(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構造で、優れた冷却効果が得られる、集束イオンビーム装置の試片冷却システムを提供する。【解決手段】反応チャンバー２１と、前記反応チャンバー２１の内部に設けられるステージ２２と、前記ステージ２２上部に装着されて前記試片２５を定着させる試片ホルダー２４と、前記試片ホルダー２４に取り付けられ、前記反応チャンバー２１の内部から外部に延設されて、集束イオンビーム装置による微細加工工程で前記試片２５に発生する熱を前記反応チャンバー２１の外部に伝達する熱伝達部材２６と、前記反応チャンバー２１の外部に延設された前記熱伝達部材２６に連結され、前記熱伝達部材２６により伝達された熱を吸収するヒートシンク２８とを含む集束イオンビーム装置の試片冷却システム。【選択図】図２
2005136389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束イオンビーム装置の試片冷却システムにおいて、
反応チャンバーと、
前記反応チャンバーの内部に設けられるステージと、
前記ステージ上部に装着されて前記試片を定着させる試片ホルダーと、
前記試片ホルダーに取り付けられ、前記反応チャンバーの内部から外部に延設されて、集束イオンビーム装置による微細加工行程で前記試片に発生する熱を前記反応チャンバーの外部に伝達する熱伝達部材と、
前記反応チャンバーの外部に延設された前記熱伝達部材に連結され、前記熱伝達部材により伝達された熱を吸収するヒートシンクとを含むことを特徴とする集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項２】
前記試片ホルダーは、その表面に前記試片を定着させるためのトレンチ構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項３】
前記試片ホルダーは、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｕおよびＡｇから選ばれる少なくとも１種を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項４】
前記ステージと前記試片ホルダーの間に試片載置部がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項５】
前記試片載置部は、ステンレススチール材で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項６】
前記反応チャンバーは、前記熱伝達部材が前記反応チャンバーの内部から外部に貫通する部位に、冷却ポートを備えることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項７】
前記冷却ポートは、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｕおよびＡｇから選ばれる少なくとも１種を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項６に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項８】
前記熱伝達部材は、前記試片ホルダーに接触する部位はワイヤー状の形態であり、前記冷却ポートを通って前記反応チャンバーの外部に延設される部位は棒状の形態であることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項９】
前記熱伝達部材は、ワイヤー状、棒状またはチューブ状のいずれか１種の形態であることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項１０】
前記熱伝達部材は、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｕおよびＡｇから選ばれる少なくとも１種を含む材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項１１】
前記ヒートシンクは、冷却媒体が入った冷却容器であることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項１２】
前記熱伝達部材は、前記冷却容器の内部に延設され、その端部が前記冷却媒体に浸漬されていることを特徴とする請求項１１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項１３】
前記冷却媒体が、液状窒素または液状ヘリウムであることを特徴とする請求項１２に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項１４】
前記冷却容器は、デュワーびんであることを特徴とする請求項１２に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【請求項１５】
