JP5537050B2 - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線の集束性を制御する荷電粒子線装置に関する。例えば、幅広い加速電圧においてビーム電流が多くてもビームを細く絞ることのできる集束イオンビーム装置に関する。

近年、細く絞った高エネルギーの荷電粒子線、特にイオンビームを試料に照射して試料の微細加工を行う技術が盛んに使われるようになっている。イオンビームを用いた試料加工では、イオンビームが大電流であるほど、また、イオンビームが細ければ細いほど、高速で微細な加工ができる。この為、集束イオンビーム装置には、イオンビームの集束性を制御することが求められている。

非特許文献１には、集束イオンビーム装置の基本的構成が説明されている。集束イオンビーム装置では、イオンビームの集束性を制御する際、イオンの質量が重く、イオンは電子線に比べ二桁程度速度が小さい為、速度と磁場分布でレンズ作用する磁界レンズではなく、電界分布でレンズ作用する静電レンズを使用する。

静電レンズ（対物レンズ）は、照射試料の対向する面に設けられ、試料上に細いビームを産み出す。静電レンズは、通常、３枚の電極で構成され、その中央の電極に正極性もしくは負極性の電圧を印加することによってイオンビームを細く絞ることができる。静電レンズは磁界レンズに比べ色収差が大きい為、静電レンズを用いてイオンビームを細く絞ることの限界は、通常、その静電レンズの色収差に依存する。

裏 克己著：電子・イオンビーム光学、共立出版（１９９４）

本願発明者が集束イオンビームを用いたＴＥＭ試料作製について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

集束イオンビーム装置は、１００ｎｍ以下の位置精度でスパッタリング加工できるため、観察目的の物を１００ｎｍ程度の薄片の中に含めた凸状のＴＥＭ試料を作製することができる。しかし、イオンビーム照射により、試料表面にダメージ層が形成されてしまう。

より詳細に説明すると、集束イオンビーム装置の試料に対する照射エネルギーは、荷電粒子（ビーム）の電荷と加速電圧の掛けた値が照射エネルギーになる。一価の荷電粒子の場合、加速電圧と照射エネルギーは等価である。Ｇａ液体金属イオン源とする集束イオンビーム装置の場合、Ｇａは一価のイオンであるから、試料が接地電位であれば、照射エネルギーは加速電圧で決まり、試料に対する運動エネルギーと等価である。

試料に照射されたイオンは、試料の構成原子と衝突を繰り返し停止するが、その過程で照射イオンの運動エネルギーを試料の構成原子に渡す。結果、試料の構成原子は弾き飛ばされたり揺さぶられたりして格子位置からずれた場所に移動し空孔を作ったり２次電子を放出したりして運動エネルギーが熱エネルギーに変わる。これにより、試料の原子配列が崩れ、試料特有の規則性を持った原子配列が崩れた層（ダメージ層）を作る。試料のダメージ層は、照射エネルギーが小さいと少なくなる。

図２にＧａイオンの照射エネルギーに対するＳｉダメージ層の関係について求めた結果を示す。

イオンビームの照射エネルギーが３０ｋｅＶであると、１００ｎｍ程度の薄膜を作製した場合、図２より、膜の片側にそれぞれ２５ｎｍのダメージ層が発生することが理解できる。薄膜の両側にダメージ層がある為、膜厚が１００ｎｍであれば、約半分の構造が照射ダメージを受けて原子配列が壊れてしまう。従って、この薄膜をＴＥＭ試料として観察した場合、原子配列の鮮明な像を得ることができない。

ダメージ層を減らすには、集束イオンビーム装置の加速電圧を低くする必要がある。図２から明らかなように、照射エネルギーが５ｋｅＶであれば、ダメージ層は８ｎｍに、２ｋｅＶであれば、ダメージ層は４ｎｍに、１ｋｅＶであれば、ダメージ層は３ｎｍになると予測できる。

つまり、例えば、集束イオンビーム装置を用いて、ダメージ層を１０％以下に抑えた厚さ１００ｎｍの薄膜（ＴＥＭ試料）を作製する為には、照射エネルギーが２ｋｅＶ以下のイオンビーム加工が必要である。より具体的には、例えば、加速電圧３０ｋＶで薄膜にしたＴＥＭ試料の表面に対し、更に、加速電圧２ｋＶでイオンビーム加工し、薄膜表面のダメージ層を除去する必要がある。

このように、近年、ＴＥＭ／ＳＴＥＭ試料の更なる薄膜化とダメージ層の除去が望まれはじめ、高加速から低加速の幅広い加速電圧に対応した集束イオンビーム装置が必要となってきた。しかし、低加速に対応する集束イオンビーム装置は、高加速のみ想定した装置と比べ、次の問題がある。
（１）ビーム電流は、加速電圧Ｖ_aに略比例して減少する。
（２）Ｇａ液体金属イオン源からの放射イオンのエネルギーのバラツキΔＥが≧５ｅＶあ
るので電子線に比べ桁違いに大きく、色収差量がΔＥ／Ｖ_aに比例するため低加速
でビームが拡がる。
（３）更に、静電レンズの色収差係数は、磁界レンズに比べ大きい。
（４）大電流でビームを絞ることのできるイオン銃の発散点は、引出電圧Ｖ_eと加速電圧
Ｖ_aの比Ｖ_e／Ｖ_a＝７付近であるため、また、液体金属イオン源のエミッション閾
値電圧Ｖ_eが７ｋＶ程度であるため、加速電圧Ｖ_a＝１ｋＶ付近で発散し、ビーム制
御が難しくなる。
（５）加速電圧の低下で照射エネルギーが減少するので、スパッタリングイールド（入射
イオン１個に対するスパッタリングされる原子の数）が減少し、スパッタ現象の低
下で加工速度が低下する。

つまり、低加速のイオンビーム装置では、ビームを細く絞ることができない為、鮮明な像を得ることができない。更に、ビーム電流の減少とスパッタリングイールドの減少が相乗して集束イオンビーム装置の加工速度を減少させる。このため、低加速のビームは、電流の薄い（弱い）ビームになってしまう。低加速のイオンビーム装置において、特定の場所を加工できるようなビームを得ることは難しい。

