電界電離型イオン源のエミッター、集束イオンビーム装置及び集束イオンビーム照射方法
【課題】試料に照射するイオンビーム電流量を増大させ、試料加工のスループットが高い集束イオンビーム装置を提供すること。
【解決手段】エミッター１にガスを供給し、エミッター１先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビーム７を放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、エミッター１先端は、原子レベルの突起部１ｃと、突起部を有する球状部と、球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、１５°以下である電界電離型イオン源のエミッターを有する集束イオンビーム装置を提供する。
【解決手段】エミッター１にガスを供給し、エミッター１先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビーム７を放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、エミッター１先端は、原子レベルの突起部１ｃと、突起部を有する球状部と、球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、１５°以下である電界電離型イオン源のエミッターを有す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、針状のビーム源からイオンビームを引き出し、試料に照射する集束イオンビーム装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン源として液体金属ガリウムを用いた集束イオンビームにより、シリコンデバイスの配線変更、断面加工観察、ＴＥＭ試料作製、フォトマスクの欠陥修正などが行われている。しかし、ガリウムはデバイスにとっては汚染源であるため、一度集束イオンビームを照射したシリコンウエーハを製造ラインに戻すことはデバイスの品質管理上困難であった。また、フォトマスクの欠陥修正においては、露光光源の短波長化に伴い、修正箇所に打ち込まれたガリウムによる透過率の低下が顕著となり技術的な課題であった。
【０００３】
近年では、このような課題に対して、ガスイオン源を用いたイオンビームによりウエーハから所望部分を切り出し、ウエーハを製造ラインに戻す技術が知られている（特許文献１参照）。しかし、ガスイオン源は液体金属ガリウムのイオン源に比べてビームを小さく絞ることができない課題があった。
【０００４】
このような課題に対して、微細なエミッターにイオン源ガスを供給して、エミッター先端に形成された強力な電界により、エミッターに吸着したイオン源ガス種をイオン化し、イオンビームを引き出す電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置が開発されている。これによれば、ビームをオングストロームオーダーまで小さく絞ることができる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３４２６３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｔｓｕ−Ｙｉ Ｆｕ，et al. :Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ６４（２００１）１１３４０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置では、試料に照射するイオンビーム電流量が小さいため、試料の加工を行うスループットが低いことが課題であった。
【０００８】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、試料に照射するイオンビーム電流量を増大させ、試料加工のスループットが高い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】
【０００９】
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。
本発明に係る電界電離型イオン源のエミッターは、エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターであり、エミッター先端は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部と、球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、１５°以下である。または、曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、６°以下である。または、曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、２°以下である。
【００１０】
このような形状のエミッターを用いることで、エミッター先端のイオンビームを射出するイオン化領域に多くのガス分子を供給可能になる。よってイオンビームを多く照射することができる。
【００１１】
また、本発明に係る電界電離型イオン源のエミッターは、エミッターの温度を９０Ｋとし、ガスとしてヘリウムガスをガス圧力０．０５Ｐａで用いた場合の実効捕獲領域が０．２５μｍ2以上である。このようなエミッターを用いることで、３００ｐＡ以上のイオンビーム電流を照射することができる。
【００１２】
また、本発明に係る集束イオンビーム装置は、上記の電界電離型イオン源のエミッターと、エミッターにガスを供給するガス供給部と、エミッターの表面に吸着した前記ガスをイオン化してイオンビームを引き出す引出電極と、エミッターと引出電極の間に電圧を印加する電圧供給部と、イオンビームを試料に集束させるレンズ系と、試料を載置する試料ステージと、を有する。
【００１３】
また、本発明に係る集束イオンビーム照射方法は、エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法であり、エミッター先端は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部と、球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、１５°以下である。または、曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、６°以下である。または曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、２°以下である。
【００１４】
また、本発明に係る集束イオンビーム照射方法は、上記の集束イオンビーム照射方法でエミッターの温度を９０Ｋ以下とする。
このような集束イオンビーム照射方法を用いることで、エミッター先端のイオンビームを射出するイオン化領域に多くのガス分子を供給可能になる。
【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、多くのガス分子をイオン化可能な形状を有するエミッターを用いることで、試料加工のスループットが高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るエミッターの模式図である。
【図２】本発明に係るエミッターの模式図である。
【図３】本発明に係るシミュレーション結果の図である。
【図４】本発明に係る実効捕獲面積のエミッター寸法依存性の図である。
【図５】本発明に係るイオンビーム電流のエミッター寸法依存性の図である。
【図６】本発明に係るＴＥＭ試料作製の説明図である。
