特許 6441702 イオン源、イオンビーム装置および試料の加工方法

(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】6441702

(24)【登録日】2018年11月30日

(45)【発行日】2018年12月19日

(54)【発明の名称】イオン源、イオンビーム装置および試料の加工方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/02 20060101AFI20181210BHJP

   H01J 27/16 20060101ALI20181210BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20181210BHJP

   H01J 37/317 20060101ALI20181210BHJP

   H01J 37/30 20060101ALI20181210BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/02

   H01J27/16

   H01J37/08

   H01J37/317 D

   H01J37/30 A

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-19346(P2015-19346)

(22)【出願日】2015年2月3日

(65)【公開番号】特開2016-143583(P2016-143583A)

(43)【公開日】2016年8月8日

【審査請求日】2017年12月20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】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】杉山 安彦

(72)【発明者】

【氏名】大庭 弘

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開2006-114241（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2009-170118（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開2012-138283（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第2006/123739（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第2010/029929（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／００

Ｈ０１Ｊ ３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記原料ガス導入部が接続され、前記原料ガスからクラスターを生成するクラスター生成機構を備えるクラスター生成室と、
前記原料ガス導入部および前記クラスター生成室が接続され、プラズマを生成するプラズマ生成機構を備えるプラズマ生成室と、
を有することを特徴とするイオン源。

【請求項2】

請求項１に記載のイオン源と、
前記プラズマ生成室から引き出されたイオンビームが照射される試料が配置される試料室と、
を有することを特徴とするイオンビーム装置。

【請求項3】

請求項２に記載のイオンビーム装置を用いた試料の加工方法であって、
前記原料ガスから前記プラズマ生成機構によりプラズマ化してモノマーイオンを生成するステップと、
前記モノマーイオンを前記試料に照射するステップと、
前記原料ガスから前記クラスター生成機構により前記クラスターを生成するステップと、
前記クラスターを前記プラズマ生成機構によりプラズマ化してクラスターイオンを生成するステップと、
前記クラスターイオンを前記試料に照射するステップと、
を有することを特徴とする試料の加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン源、イオンビーム装置および試料の加工方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、試料を微細加工する装置として、イオン源を備えたイオンビーム装置が知られている。イオンビーム装置は、イオン源から放出されたイオンビームを試料に照射して試料表面をスパッタリングすることで試料を削ることができ、試料の断面を作製することができる。

【0003】

近年、試料加工のスループット向上を図るため、イオンビームのビーム電流の大電流化が要求されている。この要求に伴い、イオン源として従来の液体金属イオン源と比較して１μＡ以上の大きなビーム電流が得られるプラズマイオン源が搭載されたイオンビーム装置がある（例えば、特許文献１参照）。このようなイオンビーム装置では、単体の気体原子または分子がイオン化されたモノマーイオンビームが照射される。しかしながら、モノマーイオンビームを照射することにより作製された試料の断面には、試料の形状や構造の局所的な変化によるエッチングレートの差により、凹凸形状が発生することが知られている（カーテン効果）。また、モノマーイオンビームが照射された試料の断面は、高エネルギーを有するアルゴン原子が試料内部に侵入することにより、ダメージを受けた状態となる場合がある。

【0004】

また、近年では、複数個の塊となった気体原子または分子がイオン化されたクラスターイオンを放出するクラスターイオン源を備えたイオンビーム装置が開発されている。例えば、特許文献２には、クラスター発生機構、クラスター発生機構で発生させたクラスターのイオン化機構、イオン化機構でイオン化させたクラスターイオンの加速機構を備えたガスクラスターイオンビーム照射装置が開示されている。特許文献２に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置によれば、モノマーイオンビームでは実現し得ない低損傷での平坦化加工が可能とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−２０４６７２号公報

