WO2025141823A1 - Charged particle beam device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a charged particle beam device equipped with a plasma ion source.
- Some charged particle beam devices use a plasma ion source, as described in JP 2020-71904 A (Patent Document 1).
- Charged particle beam devices using a plasma ion source can scan a sample with a higher current ion beam than conventional focused ion beam devices that use a gallium ion source, which is a liquid metal light source, and can shorten the scanning time for large samples.
- charged particle beam devices using gallium ion sources Compared to charged particle beam devices using gallium ion sources, charged particle beam devices using plasma ion sources have the advantage of being able to irradiate a sample with a high-current ion beam, but the beam spot is large, which reduces the processing accuracy and resolution of the observed image.
- the present invention provides a charged particle beam device comprising a plasma ion source, an extraction electrode that forms an electric field that extracts ions from an opening of the plasma ion source, a current limiting aperture that narrows the ion beam extracted by the extraction electrode and adjusts the beam spot diameter formed on a sample and the beam current irradiated to the sample, and a control device that controls the voltage applied to the extraction electrode, the control device storing a first voltage set for the applied voltage, a second voltage set lower than the first voltage, and a predetermined current set for the beam current of the ion beam, the control device sets the applied voltage to the first voltage, drives the current limiting aperture to control the beam spot diameter and change the beam current in a range equal to or greater than the predetermined current, and when the beam current is below the predetermined current, sets the applied voltage to the second voltage, and reduces the beam spot diameter more than when the applied voltage is set to the first voltage.
- the present invention makes it possible to improve the resolution of a charged particle beam device using a plasma ion source.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a charged particle beam device according to an embodiment of the present invention
- 2 is a schematic diagram of a power supply circuit for an extraction electrode provided in a charged particle beam device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 1 is a diagram showing a schematic shape of an ion emission surface at an opening of a plasma ion source provided in a charged particle beam device according to an embodiment of the present invention in a high voltage mode.
- 1 is a diagram showing a schematic shape of an ion emission surface at an opening of a plasma ion source provided in a charged particle beam device according to an embodiment of the present invention in a low voltage mode.
- 1 is a diagram showing the relationship between the beam current and the beam spot diameter of an ion beam in a charged particle beam apparatus according to an embodiment of the present invention.
- the charged particle beam device 1 comprises a sample chamber 10, a stage (sample table) 20, an ion beam lens barrel 30, an electron beam lens barrel 40, a detector 50, and a control device 60.
- the charged particle beam device 1 may also comprise a manipulator that supports a sample piece cut out from the sample S, a gas gun that emits a specific gas such as an etching gas or a deposition gas onto the sample S, and the like.
- sample chamber - During processing or observation of the sample S, the inside of the sample chamber 10, together with the ion beam column 30 and the electron beam column 40, is depressurized to a predetermined vacuum level.
- the stage 20 holds and fixes the sample S inside the sample chamber 10.
- the stage 20 includes a sample stage on which the sample S is placed, and a mechanism for displacing the sample stage with five degrees of freedom.
- the mechanism for displacing the sample stage has, for example, five degrees of freedom, and includes an XYZ movement mechanism for translating the sample stage along the X-axis, Y-axis, and Z-axis, a rotation mechanism for rotating the sample stage around the vertical Z-axis, and a tilt mechanism for rotating the sample stage around the horizontal X-axis (or Y-axis).
- the X-axis and Y-axis are two axes that are mutually orthogonal in a horizontal plane, and the Z-axis is orthogonal to these X-axis and Y-axis.
- the stage 20 displaces the sample stage to move a desired portion of the sample S to the beam spot of the ion beam IB or the electron beam.
- the ion beam column 30 is fixed to the sample chamber 10 and used for processing or observing the sample S, and irradiates the sample S held on the stage 20 with an ion beam IB.
- Fig. 1 illustrates a configuration in which the ion beam column 30 is provided in the sample chamber 10 in a state inclined with respect to the vertical, the ion beam column 30 may be provided in the sample chamber 10 in a vertical position.
- the ion beam column 30 is controlled by a control device 60.
- the ion beam tube 30 includes a plasma ion source 31, an extraction electrode 32, a capacitor electrode (condenser lens) 33, a current limiting aperture 34, and a focus electrode (objective lens) 35.
- the ion optical system is provided with the above-mentioned capacitor electrode 33, current limiting aperture 34, and focus electrode 35, in that order from the plasma ion source 31 side toward the sample chamber 10.
- the capacitor electrode 33 is an element that forms an electric field that collects ions extracted by the extraction electrode 32.
- the current limiting aperture 34 is an element that narrows the ion beam IB extracted by the extraction electrode 32, and adjusts the diameter of the beam spot formed on the sample S and the beam current irradiated to the sample S.
- the focus electrode 35 is an element that forms an electric field that focuses ions on the sample S.
- the ion optical system is provided with an aligner, a polarizer, etc.
- the aligner is an element that adjusts the optical axis of the ion beam IB that has passed through the current limiting aperture 34, for example.
