JP2018116835A - イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中和銃の動作に関するパラメータを簡単かつ良好に決定することができるイオンビーム装置を提供する。【解決手段】イオンビーム照射部１が、対象物Ｓに対してイオンビームを照射する。二次電子検出器２は、イオンビームが照射された対象物Ｓから生じる二次電子を検出する。中和銃３は、イオンビームが照射された対象物Ｓが帯電する電荷とは逆の極性の電荷を有する荷電粒子ビームを対象物Ｓに照射する。パラメータ決定部６１は、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて、中和銃３の動作に関するパラメータを決定する。二次電子検出器２からの検出信号を用いることにより、中和銃３の動作に関するパラメータを簡単かつ良好に決定することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、対象物に対してイオンビームを照射するイオンビーム装置に関するものである。

イオンビーム装置の一例であるイオン顕微鏡では、対象物の表面に対してイオンビームを照射しながら走査し、対象物の表面から生じる二次電子を二次電子検出器で検出することにより、対象物の表面の二次電子像を得ることができる。また、対象物の表面に対してイオンビームを照射しながら走査することにより、対象物の表面を選択的にスパッタして加工するようなイオンビーム装置（加工装置）も利用されている。

例えば対象物が絶縁物からなる場合には、イオンビームが照射されて二次電子（負電荷）が放出された対象物の表面が、正電荷で帯電する。この場合、対象物の表面の帯電に起因して、得られる二次電子像に歪みが生じるなどの問題がある。そこで、対象物が帯電する電荷（正電荷）とは逆の極性の電荷（負電荷）を有する荷電粒子ビームを対象物に照射する中和銃を設けることにより、対象物の表面の帯電を中和することができるような構成が知られている（下記特許文献１及び下記非特許文献１参照）。なお、負電荷のイオンビームを照射する場合には、照射したイオンビームの電荷（負電荷）と放出される二次電子（負電荷）との収支バランスに応じて、対象物の表面が正電荷又は負電荷のいずれで帯電するか決まるため、必ずしも正電荷に帯電するとは言えず、負電荷に帯電する可能性もある。

特開２００２−２６０５６８号公報

大西桂子、「走査型ヘリウムイオン顕微鏡による先端ナノマテリアル評価技術の開発と共用」、社団法人日本顕微鏡学会、顕微鏡Vol.48, No.3 (2013) p.154-158

従来、中和銃の動作に関するパラメータの決定は、作業者が手動で行っている。このパラメータの最適値は、対象物（大きさ、形状、抵抗など）や観察・加工条件（イオンビームの電流、電圧、倍率など）によっても異なるため、未知の対象物を観察・加工する場合や、種々の倍率で良好な二次電子像を得るためには、非常に手間がかかり、作業者にとって大きな負担となる。また、不慣れな作業者にとっては、パラメータを決定すること自体が困難な場合もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、中和銃の動作に関するパラメータを簡単かつ良好に決定することができるイオンビーム装置を提供することを目的とする。

本発明に係るイオンビーム装置は、イオンビーム照射部と、二次電子検出器と、中和銃と、パラメータ決定部とを備える。前記イオンビーム照射部は、対象物に対してイオンビームを照射する。前記二次電子検出器は、イオンビームが照射された対象物から生じる二次電子を検出する。前記中和銃は、イオンビームが照射された対象物が帯電する電荷とは逆の極性の電荷を有する荷電粒子ビームを対象物に照射する。前記パラメータ決定部は、前記二次電子検出器からの検出信号に基づいて、前記中和銃の動作に関するパラメータを決定する。

このような構成によれば、二次電子検出器からの検出信号に基づいて、対象物の帯電状態を判断することができるため、その検出信号に基づいて中和銃の動作に関するパラメータを自動で決定することができる。したがって、二次電子検出器からの検出信号を用いることにより、中和銃の動作に関するパラメータを簡単かつ良好に決定することができる。

前記イオンビーム装置は、前記二次電子検出器からの検出信号に基づいて得られる二次電子像のコントラストを検出するコントラスト検出部をさらに備えていてもよい。この場合、前記パラメータ決定部は、前記コントラスト検出部により検出されるコントラストに基づいて、前記中和銃の動作に関するパラメータを決定してもよい。

