JP2014165174A - 集束イオン・ビームの低ｋＶ強化 - Google Patents

Abstract

【課題】スポットサイズを大幅に向上した低エネルギーの集束イオンビーム装置を提供する。
【解決手段】集束イオン・ビーム・カラム１０１の中間部に、レンズ系１０４、１０５および走査八極子１３５を備えた、負の高電圧にバイアス可能なブースタ管１２０を配置し、最終的なビーム・エネルギーよりも高いエネルギーでビームが移動することを可能にする。ブースタ管１２０の電圧は、負の高電圧および接地の二つのモードで動作可能であり、走査八極子１３５の電圧はブースタ管１２０の電圧と関係づけられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、集束イオン・ビーム・システムなどの荷電粒子ビーム・システムに関する。

集束イオン・ビーム・システムは、加工物またはターゲットに荷電粒子を導いて、加工物を処理しまたは加工物の画像を形成する。荷電粒子ビーム・システムは、例えば集積回路製造および他のナノテクノロジ処理において使用されている。荷電粒子ビーム・システムは一般に、粒子源、ビーム・ブランカ（ｂｅａｍ ｂｌａｎｋｅｒ）、加速レンズ、集束光学部品および偏向光学部品を含む。

高分解能の集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）は、顕微鏡観察、リソグラフィ、マイクロ機械加工（イオン・ミリングおよび材料付着）、ドーパント注入などのさまざまな作業に対して有用であることが分かっている。長年にわたり、気相電界イオン化（ｇａｓ−ｐｈａｓｅ ｆｉｅｌｄ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、プラズマおよび液体金属を含むいくつかのイオン源が、集束イオン・ビーム用途向けに開発されてきた。これまでに開発された全てのイオン源の中では液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）が最も有用であることが分かっており、ＬＭＩＳは現在、最も広範囲に使用されている。液体金属イオン源の有用性は基本的に、１０ｎｍ程度のスポット・サイズを有する集束イオン・ビームを生成し、同時に１ｐＡから１０ｐＡの範囲の電流を維持することを可能にするその非常に高い輝度に由来する。これらの特性は、現状技術のある範囲のナノテクノロジ作業を実行するのに必要な分解能およびイオン電流を集束イオン・ビームに与える。

広範囲に使用されているにもかかわらず、既存のイオン源は、より広い用途およびより高い分解能に向けての進展を妨げる限界を有する。ターゲットにおける入射エネルギーが５ｋｅＶよりも大きい高入射エネルギーの集束イオン・ビームの使用は、加工物に対する重大な損傷を引き起こしうる。しかしながら、低入射エネルギーのビームを使用すると、薄い薄片（ラメラ、ｌａｍｅｌｌａ）を製作するのに必要なスポット・サイズ性能が低下する。

したがって、低ｋｅＶの入射エネルギーを有する集束イオン・ビームでありながら有効なスポット・サイズを生み出す集束イオン・ビームを提供する改良されたシステムおよび方法が求められている。低ｋｅＶにおいて改良された集束イオン・ビームは、低Ｃ対物レンズまたは切換え可能な４極／５極レンズによって達成することができる。

陰極レンズ（ｃａｔｈｏｄｅ ｌｅｎｓ）は界浸比（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）が大きいほど強力になる。軸上収差係数は、界浸比ｋの増大とともに大幅に低下する。例えば、低入射エネルギーでの分解能に大きな影響を有する色収差係数Ｃは界浸比ｋにほぼ反比例する。これは、ビームの減速が使用されない場合に見られる、低ビーム・エネルギーでのビーム直径の劣化に対する部分的な補償につながる。しかし、低Ｃ対物レンズおよび切換え可能な４極／５極レンズを使用したときの性能の向上は非常に小さく、極めて薄いレンズを画像化し製作するのには不十分である。

さらに、結果として生じるビームのエネルギー幅を大きくすることなく源からのイオンを加速することは難しい。イオン源の空間的広がりが大きいほど、イオンを一点に集束させることが難しくなる。プローブ・サイズをより小さくし、このようなシステムが理論上生み出しうる分解能を達成するためには、システムの改良が必要である。

