JP5852833B2 - イオンビームシステム及びイオンビームシステムを操作する方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームシステム及びイオンビームシステムを操作する方法に関する。特に、本発明は、イオンビームのイオンを対象物の種々の選択箇所に指向させることができるようイオンビームを発生させ、対象物に入射するイオンの運動エネルギーを調整できる、イオンビームシステム及び方法に関する。

［関連出願の相互参照］
本出願は、ドイツにて２０１０年１０月１日付けで出願された「IONENSTRAHLGERAT UND VERFAHREN ZUM BETRIEBEN DESSELBEN」と題する特許出願第１０ ２０１０ ０４７ ３３１．６号、及び米国にて２０１０年１０月１日付けで出願された「ION BEAM APPARATUS AND METHOD FOR OPERATING THE SAME」と題する仮特許出願第６１／４０４，４３３号の優先権を主張し、上記出願の内容の全体を参照により本明細書に援用する。

イオンビームシステムは、例えば、イオンビームを用いた対象物からの材料の除去又は対象物への材料の堆積により、対象物の構造を製造又は変更するために用いる。対象物からの材料の除去及び対象物への材料の堆積は、対象物へのプロセスガスの供給を伴う場合があり、プロセスガスは、イオンビームを用いて活性化する。

イオンビームシステムは、さらに、対象物にわたるイオンビームの走査、及びイオンビームの入射に起因して対象物から出る荷電粒子又は他の放射線の検出により、対象物の像を生成するために用いることができる。検出した粒子又は放射線の強度は、走査型電子顕微鏡を用いて対象物の像を取得するのに用いる方法と同様に像情報を提供する。

従来のイオンビームシステムは、イオンビームを発生するイオンビーム源と、イオンビームのイオンを調整可能な運動エネルギーに加速させる加速電極と、イオンビームを対象物上の所望の箇所に指向させるビーム偏向器とを備える。ビーム偏向器は、イオンビームの周りに円周方向に分配した複数の偏向電極対を備え、偏向電極対間に調整可能な偏向電場を発生させることでイオンビームの所望の偏向を得るために、調整可能な電圧を偏向電極対に印加することができる。

特に、イオンビームのイオンの運動エネルギーが小さい場合及び／又は所望の偏向量が急変する場合、ビームの所望の偏向を達成する精度が不十分であり得ることが分かった。

本発明は、上記事項を考慮に入れて、イオンビームシステム及びイオンビームシステムを操作する方法を提案する。

本発明の実施形態は、第１偏向電極と、第１偏向電極に対向してイオンビームに沿って種々の領域に位置決めした複数の第２偏向電極とを備えるビーム偏向器を有する、イオンビームシステムを提供する。複数の第２偏向電極は、電圧供給システムに電気的に接続し、電圧供給システムの構成は、種々の調整可能な電圧を第２偏向電極対に供給して、第１偏向電極と第２偏向電極対の各第２偏向電極との間に発生した偏向電場が同じ向きを有し、特に同じ方向に向くようにするものとする。

このような構成では、所与の偏向電圧を第２偏向電極の全部、第２偏向電極のサブセット、及び特に第２偏向電極の１つのみに供給すること、又は第２偏向電極ごとに異なる電圧を供給することが可能である。これにより、ビーム偏向器が発生した偏向電場のイオンビームに沿った分布を多くの異なる形で調整することが可能となる。例えば、第２偏向電極の全部に同じ電圧を供給した場合、全部の第２偏向電極が、イオンビームに沿って第２偏向電極がカバーする実質的に全長にわたって延びる有効偏向電場を発生する。例えば、第２偏向電極の１つのみに電圧を供給した場合、有効偏向場は、実質的にその１つの偏向電極がカバーする長さに沿ってしか発生しないため、偏向場が延びる長さは実質的に短くなる。

有効偏向電場がイオンビームに沿って延びる長さは、例えば、ビーム経路に沿った電場強度の分布幅を求めることにより求めることができる。ビーム経路に沿った偏向電場の分布幅は、例えば、以下の式に従って求めることができる。

式中、σは求めた幅、ｚはイオンビーム経路に沿った位置、Ｅ_⊥（ｚ）は位置ｚにおける偏向場の強度、１／Ｎは正規化係数、μは偏向電場の分布の平均値である。μ及びＮは、以下の式に従って求めることができる。

