KR20200096619A - 이온 밀링 장치 및 이온 밀링 장치의 이온원 조정 방법 - Google Patents

이온 밀링 장치 및 이온 밀링 장치의 이온원 조정 방법 Download PDF

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Abstract

시료에 비집속(非集束)의 이온 빔을 조사함으로써, 시료를 가공하는 이온 밀링 장치의 가공 정밀도, 또는 가공면 형상의 재현 정밀도를 높인다. 이 때문에, 시료실(6)과, 시료실에 설치되는 이온원 위치 조정 기구(5)와, 이온원 위치 조정 기구를 통해 시료실에 부착되고, 이온 빔을 사출(射出)하는 이온원(1)과, 회전 중심을 축으로 회전하는 시료 스테이지(2)를 갖고, 이온 빔의 이온 빔 중심(B0)과 회전 중심(R0)이 일치할 때의 회전 중심이 연장하는 방향을 Z 방향으로 하고, Z 방향과 수직인 면을 XY면으로 하면, 이온원 위치 조정 기구(5)는, 이온원(1)의 XY면 상의 위치 및 Z 방향의 위치를 조정 가능하게 한다.

Description

이온 밀링 장치 및 이온 밀링 장치의 이온원 조정 방법
본 발명은, 이온 밀링 장치, 및 이온 밀링 장치의 이온원 조정 방법에 관한 것이다.
시료의 내부 구조를 관찰·분석하기 위해서는, 목적으로 하는 내부 구조를 표면에 노출시킬 필요가 있다. 종래부터 할단(割斷)이나 기계 연마에 의해 시료를 제작하는 방법이 있지만, 이들 방법은 물리적인 압력을 시료에 인가하는 것에 의한 변형이나 흠집의 발생을 피할 수 없다. 이온 밀링 장치는, 시료(예를 들면, 금속, 반도체, 유리, 세라믹 등)의 표면 혹은 단면(斷面)에, 예를 들면 수 kV로 가속시킨 비집속(非集束)의 아르곤 이온 빔을 조사하고, 스퍼터링 현상에 의해 무응력으로 시료 표면의 원자를 튕겨 내어, 시료 표면을 평활화할 수 있다. 이것은, 주사 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)이나 투과 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)으로 대표되는 전자 현미경에 의해 시료의 표면 혹은 단면을 관찰하기 위한 평활 가공을 행하기 위해 우수한 특성이다.
이온 밀링 장치에서는 진공 분위기 중에서 시료의 가공을 행하기 때문에, 이온 빔을 발생시키는 이온 빔 조사부는 진공 용기에 부착되어 있다. 시료를 가공하면 가공면으로부터 발생하는 시료 유래의 미소 입자가 이온 빔 조사부에 부착되기 때문에, 이온 밀링 장치는 정기적인 청소가 필요해진다. 이 때문에, 진공 용기로부터 이온 빔 조사부를 제거하고, 메인터넌스 후에 다시 부착하게 되지만, 재부착 시, 이온 빔 조사부에 부착 오차가 생겨, 이온 빔 조사부로부터 조사되는 이온 빔의 조사 방향이 그때까지의 것과 바뀌어 버릴 우려가 있다.
특허문헌 1은, 시료(여기에서는 기판)를 기판 홀더에 유지하고, 이온 빔의 조사 영역을 가로지르도록 왕복 운동을 행하게 하고, 이온 빔 조사부가 기판에 이온 빔을 조사하는 이온 빔 조사 장치를 개시한다. 상술한 과제에 대해, 이온 빔 조사부에 정면으로 마주하는 진공 용기 벽면에, 조사되는 이온 빔의 빔 전류 밀도 분포를 측정하는 이온 빔 측정 기구를 마련한다. 이온 빔 측정 기구에 의해 이온 빔 중심 위치를 측정하고, 기판의 왕복 운동의 스트로크 중심 위치를 이온 빔 중심 위치 또는 그 위치에 의거하여 정해지는 소정 위치로 설정함으로써, 이온 빔 조사부에 부착 오차가 생겼다고 해도, 기판에의 이온 조사량의 균일성을 담보한다.
한편, 최근의 반도체 디바이스에 있어서 집적도를 비약적으로 높이기 위해, 미세한 입체 구조를 갖는 패턴을 삼차원으로 집적한 반도체 디바이스의 개발이 진행되고 있다. 이러한 입체 구조(삼차원 구조) 패턴을 집적한 디바이스의 제조 관리를 위해서는 단면 방향의 패턴의 평가가 필요하다. 특허문헌 2는, 이러한 입체 구조 패턴의 깊이 방향(혹은 높이 방향)의 고정밀도의 측정을 실현하기 위해, 시료 표면에 경사면을 형성하고, 패턴의 깊이 방향(높이 방향)의 측정을 행하는 것을 개시한다.
