WO2016121080A1 - イオンミリングのマスク位置調整方法、マスク位置を調整できる電子顕微鏡、試料ステージに搭載されるマスク調整装置、およびイオンミリング装置の試料マスク部品 - Google Patents

イオンミリングのマスク位置調整方法、マスク位置を調整できる電子顕微鏡、試料ステージに搭載されるマスク調整装置、およびイオンミリング装置の試料マスク部品 Download PDF

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sample
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electron microscope
sample stage
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岩谷　徹
高須　久幸
栄 高堀
上野　敦史
健人 堀之内
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/202—Movement

Definitions

  • the present invention relates to an ion milling apparatus for producing an observation sample such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • TEM transmission electron microscope
  • the ion milling apparatus is an apparatus for polishing a surface or a cross section of metal, glass, ceramic, or the like by irradiating an argon ion beam or the like, and observes the surface or cross section of a sample with an electron microscope such as SEM or TEM. Therefore, it is suitable as a pretreatment device.
  • the vicinity of the part to be observed is cut using, for example, a diamond cutter or a thread saw, and then the cut surface is mechanically polished and attached to a sample stage for an electron microscope. I was observing the image.
  • a soft sample such as a polymer material or aluminum has a problem that the observation surface is crushed or deep scratches remain due to abrasive particles.
  • a hard sample such as glass or ceramic has a problem that polishing is difficult.
  • the composite material in which a soft material and a hard material are laminated has a problem that cross-section processing is extremely difficult.
  • the ion milling apparatus can process a soft sample without losing the shape of the surface, and can polish a hard sample and a composite material, so that a mirror-shaped cross section can be easily obtained. There is.
  • One of the sample preparation methods in such an ion milling apparatus is a method called cross-section milling.
  • Cross-section milling is a method in which a portion of the ion beam is shielded by a mask (shielding plate) placed on the top of the sample, and the sample cross-section is sputtered along the ridgeline (end face) of the mask. A cross section of the sample can be made.
  • Patent Document 1 In International Publication No. 2012/060416 (Patent Document 1), it is disclosed that the mask position is adjusted with an optical microscope.
  • Patent Document 2 provides a mask position adjustment mechanism provided with a motor, a battery, and an infrared sensor, and a mask position adjustment mechanism disposed in an electron microscope provided with an infrared ray provided in a sample chamber. It is disclosed to operate via a lamp.
  • the inventor of the present application diligently studied to highly accurately perform mask position adjustment for cross-sectional milling with a simple configuration, and as a result, the following knowledge was obtained.
  • Patent Document 2 does not have a battery supply means in the electron microscope, and therefore requires a separate charging operation. Even if a solar cell that generates power by infrared rays is provided and the battery is charged by irradiation with infrared rays, a large amount of infrared rays is required to charge the battery to such an extent that motor control is possible.
  • An object of the present invention relates to adjusting the mask position with high accuracy while observing with an electron microscope without providing a heat source in the electron microscope.
  • the present invention relates to adjusting the mask position by driving the R axis of an electron microscope.
  • the electron microscope The mask position can be adjusted with high accuracy while observing.
  • the side schematic diagram of the ion milling device which can perform both section milling processing and plane milling processing.
  • the upper surface schematic of the ion milling apparatus which can perform both a cross-section milling process and a plane milling process.
  • FIG. The block diagram of the sample mask unit 21 main body.
  • FIG. The block diagram of the modification of the sample mask unit 21.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state before the sample mask unit fine movement mechanism 4 installed in the sample mask unit 21 is fixed on the fixed base 42 or a state where it is removed from the fixed base 42.
  • Explanatory drawing which shows the state which fixed the sample mask unit fine movement mechanism 4 on the fixing stand 42.
  • FIG. Explanatory drawing of the method of matching the site
  • FIG. Explanatory drawing of the method of making the cross section of the sample 3 and the mask 2 parallel.
  • a sample mask component capable of adjusting the positional relationship between the sample and the mask is placed on the sample stage of the electron microscope, the mask position adjusting unit of the sample mask component is connected to the R axis of the sample stage, and the R axis is driven.
  • a mask position adjustment method for ion milling is disclosed in which the position of the mask can be adjusted, the R axis is driven while observing with an electron microscope, and the position of the mask is adjusted.
  • the mask moves along the linear guide by rotating the mask position adjusting unit.
  • the mask position adjusting unit and the R axis are connected via a rotating member, and the driving of the R axis is transmitted to the mask position adjusting unit by the rotation of the rotating member.
  • the sample mask component is installed in the moving mechanism that rotatably holds the R mechanism in the sample stage.
  • the sample stage is driven in the X axis, Y axis, Z axis, and T axis, and raster rotation is performed, the observation screen of the electron microscope is adjusted, and the position of the mask is adjusted.
  • the electron microscope is capable of adjusting the mask position of the ion milling apparatus, and includes a sample stage on which a sample mask component capable of adjusting the positional relationship between the sample and the mask is provided, and the sample installed on the sample stage
  • a sample mask component capable of adjusting the positional relationship between the sample and the mask
  • the sample installed on the sample stage Disclosed is an apparatus in which the R axis of the sample stage is connected to a mask position adjustment unit of a mask component, and the position of the mask can be adjusted by driving the R axis.
  • the embodiment discloses an electron microscope that rotates a mask position adjusting member that moves a mask along a linear guide by driving an R axis.
  • an electron microscope in which the sample stage includes a rotating member that connects the mask position adjusting unit and the R axis, and the driving of the R axis is transmitted to the mask position adjusting unit by the rotation of the rotating member.
  • an electron microscope in which a sample mask part is installed on a moving mechanism that rotatably holds an R mechanism of a sample stage.
  • a microscope is disclosed.
  • an ion milling mask adjustment device installed on a sample stage of an electron microscope, in which a sample mask component capable of adjusting the positional relationship between the sample and the mask is installed and installed in the mask adjustment device
  • a mask position adjusting unit of a sample mask component is connected to the R axis of the sample stage, and the mask position is adjusted by driving the R axis.
  • the embodiment discloses a mask adjustment device that rotates a mask position adjustment component that moves a mask along a linear guide by driving an R axis.
  • the embodiment discloses a mask adjustment device that includes a rotation member that connects the mask position adjustment unit and the R axis, and transmits the drive of the R axis to the mask position adjustment unit by the rotation of the rotation member.
  • the mask adjusting device is installed in a moving mechanism that rotatably holds the R mechanism of the sample stage.
  • the embodiment discloses a mask adjusting device that moves by driving the X axis, Y axis, Z axis, and T axis of the sample stage while adjusting the position of the mask by driving the R axis.
  • a sample mask part of an ion milling apparatus capable of adjusting the positional relationship between the sample and the mask, and a mask position adjusting component that adjusts the positional relationship between the sample and the mask when installed on the sample stage of the electron microscope.
  • a mask position adjusting component that adjusts the positional relationship between the sample and the mask when installed on the sample stage of the electron microscope.
  • a sample mask part for moving the mask along the linear guide by rotating the mask position adjusting part is disclosed.
  • a sample mask part in which the mask position adjusting unit is connected to the R axis via a rotating member, and the driving of the R axis is transmitted by the rotation of the rotating member.
  • the sample mask component is installed in a moving mechanism that rotatably holds the R mechanism of the sample stage.
  • the embodiment discloses a sample mask component that moves by driving the X axis, Y axis, Z axis, and T axis of the sample stage while adjusting the position of the mask by driving the R axis.
  • an ion milling apparatus that uses an argon ion beam and can selectively perform both cross-sectional milling and planar milling will be described as an example.
  • FIG. 1 is a schematic side view of an ion milling apparatus capable of performing both cross-sectional milling and planar milling
  • FIG. 2 is a schematic top view thereof.
  • the ion milling apparatus of the present embodiment includes a processing observation window 7 on the upper surface of the vacuum chamber 15, a sample stage 8 on the front surface, and an ion source 1 on the left side, and a shutter 101 is provided between the sample 3 and the processing observation window 7. ing.
  • the shutter 101 is installed to prevent sputtered particles from accumulating on the processing observation window 7.
  • the vacuum chamber 15 has a box shape that forms a space for forming a vacuum atmosphere, but may have a shape conforming to the box shape.
  • the processing observation window 7 is provided above the vacuum chamber 15 (in a gravitational environment, the direction opposite to the direction of the gravitational field).
  • the ion source 1 is provided on a side wall surface of the vacuum chamber 15 (a surface adjacent to the upper direction of the vacuum chamber 15 and perpendicular to the direction of the gravitational field). That is, the processing observation window 7 is provided on the wall surface of the vacuum chamber 15 in a direction orthogonal to the plane including the tilt axis of the sample stage 8 and the irradiation trajectory of the ion beam irradiated from the ion source 1.
