JP5432028B2

JP5432028B2 - 集束イオンビーム装置、チップ先端構造検査方法及びチップ先端構造再生方法

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Publication number: JP5432028B2
Application number: JP2010076350A
Authority: JP
Inventors: 貴志小川; 健一西中; 安彦杉山
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: JP2011210494A

Description

本発明は、チップ形状のビーム源から荷電粒子ビームを試料に照射し観察する荷電粒子ビーム装置に関するものである。

従来、集束イオンビーム装置のイオン源として液体金属ガリウムが用いられている。また、近年では、微細なチップにイオン源ガスを供給して、チップ先端に形成された強力な電界により、チップに吸着したイオン源ガス種をイオン化し、イオンビームを引き出す電界電離型イオン源を用いた集束イオンビームが開発されている。

先端を先鋭化した第一の金属、例えばＷ（１１１）に第二の金属、例えばＩｒを真空蒸着、メッキしたチップを使用するガスイオン源、もしくは電子源を備えた荷電粒子ビーム装置が開示されている（非特許文献１参照）。

ここでは、イオン源、もしくは電子源はチップを１０００から１１００Ｋで加熱を行うことで（２１１）面のファセットがおこり、先端から１原子で終端されたピラミッド構造となることを利用している。このピラミッド構造は熱的に安定であり、先端原子が破損しても、再度加熱することでピラミッド構造が再生する。

エミッター（ガスイオン源、もしくは電子源）の光源径が原子サイズと小さいことから、より小さなビーム径を持つイオンビーム、電子ビーム装置を実現することができる。

また、エミッターの構造を確認する手段として、イオンビーム光軸上にマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）、ミラーを配置しエミッターから放出されるイオンを検出し、ＣＣＤカメラで電界イオン（ＦＩＭ）像を取得してエミッターの先端構造を確認することが開示されている（特許文献１参照）。

特開昭６１−２６９３１４号公報

Ｔｓｕ−ＹｉＦｕ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ６４（２００１）１１３４０１

しかしながら、従来の装置では、エミッターの先端構造の確認のために、ＭＣＰ、ミラー、ＣＣＤカメラなどのシステムをイオンビーム照射系に設定する必要があり、複雑な装置構成となっていた。また、これらを導入するためにエミッターとレンズ系との距離が遠くなるため、光学調整が困難であった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＦＩＭ像取得のためのシステムを導入することなく、エミッターの先端構造を確認可能な集束イオンビーム装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る集束イオンビーム装置は、針状のチップと、チップにガスを供給するガス供給部と、チップ表面に吸着したガスをイオン化してイオンビームを引き出すためにチップとの間で電圧を印加する引出電極と、イオンビームの照射方向を調整するアライメント電極と、試料にイオンビームを集束させるレンズ系とを有する集束イオンビーム装置であり、電圧を変化させ、イオンビームの電流量を測定する電流測定部と、電流測定部で測定した測定データと標準データとを比較し、前記チップの良否判断処理する処理部とを有する。これにより、引出電圧を変化させたときの電流量を測定することができる。測定時と同じガス種、ガス圧力で先端構造が正常であるチップで測定した電流電圧の標準データと測定データとを比較することで、標準データとの差異が基準値よりも大きい場合は先端構造が正常ではないと判定することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、処理部でチップ不良と判断した場合に、チップの先端を再生処理するためにチップを加熱するフィラメントを有する。これにより装置内で試料観察とチップ再生を行うことができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、イオンビームの電流量を制限するためにイオンビーム照射軸上に開口部を移動可能で、引出電極よりも試料側に配置されたアパーチャを有する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、アパーチャが、イオンビームの電流量を測定するための絶縁された閉塞部を有する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、イオンビームを試料に照射しないように偏向する引出電極よりも試料側に配置されたブランキング電極と、ブランキング電極で偏向したイオンビームの電流量を測定するビーム測定電極と、を有する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、チップが第一の金属の上に第二の金属を被覆した構造である。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、第一の金属はタングステンまたはモリブデンであり、第二の金属は白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金のいずれか一つである。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、ガスが、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）のうちいずれか一つである。

本発明に係るチップ先端構造検査方法は、イオン源ガスを供給し、電圧を印加し、先端部からイオンビームを照射するチップのチップ先端構造検査方法であり、電圧を変化させ、イオンビームを電流測定部に照射し、電流量を測定する電流測定工程と、電圧と電流量の測定データと標準データとを比較し、チップの良否判断処理する処理工程と、からなる。これにより測定データからチップ先端構造が正常であるか否かを判定することができる。ここで、正常とはピラミッド構造を形成し、不純物などが付着していない状態である。

