JP4689333B2 - イオンビーム照射方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームにより被加工物の加工や試料の表面分析を行う技術に関するものである。

一般に、イオンビームは被加工物表面の微小な加工、表面改質、また試料の表面分析等に広く利用されている。このようなイオンビームによる加工装置や分析装置においては、被加工物や試料の表面へのイオンビームの照射位置及びビーム強度プロファイルを特定することは非常に重要な問題である。
特開平７−１２２２１２号公報

イオン銃は製作時の機械的精度を上げて製作しても、使用中の熱的変形等により、イオン銃の出口から出射されたイオンビームを狙い通りの正確な位置へ照射することは困難であった。このため、従来はイオン銃と被加工物との相対的位置関係から大体の照射位置に被加工物の位置を調整し、実際にイオンビームを照射することによって被加工物から発生した２次イオン等を検出し、そのデータからイオンビームが被加工物に照射されているか否かの判断を行っていた。しかし、このような方法では、イオンビームが被加工物に当たっているかどうかは分かるとしても正確な照射位置を判定することは困難である。

また、別種の材質からなるアライメントマークを設けておき、イオンビームがアライメントマークに当たったときにアライメントマークから発生する２次イオンを検出し、イオンビームの照射位置を知る方法が既に知られている。しかし、この方法は、異種の材質のアライメントマークが設けられない場合には採用できない。

また、イオンビームが、或る透明体に照射された時に発光することを利用し、目合わせのレベルで位置合わせをすることが特開平７−１２２２１２号公報（特許文献１）に開示されている。しかし、この位置合わせ方法は目合せのレベルであり、正確な位置合わせをするには至っていない。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオンビームの照射位置を正確に求め、イオンビームによる加工時の加工精度、試料の分析の精度等を向上させることができるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるイオンビーム照射方法は、イオンビームをワークに照射するイオンビーム照射方法において、前記ワークが固定された固定治具に備えられた基準部の位置を基準位置として、該基準位置に対する前記ワークの形状を測定する形状測定工程と、前記ワークを、前記イオンビームを照射するイオン銃に対して前記ワークを移動させるためのステージ上に載置する載置工程と、前記ステージ上に配置された検出器により、前記イオンビームの照射位置を検出する照射位置検出工程と、前記検出器と前記基準部の相対位置を測定する相対位置測定工程と、前記基準位置に対する前記ワークの形状の測定結果と、前記イオンビームの照射位置の検出結果と、前記検出器と前記基準部の相対位置の測定結果とに基づいて、前記イオンビームの照射位置を前記ワークの目標とする位置に位置合せする位置合せ工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明に係わるイオンビーム照射装置は、イオンビームをワークに照射するイオンビーム照射装置において、前記イオンビームを照射するイオン銃と、前記イオン銃に対して前記ワークを移動させるためのステージと、前記ステージ上に載置され、前記ワークを固定するとともに前記ワークの形状を測定する基準位置となる基準部を備える固定治具と、前記ステージ上に配置され、前記イオンビームの照射位置を検出する検出器と、前記基準部に対する前記ワークの形状の測定結果と、前記検出器による前記イオンビームの照射位置の検出結果と、前記検出器と前記基準部の相対位置の測定結果とに基づいて、前記イオンビームの照射位置を前記ワークの目標とする位置に位置合せするように前記ステージを駆動する駆動手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、イオンビームの照射位置を正確に求め、イオンビームによる加工時の加工精度、試料の分析の精度等を向上させることが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。

まず、本実施形態の概要について図１を参照して説明する。

図１において、１はイオン銃、２はイオン銃１から出射されたイオンビーム、３はイオンビームプロファイルをモニターする検出器（イオンビームプロファイルモニター）のセンサー部（プローブヘッド）である。７はＸＹＺθステージで、図示しないリニアガイド、モーター、ボールネジ等により駆動され、イオンビームプロファイルモニターのセンサー部３が固定されている。ＸＹＺθステージ７は、駆動部１０により移動駆動される。また、４は被加工物（ワーク）である。被加工物４は、ホルダー（固定治具）６に固定されたままの状態で形状測定器で加工前の正確な形状が測定され、その後にホルダー６ごとＸＹＺθステージ７に固定される。なお、被加工物４の形状測定時は、被加工物４のアライメントマーク５，５’に対する相対位置が精密に測定される。その後、ＸＹＺθステージ７に被加工物４が固定されてからセンサー部３とアライメントマーク５，５’の相対位置を測定することにより、ＸＹＺθステージ７（言い換えればセンサー部３の位置）と被加工物４の形状データとの相関関係を正確に求めることができる。

