JP2018049842A - Ion gun, ion milling device, and ion milling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料を作成するためのイオンガンおよびそれを有するイオンミリング装置、イオンミリング方法に関する。 The present invention relates to an ion gun for preparing a sample, an ion milling apparatus having the ion gun, and an ion milling method.
イオンミリング法は、加速したイオンを試料へ衝突させて、イオンが原子や分子をはじき飛ばすスパッタ現象を利用して、試料を削る加工法である。また加工される試料は、上面にイオンビームの遮蔽板となるマスクを載せ、マスク端面からの突出部分がスパッタされることで平滑な断面が加工できる。この方法は、金属、ガラス、セラミック、電子部品、複合材料などを対象に用いられる。例えば電子部品においては、内部構造や断面形状、膜厚評価、結晶状態、故障や異物断面の解析といった用途に用いられる。また走査型電子顕微鏡をはじめとした各種測定装置による形態像、試料組成像、チャネリング像の取得やX線分析、結晶方位解析など取得するための断面試料作成方法として利用されている。 The ion milling method is a processing method in which a sample is cut using a sputtering phenomenon in which accelerated ions collide with a sample and the ions repel atoms and molecules. The sample to be processed can be processed with a smooth cross section by placing a mask serving as an ion beam shielding plate on the upper surface and sputtering the protruding portion from the mask end surface. This method is used for metals, glass, ceramics, electronic components, composite materials, and the like. For example, in an electronic component, it is used for applications such as internal structure, cross-sectional shape, film thickness evaluation, crystal state, failure and analysis of foreign substance cross-section. Further, it is used as a cross-sectional sample preparation method for acquiring morphological images, sample composition images, channeling images, X-ray analysis, crystal orientation analysis, and the like by various measuring apparatuses such as a scanning electron microscope.
前記のようなイオンミリング装置においては、イオンガンとして単純な構成で小型なペニング放電方式のイオンガンが用いられているものがある。ペニング放電方式のイオンガンは、イオンビームのエネルギーが大きいことに起因する高いミリング速度が特長である。特許文献1には高いミリング速度を維持するためにイオンガンから放出されるイオンビームの電流値を常に最大値に保つ方式が記載されている。 Some ion milling devices as described above use a small Penning discharge type ion gun with a simple configuration as an ion gun. The Penning discharge type ion gun is characterized by a high milling speed resulting from the high energy of the ion beam. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes a method of always maintaining the current value of an ion beam emitted from an ion gun at a maximum value in order to maintain a high milling speed.
ペニング放電方式のイオンガンを搭載したイオンミリング装置はイオンビームのエネルギーが比較的大きい。このため高い加速電圧の条件下では大きなミリング速度を実現するため非常に有用である。そのため特許文献1のように、イオンガンから放出されるイオンビームの電流値は常に最大値に保つことが望ましく、イオンビーム電流値が加工中に低下する原因が、加工中の真空度変化に起因するものであることを開示し、加工中に電流値が最大となるガス圧が得られるように真空度変化を想定したガス流量を予め設定する加工方法が開示されている。このようにペニング放電方式のイオンガンでは従来から高いイオンビーム電流が要求されている。
An ion milling device equipped with a Penning discharge type ion gun has a relatively large ion beam energy. Therefore, it is very useful for realizing a high milling speed under the condition of high acceleration voltage. Therefore, as in
なお、特許文献2の図3には、ガス流量とイオンビーム電流値の関係が開示されており、ガス流量を想定値から増加させていくと、次第にイオンビーム電流値が低下することが開示されている。しかしながら、特許文献2の目的は高いイオンビーム電流値を確保することであるので、この低いイオンビーム電流値の領域を利用することに関する一切の言及はない。
FIG. 3 of
一方で、融点が低い材料を加工する場合には、イオンビームのエネルギーによる熱の蓄積が原因となって、試料断面にダメージが発生することが懸念されている。近年、有機ELなどの電子デバイス分野においても有機高分子材料の活用が進んでおり、試料の熱ダメージを抑えるのに有効な低加速電圧での加工のニーズが高まっている。また、電子電気機器の端子コネクタなどに使用されるCu-Zn系合金や、鉛フリー半田など、またはこれらの材料よりも融点の低い材料の加工においても熱ダメージにより試料損傷が課題となっている。 On the other hand, when processing a material having a low melting point, there is a concern that damage may occur on the cross section of the sample due to heat accumulation due to the energy of the ion beam. In recent years, the use of organic polymer materials is progressing also in the field of electronic devices such as organic EL, and the need for processing at a low acceleration voltage effective for suppressing thermal damage of samples is increasing. Also, sample damage due to thermal damage has become a problem in the processing of Cu-Zn alloys used for terminal connectors of electronic and electrical equipment, lead-free solder, and materials having a melting point lower than those materials. .
