JP2016173874A - イオンミリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料へのスパッタ粒子の再付着を抑制し、清浄な加工面を得る。【解決手段】試料台１０７に搭載された試料１０１のイオンビーム照射領域近傍に、イオンビーム１０３の照射を妨げないように、イオンビームの照射より発生したスパッタ粒子を付着させるスパッタ粒子付着部材１０９を配置する。スパッタ粒子付着部材は、イオンビーム照射領域より低くなるように温度制御される。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡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或いは断面を、アルゴ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。イオンミリング装置は、イオンビームによって試料表面の原子を表面からはじき出すスパッタ現象を用いて、試料を削る加工装置である。試料加工時は、イオンビーム散乱による加工目的位置以外の試料損傷を防ぐため、加工目的位置以外の試料上面にイオンビームの遮蔽板（以下、マスクとも言う）を置き、この遮蔽板から試料を突出させる。そして、突出された試料部分がスパッタされることで試料の断面を平滑に加工できる。

イオンビーム加工において、スパッタ粒子がマスク及び加工面へ再付着して試料にバリが発生することを抑制するために、特開２００５−１３５８６７号公報には、被加工試料の被加工面上の空間に電界を発生させるための電極を配置し、試料に０Ｖもしくは負の電圧を印加することにより、イオンビームを照射したときに発生する飛散物質を試料表面に堆積させずに加工を行う技術が開示されている。特開２００９−１４５０５０号公報には、熱に弱い試料であっても、試料冷却機構の付いたマスクを配置することでイオンビームによる熱ダメージを抑制する技術が開示されている。

特開２００５−１３５８６７号公報 特開２００９−１４５０５０号公報

イオンミリング装置で試料を加工すると、イオンビームによって削られた物質（以下、スパッタ粒子と言う）の試料への再付着（リデポジション）が起こり、清浄な加工面を取得することが困難となる。特許文献１のようなイオンビーム加工装置でも、試料の断面加工時の再付着の問題が解消されていない。特許文献２のようなイオンビーム加工装置であっても再付着の抑制については言及していない。

本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであって、再付着を効果的に抑制し試料の清浄な加工面を取得することができるイオンミリング装置を提供するものである。

本発明のイオンミリング装置は、試料台に搭載された試料のイオンビーム照射領域近傍にイオンビームの照射を妨げないように配置され、イオンビームの照射より発生したスパッタ粒子を付着させるスパッタ粒子付着部材を有する。スパッタ粒子付着部材は、イオンビーム照射領域より低くなるように温度制御される。この構成により、試料やマスクからスパッタされたスパッタ粒子は、スパッタ粒子付着部材に優先的に付着するので、試料加工面への再付着を抑制できる。

スパッタ粒子付着部材は、一例として、試料のイオンビーム照射領域の両側にイオンビームの照射方向に沿って延在する部分を有する。スパッタ粒子付着部材は、試料台、試料ステージ、あるいは試料とイオン銃の間に配置されるマスクなどに固定することができる。あるいは、真空チャンバーにスパッタ粒子付着部材を固定する構造としてもよい。

本発明によれば、イオンミリング装置でイオンビームによって試料やマスクから削られた物質、汚染物質が試料へ再付着することを効果的に抑制でき、清浄な加工面を得ることができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

イオンミリング装置の実施例の概略構成を示す正面模式図。 イオンミリング装置の実施例の概略構成を示す平面模式図。 試料ステージ上に保持された試料、マスク及びスパッタ粒子付着部材の詳細模式図。 スパッタ粒子付着部材によるスパッタ粒子の捕集状態を示す模式図。 スパッタ粒子付着部材を試料ステージに固定する例の説明図。 スパッタ粒子付着部材をマスクに固定する例の説明図。 スパッタ粒子付着部材を試料台に固定する例の説明図。 従来のイオンミリング装置による試料加工の一例を示す模式図。 従来のイオンミリング装置による試料加工の一例を示す模式図。 温度制御部の実施例を示す模式図。 イオンミリング装置の他の実施例の概略構成を示す正面模式図。 イオンミリング装置の他の実施例の概略構成を示す平面模式図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施例１］
図１及び図２は、本実施例のイオンミリング装置の概略構成を示す摸式図である。図１は正面模式図、図２は平面模式図である。

