JP2010257854A - イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、イオン電流不安定化の原因であるエミッタ先端への付着物を速やかに除去し、イオン電流を安定に供給することができるガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置を提供することに関する。
【解決手段】本発明におけるイオンビーム装置では、イオンを放出するエミッタに電子を照射する電子源を備え、イオン源のエミッタへ付着する不純物によりイオン電流が不安定となった際には、そのイオン電流の変動を感知してエミッタ先端に電子を照射する。本発明によれば、エミッタ先端に付着した不純物を、その吸着状態によらず除去することができ、付着物の時間経過による自然脱離を待たずにイオン電流の安定化が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置に関する。

非特許文献１には、ガス電界電離イオン源を搭載し、水素（Ｈ₂），ヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎｅ）などのガスイオンを用いた集束イオンビーム（Focused Ion Beam、略してＦＩＢ）装置が開示されている。これらのガスＦＩＢは、現在よく使われている液体金属イオン源からのガリウム（Ｇａ：金属）ＦＩＢのように、試料にＧａ汚染をもたらさない。また、ガス電界電離イオン源は、そこから引出したガスイオンのエネルギー幅が狭いこと、及びイオン発生源サイズが小さいことから、Ｇａ液体金属イオン源と比較してより微細なビームが形成できることが記載されている。また、ガス電界電離イオン源においては、イオンを放出するエミッタ先端に微小な突起部を持たせる、あるいは数原子程度まで突出させることにより、イオン源の放射角電流密度が高くなるなどイオン源性能が良くなることが開示されている。この微小な突出部を持たせる方法として、特許文献１及び２、ならびに非特許文献２及び３には、エミッタ材料となる第一金属とは異なる第二金属、例えば、第一金属としてタングステン，第二金属として貴金属（プラチナ，パラジウムなど）を用いることが開示されている。

尚、特許文献３では、電界エミッタの放出面を清掃する電界エミッタ配置及び方法について開示されている。また、特許文献４では、液体金属イオン源の先端部に付着した酸化物を除去する手段の１つとして、電子衝撃脱離手段が開示されている。

公開特許公報２００６−１３４６３８号 公開特許公報２００８−１４０５５７号 公開特許公報２００７−３５６４２号 公開特許公報昭６３−２３６２４４号

K. Edinger, V. Yun, J. Melngailis, J. Orloff, and G. Magera, J. Vac. Sci. Technol. A 15 (No. 6) (1997) 2365. H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, Y-C. Lin, C.-C. Chang, andT. T. Tsong, 16th Int. Microscopy Congress (IMC16), Sapporo (2006) 1120. H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang, andT. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379.

本願発明者が、ガス電界電離イオン源におけるイオンビームの安定化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

ガス電界電離イオン源において、そのエミッタ先端に、イオンビームとなる電界電離ガス以外の不純物が付着するとイオンビームが不安定となる。一度付着物が付くと、数秒で脱離することもあれば、数十分以上脱離しない場合もある。そのため、エミッタへ付着した不純物を速やかに除去することは、イオン源の安定的な動作のためには不可欠となる。さらにエミッタ先端が貴金属で覆われている場合は、超高真空中に残留している一酸化炭素（ＣＯ）などと化学吸着を起こしやすいため、一度一酸化炭素などが付着すると離脱が起こりにくいことが考えられる。さらには、先端が３つ以下の原子で構成されている場合は、その原子の周辺に不純物が付着すると電流の変動が大きくなると考えられる。

本発明の目的は、イオン電流不安定化の原因であるエミッタ先端への付着物を速やかに除去し、イオン電流を安定に供給することができるガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置を提供することに関する。

本発明におけるイオンビーム装置では、イオンを放出するエミッタに電子を照射する電子源を備え、イオン源のエミッタへ付着する不純物によりイオン電流が不安定となった際には、そのイオン電流の変動を感知してエミッタ先端に電子を照射する。

本発明によれば、エミッタ先端に付着した不純物を、その吸着状態によらず除去することができ、付着物の時間経過による自然脱離を待たずにイオン電流の安定化が可能となる。

ガス電界電離イオン源を搭載したイオンビーム装置の概略構成図。 エミッタ先端へ不純物が付着した際のイオン電流変動を示す図。 イオン源エミッタへ電子を照射する際の引出し電圧と電子源への通電電流の制御とそのときのイオン電流量の変化との関係を示す図。 エミッタへ５ｅＶ〜３００ｅＶの電子を照射させるときの引出し電圧と電子源への通電電流の制御を示す図。 イオンビームの放出を始める際のエミッタクリーニングを行うときの引出し電圧と電子源への通電電流の制御を示す図。 走査荷電粒子顕微鏡の概略構成図。

