JPH01243355A - 集束イオンビーム処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集束イオンビームを照射することにより加工、
デポジション、イオン打込み、イオンビ−ム描画等を行
う集束イオンビーム処理装置に係り、特に処理効率を向
上させかつ微細部分の処理を可能とする改良に関する。

′ 〔従来の技術〕 従来の集束イオンビーム処理装置およびそれを利用した
加工方法については、特開昭６０−５５２４号において
論じられている。その装置の概要を第２図に示す。イオ
ン光学カラムは電界放出型イオン源である液体金属イオ
ン源１（エミッター７とイオン引出し電極８から構成さ
れている）、ビーム径決定絞り３．静電レンズ２．およ
び偏向器４から成る。これにより試料５、例えばフォト
マスク上を希望通りに走査できる集束イオンビーム６が
形成される。

加工は、試料上の所望の位置にイオンビームを照射して
物理スパッタリングを引起し、不必要物質を原子レベル
で除去することにより行なわれる。

上記従来例においては、イオン光学カラムに一段の静電
レンズが使用されているが、ビーム電流密度を増大させ
るために二段の静電レンズを使用した従来例として、ジ
ャーナル、オブ、バキューム。

サイエンス、アンド、テクノロジー８３　（１９８５年
）第４１頁から第４４頁（Ｊ、Ｖａｅ、Ｓｃｉ、Ｔｅｅ
ｈｎｏｌ、Ｂ３゜４１（１９８５））等がある。

また、加工以外の集束イオンビームによる処理は例えば
、ジャパン、ジャーナル、オブ、アプライド、フイジク
ス２３（１９８４年）第Ｌ２９３頁からＬ２９５頁（Ｊ
ｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、２３．Ｌ２９３（１９
８４））　。

ジャーナル、オブ、バキューム、サイエンス、アンド、
テクノロジー８５　（１９８６年）第２０３頁から第２
０６頁（Ｊ、Ｖａｅ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ、Ｂ５，
２０３（１９８６））、ジャーナル、オブ、バキューム
、サイエンス、アンド、テクノロジーＢ　５　（１９８
７年）第８５３から第８５７頁（Ｊ、Ｖａｅ、Ｓｃｉ、
Ｔｅｃｈｎｏｌ、ＢＳ、８５３（１９８７））などにお
いて論じられている。

ここで、前記のようなイオン光学カラムにおけるビーム
径、イオン電流、ビーム電流密度については、ニューク
リア、インストルメント、アンドメソド、イン、フイジ
クス、リサーチ、２１８（１９８３年）第３６３頁から
第３６７頁（Ｎｕｃｌ。

Ｉｎ５ｔｒ、ａｎｄ　Ｍｅｔｈ、２１８（１９８３）３
６３−３６７）において論じられている。

すなわち、試料上で集束されたイオンビーム径りは、イ
オン源の動作状態を一定とすると、Ｄ２＝（Ｍ　ｄ　）
”＋　ＣＣｘｈ　Ｅ　ａ　）”＋　（Ｃｚａ　’）”　
−（１）で与えられる。ここでｄ、ΔＥはイオン光源の
大きさ、およびイオンのエネルギー幅でイオン源によっ
て決まる量である。Ｍは光学系の（ｍ合）倍率を表わす
。ＣＩ　＋　Ｃｚはそれぞれ色収差に関わる係数１球面
収差に関わる係数で光学系で決まる定数である。また、
αは試料上でのイオンビームの半開角である。したがっ
てビーム径りは、試料上でのイオンビームの開角を制限
するビーム径決定絞りによりαを変えることによって可
変である。

つぎに、試料上でのイオン電流■は次式で与えられる。

ここで、（ｄＩ／ｄΩ）は試料上で換算したイオン源の
イオン放射角電流密度である。

（１）、　（２）式から、試料上でのビーム径とイオン
電流との関゛係を両対数グラフで表わすと第３図の実線
のようになる。本図で、点線は最大ビーム電流密度であ
り、これと接する実線の領域では色収差が支配的であっ
て、ビーム径を変えてもビーム電流密度は一定に保たれ
る６したがって通常の集束イオンビーム処理装置はこの
領域を使用する。

