WO2014196262A1 - イオン源およびイオンミリング装置 - Google Patents

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WO2014196262A1
WO2014196262A1 PCT/JP2014/060102 JP2014060102W WO2014196262A1 WO 2014196262 A1 WO2014196262 A1 WO 2014196262A1 JP 2014060102 W JP2014060102 W JP 2014060102W WO 2014196262 A1 WO2014196262 A1 WO 2014196262A1
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cathode
chamber
ion
ion source
region
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English (en)
French (fr)
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浅井　健吾
志知　広康
卓 大嶋
宏史 武藤
岩谷　徹
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Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H01J27/146—End-Hall type ion sources, wherein the magnetic field confines the electrons in a central cylinder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/02—Details
    • H01J2237/022—Avoiding or removing foreign or contaminating particles, debris or deposits on sample or tube
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • H01J2237/082—Electron beam

Definitions

  • the present invention relates to an ion source and an ion milling apparatus.
  • the ion milling method is a processing method in which a sample is scraped using a sputtering phenomenon in which accelerated ions collide with a sample and the ions repel atoms and molecules.
  • the sample is irradiated with an ion beam with a mask serving as an ion beam shielding plate placed on the upper surface of the sample, and the portion of the sample protruding from the end of the mask is sputtered by ions.
  • a smooth cross section can be processed.
  • a sample made of metal, glass, ceramics, an electronic component, a composite material, or the like can be processed.
  • morphological images, sample composition images, or channeling images with a scanning electron microscope for the purpose of evaluating the internal structure, cross-sectional shape or film thickness, or analyzing the crystal state, failure, or cross-section of foreign matter
  • X-ray analysis or crystal orientation analysis an ion milling method is used.
  • a Penning ion gun is used as an ion source.
  • the Penning ion gun includes a gas supply mechanism, an anode, a cathode, and a permanent magnet.
  • a Penning type ion gun in order to easily start discharge and to maintain the discharge stably, many electrons must be emitted from the cathode.
  • Patent Document 1 discloses the structure of such a Penning ion gun.
  • Patent Document 2 describes an ion gun structure in which the surface of the cathode constituting the ion gun is formed of a nonmagnetic material having conductivity, that is, a nonmagnetic material. .
  • the non-magnetic particles sputtered by the collision of cations generated inside the ion gun are deposited on the inner surface of the anode, but are deposited on the anode like a conventional needle. It is disclosed that abnormal discharge can be prevented.
  • Patent Document 3 discloses that in an arc discharge apparatus, a lattice-shaped groove is formed on the surface of a liner base provided inside a chamber to regulate the size of unnecessary deposits. Thus, a method for preventing poor insulation between the liner base and the electrode is described.
  • argon ions which are cations generated in the ionization chamber, are accelerated toward the cathode inside the ion gun, and collide with a region of the cathode surface facing the inside of the ionization chamber. Due to the collision of ions, the surface of the cathode is sputtered, and the particles sputtered from the cathode surface, that is, most of the sputtered particles are deposited on the surface of the anode.
  • the cathode is made of a magnetic conductor such as pure iron
  • the sputtered particles are also made of a magnetic conductor. Therefore, the deposited film in which the sputtered particles are deposited on the surface of the anode follows the direction of the magnetic field generated by the permanent magnet. It grows like a needle.
  • a discharge voltage is applied between the cathode and the anode by a discharge power source. Therefore, abnormal discharge occurs between the cathode and the anode via a deposited film in which sputtered particles are deposited on the anode.
  • a power supply circuit that applies a voltage between the cathode and the anode is short-circuited due to abnormal discharge, and a predetermined voltage is not applied between the cathode and the anode.
  • the amount of electrons emitted from the cathode decreases or becomes zero as the accumulated time of ion milling increases, resulting in the phenomenon that the ion beam is not emitted from the ion gun. To do. That is, as the milling integration time increases, abnormal discharge tends to occur inside the ion gun, and the ion gun cannot be operated normally for a long time.
  • the cathode has a main body portion and a non-conductive electrode disposed on the surface of the main body portion. It may include a magnetic material, that is, a nonmagnetic portion made of a nonmagnetic conductor.
  • the non-magnetic part is made of, for example, titanium as a non-magnetic conductor, the particles emitted from the surface of the non-magnetic part are sputtered by colliding with some of the cations generated in the ionization chamber. TiOx as a main component.
  • TiOx is made of an electrically insulating material, that is, an insulator, the surface of the anode is covered with an insulating film formed by depositing TiOx, so that the function as the anode electrode is lowered and the ion gun is lengthened. It cannot operate normally over time.
  • the present invention provides an ion source and an ion milling device that can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge inside an ion gun as an ion source.
  • An ion source includes a first chamber and an ion generator that ionizes gas in the first chamber to generate ions.
  • the ion generation unit includes an anode provided in the first chamber, a first cathode that is provided facing the first chamber and emits electrons, a gas supply unit that supplies gas to the first chamber, and a first chamber And a magnetic field generator for generating a magnetic field.
  • the ion generation unit generates ions in the first chamber by causing electrons emitted from the first cathode to rotate by the magnetic field generated by the magnetic field generation unit and collide with the gas supplied by the gas supply unit. It is. And the unevenness
  • an ion milling apparatus includes a first chamber provided in an airtight manner, a vacuum exhaust unit that evacuates the first chamber, a sample holding unit that holds a sample in the first chamber, and a sample An ion source for injecting ions toward the sample held by the holding unit to process the sample.
  • the ion source includes a second chamber, a hole formed in the second chamber, an ion generation unit that ionizes gas in the second chamber to generate ions, and ions generated in the second chamber. Through the second chamber, and the second chamber communicates with the first chamber through the hole.
  • the ion generation unit includes an anode provided in the second chamber, a first cathode that is provided facing the second chamber and emits electrons, a gas supply unit that supplies gas to the second chamber, and a second chamber And a magnetic field generator for generating a magnetic field.
  • the ion generator generates ions in the second chamber by causing electrons emitted from the first cathode to rotate by the magnetic field generated by the magnetic field generator and collide with the gas supplied by the gas supply unit. It is. Unevenness is formed in the first region facing the second chamber on the surface of the first cathode.
  • an ion source and an ion milling apparatus can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge inside an ion gun as an ion source.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ion milling apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ion gun according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a plan view showing a cathode in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the cathode in the first embodiment.
  • 6 is a plan view showing a cathode in a first modification of the first embodiment.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a cathode in a first modification of the first embodiment. 6 is a plan view showing a cathode in a second modification of the first embodiment.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ion milling apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an ion gun according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a plan view showing a cathode in Em
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cathode in a second modification of the first embodiment.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the structure of the ion gun of the comparative example 1. It is sectional drawing which shows the structure of the ion gun of the comparative example 2. It is a graph which shows an example of the relationship between the milling integration time in the ion gun of the comparative example 1 and the comparative example 2, and the variation
  • FIG. 4 is a plan view showing a cathode in a second embodiment.
  • 6 is a cross-sectional view showing a main body portion of a cathode according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 4 is a plan view showing a cathode in a second embodiment.
  • 6 is a cross-sectional view showing a main body portion of a cathode according to Embodiment 2.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cathode mounting portion in a second embodiment.
  • 6 is a plan view showing a cathode in a first modification of the second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main body portion of a cathode in a first modification of the second embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a cathode mounting portion in a first modification of the second embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view showing a cathode in a third embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cathode in a third embodiment.
  • the constituent elements are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.
  • the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc. when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
  • hatching may be omitted even in a cross-sectional view for easy viewing of the drawings. Further, even a plan view may be hatched to make the drawing easy to see.
  • the ion source is described as an example when applied to an ion source of an ion milling apparatus as an ion beam processing apparatus.
  • the ion source of each embodiment is not limited to an ion milling apparatus, but is also a SIM (Scanning Ion Microscope) or ion beam that irradiates a sample with an ion beam and detects secondary electrons and reflected electrons generated secondaryly.
  • SIM Single Imaging Ion Microscope
  • the present invention can be applied to other various ion beam irradiation apparatuses such as an ion microscope.
  • the embodiments described below can be combined as appropriate without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of the ion milling apparatus according to the first embodiment.
  • the ion milling apparatus has a vacuum chamber VC, a vacuum exhaust system VP, a sample holding part SP, and an ion gun IG.
  • the vacuum chamber VC is provided in an airtight manner and is a processing chamber in which a sample is milled, that is, processed.
  • the evacuation system VP is a evacuation unit that evacuates the inside of the vacuum chamber VC.
  • the pressure inside the vacuum chamber VC is controlled to atmospheric pressure or vacuum by the evacuation system VP.
  • the sample holder SP holds the sample 6 inside the vacuum chamber VC.
  • the sample holder SP includes a sample stage 7, a sample stage 8, and a sample stage drive unit 9.
  • the sample 6 is held on a sample stage 7, and the sample stage 7 is held on a sample stage 8.
  • the sample stage 8 is configured so that it can be pulled out of the vacuum chamber VC when the vacuum chamber VC is opened to the atmosphere, and the sample 6 is inclined at an arbitrary angle with respect to the optical axis of the ion beam IB. It is comprised so that it can be made to.
  • the sample stage drive unit 9 can swing the sample stage 8 left and right, and can control the speed thereof.
  • the ion gun IG generates ions inside the ion gun IG, injects the generated ions toward the sample 6 held in the sample holding unit SP, and irradiates the sample 6 with an ion beam IB composed of the emitted ions. And an ion source for processing the sample 6.
  • the irradiation of the ion beam IB and its current density are controlled by the ion gun controller GC.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the ion gun of the first embodiment.
  • the ion gun IG has an ionization chamber IC, an ion generation part GP, and an ion ejection part IP.
  • the ion generator GP generates ions by ionizing a gas in the ionization chamber IC.
  • the ion ejection unit IP ejects ions generated in the ionization chamber IC from the ionization chamber IC through a hole formed in the ionization chamber IC.
  • the ion gun IG includes a gas supply mechanism 10, a cathode 11, a cathode 12, an anode 13, a permanent magnet 14, an acceleration electrode 15, an insulator 16, and a base 17.
  • the ion gun IG includes a discharge power source 21 and an acceleration power source 22.
  • the gas supply mechanism 10, the cathode 11, the cathode 12, the anode 13, and the permanent magnet 14 constitute an ion generation part GP.
  • the acceleration electrode 15 constitutes the ion ejection part IP.
  • the gas supply mechanism 10 is a gas supply unit that supplies gas to the ionization chamber IC.
  • the cathode 11 is provided facing the inside of the ionization chamber IC, and a negative voltage is applied to the anode 13 to emit electrons.
  • the cathode 12 is provided facing the inside of the ionization chamber IC, and a negative voltage is applied to the anode 13 to emit electrons.
  • the anode 13 is provided inside the ionization chamber IC, and a positive voltage is applied to the cathode 11 and the cathode 12.
  • the permanent magnet 14 is a magnetic field generator that generates a magnetic field inside the ionization chamber IC.
  • the cathode 11, the cathode 12, the anode 13, the permanent magnet 14, the acceleration electrode 15, and the insulator 16 are fixed to the base 17.
  • the cathode 11 is made of a conductive magnetic material such as pure iron and is formed in a disk shape. That is, the cathode 11 is made of a magnetic conductor and is formed in a disk shape.
  • the cathode 11 is fixed to the base 17 by, for example, screwing.
  • a hole 18 that penetrates the cathode 11 is formed in the cathode 11.
  • the hole 18 is for introducing a gas such as argon gas into the ionization chamber IC.
  • the shape of the cathode 11 is not limited to a disk shape. Therefore, the cathode 11 may be formed in a plate shape.
  • the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC on the surface of the cathode 11.
  • the specific structure of the cathode 11 will be described later.
  • the cathode 12 is made of a conductive magnetic material such as pure iron and is formed in a disk shape. That is, the cathode 12 is made of a magnetic conductor and is formed in a disk shape. An ion beam passage hole 31 for allowing the ion beam to pass therethrough is formed at the center of the cathode 12. Further, the shape of the cathode 12 is not limited to a disk shape. Therefore, the cathode 12 may be formed in a plate shape.
  • the permanent magnet 14 is made of a ferromagnetic material having conductivity including a ferromagnetic metal such as a neodymium magnet, and is formed in a cylindrical shape extending in the Z-axis direction in FIG.
  • the cathode 11 is attracted to one end in the Z-axis direction of the permanent magnet 14, that is, one end portion by a magnetic force, and one end of the permanent magnet 14 is connected to the cathode 11.
  • the cathode 12 is attracted to the other end of the permanent magnet 14 in the Z-axis direction, that is, the other end by a magnetic force, and the cathode 12 is connected to the other end of the permanent magnet 14. Since the cathode 11, the cathode 12 and the permanent magnet 14 are electrically connected to each other, the cathode 11, the cathode 12 and the permanent magnet 14 are kept at the same potential.
  • the ionization chamber IC is partitioned by the permanent magnet 14, the cathode 11 and the cathode 12, and the ion beam passage hole 31 is a hole formed in the ionization chamber IC.
  • the permanent magnet 14 generates a magnetic field inside the ionization chamber IC.
  • the cathode 11 and the cathode 12 form a magnetic path, the magnetic field generated in the ionization chamber IC can be strengthened by the cathode 11 and the cathode 12.
  • the shape of the permanent magnet 14 is not limited to a cylindrical shape. Therefore, the permanent magnet 14 may be formed in a cylindrical shape.
  • the insulator 16 is formed in a cylindrical shape extending in the Z-axis direction in FIG.
  • the insulator 16 is disposed inside the permanent magnet 14, and the outer peripheral surface of the insulator 16 is in contact with the inner peripheral surface of the permanent magnet 14.
  • the insulator 16 is made of a nonmagnetic material having electrical insulating properties such as ceramics.
  • the anode 13 includes a cylindrical portion 13a and a bottom portion 13b, and is made of a nonmagnetic material having conductivity, such as aluminum. That is, the anode 13 is made of a nonmagnetic conductor.
