イオンビーム安定化方法
イオン顕微鏡法およびシステムを開示する。概して、本システムおよび本方法により、イオンビームの高安定性を得ることができる。一方法によれば、ガスの最良結像電圧よりも少なくとも５％高い電圧で動作するチップを有するガス電界イオン源を用いて、イオンビームを生成する。その他の方法として、混合気体を用いてイオンビームを生成する方法も開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する発明は、イオンビームの比較的高い安定性を提供するシステムおよび方法を含む、イオン顕微鏡法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンを用いて、試料を検査および／または改変することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５５７，３５９号明細書
【特許文献２】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４５１３３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７−０１５８５５８号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Journal of Scientific Instruments, 1965, VoI 42,「An Ail-Metal Field ion microscope」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書で開示する発明は、包括的に、イオンビームの比較的高い安定性を提供するシステムおよび方法を含むイオン顕微鏡法およびシステムに関する。
【０００６】
例えば、所与の期間にわたりイオンビーム電流の安定性が比較的高いと、比較的高い安定性を得ることができる。そのような例において、イオンビームを用いて試料を改変する場合（例えば、ガスアシストエッチング法、ガスアシスト蒸着法、スパッタ法、フォトレジスト露光を行う場合）、イオンビームの安定性が比較的高いことにより、結果として、試料の品質および／または（例えば、各位置間における）均一性の信頼性が向上し、および／または、試料改変にかかるコストを削減することができる。一般に、イオンビーム電流が変動することにより、結果として、単位時間当たりにおける試料上に作用するイオンの数が変動する。しかし、通常、試料の改変中にそのような変動を補正しようとすることは困難な場合があり、多くのプロセスにおいては、イオンビーム変動は許容レベル範囲内であり試料改変は各位置において比較的均一に行われるであろうという想定の下、改変対象の各位置を同じ時間だけイオンビームで露光する。しかしながら、イオンビームの変動が大きくなりすぎると、試料の位置による変化が大きくなり許容範囲を超えてしまう（例えば、試料が設計したように機能しない等）。
【０００７】
また、イオンビームの安定性が比較的高いことにより、結果として、試料を検査する際に収集したデータの信頼性の向上、データ収集効率の向上、および／またはデータ収集にかかるコスト削減につながる。多くの場合、試料を検査する際、イオンビーム電流が変動すると、その結果、試料から検出される粒子（例えば、二次電子）の数が変動する。そのようなビーム電流の変動は、比較的短いタイムフレーム内で発生することがあり（例えば、この現象は一般にビームフリッカと呼ばれる）、または、比較的長いタイムフレームにわたり発生することもある（例えば、ビーム電流ドリフト）。いずれの場合においても、ビーム電流が変動すると、例えば、粒子数の変化の原因が、試料の局所変化（例えば、試料面の形態変化、試料面近傍に存在する物質の変化等）に起因するものか、または、イオンビーム電流における変化に起因するものかの判断が難しくなる。そのような場合、収集されたデータ（例えば、試料画像、試料スペクトル）は信憑性に欠け信頼できないと考えられ、十分信頼できるデータを収集するには、試料の検査をさらにもう１回またはそれ以上行うことが必要となる場合がある。場合によっては、ビーム電流が不安定で、試料を確実に検査することができないことがある。さらに、試料の検査中にデータ収集を何度も繰り返し試みることにより、所与の試料を検査する能力が低下する。場合により、試料検査における適正なスループットを達成することができないことが考えられる。さらに、所与の試料の検査を繰り返し行うことによって十分に信頼できるデータを収集することができたとしても、この手法に付随するコストは許容可能範囲を超えてしまうことがある。
【０００８】
代案または追加として、例えば、イオン源を復元および／または交換する必要がある場合もその復元および/または交換にはほとんど時間をかけずに比較的長時間動作するチップを有するイオンビーム源において、比較的高い安定性を得ることができる。このことは、例えば、イオンを用いて試料（例えば、マスク等）を改変する際に有用である。例として、そのような場合、望ましくはイオンビームを用いて試料をスパッタする。イオン源を復元および／または交換する必要がある場合もその復元および/または修復にほとんど時間をかけずに比較的長時間動作するチップを有するイオンビーム源を用いることにより、結果として、例えば、効率の向上および／またはコストの削減につながる。このことは、例えば、試料を高精度で改変することが特に重要である場合、試料が比較的高価である場合、および／または比較的多数の試料を処理する場合において、有利である。試料改変を高精度で行うことが重要である場合、チップを修復または交換せずにイオン源を比較的長時間動作させることが可能であれば、チップの修復および／または交換に付随する潜在的な問題（例えば、種々のガス状態への露出、場合によっては、試料が大気条件下に露出してしまうこと）を軽減、または、場合によっては、回避することができる。試料が比較的高価である場合も、同様の利点を得ることができる。比較的多数の試料を処理したい場合、比較的短時間で修復および／または交換できるチップを比較的長時間用いることができることは、多くの時間をかけて試料を処理することができることを意味し、概して、プロセスのスループット向上につながる。
【０００９】
イオンビーム源の実効寸法を小さくし、イオンビームを低角度発散および低エネルギー拡散させることは、試料を検査および／または改変する際に非常に有用であることが多い。源の実効寸法が小さいため、また低角度発散であるため、従来のイオン光学的方法を用いてビームを試料上において小さいプローブ寸法に集束することができる。これら２つの望ましい特徴、すなわち、実効寸法が小さいこと、および低角度発散であることは、一般に、荷電粒子源の低エテンデュー化および／または高輝度化にとって望ましいとされる。低エネルギー拡散であることにより、後段のいかなるイオン光学素子から発生する分散または色収差も低減することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態において、ガス電界イオン顕微鏡を、その最良結像電界および／または最良結像電圧よりも高い電界または電圧で動作させることにより、イオンビームを比較的安定させることができる。本明細書において、用語「最良結像電界（ＢＩＦ：Best Imaging Field）」は、源のチップから放出されるイオンの角度放出（単位立体角あたりの電流量）が最大となる際に源のチップに印加される電界の大きさを示し、用語「最良結像電圧（ＢＩＶ：Best Imaging Voltage）」は、抽出器の電圧に対して最良の結像電界を生成するのに用いた源のチップの電圧を示す。最良結像電界および／または最良結像電圧よりも高い電界または電圧で動作させることにより源のチップから放出されるイオンの角度放出は最大角度放出よりも減少するが、出願者らは、これらの動作条件下で動作させることにより、電流変動が減少することを発見した。電流変動の減少は、全般的に見れば、源のチップからイオンを高角度で放出することよりも重要となりうる。
【００１１】
ある実施形態において、源チップの再形成中に、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）が比較的高い第２ガスを導入することにより、イオンビームを比較的安定させることができる。例として、ネオンガス電界イオン顕微鏡の源チップを再形成する際、ヘリウムを導入することができる。この手法により、オペレータは比較的高い源チップ電圧（電界）でチップを再形成すること可能となり、この条件下において第１ガス（例えば、ネオン）により生成したイオンビームの観測は困難になるが、このような状況下において第２ガス（例えば、ヘリウム）により生成したイオンビームを観測することができる。源チップを再形成した後、第２ガス（例えば、ヘリウム）を除去することができ、第１ガス（例えば、ネオン）による動作を再開することができる。
【００１２】
いくつかの実施形態において、イオン源のチップにおける電界を操作することにより、ＢＩＶまたはＢＩＦの異なる２種類のガス間でイオンビームを比較的安定して切り替えることができる。例えば、イオン源のチップにおける電界を比較的低電界とすることにより、主としてＢＩＶまたはＢＩＦの低いガスのイオン（例えば、ネオンイオン等）からなるイオンビームを生成することができ、イオン源のチップにおける電界を比較的高電界とすることにより、主としてＢＩＶまたはＢＩＦの高いガスのイオン（例えば、ヘリウムイオン等）からなるイオンビームを生成することができる。
【００１３】
ある実施形態において、電界分離器、磁界分離器、またはその両方のビーム分離器を用いることにより、ＢＩＶまたはＢＩＦの異なる２種類のガス間でイオンビームを比較的安定して切り替えることができる。例えば、ビーム分離器をイオン光学系内に配置して、第１モードと第２モードとの間で切り替えることができる。第１モードとは、第１ガスのイオンを試料に到達させる一方で第２ガスのイオンを試料に実質的に到達させないように、ビーム分離器を構成するものである。第２モードとは、第２ガスのイオンを試料に到達させる一方で第１ガスのイオンを試料に実質的に到達させないように、ビーム分離器を構成するものである。
【００１４】
いくつかの実施形態において、例えば、第１ガスのイオンビームを生成する際に、故意に第２ガスを導入することにより、ビーム安定性を比較的高くすることができる。イオンビームの特定の特徴（例えば、源の実効寸法、発散角度、拡散エネルギー等）は、第１ガスのイオンビームを生成する際に、故意に第２ガスを導入することにより、減少させることができる。ガス電界イオン顕微鏡におけるイオンビームが発生する領域に存在する混合気体のサンプル中において、第２ガスの量は、第２ガスを故意に添加しなかった場合よりも多い（例えば、第２ガスは、第１ガスにおける不純物濃度の量を超えて存在する）。選択肢として、イオンビームを生成した後、いくらかの（例えば、実質的には全ての）第２ガスをイオンビームから除去することができる。したがって、いくつかの実施形態において、試料近傍の混合気体のサンプル中の第２ガスの量は、ガス電界イオン顕微鏡におけるイオンビームが発生する領域に存在する第２ガスの量よりも、実質的に少なくすることができる。一般に、第１ガスおよび第２ガスはどちらも希ガスであるが、場合によっては、第１ガスおよび第２ガスのどちらか一方または両方を、例えば、分子水素ガス等の非希ガスとすることができる。多くの場合、第２ガスはＨｅであり、第１ガスは別の希ガス（例えば、Ａｒ，Ｋｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｒｎ等）である。場合によっては、第１ガスをＮｅとし、第２ガスをＨｅとすることができる。その場合、Ｎｅイオンを用いて、例えば、試料をスパッタすることができる。
【００１５】
本発明の一態様において開示する方法は、ガスの最良結像電圧よりも少なくとも５％高い電圧で動作するチップを有するガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成する、イオンビーム生成ステップ、およびイオンビームを用いて試料を検査／または改変するステップ、を含むものである。
【００１６】
ガス電界イオン源のチップの電圧は、ガスの最良結像電圧よりも、少なくとも１０％（例えば、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも３０％）高くすることができる。例えば、ガス電界イオン源のチップの電圧は、ガスの最良結像電圧よりも、１０％から２０％高くすることができる。
【００１７】
ガス電界イオン源は、イオンビームを生成する三量体を有する端子棚を含むチップを備えることができる。
【００１８】
ガス電界イオン源はイオンビームを生成するチップを備えることができ、ガス電界イオン源のチップにおける原子の運動は、最良結像電圧で動作する際のガス電界イオン源のチップにおける原子の運動と比較して、少なくとも２分の１に抑制される。
【００１９】
ガス電界イオン源はイオンビームを生成するチップを備え、ガス電界イオン源のチップにおける各発光位置当たりのイオンの放出は、最良結像電圧で動作する際のガス電界イオン源のチップにおける各発光位置当たりのイオンの放出と比較して、少なくとも２分の１に低減される。
【００２０】
ガスは、ネオン等の希ガスとすることができる。
【００２１】
ガス電界イオン源は、ガス電界イオン顕微鏡の一部とすることができる。
【００２２】
本発明の別の態様において開示する方法は、（ａ）第１ガスを用いて、ガス電界イオン源からイオンビームを生成し、試料を検査および／または改変するステップ、および（ｂ）ステップ（ａ）の後、ガス電界イオン源のチップの再形成中に、第２ガスを用いてガス電界イオン源のチップの端子棚の原子構造をモニタして、ガス電界イオン源のチップの端子棚の発光パターンを生成するステップ、を含むものである。第２ガスは第１ガスと異なるものとすることができる。
【００２３】
ガス電界イオン源により生成した第２ガスのイオンのビームに関する情報は、ガス電界イオン源のチップの画像とすることができる。
【００２４】
ガス電界イオン源は、ステップ（ａ）の間、第１電圧で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｂ）の間、第２電圧で動作する。第１電圧は第２電圧とは異なる。
【００２５】
第２電圧は第１電圧よりも高くすることができる。
【００２６】
本方法は、また、（ｃ）ステップ（ｂ）の後、第１ガスを用いてガス電界イオン源からイオンビームを生成し、試料を検査および／または改変するステップを含むこともできる。
【００２７】
ガス電界イオン源は、ステップ（ａ）の間、第１電圧で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｂ）の間、第２電圧で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｃ）の間、第３電圧で動作することができる。第１電圧は第２電圧とは異なるものとすることができ、第３電圧は第２電圧とは異なるものとすることができる。
【００２８】
第２ガスはヘリウムとすることができる。
【００２９】
第１ガスは希ガスとすることができる。
【００３０】
第１ガスおよび第２ガスは両方とも、ステップ（ａ）の間、ガス電界イオン源と相互作用することができる。
【００３１】
第１ガスおよび第２ガスは両方とも、ステップ（ｂ）の間、ガス電界イオン源と相互作用することができる。
【００３２】
ガス電界イオン源のチップにおける所与の電圧において、第１ガスの最良結像電圧は、第２ガスの最良結像電圧よりも低くすることができる。例えば、第２ガスの最良結像電圧は、第１ガスの最良結像電圧よりも、少なくとも１０％高い（例えば、２０％高い、３０％高い、４０％高い）。
【００３３】
ガス電界イオン源は、ステップ（ａ）の間、第１電界で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｂ）の間、第２電界で動作することができる。第１電界は第２電界とは異なるものとすることができる。
【００３４】
本発明のさらなる態様により開示する方法は、ガス電界イオン源を用いて、第１ガスのイオンおよび該第１ガスとは異なる第２ガスのイオンを含む第１イオンビームを生成するステップ、および、第１イオンビームを、第２ビームおよび第３ビームに分離するステップを含む。第１イオンビームは第１ガスのイオンを少なくとも１０％および第２ガスのイオンを多くとも１％含む。第２イオンビームは第２ガスのイオンを少なくとも１０％および第１ガスのイオンを多くとも１％含む。
【００３５】
本方法は、さらに、第１イオンビームおよび第２イオンビームを用いてガス電界イオン源のチップを画像化するステップを含むことができる。
【００３６】
本方法は、さらに、第２イオンビームおよび第３イオンビームを同時に試料と相互作用させて、試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００３７】
本方法は、さらに、第１ガスおよび第２ガスの両方の原子にガス電界イオン源を露出して第１イオンビームを生成するステップを含むことができる。
【００３８】
第１ガスの圧力は、第２ガスの圧力の多くとも４倍とすることができ、および／または、第１ガスの圧力は、第２ガスの圧力の少なくとも０．２５倍とすることができる。
【００３９】
第１ガスは、第１希ガスとすることができる。
【００４０】
第２ガスは、第２希ガスとすることができる。
【００４１】
第２イオンビームは、第１ガスのイオンを少なくとも２５％含むことができる。
【００４２】
第３イオンビームは、第２ガスのイオンを少なくとも２５％含むことができる。
【００４３】
第２イオンビームは、第２ガスのイオンを多くとも０．１％含むことができる。
【００４４】
第３イオンビームは、第１ガスのイオンを多くとも０．１％含むことができる。
【００４５】
本方法は、磁界源を備えるイオンビーム分離器を用いて第１イオンビームを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離するステップを含むことができる。イオンビーム分離器は、磁界分離器および電界分離器の組み合わせを含むことができる。
【００４６】
第１イオンビームは、原子の種々の同位体のイオンを含むことができ、第２イオンビームは原子の第１同位体のイオンを含むことができ、第３イオンビームは原子の第２同位体のイオンを含むことができる。
【００４７】
本発明の付加的な態様により開示するシステムは、質量のそれぞれ異なるイオンからなる第１イオンビームを生成可能なガス電界イオン源、および、システムの使用中に、第１イオンビーム中のイオンを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離するように構成したイオンビーム分離器、を備えるものである。第２イオンビームは第１質量のイオンを少なくとも１０％および第１質量とは異なる第２質量のイオンを多くとも１％含み、第３イオンビームは第２質量のイオンを少なくとも１０％および前記第１質量のイオンを多くとも１％含む。
【００４８】
ビーム分離器は、イオン質量、イオン電荷、および／またはイオン速度から選択される少なくとも１つのパラメータに基づいて、第１イオンビームを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離することができる。
【００４９】
本システムは、システムの使用中にガス電界イオン源からのイオンを試料に導くように構成したイオン光学系を備えることができ、イオン光学系は、イオンビーム分離器を備えることができる。イオン光学系は、さらに、絞りを備えることができる。システムの使用中、第２イオンビームは絞りを通過することができる。システムの使用中、第３イオンビームは絞りを通過することができない。例えば、システムの使用中、第３イオンビームを絞りにより遮断することができる。
【００５０】
イオンビーム分離器は、電界源および／または磁界源を備えることができる。イオンビーム分離器は、磁界および電界を生成可能とすることができる。
【００５１】
イオンビーム分離器は、同一原子のイオンビームであって同位体質量のそれぞれ異なるイオンビームを分離することができる。
【００５２】
本システムは、ガス電界イオン顕微鏡とすることができる。
【００５３】
本発明の一態様により開示する方法は、第１ガスを少なくとも８０％含み第１ガスとは異なる第２ガスを多くとも２０％含む混合気体にガス電界イオン源を露出すると同時にこのガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するイオンビーム生成ステップを含むものである。
【００５４】
混合気体は、第１ガスを９０％含むことができる。
【００５５】
ガスは、両方とも、希ガスとすることができる。
【００５６】
第１ガスはヘリウムとすることができる。
【００５７】
第２ガスはネオンとすることができる。
【００５８】
試料におけるイオンビーム電流の変動は、少なくとも３０秒間につき１０％未満とすることができる。
【００５９】
ガス電界イオン源のデューティサイクルは、少なくとも１日間につき少なくとも９０％とすることができる。
【００６０】
第２ガスが存在することにより、本システムを低電圧で動作させることができる。
【００６１】
第２ガスが存在することにより、本システムは、電流角密度が少なくとも２０％増加したイオンビームを生成することができる。
【００６２】
第２ガスが存在することにより、本システムは、エネルギー拡散が少なくとも２０％減少したイオンビームを生成することができる。
【００６３】
第２ガスが存在することにより、本システムは、角度広がりが少なくとも２０％減少したイオンビームを生成することができる。
【００６４】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００６５】
第２ガスが存在することにより、放出電流の変動を５０％低減することができる。
【００６６】
本発明の別の態様により開示する方法は、ヘリウムとネオンを含む混合気体にガス電界イオン源を露出すると同時にこのガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成する、イオンビーム生成ステップを含むものである。混合気体は、ヘリウムを０．１％から１０％含み、混合気体は、ネオンを少なくとも１０％含む。
【００６７】