  • the ion beam irradiated by the ion source is not limited to an argon ion beam, and may be a krypton ion beam, a xenon ion beam, a gallium ion beam, or the like.
  • an optical microscope or an electron microscope may be installed in the opening for the processing observation window 7.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a configuration for rotating and tilting the rotating body 9 and a sample stage drawing mechanism.
  • the sample unit base 5 is provided with a rotating body 9 on which a sample holding member (member holding the sample including the sample mask unit fine movement mechanism 4) can be placed.
  • the rotating body 9 supports the sample holding member. Functions as a support base.
  • the sample unit base 5 includes a plurality of gears 50 that transmit a rotational force from the outside of the flange 10 to the rotator 9, and a plurality of bearings 51 that rotatably support the rotator 9.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 is provided with a mask unit fixing portion 52 (including screws) on the bottom surface thereof.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 is mounted on the sample unit base 5 by bringing its bottom surface into contact with the upper surface of the rotating body 9 of the sample unit base 5 and screw-fixing to the rotating body 9 via the mask unit fixing portion 52.
  • the rotating body 9 mounted on the sample unit base 5 is configured so as to be able to rotate and tilt at an arbitrary angle with respect to the optical axis of the ion beam irradiated from the ion source 1 from the side surface direction of the vacuum chamber 15. The direction and angle of inclination are controlled by the sample stage 8.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a configuration for rotating and tilting the rotating body 9 and a modified example of the sample stage drawing mechanism.
  • a method of rotating and tilting the rotating body 9 of the sample unit base 5 as shown in FIG. 3, a plurality of gears 50 and shafts are provided on the sample unit base 5, and a rotating shaft (sample stage) disposed inside the sample unit base 5 is used.
  • a shaft coupling 53 connected to the gear 50 of the sample unit base 5 is provided, and the rotation axis (sample stage 8) provided on the flange 10 is provided.
  • a method of rotating a rotating shaft different from that of the other shaft may be used.
  • the sample 3 installed on the sample mask unit fine movement mechanism 4 can be set at a predetermined angle with respect to the optical axis of the ion beam. Furthermore, the rotation axis of the rotating body 9 of the sample unit base 5 and the position of the upper surface of the sample (the lower surface of the mask) can be matched to produce an efficient smooth processed surface.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 is configured to be movable in the front-rear and left-right directions in the direction perpendicular to the optical axis of the ion beam, that is, in the X direction and the Y direction in FIGS.
  • the sample unit base 5 is arranged via a sample stage 8 (rotation mechanism) mounted on a flange 10 that also serves as a part of the container wall of the vacuum chamber 15, and the flange 10 is pulled out along the linear guide 11.
  • a sample stage 8 rotation mechanism
  • the sample unit base 5 is configured to be pulled out of the vacuum chamber 15. In this way, the sample stage drawing mechanism is configured.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of the sample stage drawing mechanism 60.
  • the sample stage drawing mechanism 60 includes a linear guide 11 and a flange 10 fixed to the linear guide 11.
  • the sample unit base 5 fixed to the sample stage 8 mounted on the flange 10 is pulled out from the vacuum chamber 15 along the linear guide 11 by pulling out the flange 10 along the linear guide 11.
  • the installed sample holder 23 and the sample 3 installed in the sample holder 23 are drawn out from the vacuum chamber 15 integrally.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 provided with the sample mask unit 21 has a configuration that is detachably fixed to the sample unit base 5. Therefore, when the sample mask unit fine movement mechanism 4 provided with the sample mask unit 21 is pulled out of the vacuum chamber 15, the sample mask unit fine movement mechanism 4 is brought into a detachable state from the sample unit base 5 (detachment standby of the sample mask unit 21).
  • FIG. 5 shows a state in which the sample mask unit fine movement mechanism 4 provided with the sample mask unit 21 is detached from the sample unit base 5 outside the vacuum chamber 15 from such a detachable state. This attachment / detachment is performed manually or with an appropriate instrument.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the main body of the sample mask unit 21.
  • a sample mask unit 21 main body
  • the sample holder 23 includes a sample holder rotation ring 22 and a sample holder rotation screw 28 as a rotation mechanism, and can rotate vertically with respect to the optical axis of the ion beam.
  • the sample holder rotating ring 22 is configured to rotate by turning the sample holder rotating screw 28, and returns to the position before rotation by reversely rotating with the spring pressure of the spring 29 compressed by this rotation. It has become.
  • the sample mask unit 21 has a mechanism that can be attached to and detached from the sample mask unit fine movement mechanism 4 and a mechanism that can finely adjust the position and rotation angle of the mask 2.
  • a mechanism that can be attached to and detached from the sample mask unit fine movement mechanism 4 and a mechanism that can finely adjust the position and rotation angle of the mask 2.
  • the sample mask unit 21 and the sample mask unit fine movement mechanism 4 are two parts will be described.
  • the sample mask unit 21 and the sample mask fine movement mechanism 4 may be composed of one part.
  • the unit fine movement mechanism will be described separately).
  • the mask 2 is fixed to the mask holder 25 with a mask fixing screw 27.
  • the mask holder 25 is moved along the linear guide 24 by operating the mask fine adjustment mechanism 26 (mask position adjusting unit), and the mask 2 is also moved along with this movement, whereby the sample 3 and the mask 2 are moved.
  • the relative positional relationship (shielding positional relationship) is finely adjusted.
  • a micrometer may be used for the mask fine adjustment mechanism 26.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of the sample holder 23 and the sample holder rotating ring 22.
  • the outside of the sample holder rotating ring 22 has a circular arc shape, and the inside thereof has a shape that can be fitted to the sample holder 23.
  • the sample holder 23 is inserted into the sample holder rotating ring 22 from the lower side opposite to the upper side for fixing the sample, and is fixed to the sample holder rotating ring 22 with screws.
  • the sample 3 adhered and fixed to the sample holder 23 is closely attached and fixed to the mask 2 after the relative position between the sample 3 and the mask 2 is finely adjusted.
  • FIG. 8 and 9 are configuration diagrams of a modification of the sample mask unit 21.
  • FIG. FIG. 8 shows a state in which the sample holder 23 to which the sample 3 is fixed is mounted in the sample mask unit 21, and
  • FIG. 9 shows a state in which the sample holder 23 to which the sample 3 is fixed is removed from the sample mask unit 21.
  • the sample holder 23 to which the sample 3 is bonded and fixed can be mounted in the sample mask unit 21 by the sample 3 coming into contact with the mask 2 from the back surface of the sample mask unit 21 through the hole provided in the sample holder rotating ring 22. Become.
  • the sample holder 23 to which the sample 3 is bonded and fixed is fixed by a sample holder fixing bracket 35.
  • This fixing is performed by inserting a hexagon wrench or the like into the sample holder fixing mechanism 36, rotating it, and moving the sample holder fitting 35.
  • the mask fine adjustment mechanism 26 can finely adjust the relative position between the mask 2 fixed to the mask holder 25 and the sample 3 adhered and fixed to the sample holder 23 by finely adjusting the position of the mask holder 25. .
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a state before the sample mask unit fine movement mechanism 4 installed in the sample mask unit 21 is fixed on the fixing base 42 or a state where it is removed from the fixing base 42.
  • FIG. 11 is an explanatory view showing a state in which the sample mask unit fine movement mechanism 4 is fixed on the fixing base 42.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 provided with the sample mask unit 21 is removed from the sample unit base 5 (FIG. 10) and mounted on the fixed base 42 of the optical microscope 40 ( 11), the shielding positional relationship of the mask 2 with respect to the sample 3 is adjusted.
  • the optical microscope 40 for observing the shielding positional relationship between the mask 2 and the sample 3 is configured separately from the vacuum chamber 15 and can be arranged at an arbitrary location.
  • the optical microscope 40 is for installing the sample mask unit fine movement mechanism 4 on which the well-known loupe 12, the loupe fine movement mechanism 13, the observation table 41, and the removed sample mask unit 21 are installed on the observation table 41.
  • a fixed base 42 has a positioning shaft and a hole. Then, the sample mask unit fine movement mechanism 4 provided with the sample mask unit 21 is installed at a fixed position on the fixed base 42 having reproducibility by a positioning shaft and a hole.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram of a method for aligning the portion of the sample 3 whose cross section is to be polished with the ion beam center 98.
  • a trace made by irradiating an ion beam with a photosensitive paper or the like attached to the sample holder 23 (ie, the center of the beam) and the center of the loupe are driven in the directions X2 and Y2 in FIG. Move to match.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 in which the sample mask unit main body 21 after the sample 3 is installed is installed on the fixed base 42 as shown in FIG.
  • the ion beam center 98 and the portion to be polished (hereinafter referred to as a processing object) are aligned. be able to.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a method for making the cross section of the sample 3 and the mask 2 parallel to each other.