いくつかの実施形態によれば、イオンビームシステムは、第１動作モード及び第２動作モードを有する。イオンビームシステムの電圧供給システムは、イオンビームシステムの加速電極に電圧を供給して、イオンビームシステムで用いるイオンビームのイオンの運動エネルギーが第２動作モードよりも第１動作モードで大きくなるようにする。さらに、電圧供給システムは、ビーム偏向器が生成したイオンビーム経路に沿った偏向電場の分布が、第２動作モードよりも第１動作モードで大きな幅を有するよう構成する。第２動作モードにおいて小さな運動エネルギーで、したがって低速でビーム偏向器を通過するイオンは、第１動作モードで大きな運動エネルギー及び高速でビーム偏向器を通過するイオンよりも短いビーム経路部分に沿って偏向力を受ける。イオンビーム経路に沿った偏向電場の分布が低運動エネルギーでも大きな幅を有する動作モードと比較して、第２動作モードの偏向電場の小さい幅には、低運動エネルギーを有するイオンが偏向力を受ける期間が短いという利点があり得る。所与の最大偏向電圧がイオンの所与の最大運動エネルギーで所望の偏向をもたらすように所与の長さを有する従来の偏向器には、低運動エネルギーのイオンが偏向器を通過するのに要する期間が長すぎるため、偏向電圧を急変させてもそれに対応してイオンビームの所望の急偏向が得られないという欠点があることが分かった。ビーム偏向器が発生させるイオンビームの達成可能な偏向は、偏向器を通過中にイオンが受ける偏向電場の時間平均に実質的に比例する。したがって、イオンが偏向器を通過するのに要する時間は、急激な偏向変化で達成される偏向の精度を制限する。

上述の実施形態は、複数の分割した第２偏向電極及びそれに対応する偏向供給システムを設けることにより、偏向電場のイオンビーム経路に沿った分布幅を調整することを可能にする。偏向電場のイオンビーム経路に沿った調整可能な分布幅は、イオンがビーム偏向器を通過中に偏向電場を受ける期間を調整することを可能にする。このような構成では、特に、低運動エネルギーのイオンが偏向場を受ける期間が、実質的により高い運動エネルギーのイオンが偏向場を受ける期間よりも有意に長くない可能性がある。

実施形態によれば、電圧供給システムは、第１切換状態及び第２切換状態を有する少なくとも１つのスイッチを備え、第１切換状態では、少なくとも２つの第２偏向電極をスイッチを介して互いに電気的に接続してそれらが同じ共通電位にあるようにし、第２切換状態では、２つの第２電極を互いに電気的に接続せずそれらが異なる電位を有し得るようにする。

例示的な実施形態によれば、イオンビーム経路に沿って分配した第２偏向電極は、異なる長さを有し、第２偏向電極の長さは、ビーム経路に沿って連続的に減らすことができる。

さらに他の例示的な実施形態によれば、第１偏向電極の少なくとも１つを、複数の第２偏向電極に対向して位置決めすることができる。さらに他の例示的な実施形態によれば、１つの第１偏向電極を、全部の第２偏向電極に対向して配置し、第１偏向電極の長さは、対向する全部の偏向電極を合わせた長さと実質的に等しい。

他の例示的な実施形態によれば、ビーム偏向器は、同じ数の第１偏向電極及び第２偏向電極を備え、第１偏向電極を、第２偏向電極のそれぞれに１つずつ対向して配置する。

いくつかの実施形態によれば、ビーム偏向器は、イオンビーム経路の周りに円周方向に分配した複数の第２偏向電極群を備える。このような配置では、イオンビームを２つの独立した方向に偏向させることが可能である。例えば、２つ又は４つの第２偏向電極群を設けることができ、その場合、１つ又は複数の第１偏向電極を各群の第２偏向電極に対向して位置決めする。

本発明の実施形態は、イオンビームシステムを操作する方法であって、イオンビームのイオンを第１運動エネルギーに加速させ、イオンビームに沿って第１場分布を有する偏向電場を用いてイオンビームを第１方向に偏向させるステップと、続いて、イオンビームのイオンを第２運動エネルギーに加速させ、イオンビームに沿って第２場分布を有する偏向電場を用いてイオンビームを第１方向に偏向させるステップとを含み、第１運動エネルギーは第２運動エネルギーよりも大きく、第１場分布の幅は第２場分布の幅よりも大きい、方法を提供する。

このような方法では、低運動エネルギーを有する低速イオンが偏向場を通過するのに要する時間を減らすために、これらのイオンにビーム経路に沿って狭い場分布を有する偏向場を提供する一方で、広い分布を有する偏向場を高運動エネルギーを有する高速イオンに提供することを可能にして、低エネルギーイオン及び高エネルギーイオンの両方を比較的高精度で偏向させることができるようにする。

例示的な実施形態によれば、イオンビームのイオンを第１運動エネルギーに加速させ、イオンビームを第１方向に偏向させるステップは、イオンビームに沿って第３場分布を有する偏向電場を用いて、第１方向とは逆の第２方向にイオンビームを偏向させるステップをさらに含み、イオンビームのイオンを第２運動エネルギーに加速させ、イオンビームを第１方向に偏向させるステップは、イオンビームに沿って第４場分布を有する偏向電場を用いて、第２方向にイオンビームを偏向させるステップをさらに含み、第１場分布のイオンビーム経路に沿った平均位置と第３場分布のイオンビーム経路に沿った平均位置との間の距離は、第２場分布のイオンビーム経路に沿った平均位置と第４場分布のイオンビーム経路に沿った平均位置との間の距離よりも長い。

