(57)【要約】【課題】本発明は２レンズ，３レンズ光学系走査型収差補正集束イオンビーム装置及び２レンズ，３レンズ光学投影型収差補正集束イオン・リソグラフィー装置を提供することを目的としている。【解決手段】イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、前記イオン源から発生した比較的広い放射角をもつイオンビームからの特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り、該電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えることなく開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、ビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に集束したイオンビームを試料上の２次元方向に走査するデフレクタを備えて構成される。【選択図】図８
2007287495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、前記イオン源から発生した比較的広い放射角をもつイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に集束したイオンビームを試料上の２次元方向に走査するデフレクタを備えたことを特徴とする２レンズ光学系走査型収差補正集束イオンビーム装置。
【請求項２】
イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に上記光学要素間のどこか、又は対物レンズの下に置かれた描画用ステンシル・マスクより構成される２レンズ光学系投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置。
【請求項３】
イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、前記イオン源から発生した比較的広い放射角をもつイオンビームからの特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り、該電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えることなく開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、ビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に集束したイオンビームを試料上の２次元方向に走査するデフレクタを備えたことを特徴とする３レンズ光学系走査型収差補正集束イオンビーム装置。
【請求項４】
前記電流制限絞りの上に、２段の振り戻し式静電偏向器と、静電型開き角制御レンズと静電型収差補正装置の間に、イオンビームを２次元方向に独立に偏向できる静電型偏向器を備えた３レンズ光学系走査型収差補正集束イオンビーム装置。
【請求項５】
イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に前記光学要素間のどこか、又は対物レンズの下に置かれた描画用ステンシル・マスクより構成される３レンズ光学系投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置。
【請求項６】
イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、２段の振り戻し式静電偏向器、描画用ステンシル・マスク、開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、イオンビームを２次元Ｘ，Ｙ方向に独立に偏向できる静電偏向器、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順に並べられた３レンズ光学系投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２レンズ光学系走査型収差補正集束イオンビーム装置及び３レンズ光学系走査型収差補正集束イオンビーム装置及び２レンズ光学系投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置並びに３レンズ光学系投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置に関する。
【０００２】
本発明は、イオンビーム走査領域から発生する２次電子、２次イオン等を検出する走査型イオン顕微鏡、イオンビーム走査領域、又は投影イオン照射領域におけるスパッタ現象を利用した微細加工装置、イオンビーム照射によるレジスト等への感光現象を利用したイオンビーム・リソグラフィー装置に利用される。
【背景技術】
【０００３】
