JP6433515B2 - ミラーイオン顕微鏡およびイオンビーム制御方法 - Google Patents

ミラーイオン顕微鏡およびイオンビーム制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、ミラーイオン顕微鏡およびイオンビーム制御方法に関する。
電子を走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope以下、SEMと略記)と呼ばれる。また、電子の加速電圧に比べて負の電位を、試料に与えた上で、電子ビームを試料に照射して、試料に衝突する前に軌道反転するミラー電子を結像する。これはミラー電子顕微鏡(MEM:Mirror Electron Microscope)と呼ばれる。また、電子の加速電圧に比べて、例えば、約20V正となる電位を試料に与えた上で、照射電子ビームが試料表面に低エネルギーで衝突して、試料表面に衝突した後に反射した電子を結像する。これは低エネルギー放出電子顕微鏡(LEEM:Low Energy Emission Microscope)と呼ばれる。これらの顕微鏡によれば、試料上の極微細な異物や欠陥を発見することが可能である。特許文献1には、ミラー電子顕微鏡、特許文献2には、低エネルギー放出電子顕微鏡が開示されている。
特に、MEMやLEEMは、結像型光学系を用いることから、SEMに比べて高速に観察することができるため、電子デバイス製造における高速検査装置として期待されている。
一方、イオンビームを集束し走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次電子、二次イオン、反射イオンなどを検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope以下、SIMと略記)と呼ばれる。特許文献3には、液体金属イオン源を用いた走査イオン顕微鏡が開示されている。特許文献4には、ガス電界電離イオン源を用いた走査イオン顕微鏡が開示されている。
特開平11−108864号 特開2005−228743号 特開2011−123998号 特開2008−140557号
電子ビームでは、電子の波としての性質が無視できないため、回折効果により収差が発生する。一方、イオンビームでは、電子に比べて重いため、回折効果による収差は電子に比べて極めて小さい。また、イオンビーム照射では、同じ条件の電子ビーム照射と比べ、試料への侵入深さが浅くて、幅も狭い。さらに、イオンビーム照射では、試料表面の原子を移動させる能力が大きく、真空中に原子が放出するスパッタリング現象も生じる。
イオンビームを走査するSIMでは、従来でも試料上の異物を発見するのに十分か分解能を得ていたが、上で述べたように観察に時間を要するために実用的な検査装置は実現されていなかった。また、試料から放出される二次電子および二次イオンなどを結像して観察する装置についても、解像度が低く実用的な検査装置は実現されていなかった。
本発明の目的は、イオンビームを用いる試料観察装置において、特に結像型あるいは投射型イオン検出系を持ち、超高解像度で高速の観察または検査が可能な装置を提供することにある。加えて、電子ビーム装置では困難であった表面クリーニングの後に観察が可能な装置、または深さ方向の構造および欠陥を観察可能な装置を提供することにある。
本発明に係わるミラーイオン顕微鏡は、イオンビームを発生させるガス電界電離イオン源と、発生した前記イオンビームを試料に照射する照射光学系と、前記イオンビームの加速電圧と前記試料に印加する正電位とを制御する電位制御部と、前記試料から反射したイオンを顕微鏡像として結像または投射する結像型あるいは投射型イオン検出部と、を有し、前記電位制御部は、前記試料に前記イオンビームを衝突させる第一の正電位と前記試料に前記イオンビームを衝突させる前に軌道反転させる第二の正電位とを記憶する記憶部を有することを特徴とする。
また、本発明に係わるイオンビーム制御方法は、イオンビームを発生させる発生ステップと、 発生した前記イオンビームを試料に照射する照射ステップと、前記イオンビームの加速電圧と前記試料に印加する正電位とを制御する電位制御ステップと、前記電位制御ステップによって前記試料に衝突する前に軌道反転したイオンを顕微鏡像として結像または投射する像形成ステップと、を有し、前記電位制御ステップは、前記試料に前記イオンビームを衝突させ前記試料の表面の一部を除去するスパッタステップと、前記イオンビームを衝突させる前に軌道反転させ顕微鏡像を得る像取得ステップと、を有し、前記像形成ステップは、前記像取得ステップによって前記試料の近傍で軌道反転したイオンを顕微鏡像として結像または投射するステップであることを特徴とする。
本発明によると、イオンビームを用いる試料観察装置において、特に結像型あるいは投射型イオン検出系を持ち、高速の観察または検査が可能な装置を提供することにある。
本発明によるイオンビーム装置の一例の概略構成図である。 本発明によるイオンビーム装置の制御系の一例の概略構成図である。 本発明によるイオンビーム装置による動作の模式図である。 本発明によるイオンビーム装置による動作の模式図である。
本発明の詳細な説明に先立ち、各構成とその効果について列挙し説明する。