  • the cylindrical portion 13 a is formed in a cylindrical shape that extends in the Z-axis direction of FIG. 2 and is fitted inside the insulator 16.
  • the outer peripheral surface of the cylindrical part 13a is in contact with the inner peripheral surface of the insulator 16, and the inner peripheral surface of the cylindrical part 13a faces the inside of the ionization chamber IC.
  • the bottom portion 13b is formed on the side opposite to the base 17 of the cylindrical portion 13a, and an ion beam passage hole 32 is provided in the central portion of the bottom portion 13b.
  • the anode 13 is electrically insulated from the cathode 11, the cathode 12 and the permanent magnet 14 by an insulator 16. Further, the shape of the anode 13 is not limited to a cylindrical shape. Therefore, the anode 13 may be formed in a cylindrical shape.
  • the acceleration electrode 15 is provided on the opposite side to the inside of the ionization chamber IC with the ion beam passage hole 31 in between.
  • the acceleration electrode 15 includes a cylindrical portion 15a and a bottom portion 15b, and is made of a nonmagnetic material having conductivity, such as stainless steel.
  • the cylindrical portion 15 a extends in the Z-axis direction of FIG. 2 and is formed in a cylindrical shape surrounding the ionization chamber IC, and one end portion in the Z-axis direction is fixed to the base 17.
  • the bottom portion 15b is formed on the side opposite to the base 17 of the cylindrical portion 15a, and an ion beam passage hole 33 is provided in the central portion of the bottom portion 15b.
  • the acceleration electrode 15 is fixed to the periphery of the base 17 so as to surround the cathode 11, the cathode 12, and the permanent magnet 14, and is maintained at the ground potential. Further, the shape of the acceleration electrode 15 is not limited to a cylindrical shape. Therefore, the acceleration electrode 15 may be formed in a cylindrical shape.
  • the ionization chamber IC is connected to a vacuum chamber VC (see FIG. 1) as a processing chamber via an ion beam passage hole 31 formed in the cathode 12 and an ion beam passage hole 33 formed in the acceleration electrode 15. Communicate.
  • the base 17 is formed with a hole 19 that penetrates the base 17 and communicates with a hole 18 that penetrates the cathode 11.
  • the gas supply mechanism 10 is connected to the base 17 so that gas can be introduced into the ionization chamber IC through the holes 19 and 18.
  • the gas supply mechanism 10 adjusts the flow rate of the gas supplied to the ionization chamber IC.
  • One terminal of the discharge power source 21 is electrically connected to the cathode 11 and the cathode 12, and the other terminal of the discharge power source 21 is electrically connected to the anode 13, and the cathode 11 and the cathode 12, A discharge voltage is applied between the anode 13 and the discharge power source 21.
  • One terminal of the acceleration power source 22 is electrically connected to the cathode 11 and the cathode 12, and the other terminal of the acceleration power source 22 is electrically connected to the acceleration electrode 15. An acceleration voltage is applied between the acceleration electrode 15 and the acceleration electrode 15 by the acceleration power source 22.
  • the discharge power source 21 and the acceleration power source 22 are connected to the ion gun control unit GC, and the ion gun control unit GC controls the discharge voltage of the discharge power source 21 and the acceleration voltage of the acceleration power source 22.
  • the gas to be ionized is argon gas
  • the gas ionized by the ion source of the first embodiment is not limited to argon gas.
  • the holes 17 and 18 are formed in the base 17 and the cathode 11, and the argon gas from the gas supply mechanism 10 is supplied to the ionization chamber IC through the holes 19 and 18.
  • a negative voltage is applied to the cathode 11 and the cathode 12 with respect to the anode 13.
  • a discharge voltage of about 0 to 4 kV is applied between the cathode 12 and the anode 13 by the discharge power source 21.
  • the electrons emitted from the cathode 11 are rotated by the magnetic field generated by the permanent magnet 14, that is, swung to collide with the gas supplied by the gas supply mechanism 10.
  • Glow discharge is performed in the ionization chamber IC to generate argon ions that are positive ions.
  • the cathode 11, the cathode 12, and the acceleration electrode are applied so that a negative voltage is applied to the acceleration electrode 15 with respect to the cathode 11 and the cathode 12 in a state where argon ions that are positive ions are generated in the ionization chamber IC.
  • an acceleration voltage of about 0 to 10 kV is applied by the acceleration power source 22.
  • argon ions which are positive ions generated in the ionization chamber IC, are ejected from the inside of the ionization chamber IC to the outside of the ionization chamber IC, that is, the inside of the vacuum chamber VC (see FIG. 1).
  • the sample 6 is irradiated with the ion beam IB which consists of a cation, and the sample 6 is processed.
  • argon ions which are positive ions generated in the ionization chamber IC
  • a part of argon ions is accelerated toward the cathode 11 facing the inside of the ionization chamber IC, and a region of the surface of the cathode 11 facing the inside of the ionization chamber IC.
  • the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC on the surface of the cathode 11.
  • the irradiation angle at which the cations are irradiated on the bottom of the irregularities IR is limited to a narrow range centering on the direction perpendicular to the surface of the cathode 11, thereby reducing the sputtering yield.
  • the sputtered particles emitted from the bottom of the unevenness IR are reattached inside the unevenness IR. Furthermore, the sputtered particles emitted from the unevenness IR are scattered.
  • the amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 can be reduced. Therefore, the ion gun and the ion milling apparatus can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge in the ion gun.
  • FIG. 3 is a plan view showing the cathode in the first embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the cathode in the first embodiment. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the cathode 11 has a front surface 11a and a back surface 11b, and is formed in a disc shape.
  • the cathode 11 has a screw fixing hole 49 for fixing the cathode 11 to the base 17 with a screw.
  • the cathode 11 is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • the unevenness IR formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 11a of the cathode 11 is in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 11a of the cathode 11. It consists of holes 41 as a plurality of formed holes.
  • the depth of each of the plurality of holes 41 is preferably 1 mm or more.
  • the depth of the hole 41 is less than 1 mm, for example, when the cathode 11 is used for an accumulated time of about 1000 hours in a normal operation, the surface 11a of the cathode 11 may be sputtered and scraped and the hole 41 may disappear. There is.
  • the depth of the hole 41 can be less than the thickness of the cathode 11.
  • the unevenness IR is 0.4 mm.
  • Thirty-one holes 41 having a diameter and a depth of 1 mm can be formed. The ratio of the area occupied by the holes 41 to the area of the region 40 is about 20%.
  • a circular hole is formed as the hole 41 in plan view, but the hole 41 may be a circular hole as long as it forms irregularities on the surface 11 a of the cathode 11. It is not limited, and a polygonal hole may be formed in plan view. However, from the viewpoint that it can be easily manufactured, it is preferable to form a circular hole as the hole 41 in plan view as shown in FIG.
  • plan view means that the hole 41 is viewed from a direction perpendicular to the surface 11a of the cathode 11 in which the hole 41 is formed, and the direction parallel to the surface 11a of the cathode 11 is the X axis in FIG.
  • the direction perpendicular to the surface 11a of the cathode 11 means the Z-axis direction in FIG.
  • the region 40 is a circular region enclosed in a circular region 40a surrounded by the inner peripheral surface of the cylindrical anode 13 when viewed from the Z-axis direction (see FIG. 2). .
  • the amount of collision of argon ions with the surface 11a of the cathode 11 in the region 40a, which is the region immediately above the cylindrical anode 13, is larger than the amount of collision of argon ions with the surface 11a of the cathode 11 in regions other than the region 40a. .
  • the unevenness IR including the holes 41 is formed on the surface 11 a of the cathode 11, so that the sputtered particles are formed on the anode 13.
  • the effect of reducing the amount deposited on the inner peripheral surface can be further increased.
  • the region 40 is preferably extended by the cylindrical anode 13. When viewed from the direction, it is included in a region 40 a surrounded by the inner peripheral surface of the cylindrical anode 13.
  • the diameter of the anode 13 that is, the diameter of the circular region 40a is set.
  • the diameter da and the diameter dc are expressed by the following formula (1). dc ⁇ 0.7da Formula (1) Meet the conditions. Specifically, for example, when the diameter da of the region 40a is 100 mm, the diameter dc of the region 40 can be set to 70 mm or more and less than 100 mm.
  • the circular region 40 that satisfies the expression (1) is the center of the circular region 40a.
  • the amount of collision of argon ions with the surface 11a of the cathode 11 in the circular region 40, which is the center of the circular region 40a, is larger than the amount of collision of argon ions with the surface 11a of the cathode 11 in regions other than the region 40a. , Very many. Therefore, in the region 40 included in the region 40 a surrounded by the inner peripheral surface of the cylindrical anode 13, the unevenness IR including the holes 41 is formed on the surface 11 a of the cathode 11, so that the sputtered particles are formed on the anode 13. The effect of reducing the amount deposited on the inner peripheral surface can be further increased.
  • the circular region 40 is not a region centered on the same position as the center of the circular region 40a, but is a region centered on a position near the center of the circular region 40a. By satisfying the formula (1), the same effect can be obtained.
  • FIG. 5 is a plan view showing the cathode in the first modification of the first embodiment
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the cathode in the first modification of the first embodiment. 6 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the cathode 51 has a front surface 51a and a back surface 51b, and is formed in a disk shape from pure iron as a conductive magnetic material.
  • the cathode 51 is provided with a screw fixing hole 49 for fixing the cathode 51 to the base 17.
  • the unevenness 42 in which the surface 51a of the cathode 51 is roughened is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 51a of the cathode 51.
  • the average roughness of the irregularities 42 in which the surface 51a of the cathode 51 is roughened is 50 ⁇ m or more.
  • the average roughness means the arithmetic average roughness Ra.
  • the average roughness of the unevenness 42 When the average roughness of the unevenness 42 is less than 50 ⁇ m, the roughness of the unevenness 42 becomes too small, the effect of reducing the sputter yield, the effect of reattaching the sputtered particles inside the unevenness IR, and the scattering of the sputtered particles There is a risk that the effect will be reduced. Therefore, by setting the average roughness of the unevenness 42 to 50 ⁇ m or more, the effect of reducing the sputtering yield, the effect of reattaching the sputtered particles inside the unevenness IR, or the effect of scattering the sputtered particles increases. The amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 can be reduced.
  • the region 40 is preferably surrounded by the inner peripheral surface of the cylindrical anode 13 when viewed from the Z-axis direction (see FIG. 2). This is a circular region included in the circular region 40a.
  • the diameter da of the region 40a and the diameter dc of the region 40 satisfy the above formula (1).
  • the diameter dc of the region 40 can be set to 70 mm or more and less than 100 mm.
  • the surface 51a of the cathode 51 is roughened and is easier to manufacture than the case of forming a plurality of holes 41 (see FIGS. 3 and 4). Compared with Embodiment 1, the manufacturing cost can be reduced. The entire surface 51a of the cathode 51 may be roughened.
  • FIG. 7 is a plan view showing the cathode in the second modification of the first embodiment
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the cathode in the second modification of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line AA in FIG.
  • the cathode 61 has a front surface 61a and a back surface 61b, and is formed in a disc shape from pure iron as a conductive magnetic material.
  • the cathode 61 is provided with a screw fixing hole 49 for fixing the cathode 61 to the base 17.
  • the unevenness IR formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 61a of the cathode 61 is in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 61a of the cathode 61.
  • It consists of the grooves 43 as a plurality of formed grooves.
  • the plurality of grooves 43 are formed in a circular shape when viewed from the direction perpendicular to the surface 61a, that is, the Z-axis direction (see FIG. 2).
  • the plurality of grooves 43 are formed concentrically when viewed from the Z-axis direction (see FIG. 2).
  • the depth of the groove 43 is preferably 1 mm or more.
  • the depth of the groove 43 is less than 1 mm, for example, when the cathode 61 is used for an accumulated time of about 1000 hours in normal operation, the surface 61a of the cathode 61 may be sputtered and scraped, and the groove 43 may disappear. There is. On the other hand, since the groove 43 does not have to penetrate the cathode 61, the depth of the groove 43 can be less than the thickness of the cathode 61.
  • the unevenness IR is 0.4 mm.
  • a circumferential groove 43 having a width and a depth of 1 mm can be formed.
  • the region 40 is preferably surrounded by the inner peripheral surface of the cylindrical anode 13 when viewed from the Z-axis direction (see FIG. 2). This is a circular region included in the circular region 40a.
  • the diameter da of the region 40a and the diameter dc of the region 40 satisfy the above formula (1).
  • the diameter dc of the region 40 can be set to 70 mm or more and less than 100 mm.
  • a circumferential groove 43 is formed, which is easier to manufacture than the case of forming a plurality of holes 41 (see FIGS. 3 and 4). Compared to 1, the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the ion gun of Comparative Example 1.
  • the ion gun IG 100 in the comparative example 1 also includes the gas supply mechanism 10, the cathode 111, the cathode 12, the anode 13, the permanent magnet 14, the acceleration electrode 15, and the insulator 16. , And base 17.
  • the ion gun IG100 includes a discharge power supply 21 and an acceleration power supply 22.
  • the gas supply mechanism 10, the cathode 111, the cathode 12, the anode 13, and the permanent magnet 14 constitute an ion generation part GP.
  • the acceleration electrode 15 constitutes the ion ejection part IP.
  • the cathode 111, the cathode 12, and the permanent magnet 14 define the ionization chamber IC.
  • the ion gun IG100 of Comparative Example 1 is the same as the ion gun IG of Embodiment 1 except that the unevenness IR (see FIG. 2) is not formed on the surface of the cathode 111.
  • the electrons emitted from the cathode 111 are rotated by the magnetic field generated by the permanent magnet 14, that is, swung to collide with the gas supplied by the gas supply mechanism 10.
  • glow discharge is performed in the ionization chamber IC to generate argon ions as cations.
  • a part of the argon ions generated in the ionization chamber IC passes through the ion beam passage hole 31 of the cathode 12, is accelerated by the acceleration electrode 15, and is emitted from the ion beam passage hole 33 as an ion beam IB (see FIG. 1). Is done.
