JP5852769B2 - 誘導結合プラズマ・イオン源用のプラズマ点火装置 - Google Patents
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Description
源バイアス電極
ICP源100内で発生させたプラズマを、集束イオン・ビーム(FIB)システム内のイオン源として利用するためには、イオンがプラズマを出て、FIBカラムに入るときに、それらのイオンに加速電圧を印加することが可能である必要がある。図1に示した先行技術においても、本発明においても、源バイアス電極110を使用して、イオンに加速電圧を印加することができる。図1では、ICP源の底部に源バイアス電極110が示されている。源バイアス電極が適正に動作するための主たる要件は、プラズマ室内のプラズマと源バイアス電極の1つの表面とが直接に接触することである。言い換えると、プラズマから抽出されたイオンに電圧を印加することを可能にするためには、源バイアス電極が、プラズマを取り囲むエンクロージャの一部を形成していなければならない。本明細書に示した例では、源バイアス電極が、プラズマ・エンクロージャの下部を形成しているが、機能的に等価な他の源バイアス電極位置も本発明の範囲に含まれる。源バイアス電極110は、内部ケーブル112を通して、バイアス電源(図示せず)へ通じる外部ケーブル114に接続される。源バイアス電極110の下には、イオン抽出光学系の一部として抽出電極108が配置されている。このバイアス源は、ICP源から放出される荷電粒子のエネルギーを接地電位に対して制御する。試料の電位が接地電位である場合、このバイアス電源は、試料位置における最終的なビーム・エネルギーを決定する。
源の電気特性の計算
図2Aは、誘導結合プラズマ源200内の源室202および源バイアス電極208の実効静電容量を示す。源室202の外面は、ケーブル216によって接地された分割ファラデー・シールド(split Faraday shield)214によって取り囲まれており、ファラデー・シールド214は、RFコイル104(図1参照)上の電圧がプラズマに容量結合することを防止する。ファラデー・シールド214がこの結合を防止しない場合には、この結合によって、プラズマ電位に対する望ましくない電圧変動が生じ、この電圧変動によって荷電粒子カラムにおいて色収差が生じ、この色収差によって試料に当たるビームが不鮮明になることになる。ファラデー・シールド214と源室202の内壁との間には静電容量218がある。源室202の内壁と源バイアス電極208との間には静電容量220があり、源バイアス電極208は、ケーブル210によってビーム加速電源(図示せず)に接続されている。ケーブル210と接地の間には静電容量228がある。イオン化するフィード・ガスは、オリフィス204を通して源室202内へ供給される。源室202内のプラズマから抽出されたイオン・ビームは、オリフィス212を通って外へ出る。プラズマが発生しない源室の下には静電容量222がある。RF電力によって静電容量222を流れる電流は、プラズマの発生に対して効力を持たず、したがって、ICP源の設計によって静電容量222を最小化することが望ましい。源室202内でプラズマに点火された後、静電容量220はプラズマによって実質的に短絡される。
C250=C218C220/(C218+C220)+C222+C228
上式で、静電容量218、222および228はプラズマ領域の外側にあるため、プラズマの点火に対して効力を有するのは静電容量220だけである。静電容量218と220には同じ電流240が流れる。実効源静電容量250を流れる全電流I250は以下のとおりである。
プラズマをトリガするのに有効なのは電流I240だけなので、プラズマ点火装置の効率は、全電流I250のうち静電容量C220を流れる電流の割合FCurrentによって決まる。
実効源静電容量の両端間の全電圧V250は以下のとおりである。
上式で、電圧V218はキャパシタC218の両端間の電圧、電圧V220はキャパシタC220の両端間の電圧、電圧V222はキャパシタC222の両端間の電圧、電圧V228はキャパシタC228の両端間の電圧である。静電容量218および220は容量性分圧器の働きをする。
次の考慮事項は、静電容量220を有する源領域内でプラズマに点火する際に有効なプラズマ点火装置からの電力PIgnitionである。
プラズマ点火効率を最大にするためには、プラズマ点火装置からの全電力PTotalの一部として、この電力PIgnitionを最大にすることが望ましいことが明らかである。
したがって、プラズマに点火する静電容量220に現れる点火装置からのプラズマ点火装置電力効率比FPowerは以下のとおりである。
プラズマ点火装置電力効率比FPowerを最大にするためには、キャパシタ220の両端間の電圧V220とキャパシタ220を流れる電流I240の両方を最大にすることが望ましいことが明らかである。キャパシタ220の両端間の電圧を最大にするためには、キャパシタ220に直列に結合したキャパシタ218の両端間の電圧V218を最小にすることが望ましい。キャパシタ218のインピーダンスは(1/C218)に比例するため、電圧V218を最小にするためには、静電容量218の値を最大にする必要がある。これは、プラズマ室202の絶縁壁をできるだけ薄くし、さらにプラズマ室壁の誘電率を最大にすることによって達成することができる。
