JP2011171009A - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な調整機構を用いることなく安定したビームの照射を図ること。
【解決手段】針状のチップ１と、チップ１にガスを供給するイオン源用ガスノズル２とイオン源用ガス供給源３からなるガス供給部と、チップ１との間で電圧を印加し、チップ１の表面に吸着したガスをイオン化してイオンを引き出す引出電極４と、イオンを試料１３に向けて加速させるカソード電極５からなるイオン銃部１９を備え、イオン銃部１９より試料１３側に位置し、イオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１の照射方向を調整するガンアライメント電極９と、試料１３にイオンビーム１１を集束させる集束レンズ電極６と対物レンズ電極８からなるレンズ系を備えている集束イオンビーム装置を提供する。
【選択図】図１

Description

電界電離型イオン源を備えた集束イオンビーム装置に関する。

従来、集束イオンビーム装置のイオン源として液体金属ガリウムを用いられている。また、近年では、微細なチップにイオン源ガスを供給して、チップ先端に形成された強力な電界により、チップに吸着したイオン源ガス種をイオン化し、イオンビームを引き出す電界電離型イオン源を用いた集束イオンビームも開発されている。

従来の液体金属ガリウムを用いたイオン源では、イオン源から放出されるイオンビームの開き角度は２０度程度であった。一方、電界電離型イオン源では、イオンビームはチップ先端の数個の原子から放出されるため、イオンビームの開き角度は数度程度である。電界電離型イオン源を用いる場合、イオンビーム開き角度が小さいため、イオン源から試料表面に到達するイオンビームを引き出すためにイオン鏡筒内で光軸に対して、角度、位置の正確な調整が必要であった。

チップ自体の方向を調整する調整機構を備えた電界電離型イオン源が知られている（特許文献１参照）。

このように構成された装置によれば、イオンビームの開き角度の小さい電界電離型イオン源でもイオンビーム引き出しの調整を正確な測定を行うことが可能となる。

特表２００９−５１７８４６号公報（主に図１７）

しかしながら、このような調整機構は複雑な構造であり、調整機構を備えた装置では高価なものになってしまう。また、この機構ではチップが振動の影響を受けて安定したビームを照射することができない。

この発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、その目的は、複雑な構造を用いることなく安定したビームを照射可能な集束イオンビーム装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る集束イオンビーム装置は、針状のチップと、チップにガスを供給するガス供給部と、チップとの間で電圧を印加し、チップ表面に吸着したガスをイオン化してイオンを引き出す引出電極と、イオンを試料に向けて加速させるカソード電極と、を有する電界電離型イオン銃部と、電界電離型イオン銃部から放出されたイオンビームの照射方向を調整するガンアライメント電極と、試料にイオンビームを集束させるレンズ系と、を有する。

この発明に係る集束イオンビーム装置においては、電界電離型イオン銃部から放出されたイオンビームをガンアライメント電極で偏向することができる。これによりチップ自体の方向を調整するような複雑で高価な機能を必要とせず、また外部からの振動に対しても強い装置を実現することができる。

この発明に係る集束イオンビーム装置においては、レンズ系は、ガンアライメント電極よりも試料側に配置する。これによりイオンビームを光軸に平行に調整することができるので、レンズ等光学系に斜めに入射することにより発生する収差の小さいイオンビームを試料に照射することができる。ここで光軸とはレンズの中心を貫く軸である。

また、ガンアライメント電極に走査信号を入力することで、アパーチャ上にイオンビームを走査照射することができる。これにより二次荷電粒子像を観察することで、アパーチャの位置を確認することができる。

この発明に係る集束イオンビーム装置においては、ガンアライメント電極を通過したイオンビームの一部を通過させる開口部を有するアパーチャを有する。これによりガンアライメント電極で偏向されたイオンビームの光軸中心付近のイオンビームのみを開口部から通過させることができる。従って、集束レンズにはイオンビームの光軸中心付近のイオンビームのみを入射することができるので、イオンビームの外周成分が中心成分に混ざることがないために、試料に形状の整った良好なビームプロファイルを持つビームを照射することができる。

