KR20240046301A - 이온 밀링 장치 - Google Patents

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KR20240046301A
KR20240046301A KR1020247010458A KR20247010458A KR20240046301A KR 20240046301 A KR20240046301 A KR 20240046301A KR 1020247010458 A KR1020247010458 A KR 1020247010458A KR 20247010458 A KR20247010458 A KR 20247010458A KR 20240046301 A KR20240046301 A KR 20240046301A
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쇼타 아이다
히사유키 다카스
아츠시 가미노
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주식회사 히타치하이테크
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Abstract

애노드-캐소드 간이 단락되어, 시료 가공이 중단되었을 경우에도, 시료 가공으로 자동 복귀할 수 있는 이온 밀링 장치를 제공한다. 이온 밀링 장치는, 시료실(111)과, 시료실 내에 배치되어, 시료를 재치하는 시료 스테이지(102)와, 제1 내부 전극(203), 제2 내부 전극(202)을 구비하는 이온원(101)과, 이온원에 삽발 가능한 막대 형상 전극(106)과, 제1 내부 전극, 제2 내부 전극 및 막대 형상 전극에 접속되는 전원 유닛(108)을 가지며, 막대 형상 전극이 이온원에 삽입된 상태에서, 전원 유닛은 막대 형상 전극과 제1 내부 전극 및 제2 내부 전극 사이에 제2 방전 전압을 인가하는 것에 의해, 이온원은 그 내부에, 막대 형상 전극과 제1 내부 전극 또는 제2 내부 전극 사이의 방전에 의해 발생한 전자와 가스의 충돌에 의해 이온을 발생시킨다.

Description

이온 밀링 장치
본 발명은 이온 밀링 장치에 관한 것이다.
이온 밀링 장치는, 전자 현미경 관찰 대상인 시료(예를 들면, 금속, 반도체, 유리, 세라믹 등)에 대해서 비집속(非集束)의 이온빔을 조사(照射)하고, 스퍼터링 현상에 의해서 시료 표면의 원자를 무응력으로 튕겨내서, 시료 표면의 연마나 시료의 내부 구조를 노출시키기 위해서 사용한다. 이온빔에 의해서 연마된 시료 표면이나 노출된 시료의 내부 구조는, 주사 전자 현미경이나 투과 전자 현미경의 관찰에 이용된다.
특허문헌 1은 이온 밀링 장치에 이온 건을 향하여 가스를 분사하는 가스 분사 수단을 마련하여, 이온 건 내부에 부착된 부착물을 이동시키는 것을 개시하고 있다.
국제공개 제2016/189614호
이온 밀링 장치에서는, 이온원 내부의 애노드-캐소드 간에 고전압을 인가해서, 발생한 전자에 의해 도입된 가스를 이온화하고, 가속 전압을 인가해서 이온을 이온원으로부터 인출하여, 시료에 조사한다. 이 때, 이온원 내부에서는, 생성된 플라스마에 의한 스퍼터링 현상에 의해 캐소드가 마모되고, 캐소드 조성 유래의 도전성을 갖는 퇴적막이 애노드 내벽면에 형성된다. 퇴적막은 장치 가동 시간 경과에 따라 성장한다. 성장된 퇴적막은 바늘 형상으로 박리되어 애노드-캐소드 간을 단락시킴에 의해, 이온을 생성할 수 없게 된다. 이 때문에, 이온원을 분해하여 단락 개소를 제거할 필요가 있었다. 이 때문에, 종래의 이온 밀링 장치에서는 단락이 발생할 때마다, 시료 가공을 중단하여 퇴적막을 제거할 필요가 있었다.
인용문헌 1에서는, 가스 분사 수단을 이용함으로써 이온원을 분해하지 않고, 퇴적막을 제거하는 것을 가능하게 하고 있지만, 시료실을 일단 대기 개방해서, 단락 복귀 후 다시 시료실의 진공 배기가 필요하며, 가공 효율이 저하된다.
반도체 제조 프로세스에 있어서의 공정 관리를 위하여, 이온 밀링 장치를 공장의 라인 내에 배치하고, 전자 현미경에 의해서 관찰하는 시료의 표면 연마나 내부 구조를 노출시키는 가공을 하는 것을 상정할 경우, 이온 밀링 장치는 다수의 시료를 연속해서 자동으로 가공을 행할 것이 요구된다. 다수의 시료를 연속해서 자동으로 밀링 가공하기 위해서는, 장시간의 연속된 이온빔 조사를 수반한다. 이 때문에, 애노드-캐소드 간에 단락이 발생해도, 자동적으로 단락을 제거하여, 단시간 내에 가공 처리로 복귀하는 것이 가능한 이온 밀링 장치가 요망된다.
