電子源の放出はすべて、集束光学系を用いずに得ることができなければならない。小さな電子放出表面を有する高輝度電子源を、イオン化容積に非常に近接させて設けることによって、ビームを集束させることなく気体中での高電子密度を実現することが可能である。そのような電子放出表面を、イオン化容積から約10μmの大きさのオーダーの距離で設けることによって、イオン化容積の位置でのビーム直径は数μmにしかならない。この方法で、電子放出表面からの放出電流の全体又はほぼ全体は、イオン化容積内でのイオン化に利用できる。

ここで、電子源もダイヤフラム壁の気体が存在する空間に設けられなければならない。さもなければ電子源が放出イオンを妨害するからである。

関連するアイディアはよって、高輝度電子源をダイヤフラム壁の気体が存在する空間に設けることである。電子源をこのように設置することで、イオン化容積内での電子の高電流密度を可能にしながら、射出絞りから放出されるイオンが機械的に邪魔されるのが回避される。

電子源が大抵の場合、最終的に注入される電子ビーム中の電子の一部を放出し、それとは異なる部分である、他の表面領域からの電子、及び/又は使用不可能な角度領域（角度分布）にわたって分布する電子をも放出することは言及しておくべきである。本発明の説明では、たとえこれら他のビームにおける全電流が、全放出電流に対して無視できない大きさであっても、これら他の領域から放出される放出電子、又は別な角度分布を有する放出電子を無視する。

加速電場は、電子をイオン化に適したエネルギー、たとえば50-1000[eV]、に加速する。引き出し電場は、イオン化の結果生成されたイオンを、電子源の方向とは反対の方向で、イオン化容積の外へ向かって引き出す。それに続いて、イオン化容積の外で引き出されたイオンは、それ自体は既知である粒子光学素子によってさらに加速されて良い。

本発明に従った粒子光学装置の実施例では、第2壁が、電子放出表面とダイヤフラム壁との間に設けられている。第2壁には、加速された電子がイオン化される気体に到達する際に通り抜ける入射絞りが供されている。

電子源が設けられる空間は、本実施例の場合、真空又は少なくともダイヤフラム壁と第2壁との間でイオン化される気体の圧力よりも低い圧力に減圧することが可能である。加速電場によってたとえば50-1000[eV]に加速される電子は、第2壁の入射絞りを介して、イオン化される気体に到達し、そこでイオン化容積中の気体原子をイオン化する。引き出し電場は、ダイヤフラム壁と第2壁との間の小さな電位差によって生じさせることが可能である。しかし、ダイヤフラム壁の真空の空間で印加され、かつ射出絞りを貫通して延在する電場によって生じさせることも可能である。そのような電場により、ダイヤフラム壁と第2壁とは同一電位である。

本実施例の利点は、電子放出表面が低圧の空間に設けられることである。電子放出表面が低圧の空間に設けられることで、適切な電子源の選択及び構築が単純化される。

本実施例の別な利点は、第2壁を付加することで、加速電場、引き出し電場、及び射出絞りから放出されるイオンをさらに加速させるのに用いられる次の電場を独立に制御できることである。

本発明に従った別な粒子光学装置の実施例では、ダイヤフラム壁と第2壁との距離は1μm未満で、かつダイヤフラム壁の絞りの直径及び入射絞りの直径も1μm未満である。

そのような絞りはたとえば、導電性材料からなる2つのホイルに作製することが可能である。その2つのホイルは、たとえばフォトレジストによって、絞りが形成される場所に空洞が存在するようにして、互いに付着し、かつ互いに分離している。その一方で、空洞もまた、ホイルのうちの1つの気体吸気口と接続する。これは、たとえば半導体産業で用いられているMEMS技術を用いて実行できる。集束イオンビームで2つのホイルに、該ホイルにほぼ垂直な軸に沿って穴を開けることによって、2つの小さく、十分に位置合わせされた絞りが形成される。気体吸気口と気体貯蔵器とを接続することによって、絞り間の空間はイオン化される気体で満たされる。

これにより、極端に小さなイオン化容積を使用することが可能となり、イオン化容積にわたって高引き出し電場及び低電圧を兼ね備えることが可能となる。その結果、所望であるエネルギー拡がりの低いイオン源が実現する。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、引き出し電場は方向を反転させることができる。引き出し電場の方向が反転可能なことで、この電場が第1方向を向く場合には生成された気体イオンが引き出され、この電場がもう一方の方向を向く場合には射出絞りを介して電子が引き出される。

