JP5075142B2 - デュアルモードガス電界イオン源 - Google Patents

Description

[0001]本発明は荷電粒子ビーム装置および荷電粒子ビーム装置を動作させる方法に関係する。特に、本発明は、特に、試料をイメージング、検査、および、構造化する、ガス電界イオン源を有する集束イオンビーム装置に関係する。さらに、本発明は、デュアルモード動作用のガス電界イオン源カラムおよび様々な動作モードを有するガス電界イオン源を動作させる方法に関係する。より詳細には、本発明は集束イオンビーム装置および集束イオンビーム装置を動作させる方法に関係する。

[0002]マイクロエレクトロニクス、マイクロメカニクス、および、バイオテクノロジーのような技術は、ナノメートルスケールの範囲内で試料を構造化し、プロービングする高需要を生み出している。マイクロメートルスケールおよびナノメートルスケールのプロセス制御、検査または構造化は荷電粒子ビームを使って行われることがよくある。プロービングまたは構造化は、荷電粒子ビーム装置内で生成され集められた荷電粒子ビームを使って行われることがよくある。荷電粒子ビーム装置の例は、電子顕微鏡、電子ビームパターン発生装置、イオン顕微鏡、ならびに、イオンビームパターン発生装置である。荷電粒子ビーム、特に、イオンビームは、同等の粒子エネルギーで波長が短いので、光子ビームより優れた空間分解能を提供する。

[0003]半導体装置などの製造中に、複数の観察段階および標本改質段階が通常実施される。一般的なシステムは、試料の観察、イメージング、試験、または、検査のための電子ビームカラムと、試料のパターニングまたは材料改質のためのイオンビームカラムとを含む。これらの「デュアルビーム」システムは複雑性が高く、よって、高価である。

[0004]上記に鑑みて、本発明は、独立請求項１および１６に記載された集束イオンビーム装置と、独立請求項１９に記載された集束イオンビーム装置を動作させる方法とを提供する。

[0005]一実施形態によれば、集束イオンビーム装置が提供される。集束イオンビーム装置は、イオンを生成するためのエミッタ領域を備えるガス電界イオン源エミッタを収容するための筐体を含むイオンビームカラムと、ガス電界イオン源エミッタからイオンを引き出すための電極と、第１のガスおよび第２のガスをエミッタ領域へ取り込むため適合した１個以上のガス入口と、第１のガスまたは第２のガスから生成されたイオンビームを集束させるための対物レンズと、電極とガス電界イオン源エミッタとの間に電圧を供給するための電圧源と、第１のガスのイオンのイオンビームまたは第２のガスのイオンのイオンビームを生成するための電圧源の第１の電圧と第２の電圧とを切り替えるコントローラとを含む。

[0006]本明細書に記載の実施形態と組み合わされ得るさらなる利点、特徴、態様、および、詳細は、従属請求項、明細書および図面から明白である。

[0007]別の実施形態によれば、集束イオンビーム装置が提供される。集束イオンビーム装置は、軽いガスのイオンおよび重いガスのイオンを生成するためのエミッタ領域を備えるエミッタを収容するための筐体を含むイオンビームカラムと、第１の引出電圧と第２の引出電圧とを切り替える手段とを含み、軽いガスが水素とヘリウムとからなる群より選択され、重いガスが１０ｇ／ｍｏｌ以上の原子量を有する。

[0008]別の実施形態によれば、集束イオンビーム装置を動作させる方法が提供される。この方法は、軽いガスのイオンビームを放射するための第１の引出電圧を供給するための第１の電位まで、イオンが生成されるエミッタ領域内でエミッタにバイアスをかけるステップと、重いガスのイオンビームを放射するための第２の引出電圧を供給するための第２の電位まで、イオンが生成されるエミッタ領域内でエミッタにバイアスをかけるステップとを含み、軽いガスが水素とヘリウムとからなる群より選択され、重いガスが１０ｇ／ｍｏｌ以上の原子量を有する。

[0009]実施形態は、開示された方法を実行し、記載された方法の各ステップを実行する装置部品を含む装置をさらに対象にしている。これらの方法ステップは、ハードウェアコンポーネント、適切なソフトウェアによってプログラムされたコンピュータを用いて、両者の任意の組み合わせによって、または、その他の方法において実行されてもよい。さらに、発明による実施形態は記載された装置が動作する方法をさらに対象とする。実施形態は装置のあらゆる機能を実行する方法ステップを含む。

[0010]本発明の上記の特徴が詳細に理解され得るように、上記の簡単に要約された発明のより詳しい説明が実施形態を参照して分かる。添付図面は発明の実施形態に関係し、以下に説明されている。

本明細書に記載の実施形態による第１のガス入口および第２のガス入口を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態によるガス電界イオン源内のエミッタチップおよびエミッタチップの動作原理の概略図である。 本明細書に記載の実施形態による第１のガス入口および第２のガス入口を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態による第１のガス入口、第２のガス入口、および、共通ガス入口を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態による第１の動作モード中のガス電界イオン源内のエミッタチップおよびエミッタチップの動作原理の概略図である。 本明細書に記載の実施形態による第２の動作モード中のガス電界イオン源内のエミッタチップおよびエミッタチップの動作原理の概略図である。 本明細書に記載の実施形態による第１のガス入口、第２のガス入口、および、第３のガス入口を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態によるガス入口および弁を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態によるガス入口および弁を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態によるガス入口、弁、および、真空容器を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。 本明細書に記載の実施形態によるガス入口、弁、および、真空容器を備える集束イオンビーム装置の形をした荷電粒子ビーム装置の部品の概略図である。

[0011]１つ以上の実施例が図面に説明されている本発明の種々の実施形態が今度は詳細に参照される。各実施例は、本発明の説明のためだけに記載され、本発明の限定を意味していない。たとえば、一実施形態の一部として図解または記載された特徴はさらなる実施形態をもたらすために他の実施形態と同時に、または、他の実施形態と関連して使用される可能性がある。本発明はこのような変更および変形例を含むことが意図されている。

