JP2012227141A

JP2012227141A - ビームから中性物質を除去する収差補正のウィーンｅ×ｂ質量フィルタ

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Abstract

【課題】複数のイオン源から所望のイオン種を色収差なく選別する集束イオンビーム装置用の質量フィルタを提供する。
【解決手段】イオン源１１４により生成された複数のイオン１１０は、上部レンズ１０６により略平行なビーム３１０となり質量フィルタ３０４に入射する。質量フィルタ３０４は、互いの中心軸がオフセットされた上部ＥＸＢフィルタ３０６Ｕおよび下部ＥＸＢフィルタ３０６Lより構成され、ビーム３１０を質量毎に分離偏向した後、光軸３８０に平行な軌道として出射する。この際、上部ＥＸＢフィルタ３０６Ｕにより生じる色収差は下部ＥＸＢフィルタ３０６Ｌにより打ち消される。その後、質量分離アパーチャ３４２により所望のイオン３３２のみを通過させ下部レンズ１０８により基板１１２上に集束する。
【選択図】図３

Description

本発明は、集束イオンビームシステムに関し、特に、複数のイオン種を生成するイオン源を備える集束イオンビームシステムに関する。

いくつかの集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラムは、複数のイオン種を放出するイオン源を使用するように設計されている。基板上に集束されるビームについて、これらのイオン種のうち一つだけを選択するため、ＦＩＢカラムには一般的には質量フィルタが含まれる。質量フィルタの一種である「ウィーンフィルタ」は、交差する電場と磁場（Ｅ×Ｂ）を用い、不要なイオン種を軸外に偏向させて、不要なイオン種を質量分離アパーチャに衝突させる。「ウィーンフィルタ」は「Ｅ×Ｂフィルタ」とも呼ばれる。Ｅ×Ｂフィルタ１０２は、当技術分野でよく知られている原理に従って動作する。つまり、交差する電場及び磁場（一般的にはどちらも質量フィルタを通過するビーム方向に対して垂直である）は、ビーム中のイオンに対し、ビームの動きに対して横方向に反対向きの力を与える。これら二つの力の相対的な強さは、電場及び磁場の強さによって定められ、これらは電極及び磁極にエネルギーを与える電圧及び電流の供給量によって制御される。

図１は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラム１０４における従来のウィーン（Ｅ×Ｂ）質量フィルタ１０２の側断面図であり、ＦＩＢカラムは基板表面１１２上にイオンビームを集束させるよう組み合わされた上部レンズ１０６及び下部レンズ１０８を含む。三つの異なるイオン種を含むイオン１１０は、粒子源１１４の先端部と引出電極（図示せず）との間に印加される電圧によって誘導されて粒子源１１４の先端部から放出されるように示されている。この粒子源の構造は、典型的には液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）であるが、この従来技術では他の形式のイオン源を用いることもある。次いで、イオン１１０は、上部レンズ１０６によって質量分離アパーチャ１２２の平面１２０に集束される。ウィーンフィルタ１０２は、静電場を形成する電極１３０と、コイル又は永久磁石など（磁極は図１の紙面の手前と向こう側にある）の磁場の発生源（図示せず）とを含む。ウィーンフィルタ１０２は、低質量イオン１３６及び高質量イオン１３８を軸から離すように偏向させ、中質量イオンを大きく偏向させない。そして、これらの中質量イオン１４０は、アパーチャ１２２を通過し、下部レンズ１０８によって基板表面１１２上に集束される。以下の式で示すように、低質量イオン１３６は、同じビームエネルギーにおいて、高質量イオン１３８より速度が大きい。電気力はすべてのイオン（同じ電荷を有する）に対して同一であるが、磁気力は速度に比例するので、高速な低質量イオン１３６は、低速な高質量イオン１３８よりも、磁場によってさらに大きく偏向する。したがって、低質量イオンは磁気力が作用する方向（左）へ偏向するが、高質量イオンは電気力が作用する方向（右）へ偏向する。中質量イオン１４０については、電気力と磁気力とが釣り合い（すなわち、反対方向に等しい大きさを有する）、合力が作用しない。

図１では、電場１４２は紙面において横向きである（左側の正の電極１３０から右側の負の電極１３０へ向かう方向を指し、したがって正イオンに電気力が作用すると右へ偏向する）。一方、磁場１４４は、紙面に垂直に向こうから手前に向かう（正イオンに作用する左への力が生じる）。イオン源１１４が異なる質量電荷比で複数のイオン種を放出する場合、１種が偏向されずにＥ×Ｂ質量フィルタを通過するように電場１４２及び磁場１４４を設定することが可能である。図１では、この種は中質量イオン１４０に相当する。低質量イオン１３６と高質量イオン１３８は、図示のとおり、それぞれ、左側と右側に偏向する。中質量イオン１４０のみが質量分離アパーチャ１２２を通過し、次いで、下部レンズ１０８によって基板表面１１２上に集束する。Ｅ×Ｂ質量フィルタ１０２の上端と下端では、終端フィールドプレートが電場及び磁場を遮断し、それによってフリンジ電場による収差を低減させている。

Ｅ×Ｂフィルタによって生じる収差についてより良く理解するため、図２には、図１に示した同一の二つのレンズのあるカラム１０４と従来技術のＥ×Ｂ質量フィルタ１０２から、質量分離アパーチャ板１２０（図１参照）を除いたものを示す。なお、異なる３種（高、中、低質量）のイオンは、ウィーンフィルタの偏向によって基板上の３つの異なる位置に集束する。また、同一の質量を有するがエネルギーが異なるイオンは、Ｅ×Ｂフィルタによって色収差が生じるため、異なるように偏向する。

