WO2021038754A1 - イオンガン及びイオンミリング装置 - Google Patents

イオンガン及びイオンミリング装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2021038754A1
WO2021038754A1 PCT/JP2019/033713 JP2019033713W WO2021038754A1 WO 2021038754 A1 WO2021038754 A1 WO 2021038754A1 JP 2019033713 W JP2019033713 W JP 2019033713W WO 2021038754 A1 WO2021038754 A1 WO 2021038754A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cathode
anode
ion gun
permanent magnet
region
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/033713
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浅井　健吾
高須　久幸
岩谷　徹
手束　勉
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立ハイテク filed Critical 株式会社日立ハイテク
Priority to KR1020227001586A priority Critical patent/KR20220019827A/ko
Priority to PCT/JP2019/033713 priority patent/WO2021038754A1/ja
Priority to JP2021541870A priority patent/JP7186884B2/ja
Priority to US17/634,331 priority patent/US20220285123A1/en
Priority to TW109123322A priority patent/TWI743879B/zh
Publication of WO2021038754A1 publication Critical patent/WO2021038754A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/04—Ion sources; Ion guns using reflex discharge, e.g. Penning ion sources
    • 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, ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • 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
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means
    • 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
    • H01J37/18—Vacuum locks ; Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
    • 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
    • H01J37/20—Means for supporting or positioning the objects or the material; Means for adjusting diaphragms or lenses associated with the support
    • 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
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching
    • H01J37/3053—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching
    • H01J37/3056—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching for evaporating or etching for microworking, e.g. etching of gratings, trimming of electrical components
    • 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
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/061—Construction
    • 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
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • 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
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • H01J2237/082—Electron beam
    • 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
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/31—Processing objects on a macro-scale
    • H01J2237/3151—Etching

