JP6637146B2 - イオンビーム装置および試料の3次元構造解析方法 - Google Patents
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Description
最初に、集束イオンビーム装置1の構成について説明する。
図1は、集束イオンビーム装置の構成図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜変更している。
図1に示すように、集束イオンビーム装置1は、試料が配置される試料室10と、イオンビームを放出するイオン源20と、イオンビーム光学系50と、制御部70と、を備える。
試料室10は、イオン源20から照射されるイオンビームの照射位置に試料を移動させる試料ステージ11を収容する。
試料ステージ11は、5軸に変位することができる。すなわち、試料ステージ11は、同一面内で互いに直交するX軸およびY軸、並びにこれらX軸およびY軸に直交するZ軸に沿って試料ステージ11を移動させるXYZ軸機構と、X軸またはY軸回りで試料ステージ11を回転させて傾斜させるチルト軸機構と、Z軸回りで試料ステージ11を回転させる回転機構と、を含む変位機構により支持されている。
イオン源20は、試料室10に取り付けられている。イオン源20は、鏡筒21の内部に形成されたクラスター生成室30およびプラズマ生成室40と、原料ガス導入部60と、引出電極26と、ウィーン(E×B)フィルタ27と、を備えている。鏡筒21は、一端部が開口した有底筒状に形成されている。鏡筒21は、一端部の開口において試料室10と連通している。
イオンビーム光学系50は、プラズマ生成室40よりも試料室10側に配置されている。イオンビーム光学系50は、イオン源20において生成されたイオンビーム(詳細は後述)を試料に照射する。イオンビーム光学系50は、イオンビームを集束させるコンデンサレンズ電極51と、イオンビームを試料ステージ11上の試料にフォーカスさせる対物レンズ電極52と、を備える。コンデンサレンズ電極51は、引出電極26とウィーン(E×B)フィルタ27との間に配置されている。対物レンズ電極52は、ウィーン(E×B)フィルタ27よりも試料室10側に配置されている。
制御部70は、上述したRF電源71、加速−引出電圧制御部72およびフィルタ制御部73を備えるとともに、切替弁61や第1排気ユニット13、第2排気ユニット33、試料ステージ11等を制御可能となっている。
次に、集束イオンビーム装置1のイオンビーム照射原理について説明する。
本実施形態の集束イオンビーム装置1は、モノマーイオンビームと、クラスターイオンビームと、を照射可能となっている。
モノマーイオンビームを照射する際には、アルゴンガスを原料ガス導入部60の第2導入管63を通してプラズマ生成室40に導入する。次いで、制御部70が備えるRF電源71からRFコイル43に高周波の電力を供給してプラズマ生成室40内に高周波磁場を発生させる。これにより、プラズマ生成室40内のアルゴンガスはプラズマ化する。このとき、プラズマ生成室40内には、アルゴン原子が単体の状態で存在しているため、アルゴンのモノマーイオンが生成される。
クラスターイオンビームを照射する際には、アルゴンガスを原料ガス導入部60の第1導入管62を通してクラスター生成室30に導入する。このとき、クラスター生成室30は、第2排気ユニット33により、クラスターが生成する所定の圧力以下に排気されている。ノズル31から噴出されたアルゴンガスは、断熱膨張により凝集温度以下まで冷却される。冷却されたアルゴンガスの一部は、アルゴン原子同士がファンデルワールス力により結合し、複数個のアルゴン原子が塊となったクラスターとなる。この際、クラスター生成室30内には、様々な個数の原子により構成されたクラスターが存在している。クラスターを構成する原子の個数(以下、「クラスターサイズ」という。)は、例えば大きいもので3000程度となっている。
次に、集束イオンビーム装置1を用いた試料の加工方法について説明する。本実施形態では、例えば走査型電子顕微鏡で観察する試料の断面を作製する方法について説明する。なお、以下の説明における集束イオンビーム装置1の各構成部品の符号については、図1を参照されたい。
図2に示すように、本実施形態の試料の加工方法は、アルゴンガスからプラズマ生成機構(RFコイル43およびRF電源71)によりプラズマ化してモノマーイオンを生成するモノマーイオン生成ステップS10と、モノマーイオンを試料に照射するモノマーイオン照射ステップS20と、アルゴンガスからクラスター生成機構(ノズル31および原料ガス導入部60)によりクラスターを生成するクラスター生成ステップS30と、クラスターをプラズマ生成機構によりプラズマ化してクラスターイオンを生成するクラスターイオン生成ステップS40と、クラスターイオンを試料に照射するクラスターイオン照射ステップS50と、を有する。
モノマーイオン生成ステップS10では、まず制御部70が、原料ガス導入部60の切替弁61により、第1導入管62へのアルゴンガスの供給を遮断し、第2導入管63を通してプラズマ生成室40にアルゴンガスを導入させる。次いで、制御部70は、制御部70が備えるRF電源71からRFコイル43に高周波の電力を供給させてプラズマ生成室40内に高周波磁場を発生させ、アルゴンガスをプラズマ化させ、アルゴンのモノマーイオンを生成させる。