このような配置では、イオンを逆方向に順次偏向させる二重偏向を提供することが可能である。逆偏向場のビーム経路に沿った分布の平均位置は、低運動エネルギーを有するイオンと比較して高運動エネルギーを有するイオンほどビーム経路に沿って大きな距離を有する。これは、逆偏向場の平均値を提供する相互間の距離がイオンの運動エネルギーとは無関係である、従来の二重偏向系とは異なる。このような従来の二重偏向器は、低エネルギーイオンが逆偏向場を通過するのに要する移動時間に起因して、所望の偏向からずれた偏向を発生させる。このようなずれを、上述の実施形態では回避することができるが、これは、低エネルギーイオン用の逆偏向場がビーム経路に沿って延びる長さが、高エネルギーイオン用の逆偏向場よりも短いからである。

本発明の前述の有利な特徴及び他の有利な特徴は、添付図面を参照して以下の本発明の例示的な実施形態の詳細な説明からより明確となるであろう。本発明の可能な実施形態全てが、本明細書で特定した利点のひとつひとつ又はいずれかを必ずしも示すとは限らないことに留意されたい。

第１実施形態によるイオンビームシステムの概略図である。 従来のビーム偏向器の概略図である。 第１動作モードでの図１に示すイオンビームシステムのビーム偏向器の概略図である。 第２動作モードでの図１に示すイオンビームシステムのビーム偏向器の概略図である。 図３ａに示す第１動作モードでのイオンビーム経路に沿った偏向電場の分布を示すグラフである。 図３ａに示す第２動作モードでのイオンビーム経路に沿った偏向電場の分布を示すグラフである。 第３動作モードでのイオンビーム経路に沿った偏向電場の分布を示すグラフである。 第２実施形態によるイオンビームシステムの概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。 図１及び図５に示すイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに別の実施形態の概略図である。

後述する例示的な実施形態では、機能及び構造が同様のコンポーネントは可能な限り同様の参照符号で示す。したがって、具体的な実施形態の個々のコンポーネントの特徴を理解するには、他の実施形態の記載及び発明の概要の記載を参照すべきである。

図１に概略的に示すイオンビームシステム１は、光軸５に沿って分配した複数のイオン光学コンポーネントを含むイオンビームコラム３と、イオンビームコラム３のイオン光学コンポーネントを制御するコントローラ７とを備える。

イオンビームコラム３は、イオン源１１と、イオン源１１が発生させたイオンを引き出して加速させる引出及び加速電極１３と、引き出して加速したイオンからコリメートイオンビーム１９を整形するイオンレンズ１７とを含む、イオンビーム源９を備える。制御電圧及び制御電流を、ライン２１、２２、２３、及び２４を介してコンポーネント１１、１３、及び１７にそれぞれ供給する。加速電極２７は、イオンビーム１９のビーム経路内でレンズ１７の下流に位置決めする。加速電極１３は、イオンビーム１９が通過する開口を備え、イオンビーム１９のイオンを所望の運動エネルギーに加速させるために、調整可能な加速電圧を、コントローラ７からライン２９を介して加速電極１３に供給する。一対の対向する偏向電極３１を、イオンビームのビーム経路内で加速電極１３の下流に位置決めする。コントローラ７は、ライン３３を介して偏向電極３１に調整可能な電位を印加する。開口３６を有する開口板３５を、偏向電極３１の対の下流に位置決めし、コントローラ７は、ライン３７を介して開口板３５に調整可能な電位を印加することができる。偏向電極３１の対及び開口板３５は、イオンビームをオンオフに切り換える機能を提供する。ライン３３を介して偏向電極３１に異なる電位を印加した場合、イオンビーム１９は、偏向電極３３により偏向されて開口板３５の開口３６を通過できないが、偏向電極３１に同じ電位を印加した場合、ビームは開口３６を通過できる。

ビーム偏向器３９は、イオンビーム１９のビーム経路内で開口板３５の下流に位置決めする。ビーム偏向器３９は、ビームの周りに円周方向に分配した複数の偏向電極群４１を備える。コントローラ７は、さらに詳細に後述するようにライン４３を介して群ごとの偏向電極に調整可能な偏向電圧を供給する。

集束レンズ４５を、レンズ４５の物体平面４７においてイオンビーム１９を集束させるために、イオンビーム１９のビーム経路内でビーム偏向器３９の下流に位置決めする。ライン４３を介して偏向電極に供給した偏向電圧は、ビーム１９を光軸５から離れるように偏向させて光軸５から調整可能な距離ｄで物体平面４７に入射させるために、ビーム偏向器３９内で偏向電場を発生させる。対物レンズ４５の集束力は、コントローラ７によりライン４６を介して制御する。