市場に出ている多くの集束イオンビーム装置（以下ＦＩＢ装置と略す）では、基本的にビームの開き角を制御する静電型集束レンズ、及びビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの２レンズのみ搭載された静電型２レンズ光学系が用いられている。一方、３レンズ光学系を用いたＦＩＢ装置も市場に出ている。
【０００４】
図１３は２レンズ及び３レンズの光学系ＦＩＢ装置の概念図である。（ａ）は２レンズ光学系ＦＩＢ装置を、（ｂ）は３レンズ光学系ＦＩＢ装置を示している。図において、１はイオンビームを放出するエミッタ、２はエミッタ１の下部に設けられた引出電極、３は引出電極２の下部に設けられたビームの開き角を制御する集束レンズ（ＣＬ１）である。
【０００５】
４は集束レンズ３の下部に設けられた可動電流制限絞り、５は可動電流制限絞り４の下部に設けられたデフレクタ、６はデフレクタ５の下部に設けられた対物レンズ、７は対物レンズ６の下部に設けられた対物レンズ、７は対物レンズ６の下部に設けられた試料である。以上の構成は、２レンズ光学系ＦＩＢ装置、３レンズ光学系ＦＩＢ装置に共通である。３レンズ光学系ＦＩＢ装置において、８は集束レンズ３の下部に設けられたビームの調整を行なうビーム・アライナ、９は可動電流制限絞り４の下部に設けられた開き角制御レンズ（ＣＬ２）である。開き角制御レンズ９が２レンズ光学系には具備されていない。
【０００６】
３レンズ光学系は２レンズ光学系に比べて以下の利点を持つ。
１）２レンズ系のビーム電流は、電流制限絞り４の１つの内径につき原則的に１電流しか定義できない。もちろん、集束レンズ３の励起強度によりかなりの範囲のビーム電流を制御できるが、ある特定の電流以外ではビーム径は極端に劣化してしまう。従って、交換可能な絞り径の種類の数が定義可能な電流の数になってしまう。
【０００７】
これに対して３レンズ光学系では、その開き角をビーム電流に無関係に制御できるため、１つの電流制限絞り内径で、ビーム径の極端な劣化無しで広い範囲でビーム電流を制御することができる。即ち、２レンズ光学系に比べて交換可能な絞り径の種類の数が少なくとも一つの径で広い範囲のビーム電流を定義できるため、実質的に任意のビーム電流を指定することが可能になる。
【０００８】
図１４はビーム径ｄｐ−イオンビーム電流Ｉｐ特性の２，３レンズ光学系の比較を示す図である。縦軸はビーム径［ｎｍ］、横軸はプローブ電流［ｐＡ］である。実線が３レンズ系の特性を、破線が２レンズ系の特性をそれぞれ示す。矢印は、開き角制御レンズによりビーム径向上が期待できる電流領域である。各曲線の番号は、可動絞り番号を示している。図より明らかなように、２レンズ系は使用できる幅が狭いことが分かる。
２）スパッタリングを利用した微細加工の他のＦＩＢ装置の用途には、ａ）デポジションによる薄膜生成、ｂ）マスクレス・ガスエッチング、ｃ）ＳＩＭＳ（質量分析）等があり、任意のビーム電流を指定することが可能な３レンズ光学系の使用でこれらのスループットを飛躍的に高めることが可能となる。
【０００９】
上述したように、３レンズ光学系の優位性は明らかなのであるが、実際にはＦＩＢ装置の大勢を占めることができないのには下記の理由が考えられる。
１）レンズ１つを増やすより、必要なビーム電流種類数に合わせて交換可能な制限絞り数を増やす方が安価な方法である。
２）レンズを増やしても、ＦＩＢ装置の性能の目安である最大分解能や最大電流密度が向上するわけではなく、利用可能な電流種が増えるだけである。
３）３レンズ光学系は、２レンズ光学系よりも機器の調整が難しくなるという思いこみもあることが考えられる。
【００１０】
一方、近年半導体産業より要求されている課題に取り組むため、以下に示すようなＦＩＢ装置の改良が続けられてきた。
１）最適光学系の適用による高スループット、高分解能ＦＩＢ装置の実現を目指す。
２）汎用型ＦＩＢ装置では、通常３０〜５０ｋＶである加速電圧を、更に高加速にして高スループット、高分解能ＦＩＢ装置の実現を目指す。
３）汎用型ＦＩＢ装置で通常用いられるＧａ−液体金属イオン源（Ｇ−ＬＭＩＳ）に代わる高輝度・高分解能が見込まれる希ガスを用いたガス・フィールド・イオン源を開発し、Ｇａ汚染のない高スループット、高分解能ＦＩＢ装置の実現を目指す。
４）単体コラムでのイオン・リソグラフィー装置が実現可能なイオン光学系の確立。
【００１１】
上記１）項に示す方向は既に１９９７年頃に行き詰まっており、これ以後ＦＩＢ光学系に関する論文は殆ど散見されない。一方、２）項の高加速化により、ある程度の高電流密度化や高分解能化は可能であるが、ここ２〜３年の半導体産業からの要望は逆に低加速化である。
【００１２】
理由は、高加速度イオン照射により、新規材料であるｌｏｗ／ｈｉｇｈ−ｋ物質へのダメージ、ＴＥＭ試料作成時の断面アモルフォス層の厚さ等が必然的に大きくなるからである。３），４）項は一時盛んに研究されていたが、現在に至るまで実用化の目途がたっていない。
【００１３】