본 발명의 일 실시태양인 이온 밀링 장치는, 시료실과, 시료실 내에 배치되어, 시료를 재치(載置)하는 시료 스테이지와, 제1 내부 전극, 제2 내부 전극 및 가속 전극을 구비하는 이온원과, 이온원에 삽발(揷拔) 가능한 막대 형상 전극과, 제1 내부 전극, 제2 내부 전극, 가속 전극 및 막대 형상 전극에 접속되는 전원 유닛을 가지며,
막대 형상 전극이 이온원으로부터 퇴피(退避)된 상태에서, 전원 유닛은 제1 내부 전극과 제2 내부 전극 사이에 제1 방전 전압을, 제1 내부 전극과 가속 전극 사이에 가속 전압을 인가하는 것에 의해, 이온원은 제1 내부 전극과 제2 내부 전극 사이의 방전에 의해 발생한 전자와 가스의 충돌에 의해 생성되는 이온을 가속 전압에 의해 가속해서, 시료를 향하는 비집속의 이온빔으로서 방출하고,
막대 형상 전극이 이온원에 삽입된 상태에서, 전원 유닛은 막대 형상 전극과 제1 내부 전극 및 제2 내부 전극 사이에 제2 방전 전압을 인가하는 것에 의해, 이온원은 그 내부에, 막대 형상 전극과 제1 내부 전극 또는 제2 내부 전극 사이의 방전에 의해 발생한 전자와 가스의 충돌에 의해 이온을 발생시킨다.
본 발명의 다른 실시태양인 이온 밀링 장치는, 시료실과, 시료실 내에 배치되어, 시료를 재치하는 시료 스테이지와, 애노드와 캐소드 사이의 방전에 의해 발생한 전자에 의해서 생성된 이온을 가속 전극에 의해 가속함에 의해, 시료를 향하는 비집속의 이온빔으로서 방출하는 이온원과, 애노드, 캐소드 및 가속 전극에 접속되는 전원 유닛과, 이온원에 삽발 가능하며, 선단(先端)에 브러시가 설치된 막대 형상 부재와, 이온빔에 의한 시료의 가공 중에 애노드와 캐소드의 단락을 검지했을 때, 전원 유닛에 애노드와 캐소드 사이에 인가되는 방전 전압과 애노드와 가속 전극 사이에 인가되는 가속 전압의 인가를 정지시키고, 이온원에 막대 형상 부재를 삽입하고, 브러시에 의해 애노드와 캐소드의 단락 개소를 제거시키는 제어부를 갖는다.
애노드-캐소드 간이 단락되어, 시료 가공이 중단되었을 경우에도, 시료 가공으로 자동 복귀할 수 있는 이온 밀링 장치를 제공한다. 이것에 의해, 장시간의 연속한 시료 가공을 자동화할 수 있다.
그 밖의 과제와 신규한 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 실시예 1의 이온 밀링 장치의 주요부를 나타내는 모식도.
도 1b는 셔터와 이온원이 취할 수 있는 위치 관계를 나타내는 도면.
도 1c는 셔터와 이온원이 취할 수 있는 위치 관계를 나타내는 도면.
도 2a는 이온원과 이온원의 내부 전극에 제어 전압을 인가하는 전원 회로를 나타내는 모식도.
도 2b는 이온원과 이온원의 내부 전극에 제어 전압을 인가하는 전원 회로를 나타내는 모식도.
도 3은 이온원에 샤프트를 삽입한 상태를 나타내는 모식도.
도 4는 실시예 1의 이온 밀링 장치의 시료 가공 개시로부터 종료까지의 일련의 동작을 나타내는 플로우차트.
도 5는 실시예 2의 이온 밀링 장치의 주요부를 나타내는 모식도.
도 6은 실시예 2의 이온 밀링 장치의 시료 가공 개시로부터 종료까지의 일련의 동작을 나타내는 플로우차트.
도 7a는 실시예 3의 이온 밀링 장치에 있어서, 이온원에 브러시 부착 샤프트를 삽입한 상태를 나타내는 모식도.
도 7b는 Y 방향으로부터 본 샤프트 회전원.
도 8은 실시예 3의 이온 밀링 장치의 시료 가공 개시로부터 종료까지의 일련의 동작을 나타내는 플로우차트.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.
[실시예 1]
도 1a는 실시예 1의 이온 밀링 장치(100)의 주요부를 측면에서 나타낸 모식도이다. 도 1a에서는, 연직방향을 Z방향으로 해서 표시하고 있다. 이온 밀링 장치(100)는, 그 주요한 구성으로서, 이온원(101), 시료 스테이지(102), 시료 스테이지 구동원(103), 셔터(104), 셔터 구동원(105), 외부 전극으로서 기능하며, 이온원(101)에 삽발 가능한 샤프트(막대 형상 전극)(106), 샤프트 구동원(107), 전원 유닛(108), 제어부(109), 표시부(110), 시료실(111)을 갖는다.
이온 밀링 장치(100)는, 주사 전자 현미경이나 투과 전자 현미경에 의해 시료의 표면 또는 단면(斷面)을 관찰하기 위한 전처리 장치로서 사용된다. 이와 같은 전처리 장치용 이온원은, 구조를 소형화하기 위해 유효한 페닝 방식을 채용하는 경우가 많다. 본 실시예에서도 이온원(101)은 페닝 방식을 채용하고 있으며, 이온원(101)으로부터 시료 스테이지(102)에 설치된 시료를 향하여, 비집속의 이온빔이 조사된다. 이온빔의 출력은, 주로, 전원 유닛(108)이 이온원(101)의 내부 전극에 인가하는 제어 전압(가속 전압, 방전 전압)이나 이온원(101)에 공급되는 아르곤 가스의 유량에 의해서 제어된다.
