WO2023053437A1 - イオンミリング装置 - Google Patents

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翔太 会田
久幸 高須
敦史 上野
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株式会社日立ハイテク
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an ion milling device.
  • An ion milling apparatus irradiates an unfocused ion beam onto a sample (e.g., metal, semiconductor, glass, ceramic, etc.) to be observed with an electron microscope, and spatters atoms on the surface of the sample without stress by a sputtering phenomenon. It is used for polishing the sample surface and exposing the internal structure of the sample.
  • the sample surface polished by the ion beam and the exposed internal structure of the sample are used for observation with a scanning electron microscope or a transmission electron microscope.
  • a high voltage is applied between the anode and cathode inside the ion source to ionize the introduced gas with generated electrons, and an acceleration voltage is applied to extract the ions from the ion source and irradiate the sample.
  • the cathode is worn by the sputtering phenomenon caused by the generated plasma, and a conductive deposited film derived from the composition of the cathode is formed on the inner wall surface of the anode.
  • the deposited film grows with the lapse of operating time of the apparatus.
  • the deposited film that has grown exfoliates like a needle and short-circuits between the anode and the cathode, making it impossible to generate ions. Therefore, it was necessary to disassemble the ion source and remove the short circuit. For this reason, in the conventional ion milling apparatus, it was necessary to interrupt sample processing and remove the deposited film every time a short circuit occurred.
  • Cited Document 1 it is possible to remove the deposited film without decomposing the ion source by using the gas injection means. Pulling is required and processing efficiency is reduced.
  • An ion milling apparatus which is an embodiment of the present invention, comprises a sample chamber, a sample stage disposed in the sample chamber on which the sample is placed, a first internal electrode, a second internal electrode, and an acceleration electrode. a source, a rod-shaped electrode that can be inserted into and removed from the ion source, and a power supply unit connected to the first internal electrode, the second internal electrode, the acceleration electrode, and the rod-shaped electrode, With the rod-shaped electrode retracted from the ion source, the power supply unit applies a first discharge voltage between the first internal electrode and the second internal electrode, and accelerates the voltage between the first internal electrode and the acceleration electrode.
  • the ion source accelerates ions generated by collisions between the gas and electrons generated by the discharge between the first internal electrode and the second internal electrode, and accelerates them into the sample. emits as an unfocused beam of ions directed towards With the rod-shaped electrode inserted into the ion source, the power supply unit applies a second discharge voltage between the rod-shaped electrode and the first internal electrode and the second internal electrode, thereby causing the ion source to move inside. , ions are generated by collision of electrons generated by discharge between the rod-like electrode and the first internal electrode or the second internal electrode with the gas.
  • An ion milling apparatus which is another embodiment of the present invention, includes a sample chamber, a sample stage disposed in the sample chamber on which the sample is placed, and electrons generated by discharge between an anode and a cathode.
  • an ion source that accelerates ions with an acceleration electrode to emit them as an unfocused ion beam toward a sample;
  • a power supply unit that is connected to the anode, the cathode, and the acceleration electrode;
  • the discharge voltage applied between the anode and the cathode to the power supply unit and the difference between the anode and the accelerating electrode.
  • a control unit stops application of an acceleration voltage applied between them, inserts a rod-shaped member into the ion source, and removes a short-circuited portion between the anode and the cathode with a brush.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the main parts of an ion milling apparatus of Example 1.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing possible positional relationships between a shutter and an ion source;
  • FIG. 4 is a diagram showing possible positional relationships between a shutter and an ion source;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an ion source and a power supply circuit that applies a control voltage to internal electrodes of the ion source;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an ion source and a power supply circuit that applies a control voltage to internal electrodes of the ion source; It is a schematic diagram which shows a mode that the shaft was inserted in the ion source.
  • FIG. 4 is a flow chart showing a series of operations from the start to end of sample processing of the ion milling apparatus of Example 1.
  • FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing the main part of the ion milling apparatus of Example 2; 9 is a flow chart showing a series of operations from the start to end of sample processing of the ion milling apparatus of Example 2.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing how a shaft with a brush is inserted into the ion source in the ion milling apparatus of Example 3; This is the shaft rotation source viewed from the Y direction. 10 is a flow chart showing a series of operations from the start to end of sample processing of the ion milling apparatus of Example 3.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the main part of the ion milling apparatus of Example 2; 9 is a flow chart showing a series of operations from the start to end of sample processing of the ion milling apparatus of Example 2.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing how a shaft with a brush is
  • a shutter 104 is provided in front of the ion source 101 to block irradiation of the sample with the ion beam.
  • the direction in which the ion beam is emitted is called the front of the ion source, which corresponds to the Y direction in the example of FIG. 1A.
  • a shutter drive source 105 drives the shutter 104 .
  • FIGS. 1B shows a state in which the shaft 106 is retracted from the ion source 101 and the shutter 104 blocks the ion beam emitted from the ion source 101.
  • FIG. FIG. 1C shows a state in which the shutter 104 is retracted from the front of the ion source 101 and the sample can be milled by the ion beam.
  • FIG. 2A is a schematic diagram showing the ion source 101 adopting the Penning method and a power supply circuit that applies a control voltage to the internal electrodes of the ion source 101.
  • the power supply circuit is part of the power supply unit 108 .
  • the power supply circuit is equipped with an ammeter 208 and a voltmeter 209 between the anode 203 and the first cathode 201 and the second cathode 202 .
  • the ammeter 208 measures the discharge current flowing between the cathode and the anode due to discharge
  • the voltmeter 209 measures the discharge voltage actually applied between the cathode and the anode during discharge.
  • a discharge current value measured by the ammeter 208 and a discharge voltage value measured by the voltmeter 209 are also output to the control unit 109 .
  • the control unit 109 may use the discharge current value and the discharge voltage value to monitor the output state of the ion beam and display them on the display unit 110 .
  • FIG. 2B shows the ion source 101 with the anode-cathode shorted. This short circuit eliminates the potential difference between the anode and the cathode and stops the discharge, thereby interrupting sample processing.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing how the shaft 106 is inserted into the ion source 101 in order to remove the short circuit after the anode-cathode short circuit shown in FIG. 2B.
  • the control unit 109 detects occurrence of a short circuit between the anode and the cathode, for example, when the discharge voltage value measured by the voltmeter 209 drops abnormally. Upon detection of the occurrence of the short circuit, the control unit 109 stops applying the control voltage to the ion source 101, moves the shutter 104 by the shutter drive source 105, and arranges the shaft 106 coaxially with the opening 211 of the acceleration electrode 205. do.
  • the power supply unit 108 applies a high voltage (second discharge voltage) between the shaft 106 and the short-circuited cathodes 201, 202 and anode 203, thereby turning the ion source on.
  • Argon gas introduced into 101 is ionized.
  • the voltage Ve is a voltage value of negative polarity with respect to the reference potential
  • the discharge voltage Vd and the acceleration voltage Va are set to 0 V so that a high voltage (second 2 discharge voltage) is applied and a discharge occurs.
  • the shaft 106 functions as an anode
  • the cathodes 201, 202 and 203 function as cathodes.
  • the control unit 109 drives the shutter drive source 105 to move the shaft 106 forward of the ion source 101. At this time, the shaft 106 and the ion source 101 are arranged coaxially.
  • the control unit 109 drives the shutter driving source 105 to retract the shaft 106 from the front of the ion source 101.
  • step S311 If the anode-cathode short circuit occurs again during sample processing, the process returns to step S302 to remove the anode-cathode short circuit.
  • FIG. 6 shows a series of operations from the start to end of sample processing of the ion milling apparatus 100B of the second embodiment.