(1)イオンビームを発生させるガス電界電離イオン源と、発生した前記イオンビームを試料に照射する照射光学系と、前記イオンビームの加速電圧と前記試料に印加する正電位とを制御する電位制御部と、前記試料から反射したイオンを顕微鏡像として結像または投射する結像型あるいは投射型イオン検出部と、を有し、前記電位制御部は、前記試料に前記イオンビームを衝突させる第一の正電位と前記試料に前記イオンビームを衝突させる前に軌道反転させる第二の正電位とを記憶する記憶部を有することを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、イオンビームを用いる試料観察装置において、走査イオン顕微鏡のような走査型ではなく、特に結像型あるいは投射型イオン検出系を持ち、ミラーイオンを検出することにより試料の高速な観察または検査が可能な装置が提供される。特に、従来のミラー電子顕微鏡に比べて、顕微鏡設置場所の浮遊磁場の影響が無く像のゆれやドリフトが少なく、解像度の高い異物検出ができるという効果を奏する。また、ガス電界電離イオン源を用いることにより、他のイオン源である、デュオプラズマイオン源、ペニング型イオン源、誘導結合プラズマ(ICP: Inductively Coupled Plasma)プラズマイオン源、マイクロ波プラズマ(MIP:Microwave Induced Plasma)イオン源を用いた場合と比べて解像度の高いミラー顕微鏡像が得られるという効果を奏する。特にミラー顕微鏡であるため、結像型あるいは投射型イオン検出系で観察または検査する際にイオンビームを大電流することも可能である。イオンビーム電流が大きくすると観察または検査が高速になり、かつ結像型あるいは投射型イオン検出系であるため超高解像度とすることも可能となる。また、本装置によれば試料に衝突せずに軌道反転するミラーイオンによる観察のみならず、試料に衝突した反射イオンによる観察も可能になる。なお、試料に衝突しないミラーイオンのみを検出する場合には、試料にイオン衝突によるダメージを与えないという効果を得る。
(2)前記(1)に記載のミラーイオン顕微鏡において、前記電位制御部は、前記第一の正電位を設定し前記試料表面の一部を除去するスパッタ制御部と、前記第二の正電位を設定して顕微鏡像を得る像取得制御部と、を有することを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、試料に衝突しないミラーイオンによる観察のみならず、試料に衝突した反射イオンによる観察が可能になる。さらに、試料へイオンビームを衝突させることにより、試料表面をスパッタリングできるという効果を奏する。
(3)前記(2)に記載のミラーイオン顕微鏡において、試料観察領域に対して前記第二の正電位を設定して得られた第一の顕微鏡像と、前記試料観察領域に対して前記第一の正電位を設定し前記スパッタを行った後、前記第二の正電位を設定して得られた第二の顕微鏡像と、を表示する表示部を有することを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、試料表面の一部の原子を除去すること、すなわち表面クリーニングした後に、ミラーイオン像を得るという効果を奏する。また、試料表面の一部の原子を除去することとミラーイオン顕微鏡観察を繰り返すことにより試料の深さ方向のミラーイオン像を得ることができる。
(4)前記(1)に記載のミラーイオン顕微鏡において、前記第一の正電位を印加する際に前記エミッタティップに供給するガス種は、アルゴン、キセノン、クリプトンの内少なくとも一種を含むことを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、磁場ノイズに対して影響を受けにくいという効果を奏する。特に水素やネオンに比べれば高速で低損傷の加工が深さ方向に可能になるという効果を奏する。なお、2種類の混合ガスや3種の混合ガスなどの複数のガス種を含む混合ガスであっても良い。
(5)前記(1)に記載のイオンビーム装置において、前記第一の正電位を印加する際に前記エミッタティップに供給するガス種は、ネオンまたはヘリウムの内少なくとも一種を含むことを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。 このようにすると、ネオンまたはヘリウムを用いた場合には、試料表面の原子移動が少ない加工が可能になる、あるいは熱的なダメージが少ないという効果を奏する。なお、2種類の混合ガスや3種の混合ガスなどの複数のガス種を含む混合ガスであっても良い。本発明によると以上のような効果を奏する。
(6)前記(1)に記載のミラーイオン顕微鏡において、前記照射光学系の排気を行う排気部には、非蒸発ゲッタポンプを備えることを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、非蒸発ゲッタポンプを用いることにより、イオンビーム照射電流が安定してイオン顕微鏡像へのノイズが少ないという効果を奏する。
(7)イオンビームを発生させる発生ステップと、発生した前記イオンビームを試料に照射する照射ステップと、前記イオンビームの加速電圧と前記試料に印加する正電位とを制御する電位制御ステップと、前記電位制御ステップによって前記試料から反射したイオンを顕微鏡像として結像または投射する像形成ステップと、を有することを特徴とするイオンビーム制御方法である。
このようにすると、走査イオン顕微鏡のような走査型ではなく、特に結像型あるいは投射型イオン検出系を持ち、ミラーイオンを検出することにより試料の高速な観察または検査が可能な装置が提供される。また、試料上の異物や欠陥を高速で検出可能な検査装置が提供される。特に、従来のミラー電子顕微鏡に比べて、顕微鏡設置場所の浮遊磁場の影響が無く像のゆれやドリフトが少なく、解像度の高い異物検出ができるという効果を奏する。