【特許文献2】特開２００６−１５６０６５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、モノマーイオンビームの照射により形成された試料の断面の凹凸形状は、試料に対するモノマーイオンビームの入射方向を変化させながら試料を加工することで、試料の断面の凹凸形状を軽減させることができる。しかしながら、モノマーイオンビームの入射方向を変化させて加工する場合には、試料の傾斜を適宜変更しながら照射しなければならず、作業量が増大するという課題がある。また、モノマーイオンビームの入射方向を変化させても、試料内部へのアルゴン原子の侵入を抑制することは困難である。

【0007】

また、ガスクラスターイオンは、試料表面を低損傷で平坦化することが可能である一方で、モノマーイオンと比較して大きな質量分布を持つため、小さなビーム径に集束させることが困難であり、モノマーイオン程の大きなビーム電流密度は達成できない。このため、クラスターイオンビームを用いるイオンビーム装置は、試料の断面を作製するにあたって、モノマーイオンビームを用いる場合と比較して効率が低いという課題がある。

【0008】

そこで、モノマーイオンおよびクラスターイオンを併用して、試料の加工の効率を向上させることも考えられる。しかしながら、従来のクラスターイオン源からはモノマーイオンも放出されるが、クラスターイオン源から放出されるモノマーイオンビームは、プラズマイオン源から放出されるモノマーイオンビームと比較してビーム電流が小さい。このため、従来のクラスターイオン源をモノマーイオンのイオン源として併用し、試料の断面の作製における効率を向上させることは困難である。したがって、従来のイオン源およびイオンビーム装置にあっては、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用して、試料の加工を効率よく行うという点で改善の余地がある。

【0009】

そこで本発明は、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用できるイオン源、イオンビーム装置および試料の加工方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のイオン源は、原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記原料ガス導入部が接続され、前記原料ガスからクラスターを生成するクラスター生成機構を備えるクラスター生成室と、前記原料ガス導入部および前記クラスター生成室が接続され、プラズマを生成するプラズマ生成機構を備えるプラズマ生成室と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、イオン源は、プラズマ生成室において、原料ガスをプラズマ化してモノマーイオンを生成できるとともに、クラスター生成室において生成されたクラスターをプラズマ化してクラスターイオンを生成できる。このため、イオン源は、クラスターイオンビームを放出できるとともに、従来のプラズマイオン源と同様に１μＡ以上のモノマーイオンビームも放出できる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用できるイオン源とすることができる。

【0011】

本発明のイオンビーム装置は、上記のイオン源と、前記プラズマ生成室から引き出されたイオンビームが照射される試料が配置される試料室と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、イオンビーム装置は、モノマーイオンおよびクラスターイオンを生成できるイオン源を有するため、試料室に配置された試料にモノマーイオンビームおよびクラスターイオンビームを照射できる。これにより、イオンビーム装置は、高レートでエッチング可能なモノマーイオンにより試料室内の試料を加工した後、モノマーイオンにより加工された部分を連続してクラスターイオンにより仕上げ加工することができる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用でき、試料の加工を効率よく行うことができる。

【0012】

本発明の試料の加工方法は、上記のイオンビーム装置を用いた試料の加工方法であって、前記原料ガスから前記プラズマ生成機構によりプラズマ化してモノマーイオンを生成するステップと、前記モノマーイオンを前記試料に照射するステップと、前記原料ガスから前記クラスター生成機構により前記クラスターを生成するステップと、前記クラスターを前記プラズマ生成機構によりプラズマ化してクラスターイオンを生成するステップと、前記クラスターイオンを前記試料に照射するステップと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、モノマーイオンを試料に照射するステップと、クラスターイオンを試料に照射するステップと、を有するため、モノマーイオンビームによる試料の加工と、クラスターイオンビームによる試料の仕上げ加工と、を連続して行うことができる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用でき、試料の加工を効率よく行うことができる試料の加工方法を提供できる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、イオン源は、プラズマ生成室において、原料ガスをプラズマ化してモノマーイオンを生成できるとともに、クラスター生成室において生成されたクラスターをプラズマ化してクラスターイオンを生成できる。このため、イオン源は、クラスターイオンビームを放出できるとともに、従来のプラズマイオン源と同様に１μＡ以上のモノマーイオンビームも放出できる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用できるイオン源とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】集束イオンビーム装置の構成図である。

