CN118553584A - 超精密离子研磨仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高离子分布的再现性的超精密离子研磨仪。超精密离子研磨仪具有：离子源(1)；试样台(2)，其载置通过照射来自离子源(1)的非聚焦离子束而被加工的试样(4)；以及驱动单元(8)，其配置在离子源(1)与试样台(2)之间，且使在第一方向上延伸的线状的离子束测定部件(7)在与第一方向正交的第二方向上移动，在从离子源(1)以第一照射条件输出离子束的状态下，通过驱动单元(8)使离子束测定部件(7)在离子束的照射范围内移动，通过向离子束测定部件(7)照射离子束来测定流过离子束测定部件(7)的离子束电流。

Description

超精密离子研磨仪

技术领域

本发明涉及超精密离子研磨仪。

背景技术

在专利文献1中公开了一种超精密离子研磨仪，该超精密离子研磨仪在离子源中生成等离子并引出离子，照射所引出的离子并对基板等实施加工处理。该超精密离子研磨仪公开例如对4英寸(Φ100)基板进行加工，为了得到均匀或期望的分布的大口径离子束，通过对离子源内的等离子分布进行电控制来控制引出离子束的分布。作为控制方法的一例，公开了使用法拉第杯测定离子束的分布状态，根据测定结果调整施加于等离子控制电极的电压。

发明内容

超精密离子研磨仪是用于对试样(例如金属、半导体、玻璃、陶瓷等)照射非聚焦离子束，通过溅射现象使试样表面的原子以无应力弹飞，由此对其表面或剖面进行研磨的装置。超精密离子研磨仪中有作为用于观察基于扫描电子显微镜(SEM：ScanningElectronMicroscope)、透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)的试样的表面或剖面的预处理装置的装置。对于面向这样的预处理装置的离子产生源，为了使结构小型化而采用有效的潘宁(pinning)方式的情况较多。

来自潘宁型离子源的离子束在不收敛的状态下向试样照射，因此试样的离子束照射点附近的离子分布具有中心部的离子密度最高、离子密度从中心向外侧变低的特性。另一方面，特别是在利用电子显微镜的表面观察中，为了准确地观察结构、组成，需要将试样表面平滑地研磨。因此，一边使试样旋转一边以低入射角度照射离子束。由此，对于包含要观察的部位的周边范围，能够得到广泛且平滑的加工面。由于离子密度直接与试样的加工速度(研磨速率)直接连结，因此离子分布的特性对试样加工面的加工形状有很大影响。

关于潘宁方式离子源，已知从其结构产生并射出的离子使内部的结构部件磨损。另外，对试样进行加工的结果是，从加工面产生并浮游的微小粒子附着于离子产生源的特别是离子射出口，成为污染的原因。由于这些因素等，如果继续使用超精密离子研磨仪，则离子束的特性发生变化，进而存在试样加工面的加工形状的再现性降低的情况。在以量产工序管理目的进行电子显微镜进行的观察的情况下，要求对多个试样实施相同的加工，因此超精密离子研磨仪的加工形状的再现性的降低有可能导致缺陷检测精度的降低。

本发明鉴于这样的课题，提供适合于进行观察试样的表面或剖面的预处理加工的超精密离子研磨仪的离子束调整法以及能够调整离子束的照射条件的超精密离子研磨仪。

用于解决课题的手段

本发明的一个实施方式的超精密离子研磨仪具有：离子源；试样台，其载置通过照射来自离子源的非聚焦的离子束而加工的试样；驱动单元，其配置在离子源与试样台之间，且使在第一方向上延伸的线状的离子束测定部件在与第一方向正交的第二方向上移动；以及控制部，控制部在从离子源以第一照射条件输出有离子束的状态下，通过驱动单元使离子束测定部件在离子束的照射范围内移动，通过向离子束测定部件照射离子束来测定流过离子束测定部件的离子束电流。