本発明の目的は、高加速から低加速に亘って（荷電粒子線のエネルギーレベルが、例えば、３０ｋｅＶの高エネルギーから０.５ｋｅＶ程度の低エネルギーに変化し、言い換えると、約二桁変化する荷電粒子線に対して）、従来の集束イオンビーム装置に比べはるかに大きいビーム電流が得られ、かつ、小さい収差で集束イオンビームを形成することに関する。

本発明は、液体金属イオン源と、液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、イオンビームを加速する加速電極と、イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、液体金属イオン源の加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧を加速電極より低い電位とする集束イオンビーム装置において、引出電極に印加される電圧の極性に連動して静電レンズに印加する電圧の極性を切り換えることに関する。

本発明によれば、高加速電圧では静電レンズの耐電圧から減速モード集束法で行い、低加速電圧では加速モード集束法を同じ焦点距離の静電レンズで実施できる。低加速でも色収差を小さくでき、ビームを細く絞ることができる為、高加速から低加速に亘って鮮明な像を得ことができる。更に、低加速で色収差を小さくできる為、従来装置と比べて、ビーム電流を大きくしても電流密度があまり減少せず、加工速度もさほど低下しない。

静電レンズの構成，減速モード、及び加速モードの説明。 Ｇａ入射エネルギーとＳｉダメージ層の関係。 集束イオンビーム装置。 イオン銃のＶ_e／Ｖ_a特性の概論。 イオン銃のＶ_e／Ｖ_a特性（モデル計算結果）。 ＬＭＩＳとコンデンサーレンズ距離。 イオン銃のビーム制限アパーチャによる影響。 イオン源の高さ調整可能なイオン銃の例。 表１のカラムのビーム電流とビーム径特性。 実施例１の構成。 実施例２の構成。 実施例３の構成。 実施例４の構成。

集束イオンビーム装置において、イオンビームを集束させる為には、通常、入口と出口の電位が等しい静電レンズが使用される。図１（ａ）は、正電荷を有するイオンビームの集束に用いられる静電レンズの構造を示す概略図である。この静電レンズ８は、入射側電極８１，出射側電極８３、及びそれらの間に置かれた中間電極８２の３個の電極で構成されている。入射電極８１と出射側電極８３はイオンビーム照射試料（ターゲット）１０と同じ電位に保たれる。

静電レンズ８の特徴として、中間電極８２の電位を、入射側電極８１、及び出射側電極８３の電位より高くしても、低くしても、イオンビーム９を集束することができる。

正電荷を有するイオンビーム９に対して、静電レンズ８の中央電極８２に正極性の電圧を印加して集束イオンビームに絞り上げる集束方法は、静電レンズ８の中でイオンビーム９をレンズ入射前より減速して集束させるので減速モード集束法（図１（ｂ））と呼ばれている。また、負極性の電圧印加で集束する方法は、静電レンズ８の中でイオンビーム９をレンズ入射前より更に加速して集束させるので加速モード集束法（図１（ｃ））と呼ばれている。

イオンビームを細く絞るのに必要な条件は、収差の小さいレンズを短い焦点距離の条件で使用することである。減速モード集束法によれば、加速モード集束法に比べはるかに低い電圧で集束させることができる。一方、加速モード集束法によれば、減速モード集束法に比べはるかにレンズ収差の小さい集束ができる。

加速モード集束法の問題点は、高エネルギーのイオンビームを短い焦点距離に絞ろうとした時、極めて高い電圧が必要なことである。例えば、微細加工に通常使われている加速電圧３０ｋＶでビーム電流が数十ｎＡのビームを焦点距離が１４mmの静電レンズで試料上に集束しようとすると、−８０ｋＶもの高電圧をレンズの中央電極に印加する必要がある。このときの色収差係数Ｃ_cは、約４０mmである。ところが静電レンズを構成する入射側電極８１，中央電極８２、及び出射側８３間の間隔は、３mm程度であるため、中間電極にこのような電圧を印加すると、入射側電極８１と中央電極８２の間、及び電極電極８２と出射側電極８３の間には、２７ｋＶ／mmもの強い電界が作用し、放電してしまう。真空で放電を生じさせないための電界強度の許容値は、真空中で約１０ｋＶ／mmである。

一方、減速モード集束法では、上述の加速モード集束法と同じ条件でイオンビームを絞ろうとすると、つまり、加速電圧３０ｋＶでビーム電流が数十ｎＡのビームを焦点距離が１４mmの静電レンズで試料上に集束しようとすると、２１ｋＶの高電圧を静電レンズの中央電極に印加する必要がある。このときの色収差係数Ｃ_cは、約７４mmである。静電レンズの電極間の電界は７ｋＶ／mmである。つまり、真空で放電を生じさせないための電界強度の許容値（約１０ｋＶ／mm）以下で安定な動作が期待できる。

図３は、本実施例における集束イオンビーム装置の基本構成を示す部分断面斜視図である。

液体金属イオン源１から放出されたイオンビーム９は、引出電極１３のビーム制限（ＧＵＭ）アパーチャ１４で制限を受け、アース（加速）電極１５で所望エネルギーに加速される。コンデンサーレンズ２により集束作用を受けたイオンビーム９は、絞り装置３を照射する。絞り装置３は、たとえば、直径５μｍ，４０μｍ，２００μｍ，５００μｍの４個のアパーチャを有し、アパーチャ移動装置によって左右に動かされる可変アパーチャを有する。つまり、絞り装置３は、任意のアパーチャを装置の中心軸上に持ち込むことができる。絞り装置３のアパーチャを通り抜けたビームは、アライナー／スティグマ４，ブランカー５，ブランキングプレート６，ビーム走査器７を経て静電レンズ８に入る。イオンビーム９は、静電レンズである対物レンズ８により細く絞られて、試料ステージ１１に載せられた試料１０（接地電位）を照射する。試料１０上のイオンビーム照射位置は、ビーム走査器７により制御される。イオンビーム９を試料１０に照射することで発した信号は、検出器１２で検出され、ビーム走査器７の操作信号と同期を取って像を画面に表示する。

