JP2007103107A - 荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビームの照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 荷電粒子ビームの収差を抑えビーム径を小さくするとともに、低エネルギーで荷電粒子ビームを安定して照射することが可能な荷電粒子ビーム装置及びその照射方法を提供する。また、荷電粒子ビームの量及びエネルギー並びに荷電粒子ビームの集束を自在に調整することが可能な荷電粒子ビーム装置及びその照射方法を提供する。
【解決手段】 荷電粒子ビーム装置１は、加速電圧Ｅを印加された荷電粒子供給部３と、荷電粒子ビームＢを引き出し加速させる加速手段４と、荷電粒子ビームＢを集束し接地された試料表面Ｓに照射する集束手段５とを備えている。加速手段４及び集束手段５は、バイポテンシャルレンズ８、９を備える。出射側電極８ｃと入射側電極９ａは、荷電粒子ビームＢの極性と異なる極性の電圧を印加する中間加速電源１４と接続される。入射側電極８ａは引き出し電源１１と接続され、出射側電極９ｃは接地されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、新素材、半導体デバイス、フォトマスク、Ｘ線マスク、記憶素子、磁気ヘッドなどの微細構造物に荷電粒子ビームを照射し、加工あるいは観察する荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビームの照射方法に関する。特に、試料に到達する荷電粒子ビームのエネルギーを２０ｋｅＶ未満とする場合の荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビームの照射方法に関する。

従来から、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）の試料作成やフォトマスクの修正として、荷電粒子ビーム装置で対象箇所に荷電粒子ビームを照射して加工を行う方法が提案されている。しかし、近年、荷電粒子ビームの照射によるＴＥＭ試料やフォトマスクなどの被照射物のダメージが問題となっている。すなわち、ＴＥＭ試料作成においては、試料の結晶格子の欠陥、非晶質化などが生じ、ＴＥＭ画質の低下を招いている。また、フォトマスクの修正においては、照射された荷電粒子ビームの荷電粒子がクォーツ部にも進入してしまい、クォーツ部の透過率が減少してしまうことが問題となっている。これらの被照射物のダメージは、照射される荷電粒子ビームのエネルギーを小さくすることによって改善される一方、荷電粒子ビームのエネルギーに反比例して集束レンズの収差（主に色収差）は大きくなってしまう。このため、荷電粒子ビームを所定のビーム径まで集束することができないことで、高精度の加工が行えなくなってしまう問題があった。このような問題に対応するものとして、下記に示すような荷電粒子ビーム装置が提案されている。

すなわち、イオン源と、イオン源からの荷電粒子ビームを試料に集束するための集束レンズと、偏向するための偏向手段と、試料に電圧を印加するための電源と、偏向手段への偏向信号強度を試料に印加される電圧に応じて制御するための手段とを備えた荷電粒子ビーム装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような荷電粒子ビーム装置によれば、荷電粒子ビームのエネルギーを大きくして集束レンズによって効果的に集束させるとともに、試料に印加された電圧によって、荷電粒子ビームのエネルギーを小さくして、試料のダメージを抑えることができるとされている。

また、集束レンズと試料との間に試料と同電位となる補助電極を配置し、微小開口を介して活性ガスを吹き出し可能なガスノズルが、試料と補助電極との間に配置されている荷電粒子ビーム装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような荷電粒子ビーム装置によれば、補助電極に印加された電圧によって、荷電粒子ビームのエネルギーを小さくするとともに、試料と補助電極との間を無電場とすることができ、試料への活性ガス供給に伴う放電を防止しつつガスアシストエッチングを行うことができるとされている。

また、試料を接地電位に保持するとともに、引き出し電圧を加速電圧と逆極性の値に設定して、電位差によってイオン源から荷電粒子ビームを引き出し照射する荷電粒子ビーム装置で、引き出し電圧と同電位に印加され、荷電粒子ビームを通過させる高電圧チューブと、高電圧チューブと所定の間隔を保って高電圧チューブをシールドするシールドチューブとを備える荷電粒子ビーム装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。このような荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビームを散乱させずに、試料を接地電位として、低エネルギーの荷電粒子ビームを試料に照射させることができるとされている。
特開平３−２６１０５号公報 特開昭６４−１９６６７号公報 特開平５−２８９４７号公報

