JPH07320670A - Processing method and device using focused ion beam generating means - Google Patents
Processing method and device using focused ion beam generating meansInfo
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- JPH07320670A JPH07320670A JP6035569A JP3556994A JPH07320670A JP H07320670 A JPH07320670 A JP H07320670A JP 6035569 A JP6035569 A JP 6035569A JP 3556994 A JP3556994 A JP 3556994A JP H07320670 A JPH07320670 A JP H07320670A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体LSI等のデバ
イスに集束イオンビームを照射し、微細加工、又は微細
成膜を行う装置に係り、特に、集束イオンビーム照射の
際、イオン源から照射される物質によりシリコンウエハ
やデバイス等の試料を汚染しない集束イオンビーム発生
手段を備えた処理装置及び処理方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for irradiating a device such as a semiconductor LSI with a focused ion beam to perform fine processing or fine film formation, and more particularly, to irradiate a focused ion beam from an ion source. The present invention relates to a processing apparatus and a processing method provided with a focused ion beam generating means which does not contaminate a sample such as a silicon wafer or a device with the substance to be treated.
【0002】[0002]
【従来の技術】集束イオンビーム(Focused Ion Beam:
以下、略してFIBと記す)を用いた装置は多岐に渡
り、半導体製造分野でのマスクレスイオン注入、イオン
ビームリソグラフィ、マスク修正、配線修正、分析分野
でのSIMS(二次イオン質量分析)、観察するための
試料作成についてはSEM(走査型電子顕微鏡)観察用
断面作成、TEM(透過型電子顕微鏡)観察用薄片作成
などがある。集束イオンビームを用いた装置では、液体
金属イオン源がよく用いられており、加工や修正に用い
る装置ではイオン元素としてはガリウムが広く実用に供
されている。また、微量加工して試料を分析する分析装
置では、デュオプラズマトロン形イオン源による希ガス
イオンや酸素イオンがよく用いられている。2. Description of the Related Art Focused Ion Beam:
(Hereinafter, abbreviated as FIB), there is a wide variety of devices using maskless ion implantation, ion beam lithography, mask repair, wiring repair in the semiconductor manufacturing field, SIMS (secondary ion mass spectrometry) in the analysis field, Examples of preparation of samples for observation include preparation of cross sections for SEM (scanning electron microscope) observation and preparation of thin pieces for TEM (transmission electron microscope) observation. A liquid metal ion source is often used in an apparatus using a focused ion beam, and gallium is widely used as an ionic element in an apparatus used for processing and correction. In addition, rare gas ions and oxygen ions from a duoplasmatron type ion source are often used in analyzers that perform microprocessing and analyze samples.
【0003】一方、半導体製造工程におけるイオン注入
やリソグラフィ、エッチング等の各工程において、それ
ら各工程が所期仕様を満たしているか、また、不意の微
塵埃などで所望の形状形成の達成が損なわれていないか
などの工程管理や、形状欠陥がある場合にこれの修正を
各工程後に行なうことは製造歩留の向上の面から非常に
重要である。このような管理は、試料への外部からのコ
ンタミネイションを避けるために、製造ライン中で行う
ことが必須である。所謂、インライン観察、修正または
分析である。現在、表面観察については、光学顕微鏡や
走査型電子顕微鏡を用いて、実際の製造ラインにおいて
なされている。On the other hand, in each process such as ion implantation, lithography, etching, etc. in the semiconductor manufacturing process, whether each process meets the intended specifications, or the achievement of a desired shape is impaired by unexpected dust or the like. It is very important from the standpoint of improving the manufacturing yield that process control such as whether or not there is a defect, and if there is a shape defect, to correct it after each process. It is essential that such control be performed in the manufacturing line in order to avoid external contamination of the sample. So-called in-line observation, correction or analysis. At present, surface observation is performed in an actual manufacturing line using an optical microscope or a scanning electron microscope.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】液体金属イオン源は、
サブミクロンまでに絞り込まれ、集束イオンビーム加工
装置として、半導体LSIやマスクの加工に実際に使用
されている。しかし、加工面に照射された金属イオン
は、一部の金属元素の例外は有るが一般的には、物理的
衝撃の役割を果たした後には、半導体製造プロセスにと
っては不純物となり、悪影響を及ぼすことになる。従っ
て、現状では、半導体製造ライン内で液体金属イオン源
を積極的に使用することが出来ない状況にある。The liquid metal ion source is
It is narrowed down to submicron and is actually used as a focused ion beam processing device for processing semiconductor LSIs and masks. However, the metal ions irradiated on the processed surface generally become an impurity and adversely affect the semiconductor manufacturing process after they play the role of physical impact, with the exception of some metal elements. become. Therefore, under the present circumstances, the liquid metal ion source cannot be actively used in the semiconductor manufacturing line.
【0005】そこで、発明が解決しようとする課題を明
らかにするために、以下、FIB応用に見られる問題
点、集束イオンビームのためのイオン源、イオン源
の問題点に分けて説明する。Therefore, in order to clarify the problem to be solved by the invention, the problems found in the application of FIB, the ion source for the focused ion beam, and the problems of the ion source will be separately described below.
【0006】FIB応用に見られる問題点 FIBを用いた装置である、素子の局所的な断面の様子
を観察するFIB断面加工装置や、素子のプロセス欠陥
や論理欠陥を修正するFIB修正加工装置や、特定箇所
の組成分析を行なうFIBを用いたSIMS装置は、現
在半導体素子製造において使用されている光学顕微鏡や
走査型電子顕微鏡のように、量産の製造ラインでは用い
られておらず、専ら試験サンプルとして製造ラインから
抜き取った試料あるいは製造工程が終了した試料につい
て行なわれている。Problems found in FIB application FIB cross-section processing equipment, which is an equipment using FIB, for observing the local cross-section of an element, FIB correction processing equipment for correcting process defects and logic defects of the element, SIMS devices that use FIB to analyze the composition of specific parts are not used in mass production lines like optical microscopes and scanning electron microscopes currently used in semiconductor device manufacturing, and are exclusively used as test samples. Is performed on a sample taken from the manufacturing line or a sample for which the manufacturing process has been completed.
【0007】つまり、再び、製造ラインに戻さないとい
う前提である。理由は、従来のFIBを用いた装置は、
試料または試料製造ラインにコンタミネイションを与え
るからである。In other words, it is a premise that it is not returned to the manufacturing line again. The reason is that the device using the conventional FIB is
This is because contamination is given to the sample or the sample production line.
【0008】例えば、SiウエハやSiデバイスに、G
a-FIBを用いて上記の断面加工やSIMS分析を施
すと、GaがSi上に堆積し、そのGaはSiに対する
p型ドーパント(アクセプタ)として働き、長期間に電
気的劣化をもたらす。また、Gaの蒸気圧が非常に低い
ため、Ga-FIBによる加工領域周辺にGaのデポジ
ション領域が観察される。これは単なる電気的汚染を超
え、導電膜の形成となり、配線間の短絡などデバイスに
とっては重大な問題を引き起こす。For example, if a Si wafer or a Si device has a G
When the above-described cross-section processing and SIMS analysis are performed using a-FIB, Ga is deposited on Si and the Ga functions as a p-type dopant (acceptor) for Si, causing electrical deterioration for a long period of time. Further, since the vapor pressure of Ga is very low, a deposition area of Ga is observed around the processing area by Ga-FIB. This goes beyond mere electrical pollution and leads to the formation of a conductive film, which causes a serious problem for the device such as a short circuit between wirings.
【0009】また、Au-Si合金を用いた液体金属イ
オン源(LMIS)を用いたSi-FIBで局所的な微細
加工を施したとしても、LMISから蒸発するAu粒子
が試料であるSiウエハまたはデバイスを重金属汚染
し、デバイス動作に悪影響をもたらす。Further, even if local fine processing is performed by Si-FIB using a liquid metal ion source (LMIS) using an Au-Si alloy, Au particles evaporated from the LMIS are used as a sample Si wafer or Contaminates the device with heavy metals and adversely affects the device operation.
【0010】一方、上記デュオプラズマトロン型イオン
源の場合には、不活性ガスをプラズマ化することによ
り、その中に存在するイオンを引き出して集束イオンビ
ームとするために、加工面に照射されたイオンは、物理
的衝撃の役割を果たした後、再びガス原子あるいは分子
にもどるので、直接半導体製造プロセスに不純物として
悪影響を及ぼすことはない。しかし、プラズマ発生にア
ーク放電を利用しているため、フィラメント陰極にかか
る高電界や高温により、陰極から不純物金属イオンがプ
ラズマ内に混入し、半導体製造プロセスに悪影響を及ぼ
すことになる。よって、液体金属イオン源同様に、半導
体製造ライン内では利用することが出来ない。On the other hand, in the case of the above-mentioned duoplasmatron type ion source, by irradiating the processed surface in order to extract the ions existing therein by turning the inert gas into a plasma and to form a focused ion beam. Ions do not directly affect the semiconductor manufacturing process as impurities because they return to gas atoms or molecules again after they play the role of physical impact. However, since arc discharge is used for plasma generation, a high electric field or high temperature applied to the filament cathode mixes impurity metal ions into the plasma from the cathode, which adversely affects the semiconductor manufacturing process. Therefore, like the liquid metal ion source, it cannot be used in the semiconductor manufacturing line.
【0011】図2に、従来のFIBを用いた加工装置を
応用した半導体素子の検査の一例を示す。半導体素子製
造工程では、シリコンウェハに成膜やエッチングやイオ
ン打ち込み等を行うことによりトランジスタ素子や配線
を作りこんでいく。この過程で、例えば深穴への成膜
や、微細な溝のエッチングなどの難度の高い工程におい
て、正しく加工ができたかどうかを検査する必要があ
る。この場合、前工程ラインからウェハを抜き出し、素
子の断面を観察検査したい個所にGaイオンのFIB
(Ga−FIB)を用いた加工装置により穴を加工し
て、その側壁をSEMにより観察する。FIG. 2 shows an example of inspection of a semiconductor element to which a conventional processing apparatus using FIB is applied. In the semiconductor element manufacturing process, transistor elements and wirings are formed by performing film formation, etching, ion implantation, etc. on a silicon wafer. In this process, for example, it is necessary to inspect whether or not the processing can be correctly performed in a difficult process such as film formation in a deep hole or etching of a fine groove. In this case, the wafer is taken out from the previous process line, and the Ga ion FIB is placed at the position where the cross section of the device is to be observed and inspected.
A hole is processed by a processing device using (Ga-FIB), and its side wall is observed by SEM.
【0012】しかし、Ga−FIB加工のために照射さ
れたGaがウェハ上に残り、このGaが前に述べたよう
にデバイスに悪影響を及ぼす。また、このウェハを製造
ラインに戻すと、ラインにある各種の製造装置にも汚染
を拡げてしまい、更にそのような製造装置で作られるウ
ェハも汚染される恐れがある。そこで、図2に示したよ
うに、検査のためにFIB加工を施したウェハは、再び
製造ラインに戻すことはせず、廃棄していた。しかし、
ウェハは直径200mmであり、この上に100から数
百チップのLSIを途中まで作成した付加価値の高いも
のを、検査のために工程途中で廃棄することは大変不経
済である。ウェハが将来は300mmになることもあり
えるので、この無駄は今後益々無視できないものとな
る。However, the Ga irradiated for Ga-FIB processing remains on the wafer, and this Ga adversely affects the device as described above. Further, when this wafer is returned to the manufacturing line, the contamination is spread to various manufacturing apparatuses on the line, and there is a possibility that the wafer manufactured by such a manufacturing apparatus is also contaminated. Therefore, as shown in FIG. 2, the wafer subjected to FIB processing for inspection was discarded without being returned to the manufacturing line again. But,
The wafer has a diameter of 200 mm, and it is very uneconomical to discard a high-value-added LSI having 100 to several hundreds of chips halfway formed on the wafer during the process for inspection. Since the wafer can be 300 mm in the future, this waste will become more and more ignorable in the future.
【0013】また、ウエハ1枚に数百ものチップが作り
込まれるため、FIBによる工程管理を従来のようにオ
フラインで行なうと、1回の加工や分析ごとにウエハ1
枚をラインから除外することになり、加工や分析を施さ
なかった残りの素子を無駄にすることになり不経済であ
った。Further, since hundreds of chips are built in one wafer, if the process control by FIB is performed off-line as in the conventional case, the wafer 1 is processed or processed once.
It was uneconomical to remove the sheets from the line, waste the remaining elements that were not processed or analyzed.
【0014】図3に、半導体素子の歩留まりに関する状
況を示す。半導体素子の製造プロセスにおいて、致命的
な欠陥が生ずる確率を単位面積当たりの致命欠陥密度α
(個/cm2)で表す。αは経験的に試作段階から量産
段階になるにつれ減少していくが、決して0にはなら
ず、1〜数個/cm2となる。あるプロセスで作られる
層に発生する致命欠陥は、チップ面積に比例して大きく
なる。つまりある層だけを見たときの良品歩留まりβ
は、図3に示したように、チップ面積が大きくなるにつ
れ下がり、例えばチップ面積が14mm□、すなわち
1.96cm2であるときは、歩留まりは(1−1.9
6α)×100%となる。FIG. 3 shows the situation regarding the yield of semiconductor devices. In the semiconductor device manufacturing process, the probability of occurrence of a fatal defect is defined as the fatal defect density α per unit area.
It is expressed in (pieces / cm 2 ). Empirically, α decreases from the trial production stage to the mass production stage, but never becomes 0 and becomes 1 to several pieces / cm 2 . Fatal defects that occur in a layer produced by a certain process increase in proportion to the chip area. In other words, the yield of non-defective products when viewing only a certain layer β
3 decreases as the chip area increases, for example, when the chip area is 14 mm □, that is, 1.96 cm 2 , the yield is (1-1.
6α) × 100%.
【0015】一方、半導体素子は多くの層から形成され
る。図4は配線層数を横軸にとり、各層ごとの歩留まり
βを一定と仮定したときのチップの歩留まりを表したも
のである。n層の配線層が全て良好にできなければチッ
プは良品とならないから、チップ歩留まりはβのn乗と
なる。半導体素子の動向として、チップ面積は益々増大
し、配線総数は特に論理LSIにおいて4から6層と増
えつつある。このため致命欠陥密度αが一定とすると、
チップ歩留まりは低下する傾向にある。そこで将来は各
層ごとにプロセスにより生じた欠陥を修正しないと良品
チップが取得できない状況となる。この修正にはFIB
を用いた加工を利用するのが好ましいが、前に述べたよ
うに、一旦修正のためにGa−FIB加工をしてしまう
と製造工程に戻すことができなくなるので、工程途中で
の修正は実現できなかった。On the other hand, a semiconductor device is formed of many layers. FIG. 4 shows the yield of chips when the number of wiring layers is plotted on the horizontal axis and the yield β for each layer is assumed to be constant. If all n wiring layers cannot be made good, the chip cannot be a good product, and the chip yield is β to the nth power. As the trend of semiconductor devices, the chip area is increasing more and more, and the total number of wirings is increasing to 4 to 6 layers especially in the logic LSI. Therefore, if the fatal defect density α is constant,
Chip yield tends to decrease. Therefore, in the future, non-defective chips cannot be acquired unless the defects caused by the process are corrected for each layer. FIB for this correction
It is preferable to use the processing using, but as described above, once Ga-FIB processing is performed for the correction, it cannot be returned to the manufacturing process, so the correction in the middle of the process is realized. could not.
【0016】以上のような背景から、ウエハやデバイス
などの試料を汚染することなくインラインで試料の加工
を行なえる、FIBを用いた加工方法や、それを実現す
る装置が望まれていた。From the above background, there has been a demand for a processing method using FIB and an apparatus for realizing the processing method, which can process the sample inline without contaminating the sample such as a wafer or a device.
【0017】半導体装置におけるイオンビーム加工方法
に関しては、特開平2−90520号の『イオンビーム
加工方法』(公知例1)において開示されている。この
公知例1では、半導体装置が特にSi基板であって、イ
オン種がSi、C、Ge、Sn、Smのうち少なくとも
1種を用いることが示され、特に実施例として、Siイ
オンを得るためにAu-Si合金(Au82Si18)をイ
オン源に用いた例が示され、また、Ge、Smについて
もAl、Au等の合金から得られることが記載されてい
る。A method of processing an ion beam in a semiconductor device is disclosed in "Ion beam processing method" (known example 1) of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-90520. In this publicly known example 1, it is shown that the semiconductor device is a Si substrate, and at least one of Si, C, Ge, Sn, and Sm is used as an ionic species. An example in which an Au-Si alloy (Au 82 Si 18 ) is used as an ion source is shown in the document, and it is described that Ge and Sm can be obtained from alloys such as Al and Au.
【0018】なお、液体金属イオン源(Liquid Metal I
on Source,略してLMIS)と、電気流体力学的イオ
ン源(Electrohydrodynamic Ion Source,略してEHD
イオン源)とは同じものであり、構成上違いはない。A liquid metal ion source (Liquid Metal I
on Source, LMIS for short, and Electrohydrodynamic Ion Source, EHD for short.
Ion source) is the same, there is no difference in the configuration.
【0019】集束イオンビーム形成のためのイオン源 FIBでSi基板やデバイスに電気的汚染を与えず加工
するには、Siのエネルギ準位における禁止帯閾内に不
純物原子のエネルギ準位を持たないSiイオンやGeイ
オンが好適であることは明らかである。また不活性な元
素であるNe,Ar,Kr,Xe等も好適である。Ion Source for Forming Focused Ion Beam In order to process Si substrate or device without electrical contamination by FIB, the energy level of impurity atoms is not within the bandgap threshold of Si energy level. It is clear that Si ions and Ge ions are suitable. Further, inert elements such as Ne, Ar, Kr, Xe, etc. are also suitable.
【0020】LMISやEHDイオン源からSiまたは
Geイオンビームを得る最も簡単な方法は、イオン材料
としてSiまたはGeを含んだ合金を用いてイオン材料
の融点や蒸気圧を低めて動作させ、FIB光学系内に設
けたE×B質量分析器によってSi+、Si2+イオンや
Ge+、Ge2+イオンのみを選択して集束化することで
ある。良く知られたSi系合金はAu−Si,Pt−S
i,Al−Si合金などであり、Ge系合金は、Au-
Ge、Fe-Ge、Pt-Ge、Cu-Ge等である。The simplest method for obtaining a Si or Ge ion beam from an LMIS or EHD ion source is to use an alloy containing Si or Ge as an ionic material to operate by lowering the melting point or vapor pressure of the ionic material and then operating the FIB optical system. This is to select and focus only Si +, Si 2 + ions and Ge +, Ge 2 + ions by an E × B mass analyzer provided in the system. Well-known Si-based alloys are Au-Si, Pt-S
i, Al-Si alloys, etc., and Ge-based alloys are Au-
Ge, Fe-Ge, Pt-Ge, Cu-Ge and the like.
【0021】このように、SiやGeイオンを放出させ
ようとする場合、イオン材料としてAu、Cu、Fe、
Pt等との合金を用いることが一般に知られている。し
かし、これら合金をイオン材料として用いることは、前
節で説明したように、被加工物であるSi素子を、合金
成分であるSiやGe以外の元素(例えば、Au、C
u、Pt)で汚染してしまうため、インライン検査に求
められる非汚染検査とはならない。特に、AuやPtの
ような重金属をSi半導体製造ラインに持ち込むこと
は、タブーとされていることは周知のことである。As described above, when Si or Ge ions are to be released, Au, Cu, Fe, and
It is generally known to use an alloy with Pt or the like. However, using these alloys as an ionic material means that, as explained in the previous section, the Si element, which is the workpiece, is made into an element other than the alloy components Si and Ge (for example, Au, C
Since it is contaminated with u, Pt), the non-contamination inspection required for the in-line inspection is not performed. In particular, it is well known that bringing heavy metals such as Au and Pt into the Si semiconductor manufacturing line is taboo.
【0022】一方、前節で説明したように、デュオプラ
ズマトロン型イオン源の場合には、プラズマ発生にアー
ク放電を利用しているため、フィラメント陰極にかかる
高電界や高温により陰極から不純物金属イオンがプラズ
マ内に混入し、結果として半導体製造ラインに悪影響を
及ぼすことになる。On the other hand, as explained in the previous section, in the case of the duoplasmatron type ion source, since arc discharge is used for plasma generation, impurity metal ions are generated from the cathode due to the high electric field and high temperature applied to the filament cathode. It mixes in the plasma and, as a result, adversely affects the semiconductor manufacturing line.
【0023】そこで、FIBによる非汚染検査を実現す
るためには、EHDイオン源の最適なイオン材料として
Si単体やGe単体や液体状の不活性元素を用いるか、
不純物を含まないプラズマ源からの不活性元素でなけれ
ばならないことが判る。Therefore, in order to realize the non-contamination inspection by the FIB, whether Si simple substance, Ge simple substance or liquid inert element is used as the optimum ion material of the EHD ion source,
It turns out that it must be an inert element from the plasma source that is free of impurities.
【0024】現状のイオン源の問題点 Si単体は融点が1407℃、融点での蒸気圧4×10
~4(Torr)と非常に高いために、LMISの温度制御や熱
蒸発制御が困難で、LMISのイオン材料として実用性
が少なかった。一方、Ge単体の場合、融点が947
℃、蒸気圧が1x10~6(Torr)であり、Siと比較し
て、融点が非常に低く、融点での蒸気圧も低くイオン材
料としては有望である。しかし、従来LMISのエミッ
タ材として広く使われてきたW(タングステン)を、S
i−LMISやGe−LMISのエミッタとして用いる
と、SiやGeは活性であるため、Wを短時間に侵食し
てエミッタとしての役割を果たさなくさせる。Problems of the current ion source Si alone has a melting point of 1407 ° C. and a vapor pressure of 4 × 10 at the melting point.
Since it was very high at ~ 4 (Torr), it was difficult to control the temperature and the thermal evaporation of the LMIS, and it was not practical as an ionic material of the LMIS. On the other hand, the melting point of Ge alone is 947.
° C., a vapor pressure of 1x10 ~ 6 (Torr), as compared with Si, the melting point is very low, it is promising as a vapor pressure low ionic material at the melting point. However, W (tungsten), which has been widely used as an emitter material for LMIS, is replaced with S
When used as an emitter of i-LMIS or Ge-LMIS, Si and Ge are active, so that W is eroded in a short time and the role of the emitter is lost.
【0025】また、エミッタとして用いられるTa,M
o,Reなどの高融点金属についても、溶融SiやGe
に浸漬させると数時間で侵食、破壊されてしまい、これ
らLMISの寿命が極端に短命であるという問題点を有
していた。更に、セラミック材のSiCについては、溶
融SiやGeと全く濡れず、これもエミッタとしての役
割を果たさないという問題を抱えていた。Ta and M used as emitters
For high melting point metals such as o and Re, molten Si and Ge
When it is dipped in, it is eroded and destroyed in a few hours, and there is a problem that the life of these LMISs is extremely short. Further, SiC, which is a ceramic material, has a problem that it does not get wet with molten Si and Ge at all, and does not serve as an emitter.
【0026】従って、単体のSiやGeをイオン材料と
したLMISからのSiイオン、Geイオンの放出の試
みは殆どない。単体SiやGeを用いてのイオン放出の
報告は見られても、極めて短時間であり、放出イオンを
集束化させ、Si−FIBやGe−FIBを形成し、試
料の加工を施したという報告は未だない。従って、溶融
SiやGeに侵食されず、長時間安定した濡れを維持で
きるエミッタ、リザーバ材の探索が、Si−LMISま
たはGe−LMISを実現させるための重要課題であ
る。Therefore, there is almost no attempt to release Si ions and Ge ions from LMIS using simple Si or Ge as an ionic material. Even though reports of ion emission using simple Si or Ge are seen, it is extremely short time, and it is reported that the emitted ions are focused, Si-FIB or Ge-FIB is formed, and the sample is processed. I haven't. Therefore, the search for an emitter or reservoir material that is not eroded by molten Si or Ge and that can maintain stable wetting for a long time is an important issue for realizing Si-LMIS or Ge-LMIS.