시료가 재치되는 시료 스테이지(102)는, 시료 스테이지(102)의 위치 결정을 행하는 시료 스테이지 구동원(103)을 개재해서 시료실(110)에 설치되어 있다. 시료 스테이지 구동원(103)은 회전축(R0)을 중심으로 시료 스테이지(102)를 회전시킨다. 또한, 시료 스테이지 구동원(103)은, 시료 스테이지(102)의 위치를 X방향, Y방향, Z방향의 각각으로, 또한, 이온빔 중심축(B0)에 대한 시료 스테이지(102)의 방향을 XZ 평면의 각도 방향(T1축을 중심으로 하는 회전 방향), YZ 평면의 각도 방향(T2축을 중심으로 하는 회전 방향)의 각각으로 조정 가능하도록, 시료실(111)에 설치되어 있다.
이온원(101)의 전방에는, 이온빔의 시료에의 조사를 차단하는 셔터(104)가 설치되어 있다. 여기에서는, 이온빔이 사출(射出)되는 방향을 이온원의 전방이라고 부르고 있으며, 도 1a의 예에서는 Y방향에 해당한다. 셔터(104)는 셔터 구동원(105)에 의해 구동된다. 셔터(104)는 Z방향으로 이동 가능하게 구성되는 것으로서, 도 1b∼도 1c에 셔터(104)와 이온원(101)이 취할 수 있는 위치 관계를 나타낸다. 도 1b는 샤프트(106)를 이온원(101)으로부터 퇴피시키며, 또한 셔터(104)가 이온원(101)으로부터 방출되는 이온빔을 차단하고 있는 상태이다. 도 1c는 셔터(104)를 이온원(101)의 전방으로부터 퇴피시켜, 이온빔에 의한 시료의 밀링 가공이 가능하게 된 상태이다.
이 예에서는, 셔터(104)에 샤프트 구동원(107)을 설치하고, 셔터 구동원(105)을, 셔터(104)와 연동하여 샤프트(106)의 Z방향의 위치를 이동시키는 구동원으로서 공용함으로써, 셔터 구동원(105), 샤프트 구동원(107)의 구동 상황에 상관없이, 샤프트(106)는 이온빔 중심축(B0)과 동일 YZ 평면 내에 위치하게 되며, 기구가 간소화되어 있다. 또한, 이상은 일례이며, 도 1a∼도 1c에 나타낸 기구에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 셔터(104)의 퇴피 방향은 Z방향이 아니어도 되고, 샤프트(106)를 셔터(104)와는 독립적으로 구동시키기 위한 전용의 구동원을 설치해도 된다.
본 실시예의 이온 밀링 장치에 의한 시료 가공은 다음과 같이 행해진다. 이온원(101)으로부터의 이온빔의 전류값이 미리 설정한 범위에서 안정될 때까지, 셔터(104)에 의해, 불안정한 이온빔의 시료에의 조사를 차단한다. 이 때의 셔터(104)는 도 1b에 나타내는 위치에 있다. 이온빔 전류값이 안정된 후에는, 셔터 구동원(105)에 의해 셔터(104)가 이온원(101)의 전방으로부터 퇴피되는(도 1c) 것에 의해, 시료 스테이지(102) 상의 시료에 이온빔 조사가 개시된다.
시료 가공 중에 이온원(101) 내부에서 단락이 발생하면, 셔터 구동원(105)에 의해 이온원(101)과 샤프트(106)가 동축 상에 배치되도록 샤프트(106)의 위치를 이동시킨다. 이온원(101)과 샤프트(106)가 동축 상에 배치되면, 샤프트 구동원(107)은, 샤프트(106)를 Y방향으로 이동시켜, 이온원(101) 내부에 삽입한다. 이 때의 셔터(104), 샤프트(106)의 상태가 도 1a의 상태이다. 상세는 후술하지만, 단락 개소를 제거하기 위하여, 전원 유닛(108)은, 이온원(101) 내부에 삽입된 샤프트(106)와 이온원(101)의 내부 전극 사이에 고전압을 인가한다.
이상의 제어는, 제어부(109)에 의해 행해지며, 단락 발생이나 단락 복귀 등 이온원(101)의 상황은 표시부(110)로부터 리얼타임으로 확인할 수 있게 되어 있다.
도 2a는 페닝 방식을 채용한 이온원(101)과 이온원(101)의 내부 전극에 제어 전압을 인가하는 전원 회로를 나타내는 모식도이다. 전원 회로는 전원 유닛(108)의 일부이다.
이온원(101)은 제1 캐소드(201), 제2 캐소드(제2 내부 전극)(202), 애노드(제1 내부 전극)(203), 영구 자석(204), 가속 전극(205), 가스 배관(206)을 갖는다. 가스 배관(206)에는 이온원(101)에 공급하는 아르곤 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(207)가 설치되어 있다.
