KR101941867B1 - 이온빔 장치 및 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이온빔 장치는, 이미터 전극을 손모하지 않고 챔버 내를 세정함으로써, 이온 방출 전류의 변동을 억제한다. 이온빔 장치는, 침상의 선단을 갖는 이미터 전극(21)과, 이미터 전극의 선단 방향으로 이간된 위치에 개구를 갖는 인출 전극(23)과, 이미터 전극을 내포하는 챔버(10)를 갖는 GFIS1을 포함한다. GFIS1은, 이미터 전극에 빔 발생 전압 이상의 전압을 인가한 상태에서, 챔버에 이온화용 가스를 도입하는 이온화용 가스 도입 경로(30)와, 이미터 전극에 빔 발생 전압 미만의 전압을 인가한 상태 또는 전압을 인가하지 않은 상태 중 어느 하나의 상태에서, 챔버로 세정용 가스를 도입하는 세정용 가스 도입 경로(60)를 갖고, 세정용 가스가 도입된 상태에서의 챔버의 압력은, 이온화용 가스가 도입될 때의 챔버의 압력보다 높다.

Description

이온빔 장치 및 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법

본 발명은, 이온빔 장치 및 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법에 관한 것이다.

특허문헌 1 및 2에는, 이미터 전극의 선단에 미소 돌기를 갖는, 고휘도의 가스 전계 전리 이온원(Gas Field Ion Source, 약칭：GFIS)이 기재되어 있다. 특허문헌 1, 2에는, GFIS를 탑재하는 집속 이온빔(Focused Ion Beam, 약칭：FIB) 장치도 기재되어 있다. 수속 이온빔 장치는, 수소(H2), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 가스 이온의 빔을 생성한다.

가스 집속 이온빔(약칭：가스 FIB)은, 액체 금속 이온원(Liquid Metal Ion Source, 약칭：LMIS)으로 생성되는 갈륨(Ga) 집속 이온빔(약칭：Ga-FIB)에 비하면, 시료에 Ga 오염을 초래하지 않는다는 이점이 있다.

GFIS는, 시료에 Ga 오염을 발생시키지 않는다는 이점 외에, Ga-FIB에 비해 보다 미세한 빔을 형성할 수 있다는 이점이 있다. GFIS에서는, 가스 이온의 에너지 폭이 좁고, 또한, 이온 발생원의 사이즈가 작기 때문이다.

가스 FIB 장치는, 고분해능의 주사 이온 현미경으로서 사용된다. 즉, 주사 이온 현미경에서는, 시료 상에서의 이온의 주사와 동기해서, 시료로부터 방출되는 이차 입자를 검출함으로써, 시료의 상(像)을 형성한다.

GFIS에서는, 이미터 전극 선단에의 불순물 가스의 흡착 및 탈리에 의해, 이온화용 가스의 이온 방출 전류가 변동한다. 미소 돌기를 갖는 이미터 전극에서는, 이온을 방출하는 이온화 사이트가 이미터 전극 선단의 몇 원자에 한정되는 경우가 있다. 이 경우, 이미터 전극 선단에 불순물 가스가 흡착하거나, 이미터 전극 선단으로부터 불순물 가스가 탈리하거나 하면, 이온 방출 전류는 수십％ 내지 수배에 이를 만큼 심하게 변동한다.

종래는, 이온 방출 전류의 변동을 억제하기 위해, 이온원실을 베이킹과 배기에 의해 미리 초고진공으로 하는 것, 고순도의 이온화용 가스를 사용하는 것, 또한 이온화용 가스의 공급계에 가스 순화 수단을 설치하는 것이 행해지고 있다.

특허문헌 3에는, 이온화용 가스로서 수소를 사용하는 GFIS에 있어서, 수소 가스의 공급계에 가스 순화 수단을 설치하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 4에는, 이온원의 플라스마실의 부착물을 클리닝하는 방법으로서, 이온원에 수소 가스를 도입하고, 방전에 의해 수소 플라스마를 발생시키는 것이 기재되어 있다.

일본국 특개평7-192669호 공보 일본국 특표2009-517846호 공보 일본국 특개2011-181894호 공보 일본국 특개평6-267475호 공보

가스 전계 전리 이온원(GFIS)에 상술한 이온 방출 전류의 변동 대책을 실시한 경우에도, 그 GFIS를 사용한 주사 이온 현미경에서는, 시료의 상에 휘선(輝線)이나 암선(暗線)이 들어가 버리는 과제가 있다. 초(秒) 이하의 단시간의, 이온 방출 전류의 변동이 발생하고 있는 것이다. 특히 이온화용 가스로서 2원자 분자의 수소(H2)나 질소(N2)를 사용했을 때는, 이온화 사이트가 불규칙하게 진동해 보이는 현상도 더해져, 상기 과제가 현재(顯在)화하기 쉽다.

본 발명은 상기 문제를 감안해서 이루어진 것이고, 그 목적은, 이온 방출 전류의 변동을 억제할 수 있도록 한 이온빔 장치 및 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 관점에 따른 이온빔 장치는, 침상(針狀)의 선단을 갖는 이미터 전극과, 당해 이미터 전극의 선단 방향으로 이간된 위치에 개구를 갖는 인출 전극과, 이미터 전극을 내포하는 챔버를 갖는 가스 전계 전리 이온원을 포함하는 이온빔 장치로서, 가스 전계 전리 이온원은, 이미터 전극에 빔 발생 전압 이상의 전압을 인가한 상태에서, 챔버에 이온화용 가스를 도입하는 이온화용 가스 도입 경로와, 이미터 전극에 빔 발생 전압 미만의 전압을 인가한 상태 또는 전압을 인가하지 않은 상태 중 어느 하나의 상태에서, 챔버에 세정용 가스를 도입하는 세정용 가스 도입 경로를 갖고, 세정용 가스가 도입된 상태에서의 챔버의 압력은, 이온화용 가스가 도입될 때의 챔버의 압력보다 높다.

본 발명에 따르면, 챔버에 도입하는 세정용 가스에 의해, 챔버 벽부에 침입한 불순물 가스를 배출시킬 수 있다. 이 때문에, 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 농도를 저감할 수 있어, 이온 방출 전류의 빠른 변동을 억제할 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 가스 전계 전리 이온원의 전체 구성도.
도 2는 통상 모드와 세정 모드에서, 가스 전계 전리 이온원의 시스템 상태가 서로 다름을 나타내는 설명도.
도 3은 세정 모드의 설정 화면의 예를 나타내는 도면.
도 4는, 도 4의 (a)는 비교적 저압의 세정용 가스에 의해 장시간 세정하는 모드를 나타내고, 도 4의 (b)는 비교적 고압의 세정용 가스에 의해 단시간 세정하는 모드를 나타내는 도면.
도 5는 세정 처리를 나타내는 플로우 차트.
도 6은 제5 실시예에 따른 가스 전계 전리 이온원의 전체 구성도.
도 7은 제6 실시예에 따른 가스 전계 전리 이온원의 전체 구성도.
도 8은 제7 실시예에 따른 가스 전계 전리 이온원의 전체 구성도.

이하, 도면에 의거하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 이온빔 장치는, 가스 전계 전리 이온원(1)을 구비한다. 가스 전계 전리 이온원(1)을 세정할 경우, 세정용 가스를 세정용 가스 공급계(60)로부터 챔버(10)에, 이온화용 가스의 도입 압력보다 높은 압력으로 도입한다. 세정용 가스가 충전된 챔버(10) 내에서 방전이 발생하는 것을 억제하면서, 세정용 가스를 챔버(10) 내로부터 배기한다. 이에 의해, 챔버(10)의 내벽부 등에 포함되어 있던 불순물 가스가 챔버(10) 내로 방출되어, 세정용 가스와 함께 배기된다. 세정 공정이 종료된 후, 이온화용 가스를 이온화용 가스 공급계(30)로부터 챔버(10) 내에 도입하고, 이미터 전극(21)에 통전해서, 이미터 전극(21)의 선단으로부터 이온을 방출시킨다.

본 실시형태의 가스 전계 전리 이온원(1)에서는, 세정용 가스를 사용한 세정을 행하기 때문에, 불순물 가스의 농도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 가스 전계 전리 이온원(1)은, 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 농도를 저감해서, 이온 방출 전류의 빠른 변동을 억제할 수 있다. 이 결과, 본 실시형태의 가스 전계 전리 이온원(1)을 사용한 「이온빔 장치」로서의 주사 이온 현미경에서는, 시료상에 휘선이나 암선 등의 노이즈가 들어가는 것이 감소하기 때문에, 화질이 높은 시료상을 사용한 정량적인 측정, 가공이나 분석의 정밀도가 향상된다.

