(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム真空室と、液体金属イオン源を含むイオン銃と、イオンを抽出し集束させるための複数のレンズ要素と、１つまたは複数のビーム開口と、静電偏向手段とを含み、真空内隔離バルブを備えて前記イオン銃を前記システム真空室から隔離し、前記真空内隔離バルブが、前記真空内隔離バルブから前記システム真空室の外部への機械的リンケージを持たないように改良されたＦＩＢカラムであって、
前記真空内隔離バルブは、貫通穴を有するバルブ・シートと、前記バルブ・シートの下方でスライドするスライダを含み、空圧ベローズに空気圧が供給されたときに前記スライダがスライドして前記真空内隔離バルブが開放されて前記イオン銃から照射されたイオン・ビームが前記貫通穴を通過し、前記空圧ベローズへの空気圧の供給が停止されたときにスプリングによって前記スライダが前記真空内隔離バルブの閉位置に戻され、
前記バルブ・シートの下方で前記スライダの楔封止表面がスライドすることにより前記真空内隔離バルブを閉じるＦＩＢカラム。
【請求項２】
前記真空内隔離バルブが空圧で作動し、前記真空内隔離バルブを作動させる空圧接続が、前記システム真空室の壁を貫通する、請求項１に記載のＦＩＢカラム。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、ＦＩＢ（集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ））システム、特にＦＩＢ光学カラムに関する。
【０００１】
（発明の背景）
ＦＩＢシステムは、かつては主として高度な専門家によって実験室で使用されたが、半導体やディスク装置などの製品の大量生産においての使用が増大している。最も集束度の高いイオン・ビーム・システムは、現在でも広範な用途に適した汎用機械として設計されている。このようなシステムは汎用性がある一方で、その製造は比較的高価である。ＦＩＢシステムが実験室から生産現場に移行するにつれて、ＦＩＢシステムの使用を容易にすると共に、その性能を改良することが重要である。性能の改良とは、材料をより効率的に処理すると共に解像度を増大させること、すなわちビームをより微小なスポットに集中させて、より微細な操作を可能にすることである。
【０００２】
ＦＩＢシステムをより生産に適したものにすることは、一部にはイオン・ビームを生成、集束させるのに使用する光学カラムのコストと寸法を低減することに関連する。カラム光学長を最小化することによって、ビーム内のイオン相互作用が減少する。このような相互作用は、ビーム径を増大させると共に、解像度を低下させる。カラム幅を最小化することによって、真空室内のＦＩＢを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）用の電子ビームのような第２のビームと組み合わせることが容易となる。このようなシステムでは、集束イオン・ビームを使用して被加工物を機械加工した後に、電子ビームを用いて被加工物を検査することができる。このようなデュアル・ビーム・システムにおいては、ＦＩＢカラムは真空室内に深く貫入していることが好ましく、その結果、ＳＥＭカラムと被加工物に当たらないようにするために細い断面（ｐｒｏｆｉｌｅ）を持つ必要がある。
【０００３】
しばしば第１のレンズであるイオン源を含むイオン・カラムの一部は、「イオン銃」と呼ばれる。イオン銃は通常、イオンを放出するエミッタ、高電圧を提供してエミッタからイオンの抽出を補助するエキストラクタ、初期にビーム径を決定するのを助けるエキストラクタ開口、およびエミッタ放出電流の微調整をするエミッタ回りのサプレッサを含む。空気分子がビーム中でイオンと干渉するために、イオン・ビームの全経路は、高真空または超高真空を維持するシステム真空室内に収まっている。イオン銃は、被加工物を挿入または除去するためにシステム真空室を開けるときに、エミッタが汚染されないように、個別に密閉可能な銃真空室（ｇｕｎ  ｖａｃｕｕｍ  ｃｈａｍｂｅｒ）に収納されることが多い。銃真空室を封止する真空隔離バルブを作動させる機構は通常、システム真空室の外に延びている。