(8)前記(7)に記載のイオンビーム制御方法において、前記電位制御ステップは、前記試料に前記イオンビームを衝突させ前記試料表面の一部を除去するスパッタステップと、前記イオンビームを衝突させる前に反射させ顕微鏡像を得る像取得ステップと、を有し、前記像形成ステップは、前記像取得ステップによって前記試料から反射したイオンを顕微鏡像として結像または投射するステップであることを特徴とするイオンビーム制御方法である。
このようにすると、ミラーイオンによる観察のみならず、試料に衝突した反射イオンによる観察が可能になる。また、試料へイオンビームを衝突させることにより、試料表面をスパッタリングできる。スパッタリングによって表面クリーニングした後に、ミラーイオン顕微鏡観察ができる。
(9)前記(8)に記載されたイオンビーム制御方法において、前記像取得ステップ、前記スパッタステップ、前記像取得ステップ、の順に、少なくとも前記像取得ステップを2回以上繰り返し、前記顕微鏡像を2枚以上得ることを特徴とするイオンビーム制御方法である。
このようにすると、試料表面の一部の原子を除去するスパッタリングとミラーイオン顕微鏡観察を繰り返すことにより試料の深さ方向のミラーイオン像を得ることができる。
(10)前記(8)に記載されたイオンビーム制御方法において、前記試料表面に対して深さ方向が互いに異なる顕微鏡像を少なくとも2枚表示する表示ステップを有することを特徴とするイオンビーム制御方法である。
このようにすると、試料表面の一部の原子を除去するスパッタリングとミラーイオン顕微鏡観察を繰り返すことにより試料の深さ方向のミラーイオン像を得ることができる。
(11)イオンビームを発生させるイオン源と、発生した前記イオンビームを試料に照射する照射光学系と、前記試料に印加する正電位を制御する試料電位制御部と、前記試料から反射したイオンを顕微鏡像として結像または投射する結像型あるいは投射型検出光学系と、を有することを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、イオンビームを用いる試料観察装置において、走査イオン顕微鏡のような走査型ではなく、特に結像型あるいは投射型イオン検出系を持ち、ミラーイオンを検出ことにより試料の高速な観察または検査が可能な装置が提供される。特に、従来のミラー電子顕微鏡に比べて、顕微鏡設置場所の浮遊磁場の影響が無く像のゆれやドリフトが少なく、解像度の高い異物検出ができるという効果を奏する。
(12)前記(11)に記載のミラーイオン顕微鏡において、前記照射光学系のカラムは、前記ミラーイオン顕微鏡の設置された面または床に対して垂直方向に設けられ、
前記検出光学系のカラムは、前記ミラーイオン顕微鏡の設置された面または床に対して傾斜方向に設けられていることを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、照射イオンビーム100aが試料方向に直進するので、収差が少なくなり、平行度の良いイオンビームが試料に向かうことになる。この結果、試料に到達する前に軌道反転するミラーイオン像の解像度が高くなることがわかった。すなわち、別の構造選択肢としてイオン源およびイオン照射系カラムを傾斜配置して、照射イオンビームをセパレータで偏向して試料に向かわせて、ミラーイオンを直進させる構造に比べて、上記で述べたイオンビーム照射系カラムが直立する構造の方が、ミラーイオン像の解像度が向上するという効果を奏する。
(13)前記(12)に記載のミラーイオン顕微鏡において、前記イオン源は、前記イオンビームを生じさせるエミッタティップの先端にピラミッド構造を形成する電界電離イオン源であることを特徴とするミラーイオン顕微鏡である。
このようにすると、他のイオン源である、デュオプラズマイオン源、ペニング型イオン源、誘導結合プラズマ(ICP: Inductively Coupled Plasma)プラズマイオン源、マイクロ波プラズマ(MIP:Microwave Induced Plasma)イオン源を用いた場合と比べて解像度の高いミラー顕微鏡像が得られるという効果を奏する。
図1を参照して本発明によるイオンビーム装置の例を説明する。以下に、イオンビーム装置として、ミラーイオン顕微鏡の第1の例を説明する。本例のミラーイオン顕微鏡は、ガス電界電離イオン源1、イオンビーム照射系カラム2、試料室3、冷却機構4、及び、結像型検出系カラム6、ガス供給機構26を有する。ここでガス電界電離イオン源1、イオンビーム照射系カラム2、及び、試料室3、結像型検出系カラム6などは真空容器15の中に含まれるように設置される。なお、本構成によれば、試料上の異物および欠陥などが検出可能である。
本実施例において、図1のように照射イオンビームを供給するイオンビーム照射系カラム2は、顕微鏡設置面20すなわち床に対して直立し、一方でミラーイオンビームを結像する検出系カラム6は傾斜する。また、イオンビーム照射系カラム2には、セパレータ7が内包されており、試料9に向かう照射イオンビーム31と、試料9から戻ってくるイオンビーム32とを分離する。
まず、ガス電界電離イオン源1は、針状のエミッタティップ21、エミッタティップに対向して設けられ、イオンが通過する開口部27を有する引き出し電極24、細線状のフィラメント22、円柱状のフィラメントマウント23、及び、円柱状のエミッタベースマウント64を有する。
また、ガス電界電離イオン源1の真空容器15を真空排気するイオン源真空排気用ポンプ12が設けられている。真空容器15とイオン源真空排気用ポンプ12の間には真空遮断可能なバルブ29が配置されている。
