JP2010003596A - Charged particle beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイスなどの観察,分析、あるいは計測用微小試料作製を行う荷電粒子線装置に関し、例えば、荷電粒子線装置として、イオンビームや電子ビームを用いた装置に関する。 The present invention relates to a charged particle beam apparatus that performs observation and analysis of a semiconductor device or the like or manufactures a micro sample for measurement. For example, the present invention relates to an apparatus that uses an ion beam or an electron beam as the charged particle beam apparatus.
近年、マイクロプロセッサーに代表される半導体デバイス,ダイナミックランダムアクセスメモリに代表される半導体メモリ、及び磁気ヘッドなどの電子部品の製造コストを削減するための検査,解析技術が注目されている。 In recent years, inspection and analysis techniques for reducing the manufacturing costs of semiconductor devices typified by microprocessors, semiconductor memories typified by dynamic random access memories, and electronic components such as magnetic heads have attracted attention.
高度な検査,解析技術を用いて、プロセス条件の早期最適化や不良解析などにより開発期間短縮化や歩留まりの早期向上が実現できれば、膨大な損失削減が可能となる。 If advanced inspection and analysis techniques can be used to shorten the development period and improve yields early by optimizing process conditions and analyzing defects, enormous losses can be reduced.
従来は、プロセス毎に、複数枚のウエハーのうちから少なくとも1枚を取り出し、ウエハーを割断して断面加工,検査を行っていたが、ウエハーが大口径化し、高価となった為、廃棄分の損失を無視できなくなってきている。このため、近年、断面検査を行ったウエハーを製造ラインに戻して、断面観察したチップ以外のチップを良品として製品に利用する、いわゆるインライン断面観察技術が開発されている。 Conventionally, at least one of a plurality of wafers was taken out for each process, and the wafers were cut and subjected to cross-section processing and inspection. However, since the wafers became large and expensive, Loss cannot be ignored. For this reason, in recent years, a so-called in-line cross-sectional observation technique has been developed in which a wafer subjected to cross-sectional inspection is returned to the production line and a chip other than the cross-sectionally observed chip is used as a non-defective product.
インライン断面観察においては、穴加工時の試料へのガリウムイオン照射による金属注入による金属汚染を防止する為に、イオンビーム種をガリウムではなく、金属汚染を発生させないシリコンやゲルマニウムなどの元素や化合物,アルゴンや窒素などのガスを用いる。 In in-line cross-sectional observation, in order to prevent metal contamination due to metal injection by gallium ion irradiation to the sample during drilling, elements and compounds such as silicon and germanium that do not cause metal contamination instead of gallium ion beam, A gas such as argon or nitrogen is used.
試料の電気特性に悪影響をおよぼさないイオンビームを、マイクロ波を用いた無電極放電のイオン源より引き出し、このイオンビームを集束させて、試料に照射し、加工を行う装置が、特開平7−320670号に開示されている。 An apparatus that extracts an ion beam that does not adversely affect the electrical characteristics of a sample from an ion source for electrodeless discharge using microwaves, focuses the ion beam, irradiates the sample, and performs processing is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei. 7-320670.
イオンビームを引き出すイオン源として、電界放出ガスイオン源などの低輝度イオン源を用い、加工光学系内の開口の像を試料表面上に投影し、加工を行う装置が特表2003−524182号に開示されている。 An apparatus that uses a low-intensity ion source such as a field emission gas ion source as an ion source for extracting an ion beam, projects an image of an opening in the processing optical system on the surface of the sample, and performs processing is disclosed in JP-T-2003-524182. It is disclosed.
イオンビームを引き出すイオン源として、誘導結合式高輝度イオン源を用い、このビームを集束させて、試料に照射し、加工を行う装置が、特表2007−529091号に開示されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-529091 discloses an apparatus that uses an inductively coupled high-intensity ion source as an ion source for extracting an ion beam, focuses the beam, irradiates a sample, and performs processing.
また、プロセスに問題とならない元素のイオンビームを用いてウエハーを加工し、マイクロサンプリングに使用するプローブや試料ホルダー、試料面上に投影させる投射マスクの材質を、シリコン,ゲルマニウム、又はカーボンのいずれかを含むことを特徴とする装置が、特開2006−139917号に開示されている。 In addition, the wafer is processed using an ion beam of an element that does not cause a problem in the process, and the material of the probe or sample holder used for microsampling and the projection mask projected onto the sample surface is either silicon, germanium, or carbon. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-139917 discloses an apparatus including the above.
本願発明者がインライン断面観察に好適な装置について鋭意検討した結果、次のような知見を得るにいたった。 As a result of intensive studies on an apparatus suitable for in-line cross-section observation, the present inventor has obtained the following knowledge.
