荷電粒子ビームシステムのためのプラズマ源
【課題】集束イオンビーム装置に用いられる誘導結合型プラズマイオン源において、プラズマ室を冷却する手段と方法、並びにプラズマ室と接地電位の間の異常放電を防止する手段と方法を提供する。
【解決手段】プラズマ室１０２の外壁１０６に沿って絶縁性液体１２６を流すことによってプラズマ室を冷却する。プラズマ源ガスは接地電位にあるタンク１５０からレギュレータ１５２、調整弁１５６、および流量制限器１５８を介してプラズマ室１０２に供給される。前記流量制限器を前記プラズマ室の近傍に設けて、プラズマ電位と接地電位との間の電圧が比較的ガス圧力の高いところに加わるようにすることによって、プラズマ室と接地電位の間の異常放電を防止する。
【解決手段】プラズマ室１０２の外壁１０６に沿って絶縁性液体１２６を流すことによってプラズマ室を冷却する。プラズマ源ガスは接地電位にあるタンク１５０からレギュレータ１５２、調整弁１５６、および流量制限器１５８を介してプラズマ室１０２に供給される。前記流量制限器を前記プラズマ室の近傍に設けて、プラズマ電位と接地電位との間の電圧が比較的ガス圧力の高いところに加わるようにすることによって、プラズマ室と接地電位の間の異常放電を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームカラムに使用されるプラズマ源に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導結合型（ＩＣ）プラズマ源は、荷電粒子（例えば、イオン又は電子）の集束ビームを形成する集束カラムと組合わせて使用する場合、他のタイプのプラズマ源に比べていくつかの利点を持つ。誘導結合型プラズマ源は、狭いエネルギー幅で荷電粒子を供給することができ、これにより、荷電粒子を小さなスポットに集束させることができる。誘導結合型プラズマ源は、例えば、本発明の譲受人に権利が移転されている米国特許第７２４１３６１号に記載されているとおり、通常、セラミック製プラズマ室の周囲に巻かれた高周波（ＲＦ）アンテナを含む。このＲＦアンテナは、プラズマ室内部のガスをイオン化された状態に維持するためにエネルギーを供給する。
【０００３】
イオンビーム処理に使用されるイオンエネルギーは、典型的には５ｋｅＶ〜５０ｋｅＶであり、最も典型的には約３０ｋｅＶである。電子エネルギーは、透過型電子顕微鏡システムでは約１ｋｅＶ〜５ｋｅＶの範囲であったり、走査型電子顕微鏡システムでは数十万電子ボルトであったりと様々である。荷電粒子システムにおいて、その試料は、通常接地電位に維持され、プラズマ源は、ビームを形成するために用いられる粒子に応じて正又は負のいずれかの高電位に維持される。オペレータの安全のためには、高電圧となる構成部品を電気的に絶縁する必要がある。高電圧プラズマの電気的な絶縁は、プラズマ源設計の他の目的に照らすと解決することが難しい幾つかの設計上の問題を生じさせる。
【０００４】
一つの設計上の難しさは、プラズマとして消費されるイオンとなるガスで満たされる高電圧のプラズマ室にガスを導入しなければならないために生ずる。ガスは、通常、接地電位で大気圧より十分に高い状態で貯蔵されている。プラズマ室内のガス圧は、典型的には約０．００１ｍｂａｒ〜約１ｍｂａｒの範囲である。ガスの電位は高電圧プラズマの電位とする必要があり、ガス圧はガスがガス供給源からプラズマ室に移される際に減少させる必要がある。ガスは、システムに損傷を与えるアーク気相放電を防ぐようにプラズマ室室内に導入されなければならない。
【０００５】
もう一つの設計上の課題は、効率的に電力を変換するために、プラズマに電力を供給する高周波コイルを可能な限りプラズマに近づけて配置することである。しかしながら、コイルをプラズマと同様の高電位に維持することは、通常、コイル用電源を高いプラズマ電位に維持しなくてならず、電源の設計が著しく複雑になり、大幅にコストが増えることとなる。誘導結合型プラズマイオン源には、コイルとプラズマとの間の容量結合を抑えるために、スプリットファラデーシールドを使用することができる。スプリットファラデーシールドは、プラズマとコイルとの間に配置しなければならず、通常は接地される。接地されたファラデーシールドが誘電体プラズマ容器に近接して配置された場合、ファラデーシールドと誘電体プラズマ容器との間に空気が含まれていると、電位の急激な変化により生じた高い電場が気相放電を引き起こす可能性があり、この放電はプラズマ源に損傷を与える恐れがある。
【０００６】
また、プラズマ室に印加されるエネルギーは熱を発生させる。ビーム形成には小型のプラズマ源が望ましいが、プラズマ源はより小型で強力になるほど、より高温になるので、効率的に熱を放散することがより重要になる。また、高電圧であることが冷却を困難にし、使用されるプラズマの密度を制限することとなる。これらの相反する要件は、ＩＣＰ源の設計を非常に困難なものとする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、改良されたプラズマ源、及びプラズマの荷電粒子ビーム源を有する改良された荷電粒子システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、荷電粒子ビームシステムのための改良された誘導結合型プラズマ源を提供するものである。一つの好ましい実施形態では、プラズマ源は、冷却作用を提供し、必要に応じてプラズマ室の電気絶縁の一部を実現する液体に覆われる。別の実施形態では、プラズマとガス供給器との間の電圧降下のほとんどが高圧に維持されたガスにおいて生じることによりアーク放電を減少させるように、ガスは高電圧に維持された流量制限器を介してプラズマ室に導入される。
【０００９】
上記は、本発明の特徴と技術的利点を概説したものであり、以下に記載された本発明の詳細な説明をより良く理解するためのものである。その他の本発明の特徴及び利点については以下に説明する。当業者によれば、ここに開示された概念及び特定の実施形態が、本発明と同様の目的を達成するために、改良や他の構成に変形する基礎として容易に利用できることは当然である。また、当業者によれば、このような均等な構成が、添付された特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨と範囲から逸脱しないことが理解される。
【００１０】
本発明とその利点をより完全に理解するため、添付の図面と併せて以下の説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】高電圧の絶縁と冷却のための絶縁性液体を使用したプラズマ源の縦方向の断面概略図
【図２】図１のプラズマ源の横方向の断面概略図
【図３】高電圧の絶縁と冷却のための絶縁性液体を使用したプラズマ源を用いた荷電粒子ビームシステム
【発明を実施するための形態】
【００１２】
プラズマ源を設計するには、通常、相反する設計要件を満たすため、種々のトレードオフが必要である。本発明の実施形態によれば、高周波コイルとプラズマとの間における優れた結合作用と、プラズマ室に対する効率的な冷却作用と、容量結合への優れた低減作用と、プラズマ源における高電圧の絶縁作用とを実現することができ、これらすべてにより、高密度であり静的であって、高電位である誘導結合プラズマを生成することができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、強電場であり、流体で満たされた領域からガスが噴出されるので、システム設計者にはソース源の構成に関する設計上の選択をする機会が与えられる（他の構成では得られない）。
【００１４】
以下の説明は、集束イオンビームシステムのためのプラズマ源を説明したものであるが、本発明のプラズマ源は、電子ビームシステムや他のシステムにも適用することができる。
【００１５】
図１は、本発明の態様を具体化するプラズマ源１００の縦方向の断面図を示す。プラズマ源１００は、内壁１０４及び外壁１０６を有する誘電体プラズマ室１０２を含む。プラズマ室１０２は、導電性ベースプレート１１０上に設けられる。プラズマ１１２は、プラズマ室１０２内に維持される。引き出し光学系１１４は、プラズマ室１０２の開口１１６及びベースプレート１１０の開口１１８を通じて、プラズマ１１２から荷電粒子（適用例に応じてイオン又は電子）を引き出す。誘電体外殻１２０（好ましくは、最小限の損失で高周波エネルギーを透過するセラミック又はプラスチック材料のもの）は、プラズマ室１０２と同心に配置され、外殻１２０とプラズマ室の外壁１０６との間の空間１２２を規定する。ポンプ１２４は、冷却流体１２６を冷却流体注入口１２８を通じてリザーバ／冷却装置１２７から空間１２２に圧送し、これを排出口１３２を通じて排出して、外壁１０６から熱交換によりプラズマ室１０２を冷却する。
【００１６】
プラズマ領域とスプリットファラデーシールドとの間では電位が急激に降下するため、プラズマ領域とスプリットファラデーシールドとの間の材料は、アーク放電を防ぐことができるように十分な大きさの絶縁耐力を有するものとしなければならない。動作電圧における誘電破壊を防止するために液体中での電圧降下が十分に低いものとなるように、冷却流体は、セラミック筺体１０２の材料に比べて十分に高い誘電率を有するものを選択することできる。この場合、冷却剤には、電場増強や気体放電の可能性が存在する気泡又は他の不純物を含まないものを選択するのがよい。液量が実質的に電場から影響を受けず、そして、実質的にすべての電圧降下がプラズマ室１０２内で発生する場合であれば、冷却流体には、ある程度導電性を有するものを選択することもできる。また、冷却流体は、過剰な電力を消費する大型ポンプを用いた大きな流量を必要とすることなく、プラズマ室１０２を過熱から防ぐために、十分な熱容量を有するものとすべきである。プラズマ室１０２は、典型的にはおおよそ５０℃より低い温度に維持される。