さらにガス電界電離イオン源1の真空容器15には非蒸発ゲッタ材料70を内包する真空ポンプ71が接続されている。また、イオン源真空排気用ポンプ12と真空容器15および、非蒸発ゲッタ材料70を内包する真空ポンプ71と真空容器15との間には真空遮断可能なバルブ74が配置されている。
さらにガス電界電離イオン源1は、エミッタティップ21の傾斜を変える傾斜機構61を含み、これはエミッタベースマウント64と固定されている。これは、エミッタティップ先端の方向をイオンビーム照射軸62に精度良く合わせるために用いる。本実施例のように、イオンビーム照射系カラムが顕微鏡設置面20すなわち床に対して直立する場合には、傾斜機構61による傾斜精度を高められ、かつ傾斜方向のドリフト移動が無く、好適なイオン顕微鏡を実現できるという効果を奏する。
また、イオンビーム照射系は、上記ガス電界電離イオン源1から放出されたイオンビームを集束する集束レンズ5、セパレータ7、試料9に向けてイオンビームを略平行に照射する対物レンズ8などから構成される。なお、集束レンズおよび対物レンズは複数の電極からなる静電型レンズである。また、図示はしていないが、集束レンズを通過したイオンビーム31を制限する可動なアパーチャ、該アパーチャを通過したイオンビームを走査あるいはアラインメントする偏向器、なども内包されており、イオン源からのエミッションパターン観察や、走査イオンビーム像取得の場合に使用することができる。
また、真空容器15の内部のイオンビーム照射系カラム2を真空排気するイオンビーム照射系カラム真空排気用ポンプ17が設けられている。真空容器とイオンビーム照射系カラム真空排気用ポンプ17の間には真空遮断可能なバルブ18が配置されている。これは結像型検出系カラム6の排気を行う事も可能である。
また、試料室3の内部には、試料9を載置する試料ステージ10、試料と試料ステージ10を電気絶縁する絶縁物29、イオンビームを試料に衝突させた場合に、試料から放出される二次電子や三次電子、後方散乱電子などを検出する荷電粒子検出器11、および試料のチャージアップを中和するための電子銃(図示せず)が設けられている。本例のイオン顕微鏡は、更に、試料室3を真空排気する試料室真空排気用ポンプ13を有する。また、試料室3には図示してないが試料近傍にエッチングやデポジションガスを供給するガス銃が設けられている。また、荷電粒子検出器11はイオン検出器も含まれる。
結像型検出系カラム6は真空容器の内部に設けられ、中間イオンレンズ51、投影イオンレンズ52などが内包されている。また画像検出部に53には、蛍光板54および二次元光学検出器55などから構成されている。
また、床20の上に配置された装置架台17の上には、防振機構19を介して、ベースプレート18が配置されている。電界電離イオン源1、カラム2、及び、試料室3は、ベースプレート18によって支持されている構成とすることが可能である。
冷却機構4は、電界電離イオン源1の内部、エミッタティップ21を冷却する。なお、冷却機構4は例えばギフォード・マクマホン型(GM型)冷凍機あるいは、パルス管冷凍機を用いることができる。この場合には、床20には、図示してないがヘリウムガスを作業ガスとする圧縮機ユニット(コンプレッサ)が設置される。圧縮機ユニット(コンプレッサ)の振動は、床20を経由して、装置架台17に伝達される。この振動を防止するために装置架台17とベースプレート18との間には除振機構19が配置されている。これにより、床の高周波数の振動は電界電離イオン源1、イオンビーム照射系カラム2、真空試料室3などの伝達を低減することができる。ここでは、床20の振動の原因として、冷凍機及びコンプレッサを説明した。しかしながら、床20の振動以外の外因による振動にも、本構成は有効である。また、防振機構19は、防振ゴム、バネ、ダンパ、又は、これらの組合せによって構成されてよい。
ここで、本実施例のガス電界電離イオン源のエミッタティップ21先端には原子によるナノメートルオーダのピラミッド型構造が形成されている。これをナノピラミッドと呼ぶことにする。ナノピラミッド型構造で形成された原子の個数は状況に応じて変えることが出来るが、典型的には、先端に1個の原子を有し、その下に3個又は6個の原子の層を有し、さらにその下に10個以上の原子の層を有すると非常に好適なビームを得ることが出来る。
また、エミッタティップの材質としては、タングステン、モリブデン細線などを用いる。また、エミッタティップの先端にナノピラミッドを形成する方法として、イリジウム、白金、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウム等を被覆させた後に、フィラメントに通電してエミッタティップを高温加熱する方法や、他に、真空中での電界蒸発、ガスエッチィング、イオンビーム照射、リモデリング方法等がある。このような方法によればて、タングステン線、モリブデン線先端に原子のナノピラミッドを形成することができる。例えば方向指数が<111>のタングステン線を用いた場合には、先端が1個または3個のタングステン原子あるいはイリジウムなどの原子で構成されるのが特徴となる。また、これとは別に、白金、イリジウム、レニウム、オスミウム、パラジュウム、ロジュウムなどの、細線の先端に真空中でのエッチングあるいはリモデリングにより同様なナノピラミッドを形成することもできる。
