TWI661459B - Plasma ion source and charged particle beam device - Google Patents

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TWI661459B TW104138778A TW104138778A TWI661459B TW I661459 B TWI661459 B TW I661459B TW 104138778 A TW104138778 A TW 104138778A TW 104138778 A TW104138778 A TW 104138778A TW I661459 B TWI661459 B TW I661459B
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Abstract

防止為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源整體的大小增大。
實施型態之電漿離子源(14a)，具備氣體導入室(33)、絕緣構件(38)、電漿生成室(34)、線圈(39)、及末端電極(36)。氣體導入室(33)供原料氣體導入。絕緣構件(38)設於氣體導入室(33)的內部。電漿生成室(34)連接至氣體導入室(33)。線圈(39)沿著電漿生成室(34)的外周捲繞，被施加高頻電力。設有複數個貫通孔(36a)之末端電極(36)，配置於氣體導入室(33)及電漿生成室(34)的交界。貫通孔(36a)的大小，形成為比電漿鞘長度還小。

Description

電漿離子源及帶電粒子束裝置
本發明有關電漿離子源以及帶電粒子束裝置。
以往，已知有一種電漿離子源，具備將導入至電漿室的氣體的流量予以限制之流量限制器，並且使在維持為高壓的氣體中產生氣體供給器與電漿之間的壓降產生，以抑制電弧放電(例如，參照專利文獻1)。
以往，已知有一種電漿離子源，使用複數個不同種類的氣體來生成不同離子種類(例如，參照專利文獻2)。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本特開2011-142081號公報
〔專利文獻2〕日本特開2013-120750號公報
不過，上述習知技術的電漿離子源，是藉由將作為原料的氣體導入至電漿生成室，並對設置在電漿生成室的周圍的工作線圈施加高頻來生成電漿。然後，電漿離子源為了對從電漿引出的離子提供加速能量，會對電漿施加加速電壓。
不過，電漿生成室的壓力為0.1Pa~10Pa左右，氣體導入絕緣部也為該壓力以上，係成為容易放電的壓力區域。此外，電漿具有導電性，因此如果電漿侵入到氣體導入絕緣部內，則可能有立即發生放電之虞。
相對於此，上述習知技術的電漿離子源，是藉由增高氣體的壓力或增大電極間距離來確保絕緣。
然而，若增大電極間距離，則電漿離子源會變大，而肇生構成所需的費用增加這樣的問題。另一方面，若增高氣體的壓力，則電導會降低，故肇生電漿離子源的氣體排出後的抽真空所需時間、或者使用複數個不同種類的氣體的情況下氣體置換所需時間變長這樣的問題。
本發明有鑑於上述情況而研發，目的在於提供一種電漿離子源以及帶電粒子束裝置，能夠防止為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源整體的大小增大。
為解決上述問題而達成該目的，本發明採用了以下態樣。
(1)本發明一個態樣之電漿離子源，具備：氣體導 入室，供原料氣體導入；絕緣構件，設於前述氣體導入室的內部；電漿生成室，連接至前述氣體導入室；線圈，沿著前述電漿生成室的外周捲繞，被施加高頻電力；及電極，配置於前述氣體導入室及前述電漿生成室的交界，設有複數個貫通孔；前述貫通孔的大小，形成為比電漿鞘長度還小。