試料におけるイオンビーム電流の変動は、少なくとも３０秒間につき１０％未満とすることができる。
【００６８】
ガス電界イオン源のデューティサイクルは、少なくとも１日間につき少なくとも９０％とすることができる。
【００６９】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７０】
本発明のさらなる態様により開示する方法は、ガス電界イオン源を用いて、試料における電流の変動が少なくとも３０秒間につき１０％未満であるイオンビームを生成するステップを含むものである。イオンビームは、第１希ガスを少なくとも０．１％含み、第１希ガスとは異なる第２希ガスを少なくとも１０％含む。
【００７１】
第１希ガスはＨｅとすることができる。
【００７２】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７３】
本発明の付加的な態様により開示する方法は、ガス電界イオン源を用いて、デューティサイクルが少なくとも１日間につき少なくとも９０％であるイオンビームを生成するステップを含む。イオンビームは、第１希ガスを少なくとも０．１％含み、第１希ガスとは異なる第２希ガスを少なくとも１０％含む。
【００７４】
第１希ガスはＨｅとすることができる。
【００７５】
本発明は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７６】
本発明の付加的な態様により開示する方法は、ガス電界イオン源の所望のイオンビーム安定性を決定するステップ、および、所望のイオンビーム安定性に基づいて、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するための少なくとも２種類の異なる希ガスを含む混合気体を決定するステップを含むものである。
【００７７】
所望のイオンビーム安定性は、試料における所定の期間中の変動が所定量未満のイオンビーム電流として測定することができる。
【００７８】
本発明は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７９】
本発明の一態様により開示する方法は、ガス電界イオン源の所望のデューティサイクルを決定するステップ、および、ガス電界イオン源の所望のデューティサイクルに基づいて、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するための少なくとも２種類の異なるガスを含む混合気体を決定するステップを含むものである。
【００８０】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００８１】
本発明の別の態様により開示する方法は、種々のガスを含む混合気体にガス電界イオン源を露出することにより、各ガスのイオンを含むイオンビームを生成するステップを含むものである。本方法は、また、イオンビーム中のイオンの所望の相対存在比に基づいて、ガス電界イオン源のチップにおける電界を選択するステップを含むものである。
【００８２】
ガス電界イオン源のチップにおける電界を減少させることにより、イオンビーム中の低質量イオンの存在比を増加することができる。
【００８３】
ガス電界イオン源のチップにおける電界を増加させることにより、イオンビーム中の高質量イオンの存在比を増加することができる。
【００８４】
ガス電界イオン源のチップにおける電界は、ガス電界イオン源のチップ、抽出器、および／または抑制器に印加する電圧により制御することができる。
【００８５】
混合気体は、ヘリウムおよび重質ガスを含むことができる。例えば、混合気体は、ヘリウムおよびネオンを含む。
【００８６】
電界は、第１値および第１値とは異なる第２値との間で切り替えることができる。電界を第１値として生成したイオンビームはヘリウムを８０％より多く含むことができる。電界を第２値として生成したイオンビームはネオンを少なくとも２０％含むことができる。
【００８７】
本方法は、さらに、ガス電界イオン源を動作させてイオンビームを生成するステップを含むことができる。
【００８８】
上記の特徴および以下に説明する特徴は、特定の組み合わせにおいてのみ用いられるものではなく、本明細書における開示の範囲を逸脱することなく、その他の組み合わせまたは単独で用いることができる。
【００８９】
その他の特徴および利点は、以下の説明、図面、および特許請求の範囲により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】イオン顕微鏡システムの概略図である。
【図２】ガス電界イオン源の概略図である。
【図３Ａ】全原子の角放出電流が等しい、略完全な正三角形の発光パターンを示す図である。
【図３Ｂ】後に、発光位置のうちの１つが、発光は変化せずに、移動した発光パターンを示す図である。
【図３Ｃ】後に、発光位置のうちの１つが明るくなった放出パターンを示す図である。
【図４Ａ】ＢＩＶにおける、対時間の発光位置移動を示す図であり、各点は三量体の個々の原子を示し、発光位置のｘ，ｙ位置は、フラッシュフレームレートが約１０Ｈｚのカメラで記録したものである。
【図４Ｂ】ＢＩＶよりも高い電圧における、対時間の発光位置移動を示す図であり、各点は三量体の個々の原子を示し、発光位置のｘ，ｙ位置は、フラッシュフレームレートが約１０Ｈｚのカメラで記録したものである。
【図５Ａ】ＢＩＶにおける、発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、各トレースは、各発光位置に対する放出電流を示す。
【図５Ｂ】ＢＩＶよりも高い電圧における、発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、各トレースは、各発光位置に対する放出電流を示す。
【図６】性能特定基準対動作電圧を示すグラフであり、最大輝度はＢＩＶ（１９．８ｋＶ）にて達成されるが、２１．８ｋＶのような高電圧（ＢＩＶで達成される電流の約半分の電流）で動作させることにより、原子運動が減少し、輝度の安定性が向上することを示す図である。
【図７】電界、各印加電圧、各放出電流、およびヘリウムとネオンの発生を示すグラフである。
【図８】ビーム分離器を有するガス電界イオン顕微鏡システムの概略図である。
【図９】ヘリウム／ネオンイオンビームをヘリウムイオンとネオンイオンの２つの異なるビームに分離する分離器を用いて生成した２つの三量体像を示す図である。
【図１０Ａ】ヘリウムに少量のネオンを導入したときにイオンビームの角度発散が減少することを示す図である。
【図１０Ｂ】ヘリウムに少量のネオンを導入したときにイオンビームの角度発散が減少することを示す図である。
【図１１Ａ】図１０Ａに示す像における２つの隣接する原子に関する線グラフである。
【図１１Ｂ】図１０Ｂに示す像における２つの隣接する原子に関する線グラフである。
【図１２Ａ】試料の頂面図である。
【図１２Ｂ】試料の断面図である。
【００９１】
異なる図面における同一の参照符号は同一の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００９２】
［概論］
図１に、ガス電界イオン顕微鏡システム１００を示す。ガス電界イオン顕微鏡システムは、ガス源１１０、ガス電界イオン源１２０、イオン光学系１３０、試料マニピュレータ１４０、前方検出器１５０、後方検出器１６０、および電子制御システム１７０（例えば、コンピュータ等の電子プロセッサ）を備える。電子制御システムは、通信線１７２ａ〜１７２ｆを介してシステム１００内の各コンポーネントに接続される。試料１８０は、イオン光学系１３０と検出器１５０，１６０との間において試料マニピュレータ１４０内または試料マニピュレータ上に載置する。使用時は、イオン光学系１３０を介してイオンビーム１９２を試料１８０の面１８１に導き、このイオンビーム１９２が試料１８０と相互作用することにより発生する粒子１９４を検出器１５０および／または検出器１６０により測定する。一般に、システム１００内のある特定の不要な化学種をシステムから除去して、その存在を減少させることが望ましい。図２に示すように、ガス源１１０は、１種類またはそれ以上の種類のガス（例えば、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，またはＸｅ等）１８２をガス電界イオン源１２０に供給するように構成する。ガス電界イオン源１２０は、ガス源１１０からの１種類またはそれ以上の種類のガス１８２を受け入れ、これらの（１種類またはそれ以上の種類の）ガス１８２からガスイオンを生成するように構成する。ガス電界イオン源１２０は、チップ頂端部１８７を有するチップ１８６、抽出器１９０、および、任意選択の抑制器１８８を備える。使用時は、チップ１８６を抽出器１９０に対して正にバイアスし、抽出器１９０を外部接地に対して正または負にバイアスし、任意選択の抑制器１８８をチップ１８６に対して正または負にバイアスする。このような構成により、ガス源１１０から供給されたガス１８２の非イオン化ガス原子がイオン化され、チップ頂端部１８７近傍において正電荷を持つイオンとなる。この正電荷を持つイオンは、同時に、正に帯電したチップ１８６からはじかれて、負に帯電した抽出器１９０に引き寄せられ、正電荷を持つイオンがイオンビーム１９２としてチップ１８６からイオン光学系１３０に導かれる。抑制器１８８の支援の下、チップ１８６と抽出器１９０との間の電界全体を制御し、その結果として、チップ１８６からイオン光学系１３０に至る、正電荷を持つイオンの軌道を制御する。一般に、チップ１８６と抽出器１９０との間の電界全体を調整することにより、チップ頂端部１８７における正電荷を持つイオンの生成速度および、正電荷を持つイオンがチップ１８６からイオン光学系１３０まで移動する際の効率を制御することができる。一般に、イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２を試料１８０の面１８１に導くように構成する。イオン光学系１３０は、例えば、ビーム１９２中のイオンを集束、コリメート、偏向、加速、および／または減速することができる。イオン光学系１３０は、また、イオンビーム１９２中の一部のイオンのみがイオン光学系１３０を通過するようにすることもできる。一般に、イオン光学系１３０は、所望に応じて構成した種々の静電イオン光学素子、静磁イオン光学素子、およびその他のイオン光学素子を備える。イオン光学系１３０内の１つまたはそれ以上のコンポーネント（例えば、静電偏向器）の電界強度および磁界強度を操作することにより、試料１８０の面１８１にわたりＨｅイオンビーム１９２を走査することができる。例えば、イオン光学系１３０には、イオンビーム１９２を２つの直交する方向に偏向する２つの偏向器を設けることができる。これらの偏向器はさまざまな電界強度を有することができ、イオンビーム１９２を面１８１の領域の端から端までラスタ走査（ｒａｓｔｅｒ）する。イオンビーム１９２を試料１８０上に作用させて、さまざまな異なる種類の粒子１９４を生成することができる。これらの粒子は、例えば、二次電子、オージェ電子、二次イオン、二次中性粒子、一次中性粒子、散乱イオン、および光子（例えば、Ｘ線光子、赤外（ＩＲ）光子、可視光子、紫外（ＵＶ）光子）等を含む。検出器１５０および検出器１６０は、それぞれ、Ｈｅイオンビーム１９２と試料１８０の相互作用により発生する１種類またはそれ以上の種類の粒子を測定するように配置および構成する。図１に示すように、検出器１５０は、試料１８０の面１８１から主に発生する粒子１９４を検出する位置に配置し、検出器１６０は、試料１８０の面１８３から主に発生する粒子１９４（例えば、通過粒子）を検出する位置に配置する。一般に、顕微鏡システム１００において、さまざまな異なる検出器を用いて種々の粒子を検出することができ、顕微鏡システム１００において用いることのできる検出器の数は通常任意とすることができる。各検出器の構成は、測定対象の粒子および測定条件により選択することができる。一般に、検出器により測定した情報を用いて、試料１８０に関する情報を決定する。通常、この情報は、試料１８０の１つまたはそれ以上の画像を取得することにより決定する。顕微鏡システム１００の動作は、通常、電子制御システム１７０により制御する。例えば、電子制御システム１７０は、ガス源１１０から供給された（１種類または複数の種類の）ガス、チップ１８６の温度、チップ１８６の電位、抽出器１９０の電位、抑制器１８８の電位、イオン光学系１３０のコンポーネントの設置、試料マニピュレータ１４０の位置、および／または検出器１５０ならびに１６０の位置と設定を制御するように、構成することができる。制御システム１７０は、試料１８０についても、上述したように用いることができる。選択肢として、１つまたはそれ以上のこれらのパラメータを手作業で（例えば、電子制御システム１７０と一体化したユーザインターフェースを介して）制御することができる。追加または代案として、電子制御システム１７０を（例えば、コンピュータ等の電子プロセッサを介して）用いて、検出器１５０および１６０により収集した情報を分析し、試料１８０に関する情報を提供することができる。これらの情報は、選択肢として、画像、グラフ、表、集計表（スプレッドシート）等として提供されうる。通常、電子制御システム１７０は、ディスプレイまたはその他の種類の出力装置、入力装置、記憶媒体として構成した、ユーザインターフェースを含む。
【００９３】
さまざまな物質によりチップ１８６を構成することができ、チップ頂端部１８７はさまざまな形状とすることができる。例として、いくつかの実施形態において、チップ１８６をタングステン（Ｗ）で形成し、チップ頂端部１８７は、Ｗ（１１１）三量体である端子棚を有する。いくつかの実施形態において、チップ１８６をタングステン（Ｗ）で形成し、チップ１８６は、Ｗ（１１２）、Ｗ（１１０）、またはＷ（１００）の配向性を持つ端子棚１８７を有する。ある実施形態において、チップ頂端部１８７は、２個の原子、４個の原子、５個の原子、６個の原子、７個の原子、８個の原子、９個の原子、１０個の原子、および１１個以上の原子を持つ端子棚を有することができる。通常、チップ１８６は金属（例えば、タンタル（Ｔａ），イリジウム（Ｉｒ），レニウム（Ｒｈ），ニオブ（Ｎｂ），白金（Ｐｔ），モリブデン（Ｍｏ）等）または合金（例えば、本明細書に開示する金属類のうち１つまたはそれ以上のものの合金等）により形成することができる。いくつかの実施形態において，チップ１８６を炭素（Ｃ）で形成する。
【００９４】
イオン顕微鏡、ならびに関連コンポーネントおよび方法は、例えば、特許文献１に記載され、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。
【００９５】
［ＢＩＶまたはＢＩＦよりも高い電圧または電界での動作］
場合により、ガス電界イオン源からの放出電流を安定させることおよび／またはその安定を維持することが困難な場合がある。これは、一般に、放出特性が経時的に変動することに起因するものである。放出特性とは、多くの場合、（１）各発光位置の移動、および（２）１つの発光位置における全発光量の変動、を含むことができる。
【００９６】
図３〜図３Ｃに例を示す。図３Ａに、Ｗ（１１１）三量体である端子棚を有するガス電界イオン源のチップからの最初の発光パターンを示す。図３Ｂに、所定時間経過後の、左上の発光位置が右側に移動した発光パターンを示す。図３Ｃに、所定時間経過後の、左上の発光位置の全発光量が変化して増加した発光パターンを示す。
【００９７】
上記した作用（１）または（２）は、いずれも、試料に到達するイオン電流の変動を引き起こすことがある。結像に用いるガス電界イオン顕微鏡システムにおいて、プローブ電流におけるそのような変動に起因して、画像において、不要なアーチファクト、すなわち、明暗帯、画像ドリフト、画像振動、ぼやけ、非点収差等が発生する。試料のスパッタリングまたはミリングに用いるガス電界イオン顕微鏡において、プローブ電流が変動すると、その結果、物質の不均一除去を引き起こす可能性がある。イオンビーム誘起化学法に用いるガス電界イオン顕微鏡においては、エッチングパターンまたは蒸着パターンにおける所望の忠実度が不足する。
【００９８】
従来、電界を発生させて角度放出（単位立体角あたりの電流量）を最大化し、イオン顕微鏡（ＦＩＭ）像または走査型電界イオン顕微鏡（ＳＦＩＭ）像を最大輝度で生成する。すなわち、ガス電界イオン顕微鏡は、一般に、ＢＩＶまたはＢＩＦで動作する。しかしながら、ＢＩＶまたはＢＩＦよりも高い電圧または電界で動作させることにより、プローブ電流の変動が大幅に減少することがわかった。この技術により、上記（１）および（２）の作用に起因する問題を解決できると考えられる。ＢＩＶまたはＢＩＦよりも高い電圧または電界で動作させることにより、電流角密度が（例えば、最大電流の半分に）減少するが、放出電流は長期間にわたり大幅に安定する。多くの場合、放出電流が長期間にわたり安定するという利点は、放出電流を減少させることよりも、より重要である。
【００９９】
図４Ａ〜図６に、Ｗ（１１１）三量体を有する端子棚で形成したチップ頂端部を有するタングステンイオン源を備えるＨｅガス電界イオンシステムに関するデータを示す。このような状態において、ＨｅのＢＩＶは１９．８ｋＶである。図４Ａは、ＢＩＶにて動作した場合の、３つの原子発光位置それぞれの対時間の移動を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図４Ｂは、ＢＩＶの１１４％の電圧にて動作した場合の、３つの原子発光位置それぞれの対時間の移動を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図５Ａは、ＢＩＶにて動作した場合の、１つの原子発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図５Ｂは、ＢＩＶの１１４％の電圧にて動作した場合の、１つの原子発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図６は、放出電流の平均削減量を、Ｈｅの抽出機に対するイオン源の電圧の関数として示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。これらの像はすべてＦＩＭを用いて取得したものであり、輝度はピコアンメータを用いて測定したものであることに留意されたい。上記の例ではＦＩＭを用いたが、いくつかの実施形態においては、ＳＦＩＭを用いることもできたはずである。
【０１００】
ＦＩＭは、非特許文献１に記載されるような標準の全金属ＵＨＶ技術により構成する。ＦＩＭは、１×１０−８トルの基準圧で動作させた。ヘリウムを注入して、動作電圧を５×１０−５トルとした。ヘリウムガスおよびエミッタは、約７８ケルビンの温度で注入した。エミッタは、シャンク長さの半分が２１度で、平均曲率半径が１２０ｎｍの球面である端部形状を有する円錐形のチップとした。チップを、同心抽出器から約３ｍｍのところに配置した。同心抽出器は直径３ｍｍの開口部を有し、この開口部にビームを通過させた。ビームは、さらに６５ｍｍ前進した後、ＭＣＰ型画像増強器（Ｅｌ Ｍｕｌ ｍｏｄｅｌ ｄｃｌ１７５／ｌ）に入射した。結果として得られた光学イメージを高性能光学カメラ（ＡＶＴ Ｇｕｐｐｙ Ｆ−０３８Ｂ ＮＩＲ）でモニタした。結果として得られた映像を、この目的のために企業内部で特別に開発したソフトウエアで取り込んだ。この映像を、その後、「ＩｍａｇｅＪ」ソフトウエアを用いて、フレームごとに分析した。
【０１０１】
図に示すように、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧または電界で動作させることにより、ガス電界イオン源により生成されたイオンビームの安定性を向上させることができる。ある実施形態において、ガスイオンビームを生成する際に、そのガスのＢＩＶ（またはＢＩＦ）より少なくとも５％高い（例えば、少なくとも１０％高い、少なくとも１５％高い、少なくとも２０％高い）電圧（または電界）でガス電界イオン源のチップを動作させてイオンビームを生成することができる。いくつかの実施形態において、ガスイオンビームを生成する際に、そのガスのＢＩＶ（またはＢＩＦ）より少なくとも３０％高い電圧（または電界）でガス電界イオン源のチップを動作させてイオンビームを生成することができる。ある実施形態において、ガスイオンビームを生成する際に、そのガスのＢＩＶ（またはＢＩＦ）より少なくとも５％〜３０％（例えば、１０％〜２０％）高い電圧（または電界）でガス電界イオン源のチップを動作させてイオンビームを生成することができる。
【０１０２】
図４Ａ、図４Ｂ、および図６に示すように、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させることにより、チップ頂端部における発光位置の移動を抑制することができる。いくつかの実施形態において、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の移動量は、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の移動量と比べ、少なくとも２分の１（例えば、少なくとも５分の１、少なくとも１０分の１）に減少する。ここで用いたように、発光位置の移動量の測定には、発光位置のｘおよびｙ位置の経時的な複合標準偏差を用いる。
【０１０３】
図５Ａ、図５Ｂ、および図６に示すように、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させることにより、チップ頂端部における発光位置の放出電流の変動を低減することができる。いくつかの実施形態において、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の発光量の変動は、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の発光量の変動と比べ、少なくとも２分の１（例えば、少なくとも５分の１、少なくとも１０分の１）に減少する。ここで用いたように、発光位置の発光量の測定には、発光位置の発光量の経時的な標準偏差を用いる。
【０１０４】
［源チップ修復中における、ＢＩＶまたはＢＩＦが比較的高いガスの導入］
一般に、ガス電界イオン顕微鏡システムは、１種類のガスを用いて動作させる。通常、結像用途では、顕微鏡をできるだけ軽い希ガス原子であるヘリウムで動作させる。その他、スパッタリング、ビームアシスト化学蒸着、ビームアシスト化学エッチング、またはイオン注入等の用途では、その他のガスを用いることができる。これらの用途では、一般的にネオンを選択する。
