JP6238978B2 - 多種イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム・システム用のイオン・ガス源の分野に関する。

集束イオン・ビームを使用する粒子光学装置は、半導体産業において、集束イオン・ビームでウェーハを処理する目的に使用されている。この目的のため、イオン源を、ウェーハ上のいわゆるイオン・スポットに結像させる。このようなイオン源による処理速度は、このイオン・スポットにおけるイオン電流密度によって制限される。このイオン・スポットに高輝度のイオン源を集束させることによって、高いイオン電流密度が達成される。処理後のウェーハに残留しない貴ガス・イオンなどのイオンを使用することが望ましい。

粒子光学装置用のガス・イオン源が、参照により本明細書に組み込まれる、本発明の譲受人であるＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第７，７７２，５６４号明細書に記載されている。このガス源はダイアフラム壁（ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｗａｌｌ）を備え、このダイアフラム壁の第１の側には、これからイオン化しようとする例えば０．２バールのガス圧を有するガスが位置する。ダイアフラム壁のもう一方の側には真空、または少なくともより低いガス圧を有する空間が位置する。ダイアフラム壁には出口ダイアフラムがはめ込まれており、この出口ダイアフラムを通ってガスが真空中に流出する。電子源によってダイアフラム壁の真空側で生成された電子が、加速場である第１の電場によって加速し、電子レンズによって集束し、それによってダイアフラム壁の真空側の出口ダイアフラムのすぐ前に電子の焦点が置かれる。この電子焦点の電子と流入してくるガス原子とが衝突する結果、イオン化容積（ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）内において、すなわち出口ダイアフラムのすぐ近くで、ガス・イオンが形成される。イオン化容積の容積は、高い電子密度と高いガス密度が同時に生じる領域によって決まる。このイオンは、引出し場である第２の電場の助けを借りてイオン化容積から引き出される。このイオンを次いで、先行技術で知られている粒子光学手段の助けを借りて結像させ、操作することができる。

米国特許第７，７７２，５６４号明細書に記載されている源などのガス源は、イオン化容積を小さく維持することによって高い輝度を維持することができる。イオン化容積が大きいと、プラズマおよび空間電荷の効果によって輝度が制限されるためである。現在、高輝度電子源が必要なときにはしばしば、電界放出器（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｔｔｅｒ）、ショットキー放出器（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｅｍｉｔｔｅｒ）またはカーボン・ナノ・チューブを使用した源などの電子源が使用されている。これらの源は小さな電子放出面を有する。当業者には知られているとおり、これらの源は、収差の小さい光学部品によって結像すべきであり、特に、その像において比較的に大きな電流を得ようとしているときにはそうすべきである。いくつかの用途では、イオン化容積からイオンを引き出している場に対して直角に電子が加えられるような態様の「横道注入（ｓｉｄｅｗａｙｓ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）」によって、電子がイオン化容積内に供給される。

米国特許第７，７７２，５６４号明細書のガス源は、単一のイオン種を供給することだけに限定されている。しかしながら、イオン種の特性はさまざまであるため、多数のイオン種の使用が望ましい用途もある。例えば、軽いイオンは、その低いスパッタ率（ｓｐｕｔｔｅｒ ｙｉｅｌｄ）のため顕微鏡法によく適しており、高いスパッタ率を有する重いイオンは、ミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）用途によく適している。特定の化学特性を有するイオン種を選択することにより、ビーム・ケミストリ（ｂｅａｍ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、ビーム分析などの用途が大幅に改良されることもある。

さらに、粒子光学装置の操作中に、ある用途に適合させるために、異なるイオン種間でイオン種を素早くかつ効率的に変更することも望ましい。新しいイオン種が所望のとき、現行のシステムでは、ユーザが、単一ガス源全体を変更し、交換する必要があり、それには時間がかかり、その際には試料の処理を中断する必要があり、それによって、余分な時間に起因する位置の誤差、反応の誤差などの処理の誤差が生じる。

先行技術の液体金属イオン源（ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）（ＬＭＩＳ）は、共通の源の種を分離することができる質量フィルタ（ｍａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）を使用する。しかしながら、ＬＭＩＳは一般に、ガス源と同じ輝度レベルを達成しない。さらに、質量フィルタは、最初に共通の源をイオン化することによって動作し、したがって、質量フィルタは、源から少数の金属種を分離することだけしかできない。分離される種は源の組成によって制限される。したがって、多数の異なるイオン・ガス種間でイオン・ガス種を高速で切り換えることができる高輝度イオン源が求められている。さらに、ミリング、エッチング、付着、画像化などの試料の異なる処理を実行するための異なるイオン種のガスを、源を交換する必要なしに、ユーザが選択的に提供することができるシステムも求められている。

米国特許第７，７７２，５６４号明細書

本発明の目的は、集束イオン・ビーム用途のために、多数のイオン種間の高速切換えを可能にすることにある。

本発明の実施形態は、多数のチャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）を含むガス室を備え、多数のチャネルがそれぞれ異なるガスを有する高輝度イオン源を提供する。これらのチャネルのうちの１つのチャネルに入るように電子ビームを集束させて、試料処理のためのあるイオン種のイオンを形成する。異なるガス種を含むチャネルに電子ビームを導くことによって、イオン種は切り換えられる。本発明の一実施形態では、偏向板を使用して電子ビームを多数の室内へ導き、それによって集束イオン・ビーム中のガス種を素早く切り換えることを可能にする。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり大まかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の目的と同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

