JPH06302292A

JPH06302292A - ゲルマニウム液体金属イオン源、その作製方法と作製装置、およびこれを用いた集束イオンビーム装置

Info

Publication number: JPH06302292A
Application number: JP8721793A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Umemura; 馨梅村; Ichiro Shikamata; 一郎鹿又
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】ゲルマニウム単体をイオン材料として、長時
間安定にゲルマニウムイオンを放出するゲルマニウム液
体金属イオン源を実現し、これを集束イオンビーム装置
に搭載して、シリコン半導体素子の製造プロセスの中で
試料の微細加工や局所分析、観察などが行えるようにす
る。【構成】イオン材料を保持するリザーバ１３と、この
イオン材料を溶融状態にするためにリザーバ１３に接続
されたヒータ１７と、リザーバ１３から供給される溶融
状態のイオン材料で表面が濡らされ、かつ、その先端か
らイオンビーム１９を放出するエミッタ１１とからなる
液体金属イオン源であって、そのイオン材料がゲルマニ
ウム単体であり、かつ、この溶融イオン材料に接触する
エミッタ１１、リザーバ１３、ヒータ１７などの部材
が、炭化タングステンで作製されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の微細加工
や材料分析に用いる液体金属イオン源と、これを用いた
集束イオンビーム装置に係り、特に、上記装置をインプ
ロセスで用いられるようにするゲルマニウム液体金属イ
オン源と、その作製方法、作製装置、ならびにこれを用
いた集束イオンビーム装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体金属イオン源（以下、略してＬＭＩ
Ｓと記す）は、高輝度であり、点状の領域からイオンが
放出されるため、イオンを直径１μｍ以下で、かつ、高
電流密度のビーム、いわゆる集束イオンビーム（以下、
略してＦＩＢと記す）を形成させるのに好適なイオン源
である。そのＬＭＩＳからは種々の金属イオンを放出さ
せることができるが、実用的には、殆どの場合、ガリウ
ム（Ｇａ）イオンが用いられている。その理由は、Ｇａ
の融点、蒸気圧が低いため、イオン材料として取扱い易
いためと、放出イオン電流が比較的安定で、実用に耐え
るだけの長寿命を有しているためである。

【０００３】一方、ＬＭＩＳを用いたＦＩＢを利用面で
みてみると、まず、半導体プロセスにおいては、リソグ
ラフィやイオン注入、エッチング、デポジションなどを
マスクなしで局所的に行うことに用いられている。ま
た、イオンビームを試料面に照射し、生じる二次イオン
を分析する、いわゆる二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）
装置では、ＦＩＢにより試料表面のサブミクロン領域の
組成分析が可能になっている。また、最近では、イオン
ビーム照射によるスパッタリングを利用して、試料の特
定場所の断面切り出しを行い、その断面を観察する、断
面加工技術も注目されてきている。

【０００４】ところで、ＬＭＩＳの概略構成は、例えば
図２に示すように、イオン化すべき材料（イオン化物
質）２１を溶融状態で保持するヒータ２２と、溶融状態
のイオン材料２１のイオン２３をその先端から放出する
エミッタ２４と、エミッタ２４の先端に高電界を集中さ
せてイオン２３を引出すための引出し電極２５とから構
成されている。

【０００５】溶融状態のイオン材料２１でエミッタ２４
の先端まで濡れさせた後、引出し電極２５に高電圧を印
加していくと、あるしきい電圧でエミッタ２４先端の溶
融イオン材料２１はティラーコーンと呼ばれる円錐形状
となり、その先端から電界電離過程や電界蒸発過程によ
ってイオン２３が放出される。ここで２６、２６′は、
イオン材料２１を加熱溶融させるため、電源２７から電
力をヒータ２２に伝えるための電流導入端子であり、２
７′はイオンの引出し電源、２７″は放出イオンを加速
するための加速電源である。そして、このＬＭＩＳは真
空容器２８の中に設置されている。

【０００６】ＬＭＩＳのエミッタに要求される条件は、
（１）イオン材料である液体金属との濡れ性がよいこ
と、（２）液体金属に侵食されないこと、（３）高電圧
に耐えること、（４）針状にするための加工性がよいこ
と、などが挙げられる。従来使われてきたエミッタ材と
しては、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）など
の高融点金属と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミッ
ク材がある。特にＷ製エミッタは、Ｗが金属の中で最も
融点が高く、電界が加わった条件下での強度も大きく、
かつ、加工性にも優れていることから、専ら実用的なＬ
ＭＩＳのエミッタとして用いられてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のＦＩＢ装置を、
半導体製造工程における工程管理に使用する場合には、
ウェハなどの試料への外部からのコンタミネーションを
避けるために、ＦＩＢ装置を半導体製造のプロセスライ
ン内において用いることが必要である。しかし、現実に
はイオン源には専らＧａが用いられているため、このイ
オンビームによってウェハが汚染されるので、このウェ
ハを再び製造ラインに戻すことができず、結局、インプ
ロセスでは使用されていなかった。だが最近は用いるウ
ェハのサイズが８インチと大きくなり、上記の工程管理
をプロセスの外で行うと多数のチップを無駄にすること
になり、大きな問題になりつつある。

