JP2000323083A - 投射型イオンビーム加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マスクの開口パターンをモニターし、その形状
や試料高さが変化してもPJIB（投射イオンビーム）加
工，ＦＩＢ（集束イオンビーム）加工，ＦＩＢ観察を高
精度かつ高スループットで実現する。 【解決手段】イオン源１，第１の静電レンズ２，第１の
静電偏向器４，マスク１４，第２の静電偏向器５，第２
の静電レンズ７，試料８と並べ、該第１の静電偏向器４
と該第２の静電偏向器５とを連動させた場合の偏向中心
を該第２の静電レンズ７のレンズ中心付近に位置させ、
且つビーム制限絞り１２を該イオン源１と該第１の静電
偏向器４との間に位置させる。この光学系により、該マ
スク１４の開口パターンがモニターできる。更に、試料
高さ計測手段とＸＹＺ駆動の試料ステージ９とを備える
ことで、所望の投射縮小率とビーム状態を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオンビーム加工装
置に関し、特に、投射型イオンビームを用いて半導体な
どの電子部品の局所加工するための加工装置で、加工の
高速化を図る投射型イオンビーム加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体などの電子部品の局所加工する技
術としては、集束イオンビーム（Focused Ion Beam；Ｆ
ＩＢ）照射により生じるスパッタリング現象を利用した
ＦＩＢ加工技術が知られており、半導体素子などの所望
位置での断面加工と観察および配線修正などに応用され
ている。その装置はＦＩＢ装置と呼ばれている。ＦＩＢ
は、イオン源から放出されるイオンビームを静電レンズ
系によって試料上にイオン源の像を作るように集束され
る。集束ビームの径は、イオン源像が小さいため、主に
静電レンズ系の収差によるその像ぼけ量で決まり、その
大きさは実用的に１０ｎｍから数μｍである。また、ビ
ーム電流は数ｐＡから１０ｎＡである。ビーム電流が数
ｎＡになるとレンズ系の球面収差のためにビーム径が急
激に大きくなり、電流密度が低下する。加工速度はビー
ム電流が大きいほど大きく、一方、ビーム加工精度はビ
ーム径が小さいほど良い。したがって、加工速度とビー
ム加工精度は相反関係にある。よって、高加工精度のＦ
ＩＢはビーム電流が少なく、加工速度は低い。

【０００３】最近、この高加工精度と高加工速度との両
方を満足させるイオンビームとして投射型イオンビーム
(Projection Ion Beam；ＰＪＩＢ）が提案された。その
装置はＰＪＩＢ装置と呼ばれ、例えば特開平9−162098
号公報や特開平10−162769号公報に開示されている。

【０００４】図１８にその装置の概略図として特開平9
−186138 号公報の図１を引用する。イオン源５１から
放出したイオンビーム６３は第１の静電レンズ５４によ
り所望の加工形状を拡大したパターン開口を有するマス
ク５６を照射し、パターン開口を通過したしたビーム６
３は第２の静電レンズ５７により投射ビームとなり、試
料５９に到達する。この時、パターン開口の像が第２の
静電レンズ５７により試料５９上に縮小されて投射され
ており、所望の加工形状に加工される。この投射パター
ン像は、特開平9−162098 号に開示されているように光
学軸から離れた周辺部分で大きな歪みやぼけを持つが、
軸近傍では非常にシャープである特徴を持つ。したがっ
て、軸近傍でのみ高い加工精度を要求する加工の場合
は、ＦＩＢと比べて電流密度が低くてもビーム電流の大
きなＰＪＩＢの方がはるかに有利になる。

【０００５】また、特開平9−186138 号には、ＦＩＢも
形成できるＰＪＩＢ装置が開示されており、ＰＪＩＢ加
工部の試料観察にＦＩＢを用いている。この観察は、PJ
IB加工条件の調整やその条件の最適状態の確認に有効で
ある。

【０００６】マスクの開口パターン自体が加工パターン
に相当するＰＪＩＢ装置では、スパッタリング損傷によ
る開口パターンの変形を定期的にモニターし、許容値を
越えた場合はその開口パターンの寿命と判断し、新たな
開口パターンに交換する必要がある。ここで、開口パタ
ーンの交換に関しては、加工精度の観点から開口パター
ンは光軸上に配置することが重要である。また、その開
口パターンの必要な部分の形状が相対的に若干大きくな
るという変形であれば、投射縮小率を若干小さくするこ
とにより実効的に投射加工パターンサイズを同一とし、
その開口パターンの寿命を延ばすこともできる。

【０００７】しかしながら、従来のＰＪＩＢ装置（例え
ば特開平9−162098 号や特開平10−162769号など）で
は、この開口パターンの変形のモニター法やそれに必要
な光学部品を組み込んだイオン光学系が開示されていな
い。

【０００８】また、ＰＪＩＢ加工応用の中には、個々に
高さの異なる複数個の試料を一緒に試料ステージに並べ
て搭載し、これらを同じ投射縮小率で加工したいという
ニーズがある。

【０００９】しかし、従来ＰＪＩＢ装置では、常に一定
の投射縮小率で試料加工を行うためには、試料表面の高
さ位置は常に一定である必要があることを開示している
ものの、この加工ニーズに応える具体的手段が開示され
ていない。つまり、この加工応用のＰＪＩＢ装置では、
何らかの試料高さ計測手段が必要であることを見出し
た。一方、ＦＩＢ加工装置では、加工サイズはビーム走
査領域の設定で決められるため、ここの試料高さが異な
っても同一の大きさの加工が可能である。そのため、Ｆ
ＩＢ装置に試料高さ計測手段の必然性はない。

