JP2012068227A - Ion milling device and method - Google Patents

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Masayuki Nishizawa
正行 西澤
Motonori Nakamura
元宣 中村
Akichika Ueno
安基親 上野
Shuichi Goto
修一 後藤
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SANYU ELECTRON CO Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
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SANYU ELECTRON CO Ltd
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion milling device and method capable of directly cooling a surface of a sample irradiated with an ion beam at the time of milling by irradiating the sample with the ion beam.SOLUTION: An ion milling device comprises; a sampling stage 1 where a sample S is placed; an ion source 2 for generating an ion beam with which the sample S is irradiated; a sample chamber 3 maintaining a storage space of the sampling stage 1 as a predetermined vacuum; and refrigerant supplying means 5 for supplying a gaseous refrigerant to cool the sample S inside the sample chamber 3. A surface of the sample irradiated with the ion beam can be directly cooled by the gaseous refrigerant by supplying the gaseous refrigerant inside the sample chamber.

Description

本発明は、イオンビームにより試料のミリングを行った際、試料の温度上昇を抑制できるイオンミリング装置とイオンミリング方法に関する。   The present invention relates to an ion milling apparatus and an ion milling method that can suppress a temperature rise of a sample when the sample is milled by an ion beam.

SEMの観察試料の作製や、半導体などの微細加工を行う装置として、イオンミリング装置が知られている。この装置は、試料チャンバ内の試料台に設置した試料にイオンビームを照射し、試料表面を除去する装置である。イオンビームが照射された試料は、例えば100℃以上に達する温度上昇を伴うため、耐熱性の低い材料を試料に含む場合、試料が熱劣化することがある。その場合、試料の形態や構造が変化し、当該試料を顕微鏡観察しても正確な試料の情報が得られなかったり、所望の微細加工が行えない虞がある。この試料の温度上昇対策として、特許文献1では、試料の冷却機構を備えた試料断面作製装置を開示している。具体的には、試料を部分的に覆ってイオンビームを部分的に遮蔽する第1の遮蔽材と、試料と試料支持部材に密着されて冷却部となる第2の遮蔽材と、両遮蔽材を断熱する熱遮断部とを備え、第2の遮蔽材には、液体窒素などにより冷却される冷却伝導用編組線が取り付けられている。この装置によれば、第1の遮蔽材によりイオンビームの試料への照射範囲が制限されて試料の温度上昇を抑制すると共に、第2の遮蔽材と冷却伝導用編組線を介して試料の熱を放熱することで、試料の熱劣化を抑制できるとされる。   An ion milling device is known as a device for producing a specimen for SEM observation or performing microfabrication of a semiconductor or the like. This apparatus is an apparatus that removes a sample surface by irradiating a sample placed on a sample stage in a sample chamber with an ion beam. Since the sample irradiated with the ion beam is accompanied by a temperature rise reaching, for example, 100 ° C. or more, the sample may be thermally deteriorated when the sample includes a material having low heat resistance. In that case, the form and structure of the sample change, and there is a possibility that accurate sample information cannot be obtained even if the sample is observed with a microscope, or desired fine processing cannot be performed. As a countermeasure against the temperature rise of the sample, Patent Document 1 discloses a sample cross-section preparation apparatus provided with a sample cooling mechanism. Specifically, a first shielding material that partially covers the sample and partially shields the ion beam, a second shielding material that is in close contact with the sample and the sample support member and serves as a cooling unit, and both shielding materials And a heat conduction braided wire that is cooled by liquid nitrogen or the like is attached to the second shielding material. According to this apparatus, the irradiation range of the ion beam to the sample is restricted by the first shielding material to suppress the temperature rise of the sample, and the heat of the sample is passed through the second shielding material and the braided wire for cooling conduction. It is said that heat deterioration of the sample can be suppressed by radiating heat.

特開2009-145050号公報JP 2009-145050

しかし、上記の従来技術には、次のような問題があった。   However, the above prior art has the following problems.

(1)試料におけるイオンビームの照射面を直接冷却することができない。
試料のうち熱劣化を抑制したい箇所は、イオンビームの照射によりミリングが行われる照射面である。ところが、この照射面自体を第2の遮蔽材で覆うことはできないため、試料の照射面以外の面に第2の遮蔽材を接触させ、その接触面を介した熱伝導により試料を冷却することになる。そのため、効率的に試料の照射面を冷却することができない。特に、SEMの観察試料の一つとして用いられる樹脂包埋試料は、熱伝導性の低い樹脂により試料が覆われているため、前記接触面を介して照射面を冷却することは冷却効率が低い。
(1) The irradiation surface of the sample with the ion beam cannot be directly cooled.
A portion of the sample where thermal degradation is desired to be suppressed is an irradiation surface on which milling is performed by ion beam irradiation. However, since this irradiation surface itself cannot be covered with the second shielding material, the second shielding material is brought into contact with a surface other than the irradiation surface of the sample, and the sample is cooled by heat conduction through the contact surface. become. For this reason, the irradiated surface of the sample cannot be efficiently cooled. In particular, since a resin-embedded sample used as one of SEM observation samples is covered with a resin having low thermal conductivity, cooling the irradiated surface through the contact surface has low cooling efficiency. .

(2)試料の冷却と常温への復帰に時間がかかる。
第2の遮蔽材と冷却伝導用編組線を用いた熱伝導による冷却では、液体窒素などを用いて、試料台を例えば-120℃程度にまで冷却する。そのため、試料の試料台への設置からミリングの開始まで約1時間を要する。一方、ミリング終了後は、試料チャンバの大気解放時に結露を防ぐため、試料及びその周辺を常温に復帰するには約30分を要する。
(2) It takes time to cool the sample and return to room temperature.
In the cooling by heat conduction using the second shielding material and the braided wire for cooling conduction, the sample stage is cooled to, for example, about −120 ° C. using liquid nitrogen or the like. Therefore, it takes about 1 hour from setting the sample on the sample stage to starting milling. On the other hand, after milling is completed, it takes about 30 minutes to return the sample and its surroundings to room temperature to prevent condensation when the sample chamber is released to the atmosphere.

(3)大型の試料全体を均一的に冷却することが難しい。
顕微鏡用試料を作製する場合、試料台には大型の樹脂包埋試料を設置することがあり、試料台は約50mmφと大型である。そのため、試料台の全面を均一に冷却することが難しく、その試料台に搭載される試料を均一に冷却することも難しい。
(3) It is difficult to uniformly cool the entire large sample.
When preparing a sample for a microscope, a large resin-embedded sample may be placed on the sample stage, and the sample stage is as large as about 50 mmφ. For this reason, it is difficult to uniformly cool the entire surface of the sample table, and it is also difficult to uniformly cool the sample mounted on the sample table.

(4)試料台の回転や傾斜に対応することが難しい。
イオンミリング装置の試料台は、試料の広範囲を均一にミリングするため、通常、試料を傾斜させた状態で回転させることができる。ところが、上記の冷却機構では、試料と第2の遮蔽材との固体間接触、或いは第2の遮蔽材と冷却伝導用編組線との固体間接触を確保する必要上、試料台の駆動に対応することが難しい。
(4) It is difficult to cope with the rotation and inclination of the sample stage.
Since the sample stage of the ion milling apparatus uniformly mills a wide range of the sample, it can usually be rotated with the sample tilted. However, in the above cooling mechanism, it is necessary to secure the solid-solid contact between the sample and the second shielding material or the solid-solid contact between the second shielding material and the braided wire for cooling conduction. Difficult to do.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、イオンビームを試料に照射してミリングを行う際、試料におけるイオンビームの照射面を直接冷却することができるイオンミリング装置とイオンミリング方法とを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the purposes thereof is an ion that can directly cool an irradiation surface of an ion beam on a sample when the sample is irradiated with an ion beam for milling. It is to provide a milling apparatus and an ion milling method.

本発明の他の目的は、迅速に試料の冷却と常温への復帰ができるイオンミリング装置とイオンミリング方法とを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide an ion milling apparatus and an ion milling method that can quickly cool a sample and return it to room temperature.

本発明の別の目的は、試料全体を均一的に冷却し易いイオンミリング装置とイオンミリング方法とを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide an ion milling apparatus and an ion milling method that can easily cool the entire sample uniformly.

本発明のさらに別の目的は、回転する試料台に設置された試料でも容易に冷却できるイオンミリング装置とイオンミリング方法とを提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide an ion milling apparatus and an ion milling method capable of easily cooling even a sample placed on a rotating sample stage.

本発明者らは、固体間接触による熱伝導を利用して試料を冷却することから発想を転換し、試料からの熱を試料チャンバの外部に移動させる搬送媒体として気体冷媒を利用することで上記の目的を達成できるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。   The inventors changed the idea by cooling the sample using heat conduction by contact between solids, and used the gas refrigerant as a transport medium for moving the heat from the sample to the outside of the sample chamber. As a result, the present invention has been completed.

本発明のイオンミリング装置は、試料が設置される試料台と、前記試料に照射するイオンビームを発生させるイオン源と、前記試料台の収納空間を所定の真空に保持する試料チャンバと、前記試料を冷却するための気体冷媒を前記試料チャンバ内に供給する冷媒供給手段とを備えることを特徴とする。   The ion milling apparatus of the present invention includes a sample stage on which a sample is placed, an ion source that generates an ion beam that irradiates the sample, a sample chamber that holds a storage space of the sample stage in a predetermined vacuum, and the sample And a refrigerant supply means for supplying a gaseous refrigerant for cooling the sample into the sample chamber.

この構成によれば、気体冷媒を試料チャンバ内に供給することで、試料におけるイオンビームの照射面を直接気体冷媒で冷却することができる。そのため、試料の最も冷却したい箇所を効率的に冷却ができると共に、気体冷媒の種類や供給条件の調整などにより、試料の過度の冷却も容易に回避でき、試料チャンバ内への試料の導入、ミリングの開始・終了、試料の取り出しといった一連の作業を円滑に行える。また、気体冷媒の種類や供給条件の調整などにより、試料のサイズや形状に応じた冷却も容易に実現できる。さらに、試料の冷却を固体間接触による熱伝導に依存しないため、回転や傾斜といった試料台の駆動にも影響を受けることなく試料を冷却することができる。   According to this configuration, by supplying the gaseous refrigerant into the sample chamber, the irradiation surface of the ion beam in the sample can be directly cooled by the gaseous refrigerant. For this reason, it is possible to efficiently cool the most desired part of the sample and to avoid excessive cooling of the sample easily by adjusting the type of gas refrigerant and supply conditions, and introducing and milling the sample into the sample chamber. A series of operations such as start / end of sample and removal of sample can be performed smoothly. In addition, cooling according to the size and shape of the sample can be easily realized by adjusting the type of gas refrigerant and supply conditions. Furthermore, since the cooling of the sample does not depend on the heat conduction caused by the contact between the solids, the sample can be cooled without being affected by the driving of the sample stage such as rotation and tilt.

本発明装置の一形態として、前記冷媒供給手段は、前記試料チャンバ内において、試料に気体冷媒を噴射するように配置されたノズルを備えることが挙げられる。   As one form of this invention apparatus, the said refrigerant | coolant supply means is provided with the nozzle arrange | positioned so that a gaseous refrigerant | coolant may be injected into a sample in the said sample chamber.

