(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが導入されるガス導入室と、
前記ガス導入室に接続され、誘電体材料により形成されたプラズマ生成室と、
前記ガス導入室および前記プラズマ生成室の境界に配置され、前記ガス導入室から前記プラズマ生成室に原料ガスを導入する複数の貫通孔が設けられた末端電極と、
前記ガス導入室の内部に設けられ、前記末端電極に接続された絶縁部材と、
前記プラズマ生成室の外周に沿って巻かれ、高周波電力が印加されるコイルと、
前記ガス導入室、前記プラズマ生成室、および前記コイルを取り囲む外囲器と、
前記ガス導入室および前記プラズマ生成室と前記外囲器との間に充填されることによって前記コイルを浸漬するとともに、前記プラズマ生成室と同程度の誘電正接を有する絶縁性液体と、を備える、
ことを特徴とするプラズマイオン源。
【請求項２】
前記外囲器は、銅またはアルミニウムによって形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマイオン源。
【請求項３】
前記絶縁性液体は、フッ素系不活性液体である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマイオン源。
【請求項４】
前記プラズマ生成室は、石英ガラス、アルミナ、および窒化アルミニウムの何れかによって形成されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載のプラズマイオン源。
【請求項５】
前記外囲器に設けられる放熱フィンを備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載のプラズマイオン源。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１つに記載のプラズマイオン源と、
前記プラズマイオン源において発生した前記原料ガスのイオンによってイオンビームを形成するイオンビーム形成部と、
試料を固定するステージと、
前記イオンビーム形成部によって形成された前記イオンビームを前記試料に照射して、前記試料の照射領域の観察、加工、および分析のうちの少なくとも何れかを行う制御部と、
を備える、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
電子ビームを形成する電子ビーム形成部を備え、
前記制御部は、前記イオンビームおよび前記電子ビームを前記試料の同一領域に照射して、前記試料の照射領域の観察、加工、および分析のうちの少なくとも何れかを行う、ことを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマイオン源および荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、絶縁性の冷却流体を、冷却装置によって冷却しながら、ポンプによって、プラズマ生成室の外壁に沿って循環させるプラズマイオン源が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４２０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係るプラズマイオン源においては、高密度なプラズマに接することによって温度が上昇し易いプラズマ生成室の壁部および高周波電力が印加されることによって発熱し易いコイルを冷却するように、冷却流体の流路がプラズマ生成室の周囲に設けられている。これによりプラズマイオン源全体の大きさが、プラズマ生成室の数倍程度に増大してしまうという問題が生じる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、所望の冷却性を確保するためにプラズマイオン源全体の大きさが増大することを防止することが可能なプラズマイオン源および荷電粒子ビーム装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係るプラズマイオン源は、原料ガスが導入されるガス導入室と、前記ガス導入室に接続され、誘電体材料により形成されたプラズマ生成室と、前記ガス導入室および前記プラズマ生成室の境界に配置され、前記ガス導入室から前記プラズマ生成室に原料ガスを導入する複数の貫通孔が設けられた末端電極と、前記ガス導入室の内部に設けられ、前記末端電極に接続された絶縁部材と、前記プラズマ生成室の外周に沿って巻かれ、高周波電力が印加されるコイルと、前記ガス導入室、前記プラズマ生成室、および前記コイルを取り囲む外囲器と、前記ガス導入室および前記プラズマ生成室と前記外囲器との間に充填されることによって前記コイルを浸漬するとともに、前記プラズマ生成室と同程度の誘電正接を有する絶縁性液体と、を備える。