Definitions

  • the present invention relates to a penning discharge type ion gun and an ion milling device having the same.
  • the ion milling method is a processing method in which accelerated ions collide with a sample and the sample is scraped using a sputtering phenomenon in which ions repel atoms and molecules.
  • a smooth cross section can be processed by placing a mask that serves as a shielding plate for ion beams on the upper surface of the sample to be processed and sputtering the protruding portion from the end face of the mask.
  • This processing method is useful for preparing a cross-sectional sample when performing crystal orientation analysis or the like. It is applicable not only to electronic parts but also to metals, glass, ceramics, composite materials and the like.
  • Patent Document 1 discloses the basic structure of a penning discharge type ion gun.
  • Patent Document 2 discloses a method of optimizing the magnetic field generated by the permanent magnet and the ionization chamber region in the penning discharge type ion gun configuration in order to increase the amount of ions emitted from the ion gun.
  • the electrons emitted from the cathode make a swirling motion by the magnetic field and are ionized when they collide with the gas introduced inside the ion gun.
  • cathodes having the same potential at both ends of the anode electrons reciprocate between the cathodes, and their orbits can be lengthened, which has the characteristic of improving ionization efficiency.
  • a part of the generated cations passes through the ion beam extraction hole of the cathode, is accelerated by the acceleration electrode, and is discharged to the outside from the ion beam extraction hole of the acceleration electrode. In order to achieve a higher processing speed, it is necessary to increase the amount of ions emitted from the ion gun.
  • the acceleration voltage is increased for the purpose of improving the processing speed (for example, the acceleration voltage is increased from 7 kV to 8 kV), the ion beam current value does not improve, and as a result, the processing speed does not increase. Was done.
  • the ion gun includes a first cathode having a disk shape, a second cathode having a disk shape and provided with an ion beam extraction hole, and a first cathode and a second cathode.
  • a first permanent magnet having a cylindrical shape, an anode having a cylindrical region and an overhanging region provided at one end of the cylindrical region, and a first cathode electrically connected to the anode.
  • the cylindrical region of the anode is located inside the inner diameter position of the first permanent magnet, and the overhanging region of the anode is , Is arranged beyond the inner diameter position of the first permanent magnet and faces the first cathode.
  • the ion milling device is an ion milling device using such an ion gun.
  • an ion gun capable of obtaining higher plasma efficiency or an ion milling device capable of obtaining a larger processing speed.
  • FIG. 1 shows the configuration of the ion milling device.
  • the penning discharge type ion gun 1 includes elements necessary for generating ions inside the ion gun 1, and forms an irradiation system for irradiating the sample 6 with the ion beam 2.
  • the gas source 201 is connected to the ion gun 1 via the gas supply mechanism 200, and the gas flow rate controlled by the gas supply mechanism 200 is supplied to the plasma generation chamber of the ion gun 1.
  • the gas supply mechanism 200 includes components for adjusting the flow rate of the gas to be ionized and supplying it to the inside of the ion gun.
  • Ar gas is used as the introduction gas as an example.
  • the irradiation of the ion beam 2 and its ion beam current are controlled by the ion gun control unit 3.
  • the vacuum chamber 4 is controlled to atmospheric pressure or vacuum by the vacuum exhaust system 5.
  • the sample 6 is held on the sample table 7, and the sample table 7 is held by the sample stage 8.
  • the sample stage 8 can be pulled out of the vacuum chamber 4 when the vacuum chamber 4 is opened to the atmosphere, and includes a mechanical element for inclining the sample 6 at an arbitrary angle with respect to the optical axis of the ion beam 2. I'm out.
  • the sample stage driving unit 9 can swing the sample stage 8 left and right, and can control the speed thereof.
  • FIG. 2 shows a conventional structure (cross-sectional view) of a penning discharge type ion gun as a comparative example, and explains the structure and operation of the ion gun.
  • the first cathode 11 is formed in a disk shape with a conductive magnetic material such as pure iron, and has holes for introducing gas into the plasma generation chamber 100 and anode pins for supplying power to the anode 13. A hole is provided for passing through (not shown).
  • the second cathode 12 is also formed in a disk shape by a conductive magnetic material such as pure iron, and an ion beam extraction hole 101a is provided in the central portion.
  • the permanent magnet 14 is, for example, a samarium-cobalt magnet, which is formed in a cylindrical shape, and one end of the permanent magnet 14 is connected to the first cathode 11 and the other end is connected to the second cathode 12.
  • a magnetic field is generated in the ion gun 1 by the first cathode 11, the second cathode 12, and the permanent magnet 14.
  • the cathode ring 17 is provided so that the permanent magnet 14 is not exposed to the environment.
  • a material such as stainless steel is used for the cathode ring 17.
  • the cylindrical insulator 16 is arranged inside the permanent magnet 14, and the outer surface of the insulator 16 is in contact with the inner wall of the permanent magnet 14.
  • the insulator 16 is made of a non-magnetic material having electrical insulation such as ceramics.
  • the anode 13 is fitted inside the insulator 16, the outer surface of the anode 13 is in contact with the inner surface of the insulator 16, and the inner surface of the anode 13 faces the plasma generation chamber 100.
  • the anode 13 is made of a conductive non-magnetic material such as aluminum.
  • the anode 13 is electrically insulated from the first cathode 11, the second cathode 12, and the permanent magnet 14 by the insulator 16.
  • the accelerating electrode 15 is formed in a cylindrical shape by a non-magnetic material having conductivity such as stainless steel, and an ion beam extraction hole 101b is provided in the central portion.
  • the acceleration electrode 15 maintained at the ground potential is fixed to the peripheral portion of the ion gun base 18 so as to surround the first cathode 11, the second cathode 12, and the permanent magnet 14.
  • the ion gun base 18 and the first cathode 11 are provided with holes, and for example, Ar gas introduced from the gas introduction mechanism is introduced into the plasma generation chamber 100.
  • the Ar gas introduced into the plasma generation chamber 100 is kept at an appropriate gas partial pressure, and the first cathode 11 and the second cathode 12 (the first cathode 11 and the second cathode 12) are subjected to the discharge power supply 301.
  • the discharge voltage By applying the discharge voltage, the electrons emitted from the surface of the first cathode 11 and the surface of the second cathode 12 are accelerated toward the anode 13, and the emitted electrons are the first cathode 11 and the second cathode.
  • the orbit is bent by the magnetic field formed in the plasma generation chamber 100 by the 12 and the permanent magnet 14 to perform a swirling motion.
  • the discharge efficiency can be improved by lengthening the electron orbit by this turning motion.
  • the collided Ar gas is ionized, and Ar ions (cations) are generated in the plasma generation chamber 100.
  • a part of the cations generated in the plasma generation chamber 100 passes through the ion beam extraction hole 101a of the second cathode 12, and the acceleration power supply 302 betweens the second cathode 12 and the acceleration electrode 15 has an acceleration voltage of about 10 kV. Is accelerated to be emitted from the ion beam extraction hole 101b of the acceleration electrode to the outside of the ion gun 10, and the sample is processed by the ion beam composed of cations.
  • the ion current drawn from such a penning discharge type ion gun is limited to the space charge because the electric field changes depending on the space charge of the ions. It is also limited by the ion flow supplied by the ion gun.
  • the space charge limiting current value and the ion saturation current value are same value, the balance between the extraction system and the plasma conditions for generating ions is maintained, and a large amount of high-quality ion beams can be extracted. It is said.
  • the ion saturation current value the electron temperature and plasma density inside the plasma generation chamber 100 may be increased.
  • the acceleration voltage applied between the cathode 12 and the acceleration electrode 15 may be increased.
  • the reason why the ion beam current value drawn from the ion gun does not increase even if the acceleration voltage is increased is that the ion saturation current value of the ion gun does not reach a value commensurate with the space charge limiting current value. This is because a sufficient ion flow cannot be generated in the plasma generation chamber 100.
  • the supply amount of electrons generated in the plasma generation chamber is increased as compared with the conventional structure, and the space when a higher acceleration voltage is applied.
  • FIG. 3 is a structural cross-sectional view of the ion gun (first example) of this embodiment.
  • the same components as those of the ion gun shown as a comparative example are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted, and the description will be focused on the configurations different from those of the comparative example. The same applies to the following examples.
  • the first cathode 21 and the anode 23 are arranged so as to face each other outside the inner diameter position of the permanent magnet 14.
  • the first cathode 21 is formed with a recess smaller than the outer diameter of the permanent magnet 14 and larger than the inner diameter on the surface side connected to the permanent magnet 14, and the anode 23 faces the first cathode 21.
  • the insulator 26 that electrically insulates the first cathode 21, the second cathode 12, and the permanent magnet 14 from the anode 23 has the same shape as the anode 23, and the permanent magnet 14 has the plasma generation chamber 100.
  • the reliability of the ion gun is improved by covering it so that it is not exposed to the plasma.
  • FIG. 4 shows the shape of the first cathode 21.
  • a plan view (upper figure) of the first cathode 21 viewed from the ion beam extraction hole side and a cross-sectional view (lower figure) along the line AA shown in the plan view are shown.
  • the first cathode 21 is formed of a conductive magnetic material, for example, in a disk shape with pure iron, and is provided with a cathode fixing hole 102 for fixing to the ion gun base 18. Further, an anode pin through hole 103 for passing the anode pin for supplying power to the anode 23 is provided.
  • the ion gun base 18 is also provided with a through hole at a position corresponding to the anode pin through hole 103, and the anode pin is inserted into the plasma generation chamber 100 through the through hole of the ion gun base 18 and the first cathode 21.
  • a recess 22 having a diameter of 12 mm and a depth of 1 mm is formed in the center of the cathode in the region of the first cathode 21 facing the plasma generation chamber 100.
  • the circular recess 22 is formed, but the hole is not limited to a circular shape and may be a polygonal hole. However, from the viewpoint of manufacturability, a circular shape as shown in the figure is preferable.
  • FIG. 5 shows the shape of the anode 23.
  • a plan view (upper view) of the anode 23 seen from the ion beam extraction hole side and a cross-sectional view (lower figure) along the line AA shown in the plan view are shown.
  • the anode 23 is made of a non-magnetic material having conductivity such as aluminum, and the first cathode 21 of the cylindrical region 35a is formed in order to expand the region where the recess 22 of the first cathode 21 and the anode 23 face each other.
  • an overhanging region 25a having a disk shape is provided. As shown in FIG.
  • the anode 23 is fitted into the insulator 26, the outer surface of the anode 23 is in contact with the inner surface of the insulator 26, and the inner surface of the anode 23 functions as a plasma generation chamber 100.
  • the anode pin that has passed through the anode pin through hole 103 of the first cathode 21 is pressed against the overhanging region 25a provided on the side facing the recess 22 of the first cathode 21.
  • the anode 23 is fixed so as to be pressed against the second cathode 12 via the insulator 26.
  • the overhanging region 25a facing the recess 22 of the first cathode 21 has a disk shape, but it is not limited to a circular shape and may be a polygonal shape.
  • FIG. 6 shows the shape of the insulator 26.
  • a plan view (upper view) of the insulator 26 viewed from the ion beam extraction hole side and a cross-sectional view (lower figure) along the line AA shown in the plan view are shown.
  • the insulator 26 is made of a non-magnetic material having electrical insulating properties such as ceramics. Similar to the anode 23, the insulator 26 has an overhanging region 25b having a disk shape, for example, on the end of the cylindrical region 35b on the first cathode 21 side, that is, on the side where the overhanging region 25a of the anode 23 is provided. ing.
  • the overhanging region 25a at the end of the anode 23 and the permanent magnet 14 are electrically insulated.
  • the long-term stability of the ion gun 1 is improved by covering the permanent magnet 14 with the overhanging region 25b so as not to be exposed to the plasma generation chamber 100.
