(57)【要約】  イオンを加速し、同時に分散イオン源における電界を弱く維持し、それによって分解能を向上させるために、イオン・ビーム・システムが、抵抗管などの別個の加速電極を使用する。イオン源として磁気光学トラップを使用することができる。
2013505545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
極低温の中性原子を含む源領域と、
前記源領域の一方の側にある源電極と、
前記源電極を形成する前記源領域の反対側にあり、穴を有する引出し電極と
を備え、前記源電極および前記引出し電極が、ある源電界強度を有する源電界を前記源領域に亘って発生させ、
前記極低温の中性原子の少なくとも一部をイオン化してイオンを生成するエネルギー源を備え、前記イオンが、前記源電界によって加速されて前記穴を通過し、
前記引出し電極の前記穴からイオンを受け取り、前記イオンを加速する抵抗管であり、この管に沿って電位が異なる抵抗管を備えるイオン源。
【請求項２】
前記抵抗管の一方の端が、前記引出し電極と実質的に同じ電位にあり、前記抵抗管のもう一方の端が、前記ターゲットと実質的に同じ電位にある、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記抵抗管を出るイオンが実質的に平行である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
前記引出し電極と前記抵抗管が共同して前記イオンを収束または発散させて、絶対値が２５０ｍｍよりも大きい正または負のイオン焦点距離を与える、請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記引出し電極と前記抵抗管が共同して前記イオンを収束もしくは発散させ、または絶対値が１０００ｍｍよりも大きい正もしくは負のイオン焦点距離を与える、請求項３に記載のイオン源。
【請求項６】
イオンが、前記源領域内で加速され、前記抵抗管内でさらに加速され、前記抵抗管内の電界によって生じる前記イオンのエネルギー変化が、前記源領域内の前記電界によって生じるエネルギー変化の少なくとも１０倍である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
前記源領域が、前記中性原子を減速し、捕獲する磁気光学トラップを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項８】
前記抵抗管が、前記引出し電極の５ｍｍ以内のところから、源電極の方向から遠ざかる方向へ延びる、請求項１に記載のイオン源。
【請求項９】
前記抵抗管が、抵抗コーティングを有する絶縁管を含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記引出し電極と前記抵抗管が共同して前記イオンを収束もしくは発散させ、または絶対値が５０ｍｍよりも大きい正もしくは負のイオン焦点距離を与える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１１】
請求項１に記載のイオン源と、
前記源領域から引き出された前記イオン・ビームを偏向させる偏向電極と、
試料ホルダ上の試料に前記イオン・ビームを集束させる集束レンズと
を備える集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１２】
前記引出し電極と前記試料ホルダの間にビーム画定絞りが配置されていない、請求項１１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１３】
試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
極低温の中性原子を含む源領域と、
前記源領域の一方の側にある源電極と、
前記源電極から見て前記源領域の反対側にあり、穴を有する引出し電極と
を備え、前記源電極および前記引出し電極が、ある源電界強度を有する源電界を前記源領域に亘って発生させ、
前記極低温の中性原子の少なくとも一部をイオン化してイオンを生成するエネルギー源を備え、前記イオンが、前記源電界によって加速されて前記穴を通過し、
前記穴を有する前記電極から延び、延長電界を発生させ、前記穴を過ぎた直後の前記延長電界の強度と前記源電界の強度の差が３０パーセントレンズであり、それによってイオンが前記源領域を出るときの集束効果を低減させ、または排除する、少なくとも１つの延長電極を備えるイオン源。
【請求項１４】
前記源領域が、前記中性原子を減速し、捕獲する磁気光学トラップを含む、請求項１３に記載のイオン源。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの加速電極が、前記引出し電極の近くから、前記源電極から遠ざかる方向へ延びる抵抗管を含む、請求項１３に記載のイオン源。
【請求項１６】
前記抵抗管が、抵抗コーティングを有する絶縁管を含む、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項１７】
前記抵抗管の前記引出し電極に最も近い端の電位と前記引出し電極の電位との差が２０パーセント未満である、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項１８】
前記抵抗管の前記引出し電極に最も近い端が、前記引出し電極とほぼ同じ電位にある、請求項１７に記載のイオン源。
【請求項１９】
システムがさらに、前記試料に前記イオン・ビームを集束させるイオン集束レンズを備え、前記抵抗管の前記引出し電極から最も遠い電位端が、前記試料とほぼ同じ電位にある、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの加速電極が一連の電極を含み、前記イオン源がさらに、前記電極が前記源領域から離れるにつれて小さくなる電圧を前記一連の電極に供給する電圧源を備える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項２１】
