特許 5952048 イオンビーム装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5952048

(24)【登録日】2016年6月17日

(45)【発行日】2016年7月13日

(54)【発明の名称】イオンビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/317 20060101AFI20160630BHJP

   H01J 37/30 20060101ALI20160630BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20160630BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/317 D

   H01J37/30 Z

   H01J37/28 Z

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-68016(P2012-68016)

(22)【出願日】2012年3月23日

(65)【公開番号】特開2013-200986(P2013-200986A)

(43)【公開日】2013年10月3日

【審査請求日】2015年1月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】503460323

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクサイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100090343

【弁理士】

【氏名又は名称】濱田 百合子

(74)【代理人】

【識別番号】100119552

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 公秀

(74)【代理人】

【識別番号】100138771

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 将明

(74)【代理人】

【識別番号】100154863

【弁理士】

【氏名又は名称】久原 健太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100142837

【弁理士】

【氏名又は名称】内野 則彰

(74)【代理人】

【識別番号】100123685

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 信行

(72)【発明者】

【氏名】麻畑 達也

(72)【発明者】

【氏名】杉山 安彦

(72)【発明者】

【氏名】大庭 弘

【審査官】 植木 隆和

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−２６４１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６６１３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００４６７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

Ｈ０１Ｊ ３７／２６

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ３７／３０

Ｈ０１Ｊ ３７／３１７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオンビームを放出するイオン源と、
前記イオンビームを集束させるコンデンサレンズを形成するコンデンサレンズ電極と、
前記コンデンサレンズ電極に電圧を印加するコンデンサレンズ電源と、
試料を観察するための前記イオンビームを照射する観察モードに対応する前記コンデンサレンズ電極に印加する第一の電圧値と、前記観察モードよりも電流量が大きい前記イオンビームを照射する加工モードに対応する前記コンデンサレンズ電極に印加する第二の電圧値と、前記観察モードよりも前記試料上の広い範囲に前記イオンビームを照射する広範囲観察モードに対応する前記コンデンサレンズ電極に印加する第三の電圧値と、前記広範囲観察モードに対応し、前記第三の電圧値よりも前記第二の電圧値に近い値の第四の電圧値と、を記憶する記憶部と、
前記観察モードから前記広範囲観察モードに切替える場合は、前記記憶部から前記第三の電圧値を読出し、前記コンデンサレンズ電源に設定し、前記加工モードから前記広範囲観察モードに切替える場合は、前記記憶部から前記第四の電圧値を読出し、前記コンデンサレンズ電源に設定する制御部と、を有するイオンビーム装置。

【請求項2】

イオンビームを放出するイオン源と、
前記イオンビームを集束させるコンデンサレンズを形成するコンデンサレンズ電極と、
前記コンデンサレンズ電極に電圧を印加するコンデンサレンズ電源と、
試料を観察するための前記イオンビームを照射する観察モードに対応する前記コンデンサレンズ電極に印加する第一の電圧値と、前記観察モードよりも電流量が大きいイオンビームを照射する加工モードに対応する前記コンデンサレンズ電極に印加する第二の電圧値と、前記観察モードよりも前記試料上の広い範囲に前記イオンビームを照射する広範囲観察モードに対応する前記コンデンサレンズ電極に印加する第三の電圧値と、前記広範囲観察モードに対応し、前記加工モードのコンデンサレンズよりもレンズ作用の強いレンズを形成する第四の電圧値と、を記憶する記憶部と、
前記観察モードから前記広範囲観察モードに切替える場合は、前記記憶部から前記第三の電圧値を読出し、前記コンデンサレンズ電源に設定し、前記加工モードから前記広範囲観察モードに切替える場合は、前記記憶部から前記第四の電圧値を読出し、前記コンデンサレンズ電源に設定する制御部と、を有するイオンビーム装置。