【０００４】
イオン・カラムも通常はイオン銃の後に位置し、さらにビーム径を微小化するビーム開口を含む。多くのＦＩＢシステムで、自動可変開口（ＡＶＡ）が使用されている。ＡＶＡは通常、開口の列を形成するために、様々な寸法の複数の小径穴を有する金属薄膜を含む。ステージが、開口ストリップを移動させて、ビームの経路に所望の径の穴を配置する。開口ストリップを移動させる機構は通常、システム真空室の外に延びている。
【０００５】
図１は、典型的なＦＩＢカラム組立体１００の部分横断面図である。カラムには、超高真空銃室１０２を使用し、この銃室は、ミューメタルすなわちカラムへの磁場の浸透を低減する金属からなる磁気シールド１０４によって包囲された溶接ステンレス鋼からなる。銃レンズ１１０、最終レンズ１１２、偏向板１１４などの高電圧を搬送するイオン光学要素は通常金属要素であり、高電圧絶縁器１１６などの複合アルミナ要素や機械加工可能なガラス誘電体要素などによって支持、かつ電気的に絶縁されている。金属光学要素は通常、誘電体要素にねじ止めされるか、またはロウ付けされるが、例えばエポキシを用いて誘電体に接着してもよい。
【０００６】
電気および機械接続、または超高真空銃室１０２の内部から外部への「貫通接続（ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）」は、貫通接続を介して空気が真空室中に漏入しないように封止する必要がある。超高真空（ＵＶＨ）システムに使用する公知の技法があり、この技法においてはロウ付け金属・セラミック要素が、高電圧絶縁および真空封止に利用される。図１は、高電圧電気貫通接続１２０を示す。図１はまた、自動可変開口を駆動し、かつエミッタを位置決めするための機械貫通接続を示している。このエミッタは、銃室１０２外部の４つのノブ１２２を用いて銃室１０２内部に位置合わせされ、このノブは、真空ベローズおよび高電圧絶縁によって差動ねじ（図示せず）を介してエミッタ／サプレッサ組立体に結合されている。このような配設は複雑で高価である。自動可変開口は、システム真空室の外部にある駆動機構１２４によって動かされ、機械式接続が、外部駆動機構から開口板自体に延びている。
【０００７】
イオン・ポンプ・ポート１３０は、真空室１０２内に超高真空を生成するためのイオン・ポンプに接続されており、銃室真空隔離バルブ機構１３２によって、真空室１０２を真空隔離することが可能となり、その結果例えば、被加工物が配置され、かつカラム組立体１００が挿入されるシステム真空室を、真空室１０２内の要素を汚染することなく、大気に開放することができる。銃室真空隔離バルブ機構１３２は、システム真空室の壁部を通過して延びている。カラム組立体１００は取付けフランジ１４０を用いてシステム真空室に取り付けられている。
【０００８】
上記のような従来型のイオン・カラム設計においては、全真空内表面積が大きい。真空室内の表面にガスが吸着しやすく、このガスが時間経過と共に離脱するために、表面積が大きいと能力の高い真空ポンプが必要になる。
（発明の概要）
本発明の目的は、より簡単な設計の高性能ＦＩＢ光学カラム設計を提供することである。
【０００９】
本発明によれば、イオン光学カラムの一部を誘電体ブッシュを用いて形成し、これによって金属光学要素を支持し、それらを電気絶縁し、これらの要素の回りに真空室を形成する。特に、誘電体ブッシュは、エミッタ組立体およびその他の光学要素を収納するイオン銃真空室を形成するのに適しており、この銃真空室はシステム真空室と分離されて、真空封止可能であることが好ましい。
【００１０】
本発明の他の態様においては、小型イオン・カラムは、システム真空室内に、自動可変開口駆動機構および銃室真空隔離バルブ起動機構を包含する。このような機構を真空室内に包含すると、真空室内で他の構成要素の配置と干渉することになる機械貫通接続を不要にすることによってマルチビーム・システムの設計が容易になる。
【００１１】
本発明は、複数の新規な態様を含むことが理解されるであろう。本発明の異なる態様の任意のもの、あるいはその組み合わせを用いて、異なる目的の実施例を構築することが可能であり、したがって添付の特許請求項の範囲内にあるすべての実施例が、本発明のすべての効果を達成するわけではない。
