JPH0733589B2 - イオンミリング方法及び装置 - Google Patents

イオンミリング方法及び装置

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JPH0733589B2
JPH0733589B2 JP1170380A JP17038089A JPH0733589B2 JP H0733589 B2 JPH0733589 B2 JP H0733589B2 JP 1170380 A JP1170380 A JP 1170380A JP 17038089 A JP17038089 A JP 17038089A JP H0733589 B2 JPH0733589 B2 JP H0733589B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡により
観察する半導体素子等の試料の表面や断面を観察するた
め、試料をイオンビームによりスパッタエッチングする
イオンミリング方法及びその装置に関する。
〔従来の技術〕
例えば、透過型電子顕微鏡により試料を観察する場合、
従来行なわれているイオンミリング方法による試料加工
について述べる。
イオンビームにより試料をスパッタエッチングする手法
は、電解研磨や機械研磨の困難なセラミックや半導体材
料などに対して有効であり一般に広く用いられている。
これは、機械研磨等により20〜50μmまで薄くした試料
を試料台に乗せ、試料をその試料中心を回転中心として
回転させながらその回転中心に3〜6KVのイオン化電圧
を印加して発生するイオンビームを照射し試料をエッチ
ングすることにより加工している。
また、エッチング度合いや所望のエッチングファクタ
(エッチング周縁の肩の部分)を有する断面を得るため
に、試料ビーム中心に対して試料表面を任意の角度に傾
斜させてエッチングを行なっている(例えば、特開昭53
−28530号公報)。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、電子顕微鏡の試料作りに用いるイオンミリン
グ装置では、そのイオンガンとして小型,簡易なものが
望まれており、例えば、イオンビームをコリメートして
いない単孔のカソード構造のようなイオン源から発せら
れるようなものが提案されている。
しかし、コリメートされていない(非コリメート)イオ
ンビームの強度分布は、ビーム軸中心が最も強い正規分
布をなしているため、中心に偏ってエッチングされる傾
向があり、エッチングできる範囲が直径約1mm程度で狭
く、且つ断面がすり鉢状となるので、近年電子顕微鏡に
よる複雑多岐にわたる観察要求に対しては試料加工法と
して適当でないという問題が出てきた。
これに代わって、コリメートされた平行イオンビームで
試料をエッチングすることも考えられるが(平行ビーム
であれば、試料は平らにエッチングされる)、このよう
なコリメートされたイオンビームは大型で高価であり生
産ラインでは適しているものの試料観察用としては、大
型で高価すぎて実用性の点で不向きであった。
本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、コリメート
されないイオンビーム、還元すれば小型で簡易なイオン
ガンを用いてイオンスパッタエッチングにより試料を観
察用に加工する場合でも、観察に有利な充分な観察面積
を有する断面形状が平坦なエッチング加工部(試料観察
部)を得ることのできるイオンミリング方法及びその装
置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、上記課題を解決するために、基本的には、次
のようなイオンミリング方法を提案する。
すなわち、試料を回転体に乗せて試料中心が回転中心と
なるように回転させながら、イオンビームを非コリメー
ト状態で試料表面に照射して試料をエッチングするイオ
ンミリング方法において、 前記イオンビームの照射面内に前記試料の回転中心が入
ることを条件に、この試料の回転中心をイオンビーム中
心の試料表面照射位置から所定の距離だけずらしてエッ
チングする。
なお、平坦な断面形状を得るためには、正規分布をなす
イオン源を試料より遠く引き離し試料面におけるエッチ
ングレートを均一にすることも考えられる。しかし、こ
の手法では、試料の所定面積に到達するイオンが弱くな