【図2】試料の加工方法を示すフローチャートである。

【図3】変形例の集束イオンビーム装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、イオンビーム装置として、集束イオンビーム装置１を例に挙げて説明する。

【0016】

（集束イオンビーム装置の構成）
最初に、集束イオンビーム装置１の構成について説明する。
図１は、集束イオンビーム装置の構成図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜変更している。
図１に示すように、集束イオンビーム装置１は、試料が配置される試料室１０と、イオンビームを放出するイオン源２０と、イオンビーム光学系５０と、制御部７０と、を備える。

【0017】

（試料室）
試料室１０は、イオン源２０から照射されるイオンビームの照射位置に試料を移動させる試料ステージ１１を収容する。
試料ステージ１１は、５軸に変位することができる。すなわち、試料ステージ１１は、同一面内で互いに直交するＸ軸およびＹ軸、並びにこれらＸ軸およびＹ軸に直交するＺ軸に沿って試料ステージ１１を移動させるＸＹＺ軸機構と、Ｘ軸またはＹ軸回りで試料ステージ１１を回転させて傾斜させるチルト軸機構と、Ｚ軸回りで試料ステージ１１を回転させる回転機構と、を含む変位機構により支持されている。

【0018】

試料室１０には、試料室１０内を真空状態にするための第１排気ユニット１３が接続されている。第１排気ユニット１３は、ロータリーポンプ１３ａと、ターボ分子ポンプ１３ｂと、を有している。ターボ分子ポンプ１３ｂは、ロータリーポンプ１３ａと試料室１０との間に配置されている。試料室１０は、第１排気ユニット１３により、真空度を調整することができる。

【0019】

（イオン源）
イオン源２０は、試料室１０に取り付けられている。イオン源２０は、鏡筒２１の内部に形成されたクラスター生成室３０およびプラズマ生成室４０と、原料ガス導入部６０と、引出電極２６と、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７と、を備えている。鏡筒２１は、一端部が開口した有底筒状に形成されている。鏡筒２１は、一端部の開口において試料室１０と連通している。

【0020】

原料ガス導入部６０は、不図示のアルゴンガス供給源から、クラスター生成室３０およびプラズマ生成室４０にアルゴンガス（請求項の「原料ガス」に相当。）を導入する。原料ガス導入部６０は、切替弁６１と、切替弁６１に接続される第１導入管６２および第２導入管６３と、を有している。原料ガス導入部６０は、アルゴンガス供給源から供給されたアルゴンガスを、切替弁６１において第１導入管６２および第２導入管６３の２つの流路に切り替えて通流させることが可能となっている。

【0021】

クラスター生成室３０は、鏡筒２１の底部と、鏡筒２１の内部に配置されたスキマー２３と、に挟まれるように形成されている。スキマー２３は、クラスター生成室３０内の中央部に向かって突き出た円錐状に形成されている。スキマー２３の頂部には、クラスター生成室３０の内外を連通する孔部が形成されている。

【0022】

クラスター生成室３０には、ノズル３１が配置されている。ノズル３１は、鏡筒２１の底部からスキマー２３側に向かって突出するように設けられている。ノズル３１の先端は、クラスター生成室３０内の中央部に位置し、円錐状に広がるように形成されている。ノズル３１の基端には、原料ガス導入部６０の第１導入管６２が接続されている。これにより、クラスター生成室３０は、アルゴンガスを導入可能とされている。ノズル３１は、原料ガス導入部６０とともに、後述するクラスターを生成するクラスター生成機構として機能する。