- the polarizer is an element that scans the ion beam IB on the surface of the sample S.
- the detector 50 detects secondary charged particles (secondary electrons, secondary ions, etc.) generated in the sample S due to irradiation with the ion beam IB or the electron beam.
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Abstract
Description
本発明は、プラズマイオン源を搭載した荷電粒子ビーム装置に関する。 The present invention relates to a charged particle beam device equipped with a plasma ion source.
荷電粒子ビーム装置には、特開2020-71904号公報(特許文献1)に記載されているようにプラズマイオン源を用いたものがある。プラズマイオン源を用いた荷電粒子ビーム装置は、液体金属光源であるガリウムイオン源を用いた従来の集束イオンビーム装置よりも大電流のイオンビームで試料を走査することができ、体積の大きな試料の走査時間を短縮することができる。 Some charged particle beam devices use a plasma ion source, as described in JP 2020-71904 A (Patent Document 1). Charged particle beam devices using a plasma ion source can scan a sample with a higher current ion beam than conventional focused ion beam devices that use a gallium ion source, which is a liquid metal light source, and can shorten the scanning time for large samples.
プラズマイオン源を用いた荷電粒子ビーム装置は、ガリウムイオン源を用いた荷電粒子ビーム装置と比較して、大電流のイオンビームを試料に照射できるメリットをある一方、ビームスポットが大きいため加工精度や観察像の分解能が低下する。 Compared to charged particle beam devices using gallium ion sources, charged particle beam devices using plasma ion sources have the advantage of being able to irradiate a sample with a high-current ion beam, but the beam spot is large, which reduces the processing accuracy and resolution of the observed image.
本発明は、プラズマイオン源を用いた高分解能な荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。 The objective of the present invention is to provide a high-resolution charged particle beam device that uses a plasma ion source.
上記目的を達成するために、本発明は、プラズマイオン源と、前記プラズマイオン源の開口部からイオンを引き出す電界を形成する引出電極と、前記引出電極により引き出されたイオンビームを絞り、試料に形成されるビームスポット径及び前記試料に照射されるビーム電流を調整する電流制限絞りと、前記引出電極に対する印加電圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記印加電圧について設定された第1の電圧、前記第1の電圧よりも低く設定された第2の電圧、及び前記イオンビームのビーム電流について設定された所定電流を記憶しており、前記印加電圧を前記第1の電圧に設定し、前記電流制限絞りを駆動して前記ビームスポット径を制御すると共に前記ビーム電流を前記所定電流以上の範囲で変化させ、前記ビーム電流が前記所定電流を下回る範囲では、前記印加電圧を前記第2の電圧に設定し、前記印加電圧を前記第1の電圧に設定した場合よりも前記ビームスポット径を縮小させる荷電粒子ビーム装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a charged particle beam device comprising a plasma ion source, an extraction electrode that forms an electric field that extracts ions from an opening of the plasma ion source, a current limiting aperture that narrows the ion beam extracted by the extraction electrode and adjusts the beam spot diameter formed on a sample and the beam current irradiated to the sample, and a control device that controls the voltage applied to the extraction electrode, the control device storing a first voltage set for the applied voltage, a second voltage set lower than the first voltage, and a predetermined current set for the beam current of the ion beam, the control device sets the applied voltage to the first voltage, drives the current limiting aperture to control the beam spot diameter and change the beam current in a range equal to or greater than the predetermined current, and when the beam current is below the predetermined current, sets the applied voltage to the second voltage, and reduces the beam spot diameter more than when the applied voltage is set to the first voltage.
本発明によれば、プラズマイオン源を用いた荷電粒子ビーム装置の分解能を向上させることができる。 The present invention makes it possible to improve the resolution of a charged particle beam device using a plasma ion source.
以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。 The following describes an embodiment of the present invention using the drawings.