  • the region where electrons can be supplied from the first cathode 21 is greatly expanded. As a result, the supply amount of electrons generated in the plasma generation chamber 100 can be remarkably increased, and a high ion saturation current can be realized.
  • FIG. 8A is an electron density distribution inside the plasma generation chamber 100 in the embodiment shown in FIG. 3, and FIG. 8B is an electron density distribution inside the plasma generation chamber 100 in the comparative example shown in FIG. All are plots of the results of electric field strength analysis using a finite element-based physics simulator.
  • the horizontal axis of FIG. 8 is shown in agreement with the scale shown in FIG. 7, and the electron density is directed toward the ion beam extraction hole 101a on the central axis of the ion gun with the first cathode surface as the zero point. Is plotted.
  • FIG. 8A is an electron density distribution inside the plasma generation chamber 100 in the embodiment shown in FIG. 3
  • FIG. 8B is an electron density distribution inside the plasma generation chamber 100 in the comparative example shown in FIG. All are plots of the results of electric field strength analysis using a finite element-based physics simulator.
  • the horizontal axis of FIG. 8 is shown in agreement with the scale shown in FIG. 7, and the electron density is directed toward the ion beam extraction hole 101
  • the electron density is 8.8 ⁇ 10 15 l / m 3
  • the electron density is 8.8 ⁇ 10 15 l / m 3
  • 6.7 ⁇ 10 15 l / m 3 It can be seen that the improvement is about 30% with respect to m 3.
  • FIG. 9 is a structural cross-sectional view of the ion gun (second example) of this embodiment.
  • the discharge voltage and acceleration voltage application mechanisms are the same and will be omitted.
  • the shape of the bottom surface of the recess formed in the first cathode 31 is such that the depth of the central portion is deeper than the depth of the peripheral portion. Other than this, it has the same structural features as the first example (FIG. 3).
  • FIG. 10 shows the shape of the first cathode 31.
  • a plan view (upper figure) of the first cathode 31 viewed from the ion beam extraction hole side and a cross-sectional view (lower figure) along the line AA shown in the plan view are shown.
  • the first cathode 31 is made of a conductive magnetic material, for example, in a disk shape made of pure iron, and has a cathode fixing hole 102 for fixing to the ion gun base 18 and an anode pin through hole 103 through which the anode pin penetrates. Is provided.
  • a recess 32 having a diameter of 12 mm is formed in the center of the cathode in the region of the first cathode 31 facing the plasma generation chamber 100.
  • the bottom surface of the recess 32 has a conical shape, and has an inclined surface such that the depth of the recess 32 is 2 mm at the central portion and 1 mm at the peripheral portion.
  • the shape is not limited to a conical shape, and for example, the central portion may have a flat shape.
  • FIG. 11 is a structural cross-sectional view of the ion gun (third example) of this embodiment.
  • unevenness is formed on the bottom surface of the concave portion formed on the first cathode 41.
  • it has the same structural features as the first example (FIG. 3).
  • FIG. 12 shows the shape of the first cathode 41.
  • a plan view (upper view) of the first cathode 41 viewed from the ion beam extraction hole side and a cross-sectional view (lower figure) along the line AA shown in the plan view are shown.
  • the first cathode 41 is made of a conductive magnetic material, for example, in a disk shape made of pure iron, and has a cathode fixing hole 102 for fixing to the ion gun base 18 and an anode pin through hole 103 for passing the anode pin. Is provided.
  • a recess 42 having a diameter of 12 mm and a depth of 1 mm is formed in the center of the cathode. Further, a circumferential slit having a width of 0.4 mm and a depth of 1 mm is formed on the bottom surface of the recess 42.
  • FIG. 13 is a structural cross-sectional view of the ion gun (fourth example) of this embodiment.
  • the opening connected to the cylindrical region of the overhanging region of the anode 33 has a shape having an inclined surface whose inner diameter increases as the distance from the cylindrical region increases.
  • the bottom surface of the concave portion formed in the first cathode 51 has a convex portion inclined from the outer peripheral portion toward the central portion in accordance with the shape of the overhanging region of the anode 33.
  • FIG. 14 is a structural cross-sectional view of the ion gun (fifth example) of this embodiment.
  • the disk-shaped end portion of the anode 33 facing the first cathode 61 is formed to be inclined from the outer peripheral portion to the central portion.
  • the bottom surface of the recess formed in the first cathode 61 was flattened. For this reason, the distance between the first cathode 51 and the anode 33 at the end portion enlarged from the structure of the fourth example is widened, but the space connected to the plasma generation chamber 100 can be widened accordingly. This makes it easy to introduce the electrons generated at the enlarged end into the plasma generation chamber 100. Other than this, it has the same structural features as the first example (FIG. 3).
  • FIG. 15 is a structural cross-sectional view of the ion gun (6th example) of this embodiment.
  • the opening of the anode 43 connected to the cylindrical region of the overhanging region has an inner diameter that increases as the distance from the cylindrical region increases, and the outer diameter of the overhanging region of the anode 43 also expands according to the inner diameter of the opening. ..
  • the insulator 36 that electrically insulates the permanent magnet 24 and the anode 43 has an opening that connects to the cylindrical region of the overhanging region, and the inner diameter increases according to the outer diameter of the overhanging region of the anode 43.
  • the outer diameter of the overhanging region of the insulator 36 is also shaped to expand according to the inner diameter of the opening.
  • the permanent magnet 24 is provided with an inclined surface whose inner diameter increases according to the outer diameter of the overhanging region of the insulator 36 on the inner wall according to the shape of the insulator 36.
  • the bottom surface of the concave portion formed in the first cathode 71 has a shape having a convex portion inclined from the outer peripheral portion toward the central portion in accordance with the shape of the anode 43.
  • the area where the first cathode 71 and the anode 43 face each other at a short distance can be widened, and the height of the outer peripheral portion of the first cathode 71 can be widened. Since the area can be made lower than that of the first cathode 51, the ion gun can be formed more compactly. Other than this, it has the same structural features as the first example (FIG. 3).
  • FIG. 16 is a structural cross-sectional view of the ion gun (7th example) of this embodiment.
  • the overhanging region of the anode 43 and the insulator 36 is formed to have a shape that is inclined toward the outer peripheral side to increase the outer diameter
  • the permanent magnet 24 is the overhanging region of the insulator 36.
  • An inclined surface for expanding the inner diameter was provided on the inner wall according to the shape.
  • the bottom surface of the recess formed in the first cathode 81 was flattened.
  • the distance between the first cathode 81 and the anode 43 at the end that is enlarged compared to the structure of the sixth example is widened, but the space connected to the plasma generation chamber 100 can be widened accordingly. This makes it easy to introduce the electrons generated at the enlarged end into the plasma generation chamber 100. Other than this, it has the same structural features as the first example (FIG. 3).
  • FIG. 17 is a structural cross-sectional view of the ion gun (8th example) of this embodiment.
  • the non-magnetic material 19 is arranged in the recess formed in the first cathode 91.
  • tungsten, molybdenum, titanium, chromium, tantalum and the like can be applied to the non-magnetic material.
  • it has the same structural features as the first example (FIG. 3).
  • the non-magnetic material 19 arranged in the recess of the first cathode 91 needs to be a material having both conductivity and ionic resistance, and a part made of a hard metal material as illustrated is effective. is there.
  • sputter yield is generally used as a definition of the amount of sputtering, the volume actually sputtered can be expressed as "the ratio of the sputter yield multiplied by the crystal molar density".
  • the sputter molar volume ratio is 0.322 mol / cc, which is the smallest as a metal material.
  • non-magnetic material 19 to be arranged in the recess formed in the first cathode 91 for example, graphite carbon, single crystal graphite, or highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) can be applied.
  • Graphite carbon which is a conductive material, has a sputter molar volume ratio of 0.15 mol / cc, which is even smaller than that of titanium. As a result, the sputter volume from the non-magnetic material 19 formed in the recess of the first cathode 91 can be further reduced.
  • the adhered volume of the redeposition adhering to the anode 23 is also reduced, so that short circuits between the electrodes are unlikely to occur, and the maintenance cycle of the ion gun can be lengthened.
  • graphite carbon has excellent oxidation resistance, even if the sputtered particles of graphite carbon reattach to the anode 23, it is less likely to be oxidized than in the case of a metal material. Therefore, even if the redeposition adheres to the anode 23, problems such as charging caused by the oxidation of the redeposition are unlikely to occur, and cleaning of the ion gun for the purpose of preventing charging can be basically unnecessary.
  • FIG. 18 is a result of comparing the electron density distribution inside the plasma generation chamber 100 as an effect of this embodiment.
  • the item on the horizontal axis is the structure of the ion gun, and the electron density distribution in the conventional structure shown in FIG. 2 is shown as a comparative example, and FIG. 3, FIG. 9, FIG. 11, FIG. 13, FIG. 14, FIG. 15, FIG.
  • the electron density distribution in the structure of this example of the first to seventh examples shown in is shown.
  • the results of electric field strength analysis performed by a physics simulator are plotted.
  • the electron density of the structure of this example is improved from about 3% to 61%, as compared with the conventional structure of 6.7 ⁇ 10 15 l / m 3 shown as a comparative example.
  • the ion flow in the plasma generation chamber 100 is increased, and the ion source can obtain a sufficient ion saturation current value commensurate with the high space charge limiting current value, and as a result, the amount of ions emitted from the ion gun can be increased.
  • FIG. 19 is a structural cross-sectional view of the ion gun (9th example) of this embodiment.
  • a permanent magnet 404 having an inner diameter larger than the inner diameter of the permanent magnet 14 is arranged at the interface where the first cathode 111 and the permanent magnet 14 are connected. This eliminates the need to form a recess in the surface region of the first cathode 111 that connects to the permanent magnet 14, and provides a disk-shaped overhang region at the end of the anode 23 that faces the first cathode 111. The facing region between the cathode 111 and the anode 23 is expanded.
  • the insulator 26 that electrically insulates the first cathode 111, the second cathode 12, the permanent magnet 14 and the permanent magnet 404 from the anode 23 is the end portion on the first cathode 111 side like the anode 23.
  • the permanent magnet 14 is covered so as not to be exposed to the plasma generation chamber 100 by providing a disk-shaped overhanging region on the surface to expand the area, and the reliability of the ion gun is improved.
  • FIG. 20 is a structural cross-sectional view of the ion gun (10th example) of this embodiment.
  • a third cathode 405 having an inner diameter larger than the inner diameter of the permanent magnet 14 is arranged at the interface where the first cathode 111 and the permanent magnet 14 are connected. This eliminates the need to form a recess in the surface region of the first cathode 111 that connects to the permanent magnet 14, and provides a disk-shaped overhang region at the end of the anode 23 that faces the first cathode 111. The facing region between the cathode 111 and the anode 23 is expanded.
  • the insulator 26 that electrically insulates the first cathode 111, the second cathode 12, the third cathode 405, and the permanent magnet 14 from the anode 23 is on the side of the first cathode 111 like the anode 23.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned examples, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described for the purpose of explaining the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations. It is also possible to replace a part of the configuration of one example of the embodiment with the configuration of another example, or to add the configuration of another example.
  • the combination of the first cathode and the permanent magnet of the ninth example, or the first cathode and the third cathode of the tenth example instead of the first cathode provided with the recesses of the third to seventh examples, the combination of the first cathode and the permanent magnet of the ninth example, or the first cathode and the third cathode of the tenth example. It is also possible to construct a similar ion gun by using the combination of.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