【０００８】ところで、Ｓｉ基板や製造ラインを汚染す
ることなく基板を加工するには、Ｓｉ基板内でエネルギ
ー準位を形成しないＳｉ、Ｇｅなどのイオンビームが最
適である。このうちＳｉは、融点と蒸気圧が共に高く、
ＬＭＩＳに用いるイオン材料としては極めて扱い難く、
実用的ではない。また、Ｓｉイオンは基板に対するスパ
ッタリング収率が低く、加工効率が非常に悪いという問
題もある。

【０００９】これに対してＧｅは、融点が９４７℃、蒸
気圧が１×１０~⁶Ｔｏｒｒと低く、ＬＭＩＳのイオン材
料として取扱いに大きな問題はない。また、Ｇｅイオン
によるＳｉのスパッタリング収率も、Ｓｉに比べて良
い。したがって、ＦＩＢでＳｉ基板を汚染を与えずに加
工するには、ＬＭＩＳのイオン材料としてはＧｅが極め
て適している。

【００１０】ところで、従来は、ＬＭＩＳからＧｅイオ
ンビームを得る方法として、イオン材料としては専らＡ
ｕ−Ｇｅ、Ｆｅ−Ｇｅ、Ｐｔ−Ｇｅ、Ｃｕ−Ｇｅなどの
Ｇｅ系合金が用いられてきた。これは合金化することに
よって、融点がＧｅ単体よりも大きく低下し、イオン材
料として取扱いが容易になるからである。しかし、この
場合も、合金のＧｅ以外の成分によって、Ｓｉ素子が汚
染される恐れが十分にある。特に、ＡｕやＰｔなどの重
金属を半導体製造ラインに持ち込むことは、極めて強く
タブー視されている。このため、半導体のプロセス管理
に用いるＧｅ−ＦＩＢのイオン材料としては、Ｇｅを単
体で用いることに絞られる。

【００１１】しかし、Ｇｅ単体をＬＭＩＳのイオン材料
として用いるには、次のような難点があった。すなわ
ち、一般に、ＬＭＩＳのエミッタ材として使用されてい
るＷを、Ｇｅ−ＬＭＩＳのエミッタとして用いると、Ｇ
ｅは活性であるため、Ｗを短時間のうちに侵食し、エミ
ッタとしての役割りを果たせなくする。Ｗの他に、Ｔ
ａ、Ｍｏ、Ｒｅなどの高融点金属についても、溶融Ｇｅ
に浸漬させると、数時間で侵食、破壊されてしまう。つ
まり、Ｇｅ−ＬＭＩＳの寿命は、極めて短命だったので
ある。一方、耐食性に優れるセラミックのＳｉＣでは、
溶融Ｇｅに全く濡れず、エミッタとしての役割りを果た
さない。このようなことから、従来、単体ＧｅをＬＭＩ
Ｓのイオン材料として用いたＧｅ−ＦＩＢは、全く実用
化されていなかった。

【００１２】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、まず、Ｇｅ単体をイオン材料とし、長寿
命、かつ、安定なＧｅイオンビームが得られるゲルマニ
ウム液体金属イオン源を提供し、また、その作製方法と
作製装置、および、上記のゲルマニウム液体金属イオン
源を搭載したゲルマニウム集束イオンビーム装置を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明においては、まず、液体金属イオン源のイオ
ン材料がゲルマニウム単体であり、このイオン源を構成
する各部材のうち、溶融ゲルマニウムと接触する部材の
全て、あるいはそのうちの少なくともエミッタ材を炭化
タングステンで作製する。ただし、リザーバには炭素材
を用いてもよい。

【００１４】次に、上記のゲルマニウム液体金属イオン
源の作製方法として、まず、タングステン材によりエミ
ッタ、リザーバ部を作製し、これを真空容器内に保持
し、炭化水素系ガスを導入した真空雰囲気の中で高温に
加熱して、上記エミッタ、リザーバ部を炭化タングステ
ン化する。次に、同一真空容器内にゲルマニウム溶融炉
を設け、上記炭化タングステン化したエミッタ、リザー
バ部を溶融ゲルマニウムの中に浸漬して、リザーバ内に
溶融ゲルマニウムを充填する。

