JP2008053001A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】収差を軽減して試料に荷電粒子ビームを照射可能であるとともに、試料の表面にガスを導入する場合などでも、放電のおそれ無く荷電粒子ビームを照射することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子ビーム装置１は、荷電粒子ビームＩを放出する荷電粒子源９と、荷電粒子ビームＩを補正、偏向する補正・偏向手段１９、及び、二つの外側電極１６ａ、１６ｂと、外側電極１６ａ、１６ｂに挟み込まれた少なくとも一つの中間電極１６ｃとが、照射方向に配列して構成され、荷電粒子ビームＩを集束させて試料Ｍに照射させる対物レンズ１６を有する荷電粒子ビーム光学系１１と、荷電粒子ビーム光学系１１の対物レンズ１６の中間電極１６ｃに、外側電極１６ａ、１６ｂに対して正負いずれかの電位差が生じるように電圧を切り替えて印加することが可能な対物レンズ制御電源３６とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】荷電粒子ビーム装置１は、荷電粒子ビームＩを放出する荷電粒子源９と、荷電粒子ビームＩを補正、偏向する補正・偏向手段１９、及び、二つの外側電極１６ａ、１６ｂと、外側電極１６ａ、１６ｂに挟み込まれた少なくとも一つの中間電極１６ｃとが、照射方向に配列して構成され、荷電粒子ビームＩを集束させて試料Ｍに照射させる対物レンズ１６を有する荷電粒子ビーム光学系１１と、荷電粒子ビーム光学系１１の対物レンズ１６の中間電極１６ｃに、外側電極１６ａ、１６ｂに対して正負いずれかの電位差が生じるように電圧を切り替えて印加することが可能な対物レンズ制御電源３６とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、試料に荷電粒子ビームを照射して、試料の加工、観察を行う荷電粒子ビーム装置に関するものである。
従来から、イオンビームや電子ビームなどの荷電粒子ビームを所定位置に照射させて、加工、観察などを行う荷電粒子ビーム装置が様々な分野で用いられている。荷電粒子ビーム装置としては、例えば、液体金属イオン源と、液体金属イオン源から放出されたイオンビームを集束させるイオンビーム光学系とを備えた集束イオンビーム装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような集束イオンビーム装置においては、試料の所定位置に集束イオンビームを照射することで、試料のエッチングを行うことが可能であり、あるいは、照射に伴って試料から発生する二次電子等を検出することで、試料表面の観察をすることも可能である。また、ガス導入機構を備え、集束イオンビームを照射するとともに、試料表面に所定のガスを噴出させることで、エッチングを促進させる、あるいは、ガス成分で形成された膜を成膜するデポジションを行うことなどが可能である。
また、上記のような荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビームを試料に集束させて照射する対物レンズとしては、例えば、アインツェルレンズが使用される（例えば、非特許文献１参照）。アインツェルレンズとは、３枚の電極で構成され、２枚の外側電極を接地させるとともに、外側電極に挟み込まれた中間電極に正負いずれかの電圧を印加して電場を形成することで、この電場によって通過する荷電粒子ビームを集束させることができる。荷電粒子ビームの加速電圧極性と異なる極性の電圧を印加した場合には、荷電粒子ビームを中間電極で加速させる加速レンズとして機能する。また、荷電粒子ビームの加速電圧極性と同じ極性の電圧を印加した場合には、荷電粒子ビームを中間電極で減速させる減速レンズとして機能する。中間電極に印加する電圧の極性は正負いずれを選択しても荷電粒子ビームを集束させることができるが、荷電粒子ビームと異なる極性の電圧を印加する加速レンズとする方が、色収差を小さくすることができ、近年さらなる精密化が要求される中で、多く採用されてきている。
特開２００２−２５１９７６号公報
「電子イオンビームハンドブック」、日刊工業新聞社、昭和６１年９月２５日、ｐ．６８
しかしながら、特許文献１のような荷電粒子ビーム装置において、対物レンズとしてアインツェルレンズを採用し、加速レンズとして使用した場合には、減速レンズとして使用した場合に比べて、印加する電圧の絶対値が非常に高くなってしまう。このため、上記のように荷電粒子ビームの照射とともに試料表面にガスを導入する場合、ガスに起因して放電が発生してしまうおそれがあった。特に、近年さらなる精密化が望まれる中で、対物レンズに印加される電圧の絶対値をより高くするとともに、試料と対物レンズとの距離をより短く設定するため、ガスを導入した場合の放電の可能性がさらに高まってしまう問題があった。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、収差を軽減し試料に荷電粒子ビームを照射可能であるとともに、試料の表面にガスを導入する場合などでも、放電のおそれ無く荷電粒子ビームを照射することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビームを放出する荷電粒子源と、該荷電粒子ビームを必要に応じて補正、偏向する補正・偏向手段、及び、二つの外側電極と、該外側電極に挟み込まれた少なくとも一つの中間電極とが、前記荷電粒子ビームの照射方向に配列して構成され、前記荷電粒子ビームを集束させて試料に照射させる対物レンズを有する荷電粒子ビーム光学系と、該荷電粒子ビーム光学系の前記対物レンズの前記中間電極に、前記外側電極に対して正負いずれかの電位差が生じるように電圧を切り替えて印加することが可能な対物レンズ制御電源とを備えることを特徴としている。