일본국 특개2017-199554호 공보 국제공개 제2016／002341호
특허문헌 2에서는, 시료 표면에 입체 구조 패턴의 단면을 노출시키기 위한 경사면을 형성하기 위해 집속 이온 빔(FIB: Focused Ion Beam) 장치를 이용하는 것으로 하고 있다. 그러나, 집속 이온 빔 장치는 가공 속도가 느리고, 또한, 가공 범위도 좁기 때문에 시료 표면에 목적으로 하는 경사면을 형성하려면 시간을 요한다. 이 때문에, 발명자들은 가공 속도가 빠른, 비집속의 이온 빔을 이용하는 이온 밀링 장치에 의해 경사면을 형성시키는 것을 검토했다.
비집속의 이온 빔을 시료의 가공을 위해 이용할 경우, 그 가공 속도는 시료에 조사되는 이온 빔 강도, 구체적으로는 가속 전압으로 인가된 이온의 속도와 이온의 수, 및 이온의 조사 각도에 의존한다. 여기에서, 이온원으로부터 방출되는 이온 빔의 강도는, 이상적으로는 이온 빔 중심이 가장 높고, 주변을 향하여 점차 강도가 점감(漸減)해 가는 2항 분포의 형상을 갖는다고 생각된다. 그러나, 이온원으로부터 방출되는 이온 빔은, 이온원을 구성하는 전극 부품의 오염이나, 전극 부품의 소모에 의한 생성되는 이온 수의 변동이나, 환경에 있어서의 전장(電場) 등의 외란의 영향을 받아, 시료에 조사되는 이온 빔 강도를 일정하게 계속해서 유지하는 것이 어렵다. 또한, 시료의 조성이나 입사 각도에 의한 밀링 속도의 차에 기인하여 요철이 형성되어 버리기 때문에, 시료에 비집속의 이온 빔을 조사하여 가공을 행할 때, 이온 밀링 장치에서는 이온 빔 중심을 축으로 해서 시료를 회전시키면서 이온 빔을 조사함으로써, 요철의 형성을 억제하여, 전자 현미경에 의한 관찰이나 계측에 적합한 평활한 가공면을 얻는 것을 가능하게 하고 있다.
본 발명의 과제를 설명한다. 도 2a에는 이온 밀링 장치의 주요부를 나타내고 있다. 이온원(21), 시료(20)를 재치(載置)하는 시료 스테이지(22), 회전 중심(R0)을 축으로 해서 R 방향으로 시료 스테이지(22)를 회전시키는 시료 스테이지 회전 구동원(23)을 갖고 있다. 이온원(21)으로부터의 이온 빔은, 이온 빔 중심(B0)을 중심으로 방사 형상으로 퍼진 상태에서, 시료 스테이지(22)의 시료 재치면에 재치된 시료(20)에 조사된다. 본래, 회전 중심(R0)과 이온 빔 중심(B0)은 일치하는 것이 전제이지만, 이온원(21)의 부착 오차에 의해, 도 2a에 나타내는 바와 같이 회전 중심(R0)과 이온 빔 중심(B0)이 ε만큼 어긋난 상태가 될 경우가 있다. 이때, 시료(20)의 표면에 형성되는 가공 심도(深度)를 도 2b에 나타낸다. 파형(25)에 나타나는 바와 같이, 회전 중심(R0)으로부터 ε 어긋난 위치인, 이온 빔 강도가 가장 높아지는 이온 빔 중심(B0)에서 가공 심도가 가장 깊어지고, 거기에서 거리가 멀어짐에 따라 가공 심도가 작아진다. 이에 대하여, 회전 중심(R0)과 이온 빔 중심(B0)이 일치할 경우의 가공 심도를 파형(26)으로서 나타낸다. 이와 같이, 이온원(21)의 부착 오차에 의해 가공면의 형상이 본래 의도한 가공면보다 완만해지고, 극단적인 경우에는 도 2b의 파형(25)에 나타나는 바와 같이 가공면이 물결 모양이 되는 것을 알 수 있다. 특히, 미세한 입체 구조 패턴의 관찰이나 계측을 행하기 위해 시료에 관찰면, 경사면을 형성하는 것을 의도할 경우에는, 이러한 가공면의 형상의 변화는 무시할 수 없다.
또, 도 2a의 예에서는 이온 빔 중심(B0)이 시료(20)의 표면(혹은 시료 스테이지(22)의 시료 재치면)에 대하여 수직이 되도록 이온 빔을 조사하고 있지만, 시료 스테이지(22)를 C 방향으로 경사시켜, 이온 빔이 저(低)입사 각도로 시료(20) 표면에 조사되도록 하는 것도 가능하다. 이에 따라, 광범위한 가공면을 얻는 것이 가능하다. 이 경우에도, 시료 스테이지(22)는, 경사진 상태에서 회전 중심(R0)을 축으로 회전시키면서 시료(20)에 이온 빔이 조사되기 때문에, 회전 중심(R0)과 이온 빔 중심(B0)이 어긋나 있으면(시료(20)의 표면에 있어서, 회전 중심(R0)과 이온 빔 중심(B0)이 교차하지 않으면), 마찬가지로 회전 중심(R0)과 이온 빔 중심(B0)과의 어긋남이 가공면의 형상 변화로서 나타나, 원하는 관찰면, 경사면을 얻을 수 없게 될 우려가 있다.