  • the same steps as those in the flowchart (FIG. 4) of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
  • the control unit 109 drives the sample stage drive source 103 so that the shaft 106 and the ion source 101 are arranged coaxially. This operation changes the position and attitude of the sample stage 102 from the state before the interruption of processing. Therefore, the state information of the sample stage before being driven by the sample stage drive source 103 is recorded (S303').
  • the state information is information for recovering the sample stage 102 to the state before the interruption of processing after short-circuit recovery, and includes the position coordinates (x, y, z) of the sample stage 102 and, if necessary, the posture of the sample stage 102. It contains information (tilt ⁇ 1 about T 1 axis, tilt ⁇ 2 about T 2 axis).
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing the ion source 101 of the ion milling apparatus of Example 3 and a power supply circuit that applies a control voltage to the internal electrodes of the ion source 101.
  • FIG. The difference from Examples 1 and 2 is the method of removing the short-circuited portion between the anode and the cathode.
  • a brush 401 is provided at the tip of a shaft (rod-shaped member) 106 , and the shaft 106 is attached to a shaft rotation source 402 via a shaft drive source 107 .
  • the shaft 106 in Example 3 does not function as an external electrode and functions as a support member for the brush 401 .
  • the shaft rotation source 402 viewed from the Y direction is shown in FIG. 7B.
  • the shaft rotation source 402 rotates around the rotation center CC, and the shaft 106 rotates as the shaft rotation source 402 rotates.
  • the shaft rotation source 402 is configured such that the holding positions of the shaft 106 and the shaft drive source 107 can be moved from the rotation center CC in the outer peripheral direction of the shaft rotation source 402 .