  • the sample holder rotating screw 28 is rotated to adjust the position in the X1 direction of FIG. 14 so that the cross section of the sample 3 and the ridge line of the mask 2 are parallel.
  • the mask fine adjustment mechanism 26 is rotated and set so that the center of the object to be processed and the ridge line of the mask 2 are aligned. (At this time, if there is no object to be processed and a cross section of the sample 3 is desired, the sample 3 is slightly more than the mask 2. (For example, the mask fine adjustment mechanism 26 is set so that the sample 3 protrudes about 50 ⁇ m from the mask 2).
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 provided with the sample mask unit 21 is detached from the sample unit base 5 and mounted on the fixed base 42 of the optical microscope 40. Then, the masking position relationship of the mask 2 with respect to the sample 3 is adjusted by the mask position adjusting unit (mask fine adjusting mechanism 26).
  • FIG. 14 is an explanatory diagram of a modified example of the method of installing the sample mask unit fine movement mechanism 4 on the optical microscope 40.
  • the optical microscope 40 may be installed by a method using the lower surface of the sample mask unit fine movement mechanism 4 without using the sample mask unit 21 or the mask unit fixing portion 52 to the sample unit base 5 of the sample mask unit fine movement mechanism 4. good.
  • loupe fine movement mechanism 13 for adjusting the beam center and the loupe center is performed on the fixed base 42 side, and the other operations are the same.
  • sample mask unit fine movement mechanism 4 in which the sample mask unit 21 is installed will be described from a state where it is detached from the sample unit base 5 and mounted on the fixed base 42 of the optical microscope 40.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of an adjustment method using an optical microscope before fine adjustment by an electron microscope.
  • the loupe center and the ion beam center have already been adjusted.
  • the position of the processing object 100 of about several ⁇ m that can be seen as a point with the loupe is adjusted in the X3 and Y3 directions of FIG.
  • the sample holder rotating screw 28 is rotated to adjust the position in the X1 direction of FIG. 13, and the cross section of the sample 3 and the ridge line of the mask 2 are parallel. (If the workpieces are arranged side by side, the edge lines of the mask 2 are matched with them).
  • the positional relationship between the processing object 100 and the ridgeline of the mask 2 is desirably adjusted to 25 ⁇ m or less by turning the mask fine adjustment mechanism 26 (because it is easy to adjust under the electron microscope thereafter). After the adjustment so far, the sample mask unit fine movement mechanism 4 on which the sample mask unit 21 is installed is removed from the fixing base 42 of the optical microscope 40 and mounted on the sample stage of the electron microscope.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram of the principle of an electron microscope.
  • the electron source may be a LaB 6 electron source, a field emission electron source, or a Schottky electron source.
  • the inside of the electron microscope is evacuated, and a high pressure is applied to the electron source 70 when the target vacuum pressure is reached.
  • An electron beam 71 is emitted from the electron source 70 to which a high voltage is applied.
  • the emitted electron beam 71 is focused by the electric potential of the Wehnelt electrode 72, and the trajectory is bent, so that a first crossover 74 is formed between the Wehnelt electrode 72 and the anode electrode 73.
  • the electron beam 71 accelerated by the acceleration voltage passes through the anode electrode 73 and receives a focusing action by the first focusing lens 75 (electromagnetic coil type), and the first focusing lens 75 and the second focusing lens 76 (electromagnetic coil).
  • a second crossover 77 is made between the mold).
  • a third crossover 78 is formed between the second focusing lens 76 and the objective lens 81.
  • the electron beam 71 is focused by the objective lens 81, is limited by the objective aperture 80, and is irradiated on the surface of the sample 79 (however, the objective aperture is not necessarily the main position).
  • the electron beam 71 irradiated on the surface of the sample 79 on the sample stage generates reflected electrons that bounce off the sample surface and secondary electrons that jump out of the sample surface. These reflected electrons and secondary electrons are captured by a detector installed in the sample chamber. The signal from the detector passes through an amplifier circuit, is further converted into a digital signal, and is sent to a display to be displayed as an image of the sample surface.
  • the sample stage of an electron microscope is generally driven by five axes (X, Y, Z, T, R), and can control the three-dimensional position, tilt, and rotation of front, rear, left, right, and up.
  • the T mechanism that is driven in the T-axis direction is arranged on the Z mechanism that is driven in the Z-axis direction, and similarly, a sample stage having a configuration in which the Y mechanism, the X mechanism, and the R mechanism are arranged in this order is taken as an example. explain. However, it is not limited to this configuration. For example, a configuration in which the Z mechanism is disposed on the T mechanism, a configuration in which the Y mechanism is disposed on the X mechanism, or a 6-axis drive configuration including two T mechanisms may be used.
  • FIG. 17 is a schematic top view of a sample stage of an electron microscope.
  • the R mechanism 111 disposed at the top of the sample stage of the electron microscope, the X mechanism 110 disposed below the R mechanism 111, and the like are shown.
  • the four positioning holes 112 provided in the X mechanism 110 are for determining the position of the mask adjustment unit base 116 used when the sample mask unit fine movement mechanism 4 is mounted on the electron microscope.
  • the R mechanism 111 disposed on the X mechanism 110 so as to be rotatable (R-axis drive) rotates (R-axis drive) when the R drive shaft 113 and the R drive gear 114 rotate.
  • the R drive shaft 113 of the sample stage according to the present embodiment is provided with a mask adjustment gear 115 for driving the mask fine adjustment mechanism 26.
  • FIG. 18 is a schematic top view of the mask adjustment unit base 116 installed on the sample stage.
  • the sample is mounted on the R mechanism 111 that is the highest level mechanism of the sample stage.
  • the sample mask unit fine movement mechanism 4 in which the sample mask unit 21 is installed is mounted on the mask adjustment unit base 116 installed in the X mechanism 110 as shown in FIG.
  • the mask adjustment unit base 116 is provided with an installation hole 117 for exposing a part of the R mechanism 111, so that normal observation is possible even when the mask adjustment unit base 116 is installed.
  • the mask adjustment base 116 may be integrated into the sample stage.
  • FIG. 19 is a schematic top view of the sample mask fine movement mechanism 4 mounted on the mask adjustment unit base 116 (sample stage), and FIG. 20 is a schematic side view thereof.
  • the mask adjustment unit base 116 is provided with a mask adjustment gear unit 118 in which three gears having the same diameter are arranged in a straight line.
  • the gear configuration (quantity, arrangement, type) is determined by the positional relationship between the mask adjustment gear 115 and the mask fine adjustment mechanism 26, and is not limited to this configuration. For example, the gears may not have the same diameter.
  • the lower gear of the mask adjustment gear unit 118 is connected to the mask adjustment gear 115.
  • the mask adjustment gear unit 118 can move the other end in a circular arc shape around the axis center of the lower gear. In this embodiment, when the mask adjustment gear unit 118 is made substantially vertical, the upper gear comes into contact with the mask fine adjustment gear 120 attached to the mask fine adjustment mechanism 26.
  • the positional relationship between the mask adjustment gear unit 118 and the mask fine adjustment gear 120 is not limited to this.
  • the mask adjustment gear unit 118 can move the other end in an arc shape around the axis center of the lower gear to a position where it comes into contact with the mask fine adjustment gear 120.
  • the contact portion between the mask fine adjustment gear 120 and the mask adjustment gear unit 118 is pressed and connected by the restoring force of the compression spring 119 connected to the mask adjustment gear unit 118 and the mask adjustment unit base 116.
  • the rotation of the R drive shaft 113 is transmitted to the mask adjustment gear 115, the mask adjustment gear unit 118, and the mask fine adjustment gear 120, and the mask fine adjustment mechanism 26 is rotated.
  • the position of the mask 2 can be controlled by the rotation of the R drive shaft 113. Further, by driving four axes (X, Y, Z, T) other than the R axis, the sample mask fine movement mechanism 4 mounted on the mask adjustment unit base 116 (sample stage) is moved to the four axes (X, Y) other than the R axis. , Z, T), the position can be controlled. Note that R-axis position control can be substituted by raster rotation in which the field of view is rotated by rotation in the electron beam scanning direction.
  • FIG. 21 is a schematic top view of a modification of the sample mask fine movement mechanism 4 mounted on the mask adjustment unit base 116 (sample stage).
  • the connection between the mask fine adjustment mechanism 26 and the R drive shaft is left without adding the mask fine adjustment gear 120 or the like to the mask fine adjustment mechanism 26, and a rubber washer 121 provided on the upper gear of the mask adjustment gear unit 118 is provided. It is in contact.
  • a flexible rotating part such as an O-ring may be used.
