誘導結合プラズマ・イオン源用のプラズマ点火装置
【課題】誘導結合プラズマイオン源が高ｄｃ電圧にバイアスされた集束イオンビームシステムにおいて、イオン源内のプラズマに点火する方法を提供する。
【解決手段】バイアス電源９３０からの高ｄｃ電圧は、集束イオンビームカラムの近くでプラズマ点火装置９５０からの振動波形が結合（重畳）されて、プラズマ室９５４の一部を構成する源バイアス電極９０６に印加される。プラズマ点火装置９５０は論理回路９２４によって制御されるプラズマ点火装置電源９２５によって駆動される。電位の低いプラズマ点火装置９５０からの振動波形は、絶縁変圧器またはキャパシタ等を通して高ｄｃ電圧に結合（重畳）される。集束イオンビームカラムの近くにプラズマ点火装置９５０を取り付けることによって、高ｄｃ電圧を供給するケーブルの静電容量の影響が最小化される。
【解決手段】バイアス電源９３０からの高ｄｃ電圧は、集束イオンビームカラムの近くでプラズマ点火装置９５０からの振動波形が結合（重畳）されて、プラズマ室９５４の一部を構成する源バイアス電極９０６に印加される。プラズマ点火装置９５０は論理回路９２４によって制御されるプラズマ点火装置電源９２５によって駆動される。電位の低いプラズマ点火装置９５０からの振動波形は、絶縁変圧器またはキャパシタ等を通して高ｄｃ電圧に結合（重畳）される。集束イオンビームカラムの近くにプラズマ点火装置９５０を取り付けることによって、高ｄｃ電圧を供給するケーブルの静電容量の影響が最小化される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン・ビーム・カラム内で使用される誘導結合プラズマ源用のプラズマ点火装置（ｐｌａｓｍａ ｉｇｎｉｔｅｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子、すなわちイオンまたは電子の集束ビームを形成するために集束カラムとともに使用するとき、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）源は他のタイプのプラズマ源よりも有利である。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，２４１，３６１号に記載されている誘導結合プラズマ源などの誘導結合プラズマ源は、狭いエネルギー範囲内の荷電粒子を供給する能力を有し、狭いエネルギー範囲は、荷電粒子を小さなスポットに集束させることを可能にする。ＩＣＰ源は、一般にセラミック・プラズマ室の周りに巻きつけられた無線周波（ＲＦ）アンテナを含む。このＲＦアンテナは、セラミック・プラズマ室内のプラズマを維持するためのエネルギーを供給する。
【０００３】
イオン・ビーム・プロセスに対して使用されるイオンのエネルギーは一般に５ｋｅＶから５０ｋｅＶ、最も一般的には約３０ｋｅＶである。電子のエネルギーは、走査型電子顕微鏡システムに対しては約１ｋｅＶから５ｋｅＶ、透過型電子顕微鏡システムに対しては数十万電子ボルトである。荷電粒子システム内の試料は一般に接地電位に維持され、上記の源は、ビームを形成するのに使用する粒子に応じて正または負の大きな電位に維持される。操作員の安全のため、高電圧の構成要素を電気的に隔離する必要がある。
【０００４】
通常、ＩＣＰ源のコイルを駆動するために使用される通常のレベルのＲＦ電力を供給しても、ＩＣＰ源内でプラズマに点火することはできない。これは、誘導される電場が通常は、源室内で初期イオン化が起こっていない状況で、ガス原子またはガス分子を分解して十分な初期自由電荷を生み出すほどには高くないためである。この初期イオン化を引き起こすためには一般に高電圧パルスが必要である。先行技術では、プラズマ室と直接に電気接触した電極にテスラ・コイル（Ｔｅｓｌａ ｃｏｉｌ）を接触させることによって、ＩＣＰイオン源内でプラズマに点火するための高電圧パルスを開始させている。テスラ・コイルによって誘導されたこの高電圧パルスは次いでプラズマを開始させ、このプラズマは続いて、ＩＣＰ電源からのＲＦ電力によって維持される。このプラズマ点火法では必然的に、システム上のある外部電極とそこでプラズマに点火する真空システムの内部との間に直接の電気接触が存在することが必要となる。しかしながら、荷電粒子ビーム・システム内の上記の源として使用するためにプラズマが高電圧にバイアスされているときには、この外部接続の電位が高電圧のプラズマ電位まで増大するため、このような直接の電気接触は、安全上の重大な懸念を生じさせることになる。したがって、イオン・ビーム・システム内の源として使用するために高電圧にバイアスされたＩＣＰイオン源内のプラズマに、このように外部から直接に電気接触することは一般に不可能である。したがって、高電圧プラズマのこの電気的隔離は、荷電粒子ビームを発生させるために使用されるＩＣＰ源内でプラズマに点火するための課題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，２４１，３６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、イオン源が高ｄｃ電圧にバイアスされたイオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、誘導結合プラズマ源と一緒に使用するのに特に適している。この点火装置は、プラズマ源内の源バイアス電極を通して点火エネルギーを供給することが好ましく、点火装置とカラムの間のケーブル静電容量の影響を最小化するため、プラズマ源の近くに位置することが好ましい。好ましい一実施形態では、プラズマ点火装置の出力が、プラズマに点火されたときにプラズマと接触する電極を通してプラズマ室内に効率的に結合される繰返し振動電圧パルスである。ある実施形態では、プラズマ点火装置が、高電圧安全エンクロージャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）の中に収容され、ＩＣＰプラズマ源によって放出されたイオンのエネルギーを制御する同じ電源によってバイアスされる。
【０００８】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示された着想および特定の実施形態を、本発明と同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は認識すべきである。
【０００９】
次に、本発明および本発明の利点のより徹底的な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】荷電粒子ビーム・システムの外部の２つの代替位置のテスラ・コイルを使用してプラズマに点火する先行技術の方法を示す図である。
【図２Ａ】源室および源バイアス電極の実効静電容量を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した実効静電容量の回路図である。
【図３】先行技術のプラズマ点火回路の簡略接続図である。
【図４】本発明と同様に荷電粒子カラムの近くに位置するプラズマ点火装置の簡略接続図である。
【図５】本発明のインライン・プラズマ点火装置を使用した荷電粒子ビーム・システムを示す図である。
【図６】ＩＣＰ源内でプラズマに点火するために本発明が使用するパルス電圧波形を示す図である。
【図７】本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第１の電気回路を示す図である。
【図８】本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第２の電気回路を示す図である。
【図９】本発明のプラズマ点火装置を含む集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この初期イオン化を生じさせるためには一般に、高電圧パルスが必要である。プラズマを発生させるためには、このパルスを源室内へ容量結合し、そこでガスを励起させなければならない。そのためには、真空システムの外部からの電圧パルスを源室内へ直接に接続するなんらかの手段が必要である。先行技術では、イオン・ビーム源の役目を果たすようにプラズマがキロボルトｄｃ電圧にバイアスされるシステムにおいて、このようなプラズマへの外部から接触を安全に提供することは困難であるか、または不可能である。
【００１２】
本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム・システムの誘導結合プラズマ源用の点火装置を提供する。点火装置とカラムの間のケーブル静電容量の影響を最小化するため、このプラズマ点火装置は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源の近くに位置することが好ましい。プラズマ点火装置の出力は、プラズマに点火されたときにプラズマと接触する電極を通してプラズマ室内に効率的に結合される高電圧パルスである。プラズマ・センサがプラズマ点火装置を制御し、プラズマが開始されたときを決定し、プラズマ点火装置の動作を停止させる。プラズマ点火装置は高電圧安全エンクロージャの中に収容され、ＩＣＰプラズマ源によって放出されたイオンのエネルギーを制御する同じバイアス電源によってバイアスされる。
【００１３】
図１は、荷電粒子ビーム・システムの外部の２つの代替位置にテスラ・コイルを接触させることを含む、プラズマに点火する先行技術の方法を示す。源室１０２は、セラミック、石英、Ｍａｃｏｒ（商標）マシナブル・セラミック（ｍａｃｎｉａｂｌｅ ｃｅｒａｍｉｃ）などの絶縁材料から製造された絶縁真空エンクロージャとすることができる。源室１０２内にプラズマを最適に閉じ込めるための要件には、誘電損率が低いこと、抵抗率が高いこと、真空適合性（ｖａｃｕｕｍ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）があること、熱伝導率が高いこと、プラズマの発生に使用されるさまざまなフィード・ガスと反応しないことなどがある。源室１０２の周囲には、電気ケーブル１１６および１１８を通してマッチ・ボックス（ｍａｔｃｈ ｂｏｘ）１２０に接続されたＲＦコイル１０４がある。２本の電気ケーブル１２２および１２４によって、ＲＦ源１２６からの電力がマッチ・ボックス１２０内へ結合される。たとえ少量であっても源室１０２内でイオン化が引き起こされると、イオン化カスケード（ｃａｓｃａｄｅ）は進行することができ、源室１０２内に多数の自由電子および自由イオンを急速に発生させる。
【００１４】
図１には、先行技術の荷電粒子ＩＣＰ源１００が示されている。ガス供給管路１２８は、調整弁１３０を通して供給管路１３２に接続し、供給管路１３２は、イオン化するガスを毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）１３４内へ導く。この毛細管は、フィード・ガス圧を源室１０２内のレベルまで低減させ、次いでフィード・ガスを源室１０２内へ導く。供給管路１２８、調整弁１３０および供給管路１３２が、真空エンクロージャの外部から源室１０２の内部への導電性の連続経路を形成する場合には、源室１０２内でプラズマに点火するために、テスラ・コイル１４０を瞬間的に管路１２８に接続することができる（矢印１４６）。テスラ・コイルの中心の高電圧ワイヤ１４２は、安全のため外部シールド１４４によって取り囲まれている。プラズマに点火した後、テスラ・コイル１４０は除去され、供給管路１２８と接触した状態から脱することになる。
源バイアス電極