前記ヒートシンクは、ペルチエ素子であることを特徴とする請求項１に記載の集束イオンビーム装置の試片冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試片冷却システムに係り、より詳細には、集束イオンビームにより素子を微細加工する場合の高熱によって発生する素子の熱的損傷を防止できる集束イオンビーム装置の試片冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
集束イオンビーム(Focused Ion Beam：ＦＩＢ)装置は、集束されたイオンビームを加工する試片の特定の微細部位に照射して所定の微細加工をする装置である。ＦＩＢは、素子の微細加工、半導体工程の評価および分析、イオン注入工程、ｉｎ−ｓｉｔｕ工程、二次イオン質量分析 (Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ)等の各種の分野で利用されている。
【０００３】
ＦＩＢを利用して透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ)用の試片を製作する場合、ＦＩＢは、試片の特定位置での高分解能分析に著しく貢献している。しかし、ＦＩＢを利用してＴＥＭ試片を製作した場合、従来のイオンミリング装置などにより製作した場合と比較して熱的損傷が発生し、また、試片自体が厚いため、結晶欠陥などを高分解能で観察するのが困難であるなどの短所がある。すなわち、ＦＩＢを利用してＴＥＭ試片を製作する場合、シリコンのように熱的に安定な物質では、熱による影響をほとんど受けず、熱による試片の構造変化が小さい。しかし、熱的に不安定な物質、例えば、高い熱伝導度を有する金属物質やＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＰなどの半導体物質をＦＩＢで微細加工する場合、局部的に熱が発生する。これをＴＥＭで観察すれば、熱的損傷による構造の変化が発見される。
【０００４】
実際に３０ｋｅＶの加速電圧を有するＦＩＢで製作した試片では、約２０ｎｍほどの深さまで損傷を受けていることが報告されている。
【０００５】
従来の温度調節装置の一つを図１に示す。図１は、特許文献１に開示された温度調節装置が適用された反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching：ＲＩＥ)装置を示す概略的な断面図である。温度調節装置１０は、支持体１１の内部に設置された温度調節室１２内に液体窒素を供給する液体窒素供給装置１３と、前記支持体１１を加熱する加熱装置１４と、支持体１１の温度を検出する温度センサー１５，１６とを具備する。温度センサー１５，１６はウェハーが載置された支持体１１の温度を検出し、制御器１８は、温度設定手段１７で設定された温度に調節するため、液体窒素供給装置１３と加熱装置１４とを制御して前記支持体１１を冷却または加熱する。
【０００６】
このような温度調節装置１０は、低温の液体窒素または高温の気体窒素を、直接、装置内部に輸送し、さらに再び回収しなければならないので、装置が複雑になり、装置内部での窒素の漏れによって装置内部の真空調節に問題が発生することがある。
【特許文献１】米国特許第５,８９２,２０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するため、簡単な構造で優れた冷却効果を有し、ＦＩＢによる各種プロセスにおける対象試片の熱的損傷を大きく減少させることができる試片冷却システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記目的を達成するために、ＦＩＢ装置の試片冷却システムにおいて、反応チャンバーと、前記反応チャンバーの内部に設けられるステージと、前記ステージ上部に装着されて前記試片を定着させる試片ホルダーと、前記試片ホルダーに取り付けられ、前記反応チャンバーの内部から外部に延設されて、ＦＩＢ装置による微細加工工程で前記試片に発生する熱を前記反応チャンバーの外部に伝達する熱伝達部材と、前記反応チャンバーの外部に延設された前記熱伝達部材に連結され、前記熱伝達部材により伝達された熱を吸収するヒートシンクとを含むＦＩＢ装置の試片冷却システムを提供する。
【０００９】
本発明において、前記試片ホルダーは、その表面に前記試片を定着させるためのトレンチ構造が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、前記試片ホルダーは、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｕおよびＡｇから選ばれる少なくとも１種を含む材料で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記熱伝達部材が前記反応チャンバーの内部から外部に貫通する部位には、冷却ポートが設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記熱伝達部材は、ワイヤー状、棒状またはチューブ状のいずれか１種の形態であることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