【００１７】
流体は、水又はＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（米国登録商標）ＦＣ−４０などの液体で構成されるのが好ましい。Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（米国登録商標）ＦＣ−４０は、電気的絶縁性を有し、安定したフッ化炭素系の流体であり、３Ｍ社（ミネソタ州セントポール）によって市販されているものである。水としては脱イオン水や水道水なども使用することができる。冷却流体は、リザーバ／冷却装置１２７から、１０〜５０ガロン／時間の割合で圧送することが好ましい。流体１２６は、排出口１３２からリザーバ／冷却装置１２７に、導管１３３を経由して戻される。水は誘電率が約８０であるところ、プラズマ室のセラミック材料は誘電率が約９であるので、この結果として、ほとんどの電圧降下がセラミック材料内において発生する。好ましい絶縁性液体は、プラズマ室を形成する誘電体材料の誘電率より高い誘電率を有する。いくつかの実施形態では、絶縁液体の誘電率は５より大きいものであり、１０より大きいのがより好ましく、２０より大きいのがさらに好ましい。そして、約４０以上であるのが最も好ましい。
【００１８】
典型的な実施形態では、リザーバ／冷却装置１２７は、流体をポンプ１２４によって循環させる前に、冷却流体を約２０℃まで冷却する。冷却流体はプラズマ室を部分的に囲み、その冷却剤は、プラズマ室の縦方向に沿って底部から上部へ流れる。分かりやすくするため、図１では、冷却流体がプラズマ室１０２の底部の両側から空間１２２に注入され、プラズマ室１０２の上部の片側から排出されるように示している。当業者は、プラズマ室１０２のすべての側面周りにおいて、均等な流量を確保するため、適当な注入口、排出口及びバッフル板が使用される可能性があると理解する。
【００１９】
スプリットファラデーシールド１３４は、高周波コイル１３６とプラズマ１１２との間の容量結合を低減しつつ、プラズマ活性のために高周波コイル１３６からの高周波エネルギーを通す。スプリットファラデーシールド１３４は、高周波コイル１３６によって誘導された渦電流を低減するスリット群を含む。高周波コイル１３６は、中空構造としてもよく、コイルの内部流路１３７を循環する冷却剤の流れによって冷却してもよい。プラズマ室の冷却システムがコイルを循環する冷却剤を押し出しもよいし、あるいは、コイルが独立した冷却システムを持ってもよい。
【００２０】
ファラデーシールド１３４は、冷却流体１２６がシールド１３４の両側に流れることができように、かつ、シールドのスリットを流れて合流することができるように設けることが好ましい。代替方法として、シールドは、外壁１０６に又は外殻１２０の内壁に合わせて配置することもできる。例えば、シールドは、プラズマ室の外側壁１０６又は外殻１２０の内側壁上に塗布された又は他の方法で積層された金属層を含んでもよい。ファラデーシールドは電気的に接地されている。一つの実施形態では、シールド１３４は金属シリンダを含み、そのシリンダは外殻１２０の一部分とベースプレート１１０との間の部分のファラデーシールドのタブ１３８を固定することによって接地され、その結果、固定接地を確保する。
【００２１】
ガスは、タンク１５０とプラズマとの間の流路に沿って、接地電位からプラズマ電位に引き起こされなければならない。好ましい実施形態では、ほとんどの電圧変化は、ガス圧が比較的高くてアーク放電に耐性のある部位で生じる。
【００２２】
ガスは、タンク１５０などのガス供給源からプラズマ室１０２に供給される。タンク１５０は、典型的には接地電位に維持され、高圧ガスを貯蔵する。レギュレータ１５２は、タンクから導管１５４に導入されるガスの圧力を低減させる。必要に応じて設けられる調整弁１５６は、ガス管における圧力をさらに低減させたり、プラズマ源が動作していない場合に導管を完全に閉じたりしてもよい。キャピラリ１５８のような流量制限器は、ガスがプラズマ室１０２に到達する前に、さらにガス圧を低減させる。制限器１５８は、ガス管とプラズマ室１０２の内部との間に所望のガスコンダクタンスを実現する。制限器１５８は、プラズマ１１２に電気的に接触し、プラズマ電位であることが好ましい。他の実施形態では、流量制限器は、プラズマとは別の電圧源から印加された電気的バイアスを持つこともできる。絶縁シールド１６０はキャピラリ１５８を取り囲み、絶縁シールド１６０の端部に設けられ接地された金属カラー１６２は、その位置でガス電位を確実にゼロとする。したがって、接地電位からプラズマ電位への電位変化は全て、ガスが比較的高い圧力であってそれゆえアーク放電に耐性がある絶縁シールド１６０内において生じる。
【００２３】
調整弁１５６を含まない実施例では、レギュレータ１５２は、供給タンク１５０から送りだされたガスの圧力を５ポンド／平方インチ（※換算すると２５８．６Ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ））まで低減させる。ガス圧はキャピラリ１５８に到達するまで５ポンド／平方インチに保たれ、キャピラリにおいてガス圧はプラズマ室の圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ））に降下する。絶縁シールド１６０は、損傷を及ぼす恐れのある放電を防ぐために電場を十分に低く保てるように、十分な長さを有することが好ましい。絶縁シールド１６０は、典型的には少なくとも約５ｍｍの長さであり、より典型的には約３０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲である。例えば、プラズマが３０ｋＶに維持されている場合、１０ｍｍの長さを持つシールド内における電場は約３ｋＶ／ｍｍとなり、この電場はほとんどの応用例において持続的な放電を防止できる十分に低いものである。当業者であれば、局所的な電場が形状に応じた関数となること、及び、最初に低電流による放電が生じる可能性があっても絶縁シールド１６０内で静電平衡に達することが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、調整弁１５６は、ガスがプラズマ前段に位置する最終の制限器に到達する前に、さらにガス圧を低減させてもよい。流量制限器は、キャピラリの代わりに、リーク弁などの弁であってもよい。いずれのガス供給源であっても使用可能である。例えば、ガス供給源は、加熱されるとプラズマ供給のために十分な速度でガスを生成させる液体又は固体物質によって構成することができる。ガス供給源の相違により出力される圧力が異なるのであれば、その圧力をプラズマ室内で求められる圧力まで低減させることができるよう構成を変更する必要がある。
【００２４】
図２は、図１のプラズマ源１００の横方向の断面図を示す。図２には、プラズマ室１０２の外壁１０６が波型であること、すなわち、稜部２０２と谷部２０４との連なりで構成されることが示されている。ファラデーシールド１３４は、稜部２０２に接して配置されていて、谷部２０４とシールド１３４との間を流れる冷却流体の導通部２０６を規定する。図２に示された実施形態では、ファラデーシールド１３４は、プラズマ室の外壁１０６の上に収まる金属スリーブを含む。金属スリーブの一部は、底部で外側方向へ折れ曲がって接地タブ１３８（図１参照）を形成し、そのタブはプラズマ室１０２と接地ベースプレート１１０との間で固定される。冷却流体１２６は、プラズマ室の外壁１０６と外殻１２０とによって囲まれる空間１２２を介して流れる。ファラデーシールドは「分割（ｓｐｌｉｔ）」されている。つまり、シールドには垂直方向の複数のスロット群が形成されていて、そのスロット群は冷却流体を通過させることができる。別の実施形態では、外壁１０６を平滑に形成し、ファラデーシールドを波型に形成してもよい。あるいは、外壁１０６及びファラデーシールドのいずれも波型に形成しなくてよい。
【００２５】
図３は、図１のプラズマ源を使用した荷電粒子ビームを示す。イオンカラム上部には、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）イオン源３０２が取付けられ、ＩＣＰイオン源３０２は、電磁的な筺体３０４、ソース源室３０６及び導電性材料による一巻き以上の巻き線を含む誘導コイル３０８を備える。冷却材のリザーバ及び冷却装置３９０は冷却剤をポンプ３９１に供給し、ポンプ３９１は、導管３９２を介して、ソース源室３０６の周囲の冷却領域に冷却剤を供給する。冷却剤は、戻り導管３９３を介して、冷却剤のリザーバ及び冷却装置３９０に還流する。
【００２６】
高周波（ＲＦ）電源３４０は、２本の高周波（ＲＦ）同軸ケーブル３４２によって、マッチング回路３４１に接続される。マッチング回路３４１は、２本の高周波同軸ケーブル３４３によって、誘導コイル３０８に接続される。誘導コイル３０８は、ソース源室３０６に同心状に取り付けられる。ソース源室３０６内で生成されたプラズマと誘導コイル３０８との間の容量結合を低減するため、必要に応じて、スプリットファラデーシールド（図示省略）が、誘導コイル３０８の内側にソース源室３０６に対して同心状にして取り付けられてもよい。スプリットファラデーシールドがＩＣＰイオン源に使用される場合、誘導コイル３０８の両端にかかる高電圧（典型的には数百ボルト）は、ＩＣＰイオン源３０２の底部からイオンカラムへ引き出されたイオンのエネルギーへの影響を最少とする。この結果、ビームエネルギーの拡がりが小さなものとなり、基板表面又はその近傍での集束荷電粒子ビームの色収差を低減させる。
