JP6574903B2 - イオンミリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンミリング装置に関する。

イオンミリング装置（以下、ＩＭ）は、走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ）等で観察する試料を加工する装置である。ここで、イオンビームが試料に照射されている位置（試料の加工位置）を特定する技術がある（特許文献１参照）。

特開２００８−９１２２１号公報

特許文献１では、０〜５ｋＶ程度の範囲で加速電圧を調整すれば足りたため、加速電圧の変動によるイオンビームの照射位置の変動を考慮する必要はなかった。しかし、昨今、試料加工のスループットの向上が求められている。そのためには、加速電圧を高める必要があるが、加速電圧を０〜数十ｋＶの範囲で変動させる場合、加速電圧の変動によるイオンビームの照射位置の変動が大きくなり、同一箇所の加工が困難になるという課題がある。

そこで、本発明の目的は、加速電圧の変動によりイオンビームの照射位置が変動しても、所望の位置にイオンビームを照射可能なイオンミリング装置を提供することにある。

本発明の一実施形態のイオンミリング装置は、イオン源と、イオン源から照射されたイオンビームを所定電圧で加速する加速電極と、所定電圧に基づいてイオンビームの照射位置を調整する調整部と、を備える。

本発明によれば、加速電圧の変動によりイオンビームの照射位置が変動しても、所望の位置にイオンビームを照射可能なイオンミリング装置を提供することができる。

ＩＭの概略図 記憶部に格納されている情報を示す図 イオン源傾斜機構の詳細を示す図 静電偏向板を備えたＩＭの概略図 試料台移動機構を備えたＩＭの概略図 本発明の課題を説明するための図

まず、本発明の課題について説明する。図６は、本発明の課題を説明するための図である。図６は、加速電圧の変動によるイオンビーム２の照射位置の変動（イオンビームの中心位置の変化）を示しており、（１）は加速電圧が低い場合の、（３）は加速電圧が高い場合の、（２）は加速電圧が（１）と（３）の中間程度の場合の様子を示す。尚、イオンビーム２の照射位置の変動を理解しやすくするため極端な例を示しているが、実際には、図示したほどにイオンビーム２が傾斜されるわけではない。

ＩＭの場合、イオンビームや電子ビームを集束して照射する集束イオンビーム装置（以下、ＦＩＢ）と異なり、イオンビーム２は集束されることなく、ある程度の範囲に広がって試料６に照射されるため、照射位置の変動量は、それほど問題とはならない。

例えば、加速電圧が低い（例えば５００Ｖ）場合、（１）に示すように、イオンビーム２ａは、イオン源直下に存在する試料６のマスク１０から突出した部分（以下、突出部）に照射される。また、加速電圧が中間程度（例えば３ｋＶ）の場合、（２）に示すように、イオンビーム２ｂの軌道はある程度変化する。これは、加速電圧を上げることで、イオン源内外に生成される電場が変動するためである。しかしこの場合でも、イオンビーム２ｂの大半は試料６の突出部に照射される。よって、（１）（２）の状態では、試料６の加工を継続できる（試料６の加工位置等を精密に制御する必要がある場合は、（２）の状態でも加工に影響を与える場合がある）。

しかし、ＩＭであっても、加速電圧が高い（例えば２０ｋＶ）場合、（３）に示すように、イオンビーム２ｃの軌道の変化量が大きくなり、イオンビーム２ｃはほとんど試料６に照射されなくなる。また、イオンビーム２の照射領域（イオンビーム２の幅）は、加速電圧を上昇させるにつれ狭まる傾向にある。このように、加速電圧の上昇は、イオンビーム２の照射位置の変化と照射領域の狭まりを引き起こすため、試料６の加工を困難なものとする。尚、説明の便宜のため、以後の説明では加速電圧によるイオンビーム２の照射領域の狭まりの図示は省略する。

ＦＩＢやＳＥＭにおいては、照射位置が数ナノメートル変動するだけでも、試料の加工や観察に大きな影響を与えることがある。しかし、ＦＩＢやＳＥＭなどには、ビームを集束するための電子光学系が備えられており、該電子光学系に備えられた電磁レンズやコイルを用いることで、ビームの照射位置の変動を補正する（打ち消す）ことができる。

一方、ＩＭのイオン源１は、イオンビームを集束せず照射するものであり、ビームの照射位置の変動を補償できるようなレンズ、コイル等が備えられていない。このため、（３）のように、イオンビーム２の照射位置が大きく変動した場合、試料６の加工を継続することは困難であった。