另外，作为本发明的另一实施方式的超精密离子研磨仪具有：试样室；离子源位置调整机构，其设置于试样室；离子源，其经由离子源位置调整机构而安装于试样室；试样台，其载置有通过照射来自离子源的非聚焦的离子束而被加工的试样；以及控制部，控制部基于从离子源在第一照射条件下向试样照射了离子束时的离子分布，来求出第一照射条件的调整值，离子源是潘宁型离子源，作为求出第一调整条件的调整值的参数，包含离子源的放电电压、离子源的气体流量、及离子源与试样的距离中的至少一个。

发明效果

能够提高超精密离子研磨仪的离子分布的再现性。

根据本说明书的描述和附图，其他问题和新颖特征将变得清楚。

附图说明

图1是超精密离子研磨仪的结构例(示意图)。

图2是表示潘宁型离子源的结构的图。

图3是驱动单元的结构例。

图4是表示离子束电流测定的情况的示意图(俯视图)。

图5A是使用离子束测定部件测定离子束电流的结果。

图5B是表示离子束可调整区域的图。

图6是与离子束的离子分布调整相关的框图。

图7是离子束电流分布的获取及离子束照射条件的调整的流程图。

图8是离子束电流分布的示意图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施例进行说明。

图1是从上方(以铅垂方向为Y方向)表示本发明的实施方式的超精密离子研磨仪的主要部分的图(示意图)。在能够保持真空状态的试样室6中设置离子源1、设置作为加工对象的试样4的试样台2、以旋转中心R 0 为轴在R方向使试样台2旋转的试样台旋转驱动源3、接近试样台2的试样载置面而配置的离子束测定部件7、在X方向往复驱动离子束测定部件7的驱动单元8、设置在离子束测定部件7与试样台2的试样载置面之间的试样保护挡板9。

来自离子源1的离子束在以离子束中心B 0 为中心呈放射状扩散的状态下照射载置在试样台2的试样载置面上的试样4。在加工试样4时，需要调整成与旋转中心R 0 和离子束中心B 0 一致。为了便于这样的调整，离子源1经由沿X方向、Y方向和Z方向调整位置的离子源位置调整机构5被安装在试样室6上。由此，可以调整离子源1的离子束中心R 0 的位置，具体地说是XY面(包括X方向和Y方向的面)上的位置和动作距离(Z方向的位置，具体地说是指从离子源1的离子束发射位置到试样台2为止的距离)。

试样台2具有沿Z方向延伸的旋转中心R 0 、沿X方向延伸并且在试样台2的试样载置面上与旋转中心R 0 交叉的纵摇轴T 0 ，并且试样台2可以围绕纵摇轴T 0 倾斜。图中示出了试样台2的试样载置面和离子源1正对的状态，在该状态中离子束测量部件7和驱动单元8从离子源来看是设置在试样台2的试样载置面的紧前的位置。离子束测量部件7和驱动单元8可以配置在离子源1和试样台2之间，但是希望尽可能配置在靠近试样4的位置，以便更准确地推定作用在试样4上的离子束的状态。

关于离子束测定部件7将在后面进行详细叙述，是导电性部件，通过离子束电流检测布线37将通过向离子束测定部件7照射来自离子源1的离子束而流动的离子束电流导出至试样室6外部的控制部，检测从离子源1射出的离子分布作为电流量。

另外，在图中，将驱动单元8及试样保护挡板9分别表示为与试样台2不同的机构，但也可以将双方或任意一方安装为试样台2的机构。

图2表示超精密离子研磨仪中使用的离子源1的结构例。在此，作为离子源1使用潘宁型离子源。潘宁型离子源具备：阳极12，其配置于离子源内，被施加放电电压；以及第一阴极10和第二阴极11，其在与阳极12之间产生电位差，通过阳极-阴极间的电位差产生电子。产生的电子受到由永久磁铁13产生的磁场的作用而在离子源1的内部浮游并停留。另一方面，在离子源1设置有从外部导入惰性气体的气体导入孔14，作为惰性气体例如导入氩气。若向内部产生电子的离子源导入氩气，则氩原子与电子碰撞而生成氩离子。氩离子被施加了加速用电压的加速电极15诱导，从离子源内部通过离子射出口16向加工对象射出。