しかしながら、特許文献１においては、集束レンズと試料との間に減速電場による凹レンズが形成されているので、試料形状に依存して放電してしまい、試料の損傷や装置の故障の恐れがあった。また、試料が絶縁体である場合、電場によって試料表面に電荷が誘起され、荷電粒子ビームの照射による電荷注入、二次電子放出などとあいまって表面電位が不安定となってしまう。このため、荷電粒子ビームが電位変化の影響を受けて照射点が定まらず高精度加工ができなくなる問題があった。

また、特許文献２においては、電極と試料との間を無電場とすることで、上述のような放電を防止することが可能ではあるが、試料を高電圧に印加させることには変りない。また、試料の交換は搬送アームやロボットアームを使用して行われるので、その都度に、試料及び試料と同電圧に印加されるガスノズル、補助電極、検出器等の印加された電圧を解除し、再び同電位に電圧を印加させる必要があった。そして、１箇所でも絶縁劣化があると放電する可能性があり、信頼性の面で問題があった。

さらに、特許文献３においては、試料を接地電位として、これらの問題を解決することが可能であるが、集束レンズとシールドチューブ間に電界が存在し、寄生レンズ作用が発生してしまう。このため、製作精度に起因する光軸ずれが発生し、軸外収差によりビーム径が増大してしまう問題があった。また、引き出し電極と集束レンズとが同電位であるため、イオン源から引き出される荷電粒子ビームの量を調整するために引き出し電圧を変化させると、荷電粒子ビームの軌道も影響を受けてしまう問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、荷電粒子ビームの収差を抑え、ビーム径を小さくするとともに、低エネルギーで荷電粒子ビームを安定して照射することが可能な荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビームの照射方法を提供する。また、荷電粒子ビームの量及びエネルギー並びに荷電粒子ビームの集束を自在に調整することが可能な荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子の照射方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、接地された試料表面に荷電粒子ビームを放出し照射する荷電粒子供給部と、該荷電粒子供給部に接続され、加速電圧を印加する加速電源と、前記荷電粒子供給部から前記荷電粒子ビームを引き出し、加速させる加速手段と、該加速手段で加速された前記荷電粒子ビームを集束し、前記試料表面に照射する集束手段とを備えた荷電粒子ビーム装置であって、前記加速手段及び前記集束手段のそれぞれは、入射側電極、中間電極及び出射側電極の異なる電圧を印加させることが可能である３つの電極が並列されたバイポテンシャルレンズを少なくとも一つ備え、前記加速手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極と、前記集束手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極のそれぞれは、前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加する中間加速電源と接続されるとともに、前記加速手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極は該入射側電極に電圧を印加する引き出し電源と接続され、前記集束手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極は接地されていることを特徴としている。

この発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、加速手段及び集束手段にバイポテンシャルレンズを備え、加速電圧とバイポテンシャルレンズの出射側電極に印加される電圧との電位差（出射側電極のポテンシャル）によって、荷電粒子ビームを加速及び減速させるとともに、入射側電極、中間電極及び出射側電極の３つの電極で形成される電場によって、荷電粒子ビームを集束させることができる。また、バイポテンシャルレンズは、加速電圧と入射側電極に印加される電圧との電位差（入射側電極のポテンシャル）と、加速電圧と出射側電極に印加される電圧との電位差（出射側電極のポテンシャル）との比が大きくなるにつれて、荷電粒子ビームの収差を小さくすることができる。つまり、荷電粒子ビームを加速または減速させるともに、効果的に集束し、ビーム径を小さくして照射することができる。

このため、荷電粒子ビームは、加速手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極のポテンシャルによって、荷電粒子供給部から引き出される。そして、入射側電極のポテンシャルと、中間加速電源に接続された出射側電極のポテンシャルとの関係によって収差を小さく抑えるとともに、加速され高エネルギー状態となる。次に、加速手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極と同電位である集束手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極に高エネルギー状態のまま等速度で入射し、接地された出射側電極のポテンシャルによって、減速し低エネルギー状態になるとともに、荷電粒子ビームは効果的に集束され、小さいビーム径で試料に照射される。また、集束手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極と試料との間は、互いに接地されており無電場となっている。このため、放電などの恐れが無く安定して荷電粒子ビームを試料に照射することができる。