ＩＣＰ源１００内で発生させたプラズマを、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム内のイオン源として利用するためには、イオンがプラズマを出て、ＦＩＢカラムに入るときに、それらのイオンに加速電圧を印加することが可能である必要がある。図１に示した先行技術においても、本発明においても、源バイアス電極１１０を使用して、イオンに加速電圧を印加することができる。図１では、ＩＣＰ源の底部に源バイアス電極１１０が示されている。源バイアス電極が適正に動作するための主たる要件は、プラズマ室内のプラズマと源バイアス電極の１つの表面とが直接に接触することである。言い換えると、プラズマから抽出されたイオンに電圧を印加することを可能にするためには、源バイアス電極が、プラズマを取り囲むエンクロージャの一部を形成していなければならない。本明細書に示した例では、源バイアス電極が、プラズマ・エンクロージャの下部を形成しているが、機能的に等価な他の源バイアス電極位置も本発明の範囲に含まれる。源バイアス電極１１０は、内部ケーブル１１２を通して、バイアス電源（図示せず）へ通じる外部ケーブル１１４に接続される。源バイアス電極１１０の下には、イオン抽出光学系の一部として抽出電極１０８が配置されている。このバイアス源は、ＩＣＰ源から放出される荷電粒子のエネルギーを接地電位に対して制御する。試料の電位が接地電位である場合、このバイアス電源は、試料位置における最終的なビーム・エネルギーを決定する。
源の電気特性の計算
図２Ａは、誘導結合プラズマ源２００内の源室２０２および源バイアス電極２０８の実効静電容量を示す。源室２０２の外面は、ケーブル２１６によって接地された分割ファラデー・シールド（ｓｐｌｉｔ Ｆａｒａｄａｙ ｓｈｉｅｌｄ）２１４によって取り囲まれており、ファラデー・シールド２１４は、ＲＦコイル１０４（図１参照）上の電圧がプラズマに容量結合することを防止する。ファラデー・シールド２１４がこの結合を防止しない場合には、この結合によって、プラズマ電位に対する望ましくない電圧変動が生じ、この電圧変動によって荷電粒子カラムにおいて色収差が生じ、この色収差によって試料に当たるビームが不鮮明になることになる。ファラデー・シールド２１４と源室２０２の内壁との間には静電容量２１８がある。源室２０２の内壁と源バイアス電極２０８との間には静電容量２２０があり、源バイアス電極２０８は、ケーブル２１０によってビーム加速電源（図示せず）に接続されている。ケーブル２１０と接地の間には静電容量２２８がある。イオン化するフィード・ガスは、オリフィス２０４を通して源室２０２内へ供給される。源室２０２内のプラズマから抽出されたイオン・ビームは、オリフィス２１２を通って外へ出る。プラズマが発生しない源室の下には静電容量２２２がある。ＲＦ電力によって静電容量２２２を流れる電流は、プラズマの発生に対して効力を持たず、したがって、ＩＣＰ源の設計によって静電容量２２２を最小化することが望ましい。源室２０２内でプラズマに点火された後、静電容量２２０はプラズマによって実質的に短絡される。
【００１５】
図２Ｂは、図２Ａの静電容量を結合して実効源静電容量２５０を形成する方法を示す回路図である。静電容量２２０と２１８は、ケーブル２１０と接地２１６との間に直列に配置されている。静電容量２２２および２２８は、静電容量２１８と２２０の直列結合に対して並列に位置している。したがって、実効源静電容量２５０は以下のとおりであり、
Ｃ250＝Ｃ218Ｃ220／（Ｃ218＋Ｃ220）＋Ｃ222＋Ｃ228
上式で、静電容量２１８、２２２および２２８はプラズマ領域の外側にあるため、プラズマの点火に対して効力を有するのは静電容量２２０だけである。静電容量２１８と２２０には同じ電流２４０が流れる。実効源静電容量２５０を流れる全電流Ｉ250は以下のとおりである。
【００１６】
Ｉ250＝Ｉ240＋Ｉ242＋Ｉ248
プラズマをトリガするのに有効なのは電流Ｉ240だけなので、プラズマ点火装置の効率は、全電流Ｉ250のうち静電容量Ｃ220を流れる電流の割合ＦCurrentによって決まる。
【００１７】
ＦCurrent＝Ｉ240／Ｉ250＝Ｉ240／（Ｉ240＋Ｉ242＋Ｉ248）
実効源静電容量の両端間の全電圧Ｖ250は以下のとおりである。
【００１８】
Ｖ250＝Ｖ218＋Ｖ220＝Ｖ222＝Ｖ228
上式で、電圧Ｖ218はキャパシタＣ218の両端間の電圧、電圧Ｖ220はキャパシタＣ220の両端間の電圧、電圧Ｖ222はキャパシタＣ222の両端間の電圧、電圧Ｖ228はキャパシタＣ228の両端間の電圧である。静電容量２１８および２２０は容量性分圧器の働きをする。
【００１９】
Ｖ218＝Ｖ250（１／Ｃ218）／（１／Ｃ218＋１／Ｃ220）
次の考慮事項は、静電容量２２０を有する源領域内でプラズマに点火する際に有効なプラズマ点火装置からの電力ＰIgnitionである。
【００２０】
ＰIgnition＝Ｖ220Ｉ240
プラズマ点火効率を最大にするためには、プラズマ点火装置からの全電力ＰTotalの一部として、この電力ＰIgnitionを最大にすることが望ましいことが明らかである。
【００２１】
ＰTotal＝Ｖ250Ｉ250
したがって、プラズマに点火する静電容量２２０に現れる点火装置からのプラズマ点火装置電力効率比ＦPowerは以下のとおりである。
【００２２】
ＦPower＝ＰIgnition／ＰTotal＝Ｖ220Ｉ240／Ｖ250Ｉ250
プラズマ点火装置電力効率比ＦPowerを最大にするためには、キャパシタ２２０の両端間の電圧Ｖ220とキャパシタ２２０を流れる電流Ｉ240の両方を最大にすることが望ましいことが明らかである。キャパシタ２２０の両端間の電圧を最大にするためには、キャパシタ２２０に直列に結合したキャパシタ２１８の両端間の電圧Ｖ218を最小にすることが望ましい。キャパシタ２１８のインピーダンスは（１／Ｃ218）に比例するため、電圧Ｖ218を最小にするためには、静電容量２１８の値を最大にする必要がある。これは、プラズマ室２０２の絶縁壁をできるだけ薄くし、さらにプラズマ室壁の誘電率を最大にすることによって達成することができる。
【００２３】
キャパシタ２２０を流れる電流を最大にするためには、キャパシタ２２２および２２８を流れる電流Ｉ222およびＩ228を最小にする必要がある。これは、キャパシタ２２２および２２８のインピーダンスを最大にすることによって達成することができる。キャパシタ２２２および２２８のインピーダンスはそれぞれ１／Ｃ222および１／Ｃ222に比例するため、静電容量２２２および２２８の値を最小にする必要がある。静電容量２２２に関しては、プラズマ領域の下の源の下部（図２Ａ参照）を適正に設計することによって、静電容量の最小化を達成することができる。面積を小さくすることおよび間隔を広くすることはともにＣ222を低減させる働きをする。静電容量２２８に関しては、安全上考慮すべき事項に留意しながら、可能な限りシールド・ケーブルの代わりに裸線を使用し、裸線と近隣の接地された表面との間の距離をできるだけ大きくすることによって、静電容量の最小化を達成することができる。実効源静電容量Ｃ250の導出のこの解析はしたがって、プラズマ点火装置の電力効率ＦPowerを最大にする設計戦略につながる。
【００２４】
図３は、先行技術のプラズマ点火回路の簡略接続図３００である。プラズマ点火装置３０６は、ＩＣＰ源を使用した荷電粒子ビーム・システムから離れて位置するように示されている。静電容量３０２は、源の内部静電容量に対応する。
【００２５】
Ｃ302＝Ｃ222＋Ｃ218Ｃ220／（Ｃ218＋Ｃ220）
上式で、静電容量２１８、２２０および２２２は図２の静電容量である。この式は、静電容量２２２が、静電容量２１８と２２０の直列結合と並列であることを示している。したがって、図２の源室２０２内でプラズマに点火するのに有効な静電容量２１８および２２０内の電流から、静電容量２２２内の電流が引き抜かれることが分かる。静電容量３０４は、プラズマ点火装置３０６と図２の源室２０２との間のケーブル静電容量である。源へ流れる静電容量３０２内の電流から、静電容量３０４内の電流が引き抜かれる。
【００２６】
Ｉ302＝（ｄＶ１／ｄｔ）Ｃ302／（Ｃ302＋Ｃ304）
上式で、Ｖ１は、プラズマ点火装置の出力を源室内へ結合するのに使用される変圧器の２次巻線上の電圧を表す。この変圧器結合を例示する代表的な回路については図７および８を参照されたい。この先行技術の回路は接地３０８を基準としている。
【００２７】
したがって、図３は、プラズマ源からある距離のところに位置する点火装置を使用した先行技術のプラズマ点火法の問題を示す。すなわち、意図されたプラズマ点火電流のうちの潜在的に大きな量の電流が、ケーブル静電容量３０４およびプラズマ領域の外側にある源内の浮遊静電容量（図２の静電容量２２２など）によって吸い上げられる可能性がある。これらの損失を補償するためには、プラズマ点火電圧を増大させられなければならず、このことは、潜在的に、より高いコストおよびプラズマ点火能力の低下につながる。源静電容量３０２が２５ｐｆ、ケーブル静電容量が５００ｐｆとすると、プラズマ点火装置から１０ｋＶ、１２５ｋＨｚの出力が必要であり、これはケーブル静電容量３０４を横切る４Ａを表す。したがって静電容量３０２と３０４は、プラズマ点火装置の出力を横切って並列に現れ、相対的に大きなケーブル静電容量３０４は、相対的に小さい源静電容量３０２よりも多く電流を比例して引っ張る。静電容量３０２（２５ｐｆ）と全静電容量（５２５ｐｆ）の比は（２５ｐｆ）／（５２５ｐｆ）であるため、プラズマ点火装置３０６の出力電流のうち約５％だけがプラズマ点火において有効である。
【００２８】
図４は、本発明と同様に荷電粒子カラムの近くに位置するプラズマ点火装置４０８の簡略接続図４００である。この場合も、静電容量４０２は、源の内部静電容量に対応する。
【００２９】
Ｃ402＝Ｃ222＋Ｃ218Ｃ220／（Ｃ218＋Ｃ220）
上式で、静電容量２１８、２２０および２２２はやはり図２の静電容量であり、静電容量２２２は、静電容量２１８と２２０の直列結合と並列である。したがって、図２の源室２０２内でプラズマに点火するのに有効な静電容量２１８および２２０内の電流から、静電容量２２２内の電流が引き抜かれることが分かる。本発明では、プラズマ点火装置４０８が、ＩＣＰ源を使用した荷電粒子ビーム・システムの真空エンクロージャのところに位置し、または真空エンクロージャの非常に近くに位置する。したがって、プラズマ・バイアス源に接続するケーブルの静電容量４０４は、図３の先行技術の場合のように並列ではなく、源静電容量４０２に直列に現れ、したがって、プラズマ点火装置４０８の出力Ｖ１によって引き起こされる大部分の電圧降下は、ケーブル静電容量４０４ではなしに、源静電容量４０２を横切って現れる。
【００３０】
インピーダンス４１０は、バイアス電圧源の内部抵抗（「ダンピング抵抗器（ｄｕｍｐｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）」）に対応する。静電容量４０６は、漏れ抵抗４１２を有するバイアス電圧源の出力静電容量である。静電容量４０４は、プラズマ点火装置３０６と図２の源室２０２の間のケーブル静電容量である。Ｖ１は、プラズマ点火装置の出力を源室内へ結合するのに使用される変圧器の２次巻線上の電圧を表す。この変圧器結合を例示する代表的な回路については図７および８を参照されたい。この回路は接地４２０を基準としている。
【００３１】
図３の場合と同様に、静電容量４０２が２５ｐｆ、静電容量４０４が５００ｐｆとすると、変圧器の２次巻線の出力電圧Ｖ１は、これらの静電容量の反比（ｉｎｖｅｒｓｅ ｒａｔｉｏ）に分割され、したがってＶ１の９５％超が静電容量４０２を横切って現れる。
【００３２】
