集束イオンビーム装置
【課題】ガス電界電離イオン源を用いて試料へのダメージが小さく、かつ、効率よく微細加工を行うこと。
【解決手段】イオンビーム１を放出するエミッタ４１と、エミッタ４１を収容するイオン源室４０と、イオン源室４０に窒素を供給するガス供給部４６と、窒素をイオン化し、窒素イオンを引き出す電圧を印加するための引出電極４９と、エミッタ４１を冷却する温度制御部３４と、を有するガス電界電離イオン源を備えている集束イオンビーム装置を提供する。
【解決手段】イオンビーム１を放出するエミッタ４１と、エミッタ４１を収容するイオン源室４０と、イオン源室４０に窒素を供給するガス供給部４６と、窒素をイオン化し、窒素イオンを引き出す電圧を印加するための引出電極４９と、エミッタ４１を冷却する温度制御部３４と、を有するガス電界電離イオン源を備えている集束イオンビーム装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集束イオンビーム装置のイオン源として、原料ガスをイオン化しイオンビームを放出するガス電界電離イオン源が知られている。
ガス電界電離イオン源を用いた装置として、例えば、ガス電界電離イオン源からアルゴンイオンビームを照射し、フォトマスクの欠陥修正などの微細加工を行う集束イオンビーム装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の装置では、試料観察の際にアルゴンイオンビームのスパッタリング効果により試料にダメージを与えてしまう問題があった。一方、ヘリウムのイオンビームでは、試料加工の際にエッチング効率が低いため、加工に膨大な時間がかかるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０２２６０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、試料へのダメージが小さく、かつ、効率よく微細加工を行うガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
（１）本発明に係る集束イオンビーム装置は、イオンビームを放出するエミッタと、エミッタを収容するイオン源室と、イオン源室に窒素を供給するガス供給部と、窒素をイオン化し、窒素イオンを引き出す電圧を印加するための引出電極と、エミッタを冷却する温度制御部と、を有するガス電界電離イオン源を備えている。
【０００７】
イオン源室に窒素に比べ質量が大きいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が大きいため、イオンビームは試料に大きなダメージを与えてしまう。一方、イオン源室に窒素に比べ質量が小さいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が小さいため、イオンビームによる試料のスパッタリング効率が悪く、加工に膨大な時間がかかる。そこで、上記のとおり原料ガスとして窒素を用いることで、試料へのダメージを軽減すると共に効率よく試料を加工することができる。
【０００８】
（２）本発明に係る集束イオンビーム装置のガス供給部は、イオン源室内の圧力が１．０×１０-6Ｐａ乃至１．０×１０-2Ｐａになるように窒素ガスの供給を制御する。さらにガス供給部は、イオン源室内の圧力が１．０×１０-5Ｐａ乃至１．０×１０-3Ｐａになるように窒素ガスの供給を制御することがより好ましい。
【０００９】
イオン源室内の圧力が１．０×１０-2Ｐａよりも高い場合、エミッタの窒化が促進され、引出電圧を印加することでエミッタが電界蒸発により破壊されてしまう。一方、イオン源室内の圧力が１．０×１０-6Ｐａよりも低い場合、十分なイオンビームの電流量が得られない。そこで、上記のように窒素ガスの供給を制御することにより、エミッタが電界蒸発により破壊されることなく、かつ、十分なイオンビーム電流を照射することができる。
【００１０】
（３）本発明に係る集束イオンビーム装置の温度制御部は、エミッタの温度を４０Ｋ乃至２００Ｋに制御する。
【００１１】
エミッタの温度が２００Ｋよりも高い場合、イオン化領域へのガス供給が減り、十分なイオンビーム電流が得られない。一方、エミッタの温度が２０Ｋよりも小さい場合、イオン源室内やエミッタ近傍の低温部分においてガスが固化し、安定動作を妨げる。そこで、上記のようにエミッタの温度を制御することにより、十分なイオンビーム電流を安定して照射することができる。
【００１２】
（４）本発明に係る集束イオンビーム装置は、引出電極に０．５ｋＶ乃至２０ｋＶの電圧を印加する。
【００１３】
引出電圧が２０ｋＶより大きいと、放電やエミッタ材料の電界蒸発によりエミッタが破損する。一方、引出電圧が０．５ｋＶより小さいと窒素がイオン化されず、イオンビームを照射できない。そこで、上記のように引出電極に印加する電圧を制御することにより、放電やエミッタ材料の電界蒸発によりエミッタが破損することなく、イオンビームを照射することができる。
【００１４】
（５）本発明に係る集束イオンビーム装置は、ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを用いて、マスクの欠陥を修正する。イオン源室に窒素に比べ質量が大きいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が大きいため、イオンビームは試料に大きなダメージを与えてしまう。一方、イオン源室に窒素に比べ質量が小さいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が小さいため、イオンビームによる試料のスパッタリングは効率が悪く、欠陥修正に膨大な時間がかかる。そこで、上記のとおり原料ガスとして窒素を用いることで、マスクに与えるダメージを軽減しつつ、マスクの欠陥を効率よく修正することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る集束イオンビーム装置によれば、ガス電界電離イオン源を用いて試料へのダメージが小さく、かつ、効率よく微細加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るイオンビーム照射原理の説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るマスク欠陥を修正する集束イオンビーム装置の構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係るマスクの観察像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜実施形態１＞
