(57)【要約】      （修正有）【課題】異なるイオン種を迅速に切換えるＦＩＢシステムを提供する。【解決手段】複数の弁１３１Ａ〜１３１Ｄのうちの複数の弁を同時に開いて、ガス供給源１３０Ａ〜１３０Ｄから複数のガス種がプラズマ室１０２内へ同時に供給され、ＲＦ電源１１３からアンテナ・コイル１１４によって供給される高周波電力によってプラズマが生成される。イオンが引出し電極１２０によって源電極１１８の源電極絞り１１６を通して引き出される。質量フィルタ２０２によって、特定のイオン種の選択および１つの種から別の種への迅速な変更がなされる。質量フィルタによって選択されたイオン種が集束カラムに供給される。【選択図】図２Ａ
2013120750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導結合プラズマ・イオン源と、
前記プラズマ・イオン源から複数のイオン種を同時に生み出すために前記プラズマ・イオン源に複数のガスを供給する１つまたは複数のガス源と、
前記プラズマ・イオン源によって生み出された前記複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択する質量フィルタと、
選択された前記イオン種の集束ビームをターゲットの位置に集束させる集束光学部品であり、前記ターゲットの位置における前記ビームの直径が１ミクロン未満である集束光学部品と
を備える荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２】
前記質量フィルタがＥ×Ｂフィルタを含む、請求項１に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３】
前記誘導結合プラズマ・イオン源が分割ファラデー・シールドを含む、請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項４】
前記誘導結合プラズマ・イオン源が平衡アンテナを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項５】
前記１つまたは複数のガス種が２種類のガス種を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項６】
前記質量フィルタが収差補正Ｅ×Ｂ質量フィルタを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項７】
前記収差補正Ｅ×Ｂ質量フィルタが複数の段、すなわち第１のＥ×Ｂフィルタ段および少なくとも１つの第２のＥ×Ｂフィルタ段を有する、請求項６に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項８】
前記質量フィルタが、別個の電気接続をそれぞれが有する少なくとも２つの静電極片を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項９】
前記質量フィルタが、機械的に調整可能な磁場分布ならびに入口絞りおよび出口絞りをさらに備える、請求項１〜８のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１０】
前記質量フィルタが、少なくとも２つの磁極をさらに備え、前記磁極がそれぞれ、各端に１つ、合計２つの電気接続を有する、請求項９に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１１】
前記集束光学部品が、質量フィルタを通過したビーム電流１０μＡのイオン・ビームを１００ｎｍ未満のスポット・サイズに集束させる、請求項１〜１０のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１２】
前記集束光学部品が、質量フィルタを通過したビーム電流１μＡのイオン・ビームを５０ｎｍ未満のスポット・サイズに集束させる、請求項１〜１０のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１３】
前記集束光学部品が、質量フィルタを通過したビーム電流１０ｎＡのイオン・ビームを２５ｎｍ未満のスポット・サイズに集束させる、請求項１〜１０のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１４】
誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法であって、
誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップと、
前記プラズマ室から引き出された前記複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップと、
前記複数のイオン種の中から選択された前記１つのイオン種を加工物の表面に集束させて、前記加工物の表面において第１の処理を実行するステップと、
前記プラズマ室から引き出された前記複数のイオン種の中から別の１つのイオン種を選択するように前記質量フィルタを構成するステップと、
前記複数のイオン種の中から選択された前記別の１つのイオン種を前記加工物の表面に集束させて、前記加工物の表面において第２の処理を実行するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記質量フィルタがＥ×Ｂフィルタを含み、前記質量フィルタを構成する前記ステップが、前記質量フィルタ内の電極に指定された電圧を印加し、前記質量フィルタ内の電磁石に指定された電流を供給するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出す前記ステップが、分割ファラデー・シールドを有する誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出す前記ステップが、平衡アンテナを有する誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１８】
複数のイオン種を同時に引き出す前記ステップが、ヘリウムおよびアルゴンを引き出すステップを含み、
前記プラズマ室から引き出された前記複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成する前記ステップが、アルゴン・イオンを選択するように前記質量フィルタを構成するステップを含み、
前記複数のイオン種の中から選択された前記１つのイオン種を加工物の表面に集束させて、前記加工物の表面において第１の処理を実行する前記ステップが、１μＡよりも大きな電流を有するアルゴン・イオンのビームを、直径５０ｎｍ未満のスポットに集束させるステップを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記プラズマ室から引き出された前記複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成する前記ステップ、または前記プラズマ室から引き出された前記複数のイオン種の中から別の１つのイオン種を選択するように前記質量フィルタを構成する前記ステップが、２種類以上のイオン種を選択するように前記質量フィルタを構成するステップを含む、請求項１４〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法であって、
複数のガスを含むプラズマ室を用意するステップと、
アンテナからの高周波電力をプラズマ室内へ誘導結合するステップであり、前記高周波電力が、前記複数のガスのうちの少なくとも１つのガスからなる第１のグループのプラズマを維持するのには十分だが、前記複数のガスのうちの少なくとも１つのガスからなる第２のグループからのプラズマを維持するのには不十分であるステップと、
前記プラズマ室から前記第１のグループのイオンを引き出すステップと、
引き出された前記イオンを加工物の表面に集束させるステップと
を含む方法。
【請求項２１】
前記第１のグループのうちの１または複数のガスを通過させ、前記第１のグループのうちの前記１または複数のガス以外のイオンを遮断するように質量フィルタを構成するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記プラズマ室内へ誘導結合する前記高周波電力を変更し、または前記プラズマ室内の前記ガスのうちの１もしくは複数のガスの圧力を変更して、前記第１のグループのガスのうちの少なくとも１つのガスがプラズマを形成しないようにし、または前記第２のグループの１もしくは複数のガスがプラズマを形成するようにするステップをさらに含む、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のグループのイオンとは異なるイオンのグループを前記プラズマ室から引き出すステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム処理システムに関し、具体的には選択可能なイオン種を有する荷電粒子ビーム・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムは、集積回路製造分野およびナノテクノロジ分野のさまざまな用途において、マイクロスコピック構造およびナノスコピック構造を形成し、改変するために使用されている。ＦＩＢシステムは、さまざまな源を使用してイオンを生み出すことができる。例えば、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）は、高分解能処理、すなわち小さなスポット・サイズを提供することができるが、一般に小さなビーム電流を生み出す。