本発明の装置では、気体冷媒は、試料チャンバ内に供給できれば、その供給経路は特に問わない。但し、試料に気体冷媒を噴射するノズルを試料チャンバ内に設ければ、試料チャンバに気体冷媒の導入口を設けて同チャンバ内全体を冷却する場合に比べて、より局所的かつ効率的に試料の照射面を冷却することができる。   In the apparatus of the present invention, the supply path is not particularly limited as long as the gaseous refrigerant can be supplied into the sample chamber. However, if a nozzle for injecting a gaseous refrigerant to the sample is provided in the sample chamber, the sample can be more locally and efficiently compared to a case where an inlet for the gaseous refrigerant is provided in the sample chamber to cool the entire chamber. The irradiated surface can be cooled.

本発明装置の一形態として、上記ノズルを備える場合、前記冷媒供給手段は、気体冷媒の噴射方向及び試料までの距離を調整するノズルの可変機構を備えることが挙げられる。   As an aspect of the apparatus of the present invention, when the nozzle is provided, the refrigerant supply means may include a nozzle variable mechanism that adjusts the jet direction of the gas refrigerant and the distance to the sample.

ノズルの可変機構を備えることで、試料のサイズや形状に応じて適切な位置にノズルを配置することができ、より効率的で信頼性の高い試料の冷却を行うことができる。   By including the variable mechanism of the nozzle, the nozzle can be arranged at an appropriate position according to the size and shape of the sample, and the sample can be cooled more efficiently and reliably.

本発明装置の一形態として、前記気体冷媒が不活性ガスとすることが好ましい。   As one form of the device of the present invention, the gas refrigerant is preferably an inert gas.

気体冷媒が不活性ガスであれば、気体冷媒が試料と反応することもなく、試料に変質を生じさせることなく試料の冷却を行うことができる。   When the gaseous refrigerant is an inert gas, the gaseous refrigerant does not react with the sample, and the sample can be cooled without causing alteration of the sample.

本発明装置の一形態として、さらに、前記イオンビームの試料への照射と前記気体冷媒の試料チャンバ内への供給とを切り替えて行う切替手段を備えることが挙げられる。   One aspect of the apparatus of the present invention further includes a switching unit that switches between irradiation of the sample with the ion beam and supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber.

この切替手段によりイオンビームの試料への照射と気体冷媒の試料チャンバ内への供給とを切り替えることで、試料のミリングと冷却とを切り替えることができ、試料の過度の加熱や冷却を抑制することができる。また、イオンビームの発生に必要な真空度と試料の冷却に必要な試料チャンバ内の真空度とが異なる場合でも、試料のミリングと冷却の各々に適切な異なる真空度を容易に実現できる。   By switching the irradiation of the ion beam to the sample and the supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber by this switching means, the sample can be switched between milling and cooling, and excessive heating and cooling of the sample can be suppressed. Can do. Further, even when the degree of vacuum necessary for generating the ion beam and the degree of vacuum in the sample chamber necessary for cooling the sample are different, different degrees of vacuum appropriate for each of the sample milling and cooling can be easily realized.

本発明装置の一形態として、前記切替手段を備える場合、当該切替手段は、予め設定された切替条件を記憶する記憶手段と、この記憶手段から読み出した切替条件に基づいて前記イオンビームの照射と気体冷媒の供給とを切替動作させる切替制御手段とを備えることが好ましい。   When the switching unit is provided as an aspect of the present invention device, the switching unit stores a switching condition set in advance, and irradiation of the ion beam based on the switching condition read from the storage unit. It is preferable to include a switching control means for switching the supply of the gaseous refrigerant.

この構成によれば、所望の切替条件にて、自動的に試料のミリングと冷却とを切り替えることができ、イオンミリング装置を容易に動作させることができる。   According to this configuration, the milling and cooling of the sample can be automatically switched under a desired switching condition, and the ion milling apparatus can be easily operated.

本発明装置の一形態として、前記イオン源は、前記試料チャンバに連通して、前記イオンビームの発生空間を所定の真空に保持するプラズマチャンバを備える形態が挙げられる。その場合、イオンミリング装置は、さらに前記試料チャンバとプラズマチャンバとを異なる真空度に保持する差動排気機構を備える構成とすることが好ましい。   As an aspect of the apparatus of the present invention, the ion source may include a plasma chamber that communicates with the sample chamber and holds the ion beam generation space in a predetermined vacuum. In that case, it is preferable that the ion milling apparatus further includes a differential evacuation mechanism that holds the sample chamber and the plasma chamber at different degrees of vacuum.

差動排気機構を備えることで、プラズマチャンバ内はイオンの発生に適切な高真空に、試料チャンバ内は気体冷媒の導入により試料の放熱に適切な低真空にすることができ、試料のミリングを行いながら同時に試料の冷却を行うことができる。そのため、試料チャンバ内への試料の導入、ミリングの開始・終了、試料の取り出しといった一連の作業を特に円滑に行える。   By providing a differential pumping mechanism, the plasma chamber can be set to a high vacuum suitable for the generation of ions, and the sample chamber can be set to a low vacuum suitable for heat dissipation of the sample by introducing a gas refrigerant. The sample can be cooled at the same time. Therefore, a series of operations such as introduction of the sample into the sample chamber, start / end of milling, and removal of the sample can be performed particularly smoothly.

本発明装置の一形態として、さらに、前記気体冷媒を冷却する冷却機構を備えることが挙げられる。   As one form of this invention apparatus, providing further the cooling mechanism which cools the said gaseous refrigerant is mentioned.

冷却機構により気体冷媒を所定温度に冷却することができ、低温の冷媒を試料チャンバ内に供給することで、より効率的な試料の冷却を行うことができる。   The gas refrigerant can be cooled to a predetermined temperature by the cooling mechanism, and the sample can be cooled more efficiently by supplying the low-temperature refrigerant into the sample chamber.

一方、本発明の第一のイオンミリング方法は、次の工程を含む。
イオンミリング工程:プラズマチャンバ内で生成したイオンビームを試料に照射することで当該試料の表面を除去する。
冷却工程:前記プラズマチャンバに連通して前記試料を収納する試料チャンバ内に気体冷媒を供給することで当該試料を冷却する。
そして、前記イオンミリング工程と冷却工程とを切り替えて行うことを特徴とする。
On the other hand, the first ion milling method of the present invention includes the following steps.
Ion milling process: The surface of the sample is removed by irradiating the sample with an ion beam generated in the plasma chamber.
Cooling step: The sample is cooled by supplying a gaseous refrigerant into the sample chamber that communicates with the plasma chamber and stores the sample.
Then, the ion milling process and the cooling process are switched and performed.

イオンミリング工程と冷却工程との切り替えにより、試料の過度の加熱や冷却を抑制することができる。また、試料のミリングと冷却の各々に適切な異なる真空度を容易に実現することもできる。   By switching between the ion milling process and the cooling process, excessive heating and cooling of the sample can be suppressed. Also, different degrees of vacuum suitable for each of sample milling and cooling can be easily realized.

本発明の第二のイオンミリング方法は、次の工程を含む。
イオンミリング工程:プラズマチャンバ内で生成したイオンビームを試料に照射することで当該試料の表面を除去する。
冷却工程:前記プラズマチャンバに連通して前記試料を収納する試料チャンバ内に気体冷媒を供給することで当該試料を冷却する。
そして、前記プラズマチャンバ内と試料チャンバ内とを差動排気して、前記イオンミリング工程と冷却工程とを同時に行うことを特徴とする。
The second ion milling method of the present invention includes the following steps.
Ion milling process: The surface of the sample is removed by irradiating the sample with an ion beam generated in the plasma chamber.
Cooling step: The sample is cooled by supplying a gaseous refrigerant into the sample chamber that communicates with the plasma chamber and stores the sample.
The plasma chamber and the sample chamber are differentially evacuated, and the ion milling process and the cooling process are performed simultaneously.

この方法によれば、イオンミリング工程と冷却工程とを同時に行うことができ、試料チャンバ内への試料の導入、ミリングの開始・終了、試料の取り出しといった一連の作業を特に円滑に行える。   According to this method, the ion milling process and the cooling process can be performed simultaneously, and a series of operations such as introduction of the sample into the sample chamber, start / end of milling, and removal of the sample can be performed particularly smoothly.

上記第一・第二の本発明方法の一形態として、前記冷却工程は、前記試料チャンバ内に設けられたノズルから気体冷媒を直接試料に噴射して行うことが挙げられる。   As one form of the first and second methods of the present invention, the cooling step may be performed by directly injecting a gaseous refrigerant from a nozzle provided in the sample chamber.

ノズルから気体冷媒を直接試料に噴射することで、試料のみをより特定的かつ効率的に冷却することができる。   By jetting the gaseous refrigerant directly from the nozzle onto the sample, only the sample can be cooled more specifically and efficiently.

本発明のイオンミリング装置及びイオンミリング方法によれば、イオンビームを試料に照射してミリングを行う際、試料の温度上昇を抑制できる。そのため、熱に弱い試料であっても、試料の熱劣化をできるだけ抑制することができる。   According to the ion milling apparatus and the ion milling method of the present invention, when performing the milling by irradiating the sample with the ion beam, the temperature rise of the sample can be suppressed. Therefore, even if the sample is vulnerable to heat, thermal degradation of the sample can be suppressed as much as possible.

実施形態1に係るイオンミリング装置の機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of an ion milling apparatus according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係るイオンミリング装置の機能ブロック図である。6 is a functional block diagram of an ion milling apparatus according to Embodiment 2. FIG. 実施形態2の装置の動作手順を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating an operation procedure of the apparatus according to the second embodiment. 実施形態3に係るイオンミリング装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of an ion milling apparatus according to Embodiment 3. 試験例1の試験結果を示すグラフである。6 is a graph showing test results of Test Example 1. 試験例2の試験結果を示すグラフである。10 is a graph showing test results of Test Example 2. 試験例3の試験結果を示すグラフである。10 is a graph showing test results of Test Example 3. 試験例4の試験結果を示すグラフである。10 is a graph showing test results of Test Example 4. 試験例5−1の試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the test result of Test Example 5-1. 試験例5−2の試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the test result of test example 5-2. 試験例6の撮影結果を示す顕微鏡写真である。10 is a photomicrograph showing the imaging result of Test Example 6.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。ここでは、SEMなどの電子顕微鏡の試料を作製するイオンミリング装置を例として、本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, an embodiment of the present invention will be described by taking an ion milling apparatus for producing a sample of an electron microscope such as an SEM as an example.