[0012]本願の保護範囲を限定することなく、以下では、荷電粒子ビーム装置または荷電粒子ビーム装置のコンポーネントは、典型的に、２次電子の検出を含む荷電粒子ビーム装置と呼ばれる。本発明は、試料画像を取得するために、電子もしくはイオン、光子、Ｘ線、または、その他の信号の形をした２次および／または後方散乱荷電粒子のような微粒子を検出する装置およびコンポーネントのため依然として適用される可能性がある。

[0013]一般に、微粒子というとき、微粒子が光子である場合、微粒子は光信号であると理解されるべきであり、微粒子がイオン、原子、電子、または、その他の粒子である場合、微粒子は粒子であると理解されるべきである。

[0014]以下の図面の説明中、同じ参照番号は同じコンポーネントを指している。一般に、個々の実施形態に関する相違点だけが記載されている。

[0015]本明細書で用いられている「試料」は、半導体ウェハ、半導体ワークピース、および、メモリディスクのようなその他のワークピースなどをこれらに限定されることなく含む。本発明の実施形態は、材料が堆積されるワークピース、または、構造化されるワークピースに適用されることがある。試料は、構造化されるべき表面、もしくは、層が堆積される表面、エッジ部、および、典型的にベベル部を含む。

[0016]本明細書に記載の実施形態によれば、高分解能イメージングおよび標本改質を可能にさせる単一カラム荷電粒子ビーム装置が提供される。したがって、簡略化された単一カラム動作を提供することができる。さらに、１カラムを省略できるという観点から、コストの削減を実現可能である。

[0017]一般に、集束イオンビーム装置は、たとえば、液体金属イオン源またはガスイオン源に基づいていることがある。ガスイオン源中のイオンは、電子、原子、または、イオンと、ガス原子もしくはガス分子との衝突によって、または、ガス原子もしくはガス分子に高電界または照射を加えることによって生成され得る。その結果、希ガスイオン源は、集束イオンビームＦＩＢ用途のための潜在的な候補であることが見出されている。電界イオン化プロセスに基づくイオン源は、ガス電界イオン源（ＧＦＩＳ）として知られている。イオン化プロセスは、１０^１０Ｖ／ｍより高い電界で行われる。電界は、たとえば、エミッタチップとバイアスがかけられた引出しアパーチャとの間に加えられることがある。

[0018]エミッタチップは下流の引出しアパーチャに対して正電位にバイアスが掛けられ、それによって、エミッタユニットのチップの付近でガス原子をイオン化するために十分に強い電界が生成される。所望の電界が与えられるか、より一般的には、イオンの生成が実施されるエミッタの付近の領域は、エミッタ領域と呼ばれてもよい。１０^−６ミリバール〜１０^−２ミリバールのガス圧が、エミッタユニットのチップの近くで望ましい。したがって、より詳しく後述されるように、一方で、エミッタ領域に十分な量のガス原子もしくはガス分子を供給し、他方で、銃室内に供給されたガス分子によって、放射されたイオンを乱すことがないために、ガス勾配が典型的に使用される。

[0019]図１は、第１のガス入口１１０および第２のガス入口１１２を示している。本明細書に記載の実施形態によれば、様々な動作モードが提供される。ある動作モードによれば、水素またはヘリウムのような軽いガスが第１のガス入口および第２のガス入口の一方を介して室／筐体１４の中に取り込まれ、イオン化された軽いガスのイオンビームが生成され得る。軽いガスイオンは、試料を破壊することなく観察またはイメージングのため使用できる。

[0020]別の動作モードによれば、たとえば、アルゴン、ネオン、キセノン、または、クリプトンのようなより重いガスである異なるガスが第１のガス入口１１０または第２のガス入口１１２の一方を介して室／筐体１４に取り込まれる。銃室内、すなわち、筐体１４内で生成されるイオン化された重いガスのイオンビームは、スパッタリング材料のための標準的な集束イオンビームカラムのイオンビームと類似している。したがって、重いガスビームは、材料改質のため、または、試料内に切り込みもしくは溝を生成するため、または、深さ情報を取得するために使用され得る。

[0021]本明細書に記載の実施形態の範囲内で、エミッタチップ１３を含むエミッタ１２が設けられている筐体１４は、イオンビームカラムの一部でもよい。代替的に、筐体はイオンビームカラムに含まれている別個の室でもよい。さらに、イオンビームカラム自体が、エミッタが位置し、ガスが取り込まれる筐体を提供することが可能である。

[0022]軽いガスイオンは標本材料をスパッタすることがなく、イメージング、試験、観察などのため使用することができる。したがって、軽いガスイオンは、イオンビームの波長が電子ビームより短いので、電子ビームより優れた分解能を有することがある。

[0023]一般には、図１に示されているように、集束イオンビーム装置１００は以下のとおり概略的に説明され得る。バイアスがかけられたガス電界イオン源エミッタチップ１３を備える筐体１４が設けられている。さらに、第１の（軽い）ガス入口１１０および第２の（重い）ガス入口１１２が設けられている。その結果、第１のガスおよび第２のガスが、エミッタチップ１３に向かって筐体１４の中に供給され、そしてエミッタの付近でエミッタ領域に供給される。エミッタチップの付近で、所望の励起条件が設定される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わされてもよい様々な実施形態によれば、２個のガス入口は、２個のノズル、ガスチャンネル、または、その他のガス入口手段の形で設けることが可能である。他の実施形態によれば、２個のガス入口は、２つのガスを、共通のノズル、ガスチャンネル、または、その他のガス入口手段で供給する。

[0024]図１に示されているように、ガス出口１２０が設けられている。ガス出口１２０は、筐体１４内の排気および／または圧力の制御を支援するために真空ポンプ、さらなる真空室、または、その他の手段に接続されることができる。その結果、イオンビーム生成のためのプロセスパラメータが制御され得る。