  • Example 3 the controller 109 may stop the supply of argon gas to the ion source 101 .
  • the control unit 109 drives the shutter drive source 105 to move the shaft 106 forward of the ion source 101 (S303).
  • the shaft 106 is positioned at the rotation center CC of the shaft rotation source 402 so that the rotation center CC of the shaft rotation source 402 is arranged on the central axis of the ion source 101 .
  • the shaft 106 and the ion source 101 are arranged coaxially.

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Abstract

アノード－カソード間が短絡し、試料加工が中断された場合でも、試料加工に自動復帰できるイオンミリング装置を提供する。イオンミリング装置は、試料室（１１１）と、試料室内に配置され、試料を載置する試料ステージ（１０２）と、第１の内部電極（２０３）、第２の内部電極（２０２）を備えるイオン源（１０１）と、イオン源に挿抜可能な棒状電極（１０６）と、第１の内部電極（２０３）、第２の内部電極（２０２）及び棒状電極（１０６）に接続される電源ユニット（１０８）とを有し、棒状電極（１０６）がイオン源（１０１）に挿入された状態で、電源ユニット（１０８）は棒状電極（１０６）と第１の内部電極（２０３）及び第２の内部電極（２０２）との間に第２の放電電圧を印加することにより、イオン源（１０１）はその内部に、棒状電極（１０６）と第１の内部電極（２０３）または第２の内部電極（２０２）との間の放電により発生した電子とガスとの衝突によりイオンを発生させる。

Description

イオンミリング装置
　本発明は、イオンミリング装置に関する。
　イオンミリング装置は、電子顕微鏡観察対象である試料（例えば、金属、半導体、ガラス、セラミックなど）に対して非集束のイオンビームを照射し、スパッタリング現象によって試料表面の原子を無応力で弾き飛ばし、試料表面の研磨や試料の内部構造を露出させるために使用する。イオンビームによって研磨された試料表面や露出された試料の内部構造は、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡の観察に用いられる。
　特許文献１は、イオンミリング装置にイオンガンに向けてガスを噴射するガス噴射手段を設け、イオンガン内部に付着した付着物を移動させることを開示している。
国際公開第２０１６／１８９６１４号
　イオンミリング装置では、イオン源内部のアノード－カソード間に高電圧を印加して、発生した電子で導入したガスをイオン化し、加速電圧を印加してイオンをイオン源から引き出し、試料に照射する。このときイオン源内部では、生成したプラズマによるスパッタリング現象でカソードが摩耗し、カソード組成由来の導電性を有する堆積膜がアノード内壁面に形成される。堆積膜は装置稼働時間経過に伴い成長する。成長した堆積膜は針状に剥離してアノード－カソード間を短絡させることにより、イオンを生成することができなくなる。このため、イオン源を分解して短絡箇所を除去する必要があった。このため、従来のイオンミリング装置では短絡が生じるたびに、試料加工を中断して堆積膜を除去する必要があった。
　引用文献１では、ガス噴射手段を用いることでイオン源を分解することなく、堆積膜を除去することを可能にしているが、試料室を一旦大気開放して、短絡復帰後再度試料室の真空引きが必要であり、加工効率が低下する。
　半導体製造プロセスにおける工程管理のため、イオンミリング装置を工場のライン内に配置し、電子顕微鏡によって観察する試料の表面研磨や内部構造を露出させる加工をすることを想定する場合、イオンミリング装置は多数の試料を連続して自動で加工を行うことが望まれる。多数の試料を連続して自動でミリング加工するには、長時間の連続したイオンビーム照射を伴う。このため、アノード－カソード間に短絡が生じても、自動的に短絡を除去し、短時間のうちに加工処理に復帰することが可能なイオンミリング装置が望まれる。