試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
イオンを供給する源領域と、
前記分散源領域に電位を与える１つまたは複数の電極と、
穴を有し、前記源領域からイオンを引き出す電界を発生させる引出し電極と、
前記引出し電極の前記穴からイオンを受け取り、前記イオンを加速する加速電極であり、この電極管に沿った異なる点の電位が異なる加速電極と
を備えるイオン源。
【請求項２２】
前記加速電極が抵抗管である、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２３】
前記抵抗管を出るイオンが実質的に平行である、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２４】
前記抵抗管を出るイオン・ビームが発散している、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２５】
前記加速電極が、前記源領域のサイズの５倍よりも大きな距離にわたって前記イオンを加速する、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２６】
請求項１に記載のイオン源を含む集束イオン・ビーム・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる２００９年９月１８日に出願した米国特許仮出願第６１／２４３，５７２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・システムに関し、特に、分散イオン源を含むイオン・ビーム・システムにおいて有用である。
【背景技術】
【０００３】
約３０年の間、高分解能集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）は、顕微鏡法、リソグラフィ、微細機械加工（イオン・ミリングおよび材料の付着）、ドーパント注入などのさまざまな作業に役立つことが証明されてきた。長年にわたり、気相電界イオン化源、プラズマ源および液体金属源を含む、集束イオン・ビーム用のいくつかのイオン源が開発された。これまでに開発された全ての源の中で、液体金属イオン源（ＬＭＩ）は最も有用な源であることが証明されており、現在、最も広範囲に使用されている。液体金属イオン源の有用性は基本的に、１０ｎｍ程度のスポット・サイズを有し、同時に１ｐＡから１０ｐＡの範囲の電流を維持している集束イオン・ビームの生成を可能にする、その非常に高い輝度に基づいている。これらの特性は、ある範囲の最新技術のナノテクノロジ作業を実行するのに必要な分解能およびイオン電流を、集束イオン・ビームに与える。
【０００４】
広範囲に使用されているにもかかわらず、既存のイオン源は、より幅広い用途およびより高い分解能に向けた進歩を妨げる限界を有する。タングステン・チップを液体金属で濡らす必要があるため、液体金属イオン源で実現することができるイオン種の数はやや限られている。使用されている元素の中でＧａが卓越した元素であることは明らかだが、Ａｕ、Ａｌ、ＢｅおよびＣｓを含む他の種も実証されている。数ｅＶを超える極めて大きなエネルギー幅（ｅｎｅｒｇｙ  ｓｐｒｅａｄ）も、液体金属イオン源の欠点である。この極めて大きなエネルギー幅は一般に、放出器の表面の非常に小さな放出エリアの近くで生じる空間電荷効果に起因していると考えられている。このエネルギーの広がりは、集束イオン・ビームを形成する集束光学部品内での色収差につながり、それによって達成可能な分解能を制限し、ビーム電流と分解能の間のトレードオフを強いる。気相電界イオン化源は、軽い元素を用いて動作することができ、１ｅＶ程度のより狭いエネルギー幅を有することで、これらの問題のうちのいくつかを解決するが、電流がかなり小さく、重い元素では機能せず、動作がより複雑である。プラズマ源も、液体金属イオン源の諸問題のうちのいくつかの問題を解決するが、プラズマ源の輝度は他の２つの源よりも数桁低い。液体金属源および気相源に関連した実用上の他の問題は、既存の源が高い輝度を有するためには有効源サイズがナノメートル規模である必要があることによって、源の位置の安定性に対する感度が非常に厳しくなることであり、この問題は、集束イオン・ビーム・システムの構造の問題になる。
【０００５】
したがって、イオン、特に、例えばサイト・アナリシス（ｓｉｔｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ）、材料の付着または注入、材料のアブレーション、イオン顕微鏡法、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）、イオン・ナノ機械加工などの幅広い多数の用途に適した集束イオン・ビームを発生させる改良されたシステムおよび方法が求められている。
【０００６】
「Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｐ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ」という名称の米国特許出願公開第２００８／０２９６４８３号明細書は、集束イオン・ビーム・システム向けの磁気光学トラップ・イオン源を記載している。米国特許出願公開第２００８／０２９６４８３号明細書は、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）と、イオン化レーザと、引出し要素とを備えるシステムを記載している。磁気光学トラップは、極低温の（ｓｕｐｅｒｃｏｌｄ）中性原子の集団または「雲（ｃｌｏｕｄ）」を生成する。本明細書で使用するとき、「極低温の」は、１０ミリケルビンよりも低温であることを意味する。図１は、一般的なＭＯＴ１００を概略的に示す。レーザ・ビーム１０２が中性原子を減速させ、互いに反対方向に電流が流れている電磁石１０４が中性原子を捕獲して、雲１０６とする。