若通过潘宁型离子源实施试样的加工，则离子源内部的结构部件磨损，或者从试样飞散的微小粒子附着于离子射出口16，由此离子源释放的离子分布发生变动。通过实施定期的部件的更换以及清扫等，能够消除离子源内部的结构部件的磨损、污染，但并不保证离子源所照射的离子束的离子分布成为与维护前相同的状态。在超精密离子研磨仪对试样的加工形状要求高精度的再现性的情况下，需要在更换作业、清扫作业后确认离子束的离子分布是否再现了期望的离子分布，并根据确认结果来调整离子源1的照射条件。

对此，在本实施例的超精密离子研磨仪中，在试样台2或其附近设置离子束测定部件7，一边通过驱动单元8使离子束测定部件7在X方向上驱动，一边测定离子束电流，由此推定从离子源1向试样照射的非聚焦离子束的离子分布。

图3表示驱动离子束测定部件7的驱动单元8的结构例。在图中，示出了驱动单元8的俯视图和将离子束测定部件7固定于驱动单元8的基座35的状态下的剖视图。离子束测定部件7通过基座35的固定部件36固定于驱动单元8。固定部件36是绝缘体，离子束测定部件7和离子束电流检测布线37通过固定部件36与其他结构部件绝缘。基座35能够通过驱动机构在X方向上往复移动。本例的驱动机构具有电动机30、伞齿轮31、齿轮32、轨道部件33。通过设置于电动机30的驱动轴上的伞齿轮31及齿轮32，向沿着基座35的移动方向(X方向)设置的轨道部件33传递驱动，由此能够使基座35在X方向往复移动。另外，电动机30不需要专门设置于驱动单元8，也可以兼用为使试样台2旋转的试样台旋转驱动源3。

离子束测定部件7在离子束电流的测定中通过照射来自离子源1的离子束而成为被加工的状态。由于像这样为每次测定消耗的部件，所以适合难以被离子加工的低溅射收率的部件。另外，使用线状部件作为离子束测定部件7，离子束测定部件7在非会聚离子束照射范围进行移动，由此掌握离子分布。这意味着决定离子束测定部件7的直径能够测定的离子分布的空间分辨率。因此，优选离子束测定部件7的直径最好为比加工时的离子束的半值宽度小的直径。例如，可以使用具有0.2mm以上且0.5mm以下的直径的石墨碳的线状材料。为了抑制因离子碰撞离子束测定部件7而引起的离子的不规则举动，优选离子束测定部件7的剖面形状为圆形。除了石墨碳的线状材料以外，还可以使用钨的线状材料等。离子束测定部件7能够相对于驱动单元8拆卸，在离子束测定部件7被离子束消耗的情况下，更换为新的离子束测定部件。

图4是表示本实施例的超精密离子研磨仪中的离子束电流测定的情况的示意图(俯视图)。示出了离子源1、与离子源1正对的试样台2以及离子束测定部件7。从离子源1照射的离子束为非聚焦，因此以虚线表示的区域41以放射状扩散的同时行进。离子束测定部件7一边沿着试样台2的试样载置面40测定离子束电流，一边使离子束照射范围整个区域在X方向上例如从坐标X0向坐标X5移动。在本实施例中，示出了离子束测定部件7在X方向上移动的例子，但从离子源1照射的离子束是以离子束中心B 0 为中心在X方向和Y方向上扩散，所以将离子束测量部件7的纵向方向设为X方向，沿着试样台2的试样载置面40测量离子束电流，同时构成驱动单元使得整个离子束照射范围在Y方向上移动，能够进行离子束电流测定。

图5A表示在本实施例的超精密离子研磨仪中，从坐标X0～X5(参照图4)使用离子束测定部件7测定离子束电流的结果。如图所示，射束测定位置与离子束电流量的关系(在此称为“离子束电流分布”)视为从离子源1照射至试样4的离子分布。(A)为离子源与试样的距离D1，(B)为离子源与试样的距离D2(D2＞D1)时的离子束电流量测定结果。进而，(A)、(B)中的多个离子束电流分布是使离子源1的放电电压变化而测定到的测定结果(放电电压是(A))(B)均同样地变化而测定的)。另外，纵轴是离子束电流量，但(A)、(B)均以共同的基准进行标准化而得到的值表示。