【００１２】
上記では、以下に記載する発明の詳細な説明を理解しやすくするために、本発明の特徴および技術的効果について幅広く概説した。以下には、本発明のさらなる特徴および利点について説明する。当業者であれば、本発明と同一の目的を実行するために、開示する概念および具体的な実施例を、その他の構造を修正または設計するための基礎として利用できることを理解すべきである。また当業者であれば、そのような等価な構築は、添付の請求項に記載の本発明の趣旨と範囲を逸脱するものではないことを認識する筈である。
【００１３】
本発明とその効果をより完全に理解するために、添付の図面に合わせて以下の説明を参照する。
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図２Ａおよび２Ｂは、本発明の好適な実施形態を示す。図２Ａはイオン・カラム（ｃｏｌｕｍｎ）２００の外部を示す。高電圧ケーブル２０２は、イオン・カラム２００内の光学要素を駆動するのに必要な高電圧を供給する。フランジ２０５に取り付けられたイオン・ポンプ２０４は、銃室２０６を高真空または超高真空になるまで排気する。フランジ２０８は、イオン・カラム２００をシステム真空室（図示せず）に固定するのに使用され、イオン光学要素を包含するイオン・カラム２００の一部がシステム真空室内に配置されており、作動中にイオン・ビームが照射される被加工物が、このシステム真空室に収納されている。
【００１４】
図２Ｂに示すように、銃室２０６は、真空壁を形成する誘電体材料のハウジングまたは銃ブッシュ（ｂｕｓｈｉｎｇ）２１０を使用して製作されており、室内のイオン光学要素に対する機械的支持および高電圧絶縁を提供する。レンズ要素は、要素が正確に位置合わせされることを確実にするために、固定具を用いて銃ブッシュ２１０の誘電体材料内に、接着またはロウ付けするのが好ましい。図２Ａは、システム真空室内に配置されることになるカラム２００の部分を貫通する機械的な貫通接続がないことを示している。
【００１５】
図２Ｂは、本発明に適した実施形態として追加すべき特徴を示している。エミッタ２２０、サプレッサ（遮断装置）２２２、エキストラクタ（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ、抽出器）２２４および第１レンズ２２６が組み合わされてイオン・エミッタ・モジュール２３０となり、このモジュールは現場で必要になれば容易に交換できる。銃室２０６は、それ自体の真空ポンプであるポートに取り付けられたイオン・ポンプ２０４（図示せず）を含み、隔離バルブ２４０を使用してシステム真空室から真空隔離することが可能である。この隔離バルブ組立体２４０、自動可変開口２４２のＸＹ開口ステージ、および偏向板２４６と最終レンズ２４８が、銃室２０６の外部、かつシステム真空室の内部に位置している。
【００１６】
光学カラムは、イオンの相互反発によるビームの拡幅を最小化するために長さが短いのが好ましい。イオン・カラム光学長を低減することによって、標的までのイオン経路が短縮される。カラムをシステム真空室内に延びることができるようにしながら、このような短縮を助長するために、隔離バルブ起動機構および開口変更駆動機構は、システム真空室内に配置するのが好ましい。これらの機構をシステム真空室内に配置することで、システム真空室内でのイオン・カラムの配置を制約し、かつシステムを複雑化させる、対応する機械的貫通接続が不要となる。
【００１７】
銃ブッシュ２１０は、セラミック、ポリマー、あるいは高抵抗半導体材料で構成することが可能であり、任意選択で金属カラム本体（図示せず）内に収納することができる。任意選択の金属本体は、銃の安定プラットホームを提供し、イオン・ビームを磁気的に遮蔽するのに使用することができる。エラストマー材料のＯリングは、銃ブッシュ２１０と金属室の間の真空シールを提供することができる。代替手法として、システム真空室が銃ブッシュ２１０を取り囲んでいる場合には、銃ブッシュ回りの金属本体の部分が不要となり、銃の直径を低減することが可能である。
【００１８】