ここで、ビーム電流密度は一般的に数Ａ／、−ｄ程度が
最高である。ところが、この領域はそれ程広くなく、加
工等の処理跡をイオンビームで観察するため最小ビーム
径Ｍｄを０．１μｍ程度にすると０．２〜０．５μｍ程
度の埴囲となる。これよりさらにビーム径の太い領域を
使ってイオン電流を増やそうとしてもほとんど増えない
。

〔発明が解決しようとする７ａ題〕 加工等の処理において、その能率向上のために。

第１に集束イオンビームの電流密度を増大させること、
第２に試料表面の処理面積の大小に合わせてビーム径を
変化させ、ビーム電流を可能な限り大きくすることが要
求されている。すなわち、加工等の処理での使用頻度の
高いビーム径の広い範囲でビーム電流密度を増大させる
必要性がある。

しかしながら、上記従来の集束イオンビーム処理装置に
おいては、イオン光学カラムの動作モードが単一である
ため２〜３倍程度のビーム径の範囲でしかビーム電流密
度を大きくできず、１桁程度の（例えば０．１〜１．０
μｍ）広いビーム径の範囲でビーム電流密度を増大させ
るのは困難であり、加工等の処理能率の向上に問題があ
った。

本発明の目的は、集束イオンビーム処理装置において広
いビーム径の範囲でビーム電流密度を増大させ、加工等
の処理能率を向上させることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、集束イオンビーム処理装置におけるイオン
光学カラムに対して、２つに分けたビーム径の範囲のそ
れぞれでビーム電流密度が最大になるような２つの動作
モードを持たせ、それら２つの動作モードを切換えて使
用することにより達成される。

本発明の集束イオンビーム処理装置は、そのイオン光学
カラムを次のような構成にして上記２つの動作モードを
実現した。すなわち、イオンビーム集束するために２段
の静電レンズを設け、イオン源側の静電レンズを４枚重
ｆ４構成とし、その４枚電極のうちイオン源側に近い側
から数えて第１電極の電位をイオン源のイオン引出しＷ
１極と同電位にし、第２ｆｌ＆極の電位をイオン引出し
電極の電位と接地電位または負電位との間で切り換える
高圧リレーを設けた。

〔作用〕

本発明の上記集束イオンビーム処理装置では、イオン源
側の静電レンズの第２電極を接地電位または負電位に接
続するとレンズ主面がイオン源側に近づき１倍率は高い
が、色収差が小さくなるため相対的にビーム径の大きい
範囲でビーム電流密度を高くすることができる。また上
記第２電極をイオン引出し電極と同電位に接続すると色
収差がわずかに大きいが倍率が小さくできるため、相対
的にビーム径の小さい範囲へビーム電流密度の高い領域
を設定することができる。したがって、イオン源側の静
電レンズの第２電極の電位をイオン引出し電極の電位と
接地電位またま負電位とで高圧リレーにより容易に切り
換えることで広いビーム径の範囲で高いビーム電流密度
の集束イオンビームを提供することが可能となる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例の集束イオンビーム処理装置のイオン光学カラムは
、液体金屑イオン源１　（エミッター７とイオン引出し
電極８から構成されている）、ビーム径決定絞り３．二
段の静電レンズ２，２′および２段の偏向器４からなる
。なお第１図では試料５を保持および微動する試料ステ
ージおよびイオン光学カラムを真空中に保持する真空チ
ャンバーは省略のため図示していない。

ここでイオン源１に近い静電レンズ２は４枚の電極２８
〜２ｄから構成され、イオン源１側から数えて第１の電
極２ａはイオン引出し電極８と同電位に接続されている
。第２の電極２ｂは２接点の高圧リレー９に接続され、
高圧リレー９の２接点のうちＡ接点はイオン引出電極８
と同電位に、接続され、前記２接点のうちＢ接点は接地
電位に接続されている。また、第３の電極２ｃおよび第
４の電極２ｄはそれぞれ電源１４および接地電位に接続
されている。