실시예 1

도 1~도 5를 사용해서 제1 실시예를 설명한다. 도 1은, 가스 전계 전리 이온원(1)의 전체 구성도이다. 이하, 가스 전계 전리 이온원(1)을 GFIS1이라 할 경우가 있다.

＜구성＞

GFIS1은, 예를 들면, 챔버(10), 이온 발생 장치(20), 이온화용 가스 공급계(30), 배기계(40), 냉각계(50), 세정용 가스 공급계(60)를 구비한다.

진공 용기로서 사용되는 챔버(10) 내에는, 이온 발생 장치(20)의 이미터 전극(21)이 설치되어 있다. 챔버(10)에는, 배기구(11), 차동 배기구(12), 이온화용 가스 공급구(13), 냉각계 접속구(14), 세정용 가스 공급구(15)가 형성되어 있다.

챔버(10) 내의 가스는 배기구(11)로부터 배출된다. 이온빔(27)은, 이미터 전극(21)에 대향하여 챔버(10)에 형성된 차동 배기구(12)를 통해, 도면 밖의 이온 광학계(120)(도 7 참조)에 공급된다. 이온화용 가스 공급구(13)에는, 이온화용 가스를 공급하기 위한 이온화용 가스 공급계(30)가 접속되어 있다. 이미터 전극(21)은, 냉각계 접속구(14)를 통해 냉각계(50)에 접속되어 냉각된다. 세정용 가스 공급구(15)에는, 세정용 가스를 공급하기 위한 세정용 가스 공급계(60)가 접속되어 있다.

이온 발생 장치(20)는, 예를 들면, 이미터 전극(21), 이미터 홀더(22), 인출 전극(23), 전원(24), 전선(25, 26)을 구비한다.

이미터 전극(21)을 유지하는 이미터 홀더(22)와 인출 전극(23)은, 챔버(10) 내에 유지되어 있다. 이미터 전극(21)의 선단은 침상으로 형성되어 있다. 이미터 전극(21)의 선단으로부터 이간된 위치에는, 중심에 개구를 갖는 인출 전극(23)이 배치되어 있다. 이미터 전극(21)의 선단 근방에는, 이온화용 가스 공급계(30)로부터의 이온화용 가스가 이온화용 가스 공급구(13)로부터 공급되게 되어 있다.

이미터 전극(21)은, 침상으로 성형한 텅스텐(Ｗ)의 기재에 이리듐(Ir)을 코팅하고, 어닐에 의해 선단에 삼각추(三角錐) 형상의 나노 피라미드 구조를 형성한 것이다. 이미터 전극(21)의 최선단은, 단원자(Single Atom)이다.

인출 전원(24)의 플러스 측과 이미터 전극(21)은 전선(24)을 통해 전기적으로 접속되어 있고, 인출 전원(24)의 마이너스 측과 인출 전극(23)은 전선(25)을 통해 전기적으로 접속되어 있다.

챔버(10) 내의 이온화용 가스의 압력은, 이온화용 가스 공급계(30)로부터의 공급량과, 배기구(11) 및 차동 배기구(12)로부터의 배기량과의 밸런스에 의해 조정된다. 인출 전원(24)에 의해, 이미터 전극(21)과 인출 전극(23) 사이에 이미터 전극(21) 측을 플러스로 하는 고전압을 인가하면, 어느 역치 이상의 전압에서 가스의 이온화가 발생하고, 이미터 전극(21)의 선단으로부터 이온빔(27)이 방출된다.

이미터 전극(21)은, 열전도성이 높은 이미터 홀더(22) 및 열접속체(53)를 통해, 냉각계(50)에 접속되어 있다. 냉각계(50)의 냉각 장치(50)는, 이미터 전극(21)으로부터 전해지는 열을 방출해서, 이미터 전극(21)을 냉각한다. 이미터 전극(21)을 냉각계(50)에 의해 냉각함으로써, 이온빔(27)의 전류를 증가시킬 수 있어, 이온빔(27)의 휘도를 높일 수 있다.

또한, 이미터 전극(21)과 인출 전극(23)을 챔버(10) 내에서 유지하기 위한 기구나, 이미터 전극(21)과 인출 전극(23)의 위치를 조정하기 위한 기구, 차동 배기구(12)로부터 앞선 배기계 등은, 본 발명의 이해 및 실시에 불요(不要)하기 때문에 그 설명을 생략한다.

이온화용 가스 공급계(30)의 구성을 설명한다. 이온화용 가스 공급계(30)는, 예를 들면, 이온화용 가스 공급관(31), 유량 조절 기구(32), 밸브(33), 가스 순화기(34), 압력 조정기(35), 가스 봄베(36)를 구비한다.

이온화용 가스 공급관(31)의 한쪽 측에는, 이온화용 가스가 충전된 가스 봄베(36)가 설치되어 있고, 이온화용 가스 공급관(31)의 다른 쪽 측은 이온화용 가스 공급구(13)에 접속되어 있다. 이온화용 가스는, 헬륨 가스(He)이다. 이온 방출 동작을 행하는 통상 모드에서는, 이미터 전극(21)의 온도를 약 40Ｋ로 유지하고 있다.

가스 봄베(36)의 가스 토출 측에 위치하고 공급관(31)에 설치되는 압력 조정기(35)는, 챔버(10)에 도입하는 이온화용 가스의 압력을, 소정의 압력값으로 조정한다. 압력 조정기(35)의 하류에 위치하고 공급관(31)에 설치되는 가스 순화기(34)는, 이온화용 가스에 포함되는 불순물 가스를 제거해서, 불순물 가스를 제거한 이온화용 가스를 통과시킨다. 가스 순화기(34)는, 예를 들면, 게터형의 가스 순화기로서 구성된다.

밸브(33)는, 가스 순화기(34)의 하류에 위치하고 공급관(31)에 설치된다. 밸브(33)가 개폐됨으로써, 공급관(31)은 연통 또는 차단된다. 유량 조절 기구(32)는, 이온화용 가스 공급구(13)와 밸브(33) 사이에 위치하고, 공급관(31)에 설치되어 있다. 니들 밸브를 포함하는 유량 조절 기구(32)는, 챔버(10)에 도입되는 이온화용 가스의 유량을 조정한다.

배기계(40)의 구성을 설명한다. 배기계(40)는, 챔버(10) 내의 가스를 흡인해서 배출함으로써, 챔버(10)를 진공 상태 또는 저압 상태로 유지한다. 배기계(40)는, 예를 들면, 배기관(41), 배기 밸브(42), 배기 펌프(43)를 구비한다.

배기관(41)의 한쪽 측은 배기 펌프(43)에 접속되어 있고, 배기관(41)의 다른 쪽 측은 배기구(11)에 접속되어 있다. 배기구(11)와 배기 펌프(43) 사이에는, 배기관(41)을 개폐하는 배기 밸브(42)가 설치되어 있다.

세정용 가스 공급계(60)의 구성을 설명한다. 세정용 가스 공급계(60)는, 예를 들면, 세정용 가스 공급관(61), 밸브(62), 압력 조정기(63), 가스 봄베(64)를 구비한다. 세정용 가스 공급관(61)의 한쪽 측에는, 세정용 가스가 충전된 가스 봄베(64)가 설치되어 있다. 세정용 가스 공급관(61)의 다른 쪽 측은, 세정용 가스 공급구(15)에 접속되어 있다.

가스 봄베(64)의 토출 측에 접속된 압력 조정기(62)는, 가스 봄베(64)로부터 공급관(61)에 공급하는 세정용 가스의 압력을, 소정의 압력값으로 조정한다. 밸브(62)는, 세정용 가스 공급구(15)와 압력 조정기(62) 사이에 위치하고 공급관(61)에 설치되어 있고, 공급관(61)을 개폐한다.

상술한 이온 발생 장치(20), 이온화용 가스 공급계(30), 배기계(40), 냉각계(50), 세정용 가스 공급계(60)의 작동은, 도면 밖의 이온원 제어부(90)(도 8 참조)에 의해 제어된다.

＜불순물 가스의 기원(起源)＞

불순물 가스에 대해 설명한다. 이온빔(27)의 어떠한 응용에 있어서도, 그 전류의 시간적인 안정성의 확보가 중요하다. 이미터 전극(21)으로부터의 이온 방출의 안정성은, 이온화용 가스에 포함되는 불순물 가스의 존재량에 영향받는다.

