JPH07312190A

JPH07312190A - 電界電離型イオン源

Info

Publication number: JPH07312190A
Application number: JP6102435A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Madokoro; 祐一間所; Kaoru Umemura; 馨梅村; Katanobu Yokogawa; 賢悦横川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【構成】強電界を生じるエミッタ１と、これと独立した
イオン源３並びにこのイオン源３から放出された正イオ
ンをガスとの電荷交換により中性化し中性粒子ビーム７
を供給する機構、または、エミッタ１に負イオンを供給
する機構から構成される。【効果】電界電離型イオン源の放射角電流密度を数倍に
向上させ、これにより、細束化したイオンビームの電流
密度を数倍に向上させる。これにより微細集束イオンビ
ームによる高速微細加工を実現する。または、イオン投
影露光の解像度、スループットが数倍に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集積回路の配線修正，製
造段階でのプロセス成否の検査等に用いられる集束イオ
ンビーム加工装置，高解像度のイオン投影露光装置、並
びに、微細領域の分析に用いられる二次イオン質量分析
装置等に用いて好適な電解電離型イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、直径数μ以下の微細イオンビーム
形成，イオン投影露光装置のイオン源としては、デュオ
プラズマトロンイオン源，液体金属イオン源などが利用
されてきた。この理由は、これらのイオン源では、イオ
ンが放出される領域が実効的に直径１ｍｍ以下と小さ
く、他のプラズマ放電型イオン源，スパッタ型イオン源
などと異なり、実用上、点状のイオン源として利用でき
るため、平行性の高いビームを形成するのに好適である
ためである。また、単位時間，単位立体角当りのイオン
放出数、即ち、イオン源の放射角電流密度が高く、高密
度のイオンビームを形成するのに適している。

【０００３】しかし、近年、集積回路製造，微小部分析
への応用から、直径数１０ｎｍ程度、かつ、電流密度数
Ａ／cm²程度の極微細イオンビームに対する要求が生
じ、またイオン投影露光でも数十ｎｍ程度の高分解能が
必要になってきた。このため、前述のイオン源の代わり
に、点状，高放射角電流密度であり、加えて、放出イオ
ンのエネルギのばらつき、即ち、エネルギ幅が小さいと
いう特長を持つ電界電離型イオン源が利用され始めた。

【０００４】電界電離型イオン源は放出イオンのエネル
ギ幅が液体金属イオン源と比較して数分の１であるた
め、光学系を通したときに生じる色収差が小さい。この
ため、微細ビームにした場合の集束性が良く、イオン投
影露光などで結像した場合のぼけも小さいという利点を
持っている。また、この他に液体金属イオン源ではイオ
ン化が困難な、常温で気体状態の物質をイオン化できる
という特長を持ち、応用範囲が広い。

【０００５】しかし、電界電離型イオン源を、前述の液
体金属イオン源と比較した場合、エネルギ幅は小さく、
微細ビーム形成には適しているものの、総放射電流が小
さく、これに比例して放射角電流密度が低いため、十分
なビーム電流密度が得られないという問題点があった。
この問題に関して、エミッタ先端の形状を工夫してイオ
ンの放射角を狭め、単位立体角当りの放射電流、即ち放
射角電流密度を向上させた例が知られている（ニューク
リアインスツルメンツアンドメソッズインフィ
ジックスリサーチ（Nuclear Instruments and Method
s in PhysicsResearch）B80／81 (1993) p.p.1288−129
1)。しかし、総放射電流を増やすことはできなかったた
め、集束してビーム化する場合にはよいが、全放射電流
を利用するイオン露光のような応用には適さないという
問題があった。また、微細ビームを形成する場合にも光
学軸の合わせに対する余裕が小さくなるという問題があ
った。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電界
電離型イオン源における低放射電流の問題を解消し、大
放射電流の電界電離型イオン源を実現する方法を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従来の電界電離型イオン
源は、イオン化物質であるガス分子の供給を、エミッタ
先端へのガスの吹付け，ガス分子の自発的吸着により行
っていた。この方法では、供給量がガス圧力，吸着確率
により制限される。ガス分子の吸着確率は、エミッタを
十分低温にすることで高められているが、引出し電極と
エミッタ先端の間にはイオン化のための強電界を形成す
べく数ｋＶの高電圧がかけられており、放電を起こさな
いためには、エミッタ近傍のガス圧力を低く保たねばな
らない。このように、エミッタ表面への入射ガス分子の
密度は制限され、エミッタ先端での十分な分子密度が得
られない。このように、従来の電界電離型イオン源は、
イオン化物質分子の供給量により放射電流が決められて
いた。