【０１０５】
概して、イオン源１１０により生成されたイオンビームの品質は、チップ頂端部１８７の形状によってある程度決まる。多くの場合、チップ１８６を一定期間にわたって使用すると、チップ頂端部１８７の変形によりイオンビームの品質が低下することがあるため、チップ頂端部１８７を再形成して、イオンビーム特性に所望の改善を行うことができるような形状とすることが望ましい。通常、チップ頂端部１８７の再形成を行うプロセスは、チップ頂端部１８７から１つまたはそれ以上の原子を電界蒸発させることを含む。電界蒸発は、チップ頂端部１８７における電界を最大約５Ｖ／オングストロームのレベルまで増加することにより行い、これによりチップ頂端部１８７から原子が１つずつ電界蒸発する。一般に、望ましくは、電界蒸発プロセスを（例えば、ＦＩＭ像またはＳＦＩＭ像を介して）注意深くモニタして、不要な原子がチップ頂端部１８７から除去されてチップ頂端部１８７からの発光が所望のパターン（例えば、三量体）を呈することを確認する。
【０１０６】
用いるガスの種類によっては、電界蒸着に一般に用いられる電界においてＦＩＭ像またはＳＦＩＭ像を取得することが困難な場合がある。なぜなら、これらの電界において、イオン源により生成されたガスのイオンの放出電流が非常に低いことがあるからである。例えば、図７を参照すると、ネオンイオン（ＢＩＦは約３．３Ｖ／オングストローム）の放出電流は、電界蒸着中に用いられる電界における一般的な値である５Ｖ／オングストロームにおいては非常に低い。ネオンイオンビームを利用してチップの再形成を適切にモニタできないことは、ガス電界イオン源におけるネオンガスの実用化に対する深刻な妨げとなる可能性がある。
【０１０７】
この問題は、ガス電界イオン顕微鏡システムにヘリウムガスを一時的に導入することにより、解決することができる。この場合、ヘリウムを用いてガス電界イオン源のチップ頂端部を再形成するものである。図７を再度参照すると、ヘリウムイオン（ＢＩＦは約４．４Ｖ／オングストローム）の放出電流は十分大きく、５Ｖ／オングストロームの電界においても、チップ頂端部の再形成中に、ヘリウムイオンの放出を利用してＦＩＭ像またはＳＦＩＭ像を生成することができる。
【０１０８】
このように、いくつかの実施形態において、ガス電界イオン源を用いてネオンイオンビームを生成することができる。ネオンイオンビームを用いて、試料の検査（例えば、画像化）および／または試料の改変（例えば、試料から物質をスパッタする、試料に対してネオンビームアシスト化学蒸着を行う、試料から物質をビームアシスト化学エッチングする、ネオンイオンを試料に蒸着する等）を行う。必要に応じて、ヘリウムをシステム内に導入することにより、ガス電界イオン源のチップ頂端部を再形成することができ、チップ頂端部の再形成中にヘリウムを導入した結果として生じるヘリウムイオンビームを用いて、チップ頂端部を画像化する。チップ頂端部を再形成した後、ヘリウムはシステムから除去することができ、ネオンイオンビームを再度用いて試料を検査および／または改変することができる。ヘリウムを導入しても、ネオンガスを引き続き供給することができる。または、ヘリウムを導入したら、ネオンガスの供給は停止することができる。ヘリウムガスの供給は、チップ再形成中のみ行うことができる。または、ガス電界イオン源使用中における様々の時点で行うこともできる。
【０１０９】
より包括的には、本方法は、第１電界または第１電圧で動作するガス電界イオン源により生成された第１ガス（例えば、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）のイオンのビームを用いて試料を検査および／または改変するステップ、および、続いて、ガス電界イオン源により生成された第２ガス（例えば、ヘリウム等）のイオンのビームに関する情報に基づいて、（第１電界または第１電圧とは異なる）第２電界または第２電圧で動作するガス電界イオン源のチップを再形成するステップを含むことができる。ガス電界イオン源により生成された第２ガス（例えば、ヘリウム等）のイオンのビームに関する情報は、ガス電界イオン源のチップの像（例えば、ＦＩＭ像、ＳＦＩＭ像等）とすることができる。本方法は、さらに、チップを再形成した後、動作中のガス電界イオン源により生成された第１ガスイオンビームを再度用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。通常、このイオンビームを生成するのに用いる電圧または電界は、第１電圧または第１電界とほぼ同等となる。場合によっては、第１ガスのイオンを用いて試料を検査および／または改変するときは、第１ガスについてはＢＩＶまたはＢＩＦを用い、チップ頂端部を再形成するときは第２ガスのＢＩＶまたはＢＩＦを用いる。
【０１１０】
一般に、ガス電界イオン源のチップが所与の電圧にあるとき、第１ガスの最良結像電圧は第２ガスの最良結像電圧よりも低い。いくつかの実施形態において、第２ガスの最良結像電圧は、第１ガスの最良結像電圧よりも、少なくとも１０％（例えば、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％）高い。
【０１１１】
表１に、三量体である端子棚を有するＷ（１１１）チップ頂端部を持つタングステンのチップを備えるガス電界イオン顕微鏡システムを使用する際の、特定のガスに対するＢＩＶ値およびＢＩＦ値を示す。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
［ビーム分離器を用いることによる、または動作電圧を変化させることによる、各ビームの切り替え］
場合により、異なる種類のガスでそれぞれ生成した各イオンビームを切り替えることが望ましい。例えば、試料の検査にはヘリウムイオンビームを用い、試料の改変にはネオンイオンビームを用いることが望ましい場合がある。多くの場合、ガス電界イオン顕微鏡システムへのガス供給を即座に調整することは不可能である。流量制御系は、ガスが最終的にチップ頂端部へ供給される位置から離れている場合が多い。流量制御系と供給位置との間には、ある程度の容量（例えば、タービンから計器まで）があり、また、（ノズルまたは浄化フィルター等から）流量の制約をある程度受けることがある。したがって、ガス供給は、流量制御系における変更に迅速に対応することができない場合が多い。このような対応の遅れは、所与のガスをオンするとき、および所与のガスをオフするときのどちらの場合にも現れる。状態の遷移中に、ガスの供給が不安定になる期間（例えば、数秒間、さらには数分間）があり、対象のイオンビーム電流の不要な変動につながる可能性がある。
【０１１４】
具体的な例を次に示す。ガス電界イオン顕微鏡システムのオペレータは、試料上の所望の領域を探索中に発生する損傷を最小限に抑制するために、ヘリウムビームを用いて試料の画像化を開始する。所望領域が見つかったら、オペレータはヘリウムガスをオフし、ネオンガスをオンして、２分間待つ。その後、オペレータは、ネオンビームを用いて、試料の除去対象領域をスパッタで除去する。しかしながら、このスパッタリングの進捗状況をモニタするため、オペレータはネオンをオフしてヘリウムをオンし、再度２分間待つ。ここで、オペレータは、スパッタリングがまだ完了していないことがわかると、ヘリウムをオフしてネオンを再度オンし、２分間待つ。この周期を何回も繰り返すため、結果として、非常に時間のかかる非効率なプロセスとなる。
【０１１５】
上記の状況は、単に、両方のガスを同時に稼動させることにより、大幅に改善することができる。ネオンとヘリウムの両方を同時に流動させることができる。一般に、これらのガスは両方ともイオン化して発光パターンを生成することができ、この発光パターンは非常に類似することがある。
【０１１６】
いくつかの実施形態において、イオン源を複数種類のガスの存在下で動作させ、動作電圧を適切に選択することにより、所望のイオンビームに切り替えることができる。図７を再度参照すると、（Ｗ１１１）三量体の放出は、３．３Ｖ／オングストロームの電界強度において最大となり、電界強度の増加または減少に伴い急激に低下するが、ヘリウムの放出は、４．４Ｖ／オングストロームの電界強度において最大となり、電界強度の増加または減少に伴い急激に低下することがわかる。したがって、オペレータは、チップ頂端部に対する動作電界を選択して、（例えば、チップ頂端部がＷ（１１１）三量体であるときに、約３．４Ｖ／オングストロームの電界を用いることにより、）ヘリウムイオンをほとんど含まない、主にネオンイオンからなるビームを生成することができる。または、オペレータは、チップ頂端部に対する動作電界を選択して、（例えば、チップ頂端部がＷ（１１１）三量体であるときに、約４．４Ｖ／オングストロームの電界を用いることにより）、ネオンイオンをほとんど含まない、主にヘリウムイオンからなるビームを生成することができる。または、これら２つの場合は、いずれも、ビームの純度は比較的高い（８０％より高い、９０％より高い、９５％より高い）純度となる。
【０１１７】
図８を参照すると、いくつかの実施形態において、チップ頂端部を動作させる電界は、ヘリウムイオン（軽質成分）とネオンイオン（重質成分）の両方を相当量含むイオンビーム８００が生成されるような電界とすることができる。イオンビーム８００は、イオン光学系１３０内のビーム分離器８１０に入射する。ビーム分離器８１０は、ヘリウムイオンとネオンイオンを分離して、２つの異なるイオンビーム８２０および８３０をそれぞれ生成する。イオンビーム８２０は、主にヘリウムイオンから生成され、イオンビーム８３０は主にネオンイオンから生成される。
【０１１８】
いくつかの実施形態において、分離器８１０は、ビーム８００をビーム８２０および８３０に分離する磁界を生成する。ネオンイオンおよびヘリウムイオンの各軌道は、イオン光学系１３０におけるイオンビームの偏向、走査、または集束のために用いる電界には、実質的に影響を受けない。しかしながら、ビーム分離器８１０により生成された磁界により、ヘリウムイオンおよびネオンイオンの軌道は分岐する。この分岐については、次のように説明することができる。分離器を出射すると、質量Ｍおよび電荷ｑの荷電粒子は電位Ｖに加速された。これらの変数に基づいて、荷電粒子の速度はｖｚとなる。
【０１１９】
【数１】
【０１２０】
強度Ｂｙおよび長さＬの磁界の横方向領域を横断するのに必要な時間ｔは次のように計算される。
【０１２１】
【数２】
【０１２２】
この期間中に、荷電粒子は、横加速度ａｘを生じさせるローレンツ力を受ける。
【０１２３】
【数３】
【０１２４】
時間ｔの期間にわたりこのローレンツ力を受けた後、粒子の横方向速度は次のように与えられる。
【０１２５】
【数４】
【０１２６】
この横方向速度がｖｚよりも小さいと仮定すると、角偏向は次のように近似される。
【０１２７】
【数５】
【０１２８】
このように、高質量のイオンは、低質量のイオンに比べ、分離器８１０の磁界の影響による角偏向が小さい。ヘリウムイオンとネオンイオンの場合、ネオンイオンの磁界による偏向は、ヘリウムイオンよりも小さく、０．４４７倍である。同様に、ヘリウムイオンとアルゴンイオンの場合、アルゴンイオンの磁界による偏向は、ヘリウムイオンよりも小さく、０．３１６倍であり、その結果、最初のイオンビームは、さらにはっきりと２つのイオンビームに分離することができる。
【０１２９】
図９に、分岐する軌道の略図の画像を示す。Ｗ（１１１）のチップ頂端部を、ヘリウム原子とネオン原子の混合気体に露出した。磁界がない場合、発光パターンは１つの三量体を呈するであろう。しかしながら、図９に示すように、磁界を用いると、三量体パターンは分裂して、ネオンイオンの発光パターンとヘリウムイオンの発光パターンに分離する。ここで、ネオンイオンビームの変位は、ヘリウムイオンビームの変位よりも小さい。
【０１３０】
一般に、分離器８１０として任意の磁界源を用いることができる。磁界源の例としては、永久磁石、内部に電流を通過させると磁界を生成するように構成したワイヤ（例えば、巻き針金等）、および１対のヘルムホルツコイルが挙げられる。永久磁石は所定の位置に動かすことができ、または、固定磁気コイルを、場合によっては磁極片と共に、用いることができる。不要なイオンビームを分離により除去する場合、不要なイオンビームをレセプタクルに導くことにより遮断することができ、所望のビームは絞りを通過して最終的な光学素子に到達することができる。
【０１３１】
一般に、ビーム分離器８１０は、イオンビーム８００の成分をその質量に基づいて分離するのに有効である。例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、イオンビーム８００におけるＮｅイオンからなるイオンビームの量の、Ｎｅイオンからなるイオンビーム８２０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。別の例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、イオンビーム８００におけるＨｅイオンからなるイオンビームの例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量の、Ｈｅイオンからなるイオンビーム８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。より一般には、イオンビーム８００における重質成分からなるイオンビームの（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量の、重質成分からなるイオンビーム８２０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができ、および／または、イオンビーム８００における軽質成分からなるイオンビームの（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量の、軽質成分からなるイオンビーム８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合、）少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。
【０１３２】
いくつかの実施形態において、望ましくは濃縮した第１成分からなるイオンビーム８２０または８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量の、ビーム分離器と相互作用する前の第２成分からなるイオンビーム８００の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、Ｎｅイオンからなるイオンビーム８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量の、イオンビーム８００におけるＨｅイオンからなるイオンビームの（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。別の例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、Ｈｅイオンからなるイオンビーム８２０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量の、イオンビーム８００におけるＮｅイオンからなるイオンビームの（例えば、Ｈｅイオンからなるイオンビームに対する割合で測定した場合の）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。
【０１３３】
以上、ビーム分離器を用いて異なるガスのイオンを分離する実施形態について説明したが、いくつかの実施形態においては、ビーム分離器を用いて、ガスの異なる同位体のイオンを分離することができる。そのような実施形態においては、ビーム分離器を用いて、イオンビームから不要の同位体を除去することもできる。例として、ビーム分離器を用いて、Ｎｅの１つまたはそれ以上の同位体のからイオンを除去し、結果として生じるビーム（試料と相互作用するビーム）において、所望の同位体のイオンが比較的多く含まれ、不要の同位体のイオンが比較的少なくなるようにする。表２に、いくつかの同位体とそれぞれに対応する天然存在比（丸めによる近似値）を示す。
【０１３４】
【表２】
【０１３５】
ある実施形態において、ビーム分離器と相互作用した後のビーム中における所望の同位体からなるイオンの（例えば、同位体からなるイオンビーム中のイオンの割合として測定した）割合は、所望の同位体の自然存在比よりも大きい。例えば、いくつかの実施形態において、ビーム分離器と相互作用した結果生じるイオンビームの少なくとも９０％（例えば、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、少なくとも９９．９％）は、所望の同位体のイオンである。
【０１３６】
いくつかの実施形態において、ビーム分離器と相互作用した後のビーム中における不要な同位体からなるイオンの（例えば、イオンビーム中の同位体からなるイオンに対する割合として測定した）割合は、不要な同位体の自然存在比よりも小さい。例えば、いくつかの実施形態において、イオンビーム中の不要な同位体からなるイオンの、不要な同位体の天然存在比に対する割合は、少なくとも２分の１（例えば、少なくとも５分の１、少なくとも１０分の１、少なくとも２５分の１、少なくとも５０分の１、少なくとも１００分の１、少なくとも１０００分の１）である。いくつかの実施形態において、ビーム分離器と相互作用した結果生じるイオンビーム中の不要な同位体のイオンの割合は、多くとも１０％（例えば、多くとも５％、多くとも１％、多くとも０．５％、多くとも０．１％）である。
【０１３７】
ガスイオンの同位体を用いて、例えば、試料を検査および／または改変する態様は、例えば、２００９年５月２６日に出願された特許文献２に開示されており、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。
【０１３８】
ビーム分離器を用いて異なるガスのイオンまたはガスの異なる同位体のイオンを分離する実施形態について説明したが、いくつかの実施形態において、ビーム分離器を用いて異なるガスのイオンおよびガスの異なる同位体のイオンを分離することができる。選択肢として、複数のビーム分離器を用いることができる。例として、１つまたはそれ以上のビーム分離器を用いて異なるガスのイオンを分離することができ、１つまたはそれ以上の追加的なビーム分離器を用いてガスの同位体を分離することができる。さらに、代案または追加として、ビーム分離器は、電界を用いてイオンビームの成分を分離することができる。一般に、ビーム分離器は、電界分離器および磁界分離器を種々に組み合わせて利用することができる。
【０１３９】
ビーム分離器はイオン光学系内に存在するものとして説明したが、より一般には、ビーム分離器は、チップと試料との間のイオンビーム路に沿ったあらゆる位置に存在することができる。さらに、（選択肢として、複数の構成要素を含む）１つのビーム分離器について説明したが、より一般には、複数のビーム分離器を用いることができる。さらに、ビームスプリッタと共に絞りを用いる実施形態について説明したが、ある実施形態において、絞りは存在しない。
【０１４０】
［第２ガスを用いた、第１ガスのイオンビームの安定化向上］
場合により、ガス電界イオン顕微鏡の性能は、ガス電界イオン源の輝度および／またはエネルギー拡散によって制約を受けることがある。輝度は、一般に、単位発光領域ごとの単位立体角あたりの電流量として測定される。一般に、輝度を高くしてビームを小プローブサイズに集束できるようにすることが望ましい。多くの場合、エネルギー拡散を小さくして、イオン光学素子の色収差を抑制することが望ましい。さらに、場合により、ガス電界イオン源の耐用年数は、ガス電界イオン源の実用化に大きく影響することがある。例えば、ガス電界イオン顕微鏡システムで使用するガスとしてヘリウムを用いた場合、これらの制約が生じることがある。
【０１４１】
少量のネオンを添加することにより、および、動作電圧を若干低くすることにより、ヘリウムイオン源の性能を大幅に向上することができることがわかった。例えば、所与のチップ形状に対する通常の動作電圧は３５ｋＶであり、ヘリウムガス圧は２×１０−４トルである。ここで、同様のチップ形状に対して、動作電圧を３２ｋＶとし、含有ネオンの分圧を１×１０−５とすることにより、性能を大幅に向上することができる。図１０Ａ（動作電圧を２７．５ｋＶとし、ヘリウムガスを１００％用いたときの、三量体端子棚を有するＷ（１１１）チップ頂端部のＦＩＭ像）および図１０Ｂ（動作電圧を２７．５ｋＶとし、ヘリウムガスを９９％およびネオンを１％用いたときの、三量体端子棚を有するＷ（１１１）チップ頂端部のＦＩＭ像）を参照すると、角度発散が減少すると性能が向上する（輝度が向上するとプローブサイズが小さくなる）ことがわかる。図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、図１０Ａおよび図１０Ｂにおける像の２つの隣接する原子に関する線グラフである。
【０１４２】
理論的制約にとらわれることなしに、この利点は次のような点に起因すると考えられる。すなわち、ネオンの吸着原子が原因となって、電界がより均一なチップ頂端部表面からさらに離れた領域においてイオン化が発生するという点である。また、チップ頂端部電界はより均一なため、エネルギー拡散も減少する可能性があり、その結果、プローブサイズが減少する。低電圧で動作させることで出射原子に影響する電界が弱くなり、その当然の結果として、耐用年数が増加する。
【０１４３】