-荷電粒子ビーム装置-
図1は本発明の一実施形態に係る荷電粒子ビーム装置の模式図である。図1に示した荷電粒子ビーム装置1は、プラズマイオン源31を搭載した複合荷電粒子ビーム装置(FIB-SEM)であり、プラズマから引き出したイオンビーム(FIB)による試料Sの加工及び観察、並びに電子ビーム(EB)による試料Sの観察が可能である。荷電粒子ビーム装置1は、大電流のイオンビームIBを試料Sに照射することができ、例えば比較的大型(例えば直径300mm)の半導体ウェハや、その他の大体積の試料を試料Sとすることができる。
-Charged particle beam device-
Fig. 1 is a schematic diagram of a charged particle beam apparatus according to an embodiment of the present invention. The charged particle beam apparatus 1 shown in Fig. 1 is a composite charged particle beam apparatus (FIB-SEM) equipped with a
荷電粒子ビーム装置1は、試料室10と、ステージ(試料台)20と、イオンビーム鏡筒30と、電子ビーム鏡筒40と、検出器50と、制御装置60とを備えている。図1では図示省略してあるが、荷電粒子ビーム装置1には、試料Sから切り出された試料片を支持するマニピュレータや、試料Sにエッチングガスやデポジションガス等の所定のガスを放出するガス銃等も備えられ得る。
The charged particle beam device 1 comprises a
-試料室-
試料室10は、試料Sの加工中又は観察中はイオンビーム鏡筒30及び電子ビーム鏡筒40と共に内部が所定の真空度まで減圧される。
- Sample chamber -
During processing or observation of the sample S, the inside of the
-ステージ-
ステージ20は、試料室10の内部において試料Sを保持し固定する。ステージ20は、試料Sを載せた試料台と、この試料台を5軸の自由度で変位させる機構とを備えている。試料台を変位させる機構は、例えば5軸の自由度を有しており、X軸、Y軸及びZ軸に沿って試料台を並進移動させるXYZ移動機構と、鉛直なZ軸回りに試料台を回転させるローテーション機構と、水平なX軸(又はY軸)回りに試料台を回転させるチルト機構とを含んで構成されている。X軸及びY軸は水平面内で互いに直交する2軸であり、Z軸はこれらX軸及びY軸に対して直交する。ステージ20は、試料台を変位させることで、イオンビームIBや電子ビームのビームスポットに試料Sの所望部位を移動させる。
-stage-
The
-イオンビーム鏡筒-
イオンビーム鏡筒30は、試料室10に固定されて試料Sの加工又は観察に用いられ、ステージ20に保持された試料SにイオンビームIBを照射する。図1ではイオンビーム鏡筒30が鉛直に対して傾斜した状態で試料室10に設けられた構成を例示しているが、イオンビーム鏡筒30が試料室10に鉛直姿勢で設けられる場合もある。イオンビーム鏡筒30は制御装置60により制御される。
- Ion beam tube -
The
イオンビーム鏡筒30は、プラズマイオン源31、引出電極32、コンデンサ電極(コンデンサレンズ)33、電流制限絞り34、及びフォーカス電極(対物レンズ)35を含んで構成されている。
The
プラズマイオン源31は、例えば、内部にプラズマを維持しつつイオンを流出させるプラズマ生成室(プラズマ発生器)31a(図2)と、プラズマ生成室31aからイオンを引き出すプラズマアパーチャ(プラズマ電極)31b(図2)とを含んで構成されている。プラズマイオン源31においてプラズマを形成するプラズマガスには希ガスが用いられる。プラズマガスは、例えば、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンから選択される1種又は複数種のガスである。
The
引出電極32は、プラズマイオン源31の開口部、つまりプラズマアパーチャ31bのオリフィス31c(図2)からイオンを引き出す電界を形成する。この引出電極32は、プラズマイオン源31とコンデンサ電極33との間に配置される。引出電極32によりプラズマイオン源31から引き出されるイオンは、イオン光学系によってイオン光学的操作を加えられて集束され、イオンビームIBとして試料Sに照射される。
The
イオン光学系には、プラズマイオン源31側から試料室10に向かって順番に、上記のコンデンサ電極33、電流制限絞り34、フォーカス電極35が備わっている。コンデンサ電極33は、引出電極32により引き出されたイオンを集める電界を形成する要素である。電流制限絞り34は、引出電極32により引き出されたイオンビームIBを絞り、試料Sに形成されるビームスポットの径及び試料Sに照射されるビーム電流を調整する要素である。フォーカス電極35は、イオンを試料Sにフォーカスさせる電界を形成する要素である。この他、図示されていないが、イオン光学系には、アライナや偏光器等が備えられる。アライナは、例えば電流制限絞り34を通過したイオンビームIBの光軸を調整する要素である。偏光器は、試料Sの表面にイオンビームIBを走査する要素である。
The ion optical system is provided with the above-mentioned
-電子ビーム鏡筒-
電子ビーム鏡筒40は、試料室10に固定されて試料Sの観察に用いられ、ステージ20に保持された試料Sに引出電極により電子源から引き出した電子ビームを照射して試料Sを走査する。図1では電子ビーム鏡筒40が試料室10に鉛直姿勢で設けられた構成を例示しているが、電子ビーム鏡筒40が鉛直に対して傾斜した状態で試料室10に設けられる場合もある。電子ビーム鏡筒40は、制御装置60により制御される。また、荷電粒子ビーム装置1には、電子ビーム鏡筒40の出口42(電子ビームの出射口)を開閉するシャッター41が備わっている。例えばイオンビームIBによる試料Sの加工中にシャッター41で電子ビーム鏡筒40の出口42を塞ぐことにより、加工中に生じるスパッタの電子ビーム鏡筒40への侵入が抑制され、電子ビーム鏡筒40の絶縁劣化等が抑制される。
-Electron beam tube-
The
-検出器-
検出器50は、イオンビームIB又は電子ビームの照射によって試料Sで発生する二次荷電粒子(二次電子、二次イオン等)を検出する。
-Detector-
The
-制御装置-
制御装置60は、演算装置60a(CPU等)や記憶装置60b(RAM、ROM、HHD、SSD等)を有するコンピュータであり、イオンビーム鏡筒30や電子ビーム鏡筒40、ステージ20等の作動装置を制御したり、試料Sからの二次荷電粒子(二次電子等)を検出して検出器50から入力される信号を荷電粒子ビーム(イオンビームIB又は電子ビーム)の走査信号と同期させて取り込んで試料Sの観察像(SIM像、SEM像等)の画像データを生成したりする。生成された画像データは記憶装置60bに記憶され、表示装置61(モニタ等)に適宜表示される。制御装置60には、表示装置61の他、入力装置62(キーボード等)が接続されており、例えば加工や観察に関する項目や条件が入力装置12により入力されて制御装置60に指示される。制御装置60は、記憶装置60bに格納されたプログラムを演算装置60aにロードして実行し、指示に応じて試料Sに荷電粒子ビームを照射して試料Sの観察像を取得したり、試料SにイオンビームIBを照射して試料Sを加工したりする。
-Control device-
The
-引出電極の電源回路-