【００１０】試料の高さ計測手段に関しては電子線測長
機において用いられており、例えば特開平8−273575 号
公報に開示されている。試料に対して斜めにレーザービ
ームを照射すると、試料で反射されてポジションセンサ
で検知されるレーザービームの位置は試料の高さに応じ
て変化する。そこで、ポジションセンサを用いて反射レ
ーザービームの位置変化を測定することにより、試料の
高さを測定する。この測定値を対物レンズにフィードバ
ックしてそのレンズ強度を調整することで電子ビームの
焦点ぼけの回避と測長作業のスループットの向上を両立
してきた。

【００１１】しかし、電子線測長機には、そのレンズ倍
率を一定にする必然性がないため、試料高さも一定にす
る必然性もない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明では以下に示す
４点の課題の解決を目的としている。

【００１３】（ａ）マスクの開口パターンの変形のモニ
ター法やそれに必要な光学部品が確立されていないＰＪ
ＩＢ装置に対して、スパッタリング損傷によるマスクの
開口パターンの形状や変形を簡単な操作でモニターでき
るＰＪＩＢ装置を提供する。 （ｂ）マスク開口パターンの必要な部分の形状が相対的
に変化するという変形に対して投射縮小率を調整して実
効的に投射加工パターンサイズを同一とし、常に高精度
な投射加工ができるＰＪＩＢ装置を提供する。

【００１４】更に、マスク開口パターンの必要な部分の
形状が相対的に変化するという変形に対して投射縮小率
を調整して実効的に投射加工パターンサイズを同一と
し、その開口パターンの寿命を延ばすことができるＰＪ
ＩＢ装置を提供する。

【００１５】（ｃ）試料高さが加工位置毎または試料毎
に変化する場合、投射縮小率を調整して実効的に投射加
工パターンサイズを同一とし、常に高精度な投射加工が
できるＰＪＩＢ装置を提供する。

【００１６】（ｄ）上記（ａ)〜(ｃ）のＰＪＩＢ装置に
対して、ＰＪＩＢの他にＦＩＢも形成し、ＰＪＩＢ加
工，ＦＩＢ加工，ＦＩＢ観察を高精度に、かつ高スルー
プットに行えるＰＪＩＢ装置を提供する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のＰＪＩＢ装置
は、イオン源から試料側への順でイオン源，第１の静電
レンズ，第１の静電偏向器，マスク，第２の静電偏向
器，第２の静電レンズ、および試料と並び、かつ、該第
１の静電偏向器と該第２の静電偏向器とを同時に組み合
わせて動作させた場合の組み合わせビーム走査の偏向中
心が該第２の静電レンズのレンズ中心におおむね位置
し、また、放出イオンの放出角を制限するビーム制限絞
りが該イオン源と該第１の静電偏向器との間に位置して
いることを特徴とした光学系を備えている。上記課題
（ａ)，(ｂ）は、この光学系によるマスク観察像により
マスクの開口パターンの形状や変形を容易にモニターで
きるため解決できる。

【００１８】更に、本発明のＰＪＩＢ装置は、試料表面
に対して斜め方向から光ビームを照射する光源部および
該試料表面で反射した光ビームを受光してその受光位置
を検出する光検出部からなり、かつ、該照射光ビームと
該反射光ビームが該第２の静電レンズと該試料との間に
配置している試料高さの計測手段を備えている。マスク
投射率が特定化されている場合は、試料高さが特定値に
なっている。該試料高さの計測手段からの計測値が該特
定値からずれている場合は、このずれを解消するため
に、試料の高さ方向、即ちＺ方向への駆動機構も備えた
試料ステージ（ＸＹＺ移動）を備えている。一方、マス
ク投射倍率が特定化されていない場合には、該試料高さ
の計測手段からの計測値に基づき、ＰＪＩＢとＦＩＢの
両最適レンズ印加電圧をビーム制御部で計算により求め
る。この試料高さの計測手段は、特に上記課題（ｃ)，
(ｄ）を解決するに重要である。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明をより詳細に説述するため
に、添付の図面にしたがってこれを説明する。