また、ＩＭは、ＦＩＢで加工した試料表面の清浄化にも用いられる。ＦＩＢによる試料加工では、集束されたガリウム（Ｇａ）イオンなどが、例えば３０ｋＶもの加速電圧で試料に照射される。その結果、試料表面にＧａイオンが侵入し、試料表面のアモルファス化や欠陥の生成を引き起こし、試料本来の性質とは異なった層（ダメージ層）が生成される。

ＩＭでアルゴン（Ａｒ）イオンを照射すると、該ダメージ層を除去し、ＳＥＭやＴＥＭの観察に適した試料表面を得ることができる。この場合、Ａｒイオンの照射によって更なるダメージ層が生成されないよう、Ａｒイオンは例えば数ｋＶ程度の加速電圧で照射される。また、熱ダメージに弱い試料をＩＭで加工するには、試料上で過大な熱エネルギーが発生することを防止する必要がある。この場合の加速電圧は、数百Ｖ〜数ｋＶ程度である。

このように、ＩＭは、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＦＩＢ等と比して、低い加速電圧で用いられていた。しかし、試料加工のスループットを向上させるためには、加速電圧を向上させる必要がある。ＩＭにおいても、十数ｋＶ〜数十ｋＶの加速電圧への対応が要求されている。

尚、（１）、（２）、（３）の加速電圧はそれぞれ５００Ｖ、３ｋＶ、２０ｋＶとしたが、加速電圧の値は一例にすぎない。また、イオンビーム２は、加速電圧の上昇に伴いマスク１０側に傾斜するように示しているが、イオンビーム２の傾斜方向は装置内部の構成や、部品の取り付けの向きなどで異なりうる。また、図６ではイオンビーム２が徐々に「傾斜」していく例を示したが、装置内部の構成などの種々の条件によっては、イオンビーム２は傾斜せず中心軸が平行移動する場合もあれば、傾斜と平行移動が同時に発生する場合もある。更に、上記説明では、（１）の場合に、イオンビーム２は試料６に正しく照射されるものとした。しかし、加速電圧が最も高い場合にイオンビーム２が試料６に正しく照射されるよう装置を調整して、そこから徐々に加速電圧を低下させていっても、同様の現象が発生する。

図１（Ａ）は、ＩＭの基本構成の概略図である。ＩＭ１０１は、イオンビームを試料に照射し、試料表面から試料原子を弾き飛ばすスパッタリング現象を利用して試料を削り、加工する装置である。

ＩＭ１０１は、Ａｒなどのガスをイオン化してイオンビーム２として試料６に照射するイオン源１、イオン源１の内部に存在しイオンビーム２を所定電圧（加速電圧ともいう）で加速する加速電極３、イオン源１に接続された制御部４、制御部４に接続され種々データを記憶する記憶部５、試料６が載置される環境を真空に維持する真空室７、真空室７の真空引きを行う真空排気系８、試料６を上面に載置して固定する試料台９、試料６の一部をイオンビーム２から遮蔽するために試料６上面の一部に載置されるマスク（遮蔽部材）１０及び試料台９を載置するステージ１１から構成される。尚、今後の説明の便宜のため、加速電極３の図示を省略する場合がある。

制御部４は、イオンビーム２の電流密度を制御すると共に、真空排気系８を制御して真空室７内の環境を制御する（真空、又は大気の状態にする、又は、その状態を維持する）。

ステージ１１は、移動可能に構成されており、真空室７内部を大気開放した時に、真空室７外に引き出すことができる。

試料６を加工する際には、試料台９をステージ１１上に固定し、マスク１０を試料６上に固定する。そして、イオン源１からイオンビーム２を照射すると、突出部がイオンビーム２により削られる。

図１（Ｂ）は、加速電圧に基づいてイオンの照射位置を調整する調整部としてイオン源駆動機構１２を備えたＩＭの概略図である。制御部４はイオン源駆動機構１２を制御して、イオン源１の位置をイオンビーム２の光軸と垂直な平面内で変化させる。加速電圧に応じてイオン源１の位置を変化させることで、イオンビーム２ａ、２ｂ、２ｃを試料６の略同一の箇所に照射させることができる。

尚、イオン源駆動機構１２には、ボールネジ、ピエゾアクチュエータ、ウォームギアなど種々の構成を採用することができる。また、イオン源駆動機構１２はイオン源１全体を動かすものとしたが、イオン源１の内部の部品（電極など）のみを動かすものでもよい。