図2は引出電極の電源回路の模式図である。図2に示すように、引出電極32は、電源装置70を介して制御装置60に接続されている。すなわち、引出電極32には電源装置70が接続されており、電源装置70には制御装置60が接続されている。
- Power supply circuit for extraction electrodes -
Fig. 2 is a schematic diagram of a power supply circuit for the extraction electrode. As shown in Fig. 2, the
本実施形態の荷電粒子線ビーム装置1には、イオンビームIBについて低電圧モード、及び高電圧モードの2つのビームモードが用意されている。例えば入力装置62の所定の操作に応じて、制御装置60は、低電圧モードを選択するボタンA、及び高電圧モードを選択するボタンBを表示したビームモードの設定画面を表示装置61に表示させることができる。オペレータがボタンA,Bのいずれかを押してビームモードを選択し設定すると、制御装置60は、その選択に応じて電源装置70を制御して引出電極32に印加する引出電圧を切り換え、イオンビームIBのビームモードを切り換える。
The charged particle beam device 1 of this embodiment is provided with two beam modes for the ion beam IB: a low voltage mode and a high voltage mode. For example, in response to a predetermined operation of the
-ビームモード-
図3はプラズマイオン源の開口部におけるイオン放出面の高電圧モード時の形状を模式的に表す図、図4はプラズマイオン源の開口部におけるイオン放出面の低電圧モード時の形状を模式的に表す図である。
-Beam mode-
FIG. 3 is a diagram showing a typical shape of the ion emission surface at the opening of the plasma ion source in a high voltage mode, and FIG. 4 is a diagram showing a typical shape of the ion emission surface at the opening of the plasma ion source in a low voltage mode.
プラズマイオン源31には、角電流密度が高いという特徴がある。この特徴から、プラズマイオン源31の開口部(プラズマアパーチャ31bのオリフィス31c)におけるプラズマPのイオン放出面Psは、引出電極32に印加される引出電圧が高くなるほど図3のように凹型形状(プラズマイオン源31に向かって凸の形状)になる。反対に、イオン放出面Psは、引出電圧が低くなるほど図4のように凸型形状(試料Sに向かって凸の形状)になる。
The
荷電粒子ビーム装置1の使用時、試料室10やイオンビーム鏡筒30の内部は高真空状態に維持されるため、プラズマ生成室31aの内部のプラズマPは、仮に引出電極32に電圧が印加されていない状態でも試料室10に吸引されてプラズマ生成室31aから流れ出ようとする。そして、プラズマ生成室31aでプラズマPが生成される状態で引出電極32に引出電圧を印加することで、プラズマ生成室31aから流れ出ようとするプラズマPからイオンが引き出され、加速されてイオンビームIBが形成される。FIB装置は、通常、大電流のイオンビームIBを試料Sに照射できるように、プラズマPから高密度でイオンが引き出されるように引出電圧が設定される。この場合、プラズマPが試料室10に吸い出されるよりも速いペースでイオンビームIBが引き出されるため、プラズマイオン源31の開口部(プラズマアパーチャ31bのオリフィス31c)において、プラズマPのイオン放出面Psが図3のように凹型形状になる。このイオン放出面Psが凹型形状になるように設定された引出電圧を第1の電圧V1とする。それに対し、図4に示した例は、プラズマPのイオン放出面Psが凸型形状になるように、引出電圧を第1の電圧V1よりも低い第2の電圧V2に設定した状態を表している。
When the charged particle beam device 1 is in use, the inside of the
凹型形状のイオン放出面Psからは、図3に示すように、イオンビームIBの光軸Cに向かう方向(ビーム径方向内向き)の速度成分を持って試料Sに向かってイオンが放出される。そのため、凹型形状のイオン放出面Psから放出されるイオンビームIBの外周面(光軸Cを含むイオンビームIBの断面の外形線)は、同図に示すように光軸Cの延在方向の途中部分が凹状にくびれた形状になる。反対に、凸型形状のイオン放出面Psからは、図4に示すように、イオンビームIBの光軸Cから離れる方向(ビーム径方向外向き)の速度成分を持って試料Sに向かってイオンが放出される。そのため、凸型形状のイオン放出面Psから放出されるイオンビームIBの外周面(光軸Cを含むイオンビームIBの断面の外形線)は、同図に示すように光軸Cの延在方向の途中部分が凸状に膨らんだ形状になる。 As shown in FIG. 3, ions are emitted from the concave ion emission surface Ps toward the sample S with a velocity component in the direction toward the optical axis C of the ion beam IB (inward in the beam diameter direction). Therefore, the outer circumferential surface of the ion beam IB emitted from the concave ion emission surface Ps (the outline of the cross section of the ion beam IB including the optical axis C) has a concave constricted shape in the middle part in the extension direction of the optical axis C as shown in the figure. On the other hand, as shown in FIG. 4, ions are emitted from the convex ion emission surface Ps toward the sample S with a velocity component in the direction away from the optical axis C of the ion beam IB (outward in the beam diameter direction). Therefore, the outer circumferential surface of the ion beam IB emitted from the convex ion emission surface Ps (the outline of the cross section of the ion beam IB including the optical axis C) has a convex bulging shape in the middle part in the extension direction of the optical axis C as shown in the figure.