[0025]典型的には、銃室に関するガス圧力勾配を形成することができる。それによって、ガス圧力は、エミッタおよびエミッタチップの付近で高く、引出電極に向かって低下する。したがって、十分な量のガスをエミッタチップに供給でき、イオン放射を妨げる可能性のあるガスの量は削減される。本明細書に記載のいずれの実施形態と組み合わされてもよい異なる実施例によれば、ガス圧力勾配は１．０×１０^−５ミリバール〜５．０×１０^−３ミリバールに、典型的には、１．０×１０^−４ミリバール〜１．０×１０^−３ミリバールに達してもよい。エキストラクタの後側で、ガス圧力はさらに低下する。

[0026]図１に示されているように、本明細書に記載の一部の実施形態によれば、コントローラ１３０を設けることができる。コントローラ１３０は軽いガスの筐体１４への供給および重いガスの筐体１４への供給を制御する。さらに、別個のガス出口１２０を含む実施形態では、コントローラは、ガス出口、真空システム、真空ポンプ、または、それらに対応する弁を制御してもよい。さらなる実施形態によれば、コントローラ１１１、１１３および１２１を設けることができる。これらのコントローラは、個々の入口、出口、弁、ポンプなどのためのコントローラである。破線で示されているように、コントローラ１３０がコンポーネントを直接的に制御できる場合、これらのコントローラは冗長であるため、省かれてもよい。

[0027]イオンビームはレンズ２０によって試料２４の上に集束される。一実施形態によれば、レンズ２０は静電レンズである。用途に応じて、レンズ、偏向器、ウィーンフィルタ、集光器、アライメントユニット、コリメータ、加速もしくは減速ユニット、アパーチャなどの１個以上の光学要素が集束イオンビーム装置に付加的に配置されることがある。

[0028]一般に、イオンビームは、試料２４上でイオンビームをラスタスキャンするため、または、試料の位置でイオンビームを位置決めするために走査偏向器２６で偏向される。２次および／または後方散乱粒子、たとえば、２次および／または２次電子は、特に、集束イオンビーム装置が観察モードで運転されるときに、検出器２２で検出される。

[0029]図１に示されているように、さらなる実施形態によれば、コントローラ１４０を設けることができる。コントローラ１４０は走査偏向器２６および検出器２２を制御する。集束イオンビーム装置１００の観察モード中に、装置は走査電子顕微鏡と同様に動作する。数ナノメートル以下（たとえば、１ｎｍ以下）の径を有するイオンビームが、試料２４上を走査され、たとえば、試料２４上をパターンでラスタ走査され、ベクタ走査され、または、インターレース走査される。２次および／または後方散乱電子またはその他の微粒子が検出器で検出され得る。時間分解信号が生成され、コントローラ１４０により、所与の時点での信号を対応する偏向値と相関させることができる。その結果、試料２４上の位置に関して信号を相関させることによって、ラスタパターンを画像に組み立てることができる。

[0030]デュアルモードガスイオンカラムは、一方で、異なるガス、すなわち、たとえば軽いガスおよび重いガスを筐体１４内に供給し、動作モード毎に異なるガスを供給して２つの動作モードを切り替えることにより、用意されることが可能である。個別の実施例の詳細と個別に組み合わせることができる本明細書に記載の実施形態によれば、異なるガス供給を切り替えることにより異なるガス種を供給するのではなく、ガス電界イオン銃が必要なガスの混合物を含んでいることがある。その結果、異なるイオン種の選択を異なるイオン化エネルギーに基づいて実施することができる。

[0031]上記の説明に照らして、本明細書に記載の一部の実施形態によれば、調節可能な電源７２が、エミッタチップ１３と電極１８との間に引出電圧を供給するために設けられている。引出電圧は、詳細に後述されるように、コントローラ１７２によって制御されることがある。さらに、コントローラは、場合によっては、ガスの分圧を制御するためコントローラ１３０をさらに制御する。

[0032]図２はエミッタチップ１３および引出電極１８を示している。エミッタチップと引出電極との間に、高電界を生成するための電圧源７２が設けられている。エミッタチップ１３は、シャンク部２１０およびスーパーチップ２１２を含む。様々な実施形態によれば、シャンク部２１０の先端に設けられているスーパーチップ２１２は、１個、２個、３個、４個、５個以上の原子を含むチップでもよい。ガス電界イオン源のイオン生成の動作原理は１つの種に関して説明されている。図２に示されているように、ヘリウムイオン５３を生成するためイオン化されたヘリウム原子５２が供給される。

[0033]エミッタチップ１３は、典型的に、冷却ユニット（図示せず）と繋がっているとすることができる。本明細書に記載のいずれの実施形態と組み合わされてもよい様々な実施形態によれば、冷却ユニットは、以下のシステムのうちのいずれを含んでいてもよい。冷却ユニットは、極低温冷却器、ＥＧ、開放もしくは閉鎖サイクル冷却器、開放もしくは閉鎖サイクルヘリウム冷却器、開放もしくは閉鎖サイクルニトロスズ冷却器、それらの組み合わせ、または、その他の冷却器でもよい。特定の実施例は、パルス管冷却器またはＧＭ冷却器（ギフォード・マクマホン冷却器）でもよい。

[0034]ヘリウムガスが上から下へ図２における方向に沿ってエミッタチップへ供給されるならば、ヘリウム原子５２はエミッタ１３のシャンク部２１０で凝縮する。その結果、典型的に、ヘリウム原子の凝縮のために十分に大きな表面を提供するシャンク部２１０を有することが望ましい。表面は、典型的に０．２μｍ^２から５μｍ^２の範囲に入る可能性がある。