従来のこの種装置としては、収差補正器を動作させる走査モードと、動作させない走査モードをもち、その両方で対物レンズの物点位置が変わらないように収差補正器の動作を制御する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、試料の２次元走査中の各１ラインを加速電圧ΔＥ＋Ｅ１，ΔＥ，ΔＥ＋Ｅ２で３回繰り返してライン走査し、この走査に基づく３種の像を３分割されたディスプレイに表示し、この表示された像をフォーカスし、先ずディスプレイの画像の左側の像をフォーカスさせ、その時ディスプレイの右側の像も同様にフォーカスされるように収差補正器の電源を調整して多極子の調整を行なうことにより、色収差の補正を行なう技術が知られている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−３０３５４７号公報（段落０００１６〜００１７、図１）
【特許文献２】特開２００４−３５５８２２号公報（段落００３５〜００３９、図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
現在ＦＩＢ装置に強く求められる共通性能は、高分解能化、高電流密度化と、それに相反する低加速化である。例えば、現状ＦＩＢ装置の３０ｋＶでは、ビーム電流Ｉｐ＝０．５ｐＡで約５ｎｍの最大分解能、１ｎＡで約８０ｎｍのビーム径が得られているが、５ｋＶではせいぜい約２０ｎｍの最大分解能、１ｎＡで約４００ｎｍのビーム径が得られる程度である。
【００１５】
ビーム径を制限している要素は、Ｉｐ≦１０ｐＡではガウス像と１次色収差、１０ｐＡ≦Ｉｐ≦１ｎＡでは１次色収差と３次球面収差、１ｎＡ≦Ｉｐでは３次球面収差である。これより、低加速化により分解能やビーム径が劣化するのは色収差によるものであると考えることができる。
【００１６】
即ち、収差補正を実行すれば広い加速電圧範囲でビーム径の劣化を最小にすることが可能になることが分かる。そして、この技術が実現できれば、Ｇａ−液体金属に代わるイオン源が開発されても、直ちに適用することが可能となる。
【００１７】
一方、近年、色収差と球面収差を補正する静電磁場を用いた収差補正装置が開発され、これらを搭載した各種電子顕微鏡は、従来の限界を大幅に上回る高分解能を実現している。しかしながら、磁場を用いた収差補正装置は、ａ）その再現性の悪さにより調整が難しいためスループットを下げる、ｂ）質量の大きなイオン光学系には適用が不可能である、等の欠点を持つ。しかしながら、最近、全静電型収差補正に関する論文が発表され、上記の静電磁場型収差補正装置の欠点を改良できる概念として注目を浴びている。
【００１８】
ＦＩＢ装置の分解能の向上（ビーム径の縮小）、及びビーム電流密度の増大に関する従来技術の限界を打破する１つの方法が収差補正技術である。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第１に収差補正に関する理論的検討の実行により最大分解能、及び最大ビーム電流密度を実現する収差補正集束イオンビーム装置及び光学投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置を提供することを目的としており、第２に従来調整が非常に難しいと思われている収差補正が自動で実行可能な収差補正集束イオンビーム装置及び光学投影型収差補正イオン・リソグラフィー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】
【００１９】
（１）請求項１記載の発明は、イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、前記イオン源から発生した比較的広い放射角をもつイオンビームから特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に集束したイオンビームを試料上の２次元方向に走査するデフレクタを備えたことを特徴とする。
【００２０】
（２）請求項２記載の発明は、イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に上記光学要素間のどこか、又は対物レンズの下に置かれた描画用ステンシル・マスクより構成されることを特徴としている。
【００２１】
（３）請求項３記載の発明は、イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、前記イオン源から発生した比較的広い放射角をもつイオンビームからの特定の放射角を持つイオンビームを取り出す電流制限絞り、該電流制限絞りを通過したイオンビームの電流量を変えることなく開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、ビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に集束したイオンビームを試料上の２次元方向に走査するデフレクタを備えたことを特徴とする。
【００２２】
（４）請求項４記載の発明は、前記電流制限絞りの上に、２段の振り戻し式静電偏向器と、静電型開き角制御レンズと静電型収差補正装置の間に、イオンビームを２次元方向に独立に偏向できる静電型偏向器を備えたことを特徴としている。
