JP4221817B2 - 投射型イオンビーム加工装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオンビーム加工装置に関し、特に、投射型イオンビームを用いて半導体などの電子部品の局所加工するための加工装置で、加工の高速化を図る投射型イオンビーム加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体などの電子部品の局所加工する技術としては、集束イオンビーム (Focused Ion Beam;FIB)照射により生じるスパッタリング現象を利用したFIB加工技術が知られており、半導体素子などの所望位置での断面加工と観察および配線修正などに応用されている。その装置はFIB装置と呼ばれている。FIBは、イオン源から放出されるイオンビームを静電レンズ系によって試料上にイオン源の像を作るように集束される。集束ビームの径は、イオン源像が小さいため、主に静電レンズ系の収差によるその像ぼけ量で決まり、その大きさは実用的に10nmから数μmである。また、ビーム電流は数pAから10nAである。ビーム電流が数nAになるとレンズ系の球面収差のためにビーム径が急激に大きくなり、電流密度が低下する。加工速度はビーム電流が大きいほど大きく、一方、ビーム加工精度はビーム径が小さいほど良い。したがって、加工速度とビーム加工精度は相反関係にある。よって、高加工精度のFIBはビーム電流が少なく、加工速度は低い。
【0003】
最近、この高加工精度と高加工速度との両方を満足させるイオンビームとして投射型イオンビーム(Projection Ion Beam;PJIB)が提案された。その装置はPJIB装置と呼ばれ、例えば特開平9−162098 号公報や特開平10−162769号公報に開示されている。
【0004】
図18にその装置の概略図として特開平9−186138 号公報の図1を引用する。イオン源51から放出したイオンビーム63は第1の静電レンズ54により所望の加工形状を拡大したパターン開口を有するマスク56を照射し、パターン開口を通過したしたビーム63は第2の静電レンズ57により投射ビームとなり、試料59に到達する。この時、パターン開口の像が第2の静電レンズ57により試料59上に縮小されて投射されており、所望の加工形状に加工される。この投射パターン像は、特開平9−162098 号に開示されているように光学軸から離れた周辺部分で大きな歪みやぼけを持つが、軸近傍では非常にシャープである特徴を持つ。したがって、軸近傍でのみ高い加工精度を要求する加工の場合は、FIBと比べて電流密度が低くてもビーム電流の大きなPJIBの方がはるかに有利になる。
【0005】
また、特開平9−186138 号には、FIBも形成できるPJIB装置が開示されており、PJIB加工部の試料観察にFIBを用いている。この観察は、PJIB加工条件の調整やその条件の最適状態の確認に有効である。
【0006】
マスクの開口パターン自体が加工パターンに相当するPJIB装置では、スパッタリング損傷による開口パターンの変形を定期的にモニターし、許容値を越えた場合はその開口パターンの寿命と判断し、新たな開口パターンに交換する必要がある。ここで、開口パターンの交換に関しては、加工精度の観点から開口パターンは光軸上に配置することが重要である。また、その開口パターンの必要な部分の形状が相対的に若干大きくなるという変形であれば、投射縮小率を若干小さくすることにより実効的に投射加工パターンサイズを同一とし、その開口パターンの寿命を延ばすこともできる。
【0007】
しかしながら、従来のPJIB装置(例えば特開平9−162098 号や特開平10−162769号など)では、この開口パターンの変形のモニター法やそれに必要な光学部品を組み込んだイオン光学系が開示されていない。
【0008】
また、PJIB加工応用の中には、個々に高さの異なる複数個の試料を一緒に試料ステージに並べて搭載し、これらを同じ投射縮小率で加工したいというニーズがある。
【0009】
しかし、従来PJIB装置では、常に一定の投射縮小率で試料加工を行うためには、試料表面の高さ位置は常に一定である必要があることを開示しているものの、この加工ニーズに応える具体的手段が開示されていない。つまり、この加工応用のPJIB装置では、何らかの試料高さ計測手段が必要であることを見出した。一方、FIB加工装置では、加工サイズはビーム走査領域の設定で決められるため、ここの試料高さが異なっても同一の大きさの加工が可能である。そのため、FIB装置に試料高さ計測手段の必然性はない。
【0010】
試料の高さ計測手段に関しては電子線測長機において用いられており、例えば特開平8−273575 号公報に開示されている。試料に対して斜めにレーザービームを照射すると、試料で反射されてポジションセンサで検知されるレーザービームの位置は試料の高さに応じて変化する。そこで、ポジションセンサを用いて反射レーザービームの位置変化を測定することにより、試料の高さを測定する。この測定値を対物レンズにフィードバックしてそのレンズ強度を調整することで電子ビームの焦点ぼけの回避と測長作業のスループットの向上を両立してきた。
