JP2014032836A - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低エミッションで動作させることでイオンビームの放射角を小さくすることにより、安定で長寿命の液体金属イオン源およびこれを搭載した集束イオンビーム装置を提供する。
【解決手段】エミッタ１０１、引出電極４０８および加速電極４０１を有する液体金属イオン源において、前記エミッタ１０１を絶縁碍子４０２を介してピエゾアクチュエータ４０３とその駆動機構４０４で支持し、前記エミッタ１０１を引出電極４０８の極近傍に接近させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体金属イオン源を備えた集束イオンビーム（ＦＩＢ）に関する。

現在、集束イオンビーム装置は透過電子顕微鏡試料作製、断面観察、半導体デバイスの修正、マイクロマシニング等様々な用途で用いられている。この装置はイオン源から引き出したイオンビームをレンズで集束して試料に照射するものであり、微小領域での試料の加工、観察を行うことができる。図1に液体金属イオン源を備えた集束イオンビーム装置の一例を示す。

本発明は集束イオンビーム装置のうち、主にイオン源及び引出電極に関するものであるため、この部分の従来構成について説明する。図2は液体金属イオン源の概略構成図である。引出電極部102は、図におけるエミッタ10１からイオンを引き出す電界を発生させるための引出電極102aと、引き出されたイオンビームの電流量を制限するアパーチャ102bから構成される。エミッタ1には正の電位である加速電圧が印加され、引出電極部102には加速電圧よりも低い電位である引出電圧が印加される。引出電極102aとアパーチャ102bは物理的に接触させることにより同電位としている。特許文献1がその一つの例である。

特開２０１０−１０２９３８号公報 特開２０１０−２７７９３２号公報 特許第４２９９０７４号公報 特許第３４７３２６５号公報

上記のようなイオン源において、通常エミッション電流の安定性の問題からエミッション電流は1uA〜数uAとして用いられている。これは主として、これ以上のエミッション電流に対しては放射イオンのエネルギーばらつきが大きくなり、集束性が低下するという理由による。通常用いられる液体金属イオン源を数uAのエミッション電流で動作させた場合、イオンビームの開き角が大きくなってしまう。よって、イオン源の下流に開口径数mmのレンズ部等を設けた場合、その電極部にイオンビームが衝突してしまうことになり、集束イオンビーム光学系の設計が困難になる。以上のような理由から、引出電極直下にイオンビームの開き角を制限するための電流制限アパーチャ102bの設置が必須であった。しかし、大量のイオンビームが電流制限アパーチャに衝突してしまうため、アパーチャ102bがスパッタされて生じた粒子がエミッタ101に到達することによりイオン材料の供給が阻害され、エミッションの安定性を悪化させることがある。このような問題を解決する従来技術として、特許文献2においては、エミッタ101と同じ金属を母材としてアパーチャ102bと構成し、イオンビームが照射される領域にイオン材料である液体金属の溜まりを設けたものが知られている。また、特許文献3においてはイオンビームが電極に衝突する際のエネルギーを小さくすることによりスパッタ粒子を抑制する試みが行われている。

同様に、イオンビームがアパーチャ102bに衝突した際には大量の二次電子も同時に発生する。図3(a)は従来の引出電極部の構成図、(b)は引出電極部内の電場計算結果、(c)は発生した二次電子の軌道計算図を示す。ただし、図3はエミッタ101の電位を基準にとって引出電極102に-8kVの電圧を印加し、発生する二次電子のエネルギーを20eVとしたときの軌道計算結果である。イオンビームがアパーチャ102bに照射されることによって発生した二次電子は、図3(b)、(c)で示すように、イオンを引き出すための電界によってイオンビームの進行方向と逆の方向、エミッタ1に向かって引き上げられる。さらに、引き上げられた二次電子はエミッタ101と引出電極102の電位差分のエネルギーを持つ。よってエミッタ101へ8keVのエネルギーを持った電子線を照射することと同じになり、コンタミ付着や二次電子加熱による温度上昇発生によりイオン材料の供給を阻害され、エミッタ101からのイオン放出が不安定になるという問題が発生する。特許文献4においては、二次電子を反発させるような電位を形成することによりエミッタに逆流する二次電子を防止している。

しかし、これらのイオン源の動作方法では、引き出したイオンの大部分を遮断することによって効率よくイオンを利用できておらず、イオン源の長寿命化の妨げとなっている。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、より安定で長寿命のイオン源を搭載した集束イオンビーム装置を提供することを目的とする。