Ｖ402＝Ｖ１Ｃ402／（Ｃ402＋Ｃ404）
図５は、本発明のインライン・プラズマ点火装置を使用した荷電粒子ビーム・システム５００を示す図である。真空エンクロージャ５０２は荷電粒子カラム（図示せず）を含む。エンクロージャの頂部にはプラズマ・センサ５５２がある。プラズマの存在を検出する複数の方法が可能であり、これには例えば、１）プラズマからの光、２）イオン化によるインピーダンスの低下、３）ＲＦマッチ・ボックス内の最適同調パラメータ（ｏｐｔｉｍａｌ ｔｕｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の変化、および４）源室の温度が含まれる。プラズマに点火されたとき、ケーブル５２２上のｄｃバイアス電圧は、接地５０６にリファレンスされたバイアス電源５０４の出力に等しい。バイアス電源５０４の出力５０８は、シールド・ケーブル５１０を介して、安全ハウジング５１６内に封入されたプラズマ点火装置５１４の入力５１２に接続される。したがって、システム・オペレータに対する安全上の懸念なしに、プラズマ点火装置５１４を、バイアス電源５０４の高電圧出力にバイアスすることができる。プラズマ点火装置５１４の出力５１８は、源バイアス電極（図示せず。図１の電極１１０参照）に接続する内部ケーブル５２２に、シールド・ケーブル５２０を介して接続される。プラズマ点火装置５１４は、ケーブル５２２に恒久的に物理的に接続されることが好ましい。すなわち、テスラ・コイルのように瞬間的に接触させ、除去しないことが好ましい。プラズマ点火装置５１４は、源バイアス電極に恒久的に物理的に接続されるが、スイッチまたはソフトウェアなどによって電気的に分離することができる。この物理接続は、通常の使用の間は「恒久的」だが、保守のために切り離すことができる。プラズマに点火された後、電源５０４からの高電圧は、プラズマ点火装置５１４を通して源バイアス電極に接続する。任意選択で、プラズマ点火中に、電源５０４からの高電圧出力を、プラズマ点火装置５１４からのパルス高電圧に追加し、結合された電圧を、内部ケーブル５２２を介して源バイアス電極（図示せず）に印加することができる。
【００３３】
電源５４０によって、抽出電極（図示せず）が、遮蔽された外部ケーブル５４４を介して内部ケーブル５４２に接続され、バイアスされる。電源５３０によって、コンデンサ電極（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）（図示せず）が、シールド・ケーブル５３４を介して内部ケーブル５３２にバイアスされる。電源５３０と５４０はともに、電源５０４の高電圧出力を基準としている。
【００３４】
プラズマ・センサからの出力は、信号線５５４を通して論理回路２５６へ伝えられる。プラズマ検出器５５２からの信号に基づいて、論理回路２５６は、制御線５５８を通してプラズマ点火装置５１４を制御する。一般に、この論理回路は、プラズマが開始されるまで、またはプラズマの開始を不可能にする欠陥があるとこの論理回路が結論するまで、プラズマ点火装置５１４を作動させる。
【００３５】
点火装置５１４は、図７および８に示したモジュールなどのモジュールの部分であることが好ましい。モジュール内の結合網（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ）（図８）または高電圧変圧器（図７）は選択的に、点火電圧を印加し、またはバイアス電源からのバイアス電圧を印加し、あるいはこれらの両電圧を同時に印加する。点火装置から電極までのケーブル５２０の長さは、好ましくは１００ｃｍ未満、より好ましくは３０ｃｍ未満、最も好ましくは１５ｃｍ未満である。図２Ｂで論じたとおり、ケーブル５２０が短いほどその静電容量は小さく、プラズマに点火するのに十分な電力をこのケーブルを通して送達するのに必要な電力がより少なくてすむ。やはり図２Ｂで論じたとおり、静電容量をさらに低減させるため、ケーブル５２０をシールド・ケーブルではなく裸線とした方が好ましいことがある。ケーブル５１０の長さは、好ましくは１０００ｃｍ未満、より好ましくは５００ｃｍ未満、最も好ましくは３００ｃｍ未満である。
プラズマ点火装置のパルス電圧波形
図６は、ＩＣＰ源内でプラズマに点火するために本発明が使用するパルス電圧波形６００を示す。高電圧振動波形６０４は一般に、５００から２μｓ（２から５００ｋＨｚ）の範囲の周期６１２を有し、好ましい周期は１０から３．３３μｓ（１００から３００ｋＨｚ）である。この振動波形は、概ね１００Ｈｚの繰返しレート（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）６０８を有する。小さい全電力で最大のプラズマ点火電圧を達成するため、７０から１００μｓの範囲の全体振動周期６０６を有する減衰する振動波形６１０が使用される。中断６２０によって示されているように、振動周期６０６は、繰返し周期６０８に対して誇張されて示されている。振動と振動の間のプラズマ点火装置の出力は０Ｖである６０２。この振動波形の典型的な初期ピーク−ピーク電圧は一般に少なくとも１ｋＶであり、最大で２０ｋＶである。図６に示した減衰振動パルスの利点は、初期電圧が最大化され、同時に、振動の後のサイクルでの電圧の低下によってパルスあたりの全電力が最小化される点である。
本発明の第１の実施形態
図７は、本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第１の電気回路である。誘導結合イオン源７０２は、図４の静電容量４０２に対応する静電容量７０４を有する。イオン源７０２を含み、真空貫通接続（ｖａｃｕｕｍ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）７６２を有する真空エンクロージャ７６８の外部のイオン源７０２に、またはその近くに、高電圧絶縁変圧器７０６が取り付けられている。変圧器７０６は、接地を基準としている１次巻線７１０および分離された高電圧２次巻線７０８を備える。１次巻線７１０は、第１の接続点７８６および第２の接続点７８８を有する。２次巻線７０８は、第１の接続点７８２および第２の接続点７８４を有する。接続点７８２は、真空エンクロージャ７６８の真空貫通接続７６２を通してイオン源７０２に接続する。ビーム・エネルギーは、内部抵抗７２０および出力静電容量７１８を有するｄｃバイアス源７２２によって設定される。ｄｃバイアス源７２２と絶縁変圧器７０６の間のケーブル７２６は、静電容量７１６と、電気接続７１４を通して接地７２４を基準としているシールド７１２とを有する。ケーブル７２６は、２次巻線７０８の接続点７８４に接続される。接続点７８２は、２次巻線７０８の出力をイオン源７０２に接続する。バイアス源７２２はｄｃ出力を有するため、ｄｃバイアス源７２２によって生成されたｄｃバイアス電圧は、接続点７８４と７８２の間の小さな抵抗性の電圧降下だけで、２次巻線７０８を通過する。
【００３６】
２ポート発振器７３６は、ワイヤ７４０および７３８を通して接続された電源７４４を有し、接地７４２を基準としている。発振器７３６の出力は、それぞれ接続点７８８および７８６で１次巻線７１０に接続するワイヤ７３２および７３４を通して高電圧絶縁変圧器７０６の１次巻線７１０に接続される。次いで、図６に示したＲＦ高電圧波形などのＲＦ高電圧波形が、１次巻線７１０から２次巻線７０８中へ誘導結合される。２次巻線７０８上の誘導されたＲＦ電圧は、図４の電圧Ｖ１に対応する。２次巻線７０８上の誘導されたＲＦ電圧は、接続点７８２を通してイオン源７０２に結合される。図示されているように、接地された安全エンクロージャ７６０が、２ポート発振器７３６および変圧器７６０を取り囲む。２ポート発振器７３６は、線７６４上で受け取られる、図５に示した論理回路２５６などの論理回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、電源７４４をオンまたはオフにすることによって制御される。電源７４４がオンの間、２ポート発振器７３６は、図６に示すような連続的なパルス波形を生成する。
本発明の第２の実施形態
図８は、本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第２の電気回路である。誘導結合イオン源８０２は、図４の静電容量４０２に対応する静電容量８０４を有する。イオン源８０２を含み、真空貫通接続８６２を有する真空エンクロージャ８６８の外部のイオン源８０２に、またはその近くに、高電圧結合網８０６が取り付けられている。結合網８０６は、高電圧チョーク（ｃｈｏｋｅ）８０８および高電圧キャパシタ８１０を備える。高電圧チョーク８０８は、第１の接続点８８４および第２の接続点８８２を有する。高電圧キャパシタ８１０は、第１の接続点８８６および第２の接続点８８２を有する。接続点８８２は、真空エンクロージャ８６８の真空貫通接続８６２を通してイオン源８０２に接続する。ビーム・エネルギーは、内部抵抗８２０および出力静電容量８１８を有するｄｃバイアス源８２２によって設定される。ｄｃバイアス源８２２と結合網８０６の間のケーブル８２６は、静電容量８１６と、電気接続８１４を通して接地８２４を基準としているシールド８１２とを有する。ケーブル８２６は、高電圧チョーク８０８の接続点８８４に接続される。接続点８８２は、高電圧チョーク８０８の出力をイオン源８０２に接続する。バイアス源８２２はｄｃ出力を有するため、ｄｃバイアス源８２２によって生成されたｄｃバイアス電圧は、接続点８８４と８８２の間の小さな抵抗性の電圧降下だけで高電圧チョーク８０８を通過する。
【００３７】
２ポート発振器８４０は、ワイヤ８４２および８４４を通して接続された電源８５０を有し、接地８４６にリファレンスされている。発振器８４０の出力は、ワイヤ８３４および８３６を通して変圧器８３８の１次巻線８３２に接続される。次いで、図６に示した高電圧パルスなどの高電圧パルスが、変圧器８３８の２次巻線８３０に誘導結合される。２次巻線８３０上の誘導されたＲＦ電圧は、接続点８８６を通して結合される。次いで、接続点８８６のＲＦ電圧が、高電圧キャパシタ８１０を通して接続点８８２、次いでイオン源８０２に容量結合される。２次巻線８３０上の誘導された電圧は、図４の電圧Ｖ１に対応する。図示されているように、接地された安全エンクロージャ８６０が、２ポート発振器８４０、変圧器８３８および結合網８０６を取り囲む。２ポート発振器８４０は、線８６４上で受け取られる、図５に示した論理回路２５６などの論理回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、電源８５０をオンまたはオフにすることによって制御される。電源８５０がオンの間、２ポート発振器８４０は、図６に示すような連続的なパルス波形を生成する。
本発明のプラズマ点火装置を使用した集束イオン・ビーム・システム
図９は、電源９２５を有するプラズマ点火装置９５０を含む本発明の集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム９００の概略図である。ＲＦ電源９２２は、その中でプラズマが生成されるプラズマ室９５４を取り巻くアンテナ９０４に接続されたマッチ・ボックス９２０にＲＦ電力を供給する。イオン化されるフィード・ガスは、供給システム９０２を通してプラズマ室９５４内へ供給される。バイアス電源９３０は、プラズマ点火装置９５０を通して、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラム内の源バイアス電極９０６に接続される。ＦＩＢカラム内の抽出電極９０８は、バイアス電源９３０の出力電圧を基準とした電源９３４によってバイアスされる。ＦＩＢカラム内のコンデンサ電極９１０は、バイアス電源９３０の出力電圧を基準とした電源９３２によってバイアスされる。
