JPH09306402A - イオンビーム制限絞り板、マスク、集束イオンビーム装置及び投射型イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は絞り孔側壁やマスクの開口パタ
−ンの開口側壁でのイオンビ−ム散乱防止効果を高める
ために絞り孔部分や開口パタ−ン部分を薄くすることが
できると共に、それらの長寿命化を図ることができるよ
うにしたものである。 【解決手段】図１（ａ）のように、未照射の絞り基板１
０２ａの、イオンビ−ムの強度を制限する絞り孔２０
１、２０２の周辺の表面に溶融金属元素であるガリウム
（Ｇａ：融点約３０℃）の液滴２０３を多数付着させ
る。図１（ｂ）のようにイオンビ−ム２０４の照射を行
うと、イオンビーム照射誘起によりイオンビーム照射領
域内のみにＧａが拡散し、そこを薄いＧａ液状薄膜２０
３ａが覆う。図１（ｃ）のように、絞り孔２０２にもイ
オンビーム照射を行なうと、その回りの表面も液状薄膜
２０３ａで被覆される。したがって、この液状薄膜が入
射ビーム２０４によるスパッタリングにより薄くなって
も、すぐに周辺のＧａ液滴から流入があり、自己修復が
行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオンビーム制限絞
り板、マスク、集束イオンビ−ム装置及び投射型イオン
ビ−ム装置、特に微細デバイスや高機能性材料開発にお
ける微細加工や高分解能観察に適するイオンビーム制限
絞り板、マスク、集束イオンビ−ム装置及び投射型イオ
ンビ−ム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンビーム制限絞り板（以下、絞り板
と略す）は、微細なイオンビームを形成する集束イオン
ビーム装置（以下、ＦＩＢ装置と呼ぶ）などに用いられ
る。例えば、特開平３−１３２０８２に示されているＦ
ＩＢ装置の概要を図４に示す。金属イオン源１００から
放出したイオンビームはコンデンサーレンズ１０１と対
物レンズ１０６により試料１０８の上に集束する。レン
ズ間にはイオンビ−ム制限絞り板１０２、アライナー・
スティグマ１０３、ブランカー１０４、偏向器１０５が
配置されている。試料１０８は試料ステージ１０９の上
に搭載されており、ＸＹ微動が可能である。試料１０８
から放出される二次粒子は荷電粒子検出器１０７により
検出される。その信号強度でＣＲＴの輝度変調を行い、
かつビーム偏向信号と同期した信号をＣＲＴのビーム走
査信号とすることにより、試料表面の走査イオン顕微鏡
（ＳＩＭ）像がＣＲＴ上に形成される。

【０００３】絞り板１０２はビーム強度を制限するもの
であり、イオン放出状態及び集束レンズ強度が一定の下
ではその絞りの孔径を変えることによりビーム強度及び
ビーム径が変えられる。図３では２個の絞り孔を有する
絞り板が示されている。ＳＩＭ像の分解能はビーム径に
依存し、高分解能像を得るには微細なビームを形成する
ために孔径の小さな絞りを用いる。一方、イオンスパッ
タリングを利用した加工においては、その加工速度はイ
オン強度（あるいはイオン電流）に比例し、その加工位
置精度はビーム径に強く依存する。従って、高速加工に
は大電流のビームを形成するために大きな絞り孔を用い
る。

【０００４】絞り板の絞り孔を通過したイオンビームの
中には、絞り孔の側壁面で散乱されたイオンビームが若
干混ざる。この散乱ビームは無散乱ビームと軌道を異に
し、試料上でビームぼけを引き起こし、集束ビームの質
を劣化させる。この散乱ビームを少なくする観点から
は、絞り孔部の板厚さが薄いほど良い。経験的には、板
厚さは絞り孔径サイズより薄いことが望ましい。一方、
絞り板もその絞り孔部周辺はビーム照射によるイオンス
パッタリングにより損傷を受けて次第に薄くなり、孔径
が大きくなって、遂には寿命に到って、絞り板の交換が
必要となる。長寿命化の観点からは絞り板の絞り孔部分
の厚さは厚いほど良い。したがって、板厚さの最適化に
おいて、絞り孔側壁面からの散乱ビームの低減化と絞り
の長寿命化は相反関係にある。