按照上述(1)記載之態樣的電漿離子源，是將設有複數個貫通孔的電極配置在氣體導入室及電漿生成室的交界而使電導增大，藉此，能夠使用帕森定律(Paschen's law)中在(壓力×電極間距離)小的區域側的高耐電壓區域來確保期望的絕緣性。藉此，不需要為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源整體的大小增大，能夠防止電漿離子源的氣體排出後的抽真空所需時間、及當使用複數個不同種類的氣體的情況下的氣體置換所需時間等變長。
又，貫通孔的大小形成為比電漿鞘長度還小，故能夠抑制電漿對氣體導入室的侵入，能夠抑制放電的發生。藉此能夠更進一步防止為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源整體的大小增大。
(2)上述(1)所述之電漿離子源中，前述絕緣構件和前述電極，是在前述絕緣構件與前述電極之間，形成連接於前述貫通孔且比電漿鞘長度還小的間隔之空隙。
上述(2)的情況下，絕緣構件及電極形成比電漿鞘 長度還小的間隔之空隙，故能夠更進一步抑制電漿對氣體導入室的侵入。
(3)上述(2)所述之電漿離子源中，前述空隙，亦可由設於前述絕緣構件及前述電極的各者的相向面的至少其中一者之凹部所形成。
(4)上述(3)所述之電漿離子源中，亦可具備連接構件，連接前述絕緣構件及前述電極。
(5)上述(1)至(4)的任一項所述之電漿離子源，亦可具備接地電位構件，設有將前述原料氣體導入至前述氣體導入室之開口，前述絕緣構件，形成為會妨礙前述接地電位構件與前述電極之間的帶電粒子直接移動之形狀。
(6)本發明一個態樣之帶電粒子束裝置，具備：上述(1)至(5)的任一項所述之電漿離子源；離子束形成部，藉由前述電漿離子源中產生的前述原料氣體的離子來形成離子束；平台，固定試料；及控制部，將藉由前述離子束形成部形成的前述離子束照射至前述試料，進行前述試料的照射區域的觀察、加工及分析當中的至少其中一種。
按照上述(6)記載之態樣的帶電粒子束裝置，能夠防止裝置整體的大小增大。
(7)上述(6)所述之帶電粒子束裝置，亦可具備形成電子束之電子束形成部，前述控制部，將前述離子束及前述電子束照射至前述試料的同一區域，進行前 述試料的照射區域的觀察、加工及分析當中的至少其中一種。
按照本發明的電漿離子源，不需要為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源整體的大小增大，能夠防止電漿離子源的氣體排出後的抽真空所需時間、及當使用複數個不同種類的氣體的情況下的氣體置換所需時間等變長。
又，貫通孔的大小形成為比電漿鞘長度還小，故能夠抑制電漿對氣體導入室的侵入，能夠抑制放電的發生。藉此能夠更進一步防止為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源整體的大小增大。
10‧‧‧帶電粒子束裝置
11‧‧‧試料室
12‧‧‧平台
13‧‧‧驅動機構
14‧‧‧聚焦離子束鏡筒
14a‧‧‧電漿離子源
15‧‧‧電子束鏡筒
16‧‧‧檢測器
17‧‧‧氣體供給部
20‧‧‧顯示裝置
21‧‧‧控制部
22‧‧‧輸入裝置
30‧‧‧火炬
31‧‧‧第一接地電位凸緣
32‧‧‧第二接地電位凸緣
33‧‧‧氣體導入室
34‧‧‧電漿生成室
35‧‧‧氣體導入室材料
36‧‧‧末端電極
37‧‧‧電漿電極
38‧‧‧絕緣構件
39‧‧‧線圈
〔圖1〕本發明實施形態之帶電粒子束裝置的構成模型示意剖面圖。