【0023】

また、クラスター生成室３０には、クラスター生成室３０内を真空状態にするための第２排気ユニット３３が接続されている。第２排気ユニット３３は、ロータリーポンプ３３ａと、ターボ分子ポンプ３３ｂと、を有している。ターボ分子ポンプ３３ｂは、ロータリーポンプ３３ａとクラスター生成室３０との間に配置されている。クラスター生成室３０は、第２排気ユニット３３により、真空度を調整することができる。

【0024】

プラズマ生成室４０は、クラスター生成室３０よりも試料室１０側において、クラスター生成室３０に隣接して形成されている。プラズマ生成室４０は、スキマー２３と、スキマー２３よりも試料室１０側に配置されたプラズマ電極２５と、に挟まれるように形成されている。プラズマ電極２５は、プラズマに加速電位を与える。プラズマ生成室４０は、スキマー２３の孔部を通じてクラスター生成室３０と連通している。プラズマ生成室４０には、原料ガス導入部６０の第２導入管６３が接続されている。これにより、プラズマ生成室４０は、アルゴンガスを導入可能とされている。

【0025】

プラズマ生成室４０の外周（鏡筒２１の外周）には、ＲＦコイル４３が巻回されている。ＲＦコイル４３は、制御部７０が備えるＲＦ電源７１に接続されている。ＲＦコイル４３は、制御部７０のＲＦ電源７１とともに、誘導結合プラズマを生成するプラズマ生成機構として機能する。

【0026】

引出電極２６は、プラズマ電極２５よりも試料室１０側に配置されている。引出電極２６は、プラズマ電極２５近傍にイオンビームを引き出すための電界を形成する。プラズマ電極２５と引出電極２６への印加電圧は、制御部７０が備える加速−引出電圧制御部７２により制御される。

【0027】

ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７は、引出電極２６よりも試料室１０側に配置されている。ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７は、入射したイオンを電場および電場に垂直な磁場により偏向させることで、設定された質量またはエネルギーを有するイオンのみを通過させる質量フィルタである。ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７は、制御部７０が備えるフィルタ制御部７３に接続され、通過させるイオンの質量またはエネルギーを適宜設定可能となっている。

【0028】

（イオンビーム光学系）
イオンビーム光学系５０は、プラズマ生成室４０よりも試料室１０側に配置されている。イオンビーム光学系５０は、イオン源２０において生成されたイオンビーム（詳細は後述）を試料に照射する。イオンビーム光学系５０は、イオンビームを集束させるコンデンサレンズ電極５１と、イオンビームを試料ステージ１１上の試料にフォーカスさせる対物レンズ電極５２と、を備える。コンデンサレンズ電極５１は、引出電極２６とウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７との間に配置されている。対物レンズ電極５２は、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７よりも試料室１０側に配置されている。

【0029】

（制御部）
制御部７０は、上述したＲＦ電源７１、加速−引出電圧制御部７２およびフィルタ制御部７３を備えるとともに、切替弁６１や第１排気ユニット１３、第２排気ユニット３３、試料ステージ１１等を制御可能となっている。

【0030】

（集束イオンビーム装置のイオンビーム照射原理）
次に、集束イオンビーム装置１のイオンビーム照射原理について説明する。
本実施形態の集束イオンビーム装置１は、モノマーイオンビームと、クラスターイオンビームと、を照射可能となっている。

【0031】

最初に、モノマーイオンビームの照射原理について説明する。
モノマーイオンビームを照射する際には、アルゴンガスを原料ガス導入部６０の第２導入管６３を通してプラズマ生成室４０に導入する。次いで、制御部７０が備えるＲＦ電源７１からＲＦコイル４３に高周波の電力を供給してプラズマ生成室４０内に高周波磁場を発生させる。これにより、プラズマ生成室４０内のアルゴンガスはプラズマ化する。このとき、プラズマ生成室４０内には、アルゴン原子が単体の状態で存在しているため、アルゴンのモノマーイオンが生成される。