〔実施形態1〕
(全体構成)
図1に示すイオンミリング装置は、試料Sを搭載する試料台1と、その試料Sに照射するイオンビームを生成するイオン源2と、試料台1を収納して、試料周辺の雰囲気を所定の真空度に保持する試料チャンバ3と、イオンビームの照射などの動作を制御するコンピュータ4とを備える。そして、本発明装置の主たる特徴とするところは、この試料チャンバ3内に気体冷媒を供給する冷媒供給手段5を備えることにある。以下、各部の構成をより詳しく説明する。
Embodiment 1
(overall structure)
The ion milling apparatus shown in FIG. 1 accommodates a sample stage 1 on which a sample S is mounted, an ion source 2 that generates an ion beam that irradiates the sample S, and the sample stage 1 to create a predetermined atmosphere around the sample. A sample chamber 3 for maintaining a degree of vacuum and a computer 4 for controlling operations such as ion beam irradiation are provided. The main feature of the apparatus of the present invention is that the sample chamber 3 is provided with a refrigerant supply means 5 for supplying a gaseous refrigerant. Hereinafter, the configuration of each unit will be described in more detail.

(試料台)
試料台1は、試料Sの搭載される台である。この試料台1は、試料Sの設置面を傾斜させた状態で回転できる構成となっている。この傾斜状態での回転を行うことで、試料Sの広範囲を均一にミリングすることができる。特に、ユーセントリック機能を備えた試料台1が好適に利用できる。ユーセントリック機能を備えることで、試料Sの着目点を基準に試料Sの傾斜・回転を行うことができる。なお、後述する各試験例では、模擬試料のイオンビームが照射される面(照射面)の温度を測定するため、熱電対(図示略)に接続された温度計11と、その計測データを取得するためのデータロガー13が設けられている。熱電対は、イオンミリング装置のフィールドスルーフランジ(図示略)を介して試料チャンバ3内に導入される。
(Sample stage)
The sample stage 1 is a stage on which the sample S is mounted. This sample stage 1 is configured to be able to rotate with the installation surface of the sample S inclined. By rotating in this inclined state, the wide range of the sample S can be uniformly milled. In particular, the sample stage 1 having a eucentric function can be preferably used. By providing the eucentric function, the sample S can be tilted and rotated with reference to the point of interest of the sample S. In each test example to be described later, in order to measure the temperature of the surface (irradiation surface) irradiated with the ion beam of the simulated sample, a thermometer 11 connected to a thermocouple (not shown) and its measurement data are acquired. A data logger 13 is provided. The thermocouple is introduced into the sample chamber 3 through a field through flange (not shown) of the ion milling device.

(イオン源)
イオン源2は、ガスをイオン化するための空間を所定の真空度に保持するプラズマチャンバ21と、そのチャンバ21内で前記ガスを電離させてイオンを生成し、そのイオンをビームとして加速するためのビーム発生部23を備える。このイオン源2自体には、各種の公知の構成が利用できる。
(Ion source)
The ion source 2 is a plasma chamber 21 that maintains a space for ionizing a gas at a predetermined degree of vacuum, ionizes the gas in the chamber 21 to generate ions, and accelerates the ions as a beam. A beam generator 23 is provided. Various known configurations can be used for the ion source 2 itself.

<プラズマチャンバ>
プラズマチャンバ21は、その内部をビーム発生部23でイオンビームを生成するのに好ましい圧力に保持するための真空容器である。このプラズマチャンバ21にはマスフローコントローラ21Bなどの流量調整弁が接続され、イオンを生成するためのガス、例えばアルゴンガスが流量調整弁を介してプラズマチャンバ21内に導入される。プラズマチャンバ21に導入されるガスは、アルゴンに限定されるわけではない。イオンビームの生成に好ましいプラズマチャンバ21内の圧力は、0.02〜0.08Pa程度である。
<Plasma chamber>
The plasma chamber 21 is a vacuum container for keeping the inside at a pressure suitable for generating an ion beam by the beam generator 23. A flow rate adjusting valve such as a mass flow controller 21B is connected to the plasma chamber 21, and a gas for generating ions, such as argon gas, is introduced into the plasma chamber 21 via the flow rate adjusting valve. The gas introduced into the plasma chamber 21 is not limited to argon. A preferable pressure in the plasma chamber 21 for generating the ion beam is about 0.02 to 0.08 Pa.

<ビーム発生部>
ビーム発生部23はプラズマチャンバ21内に導入されたガスを電離するためのアノード及びカソード(放電電極:図示略)を備え、さらにガスを電離して生成されイオンを加速するための加速電極23Eを備える。アノードカソード間には所定の放電電圧を印加でき、その放電によりガスをプラズマとする。そして、加速電極23Eに所定の加速電圧を印加し、プラズマチャンバ21内のイオンをビームとして、試料チャンバ3側に入射させるエネルギーを調整する。
<Beam generator>
The beam generating unit 23 includes an anode and a cathode (discharge electrode: not shown) for ionizing the gas introduced into the plasma chamber 21, and further includes an acceleration electrode 23E for accelerating ions generated by ionizing the gas. Prepare. A predetermined discharge voltage can be applied between the anode and the cathode, and the gas is converted into plasma by the discharge. Then, a predetermined accelerating voltage is applied to the accelerating electrode 23E, and the energy to be incident on the sample chamber 3 side is adjusted using ions in the plasma chamber 21 as a beam.

(試料チャンバ)
試料チャンバ3は、試料台1を収納して、内部空間を所定の真空に保持する容器である。この試料チャンバ3は、上述したイオン源2のプラズマチャンバ21と連通しており、イオン源2から試料台1に向けてイオンビームを照射することができる。
(Sample chamber)
The sample chamber 3 is a container that stores the sample stage 1 and holds the internal space in a predetermined vacuum. The sample chamber 3 communicates with the plasma chamber 21 of the ion source 2 described above, and can irradiate an ion beam from the ion source 2 toward the sample stage 1.

この試料チャンバ3には、排気系統として、高真空排気用のターボ分子ポンプ31、真空排気制御用電磁弁32、及び大気導入用電磁弁33が順次直列に接続されており、両電磁弁32,33の間に低真空排気用のロータリーポンプ34が接続されている。これら排気系統を利用して、試料チャンバ3内及び前述したプラズマチャンバ21内の圧力を所定の真空度に調整したり、常圧に復帰させたりできる。この真空度は、高真空圧力計35と低真空圧力計36により計測される。   As an exhaust system, a turbo molecular pump 31 for high vacuum exhaust, a solenoid valve for vacuum exhaust control 32, and an electromagnetic valve 33 for introducing air are sequentially connected in series to the sample chamber 3, and both solenoid valves 32, A rotary pump 34 for low vacuum exhaust is connected between 33. By using these exhaust systems, the pressure in the sample chamber 3 and the above-described plasma chamber 21 can be adjusted to a predetermined degree of vacuum or returned to normal pressure. This degree of vacuum is measured by a high vacuum pressure gauge 35 and a low vacuum pressure gauge 36.

後述する冷媒供給手段5により試料チャンバ3内に気体冷媒を導入すると、同チャンバ3内の圧力が高くなる(真空度が下がる)。その際、この圧力を所定の下限値以上とすることで、気体冷媒を試料Sからの熱の搬送媒体として有効に利用することができる。逆に、この圧力を所定の上限値以下とすることで、試料チャンバ3に連通するプラズマチャンバ21内の圧力への影響を抑制し、イオンビームを確実に生成させることができる。試料Sの冷却に好ましい試料チャンバ3内の圧力は、0.1Pa超〜35Pa程度である。   When a gaseous refrigerant is introduced into the sample chamber 3 by the refrigerant supply means 5 described later, the pressure in the chamber 3 increases (the degree of vacuum decreases). In this case, the gas refrigerant can be effectively used as a heat transfer medium from the sample S by setting the pressure to a predetermined lower limit value or more. Conversely, by setting this pressure to be equal to or lower than the predetermined upper limit value, the influence on the pressure in the plasma chamber 21 communicating with the sample chamber 3 can be suppressed, and the ion beam can be generated reliably. A preferable pressure in the sample chamber 3 for cooling the sample S is about 0.1 Pa to about 35 Pa.

(冷媒供給手段)
冷媒供給手段5は、代表的には、気体冷媒を貯留する冷媒供給源51と、この供給源51から試料チャンバ3内につながる冷媒供給路53と、この冷媒供給路53の先端につながって、試料チャンバ3内で試料Sに対して向けられるノズル55とを備える。
(Refrigerant supply means)
The refrigerant supply means 5 is typically connected to a refrigerant supply source 51 for storing a gaseous refrigerant, a refrigerant supply path 53 connected from the supply source 51 into the sample chamber 3, and a tip of the refrigerant supply path 53. A nozzle 55 directed against the sample S in the sample chamber 3.

<冷媒供給源>
冷媒供給源51の代表例としてはタンクが挙げられる。タンクに貯留される気体冷媒の種類としては、乾燥気体が好適に利用できる。気体冷媒に水分が含まれていると、試料チャンバ3内を排気した際に所定の真空度に到達させるのに時間がかかるためである。特に、酸素を含有しない気体が好適である。乾燥気体が酸素を含有すると、水分を含有し易い上、試料を酸化させる虞があるからである。より具体的には、ヘリウム、窒素、アルゴンなどの不活性ガスが気体冷媒として好適に利用できる。中でも、ヘリウムは熱伝導率が高く、効率的に試料を冷却することを考慮した場合、試料Sからの熱の搬送媒体として好ましい。一方、窒素やアルゴンはヘリウムに比べると熱伝導率が低いが、安価に入手できる点で好ましい。
<Refrigerant supply source>
A typical example of the refrigerant supply source 51 is a tank. As the kind of the gas refrigerant stored in the tank, dry gas can be used suitably. This is because if the gas refrigerant contains moisture, it takes time to reach a predetermined degree of vacuum when the sample chamber 3 is exhausted. In particular, a gas containing no oxygen is suitable. This is because if the dry gas contains oxygen, it tends to contain moisture and the sample may be oxidized. More specifically, an inert gas such as helium, nitrogen, or argon can be suitably used as the gas refrigerant. Among them, helium has a high thermal conductivity and is preferable as a heat transfer medium from the sample S in consideration of efficient cooling of the sample. On the other hand, nitrogen and argon have lower thermal conductivity than helium, but are preferable in that they can be obtained at low cost.

気体冷媒の温度は、試料Sを降温できる温度であれば、特に問わない。常温の気体冷媒であれば、容易に取り扱うことができて好ましい。試料Sの冷却能を重視した場合、必要に応じて、気体冷媒の温度を常温以下に冷却してもよい。この冷却には、冷媒供給源51又は次述する冷媒供給路53の途中に気体冷媒の冷却手段57(破線表示)を設ければよい。冷却手段57には、公知の冷凍機・冷却機が利用できる。   The temperature of the gaseous refrigerant is not particularly limited as long as the temperature of the sample S can be lowered. A gaseous refrigerant at normal temperature is preferable because it can be easily handled. When importance is attached to the cooling ability of the sample S, the temperature of the gaseous refrigerant may be cooled to room temperature or lower as necessary. For this cooling, gas refrigerant cooling means 57 (shown by broken lines) may be provided in the middle of the refrigerant supply source 51 or the refrigerant supply path 53 described below. As the cooling means 57, a known refrigerator or cooler can be used.