実施例では、エミッタと、エミッタの周辺にガスを供給するガス供給口と、ガスをイオン化する電界を前記エミッタの先端に形成する引出し電極と、を有するガス電界電離イオン源と、エミッタに電子を照射できる電子源と、エミッタからのイオン電流を測定する電流測定器と、イオン電流の測定結果に基づいて、電子源からの電子照射を制御する計算処理機と、を備えるイオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、エミッタが、針状の第一金属と、第一金属の先端を覆う第二金属から構成されることを開示する。また、第一金属が、タングステン、又はモリブデンであり、第二金属が、貴金属であることを開示する。

また、実施例では、エミッタの先端が、３つ以下の原子から構成されることを開示する。

また、実施例では、電子源が、熱電子放出型の電子源であることを開示する。

また、実施例では、エミッタが、冷却されていることを開示する。

以下、上記及びその他本発明の新規な特徴と効果について、図面を参照して説明する。尚、各実施例は適宜組み合わせることが可能であり、当該組み合わせ形態についても本明細書は開示している。

図１に基づいて、本実施例におけるイオンビーム装置を説明する。本装置では、針状のエミッタとエミッタにガスを供給するガス供給手段とエミッタの先端にガスをイオン化する電界を形成する引出し電極とを少なくとも有するガス電界電離イオン源と、エミッタに電子を照射する電子源と、エミッタからのイオン電流をモニタする電流モニタと、エミッタと引出し電極の間に引出し電圧を印加する引出し電圧電源と、電子源を動作させるための電子源動作電源と、電子源からエミッタへ照射する電子を制御する計算処理機と、を有する。

より具体的には、ガス電界電離イオン源７は、エミッタ１、そのエミッタ１に対向した小孔を持つ引出し電極４，ガス供給管２から構成される。エミッタ１と引出し電極４の間には、引出し電圧電源１１により引出し電圧が印加される。引出し電圧が印加されると、エミッタ１の先端に高電界が形成される。この高電界によって、ガス供給管２からエミッタ１へ供給されたガス３はエミッタ１の先端でイオン化され、その高電界により加速されて放出イオンビーム５となる。エミッタ１は、例えば、針状のタングステン単結晶、あるいはそのタングステン単結晶の先端を貴金属で覆ったものなどが利用できる。タングステン単結晶の先端を貴金属で被覆した場合、熱処理することにより、エミッタ１の先端を３つ以下の原子で構成させることができる。これにより、イオン源の光源サイズを小さくし、輝度を高めることができる。また、エミッタ１の先端が破壊損傷した場合でも、熱処理することにより容易に先端構造を再生させることができる。また、液体窒素や液体ヘリウム等を導入できる冷却槽、及び／又は冷凍機などの冷却機構をイオン源に設け、ティップを冷却することにより、イオン電流を増加させることができる。

エミッタ１へ照射する電子を発生させる電子源６は、引出し電極４の小孔を見込める位置に配置されている。電子源６は、電子源動作電源８に接続されており、エミッタ１へ電子を照射する際に動作する。電子源６は、引出し電圧電源１１と接続されており、引出し電極４と同電位とすることができる。電子源６は、フィラメントなどの熱電子放出型の電子源が、装置の簡易性だけでなく電子の制御性の点からもよいが、それに限るものではない。熱電子として放出された電子は、あるエネルギー分布を持って全方向に放出される。放出された電子のうち引出し電極４の小孔付近に到達したものは、エミッタ１に形成されている電界を受けて、エミッタ１へ引寄せられる。電子がエミッタ１へ到達する位置は、引出し電圧の大きさ、電子が放出された方向、及び電子のエネルギーによって異なるが、エミッタ１先端部分が最も高電界であるため、エミッタ１へ到達する電子のほとんどはエミッタ１先端に照射されることとなる。そのため、電子源６には電子を加速する機構や軌道を補正する機構がなくともよい。熱電子のエネルギーは十分小さいため、エミッタ１へ照射される電子の入射エネルギーは、エミッタ１と電子源６の電位差、つまり引出し電圧の大きさで決まる。例えば、引出し電圧が２００Ｖであれば、エミッタ１へ照射される電子の入射エネルギーは２００ｅＶとなる。電子が放出された方向、及び電子のエネルギーは連続的な値を取るため、引出し電圧の大きさを変化させながら電子を発生させれば、エミッタ１先端全体に、引出し電圧の変化範囲に応じた入射エネルギーを持った電子を照射させることができる。また、放出された電子のうちエミッタ１へ照射されない電子は、引出し電極４など周囲の構造に衝突するが、そのような電子の大部分は熱電子放出された小さいエネルギーのままであり、衝突によるガス放出はほとんどない。

