JPH11238482A - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動焦点合わせを可能とする応答の速い静電
レンズ系を備えた集束イオンビーム装置を実現する。 【解決手段】 対物レンズ３の一方の外側電極１２は鏡
筒から絶縁されてレンズ電源１４に接続されている。こ
のレンズ電源１４は、その出力電圧を±５００Ｖ程度の
範囲で可変できるもので、一般的な直流電圧電源であ
る。この種電源は数十ｋＨｚの高速応答性を有してい
る。このレンズ電源１４から外側電極１２に印加する電
圧を変えると、対物レンズ３の焦点距離を僅かではある
が変化させることができる。イオンビームのエネルギー
が３０ｋｅＶの時、外側電極１２に５００Ｖ程度印加す
ると、ビームの焦点が１００μｍくらい変化する。この
ような対物レンズ３を用いることにより、イオンビーム
の自動焦点合わせが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電型対物レンズ
を用いてイオンビームを試料上に細く集束するようにし
た集束イオンビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置）で
は、イオン源から発生し加速されたイオンビームを静電
型のコンデンサレンズと対物レンズとによって細く集束
し、試料上に照射するようにしている。そして、試料上
のイオンビームの照射点を偏向器によって走査し、この
走査によって試料から発生した、例えば、２次電子を検
出し、この検出信号に基づいて走査像を表示するように
している。

【０００３】この集束イオンビーム装置では、イオンビ
ームを数十ｋＶに加速しており、このような高加速のイ
オンビーム装置において、コンデンサレンズや対物レン
ズに使用される静電型レンズとしては、３枚の電極より
成るユニポテンシャルレンズが一般的である。その場
合、静電レンズにも加速電圧の５０〜６０％程度の直流
高電圧が印加される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した静電レンズに
使用される直流高電圧は、一般にコッククロフト・ワル
トン回路を用いて発生している。しかしながら、このコ
ッククロフト・ワルトン回路は、安価でコンパクトな高
電圧直流電源を提供するが、周波数応答が遅く、通常で
はＤＣ〜５Ｈｚくらいまでしか応答しない。

【０００５】したがって、静電レンズに自動焦点回路を
組み込もうとすると、この応答が遅いことが障害にな
り、現在までに自動焦点機構を組み込んだ高加速用静電
レンズ系は実現されていない。

【０００６】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、自動焦点合わせを可能とする応答
の速い静電レンズ系を備えた集束イオンビーム装置を実
現するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明に基づく集束
イオンビーム装置は、イオン源からのイオンビームを静
電型の対物レンズによって試料上に細く集束するように
したイオンビーム装置において、対物レンズを３枚電極
によって構成し、中の電極に高い電圧を印加するように
し、外側のいずれかあるいは両方に周波数応答の速い電
源から低い電圧を印加するように構成したことを特徴と
している。

【０００８】第１の発明では、対物レンズを３枚電極に
よって構成し、中の電極に高い電圧を印加するように
し、外側のいずれかあるいは両方に周波数応答の速い電
源から低い電圧を印加して、イオンビームの焦点を細か
く変化させる。

【０００９】第２の発明では、第１の発明において、３
枚電極構造の対物レンズの外側のいずれかあるいは両方
に印加される低い電圧の値を変化させ、イオンビームの
試料上の焦点を連続的に変化させる。

【００１０】第３の発明に基づく集束イオンビーム装置
は、イオン源からのイオンビームを静電型の対物レンズ
によって試料上に細く集束するようにしたイオンビーム
装置において、対物レンズを２枚電極によって構成し、
一方の電極に高い電圧を印加するようにし、他方の電極
に周波数応答の速い電源から低い電圧を印加するように
構成したことを特徴としている。

【００１１】第３の発明では、対物レンズを２枚電極に
よって構成し、一方の電極に高い電圧を印加するように
し、他方の電極に周波数応答の速い電源から低い電圧を
印加して、イオンビームの焦点を細かく変化させる。

【００１２】第４の発明では、第３の発明において、２
枚電極構造の対物レンズの他方に印加される低い電圧の
値を変化させ、イオンビームの試料上の焦点を連続的に
変化させる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に基づく集
束イオンビーム装置を示している。図中１はイオン源で
あり、イオン源１から発生し加速されたイオンビームＩ
Ｂは、静電型のコンデンサレンズ２、対物レンズ３によ
り細く集束され、スポット状ビームとして試料４上に照
射される。試料４は、図示していないが、Ｘ−Ｙ移動ス
テージ上に載せられている。

【００１４】イオン源１としては、例えば、電界放射型
液体ガリウム（Ｇａ）イオン源が使用されており、細く
尖ったエミッタの先端に強い電界を印加して、Ｇａイオ
ンを引き出している。また、イオン源１は加速電源５に
接続されており、加速電源５からイオン源１には高電圧
の加速電圧が印加されている。