次に、概略動作を説明する。

イオン銃１からイオンビーム２を照射し始めると、加速電極、減速電極等が加熱を始める。加熱が飽和するまではビームの方向性やビーム径などが変動するので、安定するまで待つ。安定したら、ビームプロファイルモニター（センサー部３）でイオンビームの径や中心位置を求める。ここで、イオンビームのビーム径が所望の径になるように、またビームの中心強度が所望の強度になるように調整する。調整が終了したら、あらかじめ測定された被加工物の形状データを元に加工を行う。

以下、本発明の実施形態について、具体的に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係わるイオンビーム照射装置の第１の実施形態の構成を示す図である。

図１において、１はイオン銃で、イオンソースはＲＦ励起プラズマである。２はイオンビームでイオン銃１から照射されている。イオンとするガスはアルゴンガスを用いる。３はビームプロファイルモニターのプローブヘッド（センサー部）で、本実施形態では、COLUTRON Research Corp.製のBIS-1-PHを用いている。このプローブヘッド３は空間分解能が約３０μmであるのでイオンビーム２の照射位置の位置合わせ精度も同程度が期待できる。４は被加工物である非球面ミラーであり、直径が２００ｍｍ、厚さが２０ｍｍで、材質は石英である。この非球面ミラー４は、あらかじめ別の測定器で固定治具（ホルダー）６に固定した状態でアライメントマーク５，５’を基準に表面形状が測定される。加工はこの測定データを元にして行われる。

非球面ミラー４の表面形状が測定されると、非球面ミラー４、固定治具６、アライメントマーク５、５’を一体のままＸＹＺθステージ７に固定する。このＸＹＺθステージ７は、駆動部１０により矢印８で示す方向に１μｍの分解能で移動することができる。また、イオンビーム２を非球面ミラー４の加工面に同じ角度及び同じワークディスタンスで当てられるように、ステージ７の駆動部１０には、ステージ７を矢印９で示すように傾ける２方向のチルト機構、及びＺ方向の移動機構も設けられている。

これらの装置は真空容器内に収められ、その真空圧力を０．０２Ｐａ程度にコントロールする。この状態で図示しない付属の顕微鏡を用い、ＸＹＺθステージ７を移動させながら、アライメントマーク５，５’とビームプロファイルモニターのプローブヘッド３の相対位置を測定する。これにより、イオンビームプロファイルモニターのプローブヘッド３と被加工物４の測定データの相関関係が検出できる。その後、イオンビームプロファイルモニターのプローブヘッド３でイオンビーム２の位置とビーム強度プロファイルを測定し、所望のプロファイルに調整することにより、イオンビームを正確に被加工物の加工場所に照射し、所望の加工量を得ることが出来る。

本実施形態では、イオンビーム２を、ビーム強度の半値径がφ０．５ｍｍになるようにアインツェルレンズで絞り、加速電圧を３ｋＶ、イオン電流密度を０．８ｍＡ／ｃｍ²にする。

図２はこの時のビーム強度を測定した結果を示すグラフである。このようにして加工した非球面ミラーは形状誤差が０．１ｎｍＲＭＳ以下で、空間波長が１〜５ｍｍにおける表面粗さが０．１ｎｍＲＭＳ以下であった。

（第２の実施形態）
図３は、本発明に係わるイオンビーム照射装置の第２の実施形態の構成を示す図である。なお、図３においては、図１と同じ機能部分には同じ番号が付されている。

図３において、１０１はイオン銃で、ＲＦ励起プラズマを使用している。１０２はイオンビームでイオン銃１０１から照射されている。イオンとするガスはＣＦ₄：Ａｒ＝１：１の混合ガスを用いている。

１１，１１’はイオン銃１０１の方向から見て直交しているように配置された直径０．２ｍｍの導電性のワイヤーであり、支柱１２，１２’により支えられ外部と電気的に接続されている。また、この支柱１２，１２’はＸＹＺθステージ７に固定されている。