【０００３】
ガリウムＬＭＩＳを使用する一般的なシステムは、５から７ナノメートルの横方向分解能（ｌａｔｅｒａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を提供することができる。そのようなシステムは、マイクロスコピックないしナノスコピック規模での材料の特性評価および処理で広く使用されている。ガリウムＬＭＩＳは、ガリウムの層で覆われた先の尖った針を備える。源からイオンを引き出すために液体ガリウムに電場が与えられている間、この針は高温に維持される。
【０００４】
例えば、ガリウムＬＭＩＳを有するＦＩＢシステムを使用して、高い精度で画像化、ミリング、付着および分析を実行することができる。ミリングまたはマイクロ機械加工は、表面または表面近くのバルク材料の除去を含む。ミリングは、スパッタリングと呼ばれる運動量移動プロセスではエッチング支援ガスを使用せずに、または化学的支援（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ−ａｓｓｉｓｔｅｄ）イオン・ビーム・エッチングと呼ばれるプロセスではエッチング支援ガスを使用して、実行することができる。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，１８８，７０５号は、化学的支援イオン・ビーム・エッチング法を記載している。化学的支援イオン・ビーム・エッチングでは、イオン・ビームの存在下でエッチング強化ガスが反応して表面材料と結合し、揮発性の化合物を形成する。ＦＩＢ付着では、イオン・ビームの存在下で有機金属化合物などの前駆体ガスが分解して、ターゲット表面に材料を付着させる。
【０００５】
上記の全てのプロセスにおいて、ビーム中のガリウム・イオンの機能は、加工物の表面の粒子をスパッタリングによって物理的に追い出すためのエネルギー、または表面に付着した分子の化学反応を活性化させるためのエネルギーを供給することである。ガリウム自体は一般に反応には加わらない。ビーム中でガリウムが使用されるのは、融点、イオン化エネルギー、質量などのガリウムの特性が、一般的に使用されている加工物の材料と相互作用する細いビームを形成するのに適しているためである。ガリウムＬＭＩＳを使用することには欠点もある。ガリウム原子は加工物の内部へ入り込み、多くの用途で、加工物の不透明度（ｏｐａｃｉｔｙ）または電気特性を変化させるなど望ましくない副作用を生み出す。ガリウムは、衝撃エリアの結晶構造を崩壊させることもある。さらに、非常に細いビームを生み出すためには、ＬＭＩＳからのビーム中の電流を比較的に低く保たなければならず、このことは、低いエッチング速度およびより長い処理時間を意味する。
【０００６】
異なる用途に対しては異なるイオン種を使用することが望ましいと思われるが、液体金属イオン源は、生み出すことができるイオンの種類が限られている。適当な融点、イオン化エネルギーおよび質量を有する金属種だけを使用することができ、このことは、ＬＭＩＳから利用可能なイオン種を限定する。異なる処理ステップに対してイオン種を迅速に変更することができることも望ましいと思われるが、ＬＭＩＳのイオン種を変更するには、真空室から源を除去し、代わりに異なる源を配置する必要があり、それには、時間のかかる調製手順を経なければならない。２種類以上の金属のイオンを供給する液体金属合金源もある。このような源から利用可能なイオンの種類は、適当な特性を有する合金を形成する金属の組合せに限定される。Ｐａｒｋｅｒ他の「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｐａｉｒｉｎｇ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｓｋｓ  ＆  Ｒｅｔｉｃｌｅｓ」という名称の米国特許第５，１６５，９５４号に記載されているものなど、いくつかの液体金属合金系が質量フィルタ（ｍａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）とともに使用されており、その質量フィルタは、異なる種のイオンを分離して、ターゲットに衝突するビームが単一の種を含むようにする。
【０００７】
Ｅ×Ｂフィルタないし「ウィーン・フィルタ（Ｗｉｅｎ  ｆｉｌｔｅｒ）」などのいくつかのタイプの質量フィルタは電場および電場に垂直な磁場を使用し、この電場および磁場は、選択された質量およびエネルギーのイオンはフィルタを通過させるが、他の質量またはエネルギーを有するイオンはバリヤ内へ偏向させる。Ｅ×Ｂフィルタの偏向はイオンのエネルギーに依存し、ビーム中のエネルギーは常にある程度は変動しており、そのためＥ×Ｂフィルタは、ビームを広げ、ビームの分解能を低下させる色収差をシステムに導入する。質量フィルタ内の不均一な場もビーム収差に寄与する。
【０００８】
プラズマ・イオン源は、プラズマ室内のガスをイオン化し、イオンを引き出して、加工物の表面に集束させるビームを形成する。ＣｏａｔｈおよびＬｏｎｇ、「Ａ  Ｈｉｇｈ−Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｄｕｏｐｌａｓｍａｔｒｏｎ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ６６（２）、１０１８ページ（１９９５）に記載されているデュオプラズマトロン（ｄｕｏｐｌａｓｍａｔｒｏｎ）プラズマ・イオン源などのプラズマ・イオン源は、イオン・ビーム・システム用のイオン源として、特に質量分析用途およびイオン注入用途に使用されている。プラズマ室から引き出されるイオンのエネルギー幅のため、デュオプラズマトロン源のイオンを、ＬＭＩＳからのイオンと同様の小さなスポットに集束させることはできない。デュオプラズマトロン・イオン源は例えば、大面積にわたってイオンを注入する目的または飛行時間質量分析に対して使用されている。飛行時間質量分析では、１次ビーム中のイオンが表面からイオンをスパッタリングし、スパッタリングされたイオンが検出器に到達するのに要した時間によって、スパッタリングされたそれぞれのイオンの質量が決定される。正確な測定値を得るためには、１次ビーム中のイオンが表面に衝突した時刻を正確に知る必要がある。多くのガス種は、質量がわずかに異なる複数の同位体からなり、１次ビーム中の異なる同位体は異なる時刻に試料に到達するため、同位体を分離して、正確に分っている時刻に単一の同位体が試料に到達するようにするために、質量フィルタリングが使用されている。
【０００９】
最近、ＦＩＢシステム内で誘導結合プラズマ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ）（ＩＣＰ）イオン源が使用され始めた。ＩＣＰ源の技術革新は色収差を低減させ、色収差の低減は、より高分解能の処理を可能にし、画像化を含むイオン・ビーム処理に対する新たな可能性への道を開いた。
【００１０】
プラズマ・イオン源では、多くの異なる種類のガスを使用してさまざまなイオン種を生み出すことができ、そのため、異なる用途に対してイオン種を最適化することができる。例えば、ヘリウム・イオンは、画像化または軽い研磨に対して有用であり、キセノン・イオンは、バルク処理に対して有用なより高いミリング速度を提供する。プラズマ・イオン源は、多くの異なる種類のイオンをより大きな電流で生み出すことができるが、ビーム分解能は限定されていた。ユーザがプラズマ源内のイオン種を変更したいときには、プラズマ室から第１のガスを除去し、代わりに第２のガスを導入する必要がある。本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれる「Ｍｕｌｔｉ−Ｓｏｕｒｃｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願公開第２００９／０３０９０１８号は、異なる荷電粒子ビーム操作を実行するために、複数のガスをプラズマ室へ供給して異なるイオン種を生み出すシステムを記載している。残念なことに、プラズマ室から１つのガスを除去し、プラズマ室に第２のガスを充填するのには最長３０分かかることがある。プラズマ室内の圧力を維持するため、プラズマ・イオン源のガス入口は一般に、そこを通してガスを供給する小さな開口を有する。このガスは非常にゆっくりと使用されるため、ガスを補充するためのこの小さな開口は非常に小さい。このことは、異なるプロセス・ガスを逐次的に使用して加工物を処理する多くの用途にとって、ガスの交換を、容認しがたい長い時間にする。
【００１１】
