TW202230418A - 離子銑削裝置 - Google Patents

Abstract

為了提高加工再現性，離子銑削裝置(100)具有：樣品室(107)：樣品載台(102)，其配置在樣品室內，用於載置樣品：離子源(101)，其向樣品放出未聚焦的離子束：控制部(112)，其控制離子束的輸出：振動器(104)，其配置在樣品室內：及振盪電路(111)，其使振動器振盪並將振盪信號輸出至控制部：控制部控制離子束的輸出，使得由於照射離子束到樣品產生的濺射粒子沈積在振動器上所導致的振動器每單位時間的振動數變化量落在預先決定的範圍內。

Description

離子銑削裝置

本發明關於離子銑削裝置(Ion milling device)。

離子銑削裝置係使用在對電子顯微鏡的觀察對象即樣品(例如金屬、半導體、玻璃、陶瓷等)照射未聚焦的離子束，藉由濺射現像在無應力的情況下彈射樣品表面的原子，藉此來拋光樣品表面或暴露樣品的內部結構時。經由離子束照射拋光後的樣品表面或暴露出的樣品的內部結構，可以使用掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡進行觀察。

專利文獻1揭示，在離子束蝕刻裝置(離子銑削裝置)中，測定待處理物(樣品)的蝕刻量，並檢測蝕刻終點的蝕刻量測定裝置。蝕刻量測定裝置，係具備與待處理物(樣品)不同的待處理構件，藉由將離子束的一部分照射到待處理構件來進行蝕刻。蝕刻量測定裝置檢測因待處理構件的蝕刻而產生的物質的質量，預先求出檢測出的物質的質量與待處理物(樣品)的蝕刻量之間的關係式，藉此即時算出待處理物(樣品)的蝕刻量。在此，為了檢測對待處理構件進行蝕刻而產生的物質的質量，而示出使用水晶振動器等振動器。具體而言，利用振動器的共振頻率根據沉積在振盪器上的薄膜的厚度而變化，來檢測沈積的物質的質量。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2006-344745號公報

[發明所欲解決的課題]

作為離子束的控制參數可以舉出例如導入離子源的氬氣體量、施加到離子源的放電電壓、加速電壓。離子源的放電電流值、離子束電流值或者離子束分布取決於這些控制值而變化，因此，在以往使用者根據這些測定值並根據經驗來調整控制參數的值。

在利用離子銑削裝置對電子顯微鏡樣品進行表面拋光或暴露內部結構的加工時，可能需要樣品加工形狀的均勻性。為了提高離子銑削裝置加工形狀的均勻性，僅僅使蝕刻量相等是不夠的，還需要在銑削處理中控制離子束的能量或分佈使之始終保持在一定範圍內。

然而，即使設定控制參數以獲得期望的放電電流值、離子束電流值或離子束分佈，在交換樣品時的排氣(向大氣開放)時，來自大氣的脫氣會附著在離子源的內部電極上，吸附的氣體與氬氣體一起被離子化或者內電極被消耗，從而在銑削處理期間中離子束的輸出產生變動。當在銑削處理期間中產生這樣的離子束輸出的變動時，無法確保樣品加工形狀的均勻性。

如上所述，專利文獻1揭示即時監控基於離子束的蝕刻量的蝕刻量測定裝置。但是，在未聚焦離子束的情況下，用在樣品加工的中心區域的強度與不用在樣品加工的周邊區域的強度存在大幅差異。在專利文獻1中，係根據離子束對周邊區域的蝕刻量來推算離子束對中心區域的蝕刻量，因此，在實際用於樣品加工的離子束的中心區域中產生的變動有可能未被完全反映。此外，沉積在振盪器上的薄膜的一部分可能會在銑削處理的過程中掉落。在專利文獻1中根據加工前後的共振頻率的變化來檢測沈積的物質的質量，因此如果在銑削處理的過程中一部分的沈積物掉落時，則無法進行正確的檢測。 [解決課題的手段]

本發明的一實施態樣的離子銑削裝置，係具有：樣品室：樣品載台，其配置在樣品室內，用於載置樣品：離子源，其向樣品放出未聚焦的離子束：控制部，其控制離子束的輸出：振動器，其配置在樣品室內：及振盪電路，其使振動器振盪並將振盪信號輸出至控制部：控制部控制離子束的輸出，使得由於離子束照射到樣品產生的濺射粒子沈積在振動器上所導致的振動器每單位時間的振動數變化量落在預先決定的範圍內。 [發明效果]