本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビームを放出する荷電粒子源と、該荷電粒子ビームを必要に応じて補正、偏向する補正・偏向手段、及び、二つの外側電極と、該外側電極に挟み込まれた少なくとも一つの中間電極とが、前記荷電粒子ビームの照射方向に配列して構成され、前記荷電粒子ビームを集束させて試料に照射させる対物レンズを有する荷電粒子ビーム光学系と、該荷電粒子ビーム光学系の前記対物レンズの前記中間電極に、前記外側電極に対して正負いずれかの電位差が生じるように電圧を切り替えて印加することが可能な対物レンズ制御電源とを備えることを特徴としている。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、試料の表面にガスを導入するなどせず、放電のおそれが無い場合には、対物レンズ制御電源によって中間電極に、外側電極に対して荷電粒子ビームの極性と異なる極性となる電位差が生ずるような極性の電圧を印加して加速レンズとすることで、収差を軽減して効果的に荷電粒子ビームを集束させることができる。一方、ガスを導入する場合などでは、対物レンズ制御電源によって中間電極に、外側電極に対して荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生ずるような極性の電圧を印加して減速レンズとすることで、放電のおそれ無く荷電粒子ビームを集束させることができる。
また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記対物レンズ制御電源は、前記外側電極に対して負の電位差が生じるように負電圧を印加可能な第１の電源と、前記外側電極に対して正の電位差が生じるように正電圧を印加可能な第２の電源と、前記対物レンズの前記中間電極に、前記第１の電源と前記第２の電源とのいずれか一方を接続させるように切り替え可能な切替手段とを有することがより好ましいとされている。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、対物レンズ制御電源が、第１の電源、第２の電源、及び切替手段を有することで、対物レンズの中間電極に正負いずれかの電圧を切り替えて印加することができる。このため、試料の表面にガスを導入するなどせず放電の恐れが無い場合には、対物レンズを加速レンズとし、また、ガスを導入するなどの場合には、対物レンズを減速レンズとすることができる。
また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記対物レンズ制御電源は、前記外側電極に対して正負いずれかの電位差が生じるように、負電圧と正電圧とを切り替えて印加可能な両極性高圧電源であるものとしても良い。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、対物レンズ制御電源が両極性高圧電源であることで、対物レンズの中間電極に正負いずれかの電圧を切り替えて印加することができる。このため、試料の表面にガスを導入するなどせず放電のおそれが無い場合には、加速レンズとし、また、ガスを導入するなどの場合には、減速レンズとすることができる。
また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記対物レンズの前記中間電極は、第１の電極と、該第１の電極よりも前記試料側に配置された第２の電極とを有し、前記対物レンズ制御電源は、前記第１の電極に接続され、前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加可能な第１の電源と、前記第２の電極に接続され、前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電圧を印加可能な第２の電源とを有するものとしても良い。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、対物レンズ制御電源が、第１の電源及び第２の電源を有することで、対物レンズの中間電極の第１電極と第２の電極とに互いに正負異なる電圧を印加することができる。このため、試料の表面にガスを導入するなどせず放電のおそれが無い場合には、外側電極に対して荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電位差が生じるように荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を第１の電極に印加して、加速レンズとして荷電粒子ビームを集束させることができる。また、ガスを導入するなどの場合には、外側電極に対して荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生じるように荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電圧を第２の電極に印加して、減速レンズとして荷電粒子ビームを集束させることができる。また、加速レンズとして第１の電極に印加する電圧の絶対値は、減速レンズとして第２の電極に印加する電圧の絶対値よりも高くなるが、第２の電極を試料側に配置し、第１の電極を試料から離れた位置に配置していることで、加速レンズとして使用した場合の放電の可能性も低減させることができる。また、印加する電圧の極性の異なる第１の電源と第２の電源とが、それぞれ異なる電極に接続されていることで、高電圧の極性を短絡せずに安全に切り替えるための複雑な絶縁構造を設ける必要が無く、装置の簡略化、コストの低減を図ることができる。