<冷媒供給路>
冷媒供給路53は、タンクからの気体冷媒を試料チャンバ3内に案内する管路である。通常、その管路の途中に、マスフローコントローラ53Bなどの流量調整バルブを備える。冷媒供給路53の試料チャンバ3への導入は、試料チャンバ3の開閉扉から管路を導入したり、試料チャンバ3の開閉扉以外の個所から管路を導入することが挙げられる。図1の装置では、前者の構成を採用し、フィールドスルーフランジ(図示略)を介して冷媒供給路53を試料チャンバ3内に導入している。但し、後者の場合の方が、次述するノズル55の配置位置の自由度を高め易いことが多い。
<Refrigerant supply path>
The refrigerant supply path 53 is a pipe line that guides the gaseous refrigerant from the tank into the sample chamber 3. Usually, a flow rate adjusting valve such as a mass flow controller 53B is provided in the middle of the pipeline. Examples of the introduction of the refrigerant supply path 53 into the sample chamber 3 include introduction of a pipe line from an opening / closing door of the sample chamber 3 or introduction of a pipe line from a location other than the opening / closing door of the sample chamber 3. In the apparatus of FIG. 1, the former configuration is adopted, and a refrigerant supply path 53 is introduced into the sample chamber 3 via a field through flange (not shown). However, in the latter case, it is often easier to increase the degree of freedom of the arrangement position of the nozzle 55 described below.

<ノズル>
ノズル55は、試料チャンバ3内に気体冷媒を供給する噴射口である。このノズル55から気体冷媒を噴射することで、試料、特にイオンビームの照射面を効果的に冷却する。
<Nozzle>
The nozzle 55 is an injection port for supplying a gaseous refrigerant into the sample chamber 3. By injecting the gaseous refrigerant from the nozzle 55, the sample, particularly the irradiation surface of the ion beam, is effectively cooled.

ノズル55の試料チャンバ3における配置形態は、試料チャンバ3の壁面自体にノズル55となる開口部を形成したり、同チャンバ3内の空間中に管状のノズルを突き出すことが挙げられる。前者の場合、試料チャンバ3内全体を冷却することができる。後者の場合、ノズル55の向きを調整することで直接試料Sに気体冷媒を噴射し、試料Sを特定的に冷却することができる。特に後者の場合、ノズル55の配置は、イオンビームの照射野と干渉しない位置とすることが好ましい。この配置により、ノズル55がイオンビームによりミリングされたり、イオンビームを電磁気的に引き付けたりすることを防止できる。通常、イオン源2が上方に、試料台1が下方に位置し、上方から下方に向けてイオンビームが照射される装置が多い。その場合、試料台1の傾斜された試料設置面に斜め下方からノズル55を向けるように配置することで、イオンビームに干渉することなくノズル55を配置することができる。但し、図1の装置では、試料台1の斜め上方から斜め下方に向けてノズル55を配置している。   Examples of the arrangement form of the nozzle 55 in the sample chamber 3 include forming an opening serving as the nozzle 55 on the wall surface of the sample chamber 3 or projecting a tubular nozzle into the space in the chamber 3. In the former case, the entire sample chamber 3 can be cooled. In the latter case, it is possible to specifically cool the sample S by injecting the gaseous refrigerant directly onto the sample S by adjusting the direction of the nozzle 55. In the latter case in particular, the arrangement of the nozzle 55 is preferably set at a position that does not interfere with the ion beam irradiation field. With this arrangement, it is possible to prevent the nozzle 55 from being milled by the ion beam or electromagnetically attracting the ion beam. Usually, there are many apparatuses in which the ion source 2 is positioned upward and the sample stage 1 is positioned downward, and the ion beam is irradiated from above to below. In that case, the nozzle 55 can be disposed without interfering with the ion beam by disposing the nozzle 55 so as to be directed obliquely from below to the inclined sample mounting surface of the sample stage 1. However, in the apparatus of FIG. 1, the nozzles 55 are arranged from obliquely upward to obliquely downward of the sample stage 1.

ノズル55の形状は、1本の管状のものや、先端部が複数本に分岐しているもの、或いは先端部が扁平状の開口部を有するものなどが挙げられる。1本の管状のノズル55は、最も構成として簡易である。先端部が複数に分岐したノズルは、各分岐管から気体冷媒を噴射することで、試料の複数個所に同時に気体冷媒を吹き付けることができ、試料の広範囲の冷却に好適である。扁平状のノズルも、その幅広の方向に広範囲に気体冷媒を噴射でき、やはり試料の広範囲の冷却に好適である。   Examples of the shape of the nozzle 55 include a single tube, a nozzle whose tip is branched into a plurality, and a nozzle having a flat opening at the tip. One tubular nozzle 55 has the simplest configuration. The nozzle having the tip branched into a plurality of portions can inject the gas refrigerant simultaneously to a plurality of locations of the sample by injecting the gas refrigerant from each branch pipe, and is suitable for cooling a wide range of the sample. A flat nozzle can also inject a gaseous refrigerant over a wide range in its wide direction, and is also suitable for cooling a wide range of the sample.

ノズル55の試料チャンバ3内での設置位置は、固定であっても可変であっても構わない。この設置位置を固定とする場合、ノズル55の先端が試料台1のほぼ中心に向くように配置すれば、多少の試料Sのサイズや形状の相違があってもほぼ均一に試料Sを冷却することができる。ノズル55の設置位置を可変とする場合、ノズル55に可変機構を設けて、ノズル先端の位置を調整することが好ましい。可変機構には手動と自動がある。手動の可変機構としては、複数個所の屈曲部で折り曲げ自在の管状のノズルや、ノズル全体をスネーク状に屈曲できる可とう管からなるノズルなどが挙げられる。自動の可変機構としては、モータなどのアクチュエータにてノズルを試料室内でX-Y-Z方向などに駆動する駆動可変機構が挙げられる。これらの可変機構を備えていれば、試料Sのサイズや形状に関わらず、適切な位置に気体冷媒を噴射することができる。ノズル55の設置位置を可変とする場合、試料(試料台)におけるユーセントリック中心から1cm以内程度の位置にノズル55が向くようにノズルを設置することが好ましい。   The installation position of the nozzle 55 in the sample chamber 3 may be fixed or variable. When this installation position is fixed, if the tip of the nozzle 55 is arranged so as to face the center of the sample stage 1, the sample S is cooled almost uniformly even if there is a slight difference in the size or shape of the sample S. be able to. When making the installation position of the nozzle 55 variable, it is preferable to provide a variable mechanism in the nozzle 55 to adjust the position of the nozzle tip. There are manual and automatic variable mechanisms. Examples of the manual variable mechanism include a tubular nozzle that can be bent at a plurality of bent portions, and a nozzle made of a flexible tube that can bend the entire nozzle into a snake shape. As the automatic variable mechanism, there is a drive variable mechanism that drives the nozzle in the X-Y-Z direction or the like in the sample chamber by an actuator such as a motor. If these variable mechanisms are provided, the gas refrigerant can be injected to an appropriate position regardless of the size and shape of the sample S. When the installation position of the nozzle 55 is variable, it is preferable to install the nozzle so that the nozzle 55 faces a position within about 1 cm from the eucentric center of the sample (sample stage).

ノズル55の構成材料には、各種プラスチック、ゴム、金属、又はセラミックスが利用できる。プラスチックやゴムは、成形性に優れるため、ノズル55の形状の自由度が高い。金属やセラミックスは、高剛性で耐久性が高いノズルを構成し易い。さらに、これら各材料の複合材料からなるノズルとしてもよい。   As the constituent material of the nozzle 55, various plastics, rubber, metal, or ceramics can be used. Since plastic and rubber are excellent in moldability, the degree of freedom of the shape of the nozzle 55 is high. Metals and ceramics are easy to configure a nozzle having high rigidity and high durability. Furthermore, it is good also as a nozzle which consists of a composite material of each of these materials.

(コンピュータ)
上述したイオンミリング装置の各部の動作は、コンピュータ4の制御により行われる。このコンピュータ4は、CPU、RAM、ROM(図示略)を備える制御手段41の他、各部への制御信号を出力する信号出力部44、各部からの信号を入力する信号入力部45、キーボードなどの入力手段46、ディスプレイなどの表示手段47を備えている。信号出力部44は、例えば、ターボ分子ポンプ31、真空排気制御用電磁弁32、大気導入用電磁弁33、ロータリーポンプ34の動作信号、マスフローコントローラ21Bの動作信号、アノードカソード間の放電電圧や、加速電極23Eの加速電圧の制御信号の出力を行う。信号入力部45には、例えば、高真空圧力計35や、低真空圧力計36の計測信号が入力される。また、このコンピュータ1は、イオンビームの試料Sへの照射と、ノズル55からの気体冷媒の噴射を切り替えて行うことができる切替手段48αを備えている。この切替手段48αは、イオンビームの試料Sへの照射と、ノズル55からの気体冷媒の噴射の各動作のうち、現在実行中の一方の動作を停止し、現在停止中の他方の動作を開始する指令を出力する。例えば、入力手段46からの切替指令の入力により上記切替動作を実行させたり、別途切替専用のスイッチを設けて上記切替動作を実行させたりすることが挙げられる。
(Computer)
The operation of each part of the ion milling apparatus described above is performed under the control of the computer 4. The computer 4 includes a control means 41 having a CPU, RAM, ROM (not shown), a signal output unit 44 that outputs a control signal to each unit, a signal input unit 45 that inputs a signal from each unit, a keyboard, and the like Input means 46 and display means 47 such as a display are provided. The signal output unit 44 includes, for example, a turbo molecular pump 31, an evacuation control solenoid valve 32, an atmosphere introduction solenoid valve 33, an operation signal of the rotary pump 34, an operation signal of the mass flow controller 21B, a discharge voltage between the anode and the cathode, The control signal of the acceleration voltage of the acceleration electrode 23E is output. For example, measurement signals from the high vacuum pressure gauge 35 and the low vacuum pressure gauge 36 are input to the signal input unit 45. In addition, the computer 1 includes switching means 48α that can switch between irradiation of the sample S with the ion beam and injection of the gaseous refrigerant from the nozzle 55. This switching means 48α stops one of the operations currently being executed out of the operations of irradiation of the sample S with the ion beam and jetting of the gaseous refrigerant from the nozzle 55, and starts the other operation that is currently stopped. Command to output. For example, the switching operation may be executed by inputting a switching command from the input means 46, or a separate switch dedicated to switching may be provided to execute the switching operation.

(イオンミリング装置の利用手順と動作)
まず、試料Sを試料台1に設置し、必要に応じて、所定の傾斜状態に保持して試料台1を回転させる。その状態で、イオン源2からイオンビームを試料に照射する。その際、プラズマチャンバ21にガスを導入して所定の真空度に保持すると共に、ビーム発生部23の放電電極への電圧の印加によりガスを電離してイオンを生成させる。そして、加速電極23Eに所定の加速電圧を印加して、イオンを加速してビームとする。
(Use procedure and operation of ion milling equipment)
First, the sample S is set on the sample stage 1, and if necessary, the sample stage 1 is rotated while being held in a predetermined inclined state. In this state, the sample is irradiated with an ion beam from the ion source 2. At that time, a gas is introduced into the plasma chamber 21 to maintain a predetermined degree of vacuum, and ions are generated by ionizing the gas by applying a voltage to the discharge electrode of the beam generator 23. Then, a predetermined acceleration voltage is applied to the acceleration electrode 23E to accelerate the ions into a beam.

