JP2011210496A - 集束イオンビーム装置及びチップ先端構造検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＩＭ像取得のためのシステムを導入することなく、エミッターの先端構造の確認を図ること。
【解決手段】チップ１にガスを供給するガス供給部と、イオンビーム１１を引き出す引出電極４と、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とを有する集束イオンビーム装置であり、チップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームを通過させる開口部１０ａを有するアパーチャ１０と、開口部１０ａを通過したイオンビーム１１の電流量を測定する電流測定部と、を有する集束イオンビーム装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、チップ形状のビーム源から荷電粒子ビームを試料に照射し観察する荷電粒子ビーム装置に関するものである。

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が用いられている。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が開発されている。

先端を先鋭化した第一の金属、例えばＷ（１１１）に第二の金属、例えばパラジウムを真空蒸着、メッキしたチップを使用するガスイオン源、もしくは電子源を備えた荷電粒子ビーム装置が開示されている（非特許文献１参照）。

ここでは、イオン源、もしくは電子源はチップを１０００から１１００Ｋで加熱を行うことで（２１１）面のファセットがおこり、先端が１原子で終端されたピラミッド構造となることを利用している。このピラミッド構造は熱的に安定であり、先端原子が破損しても、再度加熱することでピラミッド構造が再生する。

エミッター（ガスイオン源、もしくは電子源）の光源径が原子サイズと小さいことから、より小さなビーム径を持つイオンビーム、電子ビーム装置を実現することができる。

また、エミッターの構造を確認する手段として、イオンビーム光軸上にマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）、ミラーを配置しエミッターから放出されるイオンを検出し、ＣＣＤカメラで電界イオン顕微鏡（ＦＩＭ）像を取得してエミッターの先端構造を確認することが開示されている（特許文献１参照）。

特開平７−２７２６５２号公報

Ｔｓｕ−Ｙｉ Ｆｕ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ６４（２００１）１１３４０１

しかしながら、従来の装置では、エミッターの先端構造の確認のために、ＭＣＰ、ミラー、ＣＣＤカメラなどのシステムをイオンビーム照射系に設定する必要があり、複雑な装置構成となっていた。このため、結果としてコストが高くなっていた。また、これらを導入するためにエミッターとレンズ系との距離が遠くなるため、光学調整が困難であった。さらに、ＦＩＭ像によりエミッターの先端構造を確認するには、ＦＩＭに関する専門的な知識も必要となるため、ユーザーにとって必ずしも簡易なシステムとはならない。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＦＩＭ像取得のためのシステムを導入することなく、エミッターの先端構造を確認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ビームを引き出す引出電極と、イオンビームの照射方向を調整する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集束イオンビーム装置であり、チップの先端の一つの原子から放出されたイオンビームを通過させる開口部を有し、アライメント電極よりも試料側に設置されたアパーチャと、開口部を通過したイオンビームの電流量を測定する電流測定部と、を有する。これにより、チップの先端の一つの原子から放出されたイオンビームのビーム電流を測定することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、アパーチャが、通過させるイオンビームの電流量を制限する径の異なる複数の開口部を有する。また、開口部をイオンビームの照射軸上に移動可能なアパーチャ駆動部を有する。これによりアパーチャ開口部を通過するイオンビーム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は、電流測定部が、イオンビームの照射軸上に移動可能で、アパーチャよりも試料側に設置され、イオンビームの電流量を測定するためのファラデーカップを有する。これによりイオンビームの照射条件を変更することなく、ビーム電流測定を行うことができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、電流測定部が、アパーチャよりも試料側に設置されたブランキング電極で偏向したイオンビームを測定するビーム測定電極を有する。

本発明に係るチップ先端構造検査方法は、チップにガスを供給し、チップと引出電極との間に電圧を印加し、チップの先端部からイオンビームを放出し、イオンビームの第一の電流量を測定する工程と、チップにガスを供給し、チップと引出電極との間に電圧を印加し、チップからイオンビームを放出し、チップの先端の一つの原子から放出され、アパーチャの開口部を通過したイオンビームの第二の電流量を測定する工程と、第一の電流量と第二の電流量を比較しチップの先端構造を検査する工程と、からなる。これにより第一の電流量と第二の電流量の大きさを比較することでチップの先端構造の終端原子の数を判定することができる。また、チップ先端がピラミッド構造を形成しているか否かを判定することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置によれば、ＦＩＭ像取得のためのシステムを導入することなく、エミッターの先端構造を確認することができる。

