(57)【要約】      （修正有）【課題】荷電粒子ビーム・システム用のリターディング電界型分析器を提供する。【解決手段】リターディング電界型分析器は、荷電粒子ビーム・システムの既存の構成要素を使用し、別個のリターディング電界型分析装置を挿入する必要性を排除する。既存のカラムの構成要素を使用することにより、ビームを分析するのに要する時間が短縮される。既存のカラムの画像化機能を使用することにより、ビームと分析器の位置合わせが容易になる。【選択図】図１
2014089953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源および静電集束レンズを含む粒子光学カラム内の荷電粒子ビームのエネルギーを分析する方法であって、
前記荷電粒子源から荷電粒子を引き出すステップと、
前記荷電粒子を、前記静電集束レンズに向かって導くステップと、
前記静電集束レンズの要素に電圧を印加して前記荷電粒子を減速させるステップと、
前記要素に対する前記電圧を増分的に変化させて、前記静電レンズを通過する荷電粒子の数を変化させるステップと、
前記静電集束レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出して、前記ビーム中の前記荷電粒子のエネルギーまたはエネルギー分布を決定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記静電レンズの要素に電圧を印加するステップが、実質的に全ての前記荷電粒子が通過する電圧を印加するステップを含み、
前記要素に対して前記電圧を増分的に変化させるステップが、荷電粒子ビームが前記静電レンズを実質的に全く通過しなくなるまで前記要素上の前記電圧を増大させるステップを含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記静電レンズ要素に対する前記電圧を、試料を荷電粒子処理するのに適した集束電圧まで低下させるステップと、
前記荷電粒子ビームを試料表面に向かって導いて試料を処理するステップと
をさらに含み、全ての前記ステップが、粒子光学カラムから前記荷電粒子源を取り出すことなしに完了し、その結果、エネルギー分析とその後の処理の両方を、粒子光学カラムから前記荷電粒子源を取り出すことなく実行することができる、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記静電レンズに対する前記電圧がリターディング電界を発生させ、前記方法が、前記ビームと前記リターディング電界との位置合わせをするステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ビームの位置合わせをするステップが、前記要素に印加されている前記電圧が３００ボルト以内のカットオフ電圧である間に前記ビームの位置合わせをするステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ビームの位置合わせをするステップが、前記レンズ内の１つのクロスオーバと前記試料の平面における１つのクロスオーバの２重のクロスオーバを前記静電レンズ要素が提供するときに、前記ビームの位置合わせをするステップを含む、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
前記ビームの位置合わせをするステップが、一次ビームがターゲットに衝突したときに放出された二次電子から形成された画像を観察することによって、前記ビームの位置合わせをするステップを含む、請求項４から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
画像を観察することが、ファラデー・カップの画像を形成して、前記ビームと前記ファラデー・カップの上面の穴との位置合わせをすることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記静電集束レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出するステップが、ファラデー・カップおよび電流計を使用して荷電粒子ビーム電流を測定するステップを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記静電レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出するステップが、電気的にバイアスされるステージを使用してステージ電流を検出し、その結果、前記二次電子が抑制され、一次イオン・ビーム電流が測定されるようになるステップを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ファラデー・カップまたは他の試料の特徴部分の画像を形成して、前記ビームと前記ファラデー・カップの前記上面の穴との位置合わせをすることが、
前記光学カラムの前記集束電圧を変化させること、
前記画像が横方向に変位するかどうかを観察すること、および
焦点が変化すると前記穴の前記画像が横方向に変位する場合に、焦点が変化しても前記穴または他の試料の特徴部分の前記画像が横方向に変位しなくなるまで、前記レンズの中心に対する前記ビームの位置を調整することを含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記静電レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出するステップが、二次電子画像のグレー・レベルを検出するステップを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記要素に対する前記電圧を増分的に変化させるステップが、それぞれの増分中に、前記電圧を、ビーム・エネルギー幅の１／２０よりも小さい量だけ変化させるステップを含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記要素に対する前記電圧を増分的に変化させるステップが、それぞれが増分している間に、前記電圧を、０．５Ｖよりも小さい量だけ変化させるステップを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記荷電粒子ビーム中の荷電粒子ビーム・エネルギーまたはエネルギー分布を、０．５Ｖ未満の分解能で決定するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