特許文献2には低い加速電圧を使用することにより試料損傷を最小限に抑えることができることが開示されているが、ペニング放電方式のイオンガンにおいて低い加速電圧では、試料上のスポットサイズが増大することも開示されている。
発明者が本点を検討した結果、ペニング放電方式のイオンガンでは、カソードと加速電極出口孔の間には電位差が生じているため、その空間にはレンズが構成されている。レンズの強度はカソードと加速電極出口孔の電位差に比例するため、加速電圧が高いほどレンズ強度が大きくなり、ビームが小さく絞られることになる。しかしながら、低い加速電圧ではレンズ効果が弱いため、イオンビームは広がり、試料上のスポット径が大きくなるという課題があることが判明した。 As a result of the inventor studying this point, in the Penning discharge type ion gun, a potential difference is generated between the cathode and the accelerating electrode outlet hole, and thus a lens is formed in the space. Since the strength of the lens is proportional to the potential difference between the cathode and the exit hole of the acceleration electrode, the higher the acceleration voltage, the larger the strength of the lens and the smaller the beam. However, since the lens effect is weak at a low acceleration voltage, it has been found that there is a problem that the ion beam spreads and the spot diameter on the sample increases.
特許文献3では低加速電圧でのイオンビーム電流の制御が容易なイオンガンとしてホローアノード放電方式のイオンガンが開示されている。しかしながら、ホローアノード放電方式のイオンガンでは高い加速電圧においてペニング放電方式のイオンガンに比べて加工速度が著しく低いことが特許文献3にも示されている。低い加速電圧の硬においてホローアノード放電方式のイオンガンを適用した場合には、高いミリング速度との両立ができないという課題がある。 In Patent Document 3, a hollow anode discharge type ion gun is disclosed as an ion gun that can easily control an ion beam current at a low acceleration voltage. However, Patent Document 3 also shows that the processing speed of a hollow anode discharge type ion gun is significantly lower than that of a Penning discharge type ion gun at a high acceleration voltage. When a hollow anode discharge type ion gun is applied at a low acceleration voltage, there is a problem that a high milling speed cannot be achieved.
このような点を課題として認識し、本願発明者は実験を繰り返し行った。本願発明はこれらにより得られた知見からなされたものであり、その目的は特に、低い加速電圧において簡便な方法でビームのスポット径を小さくすることが可能となることを特徴とするペニング放電方式もしくはそれに準ずる形状のイオンガン、およびそれを有するイオンミリング装置を提供することにある。 Recognizing such a point as an issue, the present inventor repeatedly conducted experiments. The invention of the present application has been made based on the knowledge obtained by these methods, and the purpose thereof is a Penning discharge method or a beaming method characterized in that the spot diameter of the beam can be reduced by a simple method at a low acceleration voltage. It is an object of the present invention to provide an ion gun having a shape similar to that and an ion milling apparatus having the same.
本発明に掛かるイオンミリング装置は前記目的を達成するため、具体的な一態様として、イオンガンから試料へ照射されるイオンビームのビームプロファイルの半値幅を200μmから350μmまでの範囲に制御するイオンミリング装置であって、外部から供給されたガスをイオン化してイオンビームを放出する前記イオンガンと、前記イオンガンに供給される前記ガスの流量を可変させるガス流量可変部と、前記イオンガンから放出されるイオンビームの電流値を測定する電流測定部と、を有し、前記ガス流量可変部は、前記ガス流量可変部にて定められる前記ガスの流量と前記電流測定部にて測定される前記電流値とに基づき、前記イオンビーム電流が最大となるガス流量よりも多いガス流量に設定され、前記最大となるガス流量における前記半値幅よりも前記イオンビームの前記半値幅を狭くさせることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ion milling apparatus according to the present invention, as a specific aspect, controls the half width of the beam profile of the ion beam irradiated from the ion gun to the sample in a range from 200 μm to 350 μm. The ion gun that ionizes a gas supplied from the outside and emits an ion beam, a gas flow rate variable unit that varies a flow rate of the gas supplied to the ion gun, and an ion beam emitted from the ion gun A current measurement unit that measures a current value of the gas, the gas flow rate variable unit includes a flow rate of the gas determined by the gas flow rate variable unit and a current value measured by the current measurement unit. Based on the gas flow rate at which the ion beam current is maximized. The full width at half maximum of the ion beam is narrower than the full width at half maximum.
また、他の具体的な一態様として、本発明に掛かるイオンミリング方法は、イオンビームによるビームプロファイルの半値幅を200μmから350μmまでの範囲に制御し試料を加工するイオンミリング方法であって、外部から供給されたガスをイオン化してイオンビームを放出する放出ステップと、前記イオンガンに供給される前記ガスの流量を可変させる流量可変ステップと、前記イオンガンから放出されるイオンビームの電流値を測定する測定ステップと、前記流量可変ステップにて定められる前記ガスの流量と前記測定ステップにて測定される前記電流値とに基づき、前記イオンビーム電流が最大となるガス流量よりも多いガス流量に設定する設定ステップと、前記設定ステップにて設定され、前記最大となるガス流量における前記半値幅よりも前記イオンビームの前記半値幅を狭くさせた前記イオンビームを前記試料に照射する照射ステップと、を有する。 As another specific embodiment, an ion milling method according to the present invention is an ion milling method in which a half width of a beam profile by an ion beam is controlled in a range from 200 μm to 350 μm, and a sample is processed. A discharge step of ionizing the gas supplied from the ion source to emit an ion beam; a flow rate variable step of changing a flow rate of the gas supplied to the ion gun; and a current value of the ion beam emitted from the ion gun. Based on the measurement step, the gas flow rate determined in the flow rate variable step, and the current value measured in the measurement step, the gas flow rate is set higher than the gas flow rate at which the ion beam current becomes maximum. The setting step and the gas flow rate set at the setting step and at the maximum gas flow rate Irradiating the sample with the ion beam having the half width of the ion beam narrower than the half width.
