JP2007529091A - 集束イオンビームシステム用磁気増幅式誘導結合プラズマ源 - Google Patents

Abstract

本発明では、プローブ形成光学素子との組み合わせ使用に適し、ソース源によって誘起される速度エネルギーの振動が生じない、誘導結合式磁気増幅イオンビーム源が提供される。

Description

本発明は、集束イオンビームシステムの分野に関する。

集束イオンビーム（ＦＩＢ）システムは、ミクロスケールからナノスケールまでの材料の特性付与または処理に幅広く利用されている。例えば、集束イオンビームシステムは、描画、ミル処理、成膜および高精度分析が可能であるため、製造作業に使用されている。例えば、液体ガリウム金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用いるＦＩＢシステムでは、イオンカラムは、５乃至７ナノメートルの包囲分解能を提供する。そのような集束イオンビームシステムは、例えば、本願譲受人であるオレゴンヒルズバロＦＥＩ社から市販されている。液体金属イオン源を使用することは、普及しつつあるものの、金属イオンによるコンタミネーションや比較的低いビーム電流しか得られないという問題のため、その用途は、しばしば限られる。低いイオン電流では、エロージョン速度が低くなるため、生産用途および研究において、処理時間が長くなる。

ＦＩＢシステムとは対照的に、ブロードなイオンビームのシステムは、比較的マクロスケールの半導体処理に適している。例えば、ブロードビームシステムは、シリコン基板ウェハのほぼ表面全体に半導体ドーピングを行う際に使用される。大面積ウェハ処理のため、ＲＦ源が使用される。そのような使用法では、プローブ形成光学素子を使用することはできない。

ＲＦプラズマ源からの注入の際に、高電流で低エネルギーのビームを発生させることに関して課題がある。低エネルギーイオン注入の際に、ＲＦ駆動イオン源を使用することによって複雑性が増し、アンテナからプラズマへの静電結合を介してプラズマ電位に好ましくない振動が生じる。プラズマ電位には数百Ｖのピーク間振動が生じ、これにより抽出ビームエネルギーが大きく変動する。そのような変動の大きなビームは、ターゲットに放射されるイオン範囲が広がるため、低エネルギーイオン注入には適さない。

イオンエネルギーの変動は、ビーム内に色収差が生じるため、ＦＩＢシステムにおいても好ましくはない。ビームのＲＦ変動によって広がるエネルギーと、ビームの色じみとの関係は、以下の式で表される：

ここで、ｄ_ｃは色ディスクの径であり、Ｃ_Ｃは光学系の色収差係数、α_ｉはターゲットに集束スポットを形成するときのビームの半角収束である。Ｅ_０は、抽出光学素子によってイオンが加速されるときのエネルギーである。ΔＥは、アンテナからの静電結合のため、プラズマ電位に生じた変動によって広がったエネルギーであり、これは、プラズマのプレシース（ｐｒｅ−ｓｈｅａｔｈ）領域の電位勾配によって定まる、ソース源からのイオンの基本軸方向のエネルギーの広がりに加算される。好ましくないことに、ＲＦ源によって生じた変動は、実質的にビームの焦点に影響を及ぼす。少なくともこの一部の理由のため、ＲＦ源は、ＦＩＢシステムとともに使用することができないと考えられる。

精度の高いミル処理および成膜処理において、処理時間をより短くするため、小さなスポットで集束する、高いビーム電流が望まれている。従って、高いソース源輝度および光収差を最小限に抑制することが必要である。プラズマ源からのビームの「輝度」は、ソース源からのビーム電流密度に比例し、プラズマ中に存在するイオンの平均熱イオンエネルギーに逆比例する。これは、以下の式で表される：

ここでβ_ｍａｘは、抽出光学素子から誘導される収差がゼロであると仮定したときのビーム輝度であり、Ｊ_ｉは、プラズマから抽出されたエネルギー密度、Ｅ_０は、抽出光学素子でイオンが加速されるときに到達するエネルギー、Ｅ_⊥は、平均熱イオンエネルギーである。電流密度が増大すると、ビーム輝度は向上し、平均熱イオンエネルギーが減少する。