【００２３】
（５）請求項５記載の発明は、イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順で並べられ、更に前記光学要素間のどこか、又は対物レンズの下に置かれた描画用ステンシル・マスクより構成されることを特徴としている。
【００２４】
（６）請求項６記載の発明は、イオンを放出するイオン源、該イオン源からイオンビームを引き出す引出電極と、引き出されたイオンビームの開き角を制御するコンデンサレンズから構成されるガンレンズ、２段の振り戻し式静電偏向器、描画用ステンシル・マスク、開き角制御が可能な静電型開き角制御レンズ、イオンビームを２次元Ｘ，Ｙ方向に独立に偏向できる静電偏向器、色収差や球面収差を補正する静電型収差補正装置、イオンビームを試料上に集束するための静電型対物レンズの順に並べられたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２５】
（１）請求項１記載の発明によれば、分解能及び電流密度を大きくすることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、描画用ステンシルマスクを用いて分解能のよい描画を行なうことができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、収差を低減してイオンビーム照射を行なうことができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、最大分解能、及び最大ビーム電流密度を実現する収差補正集束イオンビーム装置を提供することができ、また従来調整が非常に難しいと思われている収差補正が自動で実行可能な装置を提供することができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、描画用ステンシルマスクを用いて精度よくビーム描画を行なうことができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、収差補正を自動で行なうことができるイオン・リソグラフィー装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
（第１の実施の形態例）
図１は２レンズ光学系を用いる集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。この図において、ベースとなるＦＩＢ装置としては、イオン源（エミッタ）１１、該イオン源１１からイオンビームを引き出す引出電極１２、引き出されたイオンビームの開き角を制御する集束レンズ１３から構成されるガンレンズ（コンデンサレンズ）、前記イオン源１１から発生した比較的広い放射角をもつイオンビームから特定の放射角（立体角）をもつビームを取り出す電流制限絞り１４、イオンビームを２次元方向に偏向する偏向器１６、イオンビームを試料Ｍ上に集束するための静電型対物レンズ１５の順で並べられる２レンズ光学系を用いる。
【００２７】
コンデンサレンズ１３は、レンズ電極１３Ｂ、接地電極１３Ｃから構成されている。対物レンズ１５は、電極１５Ａ，電極１５Ｂ，電極１５Ｃから構成されている。１８は試料Ｍを載置する試料ステージ、１７はイオンビームが試料Ｍに照射された時の反射粒子を検出する検出器、２７は該検出器１７で検出された検出信号を表示する表示装置である。該表示装置２７としては、例えばＣＲＴや液晶ディスプレイが用いられる。
【００２８】
２１はエミッタ１１に加速電圧を与える加速電源、２２は引出電極１２に引出電圧を与える引出電源、２３はコンデンサレンズ１３に動作電圧を与えるレンズ電源、２４は偏向器１６に偏向電圧を与える偏向電源、２５は対物レンズ１５に動作電圧を与えるレンズ電源である。
【００２９】
計算による検討の結果、上記２レンズ光学系に収差補正装置を搭載したＦＩＢ装置は、図２に示すような構成にするのがよいと結論付けられた。図２は２レンズ光学系収差補正装置を搭載する走査型集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１１はエミッタ、１２は引出電極、１３は集束レンズ（ＣＬ１）、２８は集束レンズ１３の下部に配置されたビームアライナ、１４Ａはビームアライナ２８の下部に配置された可動電流制限絞りである。
【００３０】
２９は可動電流制限絞り１４Ａの下部に配置された収差補正装置であり、上段収差補正装置２９Ａと下段収差補正装置２９Ｂから構成されている。１６は収差補正装置２９の下部に配置されたデフレクタ（偏向器）、１５はデフレクタ１６の下部に配置された対物レンズ、Ｍは試料である。
【００３１】
２５は対物レンズ１５を駆動する対物レンズ電圧電源、３０は収差補正レンズ成分電圧電源、３１Ａは収差補正レンズ成分電圧電源３０の出力を受けて上段収差補正装置２９Ａを駆動する収差補正装置上段電源、３１Ｂは同じく収差補正レンズ成分電圧電源３０の出力を受けて下段収差補正装置２９Ｂを駆動する収差補正電源下段電源である。
