KR20220097478A - 이온 밀링 장치 - Google Patents

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아츠시 가미노
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Abstract

이온 분포의 재현성을 높일 수 있는 이온 밀링 장치를 제공한다. 이온원(101)과, 이온원(101)으로부터 비집속의 이온빔을 조사함에 의해 가공되는 시료가 재치(載置)되는 시료 스테이지(102)와, 이온빔 전류 측정 부재(105)를 유지하는 측정 부재 유지부(106)를 갖고, 측정 부재 유지부(106) 및 시료 스테이지(102)의 적어도 이온원(101)에 대향하는 면을 덮도록 피복재(120)가 설치되고, 피복재(120)의 재료는, 피복재가 설치되는 구조물의 재료의 원소보다 원자 번호가 작은 원소를 주성분으로 하고, 이온원과 시료 스테이지 사이에 위치하는 궤도 상을, 이온원(101)으로부터 제1 조사 조건에서 이온빔이 출력된 상태에서, 이온빔 전류 측정 부재(105)를 이온빔의 조사 범위에 있어서 이동시키고, 이온빔이 이온빔 전류 측정 부재(105)에 조사됨에 의해 흐르는 이온빔 전류를 측정한다.

Description

이온 밀링 장치
본 발명은, 이온 밀링 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 이온원에 있어서 플라스마를 생성해서 이온을 인출하고, 인출한 이온을 조사해서 기판 등에 가공 처리를 실시하는 이온 밀링 장치가 개시된다. 이 이온 밀링 장치는 예를 들면, 4인치(Φ100) 기판에 대해서 가공을 행하는 것이며, 균일 혹은 원하는 분포의 대구경의 이온빔을 얻기 위하여, 이온원 내의 플라스마 분포를 전기적으로 제어함에 의해 인출하여 이온빔의 분포를 제어하는 것이 개시된다. 제어 방법의 일례로서, 패러데이 컵을 이용해서 이온빔의 분포 상태를 측정하고, 측정 결과에 의거해서 플라스마 제어 전극에 인가하는 전압을 조정하는 것이 개시되어 있다.
일본국 특개2002-216653호 공보
이온 밀링 장치는, 시료(예를 들면, 금속, 반도체, 유리, 세라믹 등)에 대해서 비집속의 이온빔을 조사하고, 스퍼터링 현상에 의해서 시료 표면의 원자를 무응력으로 튕겨냄으로써, 그 표면 혹은 단면을 연마하기 위한 장치이다. 이온 밀링 장치에는, 주사 전자 현미경(SEM : Scanning Electron Microscope)이나 투과 전자 현미경(TEM : Transmission Electron Microscope)에 의한 시료의 표면 혹은 단면을 관찰하기 위한 전처리 장치로서 이용되는 것이 있다. 이와 같은 전처리 장치용의 이온원에는, 구조를 소형화하기 위해서 유효한 페닝 방식을 채용하는 경우가 많다.
페닝형 이온원으로부터의 이온빔은 수속시키지 않은 채 시료에 조사하기 때문에, 시료의 이온빔 조사점 부근에서의 이온 분포는, 중심부에서의 이온 밀도가 가장 높고, 중심으로부터 외측을 향해서 이온 밀도가 낮아지는 특성을 갖는다. 한편, 특히 전자 현미경에 의한 표면 관찰에서는, 구조·조성을 정확히 관찰하기 위하여, 시료 표면을 평활하게 연마할 필요가 있다. 이 때문에, 시료를 회전시키면서 이온빔을 저(低)입사 각도로 조사한다. 이것에 의해, 관찰하는 부위를 포함하는 주변 범위에 대하여, 광범위 또한 평활한 가공면을 얻는 것이 가능해진다. 이온 밀도는 시료의 가공 속도(밀링 레이트)에 직결되기 때문에, 이온 분포의 특성은 시료 가공면의 가공 형상에 크게 영향을 준다.
