(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム源であるエミッタと、エミッタからイオンビームを引き出す引き出し電極と、引き出したイオンビームにエネルギを与える加速電極と、加速されたイオンビームを集束して試料上に照射するレンズとを備えた集束イオンビーム装置において、前記引き出し電極に印加する電圧を制御して前記エミッタからのエミッション電流を安定化するに際して、前記引き出し電極に印加する電圧は、設定すべき目標値である設定エミッション電流と、現在の観測される観測エミッション電流と、最後のフラッシングから現在までの積算されたエミッション時間とを変数とする関数として設定するようにしたことを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項２】
イオンビーム源であるエミッタと、エミッタからイオンビームを引き出す引き出し電極と、引き出したイオンビームにエネルギを与える加速電極と、加速されたイオンビームを集束して試料上に照射するレンズとを備えた集束イオンビーム装置において、前記引き出し電極に印加する電圧を制御して前記エミッタからのエミッション電流を安定化するに際して、前記引き出し電極に印加する電圧は、設定すべき目標値である設定エミッション電流と、現在の観測される観測エミッション電流と、最後のフラッシングから現在までの積算されたエミッション時間と、最後のフラッシングから現在までの積算されたエミッション休止時間とを変数とする関数として設定するようにしたことを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項３】
前記引き出し電極に印加する電圧の制御は、コンピュータ上のソフトウェアプログラムによって行われることを特徴とする請求項１または２記載の集束イオンビーム装置。
【請求項４】
前記引き出し電極に印加する電圧を変更することを禁止するフラッグを前記ソフトウェアプログラムに備えたことを特徴とする請求項３記載の集束イオンビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集束イオンビーム装置に関し、詳しくはエミッタからのイオンビームの引き出しに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ga等の金属イオン源を用いた集束イオンビームによる材料の加工や集束イオンビームを二次元的に走査しながら材料に照射して試料から得られる二次イオンを検出して走査イオン顕微鏡（SIM、Scanning Ion Microscope）像の観察を目的とした集束イオンビーム（FIB、Focused Ion Beam) 装置が広く用いられている。
【０００３】
そのFIBのイオン光学系の一例を図４に示す。図中、１は高真空に保持されたイオン照射系の鏡筒、２はイオン源となるエミッタ、３はイオンビームを引き出すための引き出し電極、４はイオンビームを所望のエネルギに加速する加速電極、５はイオンビームの電流を所望の電流値に調節する集束レンズであって、引き出し電極３と加速電極４とを兼ねた静電型のものである。６はイオンビームを制限するアパーチャ、７はイオンビームを二次元的に偏向・走査する偏向電極である。８はイオンビームをフォーカスして試料に照射する対物レンズであって、例えば３枚の電極から成る静電型のものである。９は加工またはSIM像を観察しようとする試料、１０は試料を載置し試料の位置と傾きを自在に調節できる試料ステージ、１１は試料室である。なお、図示しないが、エミッタ２、各電極３等、各レンズ５等、試料ステージ１０には、これらを動作させるための電源や制御回路が接続されている。更に、同じく図示しないが、試料９で発生した信号、例えば二次イオンを検出する検出器、検出器からの信号の処理回路、SIM像観察のための表示装置等が接続されている。
この様なFIB装置で材料（試料９）をイオンビーム加工する、あるいはSIM像を観察するに際しては、できるだけ高い分解能（イオンビームの径と考えてよい）とイオンビーム電流等が十分に安定していることが望まれる。このため、一般的なFIB装置では、 図５に示すように、エミッタ２と引き出し電極３との間に、更にサプレッサ電極Ｓを追加して、エミッタ２からのエミッション電流を安定化する方法が広く採用されている。このサプレッサ電極Ｓの挿入は、エミッション電流ひいてはイオンビーム電流を容易に安定化できる以外にも利点が多い。例えば、引き出し電圧を一定にできるとか、安定化のためにサプレッサ電極Ｓに印加する電圧を制御しても、イオンビームへの影響（照射位置やビーム径の変化など）が少ない等である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、このサプレッサ電極Ｓを追加すると、必然的に引き出し電圧を高くしなければならない。例えば、４〜５ｋＶで引き出し可能なとき、サプレッサ電極Ｓを追加すると、９〜１２ｋＶ程度となる。この様に、引き出し電圧が高くなると図６に示すようにビーム径が大きくなってしまうという欠点があった。