より高いプラズマ効率を得ることができるイオンガンを提供する。円盤形状を有する第１のカソード２１と、円盤形状を有し、イオンビーム取り出し孔１０１ａが設けられた第２のカソード１２と、第１のカソードと第２のカソードとの間に配置され、円筒形状を有する第１の永久磁石１４と、円筒領域３５ａと円筒領域の一端に設けられた張り出し領域２５ａとを有するアノード２３と、アノードを、電気的に接続されている第１のカソード、第２のカソード及び第１の永久磁石から電気的に絶縁する絶縁体２６とを有し、アノードの円筒領域は、第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、アノードの張り出し領域は、第１の永久磁石の内径位置を越えて配置され、第１のカソードと対向している。

Description

イオンガン及びイオンミリング装置
　本発明は、ペニング放電方式のイオンガンおよびそれを有する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へ衝突させて、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。加工する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、マスク端面からの突出部分をスパッタすることで平滑な断面が加工できる。たとえば、電子部品の内部構造や断面形状、膜厚評価、結晶状態、故障や異物断面の解析などを目的として、走査型電子顕微鏡により形態像、試料組成像、チャネリング像の取得やＸ線分析、結晶方位解析などを行う場合、断面試料を作成するために本加工法は有用である。なお、電子部品に限られず、金属、ガラス、セラミック、複合材料などにも適用可能である。
　電子顕微鏡による観察解析前の試料作製を行うイオンミリング装置においては、イオンガンとして、比較的簡単な構成で小型なペニング放電方式のイオンガンが広く用いられている。特許文献１には、ペニング放電方式のイオンガンの基本構造が開示されている。特許文献２にはイオンガンから放出されるイオンの量を多くするため、ペニング放電方式のイオンガン構成において、永久磁石の発生する磁場とイオン化室領域とを適正化する方式が開示されている。
特開昭５３－１１４６６１号公報 特開２０１６－３１８７０号公報
　近年のイオンミリング装置の進歩に伴い、市場が大きく広がり、常に更なる加工速度の向上が求められている。例えば、半導体分野における積層された厚い試料を加工する必要のあるシリコン貫通電極（ＴＳＶ：Through Silicon Via）の３次元実装解析や、材料分野における硬度の高い鉄鋼材料の組成解析などにおいては、従来技術では長い処理時間が必要となり、装置の稼働率を低下させてしまう。
　ペニング放電方式のイオンガンは、カソードから放出された電子が磁場により旋回運動を行い、イオンガン内部に導入されたガスと衝突することでイオン化される。アノード両端に同電位のカソードを配置することで、カソード間を電子が往復運動し、その軌道を長くすることが可能であり、イオン化効率を向上できる特徴がある。発生した陽イオンの一部は、カソードのイオンビーム取り出し孔を通り、加速電極で加速され、加速電極のイオンビーム取り出し孔から外部に放出される。より高い加工速度を実現するにはイオンガンから放出されるイオンの量を多くする必要がある。
　しかしながら、加工速度の向上を目的に加速電圧を上げてみても（例えば、加速電圧を７ｋＶから８ｋＶに上げる）、イオンビーム電流値が向上せず、その結果加工速度も上がらないという現象が見出された。
　本発明の一態様であるイオンガンは、円盤形状を有する第１のカソードと、円盤形状を有し、イオンビーム取り出し孔が設けられた第２のカソードと、第１のカソードと第２のカソードとの間に配置され、円筒形状を有する第１の永久磁石と、円筒領域と円筒領域の一端に設けられた張り出し領域とを有するアノードと、アノードを、電気的に接続されている第１のカソード、第２のカソード及び第１の永久磁石から電気的に絶縁する絶縁体とを有し、アノードの円筒領域は、第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、アノードの張り出し領域は、第１の永久磁石の内径位置を越えて配置され、第１のカソードと対向している。
　また、本発明の他の一態様であるイオンミリング装置は、かかるイオンガンを用いたイオンミリング装置である。
　より高いプラズマ効率を得ることができるイオンガン、またはより大きな加工速度を得ることできるイオンミリング装置を提供する。
　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
イオンミリング装置の構成図である。 従来構造（比較例）のイオンガンの構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第１例）の構成断面図である。 第１のカソード２１の形状を示す図である。 アノード２３の形状を示す図である。 絶縁体２６の形状を示す図である。 イオンガン内部の電位分布の解析結果を示す図である。 本実施例のプラズマ生成室内部の電子密度分布を示す図である。 比較例のプラズマ生成室内部の電子密度分布を示す図である。 本実施例のイオンガン（第２例）の構成断面図である。 第１のカソード３１の形状を示す図である。 本実施例のイオンガン（第３例）の構成断面図である。 第１のカソード４１の形状を示す図である。 本実施例のイオンガン（第４例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第５例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第６例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第７例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第８例）の構成断面図である。 比較例及び本実施例のプラズマ生成室内部の電子密度分布を示す図である。 本実施例のイオンガン（第９例）の構成断面図である。 本実施例のイオンガン（第１０例）の構成断面図である。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
　図１にイオンミリング装置の構成を示す。ペニング放電方式のイオンガン１は、その内部にイオンを発生するために必要な要素を含み、イオンビーム２を試料６に照射する照射系を形成する。ガス源２０１はガス供給機構２００を介してイオンガン１に接続され、ガス供給機構２００により制御されたガス流量が、イオンガン１のプラズマ生成室内に供給される。ガス供給機構２００は、イオン化させるガスの流量を調整し、イオンガン内部に供給するための構成要素を含んでいる。導入ガスは一例としてＡｒガスを用いる。
　イオンビーム２の照射とそのイオンビーム電流は、イオンガン制御部３によって制御される。真空チャンバー４は、真空排気系５によって大気圧または真空に制御される。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によって保持されている。試料ステージ８は、真空チャンバー４が大気開放したときに真空チャンバー４の外へ引き出すことができ、また試料６をイオンビーム２の光軸に対して任意の角度に傾斜させるための機構要素を含んでいる。試料ステージ駆動部９は、試料ステージ８を左右へスイングさせることができ、その速度を制御することができる。
　図２に、比較例として、ペニング放電方式のイオンガンの従来構造（断面図）を示し、イオンガンの構造及び動作を説明する。第１のカソード１１は、例えば純鉄など導電性のある磁性材料により円盤形状に形成されており、プラズマ生成室１００にガスを導入するための孔や、アノード１３に給電するためのアノードピン（不図示）を貫通させる孔が設けられている。第２のカソード１２も同様に純鉄など導電性のある磁性材料により円盤形状に形成されており、中央部にはイオンビーム取り出し孔１０１ａが設けられている。永久磁石１４は、例えばサマリウムコバルト磁石であり、円筒形状に形成され、永久磁石１４の一端は第１のカソード１１に、他端は第２のカソード１２に繋がっている。第１のカソード１１及び第２のカソード１２と永久磁石１４とによりイオンガン１内に磁場を発生させている。また、カソードリング１７は永久磁石１４が環境に露出しないように設けられる。カソードリング１７にはステンレスなどの材料が用いられる。
　円筒形状の絶縁体１６は、永久磁石１４の内側に配置され、絶縁体１６の外面は永久磁石１４の内壁に接触している。絶縁体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は絶縁体１６の内側にはめ込まれており、アノード１３の外面は絶縁体１６の内面に接触しており、アノード１３の内面はプラズマ生成室１００に面している。アノード１３は例えばアルミニウムなど導電性を有する非磁性材料で形成されている。アノード１３は、絶縁体１６により第１のカソード１１、第２のカソード１２および永久磁石１４に対して電気的に絶縁されている。
　加速電極１５は例えばステンレスなどの導電性を有する非磁性材料により円筒状に形成されており、中央部にはイオンビーム取り出し孔１０１ｂが設けられている。接地電位に保たれた加速電極１５は第１のカソード１１と第２のカソード１２と永久磁石１４とを囲むように、イオンガンベース１８の周辺部に固定されている。イオンガンベース１８および第１のカソード１１には孔が設けられており、ガス導入機構から導入された、たとえばＡｒガスがプラズマ生成室１００に導入される。
　プラズマ生成室１００に導入されたＡｒガスを適切なガス分圧を保った状態とし、放電電源３０１により第１のカソード１１及び第２のカソード１２（第１のカソード１１と第２のカソード１２とは永久磁石１４を介して電気的に接続され、同電位に保たれる）とアノード１３との間に２ｋＶ程度の放電電圧を印加させ、グロー放電させる。放電電圧の印加により第１のカソード１１表面と第２のカソード１２表面から放出された電子はアノード１３に向けて加速されるとともに、放出された電子は、第１のカソード１１、第２のカソード１２および永久磁石１４によりプラズマ生成室１００に形成された磁場でその軌道が曲げられ旋回運動を行う。この旋回運動により電子軌道が長くなることによって放電効率を向上させることができる。