【００２７】
ソース源室３０６の内部のプラズマの有無については、プラズマから放出され、光ファイバ３４４のソース源側終端によって収集され、光ファイバ３４４を介してプラズマ光検出器３４５に伝搬された光によって、検出することが可能である。プラズマ光検出器３４５によって生成された電気信号は、ケーブル３４６を介して、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３４７に伝えられる。プラズマ光検出器３４５により生成されたプラズマのオン／オフ信号は、次いで、ケーブル又はデータバス３４８を介し、ＰＬＣ３４７から、プラズマ源を制御するためのソフトウェアを実行するプラズマ源制御部３５１に渡される。プラズマ源制御部３５１からの信号は、次いで、ケーブル又はデータバス３５２を介して、集束イオンビーム（ＦＩＢ）システム制御部３５３に渡される。ＦＩＢシステム制御部３５３は、インターネット３５４を経由して、遠隔サーバ３５５と通信してもよい。これらの詳細説明、つまりＦＩＢシステム制御の各構成を相互接続したことは単に例示的な意図によるものである。当業者に周知であるようにその他の制御の構成とすることも可能である。
【００２８】
ガスは、注入ガス管３２０を介してソース源室３０６に供給される。注入ガス管３２０は注入流量調整器３２８に通じており、注入流量調整器３２８はソース源室３０６内部に通じている。流量制限器３２８は、電圧降下が主に高圧のガス中で生じるように、ガス供給源３１０及びレギュレータ３３２の電位より、ソース源室３０６のプラズマの電位に近い電位に維持される。絶縁シールド３２９は、流量制限器３２８の上流側のガス管を絶縁し、接地されたカラー３３１で終端されている。
【００２９】
ＩＣＰソース源用のガス供給システム３１０は、ガス供給器３３０、高純度ガスレギュレータ３３２、及びニードル（調節）弁３３４を備える。ガス供給器３３０は、例えば、ヘリウム、酸素、キセノン又はアルゴンが供給ガスの場合であれば、一段又は多段の流量調節機構を有する標準的なガスボンベを含んでもよい。別の方法として、室温で固体又は液体である化合物に由来するガスの場合、ガス供給器３３０は、加熱リザーバを含んでもよい。ガス供給器３３０については他の構成とすることも可能である。ガス供給器３３０の構成の個別の選択はＩＣＰソース源に供給されるガスの種類に応じてなされる。供給器３３０からのガスは、高純度ガスレギュレータ３３２を通過し、高純度ガスレギュレータ３３２は一段又は多段のガス精製及び減圧機構を含んでもよい。高純度ガスレギュレータ３３２から出てきた精製ガスは、必要に応じて設けられるニードル弁３３４を通過する。ニードル弁３３４から出てきたガスは、ホース３３６を介して、必要に応じてＩＣＰソース源に近接して取り付けられる第２ニードル弁３３８を通過する。ニードル弁３３８から出てきたガスは、注入ガス管３２０を通過する。ガス管３２０は、流量制限器３２８を介してソース源室３０６の上部に接続される。
【００３０】
ＩＣＰソース源３０２の底部において、ソース電極３５７は、イオンビーム引き出し光学系の一部として機能し、引き出し電極３５８とコンデンサ３５９と連動して作用するものである。プラズマ点火器３６０は、ソース電極（図示省略）に接続され、ソース源室３０６内でプラズマを発生することができる。プラズマを点火するその他の既知の手段も用いることができる。ＩＣＰソース源の動作の詳細については、本明細書で引用した米国特許第７２４１３６１（２００７年７月１０日登録）に記載されている。ソース電極３５７は、プラズマ点火器３６０を介してビーム電圧電源（ＰＳ）３６１によって高電圧にバイアスされる。ソース電極３５７の電圧は、プラズマ電位を決定し、それゆえ、一価にイオン化された原子又は分子のイオン種や電子の場合では、基板表面に到達する荷電粒子のエネルギーも決定する。二価にイオン化されたイオン種は、二倍の運動エネルギーを持つこととなる。引き出し電極３５８は、引き出し電源３６３によってバイアスされ、他方、コンデンサ３５９は、コンデンサ電源３６２によってバイアスされる。ソース電極３５７と引き出し電極３５８とコンデンサ３５９とを組み合わせた動作では、ＩＣＰソース源３０２から出てきたイオンを引き出し、集束させてビームを形成することができ、そのビームはビーム受入アパーチャ３６４を通過する。ビーム受入アパーチャ３６４は、ＦＩＢシステム制御部３５３の制御に基づいて、ビーム受入アパーチャアクチュエータ３６５によってイオンカラム内に機構的に設けられる。典型的な電圧の設定として、ビーム電圧電源３６１を約＋３０ｋＶ、コンデンサ電源３６２を約１５ｋＶ、そして引き出し電源３６３を約１５ｋＶとするのがよい。
【００３１】
図３に図示されたイオンカラムでは、二つの静電アインツェルレンズ（ｅｉｎｚｅｌ ｌｅｎｓｅｓ）３６６、３６７が示されており、これらは基板３６８の表面又はその近傍で、ＩＣＰソース源３０２における仮想光源の高倍率で縮小された像（約１／１２５倍）を形成するために使用され、基板３６８は試料台制御部３３７によって制御される試料台３６９上に配置されている。第１アインツェルレンズ３６６（以下、「第１レンズ」又は「Ｌ１」ともいう）は、ビーム受入アパーチャ３６４の直下に配置され、３つの電極を含む。第１電極及び第３電極は典型的には接地（０Ｖ）されるが、一方、中央電極３７０は第１レンズ（Ｌ１）電源（ＰＳ）３７１によって制御される。第１レンズ電源３７１は、ＦＩＢシステム制御部３５３によって制御される。
【００３２】
イオンカラムにおける第１アインツェルレンズ３６６と第２アインツェルレンズ３６７との間には、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２が取付けられ、これは一つ以上のビーム整形用アパーチャ（図３では三つのアパーチャが示されている）を含む。典型的には、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２は、異なる直径の開口で構成された複数の円形アパーチャを含むことができ、その円形アパーチャのいずれか一つを光軸上に配置して、基板表面でのビーム電流及びビーム広がり角を制御できるようにする。別の方法として、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２において二つ又はそれ以上のアパーチャを同じものを設けることもでき、それによって、アパーチャの保全周期の間隔を延ばすための冗長化を実現することができる。ビーム広がり角を制御することによって、基板表面又はその近傍におけるビーム電流及び集束イオンビームの径が、実行されるミリング加工又は像観察に要求される分解能に基づいて、選択可能である。個別のアパーチャ（つまり、基板上のビーム広がり角）は、ＦＩＢシステム制御部３５３で制御されるビーム整形用アパーチャ（ＢＤＡ：ｔｈｅ ｂｅａｍ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）アクチュエータ３７３によって、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２の所望のアパーチャをカラムの光軸上に機械的に配置されることで決定される。
【００３３】
ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２の下方には、第２アインツェルレンズ３６７（以下、「第２レンズ」又は「Ｌ２」ともいう）が示されている。第１電極及び第３電極は典型的には接地（０Ｖ）され、他方、中央電極３７４の電圧は、第２レンズ（Ｌ２）電源（ＰＳ）３７５によって制御される。第２レンズ電源３７５は、ＦＩＢシステム制御部３５３によって制御される。カラム室／試料室隔離弁３７６は、ソース源３０２と試料室３７８との間のいずれかに配置される。隔離弁３７６は、試料の導入や取出しその他の要因により生じるガスの漏洩によって試料室３７８の真空状態に影響が及ぶ場合であっても、イオンカラム真空室３７７を高真空状態に保つことができる。カラム室／試料室ターボポンプ３７９は、ポンプ管３８０を介して試料室３７８を減圧するように構成される。また、ターボポンプ３７９は、ポンプ管３８１を介してイオンカラム室３７７を減圧する。
【００３４】
図３に示されたＦＩＢシステムの詳細については単に例示的な意図によるものであって、他の多くのＦＩＢシステムの構成でも、ミリング加工や像観察のために本発明の各種の実施形態を実施可能である。例えば、図３のイオンカラムでは二つの静電アインツェルレンズが示されているが、その代わりに、単一の静電アインツェルレンズ、あるいは二つより多い静電アインツェルレンズを使用してもよい。他の実施形態として、強力な集束を可能にする構成を得たい場合、磁気レンズを含むこともできるし、あるいは二つ以上の電気又は磁気四極子の組み合わせを含むこともできる。本発明のこの実施形態の趣旨によれば、イオンカラムが基板３６８の表面又はその近傍で、（ＩＣＰソース源３０２の）仮想光源の高倍率で縮小された像を形成することが好ましい。これら縮小可能な方法の詳細については当業者にとって周知である。
【００３５】