記熱伝達部材は、前記試片ホルダーに接触する部位はワイヤー状の形態であり、前記冷却ポートを通って前記反応チャンバーの外部に延設される部位は棒状の形態であることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記熱伝達部材および前記冷却ポートは、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｕおよびＡｇから選ばれる少なくとも１種で形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記ヒートシンクは、冷却媒体が入った冷却容器であることを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記冷却媒体は、液体窒素または液体ヘリウムであることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、前記熱伝達部材は、その端部が前記冷却媒体に浸漬されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明において、前記ヒートシンクとしてペルチエ素子を使用してもよい。
本発明において、前記ステージと前記試片ホルダーの間に試片載置部がさらに設けられていることを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記試片載置部は、ステンレススチール材で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＦＩＢ装置の試片冷却システムは、非常に簡単な構造で、かつ冷却効率等の性能が優れ、ＦＩＢによる工程で対象試片の熱的欠陥を大きく減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムの一実施形態についてより詳細に説明する。図２は、本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムを採用したＦＩＢ装置の構造を示す概略的な断面図である。
【００２２】
図２に示すとおり、ＦＩＢ装置は、試片２５に対して所定の工程が行なわれるチャンバー２１と、チャンバー２１の内部に設けられ、試片２５を搭載するステージ２２と、試片載置部２３とを備える。試片載置部２３の上には、試片２５を保持する試片ホルダー２４が設けられる。試片ホルダー２４は、所定の工程期間中、試片２５で発生する熱をチャンバー２１の外部に伝達する熱伝達部材２６と連結されている。熱伝達部材２６は、チャンバー２１を貫通して外部に延設され、チャンバー２１を貫通する部位には冷却ポート２７を備え、この冷却ポート２７によってチャンバー２１の内部と外部とが遮断される。熱伝達部材２６は、前記チャンバー２１の内部から外部に延設されて、ヒートシンク２８と連結されている。ここで、ヒートシンク２８は、熱伝達部材２６により伝えられた熱を吸収して結果的に試片２５を冷却する役割を有する。
【００２３】
ヒートシンク２８は、冷却媒体２９が入った冷却容器３０(図３Ｃ参照)またはペルチエ素子などを用いることができる。例えば、ヒートシンク２８が冷却媒体２９が入った冷却容器３０である場合、熱伝達部材２６は、冷却容器３０の内部に連結され、冷却媒体２９に浸漬されている。前記冷却容器３０とてしては、デュワーびんを用いることができる。熱伝達部材２６は、図３Ｂに示すように、柔軟なワイヤー形態の熱伝導性ワイヤー２６ａ、形状が固定された熱伝導性棒２６ｂ（図３Ｂ参照）、冷却チューブなどの形態に形成することができる。
【００２４】
前記試片載置部２３は、試片ホルダー２４の冷却効率が分散されないようにステンレス材料を加工して形成することが望ましい。試片ホルダー２４は、その上面に試片２５を配置させ、ＦＩＢによる工程の間、前記試片２５に局部的に発生する熱を前記熱伝達部材２６に伝達する役割を有する。
【００２５】
図３Ａは、本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムに用いられる試片ホルダー２４の一実施形態を示す斜視図である。図３Ａに示すとおり、試片ホルダー２４の上面には、試片２５が装着される（図２参照）ように、トレンチ構造２４ａが形成されている。試片ホルダー２４は、工程に応じて各種の大きさのものが使用できる。このような試片ホルダー２４は、前記のように、ＦＩＢ装置を用いる工程期間中、前記試片２５と接触して前記試片２５から発生した熱を熱伝達部材２６に伝達しなければならないので、熱伝達特性が良い材料で形成させることが望ましい。すなわち、試片ホルダー２４は、Ｃｕ、Ｆｅ、ＡｕおよびＡｇからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む材料で形成することもでき、また、前記材料の２種以上を含む合金で形成することもできる。
【００２６】