【０００８】ガス分子をエミッタ表面に供給するに際し
て、エミッタ先端には吸着分子をイオン化させる強い外
向きの電界がかけられているため、正の電荷を持った粒
子は反発され、近づくことができない。また、最初から
電荷を持たない粒子はこれを制御してエミッタ先端に集
中的に照射することが非常に困難であるため、正にイオ
ン化した粒子をビーム化し、この電荷を中和して中性粒
子ビームとするか、または、逆の電荷を持つ粒子、即ち
負イオンを形成する必要がある。

【０００９】本発明では、エミッタ先端近傍へ中性粒子
ビームまたは負イオンビームを照射、あるいはプラズマ
からの負イオン，中性粒子のエミッタ先端への集中を利
用することにより、十分なイオン化物質分子の供給を実
現し、放射角電流密度を向上させる。

【００１０】まず、中性粒子ビームを利用する方法につ
いて述べる。中性粒子ビームは正イオンを中性化して形
成する。正イオンを生成するには、プラズマ中から電界
でイオンを引き出す、物質表面でイオン化するなど様々
な方法があるが、ｍＡ程度の電流が必要な場合はプラズ
マ放電を利用するのが良い。本発明の場合、エミッタ先
端に集中的に供給することが重要なため、デュオプラズ
マトロン等、イオン源の実効的な大きさが小さいものが
望ましい。こうして得られた正イオンは静電レンズによ
り集束，ビーム化することが可能である。ビーム化した
場合の電流密度は典型的な値として１０ｍＡ／cm²で、
これは流束に換算すると、一価イオンの場合約６×１０
¹⁶ｉｏｎ／cm²／ｓに相当する。中性化は、ガス分子と
の衝突による電荷交換を用いるのが最も簡便である。反
応を式で示すと、例えば、アルゴンイオンをアルゴンガ
スで中性化する場合、Ａｒ（＋イオン）＋Ａｒ（ガス） → Ａｒ（中性粒子）
＋Ａｒ（＋ガス）のように表される。ガスとイオン間の電荷交換確率は高
く、ガスの圧力を適当に設定し、イオンのガス中の通過
距離をイオンの平均自由行程の数倍程度にすれば大部分
のイオンを中性化できる。イオンの方向性はガス分子と
の衝突によって若干乱れるが、すでにビーム化して高密
度になっているので問題にならない。このようにして、
エミッタ先端へ指向性のある中性粒子ビームを照射する
ことができる。

【００１１】第２の方法は負イオンを利用する方法であ
る。負イオンはエミッタ近傍の電界により、正イオンと
は逆に引き寄せられる。負イオンの生成方法も正イオン
と同じく、プラズマから引き出す方法と表面との相互作
用を使う方法の２種類がある。前者はプラズマ放電中に
大量に存在する負イオンを電界で引き出すものであり、
後者はセシウムなどのアルカリ金属のイオンをを表面イ
オン化で形成し、このイオンを固体に衝突させてスパッ
タリングの際に負イオンを生じさせるものである。プラ
ズマから抽出する方がイオン電流の絶対値を大きくでき
るという利点があるが、スパッタ型の方は固体イオン源
も使えるという長所がある。通常の負イオン源として利
用する場合は負イオンと電子は分別しなければならない
が、本発明の場合、エミッタに電子が入射しても問題は
無いため、この必要はない。

【００１２】上述の二つの方法はいずれも電界電離型イ
オン源と、これにイオン化物質粒子を供給する粒子源を
独立に使用するものだが、これを一体化する事も可能で
ある。即ち、プラズマ放電を起こし、この中に含まれる
負イオンを電界でエミッタに供給するものである。この
場合、プラズマ中のガスがエミッタ近傍に漏れ、放電を
起こす可能性があるので構造が重要になる。例えば、低
ガス圧でプラズマを形成し、狭い隙間から電界により負
イオンを抽出する等の構造が望ましい。

