JP4594193B2 - イオンミリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、イオンビームを試料に照射し、この試料を電子顕微鏡用試料（以下、電顕用試料と称する）に加工するイオンミリング装置に関する。

電子顕微鏡で検査に用いられる試料は、検査前に加工処理され、検査に最適なものとされる。この加工処理では、例えば、試料の薄膜化、研磨等の掘削加工が、イオンミリング装置を用いて行われる。そして、イオンミリング装置は、これら加工処理を、試料に向かって照射されるアルゴン等のイオンビームを用いたイオンエッチングにより行う。

ここで、イオンエッチングには多くの時間を要するため、例えば、イオンビームをフォーカスする等のことによりビーム径を絞り、エッチング速度を向上させることが行われる。また、この方法では、イオンビームの照射領域、すなわち試料の加工面が限定されたものとなるので、イオンビームのビーム径をより大きなものとし、遮断部材等を用いて目的とする大きさの加工面を確保することも行われる（例えば、特許文献１参照）。

また、これらの装置は、オペレータが照射時間の設定を行うタイマーを有し、このタイマー情報に基づいてイオンビームの照射時間を制御している。一方、その他の照射条件、例えば、イオンビームに含まれるイオンの量あるいはイオンを加速する際の電圧等は一定に保たれている。
特開平９―２１０８８３号公報、（第８〜１０頁、図１〜３）

しかしながら、上記背景技術によれば、オペレータによる、照射時間の決定は、煩雑で時間のかかるものである。すなわち、電顕用試料は、材質、形状、加工の大きさ等が多種多様である。そして、イオンビームの照射時間のみでこれら試料に目的とする加工を施すことは、見当の付けにくいものである。また、オペレータは、照射時間の決定の為に、何度かイオンビームの照射を繰り返し、試料の掘削、すなわちエッチング大きさをその都度計測し、目的とする加工の大きさを達成したかどうかを判定する。これらの作業は、イオンミリング装置が真空装置であり、準備に手間のかかる装置であるので、一層煩雑である。

特に、電顕用試料によっては、目的とする加工に達するまでの照射時間が、長時間に及ぶものが存在し、これら電顕用試料の作成は、オペレータにとって大きな負担となる。
これらのことから、異なる電顕用試料ごとに最適な異なる照射条件の掘削を行い、イオンビームの照射時間の短縮を計ると共に、オペレータの負担を軽減するイオンミリング装置をいかに実現するかが重要となる。

この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、異なる電顕用試料ごとに最適な異なる照射条件の掘削を行い、イオンビームの照射時間の短縮を計ると共に、オペレータの負担を軽減するイオンミリング装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかるイオンミリング装置は、気体状の照射物質をイオン化し、前記イオン化された照射物質からなるイオンを試料に照射し、前記試料の掘削を行うイオンミリング装置であって、前記イオン化の際に、前記照射物質の供給量を増減させる供給量調整手段と、前記照射の際に、前記イオンを加速する電圧を可変にする可変電圧発生手段と、前記試料を通過するイオンの通過量を計測する通過イオン計測手段と、前記イオン通過量情報に基づいて、前記供給量調整手段および前記可変電圧発生手段の少なくとも１つを制御する掘削制御手段とを備えるイオンミリング装置において、前記掘削制御手段は、異なる時間に計測される前記イオンの通過量の変化から、前記異なる時間の間に生じる前記掘削の変化を推定する推定手段を備え、前記掘削の変化は、前記掘削の深さの変化であることを特徴とする。

この請求項１に記載の発明では、イオン化の際に、供給量調整手段により、照射物質の供給量を増減させ、照射の際に、可変電圧発生手段により、前記イオンを加速する電圧を可変にし、通過イオン計測手段により、試料を通過するイオンの通過量を計測し、掘削制御手段は、このイオン通過量の変化から、異なる時間の間に生じる掘削の変化を掘削の深さの変化として推定し、供給量調整手段および可変電圧発生手段の少なくとも１つを制御する。

