JPH0254851A - 電界電離型ガスイオン源の制御方法 - 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】 〔発明の概要〕 集束イオンビーム露光を行なうための電界電離型ガスイ
オン源の制御方法に関し、 プローブ電流値をより有効に制御する方法を提供するこ
とを目的とし、 電界電離型ガスイオン源の、プローブ電流を取出してい
るイオン化面と同じ電流・電圧特性を持っている別のイ
オン化面からの放出イオン電流を測定し、その放出イオ
ン電流値を制御するように引出し電圧を変化させること
によりプローブ電流を制御するよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、集束イオンビーム露光を行なうための電界電
離型ガスイオン源の制御方法、特にプローブ電流値の安
定化に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、より微細な加
工のできる技術への要求が高まってきている。その中で
も、０．１μｍレベルの露光に関しては、マスク無しで
直接描画できかつ近接効果の影響を無視できるという点
で電子ビームに比べて有利な、集束イオンビームへの期
待が高まっている。

この集束イオンビームを形成するためのイオン源として
、電界電離型ガスイオン源が考えられている。電界電離
型ガスイオン源は、先端を鋭く尖らせたエミッタの周り
にガスを導入し、このエミッタと引き出し電極の間に、
エミッタが正となるように高電圧をかけて、ガスをイオ
ン化し放出するものである。第４図にその概要を示す。

この図に示すように電界電離型イオン源ｌＯはエミッタ
チップ１１と引出し電極１２を備え、エミッタチップの
先端は尖らせて先端半径ｒを２００人〜１０００人にし
ている。エミッタチップの円筒状部は径０．３　ｍなど
、チップ１１と電極１２との間は２〜３印などである。

引出し電極１２は接地し、エミッタチップ１１には５〜
２０ＫＶの電圧を加え、チップ先端部に強電界が生じる
ようにする。

全体は２０に以下に冷却し、真空に引いたのちヘリウム
（Ｈｅ）ガスを１０づ〜１パスカル（Ｐａ）程度に導入
する。

この状態ではヘリウムＨｅがチップ１１に当って電子を
放出し、ヘリウムイオンＨｅ”になる。

イオンになると、強電界が作用しているからその電界に
引かれて加速し、あるものは引出し電極１２の開放を通
って外部へ放出される。これが集束イオンビームとなっ
て、半導体ウェハ等の加工に供される。

イオン源ＩＯは低温に冷却すると、強いイオンビームが
得られる。即ち、ヘリウムは、熱運動の他、強電界によ
り分極し引力を受けてエミッタチップへ吸引されるが、
高温であれば熱エネルギが高いからエミッタチップへ激
しく衝突し、バウンドして再びエミッタチップ外へとび
出してしまうが、低温であるとこのバウンドが弱く、減
衰振動に入ってエミッタチップ特にその先端部（但しこ
れは原子レベルでのもの）でとまり、電子放出、イオン
化の過程をとる。

イオン源１０の具体的な構造は第５図に示す如くで、１
３はエミッタチップ１１を取付けられるサファイヤブロ
ック、１４は引出し電極１２を取付けられている石英外
被、１５はヘリウムガスの導入管、１６は真空フランジ
、１７は液体窒素の貯槽、１８は液体ヘリウムの供給管
である。サファイヤは電気絶縁体であると共に熱の良導
体なので、エミッタチップ１１の支持、冷却に適当であ
る。ヘリウムイオンとなるヘリウムガスは管１５を通し
て供給されるが、この除熱も供給されてしまわないよう
に、またヘリウムガスも冷却する必要があるから、貯槽
１５の液体窒素で予備冷却する。ヘリウムガスは石英外
被１４の内側の空間に放出され、引出し電極１２の開口
を通って外へ出るが、該内側の気圧はＩＰａ、外側の気
圧は１Ｏ−３Ｐａ、などである。

引出し電極１２は接地されるとは限らず、ある電圧を加
えられることもある。即ち、エミッタチップの印加電圧
は先端の尖鋭度などにより定まり（尖鋭でないときは印
加電圧大）、これに対して引出し電極を単純に接地して
おくと、エミッタチップ、引出し電極間に余りに高い電
界が生じて放電が起る可能性があるから、この場合は引
出し電極に適当な電圧を加えて該電界を弱め、放電が起
らないようにする。

イオン化はエミッタチップ全体で行なわれるのではなく
、チップ先端表面の特定の場所で選択的に行なわれ易い
。その結果、イオンビームは空間的に一様ではなく、特
定の方向に離散的に放出される。例えば、タングステン
製のエミッタを用いる場合には、先端の結晶面のうち、
（１１１）面及び他の数個の面から強いイオンビームが
放出される。このビーム放出状況は蛍光スクリーン（マ
イクロチャネルプレート付き）１９により観察すること
ができ、第２図および第３図にその・−例を示す。