電流密度Ｊ_ｉは、

で表され、ここで（ｎ_ｉ）は、プラズマイオン密度、（Ｔ_ｅ）は、プラズマ内の平均電子エネルギー、（ｑ）は、電荷の基本単位、（ｋ_Ｂ）は、ボルツマン定数、（Ｍ_ｉ）は、プラズマ内のイオンの平均質量である。プラズマイオン密度が増加し、プラズマ内の平均電子エネルギーが増大すると、電流密度が増大することは明らかである。従って、前述の値では、最適なα_ｉとして、〜７．５ｍｒａｄが得られ、２０ｋｅＶでの像側の輝度は、〜７×１０^３Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１となり、ソース源の輝度は、〜１．５×１０^４Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１となる。

まとめると、高いビーム輝度を得るためには、高い電流密度と低い熱エネルギーが必要となる。高い電流密度を達成するためには、高いプラズマイオン密度と、高い平均電子エネルギーが必要となる。従って、高輝度化を容易にするため、熱イオンエネルギーが低い高密度集束プラズマイオンビームシステムが必要である。

本発明では、高輝度イオン源に適したプラズマを形成する方法を提供することを課題とする。

本発明では、高輝度イオン源に適したプラズマを形成する方法が提供される。このプラズマは、補償ＲＦアンテナに誘導結合され、ミル処理および成膜処理用の集束イオンビームを形成する集束光学素子とともに使用することができる。本発明のある態様では、ＲＦアンテナは、プラズマ管を取り囲む螺旋コイルとして使用される。ＲＦ電流源は、アンテナに設置され、管内でプラズマガスがイオン化される。インピーダンス整合回路が設けられ、アンテナ内で適切な位相シフトを有するプラズマへの効率的な出力変換が可能となり、プラズマ電位の変動が除去される。イオン化プラズマからイオンビームが抽出され、このビームは、イオン光学素子によって集束される。そのように形成されたイオンビームには、その後、ＲＦアンテナによる好ましくないエネルギー振動が生じない。ＲＦ源は、プラズマ電位に小さな振動しか与えず、あるいは理想的には振動を与えないため、得られるビームの軸方向のエネルギーの広がりは、狭い。従って、イオン化源には、実質的な色収差は生じない。また、ＲＦ源は、プラズマのイオン密度を高める。集束機構と組み合わせると、ミル処理および成膜処理に適した高密度ビームが得られる。

前述の記載は、以下の本発明の詳細な記載をより良く理解するために、本発明の全般的な概要および技術的利点を示したものである。本発明の追加の特徴および利点は、以降に示す。本発明の多くの有益な目的を実施するため、本願に示した概念および特定の実施例を基本として使用して、他の構造に変更したり設計したりすることが容易にできることは、当業者には明らかであることに留意する必要がある。また、そのような等価な構成が、特許請求の範囲に記載の本発明の観念および範囲から逸脱しないことは、当業者には明らかであることに留意する必要がある。

本発明およびその利点をより完全に理解するため、添付図面を用いた以下の記載が参照される。

図１には、本発明の方法によるイオンプラズマ源１０の実施例を示す。コイル１０００は、インピーダンス２１０によって、ＲＦ源２００に静電結合されている。図１に示す容量は、公称値であり、以下に詳細を示すように、当業者には、コイルの作動周波数に応じてこの公称値を容易に選択することができることに留意する必要がある。コイル１０００は、誘電プラズマ管２０００の周囲に複数回巻き回されたコイルであることが好ましく、コイルの軸は、チャンバ室２０００の軸およびビーム軸と実質的に一致している。

ソース源２００によって駆動されたコイル１０００は、螺旋ＲＦアンテナを形成する。ＲＦ源を有するコイルの駆動によって、静電容量のためプラズマに時間変化する電位が印加される。すなわち、コイルは、プラズマを変調する放射状の電場を形成する。これは、色収差によってビームエネルギーが広がるため、好ましくない。しかしながら、本発明の好適実施例では、アンテナは、一端で、反対側の端部の信号の位相から１８０゜ずれた信号によって駆動される。これにより、全時間において電位変動が実質的にゼロの領域が、コイルの内側に形成される。この領域では、コイル１０００に対する時間変化電圧によって生じるプラズマの時間依存的な変化は、実質的に生じない。従って、アンテナの位相は、印加加速電場に応じてイオンが抽出される領域内のプラズマのイオン化電位の変動を最小化するように調整される。この方法によりプラズマから抽出されたエネルギーは、アンテナに対するＲＦ電圧によって実質的に変動しない。