以下、本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態について説明する。
【００１８】
本実施形態は、ガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置である。ガス電界電離イオン源は、イオン源ガスが供給されたイオン源室内において、原子レベルで先鋭化されたエミッタの先端周辺に高電界を形成することにより、先端に吸着したイオン源ガスをイオン化し、イオンビームを放出する。エミッタ先端から放出されるイオンビームは、光源径が数オングストロームと微小であるため、ビーム径が小さくかつ高輝度なイオンビームを試料に照射することができる。
【００１９】
本実施形態は、イオンビームで試料を加工するために、ヘリウムのような軽い元素ではなく、スパッタリング効率の高い窒素を用いる。ところが、窒素をイオン源ガスとして用いると、エミッタ材料として主に用いるタングステンと窒素が反応し窒化タングステンを形成する。窒化タングステンはタングステンに比べ低い電圧で電界蒸発が起こる。そのため、窒素をイオン化するために必要な電圧をかけるとエミッタが電界蒸発してしまうという問題があった。
【００２０】
そこで、本実施形態の集束イオンビーム装置は、イオン源室のガス分圧等を制御することにより、エミッタを電界蒸発させずに窒素をイオン化しイオンビームを放出する。これにより、ヘリウムに比べ加工速度が速く、また、アルゴンイオンビームよりも試料へのダメージが小さい加工を行うことができる。
【００２１】
装置構成は、図１に示すように、主にイオンビーム鏡筒１０と試料室２０と制御部３０からなる。
試料室２０は、イオンビーム鏡筒１０から照射されるイオンビーム１の照射位置に試料２を移動させる試料ステージ３を収容している。
【００２２】
試料ステージ３は作業者の指示に基づいて動作し、５軸に変位することができる。すなわち、試料ステージ３は、同一面内で互いに直交するＸ軸とＹ軸と、これらに直交するＺ軸とに沿って試料ステージ３を移動させるＸＹＺ軸機構と、Ｘ軸またはＹ軸回りで試料ステージ３を回転させ傾斜させるチルト軸機構と、Ｚ軸回りで試料ステージ３を回転させる回転機構とからなる変位機構により支持されている。
【００２３】
また試料室２０は、イオンビーム１の走査照射により発生する二次イオンや二次電子を検出する検出器４を備えている。この二次イオンや二次電子の検出信号とイオンビーム１の走査信号から観察像を形成することができる。検出器４として反射イオン検出器を用いる場合、試料２から発生した反射イオンを検出し反射イオン像を形成することもできる。
【００２４】
また、試料室２０は、イオンビーム１の照射中に試料３にガスを吹き付け可能なガス供給部５を備えている。ガス供給部５は、ガスを貯蔵するガス貯蔵部とガスを試料２近傍に吹き付けるノズル部とを備えている。ガス供給部５は、ガスの流量を調整するマスフローコントローラなどのガス流量調整部を備えることも可能である。
【００２５】
試料室２０は、試料室２０内を真空状態にするための真空ポンプ６を備えている。これにより試料室２０内の真空度を調整することができる。
【００２６】
制御部３０は、検出器４からの検出信号から観察像を形成する像形成部３１を備えている。像形成部３１で形成された観察像を表示部７に表示する。従って、イオンビーム１を試料２に照射し、発生した二次イオンや二次電子を検出することで、試料２の観察像を表示部７に表示し観察することができる。
【００２７】
イオンビーム鏡筒１０は、イオン源室４０から放出されたイオンビーム１を集束させるコンデンサレンズ電極１１と、試料２上にフォーカスさせる対物レンズ電極１２を備えている。また、イオン源室４０と試料室２０との間に中間室１３を備えている。中間室１３は、イオン源室４０と中間室１３との間にオリフィス１４を、試料室２０と中間室１３との間にオリフィス１５を備えている。イオンビーム１はオリフィス１４、１５を通過し、試料２に照射される。そして、中間室１３は真空ポンプ１６を備えている。これにより、中間室の真空度を調整することができ、中間室１３は試料室２０とイオン源室４０との間で差動排気することができる。
【００２８】
イオン源室４０は、イオンビーム１を放出するエミッタ４１と、エミッタ４１を冷却する冷却装置４２と、エミッタに４１にイオン源ガスを供給するイオン源ガス供給部４６と、イオン源室４０を真空状態にする真空ポンプ４８とを備えている。エミッタ４１は冷却装置４２とイオン源室４０とを接続する接続部４３とイオン源室４０の壁部４４を介して、冷却装置４２により冷却される。また、エミッタ４１にはヒータ４５が接続されており、エミッタ４１の温度を調整することができる。冷却装置４２とヒータ４５は、制御部３０の温度制御部３４により制御される。
【００２９】
ここで、冷却装置４２は内部に収容された液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒によってエミッタ４１を冷却する装置である。冷却装置４２として、ＧＭ型、パルスチューブ型等のクローズドサイクル式冷凍機やガスフロー型の冷凍機を用いてもよい。
【００３０】