本実施例のイオンミリング装置は、イオン銃１０４、真空チャンバー１０５、真空排気ポンプ１０６、試料台１０７、試料ステージ１０８、スパッタ粒子付着部材１０９などから構成されている。イオンビーム１０３はイオン銃１０４から照射される。真空チャンバー１０５は、真空排気ポンプ１０６によって内部が大気圧又は真空に制御され、イオン銃１０４、試料台１０７、試料ステージ１０８などを真空雰囲気に維持することができる。試料１０１は試料台１０７に搭載され、試料台１０７は試料ステージ１０８に保持される。マスク１０２はイオンビーム１０３を遮蔽するためのものであり、試料１０１の上に保持されている。イオンビーム１０３は、マスク１０２から突出した試料部分を削る。

スパッタ粒子付着部材１０９は、マスク１０２の上に保持されている。スパッタ粒子付着部材１０９には、温度制御部１１０が接続されている。スパッタ粒子付着部材１０９を冷却すると、マスク１０２、試料１０１、試料台１０７、試料ステージ１０８も冷却される。温度制御部１１０は、スパッタ粒子付着部材１０９、マスク１０２、試料１０１、試料台１０７、試料ステージ１０８の順に冷却するため、スパッタ粒子付着部材１０９が一番の低温になる。

図３は、試料ステージ上に保持された試料、マスク及びスパッタ粒子付着部材の詳細模式図である。ここでは、イオンビーム１０３の被照射領域近傍に配置され、イオンビーム照射により試料１０１から飛び出したスパッタ粒子３０１を付着させるスパッタ粒子付着部材１０９として、温度制御部１１０に接続された金属板３１０を用いた例を示す。金属板３１０は試料１０１とは接触せず、イオンビームの照射を妨げないようにイオンビーム１０３の照射方向に沿って試料１０１の加工面近傍、すなわちスパッタ粒子の発生する領域の近くに配置されている。本例の金属板３１０は、２本の脚部３１０ｂ，３１０ｃとその２本の脚部３１０ｂ，３１０ｃを接続する本体部分３１０ａとを備える概略Ｕ字状の形状を有し、２本の脚部３１０ｂ，３１０ｃは途中から本体部分に対してほぼ直角に折れ曲がっている。金属板３１０は、本体部分と脚部とでイオンビーム１０３を囲むようにして本体部分３１０ａがマスク１０２の上に載置され、折れ曲がった２本の脚部３１０ｂ，３１０ｃは試料１０１の加工面の両側に試料から離して配置される。金属板３１０は、例えばＣｕ（銅），Ａｌ（アルミニウム）等、熱伝導率の高い金属材料からなり、温度制御部１１０によって冷却される。

図４は、スパッタ粒子付着部材１０９によるスパッタ粒子３０１の捕集状態を示す模式図である。イオンビーム１０３で加工を行うと、イオンビーム１０３を照射した試料１０１の加工面３０２からスパッタ粒子３０１が発生する。イオンビーム照射によって発生するスパッタ粒子３０１は、イオンビーム１０３を照射することによって熱が加わっている加工面３０２やその周辺より温度の低い金属板３１０、特に試料のイオンビーム照射領域、すなわち加工面３０２の両側にイオンビーム１０３の照射方向に沿って延在している脚部３１０ｂ，３１０ｃに吸着する。そのため、スパッタ粒子３０１による加工面３０２の汚染を低減して加工を行うことができる。本実施例では、スパッタ粒子付着部材はマスクの上に保持されているが、スパッタ粒子付着部材がイオンビーム照射領域より低温であれば、スパッタ粒子付着部材は試料台や試料ステージ上に保持されても良い。

図５から図７は、スパッタ粒子付着部材の固定方法の例を示す図である。
図５は、スパッタ粒子付着部材を試料ステージに固定する例の説明図である。本例では、スパッタ粒子付着部材１０９の本体部分後端に下方に延在するＬ字形の固定部を設け、固定部を固定ネジ１２１によって試料ステージ１０８に固定する。固定ネジ１２１を用いたスパッタ粒子付着部材１０９の試料ステージ１０８への固定は、試料ステージを真空チャンバー１０５の外に取り出した状態で行い、その後、試料ステージ１０８を真空チャンバー１０５に取り付ける。

図６は、スパッタ粒子付着部材をマスクに固定する例の説明図である。本例では、スパッタ粒子付着部材１０９の本体部分後端をマスク１０２に固定ネジ１２１によって固定する。固定ネジ１２１を用いたスパッタ粒子付着部材１０９のマスク１０２への固定は、試料ステージを真空チャンバー１０５の外に取り出した状態で行い、その後、試料ステージ１０８を真空チャンバー１０５に取り付ける。

