JP4504880B2 - 真空排気系を利用したシリンダを用いたイオンビーム電流測定機構 - Google Patents

Description

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

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

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

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

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

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

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

特開平９−２９３４７５号公報 特開２００５−９１０９４号公報

試料に照射されるイオンビームのビーム電流値を測定するために真空チャンバにイオンビーム測定子が設けられる。従来このイオンビーム測定子を移動させてイオンビーム通路上に配置あるいはイオンビーム通路上から除去するのに手動で行っており、簡便さに欠けるきらいがあった。

本発明は、かかる点に鑑みて、イオンビーム測定子の移動を行うに際して、手間取らずに簡便にイオンビーム電流を任意のボタン操作でモニタ出来、加工性能を調整するために役立てることのできるイオンミリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、真空チャンバに取り付けられ、試料にイオンビームを照射するイオンビーム源と、試料を固定する試料ホルダを固定する試料ホルダ固定具と、前記試料ホルダ，該試料ホルダに固定された試料の一部を遮蔽するマスク，前記試料ホルダを回転する試料回転機構および前記マスクと試料との遮蔽位置関係を調整するマスク位置調整部から構成される試料マスクユニットと、および前記真空チャンバと真空排気装置とを排気管で結ぶ真空排気系とを備えたイオンミリング装置において、イオンビーム測定子が前記真空チャンバの内部に設けられ、該イオンビーム測定子に連結され、真空排気によって駆動される駆動部を有する他の真空排気系が前記真空排気系に連通して設けられ、かつ各真空排気系に一方が開のときに閉、閉のときに開となる弁がそれぞれ設けられることを特徴とするイオンミリング装置を提供する。

本発明によれば、イオンビーム測定子の移動を行うに際して、イオンビーム測定子駆動装置を設けたので、手間取らずに簡便に行うことができると共に、イオンビームで加工中のイオンビーム電流をモニタしながらイオンビーム電流を調整出来、最適な条件設定で試料加工を行うことができる。

本発明の実施例であるイオンミリング装置は、真空チャンバに取り付けられ、試料にイオンビームを照射するイオンビーム源と、試料を固定する試料ホルダを固定する試料ホルダ固定具と前記試料ホルダ，該試料ホルダに固定された試料の一部を遮蔽するマスク，前記試料ホルダを回転する試料回転機構および前記マスクと試料との遮蔽位置関係を調整するマスク位置調整部から構成される試料マスクユニットとおよび前記真空チャンバと真空排気装置とを排気管で結ぶ真空排気系とを備えたイオンミリング装置において、イオンビーム測定子が前記真空チャンバの内部に設けられ該イオンビーム測定子に連結され、真空排気によって駆動される駆動部を有する他の真空排気系が前記真空排気系に連通して設け、前記駆動部に真空排気による減圧と大気による大気圧を作動させる圧力変換室を有し、前記真空排気系に一方が開のときに閉、閉のときに開となる弁をそれぞれ設けることで、イオンビーム測定子を出し入れ可能とする。前記駆動部に真空排気による減圧と大気による大気圧の切り替えは、一方を真空排気による減圧、もう一方を大気に接続しそれらを切り替えて供給のできる3方電磁弁により、前記３方弁を任意に操作することでイオンビーム測定子が出し入れ可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

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

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

試料ホルダ固定具５は、試料を微動、固定させる試料微動ベースとしての機能を有し、マスク２で遮蔽された試料３を固定する試料ホルダ２３を固定し、イオンビームの光軸に対して任意の角度に回転傾斜できるように構成されており、回転傾斜させる方向と傾斜角度は、試料微動制御部８により制御される。試料ホルダ固定具５を回転傾斜させることにより、試料ホルダ２３に固定されている試料３をイオンビームの光軸に対して所定の角度に設定することができる。また、試料ホルダ固定具５の上部に設置された試料マスクユニット微動機構４は、イオンビームの光軸に対して横方向の前記左右、すなわち、Ｘ方向とＹ方向に移動できるように構成される。

