JP6629442B2

JP6629442B2 - 荷電粒子線装置の試料加工方法

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Publication number: JP6629442B2
Application number: JP2018518902A
Authority: JP
Inventors: 朝子金子; 千尋野間口; 高須　久幸; 久幸高須
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2036-05-27
Also published as: WO2017203676A1; JPWO2017203676A1

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の一種であるイオンミリング装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの試料前処理装置として幅広い分野の試料の断面および平面を作製する装置として活用されている。これは加速させたアルゴンイオンを試料に照射し、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る装置であり、平面ミリング法と断面ミリング法が広く知られている。前者の平面ミリング法においては、イオン源から収束させないイオンビームを直接試料表面に照射させて試料を削る方法であり、特許文献１に記載の通り試料表面の広範囲を削ることができる特徴がある。他方、後者の断面ミリング法においては、イオン源と試料の間に遮蔽板を配置し、当該遮蔽板から試料を数μｍ〜２００μｍ程度突出させて設置することで遮蔽板から突出した試料部にイオンビームを照射することより、遮蔽板端面に沿って試料断面を平滑に削ることができる。

一般的に、走査電子顕微鏡の試料作成に用いる断面イオンミリングの加工条件は、加速電圧１０ｋＶ程度以下、イオンビーム電流は２００μＡ程度以下を常用することが多い。このとき、イオンビーム照射による試料への熱量は２Ｊ／ｓ程度以下となるが、イオンビーム照射範囲は、試料のイオンミリング面の半値幅が３００μｍ程度であること、および加工時間は数時間を超えることがあるため、高分子材料等の低融点材料への適用では試料の温度上昇が無視できない。温度上昇を抑制すべく、非特許文献１には、真空試料室内に試料を冷却するための液体窒素やペルチェ素子を用いた冷却機構が紹介されており、試料室外に設置した液体窒素デュアーと試料ステージを銅製の編み線などを用いて接続した冷却方式や、液体窒素デュアーと試料ステージを配管で接続して冷媒として用いる冷却方式が記されている。

特開平３−３６２８５号公報

日本電子顕微鏡学会関東支部, 新・走査電子顕微鏡, 共立出版, pp200

上述したように遮蔽板を用いた断面ミリングにおいて、イオンビーム照射により試料の温度上昇により試料変形が懸念される。この回避策の１つとして試料冷却があるが、例えば中空構造を有する低融点試料の加工では、試料自身が有する中空構造による熱伝導の低さに起因して試料冷却のみでは十分な冷却効果を得ることができない場合がある。

本発明の目的は、低熱伝導率材料を十分冷却可能な荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、荷電粒子源と、
熱伝導率が低くイオン液体を含有可能な材料からなり、前記イオン液体を含む試料と、
前記荷電粒子源から見て前記試料の一部が露出するように前記試料の上に配置される遮蔽板と、
を備えることを特徴とする荷電粒子線装置とする。

本発明によれば、低熱伝導率材料を十分冷却可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

実施例１に係る、イオンミリング装置の概略全体構成断面図。イオン液体を用いた中空構造を有する試料の前処理手順を示すフロー図。実施例２に係る、上部冷却機構を有するイオンミリング装置を用いた中空試料加工時の主要構成要素の概略配置の一例を示す正面図。図３Ａに示す配置例の側面図。実施例３に係る、下部冷却機構を有するイオンミリング装置を用いた中空試料加工時の主要構成要素の概略配置の一例を示す正面図。図４Ａに示す配置例の側面図。実施例４に係る、上部及び下部冷却機構を有するイオンミリング装置を用いた中空試料加工時の主要構成要素の概略配置の一例を示す正面図。図５Ａに示す配置例の側面図。従来のイオンミリングにより生じる加工筋を説明するための中空構造を有する試料断面図。加工筋に対する本発明の効果を説明するための中空構造を有する試料断面図。

発明者等が、数百μｍの厚さの低熱伝導材料からなる試料に加工用のイオンを照射したところ、低熱伝導材料の上面や下面を冷却してもその中央部で発生した熱は十分には除去されず熱変形してしまう場合のあることが分かった。その対処法について検討した結果、イオン液体の利用に思い至った。すなわち、導電付与材として電子顕微鏡観察前処理に使用されるイオン液体を試料に滴下し、中空構造を持つ試料の内部にイオン液体を充填させ、試料の熱伝導率を上げる。更に、遮蔽板または試料台の中空構造を持つ試料との空間をイオン液体で充填し、イオンビーム照射による熱を遮蔽板または試料台に伝導させる。