这样，通过使从离子源1到试样的距离发生变化，离子分布发生变化。另外，即使从离子源1到试样的距离相同，通过改变放电电压，离子分布也发生变化。

图5B所示的曲线图是使作为图5A示出的2个曲线图重叠显示的曲线图，区域50是被2个曲线图所包含的全部分布的最大值与最小值所夹着的区域。即，可以说区域50是能够通过调整离子源与试样的距离D以及放电电压这2个参数来调整离子分布的区域。在本实施例中，通过使用离子束测定部件7测定到的离子束电流分布来掌握从离子源1向试样4照射的离子分布，调整离子源1的照射条件以使离子束电流分布的形状接近期望的状态，由此提高超精密离子研磨仪对试样的加工形状的再现性。具体而言，调整离子源1的照射条件中从离子源到试样的距离、放电电压、气体流量。

图6表示与离子束的离子分布调整相关的框图。作为离子源1，使用图2所示的潘宁离子源。从配管17将氩气导入离子源1，产生氩离子而被加工。

施加到离子源1的放电电压V d 和加速电压V a 由电源部60生成。另外，电源部60具有电流表，电流表61测量放电电流，电流表62测量通过来自离子源1的离子撞击到离子束测定部件7而流动的离子束电流。放电电压V d 及加速电压V a 的值由控制部63设定。

另外，离子源1固定于离子源位置调整机构5，离子源1的位置能够沿X方向、Y方向、Z方向独立地移动。

试样保护挡板9配置在驱动单元8与试样4之间，通过控制部63的控制，能够在Y方向上进行上下移动。作为试样保护挡板9的驱动源能够利用电动机、螺线管，并且为了实施移动控制，优选具有检测挡板的上下移动位置的传感器。试样保护挡板9是为了在将试样4载置于试样台2的状态下进行离子束电流分布的获取的情况下，不对试样4照射不需要的离子束而设置的。

电源部60、离子源位置调整机构5、驱动单元8、试样保护挡板9、试样台2和试样台旋转驱动源3与控制部63连接，从控制部63执行离子束电流分布的获取、离子束照射条件的调整、试样的加工。进而，控制部63与显示部64连接，作为针对控制部63的来自操作员的用户界面发挥功能，并且还进行表示控制部63收集到的超精密离子研磨仪的动作状态的传感数据的显示等。例如，作为显示在显示部64上的传感数据，包含来自电源部60的放电电压值V d 、放电电流值、放电电压值V a 、离子束电流值等。

在图6所示的超精密离子研磨仪中，使用图7对控制部63实施的离子束电流曲线的获取及离子束照射条件的调整方法进行说明。

步骤S701：控制部63控制驱动单元8，将离子束测定部件7移动到X方向的原点位置。在此，为了简化说明，将X方向的原点位置确定为与离子束照射范围的最外侧的位置一致。原点位置的获取方法不限于此。

步骤S702：控制部63实施试样保护挡板9的移动控制，使试样保护挡板9移动到射束遮挡位置。

步骤S703：控制部63控制电源部60等，通过作为当前的设定而保持的离子束照射条件从离子源1输出离子束。当前的设定是指作为试样4的加工条件而确定的离子束照射条件。通常，确定对试样4进行加工时的离子源1的加速电压、放电电压、气体流量。

步骤S704：在离子束的输出开始后，控制部63控制驱动单元8，使离子束测定部件7开始向X方向的移动。如图4中说明的那样，移动方向是从离子束照射范围的最外侧的位置(X方向的原点位置)朝向另一方的照射范围的端部的方向。控制部63进行所移动的离子束测定部件7的X方向上的当前位置的管理。