본 출원인은, 지금까지의 연구에 의해 불순물 가스에 대해 이하의 지견을 얻었다. 첫째로, 불순물 가스의 대부분은, 챔버(10)에 이온화용 가스를 도입할 때, 챔버(10) 내의 여러 벽과 이온화용 가스 공급구(13) 근방의 배관 내의 벽으로부터 발생하고 있다. 따라서, 공급하는 이온화용 가스를 미리 순화해서 불순물을 제거해도, 챔버(10) 내에서 발생하는 불순물 가스를 억제할 수 없다. 둘째로, 베이킹 및 배기에 의해 챔버(10)를 초고진공 상태로 했다고 해도, 이온화용 가스를 챔버(10)에 도입할 때의 불순물 가스의 발생을 막을 수 없다. 셋째로, 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 분압은, 거의 일정하다. 넷째로, 이온빔(27)의 휘도를 올리기 위해 이온화용 가스의 압력을 높이면, 불순물 가스의 양도 증가한다. 불순물 가스의 양이 증가한 결과, 이온빔(27)의 변동이 증대한다. 또한, 불순물 가스의 주성분은, 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등이다.

＜이온원의 세정＞

본 출원인은, 불순물 가스에 대해 연구를 진행한 결과, 또한 이하의 지견을 얻었다. 즉, 이온화용 가스를 통상의 이온 방출 동작 시의 압력보다 몇 자리 높은 압력으로 챔버(10)에 도입하고, 그 후에 고압의 이온화용 가스를 챔버(10)로부터 배기함으로써, 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 분압이 수(數)분의 일로 저하했다. 고압의 이온화용 가스의 도입과 배기는, 복수회 반복해도 된다.

챔버(10)를 고온에서 베이킹하고 나서 상온으로 되돌리면, 챔버(10)의 벽으로부터 진공 중에 방출되는 가스의 양이 감소하는 것은 알려져 있는데, 상기는 이것과 유사한 현상이다. 즉, 이온 방출 동작 시(이온빔 생성 시)보다 고압의 이온화용 가스를 챔버(10)에 도입하고 나서 배기함으로써, 저압의 이온화용 가스 도입 시의 불순물 가스의 발생을 억제할 수 있다. 단, 이미터 전극(21)의 교환을 위해 챔버(10)를 대기 개방하면, 불순물 가스의 양은 원래의 상태로 돌아가 버린다.

통상의 이온 방출 동작 시의 압력보다 높은 압력으로 이온화용 가스를 챔버(10)에 도입하고 나서 배기한다는 프로세스는, 그에 따라 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 분압이 저하되기 때문에, 세정 프로세스의 하나라 생각할 수 있다. 본 출원인은, 이 세정 프로세스는, 고압의 이온화용 가스의 분자가 챔버(10)의 벽의 표면으로부터 확산 진입해서, 불순물 가스 분자에 물리적 또는 화학적 작용을 일으키는 현상이라 추정하고 있다.

본 출원인이 발견한 상술한 세정 프로세스는, 플라스마를 사용해서 벽의 부착물을 제거하는 플라스마 이온원에서의 클리닝 처리와는 완전히 다른 현상이다. 플라스마 이온원에서의 클리닝 처리에서는, 세정용 가스를 도입하고, 방전에 의해 플라스마를 발생시켜, 플라스마로부터의 고에너지의 하전 입자에 의해 벽의 부착물을 제거한다.

그러나, GFIS1 중에서 방전을 일으키면, 이미터 전극(21)이나 그 주위의 구조체의 재료 자체가 비산해 버리고, 그 결과, 이미터 전극(21)의 선단이 파괴되거나, 선단의 재생 불량을 일으키거나 할 것이다. 그래서, 본 실시예의 GFIS1에서는, 이온화용 가스보다 고압의 세정용 가스를 챔버(10)에 도입한 후, 그대로 방전을 발생시키지 않고 배기한다.

＜본 실시예의 동작＞

본 실시예에서는, 세정용 가스를 챔버(10) 내에 도입하기 위해, 세정용 가스 공급구(15)와 그것에 접속되는 가스 공급계(60)를 GFIS1에 설치하고 있다.

GFIS1은, 이온빔을 발생시키는 통상 모드 외에, 세정 처리를 행하는 세정 모드를 구비하고 있다. 세정 모드에서는, 냉각계(50)에 의한 이미터 전극(21)의 냉각을 정지한 후, 세정용 가스 공급구(15)로부터 세정용 가스를 수십Pa로부터 대기압까지의 높은 압력으로 챔버(10) 내에 충전한다. 그 후에, 배기계(40)의 배기 밸브(42)를 열고, 배기구(11)로부터 고압의 세정용 가스를 배기한다. 챔버(10)의 벽 등으로부터 방출되는 불순물 가스는, 세정용 가스와 함께 챔버(10)의 밖으로 배출된다.

세정 모드의 처리를 행한 후에, 가스의 압력을 상대적으로 낮게 하면, 불순물 가스의 농도가 저감된다. 세정 모드의 실행 시에는, 이미터 전극(21)의 냉각을 정지한다. 그 이유는, 첫째로 벽의 온도가 높을수록 세정 효과가 높고, 둘째로 세정 모드의 실행 시에는 세정용 가스에 의한 열전도가 커지기 때문에, 챔버(10) 자체가 식게 되어 버려, 외부에 결로나 상(霜)이 발생하는 문제가 생기기 때문이다. 챔버(10)의 외면에 결로나 상이 발생하면, GFIS1의 동작에 영향을 줄 우려가 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 세정 모드의 실행 시에, 냉각계(50)를 정지시킨다.

또한, 후술하는 바와 같이, 세정 모드에는, 비교적 높은 압력의 세정용 가스를 단시간만 도입해서 배기하는 방법과, 비교적 낮은 압력의 세정용 가스를 장시간 도입하면서 배기하는 방법이 있다. 후자의 경우, 세정에 요하는 시간은 길어지지만, 배기계(40)의 배기 펌프(43)에의 부담을 경감할 수 있다.

이온 방출 동작을 행하는 통상 모드에서는, 이온화용 가스(He)를 수Pa 이하의 낮은 압력으로 이미터 전극(21)의 근방에 공급한다. 또한, 통상 모드에서는, 이미터 전극(21)을 냉각계(50)에 의해 냉각한다. 이미터 전극(21)의 온도는, 40Ｋ정도로 유지된다.

통상 모드 시에 챔버(10)에 도입하는 이온화용 가스의 압력값의 상한은, 이하의 2가지 조건으로부터 정해진다. 하나의 조건은, GFIS1 내에서 글로우 방전이 일어나지 않게 하는 것이다. 다른 하나의 조건은, GFIS1 내에서 여분의 전열(傳熱)이 일어나지 않게 하는 것이다.

이상과 같이, 챔버(10) 내의 압력 조건은, 통상 모드와 세정 모드 사이에서, 수Pa를 경계로 낮은 압력과 높은 압력으로 명확하게 나눌 수 있다. 본래, 세정 모드에서의 세정 효과를 분명히 하기 위해서는, 1자리 이상 압력을 높이는 것이 바람직하다.

도 2는, 통상 모드 시의 시스템 상태(GFIS의 상태)와 세정 모드 시의 시스템 상태를 대비하여 나타낸다. 통상 모드에서는 이온빔을 생성하기 위해, 이미터 전극(21)에는 전압이 인가되어 있고, 냉각계(50)가 동작하여 이미터 전극(21)을 냉각 하고 있고, 낮은 압력의 이온화용 가스가 이미터 전극(21)의 선단 근방에 도입되어 있다.

통상 모드 시의 이온화용 가스의 압력은, 예를 들면 0.05~0.1Pa의 범위로 설정된다. 챔버(10) 내의 이온화용 가스의 압력은, 유량 조절 기구(32)에서 조정된다. 이를 대신해서, 배기계(40)의 배기 밸브(42)의 개도(開度)로, 챔버(10) 내의 이온화용 가스의 압력을 조정할 수도 있다. 또한, 통상 모드에서는, 세정용 가스는 챔버(10) 내에 도입되지 않는다.