図３の集束イオンビーム装置におけるイオン光学系の基本特性について、簡単に説明する。

イオン源１は、接地した試料１０に対して加速電圧Ｖ_aにイオンの電荷量ｑを乗じた値ｑ・Ｖ_aに相当するポテンシャルエネルギーを持つ。このときのイオン源１のポテンシャルエネルギーは、試料１０上で全て運動エネルギーに変換される。

イオン源１（物点）から放射したイオンの試料１０に照射（像点）されるまでの運動エネルギーは、引出電極１３の通過時にｑ・（Ｖ_a−Ｖ_e）、アース（加速）電極１５の通過時にｑ・Ｖ_aに加速され変化する。イオンビーム９は、速度変化にともない屈折するため回転対称な電場による加速でレンズ作用を受ける。ただし、Ｖ_eはエミッション閾値電圧である。

イオン光学系の像倍率Ｍ，角度倍率ｍ_α，引出電圧（物点電圧）Ｖ_e（エミッション閾値電圧；イオン源からイオンを放射させるために必要な電圧），加速電圧Ｖ_a（接地電位に対するイオン源の電位）とすると、Ｍとｍ_αには次の関係がある。

イオン源の放射角電流密度Ｊωは、略一定であり、イオン源の下流のアパーチャで制限を受けるビーム電流Ｉｂは、次の関係になる。

ただし、アパーチャの直径Ｄａｐ、Ｌアパーチャから像面までの距離

したがって、Ｖ_e一定とすると、Ｍ≒１，βを一定として、〔数２〕からＩｂは加速電圧Ｖ_aに比例する。

イオン光学系のビーム径ｄは、イオン源の光源の大きさｄ₀，イオン源のエネルギーの拡がりΔＥ，イオン光学系の倍率Ｍ，色収差係数と球面収差係数をそれぞれＣ_c，Ｃ_s，対物レンズの像面の収束角をαとして、また、イオンの質量が重いため回折収差が効かないとして、次の関係式から得られる。

Ｇａ液体金属イオン源の集束イオンビーム装置において、イオン源のエネルギーの拡がりΔＥは、エミッション電流Ｉｅ＝３.２μＡのときΔＥ＝７ｅＶ程度、エミッション電流Ｉｅ＝１.５μＡのときΔＥ＝５ｅＶ程度あり、一般的にはΔＥ≧５ｅＶある。また、仮想光源の大きさは、５０ｎｍ程度である。Ｇａ液体金属イオン源単体の放射角電流密度Ｊωは、２０μＡ／ｓｒ程度あるがビーム制限アパーチャや可変アパーチャの径や厚さの影響で、ビームの軸調整の状態でアパーチャを通過するビーム電流が減るため実用的な値は１７μＡ／ｓｒ程度である。

高エネルギー（例えばイオン源のエミッション閾値電圧（イオンを放出するための引出電圧）よりも高い加速電圧３０ｋＶ〜１０ｋＶ）では、ビーム電流に応じて〔数３〕の第１項のみならず第２，３項もビーム径に影響するため、ビーム電流に応じて最大電流密度になるようにイオン光学系の倍率を制御して、ビーム径の拡がりを抑えてビーム電流を確保することができる。

最大電流密度を得るには、〔数３〕の第１項と第２項を同程度の大きさにする。また、高分解能を得るには〔数３〕の第２項を小さくする必要から焦点距離を短くする。一方、焦点距離が長いと光学系の倍率を確保するためにカラムが長くなるが、床振動や音による振動などの振動や空間電荷効果の影響を受けやすくなるため、カラムの長さと焦点距離を短くする。

静電レンズ（対物レンズ）は、対物レンズ周辺の構造物との干渉、２次電子信号の検出効率の確保などからＷＤ（対物レンズ下面から試料までの距離）を５mm程度にして動作する。例えば、真空の絶縁耐電圧１０ｋＶ／mmを見込み、電極間の距離を３mmにして電極に印加される電圧を（真空の絶縁耐電圧の３倍）最大３０ｋＶにする。

加速電圧３０ｋＶで静電レンズをＷＤ＝５mmの加速モードで動作させると、静電レンズの中央の電極に印加する電圧が−１００ｋＶと高くなり、電極間の電界が−３３ｋＶ／mmになる。このため高エネルギーのビームに対してＷＤ＝５mmの対物レンズを加速モードで動作させることはできないので減速モードで動作させる。

集束イオンビーム装置の対物レンズの収束角αは、数ｍｒａｄ以下で光学系の全倍率Ｍ≒１である。加速電圧Ｖ_aが１ｋＶにおいては、加速電圧３０ｋＶとの比が３０で〔数３〕第１項が略３０倍になるので最低エネルギーのビーム径は、加速電圧３０ｋＶの約３０倍以上になる。

また、〔数２〕からビーム電流は、Ｍが加速電圧で多少変わるためβが変わるが、ビーム電流Ｉｂは加速電圧Ｖ_aが下がると略比例して減少する。

また、ビームエネルギーの低下でスパッタリングイールド（入射イオン１個に対するスパッタリングされる原子の数）が落ちて加工速度が遅くなる為、ビーム電流を増加するためにβを大きく、つまり、アパーチャの直径Ｄａｐを大きくする。しかし、アパーチャの直径Ｄａｐを大きくすると〔数３〕のαが大きくなるのでビーム径ｄが大きく拡がる。

低加速電圧でもビームが絞れてビーム電流が取れる集束イオンビーム装置においても、高加速電圧側で大電流・高電流密度に対応すること、かつ、低加速電圧側で更にビームを絞ることが求められる。