上述のように、本実施例によるガス電界電離イオン源のエミッタティップ21の特徴は、ナノピラミッドの構造にある。エミッタティップ21の先端に形成される電界強度を調整することによって、エミッタティップの先端の1個の原子の近傍でイオンを生成させることができる。従って、イオンが放出される領域、即ち、イオン光源は極めて狭い領域であり、ナノメータ以下である。このように、非常に限定された領域からイオンを発生させることによって、ビーム径を1nm以下とすることができる。すなわち、従来の電子源と比較しても、イオン源は単位面積及び単位立体角当たりの電流値を大きくすることができる。これは試料上で微細径かつ大電流のイオンビームを得るための重要な特性である。
なお、白金、レニウム、オスミウム、イリジウム、パラジュウム、ロジュウム、などを用いて、先端原子1個のナノピラミッドを形成した場合には、同様に単位面積・単位立体角から放出される電流すなわちイオン源輝度を、電子源や他のイオン源と比較しても大きくすることができる。すなわち、イオン顕微鏡の試料上のビーム径を小さくしたり、電流を増大したりするのに好適となる。ただし、エミッタティップが十分冷却され、かつガス供給が十分な場合には、必ずしも先端を1個に形成する必要はなく、3個、6個、7個、10個などの原子数であっても本観察または検査に対して十分な性能を発揮できる。特に、4個以上の10個未満の原子で先端を構成する場合には、イオン源輝度を高くでき、かつ先端原子が蒸発しにくく安定した動作を両立することが可能である。
図2は、図1に示した本発明によるミラーイオン顕微鏡の制御装置の例を示す。本例の制御装置は、ガス電界電離イオン源1を制御する電界電離イオン源制御装置91、冷凍機4を制御する冷凍機制御装置92、集束レンズ5および対物レンズ8を制御するレンズ制御装置93、セパレータ制御装置191、試料ステージ10を制御する試料ステージ制御装置97、試料室真空排気用ポンプ13を制御する真空排気用ポンプ制御装置98、試料台10、結像型検出系カラム6に内包される中間イオンレンズ51や投影イオンレンズ52を制御する投影型イオン光学系制御装置192などがある。また本例の制御装置は、画像検出部制御装置193、荷電粒子検出器11の電極等に電圧を印加する複数の電源およびその制御装置、および計算処理能力をもつ本体制御装置99を有する。本体制御装置99は演算処理部、記憶部、画像表示部等を備える。画像表示部は、荷電粒子検出器11の検出信号から生成された画像、及び、入力手段によって入力した情報を表示する。
試料ステージ10は、試料9を試料載置面内にて直交2方向へ直線移動させる機構、試料9を試料載置面に垂直な方向への直線移動させる機構、及び、試料9を試料載置面内にて回転させる機構を有する。試料ステージ10は、更に、試料9を傾斜軸周りに回転させることによりイオンビーム14の試料9への照射角度を可変できる傾斜機能を備える。これらの制御は計算処理装置99からの指令によって、試料ステージ制御装置97が実行する。
次に、本例のガス電界電離イオン源の動作を説明する。真空排気後、十分な時間が経過した後、冷凍機4を運転する。それによってエミッタティップ21が冷却される。まず、エミッタテフィップにイオンの加速電圧として、正の高電圧を印加する。次に、エミッタテフィップに対して負電位となるように引き出し電極24に高電圧を印加する。すると、エミッタティップの先端に強電界が形成される。そしてイオン化ガスの供給機構26からイオン化ガスを供給すると、イオン化ガスは強電界によってエミッタティップ面に引っ張られる。その後にイオン化ガスは最も電界の強いエミッタティップ21の先端近傍に到達する。そこでイオン化ガスが電界電離し、イオンビームが生成される。イオンビームは、引き出し電極24の孔27を経由して、イオンビーム照射系に導かれる。本実施例では、アルゴンガスを導入する。
次に、ガス電界電離イオン源1から放出されたイオンビーム31は、集束レンズ5によって集束されながら、セパレータ7を直進して、試料9に略平行束のイオンビーム32となって向かう。
集束レンズ5は、試料に対してより平行度の高い照射イオンビームが得られる様、複数のレンズを組み合わせたシステムであっても良い。また、集束レンズ5は、対物レンズ8の後焦点面にイオンビームが集束するように調整される。セパレータ7は、試料10へ向かう照射イオンビーム32と、試料9から上方へ戻ってくるイオンビーム33とを分離する。本実施例のセパレータ7には例として、電場と磁場が直交する(E×B)偏向器を用いている。E×B偏向器は、その特性からイオン源から試料9に向かうイオンビーム32を直進させて、試料から上方へ向かうイオンビーム33を検出器方向に偏向させるようにできる。次に、イオン源1から試料9に向かうイオンビーム32は、静電型対物レンズ8により、試料表面に対し垂直に向かう平行束のイオンビームに形成される。前述のように、対物レンズ8の後焦点にイオンビームが集束されるように、イオン照射系集束レンズ5が調整されるので、平行性の高いイオンビームを試料9に対して照射できる。
以上の場合には、図1に示したように照射イオンビームを供給するイオンビーム照射系カラム2は、顕微鏡設置面20すなわち床に対して直立して、ミラーイオンビームを結像するイオン検出系カラム6は傾斜する。このような構造にすると、セパレータ7によって照射イオンビーム31が偏向されることなく試料9方向に直進するので、試料に照射されるビームの収差が少なくなり、平行度の良いイオンビーム32が試料9に向かうことになる。この結果、試料に到達する前に軌道反転するミラーイオン像の解像度が高くなることがわかった。一方、別の構造選択肢としてイオン源1およびイオン照射系カラム2を傾斜配置して、照射イオンビームをセパレータで偏向して試料に向かわせて、ミラーイオンを直進させる構造がある。しかし、その構造に比べて、上記で述べたイオンビーム照射系カラム2が直立する構造の方が、ミラーイオン像の解像度が向上することがわかったのである。