試片ホルダー２４のトレンチ構造２４ａ内に試片２５を装着させた状態で試片２５に発生する熱を熱伝達部材２６に迅速に伝達するために、試片２５と接触するトレンチ構造２４ａの隣接部２４ｂのみを熱伝達特性の良い材料で形成してもよい。この場合、その他の部位２４ｃは、前記トレンチ構造２４ａの隣接部２４ｂの材料より熱伝達率が低い材料、例えば、ステンレススチールで形成することができる。熱伝達部材２６は、試片ホルダー２４の一側部、あるいは試片ホルダー２４の下部に取り付けることができる。ただし、熱伝達部材２６の取り付け位置が試片ホルダー２４の下部である場合には、構造が比較的複雑になる。
【００２７】
熱伝達部材２６は、試片ホルダー２４の一部と接触して試片ホルダー２４の熱をチャンバー２１の外部に伝達する機能を有する。このような熱伝達部材２６は、その全体を細いワイヤ状、チューブ状または棒状の形態に形成できる。熱伝達特性の面では、全体が棒状の形態であることが望ましいが、工程期間中、試片２５が装着された試片ホルダー２４がチャンバー２１の内部を移動できるように、熱伝達部材２６の一部が、曲がりやすいワイヤー状の形態に形成されていてもよい。したがって、図３Ｂに示すように、熱伝達部材２６は、試片ホルダー２４に接触する部分は曲がりやすいワイヤー形態の熱伝達ワイヤー２６ａとし、残りの部分は熱伝達棒２６ｂで形成することが望ましい。このような熱伝達部材２６は、試片ホルダー２４と同様に、熱伝導率が高い材料で形成することが望ましい。熱伝達部材２６は、試片ホルダー２４と同じ材料で形成してもよいし、あるいは熱伝導率が高い他の材料で形成してもよい。また、試片２５の冷却効率を高くするために、熱伝達部材２６は、その長さを短くし、その断面は比較的厚いことが望ましい。
【００２８】
熱伝達部材２６が前記チャンバー２１の内部から外部に抜け出す部位には、冷却ポート２７が形成される。通常、チャンバー２１の側壁または上部には、入出用ポートが形成されるが、本発明の冷却ポート２７も前記入出用ポートの形態とそれほど異なるものではない。ただし、本発明において、冷却ポート２７は、熱伝達部材２６によりチャンバー２１の内部から外部に熱が容易に伝達されるように、試片ホルダー２４または熱伝達部材２６と同じ材料を使用して形成してもよいし、熱伝導率が高い他の材料で形成してもよい。冷却ポート２７は、Ａｌで形成してもよいし、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕ、Ａｇなどで形成してもよい。チャンバー２１の内部から外部へのガス漏れを防止するため、熱伝達部材２６は、チャンバー２１の内部に形成された部位と、チャンバー２１の外部に延びて形成された部位とが、一体的に形成されていることが望ましい。
【００２９】
図３Ｃは、図３Ｂに示すヒートシンク２８の断面図である。図３Ｃに示すとおり、ヒートシンク２８は、冷却媒体２９が入った冷却容器３０でよい。チャンバー２１の冷却ポート２７から導出された熱伝達部材２６は、冷却容器３０と連結されている。熱伝達部材２６は、冷却媒体２９が入った冷却容器３０の内部に延設され、その端部は、冷却媒体２９の中に浸漬されている。冷却媒体２９は、低温で安定な状態であることが望ましく、液体窒素または液体ヘリウムを用いることができる。冷却容器３０に低温の液体窒素が入っている場合、冷却容器３０内部の温度は約−１７９℃であるから、冷却容器３０はこの温度を考慮して製作される。また、冷却容器３０として、一般的な液体窒素または液体ヘリウムを保存する容器、例えば、デュワーびんを用いることもできる。本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムでは、ヒートシンク２８として、冷却媒体２９が入った冷却容器３０の他にペルチエ素子を用いることができる。
【００３０】
図４Ａは、本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムを利用した工程によって製造された素子の概略図および写真を示す。図４Ａに示すとおり、試片２５の表面の一部を微細加工し、トレンチ構造２５ａの間に厚さが約５０ｎｍないし１００ｎｍの膜２５ｂを形成した。図４Ａから、本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムを利用した微細加工では、試片２５に熱的損傷をほとんど生じないことが確認できる。このことは、従来の技術によって製作された同じ形態の素子を示す図４Ｂによって明確に説明される。
【００３１】
図４Ｂは、本発明のＦＩＢ装置の試片冷却システムを利用して製作された試片と、従来の技術によって製造された試片とを比較する電子顕微鏡写真である。図４Ｂにおいて、従来の技術により製造されたトレンチ構造２５ａの領域と試片２５の表面との間の境界部分Ａを見ると、ＦＩＢによる工程で生じた熱的損傷によって境界部分Ａの構造が破壊されて融けていることが分かる。しかし、本発明により製造された構造では、トレンチ構造２５ａの領域と試片２５の平坦部との境界部分Ｂを見ると、冷却によって加工時に熱的損傷をほとんど受けずに境界領域が非常にきれいに形成されたことが分かる。
【００３２】