つぎに、試料５に近い静電レンズ２′はアインツエルレ
ンズで、３枚電極のうち両側が同電位（ここでは接地電
位）に接続され、中間の電極は電源１７に接続されてい
る。イオン光学カラムの全長は、エミッター７から試料
５まで２７０ｍｍである。またエミッター７から静電レ
ンズ２のＭ、１電極２ａまでの距離は５＋ｎｍ、静電レ
ンズ２′から試料５までの距離は２０ｎｗｎである。加
速電圧は電源１６で決まり、３０ｋＶにしである。本実
施例では、液体金属イオン源のイオン材料としてガリウ
ム（Ｇｄ）を採用しており、引出し電圧は約５ｋＶであ
る（引出し電圧は電源１５により設定している）。

以下、本実施例の動作を説明する。液体金屈イオン源１
から放出されたイオンは、まず静電レンズ２で集束され
て絞り１２の平面で結像しくイオン光源の像を形成する
）、絞り１２の開口を通過して静電レンズ２′により再
度集束され試料５の上で結像する。ここで上記結像関係
を成立させるための静電レンズ２，２′の強度調整はそ
れぞれ電源１４．１７により行う（第１図で電源１４゜
１７は正の電源であるが、負電源でも同じ効果を持つ）
、ビーム径決定絞り３は大きさの異なる複数の開口を持
ち、試料上でのイオンビーム６の開角を変えてビーム径
を可変できる。偏向器４は、静電レンズ２′と試料５の
距離を縮めてイオン光学系全体の集束特性を向上させる
ために０１６．レンズ２′の前段に配置しである。イオ
ンビーム６は偏向器４により静電レンズ２′の略中心を
通過するように偏向され試料５上の任意位置に照射され
る。

次に本発明に特徴的な静電レンズの２種の動作モードに
ついて説明する。第１のモードは、高圧リレー９をＡ接
点側に接続した場合で、このとき静電レンズ２の第２電
極２ｂはイオン引出し電極８と同電位に接続されている
。第１のモードに対応するビーム径とイオン電流の関係
を表わす両対数グラフを第４図のカーブＡで示す。第２
のモードは、高圧リレー９をＢ接点側に接続した場合で
、このとき静電レンズ２の第２電極２ｂは接地電位に接
続されている。第２のモードに対応するビーム径とイオ
ン電流の関係を表わす両対数グラフを第４図のカーブＢ
で示す。

第１のモードでは最小ビーム径ＭＡｎ（Ｍ＾は第１のモ
ードでの総合倍率）は０．０８μｍに設定しており、最
高電流密度が維持される色収差領域の範囲は０．１２μ
ｍ　”　０　、４μｍ程度である。また、この領域での
ビーム電流密度は４Ａ／ｆｆｌである。

第２のモードでは最小ビーム径ＭＢ、（ＭＢは第２のモ
ードでの総合倍率）は０．２μｍに設定しており、最高
電流密度が維持される色収差領域の範囲は０．３μｍ〜
１．０μｍ程度である。この領域でのビーム電流密度は
７Ａ／ｃｉである。

したがって、本実施例では第１のモードをビーム径の比
較的小さい範囲、第２のモードをビーム径の比較的大き
い範囲で使い分けることにより０．１μｍ〜１μｍの広
いビーム径の範囲で４Ａ／ｄ以上と高いビーム電流密度
の集束イオンビームを試料に照射することにより、加工
等の処理効率を増大させる効果がある。また、ビーム径
の大きい所では電流密度が７Ａ／ａＪとさらに大きいた
め、特に大面積の試料に対してはイオン電流が著しく増
大し加工等の処理効率を増大させる効果がある。

本実施例では、上記静電レンズの２種の動作モードの切
換えは極めて容易である。以下で、この点を説明する０
本発明ではイオンビーム６を絞り１２の面に集束させる
ことは必らずしも要求されない、しかし、静電レンズ２
と２′の間でのイオンビーム６の集束状態を同一にして
おくと、静電レンズ２′の電源１７を上記２種のモード
の切換えに対して変化させる必要がなくなるので、上記
集束状態を確認する手段（中間集束検出手段）として絞
り１２を設けている。偏向器兼スティグマ１３を使って
絞り１２上でイオンビーム６を走査しながら得られる絞
り１２の吸収電流または絞り１２から発生する２次電子
電流の信号を検出することにより絞り１２の平面上でイ
オンビーム６が集束していることを確認できる。したが
って、上記静電レンズの２種の動作モードを切換えるに
は、高圧リレー９の切換えとそれに対応した電源１４の
電圧値の調整のみで良い。

