JP4392346B2 - 粒子ビーム発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、（真空における）集束粒子ビームの生成、特に電子ビームおよびイオンビームであって、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような顕微鏡、およびナノ技術、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の場合、イオンビームミリング（スパッタリング）のような直接描画技術によるナノ構造およびナノ構造表面の作成におけるナノリソグラフィー、および電子ビームの場合、重合または酸化のような表面改質法に用いられる電子ビームおよびイオンビームに関する。

顕微鏡およびリソグラフィーに用いられる公知の粒子ビーム発生装置は、一般的に、照明を与えるように操作可能な粒子源を備えている。この粒子源は、通常、比較的強い電場の印加によって、電子またはイオンのような粒子が引き出される鋭利な尖端（tip)、すなわち、電界放出源である。これに代えて、加熱フィラメント（タングステンヘアピン）が粒子源として用いられてもよい。しかし、電界放出源は、比較的高い空間分解能の結像が望まれる用途に有利に用いられる。この粒子源は、通常、粒子ビームのエネルギーを所望レベルまで高めるために、電圧によって駆動される粒子加速器も備えている。集束システム、例えば、磁気レンズからなる集束システムが、加速された粒子を交差点に集束し、材料の表面にビームスポットを形成するように、制御される。顕微鏡の場合、この材料は調査対象の試料であり得る。

ＳＥＭのような顕微鏡の場合、試料の上方のビームの走査を容易にするために、一組のコイルが用いられる。試料は、対物レンズの視域の下方に配置される試料台上に取り付けられる。対物レンズの詳細と特性、および対物レンズと試料との間の距離、すなわち、作動距離は、顕微鏡の分解能の限界に影響を及ぼす。二次電子および後方散乱電子を検出するように操作可能な検出システムは、通常、対物レンズの下方に配置される。公知の近接場顕微鏡機器の欠点は、検出システムの位置が顕微鏡の作動距離に影響を及ぼし、短い作動距離の有利さを妨げ、顕微鏡によって達成可能な最適な分解能を制限する、という点にある。

最終的なビームスポットの寸法、およびその集束スポットにおけるビーム電流の量によって、これらの機器の性能が決定される。顕微鏡の場合、ビームスポットの寸法はその機器の有効な空間分解能であり、ナノリソグラフィーの場合、ビームスポットの寸法は作成することができる最小寸法の凹凸形状を決定する。最先端の市販されている粒子ビーム発生装置において、ビームスポットの寸法は、電子の場合は１ｎｍで、金属イオンビームの場合は３０ｎｍである。

顕微鏡およびリソグラフィーにおいて、現在入手可能なものよりもさらに最適な分解能を有するビームが得られるように操作可能な粒子ビーム発生装置が望まれる。特に、顕微鏡およびナノリソグラフィーにおいて、試料のナノスケールの分析に用いられるのに適する粒子ビーム発生装置が望まれる。このような分解能によれば、大きな被写界深度において原子を識別し、かつナノスケールの寸法で表面を解析し得る。

さらに、公知の機器において必要とされているような比較的長い作動距離の欠点は、その距離において最適の分解能を達成するために、比較的高い粒子加速電圧を印加する必要がある、という点にある。しかし、より高い粒子加速電圧は粒子ビームのエネルギーを増大させ、その増大したエネルギーは、上側閾値において、材料構造内において望ましくない非弾性散乱の増大を生じさせ、検査される材料に放射による損傷をもたらす。顕微鏡において、比較的高い分解能を有する比較的低いエネルギーのビームは、公知の装置と比較して、材料内の電子の非弾性散乱を複雑な分子構造を分析できる程度まで低減させる可能性がある。

従って、顕微鏡およびリソグラフィーにおいて、現在入手可能なものよりも低い電圧を用いて加速される粒子からなるビームが得られるように操作可能な粒子ビーム発生装置が望まれる。

顕微鏡の例として、ＳＥＭについて具体的に説明したが、読者は、他のいわゆる近接場顕微鏡機器、例えば、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が存在することを理解し得るだろう。

従って、ナノスケール寸法の用途に用いられるのに適する、比較的低い電圧を用いて加速される粒子からなるビームが得られる操作可能な粒子ビーム発生装置であって、公知の近接顕微鏡機器と共に用いられるのに適する粒子ビーム発生装置が望まれる。

さらに、このような近接場顕微鏡およびリソグラフィーは高価なので、機器の全体を取り替えることなく、分解能と被写界深度を増加させ、および／または加速電圧を減少させることが望まれる。

公知の顕微鏡およびリソグラフィーは、それらが操作に影響を与える振動を受けやすいという欠点も有しているので、振動を受けにくい顕微鏡およびリソグラフィー機器が望まれる。

本発明は、ナノメートル技術に用いられるのに適する粒子ビーム発生装置において、引出開口を有する引出板であって、粒子源に隣接して配置され、このような粒子源から引出開口内に粒子を引き出し、粒子ビームを形成する引出板と、引き出された粒子を加速し、ビームのエネルギーを増大させるように操作可能な粒子加速手段と、粒子ビームを平行にするように操作可能なコリメート手段とを備え、引出開口と加速手段の少なくとも１つは、粒子ビームの横方向の広がりを抑制し、１００ｎｍ未満の直径を有する略平行粒子ビームをもたらすことを特徴とする粒子ビーム発生装置を、提供する。