また、上述のように、加速手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極は引き出し電源に接続され、出射側電極は中間加速電源に接続されている。このため、荷電粒子供給部から引き出される荷電粒子ビームの量が最適となるように、引き出し電源によって入射側電極の電圧を設定することができる。また、荷電粒子ビームを高エネルギー状態として効果的に集束されるように、中間加速電源によって加速手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極及び集束手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極の電圧を設定することができる。さらに、加速手段と集束手段とをバイポテンシャルレンズとすることで、これらバイポテンシャルレンズの間、及び集束手段のバイポテンシャルレンズと試料との間を無電場とすることができるので、特許文献３のような寄生レンズ作用が発生しない。特許文献３では、集束レンズとシールドチューブ間の電界による寄生レンズの組み立て精度に起因する軸外収差が問題となる。一方、本発明による構造では、図２に示すバイポテンシャルレンズの３枚電極の中心度及び傾きの組み立て精度を確保することで軸外収差の発生を抑制することができる。その結果イオンビーム光学系全体の収差を小さく抑えることが可能である。

また、上記の荷電粒子ビーム装置において、前記加速手段のバイポテンシャルレンズの中間電極は、該中間電極に前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加するコンデンサレンズ電源と接続されるとともに、前記集束手段のバイポテンシャルレンズの中間電極は、該中間電極に前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加する対物レンズ電源に接続されていることがより好ましいとされている。

この発明に係わる荷電粒子ビーム装置によれば、加速手段及び集束手段のそれぞれのバイポテンシャルレンズの中間電極は、それぞれコンデンサレンズ電源及び対物レンズ電源に接続されていて、単独で電圧を設定することができる。そして、印加される電圧の極性を荷電粒子ビームの極性と異なる極性とすることによって、荷電粒子ビームが中間電極で加速される加速モードとなり、さらに収差を小さくすることができ、荷電粒子ビームを効果的に集束させることができる。

また、本発明は、加速電圧が印加された荷電粒子供給部から前記加速電圧との電位差によって引き出され、加速された荷電粒子ビームを試料表面に照射する荷電粒子ビームの照射方法であって、前記荷電粒子ビームを加速させる加速工程と、前記荷電粒子ビームを集束させる集束工程とを備え、前記加速工程において、入射側電極、中間電極及び出射側電極の異なる電圧を印加させることが可能である３つの電極が並列された第一のバイポテンシャルレンズを配置し、前記第一のバイポテンシャルレンズの入射側電極に電圧を印加して、前記加速電圧との電位差によって前記荷電粒子ビームを引き出し、前記第一のバイポテンシャルレンズに入射させるとともに、前記第一のバイポテンシャルレンズの中間電極及び出射側電極のそれぞれには前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加し、前記入射側電極、前記中間電極及び前記出射側電極によって形成される電場によって荷電粒子ビームの収差を抑えるとともに、前記加速電圧と前記出射側電極に印加された電圧との電位差によって前記荷電粒子ビームを加速させ、前記集束工程において、第二のバイポテンシャルレンズを配置し、入射側電極の電圧を前記第一のバイポテンシャルレンズの出射側電極と等電位にすることで、等速度で入射させるとともに、中間電極には前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加し、出射側電極を接地し、前記加速電圧と接地された前記出射側電極との電位差によって減速させるとともに、入射側電極、中間電極及び出射側電極によって形成される電場によって荷電粒子ビームを集束させて接地された試料表面に照射させることを特徴としている。

この発明に係わる荷電粒子ビームの照射方法によれば、加速工程において、加速電圧と第一のバイポテンシャルレンズの入射電極に印加された電圧との電位差（入射側電極のポテンシャル）によって、荷電粒子供給部から最適な量の荷電粒子ビームを引き出すことができる。そして、中間電極及び出射側電極のそれぞれに荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加することによって、収差を小さく抑えつつ加速させ、荷電粒子ビームを高エネルギー状態とすることができる。次に、集束工程において、第二のバイポテンシャルレンズの入射側電極を第一のバイポテンシャルレンズの出射側電極と等電位とし、中間電極に荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加し、出射側電極を接地することで、高エネルギー状態となった荷電粒子ビームを減速させ、低エネルギー状態とするとともに、集束させて、接地された試料表面に荷電粒子ビームを照射することができる。