이에 대해, 세정 모드에서는, 방전을 일으키지 않고 세정하기 위해 이미터 전극(21)에 통전시키지 않고, 챔버(10)의 결로 등을 방지하기 위해 냉각계(50)를 정지시키고, 세정용 가스를 높은 압력으로 챔버(10) 내에 도입한다. 세정 모드에서는, 이온화용 가스를 챔버(10)에 도입하지 않는다.

본 실시예의 세정용 가스는, 이온화용 가스와 마찬가지로 헬륨 가스(He)이다. 불순물 가스를 줄이는 세정 모드에서는, 이미터 전극(21)의 냉각을 정지하고, 그 온도를 실온 부근으로 한다. 세정용 가스의 도입 경로는, 가스 봄베(64), 절대압을 조정할 수 있는 압력 조정기(63), 개방한 밸브(62), 세정용 가스 공급구(15)의 순이다.

세정 모드에서는, 이온화용 가스 공급계(30)의 밸브(33)를 닫는다. 세정 모드에서는, 이온화용 가스를 챔버(10)에 공급하지 않는다. 세정 모드에서의 He 압력은, 절대압에서 0.1MPa 정도로 설정한다. 이 압력은, 배기계(40)의 배기 밸브(42)를 닫았을 때의 값이고, 압력 조정기(63)에서 결정된다. 세정 모드에서는, 차동 배기구(12)의 앞선 배기계(도시생략)도 차단한다.

도 3은, 세정 모드를 설정하는 화면의 예를 나타낸다. 유저는, 후술하는 현미경 제어부(120)가 제공하는 조작 화면(G1)으로부터 메인터넌스 메뉴를 선택함으로써, 메인터넌스 설정 화면(G2)으로 이행할 수 있다.

유저는, 유저 ID나 패스워드 등의 유저 인증용 정보를 입력함으로써, 메인터넌스 설정 화면(G2) 아래에 위치하는 세정 모드 설정 화면(G3)으로 들어갈 수 있다. 유저 ID나 패스워드를 대신해서, 생체 인증 등을 사용해도 된다. 유저 인증에 성공한 유저는, 세정 모드 설정 화면(G3)에 있어서, 예를 들면 세정 패턴이나 세정 예정 시간 등을 설정할 수 있다.

세정 패턴에는, 예를 들면, 낮은 압력(통상 모드 시의 압력보다는 높음)에서 장시간 세정하는 패턴과, 높은 압력에서 단시간 세정하는 패턴, 단시간의 세정을 복수회 반복하는 패턴 등을 미리 준비해 둘 수 있다. 세정 예정 시간은, 세정 모드를 실행하는 시간대이다. 세정 개시 일시만을 설정하는 구성이어도 되고, 세정 개시 일시 및 세정 종료 일시를 설정하는 구성이어도 된다.

도 4는, 세정 모드에 포함되는 세정 패턴의 예를 나타낸다. 도 4의 (a)는, 낮은 압력의 세정용 가스를 챔버(10)에 도입하면서 배기도 행하는 세정을 장시간 실행하는 장시간 세정 패턴을 나타낸다. 장시간 세정 패턴에서는, 통상 모드 시의 이온화용 가스의 압력보다는 높지만, 단시간 세정 패턴에서 사용하는 압력보다는 낮은 압력(P1)으로, 세정용 가스를 챔버(10)에 도입한다. 압력(P1)은, 예를 들면 수십 파스칼 정도로 설정할 수 있다. GFIS1은, 세정 개시 시각(Ts)으로부터 세정 종료 시각(Te)까지의 동안, 세정용 가스에 의해 세정된다. P0는 진공 또는 진공에 가까운 값이다. 장시간 세정 패턴에서는, 예를 들면 수 시간~십수 시간 정도 걸쳐 세정한다.

도 4의 (b)는, 높은 압력의 세정용 가스를 단시간만 챔버(10)에 도입해서 세정하는 단시간 세정 패턴을 나타낸다. 세정용 가스의 압력(P2)은, 장시간 세정 패턴에서의 압력(P1)보다 높게 설정된다. 압력(P2)은, 예를 들면 대기압 부근으로 설정해도 된다.

단시간 세정은 일회만 실시해도 되고, 복수회 실시해도 된다. 도 4의 (b)에 나타내는 예에서는, 일회째의 세정을 세정 개시 시각(Ts1)으로부터 세정 종료 시각(Te1)까지 실시한다. 이회째의 세정은, 일회째의 세정 종료 후에 시간(ΔT)을 두고, 세정 개시 시각(Ts2)으로부터 세정 종료 시각(Te2)까지 실시한다. 일회의 단시간 세정에는 수 시간을 요한다. 단시간 세정을 3회 이상 반복해도 된다.

도 5는, 세정 처리를 나타내는 플로우 차트이다. 도 8에서 후술하는 이온원 제어부(100) 또는 현미경 제어부(200)는, 소정의 계기(契機)에서 세정 처리를 실행한다. 이하, 동작 주체를 「제어부」로서 설명한다.

제어부는, 세정 시기가 도래했는지 판정한다(S10). 세정 시기란, 예를 들면, 미리 설정되는 소정의 세정 개시 조건이 성립한 경우이다. 세정 개시 조건으로서는, 전회의 세정 종료 시각으로부터 소정의 가동 시간이 경과한 경우, 이온빔(27)의 전류 변화로부터 이온 방출의 안정성이 소정 값 이상 저하한 경우, 이미터 전극(21)을 교환하기 위해 챔버(10)를 대기 개방한 경우, GFIS1의 가동 시간이 소정의 가동 시간에 달한 경우, 유저가 세정을 지시한 경우 등을 들 수 있다. 이들 세정 개시 조건의 복수를 조합해서 사용해도 된다.

세정 처리는, 2단계로 나눌 수 있다. 제1 단계는, 베이킹 및 진공 배기에 의한 세정 공정이다. 제2 단계는, 세정용 가스의 도입에 의한 세정 공정이다. 제1 단계의 세정 공정을 예를 들면 전(前)세정 공정 혹은 세정 준비 공정이라 해도 된다. 제2 단계의 세정 공정을 후(後)세정 공정 혹은 본 세정 공정이라 해도 된다.

제어부는, 배기계(40)를 작동시켜서 챔버(10) 내가 진공으로 될 때까지 배기하고(S11), 그 후에 베이킹을 실행한다(S12). 제어부는, 다시 배기계(40)를 작동시켜서 챔버(10) 내를 진공으로 될 때까지 배기하여, 베이킹에 의해 챔버(10)의 벽부로부터 방출된 불순물 가스를 배출한다(S13).

이어서 제어부는, 세정용 가스 공급계(60)를 사용해서, 챔버(10)에 세정용 가스를 공급한다(S14). 세정용 가스를 챔버(10)에 도입하면, 챔버(10)의 벽부로부터 불순물 가스가 방출되어 간다. 제어부는, 배기계(40)를 작동시켜서 챔버(10)로부터 세정용 가스 및 불순물 가스를 배기시킨다(S15).

제어부는, 세정을 종료할지 판정한다(S16). 제어부는, 소정의 세정 종료 조건을 만족한 경우에, 세정 종료로 판정하고(S16：YES), 본 처리를 종료한다. 세정 종료 조건으로서는, 예를 들면, 유저가 지정한 횟수의 세정을 실행한 경우, 유저가 세정 종료를 지시한 경우, 유저가 지정한 세정 종료 시각에 달한 경우 등이다.

도 5에 나타내는 예에서는, 제어부는 소정 횟수의 세정을 종료할 때까지, 세정용 가스의 도입과 배기를 반복한다(S16：NO→S14, S15).

이렇게 본 실시예의 GFIS1에서는, 세정용 가스를 챔버(10)에 충전한 후, 배기 밸브(42)를 열고, 배기 펌프(43)에 의해 세정용 가스를 배기한다. 배기 펌프(43)는, 예를 들면 터보 분자 펌프와 드라이 펌프를 연결한 구성이다. 배기 밸브(42)의 개방 전에는 드라이 펌프만 동작시켜 두고, 챔버(10)의 진공도가 올라 왔을 때, 터보 분자 펌프도 동작시킨다. 이 세정용 가스의 충전과 배기의 시퀀스는 복수회 반복해도 된다.

이미터 전극(21)의 교환 등을 위해 GFIS1을 대기 개방한 경우는, 상술한 바와 같이 세정용 가스의 도입과 배기를 행함으로써 세정하는 것이 바람직하다. 단, 대기 개방 전에 질소 가스로 퍼지할 경우나, 이온화용 가스의 가스 봄베(36)의 교환이나 이온화용 가스의 종류를 전환할 뿐인 경우 등에서는, 약간 더 완화된 조건으로 세정해도 된다.