【図７】本発明に係るエミッターのＳＥＭ像である。
【図８】本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。
【図９】本発明に係るイオン銃部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
電界電離型イオン源は、エミッターにイオン源用ガスを供給し、エミッターと引出電極との間に印加した電圧により強電界を形成し、イオンビームを放出する。図１に示すように、エミッター１周辺に供給されたガス分子４、５は、分極力によりエミッター１に引き寄せられる。ガス分子４、５は、エミッター１に引き寄せられ、エミッター１と接触し、エミッター１の先端に移動する。エミッター１の先端に到達したガス分子４、５はイオンビーム７として照射される。
【００１８】
ガス分子は電界中で分極ポテンシャルエネルギー（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｅｎｅｒｇｙ）を持っている。
ＥPPE＝αＦ2／２
ここで、αはガスの分極率、Ｆは電界強度である。また、温度Ｔのガス分子の一次元熱平衡エネルギー（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｅｎｅｒｇｙ：ＥTEE）は、次の式で示すことができる。
ＥTEE＝ｋＴ／２
ここで、ｋはボルツマン定数である。ガスの速度はマクスウェル分布に従うため、ＥPPEとＥTEEは平均値として取り扱うことができる。エミッター１と引出電極との間に電圧を印加することで、エミッター１の周辺は強電界が形成されている。例えばヘリウムガスを用いる場合は、４４Ｖ／ｎｍ、アルゴンガスを用いる場合は、２２Ｖ／ｎｍの電界を形成する。電界強度はエミッター先端部から離れるに従い、徐々に弱くなっている。ＥPPE＜ＥTEEとなる領域では、ガス分子は熱運動によりランダム運動を行う。ＥPPE＞ＥTEEとなる領域では、ガス分子は分極力によってエミッター１に引き寄せられる。ＥPPE＞ＥTEEとなる領域を入射領域２とする。図１において、入射領域２内に供給されたガス分子４、５は、エミッター１に引き寄せられ、エミッター１の表面をバウンドするように接触を繰り返しながら先端部に移動する。ガス分子４、５は、エミッター１の表面と接触することで、冷却される。そして、エミッター１から離れたガス分子４、５は、電界により再びエミッター１の表面に接触する。この運動をホッピング運動と呼ぶ。ホッピング運動では、ガス分子４、５の温度が冷えると、ホッピング高さは低くなる。そして、ガス分子４、５は、エミッター１の先端部の強電界領域（イオン化領域６）内に移動する。イオン化領域６内に到達したガス分子４、５は、電界電離され、イオン化し、イオンビーム７として照射される。一方、入射領域２よりも外側のガス分子３は、エミッター１表面に接触後、エミッター１先端に向かってホッピング運動をすることなくエミッター１の先端とは異なる方向に放出される。
【００１９】
ところで、入射領域２内に供給されたすべてのガス分子が、電界電離することはない。入射領域２内に供給されたガス分子のうち、一部のガス分子がイオン化領域６に到達し電界電離する。これらのガス分子は、ホッピング運動の間に運動エネルギーをエミッター１表面に移動させることによりクールダウンする。そして、エミッター１の先端部のイオン化領域６内に到達し、電界電離する。供給されたガス分子がホッピング運動過程を経てイオン化領域６内に到達する確率を、捕獲確率ΠCと定義する。捕獲確率ΠCはＲ．Ｇ．Ｆｏｒｂｅｓ， ｉｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｏｐｔｉｃｓ， ２ｎｄ ｅｄ． ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｊ．Ｏｒｌｏｆｆ （ＣＲＣ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ２００９）によれば半経験式より、次のように示すことができる。
ΠC〜ｃ0Φ1/2 （Φ≦Φ1）
ΠC＝１ （Φ＞Φ1）
ここで、ｃ0＝０．４６ａ01/4であり、ａ0はａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｔｏｍ−ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎである。また、
Φ＝（０．５αＦ2）／（ｋＴ）
Φ1＝１／ｃ02
である。すなわち、ΦがΦ1よりも小さい場合、捕獲確率ΠCは電界強度Ｆに比例する関係がある。そして、電界強度Ｆはエミッター１周辺の電界強度分布であるからエミッター１の形状（寸法）に依存する。よって、捕獲確率ΠCはエミッター１の寸法の影響を受ける。また、イオンビーム電流は、実効捕獲領域Ａｃとガス流束密度と電荷の積で表すことができる。従って、エミッター１からイオンビームを多く照射するためには、捕獲確率ΠCが大きいことと、入射領域２が大きいことが望ましい。ここで、入射領域×捕獲確率ΠCを実効捕獲領域Ａｃと定義し、エミッター寸法と実効捕獲領域Ａｃとイオンビーム電流の関係についてシミュレーション（境界要素法による電界計算）を実施した。
【００２０】
図２はシミュレーションに用いたエミッター１である。図２（ａ）はエミッター１の寸法で、針部１ａから先端部１ｂに向かって徐々にエミッター径が細くなっている。ここで、寸法の単位はμｍである。図２（ｂ）は先端部１ｂの模式図であり先端の曲率半径２２をｒ、傾斜角２１をθとする。図２（ｃ）は、先端部１ｂの拡大図であり、先端に原子レベルの突起部１ｃを有している。このように、エミッター１は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部分とそれに続く傾斜角を有する円柱部分からなる先端部１ｂと、先端方向に向かって徐々に径が細くなる針部１ａと、円柱状の付け根部分とからなる。ここで傾斜角の角度は、エミッター１の中心線とエミッター１の表面とがなす角度である。
【００２１】
ところで、エミッター１の温度を低くすることで、イオンビーム電流量は増加する。特にエミッター１の温度を７０Ｋ以下にすることでイオンビーム電流量は大きく増加する。しかし、エミッター１の温度を７０Ｋ以下にするためには高性能な冷凍機が必要である。液体窒素による冷却であれば容易で安価に実施することができる。そこで、液体窒素による冷却で到達可能な９０Ｋをエミッター１の温度としてシミュレーションを実施した。
【００２２】
図３は、シミュレーション結果である。エミッター温度を９０Ｋ、イオン源用ガスとしてヘリウムガスを用いたときのエミッター１の先端部１ｂ周辺の入射領域３１の拡がりを示している。パラーメータとして、曲率半径ｒを５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、傾斜角θを２°、６°、１５°とした。図３の視野は１平方ミクロンメートルである。シミュレーション結果によると、曲率半径ｒが大きいほうが入射領域は大きくなった。また、傾斜角θが小さい方が入射領域は大きくなった。
【００２３】
図４は、実効捕獲領域（面積）Ａｃのエミッター寸法依存性のシミュレーション結果である。実効捕獲領域Ａｃは、曲率半径ｒが大きく、傾斜角θが小さい方が大きくなった。
【００２４】
図５は、イオンビーム電流のエミッター寸法依存性のシミュレーション結果である。ガス圧力を０．０５Ｐａとした。イオンビーム電流は曲率半径ｒが大きく、傾斜角θが小さい方が大きくなった。また、実効捕獲領域とイオンビーム電流の関係は、実効捕獲領域が０．２５μｍ2以上でイオンビーム電流は３００ｐＡ以上になった。
【００２５】
上記のシミュレーションによりイオンビーム電流量を大きくするためには、エミッター寸法で曲率半径ｒを大きく、傾斜角θを小さくすることが有効であることがわかった。