集束光学部品は、ターゲットの表面のスポットまたは予め決められた形状にビームを焦束させる。集束光学部品は一般に、コンデンサ・レンズ（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｌｅｎｓ）と対物レンズの組合せを含む。このレンズは、静電レンズ、磁気レンズまたは静電レンズと磁気レンズのさまざまな組合せとすることができる。光学レンズと同様に、荷電粒子レンズも、粒子が鮮明な像を結ぶことを妨げる収差を有する。この収差は、レンズの中心を通過する荷電粒子に対して最小であり、レンズの中心からの距離が増大するにつれて大きくなる。したがって、荷電粒子ビームは、レンズの中心のすぐ近くを通過することが望ましい。「ビーム相互作用（ｂｅａｍ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）」と呼ばれる１つのタイプの収差は、ビーム中の全ての粒子が同じ電荷を有し、互いに反発するために生じる。粒子が互いに接近すればするほど反発力は大きくなる。粒子は一般に対物レンズを通過した後に収束するため、対物レンズを加工物のできるだけ近くに配置して、粒子が高密度のビームに集束している時間を短くすることが望ましい。対物レンズと加工物の間の距離は「作動距離（ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）」と呼ばれる。

偏向光学部品は、加工物の表面の「ドエル点（ｄｗｅｌｌ ｐｏｉｎｔ）」または「画素（ｐｉｘｅｌ）」と呼ばれる点にビームを導く。ビームは例えば、ラスタ・パターンもしくは蛇行パターンで導くことができ、または個々の点に向かって任意の順序で導くこともできる。ビームは一般に、「ドエル期間（ｄｗｅｌｌ ｐｅｒｉｏｄ）」と呼ばれる指定された期間の間、一点に留まって、指定された「照射量（ｄｏｓｅ）」の荷電粒子を送達し、次いで次のドエル点に偏向される。ドエル期間の持続時間は、「ドエル時間（ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）」または「画素レート（ｐｉｘｅｌ ｒａｔｅ）」と呼ばれる。（より適切には、画素「レート」は、１秒あたりに走査される画素の数を指し、この用語は、ビームがそれぞれの画素に留まる時間を示す目的にも使用される。）
偏向光学部品は磁気光学部品または静電光学部品とすることができる。集束イオン・ビーム・システムではこの偏向光学部品が一般に静電光学部品である。集束イオン・ビーム用の静電偏向器は一般に八極子（ｏｃｔｕｐｏｌｅ）である。すなわち、それぞれの偏向器が、円周に沿って配置された８つのプレートを含む。これらの８つのプレートに異なる電圧を印加して、光軸から遠ざかるさまざまな方向にビームを偏向させる。

対物レンズの下に偏向器を置いた場合、ビームは対物レンズの中心を通過して、収差を最小化することができる。このような構成は例えば、本発明の譲受人であるＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙによって販売されているＶｉｓＩＯＮ Ｓｙｓｔｅｍで使用されている。しかしながら、対物レンズの下に偏向器を置くと作動距離が大きくなり、それによってビーム収差が増大する。

作動距離を最小化するために、対物レンズの上に偏向器を置くことができる。しかしながら、対物レンズの上に偏向器があると、ビームを偏向させたときに、ビームがレンズの中心から遠ざかり、それによってある種の収差が増大する。この問題を解決するため、多くの集束イオン・ビーム・システムは２段偏向器を使用する。

極めて薄い薄片を処理するのに必要な最適なスポット・サイズを、ターゲットへの入射エネルギーを大きくすることなしに達成することができる集束イオン・ビームが求められている。

本発明の目的は、従来の集束イオン・ビーム・スポット・サイズよりも大幅に向上したスポット・サイズを低ｋＶを使用して形成する方法および装置を提供することにある。

本発明は、ＦＩＢカラムの中間部分を負の高電圧にバイアスして、カラムの中間部分内において、最終的なビーム・エネルギーよりも高い電位でビームが移動することを可能にする。ＦＩＢカラムの中間部分を負の高電圧にバイアスすることは、収差およびクーロン相互作用を低減させるのに役立つ。その結果、低ｋＶにおけるスポット・サイズが大幅に向上する。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