第２図で白い点はイオン化点であり、こ＼でヘリウムＨ
ｅはヘリウムイオンＨｅ′″になる。またこの白い点は
エミッタチップ１１を構成する本例ではタングステン（
Ｗ）の各原子を示している。

即ち、イオン化は強電界の所で行なわれ、強電界は尖端
部に発生し、電解研磨したチップ先端部表面の尖端部は
該表面を構成するタングステン原子の各々であるから、
各原子がイオン化点になる。

第２図に示されるように、イオン化点は規則的な配列を
しており（これは原子の配列でもある）、そして結晶面
でみると（１１１）面、（１１４）面などに多い。

電界電離により放出されるイオンビームはエネルギーが
均一（エネルギー分布幅約１ｅＶ）で、光源の大きさも
原子サイズで小さく、微小集束用のイオン源として適し
ている。

このイオン源を半導体の加工に用いる場合には、試料に
照射するビーム電流値（プローブ電流値）を安定にする
必要がある。

〔従来の技術〕

従来、プローブ電流値を安定にするためには、エミッタ
から放出される全イオン電流値をモニターし、これが一
定になるように引き出し電圧を変化させていた。

しかし、第２図と第３図を比較すれば明らかなように、
エミッタにタングステンを用い、イオン化ガスにヘリウ
ムを用いた場合、全イオン電流値と（１１１）面から放
出されるイオン電流値とは、その引き出し電圧依存性が
異なっている。

即ち、第２図は引出し電圧を１１．６ＫＶにした場合、
第３図はこれを８．５　Ｋ　Ｖに下げた場合で、エミッ
タ先端半径ｒは共に５０ｎｍである。引出し電圧を下げ
ると、今までイオン化が行なわれていだのに、イオン化
が行なわれなくなる所が発生しく白点の消滅）、代って
（１１１）面、（１１４）面などでのイオン化が活発に
なる（白点の拡大）。これは、引出し電圧が下ると、エ
ミッタチップへ引き寄せられたヘリウムガスが、最もイ
オン化しやすい所まで、吸引衝突、反撥、吸引衝突、反
撥を繰り返して移動し、その移動過程ではイオン化され
ず、最もイオン化しやすい所へ集中してこ＼でイオン化
するためである。

第６図に（１１１）面からの放出イオン電流の電流−電
圧特性を示す。ヘリウム圧力は２．５　Ｐ　ａ、エミッ
タ先端半径は７０ｎｍである。イオン電流の最大値は、
チップ電圧が１１．８ＫＶ程度のとき得られる。エミッ
タ上では望同じ電界を与える電圧はエミッタの先端半径
にはマ比例するので５０ｎｍのエミッタ（第２図、第３
図）では１１．８ＫＶｘ５０／７０＝８．４２ＫＶとな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

引出し電圧を下げると、得られるイオンビームの強さは
全体としては減少する。しかしく１１１）面からのイオ
ンビーム流などと限定すると（露光用イオンビームはこ
のように限定して使用する）、引出し電圧を下げるとこ
れは逆に増加する。そのため全イオン電流値を制御する
ことによっては、（１１１）面から放出されるイオン電
流値をうまく制御することはできない。この事情は、エ
ミッタやイオン化ガスに他の物質を用いても同様であ゛
る。

それ数本発明は、プローブ電流値をより有効に制御する
方法を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段］ 本発明は、あるイオン化面からのプローブ電流を制御す
るために、放射イオン電流の電流・電圧特性（、Ｉ−Ｖ
特性）が、前記のイオン化面のＩ−■特性とほぼ等しい
、別のイオン化面の放射イオン電流値をモニターして、
このイオン電流値が一定になるように、引き出し電圧を
制御するものである。

イオン化面とは（１１１）面などを指すが、詳しくはそ
の輪郭などイオン化が活発に行なわれる部分を言う。

第１図では（１１１）面からのイオン電流をプローブ電
流としており、この（１１１）面と同じ電流−電圧特性
を持つ（１１４）面からのイオン電流をコレクタ電極２
５で受けて、電流モニター２３でその増減を検出し、こ
の増減を打ち消すように、引出し電源２２が出力する引
出し電極１２の電圧を変化させる。

〔作用〕

このように本発明では、モニターしているイオン化面の
放出イオン電流値が変化した時に、この変化を打ち消す
ように、引き出し電圧を変化させる。プローブ電流を取
り出しているイオン化面の１−Ｖ特性と、モニターして
いるイオン化面のＩ−Ｖ特性はほぼ等しいから、モニタ
ーしている放出イオン電流値が一定になれば、プローブ
電流値も一定となる。