図１（Ｃ）は、加速電圧に基づいてイオンの照射位置を調整する調整部としてイオン源傾斜機構１３を備えたＩＭの概略図である。加速電圧に応じてイオン源１の傾斜角度を変化させることで、イオンビーム２ａ、２ｂ、２ｃを試料６の略同一の箇所に照射させることができる。また、イオン源駆動機構１２とイオン源傾斜機構１３を組み合わせ、駆動と傾斜が同時に可能なようにしてもよい。

尚、図１（Ｂ）（Ｃ）においては、加速電圧に比例して、イオンビームが１方向にのみ傾斜して照射位置が変動する場合を示した。しかし、装置内部の構成などの種々の条件によっては、加速電圧を高くするにつれ、イオンビームが別の方向に変動する場合も存在する。また、イオンビームの照射位置の変動量は、加速電圧に比例せず、非線形的に変動する場合も存在する。よって、イオンビームの照射位置の変動量、変動方向にあわせ、イオン源１を三次元的に動作させてもよい。

図２は、記憶部５に記憶されている情報を示す図であり、図２（Ａ）は加速電圧とイオンビームの照射位置の変動量との対応関係を示し、図２（Ｂ）は、イオン源１の傾斜角とイオンビームの照射位置の変動量との対応関係を示す。加速電圧が高いほど、イオンビームの照射位置は変動している。イオンビームは電磁場によって偏向され、電磁場はイオン源１の傾斜によって変動しうるため、イオン源傾斜角とビームの照射位置の変動量は必ずしも比例関係とはならない。

図２の対応関係は、ダミーの試料に対して加速電圧を変動させながらイオンビームを照射した際の、ダミーの試料に残る加工痕から得ることができる。また、ファラデーカップを用いた手法や、電磁場のシミュレーション等からも得ることもできる。

制御部４は、まず、現在の加速電圧に対応するイオンビームの照射位置の変動量（図２（Ａ））を記憶部５から読み出す。次に制御部４は、イオン源１の傾斜角に対するイオンビームの照射位置の変動量（図２（Ｂ））を記憶部５から読み出す。次に、制御部４は、これらの読み出した情報から最適なイオン源１の傾斜角を導出する。そして、制御部４は、イオン源傾斜機構１３を制御して、導出した傾斜角の分だけイオン源１を傾斜させる。

尚、加速電圧に対応する最適なイオン源１の傾斜角を事前に算出して記憶部５に記憶しておいてもよい。また、イオン源駆動機構１２を用いてもよいし、イオン源駆動機構１２とイオン源傾斜機構１３を組み合わせてもよい。その場合、記憶部５には、イオン源１の駆動量に対するイオンビームの照射位置の変動量を記憶しておくことが好ましい。

また、イオンビームの照射位置の変動量がある閾値を越えた場合、制御部４が制御を行うものとしてもよい。該手法は、図２（Ｃ）のように、イオンビームの照射位置が、ある所定の加速電圧から急激に変動するような場合に特に有効である。ここでは、加速電圧が急激に変動する地点に閾値１４を設けている。

また、ここでは、加速電圧の変動によるイオンビームの照射位置の変動は、ある一方向しか示していないが、イオンビームの照射位置が他の方向にも変動する場合は、他の方向への変動量も記憶部５に記憶すればよい。

次に、図１（Ｃ）の詳細について説明する。図３は、イオン源傾斜機構の詳細を示す図である。イオン源１はアーム１８を介してウォームギア１９、モータ２０に繋がっている。モータ２０は、制御部４で制御される。モータ２０は、ウォームギア１９とアーム１８を介して、イオン源１を図の矢印の方向に傾斜させる。イオン源１を直接傾斜させることで、加速電圧の高低によらず、安定した精度の高い加工を継続して行うことができる。

尚、ここではイオン源１の全体が傾斜されるものとして説明したが、イオン源１の内部の構造（電極など）とアーム１８が接続されており、それらの構造のみが傾斜するものとしてもよい。また、モータ以外のアクチュエータや、ウォームギア以外の駆動機構を用いてもよいし、アームを用いた構造に限るものではない。例えば、イオン源１は真空室７に固定されており、真空室７毎イオン源１を傾斜させるものとしてもよい。図示した構成ではイオン源１はある方向にのみ傾斜可能だが、任意の方向に傾斜できるものとしてもよい。

図４は、加速電圧に基づいてイオンの照射位置を調整する調整部として静電偏向板１５を備えたイオン源１を有するＩＭの概略図である。ここでは、加速電圧を上げることで、イオンビーム２が図の右側に曲がることを想定する。