本発明においては、低加速電圧において簡便な方法でイオンビームを細く絞ることができる。これにより、試料に対する熱ダメージを低減することができる。 In the present invention, the ion beam can be narrowed down by a simple method at a low acceleration voltage. Thereby, the thermal damage with respect to a sample can be reduced.
本願発明者は実験を繰り返し行うことにより、イオンガンのイオン化室内に供給されるガス流量を制御することでイオンビームのビームプロファイルが制御可能なことを見出した。特にイオンビーム電流が最大値となるガス流量を計測し、ガス流量をイオンビーム電流が最大値となる流量値よりも多い流量に設定することにより、イオンビームによるビームプロファイルを制御し、ビームプロファイルの半値幅を200μmから350μmの範囲まで小径化することを可能であることを見出した。 The inventor of the present application has found that the beam profile of the ion beam can be controlled by controlling the flow rate of the gas supplied into the ionization chamber of the ion gun by repeating the experiment. In particular, by measuring the gas flow rate at which the ion beam current reaches the maximum value and setting the gas flow rate to a flow rate greater than the flow rate value at which the ion beam current reaches the maximum value, the beam profile by the ion beam is controlled, It has been found that the half-value width can be reduced from 200 μm to 350 μm.
また本発明によれば、イオンビームのプロファイルが小径化するにしたがって、イオンビーム電流値も低減されるため、熱ダメージの低減に大きく寄与できることも確認された。 In addition, according to the present invention, it was also confirmed that the ion beam current value is reduced as the ion beam profile is reduced in diameter, which can greatly contribute to the reduction of thermal damage.
これにより、低加速電圧において簡便な方法でイオンビームを細く絞ることができるペニング放電方式のイオンガンおよびそれを有するイオンミリング装置、イオンミリング方法を提供することができる。特に本発明によれば、加速電圧とアルゴンガス流量の設定により所望のイオンビーム電流値とイオンビーム形状とミリング速度を任意に選択することができるため、冷却機構と組み合わせたミリング装置において冷却源の冷却性能を有効に活用できるため、熱ダメージの小さなミリング加工として効果が高い。これは特に、Cu-Zn合金や、鉛フリー半田、有機高分子材料のイオンミリング加工において非常に有用である。 Accordingly, it is possible to provide a Penning discharge type ion gun capable of narrowing the ion beam thinly at a low acceleration voltage by a simple method, an ion milling apparatus having the same, and an ion milling method. In particular, according to the present invention, since a desired ion beam current value, ion beam shape, and milling speed can be arbitrarily selected by setting the acceleration voltage and the argon gas flow rate, the cooling source of the milling device combined with the cooling mechanism can be selected. Since cooling performance can be used effectively, it is highly effective as a milling process with little heat damage. This is particularly useful in ion milling of Cu—Zn alloys, lead-free solders, and organic polymer materials.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明のイオンミリング加工装置の構成を示す説明図である。ペニング放電方式、もしくはそれに準ずる形状のイオンガン1は、その内部にイオンを発生するために必要な構成要素が配置され、イオンビーム2を試料6に照射するための照射系を形成する。ガス源41はガス流量可変部40を介してイオンガン1に接続され、ガス流量可変部40により制御されたガス流量がイオンガン1のイオン化室内に供給される。イオンビーム2の照射とそのイオンビーム電流は、イオンガン制御部3によって制御される。イオンビーム2のイオンビーム電流は、電流測定部50によって測定される。
FIG. 1 is an explanatory view showing a configuration of an ion milling apparatus of the present invention. A component necessary for generating ions is disposed inside the
電流測定子52はイオンビームのシャッタの役割も兼ねており、電流測定子駆動部51により稼動する機構を有する。真空チャンバー4は、真空排気系5によって大気圧または真空に制御される。試料6は試料台7の上に保持され、試料台7は試料ステージ8によって保持されている。試料ステージ8は、真空チャンバー4が大気開放したときに真空チャンバー4の外へ引き出すことができ、また試料6をイオンビーム2の光軸に対して任意の角度に傾斜させることができるための機構要素をすべて含んでいる。試料ステージ駆動部9は、試料ステージ8を左右へスイングすることができ、その速度を制御することができる。
The
図2は、本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の一例である。イオンガン1はイオンガン内部にガスを供給するガス流量可変部40と、アノード13と、カソード11とカソード12と、永久磁石14と、加速電極15と、インシュレータ16により構成され、イオンガンベース17に固定される。イオンガン制御部3は放電電源21と加速電源22に電気的に接続されており、放電電圧と加速電圧を制御している。
FIG. 2 is an example of a cross-sectional view showing a configuration of a peripheral portion related to the ion gun of the present invention. The
このようなペニング放電方式のイオンガンでは、カソード12と加速電極出口孔33の間には電位差が生じるため、その空間にはレンズが構成される。レンズの強度はカソード12と加速電極出口孔33の電位差に比例するため、加速電圧が高いほどレンズ強度が大きくなり、ビームが絞られる。ただし、低い加速電圧ではレンズ効果が弱くなるため、ビームの広がりが顕著になり、試料上のスポット径が大きくなる。
In such a Penning discharge type ion gun, since a potential difference is generated between the
