JP2011138678A - イオンビーム加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオンビームの照射による断面加工において，断面に熱によるダメージを与えず，加工面に荒れを生じさせないイオンビーム加工方法を提供する。
【解決手段】加工すべき試料６にイオンビームを発射するイオン銃２と，試料６を下面に装着しイオンビームの一部を遮蔽する遮蔽板７とを備えるイオンビーム加工装置において，試料６の断面作成側の側面６ａに，熱伝導部材８を接触して設け、試料の上面６ｃを遮蔽板の端部７ａより、ずらして突出させて被加工部６ｂを形成し，イオンビーム４を，この被加工部６ｂの上面６ｃ，熱伝導部材８の側面近傍の上面８ｂに照射して，試料６の被加工部６ｂを研削し，加工処理を行う。断面に，加工処理による熱が発生しても，熱伝導部材８を経て外部に熱放出され，熱によるダメージで断面に荒れが生じるのを回避できる。
【選択図】図１

Description

この発明は，試料に断面加工を行うイオンビーム加工方法及び加工装置，特に加工断面において，熱によるダメージの発生を抑えるようにしたイオンビーム加工方法及びイオン加工装置に関する。

近年，複雑化，微細化が進むデバイスや，高機能化された材料の研究開発，製造プロセス開発，品質管理において，走査電子顕微鏡（ＳＥＭ），透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）およびそれらに付属する分析装置による解析が不可欠となっている。そのような中で，デバイス，材料の断面構造や内部構造を観察するためには，その構造や組成を変化させずに断面を作製することが必要となるケースが多くなっている。

上記のような材料の断面作製方法としては，試料の構造および材質，分析目的に応じて様々なものが用いられており，割段法，機械研磨法，ミクロトーム法，ＦＩＢ（集束イオンビーム）法，ＣＰ(クロスセクションポリッシャー)法などがある。これらの中で，有機物の断面作製に適しているのはミクロトーム法であるが，この方法では，試料の前処理に熟練度が必要であり，且つ，加工された断面は切断時のせん断応力の影響を受けたものになる。

一方，前記ＣＰ(クロスセクションポリッシャー)法は，ブロードなＡｒイオンビームを用いた断面作製技術であり，加工された断面は加工時の影響を比較的受けない加工方法として評価されている。

前記ＣＰ法の原理を図６に示す。図６において，試料の上にイオンビームを遮蔽するための板(遮蔽板)を置き，試料を遮蔽板より若干突き出して非遮蔽部を形成し，イオン銃からのＡｒイオンビームを，遮蔽板より突出した試料の非遮蔽部に照射して研削することによって，試料の断面を作製する。
このＣＰ法による切断は，高速イオンの運動エネルギーにより表面近傍の試料原子を弾き飛ばすことで行っている。この試料原子を弾き飛ばすといった衝撃や，切断された原子が試料断面に再付着したりすることにより，加工部(断面)に熱が発生する（例えば特許文献１参照）。このようにして，作製した試料の加工部（断面）に熱によるダメージが加わる。そのため，ＣＰ法では，このように高速イオンの運動エネルギーにより表面近傍の試料原子を弾き飛ばすことによって，熱の影響を受けやすい有機物の加工（断面作製）には適用が困難である。

特開２０００−３２９６６３号公報

上記したように，従来の高速イオンビーム照射による試料の断面加工は，加工された断面が加工時の影響を比較的受けない加工方法として有用であるが，作製した試料の断面に熱によるダメージが加わるため，熱の影響を受けやすい試料(紙面などの上に印字されたトナー，フィルム等)の断面を作製するには，上記高速イオンビーム照射による加工方法では断面作成が困難であった。そこで，熱の影響を受けやすい試料の断面作成を実現するため従来は，イオンビームの加速電圧を小さくして，イオンを長時間照射すると言った方法で断面処理を行い，熱の発生による試料のダメージ低減を試みてきた。しかし，それだけでは十分に，ダメージを抑えることが出来なかったし，長時間のイオン照射により，加工の効率が低下するものであった。