＜実施例＞
電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置を用いて、試料の加工を行う実施例について説明する。
【００２６】
（１）試料加工スループット
スループットが高い加工するためには、試料表面に３００ｐＡ以上のイオンビーム電流照射が必要である。例えば、集束イオンビームでＴＥＭ試料作製を行う場合について図６を用いて説明する。図６は試料１１２の表面図で、試料１１２から１０箇所のＴＥＭ試料片６２を切り出す。ＴＥＭ試料片６２は２つの加工溝６１を形成し、それに挟まれ残された薄片部分である。このＴＥＭ試料片６２を試料１１２から取り出してＴＥＭ装置でＴＥＭ像観察を行う。加工溝６１はアルゴンイオンを用いた集束イオンビームで形成する。加工溝６１の寸法は、縦６μｍ、横５μｍ、深さ２μｍである。エネルギー３０ｋｅＶのアルゴンイオンビームのエッチングレートは０．１５μｍ3／ｎＣである。従来の電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置で照射可能なイオンビーム電流は１０ｐＡ程度であり、加工溝６１を２０箇所加工するのにかかる時間は２２２時間である。しかし、現在要求されているスループットは、ＴＥＭ試料１０個を８時間以内で作製しなければならない。この要求を満たすスループットの高い加工には、従来の３０倍の３００ｐＡ以上のイオンビーム電流量が必要である。
【００２７】
（２）エミッター形状
図７は参考例のエミッターのＳＥＭ像である。図７（ａ）は曲率半径ｒが４９ｎｍ、傾斜角θが５．０°のタングステンエミッターであり、図７（ｂ）はその先端部である。また、図７（ｃ）は曲率半径ｒが５７ｎｍ、傾斜角θが１．５°のタングステンエミッターであり、図７（ｄ）はその先端部である。エミッターの針状に加工された部分は、先端部と反対側から徐々に径が細くなるようになっている。
【００２８】
そして、実施例のエミッター１は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部分とそれに続く傾斜角を有する円柱部分からなる先端部１ｂと、先端方向に向かって徐々に径が細くなる針部１ａと、円柱状の付け根部分とからなる。シミュレーション結果より、イオンビーム電流量３００ｐＡ以上を照射するエミッター形状として、先端に突起部を有する球状部分の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、球状部分に続く傾斜角を有する円柱部分の傾斜角が、１５°以下であることが好ましい。または、曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、６°以下であることが好ましい。または、曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、２°以下であることが好ましい。
【００２９】
（３）集束イオンビーム装置
本実施形態の集束イオンビーム装置は、図８に示すように、イオン源用ガス供給源１３０からイオン源用ガスを供給し、イオンビーム７を放出するイオン銃部１１９と、イオンビーム７を試料１１２に向けて加速させるカソード電極１０５を備えている。そして、イオン銃部１１９から放出されたイオンビーム７を試料１１２に集束させる集束レンズ電極１０６と対物レンズ電極１０８からなるレンズ系を備えている。また、これによりイオン銃部１１９から放出されたイオンビーム７を集束レンズ電極１０６および対物レンズ電極１０８の中心を通すように偏向するアライメント電極１０２、１０９を備えている。また、イオン銃部１１９から放出されたイオンビーム７を集束レンズ電極１０６と対物レンズ電極１０８の間に開口部１０７ａを有するアパーチャ１０７を備えている。また、アパーチャ７は開口径の異なる開口部を備えている（図示せず）。異なる大きさの開口径を選択し、ビーム軸上に設置することで、通過するイオンビーム７のビーム量を調整することができる。そして、イオン銃部１１９を装置の外側からレンズ系に対して相対的に移動可能な調整機構１２０を備える。
【００３０】
試料室１０１の内部は真空状態になっており、試料１１２を載置し移動可能な試料ステージ１１３と試料１１２にデポジションやエッチングガスを供給するガス銃１１１と、試料１１２から発生する二次荷電粒子１２１を検出する検出器１１４を備えている。ここで、図示していないが、試料室１０１とイオン銃部１１９の真空を仕切るバルブを備えている。また、集束イオンビーム装置を制御する制御部１１８を備え、検出器１１４で検出した検出信号とイオンビームの走査信号より観察像を形成する画像形成部１１６を有しており、形成した観察像を表示部１１７に表示する。
【００３１】
（４）電界電離型イオン源
電界電離型イオン源は、図９に示すように、イオン銃部１１９内に、エミッター１と、引出電極１０４と、冷却装置１２４とを備えている。またエミッター１を支持するフィラメント（図示せず）に電流を流すことにより加熱する機構を備えている。
【００３２】
イオン銃部１１９の壁部に冷却装置１２４が配設されており、冷却装置１２４のイオン銃部１１９に臨む面にエミッター１が装着されている。冷却装置１２４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ー１を冷却するものである。また冷却装置１２４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、ガスフロー型の冷凍機を使用しても良い。さらに温調機能を備えてイオン種に応じて最適な温度に調整可能とする。そして、イオン銃部１１９の開口端近傍に、エミッター１の先端１ｂと対向する位置に開口部を有する引出電極１０４が配設されている。
【００３３】
イオン銃部１１９は、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。図示していないが、試料室１０１とイオン銃部１１９の真空度の差を作るためのオリフィスを複数個備えている。このオリフィスにより、試料室へのイオン化ガスの流入、また試料室に導入するガスのイオン銃部１１９への流入を防いでいる。イオン銃部１１９には、ガス供給部としてイオン源用ガスノズル１３１を介してイオン源用ガス供給源１３０が接続されており、イオン銃部１１９内に微量のガス分子１２５（例えば、Ａｒガス）を供給するようになっている。
【００３４】
なお、イオン源用ガス供給源１３０から供給されるガスは、Ａｒガスに限られるものではなく、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（H2）、酸素（O2）、窒素（N2）等のガスであってもよい。また、イオン源用ガス供給源１３０から複数種のガスを供給可能に構成し、用途に応じてガス種を切り替えたり、１種類以上を混合したりすることができるようにしてもよい。
【００３５】
エミッター１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からなる部材であり、その先端部１ｂ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。別にエミッター１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材を図示しない窒素ガスや酸素ガスを導入することにより、その先端１ｂを原子レベルで尖鋭化したものを使用しても良い。またエミッター１は、イオン源の動作時には冷却装置１２４によって１００Ｋ程度以下の低温に保持される。エミッター１と引出電極１０４との間には、電圧供給部１２７によって引き出し電圧が印加されるようになっている。先端部１ｂでイオン化したイオンは正電位に保持されているエミッター１と反発して引出電極１０４側へ飛び出し、引出電極１０４の開口部からレンズ系へイオンビーム７として射出される。ここで、引出電極１０４とエミッター１の先端の中心位置は１０ミクロンメートル以内であることが好ましい。またエミッター１と引出電極１０４の間に、エミッター１に対して負電位を与える抑制電極を設けても良い。
