JP6584786B2 - プラズマイオン源および荷電粒子ビーム装置 - Google Patents
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Description
従来、複数の異なる種類のガスを用いて、異なるイオン種を生成するプラズマイオン源が知られている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、プラズマ生成室の圧力は0.1Pa〜10Pa程度であり、ガス導入絶縁部もその圧力以上であり、放電しやすい圧力領域となる。また、プラズマが導電性を有するため、ガス導入絶縁部内にプラズマが侵入すれば、直ちに放電が発生する虞がある。
これに対して上記従来技術に係るプラズマイオン源においては、ガスの圧力を高くする、または電極間距離を大きくすることによって絶縁を確保する。
しかしながら、電極間距離を大きくするとプラズマイオン源が大きくなり、構成に要する費用が嵩むという問題が生じる。一方、ガスの圧力を高くするとコンダクタンスが低下するので、プラズマイオン源のガス排出後の真空引きに要する時間、または複数の異なる種類のガスを用いる場合のガス置換に要する時間が長くなるという問題が生じる。
(1)本発明の一態様に係るプラズマイオン源は、原料ガスが導入されるガス導入室と、前記ガス導入室の内部に設けられる絶縁部材と、前記ガス導入室に接続されたプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室の外周に沿って巻かれ、高周波電力が印加されるコイルと、前記ガス導入室および前記プラズマ生成室の境界に配置され、複数の貫通孔が設けられ、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマの前記ガス導入室に対する侵入を抑制する末端電極と、を備え、前記貫通孔の大きさは、プラズマシース長よりも小さく形成されている。
さらに、貫通孔の大きさはプラズマシース長よりも小さく形成されているので、ガス導入室に対するプラズマの侵入を抑制することができ、放電の発生を抑制することができる。これにより所望の絶縁性を確保するためにプラズマイオン源全体の大きさが増大することを、より一層、防止することができる。
上記(2)の場合、絶縁部材および電極はプラズマシース長よりも小さい間隔の空隙を形成するので、ガス導入室に対するプラズマの侵入を、より一層、抑制することができる。
と、を備える。
上記(6)に記載の態様に係る荷電粒子ビーム装置によれば、装置全体の大きさが増大することを防止することができる。
さらに、貫通孔の大きさはプラズマシース長よりも小さく形成されているので、ガス導入室に対するプラズマの侵入を抑制することができ、放電の発生を抑制することができる。これにより所望の絶縁性を確保するためにプラズマイオン源全体の大きさが増大することを、より一層、防止することができる。
ステージ12は、試料Sを保持する。
駆動機構13は、ステージ12に接続された状態で試料室11の内部に収容されており、制御部21から出力される制御信号に応じてステージ12を所定軸に対して変位させる。駆動機構13は、水平面に平行かつ互いに直交するX軸およびY軸と、X軸およびY軸に直交する鉛直方向のZ軸とに沿って平行にステージ12を移動させる移動機構13aを備えている。駆動機構13は、ステージ12をX軸またはY軸周りに回転させるチルト機構13bと、ステージ12をZ軸周りに回転させる回転機構13cと、を備えている。
集束イオンビーム鏡筒14は、イオンを発生させるプラズマイオン源14aと、プラズマイオン源14aから引き出されたイオンを集束および偏向させるイオン光学系14bと、を備えている。プラズマイオン源14aおよびイオン光学系14bは、制御部21から出力される制御信号に応じて制御され、集束イオンビームの照射位置および照射条件などが制御部21によって制御される。イオン光学系14bは、例えば、コンデンサレンズなどの第1静電レンズと、静電偏向器と、対物レンズなどの第2静電レンズと、などを備えている。なお、図1では静電レンズは2組であるが、3組以上備えてもよい。この場合、各レンズ間にアパーチャを設ける。
トーチ30の形状は、筒状に形成されている。トーチ30は、誘電体材料によって形成されている。誘電体材料は、例えば、石英ガラス、アルミナ、および窒化アルミニウムの何れかなどである。トーチ30の第1端部には、第1接地電位フランジ31が設けられている。トーチ30の第2端部には、第2接地電位フランジ32が設けられている。第1接地電位フランジ31および第2接地電位フランジ32は、接地電位に維持されている。第1接地電位フランジ31および第2接地電位フランジ32は、非磁性金属、例えば、銅やアルミなど、である。
トーチ30は、ガス導入室33およびプラズマ生成室34を形成している。ガス導入室33は、第1接地電位フランジ31に接続されるガス導入室材35と、トーチ30の内部に配置される末端電極36とによって形成されている。プラズマ生成室34は、末端電極36と、トーチ30の第2端部に配置されるプラズマ電極37とによって形成されている。末端電極36およびプラズマ電極37は、非磁性金属、例えば、銅やタングステンやモリブデンなど、である。プラズマが末端電極36およびプラズマ電極37をスパッタしてトーチ30の内壁に付着するため、スパッタに必要なエネルギーが高いタングステンやモリブデンの方が好ましい。ガス導入室33の内部には、絶縁部材38が収容されている。トーチ30の外部には、プラズマ生成室34の外周に沿って巻かれるコイル39が配置されている。コイル39には、RF電源39aから高周波電力が供給される。
ガス導入室33およびプラズマ生成室34の境界に配置される末端電極36には、ガス導入室33からプラズマ生成室34に原料ガスを導入する複数の貫通孔36aが設けられている。複数の貫通孔36aの各々の大きさR(例えば、円形の貫通孔36aの直径など)は、プラズマシース長よりも小さく形成されている。プラズマシース長は、例えば、数10μm〜数100μmである。