たとえ必要がないとしても、この後者の場合では気体の供給を止めることが可能である。

引き出し電場を変化させる、つまり電圧を変化させることによって、ビーム供給源は、選択に従ってイオンビーム又は電子ビームを生成する。この選択に依存して電子又はイオンが生成される場所は基本的には同一である。本実施例に従ったビーム供給源の利点は、この方法で、装置を構築することが可能であり、それによって、ただ1つの、たとえば静電的粒子光学的手段のような銃によって、画像生成、分析、及び/又は両方の種類の粒子による処理の実行を相互に切り換えて行うことが可能になることである。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、電子源は、電界放出型電子源、ショットキー電子源、又はカーボンナノチューブ(CNT)電子源である。

当業者に既知であるように、これらの型の電子源は高輝度を示し、イオン化容積中での所望である高電子密度を可能にする。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、引き出し電場はイオン化容積にわたって10[V]未満、好適には5[V]未満で、より好適には1[V]未満の電位差を発生させる。

高輝度の気体イオン源に加えて、エネルギー拡がりの小さいイオンビームもまた、イオンビームを小さなイオンスポットに集束させることを可能にするために必要である。さもなければ、結像粒子光学素子の色収差がイオンスポットの大きさを決定してしまうからである。イオン化容積全体に印加される電場は、イオン化容積にわたって電位差を生じさせる。イオン化容積の場所での電場がたとえば10[V]未満の電位差を発生させるように、この電場を設定することで、イオンビームのエネルギー拡がりもまた10[V]未満となる。エネルギー拡がりもまた10[V]未満となることによって、直径が色収差によっては決定されず、たとえばイオン源の結像点の大きさ、又は光学系の球面収差によって決定されるようなイオンスポットを形成することが可能となる。

さらに小さな直径のイオンスポットを用いるときには、イオン化容積にわたる電圧を、たとえば5[V]未満で、より好適には1[V]未満のようなさらに低い値に限定する必要があるだろう。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、イオン化される気体は希ガスである。

希ガスを使用する利点は、高純度の希ガスを得るのが容易なことである。高純度の希ガスが得られることによって、イオンビーム中には不純物となる他のイオンがほとんど存在しない。それに加えて、希ガス原子は一般的に、イオンビームが集束される加工部品内に処理後残らない。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、イオン化容積の外へ引き出される電流をほぼ一定に維持する手段が存在する。

多くの用途では、イオン電流を一定に維持するのが望ましい。イオン化容積外の電流は、たとえば電子ビーム中の電流を変化させるなどの様々な方法で変化させることが可能である。結局、イオン化容積中の電子密度の増大により、生成されるイオンの量は増大する。しかし、ダイヤフラム壁の場所で電子が有するエネルギーの変化もまた、生成されるイオンの量を増大させる効果を有する。その理由は、イオン化確率は電子のエネルギーに依存するからである。収容される気体の圧力変化もまた、生成されるイオンの量を増大させる効果を有する。

ここでイオン電流、又はイオン電流のうちの少なくとも決まった部分を測定し、かつこの測定された値を用いて、イオン生成に影響を及ぼすパラメータを変化させることによって、イオン源外部の電流を一定に保持することが可能となる。

イオン化容積外部の電流測定に加え、イオン化容積外部の電流に関連する効果を測定することも可能である。この例には、特許文献1で述べられているような、イオン化の結果生じる光の効果がある。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、電子はイオン化容積に集束される。

適切な光学系で、たとえば5-500nmの電子スポットに電子電流を集束させるとき、そのスポット中の電子電流密度は非常に高い値をとることができる。本実施例は、直径1μm未満の射出絞り、及び直径1μm未満の入射絞りを兼ね備えるときに、特に魅力的である。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、第2壁に衝突する電子電流を測定する手段が存在する。前記測定は、電子ビームを安定化させ、及び/又は電子ビームを第2壁内の絞りに集束させ、及び/又は、電子ビームを第2壁内の絞りに位置設定するのに用いられる。