【0032】

次いで、プラズマ生成室４０内のモノマーイオンを、プラズマ電極２５の孔部を通じて、引出電極２６により引き出す。プラズマ生成室４０から引き出されたモノマーイオンは、モノマーイオンビームとして放出され、コンデンサレンズ電極５１により集束される。次いで、モノマーイオンビームは、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７を通過する。この際、モノマーイオンビームが単一のイオンにより構成されているため、制御部７０は、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７の制御を行わずにモノマーイオンビームを通過させる。次いで、モノマーイオンビームは、対物レンズ電極５２により、試料室１０内の試料ステージ１１上の試料にフォーカスされ、試料に照射される。

【0033】

次に、クラスターイオンビームの照射原理について説明する。
クラスターイオンビームを照射する際には、アルゴンガスを原料ガス導入部６０の第１導入管６２を通してクラスター生成室３０に導入する。このとき、クラスター生成室３０は、第２排気ユニット３３により、クラスターが生成する所定の圧力以下に排気されている。ノズル３１から噴出されたアルゴンガスは、断熱膨張により凝集温度以下まで冷却される。冷却されたアルゴンガスの一部は、アルゴン原子同士がファンデルワールス力により結合し、複数個のアルゴン原子が塊となったクラスターとなる。この際、クラスター生成室３０内には、様々な個数の原子により構成されたクラスターが存在している。クラスターを構成する原子の個数（以下、「クラスターサイズ」という。）は、例えば大きいもので３０００程度となっている。

【0034】

クラスターを含むクラスター生成室３０内のアルゴンガスは、スキマー２３の孔部を通してプラズマ生成室４０内に導入される。プラズマ生成室４０内のアルゴンガスは、上記モノマーイオンビーム照射時と同様に、ＲＦコイル４３によりプラズマ化させる。これにより、プラズマ生成室４０内において、アルゴンのモノマーイオンおよびクラスターイオンが生成される。

【0035】

次いで、上記モノマーイオンビーム照射時と同様に、プラズマ生成室４０内のモノマーイオンおよびクラスターイオンを、プラズマ電極２５の孔部を通じて、引出電極２６により引き出す。プラズマ生成室４０から放出されたイオンビームは、コンデンサレンズ電極５１により集束される。なお、イオンビームは、プラズマ生成室４０から放出された時点で、モノマーイオンとクラスターイオンの両方を含んでいる。次いで、イオンビームは、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７を通過する。この際、制御部７０は、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７の電場および磁場を制御して、所定のクラスターサイズ以上のクラスターイオンのみがウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７を通過するように制御する。これにより、イオンビームは、クラスターイオンのみを含むクラスターイオンビームとなる。次いで、クラスターイオンビームは、対物レンズ電極５２により、試料室１０内の試料ステージ１１上の試料にフォーカスされ、試料に照射される。

【0036】

（集束イオンビーム装置を用いた試料の加工方法）
次に、集束イオンビーム装置１を用いた試料の加工方法について説明する。本実施形態では、例えば走査型電子顕微鏡で観察する試料の断面を作製する方法について説明する。なお、以下の説明における集束イオンビーム装置１の各構成部品の符号については、図１を参照されたい。

【0037】

図２は、試料の加工方法を示すフローチャートである。
図２に示すように、本実施形態の試料の加工方法は、アルゴンガスからプラズマ生成機構（ＲＦコイル４３およびＲＦ電源７１）によりプラズマ化してモノマーイオンを生成するモノマーイオン生成ステップＳ１０と、モノマーイオンを試料に照射するモノマーイオン照射ステップＳ２０と、アルゴンガスからクラスター生成機構（ノズル３１および原料ガス導入部６０）によりクラスターを生成するクラスター生成ステップＳ３０と、クラスターをプラズマ生成機構によりプラズマ化してクラスターイオンを生成するクラスターイオン生成ステップＳ４０と、クラスターイオンを試料に照射するクラスターイオン照射ステップＳ５０と、を有する。