るのでエッチング効果は低下することになる。そこで、
本願発明者は、イオン源は充分必要な距離内に保ちつつ
も、エッチングレートを均一にする手法として、上記発
明を開発するに至った。
さらに、上記方法を実施する装置として、真空容器内に
モータにより回転駆動する試料載置用の回転体が配置さ
れ、この回転体に載置される試料を試料の中心が回転中
心となるように回転させながら、イオンガンを用いてイ
オンビームを非コリメート状態で試料表面に照射して試
料をエッチングするイオンミリング装置において、 前記試料の表面が前記イオンビーム中心に対して任意の
傾斜角をなすように前記回転体を任意の傾斜角に調整す
る角度調整機構と、 前記回転体及び前記角度調整機構を支持しながらこの回
転体及び角度調整機構を前記イオンビーム中心に対して
垂直な一方向に移動させて、前記回転体に載置される試
料の回転中心をイオンビーム中心の試料表面照射位置か
ら任意の距離だけずらすことが可能な回転体移動調整機
構とを備えたものを提案する。
〔作用〕
コリメートされないイオンビームの照射面における強度
分布は、その中心が最も強い正規分布をなしている。そ
こで、エッチング(イオンスパッタエッチング)する場
合に、正規分布をなすイオンビームの照射面内に前記試
料の回転中心が入ることを条件に、試料表面上の回転中
心をイオンビーム中心の試料表面照射位置から所定の距
離だずらす。
すると、試料表面上において、試料中心の周辺部に試料
中心より強いイオンビームが照射されることになる。た
だし、この試料中心の周辺部(イオンビーム強度の強い
照射位置)は、試料の回転によりイオンビーム照射圏よ
り周期的に外れるので試料中心より離れるほど単位試料
面のイオンビーム照射時間の割合が少なく、一方、試料
中心(イオンビーム強度の比較的弱い照射位置)は常時
イオンビーム照射圏に入っていることから、正規分布を
なすイオンビームであっても、試料表面における試料中
心とその周辺部のトータル的なイオン照射量はバランス
する。その結果、試料中心部とその周辺部のエッチング
レートをバランスさせることができ、従来よりもはるか
に均一に広範囲にわたりエッチングすることが可能とな
る。
また、実験の結果では、イオンビーム中心の試料表面照
射位置から前記試料の回転中心までの所定距離をRと
し、前記イオンビーム中心の試料表面照射位置とイオン
ガンとの間の距離をLとした場合、前記所定距離Rを、
−0.1L+3≦R≦0.15L+1の条件を満たすと、試料の
平坦度を20%にすることができた。ただし、この本発明
は、平坦度の要求の度合いが様々であることを考慮し
て、上記関係式の条件に限定するものではなく、あくま
でも、この関係式は最適例を提示したものである。
なお、本発明に係るイオンミリング法を実施する装置に
おいては、試料をイオンビーム中心に対して傾斜させる
角度調整機構も含まれているが、この傾斜は、既述のよ
うに、エッチング度合いや所望のエッチングファクタを
有する断面を得るためのもので、エッチングの平坦度に
大きな影響を与えるものではない。
そして、装置としては、このような角度調整機構と試料
載置用回転体(モータ付き回転体)を含むことを配慮し
て、上記課題解決に応えるために、前記回転体及び前記
角度調整機構を支持しながらこの回転体及び角度調整機
構を前記イオンビーム中心に対して垂直な一方向に一体
的に移動させて、試料の回転中心をイオンビーム中心の
試料表面照射位置から任意の距離だけずらすことが可能
な回転体移動調整機構を設けた。
〔実施例〕
本発明の実施例を図面に基づき説明する。
まず、第3図により、本発明に係るイオンミリング装置
の構成について説明する。
第3図において、試料室(真空容器)2は、真空排気系
8によって5×1/104Pa程度の真空に排気される。
この試料室2には、イオンビーム9を放出するイオンガ
ン4、試料1を載置,支持する回転体としての機能と試
料1に穴があいたことを検出するイオンビームコレクタ
ー16、試料1及びイオンビームコレクター16を回転させ
るモータ10、モータ10の支持台11、支持台11の取り付け
角度ひいては回転体16の傾斜角度を調整してイオンビー
ム中心に対する試料表面のなす傾斜角αを任意に調整可
能な角度調整機構12、角度調整機構12を介してモータ支
持台11ひいてはコレクター11を支持する支持体13、該支