イオン電流がイオン化容積中の電子電流の変化に対して変化するので、電子電流を安定させなければならない。電子ビームを絞りに集束させるため、光学系はレンズ及び偏光器を有して良い。第2壁上に適切な構造、たとえば環状構造及び/又は第2壁内の絞りを中心とするセグメント、を有することで、電子ビームは絞りで集束され、絞りを中心とすることができる。前記構造は壁と電気的に絶縁され、互いにも電気的に絶縁している。

そのような構造の別な利点は、そのような構造にわたって電子ビームを走査することによって、たとえばこのビームの非点収差に関する情報を検出し、それを補正することができることである。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、電子放出表面とイオン化容積との間の電子ビームは、徐々に発散するビームであり、電子放出表面は、射出絞りから300μm未満の距離に位置する。

本実施例は、電子放出表面とイオン化容積との間で集束光学系を使用しない状況について説明している。

イオン化容積の近くに電子放出表面を設けることによって、電子放出表面によって生成される、全電流又は全電流のうちのかなりの部分が、イオン化容積中で利用可能である。加速電場は、発散ビームとしての電子を直接的にイオン化容積へ加速させる。

電子ビームを集束させる手段がないことの利点は、気体イオン源の大幅な単純化かつ小型化に寄与することである。

本発明に従ったさらに別な粒子光学装置の実施例では、電子源の電子放出表面は収容気体中に設けられている。

イオン化容積は、電子放出表面と射出絞りとの間に設けられているが、射出絞りを貫通して真空の空間にまで延在しても良い。ダイヤフラム壁の気体が存在する空間では、加速電場が印加される。ダイヤフラム壁の真空空間では、引き出し電場が印加される。引き出し電場は射出絞りを介して延在しても良いし、延在しなくても良い。加速電場と引き出し電場とは反対の方向（符号）を有する。その理由は、加速電場は負に帯電している電子を加速させなければならず、引き出し電場は正に帯電しているイオンを引き出さなければならず、電子及びイオンは同一方向に進行するからである。イオン化容積中で、第2電場が第1電場よりも大きくなる部分では、イオンはイオン化容積外部へ引き出される。

電子放出表面をイオン化容積の近くに設ける結果、この電子放出表面は、気体圧力が比較的高い環境中で動作しなければならないことに留意すべきである。特許文献1では、イオン化容積の場所では、0.1[bar]の大きさのオーダーの気体圧力であると引用されている。本発明に従ったイオン源では、イオン化容積の場所、及び電子放出表面の位置での気体圧力は、特許文献1で引用されている大きさのオーダー程度である。

たとえ、たとえば電界放出型電子源のような高輝度電子源が高真空（たとえば10^-9[mbar]より低い圧力）でのみ動作可能であるという一般的印象が存在するとしても-さもなければ、電界放出型電子源を損傷するオーバーアークが発生する恐れがあるため-、使用される電圧が、当業者に既知であるパッシェン曲線での最小値よりも小さい場合には、そのようなオーバーアークが生じないことは明らかである。パッシェン曲線は、2つの電極間の気体の場合では、一方で、気体圧力と、放電が生じる距離との積と、他方で、放電が生じるアークオーバー電圧との間の関係を示唆している。すべての気体については、この関係は、200[V]から500[V]の間の電圧での最小値を示す。電界放出型電子源の圧力が、この最小値より小さい場合、気体放電は生じえない。

電子放出表面とダイヤフラム壁との間の距離を適切に選択することによって、電子を50-300[V]のエネルギーに加速する加速電場は、電子を電界放出型電子源の外へ電子を放出するのに必要な電場の機能を果たすことも可能である。