【００１５】このようなゲルマニウム液体金属イオン源
を作製するために、次のような作製装置を用いる。ま
ず、真空容器の中に、エミッタ、リザーバ部を保持し、
かつ、軸方向に移動させる手段を設け、次に、同一真空
容器内に、ゲルマニウム溶融炉と炭化水素系ガスを導入
するノズルを設ける。そして、上記エミッタ、リザーバ
部と上記ゲルマニウム溶融炉との間に、シャッタを設け
る。

【００１６】さらに、このようにして作製したゲルマニ
ウム液体金属イオン源を、集束イオンビーム装置のイオ
ン源として搭載する。また、その集束イオンビーム装置
のイオン光学系内に用いられる各種絞りのうち、少なく
とも上記のゲルマニウムイオン源から放出されるイオン
ビームの拡がりを直接制限するビーム制限アパーチァに
は、炭素、シリコン、炭化シリコンのうちのいずれかの
材料で作製されたものを用いる。また、上記のゲルマニ
ウム集束イオンビーム装置の動作時におけるリザーバの
温度は、９５０℃から１０００℃の範囲内に維持し、イ
オン放出を行う。

【００１７】

【作用】ここではまず、Ｇｅ−ＬＭＩＳに用いられるエ
ミッタやリザーバなどの最適材料探索に関する実験結果
について述べる。

【００１８】表１はその実験結果を示したもので、上段
は、種々の材料で作製したエミッタの溶融Ｇｅとの濡れ
性、下段はそのＬＭＩＳとしての寿命を示す。評価に用
いたエミッタは、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｅ製高融点
金属エミッタと、炭化ケイ素（ＳｉＣ）製のセラミック
製エミッタ、および炭化タングステン（ＷＣ）製エミッ
タである。濡れ性の評価は、溶融Ｇｅにそれぞれのエミ
ッタを浸漬し、Ｇｅに完全に濡れた場合を１００％、全
く濡れない場合を０％とした。また、寿命については、
イオン放出が停止するまでの時間を示している。具体的
には、投入イオン材料量５０ｍｇ、全放出イオン電流１
μＡ、溶融Ｇｅ温度９６０℃、真空度５×１０~⁹Ｔｏｒ
ｒの、ほぼ同一条件下でイオン放出実験を行った。

【００１９】

【表１】

【００２０】結果は表１に示すように、金属エミッタと
ＷＣエミッタとは共に非常に良い濡れ性を示したが、Ｓ
ｉＣは全く濡れず、使用不可能であった。また寿命の方
は、ＷＣを除いて、いずれの金属エミッタも数時間で侵
食され、破断されてしまった。これに対してＷＣエミッ
タは１０００時間以上も動作し続け、結局、Ｇｅ単体を
イオン材料とする場合、エミッタ材としては、ＷＣが最
も適合していることが分かった。

【００２１】ところで、ＷＣは非常に高融点で硬いた
め、これを針状エミッタに加工することは極めて難し
い。例えば、放電加工法によりバルク状のロッドから細
い針状材を切り出し、電解研磨法で針状に加工する方法
もあるが、加工時間、仕上げ後の均一性などを考える
と、極めて高価なものとなり得策とはいえない。そこで
本発明では、以下のようにして作製した。

【００２２】まず、タングステン線を電解研磨により針
状にしてエミッタとし、やはりタングステン製のリザー
バと組合せてイオン源を形成する。そして、これを真空
容器内に保持し、炭化水素系ガス雰囲気中で加熱しなが
ら炭化させる。次に、同一真空容器内にあるＧｅ溶融炉
の溶融したゲルマニウム内に、上記炭化したエミッタ、
リザーバ部を浸漬して、リザーバ内にゲルマニウムを充
填する。このような方法により、容易に、かつ安価にゲ
ルマニウムイオン源を作製することができる。

【００２３】このようにして作製するゲルマニウムイオ
ン源の作製装置では、その真空容器の中で、エミッタ、
リザーバ部とゲルマニウム溶融炉との間にシャッタが設
けられている。このシャッタは、エミッタ、リザーバ部
を溶融ゲルマニウム内に浸漬する直前まで閉じられてい
る。これにより、まず、エミッタ、リザーバ部が加熱さ
れている時に蒸発する不純物がゲルマニウム溶融炉に飛
来して汚染するのを防止できる。次に、ゲルマニウム溶
融炉を加熱してゲルマニウムを溶融状態にする際に、逆
に、このゲルマニウムが蒸発してエミッタ、リザーバ部
の絶縁物上に付着して電気絶縁が破壊されるのが防止で
きる。