이온원(101) 내부에는, 제1 캐소드(201)와 제2 캐소드(202)가 영구 자석(204)을 통해 전압 인가 시에 동(同)전위로 되도록 배치되어 있다. 제1 캐소드(201)와 제2 캐소드(202) 사이에 애노드(203)가 배치되어 있다. 캐소드(201, 202)와 애노드(203) 사이에 전원 유닛(104)으로부터 방전 전압(Vd)(제1 방전 전압)이 인가됨으로써 전자가 발생한다. 영구 자석(204)에 의해 이온원(101) 내부에서 전자는 나선 운동을 행하면서 체류하고, 가스 배관(206)으로부터 주입된 아르곤 가스와 충돌하여 아르곤 이온을 생성한다. 애노드(203)와 가속 전극(205) 사이에는 전원 유닛(104)으로부터 가속 전압(Va)이 인가되어 있고, 생성된 아르곤 이온은 가속 전극(205)에 유인되어, 이온빔으로서 방출된다. 가속 전극(205)은 기준 전위(GND)로 되어 있으며, 캐소드(201, 202)와 애노드(203)에 각각 제어 전압을 부여하기 위한 전위가 전원 유닛(108)으로부터 공급되어 있다. 여기에서, 캐소드와 애노도에 인가되는 전위가 급격하게 변동함으로써, 이온원(101)의 동작에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위해서, 각각 보호 저항(R1, R2)이 설치되어 있다. 보호 저항 대신에 이상(異常) 발생 시에 전압의 인가를 차단하는 보호 회로를 설치해도 된다.
전원 회로에는 애노드(203)와 제1 캐소드(201) 및 제2 캐소드(202) 사이에 전류계(208) 및 전압계(209)가 구비되어 있다. 전류계(208)에 의해 방전에 의해 캐소드와 애노드 사이에 흐르는 방전 전류가 측정되고, 전압계(209)에 의해 방전 중에 캐소드와 애노드 사이에 실제로 인가되어 있는 방전 전압이 측정된다. 전류계(208)에 의해 측정되는 방전 전류값, 전압계(209)에 의해 측정되는 방전 전압값도 제어부(109)에 출력된다. 제어부(109)는 방전 전류값, 방전 전압값을 이온빔의 출력 상태를 모니터링하기 위해 사용하고, 이들을 표시부(110)에 표시해도 된다.
아르곤 이온을 생성하기 위한 방전을 반복하는 동안에, 제2 캐소드(202)는 아르곤 이온에 의해 스퍼터링됨으로써 마모되어 간다. 마모에 의해 발생하는 캐소드 유래의 스퍼터링 입자가 애노드 내벽면에 퇴적되는 것에 의해 퇴적막(210)이 형성되고, 퇴적막(210)은 결국 바늘 형상으로 박리되어, 애노드-캐소드 간을 단락시킨다. 도 2b에 애노드-캐소드 간이 단락된 이온원(101)를 나타낸다. 이 단락에 의해 애노드-캐소드 간의 전위차가 없어지고, 방전이 정지됨으로써 시료 가공이 중단된다.
도 3은 도 2b에 나타낸 애노드-캐소드 간에서의 단락 발생 후에, 단락 개소를 제거하기 위하여, 이온원(101)에 샤프트(106)를 삽입된 상태를 나타낸 모식도이다. 제어부(109)는, 예를 들면, 전압계(209)에 의해 측정되는 방전 전압값이 이상 저하하는 것에 의해, 애노드-캐소드 간의 단락 발생을 검지한다. 단락 발생의 검지를 받아서, 제어부(109)는 이온원(101)으로의 제어 전압의 인가를 정지함과 함께, 셔터 구동원(105)에 의해 셔터(104)를 움직여, 샤프트(106)를 가속 전극(205)의 개구(211)와 동축 상에 배치한다. 동축 상에 배치하는 것은, 제어 오차 등에 의해 샤프트(106)가 이온원(101)의 내부 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위해서이다. 그 후, 샤프트 구동원(107)에 의해, 이온원(101)의 내부에 샤프트(106)를 삽입한다. 전원 유닛(108)은, 샤프트(106)와 가속 전극(205) 사이에 전압(Ve)을 인가하는 전원 회로를 갖고 있다. 샤프트(106)에 인가되는 전압이 급격하게 변동할 가능성을 고려하여, 보호 저항(R3)이 설치되어 있다. 보호 저항(R3) 대신에 이상 발생 시에 전압의 인가를 차단하는 보호 회로를 설치해도 된다.
샤프트(106)가 이온원(101)에 삽입된 후, 전원 유닛(108)이 샤프트(106)와 단락된 캐소드(201, 202) 및 애노드(203) 사이에 고전압(제2 방전 전압)을 인가함으로써, 이온원(101) 내에 도입된 아르곤 가스가 이온화된다. 여기에서, 전압(Ve)은 기준 전위에 대해서 음의 극성의 전압값으로 하고, 방전 전압(Vd) 및 가속 전압(Va)을 0V로 함으로써 단락된 캐소드(201, 202) 및 애노드(203) 사이에 고전압(제2 방전 전압)이 인가되어, 방전이 발생한다. 이 때, 샤프트(106)가 애노드, 캐소드(201, 202) 및 애노드(203)가 캐소드로서 기능하게 된다. 실시태양의 기술에 있어서는, 이온빔 방출 시의 기능을 바탕으로 내부 전극을 캐소드(201, 202) 및 애노드(203)로 호칭하여, 기술을 단순화하고 있다. 또한, 제2 방전 전압을 음전압(Ve)과 양전압(Va)의 합으로서 방전을 발생시켜도 된다.
아르곤 이온이 퇴적막(210)을 스퍼터링 현상에 의해 깎아 냄으로써, 애노드-캐소드 간의 단락으로부터 복귀한다. 단락의 복귀는, 전원 유닛(108)이 애노드-캐소드 간에 소정의 전압을 인가했을 경우에, 전압계(209)에 인가한 전압이 나타남으로써 판정할 수 있다. 단락 복귀가 검지되면, 제어부(109)는, 이온원(101)로부터 샤프트(106)를 퇴피시킨다.