本発明の荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビームの照射方法によれば、加速工程及び集束工程にバイポテンシャルレンズを配置している。このため、照射される荷電粒子ビームの量及びエネルギー並びに荷電粒子ビームの集束を自在に調整して、接地された試料に安定して照射することができる。そして、試料に照射される荷電粒子ビームを低エネルギーとするとともに、収差を抑えビーム径を小さくすることができる。このため、荷電粒子ビームの照射に伴う試料のダメージを最小限に抑えるとともに、高精度に試料を加工することができる。

（第１の実施形態）
図１から図４は、この発明に係る実施形態を示している。図１に荷電粒子ビーム装置の構成図を示す。また、図２にバイポテンシャルレンズの断面図、図３にバイポテンシャルレンズの概略図、図４にバイポテンシャルレンズの特性の表わすグラフを示す。

図１に示すように、イオンビーム装置１（荷電粒子ビーム装置）は、試料Ｐを配置する試料設置部２と、試料Ｐの表面（以下、試料表面Ｓとする）に照射されるイオンビームＢ（荷電粒子ビーム）を供給するイオン供給部３（荷電粒子供給部）と、イオン供給部３からイオンビームＢを引き出し加速させる加速手段４と、加速手段４によって加速されたイオンビームＢを減速し、集束させる集束手段５とを備える。試料Ｐは、例えば、フォトリソグラフィにおけるフォトマスクである。また、図１に示すように、試料Ｐは、試料設置部２に配置されることで、接地された状態となっている。

図１に示すように、イオン供給部３にはイオン源６が備えられている。イオン源６は、例えば、液体ガリウムであり、図示しないフィラメントが設けられていて、フィラメント電源６ａと接続されている。このため、イオン源６は、フィラメントによって熱せられて常に液体状態に保たれ、周辺に生じる電位差によってイオンビームＢであるガリウムイオン（Ｇａ^＋）を放出可能な状態になっている。さらに、イオン供給部３には電圧を調整可能な加速電源７が接続され、正の加速電圧Ｅが印加されている。

また、加速手段４及び集束手段５には、それぞれ第一のバイポテンシャルレンズ８及び第二のバイポテンシャルレンズ９が備えられている。図２に示すように、第一のバイポテンシャルレンズ８及び第二のバイポテンシャルレンズ９は、それぞれ、入射側電極８ａ、９ａ、中間電極８ｂ、９ｂ及び出射側電極８ｃ、９ｃが、絶縁碍子１０によって電気的に絶縁された状態で並列されているとともに、それぞれ異なる電圧を印加させることが可能となっている。また、入射側電極８ａ、９ａ、中間電極８ｂ、９ｂ及び出射側電極８ｃ、９ｃには、同軸に貫通する貫通孔８ｄ、９ｄが形成され、入射されたイオンビームＢが貫通可能な構成となっている。