図７は、スパッタ粒子付着部材を試料台に固定する例の説明図である。本例では、スパッタ粒子付着部材１０９の本体部分後端に下方に延在する固定部を設け、固定部を固定ネジ１２１によって試料台１０７に固定する。固定ネジ１２１を用いたスパッタ粒子付着部材１０９の試料台１０７への固定は、試料ステージを真空チャンバー１０５の外に取り出した状態で行い、その後、試料ステージ１０８を真空チャンバー１０５に取り付ける。

ここで、本実施例のスパッタ粒子付着部材を用いないで加工した従来の試料加工面を比較例として示す。図８、図９は、従来のイオンミリング装置による試料加工の一例を示す模式図である。図８のように試料１０１の上にマスク１０２を配置してイオンビーム１０３を照射すると、図９のようにイオンビーム１０３を照射した加工面３０２からスパッタ粒子３０１が発生する。このスパッタ粒子３０１は、加工面３０２に再付着し堆積するため、加工後の電子顕微鏡観察時の障害になる。

一方、本実施例のように冷却したスパッタ粒子付着部材を、イオンビームの照射を妨げないように加工面の近くにイオンビームに沿って配置し、スパッタ粒子をスパッタ粒子付着部材に付着させて捕集することで、加工面へのスパッタ粒子の再付着を防止し、加工面を清浄に維持することができる。

図１０は、温度制御部１１０の実施例を示す模式図である。スパッタ粒子付着部材を冷却する温度制御部は、冷媒を入れる容器５０１，冷媒５０２，冷媒５０２とスパッタ粒子付着部材１０９を繋ぐ伝熱配線５０３で構成されている。冷媒５０２には、例えば、液体窒素，液体ヘリウム，ドライアイス等を用いることができる。また、スパッタ粒子付着部材１０９、及び冷媒５０２とスパッタ粒子付着部材１０９を繋ぐ伝熱配線５０３には、例えば、Ｃｕ（銅），Ａｌ（アルミニウム）等、熱伝導率の高い材料を用いる。少なくとも、伝熱配線５０３の周囲の部材より熱伝導性のよい部材を用いる。これにより、冷媒の熱が、冷媒５０２とスパッタ粒子付着部材１０９を繋ぐ伝熱配線５０３を通して伝わり、スパッタ粒子付着部材１０９を冷却することができる。

図１０では、冷媒を用いて冷却する方法を例としてあげたが、ペルチェ素子等を用いてもスパッタ粒子付着部材の冷却は可能である。また、ヒーター５０４を組み合わせることによって、スパッタ粒子付着部材１０９を任意の温度に調整することできる。

また、スパッタ粒子付着部材１０９を冷却しすぎた状態で真空チャンバー１０５を大気開放すると、スパッタ粒子付着部材１０９への霜の付着を誘発し、スパッタ粒子付着部材近傍に位置する試料加工面の汚染へとつながる恐れがある。そのため、真空チャンバー１０５を大気開放する前にスパッタ粒子付着部材１０９の温度が室温まで上昇するのを待つ必要がある。スパッタ粒子付着部材１０９に接続している温度制御部１１０では冷却だけでなく加熱も実現できるため、大気開放前には加熱によってスパッタ粒子付着部材１０９を室温程度に調節することができる。そのため、ミリング終了後すぐに大気開放でき、スループットの向上が図れる。

ここでは、スパッタ粒子付着部材を金属板で構成する例を説明した。金属板の表面は平坦面であってもよいし、粗面としてもよい。また、板状以外に、棒状、あるいはブロック状の部材であってもよい。また、図３、図４に例示したスパッタ粒子付着部材は、試料の加工面に対面する部分を開放構造とし、試料加工面から垂直方向に飛散するスパッタ粒子はスパッタ粒子付着部材の脚部の間を通り抜けて自由に流出できるようにしたが、それらのスパッタ粒子も捕集できるように２本の脚部の間を塞ぐ構造としてもよい。

［実施例２］
図１１及び図１２は、実施例２のイオンミリング装置の概略構成を示す摸式図である。図１１は正面模式図、図１２は平面模式図である。本実施例のイオンミリング装置は、スパッタ粒子付着部材だけを冷却することができる。

実施例１との大きな違いは、スパッタ粒子付着部材１０９をマスク１０２や試料台１０７に取り付けず、真空チャンバー１０５に取り付けていることである。従って、試料１０１から独立してスパッタ粒子付着部材１０９を設置することができる。スパッタ粒子付着部材１０９の支持部６０１は温度制御部１１０とスパッタ粒子付着部材１０９を繋ぐ伝熱部も兼ねている。本実施例では、スパッタ粒子付着部材１０９だけを温度制御するため、温度変化に掛かる時間が短い。そのため、スパッタ粒子付着部材１０９を短時間で冷却することができるので、装置のスループットの向上が図れる。スパッタ粒子付着部材１０９の形状、構造、材質などは実施例１と同様とすることができる。