図示のようにアパーチャ板１２２がない場合、すべてのイオンが基板表面１１２に到達する。Ｅ×Ｂフィルタは、下部レンズの面において、低質量イオン１３６を左に偏向させ、高質量イオン１３８を右に偏向させる。Ｅ×Ｂ質量フィルタ１０２の質量分離の作用と組み合わされた上部レンズの集束の作用によって形成された三つのクロスオーバー（低質量のクロスオーバー２３６、中質量のクロスオーバー２４０、及び高質量のクロスオーバー２３８）は、下部レンズ１０８によって基板１１２上に結像して「仮想光源」を形成する。これらの３つの仮想光源はＥ×Ｂフィルタによって空間的に分離されており、それら三つの各像も図示のとおり基板１１２で分離している。基板１１２での分離の距離は、（除去された）質量分離アパーチャ板１２０の平面での対応するクロスオーバー２３６、２４０及び２３８の分離間隔からみれば、レンズ１０８によって縮小されている。同様に、Ｅ×Ｂの色収差は、同一の質量を有するがエネルギーが異なるイオンの分離を引き起こす。これは、Ｅ×Ｂフィルタでのイオン速度の（非相対論的な）方程式から見ることができる。
１／２ｍ・ｖ²＝ｎｅＶ＝イオンエネルギー
ｖ＝√（２ｎｅＶ／ｍ）＝イオン速度
ここで、
ｍ＝イオン質量
ｖ＝イオン速度
ｎ＝イオンの価数（１：１価のイオン、２：２価のイオン）
ｅ＝電気素量
Ｖ＝電子銃の加速電圧
Ｅ×Ｂフィルタに二つの場がある場合、
Ｅ＝電場
Ｂ＝磁場
速度ｖでフィルタを通過したイオンに作用する合力は、
Ｆの合計＝Ｆ_electric＋Ｆ_magnetic＝ｎ・ｅ・［Ｅ−（ｖ／ｃ）・Ｂ］
ここで、
Ｆ_electric＝ｎ・ｅ・Ｅ
Ｆ_magnetic=−ｎ・ｅ・（ｖ／ｃ）・Ｂ（Ｆ_electricとは方向が反対）

したがって、ウィーンフィルタは、実際には速度フィルタであることが分かる。質量の異なるイオン（公称エネルギーは同じ）は異なる速度（低質量のものは速く、高質量のものは遅い）を有するため、ウィーンフィルタは、一般には「質量フィルタ」として利用される（またそう呼ばれる）。しかしながら、１種のイオンの場合であっても、いずれかのイオン源によって放出されたイオンのエネルギー（おおよそ公称エネルギー）には固有の幅があるので、速度に広がりがある。例えば、液体金属イオン源からのエネルギー幅は、典型的には、約５ｅＶの半値全幅のエネルギー幅を有する。これらのエネルギー幅に起因するビームの分散の作用は色収差を引き起こし、それは補正されない限り基板で集束ビームをぼかしてしまう。

図１に示されるイオンビームカラムのもう一つの欠点は、ビームのクロスオーバー、すなわち、ビームの経路内でそのイオンが光軸と交差する点を含むことである。クロスオーバーによって三つの有害な影響が生じる。
（１）クロスオーバーそれ自体によって各粒子が相互に接近するにつれて、静電反発力が増大する。
（２）クロスオーバーが生じると、（クロスオーバーなしの場合のビーム径と比較すると）一般的にビーム径はカラム全体にかけて小さいものとなり、また、空間電荷の作用が増大する。
（３）それらのビームがアパーチャ板の平面に集束するため、通過できないイオンビームの衝突点（例えば、クロスオーバー２３６及び２３８）で、質量分離アパーチャのスパッタリングが増大し、それによって、ビーム電流密度が増大し、質量分離アパーチャの平面に対して垂直な方向のスパッタ速度が増大する（換言すれば、選択されない集束ビームは、選択されないビームの集束しないビームよりも、高速にアパーチャをスパッタする）。

クロスオーバーでの静電反発力はビームを拡散させ、基板表面でのビーム電流密度を低減させる。クロスオーバーでは、二つの別々の静電反発力の影響が生じる。
（１）ベルシュ効果（Boersch effect）：軸上のビームの散乱に起因してビームのエネルギー幅が増大する。原則的には、一つのイオンは別のイオンのエネルギーの損失をもってエネルギーを得る。
（２）レフラー効果（Loeffler effect）：荷電粒子の横方向への散乱であり、最終の焦点スポットが大きくなる、及び／又は、ぼやける。

「コリメートビームの集束イオンビームカラム用の色収差のない２段のステージを有するＥ×Ｂ質量フィルタ（Achromatic two-stage E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam）」Teichert,J.、Tiunov,M.A.著，「Measurement Science and Technology」第４巻（１９９３年）第７５４〜７６３頁によれば、以下で詳述するが、コリメートビームとともに用いられる色収差が少ない２段の質量フィルタが記載されている。

図１に示すカラムのもう一つの問題は、集束しない中性粒子が基板表面１１２に到達可能であるということである。また、イオン源は偶発的に中性粒子を放出するが、他の中性粒子は、イオン源１１４の先端部と質量フィルタ１０２との間にガスイオンの衝突を生じさせることもある。図１のカラムにおいて、これら中性粒子の一部は、アパーチャ１２２を通過し、基板に到達することがある。中性粒子は集束レンズの場には反応しないので、アパーチャ板によって阻止されない中性粒子は、基板表面１１２の領域、典型的には、集束イオンビームによって走査される領域よりもはるかに大きい領域にかけて拡散してしまう。