また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビーム光学系は、前記対物レンズとして、第１の対物レンズと、該第１の対物レンズよりも前記試料側に配置された第２の対物レンズとの二つの前記対物レンズを有し、前記対物レンズ制御電源は、前記第１の対物レンズの前記中間電極に接続され、前記第１の対物レンズの前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加可能な第１の電源と、前記第２の対物レンズの前記中間電極に接続され、前記第２の対物レンズの前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電圧を印加可能な第２の電源とを有するものとしても良い。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、対物レンズ制御電源が、第１の電源及び第２の電源を有することで、第１の対物レンズの中間電極と第２の対物レンズの中間電極に、互いに正負異なる電圧を印加することができる。このため、試料の表面にガスを導入するなどせず放電の恐れが無い場合には、第１の対物レンズにおいて、外側電極に対して荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電位差が生じるように荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を中間電極に印加して、加速レンズとして荷電粒子ビームを集束させることができる。また、ガスを導入する場合などには、第２の対物レンズにおいて、外側電極に対して荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生じるように荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電圧を中間電極に印加して、減速レンズとして荷電粒子ビームを集束させることができる。また、加速レンズとして第１の対物レンズの中間電極に印加する電圧の絶対値は、減速レンズとして第２の対物レンズの中間電極に印加する電圧の絶対値よりも高くなるが、第２の対物レンズを試料側に配置し、第１の対物レンズを試料から離れた位置に配置していることで、加速レンズとして使用した場合の放電の可能性も低減させることができる。また、印加する電圧の極性の異なる第１の電源と第２の電源とが、それぞれ異なる対物レンズに接続されていることで、高電圧の極性を短絡せずに安全に切り替えるための複雑な絶縁構造を設ける必要が無く、装置の簡略化、コストの低減を図ることができる。
また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビーム光学系の前記補正・偏向手段を駆動させる制御電源部と、前記対物レンズ制御電源によって前記対物レンズの前記中間電極に電圧を印加して、前記外側電極との間に正負いずれかの電位差が生じるようにしたそれぞれの場合で、前記荷電粒子ビームを最適条件で前記試料に照射する前記荷電粒子ビーム光学系の前記補正・偏向手段の調整値が予め設定された制御部とを備え、該制御部は、前記対物レンズ制御電源によって前記中間電極と前記外側電極との間に生じた電位差が正負いずれであるかに基づいて、前記調整値を選択し、前記制御電源部によって前記荷電粒子ビーム光学系の前記補正・偏向手段を駆動させることがより好ましいとされている。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、中間電極と外側電極との間に正負いずれかの電位差が生じるようにしたそれぞれの場合で、制御部が制御電源部によって補正・偏向手段を駆動させて、予め設定された調整値で荷電粒子ビームを自動的に調整することができる。このため、中間電極に印加する電圧を変化させても、常に最適条件で荷電粒子ビームを照射することができる。
また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビームを前記試料に照射する照射位置に、ガスを導入するガス導入機構と、該ガス導入機構の駆動、非駆動に基づいて、前記対物レンズ制御電源によって前記対物レンズの前記中間電極に印加する電圧の極性を切り替える制御部とを備えることがより好ましいとされている。
この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、ガス導入機構を非駆動とする場合には、対物レンズの中間電極に荷電粒子ビームの極性と異なる電圧を印加して加速レンズとする一方、ガス導入機構を駆動する際には、制御部によって対物レンズの中間電極に印加する電圧を自動的に切り替えて減速レンズとすることで、放電のおそれ無く、荷電粒子ビームを照射することができる。
本発明の荷電粒子ビーム装置によれば、対物レンズ制御電源を備えることで、収差を軽減して試料に荷電粒子ビームを照射可能であるとともに、試料の表面にガスを導入する場合などでも、放電のおそれ無く荷電粒子ビームを照射することが可能である。
（第１の実施形態）