荷電粒子ビーム源からの荷電粒子の測定されたエネルギー分布に基づいて前記荷電粒子ビーム源の動作を調整して、性能を最適化するステップをさらに含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記粒子源が、液体金属を加熱する加熱要素の中をヒータ電流が流れる液体金属イオン源であり、測定されたエネルギー分布が、前記ヒータ電流を変更するか否かを決定する目的に使用される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から粒子を受け取るように配置された集束カラムであって、加工物を処理するために前記加工物の表面に前記荷電粒子を集束させる静電集束レンズを含む、集束カラムと、
前記静電レンズに電気的に接続された電圧調整が可能な電源であって、前記第２の静電レンズの電圧を０．５ボルト未満の増分で調整することができる電源と、
前記静電レンズを通過した荷電粒子ビーム電流を測定する検出器と
を備える集束粒子ビーム・システム。
【請求項１９】
荷電粒子が前記静電レンズを通過しなくなるまで前記静電レンズに対する前記電圧を自動的に増分し、
それぞれの増分時に、前記静電レンズを通過した荷電粒子電流の示度を記録する
ためのコンピュータ命令を記憶したコンピュータ記憶装置をさらに備える、請求項１８に記載の集束粒子ビーム・システム。
【請求項２０】
前記検出器が、一次荷電粒子ビームの衝突に反応して試料から放出された二次電子を検出する二次電子検出器を含み、荷電粒子ビーム電流の示度を記録することが、グレー・レベルを記録することを含む、請求項１９に記載の集束粒子ビーム・システム。
【請求項２１】
前記検出器が、２ピコアンペア未満の精度で電流を測定することができる電流計を含み、前記電流計が、ファラデー・カップに導かれたビーム電流またはステージの電流を測定するように構成されている、請求項１９または２０に記載の集束粒子ビーム・システム。
【請求項２２】
リターディング電界型の分析のために前記ビームの下に移動させることができ、前記ビームが加工物を処理することを可能にするために前記ビームから遠ざけることができるファラデー・カップを前記検出器が備える、請求項２１に記載の集束粒子ビーム・システム。
【請求項２３】
前記電流測定装置が、低雑音の電気コネクタによって前記ファラデー・カップまたは前記ステージに電気的に接続された、請求項２１または２２に記載の集束粒子ビーム・システム。
【請求項２４】
前記電圧調整が可能な電源が、前記第２の静電レンズの電圧を０．１５ボルト未満の増分で調整することができる、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の集束粒子ビーム・システム。
【請求項２５】
前記静電レンズ要素に対して前記電圧を印加するために、前記電圧調整が可能な電源が、合計１６ビットより大きい１つまたは複数のディジタル／アナログ変換器を含む、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の集束粒子ビーム・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１２年１０月２５日に出願した米国特許仮出願第６１／７１８，６８４号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、荷電粒子ビーム装置に関し、より詳細には、荷電粒子ビームを分析するためのリターディング電界型分析器に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子ビーム・システム、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムなどの荷電粒子ビーム・システムでは、ビーム品質は、画像化性能に対して非常に重要である。具体的には、粒子の運動エネルギーの均一性は重要な品質である。ビーム中の全ての粒子が正確に同じ運動エネルギーを有することが理想的である。異なるエネルギーを有する粒子は異なる点に集束し、それによって加工物上のビームのスポット・サイズが大きくなり、分解能が低下する。これは色収差と呼ばれる。ビーム中の粒子のエネルギーの均一性を評価するためには、ビーム中の粒子の運動エネルギーの分布を測定できることが重要である。ビーム中の粒子の絶対エネルギーを決定することが重要であることもある。絶対エネルギーおよびエネルギー分布は通常、リターディング電界型分析器（ＲＦＡ）によって測定される。
【０００４】
ビーム・エネルギーおよび／またはエネルギー分布を測定するために、集束カラムの下流にある荷電粒子ビーム・システムにＲＦＡを一時的に挿入する。リターディング電界の強さを増分的に増大させ、電界の強さを増分させるごとに、リターディング電界を通過するビーム電流を測定する。増分させたリターディング電界は最終的に、ビーム中の粒子がこの電界を通過することを完全に止める十分な強さに達する。ＲＦＡは通常、フィルタ・レンズまたはグリッドを含み、これに電圧を印加してリターディング電界を発生させる。ＲＦＡを使用すると、集束カラムの後ろに追加の機器を取り付けることが必要となり、それによって追加の費用が生じる。ＲＦＡには、それらの追加の機器を接続するための追加の真空電気フィードスルーおよび配線、高度に調整された追加電源、ならびになんらかのタイプのビーム検出器が必要である。ＲＦＡを動作させるまでにはかなりの時間が必要となる。