Teichert,J.、Tiunov,M.A.、「コリメートビームの集束イオンビームカラム用の色収差のない２段のステージを有するＥ×Ｂ質量フィルタ（Achromatic two-stage E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam）」、測定科学技術（Measurement Science and Technology）、1993年7月、第4巻、第7号、p.754―764

本発明の目的は、荷電粒子ビームシステムのための質量フィルタを改善することである。

イオンビームシステムのための質量フィルタは、少なくとも２段であり、色収差を低減する。一実施形態は、色収差、並びに入射口及び出射口でのはみ出した場による収差を低減又は排除する一対の対称性のあるステージを含む。また、一実施形態では、中性粒子が試料表面に到達するのを防ぎ、ビーム経路中のクロスオーバーを排除することができる。ある実施形態では、フィルタは、複数のイオン種を生成する粒子源から１種のイオンを通過させることができる。他の実施形態では、フィルタは、質量分離アパーチャへのスパッタリングを低減させることができる。

上記は、以下の本発明の特徴と技術的利点を概説したものであり、以下に記載された本発明の詳細な説明をより良く理解するためのものである。その他の本発明の特徴及び利点については以下に説明する。当業者によれば、ここに開示された概念及び特定の実施形態は、本発明と同様の目的を達成するために、改良や他の構成に変形する基礎として容易に利用できるものと理解される。また、当業者は、かかる均等な構成についても、添付された特許請求の範囲に記載された発明の趣旨と範囲から逸脱しないものと理解する。

本発明の一実施形態によれば、質量フィルタを含むイオンビームカラムは、異なる質量電荷比のイオンを生成するイオン源と、イオン源からのイオンを第１軸に沿うビームに一次成形する第１レンズと、第１軸から離れるような第１のビーム偏向を形成する第１の質量フィルタステージであって、第１のビーム偏向がビーム中の各イオン毎の質量電荷比に基づくものであり、第１軸が第１質量フィルタステージの対称軸であり、第１軸と第１のビーム偏向の両方に垂直に向き、第１のビーム偏向に平行方向にオフセットされる回転対称軸と、回転対称軸の周りに１８０°回転して配置された第２の質量フィルタステージであって、第２の質量フィルタステージの対称軸が第２軸であり、第２の質量フィルタステージは第１のビーム偏向とは反対の第２のビーム偏向を形成し、異なる質量電荷比のイオンのうち一つが第２の質量フィルタステージを出射するように、第１及び第２の質量フィルタステージにおける偏向の合計が、第１軸と第２軸との間の距離に対応し、第２の質量フィルタステージからのすべてのイオンのうちの一部を通過させ、第２軸を中心として配置される質量分離アパーチャと、第２の質量フィルタからのイオンを受け取り、それらイオンを基板表面上に集束させる第２レンズと、を備え、第２の質量フィルタステージが基板表面での第１の質量フィルタステージからの色収差を打ち消す。

本発明の一実施形態では、第１の質量フィルタステージ及び第２の質量フィルタステージがＥ×Ｂフィルタである。

本発明の一実施形態では、イオン源が液体金属イオン源である。

本発明の一実施形態では、イオン源がプラズマイオン源である。

本発明の一実施形態では、イオンが第１の質量フィルタステージに略平行ビームとして入射する。

本発明の一実施形態では、第２レンズステージが、無限遠方に置かれた仮想光源からの異なるエネルギーを有するイオンを集束させる。

本発明の一実施形態では、第２の質量フィルタステージが、第１の質量フィルタステージからフリンジ電場による収差をおおむね打ち消す。

本発明の他の態様によれば、異なる質量を有するイオンを生成するイオン源からのイオンビームを提供する方法は、イオン源から異なる質量を有するイオンを生成し、イオンをビームに形成し、イオンを第１の方向に偏向させ、その偏向をイオンの質量毎に異なるものとし、イオンを第２の方向に偏向させ、その偏向をイオンの質量毎に異なるものとし、イオンの質量毎に異なる第１の方向における偏向と、イオンの質量毎に異なる第２の方向における偏向とを打ち消し合って、異なる質量のイオンが２倍に偏向されて同一の方向に伝搬することを含む。

本発明の一実施形態では、イオンを第１の方向に偏向させる際は、イオンを第１のＥ×Ｂ質量フィルタに通過させることを含み、イオンを第２の方向に偏向させる際は、イオンを第２のＥ×Ｂ質量フィルタに通過させることを含む。

本発明の一実施形態では、イオンの一部がアパーチャを通過するが、他のイオンは阻止され、アパーチャの中心が第１のＥ×Ｂフィルタの光軸からオフセットされている。

本発明とその利点をより完全に理解するため、添付の図面と併せて以下の説明を参照されたい。

集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラムの二つのレンズの間の従来のウィーンＥ×Ｂ質量フィルタの側断面の概略図である。図１の従来のＦＩＢカラムから、すべてのイオン種が基板に到達できるように質量分離アパーチャを除いた場合の断面の概略図である。収差補正の二重偏向のＥ×Ｂウィーン質量フィルタを含み、二つのレンズのＦＩＢカラムを有する本発明の実施形態の側断面の概略図である。図３の二つのレンズＦＩＢカラムの側断面の概略図であり、通過するイオンビームの横方向の変位を示す。図３の二つのレンズＦＩＢカラムの側断面の概略図であり、すべてのイオン種が基板に到達できるように質量分離アパーチャを除いたものである。二重偏向のＥ×Ｂ質量フィルタを含む二つのレンズのＦＩＢカラムの側断面の概略図であり、静電偏向の誤差Ｅ１〜Ｅ４を有する通過イオンビームの軌道を示す。二重偏向のＥ×Ｂ質量フィルタを含む二つのレンズのＦＩＢカラムの側断面の概略図であり、磁気偏向の誤差Ｍ１〜Ｍ４を有する通過イオンビームの軌道を示す。本発明の方法の好ましい実施形態を示す。