【００３８】
源バイアス電極９０６上の電圧に対する抽出電極９０８上のバイアス電圧によってプラズマ室９５４の下端に誘導された高電場により、プラズマ室９５４内に含まれるプラズマからイオンが抽出される。プラズマ室９５４から抽出されたイオンは、源バイアス電極９０６の開口を通って下方へ進み、ＦＩＢカラムに入るイオン・ビームを形成する。したがって、プラズマ室９５４の下端のプラズマは、ＦＩＢカラムに対する「仮想源（ｖｉｒｔｕａｌ ｓｏｕｒｃｅ）」の役目を果たす。一般に、ＦＩＢカラムを下方へ進むイオン・ビームの大きな部分は、アパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）９０６、９５６または９１４などのカラムの１つまたは複数のアパーチャに衝突する。アパーチャに衝突するイオン・ビーム中のイオンの質量およびエネルギーは大きいため、アパーチャの腐食は重大な懸念事項である。したがって、本発明は、低スパッタリング速度を有するいくつかのアパーチャ組成物を含む。アパーチャに対して最も望ましい材料の例には、機械加工が可能な炭素ベースの化合物、ベリリウム、バナジウム、チタン、スカンジウム、シリコンおよびニオブなどがある。これらの元素または化合物のうちの１つまたは複数の元素または化合物が、その材料組成物全体の主要な成分である材料も含まれるであろう。アパーチャ腐食の主要な領域は、ビームの入射角が局所表面に対する垂直からはほど遠いアパーチャの内孔である傾向があるため（すなわち、そのビームは、ある「視射」角でアパーチャの内孔に衝突する）、非垂直入射角でのスパッタリング速度が小さいアパーチャ材料は特に有用である。図９のＦＩＢカラムには、以下の３つのアパーチャが示されている：１）源バイアス電極９０６のアパーチャ、２）ビーム受入れアパーチャ（ＢＡＡ：ｂｅａｍ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ）９５６、および３）ビーム画定アパーチャ（ＢＤＡ：ｂｅａｍ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）９１４。これらの３つのアパーチャ９０６、９５６および９１４は全て、スパッタ腐食を受ける懸念があり、この懸念は、本発明のアパーチャ材料の選択によって対処される。
【００３９】
ビーム受入れアパーチャ９５６の位置は、ビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ９３６によって制御される。ビーム画定アパーチャ９１４の位置および選択は、ビーム画定アパーチャ・アクチュエータ９３８によって制御される。真空エンクロージャ９４６内の試料ステージ９４４によって支持され、移動する試料９４０の表面に集束イオン・ビーム９６０を形成する２つのレンズ９１２および９４２が示されている。
【００４０】
プラズマ室９５４内のプラズマの存在の有無はプラズマ検出器９２１によって検出される。プラズマ検出器９２１からの信号は、図５で論じた論理回路９２４に送られる。論理回路９２４は、プラズマ点火装置電源９２５を制御し、プラズマ点火装置電源９２５は、プラズマ点火装置９５０を、図７および８で論じたように制御する。
【００４１】
図７および８に示したプラズマ点火装置回路の詳細は、例示だけが目的であり、本発明の範囲に含まれる多くの他のプラズマ点火装置回路が可能である。図６に示した波形も例示だけが目的であり、本発明の範囲に含まれる他の波形が可能である。
【００４２】
本発明の好ましい方法または装置は多くの新規の態様を有し、本発明は、目的の異なるさまざまな方法または装置として具体化することができるため、全ての実施形態に全ての態様が含まれる必要はない。また、記載された実施形態の多くの態様は、別々に特許を受けることができ、または別々に特許を受けていることがある。例えば、アパーチャに対して使用される低スパッタ材料およびプラズマ室に対して使用される誘電材料のタイプは、別々に特許を受けることができる。
【００４３】
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００４４】
９００ 集束イオン・ビーム・システム
９０２ 供給システム
９０６ 源バイアス電極
９０８ 抽出電極
９１０ コンデンサ電極
９１２ レンズ
９２０ マッチ・ボックス
９２２ ＲＦ電源
９２４ 論理回路
９３６ ビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ
９３８ ビーム画定アパーチャ・アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン・ビーム・カラム内で使用される誘導結合プラズマ源用のプラズマ点火装置（ｐｌａｓｍａ ｉｇｎｉｔｅｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子、すなわちイオンまたは電子の集束ビームを形成するために集束カラムとともに使用するとき、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）源は他のタイプのプラズマ源よりも有利である。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，２４１，３６１号に記載されている誘導結合プラズマ源などの誘導結合プラズマ源は、狭いエネルギー範囲内の荷電粒子を供給する能力を有し、狭いエネルギー範囲は、荷電粒子を小さなスポットに集束させることを可能にする。ＩＣＰ源は、一般にセラミック・プラズマ室の周りに巻きつけられた無線周波（ＲＦ）アンテナを含む。このＲＦアンテナは、セラミック・プラズマ室内のプラズマを維持するためのエネルギーを供給する。
【０００３】
イオン・ビーム・プロセスに対して使用されるイオンのエネルギーは一般に５ｋｅＶから５０ｋｅＶ、最も一般的には約３０ｋｅＶである。電子のエネルギーは、走査型電子顕微鏡システムに対しては約１ｋｅＶから５ｋｅＶ、透過型電子顕微鏡システムに対しては数十万電子ボルトである。荷電粒子システム内の試料は一般に接地電位に維持され、上記の源は、ビームを形成するのに使用する粒子に応じて正または負の大きな電位に維持される。操作員の安全のため、高電圧の構成要素を電気的に隔離する必要がある。
【０００４】
通常、ＩＣＰ源のコイルを駆動するために使用される通常のレベルのＲＦ電力を供給しても、ＩＣＰ源内でプラズマに点火することはできない。これは、誘導される電場が通常は、源室内で初期イオン化が起こっていない状況で、ガス原子またはガス分子を分解して十分な初期自由電荷を生み出すほどには高くないためである。この初期イオン化を引き起こすためには一般に高電圧パルスが必要である。先行技術では、プラズマ室と直接に電気接触した電極にテスラ・コイル（Ｔｅｓｌａ ｃｏｉｌ）を接触させることによって、ＩＣＰイオン源内でプラズマに点火するための高電圧パルスを開始させている。テスラ・コイルによって誘導されたこの高電圧パルスは次いでプラズマを開始させ、このプラズマは続いて、ＩＣＰ電源からのＲＦ電力によって維持される。このプラズマ点火法では必然的に、システム上のある外部電極とそこでプラズマに点火する真空システムの内部との間に直接の電気接触が存在することが必要となる。しかしながら、荷電粒子ビーム・システム内の上記の源として使用するためにプラズマが高電圧にバイアスされているときには、この外部接続の電位が高電圧のプラズマ電位まで増大するため、このような直接の電気接触は、安全上の重大な懸念を生じさせることになる。したがって、イオン・ビーム・システム内の源として使用するために高電圧にバイアスされたＩＣＰイオン源内のプラズマに、このように外部から直接に電気接触することは一般に不可能である。したがって、高電圧プラズマのこの電気的隔離は、荷電粒子ビームを発生させるために使用されるＩＣＰ源内でプラズマに点火するための課題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，２４１，３６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、イオン源が高ｄｃ電圧にバイアスされたイオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、誘導結合プラズマ源と一緒に使用するのに特に適している。この点火装置は、プラズマ源内の源バイアス電極を通して点火エネルギーを供給することが好ましく、点火装置とカラムの間のケーブル静電容量の影響を最小化するため、プラズマ源の近くに位置することが好ましい。好ましい一実施形態では、プラズマ点火装置の出力が、プラズマに点火されたときにプラズマと接触する電極を通してプラズマ室内に効率的に結合される繰返し振動電圧パルスである。ある実施形態では、プラズマ点火装置が、高電圧安全エンクロージャ（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）の中に収容され、ＩＣＰプラズマ源によって放出されたイオンのエネルギーを制御する同じ電源によってバイアスされる。
【０００８】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示された着想および特定の実施形態を、本発明と同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は認識すべきである。
【０００９】
次に、本発明および本発明の利点のより徹底的な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】荷電粒子ビーム・システムの外部の２つの代替位置のテスラ・コイルを使用してプラズマに点火する先行技術の方法を示す図である。
【図２Ａ】源室および源バイアス電極の実効静電容量を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した実効静電容量の回路図である。
【図３】先行技術のプラズマ点火回路の簡略接続図である。
【図４】本発明と同様に荷電粒子カラムの近くに位置するプラズマ点火装置の簡略接続図である。
【図５】本発明のインライン・プラズマ点火装置を使用した荷電粒子ビーム・システムを示す図である。
【図６】ＩＣＰ源内でプラズマに点火するために本発明が使用するパルス電圧波形を示す図である。
【図７】本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第１の電気回路を示す図である。
【図８】本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第２の電気回路を示す図である。
【図９】本発明のプラズマ点火装置を含む集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この初期イオン化を生じさせるためには一般に、高電圧パルスが必要である。プラズマを発生させるためには、このパルスを源室内へ容量結合し、そこでガスを励起させなければならない。そのためには、真空システムの外部からの電圧パルスを源室内へ直接に接続するなんらかの手段が必要である。先行技術では、イオン・ビーム源の役目を果たすようにプラズマがキロボルトｄｃ電圧にバイアスされるシステムにおいて、このようなプラズマへの外部から接触を安全に提供することは困難であるか、または不可能である。
【００１２】