しかしながら、ソース源２００によって、電子の移動が生じる。コイルの配向のため、プラズマ内の自由電子がプラズマの外周部を周回し、この電子が原子に衝突して、イオンが形成される。これにより、比較的低熱イオンエネルギーで、イオン密度が極めて大きなプラズマが形成される。約５乃至１０ｍｍの厚さの一定強度の環状磁石、または公称値で２００乃至１０００ガウスの軸方向の磁場強度を形成する可変強度の電磁石３０００は、コイルの端部と抽出領域３５００の間に設置され、これによりプラズマ密度が向上する。磁石は、電子の拡散、およびプラズマチャンバ室の壁での消失を抑制する。このため、ＲＦ源は、プラズマに誘導結合され、環状磁石は、抽出領域でのプラズマ密度を高める。

コイルの静電場を排除するため、分割ファラデーシールド６０００が使用されるが、これは、主に２つの理由から好ましくない。第１に、ある程度の静電結合は、プラズマを開始させるために必要である。通常、分割ファラデーシールドを使用する場合、プラズマの開始に別の外部電源（例えば、テスラコイル）が必要となる。第２に、通常、分割ファラデーシールドでは、シールド内に誘起されるエディ電流のため、ある程度のエネルギーロスが生じる。ファラデーシールドが存在しない場合、バランス化されたアンテナ法では、プラズマチャンバ室の領域に、十分な時間変化電場が生じ、これにより、プラズマを開始するために必要な初期のフィールドのイオン化が生じる。

ビーム電圧４００は、ビームエネルギーキャップ４２０に電気的に接続され、このキャップは、ビーム電圧に対するＲＦの影響を無視することが可能になるように、追加のローパスフィルタ４１０を有する。ソース電極４０００に印加される電位に対して負の抽出電圧源６００は、抽出電極４５００に印加される。穴開き電極５０００は、アース電位とされ、高密度のイオンビームが通過する開口を有し、開口を通過したイオンビームは、適切な光学素子で集束される。すなわち、ビームは、穴開き電極５０００によって形成されたビームウエストを有した状態で、抽出領域３５００から抽出され、印加加速電圧に応じて、ビーム軸に沿って伝播する。あるいは、ビーム電圧４００は、ビームエネルギーキャップ４２０を介さずに、ソース電極４０００と電気的に直接接続されても良い。

図１に示す抽出領域における電極の配置は、一例であり、他の電極配置を使用しても良いことに留意する必要がある。実際、本発明は、ビームにウエストを形成すること以外に、平行ビームまたは発散ビームを生成する抽出光学素子にも適用することができる。実際には、放射成長を抑制し、クーロン力による相互作用を最小にする抽出光学素子が、高輝度イオン源として最も好ましい。

図２には、インダクタンス特性が未知のコイル１０１０と並列接続された、プラズマインピーダンスＺｐ２０１０を有する本発明の回路を示す。プラズマインピーダンス２０１０とインダクタンス１０１０の並列組と直列に、容量８０００が接続されている。この直列−並列組は、第２の容量７０００と並列接続されている。この並列−直列−並列組は、第３の容量２１０と直列に接続されている。この回路全体は、ソース源２００と並列に接続されている。コイルとプラズマインピーダンスの間の位相シフトは、容量２１０、７０００および８０００の値の選定によって制御することができる。従って、容量２１０、７０００および８０００の値を選定し、コイルとプラズマの間で１８０゜の位相シフトを得ることができる。

