JP7186884B2 - イオンガン及びイオンミリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ペニング放電方式のイオンガンおよびそれを有するイオンミリング装置に関する。

イオンミリング法は、加速したイオンを試料へ衝突させて、イオンが原子や分子をはじき飛ばすスパッタ現象を利用して試料を削る加工法である。加工する試料の上面にイオンビームの遮蔽板となるマスクを載せ、マスク端面からの突出部分をスパッタすることで平滑な断面が加工できる。たとえば、電子部品の内部構造や断面形状、膜厚評価、結晶状態、故障や異物断面の解析などを目的として、走査型電子顕微鏡により形態像、試料組成像、チャネリング像の取得やＸ線分析、結晶方位解析などを行う場合、断面試料を作成するために本加工法は有用である。なお、電子部品に限られず、金属、ガラス、セラミック、複合材料などにも適用可能である。

電子顕微鏡による観察解析前の試料作製を行うイオンミリング装置においては、イオンガンとして、比較的簡単な構成で小型なペニング放電方式のイオンガンが広く用いられている。特許文献１には、ペニング放電方式のイオンガンの基本構造が開示されている。特許文献２にはイオンガンから放出されるイオンの量を多くするため、ペニング放電方式のイオンガン構成において、永久磁石の発生する磁場とイオン化室領域とを適正化する方式が開示されている。

特開昭５３－１１４６６１号公報 特開２０１６－３１８７０号公報

近年のイオンミリング装置の進歩に伴い、市場が大きく広がり、常に更なる加工速度の向上が求められている。例えば、半導体分野における積層された厚い試料を加工する必要のあるシリコン貫通電極（ＴＳＶ：Through Silicon Via）の３次元実装解析や、材料分野における硬度の高い鉄鋼材料の組成解析などにおいては、従来技術では長い処理時間が必要となり、装置の稼働率を低下させてしまう。

ペニング放電方式のイオンガンは、カソードから放出された電子が磁場により旋回運動を行い、イオンガン内部に導入されたガスと衝突することでイオン化される。アノード両端に同電位のカソードを配置することで、カソード間を電子が往復運動し、その軌道を長くすることが可能であり、イオン化効率を向上できる特徴がある。発生した陽イオンの一部は、カソードのイオンビーム取り出し孔を通り、加速電極で加速され、加速電極のイオンビーム取り出し孔から外部に放出される。より高い加工速度を実現するにはイオンガンから放出されるイオンの量を多くする必要がある。

しかしながら、加工速度の向上を目的に加速電圧を上げてみても（例えば、加速電圧を７ｋＶから８ｋＶに上げる）、イオンビーム電流値が向上せず、その結果加工速度も上がらないという現象が見出された。

本発明の一態様であるイオンガンは、円盤形状を有する第１のカソードと、円盤形状を有し、イオンビーム取り出し孔が設けられた第２のカソードと、第１のカソードと第２のカソードとの間に配置され、円筒形状を有する第１の永久磁石と、円筒領域と円筒領域の一端に設けられた張り出し領域とを有するアノードと、アノードを、電気的に接続されている第１のカソード、第２のカソード及び第１の永久磁石から電気的に絶縁する絶縁体とを有し、アノードの円筒領域は、第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、アノードの張り出し領域は、第１の永久磁石の内径位置を越えて配置され、第１のカソードと対向している。

また、本発明の他の一態様であるイオンミリング装置は、かかるイオンガンを用いたイオンミリング装置である。

より高いプラズマ効率を得ることができるイオンガン、またはより大きな加工速度を得ることできるイオンミリング装置を提供する。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

イオンミリング装置の構成図である。 従来構造（比較例）のイオンガンの構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第１例）の構成断面図である。 第１のカソード２１の形状を示す図である。 アノード２３の形状を示す図である。 絶縁体２６の形状を示す図である。 イオンガン内部の電位分布の解析結果を示す図である。 本実施例のプラズマ生成室内部の電子密度分布を示す図である。 比較例のプラズマ生成室内部の電子密度分布を示す図である。 本実施例のイオンガン（第２例）の構成断面図である。 第１のカソード３１の形状を示す図である。 本実施例のイオンガン（第３例）の構成断面図である。 第１のカソード４１の形状を示す図である。 本実施例のイオンガン（第４例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第５例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第６例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第７例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第８例）の構成断面図である。 比較例及び本実施例のプラズマ生成室内部の電子密度分布を示す図である。 本実施例のイオンガン（第９例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第１０例）の構成断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

