JP2008234874A - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム径を細く絞ることができ、しかも、イオンビーム電流を広い範囲にわたって変える。
【解決手段】内部にプラズマを維持して流すプラズマトーチ２をもったプラズマ発生器３と、プラズマトーチにトーチオリフィス４を介して連通され、トーチオリフィスから流れ出たプラズマを断熱膨張させて超音速流にする差動排気チャンバ５と、差動排気チャンバのトーチオリフィスとの対向位置に設けられ、超音速流とされたプラズマからイオンを引き出す引出しオリフィス６と、引出しオリフィスを通過したイオンを静電的に加速してさらに引き出す引出し電極７と、引出し電極から引き出したイオンを、イオン光学的操作を加えることで集束させて試料１５に入射させるイオン光学系１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、集束イオンビーム装置に関する。

集束イオンビーム装置は半導体デバイス等の微細加工や観察ならびに分析、フォトマスクの欠陥修正やＴＥＭ試料作成など、広く用いられている。集束イオンビーム装置では、イオン源として液体金属イオン源が広く用いられており、イオン元素としてはガリウムが一般に用いられている。
しかしガリウム液体金属イオン源を用いた集束イオンビーム装置では、加工面に照射された金属イオンは当初の役割を果たした後、処理すべき試料に対して不純物として残り、悪影響を及ぼす。例えばガリウムで汚染された半導体デバイスはリーク電流の増加や短寿命化の原因となるし、フォトマスクでは光透過率が低下する。

そこで、処理すべき試料に悪影響を及ぼさないイオン源として、特許文献１には、プラズマ噴流を抽出する開口を有するプラズマチャンバと、プラズマチャンバに連続して設けられるとともに、プラズマ噴流の一部を受け入れるための開口並びに活性反応ガスを抽出する開口を有する反応ガスチャンバとを備えるものが提案されている。
また、引用文献２には、イオン引き出し口近傍に発生するイオンシースの等電位面の湾曲を利用することで、イオンを引き出すイオン源が提案されている。
特開２００６−６６３９８号公報 特許３５６４７１７号公報

ところで、前記特許文献１に記載されたイオン源にあっては、プラズマ電位が発生するため、試料に照射するイオンビームにエネルギ拡がりが生じてしまい、ガリウム等の液体金属のイオン源を用いた場合に比べて、ビーム径が絞れず極微小の観察や加工ができないという問題があった。
また、集束イオンビーム装置におけるイオンビームは、例えば１０ｐＡ以下〜１０ｎＡ以上というように広い範囲にわたって電流を設定でき、かつ、細く絞られることが求められる。このためには、イオン源としては小さい面積から高い電流密度のイオンを引き出すことが必要となる。しかしながら、前記特許文献２に記載されたイオン源にあっては、基本的に、イオンシースの等電位面の湾曲を利用し、プラズマのイオンシースの厚さより小さい半径のイオン引出し開口からイオンを引き出す方式であるため、引き出せる電流範囲がある範囲に限られてしまう、また、高電流時にはビーム径を細く絞りきれないという問題があった。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、ビーム径を細く絞ることができ、しかも、イオンビーム電流を広い範囲にわたって変えることができる集束イオンビーム装置を提供することである。

本発明の集束イオンビーム装置は、ビーム径を所定値以下に絞ったイオンビームを試料に照射して、前記試料の表面を観察または分析あるいは前記試料の表面に対して加工を行う集束イオンビーム装置であって、内部にプラズマを維持して流すプラズマトーチをもったプラズマ発生器と、前記プラズマトーチに連通され、前記プラズマトーチから流れ出たプラズマを断熱膨張させて超音速流にする差動排気チャンバと、前記差動排気チャンバの前記プラズマトーチとの対向位置に設けられ、超音速流とされた前記プラズマからイオンを引き出す引出しオリフィスと、前記引出しオリフィスを通過したイオンを静電的に加速してさらに引き出す引出し電極と、前記引出し電極から引き出したイオンを、イオン光学的操作を加えることで集束させて前記試料に入射させるイオン光学系と、を備えたことを特徴としている。