電子源を備える本発明の一実施形態に基づくガス室を示す図である。 図１に示した実施形態のガス室の上面図である。 図１に示した実施形態のガス室の側面図である。 多数のガス・チャネルの入口穴および出口穴の配列を示す破断部を含む、図１に示した実施形態の等角図である。 本発明の他の実施形態に基づくナノ・アパーチャ（ｎａｎｏ ａｐｅｒｔｕｒｅ）イオン源のガス室の側面図である。 図５に示した実施形態の上面図である。 図５に示した実施形態の側面図である。 入口穴および出口穴の配列を示す破断部を含む、図５に示した実施形態を示す等角図である。 室の下方の下偏向器が必要ない光軸から十分に近いところに入口アパーチャおよび出口アパーチャがある、本発明の他の実施形態の側面図である。 異なる２つの動作モード、すなわちイオン生成モードおよび電子生成モードで動作することができる、本発明に基づくイオンおよび電子源の他の実施形態の側面図である。 異なる２つの動作モード、すなわちイオン生成モードおよび電子生成モードで動作することができる、本発明に基づくイオンおよび電子源の他の実施形態の側面図である。 図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の上面図である。 図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の側面図である。 図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の破断等角図である。 異なるイオン種間でイオン種を自動的に切り換えるように偏向器が自動化された本発明の一実施形態を示す図である。 ガス・チャネル内で使用する本発明の一実施形態に基づくＭＥＭＳ構造体であり、これによって電子がイオン化容積上で集束するＭＥＭＳ構造体を概略的に示す図である。 図１５に示したＭＥＭＳ構造体を使用した、本発明に基づくイオン源の略図である。

本発明の実施形態は、任意の集束イオン・ビーム用途、特にガス源を使用する高輝度用途に関して、ユーザが、多数の異なるイオン種間でイオン種を素早く切り換えることを可能にする。このことは特に、異なるタイプの処理を実行するときに有利である。例えば、低損傷の画像化が望ましい場合にヘリウムを使用し、次いで、低速で正確なミリングを実行するためにネオンに素早く切り換え、または高速ミリングを実行するためにキセノンに素早く切り換えることができる。好ましい実施形態では、１つのイオン種から別のイオン種への切換えが、ガス源を変更することなしに実行される。先行技術では、ガス源を変更することが例えば、試料処理を中断し、ガス源を取り外し、以前に使用していたガスを排出し、新しい所望のガス源を用意し、この新しいガスを含む源を装置に挿入することを含む。ガス源の交換は、時間のかかる労働集約的な作業であり、その長い処理時間のために試料に対して望ましくない影響がでることがある。

本発明の実施形態は、電界放出源、ショットキー源、カーボン・ナノ・チューブ、ナノ・アパーチャ・イオン源などの高輝度電子源と一緒に使用することができる。本発明の実施形態は、室内に流入し、次いで集束電子ビームによる電子衝撃によってイオン化されるガスを有する、米国特許第７，７７２，５６４号明細書に記載されているイオン源などのガス源内で容易に実施することもできる。ある種の実施形態では、本発明が、多数のチャネルを備えるガス室を提供する。これらのチャネルはそれぞれ異なるガスを有することができ、電子ビームを通すためのアパーチャを含む。所望のチャネルに入るように電子ビームを集束させることによってガス種を選択することができる。そのチャネルは次いで、試料処理のための集束イオン・ビームを供給する。ある種の実施形態では、１つのガス室アパーチャから別のガス室アパーチャへ電子ビームを偏向させるのにかかる時間と同じ時間で、集束イオン・ビーム中のイオン種を切り換えることができることを本出願の出願人は見出した。この時間は、１秒未満であることが好ましく、０．１秒未満であることがより好ましく、０．０５秒未満であることが最も好ましい。

図１は、電子源を備える本発明の一実施形態に基づくガス室を示す。電子源１０２は、光軸１０８に沿って電子１１０を供給する。電子源１０２は一般にショットキー源だが、熱イオン放出源（ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）、ＬａＢ６放出源または冷電界（ｃｏｌｄ ｆｉｅｌｄ）放出源を含む他の電子源も可能である。ただし電子源はこれらに限定されるわけではない。電子光学部品領域１６０内の偏向器１０４および１０６によって電子を偏向させて、ガス室１２０に入るように電子ビームを整列させる。２重偏向構成の偏向器１０４および１０６が示されているが、本発明のある種の実施形態では単一の偏向器も使用される。電子光学部品領域１６０はさらに、他の要素、例えば電子ビームの直径を開口よりも小さくする集束または集光レンズを備えることができる。ガス室１２０は、多数のチャネル１２２、１２４、１２６、１２８、１３０および１３２を備えることが好ましく、それらのチャネルはそれぞれ異なるガスを含むことが好ましい。自然に生じる全てのガスを、これらのチャネル内に容易に実装することができる。図１は、６つのチャネルを備えるガス室を示しているが、チャネルの数は用途に基づいて変更することができることを当業者は容易に理解するであろう。例えば、より単純な用途ではより少数のチャネルを使用することができ、ミリング、画像化および／または付着のために多くのイオン種を必要とするより複雑な処理用途に対しては、より多くのチャネルを使用することができる。したがって、提供されるガス種の数を非常に大きくすることができ、提供されるガス種の数は、偏向器１０４および１０６の作動範囲のみによって制限される。この偏向を高速で変更して、電子ビームを異なるチャネルへ導き、多数のイオン種間でイオン種を切り換えて試料を処理することができる。ガス・チャネルはそれぞれ一般に約１００ｎｍ〜５００ｎｍの寸法を有し、内部のガス圧は一般に大気圧の範囲にある。

図２は、図１に示した実施形態の上面図を示す。チャネルはそれぞれ、電子ビームを通すための入口アパーチャ２０２を含む。チャネルはさらに、イオン・ビームを引き出すための出口アパーチャを含むことが好ましい。出口アパーチャは一般に、入口アパーチャ２０２の真下に位置する。