도 4에 나타내는 플로우차트에, 실시예 1의 이온 밀링 장치(100)의 시료 가공 개시로부터 종료까지의 일련의 동작을 나타낸다. 시료 가공 중에 있어서의 단락 검지로부터 가공 개시까지의 처리는, 제어부(109)에 의해 자동적으로 실시된다. 이하에, 각 스텝에서의 동작에 대하여 설명한다.
S301: 이온 밀링 장치(100)의 시료 가공 조건을 설정하여, 시료 가공을 개시한다. 시료 가공 조건에는, 이온원(101)의 가속 전압, 방전 전압, 아르곤 가스의 공급량, 시료 스테이지의 위치, 시료 가공 시간 등이 포함된다.
S302: 시료 가공 중에, 제어부(109)는 전류계(208)에 의해 방전 전류값, 전압계(209)에 의해 방전 전압값을 모니터하고 있다. 제어부(109)는, 전압계(209)에서 측정되는 방전 전압값으로부터 애노드-캐소드 간의 단락을 검지하면, 전원 유닛(108)으로부터의 방전 전압(Vd), 가속 전압(Va)의 인가를 정지하고, 시료 가공을 중단한다. 이 때 제어부(109)는, 이온원(101)으로의 아르곤 가스의 공급은 계속한다.
S303: 제어부(109)는, 셔터 구동원(105)을 구동시켜, 샤프트(106)를 이온원(101) 전방으로 이동시킨다. 이 때, 샤프트(106)와 이온원(101)이 동축 상에 배치되도록 한다.
S304: 제어부(109)는, 샤프트 구동원(107)을 구동시켜, 샤프트(106)를 이온원(101)에 삽입한다.
S305: 단락된 애노드(203) 및 캐소드(201, 202)와 샤프트(106) 사이에 전압(Ve)을 인가함으로써, 샤프트와 애노드 및 캐소드 사이에서 방전시킨다. 이것에 의해, 이온원(101)에 도입된 아르곤 가스가 이온화된다.
S306: 발생시킨 아르곤 이온에 의한 스퍼터링 현상에 의해, 애노드-캐소드 간의 단락 개소를 제거한다.
S307: 일정 시간, 샤프트(106)에 전압(Ve)을 인가한 후, 애노드(203)와 캐소드(201, 202) 사이에 소정의 전압을 인가하여, 애노드-캐소드 간의 단락 개소가 제거되었음을 확인한다. 단락 개소가 제거되었는지 여부는, 인가한 전압에 따른 전위차가 애노드-캐소드 간에서 전압계(209)에 의해 측정되는지에 따라서 판정할 수 있다. 단락 개소가 제거되어 있지 않을 경우에는 계속해서 스텝 S306을 실행한다.
S308: 애노드-캐소드 간의 단락 복귀 후, 제어부(109)는, 전원 유닛(108)으로부터의 샤프트(106)로의 전압 인가를 정지하고, 샤프트 구동원(107)을 구동시켜, 이온원(101)으로부터 샤프트(106)를 퇴피시킨다.
S309: 제어부(109)는, 셔터 구동원(105)을 구동시켜, 샤프트(106)를 이온원(101) 전방으로부터 퇴피시킨다.
S310: 단계 S301에서 설정한 시료 가공 조건에 의해, 중단된 시료 가공을 재개한다.
S311: 시료 가공 중에 애노드-캐소드 간의 단락이 재발했을 경우, 스텝 S302로 되돌아가서 애노드-캐소드 간의 단락 제거 동작을 행한다.
S312: 스텝 S301에서 설정한 시료 가공 시간 도달에 의해, 시료 가공을 종료한다.
[실시예 2]
도 5는 실시예 2의 이온 밀링 장치(100B)의 주요부를 측면에서 나타낸 모식도이다. 이온 밀링 장치(100B)에서는, 셔터(104)가 아니라, 시료 스테이지(102)에 샤프트(106)를 설치하고 있다. 실시예 1과 마찬가지의 기능을 가진 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다. 샤프트(106)를 Y방향으로 이동시키는 샤프트 구동원(107)은 시료 스테이지(102)에 설치된다. 이것에 의해, 샤프트 구동원(107)을 실장함에 있어서, 시료 스테이지(102)를 구동하는 시료 스테이지 구동원(103)의 구동 기구를 공용하고, 기구를 간소화하는 것이 가능해진다.
실시예 1과 다른 점은, 이온원(101) 내부에서 단락이 발생했을 때의 샤프트(106)의 삽입의 과정이다. 실시예 2에서는 샤프트(106)가 시료 스테이지(102)에 설치되어 있기 때문에, 샤프트(106)를 이온원(101)에 삽입하기 위해서 시료 스테이지(102)의 위치 및 자세가 변화한다. 이 때문에, 단락 발생 시의 시료 스테이지의 위치 정보 및 자세(경사) 정보를 기억하고 나서, 샤프트(106)의 이온원(101)으로의 삽입 동작을 행하고, 단락 제거 후에, 기억된 시료 스테이지의 위치 정보 및 자세 정보에 기초하여, 시료 스테이지(102)의 위치 및 자세를 단락 제거 동작 전의 상태로 복귀시킨다.