本発明の集束イオンビーム装置によれば、前述の特許文献に記載された技術と全く異なる方式によって、プラズマよりイオンを取り出している。すなわち、差動排気チャンバにてプラズマの超音速流を形成し、この超音速流からイオンを取り出す方式を採用している。このため、引き出せるイオンは、前記特許文献２に記載された技術のような、プラズマのイオンシースの厚さより小さい半径のイオン引出し開口からイオンを引き出すといった制限がなく、小さい面積から高い電流密度のイオンを引き出すことができる。
また、超音速流内で断熱膨張するため、イオンの温度を下げることができる。イオンの温度が低いと流れの方向に対して垂直方向の運動量ベクトルが小さい、すなわちビーム拡がりを起こす成分が小さくて流れが揃ったイオンを引き出すことができる。これにより、径の小さな集束イオンビームが作り易くなる。

本発明の集束イオンビーム装置では、前記プラズマ発生器が、誘導結合プラズマを発生させるものであって、前記プラズマトーチの回りに巻回されて高周波磁場を発生させるワークコイルと、前記ワークコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、前記プラズマトーチにプラズマとなるためのガスを供給するプラズマガス供給手段とを有することが望ましい。
これにより、プラズマ発生器により発生する高温高密度の誘導結合プラズマから、有効にイオンを引き出すことができる。

本発明の集束イオンビーム装置では、前記プラズマトーチと前記差動排気チャンバは大気から遮断された状態で接続され、前記差動排気チャンバの内部は真空ポンプで排気されていることが望ましい。
これにより、空気の混入を防いで純粋なプラズマを生成することができる。また、プラズマトーチ内の圧力を大気圧以上に設定し、これにより、より密度の高いプラズマを生成することができる。さらに、プラズマトーチ内の圧力を高めることによって、プラズマトーチと差動排気チャンバとの圧力差をより大きく設定することができる。これにより、より高密度かつ高速の超音速流条件下で、イオンを引き出すことができる。

本発明の集束イオンビーム装置では、前記引出しオリフィスが、前記差動排気チャンバの内部に突き出た中空円錐状に形成されるとともに、中空円錐状に形成された前記引出しオリフィスの頂点に前記イオンを引き出すための開口が設けられ、中空円錐状に形成された前記引出しオリフィスの内部に前記引出し電極が配置されていることが好ましい。さらにまた前記引き出しオリフィスの頂点の角度は７０から９０度であることが好ましい。
この場合、引出しオリフィスを、差動排気チャンバの内部に突き出た中空円錐状に形成しているので、プラズマトーチから流れ出るプラズマの超音速流を乱すことがない。特に頂点の角度を７０から９０度にすると、超音速流の乱れは最小となる。
また、中空円錐状に形成された前記引出しオリフィスの頂点に前記イオンを引き出すための開口を設けているので、中心にある高速で直進性の高いイオンを引き出すことができる。また、中空円錐状に形成された前記引出しオリフィスの内部に前記引出し電極を配置しているので、引出しオリフィスと引出し電極との距離を短くすることができ、引出しオリフィスの開口から引き出されるイオンを、高い速度を保持したまま、引出し電極によってさらに加速することができる。

本発明の集束イオンビーム装置では、前記プラズマトーチと前記差動排気チャンバの間にトーチオリフィスを設置し、前記トーチオリフィスの直径が、前記プラズマ発生器で生成されるイオンシース厚の２倍以上の値に設定されていることが望ましい。
この場合、トーチオリフィスによりプラズマトーチの出口を絞ることにより、プラズマトーチ内の圧力を上げ、生成する超音速流の速度を上げる事ができる。またトーチオリフィスの径をイオンシース厚の２倍以上にする事により、プラズマは差動排気チャンバに流れ出る事が可能になる。その結果、トーチオリフィスからプラズマの超音速流を抽出することができる。