【００３６】
エミッター１の先端部１ｂは極めて尖鋭な形状であり、ガスイオンはこの先端部１ｂの限られた領域でイオン化されるため、イオンビーム７のエネルギー分布幅は極めて狭く、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、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。
【００３７】
なお、エミッター１への印加電圧が大きすぎると、ガスイオンとともにエミッター１の構成元素（タングステンや白金）が引出電極１０４側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にエミッター１に印加する電圧は、エミッター１自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。
【００３８】
一方、このようにエミッター１の構成元素を操作できることを利用して、先端部１ｂの形状を調整することができる。例えば、先端部１ｂの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。
【００３９】
またエミッター１は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端部１ｂの尖鋭形状を回復することもできる。
【００４０】
また、図８に示すように、集束イオンビーム装置は、イオン銃部１１９から射出したイオンビーム７を試料１１２に向けて加速させるカソード電極１０５を備えている。そして、イオン銃部１１９とカソード電極１０５は調整機構１２０と接続されている。調整機構１２０は真空外部からイオン銃部１１９をレンズ系に対して相対的に移動する。これによりレンズ系に入射するイオンビーム７の位置を調整することができる。
【００４１】
レンズ系は、エミッター１側から試料１１２側に向けて順に、イオンビーム７を集束する集束レンズ電極１０６と、イオンビーム７の光軸を調整するアライメント電極１０２と、イオンビーム７を絞り込むアパーチャ１０７と、イオンビーム７の非点を調整するスティグマ電極（図示せず）と、イオンビーム７を試料１１２に対して集束する対物レンズ電極１０８と、試料上でイオンビーム７を走査する走査電極（図示せず）とを備えて構成される。
【００４２】
このような構成の集束イオンビーム装置では、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。図示していないがイオン種を選別するためのＥｘＢ等のマスフィルターを備えていても良い。
【００４３】
ガス銃１１１は、試料１１２表面にデポジション膜の原料ガス（例えば、フェナントレン、ナフタレンなどのカーボン系ガス、プラチナやタングステンなどの金属を含有する金属化合物ガスなど）を原料容器１１５からバルブ１１５ａを制御して供給する構成になっている。
【００４４】
また、エッチング加工を行う場合は、エッチングガス（例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、三フッ化塩素、一酸化フッ素、水など）を原料容器から供給することができる。
【００４５】
（５）ＴＥＭ試料作製
図６の試料１１２から１０箇所のＴＥＭ試料片６２を作製する。エミッター先端でエミッター１の中心線とエミッター１の表面とがなす傾斜角が６°であり、曲率半径が１００ｎｍであるエミッター１を用いる。９０Ｋにエミッター１にアルゴンガスをガス圧力０．０５Ｐａ（イオン銃部１１９内のガス圧力）で供給し、イオンビーム７を照射した。アパーチャ７を用いて試料１１２に照射されるイオンビーム７の電流量が３００ｐＡになるように調整する。調整したイオンビーム７を走査照射して加工溝６１を１０箇所形成する。加工時間は７．４時間であった。上記の形状のエミッター１を用いることでスループットの高い加工を実現した。
【符号の説明】
【００４６】
１…エミッター
２…入射領域
３、４、５…ガス分子
６…イオン化領域
７…イオンビーム
２１…傾斜角
２２…曲率半径
３１…実効捕獲領域
６１…加工溝
６２…ＴＥＭ試料片
１０１…試料室
１０２…アライメント電極
１０４…引出電極
１０５…カソード電極
１０６…集束レンズ電極
１０７…アパーチャ
１０８…対物レンズ電極
１０９…アライメント電極
１１１…ガス銃
１１２…試料
１１３…試料ステージ
１１４…検出器
１１５…原料容器
１１６…画像形成部
１１７…表示部
１１８…制御部
１１９…イオン銃部
１２０…調整機構
１２１…二次荷電粒子
１２４…冷却装置
１２５…ガス分子
１２７…電圧供給部
１３０…イオン源用ガス供給源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、針状のビーム源からイオンビームを引き出し、試料に照射する集束イオンビーム装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン源として液体金属ガリウムを用いた集束イオンビームにより、シリコンデバイスの配線変更、断面加工観察、ＴＥＭ試料作製、フォトマスクの欠陥修正などが行われている。しかし、ガリウムはデバイスにとっては汚染源であるため、一度集束イオンビームを照射したシリコンウエーハを製造ラインに戻すことはデバイスの品質管理上困難であった。また、フォトマスクの欠陥修正においては、露光光源の短波長化に伴い、修正箇所に打ち込まれたガリウムによる透過率の低下が顕著となり技術的な課題であった。
【０００３】
近年では、このような課題に対して、ガスイオン源を用いたイオンビームによりウエーハから所望部分を切り出し、ウエーハを製造ラインに戻す技術が知られている（特許文献１参照）。しかし、ガスイオン源は液体金属ガリウムのイオン源に比べてビームを小さく絞ることができない課題があった。
【０００４】
このような課題に対して、微細なエミッターにイオン源ガスを供給して、エミッター先端に形成された強力な電界により、エミッターに吸着したイオン源ガス種をイオン化し、イオンビームを引き出す電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置が開発されている。これによれば、ビームをオングストロームオーダーまで小さく絞ることができる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３４２６３８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｔｓｕ−Ｙｉ Ｆｕ，et al. :Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ６４（２００１）１１３４０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置では、試料に照射するイオンビーム電流量が小さいため、試料の加工を行うスループットが低いことが課題であった。
【０００８】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、試料に照射するイオンビーム電流量を増大させ、試料加工のスループットが高い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】
【０００９】
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。