  • argon ions which are cations generated in the ionization chamber IC
  • a part of the argon ions are accelerated toward the cathode 111 inside the ion gun IG100, and collide with a region facing the inside of the ionization chamber IC in the surface of the cathode 111.
  • the surface of the cathode 111 is sputtered, and most of the sputtered particles emitted from the surface of the cathode 111 are deposited on the surface of the anode 13.
  • the cathode 111 is made of a magnetic conductor such as pure iron, the sputtered particles are also made of a magnetic conductor. Therefore, the deposited film in which the sputtered particles are deposited on the surface of the anode 13 is the direction of the magnetic field generated by the permanent magnet 14. It grows in a needle shape along. A discharge voltage is applied between the cathode 111 and the anode 13 by the discharge power source 21. Therefore, abnormal discharge occurs between the cathode 111 and the anode 13 via a deposited film in which sputtered particles are deposited on the anode 13.
  • a power supply circuit that applies a voltage between the cathode 111 and the anode 13 is short-circuited due to abnormal discharge, and a predetermined voltage is no longer applied between the cathode 111 and the anode 13.
  • a predetermined voltage is no longer applied between the cathode 111 and the anode 13.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the ion gun of Comparative Example 2.
  • the ion gun IG 200 in the comparative example 2 also includes the gas supply mechanism 10, the cathode 211, the cathode 12, the anode 13, the permanent magnet 14, the acceleration electrode 15, and the insulator 16. , And base 17.
  • the ion gun IG 200 includes a discharge power source 21 and an acceleration power source 22.
  • the gas supply mechanism 10, the cathode 211, the cathode 12, the anode 13, and the permanent magnet 14 constitute an ion generation part GP.
  • the acceleration electrode 15 constitutes the ion ejection part IP.
  • the cathode 211, the cathode 12, and the permanent magnet 14 define the ionization chamber IC.
  • the cathode 211 is disposed on the surface of the main body 211a and the main body 211a in order to avoid the phenomenon that the ion beam is not emitted from the ion gun as the integration time of ion milling increases.
  • a nonmagnetic material having conductivity that is, a nonmagnetic portion 211b made of a nonmagnetic conductor. Accordingly, the ion gun IG200 of Comparative Example 2 is the same as the ion gun IG100 of Comparative Example 1 except that the surface of the cathode 211 is made of a nonmagnetic conductor.
  • the ion gun IG200 of Comparative Example 2 has the same structure as the ion gun described in Patent Document 2.
  • sputtered particles emitted from the surface of the cathode 211 are deposited on the surface of the anode 13, but the sputtered particles are made of a nonmagnetic conductor. It is not laminated in the shape of a needle on the surface of 13.
  • FIG. 11 is a graph showing an example of the relationship between the milling integration time and the amount of change in the discharge current in the ion guns of Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of the relationship between the milling integration time and the amount of change in the ion beam current in the ion guns of Comparative Examples 1 and 2.
  • the discharge current indicates the stability of the ion gun, and the ion beam current indicates the ion beam intensity, both of which are parameters that reflect the state of the ion gun.
  • a measured value of the discharge current for example, a measured value obtained by measuring a current flowing between the discharge power source 21 and the anode 13 can be used.
  • As a measured value of the ion beam current for example, when a shutter is disposed between the ion gun and the sample stage 8, a measured value of the current flowing through the shutter can be used.
  • the cathode 111, the body 211a of the cathode 211, and the cathode 12 are made of pure iron as a magnetic conductor, and the anode 13 is made of aluminum as a nonmagnetic conductor. did.
  • the insulator 16 is made of alumina as a nonmagnetic insulator, the acceleration electrode 15 is made of stainless steel as a nonmagnetic conductor, and the permanent magnet 14 is made of a neodymium magnet as a magnetic conductor. It was.
  • the nonmagnetic portion 211b of the cathode 211 is made of titanium as a nonmagnetic conductor.
  • Comparative Example 1 abnormal discharge tends to occur inside the ion gun as the milling integration time elapses, and the ion gun cannot be operated normally for a long time. Further, in Comparative Example 2, as the milling integration time elapses, the surface of the anode is covered with the insulating film, and the function as the anode electrode is lowered, so that the ion gun cannot be operated normally for a long time.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of the relationship between the milling integration time and the change amount of the discharge current in the ion guns of Example 1 and Comparative Example 1.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of the relationship between the milling integration time and the amount of change in the ion beam current in the ion guns of Example 1 and Comparative Example 1.
  • Example 1 shown in FIGS. 13 and 14 is an example of the first embodiment (the same applies to FIG. 15 described later).
  • the cathode 11 and the cathode 12 were made of pure iron as a magnetic conductor
  • the anode 13 was made of aluminum as a nonmagnetic conductor.
  • the insulator 16 is made of alumina as a nonmagnetic insulator
  • the acceleration electrode 15 is made of stainless steel as a nonmagnetic conductor
  • the permanent magnet 14 is made of a neodymium magnet as a magnetic conductor. It was.
  • the amount of change that is, the amount of decrease since the start of milling of the discharge current and ion beam current in Example 1 is the discharge current in Comparative Example 1.
  • the ion beam current is reduced to about 50% of the amount of decrease from the start of milling.
  • the sputtering yield is reduced because the irradiation angle at which the cations are irradiated to the bottom of the unevenness IR is limited to a narrow range centering on the direction perpendicular to the surface 11a of the cathode 11, so that the sputtered particles are reduced. It is considered that the amount deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 could be reduced. In addition, it is considered that the amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 could be reduced because the sputtered particles emitted from the bottom of the concave / convex IR reattached to the inside of the concave / convex IR.
  • the ion gun can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge inside the ion gun.
  • FIG. 15 shows that the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 11a of the cathode 11 to reduce the amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13.
  • FIG. 15 is a graph showing an example of the relationship between the distance from the end face in the ion gun of Example 1 and Comparative Example 1 and the growth rate of the deposited film.
  • the distance from the end surface on the horizontal axis means the distance in the Z-axis direction (see FIG. 2) from the end surface on the cathode 11 side of the anode 13, and the growth rate of the deposited film on the vertical axis is the anode 13 means the growth rate of the deposited film deposited on the inner peripheral surface.
  • the growth rate of the deposited film in Example 1 is about 80% of the growth rate of the deposited film in Comparative Example 1 at a position where the distance from the end face is about 1 mm, that is, the position on the cathode 11 side. Reduced. Further, the growth rate of the deposited film in Example 1 is reduced to about 50% of the growth rate of the deposited film in Comparative Example 1 at a position where the distance from the end face is about 6 mm, that is, the position on the cathode 12 side.
  • the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 11a of the cathode 11, the amount of sputtered particles emitted from the surface 11a of the cathode 11 can be reduced, and the sputtered particles It is considered that the amount deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 could be reduced.
  • the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC on the surface of the cathode 11.
  • the irradiation angle at which the cations are irradiated on the bottom of the irregularities IR is limited to a narrow range centering on the direction perpendicular to the surface of the cathode 11, thereby reducing the sputtering yield.
  • the sputtered particles emitted from the bottom of the unevenness IR are reattached inside the unevenness IR. Furthermore, the sputtered particles emitted from the unevenness IR are scattered.
  • the amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 can be reduced. Therefore, in the ion gun and the ion milling apparatus, the ion gun can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge inside the ion gun.
  • the cathode 11 is integrally formed, and the unevenness IR is formed on the surface 11a of the integrally formed cathode 11 (see FIGS. 3 and 4).
  • the attachment portion 71f is detachably attached to the main body portion 71c of the cathode 71, and the unevenness IR is formed on the surface 71d of the attachment portion 71f (FIGS. 16 to 18 described later). reference).
  • FIG. 16 is a plan view showing the cathode according to the second embodiment
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the main body of the cathode according to the second embodiment
  • FIG. 18 is a mounting portion of the cathode according to the second embodiment.
  • FIG. 17 and 18 are cross-sectional views along the line AA in FIG.
  • the cathode 71 includes a main body portion 71c having a front surface 71a and a back surface 71b, and a mounting portion 71f having a front surface 71d and a back surface 71e.
  • the main body 71c is formed in a disk shape, and a screw fixing hole 49 for fixing the main body 71c to the base 17 with a screw is formed in the main body 71c.
  • the main body 71c is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • a hole 75 as an opening is formed in the center of the main body 71c.
  • the hole 75 has a step in the middle of the main body portion 71c in the thickness direction so that, for example, the opening area on the front surface 71a side of the main body portion 71c is smaller than the opening area on the back surface 71b side.
  • the attachment portion 71f is detachably attached to the hole 75, and has a step in the thickness direction of the attachment portion 71f so that the area of the front surface 71d is smaller than the area of the back surface 71e. It has a shape corresponding to The attachment portion 71f is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • Such an attachment portion 71f is fitted into the hole 75 by being fitted into the hole 75 from the back surface 71b side of the main body portion 71c, and the main body portion 71c having the attachment portion 71f attached to the hole 75 is screwed to the base 17, for example, It is fixed by being stopped.
  • the main body 71c faces the inside of the ionization chamber IC
  • the hole 75 is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 71a of the main body 71c.
  • the attachment portion 71f attached to 75 faces the inside of the ionization chamber IC.
  • a plurality of holes 41 are formed on the surface 71d of the attachment portion 71f attached to the hole 75. That is, in the second embodiment, the unevenness IR formed on the surface 71d of the attachment portion 71f is composed of a plurality of holes 41.
  • a hole 75 is formed in a region 40 having a diameter of 5.6 mm ⁇ at the center of the cathode 71, and the surface 71 d of the attachment portion 71 f attached to the hole 75 has an irregularity IR of 0.4 mm.
  • Thirty-one holes 41 having a diameter of 1 mm and a depth of 1 mm can be formed.
  • the cathode 71 can function as the cathode similar to the cathode 11 of the first embodiment.
  • 16 to 18 show a case where the shape of the region 40 and the shape of the inner periphery on the surface 71a side of the hole 75 and the outer periphery of the surface 71d of the attachment portion 71f are the same. However, the shape of the region 40 and the shape of the inner periphery on the surface 71a side of the hole 75 and the outer periphery of the surface 71d of the attachment portion 71f may not coincide with each other.
  • the unevenness IR is formed on the surface 71d of the attachment portion 71f that is detachably attached to the main body portion 71c.
  • the surface 71d of the mounting portion 71f and the surface 42d of the mounting portion 71f are roughened (see FIG. 5 and FIG. 6) may be formed.
  • a plurality of circumferential grooves 43 are formed on the surface 71d of the attachment portion 71f as the unevenness IR. May be formed.
  • FIG. 19 is a plan view showing the cathode in the first modification of the second embodiment
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing the main body of the cathode in the first modification of the second embodiment
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a cathode mounting portion in a first modification of the second embodiment.
  • 20 and 21 are sectional views taken along the line AA in FIG.
  • the cathode 81 includes a main body portion 81c having a front surface 81a and a back surface 81b, and a mounting portion 81f having a front surface 81d and a back surface 81e.
  • the main body portion 81c is formed in a disc shape, and a screw fixing hole 49 for fixing the main body portion 81c to the base 17 with a screw is formed in the main body portion 81c.
  • the main body 81c is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • a hole 85 as an opening is formed at the center of the main body 81c.
  • the hole 85 has a step in the middle of the body portion 81c in the thickness direction so that, for example, the opening area on the front surface 81a side of the body portion 81c is smaller than the opening area on the back surface 81b side.
  • the attachment portion 81f is detachably attached to the hole 85, and has a step in the thickness direction of the attachment portion 81f so that the area of the front surface 81d is smaller than the area of the back surface 81e. It has a shape corresponding to The attachment portion 81f is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • Such a mounting portion 81f is fitted into the hole 85 by being fitted into the hole 85 from the back surface 81b side of the main body portion 81c. It is fixed by being stopped.
  • the main body portion 81c faces the inside of the ionization chamber IC, and a hole 85 is formed in a region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 81a of the main body portion 81c.
  • the attachment part 81f attached to 85 faces the inside of the ionization chamber IC.
  • grooves 44 as lattice-like grooves are formed on the surface 81d of the attachment portion 81f attached to the hole 85. That is, in the first modification, the unevenness IR formed on the surface 81d of the attachment portion 81f is composed of the lattice-shaped grooves 44.
  • the cathode 81 can function as the cathode similar to the cathode 11 of the first embodiment, and the amount of sputtered particles emitted from the surface of the cathode 81 deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 is reduced. Can do.
  • the groove 44a and the groove 44b extending in two directions intersecting each other, for example, the Y-axis direction and the X-axis direction in FIG.
  • the grooves 44 are formed in a lattice shape by being arranged in a direction intersecting with the extending direction.
  • the groove 44 only the groove 44a extending in one direction, for example, the Y-axis direction in FIG. 19, intersects the extending direction in the surface 81d of the mounting portion 81f. You may form so that it may arrange in the direction to do.
  • the unevenness IR is formed on the surface 81d of the attachment portion 81f that is detachably attached to the main body portion 81c.
  • the groove 44 in the first modification example is provided on the surface 11a of the cathode 11 in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC, instead of the hole 41 (see FIGS. 3 and 4). It may be formed.
  • the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC on the surface of the cathode 71.
  • the irradiation angle at which the cations are irradiated to the bottom of the unevenness IR is limited to a narrow range centering on the direction perpendicular to the surface of the cathode 71, thereby reducing the sputtering yield.
  • the sputtered particles emitted from the bottom of the unevenness IR are reattached inside the unevenness IR. Furthermore, the sputtered particles emitted from the unevenness IR are scattered.
  • the second embodiment can also reduce the amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 as in the first embodiment. Therefore, in the ion gun and the ion milling apparatus, the ion gun can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge inside the ion gun.
  • the unevenness IR is formed on the surface of the attachment portion 71f that is detachably attached to the main body portion 71c.
  • the cathode 11 is integrally formed, and the unevenness IR is formed on the surface 11a of the integrally formed cathode 11 (see FIGS. 3 and 4).
  • a plate 91f as an attachment portion is detachably attached to the surface 91a of the main body portion 91c of the cathode 91, and unevenness IR is formed on the surface 91d of the plate 91f (described later). (See FIG. 22 and FIG. 23).