本発明の実施形態は、典型的な従来技術のイオンビームシステムよりも一つ以上の利点を提供することができる。すべての実施形態で、すべての利点が提供されるわけではない。本発明の一実施形態では、色収差を補正するＥ×Ｂ質量フィルタを提供する。本発明の一実施形態では、中性粒子が基板に到達するのを防ぐ。本発明の一実施形態では、イオンカラムにおけるビームのクロスオーバーの必要性を排除する。本発明の一実施形態では、電場及び磁場の入射口・出射口で生じるビーム収差を補正する。本発明の一実施形態では、質量分離アパーチャのスパッタリングを低減する。

本発明の一実施形態は、ビームを一方向について軸から離す第１の偏向から生じる色収差を補正し、次いで、そのビームが元の経路と平行に、典型的には元の経路からオフセットもって、フィルタを出射できるように反対方向に戻し、これによって、以下に説明するように、色収差（以下の質量フィルタの集束光学系にて作用する）を本質的に打ち消すものである。このビーム偏向によれば質量フィルタを通過する直進経路がなくなるので、中性粒子が基板に到達することを阻止する。本発明の一実施形態は、２段のＥ×Ｂフィルタを含み、各々が質量フィルタのステージを構成する。本明細書で使用される用語「質量フィルタ」又は「Ｅ×Ｂフィルタ」は、文脈に応じて、複数の段を有するファイルの一段又はその複数の段をいう。また、用語「質量フィルタ」は、速度又はエネルギーに基づくフィルタも含むものである。

多くの集束イオンビーム（ＦＩＢ）の用途において、基板表面で最大の電流密度を達成することが望ましい。前述したように、ビーム電流密度は、ビーム経路中のクロスオーバーでの増加した空間電荷の散乱によって低減することがある。図３〜図７には、クロスオーバーを含まないＦＩＢカラムの構造が示されており、それによって、ビーム電流密度を増加させることができる。

一実施形態では、質量フィルタを含むイオンビームカラムは、異なる質量のイオンを生成するイオン源と、イオン源からのイオンを第１軸に沿うビームに一次成形する第１レンズと、第１軸から離れるような第１のビーム偏向を形成する第１の質量フィルタステージと、第１のビーム偏向とは反対の第２のビーム偏向を形成する第２の質量フィルタステージと、第２の質量フィルタステージからのすべてのイオンのうちの一部を通過させる質量分離アパーチャと、第２の質量フィルタからのイオンを受け取り、それらのイオンを基板表面上に集束させる第２レンズと、を備え、第２の質量フィルタステージが第１の質量フィルタステージからの色収差をおおむね打ち消すものである。

図３は、収差補正の質量フィルタ３０４を有するイオンカラム３０２を示し、質量フィルタ３０４は、２段であって、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕと下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌを有する。図１及び図２のように、イオン１１０は、イオン源１１４の先端部から放出される。このイオン源の構造は、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）の典型的な構造であるが、本発明には他のタイプのイオン源を使用してもよい。次いで、イオン１００は、上部レンズ１０６によって略平行なビーム３１０に集束さる。完全に平行なビーム３１０では、ビーム３１０内の各イオンの軌跡は、光軸３８０に沿ってマイナス無限遠方に置かれた仮想光源（図示せず）に戻るように外挿されてもよい。「略平行」なビームは、マイナス方向の無限遠方に置かれた仮想光源を考えなくてよいビームであるが、外挿されたイオンの軌跡は、やはりイオン源の先端部（上方又は下方）からイオンカラム３０２の全長に対して少なくとも３倍の位置で光軸３８０と交差する。上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕは、電極３１４Ｕ、終端フィールドプレート３１６Ｕ、及び磁場の発生源（図示せず）を含む。電極３１４Ｕは、図の平面において電場を形成し、これは矢印３２０Ｕによって示される（左側の正の電極３１４Ｕから右側の負の電極３１４Ｕを指し示し、正のイオンに右方向に作用する電気力を形成する）。磁場の発生源は、紙面から手前に向かう磁場を形成し、これは丸印３２２Ｕで示される（正イオンに対して左側に向う磁気力を形成する）。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは、電極３１４Ｌ、終端フィールドプレート３１６Ｌ、及び、磁場の発生源（図示せず）を含む。電極３１４Ｌは、紙面において矢印３２０Ｌによって示される電場を形成し、これは上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕの電場３２０Ｕと大きさが等しく、方向が反対である。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌの磁場の発生源は、バツ印３２２Ｌによって示されるような紙面の向こう側に進む磁場を形成し、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕの磁場３２２Ｕと方向が反対で大きさが等しい。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕと対称であり、通常、同一の構造を有し（１８０°回転させ、対称軸からオフセット距離３２６をとる。これは、図４のオフセット４０２及び４０４に対応する）、方向が反対で大きさが等しい電場及び磁場を形成する。

