特許 6659281 集束イオンビーム装置

(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】6659281

(24)【登録日】2020年2月10日

(45)【発行日】2020年3月4日

(54)【発明の名称】集束イオンビーム装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/317 20060101AFI20200220BHJP

   H01J 27/26 20060101ALI20200220BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20200220BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/317 D

   H01J27/26

   H01J37/08

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-176553(P2015-176553)

(22)【出願日】2015年9月8日

(65)【公開番号】特開2017-54632(P2017-54632A)

(43)【公開日】2017年3月16日

【審査請求日】2018年6月29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】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】杉山 安彦

(72)【発明者】

【氏名】大庭 弘

【審査官】 藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５１７２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１８７４３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２５１９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−００４６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５０６９５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／３１７

Ｈ０１Ｊ ２７／２６

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

(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、
前記イオン源のエミッタの先端からイオンを引き出す引出電極と、
前記引出電極との電位差によって、前記引出電極によって引き出されたイオンを集束させるコンデンサレンズを構成する第１レンズ電極と、を備え、
前記引出電極と前記第１レンズ電極との間にレンズ作用を発生させて、前記イオン源から放出させたイオンの全てを集束させることにより、第一電極を含むコンデンサレンズを通過させ、
前記エミッタに印加する加速電圧を変化させた場合も、前記エミッタと前記引出電極との電位差を所定の値に保ち、かつ前記エミッタと、前記第１レンズ電極との電位差が一定の電圧差になるように制御する、集束イオンビーム装置。

【請求項2】

前記引出電極は、第１引出電極と、第２引出電極と、を備え、
前記第１引出電極の孔の大きさは、前記第２引出電極の孔の大きさより小さい、請求項１に記載の集束イオンビーム装置。

【請求項3】

前記引出電極は、第１引出電極と、第２引出電極と、を備え、
前記第１引出電極と、前記第２引出電極との間に、さらに制御電極、を備え、
前記第１引出電極の孔の大きさは、前記制御電極の孔の大きさより小さい、請求項１に記載の集束イオンビーム装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体金属イオン源を搭載した集束イオンビーム装置に関する。

【背景技術】

【0002】

集束イオンビームを試料の所定領域を走査させながら照射することにより、試料表面の所定領域を加工する、または集束イオンビーム照射により発生する二次粒子を検出することにより試料表面を観察する集束イオンビーム装置がある。

【0003】

集束イオンビーム装置の液体金属イオン源は、先端部が針状に形成され液体金属で表面が濡れたエミッタを備えている。加熱電源を用いて、エミッタを保持する部材（フィラメントなど）に適宜通電することによって、エミッタ先端部に液体金属供給源から液体金属が供給されその表面が液体金属で常時濡れている。エミッタの先端部と、電圧が印加される引出電極とにできる強電界によってイオンが放出される。放出されたイオンには、レンズ電極と接地電極とで構成されるコンデンサレンズによって、所定のエネルギーを与え、ビーム状に形成する。さらに、集束イオンビーム装置では、光学系の諸条件を調整して、集束イオンビームのビーム径とイオン電流値を変化させて所望の値を得る。
液体金属イオン源のイオン種は、Ｇａ（ガリウム）が実用化されている。Ｇａイオンを安定に放出させるためには、放出イオン電流を１μＡから５μＡの範囲で動作させる必要がある。イオンは、エミッタの先端部から放射状に放出する。その際の放射半角は、１０°から２０°の範囲である。また、液体金属イオン源の後段のコンデンサレンズを収差の小さい状態で使用するためには、イオン源とコンデンサレンズの距離を可能な限り短くした方がよい。しかし、液体金属イオン源から放出したイオンの外周成分は、コンデンサレンズの孔を通過せず、電極面にあたってしまい、不具合を引き起こす。特許文献１にその対策が開示されている。

【0004】

特許文献１には、引出電極と、コンデンサレンズのレンズ電極との距離を６ミリメートル以下にすることで、コンデンサレンズの収差を小さくして、より小さなビーム径を実現できることが開示されている。また、特許文献１に記載の技術では、放出したイオンが引出電極とコンデンサレンズの各電極に照射され、この照射によって引出電極とコンデンサレンズの各電極から二次電子とスパッタ粒子が発生してイオン源の動作を不安定にする。特許文献１に記載の技術では、レンズ電極の電圧を５ｋＶ以下にすることで、レンズ電極に照射されるイオンのエネルギーも当然低くなる。従って、特許文献１に記載の技術では、エネルギーの低いイオンビームがレンズ電極に照射されても、スパッタリングイールドが小さくなるので、レンズ電極でのスパッタ粒子の数を減らすことができる。これにより、特許文献１には、集束イオンビーム装置の安定性を向上できることが開示されている。