  • FIG. 22 is a plan view showing the cathode in the third embodiment
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing the cathode in the third embodiment.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the cathode 91 includes a main body portion 91c having a front surface 91a and a back surface 91b, and a plate 91f having a front surface 91d and a back surface 91e.
  • the main body portion 91c is formed in a disc shape, and a screw fixing hole 49 for fixing the main body portion 91c to the base 17 with a screw is formed in the main body portion 91c.
  • the main body 91c is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • the plate 91f is detachably attached to the surface 91a of the main body 91c.
  • the plate 91f is made of a conductive magnetic material, that is, a magnetic conductor.
  • the plate 91f is formed with a screw fixing hole 98 for fixing the plate 91f to the main body portion 91c with a screw.
  • the plate 91f is attached to the front surface 91a of the main body 91c by, for example, screwing the main body 91c with the back surface 91e of the plate 91f facing the front surface 91a of the main body 91c. And the main-body part 91c by which the plate 91f was attached to the surface 91a is being fixed by screwing to the base 17, for example.
  • the plate 91f attached to the surface 91a of the main body 91c faces the inside of the ionization chamber IC.
  • a plurality of holes as through holes penetrating the plate 91f are formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 91d of the plate 91f attached to the surface 91a of the main body 91c. 45 is formed. That is, in the third embodiment, the unevenness IR formed on the surface 91d of the plate 91f is composed of a plurality of holes 45.
  • the cathode 91 can function as a cathode similar to the cathode 11 of the first embodiment.
  • the hole 45 is formed in a truncated cone shape or a truncated pyramid shape, and the opening area of the hole 45 on the main body portion 91c side is larger than the opening area of the hole 45 on the opposite side to the main body portion 91c side. That is, preferably, the opening area of the hole 45 in the front surface 91d is smaller than the opening area of the hole 45 in the back surface 91e, and the hole 45 has an inversely tapered shape.
  • the sputtered particles sputtered from the bottom of the hole 45 are more likely to be reattached to the inside of the hole 45, so that the sputtered particles are less than the case where the hole 45 as the unevenness IR does not have a reverse tapered shape.
  • the amount deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 can be further reduced. Therefore, in the ion gun and the ion milling apparatus, the ion gun can be operated normally for a longer time without causing abnormal discharge inside the ion gun.
  • the surface 91d of the plate 91f is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 91d of the plate 91f as the unevenness IR.
  • a rough surface 42 (see FIGS. 5 and 6) having a roughened surface may be formed.
  • a plurality of circumferential shapes are formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC in the surface 91d of the plate 91f as the unevenness IR.
  • the groove 43 (see FIGS. 7 and 8) may be formed.
  • a lattice-like groove 44 is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC on the surface 91d of the plate 91f as the unevenness IR. (See FIGS. 19 to 21) may be formed, and grooves extending only in one direction may be arranged in a direction intersecting with the extending direction.
  • the unevenness IR is formed in the region 40 facing the inside of the ionization chamber IC on the surface of the cathode 91.
  • the sputtering angle is reduced by limiting the irradiation angle at which the cations are irradiated to the bottom of the unevenness IR to a narrow range centering on the direction perpendicular to the surface of the cathode 91.
  • the sputtered particles emitted from the bottom of the unevenness IR are reattached inside the unevenness IR. Furthermore, the sputtered particles emitted from the unevenness IR are scattered.
  • the third embodiment can also reduce the amount of sputtered particles deposited on the inner peripheral surface of the anode 13 as in the first embodiment. Therefore, in the ion gun and the ion milling apparatus, the ion gun can be operated normally for a long time without causing abnormal discharge inside the ion gun.
  • the unevenness IR is formed on the surface of the plate 91f detachably attached to the main body 91c.
  • the cathode 91 when the cathode 91 is made of a member formed integrally, it is not easy to form the hole 45 having a reverse taper shape on the surface of the cathode 91, and the manufacturing cost of the cathode 91 may increase.
  • the hole 91 having a tapered shape is easily formed from the back surface 91e of the plate 91f, and the plate 91f in which the hole 45 is formed is attached to the surface 91a of the main body 91c, whereby the cathode 91 A hole 45 having an inversely tapered shape on the surface can be easily formed. Therefore, the manufacturing cost of the cathode can be easily reduced.
  • the present invention is effective when applied to an ion source and an ion milling apparatus.
  • Sample stage 8 Sample stage 9
  • Sample stage drive unit 10 Gas supply mechanism 11, 12, 51, 61, 71, 81, 91 Cathode 11a, 51a, 61a, 71a, 71d, 81a, 81d, 91a, 91d Surface 11b , 51b, 61b, 71b, 71e, 81b, 81e, 91b, 91e Back surface 13 Anode 13a, 15a Tubular portion 13b, 15b Bottom portion 14 Permanent magnet 15 Accelerating electrode 16 Insulator 17 Base 18, 19, 45, 75, 85 Hole 21 Discharge power source 22 Acceleration power source 31 to 33 Ion beam passage hole 40, 40a Region 41 Hole 42 Concavities and convexities 43, 44, 44a, 44b Groove 49, 98 Screw fixing holes 71c, 81c, 91c Body portion 71f, 81f Mounting portion 91f Plate da , Dc diameter GC ion gun controller GP ion generator IB Io Ion

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Abstract

　イオンガン（ＩＧ）は、イオン化室（ＩＣ）と、イオン化室（ＩＣ）でイオンを生成するイオン生成部（ＧＰ）とを有する。イオン生成部（ＧＰ）は、アノード（１３）、カソード（１１）、ガス供給機構（１０）および永久磁石（１４）を含む。イオン生成部（ＧＰ）は、カソード（１１）により放出された電子を、永久磁石（１４）が発生した磁場により旋回させて、ガス供給機構（１０）により供給されたガスに衝突させることで、イオン化室（ＩＣ）でイオンを生成する。そして、カソード（１１）の表面のうちイオン化室（ＩＣ）に面した領域（４０）に、凹凸（ＩＲ）が形成されている。

Description

イオン源およびイオンミリング装置
　本発明はイオン源およびイオンミリング装置に関する。
　イオンミリング法は、加速したイオンを試料に衝突させて、イオンが原子や分子をはじき飛ばすスパッタ現象を利用して、試料を削る加工法である。イオンミリング法では、試料の上面にイオンビームの遮蔽板となるマスクを載せた状態で、試料にイオンビームを照射し、試料のうちマスクの端部から突出した部分がイオンによりスパッタされることで、平滑な断面を加工することができる。この方法によれば、金属、ガラス、セラミックス、電子部品または複合材料などからなる試料を加工することができる。例えば電子部品からなる試料について、内部構造、断面形状もしくは膜厚の評価、または、結晶状態、故障または異物の断面の解析などを目的とし、走査型電子顕微鏡による形態像、試料組成像もしくはチャネリング像の取得、Ｘ線分析または結晶方位解析などを行うために、イオンミリング法が利用されている。
　このようなイオンミリング法を行うためのイオンミリング装置においては、イオン源としてペニング型イオンガンが用いられている。ペニング型イオンガンは、ガス供給機構と、アノードと、カソードと、永久磁石とを備えている。このようなペニング型イオンガンにおいて、容易に放電を開始するため、および、放電を安定に維持するためには、カソードからの多くの電子放出が必要である。特開昭５３－１１４６６１号公報（特許文献１）には、このようなペニング型イオンガンの構造が開示されている。
　特開２００６－３５１３７４号公報（特許文献２）には、イオンガンを構成するカソードの表面を、導電性を有する非磁性材料、すなわち非磁性体で形成するようにしたイオンガンの構造が記載されている。このようなイオンガンの構造において、イオンガンの内部で発生した陽イオンの衝突によりスパッタされた非磁性体の粒子は、アノードの内面上に堆積するが、従来のようにアノード上に針状に堆積されることはなく、異常放電を防止できることが開示されている。
　特開２００７－３０５４８５号公報（特許文献３）には、アーク放電装置において、チャンバーの内部に設けられたライナベースの表面に格子状の溝部を形成して不要な堆積物の大きさを規制することで、ライナベースと電極との絶縁不良を防止する方法が記載されている。
特開昭５３－１１４６６１号公報 特開２００６－３５１３７４号公報 特開２００７－３０５４８５号公報
　このようなペニング型イオンガンでは、カソードにより放出された電子を、永久磁石が発生した磁場により回転、すなわち旋回させて、ガス供給機構により供給されたガスに衝突させることで、イオン化室で陽イオンであるアルゴンイオンを生成する。また、イオン化室で生成されたアルゴンイオンの一部は、カソードのイオンビーム通過孔を通り、加速電極により加速されてイオンビーム通過孔からイオンビームとして射出される。
　このとき、イオン化室で発生した陽イオンであるアルゴンイオンの一部は、イオンガンの内部のカソードに向けて加速され、カソードの表面のうちイオン化室の内部に面した領域に衝突する。このイオンの衝突により、カソードの表面はスパッタされ、カソードの表面がスパッタされて放出された粒子、すなわちスパッタ粒子のほとんどは、アノードの表面に堆積する。