【0027】上記公知例1には、敢えてSi単体やGe
単体、もしくはSiとGeの合金をイオン材料としなけ
ればならない理由や効果は記載されておらず、Si単体
やGe単体をイオン材料としたイオン源から放出させた
FIBによって、半導体素子を微細加工する方法、ま
た、これを実現するための好適なイオン源構成(エミッ
タ材、リザーバ材)については開示されていない。In the above-mentioned publicly known example 1, dare Si or Ge is intentionally used.
The reason or effect that a simple substance or an alloy of Si and Ge must be used as an ionic material is not described, and a FIB emitted from an ion source using a simple substance of Si or Ge as an ionic material is used for fine processing of a semiconductor element. There is no disclosure of a method or suitable ion source configuration (emitter material, reservoir material) for achieving this.
【0028】また、プラズマイオン源により不純物を含
まない集束イオンビーム装置を得るためには、基本的に
は、不純物を含まないプラズマによるイオン生成が有効
であり、不純物を発生しない放電機構の適用を検討した
が、従来のプラズマからのイオン引き出し機構では、イ
オンを引き出すための電界と、加速するための電界とは
同一の電界であって、独立に制御することができなかっ
た。従って、必要以上の電界が引き出し電極とプラズマ
との間にかかり、絶縁破壊を起こす可能性があった。ま
た、イオンを放出するイオンシース面の制御も難しく、
このため、引き出されるイオンの一方向性が弱く、サブ
ミクロンのビーム径を達成することも困難である。Further, in order to obtain a focused ion beam apparatus containing no impurities by the plasma ion source, it is basically effective to generate ions by plasma containing no impurities, and it is necessary to apply a discharge mechanism which does not generate impurities. As a result of study, in the conventional ion extraction mechanism from plasma, the electric field for extracting ions and the electric field for acceleration are the same electric field and cannot be controlled independently. Therefore, an unnecessarily high electric field may be applied between the extraction electrode and the plasma to cause dielectric breakdown. Also, it is difficult to control the ion sheath surface that emits ions,
For this reason, the unidirectionality of the extracted ions is weak, and it is difficult to achieve a submicron beam diameter.
【0029】以上の問題点をまとめると、 (1)従来のGa-FIBを用いた装置やSIMS装置
は汚染を伴うため、それらをSi半導体素子製造ライン
で用いることができなかった。半導体素子製造ラインに
おける検査や修正を行う手段として、ウエハやデバイス
に対して汚染を伴わないGa-FIBに替わるイオン源
を用いた検査・修正装置がなかった。The above problems can be summarized as follows: (1) Conventional devices using Ga-FIB and SIMS devices cannot be used in the Si semiconductor device manufacturing line because they are contaminated. There is no inspection / correction apparatus using an ion source, which replaces Ga-FIB and does not cause contamination of wafers and devices, as a means for performing inspections and corrections on a semiconductor device manufacturing line.
【0030】(2)Si単体、Ge単体、もしくはSi
/Ge合金をイオン材料とする長寿命で高安定なイオン
放出が可能なSi-LMIS、Ge-LMISがなかっ
た。(2) Si simple substance, Ge simple substance, or Si
There was no Si-LMIS or Ge-LMIS capable of long-lived and highly stable ion release using / Ge alloy as an ion material.
【0031】(3)不活性ガスイオンの集束イオンビー
ム装置用の汚染物質を含まない高輝度イオン源がなかっ
た。(3) There was no contaminant-free high-intensity ion source for focused ion beam devices.
【0032】(4)SiウエハやSiデバイスの汚染源
とならないSiイオンやGeイオン、不活性ガスイオン
等をイオン種とするFIBを用いた装置がなかったた
め、これらのFIBを用いてSiウエハやSiデバイス
を汚染することなく検査・修正することができなかっ
た。(4) Since there is no apparatus using an FIB whose ion species are Si ions, Ge ions, inert gas ions, etc., which are not sources of contamination of Si wafers and Si devices, Si wafers and Si wafers using these FIBs are not available. It could not be inspected or modified without polluting the device.
【0033】従って、このような問題点(1)を克服す
る検査あるいは修正方法を生み出し、さらにその方法を
実現するイオン源の問題点(2)、(3)を解決し、それ
らイオン源を搭載し、問題点(4)を克服したFIBを
用いた検査あるいは修正装置の実現が望まれていた。Therefore, an inspection or correction method for overcoming such a problem (1) is created, and further problems (2) and (3) of the ion source for realizing the method are solved and the ion sources are mounted. However, it has been desired to realize an inspection or correction device using the FIB that overcomes the problem (4).
【0034】そこで、本発明の目的は、SiウエハやS
iデバイスなどの試料に対しFIBを照射して、電気的
汚染やビーム照射によるコンタミネイションを発生させ
ることなく試料の特定箇所を微細加工、微細成膜、分析
することが可能な集束イオンビーム発生手段を備えた処
理装置及び処理方法を提供することである。Therefore, an object of the present invention is to produce Si wafers and S
Focused ion beam generation means capable of irradiating a sample such as an i-device with FIB to perform microfabrication, fine film formation and analysis on a specific portion of the sample without causing electrical contamination or contamination due to beam irradiation. It is to provide a processing apparatus and a processing method provided with.
【0035】[0035]
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的は、処
理すべき試料の電気的特性に影響をおよぼさないイオン
を発生させ、発生させたイオンを集束してイオンビーム
を形成し、形成したイオンビームを試料に照射し、試料
を該試料の電気的特性を損なうことなく処理することを
特徴とする集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法
により達成される。The above object of the present invention is to generate ions that do not affect the electrical characteristics of the sample to be treated, and focus the generated ions to form an ion beam, It is achieved by a treatment method using a focused ion beam generating means, which comprises irradiating a sample with the formed ion beam and treating the sample without impairing the electrical characteristics of the sample.
【0036】更に、本発明の目的は、集束イオンビーム
発生手段を用いた処理装置に、試料の電気的特性に影響
をおよぼさないイオンを発生させるプラズマイオン源
と、プラズマイオン源で発生させたプラズマからイオン
を引出してイオンビームを形成するイオンビーム形成手
段と、形成したイオンビームを集束させるイオンビーム
集束手段と、集束させたイオンビームを試料に照射する
照射手段と、照射により処理される試料を設置する試料
室とを備えることにより達成される。A further object of the present invention is to provide a processing apparatus using a focused ion beam generating means with a plasma ion source for generating ions that do not affect the electrical characteristics of the sample, and a plasma ion source for generating the ions. Ion beam forming means for extracting ions from the plasma to form an ion beam, ion beam focusing means for focusing the formed ion beam, irradiation means for irradiating the sample with the focused ion beam, and irradiation processing It is achieved by providing a sample chamber in which a sample is installed.
【0037】また、本発明の目的は、集束イオンビーム
発生手段を備えた処理装置に、試料に照射しても前記試
料の電気的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させ
るプラズマイオン源と、プラズマイオン源で発生させた
プラズマからイオンを引出して所望の径のイオンビーム
を形成するビーム径変更手段を備えたイオンビーム形成
手段と、形成したイオンビームを集束させるイオンビー
ム集束手段と、集束させたイオンビームを試料に照射す
る照射手段と、照射により処理される試料を設置する試
料室とを備えることにより達成される。Further, an object of the present invention is to provide a processing device equipped with a focused ion beam generating means, and a plasma ion source for generating ions which do not affect the electrical characteristics of the sample even when the sample is irradiated with the plasma ion source. An ion beam forming means having a beam diameter changing means for extracting ions from plasma generated by a plasma ion source to form an ion beam having a desired diameter; an ion beam focusing means for focusing the formed ion beam; This is achieved by providing an irradiation unit that irradiates the sample with the generated ion beam and a sample chamber in which the sample to be processed by irradiation is installed.
【0038】また、本発明の目的は、集束イオンビーム
発生手段を備えた処理装置に、試料の電気的特性に影響
をおよぼさないイオンを発生させるイオン源と、イオン
源で発生させたイオンを引出してイオンビームを形成す
るイオンビーム形成手段と、形成したイオンビームを集
束させるイオンビーム集束手段と、集束させたイオンビ
ームを試料に照射する照射手段と、照射により処理され
る試料を設置する試料室とを備えることにより達成され
る。Another object of the present invention is to provide a processing apparatus equipped with a focused ion beam generating means, an ion source for generating ions which do not affect the electrical characteristics of the sample, and an ion generated by the ion source. An ion beam forming means for extracting the ion beam to form an ion beam, an ion beam focusing means for focusing the formed ion beam, an irradiation means for irradiating the sample with the focused ion beam, and a sample to be processed by irradiation. And a sample chamber.
【0039】[0039]
【作用】処理すべき試料の電気的特性に影響をおよぼさ
ないイオンを発生させるイオン源として、プラズマイオ
ン源や電界電離イオン源、EHDイオン源の何れかによ
り構成し、ネオン、クリプトン、アルゴン、ゼノンなど
の不活性ガスや窒素のいずれかのガス種、又は試料に照
射しても試料の電気的特性に影響をおよぼさないような
材料をイオン種として用いることにより、試料の電気的
特性に悪影響を与えるような金属汚染によるコンタミネ
イションを発生させないようにした。The ion source for generating ions that do not affect the electrical characteristics of the sample to be treated is composed of a plasma ion source, a field ionization ion source, or an EHD ion source, and neon, krypton, or argon is used. The electrical conductivity of the sample can be improved by using an inert gas, such as zirconium, zenon, or nitrogen, or a material that does not affect the electrical characteristics of the sample when it is irradiated. The contamination caused by metal contamination that adversely affects the characteristics is prevented.
【0040】特に、試料がシリコンウエハやシリコンデ
バイスである場合には、上記試料に照射しても試料の電
気的特性に影響をおよぼさないような材料として、シリ
コン単体、ゲルマニウム単体もしくはシリコン/ゲルマ
ニウム合金を用いたEHDイオン源を用いることによ
り、これから得られるFIBを試料に照射しても、試料
の電気的特性に悪影響を与えるような金属汚染を与える
ことはない。In particular, when the sample is a silicon wafer or a silicon device, a material that does not affect the electrical characteristics of the sample even when the sample is irradiated, is silicon alone, germanium alone or silicon / silicon / silicon. By using the EHD ion source using a germanium alloy, irradiation of the sample with FIB obtained therefrom does not cause metal contamination that adversely affects the electrical characteristics of the sample.
【0041】また、プラズマイオン源の場合は、無電極
放電により高密度のプラズマを発生させることにより、
放電に直接関与する電極がなくなり、金属種を含まない
イオンを発生できるので、試料に対して電気的特性に悪
影響を与えるような金属汚染によるコンタミネイション
を発生することはない。In the case of a plasma ion source, a high density plasma is generated by electrodeless discharge,
Since there is no electrode that directly participates in discharge and ions that do not contain metal species can be generated, contamination by metal contamination that adversely affects the electrical characteristics of the sample does not occur.
【0042】また、プラズマイオン源の場合は、引き出
し電極のイオン引き出し口をイオンシ−スの厚さよりも
小さい半径にすることにより、プラズマが引き出し口か
ら加速電極側へ拡散することがなくなるので、引き出し
電極には、プラズマ中のイオンを引き出すための比較的
小さい電圧を印加するだけでよくなる。即ち、プラズマ
中に設置された基準電極に対して引き出し電極に電圧を
加えることにより、効率よくプラズマに電界がかかり、
数十ボルトの低電圧で理論上最大限のイオンを引き出す
ことができ、従来の装置で発生していたような、引き出
し電極付近での絶縁破壊は発生しない。In the case of a plasma ion source, the ion extraction port of the extraction electrode is set to have a radius smaller than the thickness of the ion sheath, so that plasma is prevented from diffusing from the extraction port to the acceleration electrode side. It suffices to apply a relatively small voltage to the electrodes to extract the ions in the plasma. That is, by applying a voltage to the extraction electrode with respect to the reference electrode installed in the plasma, an electric field is efficiently applied to the plasma,
With a low voltage of several tens of volts, theoretically the maximum amount of ions can be extracted, and the dielectric breakdown in the vicinity of the extraction electrode that occurs in the conventional device does not occur.
【0043】更に、プラズマイオン源の場合は、引き出
し電極上にシ−ス面の形状を制御するイオンシ−ス制御
電極を設け、イオン放出面積を大きくすることにより、
イオン電流密度が増加する。更に、引き出し電極と加速
電極との間に設けた集束用電子放出源から引き出し電極
側に電子を放出することにより、引き出し口付近でまだ
十分に加速されていない電荷密度の大きいイオンに対す
る空間電荷効果が抑制され、イオンビ−ムは中心軸のま
わりに形成される電位の谷で径方向に捕捉され、かつ軸
方向の電流制限が緩和される。更に、励磁コイルで、放
出された電子を径方向に閉じ込める磁場を発生させるこ
とにより、電位の谷で捕捉されたイオンビ−ムの径方向
の拡散が抑えられる。Further, in the case of the plasma ion source, an ion sheath control electrode for controlling the shape of the sheath surface is provided on the extraction electrode to increase the ion emission area.
The ion current density increases. Further, by emitting electrons from the focusing electron emission source provided between the extraction electrode and the acceleration electrode to the extraction electrode side, the space charge effect on the ions with high charge density that have not been sufficiently accelerated near the extraction port. Are suppressed, the ion beam is trapped in the radial direction at the valley of the potential formed around the central axis, and the current limitation in the axial direction is relaxed. Further, by generating a magnetic field for confining the emitted electrons in the radial direction by the exciting coil, the radial diffusion of the ion beam trapped in the potential valley can be suppressed.
【0044】また、プラズマイオン源のビーム径変更手
段は、(1)プラズマ発生部への入力電力を変えてプラ
ズマの電子密度を変化させると共に、イオン引き出し電
極に印加する電圧を制御して引き出し電極の前面に発生
したイオンシ−スの厚さを所望の厚さに設定することに
より、イオン電流密度を減少させることなく所望の径を
有するイオンビームを引き出すことにより、(2)引き
出し電極としてテ−パ状の引き出し電極を用い、プラズ
マ発生部への入力電力を変えてプラズマの電子密度を変
化させ、引き出し電極付近でのイオン放出面形状を変え
ることにより、イオン電流密度を減少させることなく所
望の径を有するイオンビームを引き出すことにより、
(3)所望の径を有する複数の引き出し口を持つ可動構
造の引き出し電極を用い、所望のイオンビーム径に応じ
て、それに対応する引き出し口をイオンビーム引き出し
位置に移動させて、イオン電流密度を減少させることな
く所望の径を有するイオンビームを引き出すことによ
り、(4)シ−ス面制御電極及び絶縁板を有した多孔式
電極で構成した引き出し電極を用い、シ−ス面制御電極
の印加電圧を制御して引き出し電極上のイオンシース面
の形状を変化させてイオン電流密度を減少させることな
く電極の所望の孔からだけイオンを引き出して所望の径
を有するイオンビームを形成することにより、(5)プ
ラズマ発生部への印加電力を変えてプラズマの電子密度
を変化させると共に、引き出し電極の下方にテ−パ絶縁
スペ−サ及びメッシュ電極を設けて引き出し電極とメッ
シュ電極とに印加する電圧を制御してプラズマ領域を変
化させ、所望の径を有するイオンビームを形成すること
により、(6)メッシュ状の引き出し電極を用い、移動
式加速電極と組み合わせ、イオン通過口を機械的に切り
替えてイオン電流密度を減少させることなく所望の径を
有するイオンビームを引き出すことにより、所望の径を
有するイオンビームが得られる。Further, the beam diameter changing means of the plasma ion source changes (1) the electron density of the plasma by changing the input power to the plasma generating section, and controls the voltage applied to the ion extracting electrode to extract the electrode. By setting the thickness of the ion sheath generated on the front surface of the substrate to a desired thickness, an ion beam having a desired diameter can be extracted without reducing the ion current density. By using a parabolic extraction electrode, changing the input power to the plasma generation part to change the electron density of the plasma and changing the shape of the ion emission surface near the extraction electrode, it is possible to reduce the ion current density to the desired value. By extracting an ion beam with a diameter,
(3) An extraction electrode having a movable structure having a plurality of extraction ports having a desired diameter is used, and the extraction port corresponding to the desired ion beam diameter is moved to the ion beam extraction position to change the ion current density. By extracting an ion beam having a desired diameter without decreasing it, (4) application of a sheath surface control electrode is performed by using an extraction electrode composed of a sheath surface control electrode and a porous electrode having an insulating plate. By controlling the voltage and changing the shape of the ion sheath surface on the extraction electrode to extract ions only from the desired holes of the electrode without decreasing the ion current density to form an ion beam having a desired diameter, (5) The electron density of the plasma is changed by changing the power applied to the plasma generating part, and the taper insulating spacer and mesh are provided below the extraction electrode. By providing an electrode and controlling the voltage applied to the extraction electrode and the mesh electrode to change the plasma region to form an ion beam having a desired diameter, (6) a movable extraction electrode is used. An ion beam having a desired diameter can be obtained by extracting the ion beam having a desired diameter without reducing the ion current density by mechanically switching the ion passage port in combination with an accelerating electrode.
【0045】また、このようにビーム径が可変な、プラ
ズマイオン源を用いた集束イオンビーム装置を用いるこ
とにより、試料の深層構造の微細加工、あるいは新構造
の形成あるいは断面からの信号を得て、試料の観察、分
析を、試料を汚染することなく高速に行う事ができる。Further, by using a focused ion beam apparatus using a plasma ion source with a variable beam diameter as described above, fine processing of a deep structure of a sample, formation of a new structure or a signal from a cross section can be obtained. The observation and analysis of the sample can be performed at high speed without contaminating the sample.
【0046】[0046]
(実施例1)本実施例1では、集束イオンビーム(FI
B)のイオンビーム発生源としてのプラズマイオン源に
ついて、図1から図27により説明する。(Example 1) In Example 1, a focused ion beam (FI) was used.
A plasma ion source as the ion beam generating source of B) will be described with reference to FIGS. 1 to 27.
【0047】図1は、1/4波長共振形半同軸空洞共振
器によるマイクロ波放電プラズマをイオン源とする、集
束イオンビームを用いた加工装置の構成図である。図1
において、1はマイクロ波入射同軸線路、2は1/4波
長共振型半同軸空洞共振器、3は波長調整ねじ、4は引
き出し電極、5は加速電極、6は基準電極、7は石英ガ
ラス管、8は生成されたプラズマ、9は磁界発生装置、
10は加工作業用真空容器、11は励磁コイル、12は
集束用電子放出源、13はブランキング電極、14は3
枚電極レンズ、15はスティグマトール電極、16はデ
フレクター電極、17は二次粒子検出器、18は被加工
物、19はステージ、20は集束イオンビーム、21は
二次粒子である。FIG. 1 is a block diagram of a processing apparatus using a focused ion beam, which uses a microwave discharge plasma by a quarter wavelength resonance type semi-coaxial cavity resonator as an ion source. Figure 1
In the figure, 1 is a microwave incident coaxial line, 2 is a quarter wavelength resonance type semi-coaxial cavity resonator, 3 is a wavelength adjusting screw, 4 is an extraction electrode, 5 is an accelerating electrode, 6 is a reference electrode, and 7 is a quartz glass tube. , 8 is the generated plasma, 9 is a magnetic field generator,
10 is a vacuum container for processing work, 11 is an exciting coil, 12 is a focusing electron emission source, 13 is a blanking electrode, and 14 is 3
A single-electrode lens, 15 is a stigmator electrode, 16 is a deflector electrode, 17 is a secondary particle detector, 18 is a workpiece, 19 is a stage, 20 is a focused ion beam, and 21 is a secondary particle.
【0048】まず、図1を用いて本発明によるプラズマ
イオン源の作用を説明する。First, the operation of the plasma ion source according to the present invention will be described with reference to FIG.
【0049】マイクロ波入射同軸線路1を通して2.45GH
zのマイクロ波が、1/4波長共振型半同軸共振器2に
入射する。1/4波長共振型半同軸共振器2には、不活
性ガスが封入された石英ガラス管7が設置される。な
お、波長調整ねじ3を調整することでマイクロ波電力が
1/4波長共振型半同軸共振器2に最大供給条件のもと
で供給される。この時、不活性ガスは電離してプラズマ
8となる。プラズマ8は、磁界発生装置9により発生し
た引き出し口近傍の磁束密度875Gauss の磁界でEC
R(Electron Cyclotron Resonance)効果を起こし、プ
ラズマのカットオフ周波数を越えて電磁波が入射される
ので、局所的に1012〜1013/cm3の高密度プラズ
マが生成される。2.45GH through the microwave incident coaxial line 1
The microwave of z enters the quarter wavelength resonance type semi-coaxial resonator 2. A quartz glass tube 7 in which an inert gas is filled is installed in the quarter wavelength resonance type semi-coaxial resonator 2. By adjusting the wavelength adjusting screw 3, microwave power is supplied to the quarter-wavelength resonance type semi-coaxial resonator 2 under the maximum supply condition. At this time, the inert gas is ionized into plasma 8. The plasma 8 is EC generated by the magnetic field generated by the magnetic field generator 9 and having a magnetic flux density of 875 Gauss near the outlet.
Since an R (Electron Cyclotron Resonance) effect is caused and an electromagnetic wave is incident above the cutoff frequency of plasma, a high density plasma of 10 12 to 10 13 / cm 3 is locally generated.
【0050】プラズマ8中に存在するイオンは、プラズ
マ8中に設置された基準電極6に対して負の電位を与え
られた引き出し電極4に開けられた引き出し口から、引
き出し電極4と加速電極5間の空間に引き出される。引
き出されたイオンは、加速電極5により加工作業用真空
容器10内にある被加工物18に向かって加速され、集
束イオンビーム20となる。Ions existing in the plasma 8 are extracted from the extraction electrode 4 and the acceleration electrode 5 through the extraction port opened in the extraction electrode 4 which is provided with a negative potential with respect to the reference electrode 6 installed in the plasma 8. Be drawn into the space between. The extracted ions are accelerated by the accelerating electrode 5 toward the workpiece 18 in the processing vacuum container 10 and become a focused ion beam 20.
【0051】ところで、加工に必要なイオンのエネルギ
ーは数十キロエレクトロンボルトであるのに対して、引
き出し口を出た直後のイオンは数十エレクトロンボルト
のエネルギーであるので、miをイオンの質量、viをイ
オンの速度、qを電荷量、Vを加速電圧とするとBy the way, the energy of the ions required for processing is several tens of kiloelectron volts, whereas the ions immediately after leaving the extraction port have several tens of electron volts, so m i is the mass of the ions. , V i is the ion velocity, q is the charge amount, and V is the acceleration voltage.