【０００５】
リターディング要素におけるビーム・エネルギーは非常に小さいため、ビームは容易に乱される。そのため、測定誤差を低減させるためにはビームの正確な位置合わせが重要である。ＲＦＡは通常、ビームをファラデー・カップ内へ導くだけであり、画像化機能は持たない。そのため、ビームがＲＦＡと正確に位置合わせされているかどうかを確認し難い場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２４１，３６１号明細書
【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、荷電粒子ビーム・システム用のリターディング電界型分析器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、荷電粒子ビーム・システムの既存の要素を使用してリターディング電界型のエネルギー分析を提供する。光学カラムの集束レンズは、カラムと一体のリターディング電界型分析器を提供するために使用される。いくつかの実施形態では、カラムの画像化機能を使用して、分析のためのビームの位置合わせを実行することができる。例えばファラデー・カップに接続された電流計を使用することによって、または加工物の画像のグレー・レベル（ｇｒａｙ  ｌｅｖｅｌ）を観察することによって、またはステージ電流を測定することによって、リターディング要素の後ろのビーム電流を測定することができる。
【０００９】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、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。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の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理解すべきである。
【００１０】
次に、本発明および本発明の利点をより完全に理解するため、添付図面とともに解釈される以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による荷電粒子ビーム・システムの概略図である。
【図２Ａ】リターディング電界型の分析を実行する前にカラムの位置合わせをする１つの方法のステップを示す流れ図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態によるリターディング電界型分析器を使用するステップを示す図である。
【図３】本発明を具現化するリターディング電界型分析器内の荷電粒子ビームのシミュレーションを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態について、光学中心線から半径方向外側へレンズ要素までのレンズ内の電位を、レンズに印加された異なる電圧値について示すグラフである。
【図５】ある１つのレンズ設計について、ビームの中心（ｒ＝０）における電位とビームの半径位置における電位との差を、レンズに入るビームの半径の関数として示すグラフである。
【図６】半径０ｍｍ（孔なしの金属板）から２ｍｍまでの間のレンズ孔について、特定のレンズのモデルによって決定された電位井戸の深さを示すグラフである。
【図７】リターディング電位に対するグレー・レベル（ＧＬ）およびその導関数を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
定義：荷電粒子ビーム装置について言及するとき、用語「〜の前」および「〜の後ろ」は、粒子が移動する方向に関係し、そのため、要素Ａの後ろに要素Ｂが配置されている場合、粒子は、要素Ａを通過した後にＢを通過し、またはそうでなければＢにぶつかる。
【００１３】
本発明の１つの実施形態は、その集束カラムと一体のリターディング電界型分析器（ＲＦＡ）を有する集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム１００、およびＲＦＡを使用する方法を含む。本発明を、他の集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム、電子ビーム・システム、例えば電子顕微鏡、および他の荷電粒子ビーム装置に一般化することができることを当業者は理解するであろう。図１を参照すると、ＦＩＢシステム１００は、イオン・ビーム１１４を生成する液体金属イオン源、プラズマ・イオン源などのイオン源１１２を含む。ＦＩＢシステム１００は、上部レンズ要素１１５Ａ、中央レンズ要素１１５Ｂおよび下部レンズ要素１１５Ｃを含む任意選択の第１の静電集束レンズ１１５（「レンズ１」と称する）と、上部レンズ要素１１６Ａ、中央レンズ要素１１６Ｂおよび下部レンズ要素１１６Ｃを含む第２の静電集束レンズ１１６（「レンズ２」と称する）とを含む。
【００１４】
上部レンズ要素１１６Ａならびに下部レンズ要素１１５Ｃおよび１１６Ｃは、典型的には、グランド電位に維持され、中央レンズ要素１１５Ｂおよび１１６Ｂの電位はグランド電位に対して正または負とすることができ、それによって図示のような等電位線１１８Ａおよび１１８Ｂが引かれる。レンズ要素１１５Ａの電位はビーム電圧から引出し電圧を引いた値に等しく、典型的には、３０，０００Ｖマイナス１０，０００Ｖ、すなわち２０，０００Ｖである。いくつかの実施形態では、上部レンズ要素１１６Ａならびに下部レンズ要素１１５Ｃおよび１１６Ｃがグランド電位以外の電位にセットされる。中央レンズ要素１１６Ｂの電圧は、正確に調整可能な非常に安定した電源１２０によってセットされる。いくつかの実施形態では、電源１２０が、ＲＦＡが組み込まれていない荷電粒子ビーム・システムの通常の電源よりも高い電圧および高い精度を生み出すことができる。絞り１１７がビーム１１４のサイズを制限する。ターゲットの画像を処理または形成するために、偏向器１２２を使用してこのビームを、しばしばラスタ・パターンに従って導く。ビームがラスタ・パターンに従って走査しているか否かに関わらず、偏向器１２２は、ターゲット上でビームを電子的に位置決めする目的にも使用される。このステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）偏向器は一般に、一方がｘ偏向用、もう一方がｙ偏向用の２重極ユニットだが、ビームをｘおよびｙ方向に同時に偏向させる８重極アセンブリを使用することもできる。