前に記述したようにイオンビームを細く絞る為に必要な条件は、収差の小さいレンズを短い焦点距離の条件で使用することである。

低エネルギーのビームを絞るには、〔数３〕の第１項を極力小さくする必要があり、静電レンズの色収差係数Ｃ_cを小さくすることが重要になる。静電レンズの色収差係数Ｃ_cを小さくするには、Ｃ_cとｆの次の関係から２つの方法がある。

ただし、φ_mレンズ作用の最大位置での電位
（１）エネルギーの高いところでレンズ作用させる
＝加速モード集束作用
負極性の電圧でレンズ作用させるため、レンズ電極を通過するときの運動速度が大
きいために色収差を小さくできる。
（２）焦点距離をなるべく小さくする
＝低加速電圧化（磁界レンズでは不可、静電レンズに特徴的）
焦点距離を短くするために磁界レンズでは高加速，高磁場が必要だが、静電レンズ
では電極前後の電圧の√で屈折作用するので加速電圧に依存せず、低エネルギーの
ビームにおいては実用的な電圧で加速モードを短焦点で動作させることが可能にな
る。

図２は、Ｇａの加速電圧（入射イオンのエネルギー）とＳｉのダメージ層の関係を示している。

ダメージ層は、加速電圧が低いと薄くなるが１００ｎｍの厚さのＴＥＭ試料（薄膜）を作ったときにダメージ層を膜厚の１０％にするには、片側１０ｎｍ／２＝５ｎｍ以下にする必要がある。この場合、図２から必要な加速電圧は２ｋＶ以下と理解できる。

同様に、膜厚が２００ｎｍではダメージ層が片側１０ｎｍでも良いことになり、図２から集束イオンビームに必要とされる加速電圧は７ｋＶ以下となる。しかし、透過できる電子の数が減るため超高電圧透過電子顕微鏡が必要になり、２００ｋＶの透過電子顕微鏡では観察が困難である。

また、膜厚が５０ｎｍのダメージ層の割合を膜厚の１０％にしようとすると、片側５ｎｍ／２＝２.５ｎｍ以下にする必要があるが加速電圧５００Ｖで加工する必要がある。

したがって、必要とされるＴＥＭ試料の厚さはおおよそ１００ｎｍ以下であり、高加速電圧で１００ｎｍ程度の薄膜を高い位置精度で加工した後、加工のダメージ層を加速電圧２ｋＶ以下のビームで除去してＴＥＭ試料とする。このダメージ層の除去は、Ａｒイオンを使ったミリング装置で行われることが多く、照射ビームが絞れないためダメージ層以外の場所も一緒にミリングするための汚染が生じることもあるし、ダメージ除去するためのミリング専用装置が必要になる。

低加速電圧に対応した集束イオンビーム装置であれば、高加速電圧の集束イオンビームで加工によって生じたダメージ層を低加速電圧の集束イオンビームにして、しかも狙った場所のダメージ層を除去できる。

次に、低加速電圧で液体金属イオン源からイオンビームを放射させる方法について説明する。液体金属イオン源は、電界強度が１０⁸Ｖ／cm程度になるとイオン放出が開始する。電界強度は、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）先端の曲率半径とＬＭＩＳ先端と引出電極間の距離と電極形状が関係して、通常使われている頂角７０°の円錐で先端の曲率半径が３μｍ程度のニードルタイプのＧａ液体金属イオン源（以下ＬＭＩＳ）であれば、イオン放出に必要な電圧（エミッション閾値電圧）は、円錐の表面粗さ（Ｇａの供給の良し悪し）にも関係するが＋６ｋＶ〜１０ｋＶである。

必要な電界強度は、電位差があれば実現できるのでＬＭＩＳのエミッション閾値電圧以下の加速電圧を実現するには、ＬＭＩＳに加速電圧を印加してＬＭＩＳの電位に対して常にエミッション閾値電圧以下の低い電位になるように引出電極に電圧を印加する必要がある。

引出電圧の出力Ｖ_extは、加速電圧Ｖ_aが低くなるにつれて、イオンを放出するための閾値電圧Ｖ_eが高ければ高い程Ｖ_a＜Ｖ_eとなる為、引出電極に印加する電圧Ｖ_ext（＝Ｖ_a−Ｖ_e）が大きく負極性である。また、Ｇａの酸化やエミッション停止中にＧａが液体金属イオン源のＬＭＩＳ先端からの後退する状況を考えると引出電源Ｖ_extとして、エミッション閾値電圧に尤度を見込んで最大１２ｋＶ程度の負極性の電源が必要になる。例えば加速電圧３０ｋＶから０.５ｋＶのビームを得るためには、引出電源の電圧出力Ｖ_extは２５ｋＶ〜−１２ｋＶ程度にする。

低加速電圧に対応した集束イオンビーム装置で、ビーム電流やビーム径を制御するためには、特に低加速でイオン銃のレンズ作用が強くなるのでイオン銃の最適化が重要になる。

イオン銃のレンズ作用を求めた結果を図５に示す。

計算で求めたイオン銃の構成は、図４（ａ）で示すようにイオン源１と引出電極１３とアース電極１５からなり、最大加速電圧３０ｋＶに対応する。真空の絶縁体電圧を１０ｋＶ／mmとすると、引出電極とアース電極間の耐電圧３０ｋＶを得るための電極間距離Ｓは３mm以上になることから、電極の厚さ３mm、電極間距離１０mm（間隙４mm）とした。イオン銃のレンズ作用は、加速電圧Ｖ_aと引出電圧Ｖ_eの比（Ｖ_e／Ｖ_a）で決まる為、Ｖ_e／Ｖ_a（レンズ作用）に対する仮想イオン源（試料側から見たイオン放出点の見かけの位置＝像点）の位置Ｓ０を求めた結果が図４（ｂ），図５である。