本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム・システムの誘導結合プラズマ源用の点火装置を提供する。点火装置とカラムの間のケーブル静電容量の影響を最小化するため、このプラズマ点火装置は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源の近くに位置することが好ましい。プラズマ点火装置の出力は、プラズマに点火されたときにプラズマと接触する電極を通してプラズマ室内に効率的に結合される高電圧パルスである。プラズマ・センサがプラズマ点火装置を制御し、プラズマが開始されたときを決定し、プラズマ点火装置の動作を停止させる。プラズマ点火装置は高電圧安全エンクロージャの中に収容され、ＩＣＰプラズマ源によって放出されたイオンのエネルギーを制御する同じバイアス電源によってバイアスされる。
【００１３】
図１は、荷電粒子ビーム・システムの外部の２つの代替位置にテスラ・コイルを接触させることを含む、プラズマに点火する先行技術の方法を示す。源室１０２は、セラミック、石英、Ｍａｃｏｒ（商標）マシナブル・セラミック（ｍａｃｎｉａｂｌｅ ｃｅｒａｍｉｃ）などの絶縁材料から製造された絶縁真空エンクロージャとすることができる。源室１０２内にプラズマを最適に閉じ込めるための要件には、誘電損率が低いこと、抵抗率が高いこと、真空適合性（ｖａｃｕｕｍ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）があること、熱伝導率が高いこと、プラズマの発生に使用されるさまざまなフィード・ガスと反応しないことなどがある。源室１０２の周囲には、電気ケーブル１１６および１１８を通してマッチ・ボックス（ｍａｔｃｈ ｂｏｘ）１２０に接続されたＲＦコイル１０４がある。２本の電気ケーブル１２２および１２４によって、ＲＦ源１２６からの電力がマッチ・ボックス１２０内へ結合される。たとえ少量であっても源室１０２内でイオン化が引き起こされると、イオン化カスケード（ｃａｓｃａｄｅ）は進行することができ、源室１０２内に多数の自由電子および自由イオンを急速に発生させる。
【００１４】
図１には、先行技術の荷電粒子ＩＣＰ源１００が示されている。ガス供給管路１２８は、調整弁１３０を通して供給管路１３２に接続し、供給管路１３２は、イオン化するガスを毛細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）１３４内へ導く。この毛細管は、フィード・ガス圧を源室１０２内のレベルまで低減させ、次いでフィード・ガスを源室１０２内へ導く。供給管路１２８、調整弁１３０および供給管路１３２が、真空エンクロージャの外部から源室１０２の内部への導電性の連続経路を形成する場合には、源室１０２内でプラズマに点火するために、テスラ・コイル１４０を瞬間的に管路１２８に接続することができる（矢印１４６）。テスラ・コイルの中心の高電圧ワイヤ１４２は、安全のため外部シールド１４４によって取り囲まれている。プラズマに点火した後、テスラ・コイル１４０は除去され、供給管路１２８と接触した状態から脱することになる。
源バイアス電極
ＩＣＰ源１００内で発生させたプラズマを、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム内のイオン源として利用するためには、イオンがプラズマを出て、ＦＩＢカラムに入るときに、それらのイオンに加速電圧を印加することが可能である必要がある。図１に示した先行技術においても、本発明においても、源バイアス電極１１０を使用して、イオンに加速電圧を印加することができる。図１では、ＩＣＰ源の底部に源バイアス電極１１０が示されている。源バイアス電極が適正に動作するための主たる要件は、プラズマ室内のプラズマと源バイアス電極の１つの表面とが直接に接触することである。言い換えると、プラズマから抽出されたイオンに電圧を印加することを可能にするためには、源バイアス電極が、プラズマを取り囲むエンクロージャの一部を形成していなければならない。本明細書に示した例では、源バイアス電極が、プラズマ・エンクロージャの下部を形成しているが、機能的に等価な他の源バイアス電極位置も本発明の範囲に含まれる。源バイアス電極１１０は、内部ケーブル１１２を通して、バイアス電源（図示せず）へ通じる外部ケーブル１１４に接続される。源バイアス電極１１０の下には、イオン抽出光学系の一部として抽出電極１０８が配置されている。このバイアス源は、ＩＣＰ源から放出される荷電粒子のエネルギーを接地電位に対して制御する。試料の電位が接地電位である場合、このバイアス電源は、試料位置における最終的なビーム・エネルギーを決定する。
源の電気特性の計算
図２Ａは、誘導結合プラズマ源２００内の源室２０２および源バイアス電極２０８の実効静電容量を示す。源室２０２の外面は、ケーブル２１６によって接地された分割ファラデー・シールド（ｓｐｌｉｔ Ｆａｒａｄａｙ ｓｈｉｅｌｄ）２１４によって取り囲まれており、ファラデー・シールド２１４は、ＲＦコイル１０４（図１参照）上の電圧がプラズマに容量結合することを防止する。ファラデー・シールド２１４がこの結合を防止しない場合には、この結合によって、プラズマ電位に対する望ましくない電圧変動が生じ、この電圧変動によって荷電粒子カラムにおいて色収差が生じ、この色収差によって試料に当たるビームが不鮮明になることになる。ファラデー・シールド２１４と源室２０２の内壁との間には静電容量２１８がある。源室２０２の内壁と源バイアス電極２０８との間には静電容量２２０があり、源バイアス電極２０８は、ケーブル２１０によってビーム加速電源（図示せず）に接続されている。ケーブル２１０と接地の間には静電容量２２８がある。イオン化するフィード・ガスは、オリフィス２０４を通して源室２０２内へ供給される。源室２０２内のプラズマから抽出されたイオン・ビームは、オリフィス２１２を通って外へ出る。プラズマが発生しない源室の下には静電容量２２２がある。ＲＦ電力によって静電容量２２２を流れる電流は、プラズマの発生に対して効力を持たず、したがって、ＩＣＰ源の設計によって静電容量２２２を最小化することが望ましい。源室２０２内でプラズマに点火された後、静電容量２２０はプラズマによって実質的に短絡される。
【００１５】
図２Ｂは、図２Ａの静電容量を結合して実効源静電容量２５０を形成する方法を示す回路図である。静電容量２２０と２１８は、ケーブル２１０と接地２１６との間に直列に配置されている。静電容量２２２および２２８は、静電容量２１８と２２０の直列結合に対して並列に位置している。したがって、実効源静電容量２５０は以下のとおりであり、
Ｃ250＝Ｃ218Ｃ220／（Ｃ218＋Ｃ220）＋Ｃ222＋Ｃ228
上式で、静電容量２１８、２２２および２２８はプラズマ領域の外側にあるため、プラズマの点火に対して効力を有するのは静電容量２２０だけである。静電容量２１８と２２０には同じ電流２４０が流れる。実効源静電容量２５０を流れる全電流Ｉ250は以下のとおりである。
【００１６】
Ｉ250＝Ｉ240＋Ｉ242＋Ｉ248
プラズマをトリガするのに有効なのは電流Ｉ240だけなので、プラズマ点火装置の効率は、全電流Ｉ250のうち静電容量Ｃ220を流れる電流の割合ＦCurrentによって決まる。
【００１７】
ＦCurrent＝Ｉ240／Ｉ250＝Ｉ240／（Ｉ240＋Ｉ242＋Ｉ248）
実効源静電容量の両端間の全電圧Ｖ250は以下のとおりである。
【００１８】
Ｖ250＝Ｖ218＋Ｖ220＝Ｖ222＝Ｖ228
上式で、電圧Ｖ218はキャパシタＣ218の両端間の電圧、電圧Ｖ220はキャパシタＣ220の両端間の電圧、電圧Ｖ222はキャパシタＣ222の両端間の電圧、電圧Ｖ228はキャパシタＣ228の両端間の電圧である。静電容量２１８および２２０は容量性分圧器の働きをする。
【００１９】
Ｖ218＝Ｖ250（１／Ｃ218）／（１／Ｃ218＋１／Ｃ220）
次の考慮事項は、静電容量２２０を有する源領域内でプラズマに点火する際に有効なプラズマ点火装置からの電力ＰIgnitionである。
【００２０】
ＰIgnition＝Ｖ220Ｉ240
プラズマ点火効率を最大にするためには、プラズマ点火装置からの全電力ＰTotalの一部として、この電力ＰIgnitionを最大にすることが望ましいことが明らかである。
【００２１】
ＰTotal＝Ｖ250Ｉ250
したがって、プラズマに点火する静電容量２２０に現れる点火装置からのプラズマ点火装置電力効率比ＦPowerは以下のとおりである。
【００２２】
ＦPower＝ＰIgnition／ＰTotal＝Ｖ220Ｉ240／Ｖ250Ｉ250
プラズマ点火装置電力効率比ＦPowerを最大にするためには、キャパシタ２２０の両端間の電圧Ｖ220とキャパシタ２２０を流れる電流Ｉ240の両方を最大にすることが望ましいことが明らかである。キャパシタ２２０の両端間の電圧を最大にするためには、キャパシタ２２０に直列に結合したキャパシタ２１８の両端間の電圧Ｖ218を最小にすることが望ましい。キャパシタ２１８のインピーダンスは（１／Ｃ218）に比例するため、電圧Ｖ218を最小にするためには、静電容量２１８の値を最大にする必要がある。これは、プラズマ室２０２の絶縁壁をできるだけ薄くし、さらにプラズマ室壁の誘電率を最大にすることによって達成することができる。
【００２３】
キャパシタ２２０を流れる電流を最大にするためには、キャパシタ２２２および２２８を流れる電流Ｉ222およびＩ228を最小にする必要がある。これは、キャパシタ２２２および２２８のインピーダンスを最大にすることによって達成することができる。キャパシタ２２２および２２８のインピーダンスはそれぞれ１／Ｃ222および１／Ｃ222に比例するため、静電容量２２２および２２８の値を最小にする必要がある。静電容量２２２に関しては、プラズマ領域の下の源の下部（図２Ａ参照）を適正に設計することによって、静電容量の最小化を達成することができる。面積を小さくすることおよび間隔を広くすることはともにＣ222を低減させる働きをする。静電容量２２８に関しては、安全上考慮すべき事項に留意しながら、可能な限りシールド・ケーブルの代わりに裸線を使用し、裸線と近隣の接地された表面との間の距離をできるだけ大きくすることによって、静電容量の最小化を達成することができる。実効源静電容量Ｃ250の導出のこの解析はしたがって、プラズマ点火装置の電力効率ＦPowerを最大にする設計戦略につながる。
【００２４】
図３は、先行技術のプラズマ点火回路の簡略接続図３００である。プラズマ点火装置３０６は、ＩＣＰ源を使用した荷電粒子ビーム・システムから離れて位置するように示されている。静電容量３０２は、源の内部静電容量に対応する。
【００２５】
Ｃ302＝Ｃ222＋Ｃ218Ｃ220／（Ｃ218＋Ｃ220）
上式で、静電容量２１８、２２０および２２２は図２の静電容量である。この式は、静電容量２２２が、静電容量２１８と２２０の直列結合と並列であることを示している。したがって、図２の源室２０２内でプラズマに点火するのに有効な静電容量２１８および２２０内の電流から、静電容量２２２内の電流が引き抜かれることが分かる。静電容量３０４は、プラズマ点火装置３０６と図２の源室２０２との間のケーブル静電容量である。源へ流れる静電容量３０２内の電流から、静電容量３０４内の電流が引き抜かれる。
【００２６】
Ｉ302＝（ｄＶ１／ｄｔ）Ｃ302／（Ｃ302＋Ｃ304）
上式で、Ｖ１は、プラズマ点火装置の出力を源室内へ結合するのに使用される変圧器の２次巻線上の電圧を表す。この変圧器結合を例示する代表的な回路については図７および８を参照されたい。この先行技術の回路は接地３０８を基準としている。
【００２７】