イオン３１０は図示のように四つの異なるイオン種を含む。すなわち、低質量イオン３３０、中低質量イオン３３２、中高質量イオン３３４、及び高質量イオン３３６である。低質量イオン３３０、中高質量イオン３３４、及び高質量イオン３３６は、質量分離アパーチャ板３４０に衝突し、アパーチャ３４２を通過して下部レンズ１０８に到達しない。中低質量イオン３３２は、図示のように、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕと下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌの両方を通過する。次いで、イオン３３２は、質量分離アパーチャ３４２を通過し、下部レンズ１０８によって基板表面３１２上に集束される。従来技術では、Ｅ×Ｂフィルタは、所望のイオン（本例では中低質量）を一般的には偏向させないで通過させるように調整される。図３の実施形態では、所望のイオンは偏向されてアパーチャ３４２を通過し、一部の望ましくないイオン（本例では、中高質量３３４）は、中性粒子３４６とともに、偏向されないでアパーチャ板３４０に衝突する。他の望ましくないイオンは、磁場によって大きく偏向されるか（例えば、低質量３３０）、あるいは小さく偏向されて（例えば、高質量３３６）、アパーチャ３４２を通過することができない。

中性粒子３４６は、Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０４の電場及び磁場によって偏向されず、このため、真っすぐ通過し、アパーチャ板３４０の孔３４２（Ｅ×Ｂフィルタ３０４の出射口の軸を規定する）がＥ×Ｂフィルタ３０４の入射軸３８０から変位量３２６だけずらして設けられているので、質量分離アパーチャ板３４０に衝突する。図３の概略図では、レンズ１０６によって偏向されない中性粒子について、基板３１２への経路が存在しないことが明確にはなっていないが、実際のシステムの幾何構造では、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕへの入射口側のアパーチャ、及び／又は、カラムにおける質量フィルタ３０４の下方のいずれかのアパーチャのような当業者によく知られている様々な手段によって、その経路が排除されている。通常、終端フィールドプレート３１６Ｕ及び３１６Ｌは、イオンが入射、出射するための開口をもって構成され、その開口はアパーチャとして機能するのに十分に小さいものである。アパーチャ板３４０に衝突するイオンは一点に集束するものではないので、イオンスパッタリングによって引き起こされるアパーチャ板のプレートの損傷は、広範囲に拡散したものとなる。したがって、アパーチャ板３４０について、阻止されたイオンによって板に望ましくないスパッタの孔が生じる可能性は低いので、アパーチャ板３４０は長持ちするのである。

図４は、中低質量イオン３３２の経路だけを示したものであり、上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕを通過する間は左側へ変位量Ａ（４０２）だけ移動し、下部Ｅ×Ｂ３０６Ｌを通過する間も同じ変位量Ａ（４０４）だけ変位する。変位量４０２と４０４とを合わせると２Ａであり、ビーム３３２がアパーチャ３４２（これも距離２Ａだけオフセットされている）を通過することを可能にし、それによって、ビーム３３２は基板１１２の表面上に集束されるように下部レンズ１０８に入射する。上部Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０６Ｕと下部Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０６Ｌは、図示のとおり、同一であって、２回回転対称軸４０６の周りに相対的にそれぞれ１８０°回転して配置されている。対称軸４０６は、上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕの軸と、質量分離の方向（電場３２０Ｕに平行）との両方に垂直であり、質量分離の方向に沿って距離Ａ（４０４）だけ上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕの軸からオフセットされている。したがって、中低質量イオン３３２は、上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕの中心線上に入射し、下部Ｅ×Ｂ３０６Ｌの中心線上から出射する。

本発明の２段の質量フィルタの構成は、図４に示すように、いくつかの重要な設計要素を一緒に組み合わせた点で従来技術とは異なるものであり、それらの要素のうちのいくつかは従来技術では見られない。

（１）アパーチャ板３４０の質量分離アパーチャ３４２は、質量フィルタ３０４の入射軸から距離２Ａだけ側方にオフセットされている。

（２）質量フィルタ３０４は、質量フィルタ３０４の入射軸と出射軸の両方から距離Ａだけオフセットされた回転対称軸４０６を有する。

（３）下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは、対称軸４０６の周りに、上部Ｅ×Ｂ質量フィルタに対して相対的に１８０°回転したものである。このため、対称性によれば、イオンビームが上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕを通過する間に生じるいずれの収差も、イオンビームが下部Ｅ×Ｂ３０６Ｌを通過するときに原則的には反対の方向へ打ち消される傾向がある（二つのＥ×Ｂフィルタ３０６Ｕと３０６Ｌが１８０°相対する向きであるため）。対称軸の上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕの側では、イオンビームは軸上に入射し、軸から距離Ａ（４０４）で出射する。対称軸の下部Ｅ×Ｂ３０６Ｌの側では、ビームは軸から同一の距離Ａ（４０２）で入射するが、軸上で出射する。

（４）下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌの軸は、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕに対して、イオンビームが上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕ側の対称軸で入射し、下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌ側の対称軸で出射するようにオフセットされている。

（５）質量フィルタの内部又は下方にはクロスオーバーがなく、それによって、空間電荷の影響及びアパーチャのスパッタリングが低減する。

従来技術の複数のＥ×Ｂ構成部を含む質量フィルタでは、個々のＥ×Ｂ構成部の対称軸は、図４に示すようにはオフセットされておらず、個々のＥ×Ｂ構成部は、収差を打ち消すように回転対称性を用いて１８０°相対する向きに配置されてはいない。複数のＥ×Ｂ構成部を含む従来技術の質量フィルタは、複数のＥ×Ｂ構成部（及び質量分離アパーチャ）がすべて同一の軸上に配置され、それらの間には相対的な回転の配位がないものとして記述されている。複数のＥ×Ｂ構成部を含む従来技術の質量フィルタの一例が「コリメートビームの集束イオンビームカラム用の色収差のない２段のステージを有するＥ×Ｂ質量フィルタ（Achromatic two-stage E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam）」Teichert,J.、Tiunov,M.A.著，「Measurement Science and Technology」第４巻（１９９３年）第７５４〜７６３頁に示されており、そこでは、二つのＥ×Ｂ構成部が以下のように述べられている。
（１）それらの入射対称軸と出射対称軸とで相対的なオフセットなし。
（２）各Ｅ×Ｂ構成部の１８０°の相対なし。
（３）対称軸に沿った二つのＥ×Ｂ構成部の間の可変のビームアパーチャ。このアパーチャはいくつかの軌道をブロックする傾向がある。
（４）Ｅ×Ｂ構成部の両方の集束の作用を補正するための二つのＥ×Ｂ構成部の間の非点収差補正装置。
（５）質量分離アパーチャのオフセットなし。二つのＥ×Ｂ構成部及び質量分離アパーチャはすべて同軸。