イオン源からイオンビームを引き出し、集束、及び偏向して試料に照射するための加工光学系には、ビームの一部のみを取り出すための円形の穴を有するビーム絞りがある。ビーム絞り通過後は、中心部のビームのみが取り出され、周辺部のビームはカットされる。これは、周辺部も含めたビームを用いると、周辺部でビームダレ(ビームのエネルギー密度が低下する領域)が発生し、試料面上においてシャープな断面加工形状が得られないためである。また、ビーム絞りの下流にあるレンズにビームが照射されてレンズをスパッタし、レンズ性能の劣化,短寿命化などの問題が発生するためである。 A processing optical system for extracting an ion beam from an ion source, focusing and deflecting the sample to irradiate the sample includes a beam stop having a circular hole for extracting only a part of the beam. After passing through the beam stop, only the central beam is extracted and the peripheral beam is cut. This is because if a beam including the peripheral portion is used, beam sagging (region where the energy density of the beam is reduced) occurs in the peripheral portion, and a sharp cross-sectional processed shape cannot be obtained on the sample surface. Another reason for this is that a lens is sputtered by irradiating a lens downstream of the beam stop, causing problems such as deterioration of lens performance and shortening of the life.
このビーム絞りの材質は、金属汚染を防止する為、ボロンを含むシリコンを用いていた。しかし、長時間、使用していくと、ビーム照射により、シリコン製ビーム絞りからのシリコンスパッタ物や2次イオン等が、下流に配置した偏向器などの光学素子の電極表面に付着し、シリコンスパッタ膜を形成する。この膜は、シリコンなので半導体であり、シリコンスパッタ粒子と一緒に電極に到達する2次イオン等がシリコンスパッタ膜に残留し、チャージングを発生させる。このチャージングにより、電界分布が変化し、イオンビームがドリフトし、加工位置が時間とともにドリフトし、加工不良となる不具合が発生する。 As the material of this beam stop, silicon containing boron was used in order to prevent metal contamination. However, when used for a long time, due to beam irradiation, silicon sputters and secondary ions from the silicon beam diaphragm adhere to the electrode surface of an optical element such as a deflector arranged downstream, and silicon sputter. A film is formed. Since this film is silicon, it is a semiconductor, and secondary ions and the like that reach the electrode together with the silicon sputtered particles remain on the silicon sputtered film and cause charging. Due to this charging, the electric field distribution changes, the ion beam drifts, the machining position drifts with time, and a defect that causes machining defects occurs.
尚、特許文献1〜3においては、いずれも、装置の構成については記載されているが、金属汚染を防止する為の加工光学系に用いる部材の材質について考慮されておらず、照射光学系内の光学素子にイオンビームが照射され、発生する金属汚染について考慮されていない。特許文献4においては、照射光学系に複数配置されるビーム径を制限するビーム絞りの材質について考慮されていない。
In each of Patent Documents 1 to 3, the configuration of the apparatus is described, but the material of the member used for the processing optical system for preventing metal contamination is not considered, and the inside of the irradiation optical system is not considered. The optical element is irradiated with an ion beam, and the generated metal contamination is not considered. In
シリコンスパッタ膜によるチャージング対策として、光学素子が収納されている真空容器を真空からリークし、大気に戻し、光学素子を交換してもよい。しかし、これらの光学素子は通常、電圧等を印加する構造となっており、交換するには、電圧印加の配線等も外す必要がある。交換作業は大変で、時間もかかり、装置の稼働率が著しく低下する。 As a countermeasure against charging by the silicon sputtered film, the vacuum container in which the optical element is stored may be leaked from the vacuum, returned to the atmosphere, and the optical element may be replaced. However, these optical elements usually have a structure for applying a voltage or the like, and it is necessary to remove a voltage application wiring or the like for replacement. The replacement work is difficult, time consuming, and the operating rate of the apparatus is significantly reduced.
本発明の目的は、荷電粒子線加工装置において、ビーム絞りから発生するスパッタ物によるチャージング現象に起因する加工不良を回避し、装置の稼働率を向上させることに関する。 An object of the present invention relates to avoiding a processing defect due to a charging phenomenon caused by a sputtered matter generated from a beam stop and improving the operating rate of the apparatus in a charged particle beam processing apparatus.
本発明は、ビーム絞りの材料として、ビーム絞りから放出されるスパッタ粒子により生成した、ビーム絞りの下流にある光学素子表面上の付着膜が、導電性を示す材料を用いることに関する。 The present invention relates to the use of a material in which an adhesion film formed on the surface of an optical element downstream of a beam stop, which is generated by sputtered particles emitted from the beam stop, exhibits conductivity as a material of the beam stop.
好ましくは、ビーム絞りの材質を、カーボンまたは、その化合物とする。 Preferably, the material of the beam stop is carbon or a compound thereof.
また、好ましくは、ビーム絞りの下流側に、電位を与えた電極を配置する。 Preferably, an electrode to which a potential is applied is disposed downstream of the beam stop.