즉, 제어부는, 배기계(40)의 배기 밸브(42)를 약간 열음과 함께, 세정용 가스 공급계(60)의 밸브(62)를 약간만 열고, 챔버(10) 내의 세정용 가스의 압력을 10~100Pa 정도로 조정해도 된다. 배기 펌프(43)의 터보 분자 펌프와 드라이 펌프의 양쪽 모두 동작시킨 상태에서, 세정용 가스의 공급과 배기를 연속적으로 행함으로써, GFIS를 세정할 수 있다. 세정용 가스의 공급과 배기를 연속적으로 실행하는 세정을 24시간 정도 행한 후에는, 불순물 저감의 효과가 포화하고 있으므로, 그 이후는 더 짧은 세정 시간이어도 효과를 기대할 수 있다.

이렇게 구성되는 본 실시예의 GFIS1에 따르면, 세정 모드를 실시함으로써, 통상 모드에서의 이온화용 가스(He)에 포함되는 불순물 가스의 농도를 저감할 수 있다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 이온빔(27)의 전류 변동을 작게 할 수 있다.

여기에서, 헬륨 가스는 이온화 전계가 높기 때문에, 세정용 가스를 챔버(10)에 도입하고 있을 때에 이미터 전극(21)에서 이온화를 실행하면, 이온화 전계와 불순물 가스에 의해 이미터 전극(21)의 선단 원자가 에칭될 우려가 있다. 이에 반해, 본 실시예의 GFIS1에 따르면, 세정 모드에서는, 방전을 발생시키지 않고 세정용 가스를 챔버(10)로부터 배기하기 때문에, 이미터 전극(21)의 선단의 손상을 방지할 수 있어, GFIS1의 가동률을 늘릴 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 세정 모드를 실온에서 실시하고 있다. 이를 대신해서, 챔버(10)나 이온화용 가스 공급구(13)의 주변 배관을 예를 들면 200℃ 정도까지 가열하면서, 세정 모드를 실시해도 된다. 세정 모드에서는 냉각계(50)를 정지하고 있기 때문에, 챔버(10)나 이온화용 가스 공급구(13)의 주변 배관을 가열하면서 세정할 수 있다.

본 실시예에서는, 이온화용 가스도 세정용 가스도 He로 구성하므로, 이온화용 가스 공급계(30)와 가스 공급계(60) 사이에서, 가스 봄베나 배관 등을 일부 공유할 수 있다. 이에 의해 GFIS1의 제조 비용을 저감할 수 있다. 단, 세정 모드와 통상 모드에서는, 세정용 가스의 도입 압력과 이온화용 가스의 도입 압력이 크게 서로 다르기 때문에, 가스 도입 경로는 각각 분리하는 편이 용이하게 제어할 수 있다.

본 실시예에서는, 이온화용 가스와 세정용 가스를 동일한 He로 하고 있지만, 이들을 네온(Ne) 등의 다른 희가스나, N2, H2 등의 다른 불활성 가스로 치환해도, 마찬가지인 효과가 얻어진다.

도 5의 세정 처리의 시퀀스는, 제어부에 의해 모두 자동적으로 실시할 수도 있고, 일부의 조건을 유저가 수동으로 설정해서 반자동적으로 실시할 수도 있다.

실시예 2

제2 실시예를 설명한다. 본 실시예를 포함하는 이하의 각 실시예는, 제1 실시예의 변형예에 해당하기 때문에, 제1 실시예와의 상위를 중심으로 설명한다. GFIS1의 기본적 구성과 동작은, 제1 실시예와 마찬가지이다. 제1 실시예와의 상위는, 세정용 가스의 상세에 있다.

본 실시예의 세정용 가스 및 이온화용 가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 모두 헬륨 가스이다. 단, 제1 실시예에서는, 세정용 가스도 이온화용 가스도 모두 완전히 동일한 순도의 헬륨 가스였지만, 본 실시예에서는, 세정용 가스의 순도 쪽이 이온화용 가스의 순도보다 낮다. 즉, 본 실시예에서는, 가스 봄베(64)의 헬륨 가스 순도는, 가스 봄베(36)의 그것보다 낮다.

통상 시판되고 있는 헬륨 가스의 순도는 충분히 높으므로, 포함되는 불순물 가스의 양은, 세정 모드에 있어서 챔버(10) 내에 발생하는 불순물 가스의 양보다 충분히 작다. 따라서, 세정 모드에 있어서, 세정용 가스의 순도가 영향을 주는 일은 없어, 시판의 헬륨 가스를 세정용 가스로 사용한 경우에도, 제1 실시예와 마찬가지인 효과가 얻어진다. 제1 실시예에 있어서도, 세정용 가스의 순도에 구애될 필요는 그만큼 없기 때문에, 세정용 가스 공급계(60)에는, 가스 순화기를 설치하고 있지 않다.

이렇게 구성되는 본 실시예도 제1 실시예와 마찬가지인 작용 효과를 나타낸다. 또한 본 실시예에서는, 세정용 가스의 순도를 이온화용 가스의 순도보다 낮추기 위해, 시판의 헬륨 가스를 그대로 사용할 수 있다. 이 결과, 본 실시예에서는, 대량으로 소비하는 세정용 가스의 구입 비용을 저감할 수 있어, GFIS1의 러닝 비용을 저감할 수 있다.

실시예 3

제3 실시예를 설명한다. 제3 실시예도, GFIS1의 기본적 구성 및 동작은 제1 실시예와 마찬가지이다. 본 실시예와 제1 실시예의 상위는, 세정용 가스의 상세에 있다. 본 실시예에서는, 세정용 가스로서 수소 가스(H2)를 사용한다.

제1 실시예 및 제2 실시예에서는, 세정용 가스로서 이온화용 가스와 마찬가지로 헬륨 가스를 사용하고 있지만, 이온화용 가스보다 분자량이 작은 가스를 세정용 가스로서 사용한 쪽이, 동일한 압력 조건에서의, 불순물 가스의 저감 효과는 크다. 그 중에서도 세정용 가스로서 수소 가스를 사용하면, 불순물 가스의 저감 효과가 크다. 세정용 가스가 불활성 가스 또는 수소 가스 중 어느 하나이면, 이미터 전극(21)의 선단에 영향을 주는 바와 같은, 화학적으로 활성인 불순물 가스가 새롭게 발생하는 일은 없다.

이렇게 구성되는 본 실시예도 제1 실시예와 마찬가지인 작용 효과를 나타낸다. 또한 본 실시예에서는, 이온화용 가스에 사용하는 헬륨보다 분자량이 작은 수소를 세정용 가스로서 사용하기 때문에, 제1 실시예보다 불순물 가스를 제거할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 제1 실시예보다 이온빔(27)의 전류를 안정되게 할 수 있다.

본 실시예에서는, 이온화용 가스에 헬륨 가스를 사용하고, 세정용 가스에 분자량이 작은 수소 가스를 사용할 경우를 설명했다. 이를 대신해서, 이온화용 가스로서 네온(Ne)이나 질소(N2)를 사용하고, 세정용 가스로서 네온이나 질소보다 분자량이 작은 헬륨이나 수소를 사용해도 된다.

실시예 4

제4 실시예를 설명한다. 제4 실시예도, GFIS1의 기본적 구성 및 동작은 제1 실시예와 마찬가지이다. 본 실시예와 제1 실시예의 상위는, 세정용 가스의 상세에 있다.

본 실시예에서는, 세정용 가스로서 불활성 가스를 사용하고, 또한, 그 중에서 가장 분자량이 작은 가스 종(種)을 선택한다. 본 실시예의 세정용 가스는, 헬륨 가스(He)와, 그보다 분자량이 작은 수소 가스(H2)를 혼합하는 혼합 가스이다. 수소 가스의 혼합 비율은, 예를 들면 4％이다. 또한, 이온화용 가스에는, 제1 실시예와 마찬가지로 헬륨 가스를 사용한다.

이렇게 구성되는 본 실시예도 제1 실시예와 마찬가지인 작용 효과를 나타낸다. 또한 본 실시예에서는, 헬륨 가스에 수소 가스를 소정 비율로 혼합한 혼합 가스를 세정용 가스로서 사용하기 때문에, 세정용 가스로 헬륨 가스를 사용할 경우에 비해 세정 효과가 높다. 따라서, 본 실시예에서는, 이온 방출 동작을 실행하는 통상 모드 시에 있어서, 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 농도를 보다 저감할 수 있다. 이 결과, 본 실시예에 따르면, 이온빔(27)의 전류를 보다 안정되게 할 수 있다.