【0011】
しかし、電子線測長機には、そのレンズ倍率を一定にする必然性がないため、試料高さも一定にする必然性もない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では以下に示す4点の課題の解決を目的としている。
【0013】
(a)マスクの開口パターンの変形のモニター法やそれに必要な光学部品が確立されていないPJIB装置に対して、スパッタリング損傷によるマスクの開口パターンの形状や変形を簡単な操作でモニターできるPJIB装置を提供する。
(b)マスク開口パターンの必要な部分の形状が相対的に変化するという変形に対して投射縮小率を調整して実効的に投射加工パターンサイズを同一とし、常に高精度な投射加工ができるPJIB装置を提供する。
【0014】
更に、マスク開口パターンの必要な部分の形状が相対的に変化するという変形に対して投射縮小率を調整して実効的に投射加工パターンサイズを同一とし、その開口パターンの寿命を延ばすことができるPJIB装置を提供する。
【0015】
(c)試料高さが加工位置毎または試料毎に変化する場合、投射縮小率を調整して実効的に投射加工パターンサイズを同一とし、常に高精度な投射加工ができるPJIB装置を提供する。
【0016】
(d)上記(a)〜(c)のPJIB装置に対して、PJIBの他にFIBも形成し、PJIB加工,FIB加工,FIB観察を高精度に、かつ高スループットに行えるPJIB装置を提供する。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明のPJIB装置は、イオン源から試料側への順でイオン源,第1の静電レンズ,第1の静電偏向器,マスク,第2の静電偏向器,第2の静電レンズ、および試料と並び、かつ、該第1の静電偏向器と該第2の静電偏向器とを同時に組み合わせて動作させた場合の組み合わせビーム走査の偏向中心が該第2の静電レンズのレンズ中心におおむね位置し、また、放出イオンの放出角を制限するビーム制限絞りが該イオン源と該第1の静電偏向器との間に位置していることを特徴とした光学系を備えている。上記課題(a),(b)は、この光学系によるマスク観察像によりマスクの開口パターンの形状や変形を容易にモニターできるため解決できる。
【0018】
更に、本発明のPJIB装置は、試料表面に対して斜め方向から光ビームを照射する光源部および該試料表面で反射した光ビームを受光してその受光位置を検出する光検出部からなり、かつ、該照射光ビームと該反射光ビームが該第2の静電レンズと該試料との間に配置している試料高さの計測手段を備えている。マスク投射率が特定化されている場合は、試料高さが特定値になっている。該試料高さの計測手段からの計測値が該特定値からずれている場合は、このずれを解消するために、試料の高さ方向、即ちZ方向への駆動機構も備えた試料ステージ (XYZ移動)を備えている。一方、マスク投射倍率が特定化されていない場合には、該試料高さの計測手段からの計測値に基づき、PJIBとFIBの両最適レンズ印加電圧をビーム制御部で計算により求める。この試料高さの計測手段は、特に上記課題(c),(d)を解決するに重要である。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面にしたがってこれを説明する。
【0020】
図1は本発明の2段レンズ系のPJIB加工装置の概略構成図である。イオン源1から試料8側に、光学要素として第1の静電レンズ2,放出イオンの放出角を制限するビーム制限絞り12,ブランキング偏向器3,第1の1段構成の静電偏向器4,ブランキング板16,マスク14,第2の1段構成の静電偏向器5,2段構成静電偏向器6,第2の静電レンズ7、および試料8と順に並んでいる。これらの光学要素はビーム制御部17につながっており、PJIBモードやFIBモードが選択できる。ビーム照射により試料8からは二次粒子(二次電子や二次イオンなど)10が放出し、二次電子検出器11により検出される。また、試料8はXYZ移動が可能な試料ステージ9に搭載されている。これらの光学要素や試料ステージ9は排気ポンプ(図省略)に繋がれた真空容器19の中に入れてある。また光学要素はビーム制御部17と繋がっており、ビーム制御や加工領域設定のためのウインドウ画面や走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope; SIM)の像画面を表示するCRT18を用いて、加工準備や加工作業を行う。
図1では、PJIBモードを選択した場合のビームを表している。第1の静電レンズ2は、イオン源1のイオン放出点を物点とし、その像点がおおむね第2の静電レンズ7に位置するように制御される。他方、第2の静電レンズ7は、マスク14の開口パターンの投射像が試料8上に位置するように制御される。ビーム制限絞り12は駆動部13に繋げてあり、PJIB加工用の大きな開口21aあるいは調整用の小さな開口21bを光軸上に持ってくることができる。マスク