【００１５】静電型のコンデンサレンズ２は、中心電極
６とその外側の外側電極７，８とから構成されており、
中心電極６にはレンズ電源９から高電圧が印加されてい
る。また、外側電極７，８は接地されている。

【００１６】静電型の対物レンズ３は、中心電極１０と
その外側の外側電極１１，１２とから構成されており、
中心電極１０にはレンズ電源１３から高電圧が印加され
ている。また、外側電極１１は接地されているが、他方
の外側電極１２にはレンズ電源１４から低い電圧が印加
される。なお、上記した加速電源５、レンズ電源９，１
３としては、コッククロフト・ワルトン回路が使用され
ている。

【００１７】イオンビームＩＢの光路に沿って、ビーム
制限絞り１５や静電偏向器１６が配置されている。静電
偏向器１６には走査制御回路１７から走査信号が供給さ
れるように構成されている。

【００１８】試料４へのイオンビームの照射によって２
次電子が発生するが、この２次電子は２次電子検出器１
８によって検出される。検出器１８の検出信号は、増幅
器１９を介して陰極線管２０に供給される。増幅器１９
からの検出信号は、自動焦点合わせ制御ユニット２１に
も供給されるが、このユニット２１はレンズ電源１４や
走査制御回路１７を制御する。このような構成の動作を
次に説明する。

【００１９】上記した構成で、イオン源１には、加速電
源５から例えば３０ｋＶの高電圧が印加されていて、イ
オン源１から放出されたイオンビームＩＢを３０ｋｅＶ
まで加速する。

【００２０】このイオンビームは、コンデンサレンズ２
に入射するが、コンデンサレンズ２の中心電極６にはレ
ンズ電源９から０〜１５ｋＶの範囲の高電圧が印加され
るように構成されている。これにより、コンデンサレン
ズ２はイオン源１から発散して放出されるイオンビーム
を適宜集束させイオンビームが光軸に平行に走るように
する。

【００２１】コンデンサレンズ２の下方にはビーム制限
絞り１５が設けられており、この絞りにより、試料４に
照射するイオンビーム電流量を制限している。対物レン
ズ３は、対物レンズ２で平行ビームとなり、ビーム制限
絞り１５で所定のビーム量に整えられたイオンビームを
試料４上に点状に集束する。対物レンズ３の中心電極１
０にはレンズ電源１３から電圧が印加されるが、この電
圧は０〜２０ｋＶの範囲で変えられる。これにより、対
物レンズ３の集束作用を調節して、イオンビームが試料
４面上で焦点を結ぶようにしている。

【００２２】対物レンズ３の下方には、静電型偏向器１
６が設けられており、この偏向器１６には走査制御回路
１７から走査信号が供給される。この結果、試料４面上
に集束されるイオンビームはラスター状に走査され、イ
オンビームの照射領域が制御されたり、イオンビームの
走査に基づく走査像が得られる。

【００２３】イオンビームの走査像は、試料面上で偏向
器１６を用いてイオンビームを走査し、この走査に基づ
いて試料から発生した２次電子を検出器１８によって検
出する。検出器１８の検出信号は増幅器１９によって増
幅された後、陰極線管２０に供給される。陰極線管２０
には走査制御回路１７から走査信号が供給されており、
したがって陰極線管２０には試料４のイオンビームによ
る走査像が表示される。

【００２４】さて、上記した構成において、コンデンサ
レンズ２と対物レンズ３としては、３枚の電極により構
成されたユニポテンシャルレンズが使用されている。こ
のレンズの中心電極６，１０には、それぞれレンズ電源
９，１３から高電圧が印加されている。レンズ電源９，
１３は高電圧を発生するため、周波数応答が遅く、自動
焦点調節回路で使用される高速のレンズ電圧の走査がで
きないことは前に述べた。

【００２５】図１の構成で、対物レンズ３の一方の外側
電極１２は鏡筒から絶縁されてレンズ電源１４に接続さ
れている。このレンズ電源１４は、その出力電圧を−５
００Ｖ〜０〜＋５００Ｖ程度の範囲で可変できるもの
で、リニアＩＣでフィードバック制御される一般的な直
流電圧電源である。この種電源は数十ｋＨｚの高速応答
性を有している。

【００２６】このレンズ電源１４から外側電極１２に印
加する電圧を変えると、対物レンズ３の焦点距離を僅か
ではあるが変化させることができる。イオンビームのエ
ネルギーが３０ｋｅＶの時、外側電極１２に５００Ｖ程
度印加すると、ビームの焦点が１００μｍくらい変化す
る。

【００２７】このような対物レンズ３を用いることによ
り、イオンビームの自動焦点合わせが可能となる。すな
わち、自動焦点合わせを行う場合、自動焦点合わせ制御
ユニット２１よりレンズ電源１４を制御し、外側電極１
２に印加する電圧を順々に変化させる。