近年、益々、加工や観察の細密化が進み、より一層ビーム径を細くすることが急務となってきた。そこで、再びこのサプレッサ電極Ｓを廃止することが考えられるようになった。サプレッサ電極Ｓを廃止した場合、エミッション電流の安定化は、引き出し電極３に印加する電圧によって行うことになる。即ち、設定すべき目標電流と現在の観測される観測電流との差がなくなる様に、引き出し電極３に印加する電圧を変えてやればよい。
しかしながら、実験によれば、この方法では次のような欠点があることが分かる。即ち、帰還量を適正に行わないと、応答性のよい制御ができなかったり、発振が起ったりする。この様な現象を避けるためには、エミッタの状態ができるだけ常に一定であるようにしてやればよい。そのためにはフラッシング（flashing、エミッタ近傍に設けたヒーターに電流を一時的に通電する等して、エミッタを加熱し、エミッタの表面の不純物等を除去する操作をいう）を頻繁に行って、エミッタが常にフレッシュな状態であるようにする。しかし、頻繁なフラッシングは、装置のスループットを下げ、エミッタの寿命を縮める結果となる。
【０００５】
本発明は、かかる状況に対処すべくなされたものであって、より一層細いビーム径を得、しかも十分に安定なエミッションを得るFIBを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に基づく集束イオンビーム装置は、イオンビーム源であるエミッタと、エミッタからイオンビームを引き出す引き出し電極と、引き出したイオンビームにエネルギを与える加速電極と、加速されたイオンビームを集束して試料上に照射するレンズとを備えた集束イオンビーム装置において、前記引き出し電極に印加する電圧を制御して前記エミッタからのエミッション電流を安定化するに際して、前記引き出し電極に印加する電圧は、設定すべき目標値である設定エミッション電流と、現在の観測される観測エミッション電流と、最後のフラッシングから現在までの積算されたエミッション時間とを変数とする関数として設定するようにしたことを特徴とする。
第２の発明に基づく集束イオンビーム装置は、イオンビーム源であるエミッタと、エミッタからイオンビームを引き出す引き出し電極と、引き出したイオンビームにエネルギを与える加速電極と、加速されたイオンビームを集束して試料上に照射するレンズとを備えた集束イオンビーム装置において、前記引き出し電極に印加する電圧を制御して前記エミッタからのエミッション電流を安定化するに際して、前記引き出し電極に印加する電圧は、設定すべき目標値である設定エミッション電流と、現在の観測される観測エミッション電流と、最後のフラッシングから現在までの積算されたエミッション時間と、最後のフラッシングから現在までの積算されたエミッション休止時間とを変数とする関数として設定するようにしたことを特徴とする。
第３の発明に基づく集束イオンビーム装置は、第１または第２の発明の前記引き出し電極に印加する電圧の制御は、コンピュータ上のソフトウェアプログラムによって行われることを特徴とする。
第４の発明に基づく集束イオンビーム装置は、第３の発明の前記引き出し電極に印加する電圧を変更することを禁止するフラッグを前記ソフトウェアプログラムに備えたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の基本的な考え方と実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明にかかる、サプレッサ電極を除いて引き出し電圧でエミッション電流を制御する場合のエミッタ近傍（イオンビーム発生部）の構成図である。図２（Ａ）は、図１の構成のイオンビーム発生部を用いた場合において、引き出し電圧でエミッション電流を制御する原理を説明する図である。図２（Ｂ）は、同じく図１の構成において、エミッション開始から現在までのエミッションの経過時間とエミッション電流との関係を示す図である。図２（Ｃ）は、同じく図１の構成において、エミッション開始以前の休止時間とエミッション電流との関係を示す図である。