図１にイオンミリング装置の構成を示す。ペニング放電方式のイオンガン１は、その内部にイオンを発生するために必要な要素を含み、イオンビーム２を試料６に照射する照射系を形成する。ガス源２０１はガス供給機構２００を介してイオンガン１に接続され、ガス供給機構２００により制御されたガス流量が、イオンガン１のプラズマ生成室内に供給される。ガス供給機構２００は、イオン化させるガスの流量を調整し、イオンガン内部に供給するための構成要素を含んでいる。導入ガスは一例としてＡｒガスを用いる。

イオンビーム２の照射とそのイオンビーム電流は、イオンガン制御部３によって制御される。真空チャンバー４は、真空排気系５によって大気圧または真空に制御される。試料６は試料台７の上に保持され、試料台７は試料ステージ８によって保持されている。試料ステージ８は、真空チャンバー４が大気開放したときに真空チャンバー４の外へ引き出すことができ、また試料６をイオンビーム２の光軸に対して任意の角度に傾斜させるための機構要素を含んでいる。試料ステージ駆動部９は、試料ステージ８を左右へスイングさせることができ、その速度を制御することができる。

図２に、比較例として、ペニング放電方式のイオンガンの従来構造（断面図）を示し、イオンガンの構造及び動作を説明する。第１のカソード１１は、例えば純鉄など導電性のある磁性材料により円盤形状に形成されており、プラズマ生成室１００にガスを導入するための孔や、アノード１３に給電するためのアノードピン（不図示）を貫通させる孔が設けられている。第２のカソード１２も同様に純鉄など導電性のある磁性材料により円盤形状に形成されており、中央部にはイオンビーム取り出し孔１０１ａが設けられている。永久磁石１４は、例えばサマリウムコバルト磁石であり、円筒形状に形成され、永久磁石１４の一端は第１のカソード１１に、他端は第２のカソード１２に繋がっている。第１のカソード１１及び第２のカソード１２と永久磁石１４とによりイオンガン１内に磁場を発生させている。また、カソードリング１７は永久磁石１４が環境に露出しないように設けられる。カソードリング１７にはステンレスなどの材料が用いられる。

円筒形状の絶縁体１６は、永久磁石１４の内側に配置され、絶縁体１６の外面は永久磁石１４の内壁に接触している。絶縁体１６は例えばセラミックスなどの電気絶縁性を有する非磁性材料で形成されている。アノード１３は絶縁体１６の内側にはめ込まれており、アノード１３の外面は絶縁体１６の内面に接触しており、アノード１３の内面はプラズマ生成室１００に面している。アノード１３は例えばアルミニウムなど導電性を有する非磁性材料で形成されている。アノード１３は、絶縁体１６により第１のカソード１１、第２のカソード１２および永久磁石１４に対して電気的に絶縁されている。

加速電極１５は例えばステンレスなどの導電性を有する非磁性材料により円筒状に形成されており、中央部にはイオンビーム取り出し孔１０１ｂが設けられている。接地電位に保たれた加速電極１５は第１のカソード１１と第２のカソード１２と永久磁石１４とを囲むように、イオンガンベース１８の周辺部に固定されている。イオンガンベース１８および第１のカソード１１には孔が設けられており、ガス導入機構から導入された、たとえばＡｒガスがプラズマ生成室１００に導入される。

プラズマ生成室１００に導入されたＡｒガスを適切なガス分圧を保った状態とし、放電電源３０１により第１のカソード１１及び第２のカソード１２（第１のカソード１１と第２のカソード１２とは永久磁石１４を介して電気的に接続され、同電位に保たれる）とアノード１３との間に２ｋＶ程度の放電電圧を印加させ、グロー放電させる。放電電圧の印加により第１のカソード１１表面と第２のカソード１２表面から放出された電子はアノード１３に向けて加速されるとともに、放出された電子は、第１のカソード１１、第２のカソード１２および永久磁石１４によりプラズマ生成室１００に形成された磁場でその軌道が曲げられ旋回運動を行う。この旋回運動により電子軌道が長くなることによって放電効率を向上させることができる。