【0038】

まず、モノマーイオン生成ステップＳ１０を行う。
モノマーイオン生成ステップＳ１０では、まず制御部７０が、原料ガス導入部６０の切替弁６１により、第１導入管６２へのアルゴンガスの供給を遮断し、第２導入管６３を通してプラズマ生成室４０にアルゴンガスを導入させる。次いで、制御部７０は、制御部７０が備えるＲＦ電源７１からＲＦコイル４３に高周波の電力を供給させてプラズマ生成室４０内に高周波磁場を発生させ、アルゴンガスをプラズマ化させ、アルゴンのモノマーイオンを生成させる。

【0039】

次に、モノマーイオン照射ステップＳ２０を行う。
モノマーイオン照射ステップＳ２０では、試料の加工を行う。モノマーイオン照射ステップＳ２０では、制御部７０は、引出電極２６によりプラズマ生成室４０内のモノマーイオンをモノマーイオンビームとして引き出す。この際、モノマーイオンビームの加速電圧（プラズマ電極２５の電位）は、例えば５００Ｖ以上とする。また、モノマーイオンビームのビーム電流は、例えば１μＡ以上とする。引出電極２６により引き出されたイオンビームは、イオンビーム光学系５０により試料室１０内の試料ステージ１１上に固定された試料の所定箇所に照射される。このとき、試料はモノマーイオンビームの照射方向に沿ってエッチングされるため、観察したい試料の断面の面方向に沿うように、モノマーイオンビームを照射させる。これにより、試料表面の所定箇所には断面が露出する。なお、この時点で試料の断面は、カーテン効果により凹凸形状となる場合があるとともに、高エネルギーを有するアルゴン原子が試料内部に侵入することによりアモルファス化されてダメージを受けた状態となる場合がある。

【0040】

次に、クラスター生成ステップＳ３０を行う。
クラスター生成ステップＳ３０では、制御部７０が、原料ガス導入部６０の切替弁６１により、第２導入管６３へのアルゴンガスの供給を遮断し、第１導入管６２を通してクラスター生成室３０にアルゴンガスを導入させる。このとき、アルゴンガスは、ノズル３１から噴出し、その一部が断熱膨張により凝集し、クラスターサイズが１０００から３０００程度のクラスターとなる。

【0041】

次に、クラスターイオン生成ステップＳ４０を行う。
クラスターイオン生成ステップＳ４０では、まず、クラスター生成ステップＳ３０で生成されたクラスターを含むアルゴンガスを、スキマー２３の孔部を通してプラズマ生成室４０内に導入する。次いで、制御部７０は、制御部７０が備えるＲＦ電源７１からＲＦコイル４３に高周波の電力を供給させてプラズマ生成室４０内に高周波磁場を発生させ、クラスターを含むアルゴンガスをプラズマ化させる。このとき、プラズマ生成室４０内のアルゴンガスには、単体のアルゴン原子およびアルゴンのクラスターが両方存在している。このため、プラズマ生成室４０では、アルゴンのモノマーイオンおよびクラスターイオンの両方が生成される。

【0042】

次に、クラスターイオン照射ステップＳ５０を行う。
クラスターイオン照射ステップＳ５０では、試料の仕上げ加工として、モノマーイオン照射ステップＳ２０で形成された試料の断面の平坦化加工を行う。クラスターイオン照射ステップＳ５０では、まず制御部７０が、引出電極２６によりプラズマ生成室４０内のモノマーイオンおよびクラスターイオンをイオンビームとして引き出す。このとき、イオンビームの加速電圧（プラズマ電極２５の電位）は、例えば５００Ｖとする。