提供穩定離子束的輸出並提高加工再現性的離子銑削裝置。

其他課題和新穎的特徵可以由本說明書的記載及附圖加以理解。

以下，參照圖面說明本發明的較佳實施形態。

圖1係從側面表示本發明的實施形態的離子銑削裝置100的主要部分的示意圖。圖1中，將垂直方向表示為Z方向。離子銑削裝置100的主要構成為具有：離子源101，樣品載台102，樣品載台驅動源103，振動器104，振動器位置調整機構105，陷阱106，樣品室107，電源單元108，射束電流檢測導體109，電流計110，振盪電路111，控制部112，及顯示部113。

離子銑削裝置100用作為前處理裝置，用於藉由掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡觀察樣品的表面或截面時。適用於這種前處理裝置的離子源，大多採用在結構上小型化有效的潘寧(penning)方式。在本實施例中離子源101亦採用潘寧方式。從離子源101向固定在樣品載台102上的樣品照射未聚焦的離子束。

載置樣品的樣品載台102係經由樣品載台驅動源103安裝在樣品室107。樣品載台驅動源103係以旋轉軸R ₀為中心使樣品載台102旋轉。此外，樣品載台驅動源103安裝在樣品室107內，從而可以在X方向、Y方向和Z方向的每個方向上調整樣品載台102的位置，此外，使得樣品載台102相對於離子束中心軸B ₀的取向可以在XZ平面的角度方向(以T ₁軸為中心的旋轉方向)上和YZ平面的角度方向(以T ₂軸為中心的旋轉方向)上分別進行調整。

在樣品載台102的附近設置有振動器104。振動器104例如可以使用圓板狀的水晶振動器。振動器104係藉由振動器位置調整機構105安裝在樣品室107內。振動器位置調整機構105可以在X方向、Y方向和Z方向的每個方向上調整振動器104的位置，此外，可以在XZ平面的角度方向上和YZ平面的角度方向上分別調整振動器104的取向。如後述說明，藉由振動器位置調整機構105使振動器104可移動，能夠提高離子束監控的靈敏度，但是也可以不設置振動器位置調整機構105而將振動器104固定在樣品室107內，或是可以藉由限制振動器位置調整機構105對振動器104的位置或取向的可調整方向而使振動器位置調整機構105的結構簡單化。

振動器104係經由設置在振動器位置調整機構105的電極連接到振盪電路111。振盪電路111使振動器104振盪並將振盪信號輸出至控制部112。由於對載置於樣品載台102的樣品照射離子束產生的濺射粒子附著在振動器104致使振動器104的質量增加，振動器104的振動數亦隨之變化。具體而言，相對於初始振動數減少。當從離子源101放出的離子束的離子束電流值降低、或者離子束照射到樣品的照射位置產生偏移等在銑削處理中產生異常情況下的濺射粒子的產生量，係和未產生這樣的異常而進行了銑削處理的情況下的濺射粒子的產生量不同的。

如上所述，來自樣品的濺射粒子附著在振動器104，導致振動器104的振動數減少。在此，當關注振動器104的每單位時間的振動數變化時，反映出如果離子束的輸出穩定在期望的輸出的話，則每單位時間的濺射量會保持恆定，每單位時間的振動數變化亦大致為恆定的值，相對地，如果離子束的輸出產生了任何變動，則每單位時間的濺射量亦隨之變動，每單位時間的振動數變化亦會變動。因此，在本實施例中，藉由控制部112監控振動器104的每單位時間的振動數變化，來監控離子銑削處理中有無產生異常。

如上所述，由於振動器104的每單位時間的振動數變化取決於附著在振動器104的濺射粒子的質量的增加速度，因此本實施例中構成為藉由振動器位置調整機構105可以將振動器104配置於適當的位置。具體而言，藉由振動器位置調整機構105調整與樣品之間的距離，從而不受與離子束的照射能量對應的樣品的濺射量變化的影響，可以將振動器104的振動數的變化調整為適當的大小。此外，亦可以根據照射到樣品的離子束角度的設定來調整振動器104的取向。

此外，亦可以根據銑削處理的樣品的大小或組成數，設置多個監控用的振動器104與振盪電路111的組合。

在振動器104的附近設置有陷阱106。詳如後述，藉由陷阱106可以捕捉濺射粒子中的帶電粒子，僅濺射粒子中的中性粒子附著於振動器104。

在離子源101的離子束照射口的附近設置有可移動的射束電流檢測導體109。當射束電流檢測導體109配置在離子束中心軸B ₀上並且從離子源101放出了離子束的狀態下，射束電流檢測導體109作為遮斷離子束對樣品之照射的遮板之功能，並且照射到射束電流檢測導體109的離子束的離子束電流量可以由電流計110測定。電流計110測定的離子束電流量被傳送至控制部112，作為離子源101的控制使用。此外，測定的離子束電流量被顯示於顯示部113。當射束電流檢測導體109移動到遠離離子束中心軸B ₀的位置時，來自離子源101的離子束被照射到樣品。