また、好ましくは、光学素子の付着膜を除去する為に、付着膜を選択的に除去できるフッ素を含む反応性ガス、若しくは、水又は過酸化水素水の蒸気を、スパッタ膜の近傍に照射する。また、好ましくは、光学素子の付着膜を除去する為に、イオンビームを付着膜の表面上に照射させる手段を設ける。 Preferably, in order to remove the adhesion film of the optical element, a reactive gas containing fluorine capable of selectively removing the adhesion film, or water or hydrogen peroxide vapor is irradiated to the vicinity of the sputtered film. . Preferably, means for irradiating the surface of the adhesion film with an ion beam is provided in order to remove the adhesion film of the optical element.
また、好ましくは、加工位置ズレを検出する機能を持たせ、位置ズレを検出した場合、上記手段により、スパッタ膜を除去する手段を設ける。 Preferably, a function for detecting a processing position deviation is provided, and when the position deviation is detected, means for removing the sputtered film is provided by the above means.
本発明により、加工光学系内の光学素子交換までの寿命が長くなる。これにより、荷電粒子線装置の安定稼動が実現可能となり、高稼働率の荷電粒子線装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, the life until replacement of the optical element in the processing optical system is extended. Thereby, the stable operation of the charged particle beam apparatus can be realized, and a charged particle beam apparatus with a high operating rate can be provided.
実施例は、イオン源と、試料を保持する試料台と、イオン源からイオンビームを引き出し、試料に照射する照射光学系と、を備え、照射光学系が、イオンビームの中心部近傍を取り出す為の穴部を有するビーム絞りを有し、ビーム絞りの材料として、ビーム絞りから放出されるスパッタ粒子がビーム絞りの下流にある光学素子に付着し付着膜を形成した際、付着膜が導電性を示す材料を用いる荷電粒子線加工装置を開示する。 The embodiment includes an ion source, a sample stage that holds the sample, and an irradiation optical system that extracts the ion beam from the ion source and irradiates the sample, and the irradiation optical system extracts the vicinity of the center of the ion beam. When the sputtered particles emitted from the beam stop adhere to an optical element downstream of the beam stop to form an adhesion film, the adhesion film becomes conductive. Disclosed is a charged particle beam processing apparatus using the indicated material.
また、実施例は、ビーム絞りの材料が、カーボン、又はその化合物である荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus in which the material of the beam stop is carbon or a compound thereof.
また、実施例は、イオンビームの元素種が、不活性ガス種,酸素、又は窒素である荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus in which the element type of the ion beam is an inert gas type, oxygen, or nitrogen.
また、実施例は、イオン源と、試料を保持する試料台と、イオン源からイオンビームを引き出し、試料に照射する照射光学系と、を備え、照射光学系が、イオンビームの中心部近傍を取り出す為の穴部を有するビーム絞りを有し、ビーム絞りの下流にある光学素子表面に反応性ガスを照射し、ビーム絞りから放出されるスパッタ粒子により形成される付着膜を除去する荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment includes an ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system is located near the center of the ion beam. A charged particle beam having a beam stop having a hole for taking out, irradiating the surface of the optical element downstream of the beam stop with a reactive gas, and removing an adhesion film formed by sputtered particles emitted from the beam stop A processing apparatus is disclosed.
また、実施例は、付着膜がシリコンを含み、反応性ガスがフッ素を含む荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus in which the adhesion film includes silicon and the reactive gas includes fluorine.
また、実施例は、付着膜がカーボンを含み、反応性ガスが、水又は過酸化水素の蒸気を含む荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus in which the attached film includes carbon and the reactive gas includes water or hydrogen peroxide vapor.
また、実施例は、付着膜に反応性ガスを照射し、イオンビームを偏向して、イオンビームを付着膜に照射する荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus that irradiates an adhesion film with a reactive gas, deflects an ion beam, and irradiates the adhesion film with the ion beam.
また、実施例は、イオン源と、試料を保持する試料台と、イオン源からイオンビームを引き出し、試料に照射する照射光学系と、を備え、照射光学系が、イオンビームの中心部近傍を取り出す為の穴部を有するビーム絞りを有し、ビーム絞りと、その下流に位置する光学素子の間に電位を与える電極を配置する荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment includes an ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system is located near the center of the ion beam. Disclosed is a charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a hole for taking out, and arranging an electrode for applying a potential between the beam stop and an optical element located downstream thereof.
また、実施例は、イオン源と、試料を保持する試料台と、イオン源からイオンビームを引き出し、試料に照射する照射光学系と、を備え、照射光学系が、イオンビームの中心部近傍を取り出す為の穴部を有するビーム絞りを有し、光学素子の上流に複数のビーム絞りを配置して、ビーム絞りからのスパッタ粒子が光学素子に付着しない位置に光学素子を配置する荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment includes an ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system is located near the center of the ion beam. Charged particle beam processing having a beam stop having a hole for taking out, arranging a plurality of beam stops upstream of the optical element, and placing the optical element at a position where sputtered particles from the beam stop do not adhere to the optical element An apparatus is disclosed.