図２（Ａ）において、横軸は引き出し電圧Ｖ、縦軸はエミッション電流Ｉである。今、エミッション電流ＩはＩoに設定しているにもかかわらず、実際のエミッション電流Ｉを測定するとＩmであったとする。エミッション電流ＩがＩoとなるべきときの引き出し電圧Ｖoと、現在の引き出し電圧Ｖmとの差分ΔＶ＝Ｖo−Ｖmだけ現在の引き出し電圧Ｖmに加算してやれば、エミッション電流ＩはＩoに設定されるはずである。これがエミッション電流Ｉを引き出し電圧Ｖで制御する基本原理である。しかし、実際には、前述の如く、応答性が悪かったり、発振したりしてうまく行かない。それは主に以下の様なことに起因している。
図２（Ｂ）は、サプレッサ電極Ｓを廃止し引き出し電圧でエミッション電流を制御したときの実験の結果のひとつである。横軸を引き出し電圧Ｖ、縦軸をエミッション電流Ｉとしてその関係を示している。図中の曲線ａは、エミッション開始後間もない場合、曲線ｂはエミッション開始後しばらく経過した場合、曲線ｃは更に時間が経過しそろそろフラッシングを行うべき頃の場合である。図から分かることは、エミッション開始後の時間経過によって、曲線の傾きも位置も異なっていることである。その結果、エミッション開始後間もないａの場合に合った制御の仕方では、エミッション開始後時間が経過したｂ、更にはもっと時間が経過したｃの場合には、応答性の悪い制御となってしまう。逆に、ｃの場合に合った制御の仕方では、ｂ、更にはａの場合には、発振が起こり易くなる。両方を妥協させるひとつの方法としては、ａのみの曲線を利用し、かつフラッシングを早めに、すなわち頻繁に行えばよい。しかしそうすれば、当然、装置のスループットは悪くなり、エミッタの寿命は短く成らざるを得ない結果となる。
そこで、エミッション開始後の時間経過を図２（Ａ）のグラフに加味してやればよいことが分かる。即ち、 図２（Ｂ）のエミッション開始後間もないａの場合を基準にすれば、エミッション開始後の時間経過と共に、図２（Ａ）のグラフの傾きを緩やかになるようにすればよい。
更に、図２（Ｃ）は、サプレッサ電極Ｓを廃止し引き出し電圧でエミッション電流を制御したときのもうひとつの実験の結果である。同じく横軸を引き出し電圧Ｖ、縦軸をエミッション電流Ｉとしている。図中の曲線ｄは、エミッション開始後間もない場合であって、先の図２（Ｂ）の曲線ａと同じである。曲線ｅは、エミッションを開始する前にエミッションをせずに長時間経過してから、つまり長時間の休止後、エミッション開始したときのエミッション開始後間もない場合である。即ち、図２（Ｂ）では、エミッションをしている時間経過が問題であったが、図２（Ｃ）では、エミッションをしていなくとも、休止している時間が長時間であれば、エミッションをしていない時間経過即ち休止時間の長さも問題となるということである。勿論、エミッション停止（休止）の時間経過の影響は、エミッションしている時間経過の影響よりは小さい。
この様な要因を加味して引き出し電圧Ｖを適正に制御するためには、図２（Ｂ）の曲線ａ、ｂ、ｃや（Ｃ）の曲線ｅを決定するためのパラメータを知らなければならない。実は、図２の曲線ａ、ｂ、ｃ、ｅを決定するためのパラメータは、装置の設計の違いやエミッタの微妙な形状の違いによって異なってくる。そこで、実機によって、まず図２（Ｂ）のａの曲線を求め、例えば、２次曲線で近似する。加えて、曲線ｂ、ｃ、ｅについては、同様に実測値があればそれらを用い、無ければ取り敢えず推定値を用いて、これらも、例えば、２次曲線で近似する。そして、実際の稼働に伴って、求めた制御値と制御の結果のずれを記録して置くようにして、データとして積み上げ、適時、上記パラメータの値を更新すればよい。
以上説明したように、サプレッサ電極Ｓを廃止し引き出し電圧でエミッション電流を制御する場合には、エミッション開始後の経過時間を加味して制御することが必要であり、更には、エミッション停止の経過時間をも加味すればなお万全であるといえる。この様にして、エミッション電流の安定化は解決できた。
【０００８】
しかし、このままでは、サプレッサ電極Ｓを取り除いたことによって、イオンビームへの影響（照射位置やビーム径の変化など、特に照射位置の変化）が出や易くなる。すなわち、引き出し電圧Ｖの制御を行ったときに、制御に伴って引き出し電圧Ｖが変化すると共に同時にビームの位置もわずかながらずれるという問題が残る。この問題の原因は、エミッタ近傍の形状と配置の極く僅かな非対称性によるが、旨い解決策は未だ見いだされてはいない。そこで、次善の策として、以下の様にする。即ち、コンピュータソフト上に、「エミッション電流の制御禁止」のフラッグを用意して、例えば、一連の加工等の動作が行われているときには、エミッション電流の制御は行われないようにするのである。なお、ここでの「一連の加工等の動作」とは、例えば、試料９のある一つの部分の加工開始から終了までの動作や、一つのSIM像を得るために１フレーム分のイオンビームの走査の開始から終了までの動作などである。また、このような一連の動作の継続時間は、通常数秒から１０分程度であり、長い場合は数十分である。