【０００７】
磁気光学トラップ・イオン源（ＭＯＴＩＳ）のイオン源としてＭＯＴが使用されるときには、イオン化レーザがトラップ内の中性原子をイオン化し、それらのイオンが電界によって引き出され、イオン・ビームの形でターゲットに向かって加速される。雲の中の低温は、理論的には１０ｎｍ以下のビーム分解能を可能にする優れた特性を有するイオン・ビームを与える。この源から生成される電流は、磁気光学トラップの動作パラメータに依存し、シングル・イオンズ・オンデマンド（ｓｉｎｇｌｅ  ｉｏｎｓ  ｏｎ  ｄｅｍａｎｄ）から１００ｐＡ超までの範囲にわたることがある。この範囲は、従来のイオン源を使用することによって可能な範囲よりもはるかに広い。さらに、磁気光学トラップを使用することによって幅広い範囲の元素をレーザ冷却することができることにより、発生させ、イオン・ビームに集束させることができるイオン種のタイプおよび範囲は大幅に広がる。図９は、各種イオン源において使用することができる元素を示す周期表である。
【０００８】
非点状源からのイオンを、結果として生じるビームのエネルギー幅を大きくすることなく加速することは難しい。イオン源の空間的な広がりが大きければ大きいほど、イオンを一点に集束させることは困難になる。プローブのサイズをより小さくし、このようなシステムが生み出すことができる理論上の分解能を達成するためには、システムの改良が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／２４３，５７２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０２９６４８３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４４４，２５６号明細書
【特許文献４】米国特許第７，１５４，０８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、集束荷電粒子ビームを形成する方法および装置、特に、分散イオン源から集束イオン・ビームを形成する方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
好ましい一実施形態は、分散イオン源からのイオンを最大数十キロボルト（ｋＶ）のエネルギーまで加速する静電位を生み出し、同時にエネルギー幅を小さく維持する電極構成を含む。この電極構成は、長い距離にわたってイオンを加速する。いくつかの実施形態では、この電極構成が、ビーム内のイオンを収束または発散させる静電レンジング（ｌｅｎｓｉｎｇ）を低減させて、イオンが実質的に平行に電極を出るようにする。他の実施形態では、この電極構成がビームを収束または発散させ、所与の用途において分解能を最適化するのに必要な事項に応じて、長いまたは短い、正または負の焦点距離を提供することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、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】
【００１４】
【図１】中性イオン用の先行技術の磁気光学トラップを概略的に示す図である。
【図２】本発明の磁気光学イオン源および電極の好ましい一実施形態を示す図である。
【図３】クロム原子の捕獲および光イオン化に関連したエネルギー準位を示す図である。
【図４】イオン・ビームを偏向させ、試料の表面に集束させるイオン光学カラムの諸部分を示す図である。
【図５】図２の源および図４のイオン光学カラムの諸部分を使用した本発明の好ましいイオン・カラムを示す図である。
【図６Ａ】クロム・イオン源を使用する本発明の一実施形態を使用して撮影した顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】クロム・イオン源を使用する本発明の一実施形態を使用して撮影した顕微鏡写真である。
【図７Ａ】リチウム・イオン源を使用する本発明の一実施形態を使用して撮影した顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】リチウム・イオン源を使用する本発明の一実施形態を使用して撮影した顕微鏡写真である。
【図８】本発明の一実施形態について、スポットの標準偏差の幅を、ビーム・エネルギーに対して示すグラフである。
【図９】各種イオン源とともに容易に使用することができる元素を示すために印が付けられた周期表である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ＭＯＴＩＳでは、イオン化レーザを、イオン・ビームの軸に平行に、またはイオン・ビームの軸に垂直に導くことができる。イオン化レーザをイオン・ビームの軸に対して垂直に向けた場合、イオンは、ビーム軸に垂直な線に沿って生成され、一部のイオンが光軸から離れた位置に生成されるため、試料上の一点にイオンを集束させることがより困難になる。イオン化レーザをビーム軸に沿って向けた場合、イオンは光軸に沿って生成されるが、雲を横切る電位の勾配があるため、トラップ内の異なる位置で生成されたイオンは、トラップを出るときに異なるエネルギーを有する。異なるエネルギーを有するイオンは異なる位置に集束し、すなわち、ビームが色収差を示し、これによってターゲットにおけるスポット・サイズが大きくなり、それにより分解能が低下する。
【００１６】
電荷を持つイオンは互いに反発するため、イオンは、ビーム軸に垂直な速度成分を獲得し、これにより、非常に弱い引出し電界でイオンが集束することはますます困難になる。この機構が、源領域内で弱い電界を使用することによってエネルギー幅および関連する収差をどの程度まで低減することができるのかの下限を設定する。
【００１７】