【００３２】
このように構成された構成が最も良いと結論づけられた理由は以下の通りである。
１）達成できるビーム径の縮小（収差補正装置を取り付けることによる収差の発生、収差の補正の関係）を考えた場合、収差補正装置の位置は、収差補正装置の低電圧駆動が可能な引出電極１２と集束レンズ１３の間より、又は対物レンズ１５の下に置くより、集束レンズ１３と対物レンズ１５間に置くのが最もよい。
２）集束レンズ１３と対物レンズ１５間での収差補正装置位置は、電流制限絞り１４Ａと対物レンズ１５の中間に設置する構成が最もよいと考えられる。これには以下のような利点があるためである。
・収差補正装置２９の励起（各収差補正のための電極にかける印加電圧）は、エミッタ１１や対物レンズ１５の設定により異なる。しかしながら、収差補正装置２９が電流制限絞り１４Ａの上にあると、ビーム電流が収差補正装置２９の励起状態により変化してしまう。
・収差補正を実行するためには、ビームをｘ方向，ｙ方向の異なる位置でクロスさせなくてはならない（図３参照）。図３は収差補正時の典型的なビーム軌道を示す図である。収差補正装置内のＸ軌道とＹ軌道が示されている。収差補正装置２９は、入射多極子と、第１／第２補正要素、出射多極子より構成されており、それぞれの構成要素の中を図に示すような軌道を描き、出射多極子出口でＸ軌道とＹ軌道が一体化される。
【００３３】
一方、同じ加速電圧では、質量の大きなイオン粒子の場合、空間電荷効果の影響は電子ビームより大きい。このため、空間電荷効果のビーム径への影響を最小限にするには、収差補正装置２９に入射するイオンビーム電流を最小にしておかねばならない。
【００３４】
このように構成された装置の動作を説明すると、以下の通りである。
いま、ある標準的な２レンズ光学系ＦＩＢ装置に、長さ約３００ｍｍの収差補正装置２９を、図２に示す位置に搭載した場合のビーム径ｄｐ−ビーム電流Ｉｐ特性を、非搭載時と比較して、以下の条件で光学計算を実施してみる。
１）エミッタ角電流密度（angular current density）：２０μＡ／ｓｒ
２）仮想光源大きさ（virtual source diameter）    ：５０ｎｍ
３）エネルギー広がり（energy spread）            ：５ｅＶ
この結果、加速電圧Ｖacc＝３０ｋｅＶで、図４に示すようなビーム径の縮小が達成される。図４は収差補正によるビーム径の縮小の説明図である。縦軸はイオンビームのビーム径ｄｐ［ｎｍ］、横軸はイオンビーム電流Ｉｐ［ｐＡ］である。●で示された軌跡は測定値、曲線ｆ１は非補正時理論値、ｆ２は収差補正ＦＩＢ（理論値）である。加速電圧Ｖaccは３０ｋＶである。この図より、以下のことが読み取れる。
ａ）ビーム電流Ｉｐを同じにとった場合のビーム径の縮小は、Ｙ軸（縦軸）と平行な値を比較することにより読み取れる。縮小率は、ビーム径により異なるが、１／３〜１／５程度なる。
ｂ）また、ビーム径を同じにとった場合のビーム電流密度の増加は、Ｘ軸（横軸）と平行な値を比較することにより読み取れる。これにより、ビーム電流密度増加率はビーム径により異なるが、８〜２０倍程度が推定される。なお、電流密度の増加率は縮小率の逆数の２乗に比例する。
【００３５】
この実施の形態例での、上記性能が得られる場合の、全ＦＩＢ鏡筒領域における代表的なポテンシャル分布と、イオン軌道を図５に示す。図５はレンズ光学系収差補正ＦＩＢ装置での代表的なポテンシャル分布とイオン軌道を示す図である。上段はＸ，Ｙ軌道を、中段は軸上ポテンシャルを、下段は多極子場強度を示している。軸上ポテンシャルと多極子場強度において、横軸はＺ方向の長さを示す。軸上ポテンシャルにおいて、縦軸は［ｋＶ］を、多極子場強度において、実線は４極子強度［１０Ｖ／ｍｍ2］、破線は８極子強度［０．０５Ｖ／ｍｍ4］をそれぞれ示す。
【００３６】
この実施の形態例によれば、分解能及び電流密度を大きくすることができる。
（実施の形態例２）
静電型収差補正装置を搭載したＦＩＢ装置の例として、図６に投影型２レンズ光学系イオン・リソグラフィー装置を示す。図６において、図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１１はエミッタ、１２はエミッタ１１の下部に配置された引出電極、１３は引出電極１２の下部に配置された集束レンズ、２８は集束レンズ１３の下部に配置されたビームアライナ、３５はビームアライナ２８の下部に配置されたステンシルマスクである。該ステンシルマスク３５は、電流制限絞り１４Ａの代わりに設けられたものである。
【００３７】
２９はステンシルマスク３５の下部に配置された収差補正装置、１５は収差補正装置２９の下部に配置された対物レンズ、Ｍは対物レンズ１５の下部に配置された試料である。２５は、対物レンズ１５を駆動する対物レンズ電圧電源、３０は収差補正装置２９を駆動するための収差補正レンズ成分電圧電源、３１Ａは上段収差補正装置２９Ａを駆動する収差補正装置上段電源、３１Ｂは下段収差補正装置２９Ｂを駆動する収差補正装置下段電源である。