ある実施形態において、少なくとも２種類の異なる希ガスを含む混合気体を用いることにより、イオンビームを比較的安定させることができる。例えば、いくつかの実施形態において、少なくとも３０秒間（例えば、６０秒間、５０秒間、４０秒間、３０秒間）に発生するイオンビームの試料における電流の変化は、１０％未満（例えば、９％未満、８％未満、７％未満、６％未満、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、１％未満）である。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、少なくとも２種類の異なる希ガスを含む混合気体を用いることにより、イオンビーム源を比較的安定させることができる。例えば、いくつかの実施形態において、ガス電界イオン源は、少なくとも９０％（例えば、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％）のデューティサイクルで、一定期間（たとえば、少なくとも１日間、少なくとも３日間、少なくとも１週間）イオンビームを生成することができる。本明細書において、所与の期間におけるガス電界イオン源のデューティサイクルは（１００％−Ｘ）に等しく、ここで、Ｘは、ガス電界イオン源を修復または交換するため、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成していない期間の割合である。例として、期間中にガス電界イオン源の修復または交換を行わなければ、その期間のデューティサイクルは１００％となる。別の例として、１日間に、チップ修復に３時間かかりチップ交換には時間がかからなければ、その日のデューティサイクルは８７．５％となる。さらなる例として、１日間に、チップ交換に３時間かかりチップ修復には時間がかからなければ、その日のデューティサイクルは８７．５％となる。付加的の例として、１日間に、チップ交換に３時間、さらにチップ修復に３時間かかると、その日のデューティサイクルは７５％となる。
【０１４５】
データを収集して、ガス電界イオン顕微鏡の性能（例えば、イオンビームの安定性、デューティサイクル等）を、ガスの混合物（例えば、Ｈｅの量、Ｎｅの量）の関数として列挙する表を作成することができる。そして、この表を用いて、ガス電界イオンチップの性能を予測することができる。いくつかの実施形態において、オペレータは、ガス電界イオン源所望のイオンビーム安定性を決定することができ、この所望のイオンビーム安定性に基づいて、イオンビームを生成するために用いる混合気体を決定することができる。ある実施形態において、オペレータは、ガス電界イオン源の所望のデューティサイクルを決定することができ、このガス電界イオン源の所望のデューティサイクルに基づいて、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するために用いる混合気体を決定することができる。いくつかの実施形態において、オペレータは、所望の安定性またはデューティサイクルを得ることのできる混合気体を選択する。そのような実施形態において、第２ガスを追加してもなんら悪影響はない。
【０１４６】
［混合気体］
上述したように、いくつかの実施形態において、システム１００に導入されたガスは、少なくとも２つの異なる種類の希ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ）を含む。これらのガスは、さまざまに組み合わせる（Ｈｅ／Ｎｅ，Ｈｅ／Ａｒ，Ｈｅ／Ｋｒ，Ｈｅ／Ｘｅ，Ｎｅ／Ａｒ，Ｎｅ／Ｋｒ，Ｎｅ／Ｘｅ，Ａｘ／Ｋｒ，Ａｒ／Ｘｅ，Ｋｒ／Ｘｅ）ことが可能である。一般に、これらの希ガスのうちの１種類が混合気体の大部分を構成し、その他の希ガスを用いて、生成するイオンビームの安定性を高める。例として、いくつかの実施形態において、対象となるイオンビームはＮｅイオンビームであり、一定量のＨｅを筐体１１０内に故意に導入してＮｅイオンビームの安定性を高める。そのような実施形態において、一般に、混合気体はＨｅよりもＮｅを多く含むものである。選択肢として、１種類またはそれ以上の種類のガスを、非希ガスとすることができる。例として、いくつかの実施形態において，これらのガスのうちの１種類を分子水素ガス（Ｈ２）とすることができる。
【０１４７】
いくつかの実施形態において、混合気体は、第１希ガスを少なくとも１０％（例えば、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％）、および／または第２希ガスを多くとも１０％（例えば、多くとも９％、多くとも８％、多くとも７％、多くとも６％、多くとも５％、多くとも４％、多くとも３％、多くとも２％、多くとも１％）含む。例として、ある実施形態において、所望のビームはヘリウムであり、第１希ガスをＨｅ、第２希ガスをＮｅとする。そのような実施形態において、混合気体は、例えば、ヘリウムを９０％、ネオンを１０％含むことができる。
【０１４８】
［試料、試料検査、および試料改変］
試料の例としては、半導体製品が挙げられる。半導体を製造する際には、一般に、複数の材料を順に堆積および処理することで製品（半導体製品）を作成し、集積電子回路、集積回路素子、および／またはその他のマイクロ電子デバイスとして構成する。そのような製品は、一般に、様々な構成（例えば、導電性材料で形成した回路線、非導電性材料を充填したウエル、半導体材料で形成した領域等）を有し、それらの構成は互いに正確に（例えば、通常、数ナノメータ単位で）位置決めされる。所与の構成の位置、サイズ（長さ、幅、奥行き）、組成（化学組成）、および関連特性（導電性、結晶の配向性、磁気特性）は、その製品の性能に重要な影響を及ぼすことがある。例えば、あるいくつかの例において、それらのパラメータうち１つまたはそれ以上が適切な範囲を逸脱すると、その製品は所望の機能を果たすことができないとして廃棄されることがある。結果として、一般に、半導体の各製造工程全てを良好に制御できることが望ましいとされ、また、半導体の様々な製造工程においてその製造をモニタできる手段を使用することが有用であり、そうすれば、その半導体製造工程の様々なステージにおける１つまたはそれ以上の構成の位置、サイズ、組成、および関連特性についての検査を行うことが可能である。本明細書中で用いられる用語「半導体製品」として、集積電子回路、集積回路素子、集積電子回路、マイクロ電子デバイス、または、集積電子回路、集積回路素子、およびマイクロ電子デバイスの製造過程で形成される製品が挙げられる。いくつかの実施形態においては、半導体製品は平面ディスプレイまたは太陽電池の一部を構成することができる。半導体製品の各領域は、異なるタイプ（導電性、非導電性、半導電性）の材料で形成する。導電性材料の例としては、例えば、アルミニウム、クロミウム、ニッケル、タンタル、チタン、タングステン、および１つまたはそれ以上のそれらの金属を含む合金（例えば、アルミニウム・銅合金類）等が挙げられる。金属シリサイド類（例えば、ニッケルシリサイド類、タンタルシリサイド類）も導電性とすることができる。非導電性材料の例としては、例えば、１つまたはそれ以上の上記金属類のホウ化物類、炭化物類、窒化物類、酸化物類、リン化物類、および硫化物類（例えば、ホウ化タンタル類、ゲルマニウムタンタル類、窒化タンタル類、窒化ケイ素タンタル類、および窒化チタン類）等が挙げられる。半導電性材料の例としては、ケイ素、ゲルマニウム、およびヒ化ガリウム等が挙げられる。必要に応じて、半導体材料をドープ（リン（Ｐ）ドープ、窒素（Ｎ）ドープ）して、その材料の導電性を向上させることができる。所与の材料からなる層を堆積／加工する一般的なステップとしては、その製品を画像化する（それにより、例えば、所望の構成を形成する位置を決定する）ステップ、適切な材料（例えば、導電性材料、半導電性材料、非導電性材料）を堆積するステップ、およびエッチングにより不要な材料をその製品内の所定の箇所から除去するステップ、がある。多くの場合、例えばフォトレジスト高分子等のフォトレジストを堆積し、適切な照射を施し、選択的にエッチングして、所与の構成の形成位置とサイズの制御を支援する。一般に、それ以降の１つまたはそれ以上の工程段階にてフォトレジストを除去し、通常、最終的な半導体製品はフォトレジストをほとんど含まないことが望ましい。
【０１４９】
図１２Ａおよび図１２Ｂはそれぞれ、半導体製品２００の部分頂面図および部分断面図である。図１２Ｂに示すように、製品２００を切断し、側壁２１０Ａ、２１０Ｂおよび底壁２１０Ｃを有する断面２１０を露出する。図１２Ａおよび図１２Ｂには図示していないが、半導体製品２００は種々の材料で形成した多数の層を有し、また、いくつかの例においては、同じ層の中に互いに異なる複数の層を有する。
【０１５０】
いくつかの実施形態において、本システムおよび方法を用いて試料を改変（修復）することができる（例えば、製品のある領域または断面化により露出した製品の一部を修復する等）。このような試料の改変としては、スパッタリングがあり、例えば、Ｎｅイオンをスパッタする。いくつかの例において、製品を製造する際、いくつかの段階（例えば、回路から不要な材料を除去してその回路を編集する際、マスクを改変する際等）において材料を除去するのが望ましいことがある。材料を除去するにはイオンビームを使用することができ、それにより試料から材料をスパッタする。特に、本明細書に記載のように、ガス原子とガス電界イオン源との相互作用により生成されたイオンビームを用いて試料をスパッタすることができる。Ｈｅガスイオンを用いることもできるが、一般に、好ましくは、重イオン類（例えば、Ｎｅガスイオン類、Ａｒガスイオン類、Ｋｒガスイオン類、Ｘｅガスイオン類等）を用いて材料を除去する。材料の除去中は、試料上の除去対象の材料が位置する領域にイオンビームを集束する。
【０１５１】
ある実施形態において、試料の改変としては、ガスアシスト化学処理を用いるものがあり、それにより材料を試料（試料の所与の層）に対して追加および／または回収することができる。一例として、ガスアシスト化学処理により、半導体回路編集を行うことができ、それにより半導製品内の損傷回路または誤って製造した回路を修理する。一般に、回路編集とは、回路に材料を追加する（例えば、開いている回路を閉じる）こと、および／または回路から材料を回収する（例えば、閉じている回路を開く）ことを含む。ガスアシスト化学処理により、フォトリソグラフィーマスクの修復をすることもできる。マスクの欠陥としては、通常、マスク材料が存在すべきでない領域にマスク材料が余剰して付着すること、および／またはマスク材料が存在すべき領域で材料が欠如することが挙げられる。したがって、ガスアシスト化学処理によりマスク修復を行い、所望により、マスクに対し材料を追加および／または回収することができる。一般に、ガスアシスト化学処理においては、荷電粒子ビーム（例えば、イオンビーム、電子ビーム、またはその両方）を用い、荷電粒子ビームを適切なガス（例えば、Ｃｌ２，Ｏ２，Ｉ２，ＸｅＦ２，Ｆ２，ＣＦ４，Ｈ２Ｏ，ＸｅＦ２，Ｆ２，ＣＦ４，ＷＦ６等）と相互作用させる。
【０１５２】
ある実施形態において、試料を検査することが望ましい。そのような検査の一例としては、ボイドを検出することが挙げられる。半導体製品の製造過程において、あるいくつかのフィーチャまたは層にボイドが不用意に発生してしまうことがある。いくつかの実施形態においては、ボイドがデバイスの構成および／またはデバイス全体の性能（例えば、電気的性能、機械的性能）に不要な影響を及ぼすことがある。後続の加工段階で、そのボイドが開くことがあり、例えば、液体および／またはガス状成分によりボイドが充填されてしまうことがある。そうすると、下部層の腐食、および／または粒子欠陥および／または残渣欠陥の原因となることがある。最終的に、ボイドの存在により、電気的および／または機械的特性が所望の値（例えば、設計値）から逸脱してしまうことがある。
【０１５３】
半導体製品の欠陥検出の別の例として、オーバーレイシフトレジストレーションが挙げられる。用語「オーバーレイシフトレジストレーション」とは、一般に、半導体製品の所与の層内の構成と別の層内の構成の位置を合わせる（アラインメントする）ことである。上述したように、半導体製品の製造においては、多くの層を適切に形成することが必要である。一般に、１つの半導体製品が含む層の数は２０を大幅に上回る。多くの場合、各層は複数の種々の構成を含むことがあり、それぞれの構成を高精度で配置し、半導体製品が適切に機能するようにすることが望ましい。一例として、半導体製品は、例えば導電配線（ワイヤ）等の平面構成を複数備え、それらの構成は異なる層に配置され、ビアにて互いに接続される。通常、半導体製品内の構成は互いに適切に位置合わせされていることが望ましい。
【０１５４】
半導体製品の欠陥検出の付加的な例として、限界寸法計測が挙げられる。用語「限界寸法計測」とは、半導体製品内の構成であって、デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす可能性のある構成の線寸法を計測することである。そのような構成の例としては、例えばライン（例えば、導電性材料のライン、半導電性材料のライン、非導電性材料のライン）が挙げられる。１つの半導体製品は、１つまたは複数の構成を備え、その規模寸法は２０ｎｍ以下（例えば、１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下）である。いくつかの実施形態において、構成の寸法を複数回計測して、構成のサイズに関する統計情報を得る。限界寸法計測においては、多くの場合、例えば、ウエハ上のパターン化構成の長さを測定することを必要とする。複数のウエハ（複数のダイスを含み、各ダイスが半導体製品を形成するウエハ）を製造ラインからランダムに選択して検査すること、またはラインの全てのウエハを検査することができる。選択した限界寸法の計測には、画像化器機を用いると比較的ハイスループット率で計測を行うことができる。計測した限界寸法が許容範囲外であれば、そのウエハを廃棄する。ある特定の製造機により製造される試料のうち複数が限界寸法の許容範囲外であった場合、その製造機の稼動を停止する、または、その製造機の稼動パラメータを変更する。
【０１５５】
欠陥検出のさらなる例として、ラインエッジラフネスおよび／またはライン幅ラフネスの計測が挙げられる。用語「ラインエッジラフネス」は、一般に、半導体製品内の材料のラインエッジ粗さのことであり、用語「ライン幅ラフネス」は、一般に、半導体製品内の材料のライン幅粗さのことである。望ましくは、これらの値を検出して、所与の半導体製品に実際にまたは潜在的に問題が内在するかを究明する。例えば、導電性材料からなる隣接するラインのエッジが互いに外側へ突出していると、そのラインが互いに接触し、短絡することがある。望ましくは、ラインエッジラフネスおよび／またはライン幅ラフネスが５ｎｍ以下（例えば、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ未満）の範囲にあることを確かめる。
【０１５６】
以上、半導体製品を試料として構成した実施形態について説明したが、より一般的には、任意のタイプの試料を用いることができる。試料の例としては、生物学的試料（例えば、組織、核酸、タンパク質、炭水化物、脂質、および細胞膜）、薬剤試料（例えば、小分子薬）、凍結水（例えば、氷）、磁気記憶デバイスに用いるリード／ライトヘッド、ならびに金属試料類および合金試料類が挙げられる。
【０１５７】
試料、試料検査、および試料改変の例については、例えば、特許文献３に開示される。
【０１５８】
上述した実施形態の様々な態様は、概して、所望により組み合わせることができる。
【０１５９】
その他の実施形態は特許請求の範囲に包含される。
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する発明は、イオンビームの比較的高い安定性を提供するシステムおよび方法を含む、イオン顕微鏡法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンを用いて、試料を検査および／または改変することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５５７，３５９号明細書
【特許文献２】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４５１３３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７−０１５８５５８号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Journal of Scientific Instruments, 1965, VoI 42,「An Ail-Metal Field ion microscope」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書で開示する発明は、包括的に、イオンビームの比較的高い安定性を提供するシステムおよび方法を含むイオン顕微鏡法およびシステムに関する。
【０００６】
例えば、所与の期間にわたりイオンビーム電流の安定性が比較的高いと、比較的高い安定性を得ることができる。そのような例において、イオンビームを用いて試料を改変する場合（例えば、ガスアシストエッチング法、ガスアシスト蒸着法、スパッタ法、フォトレジスト露光を行う場合）、イオンビームの安定性が比較的高いことにより、結果として、試料の品質および／または（例えば、各位置間における）均一性の信頼性が向上し、および／または、試料改変にかかるコストを削減することができる。一般に、イオンビーム電流が変動することにより、結果として、単位時間当たりにおける試料上に作用するイオンの数が変動する。しかし、通常、試料の改変中にそのような変動を補正しようとすることは困難な場合があり、多くのプロセスにおいては、イオンビーム変動は許容レベル範囲内であり試料改変は各位置において比較的均一に行われるであろうという想定の下、改変対象の各位置を同じ時間だけイオンビームで露光する。しかしながら、イオンビームの変動が大きくなりすぎると、試料の位置による変化が大きくなり許容範囲を超えてしまう（例えば、試料が設計したように機能しない等）。
【０００７】
また、イオンビームの安定性が比較的高いことにより、結果として、試料を検査する際に収集したデータの信頼性の向上、データ収集効率の向上、および／またはデータ収集にかかるコスト削減につながる。多くの場合、試料を検査する際、イオンビーム電流が変動すると、その結果、試料から検出される粒子（例えば、二次電子）の数が変動する。そのようなビーム電流の変動は、比較的短いタイムフレーム内で発生することがあり（例えば、この現象は一般にビームフリッカと呼ばれる）、または、比較的長いタイムフレームにわたり発生することもある（例えば、ビーム電流ドリフト）。いずれの場合においても、ビーム電流が変動すると、例えば、粒子数の変化の原因が、試料の局所変化（例えば、試料面の形態変化、試料面近傍に存在する物質の変化等）に起因するものか、または、イオンビーム電流における変化に起因するものかの判断が難しくなる。そのような場合、収集されたデータ（例えば、試料画像、試料スペクトル）は信憑性に欠け信頼できないと考えられ、十分信頼できるデータを収集するには、試料の検査をさらにもう１回またはそれ以上行うことが必要となる場合がある。場合によっては、ビーム電流が不安定で、試料を確実に検査することができないことがある。さらに、試料の検査中にデータ収集を何度も繰り返し試みることにより、所与の試料を検査する能力が低下する。場合により、試料検査における適正なスループットを達成することができないことが考えられる。さらに、所与の試料の検査を繰り返し行うことによって十分に信頼できるデータを収集することができたとしても、この手法に付随するコストは許容可能範囲を超えてしまうことがある。
【０００８】
代案または追加として、例えば、イオン源を復元および／または交換する必要がある場合もその復元および/または交換にはほとんど時間をかけずに比較的長時間動作するチップを有するイオンビーム源において、比較的高い安定性を得ることができる。このことは、例えば、イオンを用いて試料（例えば、マスク等）を改変する際に有用である。例として、そのような場合、望ましくはイオンビームを用いて試料をスパッタする。イオン源を復元および／または交換する必要がある場合もその復元および/または修復にほとんど時間をかけずに比較的長時間動作するチップを有するイオンビーム源を用いることにより、結果として、例えば、効率の向上および／またはコストの削減につながる。このことは、例えば、試料を高精度で改変することが特に重要である場合、試料が比較的高価である場合、および／または比較的多数の試料を処理する場合において、有利である。試料改変を高精度で行うことが重要である場合、チップを修復または交換せずにイオン源を比較的長時間動作させることが可能であれば、チップの修復および／または交換に付随する潜在的な問題（例えば、種々のガス状態への露出、場合によっては、試料が大気条件下に露出してしまうこと）を軽減、または、場合によっては、回避することができる。試料が比較的高価である場合も、同様の利点を得ることができる。比較的多数の試料を処理したい場合、比較的短時間で修復および／または交換できるチップを比較的長時間用いることができることは、多くの時間をかけて試料を処理することができることを意味し、概して、プロセスのスループット向上につながる。
【０００９】
イオンビーム源の実効寸法を小さくし、イオンビームを低角度発散および低エネルギー拡散させることは、試料を検査および／または改変する際に非常に有用であることが多い。源の実効寸法が小さいため、また低角度発散であるため、従来のイオン光学的方法を用いてビームを試料上において小さいプローブ寸法に集束することができる。これら２つの望ましい特徴、すなわち、実効寸法が小さいこと、および低角度発散であることは、一般に、荷電粒子源の低エテンデュー化および／または高輝度化にとって望ましいとされる。低エネルギー拡散であることにより、後段のいかなるイオン光学素子から発生する分散または色収差も低減することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態において、ガス電界イオン顕微鏡を、その最良結像電界および／または最良結像電圧よりも高い電界または電圧で動作させることにより、イオンビームを比較的安定させることができる。本明細書において、用語「最良結像電界（ＢＩＦ：Best Imaging Field）」は、源のチップから放出されるイオンの角度放出（単位立体角あたりの電流量）が最大となる際に源のチップに印加される電界の大きさを示し、用語「最良結像電圧（ＢＩＶ：Best Imaging Voltage）」は、抽出器の電圧に対して最良の結像電界を生成するのに用いた源のチップの電圧を示す。最良結像電界および／または最良結像電圧よりも高い電界または電圧で動作させることにより源のチップから放出されるイオンの角度放出は最大角度放出よりも減少するが、出願者らは、これらの動作条件下で動作させることにより、電流変動が減少することを発見した。電流変動の減少は、全般的に見れば、源のチップからイオンを高角度で放出することよりも重要となりうる。