図１は、米国特許出願公開第２００９／０３０９０１８号に記載されたＦＩＢシステムなどのＦＩＢシステム用の一般的な先行技術のＩＣＰイオン源１００を示す。ガスは、外部のガス供給管路１０４からガス・フィルタ１０６を通して源管１０３内のプラズマ室１０２へ供給され、次いで流れ絞り１１０を備える毛管１０８へ供給される。エネルギーは、ＲＦ電源１１３からアンテナ・コイル１１４によってプラズマ室１０２内へ供給され、イオンは、引出し電極１２０によって、源電極１１８の源電極絞り１１６を通して引き出される。分割ファラデー・シールド１２１は、コイル１１４と室１０２内のプラズマとの間の容量結合を低減させ、この容量結合の低減は、引き出されるイオンのエネルギー幅を低減させる。電源１１３は、アンテナ１１４を「平衡した（ｂａｌａｎｃｅｄ）」形で駆動することが好ましい。すなわち、本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれるＫｅｌｌｅｒ他の「Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｅｎｈａｎｃｅｄ，ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ａ  ｆｏｃｕｓｅｄ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願公開第２００８／００１７３１９号に記載されているように、アンテナを横切る電気的な移相が、プラズマ電位の変調を低減させるように調整される。この平衡アンテナは、プラズマ内の高周波エネルギー場のヌル・ポイント（ｎｕｌｌ  ｐｏｉｎｔ）を提供することが好ましく、このことは、プラズマ室１０２から引き出されるイオンのエネルギー幅を低減させる。
【００１２】
プラズマ室１０２内へ入り、プラズマ室１０２を出るガス・コンダクタンス（ｇａｓ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）は、（源管１０３の頂部の）毛管内の流れ絞り１１０および源電極１１８の絞り１１６（一般に直径１／４ｍｍ未満）を通る。弁１２３を介してガス供給管路１０４に接続されたポンプ１２２が、毛管１０８およびガス供給管路１０４を通してプラズマ室１０２からガスを除去する。イオン・カラム・ポンプ（図示せず）が、源電極絞り１１６を通してプラズマ室１０２からガスを引き出す。ガス貯蔵容器１３０Ａ、ガス貯蔵容器１３０Ｂ、ガス貯蔵容器１３０Ｃおよびガス貯蔵容器１３０Ｄなどの複数のガス源が、対応する弁１３１Ａから１３１Ｄを介してガス供給管路１０４内へガスを供給する。ビーム電圧源１３２は室１０２内のプラズマに高電圧を印加し、引出し電圧源１３４は引出し電極１２０に電圧を印加する。引き出されたイオンまたは電子は集束電極１３６によって集束する。集束カラムおよび試料室の追加の詳細は示されていない。
【００１３】
プラズマ室の内部からガスを除去するため、ガス供給管路１０４を示されているようにポンピングして、毛管１０８の流れ絞り１１０の上方の源管内のガスを除去する。源電極１１８の下方のＦＩＢシステムの容積も、主室真空ポンプ（１つまたは複数）（図示せず）を使用して適切にポンピングすることができる。
【００１４】
源電極絞り１１６と流れ絞り１１０の直径はともに小さく、それに対応してガス・コンダクタンスも非常に低いため、源管１０３の内部のガスをポンプによって迅速に排出することは不可能である。このことは特に、異なるイオン種を用いて逐次プロセス・ステップを実行することが時に望ましい製造ＦＩＢシステムにおいて不利である。第１に、ベース圧力が、第２のプロセス・ガスを導入するのに十分に低い圧力になるまで源管１０３から第１のプロセス・ガスをポンプによって排出するのに、はるかに長い時間がかかることがある。ガスの不十分なパージは、そのガスがイオン化することによってプラズマの汚染につながることがある。「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒａｐｉｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｇａｓｅｓ  ｉｎ  ａｎ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ（ＩＣＰ）Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ」という名称の米国特許出願第１３／１８２，１８７号は、ガスが真空室に入るための代替経路またはガスが真空室から出るための代替経路を提供することによって、プラズマ源内のガスを迅速に変更することを可能にするプラズマ室設計を記載している。
【００１５】
このように、異なるイオン種の高分解能ビームの提供は、長いガス交換時間によって制限を受け、または金属合金源の場合には、合金中に存在する金属によって制限を受けるが、合金中に存在する金属は一般に、材料の両立性に基づいてそのような合金を生み出す能力によって制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５，１８８，７０５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，１６５，９５４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／０３０９０１８号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／００１７３１９号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１３／１８２，１８７号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１３／２２３，２７６号明細書
【特許文献７】米国特許出願第１３／０８９，９９１号明細書
【特許文献８】米国特許出願第１３／０８９，８７５号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１３／１１１，６３４号明細書
【特許文献１０】米国特許第４，７８９，７８７号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】ＣｏａｔｈおよびＬｏｎｇ、「Ａ  Ｈｉｇｈ−Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  Ｄｕｏｐｌａｓｍａｔｒｏｎ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ６６（２）、１０１８ページ（１９９５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、異なるイオン種を迅速に切換えるＦＩＢシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の好ましい一実施形態によれば、ＦＩＢカラム用のＩＣＰイオン源が提供される。このプラズマ・イオン源は、異なる種のイオンを供給するために２種類以上のガスを含む。集束ビームを構成するイオン種は、源を出た複数のイオン種の中から質量フィルタを使用して選択される。
【００２０】
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。
【００２１】
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】
【００２２】
【図１】ＩＣＰイオン源を使用した先行技術のＦＩＢシステムの略断面図である。
【図２Ａ】ＩＣＰイオン源を使用し、試料に衝突するイオン種を選択する質量フィルタを有するＦＩＢシステムの第１の実施形態の略断面図である。
【図２Ｂ】ＩＣＰイオン源を使用し、試料に衝突するイオン種を選択する質量フィルタを有するＦＩＢシステムの第２の実施形態の略断面図である。
【図３】収差が補正されたウィーンＥ×Ｂ質量フィルタを使用した質量フィルタの一実施形態を示す図である。
【図４】別個の電気接続をそれぞれが有する２つの静電極片を使用した質量フィルタの一実施形態を示す図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態で使用されるＥ×Ｂ質量フィルタの一実施形態の１／４破断等角図である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態で使用されるＥ×Ｂ質量フィルタの磁気回路を示す、図５の切断線Ｃ−Ｃで切った側断面図である。
【図７】本発明に基づく好ましい方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
好ましい一実施形態は、複数のガス種を含むＩＣＰイオン源と、源から引き出された複数のイオン種の中から、集束イオン・ビームとしてターゲットに衝突する１つのイオン種を選択する質量フィルタとを備える。この好ましい実施形態は、ほぼ制限のないさまざまな用途で使用される質量およびビーム電流の非常に広い選択範囲を提供する。これは、例えば質量がわずかに異なる複数の同位体の中から単一の種が選択される飛行時間質量分析における質量フィルタリングとは異なる。ＩＣＰ源と質量フィルタの組合せは、高分解能ビームと、選択可能なイオン種の幅広い選択間の迅速な切換えとを同時に提供する課題に対する解答を提供する。質量フィルタは、ビーム形成中に異なる種のイオンが源を出、質量フィルタによって特定の種が選択され、他の種は拒絶されることを可能にする。動作中、プラズマ中には複数のガスが存在しているため、単純に質量フィルタの構成を変更することによって、１分未満、１秒未満、０．５秒未満または０．１秒未満のうちにイオン種を迅速に変更することができる。
【００２４】