この粒子ビーム発生装置は、横方向に抑制された粒子ビームから、１ｎｍ未満の直径を有する集束粒子ビームが得られるように操作可能な集束手段を、さらに備えていてもよい。

本発明は、電場における粒子軌道の尺度不変性を利用している。ビームスポットの絶対的な寸法は、機器の作動要素の全体的な寸法（特に、集束レンズの焦点長さ）に関連すると考えられる。（粒子源から最終ビームスポットに向かって順番に配置される）これらの要素は、個々にまたは組合せて作用し、粒子ビームの横方向の広がりを抑制するように作用し得る粒子源および加速手段である。このような粒子ビーム発生装置は、サブミニチュア(sub-miniature)の大きさで、ビームの広がりを抑制する微細加工された集束および加速手段を含んでいてもよい。従って、分解能は、大きな機器よりも著しく小さく維持され得る。すなわち、１００ｍｍの規模で設計がなされると、数ｍｍの最大寸法を有するマイクロマシンにおけるよりも少なくとも実質的に１００倍大きいビームスポットの寸法を有する可能性がある。大きな機器は高い電圧を用いることができるので、ビームを高エネルギーに加速し、その結果として、小さなビームスポットの寸法が得られるが、これを考慮したとしても、サブミニチュア設計のビームスポットの寸法は、実質的に同様の大きな機器におけるよりも少なくとも実質的に１０倍小さくなり得る。

引出開口の直径は、実質的に５ｎｍから５００ｎｍの間にあってもよい。さらに好ましくは、引出開口の直径は、実質的に５ｎｍから１００ｎｍの間にあってもよい。

粒子加速手段は、積み重ねて配置されてかつ互いに電気的に隔離されている複数の加速板を備えていてもよい。各加速板は開口を備え、これらの開口は、引出開口と共通長手方向軸を共有し、延長加速開口を形成するように構成されてもよい。引出板と第１加速板との間およびそれに続いてカラム（column）を形成するように配置された連続的な隣接加速板の各対間に電圧を印加したとき、引出された粒子が加速開口に沿って加速され、その結果、構成要素である引出された粒子からなるビームのエネルギーが増大する。

これに代えて、引出板は、少なくとも１つの抵抗性および／または絶縁性材料によって第２導体から分離される第１導体であってもよく、加速手段は、引出開口からこの材料と第２導体内に延在する加速開口を備えていてもよい。第１導体と第２導体との間に異なる電圧を印加したとき、引き出された粒子が加速開口を通って加速される。好ましくは、上記の材料の抵抗は、実質的に１ｋΩから無限大の間にある。この材料は、好ましくは、半導体材料であり、ドープされたシリコンであると有利である。

有利には、加速開口の直径は、実質的に１０ｎｍから１０００μｍの間にある。コリメート手段は、加速開口と一体に形成されてもよく、有利には、加速開口の壁内に形成される円錐からなる。この円錐は、その直径が加速されるビームの方向に沿って大きくなるような形状を有する。

代替的または付加的に、コリメート手段は、加速開口よりも小さい直径を有する少なくとも１つのコリメート開口を有してもよく、その加速開口の長手方向軸に配置されるとよい。

粒子ビーム発生装置は、有利には、それと一体化された粒子源を備え、その粒子源は、好ましくは、電界放出源である。

粒子ビーム発生器は、電子粒子源と共に用いられるのに適するようにされてもよいし、あるいはイオン粒子源と共に用いられるのに適するようにされてもよい。

粒子ビーム発生装置は、近接場顕微鏡の一部を構成してもよいし、マイクロチップに取り付けられてもよい。

以下、添付の図面を参照して、本発明を例示的に説明する。

図１を参照するに、粒子ビーム発生装置１０は、引出開口１３を有する引出板１２を備えている。この引出開口１３は、粒子源１４に関して中心に配置されるように、圧電制御システム（図示せず）によって位置決めされる。この粒子源は、近接場ナノ尖端（nanotip)
源である。このナノ尖端は、約８ｎｍの半径を有する標準的なＳＥＭ尖端である。破線の円線は、引出板が図示されているよりもはるかに横方向に大きくてもよい、ことを示している。加速カラム１６は、カラムを形成するように積み重ねられた一連の加速板１８からなる。各加速板１８は開口を有し、これらの開口は、加速板が積み重ねられたときに、互いに対してかつ引出開口１３に対して共通長手方向軸を共有し、延長加速開口２０を形成する、ように構成されている。各板１８は、互いに電気的に隔離され、それ自身の電圧が印加され得る。電子または負イオンを加速する場合における、これらの板１８およびナノ尖端に印加される電圧が右側に示されている。この場合、Ｖは常に負であり、カラムからの電子の最終エネルギーはＶＴ（ｅＶ：電子ボルト）である。ΔＶはカラム内における各板間の電圧差であり、ＶＯはナノ尖端と引出板との間の電圧差である。（最大の負電圧はナノ尖端に印加される電圧であり、電圧はカラムの下方に移動するにつれて大きくなり、最終板においてゼロ電圧になる）。粒子ビーム発生装置１０は、近接場顕微鏡装置と共に用いられるのに適するようにされてもよく、３００−１０００ｅＶのエネルギー範囲で操作されるように設計されてもよい。電圧および電極の間隔は、ナノ尖端が電子を放出し、加速開口における電界がわずかに収束するビームを生成するのに必要な電界であるように、調整される。電子の軌道が、点線、鎖線２２によって概略的に示されている。ここで、電子は図の上方から下方に進む。これらの軌道は、ナノ尖端から放出されて加速カラム内を通過する電子の大半を含む外被によって画成される全体的なビーム輪郭を示している。