【請求項3】

前記第三の電圧値は、前記観察モードのコンデンサレンズよりもレンズ作用が弱いレンズを形成する電圧値である請求項２に記載のイオンビーム装置。

【請求項4】

前記イオンビームを前記試料に集束させる対物レンズを形成する対物レンズ電極と、
前記対物レンズ電極に電圧を印加する対物レンズ電源と、を有し、
前記記憶部は、前記観察モードに対応する前記対物レンズ電極に印加する第一の対物レンズ電圧値と、前記加工モードに対応する前記対物レンズ電極に印加する第二の対物レンズ電圧値と、前記広範囲観察モードに対応する前記対物レンズ電極に印加する第三の対物レンズ電圧値と、を記憶し、
前記制御部は、前記観察モードから前記広範囲観察モードに切替える場合と、前記加工モードから前記広範囲観察モードに切替える場合は、前記記憶部から前記第三の対物レンズ電圧値を読出し、前記対物レンズ電源に設定する請求項１または３に記載のイオンビーム装置。

【請求項5】

前記第三の対物レンズ電圧値は、０ｋＶである請求項４に記載のイオンビーム装置。

【請求項6】

前記観察モードと、前記加工モードと、前記広範囲観察モードとの切替えを行うための信号を入力する入力部を有する請求項１から５のいずれか一つに記載のイオンビーム装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオンビームで試料の加工及び観察を行うイオンビーム装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

エッチング加工や顕微鏡観察を行う集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置が知られている。
集束イオンビーム装置は、一般に、試料を加工する場合は、大きい電流量のイオンビームを試料に照射し、試料をエッチング加工する。また、試料を観察する場合は、試料のエッチング量を小さくし、また、ビーム径をより小さくするために、小さい電流量のイオンビームを照射し、試料から発生する二次荷電粒子を検出し、試料を顕微鏡観察する。

【0003】

また、集束イオンビーム装置は、一般に、加工する速度と精度に応じて照射するイオンビームの電流量を変更する。電流量を変更するためには、イオンビームの光学系の設定を変更する必要がある。例えば、異なる電流量のイオンビームの光学系の条件を記憶し、ビーム切替えの際に、対応する光学系の条件を読み出し、光学系に設定するイオンビーム装置が知られている（特許文献１参照）。

【0004】

これによれば、異なる電流量のイオンビームの切替えにおいて、光学系の条件をスムーズに切替えることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０−１０６４７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、ＦＩＢ装置において、微細加工を行う際に照射位置を設定するため、高い倍率で試料を観察する。一方で加工対象の位置を確認するため、試料の広い範囲を観察することも必要であり、低い倍率で観察する場合がある。この場合、イオンビームを試料の広い範囲に走査照射させる広範囲観察モードの光学系の条件を予め装置に記憶させ、ビーム切換えを行う。ビーム切換えのためには、光学系のレンズ電極に印加する電圧を切換えなければならない。

【0007】

しかしながら、光学系のレンズ電極に印加する電圧を切替える際に、急に高い電圧をレンズ電極に印加すると放電が発生してしまう問題があった。そのため、高い電圧を印加するビーム切替えは放電が発生しないようにゆっくりと電圧を上げなければならないため、ビーム切替えに時間がかかるという課題があった。

【0008】

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、イオンビームの光学系に放電を発生させることなく、ビーム切換にかかる時間を短縮することができるイオンビーム装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係るイオンビーム装置は、イオンビームを放出するイオン源と、イオンビームを集束させるコンデンサレンズを形成するコンデンサレンズ電極と、コンデンサレンズ電極に電圧を印加するコンデンサレンズ電源と、試料を観察するためのイオンビームを照射する観察モードに対応するコンデンサレンズ電極に印加する第一の電圧値と、観察モードよりも電流量が大きいイオンビームを照射する加工モードに対応するコンデンサレンズ電極に印加する第二の電圧値と、観察モードよりも試料上の広い範囲にイオンビームを照射する広範囲観察モードに対応するコンデンサレンズ電極に印加する第三の電圧値と、広範囲観察モードに対応し、第三の電圧値よりも第二の電圧値に近い値の第四の電圧値と、を記憶する記憶部と、観察モードから広範囲観察モードに切替える場合は、記憶部から第三の電圧値を読出し、コンデンサレンズ電源に設定し、加工モードから広範囲観察モードに切替える場合は、記憶部から第四の電圧値を読出し、コンデンサレンズ電源に設定する制御部と、を有する。