図3は、イオンビーム電流が最大値となるように設定する従来条件のペニング放電方式のイオンガンの加速電圧とスポット深さの関係を示す説明図の一例である。加速電圧6kVで加工した場合のビームプロファイルに比べて、加速電圧4kVで加工したビームプロファイルはビーム痕の深さが浅くなる一方、イオンビームのスポットサイズが増大する。このため低損傷加工を目的に低加速電圧を選択したにもかかわらず、試料上の熱拡散の影響は大きくなることがわかる。 FIG. 3 is an example of an explanatory diagram showing the relationship between the acceleration voltage and spot depth of a conventional Penning discharge type ion gun set so that the ion beam current becomes the maximum value. Compared with a beam profile processed at an acceleration voltage of 6 kV, a beam profile processed at an acceleration voltage of 4 kV has a shallow beam mark depth, while an ion beam spot size increases. For this reason, it can be seen that the influence of thermal diffusion on the specimen becomes large even though a low acceleration voltage is selected for the purpose of low damage processing.
本願発明者は、ペニング放電方式のイオンガンにおいて低い加速電圧であってもイオンビームのスポットサイズが増大せず、ビームスポットの小径化が可能なイオンミリング加工を目的として実験を繰り返し行い、イオンガン1のイオン化室内18に供給されるガス流量を制御することでイオンビームプロファイルが制御できることを見出した。特にイオンビーム電流の最大値が得られるガス流量を計測し、イオンビーム電流が最大となるガス流量よりも多いガス流量に設定することで、ビームプロファイルの半値幅が200μmから350μmまでの範囲にイオンビームを小径化することが可能であることを見出した。 The inventor of the present application has repeatedly conducted an experiment for the purpose of ion milling that enables the beam spot size to be reduced without increasing the spot size of the ion beam even with a low acceleration voltage in a penning discharge type ion gun. It has been found that the ion beam profile can be controlled by controlling the flow rate of the gas supplied to the ionization chamber 18. In particular, by measuring the gas flow rate at which the maximum value of the ion beam current can be obtained and setting the gas flow rate to be higher than the gas flow rate at which the ion beam current is maximized, It has been found that it is possible to reduce the beam diameter.
図4は、本発明のイオンミリング加工装置における動作を説明するガス流量とイオンビーム電流の関係を示す説明図の一例である。ここで実験に適用したイオンガン1の構成は、アノード内径31が8mmφ、アノード出口孔32は4mmφ、カソード出口孔33は4mmφ、加速電極出口孔34は2mmφである。放電電源21の印加電圧は1.5kV、加速電源22の印加電圧は4kVとし、イオンガン1のイオン化室18内に供給されるガス源41はアルゴンである。被加工材にはシリコンを用い、ミリング時間は1時間に設定した。
FIG. 4 is an example of an explanatory diagram showing a relationship between a gas flow rate and an ion beam current for explaining an operation in the ion milling apparatus of the present invention. The configuration of the
図4からイオンガン1に導入されるガス流量を増加させることによりイオンビーム電流が変化し、実験に適用したイオンガン構成においては、アルゴンガス流量が0から0.2cm3/分までの範囲ではイオンビーム電流が増大する傾向を示し、アルゴンガス流量が0.2から1.0cm3/分までの範囲ではイオンビーム電流が減少していく傾向を示す。またアルゴンガス流量が0から0.3cm3/分までの範囲ではイオンビーム電流値が大きくばらつき非常に不安定な領域となる。このイオンビーム電流が不安定となる領域は、加速電圧4kVで放出されるイオンビームが、カソード出口孔33と加速電極出口孔34の間に生じる電位差が小さいため、レンズ効果が弱くイオンビームが広がり、加速電極出口孔34の2mmφを通過できず加速電極出口孔34の周辺部分に衝突している影響である。
From FIG. 4, the ion beam current is changed by increasing the flow rate of the gas introduced into the
この現象はイオンビーム電流の不安定化ばかりでなく、加速電極に付着するリポジションや加速電極出口孔の変形、リデポジションによる汚染などの悪影響が生じることになる。図4の結果からアルゴンガス流量を増加させることにより、イオンビームが加速電極出口孔34の周辺部分に衝突する影響が排除され、安定したイオンビーム電流値が得られていることが分かる。
This phenomenon causes not only destabilization of the ion beam current but also adverse effects such as repositioning adhering to the acceleration electrode, deformation of the acceleration electrode outlet hole, and contamination due to redeposition. From the results of FIG. 4, it can be seen that by increasing the argon gas flow rate, the influence of the ion beam colliding with the peripheral portion of the acceleration
図5に本発明におけるアルゴンガス流量とイオンビームプロファイルの半値幅の関係の一例を示す。図5は、アルゴンガス流量が0.3cm3/分の条件ではビームプロファイルの半値幅が350μm、アルゴンガス流量が0.5cm3/分の条件ではビームプロファイルの半値幅が250μm、アルゴンガス流量が0.65cm3/分の条件でビームプロファイルの半値幅が200μm以下と、アルゴンガス流量を増大させることでイオンビームが小径化していくことを示している。 FIG. 5 shows an example of the relationship between the argon gas flow rate and the half width of the ion beam profile in the present invention. FIG. 5 shows that when the argon gas flow rate is 0.3 cm 3 / min, the half width of the beam profile is 350 μm, and when the argon gas flow rate is 0.5 cm 3 / min, the half width of the beam profile is 250 μm and the argon gas flow rate is The beam profile has a half-width of 200 μm or less under the condition of 0.65 cm 3 / min, indicating that the diameter of the ion beam is reduced by increasing the argon gas flow rate.