正の電位が印加されている液体金属イオン源と、該液体金属イオン源のエミッタ先端部に対向する位置に設けられ、イオンビームを引き出すために該エミッタよりも低い電位が与えられている引出電極を備えたイオン源において、該エミッタを該引出電極の極近傍に接近させるための駆動機構を備えたことを特徴とするイオン源。

本発明によれば、液体金属イオン源を極めて低エミッションで動作させることが可能となることでイオンビームの放射角を小さくすることができ、必須であった電流制限アパーチャを不要とすることができる。また、低エミッションで動作させることにより、液体金属イオン源の寿命を飛躍的に延ばすことが可能となる。また本発明により、引出電圧を数100Vとしてイオンを発生させることができるため、イオン光学系の設計尤度を大幅に広げることが可能である。

従来の集束イオンビーム装置におけるイオン光学系の構成を示す図である。 従来のイオン源及び引出電極部の構成を示す図である。 引出電極部の構成図と電場及びアパーチャから発生した二次電子の軌道をシミュレーションした図である。 本発明の実施の形態に係るイオン源部の構成を示す図である。 本発明のイオン源における引出電圧とエミッション電流の関係を示した図である。 本発明のイオン源におけるエミッション安定性を示した図である。 本発明イオンビームを用いて引出電極に穴を開ける方法を示した図である。 本発明の実施の形態に係る引出電極作製のフローチャートを示す図である。 本発明の実施の形態に係る集束イオンビーム装置のイオン光学系の構成を示す図である。 クロスビーム、平行ビームそれぞれのビーム軌道を示した図である。 クロスビーム、平行ビームそれぞれのビーム特性を示した図である。

本発明者らは、通常の液体金属イオン源において1uA以下の低エミッション電流で安定してイオン源を動作させるためには、エミッタに逆流するスパッタ粒子や二次電子を排除した上でエミッタと引出電極の間に極めて平行度の高い電界を印加する必要があるということに着目した。

本発明はこのような観点からなされたものであり、正の電位が印加されている液体金属イオン源と該イオン源のエミッタ先端部に対抗する位置に設けられ、イオンビームを引き出すために該イオン源よりも低い電位が与えられる引出電極を備えたイオン源において、該エミッタ先端部を該引出電極の極近傍に接近させるためのピエゾアクチュエータと開口径が10um以下及びアスペクト比1以上である引出電極を備えたものとする。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

液体金属イオン源のエミッタと引出電極の間に平行度の高い電界を印加し、低エミッション電流で安定してイオン源を動作させるためには、(1)エミッタと引出電極の距離を数um程度まで近づける、(2)引出電極の開口径を10um以下程度に小さくする、(3)エミッタと引出電極の開口部の軸を高精度に一致させる、という三つの条件が必要である。

図3に示した液体金属イオン源は、エミッタ101部分に駆動機構404及びピエゾアクチュエータ403、ピエゾアクチュエータ403とエミッタ101を絶縁するための碍子402が設けられている。碍子402においては、ピエゾアクチュエータ403とエミッタ101を絶縁することが出来るものであればどのような素材を用いても良い。これらの機構によってエミッタ101と引出電極408を極近傍に近づけることが可能となり、前記(1)の条件を満たすことができる。また、ピエゾアクチュエータ403を三次元的に駆動可能とすることで、前記(3)を満たすようにエミッタ101の位置調整を行うことが可能となる。具体的には、引出電極下流にイオンビーム電流を測定する機構を設け、イオンビーム電流値が最大となるようにピエゾアクチュエータ403を用いてエミッタ101の位置を微調する。ピエゾアクチュエータにはクリープと呼ばれる長時間に渡る変位変化があり、狙った位置にエミッタ101を留めておくことが出来ないという問題が考えられるが、ピエゾアクチュエータの位置変化を変位センサで読み取り、変位フィードバック制御を行うことで高安定にエミッタ101の位置を決定することが可能である。

次に、前記(2)の開口径が10um程度の引出電極作製法について述べる。そのような極めて小さい穴を開けることは、ドリルによる切削加工では困難である。そこで径が10um程度のポンチによる打ち抜き加工や、イオンビームによる加工といった方法が考えられる。またMEMS、半導体産業で用いられるドライエッチング、リソグラフィマスクを用いたメッキ製膜といった方法も有効である。高精度に加工を行うためには径と深さの比率（アスペクト比）を小さくすることが有効であり、引出電極の下側にテーパを設けて加工を行う部分の電極の厚みを小さくするといった手段が考えられる。ただし、開口部分のアスペクト比が１以上でないと平行度の高い電界を発生させることができないので、それ以下の値にならないようにすることが重要である。