本実施例の利点は、電界放出型電子源、又はカーボンナノチューブ電子源が明るく、小さな放出表面を有し、かつそれら自身小型化されるということである。

ここで図に基づいて本発明を説明する。同一参照番号は対応する素子を示す。

図1は、本発明に従ったイオン源を図示している。図1で、電子放出表面は気体中に設けられている。図1は、内部に射出壁2を有するダイヤフラム壁1を図示している。射出絞り2の大きさは20μmより小さい。気体は、たとえば0.2[bar]の圧力で、ダイヤフラム壁1の一方の空間に収容される。もう一方の空間では、真空、又は少なくとも一方の空間よりも低い気体圧力が維持されている。その結果、気体は収容されている空間から射出絞り2を介して、真空が維持されている空間へ流出する。ダイヤフラム壁1は、たとえば金属のような導電性材料で構成されるか、又は導電性表面を有する。射出絞り2のすぐ近くには、電子放出表面4を有する電界放出型電子源3のような電子源が設けられている。電界放出型電子源3とダイヤフラム壁1との間では、電源10による電位差が生じる。この結果、電子放出表面4とダイヤフラム壁1との間に第1電場が存在する。電子放出表面4によって放出される電子は、この第1電場によって、ダイヤフラム壁1の方向、特に射出絞り2に向かって加速される。ダイヤフラム壁1での電子が50-300[eV]のエネルギーを有するように、第1電源10の電圧は、50-300[V]に選択される。この結果、放出気体中の電子はイオン化容積20内でイオン化を引き起こす。

電子ビーム5は、電子放出表面4から射出絞り2を通過する際に、直径を徐々に増大させる。シミュレーションプログラム、及び/又はそれ自体既知の経験に基づく実験を利用することによって、当業者は、電子放出表面4からの様々な距離での電子ビーム5の直径を決定すること、及び、射出絞り2の位置での電子ビーム5の直径が、射出絞り2の直径よりも小さくなるように電子放出表面4から射出絞り2までの距離を選択することが可能となる。

一般的には、電子放出表面4と射出絞り2との間の距離は、射出絞り2の位置での電子ビーム5の所望の直径の約10倍よりも短くなければならない。電界放出型電子源からの放出電流のかなりの部分、たとえば約半分、が射出絞り2の直径の範囲内、つまり最大で直径20μmの範囲内に入ることを可能にするため、射出絞り2の位置での電子ビーム5の直径は、よって約30μmよりも短くなければならず、電界放出型電子源3の電子表出表面4は、射出絞り2から300μm未満の距離に位置していなければならない。このようにして、電界放出型電子源3の放出電流の全部又は少なくともかなりの部分がイオン化容積20内部で利用可能となる。

第2電源11を利用することによって、ダイヤフラム壁11は、地電位に対してある電圧で維持される。その結果、ダイヤフラム壁1の真空空間では、第1電場とは反対方向である第2電場が優勢となる。この第2電場の結果、生成されたイオンはイオン化容積20外部へ引き出される。それに加えて、電界放出型電子源3によって放出される電子は、この電場によって妨害される。この結果、電子のエネルギーは、約50[eV]未満へ減少する。約50[eV]未満のエネルギーでは、全く、又はほとんど全くイオン化が起こらない。その結果、イオン化容積の大きさは制限される。

たとえこれまでの説明が、最大直径20μmの射出絞り2、かつ電子放出表面4とダイヤフラム壁1との最大距離が300μmについてされたものであるとしても、特に電界放出型電子源を電子源3として使用するときには、はるかに小さな直径及び距離が適用可能な実施例を思いつくことは可能である。電源10によって発生する電場はまた、電界放出型電子源からの電界放出を引き起こすのにも利用される。電子放出表面4とダイヤフラム壁1との間の距離は大抵の場合、1μmに選択され、かつ射出絞り2の直径もまた、同じオーダーの大きさでなければならない。

図2は本発明に従ったイオン源を図示している。図2では、気体は2つの壁の間に収容されている。ダイヤフラム壁1と電界放出型電子源3との間には、第2壁6が設けられ、第2絞りは第2壁中に設けられている。第1電源10は、電界放出型電子源3とこの第2壁6との間に第1電場を発生させる。その結果、電子放出表面4からの電子は加速され、第2絞り7を介してイオン化領域20へ到達する。この場合もまた、上述のように、電子ビーム5の直径は、電子放出表面4から射出絞り2へ進行する過程で徐々に直径を増大させる。第2電源11はイオン化容積20にわたって第2電場を発生させる。その結果、生成されたイオンは、ダイヤフラム壁1内の絞り2を介してイオン化容積20外部へ引き出され、かつ真空の空間へ到達する。それ自体既知である粒子光学的手段を用いることによってイオン源が結像可能となるように、第3電源12はイオンをさらに加速する。