一般的な集束イオン・ビーム・システムの略断面図である。 接地された中間部分を含む一般的な集束イオン・ビーム・システムを示す図である。 ブースタ管（ｂｏｏｓｔｅｒ ｔｕｂｅ）を有する集束イオン・ビームの略断面図である。 ブースタ管を有するシステムとブースタ管のないシステムのプローブ・サイズとプローブ電流の関係を示すグラフである。 ブースタ管を有するシステムとブースタ管のないシステムのプローブ・サイズとプローブ電流の関係を示すグラフである。 ブースタ管を有するシステムとブースタ管のないシステムのプローブ・サイズとプローブ電流の関係を示すグラフである。

本発明は、集束イオン・ビーム・カラムの中間部分を負の高電圧にバイアスすることによって、集束イオン・ビームが生み出すスポット・サイズを大幅に向上させる。本発明は、極めて薄い薄片を製作するときに特に有用である。

図２は、電子源１０２を有する本発明の実施形態に基づく集束イオン・ビーム・カラム１０１を示す。電子源１０２の光軸は、集束イオン・ビーム・カラム１０１の全長に沿って延び、ターゲット１０６まで導かれる。集束イオン・ビーム・カラム１０１は、２つのレンズ系１０４、１０５を備える。レンズ系１０４は、３つの電極１１０、１１１および１１２からなる。レンズ系１０５は、３つの電極１１３、１１４および１１５からなる。

本発明の実施形態によれば、集束イオン・ビーム・カラム１０１の中間部分がブースタ管１２０からなる。このブースタ管は、集束イオン・ビーム・カラム１０１の中間部分の構成要素をカプセル封入する管からなることができる。ブースタ管１２０の管は、チタン合金など、管の中の構成要素をグランド電位から電気的に絶縁することを可能にするさまざまな材料からなることができる。ブースタ管１２０が、物理的な管からなる必要は必ずしもない。ブースタ管１２０が、集束イオン・ビーム・カラム１０１の中間部分を構成し、中間部分をより高い電圧レベルにセットすることができるシステムを指すこともある。図２では、ブースタ管１２０が、レンズ１１２、ビーム画定絞り（ｂｅａｍ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）（ＢＤＡ）１３０、カラム分離弁（Ｃｏｌｕｍｎ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｖａｌｖｅ）（ＣＩＶ）１３２の差動排気絞り（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）（ＤＰＡ）１３１、ステアリング極（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｐｏｌｅ）１３３、ブランキング・プレート（ｂｌａｎｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ）およびファラデー・カップ（Ｆａｒａｄａｙ ｃｕｐ）１３４、走査八極子（ｓｃａｎ ｏｃｔｏｐｏｌｅ）１３５およびレンズ１１３からなる。

用語ビーム画定絞り（ＢＤＡ）は通常、穴または絞りだけでなく円板形の要素自体をも記述するために使用される。ＢＤＡの絞りはかなり小さく、元のビームの小さな部分だけがこの絞りを通り抜けてターゲット１０６に達することができる。ＤＰＡ１３１は、カラム内に置かれ、真空室とカラムとで真空レベルが異なる装置の動作を可能にする。ＣＩＶ１３２は、室の真空が失われた場合にイオン源と集束カラム装置とを閉め切り、イオン源および集束カラム装置を保護するために存在することができる。ビーム・ブランカは、ビームをブランキングして、加工物にイオンが当たらないようにする選択肢を与える。任意選択のファラデー・カップ１３４を使用してイオン・ビーム電流を測定することができる。集束イオン・ビームは、走査プレート１３５によってターゲット１０６の表面を走査される。

先行技術の集束イオン・ビーム・カラムでは一般に、集束イオン・ビーム・カラム１０１の中間部分が０Ｖのグランド電位に接続される。先行技術の集束イオン・ビーム・カラムが図１Ａに示されており、このカラムにはブースタ管が存在しない。さらに図１Ｂに示されているように、従来のシステムは、対物レンズ、偏向器などの集束イオン・ビーム・カラムの構成要素を有し、それらの構成要素は接地される。