【００２４】こうして作製されたＧｅ−ＬＭＩＳを搭載
したＦＩＢは、イオンビームがゲルマニウムであるた
め、特に半導体素子製造のインプロセスで汚染の心配な
しに使用することができ、極めて実用的である。ところ
で、このＦＩＢでは、イオン光学系の中の絞り類、特
に、Ｇｅ−ＬＭＩＳの最も近くに設置されるビーム制限
アパーチァは、炭素、シリコン、炭化シリコンのうちの
いずれかの材料で作製されている。これは、その他の材
料を用いた場合、イオン照射によってアパーチァ面から
二次イオンや中性粒子が発生し、エミッタ先端の溶融ゲ
ルマニウムに付着して、安定なイオン放出が阻害される
からである。これに対して、上記の材料を用いると、エ
ミッタ先端の溶融ゲルマニウムが汚染されることがな
く、安定なイオン放出が継続される。

【００２５】また、Ｇｅ−ＬＭＩＳの動作中、リザーバ
の温度は９５０℃から１０００℃の範囲内に設定されて
いるが、これは、１０００℃以上ではイオン材料の蒸発
が激しく、寿命の短命化や絶縁物への付着による絶縁破
壊が生じ、逆に、９５０℃以下ではエミッタ先端のゲル
マニウムが凝固しやすく、安定なイオン放出が阻害され
るからである。したがって、上記の温度範囲においての
み、Ｇｅ−ＬＭＩＳを長時間、安定に動作させることが
できる。

【００２６】以上、述べたように、Ｇｅ単体をイオン材
料とするＬＭＩＳにおいて、少なくとも溶融Ｇｅと接触
するエミッタ、リザーバ部をＷＣ製にすることで、長寿
命で、かつ、高安定にイオン放出するＧｅ−ＬＭＩＳ、
さらにはこれを搭載したＧｅ−ＦＩＢを実現することが
できる。

【００２７】

【実施例】

（実施例１）本実施例では、本発明に係るゲルマニウム
液体金属イオン源（Ｇｅ−ＬＭＩＳ）の構成と、その作
製方法とについて詳述する。

【００２８】図１は、本発明に係るＧｅ−ＬＭＩＳの構
成図である。図１において、１１はエミッタ、１３はリ
ザーバ、１７、１７′はヒータであるフィラメント、１
８はイオンの引出し電極である。

【００２９】エミッタ１１はエミッタ支持端子１２に固
定され、リザーバ１３の中心を貫通している。リザーバ
１３内にはイオン材料（Ｇｅ）が充填されており、絶縁
性の座１５に固定された電流導入端子１６、１６′を通
して導入される電流によってフィラメント１７、１
７′、リザーバ１３が加熱され、リザーバ内のＧｅは溶
融状態になりエミッタ１１の先端に達する。ここで、引
出し電極１８にエミッタ１１の電位に対して負の高電圧
を印加すると、エミッタ１１先端の溶融Ｇｅはイオン１
９となって放出される。

【００３０】エミッタ１１の形状は、シャフト径０．２
５ｍｍ、先端の頂角５０°、先端曲率半径３μｍの針状
で、リザーバ１３は内径０．４ｍｍ、外径０．５ｍｍ、
高さ２ｍｍの円管状で、いずれも炭化タングステン（Ｗ
Ｃ）から成る。また、直径０．１ｍｍのフィラメント１
７、１７′もＷＣから成り、座１５はアルミナセラミッ
ク製である。

【００３１】次に、上記Ｇｅ−ＬＭＩＳの作製方法につ
いて述べる。

【００３２】まず、直径０．２５ｍｍのタングステン
（Ｗ）線を電解研磨により針状に成形し、このＷ製エミ
ッタをエミッタ支持端子１２にスポット溶接する。次
に、Ｗ製リザーバにＷ製フィラメント１７、１７′をス
ポット溶接し、上記エミッタが上記リザーバの軸中心に
位置し、エミッタの先端がリザーバの下端よりも約１．
５ｍｍ突出するように、フィラメント１７、１７′を電
流導入端子１６、１６′にスポット溶接する。その後、
このエミッタ／リザーバ部を図３に示したＧｅ−ＬＭＩ
Ｓ作製装置の中に入れ、Ｗの炭化とＧｅの充填とを行
う。以下、図３を用いて、その作製方法について述べ
る。なお、本実施例のＧｅ−ＬＭＩＳ作製装置７０で
は、エミッタ／リザーバ部７１とイオン材料溶融部７２
との間に、シャッタ７３が設けられていることが特徴で
ある。

【００３３】まず、エミッタ／リザーバ部７１における
リザーバ７７は加熱電源７８から供給される電流で通電
加熱され、エミッタ７９は、高電圧電源６３によってエ
ミッタ７９とリザーバ７７との間に電圧を与えることで
電子衝撃加熱される。この操作でリザーバ７７とエミッ
タ７９とは高温加熱洗浄される。この時、本装置７０内
は高真空に維持されている。