エミッタ４１は、タングステンやモリブデンからなる。または、エミッタ４１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものである。エミッタ４１の先端は原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。
【００３１】
エミッタ４１の先端は極めて尖鋭な形状であり、窒素イオンはこの先端から放出され、イオンビーム１のエネルギー分布幅は極めて狭いために色収差の影響を小さく抑えることができ、例えば、プラズマ型ガスイオン源や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が極めて小さくかつ高輝度なイオンビームを得ることができる。
【００３２】
また、イオン源室４０は、エミッタ４１近傍にイオンビーム１を引き出すための電界を形成するための引出電極４９を備えている。引出電極４９への印加電圧は、制御部３０の引出電圧制御部３２により制御される。
【００３３】
イオン源室４０にイオン源ガスを供給するイオン源ガス供給部４６を備える。イオン源ガス供給部４６は、イオン源ガスを貯蔵するガス貯蔵部とイオン源ガスをエミッタ４１近傍に供給するノズル部とを備えている。イオン源ガス供給部４６は、イオン源ガスの流量を調整するマスフローコントローラなどのガス流量調整部を備える。イオン源ガス供給部４６は制御部３０のイオン源ガス制御部３３により制御される。
【００３４】
次にイオンビーム照射原理について図２を用いて説明する。イオン源室４０にはイオン源ガス供給部４６から窒素ガスが供給され、エミッタ４１周辺には窒素分子５１が存在している。エミッタ４１は、冷却装置４２により冷却されており、エミッタ４１周辺の窒素分子５１はエミッタ４１に吸着する。また、引出電圧制御部３２からの信号により電源５０はエミッタ４１と引出電極４９との間に電圧を印加する。これによりエミッタ４１先端の周辺に高電界が発生し、エミッタ４１に吸着した窒素分子５１は先端に移動する。そして、先端で窒素分子５１はイオン化され、引出電圧によりイオンビーム１が放出される。
【００３５】
このエミッタ４１の先端は、原子レベルで先鋭化されており、結晶構造がピラミッド状になるように構成されている。従って、エミッタ４１と引出電極４９との間に電圧が印加させると、ピラミッドの先端において非常に大きな電界が形成され、窒素分子５１は分極して先端に引き寄せられる。そして、引き寄せられた窒素分子５１は電界の高い位置でイオン化される。窒素イオンは引出電極４９の開口部から試料室２内部に向かって放出される。イオンビームが放出される領域の大きさ、つまり、イオン源のソースサイズが極めて小さいので、試料上でのビーム径が小さく、かつ、高輝度な窒素イオンビームを照射することができる。
【００３６】
ここで、引出電圧について説明する。イオン源ガスをイオン化するために必要な電界は、ガス種によって異なる。ヘリウムの場合は、４．４０×１０10Ｖ／ｍである。窒素の場合は、ヘリウムよりも小さい１．６５×１０10Ｖ／ｍである。すなわち、窒素はヘリウムよりも小さい電界でイオン化できるので、印加電圧はヘリウムよりも小さくて良い。印加電圧が大きいとエミッタ自身が電界蒸発してしまい早く消耗してしまうので、窒素を用いることでエミッタ４１を長持ちさせることができる。イオンビームを放出可能な印加電圧はエミッタ４１の先端形状により異なることがあるが、本実施形態は０．５から２０ｋＶの印加電圧でイオンビーム１を放出することが可能である。
【００３７】
ところで、イオンビーム１で試料２の微細加工を効率的にするためにはサブピコアンペアオーダーの電流量が必要である。イオン源室４０の窒素ガス分圧を１．０×１０-6Ｐａとした場合、サブピコアンペアオーダーのイオンビーム電流を得ることができる。また、窒素ガス分圧を１．０×１０-5Ｐａで数ｐＡ、１．０×１０-4Ｐａで数十ｐＡ、１．０×１０-3Ｐａで数百ｐＡ、１．０×１０-2Ｐａで数ｎＡの電流量を照射することができる。この傾向は、エミッタ４１に吸着し、イオン化に寄与する窒素分子の密度が大きくなるため、これにより電流量も大きくなることに起因する。しかしながら、１．０×１０-2Ｐａよりも大きい窒素ガス分圧では、エミッタ４１の窒化が促進され、エミッタ４１自身が電界蒸発により消耗してしまう。
【００３８】
よって、本実施形態ではイオン源室４０における窒素ガスのガス分圧を１．０×１０-6Ｐａ乃至１．０×１０-2Ｐａになるようにイオン源ガス供給部４６を制御する。また、より加工速度が速く、かつ、エミッタ４１の消耗をより小さくするために、ガス分圧を１．０×１０-5Ｐａ乃至１．０×１０-3Ｐａになるように制御することがより好ましい。
【００３９】
イオン源室４０のガス分圧を上記の範囲になるように制御するために、本実施形態ではイオン源室４０と試料室２０との間に中間室１３を備える。また、イオン源ガス供給部４６に断続的に開閉動作するマスフローコントローラを備える。
【００４０】
中間室１３はイオン源室４０と中間室１３との間にオリフィス１４を、試料室２０と中間室１３との間にオリフィス１５を備え、かつ、真空ポンプ１６を動作させることにより、試料室２０とイオン源室４０をそれぞれ異なる真空度に保つことができる。試料室２０のベース真空度は１．０×１０-5Ｐａオーダーである。また、ガス供給部５により試料２にガスを吹き付けながら加工する場合、試料室２０の真空度は１．０×１０-3Ｐａオーダーである。すなわち、このような場合、イオン源室４０が試料室２０よりも真空度が高い状態で動作させることになる。中間室１３がないと、試料室２０から不純物ガスがイオン源室４０に流入し、不純物がエミッタ４１に吸着するため、イオンビーム照射が不安定になってしまう。
【００４１】
また、断続的に開閉動作するマスフローコントローラを備えることで、イオン源室４０に微少量の窒素ガスを供給することができるので、上記のガス分圧を実現することができる。
【００４２】