イオンビームの照射によるミリングがある程度進行したら、試料Sが劣化するような高温となる前にコンピュータ4に切替指令を入力して、イオンビームの照射を停止し、試料チャンバ3への気体冷媒の供給を開始する。気体冷媒の供給が行われる間、試料チャンバ3内は、試料Sの冷却に適した真空度に保持される。この気体冷媒の導入により、プラズマチャンバ21内はイオンビームの生成に適さない低真空度となる場合があるが、気体冷媒の導入時はイオンビームの照射を行わないため、特に支障はない。   When milling due to ion beam irradiation proceeds to some extent, a switching command is input to the computer 4 before the sample S becomes so hot that the sample S deteriorates, ion beam irradiation is stopped, and gaseous refrigerant is supplied to the sample chamber 3 To start. While the gaseous refrigerant is supplied, the inside of the sample chamber 3 is maintained at a vacuum suitable for cooling the sample S. The introduction of the gas refrigerant may cause the plasma chamber 21 to have a low degree of vacuum that is not suitable for generating an ion beam. However, since the ion beam is not irradiated when the gas refrigerant is introduced, there is no particular problem.

気体冷媒の供給の開始、つまりイオンビームの照射の停止は、予め模擬試料に熱電対の電極を設置して、イオンビームの照射時間と試料Sの照射面の温度との関係を求めておき、試料をその劣化が起こらない温度にできるイオンビームの照射時間を求めておくことが好ましい。同様に、気体冷媒の供給時間も、模擬試料の照射面の温度との相関関係を予め求めておくことで、過度に試料Sが冷却されない適正な供給時間を選択することができる。その他、試料Sの照射面の温度を非接触式の温度計などで計測し、照射面の温度が所定の上限値又は下限値に達した時点で切替手段48αにて切替動作を実行させてもよい。気体冷媒の供給を開始すると、ノズル55から噴射された気体冷媒は、直接試料Sの照射面に吹き付けられる。   The start of the supply of the gas refrigerant, that is, the stop of the irradiation of the ion beam, by previously setting a thermocouple electrode on the simulated sample, and obtaining the relationship between the irradiation time of the ion beam and the temperature of the irradiation surface of the sample S It is preferable to determine the irradiation time of the ion beam that can bring the sample to a temperature at which the sample does not deteriorate. Similarly, as for the supply time of the gas refrigerant, an appropriate supply time during which the sample S is not excessively cooled can be selected by obtaining a correlation with the temperature of the irradiation surface of the simulated sample in advance. In addition, the temperature of the irradiation surface of the sample S is measured with a non-contact type thermometer or the like, and when the temperature of the irradiation surface reaches a predetermined upper limit value or lower limit value, the switching means 48α may perform the switching operation. Good. When the supply of the gaseous refrigerant is started, the gaseous refrigerant ejected from the nozzle 55 is directly blown onto the irradiation surface of the sample S.

気体冷媒の所定時間の供給を行ったら、コンピュータ4に切替指令を再度入力し、気体冷媒の供給を停止して、イオンビームの照射を再開する。その際、プラズマチャンバ21内は、試料Sの冷却に適した低真空度となっており、イオンビームの生成に適した高真空度ではないため、試料チャンバ3内とそれに連通するプラズマチャンバ21内を排気系統で速やかに排気して所定の高真空度に切り替える。そして、プラズマチャンバ21内を所定の高真空度として、再度イオンビームの試料Sへの照射を行う。   When the gaseous refrigerant is supplied for a predetermined time, the switching command is input to the computer 4 again, the supply of the gaseous refrigerant is stopped, and the ion beam irradiation is resumed. At that time, the inside of the plasma chamber 21 has a low degree of vacuum suitable for cooling the sample S and not a high degree of vacuum suitable for generating the ion beam. Is quickly exhausted by an exhaust system to switch to a predetermined high vacuum. Then, the inside of the plasma chamber 21 is set to a predetermined high vacuum, and the sample S is irradiated again with an ion beam.

以下同様に、この試料Sへのイオンビームの照射と、試料チャンバ3内への気体冷媒の供給との切り替えを繰り返すことで、試料Sをイオンミリングすればよい。   Similarly, the sample S may be ion milled by repeatedly switching between irradiation of the sample S with the ion beam and supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber 3.

(作用効果)
以上の本発明イオンミリング装置によれば、次の効果を奏することができる。
(Function and effect)
According to the above ion milling device of the present invention, the following effects can be obtained.

(1)試料チャンバ内に気体冷媒を供給することで、試料のうち、イオンビームが照射される照射面を気体冷媒で直接冷却することができる。そのため、試料の熱劣化を抑制しつつ、試料を試料台に装着してから速やかにイオンミリングを開始することができる。   (1) By supplying the gaseous refrigerant into the sample chamber, the irradiation surface of the sample irradiated with the ion beam can be directly cooled with the gaseous refrigerant. Therefore, ion milling can be started promptly after the sample is mounted on the sample stage while suppressing thermal degradation of the sample.

(2)試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給を切り替えて行うことで、試料が過度に加熱されたり冷却されたりすることがない。そのため、イオンミリング終了後に冷却された試料を常温に復帰させることも速やかにできる。   (2) By switching the irradiation of the sample with the ion beam and the supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber, the sample is not excessively heated or cooled. Therefore, the sample cooled after the ion milling can be quickly returned to normal temperature.

(3)試料自体、特に照射面に直接気体冷媒を吹き付けることで、大型の試料であっても、その全体にわたって均一に冷却することができる。特に、熱伝導性の低い樹脂で包埋された試料であっても、照射面の全面を特定的かつ効率的に冷却することができる。   (3) By spraying a gas refrigerant directly on the sample itself, particularly on the irradiated surface, even a large sample can be uniformly cooled throughout. In particular, even for a sample embedded with a resin having low thermal conductivity, the entire irradiated surface can be specifically and efficiently cooled.

(4)試料の冷却は、気体冷媒の吹き付けにより行われるため、試料と他の固体材料との固体間接触を利用した放熱ではない。そのため、試料台が傾斜・回転しても、特にイオンミリング装置に追加の構造変更を伴うことなく試料の冷却を行うことができる。   (4) Since the cooling of the sample is performed by spraying a gaseous refrigerant, it is not heat dissipation utilizing contact between solids of the sample and another solid material. Therefore, even if the sample stage is tilted and rotated, the sample can be cooled without any additional structural change particularly in the ion milling apparatus.

〔実施形態2〕
実施形態1では、コンピュータに切替指令を入力して、試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給との切り替えを行う装置を説明した。本例では、この切替条件を予めコンピュータにプログラムさせておくことで、自動的に上記切り替えを行うことができるイオンミリング装置を図2、図3に基づいて説明する。以下の説明は、実施形態1との相違点を中心に行い、共通点の説明は省略する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, an apparatus has been described in which a switching command is input to a computer to switch between irradiation of an ion beam onto a sample and supply of a gaseous refrigerant into the sample chamber. In this example, an ion milling apparatus that can automatically perform the switching by causing the computer to program the switching conditions in advance will be described with reference to FIGS. The following description will be focused on differences from the first embodiment, and description of common points will be omitted.

(装置構成)
本例では、図2に示すように、コンピュータ4の内部に切替手段48βを備え、その切替手段48βはさらに記憶手段48Mと切替制御手段48Cとを備える。記憶手段48Mには、試料Sへのイオンビームの照射と、試料チャンバ3内への気体冷媒の供給との切替条件を記憶させておき、切替制御手段48Cは、この記憶手段48Mから読み出した切替条件に基いてイオンビームの照射と、気体冷媒の供給との切り替えを実行する。切替条件の具体例としては、1分間に占める気体冷媒の供給時間の割合を冷却レートとし、予め設定した冷却レートでイオンビームの照射と、気体冷媒の供給との切り替えを行うことが挙げられる。例えば、1分当たり15秒間イオンビームを照射し、45秒間気体冷媒を供給する場合、冷却レートは75%となり、逆に1分当たり45秒間イオンビームを照射し、15秒間気体冷媒を供給する場合、冷却レートは25%となる。このような冷却レートを数パターン選択できるように切替条件を複数記憶しておき、試料の材質やサイズ、形状に応じた適切な冷却が行えるようにする。
(Device configuration)
In this example, as shown in FIG. 2, the computer 4 includes switching means 48β, and the switching means 48β further includes storage means 48M and switching control means 48C. The storage means 48M stores the switching condition between the irradiation of the ion beam onto the sample S and the supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber 3, and the switching control means 48C reads the switching read out from the storage means 48M. Switching between ion beam irradiation and gas refrigerant supply is executed based on the conditions. As a specific example of the switching condition, the ratio of the supply time of the gas refrigerant in one minute is used as a cooling rate, and switching between ion beam irradiation and gas refrigerant supply is performed at a preset cooling rate. For example, when an ion beam is irradiated for 15 seconds per minute and gas refrigerant is supplied for 45 seconds, the cooling rate is 75%. Conversely, when an ion beam is irradiated for 45 seconds per minute and gas refrigerant is supplied for 15 seconds. The cooling rate will be 25%. A plurality of switching conditions are stored so that several patterns of such cooling rates can be selected so that appropriate cooling can be performed according to the material, size, and shape of the sample.

その他、試料チャンバ3内に非接触式の温度計(図示略)を設置し、その温度計で試料の照射面の温度を計測して、その計測結果が所定の上限値に達したらイオンビームの照射を停止して気体冷媒の供給を開始し、下限値に達したら逆にイオンビームの照射を開始して気体冷媒の供給を停止するように動作を切り替えることも挙げられる。例えば、図3に示すように、まず試料の照射面の温度Tを取得する(ステップS1)。次に、この温度Tが所定の下限値LL以上、上限値UL以下であるかを判断する(ステップS2)。下限値LLは試料が過剰な冷却にならない温度を、上限値ULは試料が過剰な加熱にならない温度を設定すれば良い。この判断がYesであれば、イオンビームの照射と気体冷媒の供給の各動作は現状のまま維持する(ステップS3)。逆に、前記の判断がNoであれば、さらにTが上限値を超えているか否かを判断する(ステップS4)。この判断がYesであれば、試料の温度が上がりすぎになりつつあるので、気体冷媒を試料チャンバ内に供給し(ステップS5)、試料の冷却を行う。逆に、上記判断がNoであれば、温度Tは下限値LL未満であることになるから、イオンビームの試料への照射を開始し、試料チャンバ内への気体冷媒の供給は停止する。そして、イオンビームの合計照射時間が所定時間に達したか否かでミリングを終了するか否かを判断し(ステップS7)、この判断がYesであれば処理を終了し、Noであれば、再度ステップS1の以降の処理を繰り返す。   In addition, a non-contact type thermometer (not shown) is installed in the sample chamber 3, and the temperature of the irradiated surface of the sample is measured with the thermometer, and when the measurement result reaches a predetermined upper limit value, It is also possible to stop the irradiation and start the supply of the gas refrigerant, and when the lower limit is reached, conversely start the irradiation of the ion beam and stop the supply of the gas refrigerant. For example, as shown in FIG. 3, first, the temperature T of the irradiated surface of the sample is acquired (step S1). Next, it is determined whether the temperature T is equal to or higher than a predetermined lower limit value LL and lower than an upper limit value UL (step S2). The lower limit value LL may be set to a temperature at which the sample is not excessively cooled, and the upper limit value UL may be set to a temperature at which the sample is not excessively heated. If this determination is Yes, the operations of ion beam irradiation and gaseous refrigerant supply are maintained as they are (step S3). Conversely, if the above determination is No, it is further determined whether or not T exceeds the upper limit value (step S4). If this determination is Yes, since the temperature of the sample is becoming too high, a gaseous refrigerant is supplied into the sample chamber (step S5), and the sample is cooled. On the contrary, if the above determination is No, the temperature T is less than the lower limit value LL, so the irradiation of the sample with the ion beam is started and the supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber is stopped. Then, it is determined whether or not to end the milling based on whether or not the total irradiation time of the ion beam has reached a predetermined time (step S7). If this determination is Yes, the process ends. The processing after step S1 is repeated again.