好ましい１つの質量フィルタがウィーン・フィルタであり、ウィーン・フィルタは、磁場および磁場に対して垂直な電場を有する領域の中をビームが移動するためＥ×Ｂフィルタとも呼ばれている。４重極、扇形機器（ａ  ｓｅｃｔｏｒ  ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）、球面コンデンサなど、他のタイプの質量フィルタを使用することもできる。ＩＣＰプラズマ源およびＥ×Ｂ質量フィルタは、混合された源ガスと組み合わされたときに、全ての源ガスからのイオンを同時に含むプラズマを発生させる方法を提供する。これらのガスは、予め混合されたガスの源から固定された比率で、または個々のガス源から選択可能な比率でプラズマ室内へ導入することができる。プラズマ室内の混合ガスは、汚染の結果でもまたは同じ元素の異なる同位元素の結果でもなく、異なる元素を含み、それらの元素はそれぞれ、プラズマ中に、加工物を処理するビームを形成するのに十分な量で存在する。
【００２５】
Ｅ×Ｂフィルタは、色収差および他の収差をビームに導入することが知られているが、質量フィルタを通過したビームおよび集束カラムに導入される収差を小さくし、それによって小さなスポット・サイズおよび高分解能処理を提供するのに、ＩＣＰプラズマ源を出るイオン間のエネルギーの変動は十分に小さいことを本出願の出願人は見出した。好ましいＩＣＰは、４０ｅＶ未満、より好ましくは２０ｅＶ未満、最も好ましくは６ｅＶ未満のエネルギー幅を有する同じ種のイオンを生み出す。ＩＣＰプラズマ源、質量フィルタおよびイオン・カラムの組合せは、１ミクロン未満、５００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満または５０ｎｍ未満のスポット・サイズを有するイオン・ビームを提供することができる。ＩＣＰと質量フィルタの組合せによって提供される加工物の位置におけるビーム電流は一般に１ｐＡから１０μＡの間である。一実施形態では、ＩＣＰプラズマ源と質量フィルタの組合せが、２００μｍ未満、５００ｎｍ未満または１００ｎｍ未満のスポット・サイズを有する電流１０μＡのビームを提供することができる。他の実施形態では、ＩＣＰプラズマ源との組合せが、５００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満または５０ｎｍ未満のスポット・サイズを有する電流１μＡのビームを提供することができる。他の実施形態では、ＩＣＰプラズマ源との組合せが、２００ｎｍ未満、１００ｎｍ未満または２５ｎｍ未満のスポット・サイズを有する電流１０ｎＡのビームを提供することができる。他の実施形態では、ＩＣＰプラズマ源との組合せが、２０ｎｍ未満、１０ｎｍ未満または５ｎｍ未満のスポット・サイズを有する電流１ｐＡのビームを提供することができる。ビーム分解能は、レンズ・モード動作、源内の分割ファラデー・シールドおよび平衡アンテナならびにさまざまな技法をさまざまに組み合わせて質量フィルタ内の収差を低減させることによって向上する。特定の用途に対して必要な分解能によっては、全ての実施形態で、分解能を向上させるこれらの全ての諸特徴が使用されるわけではない。
【００２６】
Ｅ×Ｂフィルタは、混合された源の中から１つのイオン種を選択しまたは拒絶して、特定のイオン、例えば軽いイオン、より重いイオン、不活性イオンまたは反応性イオンを使用することによって利益を得る特定の操作を実行することを可能にする。一実施形態は、ネオン、アルゴンおよびキセノンなどの非常に軽いイオン、中程度の重さのイオンおよび重いイオンの混合ガスを使用し、この混合ガスは、広範囲のイオン質量が広範囲の用途をカバーすることを可能にする。
【００２７】
いくつかの実施形態では、プラズマ源へ導入する前に外部の共通のプレナム内で別個のガスを予め混合することによって、ガスの組成および／または比率が制御される。この共通のプレナムは次いでガス供給管路を介してイオン源に接続される。他の実施形態では、それぞれが単一のガス種を含む複数の個々のガス源からガス供給管路へガスが接続される。実施形態は、所望の１つの種の性能を他の種よりも優先して高めることができ、同時に、質量フィルタの使用によってイオン種の選択能力を依然として維持することができる広範囲の電力設定および圧力設定を可能にする。例えば、酸素、キセノンなどの異なるガスを可変の化学量論組成で混合することができ、異なる電力および圧力設定での動作によってそれらをさらに最適化することができる。一般に、ガス圧の下限は、最も制限的なガスに対する高電圧破壊に対応する圧力によって規定される。数多くの特定のガス種に対して固有の電力と圧力の関係が存在することは、パッシェン（Ｐａｓｃｈｅｎ）による徹底的な特性評価によって確立されている。この関係は、そのガスの高電圧破壊を生じない規定されたある電圧およびある圧力範囲内におけるそのガスの許容可能な作用範囲を定義する。質量フィルタリングによって、または電力および圧力の細かな調節ならびに追加の質量フィルタリングによって優先的に選択可能な同じプラズマ源内の広範囲のガス種またはガス種の組合せに対して源ガス、動作圧力および電力設定のさまざまな組合せが達成可能であることを当業者は理解するであろう。
【００２８】
上記の例では、最も制限的なガスが、高電圧破壊が起こる前の最小入口圧力要件が約１３００ミリバールであるキセノンである。反対に、酸素は、約５００ミリバールのはるかに低い限界を有する。さらに、プラズマを生み出し持続させるために必要な、源ガス種に基づく最小電力設定が存在する。例えば、キセノンは、１５Ｗという低い投入電力でプラズマを持続させることができるが、酸素は、約１５０Ｗの最小投入電力を必要とする。キセノンと酸素の混合物は、追加の質量フィルタリングとともに、または単純に電力および圧力パラメータを細かく調節することによって独立して作用させることができる。このような源ガスの組合せを作用させるための電力および圧力の一般的な範囲は、５００ミリバールから３０００ミリバールの間の圧力で２５Ｗから１０００Ｗである。電力および圧力のより好ましい範囲は、１００Ｗから６００Ｗおよび１０００ミリバールから２０００ミリバールとすることができる。または反対に、電力を２５Ｗから１００Ｗに設定し、圧力を１５００ミリバールから２０００ミリバールに設定することによって、酸素の存在下であってもキセノン・プラズマだけを優先的に発生させ、パッシェン破壊を生じさせないことができるであろう。いずれにしても、質量フィルタの存在は、プラズマ・ビームが引き出され集束した後に、プラズマ・ビームの不必要な成分を除去することを可能にする。ネオンなどの軽いイオン種から、アルゴンなどの中程度の重さのイオン種およびキセノンなどの重いイオン種に至るまでの広範囲の源ガス種の作用が実証されている。窒素、酸素などの他の源ガスも実証されている。したがって、これらのガスの任意の組合せを用いて、記載した方法によって、プラズマ源および質量フィルタを機能させることが可能であるはずである。したがって、この実施態様は、迅速な材料除去から軽いイオンによる画像化に至るまでのさまざまな用途に対して、大きな汎用性、正確な選択および使いやすさを可能にする。上記の情報をガイダンスとして使用して、当業者は、ガスのさまざまな組合せに対して適当な電力と圧力の関係を選択することができる。
【００２９】
複数のガスをプラズマ室へどのように供給するかにかかわらず、実施形態は、イオン種の即時の選択を可能にする。さもなければ、特定の作用のために必要なイオン種を変更するために源ガスの交換が必要となるであろう。
【００３０】
いくつかの実施形態の利点は、予め混合されるにせよ、またはガス供給管路もしくはプラズマ室内で混合されるにせよ、数多くのガス混合物を送達することができることである。このことは、１つの源アセンブリ内の複数の合金源を作用させることができることに似ている。例えば、あるガス源は、ヘリウムおよびキセノンとすることができる混合物を供給することができ、他のガス源は、水素および酸素とすることができる混合物を供給することができる。いくつかの実施形態では、例えば本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれるＲｕｅ他の「Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓａｍｐｌｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ｂｏｔｈ  Ｌｏｗ−Ｍａｓｓ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ−Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｉｅｓ」という名称の米国特許出願第１３／２２３，２７６号に記載されているように軽いイオンによる画像化と重いイオンによるミリングの同時実施に使用するため、より多くの複数のイオン種を通過させるように、１つまたは複数の質量フィルタを設定することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態の追加の利点は、ＩＣＰ源が、極めて広い範囲のビーム電流を送達することができることであり、それによって利用可能な質量の幅広い分布、ならびにそれらの質量の非常に異なる画像化特性およびミリング特性をさらに利用することができることである。
【００３２】