【0005】

また、特許文献２には、放出したイオンがコンデンサレンズの各電極に照射されず、従ってコンデンサレンズの各電極からの二次電子とスパッタ粒子の発生をなくしてイオン源の動作を安定にする構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４２９９０７４号公報

【特許文献2】特開２００２−２５１９７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、引出電極とレンズ電極との距離を６ミリメートル以下にエミッタとレンズ電極の距離を近づけるため、スパッタ物のエミッタへの堆積は増加の方向であり、集束イオンビーム装置の性能が向上しても、イオン源の安定時間は短縮する傾向にあった。
また、特許文献２に記載の技術では、放出したイオンがコンデンサレンズの各電極に照射されないようにレンズ孔を十分に大きく（１０ｍｍ程度）する必要があり、その結果強いレンズ作用を得ることが困難となり、ビーム軌道の制御性に限界があり平行ビームをつくれないという課題があった。

【0008】

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、従来技術よりコンデンサレンズの収差を小さくしてより小さなビーム径を実現でき、かつ集束イオンビームの安定性を向上させることができる集束イオンビーム装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る集束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、前記イオン源のエミッタの先端からイオンを引き出す引出電極と、前記引出電極との電位差によって、前記引出電極によって引き出されたイオンを集束させるコンデンサレンズを構成する第１レンズ電極と、を備え、前記引出電極と前記第１レンズ電極との間にレンズ作用を発生させて、前記イオン源から放出させたイオンの全てを集束させることにより、第一電極を含むコンデンサレンズを通過させ、前記エミッタに印加する加速電圧を変化させた場合も、前記エミッタと前記引出電極との電位差を所定の値に保ち、かつ前記エミッタと、前記第１レンズ電極との電位差が一定の電圧差になるように制御する。
この構成によって、本実施形態によれば、イオン源からエミッション（放出）された全イオンを、引出電極と第１レンズ電極との間に強いレンズ作用を発生させて集束させることによって、レンズ電極（第１レンズ電極〜第３レンズ電極）に当たらないようにすることができる。

【0010】

（２）また、本発明の一態様に係る集束イオンビーム装置において、前記引出電極は、第１引出電極と、第２引出電極と、を備え、前記第１引出電極の孔の大きさは、前記第２引出電極の孔の大きさより小さいようにしてもよい。

【0011】

（３）また、本発明の一態様に係る集束イオンビーム装置において、前記引出電極は、第１引出電極と、第２引出電極と、を備え、前記第１引出電極と、前記第２引出電極との間に、さらに制御電極、を備え、前記第１引出電極の孔の大きさは、前記制御電極の孔の大きさより小さいようにしてもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、従来技術よりコンデンサレンズの収差を小さくしてより小さなビーム径を実現でき、かつイオン源から放出された全イオンを、引出電極、コンデンサレンズを構成する各電極に当たらないようにすること、すなわちレンズ孔を通過させることができる。これにより、本発明によれば、引出電極、コンデンサレンズを構成する各電極のスパッタおよび二次電子の発生をなくすことができるため、イオン源の安定動作時間を長くすることができる。この結果、本発明によれば、従来技術より集束イオンビーム装置の性能を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】従来技術のイオン源、コンデンサレンズとイオンビームの軌道、本発明のイオン源、コンデンサレンズとイオンビームの軌道を示す図である。

【図2】実施形態に係る集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。

【図3】第１実施形態に係るコンデンサレンズの構成例、エミッタを基準とした各電極の電位の例を示す図である。

【図4】第１実施形態に係る各電極に印加される電圧を示す図である。

【図5】本実施形態と従来技術における集束イオンビームの性能を示すビーム電流とビーム径の関係を説明する図である。

【図6】第２実施形態に係る引出電極の構成例、エミッタを基準とした各電極の電位の例を示す図である。

【図7】実施形態に係る比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔを一定に保ったまま第１引出電極と第２引出電極の電位を変化させた場合のイオンビーム軌道の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の概要を説明する。
図１は、従来技術のイオン源、コンデンサレンズとイオンビームの軌道、本発明のイオン源、コンデンサレンズとイオンビームの軌道を示す図である。なお、コンデンサレンズとは、イオン源から放出されたイオンを集束、加速、減速等の制御を行うレンズである。