【００１３】

【作用】中性粒子、或いは負イオンは電界に妨害される
事なく、電界電離型イオン源のエミッタに到達し、ここ
で強電界により正の電荷を持つイオンとなって放出され
る。通常のガスによる供給と比較して、このようにする
と供給量が数倍に増加し、これによりイオン源の放射電
流が数倍に向上する。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）本実施例ではイオン化物質分子として希ガ
スの一種であるアルゴンを使用し、イオン化物質分子の
供給は中性粒子として行った。図１はこのイオン源の構
成を示している。イオン化物質分子であるアルゴンは、
デュオプラズマトロン型のイオン源３に入り、ここでイ
オン化される。デュオプラズマトロン型のイオン源から
の全放出イオン電流は、引出し電圧８ｋＶで、約１０ｍ
Ａであった。これを静電レンズ４で集束、イオンビーム
６を形成する。このビームは中性化を行う電荷交換器５
を経て、エミッタ１に照射される。電荷交換器にガスを
充填しなかった場合のビーム径はエミッタ位置で約０.
３mmφ であり、電流密度は約２００ｍＡ／cm²であっ
た。

【００１５】電荷交換器５は長さ１０cmの円筒で形成さ
れており、中のアルゴンガスの圧力は１ｍTorrに保たれ
ている。この中をイオンが通過する時に電荷交換がお
き、中性アルゴン分子（原子）ビーム７が形成される。
中性粒子の検出は困難なため、直接の粒子密度は不明だ
が、エミッタ１を引出し電極２に対して＋５ｋＶの電位
に設定した時に、アルゴンイオンの放出が認められた。
この時の全放出電流は０.１μＡであり、エミッタ方向
に設置したファラデーカップ９で収集，測定したイオン
電流から算出したイオン源の放射角電流密度は、約４０
μＡ／ｓｒであった。この値は液体金属イオン源とほぼ
同じであり、従来の電界電離型イオン源と比較すると、
数倍高い。これを集束ビーム化した場合、電界電離型イ
オン源のエネルギ幅は液体金属イオン源の約１／３であ
るため、光学系を最適化すれば、理論上のビーム電流密
度は約９倍になる。

【００１６】（実施例２）本実施例は負イオンをエミッ
タに対して供給し、放射電流を向上したものである。図
２にこの構成を示す。負イオンを使う場合、電界により
エミッタ先端に引き付けられるため、中性粒子の場合の
様に高密度に集束する必要はない。従って、イオン源の
形式に特に制限は無い。前述のように、負イオン源には
いくつかの形式があるが、本実施例ではデュオプラズマ
トロン型の水素負イオン源を使用した。イオン源１０か
らの負イオンは電流として約１０ｍＡ得られた。負イオ
ンをより効率的にエミッタに供給するためにエミッタと
負イオン源の間には静電レンズ４を置き、ビーム１１と
して負イオンをエミッタ１の近傍に導いた。永久磁石な
どの磁界を用いれば、負イオンと同時に引き出される電
子は容易にビームから除くことができるが、装置構成が
複雑になるためここでは行わなかった。エミッタ１に単
位時間当り直接入射する負イオンの密度は高くないが、
引き出し電極２に対して電位をかけた場合には電界によ
りイオンが吸引されるため、供給量は大きい。

【００１７】エミッタからの全放射電流は約４０μＡ、
放射角電流密度としては約１００μＡ／ｓｒであった。
この場合、全電流量に対して放射角電流密度があまり高
くないのは、負イオンがエミッタ表面でなく、輸送中に
強電界で正イオンと電子に電離して放出されているた
め、放出角が広がったためと思われる。しかし、従来型
の電界電離イオン源と比較すると、放射角電流密度は約
１０倍になっている。この場合、全電流量が大きいた
め、細束ビーム化するよりも、露光など投影型の応用に
適している。

【００１８】（実施例３）図３はスパッタ型負イオン源
を利用した、電界電離型イオン源の構造である。スパッ
タ型負イオン源はセシウムイオンが固体表面に衝突、ス
パッタリングを起こす際に、固体原子の負イオンを生成
することを利用したものである。このため、本形式のイ
オン源では、常温で固体の物質でも電界電離型イオン源
から引き出せるという利点がある。セシウム１３はリザ
ーバ１４から表面イオン化を起こすためにヒータ１６で
加熱されたタングステンチューブ１５を経てイオンとし
て引き出される。セシウムイオンはターゲットチャンバ
１７とイオン源の間で、５ｋｅＶに加速され、イオン化
物質のターゲット１８に衝突する。ターゲット１８は、
ここではケイ素を用いたが、ホウ素，炭素等、銅，チタ
ンなどの金属、あるいは合金でもよい。また、例えば、
酸素雰囲気中でチタンターゲットにイオンを当てると、
酸素等の気体の負イオンビームを得ることもできる。生
成したケイ素の負イオンはターゲットチャンバの出口に
設置した静電レンズ４で集束されエミッタに到達する。
途中で電荷が変わったため、ここでの加速エネルギは１
０keVになっている。イオンのエネルギが大きすぎると
エミッタ近傍の電界で引き付けられないため、引き出し
電極とターゲットチャンバの電位は同程度に設定する。