図２を参照するに、第１マイクロスケールレンズシステムからなる第１段(stage)集束手段２４が示されている。このマイクロスケールレンズシステムは、加速開口２０からの粒子ビームを集光し、かつ集束するために配置されている。図２は、ビーム輪郭２６への集束効果を示している。このレンズは、３つの円筒要素２８、３０および３２からなる収差が補正される円筒アインツェルレンズである。外側の２つの要素２８および３２は接地電位にあり、中央要素に電子を必要な位置に集束するのに十分な電圧が供給される。（いずれの極性電圧が印加されてもよいが、電子を集束するのに用いられる場合、収差は正電圧で最小になり、正荷電イオンを集束するのに用いられる場合に、収差は負電圧で最小になる）。この特殊なマイクロレンズの概略的な尺度が、図の上部に示されている。一例として、図において、ビームは、試料ホルダー３４ａに集束される。この試料ホルダー３４ａは、試料を走査するために横方向に移動可能であり、焦点を調整するためにビーム軸に沿って移動可能である。このレンズにおける収差は、図１および２の断面図におけるａ、ｂ、ｌ、およびｔで示される相対的な寸法を調整することによって、補正される。

図３を参照するに、３つの円筒要素３８、４０、および４２からなるミニチュアアインツェルレンズを備える第２段集束手段３６が示されている。この手段は、略１０００倍大きく、ビーム２６を試料ホルダー３４ｂが位置する機器の端部から数ｍｍの点に集束させること以外は、前述のレンズと本質的に同じである。前述したように、圧電制御システムを用いて試料を横方向に移動させることによって、走査が行なわれる。ホルダー３４ｂは、試料を正確な焦点に配置するために、軸に沿って移動可能である。数ｍｍの焦点長さがあるので、ターゲットの上方の空間に、電子検出器４４を備えることができる。これは、後方散乱電子を検出かつ測定し、走査イメージを得るために用いられる。このレンズの収差は可能な限り良好に補正される、ことが最も重要である。寸法ａ、ｂ、ｌ、およびｔの相対的な調整に加えて、点線、破線によって示される内面４６の湾曲も最適化され得る。

使用時において、引出板は粒子源に近接して配置され、電圧が引出板と粒子源との間に印加され、電界放出の作用によって、電子がナノ尖端から直接放出される。もし液体金属が集束イオンビーム源におけるようにナノ尖端に供給されるなら、同様の作用によって、イオンビームを生成することができる。これらの電子および／またはイオンのビームの輝度は極めて大きいので、それらのビームを小さなスポットに集束させることができる。このビームを用いて、そのビームが横方向に広がるのを抑制するために、ナノスケールの引出開口を有する引出板を用い、この引出板のナノ尖端と向き合う側に、高電界領域を生成させる。従って、電子および／またはイオンは、良好にナノ尖端源から引き出され、引出開口を通過することができる。この引出開口は、近接場分光法において一般的に用いられるような圧電変換装置を用いて引出板を移動させることによって、ナノ尖端源の中心に配置させることができる。引出板の反対側の電場は、ナノ尖端源に面する側の電場と同様であり、電子および／またはイオンを加速し、同時に弱い集束効果を生成する。この開口に追従する粒子ビームの寸法は、開口寸法によって本質的に決定され、計算によれば、開口が約３０ｎｍの寸法の場合、ナノ尖端源から放出される電子またはイオンの殆どはこの粒子ビームに形成され得る。

この粒子源の設計は、好ましくは、数百ナノメートルよりも小さい距離だけ離れて、ナノ尖端に近接配置されるナノスケールの開口を用いる点において、従来から用いられている設計と異なっている。従って、電子は、微小の開口を通って引き出され、その後に続くレンズの軸に近接して小さい寸法に閉じ込められ得る。また、これは、ナノ尖端から電界放出を生成させるのに、極めて小さな電圧しか必要としないことを意味している。引出開口から延在する加速開口を有するナノスケールおよび／またはマイクロスケールの加速カラムを用いることによって、引出板のいずれかの側にも略均等の電場を生成することができ、引出板は弱いレンズとして作用することができる。これは、電子および／またはイオンを加速するその（加速開口）機能とは、別の機能である。従って、ビームは機器内を進む内に、著しく広がることがない。この機器は、ビーム寸法が小さいので、レンズの収差に及ぼす望ましくない影響を制限し、１−１０００μｍの範囲内の開口を有する円筒集束レンズ（静電および磁気の両方）の使用を可能とする。これは、機器の規模を全体的に小さくするという著しい利点をもたらす。

これによって、マイクロスケール（サブミニチュア）の長さおよびミリメートルの焦点長さを有する集束レンズの使用が可能になる。これらの焦点長さは従来の電子顕微鏡よりも著しく小さいので、レンズ収差をわずかに補正しながら、ビームを極めて小さい寸法に集束させることができる。

これらのミニチュアおよびサブミニチュア設計はエネルギーが最大数ｋｅＶに達する電子および／またはイオンのための単独の機器として操作するようにされているが、１００ｋｅＶを超える電圧まで高められる大型の従来の高エネルギー電子および／またはイオンビームシステムの第１段として用いられてもよい。