また、試料9は試料ステージ10の上に絶縁物29を介して戴置されている。試料ステージ10は、試料9の中心を回転中心とした回転運動、および、試料の半径方向への直進運動とその垂直方向の直進運動、上下方向の直進運動を行うことができる。試料ステージ10が回転しながら試料9の半径方向に移動することにより、試料9の全面を観察できるようになる。試料ステージ10の運動は、試料ステージ制御装置97によって制御されている。
そして、イオンビームの加速電圧比べてやや高い正電位を、高圧電源により試料9に印加した場合には、照射イオンビーム32が、この正電位によって試料9の手前で減速され、試料9に衝突する前にその軌道を反転させる。すなわちミラーイオン33となる。
次に、ミラーイオン33は対物レンズ8により第1の像を形成する。セパレータ7は本実施例ではE×B偏向器であるので、試料方向から進行したイオンビーム33に対しては偏向作用を持たせて制御され、ミラーイオン33は偏向を受けて進行し、第1の像は中間イオンレンズ51、投影イオンレンズ52によって順次結像される。これらの中間レンズ51及び投影レンズ52は、複数の電極から構成される静電レンズである。最終的なイオン像は画像検出部53に拡大投影される。なお、第1の像は、セパレータ7の中心に形成されることが望ましい。これにより、セパレータ7の電磁界による像への収差の影響を最小限にできるからである。また、図1では投影イオンレンズ52は1つのイオンレンズとして描かれているが、高い倍率の拡大や像歪の補正などのために複数のイオンレンズで構成しても良い。
画像検出部53はミラーイオン33の像を電気信号に変換し本体制御装置99の異物判定部に送る。また、これまで述べてきた様々なイオンレンズやセパレータ7などのイオン光学系の制御は、投影型イオン光学系制御装置192が行っている。
次に、画像検出部53について説明する。画像は、ミラーイオン33をまず蛍光板54で光に変換して、2次元光学検出器55で電気信号に変換する。あるいは、イオンをマイクロチャネルプレートなどにより、光学像への変換を経ずに直接画像信号として出力することもできる。
このとき得られたミラーイオン顕微鏡像は、従来のミラー電子顕微鏡像に比べて、顕微鏡設置場所の浮遊磁場の影響が無く像のゆれやドリフトが少なく、解像度の高い像となることが分かった。これは本質的に電子とイオンの磁場に対する感度の違いである。高解像のミラーイオン像では特にこの効果によってミラーイオン像を高解像度化できるということを突き止めたのである。
次に、本体制御装置99の異物判定部は、画像検出部53からの画像データから異物の有無を判定し、異物を検出した場合、画像データ、及びステージ制御装置97からのステージ位置に関するデータを元に異物の試料上の座標を算出する。また、異物画像の強度プロファイルから異物の大きさを推定し、異物の位置や大きさを記憶する。
また、装置各部の動作条件は、本体制御装置99から入出力される。本体制御装置99には、予めイオンビーム発生時の加速電圧、イオンビーム偏向幅・偏向速度、ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸条件がテーブルデータとして入力されている。そして、本体制御装置99は各要素の制御装置を総括的に制御し、また、ユーザーからの入力のインターフェースも有している。なお本体制御装置99は、役割を分担し通信回線で結合された複数の計算機で構成しても良い。
以上によれば、ガス電界電離イオン源と、ガスイオンビームを試料方向に照射する光学系と、試料にガスイオンが衝突する前に、試料に印加した正電位で軌道反転したミラーイオンを結像する光学系、ミラーイオンを検出する検出器からなるミラーイオン顕微鏡とすることにより、試料表面のミラーイオン顕微鏡像を得て、微小異物を検出することができるミラーイオン顕微鏡を実現できる。
このようにすると、イオンビームを用いる試料観察装置において、特に結像型あるいは投射型イオン検出系を持ち、ミラーイオンを検出することにより試料の高速な観察または検査が可能な装置が提供される。また、試料上の異物や欠陥を高速で検出可能な検査装置が提供される。特に、従来のミラー電子顕微鏡に比べて、顕微鏡設置場所の浮遊磁場の影響が無く像のゆれやドリフトが少なく、解像度の高い異物検出ができるという効果を奏する。また、ガス電界電離イオン源を用いることにより、他のイオン源を用いた場合と比べて解像度の高いミラー顕微鏡像が得られるという効果を奏する。
次に、試料に印加される電圧が、イオンビームの加速電圧比べて低い正電位であれば、イオンビームは試料に衝突する。衝突したイオンは、一部は反射イオンとなって真空中に放出される。一部は試料中でカスケード衝突する。その結果、試料表面の原子が真空中に飛び出すスパッタリング現象が生じる。この効果をうまく利用すれば、試料表面に付着した汚染物質を除去する、いわゆる表面クリーニングが可能である。これを、図3を用いて説明する。