次いで、この様な装置の具体的な実施例について詳しく説明する。
図３は、図１に示されたイオンビーム発生部を備えた本発明の構成を説明するためのブロック図である。
図３では、前述の図４の構成に本発明にかかる構成が追加されている。即ち、図３において、２はエミッタ、３は引き出し電極、７は偏向電極、９は試料である。更に、５０はイオンビームを発生させ制御するためのイオン発生電源・制御部、５５は集束レンズの電源・制御部、６０はイオンビームを試料９上で走査するための走査電源・制御部、７０はFIB装置に付属のホストコンピュータである。７１はイオン発生電源・制御部５０あるいは走査電源・制御部６０とホストコンピュータ７０とを結ぶI/Oインターフェース、７２はエミッション電流を安定化するためのエミッション電流安定化プログラム、７３は後述するデータを格納している制御用データファイルである。７４はFIB装置付属の諸々のFIBプログラムであって、ホストコンピュータ７０に組み込まれている。７５はホストコンピュータ７０のキーボード等のパラメータ入力装置である。
制御用データファイル７３には、例えば、以下のデータを格納している。制御禁止フラッグＦ、フラッグＦ設定のためのサンプリング時間ｔf、設定エミッション電流値Ｉo、エミッションの積算時間Ｔe、エミッション停止の積算時間Ｔb、引き出し電圧の設定制御を実行する間隔時間ｔi、設定エミッション電流値Ｉoと観測エミッション電流値Ｉmとの差ΔＩ＝Ｉm−Ｉoと、エミッションの積算時間Ｔeと、エミッション停止の積算時間Ｔbとから引き出し電圧の変更分を求めるための関数ΔＶ＝ｆ（ΔＩ，Ｔe，Ｔb）、および、設定の許容誤差εである。更に、前述のパラメータの更新のために、引き出し電圧変更後のエミッション電流値の測定値をその他のデータと共に記録できるようにするとよい。なお、種々の実験の結果に基づき、フラッグＦ設定のためのサンプリング時間ｔfは１０秒程度、引き出し電圧の設定制御を実行する間隔時間ｔiは１５分程度に設定してある。
次に、この様な装置の動作について説明する。
まず、フラッシングを行った時点で、エミッションの積算時間Ｔeとエミッション停止の積算時間Ｔbとをクリアしておく。そうした上で、例えば、オペレータが入力装置７５からFIBプログラム７４の一つを起動させると、そのFIBプログラム７４の指令によって、エミッション電流安定化プログラム７２が起動され、これと並行してI/Oインターフェース７１を介してイオン発生電源・制御部５０を動作させ、エミッタ２に加速電圧を印加し、引き出し電極３に引き出し電圧を印加する。印加と同時にその時刻は制御用データファイル７３に転送されエミッションの積算時間Ｔeの積算が開始され、記録される。なお、ここではまだエミッション停止の積算時間Ｔbは積算は開始されていない。更に、FIBプログラム７４は徐々にその引き出し電圧を上げるようにイオン発生電源・制御部５０を制御し、所望のエミッション電流になるようにする。この所望のエミッション電流の値（設定エミッション電流値Ｉo）は、エミッション電流安定化プログラム７２を介して制御用データファイル７３に記録される。
所望のエミッション電流が設定された後は、エミッション電流安定化プログラム７２は、引き出し電圧制御の間隔時間ｔi毎（例えば１５分毎）に、制御禁止フラッグＦが立っていないことを確認の上、イオン発生電源・制御部５０においてエミッション電流値Ｉmを計測する。なお、制御禁止フラッグＦが立っているときは、次の引き出し電圧制御の時刻まで何もしない。このエミッション電流値Ｉmと制御用データファイル７３に記録された設定エミッション電流値Ｉoとを比較し、もしその差が設定の許容誤差ε以下であれば、次の引き出し電圧制御の時刻まで何もしない。もしその差が設定の許容誤差εを超えていれば、その差ΔＩ＝Ｉm−Ｉoと、制御用データファイル７３に記録されたエミッションの積算時間Ｔeと、エミッション停止の積算時間Ｔbとを変数とする関数ΔＶ＝ｆ（ΔＩ，Ｔe，Ｔb）を計算する。その結果を基に、エミッション電流安定化プログラム７２は、I/Oインターフェース７１を介してイオン発生電源・制御部５０に、現在の引き出し電圧にΔＶだけ加算するよう指令する。これを受けて、イオン発生電源・制御部５０は、引き出し電極３の電圧を変更する。また、前述したパラメータの更新のための実測データの積み上げのためには、上記の制御の完了後、再度、エミッション電流値Ｉmを計測して、制御の結果の値としてその他のデータと共に制御用データファイル７３に記録する。
上記と並行して、エミッション電流安定化プログラム７２は、サンプリング時間ｔf毎に、I/Oインターフェース７１を介して、集束レンズ電源・制御部５５、走査電源・制御部６０等に一連の動作が続行中であるかどうかを問合て、続行中である場合には制御禁止フラッグＦを立て、そうでないときは降ろす様にする。