　プラズマ生成室１００内を旋回する電子が、導入されたＡｒガスと衝突すると、衝突を受けたＡｒガスがイオン化し、プラズマ生成室１００ではＡｒイオン（陽イオン）が発生する。プラズマ生成室１００で発生した陽イオンの一部は、第２のカソード１２のイオンビーム取り出し孔１０１ａを通り、加速電源３０２により第２のカソード１２と加速電極１５との間に１０ｋＶ程度の加速電圧が印加されることによって加速されて、加速電極のイオンビーム取り出し孔１０１ｂからイオンガン１０の外部に放出され、陽イオンからなるイオンビームによって試料が加工される。
　このようなぺニング放電方式のイオンガンから引き出されるイオン電流は、イオンがもつ空間電荷により電界が変化するため、空間電荷に制限される。また、イオンガンが供給するイオン流にも制限される。一般に、空間電荷制限電流値とイオン飽和電流値とを同じ値にすることにより、引き出し系とイオンを生成するプラズマ条件とのバランスが保たれて、良質で多量のイオンビームの引き出しが可能になるといわれている。イオン飽和電流値を高めるには、プラズマ生成室１００内部の電子温度やプラズマ密度を高くすればよい。空間電荷制限電流値を高めるにはカソード１２と加速電極１５との間に印加する加速電圧を高くすればよい。
　上述したように、加速電圧を高くしてもイオンガンから引き出されるイオンビーム電流値が高くならないのは、イオンガンのイオン飽和電流値が、その空間電荷制限電流値に見合う数値に到達していない、すなわちプラズマ生成室１００において十分なイオン流が生成できていないためである。イオン流の生成においては、適切な磁束密度を有する永久磁石と十分な電子供給が可能なプラズマ生成室領域とを組み合わせることが非常に重要である。より高い加工速度を有するイオンミリング装置に適したイオンガンを実現するため、本実施例ではプラズマ生成室で発生する電子の供給量を従来構造よりも増大させ、より高い加速電圧を印加した場合の空間電荷制限電流値に見合うイオン飽和電流値を実現可能なイオンガン、それを有するイオンミリング装置を提案する。
　図３は、本実施例のイオンガン（第１例）の構成断面図である。なお、比較例として示したイオンガンと同一の構成要素については同じ符号を付して説明は省略し、比較例と相違する構成を中心に説明をする。以下の実施例についても同様である。ペニング放電方式のイオンガンにおいて高いイオン飽和電流を実現するためには、電子供給量を増やすことが必須である。このため、電子を供給する第１のカソード２１のプラズマ生成室１００への露出面積を拡大する。
　具体的には、永久磁石１４の内径位置よりも外側に第１のカソード２１とアノード２３とを対向させて配置する。第１のカソード２１には、永久磁石１４と接続する面側に、永久磁石１４の外径よりも小さく、内径よりも大きい凹部を形成し、アノード２３には、第１のカソード２１と対向する側の端部に円盤形状の張り出し領域を設けて面積を拡大することにより、第１のカソード２１とアノード２３とが対向する領域を拡大した。これに伴い、第１のカソード２１、第２のカソード１２および永久磁石１４を、アノード２３と電気的に絶縁する絶縁体２６は、アノード２３と同様の形状として、永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆し、イオンガンの信頼性を向上させている。
　図４に、第１のカソード２１の形状を示す。第１のカソード２１をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。第１のカソード２１は導電性のある磁性材料として、例えば純鉄により円盤形状に形成されており、イオンガンベース１８に固定するためのカソード固定用孔１０２が設けられている。またアノード２３に給電するためのアノードピンを貫通させるためのアノードピン貫通孔１０３が設けられている。なお、イオンガンベース１８にもアノードピン貫通孔１０３に対応する位置に貫通孔が設けられ、アノードピンはイオンガンベース１８及び第１のカソード２１の貫通孔を通して、プラズマ生成室１００に挿入される。本実施例では、第１のカソード２１のプラズマ生成室１００に面する領域に、例えばカソード中央に直径１２ｍｍ、深さ１ｍｍの凹部２２が形成されている。この例では、円形の凹部２２を形成しているが、円形に限定されるものではなく、多角形の穴であってもよい。ただし、製造性の観点からは、図に示すような円形が好ましい。
　図５に、アノード２３の形状を示す。アノード２３をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。　アノード２３は、例えばアルミニウムなど導電性を有する非磁性材料で形成されており、第１のカソード２１の凹部２２とアノード２３とが対向する領域を拡大するため、円筒領域３５ａの第１のカソード２１側の端部に、例えば円盤形状を有する張り出し領域２５ａを有している。図３に示されるように、アノード２３は絶縁体２６にはめ込まれてアノード２３の外面が絶縁体２６の内面に接触しており、アノード２３の内面はプラズマ生成室１００として機能する。第１のカソード２１のアノードピン貫通孔１０３を通ったアノードピンは、第１のカソード２１の凹部２２と対面する側に設けられた張り出し領域２５ａに押し付けられる。これにより、アノード２３は絶縁体２６を介して第２のカソード１２に押し付けられるように固定される。この例では、第１のカソード２１の凹部２２と対面する張り出し領域２５ａを円盤形状としているが、円形に限定されるものではなく、多角形でもよい。
　図６に、絶縁体２６の形状を示す。絶縁体２６をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。絶縁体２６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。絶縁体２６は、アノード２３と同様に、円筒領域３５ｂの第１のカソード２１側の端部、すなわちアノード２３の張り出し領域２５ａが設けられた側に、例えば円盤形状となる張り出し領域２５ｂを有している。この構造により、アノード２３端部の張り出し領域２５ａと永久磁石１４とを電気的に絶縁する。図３に示すように、張り出し領域２５ｂにより永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆することにより、イオンガン１の長期安定性を向上させる。
　図７に、図３に示す実施例と図２に示す比較例のそれぞれについて、イオンガン内部の電位分布の解析結果を示す。解析結果４０１が図３の構造についての解析結果であり、解析結果４０２が図２の構造についての解析結果であり、ともに有限要素ベースの物理シミュレータにて電界強度解析を行った結果である。本図では、高電位領域と低電位領域が暗く表され、中間電位領域が明るく表されている。解析結果４０１に示されるように、第１のカソード２１の凹部２２とアノード２３の張り出し領域２５ａとが対向している領域の全域で強い電界が発生しており、この分、解析結果４０２に示される比較例の構造と比較して、第１のカソード２１から電子が供給できる領域が大きく拡大している。これにより、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量を格段に増大させ、高いイオン飽和電流を実現することができる。
　図８Ａは、図３に示す実施例におけるプラズマ生成室１００内部の電子密度分布であり、図８Ｂは、図２に示す比較例におけるプラズマ生成室１００内部の電子密度分布である。いずれも有限要素ベースの物理シミュレータにて電界強度解析を行った結果をプロットしたものである。図８の横軸は、図７に付記したスケールと一致させて表記しており、第１のカソード表面をゼロ点として、イオンガンの中心軸上をイオンビーム取り出し孔１０１ａ方向に向けて、電子密度をプロットしている。その結果、図３に示す本実施例の構造の場合には電子密度が８．８×１０15ｌ／ｍ3となり、図２に示す比較例の構造の場合の６．７×１０15ｌ／ｍ3に対して、約３０％向上していることが分かる。
　以下、本実施例のイオンガンの変形例について説明する。図９は、本実施例のイオンガン（第２例）の構成断面図である。なお、以降の実施例では放電電圧、加速電圧の印加機構については同様であるため省略する。この例では、第１のカソード３１に形成する凹部の底面形状を、中心部の深さが周辺部の深さよりも深くした形状とする。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　図１０に、第１のカソード３１の形状を示す。第１のカソード３１をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。第１のカソード３１は導電性のある磁性材料として、例えば純鉄により円盤形状に形成されており、イオンガンベース１８に固定するためのカソード固定用孔１０２、アノードピンを貫通させるアノードピン貫通孔１０３が設けられている。第１のカソード３１のプラズマ生成室１００に面する領域には、カソード中央に直径１２ｍｍの凹部３２が形成されている。この例では、凹部３２の底面は円錐形状を有しており、凹部３２の深さが中心部で２ｍｍ、周辺部で１ｍｍとなるような傾斜面を有している。なお、円錐形状に限定されるものではなく、例えば中心部が平坦な形状になっていてもよい。このように、凹部３２に傾斜面を設けることにより、電子が発生する第１のカソード３１の表面積を拡大し、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量を増大させることができる。
　図１１は、本実施例のイオンガン（第３例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード４１に形成する凹部の底面に凹凸を形成した。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　図１２に、第１のカソード４１の形状を示す。第１のカソード４１をイオンビーム取り出し孔側からみた平面図（上図）と、平面図に示したＡ－Ａ線に沿った断面図（下図）とを示している。第１のカソード４１は導電性のある磁性材料として、例えば純鉄により円盤形状に形成されており、イオンガンベース１８に固定するためのカソード固定用孔１０２、アノードピンを貫通させるアノードピン貫通孔１０３が設けられている。第１のカソード４１のプラズマ生成室１００に面する領域には、カソード中央に直径１２ｍｍ、深さ１ｍｍの凹部４２が形成されている。さらに、凹部４２の底面には幅０．４ｍｍ、深さ１ｍｍの円周状のスリットが形成されている。カソードの表面積を増大させることにより、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量をさらに増大させることができる。この例では、凹凸として、凹部４２の底面に円周状のスリットを形成した例を示しているが、スリットの形状は円形に限定されるものではなく、多角形であっても、また格子状であっても問題ない。