高加速電圧では仮想光源の位置Ｓ０は図４（ｂ）のａに、低加速電圧では、Ｖ_e／Ｖ_aが大きくなるにつれてイオン銃のレンズ作用が強まり、図４（ｂ）のａからｂに、更に大きくなるとイオン源と試料の間でビームが集束する図４（ｂ）のｃになる。ビームがイオン源と試料の間で集束する図４（ａ）のｃ付近になると、Ｖ_aの設定の僅かな変化でＶ_e／Ｖ_aが大きく変わるため収束点が変化し、そのためビーム電流の制御が困難になる。この状態は、図４（ｂ）の発散点（Ｓｏ±∞）７を越えた図４（ｂ）の斜線にかかるＳ０の領域になるので、この付近の使用を避けるべきである。

図５に示すイオン源（ＬＭＩＳ）先端と引出電極の距離にも因るが距離が５mmのとき発散点はＶ_e／Ｖ_a≒７にある。

図５からＬＭＩＳのエミッション閾値電圧Ｖ_e＝７.３ｋＶとして、加速電圧Ｖ_a＝３０ｋＶから１ｋＶのイオンビーム装置を想定すると、Ｖ_e／Ｖ_a≒０.３２４から７.３まで変化する為、加速電圧Ｖ_a＝１ｋＶ付近で発散点Ｖ_e／Ｖ_a＝７を越へ、イオン源と試料の間でビームが収束する。この状態を避けるために、例えば引出電圧Ｖ_e＝６ｋＶのイオン源を用いる。これにより加速電圧Ｖ_a＝１ｋＶでＶ_e／Ｖ_a＝６となり、加速電圧を３０ｋＶから１ｋＶまで発散点７を越えることのない状態で使用することができる。また、イオン源と引出電極の距離を約３mmにすると図５の結果からＶ_e／Ｖ_a＝８.４まで発散点を上げることもできる。

しかし、引出電圧Ｖ_eを下げることは加速電圧３０ｋＶの像分解能を悪くする。

加速電圧３０ｋＶの像分解能は、装置の最高分解能に相当するため重要で、イオン源の大きさが５０ｎｍ程度あることから〔数３〕のαとＭ（ＷＤ≒５mmのときＭ≒０.０７）を小さくして第１項と第２項が略同じ大きさになるように装置を最適化してビーム径を約５ｎｍする。しかし、引出電圧Ｖ_e≒６ｋＶ以下になるとイオン銃の倍率が効いてαが大きくなるため〔数３〕の第１項より第２項が大きくなるためαを小さくして表示が可能な限界までビーム電流を落としても所望の像分解能までビームを絞ることができなくなる。

また、加速電圧３０ｋＶで大電流のイオンビーム９を絞るには、ＬＭＩＳとコンデンサーレンズ２までの距離が重要である。図６に示すように対物レンズの像面の開き角αｏが一定でも、コンデンサーレンズ２をＬＭＩＳに近づけるとイオン銃の物点側の開き角αｇが大きくなりビーム電流が増加する。一方、対物レンズの像面の開き角αｏが一定であるため、ビーム径は略変わらない。

ＬＭＩＳ１をコンデンサーレンズ２に近づけることにより、大電流で高電流密度のビームを得る高速加工の集束イオンビーム装置を構成することができる。

しかし、コンデンサーレンズ２をＬＭＩＳに近づけるには、イオン銃の引出電極１３とアース電極１５の距離を短くする必要がある為、イオン銃のレンズ作用が強まりそのまま低加速にした場合、加速電圧が２ｋＶから１ｋＶの範囲のなかに発散点が生じる。前記、図４の説明で述べたように低加速電圧での発散を避けるためには、発散が（Ｖ_e／Ｖ_a）のパラメータであるので引出電圧Ｖ_eを下げるか、図５に示すイオン銃の特性からイオン源（ＬＭＩＳ）１を引出電極１３に近づける必要がある。

しかし、引出電圧Ｖ_eの低下で像分解能が劣化する為、イオン源（ＬＭＩＳ）１を引出電極１３に近づけて発散を避けるのが良い。

低加速電圧ではイオン銃の発散点付近で動作しているが、発散点を低加速電圧側に移す効果と大電流ビームを絞る効果は、何れもイオン源と引出電極の間隔を短くすることによって成される。

イオン銃の発散点を所望の加速電圧に対応できるように調整する必要が生じる。

調整は、イオン源と引出電極の間隔を変えることで達成できる為、低加速電圧に対応するイオン銃としては、所望の最低加速電圧に応じてイオン源と引出電極の間隔を調整できるイオン銃、例えば、図８のイオン銃が望ましい。内側にねじを切ったリング状円板１８とねじを切った筒１９の先にイオン源１が付いてベローズで筒とフランジを接続して真空封じした構造である。図８のイオン銃であれば、ねじを切ったリング状円板１８を回転してイオン源と引出電極の間隔を変えることができる。

しかし、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）１と引出電極１３の間隔を短くすると、引出電極１３にあるビーム制限アパーチャ１４とＬＭＩＳの間隔が短くなる。図７に示すように、ビーム制限アパーチャ１４からのスパッタ粒子１６がＬＭＩＳに付着してコンタミを受けるため、安定なエミッションが得られなくなることがある。

図３の集束イオンビーム装置において、イオン源１をＧａ ＬＭＩＳとする、最大加速電圧３０ｋＶの略ＷＤ＝６mmの静電レンズ（対物レンズ）８によって、ビーム径が約１μｍで４０ｎＡ程度のビーム電流を得るため、ＬＭＩＳ１と引出電極１３の距離を５mm、ＬＭＩＳとコンデンサーレンズ２の主面までの距離を２３mmとした。この装置の加速電圧に対するビーム電流とビーム径の関係を求めた結果を図９に示す。

加速電圧を変えたときのビーム径が約１μｍの最大ビーム電流とそのときの色収差係数と対物レンズの印加電圧について求めた結果を表１に示す。

図９から、加速電圧３０ｋＶ、且つ、ビーム径０.４μｍにおけるビーム電流は２０ｎＡである。装置の最大ビーム電流はビーム径によって変わるため、１μｍから０.５μｍのビーム径におけるビームを最大ビーム電流とし、本実施例では、加速電圧３０ｋＶで最大ビーム電流が２０ｎＡ以上得られる集束イオンビーム装置について示す。