[0035]矢印６２によって示されるように、原子はスーパーチップ２１２に向かって拡散する。その結果、スーパーチップ２１２に対するシャンク部２１２における様々なヘリウム濃度に起因した拡散に基づく運動、および、電界に起因したドリフトに基づく運動が、スーパーチップ５３に向かうヘリウム原子５２の運動を生じさせ得る。一実施例として、ヘリウムはおよそ４４Ｖ／ｎｍのイオン化エネルギーを有している。エミッタチップ１３と引出電極１８との間の電圧は、スーパーチップ２１２における電界が少なくともイオン化されるべき種のイオン化エネルギーを供給するように選択される。その結果、小さな違いのあるスーパーチップにおける電界は、エミッタの他の点より高いと考えるべきである。ヘリウム原子５２は、かくして、スーパーチップ２１２でイオン化され、ヘリウムイオン５３として放射される。

[0036]図３Ａおよび３ｂは、集束イオンビームカラム３００ａおよび３００ｂのそれぞれの一部分のさらなる実施形態を示している。図中、銃室１７はカラム１６の上端に設けられている。エミッタチップ１３を含むエミッタ１２は筐体１４内に設けられている。エミッタ１２はエミッタホルダー１０に搭載されている。冷却ユニット３０は、エミッタホルダー１０を介して冷却ユニット３０とエミッタチップ１３との間に熱伝導を有するように設けられている。引出電極１８はエミッタチップ１３と引出電極との間の電圧のために設けられている。エミッタから引出電極までの接続は、様々な電圧を供給することができる電圧源７２を介してつなげられている。さらに、図３Ａに示されているように、第１のガス入口１１０および第２のガス入口１１２は、ガス混合物がエミッタに供給されるように、それぞれ第１のガスおよび第２のガスを筐体に供給する。本明細書に記載の一部の実施形態によれば、筐体１４は、エミッタチップのシャンク部に十分に広い凝縮表面を設けるために、ガスが上から下にエミッタへ供給されるように成形されている。排気するため、および／または、筐体１４内の圧力を制御するためにガス出口１２０を含むことが可能である。エミッタチップ１３の付近で生成されたイオンは引出電極に向かって加速され、光アクセス１０２に沿ってガイドされる。

[0037]図３Ｂに示されているように、一部の実施形態によれば、第１のガス入口および第２のガス入口は、ガス混合物を筐体１４に供給する共通ガス入口３１０にガスを供給することが可能である。本明細書に記載の実施形態によれば、２つの別個のガス入口を有すること、それぞれのガスを共通ガス入口に送る別個のガス入口を有すること、または、ガス混合物を単一のガス入口を介して筐体に供給すること、のいずれかによってエミッタチップの付近にガス混合物を供給することができる。

[0038]さらに別の実施形態によれば、ガスを筐体または共通ガス入口へ送るために、３種以上のガス、したがって、３個以上のガス入口を設けることができる。さらに、３つ以上のガスの混合物、たとえば、３種または４種のガスを筐体に直接的に送ることが可能である。

[0039]本明細書に記載の実施形態によって提供されるデュアルモードまたはマルチモードの動作は、図４および図５に関してより良く理解され得る。一実施例として、軽い（第１の）ガスとしてヘリウムについて言及され、第２の（重い）ガスとしてアルゴンについて言及される。他の実施形態によれば、本明細書に記載のいずれのガスの組み合わせが使用されてもよいことが理解されるべきである。

[0040]図４の範囲内では、電圧が電圧源７２によってエミッタ１３と引出電極１８との間に加えられる。電圧源はコントローラ４７２によって制御されることがある。一部の実施形態によれば、コントローラ４７２は、第１および第２のガス入口の供給のためのコントローラと通信可能である。エミッタはシャンク部２１０およびスーパーチップ２１２を含む。図４に示された実施例では、異なる形状で示されているヘリウム原子５２とアルゴン原子５４の混合物がエミッタチップ１３のシャンク部２１０で凝縮することができるように供給されている。ヘリウムはおよそ４４Ｖ／ｎｍの電界に対応するイオン化エネルギーを有し、一方、アルゴンは２２Ｖ／ｎｍに対応するイオン化エネルギーを有している。たとえば、ヘリウムイオン５３のヘリウムイオンビームが形成されるべきであるならば、電圧源７２は、およそ４４Ｖ／ｎｍまたはそれより僅かに高い電界がスーパーチップ２１２の位置に加えられるように調節される。図４に示されているように、ヘリウム原子５２はシャンク部２１０で凝縮し、拡散またはドリフトによって、ヘリウム原子がイオン化されるスーパーチップ２１２に向かって移動する。図４に示されているようにエミッタチップと引出電極との間に加えられた電圧に対し、ヘリウム原子５２は、チップの小さい半径に起因するより高い電界の観点からスーパーチップの付近でイオン化される。アルゴンのイオン化エネルギー（２２Ｖ／ｎｍ）はヘリウムのイオン化エネルギー（４４Ｖ／ｎｍ）よりかなり低いので、アルゴン原子５４は、スーパーチップ１１２に達する前にアルゴンイオン５５にイオン化される。したがって、アルゴンイオンはシャンク部２１０で生成され、アルゴンイオンはエミッタシャンク部に沿って拡散する間に早期にイオン化されるので、エミッタチップに到達しない。シャンク部２１０の正電位を考慮すると、アルゴンイオンはシャンク部によって反発され、スーパーチップにコリメートされたビームを形成しない。アルゴンイオンはヘリウムイオンより非常に大きな範囲から放射されるので、アルゴンは、図４に示された電圧源条件の下で、コリメートされたビームを形成しない。

[0041]本明細書に記載の他の実施形態と組み合わされてもよい一部の実施形態によれば、多数のアルゴンイオンが光アクセスに沿って進み、標本に到達する場合、磁気偏向器、ウィーンフィルタなどのような質量分離器７４２（たとえば、図１を参照のこと）を設けることが可能である。