【００３８】
この実施の形態例でのステンシルマスク３５は、エミッタ１と静電型収差補正装置２９の中間に置かれているが、必ずしもこの位置に置かれる必要はない。例えば、ステンシルマスク位置は対物レンズ１５の下でもよい。なお、ステンシルマスクの位置により各レンズの役割は異なることに注意が必要である。即ち、ステンシルマスク位置が、エミッタ１１−静電型収差補正装置２９の間に設けられている場合は、集束レンズ１３はステンシルマスク位置でクロスオーバを結ぶように制御されなくてはならないし、対物レンズ１５の下の場合では、対物レンズ１５は試料Ｍ上ではなく、ステンシルマスク位置でフォーカスを結ぶように制御されなくてはならない。
【００３９】
また、図６では、投影型リソグラフィー装置では不要であることを強調するために、デフレクタは省略されているが、実際の装置では以下の理由により必ずしも非搭載にする必要はない。
１）光学系に関する装置の良否を決定するために、像を出す必要が存在する。
２）通常用いられる２段振り戻し式デフレクタは、ビームアライナとしても利用される場合が多い。
【００４０】
この実施の形態例によれば、描画用ステンシルマスクを用いて分解能のよい描画を行なうことができる。
（実施の形態例３）
２レンズ系ＦＩＢ装置に全静電型収差補正装置を搭載した場合の理論的な詳細検討により、実施の形態例１及び２が示すような鏡筒の構成では、その光学的性能及び使いやすさに関する観点から問題があることが判明した。実施の形態例３と４では、実施の形態例１と２での問題点に対処する方法を述べる。ここでは、実施の形態例１及び２の下記問題点に対する対処法を与える。
１）小ビーム電流領域でのビーム径縮小に制限を与える仮想光源大きさを反映したガウス像の縮小。ガウス像の大きさｄGは系の倍率をｍ、仮想光源の大きさをｄｏとして次式で表される。ｄG＝ｍ・ｄｏ
２）大ビーム電流領域でのビーム径縮小に制限を与える５次開口収差の影響を減少させるためのビーム電流制限絞り径、及び試料へのビーム入射角の最適化。
３）簡単で高精度なビーム・アライメント法の導入。
４）次数が異なった収差を見分けることができる、自動ビーム・アライメントが可能な手段の提供。
【００４１】
実施の形態例３では、上記１），２）項対応可能な方法を示し、実施の形態例４では上記１）〜４）の前項対応可能な方法を示す。
実施の形態例３として、図７に示すような静電型収差補正装置を搭載した３レンズ系走査型集束イオンビーム装置を用いる。図７において、図２，図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１１はイオンを放出するエミッタ、１２は該エミッタ１１の下部に配置された引出電極、１３は該引出電極１２の下部に配置された集束レンズ（ＣＬ１）、２８は集束レンズ１３の下部に配置されたビームアライナ、１４Ａは該ビームアライナ２８の下部に配置された可動電流制限絞り、４０は該可動電流制限絞り１４Ａの下部に配置された第２の集束レンズ（開き角制御レンズ，コンデンサレンズともいう）（ＣＬ２）、４１は第２集束レンズ４０の下部に設けられたドリフト・スペース、２９は該ドリフトスペース４１の下部に配置された収差補正装置で、上段収差補正装置２９Ａと下段収差補正装置２９Ｂとから構成されている。
【００４２】
１６は収差補正装置２９の下部に配置されたデフレクタ（偏向器）、１５は該デフレクタ１６の下部に配置された対物レンズ、Ｍは該対物レンズ１５の下部に配置された試料である。実施の形態例１とこの実施の形態例との大きな差異は、可動電流制限絞り１４Ａのすぐ下部に第２コンデンサレンズ（開き角制御レンズ）（ＣＬ２）４０を設けたことと、該開き角制御レンズ４０の下部にドリフトスペース４１を設けた点である。このドリフトスペース４１は、数１０ｍｍ程度の単なるスペースであり、目的性能を獲得するために必ずしも必要なものではないが、これを置くことにより、下記２点の優位性を持つ。
１）開き角制御レンズ（ＣＬ２）４０の必要な最大電圧が小さくとれる。
２）収差補正装置２９の各種補正エレメントの駆動電圧が小さくとれる。
【００４３】
このように構成された装置の動作を以下に説明する。
ａ）小電流領域での動作
ＦＩＢ装置をＳＩＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像取得のために利用する場合は、ビーム電流を小さくとる。このようなビーム電流が数ｐＡ領域での場合のビーム径縮小を制限している要素は、仮想光源の大きさ（ガウス像）である。従って、小電流領域での分解能向上は、高い“Demagnification” を実現することによってのみ可能である。これは、“Demagnification”のための第２ステージが必要だということを意味する。
【００４４】
本実施の形態例では、開き角制御レンズ４０が、コレクタ（全静電型集束イオンビーム装置）前にクロスオーバを作る。開き角制御レンズ４０の可動電流制限絞り（アパーチャ）１４Ａにより殆どの電流が制限され、数ｐＡ程度の電流しか流れない領域においては、クロスオーバによる空間電荷効果は大きな問題にはならない。