ここで、図３に示すように、これらのバイポテンシャルレンズの入射側電極８ａ、９ａのポテンシャルをＶ１、中間電極８ｂ、９ｂのポテンシャルをＶ２、及び出射側電極８ｃ、９ｃのポテンシャルをＶ３とする。ポテンシャルは、加速電圧Ｅと各々の電極に印加されたレンズ電圧とによって、ポテンシャル＝加速電圧Ｅ−レンズ電圧で決定される。入射側電極８ａ、９ａ、中間電極８ｂ、９ｂ及び出射側電極８ｃ、９ｃの間に電場を形成することができる。そして、この形成された電場によって、貫通孔８ｄ、９ｄを貫通するイオンビームＢを集束させることができる。また、入射側電極８ａ、９ａのポテンシャルＶ１と、出射側電極８ｃ、９ｃのポテンシャルＶ３との差によって、貫通孔８ｄ、９ｄを貫通するイオンビームＢは入射速度より加速（減速）される。つまり、バイポテンシャルレンズに入射された陽イオン（Ｇａ^＋）であるイオンビームＢは、Ｖ１＞Ｖ３である場合は入射速度より減速して出射されて、Ｖ３＜Ｖ１である場合は入射速度より加速して出射される。さらに、図４に示すように、入射側電極８ａ、９ａのポテンシャルＶ１、出射側電極８ｃ、９ｃのポテンシャルＶ３との比Ｖ１／Ｖ３が大きくなるにつれて、像面Ｓ１（例えば、図３に示すように、出射側電極８ｃ、９ｃから１５ｍｍ離れた面）での色収差係数Ｃｃ、球面収差係数Ｃｓは、ともに小さくなる。なお、対物レンズ（集束手段５）の場合は、Ｖ１＞Ｖ３の条件で使用する。また、図３及び図４は、対物レンズ（集束手段５）についての説明図であるが、コンデンサレンズ（加速手段４）についても同様に考えることができる。図３の上下を反転して、像面Ｓ１を物面（イオン源６）に置き換える。各電極のポテンシャルを表わす記号はそのままとする。イオンビームＢの軌道は前述の対物レンズ（集束手段５）とは逆方向に走ることになる。軌道の相反性により、物面での収差係数は図４に示すようになる。像面Ｓ１での収差を小さくするためには、物面での収差を小さくする必要がある。従って、コンデンサレンズもＶ１＞Ｖ３の条件で使用するれば収差を小さく抑えることができる。

つまり、バイポテンシャルレンズにおいては、ポテンシャルＶ１とポテンシャルＶ３の差を大きくすることによって、入射されたイオンビームＢをさらに加速（減速）するとともに、ポテンシャルＶ１とポテンシャルＶ３との比も大きくなることで、収差を小さくしてイオンビームＢを効果的に集束し出射させることができる。さらに、バイポテンシャルレンズには、中間電極８ｂ、９ｂをイオンビームＢの極性と異なる極性（イオンビームＢがガリウムイオン（陽極）である場合には陰極）とする加速モードと、同じ極性とする減速モードとがある。バイポテンシャルレンズは、加速モードとすることで、さらにイオンビームＢの収差を小さくすることができる。

図１に示すように、第一のバイポテンシャルレンズ８の入射側電極８ａは、電圧を調整可能な引き出し電源１１の陰極と接続されている。また、引き出し電源１１の陽極は、加速電源７の陽極と接続されていて、これにより第一のバイポテンシャルレンズ８の入射側電極８ａの電圧をイオン供給部３の電圧よりも相対的に低電位とすることができる。また、中間電極８ｂは電圧を調整可能なコンデンサレンズ電源１２の陰極と接続されていて、イオンビームＢの極性（陽極）と異なる極性である負の電圧が印加されている。さらに、第一のバイポテンシャルレンズ８の出射側電極８ｃと第二のバイポテンシャルレンズ９の入射側電極９ａとは、導電性を有する中間加速管１３で接続されているとともに、中間加速管１３は電圧を調整可能な中間加速電源１４の陰極と接続されている。このため、第一のバイポテンシャルレンズ８の出射側電極８ｃ、第二のバイポテンシャルレンズ９の入射側電極９ａ及び中間加速電源１４の内部は、イオンビームＢの極性（陽極）と異なる極性である負の電圧が等しく印加されている。また、第二のバイポテンシャルレンズ９の中間電極９ｂは、電圧を調整可能な対物レンズ電源１５の陰極と接続されていて、イオンビームＢの極性（陽極）と異なる極性である負の電圧が印加されている。さらに、出射側電極９ｃは接地されており、同じく接地されている試料Ｐとの間には電場が形成されない構成となっている。

また、図１に示すように、イオンビーム装置１は、さらに中間加速管１３の内部において、照射されるイオンビームＢのＯＮ／ＯＦＦを行うブランキング電極１６と、イオンビームＢの光軸のずれを修正するアライメント電極１７と、イオンビームＢの断面形状の歪みを補正し、真円に形成する非点補正器１８とを備えている。ブランキング電極１６は、ブランキング電源１９と接続され、電圧を印加することで、通過するイオンビームＢを試料Ｐに照射されないように偏向させることができる。また、アライメント電極１７は、アライメント電源２０と接続され、電圧を印加し電場を形成することで、通過するイオンビームＢの光軸を修正することができる。さらに、非点補正器１８は、非点補正電源２１と接続され、電圧を印加し電場を形成することで、通過するイオンビームＢの断面形状の歪みを修正することができる。また、イオンビーム装置１は、第二のバイポテンシャルレンズ９と試料Ｐとの間に走査電極２２を備えている。走査電極２２は走査電源２３と接続され、走査電源２３の電圧の操作によって、通過するイオンビームＢの試料表面Ｓに照射する位置を調整することができる。

