JP2007014996A - イオンミリング装置およびイオンミリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
試料とマスクとの遮蔽位置調整を精度良く行うに際して、調整に手間取らずに簡便に行うことのできる、又、試料とマスクが密着していることを確認できるイオンミリング装置、およびイオンミリング方法を提供する。
【解決手段】
マスクと試料との遮蔽位置関係の調整時に、試料マスクユニットを設置した試料マスクユニット微動機構は、試料微動ベースから取り外されて光学顕微鏡の固定台に装着され、マスクは試料に対する遮蔽位置関係が前記マスク位置調整部によって調整され、イオンミリング時に、試料に対する遮蔽位置関係が調整されたマスクを備えた試料マスクユニットを設置した試料マスクユニット微動機構が位置決め用の軸と穴によって再現性のある決まった位置で試料微動ベースに戻される。又、光学顕微鏡には別の固定台を設け、固定台に試料マスクユニットを設置し、試料とマスクが密着しているかどうかを確認できる。
【選択図】図６

Description

本発明は、走査顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型顕微鏡（ＴＥＭ）などで観察される試料を作製するためのイオンミリング装置およびイオンミリング方法に関する。

イオンミリング装置は、金属，ガラス，セラミックなどの表面あるいは断面を、アルゴンイオンビームを照射するなどして研磨するための装置であり、電子顕微鏡により試料の表面あるいは断面を観察するための前処理装置として好適である。

電子顕微鏡による試料の断面観察において、従来は観察したい部位の近傍を例えばダイヤモンドカッター，糸のこぎり等を使用して切断した後、切断面を機械研磨し、電子顕微鏡用の試料台に取り付けて像を観察していた。

機械研磨の場合、例えば高分子材料やアルミニウムのように柔らかい試料では、観察表面がつぶれる、あるいは研磨剤の粒子によって深い傷が残るといった問題があった。又、例えばガラスあるいはセラミックのように固い試料では研磨が難しく、柔らかい材料と固い材料とが積層された複合材料では、断面加工が極めて難しいという問題があった。

これに対し、イオンミリングは、柔らかい試料でも表面の形態がつぶれることなく加工できる、固い試料および複合材料の研磨が可能である。鏡面状態の断面を容易に得ることができるという効果がある。

特許文献１には、イオンミリング装置の試料ホルダおよびホルダ固定具に関して記載されている。

特許文献２には、真空チャンバ内に配置され、試料にイオンビームを照射するためのイオンビーム照射手段と、前記真空チャンバ内に配置され、前記イオンビームにほぼ垂直な方向の傾斜軸をもつ傾斜ステージと、その傾斜ステージ上に配置され、前記試料を保持する試料ホルダと、前記傾斜ステージ上に位置し、前記試料を照射するイオンビームの一部を遮る遮蔽材とを具えた試料作製装置であり、前記傾斜ステージの傾斜角を変化させながら、前記イオンビームによる試料加工を行うようにし、試料の位置調整用の光学顕微鏡が試料ステージ引出し機構の上端部に取り付けられた試料作製装置が記載されている。

特開平９−２９３４７５号公報 特開２００５−９１０９４号公報

試料の位置調整用の光学顕微鏡を試料ステージ引出機構の上端部に取り付けた従来のイオンミリング装置では、試料とマスクとの遮蔽位置調整を真空チャンバの付近であって、試料ステージ引出機構の直上という限られた空間での作業を行わなければならず、精度良く調整を行うに当って調整に手間取るということ、光学顕微鏡が試料とほぼ垂直の位置にあり、試料とマスクが密着し固定されているか確認ができないということ、又、研磨の状態は、試料を固定した試料ホルダを取り外さなければ確認できないという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みて、試料とマスクとの遮蔽位置調整を精度良く行うに際して、調整に手間取らずに簡便に行うことのできることと試料とマスクが密着し固定されているかを確認できる及び研磨状態をマスクと試料を密着させた状態のまま観測できるイオンミリング装置、およびイオンミリング方法を提供することを目的とする。