図３は、図１に示した実施形態の側面図を示す。図４は、多数のガス・チャネルの入口穴および出口穴の配列を示す破断部を含む、図１に示した実施形態の等角図を示す。電子ビーム１１０は、入口アパーチャ２０２を通ってガス・チャネル１３０に入るように偏向しており、それによって出口アパーチャ１１２からイオン・ビーム１１２が出ていく。

図１５は、ガス・チャネル内で使用する本発明の一実施形態に基づくＭＥＭＳ構造体であり、これによって電子がイオン化容積上で集束するＭＥＭＳ構造体を概略的に示す。図１５は、本発明のある種の実施形態では多数のそれぞれのガス・チャネルに対して複製されるであろう１つのガス・チャネルだけを示していることに留意されたい。

導電性の２枚の箔１５０１、１５０２が互いに対して取り付けられており、それらの箔は、厚さが例えば１μｍのフォトレジスト層１５１１によって互いに分離されている。このフォトレジスト層は、これらの２枚の箔間の空間を完全には埋めず、何もない空洞１５１２が残されている。箔１５０１、１５０２はそれぞれ、半導体ウェーハから切り出されたＳｉ３Ｎ４ダイ１５０３、１５０４などの半導体ダイ上に形成されている。箔の材料は金属、例えばＭｏとすることができる。これらのダイは箔を支持し、さらに箔の製作を可能にする。これらのダイには、リソグラフィ・プロセスで凹み１５０５、１５０６、１５０７および１５０８が形成されている。Ｓｉ３Ｎ４ダイ上にはさらに、例えばＭｏの導電層１５０９、１５１０が形成されている。これらの箔には、２組のダイアフラム、すなわち、集束電子ビーム１５３０がそこを通って空洞１５１２に入る入口ダイアフラム１５２０およびイオンがそこを通って空洞１５１２から出ていくことができる出口ダイアフラム１５２１と、ガス圧が例えば０．２バールであるガスがそこを通して空洞に入れられるアパーチャ１５１３および１５１４とが形成されている。入口ダイアフラムおよび出口ダイアフラムはともに、例えば１００ｎｍの小さなサイズを有する。それに対して、そこを通してガスが入れられるアパーチャは、例えば１μｍのより大きなサイズを有することができる。本発明の文脈では用語「ダイアフラム」と「アパーチャ」が相互に交換可能であることに留意されたい。

集束電子ビーム１５３０は、それら自体が知られている電界放出器、ショットキー放出器、ＣＮＴ電子放出器などの高輝度電子源によって生成される。生成された電子は、電子光学部品分野の技術者に知られている集束電子光学部品によって加速し、ＭＥＭＳ構造体の入口ダイアフラム上で集束する。入口ダイアフラム１５２０と出口ダイアフラム１５２１の間に、高いガス圧と高い電子密度とが同時に生じ、それによってイオン化容積１５２２が形成される。２枚の箔１５０１、１５０２間に印加された小さな電圧、例えば１Ｖの電圧が、形成されたイオンを、箔１５０２の方向に加速させ、それらのイオンは、箔１５０２のところで、出口ダイアフラム１５２１を通って空洞１５１２の外に出て、それら自体が知られているイオンを操作するための粒子光学要素に向かってさらに加速することができる。出口アパーチャ１５２１を通って空洞１５１２の外に出たビーム１５３１はイオンと電子の両方からなるが、イオンが、イオンを操作するための粒子光学要素に向かって加速するときに、電子は減速し、ついには前進方向の運動量を失い、例えば導電層１５１０へ跳ね返される。

入口ダイアフラムおよび出口ダイアフラムのサイズは例えば５０ｎｍと小さいため、空洞１５１２の外のガス圧は、箔１５０１、１５０２からの距離が大きくなるにつれて非常に急激に低下する。さらに、空洞１５１２からダイの外側の容積に流れるガスの量は非常に小さく、そのため、限られた能力を有するポンピング手段を使用するときでも、必要な高ガス圧が箔間だけに存在するため、イオン化容積は箔間の領域だけに限定される。このことはさらに、ビーム１５３１が入る容積内では、ガス分子とイオンの間の電荷交換が全く起こらないか、またはごくわずかにしか起こらないことを暗示する。このような電荷交換は、形成されたイオン・ビームのエネルギー幅の増大につながると考えられるため望ましくない。さらに、電子源がある側のガス圧は、電子源が機能することができる真空圧まで容易にポンピングすることができる。

アパーチャ１５１３および１５１４にガスを通すため、Ｓｉ３Ｎ４ダイ１５０３、１５０４は、例えばガス供給源に接続されたホルダの間に、例えばクランプで締め付けることによっておよび／または接着剤を使用することによって取り付けられる。このようにすると、微視的な空洞とガスが存在する巨視的世界との間の懸け橋を形成することができる。なお、Ｓｉ３Ｎ４ダイが持つガスを入れるためのアパーチャが２つだけである必要はない。

当業者には明白なことだが、入口ダイアフラムまたは出口ダイアフラムが形成された位置の周囲にアパーチャを環状に形成することができる。さらに、アパーチャが円形である必要はなく、アパーチャは任意の形状を有することができる。一方のダイ（ダイ１５０３またはダイ１５０４）だけにアパーチャを形成することも可能である。

なお、ウェーハの使用およびウェーハ上で実行されるフォトリソグラフィ・プロセスは、レンズ、偏向器などの小型の粒子光学構造体の製造で使用されることが知られている。示されてはいないが、このような構造体は、本発明に基づくイオン源に組み込まれると予想される。