【0010】

また、本発明に係るイオンビーム装置における第三の電圧値は観察モードのコンデンサレンズよりもレンズ作用の弱いレンズを形成する電圧値である。また、第四の電圧値は加工モードのコンデンサレンズよりもレンズ作用の強いレンズを形成する電圧である。
これにより、ビーム切替えの際に変更する電圧値の差を小さくすることができる。よって、放電を発生させず、ビーム切換えにかかる時間を短縮することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るイオンビーム装置によれば、イオンビームの光学系に放電を発生させることなく、ビーム切換にかかる時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係るイオンビーム装置の構成図である。

【図2】本発明に係るイオンビーム装置の照射モードの説明図である。

【図3】本発明に係るイオンビーム装置の照射モードの説明図である。

【図4】本発明に係る荷電粒子ビーム装置の表示画面の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係るイオンビーム装置の実施形態について説明する。
本実施形態のイオンビーム装置は、図１に示すように、ＦＩＢ鏡筒２と、試料室３を備える。試料室３内に収容された試料７にＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射する。

【0014】

イオンビーム装置は荷電粒子検出器として二次電子検出器４を備えている。二次電子検出器４は、イオンビーム９の照射により試料７から発生した二次電子を検出することができる。

【0015】

イオンビーム装置は、像形成部１４と、表示部１７を備える。像形成部１４は、イオンビーム９を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＩＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＩＭ像を表示することができる。

【0016】

イオンビーム装置は試料７を載置する試料台６を備える。試料台６は試料７を移動させることができる。また、試料台６を傾斜させることにより試料７へのイオンビーム９の入射角度を変更することができる。

【0017】

ＦＩＢ鏡筒２は、イオンビーム光学系１００を備える。イオンビーム光学系１００は、イオン源１０１と、コンデンサレンズ電極１０２と、非点補正電極１０３と、走査電極１０４と、対物レンズ電極１０５とを備える。イオン源１０１は、イオンビーム９を放出する。コンデンサレンズ電極１０２は、イオン源１０１で放出されたイオンビーム９を集束させるコンデンサレンズを形成する。非点補正電極１０３は、イオンビーム９の非点を補正する。走査電極１０４は、イオンビーム９を走査する。対物レンズ電極１０５は、イオンビーム９を試料７表面に集束させる対物レンズを形成する。なお、コンデンサレンズ電極１０２と対物レンズ電極１０５はイオンビーム９を通過させる穴を有する円板部材からなる。

【0018】

また、イオンビーム装置は、入力部１１と、制御部１６を備える。オペレータはイオンビーム９の照射条件に関する情報を入力部１１に入力する。入力部１１は、入力された情報を制御部１６に送信する。制御部１６は、照射条件に関するデータを記憶している記憶部１３から対応する照射条件に関するデータを読み出す。制御部１６は、読み出したデータに基づきコンデンサレンズ電源１２及び対物レンズ電源１５にコンデンサレンズ電極１０２及び対物レンズ電極１０５に印加する電圧値を設定する。コンデンサレンズ電源１２及び対物レンズ電源１５は、設定された電圧をコンデンサレンズ電極１０２及び対物レンズ電極１０５に印加し、コンデンサレンズ及び対物レンズを形成する。これにより入力部１１で入力した情報に基づく照射条件のイオンビーム９が試料７に照射される。

【0019】

次にイオンビーム９の照射モードについて説明する。図２（ａ）は観察モードでイオンビーム９を照射する場合のイオンビーム９の軌跡９ａを示している。観察モードは、試料７を観察する際に用いる照射モードであり、試料７へのダメージを軽減するために、つまり、試料７をスパッタエッチングする量を少なくするために、ビーム電流量の小さいイオンビーム９を照射する照射条件である。また、観察モードは、高分解能で観察することができるように試料７表面上でビーム径が小さくなるようにイオンビーム９を集束させる。

【0020】

観察モードでは、イオンビーム９を強く曲げるコンデンサレンズ電界１１２ａを形成する。コンデンサレンズ電界１１２ａで強く曲げられたイオンビーム９の軌跡９ａは、対物レンズ電界１１５ａにより試料７表面上に集束される。

【0021】

観察モードでは、イオンビーム９を強く曲げるためにコンデンサレンズ電極１０２に大きい電圧を印加する。ここでは、コンデンサレンズ電極１０２のイオン源１０１側の第一電極１０２ａに２３ｋＶ、第二電極１０２ｂに２７ｋＶ、第三電極１０２ｃに０ｋＶを設定する。これにより、イオンビーム９の軌跡９ａはコンデンサレンズ電界１１２ａにより強く曲げられＦＩＢ鏡筒２内部でクロスオーバーする軌跡になる。