本発明及びその利点について詳細に説明したが、ここに記載された実施形態に対しては、添付された特許請求の範囲により定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び修正が可能であると理解されるべきである。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載された特定の実施形態におけるプロセス、機構、製品、構成物、手段、方法及びステップに限定されるものではない。当業者であれば、本発明、プロセス、機構、製品、構成物、手段、方法又はステップの開示によって、既存の技術、又は本明細書に記載された実施形態に対応し、実質的に同じ機能を果たしたり、実質的に同じ効果を奏したりする将来の技術についても、本発明に従って利用可能であると容易に理解することができる。したがって、添付された特許請求の範囲は、上記のようなプロセス、機構、製品、構成物、手段、方法及びステップをその範囲に含むものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】米国特許第７２４１３６１号明細書
【符号の説明】
【００３７】
１００ プラズマ源
１０２ プラズマ室
１０４ 内壁
１０６ 外壁
１１０ ベースプレート
１１２ プラズマ
１１４ 引き出し光学系
１１６ 開口
１１８ 開口
１２０ 外殻
１２２ 空間
１２４ ポンプ
１２６ 冷却流体
１２７ リザーバ／冷却装置１２７
１２８ 注入口
１３２ 排出口
１３３ 導管
１３４ ファラデーシールド
１３６ 高周波コイル
１３７ 内部流路
１３８ タブ
１５０ タンク
１５２ レギュレータ
１５４ 導管
１５６ 調整弁
１５８ 流量制限器（キャピラリ）
１６０ 絶縁シールド
１６２ 金属カラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームカラムに使用されるプラズマ源に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導結合型（ＩＣ）プラズマ源は、荷電粒子（例えば、イオン又は電子）の集束ビームを形成する集束カラムと組合わせて使用する場合、他のタイプのプラズマ源に比べていくつかの利点を持つ。誘導結合型プラズマ源は、狭いエネルギー幅で荷電粒子を供給することができ、これにより、荷電粒子を小さなスポットに集束させることができる。誘導結合型プラズマ源は、例えば、本発明の譲受人に権利が移転されている米国特許第７２４１３６１号に記載されているとおり、通常、セラミック製プラズマ室の周囲に巻かれた高周波（ＲＦ）アンテナを含む。このＲＦアンテナは、プラズマ室内部のガスをイオン化された状態に維持するためにエネルギーを供給する。
【０００３】
イオンビーム処理に使用されるイオンエネルギーは、典型的には５ｋｅＶ〜５０ｋｅＶであり、最も典型的には約３０ｋｅＶである。電子エネルギーは、透過型電子顕微鏡システムでは約１ｋｅＶ〜５ｋｅＶの範囲であったり、走査型電子顕微鏡システムでは数十万電子ボルトであったりと様々である。荷電粒子システムにおいて、その試料は、通常接地電位に維持され、プラズマ源は、ビームを形成するために用いられる粒子に応じて正又は負のいずれかの高電位に維持される。オペレータの安全のためには、高電圧となる構成部品を電気的に絶縁する必要がある。高電圧プラズマの電気的な絶縁は、プラズマ源設計の他の目的に照らすと解決することが難しい幾つかの設計上の問題を生じさせる。
【０００４】
一つの設計上の難しさは、プラズマとして消費されるイオンとなるガスで満たされる高電圧のプラズマ室にガスを導入しなければならないために生ずる。ガスは、通常、接地電位で大気圧より十分に高い状態で貯蔵されている。プラズマ室内のガス圧は、典型的には約０．００１ｍｂａｒ〜約１ｍｂａｒの範囲である。ガスの電位は高電圧プラズマの電位とする必要があり、ガス圧はガスがガス供給源からプラズマ室に移される際に減少させる必要がある。ガスは、システムに損傷を与えるアーク気相放電を防ぐようにプラズマ室室内に導入されなければならない。
【０００５】
もう一つの設計上の課題は、効率的に電力を変換するために、プラズマに電力を供給する高周波コイルを可能な限りプラズマに近づけて配置することである。しかしながら、コイルをプラズマと同様の高電位に維持することは、通常、コイル用電源を高いプラズマ電位に維持しなくてならず、電源の設計が著しく複雑になり、大幅にコストが増えることとなる。誘導結合型プラズマイオン源には、コイルとプラズマとの間の容量結合を抑えるために、スプリットファラデーシールドを使用することができる。スプリットファラデーシールドは、プラズマとコイルとの間に配置しなければならず、通常は接地される。接地されたファラデーシールドが誘電体プラズマ容器に近接して配置された場合、ファラデーシールドと誘電体プラズマ容器との間に空気が含まれていると、電位の急激な変化により生じた高い電場が気相放電を引き起こす可能性があり、この放電はプラズマ源に損傷を与える恐れがある。
【０００６】
また、プラズマ室に印加されるエネルギーは熱を発生させる。ビーム形成には小型のプラズマ源が望ましいが、プラズマ源はより小型で強力になるほど、より高温になるので、効率的に熱を放散することがより重要になる。また、高電圧であることが冷却を困難にし、使用されるプラズマの密度を制限することとなる。これらの相反する要件は、ＩＣＰ源の設計を非常に困難なものとする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、改良されたプラズマ源、及びプラズマの荷電粒子ビーム源を有する改良された荷電粒子システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、荷電粒子ビームシステムのための改良された誘導結合型プラズマ源を提供するものである。一つの好ましい実施形態では、プラズマ源は、冷却作用を提供し、必要に応じてプラズマ室の電気絶縁の一部を実現する液体に覆われる。別の実施形態では、プラズマとガス供給器との間の電圧降下のほとんどが高圧に維持されたガスにおいて生じることによりアーク放電を減少させるように、ガスは高電圧に維持された流量制限器を介してプラズマ室に導入される。
【０００９】
上記は、本発明の特徴と技術的利点を概説したものであり、以下に記載された本発明の詳細な説明をより良く理解するためのものである。その他の本発明の特徴及び利点については以下に説明する。当業者によれば、ここに開示された概念及び特定の実施形態が、本発明と同様の目的を達成するために、改良や他の構成に変形する基礎として容易に利用できることは当然である。また、当業者によれば、このような均等な構成が、添付された特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨と範囲から逸脱しないことが理解される。
【００１０】
本発明とその利点をより完全に理解するため、添付の図面と併せて以下の説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】高電圧の絶縁と冷却のための絶縁性液体を使用したプラズマ源の縦方向の断面概略図
【図２】図１のプラズマ源の横方向の断面概略図
【図３】高電圧の絶縁と冷却のための絶縁性液体を使用したプラズマ源を用いた荷電粒子ビームシステム
【発明を実施するための形態】
【００１２】
プラズマ源を設計するには、通常、相反する設計要件を満たすため、種々のトレードオフが必要である。本発明の実施形態によれば、高周波コイルとプラズマとの間における優れた結合作用と、プラズマ室に対する効率的な冷却作用と、容量結合への優れた低減作用と、プラズマ源における高電圧の絶縁作用とを実現することができ、これらすべてにより、高密度であり静的であって、高電位である誘導結合プラズマを生成することができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、強電場であり、流体で満たされた領域からガスが噴出されるので、システム設計者にはソース源の構成に関する設計上の選択をする機会が与えられる（他の構成では得られない）。
【００１４】
以下の説明は、集束イオンビームシステムのためのプラズマ源を説明したものであるが、本発明のプラズマ源は、電子ビームシステムや他のシステムにも適用することができる。
【００１５】
図１は、本発明の態様を具体化するプラズマ源１００の縦方向の断面図を示す。プラズマ源１００は、内壁１０４及び外壁１０６を有する誘電体プラズマ室１０２を含む。プラズマ室１０２は、導電性ベースプレート１１０上に設けられる。プラズマ１１２は、プラズマ室１０２内に維持される。引き出し光学系１１４は、プラズマ室１０２の開口１１６及びベースプレート１１０の開口１１８を通じて、プラズマ１１２から荷電粒子（適用例に応じてイオン又は電子）を引き出す。誘電体外殻１２０（好ましくは、最小限の損失で高周波エネルギーを透過するセラミック又はプラスチック材料のもの）は、プラズマ室１０２と同心に配置され、外殻１２０とプラズマ室の外壁１０６との間の空間１２２を規定する。ポンプ１２４は、冷却流体１２６を冷却流体注入口１２８を通じてリザーバ／冷却装置１２７から空間１２２に圧送し、これを排出口１３２を通じて排出して、外壁１０６から熱交換によりプラズマ室１０２を冷却する。
【００１６】