本発明に係る電界電離型イオン源のエミッターは、エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターであり、エミッター先端は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部と、球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、１５°以下である。または、曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、６°以下である。または、曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、２°以下である。
【００１０】
このような形状のエミッターを用いることで、エミッター先端のイオンビームを射出するイオン化領域に多くのガス分子を供給可能になる。よってイオンビームを多く照射することができる。
【００１１】
また、本発明に係る電界電離型イオン源のエミッターは、エミッターの温度を９０Ｋとし、ガスとしてヘリウムガスをガス圧力０．０５Ｐａで用いた場合の実効捕獲領域が０．２５μｍ2以上である。このようなエミッターを用いることで、３００ｐＡ以上のイオンビーム電流を照射することができる。
【００１２】
また、本発明に係る集束イオンビーム装置は、上記の電界電離型イオン源のエミッターと、エミッターにガスを供給するガス供給部と、エミッターの表面に吸着した前記ガスをイオン化してイオンビームを引き出す引出電極と、エミッターと引出電極の間に電圧を印加する電圧供給部と、イオンビームを試料に集束させるレンズ系と、試料を載置する試料ステージと、を有する。
【００１３】
また、本発明に係る集束イオンビーム照射方法は、エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法であり、エミッター先端は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部と、球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、１５°以下である。または、曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、６°以下である。または曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、２°以下である。
【００１４】
また、本発明に係る集束イオンビーム照射方法は、上記の集束イオンビーム照射方法でエミッターの温度を９０Ｋ以下とする。
このような集束イオンビーム照射方法を用いることで、エミッター先端のイオンビームを射出するイオン化領域に多くのガス分子を供給可能になる。
【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、多くのガス分子をイオン化可能な形状を有するエミッターを用いることで、試料加工のスループットが高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るエミッターの模式図である。
【図２】本発明に係るエミッターの模式図である。
【図３】本発明に係るシミュレーション結果の図である。
【図４】本発明に係る実効捕獲面積のエミッター寸法依存性の図である。
【図５】本発明に係るイオンビーム電流のエミッター寸法依存性の図である。
【図６】本発明に係るＴＥＭ試料作製の説明図である。
【図７】本発明に係るエミッターのＳＥＭ像である。
【図８】本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。
【図９】本発明に係るイオン銃部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
電界電離型イオン源は、エミッターにイオン源用ガスを供給し、エミッターと引出電極との間に印加した電圧により強電界を形成し、イオンビームを放出する。図１に示すように、エミッター１周辺に供給されたガス分子４、５は、分極力によりエミッター１に引き寄せられる。ガス分子４、５は、エミッター１に引き寄せられ、エミッター１と接触し、エミッター１の先端に移動する。エミッター１の先端に到達したガス分子４、５はイオンビーム７として照射される。
【００１８】
ガス分子は電界中で分極ポテンシャルエネルギー（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｅｎｅｒｇｙ）を持っている。
ＥPPE＝αＦ2／２
ここで、αはガスの分極率、Ｆは電界強度である。また、温度Ｔのガス分子の一次元熱平衡エネルギー（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｅｎｅｒｇｙ：ＥTEE）は、次の式で示すことができる。
ＥTEE＝ｋＴ／２
ここで、ｋはボルツマン定数である。ガスの速度はマクスウェル分布に従うため、ＥPPEとＥTEEは平均値として取り扱うことができる。エミッター１と引出電極との間に電圧を印加することで、エミッター１の周辺は強電界が形成されている。例えばヘリウムガスを用いる場合は、４４Ｖ／ｎｍ、アルゴンガスを用いる場合は、２２Ｖ／ｎｍの電界を形成する。電界強度はエミッター先端部から離れるに従い、徐々に弱くなっている。ＥPPE＜ＥTEEとなる領域では、ガス分子は熱運動によりランダム運動を行う。ＥPPE＞ＥTEEとなる領域では、ガス分子は分極力によってエミッター１に引き寄せられる。ＥPPE＞ＥTEEとなる領域を入射領域２とする。図１において、入射領域２内に供給されたガス分子４、５は、エミッター１に引き寄せられ、エミッター１の表面をバウンドするように接触を繰り返しながら先端部に移動する。ガス分子４、５は、エミッター１の表面と接触することで、冷却される。そして、エミッター１から離れたガス分子４、５は、電界により再びエミッター１の表面に接触する。この運動をホッピング運動と呼ぶ。ホッピング運動では、ガス分子４、５の温度が冷えると、ホッピング高さは低くなる。そして、ガス分子４、５は、エミッター１の先端部の強電界領域（イオン化領域６）内に移動する。イオン化領域６内に到達したガス分子４、５は、電界電離され、イオン化し、イオンビーム７として照射される。一方、入射領域２よりも外側のガス分子３は、エミッター１表面に接触後、エミッター１先端に向かってホッピング運動をすることなくエミッター１の先端とは異なる方向に放出される。
【００１９】
ところで、入射領域２内に供給されたすべてのガス分子が、電界電離することはない。入射領域２内に供給されたガス分子のうち、一部のガス分子がイオン化領域６に到達し電界電離する。これらのガス分子は、ホッピング運動の間に運動エネルギーをエミッター１表面に移動させることによりクールダウンする。そして、エミッター１の先端部のイオン化領域６内に到達し、電界電離する。供給されたガス分子がホッピング運動過程を経てイオン化領域６内に到達する確率を、捕獲確率ΠCと定義する。捕獲確率ΠCはＲ．Ｇ．Ｆｏｒｂｅｓ， ｉｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｏｐｔｉｃｓ， ２ｎｄ ｅｄ． ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｊ．Ｏｒｌｏｆｆ （ＣＲＣ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ２００９）によれば半経験式より、次のように示すことができる。
ΠC〜ｃ0Φ1/2 （Φ≦Φ1）
ΠC＝１ （Φ＞Φ1）
ここで、ｃ0＝０．４６ａ01/4であり、ａ0はａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｔｏｍ−ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎである。また、