本発明の集束イオンビーム装置用では、前記トーチオリフィスが、アルミナ、酸化マグネシウム、または酸化カルシウムで作製されていることが好ましい。
この場合、トーチオリフィスをアルミナ等の高融点の絶縁物で作製することにより、プラズマからトーチオリフィスを通じて電子が逃げることがなくなり、プラズマ電位が発生するのを防ぐことができる。その結果、エネルギ拡がりを抑えることができ、集束イオンビームを細く絞り易くなる。また放電を起こりにくくすることもできる。

本発明によれば、差動排気チャンバにてプラズマの超音速流を形成し、この超音速流からイオンを引き出すため、小さい面積から高い電流密度のイオンを引き出すことができる。また、超音速流内で断熱膨張するため、イオンの温度を下げることができ、これによって、拡がりが小さくて流れが揃ったイオンを引き出すことができる。
これらの結果、ビーム径を細く絞ることができ、しかも、広い電流範囲にわたってイオンビームを引き出すことができる。

以下、本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態を図面を参照して説明する。
図１〜図３は集束イオンビーム装置の実施形態を示しており、図１は装置全体の概略構成を示す図、図２はイオン源の要部の詳細を示す断面図、図３はトーチオリフィスの開口の詳細を示す断面図である。

図１において符号１はプラズマイオン源を示す。
プラズマイオン源１は、内部にプラズマを維持しつつ流出させるプラズマトーチ２を有するプラズマ発生器３と、プラズマトーチ２の下方に設けられ、プラズマトーチの下端に設けられたトーチオリフィス４を介してプラズマトーチと連通されて、トーチオリフィス４から流れ出たプラズマを断熱膨張させて超音速流にする差動排気チャンバ５と、差動排気チャンバ５の下面部であって、かつトーチオリフィス４との対向位置に設けられ、超音速流とされたプラズマからイオンを引き出す引出しオリフィス６と、引出しオリフィス６を通過したイオンを静電的に加速してさらに引き出す引出し電極７とを備える。

プラズマ発生器３は、誘導結合プラズマを発生させるものであって、前記プラズマトーチ２と、プラズマトーチ２を囲むように、その回りに巻回されて高周波磁場を発生させるワークコイル９と、ワークコイル９に高周波電力を供給する高周波電源１０と、プラズマトーチ２にプラズマとなるためのガス、例えば、アルゴンガス、キセノンガス、または酸素ガス等を供給するプラズマガス供給手段１１とを有する。
ここで、プラズマトーチ２として、内径が１ｍｍ程度の石英管が用いられる。また、トーチオリフィス４は、アルミナ、酸化マグネシウム、または酸化カルシウム等の高融点の絶縁材料によって作製される。

差動排気チャンバ５は、真空ポンプ１２によって排気されることにより、内部が所定の真空圧に保持される。また、差動排気チャンバ５とプラズマトーチ２を連通するトーチオリフィス４は大気から遮断されており、したがって、差動排気チャンバ５とプラズマトーチ２はその内部が大気から隔離されている。

引出し電極７から引き出されたイオンはビームの形で出射され、イオン光学系１３によってイオン光学的操作を加えられて集束され、集束イオンビームＩとして試料１５に照射される。試料１５は移動ステージ１６の上部に載置され、移動ステージ１６によって互いに直交するＸ・Ｙ方向へ移動調整される。
イオン光学系１３は、引出しオリフィス６側から試料１５側に向けて順に、コンデンサーレンズ１７、絞り１８、アライナ１９、対物レンズ２０、偏向器２１を備える。

コンデンサーレンズ１７は、引出し電極７から引き出されたイオンビームＩを集束させるものであり、例えば、通常３枚の電極で構成されたアインツェルレンズからなる。絞り１８は通過するイオンビームＩを絞り込むものである。また、アライナ１９は、略円筒状に配列された複数の電極によって例えば２段に構成され、それぞれの電極に独立して電圧を印加することで、通過するイオンビームＩの光軸のずれを修正するものである。