【０００５】同様な相反関係はイオンビーム形状を制限
するステンシルマスク（以下、マスクと略す）にも見ら
れる。このマスクは投影型イオンビーム装置などに用い
られている。この装置は、イオンビームで照射したマス
ク上の開口パターンをレンズで縮小して試料上に投射
し、その投射部に生じる物理的または化学的な変化を利
用して試料上に微細なパターンの加工を施す装置であ
る。

【０００６】従来例として、イオンビームでマスクのパ
ターンをホトレジストが塗布されたウエハ試料に露光す
るイオン投射リソグラフィ装置が、論文集マイクロエレ
クトロニクスエンジニアリング、第１７巻（１９９２
年）第２２９頁から２４０頁にかけて、チャルプカらに
よる論文(A. Chalupka et al., "A Progress in Ion Pr
ojection Lithography", Microelectronic Engineerin
g, 17(1992)229-240)に示されている。この投射型イオ
ンビーム装置の概要を第５図に示す。イオン源３０１よ
り引き出したイオンビーム３０２は照射光学系３０３に
よりマスク３０４に照射される。イオン源３０１はホト
レジストに微細なパターンを形成するために軽元素の水
素やヘリウムのイオン生成を対象としたデュオプラズマ
トロン型イオン源である。マスクステージ３０５に保持
されたマスク３０４には開口パターン３０４が設けられ
ている。マスク３０４を通過したイオンビーム３０２は
集束レンズ３０６及び投射レンズ３０７からなる投射光
学系により試料３０８に投射される。このとき、投射レ
ンズ３０７はマスク３０４に設けた開口パターンの像を
試料３０８上に縮小して投射する。試料３０８は試料ス
テージ３０９に保持されていて、一回のイオンビーム投
射の完了毎に試料ステージ３０９を逐次移動し、試料面
上の異なる位置に同じパターンをくり返し投射する。こ
れにより試料面全体に同じパターンを数多く露光するこ
とができる。また、これらのイオン光学系は真空容器３
１０内に置かれている。投射イオンビームによってパタ
ーン露光したレジスト塗布試料は、その後、現像して露
光部のレジストを除去してマスク開口パターンの縮小パ
ターンを形成することができる。

【０００７】形成されるべきパタ−ンが微細化されるに
伴って開口パタ−ンの開口サイズを小さくする必要があ
るだけでなく、その厚さを薄くすることが必要となる。
開口パタ−ンの開口側壁でのイオン散乱が問題となるか
らである。したがって、この場合は、イオンビ−ムの強
度を制限する絞り板の場合と同様に、マスクの寿命が短
縮されるという問題が生じる。というのも、マスクは常
にイオンビーム照射されているためにスパッタリング損
傷を受け、それによって次第に薄くなり、開口パタ−ン
の開口が大きくなるからである。この開口変形により所
望の開口パターンが形成できなくなったとき、マスクは
寿命となり、新マスクと交換することになる。マスク交
換は交換時間を要すると共に、イオンビームの再調整な
ど、煩雑な作業を伴う。

【０００８】以上の説明から、集束イオンビ−ム装置な
どにおいては、分解能向上や絞り孔側壁でのイオンビ−
ム散乱防止といった観点からは、絞り板の絞り孔径及び
その厚さ寸法を小さくすることが望ましいが、その反
面、寿命の低下が伴うことが理解される。同様に、投射
型イオンビ−ム装置などにおいても、形成されるべき開
口パタ−ンの微細化及び開口パタ−ンの開口側壁でのイ
オンビ−ム散乱防止といった観点から、開口パタ−ンの
サイズ及びその厚さ寸法を小さくすることが望ましい
が、その反面、寿命の低下という問題が伴うことが理解
される。たとえば、絞り孔径又は開口サイズが特に５０
μｍ以下、厚さが１０μｍ以下のイオンビ−ム制限絞り
板又はマスクでは、その基板材料としてスパッタリング
収率の低いタングステンやモリブテンを用いても、その
実用寿命は数か月と短いことがわかった。