したがって、図３は、プラズマ源からある距離のところに位置する点火装置を使用した先行技術のプラズマ点火法の問題を示す。すなわち、意図されたプラズマ点火電流のうちの潜在的に大きな量の電流が、ケーブル静電容量３０４およびプラズマ領域の外側にある源内の浮遊静電容量（図２の静電容量２２２など）によって吸い上げられる可能性がある。これらの損失を補償するためには、プラズマ点火電圧を増大させられなければならず、このことは、潜在的に、より高いコストおよびプラズマ点火能力の低下につながる。源静電容量３０２が２５ｐｆ、ケーブル静電容量が５００ｐｆとすると、プラズマ点火装置から１０ｋＶ、１２５ｋＨｚの出力が必要であり、これはケーブル静電容量３０４を横切る４Ａを表す。したがって静電容量３０２と３０４は、プラズマ点火装置の出力を横切って並列に現れ、相対的に大きなケーブル静電容量３０４は、相対的に小さい源静電容量３０２よりも多く電流を比例して引っ張る。静電容量３０２（２５ｐｆ）と全静電容量（５２５ｐｆ）の比は（２５ｐｆ）／（５２５ｐｆ）であるため、プラズマ点火装置３０６の出力電流のうち約５％だけがプラズマ点火において有効である。
【００２８】
図４は、本発明と同様に荷電粒子カラムの近くに位置するプラズマ点火装置４０８の簡略接続図４００である。この場合も、静電容量４０２は、源の内部静電容量に対応する。
【００２９】
Ｃ402＝Ｃ222＋Ｃ218Ｃ220／（Ｃ218＋Ｃ220）
上式で、静電容量２１８、２２０および２２２はやはり図２の静電容量であり、静電容量２２２は、静電容量２１８と２２０の直列結合と並列である。したがって、図２の源室２０２内でプラズマに点火するのに有効な静電容量２１８および２２０内の電流から、静電容量２２２内の電流が引き抜かれることが分かる。本発明では、プラズマ点火装置４０８が、ＩＣＰ源を使用した荷電粒子ビーム・システムの真空エンクロージャのところに位置し、または真空エンクロージャの非常に近くに位置する。したがって、プラズマ・バイアス源に接続するケーブルの静電容量４０４は、図３の先行技術の場合のように並列ではなく、源静電容量４０２に直列に現れ、したがって、プラズマ点火装置４０８の出力Ｖ１によって引き起こされる大部分の電圧降下は、ケーブル静電容量４０４ではなしに、源静電容量４０２を横切って現れる。
【００３０】
インピーダンス４１０は、バイアス電圧源の内部抵抗（「ダンピング抵抗器（ｄｕｍｐｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）」）に対応する。静電容量４０６は、漏れ抵抗４１２を有するバイアス電圧源の出力静電容量である。静電容量４０４は、プラズマ点火装置３０６と図２の源室２０２の間のケーブル静電容量である。Ｖ１は、プラズマ点火装置の出力を源室内へ結合するのに使用される変圧器の２次巻線上の電圧を表す。この変圧器結合を例示する代表的な回路については図７および８を参照されたい。この回路は接地４２０を基準としている。
【００３１】
図３の場合と同様に、静電容量４０２が２５ｐｆ、静電容量４０４が５００ｐｆとすると、変圧器の２次巻線の出力電圧Ｖ１は、これらの静電容量の反比（ｉｎｖｅｒｓｅ ｒａｔｉｏ）に分割され、したがってＶ１の９５％超が静電容量４０２を横切って現れる。
【００３２】
Ｖ402＝Ｖ１Ｃ402／（Ｃ402＋Ｃ404）
図５は、本発明のインライン・プラズマ点火装置を使用した荷電粒子ビーム・システム５００を示す図である。真空エンクロージャ５０２は荷電粒子カラム（図示せず）を含む。エンクロージャの頂部にはプラズマ・センサ５５２がある。プラズマの存在を検出する複数の方法が可能であり、これには例えば、１）プラズマからの光、２）イオン化によるインピーダンスの低下、３）ＲＦマッチ・ボックス内の最適同調パラメータ（ｏｐｔｉｍａｌ ｔｕｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の変化、および４）源室の温度が含まれる。プラズマに点火されたとき、ケーブル５２２上のｄｃバイアス電圧は、接地５０６にリファレンスされたバイアス電源５０４の出力に等しい。バイアス電源５０４の出力５０８は、シールド・ケーブル５１０を介して、安全ハウジング５１６内に封入されたプラズマ点火装置５１４の入力５１２に接続される。したがって、システム・オペレータに対する安全上の懸念なしに、プラズマ点火装置５１４を、バイアス電源５０４の高電圧出力にバイアスすることができる。プラズマ点火装置５１４の出力５１８は、源バイアス電極（図示せず。図１の電極１１０参照）に接続する内部ケーブル５２２に、シールド・ケーブル５２０を介して接続される。プラズマ点火装置５１４は、ケーブル５２２に恒久的に物理的に接続されることが好ましい。すなわち、テスラ・コイルのように瞬間的に接触させ、除去しないことが好ましい。プラズマ点火装置５１４は、源バイアス電極に恒久的に物理的に接続されるが、スイッチまたはソフトウェアなどによって電気的に分離することができる。この物理接続は、通常の使用の間は「恒久的」だが、保守のために切り離すことができる。プラズマに点火された後、電源５０４からの高電圧は、プラズマ点火装置５１４を通して源バイアス電極に接続する。任意選択で、プラズマ点火中に、電源５０４からの高電圧出力を、プラズマ点火装置５１４からのパルス高電圧に追加し、結合された電圧を、内部ケーブル５２２を介して源バイアス電極（図示せず）に印加することができる。
【００３３】
電源５４０によって、抽出電極（図示せず）が、遮蔽された外部ケーブル５４４を介して内部ケーブル５４２に接続され、バイアスされる。電源５３０によって、コンデンサ電極（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）（図示せず）が、シールド・ケーブル５３４を介して内部ケーブル５３２にバイアスされる。電源５３０と５４０はともに、電源５０４の高電圧出力を基準としている。
【００３４】
プラズマ・センサからの出力は、信号線５５４を通して論理回路２５６へ伝えられる。プラズマ検出器５５２からの信号に基づいて、論理回路２５６は、制御線５５８を通してプラズマ点火装置５１４を制御する。一般に、この論理回路は、プラズマが開始されるまで、またはプラズマの開始を不可能にする欠陥があるとこの論理回路が結論するまで、プラズマ点火装置５１４を作動させる。
【００３５】
点火装置５１４は、図７および８に示したモジュールなどのモジュールの部分であることが好ましい。モジュール内の結合網（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ）（図８）または高電圧変圧器（図７）は選択的に、点火電圧を印加し、またはバイアス電源からのバイアス電圧を印加し、あるいはこれらの両電圧を同時に印加する。点火装置から電極までのケーブル５２０の長さは、好ましくは１００ｃｍ未満、より好ましくは３０ｃｍ未満、最も好ましくは１５ｃｍ未満である。図２Ｂで論じたとおり、ケーブル５２０が短いほどその静電容量は小さく、プラズマに点火するのに十分な電力をこのケーブルを通して送達するのに必要な電力がより少なくてすむ。やはり図２Ｂで論じたとおり、静電容量をさらに低減させるため、ケーブル５２０をシールド・ケーブルではなく裸線とした方が好ましいことがある。ケーブル５１０の長さは、好ましくは１０００ｃｍ未満、より好ましくは５００ｃｍ未満、最も好ましくは３００ｃｍ未満である。
プラズマ点火装置のパルス電圧波形
図６は、ＩＣＰ源内でプラズマに点火するために本発明が使用するパルス電圧波形６００を示す。高電圧振動波形６０４は一般に、５００から２μｓ（２から５００ｋＨｚ）の範囲の周期６１２を有し、好ましい周期は１０から３．３３μｓ（１００から３００ｋＨｚ）である。この振動波形は、概ね１００Ｈｚの繰返しレート（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ）６０８を有する。小さい全電力で最大のプラズマ点火電圧を達成するため、７０から１００μｓの範囲の全体振動周期６０６を有する減衰する振動波形６１０が使用される。中断６２０によって示されているように、振動周期６０６は、繰返し周期６０８に対して誇張されて示されている。振動と振動の間のプラズマ点火装置の出力は０Ｖである６０２。この振動波形の典型的な初期ピーク−ピーク電圧は一般に少なくとも１ｋＶであり、最大で２０ｋＶである。図６に示した減衰振動パルスの利点は、初期電圧が最大化され、同時に、振動の後のサイクルでの電圧の低下によってパルスあたりの全電力が最小化される点である。
本発明の第１の実施形態
図７は、本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第１の電気回路である。誘導結合イオン源７０２は、図４の静電容量４０２に対応する静電容量７０４を有する。イオン源７０２を含み、真空貫通接続（ｖａｃｕｕｍ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）７６２を有する真空エンクロージャ７６８の外部のイオン源７０２に、またはその近くに、高電圧絶縁変圧器７０６が取り付けられている。変圧器７０６は、接地を基準としている１次巻線７１０および分離された高電圧２次巻線７０８を備える。１次巻線７１０は、第１の接続点７８６および第２の接続点７８８を有する。２次巻線７０８は、第１の接続点７８２および第２の接続点７８４を有する。接続点７８２は、真空エンクロージャ７６８の真空貫通接続７６２を通してイオン源７０２に接続する。ビーム・エネルギーは、内部抵抗７２０および出力静電容量７１８を有するｄｃバイアス源７２２によって設定される。ｄｃバイアス源７２２と絶縁変圧器７０６の間のケーブル７２６は、静電容量７１６と、電気接続７１４を通して接地７２４を基準としているシールド７１２とを有する。ケーブル７２６は、２次巻線７０８の接続点７８４に接続される。接続点７８２は、２次巻線７０８の出力をイオン源７０２に接続する。バイアス源７２２はｄｃ出力を有するため、ｄｃバイアス源７２２によって生成されたｄｃバイアス電圧は、接続点７８４と７８２の間の小さな抵抗性の電圧降下だけで、２次巻線７０８を通過する。
【００３６】
２ポート発振器７３６は、ワイヤ７４０および７３８を通して接続された電源７４４を有し、接地７４２を基準としている。発振器７３６の出力は、それぞれ接続点７８８および７８６で１次巻線７１０に接続するワイヤ７３２および７３４を通して高電圧絶縁変圧器７０６の１次巻線７１０に接続される。次いで、図６に示したＲＦ高電圧波形などのＲＦ高電圧波形が、１次巻線７１０から２次巻線７０８中へ誘導結合される。２次巻線７０８上の誘導されたＲＦ電圧は、図４の電圧Ｖ１に対応する。２次巻線７０８上の誘導されたＲＦ電圧は、接続点７８２を通してイオン源７０２に結合される。図示されているように、接地された安全エンクロージャ７６０が、２ポート発振器７３６および変圧器７６０を取り囲む。２ポート発振器７３６は、線７６４上で受け取られる、図５に示した論理回路２５６などの論理回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、電源７４４をオンまたはオフにすることによって制御される。電源７４４がオンの間、２ポート発振器７３６は、図６に示すような連続的なパルス波形を生成する。
本発明の第２の実施形態