図１６は、図１５に示したＭＥＭＳ構造体を使用した、本発明に基づくイオン源の略図である。図１６は、光軸１６０１に沿って電子ビーム１６０２を放出する、例えばＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから容易に入手することができるショットキー放出器１６００を示す。電子は、放出器１６００の先端と引出し電極１６０３の電圧差によって生じる電場によって、ショットキー放出器から引き出される。この引出し電極は、５０から３００Ｖの間の電圧差を提供することが好ましい。電子源から見ると、引出し電極１６０３の後ろに、セグメントに分割された平板電極１６０４によって形成された複合レンズ／偏向器があり、この複合レンズ／偏向器は、セグメント間の電圧差によって偏向器として動作し、引出し電極１６０３および電極１６０５に対する複合セグメントの電圧差によってレンズとして動作する。なお、セグメントに分割された電極１６０４を、非点補正装置（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ）として使用することもできる。

電極１６０５は、ＭＥＭＳ構造体１６１０（図３に示したＭＥＭＳ構造体）の電子が前記ＭＥＭＳ構造体に入る側にも接続される。ＭＥＭＳ構造体のもう一方の側は電極１６０６に接続される。電極１６０５と１６０６の間、したがってＭＥＭＳ構造体の２枚の箔間の例えば１Ｖの電圧が、イオン化容積にわたって電場を生じさせる。電極１６０５および１６０６の接続が、ＭＥＭＳ構造体１６１０との間に真空シールを形成し、これらの電極を介してＭＥＭＳ構造体内の空洞にガス１６０７が入れられる。当業者には知られていることだが、イオン化容積において所望の高い電子電流密度は一般に、約５０から１０００ｅＶの間の電子エネルギーで達成される。電子−イオン衝突のイオン化効率は一般に、５０から３００ｅＶの間で最大になる。したがって、電子は、イオン化容積において、５０ｅＶから１０００ｅＶの間、より好ましくは５０から３００ｅＶの間のエネルギーを有することが好ましい。電極１６０８が、ＭＥＭＳ構造体１６１０内で形成されたイオンを引き出し、その結果、ＭＥＭＳ構造体からイオン・ビーム１６０９が出てくる。引出し場は、イオン化の結果として形成されたイオンを、イオン化容積から、電子源の方向とは反対の方向に引き出す。本発明のある種の実施形態では、この引出し場が、イオン化容積を横切る、好ましくは１０Ｖ未満、よりいっそう好ましく５Ｖ未満、最も好ましくは１Ｖ未満の電圧差を生じさせる。続いて、それら自体が知られている粒子光学要素を使用して、イオン化容積から引き出されたイオンをさらに加速させることができる。

電子は、偏向器１０４および１０６による偏向に応じて、多数のチャネルのうちの１つのチャネルのアパーチャのうちの１つのアパーチャに向かって導かれる。図１では、チャネル１２４のアパーチャを通過するように電子ビーム１１０が整列しているが、この偏向を、多数のチャネルのうちのいずれかのチャネル１２２、１２４、１２６、１２８、１３０または１３２をビームが通過することができるような態様で変更することができる。ある種の実施形態では、この偏向を、好ましくは０．１秒未満で変更して、異なる種のイオン・ビームを供給することができる。チャネル内では、電子が、ガス・イオン化容積１４０内のガス原子と衝突してイオンを生成し、生成されたイオンは、出口アパーチャを通してチャネルから引き出されて、イオン・ビーム１１２を形成する。加速場によって、それらの電子を、好ましいエネルギー・レベルまで加速させることができる。ある種の実施形態では、電圧源が、好ましくは５０から３００ボルトの間の電圧を印加して、ガス・チャネルの入口アパーチャのところの電子が５０から３００ｅＶのエネルギーを有するようにする。図１は、多数のチャネルの詳細な図解を示していないが、ある種の実施形態では、多数のチャネルがそれぞれ、図１５および図１６に示した構成要素、例えば引出し電極、イオン化容積内へガスを入れるためのアパーチャおよび導電性の箔を含むことを熟練者は容易に理解することに留意されたい。さらに、ある種の実施形態では、図１６に示した偏向器動作および／またはレンズ動作を生じさせるために、多数のそれぞれのチャネルの上方に電極が置かれる。

偏向器１５２および１５４は、多数のチャネルのうちの１つのチャネルから出てきたイオン光学部品領域１６２内のイオン・ビーム１１２を、所望の軸１０８と再び整列するように偏向させる。２重偏向器１５２および１５４が示されてはいるが、単一の偏向器を使用して、イオン・ビームが光軸と整列していることを保証することもできる。

ある種の実施形態では、イオン光学部品領域１６２がさらに、処理のために試料１８０に向かってイオン・ビームを集束させるための対物レンズ１７０、追加のアパーチャなどの集束要素を含む。イオン光学部品領域１６２および電子光学部品領域１６０は真空に維持されることが好ましい。イオン光学部品領域１６２はさらに、２次電子またはイオン１７４を検出するエバーハート・ソーンリー（Ｅｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙ）検出器などの２次粒子検出器１７２、およびビーム誘起付着またはエッチングための前駆体ガスを注入するガス注入システム１７６を含むことができる。チャネル内のガス・イオンをイオン化し、それらのイオンをチャネルから引き出し、試料に向かって加速させるのに十分なエネルギーを電子ビームに供給するため、これらのシステム構成要素に適当な電圧が印加される。