【０００９】特開平５−１５９７３０号公報には、集束
イオンビ−ム装置などにおいて、アパ−チャの、イオン
ビ−ム衝撃を受ける部分を焼結体で構成し、これに低融
点金属を含浸又は浸透させることが示されている。これ
によれば、ある程度のアパ−チャの長寿命化が期待でき
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、そのような技
術においては、焼結体を用いているがためにアパ−チャ
を上述のように薄く加工し、かつ小さい絞り孔を形成す
ることが実際上困難である。したがって、開口側壁での
十分なイオンビ−ム散乱防止効果を期待し得ない。

【００１１】本発明の目的は絞り孔側壁でのイオンビ−
ム散乱防止効果を高めるために絞り孔部分を薄くするこ
とができると共に、長寿命化を図ることができるイオン
ビーム制限絞り板及び集束イオンビ−ム装置を提供する
ことにある。

【００１２】本発明のもう一つの目的は開口パタ−ンの
開口側壁でのイオンビ−ム散乱防止効果を高めるために
開口パタ−ン部分を薄くすることができると共に、長寿
命化を図ることができるマスク及び投射型イオンビ−ム
装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、イオンビー
ムの強度を制限する絞り孔を有する絞り基板は非焼結型
であり、その非焼結型絞り基板の、イオンビ−ム入射側
における絞り孔周辺の表面は液状金属膜で被覆される。

【００１４】本発明では、もう一つの側面によれば、イ
オンビームの強度を制限する絞り孔を有する絞り基板は
非焼結型であり、その非焼結型絞り基板の、イオンビ−
ムによって衝撃を受ける部分を含む表面は液状金属膜で
被覆される。

【００１５】本発明では、別の側面によれば、イオンビ
−ムの形状を制限する開口パタ−ンを有するマスク基板
は非焼結型であり、その非焼結型マスク基板の、イオン
ビ−ムによって衝撃を受ける部分を含む表面は液状金属
膜で被覆される。

【００１６】本発明によれば、イオンビ−ムスパッタに
よって液状金属膜が薄くなっても、その薄くなった部分
は、その部分への、その周辺（イオンビ−ム照射を受け
ていない部分）にある液状金属の流れ込みによって修復
され、したがって、長寿命化が図られる。また、基板は
非焼結型であるため、薄く加工することができ、このた
め、絞り孔の側壁又は開口パタ−ンの開口側壁でのイオ
ンビ−ム散乱防止効果が高められる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１（ａ）〜（ｃ）は実施例で用
いられるイオンビ−ム制限絞り板１０２の絞り基板１０
２ａ表面の溶融状態の金属による濡れ状態を説明するも
のである。図（ａ）は未照射の絞り基板１０２ａの、イ
オンビ−ムの強度を制限する絞り孔２０１、２０２の周
辺の表面に溶融金属元素であるガリウム（Ｇａ：融点約
３０℃）の液滴２０３を多数付着させたものである。本
例における絞り孔２０１および２０２の孔径はそれぞれ
１０μｍおよび２０μｍである。図（ｂ）はこの絞り基
板の絞り孔２０１に３０ｋｅＶのＧａイオンビーム２０
４をしばらく照射した後のＧａ金属の濡れを示したもの
である。イオンビーム照射誘起によりイオンビーム照射
領域内のみにＧａが拡散し、そこを薄いＧａ液状薄膜２
０３ａが覆う。図（ｃ）は絞り孔２０２にもイオンビー
ム照射を行ない液状薄膜２０３ａが形成されたものを示
したものである。イオンビーム照射の領域外では、Ｇａ
液滴の絞り基板１０２ａへの濡らしは室温ではほとんど
進行せず、表面張力のために付着当時の形状を保持して
いる。このイオンビーム照射の領域外の液滴とイオンビ
ーム照射領域内に形成された液状薄膜とがつながってい
る場合は、この液滴がＧａ貯め部として働く。つまり、
この液状薄膜が入射ビーム２０４によるスパッタリング
により薄くなっても、すぐに周辺のＧａ液滴から流入が
あり、自己修復が行われる。