更に、イオン液体は純水や有機溶剤で希釈すると、希釈液成分が真空中で徐々に気化し、このときの気化熱により、イオンビーム照射による試料の温度上昇を抑制することで、試料の温度上昇による変形や溶融を抑制する。

以下、発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、荷電粒子線装置としてイオンミリング装置を用いて説明するが、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）等へも適用可能である。

実施例１に係るイオンミリング装置について図を用いて説明する。図１は、中空構造の試料（以下、中空試料という）１０７の上面に遮蔽板１０８を設置し、加速させたイオンビーム１０２を中空試料に照射し、イオンのスパッタ現象を利用して遮蔽板に対する中空試料の突出部分を加工することにより所望の位置における中空試料断面を得るイオンミリング装置の構成を示したものである。アルゴンのイオン源１０１におけるアルゴンイオンの電流密度は、イオン源制御部１０３で制御される。また、真空排気系１０５を制御して真空チャンバー１０４の内部を真空または大気の状態にでき、その状態を保持できる。中空試料１０７は試料台１０６の上に固定される。

また、真空チャンバー１０４の内部を大気開放した時に、試料ステージ１０９を真空チャンバー１０４の外に引き出すことができる。中空試料１０７を固定した試料台１０６は試料ステージ１０９の上に固定することができる。中空試料１０７の上に遮蔽板１０８を固定し、イオン源１０１から放出されたイオンビーム１０２を中空試料に照射することで、中空試料１０７の遮蔽板１０８から突出した部分を加工し、所望の中空試料断面を得ることができる。

図２は、イオン液体を用いた中空試料の前処理手順を示したものである。手順（１）では、中空部１１０を有する試料１０７を適切なサイズに成形する。手順（２）では、希釈されたイオン液体１１１を手順（１）で成形した中空試料１０７に滴下し、中空試料１０７の中空部１１０に希釈されたイオン液体１１１を充填させる。希釈されたイオン液体１１１は、純水などの水またはエタノールなどの溶媒で希釈する。希釈率は、中空構造の大きさによる表面張力の調整、また、真空排気するイオンミリング装置の試料室内に設置することを考慮し、試料の大きさに応じて５〜２０％程度とすると良好な結果を得られる。

なお、希釈液の気化による試料温度上昇抑制が必要無い場合や、表面張力を小さくする必要の無い場合には、イオン液体は、希釈しないで使用しても良い。

前記希釈されたイオン液体１１１のイオン液体は、疎水性または親水性のいずれでも良い。手順（３）では、手順（２）で希釈されたイオン液体１１１を充填させた中空試料１０７を試料台１０６の上に設置し、中空試料１０７の上部に遮蔽板１０８を設置する。引き続き、中空試料１０７には遮蔽板１０８側からイオンビーム１０２が照射され断面が加工される。中空試料１０７の内部の中空部１１０は、イオン液体１１１で充填されているため熱伝導性が向上し、中空試料の温度上昇を抑制することができる。遮蔽板及び試料台の少なくとも一者と中空試料との間隙にイオン液体を充填することにより、より中空試料の冷却効果を高めることができる。なお、中空試料の中空部内に充填されたイオン液体はイオンビーム加工中においても中空部内に保持される。

次に、手順（４）において、手順（３）で設置した遮蔽板１０８および試料台１０６を中空試料１０７から取外し、中空試料１０７を純水などの水またはエタノールなどの溶剤を用いて超音波洗浄などの手段で中空試料１０７の中の中空部１１０に充填された希釈されたイオン液体１１１を除去する。中空試料１０７は、遮蔽板１０８または試料台１０６あるいは遮蔽板１０８と試料台１０６の両方の固定された状態で洗浄することもできる。

なお、上記中空試料においては、試料の中空構造に起因する加工筋や試料中空構造部へのスパッタ粒子の再付着（リデポジッション）が懸念される。加工筋とは、硬さの異なる領域が存在する材料を加工したときに生じる段差のことである。上述した中空部へのイオン液体の充填は、加工筋の発生を抑制する上でも効果的であることが判った。

図６Ａは、イオン液体が充填されていない中空部１１０を含む中空試料１０７のミリング面を示している。イオンビーム１０２を矢印の方向から中空試料１０７に照射すると、中空試料１０７の中に存在する中空部１１０と中空部１１０の周辺の中空試料１０７の材料とのスパッタレートの差、あるいはイオンビーム１０２の中空試料１０７への入射方向が変わることにより、前記中空部１１０の左右から加工筋（加工段差）１１５が生じ、平坦な加工面を作製することが難しい。また、前記中空部１１０には、イオンビーム１０２によりスパッタされた分子が堆積し、本来の中空構造が明確に観察出来ない場合がある。