　本発明の一実施の態様であるイオンミリング装置は、試料室と、試料室内に配置され、試料を載置する試料ステージと、第１の内部電極、第２の内部電極及び加速電極を備えるイオン源と、イオン源に挿抜可能な棒状電極と、第１の内部電極、第２の内部電極、加速電極及び棒状電極に接続される電源ユニットとを有し、
　棒状電極がイオン源から退避された状態で、電源ユニットは第１の内部電極と第２の内部電極との間に第１の放電電圧を、第１の内部電極と加速電極との間に加速電圧を印加することにより、イオン源は第１の内部電極と第２の内部電極との間の放電により発生した電子とガスとの衝突により生成されるイオンを加速電圧により加速して、試料に向かう非集束のイオンビームとして放出し、
　棒状電極がイオン源に挿入された状態で、電源ユニットは棒状電極と第１の内部電極及び第２の内部電極との間に第２の放電電圧を印加することにより、イオン源はその内部に、棒状電極と第１の内部電極または第２の内部電極との間の放電により発生した電子とガスとの衝突によりイオンを発生させる。
　本発明の別の実施の態様であるイオンミリング装置は、試料室と、試料室内に配置され、試料を載置する試料ステージと、アノードとカソードとの間の放電により発生した電子によって生成されたイオンを加速電極により加速することにより、試料に向かう非集束のイオンビームとして放出するイオン源と、アノード、カソード及び加速電極に接続される電源ユニットと、イオン源に挿抜可能であって、先端にブラシが設けられた棒状部材と、イオンビームによる試料の加工中にアノードとカソードとの短絡を検知したとき、電源ユニットにアノードとカソードとの間に印加される放電電圧とアノードと加速電極との間に印加される加速電圧の印加を停止させ、イオン源に棒状部材を挿入し、ブラシによりアノードとカソードとの短絡箇所を除去させる制御部とを有する。
　アノード－カソード間が短絡し、試料加工が中断された場合でも、試料加工に自動復帰できるイオンミリング装置を提供する。これにより、長時間の連続した試料加工を自動化できる。
　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。
実施例１のイオンミリング装置の主要部を示す模式図である。 シャッターとイオン源とがとりうる位置関係を示す図である。 シャッターとイオン源とがとりうる位置関係を示す図である。 イオン源とイオン源の内部電極に制御電圧を印加する電源回路とを示す模式図である。 イオン源とイオン源の内部電極に制御電圧を印加する電源回路とを示す模式図である。 イオン源にシャフトを挿入した様子を示す模式図である。 実施例１のイオンミリング装置の試料加工開始から終了までの一連の動作を示すフローチャートである。 実施例２のイオンミリング装置の主要部を示す模式図である。 実施例２のイオンミリング装置の試料加工開始から終了までの一連の動作を示すフローチャートである。 実施例３のイオンミリング装置において、イオン源にブラシ付きシャフトを挿入した様子を示す模式図である。 Ｙ方向からみたシャフト回転源である。 実施例３のイオンミリング装置の試料加工開始から終了までの一連の動作を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
　図１Ａは、実施例１のイオンミリング装置１００の主要部を側面から示した模式図である。図１Ａでは、鉛直方向をＺ方向として表示している。イオンミリング装置１００は、その主要な構成として、イオン源１０１、試料ステージ１０２、試料ステージ駆動源１０３、シャッター１０４、シャッター駆動源１０５、外部電極として機能し、イオン源１０１に挿抜可能なシャフト（棒状電極）１０６、シャフト駆動源１０７、電源ユニット１０８、制御部１０９、表示部１１０、試料室１１１を有する。
　イオンミリング装置１００は、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡によって試料の表面あるいは断面を観察するための前処理装置として用いられる。このような前処理装置向けのイオン源は、構造を小型化するために有効なペニング方式を採用する場合が多い。本実施例でもイオン源１０１はペニング方式を採用しており、イオン源１０１から試料ステージ１０２に設置された試料に向けて、非集束のイオンビームが照射される。イオンビームの出力は、主に、電源ユニット１０８がイオン源１０１の内部電極に印加する制御電圧（加速電圧、放電電圧）やイオン源１０１に供給されるアルゴンガスの流量によって制御される。
