JPH063720B2 - 集束イオンビ−ム装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は集束イオンビーム装置に関し、更に詳しくは加
速電圧を変化させても色収差、レンズ軸外収差が増加せ
ず、又、ビームの照射位置も変化しない集束イオンビー
ム装置に関する。

（従来の技術） 集束イオンビーム装置は、原子をイオン化させ、それを
取出してビームとし、このイオンビームを物質に照射し
て物質を形や性質を変え、或いはその物質から発生する
２次イオンの質量数を測定することによりその物質を分
析しようとする装置である。第６図は従来のイオンビー
ム装置の電気的構成例を示す図である。図において、１
はイオンビーム加速用の高圧を発生する加速電圧発生回
路、２はイオンを出射するエミッタ、３はエミッタ２か
らイオンを発生させる引出し電極、４は該引出し電極３
に電位を与える引出し電圧印加用電源である。加速電圧
発生回路１の出力電圧としては例えば２００ＫＶ程度が
用いられ、引出し電圧印加用電源４の供給電圧として
は、例えば５ＫＶ程度が用いられる。５はその内部を通
過するイオンビームを加速する多段加速管、６は該加速
管５に多段の加速電圧を与える分圧器である。該分圧器
６としては、例えば高耐圧用の分圧抵抗が用いられる。
７は静電型レンズで構成されイオンビームを集束させる
コンデンサレンズ、８は通過するイオンのうち質量の違
うイオンを分離する質量分離器である。該質量分離器８
は、通過するイオンに磁界と該磁界に直交する電解を印
加し、不要イオンを除去するものである。即ち、磁界中
を通過するイオンは質量の小さいイオンから順に軌道が
大きく曲げられる性質を利用し、更に必要なイオンビー
ムを直進させるように磁場に直交する電界を与えて、不
要イオンを除去するものである。９は同じく静電型レン
ズで構成された対物レンズ、１０はイオンビームをＸ、
Ｙ２方向に走査する偏向器、１１は最終的にイオンビー
ムが照射する試料である。２２は加速電圧発生回路１の
出力電圧が印加される分圧器で、分圧器６と同様に例え
ば高圧用の分圧抵抗が用いられる。分圧器２２には図に
示すようなタップＡ、Ｂが設けられておりタップＡの分
圧電圧は対物レンズ９に、タップＢの分圧電圧はコンデ
ンサレンズ７に印加されている。このように構成された
装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

エミッタ２において発生し、引出し電極３の開口部を通
過した高輝度イオンビームは、６段の加速管５で加速さ
せられる。多段加速管５を通過した高速イオンビーム
は、コンデンサレンズ７で集束された後、質量分離器８
で不要イオンが除去され、対物レンズ９で再度集束さ
れ、偏向器１０で所定方向に偏向させられた後試料（被
照射物）１１を照射する。この結果試料１１の表面にイ
オン注入が行われる。

第７図はこのようにして形成されたイオンビームが試料
１１に照射されるまでの軌跡を示す図である。図中の番
号は、第６図の構成要素の番号と対応している。印加電
圧は一例として加速電圧２００ＫＶの場合コンデンサレ
ンズ７の電圧が５０ＫＶ、対物レンズ９の電圧が１００
Ｋ程度である。

以上のように集束イオンビーム装置は試料にイオン注入
を行うが、注入の深さは物質により、又はその必要性に
より一様でないので注入深さを変える必要がある。注入
深さの制御は加速電圧を変えることによって行ってい
る。一方注入量を一定にする必要性及び正確な描画等の
見地から、試料１１上におけるイオンビームの径（プロ
ーブ径という）を極力小さくする必要があり、そのため
には特に色収差量を小さくする必要がある。集束イオン
ビーム装置には一般に静電型レンズが用いられていて、
上記の色集射量を小さくするためにはレンズ強度を強く
する必要があり、レンズ強度を強く津越すするとイオン
ビームの集束距離が短くなって動作距離が短くなるた
め、第２図（イ）のようにレンズ１３の後に偏向器１０
を置く方式は出来なくなり、第２図（ロ）のようレンズ
１３の前に置いた２段偏向器１２ａ，１２ｂで偏向しな
くてはならなくなる。又、色収差量△ｗ_ｃは次式で表わ
される。