また、図6に本発明におけるアルゴンガス流量とイオンミリング速度の関係の一例を示す。図6は、アルゴンガス流量が0.3cm3/分の条件ではイオンミリング速度が毎時90μm、アルゴンガス流量が0.9cm3/分の条件ではイオンミリング速度が毎時70μmと低下する傾向は見られるがその減少率はそれほど大きくはなく、ミリング対象物によっては実用十分なミリング速度を有することを示している。 FIG. 6 shows an example of the relationship between the argon gas flow rate and the ion milling speed in the present invention. FIG. 6 shows that when the argon gas flow rate is 0.3 cm 3 / min, the ion milling rate is 90 μm / hour, and when the argon gas flow rate is 0.9 cm 3 / min, the ion milling rate tends to decrease to 70 μm / hour. However, the reduction rate is not so large, indicating that some milling objects have a milling speed sufficient for practical use.
図7は本発明におけるスポット深さを示す説明図の一例である。ここでは加速電圧条件は4kVであり、被加工材料にはシリコンを用い、ミリング時間を1時間に設定した場合のビームプロファイルである。従来例として示したものはアルゴンガス流量が0.07cm3/分の場合であり、実施例として示したものはアルゴンガス流量が0.9cm3/分の場合である。本発明によれば従来例と比較してイオンビームプロファイルの半値幅が約40%に低減されている。イオンビームの深さ、すなわちミリング速度はほぼ同等である。 FIG. 7 is an example of an explanatory diagram showing the spot depth in the present invention. Here, the acceleration voltage condition is 4 kV, silicon is used as the material to be processed, and the beam profile is set when the milling time is set to 1 hour. Is intended as a conventional example is when the argon gas flow rate of 0.07 cm 3 / min, the one shown as an example is the case of argon gas flow rate of 0.9 cm 3 / min. According to the present invention, the half width of the ion beam profile is reduced to about 40% as compared with the conventional example. The depth of the ion beam, that is, the milling speed is almost the same.
表1に、加速電圧4kVの条件でシリコンを1時間ミリング加工した場合の好ましいパラメータ範囲、より好ましいパラメータ範囲及び設定例の一覧を示す。好ましい範囲としては、ガス流量は0.3cm3/分以上とし、このとき真空チャンバー4内の圧力は6.0×10−2Pa以上となり、得られるイオンビーム電流値は85μA以下、イオンビームスポットの半値幅は370μm以下、ビームスポット深さは90μm以下である。
Table 1 shows a list of preferable parameter ranges, more preferable parameter ranges, and setting examples when silicon is milled for 1 hour under the condition of an acceleration voltage of 4 kV. As a preferable range, the gas flow rate is set to 0.3 cm 3 / min or more. At this time, the pressure in the
より好ましい範囲としては、ガス流量は0.6cm3/分以上とし、このときの真空チャンバー4内の圧力は1.4×10−1Pa以上となり、得られるイオンビーム電流値は55μA以下、イオンビームスポットの半値幅は230μm以下、ビームスポット深さは75μm以下である。設定例として抽出したのは、ガス流量は0.9cm3/分とし、このときの真空チャンバー4内の圧力は2.0×10−1Paとなり、得られるイオンビーム電流値は45μA、イオンビームスポットの半値幅は190μm、ビームスポット深さは75μmである。表1に示したように加速電圧とアルゴンガス流量の設定によりイオンビーム電流値とイオンビーム形状とミリング速度を任意に選択することができることがわかる。
As a more preferable range, the gas flow rate is 0.6 cm 3 / min or more, the pressure in the
図8は本発明における動作を説明するためのガス流量とイオンビーム電流の関係を示す説明図の一例である。ここで実験に適用したイオンガン1の構成は、アノード内径31が8mmφ、アノード出口孔32は4mmφ、カソード出口孔33は4mmφ、加速電極出口孔34は2mmφである。放電電源21の印加電圧は1.5kV、加速電源22の印加電圧は3kVとし、イオンガン1のイオン化室18内に供給されるガス源41はアルゴンである。被加工材にはシリコンを用い、ミリング時間は1時間に設定した。
FIG. 8 is an example of an explanatory diagram showing the relationship between the gas flow rate and the ion beam current for explaining the operation of the present invention. The configuration of the
図6からイオンガン1に導入されるガス流量を増加させることによりイオンビーム電流が変化し、実験に適用したイオンガン構成においては、アルゴンガス流量が0から0.35cm3/分までの範囲ではイオンビーム電流が増大する傾向を示し、アルゴンガス流量が0.35から1.0cm3/分までの範囲ではイオンビーム電流が減少していく傾向を示す。またアルゴンガス流量が0から0.35cm3/分までの範囲ではイオンビーム電流値が大きくばらつき非常に不安定な領域となる。
From FIG. 6, the ion beam current is changed by increasing the flow rate of the gas introduced into the