〔圖2〕本發明實施型態之電漿離子源的構成模型示意剖面圖。
〔圖3〕從電漿生成室側觀察本發明實施型態之電漿離子源的絕緣構件的平面圖。
〔圖4〕包含圖3所示IV-IV剖面的絕緣構件及末端電極的剖面圖。
〔圖5〕本發明實施型態之和帕森定律相對應的火花放電電壓(sparking voltage)與(壓力×電極間距離)之關係示意圖。
〔圖6〕本發明實施型態第一變形例之電漿離子源的絕緣構件及末端電極的剖面圖。
〔圖7〕本發明實施型態第二變形例之電漿離子源的絕緣構件及末端電極的剖面圖。
〔圖8〕本發明實施型態第三變形例之電漿離子源的絕緣構件及末端電極的剖面圖。
以下參照所附圖面，說明本發明實施型態之電漿離子源及帶電粒子束裝置。
實施型態之帶電粒子束裝置10，如圖1所示，具備可將內部維持為真空狀態之試料室11、可在試料室11的內部固定試料S之平台12、及驅動平台12之驅動機構13。帶電粒子束裝置10，具備對試料室11的內部中的規定照射區域(即掃描範圍)內的照射對象照射聚焦離子束(FIB)之聚焦離子束鏡筒14。帶電粒子束裝置10，具備對試料室11的內部中的規定照射區域內的照射對象照射電子束(EB)之電子束鏡筒15。帶電粒子束裝置10，具備檢測因聚焦離子束或電子束的照射而從照射對象產生的二次帶電粒子(二次電子及二次離子等)r之檢測器16。此外，帶電粒子束裝置10，具備在電子束鏡 筒15內部檢測因電子束的照射而從照射對象產生的二次帶電粒子(反射電子)之檢測器。帶電粒子束裝置10，具備對照射對象的表面供給氣體Ga之氣體供給部17。帶電粒子束裝置10，具備顯示以藉由檢測器16檢測出的二次帶電粒子為基礎的圖像資料等之顯示裝置20、及控制部21、及輸入裝置22。
帶電粒子束裝置10，可藉由對照射對象的表面一邊掃描聚焦離子束一邊照射，來以濺鍍執行各種加工(蝕刻加工等)、及形成沉積膜。帶電粒子束裝置10，可執行在試料S形成以掃描式電子顯微鏡等做剖面觀察用的剖面之加工、及從試料S形成以穿透式電子顯微鏡做穿透觀察用的試料片(例如薄片試料、針狀試料等)之加工等。帶電粒子束裝置10，可藉由對試料S等照射對象的表面一邊掃描聚焦離子束或電子束一邊照射，來執行照射對象的表面觀察。
試料室11係構成為，可藉由排氣裝置將內部排氣直到成為期望的真空狀態為止，且可維持期望的真空狀態。
平台12，保持試料S。
驅動機構13，在連接於平台12的狀態下被收容於試料室11的內部，因應從控制部21輸出的控制訊號令平台12相對於規定軸位移。驅動機構13，具備移動機構13a，沿著和水平面平行且彼此正交的X軸及Y軸、及和X軸及Y軸正交的鉛垂方向的Z軸而平行地令平台12移 動。驅動機構13，具備令平台12繞X軸或Y軸旋轉之傾斜機構13b、及令平台12繞Z軸旋轉之旋轉機構13c。
聚焦離子束鏡筒14，是在試料室11的內部令射束射出部在照射區域內的平台12的鉛垂方向上方的位置面向平台12，且令光軸與鉛垂方向平行，而固定於試料室11。藉此，可對固定於平台12的試料S等照射對象照射從鉛垂方向上方朝向下方之聚焦離子束。
聚焦離子束鏡筒14，具備令離子產生之電漿離子源14a、及令從電漿離子源14a引出的離子聚焦和偏向之離子光學系統14b。電漿離子源14a及離子光學系統14b，因應從控制部21輸出的控制訊號而受到控制，聚焦離子束的照射位置及照射條件等藉由控制部21而受到控制。離子光學系統14b，例如具備聚光透鏡(condenser lens)等第一靜電透鏡、及靜電偏向器、及對物透鏡等第二靜電透鏡等。另，圖1中靜電透鏡雖為2組，但也可以具備3組以上。在此情形下，離子光學系統14b在各透鏡間設置孔徑(aperture)。