Φ＝（０．５αＦ2）／（ｋＴ）
Φ1＝１／ｃ02
である。すなわち、ΦがΦ1よりも小さい場合、捕獲確率ΠCは電界強度Ｆに比例する関係がある。そして、電界強度Ｆはエミッター１周辺の電界強度分布であるからエミッター１の形状（寸法）に依存する。よって、捕獲確率ΠCはエミッター１の寸法の影響を受ける。また、イオンビーム電流は、実効捕獲領域Ａｃとガス流束密度と電荷の積で表すことができる。従って、エミッター１からイオンビームを多く照射するためには、捕獲確率ΠCが大きいことと、入射領域２が大きいことが望ましい。ここで、入射領域×捕獲確率ΠCを実効捕獲領域Ａｃと定義し、エミッター寸法と実効捕獲領域Ａｃとイオンビーム電流の関係についてシミュレーション（境界要素法による電界計算）を実施した。
【００２０】
図２はシミュレーションに用いたエミッター１である。図２（ａ）はエミッター１の寸法で、針部１ａから先端部１ｂに向かって徐々にエミッター径が細くなっている。ここで、寸法の単位はμｍである。図２（ｂ）は先端部１ｂの模式図であり先端の曲率半径２２をｒ、傾斜角２１をθとする。図２（ｃ）は、先端部１ｂの拡大図であり、先端に原子レベルの突起部１ｃを有している。このように、エミッター１は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部分とそれに続く傾斜角を有する円柱部分からなる先端部１ｂと、先端方向に向かって徐々に径が細くなる針部１ａと、円柱状の付け根部分とからなる。ここで傾斜角の角度は、エミッター１の中心線とエミッター１の表面とがなす角度である。
【００２１】
ところで、エミッター１の温度を低くすることで、イオンビーム電流量は増加する。特にエミッター１の温度を７０Ｋ以下にすることでイオンビーム電流量は大きく増加する。しかし、エミッター１の温度を７０Ｋ以下にするためには高性能な冷凍機が必要である。液体窒素による冷却であれば容易で安価に実施することができる。そこで、液体窒素による冷却で到達可能な９０Ｋをエミッター１の温度としてシミュレーションを実施した。
【００２２】
図３は、シミュレーション結果である。エミッター温度を９０Ｋ、イオン源用ガスとしてヘリウムガスを用いたときのエミッター１の先端部１ｂ周辺の入射領域３１の拡がりを示している。パラーメータとして、曲率半径ｒを５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、傾斜角θを２°、６°、１５°とした。図３の視野は１平方ミクロンメートルである。シミュレーション結果によると、曲率半径ｒが大きいほうが入射領域は大きくなった。また、傾斜角θが小さい方が入射領域は大きくなった。
【００２３】
図４は、実効捕獲領域（面積）Ａｃのエミッター寸法依存性のシミュレーション結果である。実効捕獲領域Ａｃは、曲率半径ｒが大きく、傾斜角θが小さい方が大きくなった。
【００２４】
図５は、イオンビーム電流のエミッター寸法依存性のシミュレーション結果である。ガス圧力を０．０５Ｐａとした。イオンビーム電流は曲率半径ｒが大きく、傾斜角θが小さい方が大きくなった。また、実効捕獲領域とイオンビーム電流の関係は、実効捕獲領域が０．２５μｍ2以上でイオンビーム電流は３００ｐＡ以上になった。
【００２５】
上記のシミュレーションによりイオンビーム電流量を大きくするためには、エミッター寸法で曲率半径ｒを大きく、傾斜角θを小さくすることが有効であることがわかった。
＜実施例＞
電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置を用いて、試料の加工を行う実施例について説明する。
【００２６】
（１）試料加工スループット
スループットが高い加工するためには、試料表面に３００ｐＡ以上のイオンビーム電流照射が必要である。例えば、集束イオンビームでＴＥＭ試料作製を行う場合について図６を用いて説明する。図６は試料１１２の表面図で、試料１１２から１０箇所のＴＥＭ試料片６２を切り出す。ＴＥＭ試料片６２は２つの加工溝６１を形成し、それに挟まれ残された薄片部分である。このＴＥＭ試料片６２を試料１１２から取り出してＴＥＭ装置でＴＥＭ像観察を行う。加工溝６１はアルゴンイオンを用いた集束イオンビームで形成する。加工溝６１の寸法は、縦６μｍ、横５μｍ、深さ２μｍである。エネルギー３０ｋｅＶのアルゴンイオンビームのエッチングレートは０．１５μｍ3／ｎＣである。従来の電界電離型イオン源を用いた集束イオンビーム装置で照射可能なイオンビーム電流は１０ｐＡ程度であり、加工溝６１を２０箇所加工するのにかかる時間は２２２時間である。しかし、現在要求されているスループットは、ＴＥＭ試料１０個を８時間以内で作製しなければならない。この要求を満たすスループットの高い加工には、従来の３０倍の３００ｐＡ以上のイオンビーム電流量が必要である。
【００２７】
（２）エミッター形状
図７は参考例のエミッターのＳＥＭ像である。図７（ａ）は曲率半径ｒが４９ｎｍ、傾斜角θが５．０°のタングステンエミッターであり、図７（ｂ）はその先端部である。また、図７（ｃ）は曲率半径ｒが５７ｎｍ、傾斜角θが１．５°のタングステンエミッターであり、図７（ｄ）はその先端部である。エミッターの針状に加工された部分は、先端部と反対側から徐々に径が細くなるようになっている。
【００２８】
そして、実施例のエミッター１は、原子レベルの突起部と、突起部を有する球状部分とそれに続く傾斜角を有する円柱部分からなる先端部１ｂと、先端方向に向かって徐々に径が細くなる針部１ａと、円柱状の付け根部分とからなる。シミュレーション結果より、イオンビーム電流量３００ｐＡ以上を照射するエミッター形状として、先端に突起部を有する球状部分の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、球状部分に続く傾斜角を有する円柱部分の傾斜角が、１５°以下であることが好ましい。または、曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、６°以下であることが好ましい。または、曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、傾斜角が、２°以下であることが好ましい。
【００２９】
（３）集束イオンビーム装置
本実施形態の集束イオンビーム装置は、図８に示すように、イオン源用ガス供給源１３０からイオン源用ガスを供給し、イオンビーム７を放出するイオン銃部１１９と、イオンビーム７を試料１１２に向けて加速させるカソード電極１０５を備えている。そして、イオン銃部１１９から放出されたイオンビーム７を試料１１２に集束させる集束レンズ電極１０６と対物レンズ電極１０８からなるレンズ系を備えている。また、これによりイオン銃部１１９から放出されたイオンビーム７を集束レンズ電極１０６および対物レンズ電極１０８の中心を通すように偏向するアライメント電極１０２、１０９を備えている。また、イオン銃部１１９から放出されたイオンビーム７を集束レンズ電極１０６と対物レンズ電極１０８の間に開口部１０７ａを有するアパーチャ１０７を備えている。また、アパーチャ７は開口径の異なる開口部を備えている（図示せず）。異なる大きさの開口径を選択し、ビーム軸上に設置することで、通過するイオンビーム７のビーム量を調整することができる。そして、イオン銃部１１９を装置の外側からレンズ系に対して相対的に移動可能な調整機構１２０を備える。
【００３０】