  • the positional relationship between the sample 3 and the mask 2 is finely adjusted using an electron microscope, the vicinity of the processing target 100 is observed with the electron microscope, but the processing target 100 is the center of the display screen at the initial observation position. It is desirable to adjust the arrangement relationship of the sample mask unit fine movement mechanism 4 on which the sample stage, the mask adjustment unit base 116, and the sample mask unit 21 are installed so as to be close to the position. In addition, when each member cannot be arrange
  • FIG. 22 is an observation view with an electron microscope (before fine adjustment).
  • a processing object 100 that can only be seen as a point by observation with the optical microscope 40 can be clearly confirmed at an appropriate magnification when observed with an electron microscope.
  • the sample stage is moved so that the center of the processing object 100 becomes the center of the display screen.
  • FIG. 23 is an observation view with an electron microscope (the ridgeline is tilted).
  • the ridgeline 99 of the mask 2 is inclined and difficult to adjust, rotation correction is performed by raster rotation.
  • the R mechanism 111 of the sample stage is driven to finely adjust the position of the mask 2.
  • the motor of the R mechanism 111 is driven, the R drive shaft 113 rotates and the R mechanism 111 rotates.
  • the object 100 to be observed (sample 3) is placed on the X mechanism 110. Does not rotate.
  • the rotation of the R drive shaft 113 rotates the gear of the mask adjustment gear unit 118 and the mask fine adjustment gear 120 to drive the mask fine adjustment mechanism 26 of the sample mask unit 21. Therefore, the ridgeline 99 of the mask 2 can be aligned with the center of the processing target 100 by moving the ridgeline 99 of the mask 2 while observing the processing target 100 with an electron microscope.
  • FIG. 24 is an observation view (after fine adjustment) using an electron microscope.
  • the position of the mask 2 can be adjusted (the ridgeline 99 of the mask 2 comes to the center of the workpiece 100)
  • the fine adjustment is completed by stopping the driving of the motor.
  • the ridgeline 99 of the mask 2 is arranged at the center of the processing object 100 of several ⁇ m or less, and the lower half of the processing object 100 is hidden by the mask 2.
  • the vacuum sample chamber of the electron microscope is opened to the atmosphere, and the mask adjustment gear unit 118 is pushed rightward in FIG. 20 so as to be separated from the mask fine adjustment gear 120, and the electron microscope sample stage (mask adjustment unit base 116), the sample mask unit fine movement mechanism 4 can be removed. Then, the sample mask unit fine movement mechanism 4 on which the sample mask unit 21 provided with the mask 2 having the mask 2 with the high-precision shielding position relationship with respect to the sample 3 is removed and mounted on the sample unit base 5 of the ion milling apparatus. After the sample unit base 5 is pushed back into the vacuum chamber 15, the inside of the vacuum chamber 15 is evacuated, and the rotary body 9 is reciprocally inclined while the sample unit base 5 is maintained in a horizontal state to perform cross-section milling. .
  • FIG. 25 is an explanatory diagram of a method (cross-section milling) for producing an observation cross section on the sample 3 (processing object 100) using an ion beam apparatus.
  • the sample 3 (processing object 100) not covered with the mask 2 is removed in the depth direction along the mask 2.
  • the surface of the cross section of the sample 3 (processing target portion 100) can be mirror-polished. Thereby, an observation cross section can be formed in the center of the processing object 100 of several micrometers or less.
  • the cross section of a minute object to be processed of ⁇ m or less can be milled over a wide range.
  • TSV Si through electrode
  • Cross-section milling can be performed on processing objects of ⁇ m or less.
  • the protrusion amount (the amount of the sample 3 protruding from the mask 2) is reduced. Since the adjustment can be made at several ⁇ m or less, the processing time can be greatly reduced.

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Abstract

電子顕微鏡内に発熱源を設けることなく、電子顕微鏡で観察しながらマスク位置を高精度に調整する。イオンミリングのマスク位置調整方法において、試料（３）とマスク（２）の位置関係を調整できる試料マスク部品（２１）を、電子顕微鏡の試料ステージに設置し、前記試料マスク部品（２１）のマスク位置調整部（２６）と前記試料ステージのＲ軸（１１３）とを連結し、Ｒ軸（１１３）の駆動により前記マスク（２）の位置を調整できるようにし、電子顕微鏡で観察しながら、前記Ｒ軸（１１３）を駆動させ、前記マスク（２）の位置を調整する。

Description

イオンミリングのマスク位置調整方法、マスク位置を調整できる電子顕微鏡、試料ステージに搭載されるマスク調整装置、およびイオンミリング装置の試料マスク部品
　本発明は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察用試料を作製するためのイオンミリング装置に関する。