金属銃光学要素は、適当な工具および取付具を用いて銃ブッシュ２１０内部に接着またはロウ付けされ、必要な場合には精度を出すために後加工される。このような製造技法は、荷電粒子ビーム光学の技術においては周知である。ロウ付け組立体は、真空室内でガス放出を発生することが少ないが、ロウ付けは構築中に組立体を高温度まで加熱する必要がある点で不利である。このカラムの横断面は細く、したがって主真空室の奥深くまで引き込んで配置することができることに注意されたい。カラムを引っ込めることによって、光学経路が比較的短くなると共に、ビームの相互作用が減少し、イオン・ビームの光学特性が改善される。
【００１９】
銃光学要素からの配線は、銃ブッシュ２１０の側面の穴を通過し、真空保全のために接着されている。代替手法として、配線をエラストマーＯリングによって封止するか、銃ブッシュ２１０に融着またはロウ付けすることもできる。これらの方法は、非常に簡単な電気的貫通接続を提供する。銃ブッシュの外部では、配線は標準の高電圧、高温ポッティング（ｐｏｔｔｉｎｇ）材料によってポッティングされている。両端にコネクタを備える高電圧「フライング・リード（ｆｌｙｉｎｇ  ｌｅａｄｓ）」を使用するか、あるいはコネクタを銃ブッシュまたはブッシュの穴にポッティングすることもできる。これらの方法は簡単な接続手段を提供する。基礎的な真空システム製作技法の当業者であれば、本明細書において提供する指導に基づいて、このようなコネクタと共に、本明細書に記載したイオン・カラムの残部を製作することが可能であろう。
【００２０】
真空ポンプ、好ましくはイオン・ポンプを主カラム・フランジの頂部に配置してもよく、任意選択で、エミッタ組立体の交換時などの、銃を整備するときに真空ポンプ内の真空を維持するための真空バルブを備えてもよい。高電圧コネクタは、銃アクセス・フランジと共に、この構成を採用するカラムを用いてのこの整備のために、取り外す必要がある。代替手法として、イオン・ポンプを銃室頂部の側面に締結し、種々の配線および銃および下部カラムへのその他の付帯設備を、銃ブッシュ頂部の外周に接続することもできる。この代替構成を使用すると、エミッタ・モジュールは、上記の付帯設備のすべてまたは一部を取り外すことなく、銃の頂部中央からアクセスが可能である。
【００２１】
隔離バルブ２４０、自動可変開口２４２、およびそれに付随する起動機構または駆動機構は、主システム真空室の内部に完全に配置して、カラム長を短くするのが好ましい。隔離バルブは、小型の機構であり、カラム室本体の下方に沿った空気配管によって空気起動される。自動可変開口（ＡＶＡ）には、好ましくは圧電駆動で真空対応でありかつ磁場が弱い超小型のＸＹステージを使用するのが好ましい。
【００２２】
開口アレイを提供するために、中程度から大型の開口には、電鋳法（ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｅｄ）または電気エッチング法による開口を用いることができる。約３ミクロンの精度で薄膜（約２５ミクロン）金属シート中に小開口を製作するのに従来技法を使用することができる。代替手法としては、開口をレーザ・アブレーション（除去）またはＦＩＢミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）によるか、あるいは電鋳法または電気エッチング法とレーザ・アブレーションまたはＦＩＢとの組み合わせによって形成することができる。いずれの場合にも、約１００の開口からなる２次元の開口アレイを形成することによって、開口交換の間隔を、長時間（数ヶ月）にすることができる。
【００２３】
図３Ａはイオン銃組立体３００の好適な一実施形態を示す。イオン銃組立体３００は、エミッタ組立体３０４を銃ブッシュ３０８に対して支持、位置決めするエミッタ組立体支持３０２を含む。エミッタ組立体３０４は、エミッタ３１２、サプレッサ３１４、エキストラクタ・キャップ３１６、およびエキストラクタ開口３１８を含む。銃ブッシュ３０８は、エミッタ組立体３０４から分離されて、エキストラクタ・キャップ３１６と同一の電気ポテンシャルに維持された第１銃レンズ要素３２０を支持している。また銃ブッシュ３０８は、第２レンズ要素３２２および第３レンズ要素３２４も支持している。エミッタ組立体フランジ３３０は、エミッタ組立体支持３０２を、銃真空室内部の定位置に固定するために使用する。上述のように、銃ブッシュ３０８は、鋼製室３３２で包囲することができる。イオン銃組立体３００は、従来技術と比較して次の利点がある。