【００１１】
ある実施形態において、源チップの再形成中に、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）が比較的高い第２ガスを導入することにより、イオンビームを比較的安定させることができる。例として、ネオンガス電界イオン顕微鏡の源チップを再形成する際、ヘリウムを導入することができる。この手法により、オペレータは比較的高い源チップ電圧（電界）でチップを再形成すること可能となり、この条件下において第１ガス（例えば、ネオン）により生成したイオンビームの観測は困難になるが、このような状況下において第２ガス（例えば、ヘリウム）により生成したイオンビームを観測することができる。源チップを再形成した後、第２ガス（例えば、ヘリウム）を除去することができ、第１ガス（例えば、ネオン）による動作を再開することができる。
【００１２】
いくつかの実施形態において、イオン源のチップにおける電界を操作することにより、ＢＩＶまたはＢＩＦの異なる２種類のガス間でイオンビームを比較的安定して切り替えることができる。例えば、イオン源のチップにおける電界を比較的低電界とすることにより、主としてＢＩＶまたはＢＩＦの低いガスのイオン（例えば、ネオンイオン等）からなるイオンビームを生成することができ、イオン源のチップにおける電界を比較的高電界とすることにより、主としてＢＩＶまたはＢＩＦの高いガスのイオン（例えば、ヘリウムイオン等）からなるイオンビームを生成することができる。
【００１３】
ある実施形態において、電界分離器、磁界分離器、またはその両方のビーム分離器を用いることにより、ＢＩＶまたはＢＩＦの異なる２種類のガス間でイオンビームを比較的安定して切り替えることができる。例えば、ビーム分離器をイオン光学系内に配置して、第１モードと第２モードとの間で切り替えることができる。第１モードとは、第１ガスのイオンを試料に到達させる一方で第２ガスのイオンを試料に実質的に到達させないように、ビーム分離器を構成するものである。第２モードとは、第２ガスのイオンを試料に到達させる一方で第１ガスのイオンを試料に実質的に到達させないように、ビーム分離器を構成するものである。
【００１４】
いくつかの実施形態において、例えば、第１ガスのイオンビームを生成する際に、故意に第２ガスを導入することにより、ビーム安定性を比較的高くすることができる。イオンビームの特定の特徴（例えば、源の実効寸法、発散角度、拡散エネルギー等）は、第１ガスのイオンビームを生成する際に、故意に第２ガスを導入することにより、減少させることができる。ガス電界イオン顕微鏡におけるイオンビームが発生する領域に存在する混合気体のサンプル中において、第２ガスの量は、第２ガスを故意に添加しなかった場合よりも多い（例えば、第２ガスは、第１ガスにおける不純物濃度の量を超えて存在する）。選択肢として、イオンビームを生成した後、いくらかの（例えば、実質的には全ての）第２ガスをイオンビームから除去することができる。したがって、いくつかの実施形態において、試料近傍の混合気体のサンプル中の第２ガスの量は、ガス電界イオン顕微鏡におけるイオンビームが発生する領域に存在する第２ガスの量よりも、実質的に少なくすることができる。一般に、第１ガスおよび第２ガスはどちらも希ガスであるが、場合によっては、第１ガスおよび第２ガスのどちらか一方または両方を、例えば、分子水素ガス等の非希ガスとすることができる。多くの場合、第２ガスはＨｅであり、第１ガスは別の希ガス（例えば、Ａｒ，Ｋｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｒｎ等）である。場合によっては、第１ガスをＮｅとし、第２ガスをＨｅとすることができる。その場合、Ｎｅイオンを用いて、例えば、試料をスパッタすることができる。
【００１５】
本発明の一態様において開示する方法は、ガスの最良結像電圧よりも少なくとも５％高い電圧で動作するチップを有するガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成する、イオンビーム生成ステップ、およびイオンビームを用いて試料を検査／または改変するステップ、を含むものである。
【００１６】
ガス電界イオン源のチップの電圧は、ガスの最良結像電圧よりも、少なくとも１０％（例えば、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも３０％）高くすることができる。例えば、ガス電界イオン源のチップの電圧は、ガスの最良結像電圧よりも、１０％から２０％高くすることができる。
【００１７】
ガス電界イオン源は、イオンビームを生成する三量体を有する端子棚を含むチップを備えることができる。
【００１８】
ガス電界イオン源はイオンビームを生成するチップを備えることができ、ガス電界イオン源のチップにおける原子の運動は、最良結像電圧で動作する際のガス電界イオン源のチップにおける原子の運動と比較して、少なくとも２分の１に抑制される。
【００１９】
ガス電界イオン源はイオンビームを生成するチップを備え、ガス電界イオン源のチップにおける各発光位置当たりのイオンの放出は、最良結像電圧で動作する際のガス電界イオン源のチップにおける各発光位置当たりのイオンの放出と比較して、少なくとも２分の１に低減される。
【００２０】
ガスは、ネオン等の希ガスとすることができる。
【００２１】
ガス電界イオン源は、ガス電界イオン顕微鏡の一部とすることができる。
【００２２】
本発明の別の態様において開示する方法は、（ａ）第１ガスを用いて、ガス電界イオン源からイオンビームを生成し、試料を検査および／または改変するステップ、および（ｂ）ステップ（ａ）の後、ガス電界イオン源のチップの再形成中に、第２ガスを用いてガス電界イオン源のチップの端子棚の原子構造をモニタして、ガス電界イオン源のチップの端子棚の発光パターンを生成するステップ、を含むものである。第２ガスは第１ガスと異なるものとすることができる。
【００２３】
ガス電界イオン源により生成した第２ガスのイオンのビームに関する情報は、ガス電界イオン源のチップの画像とすることができる。
【００２４】
ガス電界イオン源は、ステップ（ａ）の間、第１電圧で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｂ）の間、第２電圧で動作する。第１電圧は第２電圧とは異なる。
【００２５】
第２電圧は第１電圧よりも高くすることができる。
【００２６】
本方法は、また、（ｃ）ステップ（ｂ）の後、第１ガスを用いてガス電界イオン源からイオンビームを生成し、試料を検査および／または改変するステップを含むこともできる。
【００２７】
ガス電界イオン源は、ステップ（ａ）の間、第１電圧で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｂ）の間、第２電圧で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｃ）の間、第３電圧で動作することができる。第１電圧は第２電圧とは異なるものとすることができ、第３電圧は第２電圧とは異なるものとすることができる。
【００２８】
第２ガスはヘリウムとすることができる。
【００２９】
第１ガスは希ガスとすることができる。
【００３０】
第１ガスおよび第２ガスは両方とも、ステップ（ａ）の間、ガス電界イオン源と相互作用することができる。
【００３１】
第１ガスおよび第２ガスは両方とも、ステップ（ｂ）の間、ガス電界イオン源と相互作用することができる。
【００３２】
ガス電界イオン源のチップにおける所与の電圧において、第１ガスの最良結像電圧は、第２ガスの最良結像電圧よりも低くすることができる。例えば、第２ガスの最良結像電圧は、第１ガスの最良結像電圧よりも、少なくとも１０％高い（例えば、２０％高い、３０％高い、４０％高い）。
【００３３】
ガス電界イオン源は、ステップ（ａ）の間、第１電界で動作することができ、ガス電界イオン源は、ステップ（ｂ）の間、第２電界で動作することができる。第１電界は第２電界とは異なるものとすることができる。
【００３４】
本発明のさらなる態様により開示する方法は、ガス電界イオン源を用いて、第１ガスのイオンおよび該第１ガスとは異なる第２ガスのイオンを含む第１イオンビームを生成するステップ、および、第１イオンビームを、第２ビームおよび第３ビームに分離するステップを含む。第１イオンビームは第１ガスのイオンを少なくとも１０％および第２ガスのイオンを多くとも１％含む。第２イオンビームは第２ガスのイオンを少なくとも１０％および第１ガスのイオンを多くとも１％含む。
【００３５】
本方法は、さらに、第１イオンビームおよび第２イオンビームを用いてガス電界イオン源のチップを画像化するステップを含むことができる。
【００３６】
本方法は、さらに、第２イオンビームおよび第３イオンビームを同時に試料と相互作用させて、試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００３７】
本方法は、さらに、第１ガスおよび第２ガスの両方の原子にガス電界イオン源を露出して第１イオンビームを生成するステップを含むことができる。
【００３８】
第１ガスの圧力は、第２ガスの圧力の多くとも４倍とすることができ、および／または、第１ガスの圧力は、第２ガスの圧力の少なくとも０．２５倍とすることができる。
【００３９】
第１ガスは、第１希ガスとすることができる。
【００４０】
第２ガスは、第２希ガスとすることができる。
【００４１】
第２イオンビームは、第１ガスのイオンを少なくとも２５％含むことができる。
【００４２】
第３イオンビームは、第２ガスのイオンを少なくとも２５％含むことができる。
【００４３】
第２イオンビームは、第２ガスのイオンを多くとも０．１％含むことができる。
【００４４】
第３イオンビームは、第１ガスのイオンを多くとも０．１％含むことができる。
【００４５】
本方法は、磁界源を備えるイオンビーム分離器を用いて第１イオンビームを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離するステップを含むことができる。イオンビーム分離器は、磁界分離器および電界分離器の組み合わせを含むことができる。
【００４６】
第１イオンビームは、原子の種々の同位体のイオンを含むことができ、第２イオンビームは原子の第１同位体のイオンを含むことができ、第３イオンビームは原子の第２同位体のイオンを含むことができる。
【００４７】
本発明の付加的な態様により開示するシステムは、質量のそれぞれ異なるイオンからなる第１イオンビームを生成可能なガス電界イオン源、および、システムの使用中に、第１イオンビーム中のイオンを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離するように構成したイオンビーム分離器、を備えるものである。第２イオンビームは第１質量のイオンを少なくとも１０％および第１質量とは異なる第２質量のイオンを多くとも１％含み、第３イオンビームは第２質量のイオンを少なくとも１０％および前記第１質量のイオンを多くとも１％含む。
【００４８】
ビーム分離器は、イオン質量、イオン電荷、および／またはイオン速度から選択される少なくとも１つのパラメータに基づいて、第１イオンビームを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離することができる。
【００４９】
本システムは、システムの使用中にガス電界イオン源からのイオンを試料に導くように構成したイオン光学系を備えることができ、イオン光学系は、イオンビーム分離器を備えることができる。イオン光学系は、さらに、絞りを備えることができる。システムの使用中、第２イオンビームは絞りを通過することができる。システムの使用中、第３イオンビームは絞りを通過することができない。例えば、システムの使用中、第３イオンビームを絞りにより遮断することができる。
【００５０】
イオンビーム分離器は、電界源および／または磁界源を備えることができる。イオンビーム分離器は、磁界および電界を生成可能とすることができる。
【００５１】
イオンビーム分離器は、同一原子のイオンビームであって同位体質量のそれぞれ異なるイオンビームを分離することができる。
【００５２】
本システムは、ガス電界イオン顕微鏡とすることができる。
【００５３】
本発明の一態様により開示する方法は、第１ガスを少なくとも８０％含み第１ガスとは異なる第２ガスを多くとも２０％含む混合気体にガス電界イオン源を露出すると同時にこのガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するイオンビーム生成ステップを含むものである。
【００５４】
混合気体は、第１ガスを９０％含むことができる。
【００５５】
ガスは、両方とも、希ガスとすることができる。
【００５６】
第１ガスはヘリウムとすることができる。
【００５７】
第２ガスはネオンとすることができる。
【００５８】
試料におけるイオンビーム電流の変動は、少なくとも３０秒間につき１０％未満とすることができる。
【００５９】
ガス電界イオン源のデューティサイクルは、少なくとも１日間につき少なくとも９０％とすることができる。
【００６０】
第２ガスが存在することにより、本システムを低電圧で動作させることができる。
【００６１】
第２ガスが存在することにより、本システムは、電流角密度が少なくとも２０％増加したイオンビームを生成することができる。
【００６２】
第２ガスが存在することにより、本システムは、エネルギー拡散が少なくとも２０％減少したイオンビームを生成することができる。
【００６３】
第２ガスが存在することにより、本システムは、角度広がりが少なくとも２０％減少したイオンビームを生成することができる。
【００６４】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００６５】
第２ガスが存在することにより、放出電流の変動を５０％低減することができる。
【００６６】
本発明の別の態様により開示する方法は、ヘリウムとネオンを含む混合気体にガス電界イオン源を露出すると同時にこのガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成する、イオンビーム生成ステップを含むものである。混合気体は、ヘリウムを０．１％から１０％含み、混合気体は、ネオンを少なくとも１０％含む。
【００６７】
試料におけるイオンビーム電流の変動は、少なくとも３０秒間につき１０％未満とすることができる。
【００６８】
ガス電界イオン源のデューティサイクルは、少なくとも１日間につき少なくとも９０％とすることができる。
【００６９】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７０】
本発明のさらなる態様により開示する方法は、ガス電界イオン源を用いて、試料における電流の変動が少なくとも３０秒間につき１０％未満であるイオンビームを生成するステップを含むものである。イオンビームは、第１希ガスを少なくとも０．１％含み、第１希ガスとは異なる第２希ガスを少なくとも１０％含む。
【００７１】
第１希ガスはＨｅとすることができる。
【００７２】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７３】
本発明の付加的な態様により開示する方法は、ガス電界イオン源を用いて、デューティサイクルが少なくとも１日間につき少なくとも９０％であるイオンビームを生成するステップを含む。イオンビームは、第１希ガスを少なくとも０．１％含み、第１希ガスとは異なる第２希ガスを少なくとも１０％含む。
【００７４】
第１希ガスはＨｅとすることができる。
【００７５】
本発明は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７６】
本発明の付加的な態様により開示する方法は、ガス電界イオン源の所望のイオンビーム安定性を決定するステップ、および、所望のイオンビーム安定性に基づいて、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するための少なくとも２種類の異なる希ガスを含む混合気体を決定するステップを含むものである。
【００７７】
所望のイオンビーム安定性は、試料における所定の期間中の変動が所定量未満のイオンビーム電流として測定することができる。
【００７８】
本発明は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００７９】
本発明の一態様により開示する方法は、ガス電界イオン源の所望のデューティサイクルを決定するステップ、および、ガス電界イオン源の所望のデューティサイクルに基づいて、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するための少なくとも２種類の異なるガスを含む混合気体を決定するステップを含むものである。
【００８０】
本方法は、さらに、イオンビームを用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。
【００８１】
本発明の別の態様により開示する方法は、種々のガスを含む混合気体にガス電界イオン源を露出することにより、各ガスのイオンを含むイオンビームを生成するステップを含むものである。本方法は、また、イオンビーム中のイオンの所望の相対存在比に基づいて、ガス電界イオン源のチップにおける電界を選択するステップを含むものである。
【００８２】
ガス電界イオン源のチップにおける電界を減少させることにより、イオンビーム中の低質量イオンの存在比を増加することができる。
【００８３】
ガス電界イオン源のチップにおける電界を増加させることにより、イオンビーム中の高質量イオンの存在比を増加することができる。
【００８４】
ガス電界イオン源のチップにおける電界は、ガス電界イオン源のチップ、抽出器、および／または抑制器に印加する電圧により制御することができる。
【００８５】
混合気体は、ヘリウムおよび重質ガスを含むことができる。例えば、混合気体は、ヘリウムおよびネオンを含む。
【００８６】
電界は、第１値および第１値とは異なる第２値との間で切り替えることができる。電界を第１値として生成したイオンビームはヘリウムを８０％より多く含むことができる。電界を第２値として生成したイオンビームはネオンを少なくとも２０％含むことができる。
【００８７】
本方法は、さらに、ガス電界イオン源を動作させてイオンビームを生成するステップを含むことができる。
【００８８】
上記の特徴および以下に説明する特徴は、特定の組み合わせにおいてのみ用いられるものではなく、本明細書における開示の範囲を逸脱することなく、その他の組み合わせまたは単独で用いることができる。
【００８９】
その他の特徴および利点は、以下の説明、図面、および特許請求の範囲により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】イオン顕微鏡システムの概略図である。
【図２】ガス電界イオン源の概略図である。
【図３Ａ】全原子の角放出電流が等しい、略完全な正三角形の発光パターンを示す図である。
【図３Ｂ】後に、発光位置のうちの１つが、発光は変化せずに、移動した発光パターンを示す図である。
【図３Ｃ】後に、発光位置のうちの１つが明るくなった放出パターンを示す図である。
【図４Ａ】ＢＩＶにおける、対時間の発光位置移動を示す図であり、各点は三量体の個々の原子を示し、発光位置のｘ，ｙ位置は、フラッシュフレームレートが約１０Ｈｚのカメラで記録したものである。
【図４Ｂ】ＢＩＶよりも高い電圧における、対時間の発光位置移動を示す図であり、各点は三量体の個々の原子を示し、発光位置のｘ，ｙ位置は、フラッシュフレームレートが約１０Ｈｚのカメラで記録したものである。
【図５Ａ】ＢＩＶにおける、発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、各トレースは、各発光位置に対する放出電流を示す。
【図５Ｂ】ＢＩＶよりも高い電圧における、発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、各トレースは、各発光位置に対する放出電流を示す。
【図６】性能特定基準対動作電圧を示すグラフであり、最大輝度はＢＩＶ（１９．８ｋＶ）にて達成されるが、２１．８ｋＶのような高電圧（ＢＩＶで達成される電流の約半分の電流）で動作させることにより、原子運動が減少し、輝度の安定性が向上することを示す図である。
【図７】電界、各印加電圧、各放出電流、およびヘリウムとネオンの発生を示すグラフである。
【図８】ビーム分離器を有するガス電界イオン顕微鏡システムの概略図である。
【図９】ヘリウム／ネオンイオンビームをヘリウムイオンとネオンイオンの２つの異なるビームに分離する分離器を用いて生成した２つの三量体像を示す図である。
【図１０Ａ】ヘリウムに少量のネオンを導入したときにイオンビームの角度発散が減少することを示す図である。
【図１０Ｂ】ヘリウムに少量のネオンを導入したときにイオンビームの角度発散が減少することを示す図である。
【図１１Ａ】図１０Ａに示す像における２つの隣接する原子に関する線グラフである。
【図１１Ｂ】図１０Ｂに示す像における２つの隣接する原子に関する線グラフである。
【図１２Ａ】試料の頂面図である。
【図１２Ｂ】試料の断面図である。
【００９１】
異なる図面における同一の参照符号は同一の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００９２】
［概論］