도 6에 나타내는 플로우차트에, 실시예 2의 이온 밀링 장치(100B)의 시료 가공 개시로부터 종료까지의 일련의 동작을 나타낸다. 실시예 1의 플로우차트(도 4)와 동일한 스텝에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
애노드-캐소드 간의 단락 발생에 의한 가공 중단(S302) 후, 제어부(109)는, 샤프트(106)와 이온원(101)이 동축에 배치되도록, 시료 스테이지 구동원(103)을 구동한다. 이 동작에 의해, 시료 스테이지(102)의 위치나 자세가 가공 중단 전의 상태로부터 변화한다. 그 때문에, 시료 스테이지 구동원(103)의 구동 전의 시료 스테이지의 상태 정보를 기록한다(S303'). 상태 정보란, 단락 복귀 후에 시료 스테이지(102)를 가공 중단 전의 상태로 회복하기 위한 정보이며, 시료 스테이지(102)의 위치 좌표(x, y, z)나 필요에 따라서 시료 스테이지(102)의 자세 정보(T1축을 중심으로 하는 기울기θ1, T2축을 중심으로 하는 기울기θ2)를 포함한다.
시료 스테이지(102) 구동 후, 실시예 1과 마찬가지로 샤프트 구동원(107)에 의해 샤프트(106)를 이온원(101)에 삽입하여, 애노드-캐소드 간의 단락 개소를 제거한다. 단락 복귀 후에는 이온원(101)으로부터 샤프트(106)를 퇴피시키고(S308), 스텝 S303'에서 기록해 둔 상태 정보에 기초하여, 시료 스테이지(102)를 가공 중단 시의 상태로 복귀시킨다(S309'). 구체적으로는, 제어부(109)는, 기록된 위치 좌표(x, y, z)로 시료 스테이지(102)를 이동시키고, 기록된 자세 정보에 따라서 시료 스테이지(102)를 경사시키도록, 시료 스테이지 구동원(103)을 구동한다.
[실시예 3]
도 7a는 실시예 3의 이온 밀링 장치의 이온원(101)과 이온원(101)의 내부 전극에 제어 전압을 인가하는 전원 회로를 나타내는 모식도이다. 실시예 1,2와는, 애노드-캐소드 간의 단락 개소의 제거 방법이 다르다.
샤프트(막대 형상 부재)(106)의 선단에는 브러시(401)가 설치되고, 샤프트(106)는 샤프트 구동원(107)을 개재하여 샤프트 회전원(402)에 설치되어 있다. 실시예 3에서의 샤프트(106)는, 실시예 1에서의 샤프트(106)와 달리, 외부 전극으로서의 기능을 갖지 않고, 브러시(401)의 지지 부재로서 기능한다. Y방향에서 본 샤프트 회전원(402)을 도 7b에 나타낸다. 샤프트 회전원(402)은 회전 중심(CC)을 중심으로 회전하고, 샤프트 회전원(402)의 회전에 수반하여 샤프트(106)도 회전한다. 샤프트 회전원(402)은, 샤프트(106) 및 샤프트 구동원(107)의 유지 위치를, 회전 중심(CC)으로부터 샤프트 회전원(402)의 외주(外周) 방향으로 이동 가능하게 구성되어 있다. 샤프트 회전원(402)은, 회전 중심(CC)으로부터 Δr만큼 유지 위치를 외주 방향으로 편심시킨다. 이 때, 도 7a에 나타나는 바와 같이, 브러시(401)가 제2 캐소드(202) 및 애노드(203)의 내벽면에 접한 상태로 된다. 이 상태에서, 샤프트 회전원(402)이 회전 중심(CC)을 중심으로 하여 샤프트(106)를 회전시킴으로써, 브러시(401)가 제2 캐소드(202) 및 애노드(203)의 내벽면을 따라르도록 회전하여, 스퍼터 입자의 퇴적막을 제거한다.
여기에서, 브러시(401)는, 접촉하는 제2 캐소드(202)나 애노드(203)를 손상시키지 않도록, 수지나 고무와 같은 강성이 작은 재질을 이용하여, 외측으로 넓어진 부분을 구비한 형상(L자형)으로 되어 있다. L자형으로 함으로써, 샤프트(106)가 회전될 때에 도달 가능한 브러시(401)의 최외주(最外周)를, 샤프트(106)가 회전하는 영역보다 외측으로 할 수 있다. 이것에 의해, 샤프트(106)를 가속 전극(205)에 접촉시키지 않고, 브러시(401)를 애노드(203)의 내벽면에 접촉시킬 수 있다. 도 7a에서는 L자형의 브러시를 나타내고 있지만, 샤프트(106)가 가속 전극(205)에 접촉하지 않고, 브러시(401)가 애노드(203)의 내벽면에 접촉할 수 있으면 형상은 L자형에 한정되지 않는다. 또한, 도 7a의 예에서는, 실시예 1과 마찬가지로 샤프트 회전원(402)을 셔터(104)에 설치하는 예를 나타내고 있지만, 실시예 2와 마찬가지로 시료 스테이지(102)에 샤프트 회전원(402)을 설치하도록 해도 된다.