【0052】[0052]
【数1】 [Equation 1]
【0053】から、引き出し口を出た直後のイオンの速
度は、加工に必要なイオンの速度の3%程度でしかな
い。ここで、Q1を引き出し口付近での電荷密度、Q2を
加速後の電荷密度、vi1を引き出し口付近での速度、v
i2を加速後の速度、S1は引き出し電極付近でのビーム
断面積、S2は加速後のビーム断面積とすると、Therefore, the velocity of ions immediately after leaving the extraction port is only about 3% of the velocity of ions required for processing. Here, Q 1 is the charge density near the outlet, Q 2 is the charge density after acceleration, v i1 is the velocity near the outlet, v 1
If i2 is the velocity after acceleration, S 1 is the beam cross-sectional area near the extraction electrode, and S 2 is the beam cross-sectional area after acceleration,
【0054】[0054]
【数2】 [Equation 2]
【0055】が成り立ち、単位長さ当たりの電荷量は速
度に反比例する。And the amount of charge per unit length is inversely proportional to the speed.
【0056】従って、引き出し口を出た直後のイオンは
加速後に比べて電荷量が大きいので、イオン自身が持つ
電荷によって互いに反発し合い、速度が大きくなるにつ
れビームが広がる。この影響を防ぐために、イオンとは
逆の電荷を持つ電子を電子放出源12から放出させ、か
つ励磁コイル11により磁界を発生させ、電界と磁界の
相互作用による力で電子を引き出し口付近に集めて、イ
オン同士の反発力を中和している。加速電極5を通過し
た集束イオンビーム20は、ブランキング電極13を通
過する。このブランキング電極13は2枚の電極板から
できており、この電極間に電界をかけることにより集束
イオンビーム20の軌道を変え、被加工物18に集束イ
オンビーム20が到達しないようにする、すなわち集束
イオンビーム20のオン、オフを行う機能を持つ。Therefore, since the amount of charge of the ions immediately after leaving the extraction port is larger than that after acceleration, the ions repel each other due to the charges of the ions themselves, and the beam spreads as the velocity increases. In order to prevent this effect, electrons having a charge opposite to that of the ions are emitted from the electron emission source 12, and a magnetic field is generated by the exciting coil 11, and the electrons are collected near the extraction port by the force of the interaction between the electric field and the magnetic field. And neutralize the repulsive force between the ions. The focused ion beam 20 that has passed through the acceleration electrode 5 passes through the blanking electrode 13. The blanking electrode 13 is made up of two electrode plates. By applying an electric field between these electrodes, the trajectory of the focused ion beam 20 is changed so that the focused ion beam 20 does not reach the workpiece 18. That is, it has a function of turning on and off the focused ion beam 20.
【0057】ブランキング電極13が動作しない場合、
集束イオンビーム20は3枚電極レンズ14に入射し、
3枚の電極の電圧制御を行うことにより加工に必要なビ
ーム径とビーム電流密度となる。引き続き、集束イオン
ビーム20はスティグマトール電極15に入射し、3枚
電極レンズ14の非対称成分による非点収差が補償され
る。微細加工に必要な性能となった集束イオンビーム2
0は被加工物18に照射されるが、微細加工のためには
ステージの移動のみでは十分な加工位置精度が得られな
い。従って、デフレクター電極16内の電界により集束
イオンビーム20の軌道を更に細かく変えて任意の位置
の加工を行う。When the blanking electrode 13 does not operate,
The focused ion beam 20 is incident on the three-electrode lens 14,
By controlling the voltage of the three electrodes, the beam diameter and beam current density required for processing can be obtained. Subsequently, the focused ion beam 20 is incident on the stigmator electrode 15, and the astigmatism due to the asymmetric component of the three-electrode lens 14 is compensated. Focused ion beam 2 that has become the performance required for fine processing
Although 0 is irradiated to the work piece 18, sufficient movement position accuracy cannot be obtained only by moving the stage for fine processing. Therefore, the electric field in the deflector electrode 16 changes the trajectory of the focused ion beam 20 more finely to perform processing at an arbitrary position.
【0058】次に、本発明によるプラズマイオン源のイ
オン引き出し機構について、従来のプラズマイオン源と
比較して説明する。Next, the ion extraction mechanism of the plasma ion source according to the present invention will be described in comparison with a conventional plasma ion source.
【0059】従来、プラズマからイオンを電界によって
引き出す場合、プラズマと接する壁に開いたイオン引き
出し口を通してイオンを引き出すため、プラズマがこの
引き出し口を持つ壁(導体、不導体に限らず)に接する
ことにより、電子とイオンの質量差のためにシースと呼
ばれる本来プラズマの特徴である電荷中性条件の成り立
たない領域が発生する。Conventionally, when the ions are extracted from the plasma by an electric field, since the ions are extracted through the ion extraction port opened in the wall in contact with the plasma, the plasma should contact the wall having the extraction port (not limited to the conductor or the non-conductor). As a result, due to the mass difference between electrons and ions, a region called a sheath in which the charge neutral condition, which is a characteristic feature of plasma, does not hold is generated.
【0060】更にほとんどの場合において、イオンは電
子に比べ重いので、イオンによる電流と電子による電流
のバランスを保つために壁付近にはイオンが過剰にな
り、イオンシースとなる。プラズマ化するガスのガス圧
力が数パスカルから数十パスカル程度であれば、シース
内で粒子同士の衝突の無い無衝突プラズマとして取り扱
うことができ、「プラズマ ダイアグノスティック テ
クニックス」(PLASMADIAGNOSTIC TECHNIQUES, ACADEMI
C PRESS, NEW YORK, 1965)のシース生成理論から引き
出し可能な最大イオン電流密度を見積もることができ
る。Further, in most cases, ions are heavier than electrons, so that ions are excessive in the vicinity of the wall in order to keep the balance of the current due to the ions and the current due to the electrons, resulting in an ion sheath. If the gas pressure of the gas to be turned into plasma is from several Pascals to several tens of Pascals, it can be treated as collision-free plasma without collision of particles in the sheath, and it can be treated as "Plasma DIAGNOSTIC TECHNIQUES, ACADEMI".
The maximum ion current density that can be derived can be estimated from the sheath generation theory of C PRESS, NEW YORK, 1965).
【0061】イオンシース内の電位はプラズマ電位に比
べ低く、プラズマより電子温度Teの2分の1低い電位
の位置から壁までがシースと定義される。この時、プラ
ズマから流れ込むイオン飽和電流密度JiはThe potential inside the ion sheath is lower than the plasma potential, and the portion from the position where the potential is one-half the electron temperature Te lower than the plasma to the wall is defined as the sheath. At this time, the ion saturation current density Ji flowing from the plasma is
【0062】[0062]
【数3】 [Equation 3]
【0063】で表される。ここで、Neはプラズマ中の
電子密度、kはボルツマン定数である。従って、アルゴ
ンガスを例に、数3を用いてプラズマから引き出し可能
な最大のイオン飽和電流密度Jiを、電子密度Neをパラ
メータにして計算すると、図5に示すようになる。It is represented by Here, Ne is the electron density in the plasma, and k is the Boltzmann constant. Therefore, using Argon gas as an example, the maximum ion saturation current density Ji that can be extracted from plasma using Equation 3 is calculated using the electron density Ne as a parameter, as shown in FIG.
【0064】ところで、近年半導体微細加工やSIM像
観察等に用いる集束イオンビームは、ビーム径0.1μ
mで電流1nA程度、すなわち電流密度105A/m2の
性能が要求される。従って、3枚電極レンズ14のイオ
ン光学レンズを用いてビーム径を10分の1まで集束し
ても、イオン源から引き出されるイオン電流密度は少な
くとも103A/m2が必要となる。よって図2から電流
密度103A/m2を得るには数エレクトロンボルトの電
子温度の場合、1013/cm3近くの電子密度のプラズ
マが要求される。By the way, in recent years, the focused ion beam used for semiconductor fine processing and SIM image observation has a beam diameter of 0.1 μm.
A current of about 1 nA at m, that is, a current density of 10 5 A / m 2 is required. Therefore, even if the beam diameter is focused to 1/10 using the ion optical lens of the three-electrode lens 14, the ion current density extracted from the ion source must be at least 10 3 A / m 2 . Therefore, when the electron temperature of several electron volts to obtain a current density 10 3 A / m 2 from FIG. 2, 10 13 / cm 3 plasma near the electron density is required.
【0065】一方、ガスがイオンと電子に電離した状態
であるプラズマが中性と見なせる距離、即ちデバイ長λ
dは、真空の誘電率をε0としたとき、On the other hand, the distance at which the plasma, in which gas is ionized into ions and electrons, can be regarded as neutral, that is, the Debye length λ.
d is the dielectric constant of the vacuum is ε 0 ,
【0066】[0066]
【数4】 [Equation 4]
【0067】で表されるが、電子密度Neをパラメータ
にして計算した結果(図6)から上記した電子密度10
13/cm3の場合のデバイ長λdを求めると、数μmとな
る。The electron density Ne is calculated from the result (FIG. 6) calculated with the electron density Ne as a parameter.
The Debye length λd for 13 / cm 3 is several μm.
【0068】また、イオンの初速度が無視できれば、ラ
ングミュアチャイルドの3/2乗則から、電極電位をV
P、シース端電位をV0(シ−ス生成条件、電子温度Te
の−2分の1)、シース厚をαとするとイオン飽和電流
密度JiはIf the initial velocity of the ions can be neglected, the electrode potential is set to V by the Langmuir-Child rule of 3/2.
P , sheath end potential V 0 (seed generation conditions, electron temperature Te
-1/2), and assuming that the sheath thickness is α, the ion saturation current density Ji is
【0069】[0069]
【数5】 [Equation 5]
【0070】となる。よって、電子温度Teをパラメー
タにして数3と数5からシース厚αを求めると、平板電
極の前面には、その電極とシ−ス端電位との電位差に応
じて図7に示すような厚さのイオンシースが形成される
ことになる。It becomes Therefore, when the sheath thickness α is obtained from the equations 3 and 5 using the electron temperature Te as a parameter, the thickness of the flat plate electrode on the front surface is as shown in FIG. 7 according to the potential difference between the electrode and the sheath end potential. The ion sheath of the sea urchin will be formed.
【0071】図7中、VFは浮動電位と呼ばれ、プラズ
マ8から電極に流れ込む電流が零である時のシース端電
位と電極間電圧である。従って、電極に電圧がかからな
い時には、電極前面にはデバイ長の数倍の厚さ10μm
程度のイオンシースが常に存在する。In FIG. 7, V F is called a floating potential and is the sheath end potential and the inter-electrode voltage when the current flowing from the plasma 8 to the electrode is zero. Therefore, when no voltage is applied to the electrodes, a thickness of 10 μm, which is several times the Debye length, is formed on the front surface of the electrodes.
There is always a degree of ion sheath.
【0072】従来、プラズマイオン源を用いた集束イオ
ンビーム加工装置の場合、イオン引き出し機構は、図8
に示すような構造を持ち、引き出し口を持つ従来型引き
出し電極28を基準にして、加速電極5に引き出し電圧
を加える。従来型引き出し電極28、加速電極5間に電
圧を加えない場合は、引き出し口径DHに比べてイオン
シース22の厚さDSが小さく、引き出し口を越えて加
速電極5にまでプラズマ8の領域が広がっている。この
状態ではイオンのみを引き出すことができないため、図
9に示すように、高電圧を加えることによって加速電極
5近傍のイオンシース22を成長させて、プラズマ8が
従来型引き出し電極28の引き出し口を通って加速領域
にまで広がらない状態にする必要がある。Conventionally, in the case of a focused ion beam processing apparatus using a plasma ion source, the ion extraction mechanism is as shown in FIG.
The extraction voltage is applied to the acceleration electrode 5 with reference to the conventional extraction electrode 28 having the structure shown in FIG. When no voltage is applied between the conventional extraction electrode 28 and the acceleration electrode 5, the thickness D S of the ion sheath 22 is smaller than the extraction aperture diameter D H, and the region of the plasma 8 extends beyond the extraction port to the acceleration electrode 5. Is spreading. Since only ions cannot be extracted in this state, as shown in FIG. 9, a high voltage is applied to grow the ion sheath 22 in the vicinity of the accelerating electrode 5 and the plasma 8 causes the extraction port of the conventional extraction electrode 28 to exit. It is necessary to ensure that it does not spread to the acceleration region.
【0073】例えば、従来のプラズマイオン源を用いた
集束イオンビーム加工装置の引き出し機構は電子温度1
eV、電子密度1011/cm3の比較的低密度プラズマ
を利用し、図6からデバイ長は25μmであるので、浮
動電位VFでのシース厚DSはその数倍、100μm程度
となり、引き出し口径DHを1.5mm、従来型引き出
し電極28と加速電極5間に電圧10kVを印加すると
すると、10mPa以下の圧力下での電極間絶縁距離dg
(cm)、絶縁破壊電圧Vb(V)はFor example, the extraction mechanism of a focused ion beam processing apparatus using a conventional plasma ion source has an electron temperature of 1
Since the Debye length is 25 μm from FIG. 6 using eV and a relatively low density plasma with an electron density of 10 11 / cm 3 , the sheath thickness D S at the floating potential VF is several times that, about 100 μm. When DH is 1.5 mm and a voltage of 10 kV is applied between the conventional extraction electrode 28 and the acceleration electrode 5, the insulation distance dg between the electrodes under a pressure of 10 mPa or less.
(Cm), dielectric breakdown voltage Vb (V)
【0074】[0074]
【数6】 [Equation 6]
【0075】の関係が成り立つので、従来型引き出し電
極28と加速電極5の間隔は4mmとなる。Since the relationship of is established, the distance between the conventional extraction electrode 28 and the acceleration electrode 5 is 4 mm.
【0076】しかし、数6の真空中の絶縁破壊電圧に比
べてイオンシース20の絶縁破壊電圧は低いので、プラ
ズマと電極間で絶縁破壊を起こし、十分に引き出すこと
が出来ない。However, since the dielectric breakdown voltage of the ion sheath 20 is lower than the dielectric breakdown voltage in the vacuum of the equation 6, dielectric breakdown occurs between the plasma and the electrode, and it cannot be sufficiently extracted.
【0077】そこで、本発明では、上記した従来のよう
なイオンを引き出すための電界と加速するための電界が
同一となる引き出し機構ではなく、図10に示すよう
に、常に引き出し口径DHに対して、浮動電位のイオン
シース厚DS1がその2分の1以上となる状態で動作させ
ることにより、引き出し電極4に電圧を印加しない状態
でも引き出し電極4を越えて加速領域にプラズマ8を広
がらせず、引き出し電極4の面積に比べて大きく、かつ
プラズマ8に接した図1における基準電極6に対して引
き出し電極4に直接電圧を印加することにより、数十ボ
ルトという低い電圧でも、シース厚DS2となったイオン
シース22を通してイオンを飽和電流値まで引き出すこ
とが可能となる。[0077] In the present invention, rather than a pull-out mechanism of an electric field for accelerating the electric field for extracting ions as in the conventional described above are the same, as shown in FIG. 10, to always drawer diameter D H Then, by operating in a state where the ion sheath thickness D S1 at the floating potential is ½ or more of that, the plasma 8 is spread beyond the extraction electrode 4 to the acceleration region even when no voltage is applied to the extraction electrode 4. However, by directly applying a voltage to the extraction electrode 4 with respect to the reference electrode 6 in FIG. 1 that is larger than the area of the extraction electrode 4 and is in contact with the plasma 8, the sheath thickness D can be reduced even at a voltage as low as several tens of volts. It is possible to extract ions up to the saturation current value through the ion sheath 22 that has become S2 .
【0078】従って、微細加工用集束イオンビームのビ
−ム径0.1μmを得るには、本発明の場合、3枚電極
14で10分の1に絞るので、1μmの引き出し口径を
持つ引き出し電極4を用いている。なお、密度が1013
/cm3のプラズマ8では、イオンシ−ス厚DS1は10
μm程度であり、DS1≧1/2DHを満たしている。ま
た、引き出し電圧を変えてもイオン放出面と引き出し電
極面は常に平行であるので、イオン電流密度は一定であ
るが、イオンは引き出し電極面に垂直に加速されるた
め、従来の引き出し機構に比べて引き出し口を通過した
時点では、全くビ−ムの広がり成分を持たない集束性の
良いビームを発生できる。すなわち、イオンの引き出し
電界と引き出された後の加速電界とを独立に制御するこ
とができるので、直接シースに高電界がかからず、絶縁
破壊することなくイオンを限界値まで引き出すことが可
能となる。なお、絶縁物25上にあるイオンシース制御
電極24には電圧を印加しない。Therefore, in order to obtain the beam diameter of the focused ion beam for microfabrication of 0.1 μm, the extraction electrode having the extraction aperture of 1 μm is used in the case of the present invention because the three-electrode 14 is used to reduce the beam diameter to 1/10. 4 is used. The density is 10 13
With a plasma 8 of / cm 3 , the ion sheath thickness D S1 is 10
It is about μm and satisfies D S1 ≧ 1 / 2D H. Also, even if the extraction voltage is changed, the ion emission surface and the extraction electrode surface are always parallel, so the ion current density is constant, but the ions are accelerated perpendicularly to the extraction electrode surface, so compared to the conventional extraction mechanism. At the point of time when the beam has passed through the extraction port, it is possible to generate a beam having a good focusing property, which has no beam spreading component. That is, since the extraction electric field of the ions and the acceleration electric field after the extraction can be controlled independently, the high electric field is not directly applied to the sheath, and it is possible to extract the ions to the limit value without dielectric breakdown. Become. No voltage is applied to the ion sheath control electrode 24 on the insulator 25.
【0079】一方、図11に示すように引き出し電極4
と絶縁物25で電気的に絶縁されたイオンシース制御電
極24に外部電源により電圧を印加してプラズマ電位に
近づけるか、あるいはイオンシース制御電極24にフィ
ラメント材料を用い、電流加熱や赤外レーザ加熱により
熱電子放出を行うことで、イオンシース制御電極24前
面のシース面の形状を制御することが可能となり、例え
ば、凹形のイオン放出面を形成させて、平面に比べてイ
オン放出面積を大きくしてイオン電流密度を増加させた
り、上記図11におけるシース面と引き出し電極との平
行度を更に微調整することにより放出されるイオンの一
方向性を向上させることが可能となる。On the other hand, as shown in FIG.
A voltage is applied from an external power supply to the ion sheath control electrode 24 electrically insulated by the insulator 25 to bring it closer to the plasma potential, or a filament material is used for the ion sheath control electrode 24 to perform current heating or infrared laser heating. By performing thermionic emission by, it is possible to control the shape of the sheath surface in front of the ion sheath control electrode 24. For example, by forming a concave ion emitting surface, the ion emitting area is made larger than that of a flat surface. Then, by increasing the ion current density or by further finely adjusting the parallelism between the sheath surface and the extraction electrode in FIG. 11, the unidirectionality of the emitted ions can be improved.
【0080】また、このイオンシース制御電極24は従
来の引き出し機構(図9)にも適用でき、イオン放出面
の形状を制御することが可能である。なお、上記各電極
4、24のプラズマに対する電圧の極性を変えることに
より、そのまま電子銃として同様に動作させることもで
きる。The ion sheath control electrode 24 can also be applied to the conventional extraction mechanism (FIG. 9), and the shape of the ion emitting surface can be controlled. By changing the polarity of the voltage with respect to the plasma of each of the electrodes 4 and 24, the electron gun can be operated as it is.
【0081】次に、上記引き出し機構により引き出し電
界と加速電界を独立して制御することができるため、引
き出し口から出たイオンを微細加工に必要な速度に加速
する加速機構が必要となる。そこで、本発明におけるイ
オン加速機構について、図12ないし図14を用いて説
明する。Next, since the extraction electric field and the acceleration electric field can be independently controlled by the extraction mechanism, an acceleration mechanism for accelerating the ions emitted from the extraction port to a speed necessary for fine processing is required. Therefore, the ion acceleration mechanism in the present invention will be described with reference to FIGS. 12 to 14.
【0082】引き出し口から出た一方向性の強いイオン
は、引き出し電極4と加速電極5間の加速電界により加
速されるが、上記したように引き出し口付近の低速度イ
オンは電荷量が大きいために、同一の電荷によるクーロ
ン力で空間電荷効果が働く。この空間電荷効果は主に (1)径方向のイオンビーム発散 (2)軸方向の空間電荷制限による電流制限 であり、イオンビームの性質に直接関わる。従って、図
1における加速後のイオン光学系14、15、16での
集束効果を向上させ、微細加工に必要な集束イオンビー
ムを得るには空間電荷効果を抑制する必要がある。Ions having a strong unidirectionality emitted from the extraction port are accelerated by the accelerating electric field between the extraction electrode 4 and the acceleration electrode 5. However, as described above, the low-velocity ions near the extraction port have a large charge amount. In addition, the Coulomb force with the same charge causes the space charge effect. This space charge effect is mainly (1) ion beam divergence in the radial direction, and (2) current limitation by axial space charge limitation, and is directly related to the properties of the ion beam. Therefore, it is necessary to suppress the space charge effect in order to improve the focusing effect in the ion optical systems 14, 15 and 16 after acceleration in FIG. 1 and obtain a focused ion beam required for fine processing.
【0083】従来、空間電荷効果を抑制するために荷電
粒子による空間電荷の中和が行われる。例えば、イオン
ビームの場合には、図12に示すように集束用電子放出
源12から電子ビーム26を集束イオンビーム20に照
射する。この場合、空間電位をφ、集束イオンビーム2
0の電荷密度をρi、電子ビーム26の電荷密度をρeと
するとポアソンの方程式は、Conventionally, in order to suppress the space charge effect, the space charge is neutralized by charged particles. For example, in the case of an ion beam, the focused ion beam 20 is irradiated with the electron beam 26 from the focusing electron emission source 12 as shown in FIG. In this case, the spatial potential is φ, and the focused ion beam 2
When the charge density of 0 is ρi and the charge density of the electron beam 26 is ρe, Poisson's equation is
【0084】[0084]
【数7】 [Equation 7]
【0085】となる。It becomes
【0086】集束イオンビーム20の電荷密度ρiに対
して、電子ビーム26の電荷密度ρeが大きい場合、数
7から見かけ上、電子による電荷のみとなり、ビーム中
心軸を中心に電位の谷ができ、イオンはこの電位の谷に
捕捉され、ビームの発散が抑えられる。更にラングミュ
アチャイルドの3/2乗則による軸方向の空間電荷制限
を空間電荷の中和により緩和することができる。なお、
図12は、図面の横は縦に対して50倍に拡大されてい
る。When the charge density ρe of the electron beam 26 is higher than the charge density ρi of the focused ion beam 20, apparently from Equation 7, only electric charges by electrons are generated, and a potential valley is formed around the beam center axis. Ions are trapped in this potential valley and the divergence of the beam is suppressed. Furthermore, the axial space charge limitation due to Langmuir Child's 3/2 law can be relaxed by neutralizing the space charge. In addition,
In FIG. 12, the width of the drawing is magnified 50 times with respect to the length.
【0087】しかしながら、上記空間電荷中和法では電
位の谷の径を制御できないために、イオンビームの集束
効果を十分に得ることができない。一方、本発明では、
図12に示すように、電子放出源12から集束イオンビ
ーム20の電荷密度ρiに対して、電子ビーム26の電
荷密度ρeを大きくして径方向に電位の谷を発生させる
だけでなく、加速領域に図1に示した励磁コイル11を
用いて、図12に示す電子ビーム26用閉じこめ磁界を
発生させる。この時の図12におけるA−A’断面を、
図13に示した。励磁コイル11は、4つの巻線コイル
からなり、各巻線コイルには、紙面の裏から表方向に向
かって電流が流れ、磁束密度Bの磁界が発生する。However, the space charge neutralization method cannot control the diameter of the valley of the potential, so that the ion beam focusing effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, in the present invention,
As shown in FIG. 12, not only the charge density ρe of the electron beam 26 is increased with respect to the charge density ρi of the focused ion beam 20 from the electron emission source 12 to generate a potential valley in the radial direction, but also the acceleration region. 2 is used to generate the confining magnetic field for the electron beam 26 shown in FIG. The AA 'cross section in FIG. 12 at this time is
It is shown in FIG. The exciting coil 11 is composed of four winding coils. In each winding coil, a current flows from the back side of the paper toward the front direction, and a magnetic field having a magnetic flux density B is generated.