【0020】

図１における画像ｇ９００は、従来技術のイオン源、コンデンサレンズとイオンビームの軌道を示す図である。画像ｇ９００は、集束イオンビーム装置のうちイオン光学系の一部を図示した物である。従来技術のイオン源は、イオン源９１１、引出電極９１２を有している。また、従来技術のコンデンサレンズは、固定絞り９１３、第１のレンズ電極９１４、第２のレンズ電極９１５を有している。
引出電極９１２は、イオン源９１１からイオンを引き出す。固定絞り９１３は、イオンビームの開口を制限する。第１のレンズ電極９１４と第２のレンズ電極９１５は、イオンビームを加速、集束させる。画像ｇ９００の符号ｇ９２１で囲んだ領域に示すように、固定絞り９１３にイオンが照射されると、スパッタ粒子と二次電子が発生する。そして、発生した二次電子は、イオン源９１１のエミッタに吸い寄せられ、またスパッタ粒子の一部はエミッタ表面に堆積する。この現象によって、イオン源の安定動作が損なわれる。

【0021】

このため、本発明では、画像ｇ１００に示すように、引出電極１４１、第１レンズ電極１４２、第２レンズ電極１４３、第３レンズ電極１４４を用いて、イオン源１４ａから放出されたイオンの軌道を集束させて、放出されたイオン全てを、コンデンサレンズを構成する各電極の孔を通過させる。
これにより、本発明では、イオン光学系のコンデンサレンズの短焦点化により、収差を低減し集束イオンビーム（ＦＩＢ）の性能を向上させるとともに、レンズ電極のスパッタおよび二次電子の発生を無くすことができるため、イオン源の安定動作時間を長くすることができる。
また、本発明によれば、従来技術の構成にあった固定絞り９１３が不要となる。

【0022】

＜集束イオンビーム装置の構成＞
次に、集束イオンビーム装置１の構成について説明する。
図２は、実施形態に係る集束イオンビーム装置１の構成例を示す図である。図２において、集束イオンビーム装置１の左右方向をｘ軸方向、奥行き方向をｙ軸方向、高さ方向をｚ軸方向とする。

【0023】

図２に示すように、集束イオンビーム装置１は、内部を真空状態に維持可能な試料室１１、試料室１１の内部において試料Ｓを固定可能なステージ１２、ステージ１２を駆動する駆動機構１３、を備えている。また、集束イオンビーム装置１は、集束イオンビーム鏡筒１４、検出器１５、表示装置１６、ガス供給部１７、制御部１８を含んで構成される。

【0024】

駆動機構１３は、ステージ１２に接続された状態で試料室１１の内部に収容されており、制御部１８から出力される制御信号に応じてステージ１２を所定軸に対して変位させる。駆動機構１３は、水平面に平行かつ互いに直交するｘ軸およびｙ軸と、ｘ軸およびｙ軸に直交するｚ軸とに沿って平行にステージ１２を移動させる移動機構１３ａを備えている。
また、駆動機構１３は、ステージ１２をｘ軸またはｙ軸周りに回転させるチルト機構１３ｂ、およびステージ１２をｚ軸周りに回転させる回転機構１３ｃを備えている。

【0025】

集束イオンビーム鏡筒１４は、ステージ１２に固定された試料Ｓに集束イオンビームを照射する。集束イオンビーム鏡筒１４は、試料室１１の内部においてビーム出射部１４Ａをステージ１２の鉛直方向上方の位置でステージ１２に臨ませ、かつ光軸を鉛直方向に平行にして、試料室１１に固定されている。これによって、ステージ１２に固定された試料Ｓに鉛直方向に向かい集束イオンビームを照射可能である。
また、集束イオンビーム鏡筒１４は、イオン源１４ａ、イオン光学系１４ｂを備える。イオン光学系１４ｂは、コンデンサレンズ１４ｃ、ビームブランキング電極１４ｄ、絞り１４ｅ、アライメント１４ｆ、対物レンズ１４ｇ、および走査電極１４ｈを備えている。