페닝 방식을 채용한 이온원은 그 구조로부터, 발생시켜서 사출한 이온이 내부의 구성 부재를 마모시키는 것이 알려져 있다. 또한, 시료를 가공한 결과, 가공면으로부터 발생해서 부유한 미소 입자가 이온원의, 특히 이온빔 사출구에 부착해서, 오염의 원인으로 된다. 이들 요인 등에 의해, 이온 밀링 장치를 계속 사용하면 이온빔의 특성이 변화하고, 나아가서는 시료 가공면의 가공 형상의 재현성이 저하한다. 전자 현미경에 의한 관찰이 양산 공정 관리 목적으로 행해지는 경우에는, 다수의 시료에 대해서 동일한 가공을 실시하는 것이 요구되기 때문에, 이온 밀링 장치의 가공 형상의 재현성의 저하는 결함 검출 정밀도의 저하로 이어질 우려가 있다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안해서, 시료의 표면 혹은 단면을 관찰의 전처리 가공을 행하는 이온 밀링 장치에 적합한 이온빔의 조사 조건을 조정 가능하게 하는 이온 밀링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태인 이온 밀링 장치는, 이온원과, 이온원으로부터 비집속의 이온빔을 조사함에 의해 가공되는 시료가 재치(載置)되는 시료 스테이지와, 제1 방향으로 연장되는 선 형상의 이온빔 전류 측정 부재를 유지하는 측정 부재 유지부와, 제어부를 갖고, 측정 부재 유지부 및 시료 스테이지의 적어도 이온원에 대향하는 면을 덮도록 피복재가 설치되고, 피복재의 재료는, 피복재가 설치되는 구조물의 재료의 원소보다 원자 번호가 작은 원소를 주성분으로 하고, 제어부는, 이온원과 시료 스테이지 사이에 위치하고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되는 궤도 상을, 이온원으로부터 제1 조사 조건에서 이온빔이 출력된 상태에서, 이온빔 전류 측정 부재를 이온빔의 조사 범위에 있어서 이동시키고, 이온빔이 이온빔 전류 측정 부재에 조사됨에 의해 이온빔 전류 측정 부재에 흐르는 이온빔 전류를 측정한다.
이온 밀링 장치의 이온 분포의 재현성을 높일 수 있다.
그 밖의 과제와 신규의 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은, 이온 밀링 장치의 구성예(모식도).
도 2는, 이온원 및 전원 회로의 구성을 나타내는 도면.
도 3은, 구동 유닛의 구성예.
도 4는, 비교예에 있어서의 이온빔 전류의 계측의 모습을 나타내는 도면.
도 5는, 비교예에 의해 계측되는 이온빔 프로파일을 나타내는 도면.
도 6a는, 실시예에 있어서의 이온빔 전류의 계측의 모습을 나타내는 도면.
도 6b는, 실시예에 있어서의 이온빔 전류 측정 부재의 궤도와 전자 트랩의 위치 관계를 나타내는 도면.
도 7a는, 변형예에 있어서의 이온빔 전류의 계측의 모습을 나타내는 도면.
도 7b는, 변형예에 있어서의 이온빔 전류 측정 부재의 궤도와 전자 트랩의 위치 관계를 나타내는 도면.
도 8은, 이온빔 조사 조건의 조정에 대한 플로차트.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거해서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태인 이온 밀링 장치(100)의 주요부를 위쪽으로부터(연직 방향을 Y방향으로 한다) 나타낸 도면(모식도)이다. 진공 상태를 유지 가능한 시료실(108)에는, 이온원 위치 조정 기구(104)를 개재해서 부착되는 이온원(101), 가공 대상으로 하는 시료를 설치하기 위한 시료 스테이지(102), 회전 중심 R0을 축으로 해서 시료 스테이지(102)를 회전시키는 시료 스테이지 회전 구동원(103)이 설치되어 있다. 이온원(101)으로부터의 이온빔은 집속시키지 않은 채 시료에 조사되기 때문에, 시료의 이온빔 조사점 부근에서의 이온빔 분포는, 중심부에서의 이온 밀도가 가장 높고, 중심으로부터 외측을 향해서 이온 밀도가 낮아지는 특성을 갖는다. 이온 밀도는 시료의 가공 속도에 직결되기 때문에, 이온빔 조사점 부근에서의 이온빔 분포는 시료의 가공 형상에 크게 영향을 준다. 이 때문에, 이온원(101)으로부터의 비집속 이온빔의 이온빔 분포를 계측하기 위하여, 이온 밀링 장치(100)는, 시료 스테이지(102)의 시료 재치면에 근접해서 배치되는 이온빔 전류 측정 부재(105), 이온빔 전류 측정 부재(105)를 유지하는 측정 부재 유지부(106), 측정 부재 유지부(106)를 X방향으로 왕복 구동하는 구동 유닛(107), 및 전자 트랩(112)을 구비하고 있다. 이온 밀링 장치(100)를 구성하는 각 기구는 전원 유닛(110)으로부터 전원이 공급되고, 제어부(109)에 의해 제어된다. 또한, 표시부(111)에는 장치의 제어 파라미터나 동작 상태 등이 표시된다.