本発明の出願人は、プラズマ室内のガスとして空気を使用する実施形態の能力を実証した。プラズマは主に窒素イオンからなり、残りの部分は主に酸素イオンからなり、アルゴン、ヘリウムなどの他の元素を小さな割合で含むであろう。
【００３３】
図２Ａは、本発明のＦＩＢシステム２００を示す。システム２００は図１のシステム１００と類似しているが、イオン源の下方に質量フィルタ２０２が追加されている。図１と同様に、好ましいプラズマ源は、アンテナとプラズマの間の容量結合を低減させ、引き出されるイオンのエネルギー幅を低減させるために分割ファラデー・シールド１２１を含む。好ましいプラズマ源はさらに、アンテナを横切る移相を、プラズマ電位の高周波変調を最小化しまたは排除するように調整する、平衡した形で駆動されるアンテナ１１４を含む。質量フィルタ２０２はＥ×Ｂフィルタであることが好ましいが、他のタイプの質量フィルタを使用することもできる。質量フィルタ２０２は、電場を提供する電極２０４と、図の平面の前方および後方に配置されて交差磁場を提供する磁石（図示せず）とを含む。コネクタ２０６は、電極２０４への電気接続と、電極２０４の位置を調整する機械的な接続とを提供する。これらの電場および磁場は、偏向させずにフィルタを通過させ、さらにビーム経路上の絞りを通過させるイオンの質量を選択するように調整可能であり、選択された質量以外の質量を有するイオンは偏向し、絞りを通過しない。質量フィルタ２０２は概略的に示されているが、質量フィルタ２０２は、より複雑な質量フィルタ、またはビーム軸に沿って分離された２つ以上のＥ×Ｂ場領域を有する複合フィルタを含むことができる。弁１３１Ａから１３１Ｄは、プラズマ室１０６へガスを供給するガス供給管路１０４内へ所望のガス混合物を供給するように調整される。いかなるときでも一般に単一のガスがプラズマ室１０２へ供給される先行技術とは違い、本発明の実施形態では、弁１３１Ａから１３１Ｄのうちの複数の弁を同時に開いて、複数のガス種をプラズマ室へ同時に供給することができる。弁１３１Ａから１３１Ｄは、ガス入口１０４へ入るガスの比率を制御するメータリング・バルブ（ｍｅｔｅｒｉｎｇ  ｖａｌｖｅ）であることが好ましい。
【００３４】
図２Ｂは、図２Ａと類似しているが、ガス供給源１３０Ａから１３０Ｄのうちの一部のガス供給源が弁１３１Ａから１３１Ｄを通して混合プレナム２１０にガスを供給する点が異なる。ガスは、混合プレナム２１０内で予め混合され、その後、弁２１２を通ってガス供給管路１０４およびプラズマ室１０２へ入る。ガス供給源１３０Ｅは、ガス供給管路１０４内へガスを直接に供給する。さまざまな実施形態において、任意の数の単一ガス供給源と任意の数の混合プレナムを組み合わせることができる。あるいは、混合ガス源２１０を別の場所で調製し、その混合ガス源２１０を弁２１２に接続して、ＦＩＢシステムにある源１３０Ａから１３０Ｅを排除することもできる。
【００３５】
質量フィルタ２０２は例えば、図３に示す質量フィルタであって、本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれる「Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ  Ｗｉｅｎ  Ｅ×Ｂ  Ｍａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｒｅｍｏｖａｌ  ｏｆ  Ｎｅｕｔｒａｌｓ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  Ｂｅａｍ」という名称の米国特許出願第１３／０８９，９９１号により詳細に記載されている質量フィルタを含むことができる。図３は、２つのフィルタ段、すなわち上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕおよび下Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌを有する収差補正質量フィルタ３０４を有するイオン・カラム３０２を示す。イオン３１２は、引出し電極３１５によってＩＣＰプラズマ室３１３から引き出される。
【００３６】
イオン３１２は次いで、上レンズ３４８によって集束して実質的に平行なビーム３１０を形成する。完全に平行なビーム３１０では、ビーム３１０内の個々のイオン軌道を、光軸３８０に沿ったマイナス無限遠の仮想源（図示せず）へ外挿することができる。「実質的に平行な」ビームは、仮想源が必ずしもマイナス無限遠にはないが、それでも、外挿されたイオン軌道が、源先端から（上方または下方に）イオン・カラム３０２の全長の少なくとも３倍離れた位置で光軸３８０を横切るビームである。上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕは、電極３１４Ｕ、フィールド・ターミネーション・プレート（ｆｉｅｌｄ  ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｐｌａｔｅ）３１６Ｕおよび磁場源（図示せず）を含む。
【００３７】
電極３１４Ｕは、矢印３２０Ｕによって示された図の平面内の電場を生み出す（この電場は、左側の正電極３１４Ｕから右側の負電極３１４Ｕの方を指しており、陽イオンに対して右向きの電気力を加える）。磁場源は、円３２２Ｕによって示された図から飛び出す方向の磁場を生み出す（この磁場は、陽イオンに左向きの磁力を加える）。下Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは、電極３１４Ｌ、フィールド・ターミネーション・プレート３１６Ｌおよび磁場源（図示せず）を含む。電極３１４Ｌは、矢印３２０Ｌによって示された図の平面内の電場を生み出す。この電場は、上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕ内の電場３２０Ｕとは方向が反対で大きさが等しい。下Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌ内の磁場源は、×印３２２Ｌによって示された図を突き抜ける方向の磁場を生み出す。この磁場は、上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕ内の磁場３２２Ｕとは方向が反対で大きさが等しい。下Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌは上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕと対称であり、一般に全く同じ構造を有し（１８０°回転され、対称軸が距離３２６だけずらされており）、方向が反対で大きさが等しい電場および磁場を生み出す。
【００３８】
示されているように、イオン３１２は４つの異なるイオン種、すなわち低質量イオン３３０、低中質量イオン３３２、高中質量イオン３３４および高質量イオン３３６を含む。低質量イオン３３０、高中質量イオン３３４および高質量イオン３３６は質量分離絞りプレート３４０に当たり、絞り３４２を通過せず、下レンズ３４４へは到達しない。低中質量イオン３３２は、示されているように、上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕおよび下Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌをともに通過する。イオン３３２は次いで質量分離絞り３４２を通過し、下レンズ３４４によって基板表面３５０に集束する。先行技術では、Ｅ×Ｂフィルタが一般に、所望のイオン（この例では低中質量イオン）を偏向なしで通過させるように調整される。図３の実施形態では、所望のイオンが偏向して絞り３４２を通過し、望ましくないイオンの一部（この例では高中質量イオン３３４）および中性粒子は偏向せずに絞りプレート３４０に当たる。望ましくない他のイオンは、偏向が大きすぎて絞り３４２を通過せず（低質量イオン３３０）、または偏向が小さすぎて絞り３４２を通過しない（高質量イオン３３６）。
【００３９】
中性粒子３４６は、Ｅ×Ｂ質量フィルタ３０４内の電場および磁場によって偏向せずに、したがってＥ×Ｂ質量フィルタ３０４内をまっすぐに進む。絞りプレート３４０の穴３４２（この穴はＥ×Ｂフィルタ３０４の出口軸を画定する）はＥ×Ｂフィルタ３０４の入口軸３８０から距離３２６だけずれているため、中性粒子３４６は、質量分離絞りプレート３４０に当たる。図３の略図は、レンズ３４８によって偏向しない中性粒子が基板１１２へ到達する経路が存在しないことを明示してはいないが、実際のシステムの幾何形状は、上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕの入口の絞りおよび／または質量フィルタ３０４の下方のいずれかの位置に配置されたカラム内の絞りなど当業者によく知られているさまざまな手段によって、そのような経路を排除する。一般的に、フィールド・ターミネーション・プレート３１６Ｕおよび３１６Ｌは、そこを通ってイオン・ビームが出入りする開口であって、絞りの役目を果たすのに十分な小さな大きさを有する開口を有するように構成することができる。絞りプレート３４０に衝突したイオンは一点に集束しないため、イオン・スパッタリングによって生じる絞りプレート表面の摩損はより広いエリアにわたって広がる。したがって、絞りプレート３４０に、遮断されたイオンによってスパッタリングされた不必要な貫通穴はできにくく、そのため絞りプレート３４０はより長持ちする。