このような構成によれば、二次電子像のコントラストに基づいて、中和銃の動作に関するパラメータを良好に決定することができる。対象物が帯電している場合には二次電子像のコントラストが小さくなるため、コントラストが大きくなるように中和銃の動作に関するパラメータを決定することにより、パラメータを最適値に決定することが可能になる。

前記中和銃の動作に関するパラメータには、前記中和銃から照射される荷電粒子ビームの電荷量に対応するパラメータ、前記中和銃から照射される荷電粒子ビームのエネルギーに対応するパラメータ、及び、前記中和銃から照射される荷電粒子ビームの照射時間に対応するパラメータが含まれていてもよい。

このような構成によれば、中和銃から照射される荷電粒子ビームの電荷量に対応するパラメータ、中和銃から照射される荷電粒子ビームのエネルギーに対応するパラメータ、及び、中和銃から照射される荷電粒子ビームの照射時間に対応するパラメータの組み合わせを最適値に決定することにより、対象物の表面の帯電を良好に中和することができる。

本発明によれば、二次電子検出器からの検出信号を用いることにより、中和銃の動作に関するパラメータを簡単かつ良好に決定することができる。

本発明の一実施形態に係るイオンビーム装置の構成例を示した概略図である。 中和銃の構成例を示した概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るイオンビーム装置の構成例を示した概略図である。このイオンビーム装置は、対象物Ｓの表面の二次電子像を得るためのイオン顕微鏡であり、イオンビーム照射部１、二次電子検出器２、中和銃３、中和銃コントローラ４、コントラスト検出ユニット５、制御部６及び記憶部７などを備えている。

イオンビーム照射部１は、対象物Ｓに対してイオンビームを照射する。このイオンビーム照射部１には、イオン源１１、集束レンズ１２、走査コイル１３及び対物レンズ１４などが備えられている。イオン源１１からは、例えばヘリウムイオンビームなどのイオンビームが放出され、そのイオンビームが集束レンズ１２及び対物レンズ１４を通過することにより、対象物Ｓの表面上にスポットとして集束される。対象物Ｓの表面上におけるイオンビームのスポット径は、例えば１ｎｍ程度である。

走査コイル１３は、集束レンズ１２と対物レンズ１４との間に配置されており、その内側を軸線方向に沿ってイオンビームが通過する。対象物Ｓの表面上に照射されるイオンビームのスポットは、走査コイル１３に対する通電状態を制御することにより対象物Ｓの表面上で走査することができる。具体的には、対象物Ｓの表面上を１ラインずつずらしながらイオンビームが走査されることにより、対象物Ｓの表面全体にイオンビームが照射される。ただし、加工用途でイオンビーム装置を使用する場合には、必ずしも対象物Ｓの表面全体にイオンビームを照射するとは言えず、加工したい部分にのみ選択的にイオンビームを照射することも可能である。

イオンビームが照射された対象物Ｓの表面からは二次電子が生じ、その二次電子が二次電子検出器２により検出される。本実施形態では、対象物Ｓが絶縁物からなる。この場合、イオンビームが照射されて二次電子（負電荷）が放出された対象物Ｓの表面は、正電荷で帯電することとなる。対象物Ｓの表面から生じる二次電子の量は、イオンビームの走査に伴って変化するため、走査中の二次電子検出器２からの検出信号に基づいて、対象物Ｓの表面の二次電子像を得ることができる。本実施形態では、イオンビームが正電荷であるため、対象物Ｓの表面が正電荷で帯電するが、負電荷のイオンビームを照射する場合には、照射したイオンビームの電荷（負電荷）と放出される二次電子（負電荷）との収支バランスに応じて、対象物Ｓの表面が正電荷又は負電荷のいずれで帯電するか決まるため、必ずしも正電荷に帯電するとは言えず、負電荷に帯電する可能性もある。

中和銃３は、対象物Ｓの表面に荷電粒子ビームを照射する。中和銃３から照射される荷電粒子ビームが有する電荷の極性は、イオンビームが照射された対象物Ｓが帯電する電荷とは逆の極性である。本実施形態のように、イオンビームが照射された対象物Ｓが正電荷で帯電する場合、中和銃３からは負電荷を有する荷電粒子ビーム（電子ビーム）が照射される。中和銃３は、対象物Ｓの表面をイオンビームが１ライン走査されるごとに、対象物Ｓの表面に荷電粒子ビームを照射する。