次に、エミッタ４１の温度制御について説明する。エミッタ４１の温度が低いと窒素分子５１の吸着密度が高くなる。従って、エミッタ４１の温度を低くすることでイオンビーム１の電流量が大きくなる。しかし、エミッタ４１の温度を低くすると、イオン源室４０の壁部４４や冷却装置４２とイオン源室４０との接続部４３に窒素分子５１が吸着し、固体化する。固体化した窒素はイオン源室４０の温度が上がった際に、一斉に気化するため、イオン源室４０のガス分圧が急激に高くなり、イオン源の動作が不安定になる。
【００４３】
そこで、本実施形態では、温度制御部３４によりエミッタ４１の温度を４０Ｋ乃至２００Ｋになるように制御する。これにより、微細加工に必要な電流量のイオンビームを安定して照射することができる。
以上のとおり、本実施形態の集束イオンビーム装置によれば、窒素イオンビームを安定して照射することができる。
【００４４】
＜実施形態２＞
実施形態１のガス電界電離イオン源を備えたイオンビーム鏡筒を備えたマスク修正装置の実施形態について説明する。
【００４５】
マスクの欠陥修正では、イオンビームを照射し欠陥を修正する際にマスクの透過部分にイオンが打ち込まれマスクの透過率が低下することが問題であった。ガリウムなどの金属イオンがマスクを露光する光を吸収してしまうからである。ガス電界電離イオン源でヘリウムイオンビームを用いることで透過部分へのダメージを軽減することができるが、スパッタリング効率が極めて低いため、加工の効率が悪いという問題があった。そこで、本実施形態では、窒素イオンビームによるマスク修正を実施することで、透過部分へのダメージが小さく、かつ、効率の良い加工を実現する。
【００４６】
本発明の実施形態に係るマスク欠陥を修正する集束イオンビーム装置は、図３に示すように主にイオンビーム鏡筒１０と制御部３０と試料室６５から構成される。
【００４７】
欠陥を有するマスクの修正について説明する。試料室６５内の試料ステージ６１に載置されたマスク６０に対し、イオンビーム鏡筒２０から窒素イオンビームを照射し、マスク表面の観察を行う。図４はマスク６０の観察像である。マスク６０は遮光パターン部６６を有している。遮光パターン部６６の一部に欠陥６７が存在する。
【００４８】
次に、炭素系ガスまたはプラチナやタングステンなどの金属を含有した炭素系化合物ガスなどのデポジションガスをデポジションガス供給部６２からマスク６０の欠陥６７に吹きつけながら窒素イオンビームを照射する。これにより欠陥６７を埋めるようにデポジション膜が形成される。したがって欠陥が修正されたマスクは露光しても欠陥が転写されることなく正常にパターンを転写することができる。
【００４９】
また、遮光パターン部から余分に突出した欠陥を修正する場合は、ヨウ素などのハロゲン系のエッチングガスをエッチングガス供給部６３からマスクの欠陥部分に吹きつけながら窒素イオンビームを照射する。これにより突出した欠陥部分がエッチングされ、マスクを正常に修正することができる。
【００５０】
以上のとおり、本実施形態の集束イオンビーム装置によれば、窒素イオンビームを用いることで、マスクの透過部分に露光の光を吸収するようなイオンを打ち込むことなく欠陥を、効率よく修正することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…イオンビーム
２…試料
３…試料ステージ
４…検出器
５…ガス供給部
６…真空ポンプ
７…表示部
１０…イオンビーム鏡筒
１１…コンデンサレンズ電極
１２…対物レンズ電極
１３…中間室
１４、１５…オリフィス
１６…真空ポンプ
２０…試料室
３０…制御部
３１…像形成部
３２…引出電圧制御部
３３…イオン源ガス制御部
３４…温度制御部
４０…イオン源室
４１…エミッタ
４２…冷却装置
４３…接続部
４４…壁部
４５…ヒータ
４６…イオン源ガス供給部
４８…真空ポンプ
４９…引出電極
５０…電源
５１…窒素分子
６０…マスク
６１…試料ステージ
６２…デポジションガス供給部
６３…エッチングガス供給部
６５…試料室
６６…遮光パターン部
６７…欠陥
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集束イオンビーム装置のイオン源として、原料ガスをイオン化しイオンビームを放出するガス電界電離イオン源が知られている。
ガス電界電離イオン源を用いた装置として、例えば、ガス電界電離イオン源からアルゴンイオンビームを照射し、フォトマスクの欠陥修正などの微細加工を行う集束イオンビーム装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の装置では、試料観察の際にアルゴンイオンビームのスパッタリング効果により試料にダメージを与えてしまう問題があった。一方、ヘリウムのイオンビームでは、試料加工の際にエッチング効率が低いため、加工に膨大な時間がかかるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／０２２６０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、試料へのダメージが小さく、かつ、効率よく微細加工を行うガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
（１）本発明に係る集束イオンビーム装置は、イオンビームを放出するエミッタと、エミッタを収容するイオン源室と、イオン源室に窒素を供給するガス供給部と、窒素をイオン化し、窒素イオンを引き出す電圧を印加するための引出電極と、エミッタを冷却する温度制御部と、を有するガス電界電離イオン源を備えている。
【０００７】
イオン源室に窒素に比べ質量が大きいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が大きいため、イオンビームは試料に大きなダメージを与えてしまう。一方、イオン源室に窒素に比べ質量が小さいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が小さいため、イオンビームによる試料のスパッタリング効率が悪く、加工に膨大な時間がかかる。そこで、上記のとおり原料ガスとして窒素を用いることで、試料へのダメージを軽減すると共に効率よく試料を加工することができる。