14も駆動部15に繋げてあり、マスクが単数あるいは複数個の開口部を持っている場合に特定開口部を光軸上に位置合わせすることができる。第2の静電レンズ7が両端の電極電位が同じの3枚電極レンズである本例では、マスクの投射縮小倍率は、第2の静電レンズ7から試料8までの距離をマスク14から第2の静電レンズ7までの距離で割ったものできまり、本例では1/50となっている。ここで、投射パターン像の像ぼけ(加工パターンのエッジぼけに相当)を最小にするにはマスク14の開口部を光軸上に正確に合わせることが重要である。
【0021】
次に、上記のマスク14の開口部を光軸上に正確に合わせる方法を光軸合わせと共に図2を用いて説明する。
【0022】
(a)マスク開口およびビーム制限絞り12のPJIB加工用の大きな開口21aを光軸上におおよそ合わせ、イオンビーム20を第1の1段構成の静電偏向器4で偏向走査し、試料からの放出二次電子を検出し、SIM像1を形成する。ただし、第2の静電レンズ7のレンズ強度はゼロである。ビーム走査範囲は、このSIM像1が図3に示す様に、中心部のみが円形に明るい像となるように設定する。このSIM像1の周辺暗部は第2の静電レンズ7の電極などの影に相当する。
【0023】
(b)上記のSIM像1において、第1の静電レンズ2のレンズ強度の制御により試料表面の凹凸などが鮮明にし、最適レンズ強度1を求める。この時、イオン源1からの放出イオンは試料8の位置にほぼ集束している。
【0024】
(c)第1の静電レンズ2のレンズ強度をワブラー機能により(b)の最適レンズ強度1から狭い範囲で前後に振ると、SIM像1中の明るい部分がワブラーと同期して移動するが、この像の動きが最小になるようにイオン源をXY面(光軸のZ軸と垂直な面)内で微動調整し、かつPJIB加工用の大きな開口21aもXY面内で粗調整する。調整後、イオン源位置は固定する。
【0025】
(d)ビーム制限絞り12の開口をPJIB加工用の大きな開口21aから調整用の小さな開口21bに替え、(c)と同様に第1の静電レンズ2のレンズ強度をワブラー機能により最適レンズ強度1の前後に振り、SIM像1中の明るい部分の動きが最小になるように小さな開口21bをXY面内で微調整する。
【0026】
(e)しかし、この明るい部分は必ずしもSIM像1の中心にはない。この明るい部分が像中心に来る様に、第1の1段構成の静電偏向器4の走査電圧にアライナー電圧を重畳する。これにより、イオン源,第1の静電レンズ2,小さな開口21a、および第2の静電レンズ7が光軸上に載ったことになる。この小さな開口21a位置は、アライナー電圧および第1の静電レンズ2の最適レンズ強度と共にビーム制御部17のビーム調整条件リストに登録・記憶する。
【0027】
(f)次に、第1の1段構成の静電偏向器4に加えて第2の1段構成の静電偏向器5もオンし、マスク開口を含むように大きくビーム走査する。ただし、第2の静電偏向器5の偏向電圧は第1の静電偏向器4の偏向電圧と位相が180度ずらせて同期させてあり、この第1と第2の静電偏向器4と5の組み合わせたビーム偏向中心は第2の静電レンズ7の中心に位置している(図4参照、ただしビーム集束状態は後記の(j)対応)。これによりマスク上でビームを広範囲に走査した場合、マスク通過直後の走査ビームが光軸から大きく離れて行くように出射しても、第2の静電偏向器5により光軸方向に戻される。この時のSIM像2はマスクの開口部が明るくなるパターン像であるが、その開口パターンのエッジはぼけている。
【0028】
(g)この像ぼけを鮮明にするには、第1の静電レンズ2のレンズ強度を徐々に強くしていき、イオンビーム20の集束点を現在の試料8上からマスク14上に移動する。ビーム集束点がちょうどマスク17上に来た時、マスク開口パターンのエッジ像は最もシャープになる。
【0029】
(h)次に、第1の1段構成の静電偏向器4のアライナー電圧を残したまま、第1と第2の1段構成の静電偏向器4と5の走査電圧をオフし、代わりに2段構成静電偏向器6をオンしてSIM像3を観察する(図5参照)。この2段構成静電偏向器6のビーム偏向中心は第2の静電レンズ7のレンズ中心にある。SIM像3は、試料8の表面像であるがビームが試料上で広がっているため鮮明ではない(ただし、該アライナー電圧でビームはマスク開口部を通過していることが前提である)。第2の静電レンズ7のレンズ強度を徐々に強くしていくと、ビームは試料上で次第に集束し、SIM像3は鮮明になる。最も鮮明になったレンズ強度をビーム制御部17のPJIB加工条件リストに登録・記憶する。この時の試料に到達するビームは、イオン源1から放出したビームが試料で集束したものであり、PJIBではなくFIBとなっている。
【0030】