試料ホルダ固定具５は、真空チャンバ１５の容器壁の一部を兼ねるフランジ１０に固定されており、フランジ１０をリニアガイド１１に沿って引き出して真空チャンバ１５を大気状態に開放した時に、試料ホルダ固定具５が真空チャンバの外部へ引き出されるように構成されている。このようにして、試料ステージ引出機構が構成される。

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

試料マスクユニット２１は、マスクの位置と回転角を微調整できる機構を持ち、図１の試料マスクユニット微動機構４に取り付け、取り外しができる。

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

試料ホルダ回転リング２２は、試料ホルダ回転ねじ２８を回すことによって回転するように構成されており、逆回転はばね２９のばね圧で戻るようになっている。

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

図４は、イオンビーム測定子駆動装置１００を示す。

図４において、真空チャンバ１５にはイオン源１が取り付けられ、イオン源制御部７によって制御されたイオンビーム４０が試料３に向けて照射される。試料３に照射されるイオンビームが適切な値に設定されているかを測定するために真空チャンバ１５の内部にあってイオンビーム４０の通路を遮る方向に移動させるようにされたイオンビーム測定子３８が設けられる。このイオンビーム測定子３８の駆動のためにイオンビーム測定子駆動装置１００が設けられる。

イオンビーム測定子駆動装置１００の本体をなすシリンダ６１は０リング６２を介して真空チャンバ１５に取り付けられる。イオンビーム測定子駆動装置１００は、このシリンダ６１と、ピストン６０の両側に設けられた棒状の連結体６３，６４と、一方の連結体６４の端側に設けられたばね収納室６５と、該連結体６４に作動するばね６６と、および排気管６７とから構成される。他方の連結体６３の端部にはイオンビーム測定子３８が連結される。ピストン６０の左側、すなわちイオンビーム測定子３８の反対側に形成された圧力変換室７１には排気管６７が連結して設けてある。ばね収納室６５は０リング６８を介してシリンダ６１に連結され、内部にばね収納部屋６９が形成してあり、このばね収納部屋６９内に一方の連結体６３の作動端部７０が設けられてばね圧縮された時のばね収納部屋６９の内壁に沿った移動作用をなす。真空引きによる、あるいは大気圧による圧力差によってピストン６０およびイオンビーム測定子３８をイオンビーム４０の逆方向またはイオンビーム４０の方向に駆動する。また、作動端部７０とばね収納部屋６９の端（図面で左側）との間にはイオンビーム測定子３８をイオンビーム４０の逆方向に駆動させるようにばね６６が配置してある。ばね６６はピストン６０に真空チャンバ内の真空圧が作動する方向とは逆方向に操作力が作動する。

真空チャンバ１５は排気管８１を介して真空排気装置８２と連結され、排気管８１にターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）８３および弁８４が設けられて、真空排気装置８２を含めた真空排気系９０が設けてある。

排気管６７は排気管８１を介して真空排気装置８２に連結され、排気管６７に圧力変換室７１，真空排気装置８２および外部（大気）に連通する配管８６に連通する三方弁８５が設けられ、真空排気装置８２を含めた他方の真空排気系９１が形成される。

弁８４と三方弁８５とは、一方が開のときには閉、他方が閉のときには開となる操作が真空排気系制御部（図１参照）によって付与される。イオンビーム測定子３８に連結された固定式の下部イオンビーム測定子３９が試料3の下側方向にある。

イオンビーム測定子３８はイオン源１よりイオンビームが出ている間、操作パネル上の任意のボタン操作により駆動させ、イオンビームで試料を研磨加工中のイオンビーム電流をモニタできる。

試料３を固定する試料ホルダ２３を固定する試料マスクユニット微動機構４および試料ホルダ固定具は、試料ホルダ２３を装着した時、試料３及びマスク２で遮蔽されないイオンビームが試料ホルダ固定具より下部へ通過できるための空間を有する。