【００４０】
好ましい一実施形態では、上Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕおよび下Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｌが、本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれる「Ｗｉｄｅ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  Ｗｉｅｎ  Ｅ×Ｂ  Ｍａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／０８９，８７５号に記載されているタイプのＥ×Ｂフィルタである。このようなＥ×Ｂフィルタは、フリンジ効果を低減させるため、および磁場に平行な成分と磁場に垂直な成分の両方を有する調整可能な電場を提供するために、絞りを超えて広がる磁極を含む。この調整可能な電場は、幅の広い光学絞りを提供する物理的な電極の理想的ではない構成を補償することができる。いくつかの実施形態では、この調整可能な電場がさらに、ビーム・アライメントのために使用することができるＸ−Ｙ両方のビーム偏向能力を提供することができる。いくつかの実施形態では、この調整可能な電場がさらに、質量フィルタによって誘起される収差の一部を補正するために使用することができるビームの非点補正（ｓｔｉｇｍａｔｉｏｎ）を提供することができる。
【００４１】
図４は、別個の電気接続をそれぞれが有する２つの静電極片４３０Ｒおよび４３０Ｌを使用した質量フィルタ４００の一実施形態を示す。Ｅ×Ｂフィルタ３０６Ｕおよび３０６Ｌはそれぞれ、図４に示した設計のＥ×Ｂフィルタを含むことができる。ビームの運動は、概ねＺ軸（図の平面に垂直な軸）に沿っていると仮定する。第１の電極４３０Ｒは、＋Ｘ軸上のＹ軸（垂直の中心線）から距離ＬＸ１のところに配置されており、電圧ＶＡが印加される。第２の電極４３０Ｌは、−Ｘ軸上のＹ軸から距離−ＬＸ１のところに配置されており、電圧ＶＣが印加される。電極面の向きはＹ−Ｚ平面に対して平行である。ＶＡおよびＶＣの値は、後述する標準ウィーン・フィルタの動作考慮事項に基づいて選択されることになる。
【００４２】
２つの磁極４０４Ｕおよび４０４Ｌがあり、それらの磁極は、磁極面の向きがＸ−Ｚ平面に対して平行となり、磁極面が＋Ｙ軸および−Ｙ軸上の位置±ＬＹに位置するように配置されている。磁極面は、電気プレートと磁極片とによって画定された領域を超えて広がっている。コイルおよび／または永久磁石が、極片４０４Ｕおよび４０４Ｌに、Ｙ軸に対して平行な磁場を発生させるエネルギーを供給することができる。極片４０４Ｕおよび４０４Ｌは、フェライト、または一般に１０6から１０8Ω−ｃｍの範囲の抵抗率を有する同種のある抵抗性磁性材料から製造される。上（＋Ｙ軸）磁極は２つの電気接続を有し、一方の電気接続は＋Ｘ端（ＶＢ１）にあり、もう一方の電気接続は−Ｘ端（ＶＢ４）にある。下（−Ｙ軸）磁極も２つの電気接続を有し、一方の電気接続は＋Ｘ端（ＶＤ１）にあり、もう一方の電気接続は−Ｘ端（ＶＤ４）にある。米国特許出願第１３／０８９，８７５号に記載されているとおり、磁極片に電圧を印加して、質量フィルタ内の交差電磁場によって誘起される非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）を補正することができる。磁極上の電圧を使用して、電場に平行な方向または磁場に平行な方向のビームの静電偏向を提供することもでき、この偏向を使用して、カラム内においてビームを整列させることができる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態は、図５および６に示す質量フィルタであって、本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれる「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ａｎ  Ｅ×Ｂ  Ｗｉｅｎ  Ｆｉｌｔｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／１１１，６３４号に記載されている質量フィルタを含む。図５および６の質量フィルタは、電場と磁場の間のより良好な整合（ｍａｔｃｈｉｎｇ）を達成し、それによって向きが反対の電気力および磁力が、エンド・キャップの近くならびに入口絞り内および出口絞り内を含むＥ×Ｂフィルタの全長にわたって等しくなるように、磁場の分布ならびに入口絞りおよび出口絞りを機械的に調整する、構造および方法を提供する。
【００４４】
米国特許出願第１３／１１１，６３４号に記載されているとおり、ギャップ磁気抵抗（ｇａｐ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）とヨーク（ｙｏｋｅ）磁気抵抗の比は、漏れ磁気抵抗（すなわち極片の縁とエンド・キャップの間の磁気抵抗）とスペーサの磁気抵抗の比に等しいはずである。この設計は、エンド・キャップ内の磁気シム（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｈｉｍ）およびエンド・リング内の磁気プラグ（ｐｌｕｇ）シムによって、スペーサまたはエンド・キャップの材料の選択だけによって可能な整合よりも緊密なこれらの比の整合を提供し、それによってＥ×Ｂの全長にわたって必要なＢ／Ｅ比を達成する際の柔軟性を提供する。
【００４５】
図５は、本発明の一実施形態で使用することができるＥ×Ｂ質量フィルタ５００の１／４破断等角図である。図６には断面Ｃ−Ｃが示されている。磁極片５０２がセラミック絶縁体５０４に取り付けられており、セラミック絶縁体５０４は、磁石５０６、一般にネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）合金磁石もしくはサマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）合金磁石または他の同種の高強度永久磁石に取り付けられている。本発明の範囲に含まれる代替実施形態では、この実施形態で示した永久磁石５０６の代わりに電磁石コイルが使用される。磁石５０６（一般に一対の磁石であり、破断図５００には１つの磁石だけが示されている）はヨーク５０８に取り付けられており、ヨーク５０８は一般にニッケル−鉄（例えばＮｉＦｅ４３またはＮｉＦｅ４８）などの比較的に高飽和の磁性材料からなる。
【００４６】
図５では、これから質量によって分離するイオン・ビームが、入口エンド・キャップ５２２に装着された入口リング５３０の絞り５２４を通って質量フィルタ５００に入る。出口エンド・キャップ５２６に装着された出口リング５３２の出口絞り５２８を通って、質量によって分離されたさまざまなイオン・ビームが質量フィルタ５００を出る。一般に、非選択イオン種（すなわちイオン・ビームとして試料の表面に集束させたくないイオン種）は、Ｅ場軸に沿って図５の左下から右上へ角度偏向する。ほとんどの場合、この偏向は、これらの非選択イオン・ビームが出口絞り５２８を通過するのに十分な小さな偏向であり、非選択イオン・ビームは、Ｅ×Ｂ質量フィルタの下方の質量分離絞り（図示せず）によって遮断される。選択されたイオン・ビームは出口絞り５２８のほぼ中心を通過し、次いで質量分離絞りを通過して試料の表面で集束する。イオン・ビームの質量分離を実行する磁場は、２つの極片５０２の内側の面と面の間に発生する。これらの「ギャップ場」６２４が図６に示されている。
【００４７】
一対の電極５４２間に、Ｂ場６２４（図６）に対して垂直な電場が確立される。図示の好ましい実施形態では、一対の電極５４２が、絶縁体５４６を押す装着ねじ５４４（ヨーク５０８に差し込まれている）によって内側へ押されている。電極５４２への電気接続は、ヨーク５０８およびハウジング５１８のクリアランス・ホールを通って半径方向外側へ延び、外端にコロナ防止ボール５５４を有するロッド５４８によって達成されている。示された電極／極片構成は、１９８８年１２月６日に発行された参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４，７８９，７８７号に示されている構成に対応する（同特許文献の図４Ａおよび４Ｂを参照されたい）。入口エンド・キャップ５２２は、厚い外リング５９２を有する。外リング５９２は、外リングの軸方向の磁気抵抗を増大させる働きをする半径方向のスロット５５０を有する。スロット５５０に磁気シム５９０を挿入して、外リング５９２の軸方向の磁気抵抗を低減させることができる。シム５９０の数、位置および透磁率は機械的に調整することができるため、外リング５９２の磁気抵抗を幅広い範囲にわたって小さな増分で変化させることが可能であり、それによって先行技術のＥ×Ｂ質量フィルタにおいて可能な調整より、エンド・キャップ磁気抵抗のはるかに細かい調整を可能にすることができる。同じことが、厚い外リング５９４を有する出口エンド・キャップ５２６の半径方向のスロット５５６および磁気シム５９６についても言える。
【００４８】