【００１５】
ステージ１３０は、試料１３１を支持するように適合されている。二次電子検出器１３２は、イオン衝撃または電子衝撃に反応して試料または他のターゲットから放出された二次電子を受け取り、それによって画像を形成することを可能にする。この画像は、二次電子電流の強さをラスタ走査中のビームの位置に関連づけ、それぞれの位置のグレー・レベルが二次電子電流に対応した画像を形成することによって形成される。ステージ１３０の縁の近くにファラデー・カップ１３４が位置し、ファラデー・カップ１３４は、ファラデー・カップ１３４に入った荷電粒子の電流を測定するために、高感度の電流計１３８に電気的に接続されている。電流計１３８および電流計１３８をファラデー・カップ１３４に接続する方式は、２ピコアンペア未満、より好ましくは１ピコアンペア未満の電流変動を測定することができるようなものであることが好ましい。好ましい一実施形態では、１００フェムトアンペア未満の電流変動を測定することができる。雑音を低減させるため、電流計は、ファラデー・カップ１３４の近くに配置される。そうすることによって抵抗が制限され、誘導電圧が回避される。電流計とファラデー・カップ１３４の間の電気接続は、３軸ケーブル１３６または他の低雑音コネクタによって実施されることが好ましい。
【００１６】
図１の荷電粒子ビーム・カラムは、典型的には、従来の静電荷電粒子ビーム・カラムである。本発明の好ましい実施形態は、荷電粒子ビーム・カラムの既存の集束レンズを使用してリターディング電界型分析器のリターディング電界を提供し、それによってカラムを再構成し追加の機器を追加する必要性を排除する。いくつかの実施形態では、より高い電圧および／または高い分解能を提供するように従来のレンズ電源を改造する。このエネルギー分析器の分解能は、一つには、電源が供給することができる電圧増分の最小サイズに依存する。特定の実施態様に対する所望の分解能は、典型的には、測定しているビームのエネルギー幅に依存する。異なるタイプのイオン源は、異なるエネルギー幅を有する。例えば、液体金属イオン源の典型的なエネルギー幅は約５ｅＶ、プラズマ・イオン源の典型的なエネルギー幅は約２０ｅＶ、磁気光学トラップ・イオン源（ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）（ＭＯＴＩＳ）の典型的なエネルギー幅は０．１００ｅＶ以下である。エネルギー分析器は、エネルギー幅の少なくとも１／２０の分解能を有することが好ましい。すなわち、液体金属イオン源を有するカラムで使用されるエネルギー分析器は０．２５ｅＶよりも優れた分解能を有することが好ましく、０．２５Ｖ以下の刻みで電圧を増分することができる電源を必要とする。プラズマ・イオン源を有するカラムで使用されるエネルギー分析器は１．０ｅＶよりも優れた分解能を有することが好ましく、１．０Ｖ以下の刻みで電圧を増分することができる電源を必要とする。ＭＯＴＩＳを有するカラムで使用されるエネルギー分析器は０．００５ｅＶよりも優れた分解能を有することが好ましく、０．００５Ｖの刻みで電圧を増分することができる電源を必要とする。要求がそれほど厳しくない用途ではビーム・エネルギー幅の１／１０以下の電圧増分量が許容されることもあるが、他の用途では、ビーム・エネルギー幅の１／３０以下の増分量が望ましいこともある。
【００１７】
例えば、電源は、より高分解能のビーム・エネルギー測定を提供するために、約０．５Ｖ未満、約０．３Ｖ未満、約０．１Ｖ未満など約１．０Ｖ未満の増分の電圧設定を提供することができる。電圧増分の刻みが小さいほど、少なくとも合計１６ビットを使用する１つまたは複数のディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、例えば１８ビットＤＡＣまたは３２ビットＤＡＣなどのより正確なＤＡＣが必要になることがある。エネルギー分析に対する所望の分解能を得るために、いくつかの実施形態は、複数のＤＡＣ、例えば０〜３５ｋＶをカバーする１つの１６ビットＤＡＣと、１ｋＶの範囲にわたって同じ電源を制御する別の１６ビットＤＡＣとからなる、複数のＤＡＣスタックを使用する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、中央レンズ要素の必要電圧が既存の電源の能力の範囲内に収まるように、リターディング電界型の分析の間、荷電粒子ビームの加速電圧を低減させる。レンズ要素のギャップがより小さい一部の集束レンズ・システム内でアークの発生を引き起こすほどには中央レンズ要素の必要電圧が大きくならないように、加速電圧を低減させることもできる。典型的には、加速電圧またはカラムの長さを変化させてもビームの長手方向のエネルギー幅はあまり変化しない。そのため、より小さなビーム・エネルギーで決定した長手方向のエネルギー幅を使用して、より高い動作ビーム・エネルギーでのビームのエネルギー幅を決定することができる。
【００１９】
典型的には、中央レンズ要素の孔の直径は例えば約５ｍｍである。レンズ孔の位置におけるビームの直径は、典型的には、約０．１ｍｍである。中央レンズ要素内の電位は、中央レンズ要素に印加された電圧と同じではなく、この電位はレンズ孔の内部で均一ではない。ビームのエネルギーを決定するためには、ビームが通過するレンズ内の位置におけるリターディング電界の値を決定する必要がある。レンズ内のリターディング電界はシミュレーションによって決定することができる。いくつかのシミュレーションの結果を図４〜図６に示す。それらの図については後により詳細に説明する。エネルギーの絶対値を決定するのではなくビームのエネルギー幅を決定するのであれば、光軸に沿った電位を正確に決定する必要はない。例えばビーム・エネルギーがシステム構成要素に印加される電圧と同一ではないプラズマ源からのビームのエネルギーを決定するときには、絶対エネルギーの較正を決定することが有用である。