なお、図示しないが、試料表面Ｓの加工位置にアシストガスを吐出させるガス銃や、試料表面ＳにイオンビームＢを照射した際に発生する二次電子を検出する二次電子検出器や二次イオンを検出する二次イオン検出器などを試料表面Ｓ付近に設ける構成としても良い。ガス銃によって試料表面Ｓの加工位置に選択的にアシストガスを供給することで、試料表面Ｓを効果的にエッチングする、あるいはデポジションを行うことができる。また、二次電子検出器や二次イオン検出器によって、イオンビームＢが照射された試料表面Ｓの状態を観察することができる。これら、ガス銃、二次電子検出器及び二次イオン検出器などは、試料Ｐ及び第二のバイポテンシャルレンズ９の出射側電極９ｃが接地された等電位の環境のもとで設けることができるので、絶縁処理する必要なく操作することができる。

次に、イオンビーム装置１の作用について説明する。図１に示すように、イオン供給部３のイオン源６であるガリウムは、図示しないフィラメントによって、常に液体の状態に保たれている。そして、加速電源７の電圧が、例えば、１０ｋＶに設定されていることで、イオン供給部３には＋１０ｋＶの加速電圧Ｅが印加されている。また、引き出し電源１１は、例えば、６ｋＶの電圧に設定されていることで、第一のバイポテンシャルレンズ８の入射側電極８ａには＋４ｋＶの電圧が印加されることになる。つまり、加速電圧Ｅと第一のバイポテンシャルレンズ８の入射側電極８ａに印加された電圧とによって６ｋＶの電位差（入射側電極８ａのポテンシャル）が生じており、この入射側電極８ａのポテンシャルによってイオン源６である液体ガリウムは、ガリウムイオン（Ｇａ^＋）となってイオン供給部３から引き出され、加速手段４である第一のバイポテンシャルレンズ８にイオンビームＢとなって入射される。

また、コンデンサレンズ電源１２は、例えば２０ｋＶの電圧に設定され、中間加速電源１４は、例えば１０ｋＶの電圧に設定されている。このため、第一のバイポテンシャルレンズ８の中間電極８ｂは−２０ｋＶの電圧に、出射側電極８ｃは−１０ｋＶの電圧にそれぞれ印加されて、出射側電極８ｃのポテンシャルは２０ｋＶとなる。このため、第一のバイポテンシャルレンズ８では、入射側電極８ａのポテンシャルと出射側電極８ｃのポテンシャルとの比Ｖ１／Ｖ３（２０／６＝３．３）を大きな値とし、また中間電極８ｂに負の電圧を印加した加速モードとすることで、入射したイオンビームＢは、収差を小さく抑えるとともに、出射側電極８ｃのポテンシャルによって２０ｋｅＶに加速され、高エネルギー状態となる。

次に、第一のバイポテンシャルレンズ８で加速されたイオンビームＢは、第二のバイポテンシャルレンズ９まで、等電位である中間加速管１３の内部を等速度で通過する。この際、必要に応じてブランキング電極１６によってＯＮ／ＯＦＦされ、アライメント電極１７によって光軸を修正され、非点補正器１８によって断面形状の歪みを修正され、第二のバイポテンシャルレンズ９に入射する。ここで、対物レンズ電源１５は、例えば２０ｋＶの電圧に設定されている。このため、第二のバイポテンシャルレンズ９の中間電極９ｂは、−２０ｋＶの電圧に印加されている。また、出射側電極９ｃは接地されているので０ｋＶとなっている。つまり、第二のバイポテンシャルレンズ９においては、入射側電極９ａのポテンシャルは２０ｋＶであり、出射側電極９ｃのポテンシャルは１０ｋＶとなり、入射側電極９ａのポテンシャルと出射側電極９ｃのポテンシャルとの比Ｖ１／Ｖ３（２０／１０＝２）を大きくすることができる。このため、第二のバイポテンシャルレンズ９に入射したイオンビームＢは、出射側電極９ｃのポテンシャルによって１０ｋＶに減速されるとともに、入射側電極９ａ、中間電極９ｂ及び出射側電極９ｃとで形成される電場によって、収差を小さく抑えて効果的に集束され、出射される。このため、第二のバイポテンシャルレンズ９で集束されたイオンビームＢは、小さいビーム径で、かつ低エネルギー状態で試料表面Ｓに照射される。また、第二のバイポテンシャルレンズ９の出射側電極９ｃと試料Ｐとの間は、互いに接地されていて無電場であることで、イオンビームＢは電場の影響を受けずに安定した状態として、走査電極２２で所定の加工位置に照射するように走査され、試料表面Ｓに照射される。