　試料が載置される試料ステージ１０２は、試料ステージ１０２の位置決めを行う試料ステージ駆動源１０３を介して試料室１１１に取付けられている。試料ステージ駆動源１０３は回転軸Ｒ０を中心に試料ステージ１０２を回転させる。また、試料ステージ駆動源１０３は、試料ステージ１０２の位置をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれに、また、イオンビーム中心軸Ｂ０に対する試料ステージ１０２の向きをＸＺ平面の角度方向（Ｔ１軸を中心とする回転方向）、ＹＺ平面の角度方向（Ｔ２軸を中心とする回転方向）のそれぞれに調整可能なように、試料室１１１に取付けられている。
　イオン源１０１の前方には、イオンビームの試料への照射を遮断するシャッター１０４が設けられている。ここでは、イオンビームが射出される方向をイオン源の前方と呼んでおり、図１Ａの例ではＹ方向にあたる。シャッター１０４はシャッター駆動源１０５により駆動される。シャッター１０４はＺ方向に移動可能に構成されるものとして、図１Ｂ～Ｃにシャッター１０４とイオン源１０１とがとりうる位置関係を示す。図１Ｂはシャフト１０６をイオン源１０１から退避させ、かつシャッター１０４がイオン源１０１から放出されるイオンビームを遮断している状態である。図１Ｃはシャッター１０４をイオン源１０１の前方から退避させ、イオンビームによる試料のミリング加工が可能とされた状態である。
　この例では、シャッター１０４にシャフト駆動源１０７を設け、シャッター駆動源１０５を、シャッター１０４と連動してシャフト１０６のＺ方向の位置を移動させる駆動源として共用することで、シャッター駆動源１０５、シャフト駆動源１０７の駆動状況にかかわらず、シャフト１０６はイオンビーム中心軸Ｂ０と同一ＹＺ平面内に位置することになり、機構が簡素化されている。なお、以上は一例であり、図１Ａ～Ｃに示した機構に限定するものではない。例えば、シャッター１０４の退避方向はＺ方向でなくてもよく、シャフト１０６をシャッター１０４とは独立に駆動させるための専用の駆動源を設けてもよい。
　本実施例のイオンミリング装置による試料加工は次のように行われる。イオン源１０１からのイオンビームの電流値があらかじめ設定した範囲で安定するまで、シャッター１０４により、不安定なイオンビームの試料への照射を遮断する。このときのシャッター１０４は図１Ｂに示す位置にある。イオンビーム電流値が安定した後は、シャッター駆動源１０５によりシャッター１０４がイオン源１０１の前方から退避させられる（図１Ｃ）ことにより、試料ステージ１０２上の試料にイオンビーム照射が開始される。
　試料加工中にイオン源１０１内部で短絡が発生すると、シャッター駆動源１０５によりイオン源１０１とシャフト１０６とが同軸上に配置されるようシャフト１０６の位置を移動させる。イオン源１０１とシャフト１０６とが同軸上に配置されると、シャフト駆動源１０７は、シャフト１０６をＹ方向に移動させて、イオン源１０１内部に挿入する。このときのシャッター１０４、シャフト１０６の状態が図１Ａの状態である。詳細は後述するが、短絡箇所を除去するため、電源ユニット１０８は、イオン源１０１内部に挿入されたシャフト１０６とイオン源１０１の内部電極との間に高電圧を印加する。
　以上の制御は、制御部１０９によって行われ、短絡発生や短絡復帰などイオン源１０１の状況は表示部１１０からリアルタイムで確認できるようになっている。
　図２Ａは、ペニング方式を採用したイオン源１０１とイオン源１０１の内部電極に制御電圧を印加する電源回路とを示す模式図である。電源回路は電源ユニット１０８の一部である。
　イオン源１０１は、第１カソード２０１、第２カソード（第２の内部電極）２０２、アノード（第１の内部電極）２０３、永久磁石２０４、加速電極２０５、ガス配管２０６を有する。ガス配管２０６にはイオン源１０１に供給するアルゴンガスの流量を制御するマスフローコントローラ２０７が設けられている。