実際にエミッションを行った場合の特性を図5、図6に示す。イオン源内の真空度は1x10^-5Paとし、エミッタと引出電極間の距離は1umとした。エミッションは引出電圧約90Vから始まり、引出電圧約150Vで約150nAのエミッション電流が得られた。そして、図6に示すように１秒後には安定したエミッションが得られた。従来は引出電極に数kVを印加してイオンを引き出さなければならなかったが、本発明により引出電圧を数100Vと小さくすることができる。よって引出電圧の電源として、バッテリーや太陽電池を用いることができ、電源構成を単純化できる。また、エミッション電流が約150nAという極めて低エミッションでイオン源を動作させることができる。15mgのガリウムを搭載した液体金属イオン源であれば、従来約1000時間であった寿命を10000時間以上に飛躍的に延ばすことができる。

実施例1の中で述べたように、開口径が10um以下の引出電極を作製する方法はいくつか存在する。その中でエミッタから引き出したイオンビームを引出電極に照射して穴を開ける方法を用いれば、ピエゾアクチュエータを用いたエミッタと引出電極の軸合せを不要にすることができる。図7に引出電極作製時の概略図を、図8に引出電極作製のフローチャートを示す。まずエミッタ101と引出電極701を10um程度に近づける。引き出し電極701の材料は、液体金属イオン源の特性を変えない物を選択する。作製する開口部のアスペクト比を1以上にするため、イオンビームが照射される部分の厚さを10um程度にしておくことが重要である。この状態で引出電圧405を約1kVとし、エミッション電流を約1uAにしてイオンビームを引き出し、引出電極701に照射する。イオンビームが引出電極701を貫通するまで照射を行うことで、引出電極701に直径およそ10umの穴を開けることができる。その後一旦引出電圧405の印加を停止し、ピエゾアクチュエータを用いてエミッタ101と引出電極701の距離を1umまで近づける。そして引出電圧405を100V程度印加することで、低エミッションでイオン源を動作させることが可能である。引出電極穴作製の際に、引出電極材料が液体金属イオン源のエミッタに付着するため、加工後に一度加熱（フラッシング）を実施することで安定にエミッションを発生させることができる。フラッシング法方法は通電加熱が用いられるが、電子衝撃、レーザを用いた方法でも良い。フラッシングは800℃、30s程度で実施する。フラッシング時は多量のイオンが放出されるためエミッタの先端が伸び、引出電極に接触してしまう可能性がある。よってフラッシング時は前記の調整機構を用いて10um程度まで離すことで液体金属の接触を回避することが必要である。

図9は集束イオンビーム装置における、基本構成のイオン光学系に本発明を適用した例である。103は引き出されたイオンビームを加速、集束させるための集束レンズであり、104はイオンビームの電流値を調整するための絞りであり、901は該絞り104から発生する二次電子をエミッタ方向に引き上げることを阻止するための永久磁石である。105はイオンビームの軸調整や非点収差補正を行うアライメント/スティグマ電極である。106はビームをブランキングするためのブランキング電極であり、107はブランキングしたイオンビームを導入するためのブランキングアパーチャである。108はイオンビームを試料上で走査、偏向するための偏向器である。109はイオンビームを照射する試料に対向して設置された静電型の対物レンズであり、イオンビームを試料上でナノメートル程度の細さに絞って照射することができる。110はイオンビームが照射される試料、111は該試料110を設置するステージである。