イオン源１１は、例えば、イオンビーム１９がＧａ^＋イオンのビームであるようにガリウムＧａ^＋イオン源とすることができる。物体平面４７に入射するイオンの運動エネルギーは、例えば、１ｋｅＶ〜３０ｋｅＶの範囲内で調整することができる。物体平面内の集束イオンビーム１９の直径は、例えば、１ｎｍ〜２μｍの範囲内とすることができる。光軸５から離れるイオンビーム１９の最大偏向ｄは、例えば、１μｍ〜１０００μｍの範囲内とすることができる。他の例示的なイオン源として、ガスイオン源、プラズマイオン源、及びガス電界イオン源が挙げられ、これらは、イオンタイプ、ビームエネルギー、及びビーム電流に関して異なる複数の異なるイオンビームを生成することを可能にする。

図２は、イオンビーム１１９を偏向させるために従来のイオンビームシステムで用いる偏向器１３９の概略図である。偏向器１３９は、第１偏向電極１５１と、光軸１０５に関して第１偏向電極１５１に対向して位置付けた第２偏向電極１５２とを備える。コントローラ１０７は、ライン１４３を介して偏向電極１５１及び１５２に異なる電位を供給して、図２に矢印１５５で表す偏向電場を偏向電極１５１、１５２間に発生させるようにすることができ、電場１５５は、イオンビーム１１９を光軸１０５から離れるように偏向させる。光軸１０５に沿った偏向電極１５１、１５２の長さＬは、イオンビーム１１９のイオンの所与の最大運動エネルギーを例えば３０ｋｅＶとし、偏向電極１５１及び１５２間の所与の最大電圧差を例えば３００Ｖとして、ビーム１１９の所望の偏向を達成するよう選択する。長さＬは、例えば２０ｍｍとすることができる。１ｋｅＶというイオンの比較的小さな運動エネルギーでは、イオンが偏向電極１５１、１５２とそれに対応した２０ｍｍの長さＬの偏向電場１５５とを通過するのに約３８５ｎｓを要する。

例示的な用途では、イオンビームを偏向器１３９の下流の物体平面にわたって走査させて、走査線の各ピクセルにおける滞留時間が４０ＭＨｚのピクセル周波数で２５ｎｓとなるようにする。１ｋｅＶという低運動エネルギーの低速イオンが偏向場１５５内に留まる時間は、１５ピクセル位置の期間に相当する時間である。しかしながら、偏向電極１５１、１５２の下流のイオンの偏向は、偏向場が引き起こす偏向の時間平均に対応し、偏向場は、ピクセル位置ごとに異なる強度を有する。低運動エネルギーを有するイオンの偏向の正確な制御は、偏向系１３９では不可能であることが明らかである。

図３ａは、図１に示すイオンビームシステム１のビーム偏向器３９の偏向電極の一部を概略的に示す。ビーム偏向器３９の偏向電極が図２のビーム偏向器１３９の偏向電極と異なる点は、電極をビームの長手方向に連続させるのではなく分割したことである。複数の第１偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃを、光軸５の一方の側に位置決めし、複数の第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃを、光軸５の反対側で第１偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃに対向して位置決めする。偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃの隣接電極間に隙間を設けて、異なる電位を偏向電極５１ａ、５１ｂ、及び５１ｃに印加できるようにする。同様に、隣接する第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃ間に隙間を設けて、異なる電位を第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃにも印加できるようにする。

偏向電極５１及び５２用の電圧供給システムは、コントローラ７がライン４３_０を介して供給した電位を電極に選択的に印加するか、又はコントローラ７がライン４３_１を介して供給した電位を第１偏向電極に印加するために、コントローラ７により制御する複数のシャッタ６１を備える。同様に、コントローラ７がライン４３_０を介して供給した電位又はコントローラ７がライン４３_２を介して供給した電位を、第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃに選択的に供給することができる。

図３ａは、イオンビームシステム１の第１動作モードを示し、この場合、コントローラ７がイオンエミッタの電位に対して３０ｋＶの電位を加速電極１３に印加して、ビーム偏向器３９を通過するイオンが３０ｋｅＶの運動エネルギーを有し、２０ｍｍの全長Ｌを有する３つの偏向電極対を通過するのに７１．４ｎｓを要するようにする。この動作モードでは、スイッチ６１は、全部の第１偏向電極５１ａ、５１ｂ、及び５１ｃをライン４３_１に接続し、全部の第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃをライン４３_２に接続して、図３ａに矢印５５で示すように偏向電場を全部の偏向電極対５１及び５２間に発生させるようにする。