エミッタ１には電流モニタ９が接続されており、エミッタ１から引出されたイオン電流量をモニタすることができる。このモニタ結果を計算処理機１０に送ることにより、イオン電流の変動を管理できる。例えば、イオン電流がある一定量以上に変動した場合、それを感知して引出し電圧電源１１や電子源動作用電源８を制御することができる。

図２及び図３を用いて、イオン電流が変動し不安定となった際の計算処理機による引出し電圧電源および電子源動作用電源の制御動作について説明する。

図２に、エミッタ先端へ不純物が付着し、イオン電流が変動し、不安定となった際の実験データを示す。２０秒付近で不純物の付着２０が起こり、イオン電流が一割程度変動した。その後、不純物の付着２０によってイオン電流の不安定領域２１が発生した。９０秒付近で不純物の脱離２２が起こり、イオン電流が２０秒以前の値に戻り安定となった。このようなイオン電流の変動は電流モニタを介して計算処理機で監視することができる。変動が事前に設定した一定値を超えると、エミッタへ電子照射するため、計算処理機は引出し電圧電源および電子源動作電源の制御を行う。

図３に、エミッタへ電子を照射する際の引出し電圧３１、および電子源であるフィラメントへの通電電流３２の制御、ならびに、イオン電流量３０の変化の関係を示す。この制御の例では、イオン電流量の変動３３が事前に設定した一定値を超えたため、その変動を感知した計算処理機が、引出し電圧電源を制御し、引出し電圧３１を３ｋＶから０.３ｋＶへ下げる。その後、電子源動作電源を制御して、引出し電圧３１が０.３ｋＶである間に電子源のフィラメントに２.５Ａの通電電流３２を流し、３秒間熱電子を発生させる。この制御により、入射エネルギー３００ｅＶの電子照射３４をエミッタへ３秒間実施できる。引出し電圧３１を小さくしている間はエミッタ先端の電界が小さくなりガスの電界電離が止まるため、イオン電流３０はゼロとなる。エミッタへ電子を照射している間は、エミッタには照射電子電流が流れるため、電流モニタでその電流量をモニタすることができる。エミッタへの電子照射により不純物を除去した後、電子源のフィラメントへの通電電流３２を止める。その後、引出し電圧３１を３.０ｋＶに戻すことにより、安定したイオン電流３０が得られる。一連のイオン電流安定化制御のためのビーム停止時間は１０秒程度である。

図４に、エミッタへ５ｅＶ〜３００ｅＶの電子を照射させるときの引出し電圧３１と電子源への通電電流３２の制御を示す。引出し電圧電源を制御し、引出し電圧３１を３ｋＶから０.３ｋＶへ下げる。その後、電子源動作電源を制御して、電子源のフィラメントに２.５Ａの通電電流３２を流し、熱電子を発生させる。熱電子を発生させている間に、引出し電圧電源を制御し、引出し電圧３１を連続的に０.３ｋＶから５Ｖ、５Ｖから０.３ｋＶに変化させる。電子照射後、電子源のフィラメントへの通電電流３２を止め、引出し電圧３１を３.０ｋＶに戻す。この制御により、エミッタへ５ｅＶ〜３００ｅＶの電子照射４０を行うことができる。このような制御によって、ある範囲の入射エネルギーを持った電子の照射が可能となる。エミッタ先端の金属や付着する不純物の種類、あるいは吸着状態（物理吸着や化学吸着）によって、付着物の脱離に必要な電子のエネルギーは異なる。エミッタへ照射する電子の入射エネルギーに幅を持たせることにより、付着物の状況の違いによらず除去が可能となる。例えば、エミッタ先端が貴金属で被覆されている場合、残留ガスの１つである一酸化炭素とエミッタ先端は、物理吸着のみでなく化学吸着を起こすことも考えられる。この際、電子線の入射エネルギーに幅を持たせておくと、化学吸着によりエミッタ先端に吸着した一酸化炭素を効果的に除去できる。また、例えば、３つ以下の原子でエミッタ先端が構成されている場合、イオンのエミッション領域が限られているため、吸着物による電流の変動が大きくなるが、エミッタへ電子を照射することにより、吸着物を速やかに除去するこができる。また、例えば、ティップが冷却されている場合、吸着物が脱離するまでの平均時間が長くなるが、エミッタへ電子を照射することにより、吸着物を速やかに除去することができる。