　このとき、カソードが純鉄などの磁性導電体からなる場合、スパッタ粒子も磁性導電体からなるので、アノードの表面にスパッタ粒子が堆積した堆積膜は、永久磁石により発生した磁場の方向に沿って針状に成長する。また、カソードとアノードとの間には、放電電源により放電電圧が印加されている。そのため、カソードと、アノードとの間に、アノード上にスパッタ粒子が堆積した堆積膜を介して、異常放電が発生する。さらには異常放電によりカソードとアノードとの間に電圧を印加している電源回路が短絡し、カソードとアノードとの間に、所定の電圧が印加されなくなる。
　その結果、イオンミリングを行う時間を積算した積算時間の増加に伴って、カソードから電子が放出される放出量が減少するか、または、０になり、イオンガンからイオンビームが射出されなくなる現象が発生する。つまり、ミリング積算時間の増加に伴って、イオンガンの内部で異常放電が発生しやすくなり、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができない。
　一方、上記したような、ミリング積算時間の増加に伴って、イオンビームが射出されなくなるという現象を回避するために、カソードが、本体部と、本体部の表面に配置された導電性を有する非磁性材料、すなわち非磁性導電体からなる非磁性部とを含むものとすることがある。しかし、非磁性部を例えば非磁性導電体としてのチタンからなるものとした場合、イオン化室で発生した陽イオンの一部が衝突することにより非磁性部の表面がスパッタされて放出された粒子は、主成分としてＴｉＯｘを含む。ＴｉＯｘは電気絶縁性を有する材料、すなわち絶縁体からなるため、ＴｉＯｘが堆積して形成された絶縁膜によりアノードの表面が被覆されることで、アノードの電極としての機能が低下し、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができない。
　そこで、本発明は、イオン源としてのイオンガンの内部で異常放電が発生することなく、長時間にわたって正常に動作させることができるイオン源およびイオンミリング装置を提供する。
　代表的な実施の形態によるイオン源は、第１室と、第１室でガスをイオン化してイオンを生成するイオン生成部とを有する。イオン生成部は、第１室に設けられたアノードと、第１室に面して設けられ、電子を放出する第１カソードと、第１室にガスを供給するガス供給部と、第１室に磁場を発生させる磁場発生部とを含む。イオン生成部は、第１カソードにより放出された電子を、磁場発生部が発生した磁場により旋回させて、ガス供給部により供給されたガスに衝突させることで、第１室でイオンを生成するものである。そして、第１カソードの表面のうち第１室に面した第１領域に、凹凸が形成されている。
　また、代表的な実施の形態によるイオンミリング装置は、気密に設けられた第１室と、第１室を真空排気する真空排気部と、第１室で試料を保持する試料保持部と、試料保持部に保持された試料に向けてイオンを射出して試料を加工するイオン源とを有する。イオン源は、第２室と、第２室に形成された孔部と、第２室でガスをイオン化してイオンを生成するイオン生成部と、第２室で生成されたイオンを、孔部を通して第２室から射出するイオン射出部とを有し、第２室は、孔部を介して第１室と連通している。イオン生成部は、第２室に設けられたアノードと、第２室に面して設けられ、電子を放出する第１カソードと、第２室にガスを供給するガス供給部と、第２室に磁場を発生させる磁場発生部とを含む。イオン生成部は、第１カソードにより放出された電子を、磁場発生部が発生した磁場により旋回させて、ガス供給部により供給されたガスに衝突させることで、第２室でイオンを生成するものである。そして、第１カソードの表面のうち第２室に面した第１領域に、凹凸が形成されている。
　代表的な実施の形態によれば、イオン源およびイオンミリング装置において、イオン源としてのイオンガンの内部で異常放電が発生することなく、長時間にわたって正常に動作させることができる。
実施の形態１のイオンミリング装置の全体構成図である。 実施の形態１のイオンガンの構成を示す断面図である。 実施の形態１におけるカソードを示す平面図である。 実施の形態１におけるカソードを示す断面図である。 実施の形態１の第１変形例におけるカソードを示す平面図である。 実施の形態１の第１変形例におけるカソードを示す断面図である。 実施の形態１の第２変形例におけるカソードを示す平面図である。 実施の形態１の第２変形例におけるカソードを示す断面図である。 比較例１のイオンガンの構成を示す断面図である。 比較例２のイオンガンの構成を示す断面図である。 比較例１および比較例２のイオンガンにおけるミリング積算時間と放電電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。 比較例１および比較例２のイオンガンにおけるミリング積算時間とイオンビーム電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。 実施例１および比較例１のイオンガンにおけるミリング積算時間と放電電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。 実施例１および比較例１のイオンガンにおけるミリング積算時間とイオンビーム電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。 実施例１および比較例１のイオンガンにおける端面からの距離と、堆積膜の成長速度との関係の一例を示すグラフである。 実施の形態２におけるカソードを示す平面図である。 実施の形態２におけるカソードの本体部を示す断面図である。 実施の形態２におけるカソードの取付部を示す断面図である。 実施の形態２の第１変形例におけるカソードを示す平面図である。 実施の形態２の第１変形例におけるカソードの本体部を示す断面図である。 実施の形態２の第１変形例におけるカソードの取付部を示す断面図である。 実施の形態３におけるカソードを示す平面図である。 実施の形態３におけるカソードを示す断面図である。
　以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
　また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
　さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
　さらに、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを付す場合もある。
　また、以下の実施の形態において、Ａ～Ｂとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。
　なお、以下に説明する各実施の形態では、イオン源を、イオンビーム加工装置としてのイオンミリング装置のイオン源に適用した場合を例に挙げて説明を行う。しかし、各実施の形態のイオン源は、イオンミリング装置のみならず、イオンビームを試料に照射し、二次的に発生した二次電子や反射電子を検出するＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）またはイオンビームを使用したイオン顕微鏡など、他の各種のイオンビーム照射装置に適用可能である。また、以下に説明する各実施の形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜組み合わせることが可能である。
　（実施の形態１）
　＜イオンミリング装置の構成＞
　図１は、実施の形態１のイオンミリング装置の全体構成図である。
　図１に示すように、イオンミリング装置は、真空チャンバーＶＣと、真空排気系ＶＰと、試料保持部ＳＰと、イオンガンＩＧとを有する。
　真空チャンバーＶＣは、気密に設けられており、内部で試料をミリング、すなわち加工する加工室である。真空排気系ＶＰは、真空チャンバーＶＣの内部を真空排気する真空排気部である。真空チャンバーＶＣの内部の圧力は、真空排気系ＶＰによって大気圧または真空に制御される。
　試料保持部ＳＰは、真空チャンバーＶＣの内部で試料６を保持する。試料保持部ＳＰは、試料台７、試料ステージ８および試料ステージ駆動部９を含む。試料６は、試料台７の上に保持され、試料台７は、試料ステージ８に保持されている。試料ステージ８は、真空チャンバーＶＣが大気開放されたときに真空チャンバーＶＣの外へ引き出すことができるように構成されており、また試料６をイオンビームＩＢの光軸に対して任意の角度に傾斜させることができるように構成されている。試料ステージ駆動部９は、試料ステージ８を左右へスイングすることができ、その速度を制御することができる。
　イオンガンＩＧは、イオンガンＩＧの内部でイオンを生成し、生成されたイオンを、試料保持部ＳＰに保持された試料６に向けて射出し、射出されたイオンからなるイオンビームＩＢを試料６に照射し、試料６を加工するイオン源である。このイオンビームＩＢの照射とその電流密度は、イオンガン制御部ＧＣによって制御される。
　＜イオンガンの構成＞
　図２は、実施の形態１のイオンガンの構成を示す断面図である。
　図２に示すように、イオンガンＩＧは、イオン化室ＩＣと、イオン生成部ＧＰと、イオン射出部ＩＰとを有する。イオン生成部ＧＰは、イオン化室ＩＣでガスをイオン化してイオンを生成する。イオン射出部ＩＰは、イオン化室ＩＣで生成されたイオンを、イオン化室ＩＣに形成された孔部を通してイオン化室ＩＣから射出する。
　イオンガンＩＧは、ガス供給機構１０と、カソード１１と、カソード１２と、アノード１３と、永久磁石１４と、加速電極１５と、インシュレータ１６と、ベース１７とを含む。また、イオンガンＩＧは、放電電源２１と、加速電源２２とを含む。このうち、ガス供給機構１０、カソード１１、カソード１２、アノード１３および永久磁石１４は、イオン生成部ＧＰを構成する。一方、加速電極１５は、イオン射出部ＩＰを構成する。
　ガス供給機構１０は、イオン化室ＩＣにガスを供給するガス供給部である。カソード１１は、イオン化室ＩＣの内部に面して設けられており、アノード１３に対して負の電圧が印加され、電子を放出する。カソード１２は、イオン化室ＩＣの内部に面して設けられており、アノード１３に対して負の電圧が印加され、電子を放出する。アノード１３は、イオン化室ＩＣの内部に設けられており、カソード１１およびカソード１２に対して正の電圧が印加される。永久磁石１４は、イオン化室ＩＣの内部に磁場を発生させる磁場発生部である。カソード１１、カソード１２、アノード１３、永久磁石１４、加速電極１５およびインシュレータ１６は、ベース１７に固定されている。
　カソード１１は、例えば純鉄など導電性のある磁性材料からなり、かつ、円盤状に形成されている。すなわち、カソード１１は、磁性導電体からなり、かつ、円板状に形成されている。カソード１１は、ベース１７に例えばネジ止めされることで、固定されている。カソード１１には、カソード１１を貫通する孔１８が形成されている。孔１８は、イオン化室ＩＣに例えばアルゴンガスなどのガスを導入するためのものである。また、カソード１１の形状は、円板状に限定されない。したがって、カソード１１は、板状に形成されていてもよい。
　本実施の形態１では、カソード１１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に凹凸ＩＲが形成されている。なお、カソード１１の具体的な構造については、後述する。
　カソード１２は、例えば純鉄など導電性のある磁性材料からなり、かつ、円盤状に形成されている。すなわち、カソード１２は、磁性導電体からなり、かつ、円板状に形成されている。カソード１２の中央部には、イオンビームを通過させるためのイオンビーム通過孔３１が形成されている。また、カソード１２の形状は、円板状に限定されない。したがって、カソード１２は、板状に形成されていてもよい。
　永久磁石１４は、例えばネオジム磁石など、強磁性金属を含めた導電性を有する強磁性材料からなり、かつ、図２のＺ軸方向に延びる円筒状に形成されている。カソード１１は、永久磁石１４のＺ軸方向の一端、すなわち一方の端部に磁力により吸着されており、永久磁石１４の一端は、カソード１１に繋がっている。また、カソード１２は、永久磁石１４のＺ軸方向の他端、すなわち他方の端部に磁力により吸着されており、カソード１２は、永久磁石１４の他端に繋がっている。そして、カソード１１、カソード１２および永久磁石１４は、互いに電気的に接続されるので、カソード１１、カソード１２および永久磁石１４は、互いに等電位に保たれる。
　永久磁石１４、カソード１１およびカソード１２により、イオン化室ＩＣが区画されており、イオンビーム通過孔３１は、イオン化室ＩＣに形成された孔部である。このとき、永久磁石１４は、イオン化室ＩＣの内部に磁場を発生させる。また、カソード１１およびカソード１２は、磁路を形成しているので、カソード１１およびカソード１２により、イオン化室ＩＣの内部に発生する磁場を強めることができる。
　なお、永久磁石１４に代え、電磁石などを用いることもできる。また、永久磁石１４の形状は、円筒状に限定されない。したがって、永久磁石１４は、筒状に形成されていてもよい。
　インシュレータ１６は、図２のＺ軸方向に延びる円筒状に形成されている。インシュレータ１６は、永久磁石１４の内側に配置されており、インシュレータ１６の外周面は、永久磁石１４の内周面に接触している。インシュレータ１６は、例えばセラミックスなどの電気絶縁性を有する非磁性材料で形成されている。
　アノード１３は、筒状部１３ａおよび底部１３ｂを含み、例えばアルミニウムなど導電性を有する非磁性材料からなる。すなわち、アノード１３は、非磁性導電体からなる。筒状部１３ａは、図２のＺ軸方向に延びる円筒状に形成されており、インシュレータ１６の内側に嵌め込まれている。筒状部１３ａの外周面は、インシュレータ１６の内周面に接触しており、筒状部１３ａの内周面は、イオン化室ＩＣの内部に面している。底部１３ｂは、筒状部１３ａのベース１７と反対側に形成されており、底部１３ｂの中央部には、イオンビーム通過孔３２が設けられている。アノード１３は、インシュレータ１６により、カソード１１、カソード１２および永久磁石１４に対して電気的に絶縁されている。また、アノード１３の形状は、円筒状に限定されない。したがって、アノード１３は、筒状に形成されていてもよい。
　加速電極１５は、イオンビーム通過孔３１を挟んでイオン化室ＩＣの内部と反対側に設けられている。加速電極１５は、筒状部１５ａおよび底部１５ｂを含み、例えばステンレスなどの導電性を有する非磁性材料からなる。筒状部１５ａは、図２のＺ軸方向に延び、イオン化室ＩＣを囲む円筒状に形成されており、Ｚ軸方向の一方の端部が、ベース１７に固定されている。底部１５ｂは、筒状部１５ａのベース１７と反対側に形成されており、底部１５ｂの中央部には、イオンビーム通過孔３３が設けられている。加速電極１５は、カソード１１とカソード１２と永久磁石１４とを囲むように、ベース１７の周辺部に固定されており、接地電位に保たれている。また、加速電極１５の形状は、円筒状に限定されない。したがって、加速電極１５は、筒状に形成されていてもよい。
　なお、イオン化室ＩＣは、カソード１２に形成されたイオンビーム通過孔３１、および、加速電極１５に形成されたイオンビーム通過孔３３を介して、加工室としての真空チャンバーＶＣ（図１参照）と連通している。
　ベース１７には、当該ベース１７を貫通し、カソード１１を貫通する孔１８と連通する孔１９が形成されている。ガス供給機構１０は、孔１９および孔１８を通してイオン化室ＩＣにガスを導入できるように、ベース１７に接続されている。ガス供給機構１０は、イオン化室ＩＣに供給するガスの流量を調整する。
　放電電源２１の一方の端子は、カソード１１およびカソード１２と電気的に接続されており、放電電源２１の他方の端子は、アノード１３と電気的に接続されており、カソード１１およびカソード１２と、アノード１３との間には、放電電源２１により放電電圧が印加される。加速電源２２の一方の端子は、カソード１１およびカソード１２と電気的に接続されており、加速電源２２の他方の端子は、加速電極１５と電気的に接続されており、カソード１１およびカソード１２と、加速電極１５との間には、加速電源２２により加速電圧が印加される。また、放電電源２１および加速電源２２は、イオンガン制御部ＧＣに接続されており、イオンガン制御部ＧＣは、放電電源２１の放電電圧、および、加速電源２２の加速電圧を制御している。
　次に、イオン生成部ＧＰによりイオン化室ＩＣの内部でガスをイオン化してイオンを生成する方法について説明する。なお、以下では、イオン化されるガスがアルゴンガスである場合について説明するが、本実施の形態１のイオン源によりイオン化されるガスはアルゴンガスに限定されない。
　前述したように、ベース１７およびカソード１１には、孔１９および孔１８が形成されており、ガス供給機構１０からのアルゴンガスは、孔１９および孔１８を通ってイオン化室ＩＣに供給される。
　イオン化室ＩＣに供給されたアルゴンガスの分圧が適切な分圧を維持するように制御した状態で、アノード１３に対してカソード１１およびカソード１２に負の電圧が印加されるように、カソード１１およびカソード１２と、アノード１３との間に、放電電源２１により０～４ｋＶ程度の放電電圧を印加する。また、前述したように、カソード１１、カソード１２および永久磁石１４は、互いに電気的に接続されるので、カソード１１、カソード１２および永久磁石１４は、互いに等電位に保たれる。これにより、カソード１１により放出された電子を、ガス供給機構１０により供給されたガスに衝突させることで、イオン化室ＩＣでグロー放電させてアルゴンイオンを生成する。