ｂ）大電流領域での動作
ＦＩＢ装置を加工に利用する場合、そのスループットを向上させるために、ビーム電流を大きくとる。このような電流領域での状況は小電流領域の場合とは異なる。ここでの性能制限要素は、仮想光源の大きさだけでなく、エミッタ輝度と５次の収差も加わる。理論的検討により、この電流領域での性能向上は、５次の収差の大幅な減少のみによって達成可能なことが明らかになっている。
【００４５】
この実施の形態例によれば、収差を低減してイオンビーム照射を行なうことができる。
（実施の形態例４）
第４の実施の形態例として、図８に示すような静電型収差補正装置を搭載した３レンズ系集束イオンビーム装置を示す。図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。実施の形態例３に示す装置とこの装置の大きな違いは、開き角制御レンズ４０の下のドリフトスペースの中に、高精度な軸合わせ機構と自動収差補正のために、１段のｘ，ｙ偏向システム（図ではビームアライナ）４５が配置されていることである。なお、図８では、可動電流制限絞り１４Ａの上の２段の振り戻し式静電偏向器２８をビームアライナ１、開き角制御レンズ４０の下の静電偏向器４５をビームアライナ２としてある。その他の構成は、図７と同一であるので、説明は省略する。
【００４６】
このように構成された装置において、一般的に収差補正装置の調整を実行するには、収差についての知識が必要であり、長い調整時間が必要な場合もある。このような問題を避けるには、自動収差補正が可能な装置を提供する必要がある。しかしながら、これを実行するときの重大な問題は下記２項である。
１）ＳＩＭ像より異なった次数の収差を見分けることが可能。
２）高次収差の信頼できる検出法の確立。
【００４７】
この実施の形態例では、可動電流制限絞り１４Ａとコレクタ間に新偏向系を取り入れることによって、大きな仮想開口角を持った一連の像を作り出しながら仮想光源に関し、ビームを傾けることが可能になる。このようなことを一連のチルト角で実行し、デフォーカス、非点像を解析すれば、全ての開口収差を測定することが可能になる。異なった次数の収差は、異なった傾斜角を利用することにより、それぞれに区別することが可能になる。
【００４８】
若し、可動電流制限絞り１４Ａより下の収差だけが重要となる時（小電流領域）は、第１ステージでは可動電流制限絞り１４Ａの上で、第２ステージでは可動電流制限絞り１４Ａの下でビームを偏向することにより、仮想アパーチャを構成することができる（図９の上段参照）。図９は自動収差測定及び自動収差補正のための仮想アパーチャシフトの原理を示す図である。ビームアライナ（１）の第１偏向支点と、ビームアライナ（１）の第２偏向支点と、アパーチャ位置と、ビームアライナ（２）の偏向支点におけるアパーチャシフトの様子を示している。
【００４９】
大電流領域が該当するように、若しエミッタ１１の収差への寄与が大きくなる時は、仮想アパーチャはエミッタ１１内に存在しなければならなくなる。従って、２段偏向システムが図９の下段に示すように、新規導入の偏向系と共に使用されなくてはならない。
【００５０】
もし特定の大きさの角度領域に放射されたとしても、試料まで到達するビームは、全ての重要な光学要素を通り抜ける。いつもその中央近辺にビームが通り抜ける、アパーチャ（可動絞り）近くに位置する開き角制御レンズ４０の全体への収差への寄与は、一般的に無視可能である。
【００５１】
同様に、新規偏向系の追加により、軸合わせ法も簡略化できる。現コラムでは、アパーチャはコレクタ中心の上にのみ機械的に調整されなくてはならない。従って、アパーチャ径（アパーチャ番号）が変更された場合、その機械的位置再現性の悪さと、収差補正時の正確な機械的軸合わせの要求により、アパーチャ位置の再調整がしばしば要求される。しかしながら、新偏向系の導入で、アパーチャ径交換後の再調整が、電気的なアパーチャ仮想シフトで簡単に実現できるようになる。
【００５２】
いま、ある標準的な３レンズ光学系ＦＩＢ装置に、長さ１００ｍｍのドリフト・スペースを設けた場合のビーム径を、実施の形態例１でのビーム径と比較してみる。計算条件は、実施の形態例１での条件と同じにする。図１０は実施の形態例１と実施の形態例４の到達ビーム径の比較を示す図である。
【００５３】
この図より、開き角制御レンズＣＬ２の存在がビーム径を向上させるのは、小電流領域の１ｐＡだけで、大電流領域では効果が小さいことが分かる。これは、それぞれの電流での最適化アパーチャ径を用いているからである。大電流領域での開き角制御レンズＣＬ２の存在価値は、ビーム電流が最適アパーチャ径が規定するビーム電流とは異なった場合である。
【００５４】
これを示すのが、図１１である。図１１は収差補正時のビーム径ｄｐ−電流Ｉｐ特性の２、３レンズ光学系の比較を示す図である。縦軸はビーム径ｄｐ［ｎｍ］、横軸はイオンビーム電流Ｉｐ［ｐＡ］である。○が３レンズ光学系、●が２レンズ光学系をそれぞれ示している。加速電圧Ｖacc＝３０ｋＶの場合を示す。この時、アパーチャ径はビーム電流１０ｎＡで最適化されている。これより、大電流領域でも開き角制御レンズＣＬ２の効果が見て取れる。即ち、数種類のアパーチャ径を用意しておけば、任意の電流で最適条件でのビーム径の実現が可能になる。