　イオン源１０１内部には、第１カソード２０１と第２カソード２０２とが永久磁石２０４を介して電圧印加時に同電位となるように配置されている。第１カソード２０１と第２カソード２０２の間にアノード２０３が配置されている。カソード２０１，２０２とアノード２０３との間に電源ユニット１０８から放電電圧Ｖｄ（第１の放電電圧）が印加されることにより電子が発生する。永久磁石２０４によってイオン源１０１内部で電子は螺旋運動を行いながら滞留し、ガス配管２０６から注入されたアルゴンガスと衝突してアルゴンイオンを生成する。アノード２０３と加速電極２０５との間には電源ユニット１０８から加速電圧Ｖａが印加されており、生成されたアルゴンイオンは加速電極２０５に誘引され、イオンビームとして放出される。加速電極２０５は基準電位（ＧＮＤ）とされており、カソード２０１，２０２とアノード２０３にそれぞれ制御電圧を与えるための電位が電源ユニット１０８から供給されている。ここで、カソードとアノードに印加される電位が急激に変動することにより、イオン源１０１の動作に悪影響を及ぼすのを防止するため、それぞれ保護抵抗Ｒ１，Ｒ２が設けられている。保護抵抗の代わりに異常発生時に電圧の印加を遮断する保護回路を設けてもよい。
　電源回路にはアノード２０３と第１カソード２０１及び第２カソード２０２との間に電流計２０８及び電圧計２０９が備えられている。電流計２０８により放電によりカソードとアノードとの間に流れる放電電流が測定され、電圧計２０９により放電中にカソードとアノードとの間に実際に印加されている放電電圧が測定される。電流計２０８により測定される放電電流値、電圧計２０９により測定される放電電圧値も制御部１０９に出力される。制御部１０９は放電電流値、放電電圧値をイオンビームの出力状態をモニタリングするために使用し、それらを表示部１１０に表示してもよい。
　アルゴンイオンを生成するための放電を繰り返すうちに、第２カソード２０２はアルゴンイオンによってスパッタリングされることによって摩耗していく。摩耗により発生するカソード由来のスパッタリング粒子がアノード内壁面に堆積することにより堆積膜２１０が形成され、堆積膜２１０はやがて針状に剥離して、アノード－カソード間を短絡させる。図２Ｂにアノード－カソード間が短絡されたイオン源１０１を示す。この短絡によりアノード－カソード間の電位差がなくなり、放電が停止することによって試料加工が中断される。
　図３は、図２Ｂに示したアノード－カソード間での短絡発生後に、短絡箇所を除去するため、イオン源１０１にシャフト１０６を挿入した様子を示した模式図である。制御部１０９は、例えば、電圧計２０９により測定される放電電圧値が異常低下することで、アノード－カソード間の短絡発生を検知する。短絡発生の検知を受けて、制御部１０９はイオン源１０１への制御電圧の印加を停止するとともに、シャッター駆動源１０５によってシャッター１０４を動かし、シャフト１０６を加速電極２０５の開口２１１と同軸上に配置する。同軸上に配置するのは、制御誤差等によりシャフト１０６がイオン源１０１の内部電極と接触することを防止するためである。その後、シャフト駆動源１０７によって、イオン源１０１の内部にシャフト１０６を挿入する。電源ユニット１０８は、シャフト１０６と加速電極２０５との間に電圧Ｖｅを印加する電源回路を有している。シャフト１０６に印加される電圧が急激に変動する可能性を考慮し、保護抵抗Ｒ３が設けられている。保護抵抗Ｒ３の代わりに異常発生時に電圧の印加を遮断する保護回路を設けてもよい。
　シャフト１０６がイオン源１０１に挿入された後、電源ユニット１０８がシャフト１０６と短絡されたカソード２０１，２０２及びアノード２０３との間に高電圧（第２の放電電圧）を印加することにより、イオン源１０１内に導入されたアルゴンガスがイオン化される。ここで、電圧Ｖｅは基準電位に対して負の極性の電圧値とし、放電電圧Ｖｄ及び加速電圧Ｖａを０Ｖとすることで短絡されたカソード２０１，２０２及びアノード２０３との間に高電圧（第２の放電電圧）が印加され、放電が生じる。このとき、シャフト１０６がアノード、カソード２０１，２０２及びアノード２０３がカソードとして機能することになる。実施の態様の記述においては、イオンビーム放出時の機能を元に内部電極をカソード２０１，２０２及びアノード２０３と呼称して、記述を単純化している。なお、第２の放電電圧を負電圧Ｖｅと正電圧Ｖａの和として放電を生じさせてもよい。
　アルゴンイオンが堆積膜２１０をスパッタリング現象で削ることにより、アノード－カソード間の短絡から復帰する。短絡の復帰は、電源ユニット１０８がアノード－カソード間に所定の電圧を印加した場合に、電圧計２０９に印加した電圧が表れることで判定できる。短絡復帰が検知されると、制御部１０９は、イオン源１０１からシャフト１０６を退避させる。