△ｗ_ｃ＝（Ｃ_ｃ×α）×Δｗ／Ｖ …（１） 但し、 Ｃ_ｃ：色収差係数 α：ビームの開き角 Ｖ：加速電圧 △Ｖ：出射イオンのエネルギー幅 前述のように注入深さの制御のために加速電圧を変える
と（１）式のように色収差量が変化し、特に加速電圧を
下げて用いると色収差量が増加してビームが絞れなくな
ってしまう。これを解決するために次の様な静電レンズ
が使用されている。第３図において５枚電極構成のレン
ズを示してある。エミッタ側から電極をＬ_１，Ｌ_２，Ｌ
_３，Ｌ_４及びＬ_５とすると、Ｌ_１，Ｌ_５を接地し、Ｌ_３
に可変の電圧Ｖｉ、Ｌ_２にＶｉ／２、Ｌ_４にスイッチ２
１によって切替える５０ｋＶと２５ｋＶの電源を接続す
る。この構成の対物レンズ１３において前記加速電圧Ｖ
を例えば２００，１００，５０ＫＶに変化させた際に、
前記Ｖｉを変化させると共に、スイッチ２１を切り換え
ており、そのため対物レンズ１３における電位分布は第
４図に示す通りになる。従って、レンズの主面位置が加
速電圧の低下に伴って試料１１の方へ前進する。ところ
で、色収差係数Ｃ_ｃは電解と物点の位置によって決まる
常数であって、レンズの主面位置と集束点の距離が小さ
くなる程色収差係数は小さくなる。そのため、加速電圧
の低下に伴って主面位置が試料側に移動する上記装置に
おいては、（１）式から明らかなように、加速電圧Ｖが
小さくなることによる色収差量の増加はＣcの低下によ
る色収差量の減少によって相殺され、色収差量Δｗ_ｃは
変化しない。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のようにレンズの色収差を小さくするためレンズ強
度を強くし、従って前置２段偏向器を使って第３図の５
枚構成レンズを使用すると次の問題を生ずる。第５図に
おいて加速電圧Ｖ＝２００ｋＶのときの対物レンズ１３
の主面位置を１３_１、Ｖ＝１００ｋＶのときの対物レン
ズ１３の主め位置を１３_２、Ｖ＝５０ｋＶのときのそれ
を１３_３とすると、Ｖ＝２００ｋＶのとき偏向器１２で
偏向されたイオンビームは対物レンズの主面位置１３_１
の中心を通る。Ｖ＝１００ｋＶになると対物レンズ１３
の主面位置は１３_２に移動しているが、イオンビームは
レンズ１３_１の中心を通るので同じように対物レンズ１
３に入ったインオンビームはレンズ主面位置１３_２にお
いて中心をずれているため、レンズ作用により結像点が
試料１１の中心軸寄りに移動する。Ｖ＝５０ｋＶのとき
は対物レンズ１３のレンズ主面位置は１３_３になってお
りインオンビームはレンズ１３_１の中を通るので、レン
ズの中心位置を更にずれることになって試料１１の上の
結像が更に中心軸寄りに移動する。従ってレンズ軸外収
差が発生し、同時に試料１１上でプローブ位置が動いて
しまう。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目
的は加速電圧の変化によってレンズの主面位置あずれて
もイオンビームの試料１１王のプローブ位置が変化しな
い集束イオンビーム装置を実現することである。

（問題点を解決するための手段） 前記の問題点を解決するための本発明は、被照射物に照
射されるイオンビームの加速電圧を低下させた際に複数
枚電極構成の対物レンズの電極に与える電圧を変化させ
て、被照射物に対するレンズ主面位置を被照射物寄りに
移動させることにより色収差量の増加を抑制する手段を
有し、該手段の前に２段の偏向器を設け、該２段の偏向
器による偏向により被照射物へのイオンビームの照射位
置を所定位置に制御するようにした集束イオンビーム装
置において、前記主面位置の移動にかかわらず、常に該
主面の中心を偏向支点としてイオンビームが偏向される
ように前記加速電圧を表わす情報に基づいて前記２段の
偏向器の偏向ゲインを切り換える手段を備えたことを特
徴とするものである。

（作用） イオンの注入深さを変えるために加速電圧を変化させた
とき、対物レンズの構成電極に与える電圧が変化してレ
ンズの主面位置を移動させ、色収差量の増加を抑制する
集束イオンビーム装置において、レンズの主面位置の移
動量に応じて偏向器に直流偏向電圧を与えてイオンビー
ムにレンズの各主面位置の中心を通過させ、試料上のプ
ローブ位置を一定に保つ。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の実施例につき詳細に説明
する。