【0088】この磁界は、図12で示すE×Bによる力
Fを電子に与え、図13に示す電子ビーム集束領域27
に電子ビームを閉じこめる。この結果、磁界の強さによ
って電子ビーム集束領域27、すなわち電位の谷の領域
が制御され、集束イオンビーム20のビーム径および軸
方向の空間電荷制限を制御することができる。また、図
14に示すように、励磁コイル11の左右の巻線コイル
に紙面の表から裏に向かって電流を流せば、電子ビーム
集束領域27の形状が変わり、集束イオンビーム20の
集束領域形状を制御することもできる。This magnetic field gives a force F by E × B shown in FIG. 12 to the electron, and the electron beam focusing region 27 shown in FIG.
Confine the electron beam to. As a result, the intensity of the magnetic field controls the electron beam focusing region 27, that is, the region of the potential valley, and the beam diameter of the focused ion beam 20 and the space charge limitation in the axial direction can be controlled. Further, as shown in FIG. 14, when a current is applied to the left and right winding coils of the exciting coil 11 from the front side to the back side of the drawing, the shape of the electron beam focusing area 27 changes, and the shape of the focusing area of the focused ion beam 20 is changed. Can also be controlled.
【0089】以上、本発明の実施例1によるプラズマイ
オン源では、引き出し電極のイオン引き出し口をイオン
シ−スの厚さよりも小さい半径にすることにより、イオ
ンが引き出し口から加速電極側へ拡散することがなくな
るので、引き出し電極には、プラズマ中のイオンを引き
出すための比較的小さい電圧を印加するだけでよくなっ
た。即ち、プラズマ中に設置された基準電極に対して引
き出し電極に電圧を加えることにより、効率よくプラズ
マに電界がかかり、数十ボルトの低電圧で理論上最大限
のイオンを引き出すことができるようになり、従来の装
置で発生した、プラズマイオン源の引き出し電極付近で
絶縁破壊を引き起こすという問題が解決された。As described above, in the plasma ion source according to the first embodiment of the present invention, the ions are diffused from the extraction port to the acceleration electrode side by setting the ion extraction port of the extraction electrode to have a radius smaller than the thickness of the ion sheath. Therefore, it suffices to apply a relatively small voltage for extracting the ions in the plasma to the extraction electrode. That is, by applying a voltage to the extraction electrode with respect to the reference electrode installed in the plasma, an electric field is efficiently applied to the plasma, and theoretically maximum ions can be extracted with a low voltage of several tens of volts. As a result, the problem of causing dielectric breakdown near the extraction electrode of the plasma ion source, which has occurred in the conventional device, has been solved.
【0090】更に、引き出し電極上にシ−ス面の形状を
制御するイオンシ−ス制御電極を設け、イオン放出面積
を大きくしたことにより、イオン電流密度を増加させる
ことできた。Further, by providing an ion sheath control electrode for controlling the shape of the sheath surface on the extraction electrode and increasing the ion emission area, the ion current density could be increased.
【0091】更に、引き出し電極と加速電極との間に設
けた集束用電子放出源から、引き出し電極側に電子を放
出させることにより、引き出し口付近でまだ十分に加速
されていない電荷量の大きいイオンに対する空間電荷効
果が抑制され、イオンビ−ムを、中心軸のまわりに形成
される電位の谷で径方向に捕捉し、かつ軸方向の電流制
限を緩和させることができるようになった。更に、励磁
コイルで、放出された電子を径方向に閉じ込める磁場を
発生させることにより、電位の谷で捕捉されたイオンビ
−ムの径方向の拡散を抑えることができるようになっ
た。これらにより、プラズマイオン源から、電流密度の
高いイオンビームを引出すことができるようになった。Further, by emitting electrons from the focusing electron emission source provided between the extraction electrode and the acceleration electrode to the extraction electrode side, ions with a large charge amount that have not yet been sufficiently accelerated near the extraction port. The space charge effect on the ion beam is suppressed, the ion beam can be trapped in the radial direction at the valley of the potential formed around the central axis, and the current limitation in the axial direction can be relaxed. Further, by generating a magnetic field for confining the emitted electrons in the radial direction by the exciting coil, it becomes possible to suppress the radial diffusion of the ion beam trapped in the valley of the potential. As a result, an ion beam with a high current density can be extracted from the plasma ion source.
【0092】以上、説明した本発明によるプラズマイオ
ン源を用いて集束イオンビーム加工装置を構成すること
により、即ち、図1における1、2、3、7、8、9か
らなる高密度マイクロ波プラズマ発生機構、図1におけ
る6、図10における4、24、25からなるイオン引
き出し機構、図1における11、図12における4、
5、12からなる電子ビーム・磁界集束機構、および図
1における14、15、16からなるイオン光学系を用
いて構成することにより、従来のプラズマイオン源を用
いた集束イオンビーム加工装置に比べ、約10分の1の
ビーム径0.1μmで、かつ約100倍の電流密度105
A/m2の金属イオンを含まない集束イオンビームを発
生することが可能となり、試料を不純物で汚染すること
なく極微細な加工を行なうことができる。By constructing a focused ion beam processing apparatus using the plasma ion source according to the present invention described above, that is, high-density microwave plasma consisting of 1, 2, 3, 7, 8, and 9 in FIG. Generation mechanism, 6 in FIG. 1, ion extraction mechanism consisting of 4, 24, 25 in FIG. 10, 11 in FIG. 1, 4 in FIG.
By using the electron beam / magnetic field focusing mechanism consisting of 5 and 12 and the ion optical system consisting of 14, 15 and 16 in FIG. 1, as compared with the conventional focused ion beam processing apparatus using the plasma ion source, 1 having a beam diameter 0.1μm to about 10 minutes, and about 100 times the current density of 10 5
It is possible to generate a focused ion beam containing no metal ions of A / m 2 , and it is possible to perform extremely fine processing without contaminating the sample with impurities.
【0093】また、本実施例では被加工物18を集束イ
オンビーム20の物理的衝撃により加工するのみではな
く、物理的衝撃に伴って被加工物18の表面から放出さ
れる二次粒子21を二次粒子検出器17で電気信号とし
て検出し、集束イオンビーム20の走査に同期してCR
T上を走査している輝点に輝度変調をかけることによ
り、二次粒子像を得て、被加工物18の加工状態を観察
しながら微細加工を行うことができる。Further, in the present embodiment, not only the workpiece 18 is processed by the physical impact of the focused ion beam 20, but also the secondary particles 21 emitted from the surface of the workpiece 18 due to the physical impact are processed. The secondary particle detector 17 detects as an electric signal, and CR is performed in synchronization with the scanning of the focused ion beam 20.
By subjecting the bright spot scanning on T to brightness modulation, a secondary particle image can be obtained and fine processing can be performed while observing the processing state of the workpiece 18.
【0094】なお、プラズマ生成部に関して上記発生機
構は一例であり、無電極放電で高密度プラズマを生成で
きる発生機構であれば特に制限はない。The above-mentioned generation mechanism is an example for the plasma generation section, and there is no particular limitation as long as it is a generation mechanism capable of generating high-density plasma by electrodeless discharge.
【0095】以上説明したように、本発明の実施例1の
プラズマイオン源を用いた集束イオンビ−ム加工装置
は、ビーム径0.1μm、電流密度105A/m2の集束
イオンビームを発生させることができ、半導体製造ライ
ンを流れるウエハまたはデバイスの微細な加工が可能で
ある。一方、半導体製造ラインを流れるウエハまたはデ
バイスは多層構造を持ち、そのウエハまたはデバイスの
製造来歴を検査、修正するには表面に対して下層にある
パタ−ンまで深く掘り下げることが必要になる。As described above, the focused ion beam processing apparatus using the plasma ion source according to the first embodiment of the present invention generates a focused ion beam having a beam diameter of 0.1 μm and a current density of 10 5 A / m 2. Therefore, fine processing of wafers or devices flowing through a semiconductor manufacturing line is possible. On the other hand, a wafer or device flowing through a semiconductor manufacturing line has a multi-layered structure, and it is necessary to deeply dig down to a pattern underlying a surface in order to inspect and correct the manufacturing history of the wafer or device.
【0096】この際、検査あるいは修正をする層に達す
るまで、イオンビ−ム径に対して数倍から数百倍の径も
しくは辺を持つ大きな断面積を有する上記深穴を掘らな
ければならない。しかし、ビーム径0.1μm、電流密
度105A/m2のイオンビ−ムでは、上記大面積深穴を
加工するには長時間を要するため、同じ電流密度でビー
ム径0.1μmの数倍から数十倍の、径の太いイオンビ
−ムを形成すること必要となる。そこで、本発明のプラ
ズマイオン源を用いた集束イオンビ−ム装置では、電流
密度を下げずにビーム径0.1μmの数倍から数十倍の
径を有する、大口径高密度集束イオンビ−ムを発生する
機能も有している。At this time, it is necessary to dig the deep hole having a large cross-sectional area having a diameter or side several times to several hundred times the diameter of the ion beam until reaching the layer to be inspected or modified. However, with an ion beam having a beam diameter of 0.1 μm and a current density of 10 5 A / m 2 , it takes a long time to process the large-area deep hole, and therefore the beam diameter is several times that of 0.1 μm at the same current density. Therefore, it is necessary to form an ion beam having a diameter of several tens of times. Therefore, in the focused ion beam apparatus using the plasma ion source of the present invention, a large-diameter high-density focused ion beam having a diameter several times to several tens times the beam diameter 0.1 μm without lowering the current density is provided. It also has a function to occur.
【0097】また、上記プラズマイオン源を用いたイオ
ンビーム処理装置は、上記した集束イオンビーム加工装
置に限定されるものではなく、シリコンウエハ検査装置
や二次イオン質量分析装置、表面異物検査装置、FIB
アシストデポジション等にも容易に摘要できることは、
言うまでもない。The ion beam processing apparatus using the plasma ion source is not limited to the focused ion beam processing apparatus described above, but may be a silicon wafer inspection apparatus, a secondary ion mass spectrometer, a surface foreign matter inspection apparatus, FIB
What can be easily applied to assist deposition, etc.
Needless to say.
【0098】次に、本発明によるこの大口径高密度集束
イオンビーム形成機構について、図15から図27で説
明する。ここで、上記したプラズマイオン源で説明して
構成要素と同じものについては、同じ番号を付して説明
する。Next, the large-diameter high-density focused ion beam forming mechanism according to the present invention will be described with reference to FIGS. 15 to 27. Here, the same components as those described in the above-mentioned plasma ion source will be denoted by the same reference numerals.
【0099】図15は、図10に示した引き出し電極4
と電極間絶縁破壊の式である数6により決定される距離
にある加速電極5を示した図である。この時、プラズマ
の状態は電子密度Ne、電子温度Teで表され、引き出
し電極4の電位は接地電位に対してVe、加速電極5は
接地電位に対してVaの電位を持つ。図5に示したよう
に、プラズマから引き出しえるイオン電流の電流密度は
電子密度Ne、電子温度Teで決まり、図7で示した引
き出し電極4の前面にイオンシ−スが発生するプラズマ
電位Vpと引き出し電極4の電位差Vf以上の電位差を
作れば、常に一定のイオン電流密度を得ることができ
る。しかし、DS(シ−ス厚)≧1/2DH 1(引き出し
口径)を満足しなければ、プラズマが引き出し電極4と
加速電極5間に広がり出てしまうため、単純に引き出し
口径を大きくするだけで、前述したような高密度のイオ
ンビ−ムを発生させることはできない。FIG. 15 shows the extraction electrode 4 shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing an accelerating electrode 5 located at a distance determined by Equation 6 which is a formula of inter-electrode dielectric breakdown. At this time, the plasma state is represented by electron density Ne and electron temperature Te, the potential of the extraction electrode 4 is Ve with respect to the ground potential, and the acceleration electrode 5 has the potential of Va with respect to the ground potential. As shown in FIG. 5, the current density of the ion current that can be extracted from the plasma is determined by the electron density Ne and the electron temperature Te, and the plasma potential Vp and the plasma potential Vp at which the ion sheath is generated on the front surface of the extraction electrode 4 shown in FIG. By creating a potential difference equal to or more than the potential difference Vf of the electrode 4, it is possible to always obtain a constant ion current density. However, if D S (seed thickness) ≧ 1 / 2D H 1 (drawing aperture diameter) is not satisfied, plasma spreads out between the extracting electrode 4 and the accelerating electrode 5, so that the extracting aperture diameter is simply increased. It is not possible to generate a high-density ion beam as described above.
【0100】一方、「電子・イオンビームハンドブッ
ク;日本学術振興会第132委員会編;日刊工業新聞
社」123〜129頁に述べられているように、引き出
し口のような円孔が存在するとき、その付近の電界によ
って、イオンの軌道が変化するため、ビームの焦点距離
が移動し、一種のレンズ作用(イオンレンズ効果)をす
る。On the other hand, as described in "Electronic / Ion Beam Handbook; 132nd Committee, Japan Society for the Promotion of Science; Nikkan Kogyo Shimbun", pages 123 to 129, when a circular hole such as an outlet exists. , And the electric field in the vicinity thereof changes the trajectories of the ions, so that the focal length of the beam moves, which causes a kind of lens action (ion lens effect).
【0101】従って、引き出し口径を変えずにビ−ム径
を変えるには、加速電圧Vaを調整して、引き出し口付
近での上記イオンレンズ効果を利用することになる。し
かしながら、前記方法はビ−ムをデフォ−カスすること
になり、電流密度は減少してしまう。そこで、マイクロ
波源の出力を大きくし、プラズマ密度を上げて電子密度
Neを増加させることにより、前記条件で電流密度を一
定に保つ方法も考えられるが、図27に示す様に、電子
密度Neが増加するにつれ、シ−ス厚が減少するのでD
S(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口径)を満足で
きなくなる。Therefore, in order to change the beam diameter without changing the extraction port diameter, the acceleration voltage Va is adjusted and the ion lens effect near the extraction port is utilized. However, the above method defocuses the beam, and the current density is reduced. Therefore, a method of keeping the current density constant under the above conditions by increasing the output of the microwave source and increasing the plasma density to increase the electron density Ne is also conceivable. However, as shown in FIG. Since the thickness of the sheath decreases as it increases, D
It becomes impossible to satisfy S (thickness thickness) ≥ 1 / 2D H1 (drawer diameter).
【0102】一方、図16に示すように、電子密度を増
加させても、図7で示した様に前記電位差すなわちシ−
ス端−平板電極間電圧が変化するとシ−スの厚さは変化
し、DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口径)を
満足させるシ−ス端−平板電極間電圧以上の電圧を印加
すれば、プラズマが引き出し電極4と加速電極5間に広
がり出ずに、引き出すことが可能となり、加速電圧Va
を調整して、引き出し口付近でのイオンレンズ効果を利
用し、ビ−ムをデフォ−カスして加速電極5のイオン通
過口径DH2以下の太いイオンビ−ムを得ることが可能と
なる。しかし、上記したような、電極構造は変えずにイ
オンビ−ム径を変更する方法では、ビ−ム径を変更する
ために加速電圧Vaが変化してしまう。On the other hand, as shown in FIG. 16, even if the electron density is increased, as shown in FIG.
If the voltage between the end of the plate and the plate electrode changes, the thickness of the case changes, and the voltage between the end of the plate and the plate electrode that satisfies D S (the case thickness) ≥ 1 / 2D H1 (drawing port diameter) is satisfied. By applying the voltage of, the plasma can be extracted without spreading between the extraction electrode 4 and the acceleration electrode 5, and the acceleration voltage Va
Adjust, using ion lens effect near outlet, bi - beam the Deformation - Kas to ion passage of the accelerating electrode 5 diameter D H2 less thick ion beam - makes it possible to obtain a beam. However, in the method of changing the ion beam diameter without changing the electrode structure as described above, the accelerating voltage Va changes because the beam diameter is changed.
【0103】そこで、本発明による大口径高密度イオン
ビームを形成する方法においては、加速電圧Vaを変化
させずにイオンビ−ム径を変更する方法として、電極構
造を変える必要があり、図17、18に示すように引き
出し電極4に変えて、引き出し口にテ−パを付けたテ−
パ引き出し電極204を用いる構成とした。Therefore, in the method of forming a large-diameter high-density ion beam according to the present invention, it is necessary to change the electrode structure as a method of changing the ion beam diameter without changing the acceleration voltage Va. As shown in 18, a taper is attached to the extraction port instead of the extraction electrode 4.
It is configured to use the pad lead electrode 204.
【0104】図17には、イオンビ−ムの径を通常の加
工に用いるような微小な径に設定した場合を、また、図
18には、図17におけるシ−ス端−平板電極間電圧を
一定のままに維持して電子密度Neを増加させた場合の
状態を示す。図18では、図17の状態と比較してシ−
ス厚が減少し、DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出
し口径)が満足されなくなる。しかし、完全にプラズマ
がテ−パ引き出し電極204と加速電極5間に広がり出
ない程度に電子密度を増加させると、イオン放出面は引
き出し口の付近で引き出し方向に向かって凸となり、イ
オンはこのイオン放出面に垂直に放出されるので、テ−
パ引き出し口付近でのイオンレンズ効果を利用せずに、
ビ−ムをデフォ−カスすることができる。なお、テ−パ
引き出し口はイオン放出面から出たイオンを側壁で消滅
させない効果を持つ。FIG. 17 shows the case where the diameter of the ion beam is set to a minute diameter used for normal processing, and FIG. 18 shows the voltage between the sheath end and the plate electrode in FIG. The state in which the electron density Ne is increased by maintaining the same is shown. In FIG. 18, compared with the state of FIG.
The thickness of the sheet decreases, and D S (the thickness of the sheet) ≧ 1 / 2D H1 (drawer aperture) is no longer satisfied. However, when the electron density is increased to the extent that plasma does not completely spread between the taper extraction electrode 204 and the acceleration electrode 5, the ion emission surface becomes convex in the extraction direction near the extraction port, and the ions are Since it is emitted perpendicularly to the ion emission surface,
Without using the ion lens effect near the drawer port,
The beam can be defocused. The taper outlet has an effect of preventing the ions emitted from the ion emitting surface from being erased on the side wall.
【0105】この結果、プラズマの電子密度Neを変化
させるのみで、大口径高密度のイオンビ−ムを発生させ
ることが可能となる。As a result, it is possible to generate an ion beam with a large diameter and a high density simply by changing the electron density Ne of the plasma.
【0106】また、図19、20には、プラズマの状
態、電子密度Ne、電子温度Te一定、加速電位Va一
定のままで、イオンビ−ム径を変化させる方法を示す。
電極構造として引き出し電極4に替えて移動式引き出し
電極304を用いる。すなわち移動式引き出し電極30
4は数種類の径の引き出し口を備えており、必要に応じ
て移動式引き出し電極304を水平移動して、プラズマ
に接しない位置に退避していた必要な径を持った引き出
し口をイオンビ−ム軸に移動できる。19 and 20 show a method of changing the ion beam diameter while keeping the plasma state, the electron density Ne, the electron temperature Te constant, and the acceleration potential Va constant.
As the electrode structure, a movable extraction electrode 304 is used instead of the extraction electrode 4. That is, the movable extraction electrode 30
Numeral 4 is provided with outlets of several kinds of diameters, and the movable extraction electrode 304 is horizontally moved as necessary to retreat to a position where it does not come into contact with plasma. Can move to the axis.
【0107】微小径ビーム用の図19での引き出し口3
041を移動させ、図20の大口径ビーム用の引き出し
口3042をイオンビーム軸に移動することで変更し、
DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口径)が満
足するよう、図7に基づき、シ−ス端−平板電極間電圧
を調整する。その結果、プラズマの状態を示す電子密度
Ne、電子温度Te一定、加速電位Va一定のままで、
イオンビ−ム径を変化させることが可能となる。Drawing port 3 in FIG. 19 for a small diameter beam
041 is moved to change the extraction port 3042 for the large-diameter beam in FIG. 20 to the ion beam axis,
The voltage between the edge of the sheath and the plate electrode is adjusted based on FIG. 7 so that DS (chassis thickness) ≧ 1/2 DH1 (drawing aperture) is satisfied. As a result, the electron density Ne indicating the plasma state, the electron temperature Te constant, and the accelerating potential Va constant,
It is possible to change the ion beam diameter.
【0108】更に、図21、22にはプラズマの状態を
示す電子密度Ne、電子温度Te一定、加速電圧Va一
定のままで、イオンビ−ム径を変化させる別の方法を示
す。電極構造として、引き出し電極4に替えて多孔式引
き出し電極406を用いる。多孔式引き出し電極406
の上には、シ−ス面制御電極404,404´及び絶縁
板405,405´が、多孔式引き出し電極406の中
心の引き出し口4061,4062上に設けられてい
る。21 and 22 show another method of changing the ion beam diameter while keeping the electron density Ne, the electron temperature Te constant, and the accelerating voltage Va constant indicating the plasma state. As the electrode structure, a porous extraction electrode 406 is used instead of the extraction electrode 4. Porous extraction electrode 406
On the upper side, the sheath surface control electrodes 404, 404 'and the insulating plates 405, 405' are provided on the central extraction ports 4061, 4062 of the porous extraction electrode 406.
【0109】図21に示すように、微小径ビーム形成時
には、DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口
径)の条件を満たすようにシ−ス面制御電極404に電
圧が印加され、更に、多孔式引き出し電極406にもシ
−ス面制御電極404と同じ電圧あるいはそれ以下で、
DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口径)を満
たす電圧が印加されている。この時、イオン放出面は、
シ−ス厚を保持するためにシ−ス面制御電極404の形
状に沿った形で形成される。よって、シ−ス面制御電極
404の電圧を調整することでイオンは多孔式引き出し
電極406の中心の引き出し口4061に集中し、周囲
の引き出し口4061´からは引き出されない。従っ
て、中央の引き出し口4061から、微小径のイオンビ
−ムが引き出される。As shown in FIG. 21, at the time of forming a beam with a small diameter, a voltage is applied to the sheath surface control electrode 404 so as to satisfy the condition of DS (sheath thickness) ≧ 1 / 2DH1 (drawing aperture diameter), Furthermore, the same voltage as the sheath surface control electrode 404 or less is applied to the porous extraction electrode 406,
A voltage satisfying DS (sheet thickness) ≧ 1/2 DH1 (drawing aperture) is applied. At this time, the ion emission surface is
In order to maintain the sheath thickness, the sheath surface control electrode 404 is formed in a shape conforming to the shape of the sheath surface control electrode 404. Therefore, by adjusting the voltage of the sheath surface control electrode 404, the ions are concentrated in the central extraction port 4061 of the porous extraction electrode 406 and are not extracted from the peripheral extraction port 4061 '. Therefore, an ion beam having a minute diameter is drawn out from the central outlet 4061.