イオンビームシステム１の第２動作モードを図３ｂに示す。第２動作モードで加速電極１３に印加した電位は、イオンエミッタの電位に対して１ｋｅＶであるため、ビーム偏向器３９を通過するイオンの運動エネルギーは１ｋｅｖとなる。これらのイオンは、２０ｍｍの全長Ｌを有する偏向電極５１、５２を通過するのに３８５ｎｓを要する。しかしながら、スイッチ６１の切換位置は、第２動作モードでは、偏向電極５１ａのみをライン４３_１に電気的に接続し、偏向電極５２ａのみをライン４３_２に電気的に接続する一方で、残りの偏向電極５１ｂ、５１ｃ、５２ｂ、及び５２ｃをライン４３_０に接続するように設定する。コントローラ７は、ビーム１９のイオンの電位又は運動エネルギーに対応する電位をライン４３_０に印加する。この電位は、例えば、ビームを包囲する真空管に印加する電位に相当し得るため、ビーム１９のイオンは、実質的な偏向を受けずに偏向電極対５１ｃ、５２ｃ及び５１ｂ、５２ｂを通過する。イオンは、電極５１ａ及び５２ａ間に発生した偏向電場５５が発生させる偏向のみを受ける。ビーム偏向器３９の全偏向電極の２０ｍｍの長さＬよりも大幅に小さい、例えば１ｍｍ又は２ｍｍという偏向電極５１ａ、５２ａの短い長さに起因して、イオンは、２０ｎｓしか偏向場５５内に留まらず、これは、走査線の各個別ピクセルにおけるビームの滞留時間２５ｎｓよりも大幅に短い。

ビーム偏向器３９は、高偏向周波数で低運動エネルギー及び高運動エネルギーの両方を有するイオンの正確な偏向を達成することができる。

図２に示す従来のビーム偏向器では、所望の偏向精度に対応する精度を有する高偏向電圧を、高運動エネルギーを有するイオンを偏向させるために印加しなければならず、同じ精度の低偏向電圧を、低運動エネルギーを有するイオンを偏向させるために印加しなければならない。それに従って、発生させる偏向電圧のダイナミックレンジが高くなければならない。

図３ａ及び図３ｂを参照して説明したビーム偏向器３９では、低運動エネルギーイオンの動作モードで電極５１ａ及び５２ａのみに印加する偏向電圧を比較的高くすることができるため、発生させる偏向電場のダイナミックレンジを従来のビーム偏向器に対して大幅に減らすことができる。したがって、比較的低いダイナミックレンジを提供する比較的単純な電圧供給を用いることができる。

図４ａは、図３ａに示す高運動エネルギーイオン用の第１動作モードでの、ビーム偏向器３９内の光軸５に沿った位置ｚに応じた偏向場の電場強度Ｅ_⊥を表すグラフを示す。図４ａは、上記式（２）に従って求めることができる場分布の平均位置μ、及び上記式（１）を用いて求めることができる偏向器３９内の偏向電場の分布幅σも示す。

同様に、図４ｂは、図３ｂに示す低運動エネルギーイオン用の第２動作モードでの、ビーム偏向器３９の偏向電場の分布を示す。図４ｂも、同じく上記式（１）及び（２）に従って計算することができる場分布の平均位置μ及び幅σを示す。図４ａ及び図４ｂを比較することにより、イオンビーム経路に沿った偏向電場の分布幅σが、高運動エネルギーイオン用の第１動作モードよりも低運動エネルギーイオン用の第２動作モードで小さいことが明らかである。

図３ａ及び図３ｂを参照して説明した例では、ライン４３_０を介して供給した非偏向電位又はライン４３_１及び４３_２を介して供給した偏向電圧は、偏向電極５１及び５２にそれぞれ選択的に印加することができる。しかしながら、偏向電極５１ａ、５１ｂ、及び５１ｃ、並びに５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃのそれぞれを、別個のラインを介してコントローラ７に接続して、個々の調整可能な電圧を電極に印加できるようにすることも可能である。これにより、イオンビーム経路に沿った偏向電場の分布を調整する可能性及び組み合わせがさらにより広がる。このような構成の一例を図４ｃに示す。この例で中央偏向電極５１ｂ、５２ｂが発生させた偏向場は、下部の偏向電極対５１ａ、５２ａに発生させた偏向場よりも強度が低い。偏向電極に印加した偏向電圧のこのような個別調整を用いて、ビーム偏向器内の偏向電場の分布幅を実質的に連続的に調整することが可能である。

図５は、図１に示すイオンビームシステムと同様の構成を有するイオンビームシステムのさらに別の実施形態を示し、このイオンビームシステムは、第２イオンビームシステム３９’をイオンビーム１９のビーム経路内でビーム偏向器３９の下流に位置決めする点が、図１に示すシステムと主に異なる。ビーム偏向器３９及び３９’は、イオンビームを第１ビーム偏向器３９により光軸５から離れるように偏向させ、第２ビーム偏向器３９’により光軸に向けて偏向させることで、ビーム１９が光軸５の付近で対物レンズ４５を通過し、物体平面４７において光軸５から距離ｄでさらに集束するようにする。この実施形態では、全偏向ｄについて光軸付近で対物レンズ４５を通過させるため、対物レンズ４５の収差が物体平面４７でのイオンビーム１９の集束を著しく損なわせることはない。ビームを逆方向に偏向させる２つの連続した（subsequent）ビーム偏向器を有する偏向系は、本開示では二重偏向器とも称する。