図１は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に示すように、荷電粒子ビーム装置である集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）１は、試料Ｍに荷電粒子ビームであるイオンビームＩを照射することによって、試料Ｍの表面の加工等を行うものである。例えばウエハを試料Ｍとして配置し、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察用の試料を作製することが可能であり、あるいは、フォトリソグラフィ技術におけるフォトマスクを試料Ｍとして、フォトマスクの修正などが可能である。以下、本実施形態における集束イオンビーム装置１の詳細について説明する。
図１は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に示すように、荷電粒子ビーム装置である集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）１は、試料Ｍに荷電粒子ビームであるイオンビームＩを照射することによって、試料Ｍの表面の加工等を行うものである。例えばウエハを試料Ｍとして配置し、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察用の試料を作製することが可能であり、あるいは、フォトリソグラフィ技術におけるフォトマスクを試料Ｍとして、フォトマスクの修正などが可能である。以下、本実施形態における集束イオンビーム装置１の詳細について説明する。
図１に示すように、集束イオンビーム装置１は、試料Ｍを配置可能な試料台２と、試料台２に配置された試料Ｍ対してイオンビームＩを照射可能なイオンビーム鏡筒３とを備える。試料台２は、真空チャンバー４の内部４ａに配置されている。真空チャンバー４には、真空ポンプ５が設けられていて、内部４ａを高真空雰囲気まで排気可能である。また、試料台２には五軸ステージ６が設けられている。五軸ステージ６は、五軸ステージ制御電源３８と接続されていて、五軸ステージ制御電源３８によって駆動し、試料ＭをイオンビームＩの照射方向であるＺ方向と、Ｚ方向と略直交する二軸であるＸ方向及びＹ方向に所定量移動させることが可能である。また、図示されていないＸＹ平面内の回転、Ｘ軸を中心とする試料傾斜を行うことも可能である。
イオンビーム鏡筒３は、先端に真空チャンバー４と連通する照射口７が形成された筒体８と、筒体８の内部８ａにおいて、基端側に収容された荷電粒子源であるイオン源９とを備える。イオン源９を構成するイオンとしては、例えばガリウムイオン（Ｇａ＋）などである。イオン源９は、イオン源制御電源３１と接続されている。そして、イオン源制御電源３１によって加速電圧及び引き出し電圧を印加することで、イオン源９から引き出されたイオンを加速させてイオンビームＩとして放出することが可能である。
また、筒体８の内部８ａにおいて、イオン源９よりも先端側には、イオン源９から放出されたイオンビームＩを必要に応じて補正、偏向し、集束させる荷電粒子ビーム光学系であるイオンビーム光学系１１が設けられている。イオンビーム光学系１１としては、基端側から順に、コンデンサレンズ１２と、可動絞り１３と、スティグマ１４と、走査電極１５と、対物レンズ１６とを備えている。
コンデンサレンズ１２は、外側電極１２ａ、１２ｂと、外側電極１２ａ、１２ｂに挟み込まれた中間電極１２ｃとのそれぞれ貫通孔１２ｄを有する３枚の電極で構成されたレンズであり、中間電極１２ｃはコンデンサレンズ制御電源３２と接続されている。そして、外側電極１２ｂを接地するとともに、コンデンサレンズ制御電源３２によって中間電極１２ｃに電圧を印加することで、電場を形成し、イオン源９から放出され拡散状態で貫通孔１２ｄを通過するイオンビームＩを集束させることができる。
また、可動絞り１３は、所定の径を有する貫通孔であるアパーチャ１７と、アパーチャ１７をＸ方向及びＹ方向に移動させるアパーチャ駆動部１８とを備える。アパーチャ１７は、コンデンサレンズ１２から照射されるイオンビームＩを自身の径に応じて絞り込むものである。アパーチャ駆動部１８は、アパーチャ位置制御電源３３と接続されていて、アパーチャ位置制御電源３３から供給される電力によってアパーチャ１７の位置を調整することが可能である。また、アパーチャ１７は、図示しないが異なる径を有して複数設けられている。このため、アパーチャ駆動部１８によって、最適な径のアパーチャ１７を選択するとともに、アパーチャ１７の軸をイオンビームＩの軸と略一致させるように調整することで、イオンビームＩを、コマ収差を抑えた所定のビーム径に絞り込むことが可能である。
スティグマ１４は、通過するイオンビームＩの非点補正を行う電極であり、スティグマ制御電源３４によって電圧を印加することで行われる。また、走査電極１５は、走査電極制御電源３５によって電圧を印加することで平行電場形成し、通過するイオンビームＩをＸ方向及びＹ方向に所定量だけ偏向させることが可能である。そして、これにより試料Ｍ上でイオンビームＩを走査させる、あるいは、所定の位置に照射するように照射位置をシフトさせることができる。なお、照射位置のシフトについては、別途電極を設ける構成としても良い。
以上のように、本実施形態においては、コンデンサレンズ１２と、可動絞り１３と、スティグマ１４と、走査電極１５とによって補正・偏向手段１９が構成され、イオン源９から放出されたイオンビームＩを必要に応じて補正、偏向することが可能である。なお、補正・偏向手段１９を構成するものとしては、上記だけに限るものではなく、また、上記全ての構成を必ずしも必要とするものでもない。