【００２０】
ビームのエネルギーを測定する前にビームの位置合わせをする必要がある。図２Ａは、ビームの位置合わせをするために使用するステップの流れ図である。中央レンズ要素に印加する電圧が増大するにつれて中央レンズ要素位置における荷電粒子のエネルギーは低下するため、ビームとリターディング・レンズとの正確な位置合わせは重要である。ビーム・エネルギーが非常に小さいとき、レンズの集束電界の軸以外の位置に入ることによって、荷電粒子は容易に偏向されうる。そのため、軸から外れたビームがレンズのリターディング電界に入ることによってエネルギー分析が不正確にならないように、リターディング電界の中心にビームを適切に配置することが重要なことがある。
【００２１】
ＲＦＡに対するビームの位置合わせは、典型的には、２つの部分を含む。ボックス２０２に示すレンズの通常の位置合わせと、ボックス２０４に示すカットオフ電位付近でのレンズの位置合わせである。いくつかの実施形態では、光学カラムが機械的によく位置合わせされており、そのため、この位置合わせ工程の一部、特にカットオフ電位付近でのビームの位置合わせを省くことができる。ステップ２０６で、観察可能なある特徴部分が荷電粒子ビームのラスタ・パターン内に入るように試料ステージを移動させる。二次電子検出器１３２を使用し、ＦＩＢシステムの集束カラムを通常モード、例えばビーム入射エネルギー約３０ｋｅＶで動作させて画像を形成する。中央レンズ要素１１６Ｂ上の電圧は例えば約１８，０００Ｖとすることができ、上部レンズ要素１１６Ａおよび下部レンズ要素１１６Ｃは、典型的には、接地される。例えば、形成する画像は、ファラデー・カップ１３４の上面の画像とすることができる。偏向器１２２によって、ファラデー・カップの上面の穴の上をビームで走査すると、その走査の一部の間、ビームはカップに入る。カップの底で生成された二次電子はカップの外に出ず、したがってそれらの二次電子は検出器１３２によって検出されない。したがって、ファラデー・カップの穴にビームが入っている間のラスタ走査の部分は黒く見える。ファラデー・カップの金属製の上面にビームが衝突すると、二次電子が生成され検出される。したがってカップの上面はより明るく見える。したがって、カップの上面のビーム・ラスタ走査によって形成された画像は、中心付近に黒い穴を有するより明るい長方形となる。
【００２２】
ステップ２０８で、中央レンズ要素１１６Ｂ上の集束電圧を「揺動」、すなわちわずかに、おそらくは１０Ｖ〜１５Ｖだけ変化させ、画像を観察する。判断ブロック２１０で、画像が横方向に変位することが分かった場合には、ステップ２１２で、カラムの位置合わせを、イオン源および／もしくはレンズ位置を調整することによって機械的に、またはビームを変位させることによって電子的に調整する。中央レンズ要素１１６Ｂ上の集束電圧を再び揺動させ、画像を観察して、判断ブロック２１０で、画像が変位するか否かを判定する。集束電圧を揺動させても画像が横方向に変位しなくなるまでこの一連の調整および観察を継続する。集束電圧を揺動させても画像が横方向に変位しなくなったことは、カラムが位置合わせされ、通常の位置合わせが完了したことを示す。
【００２３】
通常の位置合わせの後、ブロック２０４のステップによって示されているようにして、カットオフ電位付近で、すなわちレンズの中央要素をビーム・エネルギーに近づけて、再びカラムの位置合わせをする。ステップ２２０で、レンズ１１５を調整して平行ビーム１１４を形成する。ステップ２２２で、エネルギー分析するのに十分な量の電流を通すのに必要な最小直径を有する絞り１１７をビーム経路上に挿入する。絞りの直径とレンズ要素（１１５Ｂ）上の電圧の組合せは、レンズ１１６に入るビームの包絡面の最大直径も決定し、この最大直径は、エネルギー分解能を、図５に示し後に説明するように決定する。ステップ２２４で、中央要素１１６Ｂ上の電圧を、加速電圧に近いが、それでも全ての荷電粒子の通過を許すように調整する。ステップ２２６で、中央レンズ要素１１６Ｂ上の集束電圧を「揺動」させ、画像を観察する。判断ブロック２２８で、画像が横方向に変位することが分かった場合には、ステップ２３０で、カラムの位置合わせを、ビームを変位させることによって電子的に調整する。中央レンズ要素１１６Ｂ上の集束電圧を再び揺動させ、画像を観察して、判断ブロック２２８で、画像が変位するか否かを判定する。集束電圧を揺動させても画像が横方向に変位しなくなるまでこの一連の調整および観察を継続する。集束電圧を揺動させても画像が横方向に変位しなくなったことは、カットオフ電圧付近でカラムが位置合わせされたことを示す。通常の動作電圧でのビームの位置合わせおよびカットオフ電圧付近でのビームの位置合わせが完了した後、ステップ２３２に示されているようにリターディング電界型の分析を実行する。
【００２４】
レンズ要素１１６Ｂ上の集束電圧は、集束電圧がビーム電流を遮断し始めるようにゆっくりと調整する。この条件でビームで走査した場合、集束した画像は得られず、その代わりに大きな白い丸いぼやけ（ｂｌｕｒ）が見える。レンズ要素１１６上の集束電圧を徐々に増大させ、ビームを遮断すると、白い丸いぼやけはサイズが縮小し、徐々に消失する。これが起こるのは、レンズ内の鞍点（ｓａｄｄｌｅ  ｐｏｉｎｔ）をビームが走査しており、画像中に鞍形カットオフ（ｓａｄｄｌｅ  ｃｕｔｏｆｆ）が見られるためである。丸いぼやけが対称に縮小する場合、そのビームは、そのレンズの鞍点と位置合わせされている。丸いぼやけが対称に縮小しない場合には、この条件を満たすように、ビームを、通常は、ビーム・ステアリング板とビーム偏向（ラスタ走査およびパターニング）板とからなる偏向アセンブリ１２２によって、誘導しなおす必要がある。