本発明の実施形態によれば、ブースタ管１２０を負の高電圧にバイアスして、最終的なビーム・エネルギーよりも高い電位でビームが移動することを可能にする。ブースタ管１２０および構成要素は、グランドから電気的に絶縁されていなければならない。ブースタ管１２０は、レンズ系１０４の最後のレンズ１１２、ＢＤＡ１３０、ＤＰＡ１３１、ＣＩＶ１３２、ステアリング極１３３、ブランキング・プレートおよびファラデー・カップ１３４、走査八極子１３５およびレンズ系１０５の最初のレンズ１１３を、一般にグランド電位に電圧がセットされる従来のシステムよりも高い電圧にセットすることを可能にする。

ブースタ管１２０を使用すると、ターゲット１０６上の最終的なスポット・サイズが小さくなる。電気を帯びたイオンは互いに反発し、焦束イオン・ビーム・カラム１０１に沿って移動するときにビーム軸に対して垂直な速度成分を獲得する。焦束イオン・ビーム管１０１の中間部分内の電圧を高くすることによって、イオンのエネルギー幅はより小さくなり、その結果、ターゲット１０６における最終的な分解能がより高くなる。

集束イオン・ビームの大部分の用途では、イオンを数ｋｅＶにまで加速させる必要がある。従来の静電電極を使用してイオンを長い距離にわたって加速させるときには、場の均一性を保証するために、それらの電極の面積が、それらの電極間の距離の２乗程度である必要がある。レンズによって、イオンを、ビーム経路に沿ってターゲットの前で集束させる場合には（いわゆる「クロスオーバ」）、イオン間のクーロン力によってイオン・ビームの質が低下し、その結果、ビームを再集束させときにスポット・サイズが再び大きくなる。集束イオン・ビームの中間部分をより高い電圧にバイアスすることにより、このシステムは、望ましくないクロスオーバ効果およびクーロン力を低減させ、それによってターゲット１０６におけるスポット・サイズを大幅に向上させる。

本発明の実施形態はこれらの問題に対処し、ブースタ管１２０を使用することによって高分解能のビームを生成する。エネルギーが大きいほどターゲット１０６の損傷は大きくなる。入射エネルギーのエネルギー・レベルを低下させることが好ましい。これらのそれぞれの図に示されているように、ブースタ管１２０に印加する電圧をより高くすることによってスポット・サイズは大幅に向上する。

図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、さまざまなブースタ管エネルギー・レベルにおけるプローブ・サイズとプローブ電流の関係を示す。示されているように、それぞれの場合において、ブースタ管の使用は、ターゲットにおけるスポット・サイズを大幅に低減させている。ブースタ管１２０は、負の高電圧モジュール１４０によって負の高電圧にバイアスされる。このような負の高電圧モジュールは、Ｓｐｅｌｌｍａｎ ＨＶＰＳなどのように当業界で知られている。本発明の実施形態によれば、１ｋＶにバイアスされた負の高電圧モジュールなどの負の高電圧にセットされたブースタ管を使用した、０．５ｋｅＶ入射エネルギーなどの低入射エネルギー・システムの使用方法が開示される。このようなシステムは、ターゲットに対する損傷を最小限に抑え、同時に、使用可能なスポット・サイズを提供する。そのため、ブースタ管１２０は、低いエネルギー、すなわち５ｋＶよりも小さいエネルギーでの使用を可能にする。

集束イオン・ビーム・カラム１０１は、ビーム・エネルギーに応じた２つのモードで使用することができる。第１のモードは高ｋＶモードであり、このモードでは、入射エネルギーが５ｋＶよりも大きく、ブースタ管が接地される。第２のモードでは、カラムが、入射エネルギーが一般に５ｋＶよりも小さい低ｋＶモードで動作し、ブースタ管１２０が、適切な電圧にバイアスされる。この適切な電圧は、バイアス電圧に直接に固定され、またはバイアス電圧において浮動する。この集束イオン・ビーム・カラムは、これらの異なるモードを考慮し、それらのモードに基づくアライメント手順に従う。

本発明のいくつかの実施形態によれば、装置は、ターゲットに使用する１次イオン・ビームの源と、負の高電圧にバイアスされたブースタ管を有し、このブースタ管が、第１のレンズの電極、第２のレンズの電極および１つまたは複数の静電走査偏向器を備え、この偏向器電極がブースタ管バイアス負電圧に関係づけられた集束イオン・ビーム・カラムとを備える。