종래 장치와 같이 이온원을 진공 용기에 직접 부착하는 구성을 채용할 경우, 정기적인 청소를 위해 이온원을 착탈 가능하게 할 필요가 있고, 이온원 및 시료실의 이온원 장착부의 기계 가공 공차(公差)를 0으로 할 수 없다. 따라서, 이온원을 다시 부착했을 때에 위치 어긋남이 생기는 것을 피할 수 없다. 이 점은, 도 2a, b를 이용하여 설명한 바와 같이, 이온 밀링 장치에 의한 가공 정밀도의 불균일이나 가공면 형상의 재현성을 저하시키는 것으로 이어진다.
또한, 이온 빔은 이온원의 사출구(射出口)로부터의 거리가 길수록 이온 빔 직경은 넓어지고, 전류·이온 밀도는 저하한다. 이 때문에, 특허문헌 1과 같이 이온 빔 측정 위치가 실제의 시료 가공 위치로부터 떨어져 있을 경우, 이온 빔의 측정을 위해 이온원에 인가하는 전압을, 실제의 가공을 행할 때의 조건보다 높게 하여 측정해야만 한다는 것도 생각된다. 그러나, 이온 빔의 사출 조건을 바꿔 버리면 이온 빔이 가지는 에너지가 변화하기 때문에, 밀링 속도가 바뀌고, 또한, 이온의 밀도 분포도 바뀌어 버리고, 더욱이는 외란이 주는 영향의 크기도 바뀌기 때문에, 조정은 실제 가공할 때의 사출 조건과 같은 조건으로 행하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 실제 가공 시의 사출 조건으로 위치 조정을 행하기 위해, 이온 밀링 장치의 오퍼레이터가, 시료 스테이지 상에, 예를 들면 구리박과 같은 가공 대상을 부착한 다음에, 실가공 조건에서의 이온 빔을 조사하여 구리박 상에 빔 흔적을 남기고, 빔 흔적과 회전 중심(R0)을 일치시키도록, 이온원의 위치 조정을 실시할 경우도 있었다. 그러나, 이러한 빔 흔적에 의한 목시(目視) 또는 현미경 관찰 하에서의 조정은 정확성에 한계가 있는데다, 몇 번이나 이온원의 탈착을 반복하여 위치 맞춤을 하는 것이 필요해질 경우가 많아, 리얼타임성이 결여되는 점에서 오퍼레이터의 조정 부담은 컸다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여, 이온원 탈착 후의 이온 빔 중심과 시료회전 중심을 용이하며, 또한, 정확하게 조정 가능한 이온 밀링 장치, 및 이온원 조정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태인 이온 밀링 장치는, 시료에 비집속의 이온 빔을 조사함으로써, 시료를 가공하는 이온 밀링 장치로서, 시료실과, 시료실에 설치되는 이온원 위치 조정 기구와, 이온원 위치 조정 기구를 통해 시료실에 부착되고, 이온 빔을 사출하는 이온원과, 회전 중심을 축으로 회전하는 시료 스테이지를 갖고, 이온 빔의 이온 빔 중심과 회전 중심이 일치할 때의 회전 중심이 연장하는 방향을 Z 방향으로 하고, Z 방향과 수직인 면을 XY면으로 하면, 이온원 위치 조정 기구는, 이온원의 XY면 상의 위치 및 Z 방향의 위치를 조정 가능하게 한다.
그 밖의 과제와 신규의 특징은, 본 명세서의 기술(記述) 및 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.
이온 밀링 장치의 가공 정밀도, 또는 가공면 형상의 재현 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 이온 밀링 장치의 메인터넌스 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 이온 밀링 장치의 요부(要部) 구성도.
도 2a는 본 발명의 과제를 설명하는 도면.
도 2b는 본 발명의 과제를 설명하는 도면.
도 3은 시료 스테이지의 구성예를 나타내는 도면.
도 4는 이온원의 위치 조정에 따른 블록도.
도 5는 실시예 1의 이온원의 위치 조정 플로우.
도 6a는 타겟판에 있어서의 도전체의 형상의 일례.
도 6b는 타겟판에 있어서의 도전체의 형상의 다른 일례.
도 7은 실시예 2의 이온 밀링 장치의 요부 구성도.
도 8은 실시예 2의 이온원의 위치 조정 플로우.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.