一例として、ソース源によって、１３．５６ＭＨｚで５０Ωの出力インピーダンスが得られると仮定する。この場合、以下の容量を選定することにより、コイルとプラズマの間で約１８０゜の位相シフトが得られる：容量２１０＝５０ｐＦ（ピコファラッド）、容量７０００＝３３０ｐＦ、容量８０００＝３４０ｐＦ。組み合わせ成分−容量２１０、７００および８０００、ならびにインダクタンス１０１０−は、インピーダンス整合ネットワークとして捉えることができ、このネットワークは、５０Ωのソースインピーダンスをプラズマインピーダンス２０１０の負荷に整合させる。ネットワークが整合されると、ソース源からの最大出力は、プラズマインピーダンス負荷に伝達される。これらの値は、内径が２０ｍｍで、外径が２６ｍｍ、長さが１００ｍｍのアルゴンプラズマ管に対して得られたものである。プラズマ管の壁は、３ｍｍの厚さの石英製である。コイルは、３０ｍｍの長さで３回巻き回され、直径は約５０ｍｍである。

このように、本発明では、プラズマ電位の変動を排除することが可能で、抽出イオンの軸方向のエネルギーの広がりを排除することができ、プラズマに最大出力を伝達するように調整された回路が提供される。図３には、バランス化状態および非バランス化状態におけるアンテナから得られた、軸方向のイオンエネルギー分布のグラフを示す。アンテナがバランス化状態にある場合、すなわち、アンテナを通る位相シフトが約１８０゜である場合、軸方向のイオンエネルギーは、極めて狭小な分布となり、約ゼロ電子ボルト（ｅＶ）となる。これは、図３に実線で示されており、半値全幅は、３ｅＶ未満である。一方、アンテナが非バランス化状態にある場合、軸方向のイオンエネルギーは、広いエネルギー範囲にわたって分布する。これは、図３に破線で示されており、半値全幅は、７０ｅＶを超える。

前述の実施例では、イオンに及ぼす静電結合の影響が最小化され、プレシースの電位勾配の影響のみが残る。ただし、プレシース領域の電位勾配は小さく、平均電子エネルギー（Ｔ_ｅ）の約半分である。ここでＴ_ｅは、前述のソース源では、３ｅＶであり。回避できない軸方向のエネルギーの広がり（ΔＥ）の下限は、〜１．５ｅＶに過ぎない。

本発明では、公称値で２５Ｗの低ＲＦ出力をプラズマに印加することにより、適正に作動する。この出力レベルでは、５ｋｅＶで、イオン電流密度が１９．６ｍＡｃｍ^−２の場合、〜２００Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１（アンペア／平方センチメートル／ステラジアン）の輝度が得られる。これは、熱エネルギーが０．１５ｅＶ以下であり、プラズマ密度が〜８×１０^１１ｃｍ^−３であることを意味する。このソース源を使用することにより、１×１０^１４イオンｃｍ^−３のパルスプラズマ密度が得られ、これは、ビームエネルギーが５０ｋｅＶで、電流密度が、

のとき、１×１０^５ Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１のソース源輝度が得られることを意味する。ここで、Ｅ_０＝５０ｋｅＶ、Ｅ_⊥＝０．１５ｅＶである。これにより、

が得られる。

図４には、真空外囲器１を有する集束イオンビームシステム１００を示す。真空外囲器の上には、前述のように設置されたＲＦアンテナを有するプラズマ源１１が設置され、イオンビーム集束カラム１６に、高密度プラズマが提供される。イオンビーム１８は、ソース源１１からカラム光学素子１６と、静電偏向機構２０を通り、試料２２に向かって進行する。試料は、例えば、下側チャンバ室２６内部のＸＹステージ２４に設置された半導体装置を有する。ターボ分子ポンプ８を用いて、ソース源が真空引きされ、上部カラムの光学素子領域では、高真空が維持される。真空システムは、チャンバ室２６内に、通常約１×１０^−７Ｔｏｒｒから５×１０^−４Ｔｏｒｒの間の真空を提供し、プラズマ源内では公称１０ｍＴｏｒｒ、またカラム光学素子チャンバ室内では、１×１０^−６Ｔｏｒｒ未満の真空が得られる。