【００２８】この結果、試料４面上のイオンビームの焦
点は外側電極１２に印加される電圧に応じて変化する。
この焦点の変化（外側電極に印加する電圧の変化）に応
じて走査制御回路１７を制御し、試料４上のイオンビー
ムを走査する。

【００２９】例えば、特定領域の一画面走査ごとに電子
ビームの焦点を変化させ、各走査によって得られた２次
電子の検出信号を自動焦点合わせ制御ユニット２１に供
給し、一画面走査ごとに検出信号を積算する。そして、
最大の積算値が得られたときの焦点位置（外側電極１２
に印加する電圧）を検出する。この検出された焦点位置
の時の電圧を外側電極１２に再設定することにより、自
動焦点合わせが終了する。

【００３０】なお、この際、検出された焦点位置の時の
電圧を外側電極１２に印加せず、レンズ電源１３を制御
し、中心電極１０に印加する電圧を変化させて焦点合わ
せを行うようにしても良い。

【００３１】以上本発明の実施の形態を説明したが、本
発明は図１の構成に限定されるものではない。例えば、
対物レンズ３として３極構成のユニポテンシャル型のレ
ンズを用い、外側電極の一方を接地し、他方に周波数応
答の速い電源を接続するようにしたが、両外側電極に周
波数応答の速い電源を接続するようにしても良い。

【００３２】また、対物レンズ３として３極構成のユニ
ポテンシャル型のレンズを用いたが、２極構成の静電レ
ンズを使用しても良い。その場合、一方の電極には高い
レンズ電圧を印加し、他方の電極に周波数応答の速い電
源を接続する。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明に基づ
く集束イオンビーム装置は、対物レンズを３枚電極によ
って構成し、中の電極に高い電圧を印加するようにし、
外側のいずれかあるいは両方に周波数応答の速い電源か
ら低い電圧を印加するようにしたので、イオンビームの
焦点を細かく変化させることができ、集束イオンビーム
装置の焦点合わせの自動化が可能になる。このような機
能により、半導体デバイス生産ラインで集束イオンビー
ム装置を使用しやすくなる。

【００３４】第２の発明では、第１の発明において、３
枚電極構造の対物レンズの外側のいずれかあるいは両方
に印加される低い電圧の値を変化させ、イオンビームの
試料上の焦点を連続的に変化させることができる。その
結果、集束イオンビーム装置の焦点合わせの自動化が可
能になり、半導体デバイス生産ラインで集束イオンビー
ム装置を使用しやすくなる。

【００３５】第３の発明に基づく集束イオンビーム装置
は、対物レンズを２枚電極によって構成し、一方の電極
に高い電圧を印加するようにし、他方の電極に周波数応
答の速い電源から低い電圧を印加して、イオンビームの
焦点を細かく変化させることができ、集束イオンビーム
装置の焦点合わせの自動化が可能になる。このような機
能により、半導体デバイス生産ラインで集束イオンビー
ム装置を使用しやすくなる。

【００３６】第４の発明では、第３の発明において、２
枚電極構造の対物レンズの他方に印加される低い電圧の
値を変化させ、イオンビームの試料上の焦点を連続的に
変化させることができる。その結果、集束イオンビーム
装置の焦点合わせの自動化が可能になり、半導体デバイ
ス生産ラインで集束イオンビーム装置を使用しやすくな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく集束イオンビーム装置を示す図
である。

【符号の説明】

１ イオン源 ２ コンデンサレンズ ３ 対物レンズ ４ 試料 ５ 加速電源 ９，１３，１４ レンズ電源 １５ ビーム制限絞り １６ 静電偏向器 １７ 走査制御回路 １８ ２次電子検出器 １９ 増幅器 ２０ 陰極線管 ２１ 自動焦点合わせ制御ユニット

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源からのイオンビームを静電型の
   対物レンズによって試料上に細く集束するようにしたイ
   オンビーム装置において、対物レンズを３枚電極によっ
   て構成し、中の電極に高い電圧を印加するようにし、外
   側のいずれかあるいは両方に周波数応答の速い電源から
   低い電圧を印加するように構成した集束イオンビーム装
   置。
2. 【請求項２】 ３枚電極構造の対物レンズの外側のいず
   れかあるいは両方に印加される低い電圧の値を変化さ
   せ、イオンビームの試料上の焦点を連続的に変化させる
   ように構成した請求項１記載の集束イオンビーム装置。
3. 【請求項３】 イオン源からのイオンビームを静電型の
   対物レンズによって試料上に細く集束するようにしたイ
   オンビーム装置において、対物レンズを２枚電極によっ
   て構成し、一方の電極に高い電圧を印加するようにし、
   他方の電極に周波数応答の速い電源から低い電圧を印加
   するように構成した集束イオンビーム装置。
4. 【請求項４】 ２枚電極構造の対物レンズの他方に印加
   される低い電圧の値を変化させ、イオンビームの試料上
   の焦点を連続的に変化させるように構成した請求項３記
   載の集束イオンビーム装置。