また、請求項２に記載の発明にかかるイオンミリング装置は、請求項１に記載の発明において、前記通過イオン計測手段が、前記試料の前記イオンが照射されない側に配設される電極板および前記電極板に流れる電流を検出する検流計を備えることを特徴とする。

この請求項２に記載の発明では、通過イオン計測手段は、電極板を、試料のイオンが照射されない側に配設し、この電極板に流れる電流を検出する。
また、請求項３に記載の発明にかかるイオンミリング装置は、請求項２に記載の発明において、前記イオン通過量情報が、前記検流計で計測されるイオン電流情報であることを特徴とする。

この請求項３に記載の発明では、イオン通過量情報は、イオン電流情報とされる。
また、請求項４に記載の発明にかかるイオンミリング装置は、請求項１記載の発明において、前記掘削制御手段は、前記掘削の深さの変化の情報に基づいて、前記制御を行うことを特徴とする。

この請求項４記載の発明では、前記掘削制御手段は、前記掘削の深さの変化の情報に基づいて、前記制御を行う。
また、請求項５に記載の発明にかかるイオンミリング装置は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の発明において、前記掘削制御手段は、前記制御を行う際の、前記照射物質の供給量および前記電圧の情報を保存する記憶部を備えることを特徴とする。

以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、イオン化の際に、供給量調整手段により、照射物質の供給量を増減させ、照射の際に、可変電圧発生手段により、前記イオンを加速する電圧を可変にし、通過イオン計測手段により、試料を通過するイオンの通過量を計測し、掘削制御手段は、このイオン通過量の変化から、異なる時間の間に生じる掘削の変化を掘削の深さの変化として推定し、供給量調整手段および可変電圧発生手段の少なくとも１つを制御するようにしているので、多種多様な電子顕微鏡用試料ごとに最適な照射条件を、目的とするイオンビームの照射時間から、照射物質の供給量およびイオンを加減速させる電圧の少なくとも１つの調整により、容易に決定し、ひいてはイオンビームの照射時間を短縮し、オペレータの負担を軽減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、通過イオン計測手段は、電極板を、試料のイオンが照射されない側に配設し、この電極板に流れる電流を検出することとしているので、簡易にイオン電流を検出することができる。

請求項３に記載の発明によれば、イオン通過量情報は、イオン電流情報とされるので、イオン電流情報を用いて容易にイオン通過量情報を取得することができる。
請求項４に記載の発明によれば、掘削制御手段は、変化の情報に基づいて、制御を行うこととしているので、掘削の変化をオペレータの目的とする大きさにすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、掘削制御手段は、記憶部に制御を行う際の供給量および電圧の情報を保存することとしているで、繰り返し行われる同様の掘削を、効率よく行うことができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるイオンミリング装置を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
まず、本実施の形態にかかるイオンミリング装置１の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、イオンミリング装置1の全体構成を示す図である。なお、イオンミリング装置1の主たる構成要素である筐体９の部分には、筐体９の断面図が示されている。

イオンミリング装置１は、筐体９、真空ポンプ３、制御弁１１、ガスボンベ１２、可変電圧源１３、検流計１４および掘削制御手段１０を含む。また、筐体９は、内部にイオン発生手段４、絞り６、遮断部７、試料５、電極板１５および試料移動台２を含む。ここで、筐体９は、内蔵するイオン発生手段４、試料５、電極板１５および試料移動台２等を、高真空状態の環境に配設する。また、真空ポンプ３は、筐体９の吸気口に接続される排気ポンプで、随時、筐体９の内部に存在する空気の排気を行う。

ガスボンベ１２は、照射物質、例えばアルゴン（Ａｒ）が封入されており、制御弁１１を介してイオン発生手段４にアルゴンガスを供給する。ここで、制御弁１１は、供給量調整手段をなし、イオン発生手段４に供給されるアルゴンガスの流量を、弁の開度に応じて調整する。なお、弁の開度は、掘削制御手段１０により自動制御される。