次いで、粒子源、加速カラムからのビームは、マイクロスケールの円筒アインツェルレンズ内を通過する。このレンズは、加速カラムの端からのビームがこのレンズに到達する前に著しく広がらないような距離に、配置される。このレンズを用いて、ビームを、最終レンズ要素から数ミクロンの距離の点において、１ナノメートルよりも小さい直径に集束させることができる。最小の焦点スポットを得るために、その幾何学的形状を後述するように調整することによって、この要素の収差を補正する。

この集束ビームスポットをＳＥＭまたはＦＩＢ技術に対して直接用いることが可能であるが、もしビームを数１００μｍから数１０００μｍの典型的な開口直径を有するミニチュアまたはサブミニチュアの大きさのアインツェルレンズ内をさらに通過させると、より実用的である。このレンズは、その最後のレンズ要素の端から数ｍｍの距離に最小のビームスポットを得ることができるように、最初のマイクロレンズから最適な距離に配置される。

この最後のレンズを通るビーム寸法を数μｍよりも小さくすることができるが、最良の性能を達成するために、収差（主に、球面収差）を補正する必要がある。これは、その幾何学的形状を後述するように変更することによって、なされる。もしこのレンズが適切に補正されるなら、１ｎｍよりも著しく小さい集束ビームスポットを得ることができる。

本発明の作用に等しく適用可能な、他の第１および第２段集束手段が用いられてもよいことは、当業者にとっては明らかであろう。

図４を参照するに、２つの４要素円筒アインツェルレンズ（１つはＢで示されるマイクロスケールのレンズ、１つはＣで示されるミニチュアスケールのレンズ）を完備したシステムが示されている。これらのレンズは、Ａで示される電子および／またはイオン源の下流に配置されている。幾何学的形状に多くの変数を有しているので、このシステムを極めて低い収差を有するようにすることができる。これは、カメラおよび光学機器内の多重要素からなる光学レンズにいくらか類似している。これらのビーム要素に対する最終的な設計は、レンズに入る電子および／またはイオンのエネルギー、発散、および寸法に依存する。変化し得るパラメータは、以下の通りである。
１）電子の数
２）各電極の厚み
３）電極間の間隔
４）各電極の開口の寸法
５）前述の用途において示されるレンズの縁の形状
６）各電極に印加される電圧

本願発明者らは、これらのパラメータを適切に変更することによって、本願発明者らのシステムから球面収差を殆ど完全になくすことができた。

図４は、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４がそれぞれ印加される４８、５０、５２、および５４で示される４要素レンズの幾何学的形状を示している。ビームとその方向が５６で示されている。第１分析位置５８は、マイクロスケールレンズの端から焦点距離ｆ１だけ離れている。走査トンネル顕微鏡において一般的な圧電装置を用いて試料を移動させることによって、ビームを走査させる。この試料の位置を除き、ビームを第２ミニチュアレンズ内を伝播させ、第２レンズの端から距離ｆ２の焦点に到達させることができる。この点に、圧電によって駆動される試料ホルダー６０がある。この第２ミニチュアレンズは第１レンズと同じ幾何学的形状を有するように図示されているが、必ずしもそのような場合に限らない。ここでも、正確な幾何学的形状（開口の寸法など）は、このレンズを通るビームの性質に依存する。典型的な開口の寸法は、マイクロスケールレンズの場合は約５μｍで、ミニチュアレンズの場合は５ｍｍである。しかし、これらは広い範囲にわたって変更され得る。

本発明のさらに他の実施形態が図５に示されている。ここで、粒子ビーム発生装置は、狭い（＜５０ｎｍ）軸上ビームを生成する１つ以上のナノカラム１６２を備えるマイクロチップ１００である。ナノ尖端１１４は、マイクロ構造の端に位置し、垂直カンチレバー（図示せず）に取り付けられ、ナノカラム１６２の第１開口１１３の中心に配置され、その第１開口１１３から１０ｎｍよりも大きい距離だけ離れている。ナノカラム１６２は、図示されるように１つ以上の部分から構成することができ、５０ｎｍ未満の横方向寸法の軸方向ビームを画成する。典型的なナノカラム１６２が図５ｂに示されている。このナノカラム１６２は、絶縁層１９を介在させて交互に配置される金属（導体）層からなる薄い多層膜からなり、これらを通して、円開口１１３がリソグラフィーまたは集束イオンビーム（ＦＩＢ）による「ミリングマシーン(milling machine)」を用いて形成される。ナノカラムの全長は、２μｍ近くで、ビームの（軸上）方向および位相空間の発散度を正確に決定するのに十分であり得る。ナノ尖端１１４は、図示されるように、開口の上方に位置し、電圧差がナノ先端１１４とナノカラム電極１６２との間に印加される。ナノカラムによって画成されるビームは、多重要素からなるマイクロスケールのアインツェルレンズと同心の軸線１６４を有している。このレンズは、絶縁体１６８が介在する金属（導体）電極１６６からなる。図示されるこの組立体は、絶縁体が介在する４つの電極からなり、ナノカラムから数μｍだけ離れた距離に位置し、マイクロレンズと同じ寸法の開口を有する絶縁膜によって、分離されている。このレンズの適切な開口の直径は、前述の用例において与えられている。積層されている金属導体の電極の数を増やすことによって、このレンズにおける収差を低減させることができる。