以上のように、本実施形態のイオンビーム装置１では、加速手段４における第一のバイポテンシャルレンズ８及び集束手段５における第二のバイポテンシャルレンズ９の二つのバイポテンシャルレンズの特性によって、加速し高エネルギー状態とした後に減速させることで、収差を小さくし効果的に集束させて、ビーム径を小さくすることができる。また、二つのバイポテンシャルレンズで加速し減速することで、イオンビームＢは最終的には加速電源７によって印加された加速電圧Ｅによるエネルギーのみで、低エネルギー状態として試料表面Ｓに照射される。このため、照射される試料Ｐのダメージを最小限に抑えるとともに、高精度に試料Ｐを加工することができる。

なお、各電源の電圧の設定は上述したものに限らず、各電源の性能に応じて電圧を設定することが可能である。このため、イオン供給部３に接続されている加速電源７は試料Ｐに照射される際のイオンビームＢのエネルギーを最適なものとするように電圧を設定することができる。また、引き出し電源１１の電圧は、イオン源６から引き出されるイオンビームＢの量が最適となるように設定することができる。さらに、中間加速電源１４の電圧は、第一のバイポテンシャルレンズ８及び第二のバイポテンシャルレンズ９における入射側電極８ａ、９ａのポテンシャルＶ１と、出射側電極８ｃ、９ｃのポテンシャルＶ３との比を大きくし、収差を小さくするように設定することができる。また、第二のバイポテンシャルレンズ９の出射側電極９ｃと試料Ｐとは、他の電極と関係無く常に接地した状態とすることで、安定したイオンビームＢの照射を実現することができる。つまり、加速手段４及び集束手段５において、それぞれバイポテンシャルレンズを備えることによって、照射されるイオンビームＢの量及びエネルギー並びにイオンビームＢの集束を自在に調整し、安定して照射することができる。また、第一のバイポテンシャルレンズ８と、第二のバイポテンシャルレンズ９との間、及び第二のバイポテンシャルレンズ９と試料Ｐとの間を無電場とすることができ、特許文献３のような寄生レンズ作用が発生しない。このため、それぞれのバイポテンシャルレンズの各電極の組み立て精度を確保することで軸外収差の発生を抑制することができる。その結果イオンビーム光学系全体の収差を小さく抑えることが可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、イオンビーム装置１において加工される試料Ｐをフォトマスクとしたが、これに限るものでは無い。例えば、ＴＥＭで観察される試料などとして、ＴＥＭで観察することが可能となるように試料を薄片に加工するのにイオンビーム装置１を使用するものとしても良い。また、試料Ｐは接地された状態にあるので、絶縁体であっても良い。また、イオン供給部３のイオン源６は液体ガリウムであり、イオンビームＢをガリウムイオン（Ｇａ^＋）としたがこれに限るものでは無い。イオン源６は、液体に限らず固体や気体でも良く、また、陰イオンでも良く、例えば、希ガス（Ａｒ）やアルカリ金属（Ｃｓ）などをイオン種とするイオン源としても良い。さらには、イオンビームに限らず、電子ビームなど電荷を帯びた粒子である荷電粒子ビームであれば良い。ただし、陰イオンによるイオンビームあるいは電子ビームなど負の電荷を帯びた粒子の場合には、前述の実施形態において各々に印加された電圧の正負を逆にする必要がある。