　イオンミリング装置は、金属、ガラスおよびセラミックなどの表面や断面を、アルゴンイオンビームを照射するなどして研磨するための装置であり、ＳＥＭやＴＥＭなどの電子顕微鏡により試料の表面や断面を観察するための前処理装置として好適である。
　電子顕微鏡による試料の断面観察において、従来は、観察したい部位の近傍を、例えばダイヤモンドカッターや糸のこぎりなどを使用して切断した後に、切断面を機械研磨し、電子顕微鏡用の試料台に取り付けて像を観察していた。
　機械研磨の場合、例えば高分子材料やアルミニウムのように柔らかい試料では、観察表面がつぶれたり、研磨剤の粒子によって深い傷が残ったりといった問題があった。また、例えばガラスやセラミックのように固い試料では、研磨が難しいという問題があった。更に、柔らかい材料と固い材料とが積層された複合材料では、断面加工が極めて難しいという問題があった。
　これに対し、イオンミリング装置は、柔らかい試料でも表面の形態がつぶれることなく加工でき、また、固い試料および複合材料の研磨が可能であるため、鏡面状態の断面を容易に得ることができるという利点がある。
　このようなイオンミリング装置における試料作製方法の一つに断面ミリングと呼ばれる方法がある。
　断面ミリングとは、試料上部に配置したマスク（遮蔽板）によりイオンビームの一部を遮蔽して、マスクの稜線（端面）に沿って試料の断面をスパッタリングするものであり、マスクの稜線に沿った試料の断面ができる。
　断面ミリングを行うためには、イオンビームを照射する前に、試料の加工目的位置へマスクの稜線位置を合わせる必要があるが、国際公開第２０１２／０６０４１６号（特許文献１）には、試料に対するマスク位置の調整を光学顕微鏡にて行うことが開示されている。
　また、特開２０１１－２４９２４６号公報（特許文献２）には、マスク位置調整機構にモータ、バッテリーおよび赤外線センサーを設け、電子顕微鏡内に配置されたマスク位置調整機構を、試料室に設けた赤外線ランプを介して操作することが開示されている。
国際公開第２０１２／０６０４１６ 特開２０１１－２４９２４６号公報
　本願発明者が、断面ミリングにかかるマスク位置調整を、簡便な構成で、高精度に行うことについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
　断面ミリングに要求される加工目的物のサイズが小さくなってきており、特許文献１のような光学顕微鏡を用いたマスク位置調整は困難になってきている。
　マスク調整に、光学顕微鏡より高分解能である電子顕微鏡を用いたいが、特許文献２の装置では、電子顕微鏡内にバッテリーの供給手段がないため、充電の作業が別途必要となる。赤外線により発電する太陽電池を設け、赤外線照射によりバッテリーを充電しても、モータ制御が行える程度に充電するためには、多くの赤外線量を必要とするため、発熱の問題が発生する。
　本発明の目的は、電子顕微鏡内に発熱源を設けることなく、電子顕微鏡で観察しながらマスク位置を高精度に調整することに関する。
　本発明は、電子顕微鏡のＲ軸駆動により、マスク位置を調整することに関する。
　Ｒ軸は、電子顕微鏡の試料室内に元々存在しており、高精度な制御が可能であり、また、試料ステージのＲ軸駆動は、ラスターローテーションで代用できるため、本発明によれば、電子顕微鏡で観察しながらマスク位置を高精度に調整できる。
断面ミリング加工と平面ミリング加工の両方を行うことのできるイオンミリング装置の側面概略図。 断面ミリング加工と平面ミリング加工の両方を行うことのできるイオンミリング装置の上面概略図。 回転体９を回転傾斜させる構成および試料ステージ引出機構の構成図。 回転体９を回転傾斜させる構成および試料ステージ引出機構の変形例の構成図。 試料ステージ引出機構６０の構成図。 試料マスクユニット２１本体の構成図。 試料ホルダ２３および試料ホルダ回転リング２２の構成図。 試料マスクユニット２１の変形例の構成図。 試料マスクユニット２１の変形例の構成図。 試料マスクユニット２１に設置された試料マスクユニット微動機構４を固定台４２上に固定する前の状態、または固定台４２上から外した状態を示す説明図。 試料マスクユニット微動機構４を固定台４２上に固定した状態を示す説明図。 試料３の断面研磨したい部位をイオンビーム中心９８に合わせる方法の説明図。 試料３の断面とマスク２を平行とする方法の説明図。 試料マスクユニット微動機構４を光学顕微鏡４０へ設置する方法の変形例の説明図。 電子顕微鏡による微調整前の、光学顕微鏡を用いた調整方法の説明図。 電子顕微鏡の原理説明図。 電子顕微鏡の試料ステージの上面概略図。 試料ステージに設置されたマスク調整ユニットベース１１６の上面概略図。 マスク調整ユニットベース１１６（試料ステージ）に搭載された試料マスク微動機構４の上面概略図。 マスク調整ユニットベース１１６（試料ステージ）に搭載された試料マスク微動機構４の側面概略図。 マスク調整ユニットベース１１６（試料ステージ）に搭載された試料マスク微動機構４の変形例の上面概略図。 電子顕微鏡による観察図（微調整前）。 電子顕微鏡による観察図（稜線が傾いている状態）。 電子顕微鏡による観察図（微調整後）。 イオンビーム装置により試料３（加工目的物１００）に観察断面を作製する方法（断面ミリング加工）の説明図。
　実施例では、試料とマスクの位置関係を調整できる試料マスク部品を、電子顕微鏡の試料ステージに設置し、試料マスク部品のマスク位置調整部と、試料ステージのＲ軸を連結し、Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整できるようにし、電子顕微鏡で観察しながら、Ｒ軸を駆動させ、マスクの位置を調整する、イオンミリングのマスク位置調整方法を開示する。
　また、実施例では、マスク位置調整部が回転することにより、リニアガイドに沿ってマスクが移動することを開示する。
　また、実施例では、マスク位置調整部とＲ軸とを回転部材を介して連結し、当該回転部材の回転によりＲ軸の駆動をマスク位置調整部に伝達することを開示する。
　また、実施例では、試料ステージにおける、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に、試料マスク部品を設置することを開示する。
　また、実施例では、試料ステージをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動し、ならびにラスターローテーションし、電子顕微鏡の観察画面を調整して、マスクの位置を調整することを開示する。
　また、実施例では、イオンミリング装置のマスク位置を調整できる電子顕微鏡であって、試料とマスクの位置関係を調整できる試料マスク部品が設置される試料ステージを備え、当該試料ステージに設置された試料マスク部品のマスク位置調整部に、当該試料ステージのＲ軸を連結し、当該Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整できるものを開示する。
　また、実施例では、マスクをリニアガイドに沿って移動させるマスク位置調整部材をＲ軸の駆動により回転させる電子顕微鏡を開示する。
　また、実施例では、試料ステージが、マスク位置調整部とＲ軸を連結させる回転部材を備え、当該回転部材の回転によりＲ軸の駆動をマスク位置調整部に伝達する電子顕微鏡を開示する。
　また、実施例では、試料ステージの、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に、試料マスク部品を設置する電子顕微鏡を開示する。
　また、実施例では、Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整しつつ、試料ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動、ならびに電子顕微鏡のラスターローテーションにより、観察画面を調整できる電子顕微鏡を開示する。
　また、実施例では、電子顕微鏡の試料ステージに設置される、イオンミリングのマスク調整装置であって、試料とマスクの位置関係を調整できる試料マスク部品が設置され、当該マスク調整装置に設置された試料マスク部品のマスク位置調整部を、当該試料ステージのＲ軸に連結させ、当該Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整させるものを開示する。
　また、実施例では、マスクをリニアガイドに沿って移動させるマスク位置調整部品をＲ軸の駆動により回転させるマスク調整装置を開示する。
　また、実施例では、マスク位置調整部とＲ軸を連結させる回転部材を備え、当該回転部材の回転によりＲ軸の駆動をマスク位置調整部に伝達するマスク調整装置を開示する。
　また、実施例では、マスク調整装置が、試料ステージの、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に設置されることを開示する。
　また、実施例では、Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整しつつ、試料ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動により、移動するマスク調整装置を開示する。
　また、実施例では、試料とマスクの位置関係を調整できるイオンミリング装置の試料マスク部品であって、電子顕微鏡の試料ステージに設置されると、試料とマスクの位置関係を調整するマスク位置調整部品が、試料ステージのＲ軸に連結され、当該Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整するものを開示する。
　また、実施例では、マスク位置調整部品の回転により、マスクをリニアガイドに沿って移動させる試料マスク部品を開示する。
　また、実施例では、マスク位置調整部が、回転部材を介してＲ軸と連結され、Ｒ軸の駆動が、回転部材の回転により伝達される試料マスク部品を開示する。
　また、実施例では、試料マスク部品が、試料ステージの、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に設置されることを開示する。
　また、実施例では、Ｒ軸の駆動によりマスクの位置を調整しつつ、試料ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動により、移動する試料マスク部品を開示する。
　以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。なお、図面は、発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を限定するものではない。