図６は、マイクロレンズがビームを機器の端から５０μｍ未満の点に集束させることができるように、顕微鏡を構成する方法の１つを示している。この条件には、ビームが１ｎｍ未満で１Åに近い横方向寸法を有していることが必要である。（このビームスポットは、本質的に、機器の分解能を決定する）。本発明のこの実施形態の１つの用例は、図６ｂの近接場顕微鏡に示されているが、近接場顕微鏡の水平カンチレバーアーム１７０に堅く取り付けられた「チップ」または本体１００からなる。ここで、水平カンチレバーアーム１７０は、ナノポジショニングの標準的な技術を用いて、位置決めされ得る。この上方の垂直カンチレバーは、ナノ尖端１１４を保持し、垂直方向において移動可能で、かつ水平面内おいて走査可能である。試料を取り付けるための小さい表面積を有する特別のリテーナ１７２に、試料が取り付けられている。（この原子レベルの分解能を有する装置は、小面積の試料のみに対応することができる。すなわち、大きい面積の場合、マイクロレンズの焦点長さが増大するので、分解能の大きさは約１ｎｍになる）。顕微鏡の本体の下方のさらに他の垂直カンチレバー１７４は、試料リテーナを保持し、試料を正確な垂直距離に位置決めすると共に、水平面において走査する手段を構成する。

本体またはチップ１００の詳細が図６ａに示されている。一連の段が、リソグラフィーまたはレーザビームによる微細加工によって、チップの１つの縁に生成される。底段は数μｍの厚みしかなく、約２０μｍよりも広い幅を有している。この段１７６に、多層アセンブリ１７８が形成されている。アセンブリ１７８は、本質的に、図６ａに示される粒子ビーム発生装置の本体である。この多層は原子層蒸着(atomic deposition)によって２段に成長させている。まず、静電レンズに対応する層が生成され、図における符号Ａに対応する段の縁の近くにおいて、レンズ開口に対応する穴１１３がリソグラフィーによってこの層に生成される。（多くの穴を一回のリソグラフィー手順によって生成することができ、各穴を個別の顕微鏡に対応させることができる）。上層に、金または炭素のナノメートル厚みの膜を被覆し、次いで、ナノカラムの層に対応する連続的な多層を（原子層蒸着によって）成長させる。個別の層の各々を各段に沿った異なる位置で終端させるような水平方向のマスクを用いて、これらの層を生成させる。これによって、露出領域１８０によって示されるように、電気的な接点を顕微鏡における電極に取り付ける基本的な方法を適用することができる。最終的に、集束イオンビームを用いて、静電レンズと軸が一致する上側の多層内に、ナノカラムの穴が穿孔される。（これは、最先端の電子ビームによるリソグラフィーおよび乾式エッチング技術によって行なうこともできる）。

操作において、ナノ尖端１１４を上記開口の中心に配置し、ビームを集束させるようにレンズへの電圧を調整する。ここで、軸１６４は、焦点１８２における試料上にある。支持段１７６の厚みおよび焦点長さは、後方散乱電子がチャンネルトロン１８４に記録されるのに十分に大きい間隙が形成されるように、設定される。

顕微鏡を単一チップに含ませ得るさらに他の２つの改良が可能である。第１に、ナノ尖端および顕微鏡のカンチレバーをチップの本体内に作製することができる。（このカンチレバーは、水平方向のカンチレバーであり得る）。第２に、検出器をチップの基部内に作製することができる。この目的のために、電子の場合、半導体アバランシェ式の検出器を用いのが一般的に好ましい。さらに、チップの基部内に試料を走査する機構を内蔵し、究極的なチップオンＳＥＭを得ることもできる。

使用時において、典型的な寸法と電圧は、本発明の先行する実施形態において前述されたのと同様に設定される。適切な構成として、ナノ尖端１１４は、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）において用いられるような垂直カンチレバー装置を用いて、位置決めされる。しかし、最近のリソグラフィーの進展によって、このカンチレバーを顕微鏡に内蔵させることが可能である。このナノカラムは、絶縁層によって分離される多層の導電（金属またはシリコン）薄膜からなり、これらの層に、必要とされるナノスケール（典型的には、５０ｎｍ未満）の円形穴が生成される。これは、リソグラフィー技術によるかまたは集束イオンビームを用いる穿孔のいずれかによってなされる。マイクロスケールの多重要素からなるアインツェルレンズがこのナノカラムの下方に同心に配置される。これは、別体として作成され、標準的なマイクロポジショニングシステムを用いて、ナノカラムに関して独立して配置することができる。簡単な形態では、マイクロレンズはナノカラムと同じ多層構造内に作製され、その全体が顕微鏡の基本要素を構成する。このレンズの作製は、リソグラフィーおよびレーザビーム加工を含む種々の技術によって、行なうことができる。

顕微鏡の本体は、垂直方向および横方向の両方に位置決めされ得る垂直（カンチレバー）アームに保持される。ナノプローブは、ナノカラム内の第１電極を形成する四分円(quadrant)金属薄膜内の電流を用いるサーボ機構によって、ナノカラムの開口の中心に配置される。この顕微鏡の本体の下方に、垂直カンチレバーの端に取り付けられた試料台が配置される。電子ビームは、試料に集束され、ＳＴＭに用いられるような標準的なナノポジショニング技術、例えば、圧電機構を用いて、カンチレバーの端を移動させることによって、試料の端から端まで移動され得る。もし後方散乱電子が電子検出器（チャンネルトロン）を用いて検出されると、表面の原子構造のイメージが得られる。究極的な設計として、電子検出器を顕微鏡チップの基部に内蔵させることもできる。