高電圧源３４は、集束コラム１６内の適切な電極とともにイオン源１１に接続され、約０．１ｋｅＶ乃至５０ｋｅＶのイオンビーム１８が形成され、このビームは下側に誘導される。また、前述のように、ソース源１１のコイルを活性化させるため、ＲＦ電源供給３３とインピーダンス整合回路７とが提供される。偏向制御器と、パターン発生器３８により提供された所定のパターンに対応して作動する増幅器３６とは、偏向板２０に結合され、これにより、ビーム１８は、試料２２の上表面に、対応するパターンを描写するように制御される。あるシステムでは、偏向板は、従来のように最終レンズの前段に設置される。

イオンビーム源１１は、イオンミル処理または金属成膜によって表面２２を改質するため、あるいは表面２２に描写するため、試料２２に焦点を合わせる。描写のため、二次イオンまたは電子放射を検出する際に使用される帯電粒子乗算器４０を、ビデオ回路および増幅器４２に接続しても良い。後者は、制御器３６から偏向信号を受信するビデオモニタ４４用のドライブを提供しても良い。チャンバ室２６内の帯電粒子乗算器４０の位置は、別の実施例では異なる。例えば、好適な帯電粒子乗算器４０は、イオンビームと同軸上にあり、イオンビームが通過できる孔を有する。必要であれば、電力供給制御器４５とともに二次電子顕微鏡４１が、ＦＩＢシステム８に設置される。

偏向制御器および増幅器３６に印加された信号は、パターン発生器３８により制御されたパターンに従って描画またはミル処理を行うターゲット領域内に、集束イオンビームを移動させる。各サンプル点からの放射は、帯電粒子乗算器４０によって収集され、ビデオ回路４２によってビデオモニタ４４に像が表示される。像を見るオペレータは、カラム１６内の各光学素子に印加される電圧を調整し、ビームが集束され、各収差のビームが調整される。

カラム１６内の集束光学素子は、従来の焦点化機構または将来開発される方法による焦点か機構を有する。例えば、２つの円筒状対照静電レンズが使用され、丸い仮想源の縮小像が形成される。抽出ビームの軸方向の低エネルギーの広がりのため、色じみが最小化され、加速電圧が低くても（すなわちビームエネルギーが低くても）、有効なビームの集束化が可能となる。適当な集束光学素子と組み合わせたこれらの特性は、速度エネルギーの範囲（０．１ｋｅＶ−５０ｋｅＶ）内で、ナノメートル乃至ミクロンスケールのスポットサイズを形成したり、数ピコアンペアから数マイクロアンペアのビーム電流を形成するために使用することができる。

高イオン化密度を得る上で、コイルからプラズマへの出力伝達は、大きいことが好ましい。従って、出力損失を抑えるためには、プラズマ源の作動温度を抑制する必要がある。熱は、プラズマ管から有効に拡散されることが好ましい。これは、コイルの内部で、プラズマの周囲に、プラズマから熱を効率的に逸散させる高熱伝導率の誘電体および金属のシェルを形成することによって可能となる。

ソース源は、予測可能で比較的長い寿命（例えば、１０００時間以上）を有する。この種類のソース源は、イオンがプラズマを離れ、公称値で１５乃至２０ｅＶ（アルゴンプラズマの場合、５．２Ｔ_ｅ）のエネルギーで周囲の壁に衝突するようなＤＣプラズマ源とは異なり、ソースチャンバ室材料のスパッタリングが排除できる。通常のＤＣソース源は、カソード電極よりも高い、公称値で５０乃至５００Ｖのプラズマ電位を有し、カソードに著しいスパッタリングが生じ、これらのソース源の寿命が短くなる。本願の方法によるプラズマ電位変動の実質的な消滅によって、スパッタの閾値を超えるエネルギーを持つソース電極に、イオンが衝突する可能性が実質的に排除できる。イオンは、実質的にＲＦ信号の周期よりも短い時間でプラズマシースを通過する。そのためイオンは、アンテナからの静電場により生じた一時的なプラズマ電位によってほぼ定まる速度エネルギー状態で、プラズマから離れる。