【００５５】
この実施の形態例によれば、最大分解能、及び最大ビーム電流密度を実現する収差補正集束イオンビーム装置を提供することができ、また従来調整が非常に難しいと思われている収差補正が自動で実行可能な装置を提供することができる。
（実施の形態例５）
実施の形態例５は、実施の形態例３を投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置として利用したものである。
【００５６】
この実施の形態例によれば、描画用ステンシルマスクを用いて精度よくビーム描画を行なうことができる。
（実施の形態例６）
実施の形態例６は、実施の形態例４を投影型収差補正イオン・リソグラフィー装置として利用したものである。
【００５７】
この実施の形態例によれば、収差補正を自動で行なうことができるイオン・リソグラフィー装置を提供することができる。
図１２は本発明で到達可能なビーム径計算値を示す図である。この図は、加速電圧Ｖaccと、ビーム電流と、最大電流密度を本発明である２レンズ、３レンズ光学系と、代表的な従来型ＦＩＢビーム径と比較したものである。全ての点において、３レンズ光学系が勝っていることが分かる。
【００５８】
上記結果より、全静電型収差補正装置を搭載した集束イオンビーム装置は、以下の効果をもたらすことが分かる。
１）１９９７年以降、停滞していたＧａ−ＬＭＩＳ搭載の集束イオンビーム装置の性能限界を大幅に突破することが可能となる。
２）近年、求められていた低加速電圧ＦＩＢ装置を、現３０ｋＶ時の性能を落とすことなく実現することができる。
３）大電流、高電流密度の実現により、単体鏡筒のイオン・リソグラフィー装置の実現の可能性を開く。
４）一般的に困難と認識されているＦＩＢ装置の自動調整や、収差補正自動化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】２レンズ光学系集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。
【図２】２レンズ光学系収差補正装置を搭載する走査型集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。
【図３】収差補正時の典型的なビーム軌道を示す図である。
【図４】収差補正によるビーム径の縮小の説明図である。
【図５】レンズ光学系収差補正ＦＩＢ装置での代表的なポテンシャル分布とイオン軌道を示す図である。
【図６】収差補正装置を搭載する投影型２レンズ光学系イオン・リソグラフィー装置の構成例を示す図である。
【図７】全静電型収差補正装置を搭載した３レンズ系走査型集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。
【図８】開き角制御レンズと収差補正装置の間にビーム・アライナを搭載した３レンズ系集束イオンビーム装置の構成例を示す図である。
【図９】自動収差測定及び自動収差補正のための仮想アパーチャ・シフトの原理を示す図である。
【図１０】実施の形態例１と実施の形態例４の到達ビーム径の比較を示す図である。
【図１１】収差補正時のビーム径ｄｐ−電流Ｉｐ特性の２、３レンズ光学系の比較を示す図である。
【図１２】本発明で到達可能なビーム径計算値を示す図である。
【図１３】２レンズ及び３レンズの光学系ＦＩＢ装置の概念図である。
【図１４】ビーム径ｄｐ−電流Ｉｐ特性の２，３レンズ光学系の比較を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１１    エミッタ（イオン源）
１２    引出電極
１３    集束レンズ（ＣＬ２）
１４Ａ  可動電流制限絞り
１５    対物レンズ
１６    デフレクタ
２８    ビームアライナ（１）
２９    収差補正装置
２９Ａ  上段収差補正装置
２９Ｂ  下段収差補正装置
４５    ビームアライナ（２）
Ｍ      試料
【図１】
2007287495.tif 000003
【図２】
2007287495.tif 000004
【図３】
2007287495.tif 000005
【図４】
2007287495.tif 000006
【図５】
2007287495.tif 000007
【図６】
2007287495.tif 000008
【図７】
2007287495.tif 000009
【図８】
2007287495.tif 000010
【図９】
2007287495.tif 000011
【図１０】
2007287495.tif 000012
【図１１】
2007287495.tif 000013
【図１２】
2007287495.tif 000014
【図１３】
2007287495.tif 000015
【図１４】
2007287495.tif 000016