JP2014186943A - 集束イオンビーム装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】イオンビームを放出可能なエミッタ11を内部に備えたイオン源室10と、イオン源室10から放出されたイオンビームを集束して照射する集束イオンビーム鏡筒20と、第一連通孔21を通じて内部が集束イオンビーム鏡筒20の内部と連通する予備室30と、予備室30の内部を真空にするための予備室用ポンプ35と、第一連通孔21を開閉可能とする開閉バルブ40と、第一連通孔21を通じて、集束イオンビーム鏡筒20の内部および予備室30の内部にイオン源室10を搬送する搬送装置45と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
集束イオンビーム装置は、イオンを放出するイオン源と、イオン源が放出したイオンビームを集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)にして照射する超高真空とされた集束イオンビーム鏡筒を備えている。
このような構成において、ガスを供給した後、エミッタと引出電極との間に引出電圧を印加させるとともにエミッタを冷却すると、ガスがエミッタ先端部の高電界によって電界電離してイオン化し、ガスイオンとなる。すると、このガスイオンは、正電位に保持されているエミッタから反発して引出電極側に引き出される。その後、イオン源から引き出されたガスイオンは、適度に加速されるとともに、超高真空とされた集束イオンビーム鏡筒によって集束され、集束イオンビームとなる。
ここで、エミッタは、超高真空とされた集束イオンビーム鏡筒の内部に設置されているため、消耗したエミッタを集束イオンビーム装置から取り出すためには、冷却装置を停止するとともに集束イオンビーム鏡筒を大気開放する必要がある。また、新しいエミッタを集束イオンビーム装置に装着した後、集束イオンビーム装置を再稼動するためには、集束イオンビーム鏡筒を加熱して内部の水分を蒸発させるとともに、超高真空となるまで減圧し、さらにエミッタを冷却して所定温度まで低下させる必要がある。このように、エミッタの交換には多くの工程が必要となるため、集束イオンビーム装置の停止時間が長くなるとういう課題があった。
また、予備室の内部を真空にするための予備室用ポンプを備えているので、使用済のイオン源室を取り出して未使用のイオン源室と交換した後、予備室用ポンプを駆動して予備室を真空状態とすることができる。そして、開閉バルブを開放し、搬送装置により予備室の内部から集束イオンビーム鏡筒の内部に未使用のイオン源室を搬送したあと、開閉バルブを閉鎖することで、集束イオンビーム鏡筒の内部を真空状態としたまま、集束イオンビーム鏡筒の内部に未使用のイオン源室を供給できる。
すなわち、使用済のイオン源室と未使用のイオン源室との交換を、集束イオンビーム鏡筒の内部を真空状態としたまま行うことができる。これにより、集束イオンビーム装置を再稼動する際に、集束イオンビーム鏡筒の内部を真空状態にする工程が不要となるので、エミッタの交換による集束イオンビーム装置の停止時間を短縮でき、集束イオンビーム装置の稼働率を向上できる。
また、予備室の内部を真空にするための予備室用ポンプを備えているので、使用済のイオン源室を取り出して未使用のイオン源室と交換した後、予備室用ポンプを駆動して予備室を真空状態とすることができる。そして、開閉バルブを開放し、搬送装置により予備室の内部から集束イオンビーム鏡筒の内部に未使用のイオン源室を搬送したあと、開閉バルブを閉鎖することで、集束イオンビーム鏡筒の内部を真空状態としたまま、集束イオンビーム鏡筒の内部に未使用のイオン源室を供給できる。
すなわち、使用済のイオン源室と未使用のイオン源室との交換を、集束イオンビーム鏡筒の内部を真空状態としたまま行うことができる。これにより、集束イオンビーム装置を再稼動する際に、集束イオンビーム鏡筒の内部を真空状態にする工程が不要となるので、エミッタの交換による集束イオンビーム装置の停止時間を短縮でき、集束イオンビーム装置の稼働率を向上できる。