【００２０】図１は本発明の２段レンズ系のＰＪＩＢ加
工装置の概略構成図である。イオン源１から試料８側
に、光学要素として第１の静電レンズ２，放出イオンの
放出角を制限するビーム制限絞り１２，ブランキング偏
向器３，第１の１段構成の静電偏向器４，ブランキング
板１６，マスク１４，第２の１段構成の静電偏向器５，
２段構成静電偏向器６，第２の静電レンズ７、および試
料８と順に並んでいる。これらの光学要素はビーム制御
部１７につながっており、ＰＪＩＢモードやFIBモード
が選択できる。ビーム照射により試料８からは二次粒子
（二次電子や二次イオンなど）１０が放出し、二次電子
検出器１１により検出される。また、試料８はＸＹＺ移
動が可能な試料ステージ９に搭載されている。これらの
光学要素や試料ステージ９は排気ポンプ（図省略）に繋
がれた真空容器１９の中に入れてある。また光学要素は
ビーム制御部１７と繋がっており、ビーム制御や加工領
域設定のためのウインドウ画面や走査イオン顕微鏡（Sc
anning Ion Microscope；ＳＩＭ）の像画面を表示する
ＣＲＴ１８を用いて、加工準備や加工作業を行う。図１
では、ＰＪＩＢモードを選択した場合のビームを表して
いる。第１の静電レンズ２は、イオン源１のイオン放出
点を物点とし、その像点がおおむね第２の静電レンズ７
に位置するように制御される。他方、第２の静電レンズ
７は、マスク１４の開口パターンの投射像が試料８上に
位置するように制御される。ビーム制限絞り１２は駆動
部１３に繋げてあり、ＰＪＩＢ加工用の大きな開口２１
ａあるいは調整用の小さな開口２１ｂを光軸上に持って
くることができる。マスク１４も駆動部１５に繋げてあ
り、マスクが単数あるいは複数個の開口部を持っている
場合に特定開口部を光軸上に位置合わせすることができ
る。第２の静電レンズ７が両端の電極電位が同じの３枚
電極レンズである本例では、マスクの投射縮小倍率は、
第２の静電レンズ７から試料８までの距離をマスク１４
から第２の静電レンズ７までの距離で割ったものできま
り、本例では１／５０となっている。ここで、投射パタ
ーン像の像ぼけ（加工パターンのエッジぼけに相当）を
最小にするにはマスク１４の開口部を光軸上に正確に合
わせることが重要である。

【００２１】次に、上記のマスク１４の開口部を光軸上
に正確に合わせる方法を光軸合わせと共に図２を用いて
説明する。

【００２２】（ａ）マスク開口およびビーム制限絞り１
２のＰＪＩＢ加工用の大きな開口２１ａを光軸上におお
よそ合わせ、イオンビーム２０を第１の１段構成の静電
偏向器４で偏向走査し、試料からの放出二次電子を検出
し、ＳＩＭ像１を形成する。ただし、第２の静電レンズ
７のレンズ強度はゼロである。ビーム走査範囲は、この
ＳＩＭ像１が図３に示す様に、中心部のみが円形に明る
い像となるように設定する。このＳＩＭ像１の周辺暗部
は第２の静電レンズ７の電極などの影に相当する。

【００２３】（ｂ）上記のＳＩＭ像１において、第１の
静電レンズ２のレンズ強度の制御により試料表面の凹凸
などが鮮明にし、最適レンズ強度１を求める。この時、
イオン源１からの放出イオンは試料８の位置にほぼ集束
している。

【００２４】（ｃ）第１の静電レンズ２のレンズ強度を
ワブラー機能により（ｂ）の最適レンズ強度１から狭い
範囲で前後に振ると、ＳＩＭ像１中の明るい部分がワブ
ラーと同期して移動するが、この像の動きが最小になる
ようにイオン源をＸＹ面（光軸のＺ軸と垂直な面）内で
微動調整し、かつＰＪＩＢ加工用の大きな開口２１ａも
ＸＹ面内で粗調整する。調整後、イオン源位置は固定す
る。

【００２５】（ｄ）ビーム制限絞り１２の開口をＰＪＩ
Ｂ加工用の大きな開口２１ａから調整用の小さな開口２
１ｂに替え、（ｃ）と同様に第１の静電レンズ２のレン
ズ強度をワブラー機能により最適レンズ強度１の前後に
振り、ＳＩＭ像１中の明るい部分の動きが最小になるよ
うに小さな開口２１ｂをＸＹ面内で微調整する。

【００２６】（ｅ）しかし、この明るい部分は必ずしも
ＳＩＭ像１の中心にはない。この明るい部分が像中心に
来る様に、第１の１段構成の静電偏向器４の走査電圧に
アライナー電圧を重畳する。これにより、イオン源，第
１の静電レンズ２，小さな開口２１ａ、および第２の静
電レンズ７が光軸上に載ったことになる。この小さな開
口２１ａ位置は、アライナー電圧および第１の静電レン
ズ２の最適レンズ強度と共にビーム制御部１７のビーム
調整条件リストに登録・記憶する。

【００２７】（ｆ）次に、第１の１段構成の静電偏向器
４に加えて第２の１段構成の静電偏向器５もオンし、マ
スク開口を含むように大きくビーム走査する。ただし、
第２の静電偏向器５の偏向電圧は第１の静電偏向器４の
偏向電圧と位相が１８０度ずらせて同期させてあり、こ
の第１と第２の静電偏向器４と５の組み合わせたビーム
偏向中心は第２の静電レンズ７の中心に位置している
（図４参照、ただしビーム集束状態は後記の（ｊ）対
応）。これによりマスク上でビームを広範囲に走査した
場合、マスク通過直後の走査ビームが光軸から大きく離
れて行くように出射しても、第２の静電偏向器５により
光軸方向に戻される。この時のＳＩＭ像２はマスクの開
口部が明るくなるパターン像であるが、その開口パター
ンのエッジはぼけている。

【００２８】（ｇ）この像ぼけを鮮明にするには、第１
の静電レンズ２のレンズ強度を徐々に強くしていき、イ
オンビーム２０の集束点を現在の試料８上からマスク１
４上に移動する。ビーム集束点がちょうどマスク１７上
に来た時、マスク開口パターンのエッジ像は最もシャー
プになる。