(i)第2の静電レンズ7のレンズ強度を(h)で求めた鮮明画像条件での前後で振り(ワブラー機能)、SIM像3での試料像が移動しないように、第1の1段構成の静電偏向器4のアライナー電圧を微調整する。既に登録・記憶してあるビーム制御部17のビーム調整条件リストのアライナー電圧は、その調整電圧に置きかえる。
【0031】
(j)ビーム走査を第1と第2の1段構成の静電偏向器4と5の走査モードに戻し(アライナー電圧はオンしたまま)、SIM像2を観察する(図4参照)。この像においてマスク開口パターンが像の中心に位置するようにマスク14をマスク駆動部15を介して微調整する。調整しきれなかった位置ずれ量はそのマスク開口位置と共にビーム制御部17のPJIB加工条件リストに登録・記憶する。このマスク開口の位置ずれに起因するPJIB加工のパターン位置ずれは、2段構成静電偏向器6に投影縮小倍率を考慮した補正偏向電圧を印加することにより補正される。
【0032】
(j)でのSIM像2のマスク開口パターン像は鮮明であり、開口パターンの形状や絶対寸法がわかる。これにより、長時間動作におけるマスク開口パターンのスパッタリング損傷による変形や寸法変化も観察することができる。またマスク開口パターンの絶対寸法が分かると、この寸法が設計値から若干ずれても、第2静電レンズと試料表面との間隔の制御により、投射倍率が変えられるので所望寸法のパターン加工が可能になる。ただし、この投射倍率の変更に応じて第2の静電レンズのレンズ強度も変える必要がある。
【0033】
図1の実施例では、ビーム制限絞り12は第1の静電レンズ2と第1の静電偏向器4との間に置いたが、本ビーム制限絞り12は第1の静電偏向器4を用いた走査像の分解能を制御するためのものであるため、イオン源1と第1の静電偏向器4との間にあれば良い。イオン源1と第1の静電レンズ2との間にも置けるが、ここに置くとイオン源1と第1の静電レンズ2との間隔が広がり、その結果、PJIBの電流密度が低下するため余り得策ではない。
【0034】
ブランキング偏向器3とブランキング板16は、マスク14がイオンスパッタリングにより損傷することを避けるために、加工または観察以外の時にイオンビーム20をマスク14に照射させない機能を持つ。具体的には、ブランキング偏向器3でイオンビーム20を偏向し、イオンビーム20の照射位置がブランキング板16上に来る様に制御する。
【0035】
図1の2段レンズ系のPJIB装置において、PJIBとFIBモードのビーム集束状態例を図6に示す。このPJIBとFIBにおけるパターン加工の加工エッジぼけとビーム電流の関係の代表的グラフを図7示す。加工速度はビーム電流にほぼ比例するので高速加工の観点からは、大電流ビームが望ましい。FIB加工ではFIB径が10〜2000nmの範囲で変えられ、その時の加工エッジぼけはビーム径にほぼ等しい。一方、PJIB加工のビーム径は、加工パターンサイズに相当し、投射縮小率の関係から、大きさ0.1 〜10μmのパターン加工に適する。ただし、加工エッジぼけはパターンの大きさが数μmまでは0.02μm程度で、その後、急激に増加する。また、加工位置の合わせ精度の観点からは、その合わせをSIM像を利用して行う場合には、像を高分解能化にする小さいビーム径が望ましい。従って、位置合わせの高精度化,高速加工,加工エッジぼけの低減の全てを満足させる加工を実現するには、ビーム径10nmレベルのFIBで加工位置合わせを行い、その後、高速加工と加工エッジぼけの低減の両者を満足するPJIBに切り替えれば良い。本装置は、これを実現した装置であり実験的にもその効果を確認した。
【0036】
第2の実施例を図8を用いて説明する。本例は、第2の静電レンズが2段レンズ7aと7bの構成であり、トータルとしては3段レンズ構成のPJIB装置である。3段レンズ構成のPJIB装置の特徴は、2段レンズ構成のPJIB装置と比べ、イオン源から試料までの光学長を長くすることなく、投射レンズ縮小率が稼げる点にある。本例では、図1の投射レンズ縮小率Mが1/50の2段レンズ構成のPJIB装置と同じ光学長で、M=1/100となっている。マスク14の開口部を光軸上に正確に合わせる方法と光軸合わせの方法は、図1の2段レンズ構成PJIB装置と本質的に同じである。また、FIBも形成できるPJIB装置であり、位置合わせの高精度化,高速加工,加工エッジぼけの低減の全てを満足させる加工ができる。
【0037】
この光学系によるマスクの開口パターンのモニター観察は、第1の静電レンズとビーム制限絞りによりマスク上に集束する細いイオンビームを形成し、そのビームを第1の偏向器によりマスクのパターン開口部を含む領域をXY走査し、開口部のみを通過した偏向ビームは第2の静電レンズの概中心位置に向かうように第2の偏向器で偏向(第1の偏向器とは逆方向に偏向)し試料表面まで導き、ビーム照射により試料表面から放出する二次電子を検出して得られる走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope;SIM)の像により行う。このSIM像はマスク面でのビーム通過有無の位置情報を反映した、つまりマスクの開口パターン形状を表した明暗コントラストの像となる。これにより、開口パターンの形状ばかりでなく、絶対寸法も分かり、スパッタリング損傷による開口パターンの正確かつ容易な寿命判断が下せる。更に、この開口パターンの絶対寸法が設計値から若干ずれた場合や、この開口パターンの必要な部分の形状が相対的に変化した場合には、所望寸法のパターン加工を実現する投射縮小率を正確かつ容易に求めることができる。