【0043】

引出電極２６により引き出されたイオンビームは、コンデンサレンズ電極５１に集束された後、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７を通過する。このとき、制御部７０は、ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７を制御して、クラスターサイズが例えば１００以上のクラスターイオンのみを通過させる。これにより、イオンビームに含まれていたモノマーイオンおよびクラスターサイズの小さなクラスターイオンは除去され、イオンビームは、クラスターサイズが例えば１００以上のクラスターイオンのみにより構成されるクラスターイオンビームとなる。ウィーン（Ｅ×Ｂ）フィルタ２７を通過したクラスターイオンビームは、対物レンズ電極５２により試料室１０内の試料ステージ１１上の試料にフォーカスされ、モノマーイオン照射ステップＳ２０で形成された試料の断面に照射される。これにより、モノマーイオンビームにより形成された試料の断面を平坦化できる。

【0044】

また、クラスターイオン照射ステップＳ５０では、クラスターサイズが大きなクラスターイオンのみを照射している。このため、クラスターイオンを構成する各アルゴン原子が有するエネルギーは、同じ加速電圧で加速されたモノマーイオンのアルゴン原子が有するエネルギーよりも十分に小さくなる。これにより、クラスターイオンビームは、試料の断面に衝突したアルゴン原子の試料内部への侵入を抑制できる。しかも、クラスターイオンは、試料に衝突した際に崩壊して、試料に対してアルゴン原子を多重衝突させる。これにより、クラスターイオンビームは、モノマーイオンビームと比較して高いスパッタ率が得られる。このため、クラスターイオンビームは、試料に新たなダメージを加えることを抑制しつつ、モノマーイオンビームの照射により形成された試料断面の被ダメージ領域を除去することができる。
以上により、試料の加工は終了する。

【0045】

このように、本実施形態のイオン源２０は、アルゴンガスを導入する原料ガス導入部６０と、原料ガス導入部６０が接続され、アルゴンガスからクラスターを生成するクラスター生成機構（ノズル３１および原料ガス導入部６０）を備えるクラスター生成室３０と、原料ガス導入部６０およびクラスター生成室３０が接続され、プラズマを生成するプラズマ生成機構（ＲＦコイル４３およびＲＦ電源７１）を備えるプラズマ生成室４０と、を有する。
この構成によれば、イオン源２０は、プラズマ生成室４０において、アルゴンガスをプラズマ化してモノマーイオンを生成できるとともに、クラスター生成室３０において生成されたクラスターをプラズマ化してクラスターイオンを生成できる。このため、イオン源２０は、クラスターイオンビームを放出できるとともに、従来のプラズマイオン源と同様に１μＡ以上のモノマーイオンビームも放出できる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用できるイオン源とすることができる。

【0046】

また、本実施形態の集束イオンビーム装置１は、モノマーイオンおよびクラスターイオンを生成できるイオン源２０を有するため、試料室１０に配置された試料にモノマーイオンビームおよびクラスターイオンビームを照射できる。これにより集束イオンビーム装置１は、高レートでエッチング可能なモノマーイオンにより試料室１０内の試料を加工した後、モノマーイオンにより加工された部分を連続してクラスターイオンにより仕上げ加工することができる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用でき、試料の加工を効率よく行うことができる。

【0047】

また、集束イオンビーム装置１は、モノマーイオンおよびクラスターイオンを生成できるイオン源２０を有する。このため、モノマーイオンビームのイオン源と、クラスターイオンビームのイオン源と、を別に設ける装置構成と比較して、装置サイズを小さくすることができる。したがって、集束イオンビーム装置１の配置スペースを省スペース化できるとともに、装置コストを低減させることができる。

【0048】

また、本実施形態の試料の加工方法は、アルゴンガスからプラズマ生成機構（ＲＦコイル４３およびＲＦ電源７１）によりプラズマ化してモノマーイオンを生成するモノマーイオン生成ステップＳ１０と、モノマーイオンを試料に照射するモノマーイオン照射ステップＳ２０と、アルゴンガスからクラスター生成機構（ノズル３１および原料ガス導入部６０）によりクラスターを生成するクラスター生成ステップＳ３０と、クラスターをプラズマ生成機構によりプラズマ化してクラスターイオンを生成するクラスターイオン生成ステップＳ４０と、クラスターイオンを試料に照射するクラスターイオン照射ステップＳ５０と、を有する。
この方法によれば、モノマーイオン照射ステップＳ２０と、クラスターイオン照射ステップＳ５０と、を有するため、モノマーイオンビームによる試料の加工と、クラスターイオンビームによる試料の仕上げ加工と、を連続して行うことができる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用でき、試料の加工を効率よく行うことができる試料の加工方法を提供できる。