【０００７】
上記（１）に記載の態様に係るプラズマイオン源によれば、外囲器の内部に充填される絶縁性液体によってプラズマ生成室およびコイルを冷却することができるので、例えばプラズマ生成室およびコイルの周囲にヒートパイプなどの絶縁性液体の流路を設ける場合に比べて、プラズマイオン源全体の大きさが増大することを防止することができる。
さらに、外囲器の内部においてコイルをプラズマ生成室に出来るだけ近づけて配置することができるので、高周波電力を効率良くプラズマに伝達することができる。
【０００８】
（２）上記（１）に記載のプラズマイオン源では、前記外囲器は、銅またはアルミニウムによって形成されている。
上記（２）の場合、外囲器は熱伝導率が高い材料によって形成されているので、絶縁性液体の対流などによってプラズマ生成室およびコイルから外囲器に伝達される熱は、外囲器から効率良く放熱される。
また、外囲器は電気伝導率が高い非磁性金属によって形成されているので、コイルの周辺で誘導電流が発生する場合であっても、無駄な電力損失の増大を防止することができる。
【０００９】
（３）上記（１）または（２）に記載のプラズマイオン源では、前記絶縁性液体は、フッ素系不活性液体であってもよい。
【００１０】
（４）上記（１）から（３）の何れか１つに記載のプラズマイオン源では、前記プラズマ生成室は、石英ガラス、アルミナ、および窒化アルミニウムの何れかによって形成されてもよい。
【００１１】
（５）上記（１）から（４）の何れか１つに記載のプラズマイオン源では、前記外囲器に設けられる放熱フィンを備えてもよい。
【００１２】
（６）本発明の一態様に係る荷電粒子ビーム装置は、上記（１）から（５）の何れか１つに記載のプラズマイオン源と、前記プラズマイオン源において発生した前記原料ガスのイオンによってイオンビームを形成するイオンビーム形成部と、試料を固定するステージと、前記イオンビーム形成部によって形成された前記イオンビームを前記試料に照射して、前記試料の照射領域の観察、加工、および分析のうちの少なくとも何れかを行う制御部
と、を備える。
上記（６）に記載の態様に係る荷電粒子ビーム装置によれば、装置全体の大きさが増大することを防止することができる。
【００１３】
（７）上記（６）に記載の荷電粒子ビーム装置は、電子ビームを形成する電子ビーム形成部を備え、前記制御部は、前記イオンビームおよび前記電子ビームを前記試料の同一領域に照射して、前記試料の照射領域の観察、加工、および分析のうちの少なくとも何れかを行ってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のプラズマイオン源によれば、外囲器の内部に充填される絶縁性液体によってプラズマ生成室およびコイルを冷却することができるので、プラズマイオン源全体の大きさが増大することを防止することができる。
さらに、外囲器の内部においてコイルをプラズマ生成室に出来るだけ近づけて配置することができるので、高周波電力を効率良くプラズマに伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマイオン源の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るプラズマイオン源の絶縁部材をプラズマ生成室側から見た平面図である。
【図４】図３に示すＩＶ−ＩＶ断面を含む絶縁部材および末端電極の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係るプラズマイオン源および荷電粒子ビーム装置について添付図面を参照しながら説明する。
【００１７】
実施形態に係る荷電粒子ビーム装置１０は、図１に示すように、内部を真空状態に維持可能な試料室１１と、試料室１１の内部において試料Ｓを固定可能なステージ１２と、ステージ１２を駆動する駆動機構１３と、を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、試料室１１の内部における所定の照射領域（つまり走査範囲）内の照射対象に集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する集束イオンビーム鏡筒１４を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、試料室１１の内部における所定の照射領域内の照射対象に電子ビーム（ＥＢ）を照射する電子ビーム鏡筒１５を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、集束イオンビームまたは電子ビームの照射によって照射対象から発生する二次荷電粒子（二次電子および二次イオンなど）Ｒを検出する検出器１６を備えている。