JP6112930B2 - ガスイオン源、及び集束イオンビーム装置 - Google Patents
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Description
この集束イオンビーム装置は、イオンを発生させるイオン源を備えており、ここで発生したイオンを、その後集束イオンビーム(FIB:Focused Ion beam)にして照射している。
図8に示すように、従来のエミッタ構造体100は、ベース部材101と、ベース部材101に固定された一対の通電ピン102と、通電ピン102の先端部間に接続されたフィラメント103と、フィラメント103に接続された上述したエミッタ104と、を主に備えている。
エミッタ104は、その基端部が点溶接等によってフィラメント103に接続された状態で、フィラメント103に吊り下げ保持されている。
特に、電界電離型イオン源から発生される集束イオンビームは、上述したようにビーム径が小さく、エネルギー広がり(放射角度分布)も小さいので、ビーム径を小さく絞ったまま試料に照射することができる。したがって、観察時の高分解能化を図ったり、より微細なエッチング加工を行ったりすることが可能になる。
電界電離型イオン源のイオンエミッション量は、温度依存性が高く、より低い温度で動作させることが好ましい。
これに対して、特許文献1には、エミッタ104から発生する集束イオンビームの光軸の傾きや位置を調整するジンバル機構(先端マニピュレータ)を設ける構成が開示されている。
しかしながら、ジンバル機構を設けることで、部品点数の増加や装置の複雑化に繋がるという問題がある。
(1)本発明に係るガスイオン源は、ベース部材に固定された一対の通電ピンと、前記一対の通電ピン間に接続されたフィラメントと、前記フィラメントに接続され、先端が先鋭化されたエミッタと、前記エミッタの周囲にガスを供給するガス源と、前記エミッタを冷却する冷却部と、前記エミッタの先端から離間して配設された引出電極と、前記エミッタと前記引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンにさせた後、前記引出電極側に引き出させる引出電源部と、を備え、前記ベース部材には、支持部材が固定され、該支持部材に前記エミッタが接続されていることを特徴としている。
また、エミッタの冷却時において、エミッタの熱は支持部材を介してベース部材等に放熱されることになる。そのため、従来のようにフィラメントのみを介して放熱される場合に比べて、エミッタの冷却効率を向上させることができる。
この構成によれば、支持部材がフィラメントよりも熱伝導率が高い材料により形成されているので、エミッタの熱が支持部材に効率的に放熱されることになる。したがって、エミッタの冷却効率を確実に向上させることができる。
この構成によれば、支持部材がフィラメントよりも太く形成されているので、エミッタの熱が支持部材に効率的に放熱されることになる。したがって、エミッタの冷却効率を確実に向上させることができる。
この構成によれば、円筒状の支持部材内にエミッタが挿入された状態で固定されているため、エミッタをより安定して保持することができる。
この構成によれば、上記本発明のエミッタ構造体を備えているため、ガスイオンを安定的に発生させることができ、ビーム径の小さい高輝度な集束イオンビームを所望の方向に照射し続けることができる。
[集束イオンビーム装置]
図1は、集束イオンビーム装置1の全体構成図である。
本実施形態の集束イオンビーム装置1は、図1に示すように、試料Sが載置されるステージ2と、集束イオンビーム(FIB)を照射する集束イオンビーム鏡筒3と、集束イオンビーム(FIB)の照射によって発生した二次荷電粒子Rを検出する検出器4と、デポジション膜を形成するための原料ガスG1を供給するガス銃5と、検出された二次荷電粒子Rに基づいて画像データを生成するとともに、画像データを表示部6に表示させる制御部7と、を主に備えている。
よって、変位機構8によりステージ2を5軸に変位させることで、集束イオンビーム(FIB)を所望する位置に向けて照射することができるようになっている。ところで、ステージ2及び変位機構8は、真空チャンバ9内に収納されている。そのため、真空チャンバ9内で集束イオンビーム(FIB)の照射や原料ガスG1の供給等が行われるようになっている。
図2は、集束イオンビーム鏡筒3の構成図である。
集束イオンビーム鏡筒3は、図2に示すように、ガスG2からガスイオンG3(図7参照)を発生させる電界電離型イオン源(ガスイオン源)21と、ガスイオンG3を集束イオンビーム(FIB)にした後に試料Sに照射させるビーム光学系31と、を備えている。
また、集束イオンビーム鏡筒3のうち、電界電離型イオン源21は、エミッタ構造体22と、ガス源23と、冷却部24と、引出電極25と、引出電源部26と、を主に備えている。