【0026】

イオン源１４ａは、例えば、液体ガリウムなどを用いた液体金属イオン源である。イオン源１４ａおよびイオン光学系１４ｂは、集束イオンビームの照射位置および照射条件などが制御部１８によって制御される。

【0027】

コンデンサレンズ１４ｃは、イオン源から放射状に放出したイオンを集束してビーム状にするもので、後述するように、第１レンズ電極１４２、第２レンズ電極１４３、第３レンズ電極１４４等を備えている。印加電圧を制御することによってレンズ作用の大きさを調節することが可能である。

【0028】

ビームブランキング電極１４ｄは、コンデンサレンズ１４ｃによって集束されたイオンビームの試料Ｓ上へ照射の制御を、制御部１８の制御に応じて行う。ビームブランキング電極１４ｄは、偏向器として作用する。イオンビームを試料Ｓ上へ照射する場合は、ビームブランキング電極１４ｄを動作させない。イオンビームの試料Ｓ上への照射を停止する場合は、ビームブランキング電極１４ｄを動作させてイオンビームを光軸から偏向させる。これにより、イオンビームは絞り１４ｅの穴を通過せず、穴周辺に照射されて試料Ｓ上へは到達しない。
絞り１４ｅは、イオンビームの電流を、制御部１８の制御に応じて制限するもので、径の異なる複数の絞りで構成し所望のビーム電流に応じて絞り径を選択できる構成にしてもよい。

【0029】

アライメント１４ｆは、絞り１４ｅを通過したイオンビームの軌道補正を、制御部１８の制御に応じて行い、イオンビームが対物レンズ１４ｇの中心部を通過するように調整する。
対物レンズ１４ｇは、アライメント１４ｆを通過した集束イオンビームを試料Ｓ上の所定の位置に制御部１８の制御に応じて合焦させる。
走査電極１４ｈは、対物レンズ１４ｇを通過したイオンビームを制御部１８の制御に応じて試料Ｓ上で走査させる。走査電極１４ｈは対物レンズ１４ｇの上部に配置してもよい。
なお、図示しないがイオンビームの断面形状を円形に調整するための非点補正器をコンデンサレンズ１４ｃと対物レンズ１４ｇの間に備えてもよい。

【0030】

検出器１５は、試料Ｓに集束イオンビームが照射されたときに試料Ｓから放射される二次荷電粒子（例えば、二次電子および二次イオンなど）Ｒの強度（二次荷電粒子の量）を検出し、検出した二次荷電粒子Ｒの強度の情報を出力する。検出器１５は、試料室１１の内部において二次荷電粒子Ｒの強度を検出可能な位置、例えば試料Ｓの斜め上方の位置などに配置され、試料室１１に固定されている。

【0031】

表示装置１６は、検出器１５によって検出された二次荷電粒子Ｒに基づく画像データなどを表示する。

【0032】

ガス供給部１７は、試料室１１の内部においてガス噴射部１７ａをステージ１２に臨ませて、試料室１１に固定されている。ガス供給部１７は、集束イオンビームによる試料Ｓのエッチングを試料Ｓの材質に応じて選択的に促進するためのエッチング用ガスＧと、試料Ｓの表面に金属または絶縁体などの堆積物によるデポジション膜を形成するためのデポジション用ガスＧと、などを試料Ｓに供給可能である。例えば、Ｓｉ系の試料Ｓに対するフッ化キセノンと、有機系の試料Ｓに対する水と、などのエッチング用ガスＧを、集束イオンビームの照射と共に試料Ｓに供給することによって、エッチングを選択的に促進させる。また、例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボン、またはタングステンなどを含有した化合物ガスのデポジション用ガスＧを、集束イオンビームの照射と共に試料Ｓに供給することによって、デポジション用ガスＧから分解された固体成分を試料Ｓの表面に堆積させる。