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イオン銃部の構成図である。 本発明に係るチップ先端付近の模式図である。 本発明に係るアパーチャ径の説明図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。 本発明に係る引出電圧とイオンビームの電流値の関係図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。

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（エミッター）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とレンズ系の間に配置された第二のアパーチャ１０と、第二のアパーチャ１０を移動させるアパーチャ駆動部１１０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。これによりイオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１を制限することができる。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。また、第一のアパーチャ７は開口径の異なる開口部を備えている（図示せず）。異なる大きさの開口径を選択し、ビーム軸上に設置することで、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、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を有している。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２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、電圧供給部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
図１に示すように、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）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。

（５）チップ先端構造
図３に示すように、チップ１から放出されるイオンビーム１１の照射方向は、チップ１の先端１ａの構造（終端原子の配置）によって異なる。図３（ａ）は、チップ１の先端の終端原子１ｂが一つの原子である場合のチップ１の模式図である。図３（ａ）のように一つの終端原子からイオンビーム１１が放出される。このときチップ１の先端１ａは図３（ｂ）のようにピラミッド構造になっており、先端が一つの原子で終端されている。図３（ｃ）は、チップ１の先端の終端原子１ｂが三つの原子である場合のチップ１の模式図である。図３（ｃ）のように三つの終端原子からそれぞれイオンビーム１１が放出される。このときチップ１の先端１ａは図３（ｄ）のようにピラミッド構造になっており、先端が三つの原子で終端されている。チップ１の終端原子数の制御は、チップ１と引出電極４との間の供給電圧により制御することができる。

（６）アパーチャ
チップ先端の構造を確認するために、チップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させる開口部を有するアパーチャを用いる。この開口部は次のように設計する。図４（ａ）に示すように、チップ１の先端の曲率半径４０をｒとし、終端原子１ｂの原子半径４１をａとする。また、図４（ｂ）に示すように、チップ１の先端と第二のアパーチャ１０との距離をＬとし、第二のアパーチャ１０上におけるイオンビーム半径１０ｃをｂとする。すると、第二のアパーチャ１０上でのチップ１の終端原子１ｂの原子像の倍率はＭ＝Ｌ／ｒで表すことができる。そして、第二のアパーチャ上におけるイオンビーム半径は、ｂ＝ａＭ＝ａＬ／ｒで表すことができる。従って、チップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させる第二のアパーチャ１０の開口部１０ａは、ａＬ／ｒよりも大きく、かつ、終端原子１ｂが三つの原子であるときに放出される他のイオンビームが通過可能な径よりも小さいものとする。これにより、チップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させることができる。例えば、チップ１の曲率半径が１０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍの場合、終端原子１ｂの原子半径を０．３ｎｍ、チップ１とアパーチャ１０の距離を５０ｍｍとすれば、開口部１０ａの半径をそれぞれ１．５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．１５ｍｍに設定すればよい。また、第二のアパーチャ１０は、開口径の異なる開口部を備え、通過させるイオンビームの電流量を調整することが可能である。

＜実施例１＞
図５に示すように、第二のアパーチャ１０よりも試料１３側に配置したファラデーカップ１１３を用いてチップ１の先端構造を検査する手法について説明する。イオンビーム１１がチップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させる開口部を通過するようにアパーチャ駆動部１１０により第二のアパーチャ１０を移動する。また、イオンビーム１１が照射されるように、ファラデーカップ駆動部１１４を用いてファラデーカップ１１３を移動させる。そして、チップ１からイオンビーム１１を照射させる。ファラデーカップに照射されたビーム電流を電流測定部１１１で測定する。測定した電流値を、制御部１６を介して表示部１７に表示する。イオンビーム１１が開口部１０ａを通過するように調整を行う。

調整方法は、ガンアライメント電極９に走査信号入力してイオンビーム１１を第二のアパーチャ１０上に走査照射する。このとき表示部１７に表示される電流値が最大になる位置にガンアライメント電極９でイオンビーム１１の照射位置を調整する。または、第二のアパーチャ１０を移動させながら表示部１７に表示される電流値を確認し、電流値が最大になる位置に第二のアパーチャ１０を移動させる。これにより、イオンビーム１１が開口部１０ａを通過するように調整することができる。