試料Sには、イオンビームIBの光源がビームスポットとして試料Sに投影される。プラズマPから引き出されるイオンビームIBの場合、集束される個々のイオンの軌道又はその延長線が最も密に集まる箇所が光源として仮想される。この仮想光源Lは、図3のような凹状にくびれたイオンビームIBの場合、イオンビームIBのくびれた部分に当たる。この場合、イオンビームIBのくびれ部分を光軸Cに直交する平面で切断した断面の大きさが、仮想光源Lの大きさとなる。他方、図4のような凸状に膨らんだイオンビームIBの場合、イオンビームIBの個々のイオンの軌道をイオン放出面Psからプラズマイオン源31側(試料Sと反対側)に延ばした延長線(二点鎖線)の交差する焦点が、仮想光源Lに該当する。この場合、イオンの軌道の焦点を光軸Cに直交する平面で切断した断面の大きさが、仮想光源Lの大きさとなる。そのため、試料Sに投影されるイオンの仮想光源Lは、印加電圧が第1の電圧V1に設定されてイオン放出面Psが凹型形状になると引出電極32よりも試料Sの近くに位置し、印加電圧が第2の電圧V2に設定されてイオン放出面Psが凸型形状になると引出電極32よりもプラズマイオン源31の近くに位置する。従って、印加電圧が第1の電圧V1に設定された場合に比べ、印加電圧が第2の電圧V2に設定された場合、仮想光源Lは試料Sから遠ざかる。また、仮想光源Lは、印加電圧を第1の電圧V1に設定した図3の場合に比べ、印加電圧を第2の電圧V2に設定した図4の場合に小さくなる。例えば、図4の仮想光源Lは、プラズマアパーチャ31bのオリフィス31cの開口径よりも小さい。このように、図3の高電圧モード時に比べ、図4の低電圧モード時には、仮想光源Lは小さくかつ試料Sからの距離が長くなり、光学倍率が実行的に小さくなる。
The light source of the ion beam IB is projected onto the sample S as a beam spot. In the case of the ion beam IB extracted from the plasma P, the point where the trajectories of the individual ions or their extensions are most densely concentrated is assumed to be the light source. In the case of the ion beam IB that is convexly constricted as shown in FIG. 3, this virtual light source L corresponds to the constricted portion of the ion beam IB. In this case, the size of the cross section of the constricted portion of the ion beam IB cut by a plane perpendicular to the optical axis C is the size of the virtual light source L. On the other hand, in the case of the ion beam IB that is convexly convex as shown in FIG. 4, the focal point of the intersecting extension lines (two-dot chain lines) of the trajectories of the individual ions of the ion beam IB extending from the ion emission surface Ps to the
ここで、図5はイオンビームIBのビーム電流[μA]とビームスポット径[μm]との関係を表す図(両対数グラフ)である。 Here, Figure 5 is a graph (log-log graph) showing the relationship between the beam current [μA] of the ion beam IB and the beam spot diameter [μm].