【0033】

制御部１８は、試料室１１の外部に配置され、操作者の入力操作に応じた信号を出力する入力部１８ａを備えている。
制御部１８は、入力部１８ａから出力される信号、または、予め設定された自動運転制御処理によって生成された信号などによって、集束イオンビーム装置１の動作を統合的に制御する。
また、制御部１８は、イオン源１４ａのエミッタ（以下、エミッタ１４ａともいう）に印加される電位が変更された場合であっても、エミッタ１４ａと引出電極１４１の電位差および／またはエミッタ１４ａと第１レンズ電極１４２との電位差が一定になるように制御する。
図２に示す例では鉛直方向に向かい集束イオンビームを照射する装置を示したが、これに限らず、傾斜方向や水平方向から照射するように構成してもよい。

【0034】

［第１実施形態］
図３は、本実施形態に係るコンデンサレンズ１４ｃの構成例、エミッタ１４ａを基準とした各電極の電位の例を示す図である。なお、座標系は、図２と同じである。
図３に示すように、本実施形態のコンデンサレンズ１４ｃは、第１レンズ電極１４２、第２レンズ電極１４３、第３レンズ電極１４４を備えている。また、引出電極１４１は、第１引出電極１４１１、第２引出電極１４１２を備えている。

【0035】

まず、各電極のｘ軸およびｙ軸方向の孔径について説明する。孔は円形であり、ｘ軸およびｙ軸方向の孔径は等しい。
第１引出電極１４１１の孔径φ_１は、例えば、約１［ｍｍ］〜３［ｍｍ］である。第２引出電極１４１２の孔径φ_２は、例えば、約２［ｍｍ］〜４［ｍｍ］である。第１レンズ電極１４２の孔径φ_３は、例えば、約３［ｍｍ］〜５［ｍｍ］である。第２レンズ電極１４３の孔径φ_４は、例えば、約３［ｍｍ］〜５［ｍｍ］である。第３レンズ電極１４４の孔径φ_５は、例えば、約８［ｍｍ］〜１０［ｍｍ］である。なお、第１引出電極１４１１の孔径φ_１は、第２引出電極１４１２の孔径φ_２より小さい。第２引出電極１４１２の孔径φ_２は、第１レンズ電極１４２の孔径φ_３より小さい。第１レンズ電極１４２の孔径φ_３は、第２レンズ電極１４３の孔径φ_４と同じである。第２レンズ電極１４３の孔径φ_４は、第３レンズ電極１４４の孔径φ_５より小さい。

【0036】

次に、エミッタ１４ａを基準とした各電極の電位について説明する。
図３は、エミッタ１４ａへの印加電圧（加速電圧）を３００００［Ｖ］とした場合の、正イオンに対する電位を示す。第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２は同電位であり、電位は例えば６５００［Ｖ］である。第１レンズ電極１４２の電位は、例えば５００００［Ｖ］である。第２レンズ電極１４３の電位は、例えば２００００［Ｖ］である。第３レンズ電極１４４の電位は、３００００［Ｖ］である。なお、第３レンズ電極１４４は、接地されている。全ての電極の電位は、集束イオンビーム装置１の操作者によって制御部１８（図２）を操作することによって調整される。

【0037】

図３に示すように、本実施形態では、引出電極１４１と、第１レンズ電極１４２との電位差が４３５００［Ｖ］（＝５００００−６５００）である。これにより、本実施形態では、引出電極１４１と第１レンズ電極１４２との間に強いレンズ作用を発生させて集束させることで、イオン源１４ａから放出させたイオンの全てを、コンデンサレンズ１４ｃを通過するようにしている。

【0038】

また、放電防止のために、第２引出電極１４１２と第１レンズ電極１４２との間隔Ｌは、６［ｍｍ］より大きく設定されている。
なお、図３に示した例では、引出電極１４１が第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２とを備える例を説明したが、引出電極１４１は１つであってもよい。

【0039】

＜各電極に印加される電圧と、エミッタを基準とした第１レンズ電極１４２の電位の例＞
次に、各電極に印加される電圧と、エミッタを基準とした第１レンズ電極１４２の電位の例について説明する。
図４は、本実施形態に係る各電極に印加される電圧を示す図である。なお、イオン源１４ａのエミッタに印加される加速電圧は、例えば集束イオンビーム装置１の操作者によって選択される。