[0042]図５に示されている第２の動作モードに対し、電圧源７２は、引出電界がおよそ２２Ｖ／ｎｍであるか、または、この値を僅かに上回るように、電圧を供給するように調節される。その結果、最大電界はヘリウムのイオン化に必要とされる値よりかなり低い。したがって、アルゴンだけがイオン化され、アルゴンイオン５５がスーパーチップ２１２の付近で生成される。上述されているように、アルゴン原子はエミッタ１３のシャンク部２１０で凝縮し、シャンク部２１０に沿った濃度勾配および／または電界によってスーパーチップに向かって拡散および／またはドリフトする。図５に示されている電界強度はヘリウムイオン化には低すぎるので、アルゴンビームが形成され、試料に向かって光アクセスに沿って引出電極１８の中をガイドされる。

[0043]図５に示されているように、ヘリウム原子５２はエミッタ１３のシャンク部２１０で凝縮する。ヘリウムはエミッタチップから放射されないので、ヘリウムはチップに蓄積することがある。動作条件に依存して、蓄積ヘリウムはシャンク部２１０に沿ってアルゴン供給量を減少させることがある。シャンク部に沿ってスーパーチップ２１２に向かうアルゴン供給量が許容できない量まで減少されるならば、ヘリウム原子を放射し、エミッタチップ１３上で凝縮するヘリウム原子の量を削減するために、高電界強度を有する短いパルスが印加されることがある。付加的または代替的な実施形態によれば、エミッタチップは、吸収されたガスを蒸発させるため、たとえば、支持ワイヤを介して短い電流パルスによって加熱されることがある。その結果、類似した効果または付加的な効果が生み出されることがある。

[0044]本明細書に記載の他の実施形態との組み合わせによってもたらされる一部の実施形態によれば、「軽い」ガスと重いガスとの間の比率は必要条件に応じて調節され得る。重い種は、高速に実行されるべきエッチングなどのため使用されるので、重い種の濃度はＨｅの濃度より高くなる可能性がある。

[0045]スーパーチップ２１２における電界を変化させるために、エミッタチップ１３と引出電極１８との間の電位差を切り替えることにより、または、その他の調節によって、様々なイオンビームの放射を伴う様々な動作モードを生じせしめることができる。

[0046]本明細書に記載の実施形態によれば、ガス混合物は１０^−４ミリバールから１０^−２ミリバールの範囲で供給されることがある。

[0047]本明細書に記載されている他の実施形態と組み合わされてもよい本明細書に記載されている実施形態によれば、少なくとも２個の異なる電圧が電源７２によって供給される。第１の動作モードによれば、最大電界が加えられるエミッタチップ１３のチップの位置での高電界に対応する電圧が供給される。その結果、エミッタチップは、第１の低電界および第２の高電界に関して３種類の領域を提供する。シャンク部２１０の最上端で、電界は第１および第２の電界より低い。シャンク部２１０の中間部分で、電界は、第１の種がイオン化され得るように、第１の低電界と等しい。さらに、最小曲率を有する先端の付近で、電界は、第２の高電界と等しいか、少なくとも第２の高電界を有している。その結果、本動作モードによれば、２つの種がイオン化される。しかし、２つの種のうちの一方だけがエミッタチップ１３の先端で蓄積ビームを形成する。

[0048]第２の動作モードに対し、電界は、エミッタチップ１３の大部分に沿って第１の低電界より低い。第１の低電界は、最小曲率を有するエミッタチップの部分だけに、または、この位置の付近に達する。したがって、唯一つの種がイオン化される。

[0049]図６はさらなる集束イオンビーム装置６００の実施形態を示している。荷電粒子ビーム装置は、エミッタ１２、筐体／銃室１４、および、イオンビームカラム１６を含む。電界はエミッタ１２のエミッタチップと引出電極１８との間に加えられる。筐体１４内に存在するガスのイオンは、エミッタチップの先端部分、たとえばスーパーチップの小さい曲率の付近における高電界によって生成される。

[0050]一実施形態によれば、第１のガス入口１１０、第２のガス入口１１２、および、第３のガス入口６１３が設けられている。それによって、３種類のガスおよび／または３種類のガスの混合物が筐体内に供給されることが可能となっている。たとえば、水素またはヘリウムのような軽いガスが試料を破壊することなく試料の観察のために第１のガス入口１１０を介して取り込まれることがある。異なる動作モードに対し、アルゴン、ネオン、キセノン、または、クリプトンのような第２のガスが試料のスパッタリングのため第２のガス入口１１２を介して取り込まれることがある。さらに別の動作モードに対しては、スパッタリングまたは標本改質に関して異なる特性を有する第３のガスを使用することができる。

[0051]さらなる実施形態によれば、フォトレジストのような材料がエッチングされる場合、さらに別の動作モードに関して水素を使用してもよい。水素の還元性は酸素含有材料のエッチングのため使用されることがある。それにもかかわらず、水素は、シリコン、金属などのような複数の材料のためのイメージングモードで使用されることがある。

[0052]さらに別の実施形態によれば、第４のガス入口が設けられることがある。その結果、第４の動作モードを、コンディショニングガス、たとえば酸素を、エミッタチップの周りの筐体に取り込むことによって実施することができる。本実施形態によれば、チップを調整するために酸素を使用することができる。エミッタの先端が成形または再成形される、このさらなるコンディショニング動作モードは、酸素の取り込みによって支援されることがある。さらに別の実施形態によれば、イメージング動作モードおよび／または標本改質動作モードのために、第４または第５のガスをも使用してもよい。

[0053]一般に、本明細書に記載されている実施形態の範囲内で、少なくとも２種類のイオンビーム生成ガスを筐体内に取り込むことができる。本明細書に記載の実施形態によれば、少なくとも２種類のイオンビーム生成ガスがガス混合物として筐体に取り込まれる。そして、集束イオンビーム装置のカラムの中をガイドされるように生成されたイオンビームを、エミッタチップ１３と、引出電極またはエミッタチップの先端部分の電界を調整するために設けられた別の電極との間で電圧を変化させることにより選択することができる。