　本実施例では、アルゴンイオンビームを用い、断面ミリング加工と平面ミリング加工の両方を選択的に実施できるイオンミリング装置を例に説明する。
　図１は、断面ミリング加工と平面ミリング加工の両方を行うことのできるイオンミリング装置の側面概略図であり、図２は、その上面概略図である。本実施例のイオンミリング装置は、真空チャンバ１５の上面に加工観察窓７、前面に試料ステージ８、左側面にイオン源１を備え、試料３と加工観察窓７の間にシャッター１０１が設けられている。このシャッター１０１は、スパッタされた粒子が加工観察窓７に堆積することを防ぐために設置されている。真空チャンバ１５は、真空雰囲気を形成するための空間を形成する箱型形状であるが、これに順ずる形状でかまわない。加工観察窓７は、真空チャンバ１５の上方（重力のある環境で、重力場の向かう方向と反対方向）に設けられている。イオン源１は、真空チャンバ１５の側方壁面（真空チャンバ１５の上方向に隣接する面であって、重力場の向かう方向と垂直な方向）に設けられている。すなわち、加工観察窓７は、試料ステージ８の傾斜軸と、イオン源１から照射されるイオンビームの照射軌道を含む平面に直交する方向であって、真空チャンバ１５の壁面に設けられている。なお、イオン源が照射するイオンビームは、アルゴンイオンビームに限られず、クリプトンイオンビーム、キセノンイオンビーム、またはガリウムイオンビームなどでもよい。また、加工観察窓７用の開口部には、真空封止が可能な窓を設けるだけでなく、光学顕微鏡や電子顕微鏡を設置してもよい。
　図３は、回転体９を回転傾斜させる構成および試料ステージ引出機構の構成図である。
　試料ユニットベース５には、試料保持部材（試料マスクユニット微動機構４を含む試料を保持する部材）を載置可能な回転体９が設けられており、回転体９は、試料保持部材を支持する支持台として機能する。試料ユニットベース５は、回転体９の他、回転体９にフランジ１０外部からの回転力を伝達する複数の歯車５０、および回転体９を回転可能に支持する複数のベアリング５１を有する。試料マスクユニット微動機構４は、その底面にマスクユニット固定部５２（ネジ含む）が設けられている。試料マスクユニット微動機構４は、その底面を試料ユニットベース５の回転体９上面に接触させ、マスクユニット固定部５２を介して回転体９にねじ固定されることにより、試料ユニットベース５に搭載される。試料ユニットベース５に搭載されている回転体９は、真空チャンバ１５側面方向からイオン源１により照射されるイオンビームの光軸に対して任意の角度に回転傾斜できるように構成されており、回転傾斜の方向と傾斜角度は、試料ステージ８により制御される。
　図４は、回転体９を回転傾斜させる構成および試料ステージ引出機構の変形例の構成図である。試料ユニットベース５の回転体９を回転傾斜させる方法としては、図３のように試料ユニットベース５に複数の歯車５０や軸を設け、試料ユニットベース５の内部に配置された回転軸（試料ステージ８の軸と同軸の回転軸）を回転させる方法の他、図４のように、試料ユニットベース５の歯車５０に連結する軸継手５３を設け、フランジ１０に設けられた回転軸（試料ステージ８の軸とは異なる回転軸）を回転させる方法でも良い。
　試料ユニットベース５の回転体９を回転傾斜させることにより、試料マスクユニット微動機構４上に設置されている試料３をイオンビームの光軸に対して所定の角度に設定することができる。更に、試料ユニットベース５の回転体９の回転軸と試料上面（マスク下面）の位置を一致させて、効率良い平滑な加工面を作製することができる。また、試料マスクユニット微動機構４は、イオンビームの光軸に対して垂直方向の前後左右、すなわち、図３および図４のＸ方向とＹ方向に移動できるように構成されている。
　試料ユニットベース５は、真空チャンバ１５の容器壁の一部を兼ねるフランジ１０に搭載されている試料ステージ８（回転機構）を介して配置されており、フランジ１０をリニアガイド１１に沿って引き出して真空チャンバ１５を大気状態に開放した時に、試料ユニットベース５が真空チャンバ１５の外部へ引き出されるように構成されている。このようにして、試料ステージ引出機構が構成されている。
　図５は、試料ステージ引出機構６０の構成図である。試料ステージ引出機構６０は、リニアガイド１１と、これに固着されたフランジ１０を有する。フランジ１０に搭載された試料ステージ８に固着された試料ユニットベース５は、フランジ１０をリニアガイド１１に沿って引き出すことによりリニアガイド１１に沿って真空チャンバ１５から引き出される。この操作に伴って、試料ユニットベース５に搭載された試料マスクユニット微動機構４、試料マスクユニット微動機構４に設置された試料マスクユニット２１、試料マスクユニット２１に設置されたマスク２、マスク２に設置された試料ホルダ２３、および試料ホルダ２３に設置された試料３が、真空チャンバ１５から一体的に引き出される。
　本実施例において、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４は、試料ユニットベース５に着脱自在に固定される構成を有する。従って、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４は、真空チャンバ１５の外部に引き出されると、試料ユニットベース５から着脱可能状態とされる（試料マスクユニット２１の着脱スタンバイ）。
　図５は、このような着脱自在の状態から、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４が、真空チャンバ１５の外部において、試料ユニットベース５から外された状態を示す。この着脱は人手によって、または適当な器具によって行う。
　図６は、試料マスクユニット２１本体の構成図である。本実施例では、少なくとも試料ホルダ２３およびその回転機構ならびにマスク２およびその微調整機構を一体に構成したものを試料マスクユニット２１（本体）と称する。試料ホルダ２３は、回転機構としての試料ホルダ回転リング２２および試料ホルダ回転ねじ２８を備えており、イオンビームの光軸に対して、垂直に回転可能である。試料ホルダ回転リング２２は、試料ホルダ回転ねじ２８を回すことにより回転するように構成されており、この回転により圧縮されるばね２９のばね圧で逆回転することにより回転前の位置に戻るようになっている。
　試料マスクユニット２１は、試料マスクユニット微動機構４に対し取り付けおよび取り外しが可能となる機構ならびにマスク２の位置および回転角を微調整できる機構を有する。本実施例では、試料マスクユニット２１と試料マスクユニット微動機構４が２部品の例を説明するが、１部品で構成しても良い（実施例では判り易くするために、試料マスクユニットと試料マスクユニット微動機構を分けて説明する）。
　マスク２は、マスクホルダ２５にマスク固定ねじ２７により固定される。マスクホルダ２５は、マスク微調整機構２６（マスク位置調整部）を操作することによりリニアガイド２４に沿って移動し、この移動に伴ってマスク２も移動することにより、試料３とマスク２との相対的な位置関係（遮蔽位置関係）が微調整される。マスク微調整機構２６には、マイクロメータを使用しても良い。
　図７は、試料ホルダ２３および試料ホルダ回転リング２２の構成図である。試料ホルダ回転リング２２の外部は円弧形状となっており、その内部は試料ホルダ２３と嵌合可能な形状となっている。試料ホルダ２３は、試料を固定する上部側と反対側である下部側より試料ホルダ回転リング２２に挿入され、ねじにて試料ホルダ回転リング２２に固定される。試料ホルダ２３に接着固定された試料３は、試料３とマスク２との相対的な位置が微調整された後、マスク２に密着され固定される。
　図８および図９は、試料マスクユニット２１の変形例の構成図である。図８は、試料３を固定した試料ホルダ２３を試料マスクユニット２１内に装着した状態を示し、図９は、試料３を固定した試料ホルダ２３を試料マスクユニット２１から取り外した状態を示す。試料３を接着固定した試料ホルダ２３は、試料マスクユニット２１裏面から試料ホルダ回転リング２２に設けられた孔を通って試料３がマスク２に接触することにより、試料マスクユニット２１内に装着可能となる。試料３を接着固定した試料ホルダ２３は、試料ホルダ固定金具３５により固定される。この固定は、試料ホルダ固定機構３６に六角スパナなどを挿入し、回転させ、試料ホルダ金具３５を動かすことにより行なわれる。マスク微調整機構２６は、マスクホルダ２５の位置の微調整をすることにより、マスクホルダ２５に固定されたマスク２と試料ホルダ２３に接着固定された試料３との相対的な位置を微調整できる。
　図１０は、試料マスクユニット２１に設置された試料マスクユニット微動機構４を固定台４２上に固定する前の状態、または固定台４２上から外した状態を示す説明図である。図１１は、試料マスクユニット微動機構４を固定台４２上に固定した状態を示す説明図である。以下、マスク位置合わせ方法の概要を説明する。
　マスク２と試料３との遮蔽位置関係の調整時に、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を試料ユニットベース５から取り外し（図１０）、光学顕微鏡４０の固定台４２に装着し（図１１）、マスク２の試料３に対する遮蔽位置関係を調整する。
　ここで、マスク２と試料３との遮蔽位置関係を観測する光学顕微鏡４０は、図１０に示すように、真空チャンバ１５とは別体に構成され、任意の場所に配置することができる。また、光学顕微鏡４０は、周知のルーペ１２と、ルーペ微動機構１３と、観測台４１と、および取り外された試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を観測台４１上に設置するための固定台４２とを有する。固定台４２は、位置決め用の軸と穴を有する。そして、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４が、位置決め用の軸と穴により再現性のある固定台４２上の決まった位置に設置される。
　図１２は、試料３の断面研磨したい部位をイオンビーム中心９８に合わせる方法の説明図である。感光紙などを試料ホルダ２３に取り付け、イオンビームを照射することによりできた痕（すなわち、ビーム中心）と、ルーペの中心とを、ルーペ微動機構１３の駆動により、図１２のＸ２およびＹ２の方向を動かして合わせておく。図６などに示すように、試料３を設置した後の試料マスクユニット本体２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を、図１１に示すように固定台４２に設置する。固定台４２に設置した試料マスクユニット微動機構４にて、Ｘ３およびＹ３の方向に位置調整してルーペ中心に合わせることにより、イオンビーム中心９８と断面研磨したい部位（以後、加工目的物）を合わせることができる。