【0040】

図４に示すように、エミッタに印加される加速電圧が３００００［Ｖ］の場合、制御部１８（図２）の制御によって、引出電極１４１には接地電位を基準として２３５００［Ｖ］（＝３００００−６５００）が印加され、第１レンズ電極１４２には接地電位を基準として−２００００［Ｖ］（＝３００００−５００００）が印加される。
また、エミッタに印加される加速電圧が２００００［Ｖ］の場合、制御部１８の制御によって、引出電極１４１には接地電位を基準として１３５００［Ｖ］（＝２００００−６５００）が印加され、第１レンズ電極１４２には接地電位を基準として−３００００［Ｖ］（＝２００００−５００００）が印加される。

【0041】

また、エミッタに印加される加速電圧が１０００［Ｖ］の場合、制御部１８の制御によって、引出電極１４１には接地電位を基準として−５５００［Ｖ］（＝１０００−６５００）が印加され、第１レンズ電極１４２には接地電位を基準として−４９０００［Ｖ］（＝１０００−５００００）が印加される。

【0042】

図４に示した例では、エミッタの加速電圧と、第１レンズ電極１４２との電位差が、一定の値である５００００［Ｖ］になるように制御部１８によって制御される例である。
なお、一定の値の範囲は、例えば３００００［Ｖ］〜９００００［Ｖ］である。

【0043】

図４に示したように、エミッタの加速電圧が変更された場合であっても、エミッタの加速電圧と第１レンズ電極１４２との電位差を、従来技術の電圧差より一定の大きな値に保つことで、引出電極１４１で引き出したイオンの軌道を集束させて、引き出したイオン全てを、第１レンズ電極１４２〜第３レンズ電極１４４の孔を通過させることができる。これにより、エミッタの加速電圧が変更された場合であっても、イオン源１４ａから放出されたイオンを、コンデンサレンズ１４ｃに当たらないようにすることができる。

【0044】

以上のように、本実施形態の集束イオンビーム装置１は、イオンビームを放出するイオン源１４ａと、イオン源のエミッタの先端からイオンを引き出す引出電極１４１と、引出電極との電位差によって、引出電極によって引き出されたイオンを集束させるコンデンサレンズを構成する第１レンズ電極１４２と、を備え、引出電極と第１レンズ電極との間に強いレンズ作用を発生させて、イオン源から放出させたイオンの全てを集束させることにより、第一電極を含むコンデンサレンズを通過させる。

【0045】

この構成によって、本実施形態によれば、イオン源１４ａからエミッション（放出）されたイオンを、引出電極と第１レンズ電極との間に強いレンズ作用を発生させて集束させることによって、コンデンサレンズであるレンズ電極（第１レンズ電極１４２〜第３レンズ電極１４４）に当たらないようにすることができる。これにより、本実施形態によれば、第１レンズ電極１４２のスパッタおよび二次電子の発生を無くすことができるため、イオン源１４ａの安定動作時間を長くすることができる。この結果、本実施形態によれば、従来技術より集束イオンビーム装置の性能を向上することができる。

【0046】

また、本実施形態の集束イオンビーム装置１において、エミッタ（イオン源１４ａ）に印加する加速電圧を変化させた場合も、エミッタと引出電極１４１との電位差を所定の値に保ち、かつエミッタと、第１レンズ電極１４２との電位差が一定の電圧差になるように制御する。
この構成によって、エミッタの加速電圧が変更された場合であっても、エミッタの加速電圧と第１レンズ電極１４２との電位差を一定の大きな値に保たれる。

【0047】

また、本実施形態の集束イオンビーム装置１において、エミッタ（イオン源１４ａ）と第１レンズ電極１４２との電位差は、３００００Ｖ以上かつ９００００Ｖ以下である。

【0048】

この構成によって、本実施形態によれば、コンデンサレンズ１４ｃを単焦点化することができる。この結果、コンデンサレンズ１４ｃの収差を低減することができるので、集束イオンビームの性能を向上させることができる。
ここで、集束イオンビームの性能の例を、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態と従来技術における集束イオンビームの性能を示すビーム電流とビーム径の関係を説明する図である。図５において、横軸はビーム電流、縦軸はビーム径である。曲線ｇ３０１は、従来技術におけるビーム電流とビーム径の関係を表し、曲線ｇ３１１は、本実施形態におけるビーム電流とビーム径の関係を表している。また、曲線ｇ３０１は、引出電極とコンデンサレンズのレンズ電極との距離Ｄが４ミリメートの例である。ビーム電流を大きくとる場合、絞り１４ｅの径を大きくして孔を通過するイオンビームを増加させる必要があるが、同時に収差によるボケが大きくなり、その結果ビーム径が広がってしまう。収差を抑えてより小さなビーム径が実現できれば、性能が向上したと言える。例えば特許文献１に示されている集束イオンビームの性能は、ビーム電流４０ｎＡの場合のビーム径は１０００ｎｍ（１μｍ）であるのに対して、本発明によればビーム電流４０ｎＡの場合のビーム径は５００ｎｍと、従来の１／２まで縮小することができる。