【００２９】（ｈ）次に、第１の１段構成の静電偏向器
４のアライナー電圧を残したまま、第１と第２の１段構
成の静電偏向器４と５の走査電圧をオフし、代わりに２
段構成静電偏向器６をオンしてＳＩＭ像３を観察する
（図５参照）。この２段構成静電偏向器６のビーム偏向
中心は第２の静電レンズ７のレンズ中心にある。ＳＩＭ
像３は、試料８の表面像であるがビームが試料上で広が
っているため鮮明ではない（ただし、該アライナー電圧
でビームはマスク開口部を通過していることが前提であ
る）。第２の静電レンズ７のレンズ強度を徐々に強くし
ていくと、ビームは試料上で次第に集束し、ＳＩＭ像３
は鮮明になる。最も鮮明になったレンズ強度をビーム制
御部１７のＰＪＩＢ加工条件リストに登録・記憶する。
この時の試料に到達するビームは、イオン源１から放出
したビームが試料で集束したものであり、ＰＪＩＢでは
なくＦＩＢとなっている。

【００３０】（ｉ）第２の静電レンズ７のレンズ強度を
（ｈ）で求めた鮮明画像条件での前後で振り（ワブラー
機能）、ＳＩＭ像３での試料像が移動しないように、第
１の１段構成の静電偏向器４のアライナー電圧を微調整
する。既に登録・記憶してあるビーム制御部１７のビー
ム調整条件リストのアライナー電圧は、その調整電圧に
置きかえる。

【００３１】（ｊ）ビーム走査を第１と第２の１段構成
の静電偏向器４と５の走査モードに戻し（アライナー電
圧はオンしたまま）、ＳＩＭ像２を観察する（図４参
照）。この像においてマスク開口パターンが像の中心に
位置するようにマスク１４をマスク駆動部１５を介して
微調整する。調整しきれなかった位置ずれ量はそのマス
ク開口位置と共にビーム制御部１７のＰＪＩＢ加工条件
リストに登録・記憶する。このマスク開口の位置ずれに
起因するＰＪＩＢ加工のパターン位置ずれは、２段構成
静電偏向器６に投影縮小倍率を考慮した補正偏向電圧を
印加することにより補正される。

【００３２】（ｊ）でのＳＩＭ像２のマスク開口パター
ン像は鮮明であり、開口パターンの形状や絶対寸法がわ
かる。これにより、長時間動作におけるマスク開口パタ
ーンのスパッタリング損傷による変形や寸法変化も観察
することができる。またマスク開口パターンの絶対寸法
が分かると、この寸法が設計値から若干ずれても、第２
静電レンズと試料表面との間隔の制御により、投射倍率
が変えられるので所望寸法のパターン加工が可能にな
る。ただし、この投射倍率の変更に応じて第２の静電レ
ンズのレンズ強度も変える必要がある。

【００３３】図１の実施例では、ビーム制限絞り１２は
第１の静電レンズ２と第１の静電偏向器４との間に置い
たが、本ビーム制限絞り１２は第１の静電偏向器４を用
いた走査像の分解能を制御するためのものであるため、
イオン源１と第１の静電偏向器４との間にあれば良い。
イオン源１と第１の静電レンズ２との間にも置けるが、
ここに置くとイオン源１と第１の静電レンズ２との間隔
が広がり、その結果、ＰＪＩＢの電流密度が低下するた
め余り得策ではない。

【００３４】ブランキング偏向器３とブランキング板１
６は、マスク１４がイオンスパッタリングにより損傷す
ることを避けるために、加工または観察以外の時にイオ
ンビーム２０をマスク１４に照射させない機能を持つ。
具体的には、ブランキング偏向器３でイオンビーム２０
を偏向し、イオンビーム２０の照射位置がブランキング
板１６上に来る様に制御する。

【００３５】図１の２段レンズ系のＰＪＩＢ装置におい
て、ＰＪＩＢとＦＩＢモードのビーム集束状態例を図６
に示す。このＰＪＩＢとＦＩＢにおけるパターン加工の
加工エッジぼけとビーム電流の関係の代表的グラフを図
７示す。加工速度はビーム電流にほぼ比例するので高速
加工の観点からは、大電流ビームが望ましい。ＦＩＢ加
工ではＦＩＢ径が１０〜２０００ｎｍの範囲で変えら
れ、その時の加工エッジぼけはビーム径にほぼ等しい。
一方、ＰＪＩＢ加工のビーム径は、加工パターンサイズ
に相当し、投射縮小率の関係から、大きさ０.１ 〜１０
μｍのパターン加工に適する。ただし、加工エッジぼけ
はパターンの大きさが数μｍまでは0.02μｍ程度で、そ
の後、急激に増加する。また、加工位置の合わせ精度の
観点からは、その合わせをＳＩＭ像を利用して行う場合
には、像を高分解能化にする小さいビーム径が望まし
い。従って、位置合わせの高精度化，高速加工，加工エ
ッジぼけの低減の全てを満足させる加工を実現するに
は、ビーム径１０ｎｍレベルのＦＩＢで加工位置合わせ
を行い、その後、高速加工と加工エッジぼけの低減の両
者を満足するＰＪＩＢに切り替えれば良い。本装置は、
これを実現した装置であり実験的にもその効果を確認し
た。