　本実施の形態１では、好適には、カソード１１により放出された電子を、永久磁石１４が発生した磁場により回転、すなわち旋回させて、ガス供給機構１０により供給されたガスに衝突させることで、イオン化室ＩＣでグロー放電させて陽イオンであるアルゴンイオンを生成する。このように、電子を磁場により回転させることで、電子が移動するパス、すなわち移動距離が長くなり、ガスに衝突しやすくなるので、放電効率を増加させることができる。
　さらに、イオン化室ＩＣに陽イオンであるアルゴンイオンが生成されている状態で、カソード１１およびカソード１２に対して加速電極１５に負の電圧が印加されるように、カソード１１およびカソード１２と加速電極１５との間に、加速電源２２により０～１０ｋＶ程度の加速電圧を印加する。これにより、イオン化室ＩＣで生成されたアルゴンイオンの一部は、カソード１２のイオンビーム通過孔３１を通り、加速電極１５により加速されてイオンビーム通過孔３３からイオンビームＩＢ（図１参照）として射出される。すなわち、イオン化室ＩＣで生成された陽イオンであるアルゴンイオンを、イオン化室ＩＣの内部からイオンビーム通過孔３１を通してイオン化室ＩＣの外部、つまり真空チャンバーＶＣ（図１参照）の内部に射出する。これにより、図１に示すように、陽イオンからなるイオンビームＩＢが試料６に照射され、試料６が加工される。
　一方、イオン化室ＩＣで発生した陽イオンであるアルゴンイオンの一部は、イオン化室ＩＣの内部に面したカソード１１に向けて加速され、カソード１１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域に衝突する。このイオンの衝突により、カソード１１の表面はスパッタされ、カソード１１の表面から放出されたスパッタ粒子のほとんどは、アノード１３の表面に堆積する。
　本実施の形態１では、カソード１１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、凹凸ＩＲが形成されている。これにより、凹凸ＩＲの底部に陽イオンが照射される照射角度が、カソード１１の表面に対して垂直な方向を中心とする狭い範囲に制限されることでスパッタ収率が低減する。また、凹凸ＩＲの底部から放出されたスパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する。さらに、凹凸ＩＲから放出されたスパッタ粒子が散乱される。これらの理由により、本実施の形態１では、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。したがって、イオンガンおよびイオンミリング装置において、イオンガンで異常放電が発生することなく、長時間にわたって正常に動作させることができる。
　＜カソードの構成＞
　次に、カソードの具体的な構成について説明する。図３は、実施の形態１におけるカソードを示す平面図であり、図４は、実施の形態１におけるカソードを示す断面図である。図４は、図３のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図３および図４に示すように、カソード１１は、表面１１ａおよび裏面１１ｂを有し、円盤状に形成されている。また、カソード１１には、カソード１１をベース１７にネジで固定するためのネジ固定用孔４９が形成されている。カソード１１は、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。
　なお、表面１１ａおよび裏面１１ｂについては、カソード１１がイオン化室ＩＣに面する側を表面１１ａとし、表面１１ａと反対側を裏面１１ｂとする。
　本実施の形態１では、カソード１１の表面１１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に形成された凹凸ＩＲは、カソード１１の表面１１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に形成された複数の穴部としての穴４１からなる。複数の穴４１の各々の深さとして、好適には、１ｍｍ以上とすることができる。穴４１の深さが１ｍｍ未満の場合、例えばカソード１１を通常の運用において１０００時間程度の積算時間の間使用したときに、カソード１１の表面１１ａがスパッタされて削られて穴４１が消失するおそれがある。一方、穴４１がカソード１１を貫通しなければよいので、穴４１の深さとしては、カソード１１の厚さ未満とすることができる。
　具体的には、カソード１１の表面１１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０として、例えばカソード１１の中心部における５．６ｍｍφの直径を有する領域４０に、凹凸ＩＲとして、０．４ｍｍの直径および１ｍｍの深さを有する穴４１を、３１個形成することができる。領域４０の面積に対して穴４１が占める面積の比率は、約２０％である。
　本実施の形態１では、穴４１として、平面視において、円形状の穴を形成しているが、穴４１としては、カソード１１の表面１１ａに凹凸を形成するものであれば円形状の穴に限定されるものではなく、平面視において、多角形状の穴を形成してもよい。ただし、容易に製造することができるという観点から、穴４１として、図３に示すように、平面視において、円形状の穴を形成することが好ましい。
　なお、平面視においてとは、穴４１が形成されているカソード１１の表面１１ａに垂直な方向から穴４１を視た場合を意味し、カソード１１の表面１１ａに平行な方向を図２におけるＸ軸方向とするとき、カソード１１の表面１１ａに垂直な方向とは、図２におけるＺ軸方向を意味する。
　好適には、領域４０は、Ｚ軸方向（図２参照）から視たときに、円筒状のアノード１３の内周面に囲まれた円状の領域４０ａに内包された円状の領域である。円筒状のアノード１３の直上の領域である領域４０ａにおいてカソード１１の表面１１ａにアルゴンイオンが衝突する量は、領域４０ａ以外の領域においてカソード１１の表面１１ａにアルゴンイオンが衝突する量に比べ、多い。したがって、円筒状のアノード１３の内周面に囲まれた領域４０ａに内包された領域４０において、カソード１１の表面１１ａに、穴４１からなる凹凸ＩＲを形成することにより、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減する効果をより大きくすることができる。
　なお、アノード１３が筒状ではあるが円筒状ではなく、筒状のアノード１３が延びる方向がカソード１１の表面に垂直でない場合には、領域４０は、好適には、筒状のアノード１３が延びる方向から視たときに、筒状のアノード１３の内周面に囲まれた領域４０ａに内包されている。
　さらに好適には、円状の領域４０が、円状の領域４０ａの中心の位置と同一の位置を中心とする領域である場合には、アノード１３の内径、すなわち円状の領域４０ａの直径を直径ｄａとし、円状の領域４０の直径を直径ｄｃとしたとき、直径ｄａおよび直径ｄｃは、下記式（１）
　　ｄｃ≧０．７ｄａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式（１）
の条件を満たしている。具体的には、例えば領域４０ａの直径ｄａが１００ｍｍである場合、領域４０の直径ｄｃを７０ｍｍ以上１００ｍｍ未満とすることができる。
　Ｚ軸方向（図２参照）から視たときに、式（１）の条件を満たす円状の領域４０は、円状の領域４０ａの中心部である。円状の領域４０ａの中心部である円状の領域４０においてカソード１１の表面１１ａにアルゴンイオンが衝突する量は、領域４０ａ以外の領域においてカソード１１の表面１１ａにアルゴンイオンが衝突する量に比べ、極めて多い。したがって、円筒状のアノード１３の内周面に囲まれた領域４０ａに内包された領域４０において、カソード１１の表面１１ａに、穴４１からなる凹凸ＩＲを形成することにより、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減する効果をさらに大きくすることができる。
　式（１）の条件を満たさない場合、すなわち直径ｄｃが直径ｄａの０．７倍未満の場合、領域４０ａの内部であって領域４０の外部の領域においてカソード１１の表面にアルゴンイオンが衝突する量が多くなる。したがって、スパッタ収率が低減する効果、スパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する効果、および、スパッタ粒子が散乱される効果が小さくなるおそれがある。一方、式（１）の条件を満たす場合、スパッタ収率が低減する効果、スパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する効果、または、スパッタ粒子が散乱される効果が大きくなるので、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。
　なお、円状の領域４０が、円状の領域４０ａの中心と同一の位置を中心とする領域でなくても、円状の領域４０ａの中心付近の位置を中心とする領域である場合には、式（１）を満たすことにより、同様の効果を得ることができる。
　＜カソードの第１変形例＞
　図５は、実施の形態１の第１変形例におけるカソードを示す平面図であり、図６は、実施の形態１の第１変形例におけるカソードを示す断面図である。図６は、図５のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図５および図６に示すように、カソード５１は、表面５１ａおよび裏面５１ｂを有し、導電性のある磁性材料として純鉄により円盤状に形成されている。また、カソード５１には、カソード５１をベース１７に固定するためのネジ固定用孔４９が設けられている。
　本第１変形例では、凹凸ＩＲとして、カソード５１の表面５１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、カソード５１の表面５１ａが粗面化された凹凸４２が形成されている。カソード５１の表面５１ａが粗面化された凹凸４２の平均粗さは、５０μｍ以上である。ここで、平均粗さは、算術平均粗さＲａを意味する。凹凸４２の平均粗さが５０μｍ未満の場合、凹凸４２の粗さが小さくなりすぎて、スパッタ収率が低減する効果、スパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する効果、および、スパッタ粒子が散乱される効果が小さくなるおそれがある。したがって、凹凸４２の平均粗さを５０μｍ以上とすることで、スパッタ収率が低減する効果、スパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する効果、または、スパッタ粒子が散乱される効果が大きくなるので、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。
　本第１変形例でも、実施の形態１と同様に、好適には、領域４０は、Ｚ軸方向（図２参照）から視たときに、円筒状のアノード１３の内周面に囲まれた円状の領域４０ａに内包された円状の領域である。これにより、実施の形態１と同様に、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減する効果をより大きくすることができる。
　また、本第１変形例でも、実施の形態１と同様に、さらに好適には、領域４０ａの直径ｄａと、領域４０の直径ｄｃとが上記式（１）を満たしている。具体的には、例えば領域４０ａの直径ｄａが１００ｍｍである場合、領域４０の直径ｄｃを７０ｍｍ以上１００ｍｍ未満とすることができる。これにより、実施の形態１と同様に、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減する効果をさらに大きくすることができる。
　一方、本第１変形例では、カソード５１の表面５１ａを粗面化するものであり、複数の穴４１（図３および図４参照）を形成する場合よりも製造が容易であるため、実施の形態１に比べ、製造コストを低減することができる。なお、カソード５１の表面５１ａの全面が粗面化されていてもよい。
　＜カソードの第２変形例＞
　図７は、実施の形態１の第２変形例におけるカソードを示す平面図であり、図８は、実施の形態１の第２変形例におけるカソードを示す断面図である。図８は、図７のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図７および図８に示すように、カソード６１は、表面６１ａおよび裏面６１ｂを有し、導電性のある磁性材料として純鉄により円盤状に形成されている。また、カソード６１には、カソード６１をベース１７に固定するためのネジ固定用孔４９が設けられている。
　本第２変形例では、カソード６１の表面６１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に形成された凹凸ＩＲは、カソード６１の表面６１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に形成された複数の溝部としての溝４３からなる。複数の溝４３は、表面６１ａに垂直な方向、すなわちＺ軸方向（図２参照）から視たときに、円周状に形成されている。また、好適には、複数の溝４３は、Ｚ軸方向（図２参照）から視たときに、同心円状に形成されている。溝４３の深さとして、好適には、１ｍｍ以上とすることができる。溝４３の深さが１ｍｍ未満の場合、例えばカソード６１を通常の運用において１０００時間程度の積算時間の間使用したときに、カソード６１の表面６１ａがスパッタされて削られて溝４３が消失するおそれがある。一方、溝４３がカソード６１を貫通しなければよいので、溝４３の深さとしては、カソード６１の厚さ未満とすることができる。
　具体的には、カソード６１の表面６１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０として、例えばカソード６１の中心部における５．６ｍｍφの直径を有する領域４０に、凹凸ＩＲとして、０．４ｍｍの幅および１ｍｍの深さを有する円周状の溝４３を、形成することができる。
　本第２変形例でも、実施の形態１と同様に、好適には、領域４０は、Ｚ軸方向（図２参照）から視たときに、円筒状のアノード１３の内周面に囲まれた円状の領域４０ａに内包された円状の領域である。これにより、実施の形態１と同様に、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減する効果をより大きくすることができる。
　また、本第２変形例でも、実施の形態１と同様に、さらに好適には、領域４０ａの直径ｄａと、領域４０の直径ｄｃとが上記式（１）を満たしている。具体的には、例えば領域４０ａの直径ｄａが１００ｍｍである場合、領域４０の直径ｄｃを７０ｍｍ以上１００ｍｍ未満とすることができる。これにより、実施の形態１と同様に、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減する効果をさらに大きくすることができる。
　一方、本第２変形例では、円周状の溝４３を形成するものであり、複数の穴４１（図３および図４参照）を形成する場合よりも製造が容易であるため、実施の形態１に比べ、製造コストを低減することができる。
　＜放電電流およびイオンビーム電極の経時変化について＞
　図９は、比較例１のイオンガンの構成を示す断面図である。比較例１におけるイオンガンＩＧ１００も、実施の形態１におけるイオンガンＩＧと同様に、ガス供給機構１０と、カソード１１１と、カソード１２と、アノード１３と、永久磁石１４と、加速電極１５と、インシュレータ１６と、ベース１７とを含む。また、イオンガンＩＧ１００は、放電電源２１と、加速電源２２とを含む。このうち、ガス供給機構１０、カソード１１１、カソード１２、アノード１３および永久磁石１４は、イオン生成部ＧＰを構成する。一方、加速電極１５は、イオン射出部ＩＰを構成する。また、カソード１１１、カソード１２および永久磁石１４は、イオン化室ＩＣを区画する。
　比較例１のイオンガンＩＧ１００は、カソード１１１の表面に凹凸ＩＲ（図２参照）が形成されていない点を除き、実施の形態１のイオンガンＩＧと同様である。
　比較例１では、実施の形態１と同様に、カソード１１１により放出された電子を、永久磁石１４が発生した磁場により回転、すなわち旋回させて、ガス供給機構１０により供給されたガスに衝突させることで、イオン化室ＩＣでグロー放電させて陽イオンであるアルゴンイオンを生成する。また、イオン化室ＩＣで生成されたアルゴンイオンの一部は、カソード１２のイオンビーム通過孔３１を通り、加速電極１５により加速されてイオンビーム通過孔３３からイオンビームＩＢ（図１参照）として射出される。
　このとき、イオン化室ＩＣで発生した陽イオンであるアルゴンイオンの一部は、イオンガンＩＧ１００の内部のカソード１１１に向けて加速され、カソード１１１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域に衝突する。このイオンの衝突により、カソード１１１の表面はスパッタされ、カソード１１１の表面から放出されたスパッタ粒子のほとんどは、アノード１３の表面に堆積する。