【0038】
次に、本発明のPJIB加工装置に備えた高さ計測手段の実施例を説明する。図9は第2の静電レンズ7と試料8との間に設置した試料高さ測定部を示したものである。試料8は試料ステージ9に載置され試料ステージ9によりイオンビーム20の照射下をXおよびY方向に移動し、更に高さ方向、即ちZ方向にも移動する。高さの異なる試料8a,8b,8cが載置されている場合、各々の試料高さを測定し、その変化量に応じて第2の静電レンズ7の印加電圧またはステージ9の高さを変化させることでイオンビーム20は加工エッジぼけが生じないように調整される。第2の静電レンズ7と試料8bの間には光源部22が固定機構37で固定されており、光源部22から発射されたレーザー光線24は第2の静電レンズ7と試料8bの間を通って試料8bを照射している。試料8bで反射したレーザー光線25は光検出部23に入射され、光検出部23への入射位置の変化が検出される。このようにして検出された試料8bの高さ変化は、第2の静電レンズ7の焦点補正用又はステージ9の高さ補正用のデータとしてフィードバックされる。このデータからPJIBとFIBの焦点合わせを行うので試料には一切イオンビームは照射されず、その結果、スパッタリング現象による試料の損傷と特性変化は起きない。
【0039】
図10に、一実施例の断面図を示す。第2の静電レンズ7と試料8の間にはレーザー発光素子26が固定されており、発光素子26から発射されたレーザー光線24は第2の静電レンズ7と試料8の間を通って試料8を照射している。この際、レーザー光線24は集光レンズ28によって試料8に集束される。試料8で反射したレーザー光線25は集光レンズ29によってポジションセンサ27に集束入射され、ポジションセンサ27への入射位置の変化が検出される。このようにして検出された試料8の高さ変化は、第2の静電レンズ7の焦点補正用又はステージ9の高さ補正用のデータとしてフィードバックされる。レーザー発光素子26と集光レンズ28及びポジションセンサ27と集光レンズ29はそれぞれ独立に固定される。レーザー発光素子26及びポジションセンサ27はネジ等によって取り付けられており、その光軸方向あるいは視野をオペレータが調整できるようになっている。レーザー発光素子26及びポジションセンサ27と集光レンズ28及び29は一体化も可能である。
【0040】
本実施例では、第2の静電レンズ7及び試料8及びステージ9及び集光レンズ28及び29は真空中に設置され固定されており、レーザー発光素子26及びポジションセンサ27は真空シールを介して固定されるが、レーザー発光素子26及びポジションセンサ27も真空中に設置することも可能であり、いずれか一方を真空中に設置することも可能である。また、第2の静電レンズ7及び試料8及びステージ9は真空中に設置し、集光レンズ28及び29は真空シールを介して固定、レーザー発光素子26及びポジションセンサ27は大気中に設置することも可能であり、いずれか一方を真空シールを介して固定し、そのレーザービーム径路上にある集光レンズを真空中に設置することも可能である。
【0041】
図11は、図10とは異なる高さ計測手段の実施例の断面図である。レーザー発光素子26から発射されたレーザー光線24はレーザー光線を通すウインドー30を通り、ミラー32で反射され、集光レンズ28によって試料8に集束されて第2の静電レンズ7と試料8の間を通って試料8を照射している。試料8で反射したレーザー光線25は集光レンズ29によって集束され、ミラー33で反射されてウインドー31を通りポジションセンサ27に集束入射し、ポジションセンサ27への入射位置の変化が検出される。ウインドー30および31は真空シールを介して固定され、レーザー発光素子25及びポジションセンサ27は大気中にネジ等によって取り付けられており、その光軸方向あるいは視野をオペレータが調整できるようになっている。また、図12に示すようにレーザー発光素子26及びポジションセンサ27は真空シールを介して真空容器に直接固定し、ウインドー30および31を省くことも可能であり、いずれか一方のみを省くことも可能である。ミラー32および33又はいずれか一方は、集光レンズ28と試料8の間または集光レンズ29と試料8の間のビーム光線経路上に設置することも可能である。また、レーザー光線24及びレーザー光線25のビーム光線経路上またはどちらか一方のビーム光線経路上に複数集光レンズを設置することも可能である。ミラーの数も更に増やすことが可能である。
【0042】