　図１３は、本実施例のイオンガン（第４例）の構成断面図である。この例では、アノード３３の張り出し領域が有する円筒領域につながる開口は、円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなる傾斜面を有する形状とした。さらに、第１のカソード５１に形成する凹部の底面には、アノード３３の張り出し領域の形状に合わせて、外周部から中央部へ向かって傾斜する凸部を有する形状とした。張り出し領域によって拡大された端部において、第１のカソード５１とアノード３３とが近距離で対向する面積を広くとることにより、プラズマ生成室１００で発生する電子の供給量をさらに増大させることができる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　図１４は、本実施例のイオンガン（第５例）の構成断面図である。この例では、第４例と同様に、アノード３３の第１のカソード６１と向き合う円盤形状の端部を、外周部から中央部へ向かって傾斜する形状とした。一方、第１のカソード６１に形成する凹部の底面は平坦にした。このため、第４例の構造よりも拡大された端部における第１のカソード５１とアノード３３とが対向する距離が広がることになるが、その分プラズマ生成室１００につながる空間を広くとることができ、拡大された端部で発生した電子をプラズマ生成室１００に導入することが容易になる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　図１５は、本実施例のイオンガン（第６例）の構成断面図である。この例では、アノード４３は、張り出し領域が有する円筒領域につながる開口は、円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなり、アノード４３の張り出し領域の外径も、開口の内径に応じて拡大する形状とした。この形状に合わせて、永久磁石２４とアノード４３とを電気的に絶縁する絶縁体３６は、張り出し領域が有する円筒領域につながる開口は、アノード４３の張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなり、絶縁体３６の張り出し領域の外径も、開口の内径に応じて拡大する形状とした。また、永久磁石２４は、絶縁体３６の形状に合わせて、内壁に、絶縁体３６の張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなる傾斜面を設けた。さらに、第１のカソード７１に形成される凹部の底面は、アノード４３の形状にあわせて、外周部から中央部へ向かって傾斜する凸部を有する形状とした。第４例の構造と同様に、拡大された端部において、第１のカソード７１とアノード４３とが近距離で対向する面積を広くとることができるとともに、第１のカソード７１の外周部の高さを第１のカソード５１よりも低くすることができるため、よりコンパクトにイオンガンを形成することが可能になる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　図１６は、本実施例のイオンガン（第７例）の構成断面図である。この例では、第６例と同様に、アノード４３及び絶縁体３６の張り出し領域を、外周側に向かって傾斜して外径が拡大する形状とし、永久磁石２４は、絶縁体３６の張り出し領域の形状にあわせて、内壁に内径を拡大させる傾斜面を設けた。一方、第１のカソード８１に形成する凹部の底面は平坦にした。このため、第６例の構造よりも拡大された端部における第１のカソード８１とアノード４３とが対向する距離が広がることになるが、その分プラズマ生成室１００につながる空間を広くとることができ、拡大された端部で発生した電子をプラズマ生成室１００に導入することが容易になる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　図１７は、本実施例のイオンガン（第８例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード９１に形成する凹部に、非磁性材料１９を配置している。これにより、イオンガン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がアノード２３上に針状に積層されて異常放電を起こすことを防止できる。非磁性材料には例えば、タングステン、モリブデン、チタン、クロム、タンタルなどが適用できる。これ以外については第１例（図３）と同じ構造上の特徴を有している。
　金属製のカソードから発生したリデポジションは酸化しやすいため、アノードに付着するとリデポジションが酸化することにより、アノードの導電性が落ちる原因となる。アノードの導電性が落ちると、帯電して放電が不安定になるといった不具合が発生する。このため、第１のカソード９１の凹部に配置された非磁性材料１９は、導電性とイオン耐性を併せ持った材質である必要があり、例示したような硬い金属材料で形成された部品が有効である。スパッタ量の定義として「スパッタ収率」が一般的に用いられるが、実際にスパッタされる体積は「スパッタ収率に結晶モル密度を乗じた比」として表すことができる。チタンの場合、スパッタモル体積比が０．３２２ｍｏｌ／ｃｃとなり、金属材料として最も小さい。図１７に示すようなイオンガン構成を採用することによって、イオンガンから放出されるイオン量の増大が実現でき、かつ第１のカソード９１や非磁性材料１９の変形や汚染を低減して安定したイオン電流が得られ、それら部品を従来よりも長寿命化することができる。
　さらに、第１のカソード９１に形成する凹部に配置する非磁性材料１９として、例えば、グラファイトカーボンや単結晶グラファイト、高配向熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）を適用することもできる。導電性のある材質であるグラファイトカーボンは、スパッタモル体積比が０．１５ｍｏｌ／ｃｃとチタンよりもさらに小さい。これにより、第１のカソード９１の凹部に形成された非磁性材料１９からのスパッタモル体積をより低減できる。これにより、アノード２３へ付着するリデポジションの付着体積も低減するため、電極間のショートが起き難く、イオンガンのメンテナンス周期を長期化することが可能である。さらに、グラファイトカーボンは、酸化耐性に優れるため、グラファイトカーボンのスパッタ粒子がアノード２３に再付着しても、金属材料の場合と比べて酸化しにくい。従って、たとえアノード２３にリデポジションが付着した場合でも、リデポジションが酸化することによって起こる帯電等の不具合は起こりづらく、帯電を防ぐという目的でのイオンガンのクリーニングを基本的に不要にできる。
　図１８は、本実施例の効果として、プラズマ生成室１００内部の電子密度分布を比較した結果である。横軸の項目はイオンガンの構造であり、図２に示した従来構造での電子密度分布を比較例として示すとともに、図３、図９、図１１、図１３、図１４、図１５、図１６に示した第１例～第７例の本実施例の構造での電子密度分布を示している。いずれも物理シミュレータにて電界強度解析を行った結果をプロットしたものである。その結果、比較例として示した従来構造の６．７×１０15ｌ／ｍ3に対して、本実施例の構造では電子密度が、約３％から６１％まで向上することが分かる。これにより、プラズマ生成室１００内のイオン流を高め、イオン源は高い空間電荷制限電流値に見合った十分なイオン飽和電流値が得られ、その結果、イオンガンから放出されるイオン量を増大できる。
　図１９は、本実施例のイオンガン（第９例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード１１１と永久磁石１４とが接続する界面に、永久磁石１４の内径よりも大きい内径を有する永久磁石４０４を配置した。これにより第１のカソード１１１の永久磁石１４と接続する面領域への凹部形成を不要としつつ、アノード２３の第１のカソード１１１と向き合う端部に円盤形状の張り出し領域を設けることにより、第１のカソード１１１とアノード２３との対向領域を拡大させている。また、第１のカソード１１１、第２のカソード１２、永久磁石１４及び永久磁石４０４を、アノード２３と電気的に絶縁する絶縁体２６は、アノード２３と同様に第１のカソード１１１側の端部に円盤形状の張り出し領域を設けて面積を拡大することで、永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆しており、イオンガンの信頼性を向上させている。
　図２０は、本実施例のイオンガン（第１０例）の構成断面図である。この例では、第１のカソード１１１と永久磁石１４が接続する界面に、永久磁石１４の内径よりも大きい内径を有する第３のカソード４０５を配置した。これにより第１のカソード１１１の永久磁石１４と接続する面領域への凹部形成を不要としつつ、アノード２３の第１のカソード１１１と向き合う端部に円盤形状の張り出し領域を設けることにより、第１のカソード１１１とアノード２３との対向領域を拡大させている。また、第１のカソード１１１、第２のカソード１２、第３のカソード４０５及び永久磁石１４を、アノード２３と電気的に絶縁する絶縁体２６は、アノード２３と同様に第１のカソード１１１側の端部に円盤形状の張り出し領域を設けて面積を拡大することで、永久磁石１４がプラズマ生成室１００に露出しないように被覆しており、イオンガンの信頼性を向上させている。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例のある例の構成の一部を他の例の構成に置き換えたり、他の例の構成を加えたりすることも可能である。例えば、第３例～第７例の凹部を設けた第１のカソードに代えて、第９例の第１のカソードと永久磁石の組み合わせ、あるいは第１０例の第１のカソードと第３のカソードの組み合わせを用いて、同様のイオンガンを構成することも可能である。
１，１０：イオンガン、２：イオンビーム、３：イオンガン制御部、４：真空チャンバー、５：真空排気系、６：試料、７：試料台、８：試料ステージ、９：試料ステージ駆動部、１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１１１：第１のカソード、１２：第２のカソード、１３，２３，３３，４３：アノード、１４，２４，４０４：永久磁石、１５：加速電極、１６，２６，３６：絶縁体、１７：カソードリング、１８：イオンガンベース、１９：非磁性材料、２２，３２，４２：凹部、２５ａ，２５ｂ：張り出し領域、３５ａ，３５ｂ：円筒領域、１００：プラズマ生成室、１０１ａ，１０１ｂ：イオンビーム取り出し孔、１０２：カソード固定用孔、１０３：アノードピン貫通孔、２００：ガス供給機構、２０１：ガス源、３０１：放電電源、３０２：加速電源、４０１，４０２：解析結果、４０５：第３のカソード。