【0049】

なお、図１に示す集束イオンビーム装置１では、プラズマ生成室４０においてＲＦコイル４３が形成する高周波磁場によりプラズマを生成していたが、これに限定されない。
図３は、変形例の集束イオンビーム装置の構成図である。図３に示すように、プラズマ生成室４０の周囲に、例えばネオジム磁石等の磁石４５を配置して、プラズマ生成室４０内に直流磁場を形成する構成としてもよい。これにより、プラズマ生成室４０内において電子がらせん運動を行い、クラスターとの衝突確率が大きくなり、イオン化効率を向上させることができる。

【0050】

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態においては、原料ガスとしてアルゴンを用いているが、これに限定されず、例えばネオン、クリプトン、キセノン等であってもよい。

【0051】

また、上記実施形態のイオン源２０は、プラズマ生成室４０においてＲＦコイル４３およびＲＦ電源７１により誘導結合プラズマを生成していたが、これに限定されず、例えばプラズマ生成室において容量結合プラズマを生成する構成であってもよい。

【0052】

また、上記実施形態のイオン源２０は、モノマーイオン生成時に、第２導入管６３を通してアルゴンガスをプラズマ生成室４０に導入していたが、これに限定されるものではない。例えば、イオン源２０は、モノマーイオン生成時に、クラスター生成室３０を介してアルゴンガスをプラズマ生成室４０に導入する構成とされてもよい。この際には、第２排気ユニット３３によりクラスター生成室３０の真空度を調整してアルゴンガスの断熱膨張を抑制することで、クラスター生成室３０内でアルゴンガスのクラスターが生成されることを抑制できる。これにより、単体の状態のアルゴン原子をプラズマ生成室４０に導入できる。

【0053】

また、上記実施形態の集束イオンビーム装置１は、イオンビーム光学系５０によりイオンビームを試料にフォーカスさせる構成とされていた。しかしながらこれに限定されず、集束イオンビーム装置は、試料上に遮蔽板を配置して、遮蔽板に遮蔽されていない領域をエッチングすることにより試料の断面を作製する構成とされてもよい。

【0054】

また、上記実施形態においては、集束イオンビーム装置１は、試料の断面の平坦化に用いられていたが、これに限定されるものではない。例えば、クラスターイオンビームは、試料をナノメートルオーダーでエッチングすることが可能である特性を利用して、集束イオンビーム装置１を３次元構造解析に用いることも可能である。具体的には、集束イオンビーム装置１に対して、イオンビームを試料に照射した際に試料から生じる二次電子を検出する二次電子検出器を設けて、イオン顕微鏡像を取得可能とする。そして、上記実施形態における試料の仕上げ加工後に、試料の断面像の取得と、クラスターイオンビームの照射による試料の断面の微小エッチングと、を繰り返して行う。これにより、従来の集束イオンビーム装置と同様の試料のスライス加工を低ダメージで行うことができ、より精密な試料の３次元構造解析が可能となる。

【0055】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

【符号の説明】

【0056】

１…集束イオンビーム装置 １０…試料室 ２０…イオン源 ３０…クラスター生成室 ３１…ノズル（クラスター生成機構） ４０…プラズマ生成室 ４３…ＲＦコイル（プラズマ生成機構） ６０…原料ガス導入部（クラスター生成機構） ７１…ＲＦ電源（プラズマ生成機構）

【図1】

【図2】

【図3】