イオン化される気体は、ダイヤフラム壁1と第2壁6との間に収容される。電界放出型電子源3が、イオン化容積20の位置での圧力よりも低い圧力を有する領域内に設けられるように、電界放出型電子源3が設けられている空間を排気することは可能である。

本発明に従ったイオン源で使用されるMEMS構造の概略図である。電子はイオン化容積で集束される。

2つの導電性ホイル101及び102が、たとえば厚さ1μmのフォトレジスト層111によって互いに接続し、かつ互いに分離されている。フォトレジスト層は2つのホイル間の空間を完全に埋めるわけではなく、空洞112は空いたままである。ホイル101及びホイル102はそれぞれ、たとえばSi₃N₄ダイ103及びSi₃N₄ダイ104のような、半導体ウエハから切断された半導体ダイ上に形成される。ホイルの材料は、たとえばMoのような金属であって良い。ダイは、ホイルの支持体となり、またホイルの製造を可能にする。ダイでは、凹部105、凹部106、凹部107及び凹部108がリソグラフィ処理によって作製される。また、たとえばMoからなる導電層109及び導電層110がSi₃N₄ダイ上に形成される。ホイルでは、2組の絞りが形成される。具体的には、集束電子ビーム130が空洞112に入射する際に通り抜ける入射絞り120と、イオンが通り抜けることで空洞112から放出可能となる射出絞り121、及び、圧力がたとえば0.2[bar]の気体が空洞に収容される際に通り抜けるアパーチャ113とアパーチャ114の2組である。入射絞り及び射出絞りは両方とも、たとえば100nmの小さなサイズである一方、気体が通り抜けて収容されるアパーチャは、たとえば1μmの大きなサイズで良い。

集束電子ビーム130は、たとえば電界放出型、ショットキー放出型又はCNT電子放出型のようなそれ自体既知の高輝度電子源によって生成される。発生した電子は加速され、かつ電子光学分野の当業者に既知である集束電子光学系によって、MEMS構造の入射絞りで集束される。入射絞り120と射出絞り121との間では、高い気体圧力及び高い電子密度の両方が共に実現するので、イオン化容積122が形成される。2つのホイル101と102との間に印加される、たとえば1[V]の小さな電圧は、生成されたイオンをホイル102の方向へ加速する。加速されたイオンは、射出絞り121を介して空洞112から離れ、イオンを操作する粒子光学装置へ向けてさらに加速される。これ自体は既知である。射出絞り121を介して空洞112から離れるビーム131は、イオンと電子から構成されている。しかしイオンがイオンを操作する粒子光学装置へ向けてさらに加速されるので、電子は、電子が前方運動量を失うまで減速され、たとえば導電層110へ戻されるように反射される。

入射絞り及び射出絞りが、たとえば50nmの小さなサイズを有するので、ホイル101及びホイル102からの距離の関数としての空洞112外部の気体圧力は非常に急激に減少する。また、限られた容量を有する減圧手段を使用するときでさえ、ホイル間でのみ、求められる高気体圧力が存在するので、イオン化容積はホイル間の領域に制限されるように、空洞112からダイ外部の容積に流入する気体の量も非常に少ない。このことはまた、ビーム131が入射する容積中で、気体分子とイオンとの間での電荷の交換がないか、又はほとんどないことを示唆している。そのような電荷の交換は望ましくない。その理由は、電荷の交換により生成されたイオンビームのエネルギーが拡がるからである。また、電子源が存在する空間での気体圧力は、これら電子源が機能できる真空圧力にまで容易に減圧できる。

気体をアパーチャ113及びアパーチャ114へ収容するため、Si₃N₄ダイ103及びSi₃N₄ダイ104はたとえば、固定及び/又は接着剤を使用することによって、気体供給源と接続するホルダ間で付着する。このようにして、微視的空洞と、気体が存在する巨視的世界との架け橋が形成可能となる。

Si₃N₄ダイは気体を収容するのに、ただ2つのみしかアパーチャを有していなければならないわけではないことに留意すべきである。

当業者には明らかなように、アパーチャの環は、入射絞り又は射出絞りが形成される場所を中心として形成することができる。また、アパーチャは環状である必要はなく、如何なる形状であって良い。1つのダイ（ダイ103又はダイ104）のみがアパーチャを有することも可能である。