この発明に係る集束イオンビーム装置においては、レンズ系は、アパーチャよりも試料側に配置する。これより、イオンビームの余計な成分をレンズ系に入射することを軽減できる。イオン発生室内において、チップに到達することなくイオン化される不純物ガスが存在する場合、イオン化された不純物ガスがイオンビームに混在し、イオンビームの余計な成分として電流量を変化させるためイオンビームが不安定になってしまうことがある。レンズ系に入社するイオンビームをアパーチャによって制限することでイオンビーム電流の変動を軽減することができる。

また、アパーチャに電流計を接続しても良い。これによりアパーチャに入射するイオンビーム電流量を測定することができる。

この発明に係る集束イオンビーム装置においては、電界電離型イオン銃部は、レンズ系に対して、移動可能な移動機構を有する。これによりイオン銃部をレンズ系に対して相対的に移動し、レンズ系に入射するイオンビームの位置を調整することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置によれば、複雑な調整機構を用いることなく安定したビームを試料に照射することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置のイオン銃部の模式図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置のチップ先端の模式図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置の模式図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置のアパーチャの構成図である。 従来の集束イオンビーム装置の模式図である。

以下、本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態について説明する。
本実施形態の集束イオンビーム装置は、図１に示すように、針状のチップ１と、チップ１にガスを供給するイオン源用ガスノズル２とイオン源用ガス供給源３からなるガス供給部と、チップ１との間で電圧を印加し、チップ１の表面に吸着したガスをイオン化してイオンを引き出す引出電極４と、イオンを試料１３に向けて加速させるカソード電極５からなるイオン銃部１９を備えている。また針状のチップ１はチップ１を支持するフィラメント（図示せず）に電流を流すことにより加熱する機構を備えている。そして、イオン銃部１９より試料１３側に位置し、イオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１の照射方向を調整するガンアライメント電極９と、試料１３にイオンビーム１１を集束させる集束レンズ電極６と対物レンズ電極８からなるレンズ系を備えている。また、集束レンズ電極６と対物レンズ電極８の間に開口部７ａを有する第一のアパーチャ７を備えている。これにより集束レンズを通過したイオンビーム１１の中心成分のみを対物レンズに入射することができる。また、第一のアパーチャ７は開口径の異なる開口部７ａを備えている（図示せず）。異なる大きさの開口径を選択し、ビーム軸の設置することで、通過するイオンビーム１１のビーム量を調整することができる。そして、イオン銃部１９を装置の外側からレンズ系に対して相対的に移動可能な調整機構２０を備える。

また、図２に示すようにイオン銃部１９とレンズ系の間に第二のアパーチャ１０を配置し、イオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１を制限する。そして、試料室１５の内部は真空状態になっており、試料１３を載置し移動可能な試料ステージ１２と試料１３にデポジションやエッチングガスを供給するガス銃１８と、試料１３から発生する二次荷電粒子を検出する検出器１４を備えている。ここで、図示していないが、試料室１５とイオン銃１９の真空を仕切るバルブを備えている。また、集束イオンビーム装置を制御する制御部１６を備え、検出器１４で検出した検出信号とイオンビームの走査信号より観察像を形成する画像形成部（図示せず）を制御部１６内に有しており、形成した観察像を表示部１７に表示する。

（１）電界電離型イオン源
電界電離型イオン源は、図３に示すように、イオン発生室２１と、チップ１と、引出電極４と、冷却装置２４とを備えている。

イオン発生室２１の壁部に冷却装置２４が配設されており、冷却装置２４のイオン発生室２１に臨む面に針状のチップ１が装着されている。冷却装置２４は、内部に収容された液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒によってチップ１を冷却するものである。また冷却装置２４としてＧＭ型、パルスチューブ型等のクローズドサイクル式冷凍機、ガスフロー型の冷凍機を使用しても良い。さらに温調機能を備えてイオン種に応じて最適な温度に調整可能とする。そして、イオン発生室２１の開口端近傍に、チップ１の先端１ａと対向する位置に開口部を有する引出電極４が配設されている。