静電偏向板１５は電源１６により電圧が印加されている。イオンビーム２は、静電偏向板１５に印加される電圧が作る電場によって偏向角１７だけ曲げられる。即ち、静電偏向板１５で事前に図の左側にイオンビーム２を曲げておくことで、イオン源１内外に生成される電場の変動によるイオンビーム２の変動を相殺している。これにより、加速電圧の変化に伴うイオンビーム２の照射位置に変化が生じても、略同一の位置にイオンビーム２を入射させることができる。

図１（Ｂ）に示した例では、イオンビーム２ｃは斜めから照射されてしまうため、通常はイオンビームが照射されない、試料６やマスク１０の側面にイオンビームが照射される可能性がある。しかし、本実施例では、偏向角１７だけイオンビーム２の照射角度を曲げることで、試料６の真上からイオンビーム２を照射することができる。

尚、静電偏向板１５はイオン源１の内部にあるものとして説明したが、イオン源１の外部（イオン源１と試料６の間）に配置してもよい。

図５は、加速電圧に基づいてイオンの照射位置を調整する調整部として試料台移動機構を備えたＩＭの概略図である。試料６、試料台９、マスク１０及びステージ１１は、真空室７内に配置されている。試料台移動機構は、試料台９に雌ねじ部２１を備え、ステージ１１とねじ２２を接続している。ねじ２２にはモータ２３が接続されており、モータ２３は制御部４に接続されている。ねじ２２がモータ２３により回転することで、試料台９の位置を制御することができる。

ねじ２２は、例えば試料６やマスク１０を押し引きするものであってもよい。また、対象物を任意の方向に動かすべく、複数の方向に複数のねじを備えてもよい。また、ねじではなく、歯車や、突起を引っ掛けて駆動させる構造など、他の移動機構であってもよい。

図１（Ｂ）では、加速電圧の変化によるイオンビーム照射位置の変動の影響を打ち消すべく、イオン源１を駆動させるＩＭを開示したが、本実施例では、試料６の位置を移動させる。一般的に、イオン源１は真空室７に固定されているため、イオン源１を駆動させる際には困難を伴うが、本実施例で移動させる対象は試料６であるため、移動が容易という利点がある。

以上、実施例１〜４によれば、加速電圧によるイオンビームの照射位置の変動を打ち消すことができ、ＳＥＭ等のような電子光学系を備えないＩＭにおいても、加速電圧の高低によらず、安定した精度の高い加工を、継続して行なうことができる。ユーザにとっても、イオンビームの照射位置の変動を気にすることがなく、高精度のイオンミリング加工を実現できる。

尚、記憶部５を備えず、加速電圧の変動に基づいて、ユーザが手動でイオンビームの照射位置を調整してもよい。

１０１…ＩＭ、１…イオン源、２…イオンビーム、３…加速電極、４…制御部、５…記憶部、６…試料、７…試料室、８…真空排気系、９…試料台、１０…マスク、１１…ステージ、１２…イオン源駆動機構、１３…イオン源傾斜機構、１４…閾値、１５…静電偏向板、１６…電源、１７…偏向角、１８…アーム、１９…ウォームギア、２０…モータ、２１…雌ねじ部、２２…ねじ、２３…モータ

Claims (8)

1. イオン源と、
   前記イオン源から照射されたイオンビームを所定電圧で加速する加速電極と、
   前記所定電圧に基づいて前記イオンビームの照射位置を調整する調整部と、を備える、イオンミリング装置。
2. 前記所定電圧と前記照射位置の変動量との対応関係を記憶する記憶部と、
   前記対応関係に基づいて、前記調整部を制御する制御部と、を備える、請求項１記載のイオンミリング装置。
3. 前記記憶部は、更に、前記イオン源の傾斜角と前記照射位置の変動量との対応関係を記憶する、請求項２記載のイオンミリング装置。
4. 前記制御部は、前記所定電圧に対応する前記照射位置の変動量が所定値以上のとき、前記調整部を制御する、請求項２記載のイオンミリング装置。
5. 前記調整部は、前記イオンビームの照射方向と垂直な平面内で、前記イオン源を移動させるイオン源駆動機構である、請求項１記載のイオンミリング装置。
6. 前記調整部は、静電偏向板である、請求項１記載のイオンミリング装置。
7. 前記調整部は、前記イオン源を傾斜させるイオン源傾斜機構である、請求項１記載のイオンミリング装置。
8. 前記調整部は、試料を載置する試料台を移動させる試料台移動機構である、請求項１記載のイオンミリング装置。

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