図１及び図５を参照して上述したイオンビームシステムで用いることができるビーム偏向器のさらに他の実施形態を、図６〜図１０を参照して後述する。これらの実施形態は、数、配置、光軸からの距離、及びビーム偏向器の偏向電極の光軸に対する向きに関して、図３ａ及び図３ｂを参照して説明したビーム偏向器の変形形態である。

図６に示すビーム偏向器３９は、光軸５の一方の側に位置決めした複数の偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃと、主軸５に関して偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃに対向して位置決めした偏向電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃとを備える。偏向電極５２、５３は、主軸５に沿って異なる長さｌ_１、ｌ_２、ｌ_３を有し、主軸５から異なる距離ａ_１、ａ_２、及びａ_３にそれぞれ位置決めする。特に、長さｌ_１を有する短い偏向電極５１ａ及び５２ａは、長さｌ_２を有する比較的長い偏向電極５１ｂ及び５２ｂ内に位置決めし、偏向電極５１ｂ及び５２ｂは、長さｌ_３を有するさらに長い偏向電極５１ｃ及び５２ｃ内に再度位置決めする。偏向電極は、イオンビーム１９に直交する方向で見た場合に重なり合っているが、ビームに沿って異なる領域をカバーする。イオンビーム１９が図６に矢印１９で表す向きをとる場合、全偏向電極が最長の偏向電極５１ｃ、５２ｃの出口端で重なり合う。しかしながら、ビームの方向を逆にした場合、全電極が最長の電極５１ｃ、５２ｃの入口端で重なり合うことも可能である。ビーム方向に沿った偏向電極の配置の多くの他の変形形態が可能である。図７及び図８は、さらに他の例を示し、図７は、ビーム方向で見た場合に対称な構成を示すが、図８は、偏向電極が重なり合わず、主軸からの距離をビーム方向１９に増大させて位置決めした構成を示す。主軸５からの電極の距離がビーム方向に増大する構成を、図９にも示すが、この例では、偏向電極は、図３、図６、図７、及び図８を参照して上述した例の場合のように主軸と平行な向きではない。図９に示す例では、偏向電極は、円錐形であり、主軸５に対して斜めの向きである。図８及び図９に示す実施形態でビーム方向を逆にして、主軸からの電極の距離をビーム方向に減少させて位置決めするようにすることも可能である。

図１０は、４つ以上の第１偏向電極５１及び４つ以上の第２偏向電極５２を有するビーム偏向器３９の実施形態を示す。第１偏向電極５１ａ〜５１ｆ及び第２偏向電極５２ａ〜５２ｆは、ビーム方向に３つの異なる長さｌ_１、ｌ_２、及びｌ_３、を有し、偏向電極の構成は、ビーム方向に対称であり、長さｌ_１を有する短い偏向電極５１ｃ、５１ｄ、５２ｃ、５２ｄをビーム偏向器３９の中心に位置決めし、中心から距離が離れるにつれて長さの長い偏向電極を位置決めする。

第１偏向電極５１ａ〜５１ｆは、直線に沿って位置決めし、各隣接電極対間に隙間を設ける。しかしながら、複数の第１電極５１ａ〜５１ｆの２つ以上の間に隙間を設けずに、それら２つ以上の電極が共通の一続きの第１偏向電極を提供するようにすることも可能である。複数の第１偏向電極５１ａ〜５１ｆの全部を、複数の第２偏向電極５２ａ〜５２ｆに対向して位置決めした単一の一続きの電極として具現することが、特に可能である。このような一続きの単一の第１偏向電極では、第２偏向電極２ａ〜２ｆをビーム方向に分割して異なる偏向電極を供給することができるため、異なる幅の偏向電場を発生させることがなおも可能である。

図１０に示すビーム偏向器３９を用いて、図５を参照して説明したような２つのビーム偏向器又は二重偏向器を提供することも可能である。例えば、偏向電極５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、及び５２ｄ、５２ｅ、５２ｆは、第１上流偏向器を提供することができ、偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、及び５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、第２下流偏向器を提供することができる。上述の原理を用いて、高エネルギーイオン及び低エネルギーイオンをそれぞれ伴う第１動作モード及び第２動作モード用に、偏向電圧を偏向電極に供給することもできる。例えば、偏向電圧を、例えば３０ｋｅＶの高運動エネルギーイオン用の第１動作モードで全部の偏向電極に印加することができ、偏向電圧を、例えば１ｋｅＶの運動エネルギーを有するイオン用の第２動作モードで中心の短い偏向電極５１ｃ、５２ｃ、及び５１ｄ、５２ｄのみに印加することができる。

二重偏向系のさらなる実施形態を図１１に示すが、この場合、偏向電極の構成は図６の実施形態と同様である。２つの偏向器を、図５を参照して説明したようにビーム経路に沿って設ける。ビームを最初に主軸５から離れるように偏向させてから、主軸に向けて偏向させ戻して、ビームが光軸の近くで対物レンズ（図１１には図示せず）を通過するように、電圧を偏向電極に供給する。