【００１９】負イオンの全電流は２０μＡであった。エ
ミッタ１と引き出し電極２の間に５ｋＶの電圧をかけた
ところ、０.５μＡの電流がファラデーカップ９で検出
され、放射角電流密度は１０μＡ／ｓｒであった。ガリ
ウムヒ素ウェハにこのイオンを打ち込み、二次イオン質
量分析を行い、ターゲットのケイ素イオンが打ち込まれ
ていることを確かめた。

【００２０】（実施例４）図４はプラズマから直接、負
イオンまたは中性粒子を引き出してエミッタに供給する
方式の電界電離型イオン源の構造である。ここではネオ
ンプラズマを用いた。ネオンガスはガス供給口２４から
フィラメント２２に導入される。フィラメントは通電加
熱により熱電子を発生し、中間電極２５との間でプラズ
マ放電を起こす。プラズマはコイル２１により小孔２０
の近傍に局在するが、２３からもネオンガスが導入され
ているため、１９と２５の間にもプラズマを形成する。
このように小孔２０の近傍にはプラズマに含まれる正負
のイオンが高密度に存在する。この場合、不要な電子の
放出はフィラメント２２を電極１９の中心軸からずらす
と減少する。

【００２１】エミッタ１には７ｋＶの高電圧がかけられ
ているため、プラズマ中の負イオンはエミッタに引き寄
せられる。この際、負イオンと同時にプラズマ中の電子
も引き出され、エミッタに入射するが、大きな問題とは
ならない。正イオンは反発されるためエミッタには近づ
かない。この構造ではエミッタに供給される中性ネオン
分子、及び負イオンの量は正確にはわからない。しか
し、フィラメントを加熱せずにエミッタに高電圧をかけ
ても、イオン放射がほとんど認められないのに対して、
プラズマを形成した場合、約１０μＡのイオン電流が検
出されたため、イオン化物質分子の供給が行われている
ことがわかった。

【００２２】

【発明の効果】本発明により、電界電離型イオン源を高
放射角電流密度化できる。これにより、このイオン源を
用いて形成する微細イオンビームの電流密度を高め、ス
パッタ加工速度を高められる。また、イオン投影露光に
おいて、スループットが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】中性粒子供給による電界電離型イオン源の説明
図。

【図２】プラズマイオン源からの負イオン供給による電
界電離型イオン源の説明図。

【図３】スパッタイオン源からの負イオン供給による電
界電離型イオン源の説明図。

【図４】プラズマからのイオン化物質分子供給による電
界電離型イオン源の説明図。

【符号の説明】

１…エミッタ、２…引き出し電極、３…イオン源、４…
静電レンズ、５…電荷交換器、６…イオンビーム、７…
中性粒子ビーム、８…イオンビーム、９…ファラデーカ
ップ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン化物質分子を、中性粒子ビーム、ま
たは、負イオンビームとして供給する事を特徴とする電
界電離型イオン源。
【請求項２】請求項１において、前記中性粒子ビームを
正イオンをガス中で電荷交換して生成する電界電離型イ
オン源。
【請求項３】請求項１において、負イオンをプラズマか
らの抽出により生成する電界電離型イオン源。
【請求項４】請求項１において、加速されたセシウムイ
オンにより固体表面をスパッタすることより負イオンを
生成する電界電離型イオン源。
【請求項５】負イオンまたは中性粒子を、エミッタをプ
ラズマ近傍におくことにより供給する電界電離型イオン
源。
【請求項６】請求項１または５に記載の電界電離型イオ
ン源を搭載した集束イオンビーム装置。
【請求項７】請求項１または５に記載の電界電離型イオ
ン源を搭載したイオン投影露光装置。