【０００８】
（２）本発明に係る集束イオンビーム装置のガス供給部は、イオン源室内の圧力が１．０×１０-6Ｐａ乃至１．０×１０-2Ｐａになるように窒素ガスの供給を制御する。さらにガス供給部は、イオン源室内の圧力が１．０×１０-5Ｐａ乃至１．０×１０-3Ｐａになるように窒素ガスの供給を制御することがより好ましい。
【０００９】
イオン源室内の圧力が１．０×１０-2Ｐａよりも高い場合、エミッタの窒化が促進され、引出電圧を印加することでエミッタが電界蒸発により破壊されてしまう。一方、イオン源室内の圧力が１．０×１０-6Ｐａよりも低い場合、十分なイオンビームの電流量が得られない。そこで、上記のように窒素ガスの供給を制御することにより、エミッタが電界蒸発により破壊されることなく、かつ、十分なイオンビーム電流を照射することができる。
【００１０】
（３）本発明に係る集束イオンビーム装置の温度制御部は、エミッタの温度を４０Ｋ乃至２００Ｋに制御する。
【００１１】
エミッタの温度が２００Ｋよりも高い場合、イオン化領域へのガス供給が減り、十分なイオンビーム電流が得られない。一方、エミッタの温度が２０Ｋよりも小さい場合、イオン源室内やエミッタ近傍の低温部分においてガスが固化し、安定動作を妨げる。そこで、上記のようにエミッタの温度を制御することにより、十分なイオンビーム電流を安定して照射することができる。
【００１２】
（４）本発明に係る集束イオンビーム装置は、引出電極に０．５ｋＶ乃至２０ｋＶの電圧を印加する。
【００１３】
引出電圧が２０ｋＶより大きいと、放電やエミッタ材料の電界蒸発によりエミッタが破損する。一方、引出電圧が０．５ｋＶより小さいと窒素がイオン化されず、イオンビームを照射できない。そこで、上記のように引出電極に印加する電圧を制御することにより、放電やエミッタ材料の電界蒸発によりエミッタが破損することなく、イオンビームを照射することができる。
【００１４】
（５）本発明に係る集束イオンビーム装置は、ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを用いて、マスクの欠陥を修正する。イオン源室に窒素に比べ質量が大きいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が大きいため、イオンビームは試料に大きなダメージを与えてしまう。一方、イオン源室に窒素に比べ質量が小さいガスを供給しイオン化した場合、イオンの質量が小さいため、イオンビームによる試料のスパッタリングは効率が悪く、欠陥修正に膨大な時間がかかる。そこで、上記のとおり原料ガスとして窒素を用いることで、マスクに与えるダメージを軽減しつつ、マスクの欠陥を効率よく修正することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る集束イオンビーム装置によれば、ガス電界電離イオン源を用いて試料へのダメージが小さく、かつ、効率よく微細加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るイオンビーム照射原理の説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るマスク欠陥を修正する集束イオンビーム装置の構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係るマスクの観察像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜実施形態１＞
以下、本発明に係る集束イオンビーム装置の実施形態について説明する。
【００１８】
本実施形態は、ガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置である。ガス電界電離イオン源は、イオン源ガスが供給されたイオン源室内において、原子レベルで先鋭化されたエミッタの先端周辺に高電界を形成することにより、先端に吸着したイオン源ガスをイオン化し、イオンビームを放出する。エミッタ先端から放出されるイオンビームは、光源径が数オングストロームと微小であるため、ビーム径が小さくかつ高輝度なイオンビームを試料に照射することができる。
【００１９】
本実施形態は、イオンビームで試料を加工するために、ヘリウムのような軽い元素ではなく、スパッタリング効率の高い窒素を用いる。ところが、窒素をイオン源ガスとして用いると、エミッタ材料として主に用いるタングステンと窒素が反応し窒化タングステンを形成する。窒化タングステンはタングステンに比べ低い電圧で電界蒸発が起こる。そのため、窒素をイオン化するために必要な電圧をかけるとエミッタが電界蒸発してしまうという問題があった。
【００２０】
そこで、本実施形態の集束イオンビーム装置は、イオン源室のガス分圧等を制御することにより、エミッタを電界蒸発させずに窒素をイオン化しイオンビームを放出する。これにより、ヘリウムに比べ加工速度が速く、また、アルゴンイオンビームよりも試料へのダメージが小さい加工を行うことができる。
【００２１】
装置構成は、図１に示すように、主にイオンビーム鏡筒１０と試料室２０と制御部３０からなる。
試料室２０は、イオンビーム鏡筒１０から照射されるイオンビーム１の照射位置に試料２を移動させる試料ステージ３を収容している。
【００２２】
試料ステージ３は作業者の指示に基づいて動作し、５軸に変位することができる。すなわち、試料ステージ３は、同一面内で互いに直交するＸ軸とＹ軸と、これらに直交するＺ軸とに沿って試料ステージ３を移動させるＸＹＺ軸機構と、Ｘ軸またはＹ軸回りで試料ステージ３を回転させ傾斜させるチルト軸機構と、Ｚ軸回りで試料ステージ３を回転させる回転機構とからなる変位機構により支持されている。