[0054]上述されているように、軽いガスおよび重いガスを使用することができる。さらなる実施形態によれば、少なくとも１つのさらなるイオン生成ガスを、筐体に取り込むことが可能である。その結果、エッチングのためのイオン生成ガス、または、第２のスパッタリングの選択肢のためのイオン生成ガス（たとえば、アルゴンを用いる第１のスパッタリング選択肢およびネオンまたはキセノンを用いる第２のスパッタリング選択肢）を取り込むことが可能である。一部の実施形態によれば、少なくとも第３のガス入口が設けられまたは３種のガスの混合物が供給される。スパッタリング用の２種以上のイオンビーム生成ガス、または、エッチング用の２種以上のイオンビーム生成ガスが使用される場合、さらに第４、第５などのガス入口を設けることができ、または第４、第５などのガスの混合物を供給することができる。

[0055]さらなる実施形態によれば、上記のエミッタチップコンディショニングガス（酸素）、搬送ガス、パージガスなどの形態をしたプロセスガスが取り込まれてもよい。プロセスガスは、イオンビーム生成のために使用されるガスではなく、プロセス支援のため使用されるガスとして理解されるべきである。

[0056]図６に関して説明された別の実施形態によれば、ガス出口６２０を付加的に設けることができる。ガス出口６２０は、真空ポンプおよび／または真空容器を含む真空システムに接続されることがある。筐体１４の排気を使用して、筐体内の圧力を制御し、それによって、イオン生成のためのプロセスパラメータを制御することができる。典型的に、イオン化されるべきガスの分圧はエミッタの領域で１０^−６〜１０^−２ミリバールの範囲に入るように制御される。別の実施形態によれば、筐体１４の排気を、第１の動作モードとさらなる（第２または第３の）動作モードとを切り替える間に使用することが可能である。これにより、第１の動作モードのために使用されるガスを、イオン生成の領域からより速く除去することが可能である。その結果として、一方の動作モードと別の動作モードとの切り替えをより速く、たとえば、５秒以内に実施することができる。

[0057]他の実施と組み合わせてもよい一部の実施形態の場合、銃室に関してガス圧力勾配を供給することができる。それによって、ガス圧力はエミッタおよびエミッタチップの付近でより高く、引出電極の方に向かって低下する。したがって、十分な量のガスをエミッタチップに供給でき、イオン放射を妨げるかもしれないガスの量が低減される。本明細書に記載のいずれの実施形態と組み合わされてもよい異なる実施例によれば、ガス圧力勾配は、５×１０^−３ミリバールから１０×１０^−６ミリバール、典型的に、１０×１０^−３ミリバールから１０×１０^−４ミリバールに達することがある。

[0058]図７Ａの範囲内で、荷電粒子ビーム装置７００が示されている。荷電粒子ビーム装置は、エミッタ１２、筐体／銃室１４、および、イオンビームカラム１６を含む。筐体１４内に存在するガスのイオンは、バイアスがかけられたエミッタ１２の高電界によって生成される。

[0059]一実施形態によれば、第１のガス入口１１０および第２のガス入口１１２が設けられている。付加的に、弁７１８が第１のガス入口１１０内に設けられている。さらに、弁１７９が第２のガス入口１１２内に設けられている。弁は、筐体１４への第１のガスの取り込みと筐体への第２のガスの取り込みとを切り替えるため適合したコントローラによって制御される。

[0060]一実施形態によれば、弁７１８および７１９はガス入口の出口開口の近くに位置決めされている。その結果、第２または第３の動作モードのために除去されるべき前の動作モードから残留しているガスの量は削減される。一方の弁が閉じるとき、前の動作モードのガスが依然として存在している容積は、弁がガス入口の出口開口の近くに位置決めされているならば、最小限に抑えられる。ガス入口の無駄な容積は、たとえば、１ｃｍ^３以下の範囲になることがある。典型的に、マイクロ弁を、小さい無駄な容積を実現するため使用してもよい。本明細書において、無駄な容積は、一部分が後に続く流れ媒体を汚染するために材料またはガスを保持することができる通路の一部として画成されてもよい。切り替え中に、前のガスは後に続くガスを汚染することがある。

[0061]図７Ａに関して参照される他の実施形態によれば、ガス出口６２０をさらに設けることもできる。ガス出口６２０は、真空ポンプまたは真空容器を含む真空システムに接続されることがある。上述されているように、筐体１４の排気を、筐体内の圧力を制御するために使用できる。筐体１４の排気を、第１の動作モードとさらなる（第２または第３の）動作モードとを切り替える間に筐体を排気するためにも使用することが可能である。よって、第１の動作モードのため使用されるガスを、イオン生成の領域からより速く除去することが可能である。

[0062]図７Ｂの範囲内で、荷電粒子ビーム装置は、エミッタ１２、筐体／銃室１４、および、イオンビームカラム１６を含む。筐体１４内に存在するガスのイオンは、バイアスがかけられたエミッタ１２の高電界によって生成される。ガスは本明細書に記載されているいずれの実施形態による筐体に取り込まれてもよい。

[0063]たとえば、図７Ｂに関して記載された別の実施形態によれば、弁７２８はガス出口６２０内に設けられている。ガス出口内の弁７２８は、筐体１４に対向する弁の側に低圧力を加えるために閉じられてもよい。その結果、第１の動作モードとさらなる動作モードとを切り替える間に、動作モード間の切り替えのため除去されなければならない筐体内のガスのより速い除去のため、弁を開き、対向する側の低圧を使用することが可能である。