[실시예 1]
도 1은, 실시예 1에 따른 이온 밀링 장치의 요부 구성도이다. 진공 상태를 유지 가능한 시료실(6), 이온원(1), 가공 시에 시료(도시 생략)를 설치하는 시료 스테이지(2), 회전 중심(R0)을 축으로 해서 R 방향으로 시료 스테이지(2)를 회전시키는 시료 스테이지 회전 구동원(3)을 갖고 있다. 또, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 시료 스테이지(2)는, 이온 빔의 입사 각도를 바꾸기 위한 경사 기구를 갖고 있어도 된다. 또한, 시료실(6)에는, 가공하는 시료를 관찰하기 위한 관찰창(7)이 마련되어 있다.
여기에서, 이온원(1)은, 그 위치를 X 방향, Y 방향, 및 Z 방향으로 위치를 미세 조정하는 이온원 위치 조정 기구(5)를 통해 시료실(6)에 부착되어 있다. 이에 따라, 이온원(1)의 이온 빔 중심(B0)의 위치, 구체적으로는 XY면(X 방향 및 Y 방향을 포함하는 면) 상의 위치 및 동작 거리(Z 방향의 위치, 구체적으로는 이온원(1)의 이온 빔 방출 위치부터 시료 스테이지(2)까지의 거리를 가리킴)를 미세 조정 가능하게 되어 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 시료 스테이지(2)의 시료 재치판은 교체 가능하며, 이온원(1)의 위치 조정을 행할 경우에는 시료 재치판을 대신하여, 이온 빔의 전류를 검출하기 위한 도전재(4)가 회전 중심(R0)을 포함하는 범위에 설치되는 타겟판이 설치된다. 도 1은 이 상태를 나타내고 있다.
이온원 위치 조정 기구(5)는 이온원(1)을 고정하는 지지부와, 이온원 위치 조정 기구(5)를 시료실(6)에 설치하는 기판과, 기판에 마련되어 지지부를 X 방향, Y 방향, Z 방향으로 독립적으로 이동 가능한 이온원 이동 기구를 갖는다. 이온원 이동 기구로서는 예를 들면, 마이크로미터에 이용되는 것과 같은 정밀한 나사 기구를 사용함으로써 이온원(1)의 위치를 각 방향으로 미세 조정할 수 있다.
이온원(1)에 소정의 전압이 인가됨으로써, 이온원(1)으로부터 이온 빔 중심(B0)을 중심으로, 방사 형상으로 이온 빔이 사출되고, 시료 스테이지(2)에 설치한 회전 중심(R0)을 포함하는 범위에 도전재(4)가 마련된 타겟판을 조사한다. 이온원(1)으로부터 사출되는 이온 빔은, 이온 빔 중심(B0)에서 전류·이온 밀도가 높고, 외측을 향하여 서서히 전류·이온 밀도가 저하한다. 또한, 이온원(1)으로부터의 거리가 길수록 전류·이온 밀도가 저하한다. 그래서, 도전재(4)를 이용하여 이온 빔 전류를 검출하고, 이온 빔 전류가 원하는 크기가 되도록 이온원 위치 조정 기구(5)에 의해 이온원(1)의 위치를 미세 조정함으로써, 원하는 가공 정밀도, 또는 가공면 형상의 재현 정밀도를 실현할 수 있다.
도 3에 시료 스테이지(2)의 구성예를 나타낸다. 도전재(4)를 갖는 타겟판(30)을 설치한 상태를 나타내고 있다. 타겟판(30)은, 그 도전재(4)가 도전재 접속판(31)과 접속되도록 설치된다. 이때, 도전재(4)의 중심은 일점쇄선으로 나타내는 회전 중심(R0)과 일치하는 위치가 된다. 이온원으로부터의 이온 빔은 도전재(4)를 중심으로 하는 영역에 조사되게 되지만, 이온원(1)으로부터 이온 빔은 방사 형상으로 사출되기 때문에, 이온원(1)과 도전재(4)의 거리에 따라서는 도전재(4) 이외에도 이온 빔이 조사될 가능성이 있다. 이러한 경우에, 시료 스테이지의 다른 구성 부품에 이온 빔이 조사된 것에 의한 전류가 도전재(4)에 흘러 들어가는 것을 방지하기 위해, 도전재(4)의 주위의 타겟판(30)은 절연재로 한다. 도전재 접속판(31)은, 시료를 회전시키는 회전 샤프트(33)에 접속되고, 시료 스테이지 회전 구동원(3)에 의해 구동되는 회전 기어(34)의 동력에 의해 도전재(4)를 회전시키지만, 도전재(4)가 받는 전류의 회전 샤프트(33)로의 흘러 들어감을 방지하기 위해, 도전재 접속판(31)과 회전 샤프트(33) 사이에 절연재(32)를 마련하여, 전류의 흐름을 차단한다. 또한, 도전재(4)가 받는 전류는, 도전재 접속판(31)에 접촉하는 회전 접촉 접점(35) 및 빔 전류 검출 배선(36)에 의해 인출되고, 전류값이 검출된다. 또, 회전 접촉 접점(35) 및 빔 전류 검출 배선(36)은, 빔 전류 검출 배선 커넥터(37)에 의해 다른 구성 부품과는 절연되어 있다.