本出願の出願人は、ガス源を使用する高輝度用途中にイオン種を高速で変更する方法を発見した。異なるイオン種間でイオン種を切り換えるため、偏向器１０４および１０６の特性を変更して、ガス室１２０の異なるチャネルに向かって電子ビーム１１０が導かれるようにする。偏向経路の変更は例えば、偏向器に印加する電圧を変更することを含むことができる。その結果として、イオン種が変更されたときには、偏向器１５２および１５４も、選択したガス・チャネルを通過した後にイオン・ビームが所望の軸１０８と適切に整列するように変更される。

先行技術の電子源はしばしば、例えばイオン化容積からイオンを引き出している場に対して直角の方向に電子が加えられるときに、単一のガス室の上方の偏向器を利用して、電子ビームをガス室と整列させる。しかしながら、ガス室の下方に第２の一組の偏向器１５２および１５４を組み込むことによって、本発明が教示する多数のガス・チャネルを使用することができ、同時に、イオン化領域の後もビームの所望の光軸を維持することができることを本出願の出願人は見出した。

本発明のある種の実施形態では、「横道注入」を使用して、イオン・ビーム１１２の軸に対して直角の方向に、電子源１０２からの電子を供給することができる。次いで、偏向器１０４および１０６が電子ビームを偏向させ、そのビームを、多数のガス・チャネルのうちの１つのガス・チャネルに向かって導いて、所望の種のイオンを供給する。次いで、偏向器１５２および１５４が、そのイオン・ビームを、試料を処理するのに適切な所望の軸と整列させる。ガス室の全ての出口アパーチャがイオン光軸１０８から十分に近いところにあるような態様で出口アパーチャが配列されているある種の実施形態では、整列偏向器１５２および１５４が必要ないことを本出願の出願人は見出した。いくつかの実施形態では、最も遠いアパーチャが光軸から５μｍ未満のところにあるときに整列偏向器１５２および１５４が必要ない。

ある種の実施形態では、多数のチャネルのうちの１つのチャネルを、ガスを含まないようにしておくことができる。１つのチャネルを、ガスを含まない状態にしておくことによって、そのガスを含まないチャネルを通過するときに電子ビームが維持され、電子ビームがイオン・ビームを生成せず、試料処理（画像化を含む）のために電子ビームを試料に導くことができる。さらに、ユーザは、さまざまなイオン種と電子ビームとを切り換えることができる。

図５は、本発明の他の実施形態に基づくナノ・アパーチャ・イオン源のガス室の側面図を示す。この実施形態では、４つのガス・チャネル５０２、５０４、５０６および５０８が、２×２のパターンで配列されている。この配列は、それぞれのチャネルの出口穴を光軸のより近くに配置することを可能にし、したがって必要な電子ビームおよびイオン・ビームの偏向を減らすことを可能にする。図５に示した図ではガス・チャネル５０２および５０４だけが見えている。４つのガス・チャネルはそれぞれ、試料上でのさまざまなプロセスのために、貴ガス、空気、酸素、窒素、多原子ガスなど、任意のタイプのガスを含むことができる。偏向を減らすことは、電子ビームおよびイオン・ビームの光学収差を低減させ、さらに必要なビーム偏向電圧を低くするのに役立つことを本出願の出願人は見出した。この実施形態では、電子ビーム１１０が、ガス・チャネル５０２に入るように偏向しており、その結果、室５０２内のガスに関連するイオンを含むイオン・ビーム５１２が生成されている。下偏向器１５２および１５４は、光軸上に、イオン・ビーム５１２を、光軸に対して平行に置く。

図６〜８は、図５に示した実施形態の追加の図を示す。図６は、図５に示した実施形態の４つのガス・チャネル５０２、５０４、５０６および５０８の２×２アレイを示す上面図である。それらのガス・チャネルはそれぞれ、入口穴または入口アパーチャ６０２を有する。入口アパーチャ６０２の真下に出口アパーチャが位置することが好ましい。図７は、図５に示した実施形態の側面図を示す。

図８は、入口穴および出口穴の配列を示す破断部を含む、図５に示した実施形態を示す等角図を示す。この図では、電子ビームが、チャネル５０４に向かって導かれ、入口アパーチャ６０２を通ってチャネル５０４に入り、それによって、チャネル５０４内に供給されたガスに由来するイオン種を含むイオン・ビーム５１２が、出口アパーチャ８０２から出ている。必要な電子ビームおよびイオン・ビームの偏向を減らすため、出口アパーチャ８０２は光軸の近くに位置することが好ましい。

図９は、光軸から十分に近いところに入口アパーチャおよび出口アパーチャがあり、室の下方の下偏向器が必要ない、本発明の他の実施形態の側面図を示す。４つのガス・チャネル９０２、９０４、９０６および９０８が、図８に示したアレイなどの２×２アレイとして配列されている。示された図では、２つのチャネル９０２および９０４だけが見えている。上偏向器１０２および１０４が、電子ビーム１１０を室９０２に向かって誘導する。ある種の実施形態では、多数の室のうちの１つの室に向かってビームを導くのに１つの偏向器だけで十分である。室９０２内のガス種に関連するイオン化されたガスのビーム９１２が、チャネル９０２の出口アパーチャから出ている。電子ビーム入口アパーチャおよびイオン・ビーム出口穴が光軸に十分に近い場合、下偏向器は必要ない。一般に、出口穴が光軸１０８から５μｍ未満のところにあるとき、下偏向器は必要ないことを本出願の出願人は見出した。電子ビームの偏向を減らすと、電子ビーム中の光学収差を低減させることができ、さらに必要な電子ビーム偏向電圧が低くなる。従来の機械的な整列は一般に同じ５μｍのサイズ範囲を有するため、室の下方の偏向器を使用しない場合であっても、この実施形態で出口アパーチャから出ていくイオン・ビームは整列していると考えることができる。多数の室のうちの１つの室に向かって電子ビームを導くように、コントローラによって偏向経路を制御することができる。