図８は、本発明に基づくプラズマ点火装置に対する例示的な第２の電気回路である。誘導結合イオン源８０２は、図４の静電容量４０２に対応する静電容量８０４を有する。イオン源８０２を含み、真空貫通接続８６２を有する真空エンクロージャ８６８の外部のイオン源８０２に、またはその近くに、高電圧結合網８０６が取り付けられている。結合網８０６は、高電圧チョーク（ｃｈｏｋｅ）８０８および高電圧キャパシタ８１０を備える。高電圧チョーク８０８は、第１の接続点８８４および第２の接続点８８２を有する。高電圧キャパシタ８１０は、第１の接続点８８６および第２の接続点８８２を有する。接続点８８２は、真空エンクロージャ８６８の真空貫通接続８６２を通してイオン源８０２に接続する。ビーム・エネルギーは、内部抵抗８２０および出力静電容量８１８を有するｄｃバイアス源８２２によって設定される。ｄｃバイアス源８２２と結合網８０６の間のケーブル８２６は、静電容量８１６と、電気接続８１４を通して接地８２４を基準としているシールド８１２とを有する。ケーブル８２６は、高電圧チョーク８０８の接続点８８４に接続される。接続点８８２は、高電圧チョーク８０８の出力をイオン源８０２に接続する。バイアス源８２２はｄｃ出力を有するため、ｄｃバイアス源８２２によって生成されたｄｃバイアス電圧は、接続点８８４と８８２の間の小さな抵抗性の電圧降下だけで高電圧チョーク８０８を通過する。
【００３７】
２ポート発振器８４０は、ワイヤ８４２および８４４を通して接続された電源８５０を有し、接地８４６にリファレンスされている。発振器８４０の出力は、ワイヤ８３４および８３６を通して変圧器８３８の１次巻線８３２に接続される。次いで、図６に示した高電圧パルスなどの高電圧パルスが、変圧器８３８の２次巻線８３０に誘導結合される。２次巻線８３０上の誘導されたＲＦ電圧は、接続点８８６を通して結合される。次いで、接続点８８６のＲＦ電圧が、高電圧キャパシタ８１０を通して接続点８８２、次いでイオン源８０２に容量結合される。２次巻線８３０上の誘導された電圧は、図４の電圧Ｖ１に対応する。図示されているように、接地された安全エンクロージャ８６０が、２ポート発振器８４０、変圧器８３８および結合網８０６を取り囲む。２ポート発振器８４０は、線８６４上で受け取られる、図５に示した論理回路２５６などの論理回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、電源８５０をオンまたはオフにすることによって制御される。電源８５０がオンの間、２ポート発振器８４０は、図６に示すような連続的なパルス波形を生成する。
本発明のプラズマ点火装置を使用した集束イオン・ビーム・システム
図９は、電源９２５を有するプラズマ点火装置９５０を含む本発明の集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム９００の概略図である。ＲＦ電源９２２は、その中でプラズマが生成されるプラズマ室９５４を取り巻くアンテナ９０４に接続されたマッチ・ボックス９２０にＲＦ電力を供給する。イオン化されるフィード・ガスは、供給システム９０２を通してプラズマ室９５４内へ供給される。バイアス電源９３０は、プラズマ点火装置９５０を通して、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラム内の源バイアス電極９０６に接続される。ＦＩＢカラム内の抽出電極９０８は、バイアス電源９３０の出力電圧を基準とした電源９３４によってバイアスされる。ＦＩＢカラム内のコンデンサ電極９１０は、バイアス電源９３０の出力電圧を基準とした電源９３２によってバイアスされる。
【００３８】
源バイアス電極９０６上の電圧に対する抽出電極９０８上のバイアス電圧によってプラズマ室９５４の下端に誘導された高電場により、プラズマ室９５４内に含まれるプラズマからイオンが抽出される。プラズマ室９５４から抽出されたイオンは、源バイアス電極９０６の開口を通って下方へ進み、ＦＩＢカラムに入るイオン・ビームを形成する。したがって、プラズマ室９５４の下端のプラズマは、ＦＩＢカラムに対する「仮想源（ｖｉｒｔｕａｌ ｓｏｕｒｃｅ）」の役目を果たす。一般に、ＦＩＢカラムを下方へ進むイオン・ビームの大きな部分は、アパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）９０６、９５６または９１４などのカラムの１つまたは複数のアパーチャに衝突する。アパーチャに衝突するイオン・ビーム中のイオンの質量およびエネルギーは大きいため、アパーチャの腐食は重大な懸念事項である。したがって、本発明は、低スパッタリング速度を有するいくつかのアパーチャ組成物を含む。アパーチャに対して最も望ましい材料の例には、機械加工が可能な炭素ベースの化合物、ベリリウム、バナジウム、チタン、スカンジウム、シリコンおよびニオブなどがある。これらの元素または化合物のうちの１つまたは複数の元素または化合物が、その材料組成物全体の主要な成分である材料も含まれるであろう。アパーチャ腐食の主要な領域は、ビームの入射角が局所表面に対する垂直からはほど遠いアパーチャの内孔である傾向があるため（すなわち、そのビームは、ある「視射」角でアパーチャの内孔に衝突する）、非垂直入射角でのスパッタリング速度が小さいアパーチャ材料は特に有用である。図９のＦＩＢカラムには、以下の３つのアパーチャが示されている：１）源バイアス電極９０６のアパーチャ、２）ビーム受入れアパーチャ（ＢＡＡ：ｂｅａｍ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ）９５６、および３）ビーム画定アパーチャ（ＢＤＡ：ｂｅａｍ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）９１４。これらの３つのアパーチャ９０６、９５６および９１４は全て、スパッタ腐食を受ける懸念があり、この懸念は、本発明のアパーチャ材料の選択によって対処される。
【００３９】
ビーム受入れアパーチャ９５６の位置は、ビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ９３６によって制御される。ビーム画定アパーチャ９１４の位置および選択は、ビーム画定アパーチャ・アクチュエータ９３８によって制御される。真空エンクロージャ９４６内の試料ステージ９４４によって支持され、移動する試料９４０の表面に集束イオン・ビーム９６０を形成する２つのレンズ９１２および９４２が示されている。
【００４０】
プラズマ室９５４内のプラズマの存在の有無はプラズマ検出器９２１によって検出される。プラズマ検出器９２１からの信号は、図５で論じた論理回路９２４に送られる。論理回路９２４は、プラズマ点火装置電源９２５を制御し、プラズマ点火装置電源９２５は、プラズマ点火装置９５０を、図７および８で論じたように制御する。
【００４１】
図７および８に示したプラズマ点火装置回路の詳細は、例示だけが目的であり、本発明の範囲に含まれる多くの他のプラズマ点火装置回路が可能である。図６に示した波形も例示だけが目的であり、本発明の範囲に含まれる他の波形が可能である。
【００４２】
本発明の好ましい方法または装置は多くの新規の態様を有し、本発明は、目的の異なるさまざまな方法または装置として具体化することができるため、全ての実施形態に全ての態様が含まれる必要はない。また、記載された実施形態の多くの態様は、別々に特許を受けることができ、または別々に特許を受けていることがある。例えば、アパーチャに対して使用される低スパッタ材料およびプラズマ室に対して使用される誘電材料のタイプは、別々に特許を受けることができる。
【００４３】
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００４４】
９００ 集束イオン・ビーム・システム
９０２ 供給システム
９０６ 源バイアス電極
９０８ 抽出電極
９１０ コンデンサ電極
９１２ レンズ
９２０ マッチ・ボックス
９２２ ＲＦ電源
９２４ 論理回路
９３６ ビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ
９３８ ビーム画定アパーチャ・アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導結合プラズマ・イオン源と、
前記プラズマ・イオン源に位置する源バイアス電極と、
前記源バイアス電極への電気接続と、
試料の表面にイオン・ビームを集束させるように構成された集束イオン・ビーム・カラムと、
ｄｃ電圧出力を有する源バイアス電源と、
振動出力波形を有するプラズマ点火装置と、
前記源バイアス電源からの前記ｄｃ電圧を前記源バイアス電極へ結合する第１の回路と、
前記プラズマ点火装置からの前記振動波形を前記源バイアス電極へ結合する第２の回路と
を備える集束イオン・ビーム・システム。
【請求項２】
前記第１の回路が振動波形の伝送を阻止し、前記第２の回路がｄｃ電圧の伝送を阻止する、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項３】
前記イオン源内にプラズマが存在することを検出するプラズマ・センサをさらに備える、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項４】
前記プラズマ・センサから信号を受け取るように電気的に接続された論理回路と、
前記論理回路から前記プラズマ点火装置への電気制御接続と
をさらに備える、請求項２に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項５】
前記論理回路が、前記プラズマ検出器からの信号に基づいて前記プラズマ点火装置を制御するように構成された、請求項３に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項６】
真空エンクロージャをさらに備え、前記真空エンクロージャが前記誘導結合プラズマ・イオン源を含み、前記プラズマ点火装置が、前記真空エンクロージャの外面に取り付けられるか、または前記真空エンクロージャの外面の近くに取り付けられた、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項７】
前記誘導結合プラズマ・イオン源がさらに、
絶縁プラズマ室と、
前記プラズマ室を取り巻くＲＦアンテナと、
前記ＲＦアンテナに電気的に接続されたマッチ・ボックスと、
前記マッチ・ボックスに電気的に接続されたＲＦ電源と、
イオン化用のフィード・ガスを前記プラズマ室内へ供給するように構成されたガス供給システムと
を備える、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項８】
前記集束イオン・ビーム・カラムがさらに、
１つまたは複数のレンズと、
複数のアパーチャと
を備える、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項９】
前記複数のアパーチャのうちのそれぞれのアパーチャが、低スパッタリングに関して選択された材料組成を有する、請求項７に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１０】
前記複数のアパーチャのうちの１つまたは複数のアパーチャが、炭素ベースの化合物、ベリリウム、バナジウム、チタン、スカンジウム、シリコンまたはニオブのうちの１つまたは複数の材料を含む、請求項８に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１１】
前記プラズマ室が、セラミック、石英またはマシナブル・セラミックのうちの１つまたは複数の材料を含む絶縁プラズマ室を含む、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１２】