본 실시예에서는, 세정용 가스에 수소 가스를 포함하지만, 폭발 한계보다 낮은 혼합 비율로 수소 가스를 헬륨 가스에 섞기 때문에, 방폭 설비는 불요하다. 따라서, GFIS1의 토탈 장치 비용을 저감할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 이온화용 가스와 마찬가지로 헬륨 가스를 세정용 가스에 혼합하고 있지만, 반드시 그렇게 할 필요는 없다. 세정용 가스로서 수소 가스(H2)를 4％ 혼합한 질소 가스(N2)를 사용해도 마찬가지인 효과가 얻어진다. 반대로, 이온화용 가스로서 질소 가스를 사용하고, 세정용 가스로서 수소 가스를 4％ 혼합한 헬륨 가스를 사용할 경우에도 마찬가지인 효과가 얻어진다.

실시예 5

도 6을 사용해서 제5 실시예를 설명한다. 본 실시예의 GFIS1A는, 제1 실시예의 GFIS1과 거의 동일하다. 제1 실시예와의 상위는, 이온화용 가스로서 수소 가스(H2)를 사용하는 점과, 이온화용 가스 공급계(30A)의 구성이 서로 다른 점과, 세정용 가스의 상세가 서로 다른 점에 있다.

본 실시예의 세정용 가스는, 제4 실시예와 마찬가지로 헬륨 가스와 수소 가스의 혼합 가스이고, 수소 가스의 혼합 비율은 폭발 한계 이하의 4％이다.

이온화용 가스 공급계(30A)의 구성을 설명한다. 이온화용 가스 공급계(30A)는, 예를 들면, 이온화용 가스 공급관(31), 압력 조정기(35), 가스 공급용 밸브(38), 선택 투과 수단(37), 가스 봄베(36)를 구비한다. 가스 봄베(36)를 가장 상류로 하면, 압력 조정기(35), 가스 공급용 밸브(38), 선택 투과 수단(37)의 순서로, 이온화용 가스 공급관(31)에 배치되어 있다.

본 실시예의 이온화용 가스 공급계(30A)에는, 이온화용 가스의 배기계(70)가 접속되어 있다. 이 배기계(70)는, 배기관(71)과, 배기관(71)을 개폐하는 배기 밸브(72)와, 배기 펌프(배기계(70) 내에 포함함)를 갖는다. 배기관(71)의 한쪽 측은, 가스 공급 밸브(38)와 선택 투과 수단(37) 사이에 위치하고, 이온화용 가스 공급관(31)의 도중에 접속되어 있다.

본 실시예에서는, 이온화용 가스로서의 수소 가스를 저압(1MPa 이하)의 작은 가스 봄베(36)로부터 공급한다. 또한 본 실시예에서는, 이온화용 가스를 선택 투과 수단(37)에 통과시킴으로써 순화하고, 순화된 이온화용 가스를 챔버(10)에 공급한다. 선택 투과 수단(37)은, 예를 들면, 팔라듐동(palladium-copper) 합금막으로 구성된다.

여기에서, 이온화용 가스로서의 수소 가스를 공급하는 가스 봄베(36)는 저압이기 때문에, 가스 봄베 내부에서의 불순물 가스 발생의 영향이 크고, 경시적(經時的)으로 가스 봄베 내의 불순물 가스 농도가 높아져 간다. 이 불순물 가스를 게터형의 순화기에서 순화했다고 해도, 고압 가스 봄베를 사용하는 경우 정도로는 순화할 수 없다. 가스 봄베(36)의 압력이 낮기 때문이다.

그래서, 본 실시예에서는, 이온화용 가스 공급관(31)의 하류측에 위치하고 이온화용 가스 공급구(13)의 근방에, 팔라듐동 합금막으로 이루어지는 선택 투과 수단(37)을 설치한다. 이 선택 투과 수단(37)에 의해, 수소 가스 이외의 불순물 가스를 제거할 수 있다.

이온화용 가스로서의 수소 가스의 공급량은, 압력 조정기(35)가 정하는 공급 압력에 의해 제어될 수 있다. 압력 조정기(35)는, 절대압을 조정할 수 있다. 수소 가스의 공급량은, 거의 공급 압력의 평방근에 비례한다.

선택 투과 수단(37)을 구성하는 팔라듐동 합금막은, 실온에서 사용한다. 팔라듐동 합금막을 가열해서 수소 가스의 투과율을 높일수도 있지만, 수소 가스의 도입처인 이미터 전극(21)은, 냉각계(50)에 의해 냉각되어 있다. 따라서, 온도가 높은 수소 가스를 냉각계(50)에 의해 냉각되어 있는 GFIS1A에 공급하는 것은 바람직하지 않는다. 그래서, 본 실시예에서는, GFIS1A의 동작을 안정시키기 위해, 선택 투과 수단(37)을 가열하지 않고 실온에서 사용한다.

또한, 본 실시예에서는, 이온화용 가스로서의 수소 가스를 챔버(10)에 공급할 때, 압력 조정기(35)에 의해 가스 압력을 조정하면, 가스 공급용 밸브(38)를 닫는다. 이에 의해, 압력 조정기(35)에서의 미묘한 변동의 영향을 배제할 수 있다. 또한 만약 만에 하나, 선택 투과 수단(37)의 팔라듐동 합금막이 찢어진 경우에도, 챔버(10)에 누출되는 수소 가스의 양을 제한할 수 있다. 따라서, 압력 조정기(35)에 의한 압력 조정 후에는 가스 공급용 밸브(38)를 닫음으로써, 만에 하나, 선택 투과 수단(37)을 통해 수소 가스가 누출되었을 경우에도, 배기계(40)나 차동 배기구(12)로부터, 그들의 앞선 장치에 주는 영향을 최소한으로 그치게 할 수 있다.

배기 밸브(72)는, 통상은 닫고 사용하지만, 소정의 경우에는 열림 밸브로 하여, 배기계(70)에 의해 선택 투과 수단(37)의 앞쪽의 수소 가스를 배기한다. 소정의 경우란, 예를 들면, 이온화용 가스의 챔버(10)에의 공급을 정지할 경우, 장기간의 사용에 의해 팔라듐동 합금막의 앞쪽 측에 불순물 가스가 퇴적되어, 그 투과율이 저하된 경우 등이다.

이렇게 구성되는 본 실시예도 제1 실시예와 마찬가지인 작용 효과를 나타낸다. 또한 본 실시예에서는, 이온화용 가스로서 챔버(10)에 공급하는 수소 가스에 대한 불순물 가스의 농도를 보다 저감할 수 있다.

즉, 본 실시예에서는, 저압인 가스 봄베(36)에 유래하는 불순물 가스가 챔버(10)에 침입하는 것을 선택 투과 수단(37)에 의해 억제하고, 또한, 제1 실시예에서 기술한 바와 마찬가지로, 챔버(10)의 벽부에 침입해 있는 불순물 가스를 높은 압력의 세정용 가스에 의해 세정할 수 있다. 이렇게 본 실시예에서는, 가스 봄베(36)의 불순물 가스와, 챔버(10)의 벽부의 불순물 가스의 양쪽을 제거할 수 있기 때문에, 이온화용 가스에 대한 불순물 가스의 농도를 저감할 수 있다. 이 결과, 수소의 이온빔(27)의 전류를 안정되게 할 수 있다.

본 실시예에서는, 이온화용 가스를 공급하는 가스 봄베(36)로서, 소형이고 저압인 수소 가스 봄베를 사용한다. 가스 봄베(36)를 소형화하기 때문에, GFIS1A를 소형화할 수 있다. 이온화용 가스는, 세정용 가스에 비해 사용량이 적기 때문에, 가스 봄베(36)를 소형화한 경우에도 GFIS1A의 운용 상의 지장은 없다.