本実施例では、電源１４の電圧値は２値メモリし、制御
信号１１により高圧リレー９の切換えと連動させて電源
１４を調節する制御回路１ｏを設けているため、上記静
電レンズの２種の動作モードを瞬時に切換えられる効果
がある。ここで、上記静電レンズの２種の動作モードを
切換えたとき、静電レンズ２′の組立て精度が悪い場合
、わずかに非点収差がイオンビーム６に生じる。その非
点収差を除去するため、偏向器兼スティグマ１３を調整
する必要が生じる。このような場合、前記制御装置１０
により偏向器兼スティグマの強度を２種メモリさせ、高
圧リレー９と連動させることが有効になる。

本実施例ではイオンビーム６の加速電圧は３０ｋＶとし
たが、加速電圧がイオン引出し電圧と同程度か、それ以
下の場合は高圧リレー９のＢ接点は負電位に接続した方
が、ビーム電流密度増大に効果がある。

［発明の効果］ 本発明によれば、集束イオンビーム処理装置において静
電レンズの動作モードを２種設けたことにより、ビーム
径の広い範囲でビーム電流密度を増大させることが可能
となり、加工等の処理能率を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる集束イオンビーム処理
装置のイオン光学カラムの要部縦断面図とレンズ電源系
ブロック図、第２図は従来の集束イオンビーム処理装置
のイオン光学カラムの縦断面図、第３図は従来の集束イ
オンビーム処理装置におけるビーム径とビーム電流の関
係を示すグラフ、第４図は本発明の集束イオンビーム処
理装置におけるビーム径とビーム電流の関係を表わすグ
ラフである。 １・・・液体金属イオン源、２，２′・・・静電レンズ
。 ３・・・ビーム径決定絞り、４・・・偏向器、５・・・
試料、６・・・イオンビーム、７・・・エミッター、８
・・・イオン引出電極、９・・・高圧リレー、１ｏ・・
・制御回路、１１・・・制御信号、１２・・・絞り、１
３・・・偏向器差ス芽　１図 算　２図 ウゴニミ鳥ツタ− Ｓ？　　４７ン引出・ｉ稚 笑３図 丼＋図 ビーム牲Ｏ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電界放出型のイオン源と、該イオン源から放出され
   るイオンを集束してイオンビームを形成する２段の静電
   レンズと、該イオンビームを偏向し試料上の任意位置に
   照射させる偏向器と、該イオンビームの開き角を制限し
   て該試料上でのビーム径を変えるビーム径決定絞りと、
   該試料を保持し微動せしめる試料ステージから成る集束
   イオンビーム処理装置において、上記２段の静電レンズ
   のうち上記イオン源に近い静電レンズを４枚電極で構成
   し、該４枚電極のうち上記イオン源側から数えて第１の
   電極の電位を上記イオン源におけるイオン引出し電極と
   同電位に接続し、第２の電極を該第２の電極の電位を切
   り換える２接点の高圧リレーに接続し、該高圧リレーの
   ２接点を上記イオン引出し電極の電位と接地電位または
   負電位に接続したことを特徴とする集束イオンビーム処
   理装置。 ２、前記イオン源に近い静電レンズの第３の電極の電位
   を２値記憶し、前記イオン源に近い静電レンズの第２の
   電極の電位の切り換えと連動して上記第３の電極の電位
   を前記２値のどちらかに変化させるレンズモード制御装
   置を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の集束イオンビーム処理装置。 ３、前記２段の静電レンズの間のイオン光軸上の任意の
   定点近傍でイオンビームが集束していることを検出する
   中間集束検出手段を設けたことを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の集束イオンビーム処理装置。 ４、前記偏向器を前記２段の静電レンズの間に設けたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の集束イオン
   ビーム処理装置。