도 4에 실시예 1의 이온 밀링 장치에 있어서의 이온원(1)의 위치 조정에 따른 블록도를 나타낸다. 특별히 발명을 한정하는 것이 아니지만, 여기에서는 이온원(1)으로서 페닝 방전에 의한 이온원을 이용한 예를 나타낸다. 음극 전극(11a, 11b) 사이에 원통형의 양극 전극(12)이 배치되고, 음극 전극(11a, 11b)과 양극 전극(12) 사이에는 방전 전압(Vd)이 인가된다. 배관(15)으로부터 아르곤 가스를 이온원(1) 내에 도입하고, 자석(13)에 의해 양극 전극(12) 내에 자계(磁界)를 작용시킴으로써, 양극 전극(12) 내에 이온이 발생한다. 발생한 이온은 가속 전압(Va)이 인가된 가속 전극(14)에 의해 가속되고, 이온원(1)으로부터 이온 빔으로서 방출된다.
방전 전압(Vd) 및 가속 전압(Va)은 전원부(40)에 의해 생성된다. 또한, 전원부(40)는 전류계를 갖고 있으며, 전류계(41)는 방전 전류(Vd)의 계측, 전류계(42)는 도전재(4)에서 받은 이온 빔 전류를 계측하고 있다. 또, 방전 전압(Vd) 및 가속 전압(Va)의 값은, 제어부(45)에 의해 설정된다.
또한, 이온원(1)은 이온원 위치 조정 기구(5)의 지지부(16)에 고정되고, 지지부(16)를 X 방향, Y 방향, Z 방향으로 독립적으로 이동 가능한 이온원 이동 기구(17)에 의해, 이온원(1)의 위치가 미세 조정 가능하게 되어 있다.
전원부(40), 이온원 이동 기구(17) 및 시료 스테이지 회전 구동원(3)은 제어부(45)에 접속되어 있으며, 제어부(45)로부터 이온 빔 사출 조건을 설정하고, 또한, 소정의 플로우에 따라, 이온원의 조정이나 시료의 가공을 실행한다. 또한, 제어부(45)는 표시부(46)에 접속되어 있으며, 제어부(45)에 대한 오퍼레이터로부터의 유저 인터페이스로서 기능함과 함께, 제어부(45)가 수집한 이온 밀링 장치의 동작 상태를 나타내는 센싱 데이터의 표시 등도 행한다. 예를 들면, 표시부(46)에 표시되는 센싱 데이터로서는, 전원부(40)로부터의 방전 전압값(Vd), 방전 전류값, 가속 전압값(Va), 이온 빔 전류값 등이 포함된다.
도 4에 나타낸 이온 밀링 장치에 있어서, 제어부(45)가 실행하는 이온원(1)의 조정 플로우를 도 5에 나타낸다.
스텝 S51: 제어부(45)는 시료 스테이지 회전 구동원(3)에 의해, 시료 스테이지(2)의 회전을 개시한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 이온원(1)으로부터 사출되는 이온 빔에 대하여 도전재(4)의 표면이 수직이 되도록 시료 스테이지(2)는 설치되어 있다. 시료 스테이지(2)를 회전시킴으로써, 도전재(4)에 의한 전류의 검출 편차를 억제할 수 있다.
스텝 S52: 제어부(45)는 전원부 등을 제어하여, 이온원(1)으로부터 이온 빔을 도전재(4)에 조사한다. 이때, 전원부(40)가 이온원(1)에 인가하는 방전 전압(Vd) 및 가속 전압(Va)은 시료를 실제로 가공할 때에 인가하는 전압 인가 조건을 따르는 것으로 한다. 이에 따라, 시료를 가공할 때의 이온 빔을 정밀도 좋게 재현할 수 있다.
스텝 S53: 전류계(42)에 의해 이온 빔 전류를 계측한다. 제어부(45)는 전류계(42)가 계측한 이온 빔 전류값을 도입한다.
스텝 S54: 제어부(45)는, 계측되는 이온 빔 전류값이 미리 정해진 기준을 충족시키도록, 이온원 위치 조정 기구(5)를 제어한다. 여기에서는, 이온원 위치 조정 기구(5)의 이온원 이동 기구(17)는 제어부(45)에 의해 모터 구동되는 것으로 하고, 우선 X 방향, 계속해서 Y 방향으로 이동시켜, 이온 빔 전류값이 최대가 되는 위치에 이온원(1)의 XY면 상의 위치를 조정한다. 그 후, 필요에 따라 Z 방향으로 이동시킴으로써, 이온 빔 전류값의 값에 의거하여, 이온원(1)의 이온 빔 중심(B0)의 XY면 상의 위치 및 동작 거리(Z 방향의 위치)를 미세 조정한다. 이 조정예는 일례이며, 제어부(45)가 구비하는 알고리즘에 따라서, 이온원(1)의 이온 빔 중심(B0)의 XY면 상의 위치 및 동작 거리(Z 방향의 위치)를 미세 조정할 수 있다.