プラズマ領域とスプリットファラデーシールドとの間では電位が急激に降下するため、プラズマ領域とスプリットファラデーシールドとの間の材料は、アーク放電を防ぐことができるように十分な大きさの絶縁耐力を有するものとしなければならない。動作電圧における誘電破壊を防止するために液体中での電圧降下が十分に低いものとなるように、冷却流体は、セラミック筺体１０２の材料に比べて十分に高い誘電率を有するものを選択することできる。この場合、冷却剤には、電場増強や気体放電の可能性が存在する気泡又は他の不純物を含まないものを選択するのがよい。液量が実質的に電場から影響を受けず、そして、実質的にすべての電圧降下がプラズマ室１０２内で発生する場合であれば、冷却流体には、ある程度導電性を有するものを選択することもできる。また、冷却流体は、過剰な電力を消費する大型ポンプを用いた大きな流量を必要とすることなく、プラズマ室１０２を過熱から防ぐために、十分な熱容量を有するものとすべきである。プラズマ室１０２は、典型的にはおおよそ５０℃より低い温度に維持される。
【００１７】
流体は、水又はＦｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（米国登録商標）ＦＣ−４０などの液体で構成されるのが好ましい。Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（米国登録商標）ＦＣ−４０は、電気的絶縁性を有し、安定したフッ化炭素系の流体であり、３Ｍ社（ミネソタ州セントポール）によって市販されているものである。水としては脱イオン水や水道水なども使用することができる。冷却流体は、リザーバ／冷却装置１２７から、１０〜５０ガロン／時間の割合で圧送することが好ましい。流体１２６は、排出口１３２からリザーバ／冷却装置１２７に、導管１３３を経由して戻される。水は誘電率が約８０であるところ、プラズマ室のセラミック材料は誘電率が約９であるので、この結果として、ほとんどの電圧降下がセラミック材料内において発生する。好ましい絶縁性液体は、プラズマ室を形成する誘電体材料の誘電率より高い誘電率を有する。いくつかの実施形態では、絶縁液体の誘電率は５より大きいものであり、１０より大きいのがより好ましく、２０より大きいのがさらに好ましい。そして、約４０以上であるのが最も好ましい。
【００１８】
典型的な実施形態では、リザーバ／冷却装置１２７は、流体をポンプ１２４によって循環させる前に、冷却流体を約２０℃まで冷却する。冷却流体はプラズマ室を部分的に囲み、その冷却剤は、プラズマ室の縦方向に沿って底部から上部へ流れる。分かりやすくするため、図１では、冷却流体がプラズマ室１０２の底部の両側から空間１２２に注入され、プラズマ室１０２の上部の片側から排出されるように示している。当業者は、プラズマ室１０２のすべての側面周りにおいて、均等な流量を確保するため、適当な注入口、排出口及びバッフル板が使用される可能性があると理解する。
【００１９】
スプリットファラデーシールド１３４は、高周波コイル１３６とプラズマ１１２との間の容量結合を低減しつつ、プラズマ活性のために高周波コイル１３６からの高周波エネルギーを通す。スプリットファラデーシールド１３４は、高周波コイル１３６によって誘導された渦電流を低減するスリット群を含む。高周波コイル１３６は、中空構造としてもよく、コイルの内部流路１３７を循環する冷却剤の流れによって冷却してもよい。プラズマ室の冷却システムがコイルを循環する冷却剤を押し出しもよいし、あるいは、コイルが独立した冷却システムを持ってもよい。
【００２０】
ファラデーシールド１３４は、冷却流体１２６がシールド１３４の両側に流れることができように、かつ、シールドのスリットを流れて合流することができるように設けることが好ましい。代替方法として、シールドは、外壁１０６に又は外殻１２０の内壁に合わせて配置することもできる。例えば、シールドは、プラズマ室の外側壁１０６又は外殻１２０の内側壁上に塗布された又は他の方法で積層された金属層を含んでもよい。ファラデーシールドは電気的に接地されている。一つの実施形態では、シールド１３４は金属シリンダを含み、そのシリンダは外殻１２０の一部分とベースプレート１１０との間の部分のファラデーシールドのタブ１３８を固定することによって接地され、その結果、固定接地を確保する。
【００２１】
ガスは、タンク１５０とプラズマとの間の流路に沿って、接地電位からプラズマ電位に引き起こされなければならない。好ましい実施形態では、ほとんどの電圧変化は、ガス圧が比較的高くてアーク放電に耐性のある部位で生じる。
【００２２】
ガスは、タンク１５０などのガス供給源からプラズマ室１０２に供給される。タンク１５０は、典型的には接地電位に維持され、高圧ガスを貯蔵する。レギュレータ１５２は、タンクから導管１５４に導入されるガスの圧力を低減させる。必要に応じて設けられる調整弁１５６は、ガス管における圧力をさらに低減させたり、プラズマ源が動作していない場合に導管を完全に閉じたりしてもよい。キャピラリ１５８のような流量制限器は、ガスがプラズマ室１０２に到達する前に、さらにガス圧を低減させる。制限器１５８は、ガス管とプラズマ室１０２の内部との間に所望のガスコンダクタンスを実現する。制限器１５８は、プラズマ１１２に電気的に接触し、プラズマ電位であることが好ましい。他の実施形態では、流量制限器は、プラズマとは別の電圧源から印加された電気的バイアスを持つこともできる。絶縁シールド１６０はキャピラリ１５８を取り囲み、絶縁シールド１６０の端部に設けられ接地された金属カラー１６２は、その位置でガス電位を確実にゼロとする。したがって、接地電位からプラズマ電位への電位変化は全て、ガスが比較的高い圧力であってそれゆえアーク放電に耐性がある絶縁シールド１６０内において生じる。
【００２３】
調整弁１５６を含まない実施例では、レギュレータ１５２は、供給タンク１５０から送りだされたガスの圧力を５ポンド／平方インチ（※換算すると２５８．６Ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ））まで低減させる。ガス圧はキャピラリ１５８に到達するまで５ポンド／平方インチに保たれ、キャピラリにおいてガス圧はプラズマ室の圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ））に降下する。絶縁シールド１６０は、損傷を及ぼす恐れのある放電を防ぐために電場を十分に低く保てるように、十分な長さを有することが好ましい。絶縁シールド１６０は、典型的には少なくとも約５ｍｍの長さであり、より典型的には約３０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲である。例えば、プラズマが３０ｋＶに維持されている場合、１０ｍｍの長さを持つシールド内における電場は約３ｋＶ／ｍｍとなり、この電場はほとんどの応用例において持続的な放電を防止できる十分に低いものである。当業者であれば、局所的な電場が形状に応じた関数となること、及び、最初に低電流による放電が生じる可能性があっても絶縁シールド１６０内で静電平衡に達することが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、調整弁１５６は、ガスがプラズマ前段に位置する最終の制限器に到達する前に、さらにガス圧を低減させてもよい。流量制限器は、キャピラリの代わりに、リーク弁などの弁であってもよい。いずれのガス供給源であっても使用可能である。例えば、ガス供給源は、加熱されるとプラズマ供給のために十分な速度でガスを生成させる液体又は固体物質によって構成することができる。ガス供給源の相違により出力される圧力が異なるのであれば、その圧力をプラズマ室内で求められる圧力まで低減させることができるよう構成を変更する必要がある。
【００２４】
図２は、図１のプラズマ源１００の横方向の断面図を示す。図２には、プラズマ室１０２の外壁１０６が波型であること、すなわち、稜部２０２と谷部２０４との連なりで構成されることが示されている。ファラデーシールド１３４は、稜部２０２に接して配置されていて、谷部２０４とシールド１３４との間を流れる冷却流体の導通部２０６を規定する。図２に示された実施形態では、ファラデーシールド１３４は、プラズマ室の外壁１０６の上に収まる金属スリーブを含む。金属スリーブの一部は、底部で外側方向へ折れ曲がって接地タブ１３８（図１参照）を形成し、そのタブはプラズマ室１０２と接地ベースプレート１１０との間で固定される。冷却流体１２６は、プラズマ室の外壁１０６と外殻１２０とによって囲まれる空間１２２を介して流れる。ファラデーシールドは「分割（ｓｐｌｉｔ）」されている。つまり、シールドには垂直方向の複数のスロット群が形成されていて、そのスロット群は冷却流体を通過させることができる。別の実施形態では、外壁１０６を平滑に形成し、ファラデーシールドを波型に形成してもよい。あるいは、外壁１０６及びファラデーシールドのいずれも波型に形成しなくてよい。
【００２５】
図３は、図１のプラズマ源を使用した荷電粒子ビームを示す。イオンカラム上部には、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）イオン源３０２が取付けられ、ＩＣＰイオン源３０２は、電磁的な筺体３０４、ソース源室３０６及び導電性材料による一巻き以上の巻き線を含む誘導コイル３０８を備える。冷却材のリザーバ及び冷却装置３９０は冷却剤をポンプ３９１に供給し、ポンプ３９１は、導管３９２を介して、ソース源室３０６の周囲の冷却領域に冷却剤を供給する。冷却剤は、戻り導管３９３を介して、冷却剤のリザーバ及び冷却装置３９０に還流する。