イオン源における電界を弱く維持することによって、小さなエネルギー幅および高い分解能を得ることができる。しかしながら、大部分の集束イオン・ビーム用途で求められる数ｋｅＶまでイオンを加速する場合、ＭＯＴにおける電界を弱くすると、長い距離にわたって加速を実施すること、またはビーム経路に沿って源から離れるにつれて電界を強くすることが必要となる。良導体でできた従来の静電電極を使用して長距離にわたって加速を実施する場合、電界の均一性を保証するため、これらの電極の面積は、これらの電極を隔てる距離の２乗程度でなければならない。この電極構造は、多くの用途において非実用的に大きくなると思われるため、このことは好ましくない。その代わりに、より短い距離にわたってイオンを加速する場合には、ビームが強い静電レンジングを受ける。レンジングによって、イオンが、ターゲットよりも前のビーム経路上で集束する場合（いわゆる「クロスオーバ（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）」）には、イオン間のクーロン力によってイオン・ビームの質が低下し、この場合も、ビームが再び集束したときのスポット・サイズが大きくなる。クロスオーバが生じることは望ましいことではないが、いくつかの実施形態では許容しうる設計上の妥協である。
【００１８】
本発明の実施形態は、これらの問題に対処し、分散イオン源から高分解能ビームを生成する。本発明の実施形態は、源からイオンを引き出し、それらのイオンを好ましくは数ｋｅＶまたは数十ｋｅＶまで加速する電極構造を提供する。いくつかの実施形態では、好ましくは、源から出来するイオンが実質的に平行である、すなわち収束もまたは発散もしない。
【００１９】
実質的に平行であるというのは、＋２５０ｍｍよりも大きい焦点距離または−２５０ｍｍよりも小さい焦点距離が得られ、それでもイオンが２０００ｅＶまで加速されることを意味する。他の実施形態では、＋１０００ｍｍよりも大きい焦点距離もしくは−１０００ｍｍよりも小さい焦点距離、または＋１０，０００ｍｍよりも大きい焦点距離もしくは−１０，０００ｍｍよりも小さい焦点距離が得られ、同時にイオン・ビームが２０００ｅＶまで加速される。他の実施形態では、電極が、最後のレンズの前でビームをより強く発散させるレンズの働きをする。他の実施形態では、電極が、収束レンズの働きをする。
【００２０】
いくつかの実施形態では、中性原子の雲を横切る源電界と、イオンが源領域を出た後でイオンを加速し続ける延長電界（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）とを提供することによって、分解能の向上が達成される。延長電界を源電界と本質的に等しくすることによって、等電位線の曲がりを減らし、または排除し、それによってレンジングを低減し、または排除することができる。「本質的に等しい」というのは、約３０パーセント以内、より好ましくは約２０パーセント以内、より好ましくは約１０パーセント以内、最も好ましくは約５パーセント以内の差で、延長電界の強度が源電界の強度と同じであることを意味する。
【００２１】
好ましい一実施形態では、イオン源が、２枚の平らな、好ましくは円盤形の電極間にある。これらの電極の表面は、全体にわたり均一な電位が印加される。この電位が、円盤を貫通する穴を有する一方の円盤に向かってイオンを加速する均一な電界を発生させるように、これらの円盤は十分に大きな直径を有する。穴を有する円盤は引出し電極と呼ばれる。もう一方の円盤は源電極と呼ばれる。これらの２枚の円盤形電極間の領域は源領域と呼ばれる。穴を通過した後、イオンは延長電界領域に入る。この延長電界領域は、長い管形の抵抗電極（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）によって生成されることが好ましい。この電極は例えば、０でない低い導電率を有するドープされたガラスでできた管、または好ましくは均一な抵抗コーティングを内側または外側の表面に有する絶縁管を含むことができる。管の両端間に電位が印加されると、抵抗コーティングは、管の長さに沿って均一な電界を発生させる。管の長さは、円盤離隔距離の何倍もある。好ましい実施形態では、管の長さが、円盤離隔距離の５倍超、円盤離隔距離の１０倍超、円盤離隔距離の２０倍超または円盤離隔距離の２５倍超である。
【００２２】
装置の全長にわたって弱い均一な電界を維持することによって、源内におけるエネルギー幅を小さく維持することができ、レンジングが回避される。抵抗要素の使用は、均一な電界を発生させ、同時に、電極構造を、ビームの伝播方向に垂直な方向に沿ってコンパクトに保つことを可能にする。他の実施形態では、ほぼ均一な電界を発生させ、レンジングを低減するために、電位が徐々に低下する一連の電極が使用される。
【００２３】
電界が半径方向に不均一であり、すなわち光軸に沿った電界と光軸から離れた位置の電界とが異なり、そのため、ビームの縁に近いイオンが光軸上のイオンとは異なる偏向を示し、それによって光軸から離れた位置のイオンが収束または発散するときに、荷電粒子は集束する。集束は例えば、電極の穴の周囲におけるフリンジング効果（ｆｒｉｎｇｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によって起こる。より長い距離にわたって電圧降下を分散させ、試料の電位に近い電位まで電位を徐々に低下させることにより、加速電極はフリンジングを低減させ、または排除する。
【００２４】
したがって、好ましい実施形態は、分散イオン源を加速し、同時にエネルギー幅を小さく維持し、いくつかの実施形態ではクロスオーバを防ぐことができるため、先行技術のシステムよりも高い分解能を提供することができる。好ましい実施形態は、イオン源が数百ナノメートルよりも大きい他のイオン・ビーム・システムで使用することもできる。
【００２５】