このイオンビーム電流が不安定となる領域は、加速電圧3kVで放出されるイオンビームが、カソード出口孔33と加速電極出口孔34の間に生じる電位差がより小さいため、レンズ効果が弱くイオンビームがさらに広がり、加速電極出口孔34の2mmφを通過できず加速電極出口孔34の周辺部分に衝突している影響である。この現象はイオンビーム電流の不安定化ばかりでなく、加速電極に付着するリポジションや加速電極出口孔の変形、リデポジションによる汚染などの悪影響が生じることになる。図8の結果からアルゴンガス流量を増加させることにより、イオンビームが加速電極出口孔34の周辺部分に衝突する影響が排除され、安定したイオンビーム電流値が得られていることが分かる。
In the region where the ion beam current becomes unstable, the ion beam emitted at the acceleration voltage of 3 kV has a smaller potential difference between the
図9は本発明におけるスポット深さを示す説明図の一例である。ここでは加速電圧条件は3kVであり、被加工材料にはシリコンを用い、ミリング時間を1時間に設定した場合のビームプロファイルである。従来例として示したものはアルゴンガス流量が0.07cm3/分の場合であり、実施例として示したものはアルゴンガス流量が0.9cm3/分の場合である。本発明によれば従来例と比較してイオンビームプロファイルの半値幅が約30%に低減されている。イオンビームの深さ、すなわちミリング速度はほぼ同等である。 FIG. 9 is an example of an explanatory diagram showing the spot depth in the present invention. Here, the acceleration voltage condition is 3 kV, silicon is used as the material to be processed, and the beam profile is set when the milling time is set to 1 hour. Is intended as a conventional example is when the argon gas flow rate of 0.07 cm 3 / min, the one shown as an example is the case of argon gas flow rate of 0.9 cm 3 / min. According to the present invention, the half width of the ion beam profile is reduced to about 30% as compared with the conventional example. The depth of the ion beam, that is, the milling speed is almost the same.
表2に、加速電圧3kVの条件でシリコンを1時間ミリング加工した場合の好ましいパラメータ範囲、より好ましいパラメータ範囲及び設定例の一覧を示す。好ましい範囲としては、ガス流量は0.3cm3/分以上とし、このとき真空チャンバー4内の圧力は6.0×10−2Pa以上となり、得られるイオンビーム電流値は65μA以下、イオンビームスポットの半値幅は330μm以下、ビームスポット深さは40μm以下である。
Table 2 shows a list of preferable parameter ranges, more preferable parameter ranges, and setting examples when silicon is milled for 1 hour under the condition of an acceleration voltage of 3 kV. As a preferable range, the gas flow rate is set to 0.3 cm 3 / min or more. At this time, the pressure in the
より好ましい範囲としては、ガス流量は0.6cm3/分以上とし、このときの真空チャンバー4内の圧力は1.4×10−1Pa以上となり、得られるイオンビーム電流値は45μA以下、イオンビームスポットの半値幅は300μm以下、ビームスポット深さは30μm以下である。設定例として抽出したのは、ガス流量は0.9cm3/分とし、このときの真空チャンバー4内の圧力は2.0×10−1Paとなり、得られるイオンビーム電流値は35μA、イオンビームスポットの半値幅は195μm、ビームスポット深さは30μmである。
As a more preferable range, the gas flow rate is 0.6 cm 3 / min or more, the pressure in the
表2に示したように加速電圧とアルゴンガス流量の設定によりイオンビーム電流値とイオンビーム形状とミリング速度を任意に選択することができることがわかる。上記のような構成によれば、イオンビームプロファイルが任意に制御できるため、ミリング対象物の材料特性に合わせて条件を選定することで低い加速電圧の条件でのイオン電流の安定した制御が容易であり、加速電極に付着するリデポジションや加速電極出口孔の変形、リデポジションによる加速電極の汚染を抑えて、安定したイオン電流を得ることができるイオンガンを備えたイオンミリング装置を実現できる。 As shown in Table 2, it can be seen that the ion beam current value, ion beam shape, and milling speed can be arbitrarily selected by setting the acceleration voltage and the argon gas flow rate. According to the above configuration, since the ion beam profile can be controlled arbitrarily, it is easy to stably control the ion current under a low acceleration voltage condition by selecting the conditions according to the material characteristics of the milling object. In addition, it is possible to realize an ion milling apparatus including an ion gun capable of obtaining a stable ion current by suppressing redeposition adhered to the acceleration electrode, deformation of the acceleration electrode outlet hole, and contamination of the acceleration electrode due to redeposition.