【0049】

また、本実施形態によれば、引出電極１４１と第１レンズ電極１４２の電位差が従来技術より高い電位差であるため、引出電極１４１と第１レンズ電極１４２の間に強いレンズ作用を発生させて、イオン源１４ａからエミッションされたビーム電流の全てを、コンデンサレンズ１４ｃを通過させることができる。この結果、本実施形態によれば、イオン源１４ａからエミッションされたイオンが、レンズ電極（第１レンズ電極１４２〜第３レンズ電極１４４）に当たらないようにすることができる。これにより、第１レンズ電極１４２〜第３レンズ電極１４４のスパッタおよび二次電子の発生を無くすことができるため、イオン源１４ａの安定動作時間を長くすることができる。この結果、本実施形態によれば、従来技術より集束イオンビーム装置の性能を向上することができる。

【0050】

また、本実施形態の集束イオンビーム装置１において、イオンビームの進行方向に対して第１レンズ電極１４２の後段に、第２レンズ電極１４３と、第３レンズ電極１４４と、をさらに備え、第３レンズ電極は接地され、第２レンズ電極は、第１レンズ電極および第３レンズ電極との電位差に応じて、第１レンズ電極によって集束されたイオンビームの軌道を調整する。
また、本実施形態の集束イオンビーム装置１において、第１レンズ電極１４２の孔φ_３の大きさは、第２レンズ電極１４３の孔φ_４の大きさと同じであり、第２レンズ電極の孔φ_４の大きさは、第３レンズ電極１４４の孔φ_５の大きさより小さい。

【0051】

この構成によって、本実施形態によれば、第１レンズ電極によって集束されたイオンビームの軌道を調整することで、試料に到達する電流量を変化させることができる。

【0052】

［第２実施形態］
本実施形態では、第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２との間に、さらに制御電極１４５を備える例を説明する。
図６は、本実施形態に係る引出電極の構成例、エミッタを基準とした各電極の電位の例を示す図である。座標系は、図２、図３と同じである。なお、イオンビームの進行方向の第２引出電極１４１２の後段には、図３と同様に、第１レンズ電極１４２、第２レンズ電極１４３、第３レンズ電極１４４を備えている。図５に示すように、本実施形態の引出電極１４ｃ’は、第１引出電極１４１１、第２引出電極１４１２、制御電極１４５を備えている。また、制御電極１４５は、第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２との間に配置されている。なお、制御電極１４５は、図５に示すように、第２引出電極１４１２より第１引出電極１４１１に近い位置に配置されることが好ましい。これにより、イオン源１４ａから放出されたイオンを、イオン源１４ａのエミッタの先端に近い位置で集束させることができる。

【0053】

まず、各電極のｘ軸およびｙ軸方向の孔径について説明する。孔は円形であり、ｘ軸およびｙ軸方向の孔径は等しい。
第１引出電極１４１１の孔径φ_１１は、例えば、約１［ｍｍ］〜３［ｍｍ］である。制御電極１４５の孔径φ_１２は、例えば、約２．２［ｍｍ］〜４．２［ｍｍ］である。第２引出電極１４１２の孔径φ_１３は、約３［ｍｍ］〜５［ｍｍ］である。なお、第１引出電極１４１１の孔径φ_１１は、制御電極１４５の孔径φ_１２より小さい。制御電極１４５の孔径φ_１２は、第２引出電極１４１２の孔径φ_１３より小さい。