ハウジング５１８が、エンド・キャップ５２２および５２６ならびにヨーク５１８を一緒に締め付けるクランピング・リング５２０（ねじ５５７によって下方へ保持されている）とともに、ヨーク５０８を囲っている。Ｅ×Ｂ質量フィルタの下方には、Ｅ×Ｂ質量フィルタ５００によって生じたビーム偏向の誤差を補正するために使用されるＸ−Ｙビーム偏向器５８２がある。質量フィルタ５００は、従来の質量フィルタよりもはるかに緊密なＢ場分布とＥ場分布の整合を提供する。このより良好な整合は、機械的に変更可能な磁気抵抗によって可能となる。
【００４９】
図６は、Ｅ×Ｂ質量フィルタの磁気回路を示す、本発明の好ましい一実施形態を示す質量フィルタ５００の側断面図Ｃ−Ｃである。矢印６０２〜６３４は、ギャップ、磁性材料および磁石内の磁束分布を示す。Ｂ場６２４は、Ｅ×Ｂ質量フィルタを通過するイオン・ビームによって「見られて」おり、２つの電極５４２（図５には一方の電極が示されている）間のＥ場によって誘起される力に対して方向が概ね反対で、大きさが同じ程度かまたは全く同じである磁力をイオン上に発生させる。極片５０２とヨーク５０８の間には、磁石５０６および絶縁体５０４を通過する磁束６２２および６２６がある。入口エンド・キャップ５２２および入口リング５３０内には、磁束６０２および６０６が常に左方向へ流れており、これらの磁束は、磁気回路の外側に沿って流れる両方の戻り磁束の方向に対応し、漏れ磁束６２８および６３０を磁石５０６の外端に接続する。同様に、出口エンド・キャップ５２６および出口リング５３２内には、磁束６０８および６１２が常に左方向へ流れており、これらの磁束は、磁気回路の外側に沿って流れる両方の戻り磁束の方向に対応し、漏れ磁束６３２および６３４を磁石５０６の外端に接続する。磁束６１４および６１８は、入口エンド・キャップ５２２とヨーク５０８の間を接続し、エンド・キャップ５２２の外リング５９２および半径方向のスロット５５０内の磁気シム５９０を通過する。磁束６１６および６２０は、出口エンド・キャップ５２６とヨーク５０８の間を接続し、エンド・キャップ５２６の外リング５９４および半径方向のスロット５５６内の磁気シム５９６を通過する。
【００５０】
次に、入口リング５３０の入口絞り５２４の内側のＢ場を考える。前述の先行技術の質量フィルタとは違い、本発明に基づく質量フィルタでは、電場と磁場とが整合し、それによって向きが反対の電気力と磁力がＥ×Ｂフィルタの全長にわたって等しくなるように、入口絞りおよび出口絞り内の磁場の向きおよび大きさを調整することができる。図６に示すように、磁気シム５９０の数、位置および透磁率は、入口絞り５２４内のＢ場を打ち消すように調整されており、したがって絞り５２４を横切る磁束は示されていない。
【００５１】
上で論じたとおり、入口エンド・キャップ５２２および入口リング５３０の機能は、Ｂ場およびＥ場を、Ｅ×Ｂ質量フィルタの軸に沿った距離の関数として、理想的にはほぼ同じ低減率で終わらせ、それによって適切なＢ／Ｅ比を維持することである。入口エンド・キャップ５２２および入口リング５３０は良好な導電率を有するため、Ｅ場は、かなり急に概ね終了する傾向があり、絞り５２４内には実質的にＥ場がない。適切なＥ×Ｂ動作について言えば、Ｂ場の強度はＥ場に比例している（軸上のどの位置でも同じ比率を有している）べきであり、そのため、Ｂ場も、絞り５２４内でほぼゼロ強度まで低下すべきである。同様のことが、エンド・キャップ５２６に装着された出口リング５３２の絞り５２８の内側のＢ場についても言える。前述の先行技術の質量フィルタとは違い、本発明の好ましい実施形態では、入口絞り５２４および出口絞り５２８内のＢ場を、Ｅ場に比例してほぼゼロ強度まで低下させることができる。本明細書に記載された発明を、入口エンド・キャップ５２２、出口エンド・キャップ５２６、入口リング５３０、出口リング５３２、磁気シム５９０および磁気シム５９６を製造する材料の適当な選択とともに使用すると、入口絞り５２４および出口絞り５２８内のＢ場を、極片５０２間のギャップ内の最大Ｂ場の１パーセント未満まで打ち消すことが可能である。エンド・キャップ、リングおよびシムに適した例示的な材料には、４００シリーズのステンレス鋼、具体的にはＳＳ４３０合金など中程度の透磁率を有する材料が含まれる。
【００５２】
質量フィルタ５００は、Ｅ×Ｂ入口および出口においてＥ場とＢ場の良好な整合を達成する機械的な方法および構造を可能にする。当業者によく知られているように、より良好な整合はＥ×Ｂ質量フィルタ内の収差を低減させ、さらに、質量フィルタから出るビームのより良好なアライメントを可能にする。ＦＩＢシステムの好ましい一実施形態は、図３から図６に示した質量フィルタの諸特徴の任意の組合せを有する質量フィルタを含むことができる。
【００５３】
図７は、本発明に基づく好ましい１つの方法を示す。ステップ７０２で、プラズマ室にガスの混合物を充填する。それらのガスは例えばヘリウム・ガスおよびキセノン・ガスを含み、ヘリウムは、画像化または軽い研磨に使用することができ、キセノンは、バルク処理のために比較的に高いミリング速度を提供することができる。それらのガスは、ある容器内で予め混合したものとすることができ、または異なる容器からのものとすることができ、あるいは上記の２つの任意の組合せとすることができる。ステップ７０４で、プラズマ室内でプラズマに点火する。ステップ７０６で、質量フィルタの電極に第１の電圧を印加して質量フィルタ内に電場を発生させ、電磁石に第１の電流を流して質量場内に磁場を発生させる。この磁場は、電場に対して垂直である。この電場および磁場は、第１のイオン種を通過させ、残りのイオン種を遮断構造物内へ偏向させるように調整されている。
【００５４】
ステップ７０８で、引出し電極に電圧を印加して、プラズマ室からイオンを引き出す。ステップ７１０で、引き出された第１のイオン種を集束させることによって加工物を処理する。プラズマ源からは複数の種のイオンが引き出されるが、質量フィルタは、加工物を処理するために第１のイオン種だけを通過させる。加工物を処理するために選択するイオンは、スパッタリング、すなわち基板への運動量の移動によって材料を除去する非反応性のイオンとすることができ、または、材料をエッチングしもしくは付着させるために前駆体ガスを活性化することができる。あるいは、ビーム中のイオンを反応性のイオンとすることができ、それらのイオンは、スパッタリングなしでエッチングすることができる。例えば、ビーム中のイオンのエネルギーが、材料をスパッタリングするには不十分だが、揮発性の化合物を形成する基板材料との化学反応を開始させるのには十分であることがある。このような低エネルギーの反応性イオンは加工物の損傷を低減させ、加工物から特定の材料を選択的に除去することができる。他の実施形態では、反応性イオンが、スパッタリングし、同時に化学反応を誘起するのに十分なエネルギーを有する。イオン種が実行することができる操作には、画像化、細かいミリング、粗いミリングまたは付着が含まれる。
【００５５】
１回の試料処理ステップが完了したら、ステップ７１２で、引出し電極に引出し電圧を印加するのをやめる。判断ブロック７１４で、処理が完了したかどうかを判定する。追加の処理が必要な場合、この方法はブロック７０６へ戻る。次の操作に対して異なるイオン種が必要な場合には、第２のイオン種を選択するために、質量フィルタの電極に第２の電圧を印加して質量フィルタ内に第２の電場を発生させ、電磁石に第２の電流を流して質量場内に第２の磁場を発生させる。ステップ７１０で、第２のイオン種を使用して加工物を処理する。それぞれの処理ステップ中にはＩＣＰイオン源から複数のイオン種が引き出されるが、選択された種だけが質量フィルタを通過し、加工物に衝突する。
【００５６】
判断ブロック７１４で、追加の処理ステップが必要であると判定された場合、ステップ７０６でこの方法を繰り返す。次の操作に対して異なるイオン種が必要な場合には、第３のイオン種を選択するために、質量フィルタの電極に第３の電圧を印加して質量場内に第３の電場を発生させ、電磁石に第３の電流を流して質量場内に第３の磁場を発生させる。ステップ７１０で、第３のイオン種を使用して加工物を処理する。上記のそれぞれの処理ステップと同様に、この処理ステップ中にはＩＣＰイオン源から複数のイオン種が引き出されるが、選択された種だけが質量フィルタを通過し、加工物に衝突する。必要ならば、単一ガス源または混合ガス源からプラズマ室に追加のガス種を追加することができる。
【００５７】
前述のとおり、いくつかの実施形態では、ガス混合物中の１種または数種のガス種がプラズマを形成し、ガス混合物中の１種または数種のガス種がプラズマを形成しないようにプラズマ室内のガス圧および電力を調整することにより、質量フィルタを使用することなくイオン種を選択することができる。このような実施形態でも、プラズマ室を出た不必要な成分が試料に到達することを防ぐために質量フィルタを使用することができる。室内のガス圧および／または電力を変更して、プラズマを形成するガスを変更することができ、それによって引き出すことができるイオンの種類を変更することができる。いくつかの実施形態では、生み出されるイオンが、プラズマ室内のガス圧およびプラズマを形成するガスを制御するためにプラズマ室内へ誘導印加される高周波電力によって制御される。例えば、誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する１つの方法は、複数のガスを含むプラズマ室を用意するステップと、アンテナからの高周波電力をプラズマ室内へ誘導結合するステップであり、この高周波電力が、複数のガスのうちの少なくとも１つのガスからなる第１のグループのプラズマを維持するのには十分だが、複数のガスのうちの少なくとも１つのガスからなる第２のグループからのプラズマを維持するのには不十分であるステップと、プラズマ室から第１のグループのイオンを引き出すステップと、引き出されたイオンを加工物の表面に集束させるステップとを含むことができる。いくつかの実施形態は、第１のグループのうちの１または複数のガスを通過させ、第１のグループのうちの１または複数のガス以外のイオンを遮断するように質量フィルタを構成するステップをさらに含む。