　図１３は、試料３の断面とマスク２を平行とする方法の説明図である。試料ホルダ回転ねじ２８を回して図１４のＸ１方向の位置調整を行い、試料３の断面とマスク２の稜線が平行となるように調整する。加工目的物の中心とマスク２の稜線が合うようにマスク微調整機構２６を回して設定する（このとき、加工目的物がなく試料３の断面を得たい場合、試料３をマスク２より僅かに突出、例えば、試料３がマスク２より５０μｍ程度突出するようにマスク微調整機構２６を回して設定する）。
　このように、マスク２と試料３との遮蔽位置関係の調整時に、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４は、試料ユニットベース５から取り外されて光学顕微鏡４０の固定台４２に装着され、試料３に対するマスク２の遮蔽位置関係がマスク位置調整部（マスク微調整機構２６）によって調整される。
　図１４は、試料マスクユニット微動機構４を光学顕微鏡４０へ設置する方法の変形例の説明図である。光学顕微鏡４０への設置は、試料マスクユニット２１、または試料マスクユニット微動機構４の試料ユニットベース５へのマスクユニット固定部５２を使用せず、試料マスクユニット微動機構４の下面を使用する方法でも良い。
　図１０乃至図１３に示した例と異なる点は、ビーム中心とルーペ中心を調整するルーペ微動機構１３を固定台４２側で行う点であり、それ以外については、同様の作業を行う。
　光学顕微鏡４０による遮蔽位置関係の調整において、数μｍ以下の加工目的物の中心にマスク２の稜線を調整することは困難である。そこで、電子顕微鏡を用いて試料３とマスク２の位置関係の微調整を行う（なお、光学顕微鏡４０による遮蔽位置関係の調整を行うことなく、はじめから電子顕微鏡のみを用いて調整してもよい）。
　まず、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を、試料ユニットベース５から取り外して光学顕微鏡４０の固定台４２に装着した状態から説明する。
　図１５は、電子顕微鏡による微調整前の、光学顕微鏡を用いた調整方法の説明図である。すでに、ルーペ中心とイオンビーム中心の調整は完了している状態とする。まず、ルーペで点として見える数μｍ程度の加工目的物１００の位置を、試料マスクユニット微動機構４により図１５のＸ３およびＹ３方向で調整し、ルーペ中心に合わせる。図１３のように、試料３の断面とマスク２を平行とするために、試料ホルダ回転ねじ２８を回して図１３のＸ１方向の位置調整を行い、試料３の断面とマスク２の稜線が平行となるように調整する（加工目的物が横に並んで配置されている場合は、マスク２の稜線をそれらに合わせる）。加工目的物１００とマスク２の稜線の位置関係は、マスク微調整機構２６を回して２５μｍ以下に調整することが望ましい（この後の電子顕微鏡下にて調整し易くなるため）。ここまで調整した後、光学顕微鏡４０の固定台４２から、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を取り外して、電子顕微鏡の試料ステージに装着する。
　図１６は、電子顕微鏡の原理説明図である。以下、電子顕微鏡の原理について説明する。なお、熱電子源の場合について説明するが、電子源は、LaB6電子源、電解放出形電子源、またはショットキー電子源のいずれでも良い。
　電子顕微鏡の装置内部を真空排気し、目標の真空圧力に到達したら電子源７０に高圧を印加する。高圧が印加された電子源７０から電子線７１が放出される。放出された電子線７１は、ウェネルト電極７２の電位により集束作用を受け、軌道を曲げられ、ウェネルト電極７２とアノード電極７３との間に第一のクロスオーバー７４を作る。更に、加速電圧により加速された電子線７１は、アノード電極７３を通過し、第一集束レンズ７５（電磁コイル型）により集束作用を受け、第一集束レンズ７５と第二集束レンズ７６（電磁コイル型）との間に第二のクロスオーバー７７を作る。更に、第二集束レンズ７６と対物レンズ８１との間に第三のクロスオーバー７８を作る。電子線７１は、対物レンズ８１により集束され、対物絞り８０により制限され、試料７９の表面に照射される(ただし、対物絞りは本位置とは限らない)。試料ステージ上の試料７９の表面に照射された電子線７１は、試料表面で跳ね返ってくる反射電子および試料表面から飛び出てくる二次電子などを発生させる。これら反射電子および二次電子などは、試料室内に設置されている検出器で取り込まれる。そして、検出器からの信号は、増幅回路を経て、更には、デジタル変換されてからディスプレイに送り込まれ、試料表面の画像として表示される。
　電子顕微鏡の試料ステージは、一般的に５軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ、Ｒ）駆動となっており、前後左右上下の三次元位置、傾斜および回転を制御できる。ここでは、Ｚ軸方向に駆動するＺ機構の上にＴ軸方向に駆動するＴ機構が配置され、同様に、Ｙ機構、Ｘ機構、およびＲ機構の順に配置された構成の試料ステージを例に説明する。ただし、この構成に限られることはない。例えば、Ｔ機構の上にＺ機構が配置された構成、またはＸ機構の上にＹ機構が配置された構成、もしくは２つのＴ機構を備える６軸駆動の構成などでもよい。
　図１７は、電子顕微鏡の試料ステージの上面概略図である。電子顕微鏡の試料ステージの最上位に配置されているＲ機構１１１や、Ｒ機構１１１の下に配置されているＸ機構１１０などが示されている。Ｘ機構１１０に４つ設けられている位置決め穴１１２は、試料マスクユニット微動機構４を電子顕微鏡に搭載する際に用いるマスク調整ユニットベース１１６の位置を決めるためのものである。Ｘ機構１１０の上に回転（Ｒ軸駆動）可能に配置されているＲ機構１１１は、Ｒ駆動軸１１３およびＲ駆動ギア１１４が回ることにより、回転（Ｒ軸駆動）する。ここで、本実施例にかかる試料ステージのＲ駆動軸１１３には、マスク微調整機構２６を駆動させるためのマスク調整ギア１１５が設けられている。
　図１８は、試料ステージに設置されたマスク調整ユニットベース１１６の上面概略図である。通常の観察を行う場合には、試料ステージの最上位機構であるＲ機構１１１の上に試料を搭載するが、電子顕微鏡を用いて試料３とマスク２の位置関係の微調整を行う場合には、図１８のようにＸ機構１１０に設置されたマスク調整ユニットベース１１６の上に、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４を搭載する。なお、マスク調整ユニットベース１１６には、Ｒ機構１１１を一部露出させる設置用穴１１７が設けられているので、マスク調整ユニットベース１１６を設置した状態でも、通常の観察は可能である。なお、マスク調整ベース１１６を試料ステージに組み込んで一体構成してもよい。
　図１９は、マスク調整ユニットベース１１６（試料ステージ）に搭載された試料マスク微動機構４の上面概略図であり、図２０は、その側面概略図である。
　マスク調整ユニットベース１１６には、３つの同径ギアを直線状に並べて配置したマスク調整ギアユニット１１８が設けられている。なお、ギアの構成（数量、配置、種類）は、マスク調整ギア１１５とマスク微調整機構２６の位置関係で決定されるため、この構成に限られず、例えば、ギアは同径でなくてもよい。マスク調整ギアユニット１１８の下段のギアはマスク調整ギア１１５と連結している。マスク調整ギアユニット１１８は、下段のギアの軸中心を中心として、他端を円弧状に動かすことができる。本実施例では、マスク調整ギアユニット１１８を略垂直にすると、上段のギアが、マスク微調整機構２６に取り付けられているマスク微調整ギア１２０と接触する。なお、マスク調整ギアユニット１１８とマスク微調整ギア１２０の位置関係はこれに限定されない。マスク調整ギアユニット１１８は、マスク微調整ギア１２０と接触する位置まで、下段のギアの軸中心を中心として、他端を円弧状に動かすことができる。マスク微調整ギア１２０とマスク調整ギアユニット１１８の接触部は、マスク調整ギアユニット１１８とマスク調整ユニットベース１１６に繋がれた圧縮ばね１１９の復元力により押し付けられ、連結される。これにより、試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４の電子顕微鏡への搭載が完了となる。Ｒ駆動軸１１３の回転が、マスク調整ギア１１５、マスク調整ギアユニット１１８およびマスク微調整ギア１２０に伝わり、マスク微調整機構２６を回転させる。Ｒ駆動軸１１３の回転により、マスク２の位置を制御することが可能となる。また、Ｒ軸以外の４軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ）駆動により、マスク調整ユニットベース１１６（試料ステージ）に搭載された試料マスク微動機構４を、Ｒ軸以外の４軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｔ）で位置制御できる。なお、Ｒ軸の位置制御については、電子線走査方向の回転により視野を回転させるラスターローテーションにより代用できる。
　図２１は、マスク調整ユニットベース１１６（試料ステージ）に搭載された試料マスク微動機構４の変形例の上面概略図である。マスク微調整機構２６とＲ駆動軸との連結は、マスク微調整機構２６にマスク微調整ギア１２０などを追加することなくそのままとし、マスク調整ギアユニット１１８の上段のギアに設けたゴムワッシャー１２１を接触させて行っている。ゴムワッシャー１２１の代わりとして、Ｏリングなどのような柔軟性のある回転部品を用いてもよい。
　電子顕微鏡を用いて試料３とマスク２の位置関係の微調整する際には、電子顕微鏡にて加工目的物１００の近傍を観察するが、観察の初期位置において加工目的物１００が表示画面の中心位置の近傍となるように、試料ステージ、マスク調整ユニットベース１１６、および試料マスクユニット２１を設置した試料マスクユニット微動機構４の配置関係を調整しておくことが望ましい。なお、このような位置関係に各部材を配置できない場合は、そのズレ分を、真空チャンバ内の真空排気が完了するまでに、試料ステージが自動で補正する機能を設けておくことが望ましい。
　図２２は、電子顕微鏡による観察図（微調整前）である。光学顕微鏡４０による観察では点にしか見えない加工目的物１００も、電子顕微鏡により観察すると、適した倍率では形状がはっきり確認できるようになる。ここで、加工目的物１００の中心が、表示画面の中心となるように、試料ステージを移動させる。
　図２３は、電子顕微鏡による観察図（稜線が傾いている状態）である。マスク２の稜線９９が傾き、調整し難い場合は、ラスターローテーションにより回転補正を行う。