【００１８】ここで、付着させる液滴の大きさは数１０
０μｍ以下で、また、イオンビ−ム照射による誘起拡散
で形成した液状薄膜の厚さは数μｍ以下である。形状修
復の観点からは、液状薄膜の厚さは最低０．１μｍあれ
ば十分である。誘起拡散の速度は温度の影響を受け、高
温になるほど速くなる。したがって、絞り基板やマスク
基板を熱伝導やランプなどで加熱して温度を上げると、
短時間で液状被覆膜を形成することができる。イオンビ
−ム照射後の５０％被覆は、付着液滴の密度、温度、絞
り基板やマスクの材質や表面粗さにも依存するが、通常
数時間から１０時間で行える。

【００１９】絞り基板１０２ａは薄く仕上げられるよう
に非焼結型材料、すなわちタングステン、モリブテン、
ステンレス、シリコン、又はシリコン化合物で作られ
る。

【００２０】図１（ａ）に示した多数のＧａ微滴を付着
させたイオンビ−ム制限絞り板をＦＩＢ装置に採用し
た。その概略構成はイオンビ−ム制限絞り板を除いて図
４と同じである。数日の使用で、使用したイオンビ−ム
制限絞り板の絞り孔周辺のイオンビーム照射部をＧａ液
状薄膜で覆うことができた。これにより、絞り板の長寿
命化が図られた。

【００２１】図２は本発明の実施例で用いたガリウム−
インジュウム合金（Ｇａ−Ｉｎ合金：融点約１８℃）の
液状薄膜で覆ったマスクの断面概略図である。３０４ａ
はマスクステ−ジ３０５によって保持されているマスク
３０４（後述の図５）のマスク基板、３１５はその、イ
オン照射側表面に形成されている液状薄膜、３１７は開
口パタ−ンである。マスク基板３０４ａは非焼結型材料
であるシリコンで作られている。イオンビ−ム制限絞り
板の場合と同様、使用前に多数のＧａ−Ｉｎ液滴を付着
しておけば、数日の初期使用でビーム照射領域内をＧａ
−Ｉｎ液状薄膜で覆うことができた。これを採用した投
影型イオンビーム装置においてはマスクの長寿命化が図
られた。マスク基板３０４ａとマスクステージ３０５と
の境界部には溶融Ｇａ−Ｉｎ合金が溜り、貯め部の役割
を果たす。これにより溶融金属の被覆層３１５がイオン
ビーム照射により薄くなっても、この貯め部より溶融合
金が拡散、補給され自己修復される。これによりマスク
寿命を約１０倍の約５０００時間に延ばすことができ
た。

【００２２】イオンビ−ム制限絞り板やマスクの表面を
被覆する液状金属の材料には、（１）室温近傍の低融点
であること、（２）融点近傍で蒸気圧が低いこと、
（３）イオンビ−ム制限絞り板あるいはマスクと濡れる
が化学反応しないことなどの条件が要求される。上記実
施例で用いたＧａやＧａ−Ｉｎ合金は上記条件を満足す
る好都合材料である。更に、イオンビ−ム絞り板やマス
クに加熱機構を設けることができれば、融点のより高い
材料まで拡張できる。

【００２３】また、イオンビ−ム絞り板やマスクへの液
状金属の初期被覆の方法には、上記実施例ではイオンビ
ーム照射による誘起拡散を利用した。他の方法として、
イオンビ−ム制限絞り板やマスクを真空中で加熱して液
状（溶融）金属に浸すことによっても達成できる。