また、実施例は、イオン源と、試料を保持する試料台と、イオン源からイオンビームを引き出し、試料に照射する照射光学系と、を備え、照射光学系が、イオンビームの中心部近傍を取り出す為の穴部を有するビーム絞りを有し、試料上での加工位置ズレを検出する検出機能を有し、ビーム絞りの下流にある光学素子上の付着膜を除去する荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment includes an ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system is located near the center of the ion beam. A charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a hole for taking out, a detection function for detecting a processing position shift on the sample, and removing an adhesion film on an optical element downstream of the beam stop Disclose.
また、実施例は、イオン源から引き出されたイオンビーム径を縮小して、試料に照射する荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus that irradiates a sample by reducing the diameter of an ion beam extracted from an ion source.
また、実施例は、照射光学系に、開口部を有するマスクと、マスクの開口による像を試料に投影する投射レンズと、を含む荷電粒子線加工装置を開示する。 In addition, the embodiment discloses a charged particle beam processing apparatus including an irradiation optical system including a mask having an opening and a projection lens that projects an image formed by the opening of the mask onto a sample.
以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。尚、図面は発明の理解に用いるものであり、権利範囲を減縮するものではない。 The above and other novel features and effects of the present invention will be described below with reference to the drawings. The drawings are used for understanding the invention and do not reduce the scope of rights.
図1は、本実施例にかかる荷電粒子線装置の全体構成概略図である。 FIG. 1 is an overall schematic diagram of a charged particle beam apparatus according to the present embodiment.
装置は、大きく分けて、イオン源1,イオン源1より出てきたイオンビーム2を加工点まで導く加工光学系を含むイオンビームカラム3,試料4を搭載する試料ホルダー5,試料ホルダー5を5軸方向に移動させるステージ6,試料室7,図示していないFOUP(Front Opening Unified Pod),大気搬送ユニット,ロードロック室(図示無し),イオン源用ガスをイオン源1に供給するガスボンベなどのガス供給源(図示無し),イオンビームを照射した際に発生する2次電子を検出する2次電子検出器(図示無し),電源10,全体の制御を行う中央制御装置11,加工点近傍にGAD(ガスアシストデポジション)用ガスをガスノズルから供給するガス銃(図示無し),試料4から微小サンプルを取り出すマイクロサンプリングユニット(図示無し),排気系等によって構成されている。ここでいう試料4とは、ウエハー以外の磁気ヘッド,液晶等も含む。
The apparatus is roughly divided into an ion beam column 3 including a processing optical system for guiding an
各部位について、以下、説明する。 Each part will be described below.
ステージ5は、X,Y(水平方向),Z(垂直方向),R(回転),T(チルト)軸に移動可能となっている。T軸は、イオンビームによるスパッタ加工後の断面観察、マイクロサンプリングを試料より摘出する時などに使用される。試料4としては、例えば、Φ300のウエハーを使用する。この為、X,Y軸方向の移動距離は320ミリメートルであり、これを数秒で移動する。ウエハー位置決め用にレーザを使用しており、精度はサブマイクロメートル程度である。Z軸方向の駆動には、X,Y軸と同じく、ボールネジとナット,DCモータ,エンコーダを使用している。Z軸方向の移動には、クサビ構造を採用しており、サブミクロン程度の位置出し精度を有する。
The
イオンビーム2を照射すると、試料4から反射電子や2次電子が放出される。これらは、2次電子検出器内の正電位を印加された図示していないシンチレータの電界で引き寄せられ、加速されてシンチレータを光らせる。発光した光は、図示していないライトガイドで光電子倍増管に入射し、電気信号に変換される。光電子倍増管の出力は、更に増幅されて、ブラウン管の輝度を変化させる。スキャンと同期させることで、加工点での2次電子像を生成している。
When the
マイクロサンプリングユニット(図示無し)は、X,Y,Z軸方向の3軸方向に移動可能な構造となっている。試料4より欠陥部位の摘出を行う。駆動には、リニアアクチュエータやピエゾ素子等が用いられる。サブマイクロメートルの位置精度でプローブ(図示無し)は移動可能である。プローブ(図示無し)は、金属汚染を防止するためシリコン製であり、抵抗率を下げるためにボロンを含む。
The micro-sampling unit (not shown) has a structure that can move in the three axial directions of the X, Y, and Z axes. A defective part is extracted from the
ガス銃(図示無し)は、エアシンダーによって、ガスノズル(図示無し)を精密駆動させることができる。GAD(ガスアシストデポジション)を行う時には、ガスノズルは、退避位置から数秒で、試料の加工点から数百μmの高さに接近させられる。デポガスとして、TEOS(テトラエトキシシラン)を使用する。デポガスはイオンビームによる分解で酸化シリコン酸化膜を形成する。 A gas gun (not shown) can precisely drive a gas nozzle (not shown) by an air cinder. When performing GAD (Gas Assisted Deposition), the gas nozzle is moved to a height of several hundred μm from the processing point of the sample within a few seconds from the retracted position. TEOS (tetraethoxysilane) is used as the deposition gas. The deposition gas forms a silicon oxide film by decomposition with an ion beam.