도 8에 나타내는 플로우차트에, 실시예 3의 이온 밀링 장치의 시료 가공 개시로부터 종료까지의 일련의 동작을 나타낸다. 실시예 1의 플로우차트(도 4) 또는 실시예 2의 플로우차트(도 6)와 동일한 스텝에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명에 대해서는 생략한다.
애노드-캐소드 간의 단락 발생을 검지하면 가공을 중단한다(S302). 실시예 3에서는, 제어부(109)는, 이온원(101)으로의 아르곤 가스의 공급을 정지시켜도 된다. 그 후, 제어부(109)는, 셔터 구동원(105)을 구동시켜, 샤프트(106)를 이온원(101) 전방으로 이동시킨다(S303). 이 때, 샤프트(106)는 샤프트 회전원(402)의 회전 중심(CC)에 위치하여, 샤프트 회전원(402)의 회전 중심(CC)이 이온원(101)의 중심축 상에 배치되도록 한다. 이것에 의해, 샤프트(106)와 이온원(101)은 동축 상에 배치되게 된다.
이 상태에서, 제어부(109)는, 샤프트 구동원(107)을 구동시켜, 샤프트(106)를 브러시(401)가 제2 캐소드(202)에 접촉할 때까지 이온원(101)에 삽입한 후, 샤프트 회전원(402)의 샤프트(106)의 유지 위치를 브러시(401)가 애노드(203)에 접촉할 때까지(Δr) 편심시킨다(S304'). 편심된 샤프트(106)의 중심축을 도 7a, 도 7b에서 중심축 CS로서 표시하고 있다. 그 후, 제어부(109)는, 샤프트 회전원(402)에 의해 회전 중심(CC)을 축으로 하여 샤프트(106)를 회전시킴으로써, 브러시(401)가 제2 캐소드(202) 및 애노드(203)의 내벽면을 따르도록 회전하여, 스퍼터 입자의 퇴적막을 제거한다(S306'). 미리 설정된 일정 시간, 브러시(401)를 회전시킨 후, 애노드-캐소드 간의 단락 개소가 제거되었음을 확인한다(S307). 상기 이온원으로부터 상기 샤프트를 퇴피시킨다. 애노드-캐소드 간의 단락 복귀 후, 제어부(109)는, 샤프트 구동원(107)을 구동시켜, 이온원(101)으로부터 샤프트(106)를 퇴피시킨다(S308').
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시형태에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 기술된 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다. 예를 들면, 실시예 1에 있어서 외부 전극으로서 사용한 샤프트는, 아르곤 이온에 의한 스퍼터링 현상을 단락 개소만으로 효율적으로 일으키기 위해서, 이온원(101)에 삽입된 샤프트의 선단에만 전압이 인가되도록 절연체를 포함한 구조로 해도 된다.
100, 100B: 이온 밀링 장치, 101: 이온원, 102: 시료 스테이지, 103: 시료 스테이지 구동원, 104: 셔터, 105: 셔터 구동원, 106: 샤프트, 107: 샤프트 구동원, 108: 전원 유닛, 109: 제어부, 110: 표시부, 111: 시료실, 201: 제1 캐소드, 202: 제2 캐소드, 203: 애노드, 204: 영구 자석, 205: 가속 전극, 206: 가스 배관, 207: 매스 플로우 컨트롤러, 208: 전류계, 209: 전압계, 210: 퇴적막, 211: 개구, 401: 브러시, 402: 샤프트 회전원

Claims (15)

  1. 시료실과,
    상기 시료실 내에 배치되어, 시료를 재치(載置)하는 시료 스테이지와,
    제1 내부 전극, 제2 내부 전극 및 가속 전극을 구비하는 이온원과,
    상기 이온원에 삽발(揷拔) 가능한 막대 형상 전극과,
    상기 제1 내부 전극, 상기 제2 내부 전극, 상기 상기 가속 전극 및 상기 막대 형상 전극에 접속되는 전원 유닛을 가지며,
    상기 막대 형상 전극이 상기 이온원으로부터 퇴피(退避)된 상태에서, 상기 전원 유닛은 상기 제1 내부 전극과 상기 제2 내부 전극 사이에 제1 방전 전압을, 상기 제1 내부 전극과 상기 가속 전극 사이에 가속 전압을 인가하는 것에 의해, 상기 이온원은 상기 제1 내부 전극과 상기 제2 내부 전극 사이의 방전에 의해 발생한 전자와 가스의 충돌에 의해 생성되는 이온을 상기 가속 전압에 의해 가속해서, 상기 시료를 향하는 비집속(非集束)의 이온빔으로서 방출하고,
    상기 막대 형상 전극이 상기 이온원에 삽입된 상태에서, 상기 전원 유닛은 상기 막대 형상 전극과 상기 제1 내부 전극 및 상기 제2 내부 전극 사이에 제2 방전 전압을 인가하는 것에 의해, 상기 이온원은 그 내부에, 상기 막대 형상 전극과 상기 제1 내부 전극 또는 상기 제2 내부 전극 사이의 방전에 의해 발생한 전자와 가스의 충돌에 의해 이온을 발생시키는 이온 밀링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온빔에 의한 상기 시료의 가공 중에 상기 제1 내부 전극과 상기 제2 내부 전극의 단락을 검지했을 때, 상기 전원 유닛에 상기 제1 방전 전압과 상기 가속 전압의 인가를 정지시키고, 상기 이온원에 상기 막대 형상 전극을 삽입한 후, 상기 전원 유닛에 상기 제2 방전 전압을 인가시키는 제어부를 가지는 이온 밀링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전원 유닛에 의한 상기 제1 방전 전압과 상기 가속 전압의 인가 정지 후에도, 상기 이온원에의 상기 가스의 공급을 계속하는 이온 