電源單元108構成為包含：生成施加於離子源101的內部電極的電壓之電源電路，及生成施加於陷阱106的電壓之電源電路。在本實施例中，控制部112根據由振動器104的振動數監控的離子束的狀態，控制藉由例如電源單元108施加到離子源101的內部電極的電壓，從而可以調整離子束的輸出使得在每個恆定時間的銑削量穩定。

樣品室107在銑削處理時必須保持在真空狀態下。因此，將配置在樣品室107內的構成要素與配置在樣品室107外部的控制電路或電源電路等進行連接的信號配線或電源配線，係經由氣密連接器連接以便保持樣品室107的真空。

圖2係表示採用潘寧方式的離子源101與對離子源101的內部電極施加控制電壓的電源電路的示意圖。電源電路係電源單元108的一部分。

離子源101具有：第1陰極201，第2陰極202，陽極203，永久磁鐵204，加速電極205，氣體配管206，及離子束照射口207。為了產生離子束，因此通過氣體配管206將氬氣體注入到離子源101。在離子源101內部配置有設為相同電位的第1陰極201和第2陰極202，在第1陰極201與第2陰極202之間配置有陽極203。藉由從電源單元108將放電電壓Vd施加在陰極201、202與陽極203之間而產生電子。電子被配置在離子源101內的永久磁鐵204保持並與從氣體配管206注入的氬氣體碰撞而生成氬離子。在陽極203與加速電極205之間被電源單元108施加加速電壓Va，生成的氬離子被加速電極205吸引並作為離子束通過離子束照射口207放出。

從離子源101放出的離子束的輸出取決於離子源101的內部的放電狀況。在採用潘寧方式的離子源101中，在重複離子束的照射期間，由於離子源101的內部部件磨損導致放電電流值變動，或由於從作為照射對象的加工物(樣品)產生的微小粒子飛散而附著在離子束照射口207，從而有可能使得離子束電流值產生變動。此外，附著在第1陰極201、第2陰極202、陽極203的空氣中包含的氣體(脫氣)粒子亦被離子化並作為離子束與氬離子一起被照射。

因此，為了獲得加工的高精度再現性，不應將由於放電電流或離子束電流的變動或氣體粒子的離子化等因素而處於不穩定狀態的離子束用於銑削處理，此外，較好是能夠獲得期望的離子束的輸出，或根據振動器104的振動數變化即時進行監控。

圖3係表示濺射粒子沈積在振動器104上的製程的示意圖。附著在振動器104的濺射粒子，係在振動器104表面形成沈積膜。當振動器104上的沈積膜厚變大時，從振動器104沈積的濺射粒子的至少一部分(在此稱為粒子塊)變為容易脫落。由於粒子塊掉落時振動器104的振動數急速變化導致容易產生監控誤差，如果粒子塊頻繁掉落則必需更換振動器104。特別是必需長時間連續處理時，有必要增長振動器104的更換週期。因此，在本實施例中，在振動器104的表面附近配置有陷阱106，藉由該陷阱106並藉由電場選擇性捕捉濺射粒子之中的帶電粒子，使得濺射粒子之中僅難以從沈積膜脫離的中性粒子被選擇性沈積在振動器104的表面。

從離子源101將離子束照射到載置於樣品載台102的樣品251時，產生濺射粒子。濺射粒子中包含未摻雜氬離子的中性粒子和摻雜有氬離子的帶電粒子。藉由在通往振動器104的路徑中配置用於形成電場的陷阱106，則具有正電荷的帶電粒子被陷阱106的負電極捕捉，使得僅中性粒子附著在振動器104。

圖4係表示對樣品進行了銑削處理時針對振動器104的振動數變化∆F及離子源101的放電電流Ad測定的結果的示意圖。振動數變化∆F係振動器104的每單位時間的振動數的變化量，放電電流Ad係由圖2所示的電流計211測定的電流。圖4中放電電流值以實線表示，振動數變化量以虛線表示。此外，經過時間的原點設為來自離子源101的離子束放出開始的時點。

離子束放出開始之後，離子源的內部電極產生的氣體與氬氣體一起被離子化，因此放電電流Ad顯示出高的值。隨著時間經過，氣體粒子減少，因此放電電流Ad逐漸減少，並呈現穩定的值。這是因為，吸附在內部電極上的來自大氣的氣體從離子槍電極部件完全分離之後，離子束電流量取決於供給的氬氣體量。