　このとき、カソード１１１が純鉄などの磁性導電体からなる場合、スパッタ粒子も磁性導電体からなるので、アノード１３の表面にスパッタ粒子が堆積した堆積膜は、永久磁石１４により発生した磁場の方向に沿って針状に成長する。また、カソード１１１とアノード１３との間には、放電電源２１により放電電圧が印加されている。そのため、カソード１１１と、アノード１３との間に、アノード１３上にスパッタ粒子が堆積した堆積膜を介して、異常放電が発生する。さらには異常放電によりカソード１１１とアノード１３との間に電圧を印加している電源回路が短絡し、カソード１１１とアノード１３との間に、所定の電圧が印加されなくなる。その結果、イオンミリングを行う時間を積算した積算時間の増加に伴って、カソード１１１から電子が放出される放出量が減少するか、または、０になり、イオンガンＩＧ１００からイオンビームが射出されなくなる現象が発生する。
　図１０は、比較例２のイオンガンの構成を示す断面図である。比較例２におけるイオンガンＩＧ２００も、実施の形態１におけるイオンガンＩＧと同様に、ガス供給機構１０と、カソード２１１と、カソード１２と、アノード１３と、永久磁石１４と、加速電極１５と、インシュレータ１６と、ベース１７とを含む。また、イオンガンＩＧ２００は、放電電源２１と、加速電源２２とを含む。このうち、ガス供給機構１０、カソード２１１、カソード１２、アノード１３および永久磁石１４は、イオン生成部ＧＰを構成する。一方、加速電極１５は、イオン射出部ＩＰを構成する。また、カソード２１１、カソード１２および永久磁石１４は、イオン化室ＩＣを区画する。
　比較例２のイオンガンＩＧ２００では、イオンミリングの積算時間の増加に伴って、イオンガンからイオンビームが射出されなくなる現象を回避するために、カソード２１１が、本体部２１１ａと、本体部２１１ａの表面に配置された導電性を有する非磁性材料、すなわち非磁性導電体からなる非磁性部２１１ｂとを含む。したがって、比較例２のイオンガンＩＧ２００は、カソード２１１の表面が非磁性導電体からなる点を除き、比較例１のイオンガンＩＧ１００と同様である。
　比較例２のイオンガンＩＧ２００は、上記特許文献２に記載されたイオンガンとも同様の構造を有する。そして、このようなイオンガンの構造において、カソード２１１の表面から放出されたスパッタ粒子は、アノード１３の表面に堆積はするものの、スパッタ粒子が非磁性導電体からなるため、磁場の方向に沿ってアノード１３の表面に針状に積層されることはない。
　図１１は、比較例１および比較例２のイオンガンにおけるミリング積算時間と放電電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。また、図１２は、比較例１および比較例２のイオンガンにおけるミリング積算時間とイオンビーム電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。放電電流は、イオンガンの安定度を示し、イオンビーム電流は、イオンビーム強度を示し、ともにイオンガンの状態を反映するパラメータである。放電電流の測定値として、例えば放電電源２１とアノード１３との間を流れる電流を測定した測定値とすることができる。イオンビーム電流の測定値として、例えばイオンガンと試料ステージ８との間にシャッタを配置したとき、シャッタに流れる電流を測定した測定値とすることができる。
　比較例１および比較例２では、カソード１１１、カソード２１１の本体部２１１ａおよびカソード１２を、磁性導電体としての純鉄からなるものとし、アノード１３を、非磁性導電体としてのアルミニウムからなるものとした。また、インシュレータ１６を、非磁性絶縁体としてのアルミナからなるものとし、加速電極１５を、非磁性導電体としてのステンレスからなるものとし、永久磁石１４を、磁性導電体としてのネオジム磁石からなるものとした。また比較例２では、カソード２１１の非磁性部２１１ｂとして、非磁性導電体としてのチタンからなるものとした。
　図１１および図１２に示すように、比較例１および比較例２では、イオン化室ＩＣで発生した陽イオンの一部が衝突してカソード１１１および非磁性部２１１ｂの表面がスパッタされて放出された粒子がアノード１３の表面に堆積することにより、放電電流値およびイオンビーム電流値はミリング積算時間の経過に伴って低下する。また、ミリング積算時間が等しい場合、比較例２における放電電流およびイオンビーム電流のミリング開始時からの変化量、すなわち低下量は、それぞれ比較例１における放電電流およびイオンビーム電流の低下量よりも大きい。
　これは、比較例２では、イオン化室ＩＣで発生した陽イオンの一部がカソード２１１の本体部２１１ａの表面に配置された非磁性部２１１ｂに衝突し、このイオンの衝突により非磁性部２１１ｂの表面がスパッタされて放出された粒子が、主成分としてＴｉＯｘを含むことが影響している。ＴｉＯｘは電気絶縁性を有する材料、すなわち絶縁体からなるため、ＴｉＯｘが堆積して形成された絶縁膜によりアノード１３の表面が被覆されることとなり、アノード１３の電極としての機能が低下する。
　したがって、比較例１では、ミリング積算時間の経過に伴って、イオンガンの内部で異常放電が発生しやすくなり、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができない。また、比較例２では、ミリング積算時間の経過に伴って、アノードの表面が絶縁膜に被覆され、アノードの電極としての機能が低下するので、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができない。
　＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
　図１３は、実施例１および比較例１のイオンガンにおけるミリング積算時間と放電電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。図１４は、実施例１および比較例１のイオンガンにおけるミリング積算時間とイオンビーム電流の変化量との関係の一例を示すグラフである。
　図１３および図１４に示す実施例１は、本実施の形態１の実施例である（後述する図１５においても同様）。実施例１では、カソード１１およびカソード１２を、磁性導電体としての純鉄からなるものとし、アノード１３を、非磁性導電体としてのアルミニウムからなるものとした。また、インシュレータ１６を、非磁性絶縁体としてのアルミナからなるものとし、加速電極１５を、非磁性導電体としてのステンレスからなるものとし、永久磁石１４を、磁性導電体としてのネオジム磁石からなるものとした。
　図１３および図１４に示すように、ミリング積算時間が３００時間である場合、実施例１における放電電流およびイオンビーム電流のミリング開始時からの変化量、すなわち低下量は、比較例１における放電電流およびイオンビーム電流のミリング開始時からの低下量に対し、５０％程度に低減される。
　これは、凹凸ＩＲの底部に陽イオンが照射される照射角度が、カソード１１の表面１１ａに対して垂直な方向を中心とする狭い範囲に制限されることでスパッタ収率が低減したため、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減できたものと考えられる。また、凹凸ＩＲの底部から放出されたスパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着したため、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減できたものと考えられる。さらに、凹凸ＩＲから放出されたスパッタ粒子が散乱されたため、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができたものと考えられる。したがって、本実施の形態１では、イオンガンの内部で異常放電が発生することなく、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができる。
　カソード１１の表面１１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、凹凸ＩＲが形成されたことで、スパッタ粒子のアノード１３の内周面へ堆積する量を低減できることについては、図１５を用いて説明することができる。図１５は、実施例１および比較例１のイオンガンにおける端面からの距離と、堆積膜の成長速度との関係の一例を示すグラフである。図１５において、横軸の端面からの距離とは、アノード１３のカソード１１側の端面からのＺ軸方向（図２参照）の距離を意味し、縦軸の堆積膜の成長速度とは、アノード１３の内周面に堆積される堆積膜の成長速度を意味する。
　図１５に示すように、実施例１における堆積膜の成長速度は、端面からの距離が１ｍｍ程度の位置、すなわちカソード１１側の位置で、比較例１における堆積膜の成長速度の８０％程度に低減される。また、実施例１における堆積膜の成長速度は、端面からの距離が６ｍｍ程度の位置、すなわちカソード１２側の位置で、比較例１における堆積膜の成長速度の５０％程度に低減される。すなわち、カソード１１の表面１１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、凹凸ＩＲが形成されたことで、カソード１１の表面１１ａから放出されるスパッタ粒子の放出量が低減でき、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができたものと考えられる。
　以上述べたように、本実施の形態１では、カソード１１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、凹凸ＩＲが形成されている。これにより、凹凸ＩＲの底部に陽イオンが照射される照射角度が、カソード１１の表面に対して垂直な方向を中心とする狭い範囲に制限されることでスパッタ収率が低減する。また、凹凸ＩＲの底部から放出されたスパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する。さらに、凹凸ＩＲから放出されたスパッタ粒子が散乱される。これらの理由により、本実施の形態１では、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。したがって、イオンガンおよびイオンミリング装置において、イオンガンの内部で異常放電が発生することなく、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができる。
　（実施の形態２）
　実施の形態１では、カソード１１は、一体に形成されており、一体に形成されたカソード１１の表面１１ａに凹凸ＩＲが形成されていた（図３および図４参照）。一方、実施の形態２では、カソード７１の本体部７１ｃに、取付部７１ｆが着脱可能に取り付けられており、取付部７１ｆの表面７１ｄに凹凸ＩＲが形成されている（後述する図１６～図１８参照）。
　実施の形態２のイオンミリング装置およびイオンガンのうちカソード７１以外の部分については、実施の形態１と同様にすることができるため、その説明を省略する。
　＜カソードの構成＞
　図１６は、実施の形態２におけるカソードを示す平面図であり、図１７は、実施の形態２におけるカソードの本体部を示す断面図であり、図１８は、実施の形態２におけるカソードの取付部を示す断面図である。図１７および図１８は、図１６のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図１６～図１８に示すように、カソード７１は、表面７１ａおよび裏面７１ｂを有する本体部７１ｃと、表面７１ｄおよび裏面７１ｅを有する取付部７１ｆとを含む。本体部７１ｃは、円盤状に形成されており、本体部７１ｃには、本体部７１ｃをベース１７にネジで固定するためのネジ固定用孔４９が形成されている。本体部７１ｃは、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。
　本体部７１ｃの中央部には、開口部としての孔７５が形成されている。孔７５は、例えば本体部７１ｃの表面７１ａ側の開口面積が、裏面７１ｂ側の開口面積よりも小さくなるように、本体部７１ｃの厚さ方向の途中に段差を有する。
　取付部７１ｆは、孔７５に着脱可能に取り付けられており、表面７１ｄの面積が、裏面７１ｅの面積よりも小さくなるように、取付部７１ｆの厚さ方向の途中に段差を有し、孔７５に対応した形状を有する。取付部７１ｆは、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。
　このような取付部７１ｆは、本体部７１ｃの裏面７１ｂ側から孔７５に嵌め込まれることで、孔７５に取り付けられ、孔７５に取付部７１ｆが取り付けられた本体部７１ｃが、ベース１７に例えばネジ止めされることで、固定されている。
　本実施の形態２では、本体部７１ｃはイオン化室ＩＣの内部に面しており、本体部７１ｃの表面７１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に孔７５が形成されており、孔７５に取り付けられた取付部７１ｆは、イオン化室ＩＣの内部に面している。また、本実施の形態２では、孔７５に取り付けられた取付部７１ｆの表面７１ｄに、複数の穴４１が形成されている。すなわち、本実施の形態２では、取付部７１ｆの表面７１ｄに形成される凹凸ＩＲは、複数の穴４１からなる。具体的には、例えばカソード７１の中心部における５．６ｍｍφの直径を有する領域４０に、孔７５を形成し、孔７５に取り付けられた取付部７１ｆの表面７１ｄに、凹凸ＩＲとして、０．４ｍｍの直径および１ｍｍの深さを有する穴４１を、３１個形成することができる。これにより、カソード７１を、実施の形態１のカソード１１と同様のカソードとして機能させることができる。
　なお、図１６～図１８では、領域４０の形状と、孔７５の表面７１ａ側の内周および取付部７１ｆの表面７１ｄの外周の形状とが、一致している場合を示す。しかし、領域４０の形状と、孔７５の表面７１ａ側の内周および取付部７１ｆの表面７１ｄの外周の形状とは、一致していなくてもよい。
　さらに、本実施の形態２では、本体部７１ｃに着脱可能に取り付けられた取付部７１ｆの表面７１ｄに凹凸ＩＲが形成されている。これにより、イオンガンで発生した陽イオンの一部がカソード７１に衝突してカソード７１の表面が削られることでイオンガンの性能が劣化した場合において、表面７１ｄに凹凸ＩＲが形成された取付部７１ｆを着脱交換することで、容易に性能を復帰させることができる。そのため、メンテナンス性に優れたカソードを実現することができ、交換部品のコストを低減することができる。
　なお、本実施の形態２でも、実施の形態１の第１変形例と同様に、凹凸ＩＲとして、取付部７１ｆの表面７１ｄに、取付部７１ｆの表面７１ｄが粗面化された凹凸４２（図５および図６参照）が形成されていてもよい。また、本実施の形態２でも、実施の形態１の第２変形例と同様に、凹凸ＩＲとして、取付部７１ｆの表面７１ｄに、複数の円周状の溝４３（図７および図８参照）が形成されていてもよい。
　＜カソードの第１変形例＞
　図１９は、実施の形態２の第１変形例におけるカソードを示す平面図であり、図２０は、実施の形態２の第１変形例におけるカソードの本体部を示す断面図であり、図２１は、実施の形態２の第１変形例におけるカソードの取付部を示す断面図である。図２０および図２１は、図１９のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図１９～図２１に示すように、カソード８１は、表面８１ａおよび裏面８１ｂを有する本体部８１ｃと、表面８１ｄおよび裏面８１ｅを有する取付部８１ｆとを含む。本体部８１ｃは、円盤状に形成されており、本体部８１ｃには、本体部８１ｃをベース１７にネジで固定するためのネジ固定用孔４９が形成されている。本体部８１ｃは、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。
　本体部８１ｃの中央部には、開口部としての孔８５が形成されている。孔８５は、例えば本体部８１ｃの表面８１ａ側の開口面積が、裏面８１ｂ側の開口面積よりも小さくなるように、本体部８１ｃの厚さ方向の途中に段差を有する。
　取付部８１ｆは、孔８５に着脱可能に取り付けられており、表面８１ｄの面積が、裏面８１ｅの面積よりも小さくなるように、取付部８１ｆの厚さ方向の途中に段差を有し、孔８５に対応した形状を有する。取付部８１ｆは、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。
　このような取付部８１ｆは、本体部８１ｃの裏面８１ｂ側から孔８５に嵌め込まれることで、孔８５に取り付けられ、孔８５に取付部８１ｆが取り付けられた本体部８１ｃが、ベース１７に例えばネジ止めされることで、固定されている。
　本第１変形例では、本体部８１ｃはイオン化室ＩＣの内部に面しており、本体部８１ｃの表面８１ａのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に孔８５が形成されており、孔８５に取り付けられた取付部８１ｆは、イオン化室ＩＣの内部に面している。また、本第１変形例では、孔８５に取り付けられた取付部８１ｆの表面８１ｄに、格子状の溝部としての溝４４が形成されている。すなわち、本第１変形例では、取付部８１ｆの表面８１ｄに形成される凹凸ＩＲは、格子状の溝４４からなる。これにより、カソード８１を、実施の形態１のカソード１１と同様のカソードとして機能させることができ、カソード８１の表面から放出されたスパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。
　なお、図１９に示す例では、取付部８１ｆの表面８１ｄ内で、互いに交差する２つの方向、例えば図１９のＹ軸方向およびＸ軸方向にそれぞれ延在する溝４４ａおよび溝４４ｂが、それぞれの延在する方向と交差する方向に配列することで、溝４４が格子状に形成されている。しかし、溝４４として、取付部８１ｆの表面８１ｄ内で、互いに交差する２つの方向のうち一方の方向、例えば図１９のＹ軸方向に延在する溝４４ａのみが、その延在する方向と交差する方向に配列するように形成してもよい。