イオン発生室２１は、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。図示していないが、試料室１５とイオン銃２０の真空度の差を作るためのオリフィスを複数個備えている。このオリフィスにより、試料室へのイオン化ガスの流入、また試料室に導入するガスのイオン銃室への流入を防いでいる。イオン発生室２１には、イオン源用ガスノズル２を介してイオン源用ガス供給源３が接続されており、イオン発生室２１内に微量のガス（例えば、Ａｒガス）を供給するようになっている。

なお、イオン源用ガス供給源３から供給されるガスは、Ａｒガスに限られるものではなく、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（Ｈ₂）、酸素（Ｏ₂）、窒素（Ｎ₂）等のガスであってもよい。また、イオン源用ガス供給源３から複数種のガスを供給可能に構成し、用途に応じてガス種を切り替えたり、１種類以上を混合したりすることができるようにしてもよい。

チップ１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものからなる部材であり、その先端１ａは原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。別にチップ１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材を図示しない窒素ガスや酸素ガスを導入することにより、その先端１ａを原子レベルで尖鋭化したものを使用しても良い。またチップ１は、イオン源の動作時には冷却装置２４によって１００Ｋ程度以下の低温に保持される。チップ１と引出電極４との間には、電源２７によって引き出し電圧が印加されるようになっている。

チップ１と引出電極４との間に電圧が印加されると、鋭く尖った先端１ａにおいて非常に大きな電界が形成されるとともに、分極してチップ１に引き寄せられたガス分子２５が、先端１ａのうちでも電界の高い位置で電子をトンネリングにより失ってガスイオンとなる。そして、このガスイオンが正電位に保持されているチップ１と反発して引出電極４側へ飛び出し、引出電極４の開口部からレンズ系へ射出されたイオン１１ａがイオンビーム１１を構成する。ここで、引出電極４とチップ１の先端の中心位置は１０ミクロンメートル以内であることが好ましい。またチップ１と引出電極４の間に、チップ１に対して負電位を与える抑制電極を設けても良い。

チップ１の先端１ａは極めて尖鋭な形状であり、ガスイオンはこの先端１ａ上方の限られた領域でイオン化されるため、イオンビーム１１のエネルギー分布幅は極めて狭く、例えば、プラズマ型ガスイオン源や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。

なお、チップ１への印加電圧が大きすぎると、ガスイオンとともにチップ１の構成元素（タングステンや白金）が引出電極４側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にチップ１に印加する電圧は、チップ１自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。

一方、このようにチップ１の構成元素を操作できることを利用して、先端１ａの形状を調整することができる。例えば、先端１ａの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。

またチップ１は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端１ａの尖鋭形状を回復することもできる。

（２）イオン銃部
イオン銃部１９は、上記電界電離型イオン源と引出電極４を通過したイオン１１ａを試料１３に向けて加速させるカソード電極５とを備えている。そして、イオン銃部１９は調整機構２０と接続されている。調整機構２０は真空外部からイオン銃部１９をレンズ系に対して相対的に移動する。これによりレンズ系に入射するイオンビーム１１の位置を調整することができる。

（３）レンズ系
レンズ系は、チップ１側から試料１３側に向けて順に、イオンビーム１１を集束する集束レンズ電極６と、イオンビーム１１を絞り込む第一のアパーチャ７と、イオンビーム１１の光軸を調整するアライナ（図示せず）と、イオンビーム１１の非点を調整するスティグマ（図示せず）と、イオンビーム１１を試料１３に対して集束する対物レンズ電極８と、試料上でイオンビーム１１を走査する偏向器（図示せず）とを備えて構成される。

このような構成の集束イオンビーム装置では、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。図示していないがイオンの原子番号を選別するためのＥｘＢ等のマスフィルターを備えていても良い。

（４）イオンビームの性能向上
電界電離型イオン源では、図４に示すように、イオン１１ａは、チップ先端１ａの微細構造、つまり先端の凸部１ｂを反映した方向に放出される。図４のように凸部１ｂが複数存在するとイオン１１ａは複数の方向に放出される。またイオン１１ａの各方向でのビームの広がり角は数度ときわめて狭い。