プラズマ生成室１００内を旋回する電子が、導入されたＡｒガスと衝突すると、衝突を受けたＡｒガスがイオン化し、プラズマ生成室１００ではＡｒイオン（陽イオン）が発生する。プラズマ生成室１００で発生した陽イオンの一部は、第２のカソード１２のイオンビーム取り出し孔１０１ａを通り、加速電源３０２により第２のカソード１２と加速電極１５との間に１０ｋＶ程度の加速電圧が印加されることによって加速されて、加速電極のイオンビーム取り出し孔１０１ｂからイオンガン１０の外部に放出され、陽イオンからなるイオンビームによって試料が加工される。

このようなぺニング放電方式のイオンガンから引き出されるイオン電流は、イオンがもつ空間電荷により電界が変化するため、空間電荷に制限される。また、イオンガンが供給するイオン流にも制限される。一般に、空間電荷制限電流値とイオン飽和電流値とを同じ値にすることにより、引き出し系とイオンを生成するプラズマ条件とのバランスが保たれて、良質で多量のイオンビームの引き出しが可能になるといわれている。イオン飽和電流値を高めるには、プラズマ生成室１００内部の電子温度やプラズマ密度を高くすればよい。空間電荷制限電流値を高めるにはカソード１２と加速電極１５との間に印加する加速電圧を高くすればよい。

上述したように、加速電圧を高くしてもイオンガンから引き出されるイオンビーム電流値が高くならないのは、イオンガンのイオン飽和電流値が、その空間電荷制限電流値に見合う数値に到達していない、すなわちプラズマ生成室１００において十分なイオン流が生成できていないためである。イオン流の生成においては、適切な磁束密度を有する永久磁石と十分な電子供給が可能なプラズマ生成室領域とを組み合わせることが非常に重要である。より高い加工速度を有するイオンミリング装置に適したイオンガンを実現するため、本実施例ではプラズマ生成室で発生する電子の供給量を従来構造よりも増大させ、より高い加速電圧を印加した場合の空間電荷制限電流値に見合うイオン飽和電流値を実現可能なイオンガン、それを有するイオンミリング装置を提案する。

図３は、本実施例のイオンガン（第１例）の構成断面図である。なお、比較例として示したイオンガンと同一の構成要素については同じ符号を付して説明は省略し、比較例と相違する構成を中心に説明をする。以下の実施例についても同様である。ペニング放電方式のイオンガンにおいて高いイオン飽和電流を実現するためには、電子供給量を増やすことが必須である。このため、電子を供給する第１のカソード２１のプラズマ生成室１００への露出面積を拡大する。

具体的には、永久磁石１４の内径位置よりも外側に第１のカソード２１とアノード２３とを対向させて配置する。第１のカソード２１には、永久磁石１４と接続する面側に、永久磁石１４の外径よりも小さく、内径よりも大きい凹部を形成し、アノード２３には、第１のカソード２１と対向する側の端部に円盤形状の張り出し領域を設けて面積を拡大することにより、第１のカソード２１とアノード２３とが対向する領域を拡大した。これに伴い、第１のカソード２１、第２のカソード１２および永久磁石１４を、アノード２３と電気的に絶縁する絶縁体２６は、アノード２３と同様の形状として、永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆し、イオンガンの信頼性を向上させている。