【0110】一方、図22に示すように、シ−ス面制御
電極404に印加された電圧をDS(シ−ス厚)≧1/
2DH1(引き出し口径)を保ちながら調整し、イオン
放出面を多孔式引き出し電極406に平行になるまでシ
−ス端−平板電極間電圧を下げる。この結果、多孔式引
き出し電極406の有する引き出し口4061および4
061´全体から、均等に一定電流密度で引き出され、
加速電圧の調整による引き出し口4061および406
1´付近でのイオンレンズ効果を利用して、各ビ−ムを
デフォ−カスして加速電極5に設けられた通過口径DH
2(=ビ−ム径DB)の大口径高密度イオンビ−ムが発
生可能となる。On the other hand, as shown in FIG. 22, the voltage applied to the sheath surface control electrode 404 is set to DS (the sheath thickness) ≧ 1 /
Adjustment is performed while maintaining 2DH1 (drawing aperture diameter), and the voltage between the sheath end and the plate electrode is lowered until the ion emission surface becomes parallel to the porous extraction electrode 406. As a result, the extraction ports 4061 and 4 of the porous extraction electrode 406 are provided.
061 'is uniformly drawn at a constant current density,
Outlets 4061 and 406 by adjusting the acceleration voltage
By using the ion lens effect in the vicinity of 1 ', each beam is defocused and a passage diameter DH provided in the acceleration electrode 5 is provided.
A large diameter high density ion beam of 2 (= beam diameter DB) can be generated.
【0111】次に、図23、24にはテ−パ引き出し電
極204を用いた場合と同様に、プラズマの状態を示す
電子密度Neの変化によりイオンビ−ム径を変化させ
る、別の方法を示す。電極構造として、引き出し電極4
の下方にテ−パ絶縁スペ−サ506を挟んで、メッシュ
電極505を設置し、その下方には、加速電極5が設置
される。Next, FIGS. 23 and 24 show another method of changing the ion beam diameter by changing the electron density Ne indicating the plasma state, as in the case of using the taper extraction electrode 204. . As the electrode structure, the extraction electrode 4
A mesh electrode 505 is installed under the tape insulating spacer 506, and an acceleration electrode 5 is installed below the mesh electrode 505.
【0112】図23に示すように、微小径ビーム形成時
には、DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口
径)を満たした状態でイオンが引き出される。引き出さ
れたイオンは、メッシュ電極505に印加された加速電
圧により加速されかつ、引き出し口径DH1より小さい
メッシュ電極505の通過口径DH2により微小径のイ
オンビ−ムとなる。なお、微小径ビーム形成時には、メ
ッシュ電極505の下方に設置された加速電極5に、二
次加速電圧が印加される。As shown in FIG. 23, at the time of forming a beam with a small diameter, ions are extracted in a state of satisfying DS (sheet thickness) ≧ 1 / 2DH1 (extraction aperture). The extracted ions are accelerated by the accelerating voltage applied to the mesh electrode 505 and become an ion beam having a minute diameter due to the passage diameter DH2 of the mesh electrode 505 smaller than the extraction diameter DH1. During the formation of the small-diameter beam, a secondary acceleration voltage is applied to the acceleration electrode 5 installed below the mesh electrode 505.
【0113】一方、図24では、DS(シ−ス厚)<1
/2DH1(引き出し口径)となる電子密度Neまで増
加してプラズマの状態を変化させ、プラズマが引き出し
電極4とメッシュ電極505間に広がり出す状態とす
る。前記空間にテ−パの付いた絶縁スペ−サ506に沿
って広がったプラズマは、メッシュ電極505に接し、
メッシュ電極505が引き出し電極の役割を果たすよう
になる。この時、引き出し電極として作用するメッシュ
電極505にはDS(シ−ス厚)≧1/2DH2(引き
出し口径)を満足する電圧が印加される一方、引き出し
電極4には電圧は印加せず、浮遊電極としておく。On the other hand, in FIG. 24, DS (seed thickness) <1
The electron density Ne is increased to / 2DH1 (drawing aperture diameter) to change the plasma state so that the plasma spreads between the extraction electrode 4 and the mesh electrode 505. The plasma spread along the insulating spacer 506 having a taper in the space contacts the mesh electrode 505,
The mesh electrode 505 plays a role of the extraction electrode. At this time, the mesh electrode 505 acting as the extraction electrode is applied with a voltage satisfying DS (chassis thickness) ≧ 1 / 2DH2 (extraction aperture), while the extraction electrode 4 is not applied with a voltage and floats. Leave as an electrode.
【0114】この結果、広がり出たプラズマと接するメ
ッシュ電極505上の引き出し口から、イオンが引き出
される。更に、電子密度を増加させると、テ−パ絶縁ス
ペ−サ側壁及びメッシュ電極505の前面に発生したシ
−ス厚は短くなり、プラズマと接する引き出し口数は多
くなり、引き出されるイオンビ−ム本数は多くなる。こ
の時、メッシュ電極505の下方に設置された加速電極
5にはメッシュ電極505から引き出されたイオンビ−
ムを加速するための電圧が印加される。また、引き出し
口付近のイオンレンズ効果を利用してデフォ−カスする
ことにより、多孔イオンビ−ムを、大口径高密度の太い
1本のイオンビ−ムにすることが可能となる。As a result, ions are extracted from the extraction port on the mesh electrode 505 which is in contact with the expanded plasma. Further, when the electron density is increased, the thickness of the sheath generated on the side wall of the taper insulating spacer and the front surface of the mesh electrode 505 is shortened, the number of extraction ports in contact with plasma is increased, and the number of extracted ion beams is increased. Will increase. At this time, the ion beam extracted from the mesh electrode 505 is applied to the accelerating electrode 5 installed below the mesh electrode 505.
A voltage is applied to accelerate the beam. Further, by defocusing by utilizing the ion lens effect in the vicinity of the outlet, the porous ion beam can be made into one thick ion beam having a large diameter and a high density.
【0115】更に、図25、26には、プラズマの状
態、引き出し電圧及び加速電圧を変えずにイオンビ−ム
径を変化させる方法を示す。電極構造として、メッシュ
引き出し電極604及び移動式加速電極605、及びそ
の下方には加速電極5が設置される。図25に示すよう
に、DS(シ−ス厚)≧1/2DH1(引き出し口径)
を満たす電子密度Ne及びシ−ス端−平板電極間電圧と
し、メッシュ引き出し電極604の引き出し口6041
からイオンを引き出す。引き出された多孔イオンビ−ム
は移動式加速電極605により均一に加速されるが、微
小径ビーム形成時には、移動式加速電極605の通過口
6051は、微小径ビーム形成に必要なビ−ム径DBの
みが開いているだけで、通過できないイオンは移動式加
速電極605面で消滅する。なお、移動式加速電極60
5を通過したイオンビ−ムは、下方に設置された加速電
極5(図示せず、図22参照)により2次加速される。Further, FIGS. 25 and 26 show a method of changing the ion beam diameter without changing the plasma state, the extraction voltage and the acceleration voltage. As the electrode structure, the mesh extraction electrode 604 and the movable acceleration electrode 605, and the acceleration electrode 5 are installed below the mesh extraction electrode 604 and the movable acceleration electrode 605. As shown in FIG. 25, DS (case thickness) ≧ 1/2 DH1 (drawer aperture)
The electron density Ne and the voltage between the edge of the sheath and the plate electrode satisfying the above conditions are set, and the extraction port 6041 of the mesh extraction electrode 604 is set.
Pull out the ions from. The extracted porous ion beam is uniformly accelerated by the movable accelerating electrode 605, but when forming a small diameter beam, the passage opening 6051 of the movable accelerating electrode 605 has a beam diameter DB required for forming a small diameter beam. Ions that cannot be passed though only open are eliminated on the surface of the mobile acceleration electrode 605. The mobile accelerating electrode 60
The ion beam passing through 5 is secondarily accelerated by an accelerating electrode 5 (not shown, see FIG. 22) installed below.
【0116】一方、図26では、図25の微細加工時に
はプラズマに接しない位置に退避していた大口径用の通
過口6052が機械的に水平方向に移動して、イオンビ
−ム軸に設置される。この結果、図25では通過できな
かったイオンビ−ムが移動式加速電極605を通過でき
るようになり、下方に設置された加速電極5(図示せ
ず、図22参照)により2次加速された後、大口径で高
密度のイオンビ−ムが得られる。なお、図25、26の
どちらにおいても、引き出し口6041付近のイオンレ
ンズ効果を利用して、イオンビ−ムをデフォ−カスして
いる。On the other hand, in FIG. 26, the passage opening 6052 for a large diameter, which has been retracted to the position where it does not come into contact with plasma during the fine processing of FIG. 25, is mechanically moved in the horizontal direction and installed on the ion beam shaft. It As a result, ion beams that could not pass through in FIG. 25 can pass through the mobile accelerating electrode 605, and after secondary acceleration by the accelerating electrode 5 (not shown, see FIG. 22) installed below. A large-diameter, high-density ion beam can be obtained. 25 and 26, the ion beam is defocused by utilizing the ion lens effect near the extraction port 6041.
【0117】以上に説明したような、大口径高密度集束
イオンビーム形成機構を設けた集束イオンビーム装置
を、大面積深穴の加工に用いることにより、半導体製造
ラインを流れるウエハまたはデバイスの、断面観察や配
線修正を高速に実行することが可能となる。By using the focused ion beam apparatus provided with the large-diameter high-density focused ion beam forming mechanism as described above for processing a large-area deep hole, a cross section of a wafer or device flowing through a semiconductor manufacturing line can be obtained. It becomes possible to perform observation and wiring correction at high speed.
【0118】更に、以上に説明したような、本発明によ
るプラズマイオン源を用いた集束イオンビ−ム処理装置
は、金属イオンによる試料の汚染がないため、シリコン
ウエハ検査装置や二次イオン質量分析装置、表面異物検
査装置、FIBアシストデポジション等に摘要できる。
また更に、半導体製造ライン上でのLSIやマスクの修
正が可能になり、製品の歩留まりを向上させることがで
きる。また、IMA(Ion Micro Analyzer)等の評価計
測分野に対しても、金属イオンによる汚染を生ずること
なく、被測定物のSIM像を観察できる。また、二次イ
オン質量分析装置等の分析装置にも容易に摘要できる。Further, in the focused ion beam processing apparatus using the plasma ion source according to the present invention as described above, since the sample is not contaminated by the metal ions, the silicon wafer inspection apparatus or the secondary ion mass spectrometer is used. , Surface foreign matter inspection device, FIB assist deposition, etc.
Furthermore, it is possible to correct the LSI and the mask on the semiconductor manufacturing line, and the product yield can be improved. Further, even in the field of evaluation and measurement such as IMA (Ion Micro Analyzer), the SIM image of the measured object can be observed without causing contamination by metal ions. Further, it can be easily applied to an analyzer such as a secondary ion mass spectrometer.
【0119】(実施例2)本実施例2では、集束イオン
ビームの発生源としてゲルマニウム単体をイオン材料と
したゲルマニウムEHDイオン源(以下、Ge−EHD
イオン源と略記)を用いた集束イオンビーム装置につい
て説明する。(Example 2) In Example 2, a germanium EHD ion source (hereinafter, referred to as Ge-EHD) using germanium simple substance as an ion material as a focused ion beam generation source.
A focused ion beam device using an ion source will be described.
【0120】まず、本発明によるGe−EHDイオン源
の全体構成を図29に示す。図29において、101は
針状電極(エミッタとも言う)、103は溜め部(リザ
ーバとも言う)、107、107’は導線(フィラメン
トとも言う)、108は引出し電極である。First, FIG. 29 shows the overall structure of the Ge-EHD ion source according to the present invention. In FIG. 29, 101 is a needle electrode (also called an emitter), 103 is a reservoir (also called a reservoir), 107 and 107 'are conducting wires (also called filaments), and 108 is an extraction electrode.
【0121】エミッタ101はエミッタ支持端子102
に固定され、リザーバ103を貫通して設置されてい
る。リザーバ103内にはイオン材料(本実施例ではゲ
ルマニウム単体)104が充填され、絶縁性の座105
に固着された電流導入端子106、106’を通して導
入される電流によってフィラメント107、107’、
リザーバ103が加熱され、リザーバ103内のゲルマ
ニウム104が溶融状態になりエミッタ101先端に達
する。ここで、引出し電極108にエミッタ101電位
に対して負の高電圧(電源などは図示せず)を印加する
ことで、エミッタ101先端の溶融ゲルマニウム104
はイオン109となって放出される。The emitter 101 is an emitter support terminal 102.
It is fixed to and is installed so as to penetrate the reservoir 103. The reservoir 103 is filled with an ionic material (germanium alone in this embodiment) 104, and has an insulating seat 105.
The filaments 107, 107 ', by the current introduced through the current introducing terminals 106, 106' fixed to the
The reservoir 103 is heated, and the germanium 104 in the reservoir 103 is melted and reaches the tip of the emitter 101. Here, by applying a negative high voltage (a power source and the like is not shown) with respect to the potential of the emitter 101 to the extraction electrode 108, the molten germanium 104 at the tip of the emitter 101 is applied.
Are released as ions 109.
【0122】エミッタ101の具体的形状は、シャフト
径0.25mm、先端半径50°、先端曲率半径約2μ
mの針状で、リザーバ103は内径0.7mm、外径
1.0mm、高さ2mmの円管状である。エミッタとリ
ザーバの材質は前節で詳述したように、通常よく用いら
れているタングステンではなく、いずれも炭化タングス
テン(WC)である。また、直径0.1mmのフィラメ
ント107、107’もWCからなる。また、座105
はアルミナセラミック製である。The specific shape of the emitter 101 is a shaft diameter of 0.25 mm, a tip radius of 50 °, and a tip curvature radius of about 2 μ.
The reservoir 103 is in the shape of a needle having a diameter of m, and has an inner diameter of 0.7 mm, an outer diameter of 1.0 mm, and a height of 2 mm. As described in detail in the previous section, the material of the emitter and the reservoir is not the commonly used tungsten, but tungsten carbide (WC). Further, the filaments 107 and 107 'having a diameter of 0.1 mm are also made of WC. Also, the seat 105
Is made of alumina ceramic.
【0123】動作温度(リザーバ温度)は950℃から
970℃以内に設定することで長時間動作が期待でき
る。1000℃以上の動作温度にすると、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
縁破壊を生じ適切ではない。逆に、950℃以下ではエ
ミッタ先端のゲルマニウムが凝固し、これも安定イオン
放出を阻害する。By setting the operating temperature (reservoir temperature) within 950 ° C. to 970 ° C., long-time operation can be expected. If the operating temperature is 1000 ° C. or higher, the ionic material is significantly vaporized, resulting in shortened life and dielectric breakdown due to adhesion to an insulator, which is not appropriate. On the contrary, at 950 ° C. or lower, germanium at the tip of the emitter is solidified, which also hinders stable ion emission.
【0124】本イオン源は、イオン材料にGe単体を
用いたため一次イオンビーム内に重金属、ドーパント元
素イオンを含むことはなく、試料面への重金属、ドーパ
ント元素の汚染を除去したこと、エミッタ、リザーバ
材に炭化タングステンを用いいたため溶融Geとの反応
を軽減し、長寿命化が実現したことで、引いてはイオン
源の交換までの時間が長くなった、という利点を有す
る。The present ion source does not include heavy metals and dopant element ions in the primary ion beam because Ge simple substance is used as the ionic material, and the contamination of the sample surface with heavy metals and dopant elements has been removed. Since tungsten carbide is used as the material, the reaction with molten Ge is reduced, and the life is extended, which has the advantage that the time taken to replace the ion source becomes longer.
【0125】次に、上記Ge−EHDイオン源を搭載し
た集束イオンビーム装置の一実施例を、Siウエハ検査
装置に適用した例を、図28を用いて説明する。Next, an example in which one embodiment of the focused ion beam apparatus equipped with the Ge-EHD ion source is applied to a Si wafer inspection apparatus will be described with reference to FIG.
【0126】最大加速電圧30kVのFIB装置110
に、本発明によるGe-EHDイオン源111を搭載し
た。112はGe-EHDイオン源のエミッタ、113は
引出し電極を示し、FIB光学系は、イオン源から放出
したイオンの拡がりを制限するビーム制限アパチャ11
4、集束レンズ115、115’、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)116、絞り
117、偏向器118などから成る。試料台119上の
試料120にGe-FIB121を照射し、照射地点から
放出した二次電子122を二次電子検出器123に取り
込み、Ge-FIB121の偏向とCRT(図示せず)の
走査を同期させることでCRT上にGe-FIB121走
査領域の二次電子像を描かせることができる。FIB device 110 having maximum acceleration voltage of 30 kV
In addition, the Ge-EHD ion source 111 according to the present invention was mounted. Reference numeral 112 denotes an emitter of the Ge-EHD ion source, 113 denotes an extraction electrode, and the FIB optical system has a beam limiting aperture 11 for limiting the spread of the ions emitted from the ion source.
4, focusing lenses 115 and 115 ′, an E × B mass separator (Wien filter) 116 in which an electric field and a magnetic field are superimposed, a diaphragm 117, a deflector 118, and the like. The Ge-FIB 121 is irradiated to the sample 120 on the sample table 119, the secondary electrons 122 emitted from the irradiation point are taken into the secondary electron detector 123, and the deflection of the Ge-FIB 121 and the scanning of the CRT (not shown) are synchronized. By doing so, a secondary electron image of the Ge-FIB121 scanning area can be drawn on the CRT.
【0127】本発明に基づく実施例2の特徴の一つは、
ビーム制限アパチャ114、絞り117はシリコン板で
作成したことにある。Ge−EHDイオン源111から
放出したGeイオンがイオン光学部品、特に、ビーム制
限アパチャ114、絞り117を照射し、そこから生じ
る二次粒子、二次イオンが試料に到達して汚染源となる
ためである。したがって、従来アパチャなどに頻繁に用
いられていたモリブデンやタングステンは用いず、シリ
コン板を用いた。シリコン板のほかに、炭素板、炭化シ
リコン板についても同様の効果を示した。One of the features of the second embodiment according to the present invention is that
The beam limiting aperture 114 and the aperture 117 are made of a silicon plate. This is because Ge ions emitted from the Ge-EHD ion source 111 irradiate the ion optical components, particularly the beam limiting aperture 114 and the diaphragm 117, and the secondary particles and secondary ions generated therefrom reach the sample and become a contamination source. is there. Therefore, a silicon plate was used instead of molybdenum or tungsten that has been frequently used in apertures. In addition to the silicon plate, the carbon plate and the silicon carbide plate also showed similar effects.
【0128】このような構成のFIB照射系でGeイオ
ンビームを集束させ、二次電子像の分解能から70nm
程度のビーム径に集束されていることが明らかになっ
た。The Ge ion beam was focused by the FIB irradiation system having such a configuration, and the Ge ion beam was focused to 70 nm from the resolution of the secondary electron image.
It was clarified that the beam was focused to a moderate beam diameter.
【0129】更に、試料は製造ラインを流れるウエハに
対して、ラインから随時サンプリングでき、バルブ12
4、124’で仕切られた試料室125に搬入、排出で
きる構成である。このため製造ライン内で検査あるいは
修正でき、検査から工程条件の修正までのターンアラウ
ンド時間の節約という効果をもたらした。Further, the sample can be sampled from the line on the wafer flowing through the manufacturing line at any time, and the valve 12
It is a configuration that can be carried in and discharged into the sample chamber 125 partitioned by 4, 124 '. Therefore, the inspection or correction can be performed in the production line, and the effect of saving the turnaround time from the inspection to the correction of the process condition is brought about.
【0130】以下、このSiウエハ検査装置を用いた検
査例を説明する。An example of inspection using this Si wafer inspection apparatus will be described below.
【0131】検査内容は、多層配線間の絶縁層の形成が
所定の厚さを有しているかを確認することである。多層
配線構造を正確に動作させるには、配線間の絶縁膜が所
定の膜厚を有し、絶縁耐圧を示すことが重要課題の一つ
である。しかし、検査対象としたデバイスでは、この絶
縁膜形成の再現性が悪く、時折、所定膜厚より薄いため
に配線間でリークを起こす事故が発生し、製品歩留の悪
化をもたらしていた。The content of the inspection is to confirm whether the formation of the insulating layer between the multilayer wirings has a predetermined thickness. In order to operate the multilayer wiring structure accurately, it is an important issue that the insulating film between the wirings has a predetermined film thickness and exhibits a withstand voltage. However, in the device to be inspected, the reproducibility of the insulating film formation is poor, and since it is thinner than a predetermined film thickness, an accident occurs that causes a leak between wirings, resulting in deterioration of product yield.
【0132】そこで、製造ラインをながれるシリコンウ
エハを無作為に抽出し、シリコンウエハ上で予め決めら
れた検査用デバイス内の特定箇所に、Ge-FIBを照
射して、断面を形成して観察した。図30はシコンウエ
ハ面139の一部にFIBを照射している様子を立体的
に示した図である。Ge-FIB130の走査により、
一辺が約5μm、深さ約5μmの矩形穴131を形成
し、3層配線の断面(矩形穴の側面)をFIB照射によ
って得られる二次電子像によって観察、検査した。Therefore, a silicon wafer that crosses the manufacturing line is randomly extracted, and Ge-FIB is irradiated to a specific portion in a predetermined inspection device on the silicon wafer, and a cross section is formed and observed. . FIG. 30 is a three-dimensional view showing how a part of the silicon wafer surface 139 is irradiated with FIB. By scanning Ge-FIB130,
A rectangular hole 131 having a side of about 5 μm and a depth of about 5 μm was formed, and a cross section of the three-layer wiring (side surface of the rectangular hole) was observed and inspected by a secondary electron image obtained by FIB irradiation.
【0133】132は第1層配線、133は第2層配
線、134は第3層配線、135は第1層間絶縁膜、1
36は第2層間絶縁膜、137は表面保護膜であり、第
1配線132と第2配線133が絶縁され、第2配線1
33と第3配線134が上下関係に接続してことが観察
できる。第1配線132と第2配線132の間の絶縁層
135と第2配線133に注目し、特にこの部分を拡大
して観察した様子を図31に示す。Reference numeral 132 is a first layer wiring, 133 is a second layer wiring, 134 is a third layer wiring, 135 is a first interlayer insulating film, 1
Reference numeral 36 is a second interlayer insulating film, and 137 is a surface protective film, which insulates the first wiring 132 and the second wiring 133 from each other.
It can be observed that 33 and the third wiring 134 are vertically connected. FIG. 31 shows a state in which the insulating layer 135 between the first wiring 132 and the second wiring 132 and the second wiring 133 are focused, and particularly this portion is enlarged and observed.
【0134】図31から絶縁層135の上面が平坦でな
いため、第2配線133の一部(A点)が第1配線のB
点に接近していることが観察でき、このAB間で耐圧が
低下していたことが明らかになった。この操作を1ウエ
ハについて10箇所の検査用デバイスについて行なった
結果、全点が同じ傾向を示すため、第1層間絶縁膜13
5の平坦化プロセスの条件に修正を施した。プロセス条
件の修正後に同様の検査を行なった結果、検査箇所の全
点が所定の寸法、耐圧を満たし、そのウエハ及びそのロ
ットを良品と判断して次工程に回した。このような検査
方法により、多層配線形成工程における不良品をいち早
く検出することができ、最終製品の歩留向上に大きく寄
与した。Since the upper surface of the insulating layer 135 is not flat as shown in FIG. 31, a part (point A) of the second wiring 133 is B of the first wiring.
It was possible to observe that the points were close to each other, and it became clear that the breakdown voltage was lowered between AB. As a result of performing this operation for 10 inspection devices on one wafer, all points show the same tendency. Therefore, the first interlayer insulating film 13
Modifications were made to the conditions of the planarization process of No. 5. As a result of performing the same inspection after the correction of the process conditions, all the inspection points satisfy predetermined dimensions and withstand voltages, and the wafer and its lot were judged to be non-defective and passed to the next step. With such an inspection method, a defective product in the multilayer wiring formation process can be detected promptly, which greatly contributes to the improvement of the yield of the final product.