【００２４】
Ａ．エミッタ組立体３０４の交換によって、エミッタ３１２、エキストラクタ・キャップ３１６およびエキストラクタ開口３１８が１つの組立体として交換される。これによって、これらの個々の部品を交換する手間が低減される。
Ｂ．エミッタ３１２とエキストラクタ開口３１８との位置合わせの精度が、従来技術による設計よりも高くなる。半径方向の振れ（ｒｕｎｏｕｔ）、すなわち個々の部品軸の組立軸からのずれを、組立中に調整することによって非常に小さく保つことができる。従来技術においては、このような振れは、個々の部品の遊び、および複数部品間の公差の蓄積に依存していた。エミッタとエキストラクタ開口との間の振れを小さく維持することは、球面収差が大きくなる大ビーム用途において特に重要である。
【００２５】
Ｃ．エキストラクタを取り外すときに、第１銃レンズ要素３２０を室内に残すことによって、第１銃レンズ要素が擦り傷や埃から保護されるが、このことはレンズへの電界ストレスが非常に大きいことから重要である。擦り傷や汚染があると、通常の作動状態において高電圧がかかった場合に、第１銃レンズ要素３２０が破損する可能性がある。また、組立中に第１銃レンズ要素３２０を、他の銃レンズ要素と緊密に位置合わせすることによって、これらの部品間の半径方向の振れを最小化することができる。
【００２６】
一実施形態においては、エミッタ組立体支持３０２は、ＸＹ面内で移動可能であり、これによってエミッタ３１２、サプレッサ３１４、エキストラクタ・キャップ３１６、およびエキストラクタ開口３１８を第１銃レンズ要素３２０に対して位置決めできる。別の実施形態においては、エミッタ組立体３０４は、予備配置の組立体として、これが銃ブッシュ３０８または第１銃レンズ要素３２０内の精密な凹部に嵌合するようにしてもよい。
【００２７】
図３Ｂは、銃ブッシュ３５４上に組み付けられたエミッタ組立体３５２を含むイオン銃組立体３５０の代替設計を示すものである。エミッタ組立体３５２は、エミッタ３５６、サプレッサ３５８、エキストラクタ３６０、およびエキストラクタ開口３６２を含む。第１銃レンズ要素３６４は、図３Ａのイオン銃組立体３００における場合のように銃ブッシュ３５４に組み付けるのではなく、エキストラクタ３６０に取り付けられている。図３Ｂの設計はより簡単であるが、第１銃レンズ要素３６４は、エキストラクタ３６０の下部表面を形成しており、エミッタ組立体と同時に取り外され、このために擦り傷を受けやすく、その結果高電圧破壊を起こしやすい。さらに、第１銃レンズ要素３６４が、エミッタおよびエキストラクタ開口の交換のために、エミッタ組立体と共に取り外されたときに、第１銃レンズ要素３６４を、レンズ要素３６６やレンズ要素３６８などの他の銃レンズ要素と正確に位置合わせすることがより困難となるが、これは第１銃レンズ要素３６４がエミッタ組立体３５２に組み付けられ、他の要素が銃ブッシュ３５４に組み付けられているためである。
【００２８】
図４は、図２Ａおよび図２Ｂのカラム上で使用される真空内隔離バルブ機構４００に適した一実施形態を示す。封止金属ベローズ４０２は、銃の側の穴４０６を介して供給される空気圧を使用して、バルブを開放する。スプリング４０４は、空気圧がオフの場合にバルブを閉位置に戻す。スライダ４１０上の楔封止表面は、銃の基部（図示せず）に配置されたバルブ・シート４０８の下方でスライドする。スライダ４１０の楔型表面上のＯリングが、バルブ封止を形成する。バルブ・シート４０８は、それを貫通する穴を有し、イオン・ビームを銃から下部カラムへと通過させる。
【００２９】