また、対物レンズ１６は、上記の補正・偏向手段１９によって補正・偏向されたイオンビームＩを試料Ｍの表面Ｍ１上で焦点位置となるように集束させることで、試料Ｍの所定位置に照射させるものである。より詳しくは、対物レンズ１６は、アインツェルレンズであり、外側電極１６ａ、１６ｂと、外側電極１６ａ、１６ｂに挟み込まれた中間電極１６ｃとのそれぞれ貫通孔１６ｄを有する３枚の電極で構成されている。これらの電極は、導電性を有する金属で形成されているが、フッ化キセノン（ＸｅＦ２）や塩素（Ｃｌ２）などの腐食性ガスに対して耐腐食性の高い金属が好ましく、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ、ハステロイ、ニッケルなどが選択される。また、外側電極１６ａ、１６ｂは接地されている一方、中間電極１６ｃは対物レンズ制御電源３６に接続されている。対物レンズ制御電源３６は、外側電極１８ａ、１８ｂに対してイオンビームＩを形成するガリウムイオンの極性（正）と異なる極性（負）の電位差が生ずるように、負電圧を印加可能な第１の電源３６ａと、ガリウムイオンの極性（正）と同じ極性（正）の電位差が生ずるように、正電圧を印加可能な第２の電源３６ｂとを備える。これらは、切替手段３６ｃによって切り替えて接続することが可能である。
また、集束イオンビーム装置１は、試料Ｍの表面Ｍ１上において、イオンビームＩの照射位置にガスを噴出可能なガス導入機構２０を備える。ガス導入機構２０のガスは、その種類に応じて、イオンビームＩによるエッチングを促進させる、あるいは、ガスの成分を成膜させるデポジションを行うことが可能である。ガス導入機構２０は、ガス導入機構制御電源３７と接続されていて、ガス導入機構制御電源３７によって駆動し、ガスを噴出させることが可能である。
また、集束イオンビーム装置１は制御部２１を備え、上記のイオン源制御電源３１、コンデンサレンズ制御電源３２、アパーチャ制御電源３３、スティグマ制御電源３４、走査電極制御電源３５、対物レンズ制御電源３６、ガス導入機構制御電源３７、及び五軸ステージ制御電源３８によって構成される制御電源部３０の各出力は、この制御部２１によって制御されている。すなわち、制御部２１の制御によって、イオン源制御電源３１を駆動させ、所定の電流量、所定の加速電圧で、イオン源９からイオンビームＩを放出することが可能であり、コンデンサレンズ制御電源３２を駆動し、コンデンサレンズ１２によって所定の縮小比でイオンビームＩを集束させることが可能である。また、アパーチャ位置制御電源３３を駆動させ、アパーチャ１７の径と位置を調整することが可能であり、スティグマ制御電源３３を駆動させ、イオンビームＩの非点補正を行うことが可能である。また、走査電極制御電源３４を駆動させ、走査電極１５によってイオンビームＩを走査し、あるいは、スキャンさせることが可能である。さらに、対物レンズ制御電源３６を駆動させ、切替手段３６ｃによって正電圧と負電圧と、極性を切替可能であるとともに、絶対値を変化させて焦点位置を調整することが可能である。また、ガス導入機構制御電源３７を駆動させ、所定量でガスを導入させることが可能である。また、五軸ステージ制御電源３８を駆動させ、試料ＭをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各方向に位置調整することが可能である。
ここで、対物レンズ制御電源３６の切替手段３６ｃによって極性を切り替えた場合に、同じ焦点位置及び照射位置で、ビーム径を最適に調整し照射するには、補正・偏向手段１９の各構成であるコンデンサレンズ１２、可動絞り１３、スティグマ１４、及び走査電極１５を調整する必要がある。そして、これらの補正・偏向手段１９の各構成の調整値は、予め測定されていて、制御部２１に設定されている。すなわち、制御部２１は、対物レンズ制御電源３６によって対物レンズ１６の中間電極１６ｃに印加する電圧の極性を変化させた場合には、予め設定された調整値に基づいて、制御電源部３０の各電源を駆動させ、補正・偏向手段１９を調整して、最適条件でイオンビームＩを照射することが可能である。なお、制御部２１には、端末２２が接続されていて、操作者によって端末２２から各種調整することも可能である。
さらに、制御部２１は、ガス導入機構２０の駆動、非駆動に基づいて、中間電極１６ｃに印加する電圧の極性を切り替えることが可能である。すなわち、制御部２１は、ガス導入機構２０を非駆動の状態としてガスを導入せずにイオンビームＩを照射する場合には、切替手段３６ｃを駆動させて、第１の電源３６ａと対物レンズ１６の中間電極１６ｃと接続させる。このため、ガスを導入せずに放電のおそれの無い環境下においては、対物レンズ１６を加速レンズとして、収差を軽減して効果的にイオンビームＩを集束させて、試料Ｍに照射することができる。
また、例えば、操作者が端末２６から入力により、ガス導入機構２０によってガスを導入しながらイオンビームＩを照射するように指示したとする。この場合、制御部２１は、まず、対物レンズ制御電源３６の切替手段３６ｃを駆動させて、対物レンズ１６の中間電極１６ｃに接続される電源を第１の電源３６ａから第２の電源３６ｂに切り替えて、印加される電圧を負電圧にして、減速レンズとして機能するようにする。さらに制御部２１は、電圧の切り替えと対応して、各制御電源部３０を駆動させて、予め設定された各調整値に基づいて補正・偏向手段１９の各構成の調整を行う。すなわち、コンデンサレンズ制御電源３２からコンデンサレンズ１２に印加される電圧を所定量変化させる。また、アパーチャ位置制御電源３３からアパーチャ駆動部１８に電力を供給して、所定量アパーチャ１７を移動させる。また、スティグマ制御電源３４からスティグマ１４に印加する所定電圧を変化させて、非点補正の再調整を行う。また、走査電極制御電源３５から走査電極１５に印加する所定電圧を変化させて、照射位置の再調整を行う。