集束イオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法であって、前記集束イオン・ビーム・システムが、プラズマ室を含む誘導結合プラズマ・イオン源と、前記プラズマ室に位置する源バイアス電極と、前記源バイアス電極への電気接触を提供する導体と、集束イオン・ビーム・カラムと、プラズマ点火装置回路と、源バイアス電極バイアス電源とを含み、前記方法が、プラズマに点火するための前記プラズマ点火装置からの点火電圧、または前記電極バイアス電源からのバイアス電圧を前記導体に選択的に印加することを含む方法。
【請求項１３】
プラズマに点火するための前記プラズマ点火装置からの点火電圧、または前記電極バイアス電源からのバイアス電圧を前記導体に選択的に印加することが、前記源電極に恒久的に物理的に接続された前記プラズマ点火装置からの点火電圧を選択的に印加することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
集束イオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法であって、前記集束イオン・ビーム・システムが、誘導結合プラズマ・イオン源と、前記イオン源から抽出されるイオンのエネルギーを制御する源バイアス電極と、集束イオン・ビーム・カラムと、前記源バイアス電極に接続されたプラズマ点火装置と、プラズマ検出器と、前記プラズマ点火装置を介して前記源バイアス電極に接続された源バイアス電極バイアス電源とを含み、前記方法が、
前記誘導結合プラズマ・イオン源へフィード・ガスを導入すること、
前記イオン源にＲＦ励振を印加すること、
前記源バイアス電極に第１のプラズマ点火パルスを印加すること、
プラズマ検出信号を得ること、
前記プラズマ検出信号が、誘導結合プラズマ・イオン源内にプラズマが存在していることを指示している場合に、前記プラズマ点火電圧をオフにすること、
前記プラズマ検出信号が、誘導結合プラズマ・イオン源内にプラズマが存在しないことを指示している場合に、ＲＦ励振を印加するステップに戻ること
を含む方法。
【請求項１５】
誘導結合プラズマ源内のプラズマ室に位置する源バイアス電極に、源バイアス電圧および点火パルスを供給するアセンブリであって、
前記源バイアス電極への電気接続を提供する導体と、
前記点火パルスまたは前記源バイアス電圧あるいはその両方を前記導体に印加する結合網と
を備えるアセンブリ。
【請求項１６】
前記導体の長さが３０ｃｍ未満である、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記導体の静電容量が２５ｐｆ未満である、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
点火パルスを供給する前記回路が、好ましくは１ｋＶから２０ｋＶの範囲のピーク−ピーク電圧を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
点火パルスを供給する前記回路が、より好ましくは３ｋＶから１０ｋＶの範囲のピーク−ピーク電圧を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
点火パルスを供給する前記回路が、好ましくは２μｓから５００μｓの範囲の振動周期を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
点火パルスを供給する前記回路が、より好ましくは３．３３μｓから１０μｓの範囲の振動周期を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１】
誘導結合プラズマ・イオン源と、
前記プラズマ・イオン源に位置する源バイアス電極と、
前記源バイアス電極への電気接続と、
試料の表面にイオン・ビームを集束させるように構成された集束イオン・ビーム・カラムと、
ｄｃ電圧出力を有する源バイアス電源と、
振動出力波形を有するプラズマ点火装置と、
前記源バイアス電源からの前記ｄｃ電圧を前記源バイアス電極へ結合する第１の回路と、
前記プラズマ点火装置からの前記振動波形を前記源バイアス電極へ結合する第２の回路と
を備える集束イオン・ビーム・システム。
【請求項２】
前記第１の回路が振動波形の伝送を阻止し、前記第２の回路がｄｃ電圧の伝送を阻止する、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項３】
前記イオン源内にプラズマが存在することを検出するプラズマ・センサをさらに備える、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項４】
前記プラズマ・センサから信号を受け取るように電気的に接続された論理回路と、
前記論理回路から前記プラズマ点火装置への電気制御接続と
をさらに備える、請求項２に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項５】
前記論理回路が、前記プラズマ検出器からの信号に基づいて前記プラズマ点火装置を制御するように構成された、請求項３に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項６】
真空エンクロージャをさらに備え、前記真空エンクロージャが前記誘導結合プラズマ・イオン源を含み、前記プラズマ点火装置が、前記真空エンクロージャの外面に取り付けられるか、または前記真空エンクロージャの外面の近くに取り付けられた、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項７】
前記誘導結合プラズマ・イオン源がさらに、
絶縁プラズマ室と、
前記プラズマ室を取り巻くＲＦアンテナと、
前記ＲＦアンテナに電気的に接続されたマッチ・ボックスと、
前記マッチ・ボックスに電気的に接続されたＲＦ電源と、
イオン化用のフィード・ガスを前記プラズマ室内へ供給するように構成されたガス供給システムと
を備える、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項８】
前記集束イオン・ビーム・カラムがさらに、
１つまたは複数のレンズと、
複数のアパーチャと
を備える、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項９】
前記複数のアパーチャのうちのそれぞれのアパーチャが、低スパッタリングに関して選択された材料組成を有する、請求項７に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１０】
前記複数のアパーチャのうちの１つまたは複数のアパーチャが、炭素ベースの化合物、ベリリウム、バナジウム、チタン、スカンジウム、シリコンまたはニオブのうちの１つまたは複数の材料を含む、請求項８に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１１】
前記プラズマ室が、セラミック、石英またはマシナブル・セラミックのうちの１つまたは複数の材料を含む絶縁プラズマ室を含む、請求項１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１２】
集束イオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法であって、前記集束イオン・ビーム・システムが、プラズマ室を含む誘導結合プラズマ・イオン源と、前記プラズマ室に位置する源バイアス電極と、前記源バイアス電極への電気接触を提供する導体と、集束イオン・ビーム・カラムと、プラズマ点火装置回路と、源バイアス電極バイアス電源とを含み、前記方法が、プラズマに点火するための前記プラズマ点火装置からの点火電圧、または前記電極バイアス電源からのバイアス電圧を前記導体に選択的に印加することを含む方法。
【請求項１３】
プラズマに点火するための前記プラズマ点火装置からの点火電圧、または前記電極バイアス電源からのバイアス電圧を前記導体に選択的に印加することが、前記源電極に恒久的に物理的に接続された前記プラズマ点火装置からの点火電圧を選択的に印加することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
集束イオン・ビーム・システム内でプラズマに点火する方法であって、前記集束イオン・ビーム・システムが、誘導結合プラズマ・イオン源と、前記イオン源から抽出されるイオンのエネルギーを制御する源バイアス電極と、集束イオン・ビーム・カラムと、前記源バイアス電極に接続されたプラズマ点火装置と、プラズマ検出器と、前記プラズマ点火装置を介して前記源バイアス電極に接続された源バイアス電極バイアス電源とを含み、前記方法が、
前記誘導結合プラズマ・イオン源へフィード・ガスを導入すること、
前記イオン源にＲＦ励振を印加すること、
前記源バイアス電極に第１のプラズマ点火パルスを印加すること、
プラズマ検出信号を得ること、
前記プラズマ検出信号が、誘導結合プラズマ・イオン源内にプラズマが存在していることを指示している場合に、前記プラズマ点火電圧をオフにすること、
前記プラズマ検出信号が、誘導結合プラズマ・イオン源内にプラズマが存在しないことを指示している場合に、ＲＦ励振を印加するステップに戻ること
を含む方法。
【請求項１５】
誘導結合プラズマ源内のプラズマ室に位置する源バイアス電極に、源バイアス電圧および点火パルスを供給するアセンブリであって、
前記源バイアス電極への電気接続を提供する導体と、
前記点火パルスまたは前記源バイアス電圧あるいはその両方を前記導体に印加する結合網と
を備えるアセンブリ。
【請求項１６】
前記導体の長さが３０ｃｍ未満である、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記導体の静電容量が２５ｐｆ未満である、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
点火パルスを供給する前記回路が、好ましくは１ｋＶから２０ｋＶの範囲のピーク−ピーク電圧を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
点火パルスを供給する前記回路が、より好ましくは３ｋＶから１０ｋＶの範囲のピーク−ピーク電圧を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項２０】
点火パルスを供給する前記回路が、好ましくは２μｓから５００μｓの範囲の振動周期を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【請求項２１】
点火パルスを供給する前記回路が、より好ましくは３．３３μｓから１０μｓの範囲の振動周期を有するパルスを供給する、請求項１５に記載のアセンブリ。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２０４６７２（Ｐ２０１１−２０４６７２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１８０９５（Ｐ２０１１−１８０９５）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（５０１４１９１０７）エフ・イ−・アイ・カンパニー (78)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０９５（Ｐ２０１１−１８０９５）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（５０１４１９１０７）エフ・イ−・アイ・カンパニー (78)
【Ｆターム（参考）】
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