上式で、静電容量218、220および222は図2の静電容量である。この式は、静電容量222が、静電容量218と220の直列結合と並列であることを示している。したがって、図2の源室202内でプラズマに点火するのに有効な静電容量218および220内の電流から、静電容量222内の電流が引き抜かれることが分かる。静電容量304は、プラズマ点火装置306と図2の源室202との間のケーブル静電容量である。源へ流れる静電容量302内の電流から、静電容量304内の電流が引き抜かれる。
上式で、V1は、プラズマ点火装置の出力を源室内へ結合するのに使用される変圧器の2次巻線上の電圧を表す。この変圧器結合を例示する代表的な回路については図7および8を参照されたい。この先行技術の回路は接地308を基準としている。
上式で、静電容量218、220および222はやはり図2の静電容量であり、静電容量222は、静電容量218と220の直列結合と並列である。したがって、図2の源室202内でプラズマに点火するのに有効な静電容量218および220内の電流から、静電容量222内の電流が引き抜かれることが分かる。本発明では、プラズマ点火装置408が、ICP源を使用した荷電粒子ビーム・システムの真空エンクロージャのところに位置し、または真空エンクロージャの非常に近くに位置する。したがって、プラズマ・バイアス源に接続するケーブルの静電容量404は、図3の先行技術の場合のように並列ではなく、源静電容量402に直列に現れ、したがって、プラズマ点火装置408の出力V1によって引き起こされる大部分の電圧降下は、ケーブル静電容量404ではなしに、源静電容量402を横切って現れる。
図5は、本発明のインライン・プラズマ点火装置を使用した荷電粒子ビーム・システム500を示す図である。真空エンクロージャ502は荷電粒子カラム(図示せず)を含む。エンクロージャの頂部にはプラズマ・センサ552がある。プラズマの存在を検出する複数の方法が可能であり、これには例えば、1)プラズマからの光、2)イオン化によるインピーダンスの低下、3)RFマッチ・ボックス内の最適同調パラメータ(optimal tuning parameter)の変化、および4)源室の温度が含まれる。プラズマに点火されたとき、ケーブル522上のdcバイアス電圧は、接地506にリファレンスされたバイアス電源504の出力に等しい。バイアス電源504の出力508は、シールド・ケーブル510を介して、安全ハウジング516内に封入されたプラズマ点火装置514の入力512に接続される。したがって、システム・オペレータに対する安全上の懸念なしに、プラズマ点火装置514を、バイアス電源504の高電圧出力にバイアスすることができる。プラズマ点火装置514の出力518は、源バイアス電極(図示せず。図1の電極110参照)に接続する内部ケーブル522に、シールド・ケーブル520を介して接続される。プラズマ点火装置514は、ケーブル522に恒久的に物理的に接続されることが好ましい。すなわち、テスラ・コイルのように瞬間的に接触させ、除去しないことが好ましい。プラズマ点火装置514は、源バイアス電極に恒久的に物理的に接続されるが、スイッチまたはソフトウェアなどによって電気的に分離することができる。この物理接続は、通常の使用の間は「恒久的」だが、保守のために切り離すことができる。プラズマに点火された後、電源504からの高電圧は、プラズマ点火装置514を通して源バイアス電極に接続する。任意選択で、プラズマ点火中に、電源504からの高電圧出力を、プラズマ点火装置514からのパルス高電圧に追加し、結合された電圧を、内部ケーブル522を介して源バイアス電極(図示せず)に印加することができる。
プラズマ点火装置のパルス電圧波形
図6は、ICP源内でプラズマに点火するために本発明が使用するパルス電圧波形600を示す。高電圧振動波形604は一般に、500から2μs(2から500kHz)の範囲の周期612を有し、好ましい周期は10から3.33μs(100から300kHz)である。この振動波形は、概ね100Hzの繰返しレート(repetition rate)608を有する。小さい全電力で最大のプラズマ点火電圧を達成するため、70から100μsの範囲の全体振動周期606を有する減衰する振動波形610が使用される。中断620によって示されているように、振動周期606は、繰返し周期608に対して誇張されて示されている。振動と振動の間のプラズマ点火装置の出力は0Vである602。この振動波形の典型的な初期ピーク−ピーク電圧は一般に少なくとも1kVであり、最大で20kVである。図6に示した減衰振動パルスの利点は、初期電圧が最大化され、同時に、振動の後のサイクルでの電圧の低下によってパルスあたりの全電力が最小化される点である。
本発明の第1の実施形態
図7は、本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第1の電気回路である。誘導結合イオン源702は、図4の静電容量402に対応する静電容量704を有する。イオン源702を含み、真空貫通接続(vacuum feedthrough)762を有する真空エンクロージャ768の外部のイオン源702に、またはその近くに、高電圧絶縁変圧器706が取り付けられている。変圧器706は、接地を基準としている1次巻線710および分離された高電圧2次巻線708を備える。1次巻線710は、第1の接続点786および第2の接続点788を有する。2次巻線708は、第1の接続点782および第2の接続点784を有する。接続点782は、真空エンクロージャ768の真空貫通接続762を通してイオン源702に接続する。ビーム・エネルギーは、内部抵抗720および出力静電容量718を有するdcバイアス源722によって設定される。dcバイアス源722と絶縁変圧器706の間のケーブル726は、静電容量716と、電気接続714を通して接地724を基準としているシールド712とを有する。ケーブル726は、2次巻線708の接続点784に接続される。接続点782は、2次巻線708の出力をイオン源702に接続する。バイアス源722はdc出力を有するため、dcバイアス源722によって生成されたdcバイアス電圧は、接続点784と782の間の小さな抵抗性の電圧降下だけで、2次巻線708を通過する。