ウエハの使用、及びウエハ上で実行されるフォトリソグラフィ処理は、たとえばレンズや偏向器のような小型粒子光学構造の作製に用いられることが知られていることに留意すべきである。たとえ図示されていなくても、そのような構造が、本発明に従ったイオン源に組み込まれることは予想される。

図4は、図3で図示されたMEMS構造を使用する、本発明に従ったイオン源の概略図である。

図4は、光軸401に沿って電子ビーム402を放出するショットキー放出体400を図示している。ショットキー放出体400は、たとえばFEIカンパニーからすぐに入手できる。放出体400の先端部と引き出し電極403との間の電位差によって生じる電場によって、電子はショットキー放出体から引き出される。電子源から見ると、引き出し電極403の後に、セグメント化された板状電極404によって作られる複合レンズ/偏向器が続く。該複合レンズ/偏向器は、セグメント間の電位差によって偏向器として機能し、引き出し電極403及び電極405についての複合セグメントの電位差によってレンズとして機能する。

このセグメント化された電極404は非点収差補正装置として使用することも可能であることに留意すべきである。

電極405はまた、電子が入射するMEMS構造410（図3に図示されているMEMS構造）の面とも接続する。MEMS構造のもう一方の面は電極406と接続する。電極405と電極406との間での、つまりMEMS構造の2つのホイル間での、たとえば1[V]の電圧はイオン化容積にわたって電場を発生させる。電極405と電極406はMEMS構造410と接続することによって真空封じを形成する。気体は、これらの電極を介してMEMS構造の空洞に入射する。電極408はMEMS構造内で生成されたイオンを引き出し、その結果MEMS構造からイオンビーム409が放出される。

本発明に従った粒子光学装置の概略図である。

図示されているのは、所謂デュアルビーム装置である。デュアル装置では、イオンビーム510及び電子ビーム520が同時に、真空チャンバ502内に設けられている、たとえば半導体ウエハ501のような加工部品上に集束される。

そのような装置はすでに知られているが、イオンの種類は通常、Gaのような液体金属イオン源によって生成されるイオンに限定されることに留意すべきである。

イオンビーム510はイオン銃511によって生成される。イオン銃511は、本発明に従ったイオン源512、ウエハ501にイオンビーム510を集束させる静電レンズ513のような集束手段、並びに加工部品501にわたってイオンビーム510を偏向及びラスタリングする偏向器514を有する。生成されたイオン、たとえばXeのような重い希ガス、はウエハの改質に用いることができる。

電子ビーム520は、それ自体は既知である電子銃521によって生成される。電子銃521は、電子源522、静電又は磁気レンズ523及び偏向器524を有する。

イオン銃511及び電子銃521は両方とも、制御ユニット503によって制御される。

さらに本装置は、たとえば後方散乱電子を検出する検出器504を有して良い。前記後方散乱電子は電子がウエハと衝突することで生じ、それによりウエハ501の空間情報が得られる。この情報を制御ユニット503へ送ることによって、この制御ユニットは、装置使用者が閲覧するスクリーン505上に像を生成することができる。

イオン源512で使用される気体は、イオン銃511外部からイオン源へ送ることが可能である。しかしイオン源内の射出絞り及び入射絞りを抜ける気体の量は非常に少ないので（絞りの直径が小さいため）、イオン銃内にガスキャニスタを有することもまた可能である。

本明細書で説明した実施例には、本発明の技術的範囲から離れることなく様々な修正及び変化をさせることが可能であることは明らかである。

本発明に従ったイオン源の概略図である。電子放出面はガス中に設けられている。 本発明に従ったイオン源の概略図である。ガスは2つの壁の間に収容される。 本発明に従ったイオン源で使用されるMEMS構造の概略図である。電子はイオン化容積で集束される。 図3で図示されたMEMS構造を使用する、本発明に従ったイオン源の概略図である。 本発明に従った粒子光学装置の概略図である。