예를 들면, 이온원 위치 조정 기구(5)에 의한 Z 방향의 미세 조정을 대신하여, 혹은 Z 방향의 미세 조정에 더하여, 이온원(1)에 인가하는 방전 전압값(Vd)을 조정하도록 해도 된다. 또한, 이온원(1)의 조정을 행할 때에 목표로 하는 이온 빔 전류값은, 이온 빔 전류의 최대값에 한정되지 않고, 예를 들면, 전회(前回) 가공 실시 시에 있어서의 이온 빔 전류값과 같이 정해도 된다.
또한, 시료 스테이지(2)에 있어서 도전재(4)의 형상이 서로 다른 타겟판(30), 또는 타겟판(30)에 대하여 형상이 서로 다른 도전재(4)를 치환 가능하게 할 수도 있다. 예를 들면, 도 6a는 도전재로서 회전 중심(R0)을 중심으로 하는 원 형상의 도전재(60)를 배치한 예이다. 또한, 같은 원 형상이어도, 복수의 직경의 동심원 형상의 도전재를 갖는 타겟판을 이용하는 것도 바람직하다. 이에 따라, 이온 빔의 직경에 맞춘 검출 범위를 가지는 도전재를 이용하여 이온원의 조정을 행할 수 있다. 일례로서는, 도전재(4)의 직경을 타겟판에 조사되는 이온 빔 직경보다 작은 도전재를 이용하여, 도전재(4)에서 검지하는 이온 빔 전류값이 최대값이 되도록 이온원(1)을 Z 방향으로 미동(微動)시키는 조정도 가능하다.
한편, 도 6b는 도전재로서 원 형상의 도전재(61)와 도전재(61)보다 직경이 큰 원환(圓環) 형상의 도전재(62)를, 회전 중심(R0)을 중심으로 동심원 형상으로 배치한 예이다. 이때, 도전재(61)에서 검출되는 이온 빔 전류값과 도전재(62)에서 검출되는 이온 빔 전류값이 전원부(40)에서 독립적으로 계측할 수 있게 해 둔다. 구체적으로는, 시료 스테이지(2)에 도전재(61)와 도전재(62)에 대응하는 2계열의 이온 빔 전류 인출부를 마련하고, 전원부(40)에서 각각의 이온 빔 전류값을 계측한다. 이에 따라, 조사되는 이온 빔 프로파일(2항 분포에 근사(近似)할 수 있는 이온 빔의 퍼짐 정도)을 포함하여 평가하는 것이 가능해지고, 이온 밀링 장치의 가공 정밀도, 또는 가공면 형상의 재현 정밀도를 보다 높이는 것이 가능해진다.
실시예 1에 있어서의 이온 밀링 장치에 대해서, 특히 그 이온원의 위치 조정을 중심으로 설명했지만, 각종 변형이 가능한 것이다. 예를 들면, 제어부(45)는 전류계(42)로 계측한 이온 빔 전류값을 표시부(46)에 표시하는데 그치고, 오퍼레이터가 표시부(46)에 표시되는 이온 빔 전류값을 확인하면서 이온원 위치 조정 기구(5)의 이온원 이동 기구(17)에 의한 이동량, 혹은 이온원(1)의 방전 전압(Vd)을 수동으로 조정하도록 해도 상관없다.
[실시예 2]
도 7은, 실시예 2에 따른 이온 밀링 장치의 요부 구성도이다. 실시예 2는, 보다 간이한 기구로 이온 빔 중심(B0)과 회전 중심(R0)과의 위치 맞춤을 가능하게 하는 것이다. 여기에서, 실시예 1과 기능이 동등한 구성 요소에 대해서는 같은 부호를 이용하여, 중복되는 설명은 생략한다.
시료실(6)의 윗쪽에 관찰용 현미경(광학 현미경)(73)이 설치되어, 관찰창(7)으로부터 시료 스테이지(2)의 시료 재치면이 관찰 가능하게 되어 있다. 또한, 시료 스테이지(2)의 시료 재치면에는 경면(鏡面) 부재(71)가 마련되어 있다. 경면 부재로서는, 이온원(1)의 플라스마 발광을 반사 가능한 부재이면 되고, 예를 들면 일반적인 거울 외, 웨이퍼여도 된다. 경면 부재는 시료 스테이지의 시료 재치판에 시료 대신에 탑재하면 된다. 시료 스테이지(2)는 경사 기구를 갖고, X 방향으로 연장하는 축(72)을 중심으로 해서 C 방향으로 경사 가능하다. 축(72)은, 시료 스테이지(2)의 시료 재치면에 있어서, 회전 중심(R0)과 교차하는 위치에 있다. 도 7에서는, 시료 스테이지(2)가 경사각(T)으로 경사져 있는 상태를 나타내고 있다. 또, 경사각(T)은, 이온 빔 중심(B0)과 시료 스테이지(2)의 시료 재치면의 법선이 이루는 각으로서 정의된다.