対物レンズ２０は、上方から照射されイオンビームＩを、最終的に試料１５上に集束させるものであり、コンデンサーレンズ１７と同様、３枚の電極で構成されたアイツェルレンズからなる。偏向器２１は、例えば、円筒を４分割されたそれぞれの電極に電圧を印加し、発生する電界によってイオンビームＩの軌道を曲げ、試料１５上におけるビーム照射位置を、互いに直交するＸ方向及びＹ方向へ自在に走査させるものである。
また、試料１５にイオンビームが照射される際、試料１５からは二次電子Ｅが放出されるが、この放出される二次電子Ｅを二次電子検出器２２により検出することで、試料１５の表面を観察することができるようになっている。

前記試料１５及び移動ステージ１６は、所定の真空度まで減圧可能な真空チャンバ２３内に収納される。なお、差動排気チャンバ５と、真空チャンバ２３との間には絶縁材２４が介在され、両者は電気的に絶縁される。そしてプラズマイオン源１と試料１５の間には５ｋＶ〜５０ｋＶ程度の電位差がかけられる。この電位差によってイオンビームは加速され、イオン源のエネルギ拡がりの影響を相対的に減らし、イオンビームＩをより細く絞れるようにする。
また、符号２５はバルブを示す。

図２に示すように、前記引出しオリフィス６は、差動排気チャンバ５の内部に突き出るよう、頂点の角度が７０度〜９０度程度に設定された中空円錐状に形成されるとともに、中空円錐状に形成された引出しオリフィス６の頂点には、イオンを引き出すための開口６ａが形成されている。開口６ａの直径は、例えば０．１ｍｍ以下に設定される。
ここで、トーチオリフィス４、引出しオリフィス６、引出し電極７は、ともに同軸状に配置される。

また図３に示すように、プラズマＰとトーチオリフィス４の間にはプラズマシース２５が生成する。プラズマシース２５の厚さをＤｓ、トーチオリフィス４の径をＤ_Hとしたとき、Ｄ_HはＤｓの２倍以上の値に設定されている。これについては、後ほど詳しく述べる。

次に、上記構成の集束イオンビーム装置の作用について説明する。
プラズマ発生器３では、ワークコイル９に高周波電源１０から周波数１００ＭＨｚで１０Ｗ〜２００Ｗ程度の電力が供給されて、高温高密度のプラズマＰが生成される。この場合、電子温度は４０００Ｋ〜１００００Ｋ、電子密度は１０¹⁵個／ｃｍ³〜１０¹⁶個／ｃｍ³程度である。誘導結合プラズマでは、ワークコイル９が作る高周波磁場で電子やイオンが振動したり衝突して電離することによって、プラズマが維持される。プラズマ供給手段１１からはプラズマガスとして、例えば、アルゴンガスやキセノンガス等が０．０５ｌ／ｍｉｎ〜２ｌ／ｍｉｎ程度供給される。

ここで、プラズマトーチ２内の圧力は大気圧もしくはそれ以上に設定され、差動排気チャンバ５内の圧力は、真空ポンプ１２によって１００Ｐａ〜２０００Ｐａ程度まで下げられる。この圧力差のため、プラズマトーチ２内で生成したプラズマＰは、差動排気チャンバ５内で断熱膨張してプラズマの超音速流Ｆを形成する。