ワイヤー１１，１１’はイオンビーム１０２が当たるとイオン電流が流れるので、イオンビームの強度が分かることになる。またお互いに絶縁されているので、直交した２方向のイオンビーム１０２の強度がわかる。このワイヤー１１，１１’はＸＹＺθステージ７に固定されているので、ＸＹＺθステージ７をワイヤー１１，１１’と４５°の角度をなす方向に移動すれば、一度に２方向のイオンビーム１０２のプロファイルが測定できる。ただし、測定器に表れる電流値は各ワイヤー１１，１１’それぞれの全体に流れる電流値であるので、各点のイオン電流が直ぐに分かる訳ではない。しかし、イオンビーム径の調整や、相対的な電流値の比較はできるので、あらかじめこの測定法による電流値とミリングレートの関係を測定しておけば十分使用可能となる。本実施形態では、数学的に変換し、各点の電流密度を求めることを可能としたシステム構成を用いている。

１０４は被加工物である球面凹レンズであり、直径が１５０ｍｍ、中央部の厚さが２０ｍｍで、材質はガラスである。このレンズ１０４は、あらかじめ別の測定器で固定治具６に固定した状態でアライメントマーク５、５’を基準に表面形状が測定される。ワイヤー１１，１１’とアライメントマーク５、５’の相対位置を、図示していない付属の顕微鏡で測定すれば、イオンビーム１０２の照射位置と被加工物である凹レンズ１０４の加工すべき位置の相対位置関係を算出することができるので、イオンビーム１０２の照射位置と被加工物である凹レンズ１０４の加工すべき位置を一致させることが出来る。また、イオンビーム１０２が加工面に常に同じ角度及び同じワークディスタンスで当たるように、ステージ７の駆動部１０には、ステージ７を矢印９で示すように傾ける２方向のチルト機構、及びＺ方向の移動機構も設けられている。

この装置を用いて、イオンビーム１０２のビーム強度の半値径をφ４ｍｍ、加速電圧を７ｋＶ、イオン電流密度を１ｍＡ/ｃｍ²に調整した。この時のイオンビームプロファイルを図４に示す。そして、このイオンビームを用い、あらかじめ測定したレンズの形状データを元に加工を行った。このようにして加工した凹レンズは形状誤差が０．４ｎｍＲＭＳ以内であった。

（第３の実施形態）
図５は、本発明に係わるイオンビーム照射装置の第３の実施形態の構成を示す図である。なお、図５においては図１と同じ機能部分には同じ番号が付されている。

図５において、２０１はイオン銃で、イオン源にマイクロ波励起のプラズマを使用している。イオンとするガスはＳＦ₆：Ａｒ＝１：１の混合ガスを用いている。２０２はイオンビームでイオン銃２０１から照射される。２１は超小型のファラデーカップで、図示しない導電線で外部に配線され、イオンビーム２０２を受ける面にはφ０．１ｍｍの穴が形成されている。２２はファラデーカップ２１をＸＹＺθステージ７に固定する台である。したがって、ファラデーカップはＸＹＺθステージ７の移動分解能でＸＹ方向に移動することが可能で、イオンビーム２０２のプロファイルは、ＸＹＺθステージ７のＸＹ方向の移動分解能で測定することが可能である。

２０４は被加工物である球面ミラーであり、直径が１５０ｍｍ、中央部の厚さが２０ｍｍで、材質はＳｉＣである。この球面ミラー２０４の所定の位置及び所定の量を加工することによって非球面ミラーに仕上げる。球面ミラー２０４は、あらかじめ別の測定器で固定治具６に固定された状態でアライメントマーク５、５’を基準に表面形状が測定される。ファラデーカップ２１のイオン取り込み穴とアライメントマーク５、５’の相対位置を図示していない付属の顕微鏡で測定すれば、イオンビーム２０２の照射位置と被加工物である球面ミラー２０４の加工すべき位置の相対位置関係を算出することができるので、イオンビーム２０２の照射位置と被加工物である球面ミラー２０４の加工すべき位置を一致させることが出来る。

この装置を用いて、イオンビーム２０２のビーム強度の半値径をφ３０ｍｍ、最大イオン電流密度を２ｍＡ／ｃｍ²、加速電圧を１０ｋＶに調整した。このときのイオンビームプロファイルを図６に示す。このイオンビーム２０２を用い、球面ミラー２０４を非球面ミラーにする加工を行った。なお、イオンビーム２０２が加工面に常に同じ角度及び同じワークディスタンスで当たるように、ステージ７の駆動部１０には、ステージ７を矢印９で示すように傾ける２方向のチルト機構、及びＺ方向の移動機構も設けられている。