【００２５】
図２Ｂは、リターディング電界型の分析を実行する本発明の一実施形態によるステップを示す。ステップ２４０で、ビーム電流を決定する際に使用するファラデー・カップまたは他の装置の中心軸が荷電粒子ビームの下に来るように、ステージを移動させる。ステップ２４２で、ラスタ走査を停止する。ステップ２４４で、中央レンズ要素１１６Ｂ上の電圧を、加速電圧に近いが、それでも全ての荷電粒子の通過を許すある電圧に調整する。ビームはレンズ１１６のほぼ中心を通り、レンズの中心の電位は、レンズ要素１１６Ｂに印加された電圧よりもいくぶん低い。例えば、中央レンズ要素１１６Ｂに３０，０００Ｖの電圧を印加した場合、レンズ要素１１６Ｂの中心の光軸に沿った電位は２９，７００Ｖにより近いことがある。公称３０ｋｅＶのビームのエネルギー幅は、典型的には、１００Ｖ未満であるため、中央レンズ要素に３０，０００Ｖを印加したときには、ビーム中の実質的に全ての荷電粒子がレンズを通過する。
【００２６】
ステップ２４６で、ファラデー・カップおよび電流計１３８を使用して、またはグレー・レベル、ステージ電流などのビーム電流に関する情報を提供する他のタイプの測定を使用して、ビーム電流を測定する。後により詳細に説明する図７は、グレー・レベルによって決定されたビーム電流を示す。判断ブロック２４８で、システムが、ビーム電流がゼロであるか否かを判定する。ビーム電流がゼロである場合、すなわちリターディング電界によって全ての荷電粒子が止められている場合、この分析に対するデータ収集は完了である。次いで、中央レンズ要素１１６Ｂ上の異なる電圧レベルにおける電流を比較して、ビーム・エネルギーまたはビーム・エネルギー幅を決定することができる。電流がゼロでない場合には、ステップ２５０で中心要素１１６Ｂ上の電圧を増分し、ステップ２４６で電流を再び測定する。使用する増分は、そのエネルギー分析に対する所望の分解能および電圧源の分解能に依存する。例えば、この増分を１．０Ｖ、０．５Ｖ、０．３Ｖまたは０．１Ｖとすることができる。中央レンズ要素１１６Ｂ上の電圧に対する電流のグラフは、誤差関数に類似した形状を有すると予想することができる。
【００２７】
図３は、カットオフ電圧よりもわずかに低い電圧を有する中央レンズ要素１１６Ｂを通過する荷電粒子ビームをモデル化したものを示す。図３は、レンズ要素１１６Ａ、１１６Ｂおよび１１６Ｃならびに力線３０２を示す。リターディング電界型の分析時に中央電極要素１１６Ｂに印加する電圧は、通常の集束動作時にレンズ要素１１６Ｂに印加する電圧よりもはるかに高い。この高い電圧によって、中央レンズ要素１１６Ｂ内に位置するビーム・クロスオーバ３０４および画像平面に位置する第２のクロスオーバ３０６が生じる。
【００２８】
エネルギー分析器の性能は、評価可能なさまざまな利点に関して評価することができる。評価可能な最も注目すべき１つの利点は、受入れサイズに対する分解能である。大きなビーム・サイズを受け入れると分解能は低くなり、より小さなビーム・サイズを受け入れると分解能は高くなる。好ましい一実施形態では、ＲＦＡに入るビーム・サイズが所望の分解能をもたらすある一組の条件の範囲内でＲＦＡを動作させる。大部分の静電荷電粒子ビーム・レンズは、軸における電位がレンズ要素に印加された電圧よりも低い鞍形電界（ｓａｄｄｌｅ  ｆｉｅｌｄ）を含む。図３は、中央レンズ要素１１６Ｂと３０４における光軸の中心との間の電位降下を示す。例えば、長さ５ｍｍ、孔の半径２ｍｍの中央要素１１６Ｂの条件で、中央レンズ要素に３０，３０２．５Ｖの電圧を印加したときの最大軸電位は２９，９８９．８５Ｖである。
【００２９】
レンズ内の電位を決定する際には、レンズ軸に沿ったレンズの中心の電圧を考えなければならないだけでなく、軸外電位の変動も考えなければならない。図４は、レンズ軸から半径方向外側へレンズ要素までの間に位置する複数の点におけるレンズ内部の電位を、中央レンズ要素に印加された異なる電圧値について示したものである。図４から、異なる電圧に対する鞍形電界のピークにおける軸外電位を知ることができる。具体的には、中央レンズ要素に３０，０００Ｖ、３０，１００Ｖ、３０，２００Ｖおよび３０，３００Ｖの電圧が印加されている。
【００３０】
レンズ孔を横切るビーム・エネルギーがこのように変化することにより、ビームの縁の荷電粒子は、ビームの中心の荷電粒子とは異なるリターディング電位にさらされるため、分析器の分解能はビーム直径によって制限される。図５は、ある１つのレンズ設計について、ｒ＝０における鞍点電位と鞍点ビームの半径位置における電位との差を、レンズに入るビームの半径の関数として示した図である。図５から、半径２ｍｍの孔を有する長さ５ｍｍの中央要素を有するレンズ幾何形状について、所与のビーム・エネルギー分解能を得るための、レンズに入るビームの最大許容半径を決定することができる。例えば、半径１００μｍのビームは、１．０５Ｖよりも良いと判定されるエネルギー分解能を有し得ない。同様に、レンズに入る半径５０μｍのビームのエネルギーを０．４Ｖ未満の分解能で分解することはできない。同様に、レンズのレンズ軸から外れた位置に入るビームについては、図５に示した電位オフセットにより、ＲＦＡ分解能が低下することを理解することができる。したがって、以上に説明した位置合わせ手順または他の位置合わせ方法を使用して、良好なビーム位置合わせを保証することが望ましい。
【００３１】
図６は、鞍形電界の深さがレンズ孔の直径とともにどのように変化するのかを示す。具体的には、図６は、レンズ要素に印加された電圧と鞍形電界の軸電位との差（これを電位井戸の深さと定義する）を、長さ５ｍｍのレンズ要素１１６Ｂのレンズ孔の半径に対して示したものである。この特定のレンズ設計について見ると、レンズ孔の半径２ｍｍの場合、最大軸電位は、レンズ要素に印加された電圧よりも約３００Ｖ低いことが分かる。
【００３２】
図４、図５および図６によって示したとおり、レンズ２に入射するビームは、電界の軸に関する変動の影響を最小化するために、レンズの中心付近を荷電粒子が通過するように注意深く位置合わせし集束させることが好ましい。