図10は本発明のイオンミリング加工装置の構成を示す説明図の他の一例である。図1で示した装置構成に、試料冷却を目的とした試料ステージ冷却部70を付加したイオンミリング装置であって、真空チャンバー4の大気側に冷却源72と冷却制御部73とを配置して、真空チャンバー4内の発熱源である試料6および試料台7とを、熱伝達部71にて接続した試料ステージ冷却部70を備えたイオンミリング装置である。
FIG. 10 is another example of an explanatory view showing the configuration of the ion milling apparatus of the present invention. 1 is an ion milling apparatus in which a sample
熱伝達部71に樹脂チューブの内部にイオン液体を充填した金属性の網線を、冷却源72に液体窒素デュワーを適用し、試料6および試料台7に接続された場合には、試料の冷却範囲は装置の構成上700μmφが限界となる。このため、図3に示したようにイオンビーム電流が最大値となるように設定する従来条件のペニング放電方式のイオンガンのビームプロファイルではビームスポット領域が大きくなりすぎるため、試料6を十分に冷却することができず、試料の熱破損(熱ダメージ)が回避できない。
When the
本発明によれば、表1及び表2に示したように加速電圧とアルゴンガス流量の設定により所望のイオンビーム電流値とイオンビーム形状とミリング速度を任意に選択することができる。このため、装置の冷却性能とミリング対象物の材料特性を考慮して最適なイオンビーム電流とイオンビームプロファイルを有するイオンミリング加工との組み合わせの選択が可能となる。ここでは試料ステージ冷却部70の代表例として前記の構成を例示したが、試料ステージ冷却部70が他の構成による場合であっても、本発明を適用することができる。
According to the present invention, as shown in Tables 1 and 2, a desired ion beam current value, ion beam shape, and milling speed can be arbitrarily selected by setting the acceleration voltage and the argon gas flow rate. Therefore, it is possible to select a combination of an ion milling process having an optimum ion beam current and an ion beam profile in consideration of the cooling performance of the apparatus and the material characteristics of the milling object. Here, the above-described configuration is illustrated as a representative example of the sample
このように冷却源の冷却性能を有効に活用できるイオンビームを任意に形成できることを示し、イオンビーム電流値の増減も含めた選択をすることが可能となり、より大きな冷却効果が期待できる。イオンミリング速度が大きく低下しないことから、特に今まで熱ダメージ低減のためミリング速度を落とさざるを得なかったミリング対象物に対して、実用十分なミリング速度を実現できることを示している。このように本発明は、試料の冷却を目的として試料ステージ冷却部を備えたイオンミリング装置と組み合わせることにより、低熱ダメージミリング装置として、より大きな効果を得ることができる。 In this way, it is shown that an ion beam that can effectively use the cooling performance of the cooling source can be formed arbitrarily, and it is possible to make a selection including increase / decrease of the ion beam current value, and a greater cooling effect can be expected. Since the ion milling speed does not greatly decrease, it has been shown that a practically sufficient milling speed can be realized particularly for a milling object that has had to be lowered to reduce thermal damage. Thus, the present invention can obtain a greater effect as a low thermal damage milling device by combining with an ion milling device provided with a sample stage cooling unit for the purpose of cooling the sample.
図11は本発明のイオンミリング加工装置の構成を示す説明図の他の一例である。中央制御部80は少なくともガス流量制御部81とイオンビーム電流制御部82を備え、少なくとも電流測定部50とガス流量可変部40に電気的に接続されている。電流測定部50に配置されている電流測定子52は電流測定子駆動部51によりイオンビーム2の軸上へ配置、及びイオンビーム2の軸上から退避する機構を有する。電流測定子52が電流測定子駆動部51によりイオンビーム2の軸上への配置されている場合に、電流測定部50の出力が中央制御部80に送られ、中央制御部80はイオンビーム電流制御部82によりイオンビーム電流値をモニターする。さらに中央制御部80はガス流量制御部81によりガス流量可変部40を駆動させ、イオンガン1のイオン化室18に供給するガス流量を変動させる。このとき中央制御部80は電流測定部50による計測されたイオンビーム電流値のばらつきをモニターし、図4や図8に示した測定データを自動的に取得する。中央制御部80は測定データからばらつきのない安定したイオンビームが取得できるガス流量を自動的に設定することで安定したイオンミリング加工を行うことができる。
FIG. 11 is another example of an explanatory view showing the configuration of the ion milling apparatus of the present invention. The
1 イオンガン
2 イオンビーム
3 イオンガン制御部
4 真空チャンバー
5 真空排気系
6 試料
7 試料台
8 試料ステージ
9 試料ステージ駆動部
11 カソード
12 カソード
13 アノード
14 永久磁石
15 加速電極
16 インシュレータ
17 イオンガンベース
18 イオン化室
21 放電電源
22 加速電源
31 アノード内径
32 アノード出口孔
33 カソード出口孔
34 加速電極出口孔
40 ガス流量可変部
41 ガス源
50 電流測定部
51 電流測定子駆動部
52 電流測定子
70 試料ステージ冷却部
71 熱伝達部
72 冷却源
73 冷却制御部
80 中央制御部
81 ガス流量制御部
82 イオンビーム電流制御部
DESCRIPTION OF
32
34 Acceleration electrode outlet hole
40 Gas flow
51 Current
70 Sample stage cooling section
71 Heat transfer section
72
Claims (10)
外部から供給されたガスをイオン化してイオンビームを放出する前記イオンガンと、
前記イオンガンに供給される前記ガスの流量を可変させるガス流量可変部と、
前記イオンガンから放出されるイオンビームの電流値を測定する電流測定部と、を有し、
前記ガス流量可変部は、前記ガス流量可変部にて定められる前記ガスの流量と前記電流測定部にて測定される前記電流値とに基づき、前記イオンビーム電流が最大となるガス流量よりも多いガス流量に設定され、前記最大となるガス流量における前記半値幅よりも前記イオンビームの前記半値幅を狭くさせることを特徴とするイオンミリング装置。 An ion milling apparatus for controlling a half-value width of a beam profile of an ion beam irradiated on a sample from an ion gun to a range from 200 μm to 350 μm,