一方、図６Ｂは、イオン液体が充填された中空部１１０を含む中空試料１０７のミリング面を示しており、中空試料１０７の中の中空部１１０にイオン液体を充填させることで、中空試料１０７の中に存在する中空部１１０と中空部１１０周辺の試料材料とのスパッタレートの差が押さえられ、またイオンビーム１０２の中空試料１０７への入射方向を一定に保つことが可能になり、前記加工筋１１５の問題を回避できる。また、前記中空部１１０にはイオン液体が充填されている故、中空部１１０にはスパッタされた分子が堆積しない。これにより、中空試料１０７の中空構造が本来の形状で保たれ、且つ平坦な加工面が得られる。

上記手段によれば、中空構造を持つ試料の断面加工において、イオンビームによる試料の熱ダメージや試料の中空部に伴う加工筋または試料中空部へのスパッタ粒子の再付着を低減できる。

なお、加工試料として中空構造を有する材料を対象に説明したが、熱伝導率が低くイオン液体含有可能な材料であれば、イオンビーム加工時の温度上昇抑制等の効果を得ることができる。

以上、本実施例によれば、中空構造等を有する低熱伝導率材料を十分冷却可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

実施例２について、図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。図３Ａ、図３Ｂは、上部冷却機構（遮蔽板冷却機構）を有するイオンミリング装置を用いた中空試料加工時の主要構成要素の概略配置の一例であり、図３Ａは正面図、図３Ｂは側面図を示す。

図３Ａ、図３Ｂからわかるように、矩形を有する中空試料１０７は、その三辺が遮蔽板１０８で覆われ、一辺が遮蔽板から所定の突出量１１４だけ突出し、所定の位置における断面が得られるように試料台１０６の上に設置される。遮蔽板１０８は編組線１１３を介して真空チャンバー１０４の外部から供給される液体窒素１１２で冷却され、遮蔽板１０８の冷気は直接面接触している中空試料１０７へ伝えられる。中空試料１０７は試料台１０６に固定されているが、試料台１０６無で中空試料１０７を直接、遮蔽板１０８に固定することも可能である。また前記編組線１１３を介し、遮蔽板１０８を液体窒素１１２で冷却する機構は、ヒータやセンサなどを用いた温度調整可能な機構でも、中空試料１０７の加工は可能である。

上部冷却機構（遮蔽板冷却機構）を有するイオンミリング装置を用い、図２に示した手順で準備した高分子材料からなるフィルタや中空糸を冷却しながらイオンビーム加工を行った結果、温度上昇による中空試料の変形は見られず、良好な断面形状を得ることができた。また、異物付着や加工筋も見られなかった。

以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、上部冷却機構を設けることにより、実施例１に比べ、より中空試料の温度上昇を抑制することができる。これにより、より低融点材料の加工が可能となる。

実施例３について、図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。図４Ａ、図４Ｂは、下部冷却機構（試料台冷却機構）を有するイオンミリング装置を用いた中空試料加工時の主要構成要素の概略配置の一例であり、図４Ａは正面図、図４Ｂは側面図を示す。

図４Ａ、図４Ｂからわかるように、矩形を有する中空試料１０７は、その三辺が遮蔽板１０８で覆われ、一辺が遮蔽板から所定の突出量１１４だけ突出し、所定の位置における断面が得られるように試料台１０６の上に設置される。試料台１０６は編組線１１３を介して真空チャンバー１０４の外部から供給される液体窒素１１２で冷却され、試料台１０６の冷気は直接面接触している中空試料１０７へ伝えられる。中空試料１０７の上部には遮蔽板１０８が配置されており、遮蔽板１０８側からイオンビーム１０２を照射して中空試料１０７を加工する。前記編組線１１３を介し、試料台１０６を液体窒素１１２で冷却する構造は、ヒータやセンサなどを用いて温度を調整可能としても良い。

下部冷却機構（試料台冷却機構）を有するイオンミリング装置を用い、図２に示した手順で準備した高分子材料からなるフィルタや中空糸を冷却しながらイオンビーム加工を行った結果、温度上昇による中空試料の変形は見られず、良好な断面形状を得ることができた。また、異物付着や加工筋も見られなかった。

以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、下部冷却機構を設けることにより、実施例１に比べ、より中空試料の温度上昇を抑制することができる。これにより、より低融点材料の加工が可能となる。

実施例４について、図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。なお、実施例１乃至３の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。図５Ａ、図５Ｂは、上部冷却機構（遮蔽板冷却機構）及び下部冷却機構（試料台冷却機構）を有するイオンミリング装置を用いた中空試料加工時の主要構成要素の概略配置の一例であり、図５Ａは正面図、図５Ｂは側面図を示す。