イオン源としては、デユオプラズマトロンを用いる。カソード12に酸素ガスを流し、数Torrのガス圧にし、カソード12とアノード電極15間に直流電圧を印加すると、この間にグロー放電が発生し、イオンはカソード12に衝突する。電子はアノード電極15に加速され、電極に衝突し、2次電子が発生する。これらの電子は、アノード電極15に衝突する前にガスを電離し、イオン化する。中間電極13には抵抗器(図示無し)が取り付けられており、ここに流れる電流による電圧降下により、電子の大部分はアノード電極15に流れることになる。電子,イオンは永久磁石14による磁場によって閉じ込められ、高密度プラズマを発生する。このプラズマよりアース電位の引き出し電極(図示無し)との電界によりアノードアパーチャ16からイオンビーム2を引き出す。アノードアパーチャ16には、φ0.3ミリメートルの穴が開けられている。この穴より、加速エネルギーが30kVであり、電流値が数μAの酸素イオンビーム2を取り出す。
A deyu plasmatron is used as the ion source. When oxygen gas is allowed to flow through the
イオンビーム電流値の調整は、主に、加速電圧に対して負の電位を加えたバイアス電圧を変化させて行う。 The adjustment of the ion beam current value is mainly performed by changing a bias voltage obtained by adding a negative potential to the acceleration voltage.
ガスとしては、上記の酸素ガス以外に、アルゴンガス窒素,クリプトン,キセノン、及びネオンガス等の不活性ガスを用いることも可能である。 As the gas, an inert gas such as argon gas nitrogen, krypton, xenon, or neon gas can be used in addition to the oxygen gas.
上記のイオン源は、磁場と電界によってプラズマを閉じ込めるデユオプラズマトロンの例であったが、磁界または電界のいずれかでプラズマを閉じ込めるモノプラズマトロン、デユオプラズマトロンに反射電極を設けたデユオピガトロン,PIG型イオン源,マイクロ波イオン源等にも同様に適用できる。 The above ion source is an example of a deyu plasmatron that confines plasma by a magnetic field and an electric field. The same applies to ion sources, microwave ion sources, and the like.
加工光学系は、質量分離器(図示無し),偏向器(図示無し),ビーム絞り20,22,偏向器21,集光レンズ23,投射マスク24,非点補正器(図示無し),ブランカー(図示無し),ファラデイ―カップ(図示無し),偏向器25,投射レンズ26,図示していない偏向器,アライメントコイルなどで構成されている。
The processing optical system includes a mass separator (not shown), a deflector (not shown),
イオン源1より引き出されたイオンビーム2は、3枚のバトラーレンズによって構成される集光レンズ23によって収差を小さくして加工する為、投射レンズ26の主点近傍に焦点を結ぶようにする。投射マスク24を通過したイオンビームは、3枚のバトラーレンズによって構成される投射レンズ26により縮小比約1/16で試料4面上に結像させる。偏向器25によりスキャンして結像させ、観察及び加工を行うことも可能である。
The
概略図では、2ケのビーム絞りとなっているが、実際には、もっと多くのビーム絞りを配置し、加工点に金属スパッタ粒子などが極力、到達しないようにしている。いずれのビーム絞りも、スパッタによる金属汚染を防止し、抵抗率を低下させる為に、ボロンを含むシリコン製となっている。 In the schematic diagram, there are two beam stops, but in reality, more beam stops are arranged so that metal sputtered particles do not reach the processing point as much as possible. Both beam stops are made of silicon containing boron in order to prevent metal contamination due to sputtering and reduce resistivity.