【００２６】
高周波（ＲＦ）電源３４０は、２本の高周波（ＲＦ）同軸ケーブル３４２によって、マッチング回路３４１に接続される。マッチング回路３４１は、２本の高周波同軸ケーブル３４３によって、誘導コイル３０８に接続される。誘導コイル３０８は、ソース源室３０６に同心状に取り付けられる。ソース源室３０６内で生成されたプラズマと誘導コイル３０８との間の容量結合を低減するため、必要に応じて、スプリットファラデーシールド（図示省略）が、誘導コイル３０８の内側にソース源室３０６に対して同心状にして取り付けられてもよい。スプリットファラデーシールドがＩＣＰイオン源に使用される場合、誘導コイル３０８の両端にかかる高電圧（典型的には数百ボルト）は、ＩＣＰイオン源３０２の底部からイオンカラムへ引き出されたイオンのエネルギーへの影響を最少とする。この結果、ビームエネルギーの拡がりが小さなものとなり、基板表面又はその近傍での集束荷電粒子ビームの色収差を低減させる。
【００２７】
ソース源室３０６の内部のプラズマの有無については、プラズマから放出され、光ファイバ３４４のソース源側終端によって収集され、光ファイバ３４４を介してプラズマ光検出器３４５に伝搬された光によって、検出することが可能である。プラズマ光検出器３４５によって生成された電気信号は、ケーブル３４６を介して、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）３４７に伝えられる。プラズマ光検出器３４５により生成されたプラズマのオン／オフ信号は、次いで、ケーブル又はデータバス３４８を介し、ＰＬＣ３４７から、プラズマ源を制御するためのソフトウェアを実行するプラズマ源制御部３５１に渡される。プラズマ源制御部３５１からの信号は、次いで、ケーブル又はデータバス３５２を介して、集束イオンビーム（ＦＩＢ）システム制御部３５３に渡される。ＦＩＢシステム制御部３５３は、インターネット３５４を経由して、遠隔サーバ３５５と通信してもよい。これらの詳細説明、つまりＦＩＢシステム制御の各構成を相互接続したことは単に例示的な意図によるものである。当業者に周知であるようにその他の制御の構成とすることも可能である。
【００２８】
ガスは、注入ガス管３２０を介してソース源室３０６に供給される。注入ガス管３２０は注入流量調整器３２８に通じており、注入流量調整器３２８はソース源室３０６内部に通じている。流量制限器３２８は、電圧降下が主に高圧のガス中で生じるように、ガス供給源３１０及びレギュレータ３３２の電位より、ソース源室３０６のプラズマの電位に近い電位に維持される。絶縁シールド３２９は、流量制限器３２８の上流側のガス管を絶縁し、接地されたカラー３３１で終端されている。
【００２９】
ＩＣＰソース源用のガス供給システム３１０は、ガス供給器３３０、高純度ガスレギュレータ３３２、及びニードル（調節）弁３３４を備える。ガス供給器３３０は、例えば、ヘリウム、酸素、キセノン又はアルゴンが供給ガスの場合であれば、一段又は多段の流量調節機構を有する標準的なガスボンベを含んでもよい。別の方法として、室温で固体又は液体である化合物に由来するガスの場合、ガス供給器３３０は、加熱リザーバを含んでもよい。ガス供給器３３０については他の構成とすることも可能である。ガス供給器３３０の構成の個別の選択はＩＣＰソース源に供給されるガスの種類に応じてなされる。供給器３３０からのガスは、高純度ガスレギュレータ３３２を通過し、高純度ガスレギュレータ３３２は一段又は多段のガス精製及び減圧機構を含んでもよい。高純度ガスレギュレータ３３２から出てきた精製ガスは、必要に応じて設けられるニードル弁３３４を通過する。ニードル弁３３４から出てきたガスは、ホース３３６を介して、必要に応じてＩＣＰソース源に近接して取り付けられる第２ニードル弁３３８を通過する。ニードル弁３３８から出てきたガスは、注入ガス管３２０を通過する。ガス管３２０は、流量制限器３２８を介してソース源室３０６の上部に接続される。
【００３０】
ＩＣＰソース源３０２の底部において、ソース電極３５７は、イオンビーム引き出し光学系の一部として機能し、引き出し電極３５８とコンデンサ３５９と連動して作用するものである。プラズマ点火器３６０は、ソース電極（図示省略）に接続され、ソース源室３０６内でプラズマを発生することができる。プラズマを点火するその他の既知の手段も用いることができる。ＩＣＰソース源の動作の詳細については、本明細書で引用した米国特許第７２４１３６１（２００７年７月１０日登録）に記載されている。ソース電極３５７は、プラズマ点火器３６０を介してビーム電圧電源（ＰＳ）３６１によって高電圧にバイアスされる。ソース電極３５７の電圧は、プラズマ電位を決定し、それゆえ、一価にイオン化された原子又は分子のイオン種や電子の場合では、基板表面に到達する荷電粒子のエネルギーも決定する。二価にイオン化されたイオン種は、二倍の運動エネルギーを持つこととなる。引き出し電極３５８は、引き出し電源３６３によってバイアスされ、他方、コンデンサ３５９は、コンデンサ電源３６２によってバイアスされる。ソース電極３５７と引き出し電極３５８とコンデンサ３５９とを組み合わせた動作では、ＩＣＰソース源３０２から出てきたイオンを引き出し、集束させてビームを形成することができ、そのビームはビーム受入アパーチャ３６４を通過する。ビーム受入アパーチャ３６４は、ＦＩＢシステム制御部３５３の制御に基づいて、ビーム受入アパーチャアクチュエータ３６５によってイオンカラム内に機構的に設けられる。典型的な電圧の設定として、ビーム電圧電源３６１を約＋３０ｋＶ、コンデンサ電源３６２を約１５ｋＶ、そして引き出し電源３６３を約１５ｋＶとするのがよい。
【００３１】
図３に図示されたイオンカラムでは、二つの静電アインツェルレンズ（ｅｉｎｚｅｌ ｌｅｎｓｅｓ）３６６、３６７が示されており、これらは基板３６８の表面又はその近傍で、ＩＣＰソース源３０２における仮想光源の高倍率で縮小された像（約１／１２５倍）を形成するために使用され、基板３６８は試料台制御部３３７によって制御される試料台３６９上に配置されている。第１アインツェルレンズ３６６（以下、「第１レンズ」又は「Ｌ１」ともいう）は、ビーム受入アパーチャ３６４の直下に配置され、３つの電極を含む。第１電極及び第３電極は典型的には接地（０Ｖ）されるが、一方、中央電極３７０は第１レンズ（Ｌ１）電源（ＰＳ）３７１によって制御される。第１レンズ電源３７１は、ＦＩＢシステム制御部３５３によって制御される。
【００３２】
イオンカラムにおける第１アインツェルレンズ３６６と第２アインツェルレンズ３６７との間には、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２が取付けられ、これは一つ以上のビーム整形用アパーチャ（図３では三つのアパーチャが示されている）を含む。典型的には、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２は、異なる直径の開口で構成された複数の円形アパーチャを含むことができ、その円形アパーチャのいずれか一つを光軸上に配置して、基板表面でのビーム電流及びビーム広がり角を制御できるようにする。別の方法として、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２において二つ又はそれ以上のアパーチャを同じものを設けることもでき、それによって、アパーチャの保全周期の間隔を延ばすための冗長化を実現することができる。ビーム広がり角を制御することによって、基板表面又はその近傍におけるビーム電流及び集束イオンビームの径が、実行されるミリング加工又は像観察に要求される分解能に基づいて、選択可能である。個別のアパーチャ（つまり、基板上のビーム広がり角）は、ＦＩＢシステム制御部３５３で制御されるビーム整形用アパーチャ（ＢＤＡ：ｔｈｅ ｂｅａｍ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）アクチュエータ３７３によって、ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２の所望のアパーチャをカラムの光軸上に機械的に配置されることで決定される。
【００３３】
ビーム整形用アパーチャアセンブリ３７２の下方には、第２アインツェルレンズ３６７（以下、「第２レンズ」又は「Ｌ２」ともいう）が示されている。第１電極及び第３電極は典型的には接地（０Ｖ）され、他方、中央電極３７４の電圧は、第２レンズ（Ｌ２）電源（ＰＳ）３７５によって制御される。第２レンズ電源３７５は、ＦＩＢシステム制御部３５３によって制御される。カラム室／試料室隔離弁３７６は、ソース源３０２と試料室３７８との間のいずれかに配置される。隔離弁３７６は、試料の導入や取出しその他の要因により生じるガスの漏洩によって試料室３７８の真空状態に影響が及ぶ場合であっても、イオンカラム真空室３７７を高真空状態に保つことができる。カラム室／試料室ターボポンプ３７９は、ポンプ管３８０を介して試料室３７８を減圧するように構成される。また、ターボポンプ３７９は、ポンプ管３８１を介してイオンカラム室３７７を減圧する。
【００３４】