好ましい実施形態は、サイズが１０μｍのイオン源について、リチウム・イオンを１０ｋｅＶ以上のエネルギーまで加速し、同時にビームを平行に維持し、源のエネルギー幅を０．４ｅＶ未満に維持することを可能にする。
【００２６】
ＭＯＴＩＳ２００の一実施形態のイオン生成領域およびイオン加速領域の概略図を図２に示す。ＭＯＴＩＳ２００は、原子ビームからのクロム原子、リチウム原子などの中性原子を捕捉し、冷却するＭＯＴを含む。ＭＯＴＩＳは、例えば参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００８／０２９６４８３号明細書に、より詳細に記載されている。ＭＯＴは、６本のレーザ・ビーム２０２（そのうちの４本が示されており、図示されてないビームは、図面に入り込む方向および図面から出て行く方向に入射する）と、逆向きに配置された一対のリング形高磁界永久ＮｄＦｅＢ磁石（図示せず）によって形成された４重極磁界の零点とが交わることによって形成される。一実施形態では、これらの磁石の外径が７５ｍｍ、内径が３８ｍｍ、厚さが２５ｍｍ、Ｂ１＝１．３Ｔである。２１５ｍｍ離して配置したとき、これらの磁石は、磁化軸に沿って０．１６Ｔｍ−１、磁化軸に垂直な平面内で０．０８Ｔｍ−１の勾配を生み出す。
【００２７】
レーザ光は、ダイオード励起固体レーザ（図示せず）によって励起（ｐｕｍｐｉｎｇ）されたＴｉ：サファイア・レーザ（図示せず）の出力の第２高調波発生によって生成される。原子トラップを形成するためには、公称１／ｅ２直径４ｍｍの６本のレーザ・ビームがそれぞれ数ミリワットであれば十分である。レーザ・ビームは、冷却に使用されている電子エネルギー遷移準位よりもほんの少し低く調整される。例えば図３は、冷却および光イオン化に関連したクロムのエネルギー準位を示す。クロム・イオンを捕獲するとき、レーザ・ビームは、４２５ｎｍにおけるＣｒの７Ｓ３→７Ｐ４遷移よりもほんの少し低く調整される。捕獲された低温のクロム原子集団または雲２０４は概ね球状の対称形であり、磁界勾配、レーザ・ビームの強度、離調およびアライメントに応じて５０μｍから５００μｍの標準偏差半径を有するガウス密度プロファイルに近い密度プロファイルを有する。捕獲された原子の温度は、レーザ光をオフにし、しばらくの間、原子を自由に膨張させることによって測定することができる。原子分布の膨張速度から推測した一実施形態における温度は１００±１５μＫであった。イオン化レーザ・ビーム２０６を集束させて、イオン・ビーム軸に沿ってＭＯＴに通す（軸方向イオン化）。イオン化レーザ・ビーム２０６は、標準偏差５μｍ（１／ｅ２直径２０μｍ）の本質的にガウス・ビームのウェスト（ｗａｉｓｔ）を有する。
【００２８】
イオン２１０は、１５ｍｍ隔てられた平行な２枚の極板によって生成された電界の中に引き出される。第１の極板である源電極２２０は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの材料でできた透明な導電性コーティング２２２を有する溶融シリカ窓からなる。第２の極板である引出し極板２２４は、反射アルミニウムコーティング２２６を有する厚さ約１００μｍのケイ素電極を含む。引出し極板２２４は中心に、イオンが通過する穴２２８を有する。イオンは、抵抗管（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｔｕｂｅ）２３０などの加速電極内で、その最終的なエネルギーまで加速される。加速電極の始まりは、ケイ素電極２２４の内側の表面のすぐ下にあり、加速電極の遠端は接地されている。抵抗管は公知であり、例えば、ドープされたガラスを使用することによって、または絶縁ガラス管の内側に抵抗コーティングを付着させることによって製作することができる。抵抗管電極は例えば、Ｎａｇａｉ他の「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｌｅｎｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」という名称の米国特許第５，４４４，２５６号明細書、およびＬａｐｒａｄｅの「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｔｕｂｅ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ａｓ  ａ  Ｒｅｆｌｅｃｔｒｏｎ  Ｌｅｎｓ」という名称の米国特許第７，１５４，０８６号明細書に記載されている。クロム・イオン・ビームを形成する一実施形態では、管２３０の長さが約２６５ｍｍ、外径が約２５ｍｍ、内径が約１２５ｍｍである。穴２２８の直径は４ｍｍであり、管２３０の端は、極板２２４の内側の表面から０．４ｍｍ下に配置される。いくつかの実施形態では、管２３０の近端が極板２２４の内側の表面に電気的に接続される。他の実施形態では、管２３０の近端が別個の電源に接続されうる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、抵抗管内の電界が、源電極２２０と引出し電極２２４の間の均一な電界と同じになるように、源電極２２０、引出し電極２２４および管２３０の両端に印加する電圧が選択される。これらの２つの領域の電界は等しく、反射アルミニウム電極と抵抗管の始まりとの間の間隔は小さいため、本質的に、極板間の領域から抵抗管内へイオンが移動するときにレンジングは起こらない。しかしながら、イオンは、抵抗管を出るときに、比較的に弱い発散レンズにさらされる。一実施形態では、管出口と集束光学部品の間の自由飛行距離が１００ｍｍ未満である。したがって、集束レンズにおけるイオン・ビームの直径は、一般に１０μｍに設定された源幅のそれに非常に近いはずである。
【００３０】