試料室１０１の内部は真空状態になっており、試料１１２を載置し移動可能な試料ステージ１１３と試料１１２にデポジションやエッチングガスを供給するガス銃１１１と、試料１１２から発生する二次荷電粒子１２１を検出する検出器１１４を備えている。ここで、図示していないが、試料室１０１とイオン銃部１１９の真空を仕切るバルブを備えている。また、集束イオンビーム装置を制御する制御部１１８を備え、検出器１１４で検出した検出信号とイオンビームの走査信号より観察像を形成する画像形成部１１６を有しており、形成した観察像を表示部１１７に表示する。
【００３１】
（４）電界電離型イオン源
電界電離型イオン源は、図９に示すように、イオン銃部１１９内に、エミッター１と、引出電極１０４と、冷却装置１２４とを備えている。またエミッター１を支持するフィラメント（図示せず）に電流を流すことにより加熱する機構を備えている。
【００３２】
イオン銃部１１９の壁部に冷却装置１２４が配設されており、冷却装置１２４のイオン銃部１１９に臨む面にエミッター１が装着されている。冷却装置１２４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ー１を冷却するものである。また冷却装置１２４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、ガスフロー型の冷凍機を使用しても良い。さらに温調機能を備えてイオン種に応じて最適な温度に調整可能とする。そして、イオン銃部１１９の開口端近傍に、エミッター１の先端１ｂと対向する位置に開口部を有する引出電極１０４が配設されている。
【００３３】
イオン銃部１１９は、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。図示していないが、試料室１０１とイオン銃部１１９の真空度の差を作るためのオリフィスを複数個備えている。このオリフィスにより、試料室へのイオン化ガスの流入、また試料室に導入するガスのイオン銃部１１９への流入を防いでいる。イオン銃部１１９には、ガス供給部としてイオン源用ガスノズル１３１を介してイオン源用ガス供給源１３０が接続されており、イオン銃部１１９内に微量のガス分子１２５（例えば、Ａｒガス）を供給するようになっている。
【００３４】
なお、イオン源用ガス供給源１３０から供給されるガスは、Ａｒガスに限られるものではなく、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（H2）、酸素（O2）、窒素（N2）等のガスであってもよい。また、イオン源用ガス供給源１３０から複数種のガスを供給可能に構成し、用途に応じてガス種を切り替えたり、１種類以上を混合したりすることができるようにしてもよい。
【００３５】
エミッター１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からなる部材であり、その先端部１ｂ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。別にエミッター１は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材を図示しない窒素ガスや酸素ガスを導入することにより、その先端１ｂを原子レベルで尖鋭化したものを使用しても良い。またエミッター１は、イオン源の動作時には冷却装置１２４によって１００Ｋ程度以下の低温に保持される。エミッター１と引出電極１０４との間には、電圧供給部１２７によって引き出し電圧が印加されるようになっている。先端部１ｂでイオン化したイオンは正電位に保持されているエミッター１と反発して引出電極１０４側へ飛び出し、引出電極１０４の開口部からレンズ系へイオンビーム７として射出される。ここで、引出電極１０４とエミッター１の先端の中心位置は１０ミクロンメートル以内であることが好ましい。またエミッター１と引出電極１０４の間に、エミッター１に対して負電位を与える抑制電極を設けても良い。
【００３６】
エミッター１の先端部１ｂは極めて尖鋭な形状であり、ガスイオンはこの先端部１ｂの限られた領域でイオン化されるため、イオンビーム７のエネルギー分布幅は極めて狭く、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、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。
【００３７】
なお、エミッター１への印加電圧が大きすぎると、ガスイオンとともにエミッター１の構成元素（タングステンや白金）が引出電極１０４側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にエミッター１に印加する電圧は、エミッター１自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。
【００３８】
一方、このようにエミッター１の構成元素を操作できることを利用して、先端部１ｂの形状を調整することができる。例えば、先端部１ｂの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。
【００３９】
またエミッター１は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端部１ｂの尖鋭形状を回復することもできる。
【００４０】
また、図８に示すように、集束イオンビーム装置は、イオン銃部１１９から射出したイオンビーム７を試料１１２に向けて加速させるカソード電極１０５を備えている。そして、イオン銃部１１９とカソード電極１０５は調整機構１２０と接続されている。調整機構１２０は真空外部からイオン銃部１１９をレンズ系に対して相対的に移動する。これによりレンズ系に入射するイオンビーム７の位置を調整することができる。
【００４１】
レンズ系は、エミッター１側から試料１１２側に向けて順に、イオンビーム７を集束する集束レンズ電極１０６と、イオンビーム７の光軸を調整するアライメント電極１０２と、イオンビーム７を絞り込むアパーチャ１０７と、イオンビーム７の非点を調整するスティグマ電極（図示せず）と、イオンビーム７を試料１１２に対して集束する対物レンズ電極１０８と、試料上でイオンビーム７を走査する走査電極（図示せず）とを備えて構成される。
【００４２】
このような構成の集束イオンビーム装置では、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。図示していないがイオン種を選別するためのＥｘＢ等のマスフィルターを備えていても良い。
【００４３】
ガス銃１１１は、試料１１２表面にデポジション膜の原料ガス（例えば、フェナントレン、ナフタレンなどのカーボン系ガス、プラチナやタングステンなどの金属を含有する金属化合物ガスなど）を原料容器１１５からバルブ１１５ａを制御して供給する構成になっている。
【００４４】
また、エッチング加工を行う場合は、エッチングガス（例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、三フッ化塩素、一酸化フッ素、水など）を原料容器から供給することができる。
【００４５】
（５）ＴＥＭ試料作製
図６の試料１１２から１０箇所のＴＥＭ試料片６２を作製する。エミッター先端でエミッター１の中心線とエミッター１の表面とがなす傾斜角が６°であり、曲率半径が１００ｎｍであるエミッター１を用いる。９０Ｋにエミッター１にアルゴンガスをガス圧力０．０５Ｐａ（イオン銃部１１９内のガス圧力）で供給し、イオンビーム７を照射した。アパーチャ７を用いて試料１１２に照射されるイオンビーム７の電流量が３００ｐＡになるように調整する。調整したイオンビーム７を走査照射して加工溝６１を１０箇所形成する。加工時間は７．４時間であった。上記の形状のエミッター１を用いることでスループットの高い加工を実現した。
【符号の説明】
【００４６】
１…エミッター
２…入射領域
３、４、５…ガス分子
６…イオン化領域
７…イオンビーム
２１…傾斜角
２２…曲率半径
３１…実効捕獲領域