図2に、投射マスク24の概観図を示す。投射マスクは、ビーム絞りと同じく、金属汚染を防止する為に、ボロン入りのシリコン製である。
FIG. 2 shows an overview of the
投射マスク24には、マイクロサンプリング摘出用のコの字形をした開口穴30A,開口穴30B,主にデポ用開口穴30C,主にプローブ接着用などに使用される開口穴30D、主に観察用などに使用される開口穴30E、その他に図示しない薄膜化加工用の縦,幅のアスペクト比が比較的大きなスリット状の開口穴などが開けられている。この穴を通過したイオンビームのみが、試料4上に照射される。
The
図3は、投射マスク24にイオンビーム2が照射されている様子を示している。投射マスク24通過後のビーム電流を最大化し、ビーム欠けを生じないようにするために、イオンビーム2は、投射マスク24上の最大の開口部に外接するサイズ,位置に調整されている。
FIG. 3 shows a state in which the
図4は、図1の光学系における一部の光学素子を省略し、判り易くした図である。イオンビームの光軸は、試料4に対して、45°傾斜している。なお、本図は、投射型イオンビーム装置の説明図であるが、イオンビームを集束し、試料4に一筆書きのように照射し、加工するFIB(Focused Ion Beam)装置に、同様に適用することが可能である。
FIG. 4 is a diagram in which some of the optical elements in the optical system of FIG. The optical axis of the ion beam is inclined 45 ° with respect to the
図5は、いわゆるビームドリフト不具合現象を示す図である。上記の如く、照射光学系内にボロン入りのシリコン(電気抵抗率が0.01Ωm)のビーム絞り20を複数個配置させている。しかし、長時間使用すると、シリコン製ビーム絞り20からのシリコンスパッタ粒子、2次イオン41が、下流に配置した偏向器21の電極表面に付着し、シリコンスパッタ膜42を形成する。その膜の主成分は、シリコンなので半導体であり、シリコンスパッタ粒子と一緒に電極に到達するスパッタ粒子,2次イオン41がシリコンスパッタ膜42に残留し、チャージングを起こす。電極面全面でチャージングが発生している為、チャージングの影響を受ける領域のビームの走行時間が長く、ビームのドリフト量は大きくなる。これによって、時間とともに加工位置はドリフトし、加工不良となる不具合が発生する。具体的には、図4に示す、コの字型の加工痕27の形がくずれ、本来、シャープな加工形状となる所が、周囲にぼけたような加工形状となってしまう。最悪の場合、不良解析を行いたい部位も加工してしまう。このような不具合が発生すると、偏向器21を交換する必要がある。ビーム絞り20と異なり、偏向器21には、電位を印加するために配線がされており、ビーム絞り20と比較して、交換が困難であり、交換作業に多大な時間がかかり、装置の稼動率を著しく低下させてしまう。
FIG. 5 is a diagram showing a so-called beam drift malfunction phenomenon. As described above, a plurality of beam stops 20 made of silicon containing boron (electric resistivity is 0.01 Ωm) are arranged in the irradiation optical system. However, when used for a long time, the silicon sputtered particles from the
図6は、一例として、カーボン製のビーム絞り20を用いた場合のイオンビーム軌道を示す図である。ビーム絞り20の材質を、電気抵抗率が1E−5(Ωm)程度の低い値となるカーボンとした。カーボンの化合物も同様に使用できるが、電気抵抗率は、1E−5(Ωm)程度のものを用いることが望ましい。偏向器21の電極40表面におけるカーボンの付着膜45は、導電性となる。ビーム絞り20からスパッタ原子とともに飛散し、電極表面に到達する2次イオン等の電荷は、この導電性のカーボン付着膜45を通過し、電源10を介して、アースに流れ、チャージングは発生しない。つまり、シリコン製のビーム絞りを用いた場合に発生していた、チャージングによるビームドリフトを防止することが可能となる。また、ビーム絞り20と偏向器21との間に、電位を与えた電極46を配置し、2次イオンを偏向器21に到達する前にビーム絞り20側に、追い返すことが可能となり、偏向器21に付着する電荷量を低減できる。この方法は、特に、ビーム絞りとして、付着膜が半導体となり、チャージングが発生しやすいシリコン製のビーム絞りを使用した等の場合に有効である。
FIG. 6 is a diagram showing an ion beam trajectory when a
図7は、集光レンズ23に付着したシリコンスパッタ膜42を除去する様子を示している。付着膜には、シリコンスパッタ膜42のような半導電性の物、カーボン付着膜45のような導電性の膜がある。集光レンズ23は、SUS製の3枚のレンズで構成されており、φ1程度のビーム通過用穴が開いている。上流側から1,3枚目の電極には、アース電位を与え、2枚目には、電源10によって、正の数kVの電位を与え、イオンビームを集束させる。シリコン製のビーム絞り20を用いた場合、集光レンズ23の上流側に特に、シリコンスパッタ膜42が付着する。付着膜の近傍に、フッ素を含む二フッ化キセノンの反応性のある反応ガス51を、ガスノズル52を用いて局所的に照射する。図中では、ガス供給方法として、ノズルを使用しているが、電極内部にガス通路を形成し、ガスを照射することも可能である。また、イオンビーム2を追加した偏向器53によって偏向させ、付着膜に照射させるとともに、ガスを照射させることにより、ビームアシストエッチングを行い、付着膜を選択的に除去することも可能である。