プラズマ電極37には、プラズマ生成室34から外部にイオンを引き出す開口部37aが設けられている。
なお、プラズマ電極37には、接続部材(図示略)が装着される装着孔36bが絶縁部材38の装着孔38aに臨むように形成されている。
プラズマ生成室34の圧力は、ガス導入室33がパッシェンの法則における(圧力×電極間距離)が小さい領域側での高耐電圧領域を用いて所望の絶縁性を確保するように設定される。パッシェンの法則は、図5に示すように、(圧力×電極間距離)が大きい領域側および小さい領域側の各々において高耐電圧領域を有している。ガス導入室33は、(圧力×電極間距離)が小さい領域側の高耐電圧領域Aが形成されるように、プラズマ生成室34の圧力およびガス導入室33の電極間距離が設定されている。例えば、プラズマ生成室34の圧力が0.1Paとされ、ガス導入室33のガス導入室材35と末端電極36との沿面距離が30mmとされた場合、(圧力×電極間距離)は3e−3Pa・mとなって、ガス導入室33は高耐電圧領域Aの状態となる。
電子ビーム鏡筒15は、電子を発生させる電子源15aと、電子源15aから射出された電子を集束および偏向させる電子光学系15bと、を備えている。電子源15aおよび電子光学系15bは、制御部21から出力される制御信号に応じて制御され、電子ビームの照射位置および照射条件などが制御部21によって制御される。電子光学系15bは、例えば、電磁レンズと偏向器となどを備えている。
制御部21は、入力デバイス22から出力される信号または予め設定された自動運転制御処理によって生成される信号などによって、荷電粒子ビーム装置10の動作を統合的に制御する。
さらに、貫通孔36aの大きさはプラズマシース長よりも小さく形成されているので、ガス導入室33に対するプラズマの侵入を抑制することができ、放電の発生を抑制することができる。これにより所望の絶縁性を確保するためにプラズマイオン源14a全体の大きさが増大することを、より一層、防止することができる。
さらに、絶縁部材38および末端電極36はプラズマシース長よりも小さい間隔の空隙を形成するので、ガス導入室33に対するプラズマの侵入を、より一層、抑制することができる。
上述した実施形態の第1変形例では、図6に示すように、末端電極36の表面36Aに凹溝36cが形成されてもよい。凹溝36cの深さD2は、プラズマシース長よりも小さく形成されている。凹溝36cの幅は、深さD2よりも大きく形成されている。
上述した実施形態の第2変形例では、図7に示すように、絶縁部材38の凹溝38bに加えて、末端電極36の表面36Aに凹溝36cが形成されてもよい。凹溝38bおよび凹溝36cは、互いに臨むように形成されている。凹溝38bの深さと凹溝36cの深さとを累積した値D3は、プラズマシース長よりも小さく形成されている。凹溝38bおよび凹溝36cの各々の幅は、値D3よりも大きく形成されている。
上述した実施形態の第3変形例では、図8に示すように、絶縁部材38の凹溝38bが省略され、末端電極36の表面36Aと絶縁部材38の対向面38Aとの間に、プラズマシース長よりも小さい間隔D4の空隙が設けられてもよい。
Claims (7)
- 原料ガスが導入されるガス導入室と、
前記ガス導入室の内部に設けられる絶縁部材と、
前記ガス導入室に接続されたプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室の外周に沿って巻かれ、高周波電力が印加されるコイルと、
前記ガス導入室および前記プラズマ生成室の境界に配置され、複数の貫通孔が設けられ、前記プラズマ生成室で生成されたプラズマの前記ガス導入室に対する侵入を抑制する末端電極と、
を備え、
前記貫通孔の大きさは、プラズマシース長よりも小さく形成されている、ことを特徴とするプラズマイオン源。 - 前記絶縁部材および前記電極は、前記絶縁部材と前記電極との間に、前記貫通孔に接続されるとともにプラズマシース長よりも小さい間隔の空隙を形成する、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマイオン源。
- 前記空隙は、前記絶縁部材および前記電極の各々の対向面の少なくとも何れかに設けられる凹部によって形成される、
ことを特徴とする請求項2に記載のプラズマイオン源。 - 前記絶縁部材および前記電極を接続する接続部材を備える、ことを特徴とする請求項3に記載のプラズマイオン源。
- 前記ガス導入室に前記原料ガスを導入する開口が設けられた接地電位部材を備え、
前記絶縁部材は、前記接地電位部材と前記電極との間における荷電粒子の直接的な移動を妨げる形状に形成されている、
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1つに記載のプラズマイオン源。 - 請求項1から請求項5の何れか1つに記載のプラズマイオン源と、
前記プラズマイオン源において発生した前記原料ガスのイオンによってイオンビームを形成するイオンビーム形成部と、
試料を固定するステージと、
前記イオンビーム形成部によって形成された前記イオンビームを前記試料に照射して、前記試料の照射領域の観察、加工、および分析のうちの少なくとも何れかを行う制御部と、
を備える、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 電子ビームを形成する電子ビーム形成部を備え、
前記制御部は、前記イオンビームおよび前記電子ビームを前記試料の同一領域に照射して、前記試料の照射領域の観察、加工、および分析のうちの少なくとも何れかを行う、ことを特徴とする請求項6に記載の荷電粒子ビーム装置。
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