６１…加工溝
６２…ＴＥＭ試料片
１０１…試料室
１０２…アライメント電極
１０４…引出電極
１０５…カソード電極
１０６…集束レンズ電極
１０７…アパーチャ
１０８…対物レンズ電極
１０９…アライメント電極
１１１…ガス銃
１１２…試料
１１３…試料ステージ
１１４…検出器
１１５…原料容器
１１６…画像形成部
１１７…表示部
１１８…制御部
１１９…イオン銃部
１２０…調整機構
１２１…二次荷電粒子
１２４…冷却装置
１２５…ガス分子
１２７…電圧供給部
１３０…イオン源用ガス供給源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、１５°以下である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項２】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、６°以下である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項３】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、２°以下である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項４】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッターの温度を９０Ｋとし、前記ガスとしてヘリウムガスをガス圧力０．０５Ｐａで用いた場合の実効捕獲領域が０．２５μｍ2以上である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の電界電離型イオン源のエミッターと、
前記エミッターにガスを供給するガス供給部と、
前記エミッターの表面に吸着した前記ガスをイオン化してイオンビームを引き出す引出電極と、
前記エミッターと前記引出電極の間に電圧を印加する電圧供給部と、
前記イオンビームを試料に集束させるレンズ系と、
前記試料を載置する試料ステージと、
を有する集束イオンビーム装置。
【請求項６】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法において、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、１５°以下である集束イオンビーム照射方法。
【請求項７】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法において、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、６°以下である集束イオンビーム照射方法。
【請求項８】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法において、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、２°以下である集束イオンビーム照射方法。
【請求項９】
前記エミッターの温度を９０Ｋ以下とする請求項６から８のいずれか一つに記載の集束イオンビーム照射方法。
【請求項１】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、１５°以下である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項２】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、６°以下である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項３】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、２°以下である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項４】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出する電界電離型イオン源のエミッターにおいて、
前記エミッターの温度を９０Ｋとし、前記ガスとしてヘリウムガスをガス圧力０．０５Ｐａで用いた場合の実効捕獲領域が０．２５μｍ2以上である電界電離型イオン源のエミッター。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の電界電離型イオン源のエミッターと、
前記エミッターにガスを供給するガス供給部と、
前記エミッターの表面に吸着した前記ガスをイオン化してイオンビームを引き出す引出電極と、
前記エミッターと前記引出電極の間に電圧を印加する電圧供給部と、
前記イオンビームを試料に集束させるレンズ系と、
前記試料を載置する試料ステージと、
を有する集束イオンビーム装置。
【請求項６】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法において、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１１０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、１５°以下である集束イオンビーム照射方法。
【請求項７】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法において、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が１００ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、６°以下である集束イオンビーム照射方法。
【請求項８】
エミッターにガスを供給し、エミッター先端に電界を形成し、供給したガスを電界電離させイオンビームを放出させ、レンズ系で試料表面にイオンビームを集束させ照射する集束イオンビーム照射方法において、
前記エミッター先端は、原子レベルの突起部と、
前記突起部を有する球状部と、
前記球状部に続く傾斜角を有する円柱部と、からなり、
前記球状部の曲率半径が９０ｎｍ以上であり、かつ、前記傾斜角が、２°以下である集束イオンビーム照射方法。
【請求項９】
前記エミッターの温度を９０Ｋ以下とする請求項６から８のいずれか一つに記載の集束イオンビーム照射方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図３】
【図７】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図３】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２３３５０９（Ｐ２０１１−２３３５０９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４２９０（Ｐ２０１１−４４２９０）
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【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２１年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【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２１年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【Ｆターム（参考）】
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