図3に、ミラーイオン顕微鏡像202および、試料横方向から見た試料203、等電位面204あるいはビーム軌道205などの模式図を示す。まず、図3の(a)では、照射イオンの加速電圧を正の3kVにしたとき、試料印加電圧を2.8kVとし印加する。もちろん、印加する電圧は一例でありこれに限定されるものではない。この際には、ガス電界電離イオン源から放出されたアルゴンイオン205は試料203に衝突して、試料表面の汚染物質を除去する。いわゆる表面クリーニングを行う。その後に、図3の(b)に示すように、試料印加電圧に3kV近傍を印加して、さらに精密な電圧調整をすることによりアルゴンイオン205を試料203に衝突する前に軌道反転させ、ミラーイオン207を検出できるようにする。すなわち、ミラーイオン顕微鏡像202を得る。このとき、ミラーイオン顕微鏡像202には中央付近に異物像208が見える。以上のようにすると試料表面の汚染を除去した上で、異物206の検出ができる。
すなわち、試料に印加する正電位を、イオンビームが試料に衝突する正電位と、イオンビームが試料に衝突する前に軌道反転する正電位との2種類以上の値を記憶する制御装置を備えることを特徴とするミラーイオン顕微鏡であり、表面に極低加速でイオンビームを照射して、試料表面の原子の一部を除去する、すなわち、表面クリーニングした後にミラーイオン顕微鏡像が得られる。すなわち、汚染で隠れていた異物をも観察または検出できるという効果を奏する。これらの効果は、ミラーイオン顕微鏡の特有の効果であり、クリーニングや深さ方向への表面移動などについては、従来の電子ビームでは極めて困難である。特に、電界電離イオン源を用いたミラーイオン顕微鏡は電流量の調整が容易であり、さらに高い効果を有する。
次に、試料に印加される電圧がさらに低い場合には、スパッタリング効果が大きくなる。この効果をうまく利用すれば、表面をスパッタし試料の深さ方向に後退させることができる。これを、図4を用いて説明する。
図4に、ミラーイオン顕微鏡像301、303および、試料横方向から見た試料304、等電位面305あるいはビーム軌道306などの模式図を示す。まず、図4の(a)では、照射イオンの加速電圧を正の3kVしたときのミラーイオン顕微鏡像301を得る。もちろん、印加する電圧は一例でありこれに限定されるものではない。このとき、ミラーイオン顕微鏡像301には中央付近に異物像308が見える。次に、図4の(b)に示すように照射イオン加速電圧が正の3kVで、試料印加電圧を2.5kVとする。この際には、ガス電界電離イオン源から放出されたアルゴンイオン306は試料304に衝突して、試料表面をスパッタリングによって表面を試料の深さ方向に後退させる。次に図4の(c)では、試料印加電圧に3kV近傍を印加して、さらに精密な電圧調整をすることによりアルゴンイオン306を試料304に衝突する前に軌道反転させ、ミラーイオン307として検出する。すなわち、ミラーイオン顕微鏡像303を得る。ミラーイオン顕微鏡像303には中央付近に異物像309が見えるが、試料表面が深さ方向に後退したことで、ミラーイオン顕微鏡像301の異物よりも異物像309が大きくなっていることわかる。このようにすると試料表面から深さ方向の異物構造情報が得られる。さらに、再度、試料印加電圧2.5kV印加して試料表面をスパッタリングによってさらに表面を後退させる。次に試料へ電圧を印加して、ミラーイオン顕微鏡像を得れば、さらに深い位置において異物構造情報が得られる。図4においては、異物が深さ方向に大きさが異なる様子を例示した。このような深さ方向のミラーイオン顕微鏡像を得ることは、ミラーイオン顕微鏡の特有の効果であり、従来の電子ビームでは極めて困難である。特に、電界電離イオン源を用いたミラーイオン顕微鏡は電流量の調整が容易であり、さらに高い効果を有する。
また、本実施例ではアルゴンイオンで説明したが、キセノン、クリプトンなどによっても同様な効果を得ることができる。また、特に磁場ノイズに対して影響を受けにくいという効果を奏する。特に水素やネオンに比べれば高速で深さ方向に低損傷の加工が可能になるという効果を奏する。また、ヘリウムおよびネオンを用いた場合には、試料表面の原子移動が少ない加工が可能になる、あるいは熱的なダメージが少ないという効果を奏する。なお、2種類の混合ガスや3種の混合ガスなどの複数のガス種を含む混合ガスであっても良い。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、本願の発明の思想を逸脱しない範囲において、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換え、または、追加・削除・置換することもできる。
1…ガス電界電離イオン源、2…イオンビーム照射系カラム、3…試料室、4…冷却機構、5…集束レンズ、6…結像型検出系カラム、7…セパレータ、8…対物レンズ、9…試料、10…試料ステージ、11…荷電粒子検出器、12…イオン源真空排気用ポンプ、13…試料室真空排気用ポンプ、15…真空容器、17…装置架台、18…ベースプレート、19…防振機構、20…床、21…エミッタティップ、22…フィラメント、23…フィラメントマウント、24…引き出し電極、26…ガス供給機構、27…開口部、51…中間イオンレンズ、52…投影イオンレンズ、53…画像検出部、54…蛍光板54、55…二次元光学検出器、61…傾斜機構、64…エミッタベースマウント、69…真空遮断可能なバルブ、70…非蒸発ゲッタ材料、71…真空ポンプ、72…加熱機構、74…真空遮断可能なバルブ、77…真空遮断可能なバルブ、91…ガス電界電離イオン源制御装置、92…冷凍機制御装置、93…レンズ制御装置、97…試料ステージ制御装置、98…真空排気用ポンプ制御装置、99…本体制御装置、191…セパレータ制御装置、192…イオン光学系制御装置、193…画像検出部制御装置、202…ミラーイオン顕微鏡像、203…試料、204…等電位面、205…ビーム軌道、206…異物、207…ミラーイオン、208…異物像、301…ミラーイオン顕微鏡像、303…ミラーイオン顕微鏡像、304…試料、305…等電位面、306…ビーム軌道、307…ミラーイオン、308…異物像、309…異物像