図４に、第１のカソード２１の形状を示す。第１のカソード２１をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。第１のカソード２１は導電性のある磁性材料として、例えば純鉄により円盤形状に形成されており、イオンガンベース１８に固定するためのカソード固定用孔１０２が設けられている。またアノード２３に給電するためのアノードピンを貫通させるためのアノードピン貫通孔１０３が設けられている。なお、イオンガンベース１８にもアノードピン貫通孔１０３に対応する位置に貫通孔が設けられ、アノードピンはイオンガンベース１８及び第１のカソード２１の貫通孔を通して、プラズマ生成室１００に挿入される。本実施例では、第１のカソード２１のプラズマ生成室１００に面する領域に、例えばカソード中央に直径１２ｍｍ、深さ１ｍｍの凹部２２が形成されている。この例では、円形の凹部２２を形成しているが、円形に限定されるものではなく、多角形の穴であってもよい。ただし、製造性の観点からは、図に示すような円形が好ましい。

図５に、アノード２３の形状を示す。アノード２３をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。 アノード２３は、例えばアルミニウムなど導電性を有する非磁性材料で形成されており、第１のカソード２１の凹部２２とアノード２３とが対向する領域を拡大するため、円筒領域３５ａの第１のカソード２１側の端部に、例えば円盤形状を有する張り出し領域２５ａを有している。図３に示されるように、アノード２３は絶縁体２６にはめ込まれてアノード２３の外面が絶縁体２６の内面に接触しており、アノード２３の内面はプラズマ生成室１００として機能する。第１のカソード２１のアノードピン貫通孔１０３を通ったアノードピンは、第１のカソード２１の凹部２２と対面する側に設けられた張り出し領域２５ａに押し付けられる。これにより、アノード２３は絶縁体２６を介して第２のカソード１２に押し付けられるように固定される。この例では、第１のカソード２１の凹部２２と対面する張り出し領域２５ａを円盤形状としているが、円形に限定されるものではなく、多角形でもよい。

図６に、絶縁体２６の形状を示す。絶縁体２６をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。絶縁体２６は、例えばセラミックスなどの電気絶縁性を有する非磁性材料で形成されている。絶縁体２６は、アノード２３と同様に、円筒領域３５ｂの第１のカソード２１側の端部、すなわちアノード２３の張り出し領域２５ａが設けられた側に、例えば円盤形状となる張り出し領域２５ｂを有している。この構造により、アノード２３端部の張り出し領域２５ａと永久磁石１４とを電気的に絶縁する。図３に示すように、張り出し領域２５ｂにより永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆することにより、イオンガン１の長期安定性を向上させる。

図７に、図３に示す実施例と図２に示す比較例のそれぞれについて、イオンガン内部の電位分布の解析結果を示す。解析結果４０１が図３の構造についての解析結果であり、解析結果４０２が図２の構造についての解析結果であり、ともに有限要素ベースの物理シミュレータにて電界強度解析を行った結果である。本図では、高電位領域と低電位領域が暗く表され、中間電位領域が明るく表されている。解析結果４０１に示されるように、第１のカソード２１の凹部２２とアノード２３の張り出し領域２５ａとが対向している領域の全域で強い電界が発生しており、この分、解析結果４０２に示される比較例の構造と比較して、第１のカソード２１から電子が供給できる領域が大きく拡大している。これにより、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量を格段に増大させ、高いイオン飽和電流を実現することができる。

図８Ａは、図３に示す実施例におけるプラズマ生成室１００内部の電子密度分布であり、図８Ｂは、図２に示す比較例におけるプラズマ生成室１００内部の電子密度分布である。いずれも有限要素ベースの物理シミュレータにて電界強度解析を行った結果をプロットしたものである。図８の横軸は、図７に付記したスケールと一致させて表記しており、第１のカソード表面をゼロ点として、イオンガンの中心軸上をイオンビーム取り出し孔１０１ａ方向に向けて、電子密度をプロットしている。その結果、図３に示す本実施例の構造の場合には電子密度が８．８×１０¹⁵ｌ／ｍ³となり、図２に示す比較例の構造の場合の６．７×１０¹⁵ｌ／ｍ³に対して、約３０％向上していることが分かる。

以下、本実施例のイオンガンの変形例について説明する。図９は、本実施例のイオンガン（第２例）の構成断面図である。なお、以降の実施例では放電電圧、加速電圧の印加機構については同様であるため省略する。この例では、第１のカソード３１に形成する凹部の底面形状を、中心部の深さが周辺部の深さよりも深くした形状とする。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