また、荷電粒子ビーム装置１０は、電子ビーム鏡筒１５内部に電子ビームの照射によって照射対象から発生する二次荷電粒子（反射電子）を検出する検出器（図示略）を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、照射対象の表面にガスＧａを供給するガス供給部１７を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、検出器１６によって検出された二次荷電粒子に基づく画像データなどを表示する表示装置２０と、制御部２１と、入力デバイス２２と、を備えている。
【００１８】
荷電粒子ビーム装置１０は、照射対象の表面に集束イオンビームを走査しながら照射することによって、スパッタリングによる各種の加工（エッチング加工など）と、デポジション膜の形成とを実行可能である。荷電粒子ビーム装置１０は、試料Ｓに走査型電子顕微鏡などによる断面観察用の断面を形成する加工と、試料Ｓから透過型電子顕微鏡による透過観察用の試料片（例えば、薄片試料、針状試料など）を形成する加工となどを実行可能である。荷電粒子ビーム装置１０は、試料Ｓなどの照射対象の表面に集束イオンビームまたは電子ビームを走査しながら照射することによって、照射対象の表面の観察を実行可能である。
【００１９】
試料室１１は、排気装置（図示略）によって内部を所望の真空状態になるまで排気可能であるとともに、所望の真空状態を維持可能に構成されている。
ステージ１２は、試料Ｓを保持する。
駆動機構１３は、ステージ１２に接続された状態で試料室１１の内部に収容されており、制御部２１から出力される制御信号に応じてステージ１２を所定軸に対して変位させる。駆動機構１３は、水平面に平行かつ互いに直交するＸ軸およびＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸に直交する鉛直方向のＺ軸とに沿って平行にステージ１２を移動させる移動機構１３ａを備えている。駆動機構１３は、ステージ１２をＸ軸またはＹ軸周りに回転させるチルト機構１３ｂと、ステージ１２をＺ軸周りに回転させる回転機構１３ｃと、を備えている。
【００２０】
集束イオンビーム鏡筒１４は、試料室１１の内部においてビーム出射部（図示略）を、照射領域内のステージ１２の鉛直方向上方の位置でステージ１２に臨ませるとともに、光軸を鉛直方向に平行にして、試料室１１に固定されている。これによって、ステージ１２に固定された試料Ｓなどの照射対象に鉛直方向上方から下方に向かい集束イオンビームを照射可能である。
集束イオンビーム鏡筒１４は、イオンを発生させるプラズマイオン源１４ａと、プラズマイオン源１４ａから引き出されたイオンを集束および偏向させるイオン光学系１４ｂと、を備えている。プラズマイオン源１４ａおよびイオン光学系１４ｂは、制御部２１から出力される制御信号に応じて制御され、集束イオンビームの照射位置および照射条件などが制御部２１によって制御される。イオン光学系１４ｂは、例えば、コンデンサレンズなどの第１静電レンズと、静電偏向器と、対物レンズなどの第２静電レンズと、などを備えている。なお、図１では静電レンズは２組であるが、３組以上備えてもよい。この場合、各レンズ間にアパーチャを設ける。
【００２１】
プラズマイオン源１４ａは、高周波誘導結合プラズマイオン源である。プラズマイオン源１４ａは、図２に示すように、トーチ３０と、第１接地電位フランジ３１および第２接地電位フランジ３２と、ガス導入室３３と、プラズマ生成室３４と、ガス導入室材３５と、末端電極３６と、プラズマ電極３７と、絶縁部材３８と、コイル３９と、外囲器４０と、絶縁性液体４１と、を備えている。
トーチ３０の形状は、筒状に形成されている。トーチ３０は、誘電体材料によって形成されている。誘電体材料は、例えば、石英ガラス、アルミナ、および窒化アルミニウムの何れかなどである。トーチ３０の第１端部には、第１接地電位フランジ３１が設けられている。トーチ３０の第２端部には、第２接地電位フランジ３２が設けられている。第１接地電位フランジ３１および第２接地電位フランジ３２は、接地電位に維持されている。第１接地電位フランジ３１および第２接地電位フランジ３２は、非磁性金属、例えば、銅やアルミなど、である。