【００３３】
ファラデー・カップ１３４および電流計１３８を使用して電流を測定する代わりに、半導体ウェーハなどの試料にビームを導き、そのビームによって生成された二次電子電流からビーム電流を推測することもできる。この二次電子電流は、ステージ電流としてまたは二次電子画像のグレー・レベルとして検出することができる。図７は、測定されたグレー・レベル（塗りつぶされた長方形）を第２のレンズ要素１１６Ｂ上の電圧に対して示したグラフである。図７に示すように、レンズ要素１１６Ｂ上の電圧が増大するとグレー・レベルはゼロまで低下する。それらのデータ点は誤差関数４０２に近い。図７はさらに、測定されたグレー・レベルの導関数（白抜きの長方形）を示す。この導関数はガウス関数４０４に近い。エネルギー幅の詳細のうち、この関数の幅だけが重要なのではなく、関数の尾（ｔａｉｌ）も重要である。この導関数（白抜きの長方形）には非対称のエネルギーの尾が見られる。他の実施形態では、二次電子の放出を抑制するようにステージが電気的にバイアスされているときのステージ電流を測定することによってビーム電流を決定する。このときステージ電流は一次ビーム電流だけを表す。
【００３４】
本発明の実施形態を使用して、例えばＦＩＢ装置に対する設計変更を評価することができる。例えば、イオンの運動エネルギー値をより均一にするためにＦＩＢにエネルギー・フィルタを追加する場合には、ＲＦＡが組み込まれた集束カラム１１６を使用して、その設計変更によって達成されたビームの改良を測定することができる。
【００３５】
本発明の実施形態は、ビームのエネルギーまたはエネルギー幅を、原位置で、すなわちカラムからエミッタを取り出したり、他の測定機器を追加するためにカラムを開いたりすることなく、測定することを可能にする。エネルギーまたはエネルギー幅を分析することができ、次いで、機器を取り出しまたは再構成するために真空室を開く必要なしに、荷電粒子ビーム・システムを使用して試料を処理することができる。したがって、本発明の実施形態を使用して、エミッタの動作を、エミッタの動作および老化を監視するために定期的にまたは問題の存在が疑われる場合のトラブル・シューティングとして試験することができる。例えば、ＦＩＢ装置１００が、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）、単一元素加熱イオン源などの被加熱イオン源を有する場合には、時間の経過に伴う液体金属の蒸発が加熱要素による過熱を引き起こしていないこと、それによってビーム１１４の特性の変化が生じていないことを保証するために、ＲＦＡが組み込まれた集束カラム１１６を使用してビーム１１４を定期的に評価することができる。同じ方法を使用して、米国特許第７，２４１，３６１号明細書に記載されている誘導結合プラズマ源などのプラズマ・イオン源の動作を評価することもできる。本発明を使用して、カラム内のエネルギー・フィルタを検証し、またはカラム内のエネルギー・フィルタを所望のビーム・エネルギー幅に調整することができる。
【００３６】
上記の実施形態では、レンズに対する電圧を、実質的に全ての荷電粒子がレンズを通過する電圧から、実質的に全ての荷電粒子がレンズを通過しない電圧まで増大させるとして説明したが、実質的に全ての粒子がレンズを通過しない電圧から出発し、実質的に全ての粒子がレンズを通過するようになるまでこの電圧を増分的に低下させることもできる。いくつかの実施形態では、全電流通過と無電流通過の間の範囲全体にわたって電圧を変化させる必要がなく、その範囲の一部にわたって電圧を変化させることができる。また、電圧を離散的に増分する必要もなく、電圧を連続的に変化させることもできる。
【００３７】
いくつかの実施形態によれば、荷電粒子源および静電集束レンズを含む粒子光学カラム（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｌｕｍｎ）内の荷電粒子ビームのエネルギーを分析する方法は、荷電粒子源から荷電粒子を引き出すステップと、荷電粒子を、静電集束レンズに向かって導くステップと、静電集束レンズの要素に電圧を印加して荷電粒子を減速させるステップと、この要素上の電圧を増分的に変化させて、静電レンズを通過する荷電粒子の数を変化させるステップと、静電集束レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出して、ビーム中の荷電粒子のエネルギーまたはエネルギー分布を決定するステップとを含む。
【００３８】
いくつかの実施形態では、静電レンズの要素に電圧を印加するステップが、実質的に全ての荷電粒子が通過する電圧を印加するステップを含み、要素上の電圧を増分的に変化させるステップが、荷電粒子ビームが静電レンズを実質的に全く通過しなくなるまで要素上の電圧を増大させるステップを含む。
【００３９】
いくつかの実施形態では、この方法がさらに、静電レンズ要素上の電圧を、試料を荷電粒子処理するのに適した集束電圧まで低下させるステップと、荷電粒子ビームを試料表面に向かって導いて試料を処理するステップとを含み、全てのステップが、粒子光学カラムから荷電粒子源を取り出すことなしに完了し、その結果、エネルギー分析とその後の処理の両方を、粒子光学カラムから荷電粒子源を取り出すことなく実行することができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、静電レンズ上の電圧がリターディング電界を発生させ、この方法がさらに、ビームとリターディング電界との位置合わせをするステップを含む。いくつかの実施形態では、ビームの位置合わせをするステップが、要素に印加されている電圧が３００ボルト以内のカットオフ電圧である間にビームの位置合わせをするステップを含む。いくつかの実施形態では、ビームの位置合わせをするステップが、レンズ内の１つのクロスオーバと試料の平面における１つのクロスオーバの２重のクロスオーバを静電レンズ要素が提供するときに、ビームの位置合わせをするステップを含む。いくつかの実施形態では、ビームの位置合わせをするステップが、一次ビームがターゲットに衝突したときに放出された二次電子から形成された画像を観察することによって、ビームの位置合わせをするステップを含む。いくつかの実施形態では、画像を観察することが、ファラデー・カップの画像を形成して、ビームとファラデー・カップの上面の穴との位置合わせをすることを含む。