中和銃コントローラ４は、中和銃３の動作を制御する。中和銃３の動作に関するパラメータは記憶部７に記憶されており、このパラメータに基づいて中和銃コントローラ４が中和銃３の動作を制御する。

コントラスト検出ユニット５は、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて得られる二次電子像のコントラストを検出するコントラスト検出部を構成している。二次電子像は、二次電子検出器２からの検出信号が大きい部分ほど白く（明るく）、検出信号が小さい（０に近い）部分ほど黒い（暗い）像となる。したがって、イオンビームの走査範囲における二次電子検出器２からの検出信号の最大値（Ｌｍａｘ）と、イオンビームの走査範囲における二次電子検出器２からの検出信号の最小値（Ｌｍｉｎ）とを用いて、二次電子像のコントラストを算出することができる。

例えば、コントラスト検出ユニット５は、下記式（１）により表される値をコントラストＣとして算出するような構成であってもよい。ただし、コントラスト検出ユニット５により検出されるコントラストＣは、下記式（１）に限らず、他の式によって算出されてもよい。
Ｃ＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ） ・・・（１）

制御部６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、パラメータ決定部６１などの各種機能部として機能する。パラメータ決定部６１は、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて、中和銃３の動作に関するパラメータを決定する。本実施形態では、二次電子検出器２からの検出信号に基づいてコントラスト検出ユニット５が二次電子像のコントラストＣを検出し、そのコントラストＣに基づいて、パラメータ決定部６１が中和銃３の動作に関するパラメータを決定するようになっている。パラメータ決定部６１により決定されたパラメータは記憶部７に記憶され、このパラメータに基づいて中和銃コントローラ４が中和銃３の動作を制御することとなる。

二次電子検出器２からの検出信号は、イオンビームのスポットが照射された対象物Ｓの表面（走査範囲）の各領域から生じる二次電子の量に応じた値となるため、この二次電子検出器２からの検出信号に基づいて、イオンビーム照射後の対象物Ｓの表面の帯電状態を判断することが可能である。そこで、本実施形態では、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて、パラメータ決定部６１が中和銃３の動作に関するパラメータを自動で決定することにより、中和銃３の動作に関するパラメータを簡単かつ良好に決定することができるようになっている。すなわち、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて決定されたパラメータを用いて中和銃３を動作させれば、パラメータの設定を作業者が手動で行わなくても、対象物Ｓの表面の帯電を良好に中和することができる。

特に、本実施形態では、二次電子像のコントラストに基づいて、中和銃３の動作に関するパラメータを良好に決定することができる。対象物Ｓが帯電している場合には二次電子像のコントラストが小さくなるため、コントラストが大きくなるように中和銃３の動作に関するパラメータを決定することにより、パラメータを最適値に決定することが可能になる。

図２は、中和銃３の構成例を示した概略図である。この中和銃３は、対象物Ｓの表面に電子ビームを照射するためのものであり、フィラメントＦ、グリッドＧ、アノードＡ、フィラメント加熱用電源ＦＳ、偏向コイルＲ及び集束レンズＬなどを備えている。

中和銃３から電子ビームを照射する際には、フィラメント加熱用電源ＦＳがオン状態とされることにより、フィラメントＦからグリッドＧを介して熱電子が放出される。このとき、アノードＡに正電圧が印加されることにより、フィラメントＦからの熱電子が対象物Ｓの方向へと加速される。

フィラメントＦからの熱電子は、集束レンズＬにより対象物Ｓの表面上にスポット状の電子ビームとして集束されるとともに、その電子ビームの照射方向が偏向コイルＲによって調整される。偏向コイルＲに印加する電流を制御して磁場を変えることにより、電子ビームを偏向させて照射位置を変更することができる。

中和銃３の動作に関するパラメータとしては、電流、加速電圧、スポット径、照射位置、照射時間及び照射時間差などを挙げることができる。これらのパラメータのうち、電流は、中和銃３から照射される電子ビームの電子の量に対応している。加速電圧は、対象物Ｓの表面に照射される電子ビームのエネルギーに対応しており、例えばフィラメントＦとアノードＡとの電位差に応じた値となる。