【0135】本装置は、一次イオンビーム照射系のイ
オン源にGe−EHDイオン源を搭載することでイオン
源からの重金属、ドーパント元素イオンの放出を除去で
きたこと、イオン光学系内のパーツ、特に、ビーム制
限アパチャ、絞りにシリコン材を用いることでイオンビ
ーム照射による重金属などの二次粒子の発生を除去した
ことで不純物汚染を回避できたこと、試料は製造ライ
ンを流れるウエハに対して、ラインから随時サンプリン
グでき試料室に搬入、排出できる構成であるため製造ラ
イン内で検査でき、ターンアラウンド時間の節約という
効果をもたらした。This apparatus was able to remove the emission of heavy metals and dopant element ions from the ion source by mounting a Ge-EHD ion source on the ion source of the primary ion beam irradiation system, parts in the ion optical system, In particular, it was possible to avoid impurity contamination by removing the generation of secondary particles such as heavy metals due to ion beam irradiation by using a beam limiting aperture and a silicon material for the diaphragm. Since it can be sampled from the line at any time and can be carried in and out of the sample chamber, it can be inspected in the manufacturing line, which has the effect of saving turnaround time.
【0136】本実施例では、一次イオンビームはGe-
FIBを用いたが、Si-FIBでも良く、また、Si-
Ge合金をイオン材料としてSiとGeの混合ビームを
用いても良い。また、検査内容は、今回は多層配線部の
断面観察について説明したがこれに限らず、電子ビーム
プロービングのためのコンタクトホールの形成、表面配
線の短絡部の切断による修正などに用いてもよいことは
言うまでもない。In this embodiment, the primary ion beam is Ge-
Although FIB was used, Si-FIB may also be used, and Si-
A mixed beam of Si and Ge may be used with the Ge alloy as the ionic material. Also, this time, the inspection contents explained the cross-section observation of the multilayer wiring part this time, but it is not limited to this, and it may be used for forming contact holes for electron beam probing, correction by cutting the short-circuited part of the surface wiring, etc. Needless to say.
【0137】また、本実施例では、試料はSiウエハで
あったため、Ge-EHDイオン源を用い、更に、Ge-
FIBが通過するイオンビーム照射系のアパチャにはS
i板を採用したが、試料が他の材料の場合、イオン源や
アパチャ材を交換する。例えば、試料がガリウムヒ素
(GaAs)の場合、イオン源はGa-EHDイオン源
を、イオンビーム照射系のアパチャにはSb板を採用し
ても差し支えない。Further, in this example, since the sample was a Si wafer, a Ge-EHD ion source was used and further Ge-
The aperture of the ion beam irradiation system through which the FIB passes is S
Although the i-plate is adopted, if the sample is made of another material, the ion source and the aperture material are replaced. For example, when the sample is gallium arsenide (GaAs), a Ga-EHD ion source may be used as the ion source and an Sb plate may be used as the aperture of the ion beam irradiation system.
【0138】また、上記イオン源を用いたイオンビーム
処理装置は、上記したシリコンウエハ検査装置に限定さ
れるものではなく、二次イオン質量分析装置や表面異物
検査装置、FIBアシストデポジション等にも容易に摘
要できることは、言うまでもない。The ion beam processing apparatus using the above-mentioned ion source is not limited to the above-mentioned silicon wafer inspecting apparatus, but may also be used in a secondary ion mass spectrometer, surface foreign matter inspecting apparatus, FIB assist deposition, etc. It goes without saying that it can be easily summarized.
【0139】(実施例3)本実施例は、Arガスを電界
電離してイオン化し、イオン源として用いるArガス電
界電離イオン源(以下、Ar−FISと略記)を用いた
集束イオンビーム装置について、図32を用いて説明す
る。(Embodiment 3) This embodiment relates to a focused ion beam apparatus using an Ar gas field ionization ion source (hereinafter abbreviated as Ar-FIS) used as an ion source by ionizing Ar gas by field ionization. , FIG. 32 will be described.
【0140】141はイオンビーム照射系で、Ar−F
IS144、集束レンズ145、145’、E×B質量
分離器146、アライナ147、偏向器148、アルゴ
ンガスを貯溜されたガスタンク150、エミッタ152
を冷却するための冷却手段151などからなり、イオン
発生部がAr−FIS144であることに最大の特徴を
有する。Reference numeral 141 denotes an ion beam irradiation system, which is an Ar-F
IS 144, focusing lenses 145, 145 ′, E × B mass separator 146, aligner 147, deflector 148, gas tank 150 storing argon gas, emitter 152
The ion generating part is Ar-FIS 144, which is the greatest feature.
【0141】イオン源であるAr−FIS144で電界
電離されたアルゴンイオンは、集束レンズ145、14
5’で集束され、微小な口径の高密度イオンビームが形
成される。Argon ions ionized by the electric field by Ar-FIS 144, which is an ion source, are focused by the focusing lenses 145 and 14.
5'is focused and a high-density ion beam with a small diameter is formed.
【0142】図32は、本発明によるAr−FISイオ
ン源を用いた集束イオンビーム照射系141を、二次イ
オン質量分析装置(以下、SIMSと記載)140に搭
載した例である。二次イオン質量分析装置140の基本
構成は、従来からあるFIB光学系を擁する一次イオン
ビーム照射系141、試料室142、二次イオン分析部
143からなる。FIG. 32 shows an example in which the focused ion beam irradiation system 141 using the Ar-FIS ion source according to the present invention is mounted on a secondary ion mass spectrometer (hereinafter referred to as SIMS) 140. The basic configuration of the secondary ion mass spectrometer 140 includes a primary ion beam irradiation system 141 having a conventional FIB optical system, a sample chamber 142, and a secondary ion analysis unit 143.
【0143】イオン源144で電界電離され、集束レン
ズ145、145’で集束されて微小な口径の高密度イ
オンビームが形成されたアルゴンイオンは、試料153
に照射される。照射部分から二次イオン154が放出さ
れ、これを二次イオン分析部143で質量分析し、試料
表面近傍の組成分析ができる。Argon ions ionized by an electric field in the ion source 144 and focused by focusing lenses 145 and 145 ′ to form a high-density ion beam with a small diameter are sample 153.
Is irradiated. Secondary ions 154 are emitted from the irradiated portion, and the secondary ions 154 are mass-analyzed by the secondary ion analyzer 143, and the composition near the sample surface can be analyzed.
【0144】従来のFIB照射系を持つSIMS装置は
一次イオンビーム種が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がライン
の汚染の立場からできなかったことと、分析中(ビーム
照射中)にガリウム液滴が分析部に堆積し、分析結果を
信頼性の無いものにするという問題点を有していた。In the SIMS device having the conventional FIB irradiation system, since the primary ion beam species was Ga, it was impossible to return the sample once analyzed to the semiconductor manufacturing line again from the standpoint of line contamination. There is a problem in that gallium droplets are deposited in the analysis part during the irradiation (during beam irradiation), and the analysis result becomes unreliable.
【0145】しかし、本発明によるAr−FIB搭載S
IMSを用いることで、分析後の試料面をガリウムなど
金属汚染することなく製造ラインに復帰させることがで
き、また、分析中に一次イオンビームが分析データに影
響することがないので、半導体素子製造のインラインで
の信頼性ある分析装置として用いることができる。更
に、分析感度はGa-FIBと大きな違いはない。However, the Ar-FIB mounted S according to the present invention
By using the IMS, the sample surface after analysis can be returned to the manufacturing line without being contaminated with metal such as gallium, and the primary ion beam does not affect the analysis data during the analysis. Can be used as a reliable in-line analyzer. Furthermore, the analytical sensitivity is not so different from Ga-FIB.
【0146】上述したように、本実施例のAr−FIS
をイオン源として用いた集束イオンビーム処理装置を適
用したSIMSは、製造ラインを流れる試料であるウエ
ハを、ラインから随時サンプリングでき、試料室に搬入
・排出できる構成であるため製造ライン内で検査でき、
ターンアラウンド時間の節約という効果をもたらした。As described above, the Ar-FIS of this embodiment is used.
SIMS, which uses a focused ion beam processing system that uses as the ion source, can sample a wafer, which is a sample flowing through the manufacturing line, from the line at any time, and can carry it into and out of the sample chamber for inspection within the manufacturing line. ,
This has the effect of saving turnaround time.
【0147】また、上記イオン源を用いたイオンビーム
処理装置は、上記したSIMSに限定されるものではな
く、シリコンウエハ検査装置や表面異物検査装置、FI
Bアシストデポジション等にも容易に摘要できること
は、言うまでもない。The ion beam processing apparatus using the above ion source is not limited to the SIMS described above, but may be a silicon wafer inspection apparatus, a surface foreign matter inspection apparatus, or a FI.
It goes without saying that B assist deposition and the like can be easily applied.
【0148】(実施例4)本実施例4は、電気流体力学
的ゼノンイオン源(以下、Xe-EHDイオン源と略
記)をイオン源として用いた集束イオンビーム装置であ
る。Example 4 Example 4 is a focused ion beam apparatus using an electrohydrodynamic Zenon ion source (hereinafter abbreviated as Xe-EHD ion source) as an ion source.
【0149】本発明によるイオン源の概略縦断面を、図
33(b)に示す。イオン源160の形式はEHDイオ
ン源であり、供給口167から導入された液体Xe16
8はリザーバ169に貯溜され、その一部はキャピラリ
170を通り先端に至る。キャピラリ170中には電界
を集中させるためのエミッタ171が貫通して設置され
ている。リザーバ169内の液体Xe168の冷却維持
方法は、供給口172から冷却槽173内に液体窒素1
74に供給し、熱伝導率のよいサファイア175によっ
て結合したリザーバ169を熱伝導により低温が維持さ
れる。液体Xe168はエミッタ171に至り、引出し
電極176によって形成された高電界によりエミッタ1
71先端においてEHDモードで電離されてイオン化
し、集束イオンビーム照射系161により集束されイオ
ンビームを形成する。A schematic vertical cross section of the ion source according to the present invention is shown in FIG. The type of the ion source 160 is an EHD ion source, and the liquid Xe16 introduced from the supply port 167 is used.
8 is stored in the reservoir 169, and a part of it passes through the capillary 170 to reach the tip. An emitter 171 for concentrating an electric field is installed through the capillary 170. The method for maintaining the cooling of the liquid Xe 168 in the reservoir 169 is performed by supplying liquid nitrogen 1 from the supply port 172 to the cooling tank 173.
The low temperature is maintained by heat conduction of the reservoir 169 which is supplied to 74 and is coupled by sapphire 175 having good heat conductivity. The liquid Xe 168 reaches the emitter 171, and the high electric field formed by the extraction electrode 176 causes the emitter 1 to move.
At the tip of 71, it is ionized in the EHD mode and ionized, and then focused by the focused ion beam irradiation system 161 to form an ion beam.
【0150】次に、本発明による上記Xe-EHDイオ
ン源を用いた集束イオンビーム装置を搭載した、極微小
部の表面異物除去装置について説明する。Next, a surface foreign matter removing device for a microscopic portion, which is equipped with a focused ion beam device using the above Xe-EHD ion source according to the present invention, will be described.
【0151】最近の半導体デバイス製造におけるクリー
ン化技術は高度になってきたが、微塵埃などの完全なる
除去は望めず、それらの混入による不良デバイスの発生
は避け難い。特に、混入した微塵埃が絶縁層内であった
り、配線間にまたがっていると、デバイス動作に致命的
支障を来たす。特に、超大型コンピュータに内蔵される
ULSIのように、単品で作成されるがために単価が非
常に高額なデバイスについては、上記のような微塵埃の
ための配線短絡などは決して許されない。従って、この
ような欠陥を早急に見つけ、かつ、その場で対処できる
修正装置が望まれていた。Although the cleaning technology in the recent semiconductor device manufacturing has become sophisticated, it is difficult to completely remove fine dust and the like, and it is unavoidable that defective devices are generated by mixing them. In particular, if the mixed fine dust is in the insulating layer or spans between the wirings, it will cause a fatal hindrance to the device operation. In particular, with respect to a device such as a ULSI built in a super-large computer, which has a very high unit price because it is manufactured as a single item, the above-mentioned wiring short circuit due to fine dust is never allowed. Therefore, there has been a demand for a correction device which can promptly find such defects and deal with them on the spot.
【0152】本実施例で示すXe-EHDイオン源を用
いた集束イオンビーム装置を搭載した表面異物除去装置
は、エッチングや膜形成等の各プロセス終了後に、ウエ
ハ表面異物検査装置によって表面に付着した微小異物を
検出し、特に従来の方法では除去できにくかった異物に
ついて、Xe-FIB照射による特定領域のスパッタエ
ッチングを施し、微塵埃を除去する装置である。The surface foreign matter removing apparatus equipped with the focused ion beam apparatus using the Xe-EHD ion source shown in this embodiment adheres to the surface by the wafer surface foreign matter inspecting apparatus after the completion of each process such as etching and film formation. It is an apparatus that detects minute foreign matter and removes fine dust by performing sputter etching of a specific region by Xe-FIB irradiation, especially for foreign matter that is difficult to remove by the conventional method.
【0153】図33(a)は表面異物除去装置の概略横
断面図で、上方から見た図である。160はイオン源、
161は集束イオンビーム照射系、162は試料、16
3は二次電子検出器である。試料台164はデバイス製
造ラインから随時、バルブ165を介して搬入・搬出が
できる。集束イオンビーム照射系161によって集束さ
れたXe-FIB166は、試料162に照射される。FIG. 33 (a) is a schematic cross-sectional view of the surface foreign matter removing device as viewed from above. 160 is an ion source,
161 is a focused ion beam irradiation system, 162 is a sample, 16
3 is a secondary electron detector. The sample table 164 can be carried in and out from the device manufacturing line at any time via the valve 165. The sample 162 is irradiated with the Xe-FIB 166 focused by the focused ion beam irradiation system 161.
【0154】次に、上記装置に、試料として超大型コン
ピュータに搭載されるSi-ULSIを用いた場合につ
いて説明する。Next, a case will be described in which a Si-ULSI mounted on an ultra-large computer is used as a sample in the above apparatus.
【0155】図34(a)は上記ウエハ180表面の配
線181、181’に異物182が付着した部分の拡大
図である。この試料は、異物182が導電性であるため
に、配線181、181’が短絡を起こしていた。FIG. 34 (a) is an enlarged view of a portion where the foreign matter 182 is attached to the wirings 181 and 181 'on the surface of the wafer 180. In this sample, the wires 181 and 181 'were short-circuited because the foreign material 182 was conductive.
【0156】異物を除去するために、まず、上記試料の
表面観察は表面異物検査装置(図示せず)によって行な
い、異物が発見されると、その正確な位置情報を記憶
し、本実施例の表面異物除去装置内に入れる。異物は試
料台を自動制御することで、イオンビーム照射位置に来
るよう移動できる。次に、低電流のXe-FIB183
を異物よりやや広い領域に照射し、この時放出される二
次電子によって試料表面を観察し、異物182を確認す
る。この時の異物182は直径約1μmの球形であっ
た。Xe-FIB183の試料電流を高め、異物182
を覆う領域を走査した。約10分間の照射によって、図
34(b)のように試料表面はFIB照射による照射跡
184は若干残るものの、上記異物は完全に除去でき、
配線181、181’間の短絡はなくなり、両配線間の
耐圧は復帰した。In order to remove foreign matter, first, the surface of the sample is observed by a surface foreign matter inspecting device (not shown), and when a foreign matter is found, its accurate position information is stored, and the accurate position information is stored. Put in the surface foreign matter removing device. The foreign matter can be moved to the ion beam irradiation position by automatically controlling the sample stage. Next, low current Xe-FIB183
Is irradiated to a region slightly wider than the foreign matter, and the surface of the sample is observed by the secondary electrons emitted at this time to confirm the foreign matter 182. At this time, the foreign matter 182 was spherical with a diameter of about 1 μm. Increasing the sample current of Xe-FIB183 to prevent foreign matter 182
The area covered was scanned. By irradiation for about 10 minutes, although the irradiation trace 184 due to the FIB irradiation is slightly left on the sample surface as shown in FIG. 34B, the foreign matter can be completely removed.
The short circuit between the wirings 181 and 181 'disappeared, and the breakdown voltage between both wirings was restored.
【0157】このFIBが不活性ガスの一種であるXe
であるため、FIB照射による試料表面の汚染は無いの
が最大の利点である。This FIB is a kind of inert gas, Xe
Therefore, the greatest advantage is that the sample surface is not contaminated by FIB irradiation.
【0158】上記プラズマイオン源を用いたイオンビー
ム処理装置は、上に示した異物除去装置に限定されるも
のではなく、表面に形成された薄い酸化膜を除去するこ
ともでき、走査型電子顕微鏡での観察や、FIBによる
表面観察の際に明確なコントラストで観察することにも
利用できる。更に、集束イオンビーム加工装置やシリコ
ンウエハ検査装置や二次イオン質量分析装置、FIBア
シストデポジション等にも容易に摘要できることは、言
うまでもない。The ion beam processing apparatus using the above plasma ion source is not limited to the above-mentioned foreign matter removing apparatus, but it is also possible to remove a thin oxide film formed on the surface, and a scanning electron microscope is used. It can also be used for observation with a clear contrast when observing the surface with FIB. Further, it goes without saying that it can be easily applied to a focused ion beam processing device, a silicon wafer inspection device, a secondary ion mass spectrometer, an FIB assist deposition, and the like.
【0159】(実施例5)本実施例のイオン源は、基本
的には実施例2に示したGe−LMISと同じ構成であ
るが、イオン種としてSi単体を用いた点で異なる。即
ち、本実施例においては、イオン源としてSi−LMI
Sを採用した。溶融Siは非常に活性で、従来のエミッ
タ材であるタングステンとは極めて迅速に反応し、エミ
ッタを破損させ、イオン放出を短時間で停止させるとい
う問題を抱えていたが、本実施例では、エミッタおよび
リザーバに炭化タングステンを採用することで、溶融S
iとの反応を軽減して、累積500時間以上の長時間運
転を実現した。(Embodiment 5) The ion source of this embodiment has basically the same structure as the Ge-LMIS shown in Embodiment 2, but is different in that a simple substance of Si is used as an ion species. That is, in this embodiment, Si-LMI is used as the ion source.
S was adopted. Molten Si is very active, and has a problem that it reacts extremely quickly with tungsten which is a conventional emitter material, damages the emitter, and stops ion emission in a short time. And by adopting tungsten carbide for the reservoir, molten S
By reducing the reaction with i, a long time operation of cumulative 500 hours or more was realized.
【0160】本実施例によるSi−LMISイオン源
を、集束イオンビームを用いた微小成膜装置、いわゆる
FIBアシステッドデポジション(以下、FIBADと
略記)に適用した例について、以下に説明する。An example in which the Si-LMIS ion source according to this example is applied to a minute film forming apparatus using a focused ion beam, so-called FIB assisted deposition (hereinafter abbreviated as FIBAD) will be described below.
【0161】本実施例では、イオン材料がSi単体であ
るLMISを用いてSi-FIBを形成し、このSi-F
IBと有機金属ガスとを組み合わせて、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
応でタングステン(W)配線を形成した。In this example, Si-FIB was formed by using LMIS whose ionic material is Si alone.
A combination of IB and an organometallic gas was sprayed with an organometallic gas around the irradiation point of the FIB, and a tungsten (W) wiring was formed by the reaction between the FIB and the gas.
【0162】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Ga-F
IBを用いてW配線を堆積させる例がある。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
いデバイスに対して配線をつなぎ変える手法、所謂、配
線修正である。FIBADが適用されるまでのデバッグ
では、新たにフォトマスクマスクを作り直し、再度同じ
プロセスを経て作り直されていたため、1度デバッグす
るには1ヶ月以上もの時間を要し、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、修正には数時間で済
み、時間とコストの面から多大の短縮をもたらした。A well-known example of FIBAD is hexacarbonyltungsten (W (CO) 6 ) gas and Ga-F as a wiring debug for a near-complete semiconductor device.
There is an example of depositing W wiring using IB. In other words, this is a so-called wiring correction method, in which wiring is reconnected to a device that does not perform the desired operation due to a partial failure due to a circuit design error or the like among devices that have been created through a predetermined process. In the debugging until FIBAD was applied, a new photomask mask was recreated and re-created through the same process again, so it takes more than a month to debug once, and it takes a lot of time to complete. Needed a cost. On the other hand, when FIBAD is used, since only the defective portion is corrected, the correction only requires several hours, which brings about a great reduction in time and cost.
【0163】しかし、これまでのFIBADには、致命
的問題を抱えていた。つまり、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を用いて金属を堆
積させていたため、この時、Gaがデバイス表面に付着
し、これがSiに対するアクセプタとして働き、長期間
に電気的劣化をもたらした為である。つまり、一次イオ
ンビーム種に問題があった。However, the conventional FIBAD has had a fatal problem. That is, the modified device has a short operational life. The cause was that metal was deposited on the new wiring using organometallic gas and Ga-FIB at the time of debugging, so at this time, Ga adheres to the device surface, and this acts as an acceptor for Si, so that it is electrically connected for a long time. This is because it caused deterioration. That is, there was a problem with the primary ion beam species.
【0164】そこで、従来のGa-LMISに替えて、
第2の実施例で説明したSi-LMISを用いた。Si
は基板と同元素であるため、電気的汚染を伴わないとい
う最大の利点を有している。従来、LMISからSiイ
オンを放出させるには、Au-Si合金を用いること
で、低融点でSiイオンを得ることができるため、盛ん
に用いられていた。しかし、この方法では、イオン材料
中にAuが含有されているため、熱蒸発などによって飛
散したAuがSiデバイスプロセスに対して重金属汚染
源となっていた。Therefore, in place of the conventional Ga-LMIS,
The Si-LMIS described in the second embodiment was used. Si
Since has the same element as the substrate, it has the greatest advantage of not being electrically contaminated. In the past, in order to release Si ions from LMIS, it was possible to obtain Si ions with a low melting point by using an Au—Si alloy, and therefore, it has been widely used. However, in this method, since Au is contained in the ionic material, Au scattered by thermal evaporation or the like was a heavy metal contamination source for the Si device process.
【0165】そこで、本実施例ではイオン材料としてS
i単体を採用した。溶融Siは非常に活性で、従来のエ
ミッタ材であるタングステンとは極めて迅速に反応し、
エミッタを破損させ、イオン放出を短時間で停止させる
という問題を抱えていたが、本実施例では、エミッタお
よびリザーバに炭化タングステンを採用することで、溶
融Siとの反応を軽減して、累積500時間以上の長時
間運転を実現した。Therefore, in this embodiment, S is used as the ionic material.
i alone is adopted. Molten Si is very active and reacts very quickly with conventional emitter material tungsten,
Although there is a problem that the emitter is damaged and the ion emission is stopped in a short time, in this embodiment, by adopting tungsten carbide for the emitter and the reservoir, the reaction with the molten Si is reduced, and the cumulative 500 times. Realized a long-time operation of more than an hour.
【0166】実際にSi-FIBによるW配線を行な
い、Siデバイスのデバッグを行なった。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
を比較するとSi-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G
a-FIBによる修正デバイスの少なくとも約3倍以上
の寿命を持つことがわかった。つまり、FIB種がドー
パントとして働かないためデバイスに電気的な汚染を与
えることが無くなったためである。Actually, W wiring by Si-FIB was performed to debug the Si device. Comparing the deposition efficiency of W, it was about the same as that of the conventional Ga-FIB. Furthermore, comparing the lifespans of the Ga-FIB modified devices, the Si-FIB modified devices continue to operate without problems even after about three years have passed since the conventional G
It has been found to have a lifetime that is at least about three times greater than the a-FIB modified device. In other words, the FIB species does not work as a dopant, so that the device is not electrically contaminated.