[0064]この態様は、さらに別の実施形態によれば、図８の集束イオンビーム装置８００に示されているような真空容器８２２と組み合わされることがある。図８の範囲内に、荷電粒子ビーム装置８００が示されている。荷電粒子ビーム装置は、エミッタ１２、筐体／銃室１４、および、イオンビームカラム１６を含む。筐体１４内に存在するガスのイオンは、バイアスがかけられたエミッタ１２の高電界によって生成される。付加的に、弁７１８が第１のガス入口１１０内に設けられている。さらに、弁７１９が第２のガス入口１１２内に設けられている。弁は、筐体１４への第１のガスの取り込みと筐体への第２のガスの取り込みとを切り替えるため適合したコントローラによって制御される。一方の弁が閉じられるとき、前の動作モードのガスが依然として存在し、別の動作モードへの切り替えのため除去される必要がある容積は、弁がガス入口の出口開口の近くに位置決めされているならば、最小限に抑えられる。

[0065]図８の範囲内で、ガス出口６２０の導管は真空ポンプに接続されている。真空ポンプは真空容器８２２を真空にする。よって、低圧力の拡大された容積が供給される。弁７２８の開放中に、筐体１４の容積は、容器８２２の付加的な容積の結果としてより高速に真空にされ得る。筐体の排気のための時間の短縮は、２つの動作モードの間のより速い切り替えを可能にする。

[0066]図９は集束イオンビーム装置９００を示している。荷電粒子ビーム装置９００は、エミッタ１２、筐体／銃室１４、および、イオンビームカラム１６を含む。筐体１４内に存在するガスのイオンは、バイアスがかけられたエミッタ１２の高電界によって生成される。

[0067]一実施形態によれば、導管付きの第１のガス入口１１０および導管付きの第２のガス入口１１２が設けられている。付加的に、弁８１８が第１のガス入口１１０内に設けられている。さらに、弁８１９が第２のガス入口１１２内に設けられている。弁は、筐体１４への第１のガスの取り込みと筐体への第２のガスの取り込みとを切り替えるため適合したコントローラによって制御される。一実施形態によれば、弁８１８および８１９は、ガス入口の出口開口の近くに位置決めされている。その結果、前の動作モードから残留し、第２または第３の動作モードのため除去されるべきガスの量は削減される。

[0068]図９の範囲内で、弁８１８および８１９は２方向弁である。弁のさらなる関係はそれぞれ真空容器８２２および８２３に接続されている。真空容器８２２および８２３は、真空ポンプなどによって真空にされる。その結果、第１の動作モードとさらなる動作モードとの改良された切り替え運転が提供されることがある。たとえば、弁８１８が閉じているとき、一方で、第１のガス入口１１０によって取り込まれた第１のガスの供給が停止される。他方で、真空容器８２２はガス入口の出口開口部分に接続されている。その結果、ガス入口の出口開口部分に残留しているガスは出口開口部分から除去され、筐体１４が真空にされる。同時にまたはその後に、第２のガス入口を介して取り込まれたガスが筐体１４内に供給され得るように、第２のガス入口１１２内の弁８１９が開かれる。

[0069]別の実施形態によれば、弁８１８および８１９は、それぞれの導管を用いて共通真空容器に接続されることがある。

[0070]一実施形態によれば、図９に示されているように、弁７２８を含むさらなるガス出口６２０が設けられている。ガス出口内の弁７２８は、筐体１４に対向する弁の側に低圧を加えるため閉じられることがある。その結果、第１の動作モードとさらなる動作モードとを切り替える間に、動作モード間の切り替えのため除去されるべき筐体内のガスのより速い除去のため、弁を開き、低圧を使用することが可能である。

[0071]別の実施形態によれば、ガス出口６２０が省かれてもよい。筐体１４は、その後に、それぞれに弁８１８および８１９の一方を介して真空にされることがある。その結果、一方の弁がエミッタ１２の領域にガスを取り込むために所定の位置にあるとき、もう一方の弁は、対応する弁に接続された真空容器を介して筐体１４を真空にするために所定の位置にある。一般に、ガス流を遮断するために、２方向弁を使用することにより、ガスとエミッタ室、すなわち、筐体との間の接続が閉じられ、エミッタ室と真空容器または真空ポンプとの間の接続が開かれる。結果として、エミッタ内に存在するガス圧力の瞬時低下が生じる。

[0072]上述された動作モードに加えて、重いガスイオンビームは材料分析のため使用されることがある。その結果、２次イオン質量分析計ＳＩＭＳ ７２２（たとえば、図１を参照のこと）に適した検出器が設けられている。検出器は、スパッタリングによって生成される試料のイオンを検出し、分析する。スパッタリング時に、試料は粒子を放射し、粒子の一部はそれ自体がイオンである。これらの２次イオンは、表面の定量的な元素組成または同位体組成を決定するために質量分析計を用いて測定される。

[0073]一実施形態によれば、スパッタリングは、前述の図面に記載されているようにエミッタ１２によって放射されたイオンビームにより実現される。別の実施形態によれば、付加的なフラッド電子源７３２（たとえば、図１を参照のこと）が設けられている。その結果、エミッタ１２からのイオンビームの衝突時に試料から放出された、イオン化された２次粒子の個数は増加される可能性がある。イオン化された２次粒子の個数が増加すると検出器の検出感度が高まる。

[0074]上述されているように、高分解能イメージングおよび標本改質を可能にさせる集束イオンビーム装置の形態をした単一カラム荷電粒子ビーム装置が提供され得る。したがって、１カラムだけが使用されるという観点から、コストの削減が実現される可能性がある。

[0075]上記の説明は本発明の実施形態を対象にしているが、本発明のその他の実施形態およびさらなる実施形態が本発明の基本的な範囲から逸脱することなく考え出されることがあり、本発明の範囲は特許請求の範囲よって決定される。