トーチ３０は、ガス導入室３３およびプラズマ生成室３４を形成している。ガス導入室３３は、第１接地電位フランジ３１に接続されるガス導入室材３５と、トーチ３０の内部に配置される末端電極３６とによって形成されている。プラズマ生成室３４は、末端電極３６と、トーチ３０の第２端部に配置されるプラズマ電極３７とによって形成されている。末端電極３６およびプラズマ電極３７は、非磁性金属、例えば、銅やタングステンやモリブデンなど、である。プラズマが末端電極３６およびプラズマ電極３７をスパッタしてトーチ３０の内壁に付着するため、スパッタに必要なエネルギーが高いタングステンやモリブデンの方が好ましい。ガス導入室３３の内部には、絶縁部材３８が収容されている。トーチ３０の外部には、プラズマ生成室３４の外周に沿って巻かれるコイル３９が配置されている。コイル３９には、ＲＦ電源３９ａから高周波電力が供給される。
外囲器４０は、ガス導入室３３、プラズマ生成室３４、およびコイル３９を取り囲むようにして、第１接地電位フランジ３１および第２接地電位フランジ３２に接続されている。ガス導入室３３およびプラズマ生成室３４と、外囲器４０との間には、コイル３９を浸漬する絶縁性液体４１が充填されている。
【００２２】
ガス導入室材３５には、ガス供給源（図示略）から流量調整器（図示略）を介して供給される原料ガスを、ガス導入室３３の内部に導入する開口部３５ａが設けられている。
ガス導入室３３およびプラズマ生成室３４の境界に配置される末端電極３６には、ガス導入室３３からプラズマ生成室３４に原料ガスを導入する複数の貫通孔３６ａが設けられている。複数の貫通孔３６ａの各々の大きさＲ（例えば、円形の貫通孔３６ａの直径など）は、プラズマシース長よりも小さく形成されている。プラズマシース長は、例えば、数１０μｍ〜数１００μｍである。
プラズマ電極３７には、プラズマ生成室３４から外部にイオンを引き出す開口部３７ａが設けられている。
【００２３】
ガス導入室３３内の絶縁部材３８は、ボルトなどの接続部材によって末端電極３６に固定されている。絶縁部材３８には、図３に示すように、接続部材（図示略）が装着される装着孔３８ａが形成されている。末端電極３６の表面３６Ａに対向する絶縁部材３８の対向面３８Ａには、図４に示すように、凹溝３８ｂが形成されている。凹溝３８ｂの深さＤは、プラズマシース長よりも小さく形成されている。凹溝３８ｂの幅Ｗは、深さＤよりも大きく形成されている。絶縁部材３８には、凹溝３８ｂに設けられる複数の貫通孔３８ｃが形成されている。複数の貫通孔３８ｃの各々の大きさ（例えば、円形の貫通孔３８ｃの直径など）は、プラズマシース長よりも小さく形成されている。複数の貫通孔３８ｃの各々の大きさは、例えば、プラズマ電極３７における複数の貫通孔３６ａの大きさＲと同一に形成されている。複数の貫通孔３８ｃの各々は、例えば、プラズマ電極３７における複数の貫通孔３６ａの各々に臨むように配置されている。
なお、プラズマ電極３７には、接続部材（図示略）が装着される装着孔３６ｂが絶縁部材３８の装着孔３８ａに臨むように形成されている。
【００２４】
絶縁部材３８の形状は、ガス導入室材３５と末端電極３６との間における荷電粒子の直接的な移動を妨げる形状に形成されている。絶縁部材３８の形状は、ガス導入室材３５と末端電極３６とが相互に直接見えない形状に形成されている。絶縁部材３８の形状は、例えば、雄ねじ形状などに形成されている。
【００２５】
外囲器４０は、例えば、銅またはアルミニウムなどの放熱性（熱伝導率）が高い材料により形成されている。
絶縁性液体４１は、外囲器４０の絶縁耐圧よりも相対的に大きな絶縁耐圧およびプラズマ生成室３４と同程度の誘電正接を有する。絶縁性液体４１は、例えば、フッ素系不活性液体である。
【００２６】
電子ビーム鏡筒１５は、試料室１１の内部においてビーム出射部（図示略）を、照射領域内のステージ１２の鉛直方向に所定角度傾斜した傾斜方向でステージ１２に臨ませるとともに、光軸を傾斜方向に平行にして、試料室１１に固定されている。これによって、ステージ１２に固定された試料Ｓなどの照射対象に傾斜方向の上方から下方に向かい電子ビームを照射可能である。
電子ビーム鏡筒１５は、電子を発生させる電子源１５ａと、電子源１５ａから射出された電子を集束および偏向させる電子光学系１５ｂと、を備えている。電子源１５ａおよび電子光学系１５ｂは、制御部２１から出力される制御信号に応じて制御され、電子ビームの照射位置および照射条件などが制御部２１によって制御される。電子光学系１５ｂは、例えば、電磁レンズと偏向器となどを備えている。
【００２７】
なお、電子ビーム鏡筒１５と集束イオンビーム鏡筒１４の配置を入れ替え、電子ビーム鏡筒１５を鉛直方向に、集束イオンビーム鏡筒１４を鉛直方向に所定角度傾斜した傾斜方向に配置してもよい。
【００２８】
検出器１６は、試料Ｓなどの照射対象に集束イオンビームまたは電子ビームが照射されたときに照射対象から放射される二次荷電粒子（二次電子および二次イオンなど）Ｒの強度（つまり、二次荷電粒子の量）を検出し、二次荷電粒子Ｒの検出量の情報を出力する。検出器１６は、試料室１１の内部において二次荷電粒子Ｒの量を検出可能な位置、例えば照射領域内の試料Ｓなどの照射対象に対して斜め上方の位置などに配置され、試料室１１に固定されている。