이온원(101)으로부터의 이온빔은 이온빔 중심 B0을 중심으로 방사상(放射狀)으로 넓어진 상태로 방출되기 때문에, 시료 스테이지(102)의 회전 중심 R0과 이온빔 중심 B0이 일치하도록 조정할 필요가 있다. 이 조정을 용이하게 하기 위하여, 이온원(101)은, 그 위치를 X방향, Y방향, 및 Z방향으로 위치를 조정하는 이온원 위치 조정 기구(104)를 개재해서 시료실(108)에 부착되어 있다. 이것에 의해, 이온원(101)의 이온빔 중심 B0의 위치, 구체적으로는 XY면(X방향 및 Y방향을 포함하는 면) 상의 위치 및 작동 거리(WD : Working Distance, Z방향의 위치)가 조정 가능하게 되어 있다.
상세는 후술하지만, 이온빔 전류 측정 부재(105)는 도전성 부재이며, 이온원(101)으로부터 이온빔 전류 측정 부재(105)에 충돌하는 이온의 양을, 이온원(101)과 이온빔 전류 측정 부재(105) 사이의 이온빔 전류로서 전류계(113)에 의해 계측한다. 제어부(109)는, 이온빔 전류 측정 부재(105)를 X방향으로 이동시키면서 전류계(113)에 의해 이온빔 전류를 계측함에 의해, X방향을 따른 위치마다의 이온빔 전류를 취득하고, 이온빔 프로파일로서 표시부(111)에 표시한다. 또한, 이온빔 프로파일의 계측 중, 전자 트랩(112)이 이온빔 전류 측정 부재(105)보다 시료 스테이지(102)측에, 또한 이온빔 중심 B0과 이온빔 전류 측정 부재(105)가 교차할 때, 이온원(101)으로부터 보아 이온빔 전류 측정 부재(105)와 전자 트랩(112)이 겹치는 위치에 배치된다. 전자 트랩(112)에는 전원 유닛(110)으로부터 소정의 양전위가 인가된다.
또한, 시료실(108) 내에 배치되는 구조물, 구체적으로는 측정 부재 유지부(106), 구동 유닛(107), 시료 스테이지(102), 시료 스테이지 회전 구동원(103), 및 시료실(108)의 내벽에는 피복재(120)가 설치되어 있다. 피복재(120)의 예로서, 카본과 같은 경원소를 사용할 수 있다. 카본 페이스트를 이온빔의 조사 영역에 도포하거나, 혹은 카본의 판재를 첩부해도 된다. 또한, 내열성이 높은 수지를 도포해도 된다. 유기물에는 탄소(C)가 포함되기 때문이다. 피복재(120)에 이온빔이 조사됨에 의해서 가열되기 때문에, 피복재에는 내열성이 요구된다. 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE : polytetrafluoroethylene)이나 방향족 폴리에테르케톤(예를 들면, PEEK : polyetheretherketone, PEK : polyetherketone) 등이 적용 가능하다. 또한 카본 입자를 수지에 혼합해서 도포해도 된다. 피복재의 기능에 대해서는 후술한다.
도 2는, 이온원(101)의 내부 구조 및 이온원(101)의 전압을 인가하는 전원 유닛(110)의 전원 회로를 나타내는 모식도이다. 또, 전원 회로는 이온원(101)에 관한 회로만을 나타내고 있다. 도 2는, 이온원(101)으로서 페닝 방식을 채용한 이온원(페닝형 이온원)을 나타내고 있다. 페닝형 이온원 내부에는, 동전위로 되는 제1 캐소드(201)와 제2 캐소드(202) 사이에, 전원 유닛(110)으로부터 방전 전압이 인가되는 애노드(203)가 배치되고, 애노드-캐소드 간의 전위차에 의해 전자를 발생시킨다. 발생한 전자는 영구 자석(204)에 의해서 이온원 내부에 체류한다. 한편, 이온원에는, 외부로부터 아르곤 가스가 배관(206)을 통해 도입되고, 전자와 아르곤 가스가 충돌함에 의해 아르곤 이온이 생성된다. 아르곤 이온은, 가속 전압이 인가된 가속 전극(205)에 유인되고, 이온빔 조사구(207)를 통해, 이온빔으로서 조사된다.
이온원(101)은, 빔의 조사를 반복하는 동안, 이온원(101)의 내부 부품이 마모하거나, 조사 대상으로 되는 가공물로부터 발생한 미소 입자가 비산하여, 이온빔 조사구(207)에 부착함으로써, 이온원(101)이 조사하는 이온빔 분포가 변동한다. 이온원(101)의 내부 부품의 교환이나 클리닝과 같은 메인터넌스를 실시함으로써, 내부 부품의 마모나 이온빔 조사구(207)의 미소 입자의 부착은 해소되지만, 변동 전의 이온빔 분포로 되돌아가는 것을 보증하는 것은 아니다. 그 때문에, 예를 들면, 메인터넌스 실시 후에 이온빔 분포의 확인을 행하여, 원하는 이온빔 분포가 얻어지도록 이온원(101)의 작동 거리나 방전 전압, 가스 유량을 조절한다. 이것에 의해, 이온 밀링 장치에 의한 가공의 재현성을 높일 수 있다.