本発明の第2の実施形態
図8は、本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第2の電気回路である。誘導結合イオン源802は、図4の静電容量402に対応する静電容量804を有する。イオン源802を含み、真空貫通接続862を有する真空エンクロージャ868の外部のイオン源802に、またはその近くに、高電圧結合網806が取り付けられている。結合網806は、高電圧チョーク(choke)808および高電圧キャパシタ810を備える。高電圧チョーク808は、第1の接続点884および第2の接続点882を有する。高電圧キャパシタ810は、第1の接続点886および第2の接続点882を有する。接続点882は、真空エンクロージャ868の真空貫通接続862を通してイオン源802に接続する。ビーム・エネルギーは、内部抵抗820および出力静電容量818を有するdcバイアス源822によって設定される。dcバイアス源822と結合網806の間のケーブル826は、静電容量816と、電気接続814を通して接地824を基準としているシールド812とを有する。ケーブル826は、高電圧チョーク808の接続点884に接続される。接続点882は、高電圧チョーク808の出力をイオン源802に接続する。バイアス源822はdc出力を有するため、dcバイアス源822によって生成されたdcバイアス電圧は、接続点884と882の間の小さな抵抗性の電圧降下だけで高電圧チョーク808を通過する。
本発明のプラズマ点火装置を使用した集束イオン・ビーム・システム
図9は、電源925を有するプラズマ点火装置950を含む本発明の集束イオン・ビーム(FIB)システム900の概略図である。RF電源922は、その中でプラズマが生成されるプラズマ室954を取り巻くアンテナ904に接続されたマッチ・ボックス920にRF電力を供給する。イオン化されるフィード・ガスは、供給システム902を通してプラズマ室954内へ供給される。バイアス電源930は、プラズマ点火装置950を通して、集束イオン・ビーム(FIB)カラム内の源バイアス電極906に接続される。FIBカラム内の抽出電極908は、バイアス電源930の出力電圧を基準とした電源934によってバイアスされる。FIBカラム内のコンデンサ電極910は、バイアス電源930の出力電圧を基準とした電源932によってバイアスされる。
902 供給システム
906 源バイアス電極
908 抽出電極
910 コンデンサ電極
912 レンズ
920 マッチ・ボックス
922 RF電源
924 論理回路
936 ビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ
938 ビーム画定アパーチャ・アクチュエータ
Claims (24)
- プラズマ・イオン源と、
プラズマに直接に接触するように配置された前記プラズマ・イオン源に位置する源バイアス電極と、
前記源バイアス電極への電気接続と、
試料の表面にイオン・ビームを集束させるように構成された集束イオン・ビーム・カラムと、
dc電圧出力を有する源バイアス電源と、
振動出力波形を有するプラズマ点火装置と、
前記源バイアス電源からの前記dc電圧を前記源バイアス電極へ結合する第1の回路と、
前記プラズマ点火装置からの前記振動出力波形を前記源バイアス電極へ結合する第2の回路と
を備える集束イオン・ビーム・システム。 - 前記源バイアス電極が、前記プラズマを取り囲むエンクロージャの一部を形成する、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記第1の回路が、前記源バイアス電源と前記源バイアス電極の間にインダクタを含む、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記第1の回路が振動出力波形の伝送を阻止し、前記第2の回路がdc電圧の伝送を阻止する、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記イオン源内にプラズマが存在することを検出するプラズマ・センサをさらに備える、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記プラズマ・センサから信号を受け取るように電気的に接続された論理回路と、
前記論理回路から前記プラズマ点火装置への電気制御接続と
をさらに備える、請求項5に記載の集束イオン・ビーム・システム。 - 前記論理回路が、前記プラズマ・センサからの信号に基づいて前記プラズマ点火装置を制御するように構成された、請求項5に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 真空エンクロージャをさらに備え、前記真空エンクロージャが前記プラズマ・イオン源を含み、前記プラズマ点火装置が、前記真空エンクロージャの外面に取り付けられるか、または前記真空エンクロージャの外面の近くに取り付けられた、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記プラズマ・イオン源がさらに、