試料Sに到達するイオンビームIBのビーム電流はイオンビームIBのビーム径に実質的に比例し、ビーム径と共にビーム電流が減少する。ビーム電流は、主に電流制限絞り34(図1)によるイオンビームIBの遮蔽量で調整される。例えば、電流制限絞り34には、開口径の異なる複数のオリフィスが備わっており、選択されたオリフィスの開口径に応じて、オリフィスを通過するイオンビームIBのビーム径やスポット径が変化する。この電流制限絞り34の開口径の変化、すなわちイオンビームIBのビーム径の変化に応じて試料Sに到達するイオンビームIBのビーム電流が変化する。その他、ビーム電流値は、例えばフォーカス電極35の励磁制御によっても調整可能である。
The beam current of the ion beam IB that reaches the sample S is substantially proportional to the beam diameter of the ion beam IB, and the beam current decreases with the beam diameter. The beam current is adjusted mainly by the amount of ion beam IB blocked by the current-limiting aperture 34 (Figure 1). For example, the current-limiting
高分解能な観察又は加工を行う場合、イオンビームIBのビーム径を細く絞ることが好ましい。この場合、高電圧モードでは、電流制限絞り34のオリフィスを順次切り換えて開口径を下げていくことでビーム電流及びビームスポット径を小さくしていくところ、ビームスポット径はイオンビーム鏡筒30の長さ等で制約され縮小には限界がある。そのため、高電圧モードでは、ビーム電流が所定電流Is(例えば10pA)を下回ると、図5に実線で示されたようにビーム電流を下げてもビームスポット径が変わらなくなる。所定電流Isは、例えば、引出電極32に第1の電圧V1を印加し(つまり高電圧モードで)電流制限絞り34の開口を最小に設定(最小オリフィスを選択)した場合に試料Sに到達するイオンビームIBのビーム電流に相当する。但し、高電圧モードと低電圧モードの切り換えに係る判定値としての所定電流Isは、必ずしも電流制限絞り34のオリフィス径に依存した値である必要はなく、ビームモードの切り換えの妥当性を考慮して予め設定した電流値を採用することができる。
When performing high-resolution observation or processing, it is preferable to narrow the beam diameter of the ion beam IB. In this case, in the high-voltage mode, the orifices of the current-limiting
本実施形態では、ビーム電流が所定電流Isを下回る領域において更にビームスポット径を縮小するために、ビームモードを低電圧モードに切り換え、試料Sに投影される光源そのものを縮小する。低電圧モードでは、図5に破線で示されたように、ビーム電流の低下に伴って高電圧モード時の最小ビームスポット径を超えて更にビームスポット径が縮小される。 In this embodiment, in order to further reduce the beam spot diameter in the region where the beam current falls below a predetermined current Is, the beam mode is switched to a low voltage mode, and the light source itself projected onto the sample S is reduced. In the low voltage mode, as shown by the dashed line in Figure 5, the beam spot diameter is further reduced beyond the minimum beam spot diameter in the high voltage mode as the beam current decreases.
荷電粒子ビーム装置1において、実験的又は理論的に予め特定された、図5に示されるようなビーム電流とビームスポット径との関係に係るデータが、制御装置60の記憶装置60bに記憶されている。例えば、記憶装置60bには、印加電圧について設定された上記第1の電圧V1、第1の電圧V1よりも低く設定された上記第2の電圧V2、及びイオンビームIBのビーム電流について設定された上記所定電流Isが記憶されている。そして、制御装置60は、これらデータやプログラムを記憶装置60bから読み出し、印加電圧を第1の電圧V1に設定した高電圧モードでは電流制限絞り34を駆動してビームスポット径を制御すると共にビーム電流を所定電流Is以上の範囲で変化させ、またビーム電流が所定電流Isを下回る範囲では、印加電圧を第2の電圧V2に設定した低電圧モードにおいて、高電圧モード時よりもビームスポット径を縮小させることができる。例えば、制御装置60は、入力装置62で入力されたビームモードやビームスポット径に応じて、図5の関係に基づいてビーム電流を制御する。また、入力されたビームスポット径又はビーム電流に応じてビームモードの切り換えが自動的に実行されるように、制御装置60を構成することもできる。
In the charged particle beam device 1, data relating to the relationship between the beam current and the beam spot diameter as shown in FIG. 5, which is experimentally or theoretically specified in advance, is stored in the storage device 60b of the
-効果-
(1)本実施形態においては、引出電極32の印加電圧を第1の電圧V1に設定して電流制限絞り34を駆動し、ビームスポット径を制御すると共にビーム電流を所定電流Is以上の範囲で変化させることができる。また、ビーム電流が所定電流Isを下回る範囲では、引出電極32の印加電圧を第1の電圧V1よりも低い第2の電圧V2に設定し、印加電圧を第1の電圧V1に設定した場合よりもビームスポット径を縮小させることができる。つまり、引出電極32への印加電圧を第2の電圧V2に下げる(低電圧モードに切り換える)ことにより、引出電極32に第1の電圧V1を印加した条件(高電圧モード)よりも高分解の観察又は加工を実施することができるようになる。従って、例えば加工時には高電圧モードの大ビーム電流で大体積の試料Sを効率的に加工しつつ、試料Sを子細に観察するに当たって高電圧モードでは分解能が不足する場合には、引出電極32への印加電圧を第1の電圧V1から第2の電圧V2に下げて低電圧モードに切り換えることで、加工時よりも高分解能で観察することが可能になる。勿論、低電圧モードで試料Sを微細加工することも可能になる。
-effect-
(1) In this embodiment, the voltage applied to the
(2)第1の電圧V1はイオン放出面Psが凹型形状になるように設定され、第2の電圧V2はイオン放出面Psが凸型形状になるように設定されている。このような第1の電圧V1及び第2の電圧V2を記憶装置60bに記憶しておくことで、制御装置60により、試料Sに照射すべきイオンビームIBのビーム電流の大きさに応じて引出電圧を切り換えてイオン放出面Psの形状を変化させ、ビームモードを切り換えることができる。
(2) The first voltage V1 is set so that the ion emission surface Ps has a concave shape, and the second voltage V2 is set so that the ion emission surface Ps has a convex shape. By storing such first voltage V1 and second voltage V2 in the memory device 60b, the
(3)イオンビームIBの仮想光源Lが、印加電圧を第1の電圧V1に設定した場合よりも、印加電圧を第2の電圧V2に設定する場合に、試料Sから遠ざかる。このように、引出電圧を切り換えることで、試料Sと光源との距離を変更して実効的な光学倍率を制御することができる。 (3) The virtual light source L of the ion beam IB is farther away from the sample S when the applied voltage is set to the second voltage V2 than when the applied voltage is set to the first voltage V1. In this way, by switching the extraction voltage, the distance between the sample S and the light source can be changed, thereby controlling the effective optical magnification.