【0054】

次に、エミッタを基準とした各電極における電位について説明する。図６は、エミッタ１４ａへの印加電圧（加速電圧）を３００００［Ｖ］とした場合の、正イオンに対する電位を示す。
第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２の電位Ｖｅｘｔは同電位であり、例えば６５００［Ｖ］である。制御電極１４５の電位Ｖｃｏｎは、例えば５００［Ｖ］である。
本実施形態では、電位Ｖｅｘｔと電位Ｖｃｏｎとの比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔを、例えば０．０１〜０．５に設定する。図５に示した例の比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔは、約０．０７７（＝５００／６５００）である。このように構成した場合は、第２引出電極１４１２から出射されるイオンビームの径を、１［ｍｍ］〜３［ｍｍ］程度の平行ビームにすることができる。これにより、本実施形態では、第２引出電極１４１２の後段に配置されるコンデンサレンズ１４ｃにイオンビームが当たらないように構成することが容易である。

【0055】

ここで、比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔを一定に保ったまま第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２の電位Ｖｅｘｔを変化させた場合のイオンビーム軌道の例を説明する。
図７は、本実施形態に係る比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔを一定に保ったまま第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２の電位Ｖｅｘｔを変化させた場合のイオンビーム軌道の例を示す図である。

【0056】

図７において、比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔは０．０７７である。画像ｇ２００は、電位Ｖｅｘｔが６５００［Ｖ］、電位Ｖｃｏｎが５００［Ｖ］のときのイオンビームの軌道を示す画像である。画像ｇ２１０は、電位Ｖｅｘｔが５０００［Ｖ］、電位Ｖｃｏｎが３８５［Ｖ］のときのイオンビームの軌道を示す画像である。画像ｇ２２０は、電位Ｖｅｘｔが８０００［Ｖ］、電位Ｖｃｏｎが６１５［Ｖ］のときのイオンビームの軌道を示す画像である。

【0057】

図６の画像ｇ２００〜画像ｇ２２０に示したように、比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔを一定の値０．０７７に保ったまま電位Ｖｅｘｔを変化させても、イオンビームの軌道は一定である。これにより、本実施形態によれば、比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔを一定の値に保てばイオンビームが広がらないので、イオンビーム全てを、第２引出電極１４１２の後段のコンデンサレンズ１４ｃを通過させることができる。

【0058】

以上のように、本実施形態の集束イオンビーム装置１において、第１引出電極１４１１の電位と第２引出電極１４１２の電位とは同電位であり、エミッタ（イオン源１４ａ）と第１引出電極の電位差Ｖｅｘｔと、エミッタと制御電極１４５の電位差Ｖｃｏｎとの比率Ｖｃｏｎ／Ｖｅｘｔが、０．０１から０．５の範囲である。

【0059】

この構成によって、本実施形態では、第２引出電極１４１２が出射するイオンビームを、例えば１［ｍｍ］〜３［ｍｍ］程度の平行ビームとすることができる。これにより、本実施形態によれば、第２引出電極１４１２の後段に配置するコンデンサレンズ１４ｃにイオンビームが当たらないように構成することができる。これにより、第１レンズ電極１４２のスパッタおよび二次電子の発生を無くすことができるため、イオン源１４ａの安定動作時間を長くすることができる。この結果、本実施形態によれば、従来技術より集束イオンビーム装置の性能を向上することができる。

【0060】

なお、第１実施形態または第２実施形態の集束イオンビーム装置１は、検査装置、加工装置のいずれに適用してもよい。
また、第２実施形態に示す第１引出電極１４１１と第２引出電極１４１２との間に制御電極１４５を備える構成とし、以降は従来技術で与えられるコンデンサレンズを含む光学系としてもよい。

【0061】

また、第１実施形態または第２実施形態によれば、コンデンサレンズ１４ｃの孔径を大きく（例えば１０［ｍｍ］）にすることなく、イオンビームがコンデンサレンズ１４ｃに当たらなくすることができる。

【0062】

なお、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0063】

１…集束イオンビーム装置、１１…試料室、１２…ステージ１２、１３…駆動機構１３、１４…集束イオンビーム鏡筒、１５…検出器、１６…表示装置、１７…ガス供給部、１８…制御部、１４ａ…イオン源、１４ｂ…イオン光学系、１４ｃ…コンデンサレンズ、１４ｄ…ビームブランキング電極、１４ｅ…絞り、１４ｆ…アライメント、１４ｇ…対物レンズ、１４ｈ…走査電極、１４１…引出電極、１４１１…第１引出電極、１４１２…第２引出電極、１４２…第１レンズ電極、１４３…第２レンズ電極、１４４…第３レンズ電極、１４５…制御電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】