図2、図3に示すように、エミッタ構造体22は、イオン発生室51内に収容されたエミッタ52及び加熱部53と、エミッタ52を支持する支持部材54と、を備えている。
イオン発生室51は、例えばセラミックス材料により形成され、下方に向けて開口した箱型とされている。具体的に、イオン発生室51は、ベース部材61と、ベース部材61の外周縁から下方に向けて延設され、ベース部材61を取り囲む囲繞部材62と、を備え、内部が高真空状態に維持されるようになっている。
フィラメント66は、高抵抗の材料、例えばタングステン(W)等により構成され、その両端部が通電ピン65の下端部に溶接等によってそれぞれ接続されている。図示の例において、フィラメント66は、中央部に向かうに従い下方に向けて傾斜するV字状に保持されている。
ここで、図3、図4に示すように、支持部材54は、フィラメント66や通電ピン65よりも大径の円筒状とされ、しかも本実施形態では例えば銅等、上述したフィラメント66よりも熱伝導率が高い材料により形成されている。支持部材54は、ベース部材61のうち、側面視で上述した通電ピン65間に位置する貫通孔61a内に挿入された状態でベース部材61にろう付け等によって固定されている。したがって、支持部材54は、上端部がイオン発生室51外に位置し、下端部がイオン発生室51内に位置している。
図5に示すように、エミッタ52は、先端(下端)が先鋭化された針状の部材であり、例えば、タングステン(W)等からなる基材52aにイリジウム(Ir)等の貴金属52bが被膜されることで構成されている。エミッタ52の先端は、原子レベルで先鋭化されており、詳細には図6に示すように、結晶構造がピラミッド状になるように構成されている。なお、図6は、エミッタ52の先端を原子レベルに拡大した図である。
引出電源部26は、引出電極25とエミッタ52との間に引出電圧を印加する電極である。この引出電源部26は、引出電圧を印加することにより、図7に示すようにエミッタ52の先端でガスG2をイオン化させてガスイオンG3にさせた後、このガスイオンG3を引出電極25側に引き出させる役割を果している。
コールドヘッド71は、アルミナやサファイヤ、窒化アルミニウム等のセラミックス材料により形成されたブロック状のものであり、上述したベース部材61の上面に固定されている。コールドヘッド71のうち、支持部材54と対向する部分には、支持部材54の上端部(ベース部材61からの突出部分)を収容する収容凹部72が形成されている。そして、支持部材54は、外周面が収容凹部72の内周面に近接または接触した状態で収容凹部72内に収容されている。
また、コールドヘッド71のうち、通電ピン65と対向する部分には、コールドヘッドを上下方向に貫通する貫通孔73がそれぞれ形成されている。これら貫通孔73内には、通電ピン65の上端部が下方から挿入され、貫通孔73内において上述した配線67に接続されている。
図2に示すように、引出電極25の下方には、接地電位の陰極32が設けられている。この陰極32とエミッタ52との間には、加速電源部33から加速電圧が印加されるようになっており、引き出されたガスイオンG3にエネルギーを与えて加速させ、イオンビームにしている。陰極32の下方には、イオンビームを絞り込む第1のアパーチャー34が設けられている。第1のアパーチャー34の下方には、イオンビームを集束して集束イオンビーム(FIB)にするコンデンサーレンズ35が設けられている。
また、アライナ36の下方には、集束イオンビーム(FIB)をさらに絞り込む第2のアパーチャー37が、X軸及びY軸方向に移動可能に設けられている。第2のアパーチャー37の下方には、試料S上で集束イオンビーム(FIB)を走査する偏光器38が設けられている。偏光器38の下方には、集束イオンビーム(FIB)の焦点を試料S上に合わせる対物レンズ39が設けられている。
ガス銃5は、デポジション膜の原料となる物質(例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボンやタングステン等)を含有した化合物ガスを原料ガスG1として供給するようになっている。この原料ガスG1は、集束イオンビーム(FIB)の照射によって発生した二次荷電粒子Rによって分解され、気体成分と固体成分とに分離するようになっている。そして、分離した2つの成分のうち固体成分が堆積することで、デポジション膜となる。
また、ガス銃5には、エッチングを選択的に加速させる物質(例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、水)を使用することができる。例えば、試料Sが、Si系の場合にはフッ化キセノンを、有機系の場合には水を使用する。また、イオンビームと同時に照射することで、特定の材質のエッチングを進めることができる。
はじめに、試料Sや目的に応じて集束イオンビーム(FIB)を照射する際の初期設定を行う。すなわち、引出電圧、加速電圧やガスG2を供給するガス圧、温度等を最適な値にセットする。また、電界電離型イオン源21の位置や傾き、第2のアパーチャー37の位置等を調整して、光軸調整を行う。