イオン発生手段４は、ガスボンベ１２から供給されるアルゴンガスをイオン化し、試料５に向けてイオンビーム８を照射する。イオン発生手段４は、図示しない高電圧が印加される放電電極等を有し、この放電電極の放電によりアルゴンイオンを発生する。なお、アルゴンガス以外の照射物質としては、ネオン、窒素等を用いることもできる。

絞り６は、イオンビーム８のｘｙ面の直径を１ｍｍ程度に絞り、イオンビーム８方向を向く試料５の加工面に適合した位置と大きさにする。遮断部７は、イオンビーム８を部分的に遮断し、試料５の目的とする部位にイオンビーム８が照射されるようにする。

試料５は、掘削が行われる電顕用試料で、電極板１５上に載置される。この電極板１５は、試料５を挟んでイオンビーム８が入射する側と反対の側に位置され、試料５を通過するイオンビーム８の通過量を検出する。

ここで、試料５に照射されたイオンビーム８は、試料５に吸収されアースに流れる分と、試料５の加工面の近傍をすり抜けて電極板１５に達するか又は加工面で散乱されて電極板１５に達する分とに分かれる。本発明の説明においては、「イオンビーム８が試料の加工面の近傍をすり抜けて電極板１５に達するか又は加工面で散乱されて電極板１５に達する」ことを、「イオンビーム８が試料５を通過する」と表す。

イオン発生手段４および電極板１５の間には、可変電圧源１３および検流計１４が接続される。可変電圧源１３は、可変電圧発生手段をなし、イオン発生手段４および電極板１５間に電圧を印加し、イオン発生手段４から照射されるイオンビーム８を加速する。ここで、可変電圧源１３は、出力電圧が可変とされ、加速されるイオンビーム８の速さを調整する。なお、可変電圧源１３の出力電圧は、掘削制御手段１０からの指示により変更される。

検流計１４は、イオン発生手段４および電極板１５の間に流れるイオン電流を計測する。電極板１５は、試料５を通過したイオンビーム８を検出するので、検流計１４により計測されるイオン電流は、試料５を通過したイオンの通過量情報を含む。なお、電極板１５および検流計１４は、通過イオン計測手段をなし、このイオン電流情報は、後に詳述する様にイオン通過量情報を含み、掘削制御手段１０に送信される。

掘削制御手段１０は、ＣＰＵ、記憶部およびキーボード等の入力部等からなり、検流計１４からのイオン電流情報に基づいて、制御弁１１あるいは可変電圧源１３を制御し、試料５の掘削を効率的なものとする。また、掘削制御手段１０は、後述する推定手段も有する。この推定手段では、イオン電流情報の変化から、試料５の掘削深さの変化が推定される。

図２は、図１に示す遮断部７、試料５、電極板１５およぼ試料移動台２部分の詳細を示す構成図である。
試料５は、固定具２３に固定される。また、固定具２３は、電極板１５上に固定されており、この電極板１５は、試料５を挟んでイオンビーム８が入射する側と反対の側面に位置される。なお、試料５および電極板１５の間には、これらを電気的に絶縁するための図示しない絶縁板が配設されるが、この絶縁板については後述する。

電極板１５は、試料移動台２に載置され、試料５と共にｘｙｚ軸方向の目的とする位置に配置される。図２の例では、電極板１５は回転テーブル３０上に載置され、回転テーブル３０は昇降テーブル２４上に載置され、昇降テーブル２４は、ナットブロック２６が装着されており、スクリュウシャフト２８の回転により上下動を行う。なお、ナットブロック２６は、コーナーにガイド２７を有し、ｚ軸方向である鉛直方向にのみ移動可能となっている。また、スクリュウシャフト２８は、回転伝達ギアを内部に有するギアボックス２９および回転軸２１により回転され、手動あるいは自動による回転軸２１の回転により筐体９の外部から遠隔操作される。