步骤S705：电流表62通过向离子束测定部件7照射来自离子源1的离子束，开始测定流过离子束测定部件7及离子束电流检测布线37的离子束电流。控制部63获取并存储通过电流表62进行了数值化的离子束电流检测值。

步骤S706：控制部63将所获取的离子束电流值作为电流检测结果显示于显示部64。显示形式优选为图5A所示的射束测定位置-离子束电流量曲线图(离子束电流分布)。另外，也可以通过未图示的LAN或串行线路等在与超精密离子研磨仪连接的主机PC上显示电流检测结果。

步骤S707：控制部63确认通过驱动单元8移动的离子束测定部件7在X方向上的当前位置，在未完成的情况下重复执行步骤S704至步骤S706直至离子束测定部件7在离子束照射范围整个区域中移动完成为止。

步骤S708：在步骤S707中，在确认离子束测定部件7完成离子束照射范围整个区域的移动的情况下，控制部63结束离子束测定部件7的移动。

步骤S709：控制部63根据离子束电流测定结果进行调整量的计算。调整量的比较对象使用在决定适用于试样4的加工的加工条件时进行同样的测定并存储于控制部63的离子束电流测定结果、或者上次测定到的离子束电流测定结果。操作员能够预先设定使用哪个比较对象。如果作为比较对象的基准离子束电流分布(基准离子分布)与作为本次测定到的离子束电流测定结果而得到的离子束电流分布(离子分布)理想地相等或以近似的方式调整离子束照射条件，则能够提高超精密离子研磨仪的试样的加工形状的再现性。近似的程度取决于所要求的试样加工形状的再现性的程度来决定即可。

但是，在本实施例中，仅通过离子束电流来观察离子分布，因此关于可调整的离子源1的参数中加速电压V a 不会变更。因为如果改变加速电压V a ，即使是相同的离子束电流试样的加工速度(研磨率)也会大幅地变化。即，在不本实施例的调整中以将使用的加工时间不作为调整对象的情况作为前提。

图8示出离子束电流分布的示意图。作为使离子束电流分布的形状一致的简单的方法，对将离子束电流分布的形状的代表值调整为其峰值P与半值宽度HW(离子束电流量成为峰值P的一半的离子束电流分布的扩展)相同的方法进行说明。这是因为如果该2个值一致，则能够评价为离子束电流分布的形状大致同等。调整的离子束照射条件的参数是离子源1的放电电压、气体流量及离子源1与试样4(或试样台2的试样载置面大致相同因此而由试样4代表)的距离D。

通过改变离子源1与试样4的距离，如图5A所示，能够主要调整峰值P的值。另外，另外，通过提高放电电压V d 能够抑制在离子源1内部产生的氩离子的扩散，其结果能够调整半值宽度HW的大小。同样地，当气体流量变大时，能够抑制在离子源1内部产生的氩离子的扩散，其结果能够调整半值宽度HW的大小。这样，通过调整离子源1和试样4的距离和放电电压V d 以及气体流量中任意一个的值，能够使离子束电流分布接近所希望的形状。如图5B所示，仅通过调整离子源1与试样4的距离和放电电压V d ，就能够得到较宽的调整区域。

在此，对使用离子束电流分布的峰值P和半值宽度HW求出调整量的例子进行了说明，但也可以提取更多的分布形状的特征量来进行调整。例如，也可以提取与分布形状的对称性相关的特征量来进行调整。

步骤S710：基于在步骤S709中计算出的调整量，调整离子束的照射条件。具体而言，控制部63基于离子源位置调整机构5的控制进行的离子源1与试样4的距离的调整、电源部60的控制进行的离子源1的放电电压V d 的控制以及气体供给机构(未图示)的控制进行的对离子源供给的气体流量的控制中步骤S709的计算结果来执行1个或多个控制。