どのような切替条件が適切かは、実際の試料Sと同様の模擬試料により、気体冷媒の種類ごとに予め冷却レートと試料の照射面の温度との相関関係を調べておくことが好ましい。   It is preferable to examine the correlation between the cooling rate and the temperature of the irradiation surface of the sample in advance for each type of gas refrigerant using a simulation sample similar to the actual sample S to determine the appropriate switching conditions.

(作用効果)
いずれの場合であっても、本例のイオンミリング装置によれば、自動的に、試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給とを切り替えることができる。そのため、試料チャンバ内への試料の導入からミリングを終了するまでの一連の動作を円滑に行うことができる。
(Function and effect)
In any case, according to the ion milling apparatus of this example, it is possible to automatically switch between irradiation of the ion beam to the sample and supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber. Therefore, a series of operations from the introduction of the sample into the sample chamber to the end of milling can be performed smoothly.

〔実施形態3〕
実施形態1や2では、試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給との切り替えを行う装置を説明した。本例では、この試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給とを同時に行うことができるイオンミリング装置を図4に基づいて説明する。以下の説明は、実施形態1や2との相違点を中心に行い、共通点の説明は省略する。
[Embodiment 3]
In the first and second embodiments, an apparatus that switches between irradiation of an ion beam onto a sample and supply of a gaseous refrigerant into the sample chamber has been described. In this example, an ion milling apparatus capable of simultaneously performing irradiation of the sample with an ion beam and supply of a gaseous refrigerant into the sample chamber will be described with reference to FIG. The following description will be focused on differences from the first and second embodiments, and description of common points will be omitted.

(装置構成)
実施形態1や2で説明したように、プラズマチャンバではイオンビームの生成に適した高真空度に、試料チャンバでは試料の冷却に適した低真空度に調整することが好ましい。そのため、図4に示すように、差動排気機構を設けることで各チャンバ21,3の真空度を独立制御することができる。より具体的には、例えばプラズマチャンバ21と試料チャンバ3とをオリフィス21Hで連通させ、各チャンバ21,3ごとに排気系統を設けることで、各チャンバ21,3内を異なる真空度に保持することができる。プラズマチャンバ21の排気系統として、同チャンバ21には高真空排気用のターボ分子ポンプ22P、真空排気制御用電磁弁24P、及び大気導入用電磁弁26Pが順次直列に接続されており、両電磁弁24P,26Pの間に低真空排気用のロータリーポンプ28Pが接続されている。本例の装置において、この差動排気機構を備える点を除いて、他の構成は実施形態1や2と同様の装置が利用できる。
(Device configuration)
As described in the first and second embodiments, it is preferable to adjust the plasma chamber to a high degree of vacuum suitable for generating an ion beam and the sample chamber to a low degree of vacuum suitable for cooling a sample. Therefore, as shown in FIG. 4, the degree of vacuum in each of the chambers 21 and 3 can be independently controlled by providing a differential exhaust mechanism. More specifically, for example, the plasma chamber 21 and the sample chamber 3 are communicated with each other through the orifice 21H, and an exhaust system is provided for each of the chambers 21 and 3, thereby maintaining the chambers 21 and 3 at different degrees of vacuum. Can do. As an exhaust system for the plasma chamber 21, a turbo molecular pump 22P for high vacuum exhaust, a solenoid valve for vacuum exhaust control 24P, and an electromagnetic valve for air introduction 26P are sequentially connected in series to the chamber 21. A rotary pump 28P for low vacuum exhaust is connected between 24P and 26P. In the apparatus of this example, the apparatus similar to Embodiments 1 and 2 can be used for other configurations except that the differential exhaust mechanism is provided.

(作用効果)
本例のイオンミリング装置によれば、プラズマチャンバと試料チャンバとを差動排気することで、各々独立した真空度に維持することができる。そのため、プラズマチャンバはイオンビームの生成に適した高真空度に、試料チャンバは試料の冷却に適した低真空度に調整することができ、試料チャンバ内への気体冷媒の供給を行いながらイオンビームの試料への照射を支障なく行うことができる。従って、試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給とを切り替える必要がなく、効率的な試料のミリングが実現できる。
(Function and effect)
According to the ion milling apparatus of this example, the plasma chamber and the sample chamber can be maintained at independent vacuum degrees by differential evacuation. Therefore, the plasma chamber can be adjusted to a high degree of vacuum suitable for generating an ion beam, and the sample chamber can be adjusted to a low degree of vacuum suitable for cooling a sample, and the ion beam can be supplied while supplying a gaseous refrigerant into the sample chamber. The sample can be irradiated without any trouble. Therefore, it is not necessary to switch between irradiation of the ion beam to the sample and supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber, and efficient sample milling can be realized.

〔試験例1:加速電圧の相違〕
サンユー電子株式会社製のイオンミリング装置SVM-730をベース構成として、加速電圧の違いにより、試料の照射面がどのように温度変化するかを調べてみた。試料としては、樹脂包埋試料に相当する樹脂ブロック(32mmφ)を用いる。この試料の照射面にK型熱電対の接合点を配置し、加速電圧を変えて照射面にイオンビームを照射して、熱電対での温度計測結果を求める。
[Test Example 1: Difference in acceleration voltage]
Using an ion milling device SVM-730 manufactured by Sanyu Denshi Co., Ltd. as a base configuration, we examined how the temperature of the irradiated surface of the sample changes depending on the acceleration voltage. As a sample, a resin block (32 mmφ) corresponding to a resin-embedded sample is used. A junction point of a K-type thermocouple is arranged on the irradiation surface of the sample, and the irradiation surface is irradiated with an ion beam while changing the acceleration voltage, and the temperature measurement result with the thermocouple is obtained.

その結果を図5に示す。このグラフから明らかなように、加速電圧が高いほど試料面での温度上昇幅が大きいことがわかる。より具体的には、加速電圧が2kV程度では、ほとんど照射面の温度上昇は起こらない。一方、加速電圧が4kVになると、イオンビームの照射から数十秒で急峻に温度上昇が起こり、それ以降は約50℃程度にまで照射面の温度が上がったまま保持される。この加速電圧の上昇に伴って到達する温度は上昇し、6kVでは照射面の温度は120℃以上にまで達することがわかる。これらの結果からすれば、加速電圧が4kV以上程度の場合に、気体冷媒を試料チャンバに供給して試料を冷却することが有効であることがわかる。   The result is shown in FIG. As is apparent from this graph, the higher the acceleration voltage, the greater the temperature rise on the sample surface. More specifically, when the acceleration voltage is about 2 kV, the temperature of the irradiated surface hardly increases. On the other hand, when the acceleration voltage is 4 kV, the temperature rises sharply in several tens of seconds after the ion beam irradiation, and after that, the temperature of the irradiated surface is kept up to about 50 ° C. As the acceleration voltage rises, the temperature reached increases, and at 6 kV, the temperature of the irradiated surface reaches 120 ° C or higher. From these results, it can be seen that when the acceleration voltage is about 4 kV or more, it is effective to supply the gaseous refrigerant to the sample chamber to cool the sample.

〔試験例2:気体冷媒の相違〕
次に、同様の装置にて、加速電圧を6kVとし、10秒程度模擬試料にイオンビームの照射を行って、照射面の温度が80℃付近となった時点から試料チャンバ内に各種の気体冷媒を供給し、その供給開始からの時間経過に伴う照射面の温度変化を調べてみた。ここで用いた気体冷媒は、アルゴン、ヘリウム、窒素、及び大気である。いずれの気体冷媒でも、冷媒温度は常温とし、試料チャンバ内の圧力は10Paとした。
[Test Example 2: Difference in gaseous refrigerant]
Next, with the same equipment, the acceleration voltage was set to 6 kV, and the simulated sample was irradiated with an ion beam for about 10 seconds. Various gaseous refrigerants were introduced into the sample chamber from the time when the temperature of the irradiated surface became around 80 ° C. The temperature change of the irradiated surface with the passage of time from the start of the supply was examined. The gaseous refrigerant used here is argon, helium, nitrogen, and the atmosphere. In any gaseous refrigerant, the refrigerant temperature was normal temperature and the pressure in the sample chamber was 10 Pa.

その結果を図6に示す。このグラフから明らかなように、気体冷媒がヘリウムの場合、気体冷媒を試料チャンバ内に供給してから急峻に照射面の温度低下が始まることがわかる。これは、ヘリウムの熱伝導率が他の気体冷媒のそれに比べて大きいためと推測される。他の気体冷媒では、窒素と大気がほぼ同様の冷却曲線を描き、アルゴンは冷却開始から25秒程度までは最も冷却速度が緩やかであるが、それ以降は大気や窒素の冷却速度を上回り、50秒後に到達する照射面の温度は、ヘリウムに次いで低い温度となっている。以上の結果からすれば、試料の冷却効率を優先する場合、気体冷媒にはヘリウムが好ましいことがわかる。なお、大気を試料チャンバ内に導入した場合、水分を含むため、排気して所定の真空度に到達させるまでの時間が他の気体冷媒に比べて長くかかる。そのため、イオンビームの試料への照射と試料チャンバへの気体冷媒の供給の切り替えを行うには、大気以外の不活性ガスが好ましいと考えられる。   The result is shown in FIG. As can be seen from this graph, when the gaseous refrigerant is helium, the temperature of the irradiated surface starts to decrease sharply after the gaseous refrigerant is supplied into the sample chamber. This is presumably because the thermal conductivity of helium is larger than that of other gaseous refrigerants. With other gaseous refrigerants, nitrogen and the atmosphere have almost the same cooling curve, and argon has the slowest cooling rate until about 25 seconds from the start of cooling, but after that it exceeds the cooling rate of the atmosphere and nitrogen, and 50% The temperature of the irradiated surface that reaches after 2 seconds is the second lowest after helium. From the above results, it can be seen that helium is preferable as the gaseous refrigerant when priority is given to the cooling efficiency of the sample. In addition, when air is introduced into the sample chamber, since it contains moisture, it takes a longer time to exhaust and reach a predetermined degree of vacuum than other gas refrigerants. Therefore, it is considered that an inert gas other than the atmosphere is preferable in order to switch the irradiation of the ion beam to the sample and the supply of the gaseous refrigerant to the sample chamber.