図1は、実施形態に係る集束イオンビーム装置1の全体構成図である。集束イオンビーム装置1は、水平面に沿う不図示の床面に載置されている。なお、以下の説明では、水平面上で直交する軸線をそれぞれX軸およびY軸と定義し、X軸およびY軸と直交する軸線をZ軸と定義し、必要に応じてXYZの直交座標系を用いて説明をする。
ステージ3は、試料室2内に配置されて制御部7の指示に基づいて作動するようになっており、5軸に変位することができるようになっている。すなわち、このステージ3は、X軸、Y軸およびZ軸に沿って移動する水平移動機構と、ステージ3をX軸およびY軸回りに回転させて傾斜させるチルト機構と、ステージ3をZ軸回りに回転させるローテーション機構とから構成される変位機構によって支持されている。
ガス銃5は、デポジション膜の原料となる物質(例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボンやタングステン等)を含有した化合物ガスを原料ガスGとして供給するようになっている。この原料ガスGは、集束イオンビームFの照射によって発生した二次荷電粒子Rによって分解され、気体成分と固体成分とに分離するようになっている。また、デポジション膜の原料ガスGの代わりに、イオンビームエッチングを増進させるエッチングガスを用いて、ガスアシストエッチングをすることもできる。エッチングガスとしては、フッ素、塩素などのハロゲン系ガスを用いる。また、ガス銃5をデポジション用として、ガス銃5とは別にエッチング用のガス銃を備えても良い。
エミッタ11は、先端が先鋭化された針状の導電性部材であり、例えば、タングステン(W)等からなる基材にイリジウム(Ir)等の貴金属が被膜されることで形成されている。エミッタ11は、イオンビームを放出する放出源となっており、先端が試料Sを指向した状態でイオン源室10の内部に収容されている。
イオン源室10には、不図示のガス導入管が接続されており、エミッタ11の周囲に例えば水素やヘリウム、アルゴン等のイオン源ガスが供給可能とされている。
イオン源室10は、集束イオンビーム鏡筒20の内部に支持された端子台8に対して固定されている。端子台8は、エミッタ11に電圧を印加するためのものであり、不図示の接続端子を備えている。イオン源室10と端子台8とは、例えばイオン源室10に設けられた不図示の接続端子と端子台8の接続端子とが嵌合することにより、互いに着脱可能に接続される。このとき、イオン源室10内のエミッタ11および引出電極14と、端子台8とは、互いに電気的に接続される。また、端子台8は、集束イオンビーム鏡筒20の外部に設けられた引出電源部9に接続される。引出電源部9からエミッタ11および引出電極14に対して電圧を印加することにより、エミッタ11の最先端でイオン源ガスをイオン化させてガスイオンとするとともに、エミッタ11と引出電極14との間に電界を発生させ、ガスイオンを引出電極14側に引き出すことができる。
コンデンサレンズ23は、イオン源室10よりも試料S側において、Z方向に並んで複数枚(本実施形態では3枚)配設されている。コンデンサレンズ23は、イオン源室10の内部のエミッタ11から放出されたイオンビームを集束させて、集束イオンビームFとしている。
オリフィス25は、コンデンサレンズ23よりも試料S側に配設されている。オリフィス25は、オリフィス25よりもイオン源室10に、原料ガスGのガス分子等が侵入するのを抑制している。また、オリフィス25には、中央に微少な貫通孔が形成されている。これにより、イオンビームは、オリフィス25を通過可能とされる。
対物レンズ27は、オリフィス25よりも試料S側に配設されている。対物レンズ27は、集束イオンビームFの焦点を試料Sに合わせている。
第一連通孔21に対応する位置には、集束イオンビーム鏡筒20に隣接するように、予備室30が設けられている。予備室30の内部は、集束イオンビーム鏡筒20の内部と第一連通孔21(請求項の「連通孔」に相当。)を通じて連通している。また、予備室30の内部は、例えばイオン源室10を収容可能な大きさに形成されている。
また、予備室30の天壁31aには、開口部32を開放および閉塞する蓋部33が設けられている。蓋部33により開口部32を開放することで、予備室30の内部と外部とが開口部32を通じて連通される。また、蓋部33により開口部32を閉塞することで、予備室30の内部が密閉される。