試料ホルダ固定具より下部へ通過したイオンビーム電流を測定、又はモニタできる別のイオンビーム測定板３９が、試料ホルダ固定具の下部に固定した状態で設置されている。

このように、イオンビーム測定子３８は真空排気によって駆動される駆動部、すなわちシリンダーピストン機構、特に該シリンダーピストン機構のピストン６０によって駆動される。この場合の駆動方向は圧力変換室７１が真空排気系９１によって真空とされるためにイオンビーム１０から離れる方向である。そして、この場合にばね収納部屋６９内にあるバネの元に戻ろうとする力が作動する。弁８４、三方弁８５の操作、および圧力変換室７１における真空排気による減圧と大気による大気圧でイオンビーム測定子を作動操作のために排気系制御回路（図示せず）を備えた真空排気系制御部９が設けられる。

本実施例にあっては真空排気系によるイオンビーム測定子３８の駆動を行っているので、省スペースが可能となり、静かに安定して測定を行うことができるという特徴がある。

本実施例にあっては２つの真空排気系９０および９１が設けられるが、真空排気装置８２を共通して設けているという特徴を有する。すなわち真空動力源の共通化を行って、イオンビーム測定子３８を駆動するという特徴を有する。イオンミリング装置１００の真空排気系を利用して駆動部を動かすことで、通常駆動部を動かすのに必要とされる圧空（コンプレッサ等で生成）を必要としないでイオンビーム測定子３８を動かし、イオンビームによるビーム電流を測定することができる。前記試料を固定する試料ホルダ２３を固定する試料マスクユニット微動機構４および試料微動ベース５は、試料ホルダ２３を装着した時、前記試料３及びマスク２で遮蔽されないイオンビームが試料微動ベース５より下部へ通過できるための空間を有し、試料微動ベース5より下部へ通過したイオンビーム電流を測定、又はモニタできる別の下部イオンビーム測定子３９が、試料微動ベース５の下部に固定した状態で設置されている。

図５は、矢印部より空気を圧力変換室７１に導入して駆動部を介してイオンビーム測定子３８をイオンビーム４０方向に駆動している状態を示している。この場合には真空排気系９１には真空は動作しない。イオンビーム測定子３８をイオンビーム４０の通過路に設置することによってイオンビーム４０が設定の値になっているかどうかの測定を行う。

図６はイオンミリングを行う場合の状態を示す。この場合には真空排気系９１が使用され、真空排気系９２および空気圧系（空気導入管８６等）が遮断される。真空排気系９１の真空作動（矢印）によってイオンビーム測定子３８はイオンビーム４０から離れる方向（右方）に移動し、イオンビーム４０の試料３への照射が可能とされる。この状態でイオンビーム４０の試料３への照射がなされ、試料のイオンミリングがなされる。
このとき、試料微動ベース5より下部へ通過したイオンビーム電流を測定、又はモニタできる別の下部イオンビーム測定子３９が、試料微動ベース５の下部に固定した状態で設置されて下部イオンビーム測定子３９でイオンビーム電流を測定、又はモニタすることができる。

図７は、試料の断面とマスクを平行にする方法を示した説明図である。
試料ホルダ回転ねじ２８を回してＸ１方向の位置調整を行い、試料３の断面とマスク２の稜線が平行になるよう後述するようにして顕微鏡下で微調整する。このとき、試料３の断面がマスクより僅かに突出、例えば５０μｍ程度突出するようにマスク微調整機構２６を回して設定する。

図８は、試料３の断面研磨したい部位をイオンビーム中心に合わせる方法を示した説明図である。感光紙等を試料ホルダ２３に取り付け、イオンビームを照射することによりできた痕、すなわちビーム中心とルーペの中心をルーペ微動機構（図示せず）でＸ２，Ｘ３を駆動して合わせておく。Ｘ３，Ｙ３方向の位置を調整してルーペ中心に合わせることで、イオンビーム中心と断面研磨したい部位を合わせることができる。

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

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

近年、特に半導体分野で、複合材料を電子顕微鏡で断面観察することが重要となってきており、複合材料の断面を鏡面研磨する重要性が増している。本実施例により、イオンビーム測定子を、容易に設定することが可能になった。