図５は、図２Ａおよび図２Ｂに示すカラム内のイオン・ビーム経路内の選択された開口を配置するために、開口アレイ５０２を移動させるのに適した開口ＸＹ位置決め移動ステージ５００を示す。移動ステージ５００は、開口プレートを保持するためのスロット５０４と、ＸおよびＹ方向における位置決め移動ステージ５００の高速、高分解能移動を提供する２つの圧電駆動装置５０６（図示）とを含む。ステージ５１０はＸ方向に、ステージ５１２はＹ方向に、それぞれリニアベアリング５１４上を移動する。リニアエンコーダ５０８が、ＸＹステージ移動の正確なフィードバックを提供する。開口の位置は、１ミクロン以下の誤差で再現可能である。
【００３０】
図６は、上述のＦＩＢカラム６０２を使用するデュアル・ビーム・システム６００を示す。ＦＩＢカラム６０２は、ＡＶＡ駆動機構５００および真空隔離バルブ４００を含み、両者ともシステム真空室６０４に配置されている。ＡＶＡ駆動機構５００は、システム真空室６０４内に収納されており、電気接続だけをシステム真空室６０４の外部に延ばす必要がある。同様に、真空隔離バルブ機構４００は、システム真空室６０４内に収納され、バルブを駆動する空気配管だけを、室外に延ばす必要がある。デュアル・ビーム・システム６００はまた、第２のビーム・システム、すなわちこの場合には、ＦＩＢカラムと同一の被加工物６０８を標的とする走査型電子顕微鏡６１０を含む。
【００３１】
記載の実施例は銃ブッシュを説明したが、光学カラムの他の部分を誘電体ブッシュに配置することもできる。本発明は、液体金属集束イオン・ビーム源との共用に限定されず、その他の荷電粒子ビーム・システムを構築するのに使用することができる。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態においては、システム真空室中への機械的な貫通接続が存在しない。すべての機械的装置は、システム真空室内部に収納され、電気配線または空圧チューブなどの制御手段のみが、真空室壁を貫通している。エミッタ組立体は、予備位置合わせされているので、自動ＦＩＢシステムにおいては、複雑な電気的、機械的な移動を必要としない。
【００３３】
本発明と、その効果を詳細に記載したが、添付の特許請求の範囲に定義する発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換および修正が可能であることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲は、明細書に記載した、処理、機械、製造、物質の組成、手段、方法、および工程の具体的な実施例に限定されるものではない。当業者であれば本発明の開示から容易に気づくように、本発明によれば、本明細書に記載の対応する実施形態と実質的に同一の機能を実行するか、または実質的に同一の結果を達成する、現存するか、または将来開発される処理、機械、製造、物質の組成、方法、または工程を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、このような処理、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または工程をその範囲に含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  構造の詳細を開示するために外部カバー部分を取り除いた、従来技術のＦＩＢを示す図である。
【図２Ａ】  本発明によるＦＩＢカラムの外部を示す図である。
【図２Ｂ】  部分横断面を表示するために外部カバーの一部分を取り除いた、図２ＡのＦＩＢカラムを示す図である。
【図３Ａ】  第１の銃レンズ要素が、エキストラクタから分離されているが、エキストラクタと同一電位にあるエミッタ組立体の横断面図である。
【図３Ｂ】  第１の銃レンズ要素がエキストラクタに取り付けられているエミッタ組立体の横断面図である。
【図４】  真空室内での使用に適する隔離バルブ起動機構を示す図である。
【図５】  真空室内の使用に適する圧電駆動式のＸＹ開口移動ステージを示す図である。
【図６】  本発明のカラムを使用する、マルチビーム・システムの概略図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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