１０ｎｍ深さの表面構造の加工に適する集束イオンビームシステムの設計は、液体ガリウムを上記のナノ尖端に送給し、電圧の極性を反転させることによって、前述の構成に基づいて、行なうことができる。この装置において、ナノ尖端がナノカラムの下方に配置するように、幾何学的形状を逆転させる。（これは、液体ガリウムが顕微鏡を汚染するのを防ぐためである）。

本発明のさらに他の実施形態が図７および８に示されている。ここで、粒子ビーム発生装置２００は、半導体材料２８４によって分離される１対の薄膜の金属層２１２および２１３を備えている。これらの金属層は、各々、コリメート開口２８６および２８８（ナノコリメータ）を備えている。ビーム発生装置２００は、半導体材料内を延在してコリメート開口２８６および２８８と長手方向軸を共有する加速開口２２０も有している。加速開口２２０の直径は、コリメート開口２８６および２８８の各々の直径よりも大きい。典型的には、加速開口２２０の直径は約５０ｎｍで、コリメート開口の直径は約３０ｎｍであるとよい。十分な電圧差がナノ尖端２１４とコリメート開口２８６との間に存在すると、粒子がナノ尖端２１４から放出される。半導体の両端の電圧差が十分に大きいと、これらの粒子は加速され、殆ど平行のビームに集束される。（矢印２９０は、図７ａおよび７ｂの両方において、電子ビームの方向を示している）。典型的には、０．５μｍのシリコンの薄いウエハまたは膜の場合、半導体の両端の電圧は約３００ボルトであるとよく、これによって、６００ＭＶ／ｍの均一な電場が穴に沿って生成される。もしナノカラムを図７ｂに示すように２段に生成すれば、より長いナノカラムも可能である。ここで、導体膜２１３によって分離された２つの層が設けられている。底層２８５は導体であり、金属、好ましくは、極めて低い抵抗を有するドープシリコンによって作製され得る。もし２つの金属膜２１３および２１４が接地電位の場合、底カラム２８５の全体も接地電位である。ナノ開口２８６は、図７ａに示される装置におけるのと同じ機能を果たす。しかし、ナノ尖端から数μｍの開口２８８は、電子ビームの（位相空間）の発散度をさらに低下させながら、電子ビームの散乱を低減させることができる。この下側カラム２８５の穴は、上側の加速部分と同時に作製される。その下側カラムの独自の機能として、ナノ開口２８８を半導体の穴と同心に保持する。開口２８８の直径に制限される狭い電子ビームは、次いで、図８に示される顕微鏡の静電集束要素内を通過する。

ナノカラムの穴２９０とナノ尖端２１４が電子源を構成する顕微鏡として用いられる完備された粒子ビーム発生装置が、図８に示されている。狭い電子ビーム２２２は、ナノカラム２８６／２８８から、図示される同心のアインツェルレンズ内を通過する。このレンズは、導体層２９２と絶縁層２９４から作製される簡単な３要素装置であり、これらの層に、開口が形成されている。他の実施形態においてすでに述べたように、５つ以上の電極を含む多重要素レンズを用いることによって、収差を低減させることができる。内径（レンズの開口）および電極の間隔は、最小の収差を与えるように、従って、最小のビームスポットが得られるように、選択される。このレンズの典型的な寸法は、内径が約２μｍで、各層の厚みが約１μｍである。アインツェルレンズの作製は、３つの異なる層からなる単一の薄いウエハを用いることによって、簡素化される。異なる不純物濃度でドープされたシリコンを用いることによって、導体層２９２と絶縁層２９４を生成することができる。単純な３要素レンズの場合、外側の２つの導体電極は接地電位にあり、中心の電極に、アセンブリ２９６の端から所望の距離に集束させるための補正電圧が印加される。このアセンブリの全体が顕微鏡の本体を構成し、これが他の実施形態においてすでに述べたような段付きアセンブリの端に作製される場合、ビーム発生装置は、本質的に、ナノ尖端から離間した単一のチップを構成する。しかし、このナノ尖端はカンチレバーの端に配置され、その結果、このナノ尖端はナノカラムの入口開口の中心に位置し、従って、ナノチップ内に一体化させて、完全な集束電子（イオン）ビームマシン、すなわち、「チップオン顕微鏡」を作製することができる。なお、顕微鏡の本体をなす抵抗性膜は多くの穴を有することができ、ナノプローブをいずれかの入口開口に移動することによって、それらの穴の全てにアクセスすることができる。