【００２３】
また試料室２０は、イオンビーム１の走査照射により発生する二次イオンや二次電子を検出する検出器４を備えている。この二次イオンや二次電子の検出信号とイオンビーム１の走査信号から観察像を形成することができる。検出器４として反射イオン検出器を用いる場合、試料２から発生した反射イオンを検出し反射イオン像を形成することもできる。
【００２４】
また、試料室２０は、イオンビーム１の照射中に試料３にガスを吹き付け可能なガス供給部５を備えている。ガス供給部５は、ガスを貯蔵するガス貯蔵部とガスを試料２近傍に吹き付けるノズル部とを備えている。ガス供給部５は、ガスの流量を調整するマスフローコントローラなどのガス流量調整部を備えることも可能である。
【００２５】
試料室２０は、試料室２０内を真空状態にするための真空ポンプ６を備えている。これにより試料室２０内の真空度を調整することができる。
【００２６】
制御部３０は、検出器４からの検出信号から観察像を形成する像形成部３１を備えている。像形成部３１で形成された観察像を表示部７に表示する。従って、イオンビーム１を試料２に照射し、発生した二次イオンや二次電子を検出することで、試料２の観察像を表示部７に表示し観察することができる。
【００２７】
イオンビーム鏡筒１０は、イオン源室４０から放出されたイオンビーム１を集束させるコンデンサレンズ電極１１と、試料２上にフォーカスさせる対物レンズ電極１２を備えている。また、イオン源室４０と試料室２０との間に中間室１３を備えている。中間室１３は、イオン源室４０と中間室１３との間にオリフィス１４を、試料室２０と中間室１３との間にオリフィス１５を備えている。イオンビーム１はオリフィス１４、１５を通過し、試料２に照射される。そして、中間室１３は真空ポンプ１６を備えている。これにより、中間室の真空度を調整することができ、中間室１３は試料室２０とイオン源室４０との間で差動排気することができる。
【００２８】
イオン源室４０は、イオンビーム１を放出するエミッタ４１と、エミッタ４１を冷却する冷却装置４２と、エミッタに４１にイオン源ガスを供給するイオン源ガス供給部４６と、イオン源室４０を真空状態にする真空ポンプ４８とを備えている。エミッタ４１は冷却装置４２とイオン源室４０とを接続する接続部４３とイオン源室４０の壁部４４を介して、冷却装置４２により冷却される。また、エミッタ４１にはヒータ４５が接続されており、エミッタ４１の温度を調整することができる。冷却装置４２とヒータ４５は、制御部３０の温度制御部３４により制御される。
【００２９】
ここで、冷却装置４２は内部に収容された液体窒素、液体ヘリウム等の冷媒によってエミッタ４１を冷却する装置である。冷却装置４２として、ＧＭ型、パルスチューブ型等のクローズドサイクル式冷凍機やガスフロー型の冷凍機を用いてもよい。
【００３０】
エミッタ４１は、タングステンやモリブデンからなる。または、エミッタ４１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものである。エミッタ４１の先端は原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。
【００３１】
エミッタ４１の先端は極めて尖鋭な形状であり、窒素イオンはこの先端から放出され、イオンビーム１のエネルギー分布幅は極めて狭いために色収差の影響を小さく抑えることができ、例えば、プラズマ型ガスイオン源や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が極めて小さくかつ高輝度なイオンビームを得ることができる。
【００３２】
また、イオン源室４０は、エミッタ４１近傍にイオンビーム１を引き出すための電界を形成するための引出電極４９を備えている。引出電極４９への印加電圧は、制御部３０の引出電圧制御部３２により制御される。
【００３３】
イオン源室４０にイオン源ガスを供給するイオン源ガス供給部４６を備える。イオン源ガス供給部４６は、イオン源ガスを貯蔵するガス貯蔵部とイオン源ガスをエミッタ４１近傍に供給するノズル部とを備えている。イオン源ガス供給部４６は、イオン源ガスの流量を調整するマスフローコントローラなどのガス流量調整部を備える。イオン源ガス供給部４６は制御部３０のイオン源ガス制御部３３により制御される。
【００３４】
次にイオンビーム照射原理について図２を用いて説明する。イオン源室４０にはイオン源ガス供給部４６から窒素ガスが供給され、エミッタ４１周辺には窒素分子５１が存在している。エミッタ４１は、冷却装置４２により冷却されており、エミッタ４１周辺の窒素分子５１はエミッタ４１に吸着する。また、引出電圧制御部３２からの信号により電源５０はエミッタ４１と引出電極４９との間に電圧を印加する。これによりエミッタ４１先端の周辺に高電界が発生し、エミッタ４１に吸着した窒素分子５１は先端に移動する。そして、先端で窒素分子５１はイオン化され、引出電圧によりイオンビーム１が放出される。
【００３５】
このエミッタ４１の先端は、原子レベルで先鋭化されており、結晶構造がピラミッド状になるように構成されている。従って、エミッタ４１と引出電極４９との間に電圧が印加させると、ピラミッドの先端において非常に大きな電界が形成され、窒素分子５１は分極して先端に引き寄せられる。そして、引き寄せられた窒素分子５１は電界の高い位置でイオン化される。窒素イオンは引出電極４９の開口部から試料室２内部に向かって放出される。イオンビームが放出される領域の大きさ、つまり、イオン源のソースサイズが極めて小さいので、試料上でのビーム径が小さく、かつ、高輝度な窒素イオンビームを照射することができる。
【００３６】