図３は、イオンビーム８による試料５の掘削の一例を示す説明図である。図３（Ａ）において、試料５の加工部位にイオンビーム８が照射されるように遮断部材２２と試料５の位置が調整される。試料５と電極板１５は、絶縁板１６により電気的に絶縁されている。試料５に吸収されたイオンはイオン電流としてアースに流れ、試料を通過して電極板１５に達したイオンは検流計１４を流れるイオン電流となる。試料５が未だ掘削されていないとき、検流計１４に流れるイオン電流はＩ_Aである。図３（Ｂ）は、掘削が進行し、掘削深さｈのときの検流計１４を流れるイオン電流がＩ_Bに増加していることを示している。また、図３（Ｃ）は、さらに掘削が試料５の下の絶縁板１６にまで及び、電極板１５に直接達するイオンビームも増加して検流計１４を流れるイオン電流がＩ_Cとなっている状態を示している。

図４は、試料５の掘削深さｈと、検流計１４で検出されるイオン電流Ｉの関係を示した図である。この図では、横軸は掘削深さｈを示し、縦軸はイオン電流Ｉの大きさを示し、また、試料５に照射されるイオン電流の大きさは、一定であるとされる。ここで、試料５の掘削深さｈが大きくなるに従い、イオンビーム８の通過量が概ね指数関数的に増大する。そして、掘削深さｈ＝ＡからＢまで変化する際に、電極板１５で検出されるイオン電流は同様にＩ_AからＩ_Bまで増大する。そして、試料５に照射されるイオン電流の大きさが一定である場合には、イオン電流の変化ΔＩ＝Ｉ_B−Ｉ_Aは、掘削深さｈの変化Δｈと一対一に対応したものとなる。また逆に、掘削深さｈの変化Δｈを、イオン電流の変化ΔＩから、推定することもできる。掘削制御手段１０の推定手段は、この方法により、異なる時間に取得されたイオン電流値の差分ΔＩから、掘削深さの変化Δｈを推定する。

なお、図４に示した様な掘削深さｈおよびイオン電流の間の関係曲線は、試料５の材質、形状、およびイオンビーム８を形成する照射物質等から、理論的あるいは実験的に決定することができる。また、推定手段は、照射条件、すなわち制御弁１１の開度あるいは可変電圧源１３の電圧の変更により照射するイオン電流の大きさを変化させた場合には、弁の開度情報あるいは印加電圧の変化量情報、あるいは実測される試料５を通過するイオン電流の変化幅から、試料５に照射される新たなイオン電流値を推定し、図４に示す関係曲線を補正し、適正なものとすることができる。

つぎに、本実施の形態にかかるイオンミリング装置１の動作について、図５を用いて説明する。図５は、イオンミリング装置１の動作を示すフローチャートである。まず、オペレータは、試料５を筐体９の試料移動台２に配置し、イオンビーム８を照射する準備を行う（ステップＳ５０１）。この準備では、真空ポンプ３を動作させて筐体９の内部を高真空とし、遮断部７および試料５が載置された試料移動台２を操作し、試料５を掘削するのに最適な位置とする。

その後、オペレータは、掘削制御手段１０に,例えばイオンビーム８の全照射時間、試料５の期待掘削深さ等の掘削条件を入力する（ステップＳ５０２）。そして、掘削制御手段１０は、制御弁１１および可変電圧源１３に対して、弁の開度情報および電圧情報を設定し、照射物質であるアルゴンイオンの照射を開始する（ステップＳ５０３）。ここで、照射条件である弁の開度情報および電圧情報としては、あらかじめ設定される初期値が用いられる。なお、試料５を掘削する際の最適な弁の開度情報および電圧情報が、後述する照射条件として掘削制御手段１０に保存されている場合には、この照射条件を用いることもできる。

その後、掘削制御手段１０は、通過イオン計測手段である電極板１５および検流計１４により、イオン電流Ｉの大きさを所定時間間隔Δｔを置いて２度計測し、イオン電流の変化ΔＩを計測する（ステップＳ５０４）。