도 3에 이온빔 전류 측정 부재(105)를 구동하는 구동 유닛(107)의 구성예를 나타낸다. 도면에서는, 구동 유닛(107)의 상면도와, 상면도의 A-A선을 따른 이온빔 전류 측정 부재(105) 및 측정 부재 유지부(106)의 단면도를 나타내고 있다. 또, 피복재에 대해서는 표시를 생략하고 있다.
측정 부재 유지부(106)는 절연재에 의해 구성되어 있고, 그 내부에 도전성을 갖는 이온빔 전류 취출부(310)가 설치되어 있다. 이온빔 전류 측정 부재(105)는 이온빔 전류 취출부(310)에 부착되고, 이온빔 전류 취출부(310)를 통해서 이온빔 전류 취출 배선(311)과 접속된다. 이온빔 전류 취출 배선(311)은 전류계(113)에 접속되어 있다.
구동 유닛(107)은, 모터(301), 베벨 기어(302), 기어(303), 레일 부재(304)를 갖는다. 모터(301)의 구동축에 설치한 베벨 기어(302) 및 기어(303)가 회전하여, 레일 부재(304)에 구동을 전달함으로써, 측정 부재 유지부(106)를 X방향으로 왕복 이동시킨다. 측정 부재 유지부(106)를 왕복 이동시키는 궤도는 이온원(101)과 시료 스테이지(102) 사이에 위치하고 있다. 가능한 한 시료 스테이지(102)의 근방에 위치시키는 것이 바람직하다. 또, 모터(301)는 구동 유닛(107) 전용으로 설치할 필요는 없으며, 시료 스테이지(102)를 회전시키는 시료 스테이지 회전 구동원(103)과 겸용하는 것도 가능하다.
이온빔 전류 측정 부재(105)는, 이온빔 전류의 측정 중에는 이온원(101)으로부터의 이온빔이 조사됨에 의해, 가공되고 있는 상태로 된다. 이와 같이 측정마다 소모되는 부재이기 때문에, 이온에 의해 가공되기 어려운, 저(低)스퍼터 수율의 부재가 적합하다. 또한, 이온빔 전류 측정 부재(105)로서 선 형상재를 사용하여, 비집속 이온빔 조사 범위를 이온빔 전류 측정 부재(105)가 이동함에 의해, 이온빔 프로파일을 계측한다. 이것은, 이온빔 전류 측정 부재(105)의 직경이 측정 가능한 이온 분포의 공간 분해능을 결정하는 것을 의미한다. 이 때문에, 이온빔 전류 측정 부재(105)의 직경은, 가공 시의 이온빔의 반값폭보다 작은 직경으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 0.2㎜ 이상, 0.5㎜ 이하의 직경을 갖는 그래파이트 카본의 선 형상재를 이용할 수 있다. 또한, 이온빔 전류 측정 부재(105)에 이온이 충돌함에 의한 이온의 불규칙한 거동을 억제하기 위하여, 이온빔 전류 측정 부재(105)의 단면 형상은 원형으로 하는 것이 바람직하다. 그래파이트 카본의 선 형상재 외에도, 텅스텐의 선 형상재 등도 사용 가능하다. 이온빔 전류 측정 부재(105)는, 측정 부재 유지부(106)로부터 분리 가능하고, 이온빔 전류 측정 부재(105)가 이온빔에 의해 소모된 경우에는, 새로운 이온빔 전류 측정 부재로 교환한다.
도 4는 비교예로서, 전자 트랩(112) 및 피복재(120)를 설치하지 않고 이온빔 전류를 계측하는 모습을 나타내는 모식도이다. 본 계측 방법에서는 이온빔 전류 측정 부재(105)에 이온원(101)으로부터 조사되는 양전하를 갖는 아르곤 이온이 충돌함에 의해서 흐르는 전류를 전류계(113)에 의해 계측한다. 그러나, 이 비교예의 구성에서는 이온빔 전류 측정 부재(105)를 이온빔이 조사되지 않는 위치로 이동시켰음에도 불구하고, 전류계(113)로부터 전류값이 계측되는 것이 확인되었다(제1 과제). 이것은, 아르곤 이온이 이온빔 전류 측정 부재(105) 근방의 구조물, 구체적으로는 측정 부재 유지부(106) 등에 충돌함에 의해 이차 전자나 후방 산란 전자가 발생하고, 발생한 이차 전자나 후방 산란 전자가 이온원(101)의 가속 전극(205)에 충돌함에 의해, 전류계(113)에서 계측되는 전류값이 증대하기 때문이다.