極めて高いプラズマ密度（最大１０^１４／ｃｍ^３）、低い熱イオンエネルギー（０．１ｅＶ以下）、低い軸方向のエネルギーの広がり（１．５乃至３ｅＶ）、および不活性または反応ガスとの作動性等の達成、ならびにソース源材料のエロージョンを最小にした極めて長寿命の電位の実現により、プローブ形成ＦＩＢ光学素子と組み合わせて使用される、磁気増幅誘導結合プラズマ源が得られる。

本発明では、数ピコアンペアから１０^−１１アンペア、１０^−１０アンペア、１０^−９アンペア、１０^−８アンペア、１０^−７アンペア、または数マイクロアンペアまでのビーム電流が提供される。ソース源の輝度は、５０ｋｅＶで、少なくとも１０^４Ａ／ｃｍ^２／ｓｒ、少なくとも１０^５Ａ／ｃｍ^２／ｓｒまたは少なくとも１０^６Ａ／ｃｍ^２／ｓｒ以上である。軸方向のエネルギーの広がりは、３ｅＶ未満、２．５ｅＶ未満または１．５ｅＶである。これは、現在の液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）とは大きく異なっている。ＬＭＩＳでは、１０^６ Ａ／ｃｍ^２／ｓｒのオーダーのビーム輝度が得られるが、エネルギーの広がりは、５ｅＶのオーダーである。また、通常ＬＭＩＳは、ピコ乃至ナノアンペアの範囲でのビーム電流の発生にのみ適している。本発明の更なる利点は、不活性ガスおよび多くの反応性ガス（例えば、Ｏ_２、Ｎ_２、ＳＦ_６となど）の間の作動性である。本発明のソース源からのイオンビームは、数ナノメートルから数十ミクロンのビーム径に集束される。本発明により、ガリウムまたは他の金属イオンビームのような、難しい用途に適した不活性ガスビームが容易に形成される。

実際には、軸方向のエネルギーの広がりは、プラズマのプレシース領域の静止電圧勾配にのみ影響される。プレシースの電位勾配のいかなる場所においてもイオンが生成し、勾配の上部で形成されたイオンは、底部で形成されたイオンよりも速度エネルギーが大きくなる。エネルギー分布は、電位丘の高さによって定まり、この電位丘は、以下のように、プラズマ（Ｔ_ｅ）内の平均電子エネルギーによって定まる：

平均電子温度が３．４８×１０^４Ｋ（３ｅＶ）の場合、プレシースに生じる電位勾配は、〜１．５ｅＶとなる。

例えば径１００ｎｍ 、アルゴンＦＩＢ１００ｐＡ、公称エネルギー２０ｋｅＶの場合、像側の輝度（Ｂ）は、

により、〜７２００Ａｃｍ^−２となる。

ここで、α_ｉは集束角、ｄはスポット径、Ｉはビーム電流である。色収差係数がＣ_Ｃ＝８６ｍｍで、球面収差係数Ｃ_ｓ＝１２０ｎｍの２つの縮小レンズを有する光学系とともに、公称２ｅＶの軸方向のエネルギーの広がり（ΔＥ）を仮定した場合、ビームは、最適条件の下で、色的に制御される。また、ビームは、色じみに対して等しい寄与を示し、縮小形状のソース源サイズを有すると仮定する。この場合、色収差ディスク（ｄ_ｃ）からの寄与と、気化スポットサイズからの寄与とは、各々、〜１００／√２＝７１ｎｍである。従って、前述の値の場合、２０ｅＶでの最適なα_ｉとして、〜７．５ｍｒａｄが得られ、像側の輝度として、〜７×１０^３Ａｃｍ^−２が得られ、ソース源輝度として、〜１．５×１０^４Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１が得られる。

アルゴンプラズマ内で１．５×１０^４Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１のソース源輝度を得るため、磁気増幅誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源が使用される。熱エネルギーが０．１ｅＶ であると仮定した場合、２０ｋｅＶの公称エネルギーにおいて、このプラズマ源により１．５×１０^４Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１を超える輝度を得るためには、