本発明に係るチップ先端構造再生方法は、チップ先端構造検査方法の処理工程でチップが不良であると判断した場合に、イオン源ガスを排気する排気工程と、チップの先端を再生処理するためにチップを加熱する加熱工程と、からなる。

本発明に係る集束イオンビーム装置によれば、ＦＩＭ像取得のためのシステムを導入することなく、エミッターの先端構造の確認を図ることができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。本発明に係る集束イオンビーム装置のイオン銃部の構成図である。本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。本発明に係る引出電圧とビーム電流の関係図である。

以下、本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態について説明する。
本実施形態の集束イオンビーム装置は、図１に示すように、針状のチップ１（エミッター）と、チップ１にガスを供給するイオン源用ガスノズル２とイオン源用ガス供給源３からなるガス供給部と、チップ１との間で電圧を印加し、チップ１の表面に吸着したガスをイオン化してイオンを引き出す引出電極４と、イオンを試料１３に向けて加速させるカソード電極５からなるイオン銃部１９を備えている。また針状のチップ１はチップ１を支持するフィラメント（図示せず）に電流を流すことにより加熱する機構を備えている。そして、イオン銃部１９とレンズ系の間に配置された第二のアパーチャ１０と、第二のアパーチャ１０を移動させるアパーチャ駆動部１１０と、試料１３にイオンビーム１１を集束させる集束レンズ電極６と対物レンズ電極８からなるレンズ系を備えている。これによりイオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１を制限することができる。また、集束レンズ電極６と対物レンズ電極８の間に開口部７ａを有する第一のアパーチャ７を備えている。また、第一のアパーチャ７は開口径の異なる開口部を備えている（図示せず）。異なる大きさの開口径を選択し、ビーム軸の設置することで、通過するイオンビーム１１のビーム量を調整することができる。そして、イオン銃部１９を装置の外側からレンズ系に対して相対的に移動可能な調整機構２０を備える。

また、イオン銃部１９より試料１３側に位置し、イオン銃部１９から放出されたイオンビーム１１の照射方向を調整するガンアライメント電極９を有している。そして、試料室１５の内部は真空状態になっており、試料１３を載置し移動可能な試料ステージ１２と試料１３にデポジションやエッチングガスを供給するガス銃１８と、試料１３から発生する二次荷電粒子を検出する検出器１４を備えている。ここで、図示していないが、試料室１５とイオン銃１９の真空を仕切るバルブを備えている。また、集束イオンビーム装置を制御する制御部１６を備え、検出器１４で検出した検出信号とイオンビームの走査信号より観察像を形成する画像形成部（図示せず）を制御部１６内に有しており、形成した観察像を表示部１７に表示する。

（１）電界電離型イオン源
電界電離型イオン源は、図２に示すように、イオン発生室２１と、チップ１と、引出電極４と、冷却装置２４とを備えている。

イオン発生室２１の壁部に冷却装置２４が配設されており、冷却装置２４のイオン発生室２１に臨む面に針状のチップ１が装着されている。冷却装置２４は、内部に収容された液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒によってチップ１を冷却するものである。また冷却装置２４としてＧＭ型、パルスチューブ型等のクローズドサイクル式冷凍機、ガスフロー型の冷凍機を使用しても良い。さらに温調機能を備えてイオン種に応じて最適な温度に調整可能とする。そして、イオン発生室２１の開口端近傍に、チップ１の先端１ａと対向する位置に開口部を有する引出電極４が配設されている。

イオン発生室２１は、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。図示していないが、試料室１５とイオン銃２０の真空度の差を作るためのオリフィスを複数個備えている。このオリフィスにより、試料室へのイオン化ガスの流入、また試料室に導入するガスのイオン銃室への流入を防いでいる。イオン発生室２１には、イオン源用ガスノズル２を介してイオン源用ガス供給源３が接続されており、イオン発生室２１内に微量のガス（例えば、Ａｒガス）を供給するようになっている。

なお、イオン源用ガス供給源３から供給されるガスは、Ａｒガスに限られるものではなく、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）等のガスであってもよい。また、イオン源用ガス供給源３から複数種のガスを供給可能に構成し、用途に応じてガス種を切り替えたり、１種類以上を混合したりすることができるようにしてもよい。

チップ１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものからなる部材であり、その先端１ａは原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。別にチップ１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材を図示しない窒素ガスや酸素ガスを導入することにより、その先端１ａを原子レベルで尖鋭化したものを使用しても良い。またチップ１は、イオン源の動作時には冷却装置２４によって１００Ｋ程度以下の低温に保持される。チップ１と引出電極４との間には、電圧供給部２７によって引き出し電圧が印加されるようになっている。