【００３６】第２の実施例を図８を用いて説明する。本
例は、第２の静電レンズが２段レンズ７ａと７ｂの構成
であり、トータルとしては３段レンズ構成のＰＪＩＢ装
置である。３段レンズ構成のＰＪＩＢ装置の特徴は、２
段レンズ構成のＰＪＩＢ装置と比べ、イオン源から試料
までの光学長を長くすることなく、投射レンズ縮小率が
稼げる点にある。本例では、図１の投射レンズ縮小率Ｍ
が１／５０の２段レンズ構成のＰＪＩＢ装置と同じ光学
長で、Ｍ＝１／１００となっている。マスク１４の開口
部を光軸上に正確に合わせる方法と光軸合わせの方法
は、図１の２段レンズ構成ＰＪＩＢ装置と本質的に同じ
である。また、ＦＩＢも形成できるPJIB装置であり、位
置合わせの高精度化，高速加工，加工エッジぼけの低減
の全てを満足させる加工ができる。

【００３７】この光学系によるマスクの開口パターンの
モニター観察は、第１の静電レンズとビーム制限絞りに
よりマスク上に集束する細いイオンビームを形成し、そ
のビームを第１の偏向器によりマスクのパターン開口部
を含む領域をＸＹ走査し、開口部のみを通過した偏向ビ
ームは第２の静電レンズの概中心位置に向かうように第
２の偏向器で偏向（第１の偏向器とは逆方向に偏向）し
試料表面まで導き、ビーム照射により試料表面から放出
する二次電子を検出して得られる走査イオン顕微鏡(Sca
nning Ion Microscope；ＳＩＭ）の像により行う。この
ＳＩＭ像はマスク面でのビーム通過有無の位置情報を反
映した、つまりマスクの開口パターン形状を表した明暗
コントラストの像となる。これにより、開口パターンの
形状ばかりでなく、絶対寸法も分かり、スパッタリング
損傷による開口パターンの正確かつ容易な寿命判断が下
せる。更に、この開口パターンの絶対寸法が設計値から
若干ずれた場合や、この開口パターンの必要な部分の形
状が相対的に変化した場合には、所望寸法のパターン加
工を実現する投射縮小率を正確かつ容易に求めることが
できる。

【００３８】次に、本発明のＰＪＩＢ加工装置に備えた
高さ計測手段の実施例を説明する。図９は第２の静電レ
ンズ７と試料８との間に設置した試料高さ測定部を示し
たものである。試料８は試料ステージ９に載置され試料
ステージ９によりイオンビーム２０の照射下をＸおよび
Ｙ方向に移動し、更に高さ方向、即ちＺ方向にも移動す
る。高さの異なる試料８ａ，８ｂ，８ｃが載置されてい
る場合、各々の試料高さを測定し、その変化量に応じて
第２の静電レンズ７の印加電圧またはステージ９の高さ
を変化させることでイオンビーム２０は加工エッジぼけ
が生じないように調整される。第２の静電レンズ７と試
料８ｂの間には光源部２２が固定機構３７で固定されて
おり、光源部２２から発射されたレーザー光線２４は第
２の静電レンズ７と試料８ｂの間を通って試料８ｂを照
射している。試料８ｂで反射したレーザー光線２５は光
検出部２３に入射され、光検出部２３への入射位置の変
化が検出される。このようにして検出された試料８ｂの
高さ変化は、第２の静電レンズ７の焦点補正用又はステ
ージ９の高さ補正用のデータとしてフィードバックされ
る。このデータからＰＪＩＢとＦＩＢの焦点合わせを行
うので試料には一切イオンビームは照射されず、その結
果、スパッタリング現象による試料の損傷と特性変化は
起きない。

【００３９】図１０に、一実施例の断面図を示す。第２
の静電レンズ７と試料８の間にはレーザー発光素子２６
が固定されており、発光素子２６から発射されたレーザ
ー光線２４は第２の静電レンズ７と試料８の間を通って
試料８を照射している。この際、レーザー光線２４は集
光レンズ２８によって試料８に集束される。試料８で反
射したレーザー光線２５は集光レンズ２９によってポジ
ションセンサ２７に集束入射され、ポジションセンサ２
７への入射位置の変化が検出される。このようにして検
出された試料８の高さ変化は、第２の静電レンズ７の焦
点補正用又はステージ９の高さ補正用のデータとしてフ
ィードバックされる。レーザー発光素子２６と集光レン
ズ２８及びポジションセンサ２７と集光レンズ２９はそ
れぞれ独立に固定される。レーザー発光素子２６及びポ
ジションセンサ２７はネジ等によって取り付けられてお
り、その光軸方向あるいは視野をオペレータが調整でき
るようになっている。レーザー発光素子２６及びポジシ
ョンセンサ２７と集光レンズ２８及び２９は一体化も可
能である。

【００４０】本実施例では、第２の静電レンズ７及び試
料８及びステージ９及び集光レンズ２８及び２９は真空
中に設置され固定されており、レーザー発光素子２６及
びポジションセンサ２７は真空シールを介して固定され
るが、レーザー発光素子２６及びポジションセンサ２７
も真空中に設置することも可能であり、いずれか一方を
真空中に設置することも可能である。また、第２の静電
レンズ７及び試料８及びステージ９は真空中に設置し、
集光レンズ２８及び２９は真空シールを介して固定、レ
ーザー発光素子２６及びポジションセンサ２７は大気中
に設置することも可能であり、いずれか一方を真空シー
ルを介して固定し、そのレーザービーム径路上にある集
光レンズを真空中に設置することも可能である。