步骤S711：在步骤S710的调整后，在再次测定离子束电流分布的情况下，从步骤S701重新执行，在不进行再测定的情况下，结束调整。

步骤S712：控制部63使试样保护挡板9移动到光束非遮挡位置，结束调整。

另外，图7的流程图是一个例子，能够进行各种变形。例如，在步骤S706中，也可以将与离子束电流测定结果和作为调整量的比较对象的基准离子束电流分布一起重叠显示。进而，在操作者通过重叠显示判断为不需要调整的情况下，也可以设置中止离子束的调整的步骤。另外，在步骤S710中，控制部63实施离子源1与试样4的距离的控制，但例如也可以将控制量显示于显示部64，操作员通过离子源位置调整机构5手动使离子源1的位置移动来进行调整。

以上，基于实施方式具体地说明了由本发明人完成的发明，但本发明并不限定于所记述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更。例如，在图1的结构中，设置有在获取离子束电流分布时放置向试样照射离子束的试样保护挡板，但在能够忽视该期间的离子束对试样的照射的情况下，也可以不设置试样保护挡板9。另外，在实施方式中以进行平面研磨加工的超精密离子研磨仪为例进行了说明，但对于进行剖面研磨加工的超精密离子研磨仪也能够应用本发明。在剖面研磨加工的情况下，有以试样台2的旋转轴(摆动轴)在Y方向上延伸的方式配置的不同，但能够通过同样的结构来调整离子束的照射条件。

附图标记的说明

1：离子源、2：试样台、3：试样台旋转驱动源、4：试样、5：离子源位置调整机构、6：试样室、7：离子束测定部件、8：驱动单元、9：试样保护挡板、10，11：阴极、12：阳极、13：永久磁铁、14：气体导入孔、15：加速电极、16：离子射出口、17：配管、30：电动机、31：伞齿轮、32：齿轮、33：轨道部件、35：基座、36：固定部件、37：离子束电流检测布线、40：试样载置面、60：电源部、61，62：电流表、63：控制部、64：显示部。

Claims (10)

1.一种超精密离子研磨仪，其特征在于，所述超精密离子研磨仪具有：离子源；试样台，其载置通过照射来自所述离子源的非聚焦离子束而被加工的试样；驱动单元，其配置在所述离子源与所述试样台之间，且使在第一方向上延伸的线状的离子束测定部件在与所述第一方向正交的第二方向上移动；以及控制部，所述控制部在从所述离子源以第一照射条件输出有所述离子束的状态下，通过所述驱动单元使所述离子束测定部件在所述离子束的照射范围内移动，通过向所述离子束测定部件照射所述离子束来测定流过所述离子束测定部件的离子束电流。

2.根据权利要求1所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述控制部存储表示所述离子束电流与测定到该离子束电流时的所述离子束测定部件的位置之间的关系的离子束电流分布。

3.根据权利要求2所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述控制部基于所述离子束电流分布来求出所述第一照射条件的调整值。

4.根据权利要求3所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述控制部对所述离子束电流分布和预先设定好的基准离子束电流分布进行比较，并求出所述第一照射条件的调整值。

5.根据权利要求4所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述控制部求出所述第一照射条件的调整值，以使得所述离子束电流分布的峰值及半值宽度与所述基准离子束电流分布的峰值及半值宽度相等或近似。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述超精密离子研磨仪具有试样室和设置于所述试样室的离子源位置调整机构，所述离子源经由所述离子源位置调整机构而安装于所述试样室，所述离子源是潘宁型离子源，所述控制部包含所述离子源的放电电压、所述离子源的气体流量、及所述离子源与所述试样的距离中的至少一个作为求出所述第一照射条件的调整值的参数。

7.根据权利要求4所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述超精密离子研磨仪具有重叠显示所述离子束电流分布和所述基准离子束电流分布的显示部。

8.根据权利要求1所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，来自所述离子源的所述离子束的离子束中心与由所述第一方向和所述第二方向形成的平面正交。

9.根据权利要求1所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，所述离子束测定部件是剖面为圆柱形状且直径为所述离子束的半值宽度以下的石墨碳的线状材料。

10.根据权利要求1所述的超精密离子研磨仪，其特征在于，在所述试样台与所述驱动单元之间具有遮挡从来自所述离子源的所述离子束对所述试样的照射的试样保护挡板。