より、〜２２５ｍＡ／ｃｍ^２のソース源からの電流密度が必要である。最終的にＪ_ｉ＝２２５ｍＡ／ｃｍ^２を得るため、

から、プラズマ密度は、少なくとも９×１０^１２イオン／ｃｍ^３である必要がある。

ここで、ｎ_ｉは、プラズマイオン密度（ｍ^−３）であり、Ｊ_ｉ＝２２５０Ａｍ^−２、Ｔ_ｅ＝３．４８×１０^４Ｋ、ｋ_Ｂ＝１．３８×１０^−２３ＪＫ^−１、ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃ、Ｍ_ｉ＝３９．９４８×１．６６×１０^−２７ｋｇである。本発明のプラズマ源は、必要な全てのプラズマ特性（イオン密度、平均熱イオンエネルギーおよび軸方向のエネルギーの広がり）を提供し、これにより、ナノメートルスケールのＦＩＢに適した高輝度イオン源が得られる。従って、本発明では、２５Ｗのオーダーでプラズマに印加される低ＲＦ出力において、エネルギーの広がりが狭くなり（＜３ｅＶ）、平均熱イオンエネルギーが小さくなる（＜０．１５ｅＶ）。また、ソース源は、極めて高いビーム電流安定性を示す（単位時間当たり、０．１％未満のドリフト）。ＲＦ出力が高くなると、ビーム輝度は向上するが、プラズマ内の熱イオンエネルギーは、低く維持され、パルスモードで得られるものよりも低いプラズマ密度を有する、所望の輝度の実現が可能になる。

本発明の別の実施例は、図５に概略的に示されている。ＲＦ発生器９５０には、ソース抵抗９５１が提供される。これは、分岐容量９５２に接続される。ファラデーシールド９５６を有するフェライトトロイダルコア９５７に巻き回された一次コイル９５５は、インダクタンス９５４および容量９５３を介して、ＲＦ源に結合されている。容量９５３は、インダクタンス９５４のリークを相殺する。フェライトコア９５７は、テフロン（登録商標）テープが巻き回された、２つの市販のセメント一体式コアで構成され、各コアは、１ｋＷに相当する。好適実施例では、一次コイルは、銅テープとしてトロイドの周囲に設置される。これには、さらにテフロン（登録商標）絶縁テープが巻き回され、次にファラデーシールド、さらに別のテフロン（登録商標）層が巻き回される。

２つのバランス化された二次コイル９５８および９５９が存在するが、これらは、コア９５７の内部を通って横断する銅テープの単一物として使用されても良い。これらは、キャパシタおよびアンテナワイヤ用の独立貫通コネクタのハードウェアによって、所定の位置に保持される。二次コイルは、調整可能な容量９６０と相互に結合され、さらに容量９６１、９６２および抵抗９６３、９６４の並列組との間でアース結合される。コイル９５８および９５９の反対側の端部は、アンテナインダクタンス９６５とプラズマインピーダンス９６６の並列組に結合される。回路成分の値は、プラズマインピーダンスの値を仮定するＳＰＩＣＥプログラムから得ることができる。

一次および二次コイルによって形成される変圧器は、１対（Ｔ１／Ｔ２）^２のインピーダンス変換を提供する。ここでＴ１は、一次コイル中の巻き数であり、Ｔ２は、二次コイル中の巻き数である。この目的は、低いプラズマインピーダンス９６６を発生器の５０Ωのインピーダンスに変換することである。例えば、巻き回し比が７対２の場合、インピーダンス変換は、１：１２．２５となる。

二次側は、中心がタップ処理され、アースに接続されており、インピーダンス整合とは独立のバランス化回路が提供される。二次コイルとアンテナは、容量９６０、９６１および９６２とともに、直列共振回路を形成する。可変容量９６０は、比較的プラズマインピーダンスの変化に影響されにくい回路の調整を可能にする。バランリークインダクタンス９５４は、容量９５３によって補償され、並列容量９５２によって、５０Ωの整合が得られる。本実施例によって得られる整合は、比較的構成成分の誤差による影響を受けにくい。また、バランス化回路は、プラズマの全長にわたり実質的に対称なＲＦ場を形成する。