【００３４】次に、本装置７０では、Ｗ製エミッタ／リ
ザーバ部７１を炭化するため、ガス供給部６２が設けら
れている。ガス供給部６２は、エミッタ／リザーバ部７
１の近傍に設置されたノズル６６と、バルブ６７、流量
計（図示せず）を介して連結されたガスボンベ６８から
成っている。そして、エミッタ／リザーバ部７１の高温
加熱洗浄の後、高温状態のままメタンガスをノズル６６
から放出し、エミッタ／リザーバ部７１の炭化を行う。
この時、リザーバ７７加熱用のＷ製フィラメント１７、
１７′も炭化される。

【００３５】一方、イオン材料溶融部７２のイオン材料
（Ｇｅ）７４は坩堝７５に埋め込まれたヒータ７６によ
って溶融される。ところでシャッタ７３は、エミッタ／
リザーバ部７１を高温加熱洗浄および炭化する間と、イ
オン材料７４が完全に溶融するまでの間、回転導入機６
４によって閉じられている。これにより、エミッタ／リ
ザーバ部７１の高温加熱時に放出される不純物がイオン
材料７４に付着するのが防止でき、また、イオン材料７
４の溶融時に蒸発した材料が絶縁座６５に付着するのが
軽減される。

【００３６】次に、エミッタ／リザーバ部７１の炭化と
イオン材料７４の溶融が終了したところで、シャッタ７
３を開放し、直線導入機６９によってエミッタ／リザー
バ部７１を降下させ、溶融イオン材料７４に浸漬させ
る。エミッタ／リザーバ部７１は溶融Ｇｅとの濡れが良
いため、エミッタ７９の先端を溶融Ｇｅ７４の表面に接
触させるだけで、表面張力でリザーバ７７内にＧｅが充
填される。

【００３７】以上のように、Ｇｅ−ＬＭＩＳ作製装置７
０を用いることで、同一真空装置内で、エミッタ／リザ
ーバ部７１の高温加熱洗浄工程、炭化工程、および溶融
Ｇｅの充填工程が終了し、Ｇｅ−ＬＭＩＳが容易に作製
される。

【００３８】なお、本実施例では、図１に示したよう
に、円管状のリザーバ１３と、その中心に位置するエミ
ッタ１１の構造について述べたが、ＬＭＩＳの形状や加
熱方法などは、これに限るものではない。

【００３９】次に、上記の方法で作製したＧｅ−ＬＭＩ
Ｓのイオン放出特性について述べる。

【００４０】図４は、Ｇｅ−ＬＭＩＳにおけるイオン放
出時の引出し電圧（Ｖ）と全放出イオン電流（Ｉ）との
関係（Ｉ−Ｖ特性）を示す。約４．８ｋＶにしきい値を
持ち、その後、両者はほぼ直線関係にあり、ＬＭＩＳ特
有のＩ−Ｖ特性を示している。

【００４１】図５は、Ｇｅ−ＬＭＩＳを約９時間連続イ
オン放出させた時の、全放出イオン電流の変動を示して
いる。初期設定の放出イオン電流は１０μＡで、この時
の引出し電圧は約５ｋＶで、定電圧でイオン放出をさせ
ている。図５において、縦軸は、電流変動を明確に示す
ために、全放出イオン電流を平均電流で除して規格化し
た値である。イオン源を動作させた９時間の変動幅は、
−５％から＋２％の範囲内にあり、安定したイオン放出
がなされている。

【００４２】図６は約９時間連続イオン放出させた時の
溶融Ｇｅの温度変化を示している。初期のヒータへの投
入電力は（約２．５Ｖ、８Ａ）で、その後調整は行って
いない。溶融Ｇｅ温度は９５０から９７０℃の変動幅に
あり比較的安定である。

【００４３】図７に放出イオンの質量スペクトルを示
す。このスペクトルは本発明によるＧｅ−ＬＭＩＳを扇
型の磁場を有する質量分析装置（図示せず）に装着し、
このイオン源から放出されたイオンの強度を示したもの
である。図７において横軸はイオンの質量数、縦軸はイ
オン強度を示している。このスペクトルからＧｅ２価イ
オン（Ｇｅ²+）のピーク４２がＧｅ１価イオン（Ｇｅ
+）のピーク４１より大きいことが確認できる。

【００４４】高質量分解能を持つ質量分離器を用いる
と、更に同位体まで分離することができるが、比較的低
い質量分解能の質量分離器をＦＩＢ光学系内に設置する
ことで、全同位体をまとめたＧｅ+イオンビームとＧｅ²
+イオンビームを形成することができ、試料に到達する
Ｇｅイオン電流の低下が防げる。また、質量分離器を除
去することで、放出したＧｅ+、Ｇｅ²+を含めた全Ｇｅ
イオンビームを得ることができる。