次に、イオンビーム１１が開口部１０ａを通過する状態でイオンビーム１１のビーム電流測定を行う。そして、測定した電流値とあらかじめ測定したチップ１の終端原子１ｂが一つのときのイオンビーム１１の標準電流値と比較する。このとき、ガス種、ガス圧力、引出電圧を同じ条件で測定した標準電流値と測定電流値とを比較する。また、標準電流値は上述したチップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させる開口部よりも大きな径の開口部、もしくは、第二のアパーチャを用いずに測定したものを用いる。

図６は引出電圧とイオンビームの電流値の関係図である。横軸は引出電圧、縦軸は測定したイオンビームのビーム電流である。あらかじめ第二のアパーチャを用いずに測定したチップ１の終端原子１ｂが一つのときのイオンビーム１１の電流値を標準電流値７３で示す。先端構造がピラミッド構造であり、チップ１の終端原子が一つになっている場合、測定した電流値７４は標準電流値７３とほぼ一致する。なぜなら、チップ１に供給されたガスはチップ１の一つの終端原子でのみイオン化されて、イオンビームとして放出されるからである。一方、先端構造がピラミッド構造であり、チップ１の終端原子が三つになっている場合、ある引出電圧における電流値は、標準電流値７４ａに対して測定電流値７５ａのように約三分の一になっている。なぜなら、チップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させる開口部を有する第二のアパーチャ１０を用いることにより、チップ１の終端原子が三つになっている場合は、終端原子のうち一つの原子から放出されたイオンビームだけが開口部を通過して電流測定されるからである。チップ１に供給されたガスはチップ１の三つの終端原子でのみイオン化されて、イオンビームとして放出されるので、全ビーム電流の約三分の一になる。また、測定電流値７６のように標準電流値７３の三分の一よりも小さな値となる場合、チップ１の先端構造は終端原子が一つまたは三つのピラミッド構造になっていないと判定することができる。

このように、ＦＩＭ像を取得することなく、チップ１の先端構造が、終端原子が一つまたは三つのピラミッド構造になっているか否かを判定することができる。また、終端原子の個数が一つか三つかの判定をすることができる。

＜実施例２＞
図７に示すように、ビームブランキングによりイオンビーム電流を測定しチップ１の先端構造を検査する手法について説明する。イオンビーム１１がチップ１の先端の一つの原子から放出されたイオンビームのみを通過させる開口部を通過するようにアパーチャ駆動部１１０により第二のアパーチャ１０を移動する。また、電流測定電極１１２を構成するブランキング電極１１２ａによりイオンビーム１１をビーム測定電極１１２ｂに照射されるように偏向する。そして、ファラデーカップに照射されたビーム電流を電流測定部１１１で測定する。測定したイオンビーム１１の電流値を用いて上述したとおりチップ１の先端構造の検査を実施する。

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…電圧供給部

Claims (6)

1. 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ビームを引き出す引出電極と、イオンビームの照射方向を調整する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集束イオンビーム装置において、
   前記チップの先端の一つの原子から放出されたイオンビームを通過させる開口部を有し、前記アライメント電極よりも前記試料側に設置されたアパーチャと、
   前記開口部を通過した前記イオンビームの電流量を測定する電流測定部と、を有する集束イオンビーム装置。
2. 前記アパーチャは、通過させる前記イオンビームの電流量を制限する径の異なる複数の開口部を有する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
3. 前記開口部を前記イオンビームの照射軸上に移動可能なアパーチャ駆動部を有する請求項２に記載の集束イオンビーム装置。
4. 前記電流測定部は、前記イオンビームの照射軸上に移動可能で、前記アパーチャよりも前記試料側に設置され、前記イオンビームの電流量を測定するためのファラデーカップを有する請求項１から３のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
5. 前記電流測定部は、前記アパーチャよりも前記試料側に設置されたブランキング電極で偏向したイオンビームを測定するビーム測定電極を有する請求項１から３のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
6. チップにガスを供給し、前記チップと引出電極との間に電圧を印加し、前記チップの先端部からイオンビームを放出し、前記イオンビームの第一の電流量を測定する工程と、
   前記チップに前記ガスを供給し、前記チップと前記引出電極との間に前記電圧を印加し、前記チップからイオンビームを放出し、前記チップの先端の一つの原子から放出され、アパーチャの開口部を通過したイオンビームの第二の電流量を測定する工程と、
   前記第一の電流量と前記第二の電流量を比較し前記チップの先端構造を検査する工程と、からなるチップ先端構造検査方法。

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