Claims (11)

  1. イオンビームを発生させるガス電界電離イオン源と、
    発生した前記イオンビームを試料に照射する照射光学系と、
    前記イオンビームの加速電圧と前記試料に印加する正電位とを制御する電位制御部と、
    前記試料から反射したイオンを顕微鏡像として結像または投射する結像型あるいは投射
    型のイオン検出部と、を有し、
    前記電位制御部は、前記試料に前記イオンビームを衝突させるために前記試料に印加す
    る第一の正電位と前記試料に前記イオンビームを衝突させる前に軌道反転させるために前
    記試料に印加する第二の正電位とを記憶する記憶部を有することを特徴とするミラーイオ
    ン顕微鏡。
  2. 請求項1に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    前記電位制御部は、前記第一の正電位を設定し前記試料の表面の一部を除去するスパッ
    タを制御するスパッタ制御部と、前記第二の正電位を設定して顕微鏡像を得る像取得制御
    部と、を有することを特徴とするミラーイオン顕微鏡。
  3. 請求項2に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    試料観察領域に対して前記第二の正電位を設定して前記イオン検出部で得られた第一の
    顕微鏡像と、
    前記試料観察領域に対して前記第一の正電位を設定し前記スパッタを行った後、前記第
    二の正電位を設定して前記イオン検出部で得られた第二の顕微鏡像と、を表示する表示部
    を有することを特徴とするミラーイオン顕微鏡。
  4. 請求項1に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    前記ガス電界電離イオン源はエミッタティップを有し、前記第一の正電位を印加する際
    に前記エミッタティップに供給するガス種は、アルゴン、キセノン、クリプトンの内少な
    くとも一種を含むことを特徴とするミラーイオン顕微鏡。
  5. 請求項1に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    前記ガス電界電離イオン源はエミッタティップを有し、前記第一の正電位を印加する際
    に前記エミッタティップに供給するガス種は、ネオンまたはヘリウムの内少なくとも一種
    を含むことを特徴とするミラーイオン顕微鏡。
  6. 請求項1に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    前記照射光学系は排気を行う排気部を有し、前記排気部には、非蒸発ゲッタポンプを備
    えることを特徴とするミラーイオン顕微鏡。
  7. イオンビームを発生させる発生ステップと、
    発生した前記イオンビームを試料に照射する照射ステップと、
    前記イオンビームの加速電圧と前記試料に印加する正電位とを制御する電位制御ステッ
    プと、
    前記電位制御ステップによって前記試料に衝突する前に軌道反転したイオンを顕微鏡像
    として結像または投射する像形成ステップと、を有し、
    前記電位制御ステップは、前記試料に前記イオンビームを衝突させ前記試料の表面の一
    部を除去するスパッタステップと、前記イオンビームを衝突させる前に軌道反転させ顕微
    鏡像を得る像取得ステップと、を有し、
    前記像形成ステップは、前記像取得ステップによって前記試料の近傍で軌道反転したイ
    オンを顕微鏡像として結像または投射するステップであることを特徴とするイオンビーム
    制御方法。
  8. 請求項7に記載のイオンビーム制御方法において、
    前記試料の観察領域内において、前記像取得ステップ、前記スパッタステップ、前記像
    取得ステップ、の順に、少なくとも前記像取得ステップを2回以上繰り返し、前記顕微鏡
    像を2枚以上得ることを特徴とするイオンビーム制御方法。
  9. 請求項7に記載のイオンビーム制御方法において、
    前記試料の表面に対して深さ方向が互いに異なる顕微鏡像を少なくとも2枚表示する表
    示ステップを有することを特徴とするイオンビーム制御方法。
  10. 請求項1に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    前記照射光学系のカラムは、前記ミラーイオン顕微鏡の設置された面または床に対して
    垂直方向に設けられ、
    前記検出光学系のカラムは、前記ミラーイオン顕微鏡の設置された面または床に対して
    傾斜方向に設けられていることを特徴とするミラーイオン顕微鏡。
  11. 請求項1に記載のミラーイオン顕微鏡において、
    前記ガス電界電離イオン源は、前記イオンビームを生じさせるエミッタティップの先端
    にピラミッド構造を形成するガス電界電離イオン源であることを特徴とするミラーイオン
    顕微鏡。
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