図１０に、第１のカソード３１の形状を示す。第１のカソード３１をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。第１のカソード３１は導電性のある磁性材料として、例えば純鉄により円盤形状に形成されており、イオンガンベース１８に固定するためのカソード固定用孔１０２、アノードピンを貫通させるアノードピン貫通孔１０３が設けられている。第１のカソード３１のプラズマ生成室１００に面する領域には、カソード中央に直径１２ｍｍの凹部３２が形成されている。この例では、凹部３２の底面は円錐形状を有しており、凹部３２の深さが中心部で２ｍｍ、周辺部で１ｍｍとなるような傾斜面を有している。なお、円錐形状に限定されるものではなく、例えば中心部が平坦な形状になっていてもよい。このように、凹部３２に傾斜面を設けることにより、電子が発生する第１のカソード３１の表面積を拡大し、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量を増大させることができる。

図１１は、本実施例のイオンガン（第３例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード４１に形成する凹部の底面に凹凸を形成した。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

図１２に、第１のカソード４１の形状を示す。第１のカソード４１をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。第１のカソード４１は導電性のある磁性材料として、例えば純鉄により円盤形状に形成されており、イオンガンベース１８に固定するためのカソード固定用孔１０２、アノードピンを貫通させるアノードピン貫通孔１０３が設けられている。第１のカソード４１のプラズマ生成室１００に面する領域には、カソード中央に直径１２ｍｍ、深さ１ｍｍの凹部４２が形成されている。さらに、凹部４２の底面には幅０．４ｍｍ、深さ１ｍｍの円周状のスリットが形成されている。カソードの表面積を増大させることにより、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量をさらに増大させることができる。この例では、凹凸として、凹部４２の底面に円周状のスリットを形成した例を示しているが、スリットの形状は円形に限定されるものではなく、多角形であっても、また格子状であっても問題ない。

図１３は、本実施例のイオンガン（第４例）の構成断面図である。この例では、アノード３３の張り出し領域が有する円筒領域につながる開口は、円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなる傾斜面を有する形状とした。さらに、第１のカソード５１に形成する凹部の底面には、アノード３３の張り出し領域の形状に合わせて、外周部から中央部へ向かって傾斜する凸部を有する形状とした。張り出し領域によって拡大された端部において、第１のカソード５１とアノード３３とが近距離で対向する面積を広くとることにより、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量をさらに増大させることができる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

図１４は、本実施例のイオンガン（第５例）の構成断面図である。この例では、第４例と同様に、アノード３３の第１のカソード６１と向き合う円盤形状の端部を、外周部から中央部へ向かって傾斜する形状とした。一方、第１のカソード６１に形成する凹部の底面は平坦にした。このため、第４例の構造よりも拡大された端部における第１のカソード５１とアノード３３とが対向する距離が広がることになるが、その分プラズマ生成室１００につながる空間を広くとることができ、拡大された端部で発生した電子をプラズマ生成室１００に導入することが容易になる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

図１５は、本実施例のイオンガン（第６例）の構成断面図である。この例では、アノード４３は、張り出し領域が有する円筒領域につながる開口は、円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなり、アノード４３の張り出し領域の外径も、開口の内径に応じて拡大する形状とした。この形状に合わせて、永久磁石２４とアノード４３とを電気的に絶縁する絶縁体３６は、張り出し領域が有する円筒領域につながる開口は、アノード４３の張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなり、絶縁体３６の張り出し領域の外径も、開口の内径に応じて拡大する形状とした。また、永久磁石２４は、絶縁体３６の形状に合わせて、内壁に、絶縁体３６の張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなる傾斜面を設けた。さらに、第１のカソード７１に形成される凹部の底面は、アノード４３の形状にあわせて、外周部から中央部へ向かって傾斜する凸部を有する形状とした。第４例の構造と同様に、拡大された端部において、第１のカソード７１とアノード４３とが近距離で対向する面積を広くとることができるとともに、第１のカソード７１の外周部の高さを第１のカソード５１よりも低くすることができるため、よりコンパクトにイオンガンを形成することが可能になる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