図１に、ガス電界イオン顕微鏡システム１００を示す。ガス電界イオン顕微鏡システムは、ガス源１１０、ガス電界イオン源１２０、イオン光学系１３０、試料マニピュレータ１４０、前方検出器１５０、後方検出器１６０、および電子制御システム１７０（例えば、コンピュータ等の電子プロセッサ）を備える。電子制御システムは、通信線１７２ａ〜１７２ｆを介してシステム１００内の各コンポーネントに接続される。試料１８０は、イオン光学系１３０と検出器１５０，１６０との間において試料マニピュレータ１４０内または試料マニピュレータ上に載置する。使用時は、イオン光学系１３０を介してイオンビーム１９２を試料１８０の面１８１に導き、このイオンビーム１９２が試料１８０と相互作用することにより発生する粒子１９４を検出器１５０および／または検出器１６０により測定する。一般に、システム１００内のある特定の不要な化学種をシステムから除去して、その存在を減少させることが望ましい。図２に示すように、ガス源１１０は、１種類またはそれ以上の種類のガス（例えば、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，またはＸｅ等）１８２をガス電界イオン源１２０に供給するように構成する。ガス電界イオン源１２０は、ガス源１１０からの１種類またはそれ以上の種類のガス１８２を受け入れ、これらの（１種類またはそれ以上の種類の）ガス１８２からガスイオンを生成するように構成する。ガス電界イオン源１２０は、チップ頂端部１８７を有するチップ１８６、抽出器１９０、および、任意選択の抑制器１８８を備える。使用時は、チップ１８６を抽出器１９０に対して正にバイアスし、抽出器１９０を外部接地に対して正または負にバイアスし、任意選択の抑制器１８８をチップ１８６に対して正または負にバイアスする。このような構成により、ガス源１１０から供給されたガス１８２の非イオン化ガス原子がイオン化され、チップ頂端部１８７近傍において正電荷を持つイオンとなる。この正電荷を持つイオンは、同時に、正に帯電したチップ１８６からはじかれて、負に帯電した抽出器１９０に引き寄せられ、正電荷を持つイオンがイオンビーム１９２としてチップ１８６からイオン光学系１３０に導かれる。抑制器１８８の支援の下、チップ１８６と抽出器１９０との間の電界全体を制御し、その結果として、チップ１８６からイオン光学系１３０に至る、正電荷を持つイオンの軌道を制御する。一般に、チップ１８６と抽出器１９０との間の電界全体を調整することにより、チップ頂端部１８７における正電荷を持つイオンの生成速度および、正電荷を持つイオンがチップ１８６からイオン光学系１３０まで移動する際の効率を制御することができる。一般に、イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２を試料１８０の面１８１に導くように構成する。イオン光学系１３０は、例えば、ビーム１９２中のイオンを集束、コリメート、偏向、加速、および／または減速することができる。イオン光学系１３０は、また、イオンビーム１９２中の一部のイオンのみがイオン光学系１３０を通過するようにすることもできる。一般に、イオン光学系１３０は、所望に応じて構成した種々の静電イオン光学素子、静磁イオン光学素子、およびその他のイオン光学素子を備える。イオン光学系１３０内の１つまたはそれ以上のコンポーネント（例えば、静電偏向器）の電界強度および磁界強度を操作することにより、試料１８０の面１８１にわたりＨｅイオンビーム１９２を走査することができる。例えば、イオン光学系１３０には、イオンビーム１９２を２つの直交する方向に偏向する２つの偏向器を設けることができる。これらの偏向器はさまざまな電界強度を有することができ、イオンビーム１９２を面１８１の領域の端から端までラスタ走査（ｒａｓｔｅｒ）する。イオンビーム１９２を試料１８０上に作用させて、さまざまな異なる種類の粒子１９４を生成することができる。これらの粒子は、例えば、二次電子、オージェ電子、二次イオン、二次中性粒子、一次中性粒子、散乱イオン、および光子（例えば、Ｘ線光子、赤外（ＩＲ）光子、可視光子、紫外（ＵＶ）光子）等を含む。検出器１５０および検出器１６０は、それぞれ、Ｈｅイオンビーム１９２と試料１８０の相互作用により発生する１種類またはそれ以上の種類の粒子を測定するように配置および構成する。図１に示すように、検出器１５０は、試料１８０の面１８１から主に発生する粒子１９４を検出する位置に配置し、検出器１６０は、試料１８０の面１８３から主に発生する粒子１９４（例えば、通過粒子）を検出する位置に配置する。一般に、顕微鏡システム１００において、さまざまな異なる検出器を用いて種々の粒子を検出することができ、顕微鏡システム１００において用いることのできる検出器の数は通常任意とすることができる。各検出器の構成は、測定対象の粒子および測定条件により選択することができる。一般に、検出器により測定した情報を用いて、試料１８０に関する情報を決定する。通常、この情報は、試料１８０の１つまたはそれ以上の画像を取得することにより決定する。顕微鏡システム１００の動作は、通常、電子制御システム１７０により制御する。例えば、電子制御システム１７０は、ガス源１１０から供給された（１種類または複数の種類の）ガス、チップ１８６の温度、チップ１８６の電位、抽出器１９０の電位、抑制器１８８の電位、イオン光学系１３０のコンポーネントの設置、試料マニピュレータ１４０の位置、および／または検出器１５０ならびに１６０の位置と設定を制御するように、構成することができる。制御システム１７０は、試料１８０についても、上述したように用いることができる。選択肢として、１つまたはそれ以上のこれらのパラメータを手作業で（例えば、電子制御システム１７０と一体化したユーザインターフェースを介して）制御することができる。追加または代案として、電子制御システム１７０を（例えば、コンピュータ等の電子プロセッサを介して）用いて、検出器１５０および１６０により収集した情報を分析し、試料１８０に関する情報を提供することができる。これらの情報は、選択肢として、画像、グラフ、表、集計表（スプレッドシート）等として提供されうる。通常、電子制御システム１７０は、ディスプレイまたはその他の種類の出力装置、入力装置、記憶媒体として構成した、ユーザインターフェースを含む。
【００９３】
さまざまな物質によりチップ１８６を構成することができ、チップ頂端部１８７はさまざまな形状とすることができる。例として、いくつかの実施形態において、チップ１８６をタングステン（Ｗ）で形成し、チップ頂端部１８７は、Ｗ（１１１）三量体である端子棚を有する。いくつかの実施形態において、チップ１８６をタングステン（Ｗ）で形成し、チップ１８６は、Ｗ（１１２）、Ｗ（１１０）、またはＷ（１００）の配向性を持つ端子棚１８７を有する。ある実施形態において、チップ頂端部１８７は、２個の原子、４個の原子、５個の原子、６個の原子、７個の原子、８個の原子、９個の原子、１０個の原子、および１１個以上の原子を持つ端子棚を有することができる。通常、チップ１８６は金属（例えば、タンタル（Ｔａ），イリジウム（Ｉｒ），レニウム（Ｒｈ），ニオブ（Ｎｂ），白金（Ｐｔ），モリブデン（Ｍｏ）等）または合金（例えば、本明細書に開示する金属類のうち１つまたはそれ以上のものの合金等）により形成することができる。いくつかの実施形態において，チップ１８６を炭素（Ｃ）で形成する。
【００９４】
イオン顕微鏡、ならびに関連コンポーネントおよび方法は、例えば、特許文献１に記載され、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。
【００９５】
［ＢＩＶまたはＢＩＦよりも高い電圧または電界での動作］
場合により、ガス電界イオン源からの放出電流を安定させることおよび／またはその安定を維持することが困難な場合がある。これは、一般に、放出特性が経時的に変動することに起因するものである。放出特性とは、多くの場合、（１）各発光位置の移動、および（２）１つの発光位置における全発光量の変動、を含むことができる。
【００９６】
図３〜図３Ｃに例を示す。図３Ａに、Ｗ（１１１）三量体である端子棚を有するガス電界イオン源のチップからの最初の発光パターンを示す。図３Ｂに、所定時間経過後の、左上の発光位置が右側に移動した発光パターンを示す。図３Ｃに、所定時間経過後の、左上の発光位置の全発光量が変化して増加した発光パターンを示す。
【００９７】
上記した作用（１）または（２）は、いずれも、試料に到達するイオン電流の変動を引き起こすことがある。結像に用いるガス電界イオン顕微鏡システムにおいて、プローブ電流におけるそのような変動に起因して、画像において、不要なアーチファクト、すなわち、明暗帯、画像ドリフト、画像振動、ぼやけ、非点収差等が発生する。試料のスパッタリングまたはミリングに用いるガス電界イオン顕微鏡において、プローブ電流が変動すると、その結果、物質の不均一除去を引き起こす可能性がある。イオンビーム誘起化学法に用いるガス電界イオン顕微鏡においては、エッチングパターンまたは蒸着パターンにおける所望の忠実度が不足する。
【００９８】
従来、電界を発生させて角度放出（単位立体角あたりの電流量）を最大化し、イオン顕微鏡（ＦＩＭ）像または走査型電界イオン顕微鏡（ＳＦＩＭ）像を最大輝度で生成する。すなわち、ガス電界イオン顕微鏡は、一般に、ＢＩＶまたはＢＩＦで動作する。しかしながら、ＢＩＶまたはＢＩＦよりも高い電圧または電界で動作させることにより、プローブ電流の変動が大幅に減少することがわかった。この技術により、上記（１）および（２）の作用に起因する問題を解決できると考えられる。ＢＩＶまたはＢＩＦよりも高い電圧または電界で動作させることにより、電流角密度が（例えば、最大電流の半分に）減少するが、放出電流は長期間にわたり大幅に安定する。多くの場合、放出電流が長期間にわたり安定するという利点は、放出電流を減少させることよりも、より重要である。
【００９９】
図４Ａ〜図６に、Ｗ（１１１）三量体を有する端子棚で形成したチップ頂端部を有するタングステンイオン源を備えるＨｅガス電界イオンシステムに関するデータを示す。このような状態において、ＨｅのＢＩＶは１９．８ｋＶである。図４Ａは、ＢＩＶにて動作した場合の、３つの原子発光位置それぞれの対時間の移動を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図４Ｂは、ＢＩＶの１１４％の電圧にて動作した場合の、３つの原子発光位置それぞれの対時間の移動を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図５Ａは、ＢＩＶにて動作した場合の、１つの原子発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図５Ｂは、ＢＩＶの１１４％の電圧にて動作した場合の、１つの原子発光位置に関する、放出電流対時間を示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。図６は、放出電流の平均削減量を、Ｈｅの抽出機に対するイオン源の電圧の関数として示す図であり、データはＦＩＭを用いて収集したものである。これらの像はすべてＦＩＭを用いて取得したものであり、輝度はピコアンメータを用いて測定したものであることに留意されたい。上記の例ではＦＩＭを用いたが、いくつかの実施形態においては、ＳＦＩＭを用いることもできたはずである。
【０１００】
ＦＩＭは、非特許文献１に記載されるような標準の全金属ＵＨＶ技術により構成する。ＦＩＭは、１×１０−８トルの基準圧で動作させた。ヘリウムを注入して、動作電圧を５×１０−５トルとした。ヘリウムガスおよびエミッタは、約７８ケルビンの温度で注入した。エミッタは、シャンク長さの半分が２１度で、平均曲率半径が１２０ｎｍの球面である端部形状を有する円錐形のチップとした。チップを、同心抽出器から約３ｍｍのところに配置した。同心抽出器は直径３ｍｍの開口部を有し、この開口部にビームを通過させた。ビームは、さらに６５ｍｍ前進した後、ＭＣＰ型画像増強器（Ｅｌ Ｍｕｌ ｍｏｄｅｌ ｄｃｌ１７５／ｌ）に入射した。結果として得られた光学イメージを高性能光学カメラ（ＡＶＴ Ｇｕｐｐｙ Ｆ−０３８Ｂ ＮＩＲ）でモニタした。結果として得られた映像を、この目的のために企業内部で特別に開発したソフトウエアで取り込んだ。この映像を、その後、「ＩｍａｇｅＪ」ソフトウエアを用いて、フレームごとに分析した。
【０１０１】
図に示すように、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧または電界で動作させることにより、ガス電界イオン源により生成されたイオンビームの安定性を向上させることができる。ある実施形態において、ガスイオンビームを生成する際に、そのガスのＢＩＶ（またはＢＩＦ）より少なくとも５％高い（例えば、少なくとも１０％高い、少なくとも１５％高い、少なくとも２０％高い）電圧（または電界）でガス電界イオン源のチップを動作させてイオンビームを生成することができる。いくつかの実施形態において、ガスイオンビームを生成する際に、そのガスのＢＩＶ（またはＢＩＦ）より少なくとも３０％高い電圧（または電界）でガス電界イオン源のチップを動作させてイオンビームを生成することができる。ある実施形態において、ガスイオンビームを生成する際に、そのガスのＢＩＶ（またはＢＩＦ）より少なくとも５％〜３０％（例えば、１０％〜２０％）高い電圧（または電界）でガス電界イオン源のチップを動作させてイオンビームを生成することができる。
【０１０２】
図４Ａ、図４Ｂ、および図６に示すように、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させることにより、チップ頂端部における発光位置の移動を抑制することができる。いくつかの実施形態において、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の移動量は、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の移動量と比べ、少なくとも２分の１（例えば、少なくとも５分の１、少なくとも１０分の１）に減少する。ここで用いたように、発光位置の移動量の測定には、発光位置のｘおよびｙ位置の経時的な複合標準偏差を用いる。
【０１０３】
図５Ａ、図５Ｂ、および図６に示すように、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させることにより、チップ頂端部における発光位置の放出電流の変動を低減することができる。いくつかの実施形態において、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）よりも高い電圧（または電界）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の発光量の変動は、ＢＩＶ（またはＢＩＦ）で動作させた際のチップ頂端部における発光位置の発光量の変動と比べ、少なくとも２分の１（例えば、少なくとも５分の１、少なくとも１０分の１）に減少する。ここで用いたように、発光位置の発光量の測定には、発光位置の発光量の経時的な標準偏差を用いる。
【０１０４】
［源チップ修復中における、ＢＩＶまたはＢＩＦが比較的高いガスの導入］
一般に、ガス電界イオン顕微鏡システムは、１種類のガスを用いて動作させる。通常、結像用途では、顕微鏡をできるだけ軽い希ガス原子であるヘリウムで動作させる。その他、スパッタリング、ビームアシスト化学蒸着、ビームアシスト化学エッチング、またはイオン注入等の用途では、その他のガスを用いることができる。これらの用途では、一般的にネオンを選択する。
【０１０５】
概して、イオン源１１０により生成されたイオンビームの品質は、チップ頂端部１８７の形状によってある程度決まる。多くの場合、チップ１８６を一定期間にわたって使用すると、チップ頂端部１８７の変形によりイオンビームの品質が低下することがあるため、チップ頂端部１８７を再形成して、イオンビーム特性に所望の改善を行うことができるような形状とすることが望ましい。通常、チップ頂端部１８７の再形成を行うプロセスは、チップ頂端部１８７から１つまたはそれ以上の原子を電界蒸発させることを含む。電界蒸発は、チップ頂端部１８７における電界を最大約５Ｖ／オングストロームのレベルまで増加することにより行い、これによりチップ頂端部１８７から原子が１つずつ電界蒸発する。一般に、望ましくは、電界蒸発プロセスを（例えば、ＦＩＭ像またはＳＦＩＭ像を介して）注意深くモニタして、不要な原子がチップ頂端部１８７から除去されてチップ頂端部１８７からの発光が所望のパターン（例えば、三量体）を呈することを確認する。
【０１０６】
用いるガスの種類によっては、電界蒸着に一般に用いられる電界においてＦＩＭ像またはＳＦＩＭ像を取得することが困難な場合がある。なぜなら、これらの電界において、イオン源により生成されたガスのイオンの放出電流が非常に低いことがあるからである。例えば、図７を参照すると、ネオンイオン（ＢＩＦは約３．３Ｖ／オングストローム）の放出電流は、電界蒸着中に用いられる電界における一般的な値である５Ｖ／オングストロームにおいては非常に低い。ネオンイオンビームを利用してチップの再形成を適切にモニタできないことは、ガス電界イオン源におけるネオンガスの実用化に対する深刻な妨げとなる可能性がある。
【０１０７】
この問題は、ガス電界イオン顕微鏡システムにヘリウムガスを一時的に導入することにより、解決することができる。この場合、ヘリウムを用いてガス電界イオン源のチップ頂端部を再形成するものである。図７を再度参照すると、ヘリウムイオン（ＢＩＦは約４．４Ｖ／オングストローム）の放出電流は十分大きく、５Ｖ／オングストロームの電界においても、チップ頂端部の再形成中に、ヘリウムイオンの放出を利用してＦＩＭ像またはＳＦＩＭ像を生成することができる。
【０１０８】
このように、いくつかの実施形態において、ガス電界イオン源を用いてネオンイオンビームを生成することができる。ネオンイオンビームを用いて、試料の検査（例えば、画像化）および／または試料の改変（例えば、試料から物質をスパッタする、試料に対してネオンビームアシスト化学蒸着を行う、試料から物質をビームアシスト化学エッチングする、ネオンイオンを試料に蒸着する等）を行う。必要に応じて、ヘリウムをシステム内に導入することにより、ガス電界イオン源のチップ頂端部を再形成することができ、チップ頂端部の再形成中にヘリウムを導入した結果として生じるヘリウムイオンビームを用いて、チップ頂端部を画像化する。チップ頂端部を再形成した後、ヘリウムはシステムから除去することができ、ネオンイオンビームを再度用いて試料を検査および／または改変することができる。ヘリウムを導入しても、ネオンガスを引き続き供給することができる。または、ヘリウムを導入したら、ネオンガスの供給は停止することができる。ヘリウムガスの供給は、チップ再形成中のみ行うことができる。または、ガス電界イオン源使用中における様々の時点で行うこともできる。
【０１０９】
より包括的には、本方法は、第１電界または第１電圧で動作するガス電界イオン源により生成された第１ガス（例えば、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）のイオンのビームを用いて試料を検査および／または改変するステップ、および、続いて、ガス電界イオン源により生成された第２ガス（例えば、ヘリウム等）のイオンのビームに関する情報に基づいて、（第１電界または第１電圧とは異なる）第２電界または第２電圧で動作するガス電界イオン源のチップを再形成するステップを含むことができる。ガス電界イオン源により生成された第２ガス（例えば、ヘリウム等）のイオンのビームに関する情報は、ガス電界イオン源のチップの像（例えば、ＦＩＭ像、ＳＦＩＭ像等）とすることができる。本方法は、さらに、チップを再形成した後、動作中のガス電界イオン源により生成された第１ガスイオンビームを再度用いて試料を検査および／または改変するステップを含むことができる。通常、このイオンビームを生成するのに用いる電圧または電界は、第１電圧または第１電界とほぼ同等となる。場合によっては、第１ガスのイオンを用いて試料を検査および／または改変するときは、第１ガスについてはＢＩＶまたはＢＩＦを用い、チップ頂端部を再形成するときは第２ガスのＢＩＶまたはＢＩＦを用いる。
【０１１０】
一般に、ガス電界イオン源のチップが所与の電圧にあるとき、第１ガスの最良結像電圧は第２ガスの最良結像電圧よりも低い。いくつかの実施形態において、第２ガスの最良結像電圧は、第１ガスの最良結像電圧よりも、少なくとも１０％（例えば、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％）高い。
【０１１１】
表１に、三量体である端子棚を有するＷ（１１１）チップ頂端部を持つタングステンのチップを備えるガス電界イオン顕微鏡システムを使用する際の、特定のガスに対するＢＩＶ値およびＢＩＦ値を示す。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
［ビーム分離器を用いることによる、または動作電圧を変化させることによる、各ビームの切り替え］
場合により、異なる種類のガスでそれぞれ生成した各イオンビームを切り替えることが望ましい。例えば、試料の検査にはヘリウムイオンビームを用い、試料の改変にはネオンイオンビームを用いることが望ましい場合がある。多くの場合、ガス電界イオン顕微鏡システムへのガス供給を即座に調整することは不可能である。流量制御系は、ガスが最終的にチップ頂端部へ供給される位置から離れている場合が多い。流量制御系と供給位置との間には、ある程度の容量（例えば、タービンから計器まで）があり、また、（ノズルまたは浄化フィルター等から）流量の制約をある程度受けることがある。したがって、ガス供給は、流量制御系における変更に迅速に対応することができない場合が多い。このような対応の遅れは、所与のガスをオンするとき、および所与のガスをオフするときのどちらの場合にも現れる。状態の遷移中に、ガスの供給が不安定になる期間（例えば、数秒間、さらには数分間）があり、対象のイオンビーム電流の不要な変動につながる可能性がある。
【０１１４】
具体的な例を次に示す。ガス電界イオン顕微鏡システムのオペレータは、試料上の所望の領域を探索中に発生する損傷を最小限に抑制するために、ヘリウムビームを用いて試料の画像化を開始する。所望領域が見つかったら、オペレータはヘリウムガスをオフし、ネオンガスをオンして、２分間待つ。その後、オペレータは、ネオンビームを用いて、試料の除去対象領域をスパッタで除去する。しかしながら、このスパッタリングの進捗状況をモニタするため、オペレータはネオンをオフしてヘリウムをオンし、再度２分間待つ。ここで、オペレータは、スパッタリングがまだ完了していないことがわかると、ヘリウムをオフしてネオンを再度オンし、２分間待つ。この周期を何回も繰り返すため、結果として、非常に時間のかかる非効率なプロセスとなる。
【０１１５】
上記の状況は、単に、両方のガスを同時に稼動させることにより、大幅に改善することができる。ネオンとヘリウムの両方を同時に流動させることができる。一般に、これらのガスは両方ともイオン化して発光パターンを生成することができ、この発光パターンは非常に類似することがある。
【０１１６】