前述の実施形態において、加速ナノカラムは、金属（導体）層と絶縁層が交互に配置され、これらの層に、１００ｎｍ未満の直径の穴を形成して、電子が通過する通路が作製される多層構造から構成されている。このアセンブリ内の導体電極に電圧を印加することによって、カラム内の真空排気された開口に沿って高い電場を生成することができる。この実施形態は、前述のアセンブリと同じ効果を有するナノカラムまたは加速器を作製する簡単な方法である。さらに、この新しい装置は製造が簡単であり、カラムの両端に拘束（耐散乱性(anti-scatter)）コリメータを介在させることができる。この方法は、高抵抗材料の単一シートから加速器を作成し、そのシートに、微細加工技術を用いて、穴を形成する。好ましい材料は、これだけに制限されないが、マイクロチップの製造に用いられる単一の結晶ドープシリコンである。ドープは、通常、ｎ型である（しかし、ｐ型も可能である）。ドープの濃度は、制限はされないが、抵抗が１ｋΩｍ−ｃｍから１００ＭΩｍ−ｃｍの範囲にあるように、設定されるべきである。このような材料の薄膜の両端に印加される電圧によって、均一な電場が抵抗性材料の任意の真直ぐな穴に沿って確実に生じる。穴は、薄いウエハまたは膜の平行な両面と垂直である。この膜は加速器の本体であり、絶縁膜と導体膜が交互に配置される多層から構成されるカラムに対する前述の用語に対応させて、大まかにナノカラムと呼ぶこともできる。（ナノカラムと呼ぶのは、膜の開口がナノメートル寸法の範囲内にあるからである）。このようにして、電場は、（真空排気された）穴に沿って生じ、穴内に注入された電子を加速することができる。典型的に５０ｎｍの開口の上方に約３０ｎｍの距離に配置されるナノ先端は、そのナノ尖端への電圧が約１０ボルトだけ表面の電圧を越えると、電界放出電子を放出する。半導体の両方の面は薄い金属膜で被覆され、この膜に、穴が半導体の穴と同心に形成される。金属膜の穴の直径は半導体におけるよりも小さいので、これらの開口は、耐散乱性コリメータとして作用し、電子ビームの発散度を低減させるのに用いることもできる。

集束電子ビーム装置におけるこれらのナノカラムの操作は、以下の通りである。負電圧をナノプローブに最も近い金属層に印加し、大きな負電圧をナノ尖端に印加する。他の半導体表面の金属層は、接地電位にする。これらの電圧を正確に選択することによって、ナノ尖端から放出される電子を、ナノカラムの穴の下方に集束し、かつ加速することができる。５０ｎｍ未満の直径を有するほぼ平行の電子ビームを生成することができる。

最良の性能を得るために、コリメータ開口の直径を１００ｎｍ未満にし、シリコンの厚みを０．５μｍよりも大きくする必要がある。この装置を有効にするには、装置が（ナノスケールの穴）の壁からの散乱を低減させると共に、ビームの全発散度も低減させるコリメータを含むことが不可欠である。後者は著しく重要である。何故なら、ビームの全発散度は、最終的なビームスポットの寸法に比例するからである。従って、注意深く選択されたコリメータを用いて、発散度の減少を大きくすることによって、最終的なビームスポットの寸法を著しく小さくすることができる。ナノスケールのコリメータを作製するのに、２つの方法が利用可能である。第１の方法において、ナノスケールのカラムは円錐状の穴を有し、その穴は、ナノ尖端電子源に近いほど小さくなる直径を有する。このような方法によって、電子ビームの穴の内壁からの散乱を大きく取除くことができる。円錐形状に代えて、ビームを平行にするために必要とされる位置において穴の開口がより急に小さくなるような形状であってもよい。これらのコリメータは、必要に応じて、両端に形成することができる。他の案において、穴の片端または両端における薄い金属の被覆層をイオンエッチングして、コリメータを作製する。これは、乾式エッチング技術または集束イオンビーム（ＦＩＢ）ミリングマシーンを用いて、行なうことができる。

一般的な配置構造が図９に示されている。ここで、電子源は、装置の第１ナノスケール部分の入口に配置されるナノ尖端３１４であり、ビーム方向が８２２で示されている。図９ａは、μｍの厚みの材料部分３０１を示している。この材料部分３０１内に、５０ｎｍ（典型的な寸法）の円形穴が乾式エッチング技術によって形成される。このエッチングを注意深く制御することによって、この穴の壁を平行にすることができる。顕微鏡のカラムまたはアセンブリの全体を、前述の実施形態において説明したような加速部分および非加速部分を有するように、構成することもできる。これらの開口２８６および３８８を形成する１つの方法は、以下の通りである。穴の形成中に、位置合わせ特徴部３９８は、開口位置を示すために、位置合わせ特徴部３９８を表面に形成する。次いで、この表面に、真空蒸着技術（供給源から原子層蒸着）によって、ナノメートル厚みの金層を被覆し、この第１層の上に、２−３ｎｍの厚み（典型的な厚み）の金箔３１２および３１３を開口を覆って配置する。（もしこれが清浄な条件においてなされるなら、金箔はシリコン上の真空蒸着された金層と接合する）。次いで、イオンビーム穿孔または乾式エッチングによって、開口２８６および２８８をこの金属箔に形成することができる。（これを可能にするには、金層が形成された後、位置合せを可視状態に保持することが重要である）。図９ｂは、特に加速部分への入口に開口を形成する代替的方法を示している。この方法において、図示されるように、穴は円錐状に傾斜している。この傾斜は、乾式エッチングプロセスを注意深く制御することによって得られる。次いで、標準的な真空蒸着方法を用いて、金属を表面に蒸着することによって、上側の導体層３９９を形成する。前述の方法によって形成されるさらに他の開口は、中央の図に示されるように、このアセンブリの下方に配置される。しかし、中央の図面に示される開口の下方に、傾斜穴を有する第２ウエハを配置することによって、コリメータをこの位置に形成することもできる。次いで、これを薄膜金属（金）から形成される開口と置き換える。この開口は別の（シリコンの）薄いウエハに形成することができる。この開口は、穴が同心に形成されるか、またはアセンブリの全体が１つに作製され得るように、配置される。従って、システムは、円錐穴を有する２つのウエハから効果的に構成され、ここで、両方のウエハは、平坦な側が金属膜によって真空被覆されている。また、図９ｃに示されるように、必ずしもテーパの形態ではないウエハの真性材料からコリメータを生成することもできる。コリメータを１つまたは多数のアセンブリ（ウエハ）の片端または両端に作製することができる。散乱をできるだけ小さくし、および／またはビームの位相空間の発散度を低減させるために、これらを積層することができる。