この発明は，上記問題点に着目してなされたものであって，イオンビームの照射による断面加工において，加工処理により発生する熱により，加工部（断面）にダメージを与えることのない，あるいは少なく，効率の良いイオンビーム加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のイオンビーム加工方法は，イオン銃から発射されるイオンビームを試料の被加工部に照射することで前記試料を加工するイオンビーム加工方法であって，前記試料における前記被加工部の前記イオンビームの軸線に平行，あるいは略平行な面に熱伝導部材を接触して設置しておき，前記試料の被加工部及びこれに接触された熱伝導部材に同時に前記イオンビームを照射することで，前記試料の被加工部とこれに接触して設置された前記熱伝導部材とを同時に加工するものである。
本発明のイオンビーム加工方法では，前記イオン銃と前記試料との間に遮蔽材を設置しておき，イオン銃からのイオンビームを前記遮蔽材端面を介して前記試料に照射することにより，前記遮蔽材に遮蔽されていない試料及び熱伝導部材を加工するようにしても良い。イオン銃からのイオンビームを前記遮蔽材端面を介して前記試料に照射することにより，試料の非遮蔽部に加工処理を集中させることができ，被加工部で発生する高熱を熱伝導部材を通して逃がすので，遮蔽材使用の場合でも，熱の影響を受けやすい試料にも加工処理を行うことができる。
上記した本発明のイオンビーム加工方法は，これを装置面から捉えることでイオンビーム加工装置として把握することも出来る。その場合のイオンビーム加工装置は，イオン銃から発射されるイオンビームを試料の被加工部に照射することで前記試料を加工するイオンビーム加工装置であって，前記被加工部の前記イオンビームの軸線に平行，あるいは略平行な面に熱伝導部材を接触して設置しておき，前記試料の被加工部及びこれに接触して設置された前記熱伝導部材に同時に前記イオンビームを照射することで，前記試料の被加工部とこれに接触して設置された前記熱伝導部材とを同時に加工するものが考えられる。

本発明にかかるイオンビーム加工方法によれば，前記試料の被加工部の前記イオンビームの軸線に平行，あるいは略平行な面に熱伝導部材を接触して設置しておく構成とし，試料の被加工部及び熱伝導部材に同時にイオンビームを照射することで試料の被加工部と，これに接触して設置された熱伝導部材とを同時に加工するものであるから，試料の被加工面で発生した熱を即，熱伝導部材を通して逃がすので，試料自体の温度上昇によるダメージを出来うる限り抑えることが出来る。また，温度上昇によるダメージが抑えられるのでイオン銃への電圧を下げて長時間加工するようなことが必要でなく，加工の効率を高く保つことが出来る。
これにより，具体的な数字として，溶融温度が１００℃以下の有機物の断面加工が可能となった。従って，従来，イオンビーム照射による熱の発生により，作製できる試料に制限が見られたが，本発明によって，このイオンビーム加工装置による幅広い範囲の試料への加工処理が可能となった。

この発明の一実施形態に係るイオンビーム加工装置の概略構成を示す図である。 同実施形態に係るイオンビーム加工装置で加工する試料の一例を示す断面図である。 同実施形態に係るイオンビーム加工装置を含む実施例，比較例の実験結果を表に示した図である。 同実験時の実施例１と比較例１の加工面を走査顕微鏡で撮影した写真である。 この発明の他の実施形態に係るイオンビーム加工装置の概略構成を示す図である。 従来のイオンビーム加工装置の概略構成を説明する図である。

以下，添付した図面を参照して，本発明を具体化した実施の形態により，この発明をさらに詳細に説明する。

まず，この発明の一実施形態に係るイオンビーム加工装置の概略構成を示す図１を参照する。
このイオンビーム加工装置１は，真空度：１１．５×１０―³ｐａとした真空チャンバ１ａを有し，この真空チャンバ１ａ内に，Ａｒイオンビーム４を発射するイオン銃２と，Ａｒプラズマ２ａを発生させるための電圧をイオン銃２に供給するＡｒイオン加速電圧源３と，イオン銃２からのＡｒイオンビーム４を受けて試料に加工処理を行う試料装着部５とを備えている。
この実施形態にかかるイオンビーム加工装置１における上記イオン銃２，Ａｒイオン加速電圧源３を備え，イオン銃２より試料装着部５の試料６にＡｒイオンビーム４を照射する点は，従来よりのイオンビーム加工装置と，特に変わるところはない。