図５Ａ、図５Ｂからわかるように、矩形を有する中空試料１０７は、その三辺が遮蔽板１０８で覆われ、一辺が遮蔽板から所定の突出量１１４だけ突出し、所定の位置における断面が得られるように試料台１０６の上に設置される。遮蔽板１０８は上部側の編組線１１３を介して真空チャンバー１０４の外部から供給される上部側の液体窒素１１２で冷却され、遮蔽板１０８の冷気は直接面接触している中空試料１０７へ伝えられる。また試料台１０６は下部側の編組線１１３を介して下部側の液体窒素１１２で冷却され、試料台１０６の冷気は直接面接触している中空試料１０７へ伝えられる。中空試料１０７は試料台１０６に固定され、中空試料１０７の上部には遮蔽板１０８が配置されており、遮蔽板１０８側からイオンビーム１０２を照射して中空試料１０７を加工する。前記編組線１１３を介し、試料台１０６および遮蔽板１０８を液体窒素１１２で冷却する構造は、ヒータやセンサなどを用いて温度を調整可能としても良い。

上部冷却機構（遮蔽板冷却機構）予備下部冷却機構（試料台冷却機構）を有するイオンミリング装置を用い、図２に示した手順で準備した高分子材料からなるフィルタや中空糸を冷却しながらイオンビーム加工を行った結果、温度上昇による中空試料の変形は見られず、良好な断面形状を得ることができた。また、異物付着や加工筋も見られなかった。

以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、上部及び下部冷却機構を設けることにより、実施例１乃至３と比べ、より中空試料の温度上昇を抑制することができる。これにより、より低融点材料の加工が可能となる。

なお、本発明は以下の実施形態を含む。
荷電粒子源と、
高分子材料からなり、イオン液体が充填されたフィルタ或いは中空糸と、
前記フィルタ或いは中空糸を載置する試料台と、
前記荷電粒子源から見て前記フィルタ或いは中空糸の一部が露出するように前記フィルタ或いは中空糸の上に配置される遮蔽板と、
前記試料台及び前記遮蔽板の少なくとも一者が接続される冷却機構と、
を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。

また、本発明は上記した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る。例えば、上記した実施例は本発明を分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の構成に置き換えることも可能であり、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・置換をすることが可能である。

１０１…イオン源、１０２…イオンビーム、１０３…イオン源制御部、１０４…真空チャンバー、１０５…真空排気系、１０６…試料台、１０７…中空試料、１０８…遮蔽板、１０９…試料ステージ、１１０…中空部、１１１… 希釈されたイオン液体、１１２…液体窒素、１１３…編組線、１１４…突出量、１１５…加工筋。

Claims

荷電粒子源と、前記荷電粒子源から見て試料の一部が露出するように前記試料の上に配置される遮蔽板と、を備える荷電粒子線装置の試料加工方法であって、
前記試料は熱伝導率が低くイオン液体を含有可能な材料からなり、前記イオン液体を含み、
前記イオン液体は、水、または有機溶剤で希釈されていることを特徴とする荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記試料は、内部に開放穴のある中空領域を有することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記試料は、高分子材料であることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記試料は、低融点材料であることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記試料は、フィルタ、又は中空糸であることを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記イオン液体は、疎水性、又は親水性であることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記有機溶剤は、エタノールであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記遮蔽板と前記試料との間隙にはイオン液体が充填されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記試料は試料台の上に配置され、前記試料台と前記試料との間隙にはイオン液体が充填されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記遮蔽板は、冷却機構に接続されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
水、または有機溶剤で希釈される前記イオン液体の希釈率は、５〜２０％程度とすることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、前記荷電粒子源から見て前記試料の一部が露出するように前記試料の上に配置される遮蔽板と、前記試料台及び前記遮蔽板の少なくとも一者が接続される冷却機構と、を備える荷電粒子線装置の試料加工方法であって、
前記試料は、高分子材料からなり、イオン液体が充填されたフィルタ或いは中空糸からなり、
前記イオン液体は、水、または有機溶剤で希釈されていることを特徴とする荷電粒子線装置の試料加工方法。
前記フィルタ或いは前記中空糸および前記試料台との間隙、及び前記フィルタ或いは前記中空糸および前記遮蔽板との間隙の少なくとも一者にはイオン液体が充填されていることを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。
水、または有機溶剤で希釈される前記イオン液体の希釈率は、５〜２０％程度とすることを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子線装置の試料加工方法。