持体13をねじ溝係合させた状態でモータ15により回転す
る回転軸14等を備える。
ここで、支持体13,回転軸14,モータ15は、前記回転体16
及び角度調整機構12を支持しながらこの回転体16及び角
度調整機構12を前記イオンビーム中心に対して垂直な一
方向(矢印方向)に一体的に移動させて、試料1表面上
の回転中心をイオンビーム9中心の試料表面照射位置か
ら任意の距離だけずらすことが可能な回転体移動調整機
構を構成する。すなわち、回転軸14の回転によりこれに
係合する支持台13を矢印のごとく上下に移動させてイオ
ンビーム9の中心と試料1の回転中心の間隔(ずれ量換
言すれば偏心量に相当)を調整する。
3は、試料1のイオンミリング状態を観察する観察窓で
ある。
イオンガン4はガスボンベ5の減圧弁で0.3Kg/cm(ゲー
ジ圧)程度に減圧されたガスがガス流量コントロールユ
ニット6で流量調整され供給される。この導入ガスは、
アルゴンガスを用いる。高電圧電源7は、導入ガスをイ
オン化してイオンガン4からイオンビーム9を放出させ
る電源である。
このような装置により調整されるイオンビームと試料の
位置関係について第1図を用いて説明する。
イオンガン4より放出される、試料1の表面に照射され
るイオンビーム9はその中心線9cが最も強い正規分布を
なす。試料1は、試料中心1cを中心として回転してお
り、回転中心1cは、試料の表面に照射されるイオンビー
ム9の中心線9cの試料表面照射位置からRだけ偏心し
(ずれて)いる。
この偏心量Rは台3図におけるモータ15を回転させるこ
とにより支持台13を矢印のごとく上下に移動させ調整さ
れる。更に、イオンビーム9の中心9cが試料1の表面に
対してなす角度αは第3図における角度調整機構12によ
って調整される。
イオンビーム9の照射面(照射圏)内に試料1の回転中
心1cが入ることを条件に、試料の回転中心1cをイオンビ
ーム中心9cの試料表面照射位置から所定の距離Rだけず
らしてエッチングを行なった実験結果を第2図に示す。
第2図からわかるように、R=0mmの時、同図(a)の
如く、イオンビームの中心が深くエッチングされ、すり
鉢状となり平坦な部分の少ない観察しにくい試料とな
る。イオンビームの中心を試料回転中心に対しずらしR
=1mmの時、試料の断面形状は(b)の如くなり(a)
の場合よりは平坦な試料を得ることが判った。更に、イ
オンビームの中心をずらしR=2.5mmの時、試料の断面
形状は(c)の如くなり試料はφ5mmの平坦な試料を得
ることができた(なお、この平坦度の得られる理由は、
発明の作用の項で述べてあるので、ここでの説明は省略
する)。更にイオンビームの中心をずらしR=3.5mmと
なると、試料の断面形状は(d)の如くなり試料は周辺
部の方がより深くエッチングされ平坦度が(c)よりも
低下してくることが判った。
第2図(c)のごとく平坦なエッチング断面加工を得ら
れるRの一般的条件は、イオンガン4からイオンビーム
中心線9cが試料1の表面を照射している点までの距離L
に大きく依存しており、距離Lを変えて実験したところ
第4図に示す結果を得た。
ただし、ここで、平坦に加工する試料表面の広さを最大
5mmφ(ほぼ円形にエッチングして試料を加工すること
を想定した場合)とし、試料の平坦度を20%として実用
に耐える範囲を実験的に求めたものである。この実験に
おいては、イオンビーム9の中心9cが試料1の表面に対
してなす角度αは平坦度にさほど大きい影響が無いこと
が判明したので無視している。
第4図について説明すると、偏心量Rは試料1の表面に
対しなす角度αがあるため、イオンガン4に近い側に偏
心した時の偏心量(×印で示す)及びイオンガン4に遠
い側に偏心した時の偏心量(○印で示す)を測定してい
る。例えば、距離Lが21mmの時、イオンガン4に近い側
においては偏心量が1.6mmから3.3mmの間であれば実用的
なエッチング平坦度の試料が得られることを示してい
る。また、イオンガン4に遠い側においては、偏心量が
1.9mmから4.0mmの間であれば実用的なエッチング平坦度
の試料が得られることを示している。
このような結果から、一般的な偏心量Rの範囲は第4図
における上側の線R=0.15L+1と下側の線R=−0.15L
+3の間にあればよく次の式が成立することが判った。
−0.1L+3≦R≦0.15L+1 …(1) 従って、イオンビームの中心線9cは、その偏心量Rが上