その後、掘削制御手段１０は、イオンの照射開始からの照射時間が、ステップＳ５０２で入力された全照射時間を越えるかどうかを判定する（ステップＳ５０５）。ここで、掘削制御手段１０は、イオンの照射時間が全照射時間を越えない場合には（ステップＳ５０５否定）、推定手段により、計測されたイオン電流の変化ΔＩの大きさおよび図４に示した様なイオン電流Ｉと掘削深さｈとの関係曲線を用いて、掘削深さｈの変化量を推定する（ステップＳ５０６）。

その後、掘削制御手段１０は、推定される掘削深さｈの変化量が、適正かどうかを判定する（ステップＳ５０７）。ここで、掘削深さｈの変化量が適正であるかどうかは、例えば、ステップＳ５０２で入力された期待掘削深さを全照射時間で等分し、この値に、イオン電流の計測時間間隔であるΔｔを乗じた期待掘削深さ変化に一致するかどうかで判断される。そして、掘削制御手段１０は、推定される掘削深さｈの変化量が、適正なものである場合には（ステップＳ５０７肯定）、ステップＳ５０４に移行し、所定時間間隔Δｔを置いてイオン電流の計測を２度行う。

また、掘削制御手段１０は、推定される掘削深さｈの変化量が、適正なものでない場合には（ステップＳ５０７否定）、イオンビーム８の照射条件を変更する（ステップＳ５０８）。この変更では、例えば、推定される掘削深さｈの変化量が上述した期待掘削深さ変化未満である場合には、（１）制御弁１１の弁の開度を上昇させ、照射物質であるアルゴンの供給量を増加させる、（２）可変電圧源１３の電圧を上昇させ、照射されるイオンビーム８の速さを増加させる、（３）これら２つの制御を同時に行うのいずれか１つのことが行われ、掘削深さｈの変化が大きくなるようにされる。また、逆に、推定される掘削深さｈの変化量が上述した期待掘削深さ変化を越える場合には、（４））制御弁１１の弁の開度を下降させる、あるいは（５）可変電圧源１３の電圧を上昇させる、あるいは（６）これら２つの制御を同時に行うのいずれか１つのことが行われ、掘削深さｈの変化が小さくなるようにされる。なお、これら制御は、制御弁１１の最大開度および可変電圧源１３の最大電圧等を考慮し、適宜最適なものが選択される。

なお、掘削制御手段１０の推定手段は、照射条件の変更後、図４に示すイオン電流と掘削深さｈの関係式を、試料５に照射される新たなイオン電流値に基づいて変更する。
その後、掘削制御手段１０は、ステップＳ５０４に移行し、イオン電流の大きさを所定時間間隔Δｔを置いて２度計測し、イオン電流の変化ΔＩを計測する。

図６は、ステップＳ５０４〜５０８における、所定時間間隔Δｔごとに行われるイオン電流Ｉの計測および照射条件の変更を示した説明図である。図６は、横軸が照射時間、縦軸が計測されるイオン電流Ｉを示している。ここで、掘削制御手段１０は、所定時間間隔Δｔごとに、この間のイオン電流の変化ΔＩを計測し、このイオン電流の変化ΔＩから掘削深さｈの変化量を推定する。そして、この変化量が適正なものでない場合には、照射条件の変更によりイオン電流を変化させ、適正なものに近似させる動作を繰り返す。なお、図６に示す様に、照射条件の変更により、イオン電流は不連続的に変化する。そして、この変化の大きさは、照射条件の変更を繰り返す程、イオン電流の変化、すなわち掘削深さｈの変化が適正なものに近似し、小さなものとなる様にされる。

また、掘削制御手段１０は、イオンの照射時間が全照射時間を越える場合には（ステップＳ５０５肯定）、イオンの照射を停止し、掘削を終了する（ステップＳ５０９）。そして、掘削制御手段１０は、照射条件である制御弁１１の弁の開度情報および可変電圧源１３の電圧情報を、記憶部に保存し（ステップＳ５１０）、本処理を終了する。なお、この保存された照射条件は、後日試料５を用いた掘削を行う場合に初期条件として用い、イオンビーム８の全照射時間および期待掘削深さの掘削条件に、より適合した掘削を行うことができる。