アーム部47の先端部48には、不図示のクランプ機構が設けられている。アーム部47は、伸長することにより、開放された第一連通孔21を通じて、集束イオンビーム鏡筒20の内部に進入し、端子台8に固定されたイオン源室10を把持することができる。また、アーム部47は、端子台8に固定されたイオン源室10を把持しつつ収縮することにより、集束イオンビーム鏡筒20の内部から退避し、端子台8とイオン源室10との電気的および機械的接続を解除するとともに、イオン源室10を予備室30の内部に引き込むことができる。
また、制御部7は、引出電源部9と接続されるとともに引出電源部9を制御している。これにより、制御部7は、引出電圧や加速電圧、ビーム電流等を適宜変化させて、集束イオンビームFのビーム径を自在に調整できるようになっている。
また、制御部7は、検出器4で検出された二次荷電粒子Rを輝度信号に変換して観察画像データを生成した後、該観察画像データに基づいて表示部6に観察画像を出力させている。これにより、作業者は、表示部6を介して試料Sの観察画像を確認できる。
続いて、上述のように形成された集束イオンビーム装置1において、イオン源室10を交換するときの作用について説明する。なお、イオン源室10の交換前において、予備室30の内部は、集束イオンビーム鏡筒20の内部と同程度の超真空状態となっている。また、以下の説明では、使用済のイオン源室10をイオン源室10Aとして符号を付し、未使用のイオン源室10をイオン源室10Bとして符号を付している。
図2に示すように、まず、集束イオンビームF(図1参照)の照射時にイオン源室10内のエミッタ11に供給される、例えば水素やヘリウム、アルゴン等のイオン源ガスの供給を停止する。
続いて、冷却装置50の接続部55を使用済のイオン源室10Aから離反する方向に移動させる。これにより、冷却装置50と使用済のイオン源室10Aとの接続が解除される。
続いて、開閉バルブ40のバルブ部41を下方にスライド移動させて、第一連通孔21を開放する。このとき、予備室30の内部は、集束イオンビーム鏡筒20の内部と同程度の超真空状態となっているため、第一連通孔21を開放した場合であっても、集束イオンビーム鏡筒20の内部は、超真空状態に維持される。
続いて、搬送装置45のアーム部47を伸長させ、開放された第一連通孔21を通じて、集束イオンビーム鏡筒20の内部にアーム部47を進入させる。そして、アーム部47の先端部48のクランプ機構により、端子台8に固定された使用済のイオン源室10Aを把持する。
続いて、図3に示すように、使用済のイオン源室10Aを把持した状態で、搬送装置45のアーム部47を収縮させる。これにより、搬送装置45のアーム部47は、集束イオンビーム鏡筒20の内部から予備室30の内部に退避する。このとき、イオン源室10は、端子台8との電気的および機械的接続が解除されるとともに、予備室30の内部に引き込まれる。
続いて、開閉バルブ40のバルブ部41を上方にスライド移動させて、第一連通孔21を閉塞する。これにより、集束イオンビーム鏡筒20の内部と予備室30の内部とが分離されるとともに、集束イオンビーム鏡筒20および予備室30が密閉される。
続いて、図4に示すように、予備室30の蓋部33を開き、予備室30の開口部32を開放する。このとき、予備室30の内部は、大気開放される。
続いて、予備室30の開口部32から予備室30の外部に使用済のイオン源室10Aを取り出すとともに、予備室30の開口部32から予備室30の内部に未使用のイオン源室10Bを導入する。そして、未使用のイオン源室10Bを搬送装置45のアーム部47に把持させ、アーム部47の先端部48に未使用のイオン源室10Bを接続する。
続いて、図5に示すように、予備室30の蓋部33を閉じ、予備室30の開口部32を閉塞する。そして、アーム部47に設けられた加熱部48aに電流を供給して、未使用のイオン源室10Bを加熱するとともに、予備室用ポンプ35を駆動させて予備室30の内部の真空引きを行う。これにより、予備室30の内部の水分が除去されるとともに、予備室30の内部が再び超真空状態となる。