【0022】

図２（ｂ）は加工モードでイオンビーム９を照射する場合のイオンビーム９の軌跡９ｂを示している。加工モードは、試料７をエッチング加工する際に用いる照射モードであり、試料７を高速でエッチング加工するために、ビーム電流量の大きいイオンビーム９を照射する照射条件である。

【0023】

加工モードでは、イオンビーム９を大量に集めるコンデンサレンズ電界１１２ｂを形成する。イオンビーム９の軌跡９ｂは、対物レンズ電界１１５ｂに達するまでほぼ平行である。これにより、ビーム電流量の大きいイオンビーム９を試料７に照射することができる。

【0024】

加工モードでは、観察モードよりも小さい電圧をコンデンサレンズ電極１０２に設定する。ここでは、コンデンサレンズ電極１０２の第一電極１０２ａと第三電極１０２ｃは観察モードと同じ電圧であり、第二電極１０２ｂを０ｋＶに設定する。これにより、イオンビーム９の軌跡９ｂはコンデンサレンズ電界１１２ｂによりＦＩＢ鏡筒２内部で平行な軌跡になり、大量のイオンビーム９を集めることができる。

【0025】

以上の通り、試料７を観察する場合には観察モードの照射条件を、加工する場合は加工モードの照射条件を、イオンビーム光学系１００に設定することにより、所望のイオンビーム９を試料７に照射することができる。

【0026】

次に広い範囲を観察するための広範囲観察モードについて説明する。図３（ａ）は広範囲観察モードでイオンビーム９を照射する場合のイオンビーム９の軌跡９ｃを示している。広範囲観察モードでは、対物レンズを形成することなく試料７表面にイオンビーム９を集束させるコンデンサレンズ電界１１２ｃを形成する。これにより対物レンズを用いることなく走査電極１０４によりイオンビーム９を走査することができるので、広い範囲にイオンビーム９を走査照射することができる。ここで、広い範囲とは、上記の観察モードの走査範囲８ａや加工モードの走査範囲８ｂが１ｍｍ程度であることに対し、走査範囲８ｃ、走査範囲８ｄが５ｍｍ程度の広い範囲のことをいう。

【0027】

広範囲観察モードでは、イオンビーム９を試料７表面にコンデンサレンズだけで集束させるために、コンデンサレンズ電極１０２の第二電極１０２ｂに２０ｋＶの電圧を印加する。なお、コンデンサレンズ電極１０２の第一電極１０２ａと第三電極１０２ｃは観察モードと同じ電圧である。すなわち、第一電極１０２ａと第二電極１０２ｂの電位差が３ｋＶ、第二電極１０２ｂと第三電極１０２ｃの電位差が２０ｋＶとなるように電圧を印加する。これにより、第二電極１０２ｂと第三電極１０２ｃの強いレンズ電界が形成され、イオンビーム９を試料７表面に集束させる。ここで、対物レンズ電極１０５の電圧は０ｋＶに設定している。

【0028】

また、本実施形態では別の広範囲観察モードを有する。図３（ｂ）は別の広範囲観察モードでイオンビーム９を照射する場合のイオンビーム９の軌跡９ｄを示している。この広範囲観察モードでは、コンデンサレンズ電極１０２の第二電極１０２ｂに−５ｋＶの電圧を印加する。なお、コンデンサレンズ電極１０２の第一電極１０２ａと第三電極１０２ｃは加工モードと同じ電圧である。すなわち、第一電極１０２ａと第二電極１０２ｂの電位差が２８ｋＶ、第二電極１０２ｂと第三電極１０２ｃの電位差が−５ｋＶとなるように電圧を印加する。これにより、第一電極１０２ａと第二電極１０２ｂの強いレンズ電界が形成され、イオンビーム９を試料７表面に集束させる。ここで、対物レンズ電極１０５の電圧は０ｋＶに設定している。

【0029】

上記の通り、本実施形態では広範囲観察モードとして、コンデンサレンズ電極１０２に２０ｋＶの電圧を印加させるモードとコンデンサレンズ電極１０２に−５ｋＶの電圧を印加させるモードの二つのモードを有する。そして、広範囲観察モードを使用する前の照射モードが、観察モードか加工モードかによって、最適な広範囲観察モードを使用する。