上述してきたように、本実施の形態では、電極板１５および検流計１４による通過イオン計測手段により、通過イオンのイオン電流を所定時間間隔ごとに計測し、このイオン電流の変化情報から試料５の掘削深さｈの変化量を推定し、掘削深さｈの変化量を期待掘削深さ変化量に一致させる様に制御弁１１および可変電圧源１３の弁の開度および加速電圧を調整することとしているので、オペレータが入力する全照射時間に近似する時間で掘削を終了することができると共に、多種多様な電顕用試料ごとの制御弁１１の開度情報および可変電圧源１３の電圧情報を最適なものとし、繰り返し行われる試料５の同様の掘削を、効率的に行うことができる。

また、本実施の形態では、掘削制御手段１０は、ＣＰＵ、記憶部および入力部等からなるものとしたが、ＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）を用いることもできる。
また、本実施の形態では、通過イオン検出手段として、電極板１５および検流計１４を用いることとしたが、電極板１５のかわりにファラデーカップ等を用いることもできる。

また、本実施の形態では、イオンビーム８の照射時間が、オペレータの目的とする全照射時間に達した後に、掘削制御手段１０はイオンビーム８の照射を停止することとしたが、掘削条件に応じて、イオンビーム８の照射を減弱させるに留めることもできる。この場合には、イオンビーム８の照射を継続しているにもかかわらず、試料５が受けるダメージを微弱なものとすることができる。

イオンミリング装置の全体構成を示す全体構成図である。 イオンミリング装置の試料近傍の詳細な構成を示す部分構成図である。 試料の掘削を示す説明図である。 試料の掘削深さとイオン電流の関係を示す説明図である。 実施の形態の掘削制御手段の動作を示すフローチャートである。 掘削制御手段のによるイオン電流制御の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ イオンミリング装置
２ 試料移動台
３ 真空ポンプ
４ イオン発生手段
５ 試料
６ 絞り
７ 遮断部
８ イオンビーム
９ 筐体
１０ 掘削制御手段
１１ 制御弁
１２ ガスボンベ
１３ 可変電圧源
１４ 検流計
１５ 電極板
１６ 絶縁板
２１ 回転軸
２２ 遮断部材
２３ 固定具
２４ 昇降テーブル
２６ ナットブロック
２７ ガイド
２８ スクリュウシャフト
２９ ギアボックス
３０ 回転テーブル
３１ 掘削部

Claims (5)

1. 気体状の照射物質をイオン化し、前記イオン化された照射物質からなるイオンを試料に照射し、前記試料の掘削を行うイオンミリング装置であって、
   前記イオン化の際に、前記照射物質の供給量を増減させる供給量調整手段と、
   前記照射の際に、前記イオンを加速する電圧を可変にする可変電圧発生手段と、
   前記試料を通過するイオンの通過量を計測する通過イオン計測手段と、
   前記イオン通過量情報に基づいて、前記供給量調整手段および前記可変電圧発生手段の少なくとも１つを制御する掘削制御手段と、
   を備えるイオンミリング装置において、
   前記掘削制御手段は、異なる時間に計測される前記イオンの通過量の変化から、前記異なる時間の間に生じる前記掘削の変化を推定する推定手段を備え、
   前記掘削の変化は、前記掘削の深さの変化であることを特徴とするイオンミリング装置。
2. 前記通過イオン計測手段は、前記試料の前記イオンが照射されない側に配設される電極板および前記電極板に流れる電流を検出する検流計を備えることを特徴とする請求項１記載のイオンミリング装置。
3. 前記イオン通過量情報は、前記検流計で計測されるイオン電流情報であることを特徴とする請求項２記載のイオンミリング装置。
4. 前記掘削制御手段は、前記掘削の深さの変化の情報に基づいて、前記制御を行うことを特徴とする請求項１記載のイオンミリング装置。
5. 前記掘削制御手段は、前記制御を行う際の、前記照射物質の供給量および前記電圧の情報を保存する記憶部を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のイオンミリング装置。

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