図７は従来の集束イオンビームの模式図である。イオン１１ａの放射方向は光軸４０と異なっている。チップ１から放出されたイオン１１ａは集束レンズ電界６ａに入射され、その後アライナ５１によって照射方向を調整する。また調整機構２０により集束レンズ中心を通るようにイオン１１ａを調整することが可能である。しかし、イオン１１ａの放射方向が集束イオンビーム光学系の中心軸である光軸４０と異なっているために、イオン１１ａは集束レンズ電界６ａに対し、斜めに入射することになる。レンズに斜めに入射すると収差が発生し、試料１３上に収束するビーム形状を悪化させてしまう。また、チップ１から複数の方向にイオン１１ａが放出されると、外周方向のイオン１１ａはレンズの中心ではなく外側を通ることになる。外側を通ったイオン１１ａは集束レンズにより強く曲げられ、中心を通ったイオン１１ａと混ざり合ってしまう。そのため、この外周成分は中心成分に対するバックグランドの余計な成分となり、イオン１１ａの試料１３上でビームの分布、つまりビームプロファイルが悪化してしまう。以上から、レンズ系のレンズ中心に、光軸に平行に、一つの方向のみのイオン１１ａを入射しなければならない。

図５は本発明に係る集束イオンビーム装置の模式図であり、集束レンズ電界６ａよりもチップ１側のグランド部にガンアライメント電極９、第二のアパーチャ１０を備える。チップ１からイオン１１ａが光軸４０とは異なる方向に放出されてもガンアライメント電極９により光軸４０と略平行に集束レンズ電界６ａにイオン１１ａを入射することができる。また、第二のアパーチャ１０により一つの方向に放出されたイオン１１ａのみを選択し集束レンズ電界６ａの中心に入射することができる。以上により試料１３表面の正確な位置に集束したイオンビーム１１を照射することができる。

また、第二のアパーチャ１０は図６に示すように、径の異なる複数の開口部１０ａを有する。これによりイオンビーム１１の照射軸に配置する開口部１０ａの径を変えることが可能であり、通過するイオンビーム１１の電流量を調整することができる。

さらに調整機構２０はイオン銃部１９をレンズ系に対して相対的に移動することが可能であり、イオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１の照射位置を調整する。これによれば、イオンビーム１１の照射位置を調整し、集束レンズ電界６ａのレンズ中心に入射することができる。

ガンアライメント電極９、第二のアパーチャ１０はチップ１に対し、この順で配置することが好ましい。その理由はガンアライメント電極９がイオン源と遠くなると、調整機構２０の移動距離が大きくなることと、偏向器に対してビームが軸外を通るので収差が大きくなり、ビーム径が悪化するためである。

本発明では調整機構２０による平行移動と、ガンアライメント電極９による方向の調整を行ったが、他の構成として、イオン源直下に二段のアライメント電極を設け、ビームをチルト、シフトし、平行移動と方向調整を行っても良い。

またガンアライメント電極９には走査信号をいれ、アパーチャ上をスキャンできるようにすることでイオン源の位置探しを行っても良い。

第二のアパーチャ１０は電気的に絶縁し、電流を測定可能とし、イオン源エミッション電流のモニターとして使用することも可能である。このモニター機能を利用し、引き出し電圧やガス流量を調整し、エミッション電流を一定に保つことも可能である。

（５）ガス銃
ガス銃１８は、試料１３表面にデポジション膜の原料ガス（例えば、フェナントレン、ナフタレンなどのカーボン系ガス、プラチナやタングステンなどの金属を含有する金属化合物ガスなど）を原料容器からノズルを通して供給する構成になっている。

また、エッチング加工を行う場合は、エッチングガス（例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、三フッ化塩素、一酸化フッ素、水など）を原料容器からノズルを通して供給することができる。

＜実施例１＞
本実施形態のビーム調整方法を説明する。第二のアパーチャ１０で径が一番大きい開口部１０ａをイオンビーム１１の照射軸に配置する。チップ１からイオン銃部１９からイオンビームを照射した状態で二次電子像を見ながら、調整機構２０を操作してイオンビームが試料１３に多く到達するイオン銃部１９のレンズ系に対する位置を探す。試料１３にイオンビームが多く到達するイオン銃部１９の位置において、対物レンズ電極８の印加電圧を変化させ、電圧が変化しても二次電子像が動かないようにガンアライメント電極９の印加電圧を調整する。