記式(1)を満たすようイオンガンからの距離Lに応じ
てずらしてやれば、実用上、最も最適な電子顕微鏡観察
用のエッチング平坦加工を試料に得られることができ
る。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、コリメートされないイオ
ンビーム、換言すれば小型で簡易なイオンガンを用いて
イオンスパッタエッチングにより試料を観察用に加工す
る場合でも、観察に有利な充分な観察面積を有する断面
形状が平坦なエッチング加工部(試料観察部)を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の要部を示す図、第2図は上
記実施例による実験結果を示す図、第3図は上記実施例
の全体構成図、第4図は上記実施例の実験結果を示す図
である。 1……試料、1c……試料の回転中心、2……試料室(真
空容器)、4……イオンガン、9……イオンビーム、9c
……イオンビーム中心、10……モータ、12……角度調整
機構、13,14,15……回転体移動調整機構。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01J 37/30 9172−5E H01L 21/3065 21/66 C 7630−4M P 7630−4M G01N 1/28 G

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料を回転体に乗せて試料中心が回転中心
    となるように回転させながら、イオンビームを非コリメ
    ート状態で試料表面に照射して試料をエッチングするイ
    オンミリング方法において、 前記イオンビームの照射面内に前記試料の回転中心が入
    ることを条件に、この試料の回転中心をイオンビーム中
    心の試料表面照射位置から所定の距離だけずらしてエッ
    チングすることを特徴とするイオンミリング方法。
  2. 【請求項2】前記試料の表面をイオンビームの中心に対
    して所定角度だけ傾斜させながら前記試料の回転中心を
    イオンビーム中心の試料表面照射位置から所定の距離だ
    けずらしてエッチングすることを特徴とする請求項1記
    載のイオンミリング方法。
  3. 【請求項3】前記イオンビーム中心の試料表面照射位置
    から前記試料の回転中心までの所定距離をRとし、前記
    イオンビーム中心の試料表面照射位置とイオンガンとの
    間の距離をLとした場合、 前記所定距離Rは、−0.1L+3≦R≦0.15L+1の条件
    を満たすことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の
    イオンミリング方法。
  4. 【請求項4】真空容器内にモータにより回転駆動する試
    料載置用の回転体が配置され、この回転体に載置される
    試料を試料の中心が回転中心となるように回転させなが
    ら、イオンガンを用いてイオンビームを非コリメート状
    態で試料表面に照射して試料をエッチングするイオンミ
    リング装置において、 前記試料の表面が前記イオンビーム中心に対して任意の
    傾斜角をなすように前記回転体を任意の傾斜角に調整す
    る角度調整機構と、 前記回転体及び前記角度調整機構を支持しながらこの回
    転体及び角度調整機構を前記イオンビーム中心に対して
    垂直な一方向に一体的に移動させて、前記回転体に載置
    される試料の回転中心をイオンビーム中心の試料表面照
    射位置から任意の距離だけずらすことが可能な回転体移
    動調整機構とを備えて成ることを特徴とするイオンミリ
    ング装置。
  5. 【請求項5】前記回転体移動調整機構は、前記イオンビ
    ーム中心の試料表面照射位置から前記試料の回転中心ま
    での所定距離をRとし、前記イオンビーム中心の試料表
    面照射位置とイオンガンとの間の距離をLとした場合、
    少なくとも−0.1L+3≦R≦0.15L+1の条件を満たす
    範囲で前記回転体を移動調整可能に設定してあることを
    特徴とする請求項4記載のイオンミリング装置。
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