電漿離子源14a，為高頻感應耦合電漿離子源。電漿離子源14a，如圖2所示，具備火炬(torch)30、第一接地電位凸緣31及第二接地電位凸緣32、氣體導入室33、電漿生成室34、氣體導入室材料35、末端電極36、電漿電極37、絕緣構件38、及線圈39。
火炬30的形狀形成為筒狀。火炬30由介電體材料形成。介電體材料例如為石英玻璃、氧化鋁及氮化鋁的任一 種等。在火炬30的第一端部，設有第一接地電位凸緣31。在火炬30的第二端部，設有第二接地電位凸緣32。第一接地電位凸緣31及第二接地電位凸緣32被維持為接地電位。第一接地電位凸緣31及第二接地電位凸緣32為非磁性金屬，例如銅或鋁等。
火炬30，形成氣體導入室33及電漿生成室34。氣體導入室33，是由連接於第一接地電位凸緣31之氣體導入室材料35、及配置於火炬30的內部之末端電極36所形成。電漿生成室34，是由末端電極36、及配置於火炬30的第二端部之電漿電極37所形成。末端電極36及電漿電極37為非磁性金屬，例如銅或鎢或鉬等。由於電漿會濺鍍末端電極36及電漿電極37而附著於火炬30的內壁，因此以濺鍍所需能量較高的鎢、鉬為佳。在氣體導入室33的內部，收容有絕緣構件38。在火炬30的外部，配置有沿著電漿生成室34的外周捲繞之線圈39。從RF電源39a對線圈39供給高頻電力。
在氣體導入室材料35，設置有開口部35a，將從氣體供給源透過流量調整器而供給的原料氣體導入至氣體導入室33的內部。
在配置於氣體導入室33及電漿生成室34的交界之末端電極36，設有從氣體導入室33對電漿生成室34導入原料氣體之複數個貫通孔36a。複數個貫通孔36a的各者的大小R(例如圓形的貫通孔36a的直徑等)，形成為比電漿鞘(plasma sheath)長度還小。電漿鞘長度例如為數 十μm~數百μm。
在電漿電極37，設有從電漿生成室34將離子引出至外部之開口部37a。
氣體導入室33內的絕緣構件38，藉由螺栓等連接構件而被固定於末端電極36。在絕緣構件38，如圖3所示，形成有供連接構件裝配之裝配孔38a。在和末端電極36的表面36A相向的絕緣構件38的相向面38A，如圖4所示，形成有凹溝38b。凹溝38b的深度D1，形成為比電漿鞘長度還小。凹溝38b的寬度W，形成為比深度D1還大。在絕緣構件38，形成有設於凹溝38b之複數個貫通孔38c。複數個貫通孔38c的各者的大小(例如圓形的貫通孔38c的直徑等)，形成為比電漿鞘長度還小。複數個貫通孔38c的各者的大小，例如形成為和末端電極36中的複數個貫通孔36a的大小R相同。複數個貫通孔38c的各者，例如配置成面向末端電極36中的複數個貫通孔36a的各者。
另，在末端電極36，供連接構件裝配之裝配孔36b是形成為面向絕緣構件38的裝配孔38a。
絕緣構件38的形狀，形成為會妨礙氣體導入室材料35與末端電極36之間的帶電粒子直接移動之形狀。絕緣構件38的形狀，形成為氣體導入室材料35與末端電極36無法彼此直接看見之形狀。絕緣構件38的形狀，例如形成為公螺紋形狀等。
電漿生成室34的壓力，被設定為0.1Pa~10Pa 左右。電漿生成室34與氣體導入室33之間，是設定成藉由設有複數個貫通孔36a之末端電極36而使電導變高，故氣體導入室33的壓力與電漿生成室34的壓力為相同程度。電漿生成室34的壓力，因應從氣體供給源導入至氣體導入室33的原料氣體的流量而受到調整。流量調整器，藉由調整導入至氣體導入室33的原料氣體的流量，來將電漿生成室34的壓力設定為期望的壓力。