【００４１】
いくつかの実施形態では、静電集束レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出するステップが、ファラデー・カップおよび電流計を使用して荷電粒子ビーム電流を測定するステップを含む。いくつかの実施形態では、静電レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出するステップが、電気的にバイアスされたステージを使用して、ステージ電流を、二次電子が抑制され一次イオン・ビーム電流が測定されるような態様で検出するステップを含む。いくつかの実施形態では、ファラデー・カップまたは他の試料の特徴部分の画像を形成して、ビームとファラデー・カップの上面の穴との位置合わせをすることが、光学カラムの集束電圧を変化させること、画像が横方向に変位するかどうかを観察すること、および焦点が変化すると穴の画像が横方向に変位する場合に、焦点が変化しても穴または他の試料の特徴部分の画像が横方向に変位しなくなるまで、レンズの中心に対するビームの位置を調整することを含む。
【００４２】
いくつかの実施形態では、静電レンズ要素を通過した荷電粒子ビーム電流を検出するステップが、二次電子画像のグレー・レベルを検出するステップを含む。いくつかの実施形態では、要素上の電圧を増分的に変化させるステップが、それぞれが増分している間に、電圧を、ビーム・エネルギー幅の１／２０よりも小さい量だけ変化させるステップを含む。いくつかの実施形態では、要素上の電圧を増分的に変化させるステップが、それぞれが増分している間に、電圧を、０．５Ｖよりも小さい量だけ変化させるステップを含む。いくつかの実施形態では、この方法がさらに、荷電粒子ビーム・エネルギーまたは荷電粒子ビーム中のエネルギー分布を、０．５Ｖ未満の分解能で決定するステップを含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、この方法がさらに、荷電粒子ビーム源からの荷電粒子の測定されたエネルギー分布に基づいて荷電粒子ビーム源の動作を調整して、性能を最適化するステップを含む。いくつかの実施形態では、粒子源が、液体金属を加熱する加熱要素の中をヒータ電流が流れる液体金属イオン源であり、測定されたエネルギー分布が、ヒータ電流を変更するか否かを決定する目的に使用される。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、集束粒子ビーム・システムは、荷電粒子源と、荷電粒子源からの粒子を受け取るように配置された集束カラムであり、加工物を処理するために加工物の表面に荷電粒子を集束させる静電集束レンズを含む集束カラムと、静電レンズに電気的に接続された電圧調整が可能な電源であり、第２の静電レンズの電圧を０．５ボルト未満の増分で調整することができる電源と、静電レンズを通過した荷電粒子ビーム電流を測定する検出器とを備える。
【００４５】
いくつかの実施形態では、この集束粒子ビーム・システムがさらに、荷電粒子が静電レンズを通過しなくなるまで静電レンズ上の電圧を自動的に増分し、それぞれが増分している間に、静電レンズを通過した荷電粒子電流の指示を記録するように命令するコンピュータ命令を記憶したコンピュータ記憶装置を備える。
【００４６】
いくつかの実施形態では、検出器が、一次荷電粒子ビームの衝突に反応して試料から放出された二次電子を検出する二次電子検出器を含み、荷電粒子ビーム電流の指示を記録することが、グレー・レベルを記録することを含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、検出器が、２ピコアンペア未満の精度で電流を測定することができる電流計を含み、この電流計が、ファラデー・カップに導かれたビーム電流またはステージ電流を測定するように構成されている。いくつかの実施形態では、リターディング電界型の分析のためにビームの下に移動させることができ、ビームが加工物を処理することを可能にするためにビームから遠ざけることができるファラデー・カップを検出器が含む。いくつかの実施形態では、電流測定装置が、低雑音の電気コネクタによってファラデー・カップまたはステージに電気的に接続されている。
【００４８】
いくつかの実施形態では、電圧調整が可能な電源が、第２の静電レンズの電圧を０．１５ボルト未満の増分で調整することができる。いくつかの実施形態では、静電レンズ要素に電圧を印加するために、電圧調整が可能な電源が、合計１６ビットより多い１つまたは複数のディジタル／アナログ変換器を含む。
【００４９】
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た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、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】
【００５０】
１００  ＦＩＢシステム
１１２  イオン源
１１４  イオン・ビーム
１１５  第１の静電集束レンズ
１１６  第２の静電集束レンズ
１１７  絞り
１３１  試料
１３４  ファラデー・カップ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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2014089953000002.pdf
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