【００４１】図１１は、図１０とは異なる高さ計測手段
の実施例の断面図である。レーザー発光素子２６から発
射されたレーザー光線２４はレーザー光線を通すウイン
ドー３０を通り、ミラー３２で反射され、集光レンズ２
８によって試料８に集束されて第２の静電レンズ７と試
料８の間を通って試料８を照射している。試料８で反射
したレーザー光線２５は集光レンズ２９によって集束さ
れ、ミラー３３で反射されてウインドー３１を通りポジ
ションセンサ２７に集束入射し、ポジションセンサ２７
への入射位置の変化が検出される。ウインドー３０およ
び３１は真空シールを介して固定され、レーザー発光素
子２５及びポジションセンサ２７は大気中にネジ等によ
って取り付けられており、その光軸方向あるいは視野を
オペレータが調整できるようになっている。また、図１
２に示すようにレーザー発光素子２６及びポジションセ
ンサ２７は真空シールを介して真空容器に直接固定し、
ウインドー３０および３１を省くことも可能であり、い
ずれか一方のみを省くことも可能である。ミラー３２お
よび３３又はいずれか一方は、集光レンズ２８と試料８
の間または集光レンズ２９と試料８の間のビーム光線経
路上に設置することも可能である。また、レーザー光線
２４及びレーザー光線２５のビーム光線経路上またはど
ちらか一方のビーム光線経路上に複数集光レンズを設置
することも可能である。ミラーの数も更に増やすことが
可能である。

【００４２】図１３は、試料８で反射したレーザー光線
２５の経路上にミラー３３とウインドー３１を設置した
実施例の断面図である。図１４は、レーザー発光素子２
６から発射されたレーザー光線２４の経路上にミラー３
２とウインドー３０を設置した実施例の断面図である。
これらのようにミラーまたはウインドーを介す光路と介
さない光路を混合させることも可能である。

【００４３】図１５は、図１０から図１４のいずれかに
示した高さ計測手段に更に光学顕微鏡を付加した実施例
の断面図である。図１５には試料８とステージ９を除い
た図１から図５に示した断面と直行した断面が示されて
おり、レーザー発光素子２６及びポジションセンサ２７
は紙面垂直方向に位置するため図示されていない。

【００４４】像ミラー３６を介して光学顕微鏡３４が試
料８の一部分を見込んでいる。光学顕微鏡３４によって
拡大された像は固体撮像素子３５で電気信号に変換さ
れ、図示しない陰極線管上に表示される。この光学像
は、イオンビームによる走査像では得るのが困難な低倍
率で試料８内の加工位置を確認することに用いられる。
イオンビーム２０による加工位置と光学顕微鏡３４によ
る観察位置の差は、予めその観察位置差を測定しておき
ステージ９を用いて補正する。焦点の調整は、例えばス
テージ９の高さ調整で行う。図１５では像ミラーは一個
であるが複数にしても良い。また、光学顕微鏡の前段に
ウインドーを設けて光学顕微鏡を大気中に設置すること
も可能である。

【００４５】この場合、光学顕微鏡３４による光学像を
イオンビーム２０の焦点調整のために利用することも可
能である。即ち、まず光学顕微鏡像の分解能が最大にな
るようにステージ９を上下動することによって粗調整を
行い、その後図１０から図１４に示したレーザー光線を
用いる方法によってイオンビーム２０の焦点合わせを行
うようにする。斜め入射するレーザー光線とポジション
センサを用いる焦点合わせ方法はイオンビーム２０の入
射位置での試料８の高さ変化を高精度に測定できる利点
を有するがダイナミックレンジが狭いので、このように
してダイナミックレンジが比較的広い光学顕微鏡による
光学像のコントラストを利用する方法と組み合わせる
と、加工開始時の焦点合わせの操作が容易になる。

【００４６】ＰＪＩＢ装置およびＦＩＢ装置は二次粒子
検出器の取付位置が電子線測長機と異なり、第２の静電
レンズ７の脇に位置するため、二次粒子を検出器まで導
くための空間を確保しなければならない。また、磁気ヘ
ッドのように帯電破壊を起こす試料に対しては、帯電中
和銃を装着してイオンの正電荷を中和するためにイオン
ビームと同時に電子ビームを試料に照射する必要があ
る。また、イオン誘起デポジションやガスアシストエッ
チングを行うには、デポジションガスやエッチングガス
を試料８まで導入するノズルを挿入しなければならな
い。従って、第２の静電レンズ７と試料８の間にこれら
のことが実現できるだけの空間が必要である。第２の静
電レンズ７と試料８の間に空間を確保し、発光素子から
試料を経てポジションセンサに至るレーザー光線の光
路，試料から検出器までの二次粒子と帯電中和銃から試
料までの電子ビーム、そして各ノズルから試料までの各
ガスの各々の経路に介在物を置かずに、レーザー発光素
子２６，ポジションセンサ２７，二次粒子検出器，帯電
中和銃，ガス導入ノズルを水平から垂直、即ち０度から
９０度の間の任意の角度で真空容器１９に取り付けるに
は、真空容器１９に傾斜部を持たせた図１０に示す実施
例が有効である。この実装方法は該介在物がないので構
成部品を減らす点でも有効である。

【００４７】図１０の実施例は、真空容器１９の傾斜部
にレーザー発光素子２６，ポジションセンサ２７，二次
粒子検出器，帯電中和銃，デポジション用ガス導入ノズ
ル，ガスアシストエッチング用ガス導入ノズルの６つを
実装しなければならず、場合によっては真空容器中で互
いに干渉してしまう可能性がある。そこで、このような
干渉を避け実装を容易にするにはウインドー３０，ウイ
ンドー３１，ミラー３２，ミラー３３等が増えてしまう
がレーザー発光素子２６とポジションセンサ２７を真空
容器１９の傾斜部から水平部に移した図１１，図１２の
実施例が有効である。