図１０Ａおよび１０Ｂは、異なる２つの動作モード、すなわちイオン生成モードおよび電子生成モードで動作することができる、本発明に基づくイオンおよび電子源の他の実施形態の側面図を示す。図１１〜１３は、図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の別の図を示す。中心開口１０１０の周囲に、４つのガス室１００２、１００４、１００６および１００８が環状に配列されている。この配列は、電子源からの電子ビーム１１０が中心開口１０１０を通過し、それによってガス室を回避し、続いて試料上に集束し、それによってイオン・ビームによる画像化および処理に加えて電子ビームによる試料の画像化および処理を可能にするように、電子ビーム１１０を導く選択肢を可能にする。ガス室はそれぞれ任意の種類のガスを含むことができる。図１０Ａでは本発明がイオン源として機能する。図１０Ａでは、電子ビーム１１０が偏向して、ガス室１００２の入口アパーチャに入る。偏向器は、ガス室１００２、１００４、１００６および１００８のうちのいずれか１つのガス室に入るようにビームを偏向させることができ、偏向経路を高速で変更して、異なるガス種を含む異なる室に向かってビームを導くことによって、異なるイオン種を選択することができる。イオン・ビーム１０２４は、ガス室１００２の出口アパーチャから出ていき、下偏向器１５２および１５４によって光軸１０８上に偏向し、処理のために試料に向かって導かれる。図１０Ｂでは、電子ビーム１１０がガス室内へ偏向せず、中心開口１０１０を通過するため、本発明が電子源として機能する。電子ビーム１１０は多数のガス室を回避し、続いて試料上で集束する。ある種の実施形態では、電子源から生成された後、電子ビームが光軸上に留まり、偏向させる必要がない。

アレイの中心開口１０１０は、電子ビームが乱されずに通過することを可能にする。いくつかの処理用途および／または画像化用途では、特性が異なるために、電子の方がイオンよりも有利であることを熟練者は理解するであろう。例えば、いくつかの表面下画像化用途に対しては、サイズがより小さいため電子の方が有利である。したがって、この実施形態は、多数のイオン種間でイオン種を切り換えることを可能にし、さらに、試料処理のためにイオン・ビームから電子ビームへおよび電子ビームからイオン・ビームへ高速で切り換えることを可能にする。多数の室のうちのいずれか１つの室に向かって電子ビームを導いてあるイオン種のイオンを生成するか、または開口に向かって導いて電子ビームを維持するように、偏向経路を変更することができる。本発明の実施形態では、ガス室の構成および幾何形状の変更も容易に実現することができる。ある種の実施形態では、偏向を起動させないで、電子ビームが中心開口を通過するようにし、次いで偏向を起動させ、ビームを１つの室に向かって偏向させて、あるイオン種のイオンを生成する。

図１１は、図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の上面図を示す。図１２は、図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の側面図を示す。多数の室はそれぞれ、入口アパーチャ１１０２および出口アパーチャを有し、出口アパーチャは、室を出るために入口アパーチャの真下にあることが好ましい。図１３は、多数のそれぞれの室の入口アパーチャ１１０２および出口アパーチャ１３０２を示す、図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の破断等角図を示す。図１３では、室１００６内のガスに関連するイオン種を選択してイオン・ビーム１３１０を生成するために、電子ビーム１１０が室１００６に向かって導かれている。４つの室が示されているが、ある種の集束イオン・ビーム用途の必要性に基づいて、室の数を増やしたりまたは減らしたりすることができることを熟練者は理解するであろう。

本発明の範囲内において、さまざまな２次元アレイなどのガス室の他の配列、例えば３×２、４×２または５×２アレイも可能である。任意の数のガス室を含むガス室の円形アレイも本発明の範囲に含まれる。

図１４は、異なるイオン種間でイオン種を自動的に切り換えるように偏向器が自動化された本発明の一実施形態を示す。偏向器１０４、１０６、１５２および１５４はコントローラ１４０２に接続されており、コントローラ１４０２は、初期電子ビーム１１０の偏向経路を制御する。動作中、ユーザは、所望の次のイオン種を迅速に選択することができ、所望のガス種を含むチャネルに電子ビームを導くように偏向器を自動的に調整することができる。多数の室のうちの１つ室が、電子ビームが乱されずに通過することを許す実施形態では、ユーザが、あるイオン種のイオン・ビームから電子ビームへ高速で切り換えることもできる。本出願で使用される用語「接続」および「接続された」は、物理的な接続だけに限定されず、先行技術において一般的に知られている無線通信を含むこともあることに留意されたい。一実施形態では、コントローラ１４０２がさらにプログラム・メモリ１４０４に接続される。プログラム・メモリ１４０４は、ユーザから入力された一組の命令を記憶することができる。ユーザは、異なるイオン種間でイオン種を指定された時間間隔で切り換えるルーチンまたはレシピ（ｒｅｃｉｐｅ）を入力することができる。それらの命令は、処理時間、ビームのドエル時間、および／または異なる種に切り換える適切な時間に関する命令などの処理パラメータを含むことが好ましい。さまざまな用途の要件を満たすために偏向器の数を変更することもできる。さらに、異なる数および異なる配列のガス・チャネルを使用することもできる。本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム・システムは、電子のビームを光軸に沿って真空室内に供給する電子源と、多数のチャネルであり、前記多数のチャネルのうちの少なくとも１つのチャネルが、ガス入口を有し、電子と相互作用してイオンを生成するガスを含むように適合された多数のチャネルと、前記多数のチャネルのうちの異なるチャネルに入るように電子ビームを選択的に偏向させる第１の偏向器と、前記多数のチャネルからイオンを引き出す１つまたは複数の引出し電極と、引き出されたイオンを光軸と整列させる第２の偏向器とを備える。

いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、引き出されたイオンを加工物上で集束させる集束レンズをさらに備える。いくつかの実施形態では、前記多数のチャネルがそれぞれ、ガス源に接続するための入口を含む。いくつかの実施形態では、第１の偏向器が２つの部分、すなわち光軸から離れる方向へ電子ビームを偏向させる第１の部分と、第１の光軸に対して平行で、前記多数のチャネルのうちの１つのチャネルと同心の第２の光軸上に電子を偏向させる第２の部分とを含む。いくつかの実施形態では、第２の偏向器が２つの部分、すなわち第２の軸から離れる方向へイオン・ビームを偏向させる第１の部分と、第１の光軸上にイオンを偏向させる第２の部分とを含む。

いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、第１の偏向器による電子の整列および第２の偏向器によるイオンの整列を制御するコントローラをさらに備える。いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、試料を処理するための命令を入力するプログラム・メモリをさらに備え、それらの命令が、試料処理中に第１のイオン種から第２のイオン種へイオン種を切り換えることを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム用途のために多数の荷電粒子種を供給する方法は、電子のビームを生成すること、電子のビームを第１の経路に沿って第１のチャネル内に導いて、チャネル内のガスと相互作用して第１の種のイオンを生成すること、第１のチャネルからイオンを引き出すこと、イオンを加工物上に導くこと、および電子を第２の経路に沿って導いて、加工物に荷電粒子の異なる種を供給することを含む。

いくつかの実施形態では、電子を第２の経路に沿って導くことが、電子のビームを、ガスを含む第２のチャネル内に導いて、第２の種のイオンを生成することを含み、この方法が、第２のチャネルから第２の種のイオンを引き出すこと、および第２の種のイオンを加工物上に導くことをさらに含み、この方法が、加工物を含む真空を開放することなく、加工物に向かって導かれる異なる種のイオン間でイオンを切り換えることを提供する。

いくつかの実施形態では、電子のビームを第１の経路に沿って導くことから、電子を第２の経路に沿って導くことに切り換えて、加工物に荷電粒子の異なる種を供給することが、０．１秒未満のうちに実行される。いくつかの実施形態では、電子のビームを第１の経路に沿って導くことから、電子を第２の経路に沿って導くことに切り換えて、加工物に荷電粒子の異なる種を供給することが、０．０５秒未満のうちに実行される。

いくつかの実施形態では、電子を第１の経路に沿って導くことまたは電子を第２の経路に沿って導くことが、電子を第１の光軸から偏向させること、および第１の光軸に対して平行な経路上に電子を偏向させることを含む。いくつかの実施形態では、イオンを加工物の上に導くこと、または加工物に荷電粒子イオンの異なる種を供給することが、イオンまたは荷電粒子の異なる種を再び第１の光軸上に偏向させることを含む。いくつかの実施形態では、第１の経路と第２の経路の間で経路を切り換えるステップが自動化されている。

本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム・システムは、電子を供給する電子源と、ガス入口を有し、電子と相互作用してイオンを生成するガスを含むように適合された第１のチャネルと、電子を第１のチャネルと整列させ、または第１のチャネルを回避する第１の偏向器と、第１のチャネルからイオンを引き出す引出し器と、引き出されたイオンまたは電子を集束カラムと整列させる第２の偏向器とを備える。

いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、電子と相互作用してイオンを生成するガスを含むように適合された１つまたは複数の追加のチャネルをさらに備える。いくつかの実施形態では、電子を第１のチャネル、前記１つまたは複数のチャネルと整列させ、あるいはガスを含むチャネルを回避するように、第１の偏向器をバイアスすることができる。いくつかの実施形態では、電子を第１のチャネルと整列させ、または第１のチャネルを回避する第１の偏向器が、電子を第１のチャネルと整列させ、または電子ビームをガスを含まないチャネルと整列させる偏向器を含む。

いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、第１の偏向器による電子の整列を制御するコントローラをさらに備える。いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、試料を処理するための命令を記憶したプログラム・メモリをさらに備え、それらの命令が、電子を第１のチャネルと整列させることと、第１のチャネルを回避することとを切り換えることを含む。

本発明の目的上、用語「チャネル」は用語「室」と交互に交換可能である。以上に記載した発明は幅広い適用可能性を有し、上記の例において説明し、示した多くの利点を提供することができる。本発明の実施形態は、具体的な用途によって大きく異なる。全ての実施形態が、これらの全ての利点を提供するわけではなく、全ての実施形態が、本発明によって達成可能な全ての目的を達成するわけでもない。しかしながら、以上の説明の多くはＦＩＢミリングの使用を対象としているが、所望のＴＥＭ試料を処理する目的に使用されるミリング・ビームは例えば、電子ビーム、レーザ・ビーム、または例えば液体金属イオン源もしくはプラズマ・イオン源からの集束もしくは成形イオン・ビーム、あるいは他の任意の荷電粒子ビームを含むことができる。さらに、以上の説明の多くは半導体ウェーハを対象としているが、本発明は、適当な任意の基板または表面に対して使用することができる。一実施形態に記載された材料および構造または先行技術の一部として記載された材料および構造を、他の実施形態で使用することができる。本発明を、高輝度イオン源を提供するのに適していると記述したが、本発明は高輝度用途だけに限定されない。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。以下の特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、オープン・エンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）型の用語として使用されており、したがって、これらの用語は、「．．．を含むが、それらだけに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味すると解釈すべきである。

Claims (21)