図３に示されたＦＩＢシステムの詳細については単に例示的な意図によるものであって、他の多くのＦＩＢシステムの構成でも、ミリング加工や像観察のために本発明の各種の実施形態を実施可能である。例えば、図３のイオンカラムでは二つの静電アインツェルレンズが示されているが、その代わりに、単一の静電アインツェルレンズ、あるいは二つより多い静電アインツェルレンズを使用してもよい。他の実施形態として、強力な集束を可能にする構成を得たい場合、磁気レンズを含むこともできるし、あるいは二つ以上の電気又は磁気四極子の組み合わせを含むこともできる。本発明のこの実施形態の趣旨によれば、イオンカラムが基板３６８の表面又はその近傍で、（ＩＣＰソース源３０２の）仮想光源の高倍率で縮小された像を形成することが好ましい。これら縮小可能な方法の詳細については当業者にとって周知である。
【００３５】
本発明及びその利点について詳細に説明したが、ここに記載された実施形態に対しては、添付された特許請求の範囲により定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換及び修正が可能であると理解されるべきである。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載された特定の実施形態におけるプロセス、機構、製品、構成物、手段、方法及びステップに限定されるものではない。当業者であれば、本発明、プロセス、機構、製品、構成物、手段、方法又はステップの開示によって、既存の技術、又は本明細書に記載された実施形態に対応し、実質的に同じ機能を果たしたり、実質的に同じ効果を奏したりする将来の技術についても、本発明に従って利用可能であると容易に理解することができる。したがって、添付された特許請求の範囲は、上記のようなプロセス、機構、製品、構成物、手段、方法及びステップをその範囲に含むものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】米国特許第７２４１３６１号明細書
【符号の説明】
【００３７】
１００ プラズマ源
１０２ プラズマ室
１０４ 内壁
１０６ 外壁
１１０ ベースプレート
１１２ プラズマ
１１４ 引き出し光学系
１１６ 開口
１１８ 開口
１２０ 外殻
１２２ 空間
１２４ ポンプ
１２６ 冷却流体
１２７ リザーバ／冷却装置１２７
１２８ 注入口
１３２ 排出口
１３３ 導管
１３４ ファラデーシールド
１３６ 高周波コイル
１３７ 内部流路
１３８ タブ
１５０ タンク
１５２ レギュレータ
１５４ 導管
１５６ 調整弁
１５８ 流量制限器（キャピラリ）
１６０ 絶縁シールド
１６２ 金属カラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ源を備えた荷電粒子ビームシステムあって
前記プラズマ源は、
誘電体材料で形成されて内側表面及び外側表面を含む壁を有するプラズマ室と、
前記プラズマ室の周りに少なくとも一巻きされたコイル状の導電体と、
前記プラズマ室の少なくとも一部を囲んで熱交換する液体であって、その液体の一部が前記プラズマ室と前記導電体との間に位置する液体と、
プラズマに電気的バイアスをかけるためのソース電極と、
前記ソース電極に電圧を供給するためのビーム電圧電源と、
前記プラズマ源から試料に向かう荷電粒子を集束させる一つ以上の集束レンズと、
前記プラズマ源からのビームによって処理される前記試料を保持するための試料台と、を含み、
前記荷電粒子のエネルギーが前記試料において１ｋｅＶから５０ｋｅＶの範囲であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
【請求項２】
前記プラズマ室に発生中のプラズマが接地電位とは異なる電位に維持されて、前記プラズマと接地との間の電圧降下の少なくとも一部が前記液体中で発生することを特徴する請求項１に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項３】
前記液体が水を含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項４】
前記液体がフッ素化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項５】
さらに、前記コイル状の導電体と前記プラズマ室との間に配置された導電体シールドを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項６】
前記液体の少なくとも一部が前記導電体シールドと前記誘電体材料との間を流れることを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項７】
前記導電体シールドが前記プラズマ室の前記外側表面に塗り付けられたフィルムを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項８】
前記導電体シールドが前記プラズマ室を覆って固定する金属シリンダを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項９】
前記導電体シールド又は前記プラズマ室の外壁は、前記導電体シールドと前記外壁との間に冷却剤のための流路を与えるへこみを有することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１０】
前記導電体シールドは、冷却剤が前記金属シールドを通過して流れる流路を与える孔を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１１】
さらに、前記金属シールドに電気的に接続される金属ベースプレートを備えることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１２】
前記液体が５より大きい誘電率を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１３】
前記液体が２０より大きい誘電率を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１４】
前記導電体が冷却液体を通過させるための内部流路を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１５】
さらに、大気圧以上の圧力と接地電位に近い電位とをもつガスを供給するためのガス供給源と、
前記ガスがプラズマに導入される前にそのガス圧力を低減するための流量制限器であって、前記ガスを前記プラズマの電位に近づける場合にアーク放電を低減できるように接地電位より高い電位に維持される流量制限器と、を備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１６】
前記流量制限器が前記プラズマと同じ電位に維持されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１７】
前記流量制限器１５８が前記プラズマの電位の１／２より高い電位に維持されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１８】
荷電粒子ビームシステムにおいて、前記流量制限器がキャピラリを含むことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１９】
前記流量制限器が可変リーク弁を含むことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に荷電粒子ビームシステム。
【請求項２０】
少なくとも１つの導電体コイルが巻かれたプラズマ室を含む誘導結合型プラズマ源によるプラズマ生成方法であって、
前記プラズマ室内にプラズマを保つために、前記少なくも一つの導電体コイルから高周波エネルギーを前記プラズマ室に供給し、
接地電位とは異なる電位に前記プラズマを維持し、
前記高周波の供給源と前記プラズマとの間の容量結合を低減するためのシールドを設け、
前記プラズマ室の壁を冷却するための冷却流体を供給し、前記冷却流体の少なくとも一部は、前記プラズマ室と接地との間の電圧降下のうちの少なくとも一部が前記冷却流体中で発生するように、前記シールドと前記プラズマ室との間に供給され、
前記プラズマ室から荷電粒子を引き出し、
前記荷電粒子をビームに集束させ、そのビームを試料又はその近傍に指向させ、前記荷電粒子が前記試料で１ｋｅＶから５０ｋｅＶの範囲のエネルギーを有するものであることを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２１】
前記プラズマ室の壁を冷却する冷却流体の供給工程は、約２０より大きい誘電率を有する冷却剤を供給することが含まれることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記プラズマ室の壁を冷却する冷却流体の供給工程は、前記シールドと前記プラズマ室との間に冷却剤を流すことが含まれることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも一つの導電コイルが巻かれたプラズマ室を含む誘導結合型プラズマ源によるプラズマ生成方法であって、
前記プラズマ室内にプラズマを保つために、前記少なくとも一つの導電コイルから高周波エネルギーを前記プラズマ室に供給し、
ガス供給圧力で、実質的に接地電位のプラズマガスを供給し、
前記プラズマ室に導入されるガスにおいてアーク放電を低減させるため実質的に接地電位より大きい電位を有する流量制限器によって、前記ガス供給圧力からプラズマ室への導入圧力にガス圧を低減させ、
前記プラズマ室から荷電粒子を引き出し、