集束イオンビーム装置において、試料に照射されるイオンビームのプローブ電流はおよそ1pA〜100nAの範囲で使用されるため、イオン源のエミッション電流を最大プローブ電流に近い値にすることが理想的である。ガリウムを用いた液体金属イオン源の放射角電流密度は約20uA/Srであるため、エミッション電流を100nAとした場合、エミッタから放出されるイオンビームの開き角は約40mradとなる。例えばエミッタ101と引出電極408の距離を1umとした場合、引出電極を通過するときのイオンビームの広がりは80nmとなるので、引出電極の開口径が数umであればイオンビームは引出電極に衝突することなく通過すると考えられる。また、エミッタと引出電極を近づけた場合、イオンビームを引き出すために引出電極に印加する電圧は100〜数百Vと予測できる。よって引出電極を通過した時点ではイオンビームのエネルギーが数百eVと小さく、集束イオンビーム装置として加工・観察を行うために引出電極下部に加速電極が必要である。例えばエミッタから15mmの位置に加速電極を設置する場合は、イオンビームの広がりが1.2mmとなるので、それより大きな開口径を有した加速電極を設置する必要があるが、十分実現可能である。また、従来の集束イオンビーム装置では引出電圧を数kVとしているため、例えば1kV以下の低加速電圧条件で場合、イオンビームが引出電極のレンズ効果によってクロスしてしまうという問題が発生する。図10(a)にビームがクロスした場合のビーム軌道、(b)に平行ビームとした場合のビーム軌道の模式図を示す。通常集束イオンビーム装置は、図10(b)のような平行ビームを作り、集束レンズ103と対物レンズ109の間に複数の開口径を有した絞り104を設置して電流量を調節する。しかし、ビームがクロスしてしまっている場合は絞り104を用いて電流量を制御することが困難になる。図11はクロスビームと平行ビームそれぞれの場合のビーム特性を示した図である。クロスビームの場合は平行ビームにおける同じビーム電流に対してビーム径が大きくなっており、ビームの質が低下していることが分かる。本発明を用いて引出電圧を小さくすれば、低加速電圧時にイオンビームがクロスするという問題点を無くすことができる。

また、絞り104によってイオンビームの電流量を制限した場合は、加速電圧で加速されたイオンビームが絞り104に衝突することによりスパッタ粒子や二次電子が発生するが、絞り104とエミッタ101の距離を十分離して配置することでそれらの影響を少なくすることができる。絞り104から発生する二次電子については、ほとんどの二次電子の運動エネルギーが20eV以下であるため、永久磁石901を用いてエミッタへの逆流を抑制することが可能である。永久磁石は電子をらせん運動させることで真空容器内面に衝突させ、エミッタへの直接入射を抑制するという効果を持つ。新たに電極を配置して阻止電界を発生させ、二次電子のエミッタ側への引き上げを抑制するという手段も有効である。これらの手段を用いて二次電子の除去を行う場合、永久磁石や電極にイオンビームが照射されないように設計することが重要である。

本発明におけるイオン源はIn、Sn、Biなどの金属や、Au-Be-Si、Ga-Inなどの合金でも良い。合金をイオン源とする場合はExBなどの質量分析器をFIB光学系に搭載することにより、特定の質量/電荷比を持ったイオンを選択することができる。

101：エミッタ
102,408,701：引出電極部
103：集束レンズ
104：ビーム制限絞り
105：アライナ/スティグマ
106：ブランキング電極
107：ブランキングアパーチャ
108：偏向器
109：対物レンズ
110：試料
111：試料ステージ
201：イオンビーム、
301：引き出し電極内等電位面
302：二次電子軌道
401：加速電極
402：碍子
403：ピエゾアクチュエータ、
404：駆動機構
405：加速電圧
406：引出電圧
407：ピエゾアクチュエータ駆動電圧
901：永久磁石

Claims (9)

1. 正の電位が印加されている液体金属イオン源と、該液体金属イオン源のエミッタ先端部に対向する位置に設けられ、イオンビームを引き出すために該エミッタよりも低い電位が与えられている引出電極を備えたイオン源において、該エミッタを該引出電極の極近傍に接近させるための駆動機構を備えたことを特徴とするイオン源。
   
2. 請求項1記載のイオン源において、該エミッタを駆動させる機構としてピエゾアクチュエータを用いることを特徴とするイオン源。
   
3. 請求項1記載のイオン源において、開口径が10um以下である引出電極を備えたことを特徴とするイオン源
   
4. 請求項1記載のイオン源において、引き出したイオンビームを加速するための加速電極を該イオン源の下流に有する集束イオンビーム装置。
   
5. 請求項4記載の集束イオンビーム装置において、上記加速電極の下流にビーム電流制限絞りを備えたことを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
6. 請求項5記載の集束イオンビーム装置において、上記加速電極と上記ビーム電流制限絞りの間に永久磁石を配置したことを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
7. 請求項１記載の引出電極において、開口部を前記液体金属イオン源から引き出したイオンビームを照射することによって形成したことを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
8. 請求項１記載の引出電極において、開口部を前記ピエゾアクチュエータに搭載した径10um以下のポンチによる打ち抜き加工で形成したことを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
   
9. イオン源と引出電極の間に電位差を設けてイオンビームを放出するステップと、前記イオンビームにより前記引出電極に穴を開けるステップと、前記イオン源を引出電極に近づけるステップを有することを特徴とするイオン源の製造方法。