そして、すべての調整が完了したら、制御部２１は、ガス導入機構制御電源３７を駆動させて、ガス導入機構２０からガスを噴出させるとともに、イオン源制御電源３１を駆動させて、イオン源９からイオンビームＩを放出させ、試料Ｍに照射させる。この際、対物レンズ１６が減速レンズとなっていることで、中間電極１６ｃに印加する電圧の絶対値を抑えることができ、これによりガスに起因して放電してしまうことを防ぐことができる。このため、ガスに起因する放電が生じてしまうおそれ無く、イオンビームＩを集束させて試料Ｍに照射し、エッチングの促進、あるいは、デポジションを行うことが可能である。また、放電のおそれが無いことで耐久性を向上させ、ガス使用時におけるイオンビーム鏡筒３の寿命を向上させることができる。また、上記のように、調整値に基づいて補正・偏向手段１９の各構成を自動的に最適条件に調整することで、収差などを補正して、正確な位置に照射することができる。
そして、試料ＭへのイオンビームＩの照射を停止させる指示が入力されたら、制御部２１は、イオン源制御電源３１及びガス導入機構制御電源３７の駆動を停止させ、イオンビームＩの照射と、ガスの噴出を停止させる。さらに、制御部２１は、真空ポンプ５によって真空チャンバー４の内部４ａのガスを排気させる。そして、排気が完了した段階で、制御部２１は、対物レンズ制御電源３６の切替手段３６ｃを駆動させて、第１の電源３６ａと接続させるとともに、各調整値に基づいて補正・偏向手段１９の各構成を再調整することで、再び対物レンズ１６を加速レンズとして、また、これと対応して最適条件として、イオンビームＩを照射することが可能となる。
なお、上記においては、対物レンズ制御電源３６により印加する電圧の極性の切替、補正・偏向手段１９の各構成の調整は、制御部２１によって自動的に行われるものとしたがこれに限るものでは無い。端末２２において、操作者の入力作業に基づいて行われるものとしても良い。また、対物レンズ１６は、外側電極１６ａ、１６ｂと、中間電極１６ｃとで構成されるアインツェルレンズであるとしたがこれに限るものでは無い。例えば、一方の外側電極１６ａと、他方の外側電極１６ｂとの間に電位差を生じさせる構成としても良い。この場合においても、外側電極１６ａ、１６ｂに対して相対的に極性の異なる電位差となるように印加する電圧を切り替えることが可能であることで同様の効果を期待することができる。
また、対物レンズ制御電源としては、上記構成に限るものでは無い。図２は、本実施形態の変形例を示している。図２に示すように、本変形例の本実施形態の集束イオンビーム装置４０は、対物レンズ制御電源として、負電圧と正電圧とを切り替えて印加可能な両極性高圧電源４１を備えている。この集束イオンビーム装置４０によれば、同様の効果を期待することができる。すなわち、両極性高圧電源４１によって対物レンズ１６の中間電極１６ｃに正負異なる電圧を印加することが可能であることで、試料Ｍの表面Ｍ１にガスを導入するなどせず放電のおそれが無い場合には、外側電極１６ａ、１６ｂに対してイオンビームＩの極性（正）と異なる極性（負）の電位差が生じるように中間電極１６ｃに負電圧を印加することで、対物レンズ１６を加速レンズとし、イオンビームＩを、収差を軽減して効果的に集束させることができる。また、ガス導入機構２０によってガスを導入するなどの場合には、極性を切り替えて正電圧を中間電極１６ｃに印加して対物レンズ１６を減速レンズとし、ガスなどに起因して放電してしまうおそれ無くイオンビームＩを集束させることができる。
（第２の実施形態）
図３は、この発明に係る第２の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図３は、この発明に係る第２の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態の集束イオンビーム装置５０において、対物レンズ５１は、二つの外側電極５１ａ、５１ｂと、外側電極５１ａ、５１ｂに挟み込まれた中間電極５１ｃを備える。中間電極５１ｃとしては、第１の電極５１ｄと、第１の電極５１ｄよりも試料Ｍ側に配置された第２の電極５１ｅと、二枚の電極を有している。これらの外側電極５１ａ、５１ｂ及び中間電極５１ｃには、貫通孔５１ｆが形成されていて、通過するイオンビームＩを集束させることが可能である。また、中間電極５１ｃには、制御電源部３０の対物レンズ制御電源５２が接続されている。より詳しくは、対物レンズ制御電源５２は、イオンビームＩの極性（正）と異なる負電圧を印加可能な第１の電源５２ａと、イオンビームＩの極性（正）と同じ正電圧を印加可能な第２の電源５２ｂとを備える。第１の電源５２ａは、中間電極５１ｃの第１の電極５１ｄと接続されている。また、第２の電源５２ｂは、中間電極５１ｃの第２の電極５１ｅと接続されている。
本実施形態の集束イオンビーム装置５０においては、ガス導入機構２０を非駆動の状態でイオンビームＩを照射する場合には、制御部２１は、対物レンズ制御電源５２において、第１の電源５２ａによって対物レンズ５１の第１の電極５１ｄに負電圧を印加させる一方、第２の電源５２ｂの駆動を停止させる。このため、対物レンズ５１において、外側電極５１ａ、５１ｂに対して中間電極５１ｃの第１の電極５１ｄには、イオンビームＩの極性（正）と異なる負の電位差が生じる。すなわち、対物レンズ５１は加速レンズとして機能し、収差を軽減して効果的にイオンビームＩを集束させることができる。また、ガス導入機構２０を駆動した状態でイオンビームＩを照射する場合には、制御部２１は、対物レンズ制御電源５２において、第２の電源５２ｂによって対物レンズ５１の第２の電極５１ｅに正電圧を印加させる一方、第１の電源５２ａの駆動を停止させる。このため、対物レンズ５１において、外側電極５１ａ、５１ｂに対して中間電極５１ｃの第２の電極５１ｅには、イオンビームＩの極性（正）と同じ正の電位差が生じる。すなわち、対物レンズ５１は減速レンズとして機能し、ガス導入機構２０によって導入されるガスに起因して放電してしまうおそれ無く、イオンビームＩを集束させることができる。また、加速レンズとして第１の電極５１ｄに印加する電圧の絶対値は、減速レンズとして第２の電極５１ｅに印加する電圧の絶対値よりも高くなるが、第２の電極を試料Ｍ側に配置し、第１の電極５１ｄを試料Ｍから離れた位置に配置していることで、加速レンズとして使用した場合の放電の可能性も低減させることができる。