本発明は、真空チャンバに取り付けられ、試料にイオンビームを照射するイオンビーム源と、試料を固定する試料ホルダを固定する試料ホルダ固定具と、前記試料ホルダ，該試料ホルダに固定された試料の一部を遮蔽するマスク，前記試料ホルダを回転する試料回転機構および前記マスクと試料との遮蔽位置関係を調整するマスク位置調整部から構成される試料マスクユニットと、イオンビームと垂直に試料マスクユニットをXY駆動できる試料マスクユニット微動機構および前記マスクと試料との遮蔽位置関係を観測する光学顕微鏡を備えたイオンミリング装置において、前記光学顕微鏡は、前記真空チャンバから別体に構成され、前記試料マスクユニット微動機構を位置決め用の軸と穴によって再現性のある決まった位置で着脱自在に取り付ける固定台を備え、前記マスクと試料との遮蔽位置関係の調整時に、前記試料マスクユニットを設置した前記試料マスクユニット微動機構を取り外し、前記光学顕微鏡の固定台に装着され、前記マスクは試料に対する遮蔽位置関係が前記マスク位置調整部によって調整され、試料微動ベースに戻され、装着されるものであることを特徴とするイオンミリング装置を提供する。

また、本発明は、前記試料マスクユニット微動機構を位置決め用の軸と穴によって再現性のある決まった位置で着脱自在に取り付ける別の固定台も備え、前記試料マスクユニット微動機構は、試料微動ベースからの取り外し自在部を有して該試料微動ベースから位置決め用の軸と穴によって再現性のある決まった位置で着脱自在とされ、前記マスクと試料との遮蔽位置関係の調整時に、前記試料マスクユニット微動機構は前記試料微動ベースから取り外されて前記光学顕微鏡の別の固定台に装着され、前記マスクは試料に対する遮蔽位置関係が前記マスク位置調整部によって調整され、イオンミリング時に、試料に対する遮蔽位置関係が調整された前記マスクを備えた前記試料マスクユニット微動機構が前記試料微動ベースに戻され、装着されるものであることを特徴とするイオンミリングの方法を提供する。

本発明によれば、試料とマスクとの遮蔽位置関係を精度良く行うに際して、調整に手間取らずに簡便に行うことのできることと試料とマスクが密着し固定されているかを確認できる及び研磨状態をマスクと試料を密着させた状態のまま観測できるイオンミリング装置、およびイオンミリング方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明によるイオンミリング装置の構成を示したものであり、試料マスクユニットと試料ホルダ固定具が真空チャンバの内部に設置されている状態を示している。以下では、イオン源からアルゴンイオンビームを照射する場合について説明する。従って、以下でイオンビームはアルゴンイオンビームを意味するが、本実施例はアルゴンイオンビームに限定されない。

アルゴンイオンのイオン源１におけるアルゴンイオンの電流密度は、イオン源制御部７で制御される。真空チャンバ１５は真空排気系制御部９にて真空排気系６を制御して真空又は大気の状態にでき、その状態を保持できる。

試料微動ベース５は、試料３を固定する試料ホルダ２３を固定し、イオンビームの光軸に対して任意の角度に回転傾斜できるように構成されており、回転傾斜させる方向と傾斜角度は、試料微動制御部８により制御される。試料微動ベース５を回転傾斜させることにより、試料ホルダ２３に固定されている試料３をイオンビームの光軸に対して所定の角度に設定することができる。また、試料マスクユニット微動機構4は、イオンビームの光軸に対して垂直方向の前後左右、すなわち、Ｘ方向とＹ方向に移動できるように構成される。

試料微動ベース５は、真空チャンバ１５の容器壁の一部を兼ねるフランジ１０に回転機構を介して配置されており、フランジ１０をリニアガイド１１に沿って引き出して真空チャンバ１５を大気状態に開放した時に、試料微動ベース５が真空チャンバの外部へ引き出されるように構成されている。このようにして、試料ステージ引出機構が構成される。

試料マスクユニット本体の構成を図２により説明する。図２の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。実施例では、少なくとも試料ホルダ２３とその回転機構、マスク２とその微調整機構とを一体に構成したものを試料マスクユニット（本体）２１と称する。図２では、試料ホルダ２３の回転機構として試料ホルダ回転リング２２と試料ホルダ回転ねじ２８が備えられており、イオンビームの光軸に対して、垂直に試料ホルダを回転できるようにしている。試料ホルダ回転リング２２は、試料ホルダ回転ねじ２８を回すことによって回転するように構成されており、逆回転はばね２９のばね圧で戻るようになっている。

試料マスクユニット２１は、マスクの位置と回転角を微調整できる機構を持ち、試料マスクユニット微動機構4に取り付け、取り外しができる。

マスク２はマスクホルダ２５にマスク固定ねじ２７により固定される。マスクホルダ２５はマスク微調整機構（すなわちマスク位置調整部）２６を操作することによってリニアガイド２４に沿って移動し、これにより試料３とマスク２の位置が微調整される。試料ホルダ２３は、下部側より試料ホルダ回転リング２２に挿入され固定される。試料３は試料ホルダ２３に接着固定される。試料ホルダ位置制御機構３０により試料ホルダ２３の高さ方向の位置を調整し、試料ホルダ２３をマスク２に密着させる。