이러한 구성의 이온 밀링 장치에 있어서, 이온원(1)의 위치 조정을 행하는 방법에 대해서, 도 8을 이용하여 설명한다.
스텝 S81: 시료 스테이지(2)를 이온 빔 중심(B0)에 대하여 경사각(T)을 45°로 경사시킨다. 여기에서, 시료 스테이지(2)의 경사 기구는 축(72)을 중심으로 경사시키기 때문에, 이온 빔 중심(B0)과 회전 중심(R0)이 일치한 상태이면, 시료 스테이지(2)의 경사를 바꿔도 이온원(1)과의 거리에 변화는 생기지 않는다. 따라서, 시료 가공 시에 경사각(T)이 45° 이외의 원하는 경사각으로 해도 상관없다.
스텝 S82: 시료 스테이지 회전 구동원(3)에 의해, 시료 스테이지(2)의 회전을 개시시킨다.
스텝 S83: 이온원(1)으로부터 이온 빔을 경면 부재(71)에 조사한다. 이때, 전원부(40)가 이온원(1)에 인가하는 방전 전압(Vd) 및 가속 전압(Va)은, 시료를 실제로 가공할 때에 인가하는 전압 인가 조건에 따르는 것으로 한다. 이에 따라, 시료를 가공할 때의 이온 빔을 정밀도 좋게 재현할 수 있다.
스텝 S84: 관찰용 현미경(73)에 의해 경면 부재(71)를 관찰하고, 이온원(1)의 사출구로부터 방출되는 플라스마 발광 휘도의 중심 위치를 확인한다. 이온 빔 중심(B0)과 회전 중심(R0)이 일치한 상태이면, 경면 부재(71)의 회전 중심(R0) 근방이 점 형상 또는 원 형상으로 빛나 보이고, 이온 빔 중심(B0)과 회전 중심(R0)이 일치해 있지 않은 상태이면, 시료 스테이지(2)가 회전하고 있음으로써 원환상으로 빛나 보인다.
스텝 S85: 스텝 S84에서 확인한 이온원(1)의 플라스마 발광 휘도 중심 위치가, 시료 스테이지(2)의 회전 중심(R0)과 일치하도록, 이온원 위치 조정 기구(5)에 의해 이온원(1)의 위치를 미세 조정한다.
또, 이상의 예에서는 시료 스테이지(2)에 경면 부재(71)를 설치하는 것으로서 설명했지만, 이를 대신하여, 이온 빔의 조사에 의해 발광하는 발광 부재, 예를 들면, 레이저 발광 소자, 또는 형광체를 도포(塗布)한 시료를 설치하는 것으로도 마찬가지의 효과를 얻는 것이 가능하다.
1, 21: 이온원 2, 22: 시료 스테이지
3, 23: 시료 스테이지 회전 구동원 4, 60, 61, 62: 도전재
5: 이온원 위치 조정 기구 6: 시료실
7: 관찰창 11a, 11b: 음극 전극
12: 양극 전극 13: 자석
14: 가속 전극 15: 배관
16: 지지부 17: 이온원 이동 기구
20: 시료 30: 타겟판
31: 도전재 접속판 32: 절연재
33: 회전 샤프트 34: 회전 기어
35: 회전 접촉 접점 36: 빔 전류 검출 배선
37: 빔 전류 검출 배선 커넥터 40: 전원부
41, 42: 전류계 45: 제어부
46: 표시부 71: 경면 부재
72: 축 73: 현미경

Claims (15)

  1. 시료에 비집속(非集束)의 이온 빔을 조사함으로써, 상기 시료를 가공하는 이온 밀링 장치로서,
    시료실과,
    상기 시료실에 설치되는 이온원 위치 조정 기구와,
    상기 이온원 위치 조정 기구를 통해 상기 시료실에 부착되고, 상기 이온 빔을 사출(射出)하는 이온원과,
    회전 중심을 축으로 회전하는 시료 스테이지를 갖고,
    상기 이온 빔의 이온 빔 중심과 상기 회전 중심이 일치할 때의 상기 회전 중심이 연장하는 방향을 Z 방향으로 하고, 상기 Z 방향과 수직인 면을 XY면으로 하면, 상기 이온원 위치 조정 기구는, 상기 이온원의 상기 XY면 상의 위치 및 상기 Z 방향의 위치를 조정 가능하게 하는 이온 밀링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시료 스테이지에 설치되고, 상기 회전 중심을 포함하는 범위에 도전재가 마련된 타겟판과,
    상기 도전재에서 받은 이온 빔 전류를 계측하는 전류계를 갖는 이온 밀링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도전재는, 상기 회전 중심을 중심으로 하는 원 형상을 갖는 이온 밀링 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 도전재는, 상기 회전 중심을 중심으로 해서 동심원 형상으로 배치된, 원 형상의 제1 도전재와, 상기 제1 도전재보다 직경이 큰 원환(圓環) 형상의 제2 도전재를 갖고,
    상기 제1 도전재에서 받은 이온 빔 전류와 상기 제2 도전재에서 받은 이온 빔 전류를 독립적으로 계측하는 이온 밀링 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 이온원에 소정의 전압을 인가하는 전원부와,
    제어부와,
    표시부를 갖고,
    상기 제어부는, 상기 전원부가 상기 이온원에 인가하는 방전 전압값, 방전 전류값, 가속 전압값, 상기 전류계가 계측하는 이온 빔 전류값을 포함하는 센싱 데이터를 수집하고, 상기 표시부에 표시하는 이온 밀링 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 이온원에 소정의 전압을 인가하는 전원부와,
    제어부와,
    상기 제어부는, 상기 전류계가 계측하는 이온 빔 전류값에 의거하여, 상기 이온원 위치 조정 기구에 의해, 상기 이온원의 상기 XY면 상의 위치 및 상기 Z 방향의 위치를 조정하는 이온 밀링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이온원 위치 조정 기구에 의한 상기 Z 방향의 위치의 조정을 대신하거나, 또는 상기 이온원 위치 조정 기구에 의한 상기 Z 방향의 위치의 조정에 더하여, 상기 전원부가 상기 이온원에 인가하는 방전 전압을 조정하는 이온 밀링 장치.