【００２４】図２の実施例は１枚構成のマスクである
が、本発明の基本アイデアは幅サイズが可変の複数枚の
スリットから構成されたマスクにも適用できる。複数枚
のスリット構成のマスクは、開口パターン形状が可変で
きる特徴がある。図３は本発明のもとづく実施例として
の２枚の可変スリット構成のマスクの断面図で、３２０
と３２１は非焼結型の可動マスク基板、３２２は可動マ
スク基板の微動手段、３２３はスリット状の開口パタ−
ン、３０２は入射イオンビーム、３２４は開口パタ−ン
３２３を通過したイオンビームである。２枚の可動可変
スリット基板３２０と３２１の上には液状金属の被覆膜
３１５がある。

【００２５】また、上述の例ではマスクの基板材料とし
てシリコンを用いたが、非焼結型材である酸化シリコン
などの絶縁材料が用いられても良い。基板表面は液状金
属で被覆されているので、基板材料が絶縁性材料であっ
ても電気的チャージアップなどの問題は生じない。本発
明のマスクの採用により、寿命が約１桁長くできた。

【００２６】更に、本発明のマスクを投影型イオンビー
ム装置に採用した。その概略構成はマスク以外は図５と
同じである。発明によりマスクの寿命が１桁以上長くな
り、その結果、マスク交換の頻度が少なくなり、装置の
安定稼動時間の割合が飛躍的に改善された。

【００２７】イオンビ−ム絞り板およびマスクの長寿命
化は付着させた溶融金属の量に依存するが、実用的には
約１桁アップの効果が得られた。この改善効果はイオン
ビ−ム絞り板あるいはマスクの厚さに１０μｍ以下が要
求され、かつ絞り孔径あるいはマスクの開口パタ−ンの
開口サイズが５０μｍ以下である場合に大きい。本発明
の絞り板およびマスクをそれぞれＦＩＢ装置および投影
型イオンビーム装置に採用することにより、ビーム強度
や形状が長時間安定なイオンビームが供給でき、微細デ
バイスや高機能性材料開発における微細加工や高分解能
観察が高信頼性に遂行することができた。

【００２８】前述の説明から、イオンビ−ムスパッタに
よって液状金属膜が薄くなっても、その薄くなった部分
は、その部分への、その周辺（イオンビ−ム照射を受け
ていない部分）にある液状金属の流れ込みによって修復
され、したがって、長寿命化が図られることが理解され
る。また、基板は非焼結型であるため、薄く加工するこ
とができ、このため、絞り孔の側壁又は開口パタ−ンの
開口側壁でのイオンビ−ム散乱防止効果が高められる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、絞り孔側壁でのイオン
ビ−ム散乱防止効果を高めるために絞り孔部分を薄くす
ることができると共に、長寿命化を図ることができるイ
オンビーム制限絞り板及び集束イオンビ−ム装置が提供
される。

【００３０】本発明によればまた、開口パタ−ンの開口
側壁でのイオンビ−ム散乱防止効果を高めるために開口
パタ−ン部分を薄くすることができると共に、長寿命化
を図ることができるマスク及び投射型イオンビ−ム装置
が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のイオンビ−ム制限絞り板に
おける液状金属薄膜の形成説明図。