スポット径は、対象物Ｓの表面に照射される電子ビームのスポットの径であり、集光レンズＬで調整することができる。照射位置は、対象物Ｓの表面上における電子ビームのスポットの位置であり、偏向コイルＲにより調整することができる。照射時間は、イオンビームが１ライン走査されるごとに対象物Ｓの表面に電子ビームを照射するときの照射時間である。照射時間差は、イオンビームが１ライン走査されるごとに対象物Ｓの表面に電子ビームが照射されるまでの時間差である。

本実施形態では、上記のような中和銃３の動作に関する各種パラメータのうち、中和銃３から照射される荷電粒子ビームの電荷量に対応するパラメータ（電流）、中和銃３から照射される荷電粒子ビームのエネルギーに対応するパラメータ（加速電圧）、及び、中和銃３から照射される荷電粒子ビームの照射時間に対応するパラメータ（照射時間）が、パラメータ決定部６１により決定されるようになっている。これらのパラメータの組み合わせを最適値に決定することにより、対象物Ｓの表面の帯電を良好に中和することができる。

例えば、対象物Ｓの表面全体が正電荷で帯電している場合には、対象物Ｓの表面にイオンビームを照射しても二次電子が生じにくく、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて得られる二次電子像は全体的に黒っぽく（暗く）なるため、コントラストが小さくなる。このような場合には、上記電流を増加させ、上記加速電圧を増加させ、上記照射時間を長くすることにより、パラメータの最適値を決定することが可能である。

中和銃３の動作に関するパラメータの最適値を決定する際には、コントラスト検出ユニット５で検出されるコントラストに基づいてパラメータ決定部６１によりパラメータを決定し、そのパラメータで中和銃３を動作させつつコントラスト検出ユニット５で再度コントラストを検出することにより、そのコントラストに基づいてパラメータ決定部６１によりパラメータを再度決定するという処理を繰り返してもよい。このような処理を繰り返すことにより、コントラストが最大となるパラメータの組み合わせを算出すれば、各パラメータを最適値に決定することができる。

ただし、中和銃３の動作に関するパラメータとして、電流、加速電圧及び照射時間に限らず、スポット径、照射位置及び照射時間差などの他のパラメータの少なくとも１つが、パラメータ決定部６１により決定されるような構成であってもよい。

また、以上の実施形態では、コントラスト検出ユニット５により検出されるコントラストに基づいてパラメータを決定するような構成について説明したが、これに限られるものではない。例えば、二次電子検出器２からの検出信号に基づいて、イオンビームの走査範囲における二次電子検出器２からの検出信号の和、すなわち対象物Ｓの表面全体から生じる絶対的な電子の量を算出し、その値に基づいて中和銃３の動作に関するパラメータが決定されるような構成などであってもよい。

さらに、以上の実施形態では、イオンビーム装置の一例としてイオン顕微鏡について説明したが、本発明は、イオン顕微鏡に限らず、対象物Ｓの表面に対してイオンビームを照射しながら走査することにより、対象物Ｓの表面を選択的にスパッタして加工するような加工装置など、他のイオンビーム装置にも適用可能である。

１ イオンビーム照射部
２ 二次電子検出器
３ 中和銃
４ 中和銃コントローラ
５ コントラスト検出ユニット
６ 制御部
７ 記憶部
１１ イオン源
１２ 集束レンズ
１３ 走査コイル
１４ 対物レンズ
６１ パラメータ決定部

Claims (3)

1. 対象物に対してイオンビームを照射するイオンビーム照射部と、
   イオンビームが照射された対象物から生じる二次電子を検出する二次電子検出器と、
   イオンビームが照射された対象物が帯電する電荷とは逆の極性の電荷を有する荷電粒子ビームを対象物に照射する中和銃と、
   前記二次電子検出器からの検出信号に基づいて、前記中和銃の動作に関するパラメータを決定するパラメータ決定部とを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
2. 前記二次電子検出器からの検出信号に基づいて得られる二次電子像のコントラストを検出するコントラスト検出部をさらに備え、
   前記パラメータ決定部は、前記コントラスト検出部により検出されるコントラストに基づいて、前記中和銃の動作に関するパラメータを決定することを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム装置。
3. 前記中和銃の動作に関するパラメータには、前記中和銃から照射される荷電粒子ビームの電荷量に対応するパラメータ、前記中和銃から照射される荷電粒子ビームのエネルギーに対応するパラメータ、及び、前記中和銃から照射される荷電粒子ビームの照射時間に対応するパラメータが含まれ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装置。

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