このビームアシストエッチングによって、電極の材質である金属よりシリコンスパッタ膜のエッチング速度を著しく速くできるので、電極に殆ど、損傷を与えず、付着膜を除去することが可能である。この時のイオンビームとしては、開口穴30Cまたは開口穴30Dを通過した後の、数百pA程度の電流値が比較的低いビームを付着膜にスキャンして照射する必要がある。これは、照射ビーム電流密度が高すぎると、上記の選択エッチングが不可となり、ガス供給量が足りない為、デポよりスパッタ効果が顕著になり、電極にダメージを与えるようになるためである。上記の付着膜の除去を行うタイミングとして、一つは、予め、ビームドリフトを発生するビーム照射量(=照射ビーム電流×照射時間)を求めておき、ビーム絞り交換後のビーム照射量を監視しておき、このしきい値を超えたタイミングに、上記の方法で除去するやり方がある。もう一つは、例えば、毎日の装置稼動前に加工位置ズレの試験を行い、位置ズレが検出された場合に、同じく除去を行うやり方がある。上記により、ビームドリフトによる加工位置不良という不具合を対策することが可能となる。反応ガス51として、上記以外にフッ素とカーボンの化合物を用いることも可能である。
FIG. 7 shows how the silicon sputtered
また、カーボン製のビーム絞り20を用いた場合、シリコン製を用いた場合に発生するイオンビームドリフトは発生しにくいが、付着膜がある一定膜厚が超えると、剥離しやすくなり、異物となる可能性がある。そのため、定期的に除去する必要がある。ガスノズル52から水または、過酸化水素水の蒸気を照射し、ビームアシストエッチングによって、付着したカーボン付着膜45を選択的に除去することも可能である。
In addition, when the
図8は、アノードアパーチャ16から引き出したイオンビーム2が、ビーム絞り20と衝突し、スパッタ粒子を放出する様子を示している。ビーム絞り20の穴部に衝突したイオンビーム2により、衝突点において反射する方向に最も多量にスパッタ粒子は放出され、他の方向には、cosin則に従って、減少するが、あらゆる方向にスパッタ粒子,2次イオン41は放出される。これによって、偏向器21の内面にスパッタ膜が付着する。ビーム絞りの厚みが理想的(=0)であるならば、ビームの最外周は、ほぼ、図中のライン55にあり、ビーム絞りのスパッタ粒子,2次イオン41が、偏向器21に付着することは無いと考えられる。ところが、実際は、厚みがある為に、図に示すように、偏向器21にスパッタ粒子が付着する。
FIG. 8 shows how the
図9は、図8に示す検討より、ビーム絞り20からのスパッタ物が、下流に配置した偏向器21などの光学素子に付着する量を減少させる為に、ビーム絞り20の下流側にビーム絞り95をある距離を離して配置させた様子を示している。ビーム絞り95は、ビーム絞り20とアノードアパーチャ16とで求まるビーム軌跡56より、外側にビーム絞り95がくるようにしている。ビーム絞り20の穴部の側面で発生したスパッタ粒子,2次イオン41の大部分をビーム絞り95でブロックできる。ビーム絞り20の穴部の側面で発生したスパッタ粒子のエネルギーは、1次イオンビームエネルギーが30keV程度の場合、数eV〜数十eV程度とかなり低く、ビーム絞り95に再衝突しても、スパッタ粒子,2次イオン41が再度、放出されることは、ほとんど無い。ビーム絞り95を設けること、また、ビーム絞り20と追加したビーム絞り95で求まるスパッタ粒子の軌跡57より、外側に偏向器21などの光学素子を配置することで、付着するスパッタ粒子の数を著しく減らすことが可能となり、光学素子の長寿命化が可能となる。具体的に偏向器21を配置すべき領域を、簡単な数式で表すと、α=Arc tan((D3−D2)/2/(L1+L2)),β=Arc tan((D2/2+D3/2)/L2)より大きくなる領域にする。
FIG. 9 shows that the sputtered material from the
1 イオン源
2 イオンビーム
4 試料
5 ホルダー
6 ステージ
7 試料室
10 電源
11 中央制御装置
14 永久磁石
15 アノード電極
16 アノードアパーチャ
20,22 ビーム絞り
21,25,53 偏向器
23 集光レンズ
24 投射マスク
26 投射レンズ
27 加工痕
30A,30B,30C,30D,30E 開口穴
31 投射マスク固定用穴
40,46 電極
41 スパッタ粒子,2次イオン
42 シリコンスパッタ膜
43 2次イオン
44 ドリフト
45 カーボン付着膜
51 反応ガス
52 ガスノズル
55 ライン
56 ビーム軌跡
57 スパッタ粒子の軌跡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (15)
当該ビーム絞りの材料として、当該ビーム絞りから放出されるスパッタ粒子が当該ビーム絞りの下流にある光学素子に付着し付着膜を形成した際、当該付着膜が導電性を示す材料を用いることを特徴とする装置。 An ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system takes out a hole near the center of the ion beam. A charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a portion,
As the material of the beam stop, a material is used in which, when sputtered particles emitted from the beam stop adhere to an optical element downstream of the beam stop to form an attached film, the attached film exhibits conductivity. Equipment.