　本第１変形例でも、実施の形態２と同様に、本体部８１ｃに着脱可能に取り付けられた取付部８１ｆの表面８１ｄに凹凸ＩＲが形成されている。これにより、イオンガンで発生した陽イオンの一部がカソード８１に衝突してカソード８１の表面が削られることでイオンガンの性能が劣化した場合において、表面８１ｄに凹凸ＩＲが形成された取付部８１ｆを着脱交換することで、容易に性能を復帰させることができる。そのため、メンテナンス性に優れたカソードを実現することができ、交換部品のコストを低減することができる。
　なお、前述した実施の形態１において、イオン化室ＩＣの内部に面した領域４０におけるカソード１１の表面１１ａに、穴４１（図３および図４参照）に代え、本第１変形例における溝４４が形成されていてもよい。
　＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
　本実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、カソード７１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、凹凸ＩＲが形成されている。これにより、凹凸ＩＲの底部に陽イオンが照射される照射角度が、カソード７１の表面に対して垂直な方向を中心とする狭い範囲に制限されることでスパッタ収率が低減する。また、凹凸ＩＲの底部から放出されたスパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する。さらに、凹凸ＩＲから放出されたスパッタ粒子が散乱される。これらの理由により、本実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。したがって、イオンガンおよびイオンミリング装置において、イオンガンの内部で異常放電が発生することなく、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができる。
　また、本実施の形態２では、本体部７１ｃに着脱可能に取り付けられた取付部７１ｆの表面に凹凸ＩＲが形成されている。これにより、前述したように、メンテナンス性に優れたカソードを実現することができ、交換部品のコストを低減することができる。
　（実施の形態３）
　実施の形態１では、カソード１１は、一体に形成されており、一体に形成されたカソード１１の表面１１ａに凹凸ＩＲが形成されていた（図３および図４参照）。一方、実施の形態３では、カソード９１の本体部９１ｃの表面９１ａに、取付部としてのプレート９１ｆが着脱可能に取り付けられており、プレート９１ｆの表面９１ｄに凹凸ＩＲが形成されている（後述する図２２および図２３参照）。
　実施の形態３のイオンミリング装置およびイオンガンのうちカソード９１以外の部分については、実施の形態１と同様にすることができるため、その説明を省略する。
　＜カソードの構成＞
　図２２は、実施の形態３におけるカソードを示す平面図であり、図２３は、実施の形態３におけるカソードを示す断面図である。図２３は、図２２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図２２および図２３に示すように、カソード９１は、表面９１ａおよび裏面９１ｂを有する本体部９１ｃと、表面９１ｄおよび裏面９１ｅを有するプレート９１ｆとを含む。本体部９１ｃは、円盤状に形成されており、本体部９１ｃには、本体部９１ｃをベース１７にネジで固定するためのネジ固定用孔４９が形成されている。本体部９１ｃは、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。
　プレート９１ｆは、本体部９１ｃの表面９１ａに着脱可能に取り付けられている。プレート９１ｆは、導電性のある磁性材料、すなわち磁性導電体からなる。プレート９１ｆには、プレート９１ｆを本体部９１ｃにネジで固定するためのネジ固定用孔９８が形成されている。
　このようなプレート９１ｆは、プレート９１ｆの裏面９１ｅが本体部９１ｃの表面９１ａと対向した状態で、本体部９１ｃに例えばネジ止めされることで、本体部９１ｃの表面９１ａに取り付けられている。そして、表面９１ａにプレート９１ｆが取り付けられた本体部９１ｃが、ベース１７に例えばネジ止めされることで、固定されている。
　本実施の形態３では、本体部９１ｃの表面９１ａに取り付けられたプレート９１ｆは、イオン化室ＩＣの内部に面している。また、本実施の形態３では、本体部９１ｃの表面９１ａに取り付けられたプレート９１ｆの表面９１ｄのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、プレート９１ｆを貫通する貫通孔としての複数の孔４５が形成されている。すなわち、本実施の形態３では、プレート９１ｆの表面９１ｄに形成される凹凸ＩＲは、複数の孔４５からなる。具体的には、カソード９１のイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０として、例えばプレート９１ｆの中心部における５．６ｍｍφの直径を有する領域４０に、凹凸ＩＲとして、孔４５を３１個形成することができる。これにより、カソード９１を、実施の形態１のカソード１１と同様のカソードとして機能させることができる。
　好適には、孔４５は、円錐台状または角錐台状に形成されており、孔４５の本体部９１ｃ側の開口面積が、孔４５の本体部９１ｃ側と反対側の開口面積よりも大きい。すなわち、好適には、表面９１ｄにおける孔４５の開口面積が、裏面９１ｅにおける孔４５の開口面積よりも小さく、孔４５は、逆テーパ形状を有している。これにより、孔４５の底部がスパッタされて放出されたスパッタ粒子が孔４５の内部にさらに再付着しやすくなるため、凹凸ＩＲとしての孔４５が逆テーパ形状を有しない場合に比べ、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量をさらに低減することができる。したがって、イオンガンおよびイオンミリング装置において、イオンガンの内部で異常放電が発生することなく、イオンガンをさらに長時間にわたって正常に動作させることができる。
　なお、本実施の形態３でも、実施の形態１の第１変形例と同様に、凹凸ＩＲとして、プレート９１ｆの表面９１ｄのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、プレート９１ｆの表面９１ｄが粗面化された凹凸４２（図５および図６参照）が形成されていてもよい。また、本実施の形態３でも、実施の形態１の第２変形例と同様に、凹凸ＩＲとして、プレート９１ｆの表面９１ｄのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、複数の円周状の溝４３（図７および図８参照）が形成されていてもよい。さらに、本実施の形態３でも、実施の形態２の第１変形例と同様に、凹凸ＩＲとして、プレート９１ｆの表面９１ｄのうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、格子状の溝４４（図１９～図２１参照）が形成されていてもよく、また、一方向のみに延在する溝が、その延在する方向と交差する方向に配列されていてもよい。
　＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
　本実施の形態３でも、実施の形態１と同様に、カソード９１の表面のうちイオン化室ＩＣの内部に面した領域４０に、凹凸ＩＲが形成されている。これにより、凹凸ＩＲの底部に陽イオンが照射される照射角度が、カソード９１の表面に対して垂直な方向を中心とする狭い範囲に制限されることでスパッタ収率が低減する。また、凹凸ＩＲの底部から放出されたスパッタ粒子が凹凸ＩＲの内部に再付着する。さらに、凹凸ＩＲから放出されたスパッタ粒子が散乱される。これらの理由により、本実施の形態３でも、実施の形態１と同様に、スパッタ粒子がアノード１３の内周面へ堆積する量を低減することができる。したがって、イオンガンおよびイオンミリング装置において、イオンガンの内部で異常放電が発生することなく、イオンガンを長時間にわたって正常に動作させることができる。
　また、本実施の形態３では、本体部９１ｃに着脱可能に取り付けられたプレート９１ｆの表面に凹凸ＩＲが形成されている。これにより、実施の形態２と同様に、メンテナンス性に優れたカソードを実現することができ、交換部品のコストを低減することができる。
　さらに、カソード９１が一体として形成された部材からなるときは、カソード９１の表面に逆テーパ形状を有する孔４５を形成することは容易ではなく、カソード９１の製造コストが増加するおそれがある。しかし、本実施の形態３では、プレート９１ｆの裏面９１ｅからテーパ形状を有する孔４５を容易に形成し、孔４５が形成されたプレート９１ｆを本体部９１ｃの表面９１ａに取り付けることで、カソード９１の表面に逆テーパ形状を有する孔４５を容易に形成することができる。そのため、カソードの製造コストを容易に低減することができる。
　以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
　本発明は、イオン源およびイオンミリング装置に適用して有効である。
　６　試料
　７　試料台
　８　試料ステージ
　９　試料ステージ駆動部
１０　ガス供給機構
１１、１２、５１、６１、７１、８１、９１　カソード
１１ａ、５１ａ、６１ａ、７１ａ、７１ｄ、８１ａ、８１ｄ、９１ａ、９１ｄ　表面
１１ｂ、５１ｂ、６１ｂ、７１ｂ、７１ｅ、８１ｂ、８１ｅ、９１ｂ、９１ｅ　裏面
１３　アノード
１３ａ、１５ａ　筒状部
１３ｂ、１５ｂ　底部
１４　永久磁石
１５　加速電極
１６　インシュレータ
１７　ベース
１８、１９、４５、７５、８５　孔
２１　放電電源
２２　加速電源
３１～３３　イオンビーム通過孔
４０、４０ａ　領域
４１　穴
４２　凹凸
４３、４４、４４ａ、４４ｂ　溝
４９、９８　ネジ固定用孔
７１ｃ、８１ｃ、９１ｃ　本体部
７１ｆ、８１ｆ　取付部
９１ｆ　プレート
ｄａ、ｄｃ　直径
ＧＣ　イオンガン制御部
ＧＰ　イオン生成部
ＩＢ　イオンビーム
ＩＣ　イオン化室
ＩＧ　イオンガン
ＩＰ　イオン射出部
ＩＲ　凹凸
ＳＰ　試料保持部
ＶＣ　真空チャンバー
ＶＰ　真空排気系
 

Claims (15)

  1. 　第１室と、
    　前記第１室でガスをイオン化してイオンを生成するイオン生成部と、
    を有し、
    　前記イオン生成部は、
    　前記第１室に設けられたアノードと、
    　前記第１室に面して設けられ、電子を放出する第１カソードと、
    　前記第１室にガスを供給するガス供給部と、
    　前記第１室に磁場を発生させる磁場発生部と、
    　を含み、
    　前記第１カソードにより放出された電子を、前記磁場発生部が発生した磁場により旋回させて、前記ガス供給部により供給されたガスに衝突させることで、前記第１室でイオンを生成するものであり、
    　前記第１カソードの表面のうち前記第１室に面した第１領域に、凹凸が形成されている、イオン源。
  2. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記アノードは、前記第１領域における前記第１カソードの表面に交差する第１方向に延びる筒状に形成されており、
    　前記第１カソードの表面のうち前記第１領域は、前記第１方向から視たときに、筒状の前記アノードの内周面に囲まれた第２領域に内包されている、イオン源。
  3. 　請求項２記載のイオン源において、
    　前記アノードは、前記第１領域における前記第１カソードの表面に垂直な前記第１方向に延びる円筒状に形成されており、
    　前記第１カソードの表面のうち前記第１領域は、前記第１方向から視たときに、円筒状の前記アノードの内周面に囲まれた円状の前記第２領域に内包された円状の領域であり、
    　前記アノードの内径をｄａとし、前記円状の前記第１領域の直径をｄｃとしたとき、ｄｃ≧０．７ｄａの条件を満たしている、イオン源。
  4. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記凹凸は、前記第１領域における前記第１カソードの表面が粗面化されたものであり、
    　粗面化された前記凹凸の平均粗さは、５０μｍ以上である、イオン源。
  5. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記凹凸は、前記第１領域における前記第１カソードの表面に形成された複数の穴部からなる、イオン源。
  6. 　請求項５記載のイオン源において、
    　前記複数の穴部の各々の深さが１ｍｍ以上である、イオン源。
  7. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記凹凸は、前記第１領域における前記第１カソードの表面に形成された複数の溝部からなる、イオン源。
  8. 　請求項７記載のイオン源において、
    　前記複数の溝部の各々は、前記第１領域における前記第１カソードの表面に垂直な第２方向から視たときに、円周状である、イオン源。
  9. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記凹凸は、前記第１領域における前記第１カソードの表面に形成された格子状の溝部からなる、イオン源。
  10. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記第１カソードは、
    　第１本体部と、
    　前記第１本体部に形成された開口部と、
    　前記開口部に着脱可能に取り付けられた第１取付部と、
    　を含み、
    　前記第１本体部は、前記第１室に面しており、
    　前記開口部は、前記第１本体部の表面のうち前記第１室に面した前記第１領域に形成されており、
    　前記凹凸は、前記開口部に取り付けられた前記第１取付部の表面に形成されている、イオン源。
  11. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記第１カソードは、
    　第２本体部と、
    　前記第２本体部の表面に着脱可能に取り付けられた第２取付部と、
    　を含み、
    　前記第２本体部の表面に取り付けられた前記第２取付部は、前記第１室に面しており、
    　前記凹凸は、前記第２本体部の表面に取り付けられた前記第２取付部の表面のうち前記第１室に面した前記第１領域に形成されている、イオン源。
  12. 　請求項１１記載のイオン源において、
    　前記凹凸は、前記第２取付部を貫通する複数の貫通孔からなり、
    　前記複数の貫通孔の各々は、円錐台状または角錐台状に形成されており、
    　前記貫通孔の前記第２本体部側の開口面積が、前記貫通孔の前記第２本体部側と反対側の開口面積よりも大きい、イオン源。
  13. 　請求項１記載のイオン源において、
    　前記第１室に形成された孔部と、
    　前記第１室で生成されたイオンを、前記孔部を通して前記第１室から射出するイオン射出部と、
    　を有する、イオン源。
  14. 　請求項２記載のイオン源において、
    　前記イオン生成部は、前記第１室に面して設けられた第２カソードを含み、
    　前記磁場発生部は、前記第１方向に延びる筒状の永久磁石であり、
    　前記第１カソードは、磁性導電体からなり、かつ、板状に形成されており、
    　前記第２カソードは、磁性導電体からなり、かつ、板状に形成されており、
    　前記第１カソードは、筒状の前記永久磁石の前記第１方向の一方の端部に吸着されており、
    　前記第２カソードは、筒状の前記永久磁石の前記第１方向の他方の端部に吸着されており、
    　前記第１室は、前記永久磁石、前記第１カソードおよび前記第２カソードにより区画されている、イオン源。
  15. 　気密に設けられた第１室と、
    　前記第１室を真空排気する真空排気部と、
    　前記第１室で試料を保持する試料保持部と、
    　前記試料保持部に保持された試料に向けてイオンを射出して前記試料を加工するイオン源と、
    　を有し、
    　前記イオン源は、
    　第２室と、
    　前記第２室に形成された孔部と、
    　前記第２室でガスをイオン化してイオンを生成するイオン生成部と、
    　前記第２室で生成されたイオンを、前記孔部を通して前記第２室から射出するイオン射出部と、
    　を有し、
    　前記第２室は、前記孔部を介して前記第１室と連通しており、
    　前記イオン生成部は、
    　前記第２室に設けられたアノードと、
    　前記第２室に面して設けられ、電子を放出する第１カソードと、
    　前記第２室にガスを供給するガス供給部と、
    　前記第２室に磁場を発生させる磁場発生部と、
    　を含み、
    　前記第１カソードにより放出された電子を、前記磁場発生部が発生した磁場により旋回させて、前記ガス供給部により供給されたガスに衝突させることで、前記第２室でイオンを生成するものであり、
    　前記第１カソードの表面のうち前記第２室に面した第１領域に、凹凸が形成されている、イオンミリング装置。
     
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