〔試験例3:気体冷媒の噴射形態の相違〕
さらに、同様の装置にて、試料の照射面の斜め下から気体冷媒を噴射できるようにノズルを設置し、加速電圧を6kVとし、10秒程度模擬試料にイオンビームの照射を行って、照射面の温度が80℃付近となった時点から試料チャンバ内に窒素からなる気体冷媒を50秒間供給し、その供給開始からの時間経過に伴う照射面の温度変化を調べてみた。試料台の傾斜角は90°(垂直面)、同試料の回転は無しである。その際、一方の噴射形態として、ノズルの先端を試料の照射面における熱電対の接合点に向けて、直接噴射による照射面の冷却を行い、他方の噴射形態として、ノズルの先端を封止すると共に、ノズルの長手方向とほぼ直交する左右方向に気体冷媒を噴射して、気体冷媒が直接照射面に吹き付けられないように照射面の冷却を行った。気体冷媒供給時の試料チャンバ内の圧力は10Paである。
[Test Example 3: Difference in injection mode of gaseous refrigerant]
Furthermore, with the same device, install a nozzle so that the gaseous refrigerant can be injected from diagonally below the sample irradiation surface, set the acceleration voltage to 6 kV, and irradiate the simulated sample with an ion beam for about 10 seconds. A gas refrigerant consisting of nitrogen was supplied to the sample chamber for 50 seconds from the time when the temperature of the sample became about 80 ° C., and the temperature change of the irradiated surface with the passage of time from the start of supply was examined. The tilt angle of the sample stage is 90 ° (vertical surface), and there is no rotation of the sample. At that time, as one injection mode, the irradiation surface is cooled by direct injection with the tip of the nozzle directed to the junction of the thermocouple on the irradiation surface of the sample, and as the other injection mode, the tip of the nozzle is sealed. At the same time, the gas refrigerant was jetted in the left-right direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the nozzle, and the irradiation surface was cooled so that the gas refrigerant was not directly blown onto the irradiation surface. The pressure in the sample chamber when supplying the gaseous refrigerant is 10 Pa.

その結果を図7に示す。図において、試料に直接気体冷媒を吹き付けた場合を「Direct」、試料に直接気体冷媒を吹き付けず、試料チャンバ内に気体冷媒を導入した場合を「Shower」と表示している。このグラフから明らかなように、「Direct」の方が「Shower」よりも速やかに冷却され、50秒後の到達温度も若干「Direct」の方が低い。このことから、試料に直接気体冷媒を吹き付ける方が冷却能力が高いといえる。   The result is shown in FIG. In the figure, “Direct” indicates that the gaseous refrigerant is directly sprayed on the sample, and “Shower” indicates that the gaseous refrigerant is introduced into the sample chamber without blowing the gaseous refrigerant directly on the sample. As is clear from this graph, “Direct” is cooled more quickly than “Shower”, and the temperature reached after 50 seconds is slightly lower in “Direct”. From this, it can be said that the cooling capability is higher when the gaseous refrigerant is sprayed directly on the sample.

〔試験例4:試料チャンバ内の圧力の相違〕
次に、同様の装置にて、加速電圧を6kVとし、10秒程度模擬試料にイオンビームの照射を行って、照射面の温度が80℃付近となった時点から試料チャンバ内に窒素を異なる圧力となるように供給して、その供給開始からの時間経過に伴う照射面の温度変化を調べてみた。いずれの圧力の場合も、供給した冷媒温度は常温である。
[Test Example 4: Difference in pressure in sample chamber]
Next, with the same equipment, the acceleration voltage was set to 6 kV, and the simulated sample was irradiated with the ion beam for about 10 seconds, and the nitrogen pressure was changed into the sample chamber from the time when the temperature of the irradiated surface became around 80 ° C. The temperature change of the irradiated surface with the lapse of time from the start of the supply was examined. In any case, the supplied refrigerant temperature is normal temperature.

その結果を図8に示す。このグラフから明らかなように、試料チャンバ内の圧力が高いほど速やかに試料の冷却ができることがわかる。具体的には、1Pa以上の圧力とすること、より好ましくは7.5Pa程度以上の圧力とすることが効率的に試料を冷却する点で好ましい。一方、試料チャンバ内の圧力が0.1Pa以下の場合、試料の冷却速度は緩やかである。プラズマチャンバ内でプラズマを発生させるのに好ましい圧力が0.05Pa程度であることを考慮すれば、プラズマチャンバと連通する試料チャンバ内を1Pa以上に保持してイオンビームの照射を行うことは難しいと思われ、差動排気機構を用いない場合は、イオンビームの照射と試料チャンバ内への気体冷媒の供給とは切り替えて行うことが好ましいことがわかる。   The result is shown in FIG. As is clear from this graph, it can be seen that the higher the pressure in the sample chamber, the faster the sample can be cooled. Specifically, it is preferable to set the pressure to 1 Pa or higher, more preferably about 7.5 Pa or higher in terms of efficiently cooling the sample. On the other hand, when the pressure in the sample chamber is 0.1 Pa or less, the cooling rate of the sample is moderate. Considering that the preferable pressure for generating plasma in the plasma chamber is about 0.05 Pa, it is difficult to irradiate the ion beam while keeping the sample chamber communicating with the plasma chamber at 1 Pa or more. In other words, when the differential pumping mechanism is not used, it is understood that it is preferable to switch between irradiation of the ion beam and supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber.

〔試験例5−1:交互切替《冷却レートの相違》〕
次に、同様の装置にて、試料に対するイオンビームの照射と、試料への気体冷媒の噴射とを切り替えて、試料のイオンミリングと冷却とを交互に行い、試料の照射面の温度変化を測定した。その際、異なる冷却レートで試料の冷却を行った。冷却レートは1分間における冷却時間、つまり試料への気体冷媒の噴射を行った時間の割合である。本例では、25%、50%、75%の3種類の冷却レートとした。例えば、冷却レートが25%であれば、イオンビームの試料への照射を45秒間行い、気体冷媒の試料への噴射を15秒間行ったことを意味する。イオンミリングの条件は、加速電圧が6kVであり、気体冷媒の供給条件は、気体冷媒が窒素、気体冷媒供給時の試料チャンバの圧力が10Paである。また、試料のイオンミリングと冷却のトータル時間は約10分である。
[Test Example 5-1: Alternate switching << Difference in cooling rate >>]
Next, the ion beam irradiation on the sample and the injection of the gas refrigerant to the sample are switched using the same device, and the sample is alternately milled and cooled to measure the temperature change of the irradiated surface of the sample. did. At that time, the sample was cooled at different cooling rates. The cooling rate is the ratio of the cooling time in 1 minute, that is, the time during which the gaseous refrigerant is jetted onto the sample. In this example, three cooling rates of 25%, 50%, and 75% were used. For example, if the cooling rate is 25%, it means that the sample was irradiated with an ion beam for 45 seconds and the gaseous refrigerant was injected into the sample for 15 seconds. The ion milling condition is that the acceleration voltage is 6 kV, and the gas refrigerant supply condition is that the gas refrigerant is nitrogen, and the pressure in the sample chamber when the gas refrigerant is supplied is 10 Pa. The total time for ion milling and cooling of the sample is about 10 minutes.

その結果を図9に示す。このグラフに示すように、冷却レートが高いほど、試料の上限温度が低くなることがわかる。具体的には、冷却レートが75%では試料の上限温度は約60℃であり、50%では70℃弱、25%では80℃強である。また、いずれの冷却レートにおいても、イオンミリングと冷却の各サイクルにおける上限値は、ほぼ一定の値内に収まることがわかる。従って、試料の熱劣化温度に応じて、適切な冷却レートを選択することで、試料の熱劣化のないイオンミリングが可能であると期待できる。   The result is shown in FIG. As shown in this graph, it can be seen that the higher the cooling rate, the lower the upper limit temperature of the sample. Specifically, when the cooling rate is 75%, the upper limit temperature of the sample is about 60 ° C., 50% is less than 70 ° C., and 25% is more than 80 ° C. It can also be seen that the upper limit value in each cycle of ion milling and cooling falls within a substantially constant value at any cooling rate. Therefore, it can be expected that ion milling without thermal degradation of the sample is possible by selecting an appropriate cooling rate according to the thermal degradation temperature of the sample.

〔試験例5−2:交互切替《気体冷媒の相違》〕
次に、同様の装置を用いて、気体冷媒の種類を変えて試験例5-1と同様に試料のイオンミリングと冷却とを交互に行い、試料の照射面の温度変化を測定した。気体冷媒の種類は、アルゴン、ヘリウム、窒素、大気の4種類である。イオンミリングの条件は、加速電圧が6kVであり、気体冷媒の供給条件は、冷却レートが75%、気体冷媒供給時の試料チャンバの圧力が10Paである。
[Test Example 5-2: Alternating switching << difference in gas refrigerant >>
Next, using the same apparatus, the sample was alternately subjected to ion milling and cooling in the same manner as in Test Example 5-1, changing the type of gaseous refrigerant, and the temperature change of the irradiated surface of the sample was measured. There are four types of gaseous refrigerants: argon, helium, nitrogen, and air. The ion milling conditions are an acceleration voltage of 6 kV, the gas refrigerant supply conditions are a cooling rate of 75%, and the pressure of the sample chamber when the gas refrigerant is supplied is 10 Pa.

その結果を図10に示す。このグラフからわかるように、試料のイオンミリングと冷却を交互に行った場合も、やはりヘリウムの冷却速度が速く、冷却下限温度も低いことがわかる。つまり、イオンビームを試料に照射する合計時間が同じであれば、ヘリウムを気体冷媒とすることで、試料のイオンミリングと冷却のトータル時間を他の気体冷媒の場合と比べて短縮できる。   The result is shown in FIG. As can be seen from this graph, even when ion milling and cooling of the sample are performed alternately, the cooling rate of helium is still high and the lower limit cooling temperature is low. That is, if the total time for irradiating the sample with the ion beam is the same, the total time for ion milling and cooling of the sample can be shortened by using helium as the gas refrigerant as compared with other gas refrigerants.