ここで、引出電圧について説明する。イオン源ガスをイオン化するために必要な電界は、ガス種によって異なる。ヘリウムの場合は、４．４０×１０10Ｖ／ｍである。窒素の場合は、ヘリウムよりも小さい１．６５×１０10Ｖ／ｍである。すなわち、窒素はヘリウムよりも小さい電界でイオン化できるので、印加電圧はヘリウムよりも小さくて良い。印加電圧が大きいとエミッタ自身が電界蒸発してしまい早く消耗してしまうので、窒素を用いることでエミッタ４１を長持ちさせることができる。イオンビームを放出可能な印加電圧はエミッタ４１の先端形状により異なることがあるが、本実施形態は０．５から２０ｋＶの印加電圧でイオンビーム１を放出することが可能である。
【００３７】
ところで、イオンビーム１で試料２の微細加工を効率的にするためにはサブピコアンペアオーダーの電流量が必要である。イオン源室４０の窒素ガス分圧を１．０×１０-6Ｐａとした場合、サブピコアンペアオーダーのイオンビーム電流を得ることができる。また、窒素ガス分圧を１．０×１０-5Ｐａで数ｐＡ、１．０×１０-4Ｐａで数十ｐＡ、１．０×１０-3Ｐａで数百ｐＡ、１．０×１０-2Ｐａで数ｎＡの電流量を照射することができる。この傾向は、エミッタ４１に吸着し、イオン化に寄与する窒素分子の密度が大きくなるため、これにより電流量も大きくなることに起因する。しかしながら、１．０×１０-2Ｐａよりも大きい窒素ガス分圧では、エミッタ４１の窒化が促進され、エミッタ４１自身が電界蒸発により消耗してしまう。
【００３８】
よって、本実施形態ではイオン源室４０における窒素ガスのガス分圧を１．０×１０-6Ｐａ乃至１．０×１０-2Ｐａになるようにイオン源ガス供給部４６を制御する。また、より加工速度が速く、かつ、エミッタ４１の消耗をより小さくするために、ガス分圧を１．０×１０-5Ｐａ乃至１．０×１０-3Ｐａになるように制御することがより好ましい。
【００３９】
イオン源室４０のガス分圧を上記の範囲になるように制御するために、本実施形態ではイオン源室４０と試料室２０との間に中間室１３を備える。また、イオン源ガス供給部４６に断続的に開閉動作するマスフローコントローラを備える。
【００４０】
中間室１３はイオン源室４０と中間室１３との間にオリフィス１４を、試料室２０と中間室１３との間にオリフィス１５を備え、かつ、真空ポンプ１６を動作させることにより、試料室２０とイオン源室４０をそれぞれ異なる真空度に保つことができる。試料室２０のベース真空度は１．０×１０-5Ｐａオーダーである。また、ガス供給部５により試料２にガスを吹き付けながら加工する場合、試料室２０の真空度は１．０×１０-3Ｐａオーダーである。すなわち、このような場合、イオン源室４０が試料室２０よりも真空度が高い状態で動作させることになる。中間室１３がないと、試料室２０から不純物ガスがイオン源室４０に流入し、不純物がエミッタ４１に吸着するため、イオンビーム照射が不安定になってしまう。
【００４１】
また、断続的に開閉動作するマスフローコントローラを備えることで、イオン源室４０に微少量の窒素ガスを供給することができるので、上記のガス分圧を実現することができる。
【００４２】
次に、エミッタ４１の温度制御について説明する。エミッタ４１の温度が低いと窒素分子５１の吸着密度が高くなる。従って、エミッタ４１の温度を低くすることでイオンビーム１の電流量が大きくなる。しかし、エミッタ４１の温度を低くすると、イオン源室４０の壁部４４や冷却装置４２とイオン源室４０との接続部４３に窒素分子５１が吸着し、固体化する。固体化した窒素はイオン源室４０の温度が上がった際に、一斉に気化するため、イオン源室４０のガス分圧が急激に高くなり、イオン源の動作が不安定になる。
【００４３】
そこで、本実施形態では、温度制御部３４によりエミッタ４１の温度を４０Ｋ乃至２００Ｋになるように制御する。これにより、微細加工に必要な電流量のイオンビームを安定して照射することができる。
以上のとおり、本実施形態の集束イオンビーム装置によれば、窒素イオンビームを安定して照射することができる。
【００４４】
＜実施形態２＞
実施形態１のガス電界電離イオン源を備えたイオンビーム鏡筒を備えたマスク修正装置の実施形態について説明する。
【００４５】
マスクの欠陥修正では、イオンビームを照射し欠陥を修正する際にマスクの透過部分にイオンが打ち込まれマスクの透過率が低下することが問題であった。ガリウムなどの金属イオンがマスクを露光する光を吸収してしまうからである。ガス電界電離イオン源でヘリウムイオンビームを用いることで透過部分へのダメージを軽減することができるが、スパッタリング効率が極めて低いため、加工の効率が悪いという問題があった。そこで、本実施形態では、窒素イオンビームによるマスク修正を実施することで、透過部分へのダメージが小さく、かつ、効率の良い加工を実現する。
【００４６】
本発明の実施形態に係るマスク欠陥を修正する集束イオンビーム装置は、図３に示すように主にイオンビーム鏡筒１０と制御部３０と試料室６５から構成される。
【００４７】
欠陥を有するマスクの修正について説明する。試料室６５内の試料ステージ６１に載置されたマスク６０に対し、イオンビーム鏡筒２０から窒素イオンビームを照射し、マスク表面の観察を行う。図４はマスク６０の観察像である。マスク６０は遮光パターン部６６を有している。遮光パターン部６６の一部に欠陥６７が存在する。
【００４８】
次に、炭素系ガスまたはプラチナやタングステンなどの金属を含有した炭素系化合物ガスなどのデポジションガスをデポジションガス供給部６２からマスク６０の欠陥６７に吹きつけながら窒素イオンビームを照射する。これにより欠陥６７を埋めるようにデポジション膜が形成される。したがって欠陥が修正されたマスクは露光しても欠陥が転写されることなく正常にパターンを転写することができる。
【００４９】
また、遮光パターン部から余分に突出した欠陥を修正する場合は、ヨウ素などのハロゲン系のエッチングガスをエッチングガス供給部６３からマスクの欠陥部分に吹きつけながら窒素イオンビームを照射する。これにより突出した欠陥部分がエッチングされ、マスクを正常に修正することができる。
【００５０】