【００４８】また、図１６のように真空容器１９の傾斜
部をなくして全て水平部分に実装することも可能であ
る。

【００４９】図１７はＰＪＩＢ装置の一実施例の断面図
である。ＰＪＩＢ装置には、鏡体部３７と筐体部３９そ
して鏡体部３７に取り付けられた真空ポンプ３８があ
る。ここで鏡体部３７は真空ポンプ３８により重量が一
方に片寄っており、真空ポンプ３８側を支柱等で別に支
持しなければならない。筐体部３９で、この支持部４０
と接続された部分は重量を支えるために補強する必要が
生じる可能性がある。図１７のように支持部４０と接し
た筐体壁を厚くして補強した場合、真空容器１９の傾斜
部が減少する場合がある。この場合に、レーザー発光素
子２６，ポジションセンサ２７，二次粒子検出器，帯電
中和銃，デポジション用ガス導入ノズル，ガスアシスト
エッチング用ガス導入ノズルの真空容器１９中での干渉
を防ぎ、最小限のウインドーやミラーの追加で実装する
には図１３，図１４の実施例が有効となる。更に容易な
実装を行うには図１１，図１２の実施例が有効となる。

【００５０】図１０から図１４に示したレーザー光線を
用いる高さ測定方法以外に、イオンビーム２０の光軸の
周りに試料８に対向して容量センサを設置し、このセン
サと試料８との間の容量を測定し、測定した容量の差か
ら試料高さを測定する方法も可能である。

【００５１】所望寸法のパターン加工を実現する、つま
り特定の投射縮小率で加工するには下記の２通りの装置
・方法がある。第１の装置・方法は、２レンズ光学系の
PJIB装置を用いる場合である。同様に加工領域の試料高
さを計測する。所望寸法のパターン加工を実現する投射
縮小率から、この投射縮小率を得ることのできる試料高
さを計算し、計測した加工領域の試料高さとの差を求
め、試料ステージの高さ移動量を求める。この移動量分
だけ試料ステージのＺ駆動機構により試料高さを移動す
ることで所望の投射縮小率を実現する。

【００５２】更に、所望の投射縮小率を実現するように
移動した後の試料高さからＰＪＩＢのエッジが最もシャ
ープとなる静電レンズへの印加電圧とＦＩＢの焦点が合
った静電レンズへの印加電圧を計算あるいは実験にて求
め、コンピュータに記憶する。

【００５３】これらにより、所望寸法のパターン加工を
高精度で実現でき、更にマスク寿命を延ばすことができ
る。更に、装置オペレータがイオンビームを試料上で走
査し画像を観察しながら静電レンズを調整する必要がな
くなり、イオン照射により試料が損傷してしまったり、
イオンが試料上に打ち込まれることが原因で試料の特性
が変化してしまう恐れはない。また、ＰＪＩＢとＦＩＢ
の２回の調整が試料上でのイオンビームの走査なしで同
時に行える。

【００５４】第２の装置は、第２の静電レンズが２段の
静電レンズから構成されている３レンズ光学系のＰＪＩ
Ｂ装置の場合である。先ず、該の試料高さ検出手段にて
試料の高さを検出する。試料高さを変えない場合は、試
料高さを既知とし、所望寸法のパターン加工を実現する
投射縮小率、およびＰＪＩＢ加工パターンのエッジのシ
ャープさの両条件を満足する第２の２段の静電レンズに
印加する両電圧をビーム制御部１７内のコンピュータで
求め、記憶する。試料高さが変えられる場合は、試料高
さも変数として、該と同じ両条件を満足する試料高さお
よび第２の２段の静電レンズに印加する両電圧をビーム
制御部１７内のコンピュータで求め、記憶する。ＦＩＢ
のレンズ電圧は、上記の試料高さの移動の有無のいずれ
の場合にも、ＰＪＩＢのレンズ電圧と同様に計算できる
ので、これも合わせて記憶しておく。これにより、ＣＲ
Ｔ上のＰＪＩＢとＦＩＢの選択表示ウインドーからマウ
スで簡単に選択できる。

【００５５】

【発明の効果】本発明のＰＪＩＢ装置は、マスクの開口
パターンの形状や変形を簡単な操作でモニターするため
に必要な光学部品を付加した新たな光学系を備えること
によって、マスク開口パターンを直接観察できるので、
その形状と絶対寸法を容易にモニターできる。

【００５６】更に、この新たな光学系に加えて、高さ計
測手段を備えることによって、マスクの開口パターンの
形状変化と加工位置の正確な試料高さがわかるので、現
在のマスク開口パターンに応じて所望の投射縮小率を容
易かつ正確に調整でき、マスクの形状が変化しても実効
的に投射加工パターンサイズを同一とし設定通りの加工
が高精度で可能となる。この結果、その開口パターンの
寿命を延ばすことができる。

【００５７】更に、この新たな光学系と高さ計測手段に
加えて、ＸおよびＹ方向に駆動する機構に加えて高さ方
向、即ちＺ方向への駆動機構も合わせ持つ試料ステージ
を備えることによって、２レンズ光学系ＰＪＩＢ装置で
あっても試料高さを調整して投射縮小率を変更できるの
で、現在のマスク開口パターンに応じて所望の投射縮小
率を容易かつ正確に調整でき、マスクの形状が変化して
も実効的に投射加工パターンサイズを同一とし設定通り
の加工が高精度で可能となる。この結果、その開口パタ
ーンの寿命を延ばすことができる。