また、図４Ｂに示す従来の技術および本発明により製造したそれぞれの素子におけるトレンチ構造２５ａの間の膜２５ｂを試片２５から分離し、その表面を観察した。図５Ａないし図５Ｃは従来の技術により製造したものを撮影した電子顕微鏡写真であり、図６Ａないし図６Ｃは本発明により製造したものを撮影した電子顕微鏡写真である。従来の技術によるトレンチ構造２５ａの間の膜２５ｂについては、図５Ａおよび図５Ｂに示すとおり、膜表面に、ＦＩＢによる加工で生じた熱的損傷Ｃが発見される。そして、図５Ｃに示すとおり、膜質が均一でないことがわかる。これとは異なり、図６Ａないし図６Ｃの写真に示すとおり、本発明によって製造された膜の表面は、非常にきれいに形成されていることが分かる。すなわち、これは、本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムを利用した工程の場合、熱による損傷をほとんど受けなかったことを意味する。
【００３３】
以上、図面に示された実施形態に基づいて、本発明を説明したが、前記実施形態は、単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に基づいて決定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の試片冷却システムは、ＦＩＢ装置を用いる分野に適用して、集束イオンビームによる微細加工工程で発生する熱的欠陥を大きく減少させることができ、例えば、素子の微細加工、半導体工程の評価および分析、イオン注入工程、ｉｎ−ｓｉｔｕ工程およびＳＩＭＳなどに効果的に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の技術におけるウェハーの温度調節装置を示す図である。
【図２】本発明による試片冷却システムを採用したＦＩＢ装置を示す概略的な断面図である。
【図３Ａ】本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムの主要部を示す図である。
【図３Ｂ】本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムの主要部を示す図である。
【図３Ｃ】本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムの主要部を示す図である。
【図４Ａ】本発明によるＦＩＢ装置の試片冷却システムを装着したＦＩＢ装置により製作した試片およびその電子顕微鏡写真を示す図である。
【図４Ｂ】本発明のＦＩＢ装置の試片冷却システムを利用して製作された試片と、従来の技術によって製造された試片とを比較する電子顕微鏡写真である。
【図５Ａ】従来の技術により試片に形成されたトレンチ構造物の間の膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】従来の技術により試片に形成されたトレンチ構造物の間の膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図５Ｃ】従来の技術により試片に形成されたトレンチ構造物の間の膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図６Ａ】本発明により試片に形成されたトレンチ構造物の間の膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】本発明により試片に形成されたトレンチ構造物の間の膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図６Ｃ】本発明により試片に形成されたトレンチ構造物の間の膜の表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３６】
１０      温度調節装置
１１      支持体
１２      温度調節室
１３      液体窒素供給装置
１４      加熱装置
１５、１６    温度センサー
１７      温度設定手段
１８      制御器
２１      チャンバー
２２      ステージ
２３      試片載置部
２４      試片ホルダー
２４ａ    トレンチ構造
２４ｂ    トレンチ構造形成部位の試片ホルダー部
２５      試片
２６      熱伝達部材
２６ａ    熱伝達ワイヤー
２６ｂ    熱伝達棒
２７      冷却ポート
２８      ヒートシンク
２９      冷却媒体
３０      冷却容器
【図１】
2005136389.tif 000003
【図２】
2005136389.tif 000004
【図３Ａ】
2005136389.tif 000005
【図３Ｂ】
2005136389.tif 000006
【図３Ｃ】
2005136389.tif 000007
【図４Ａ】
2005136389.tif 000008
【図４Ｂ】
2005136389.tif 000009
【図５Ａ】
2005136389.tif 000010
【図５Ｂ】
2005136389.tif 000011
【図５Ｃ】
2005136389.tif 000012
【図６Ａ】
2005136389.tif 000013
【図６Ｂ】
2005136389.tif 000014
【図６Ｃ】
2005136389.tif 000015