絶縁プラズマ室と、
前記プラズマ室を取り巻くRFアンテナと、
前記RFアンテナに電気的に接続されたマッチ・ボックスと、
前記マッチ・ボックスに電気的に接続されたRF電源と、
イオン化用のフィード・ガスを前記プラズマ室内へ供給するように構成されたガス供給システムと
を備える、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。 - 前記集束イオン・ビーム・カラムがさらに、
1つまたは複数のレンズと、
複数のアパーチャと
を備える、請求項1に記載の集束イオン・ビーム・システム。 - 前記複数のアパーチャのうちのそれぞれのアパーチャが、低スパッタリングに関して選択された材料組成を有する、請求項10に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記複数のアパーチャのうちの1つまたは複数のアパーチャが、炭素ベースの化合物、ベリリウム、バナジウム、チタン、スカンジウム、シリコンまたはニオブのうちの1つまたは複数の材料を含む、請求項10に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 前記プラズマ室が、セラミック、石英またはマシナブル・セラミックのうちの1つまたは複数の材料を含む絶縁プラズマ室を含む、請求項9に記載の集束イオン・ビーム・システム。
- 集束イオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法であって、前記集束イオン・ビーム・システムが、プラズマ室を含むプラズマ・イオン源と、前記プラズマ室に位置する前記プラズマに直接に接触する源バイアス電極と、前記源バイアス電極への電気接触を提供する導体と、集束イオン・ビーム・カラムと、プラズマ点火装置と、源バイアス電極バイアス電源とを含み、前記方法が、プラズマに点火するための前記プラズマ点火装置からの点火電圧、または前記電極バイアス電源からのバイアス電圧を前記導体に選択的に印加することを含む方法。
- プラズマに点火するための前記プラズマ点火装置からの点火電圧、または前記電極バイアス電源からのバイアス電圧を前記導体に選択的に印加することが、前記源バイアス電極に恒久的に物理的に接続された前記プラズマ点火装置からの点火電圧を選択的に印加することを含む、請求項14に記載の方法。
- 前記バイアス電圧を前記源バイアス電極に印加しながら前記プラズマ室から荷電粒子を抽出することおよび加工物表面上に前記荷電粒子を集束することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 集束イオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法であって、前記集束イオン・ビーム・システムが、誘導結合プラズマ・イオン源と、前記プラズマに直接に接触して前記イオン源から抽出されるイオンのエネルギーを制御する源バイアス電極と、集束イオン・ビーム・カラムと、前記源バイアス電極に接続されたプラズマ点火装置と、プラズマ検出器と、前記プラズマ点火装置を介して前記源バイアス電極に接続された源バイアス電極バイアス電源とを含み、前記方法が、
前記誘導結合プラズマ・イオン源へフィード・ガスを導入すること、
前記イオン源にRF励振を印加すること、
前記源バイアス電極に第1のプラズマ点火パルスを印加すること、
プラズマ検出信号を得ること、
前記プラズマ検出信号が、誘導結合プラズマ・イオン源内にプラズマが存在していることを指示している場合に、前記第1のプラズマ点火パルスをオフにすること、
前記プラズマ検出信号が、誘導結合プラズマ・イオン源内にプラズマが存在しないことを指示している場合に、RF励振を印加する動作に戻ること
を含む方法。 - 誘導結合プラズマ源内のプラズマ室に位置する源バイアス電極に、源バイアス電圧およ び点火パルスを供給するアセンブリであって、
前記プラズマ室内のプラズマに直接に接触するように配置された前記源バイアス電極への電気接続を提供する導体と、
前記点火パルスまたは前記源バイアス電圧あるいはその両方を前記導体に印加する結合網と
を備えるアセンブリ。 - 前記導体の長さが30cm未満である、請求項18に記載のアセンブリ。
- 前記導体の静電容量が25pF未満である、請求項18に記載のアセンブリ。
- 点火パルスを供給する前記アセンブリが、好ましくは1kVから20kVの範囲のピーク−ピーク電圧を有するパルスを供給する、請求項18に記載のアセンブリ。
- 点火パルスを供給する前記アセンブリが、より好ましくは3kVから10kVの範囲のピーク−ピーク電圧を有するパルスを供給する、請求項18に記載のアセンブリ。
- 点火パルスを供給する前記アセンブリが、好ましくは2μsから500μsの範囲の振動周期を有するパルスを供給する、請求項18に記載のアセンブリ。
- 点火パルスを供給する前記アセンブリが、より好ましくは3.33μsから10μsの範囲の振動周期を有するパルスを供給する、請求項18に記載のアセンブリ。
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