【００５８】更に、本発明の効果によって、所望の投射
縮小率の実現に加えて投射加工の概領域位置での試料高
さデータからＰＪＩＢとＦＩＢの両方の場合の静電レン
ズへの最適な印加電圧を同時に求めることができるの
で、例えば磁気ヘッドの狭トラック加工に代表される生
産加工装置として、ＰＪＩＢ加工，ＦＩＢ加工および観
察を高精度かつ高スループットで実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２段レンズ構成の投射型イオンビーム
（ＰＪＩＢ）加工装置を示す全体構成図。

【図２】図１のＰＪＩＢ加工装置の光軸合わせおよびマ
スク開口部の軸合わせを示す説明図。

【図３】図１のＰＪＩＢ加工装置の光軸合わせおよびマ
スク開口部の軸合わせを示す説明図。

【図４】図１のＰＪＩＢ加工装置の光軸合わせおよびマ
スク開口部の軸合わせを示す説明図。

【図５】図１のＰＪＩＢ加工装置の光軸合わせおよびマ
スク開口部の軸合わせを示す説明図。

【図６】ＰＪＩＢ加工装置の２つのビーム状態を示す説
明図。

【図７】ＰＪＩＢとＦＩＢにおけるパターン加工の加工
エッジぼけとビーム電流の関係を示す代表的グラフ。

【図８】本発明の３段レンズ構成の投射型イオンビーム
（ＰＪＩＢ）加工装置を示す全体構成図。

【図９】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レンズ
と試料との間に設置した試料高さ測定部を示す構成図。

【図１０】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１１】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１２】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１３】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１４】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１５】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１６】本発明のＰＪＩＢ加工装置の第２の静電レン
ズと試料との間に設置した試料高さ測定部の一実施例を
示す断面図。

【図１７】本発明のＰＪＩＢ加工装置の一実施例を示す
断面図。

【図１８】従来のＰＪＩＢ加工装置を示す概略図。

【符号の説明】

１…イオン源、２…第１の静電レンズ、３…ブランキン
グ偏向器、４…第１の１段構成の静電偏向器、５…第２
の１段構成の静電偏向器、６…２段構成静電偏向器、７
…第２の静電レンズ、８，５９…試料、９…試料ステー
ジ、１０…二次粒子（二次電子や二次イオンなど）、１
１…二次電子検出器、１２…ビーム制限絞り、１３，１
５…駆動部、１４…マスク、１６…ブランキング板、１
７…ビーム制御部、１８…ＣＲＴ、１９…真空容器、２
０，６３…イオンビーム、２１ａ…ＰＪＩＢ加工用の大
きな開口、２１ｂ…調整用の小さな開口、２２…光源
部、２３…光検出部、２４…発射されたレーザー光線、
２５…反射したレーザー光線、２６…レーザー発光素
子、２７…ポジションセンサ、２８，２９…集光レン
ズ、３７…固定機構、５１…イオン源、５４…第１の静
電レンズ、５６…マスク、５７…第２の静電レンズ。

フロントページの続き (72)発明者 間所 祐一 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5C033 BB01 BB02 BB09 5C034 AA02 AA03 AA09 AB03 AB05

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン源からの放出イオンを第１の静電レ
   ンズで集めてマスクを照射し、該マスクの開口パターン
   を第２の静電レンズにより試料上に投射して該試料を加
   工する投射型イオンビーム加工装置において、該イオン
   源から該試料側に順に該第１の静電レンズ，第１の静電
   偏向器，該マスク，第２の静電偏向器，第２の静電レン
   ズ、および該試料と並び、かつ、該第１の静電偏向器と
   該第２の静電偏向器とを同時に組み合わせて動作させた
   場合の組み合わせビーム走査の偏向中心が該第２の静電
   レンズのレンズ中心におおむね位置し、また、該放出イ
   オンの放出角を制限するビーム制限絞りが該イオン源と
   該第１の静電偏向器との間に位置していることを特徴と
   した投射型イオンビーム加工装置。
2. 【請求項２】該第２の静電レンズが２段の静電レンズか
   ら構成されていることを特徴とした請求項１の投射型イ
   オンビーム加工装置。
3. 【請求項３】該第１の静電レンズと該第２の静電レンズ
   のレンズ強度の制御により、該イオン源の像を該試料上
   に位置させる集束イオンビームをも形成することを特徴
   とした請求項１または２の投射型イオンビーム加工装
   置。
4. 【請求項４】該試料の投射加工の概領域位置での試料高
   さの計測手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１項に記載の投射型イオンビーム加工装置。
5. 【請求項５】該試料高さの計測手段が該試料表面に対し
   て斜め方向から光ビームを照射する光源部および該試料
   表面で反射した光ビームを受光してその受光位置を検出
   する光検出部からなり、かつ、該照射光ビームと該反射
   光ビームが該第２の静電レンズと該試料との間に配置し
   ていることを特徴とする請求項４の投射型イオンビーム
   加工装置。
6. 【請求項６】該試料をＸおよびＹ方向に駆動する機構に
   加えて高さ方向、即ちＺ方向への駆動機構も合わせ持つ
   試料ステージを備えたことを特徴とする請求項１〜５の
   いずれか１項に記載の投射型イオンビーム加工装置。