【００４５】最後に寿命だが、本実施例で用いたＬＭＩ
ＳにおけるＧｅの充填量は約０．１ｇである。全放出イ
オン電流１μＡ、動作温度９６０℃で使用したところ、
ゲルマニウムの熱蒸発、イオン放出による消耗を含めて
累積４００日（約１５００時間）を超える長時間の使用
に耐えた。従来のＷをエミッタとして用いたＧｅ−ＬＭ
ＩＳの寿命は数時間であったから、ＷＣエミッタを採用
することで、寿命は１００倍以上も向上したことにな
る。

【００４６】また、このような傾向は、ＷＣ以外のケイ
化タングステン（ＳｉＷ）で作製したエミッタ、リザー
バについても見られた。

【００４７】（実施例２）本実施例は、本発明に係るＧ
ｅ−ＬＭＩＳを搭載した集束イオンビーム（ＦＩＢ）装
置に関するもので、図８にその概略の構成図を示す。

【００４８】図８において、８１はＧｅ−ＬＭＩＳのエ
ミッタ、８２は引出し電極を示し、ＦＩＢ光学系は、エ
ミッタ８１から放出されたイオンの拡がりを制限するビ
ーム制限アパーチァ８３、集束レンズ８４、８４′、電
場と磁場を重畳したＥ×Ｂ質量分離器（ウィーンフィル
タ）８５、絞り８６、偏向器８７などから成る。本ＦＩ
Ｂ装置８０の最大加速電圧は３０ｋＶであり、本装置に
よりＧｅ−ＦＩＢの集束性を調べた。

【００４９】まず、試料台８８上の試料８９にＧｅ−Ｆ
ＩＢ９０を集束して照射し、試料８９上を走査する。照
射点から放出された二次電子９１を二次電子検出器９２
により検出して、走査領域の二次電子像を描かせる。す
ると、得られた像分解能から、Ｇｅ−ＦＩＢの集束性
（ビーム径）が推測できる。実際にＥ×Ｂ質量分離器８
５でＧｅ²+のみを選択して照射したところ、二次電子像
の分解能から、径が約７０ｎｍのＦＩＢが形成されてい
ることが分かった。

【００５０】また、本ＦＩＢ装置８０では、ビーム制限
アパーチァ８３および絞り８６に、炭化シリコン製のも
のが用いられている。Ｇｅ−ＬＭＩＳから放出されたＧ
ｅイオンがイオン光学系内の部材、特に、ビーム制限ア
パーチァ８３、絞り８６を照射すると、そこから二次粒
子やイオンが発生してエミッタ先端の溶融Ｇｅの表面に
付着し、安定したティラーコーンの形成が阻害され、ひ
いては安定したイオン放出が望めなくなる。従来アパー
チァ材として用いられてきたステンレスやモリブデン製
のものを用いると、短時間でイオン電流が不安定になっ
た。これに対して炭化シリコン製のものでは、イオン電
流の不安定化が生じず、長時間安定に動作させることが
できた。炭化シリコン材の他に、炭素材、シリコン材に
ついても、同様の良好な結果が得られた。

【００５１】また、Ｇｅ−ＬＭＩＳにおけるリザーバの
動作温度は、９５０℃から１０００℃の範囲に設定し
た。それは１０００℃以上の動作温度ではイオン材料の
蒸発が激しく、寿命の短命化や絶縁物への付着による絶
縁破壊が生じ、逆に、９５０℃以下ではエミッタ先端の
Ｇｅが凝固しやすく、いずれも安定なイオン放出が阻害
されるからである。

【００５２】（実施例３）本実施例は、Ｇｅ−ＬＭＩＳ
を二次イオン質量分析装置（以下、ＳＩＭＳと記す）に
搭載した例である。図９は、その概略の構成図である。

【００５３】ＳＩＭＳ１００の基本構成は、図９に示す
ように、通常のＦＩＢ光学系からなる一次イオンビーム
照射系１０１、試料室１０２、二次イオン分析部１０３
からなる。一次イオンビーム照射系１０１はＬＭＩＳの
エミッタ１０４、集束レンズ１０５、１０５′、Ｅ×Ｂ
質量分離器１０６、アライナ１０７、偏向器１０８、バ
ルブ１０９、１０９′などからなる。二次イオン分析部
１０３には四重極質量分析計を設置した。勿論、扇型磁
場を有する質量分析計でも問題はない。

【００５４】本実施例３では、この一次イオンビーム照
射系のイオン源に本発明によるＧｅ−ＬＭＩＳを搭載し
たこと、試料は製造ラインを流れるウェハで、ラインか
ら随時サンプリングでき試料室に搬入できるる構成であ
ること、を特徴とする。