イオンの加速は、イオンが生成される原子集団の領域とターゲットの間の電位差によって決まる。管電極の遠端は一般に、ターゲットと同じ電位、すなわちグランド電位にある。ただし、管電極の遠端に印加される電圧は、用途によって異なることがある。電圧降下の一部、したがって加速の一部は、源と引出し電極の間で起こり、一部は、引出し電極と管２３０の遠端の間で起こる。一実施形態では、源と引出し電極の間の距離、管電極の長さおよび電極に印加される電圧が、加速電極を出るイオンが実質的に平行になるような電界を発生させるように調整される。当業者は、特定の用途に対して適当な電圧および寸法を、シミュレーション、光線追跡、計算および実験によって容易に決定することができる。
【００３１】
上述のシステム幾何形状の１つの用途では、源電極２２０と引出し電極２２６の間の電圧が１００Ｖであり、そのため、電極間の平均的な中間部分（ａｖｅｒａｇｅ  ｍｉｄｗａｙ）で生成されたイオンは、５０ｅＶの平均エネルギーで穴２２８から出てくる。管の両端間の電圧は例えば２０００Ｖである。源電極は２１００Ｖにバイアスされ、そのため、引出し電極および管２３０の上端の電圧は２０００Ｖであり、管２３０の遠端は接地される。
【００３２】
好ましい一実施形態では、イオンの加速の大部分が、引出し電極の外側であって加速電極内で起こる。いくつかの実施形態では、加速の５０％超、７５％超、９０％超、９５％超または９７．５％超が引出し電極の外側で起こる。
【００３３】
図４は、好ましい集束光学部品４００が、３つの部分、すなわち２軸ダイポール偏向器４０２、３要素アインツェル・レンズ４０４および２次電子検出用のチャンネル−電子増倍管４０６からなることを示している。イオン・ビーム経路上にはビーム制限絞りがないことが好ましい。一実施形態では、偏向器極板電圧４０２が、範囲１００Ｖ、整定時間５０μｓの高速増幅器によって供給される。増幅器上のこの電圧範囲は、数ナノメートルから数ミリメートルまでの範囲でビームを偏向させる。
【００３４】
図５は、本発明を具体化する集束イオン・ビーム・システムを概略的に示す。ＭＯＴＩＳ５０２内の極低温の原子集団の中でイオンが生成され、それらのイオンは、加速電極５０４内で、ターゲット５１２を画像化しまたは処理する所望のエネルギーまで加速される。加速電極５０４からイオン・ビーム５０６が出現し、このイオン・ビームは、偏向器５０８によってターゲット上に位置決めされ、走査される。対物レンズ５１０、好ましくは静電アインツェル・レンズが、試料ステージ５１４、好ましくは３軸精密ステージ上に配置されたターゲット５１２上にイオン・ビーム５０６を集束させる。イオン・ビーム５０６が衝突すると、ターゲットから、電子およびイオンである２次荷電粒子５２０が放出され、これらの２次粒子が、シンチレータ−光電子増倍管、マルチチャンネル・プレートなどの粒子検出器５１６によって検出される。
【００３５】
１つの実験では、マイクロチャンネル・プレートおよび蛍光面を備えるターゲット上に、レンズの近い方の表面からターゲットまでの距離と定義される作動距離２８ｍｍでイオンを投射し、または作動距離が１７ｍｍになるように取り付けられた試料ステージ上にイオンを投射した。これらのターゲットからの２次イオンのカウント数は、０．２ｐＡのイオン・ビームで最大２×１０５ｓ−１であった。
【００３６】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明の一実施形態に従ってクロム・イオン・ビームを使用して異なる２つの倍率で形成した１０μｍの細孔を有するマイクロチャンネル・プレートの画像を示す。ビーム・エネルギーは２ｋｅＶ、ビーム・サイズは２５０ｎｍである。この画像は３００×３００画素であり、９０秒かけて撮影した。プレートの１０μｍの細孔がはっきりと分解されており、分解能およびコントラストが良好であることを示している。図７Ａおよび７Ｂは、ビーム・エネルギー２ｋｅＶのリチウム・イオン・ビームを使用して異なる２つの倍率で形成したプレートの画像を示す。
【００３７】
上述の好ましい実施形態はクロム源を使用しているが、他の好ましい実施形態はさまざまなタイプのイオンを使用する。ＭＯＴＩＳは、レーザ冷却に適した電子遷移を有する元素として図９に示した元素、すなわちＭＯＴＩＳで容易に使用することができる元素のうちの任意の元素を使用することができる。
【００３８】
リチウム源は、イオン・ビーム画像を形成するのに特に有用であると考えられる。上述の好ましい実施形態はＭＯＴ源を使用しているが、本発明は、仮想（ｖｉｒｔｕａｌ）イオン源が数百ナノメートルよりも大きい分散源、すなわち非点イオン源を使用する他のイオン・ビーム・システムにおいても有用であると考えられる。
【００３９】
したがって、本発明の一態様は、試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
極低温の中性原子を含む源領域と、
源領域の一方の側にある源電極と、
源電極から見て源領域の反対側にあり、穴を有する引出し電極とを備え、源電極および引出し電極が、ある源電界強度を有する源電界を源領域に亘って発生させ、
極低温の中性原子の少なくとも一部をイオン化してイオンを生成するエネルギー源を備え、これらのイオンが、源電界によって加速されて前記穴を通過し、
引出し電極の穴からイオンを受け取り、それらのイオンを加速する抵抗管であり、この管に沿って電位が異なる抵抗管を備えるイオン源を含む。
【００４０】
いくつかの実施形態では、抵抗管の一方の端が、引出し電極と実質的に同じ電位にあり、抵抗管のもう一方の端が、ターゲットと実質的に同じ電位にある。
【００４１】
いくつかの実施形態では、抵抗管を出るイオンが実質的に平行である。
【００４２】
いくつかの実施形態では、引出し電極と抵抗管が共同して共同してイオンを収束または発散させて、絶対値が２５０ｍｍよりも大きい、１０００ｍｍよりも大きい、または１０，０００ｍｍよりも大きい正または負のイオン焦点距離を提供することによって、実質的に平行なイオンが生成される。
【００４３】
いくつかの実施形態では、イオンが、源領域内で加速され、抵抗管内でさらに加速され、抵抗管内の電界によって生じるイオンのエネルギー変化が、源領域内の電界によって生じるエネルギー変化の少なくとも１０倍である。