高運動エネルギーイオン用の第１動作モードでは、長さｌ_３を有する長い偏向電極５１ｆ、５２ｆ、５１ｅ、５２ｅに逆方向の偏向電圧を供給し、低運動エネルギーイオン用の第２動作モードでは、長さｌ_１を有する短い偏向電極５１ｂ、５２ｂ、及び５１ａ、５２ａのみに逆方向の偏向電圧を供給する。例えば１０ｋｅＶの中間運動エネルギーを有するイオン用の第３動作モードでは、長さｌ_２を有する中間偏向電極５１ｄ、５２ｄ、及び５１ｃ、５２ｃに逆方向の偏向電圧を供給する。

図１１に示すビーム偏向器の電極は、主軸５から短い距離に位置決めした内側電極が主軸５から長い距離に位置決めした外側電極を遮ることができ、外側電極は依然として有効偏向場を発生させることができるような、重なり合った構成を有する。

図１２ａ、図１２ｂ、及び図１２ｃは、二重偏向器として動作させることができる偏向電極の配置のさらに別の実施形態の３つの異なる動作モードを示す。この配置は、主軸５と平行な直線に沿って配置した５つの第１偏向電極５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、及び５１ｅと、同じく主軸５と平行な直線に沿って配置した５つの第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、及び５２ｅとを備える。図１２ａは、例えば１ｋｅＶの低運動エネルギーを有するイオンに用いる第１動作モードを示す。短い長さｌ_１を有する下方の偏向電極５１ｂ、５２ｂ、及び５１ａ、５２ａは、図１２ａに符号「＋」及び「−」で示すように、隣接する電極対及び対向する電極対に逆方向の電圧を印加することにより、二重偏向器として動作させる。上方の偏向電極５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、及び５２ｃ、５２ｄ、５２ｅは、互いに電気的に接続し、イオンビームに影響を及ぼさないような電位を供給する。

図１２ｂは、例えば１０ｋｅＶの中間運動エネルギーを有するイオンに用いる第２動作モードを示す。下方の隣接する第１電極５１ａ及び５１ｂを互いに電気的に接続し、下方の第２偏向電極５２ａ及び５２ｂを互いに電気的に接続して、下流偏向器を形成する一方で、第１偏向電極５１ｃ及び５１ｄを互いに接続し、第２偏向電極５２ｃ及び５２ｄを互いに接続して、二重偏向器の上流偏向器を形成する。この場合も、印加する偏向電圧は、符号「＋」及び「−」で表し、イオンビームに影響を及ぼさない電圧を偏向電極５１ｅ及び５２ｅに供給する。

図１２ｃは、例えば３０ｋｅＶの高運動エネルギーを有するイオンに用いる第３動作モードを示す。この動作モードでは、下流偏向器を形成するために、第１偏向電極５１ａ、５１ｂ、及び５１ｃを互いに接続して符号「−」で示す同じ電圧を供給し、第２偏向電極５２ａ、５２ｂ、及び５２ｃを互いに接続して符号「＋」で示す電圧を供給する。上流偏向器を形成するために、第１偏向電極５１ｄ及び５１ｅを互いに接続して電圧「＋」を供給し、第２偏向電極５２ｄ及び５２ｅを互いに接続して偏向電圧「−」を供給する。

発生させた逆偏向場の中心位置又は平均位置μを、図１２ａ、図１２ｂ、及び図１２ｃに示す。平均位置μは、低運動エネルギーを有するイオン用の第１動作モードでは短い距離ｄ１、中間運動エネルギーを有するイオン用の第２動作モードでは中間距離ｄ２、高運動エネルギーを有するイオン用の第３動作モードではそれよりも長い距離ｄ３を有する。これには、偏向場を通過するイオンの移動時間が全運動エネルギーで十分に短いため、偏向電圧の急変時にも逆方向の順次偏向が所望の偏向をもたらすという利点がある。これにより、例えば上流偏向器に印加した信号に対する下流偏向器に印加した信号の遅延を含み得る、所望の偏向からのずれを減らす他の措置の適用が回避される。

図１２ａ、図１２ｂ、及び図１２ｃで用いる符号「＋」及び「−」は、一方又は他方の方向にイオンビームを偏向させるために対向電極に印加する電圧の関係を示す意図がある。しかしながら、これは、符号「＋」で表す全電圧が互いに等しいこと、又は符号「−」で表す全電圧が互いに等しいことを要求するものではない。例えば、図１２ａにおいて電極５２ａに印加した電圧は、図１２ａにおいて電極５１ｂに印加した電圧と異なっていてもよい。

本発明をその特定の例示的な実施形態を参照して説明したが、多くの代替形態、変更形態、及び変形形態が当業者には明らかとなるであろうことが分かる。したがって、本明細書に記載の本発明の例示的な実施形態は、説明を意図するものであり、決して限定的なものではない。添付の特許請求の範囲に定義するような本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。

Claims (11)