  8. 시료실 내에 놓인 시료에 비집속의 이온 빔을 조사함으로써, 상기 시료를 가공하는 이온 밀링 장치의 이온원 조정 방법으로서,
    시료 스테이지 회전 구동원은, 회전 중심을 포함하는 범위에 도전재가 마련된 타겟판이 설치된 시료 스테이지를, 상기 회전 중심을 축으로 회전시키고,
    이온원은, 상기 타겟판을 향하여 상기 이온 빔을 조사하고,
    전류계는, 상기 도전재에서 받은 이온 빔 전류를 계측하고,
    상기 이온원은, 상기 이온원의 위치를 조정 가능하게 하는 이온원 위치 조정 기구를 통해 상기 시료실에 부착되어 있으며,
    상기 이온원 위치 조정 기구에 의해 조정된 상기 이온원의 위치는, 상기 전류계에 의해 계측되는 이온 빔 전류값이 소정의 목표를 충족시키도록 설정되는 이온원 조정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이온 빔의 이온 빔 중심과 상기 회전 중심이 일치할 때의 상기 회전 중심이 연장하는 방향을 Z 방향으로 하고, 상기 Z 방향과 수직인 면을 XY면으로 하면, 상기 이온원 위치 조정 기구에 의해 조정되는 상기 이온원의 위치는, 상기 이온원의 상기 XY면 상의 위치 및 상기 Z 방향의 위치를 포함하는 이온원 조정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 이온원의 방전 전압의 값은, 상기 전류계에 의해 계측되는 이온 빔 전류값이 상기 소정의 목표를 충족시키도록 설정되는 이온원 조정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 타겟판을 향하여 상기 이온 빔을 조사할 때의 상기 이온원의 사출 조건은, 상기 시료를 가공할 때의 상기 이온원의 사출 조건과 동등해지는 이온원 조정 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 소정의 목표로서, 상기 이온 빔 전류의 최대값 또는 전회(前回) 가공 실시 시에 있어서의 이온 빔 전류값으로 하는 이온원 조정 방법.
  13. 시료실 내에 놓인 시료에 비집속의 이온 빔을 조사함으로써, 상기 시료를 가공하는 이온 밀링 장치의 이온원 조정 방법으로서,
    시료 스테이지 회전 구동원은, 회전 중심을 포함하는 범위에 경면(鏡面) 부재가 설치된 시료 스테이지를, 상기 시료 스테이지의 경사각을 45°로 기울인 상태에서, 상기 회전 중심을 축으로 회전시키고,
    이온원은, 상기 경면 부재를 향하여 상기 이온 빔을 조사하고,
    상기 이온원은, 상기 이온원의 위치를 조정 가능하게 하는 이온원 위치 조정 기구를 통해 상기 시료실에 부착되어 있으며,
    상기 이온원 위치 조정 기구에 의해 조정된 상기 이온원의 위치는, 상기 경면 부재에 있어서의 상기 회전 중심 근방이, 점 형상 또는 원 형상으로 빛나 보이는 상태로 설정되는 이온원 조정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 경면 부재를 대신하여, 상기 이온 빔에 반응하여 발광하는 발광 부재를 상기 시료 스테이지에 설치하는 이온원 조정 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 경면 부재 또는 상기 발광 부재를 향하여 상기 이온 빔을 조사할 때의 상기 이온원의 사출 조건은, 상기 시료를 가공할 때의 상기 이온원의 사출 조건과 동등해지는 이온원 조정 방법.
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