【００５５】従来のＦＩＢ照射系を持つＳＩＭＳ装置の
一次イオンビーム種はＧａであったため、一度分析した
試料を再び半導体製造ラインに復帰させることはライン
の汚染の立場からできなかった。しかし、Ｇｅ−ＬＭＩ
Ｓを搭載したＳＩＭＳを用いることで、分析後の試料を
製造ラインに復帰させることができ、ＳＩＭＳを半導体
素子製造のインプロセスチェック装置として用いること
ができるようになった。

【００５６】（実施例４）本実施例は、Ｇｅ−ＬＭＩＳ
を搭載し、かつ、ガス導入ノズルを有するＦＩＢ装置に
より、ＦＩＢアシステッドデポジション法を利用するイ
ンプロセス配線修正装置に関するものである。

【００５７】ＦＩＢアシステッドデポジション法（以
下、ＦＩＢＡＤと記す）は、ＦＩＢの照射地点周辺に有
機金属ガスを吹き付け、ＦＩＢとガスとの反応で、ガス
中の金属が基板に堆積する原理を利用したもので、デバ
イス上のマスクレス配線、リソグラフィ用マスクのパタ
ーン修正などに応用されている。ガス種は堆積させる金
属や堆積効率などの条件から種々のガスが試みられてい
る。

【００５８】ＦＩＢＡＤのよく知られた例は、完成に近
い半導体デバイスに対して、配線のデバッグとしてヘキ
サ・カルボニル・タングステン（Ｗ（ＣＯ)₆）ガスとＧ
ａ−ＦＩＢを用いてＷ配線を堆積させるものである。つ
まり、所定のプロセスを経て作成されたデバイスの中
で、回路設計ミスなどによる部分的不良が生じ、所望の
動作をしないデバイスに対し、配線をつなぎ変える手法
である。ＦＩＢＡＤ法が実用化される以前のデバッグで
は、新たにフォトマスクを作り直し、再度同じプロセス
を経てデバイスを作り直していたため、１度デバッグす
るには約１ヶ月を要し、完成までに多大の時間と費用を
必要としていた。一方、ＦＩＢＡＤを用いると、不良箇
所のみを修正するため、修正は数時間で済み、時間とコ
ストの面から多大の利益がもたらされた。

【００５９】しかし、これまでのＦＩＢＡＤには致命的
問題があった。それは、修正されたデバイスの動作寿命
が短いことである。原因は、デバッグ時に新たな配線を
有機金属ガスとＧａ−ＦＩＢを用いて堆積させていた
が、この時、Ｇａがデバイス表面に付着し、これがシリ
コンに対するアクセプタとして働き、長期間のうちには
電気的劣化をもたらしていたためである。つまり、一次
イオンビーム種に問題があった。

【００６０】そこで、従来のＧａ−ＬＭＩＳに代えて本
発明によるＧｅ−ＬＭＩＳを用い、Ｇｅ−ＦＩＢによる
半導体デバイスのデバッグを行なった。先に述べたよう
に、ＧｅはＳｉと同じＶＩ族元素であるため、デバイス
表面に付着してもドナーやアクセプタとして働くことは
ない。また、Ｗの堆積効率を比較すると、従来のＧａ−
ＦＩＢの場合と同程度であった。さらに、Ｇａ−ＦＩＢ
による修正デバイスの寿命と比較すると、Ｇｅ−ＦＩＢ
によるものは、修正後約３年経過しても問題を起こすこ
となく動作し続け、従来のＧａ−ＦＩＢによる修正デバ
イスの少なくとも３倍以上の寿命を持つ。本実施例の装
置を用いることにより、金属汚染の問題が生じないこと
と、ＦＩＢのイオン種がドーパントとして働かないた
め、これまで製造プロセス外で行なわれていたデバイス
修正が製造プロセス内で行なうことができ、デバイス完
成までの時間短縮がなされ、かつ、修正されたデバイス
の寿命を延ばすことができた。

【００６１】ここでは、完成に近いパターニングされた
デバイスの修正について説明したが、シリコンウェハの
プロセスにおいても同様の操作ができる。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るゲル
マニウム液体金属イオン源とその作製方法により、長寿
命で、かつ、安定したゲルマニウムイオンビームが得ら
れるようになり、これを集束イオンビーム装置や二次イ
オン質量分析装置などのイオン源として用いることによ
り、シリコン半導体製造のプロセス内において試料の微
細加工や局所領域の組成分析が行えるようになった。こ
のように、本発明の効果は極めて顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るゲルマニウム液体金属イオン源の
概略構成図である。