図３は、試料マスクユニット２１の他の例を示す。この例にあっては、試料ホルダ固定金具３５を使用しており、他の構成は図２に示す例と基本的に同一である。図３（ａ）は、試料３を固定した試料ホルダ２３を試料マスクユニット２１内に装着した状態を示し、図３（ｂ）は試料３を固定した試料ホルダ２３を試料マスクユニット２１から取り外した状態を示す。

図４は、試料の断面とマスクを平行にする方法を示した説明図である。
試料ホルダ回転ねじ２８を回してＸ１方向の位置調整を行い、試料３の断面とマスク２の稜線が平行になるよう後述するようにして顕微鏡下で微調整する。このとき、試料３の断面がマスクより僅かに突出、例えば５０μｍ程度突出するようにマスク微調整機構２６を回して設定する。

図５は、試料ステージ引出機構３０の構成を示す。試料ステージ引出機構３０は、リニアガイド１１とこれに固着されたフランジ１０からなり、フランジ１０に固着された試料微動ベース５は、リニアガイド１０に沿って真空チャンバ１５から引き出される。この操作に伴って、試料微動ベース５に試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4を設置、すなわちマスク２，試料ホルダ２３，試料３が真空チャンバ１５から一体的に引き出される。

本実施例において、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４は、試料微動ベース５に着脱自在に固定される構成を有する。従って、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４が真空チャンバ１５の外部に引き出されると、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を試料微動ベース５から着脱可能状態とされる。（試料マスクユニット２１の着脱スタンバイ）

図５は、このような着脱自在の状態から、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4が着脱された状態を示す。この着脱は人手によって、もしくは適当な器具によって行う。

一方、マスク２と試料３との遮蔽位置関係を観測する光学顕微鏡４０は、図６に示すように、真空チャンバ１５から別体に構成され、任意の場所に配置することが可能とされる。そして、光学顕微鏡４０は、周知のルーぺ１２，ルーペ微動機構１３を備える。更に、光学顕微鏡４０は、観測台４１上に取り外された試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4を装置するための固定台４２が設けてあり、位置決め用の軸と穴によって再現性のある決まった位置に試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4は、固定台４２上に設置される。

図７は、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を固定台４２上に固定した状態を示す。

図８は、試料３の断面研磨したい部位をイオンビーム中心に合わせる方法を示した説明図である。感光紙等を試料ホルダ２３に取り付け、イオンビームを照射することによりできた痕、すなわちビーム中心とルーペの中心をルーペ微動機構１３でＸ２，Ｙ２を駆動して合わせておく。図３で試料３を設置した後の試料マスクユニット本体２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を固定台４２に設置する。固定台４２のＸ３，Ｙ３方向の位置を調整してルーペ中心に合わせることで、イオンビーム中心と断面研磨したい部位を合わせることができる。

このように、マスク２と試料３との遮蔽位置関係の調整時に、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４は、試料微動ベース５から取り外されて光学顕微鏡４０の固定台４２に装着され、マスク２は試料３に対する遮蔽位置関係がマスク位置調整部（マスク微調整機構）によって調整される。

図９は、イオンビームで試料３の断面を鏡面研磨する方法を示した説明図である。アルゴンイオンビームを照射すると、マスク２で覆われていない試料３をマスク２に沿って、深さ方向に取り除くことができ、且つ、試料３の断面の表面を鏡面研磨することができる。

このように、イオンミリング時に試料に対する遮蔽位置関係が調整されたマスク２を備えた試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4が試料微動ベース5に戻され、装着されることになる。

以上のように、マスク２と試料３との遮蔽位置関係の調整時に、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4を試料微動ベース５から取り外して光学顕微鏡４０の固定台４２に装着し、マスクの試料３に対する遮蔽位置関係を調整し、イオンミリング時に、試料に対する遮蔽位置関係が調整されたマスク２を備えた試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構4を真空チャンバ１５内に戻し、試料微動ベース5に装着するようにしたイオンミリング方法が構成される。

又、図１０に示すように、前記光学顕微鏡４０には、前記試料マスクユニット２１を光軸に対して傾斜（例えば３０°）した状態で設置できる別の固定台４２も取り付けられるようにして、前記試料３とマスク２の位置を調整後、試料マスクユニット２１を傾斜した状態で光学顕微鏡下に設置して、前記試料３とマスク２が隙間なく密着していることを光学顕微鏡４０で確認できる方法も構成される。