【0167】本実施例の装置を用いることにより、重金
属汚染が生じないことと、FIB種がドーパントとして
働かないため、これまで製造ライン外で行なわれていた
デバイス修正が、製造ライン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。By using the apparatus of this embodiment, heavy metal contamination does not occur, and since the FIB species does not work as a dopant, the device modification that has been performed outside the manufacturing line can be performed inside the manufacturing line. In addition, the time required to complete the device was shortened, and the service life of the modified device could be extended.
【0168】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、シリコンウエハに
ついても同様の操作ができる。Here, the modification of the patterned device which is almost completed is described, but the same operation can be performed on the silicon wafer.
【0169】また、Si-LMISに関しては、エミッ
タ、リザーバ材として炭化ケイ素、窒化ケイ素を用いて
も同様の効果を示した。Regarding Si-LMIS, the same effect was exhibited even when silicon carbide or silicon nitride was used as the emitter and the reservoir material.
【0170】以上、本発明による試料を汚染するような
物質をイオン種として含まないイオン源を用いた集束イ
オンビーム装置と、この集束イオンビーム装置を用いた
装置の実施例について説明したが、この集束イオンビー
ム装置を用いた装置は、上記した実施例に限られるもの
ではない。The embodiments of the focused ion beam apparatus using the ion source which does not contain the substance contaminating the sample according to the present invention as the ion species and the apparatus using the focused ion beam apparatus have been described above. The device using the focused ion beam device is not limited to the above-mentioned embodiment.
【0171】その1例として、上記実施例の1〜5で説
明した半導体に汚染を生じさせないイオン源を有する集
束イオンビーム装置を用いて半導体素子を検査・修正す
る方法について説明する。As an example thereof, a method of inspecting / correcting a semiconductor element by using the focused ion beam apparatus having the ion source which does not cause the contamination of the semiconductor described in the first to fifth embodiments will be described.
【0172】図35は半導体素子製造工程の途中で、非
汚染FIB加工装置によりウェハ上の検査したい場所の
断面を作成し、その断面をSEMで観察検査し、この結
果に問題が無ければ次の工程にウェハを戻し完成させプ
ローブ検査(P検)を行い、断面観察の検査結果が不良
であれば廃棄する方法を示している。これによりウェハ
上に形成されている多くのチップの内、検査のために1
チップをつぶすだけで、残りのチップを全て活かすこと
ができる。また不良であることが判明すればこれを捨て
ることにより、以降の工程で生ずる無駄な工数や材料を
節約することができる。In FIG. 35, in the middle of the semiconductor element manufacturing process, a cross section of a place to be inspected on a wafer is created by a non-contaminating FIB processing apparatus, and the cross section is observed and inspected by SEM. A method is shown in which the wafer is returned to the process and completed, a probe inspection (P inspection) is performed, and if the inspection result of the cross-sectional observation is defective, it is discarded. As a result, one of many chips formed on the wafer for inspection
You can use all the remaining chips just by crushing them. If it is found to be defective, it can be discarded to save unnecessary man-hours and materials generated in the subsequent steps.
【0173】図36は、多層配線半導体素子の配線層形
成工程の流れを示すものである。配線層を一層形成する
ごとに外観検査を行い、異物やショート欠陥がある場合
は、非汚染FIBによる加工によりこれを修正し、引続
き次の配線層形成工程に戻すもので、これを必要な配線
層数分だけ繰り返す。これにより図3と図4に示したよ
うに、チップの大面積化や配線の多層化が進んでも高い
チップ歩留まりを確保することができる。FIG. 36 shows a flow of the wiring layer forming process of the multilayer wiring semiconductor element. A visual inspection is performed each time a wiring layer is formed, and if there is a foreign substance or a short-circuit defect, it is corrected by processing with a non-contaminating FIB and then returned to the next wiring layer forming step. Repeat for the number of layers. As a result, as shown in FIGS. 3 and 4, a high chip yield can be secured even if the chip area is increased or the wiring is multilayered.
【0174】上記した実施例1から5は、本発明の僅か
な例に過ぎない。本発明の趣旨は、一次イオンビーム種
による試料の汚染を抑えた集束イオンビーム装置と、こ
の集束イオンビーム装置を用いた加工、検査あるいは修
正方法およびその装置を提供することであって、集束レ
ンズ、偏向器など光学部品の個数や配列などはビーム集
束性や試料電流の増加などの観点から、種々の改変が可
能であることは周知である。The above embodiments 1 to 5 are merely a few examples of the present invention. The gist of the present invention is to provide a focused ion beam device that suppresses contamination of a sample by a primary ion beam species, a processing, inspection, or correction method using the focused ion beam device, and an apparatus therefor. It is well known that the number and arrangement of optical components such as deflectors can be modified in various ways from the viewpoints of beam focusing property and increase of sample current.
【0175】また、イオン源の種類と一次イオンビーム
照射系の組合せについても、本実施例で示した組合せの
みではなく、加工効率、分析感度などの点で許容できる
なら、他の組合せでも良いことは言うまでもない。Also, the combination of the type of ion source and the primary ion beam irradiation system is not limited to the combination shown in this embodiment, and other combinations may be used as long as they are acceptable in terms of processing efficiency, analytical sensitivity, and the like. Needless to say.
【0176】また本実施例では試料としてシリコンLS
Iをあげたが、これに限るものではなく他の電子回路デ
バイスやモジュールにも適用可能である。In this example, silicon LS is used as a sample.
However, the present invention is not limited to this, but can be applied to other electronic circuit devices and modules.
【0177】[0177]
【発明の効果】本発明による、ゲルマニウムやシリコン
単体、もしくはそれらの合金をイオン材料とした液体金
属イオン源、または、不活性ガス種、特に、ネオン、ク
リプトン、アルゴン、ゼノン、窒素をイオン材料とした
集束プラズマイオン源や電界電離ガスイオン源やEHD
イオン源をイオン源とする集束イオンビームを用いた処
理装置によって、以下のような効果が得られる。According to the present invention, a liquid metal ion source using germanium or silicon alone or an alloy thereof as an ionic material, or an inert gas species, particularly neon, krypton, argon, zenone or nitrogen as an ionic material. Focused plasma ion source, electric field ionization gas ion source and EHD
The following effects can be obtained by the processing apparatus using the focused ion beam having the ion source as the ion source.
【0178】イオンビーム種による重金属やドーパン
トなどの汚染なしに、シリコンウエハやシリコンデバイ
ス等の試料にイオンビームを照射できる。A sample such as a silicon wafer or a silicon device can be irradiated with an ion beam without contamination of heavy metals, dopants, etc. by the ion beam species.
【0179】上記集束イオンビームを用いた装置の一
次イオンビーム照射系の中で、特にイオンビームによっ
て直接照射される部品を、シリコン、ゲルマニウム単
体、もしくはそれらの炭化物、窒化物で作成したことに
より、集束イオンビーム形成時の二次的な汚染物の発生
を大幅に低減することができる。In the primary ion beam irradiation system of the apparatus using the above focused ion beam, the parts which are directly irradiated by the ion beam are made of silicon, germanium simple substance, or their carbides and nitrides, It is possible to significantly reduce the generation of secondary contaminants when forming the focused ion beam.
【0180】シリコン半導体プロセスにおいて、イン
ラインでシリコンウエハやデバイスの微細加工、局所領
域の組成分析などの検査ができるウエハ検査装置、二次
イオン質量分析装置、配線修正装置、透過型電子顕微鏡
用試料作成装置を提供することができる。In the silicon semiconductor process, a wafer inspection apparatus, a secondary ion mass spectrometry apparatus, a wiring correction apparatus, a transmission electron microscope sample preparation capable of in-line fine processing of silicon wafers and devices, compositional analysis of local regions, etc. A device can be provided.
【0181】シリコンウエハやデバイス自身、および
製造工程の来歴の検査をシリコン半導体プロセスライン
においてできるため、不良箇所の修理や、製造工程の条
件変更などが即座に対応でき、不良発見から対応までの
ターンアラウンドタイムが大幅に削減される。Since the silicon wafer or device itself and the history of the manufacturing process can be inspected in the silicon semiconductor process line, repair of defective parts and change of manufacturing process conditions can be immediately dealt with, and the turn from defect detection to response can be performed. Around time is greatly reduced.
【図1】本発明の実施例1における半同軸空洞共振器に
よるマイクロ波放電プラズマを用いた集束イオンビーム
を用いた処理装置の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a processing apparatus using a focused ion beam using a microwave discharge plasma with a semi-coaxial cavity resonator according to a first embodiment of the present invention.
【図2】従来のGa−FIBによる半導体素子の断面加
工とSEM観察方法の説明図である。FIG. 2 is an explanatory view of a cross-section processing of a semiconductor element by a conventional Ga-FIB and an SEM observation method.
【図3】チップ面積と各層の歩留まりの関係を示すグラ
フである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the chip area and the yield of each layer.
【図4】配線層数とチップ歩留まりの関係を示すグラフ
である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of wiring layers and the chip yield.
【図5】無衝突プラズマのイオン飽和電流密度の電子密
度、電子温度依存性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the electron density and electron temperature dependence of the ion saturation current density of collisionless plasma.
【図6】無衝突プラズマのデバイ長の電子密度、電子温
度依存性を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the electron density and electron temperature dependence of the Debye length of collisionless plasma.
【図7】無衝突プラズマのイオンシース厚さのシ−ス端
−平板電極間電圧依存性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the dependence of the ion sheath thickness of collision-free plasma on the voltage between the sheath end and the plate electrode.
【図8】従来のプラズマを用いた集束イオンビーム加工
装置におけるイオン引き出し電極構造を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an ion extraction electrode structure in a conventional focused ion beam processing apparatus using plasma.
【図9】従来のプラズマを用いた集束イオンビーム加工
装置におけるイオン引き出し機構の原理図である。FIG. 9 is a principle diagram of an ion extraction mechanism in a conventional focused ion beam processing apparatus using plasma.
【図10】本発明の実施例1におけるイオン引き出し機
構の原理図である。FIG. 10 is a principle diagram of an ion extraction mechanism according to the first embodiment of the present invention.
【図11】本発明の実施例1におけるイオンシース制御
電極を用いたイオン引き出し機構の原理図である。FIG. 11 is a principle diagram of an ion extraction mechanism using an ion sheath control electrode according to the first embodiment of the present invention.
【図12】本発明の実施例1における集束イオンビーム
の電子ビーム・磁界集束機構の原理図である。FIG. 12 is a principle diagram of an electron beam / magnetic field focusing mechanism for a focused ion beam according to the first embodiment of the present invention.
【図13】図12における電子ビーム・磁界集束機構の
A−A’断面図である。13 is a sectional view taken along the line AA ′ of the electron beam / magnetic field focusing mechanism in FIG.
【図14】図12において2極磁界を用いた場合の電子
ビーム・磁界集束機構のA−A’断面図である。14 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the electron beam / magnetic field focusing mechanism in the case of using the dipole magnetic field in FIG.
【図15】本発明の実施例1における微細加工時のイオ
ン引き出しの原理図である。FIG. 15 is a principle diagram of ion extraction during microfabrication in Example 1 of the present invention.
【図16】本発明の実施例1における粗加工(大面積深
穴加工)時のイオン引き出しの原理図である。FIG. 16 is a principle diagram of ion extraction during rough processing (large area deep hole processing) in Example 1 of the present invention.
【図17】本発明の実施例1におけるテ−パ引き出し電
極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図であ
る。FIG. 17 is a principle diagram of ion extraction at the time of fine processing using the taper extraction electrode in Example 1 of the present invention.
【図18】本発明の実施例1におけるテ−パ引き出し電
極を用いた粗加工(大面積深穴加工)時のイオン引き出
しの原理図である。FIG. 18 is a principle diagram of ion extraction during rough processing (large area deep hole processing) using the taper extraction electrode according to the first embodiment of the present invention.
【図19】本発明の実施例1における移動式引き出し電
極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図であ
る。FIG. 19 is a principle diagram of ion extraction during microfabrication using the movable extraction electrode according to the first embodiment of the present invention.
【図20】本発明の実施例1における移動式引き出し電
極を用いた粗加工(大面積深穴加工)時のイオン引き出
しの原理図である。FIG. 20 is a principle diagram of ion extraction during rough processing (large area deep hole processing) using the movable extraction electrode according to the first embodiment of the present invention.
【図21】本発明の実施例1における多孔式引き出し電
極を用いた微細加工時のイオン引き出しの原理図であ
る。FIG. 21 is a principle diagram of ion extraction during microfabrication using the porous extraction electrode in Example 1 of the present invention.
【図22】本発明の実施例1における多孔式引き出し電
極を用いた粗加工(大面積深穴加工)時のイオン引き出
しの原理図である。FIG. 22 is a principle diagram of ion extraction during rough processing (large area deep hole processing) using the porous extraction electrode in Example 1 of the present invention.
【図23】本発明の実施例1におけるテ−パ絶縁スペ−
サ及びメッシュ電極を用いた微細加工時のイオン引き出
しの原理図である。FIG. 23 is a taper insulating space in Embodiment 1 of the present invention.
It is a principle diagram of ion extraction at the time of microfabrication using a mesh and a mesh electrode.
【図24】本発明の実施例1におけるテ−パ絶縁スペ−
サ及びメッシュ電極を用いた粗加工(大面積深穴加工)
時のイオン引き出しの原理図である。FIG. 24 is a taper insulating space in Embodiment 1 of the present invention.
Roughing (large-area deep hole processing) using the sa and mesh electrodes
It is a principle diagram of ion extraction at the time.
【図25】本発明の実施例1におけるメッシュ引き出し
電極及び移動式加速電極を用いた微細加工時のイオン引
き出しの原理図である。FIG. 25 is a principle diagram of ion extraction at the time of fine processing using the mesh extraction electrode and the movable acceleration electrode in Example 1 of the present invention.
【図26】本発明の実施例1におけるメッシュ引き出し
電極及び移動式加速電極を用いた粗加工(大面積深穴加
工)時のイオン引き出しの原理図である。FIG. 26 is a principle diagram of ion extraction during rough processing (large area deep hole processing) using the mesh extraction electrode and the movable acceleration electrode according to the first embodiment of the present invention.
【図27】無衝突プラズマのイオンシース厚さのプラズ
マの電子密度依存性を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing the dependence of the thickness of the ion sheath of collisionless plasma on the electron density of plasma.
【図28】本発明の実施例2におけるゲルマニウム液体
金属イオン源を搭載したシリコンウエハ検査装置を説明
するための概略構成図である。FIG. 28 is a schematic configuration diagram for explaining a silicon wafer inspection apparatus equipped with a germanium liquid metal ion source according to Example 2 of the present invention.
【図29】図28に示したシリコンウエハ検査装置に搭
載したゲルマニウム液体金属イオン源を説明するための
概略構成図である。29 is a schematic configuration diagram for explaining a germanium liquid metal ion source mounted on the silicon wafer inspection apparatus shown in FIG. 28.
【図30】本発明によるシリコンウエハ検査装置の効果
を示すために、ゲルマニウム集束イオンビームによって
ウエハ上に矩形孔を形成している様子を示す図ある。FIG. 30 is a diagram showing how rectangular holes are formed on a wafer by a germanium focused ion beam in order to show the effect of the silicon wafer inspection apparatus according to the present invention.
【図31】図30における断面の拡大断面であり、本発
明によるウエハ検査装置によって発見された配線間耐圧
不良の原因を説明するための図である。31 is an enlarged cross-sectional view of the cross-section in FIG. 30, and is a diagram for explaining the cause of the inter-wiring withstand voltage defect found by the wafer inspection apparatus according to the present invention.
【図32】本発明の実施例3におけるアルゴン電界電離
ガスイオン源を搭載したインライン二次イオン質量分析
装置を説明するための概略構成図である。FIG. 32 is a schematic configuration diagram for explaining an inline secondary ion mass spectrometer equipped with an argon electric field ionization gas ion source according to a third embodiment of the present invention.
【図33】(a)は本発明の実施例4におけるゼノンE
HDイオン源を搭載した表面異物除去装置を、(b)は
(a)に用いたゼノンEHDイオン源を説明するための
概略断面図である。FIG. 33 (a) is Zenon E in Example 4 of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a surface foreign matter removing device equipped with an HD ion source, and (b) a Zenon EHD ion source used in (a).
【図34】(a)は本発明の実施例4における表面異物
除去装置の効果を説明するために注目したデバイス表面
に付着した異物を示す図であり、(b)は表面異物除去
装置の効果を示すために、ゼノン集束イオンビームによ
って異物を除去した後の様子を示す図である。FIG. 34 (a) is a diagram showing foreign matter adhering to the device surface, which was noted for explaining the effect of the surface foreign matter remover in Example 4 of the present invention, and FIG. 34 (b) is an effect of the surface foreign matter remover. FIG. 6 is a diagram showing a state after foreign matter is removed by a Zenon focused ion beam in order to show
【図35】本発明による半導体素子製造工程内での非汚
染FIB断面加工とSEM観察の方法を示す説明図であ
る。FIG. 35 is an explanatory diagram showing a method of non-contaminating FIB cross-section processing and SEM observation in a semiconductor device manufacturing process according to the present invention.
【図36】本発明による非汚染FIB加工による配線工
程における欠陥修正方法を示す説明図である。FIG. 36 is an explanatory diagram showing a defect repairing method in a wiring process by non-contaminating FIB processing according to the present invention.
1…マイクロ波入射同軸線路 2…1/4波長
共振型半同軸空洞共振器 4…引き出し電極 5…加速電極 6…基準電極 8…プラズマ 9…磁界発生装置 11…励磁コイ
ル 12…集束用電子放出源 18…被加工物 20…集束イオンビーム 22…イオンシ
ース 23…イオン 24…イオンシ
ース制御電極 26…電子ビーム 27…電子ビー
ム集束領域 28…従来型引き出し電極 101、112、152、167、171…エミッタ 102…エミッタ支持端子 103、165、169…リザーバ 104…イオン
材料 105…絶縁性座 106、10
6’…電流導入端子 107、107’…フィラメント 108、11
3、176…引出し電極 109…イオン 110…FIB
装置 111…ゲルマニウム液体金属イオン源 114…ビ
ーム制限アパチャ 115、115’、145、145’…集束レンズ 116、146…E×B質量分離器 117…
絞り 118、148…偏向器 119、
164…試料台 120、162、168、173…試料 121、130…ゲルマニウム集束イオンビーム 122…二次電子 123、6
3…二次電子検出器 124、124’、149、149’、165…バルブ 125、142…試料室 131…矩形穴 132…第1層
配線 133…第2層配線 134…第3層
配線 135…第1層間絶縁膜 136…第2層
間絶縁膜 137…表面保護膜 140…二次イオン質量分析装置 141…一次イ
オンビーム照射系 143…二次イオン分析部 144…アルゴ
ンガス電界電離イオン源 147…アライナ 150…ガスタンク 151…冷
却手段 160…イオン源 161…集
束イオンビーム照射系 166、183…ゼノン集束イオンビーム 167、1
72…供給口 168…液体ゼノン 170…キャピラリ 173…冷
却槽 174…液体窒素 175…サ
ファイア 180…ウエハ 181、8
1’…配線 182…異物 184…照
射跡 204…テ−パ引き出し電極 304…移
動式引き出し電極 406…多孔式引き出し電極 505…メ
ッシュ電極 506…テ−パ絶縁スペ−サ 604…メ
ッシュ引き出し電極 605…移動式加速電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microwave incidence coaxial line 2 ... 1/4 wavelength resonance type semi-coaxial cavity resonator 4 ... Extraction electrode 5 ... Accelerating electrode 6 ... Reference electrode 8 ... Plasma 9 ... Magnetic field generator 11 ... Excitation coil 12 ... Focusing electron emission Source 18 ... Workpiece 20 ... Focused ion beam 22 ... Ion sheath 23 ... Ion 24 ... Ion sheath control electrode 26 ... Electron beam 27 ... Electron beam focusing region 28 ... Conventional extraction electrode 101, 112, 152, 167, 171, ... Emitter 102 ... Emitter support terminal 103, 165, 169 ... Reservoir 104 ... Ion material 105 ... Insulating seat 106, 10
6 '... current introduction terminal 107, 107' ... filament 108, 11
3, 176 ... Extraction electrode 109 ... Ion 110 ... FIB
Apparatus 111 ... Germanium liquid metal ion source 114 ... Beam limiting aperture 115, 115 ', 145, 145' ... Focusing lens 116, 146 ... ExB mass separator 117 ...
Apertures 118, 148 ... Deflector 119,
164 ... Sample stand 120, 162, 168, 173 ... Sample 121, 130 ... Germanium focused ion beam 122 ... Secondary electron 123, 6
3 ... Secondary electron detectors 124, 124 ', 149, 149', 165 ... Valves 125, 142 ... Sample chamber 131 ... Rectangular hole 132 ... First layer wiring 133 ... Second layer wiring 134 ... Third layer wiring 135 ... First interlayer insulating film 136 ... Second interlayer insulating film 137 ... Surface protective film 140 ... Secondary ion mass spectrometer 141 ... Primary ion beam irradiation system 143 ... Secondary ion analyzer 144 ... Argon gas field ionization ion source 147 ... Aligner 150 ... Gas tank 151 ... Cooling means 160 ... Ion source 161 ... Focused ion beam irradiation system 166, 183 ... Zenon focused ion beam 167, 1
72 ... Supply port 168 ... Liquid Zenon 170 ... Capillary 173 ... Cooling tank 174 ... Liquid nitrogen 175 ... Sapphire 180 ... Wafer 181, 8
1 '... wiring 182 ... foreign substance 184 ... irradiation mark 204 ... taper extraction electrode 304 ... movable extraction electrode 406 ... porous extraction electrode 505 ... mesh electrode 506 ... taper insulation spacer 604 ... mesh extraction electrode 605 ... Mobile accelerating electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/265 (72)発明者 間所 祐一 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 伊藤 文和 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 濱村 有一 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 東 淳三 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 嶋瀬 朗 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 上村 隆 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Internal reference number FI Technical indication location H01L 21/265 (72) Inventor Yuichi Masho 1-280 Higashikoigakubo, Kokubunji City, Tokyo Hitachi (72) Inventor Fumiwa Ito, 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, Ltd.Production Technology Research Institute, Hitachi, Ltd. (72) Inventor, Yuichi Hamamura, 292, Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama, Kanagawa Manufacturing Engineering Laboratory (72) Inventor Junzo Higashi, 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Stock Company Hitachi Production Engineering Laboratory (72) Inventor Akira Shimase, 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama, Kanagawa (72) Inventor, Takashi Uemura, Hitachi, Ltd. Company Hitachi Production Engineering in the Institute
Claims (35)
ぼさないイオンを発生させ、該発生させたイオンを集束
してイオンビームを形成し、該形成したイオンビームを
前記試料に照射し、該試料を該試料の電気的特性を損な
うことなく処理することを特徴とする集束イオンビーム
発生手段を用いた処理方法。1. An ion beam that does not affect the electrical characteristics of a sample to be treated is generated, the generated ion is focused to form an ion beam, and the formed ion beam is irradiated to the sample. Then, the sample is processed without impairing the electrical characteristics of the sample, which is a processing method using a focused ion beam generating means.
ノンなどの不活性ガスや窒素ガスを用いたプラズマによ
り発生されることを特徴とする請求項1記載の集束イオ
ンビーム発生手段を用いた処理方法。2. The processing method using a focused ion beam generating means according to claim 1, wherein the ions are generated by plasma using an inert gas such as argon, krypton, or zenon, or a nitrogen gas. .