更に，試料装着部５において，試料６の非加工部をＡｒイオンビーム４より遮蔽するための遮蔽板（遮蔽材）７が設けられている点も従来のイオンビーム加工装置と同様であるが，一方，試料６の加工断面６ａ作成側の側面６ｄに，熱伝導部材８を設けている点は，この実施形態に特有の構成である。具体的には，熱伝導部材８の側面８ａを試料６の側面６ｄに接触させて設置したことである。

この例では，上記熱伝導部材８としては，厚み５００μｍのシリコンウエハを使用しており，上面８ｂを試料６の上面６ｃと面一となるように，側面８ａを試料６の側面６ｄに接触させて設けている。なお，試料６は，遮蔽板７への固定の際，遮蔽板７の側端面７ａより２ｍｍ突き出して，図２に示すように被加工部６ｂとしている。これにより，試料６と熱伝導部材８の接触面６ｄ，８ａも，遮蔽板７の側端面７ａより２ｍｍ突き出した位置にあることにより，Ａｒビームを照射したときに，試料６と熱伝導部材８とが，同時に削除される。ここで使用されるシリコンの熱伝導率は１４８Ｗｍ―¹Ｋ―¹である。但し，これは一例である。

前記試料装着部５は，上記のように構成され，熱伝導部材８は，試料６の被加工部６ｂの上面（イオン照射部）６ｃ及び熱伝導部材８の被加工上面（イオン照射部）８ｂに照射されるＡｒイオンビーム４ａからみれば，前記試料６の前記被加工部６ｂの前記Ａｒイオンビーム４の軸線に平行，あるいは略平行な側面６ｄに，側面８ａを接触させた状態となっている。
上記のようにこの実施形態では，試料６の被加工部６ｂ側の側面６ｄに接触して熱伝導部材８が配置されており，これはＡｒイオンビーム４の軸線に平行な面であるが，熱伝導部材８を設ける面は，必ずしもＡｒイオンビーム４の軸線に平行でなくてもよいことは，このような傾いた面からでも十分熱を逃がすことが出来ることから理解される。この実施形態では，このような傾いた面を略平行な面としている。

以上述べた実施形態装置において，試料６に加工処理を行う場合は，イオン銃２からのＡｒイオンビーム４を，遮蔽板７の側端面７ａよりＡｒイオンビーム４の軸線の直交方向に突出した試料６の被加工部６ｂの上面６ｃ及び熱伝導部材８の側面８ｂ近傍の上面８ｂに照射し，このＡｒイオンビーム４で，該Ａｒイオンビーム４の軸線に平行，或いは略平行な試料６の被加工部６ｂ，側面６ｄを，熱伝導部材８の上面８ｂ，側面８ｂとともに同時に研削し，試料６の加工断面６ａを作製する。
この加工処理の過程で行われる断面形成のための切断は，高速イオンの運動エネルギーにより，表面近傍の試料原子を弾き飛ばすことによって行われ，この試料原子の弾き飛ばしによる切断加工や，切断された原子が試料断面に再付着したりすることにより被加工部６ｂに発生する熱が，熱伝導部材８を経て周囲に放出される。そのために，試料６の加工面６ａに熱によるダメージが加わることがなくなり，加工面６ａに熱による荒れなどが生じるのを回避できる。

このように，この実施形態装置に係るイオンビーム加工方法によれば，前記試料６における被加工部６ｂの前記Ａｒイオンビーム４の軸線に平行，あるいは略平行な側面６ｄに熱伝導部材８の側面８ａを接触して設置しておき，試料６の被加工部６ｂ及びこれに接触して設置された前記熱伝導部材８に同時にＡｒイオンビーム４を照射して前記試料の６の被加工部６ｂとこれに接触して設置された前記熱伝導部材８の側面８ａ近傍とを同時に加工するものであるから，加工処理時に被加工部６ｂで発生する熱を，熱伝導部材８を通して周囲に放出することにより，加工断面６ａで受けるダメージをなくし，加工面の荒れを回避できる。

上記実施形態にかかるイオンビーム加工方法及び加工装置においては，試料装着部５に遮蔽板７を設けているが，この発明の他の実施形態として，図５に示すように遮蔽板７を備えないイオンビーム加工装置及びこの装置を用いたイオンビーム加工方法としても良い。