このようにして加工した非球面ミラーは形状誤差が０．５ｎｍＲＭＳ以内であった。

（第４の実施形態））
図７は本発明に係わるイオンビーム照射装置の第４の実施形態の構成を示す図である。なお、図７においては図１と同じ機能部分には同じ番号が付されている。

図７において、３０１はイオン銃で、イオンソースはＲＦ励起プラズマを使用している。３０２はイオンビームでイオン銃３０１から照射される。イオンとするガスはＸｅ：Ｏ₂＝１：１の混合ガスを用いた。３１は螺旋状に湾曲させた金属ワイヤー（螺旋状ワイヤー）で、材質はタングステンを用いている。３２は螺旋状ワイヤー３１を回転させる回転機構である。回転機構３２の回転角をワイヤー３１の移動距離に換算し、イオンビームの断面電流を求めることが出来る。また、ワイヤー３１が１回転する間に、イオンビーム３０２を２回横切るが、横切る方向により、ＸとＹの２方向のビームプロファイルが得られる。本実施形態ではワイヤー３１に流れる電流のプロファイルを数学的計算によりイオン電流密度に換算して用いている。

３０４は被加工物である非球面ミラーであり、直径が１５０ｍｍ、厚さが２０ｍｍで、材質はＳｉＣである。この非球面ミラー３０４は、あらかじめ別の測定器で固定治具６に固定した状態でアライメントマーク５、５’を基準に表面形状が測定される。加工はこの測定データを元にして行われる。

非球面ミラー３０４の表面形状が測定された後、非球面ミラー３０４、固定治具６、アライメントマーク５、５’を一体のままＸＹＺθステージ７に固定する。イオンビームが加工面に常に同じ角度及び同じワークディスタンスで当たるように、ステージ７の駆動部１０には、ステージ７を矢印９で示すように傾ける２方向のチルト機構、及びＺ方向の移動機構も設けられている。

これらの装置を真空容器内に収め、その真空圧力を０．０２Ｐａ程度にコントロールする。この状態で図示しない付属の顕微鏡を用い、ＸＹＺθステージ７を移動させながらアライメントマーク５、５’と螺旋状ワイヤ３１の相対位置を測定する。これにより、螺旋状ワイヤー３１と被加工物である非球面ミラー３０４の測定データの相関関係を検出することができる。そして、らせん状ワイヤー３１でイオンビーム３０２の位置とビーム強度プロファイルを測定し、所望のプロファイルに調整することにより、イオンビームを正確に被加工物の加工場所に照射し、所望の加工量を得ることが出来る。

本実施形態では、イオンビームを、そのビーム径がビーム強度の半値径でφ１ｍｍになるようにアインツェルレンズで絞り、加速電圧を５ｋＶ、イオン電流密度を０．４８ｍＡ／ｃｍ²にしている。図８はこの時のビーム強度を測定した結果を表すグラフである。このようにして加工した非球面ミラーは、形状誤差が０．２ｎｍＲＭＳ以下で、空間波長が１〜５ｍｍにおける表面粗さが０．２ｎｍＲＭＳ以下であった。

なお、本実施形態では、イオンビーム３０２がワイヤー３１に当たった時の電流を測定したが、イオンビームを中性化したときには電流は測定できない。この場合には、イオン粒子又は中性粒子がワイヤーに当たった時に発生する２次電子を収集し、粒子ビームの強度を測定することが可能である。このためには、ビームが通過するところのみ穴を開けた金属製のカバーを設置し、２次電子を収集すれば良い。

以上説明したように上記の第１乃至第４の実施形態によれば、イオンビームのビーム強度プロファイルを電気的に正確に測定したデータから、イオンビームの照射位置を割り出し、また、被加工物の形状を正確に測定し、加工すべき位置及び加工すべき量を正確に割り出すことにより、被加工物を狙い通りの形状に加工することが可能となる。

本発明は、非常に高精度な平面精度あるいは形状精度を必要とする部品、あるいは製品の加工に利用できる。たとえば、Ｘ線露光機用のマスクの平面加工や、光学系のレンズ及びミラーの加工に利用することが可能である。また、イオンビームを用いた分析装置において、分析位置を正確に合わせることが出来るので、被分析試料の一部のみを分析したい場合にあらかじめ位置のデータを取っておけば容易に特定位置の分析が可能である。