次に集束レンズ電極６の印加電圧を変化させ、電圧が変化しても二次電子像が動かないように調整機構２０を操作してイオン銃部１９の位置を調整する。

次に第二のアパーチャ１０で径の小さい開口部１０ａをイオンビーム１１の照射軸に配置する。再度調整が必要な場合、上記の調整プロセスを再び行う。これによりチップ１の方向が試料１３の表面に対してずれていても、集束レンズの中心付近にイオンビーム１１を照射し、また余計な成分をアパーチャにより制限することで、試料１３に形状の整ったビームプロファイルを有するイオンビーム１１を照射することができる。

＜実施例２＞
本実施形態の観察、加工方法を説明する。冷却装置２４によって冷却されたチップ１にイオン源用ガスノズル２を介してヘリウムガスを供給し、チップ１にヘリウムガスを吸着させる。チップ１と引出電極４の間に電圧を供給して吸着したヘリウムガスをイオン化して、引出電極４の開口部からレンズ系に向けてイオン１１ａを射出する。ガンアライメント電極９で照射軸を偏向されたイオンビーム１１のビーム中心部分は第二のアパーチャ１０の開口部を通過して集束レンズの中心部に入射される。レンズ系で集束されたイオンビーム１１は試料１３の表面に照射される。試料１３から発生した二次電子を検出器１４で検出する。ここで検出器１４は二次電子を検出する場合は二次電子検出器を用い、二次イオンを検出する場合は二次イオン検出器を用いることが好ましい。さらに反射イオンを検出する場合は反射イオン検出器を用いることが可能である。検出器１４の検出信号とイオンビーム１１を走査電極（図示せず）に入力する走査信号から制御部１６内の画像形成部で二次電子像を形成する。これにより試料１３表面を観察する。

ガス銃１８からエッチングガスを試料１３表面に供給し、イオンビーム１１を走査照射する。イオンビーム１１が照射された領域において試料１３がエッチングされ、局所的に加工することができる。

また、ガス銃１８からデポジション膜の原料ガスを試料１３表面に供給し、イオンビーム１１を走査照射する。イオンビーム１１が照射された領域においてデポジション膜が形成され、局所的に成膜することができる。

１…チップ
２…イオン源用ガスノズル
３…イオン源用ガス供給源
４…引出電極
５…カソード電極
６…集束レンズ電極
７…第一のアパーチャ
７ａ…開口部
８…対物レンズ電極
９…ガンアライメント
１０…第二のアパーチャ
１０ａ…開口部
１１…イオンビーム
１２…試料ステージ
１３…試料
１４…検出器
１５…試料室
１６…制御部
１７…表示部
１８…ガス銃
１９…イオン銃部
２０…調整機構
２１…イオン発生室
２４…冷却装置
２５…ガス分子
２７…電源

Claims (6)

1. 針状のチップと、
   前記チップにガスを供給するガス供給部と、
   前記チップとの間で電圧を印加し、前記チップ表面に吸着した前記ガスをイオン化してイオンを引き出す引出電極と、
   前記イオンを試料に向けて加速させるカソード電極と、
   を有する電界電離型イオン銃部と、
   前記電界電離型イオン銃部から放出されたイオンビームの照射方向を調整するガンアライメント電極と、
   前記試料に前記イオンビームを集束させるレンズ系と、
   を有する集束イオンビーム装置。
2. 前記レンズ系は、前記ガンアライメント電極よりも前記試料側に配置する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
3. 前記ガンアライメント電極を通過した前記イオンビームの一部を通過させる開口部を有するアパーチャを有する請求項１または２に記載の集束イオンビーム装置。
4. 前記レンズ系は、前記アパーチャよりも前記試料側に配置する請求項３に記載の集束イオンビーム装置。
5. 前記電界電離型イオン銃部は、前記レンズ系に対して移動可能な移動機構を有する請求項１から４のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
6. 前記アパーチャは、電気的に絶縁し、前記イオン銃部から放出されたイオンビームの電流量を測定する機能を有する請求項３から５のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。

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