【図２】本発明の一実施例のステンシルマスクの断面
図。

【図３】本発明のもう一つの実施例の開口パターンの形
状が可変できるステンシルマスクの断面図。

【図４】本発明のイオンビ−ム制限絞り板を採用した集
束イオンビ−ム装置の概略構成図。

【図５】本発明のマスを採用した投影型イオンビーム装
置の概略構成図。

【符号の説明】

１００：金属イオン源、１０１：コンデンサーレンズ、
１０２：イオンビ−ム制限絞り板、１０２ａ：絞り基
板、１０３：アライナー・スティグマ、１０４：ブラン
カー、１０５：偏向器、１０６：対物レンズ、１０７：
二次粒子検出器、１０８：試料、１０９：試料ステー
ジ、２０１、２０２：絞り孔、２０３：液滴、２０４：
照射イオンビーム、３０１：イオン源、３０２：イオン
ビーム、３０３：照射光学系、３０４：マスク、３０４
ａ：マスク基板、３０５：マスクステージ、３０６：集
束レンズ、３０７：投射レンズ：３０８：試料、３０
９：試料ステージ、３１０：真空容器、３１５：液状
（溶融）金属膜、３２０、３２１：可動スリット基板、
３２２：可動スリット基板の微動手段、３２３：開口、
３２４：開口を通過したイオンビーム。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンビームの強度を制限する絞り孔を有
   する非焼結型絞り基板と、該非焼結型絞り基板の、前記
   イオンビ−ム入射側における前記絞り孔周辺の表面を被
   覆する液状金属膜とを含むことを特徴とするイオンビー
   ム制限絞り板。
2. 【請求項２】イオンビームの強度を制限する絞り孔を有
   する非焼結型絞り基板と、該非焼結型絞り基板の、前記
   イオンビ−ムによって衝撃を受ける部分を含む表面を被
   覆する液状金属膜とを含むことを特徴とするイオンビー
   ム制限絞り板。
3. 【請求項３】前記液状金属膜はガリウム又はガリウム合
   金で作られていることを特徴とする請求項１又は２に記
   載されたイオンビーム制限絞り板。
4. 【請求項４】前記非焼結型絞り基板の前記絞り孔部分の
   厚さは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれかに記載されたイオンビーム制限絞り板。
5. 【請求項５】前記絞り孔の径は５０μｍ以下であること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたイオ
   ンビーム制限絞り板。
6. 【請求項６】前記非焼結型絞り基板はタングステン、モ
   リブテン、ステンレス、シリコン、又はシリコン化合物
   で作られていることを特徴とする請求項１〜５に記載さ
   れたイオンビ−ム制限装置。
7. 【請求項７】イオン源と移動可能な試料ステ−ジに保持
   された試料との間にコンデンサーレンズ、イオンビーム
   制限絞り板、偏向器及び対物レンズを同順に配置し、更
   に前記試料から発生した荷電粒子を検出する荷電粒子検
   出器を含む集束イオンビーム装置において、前記イオン
   ビーム制限絞り板を請求項１〜５のいずれかに記載され
   たイオンビーム制限絞り板で構成したことを特徴とする
   集束イオンビーム装置。
8. 【請求項８】イオンビ−ムの形状を制限する開口パタ−
   ンを有する非焼結型マスク基板と、該非焼結型マスク基
   板の、前記イオンビ−ムによって衝撃を受ける部分を含
   む表面を被覆する液状金属膜とを含むことを特徴とする
   マスク。
9. 【請求項９】前記開口パタ−ンを形成する複数の非焼結
   型可変マスク基板を含み、該非焼結型可変マスク基板は
   前記開口パタ−ンのサイズを変えるように移動可能であ
   ることを特徴とする請求項８に記載されたマスク。
10. 【請求項１０】前記液状金属膜はガリウム又はガリウム
    合金で作られることを特徴とする請求項８又は９に記載
    されたマスク。
11. 【請求項１１】前記非焼結型マスク基板の前記開口パタ
    −ン部分の厚さは１０μｍ以下であることを特徴とする
    請求項８〜１０のいずれかに記載されたマスク。
12. 【請求項１２】前記開口パタ−ンの開口サイズは５０μ
    ｍ以下であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれ
    かに記載されたマスク。
13. 【請求項１３】イオン源、マスク、該マスクを保持する
    マスクステージ、前記イオン源から引き出したイオンビ
    ームを前記マスクに照射する照射光学系、試料を保持
    し、移動する試料ステージ、及び前記マスクの開口パタ
    −ンの像を前記試料上に形成する投射光学系から構成さ
    れた投射型イオンビーム装置において、前記マスクを請
    求項８〜１２のいずれかに記載されたマスクで構成した
    ことを特徴とした投射型イオンビーム装置。