(4)また、仮想光源Lは、印加電圧を第1の電圧V1に設定した場合に比べ、印加電圧を第2の電圧V2に設定した場合に小さくなる。これにより、図3の高電圧モード時に比べ、図4の低電圧モード時には分解能が向上する。 (4) Furthermore, the virtual light source L is smaller when the applied voltage is set to the second voltage V2 than when the applied voltage is set to the first voltage V1. This improves the resolution in the low voltage mode of FIG. 4 compared to the high voltage mode of FIG. 3.
(5)荷電粒子ビーム装置1は、電子ビーム鏡筒40を備えた複合荷電粒子ビーム装置であり、例えば電子ビームで試料Sを観察しながらイオンビームIBで試料Sを加工したりすることができる。しかし、高電圧モードのイオンビームIBを用いる場合の最高分解能は、電子ビーム鏡筒40で電子ビームを用いる場合の最高分解能に比べて低い。それに対し、本実施形態においては、引出電極32への印加電圧を第1の電圧V1から第2の電圧V2に下げて低電圧モードに切り換えることにより、高電圧モード時よりも微細に試料Sを加工することができるようになる。
(5) The charged particle beam device 1 is a composite charged particle beam device equipped with an
(6)また、電子ビーム鏡筒40を備えた荷電粒子ビーム装置1は、イオンビームIBにより試料Sを観察しながら加工する場合もある。この場合、加工中に生じるスパッタが電子ビーム鏡筒40の内部に侵入すると、電子ビーム鏡筒40が絶縁劣化する可能性がある。それに対し、本実施形態の荷電粒子ビーム装置1は、電子ビーム鏡筒40の出口42を開閉するシャッター41を備えているので、電子ビーム鏡筒40の内部へのスパッタの侵入、ひいては電子ビーム鏡筒40の絶縁劣化の発生を抑制することができる。
(6) In addition, the charged particle beam device 1 equipped with the
-変形例-
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含み得る。例えば上記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば構成の一部を他の構成に置き換えることが可能である。また、実施形態の構成の一部について、削除したり他の構成を付加したりすることも可能である。
--Modifications--
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and may include various modified examples. For example, the above-described embodiment has been described in detail to easily explain the present invention, and is not necessarily limited to an embodiment having all of the configurations described. For example, it is possible to replace a part of the configuration with another configuration. It is also possible to delete a part of the configuration of the embodiment, or to add another configuration.
例えば、上記実施形態では、電子ビーム鏡筒40を持つ複合荷電粒子ビーム装置に発明を適用した例を説明したが、電子ビーム鏡筒40を持たないFIB装置にも本発明は適用可能であり、同様に本質的効果を得ることができる。また、イオンビーム鏡筒30を1つのみ備えた荷電粒子ビーム装置に発明を適用した例を説明したが、イオンビーム鏡筒を複数備えた荷電粒子ビーム装置にも本発明は適用可能であり、同様に本質的効果を得ることができる。この場合、イオンビーム鏡筒30の他に追加されるイオンビーム鏡筒は、プラズマイオン源を用いたものであっても、ガリウムイオン源等の液体金属光源を用いたものであっても良い。
For example, in the above embodiment, an example was described in which the invention was applied to a composite charged particle beam device having an
1…荷電粒子ビーム装置、31…プラズマイオン源、31c…オリフィス(プラズマイオン源の開口部)、32…引出電極、33…コンデンサ電極、34…電流制限絞り、35…フォーカス電極、40…電子ビーム鏡筒、41…シャッター、42…出口、60…制御装置、IB…イオンビーム、Is…所定電流、L…仮想光源、Ps…イオン放出面、S…試料、V1…第1の電圧、V2…第2の電圧 1...charged particle beam device, 31...plasma ion source, 31c...orifice (opening of plasma ion source), 32...extraction electrode, 33...capacitor electrode, 34...current limiting aperture, 35...focus electrode, 40...electron beam tube, 41...shutter, 42...exit, 60...control device, IB...ion beam, Is...predetermined current, L...virtual light source, Ps...ion emission surface, S...sample, V1...first voltage, V2...second voltage
Claims (9)
前記プラズマイオン源の開口部からイオンを引き出す電界を形成する引出電極と、
前記引出電極により引き出されたイオンビームを絞り、試料に形成されるビームスポット径及び前記試料に照射されるビーム電流を調整する電流制限絞りと、
前記引出電極に対する印加電圧を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記印加電圧について設定された第1の電圧、前記第1の電圧よりも低く設定された第2の電圧、及び前記イオンビームのビーム電流について設定された所定電流を記憶しており、
前記印加電圧を前記第1の電圧に設定し、前記電流制限絞りを駆動して前記ビームスポット径を制御すると共に前記ビーム電流を前記所定電流以上の範囲で変化させ、
前記ビーム電流が前記所定電流を下回る範囲では、前記印加電圧を前記第2の電圧に設定し、前記印加電圧を前記第1の電圧に設定した場合よりも前記ビームスポット径を縮小させる
ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 a plasma ion source;
an extraction electrode that forms an electric field that extracts ions from an opening of the plasma ion source;
a current limiting aperture that limits the ion beam extracted by the extraction electrode and adjusts a beam spot diameter formed on a sample and a beam current irradiated onto the sample;
a control device for controlling a voltage applied to the extraction electrode;
The control device includes:
a first voltage set for the applied voltage, a second voltage set lower than the first voltage, and a predetermined current set for the beam current of the ion beam;