いくつかの実施形態では、集束イオン・ビーム・カラムが、１次イオン・ビームの源とブースタ管の間に少なくとも１つのレンズを含む。いくつかの実施形態では、集束イオン・ビーム・カラムが、ブースタ管とターゲットの間に少なくとも１つのレンズを含む。いくつかの実施形態では、ブースタ管が、ビーム電流測定用のファラデー・カップを含む。

いくつかの実施形態では、ブースタ管が、２つのモード、すなわち接地することができる第１のモードと、ブースタ管が負の高電圧にバイアスされた第２のモードとを有する。いくつかの実施形態では、負の高電圧が５ｋＶよりも小さい。いくつかの実施形態では、負の高電圧が１ｋＶから３ｋＶの間である。いくつかの実施形態では、この装置が、ビーム画定絞り、カラム分離弁およびビーム・ブランカをさらに備える。

本発明のいくつかの実施形態によれば、集束イオン・ビームを使用してターゲットを画像化および処理する方法は、イオン・カラムに沿ってターゲットに向かって移動するイオンを含む集束イオン・ビームを生成するステップと、この集束イオン・ビームを導いて、少なくとも１つのレンズ、ビーム画定絞りおよび負の高電圧にバイアスされた走査八極子を通過させるステップと、この集束イオン・ビームによってターゲット上にスポット・サイズを生み出すステップであり、負の高電圧によってスポット・サイズが小さくなるステップとを含む。

いくつかの実施形態では、負の高電圧が５ｋＶよりも小さい。いくつかの実施形態では、負の高電圧が１ｋＶから３ｋＶの間である。いくつかの実施形態では、この方法が、ターゲットを画像化するためにブースタ管内でファラデー・カップを使用することをさらに含む。いくつかの実施形態では、走査八極子が集束イオン・ビームを偏向させる。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

１０１ 集束イオン・ビーム・カラム
１０２ 電子源
１０４ レンズ系
１０５ レンズ系
１０６ ターゲット
１２０ ブースタ管
１３０ ビーム画定絞り（ＢＤＡ）

Claims (13)

1. ターゲットに使用する１次イオン・ビームの源と、
   負の高電圧にバイアスされたブースタ管を有し、前記ブースタ管が、第１のレンズの電極および第２のレンズの電極ならびに１つまたは複数の静電走査偏向器を備え、前記偏向器の電極が前記ブースタ管バイアス負電圧に関係づけられた集束イオン・ビーム・カラムと
   を備える装置。
2. 前記集束イオン・ビーム・カラムが、前記１次イオン・ビームの源と前記ブースタ管の間に少なくとも１つのレンズを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記集束イオン・ビーム・カラムが、前記ブースタ管と前記ターゲットの間に少なくとも１つのレンズを含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記ブースタ管が、ビーム電流測定用のファラデー・カップを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ブースタ管が、２つのモード、すなわち接地することができる第１のモードと、前記ブースタ管が負の高電圧にバイアスされた第２のモードとを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記負の高電圧が５ｋＶよりも小さい、請求項５に記載の装置。
7. 前記負の高電圧が１ｋＶから３ｋＶの間である、請求項６に記載の装置。
8. ビーム画定絞り、カラム分離弁およびビーム・ブランカをさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 集束イオン・ビームを使用してターゲットを画像化および処理する方法であって、
   イオン・カラムに沿ってターゲットに向かって移動するイオンを含む集束イオン・ビームを生成するステップと、
   前記集束イオン・ビームを導いて、少なくとも１つのレンズ、ビーム画定絞りおよび負の高電圧にバイアスされた走査八極子を通過させるステップと、
   前記集束イオン・ビームによって前記ターゲットにスポット・サイズを生み出すステップであり、前記負の高電圧によって前記スポット・サイズが小さくなるステップと
   を含む方法。
10. 前記負の高電圧が５ｋＶよりも小さい、請求項９に記載の方法。
11. 前記負の高電圧が１ｋＶから３ｋＶの間である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ターゲットを画像化するために前記ブースタ管内でファラデー・カップを使用することをさらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記走査八極子が前記集束イオン・ビームを偏向させる、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。

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