第１図は本発明の実施例を示すブロック図である。図
中、１４は走査信号発生器、１ａ，１５ｂは掛算器、１
６は偏向ゲインメモリ、１７は加速電源、１８ａ，１８
ｂはアンプである。偏向器１２ａ，１２ｂには各々掛算
器１５ａ，１５ｂ，ＤＡ変換器１９ａ，１９ｂ，アンプ
１８ａ，１８ｂを介して走査信号が走査信号発生器１４
から与えられる。２０はＣＰＵであり、ＣＰＵ２０より
加速電圧Ｖを指定する信号が加速電源１７に送られてい
ると共に、指定した加速電圧Ｖに対応する偏向器１２
ａ，１２ｂの偏向ゲインデータＧａ，Ｇｂを偏向ゲイン
メモリ１６より読み出すためのアドレス指定信号がＣＰ
Ｕ２０より偏向ゲインメモリ１６に送られるようになっ
ている。加速電源１７の出力加速電圧をそれぞれ２００
ｋＶ，１００ｋＶ及び５０ｋＶにすることによって、対
物レンズの主面位置は１３_１，１３_２，１３_３と変化す
る。今、ＣＰＵ２０よりの制御信号を加速電源１７に送
ってＶ＝２００ｋＶにすると、対物レンズの主面位置は
１３_１になるが、この時ＣＰＵ２０は偏向ゲインメモリ
１６よりＶ＝２００ｋＶに対応した偏向ゲインデータＧ
ａ_１，Ｇｂ_１を読み出すため、走査信号発生器１４より
の走査信号Ｘ，Ｙは掛算器１５ａ，１５ｂにおいて各々
Ｇａ_１，Ｇｂ_１倍された後、ＤＡ変換器１９ａ，１９ｂ
に送られる。そのため、イオンビームは軌跡を画いて
対物レンズの主面位置１３_１の中心を通るように偏向器
１２ａ，１２ｂにより偏向される。加速電源１７からの
加速電圧をＶ＝１００ｋＶとすると、対物レンズの主面
位置は１３_２になるが、この場合にはＣＰＵ２０は偏向
ゲインメモリ１６より対応する偏向ゲインデータＧ
ａ_２，Ｇｂ_２を読み出すため、イオンビームが軌跡を
画き対物レンズ主面位置１３_２の中心を通るように、偏
向器１２ａ，１２ｂにより偏向される。加速電圧がＶ＝
５ｋＶになったときも同様に、イオンビームの軌跡が
になるように偏向ゲインメモリ１６より読み出されたデ
ータに基づいて偏向器１２ａ，１２ｂの偏向ゲインが変
えられる。以上のように加速電圧が変化すると対物レン
ズ１３の主面位置が変化するが、それに応じて偏向器１
２ａ，１２ｂの偏向ゲインが変えられるため、常にレン
ズ主面位置の中心をイオンビームが通過する。そのため
レンズ軸外収差を生じないと共に試料１１上のプローブ
の位置も変化しない。以上の偏向ゲインの補正量は装置
固有のものであり、又、今後これらの集束イオンビーム
装置では、制御はすべてＣＰＵによって行われるものと
考えられるので、偏向ゲイン量は個々の装置についてメ
モリに書込んでおけばよい。

ここに挙げたのは一例であって、例えば５枚構成のレン
ズへの電圧の与え方はこれに限ったものでなく、如何の
ようにでもなし得るものである。又、上述した実施例に
おいては、５枚電極構成の対物レンズを備えた装置に本
発明を適用したが、３枚構成の対物レンズを備えた装置
にも本発明は同様に適用できる。更に又、上述した実施
例においては、ディジタル掛算器により偏向ゲインを切
り換えるようにしたが、アナログ回路により偏向ゲイン
を切り換えるようにしてもよいし、ソフト的に偏向ゲイ
ンを切り換えるようにしてもよい。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明によれば、加速電圧を
変化させても色収差量が増えないようにレンズ主面位置
を変化させる対物レンズにおいて、レンズ主面位置が変
化してもイオンビームがそれぞれの主面位置の中心を通
過して軌外収差を生ぜず試料面上のプローブの位置も動
かない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図、第２図はレンズ
強度と偏向器の位置に関する説明図、第３図は５枚構成
の対物レンズの構成図、第４図は加速電圧と対物レンズ
の電位分布の関係図、第５図は加速電圧とイオンビーム
の軌跡の関係図、第６図は従来の集束イオンビーム装置
の概略構成図、第７図はイオンビームの軌跡を示す図で
ある。 ２…エミッタ ３…引出し電極 ５…加速管 ７コンデンサレンズ ８…質量分離器 ９…対物レンズ １０，１２ａ，１２ｂ…偏向器 １３…対物レンズ １３_１，１３_２，１３_３…対物レンズの主面位置 １４…走査信号発生器 １５ａ，１５ｂ…掛算器 １６…偏向ゲインメモリ １７…加速電源 １８ａ，１８…アンプ １９ａ，１９ｂ…ＤＡ変換器 ２０…ＣＰＵ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被照射物に照射されるイオンビームの加速
   電圧を低下させた際に複数枚電極構成の対物レンズの電
   極に与える電圧を変化させて、被照射物に対するレンズ
   主面位置を被照射物寄りに移動させることにより色収差
   量の増加を抑制する手段を有し、該手段の前に２段の偏
   向器を設け、該２段の偏向器による偏向により被照射物
   へのイオンビームの照射位置を所定位置に制御するよう
   にした集束イオンビーム装置において、前記主面位置の
   移動にかかわらず、常に該主面の中心を偏向支点として
   イオンビームが偏向されるように前記加速電圧を表わす
   情報に基づいて前記２段の偏向器の偏向ゲインを切り換
   える手段を備えたことを特徴とする集束イオンビーム装
   置。