前記ビーム絞りの材料が、カーボン、又はその化合物であることを特徴とする装置。 The charged particle beam processing apparatus according to claim 1,
An apparatus characterized in that a material of the beam stop is carbon or a compound thereof.
前記イオンビームの元素種が、不活性ガス種,酸素、又は窒素であることを特徴とする装置。 The charged particle beam processing apparatus according to claim 1,
An apparatus characterized in that the elemental species of the ion beam is an inert gas species, oxygen, or nitrogen.
前記イオン源から引き出されたイオンビーム径を縮小して、試料に照射することを特徴とする装置。 The charged particle beam processing apparatus according to claim 1,
An apparatus for reducing the diameter of an ion beam drawn from the ion source and irradiating the sample.
前記照射光学系に、開口部を有するマスクと、当該マスクの開口による像を前記試料に投影する投射レンズと、を含むことを特徴とする装置。 The charged particle beam processing apparatus according to claim 1,
The irradiation optical system includes a mask having an opening, and a projection lens that projects an image formed by the opening of the mask onto the sample.
前記ビーム絞りの下流にある光学素子表面に反応性ガスを照射し、当該ビーム絞りから放出されるスパッタ粒子により形成される付着膜を除去することを特徴とする装置。 An ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system takes out a hole near the center of the ion beam. A charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a portion,
An apparatus for irradiating a surface of an optical element downstream of the beam stop with a reactive gas and removing an adhesion film formed by sputtered particles emitted from the beam stop.
前記付着膜がシリコンを含み、前記反応性ガスがフッ素を含むことを特徴とする装置。 In the charged particle beam processing apparatus according to claim 6,
The apparatus according to claim 1, wherein the adhesion film includes silicon and the reactive gas includes fluorine.
前記付着膜がカーボンを含み、前記反応性ガスが、水又は過酸化水素の蒸気を含むことを特徴とする装置。 In the charged particle beam processing apparatus according to claim 6,
2. The apparatus according to claim 1, wherein the adhesion film contains carbon, and the reactive gas contains water or hydrogen peroxide vapor.
前記付着膜に前記反応性ガスを照射し、イオンビームを偏向して、イオンビームを前記付着膜に照射することを特徴とする装置。 In the charged particle beam processing apparatus according to claim 6,
An apparatus characterized by irradiating the adhesion film with the reactive gas, deflecting an ion beam, and irradiating the adhesion film with the ion beam.
前記イオンビームの元素種が、不活性ガス種,酸素、又は窒素であることを特徴とする装置。 In the charged particle beam processing apparatus according to claim 6,
An apparatus characterized in that the elemental species of the ion beam is an inert gas species, oxygen, or nitrogen.
前記イオン源から引き出されたイオンビーム径を縮小して、試料に照射することを特徴とする装置。 In the charged particle beam processing apparatus according to claim 6,
An apparatus for reducing the diameter of an ion beam drawn from the ion source and irradiating the sample.
前記照射光学系に、開口部を有するマスクと、当該マスクの開口による像を前記試料に投影する投射レンズと、を含むことを特徴とする装置。 In the charged particle beam processing apparatus according to claim 6,
The irradiation optical system includes a mask having an opening, and a projection lens that projects an image formed by the opening of the mask onto the sample.
前記ビーム絞りと、その下流に位置する光学素子の間に電位を与える電極を配置することを特徴とする装置。 An ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system takes out a hole near the center of the ion beam. A charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a portion,
An apparatus for disposing an electrode for applying an electric potential between the beam stop and an optical element located downstream thereof.
光学素子の上流に複数のビーム絞りを配置して、前記ビーム絞りからのスパッタ粒子が光学素子に付着しない位置に光学素子を配置することを特徴とする装置。 An ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system takes out a hole near the center of the ion beam. A charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a portion,
An apparatus comprising: a plurality of beam stops disposed upstream of an optical element; and the optical element is disposed at a position where sputtered particles from the beam stop do not adhere to the optical element.
前記試料上での加工位置ズレを検出する検出機能を有し、前記ビーム絞りの下流にある光学素子上の付着膜を除去することを特徴とする装置。 An ion source, a sample stage for holding the sample, and an irradiation optical system for extracting the ion beam from the ion source and irradiating the sample, and the irradiation optical system takes out a hole near the center of the ion beam. A charged particle beam processing apparatus having a beam stop having a portion,
An apparatus having a detection function of detecting a processing position shift on the sample and removing an adhesion film on an optical element downstream of the beam stop.
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