本発明とその利点を詳細に示したが、特許請求の範囲に記載の本発明の観念と範囲から逸脱しないで、各種変更、置換および代替が可能であることに留意する必要がある。本発明は、異なる用途に異なる目的で使用することが可能であるため、特許請求の範囲内にある各実施例が各目的を達成する必要はない。また、本願の範囲は、明細書に記載の処理、機械、製造、材料組成、手段、方法およびステップの特定の実施例に限定されるものではない。本発明の開示から、当業者には、既存のまたは将来開発されるものと実質的に同じ機能を果たし、あるいはここに示された対応する実施例と実質的に同様の結果が得られる処理、機械、製造、材料組成、手段および方法またはステップが容易に理解される。従って、そのような処理、機械、製造、材料組成、手段および方法またはステップは、特許請求の範囲の記載の範囲内に含まれるものである。

本発明の方法によるイオンプラズマ源の好適実施例を示す図である。 プラズマに対する出力伝達を調整する回路を示す図である。 本発明の軸方向エネルギーの広がりのデータを示す図である。 本発明の好適実施例を示す図である。 本発明の別の実施例を示す図である。

Claims (20)

1. 集束イオンビームを形成する方法であって、
   プラズマにエネルギーを誘導結合するアンテナに、ＲＦ出力を印加して、アンテナの近傍でプラズマをイオン化させるステップと、
   プラズマ電位の変動を抑制するため、前記アンテナを通る電気的な位相シフトを調整するインピーダンス整合回路を提供するステップと、
   前記アンテナ近傍の抽出領域から、イオン化ビームを抽出するステップと、
   前記領域から抽出されたイオン化ビームに、集束機構を提供するステップと、
   を有する方法。
2. さらに、ビームの抽出領域の近傍に、磁石を提供するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記磁石は、固定環状磁石であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記磁石は、２００から１０００ガウスの間の磁場を形成することを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記回路は、プラズマに伝達される出力量を変化するように調整することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記回路は、前記アンテナへの電圧位相を変化するように調整することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記コイルは、前記アンテナの軸が抽出ビームの伝播する軸方向と実質的に一致するように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記アンテナは、ソース源出口開口と直接隣接する領域でのプラズマ電位の変動を最小化するように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. プラズマ領域を覆う容器と、
   プラズマをイオン化させるＲＦ電気源によって励起されるアンテナと、
   イオン化プラズマ内でのＲＦ振動を実質的に抑制するため、前記アンテナを前記電気源に結合する回路と、
   イオン化プラズマからビームを抽出する抽出機構と、
   前記ビームを集束させる集束機構と、
   を有する集束イオンビームシステム。
10. さらに、プラズマ内で生じる熱を拡散する手段を有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記アンテナは、単一回または複数回巻き回された螺旋コイルを有し、該コイルは、該コイルに隣接する領域において、プラズマ内に高いイオン密度を生じさせるように配向されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
12. 前記集束機構は、ミル処理および成膜処理のため、ビームを集束させることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
13. プラズマ内の高いイオン密度によって、プラズマ電位に実質的な変動が生じずに、さらに抽出イオンの軸方向のエネルギーが広がらずに、高いビーム電流が形成されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
14. イオン化可能な非金属プラズマガスを含むプラズマ管であって、該プラズマ管の端部にソース源開口を備えるプラズマ管と、
    該プラズマ管の周囲に設置された螺旋アンテナと、
    該アンテナを含むネットワーク内の回路と、
    前記ソース源開口を通るプラズマからビームを抽出することが可能な抽出器と、
    ビームを集束させる集束手段と、
    を有する、ミル処理および成膜処理用の集束イオンビームシステム。
15. さらに、前記ソース源開口に隣接して設置された磁石を有することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 前記集束機構は、１０ｋｅＶの抽出ビームエネルギーで、２０００Ａ／ｃｍ^２／ｓｒを超える高輝度のビームを形成することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
17. 当該システムは、３ｅＶ未満のエネルギーの広がりを示すことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
18. 当該システムは、４ｅＶ未満のエネルギーの広がりを示すことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
19. さらに、ＲＦ源をプラズマに結合する変圧器を有することを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
20. 前記変圧器の二次側は、中心がタップ処理され、回路を介してアースに接続されていることを特徴とする請求項１９に記載のシステム。

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