本発明の第１実施形態による粒子ビーム発生装置の断面Ａ−Ａに沿った概略図である。 図１の粒子ビーム発生装置と共に用いられるのに適する第１段集束手段の例の概略図である。 図１の粒子ビーム発生装置および図２の第１段集束手段と共に用いられるのに適する第２段集束手段の例の概略図である。 図１の粒子ビーム発生装置および図２および図３の第１段および第２段集束手段の概略図である。 本発明の第２実施例による粒子ビーム発生装置の概略図である。 本発明の第３実施例による粒子ビーム発生装置の概略図である。 本発明の第４実施形態による粒子ビーム発生装置の断面と、コリメート手段も示す概略図である。 本発明による粒子ビーム発生装置を備える顕微鏡要素の概略断面図である。 さらに他のコリメート手段の概略図である。

Claims (17)

1. ナノメートル技術分野において用いられる粒子ビーム発生装置であって、
   引出開口を有する引出板であって、粒子源に隣接して配置され、このような粒子源から粒子を前記引出開口に引き出し、粒子ビームを形成するように操作可能な引出板と、
   前記引き出された粒子を加速し、前記ビームのエネルギーを増大させるように操作可能な粒子加速手段と、
   前記粒子ビームを平行にするように操作可能なコリメート手段と
   を備え、
   前記引出板は前記粒子源に十分近接して配置されて、前記引出開口の少なくとも一方の側に生成された電界と相まって、前記引出開口を通る前記粒子ビームに集束効果をもたらすと共に前記粒子ビームが１００ｎｍ未満の直径を有するように前記粒子ビームの横方向の広がりを抑制する、粒子ビーム発生装置。
2. 前記横方向に抑制された粒子ビームから、１ｎｍ未満の直径を有する集束粒子ビームをもたらすように操作可能な集束手段をさらに備える請求項１に記載の粒子ビーム発生装置。
3. 前記引出開口の直径は、実質的に５ｎｍから５００ｎｍの間にある、請求項１または２に記載の粒子ビーム発生装置。
4. 前記引出開口の直径は、実質的に５ｎｍから１００ｎｍの間にある、請求項３に記載の粒子ビーム発生装置。
5. 前記粒子加速手段は、積み重ねて配置されて互いに電気的に隔離された複数の加速板を備え、各加速板は、前記引出開口と共通長手方向軸を共有して延長加速開口を形成するように配置された開口を有し、前記引出板と第１加速板との間、およびそれに続いてカラムを形成するように配置された連続的な隣接加速板の各対の間に電圧を印加したとき、前記引き出された粒子が前記延長加速開口に沿って加速される、請求項１〜４のいずれかに記載される粒子ビーム発生装置。
6. 前記引出板は第１導体から形成され、前記加速手段は、前記引出開口から少なくとも１つの抵抗性および／または絶縁性材料と、前記第１導体とは別の第２導体とを通って延長する加速開口を備え、前記引出板は前記抵抗性および／または絶縁性材料の少なくとも１つによって第２導体から分離されており、差動電圧を前記第１および第２導体間に印加したとき、前記引き出された粒子が加速される、請求項１〜４に記載の粒子ビーム発生装置。
7. 前記少なくとも１つの抵抗性および／または絶縁性材料の抵抗は、実質的に１ｋΩ−ｃｍから無限大の間である、請求項６に記載の粒子ビーム発生装置。
8. 前記加速開口の直径は、実質的に１０ｎｍから１０００μｍの間にある、請求項５〜７に記載の粒子ビーム発生装置。
9. 前記コリメート手段は、前記加速手段を備える、請求項１〜８のいずれかに記載される粒子ビーム発生装置。
10. 前記コリメート手段は、前記加速手段の壁内に一体に形成される円錐を備え、前記円錐は、前記加速されたビームの方向において大きくなる直径を有する、請求項９に記載の粒子ビーム発生装置。
11. 前記コリメート手段は、前記加速開口よりも小さい直径を有する少なくとも１つの開口を有し、前記加速開口の長手方向軸に配置される、請求項９および１０に記載の粒子ビーム発生装置。
12. 粒子源を一体的に備える請求項１〜１１のいずれかに記載の粒子ビーム発生装置。
13. 前記粒子源は、電界放出源である、請求項１２に記載の粒子ビーム発生装置。
14. 電子粒子源と共に用いるのに適する請求項１〜１３のいずれかに記載の粒子ビーム発生装置。
15. イオン粒子源と共に用いるのに適する請求項１〜１３に記載の粒子ビーム発生装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の粒子ビーム発生装置を備える近接場顕微鏡。
17. 請求項１〜１５に記載の粒子ビーム発生装置を備えるマイクロチップ。

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