モノマーイオン照射ステップS20では、試料の加工を行う。モノマーイオン照射ステップS20では、制御部70は、引出電極26によりプラズマ生成室40内のモノマーイオンをモノマーイオンビームとして引き出す。この際、モノマーイオンビームの加速電圧(プラズマ電極25の電位)は、例えば500V以上とする。また、モノマーイオンビームのビーム電流は、例えば1μA以上とする。引出電極26により引き出されたイオンビームは、イオンビーム光学系50により試料室10内の試料ステージ11上に固定された試料の所定箇所に照射される。このとき、試料はモノマーイオンビームの照射方向に沿ってエッチングされるため、観察したい試料の断面の面方向に沿うように、モノマーイオンビームを照射させる。これにより、試料表面の所定箇所には断面が露出する。なお、この時点で試料の断面は、カーテン効果により凹凸形状となる場合があるとともに、高エネルギーを有するアルゴン原子が試料内部に侵入することによりアモルファス化されてダメージを受けた状態となる場合がある。
クラスター生成ステップS30では、制御部70が、原料ガス導入部60の切替弁61により、第2導入管63へのアルゴンガスの供給を遮断し、第1導入管62を通してクラスター生成室30にアルゴンガスを導入させる。このとき、アルゴンガスは、ノズル31から噴出し、その一部が断熱膨張により凝集し、クラスターサイズが1000から3000程度のクラスターとなる。
クラスターイオン生成ステップS40では、まず、クラスター生成ステップS30で生成されたクラスターを含むアルゴンガスを、スキマー23の孔部を通してプラズマ生成室40内に導入する。次いで、制御部70は、制御部70が備えるRF電源71からRFコイル43に高周波の電力を供給させてプラズマ生成室40内に高周波磁場を発生させ、クラスターを含むアルゴンガスをプラズマ化させる。このとき、プラズマ生成室40内のアルゴンガスには、単体のアルゴン原子およびアルゴンのクラスターが両方存在している。このため、プラズマ生成室40では、アルゴンのモノマーイオンおよびクラスターイオンの両方が生成される。
クラスターイオン照射ステップS50では、試料の仕上げ加工として、モノマーイオン照射ステップS20で形成された試料の断面の平坦化加工を行う。クラスターイオン照射ステップS50では、まず制御部70が、引出電極26によりプラズマ生成室40内のモノマーイオンおよびクラスターイオンをイオンビームとして引き出す。このとき、イオンビームの加速電圧(プラズマ電極25の電位)は、例えば500Vとする。
以上により、試料の加工は終了する。
この構成によれば、イオン源20は、プラズマ生成室40において、アルゴンガスをプラズマ化してモノマーイオンを生成できるとともに、クラスター生成室30において生成されたクラスターをプラズマ化してクラスターイオンを生成できる。このため、イオン源20は、クラスターイオンビームを放出できるとともに、従来のプラズマイオン源と同様に1μA以上のモノマーイオンビームも放出できる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用できるイオン源とすることができる。
この方法によれば、モノマーイオン照射ステップS20と、クラスターイオン照射ステップS50と、を有するため、モノマーイオンビームによる試料の加工と、クラスターイオンビームによる試料の仕上げ加工と、を連続して行うことができる。したがって、モノマーイオンおよびクラスターイオンを有効的に併用でき、試料の加工を効率よく行うことができる試料の加工方法を提供できる。
図3は、変形例の集束イオンビーム装置の構成図である。図3に示すように、プラズマ生成室40の周囲に、例えばネオジム磁石等の磁石45を配置して、プラズマ生成室40内に直流磁場を形成する構成としてもよい。これにより、プラズマ生成室40内において電子がらせん運動を行い、クラスターとの衝突確率が大きくなり、イオン化効率を向上させることができる。
例えば、上記実施形態においては、原料ガスとしてアルゴンを用いているが、これに限定されず、例えばネオン、クリプトン、キセノン等であってもよい。
Claims (2)
- 原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記原料ガス導入部が接続され、前記原料ガスからクラスターを生成するクラスター生成機構を備えるクラスター生成室と、
前記原料ガス導入部および前記クラスター生成室が接続され、プラズマを生成するプラズマ生成機構を備えるプラズマ生成室と、
を有するイオン源と、
前記プラズマ生成室から引き出されたイオンビームが照射される試料が配置される試料室と、
前記イオンビームを前記試料に照射した際に前記試料から生じる二次電子を検出する二次電子検出器と、
を有することを特徴とするイオンビーム装置。 - イオンビーム装置を用いた試料の3次元構造解析方法であって、
モノマーイオンを前記試料に照射し、断面を形成するステップと、
クラスターイオンを前記断面に照射し、前記断面を平坦化加工するステップと、を有し、
さらに、クラスターイオンを照射し、前記断面を微小エッチングすることによりスライス加工するステップと、
前記スライス加工により生じた断面の断面像を取得するステップと、
を繰り返し実行することにより前記試料の3次元構造を解析することを特徴とする試料の3次元構造解析方法。
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