１０…エミッタホルダー、１２…エミッタ、１３…エミッタチップ、１４…室／筐体、１６…イオンビームカラム、１７…銃室、１８…電極、２０…レンズ、２２…検出器、２４…試料、２６…走査偏向器、３０…冷却ユニット、５２…ヘリウム原子、５３…ヘリウムイオン、５４…アルゴン原子、５５…アルゴンイオン、７２…調節可能な電源、１００、６００、８００、９００…集束イオンビーム装置、１０２…光アクセス、１１０…第１のガス入口、１１１、１１３、１２１、１３０、１４０、１７２、４７２…コントローラ、１１２…第２のガス入口、１２０…ガス出口、２１０…シャンク部、２１２…スーパーチップ、３００ａ、３００ｂ…集束イオンビームカラム、３１０…共通ガス入口、６１３…第３のガス入口、６２０…ガス出口、７００…荷電粒子ビーム装置、７１８、７１９、７２８…弁、７２２…質量分析計、７３２…電子源、７４２…質量分離器、８２２、８２３…真空容器

Claims (15)

1. イオンを生成するためのエミッタ領域を有するガス電界イオン源エミッタを収容するための筐体を含むイオンビームカラムと、
   前記ガス電界イオン源エミッタからイオンを引き出すための電極と、
   第１のガス及び第２のガスを含むガス混合物が前記エミッタ領域に形成されるように、第１のガスおよび第２のガスを前記エミッタ領域へ取り込むため適合した１個以上のガス入口と、
   前記第１のガスまたは前記第２のガスから生成されたイオンビームを集束させるための対物レンズと、
   前記電極と前記ガス電界イオン源エミッタとの間に電圧を供給するための電圧源と、
   使用時に、前記ガス電界イオン源エミッタが異なる動作モードで動作するように、前記第１のガスのイオンのイオンビームまたは前記第２のガスのイオンのイオンビームを生成するため前記電圧源の第１の電圧と第２の電圧とを切り替えるコントローラと、
   を備える集束イオンビーム装置。
2. 軽いガスのイオンおよび重いガスのイオンを生成するためのエミッタ領域を有するエミッタを収容するための筐体を含むイオンビームカラムと、
   ガス電界イオン源エミッタからイオンを引き出すための電極と、
   軽いガス及び重いガスを含むガス混合物が前記エミッタ領域に形成されるように、軽いガスおよび重いガスを前記エミッタ領域へ取り込むため適合した１個以上のガス入口と、 使用時に、前記ガス電界イオン源エミッタが異なる動作モードで動作するように、第１の引出電圧と第２の引出電圧とを切り替える手段と、
   を備え、
   前記軽いガスが水素とヘリウムとからなる群より選択され、前記重いガスが１０ｇ／ｍｏｌ以上の原子量を有している、集束イオンビーム装置。
3. 前記第１のガス入口内に設けられている第１の弁と前記第２のガス入口内に設けられている第２の弁とを備え、
   前記第１の弁および前記第２の弁が前記第１のガスの分圧および前記第２のガスの分圧を適合させるため制御され、
   前記第１の弁が、前記第１のガスのためのガス源への第１のガス供給導管と、前記第１のガスを前記筐体に取り込むための第１のガス入口導管と、少なくとも１個の真空容器への接続のための第１の排気導管とを有し、
   前記第２の弁が、前記第２のガスのためのガス源への第２のガス供給導管と、前記第２のガスを前記筐体に取り込むための第２のガス入口導管と、前記少なくとも１個の真空容器への接続のための第２の排気導管とを有している、
   請求項１又は２に記載の集束イオンビーム装置。
4. 真空容器を含み前記筐体を真空にするため適合した真空システムに接続されているガス出口をさらに備える、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置。
5. 前記イオンビームカラムに設けられ、試料上でイオンビームを走査するため適合した走査偏向器と、
   前記イオンビームカラムに設けられ、前記イオンビームの衝突時に前記試料から放出される微粒子の時間分解検出のため適合した検出器と、
   前記走査偏向器および前記検出器に接続されているコントローラと、
   をさらに備える、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置。
6. 時間分解測定が２マイクロ秒以下の時間分解能のため適合している、請求項５に記載の集束イオンビーム装置。
7. 前記筐体が５ｃｍ³以下の容積を有している、請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置。
8. 前記試料から放出されたイオンまたはイオン化された粒子の同定のための質量分析計をさらに備える、請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置。
9. 前記第１のガスからのイオンを前記第２のガスからのイオンから分離するための質量分離器をさらに備える、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置。
10. 軽いガス及び重いガスを含むガス混合物をエミッタ領域に導入するステップと、
    前記軽いガスのイオンビームを放射するための第１の引出電圧を供給するための第１の電位まで、イオンが生成される前記エミッタ領域内でエミッタにバイアスをかけるステップと、
    前記重いガスのイオンビームを放射するための第２の引出電圧を供給するための第２の電位まで、イオンが生成される前記エミッタ領域内でエミッタにバイアスをかけるステップと、
    を備え、
    前記軽いガスが水素とヘリウムとからなる群より選択され、前記重いガスが１０ｇ／ｍｏｌ以上の原子量を有している、集束イオンビーム装置を動作させる方法。
11. 観察モードのため前記軽いガスから生成された前記イオンビームを試料上で走査し、前記試料の観察のため前記軽いガスからの前記イオンビームの衝突時に前記試料から放出される微粒子を検出するステップと、
    前記重いガスが前記エミッタ領域に取り込まれている時間中に、改質モードの間に前記試料を改質するステップと、
    をさらに備える、請求項１０に記載の集束イオンビーム装置を動作させる方法。
12. 前記重いガスが前記エミッタ領域に取り込まれている時間中に前記試料から放出されたイオン化された粒子を質量検出するステップをさらに備える、請求項１０又は１１に記載の集束イオンビーム装置を動作させる方法。
13. プロセスガスをエミッタ領域に取り込むステップをさらに備える、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置を動作させる方法。
14. 前記プロセスガスは酸素である、請求項１３に記載の集束イオンビーム装置を動作させる方法。
15. 軽いイオンを重いイオンから分離するステップをさらに備える、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の集束イオンビーム装置を動作させる方法。

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