放電電流Ad越高則離子束電流值越高，因此離子束放出開始之後振動數變化量亦增大，另一方面，當放電電流Ad以及因此離子束電流量穩定時，振動器104的振動數變化∆F亦呈現穩定的值。因此，藉由監控振動器104的振動數變化∆F，可以在不與離子束接觸之情況下進行離子束的監控及控制。

又，在離子束的監控中如果從沈積在振動器104上的沈積膜掉落粒子塊，則振動器104的振動數會有變化。在這種情況下，可以藉由如下計算振動器104的振動數變化∆F的方法來抑製粒子塊掉落的影響。圖5A係表示銑削處理中的振動器104的振動數F的示意圖，與圖5A對應，圖5B係表示銑削處理中的振動器104的振動數變化∆F的示意圖。為簡單起見，假設時刻t _j時的振動數變化∆F計算為(F(t _j)-F(t _j-1))/(t _j-t _j-1)。

在圖5A的例中，由於在取樣時刻t _i與取樣時刻t _i+1之間從振動器104掉落了粒子塊，因此振動數會暫時變動。但是，如果離子束穩定，則其前後的振動數變化∆F是穩定的。在上述計算公式的情況下，如圖5B所示，雖然在取樣時刻t _i+1的振動數變化量出現異常值，但在其前後出現反映了離子束狀態的振動數變化量。這樣，即使粒子塊從振動器104的沉積膜上掉落的話，粒子塊在掉落前後跨越的振動數的值不使用於計算振動數變化∆F，或者藉由忽略使用掉落粒子塊前後的振動數跨越值計算出的振動數變化量來進行離子束控制，藉此即使在粒子塊掉落之情況下亦可以進行適當的監控。例如，本次取樣時刻算出的振動數變化量與上次取樣時刻算出的振動數變化量的差為預定值以上的情況下，進行控制使得在本次取樣時刻算出的振動數變化量作為異常值被忽略。

圖6係表示基於離子銑削裝置100的樣品加工的流程圖。

S301：將樣品設置在樣品載台102上，並進行樣品載台102的位置調整。圖1中示出相對於XZ平面設定為45度之例，但樣品載台102的位置或取向不限定於此。

S302：藉由振動器位置調整機構105調整振動器104相對於樣品載台102的位置。振動器104有多個時針對每個調整位置。

S303-S304：對陷阱106施加電壓。藉由振盪電路111使振動器104振盪。又，在步驟S305的銑削處理的開始時施加於陷阱106的電壓、振動器104的振盪穩定就足夠了，步驟S303、S304及從離子源101的離子束放出開始的時序不必如圖5的流程圖所示。

S305：開始從離子源101放出離子束。在該階段中將射束電流檢測導體109配置在離子束中心軸B ₀上，遮斷離子束對樣品之照射，並且藉由電流計110測定離子束電流量。如圖4所示，在剛開始放出離子束之後，由於脫氣的影響，離子束的輸出變得過剩。因此，藉由射束電流檢測導體109遮斷離子束，並等待直到離子束穩定。

S306：監控離子束電流量，當判斷離子束電流量的值穩定時，將射束電流檢測導體109從離子束中心軸B ₀移動，開始離子束對樣品的銑削處理。又，該判斷可以由控制部112進行，亦可以將離子束電流量顯示在顯示部113並由使用者判斷。此外，亦可以取代離子束電流改為監控放電電流量。又，在銑削處理中，控制部112根據加工內容實施藉由樣品載台驅動源103旋轉樣品載台102等的控制。

S307：在銑削處理期間，控制部112根據振盪電路111的振盪信號持續監控振動器104的振動數變化∆F。如圖4所示，在銑削處理中，使用者設定振動數變化∆F的正常範圍(在此為上限值：∆F _h、下限值：∆F _l)，並持續監控振動數變化∆F的值是否包含於設定的正常範圍內。由於該正常範圍因樣品的濺射良率或加工条件(步驟S301中設定的樣品的角度或離子束的輸出)等而不同，因此使用者預先對虛擬樣品進行加工等，藉此來獲取正常範圍。

S308：當振動器104的振動數變化∆F超出或有可能超出正常範圍時，進行從離子源101產生的離子束的輸出調整。例如，藉由電源單元108控制放電電壓Vd而進行離子束的輸出調整。或者，也可以控制氬氣體的流量。如圖4所示，在到達振動數變化∆F的正常範圍的下限值∆F _l的情況下，進行控制並增加離子束的輸出以使振動數變化∆F的值保持在設定的正常範圍內。