図示の例では、温度制御部１１０は、冷媒を入れる容器５０１，冷媒５０２，冷媒５０２とスパッタ粒子付着部材１０９を繋ぐ支持部（伝熱部）６０１、及びヒーター５０４で構成されている。冷媒５０２には、例えば、液体窒素，液体ヘリウム，ドライアイス等を用いることができる。また、スパッタ粒子付着部材１０９及び冷媒５０２とスパッタ粒子付着部材１０９を繋ぐ支持部（伝熱部）６０１には、例えば、Ｃｕ（銅），Ａｌ（アルミニウム）等、熱伝導率の高い材料を用いる。なお、温度制御部１１０に冷媒やヒーターを用いる代わりにペルチェ素子等を用いてもよい。

また、スパッタ粒子付着部材１０９を冷却しすぎた状態で真空チャンバー１０５を大気開放すると、スパッタ粒子付着部材１０９への霜の付着を誘発し、スパッタ粒子付着部材近傍に位置する試料加工面の汚染へとつながる恐れがある。そのため、真空チャンバー１０５を大気開放する前にスパッタ粒子付着部材１０９の温度が室温まで上昇するのを待つ必要がある。スパッタ粒子付着部材１０９に接続している温度制御部１１０では冷却だけでなくヒーター５０４による加熱も実現できるため、加工後の大気開放前には加熱によってスパッタ粒子付着部材１０９を室温程度に調節することができる。そのため、ミリング終了後すぐに大気開放でき、スループットの向上が図れる。

本実施例では、スパッタ粒子付着部材１０９が試料１０１やマスク１０２、試料台１０７、試料ステージ１０８等に接触していないので、試料１０１はスパッタ粒子付着部材１０９の冷却、加熱による温度変化の影響は受けない。また、マスク１０２や試料台１０７、試料ステージ１０８はスパッタ粒子付着部材１０９を取り付けるための改造を必要とせずに再付着を抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれている。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換することが可能である。

１０１ 試料
１０２ マスク
１０３ イオンビーム
１０４ イオン銃
１０５ 真空チャンバー
１０６ 真空ポンプ
１０７ 試料台
１０８ 試料ステージ
１０９ スパッタ粒子付着部材
１１０ 温度制御部
３０１ スパッタ粒子
３０２ 加工面
３１０ 金属板
５０１ 容器
５０２ 冷媒
５０３ 伝熱配線
６０１ 支持部

Claims (11)

1. 真空排気される真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーに収容された、イオンビームを照射するイオン銃、試料を搭載する試料台、及び前記試料台を保持する試料ステージと、
   前記試料台に搭載された試料のイオンビーム照射領域近傍に前記イオンビームの照射を妨げないように配置され、前記イオンビームの照射より発生したスパッタ粒子を付着させるスパッタ粒子付着部材と
   を有することを特徴とするイオンミリング装置。
2. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記スパッタ粒子付着部材の温度を制御する温度制御部を備えることを特徴とするイオンミリング装置。
3. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記温度制御部は、前記スパッタ粒子付着部材の温度を前記イオンビーム照射領域より低くなるように制御することを特徴とするイオンミリング装置。
4. 請求項３記載のイオンミリング装置において、前記温度制御部は、冷媒を入れる容器と、前記容器中の冷媒と前記スパッタ粒子付着部材とを繋ぐ伝熱部材とを備えることを特徴とするイオンミリング装置。
5. 請求項３記載のイオンミリング装置において、前記温度制御部は前記スパッタ粒子付着部材を加熱する機能も有することを特徴とするイオンミリング装置。
6. 請求項５記載のイオンミリング装置において、前記温度制御部は、前記真空チャンバーを大気開放するに先だって前記スパッタ粒子付着部材を加熱することを特徴とするイオンミリング装置。
7. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記スパッタ粒子付着部材は試料のイオンビーム照射領域の両側に前記イオンビームの照射方向に沿って延在する部分を有することを特徴とするイオンミリング装置。
8. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記スパッタ粒子付着部材は前記試料台に固定されることを特徴とするイオンミリング装置。
9. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記スパッタ粒子付着部材は前記試料ステージに固定されることを特徴とするイオンミリング装置。
10. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記スパッタ粒子付着部材は前記試料台に搭載された試料と前記イオン銃の間に配置されるマスクに固定されることを特徴とするイオンミリング装置。
11. 請求項１記載のイオンミリング装置において、前記スパッタ粒子付着部材は前記真空チャンバーに固定されることを特徴とするイオンミリング装置。

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