本発明に係わるイオンビーム照射装置の第１の実施形態の構成を示す図である。 第１の実施形態で使用したイオンガンのイオンビームプロファイルを示す図である。 本発明に係わるイオンビーム照射装置の第２の実施形態の構成を示す図である。 第２の実施形態で使用したイオンガンのイオンビームプロファイルを示す図である。 本発明に係わるイオンビーム照射装置の第３の実施形態の構成を示す図である。 第３の実施形態で使用したイオンガンのイオンビームプロファイルを示す図である。 本発明に係わるイオンビーム照射装置の第４の実施形態の構成を示す図である。 第４の実施形態で使用したイオンガンのイオンビームプロファイルを示す図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１ イオンガン
２，１０２，２０２，３０２ イオンビーム
３ センサー部
４，１０４，２０４，３０４ 被加工物
５，５’ アライメントマーク
６ 固定治具
７ ＸＹＺθステージ
８ ステージの移動方向
９ ステージのチルト方向
１１，１１’ ワイヤー
１２，１２’ 支柱
２１・・・ファラデーカップ
２２ 固定台
３１ 螺旋状ワイヤー
３２ ワイヤー回転機構

Claims (12)

1. イオンビームをワークに照射するイオンビーム照射方法において、
   前記ワークが固定された固定治具に備えられた基準部の位置を基準位置として、該基準位置に対する前記ワークの形状を測定する形状測定工程と、
   前記ワークを、前記イオンビームを照射するイオン銃に対して前記ワークを移動させるためのステージ上に載置する載置工程と、
   前記ステージ上に配置された検出器により、前記イオンビームの照射位置を検出する照射位置検出工程と、
   前記検出器と前記基準部の相対位置を測定する相対位置測定工程と、
   前記基準位置に対する前記ワークの形状の測定結果と、前記イオンビームの照射位置の検出結果と、前記検出器と前記基準部の相対位置の測定結果とに基づいて、前記イオンビームの照射位置を前記ワークの目標とする位置に位置合せする位置合せ工程と、
   を具備することを特徴とするイオンビーム照射方法。
2. 前記照射位置検出工程では、燐光体に前記イオンビームが当たって発光する光を検出することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム照射方法。
3. 前記照射位置検出工程では、導電性ワイヤーを移動させながら該導電性ワイヤーに当たるイオンビームを電流として検出することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム照射方法。
4. 前記照射位置検出工程では、ファラデーカップを用いて前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム照射方法。
5. 前記照射位置検出工程では、螺旋状に湾曲した導電性の螺旋状ワイヤーを回転させながら、該螺旋状ワイヤーに当たるイオンビームを電流として検出することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム照射方法。
6. 前記照射位置検出工程では、螺旋状に湾曲した導電性の螺旋状ワイヤーを回転させながら、該螺旋状ワイヤーにイオンビームが当たる時に発生する２次電子を収集することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム照射方法。
7. イオンビームをワークに照射するイオンビーム照射装置において、
   前記イオンビームを照射するイオン銃と、
   前記イオン銃に対して前記ワークを移動させるためのステージと、
   前記ステージ上に載置され、前記ワークを固定するとともに前記ワークの形状を測定する基準位置となる基準部を備える固定治具と、
   前記ステージ上に配置され、前記イオンビームの照射位置を検出する検出器と、
   前記基準部に対する前記ワークの形状の測定結果と、前記検出器による前記イオンビームの照射位置の検出結果と、前記検出器と前記基準部の相対位置の測定結果とに基づいて、前記イオンビームの照射位置を前記ワークの目標とする位置に位置合せするように前記ステージを駆動する駆動手段と、
   を具備することを特徴とするイオンビーム照射装置。
8. 前記検出器は、燐光体に前記イオンビームが当たって発光する光を検出することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項７に記載のイオンビーム照射装置。
9. 前記検出器は、導電性ワイヤーを移動させながら該導電性ワイヤーに当たるイオンビームを電流として検出することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項７に記載のイオンビーム照射装置。
10. 前記検出器は、ファラデーカップを用いて前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項７に記載のイオンビーム照射装置。
11. 前記検出器は、螺旋状に湾曲した導電性の螺旋状ワイヤーを回転させながら、該螺旋状ワイヤーに当たるイオンビームを電流として検出することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項７に記載のイオンビーム照射装置。
12. 前記検出器は、螺旋状に湾曲した導電性の螺旋状ワイヤーを回転させながら、該螺旋状ワイヤーにイオンビームが当たる時に発生する２次電子を収集することにより前記イオンビームの照射位置を検出することを特徴とする請求項７に記載のイオンビーム照射装置。

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