表１のダメージ厚は、図２のＧａの加速電圧（入射イオンのエネルギー）とＳｉのダメージ層の関係から求めた。

表１から、加速電圧１０ｋＶにて、ビーム径が約１μｍであり、ビーム電流が１０ｎＡのビームを得るには、焦点距離１４mm（ＷＤ＝６mm）の対物レンズの集束性が、加速モードでは、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は−２６ｋＶで、その色収差係数は４２mmである。一方、対物レンズの集束性が減速モードのとき、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は、７ｋＶで、その色収差係数は７６mmである。この加速電圧のビーム径が約１μｍのビームは、色収差より球面収差が圧倒的に大きい為、対物レンズを加速モードで
動作する必要が無い。

また、加速電圧が１０ｋＶのときに対物レンズを加速モード動作で使うと、−２６ｋＶ程度の電圧が必要である。加速電圧３０ｋＶの減速モードで動作する対物レンズの印加電圧は２１ｋＶ程度である為、それ（加速電圧３０ｋＶの減速モードで動作する対物レンズの耐電圧）以上の耐電圧が必要になる。

加速電圧が３０ｋＶから１０ｋＶ程度の図３の集束イオンビーム装置において、ビーム径が約１μｍのビームは、〔数３〕の第３項の球面収差成分が大きく色収差の影響が少ない為、減速モードが動作する対物レンズで十分であり、耐電圧の厳しい加速モードで動作する必要がない。したがって、このエネルギー範囲では、減速モードで動作する対物レンズで十分であり、加速モードと減速モードを同一の装置で使用する必要は無い。

加速電圧５ｋＶにおけるビーム径が約１μｍであり、最大ビーム電流が３ｎＡ程度のビームを得るには、焦点距離１４mm（ＷＤ＝６mm）の対物レンズの集束性が加速モードでは、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は−１３ｋＶで、その色収差係数は３３mmである。一方、対物レンズの集束性が減速モードでは、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は、３.５ｋＶで、その色収差係数は、６８mmである。

この加速電圧のビーム径が約１μｍのビームは、〔数３〕の第１項の色収差成分が大きいので、対物レンズを加速モードで動作すると、減速モードに比べビーム径が約１／２になり、ビーム電流密度が約４倍になる。

同様に、加速電圧２ｋＶにおけるビーム径が約１μｍであり、ビーム電流が１ｎＡ程度のビームを得るには、焦点距離１４mm（ＷＤ＝６mm）の対物レンズの集束性が加速モードでは、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は−５.５ｋＶで、その色収差係数は３２mmである。一方、対物レンズの集束性が減速モードのとき、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は、１.４ｋＶで、その色収差係数は６７mmである。

図３の構成において、加速電圧が２ｋＶのときは、対物レンズの動作モードに係わらずコンデンサーレンズの真中の電極に１ｋＶ程度の電圧をかけた方が、ビーム電流密度を高くできる。

加速電圧２ｋＶのビーム径が約１μｍのビームは、〔数３〕の第１項の色収差成分が大きいので、対物レンズを加速モードで動作すると、減速モードに比べビーム径が約１／２になり、ビーム電流密度が約４倍になる。

同様に、加速電圧１ｋＶにおけるビーム径が約１μｍであり、ビーム電流が１ｎＡ程度のビームを得るには、焦点距離１４mm（ＷＤ＝６mm）の対物レンズの集束性が加速モードでは、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は−２.４ｋＶで、その色収差係数は３９mmである。一方、対物レンズの集束性が減速モードのとき、対物レンズの中央の電極に印加する電圧は、０.７ｋＶで、その色収差係数は７３mmである。

加速電圧１ｋＶで対物レンズを加速モードで動作すると、イオン銃で試料上にフォーカスできるくらいレンズ作用が大きい為、寧ろコンデンサーレンズを動作させない方が高い電流密度のビームが得られ、減速モードに比べビーム径が約１／２になり、ビーム電流密度が約４倍になる。

この結果、２〜１ｋＶの低加速電圧でも加工位置精度が良く、加工や照射ダメージの小さい分解能の高い像観察ができる。

以下、より具体的な実施形態について説明する。尚、説明において用いた電圧，焦点距離などの具体的な数値は、理解を助けるための単なる例示にすぎない。

実施例では、液体金属イオン源と、液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、イオンビームを加速する加速（アース）電極と、イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、液体金属イオン源の加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧を加速（アース）電極より低い電位とし、引出電極に印加される電圧の極性に連動して、静電レンズの中心に存在する中間電極に印加する電圧の極性を切り換える集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、液体金属イオン源と、液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、イオンビームを加速する加速（アース）電極と、イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、液体金属イオン源の加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧を加速（アース）電極より低い電位とし、引出電極に印加される電圧の極性に連動して、静電レンズの入射側電極と出射側電極の間に存在する電極に印加する電圧の極性を切り換える集束イオンビーム装置を開示する。

また、対物レンズ最下面から試料までの距離ＷＤが６mm以下であり、液体金属イオン源のエミッション閾値電圧が６ｋＶ以上である集束イオンビーム加工装置を開示する。

また、加速電圧が５ｋＶ以下のときに、引出電極に印加される電圧の極性と連動して静電レンズの中間電極に印加される電圧の極性を切り換える集束イオンビーム装置を開示する。

また、加速電圧が２ｋＶ以下のときに、引出用電源の電圧を分圧して対物レンズの中間電極に印加する集束イオンビーム装置を開示する。

図１０に、本実施例の概略構成を示す。本実施例では、加速用の３０ｋＶ電源Ｖａｃｃに引出用の０〜−１２ｋＶの引出電源Ｖ_extをフローティングして乗せている。

本実施例の集束イオンビーム装置においては、イオンを放射する液体金属イオン源１、イオン源１から引出されたイオンビーム９を被照射物、例えば試料１０上に集束させるため対物レンズである静電レンズ８、液体金属イオン源１よりイオンビーム９を発生させる引出電極１３、及びイオンビーム９を加速する加速（アース）電極１５を備える。また、液体金属イオン源１より放射するイオンビーム９を加速する加速電圧用電源３０，引出電極１３に電位を与える引出電圧用電源４０，静電レンズ８の中央に存在する中間電極８２に電圧を印加するための対物レンズ用電源５０、及び装置の状態に応じて各電源を制御する高電圧電源制御系２０を備える。