도 5에 도 4의 비교예에 의해 계측되는 이온빔 프로파일을 나타낸다. 횡축이 빔 측정 위치이고, 종축이 전류계(113)에서 측정되는 이온빔 전류 I를 나타내고 있다. 또, 빔 측정 위치는 XZ 평면 상에 있어서의 이온빔 전류 측정 부재(105)의 궤도와 이온빔 중심 B0의 교점을 원점으로서 표기하고 있다. 전술과 같이, 계측되는 이온빔 프로파일(500)은, 아르곤 이온이 이온빔 전류 측정 부재(105)에 충돌함에 의해 흐르는 실제 이온빔 프로파일(501)과 이온빔의 조사에 기인해서 발생하는 전자에 의한 백그라운드 노이즈 프로파일(502)의 합으로 되어 있다. 또, 도 5에서는 백그라운드 노이즈 프로파일(502)을 일정값으로서 단순화해서 나타내고 있지만, 실제로는 이차 전자나 후방 산란 전자의 발생 불균일, 빔 측정 위치에 의한 이온빔 전류 측정 부재(105)에의 전자의 충돌량의 차이에 의해서 측정 위치에 따라서 변동하는 값을 취한다.
실제 이온빔 프로파일(501)은 가우스 분포에 따른다고 생각된다. 따라서, 계측되는 이온빔 전류 I(x)는 (식 1)로 표시할 수 있다.
[식 1]
Figure pct00001
여기에서, A는 실제 이온빔 프로파일의 최대값, σ는 실제 이온빔 프로파일의 분산이다. 즉, 실제 이온빔 프로파일(501)의 정보를 얻기 위해서는, 계측되는 이온빔 프로파일(500)로부터 백그라운드 노이즈 프로파일(502)의 영향을 제거할 필요가 있다.
이에 더하여, 도 5에, 계측되는 이온빔 프로파일(500)의 일부(503)를 확대한 파형(504)을 나타낸다. 실제로 계측되는 이온빔 프로파일(500)에는 고주파의 노이즈 파형이 포함되어 있다. 측정되는 이온빔 전류값의 데이터를 평균화함으로써, 매끄러운 프로파일 파형(파형(505))을 얻는 것은 가능하지만, 노이즈 성분이 크면 이온빔 프로파일을 평활화하기 위해서 필요한 데이터양이 많아진다. 이 때문에, 이온빔 전류 측정 부재(105)의 이동 속도를 높일 수 없어, 이온빔 프로파일(500)의 계측 시간을 단축할 수 없었다(제2 과제). 이것은, 이온원(101)으로부터 이온빔이 비집속으로 조사되기 때문에, 아르곤 이온은 시료실(108)의 넓은 영역에 비산한다. 이온빔 강도로서는 낮지만, 시료실(108)의 내벽이나 시료실(108) 내의 구조물의 넓은 범위에서 아르곤 이온이 충돌하여, 이차 전자나 후방 산란 전자가 발생하고, 이온원(101)의 가속 전극(205)에 충돌한다(도 4 참조). 이 이차 전자나 후방 산란 전자가 이온빔 프로파일 파형의 노이즈로서 계측된다.
도 6a에, 플레이트 형상의 전자 트랩(112) 및 피복재(120)를 설치해서 이온빔 전류를 계측하는 모습을 나타낸다. 또한, 도 6b에 이온빔 전류 측정 부재(105)의 궤도(좌표 X0∼X5는 궤도 상의 위치를 나타낸다)와 전자 트랩(112)의 위치 관계를 나타낸다. 또한, 아울러서 이온빔 전류 측정 부재(105)의 궤도 근방에서의 이온빔의 강도를 농담에 의해 모식적으로 나타내고 있다. 이온빔 강도는, 이온빔 중심 B0을 최대 강도로 하고, 그 주변에 갈수록 가우스 분포에 따라서 저감한다. 이온빔 강도가 높은 영역을 농도가 진한 영역, 빔 강도가 낮은 영역을 농도가 연한 영역으로서 표시하고 있다.
아르곤 이온이 충돌해서 발생하는 이차 전자나 후방 산란 전자는 음의 전하를 갖기 때문에, 양전압을 인가한 전자 트랩(112)을 이온빔 전류 측정 부재(105)의 궤도의 근방에 설치하고, 발생하는 이차 전자나 후방 산란 전자를 포획한다. 전자 트랩(112)에 인가하는 전압은 전원 유닛(110)으로부터 공급되고, 전압값은 도시하지 않은 제어부(109)에 의해 설정된다. 전자 트랩(112)에 인가하는 양전압은, 이온빔 프로파일의 계측에 영향을 주지 않을 정도의 양전압으로서 설정한다.