トーチオリフィス４を通して、プラズマの超音速流Ｆが形成されるには、以下の２つの条件を満たす必要がある。
図３に示すように、一つは、トーチオリフィス４の直径Ｄ_Hがイオンシース２５のシース厚さＤ_Sの２倍以上の値に設定されること、言い換えれば、イオンシース２５のシース厚さＤ_Sが、トーチオリフィス４の内径（直径）Ｄ_Hの１／２以下になることである。Ｄ_H／２＜Ｄ_Sだとトーチオリフィス４がイオンシース２５で塞がってしまい、プラズマＰはトーチオリフィス４を通過できなくなる。そして超音速流の相がプラズマでなくなってしまう。他の条件は、生成したプラズマＰがトーチオリフィス４を連続流として通過することである。ここで、連続流とはガス分子がトーチオリフィス４を通過する際に何回も衝突する状態を言う。いま、プラズマガスの平均自由行程λとすると、ガスの流れを特徴づける指標であるクヌーセン数Ｋｎは、
Ｋｎ ＝ λ／Ｄ_H
の式で与えられる。連続流となる条件はＫｎ＜０．０１を満たすことである。連続流の条件を満たすことにより、プラズマが断熱膨張する過程でイオンや中性粒子は加速されてマッハ５〜２０程度の超音速流となる。

ここで、前記トーチオリフィス４は、アルミナ、酸化マグネシウム、または酸化カルシウム等の高融点の絶縁物で作製されている。このため、プラズマＰからトーチオリフィス４を通じて電子が逃げることがなくなり、プラズマ電位が発生するのを防ぐことができる。その結果、エネルギ拡がりを抑えることができ、また放電を起こりにくくすることができる。

また、この実施形態では、プラズマトーチ２と差動排気チャンバ５が大気から遮断された状態で接続されており、しかも、差動排気チャンバ５の内部は真空ポンプ１２で排気されている。このため、プラズマトーチ２内では、空気の混入を防いだ純粋なプラズマを生成することができる。また、プラズマトーチ２内の圧力を大気圧以上に設定することができ、これにより、より密度の高いプラズマを生成することができる。さらに、プラズマトーチ２内の圧力を高めることによって、プラズマトーチ２と差動排気チャンバ５との圧力差をより大きく設定することができ、これによって、より高密度かつ高速の条件下で、イオンを引き出すことが可能となる。

超音速流内では断熱膨張のために、イオン温度はプラズマトーチ２内での温度より大幅に低くなる。ただし、電子温度はプラズマトーチ２内にある電子の温度とあまり変わらない。この状態は集束イオンビーム装置用のイオン源として好ましい。なぜならイオン温度が低い事はビーム拡がりを起こす成分が小さくてイオンビームを細く絞り易い事を意味し、電子温度が高い事（或いは下がらない事）は、イオン化率が維持されて「明るいイオン源」である事を意味するからである。

そして、この抽出されたプラズマの超音速流Ｆの内部に引出しオリフィス６が位置することとなる。引出しオリフィス６は頂点の角度が７０度〜９０度の中空円錐状に形成されており、これによって、超音速流を乱すことがない。ちなみに、超音速流が乱されると、バレルショックと呼ばれる高温高密度の状態ができ、引出しオリフィス６の構成材がイオンビームに混入して汚染したり、イオン温度が上昇してイオンビームを絞り難くしたり、あるいは引出しオリフィス６の寿命が短くなる等の不具合が生じる。

また、この実施形態では、中空円錐状に形成された引出しオリフィス６の頂点にイオンを引き出すための開口６ａを設けているので、中心にある高速で直進性の高いイオンを引き出すことができる。さらに、中空円錐状に形成された引出しオリフィス６の内部に引出し電極７を配置しているので、引出しオリフィス６と引出し電極７との距離を短くすることができる。なお、引出し電極７の印加電圧は、引出しオリフィス６に対して−１００Ｖ〜−３００Ｖ程度とする。これによって、引出しオリフィスの開口６ａを通過したイオンを、空間電荷効果（イオン同士が互いの電荷によって反発し合う効果）によってイオンビームの径が拡がる前に、引出し電極７の作る電界によって引出すことができる。