図13は、試料8で反射したレーザー光線25の経路上にミラー33とウインドー31を設置した実施例の断面図である。図14は、レーザー発光素子26から発射されたレーザー光線24の経路上にミラー32とウインドー30を設置した実施例の断面図である。これらのようにミラーまたはウインドーを介す光路と介さない光路を混合させることも可能である。
【0043】
図15は、図10から図14のいずれかに示した高さ計測手段に更に光学顕微鏡を付加した実施例の断面図である。図15には試料8とステージ9を除いた図1から図5に示した断面と直行した断面が示されており、レーザー発光素子26及びポジションセンサ27は紙面垂直方向に位置するため図示されていない。
【0044】
像ミラー36を介して光学顕微鏡34が試料8の一部分を見込んでいる。光学顕微鏡34によって拡大された像は固体撮像素子35で電気信号に変換され、図示しない陰極線管上に表示される。この光学像は、イオンビームによる走査像では得るのが困難な低倍率で試料8内の加工位置を確認することに用いられる。イオンビーム20による加工位置と光学顕微鏡34による観察位置の差は、予めその観察位置差を測定しておきステージ9を用いて補正する。焦点の調整は、例えばステージ9の高さ調整で行う。図15では像ミラーは一個であるが複数にしても良い。また、光学顕微鏡の前段にウインドーを設けて光学顕微鏡を大気中に設置することも可能である。
【0045】
この場合、光学顕微鏡34による光学像をイオンビーム20の焦点調整のために利用することも可能である。即ち、まず光学顕微鏡像の分解能が最大になるようにステージ9を上下動することによって粗調整を行い、その後図10から図14に示したレーザー光線を用いる方法によってイオンビーム20の焦点合わせを行うようにする。斜め入射するレーザー光線とポジションセンサを用いる焦点合わせ方法はイオンビーム20の入射位置での試料8の高さ変化を高精度に測定できる利点を有するがダイナミックレンジが狭いので、このようにしてダイナミックレンジが比較的広い光学顕微鏡による光学像のコントラストを利用する方法と組み合わせると、加工開始時の焦点合わせの操作が容易になる。
【0046】
PJIB装置およびFIB装置は二次粒子検出器の取付位置が電子線測長機と異なり、第2の静電レンズ7の脇に位置するため、二次粒子を検出器まで導くための空間を確保しなければならない。また、磁気ヘッドのように帯電破壊を起こす試料に対しては、帯電中和銃を装着してイオンの正電荷を中和するためにイオンビームと同時に電子ビームを試料に照射する必要がある。また、イオン誘起デポジションやガスアシストエッチングを行うには、デポジションガスやエッチングガスを試料8まで導入するノズルを挿入しなければならない。従って、第2の静電レンズ7と試料8の間にこれらのことが実現できるだけの空間が必要である。第2の静電レンズ7と試料8の間に空間を確保し、発光素子から試料を経てポジションセンサに至るレーザー光線の光路,試料から検出器までの二次粒子と帯電中和銃から試料までの電子ビーム、そして各ノズルから試料までの各ガスの各々の経路に介在物を置かずに、レーザー発光素子26,ポジションセンサ27,二次粒子検出器,帯電中和銃,ガス導入ノズルを水平から垂直、即ち0度から90度の間の任意の角度で真空容器19に取り付けるには、真空容器19に傾斜部を持たせた図10に示す実施例が有効である。この実装方法は該介在物がないので構成部品を減らす点でも有効である。
【0047】
図10の実施例は、真空容器19の傾斜部にレーザー発光素子26,ポジションセンサ27,二次粒子検出器,帯電中和銃,デポジション用ガス導入ノズル,ガスアシストエッチング用ガス導入ノズルの6つを実装しなければならず、場合によっては真空容器中で互いに干渉してしまう可能性がある。そこで、このような干渉を避け実装を容易にするにはウインドー30,ウインドー31,ミラー
32,ミラー33等が増えてしまうがレーザー発光素子26とポジションセンサ27を真空容器19の傾斜部から水平部に移した図11,図12の実施例が有効である。
【0048】
また、図16のように真空容器19の傾斜部をなくして全て水平部分に実装することも可能である。
【0049】
図17はPJIB装置の一実施例の断面図である。PJIB装置には、鏡体部37と筐体部39そして鏡体部37に取り付けられた真空ポンプ38がある。ここで鏡体部37は真空ポンプ38により重量が一方に片寄っており、真空ポンプ38側を支柱等で別に支持しなければならない。筐体部39で、この支持部40と接続された部分は重量を支えるために補強する必要が生じる可能性がある。図17のように支持部40と接した筐体壁を厚くして補強した場合、真空容器19の傾斜部が減少する場合がある。この場合に、レーザー発光素子26,ポジションセンサ27,二次粒子検出器,帯電中和銃,デポジション用ガス導入ノズル,ガスアシストエッチング用ガス導入ノズルの真空容器19中での干渉を防ぎ、最小限のウインドーやミラーの追加で実装するには図13,図14の実施例が有効となる。更に容易な実装を行うには図11,図12の実施例が有効となる。