Claims (19)

  1. 　円盤形状を有する第１のカソードと、
    　円盤形状を有し、イオンビーム取り出し孔が設けられた第２のカソードと、
    　前記第１のカソードと前記第２のカソードとの間に配置され、円筒形状を有する第１の永久磁石と、
    　円筒領域と前記円筒領域の一端に設けられた張り出し領域とを有するアノードと、
    　前記アノードを、電気的に接続されている前記第１のカソード、前記第２のカソード及び前記第１の永久磁石から電気的に絶縁する絶縁体とを有し、
    　前記アノードの前記円筒領域は、前記第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、
    　前記アノードの前記張り出し領域は、前記第１の永久磁石の内径位置を越えて配置され、前記第１のカソードと対向しているイオンガン。
  2. 　請求項１において、
    　前記第１のカソードと前記第２のカソードとの間に、外部から供給されたガスに電子を衝突させてイオンを生成する空間であるプラズマ生成室が形成されており、
    　前記第１の永久磁石が前記プラズマ生成室に露出しないよう、前記第１の永久磁石は前記絶縁体により被覆されているイオンガン。
  3. 　請求項２において、
    　前記絶縁体は、円筒領域と前記円筒領域の一端に設けられた張り出し領域とを有し、
    　前記絶縁体の前記円筒領域は、前記第１の永久磁石の内径位置よりも内側に配置され、
    　前記アノードの前記円筒領域は、前記絶縁体の前記円筒領域にはめ込まれ、
    　前記絶縁体の前記張り出し領域は、前記アノードの前記張り出し領域を越えて前記第１の永久磁石を被覆するイオンガン。
  4. 　請求項１において、
    　前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、前記第１の永久磁石の外径よりも小さく内径よりも大きい凹部を有するイオンガン。
  5. 　請求項４において、
    　前記第１のカソードの前記凹部は、前記凹部の中心部の深さが前記凹部の周辺部の深さよりも深くされたイオンガン。
  6. 　請求項５において、
    　前記第１のカソードの前記凹部は円錐形状を有するイオンガン。
  7. 　請求項１において、
    　前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、凹凸が形成されているイオンガン。
  8. 　請求項７において、
    　前記第１のカソードに円周状、多角形状または格子状のスリットが形成されることにより、前記凹凸が形成されているイオンガン。
  9. 　請求項１において、
    　前記アノードの前記張り出し領域が有する前記アノードの前記円筒領域につながる開口は、前記アノードの前記円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなる傾斜面を有するイオンガン。
  10. 　請求項９において、
    　前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、前記アノードの前記張り出し領域が有する開口に応じた傾斜面をもつ凸部を有するイオンガン。
  11. 　請求項３において、
    　前記アノードの前記張り出し領域が有する前記アノードの前記円筒領域につながる開口は、前記アノードの前記円筒領域から遠ざかるにつれて内径が大きくなり、前記アノードの前記張り出し領域の外径は、開口の内径に応じて拡大し、
    　前記絶縁体の前記張り出し領域が有する前記絶縁体の前記円筒領域につながる開口は、前記アノードの前記張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなり、前記絶縁体の前記張り出し領域の外径は、開口の内径に応じて拡大し、
    　前記第１の永久磁石の内壁に、前記絶縁体の前記張り出し領域の外径に応じて内径が大きくなる傾斜面を有するイオンガン。
  12. 　請求項１１において、
    　前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に、前記アノードの前記張り出し領域が有する開口に応じた傾斜面をもつ凸部を有するイオンガン。
  13. 　請求項１において、
    　前記第１のカソードは、前記アノードの前記張り出し領域に対向する面に非磁性材料が配置されているイオンガン。
  14. 　請求項１３において、
    　前記非磁性材料として、少なくともタングステン、モリブデン、チタン、クロム、タンタルのいずれかを含むイオンガン。
  15. 　請求項１３記載において、
    　前記非磁性材料として、少なくともグラファイトカーボン、単結晶グラファイト、高配向熱分解黒鉛のいずれかを含むイオンガン。
  16. 　請求項１記載において、
    　前記第１のカソードと前記第１の永久磁石との間に、前記第１の永久磁石よりも内径の大きい第２の永久磁石が配置され、
    　前記絶縁体は、前記アノードを、電気的に接続されている前記第１のカソード、前記第２のカソード、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石から電気的に絶縁するイオンガン。
  17. 　請求項１記載において、
    　前記第１のカソードと前記第１の永久磁石との間に、前記第１の永久磁石よりも内径の大きい第３のカソードが配置され、
    　前記絶縁体は、前記アノードを、電気的に接続されている前記第１のカソード、前記第２のカソード、前記第３のカソード及び前記第１の永久磁石から電気的に絶縁するイオンガン。
  18. 　請求項１～１７のいずれか１項に記載のイオンガンと、
    　真空排気系によって気圧制御される真空チャンバーと、
    　前記真空チャンバー内に配置され、試料を保持するための試料ステージとを備え、
    　前記イオンガンからイオンビームを照射して前記試料を加工するイオンミリング装置。
  19. 　請求項１８において、
    　前記イオンガンに接続されるガス供給機構と、
    　前記イオンガンを制御するイオンガン制御部とを有し、
    　前記イオンガンは、イオンビーム取り出し孔が設けられた加速電極を有し、
    　前記ガス供給機構は前記イオンガン内部にイオン化させるガスを供給し、
    　前記イオンガン制御部は、前記第１のカソード及び前記第２のカソードと前記アノードとの間に放電電圧を印加してグロー放電を発生させ、前記第２のカソードと前記加速電極との間に加速電圧を印加することにより、前記グロー放電により発生した電子と前記ガスとが衝突して生じたイオンを加速させて、前記加速電極の前記イオンビーム取り出し孔から放出させるイオンミリング装置。
PCT/JP2019/033713 2019-08-28 2019-08-28 イオンガン及びイオンミリング装置 WO2021038754A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020227001586A KR20220019827A (ko) 2019-08-28 2019-08-28 이온건 및 이온 밀링 장치
PCT/JP2019/033713 WO2021038754A1 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 イオンガン及びイオンミリング装置
JP2021541870A JP7186884B2 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 イオンガン及びイオンミリング装置
US17/634,331 US20220285123A1 (en) 2019-08-28 2019-08-28 Ion gun and ion milling machine
TW109123322A TWI743879B (zh) 2019-08-28 2020-07-10 離子槍及離子銑削裝置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/033713 WO2021038754A1 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 イオンガン及びイオンミリング装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021038754A1 true WO2021038754A1 (ja) 2021-03-04