【図２】従来の液体金属イオン源の概略構成を説明する
図である。

【図３】本発明に係るゲルマニウム液体金属イオン源を
作製するための作製装置の構成図である。

【図４】本発明によるゲルマニウム液体金属イオン源を
動作させたときの、引出し電圧と全放出イオン電流との
関係図である。

【図５】上記イオン源を約９時間連続動作させたとき
の、全放出イオン電流の変動を示す実験結果である。

【図６】上記イオン源連続動作時の、リザーバ温度の変
化を示す実験結果である。

【図７】上記イオン源から放出されたイオンの質量分析
スペクトルである。

【図８】本発明に係るゲルマニウム液体金属イオン源を
搭載した集束イオンビーム装置の概略構成図である。

【図９】上記イオン源を搭載した二次イオン質量分析装
置の概略構成図である。

【符号の説明】

１１、２４、７９、８１、１０４…エミッタ１２…エミッタ支持具１３、７７…リザーバ２１、７４…イオン材料１５…絶縁碍子１６、１６′、２６、２６′…電流導入端子１７、１７′…フィラメント１８、２５、８２…引
出し電極１９、２３…イオン２２…ヒータ２７、７８…加熱電源２７′…引出し電源２７″…加速電源２８…真空容器７６…ヒータ４１…Ｇｅ１価イオン
のピーク４２…Ｇｅ２価イオンのピーク６２…ガス供給部６３…高電圧電源６４…回転導入機６５…絶縁性座６６…ノズル６７…バルブ６８…ガスボンベ６９…直線導入機７０…Ｇｅ−ＬＭＩＳ
作製装置７１…エミッタ／リザーバ部７２…イオン材料溶融
部７３…シャッタ７５…坩堝８０…集束イオンビーム装置８３…ビーム制限アパ
ーチァ８４、８４′、１０５、１０５′…集束レンズ８５、１０６…Ｅ×Ｂ質量分離器８６…絞り８７、１０８…偏向器８８…試料台８９…試料９０…Ｇｅ−ＦＩＢ９１…二次電子９２…二次電子検出器１００…二次イオン質
量分析計１０１…一次イオンビーム照射系１０２…試料室１０３…二次イオン分
析部１０７…アライナ１０９、１０９′…バ
ルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン材料と、該イオン材料を保持するリ
ザーバと、該イオン材料を溶融状態にするヒータと、上
記溶融状態にあるイオン材料で表面が濡らされ、かつ、
その先端部からイオンを放出するエミッタとからなる液
体金属イオン源において、上記イオン材料がゲルマニウ
ム単体であり、かつ、溶融ゲルマニウムと接触する部材
の全て、あるいはそのうちの少なくとも上記エミッタ材
が炭化タングステンであることを特徴とするゲルマニウ
ム液体金属イオン源。
【請求項２】上記リザーバが炭素材で作製されたことを
特徴とする請求項１に記載のゲルマニウム液体金属イオ
ン源。
【請求項３】請求項１に記載のゲルマニウム液体金属イ
オン源の作製方法において、タングステン材により作製
されたエミッタ、リザーバを上記イオン源として組立て
て真空容器内に保持し、炭化水素系ガスを導入した真空
雰囲気中にて高温加熱して上記エミッタ、リザーバを炭
化タングステン化することを特徴とするゲルマニウム液
体金属イオン源の作製方法。
【請求項４】上記真空容器内にゲルマニウム溶融炉を設
け、上記炭化タングステン化したエミッタ、リザーバを
上記溶融ゲルマニウム内に浸漬させ、上記リザーバ内に
ゲルマニウムを充填することを特徴とする請求項３に記
載のゲルマニウム液体金属イオン源の作製方法。
【請求項５】真空容器内に、上記エミッタ、リザーバ部
を保持する手段、該エミッタ、リザーバ部を軸方向に移
動させる手段、上記ゲルマニウム溶融炉、および上記炭
化水素系ガスを導入するノズル、を設け、かつ、上記エ
ミッタ、リザーバ部と上記ゲルマニウム溶融炉との間に
シャッタを設けたことを特徴とするゲルマニウム液体金
属イオン源の作製装置。
【請求項６】液体金属イオン源を搭載する集束イオンビ
ーム装置において、請求項１または２に記載のゲルマニ
ウム液体金属イオン源を搭載したことを特徴とする集束
イオンビーム装置。
【請求項７】上記集束イオンビーム装置のイオン光学系
内に用いられる各種絞りのうち、少なくとも、上記ゲル
マニウム液体金属イオン源から放出されたイオンビーム
の拡がりを直接制限するビーム制限アパーチァが、炭
素、シリコン、炭化シリコンのうちのいずれかの材料で
作製されたことを特徴とする請求項６に記載の集束イオ
ンビーム装置。
【請求項８】上記ゲルマニウム液体金属イオン源におけ
る上記リザーバのイオン放出時の温度が、９５０℃から
１０００℃の範囲内であることを特徴とする請求項６ま
たは７に記載の集束イオンビーム装置。