또한 본 실시예에서는, 이온화용 가스에는 저압인 수소 가스를 사용하고, 세정용 가스는 폭발 한계 미만의 혼합비로 혼합된 수소 가스만 포함하고 있기 때문에, 방폭 설비를 설치할 필요가 없어, GFIS1A의 토탈 장치 비용을 저감할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 이온화용 가스로서의 수소 가스를 공급하는 가스 봄베(36)에 저압인 소형 가스 봄베를 사용했지만, 이를 대신해서, 세정용 가스 공급계(60)로부터 분기하는 배관을 선택 투과 수단(37)의 상류측에서 이온화용 가스 공급관(31)에 접속해도 된다. 이 경우, 수소 가스와 헬륨 가스의 혼합 가스를, 선택 투과 수단(37)에 의해 수소 가스만 순화해서, 이미터 전극(21)에 공급한다. 이렇게, 수소 가스의 원(元)을 세정용 가스 공급계(60)와 이온화용 가스 공급계(30A)에서 공용함으로써, GFIS1A의 러닝 비용을 저감할 수 있다. 단, 그 경우, 선택 투과 수단(37)의 팔라듐동 합금막의 두께를 적성(敵性)으로 할 필요가 있다. 선택 투과 수단(37)을 통과하는 수소 가스의 투과량은, 혼합 가스의 압력에 의존하는 것이 아니라, 수소 가스의 분압에 의존하다.

실시예 6

도 7을 사용해서 제6 실시예를 설명한다. 본 실시예의 GFIS1B는, 제5 실시예에서 기술한 GFIS1A와 공통인 구성을 갖는다. 이온화용 가스 공급계(30A)의 상세는, 제5 실시예와 마찬가지이다. 세정용 가스는, 제5 실시예와 마찬가지로 헬륨 가스와 수소 가스의 혼합 가스이고, 수소 가스의 혼합 비율은 폭발 한계 미만의 4％이다. 세정용 가스 공급계(60)의 상세도 제5 실시예와 마찬가지이다.

본 실시예와 제5 실시예의 차이는, 본 실시예에서는 복수 종류의 이온화용 가스를 전환해서 사용하는 점에 있다. 본 실시예에서는, 수소 가스(H2)와 질소 가스(N2)의 2종류의 이온화용 가스를 전환해서 사용한다.

이 때문에, 본 실시예에서는, 제1 이온화용 가스로서의 수소 가스를 챔버(10)에 공급하기 위한 제1 이온화용 가스 공급계(30A)와, 제2 이온화용 가스로서의 질소 가스를 챔버(10)에 공급하기 위한 제2 이온화용 가스 공급계(30B)를 구비한다.

제2 이온화용 가스 공급계(30B)는, 제1 실시예에서 기술한 이온화용 가스 공급계(30)의 구성 요소(31~36)와 마찬가지로, 이온화용 가스 공급관(31B), 유량 조절 기구(32B), 밸브(33B), 가스 순화기(34B), 압력 조정기(35B), 가스 봄베(36B)를 구비한다. 단, 가스 봄베(36B)는 질소 가스의 봄베이고, 가스 순화기(34B)는 질소 가스를 통과시키는 장치이다.

본 실시예의 세정용 가스는, 2종류의 이온화용 가스(여기에서는, H2와 N2)의 어느 가스에 대해서도, 동등하거나 그 이하의 분자량의 가스(여기에서는, H2)를 포함하는 혼합 가스로서 구성된다. 본 실시예의 세정용 가스는, 이온화용 가스와 동등 또는 그 이하의 분자량의 가스(예를 들면 H2)와 불활성 가스(예를 들면 He)의 혼합 가스이다. 이렇게 구성되는 세정용 가스를 사용함으로써, 수소 가스와 질소 가스 중 어느 이온화용 가스를 사용할 경우에도, 세정용 가스에 의한 불순물 가스의 세정 효과를 충분히 얻을 수 있다.

통상, 세정용 가스에 의한 세정(세정 모드에서의 처리)은, 이미터 전극(21)의 교환을 위해 챔버(10)를 대기 개방했을 때 행한다. 그러나, 본 실시예와 같이, 복수 종류의 이온화용 가스를 전환 사용 가능한 경우, 이온화용 가스의 전환에 의해 불순물 가스의 농도 레벨이 변동할 가능성이 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 이온화용 가스의 전환 횟수를 카운트해 두고, 전환 횟수가 소정 횟수에 달한 경우는, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같은 장시간의 연속 배기에 의한 세정을 실시한다. 그 후에, 이미터 전극(21)을 교환한 경우는, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같은 단시간의 세정을 일회 또는 복수회 실시한다.

본 실시예도 제1 실시예, 제5 실시예와 마찬가지인 작용 효과를 나타낸다. 또한 본 실시예에서는, 복수 종류의 이온화용 가스를 전환해서 사용할 경우에도, 불순물 가스를 저감할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 복수의 이온 종의 이온빔(27)의 전류를 안정화할 수 있다.

실시예 7

도 8을 사용해서 제7 실시예를 설명한다. 본 실시예에서는, 이온빔 장치로서 주사 이온 현미경에 GFIS1을 적용할 경우를 설명한다.

도 6은, 주사 이온 현미경(2)의 전체 구성도이다. 주사 이온 현미경(2)의 기본 구성은, 갈륨 액체 금속 이온원(Ga-LMIS)용으로 제작된 최대 가속 전압 40kV의 집속 이온빔(FIB) 장치와 동일하다. 주사 이온 현미경(2)의 가스 전계 전리 이온원은, 제6 실시예에서 기술한 GFIS1B로서 구성되어 있다. GFIS1B에 대해서는, 도 7에서 상세히 설명했으므로, 도 8에서는 구성을 생략하고 있다.

주사 이온 현미경(2)은, 시료 스테이지(101) 상의 시료(111)에 이온빔(27)을 조사함으로써, 시료를 관찰한다. 주사 이온 현미경(2)은, 예를 들면, GFIS1B, 이온원 제어부(100), 이온 광학계(120), 이차 전자 검출기(130), 렌즈계 제어부(140), 편향계 제어부(150), 화상 처리부(160), 현미경 제어부(200)를 구비한다.

GFIS1B는 2종류의 이온빔(27)을 출력하는 이온원이다. 이온원 제어부(100)는, 현미경 제어부(200)로부터의 지시에 따라 GFIS1B를 제어한다. 이온 광학계(120)는, 이온빔의 가속이나 집속 등을 행한다. 이차 전자 검출기(130)는, 이온빔(27)이 조사됨으로써 시료(111)에서 생긴 이차 전자(112)를 검출한다. 렌즈계 제어부(140)는, 정전 렌즈(121A, 121B), 조리개(121C)를 제어한다. 편향계 제어부(150)는, 편향용의 전극(122A, 122B)을 제어한다. 화상 처리부(160)는, 이차 전자 검출기(130)로부터의 신호로부터 이차 전자 관찰 화상을 생성한다. 현미경 제어부(200)는, 유저의 조작에 따라, 주사 이온 현미경(2)의 전체 동작을 제어한다.

주사 이온 현미경(2)은, GFIS1B로부터 방출된 H2 또는 N2의 이온빔(27)을 이온 광학계(120)에 입사시킨다. H2의 이온빔은 미세 관찰용으로 사용하고, N2의 이온빔은 미세 가공용으로 사용한다.

이온 광학계(120)에 의해 가속과 집속 및 편향된 이온빔(27)은, 시료 스테이지(110)에 재치(載置)된 시료(111)에 조사된다. 이온빔(27)의 조사에 의해 시료(111)로부터 발생한 이차 전자(112)는, 이차 전자 검출기(130)에서 검출된다. 또한, 이온빔(27)의 통과 영역은 기본적으로 진공 배기되어 있다.

이온 광학계(120) 중, 이온빔(27)의 가속과 집속과 축 조정과 개방각 제한에 관계되는 부분은, 렌즈계 제어부(140)에서 제어된다. 이온 광학계(120) 중, 이온빔(27)의 시료(111) 상에서의 편향과 주사에 관계되는 부분은, 편향계 제어부(150)에서 제어된다.

화상 처리부(160)는, 이차 전자 검출기(130)로부터 수취되는 이차 전자(112)의 강도 신호와 편향계 제어부(150)의 주사 신호를 대응시킴으로써, 이차 전자 관찰상을 형성한다.

현미경 제어부(200)는, 이온원 제어부(100), 렌즈계 제어부(140), 편향계 제어부(150), 화상 처리부(160)를 포함하는 주사 이온 현미경(2) 전체를 제어함과 함께, 다른 기기나 유저로부터의 입출력도 제어한다. 예를 들면, 현미경 제어부(200)는, 화상 처리부(160)로부터 이차 전자 관찰상을 판독하고, 도시하지 않은 디스플레이에 표시한다. 현미경 제어부(200)는 편향계 제어부(150)를 제어해서, 이차 전자 관찰상의 화면 상에서 유저가 지정한 위치에 이온빔(27)을 조사시킬 수 있다.