Teichertの報告には、組み合わされたＥ×Ｂ質量フィルタの詳細な収差の数式と収差の計算が含まれているが、これらの収差を低減するための基礎的な対称性の利用（回転とＥ×Ｂ軸のオフセット）について言及がない。代わりに、「極片間隔、極片幅、電極幅及び電極間の間隔についての最適値」（第３章第２節）などの設計上の特性が考慮されている。二つのＥ×Ｂ構成部の間に位置する非点収差補正装置は、両方のＥ×Ｂ構成部の集束の作用を補償する。

一実施形態では、シリコン・金合金液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）１１４は、Si⁺、Si⁺⁺、Si₂ ⁺⁺、Au⁺、Au⁺⁺、Au₂ ⁺、Au₃ ⁺⁺、AuSi⁺、AuSi⁺⁺、Au₂Si⁺⁺、及びAu₃Si⁺⁺を生成することができ、各イオンは、各々、１／２８、２／２８、１／（２＊２８）、１／１９７、２／１９７、１／（２＊１９７）、２／（３＊１９７）、１／（１９７＋２８）、２／（１９７＋２８）、２／（２＊１９７＋２８）、及び２／（３＊１９７＋２８）の質量電荷比（単位は、電気素量／ａｍｕ(atomic mass unit)）を有する。上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕは、約１０ｍｍ離された電極３１４Ｕを含み、約６００Ｖ／ｍｍの電場強度を生成するようにそれらの間に約６０００Ｖの電位差を有する。磁場強度３２２Ｕは、約４５００ガウスである。電極３１４Ｕ及び３１４Ｌの長さは、ビーム軸に平行に３２ｍｍでよい。下部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌの設定は、上部Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕの設定と同じであるが、電場及び磁場については大きさが同じであって極性が反対である。

図５は、図３に示したものに類似のＦＩＢカラムを示すが、すべてのイオン（低質量、中低質量、中高質量、及び高質量）が下部レンズへ通過し、基板の上に集束可能なように、質量分離アパーチャ板が除去されている。そして、この図によれば、色収差の補正がより良く理解できる（図１に対する図２と比較することができる）。下部Ｅ×Ｂ３１４Ｌから出射するすべてのイオンは、同一の仮想光源（マイナス無限遠）から分かれ出るように見えるため、すべてのイオンは、図３の中低質量イオンのように基板上の同じ位置に集束する（下部レンズの収差の影響は無視する）。また、すべての中低質量のイオンが、そのエネルギーには依存せずに、基板上の同じ位置に集束し、このため、Ｅ×Ｂウィーン質量フィルタにより生じる色収差が除去されることを意味する。つまり、異なる質量のイオンが基板１１２上の同じ位置に集束するだけでなく（質量分離アパーチャが存在しない場合）、質量が同じでエネルギーが異なるイオンが基板１１２上の同一のスポットに集束する（レンズ１０８の収差の影響は無視する）。したがって、図５の基板でのビームの位置を、図２のビームの位置と比較すると、二重偏向のＥ×Ｂフィルタの色収差の補正の動作が分かる。「略平行」なビーム３３０、３３２、３３４及び３３６の場合、仮想光源は先端部１１４からカラム３０２の長さの数倍に等しい距離（上方又は下方）になるが、同様のことが成り立つ。すなわち、すべてのビームは、同一の仮想光源の位置を有し、したがって、基板１１２上の同一のスポットに集束することとなる。

したがって、本発明の二重偏向のＥ×Ｂウィーンフィルタは、すべてのビーム（各種の質量及び／エネルギーをもつ）についての仮想光源が、公称質量及び公称エネルギーを有するビーム（この例では、中低質量イオン３４２）についての仮想光源と同一の位置にあるように、仮想光源を保持することによって、イオンビームにおける色収差を補正する。

従来技術ではＥ×Ｂフィルタの外側での電場及び磁場を低減するために終端プレートが使用されているが、Ｅ×Ｂフィルタの入射口と出射口でビームに悪影響を与える付帯的な場の変動が残ったままとなる。図３〜図５に示すような複数のＥ×Ｂフィルタを用いるシステムは、ビームに対するこれらの望ましくない場の影響を減らすことができる。Ｅ×Ｂフィルタ及び中低質量の軌道の対称性のレベルの重要性が図６〜図７に示されている。

図６及び図７は、図３及び４のシステムにおけるイオン源と静電偏向及び磁気偏向で生じ得る誤差の補正を示している。図６は、上部のイオン源１１４から質量フィルタ３０４を通過して、次いで下部レンズ１０８によって基板表面１１２上に集束される中低質量３３２の軌道（湾曲した中心線）を示す。すべてのＥ×Ｂ質量フィルタには、電場及び磁場の両方がゼロからＥ×Ｂ領域内部の場の強度に変化する入射口と出射口の領域がある。これらの領域では、Ｅ×Ｂフィルタの中央領域（電場と磁場を伴う）から外側領域（電場と磁場がほぼゼロである）にかけて、場が可能な限り急激に終端するようにすることが一般的には有利である。このことは、図１及び図２のプレート１５０のような終端フィールドプレート、図３〜図７のプレート３１６Ｕ及び３１６Ｌなどを用いて実現される。