The ion gun for ionizing a gas supplied from the outside to emit an ion beam;
A gas flow rate variable unit that varies the flow rate of the gas supplied to the ion gun;
A current measuring unit for measuring a current value of an ion beam emitted from the ion gun,
The gas flow rate variable unit is greater than the gas flow rate at which the ion beam current is maximized based on the gas flow rate determined by the gas flow rate variable unit and the current value measured by the current measurement unit. An ion milling apparatus, wherein the ion milling apparatus is set to a gas flow rate and narrows the half width of the ion beam from the half width at the maximum gas flow rate.
加速電極の出口径が2mmφであることを特徴とするイオンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 1,
An ion milling apparatus characterized in that the exit diameter of the acceleration electrode is 2 mmφ.
前記試料および試料台からの熱を冷却源に伝達する熱伝達部を備えることを特徴とするイオンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 1,
An ion milling apparatus comprising a heat transfer unit that transfers heat from the sample and the sample stage to a cooling source.
前記ガスは不活性ガス及び反応性ガスから成る群から選択されることを特徴とするイオ
ンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 1,
The ion milling apparatus according to claim 1, wherein the gas is selected from the group consisting of an inert gas and a reactive gas.
前記ガスは、アルゴンであることを特徴とするイオンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 1,
The ion milling apparatus, wherein the gas is argon.
前記アルゴンガスは、毎分0.3〜0.5立方センチメートルの流量で前記イオンガンに供給されることを特徴とするイオンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 5,
The ion milling apparatus according to claim 1, wherein the argon gas is supplied to the ion gun at a flow rate of 0.3 to 0.5 cubic centimeters per minute.
前記アルゴンガスは、毎分0.3立方センチメートル以上の流量で前記イオンガンに供給されることを特徴とするイオンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 5,
The ion milling apparatus according to claim 1, wherein the argon gas is supplied to the ion gun at a flow rate of 0.3 cubic centimeters per minute or more.
前記イオンガンはペニング放電方式であることを特徴とするイオンミリング装置。 In the ion milling device according to claim 1,
The ion milling apparatus is characterized in that the ion gun is a Penning discharge method.
外部から供給されたガスをイオン化してイオンビームを放出する放出ステップと、
前記イオンガンに供給される前記ガスの流量を可変させる流量可変ステップと、
前記イオンガンから放出されるイオンビームの電流値を測定する測定ステップと、
前記流量可変ステップにて定められる前記ガスの流量と前記測定ステップにて測定される前記電流値とに基づき、前記イオンビーム電流が最大となるガス流量よりも多いガス流量に設定する設定ステップと、
前記設定ステップにて設定され、前記最大となるガス流量における前記半値幅よりも前記イオンビームの前記半値幅を狭くさせた前記イオンビームを前記試料に照射する照射ステップと、を有するイオンミリング方法。 An ion milling method for processing a sample by controlling a half width of a beam profile by an ion beam in a range from 200 μm to 350 μm,
An emission step of ionizing an externally supplied gas to emit an ion beam;
A flow rate variable step for varying the flow rate of the gas supplied to the ion gun;
A measurement step of measuring a current value of an ion beam emitted from the ion gun;
Based on the flow rate of the gas determined in the flow rate variable step and the current value measured in the measurement step, a setting step of setting a gas flow rate higher than the gas flow rate at which the ion beam current is maximized;
An ion milling method comprising: irradiating the sample with the ion beam set in the setting step and irradiating the ion beam with the half-value width of the ion beam narrower than the half-value width at the maximum gas flow rate.
前記試料はCu-Zn系合金または鉛フリー半田、もしくは前記Cu-Zn系合金または鉛フリー半田よりも融点の低い材料であることを特徴とするイオンミリング方法。 In the ion milling method according to claim 9,
The ion milling method, wherein the sample is a Cu-Zn alloy or lead-free solder, or a material having a melting point lower than that of the Cu-Zn alloy or lead-free solder.
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