図１６は、本実施例のイオンガン（第７例）の構成断面図である。この例では、第６例と同様に、アノード４３及び絶縁体３６の張り出し領域を、外周側に向かって傾斜して外径が拡大する形状とし、永久磁石２４は、絶縁体３６の張り出し領域の形状にあわせて、内壁に内径を拡大させる傾斜面を設けた。一方、第１のカソード８１に形成する凹部の底面は平坦にした。このため、第６例の構造よりも拡大された端部における第１のカソード８１とアノード４３とが対向する距離が広がることになるが、その分プラズマ生成室１００につながる空間を広くとることができ、拡大された端部で発生した電子をプラズマ生成室１００に導入することが容易になる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

図１７は、本実施例のイオンガン（第８例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード９１に形成する凹部に、非磁性材料１９を配置している。これにより、イオンガン内部で発生した陽イオンの衝突によりスパッタされた非磁性体の粒子がアノード２３上に針状に積層されて異常放電を起こすことを防止できる。非磁性材料には例えば、タングステン、モリブデン、チタン、クロム、タンタルなどが適用できる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。

金属製のカソードから発生したリデポジションは酸化しやすいため、アノードに付着するとリデポジションが酸化することにより、アノードの導電性が落ちる原因となる。アノードの導電性が落ちると、帯電して放電が不安定になるといった不具合が発生する。このため、第１のカソード９１の凹部に配置された非磁性材料１９は、導電性とイオン耐性を併せ持った材質である必要があり、例示したような硬い金属材料で形成された部品が有効である。スパッタ量の定義として「スパッタ収率」が一般的に用いられるが、実際にスパッタされる体積は「スパッタ収率に結晶モル密度を乗じた比」として表すことができる。チタンの場合、スパッタモル体積比が０．３２２ｍｏｌ／ｃｃとなり、金属材料として最も小さい。図１７に示すようなイオンガン構成を採用することによって、イオンガンから放出されるイオン量の増大が実現でき、かつ第１のカソード９１や非磁性材料１９の変形や汚染を低減して安定したイオン電流が得られ、それら部品を従来よりも長寿命化することができる。

さらに、第１のカソード９１に形成する凹部に配置する非磁性材料１９として、例えば、グラファイトカーボンや単結晶グラファイト、高配向熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）を適用することもできる。導電性のある材質であるグラファイトカーボンは、スパッタモル体積比が０．１５ｍｏｌ／ｃｃとチタンよりもさらに小さい。これにより、第１のカソード９１の凹部に形成された非磁性材料１９からのスパッタモル体積をより低減できる。これにより、アノード２３へ付着するリデポジションの付着体積も低減するため、電極間のショートが起き難く、イオンガンのメンテナンス周期を長期化することが可能である。さらに、グラファイトカーボンは、酸化耐性に優れるため、グラファイトカーボンのスパッタ粒子がアノード２３に再付着しても、金属材料の場合と比べて酸化しにくい。従って、たとえアノード２３にリデポジションが付着した場合でも、リデポジションが酸化することによって起こる帯電等の不具合は起こりづらく、帯電を防ぐという目的でのイオンガンのクリーニングを基本的に不要にできる。

図１８は、本実施例の効果として、プラズマ生成室１００内部の電子密度分布を比較した結果である。横軸の項目はイオンガンの構造であり、図２に示した従来構造での電子密度分布を比較例として示すとともに、図３、図９、図１１、図１３、図１４、図１５、図１６に示した第１例～第７例の本実施例の構造での電子密度分布を示している。いずれも物理シミュレータにて電界強度解析を行った結果をプロットしたものである。その結果、比較例として示した従来構造の６．７×１０¹⁵ｌ／ｍ³に対して、本実施例の構造では電子密度が、約３％から６１％まで向上することが分かる。これにより、プラズマ生成室１００内のイオン流を高め、イオン源は高い空間電荷制限電流値に見合った十分なイオン飽和電流値が得られ、その結果、イオンガンから放出されるイオン量を増大できる。