しかしながら、終端プレートを用いたとしても、依然としていくつかの要因からこの領域に生じる収差が存在する。
（１）電場と磁場は正確に同じ比率では終端せず、したがって、イオンに対して正しくない合力が作用する。
（２）場が湾曲しており（すなわち、図１〜図７の紙面に対して、電場は平行でないし、磁場は垂直ではない）、その結果、ビーム偏向が紙面の外にはみ出る。

図６には、上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕと下部Ｅ×Ｂ３０６Ｌの電場による四つのビーム偏向誤差Ｅ１〜Ｅ４の例が示されている。収差Ｅ１〜Ｅ４は、上述した様々な要因から発生する可能性がある。上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕでは、入射口での誤差Ｅ１は左方向であるが、出射口での誤差Ｅ２は右方向である。下部Ｅ×Ｂでは、入射口での誤差Ｅ３は左方向であるが、出射口での誤差Ｅ４は右方向である。ここで、図４に示された２回回転対称軸４０６周りについての上部Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０６Ｕと下部Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０６Ｌとの間の基本的な回転対称性を考察する。上部及び下部Ｅ×Ｂ質量フィルタが非常に正確に作られ、同一の形状を有していると仮定すると、機構的な誤差又は電位差の誤差により生じるいずれの収差を無視することができ、上部及び下部Ｅ×Ｂ質量フィルタの入射口と出射口での電場及び磁場の分布に対して、すべて誤差が根源的であると仮定できる対称性によって、以下のように保たれる関係が推測される。
Ｅ４＝−Ｅ１
Ｅ３＝−Ｅ２

そして、本発明の二重偏向のＥ×Ｂ質量フィルタを通過する際の電場の誤差に起因するビームの収差の合計は以下のとおりとなる。
Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４＝Ｅ１＋Ｅ２＋（−Ｅ２）＋（−Ｅ１）＝０

したがって、上部及び下部Ｅ×Ｂフィルタの入射口及び出射口での電場の誤差によって生じる収差は、１次のオーダーに関しては（誤差の組合せは無視）、上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕに入射するイオンと下部Ｅ×Ｂ３０６Ｌから出射するイオンとの間のビーム偏向に正確に対応するそれらの間のオフセット２Ａを有する質量フィルタ３０４の全体的な対称性によって打ち消される。

図７は、上部Ｅ×Ｂ３０６Ｕ及び下部Ｅ×Ｂの３０６Ｌの磁場に起因するビーム偏向の誤差Ｍ１〜Ｍ４の例を示す同様の図である。上部Ｅ×Ｂでは、入射口での誤差Ｍ１は右方向であるが、出射口での誤差Ｍ２は右下方向である。下部Ｅ×Ｂでは、入射口での誤差Ｍ３は左上方であるが、出射口での誤差Ｍ４は左方向である。繰り返すが、上部及び下部Ｅ×Ｂフィルタアセンブリの基本的な２回回転対称性によって、以下のように保たれる関係が生じる。
Ｍ４＝−Ｍ１
Ｍ３＝−Ｍ２

本発明の二重偏向のＥ×Ｂ質量フィルタを貫く磁場の誤差に起因するビーム収差の合計は次のとおりとなるので、
Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４＝Ｍ１＋Ｍ２＋（−Ｍ２）＋（−Ｍ１）＝０

したがって、上部及び下部Ｅ×Ｂフィルタの入射口と出射口での磁場の誤差Ｍ１〜Ｍ４から生じる収差も、１次のオーダーに関しては（誤差の組み合わせは無視）、図６の誤差Ｅ１〜Ｅ４から生じる電場の場合と同様に打ち消される。

したがって、本発明の実施形態の二重偏向のＥ×Ｂ質量フィルタでは、従来技術に比べて以下の重要な利点を提供できる可能性がある。
（１）ビームのクロスオーバーを伴わない平行又は略平行ビームでの動作。
（２）質量フィルタから出射するビームからの中性粒子の除去。
（３）質量フィルタを通過するすべてのイオンの仮想光源の位置が保たれることによる色収差の打ち消し。
（４）電場及び磁場の終端の誤差から生じる入射口及び出射口での収差の低減。
（５）イオンビーム電流密度の拡散による質量分離アパーチャへのスパッタの低減。
（６）クロスオーバーを伴わないことによる空間電荷のビームエネルギーと拡散の低減。

図８は、本発明の方法の好ましい実施形態を示す。ステップ８０２では、異なる質量を有するイオンを生成するイオン源を準備する。ステップ８０４では、イオン源からの各イオンをビームに成形する。ステップ８０６では、各イオンを第１の方向に偏向させる。その偏向はイオンの質量毎に異なる。ステップ８０８では、各イオンは第２の方向に偏向させる。その偏向はイオンの質量毎に異なり、イオンの質量毎に異なる第１の方向における偏向と、イオンの質量毎に異なる第２の方向における偏向とが打ち消し合って、そのため異なる質量を有する各イオンは２倍に偏向して同一の方向に伝搬する。

二つの実施形態を説明したが、この質量フィルタは、終端フィールド板の別の設計及びコンセプトを含むこと、磁場を生成する別の方法（永久磁石及び/又は電磁石）を含むこと、及び別の極片（本願と同時に出願され、本発明の譲受人に譲渡された「大開口ウィーンE×Bフィルタ」（Wide Aperture Wien ExB Mass Filter）を参照）を含んでもよいことを当業者は容易に理解するであろう。