밀링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 내부 전극과 상기 제2 내부 전극의 단락 개소의 제거를 검지했을 때, 상기 전원 유닛에 상기 제2 방전 전압의 인가를 정지시키고, 상기 이온원으로부터 상기 막대 형상 전극을 퇴피시킨 후, 상기 전원 유닛에 상기 제1 방전 전압과 상기 가속 전압의 인가를 재개시키는 이온 밀링 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전원 유닛은, 상기 제1 내부 전극과 상기 제2 내부 전극 사이의 전위차를 계측하는 전압계를 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 전압계가 측정하는 전위차에 의거하여 상기 제1 내부 전극과 상기 제2 내부 전극의 단락 또는 단락 복귀를 검지하는 이온 밀링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 막대 형상 전극을 상기 이온원이 상기 이온빔을 방출하는 개구의 전방으로 이동시키는 제1 구동원과, 상기 개구의 전방으로 이동된 상기 막대 형상 전극을 상기 이온원에 삽입하는 제2 구동원을 가지며,
    상기 제어부는 상기 제1 구동원 및 상기 제2 구동원에 의해 상기 막대 형상 전극의 삽발을 행하는 이온 밀링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이온빔의 상기 시료에의 조사를 차단하는 셔터와,
    상기 셔터를 구동하는 셔터 구동원을 가지며,
    상기 제1 구동원은 상기 셔터 구동원과 공용되는 이온 밀링 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 시료 스테이지의 위치 결정을 행하는 시료 스테이지 구동원을 가지며,
    상기 제1 구동원은 상기 시료 스테이지 구동원과 공용되는 이온 밀링 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이온원에 상기 막대 형상 전극을 삽입하는 동작을 개시하기 전의 상기 시료 스테이지의 상태 정보를 기억하고, 상기 이온원으로부터 상기 막대 형상 전극을 퇴피시킨 후, 상기 상태 정보에 의거하여 상기 시료 스테이지를 상기 이온원에 상기 막대 형상 전극을 삽입하는 동작을 개시하기 전의 상태로 회복시키는 이온 밀링 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상태 정보는, 상기 시료 스테이지의 위치 좌표와 자세 정보를 포함하는 이온 밀링 장치.
  11. 시료실과,
    상기 시료실 내에 배치되어, 시료를 재치하는 시료 스테이지와,
    애노드와 캐소드 사이의 방전에 의해 발생한 전자에 의해 생성된 이온을 가속 전극에 의해 가속하는 것에 의해, 상기 시료를 향하는 비집속의 이온빔으로서 방출하는 이온원과,
    상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 가속 전극에 접속되는 전원 유닛과,
    상기 이온원에 삽발 가능하며, 선단(先端)에 브러시가 설치된 막대 형상 부재와,
    상기 이온빔에 의한 상기 시료의 가공 중에 상기 애노드와 상기 캐소드의 단락을 검지했을 때, 상기 전원 유닛에 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 인가되는 방전 전압과 상기 애노드와 상기 가속 전극 사이에 인가되는 가속 전압의 인가를 정지시키고, 상기 이온원에 상기 막대 형상 부재를 삽입하고, 상기 브러시에 의해 상기 애노드와 상기 캐소드의 단락 개소를 제거시키는 제어부를 가지는 이온 밀링 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 애노드와 상기 캐소드의 단락 개소의 제거를 검지했을 때, 상기 이온원으로부터 상기 막대 형상 부재를 퇴피시킨 후, 상기 전원 유닛에 상기 방전 전압과 상기 가속 전압의 인가를 재개시키는 이온 밀링 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 막대 형상 부재를 상기 이온원이 상기 이온빔을 방출하는 개구의 전방으로 이동시키는 제1 구동원과, 상기 개구의 전방으로 이동된 상기 막대 형상 부재를 상기 이온원에 삽입하는 제2 구동원과, 상기 막대 형상 부재를 유지하고, 회전 중심을 중심으로 하여 상기 막대 형상 부재를 회전시키는 회전원(回轉源)을 가지며,
    상기 제어부는 상기 회전원의 회전 중심에서 상기 막대 형상 부재를 유지한 상태에서, 상기 제1 구동원 및 상기 제2 구동원에 의해 상기 막대 형상 부재가 상기 캐소드에 접촉할 때까지 상기 이온원에 삽입하는 이온 밀링 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 막대 형상 부재의 상기 회전 중심은 상기 이온원의 중심축 상에 배치되며,
    상기 제어부는, 상기 막대 형상 부재가 상기 이온원에 삽입된 후, 상기 회전원에 의한 상기 막대 형상 부재의 유지 위치를 상기 브러시가 상기 캐소드에 접촉할 때까지 편심시키고, 상기 회전원에 의해, 상기 회전 중심을 축으로 하여 상기 막대 형상 부재를 회전시키는 이온 밀링 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 브러시는, 상기 막대 형상 부재보다도 외측으로 넓어진 부분을 구비한 형상을 가지는 이온 밀링 장치.
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