引出し電極７から引き出されたイオンビームＩは、その後イオン光学系１３で５ｋｅＶ〜５０ｋｅＶ程度所定のエネルギに加速される。このとき、イオン光学系１３内にある絞り１８の径を調整することにより、イオンビーム電流を変更することができる。
以上により、本発明による集束イオンビーム装置によれば、ビーム径を０．１μｍ以下に絞りながら、イオンビーム電流を１０ｐＡ以下から１０ｎＡ以上に広く変えることができる。

なお、本発明の技術範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、プラズマ発生器３として誘導結合によりプラズマを生成する例を挙げているが、これに限られることなく、マイクロ波誘導プラズマのような他の方式でプラズマを生成する場合にも、本発明は適用可能である。
また、前記実施形態では、集束イオンビームＩを照射する鏡筒のみを有しているが、これに限られることなく、集束イオンビームを発生させる鏡筒のほかに電子ビーム鏡筒や気体イオンビーム鏡筒を備える複合的な集束イオンビーム装置にも本発明は適用可能である。

本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態の全体構成を示す概略図である。 イオン源の要部の詳細を示す断面図である。 トーチオリフィスの開口の詳細を示す断面図である。

符号の説明

１ プラズマイオン源
２ プラズマトーチ
３ プラズマ発生器
４ トーチオリフィス
５ 差動排気チャンバ
６ 引出しオリフィス
６ａ 引出しオリフィスの開口
７ 引出し電極
９ ワークコイル
１０ 高周波電源
１１ プラズマガス供給手段
１２ 真空ポンプ
１５ 試料

Claims (7)

1. ビーム径を所定値以下に絞ったイオンビームを試料に照射して、前記試料の表面を観察または分析あるいは前記試料の表面に対して加工を行う集束イオンビーム装置であって、
   内部にプラズマを維持して流すプラズマトーチをもったプラズマ発生器と、
   前記プラズマトーチに連通され、前記プラズマトーチから流れ出たプラズマを断熱膨張させて超音速流にする差動排気チャンバと、
   前記差動排気チャンバの前記プラズマトーチとの対向位置に設けられ、超音速流とされた前記プラズマからイオンを引き出す引出しオリフィスと、
   前記引出しオリフィスを通過したイオンを静電的に加速してさらに引き出す引出し電極と、
   前記引出し電極から引き出したイオンを、イオン光学的操作を加えることで集束させて前記試料に入射させるイオン光学系と、
   を備えたことを特徴とする集束イオンビーム装置。
2. 前記プラズマ発生器が、誘導結合プラズマを生成するものであって、
   前記プラズマトーチの回りに巻回されて高周波磁場を発生させるワークコイルと、
   前記ワークコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記プラズマトーチにプラズマとなるためのガスを供給するプラズマガス供給手段とを有することを特徴とする請求項１記載の集束イオンビーム装置。
3. 前記プラズマトーチと前記差動排気チャンバは大気から遮断された状態で接続され、
   前記差動排気チャンバの内部は真空ポンプで排気されていることを特徴とする請求項１または２記載の集束イオンビーム装置。
4. 前記引出しオリフィスが、前記差動排気チャンバの内部に突き出た中空円錐状に形成されるとともに、中空円錐状に形成された前記引出しオリフィスの頂点に前記イオンを引き出すための開口が設けられ、
   中空円錐状に形成された前記引出しオリフィスの内部に前記引出し電極が配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の集束イオンビーム装置。
5. 前記プラズマトーチと前記差動排気チャンバの間にトーチオリフィスを設置し、
   前記トーチオリフィスの直径が、前記プラズマ発生器で生成されるイオンシース厚の２倍以上の値に設定されていることを特徴する請求項２に記載の集束イオンビーム装置。
6. 前記トーチオリフィスが、アルミナ、酸化マグネシウム、または酸化カルシウムで作製されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の集束イオンビーム装置。
7. 前記引出しオリフィスの頂点の角度が７０度〜９０度の範囲に設定されていることを特徴とする請求項４記載の集束イオンビーム装置。

Images