本実施形態では、エミッタ先端部を有するイオンを使用した場合を説明するが、エミッタ先端部を持たないイオン源（プラズマイオン源など）もまた本発明の実施形態に適用できる。

図３及び図４の実施形態では、ビームのクロスオーバーを持たないイオンカラムを示すが、一つ以上のクロスオーバーを持つカラムもまた本発明の実施形態で使用することができる。また、クロスオーバーを持たないビームも、本発明の一実施形態による１段のＥ×Ｂフィルタで使用することができる。本実施形態では、２段のＥ×Ｂフィルタを使用する場合を説明しているが、追加のフィルタを使用することもできる。例えば、第４のフィルタから出射するビームが、第１のフィルタへの入射ビームと同軸となるビームを提供するため、四つのフィルタを使用してもよい。また、三つのフィルタを使用してもよく、三つのフィルタの累積効果をもって、第１のフィルタに入射したビームに平行なビームを形成し、最終ビームは元のビームからオフセットされるか、あるいはオフセットされなくなる。

Ｅ×Ｂフィルタが説明されているが、他のタイプのフィルタ（球形又は円筒形などのキャパシタなど）も使用することができる。

本発明及びその利点について詳細に説明したが、ここに記載された実施形態に対しては、添付された特許請求の範囲により定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び修正が可能であると理解されるべきである。さらに、本出願の範囲については、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本発明、プロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法又はステップの開示によって、既存の技術、又は本明細書に記載された実施形態に対応し、実質的に同じ機能を果たしたり、実質的に同じ効果を奏したりする将来技術についても、本発明に従って利用可能であると容易に理解することができる。したがって、添付された特許請求の範囲は、上記のようなプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法及びステップをその範囲に含むものである。

１０６第１（上部）レンズ
１０８第２（下部）レンズ
１１２基板
１１４イオン源
３０２イオンカラム
３０４質量フィルタ
３０６Ｕ第１（上部）Ｅ×Ｂフィルタ
３０６Ｌ第２（下部）Ｅ×Ｂフィルタ
３４２質量分離アパーチャ
４０６回転対称軸

Claims

質量フィルタを含むイオンビームカラムであって、
異なる質量電荷比のイオンを生成するイオン源と、
前記イオン源からのイオンを第１軸に沿うビームに一次成形する第１レンズと、
前記第１軸から離れるような第１のビーム偏向を形成する第１の質量フィルタステージであって、前記第１のビーム偏向が前記ビーム中の各イオン毎の質量電荷比に基づくものであり、前記第１軸が前記第１質量フィルタステージの対称軸であり、
前記第１軸と前記第１のビーム偏向の両方に垂直に向き、前記第１のビーム偏向に平行方向にオフセットされる回転対称軸と、
前記回転対称軸の周りに１８０°回転して配置された第２の質量フィルタステージであって、前記第２の質量フィルタステージの対称軸が第２軸であり、前記第２の質量フィルタステージは前記第１のビーム偏向とは反対の第２のビーム偏向を形成し、異なる質量電荷比のイオンのうち一つが前記第２の質量フィルタステージを出射するように、前記第１及び第２の質量フィルタステージにおける偏向の合計が、前記第１軸と前記第２軸との間の距離に対応し、
前記第２の質量フィルタステージからのすべてのイオンのうちの一部を通過させ、前記第２軸を中心として配置される質量分離アパーチャと、
前記第２の質量フィルタからのイオンを受け取り、それらイオンを基板表面上に集束させる第２レンズと、を備え、
前記第２の質量フィルタステージが前記基板表面での前記第１の質量フィルタステージからの色収差を打ち消すことを特徴とするイオンビームカラム。
前記第１の質量フィルタステージ及び前記第２の質量フィルタステージがＥ×Ｂフィルタであることを特徴とする請求項１に記載のイオンビームカラム。
前記イオン源が液体金属イオン源であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビームカラム。
前記イオン源がプラズマイオン源であることと請求項１又は２に記載のイオンビームカラム。
前記イオンが前記第１の質量フィルタステージに略平行ビームとして入射することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のイオンビームカラム。
前記第２レンズステージが、無限遠方に置かれた仮想光源からの異なるエネルギーを有するイオンを集束させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のイオンビームカラム。
前記第２の質量フィルタステージが、前記第１の質量フィルタステージからフリンジ電場による収差をおおむね打ち消すことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のイオンビームカラム。
異なる質量を有するイオンを生成するイオン源からのイオンビームを提供する方法であって、
イオン源から異なる質量を有するイオンを生成し、
前記イオンをビームに形成し、
前記イオンを第１の方向に偏向させ、その偏向をイオンの質量毎に異なるものとし、
前記イオンを第２の方向に偏向させ、その偏向をイオンの質量毎に異なるものとし、
前記イオンの質量毎に異なる第１の方向における偏向と、前記イオンの質量毎に異なる第２の方向における偏向とを打ち消し合って、前記異なる質量のイオンが２倍に偏向されて同一の方向に伝搬することを含む方法。
前記イオンを第１の方向に偏向させる際は、前記イオンを第１のＥ×Ｂ質量フィルタに通過させることを含み、
前記イオンを第２の方向に偏向させる際は、前記イオンを第２のＥ×Ｂ質量フィルタに通過させることを含む請求項８に記載の方法。
前記イオンの一部がアパーチャを通過するが、他のイオンは阻止され、前記アパーチャの中心が前記第１のＥ×Ｂフィルタの光軸からオフセットされている請求項８又は９に記載の方法。