S309：結束銑削處理。例如，將銑削處理時間設定作為加工條件之一，在從銑削處理開始(步驟S306)起經過了設定的銑削處理時間時結束處理。

以上，根據實施形態對本發明人的發明進行了具體說明，但本發明不限於上述實施形態，可以在不脫離主旨的情況下進行各種更改。例如，將內部可以配置多個振動器且具有一個開口的旋轉單元配置在樣品室內。旋轉單元可以直接設置在樣品室內，但較好是經由振動器位置調整機構設置在樣品室內使得可以變更振動器的位置或方向。在每次加工時使旋轉單元旋轉，在樣品加工之前配置振動器使樣品附近沒有附著濺射粒子的振動器始終從開口暴露在樣品室內。

另外，在實施形態中，以進行平面銑削加工的離子銑削裝置為例進行了說明，但本發明也適用於進行截面銑削加工的離子銑削裝置。

100:離子銑削裝置 101:離子源 102:樣品載台 103:樣品載台驅動源 104:振動器 105:振動器位置調整機構 106:陷阱 107:樣品室 108:電源單元 109:射束電流檢測導體 110,211:電流計 111:振盪電路 112:控制部 113:顯示部 201:第1陰極 202:第2陰極 203:陽極 204:永久磁鐵 205:加速電極 206:氣體配管 207:離子束照射口 251:樣品

[圖1]表示離子銑削裝置的構成的示意圖。 [圖2]表示離子源和對離子源施加控制電壓的電源電路的示意圖。 [圖3]表示濺射粒子沈積在振動器的製程的示意圖。 [圖4]表示銑削處理中的振動器的頻率變化與離子源的放電電流的測定結果(示意圖)。 [圖5A]表示銑削處理中的振動器的振動數的示意圖。 [圖5B]表示銑削處理中的振動器的振動數變化的示意圖。 [圖6]表示藉由離子銑削裝置進行的樣品加工的流程圖。

100:離子銑削裝置

101:離子源

102:樣品載台

103:樣品載台驅動源

104:振動器

105:振動器位置調整機構

106:陷阱

107:樣品室

108:電源單元

109:射束電流檢測導體

110:電流計

111:振盪電路

112:控制部

113:顯示部

R₀:旋轉軸

B₀:離子束中心軸

T₁:軸

T₂:軸

Claims (8)

1. 一種離子銑削裝置，係具有： 樣品室； 樣品載台，其配置在前述樣品室內，用於載置樣品； 離子源，其向前述樣品放出未聚焦的離子束； 控制部，其控制前述離子束的輸出； 振動器，其配置在前述樣品室內；及 振盪電路，其使前述振動器振盪並將振盪信號輸出至前述控制部； 前述控制部控制前述離子束的輸出，使得由於前述離子束照射到前述樣品產生的濺射粒子沈積在前述振動器上所導致的前述振動器每單位時間的振動數變化量落在預先決定的範圍內。
2. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 在前述樣品載台與前述振動器之間具有陷阱， 從電源電路將預定的電壓施加到前述陷阱，前述預定的電壓被設為可以捕捉前述濺射粒子之中的帶電粒子的電壓。
3. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 前述振動器經由振動器位置調整機構安裝在前述樣品室， 藉由前述振動器位置調整機構可以調整前述振動器的位置或取向。
4. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 具有旋轉單元，該旋轉單元具有開口且內部能夠配置多個前述振動器， 並且配置為，內建的多個前述振動器之其中一個從前述旋轉單元的開口暴露在前述樣品室內。
5. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 如果前述控制部判斷前述振動器每單位時間的振動數變化量，係使用由於沈積在前述振動器上的前述濺射粒子的至少一部分掉落且跨越該掉落部分前後的前述振動器的振動數而計算出時，則不進行基於該振動數變化量的前述離子束的輸出控制。
6. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 前述離子源係採用潘寧方式的離子源， 前述控制部係藉由控制前述離子源的放電電壓或在前述離子源被離子化的氬氣體的流量，來控制前述離子束的輸出。
7. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 還具有： 可移動的射束電流檢測導體；及 電流計，當前述射束電流檢測導體被配置在前述離子束的中心軸上的狀態下，對照射到前述射束電流檢測導體的前述離子束的離子束電流量進行測定； 當前述控制部判斷由前述電流計測定的前述離子束的離子束電流量呈穩定之後，將前述射束電流檢測導體從前述離子束的中心軸上移動，並開始前述離子束對前述樣品的照射。
8. 如請求項1之離子銑削裝置，其中 前述振動器為圓板狀的水晶振動器。

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