図１９は、本実施例のイオンガン（第９例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード１１１と永久磁石１４とが接続する界面に、永久磁石１４の内径よりも大きい内径を有する永久磁石４０４を配置した。これにより第１のカソード１１１の永久磁石１４と接続する面領域への凹部形成を不要としつつ、アノード２３の第１のカソード１１１と向き合う端部に円盤形状の張り出し領域を設けることにより、第１のカソード１１１とアノード２３との対向領域を拡大させている。また、第１のカソード１１１、第２のカソード１２、永久磁石１４及び永久磁石４０４を、アノード２３と電気的に絶縁する絶縁体２６は、アノード２３と同様に第１のカソード１１１側の端部に円盤形状の張り出し領域を設けて面積を拡大することで、永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆しており、イオンガンの信頼性を向上させている。

図２０は、本実施例のイオンガン（第１０例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード１１１と永久磁石１４が接続する界面に、永久磁石１４の内径よりも大きい内径を有する第３のカソード４０５を配置した。これにより第１のカソード１１１の永久磁石１４と接続する面領域への凹部形成を不要としつつ、アノード２３の第１のカソード１１１と向き合う端部に円盤形状の張り出し領域を設けることにより、第１のカソード１１１とアノード２３との対向領域を拡大させている。また、第１のカソード１１１、第２のカソード１２、第３のカソード４０５及び永久磁石１４を、アノード２３と電気的に絶縁する絶縁体２６は、アノード２３と同様に第１のカソード１１１側の端部に円盤形状の張り出し領域を設けて面積を拡大することで、永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆しており、イオンガンの信頼性を向上させている。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するため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。また、実施例のある例の構成の一部を他の例の構成に置き換えたり、他の例の構成を加えたりすることも可能である。例えば、第３例～第７例の凹部を設けた第１のカソードに代えて、第９例の第１のカソードと永久磁石の組み合わせ、あるいは第１０例の第１のカソードと第３のカソードの組み合わせを用いて、同様のイオンガンを構成することも可能である。

１，１０：イオンガン、２：イオンビーム、３：イオンガン制御部、４：真空チャンバー、５：真空排気系、６：試料、７：試料台、８：試料ステージ、９：試料ステージ駆動部、１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１１１：第１のカソード、１２：第２のカソード、１３，２３，３３，４３：アノード、１４，２４，４０４：永久磁石、１５：加速電極、１６，２６，３６：絶縁体、１７：カソードリング、１８：イオンガンベース、１９：非磁性材料、２２，３２，４２：凹部、２５ａ，２５ｂ：張り出し領域、３５ａ，３５ｂ：円筒領域、１００：プラズマ生成室、１０１ａ，１０１ｂ：イオンビーム取り出し孔、１０２：カソード固定用孔、１０３：アノードピン貫通孔、２００：ガス供給機構、２０１：ガス源、３０１：放電電源、３０２：加速電源、４０１，４０２：解析結果、４０５：第３のカソード。

Claims (19)