【００５８】
いくつかの実施形態は、プラズマ室内へ誘導結合する高周波電力を変更し、またはプラズマ室内のガスのうちの１もしくは複数のガスの圧力を変更して、第１のグループのガスのうちの少なくとも１つのガスがプラズマを形成しないようにし、または第２のグループの１もしくは複数のガスがプラズマを形成するようにするステップをさらに含む。いくつかの実施形態は、第１のグループのイオンとは異なるイオンのグループをプラズマ室から引き出すステップをさらに含む。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム・システムは、誘導結合プラズマ・イオン源と、プラズマ・イオン源から複数のイオン種を同時に生み出すためにプラズマ・イオン源に複数のガスを供給する１つまたは複数のガス源と、プラズマ・イオン源によって生み出された複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択する質量フィルタと、選択されたイオン種の集束ビームをターゲットの位置に集束させる集束光学部品であり、ターゲットの位置におけるビームの直径が１ミクロン未満である集束光学部品とを備える。
【００６０】
荷電粒子ビーム・システムのいくつかの実施形態では、質量フィルタがＥ×Ｂフィルタを含む。いくつかの実施形態では、質量フィルタが収差補正Ｅ×Ｂ質量フィルタを含む。いくつかの実施形態では、収差補正Ｅ×Ｂ質量フィルタが複数の段、すなわち第１のＥ×Ｂフィルタ段および少なくとも１つの第２のＥ×Ｂフィルタ段を有する。
【００６１】
荷電粒子ビーム・システムのいくつかの実施形態では、誘導結合プラズマ・イオン源が分割ファラデー・シールドを含む。いくつかの実施形態では、誘導結合プラズマ・イオン源が平衡アンテナを含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のガス種が２種類のガス種を含む。
【００６２】
荷電粒子ビーム・システムのいくつかの実施形態では、質量フィルタが、別個の電気接続をそれぞれが有する少なくとも２つの静電極片を含む。いくつかの実施形態では、質量フィルタが、機械的に調整可能な磁場分布ならびに入口絞りおよび出口絞りをさらに備える。いくつかの実施形態では、質量フィルタが、少なくとも２つの磁極をさらに備え、磁極がそれぞれ、各端に１つ、合計２つの電気接続を有する。
【００６３】
荷電粒子ビーム・システムのいくつかの実施形態では、集束光学部品が、質量フィルタを通過したビーム電流１０μＡのイオン・ビームを１００ｎｍ未満のスポット・サイズに集束させる。いくつかの実施形態では、集束光学部品が、質量フィルタを通過したビーム電流１μＡのイオン・ビームを５０ｎｍ未満のスポット・サイズに集束させる。いくつかの実施形態では、集束光学部品が、質量フィルタを通過したビーム電流１０ｎＡのイオン・ビームを２５ｎｍ未満のスポット・サイズに集束させる。
【００６４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法は、誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップと、プラズマ室から引き出された複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップと、複数のイオン種の中から選択された１つのイオン種を加工物の表面に集束させて、加工物の表面において第１の処理を実行するステップと、プラズマ室から引き出された複数のイオン種の中から別の１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップと、複数のイオン種の中から選択された別の１つのイオン種を加工物の表面に集束させて、加工物の表面において第２の処理を実行するステップとを含む。
【００６５】
誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法のいくつかの実施形態では、質量フィルタがＥ×Ｂフィルタを含み、質量フィルタを構成するステップが、質量フィルタ内の電極に指定された電圧を印加し、質量フィルタ内の電磁石に指定された電流を供給するステップを含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップが、分割ファラデー・シールドを有する誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップを含む。いくつかの実施形態では、誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップが、平衡アンテナを有する誘導結合プラズマ・イオン源のプラズマ室から複数のイオン種を同時に引き出すステップを含む。いくつかの実施形態では、複数のイオン種を同時に引き出すステップが、ヘリウムおよびアルゴンを引き出すステップを含み、プラズマ室から引き出された複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップが、アルゴン・イオンを選択するように質量フィルタを構成するステップを含み、複数のイオン種の中から選択された１つのイオン種を加工物の表面に集束させて、加工物の表面において第１の処理を実行するステップが、１μＡよりも大きな電流を有するアルゴン・イオンのビームを、直径５０ｎｍ未満のスポットに集束させるステップを含む。
【００６７】
いくつかの実施形態では、プラズマ室から引き出された複数のイオン種の中から１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップ、またはプラズマ室から引き出された複数のイオン種の中から別の１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップ、またはプラズマ室から引き出された複数のイオン種の中から別の１つのイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップが、２種類以上のイオン種を選択するように質量フィルタを構成するステップを含む。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態によれば、誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法は、複数のガスを含むプラズマ室を用意するステップと、アンテナからの高周波電力をプラズマ室内へ誘導結合するステップであり、高周波電力が、複数のガスのうちの少なくとも１つのガスからなる第１のグループのプラズマを維持するのには十分だが、複数のガスのうちの少なくとも１つのガスからなる第２のグループからのプラズマを維持するのには不十分であるステップと、プラズマ室から第１のグループのイオンを引き出すステップと、引き出されたイオンを加工物の表面に集束させるステップとを含む。
【００６９】
いくつかの実施形態では、誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法が、第１のグループのうちの１または複数のガスを通過させ、第１のグループのうちの１または複数のガス以外のイオンを遮断するように質量フィルタを構成するステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、誘導結合プラズマ・イオン源を有する集束イオン・ビーム・システムを用いて加工物を処理する方法が、プラズマ室内へ誘導結合する高周波電力を変更し、またはプラズマ室内のガスのうちの１もしくは複数のガスの圧力を変更して、第１のグループのガスのうちの少なくとも１つのガスがプラズマを形成しないようにし、または第２のグループの１もしくは複数のガスがプラズマを形成するようにするステップをさらに含む。いくつかの実施形態では、その方法が、第１のグループのイオンとは異なるイオンのグループをプラズマ室から引き出すステップをさらに含む。
【００７０】
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。
【符号の説明】
【００７１】
１０２  プラズマ室
１０４  ガス供給管路
１０６  ガス・フィルタ
１０８  毛管
１１０  流れ絞り
２００  ＦＩＢシステム
２０２  質量フィルタ
２０４  電極
２０６  コネクタ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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2013120750000002.pdf
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