電漿生成室34的壓力，是設定成使得氣體導入室33使用帕森定律中在(壓力×電極間距離)小的區域側的高耐電壓區域來確保期望的絕緣性。帕森定律中，如圖5所示，在(壓力×電極間距離)大的區域側及小的區域側的各者中具有高耐電壓區域。設定電漿生成室34的壓力及氣體導入室33的電極間距離，以使氣體導入室33中形成(壓力×電極間距離)小的區域側的高耐電壓區域A。例如，當電漿生成室34的壓力被訂為0.1Pa、氣體導入室33的氣體導入室材料35與末端電極36的沿面距離被訂為30mm的情形下，(壓力×電極間距離)成為3e-3Pa‧m，氣體導入室33成為高耐電壓區域A的狀態。
電子束鏡筒15，是在試料室11的內部令射束射出部在對照射區域內的平台12的鉛垂方向傾斜了規定角度的傾斜方向面向平台12，且令光軸與傾斜方向平行，而固定於試料室11。藉此，能夠對固定於平台12的試料S等照射對象照射從傾斜方向的上方朝向下方之電子束。
電子束鏡筒15，具備令電子產生之電子源15a、及令從電子源15a射出的電子聚焦及偏向之電子光學系統15b。電子源15a和電子光學系統15b，因應從控制部21輸出的控制訊號而受到控制，電子束的照射位置和照射條件等藉由控制部21而受到控制。電子光學系統15b，例如具備電磁透鏡和偏向器等。
另，亦可將電子束鏡筒15和聚焦離子束鏡筒14的配置調換，將電子束鏡筒15配置於鉛垂方向，將聚焦離子束鏡筒14配置於對鉛垂方向傾斜了規定角度的傾斜方向。
檢測器16，檢測當對試料S等照射對象照射聚焦離子束或電子束時從照射對象放射的二次帶電粒子(二次電子及二次離子等)r的強度(即二次帶電粒子的量)，並輸出二次帶電粒子r的檢測量的資訊。檢測器16，是在試料室11的內部配置於可檢測二次帶電粒子r的量之位置，例如相對於照射區域內的試料S等照射對象而言斜上方之位置等，而固定於試料室11。
氣體供給部17，在試料室11的內部令氣體噴射部面向平台12，而固定於試料室11。氣體供給部17，可對試料S供給：蝕刻用氣體，用來因應試料S的材質而選擇性地促進聚焦離子束所致之試料S的蝕刻；及沉積用氣體，用來在試料S的表面形成金屬或絕緣體等堆積物所致之沉積膜；等。例如，將針對Si系試料S之氟化氙、及針對有機系試料S之水等蝕刻用氣體，隨著聚焦離子束 的照射一起供給至試料S，藉此選擇性地促進蝕刻。此外，例如將含有菲(phenanthrene)、鉑、碳、或鎢等的化合物氣體的沉積用氣體，隨著聚焦離子束的照射一起供給至試料S，藉此令從沉積用氣體分解出的固體成分堆積至試料S的表面。
控制部21，配置於試料室11的外部，連接有顯示裝置20、及輸出和操作者的輸入操作相對應的訊號之滑鼠及鍵盤等輸入裝置22。
控制部21，藉由從輸入裝置22輸出的訊號或由事先設定好的自動運轉控制處理生成的訊號等，來整合地控制帶電粒子束裝置10的動作。
控制部21，一邊掃描帶電粒子束的照射位置一邊將藉由檢測器16檢測的二次帶電粒子的檢測量變換為和照射位置建立對應之亮度訊號，並藉由二次帶電粒子的檢測量的二維位置分佈來生成示意照射對象的形狀之圖像資料。控制部21，令生成的各圖像資料，和用來執行各圖像資料的放大、縮小、移動及旋轉等操作的畫面，一起顯示於顯示裝置20。控制部21，令用來進行加工設定等各種設定的畫面，顯示於顯示裝置20。
如上述般，按照本發明實施型態之電漿離子源14a，是將設置有複數個貫通孔36a的末端電極36配置在氣體導入室33及電漿生成室34的交界而使電導增大，藉此，能夠使用帕森定律中在(壓力×電極間距離)小的區域側的高耐電壓區域A來確保期望的絕緣性。藉此，不 需要為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源14a整體的大小增大，能夠防止電漿離子源14a的氣體排出後的抽真空所需時間、及當使用複數個不同種類的氣體的情況下的氣體置換所需時間等變長。