上記したようにこの実施形態装置に係るイオンビーム加工方法によれば，前記試料６の前記被加工部６ｂの前記Ａｒイオンビーム４の軸線に平行，あるいは略平行な面６ｄに熱伝導部材８の側面８ａを接触して設置しておき，試料６の被加工部６ｂ及びこれに接触して設置された前記熱伝導部材８の側面８ａ近傍の上面８ｂに同時にＡｒイオンビーム４を照射して前記試料６の被加工部６ｂとこれに接触して設置された前記熱伝導部材８とを同時に加工するものであるから，加工処理時に被加工部６ｂで発生する熱を，熱伝導部材８を通して周囲に放出することにより，加工断面６ａで受けるダメージをなくし，加工断面の荒れを回避できる。

本願の発明者は，本発明のイオンビーム加工装置の効果を確認するための実験をするため，下記試料６を用意した。
この試料６は，図２に示すように，金属層６Ａとエポキシ樹脂層のベルトコート層６Ｂからなる多層のベルトである。実験は，この加工試料６を，シリコン材である熱伝導部材８を図１のように設けた場合と，これを設けない場合について，試料装着部５に装着し，加速電圧４ＫＶ，加工時間１０時間で加工処理を行った。
以上の実験で，上記熱伝導部材８を用いた場合を実施例１とし，上記熱伝導部材８を用いない場合を比較例として，それぞれについて，加工面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で，観察した。

その結果を図３の表に示す。熱の影響は，加工箇所付近，特にベルトコート層６Ｂの端面の加工面６ａに荒れが現れていない場合は熱の影響を受けていないとして○，ベルトコート層６Ｂの端面の加工面６ａに荒れが現れている場合は熱の影響を受けているとして×としている。比較例１及び実施例１の観察結果の写真を図４に示す。
この写真によると，比較例１の場合には，柔らかいベルトコート層６Ｂの端面に熱の影響で荒れが生じているが，実施例１の場合には，熱伝導部材８を通じての熱の放出により，柔らかいベルトコート層６Ｂにも荒れが生じていない。
この実験によって，試料の側面に，熱伝導部材８を接触させて装着した場合の加工処理において，試料がエポキシ樹脂層など熱の影響を受けやすい素材のものでも，加工による被加工部の熱発生で，加工面に荒れが生じないことが確認できた。
なお，熱伝導部材として，シリコンウエハ以外に，銀，金，銅，およびこれらを分散させたもの（熱伝導率：１４８Ｗｍ―¹Ｋ―¹以上のもの）を使用した場合も，上記と同様の結果が得られた。

１ イオンビーム加工装置
１ａ 真空チャンバ
２ イオン銃
３ Ａｒイオン加速電圧源
４ Ａｒイオンビーム
５ 試料装着部
６ 試料
６ａ 試料の加工断面
６ｂ 試料の被加工部
６ｃ 試料の非遮蔽部（イオン照射部）
６ｄ 試料の側面
７ 遮蔽板（遮蔽材）
８ 熱伝導部材
８ａ 熱伝導部材の側面
８ｂ 熱伝導部材の上面（イオン照射部）

Claims (3)

1. イオン銃から発射されるイオンビームを試料の被加工部に照射することで前記試料を加工するイオンビーム加工方法であって，
   前記試料の前記被加工部の前記イオンビームの軸線に平行，あるいは略平行な面に熱伝導部材を接触して設置しておき，前記試料の被加工部及びこれに接触して設置された前記熱伝導部材に同時に前記イオンビームを照射することで，前記試料の被加工部とこれに接触して設置された前記熱伝導部材とを同時に加工するイオンビーム加工方法。
2. 前記イオン銃と前記試料との間に遮蔽材を設置しておき，イオン銃からのイオンビームを前記遮蔽材端面を介して前記試料に照射することにより，前記遮蔽材に遮蔽されていない試料及び熱伝導部材を加工するようにした請求項１記載のイオンビーム加工方法。
3. イオン銃から発射されるイオンビームを試料の被加工部に照射することで前記試料を加工するイオンビーム加工装置であって，
   前記試料の前記被加工部の前記イオンビームの軸線に平行，あるいは略平行な面に熱伝導部材を接触して設置しておき，前記試料の被加工部及びこれに接触して設置された前記熱伝導部材に同時に前記イオンビームを照射することで，前記試料の被加工部とこれに接触して設置された前記熱伝導部材とを同時に加工するイオンビーム加工装置。

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