また、上記のように対物レンズ制御電源５２によって印加する電圧の極性を切り替える際、第１の電源５２ａと第２の電源５２ｂとが、それぞれ異なる電極に接続されていることで、単にそれぞれの電源を駆動、非駆動に切り替えるだけである。このため、対物レンズ制御電源５２に、高電圧の極性を短絡せずに安全に切り替えるための複雑な絶縁構造を設ける必要が無く、装置の簡略化、コストの低減を図ることができる。
（第３の実施形態）
図４は、この発明に係る第３の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図４は、この発明に係る第３の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の集束イオンビーム装置６０は、対物レンズ６１として、第１の対物レンズ６２と第２の対物レンズ６３との二つの対物レンズを有している。第１の対物レンズ６２は、二つの外側電極６２ａ、６２ｂと、一つの中間電極６２ｃとのそれぞれ貫通孔６２ｄを有する３枚の電極で構成されたアインツェルレンズである。同様に、第２の対物レンズ６３は、外側電極６３ａ、６３ｂと中間電極６３ｃとのそれぞれ貫通孔６３ｄを有する３枚の電極で構成されたアインツェルレンズである。また、第２の対物レンズ６３は、第１の対物レンズ６２よりも試料Ｍ側に配置されている。
また、第１の対物レンズ６２及び第２の対物レンズ６３のそれぞれの中間電極６２ｃ、６３ｃには、制御電源部３０の対物レンズ制御電源６４が接続されている。より詳しくは、対物レンズ制御電源６４は、イオンビームＩの極性（正）と異なる負電圧を印加可能な第１の電源６４ａと、イオンビームＩの極性（正）と同じ正電圧を印加可能な第２の電源６４ｂとを備える。第１の電源６４ａは、第１の対物レンズ６２の中間電極６２ｃと接続されている。また、第２の電源６４ｂは、第２の対物レンズ６３の中間電極６３ｃと接続されている。
本実施形態の集束イオンビーム装置６０においても、第２の実施形態同様に、ガス導入機構２０を非駆動の状態でイオンビームＩを照射する場合には、制御部２１は、対物レンズ制御電源６４において、第１の電源６４ａによって第１の対物レンズ６２の中間電極６２ｃに負電圧を印加させる一方、第２の電源６４ｂの駆動を停止させる。このため、第１の対物レンズ６２において、外側電極６２ａ、６２ｂに対して中間電極６２ｃには、イオンビームＩの極性（正）と異なる負の電位差が生じる。すなわち、第１の対物レンズ６２は加速レンズとして機能し、収差を軽減して効果的にイオンビームＩを集束させることができる。
また、ガス導入機構２０を駆動した状態でイオンビームＩを照射する場合には、制御部２１は、対物レンズ制御電源６４において、第２の電源６４ｂによって第２の対物レンズ６３の中間電極６３ｃに正電圧を印加させる一方、第１の電源６４ａの駆動を停止させる。このため、第２の対物レンズ６３において、外側電極６３ａ、６３ｂに対して中間電極６３ｃには、イオンビームＩの極性（正）と同じ正の電位差が生じる。すなわち、第２の対物レンズ６３は減速レンズとして機能し、ガス導入機構２０によって導入されるガスに起因して放電してしまうおそれ無く、イオンビームＩを集束させることができる。
また、加速レンズとして第１の対物レンズ６２の中間電極６２ｃに印加する電圧の絶対値は、減速レンズとして第２の対物レンズ６３の中間電極６３ｃに印加する電圧の絶対値よりも高くなるが、第２の対物レンズ６３を試料側に配置し、第１の対物レンズ６２を試料Ｍから離れた位置に配置していることで、第１の対物レンズ６２を使用した場合の放電の可能性も低減させることができる。また、第２の実施形態同様に、対物レンズ制御電源６４に、高電圧の極性を短絡せずに安全に切り替えるための複雑な絶縁構造を設ける必要が無く、装置の簡略化、コストの低減を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、各実施形態の集束イオンビーム装置においては、イオン源９としては、ガリウムイオンを例として挙げたがこれに限るものでは無い。例えば、例えば、希ガス（Ａｒ）やアルカリ金属（Ｃｓ）などの陰イオンを用いても良い。また、各実施形態においては荷電粒子ビーム装置として集束イオンビーム装置を例に挙げたが、これに限ることは無い。例えば、荷電粒子ビームとして電子ビームを照射可能な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などでも同様の効果を期待することができる。なお、上記のように集束イオンビーム装置のイオン源として陰イオンを選択した場合や、走査型電子顕微鏡において照射される電子ビームのように負の極性を有する荷電粒子ビームを照射する場合には、対物レンズの中間電極に印加する電圧の極性を逆にすることで、同様の効果を期待することができる。
１、４０、５０、６０ 集束イオンビーム装置（荷電粒子ビーム装置）
９ イオン源（荷電粒子源）
１１ イオンビーム光学系（荷電粒子ビーム光学系）
１６、５１、６１ 対物レンズ
１６ａ、１６ｂ、５１ａ、５１ｂ 外側電極
１６ｃ、５１ｃ 中間電極
１９ 補正・偏向手段
２０ ガス導入機構
２１ 制御部
３０ 制御電源部
３６、５２、６４ 対物レンズ制御電源