전자 트랩(112)은 이온빔 전류 측정 부재(105)의 궤도보다 시료 스테이지(102)측에, 이온빔 중심 B0과 이온빔 전류 측정 부재(105)가 교차할 때, 이온원(101)으로부터 보아 이온빔 전류 측정 부재(105)와 전자 트랩(112)이 겹치도록 배치된다. 도 6b에 나타나는 바와 같이, 이온원(101)의 이온빔 강도는 이온빔 중심 B0 근방이 가장 높고, 이차 전자나 후방 산란 전자의 발생량도, 에너지도 크다. 따라서, 전자 트랩(112)을 이온빔 중심 B0 근방에 배치함으로써 발생하는 이차 전자나 후방 산란 전자를 효율적으로 포획할 수 있다.
단, 도 6a와 같이 전자 트랩(112)을 배치하는 경우, 아르곤 이온이 충돌함에 의해, 전자 트랩(112) 자체가 이차 전자나 후방 산란 전자의 발생원으로 될 우려가 있다. 특히 후방 산란 전자는 에너지가 높고, 직진성이 높기 때문에, 가속 전극(205)까지 도달하는 전자량도 많다. 여기에서, 후방 산란 전자의 발생량은, 조사 대상의 구성 원소의 원자 번호의 증대에 수반하여 증가하는 것이 알려져 있으므로, 전자 트랩(112)에는 경원소, 또한 저스퍼터 수율의 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 그래파이트 카본을 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 측정 부재 유지부(106) 등의 구조물로부터 발생하는 이차 전자나 후방 산란 전자의 영향을 전자 트랩(112)에 의해 제거함으로써, 도 5의 파선에 의해 나타낸 바와 같은, 실제 이온빔 프로파일(501)의 정보를 얻을 수 있다. 전자 트랩(112)은, 효율적으로 이차 전자나 후방 산란 전자를 포획하기 위하여, 어느 정도의 면적을 갖는 것이 필요하지만, 그 크기는 한정되지 않는다. 예를 들면 이온빔 중심 B0을 중심으로 해서 이온빔의 반값폭을 직경으로 하는 원 형상 혹은 일변으로 하는 사각 형상의 플레이트 전극으로 할 수 있다. 또한, 전자를 트랩할 수 있으면 되므로, 플레이트 전극으로 한정되지 않으며, 메시 전극, 그 밖의 전극이 허용된다.
또한, 피복재(120)에 의해 비교적 약한 강도의 이온빔이 조사됨에 의해 발생하는 전자량이 저감되어, 이온빔 프로파일 파형의 노이즈를 저감할 수 있다. 이것은 이하의 이유에 의한다. 전술과 같이 후방 산란 전자의 발생량은, 조사 대상의 구성 원소의 원자 번호의 증대에 수반하여 증가한다. 피복재(120)의 재료로서, 피복하는 구조물 혹은 내벽의 재료의 원소보다 원자 번호가 작은 원소를 주성분으로 하는 재료를 이용함에 의해, 후방 산란 전자의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
피복재(120)는, 구조물의 전면(全面) 혹은 시료실(108)의 벽면 모두를 반드시 피복하지 않아도 되지만, 적어도 이온원(101)에 대향하는 면에 대해서는 피복하는 것이 바람직하다. 이온빔은 직진성이 강하여, 이온원(101)에 대향하는 면으로부터 단위 면적당 발생하는 이차 전자, 후방 산란 전자의 양이, 그 이외의 면보다 많기 때문이다.
도 7a∼b에 전자 트랩의 변형예를 나타낸다. 도 6a에서는 전자 트랩을 이온원(101)으로부터 보아 이온빔 전류 측정 부재(105)의 배후에 배치하는 것에 대해서, 도 7a에서는 전자 트랩을 이온빔 전류 측정 부재(105)보다 이온원(101)측에 배치한다. 도 7a는 측면도를, 도 7b는 상면도를 나타내고 있다. 전자 트랩(700)에 인가하는 전압도 전원 유닛(110)으로부터 공급되고, 전압값은 도시하지 않은 제어부(109)에 의해 설정된다. 전자 트랩(700)은 이온원(101)으로부터의 이온빔이 조사되지 않는 영역에 배치하고, 발생한 이차 전자나 후방 산란 전자가 가속 전극(205)에 도달하기 전에 포획한다. 도 6a∼b에 나타낸 전자 트랩(112)과 달리, 이온빔이 조사되지 않으므로, 전자 트랩(700)으로서는 동이나 인청동 등의 도전성이 높은 재료를 이용할 수 있다. 이 예에서는, 전자 트랩(700)의 표면에도 피복재(120)를 설치하고 있다(도 7b에서는 피복재(120)를 생략해서 표시하고 있다). 전자 트랩(112)과 전자 트랩(700)의 쌍방을 구비하도록 해도 된다.