また、上記制御はイオンビームの放出を始める際のエミッタクリーニングとしても利用できる。

図５に、イオンビームの放出を始める際のエミッタクリーニング時の引出し電圧３１と電子源への通電電流３２の制御を示す。電子源動作電源を制御して、電子源のフィラメントに２.５Ａの通電電流３２を流し、熱電子を発生させる。熱電子を発生させている間に、引出し電圧電源を制御して引出し電圧３１の印加を開始し、０.３ｋＶまで電圧を上昇させる。電子照射後、電子源のフィラメントへの通電電流３２を止め、引出し電圧３１を３.０ｋＶまで上げてイオンビームの放出を行う。この制御により、エミッタへ３００ｅＶまでの電子照射５０を実施できる。これにより、イオンビームの放出を始める前に不純物の除去ができる。

ここでは、事前に設定した一定値を超えた電流の変動を計算処理機で感知して装置が自動的に電子照射による不純物除去動作を行う場合について述べたが、自動で行わない設定とし、使用者がエミッタのクリーニングが必要であると判断した際に、上記動作を行わせることも可能である。

本実施例は、実施例１におけるイオンビーム装置を搭載した走査荷電粒子顕微鏡である。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図６は、走査荷電粒子顕微鏡の概略構成図である。ガス電界電離イオン源６０から放出された放出イオンビーム５は加速電極６１で加速され、集束レンズ６２と対物レンズ６８により試料６９上に集束される。加速電極６１は、集束レンズ６２構成の一電極として組み込まれることもある。両レンズ間にはビーム偏向器／アライナー６３，可動ビーム制限絞り６４，ブランキング電極６５，ブランクビーム停止板６６，ビーム偏向器６７がある。試料６９から放出される二次電子７０は、二次電子検出器７１により検出される。ビーム制御部７２は、ガス電界電離イオン源６０，集束レンズ６２，対物レンズ６８，上段ビーム偏向器／アライナー６３，下段ビーム偏向器６７、及び二次電子検出器７１などを制御する。計算処理機７３は、ビーム制御部７２を制御し、かつ種々のデータの処理や保存を行う。計算処理機７３は、イオンビーム装置の計算処理機と共用できる。画像表示手段７４は、ＳＩＭ像の表示や計算処理機７３での制御画面を表示する。放出イオンビーム５が不安定となりＳＩＭ像に乱れがある場合は、自動制御あるいはユーザーの操作により電子線照射によるエミッタクリーニングが可能となる。電界電離ガスとしては、試料へのダメージが小さいイオンであるＨｅあるいは水素が望ましい。

１ エミッタ
２ ガス供給管
３ ガス
４ 引出し電極
５ 放出イオンビーム
６ 電子源
７，６０ ガス電界電離イオン源
８ 電子源動作用電源
９ 電流モニタ
１０，７３ 計算処理機
１１ 引出し電圧電源
２０ 不純物の付着
２１ イオン電流の不安定領域
２２ 不純物の脱離
３０ イオン電流
３１ 引出し電圧
３２ 通電電流
３３ 電流量の変動
３４ ３００ｅＶの電子照射
４０ ５ｅＶ〜３００ｅＶの電子照射
５０ ３００ｅＶまでの電子照射
６１ 加速電極
６２ 集束レンズ
６３ ビーム偏向器／アライナー
６４ 可動ビーム制限絞り
６５ ブランキング電極
６６ ブランクビーム停止板
６７ ビーム偏向器
６８ 対物レンズ
６９ 試料
７０ 二次電子
７１ 二次電子検出器
７２ ビーム制御部
７４ 画像表示手段

Claims (6)

1. エミッタと、当該エミッタの周辺にガスを供給するガス供給口と、前記ガスをイオン化する電界を前記エミッタの先端に形成する引出し電極と、を有するガス電界電離イオン源と、
   前記エミッタに電子を照射できる電子源と、
   前記エミッタからのイオン電流を測定する電流測定器と、
   前記イオン電流の測定結果に基づいて、前記電子源からの電子照射を制御する計算処理機と、を備えるイオンビーム装置。
2. 請求項１記載のイオンビーム装置において、
   前記エミッタが、針状の第一金属と、該第一金属の先端を覆う第二金属から構成されることを特徴とする装置。
3. 請求項２記載のイオンビーム装置において、
   前記第一金属が、タングステン、又はモリブデンであり、
   前記第二金属が、貴金属であることを特徴とする装置。
4. 請求項１記載のイオンビーム装置において、
   前記エミッタの先端が、３つ以下の原子から構成されることを特徴とする装置。
5. 請求項１記載のイオンビーム装置において、
   前記電子源が、熱電子放出型の電子源であることを特徴とする装置。
6. 請求項１記載のイオンビーム装置において、
   前記エミッタが、冷却されていることを特徴とする装置。

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