又，貫通孔36a的大小形成為比電漿鞘長度還小，故能夠抑制電漿對氣體導入室33的侵入，能夠抑制放電的發生。藉此能夠更進一步防止為了確保期望的絕緣性而使電漿離子源14a整體的大小增大。
又，絕緣構件38及末端電極36形成比電漿鞘長度還小的間隔之空隙，故能夠更進一步抑制電漿對氣體導入室33的侵入。
如上述般，按照本發明實施型態之帶電粒子束裝置10，能夠防止裝置整體的大小增大。
另，上述實施型態中，是設計成絕緣構件38具備凹溝38b，但並不限於此。
上述實施型態的第一變形例中，如圖6所示，亦可在末端電極36的表面36A形成凹溝36c。凹溝36c的深度D2，形成為比電漿鞘長度還小。凹溝36c的寬度，形成為比深度D2還大。
上述實施型態的第二變形例中，如圖7所示，亦可除了絕緣構件38的凹溝38b之外，還在末端電極36的表面36A形成凹溝36c。凹溝38b及凹溝36c形成為彼此面對面。將凹溝38b的深度與凹溝36c的深度累積而成的值D3，形成為比電漿鞘長度還小。凹溝38b及凹溝36c的各 者的寬度，形成為比值D3還大。
上述實施型態的第三變形例中，如圖8所示，亦可省略絕緣構件38的凹溝38b，而在末端電極36的表面36A與絕緣構件38的相向面38A之間設置比電漿鞘長度還小的間隔D4之空隙。
另，上述實施型態中，亦可省略電子束鏡筒15。
另，上述實施型態中，控制部21亦可為軟體功能部或LSI等硬體功能部。

Claims (7)

  1. 一種電漿離子源，其特徵為，具備：氣體導入室，供原料氣體導入；絕緣構件，設於前述氣體導入室的內部；電漿生成室，連接至前述氣體導入室；線圈，沿著前述電漿生成室的外周捲繞，被施加高頻電力；及末端電極，配置於前述氣體導入室及前述電漿生成室的交界，設有複數個貫通孔；前述貫通孔的大小，形成為比電漿鞘長度還小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿離子源，其中，前述絕緣構件和前述末端電極，是在前述絕緣構件與前述末端電極之間，形成連接於前述貫通孔且比電漿鞘長度還小的間隔之空隙。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電漿離子源，其中，前述空隙，由設於前述絕緣構件及前述末端電極的各者的相向面的至少其中一者之凹部所形成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電漿離子源，其中，具備連接構件，該連接構件係連接前述絕緣構件及前述末端電極。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電漿離子源，其中，具備接地電位構件，該接地電位構件係設有將前述原料氣體導入至前述氣體導入室之開口，前述絕緣構件，形成為會妨礙前述接地電位構件與前述末端電極之間的帶電粒子直接移動之形狀。
  6. 一種帶電粒子束裝置，其特徵為，具備：如申請專利範圍第1項所述之電漿離子源；離子束形成部，藉由前述電漿離子源中產生的前述原料氣體的離子來形成離子束；平台，固定試料；及控制部，將藉由前述離子束形成部形成的前述離子束照射至前述試料，進行前述試料的照射區域的觀察、加工及分析當中的至少其中一種。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之帶電粒子束裝置，其中，具備電子束形成部，該電子束形成部係形成電子束，前述控制部，將前述離子束及前述電子束照射至前述試料的同一區域，進行前述試料的照射區域的觀察、加工及分析當中的至少其中一種。
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