いくつかの実施形態において、イオン源を複数種類のガスの存在下で動作させ、動作電圧を適切に選択することにより、所望のイオンビームに切り替えることができる。図７を再度参照すると、（Ｗ１１１）三量体の放出は、３．３Ｖ／オングストロームの電界強度において最大となり、電界強度の増加または減少に伴い急激に低下するが、ヘリウムの放出は、４．４Ｖ／オングストロームの電界強度において最大となり、電界強度の増加または減少に伴い急激に低下することがわかる。したがって、オペレータは、チップ頂端部に対する動作電界を選択して、（例えば、チップ頂端部がＷ（１１１）三量体であるときに、約３．４Ｖ／オングストロームの電界を用いることにより、）ヘリウムイオンをほとんど含まない、主にネオンイオンからなるビームを生成することができる。または、オペレータは、チップ頂端部に対する動作電界を選択して、（例えば、チップ頂端部がＷ（１１１）三量体であるときに、約４．４Ｖ／オングストロームの電界を用いることにより）、ネオンイオンをほとんど含まない、主にヘリウムイオンからなるビームを生成することができる。または、これら２つの場合は、いずれも、ビームの純度は比較的高い（８０％より高い、９０％より高い、９５％より高い）純度となる。
【０１１７】
図８を参照すると、いくつかの実施形態において、チップ頂端部を動作させる電界は、ヘリウムイオン（軽質成分）とネオンイオン（重質成分）の両方を相当量含むイオンビーム８００が生成されるような電界とすることができる。イオンビーム８００は、イオン光学系１３０内のビーム分離器８１０に入射する。ビーム分離器８１０は、ヘリウムイオンとネオンイオンを分離して、２つの異なるイオンビーム８２０および８３０をそれぞれ生成する。イオンビーム８２０は、主にヘリウムイオンから生成され、イオンビーム８３０は主にネオンイオンから生成される。
【０１１８】
いくつかの実施形態において、分離器８１０は、ビーム８００をビーム８２０および８３０に分離する磁界を生成する。ネオンイオンおよびヘリウムイオンの各軌道は、イオン光学系１３０におけるイオンビームの偏向、走査、または集束のために用いる電界には、実質的に影響を受けない。しかしながら、ビーム分離器８１０により生成された磁界により、ヘリウムイオンおよびネオンイオンの軌道は分岐する。この分岐については、次のように説明することができる。分離器を出射すると、質量Ｍおよび電荷ｑの荷電粒子は電位Ｖに加速された。これらの変数に基づいて、荷電粒子の速度はｖｚとなる。
【０１１９】
【数１】
【０１２０】
強度Ｂｙおよび長さＬの磁界の横方向領域を横断するのに必要な時間ｔは次のように計算される。
【０１２１】
【数２】
【０１２２】
この期間中に、荷電粒子は、横加速度ａｘを生じさせるローレンツ力を受ける。
【０１２３】
【数３】
【０１２４】
時間ｔの期間にわたりこのローレンツ力を受けた後、粒子の横方向速度は次のように与えられる。
【０１２５】
【数４】
【０１２６】
この横方向速度がｖｚよりも小さいと仮定すると、角偏向は次のように近似される。
【０１２７】
【数５】
【０１２８】
このように、高質量のイオンは、低質量のイオンに比べ、分離器８１０の磁界の影響による角偏向が小さい。ヘリウムイオンとネオンイオンの場合、ネオンイオンの磁界による偏向は、ヘリウムイオンよりも小さく、０．４４７倍である。同様に、ヘリウムイオンとアルゴンイオンの場合、アルゴンイオンの磁界による偏向は、ヘリウムイオンよりも小さく、０．３１６倍であり、その結果、最初のイオンビームは、さらにはっきりと２つのイオンビームに分離することができる。
【０１２９】
図９に、分岐する軌道の略図の画像を示す。Ｗ（１１１）のチップ頂端部を、ヘリウム原子とネオン原子の混合気体に露出した。磁界がない場合、発光パターンは１つの三量体を呈するであろう。しかしながら、図９に示すように、磁界を用いると、三量体パターンは分裂して、ネオンイオンの発光パターンとヘリウムイオンの発光パターンに分離する。ここで、ネオンイオンビームの変位は、ヘリウムイオンビームの変位よりも小さい。
【０１３０】
一般に、分離器８１０として任意の磁界源を用いることができる。磁界源の例としては、永久磁石、内部に電流を通過させると磁界を生成するように構成したワイヤ（例えば、巻き針金等）、および１対のヘルムホルツコイルが挙げられる。永久磁石は所定の位置に動かすことができ、または、固定磁気コイルを、場合によっては磁極片と共に、用いることができる。不要なイオンビームを分離により除去する場合、不要なイオンビームをレセプタクルに導くことにより遮断することができ、所望のビームは絞りを通過して最終的な光学素子に到達することができる。
【０１３１】
一般に、ビーム分離器８１０は、イオンビーム８００の成分をその質量に基づいて分離するのに有効である。例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、イオンビーム８００におけるＮｅイオンからなるイオンビームの量の、Ｎｅイオンからなるイオンビーム８２０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。別の例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、イオンビーム８００におけるＨｅイオンからなるイオンビームの例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量の、Ｈｅイオンからなるイオンビーム８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。より一般には、イオンビーム８００における重質成分からなるイオンビームの（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量の、重質成分からなるイオンビーム８２０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができ、および／または、イオンビーム８００における軽質成分からなるイオンビームの（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量の、軽質成分からなるイオンビーム８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した）量に対する比は、（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合、）少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。
【０１３２】
いくつかの実施形態において、望ましくは濃縮した第１成分からなるイオンビーム８２０または８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量の、ビーム分離器と相互作用する前の第２成分からなるイオンビーム８００の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、Ｎｅイオンからなるイオンビーム８３０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量の、イオンビーム８００におけるＨｅイオンからなるイオンビームの（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。別の例として、ビーム８００がネオンイオンおよびヘリウムイオンの両方を含む実施形態において、Ｈｅイオンからなるイオンビーム８２０の（例えば、全イオンビームに対する割合で測定した場合の）量の、イオンビーム８００におけるＮｅイオンからなるイオンビームの（例えば、Ｈｅイオンからなるイオンビームに対する割合で測定した場合の）量に対する比は、少なくとも２倍（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍）とすることができる。
【０１３３】
以上、ビーム分離器を用いて異なるガスのイオンを分離する実施形態について説明したが、いくつかの実施形態においては、ビーム分離器を用いて、ガスの異なる同位体のイオンを分離することができる。そのような実施形態においては、ビーム分離器を用いて、イオンビームから不要の同位体を除去することもできる。例として、ビーム分離器を用いて、Ｎｅの１つまたはそれ以上の同位体のからイオンを除去し、結果として生じるビーム（試料と相互作用するビーム）において、所望の同位体のイオンが比較的多く含まれ、不要の同位体のイオンが比較的少なくなるようにする。表２に、いくつかの同位体とそれぞれに対応する天然存在比（丸めによる近似値）を示す。
【０１３４】
【表２】
【０１３５】
ある実施形態において、ビーム分離器と相互作用した後のビーム中における所望の同位体からなるイオンの（例えば、同位体からなるイオンビーム中のイオンの割合として測定した）割合は、所望の同位体の自然存在比よりも大きい。例えば、いくつかの実施形態において、ビーム分離器と相互作用した結果生じるイオンビームの少なくとも９０％（例えば、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、少なくとも９９．９％）は、所望の同位体のイオンである。
【０１３６】
いくつかの実施形態において、ビーム分離器と相互作用した後のビーム中における不要な同位体からなるイオンの（例えば、イオンビーム中の同位体からなるイオンに対する割合として測定した）割合は、不要な同位体の自然存在比よりも小さい。例えば、いくつかの実施形態において、イオンビーム中の不要な同位体からなるイオンの、不要な同位体の天然存在比に対する割合は、少なくとも２分の１（例えば、少なくとも５分の１、少なくとも１０分の１、少なくとも２５分の１、少なくとも５０分の１、少なくとも１００分の１、少なくとも１０００分の１）である。いくつかの実施形態において、ビーム分離器と相互作用した結果生じるイオンビーム中の不要な同位体のイオンの割合は、多くとも１０％（例えば、多くとも５％、多くとも１％、多くとも０．５％、多くとも０．１％）である。
【０１３７】
ガスイオンの同位体を用いて、例えば、試料を検査および／または改変する態様は、例えば、２００９年５月２６日に出願された特許文献２に開示されており、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。
【０１３８】
ビーム分離器を用いて異なるガスのイオンまたはガスの異なる同位体のイオンを分離する実施形態について説明したが、いくつかの実施形態において、ビーム分離器を用いて異なるガスのイオンおよびガスの異なる同位体のイオンを分離することができる。選択肢として、複数のビーム分離器を用いることができる。例として、１つまたはそれ以上のビーム分離器を用いて異なるガスのイオンを分離することができ、１つまたはそれ以上の追加的なビーム分離器を用いてガスの同位体を分離することができる。さらに、代案または追加として、ビーム分離器は、電界を用いてイオンビームの成分を分離することができる。一般に、ビーム分離器は、電界分離器および磁界分離器を種々に組み合わせて利用することができる。
【０１３９】
ビーム分離器はイオン光学系内に存在するものとして説明したが、より一般には、ビーム分離器は、チップと試料との間のイオンビーム路に沿ったあらゆる位置に存在することができる。さらに、（選択肢として、複数の構成要素を含む）１つのビーム分離器について説明したが、より一般には、複数のビーム分離器を用いることができる。さらに、ビームスプリッタと共に絞りを用いる実施形態について説明したが、ある実施形態において、絞りは存在しない。
【０１４０】
［第２ガスを用いた、第１ガスのイオンビームの安定化向上］
場合により、ガス電界イオン顕微鏡の性能は、ガス電界イオン源の輝度および／またはエネルギー拡散によって制約を受けることがある。輝度は、一般に、単位発光領域ごとの単位立体角あたりの電流量として測定される。一般に、輝度を高くしてビームを小プローブサイズに集束できるようにすることが望ましい。多くの場合、エネルギー拡散を小さくして、イオン光学素子の色収差を抑制することが望ましい。さらに、場合により、ガス電界イオン源の耐用年数は、ガス電界イオン源の実用化に大きく影響することがある。例えば、ガス電界イオン顕微鏡システムで使用するガスとしてヘリウムを用いた場合、これらの制約が生じることがある。
【０１４１】
少量のネオンを添加することにより、および、動作電圧を若干低くすることにより、ヘリウムイオン源の性能を大幅に向上することができることがわかった。例えば、所与のチップ形状に対する通常の動作電圧は３５ｋＶであり、ヘリウムガス圧は２×１０−４トルである。ここで、同様のチップ形状に対して、動作電圧を３２ｋＶとし、含有ネオンの分圧を１×１０−５とすることにより、性能を大幅に向上することができる。図１０Ａ（動作電圧を２７．５ｋＶとし、ヘリウムガスを１００％用いたときの、三量体端子棚を有するＷ（１１１）チップ頂端部のＦＩＭ像）および図１０Ｂ（動作電圧を２７．５ｋＶとし、ヘリウムガスを９９％およびネオンを１％用いたときの、三量体端子棚を有するＷ（１１１）チップ頂端部のＦＩＭ像）を参照すると、角度発散が減少すると性能が向上する（輝度が向上するとプローブサイズが小さくなる）ことがわかる。図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、図１０Ａおよび図１０Ｂにおける像の２つの隣接する原子に関する線グラフである。
【０１４２】
理論的制約にとらわれることなしに、この利点は次のような点に起因すると考えられる。すなわち、ネオンの吸着原子が原因となって、電界がより均一なチップ頂端部表面からさらに離れた領域においてイオン化が発生するという点である。また、チップ頂端部電界はより均一なため、エネルギー拡散も減少する可能性があり、その結果、プローブサイズが減少する。低電圧で動作させることで出射原子に影響する電界が弱くなり、その当然の結果として、耐用年数が増加する。
【０１４３】
ある実施形態において、少なくとも２種類の異なる希ガスを含む混合気体を用いることにより、イオンビームを比較的安定させることができる。例えば、いくつかの実施形態において、少なくとも３０秒間（例えば、６０秒間、５０秒間、４０秒間、３０秒間）に発生するイオンビームの試料における電流の変化は、１０％未満（例えば、９％未満、８％未満、７％未満、６％未満、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、１％未満）である。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、少なくとも２種類の異なる希ガスを含む混合気体を用いることにより、イオンビーム源を比較的安定させることができる。例えば、いくつかの実施形態において、ガス電界イオン源は、少なくとも９０％（例えば、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％）のデューティサイクルで、一定期間（たとえば、少なくとも１日間、少なくとも３日間、少なくとも１週間）イオンビームを生成することができる。本明細書において、所与の期間におけるガス電界イオン源のデューティサイクルは（１００％−Ｘ）に等しく、ここで、Ｘは、ガス電界イオン源を修復または交換するため、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成していない期間の割合である。例として、期間中にガス電界イオン源の修復または交換を行わなければ、その期間のデューティサイクルは１００％となる。別の例として、１日間に、チップ修復に３時間かかりチップ交換には時間がかからなければ、その日のデューティサイクルは８７．５％となる。さらなる例として、１日間に、チップ交換に３時間かかりチップ修復には時間がかからなければ、その日のデューティサイクルは８７．５％となる。付加的の例として、１日間に、チップ交換に３時間、さらにチップ修復に３時間かかると、その日のデューティサイクルは７５％となる。
【０１４５】
データを収集して、ガス電界イオン顕微鏡の性能（例えば、イオンビームの安定性、デューティサイクル等）を、ガスの混合物（例えば、Ｈｅの量、Ｎｅの量）の関数として列挙する表を作成することができる。そして、この表を用いて、ガス電界イオンチップの性能を予測することができる。いくつかの実施形態において、オペレータは、ガス電界イオン源所望のイオンビーム安定性を決定することができ、この所望のイオンビーム安定性に基づいて、イオンビームを生成するために用いる混合気体を決定することができる。ある実施形態において、オペレータは、ガス電界イオン源の所望のデューティサイクルを決定することができ、このガス電界イオン源の所望のデューティサイクルに基づいて、ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するために用いる混合気体を決定することができる。いくつかの実施形態において、オペレータは、所望の安定性またはデューティサイクルを得ることのできる混合気体を選択する。そのような実施形態において、第２ガスを追加してもなんら悪影響はない。
【０１４６】
［混合気体］
上述したように、いくつかの実施形態において、システム１００に導入されたガスは、少なくとも２つの異なる種類の希ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ）を含む。これらのガスは、さまざまに組み合わせる（Ｈｅ／Ｎｅ，Ｈｅ／Ａｒ，Ｈｅ／Ｋｒ，Ｈｅ／Ｘｅ，Ｎｅ／Ａｒ，Ｎｅ／Ｋｒ，Ｎｅ／Ｘｅ，Ａｘ／Ｋｒ，Ａｒ／Ｘｅ，Ｋｒ／Ｘｅ）ことが可能である。一般に、これらの希ガスのうちの１種類が混合気体の大部分を構成し、その他の希ガスを用いて、生成するイオンビームの安定性を高める。例として、いくつかの実施形態において、対象となるイオンビームはＮｅイオンビームであり、一定量のＨｅを筐体１１０内に故意に導入してＮｅイオンビームの安定性を高める。そのような実施形態において、一般に、混合気体はＨｅよりもＮｅを多く含むものである。選択肢として、１種類またはそれ以上の種類のガスを、非希ガスとすることができる。例として、いくつかの実施形態において，これらのガスのうちの１種類を分子水素ガス（Ｈ２）とすることができる。
【０１４７】
いくつかの実施形態において、混合気体は、第１希ガスを少なくとも１０％（例えば、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％）、および／または第２希ガスを多くとも１０％（例えば、多くとも９％、多くとも８％、多くとも７％、多くとも６％、多くとも５％、多くとも４％、多くとも３％、多くとも２％、多くとも１％）含む。例として、ある実施形態において、所望のビームはヘリウムであり、第１希ガスをＨｅ、第２希ガスをＮｅとする。そのような実施形態において、混合気体は、例えば、ヘリウムを９０％、ネオンを１０％含むことができる。
【０１４８】
［試料、試料検査、および試料改変］
試料の例としては、半導体製品が挙げられる。半導体を製造する際には、一般に、複数の材料を順に堆積および処理することで製品（半導体製品）を作成し、集積電子回路、集積回路素子、および／またはその他のマイクロ電子デバイスとして構成する。そのような製品は、一般に、様々な構成（例えば、導電性材料で形成した回路線、非導電性材料を充填したウエル、半導体材料で形成した領域等）を有し、それらの構成は互いに正確に（例えば、通常、数ナノメータ単位で）位置決めされる。所与の構成の位置、サイズ（長さ、幅、奥行き）、組成（化学組成）、および関連特性（導電性、結晶の配向性、磁気特性）は、その製品の性能に重要な影響を及ぼすことがある。例えば、あるいくつかの例において、それらのパラメータうち１つまたはそれ以上が適切な範囲を逸脱すると、その製品は所望の機能を果たすことができないとして廃棄されることがある。結果として、一般に、半導体の各製造工程全てを良好に制御できることが望ましいとされ、また、半導体の様々な製造工程においてその製造をモニタできる手段を使用することが有用であり、そうすれば、その半導体製造工程の様々なステージにおける１つまたはそれ以上の構成の位置、サイズ、組成、および関連特性についての検査を行うことが可能である。本明細書中で用いられる用語「半導体製品」として、集積電子回路、集積回路素子、集積電子回路、マイクロ電子デバイス、または、集積電子回路、集積回路素子、およびマイクロ電子デバイスの製造過程で形成される製品が挙げられる。いくつかの実施形態においては、半導体製品は平面ディスプレイまたは太陽電池の一部を構成することができる。半導体製品の各領域は、異なるタイプ（導電性、非導電性、半導電性）の材料で形成する。導電性材料の例としては、例えば、アルミニウム、クロミウム、ニッケル、タンタル、チタン、タングステン、および１つまたはそれ以上のそれらの金属を含む合金（例えば、アルミニウム・銅合金類）等が挙げられる。金属シリサイド類（例えば、ニッケルシリサイド類、タンタルシリサイド類）も導電性とすることができる。非導電性材料の例としては、例えば、１つまたはそれ以上の上記金属類のホウ化物類、炭化物類、窒化物類、酸化物類、リン化物類、および硫化物類（例えば、ホウ化タンタル類、ゲルマニウムタンタル類、窒化タンタル類、窒化ケイ素タンタル類、および窒化チタン類）等が挙げられる。半導電性材料の例としては、ケイ素、ゲルマニウム、およびヒ化ガリウム等が挙げられる。必要に応じて、半導体材料をドープ（リン（Ｐ）ドープ、窒素（Ｎ）ドープ）して、その材料の導電性を向上させることができる。所与の材料からなる層を堆積／加工する一般的なステップとしては、その製品を画像化する（それにより、例えば、所望の構成を形成する位置を決定する）ステップ、適切な材料（例えば、導電性材料、半導電性材料、非導電性材料）を堆積するステップ、およびエッチングにより不要な材料をその製品内の所定の箇所から除去するステップ、がある。多くの場合、例えばフォトレジスト高分子等のフォトレジストを堆積し、適切な照射を施し、選択的にエッチングして、所与の構成の形成位置とサイズの制御を支援する。一般に、それ以降の１つまたはそれ以上の工程段階にてフォトレジストを除去し、通常、最終的な半導体製品はフォトレジストをほとんど含まないことが望ましい。
【０１４９】
図１２Ａおよび図１２Ｂはそれぞれ、半導体製品２００の部分頂面図および部分断面図である。図１２Ｂに示すように、製品２００を切断し、側壁２１０Ａ、２１０Ｂおよび底壁２１０Ｃを有する断面２１０を露出する。図１２Ａおよび図１２Ｂには図示していないが、半導体製品２００は種々の材料で形成した多数の層を有し、また、いくつかの例においては、同じ層の中に互いに異なる複数の層を有する。