　加工目的物１００の中心を表示画面の中心とし、マスク２の稜線９９の傾きを補正した後に、試料ステージのＲ機構１１１を駆動させて、マスク２の位置を微調整する。Ｒ機構１１１のモータを駆動させると、Ｒ駆動軸１１３が回転し、Ｒ機構１１１が回転するが、観察している加工目的物１００（試料３）は、Ｘ機構１１０上に設置されているため、回転しない。また、Ｒ駆動軸１１３の回転により、マスク調整ギアユニット１１８のギアおよびマスク微調整ギア１２０が回転し、試料マスクユニット２１のマスク微調整機構２６を駆動させる。よって、加工目的物１００を電子顕微鏡で観察しながら、マスク２の稜線９９を動かして、加工目的物１００の中心にマスク２の稜線９９を合わせることができる。
　図２４は、電子顕微鏡による観察図（微調整後）である。マスク２の位置が調整できた（加工目的物１００の中心にマスク２の稜線９９がきた）時点で、モータの駆動を止めることにより、微調整が完了となる。微調整後は、数μｍ以下の加工目的物１００の中心にマスク２の稜線９９が配置され、加工目的物１００の下半分がマスク２に隠された状態となっている。
　微調整後は、電子顕微鏡の真空試料室を大気解放し、マスク微調整ギア１２０から離すように、マスク調整ギアユニット１１８を図２０の右方向に押し出し、電子顕微鏡の試料ステージ（マスク調整ユニットベース１１６）から試料マスクユニット微動機構４を取り外せる状態とする。そして、試料３に対する遮蔽位置関係が高精度に調整されたマスク２を備えた試料マスクユニット２１を搭載した試料マスクユニット微動機構４を取り外し、イオンミリング装置の試料ユニットベース５へ搭載する。真空チャンバ１５の内部に試料ユニットベース５を押し戻した後、真空チャンバ１５の内部を真空排気し、試料ユニットベース５を水平状態に維持しつつ、回転体９を往復傾斜させて、断面ミリング加工する。
　図２５は、イオンビーム装置により試料３（加工目的物１００）に観察断面を作製する方法（断面ミリング加工）の説明図である。
　マスク２が密着固定された試料３を往復傾斜させながら、アルゴンイオンビームを照射すると、マスク２で覆われていない試料３（加工目的物１００）を、マスク２に沿って、深さ方向に取り除くことができ、且つ、試料３（加工目的部１００）の断面の表面を鏡面研磨できる。これにより、数μｍ以下の加工目的物１００の中心に観察断面を形成できる。
　本実施例によれば、電子顕微鏡を用いて観察しながら、試料３とマスク２の位置関係を高精度に調整できるため、μｍ以下の微小な加工目的物の断面を広範囲にミリングできる。近年、特に半導体分野でTSV（Si貫通電極）を断面観察することが重要となってきており、ビア径が数μｍ以下のものについての観察試料作製が求められているが、本実施例により数μｍ以下の加工目的物を断面ミリング加工できる。更に、場所の特定はしない通常の断面ミリング加工（特定の場所の断面加工ではない、傷や応力による歪を無くした断面加工）においても、突出量（マスク２から突出した試料３の量）を数μｍ以下で調整できるため、加工時間の大幅な短縮も図れる。
１…イオン源、２…マスク、３…試料、４…試料マスクユニット微動機構、５…試料ユニットベース、６…真空排気系、７…加工観察窓、８」…試料ステージ、９…回転体、１０…フランジ、１１…リニアガイド、１２…ルーペ、１３…ルーペ微動機構、１５…真空チャンバ、２１…試料マスクユニット、２２…試料ホルダ回転リング、２３…試料ホルダ、２４…リニアガイド、２５…マスクホルダ、２６…マスク微調整機構、２７…マスク固定ねじ、２８…試料ホルダ回転ねじ、２９…ばね、３５…試料ホルダ固定金具、３６…試料ホルダ固定機構、４０…光学顕微鏡、４１…観測台、４２…固定台、５０…歯車、５１…ベアリング、５２…マスクユニット固定部、５３…軸継手、６０…試料ステージ引出機構、７０…電子源、７１…電子線、７２…ウェネルト電極、７３…アノード電極、７４…第一のクロスオーバー、７５…第一集束レンズ、７６…第二集束レンズ、７７…第二のクロスオーバー、７８…第三のクロスオーバー、７９…試料、８０…対物絞り、９８…イオンビーム中心、９９…稜線、１００…加工目的物、１０１…シャッター、１１０…Ｘ機構、１１１…Ｒ機構、１１２…位置決め穴、１１３…Ｒ駆動軸、１１４…Ｒ駆動ギア、１１５…マスク調整ギア、１１６…マスク調整ユニットベース、１１７…設置用穴、１１８…マスク調整ギアユニット、１２０…マスク微調整ギア、１２１…ゴムワッシャー

Claims (20)

  1. 　イオンミリングのマスク位置調整方法であって、
    　試料とマスクの位置関係を調整できる試料マスク部品を、電子顕微鏡の試料ステージに設置し、
    　前記試料マスク部品のマスク位置調整部と、前記試料ステージのＲ軸を連結し、Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整できるようにし、
    　電子顕微鏡で観察しながら、前記Ｒ軸を駆動させ、前記マスクの位置を調整することを特徴とするマスク位置調整方法。
  2. 　請求項１記載のマスク位置調整方法において、
    　マスク位置調整部が回転することにより、リニアガイドに沿って前記マスクが移動することを特徴とするマスク位置調整方法。
  3. 　請求項１記載のマスク位置調整方法において、
    　前記マスク位置調整部と前記Ｒ軸とを回転部材を介して連結し、当該回転部材の回転により前記Ｒ軸の駆動を前記マスク位置調整部に伝達することを特徴とするマスク位置調整方法。
  4. 　請求項１記載のマスク位置調整方法において、
    　前記試料ステージにおける、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に、前記試料マスク部品を設置することを特徴とするマスク位置調整方法。
  5. 　請求項１記載のマスク位置調整方法において、
    　前記試料ステージをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動し、ならびにラスターローテーションし、電子顕微鏡の観察画面を調整して、前記マスクの位置を調整することを特徴とするマスク位置調整方法。
  6. 　イオンミリング装置のマスク位置を調整できる電子顕微鏡であって、
    　試料とマスクの位置関係を調整できる試料マスク部品が設置される試料ステージを備え、当該試料ステージに設置された前記試料マスク部品のマスク位置調整部に、当該試料ステージのＲ軸を連結し、当該Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整できることを特徴とする電子顕微鏡。
  7. 　請求項６記載の電子顕微鏡において、
    　前記マスクをリニアガイドに沿って移動させるマスク位置調整部材をＲ軸の駆動により回転させることを特徴とする電子顕微鏡。
  8. 　請求項６記載の電子顕微鏡において、
    　前記試料ステージが、前記マスク位置調整部と前記Ｒ軸を連結させる回転部材を備え、当該回転部材の回転により前記Ｒ軸の駆動を前記マスク位置調整部に伝達することを特徴とする電子顕微鏡。
  9. 　請求項６記載の電子顕微鏡において、
    　前記試料ステージの、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に、前記試料マスク部品を設置することを特徴とする電子顕微鏡。
  10. 　請求項６記載の電子顕微鏡において、
    　前記Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整しつつ、前記試料ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動、ならびに前記電子顕微鏡のラスターローテーションにより、電子顕微鏡の観察画面を調整できることを特徴とする電子顕微鏡。
  11. 　電子顕微鏡の試料ステージに設置される、イオンミリングのマスク調整装置であって、　試料とマスクの位置関係を調整できる試料マスク部品が設置され、
    　当該マスク調整装置に設置された前記試料マスク部品のマスク位置調整部を、当該試料ステージのＲ軸に連結させ、当該Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整させることを特徴とするマスク調整装置。
  12. 　請求項１１記載のマスク調整装置であって、
    　前記マスクをリニアガイドに沿って移動させるマスク位置調整部品をＲ軸の駆動により回転させることを特徴とするマスク調整装置。
  13. 　請求項１１記載のマスク調整装置であって、
    　前記マスク位置調整部と前記Ｒ軸を連結させる回転部材を備え、当該回転部材の回転により前記Ｒ軸の駆動を前記マスク位置調整部に伝達することを特徴とするマスク調整装置。
  14. 　請求項１１記載のマスク調整装置であって、
    　当該マスク調整装置が、前記試料ステージの、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に設置されることを特徴とするマスク調整装置。
  15. 　請求項１１記載のマスク調整装置であって、
    　前記Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整しつつ、前記試料ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動により、移動することを特徴とするマスク調整装置。
  16. 　試料とマスクの位置関係を調整できるイオンミリング装置の試料マスク部品であって、　電子顕微鏡の試料ステージに設置されると、試料とマスクの位置関係を調整するマスク位置調整部品が、前記試料ステージのＲ軸に連結され、当該Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整することを特徴とする試料マスク部品。
  17. 　請求項１６記載の試料マスク部品であって、
    　前記マスク位置調整部品の回転により、前記マスクをリニアガイドに沿って移動させることを特徴とする試料マスク部品。
  18. 　請求項１６記載の試料マスク部品であって、
    　前記マスク位置調整部が、回転部材を介してＲ軸と連結され、前記Ｒ軸の駆動が、前記回転部材の回転により伝達されることを特徴とする試料マスク部品。
  19. 　請求項１６記載の試料マスク部品であって、
    　当該試料マスク部品が、前記試料ステージの、Ｒ機構を回転可能に保持する移動機構に設置されることを特徴とする試料マスク部品。
  20. 　請求項１６記載の試料マスク部品であって、
    　前記Ｒ軸の駆動により前記マスクの位置を調整しつつ、前記試料ステージのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、およびＴ軸駆動により、移動することを特徴とする試料マスク部品。
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