符号の説明

1 ダイヤフラム壁
2 射出絞り
3 電子源
4 電子放出面
5 電子ビーム
6 第2壁
7 第2絞り
10 第1電源
11 第2電源
12 第3電源
20 イオン化容積
101 導電性ホイル
102 導電性ホイル
103 半導体ダイ
104 半導体ダイ
105 凹部
106 凹部
107 凹部
108 凹部
109 導電層
110 導電層
111 フォトレジスト層
112 空洞
113 アパーチャ
114 アパーチャ
120 入射絞り
121 射出絞り
122 イオン化容積
130 集束電子ビーム
131 ビーム
400 ショットキー放射体
401 光軸
402 電子ビーム
403 引き出し電極
404 セグメント化された電極
405 電極
406 電極
408 電極
409 イオンビーム
410 MEMS構造体
501 半導体ウエハ
502 真空チャンバ
503 制御ユニット
504 検出器
505 スクリーン
510 イオンビーム
511 イオン銃
512 イオン源
513 静電レンズ
514 偏向器
520 電子ビーム
521 電子銃
522 電子源
523 静電又は磁気レンズ
524 偏向器

Claims (13)

1. 気体イオン源が備えられている粒子光学装置であって、
   前記イオン源は：
   最大20μmの直径を有する射出絞りが供されているダイヤフラム壁；
   電子ビームを発生させる電子放出表面を有する電子源；
   前記ダイヤフラム壁の第1空間に気体を収容する気体収容手段；
   前記ダイヤフラム壁のもう一方の空間を真空、つまり前記第1空間よりも低い気体圧力の状態、にする真空手段；
   前記電子ビーム中の電子が、イオン化容積中の前記気体をイオン化するエネルギーに到達するように、前記電子ビームを加速させる加速電場を発生させる加速手段；及び、
   前記加速手段によって生成されたイオンを前記イオン化容積から引き出すための引き出し電場を発生させる引き出し手段；
   を有し、
   前記電子放出表面が前記ダイヤフラム壁の前記気体が存在する空間に位置し、かつ、
   前記イオン化容積の位置での前記電子ビームの直径は30μm未満である、
   ことを特徴とする粒子光学装置。
2. 第2壁が、前記電子放出表面と前記ダイヤフラム壁との間に位置し、
   前記第2壁には入射絞りが備えられ、かつ、
   前記入射絞りを介して、前記加速手段によって加速された電子は、前記のイオン化される気体に到達する、
   請求項1に記載の粒子光学装置。
3. 前記ダイヤフラム壁と前記第2壁との間の距離が1μm未満で、かつ、
   前記ダイヤフラム壁及び前記第2壁内の前記絞りの直径が1μm未満である、
   請求項1又は2に記載の粒子光学装置。
4. 前記引き出し電場が方向を反転させることが可能で、それによって、前記電場が第1方向を向いている場合では、前記加速手段によって生成されたイオンが引き出され、前記電場が第1とは別な方向を向いている場合では、電子が前記射出絞りを介して引き出される、上記請求項のうちのいずれか1つに記載の粒子光学装置。
5. 前記電子源が、電界放出型電子源、又はショットキー型電子源、又はカーボンナノチューブ電子源である、上記請求項のうちのいずれか1つに記載の粒子光学装置。
6. 前記加速電場及び前記引き出し電場は共に、前記イオン化容積にわたって、10[V]未満、好適には5[V]未満で、より好適には1[V]未満の電位差を生じさせる、上記請求項のうちのいずれか1つに記載の粒子光学装置。
7. 前記の収容される気体が希ガスである、上記請求項のうちのいずれか1つに記載の粒子光学装置。
8. 前記イオン化容積外部へ引き出される電流をほぼ一定に維持する手段が存在する、上記請求項のうちのいずれか1つに記載の粒子光学装置。
9. 前記電子が前記イオン化容積に集束される、上記請求項のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
10. 前記第2壁に衝突する前記電子を測定する手段が供され、かつ、
    前記の測定は、前記電子ビームを安定化させ、及び/又は、前記第2壁中の前記入射絞り上に前記電子ビームを集束させ、及び/又は、前記第2壁中の前記入射絞り上に前記電子ビームを位置設定するのに用いられる、上記請求項のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
11. 前記電子ビームが、前記電子放出表面と前記イオン化容積との間で発散し、かつ、
    前記電子放出表面は、前記射出絞りから300μm未満の距離に位置している、
    請求項1から8のうちのいずれかに記載の粒子光学装置。
12. 前記電子放出表面が、前記の収容された気体中に位置する、請求項11に記載の粒子光学装置。
13. 上記請求項のうちのいずれか1つに記載の粒子光学装置で使用される気体イオン源。

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