本発明の一実施例によるイオンミリング装置の概略構成図である。 試料マスクユニットの概略構成図である。 試料マスクユニットの他の例を示す図である。 イオンビーム測定子駆動装置の構成図である。 イオンビーム測定子の駆動状態（１）を示す図である。 イオンビーム測定子の駆動状態（２）を示す図である。 試料の断面とマスクを平行にする方法を示した説明図である。 アルゴンイオンビーム中心と試料の断面研磨したい部位とを合わせる方法を示した説明図である。 イオンミリングによる試料断面研磨方法を示した説明図である。

符号の説明

１…イオン源、２…マスク、３…試料、４…試料マスクユニット微動機構、５…試料ホルダ固定具、6…真空排気系、７…イオン源制御部、８…試料微動制御部、９…真空排気系制御部、１０…フランジ、１１…リニアガイド、１５…真空チャンバ、２１…試料マスクユニット、２２…試料ホルダ回転リング、２３…試料ホルダ、２４…リニアガイド、２５…マスクホルダ、２６…マスク微動機構、２８…試料ホルダ回転ネジ、２９…ばね、３０…試料ホルダ位置制御機構、３５…試料ホルダ固定金具、３８…イオンビーム測定子、４０…イオンビーム、４２…固定台、６０…ピストン、６１…シリンダ、６２…Ｏリング、６３，６４…連結体、６５…ばね収納室、６６…ばね、６７…排気管、７０…作動端部、７１…圧力変換室、８１…排気管、８４…弁、８５…三方弁、９０…真空排気系、９１…真空排気系、１００…イオンビーム測定子駆動装置。

Claims (7)

1. 真空チャンバに取り付けられ、試料にイオンビームを照射するイオンビーム源と、試料を固定する試料ホルダを固定する試料ホルダ固定具と、前記試料ホルダ，該試料ホルダに固定された試料の一部を遮蔽するマスク，前記試料ホルダを回転する試料回転機構および前記マスクと試料との遮蔽位置関係を調整するマスク位置調整部から構成される試料マスクユニットと、および前記真空チャンバと真空排気装置とを排気管で結ぶ真空排気系とを備えたイオンミリング装置において、イオンビーム測定子が前記真空チャンバの内部に設けられ、該イオンビーム測定子に連結され、真空排気によって駆動される駆動部を有する他の真空排気系が前記真空排気系に連通して設けられ、かつ各真空排気系に一方が開のときに閉、閉のときに開となる弁がそれぞれ設けられることを特徴とするイオンミリング装置。
2. 請求項１において、前記駆動部に真空排気による減圧と大気による大気圧を作動させる圧力変換室が設けられ、かつ該駆動部に真空排気による減圧が作動する方向と逆方向に操作力が作動するばねが設けられることを特徴とするイオンミリング装置。
3. 請求項１，２において、前記イオンビーム測定子は、前記イオンビーム源と前記試料ホルダとの間に設けられ、前記真空排気系によって駆動されることを特徴とするイオンミリング装置。
4. 請求項１，２，３において、前記イオンビーム測定子は前記イオンビーム源よりイオンビームが出ている間、操作パネル上の任意のボタン操作により駆動させ、イオンビームで試料を研磨加工中のイオンビーム電流をモニタすることを特徴とするイオンミリング装置。
5. 請求項１のイオンミリング装置において、前記試料を固定する試料ホルダを固定する試料マスクユニット微動機構および試料ホルダ固定具は、試料ホルダを装着した時、前記試料及びマスクで遮蔽されないイオンビームが試料ホルダ固定具より下部へ通過できるための空間を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において、試料ホルダ固定具より下部へ通過したイオンビーム電流を測定、又はモニタできるイオンビーム測定板が、試料ホルダ固定具の下部に固定した状態で設置されていることを特徴とするイオンミリング装置。
7. 請求項６において、前記イオンビーム測定子が駆動してイオンビームが照射される位置にあるときは、該イオンビーム測定子でイオンビーム電流をモニタし、前記イオンビーム測定子が駆動してイオンビームが照射されない位置にあるときは、前記イオンビーム測定板でイオンビーム電流をモニタすることを特徴とするイオンミリング装置。

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