setting the applied voltage to the first voltage, and driving the current limiting aperture to control the beam spot diameter and vary the beam current within a range equal to or greater than the predetermined current;
a beam spot diameter detecting section for detecting a beam spot diameter of a charged particle beam having a diameter smaller than that of a beam spot having a diameter equal to or ... larger than that of a beam spot having a diameter equal to or larger than that of a beam spot having a diameter equal to or larger than that
前記所定電流は、前記引出電極に前記第1の電圧を印加し前記電流制限絞りの開口を最小に設定した場合に前記試料に到達するイオンビームのビーム電流に相当することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 2. The charged particle beam device according to claim 1,
a first voltage applied to the extraction electrode and a second voltage applied to the current limiting aperture when the aperture is set to a minimum value, the first voltage being equal to a beam current of an ion beam reaching the sample;
前記引出電極により引き出されたイオンを集める電界を形成するコンデンサ電極と、
前記イオンを前記試料にフォーカスさせる電界を形成するフォーカス電極と
を有し、
前記引出電極は、前記プラズマイオン源と前記コンデンサ電極との間に配置される
ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 2. The charged particle beam device according to claim 1,
a capacitor electrode that forms an electric field for collecting the ions extracted by the extraction electrode;
a focusing electrode that forms an electric field for focusing the ions onto the sample;
4. The charged particle beam device according to claim 3, wherein the extraction electrode is disposed between the plasma ion source and the capacitor electrode.
前記第1の電圧は、前記プラズマイオン源の開口部におけるイオン放出面が凹型形状になるように設定され、
前記第2の電圧は、前記イオン放出面が凸型形状になるように設定されている
ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 2. The charged particle beam device according to claim 1,
the first voltage is set so that an ion emission surface at an opening of the plasma ion source has a concave shape;
4. The charged particle beam device according to claim 3, wherein the second voltage is set so that the ion emission surface has a convex shape.
前記イオンビームの仮想光源が、前記印加電圧を前記第1の電圧に設定した場合よりも、前記印加電圧を前記第2の電圧に設定する場合に、前記試料から遠ざかるように構成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 2. The charged particle beam device according to claim 1,
13. A charged particle beam device comprising: a virtual source of the ion beam configured to be farther from the sample when the applied voltage is set to the second voltage than when the applied voltage is set to the first voltage.
前記仮想光源は、前記印加電圧を前記第1の電圧に設定した場合に比べ、前記印加電圧を前記第2の電圧に設定した場合に小さくなることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 6. The charged particle beam device according to claim 5,
11. A charged particle beam device, comprising: a first voltage source connected to a first electrode and a second voltage source connected to a first electrode; a first voltage source connected to a second electrode and a second voltage source connected to a first electrode;
前記仮想光源は、前記イオンの軌道又はその延長線が最も密に集まる箇所であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 7. The charged particle beam device according to claim 6,
A charged particle beam device, wherein the virtual source is a point where the orbits of the ions or their extensions are most densely concentrated.
電子ビーム鏡筒を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 2. The charged particle beam device according to claim 1,
A charged particle beam device comprising an electron beam column.
前記電子ビーム鏡筒の出口を開閉するシャッターを備えていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 9. The charged particle beam device according to claim 8,
4. A charged particle beam device comprising: a shutter for opening and closing an exit of the electron beam column.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/047100 WO2025141823A1 (en) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | Charged particle beam device |
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|---|---|
| WO2025141823A1 true WO2025141823A1 (en) | 2025-07-03 |
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2023
- 2023-12-27 WO PCT/JP2023/047100 patent/WO2025141823A1/en active Pending
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