【０１５０】
いくつかの実施形態において、本システムおよび方法を用いて試料を改変（修復）することができる（例えば、製品のある領域または断面化により露出した製品の一部を修復する等）。このような試料の改変としては、スパッタリングがあり、例えば、Ｎｅイオンをスパッタする。いくつかの例において、製品を製造する際、いくつかの段階（例えば、回路から不要な材料を除去してその回路を編集する際、マスクを改変する際等）において材料を除去するのが望ましいことがある。材料を除去するにはイオンビームを使用することができ、それにより試料から材料をスパッタする。特に、本明細書に記載のように、ガス原子とガス電界イオン源との相互作用により生成されたイオンビームを用いて試料をスパッタすることができる。Ｈｅガスイオンを用いることもできるが、一般に、好ましくは、重イオン類（例えば、Ｎｅガスイオン類、Ａｒガスイオン類、Ｋｒガスイオン類、Ｘｅガスイオン類等）を用いて材料を除去する。材料の除去中は、試料上の除去対象の材料が位置する領域にイオンビームを集束する。
【０１５１】
ある実施形態において、試料の改変としては、ガスアシスト化学処理を用いるものがあり、それにより材料を試料（試料の所与の層）に対して追加および／または回収することができる。一例として、ガスアシスト化学処理により、半導体回路編集を行うことができ、それにより半導製品内の損傷回路または誤って製造した回路を修理する。一般に、回路編集とは、回路に材料を追加する（例えば、開いている回路を閉じる）こと、および／または回路から材料を回収する（例えば、閉じている回路を開く）ことを含む。ガスアシスト化学処理により、フォトリソグラフィーマスクの修復をすることもできる。マスクの欠陥としては、通常、マスク材料が存在すべきでない領域にマスク材料が余剰して付着すること、および／またはマスク材料が存在すべき領域で材料が欠如することが挙げられる。したがって、ガスアシスト化学処理によりマスク修復を行い、所望により、マスクに対し材料を追加および／または回収することができる。一般に、ガスアシスト化学処理においては、荷電粒子ビーム（例えば、イオンビーム、電子ビーム、またはその両方）を用い、荷電粒子ビームを適切なガス（例えば、Ｃｌ２，Ｏ２，Ｉ２，ＸｅＦ２，Ｆ２，ＣＦ４，Ｈ２Ｏ，ＸｅＦ２，Ｆ２，ＣＦ４，ＷＦ６等）と相互作用させる。
【０１５２】
ある実施形態において、試料を検査することが望ましい。そのような検査の一例としては、ボイドを検出することが挙げられる。半導体製品の製造過程において、あるいくつかのフィーチャまたは層にボイドが不用意に発生してしまうことがある。いくつかの実施形態においては、ボイドがデバイスの構成および／またはデバイス全体の性能（例えば、電気的性能、機械的性能）に不要な影響を及ぼすことがある。後続の加工段階で、そのボイドが開くことがあり、例えば、液体および／またはガス状成分によりボイドが充填されてしまうことがある。そうすると、下部層の腐食、および／または粒子欠陥および／または残渣欠陥の原因となることがある。最終的に、ボイドの存在により、電気的および／または機械的特性が所望の値（例えば、設計値）から逸脱してしまうことがある。
【０１５３】
半導体製品の欠陥検出の別の例として、オーバーレイシフトレジストレーションが挙げられる。用語「オーバーレイシフトレジストレーション」とは、一般に、半導体製品の所与の層内の構成と別の層内の構成の位置を合わせる（アラインメントする）ことである。上述したように、半導体製品の製造においては、多くの層を適切に形成することが必要である。一般に、１つの半導体製品が含む層の数は２０を大幅に上回る。多くの場合、各層は複数の種々の構成を含むことがあり、それぞれの構成を高精度で配置し、半導体製品が適切に機能するようにすることが望ましい。一例として、半導体製品は、例えば導電配線（ワイヤ）等の平面構成を複数備え、それらの構成は異なる層に配置され、ビアにて互いに接続される。通常、半導体製品内の構成は互いに適切に位置合わせされていることが望ましい。
【０１５４】
半導体製品の欠陥検出の付加的な例として、限界寸法計測が挙げられる。用語「限界寸法計測」とは、半導体製品内の構成であって、デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす可能性のある構成の線寸法を計測することである。そのような構成の例としては、例えばライン（例えば、導電性材料のライン、半導電性材料のライン、非導電性材料のライン）が挙げられる。１つの半導体製品は、１つまたは複数の構成を備え、その規模寸法は２０ｎｍ以下（例えば、１０ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下）である。いくつかの実施形態において、構成の寸法を複数回計測して、構成のサイズに関する統計情報を得る。限界寸法計測においては、多くの場合、例えば、ウエハ上のパターン化構成の長さを測定することを必要とする。複数のウエハ（複数のダイスを含み、各ダイスが半導体製品を形成するウエハ）を製造ラインからランダムに選択して検査すること、またはラインの全てのウエハを検査することができる。選択した限界寸法の計測には、画像化器機を用いると比較的ハイスループット率で計測を行うことができる。計測した限界寸法が許容範囲外であれば、そのウエハを廃棄する。ある特定の製造機により製造される試料のうち複数が限界寸法の許容範囲外であった場合、その製造機の稼動を停止する、または、その製造機の稼動パラメータを変更する。
【０１５５】
欠陥検出のさらなる例として、ラインエッジラフネスおよび／またはライン幅ラフネスの計測が挙げられる。用語「ラインエッジラフネス」は、一般に、半導体製品内の材料のラインエッジ粗さのことであり、用語「ライン幅ラフネス」は、一般に、半導体製品内の材料のライン幅粗さのことである。望ましくは、これらの値を検出して、所与の半導体製品に実際にまたは潜在的に問題が内在するかを究明する。例えば、導電性材料からなる隣接するラインのエッジが互いに外側へ突出していると、そのラインが互いに接触し、短絡することがある。望ましくは、ラインエッジラフネスおよび／またはライン幅ラフネスが５ｎｍ以下（例えば、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、または０．５ｎｍ未満）の範囲にあることを確かめる。
【０１５６】
以上、半導体製品を試料として構成した実施形態について説明したが、より一般的には、任意のタイプの試料を用いることができる。試料の例としては、生物学的試料（例えば、組織、核酸、タンパク質、炭水化物、脂質、および細胞膜）、薬剤試料（例えば、小分子薬）、凍結水（例えば、氷）、磁気記憶デバイスに用いるリード／ライトヘッド、ならびに金属試料類および合金試料類が挙げられる。
【０１５７】
試料、試料検査、および試料改変の例については、例えば、特許文献３に開示される。
【０１５８】
上述した実施形態の様々な態様は、概して、所望により組み合わせることができる。
【０１５９】
その他の実施形態は特許請求の範囲に包含される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの最良結像電圧よりも少なくとも５％高い電圧で動作するチップを有するガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成する、イオンビーム生成ステップ、および
前記イオンビームを用いて試料を検査／または改変するステップ、を含む方法であって、
前記試料は前記チップとは異なることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガス電界イオン源の前記チップの電圧は、前記ガスの前記最良結像電圧よりも１０％〜２０％高いことを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記ガスは希ガスであることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記ガスはネオンであることを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記ガス電界イオン源はガス電界イオン顕微鏡の一部であることを特徴とする、方法。
【請求項６】
（ａ）第１ガスを用いて、ガス電界イオン源からイオンビームを生成し、試料を検査および／または改変するステップ、および
（ｂ）ステップ（ａ）の後、前記ガス電界イオン源のチップの再形成中に、前記第１ガスとは異なる第２ガスを用いて前記ガス電界イオン源の前記チップの端子棚の原子構造をモニタして、前記ガス電界イオン源の前記チップの前記端子棚の発光パターンを生成するステップ、
を含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記第２電圧は前記第１電圧よりも高いことを特徴とする、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記第２ガスはヘリウムであることを特徴とする、方法。
【請求項９】
ガス電界イオン源を用いて、第１ガスのイオンおよび該第１ガスとは異なる第２ガスのイオンを含む第１イオンビームを生成するステップ、および、
前記第１イオンビームを、第２ビームおよび第３ビームに分離する、分離ステップであって、該第１イオンビームは前記第１ガスのイオンを少なくとも１０％および前記第２ガスのイオンを多くとも１％含み、該第２イオンビームは前記第２ガスのイオンを少なくとも１０％および前記第１ガスのイオンを多くとも１％含むことを特徴とする、分離ステップ、
を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記第２ガスは第２希ガスであることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、前記分離ステップは、磁界源を用いて前記第１イオンビームを前記第２イオンビームおよび前記第３ビームに分離するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、前記第１イオンビームは、原子の種々の同位体のイオンを含み、前記第２イオンビームは原子の第１同位体のイオンを含み、前記第３イオンビームは、原子の第２同位体のイオンを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１３】
システムであって、
質量のそれぞれ異なるイオンからなる第１イオンビームを生成可能なガス電界イオン源、および
該システムの使用中に、前記第１イオンビーム中のイオンを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離するように構成したイオンビーム分離器であって、該第２イオンビームは、第１質量のイオンを少なくとも１０％および該第１質量とは異なる第２質量のイオンを多くとも１％含み、該第３イオンビームは、前記第２質量のイオンを少なくとも１０％および前記第１質量のイオンを多くとも１％含むことを特徴とする、イオンビーム分離器、
を備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記システムの使用中に、前記第３イオンビームは絞りを通過しないことを特徴とする、システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載のシステムであって、前記イオンビーム分離器は磁界源を含むことを特徴とする、システム。
【請求項１６】
第１ガスを少なくとも８０％含み該第１ガスとは異なる第２ガスを多くとも２０％含む混合気体にガス電界イオン源を露出すると同時に該ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するイオンビーム生成ステップ、を含む方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記第１ガスはヘリウムであり、前記第２ガスはネオンであることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、前記第２ガスが存在することにより、前記システムは、電流角密度が少なくとも２０％増加したイオンビームを生成することができることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、前記第２ガスが存在することにより、前記システムは、エネルギー拡散が少なくとも２０％減少したイオンビームを生成することができることを特徴とする、方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって、前記第２ガスが存在することにより、放出電流の変動を５０％低減することができることを特徴とする、方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法であって、
前記イオンビーム生成ステップは、
種々のガスを含む混合気体に前記ガス電界イオン源を露出して、該種々のガスのイオンからなる前記イオンビームを生成するようにするステップ、および
前記イオンビーム中のイオンの所望の相対存在比に基づいて、前記ガス電界イオン源の前記チップにおける電界を選択するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、前記混合気体はヘリウムおよび重質ガスを含む、方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法であって、前記混合気体はヘリウムおよびネオンを含む、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、
前記電界は、第１値と該第１値とは異なる第２値との間で切り替え可能であり、
前記電界を前記第１値として生成した前記イオンビームは、ヘリウムを８０％よりも多く含み、
前記電界を前記第２値として生成した前記イオンビームは、ネオンを少なくとも２０％含むことを特徴とする、方法。
【請求項１】
ガスの最良結像電圧よりも少なくとも５％高い電圧で動作するチップを有するガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成する、イオンビーム生成ステップ、および
前記イオンビームを用いて試料を検査／または改変するステップ、を含む方法であって、
前記試料は前記チップとは異なることを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記ガス電界イオン源の前記チップの電圧は、前記ガスの前記最良結像電圧よりも１０％〜２０％高いことを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記ガスは希ガスであることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記ガスはネオンであることを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記ガス電界イオン源はガス電界イオン顕微鏡の一部であることを特徴とする、方法。
【請求項６】
（ａ）第１ガスを用いて、ガス電界イオン源からイオンビームを生成し、試料を検査および／または改変するステップ、および
（ｂ）ステップ（ａ）の後、前記ガス電界イオン源のチップの再形成中に、前記第１ガスとは異なる第２ガスを用いて前記ガス電界イオン源の前記チップの端子棚の原子構造をモニタして、前記ガス電界イオン源の前記チップの前記端子棚の発光パターンを生成するステップ、
を含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記第２電圧は前記第１電圧よりも高いことを特徴とする、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記第２ガスはヘリウムであることを特徴とする、方法。
【請求項９】
ガス電界イオン源を用いて、第１ガスのイオンおよび該第１ガスとは異なる第２ガスのイオンを含む第１イオンビームを生成するステップ、および、
前記第１イオンビームを、第２ビームおよび第３ビームに分離する、分離ステップであって、該第１イオンビームは前記第１ガスのイオンを少なくとも１０％および前記第２ガスのイオンを多くとも１％含み、該第２イオンビームは前記第２ガスのイオンを少なくとも１０％および前記第１ガスのイオンを多くとも１％含むことを特徴とする、分離ステップ、
を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記第２ガスは第２希ガスであることを特徴とする、方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、前記分離ステップは、磁界源を用いて前記第１イオンビームを前記第２イオンビームおよび前記第３ビームに分離するステップを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の方法であって、前記第１イオンビームは、原子の種々の同位体のイオンを含み、前記第２イオンビームは原子の第１同位体のイオンを含み、前記第３イオンビームは、原子の第２同位体のイオンを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１３】
システムであって、
質量のそれぞれ異なるイオンからなる第１イオンビームを生成可能なガス電界イオン源、および
該システムの使用中に、前記第１イオンビーム中のイオンを第２イオンビームおよび第３イオンビームに分離するように構成したイオンビーム分離器であって、該第２イオンビームは、第１質量のイオンを少なくとも１０％および該第１質量とは異なる第２質量のイオンを多くとも１％含み、該第３イオンビームは、前記第２質量のイオンを少なくとも１０％および前記第１質量のイオンを多くとも１％含むことを特徴とする、イオンビーム分離器、
を備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記システムの使用中に、前記第３イオンビームは絞りを通過しないことを特徴とする、システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載のシステムであって、前記イオンビーム分離器は磁界源を含むことを特徴とする、システム。
【請求項１６】
第１ガスを少なくとも８０％含み該第１ガスとは異なる第２ガスを多くとも２０％含む混合気体にガス電界イオン源を露出すると同時に該ガス電界イオン源を用いてイオンビームを生成するイオンビーム生成ステップ、を含む方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記第１ガスはヘリウムであり、前記第２ガスはネオンであることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、前記第２ガスが存在することにより、前記システムは、電流角密度が少なくとも２０％増加したイオンビームを生成することができることを特徴とする、方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、前記第２ガスが存在することにより、前記システムは、エネルギー拡散が少なくとも２０％減少したイオンビームを生成することができることを特徴とする、方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法であって、前記第２ガスが存在することにより、放出電流の変動を５０％低減することができることを特徴とする、方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法であって、
前記イオンビーム生成ステップは、
種々のガスを含む混合気体に前記ガス電界イオン源を露出して、該種々のガスのイオンからなる前記イオンビームを生成するようにするステップ、および
前記イオンビーム中のイオンの所望の相対存在比に基づいて、前記ガス電界イオン源の前記チップにおける電界を選択するステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、前記混合気体はヘリウムおよび重質ガスを含む、方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法であって、前記混合気体はヘリウムおよびネオンを含む、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、
前記電界は、第１値と該第１値とは異なる第２値との間で切り替え可能であり、
前記電界を前記第１値として生成した前記イオンビームは、ヘリウムを８０％よりも多く含み、
前記電界を前記第２値として生成した前記イオンビームは、ネオンを少なくとも２０％含むことを特徴とする、方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【公表番号】特表２０１２−５０１４４８（Ｐ２０１２−５０１４４８Ａ）
【公表日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２５１８６（Ｐ２０１１−５２５１８６）
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５５１２７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２５２１１
【国際公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（５１０２３７４３５）カール ツァイス エヌティーエス エルエルシー (14)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５５１２７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２５２１１
【国際公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（５１０２３７４３５）カール ツァイス エヌティーエス エルエルシー (14)
【Ｆターム（参考）】
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