極放電により発生されることを特徴とする請求項2記載
の集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法。3. The processing method using a focused ion beam generating means according to claim 2, wherein the plasma is generated by an electrodeless discharge using microwaves.
ームの電流密度を低下させることなく前記処理に応じて
所望の径に形成し、該所望の径に形成したイオンビーム
を用いて前記試料を処理することを特徴とする請求項1
記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法。4. The ion beam to be formed is formed into a desired diameter according to the processing without lowering the current density of the ion beam, and the sample is formed using the ion beam formed into the desired diameter. Processing is carried out.
A processing method using the focused ion beam generating means described.
デバイスであり、上記イオンはシリコン単体、ゲルマニ
ウム単体またはシリコン/ゲルマニウム合金のうちの何
れかをイオン材料とすることを特徴とする請求項1記載
の集束イオンビーム発生手段を用いた処理方法。5. The focusing according to claim 1, wherein the sample is a silicon wafer or a silicon device, and the ions are any one of silicon simple substance, germanium simple substance, and silicon / germanium alloy as an ionic material. A processing method using an ion beam generating means.
試料を処理する集束イオンビーム発生手段を用いた処理
装置であって、前記試料の電気的特性に影響をおよぼさ
ないイオンを発生させるプラズマイオン源と、該プラズ
マイオン源で発生させたプラズマから前記イオンを引出
してイオンビームを形成するイオンビーム形成手段と、
該形成したイオンビームを集束させるイオンビーム集束
手段と、該集束させたイオンビームを前記試料に照射す
る照射手段と、該照射により処理される前記試料を設置
する試料室とを有することを特徴とする集束イオンビー
ム発生手段を用いた処理装置。6. A processing apparatus using a focused ion beam generating means for irradiating a sample with a focused ion beam to process the sample, wherein ions are generated that do not affect the electrical characteristics of the sample. A plasma ion source, and an ion beam forming means for extracting the ions from the plasma generated by the plasma ion source to form an ion beam,
An ion beam focusing means for focusing the formed ion beam, an irradiation means for irradiating the sample with the focused ion beam, and a sample chamber for setting the sample to be processed by the irradiation. A processing apparatus using a focused ion beam generating means.
プトン、ゼノンなどの不活性ガス又は窒素ガスを用いて
無電極放電によりプラズマを発生させることを特徴とす
る請求項6記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処
理装置。7. The focused ion beam generating means according to claim 6, wherein the plasma ion source generates plasma by an electrodeless discharge using an inert gas such as argon, krypton, or zenon, or a nitrogen gas. A processing device using.
供給手段を備えたマイクロ波発生部と、該共振部で共振
させたマイクロ波を用いて磁場中で無電極放電によりプ
ラズマを発生させるプラズマ発生部とを有することを特
徴とする請求項6記載の集束イオンビーム発生手段を用
いた処理装置。8. A plasma generation source for generating plasma by electrodeless discharge in a magnetic field using a microwave generation unit having microwave power supply means and microwaves resonated by the resonance unit. 7. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 6, further comprising:
マイオン源で発生したプラズマからイオンをビーム状に
引き出すイオン引き出し部と、該引出したイオンを集束
させすると共に該集束したイオンを加速するイオン集束
・加速部とを有することを特徴とする請求項6記載の集
束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。9. The ion beam forming means extracts an ion from a plasma generated by the plasma ion source in a beam shape, and an ion focusing means for focusing the extracted ion and accelerating the focused ion. A processing device using the focused ion beam generating means according to claim 6, further comprising: an acceleration unit.
たイオンを通過させるイオン引き出し口を有する引出し
電極と、前記プラズマイオン源で発生したプラズマの前
記イオン引き出し口周辺のイオンシ−スを制御するイオ
ンシ−ス制御電極とを備えたことを特徴とする請求項9
記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。10. The ion extraction unit has an extraction electrode having an ion extraction port for allowing the extracted ions to pass therethrough, and an ion sheet for controlling an ion sequence around the ion extraction port of plasma generated by the plasma ion source. 10. A scanning control electrode is provided.
A processing apparatus using the focused ion beam generating means described.
前記プラズマイオン源で発生したプラズマのイオンシ−
スの厚さよりも小さい半径の開口であることを特徴とす
る請求項10記載の集束イオンビーム発生手段を用いた
処理装置。11. The ion extraction port of the extraction electrode is
Ion shield of plasma generated by the plasma ion source
11. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 10, wherein the opening has a radius smaller than the thickness of the ion beam.
速する加速電極と、該加速電極と前記イオン引き出し部
との間に位置して電子を放出する電子放出源と、前記イ
オン引き出し口の前記加速電極側の近傍に前記開口の軸
方向と平行な磁界を形成する磁界発生源とを有し、前記
イオン引き出し口から引き出されたイオンに前記磁界中
で前記放出された電子を照射することにより、前記イオ
ン引き出し口付近で前記イオンに対する空間電荷効果を
抑制すると共に、前記イオンビ−ムの径方向の拡散を抑
えることを特徴とする請求項9記載の集束イオンビーム
発生手段を用いた処理装置。12. The ion focusing / accelerating unit includes an accelerating electrode for accelerating ions, an electron emission source located between the accelerating electrode and the ion extracting unit for emitting electrons, and an ion extracting port for the ion extracting port. A magnetic field generating source that forms a magnetic field parallel to the axial direction of the opening in the vicinity of the acceleration electrode side, and irradiates the ions extracted from the ion extraction port with the emitted electrons in the magnetic field. 10. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 9, wherein the space charge effect on the ions is suppressed near the ion extraction port, and the radial diffusion of the ion beam is suppressed. .
該試料を処理する集束イオンビーム発生手段を用いた処
理装置であって、前記試料に照射しても前記試料の電気
的特性に影響をおよぼさないイオンを発生させるプラズ
マイオン源と、該プラズマイオン源で発生させたプラズ
マから前記イオンを引出して所望の径のイオンビームを
形成するビーム径変更手段を備えたイオンビーム形成手
段と、該形成したイオンビームを集束させるイオンビー
ム集束手段と、該集束させたイオンビームを前記試料に
照射する照射手段と、該照射により処理される前記試料
を設置する試料室とを有することを特徴とする集束イオ
ンビーム発生手段を用いた処理装置。13. A processing apparatus using a focused ion beam generating means for irradiating a sample with a focused ion beam to process the sample, wherein the electrical characteristics of the sample are affected even when the sample is irradiated. A plasma ion source for generating ions that do not extend, and an ion beam forming means having a beam diameter changing means for extracting the ions from the plasma generated by the plasma ion source to form an ion beam having a desired diameter, An ion beam focusing means for focusing the formed ion beam, an irradiation means for irradiating the sample with the focused ion beam, and a sample chamber for setting the sample to be processed by the irradiation. A processing apparatus using a focused ion beam generating means.
力供給手段を備えたマイクロ波発生部と、該共振部で共
振させたマイクロ波で無電極放電によりプラズマを発生
させるプラズマ発生部とを有することを特徴とする請求
項13記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装
置。14. The plasma ion source includes a microwave generator having microwave power supply means, and a plasma generator that generates plasma by electrodeless discharge by the microwave resonated by the resonator. 14. A processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 13.
ズマイオン源で発生したプラズマからイオンをビーム状
に引き出すイオン引き出し部と、該引出したイオンを集
束させると共に集束したイオンを加速するイオン集束・
加速部とを有することを特徴とする請求項13記載の集
束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。15. The ion beam forming means extracts an ion from the plasma generated by the plasma ion source in a beam shape, and an ion focusing unit for focusing the extracted ion and accelerating the focused ion.
14. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 13, further comprising an accelerating unit.
たイオンを通過させるイオン引き出し口を有する引出し
電極と、前記プラズマイオン源で発生したプラズマの前
記イオン引き出し口周辺のイオンシ−スを制御するイオ
ンシ−ス制御電極とを備えたことを特徴とする請求項1
5記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。16. The ion extraction unit has an extraction electrode having an ion extraction port for allowing the extracted ions to pass therethrough, and an ion sheet for controlling an ion sheath around the ion extraction port of plasma generated by the plasma ion source. A control electrode is provided.
A processing apparatus using the focused ion beam generating means described in 5.
たイオンを通過させるイオン引き出し口を有する引出し
電極と、前記プラズマイオン源で発生したプラズマの前
記イオン引き出し口周辺のイオンシ−スを制御するイオ
ンシ−ス制御電極とを有し、前記ビーム径変更手段は前
記引き出し電極に印加する電圧を制御する引出し電極電
圧制御手段により構成され、該引出し電極電圧制御手段
により前記引出し電極に印加する電圧を制御して前記プ
ラズマのイオンシースの厚さを変化させることにより、
前記イオンビームの径を変化させることを特徴とする請
求項15記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理
装置。17. An extraction electrode having an extraction port through which the extracted ions pass, and an ion sheath for controlling an ion sheath around the ion extraction port of plasma generated by the plasma ion source. The beam diameter changing means is composed of extraction electrode voltage control means for controlling the voltage applied to the extraction electrode, and the extraction electrode voltage control means controls the voltage applied to the extraction electrode. By changing the thickness of the ion sheath of the plasma,
16. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 15, wherein the diameter of the ion beam is changed.
成された前記引き出し電極の前記イオン引き出し口によ
り構成されたことを特徴とする請求項15記載の集束イ
オンビーム発生手段を用いた処理装置。18. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 15, wherein the beam diameter changing means is constituted by the ion extraction port of the extraction electrode formed in a tapered shape. .
数の開口を備えた前記引き出し電極により構成され、所
望のビーム径に応じて前記径の異なる複数の開口のうち
の所定の開口から前記イオンビームを引出すことを特徴
とする請求項15記載の集束イオンビーム発生手段を用
いた処理装置。19. The beam diameter changing means is constituted by the extraction electrode having a plurality of openings having different diameters, and the beam is changed from a predetermined opening among the plurality of openings having different diameters according to a desired beam diameter. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 15, wherein an ion beam is extracted.
ーム径に応じて前記径の異なる複数の開口のうちの所定
の開口が前記プラズマから前記イオンビームを引出す所
定の位置に位置するように前記引き出し電極を移動させ
る移動機構を備えた引き出し電極により構成されること
を特徴とする請求項15記載の集束イオンビーム発生手
段を用いた処理装置。20. The beam diameter changing means is arranged so that a predetermined opening of the plurality of openings having different diameters according to the desired beam diameter is located at a predetermined position for extracting the ion beam from the plasma. 16. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 15, wherein the processing device is composed of an extraction electrode having a moving mechanism for moving the extraction electrode.
設けた引き出し電極と、該複数の開口の前記プラズマの
側に絶縁板を介して設置されたシース面制御電極とによ
り構成され、該シース面制御電極に印加する電圧を制御
することにより前記イオンビームを所定の径に設定する
ことを特徴とする請求項15記載の集束イオンビーム発
生手段を用いた処理装置。21. The beam diameter changing means comprises an extraction electrode having a plurality of openings, and a sheath surface control electrode installed on the plasma side of the plurality of openings via an insulating plate, The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 15, wherein the ion beam is set to a predetermined diameter by controlling the voltage applied to the sheath surface control electrode.
電極の前記プラズマイオン源と反対の側に前記引き出し
口と接続するテ−パ状の開口を備えた絶縁スペ−サと、
該絶縁スペ−サの前記プラズマイオン源と反対の側で前
記引き出し口より大きな径の前記テーパ状の開口部分に
設けた前記引き出し口の径より小さい径の開口を多数設
けたメッシュ電極とを有する前記引き出し電極により構
成され、前記メッシュ電極に印加する電圧を制御すると
共に前記マイクロ波電力供給手段により前記マイクロ波
発生部に印加するマイクロ波電力を制御して前記プラズ
マの密度を変化させることにより、前記イオンビームを
所定の径に設定することを特徴とする請求項15記載の
集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。22. An insulating spacer, wherein the beam diameter changing means has a taper-shaped opening connected to the extraction port on the side of the extraction electrode opposite to the plasma ion source.
A mesh electrode provided on the opposite side of the insulating spacer from the plasma ion source to the tapered opening having a diameter larger than the extraction opening, and a plurality of openings having a diameter smaller than the diameter of the extraction opening. By changing the density of the plasma by controlling the voltage applied to the mesh electrode, which is constituted by the extraction electrode, and the microwave power supply means which controls the microwave power applied to the microwave generator. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 15, wherein the ion beam is set to have a predetermined diameter.
き出し部は、前記プラズマに接する側に多数の開口を設
けたメッシュ状の引き出し電極からなる前記イオン引き
出し部と、異なる複数の開口を有し該異なる複数の開口
のうち所望の開口が前記イオン引き出し部から引出され
たイオンが通過する部分に位置するよう移動可能に構成
されたイオン集束・加速部により構成されたことを特徴
とする請求項15記載の集束イオンビーム発生手段を用
いた処理装置。23. In the beam diameter changing means, the ion extraction part has a plurality of openings different from the ion extraction part composed of a mesh-shaped extraction electrode having a large number of openings on the side in contact with the plasma. The ion focusing / accelerating unit configured to be movable so that a desired opening of the plurality of different openings is located at a portion through which the ions extracted from the ion extracting unit pass. 15. A processing apparatus using the focused ion beam generating means described in 15.
に照射したときに前記試料から放出される2次荷電粒子
を検出する2次荷電粒子検出手段と、該2次荷電粒子検
出手段で検出した前記2次荷電粒子に基づいて前記試料
表面の画像を表示する画像表示手段とを更に備えたこと
を特徴とする請求項6記載の集束イオンビーム発生手段
を用いた処理装置。24. Secondary charged particle detection means for detecting secondary charged particles emitted from the sample when the sample is irradiated with the focused ion beam, and the secondary charged particle detection means detects the charged particles. 7. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 6, further comprising an image display means for displaying an image of the sample surface based on the secondary charged particles.
該試料を処理する集束イオンビーム発生手段を用いた処
理装置であって、前記試料の電気的特性に影響をおよぼ
さないイオンを発生させるイオン源と、該イオン源で発
生させた前記イオンを引出してイオンビームを形成する
イオンビーム形成手段と、該形成したイオンビームを集
束させるイオンビーム集束手段と、該集束させたイオン
ビームを前記試料に照射する照射手段と、該照射により
処理される前記試料を設置する試料室とを有することを
特徴とする集束イオンビーム発生手段を用いた処理装
置。25. A processing apparatus using a focused ion beam generating means for irradiating a sample with a focused ion beam to process the sample, wherein ions are generated that do not affect the electrical characteristics of the sample. An ion source, an ion beam forming means for extracting the ions generated by the ion source to form an ion beam, an ion beam focusing means for focusing the formed ion beam, and the focused ion beam A processing apparatus using a focused ion beam generating means, comprising: an irradiation unit for irradiating a sample, and a sample chamber for setting the sample to be processed by the irradiation.
る前記照射手段の部品が、試料の主構成元素もしくは周
期律表上前記主構成元素と同族の元素によって形成され
ているかまたは表面を被覆されていることを特徴とする
請求項25記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処
理装置。26. The part of the irradiation means that receives the focused ion beam directly is formed of a main constituent element of the sample or an element of the same group as the main constituent element in the periodic table, or the surface thereof is coated. 26. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 25.
絞るビーム絞り部を有し、該ビーム絞りが、シリコン単
体、ゲルマニウム単体、もしくはそれらの炭化物、窒化
物、酸化物のいずれかで作成されていることを特徴とす
る請求項25記載の集束イオンビーム発生手段を用いた
処理装置。27. The irradiation means has a beam diaphragm for narrowing the diameter of the ion beam, and the beam diaphragm is made of silicon alone, germanium alone, or their carbides, nitrides or oxides. 26. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 25.
ンデバイスであり、上記イオン源はゲルマニウム単体ま
たはシリコン/ゲルマニウム合金のうちの何れかをイオ
ン材料とし、該イオン材料を保持するためのリザーバ
と、該イオン材料を加熱溶融するために前記リザーバに
接続された導線と、前記リザーバから供給される加熱溶
融された状態の前記イオン材料で表面が濡らされるエミ
ッタと、該エミッタと対向して配置された引き出し電極
とを有し、前記エミッタと前記引き出し電極との間に高
電圧を印加することにより前記エミッタの先端部からイ
オンを放出する電気流体力学的イオン源であり、溶融さ
れた前記ゲルマニウムが接触する部材のうちの少なくと
も上記エミッタが炭化タングステンで構成されているこ
とを特徴とする請求項25記載の集束イオンビーム発生
手段を用いた処理装置。28. The sample is a silicon wafer or a silicon device, and the ion source uses either germanium simple substance or silicon / germanium alloy as an ionic material, a reservoir for holding the ionic material, and the ion. A conductor wire connected to the reservoir for heating and melting the material, an emitter whose surface is wetted by the ionic material in a heated and melted state supplied from the reservoir, and an extraction electrode arranged to face the emitter. Is a electrohydrodynamic ion source that emits ions from the tip of the emitter by applying a high voltage between the emitter and the extraction electrode, the member being in contact with the molten germanium. At least said emitter is made of tungsten carbide. Processing apparatus using a focused ion beam generating means according 25.
ンデバイスであり、上記イオン源はシリコン単体または
シリコン/ゲルマニウム合金のうちの何れかをイオン材
料とし、該イオン材料を保持するためのリザーバと、該
イオン材料を加熱溶融するために前記リザーバに接続さ
れた導線と、前記リザーバから供給される加熱溶融され
た状態の前記イオン材料で表面が濡らされるエミッタ
と、該エミッタと対向して配置された引き出し電極とを
有し、前記エミッタと前記引き出し電極との間に高電圧
を印加することにより前記エミッタの先端部からイオン
を放出する電気流体力学的イオン源であり、溶融された
前記ゲルマニウムが接触する部材のうちの少なくとも上
記エミッタが炭化タングステンで構成されていることを
特徴とする請求項25記載の集束イオンビーム発生手段
を用いた処理装置。29. The sample is a silicon wafer or a silicon device, and the ion source uses either silicon simple substance or a silicon / germanium alloy as an ionic material, and a reservoir for holding the ionic material, and the ion. A conductor wire connected to the reservoir for heating and melting the material, an emitter whose surface is wetted by the ionic material in a heated and melted state supplied from the reservoir, and an extraction electrode arranged to face the emitter. Is a electrohydrodynamic ion source that emits ions from the tip of the emitter by applying a high voltage between the emitter and the extraction electrode, the member being in contact with the molten germanium. 3. At least the emitter of the two is made of tungsten carbide. Processing apparatus using a focused ion beam generating means according.
処理装置は、前記試料の前記集束したイオンビームを照
射する位置の近傍にCVD材料ガスを局所的に供給する
局所ガス供給手段を更に備え、前記試料上の所望に箇所
に前記集束したイオンビームを照射すると共に前記局所
ガス供給手段により前記CVD材料ガスを供給すること
により、前記試料上に薄膜を形成することを特徴とする
請求項29記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処
理装置。30. The processing apparatus using the focused ion beam generating means further comprises a local gas supply means for locally supplying a CVD material gas in the vicinity of a position of the sample irradiated with the focused ion beam, 30. A thin film is formed on the sample by irradiating the focused ion beam to a desired position on the sample and supplying the CVD material gas by the local gas supply means. A processing apparatus using the focused ion beam generating means of.
あることを特徴とする請求項30記載の集束イオンビー
ム発生手段を用いた処理装置。31. The processing apparatus using a focused ion beam generating means according to claim 30, wherein the CVD material gas is an organometallic gas.
処理装置は、シリコンウエハ検査手段を更に備え、該シ
リコンウエハ検査手段は前記集束されたイオンビームを
前記照射手段により前記試料に走査して照射したときに
前記試料から放出される2次電子を検出する2次電子検
出手段と、該2次電子検出手段で検出した前記2次電子
に基づいて前記試料表面の2次電子画像を表示する画像
表示手段とを有し、前記イオンビームの照射により加工
される前記試料表面の前記加工の深さに応じた画像を前
記画像表示手段に表示することを特徴とする請求項25
記載の集束イオンビーム発生手段を用いた処理装置。32. The processing apparatus using the focused ion beam generating means further comprises a silicon wafer inspecting means, and the silicon wafer inspecting means irradiates the focused ion beam by scanning the sample with the irradiating means. Secondary electron detecting means for detecting secondary electrons emitted from the sample at the time, and an image displaying a secondary electron image of the surface of the sample based on the secondary electrons detected by the secondary electron detecting means. 26. Display means for displaying an image according to the processing depth of the sample surface processed by the irradiation of the ion beam on the image display means.
A processing apparatus using the focused ion beam generating means described.
オン材料とし、該イオン材料を液体状態で保持するため
のリザーバと、該イオン材料を冷却して液状を維持させ
るための冷却槽と、前記リザーバに設けられ該リザーバ
に連通する微小開口を有するキャピラリ部と、該微小開
口を貫通するエミッタと、該エミッタと対向して配置さ
れた引き出し電極とを有し、前記エミッタと前記引き出
し電極との間に高電圧を印加することにより前記エミッ
タの先端部からイオンを放出する電気流体力学的イオン
源であることを特徴とする請求項25記載の集束イオン
ビーム発生手段を用いた処理装置。33. The ion source uses xenon (Xe) as an ionic material, a reservoir for holding the ionic material in a liquid state, and a cooling tank for cooling the ionic material to maintain a liquid state. A capillary portion provided in the reservoir and having a minute opening communicating with the reservoir, an emitter penetrating the minute opening, and an extraction electrode arranged to face the emitter, and the emitter and the extraction electrode. 26. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 25, which is an electrohydrodynamic ion source that emits ions from the tip of the emitter by applying a high voltage between the two.
処理装置は、異物観察除去手段を更に備え、該異物観察
除去手段は前記集束されたイオンビームを前記照射手段
により前記試料に走査して照射したときに前記試料から
放出される2次電子を検出する2次電子検出手段と、該
2次電子検出手段で検出した前記2次電子に基づいて前
記試料表面の2次電子画像を表示する画像表示手段とを
有し、該画像表示手段に表示された前記試料表面の2次
電子画像に基づいて前記試料表面に存在する異物に前記
イオンビームを集中的に照射することにより前記異物を
除去することを特徴とする請求項33記載の集束イオン
ビーム発生手段を用いた処理装置。34. The processing apparatus using the focused ion beam generating means further comprises foreign matter observation / removal means, and the foreign matter observation / removal means irradiates the focused ion beam by scanning the sample with the irradiation means. Secondary electron detecting means for detecting secondary electrons emitted from the sample at the time, and an image displaying a secondary electron image of the surface of the sample based on the secondary electrons detected by the secondary electron detecting means. Display means, and removes the foreign matter by intensively irradiating the foreign matter existing on the sample surface with the ion beam based on the secondary electron image of the sample surface displayed on the image display means. 34. A processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 33.
材料とする電離電界型イオン源であり、前記集束イオン
ビーム発生手段を用いた処理装置は前記試料に前記イオ
ンビームを照射したときに前記試料の表面から放出され
る2次イオンを検出して分析する2次イオン質量分析手
段を更に備えたことを特徴とする請求項25記載の集束
イオンビーム発生手段を用いた処理装置。35. The ion source is an ionization field type ion source using argon gas as an ionic material, and a processing apparatus using the focused ion beam generating means is arranged to treat the sample when the sample is irradiated with the ion beam. 26. The processing apparatus using the focused ion beam generating means according to claim 25, further comprising a secondary ion mass spectrometry means for detecting and analyzing secondary ions emitted from the surface of the.
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