【0030】

すなわち、加工モードから広範囲観察モードに切替える場合、加工モードでは、コンデンサレンズ電極１０２に０ｋＶの電圧を設定しているので、２０ｋＶの電圧を印加させる広範囲観察モードに切替えると、大きな電圧を加えることになるので、放電が発生するおそれがある。そこで、−５ｋＶの電圧を印加させる広範囲観察モードに切替える。これにより、加工モードから広範囲観察モードへの切換えにかかる時間を短縮することができる。つまり、印加電圧を０ｋＶから−５ｋＶに切替えるので、０ｋＶから２０ｋＶに切替える場合に比べて１／４の時間で切替えることができる。

【0031】

また、観察モードから広範囲観察モードに切替える場合、観察モードでは、コンデンサレンズ電極１０２に２３ｋＶの電圧を設定しているので、２０ｋＶの電圧を印加させる広範囲観察モードに切替える。これにより広範囲観察モードから再び観察モードに切替える場合に、電圧を大きく印加することなく切替えることができるので、放電を発生させることなく切替え時間を短縮することができる。

【0032】

次に照射モードの切り替えについて、図４を用いて説明する。図４は表示部１７に表示された表示画面４０である。表示画面４０には、観察モードに切替えるための観察モードボタン４３と、小電流のイオンビーム９を照射する加工モードに切替えるための加工モードボタン（小電流）４４と、中電流のイオンビーム９を照射する加工モードに切替えるための加工モードボタン（中電流）４５と、大電流のイオンビーム９を照射する加工モードに切替えるための加工モードボタン（大電流）４６とを有する。

【0033】

オペレータは表示画面に表示されたＳＩＭ像４１を見ながらイオンビーム９の照射モードを上記のボタンをマウスやキーボードなどの入力部１１を用いて切替える。このように照射モード切替えの信号を制御部１６に入力する。

【0034】

制御部１６は、記憶部１３に予め記憶された各照射モードのコンデンサレンズ電極１０２と対物レンズ電極１０５の設定電圧値を読み出す。ここで、読み出す設定電圧値は、直前に使用している照射モードに基づく最適な照射モードの設定電圧値である。すなわち、直前に使用している照射モードが加工モードであり、広範囲観察モードに切替える場合、加工モードと電圧差の小さい−５ｋＶの電圧を印加させる広範囲観察モードの設定電圧値を読み出す。また、直前に使用している照射モードが観察モードであり、広範囲観察モードに切替える場合、観察モードと電圧差の小さい２０ｋＶの電圧を印加させる広範囲観察モードの設定電圧値を読み出す。

【0035】

そして制御部１６は、読み出した設定電圧値をコンデンサレンズ電源１２及び端物レンズ電源１５に設定し、コンデンサレンズ電源１２及び端物レンズ電源１５は、コンデンサレンズ電極１０２及び対物レンズ電極１０５に電圧を印加する。ここで、設定電圧値が０ｋＶの場合は電圧を印加しない。

【0036】

以上により、広範囲観察モードを用いる場合でも放電を発生させることなくスムーズに照射モードの切換えを行うことができる。

【符号の説明】

【0037】

１００…イオンビーム光学系
１０１…イオン源
１０２…コンデンサレンズ電極
１０２ａ…第一電極
１０２ｂ…第二電極
１０２ｃ…第三電極
１０３…非点補正電極
１０４…走査電極
１０５…対物レンズ電極
１０５ａ…第一電極
１０５ｂ…第二電極
１０５ｃ…第三電極
２…ＦＩＢ鏡筒
３…試料室
４…二次電子検出器
６…試料台
７…試料
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ…走査範囲
９…イオンビーム
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ…軌跡
１１…入力部
１２…コンデンサレンズ電源
１３…記憶部
１４…像形成部
１５…対物レンズ電源
１６…制御部
１７…表示部
１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ…コンデンサレンズ電界
１１５ａ、１１５ｂ…対物レンズ電界
４０…表示画面
４１…ＳＩＭ像
４２…広範囲観察モードボタン
４３…観察モードボタン
４４…加工モードボタン（小電流）
４５…加工モードボタン（中電流）
４６…加工モードボタン（大電流）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】