加速電圧用電源３０は、出力電圧として０ｋＶから３０ｋＶまでを可変に設定でき、高電圧電源制御系２０により、例えば、３０ｋＶに設定される。

引出電圧用電源４０は、加速電圧用電源３０にフローティングした負の電圧を出力する電源である。出力電圧として０ｋＶから−１２ｋＶまでを可変に設定でき、高電圧電源制御系２０により、例えば、−７ｋＶに設定される。

静電レンズ８の両サイドの入射側電極８１，出射側電極８３は、アース電位であり、中間電極８２には、対物レンズ用電源５０からの電圧が印加される。対物レンズ用電源５０は、対物レンズ電源用正極性電源５１と対物レンズ電源用負極性電源５２と対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３で構成され、例えば、加速電圧がイオン源１のエミッション閾値以下の場合、引出電極１３が負電位になるのと連動するように高電圧電源制御系２０で対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３を制御して、静電レンズ８の中間電極８２に対物レンズ電源用負極性電源５２の出力電圧を印加する。

例として引出電圧が７ｋＶで動作する液体金属イオン源の場合、加速電圧を５ｋＶにするには、イオン源と引出電極の間に７ｋＶ以上の電位差がなければならないので、イオン源に＋５ｋＶを印加、引出電極に−２ｋＶを印加する。

図１１に、本実施例の概略構成を示す。本実施例では、実施例１と異なり、引出電源Ｖ_extをフローティングしておらず、正極性（０〜３０ｋＶ）の引出電源と負極性（０〜−１２ｋＶ）の引出電源を切り換えている。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

本実施例の集束イオンビーム装置においては、引出電極１３に電位を与える引出電圧用電源４０，静電レンズ８の中央の中間電極８２に電圧を印加するための対物レンズ用電源５０，装置の状態に応じて各電源を制御する高電圧電源制御系２０を備える。

加速電圧用電源３０は、出力電圧として０ｋＶから３０ｋＶまでを可変に設定でき、高電圧電源制御系２０により、例えば、３０ｋＶに設定される。引出電圧用電源４０は、引出電極１３に正の電圧を印加するための引出電圧用正極性電源４１と引出電圧用負極性電源４２と引出電源用極性切換えスイッチ４３で構成される。引出電圧用電源４０は、例えば、高電圧電源制御系２０により、それぞれ０〜２５ｋＶと０〜−１２ｋＶまでを可変に設定できる。例えば、加速電圧２ｋＶ、イオン源１のエミッション閾値電圧が７ｋＶのときには、引出電源用極性切換えスイッチ４３を引出電圧用負極性電源４２に接続して引出電極１３に−５ｋＶの電圧を印加する。

図１２に、本実施例の概略構成を示す。以下、実施例１及び２との相違点を中心に説明する。

本実施例の集束イオンビーム装置においては、対物レンズ用電源５０が、対物レンズ電源用正極性電源５１と引出電圧用負極性電源４２から抵抗分圧した負極性の対物レンズ電圧用抵抗分圧端子５４と対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３で構成される。例えば、加速電圧がイオン源１のエミッション閾値以下の場合、引出電極１３が負電位になるのと連動するように高電圧電源制御系２０で対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３を制御して、静電レンズ８の中間電極８２に引出電圧用負極性電源４２から抵抗分圧した負極性の対物レンズ電圧用抵抗分圧端子５４の出力電圧を印加する。

また、例えば、加速電圧が２ｋＶ以下の場合、高電圧電源制御系２０で引出電源用極性切換えスイッチ４３と対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３を連動して引出電圧用負極性電源４２と対物レンズ電圧用抵抗分圧端子５４に切り換える。

図１３に、本実施例の概略構成を示す。以下、実施例１〜３との相違点を中心に説明する。

本実施例の集束イオンビーム装置においては、液体金属イオン源１より放射するイオンビーム９を加速する加速電圧用電源３０，引出電極１３に電位を与える引出電圧用電源４０，静電レンズ８の中央の中間電極８２に電圧を印加するための対物レンズ用電源５０，負電圧印加用電源、及び装置の状態に応じて各電源を制御する高電圧電源制御系２０を備える。

負電圧印加用電源６０の出力電圧としては、例えば、−１２ｋＶが用いられる。

加速電圧用電源３０は、出力電圧として０ｋＶから３０ｋＶまでを可変に設定でき、高電圧電源制御系２０により、例えば、３０ｋＶに設定される。

引出電圧用電源４０は、引出電極１３に正の電圧を印加するための引出電圧用正極性電源４１と負の電圧を印加するための負電圧印加用電源６０からの出力電圧を抵抗分圧して印加する引出電圧用抵抗分圧端子４４と引出電源用極性切換えスイッチ４３から構成される。例えば、高電圧電源制御系２０により、それぞれ０〜２５ｋＶと０〜−１２ｋＶまでを可変に設定できる。例えば、加速電圧２ｋＶでイオン源１のエミッション閾値電圧が７ｋＶのときには、引出電源用極性切換えスイッチ４３を引出電圧用抵抗分圧端子４４に接続して引出電極１３に−５ｋＶの電圧を印加する。