〔実施例〕

第１図は本発明を適用した、エミッタにタングステンを
用い、イオン化ガスにヘリウムを用いた露光装置の概要
を示す。

この露光装置２０では（１１１）面から強いイオンビー
ムが放出される。また、（１１１）面の周りの（１１４
）面からも、比較的強いイオンビームが放出され、その
Ｉ−Ｖ特性はほぼ等しい。

従ってプローブ電流は（１１１）面から取り出し、この
プローブ電流の制御を、（１１４）面からの放射電流値
をモニターし、この電流値が一定になるように引き出し
電圧にフィードバックをかける。

この図で２１はエミッタ電源であり、エミッタチップに
前記５〜２０ＫＶの電圧を供給する。引出し電源２２は
前記イオン電流一定値制御のための調整電圧を出力し、
これを引出し電極１２へ加える。２４は加速電源で、グ
ランドに対しである電圧（加速電圧）を発生し、エミッ
タ電源２１と引出し電源２２へ加える。従って引出し電
極１２に加わる電圧は、加速電源２４の出力電圧と引出
し電源２２の出力電圧の和であり、エミッタチップ１１
と引出し電極１２との間に加わる電圧はエミッタ電源２
１の出力電圧を引出し電源２２の出力電圧で調整したも
のである。

また２６はミラー、２７はアパーチャ、２８゜３１は第
１．第２の静電レンズ、２９はブランキング電極、３２
．３３は偏向器、３０は試料、そして４０は可動試料台
である。チップ１１の先端の（１１１）面からのイオン
電流はアパーチャ２７、静電レンズ２８、ブランキング
電極２９、静電レンズ３１、偏向器３２．３３を通って
試料３０に投射され、パターンを描画する。

蛍光スクリーン１９．ミラー２６は進退可能で、露光時
は図示位置へ退いている。位置合せ時は点線位置へ前進
し、エミッタチップ１１からのビーム電流を照射され、
第２図、第３図の如きパターン（電界イオン顕微鏡写真
）を現示する。これは外部から観察撮像でき、これによ
り（１１１）面からのイオン電流がアパーチャ２７方向
へ　（１１４）面からのイオン電流がコレクタ電極２５
方向へ向うように、イオン源１０を調整する（回転、傾
倒させる）。

エミッタチップ電圧に対するイオン電流の特性は第６図
に示されるように極大値を持つので、ピークより低いチ
ップ電圧で動作しているときは、イオン電流（モニター
電流）が増加したときチップ電圧（詳しくはエミッタチ
ップ１１と引出し電極１２との間の電圧；引出し電圧）
を下げ、イオン電流が減少した時チップ電圧を上げる。

ピークより高いチップ電圧で動作しているときはこの逆
であり、イオン電流が増加したときチップ電圧を上げ、
イオン電流が減少したときチップ電圧を下げる。

加工プロセスに多大の寄与をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した集束イオンビーム露光装置の
説明図、 第２図および第３図はタングステン・エミッタからのヘ
リウムイオンの放射パターンを示す図、第４図は電界電
離型ガスイオン源の説明図、第５図はイオン源の構造を
示す概略側面図、第６図はチップ電圧対イオン電流の特
性図である。 第１図でＩＯはイオン源、１１はエミッタチップ、１２
は引出し電極、２５はコレクタ電極である。 （発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、確実にプローブ
電流値を一定にすることができるため、露光用のイオン
源としての信輔性が高まり、微細比　願人　富士通株式
会社 代理人弁理士　　青　　柳　　　　　　稔本発明を通用
した集束イオ／ビーム露光装置の説明図第１図 イオ７＠ｆ）概略側面図 第５図 チップ電圧（ＫＶ） チップ電圧対イオ／電流の特性図 第６図 手続補正書 （方式） ８、補正の内容 図面第２．３図を別紙のとおりに補正する。 昭和６３年″月２３日 １、事件の表示 昭和６３年特許願第２０４２４６号 λ発明の名称 電界電離型ガスイオン源の制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所　神奈川県用崎市中原区上小田中１０１５番地名称
　（５２２）富士通株式会社 代表者　　山　　本　　卓　　眞

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電界電離型ガスイオン源（１０）の、プローブ電流
   を取出しているイオン化面と同じ電流・電圧特性を持っ
   ている別のイオン化面からの放出イオン電流を測定し、
   その放出イオン電流値を制御するように引出し電圧を変
   化させることによりプローブ電流を制御することを特徴
   とする電界電離型ガスイオン源の制御方法。