チップ１と引出電極４との間に電圧が印加されると、鋭く尖った先端１ａにおいて非常に大きな電界が形成されるとともに、分極してチップ１に引き寄せられたガス分子２５が、先端１ａのうちでも電界の高い位置で電子をトンネリングにより失ってガスイオンとなる。そして、このガスイオンが正電位に保持されているチップ１と反発して引出電極４側へ飛び出し、引出電極４の開口部からレンズ系へ射出されたイオン１１ａがイオンビーム１１を構成する。ここで、引出電極４とチップ１の先端の中心位置は１０ミクロンメートル以内であることが好ましい。またチップ１と引出電極４の間に、チップ１に対して負電位を与える抑制電極を設けても良い。

チップ１の先端１ａは極めて尖鋭な形状であり、ガスイオンはこの先端１ａ上方の限られた領域でイオン化されるため、イオンビーム１１のエネルギー分布幅は極めて狭く、例えば、プラズマ型ガスイオン源や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。

なお、チップ１への印加電圧が大きすぎると、ガスイオンとともにチップ１の構成元素（タングステンや白金）が引出電極４側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にチップ１に印加する電圧は、チップ１自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。

一方、このようにチップ１の構成元素を操作できることを利用して、先端１ａの形状を調整することができる。例えば、先端１ａの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。

またチップ１は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端１ａの尖鋭形状を回復することもできる。

（２）イオン銃部
図１に示すように、イオン銃部１９は、上記電界電離型イオン源と引出電極４を通過したイオン１１ａを試料１３に向けて加速させるカソード電極５とを備えている。そして、イオン銃部１９は調整機構２０と接続されている。調整機構２０は真空外部からイオン銃部１９をレンズ系に対して相対的に移動する。これによりレンズ系に入射するイオンビーム１１の位置を調整することができる。

（３）レンズ系
レンズ系は、チップ１側から試料１３側に向けて順に、イオンビーム１１を集束する集束レンズ電極６と、イオンビーム１１を絞り込む第一のアパーチャ７と、イオンビーム１１の光軸を調整するアライナ（図示せず）と、イオンビーム１１の非点を調整するスティグマ（図示せず）と、イオンビーム１１を試料１３に対して集束する対物レンズ電極８と、試料上でイオンビーム１１を走査する偏向器（図示せず）とを備えて構成される。

このような構成の集束イオンビーム装置では、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。図示していないがイオンの原子番号を選別するためのＥｘＢ等のマスフィルターを備えていても良い。

（４）ガス銃
ガス銃１８は、試料１３表面にデポジション膜の原料ガス（例えば、フェナントレン、ナフタレンなどのカーボン系ガス、プラチナやタングステンなどの金属を含有する金属化合物ガスなど）を原料容器からノズルを通して供給する構成になっている。

また、エッチング加工を行う場合は、エッチングガス（例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、三フッ化塩素、一酸化フッ素、水など）を原料容器からノズルを通して供給することができる。

（５）電流測定部
図３に示すように、チップ１と引出電極４との間に電圧を供給する電圧供給部２７は、電圧制御部１１３により印加電圧値を制御する。また、第二のアパーチャ１０は絶縁されており、電流測定部１１１に接続され、第二のアパーチャ１０の閉塞部１０ｂに照射されたイオンビーム１１の電流量を測定することができる。また、電流測定部１１１は電圧制御部１１３を接続されており、印加電圧値をモニタする。これにより電流測定部１１１では、チップ１と引出電極４との間に印加した電圧と、そのときに照射されたイオンビーム１１の電流量を測定することができる。

また、本発明のもう一つの形態として、図４に示すように、ブランキング電極１１２によりイオンビーム１１を偏向し、ビーム測定電極１１５でビーム電流量を測定することも可能である。イオンビーム１１をブランキング電極１１２で偏向し、ビーム測定電極１１５に入射する。ビーム測定電極１１５に入射した電流量を電流測定部１１１で測定する。このとき、電流測定部１１１は電圧制御部１１３を接続しているので、チップ１と引出電極４との間に印加した電圧と、そのときに照射されたイオンビーム１１の電流量を測定することができる。

＜実施例＞
チップの先端構造がピラミッド構造を形成した正常なチップを標準試料として、標準データの測定を行う。正常なチップにヘリウムガスを供給し、チップと引出電圧４との間に引出電圧を印加してイオンビーム１１を放出する。放出したイオンビーム１１を電流測定部１１１に接続した第二のアパーチャ１０に照射する。引出電圧を８ｋＶから１２ｋＶまで０．２ｋＶの間隔で徐々に増加させる。そのときに第二のアパーチャ１０で検出したビーム電流量と引出電圧の関係を表示する。図５（ａ）は、引出電圧を横軸、第二のアパーチャ１０で検出したイオンビーム１１の電流量を縦軸とした正常チップの電流電圧の関係であり、標準データ５４のような曲線になる。先端構造がピラミッド構造でないチップと正常なチップについて上記の電流測定によりデータを取得する。これより正常なチップの許容範囲の上限データ５３ａと下限データ５３ｂを設定する。ここでは、１０．５ｋＶにおける上限データ５３ａと下限データ５３ｂの幅は１００ｐＡである。