1. イオンビーム経路を有するイオンビームシステムであって、
   電圧供給システムと、
   イオンビームを発生させるよう構成したイオンビーム源と、
   前記イオンビーム経路が通過し、前記電圧供給システムに電気的に接続した、加速電極であって、前記電圧供給システムは、調整可能な加速電圧を該加速電極に供給するよう構成した、加速電極と、
   前記イオンビーム経路で前記加速電極の下流に位置決めした少なくとも１つのビーム偏向器と、
   を備え、前記少なくとも１つのビーム偏向器は、
   少なくとも１つの第１偏向電極と、
   前記電圧供給システムに電気的に接続し、前記第１偏向電極に対向して位置決めし、前記イオンビーム経路に沿って分配した、複数の第２偏向電極と、
   を備え、前記電圧供給システムは、前記複数の第２偏向電極と対向する前記少なくとも１つの第１偏向電極との間の偏向電場が共通の向きを有するように、異なる調整可能な偏向電圧を前記複数の第２偏向電極に供給するよう構成し、且つ、前記電圧供給システムは、第１動作モード及び第２動作モードを有し、前記第１動作モードで前記加速電極に供給する前記加速電圧は、前記第２動作モードで前記加速電極に供給する前記加速電圧よりも大きく、前記電圧供給システムは、前記イオンビーム経路に沿った前記少なくとも１つのビーム偏向器の前記偏向電場の分布が、前記第２の動作モードよりも前記第１の動作モードで大きな幅を有するように、前記偏向電圧を供給するよう構成した、イオンビームシステム。
2. 請求項１に記載のイオンビームシステムにおいて、前記電圧供給システムは、第１切換状態及び第２切換状態を有する少なくとも１つのスイッチを備え、前記第１切換状態では、少なくとも２つの第２偏向電極を前記スイッチを介して互いに接続してそれらが同じ共通電位にあるようにし、前記第２切換状態では、前記２つの第２電極を互いに電気的に接続せずそれらが異なる電位を有し得るようにした、イオンビームシステム。
3. 請求項１又は２に記載のイオンビームシステムにおいて、前記イオンビーム経路に沿って分配した前記第２偏向電極は、異なる長さを有する、イオンビームシステム。
4. 請求項３に記載のイオンビームシステムにおいて、他の前記第２偏向電極の下流に位置決めした前記第２偏向電極のそれぞれは、前記他の前記第２偏向電極の長さよりも短い長さを有する、イオンビームシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオンビームシステムにおいて、前記少なくとも１つのビーム偏向器は、前記イオンビーム経路に沿って分配した複数の第２偏向電極を備える、イオンビームシステム。
6. 請求項５に記載のイオンビームシステムにおいて、前記少なくとも１つのビーム偏向器は、同じ数の第１偏向電極及び第２偏向電極を備える、イオンビームシステム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオンビームシステムにおいて、前記少なくとも１つのビーム偏向器は、複数の第２偏向電極群を備え、各群の前記第２偏向電極は、前記イオンビーム経路に沿って分配し、前記偏向電極群は、前記イオンビーム経路の周りに円周方向に分配した、イオンビームシステム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオンビームシステムにおいて、前記加速電極の下流に位置決めし、前記イオンビームを対象物領域に集束させるよう構成した、集束レンズをさらに備える、イオンビームシステム。
9. 請求項８に記載のイオンビームシステムにおいて、前記少なくとも１つのイオンビーム偏向器及び前記電圧供給システムは、前記イオンビームを前記対象物領域で０．１μｍよりも大きく偏向させることができるよう構成した、イオンビームシステム。
10. イオンビームシステムを操作する方法であって、
    イオンビームのイオンを第１運動エネルギーに加速させ、前記イオンビームに沿って第１場分布を有する偏向電場を用いて前記イオンビームを第１方向に偏向させるステップと、
    続いて、前記イオンビームのイオンを第２運動エネルギーに加速させ、前記イオンビームに沿って第２場分布を有する偏向電場を用いて前記イオンビームを前記第１方向に偏向させるステップと、
    を含み、前記第１運動エネルギーは前記第２運動エネルギーよりも大きく、
    前記第１場分布の幅は前記第２場分布の幅よりも大きい、方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記イオンビームの前記イオンを前記第１運動エネルギーに加速させ、前記イオンビームを前記第１方向に偏向させるステップは、前記イオンビームに沿って第３場分布を有する偏向電場を用いて、前記第１方向とは逆の第２方向に前記イオンを偏向させるステップをさらに含み、
    前記イオンビームの前記イオンを前記第２運動エネルギーに加速させ、前記イオンビームを前記第１方向に偏向させるステップは、前記イオンビームに沿って第４場分布を有する偏向電場を用いて、前記第２方向に前記イオンビームを偏向させるステップをさらに含み、
    前記第１場分布の前記イオンビーム経路に沿った平均位置と前記第３場分布の前記イオンビーム経路に沿った平均位置との間の距離は、前記第２場分布の前記イオンビーム経路に沿った平均位置と前記第４場分布の前記イオンビーム経路に沿った平均位置との間の距離よりも長い、方法。

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