1. 電子のビームを第１の光軸に沿って真空室内に供給する電子源と、
   多数のチャネルであり、前記多数のチャネルのうちの少なくとも１つのチャネルが、ガス入口を有し、前記電子と相互作用してイオンを生成するガスを含むように適合された多数のチャネルと、
   前記多数のチャネルのうちの異なるチャネルに入るように前記電子ビームを選択的に偏向させる第１の偏向器と、
   前記多数のチャネルからイオンを引き出す１つまたは複数の引出し電極と、
   引き出された前記イオンを前記第１の光軸と整列させる第２の偏向器と
   を備える荷電粒子ビーム・システム。
2. 引き出された前記イオンを加工物上で集束させる集束レンズをさらに備える、請求項１に記載の荷電粒子ビーム・システム。
3. 前記多数のチャネルがそれぞれ、ガス源に接続するための入口を含む、請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
4. 前記第１の偏向器が２つの部分、すなわち前記第１の光軸から離れる方向へ前記電子ビームを偏向させる第１の部分と、前記第１の光軸に対して平行で、前記多数のチャネルのうちの１つのチャネルと同心の第２の光軸上に前記電子を偏向させる第２の部分とを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
5. 前記第２の偏向器が２つの部分、すなわち前記第２の光軸から離れる方向へ引き出され た前記イオンを偏向させる第１の部分と、前記第１の光軸上に引き出された前記イオンを偏向させる第２の部分とを含む、請求項４に記載の荷電粒子ビーム・システム。
6. 前記第１の偏向器による前記電子の整列および前記第２の偏向器による前記イオンの整列を制御するコントローラをさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
7. 試料を処理するための命令を入力するプログラム・メモリをさらに備え、前記命令が、試料処理中に第１のイオン種から第２のイオン種へイオン種を切り換えることを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
8. 荷電粒子ビーム用途のために多数の荷電粒子種を供給する方法であって、
   電子のビームを生成すること、
   前記電子のビームを第１の経路に沿って第１のチャネル内に導いて、前記チャネル内のガスと相互作用して第１の種のイオンを生成すること、
   前記第１のチャネルからイオンを引き出すこと、
   前記イオンを加工物上に導くこと、および
   前記電子のビームを前記第１の経路とは異なる第２の経路に沿って導いて、前記第１の チャネルを通過させずに前記加工物に荷電粒子の異なる種を供給すること
   を含む方法。
9. 前記電子のビームを前記第１の経路とは異なる第２の経路に沿って導くことが、前記電子のビームを、ガスを含む第２のチャネル内に導いて、第２の種のイオンを生成することを含み、前記方法が、
   前記第２のチャネルから前記第２の種のイオンを引き出すこと、および
   前記第２の種の前記イオンを前記加工物上に導くこと
   をさらに含み、前記方法が、前記加工物を含む真空を開放することなく、前記加工物に向かって導かれる異なる種のイオン間でイオンを切り換えることを提供する
   請求項８に記載の方法。
10. 前記電子のビームを第１の経路に沿って導くことから、前記電子のビームを第２の経路に沿って導くことに切り換えて、加工物に荷電粒子の異なる種を供給することが、０．１秒未満のうちに実行される、請求項８または請求項９に記載の方法。
11. 前記電子のビームを第１の経路に沿って導くことから、前記電子のビームを第２の経路に沿って導くことに切り換えて、加工物に荷電粒子の異なる種を供給することが、０．０５秒未満のうちに実行される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記電子のビームを第１の経路に沿って導くことまたは前記電子のビームを第２の経路に沿って導くことが、前記電子を光軸から偏向させること、および前記光軸に対して平行な経路上に前記電子を偏向させることを含む、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記イオンを加工物の上に導くこと、または加工物に荷電粒子イオンの異なる種を供給することが、前記イオンまたは荷電粒子の前記異なる種を再び前記光軸上に偏向させることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記電子のビームを第２の経路に沿って導いて、前記加工物に荷電粒子の異なる種を供 給することが自動化された、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 電子を供給する電子源と、
    ガス入口を有し、前記電子と相互作用してイオンを生成するガスを含むように適合された第１のチャネルと、
    前記電子を前記第１のチャネルと整列させ、または前記第１のチャネルを回避する第１の偏向器と、
    前記第１のチャネルからイオンを引き出す引出し器と、
    引き出されたイオンまたは電子を集束カラムと整列させる第２の偏向器と
    を備える荷電粒子ビーム・システム。
16. 前記電子と相互作用してイオンを生成するガスを含むように適合された１つまたは複数の追加のチャネルをさらに備える、請求項１５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
17. 前記電子を前記第１のチャネル、前記１つまたは複数のチャネルと整列させ、あるいはガスを含む前記チャネルを回避するように、前記第１の偏向器をバイアスすることができる、請求項１６に記載の荷電粒子ビーム・システム。
18. 前記電子を前記第１のチャネルと整列させ、または前記第１のチャネルを回避する前記第１の偏向器が、前記電子を前記第１のチャネルと整列させ、または前記電子をガスを含まないチャネルと整列させる偏向器を含む、請求項１６または請求項１７に記載の荷電粒子ビーム・システム。
19. 前記第１の偏向器による前記電子の整列を制御するコントローラをさらに備える、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
20. 試料を処理するための命令を記憶したプログラム・メモリをさらに備え、前記命令が、前記電子を前記第１のチャネルと整列させることと、前記第１のチャネルを回避することとを切り換えることを含む、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
21. 前記電子のビームを前記第１の経路とは異なる第２の経路に沿って導いて、前記加工物 に荷電粒子の異なる種を供給することが、前記電子のビームを前記第１のチャネル内の前 記ガスを回避する前記第２の経路に沿って導くことを含む、請求項８から１４のいずれか 一項に記載の方法。

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