以上のとおり、本実施形態の集束イオンビーム装置によれば、窒素イオンビームを用いることで、マスクの透過部分に露光の光を吸収するようなイオンを打ち込むことなく欠陥を、効率よく修正することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…イオンビーム
２…試料
３…試料ステージ
４…検出器
５…ガス供給部
６…真空ポンプ
７…表示部
１０…イオンビーム鏡筒
１１…コンデンサレンズ電極
１２…対物レンズ電極
１３…中間室
１４、１５…オリフィス
１６…真空ポンプ
２０…試料室
３０…制御部
３１…像形成部
３２…引出電圧制御部
３３…イオン源ガス制御部
３４…温度制御部
４０…イオン源室
４１…エミッタ
４２…冷却装置
４３…接続部
４４…壁部
４５…ヒータ
４６…イオン源ガス供給部
４８…真空ポンプ
４９…引出電極
５０…電源
５１…窒素分子
６０…マスク
６１…試料ステージ
６２…デポジションガス供給部
６３…エッチングガス供給部
６５…試料室
６６…遮光パターン部
６７…欠陥
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを放出するエミッタと、
前記エミッタを収容するイオン源室と、
前記イオン源室に窒素を供給するガス供給部と、
前記窒素をイオン化し、窒素イオンを引き出す電圧を印加するための引出電極と、
前記エミッタを冷却する温度制御部と、を有するガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記イオン源室内の圧力が１．０×１０-6Ｐａ乃至１．０×１０-2Ｐａになるように前記窒素の供給を制御する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
【請求項３】
前記ガス供給部は、前記イオン源室内の圧力が１．０×１０-5Ｐａ乃至１．０×１０-3Ｐａになるように前記窒素の供給を制御する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
【請求項４】
前記温度制御部は、前記エミッタの温度を４０Ｋ乃至２００Ｋに制御する請求項１乃至３のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
【請求項５】
前記引出電極に印加する前記電圧は、０．５ｋＶ乃至２０ｋＶである請求項１乃至４のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
【請求項６】
前記ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを用いて、マスクの欠陥を修正する請求項１乃至５のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
【請求項１】
イオンビームを放出するエミッタと、
前記エミッタを収容するイオン源室と、
前記イオン源室に窒素を供給するガス供給部と、
前記窒素をイオン化し、窒素イオンを引き出す電圧を印加するための引出電極と、
前記エミッタを冷却する温度制御部と、を有するガス電界電離イオン源を備えた集束イオンビーム装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記イオン源室内の圧力が１．０×１０-6Ｐａ乃至１．０×１０-2Ｐａになるように前記窒素の供給を制御する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
【請求項３】
前記ガス供給部は、前記イオン源室内の圧力が１．０×１０-5Ｐａ乃至１．０×１０-3Ｐａになるように前記窒素の供給を制御する請求項１に記載の集束イオンビーム装置。
【請求項４】
前記温度制御部は、前記エミッタの温度を４０Ｋ乃至２００Ｋに制御する請求項１乃至３のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
【請求項５】
前記引出電極に印加する前記電圧は、０．５ｋＶ乃至２０ｋＶである請求項１乃至４のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
【請求項６】
前記ガス電界電離イオン源から放出されたイオンビームを用いて、マスクの欠陥を修正する請求項１乃至５のいずれか一つに記載の集束イオンビーム装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８９５３４（Ｐ２０１３−８９５３４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３０７６９（Ｐ２０１１−２３０７６９）
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代半導体材料・プロセス基盤（ＭＩＲＡＩ）プロジェクト／次世代半導体材料・プロセス基盤（ＭＩＲＡＩ）プロジェクト（石特会計）／次世代マスク基盤技術開発（継続研究）」委託研究、産業技術力強化第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３４６０３２３）株式会社日立ハイテクサイエンス (330)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２３年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代半導体材料・プロセス基盤（ＭＩＲＡＩ）プロジェクト／次世代半導体材料・プロセス基盤（ＭＩＲＡＩ）プロジェクト（石特会計）／次世代マスク基盤技術開発（継続研究）」委託研究、産業技術力強化第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３４６０３２３）株式会社日立ハイテクサイエンス (330)
【Ｆターム（参考）】
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