〔試験例6:半田試料のSEMによる観察〕
次に、同様の装置にて、錫と鉛を含む半田による半田付け箇所の樹脂包埋試料をイオンミリングして断面を形成し、その断面をSEMにて観察した。試料は、樹脂包埋試料を機械研磨にて鏡面研磨し、その研磨面をさらに試験例5-1と同様の「交互切替」によるイオンミリングを行って作製した(実施例1)。イオンビームの照射条件は、加速電圧:4kV、照射電流:65〜75μA、試料の傾斜角度:85°、偏心量:0mm、試料の回転:あり、イオンビームの合計照射時間:20分である。一方、気体冷媒の供給条件は、気体冷媒:窒素、冷却レート:75%、気体冷媒供給時の試料チャンバの圧力:10Paである。また、比較のため、鏡面研磨のままで観察した試料(比較例1)と、さらに気体冷媒による冷却なしでイオンミリングした試料(比較例2)もSEMにて観察した。比較例2のイオンビームの照射条件は、イオンビームの合計照射時間が15分である点を除いて、実施例1と同様である。
[Test Example 6: Observation of solder sample by SEM]
Next, with a similar apparatus, a resin-embedded sample at a soldering location with tin and lead-containing solder was ion milled to form a cross section, and the cross section was observed with an SEM. A sample was prepared by mirror-polishing a resin-embedded sample by mechanical polishing, and further performing ion milling by “alternate switching” as in Test Example 5-1 (Example 1). The ion beam irradiation conditions are: acceleration voltage: 4 kV, irradiation current: 65 to 75 μA, sample tilt angle: 85 °, eccentricity: 0 mm, sample rotation: yes, and total ion beam irradiation time: 20 minutes. On the other hand, the supply conditions of the gas refrigerant are gas refrigerant: nitrogen, cooling rate: 75%, and pressure of the sample chamber at the time of gas refrigerant supply: 10 Pa. In addition, for comparison, a sample (Comparative Example 1) that was observed while being mirror-polished and a sample (Comparative Example 2) that was ion-milled without cooling with a gaseous refrigerant were also observed by SEM. The ion beam irradiation conditions of Comparative Example 2 are the same as those of Example 1 except that the total ion beam irradiation time is 15 minutes.

その結果を図11に示す。図において、左が鏡面研磨のみの比較例1、中央が気体冷媒による冷却なしでイオンミリングした比較例2、右が気体冷媒による冷却ありでイオンミリングした実施例1の各試料の観察写真であり、上段は倍率が3000倍、下段は10000倍である。いずれの写真においても、島状に存在する薄い灰色の領域が半田の鉛部分、その周囲を取り囲むより濃い灰色の領域が半田の錫部分、黒班が空隙である。   The result is shown in FIG. In the figure, the left is an observation photograph of each sample of Comparative Example 1 in which only mirror polishing is performed, the center is in Comparative Example 2 in which ion milling is performed without cooling with a gas refrigerant, and the right is in Example 1 in which ion milling is performed with cooling with a gas refrigerant. The upper row has a magnification of 3000 times and the lower row has a magnification of 10000 times. In any of the photographs, the light gray region presenting in an island shape is the lead portion of the solder, the darker gray region surrounding the periphery is the tin portion of the solder, and the black spots are voids.

比較例1では、試料断面の表面に多数の空隙が存在することがわかる。比較例2では、比較例1に比べれば、空隙の存在ははるかに少なくなっているが、鉛部分の粒界付近に空隙が相当程度残っている。これらの比較例に対し、実施例1は実質的に空隙がないといえ、試料の作製時に、断面に変化が殆ど与えられていないことがわかる。   In the comparative example 1, it turns out that many space | gap exists in the surface of a sample cross section. In Comparative Example 2, the presence of voids is much less than in Comparative Example 1, but a considerable amount of voids remain in the vicinity of the grain boundaries in the lead portion. In contrast to these comparative examples, Example 1 can be said to be substantially free of voids, and it can be seen that there is almost no change in the cross section during the preparation of the sample.

本発明は、上記の実施形態に限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。例えば、試料チャンバ自体を適宜な冷却手段で冷却することで、試料の冷却効率を高めることが期待できる。また、試料へのイオンビームの照射と、試料チャンバ内への気体冷媒の供給との切替を行う場合であっても、実施形態3で説明した差動排気を行っても良い。この場合、プラズマチャンバと試料チャンバとは各々異なる真空度に維持できるため、単に試料へのイオンビームの照射・停止と試料チャンバ内への気体冷媒の供給・停止とを行うだけでよく、各チャンバ内の真空度の調整を動作の切替ごとに行う必要はない。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, it can be expected that the cooling efficiency of the sample is improved by cooling the sample chamber itself with an appropriate cooling means. Further, even when switching between irradiation of an ion beam to a sample and supply of a gaseous refrigerant into the sample chamber, the differential exhaust described in the third embodiment may be performed. In this case, since the plasma chamber and the sample chamber can be maintained at different vacuum degrees, it is only necessary to irradiate / stop the ion beam to the sample and supply / stop the gaseous refrigerant into the sample chamber. It is not necessary to adjust the degree of vacuum every time the operation is switched.

本発明のイオンミリング装置及びイオンミリング方法は、SEM、TEMなどの顕微鏡用の試料の作製や、半導体装置や記憶媒体の製造などの各種微細加工を行う分野に好適に利用できる。   The ion milling apparatus and the ion milling method of the present invention can be suitably used in the field of performing various kinds of fine processing such as production of a sample for a microscope such as SEM and TEM, and manufacture of a semiconductor device and a storage medium.

1 試料台
11 温度計 13 データロガー
2 イオン源
21 プラズマチャンバ 21B マスフローコントローラ 21H オリフィス
22P ターボ分子ポンプ 23 ビーム発生部 23E 加速電極
24P 真空排気制御用電磁弁 26P 大気導入用電磁弁
28P ロータリーポンプ
3 試料チャンバ
31(31S) ターボ分子ポンプ 32(32S) 真空排気制御用電磁弁
33(33S) 大気導入用電磁弁 34(34S) ロータリーポンプ
35 高真空圧力計 36 低真空圧力計
4 コンピュータ
41 制御手段 44 信号出力部 45 信号入力部
46 入力手段 47 表示手段 48α、48β 切替手段
48M 記憶手段 48C 切替制御手段
5 冷媒供給手段
51 冷媒供給源 53 冷媒供給路 53B マスフローコントローラ
55 ノズル 57 冷却手段
S 試料
1 Sample stage
11 Thermometer 13 Data logger
2 Ion source
21 Plasma chamber 21B Mass flow controller 21H Orifice
22P Turbo molecular pump 23 Beam generator 23E Accelerating electrode
24P Solenoid valve for vacuum exhaust control 26P Solenoid valve for air introduction
28P Rotary pump
3 Sample chamber
31 (31S) Turbo molecular pump 32 (32S) Vacuum exhaust control solenoid valve
33 (33S) Air introduction solenoid valve 34 (34S) Rotary pump
35 High vacuum pressure gauge 36 Low vacuum pressure gauge
4 computer
41 Control means 44 Signal output section 45 Signal input section
46 Input means 47 Display means 48α, 48β Switching means
48M storage means 48C switching control means
5 Refrigerant supply means
51 Refrigerant supply source 53 Refrigerant supply path 53B Mass flow controller
55 Nozzle 57 Cooling means
S sample

Claims (11)

試料が設置される試料台と、
前記試料に照射するイオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料台の収納空間を所定の真空に保持する試料チャンバと、
前記試料を冷却するための気体冷媒を前記試料チャンバ内に供給する冷媒供給手段とを備えることを特徴とするイオンミリング装置。
A sample stage on which the sample is installed;
An ion source for generating an ion beam for irradiating the sample;
A sample chamber for holding the storage space of the sample stage in a predetermined vacuum;
An ion milling apparatus comprising: a refrigerant supply means for supplying a gaseous refrigerant for cooling the sample into the sample chamber.
前記冷媒供給手段は、前記試料チャンバ内において、試料に気体冷媒を噴射するように配置されたノズルを備えることを特徴とする請求項1に記載のイオンミリング装置。   2. The ion milling device according to claim 1, wherein the refrigerant supply means includes a nozzle arranged to inject a gaseous refrigerant onto the sample in the sample chamber. 前記冷媒供給手段は、気体冷媒の噴射方向及び試料までの距離を調整するノズルの可変機構を備えることを特徴とする請求項2に記載のイオンミリング装置。   3. The ion milling apparatus according to claim 2, wherein the refrigerant supply means includes a nozzle variable mechanism that adjusts a jet direction of the gas refrigerant and a distance to the sample. 前記気体冷媒が、不活性ガスであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオンミリング装置。   4. The ion milling device according to claim 1, wherein the gaseous refrigerant is an inert gas. さらに、前記イオンビームの試料への照射と前記気体冷媒の試料チャンバ内への供給とを切り替えて行う切替手段を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のイオンミリング装置。   5. The ion milling according to claim 1, further comprising switching means for switching between irradiation of the sample with the ion beam and supply of the gaseous refrigerant into the sample chamber. apparatus. 前記切替手段は、
予め設定された切替条件を記憶する記憶手段と、
この記憶手段から読み出した切替条件に基づいて前記イオンビームの照射と気体冷媒の供給とを切替動作させる切替制御手段とを備えることを特徴とする請求項5に記載のイオンミリング装置。
The switching means is
Storage means for storing preset switching conditions;
6. The ion milling apparatus according to claim 5, further comprising switching control means for switching the irradiation of the ion beam and the supply of the gaseous refrigerant based on the switching condition read from the storage means.
前記イオン源は、前記試料チャンバに連通して、前記イオンビームの発生空間を所定の真空に保持するプラズマチャンバを備え、
さらに、前記試料チャンバとプラズマチャンバとを異なる真空度に保持する差動排気機構を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のイオンミリング装置。
The ion source includes a plasma chamber that communicates with the sample chamber and holds a generation space of the ion beam in a predetermined vacuum,
7. The ion milling apparatus according to claim 1, further comprising a differential evacuation mechanism that holds the sample chamber and the plasma chamber at different degrees of vacuum.
さらに、前記気体冷媒を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のイオンミリング装置。   8. The ion milling device according to claim 1, further comprising a cooling mechanism that cools the gaseous refrigerant. プラズマチャンバ内で生成したイオンビームを試料に照射することで当該試料の表面を除去するイオンミリング工程と、
前記プラズマチャンバに連通して前記試料を収納する試料チャンバ内に気体冷媒を供給することで当該試料を冷却する冷却工程とを含み、
前記イオンミリング工程と冷却工程とを切り替えて行うことを特徴とするイオンミリング方法。
An ion milling process for removing the surface of the sample by irradiating the sample with an ion beam generated in the plasma chamber;
A cooling step of cooling the sample by supplying a gaseous refrigerant into a sample chamber that communicates with the plasma chamber and stores the sample,
An ion milling method, wherein the ion milling step and the cooling step are switched.
プラズマチャンバ内で生成したイオンビームを試料に照射することで当該試料の表面を除去するイオンミリング工程と、
前記プラズマチャンバに連通して前記試料を収納する試料チャンバ内に気体冷媒を供給することで当該試料を冷却する冷却工程とを含み、
前記プラズマチャンバ内と試料チャンバ内とを差動排気して、前記イオンミリング工程と冷却工程とを同時に行うことを特徴とするイオンミリング方法。
An ion milling process for removing the surface of the sample by irradiating the sample with an ion beam generated in the plasma chamber;
A cooling step of cooling the sample by supplying a gaseous refrigerant into a sample chamber that communicates with the plasma chamber and stores the sample,
An ion milling method, wherein the plasma chamber and the sample chamber are differentially evacuated to perform the ion milling step and the cooling step simultaneously.
前記冷却工程は、前記試料チャンバ内に設けられたノズルから気体冷媒を直接試料に噴射して行うことを特徴とする請求項9又は10に記載のイオンミリング方法。   11. The ion milling method according to claim 9, wherein the cooling step is performed by injecting a gaseous refrigerant directly onto the sample from a nozzle provided in the sample chamber.
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