【０００９】
ここでオペレータが入力装置７５を介してエミッションを停止させれば、エミッション停止の積算時間Ｔbの積算は開始され、エミッションの積算時間Ｔeの積算は停止する。
【００１０】
更に、次回のフラッシングの時点で、エミッションの積算時間Ｔeやエミッション停止の積算時間Ｔbの積算はご破算に（クリア）する。
【００１１】
なお、上記の実施の形態例では、制御禁止フラッグＦが立っているときは、次の引き出し電圧制御の時刻まで何もしないと説明した。しかし、時には下記のような問題が生じる場合が無いとは云えない。
【００１２】
まず第１の場合は、「一連の動作」そのものの時間は短いにも関わらず、引き出し電圧制御を行おうとしたとき、たまたま制御禁止フラッグＦが立っている状態が連続して起こってしまうような場合である。このような状態に陥るのを避けるためには、制御禁止フラッグＦが立っていたために引き出し電圧制御が行われなかった場合は、その後制御禁止フラッグＦが降りた時点で直ちに引き出し電圧制御が行われるようにすればよい。
【００１３】
第２の場合は、「一連の動作」そのものの時間が長いため、その間制御禁止フラッグＦが立っている時間が続き、引き出し電圧制御が行われず、結果としてエミッション電流が許容値以上に変化してしまう場合である。このような場合に対しては、先の設定の許容誤差εよりも適当に大きな第２の許容誤差δを設け、フラッグＦの状態には関わらず、エミッション電流値Ｉmを計測して、設定エミッション電流値Ｉoと観測エミッション電流値Ｉmとの差ΔＩ＝Ｉm−Ｉoと第２の許容誤差δとを比較する。そして、もし差ΔＩが第２の許容誤差δを超えていたら、オペレータに警告を発したり、あるいは「一連の動作」を一時中止し、エミッション電流を設定・制御した後、再び残りの「一連の動作」を継続するようにプログラムするとよい。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、サプレッサ電極Ｓを廃止し、引き出し電圧でエミッション電流を制御するに際して、引き出し電圧の変更分ΔＶを、設定エミッション電流値Ｉｏとエミッション電流値Ｉｍとの差ΔＩ＝Ｉｍ−Ｉｏと、エミッションの積分時間Ｔｅと、エミッション停止の積分時間Ｔｂとを変数とする関数として求めるようにした。これによって、引き出し電圧は、サプレッサ電極Ｓ付きのとき、９〜１２ＫＶであったものが、５〜７ＫＶと低くすることができ、分解能が改善できた。また、前記引き出し電圧の制御が、コンピュータ上のソフトウェアプログラムによって行われるようにし、該ソフトウェアプログラムに制御禁止フラグＦを設けたことによって、引き出し電圧の変更に伴うビーム位置の変動等の問題も回避できた。
更に、この様な適切なエミッション電流安定化によって、フラッシングの回数を少なくすることができ、装置のスループット向上に寄与でき、且つ、エミッタの長寿命化が図れた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる引き出し電圧を制御してエミッション電流を安定化するエミッタ近傍の構成を説明する図である。
【図２】本発明にかかる引き出し電圧を制御してエミッション電流を安定化する基本原理を説明する図である。
【図３】本発明にかかる装置の構成を説明する図である。
【図４】  FIB装置を説明する図である。
【図５】  FIB装置のエミッタ近傍の構成を説明する図である。
【図６】引き出し電圧とイオンビーム径の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１…イオン照射系の鏡筒、２…エミッタ、３…引き出し電極、４…加速電極、５…集束レンズ、６…アパーチャ、７…偏向電極、８…対物レンズ、９…試料、１０…試料ステージ、１１…試料室、５０…イオン発生電源・制御部、５５…集束レンズ電源・制御部、６０…走査電源・制御部、７０…ホストコンピュータ、７１…Ｉ／Ｏオンターフェース、７２…エミッション電流安定化プログラム、７３…制御用データファイル、７４…FIBプログラム、７５…入力装置
【図１】
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【図２】
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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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