測定データが許容範囲内であればチップ先端構造が正常であり、許容範囲外になった場合正常でないと判断する処理部１１４を用いて測定データの判定を行う。処理部１１４では、許容範囲のデータを記憶する記憶部を備え、測定データを入力すると、記憶部から許容範囲のデータを読出し比較を行う。比較結果を表示部１７に表示する。

試料１３の観察を行った後のチップ１の先端構造の検査を行う例について説明する。標準データを元に作成した許容範囲は、図５（ｂ）に示すように上限データ５３ａと下限データ５３ｂである。試料１３の観察を行った後のチップ１に標準データ取得時と同じガス圧力のヘリウムガスを供給する。そして、引出電圧を８ｋＶから１２ｋＶまで０．２ｋＶの間隔で徐々に増加させる。そのときに第二のアパーチャ１０に入射するイオンビーム１１の電流量を電流測定部１１１で測定する。測定データ５５は一部５５ａで許容範囲を超えている。処理部１１４で比較結果として先端構造は正常ではないことを表示部に表示する。このように電流測定結果からチップ先端構造について検査することができる。先端構造が正常でない場合は、ガスを排気し、フィラメント加熱によりチップ先端構造の再生を実施する。

１…チップ
２…イオン源用ガスノズル
３…イオン源用ガス供給源
４…引出電極
５…カソード電極
６…集束レンズ電極
７…第一のアパーチャ
７ａ…開口部
８…対物レンズ電極
９…ガンアライメント
１０…第二のアパーチャ
１０ａ…開口部
１１…イオンビーム
１２…試料ステージ
１３…試料
１４…検出器
１５…試料室
１６…制御部
１７…表示部
１８…ガス銃
１９…イオン銃部
２０…調整機構
２１…イオン発生室
２４…冷却装置
２５…ガス分子
２７…電圧供給部
１１０…第二のアパーチャ駆動部
１１１…電流測定部
１１２…ブランキング電極
１１３…電圧制御部
１１４…測定データ処理部
１１５…ビーム測定電極

Claims

針状のチップと、チップにガスを供給するガス供給部と、チップ表面に吸着したガスをイオン化してイオンビームを引き出すためにチップとの間で電圧を印加する引出電極と、イオンビームの照射方向を調整するアライメント電極と、試料にイオンビームを集束させるレンズ系とを有する集束イオンビーム装置において、
前記電圧を変化させ、前記イオンビームの電流量を測定する電流測定部と、
前記電流測定部で測定した測定データと標準データとを比較し、前記チップの良否判断処理する処理部と、を有する集束イオンビーム装置。
前記処理部でチップ不良と判断した場合に、前記チップの先端を再生処理するために前記チップを加熱するフィラメントを有する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
前記イオンビームの電流量を制限するために前記イオンビーム照射軸上に開口部を移動可能で、前記引出電極よりも前記試料側に配置されたアパーチャを有する請求項１または２に記載の集束イオンビーム装置。
前記アパーチャは、前記イオンビームの電流量を測定するための絶縁された閉塞部を有する請求項３に記載の集束イオンビーム装置。
前記イオンビームを前記試料に照射しないように偏向する前記引出電極よりも前記試料側に配置されたブランキング電極と、
前記ブランキング電極で偏向したイオンビームの電流量を測定するビーム測定電極と、を有する請求項１または２に記載の集束イオンビーム装置。
前記チップは第一の金属の上に第二の金属を被覆した構造である請求項１から５のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
前記第一の金属はタングステンまたはモリブデンであり、前記第二の金属は白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金のいずれか一つである請求項６に記載の集束イオンビーム装置。
前記ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（Ｈ_２）、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）のうちいずれか一つである請求項１から７のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
イオン源ガスを供給し、電圧を印加し、先端部からイオンビームを照射するチップのチップ先端構造検査方法において、
前記電圧を変化させ、前記イオンビームを電流測定部に照射し、電流量を測定する電流測定工程と、
前記電圧と前記電流量の測定データと標準データとを比較し、前記チップの良否判断処理する処理工程と、からなるチップ先端構造検査方法。
請求項９に記載の前記処理工程で前記チップが不良であると判断した場合に、前記イオン源ガスを排気する排気工程と、
前記チップの先端を再生処理するために前記チップを加熱する加熱工程と、からなるチップ先端構造再生方法。