続いて、図6に示すように、開閉バルブ40のバルブ部41をスライド移動させて、第一連通孔21を開放する。このとき、予備室30の内部は、集束イオンビーム鏡筒20の内部と同程度の超真空状態となっているため、第一連通孔21を開放した場合であっても、集束イオンビーム鏡筒20の内部は、超真空状態に維持される。
続いて、搬送装置45のアーム部47を伸長させ、開放された第一連通孔21を通じて、集束イオンビーム鏡筒20の内部にアーム部47およびこのアーム部47に把持された未使用のイオン源室10Bを進入させる。そして、端子台8に未使用のイオン源室10Bを装着する。これにより、イオン源室10に設けられた不図示の接続端子と端子台8の接続端子とが嵌合し、端子台8と未使用のイオン源室10Bとが互いに着脱可能に接続されるとともに、イオン源室10内のエミッタ11および引出電極14と端子台8とが、互いに電気的に接続される。
続いて、冷却装置50の接続部55を、未使用のイオン源室10Bに対して接近する方向に移動させる。そして、冷却装置50の接続部55を未使用のイオン源室10Bに接続する。これにより、未使用のイオン源室10Bごとエミッタ11を冷却できる。
続いて、図7に示すように、搬送装置45のアーム部47による未使用のイオン源室10Bの把持を解除し、搬送装置45のアーム部47を収縮させる。これにより、搬送装置45のアーム部47は、集束イオンビーム鏡筒20の内部から予備室30の内部に退避する。
最後に、開閉バルブ40のバルブ部41を上方にスライド移動させて、第一連通孔21を閉塞する。
以上で、使用済のイオン源室10A(図2参照)と未使用のイオン源室10Bとの交換が終了する。
また、予備室30の内部を真空にするための予備室用ポンプ35を備えているので、使用済のイオン源室10Aを取り出して未使用のイオン源室10Bと交換した後、予備室用ポンプ35を駆動して予備室30を真空状態とすることができる。そして、開閉バルブ40を開放し、搬送装置45により予備室30の内部から集束イオンビーム鏡筒20の内部に未使用のイオン源室10Bを搬送したあと、開閉バルブ40を閉鎖することで、集束イオンビーム鏡筒20の内部を真空状態としたまま、集束イオンビーム鏡筒20の内部に未使用のイオン源室10Bを供給できる。
すなわち、使用済のイオン源室10Aと未使用のイオン源室10Bとの交換を、集束イオンビーム鏡筒20の内部を真空状態としたまま行うことができる。これにより、集束イオンビーム装置1を再稼動する際に、集束イオンビーム鏡筒20の内部を真空状態にする工程が不要となるので、エミッタ11の交換による集束イオンビーム装置1の停止時間を短縮でき、集束イオンビーム装置1の稼働率を向上できる。
Claims (4)
- イオンビームを放出可能なエミッタを内部に備えたイオン源室と、
前記イオン源室から放出された前記イオンビームを集束して照射する集束イオンビーム鏡筒と、
前記集束イオンビーム鏡筒の内部と連通孔を通じて連通する予備室と、
前記予備室を真空にするための予備室用ポンプと、
前記連通孔を開閉可能とする開閉バルブと、
前記連通孔を通じて、前記集束イオンビーム鏡筒の内部および前記予備室のいずれか一方から他方に前記イオン源室を搬送する搬送装置と、
を備えたことを特徴とする集束イオンビーム装置。 - 請求項1に記載の集束イオンビーム装置であって、
前記搬送装置は、前記予備室で前記イオン源室に接続されて、前記イオン源室ごと前記エミッタを加熱するための加熱部を備えていることを特徴とする集束イオンビーム装置。 - 請求項1または2に記載の集束イオンビーム装置であって、
前記集束イオンビーム鏡筒の内部には、前記イオン源室が接続されて前記エミッタに電圧を印加するための端子台が設けられ、
前記イオン源室は、前記端子台に対して着脱可能に取り付けられていることを特徴とする集束イオンビーム装置。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の集束イオンビーム装置であって、
前記イオン源室ごと前記エミッタを冷却するための冷却装置を備え、
前記冷却装置は、前記イオン源室に対して着脱可能な接続部を備え、
前記接続部は、弾性変形可能に形成されていることを特徴とする集束イオンビーム装置。
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