본 실시예의 현미경 제어부(200)는, GFIS1B의 가동 시간, 즉 이온 방출 시간을 모니터하고 기억하고 있다. 또한, 현미경 제어부(200)는, 정기적으로(예를 들면 일분 간격으로) 이온빔(27)의 전류를 모니터하고 기억하고 있다. 이온빔(27)의 전류는, 예를 들면, 이온 광학계(120) 내에서 블랭킹 편향한 곳에 설치하는 패러데이 컵에 의해 측정할 수 있다. 또한, 현미경 제어부(200)는, 모니터한 이온빔(27)의 전류의 변화로부터, 이온 방출의 안정성 저하의 정도를 계산하는 기능을 구비한다.

본 실시예의 현미경 제어부(200)는, GFIS1B의 가동 시간의 길이, 또는 이온빔 전류의 안정성 저하의 레벨의 적어도 어느 하나를 판단함으로써, GFIS1B를 세정용 가스로 세정한다. 현미경 제어부(200)는, 이미터 전극(21)으로부터의 이온 방출을 정지시키고, 세정 모드의 처리를 실행한다. 즉, 현미경 제어부(200)는, 이미터 전극(21)의 냉각을 정지하고, 세정용 가스를 고압으로 챔버(10)에 도입하고, 방전을 일으키지 않고 세정용 가스(불순물 가스를 포함함)를 배기한다.

GFIS1B의 세정이 종료하면, 현미경 제어부(200)는, 통상 모드로 전환하고, GFIS1B로부터 이온빔(27)을 출력시킨다. 즉, 현미경 제어부(200)는, 이미터 전극(21)의 냉각을 개시하고, 이온화용 가스를 챔버(10)에 저압으로 도입하고, 이미터 전극(21)에 전계를 인가해서, 이온빔(27)을 방출시킨다.

기본적으로는, 이온빔(27)이 불안정해지기 전에, 일정 시간마다 세정 모드의 처리(예를 들면 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같은 연속 배기에 의한 약한 세정)를 행한다. 이것에 한정되지 않고, 이온빔 전류의 불안정화를 검출한 경우는, 그 시점에서, GFIS1B를 세정(상술한 연속 배기에 의한 약한 세정)해도 된다.

현미경 제어부(200)는, 세정 처리의 개시 전에, GFIS1B를 세정한다는 취지를 유저에게 통지하는 루틴을 도입해 두는 것이 바람직하다. 또한, 이온빔(27)을 사용한 자동적인 작업 프로그램에는, 세정 처리에 대응하는 비상 처리 루틴을 미리 도입해 두는 것이 바람직하다. 또한, 세정 종료에 의해 GFIS1B의 재가동이 가능하게 된 경우는, 유저에게 다음 동작을 판단시켜 지시시키기 위한 루틴을 도입해 두는 것이 바람직하다.

이렇게 구성되는 본 실시예는, 제1 실시예나 제6 실시예에서 기술한 바와 같이, 이미터 전극(21)을 손모(損耗)시키지 않고 GFIS1B를 세정할 수 있어, 안정된 이온빔을 사용해서 시료를 관찰할 수 있다. 이 결과, GFIS1B의 신뢰성이 향상되고, 이온 현미경(2)을 사용한 가공 등의 장시간 작업을 자동화할 수도 있다.

또한, 본 발명은, 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 본 발명의 범위 내에서, 다양한 추가나 변경 등을 행할 수 있다.

1, 1A, 1B：가스 전계 전리 이온원, 2：주사 이온 현미경, 10：챔버, 20：이온 발생 장치, 21：이미터 전극, 27：이온빔, 30, 30A, 30B：이온화용 가스 공급계, 32, 32B：유량 조절 기구, 34, 34B：가스 순화기, 35, 35B：압력 조정기, 36, 36B：가스 봄베, 37：선택 투과 수단, 40：배기계, 50：냉각계, 60：세정용 가스 공급계, 63：압력 조정기

Claims (16)

1. 침상(針狀)의 선단을 갖는 이미터 전극과, 당해 이미터 전극의 선단 방향으로 이간된 위치에 개구를 갖는 인출 전극과, 상기 이미터 전극을 내포하는 챔버를 갖는 가스 전계 전리 이온원을 포함하는 이온빔 장치로서,
   상기 가스 전계 전리 이온원은,
   상기 이미터 전극에 빔 발생 전압 이상의 전압을 인가한 상태에서, 상기 챔버에 이온화용 가스를 도입하는 이온화용 가스 도입 경로와,
   상기 이미터 전극에 상기 빔 발생 전압 미만의 전압을 인가한 상태 또는 전압을 인가하지 않은 상태 중 어느 하나의 상태에서, 상기 챔버에 세정용 가스를 도입하는 세정용 가스 도입 경로를 갖고,
   상기 세정용 가스가 도입된 상태에서의 상기 챔버의 압력은, 상기 이온화용 가스가 도입될 때의 상기 챔버의 압력보다 높은 이온빔 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 챔버에 상기 세정용 가스를 도입할 때는 상기 이온화용 가스를 도입할 때보다, 상기 이미터 전극의 온도가 높아지게 하는 이온빔 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 이미터 전극을 냉각하는 냉각 장치를 더 갖고,
   상기 챔버에 상기 이온화용 가스를 도입할 때는 상기 냉각 장치를 가동하고,
   상기 챔버에 상기 세정용 가스를 도입할 때는 상기 냉각 장치를 정지하는 이온빔 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 챔버에 상기 세정용 가스가 도입된 상태에서는, 상기 챔버 내에서의 방전 발생을 억지하는 이온빔 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 세정용 가스의 순도는 상기 이온화용 가스의 순도보다 낮은 이온빔 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 이온화용 가스 도입 경로에는, 상기 이온화용 가스를 순화시키는 순화부가 설치되는 이온빔 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 순화부는, 상기 이온화용 가스를 선택적으로 투과시키는 막인 이온빔 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 세정용 가스의 분자량은, 상기 이온화용 가스의 분자량 이하인 이온빔 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 세정용 가스는, 상기 이온화용 가스의 분자량 이하인 가스를 포함하는 혼합 가스인 이온빔 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 세정용 가스는 수소를 포함하는 이온빔 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 이온화용 가스는 수소인 이온빔 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 이온화용 가스로서 2종류 이상의 가스가 사용되고,
    상기 세정용 가스는, 상기 2종류 이상의 가스의 어느 것의 분자량보다도 작은 분자량의 가스를 포함하는 이온빔 장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 가스 전계 전리 이온원의 가동 시간이 소정 값을 초과한 경우, 또는 상기 가스 전계 전리 이온원으로부터 방출되는 이온빔의 안정성이 소정 값보다 저하된 경우 중 어느 하나의 경우에, 상기 세정용 가스를 상기 챔버에 도입하는 제어를 하는 제어부를 더 갖는 이온빔 장치.
14. 침상의 선단을 갖는 이미터 전극과, 당해 이미터 전극의 선단 방향으로 이간된 위치에 개구를 갖는 인출 전극과, 상기 이미터 전극을 내포하는 챔버를 갖고, 상기 이미터 전극에 빔 발생 전압 이상의 전압을 건 상태에서, 상기 챔버에 이온화용 가스를 도입함으로써 이온빔을 발생시키는 가스 전계 전리 이온원을 세정하는 세정 방법으로서,
    상기 이미터 전극에 상기 빔 발생 전압 미만의 전압을 인가한 상태 또는 전압을 인가하지 않은 상태 중 어느 하나의 상태에서 상기 챔버에 세정용 가스를 도입함으로써, 상기 챔버의 압력을 상기 이온화용 가스를 도입할 때의 압력보다 높게 하는 제1 스텝을 갖는 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 챔버로부터 상기 세정용 가스를 배출하는 제2 스텝을 더 갖고,
    상기 제1 스텝 및 상기 제2 스텝을 반복하거나, 또는 상기 제1 스텝과 상기 제2 스텝을 동시에 행하는 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법.
16. 제14항에 있어서,
    상기 가스 전계 전리 이온원의 가동 시간이 소정 값을 초과한 경우, 또는 상기 이온빔의 안정성이 소정 값보다 저하한 경우 중 어느 하나의 경우에, 상기 제1 스텝을 실행하는 가스 전계 전리 이온원의 세정 방법.

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