この場合、エミッタ52の熱は、主に支持部材54を介してコールドヘッド71自体、または支持部材54及びベース部材61を介してコールドヘッド71自体に放熱された後、冷却部24を介して外部に放熱される。このとき、エミッタ52の熱は、フィラメント66や通電ピン65等の加熱部53を介してコールドヘッド71にも放熱されるが、支持部材54経由の放熱量の方が加熱部53経由の放熱量に比べて大きい。そのため、エミッタ52が効率的に冷却される。
このように、観察や加工だけでなくデポジション膜の生成も可能とすることができる。したがって、本実施形態の集束イオンビーム装置1は、これらの特徴を適宜使い分けることで、顕微鏡、測長、断面観察、断面測長、TEM試料作製、マスクリペア、描画等を行う装置して幅広く利用することができる。
図3、図4に示すように、エミッタ52を取り外す際は、まず止めねじ69の螺着を解除して、エミッタ52を支持部材54から抜く。次に、フィラメント66の両端部を通電ピン65から取り外し、エミッタ52をフィラメント66毎取り外す。
一方、新なエミッタ52を取り付ける際は、まずフィラメント66の両端部を通電ピン65の下端部に接続した後、フィラメント66の中央部にエミッタ52の上部を点溶接等により接続する。その後、エミッタ52の上端部(挿入部分52c)を支持部材54内に挿入した後、止めねじ69によってエミッタ52を支持部材54内で固定する。
以上により、エミッタ52の交換作業が終了する。
この構成によれば、エミッタ52がフィラメント66に加えて支持部材54に接続されているため、従来のようにフィラメント103(図8参照)のみによって吊り下げ支持された構成に比べて、ベース部材61に対してエミッタ52を安定して保持することができる。この場合、ベース部材61に対してエミッタ52を垂直保持させ易くなり、集束イオンビーム(FIB)の光軸を所望の方向に揃え易くすることができる。
また、従来のように集束イオンビーム(FIB)の光軸の傾きや位置を調整するジンバル機構等を別途設ける必要がないので、部品点数の削減や装置の簡素化を図った上で、ベース部材61に対してエミッタ52を高精度、かつ安定して保持することができる。
この場合、支持部材54がフィラメント66よりも熱伝導率が高く、かつフィラメント66よりも太く形成されているので、エミッタ52の熱が支持部材54に効率的に放熱されることになる。したがって、エミッタ52の冷却効率を確実に向上させることができる。
また、上述した実施形態では、エミッタ52の基材52aをタングステン(W)としたが、モリブデン(Mo)としても構わない。また、基材52aの表面を被膜する貴金属52bをイリジウム(Ir)としたが、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)等を用いても構わない。特に、エミッタ52は、このような各種の貴金属52bによって表面が被膜されているので、化学的な耐性を有している。なお、化学的な耐性という点においては、イリジウム(Ir)を用いることが好ましい。
さらに、上述した実施形態では、支持部材54を銅により形成する場合について説明したが、これに限らず、フィラメント66よりも熱伝導率が高い材料か、フィラメント66よりも太い材料であれば適宜設計変更が可能である。
Claims (5)
- ベース部材に固定された一対の通電ピンと、
前記一対の通電ピン間に接続されたフィラメントと、
前記フィラメントに接続され、先端が先鋭化されたエミッタと、
前記エミッタの周囲にガスを供給するガス源と、
前記エミッタを冷却する冷却部と、
前記エミッタの先端から離間して配設された引出電極と、
前記エミッタと前記引出電極との間に引出電圧を印加して、前記エミッタの先端で前記ガスをイオン化させてガスイオンにさせた後、前記引出電極側に引き出させる引出電源部と、を備え、
前記ベース部材には、支持部材が固定され、該支持部材に前記エミッタが接続されていることを特徴とするガスイオン源。 - 前記支持部材は、前記フィラメントよりも熱伝導率の高い材料により形成されていることを特徴とする請求項1記載のガスイオン源。
- 前記支持部材は、前記フィラメントよりも太く形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載のガスイオン源。
- 前記支持部材は円筒状とされ、
前記エミッタは、基端部が前記支持部材内に挿入された状態で固定されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載のガスイオン源。 - 請求項1から請求項4の何れか1項に記載のガスイオン源と、
引き出された前記ガスイオンを集束イオンビームにした後に試料に照射させるビーム光学系と、を備えていることを特徴とする集束イオンビーム装置。
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