【００４４】
いくつかの実施形態では、源領域が、中性原子を減速し、捕獲する磁気光学トラップを含む。
【００４５】
いくつかの実施形態では、抵抗管が、引出し電極の５ｍｍ以内のところから、源電極の方向から遠ざかる方向へ延びる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、抵抗管が、抵抗コーティングを有する絶縁管を含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、引出し電極と抵抗管が共同してイオンを収束もしくは発散させ、または絶対値が５０ｍｍよりも大きい正もしくは負のイオン焦点距離を与える。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態は、試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
極低温の中性原子を含む源領域と、
源領域の一方の側にある源電極と、
源電極から見て源領域の反対側にあり、穴を有する引出し電極とを備え、源電極および引出し電極が、ある源電界強度を有する源電界を源領域に亘って発生させ、
極低温の中性原子の少なくとも一部をイオン化してイオンを生成するエネルギー源を備え、これらのイオンが、源電界によって加速されて前記穴を通過し、
穴を有する引出し電極から延び、延長電界を発生させる少なくとも１つの延長電極であり、穴を過ぎた直後の延長電界の強度と源電界の強度の差が３０パーセント未満であり、それによってイオンが源領域を出るときの集束効果を低減させ、または排除する、少なくとも１つの延長電極を備えるイオン源を含む。
【００４９】
いくつかの実施形態では、源領域が、中性原子を減速し、捕獲する磁気光学トラップを含む。
【００５０】
いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの加速電極が、引出し電極の近くから、源電極から遠ざかる方向へ延びる抵抗管を含む。
【００５１】
いくつかの実施形態では、抵抗管の引出し電極に最も近い端の電位と引出し電極の電位との差が２０パーセント未満である。
【００５２】
いくつかの実施形態では、引出し電極に最も近い抵抗管が、引出し電極とほぼ同じ電位にある。
【００５３】
いくつかの実施形態では、システムがさらに、試料にイオン・ビームを集束させるイオン集束レンズを備え、引出し電極から最も遠い抵抗管の電位端が、試料とほぼ同じ電位にある。
【００５４】
いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの加速電極が一連の電極を含み、イオン源がさらに、源領域から電極が遠くなるにつれて小さくなる電圧を前記一連の電極に供給する電圧源をさらに備える。
【００５５】
いくつかの実施形態では、本発明が、試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
イオンを供給する源領域と、
分散源領域に電位を与える１つまたは複数の電極と、
穴を有し、源領域からイオンを引き出す電界を発生させる引出し電極と、
引出し電極の穴からイオンを受け取り、それらのイオンを加速する加速電極であり、この電極管に沿った異なる点の電位が異なる加速電極とを備えるイオン源を含む。
【００５６】
いくつかの実施形態では、加速電極が、源領域のサイズの５倍よりも大きな距離にわたってイオンを加速する。
【００５７】
本発明はさらに、上記のイオン源のうちの任意のイオン源と、源領域から引き出されたイオン・ビームを偏向させる偏向電極と、試料ホルダ上の試料にイオン・ビームを集束させる集束レンズとを備える集束イオン・ビーム・システムを含む。いくつかの実施形態では、集束イオン・ビーム・システムが、引出し電極と試料ホルダの間に配置されたビーム画定絞りを持たない。
【００５８】
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。
【図１】
2013505545.tif 000003
【図２】
2013505545.tif 000004
【図３】
2013505545.tif 000005
【図４】
2013505545.tif 000006
【図５】
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【図６Ａ】
2013505545.tif 000008
【図６Ｂ】
2013505545.tif 000009
【図７Ａ】
2013505545.tif 000010
【図７Ｂ】
2013505545.tif 000011
【図８】
2013505545.tif 000012
【図９】
2013505545.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月27日(2011.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
極低温の中性原子を含む源領域と、
前記源領域の一方の側にある源電極と、
前記源電極から見て前記源領域の反対側にあり、穴を有する引出し電極と
を備え、前記源電極および前記引出し電極が、ある源電界強度を有する源電界を前記源領域に亘って発生させ、
前記極低温の中性原子の少なくとも一部をイオン化してイオンを生成するエネルギー源を備え、前記イオンが、前記源電界によって加速されて前記穴を通過し、
前記引出し電極の前記穴からイオンを受け取り、前記イオンを加速する抵抗管であり、この管に沿って電位が異なる抵抗管を備えるイオン源。
【請求項２】
前記抵抗管の一方の端が、前記引出し電極と実質的に同じ電位にあり、前記抵抗管のもう一方の端が、前記ターゲットと実質的に同じ電位にある、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記抵抗管を出るイオンが実質的に平行である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