３６ａ、５２ａ、６４ａ 第１の電源
３６ｂ、５２ｂ、６４ｂ 第２の電源
３６ｃ 切替手段
４１ 両極性高圧電源（対物レンズ制御電源）
５１ｄ 第１の電極
５１ｅ 第２の電極
６２ 第１の対物レンズ
６２ａ、６２ｂ 外側電極
６２ｃ 中間電極
６３ 第２の対物レンズ
６３ａ、６３ｂ 外側電極
６３ｃ 中間電極
Ｍ 試料
Ｉ イオンビーム（荷電粒子ビーム）
９ イオン源（荷電粒子源）
１１ イオンビーム光学系（荷電粒子ビーム光学系）
１６、５１、６１ 対物レンズ
１６ａ、１６ｂ、５１ａ、５１ｂ 外側電極
１６ｃ、５１ｃ 中間電極
１９ 補正・偏向手段
２０ ガス導入機構
２１ 制御部
３０ 制御電源部
３６、５２、６４ 対物レンズ制御電源
３６ａ、５２ａ、６４ａ 第１の電源
３６ｂ、５２ｂ、６４ｂ 第２の電源
３６ｃ 切替手段
４１ 両極性高圧電源（対物レンズ制御電源）
５１ｄ 第１の電極
５１ｅ 第２の電極
６２ 第１の対物レンズ
６２ａ、６２ｂ 外側電極
６２ｃ 中間電極
６３ 第２の対物レンズ
６３ａ、６３ｂ 外側電極
６３ｃ 中間電極
Ｍ 試料
Ｉ イオンビーム（荷電粒子ビーム）
Claims (7)
- 荷電粒子ビームを放出する荷電粒子源と、
該荷電粒子ビームを必要に応じて補正、偏向する補正・偏向手段、及び、二つの外側電極と、該外側電極に挟み込まれた少なくとも一つの中間電極とが、前記荷電粒子ビームの照射方向に配列して構成され、前記荷電粒子ビームを集束させて試料に照射させる対物レンズを有する荷電粒子ビーム光学系と、
該荷電粒子ビーム光学系の前記対物レンズの前記中間電極に、前記外側電極に対して正負いずれかの電位差が生じるように電圧を切り替えて印加することが可能な対物レンズ制御電源とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記対物レンズ制御電源は、前記外側電極に対して負の電位差が生じるように負電圧を印加可能な第１の電源と、
前記外側電極に対して正の電位差が生じるように正電圧を印加可能な第２の電源と、
前記対物レンズの前記中間電極に、前記第１の電源と前記第２の電源とのいずれか一方を接続させるように切り替え可能な切替手段とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記対物レンズ制御電源は、前記外側電極に対して正負いずれかの電位差が生じるように、負電圧と正電圧とを切り替えて印加可能な両極性高圧電源であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記対物レンズの前記中間電極は、第１の電極と、該第１の電極よりも前記試料側に配置された第２の電極とを有し、
前記対物レンズ制御電源は、前記第１の電極に接続され、前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加可能な第１の電源と、前記第２の電極に接続され、前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電圧を印加可能な第２の電源とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記荷電粒子ビーム光学系は、前記対物レンズとして、第１の対物レンズと、該第１の対物レンズよりも前記試料側に配置された第２の対物レンズとの二つの前記対物レンズを有し、
前記対物レンズ制御電源は、前記第１の対物レンズの前記中間電極に接続され、前記第１の対物レンズの前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加可能な第１の電源と、
前記第２の対物レンズの前記中間電極に接続され、前記第２の対物レンズの前記外側電極に対して前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電位差が生じるように、前記荷電粒子ビームの極性と同じ極性の電圧を印加可能な第２の電源とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 請求項１から請求項５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記荷電粒子ビーム光学系の前記補正・偏向手段を駆動させる制御電源部と、
前記対物レンズ制御電源によって前記対物レンズの前記中間電極に電圧を印加して、前記外側電極との間に正負いずれかの電位差が生じるようにしたそれぞれの場合で、前記荷電粒子ビームを最適条件で前記試料に照射する前記荷電粒子ビーム光学系の前記補正・偏向手段の調整値が予め設定された制御部とを備え、
該制御部は、前記対物レンズ制御電源によって前記中間電極と前記外側電極との間に生じた電位差が正負いずれであるかに基づいて、前記調整値を選択し、前記制御電源部によって前記荷電粒子ビーム光学系の前記補正・偏向手段を駆動させることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 請求項１から５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記荷電粒子ビームを前記試料に照射する照射位置に、ガスを導入するガス導入機構と、
該ガス導入機構の駆動、非駆動に基づいて、前記対物レンズ制御電源によって前記対物レンズの前記中間電極に印加する電圧の極性を切り替える制御部とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
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