【００２９】
ガス供給部１７は、試料室１１の内部においてガス噴射部（図示略）をステージ１２に臨ませて、試料室１１に固定されている。ガス供給部１７は、集束イオンビームによる試料Ｓのエッチングを試料Ｓの材質に応じて選択的に促進するためのエッチング用ガスと、試料Ｓの表面に金属または絶縁体などの堆積物によるデポジション膜を形成するためのデポジション用ガスと、などを試料Ｓに供給可能である。例えば、Ｓｉ系の試料Ｓに対するフッ化キセノンと、有機系の試料Ｓに対する水と、などのエッチング用ガスを、集束イオンビームの照射と共に試料Ｓに供給することによって、エッチングを選択的に促進させる。また、例えば、フェナントレン、プラチナ、カーボン、またはタングステンなどを含有した化合物ガスのデポジション用ガスを、集束イオンビームの照射と共に試料Ｓに供給することによって、デポジション用ガスから分解された固体成分を試料Ｓの表面に堆積させる。
【００３０】
制御部２１は、試料室１１の外部に配置され、表示装置２０と、操作者の入力操作に応じた信号を出力するマウスおよびキーボードなどの入力デバイス２２とが接続されている。
制御部２１は、入力デバイス２２から出力される信号または予め設定された自動運転制御処理によって生成される信号などによって、荷電粒子ビーム装置１０の動作を統合的に制御する。
【００３１】
制御部２１は、荷電粒子ビームの照射位置を走査しながら検出器１６によって検出される二次荷電粒子の検出量を、照射位置に対応付けた輝度信号に変換して、二次荷電粒子の検出量の２次元位置分布によって照射対象の形状を示す画像データを生成する。制御部２１は、生成した各画像データとともに、各画像データの拡大、縮小、移動、および回転などの操作を実行するための画面を、表示装置２０に表示させる。制御部２１は、加工設定などの各種の設定を行なうための画面を、表示装置２０に表示させる。
【００３２】
上述したように、本発明の実施形態によるプラズマイオン源１４ａによれば、外囲器４０の内部に充填される絶縁性液体４１によってプラズマ生成室３４およびコイル３９を冷却することができるので、例えばプラズマ生成室３４およびコイル３９の周囲にヒートパイプなどの絶縁性液体の流路を設ける場合に比べて、プラズマイオン源１４ａ全体の大きさが増大することを防止することができる。
さらに、外囲器４０の内部においてコイル３９をプラズマ生成室３４に出来るだけ近づけて配置することができるので、高周波電力を効率良くプラズマに伝達することができる。
さらに、外囲器４０は熱伝導率が高い材料によって形成されているので、絶縁性液体４１の対流などによってプラズマ生成室３４およびコイル３９から外囲器４０に伝達される熱は、外囲器４０から効率良く放熱される。
また、外囲器４０は電気伝導率が高い非磁性金属によって形成されているので、コイル３９の周辺で誘導電流が発生する場合であっても、無駄な電力損失の増大を防止することができる。
【００３３】
上述したように、本発明の実施形態による荷電粒子ビーム装置１０によれば、装置全体の大きさが増大することを防止することができる。
【００３４】
なお、上述した実施形態では、外囲器４０に設けられる放熱フィンを備えてもよい。
【００３５】
なお、上述した実施形態では、外囲器４０の内部の絶縁性液体４１を吸い出して、冷却した後に再度外囲器４０の内部に供給する装置（冷却装置およびポンプなど）を備えてもよい。
【００３６】
なお、上述した実施形態では、電子ビーム鏡筒１５は省略されてもよい。
【００３７】
なお、上述した実施形態では、制御部２１は、ソフトウェア機能部、またはＬＳＩなどのハードウェア機能部であってもよい。
【００３８】
なお、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…荷電粒子ビーム装置、１１…試料室、１２…ステージ、１３…駆動機構、１４…集束イオンビーム鏡筒、１４ａ…プラズマイオン源、１５…電子ビーム鏡筒、１６…検出器、１７…ガス供給部、２０…表示装置、２１…制御部、２２…入力デバイス、３０…トーチ、３１…第１接地電位フランジ、３２…第２接地電位フランジ、３３…ガス導入室、３４…プラズマ生成室、３５…ガス導入室材、３６…末端電極、３７…プラズマ電極、３８…絶縁部材、３９…コイル、４０…外囲器、４１…絶縁性液体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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