도 1에 나타내는 이온 밀링 장치에 있어서, 제어부(109)가 실행하는 이온빔 프로파일의 취득, 및 이온빔 조사 조건의 조정 방법에 대하여, 도 8의 플로차트를 이용해서 설명한다.
S801 : 제어부(109)는 구동 유닛(107)을 제어하여, 이온빔 전류 측정 부재(105)를 원점 위치로 이동한다. 여기에서는 원점 위치는 이온빔 조사 범위의 중심으로 되도록 설정하지만, 원점 위치의 설정은 이것으로 한정하지 않는다.
S802 : 제어부(109)는, 전원 유닛(110)을 제어하여, 현재의 설정으로서 유지하고 있는 이온빔 조사 조건에 따라, 이온원(101)으로부터 이온빔을 출력한다. 현재의 설정이란, 시료의 가공 조건으로서 정해진 이온빔 조사 조건을 말한다. 일반적으로는, 시료를 가공할 때의 이온원(101)의 가속 전압, 방전 전압, 가스 유량이 정해져 있다.
S803 : 제어부(109)는, 전자 트랩(112)(및/또는 전자 트랩(700))에 전원 유닛(110)을 제어하여, 소정의 전압을 인가한다. 전자 트랩에 인가하는 양전압은 이온빔 프로파일의 계측에 악영향을 미치지 않는 범위의 전압으로 정해져 있다.
S804 : 이온빔의 출력 개시 후, 제어부(109)는 구동 유닛(107)을 제어해서, 이온빔 전류 측정 부재(105)를 X방향으로 왕복 이동시키면서, 전류계(113)에 의해 이온빔 전류의 측정을 행한다. 제어부(109)는, 이온빔 전류 측정 부재(105)의 X방향에 있어서의 위치와 당해 위치에 있어서의 전류값을 대응지음으로써, 이온빔 프로파일을 취득한다. 취득한 이온빔 프로파일은 표시부(111)에 표시한다.
S805 : 조정 목표로 하는 이온빔 프로파일을 판독 입력하고, 표시부(111)에 표시한다. 또, 본 스텝은, 이온빔 프로파일의 취득(S804) 전에 실시해도 된다.
S806 : S804에서 취득한 이온빔 프로파일이, S805에서 판독 입력한 목표 이온빔 프로파일에 근사하도록, 이온빔 조사 조건을 조정한다. 구체적으로는, 이온원(101)의 작동 거리, 방전 전압, 가스 유량 중, 하나 이상의 파라미터를 조정한다.
이때, 가속 전압에 대해서는 조정 대상으로 하지 않는다. 가속 전압을 바꿔 버리면 같은 이온빔 전류여도 시료의 가공 속도(밀링 레이트)가 대폭 바뀌어 버리기 때문이다.
S807 : 조정된 이온빔 조사 조건에 따라, 다시 이온빔 프로파일을 취득한다. S807에서의 처리는, S804에서의 처리와 같다.
S808 : S807에서 취득한 이온빔 프로파일과 S805에서 판독 입력한 목표 이온빔 프로파일을 비교하여, 원하는 이온빔 프로파일이 취득되어 있으면 종료하고, 되어 있지 않으면, 이온빔 조사 조건의 조정(S806)으로부터의 스텝을 반복한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시형태에 의거해서 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 기술한 실시형태로 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경 가능하다. 예를 들면, 이온빔 전류 측정 부재(105)의 근방에 위치하고, 이온빔 프로파일 측정 시에 동작하지 않는 구조물, 예를 들면 시료 스테이지에 대해서 양전위를 인가 가능하게 함으로써 전자 트랩으로서 기능시켜도 된다. 또한, 이온 밀링 장치가 시료 스테이지를 Z방향으로 이동시킬 수 있는 시료 스테이지 위치 조정 기구를 구비하고 있으면, 시료 스테이지 위치 조정 기구에 의해 작동 거리를 조정해도 된다. 또한, 피복재는 피복하는 대상에 따라서 재료나 피복 방법을 다르게 해도 된다. 피복재로 덮는 범위도 실시예로서 기재한 범위로 한정되지 않는다. 예를 들면, 시료실(108)의 구조물 모두를 피복하지 않고, 이온빔이 조사되는 측정 부재 유지부나 시료 스테이지를 피복하고, 이들 구조물에 의해서 이온빔이 조사되기 어려운 배치로 되어 있는 구조물에 대해서는 피복재를 설치하지 않도록 해도 된다. 또한, 이온원(101)에 대향하는 시료실(108)의 내벽 전면에 피복재를 설치한 예를 나타내고 있지만, 이온빔 중심 B0과 내벽의 교점을 중심으로 한 이온빔 강도가 비교적 강한 영역에 대해서만 피복재를 설치하도록 해도 된다.