Family

ID=74683975

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/033713 WO2021038754A1 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 イオンガン及びイオンミリング装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220285123A1 (ja)
JP (1) JP7186884B2 (ja)
KR (1) KR20220019827A (ja)
TW (1) TWI743879B (ja)
WO (1) WO2021038754A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024024061A1 (ja) * 2022-07-28 2024-02-01 株式会社日立ハイテク イオンミリング装置およびイオンミリング方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006351374A (ja) * 2005-06-16 2006-12-28 Jeol Ltd イオン源
JP2014235948A (ja) * 2013-06-04 2014-12-15 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオン源およびイオンミリング装置
WO2016017661A1 (ja) * 2014-07-30 2016-02-04 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンミリング装置、イオン源およびイオンミリング方法
WO2017051469A1 (ja) * 2015-09-25 2017-03-30 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンミリング装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS53114661A (en) 1977-03-17 1978-10-06 Toshiba Corp Ion source of penning discharge type
JP5872541B2 (ja) * 2010-04-09 2016-03-01 イー エイ フィシオネ インストルメンツ インコーポレーテッドＥ．Ａ．Ｆｉｓｃｈｉｏｎｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｉｎｃ． 改良型イオン源
JP5857158B2 (ja) * 2013-06-10 2016-02-10 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンミリング装置
WO2015016040A1 (ja) * 2013-08-02 2015-02-05 株式会社 日立ハイテクノロジーズ 走査電子顕微鏡
JP6294182B2 (ja) * 2014-07-30 2018-03-14 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンガン及びイオンミリング装置、イオンミリング方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006351374A (ja) * 2005-06-16 2006-12-28 Jeol Ltd イオン源
JP2014235948A (ja) * 2013-06-04 2014-12-15 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオン源およびイオンミリング装置
WO2016017661A1 (ja) * 2014-07-30 2016-02-04 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンミリング装置、イオン源およびイオンミリング方法
WO2017051469A1 (ja) * 2015-09-25 2017-03-30 株式会社日立ハイテクノロジーズ イオンミリング装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024024061A1 (ja) * 2022-07-28 2024-02-01 株式会社日立ハイテク イオンミリング装置およびイオンミリング方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP7186884B2 (ja) 2022-12-09
JPWO2021038754A1 (ja) 2021-03-04
TWI743879B (zh) 2021-10-21
TW202109592A (zh) 2021-03-01
US20220285123A1 (en) 2022-09-08
KR20220019827A (ko) 2022-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5212760B2 (ja) イオン注入装置用のイオン源およびそのためのリペラ
EP2492949B1 (en) Stable cold field emission electron source
JP6220749B2 (ja) イオンガン及びイオンミリング装置、イオンミリング方法
JP2016225139A (ja) プラズマ生成装置および熱電子放出部
JP2006351374A (ja) イオン源
US10361065B2 (en) Ion milling system
WO2021038754A1 (ja) イオンガン及びイオンミリング装置
JPH08102278A (ja) イオンビーム発生装置及び方法
JP3075129B2 (ja) イオン源
US11004649B2 (en) Ion source device
JP2000090844A (ja) イオン源
US11289299B2 (en) Duoplasmatron ion source with a partially ferromagnetic anode
JP2018022701A (ja) イオンガン及びイオンミリング装置、イオンミリング方法
JPH10275566A (ja) イオン源
JPH10255675A (ja) 負イオン源
JP5625965B2 (ja) Ｘ線管
JP2005251502A (ja) 電界電子放出装置
WO2020044429A1 (ja) イオンビーム装置
JPS5820090B2 (ja) 電子衝撃加熱方式によるマグネトロン型イオン発生装置
JPH1064437A (ja) イオンビーム発生装置
JP2610281B2 (ja) デュオプラズマトロンイオン源
JP2018170295A (ja) イオンガン及びイオンミリング装置、イオンミリング方法
JP2011119140A (ja) 電子ビーム装置
Ovsyannikova Classified abstracts 1279-1290
JPH0334178B2 (ja)

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19942666

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20227001586

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021541870

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19942666

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1