静電レンズ８の両サイドの入射側電極８１、及び出射側電極８３は、アース電位である。中間電極８２には、対物レンズ用電源５０からの電圧が印加される。対物レンズ用電源５０は、対物レンズ電源用正極性電源５１と負電圧印加用電源６０からの出力電圧を抵抗分圧して印加する対物レンズ電圧用抵抗分圧端子５４と対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３で構成される。例えば、加速電圧がイオン源１のエミッション閾値以下の場合、引出電極１３が負電位になるのと連動するように高電圧電源制御系２０で対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３を制御して、静電レンズ８の中間電極８２に引出電圧用負極性電源４２から抵抗分圧した負極性の対物レンズ電圧用抵抗分圧端子５４の出力電圧を印加する。例えば、加速電圧が２ｋＶ以下の場合、高電圧電源制御系２０で引出電源用極性切換えスイッチ４３と対物レンズ電源用極性切換えスイッチ５３を連動して引出電圧用負極性電源４２と対物レンズ電圧用抵抗分圧端子５４に切り換える。

１ イオン源
２ コンデンサーレンズ
３ 可変アパーチャ
４ アライナー／スティグマ
５ ブランカー
６ ブランキングプレート
７ ビーム走査器
８ 静電レンズ
９ イオンビーム
１０ 試料
１１ ステージ
１２ 信号検出器
１３ 引出電極
１４ イオン銃ビーム制限絞り
１５ 加速（アース）電極
１６ スパッタ粒子
１８ ねじを切ったリング状円板
１９ ねじを切った筒
２０ 高電圧電源制御系
３０ 加速電圧用電源
４０ 引出電圧用電源
４１ 引出電圧用正極性電源
４２ 引出電圧用負極性電源
４３ 引出電源用極性切換えスイッチ
４４ 引出電圧用抵抗分圧端子
５０ 対物レンズ用電源
５１ 対物レンズ電源用正極性電源
５２ 対物レンズ電源用負極性電源
５３ 対物レンズ電源用極性切換えスイッチ
５４ 対物レンズ電圧用抵抗分圧端子
８１ 入射側電極
８２ 中間電極
８３ 出射側電極

Claims (16)

1. 所望の加速電圧に印加された液体金属イオン源と、
   液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、
   イオンビームを所望のエネルギーに加速する加速電極と、
   イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、
   液体金属イオン源に印加された加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧を加速（アース）電極より低い電位とする集束イオンビーム装置であって、
   引出電極に印加される電圧の極性に連動して、静電レンズの中心に存在する中間電極に印加する電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
2. 請求項１記載の集束イオンビーム装置において、
   静電レンズ最下面から試料までの距離ＷＤが６mm以下であり、液体金属イオン源のエミッション閾値電圧が６ｋＶ以上であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
3. 請求項１記載の集束イオンビーム装置において、
   加速電圧が５ｋＶ以下のときに、引出電極に印加される電圧の極性と連動して静電レンズの中間電極に印加される電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
4. 請求項１記載の集束イオンビーム装置において、
   加速電圧が２ｋＶ以下のときに、引出用電源の電圧を分圧して静電レンズの中間電極に印加することを特徴とする集束イオンビーム装置。
5. 所望の加速電圧に印加された液体金属イオン源と、
   液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、
   イオンビームを所望のエネルギーに加速する加速電極と、イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、
   液体金属イオン源に印加された加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧を加速（アース）電極より低い電位とする集束イオンビーム装置であって、
   引出電極に印加される電圧の極性に連動して、静電レンズの入射側電極と出射側電極の間に存在する電極に印加する電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
6. 請求項５記載の集束イオンビーム装置において、
   静電レンズ最下面から試料までの距離ＷＤが６mm以下であり、液体金属イオン源のエミッション閾値電圧が６ｋＶ以上であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
7. 請求項５記載の集束イオンビーム装置において、
   加速電圧が５ｋＶ以下のときに、引出電極に印加される電圧の極性と連動して静電レンズの中間電極に印加される電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
8. 請求項５記載の集束イオンビーム装置において、
   加速電圧が２ｋＶ以下のときに、引出用電源の電圧を分圧して静電レンズの中間電極に印加することを特徴とする集束イオンビーム装置。
9. 所望の加速電圧に印加された液体金属イオン源と、
   液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、
   イオンビームを所望のエネルギーに加速するアース電極と、
   イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、
   イオンビームの加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧をアース電極より低い電位とする集束イオンビーム装置であって、
   引出電極に印加される電圧の極性に連動して、静電レンズの中心に存在する中間電極に印加する電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
10. 請求項９記載の集束イオンビーム装置において、
    静電レンズ最下面から試料までの距離ＷＤが６mm以下であり、液体金属イオン源のエミッション閾値電圧が６ｋＶ以上であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
11. 請求項９記載の集束イオンビーム装置において、
    加速電圧が５ｋＶ以下のときに、引出電極に印加される電圧の極性と連動して静電レンズの中間電極に印加される電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
12. 請求項９記載の集束イオンビーム装置において、
    加速電圧が２ｋＶ以下のときに、引出用電源の電圧を分圧して静電レンズの中間電極に印加することを特徴とする集束イオンビーム装置。
13. 所望の加速電圧に印加された液体金属イオン源と、
    液体金属イオン源からイオンビームを引出す引出電極と、
    イオンビームを所望のエネルギーに加速するアース電極と、イオンビームを収束する静電レンズと、を備え、
    イオンビームの加速電圧が液体金属イオン源のエミッション閾値電圧より低い場合は、引出電極の電圧をアース電極より低い電位とする集束イオンビーム装置であって、
    引出電極に印加される電圧の極性に連動して、静電レンズの入射側電極と出射側電極の間に存在する電極に印加する電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
14. 請求項１３記載の集束イオンビーム装置において、
    静電レンズ最下面から試料までの距離ＷＤが６mm以下であり、液体金属イオン源のエミッション閾値電圧が６ｋＶ以上であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
15. 請求項１３記載の集束イオンビーム装置において、
    加速電圧が５ｋＶ以下のときに、引出電極に印加される電圧の極性と連動して静電レンズの中間電極に印加される電圧の極性を切り換えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
16. 請求項１３記載の集束イオンビーム装置において、
    加速電圧が２ｋＶ以下のときに、引出用電源の電圧を分圧して静電レンズの中間電極に印加することを特徴とする集束イオンビーム装置。

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