近年、特に半導体分野で、複合材料を電子顕微鏡で断面観察することが重要となってきており、複合材料の断面を鏡面研磨する重要性が増している。本実施例により、試料の断面観察したい部位にマスクを精度よく、容易に設定することが可能になった。本実施例において、複数個のマスク試料ユニット２１を備えるようにすれば、あらかじめ多くの試料をマスク位置が微調整された状態で準備することが可能になり、きわめて効率的である。

本発明の一実施例によるイオンミリング装置の概略構成図である。 試料マスクユニットの概略構成図である。 試料マスクユニットの他の例を示す図である。 試料の断面とマスクを平行にする方法を示した説明図である。 試料微動ベースを引き出し、試料マスクユニットを設置した試料マスクユニット微動機構を着脱した状態を示す図である。 別体と設けられた光学顕微鏡に試料マスクユニットを設置した試料マスクユニット微動機構を装着する状態を示す図である。 試料マスクユニットを設置した試料マスクユニット微動機構を光学顕微鏡に装着した状態を示す図である。 アルゴンイオンビーム中心と試料の断面研磨したい部位とを合わせる方法を示した説明図である。 イオンミリングによる試料断面研磨方法を示した説明図である。 図７に示す例の他の装置状態を示す図である。

符号の説明

１…イオン源、２…マスク、３…試料、４…試料マスクユニット微動機構、５…試料微動ベース、６…真空排気系、７…イオン源制御部、８…試料微動制御部、９…真空排気系制御部、１０…フランジ、１１…リニアガイド、１２…ルーペ、１３…ルーペ微動機構、１５…真空チャンバ、２１…試料マスクユニット、２２…試料ホルダ回転リング、２３…試料ホルダ、２４…リニアガイド、２５…マスクホルダ、２６…マスク微調整機構、２７…マスク固定ネジ、２８…試料ホルダ回転ねじ、３０…試料ホルダ位置制御機構、３５…試料ホルダ固定金具、４０…光学顕微鏡、４１…観測台、４２…固定台。

Claims (3)

1. 真空チャンバに取り付けられ、試料にイオンビームを照射するイオンビーム源と、試料を固定する試料ホルダ、該試料ホルダに固定された試料の一部を遮蔽するマスク，前記試料ホルダを回転する試料回転機構および前記マスクと試料との遮蔽位置関係を調整するマスク位置調整部から構成される試料マスクユニットとイオンビームと垂直に試料マスクユニットをXY駆動できる試料マスクユニット微動機構と前記試料マスクユニット微動機構を真空チャンバ内で設置できる試料微動ベースおよび前記マスクと試料との遮蔽位置関係を観測する光学顕微鏡とを備えたイオンミリング装置において、
   前記光学顕微鏡は、前記真空チャンバから別体に構成され、前記試料マスクユニット微動機構を取り付けにおいて再現性のある位置で着脱自在に取り付けられる固定台を備え、
   前記試料マスクユニット微動機構は、該試料微動ベースから再現性のある位置で着脱自在とされ、イオンビームを照射したい位置に試料を移動させるために、前記光学顕微鏡の固定台に前記試料マスクユニット微動機構を取り付け、目的の位置に試料を移動後に、前記マスクは試料に対する遮蔽位置関係が前記マスク位置調整部によって調整され、イオンミリング時に、試料に対する遮蔽位置関係が調整された前記マスクを備えた前記試料マスクユニットを取り付けた試料マスクユニット微動機構が前記試料微動ベースに戻され、装着されるものであること
   を特徴とするイオンミリング装置。
2. 請求項１において、前記光学顕微鏡には、前記試料マスクユニットを光軸に対して傾斜（例えば３０°）した状態で設置できる固定台も取り付けられるようになっていて、前記試料とマスクの位置を調整後、試料マスクユニットを傾斜した状態で光学顕微鏡下に設置して、前記試料とマスクが隙間なく密着していることを光学顕微鏡で確認できることを特徴とするイオンミリング装置
3. 請求項１、２において、試料とマスクの位置調整をし、イオンビーム照射により試料を研磨した後、前記試料マスクユニットを前記試料マスクユニット微動機構から取り外し、前記試料とマスクの関係をそのままの状態で試料の研磨面の状態を光学顕微鏡又はSEMで確認し、研磨が不充分な場合は、前記試料とマスクの関係をそのままの状態で、前記試料マスクユニット微動機構に取り付け、同じ位置でイオンビーム照射による研磨を続けることができることを特徴とするイオンミリング装置
   

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