前記荷電粒子をビームに集束させて、そのビームを試料上又はその近傍に指向させることを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２４】
前記流量制限器が前記プラズマと同じ電位に維持されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記流量制限器が前記プラズマの電位の１／２より高い電位に維持されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項１】
プラズマ源を備えた荷電粒子ビームシステムあって
前記プラズマ源は、
誘電体材料で形成されて内側表面及び外側表面を含む壁を有するプラズマ室と、
前記プラズマ室の周りに少なくとも一巻きされたコイル状の導電体と、
前記プラズマ室の少なくとも一部を囲んで熱交換する液体であって、その液体の一部が前記プラズマ室と前記導電体との間に位置する液体と、
プラズマに電気的バイアスをかけるためのソース電極と、
前記ソース電極に電圧を供給するためのビーム電圧電源と、
前記プラズマ源から試料に向かう荷電粒子を集束させる一つ以上の集束レンズと、
前記プラズマ源からのビームによって処理される前記試料を保持するための試料台と、を含み、
前記荷電粒子のエネルギーが前記試料において１ｋｅＶから５０ｋｅＶの範囲であることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
【請求項２】
前記プラズマ室に発生中のプラズマが接地電位とは異なる電位に維持されて、前記プラズマと接地との間の電圧降下の少なくとも一部が前記液体中で発生することを特徴する請求項１に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項３】
前記液体が水を含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項４】
前記液体がフッ素化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項５】
さらに、前記コイル状の導電体と前記プラズマ室との間に配置された導電体シールドを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項６】
前記液体の少なくとも一部が前記導電体シールドと前記誘電体材料との間を流れることを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項７】
前記導電体シールドが前記プラズマ室の前記外側表面に塗り付けられたフィルムを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項８】
前記導電体シールドが前記プラズマ室を覆って固定する金属シリンダを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項９】
前記導電体シールド又は前記プラズマ室の外壁は、前記導電体シールドと前記外壁との間に冷却剤のための流路を与えるへこみを有することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１０】
前記導電体シールドは、冷却剤が前記金属シールドを通過して流れる流路を与える孔を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１１】
さらに、前記金属シールドに電気的に接続される金属ベースプレートを備えることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１２】
前記液体が５より大きい誘電率を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１３】
前記液体が２０より大きい誘電率を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１４】
前記導電体が冷却液体を通過させるための内部流路を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１５】
さらに、大気圧以上の圧力と接地電位に近い電位とをもつガスを供給するためのガス供給源と、
前記ガスがプラズマに導入される前にそのガス圧力を低減するための流量制限器であって、前記ガスを前記プラズマの電位に近づける場合にアーク放電を低減できるように接地電位より高い電位に維持される流量制限器と、を備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１６】
前記流量制限器が前記プラズマと同じ電位に維持されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１７】
前記流量制限器１５８が前記プラズマの電位の１／２より高い電位に維持されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１８】
荷電粒子ビームシステムにおいて、前記流量制限器がキャピラリを含むことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステム。
【請求項１９】
前記流量制限器が可変リーク弁を含むことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に荷電粒子ビームシステム。
【請求項２０】
少なくとも１つの導電体コイルが巻かれたプラズマ室を含む誘導結合型プラズマ源によるプラズマ生成方法であって、
前記プラズマ室内にプラズマを保つために、前記少なくも一つの導電体コイルから高周波エネルギーを前記プラズマ室に供給し、
接地電位とは異なる電位に前記プラズマを維持し、
前記高周波の供給源と前記プラズマとの間の容量結合を低減するためのシールドを設け、
前記プラズマ室の壁を冷却するための冷却流体を供給し、前記冷却流体の少なくとも一部は、前記プラズマ室と接地との間の電圧降下のうちの少なくとも一部が前記冷却流体中で発生するように、前記シールドと前記プラズマ室との間に供給され、
前記プラズマ室から荷電粒子を引き出し、
前記荷電粒子をビームに集束させ、そのビームを試料又はその近傍に指向させ、前記荷電粒子が前記試料で１ｋｅＶから５０ｋｅＶの範囲のエネルギーを有するものであることを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２１】
前記プラズマ室の壁を冷却する冷却流体の供給工程は、約２０より大きい誘電率を有する冷却剤を供給することが含まれることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記プラズマ室の壁を冷却する冷却流体の供給工程は、前記シールドと前記プラズマ室との間に冷却剤を流すことが含まれることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも一つの導電コイルが巻かれたプラズマ室を含む誘導結合型プラズマ源によるプラズマ生成方法であって、
前記プラズマ室内にプラズマを保つために、前記少なくとも一つの導電コイルから高周波エネルギーを前記プラズマ室に供給し、
ガス供給圧力で、実質的に接地電位のプラズマガスを供給し、
前記プラズマ室に導入されるガスにおいてアーク放電を低減させるため実質的に接地電位より大きい電位を有する流量制限器によって、前記ガス供給圧力からプラズマ室への導入圧力にガス圧を低減させ、
前記プラズマ室から荷電粒子を引き出し、
前記荷電粒子をビームに集束させて、そのビームを試料上又はその近傍に指向させることを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２４】
前記流量制限器が前記プラズマと同じ電位に維持されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記流量制限器が前記プラズマの電位の１／２より高い電位に維持されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１４２０８１（Ｐ２０１１−１４２０８１Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−２９１７５８（Ｐ２０１０−２９１７５８）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５０１２３３５３６）エフ イー アイ カンパニ (87)
【氏名又は名称原語表記】ＦＥＩ ＣＯＭＰＡＮＹ
【住所又は居所原語表記】７４５１ ＮＷ Ｅｖｅｒｇｒｅｅｎ Ｐａｒｋｗａｙ， Ｈｉｌｌｓｂｏｒｏ， ＯＲ ９７１２４−５８３０ ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１７５８（Ｐ２０１０−２９１７５８）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（５０１２３３５３６）エフ イー アイ カンパニ (87)
【氏名又は名称原語表記】ＦＥＩ ＣＯＭＰＡＮＹ
【住所又は居所原語表記】７４５１ ＮＷ Ｅｖｅｒｇｒｅｅｎ Ｐａｒｋｗａｙ， Ｈｉｌｌｓｂｏｒｏ， ＯＲ ９７１２４−５８３０ ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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