【0050】
図10から図14に示したレーザー光線を用いる高さ測定方法以外に、イオンビーム20の光軸の周りに試料8に対向して容量センサを設置し、このセンサと試料8との間の容量を測定し、測定した容量の差から試料高さを測定する方法も可能である。
【0051】
所望寸法のパターン加工を実現する、つまり特定の投射縮小率で加工するには下記の2通りの装置・方法がある。第1の装置・方法は、2レンズ光学系のPJIB装置を用いる場合である。同様に加工領域の試料高さを計測する。所望寸法のパターン加工を実現する投射縮小率から、この投射縮小率を得ることのできる試料高さを計算し、計測した加工領域の試料高さとの差を求め、試料ステージの高さ移動量を求める。この移動量分だけ試料ステージのZ駆動機構により試料高さを移動することで所望の投射縮小率を実現する。
【0052】
更に、所望の投射縮小率を実現するように移動した後の試料高さからPJIBのエッジが最もシャープとなる静電レンズへの印加電圧とFIBの焦点が合った静電レンズへの印加電圧を計算あるいは実験にて求め、コンピュータに記憶する。
【0053】
これらにより、所望寸法のパターン加工を高精度で実現でき、更にマスク寿命を延ばすことができる。更に、装置オペレータがイオンビームを試料上で走査し画像を観察しながら静電レンズを調整する必要がなくなり、イオン照射により試料が損傷してしまったり、イオンが試料上に打ち込まれることが原因で試料の特性が変化してしまう恐れはない。また、PJIBとFIBの2回の調整が試料上でのイオンビームの走査なしで同時に行える。
【0054】
第2の装置は、第2の静電レンズが2段の静電レンズから構成されている3レンズ光学系のPJIB装置の場合である。先ず、該の試料高さ検出手段にて試料の高さを検出する。試料高さを変えない場合は、試料高さを既知とし、所望寸法のパターン加工を実現する投射縮小率、およびPJIB加工パターンのエッジのシャープさの両条件を満足する第2の2段の静電レンズに印加する両電圧をビーム制御部17内のコンピュータで求め、記憶する。試料高さが変えられる場合は、試料高さも変数として、該と同じ両条件を満足する試料高さおよび第2の2段の静電レンズに印加する両電圧をビーム制御部17内のコンピュータで求め、記憶する。FIBのレンズ電圧は、上記の試料高さの移動の有無のいずれの場合にも、PJIBのレンズ電圧と同様に計算できるので、これも合わせて記憶しておく。これにより、CRT上のPJIBとFIBの選択表示ウインドーからマウスで簡単に選択できる。
【0055】
【発明の効果】
本発明のPJIB装置は、マスクの開口パターンの形状や変形を簡単な操作でモニターするために必要な光学部品を付加した新たな光学系を備えることによって、マスク開口パターンを直接観察できるので、その形状と絶対寸法を容易にモニターできる。
【0056】
更に、この新たな光学系に加えて、高さ計測手段を備えることによって、マスクの開口パターンの形状変化と加工位置の正確な試料高さがわかるので、現在のマスク開口パターンに応じて所望の投射縮小率を容易かつ正確に調整でき、マスクの形状が変化しても実効的に投射加工パターンサイズを同一とし設定通りの加工が高精度で可能となる。この結果、その開口パターンの寿命を延ばすことができる。
【0057】
更に、この新たな光学系と高さ計測手段に加えて、XおよびY方向に駆動する機構に加えて高さ方向、即ちZ方向への駆動機構も合わせ持つ試料ステージを備えることによって、2レンズ光学系PJIB装置であっても試料高さを調整して投射縮小率を変更できるので、現在のマスク開口パターンに応じて所望の投射縮小率を容易かつ正確に調整でき、マスクの形状が変化しても実効的に投射加工パターンサイズを同一とし設定通りの加工が高精度で可能となる。この結果、その開口パターンの寿命を延ばすことができる。
【0058】
更に、本発明の効果によって、所望の投射縮小率の実現に加えて投射加工の概領域位置での試料高さデータからPJIBとFIBの両方の場合の静電レンズへの最適な印加電圧を同時に求めることができるので、例えば磁気ヘッドの狭トラック加工に代表される生産加工装置として、PJIB加工,FIB加工および観察を高精度かつ高スループットで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の2段レンズ構成の投射型イオンビーム(PJIB)加工装置を示す全体構成図。
【図2】図1のPJIB加工装置の光軸合わせおよびマスク開口部の軸合わせを示す説明図。
【図3】図1のPJIB加工装置の光軸合わせおよびマスク開口部の軸合わせを示す説明図。
【図4】図1のPJIB加工装置の光軸合わせおよびマスク開口部の軸合わせを示す説明図。
【図5】図1のPJIB加工装置の光軸合わせおよびマスク開口部の軸合わせを示す説明図。
【図6】PJIB加工装置の2つのビーム状態を示す説明図。