1. 円盤形状を有する第１のカソードと、
   円盤形状を有し、イオンビーム取り出し孔が設けられた第２のカソードと、
   前記第１のカソードと前記第２のカソードとの間に配置され、円筒形状を有する第１の永久磁石と、
   円筒領域と前記円筒領域の一端に設けられた張り出し領域とを有するアノードと、
   前記アノードを、電気的に接続されている前記第１のカソード、前記第２のカソード及び前記第１の永久磁石から電気的に絶縁する絶縁体とを有し、
   前記アノードの前記円筒領域は、前記第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、
   前記アノードの前記張り出し領域は、前記第１の永久磁石の内径位置を越えて配置され、前記第１のカソードと対向しているイオンガン。
2. 請求項１において、
   前記第１のカソードと前記第２のカソードとの間に、外部から供給されたガスに電子を衝突させてイオンを生成する空間であるプラズマ生成室が形成されており、
   前記第１の永久磁石が前記プラズマ生成室に露出しないよう、前記第１の永久磁石は前記絶縁体により被覆されているイオンガン。
3. 請求項２において、
   前記絶縁体は、円筒領域と前記円筒領域の一端に設けられた張り出し領域とを有し、
   前記絶縁体の前記円筒領域は、前記第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、
   前記アノードの前記円筒領域は、前記絶縁体の前記円筒領域にはめ込まれ、
   前記絶縁体の前記張り出し領域は、前記アノードの前記張り出し領域を越えて前記第１の永久磁石を被覆するイオンガン。
4. 請求項１において、
   前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、前記第１の永久磁石の外径よりも小さく内径よりも大きい凹部を有するイオンガン。
5. 請求項４において、
   前記第１のカソードの前記凹部は、前記凹部の中心部の深さが前記凹部の周辺部の深さよりも深くされたイオンガン。
6. 請求項５において、
   前記第１のカソードの前記凹部は円錐形状を有するイオンガン。
7. 請求項１において、
   前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、凹凸が形成されているイオンガン。
8. 請求項７において、
   前記第１のカソードに円周状、多角形状または格子状のスリットが形成されることにより、前記凹凸が形成されているイオンガン。
9. 請求項１において、
   前記アノードの前記張り出し領域が有する前記アノードの前記円筒領域につながる開口は、前記アノードの前記円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなる傾斜面を有するイオンガン。
10. 請求項９において、
    前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、前記アノードの前記張り出し領域が有する開口に応じた傾斜面をもつ凸部を有するイオンガン。
11. 請求項３において、
    前記アノードの前記張り出し領域が有する前記アノードの前記円筒領域につながる開口は、前記アノードの前記円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなり、前記アノードの前記張り出し領域の外径は、開口の内径に応じて拡大し、
    前記絶縁体の前記張り出し領域が有する前記絶縁体の前記円筒領域につながる開口は、前記アノードの前記張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなり、前記絶縁体の前記張り出し領域の外径は、開口の内径に応じて拡大し、
    前記第１の永久磁石の内壁に、前記絶縁体の前記張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなる傾斜面を有するイオンガン。
12. 請求項１１において、
    前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、前記アノードの前記張り出し領域が有する開口に応じた傾斜面をもつ凸部を有するイオンガン。
13. 請求項１において、
    前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に非磁性材料が配置されているイオンガン。
14. 請求項１３において、
    前記非磁性材料として、少なくともタングステン、モリブデン、チタン、クロム、タンタルのいずれかを含むイオンガン。
15. 請求項１３記載において、
    前記非磁性材料として、少なくともグラファイトカーボン、単結晶グラファイト、高配向熱分解黒鉛のいずれかを含むイオンガン。
16. 請求項１記載において、
    前記第１のカソードと前記第１の永久磁石との間に、前記第１の永久磁石よりも内径の大きい第２の永久磁石が配置され、
    前記絶縁体は、前記アノードを、電気的に接続されている前記第１のカソード、前記第２のカソード、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石から電気的に絶縁するイオンガン。
17. 請求項１記載において、
    前記第１のカソードと前記第１の永久磁石との間に、前記第１の永久磁石よりも内径の大きい第３のカソードが配置され、
    前記絶縁体は、前記アノードを、電気的に接続されている前記第１のカソード、前記第２のカソード、前記第３のカソード及び前記第１の永久磁石から電気的に絶縁するイオンガン。
18. 請求項１～１７のいずれか１項に記載のイオンガンと、
    真空排気系によって気圧制御される真空チャンバーと、
    前記真空チャンバー内に配置され、試料を保持するための試料ステージとを備え、
    前記イオンガンからイオンビームを照射して前記試料を加工するイオンミリング装置。
19. 請求項１８において、
    前記イオンガンに接続されるガス供給機構と、
    前記イオンガンを制御するイオンガン制御部とを有し、
    前記イオンガンは、イオンビーム取り出し孔が設けられた加速電極を有し、
    前記ガス供給機構は前記イオンガン内部にイオン化させるガスを供給し、
    前記イオンガン制御部は、前記第１のカソード及び前記第２のカソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加してグロー放電を発生させ、前記第２のカソードと前記加速電極との間に加速電圧を印加することにより、前記グロー放電により発生した電子と前記ガスとが衝突して生じたイオンを加速させて、前記加速電極の前記イオンビーム取り出し孔から放出させるイオンミリング装置。

Images