また、加速手段４に第一のバイポテンシャルレンズ８、集束手段５に第二のバイポテンシャルレンズ９が備えられているとしたが、これに限ることは無い。加速手段４及び集束手段５のそれぞれに少なくとも一つずつのバイポテンシャルレンズが備えられていれば良く、それぞれに複数のバイポテンシャルレンズが設けられる構成としても良い。

この発明の実施形態のイオンビーム装置の構成図である。 この発明の実施形態のバイポテンシャルレンズの断面図である。 この発明の実施形態のバイポテンシャルレンズの概略図である。 この発明の実施形態のバイポテンシャルレンズの特性を示すグラフである。

符号の説明

１ イオンビーム装置（荷電粒子ビーム装置）
３ イオン供給部（荷電粒子供給部）
４ 加速手段
５ 集束手段
７ 加速電源
８ 第一のバイポテンシャルレンズ
８ａ 入射側電極
８ｂ 中間電極
８ｃ 出射側電極
９ 第二のバイポテンシャルレンズ
９ａ 入射側電極
９ｂ 中間電極
９ｃ 出射側電極
１１ 引き出し電源
１２ コンデンサレンズ電源
１４ 中間加速電源
１５ 対物レンズ電源
Ｂ イオンビーム（荷電粒子ビーム）
Ｅ 加速電圧
Ｐ 試料
Ｓ 試料表面

Claims (3)

1. 接地された試料表面に荷電粒子ビームを放出し照射する荷電粒子供給部と、
   該荷電粒子供給部に接続され、加速電圧を印加する加速電源と、
   前記荷電粒子供給部から前記荷電粒子ビームを引き出し、加速させる加速手段と、
   該加速手段で加速された前記荷電粒子ビームを集束し、前記試料表面に照射する集束手段とを備えた荷電粒子ビーム装置であって、
   前記加速手段及び前記集束手段のそれぞれは、入射側電極、中間電極及び出射側電極の異なる電圧を印加させることが可能である３つの電極が並列されたバイポテンシャルレンズを少なくとも一つ備え、
   前記加速手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極と、前記集束手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極のそれぞれは、前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加する中間加速電源と接続されるとともに、
   前記加速手段のバイポテンシャルレンズの入射側電極は該入射側電極に電圧を印加する引き出し電源と接続され、
   前記集束手段のバイポテンシャルレンズの出射側電極は接地されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記加速手段のバイポテンシャルレンズの中間電極は、該中間電極に前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加するコンデンサレンズ電源と接続されるとともに、
   前記集束手段のバイポテンシャルレンズの中間電極は、該中間電極に前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加する対物レンズ電源に接続されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 加速電圧が印加された荷電粒子供給部から前記加速電圧との電位差によって引き出され、加速された荷電粒子ビームを試料表面に照射する荷電粒子ビームの照射方法であって、
   前記荷電粒子ビームを加速させる加速工程と、前記荷電粒子ビームを集束させる集束工程とを備え、
   前記加速工程において、入射側電極、中間電極及び出射側電極の異なる電圧を印加させることが可能である３つの電極が並列された第一のバイポテンシャルレンズを配置し、前記第一のバイポテンシャルレンズの入射側電極に電圧を印加して、前記加速電圧との電位差によって前記荷電粒子ビームを引き出し、前記第一のバイポテンシャルレンズに入射させるとともに、前記第一のバイポテンシャルレンズの中間電極及び出射側電極のそれぞれには前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加し、前記入射側電極、前記中間電極及び前記出射側電極によって形成される電場によって荷電粒子ビームの収差を抑えるとともに、前記加速電圧と前記出射側電極に印加された電圧との電位差によって前記荷電粒子ビームを加速させ、
   前記集束工程において、第二のバイポテンシャルレンズを配置し、入射側電極の電圧を前記第一のバイポテンシャルレンズの出射側電極と等電位にすることで、等速度で入射させるとともに、中間電極には前記荷電粒子ビームの極性と異なる極性の電圧を印加し、出射側電極を接地し、前記加速電圧と接地された前記出射側電極との電位差によって減速させるとともに、入射側電極、中間電極及び出射側電極によって形成される電場によって荷電粒子ビームを集束させて接地された試料表面に照射させることを特徴とする荷電粒子ビームの照射方法。

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