또한, 이온빔 조사 조건의 조정에 있어서는, 이온빔 프로파일 그 자체를 기준으로 조정해도 되고, 이온빔 프로파일의 특징량, 예를 들면 이온빔 프로파일의 피크값과 반값폭을 산출하고, 특징량이 일치하도록 이온빔 조사 조건의 조정을 행하도록 해도 된다. 이때, 표시부(111)에는, 이온빔 프로파일 그 자체를 표시하는 것이 아니라, 조정 기준으로 하는 특징량을 표시하도록 해도 된다.
100 : 이온 밀링 장치 101 : 이온원
102 : 시료 스테이지 103 : 시료 스테이지 회전 구동원
104 : 이온원 위치 조정 기구 105 : 이온빔 전류 측정 부재
106 : 측정 부재 유지부 107 : 구동 유닛
108 : 시료실 109 : 제어부
110 : 전원 유닛 111 : 표시부
112 : 전자 트랩 113 : 전류계
120 : 피복재 201 : 제1 캐소드
202 : 제2 캐소드 203 : 애노드
204 : 영구 자석 205 : 가속 전극
206 : 배관 207 : 이온빔 조사구
301 : 모터 302 : 베벨 기어
303 : 기어 304 : 레일 부재
310 : 이온빔 전류 취출부 311 : 이온빔 전류 취출 배선
700 : 전자 트랩

Claims (13)

  1. 이온원과,
    상기 이온원으로부터 비집속의 이온빔을 조사함에 의해 가공되는 시료가 재치(載置)되는 시료 스테이지와,
    제1 방향으로 연장되는 선 형상의 이온빔 전류 측정 부재를 유지하는 측정 부재 유지부와,
    제어부를 갖고,
    상기 측정 부재 유지부 및 상기 시료 스테이지의 적어도 상기 이온원에 대향하는 면을 덮도록 피복재가 설치되고,
    상기 피복재의 재료는, 상기 피복재가 설치되는 구조물의 재료의 원소보다 원자 번호가 작은 원소를 주성분으로 하고,
    상기 제어부는, 상기 이온원과 상기 시료 스테이지 사이에 위치하고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되는 궤도 상을, 상기 이온원으로부터 제1 조사 조건에서 상기 이온빔이 출력된 상태에서, 상기 이온빔 전류 측정 부재를 상기 이온빔의 조사 범위에 있어서 이동시키고, 상기 이온빔이 상기 이온빔 전류 측정 부재에 조사됨에 의해 상기 이온빔 전류 측정 부재에 흐르는 이온빔 전류를 측정하는 이온 밀링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    시료실을 갖고,
    상기 시료실의 상기 이온원에 대향하는 내벽에 상기 피복재가 설치되는 이온 밀링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피복재는 탄소를 주성분으로 하는 이온 밀링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 궤도의 근방에 배치되는 전극을 갖고,
    상기 제어부는, 상기 전극에 소정의 양전압을 인가한 상태에서, 상기 이온빔 전류를 측정하는 이온 밀링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이온빔 전류와 당해 이온빔 전류가 측정되었을 때의 상기 이온빔 전류 측정 부재의 위치의 관계를 나타내는 이온빔 프로파일을 계측하는 이온 밀링 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이온빔 프로파일의 피크값 및 반값폭을 산출하는 이온 밀링 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 궤도보다 상기 시료 스테이지측, 또한 상기 이온원으로부터의 상기 이온빔의 이온빔 중심과 상기 이온빔 전류 측정 부재가 교차할 때, 상기 이온원으로부터 보아 상기 이온빔 전류 측정 부재와 상기 전극이 겹치는 위치에 배치되는 이온 밀링 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 전극은 그래파이트 카본인 이온 밀링 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 궤도보다 상기 이온원측, 또한 상기 이온원으로부터의 이온빔이 조사되지 않는 위치에 배치되는 이온 밀링 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극은 동 또는 인청동이고,
    상기 전극에 상기 피복재가 설치되는 이온 밀링 장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 시료 스테이지를 상기 전극으로 하는 이온 밀링 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이온빔 전류 측정 부재는, 단면이 원기둥 형상이고, 직경이 상기 이온빔의 반값폭 이하인 그래파이트 카본의 선 형상재인 이온 밀링 장치.
  13. 제5항에 있어서,
    시료실과,
    상기 시료실에 설치되는 이온원 위치 조정 기구를 갖고,
    상기 이온원은 상기 이온원 위치 조정 기구를 개재해서 상기 시료실에 부착되고,
    상기 이온원은, 페닝형 이온원이고,
    상기 이온빔 프로파일에 의거해서, 상기 이온원의 방전 전압, 상기 이온원의 가스 유량 또는 작동 거리의 하나 이상이 조정 가능한 이온 밀링 장치.
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