【図7】PJIBとFIBにおけるパターン加工の加工エッジぼけとビーム電流の関係を示す代表的グラフ。
【図8】本発明の3段レンズ構成の投射型イオンビーム(PJIB)加工装置を示す全体構成図。
【図9】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部を示す構成図。
【図10】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図11】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図12】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図13】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図14】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図15】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図16】本発明のPJIB加工装置の第2の静電レンズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を示す断面図。
【図17】本発明のPJIB加工装置の一実施例を示す断面図。
【図18】従来のPJIB加工装置を示す概略図。
【符号の説明】
1…イオン源、2…第1の静電レンズ、3…ブランキング偏向器、4…第1の1段構成の静電偏向器、5…第2の1段構成の静電偏向器、6…2段構成静電偏向器、7…第2の静電レンズ、8,59…試料、9…試料ステージ、10…二次粒子(二次電子や二次イオンなど)、11…二次電子検出器、12…ビーム制限絞り、13,15…駆動部、14…マスク、16…ブランキング板、17…ビーム制御部、18…CRT、19…真空容器、20,63…イオンビーム、21a…PJIB加工用の大きな開口、21b…調整用の小さな開口、22…光源部、23…光検出部、24…発射されたレーザー光線、25…反射したレーザー光線、26…レーザー発光素子、27…ポジションセンサ、28,29…集光レンズ、37…固定機構、51…イオン源、54…第1の静電レンズ、56…マスク、57…第2の静電レンズ。

Claims (7)

  1. イオン源からの放出イオンを第1の静電レンズで集めてマスクを照射し、該マスクの開口パターンを第2の静電レンズにより試料上に投射して該試料を加工する投射型イオンビーム加工装置において、
    該イオン源から該試料側に順に該第1の静電レンズ,第1の静電偏向器,該マスク,第2の静電偏向器,第2の静電レンズ、および該試料と並び、
    PJIB用の大きな開口と調整用の小さな開口とを備えたビーム制限絞りが該イオン源と該第1の静電偏向器との間に位置し、
    該第1の静電偏向器と該第2の静電偏向器とを同時に組み合わせて動作させた場合、該第1の静電偏向器が、該調整用の小さな開口により絞られたイオンビームを、該マスクの開口を含むように走査し、該第2の静電偏向器が、該マスクを通過した該イオンビームを光軸に戻すように偏向することを特徴とした投射型イオンビーム加工装置。
  2. 該第2の静電レンズが2段の静電レンズから構成されていることを特徴とした請求項1の投射型イオンビーム加工装置。
  3. 該第1の静電レンズと該第2の静電レンズのレンズ強度の制御により、該イオン源の像を該試料上に位置させる集束イオンビームをも形成することを特徴とした請求項1または2の投射型イオンビーム加工装置。
  4. 該試料の投射加工の概領域位置での試料高さの計測手段を備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の投射型イオンビーム加工装置。
  5. 該試料高さの計測手段が該試料表面に対して斜め方向から光ビームを照射する光源部および該試料表面で反射した光ビームを受光してその受光位置を検出する光検出部からなり、かつ、該照射光ビームと該反射光ビームが該第2の静電レンズと該試料との間に配置していることを特徴とする請求項4の投射型イオンビーム加工装置。
  6. 該試料をXおよびY方向に駆動する機構に加えて高さ方向、即ちZ方向への駆動機構も合わせ持つ試料ステージを備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の投射型イオンビーム加工装置。
  7. 加工または観察以外の時にイオンビームを該マスクに照射させない機能を持つブランキング偏光器とブランキング板が、該第1の静電レンズと該マスクとの間に配置されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の投射型イオンビーム加工装置。
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