前記引出し電極と前記抵抗管が共同して前記イオンを収束または発散させて、絶対値が２５０ｍｍよりも大きい正または負のイオン焦点距離を与える、請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記引出し電極と前記抵抗管が共同して前記イオンを収束もしくは発散させ、または絶対値が１０００ｍｍよりも大きい正もしくは負のイオン焦点距離を与える、請求項３に記載のイオン源。
【請求項６】
イオンが、前記源領域内で加速され、前記抵抗管内でさらに加速され、前記抵抗管内の電界によって生じる前記イオンのエネルギー変化が、前記源領域内の前記電界によって生じるエネルギー変化の少なくとも１０倍である、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
前記源領域が、前記中性原子を減速し、捕獲する磁気光学トラップを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項８】
前記抵抗管が、前記引出し電極の５ｍｍ以内のところから、源電極の方向から遠ざかる方向へ延びる、請求項１に記載のイオン源。
【請求項９】
前記抵抗管が、抵抗コーティングを有する絶縁管を含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記引出し電極と前記抵抗管が共同して前記イオンを収束もしくは発散させ、または絶対値が５０ｍｍよりも大きい正もしくは負のイオン焦点距離を与える、請求項１に記載のイオン源。
【請求項１１】
請求項１に記載のイオン源と、
前記源領域から引き出された前記イオン・ビームを偏向させる偏向電極と、
試料ホルダ上の試料に前記イオン・ビームを集束させる集束レンズと
を備える集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１２】
前記引出し電極と前記試料ホルダの間にビーム画定絞りが配置されていない、請求項１１に記載の集束イオン・ビーム・システム。
【請求項１３】
試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
極低温の中性原子を含む源領域と、
前記源領域の一方の側にある源電極と、
前記源電極から見て前記源領域の反対側にあり、穴を有する引出し電極と
を備え、前記源電極および前記引出し電極が、ある源電界強度を有する源電界を前記源領域に亘って発生させ、
前記極低温の中性原子の少なくとも一部をイオン化してイオンを生成するエネルギー源を備え、前記イオンが、前記源電界によって加速されて前記穴を通過し、
前記穴を有する前記引出し電極から延び、延長電界を発生させ、前記穴を過ぎた直後の前記延長電界の強度と前記源電界の強度の差が３０パーセント未満であり、それによってイオンが前記源領域を出るときの集束効果を低減させ、または排除する、少なくとも１つの加速電極を備えるイオン源。
【請求項１４】
前記源領域が、前記中性原子を減速し、捕獲する磁気光学トラップを含む、請求項１３に記載のイオン源。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの加速電極のうちの１つが、前記引出し電極の近くから、前記源電極から遠ざかる方向へ延びる抵抗管を含む、請求項１３に記載のイオン源。
【請求項１６】
前記抵抗管が、抵抗コーティングを有する絶縁管を含む、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項１７】
前記抵抗管の前記引出し電極に最も近い端の電位と前記引出し電極の電位との差が２０パーセント未満である、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項１８】
前記抵抗管の前記引出し電極に最も近い端が、前記引出し電極とほぼ同じ電位にある、請求項１７に記載のイオン源。
【請求項１９】
システムがさらに、前記試料に前記イオン・ビームを集束させるイオン集束レンズを備え、前記抵抗管の前記引出し電極から最も遠い端部の電位が、前記試料とほぼ同じ電位にある、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの加速電極が一連の電極を含み、前記イオン源がさらに、前記電極が前記源領域から離れるにつれて小さくなる電圧を前記一連の電極に供給する電圧源を備える、請求項１５に記載のイオン源。
【請求項２１】
試料ステージ上の試料へと導かれる集束イオン・ビームにイオンを供給するイオン源であって、
イオンを供給する源領域と、
前記分散源領域に電位を与える１つまたは複数の電極と、
穴を有し、前記源領域からイオンを引き出す電界を発生させる引出し電極と、
前記引出し電極の前記穴からイオンを受け取り、前記イオンを加速する加速電極であり、この電極管に沿った異なる点の電位が異なる加速電極と
を備えるイオン源。
【請求項２２】
前記加速電極が抵抗管である、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２３】
前記抵抗管を出るイオンが実質的に平行である、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２４】
前記抵抗管を出るイオン・ビームが発散している、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２５】
前記加速電極が、前記源領域のサイズの５倍よりも大きな距離にわたって前記イオンを加速する、請求項２１に記載のイオン源。
【請求項２６】
請求項２１に記載のイオン源を含む集束イオン・ビーム・システム。
【国際調査報告】
2013505545.tif 000014
2013505545.tif 000015