　図４に示すフローチャートに、実施例１のイオンミリング装置１００の試料加工開始から終了までの一連の動作を示す。試料加工中における短絡検知から加工再開までの処理は、制御部１０９により自動的に実施される。以下に、各ステップでの動作について説明する。
　Ｓ３０１：イオンミリング装置１００の試料加工条件を設定し、試料加工を開始する。試料加工条件には、イオン源１０１の加速電圧、放電電圧、アルゴンガスの供給量、試料ステージの位置、試料加工時間等が含まれる。
　Ｓ３０２：試料加工中、制御部１０９は電流計２０８により放電電流値、電圧計２０９により放電電圧値をモニタしている。制御部１０９は、電圧計２０９で測定される放電電圧値からアノード－カソード間の短絡を検知すると、電源ユニット１０８からの放電電圧Ｖｄ、加速電圧Ｖａの印加を停止し、試料加工を中断する。このとき制御部１０９は、イオン源１０１へのアルゴンガスの供給は継続する。
　Ｓ３０３：制御部１０９は、シャッター駆動源１０５を駆動させ、シャフト１０６をイオン源１０１前方に移動させる。このとき、シャフト１０６とイオン源１０１とが同軸上に配置されるようにする。
　Ｓ３０４：制御部１０９は、シャフト駆動源１０７を駆動させ、シャフト１０６をイオン源１０１に挿入する。
　Ｓ３０５：短絡したアノード２０３およびカソード２０１，２０２とシャフト１０６との間に電圧Ｖｅを印加することにより、シャフトとアノード及びカソードとの間で放電させる。これにより、イオン源１０１に導入されたアルゴンガスがイオン化される。
　Ｓ３０６：発生させたアルゴンイオンによるスパッタリング現象により、アノード－カソード間の短絡箇所を除去する。
　Ｓ３０７：一定時間、シャフト１０６へ電圧Ｖｅを印加した後、アノード２０３とカソード２０１，２０２との間に所定の電圧を印加し、アノード－カソード間の短絡箇所が除去されたことを確認する。短絡箇所が除去されたかどうかは、印加した電圧に応じた電位差がアノード－カソード間で電圧計２０９によって測定されるかによって判定できる。短絡箇所が除去されていない場合には引き続きステップＳ３０６を実行する。
　Ｓ３０８：アノード－カソード間の短絡復帰後、制御部１０９は、電源ユニット１０８からのシャフト１０６への電圧印加を停止し、シャフト駆動源１０７を駆動させ、イオン源１０１からシャフト１０６を退避させる。
　Ｓ３０９：制御部１０９は、シャッター駆動源１０５を駆動させ、シャフト１０６をイオン源１０１前方から退避させる。
　Ｓ３１０：ステップＳ３０１で設定した試料加工条件により、中断した試料加工を再開する。
　Ｓ３１１：試料加工中にアノード－カソード間の短絡が再発した場合、ステップＳ３０２に戻ってアノード－カソード間の短絡除去動作を行う。
　Ｓ３１２：ステップＳ３０１で設定した試料加工時間到達により、試料加工を終了する。
　図５は、実施例２のイオンミリング装置１００Ｂの主要部を側面から示した模式図である。イオンミリング装置１００Ｂでは、シャッター１０４ではなく、試料ステージ１０２にシャフト１０６を設けている。実施例１と同様の機能をもつ構成については同じ符号を付して、重複する説明は省略する。シャフト１０６をＹ方向に移動させるシャフト駆動源１０７は試料ステージ１０２に設けられる。これにより、シャフト駆動源１０７を実装するにあたり、試料ステージ１０２を駆動する試料ステージ駆動源１０３の駆動機構を共用し、機構を簡素化することが可能になる。
　実施例１と異なる点は、イオン源１０１内部で短絡が発生したときのシャフト１０６の挿入の過程である。実施例２ではシャフト１０６が試料ステージ１０２に設けられているため、シャフト１０６をイオン源１０１に挿入するために試料ステージ１０２の位置及び姿勢が変化する。このため、短絡発生時の試料ステージの位置情報及び姿勢（傾斜）情報を記憶してから、シャフト１０６のイオン源１０１への挿入動作を行い、短絡除去後に、記憶した試料ステージの位置情報及び姿勢情報に基づき、試料ステージ１０２の位置及び姿勢を短絡除去動作前の状態に復帰させる。
　図６に示すフローチャートに、実施例２のイオンミリング装置１００Ｂの試料加工開始から終了までの一連の動作を示す。実施例１のフローチャート（図４）と同じステップについては同じ符号を付して、重複する説明については省略する。
　アノード－カソード間の短絡発生による加工中断（Ｓ３０２）後、制御部１０９は、シャフト１０６とイオン源１０１とが同軸に配置されるよう、試料ステージ駆動源１０３を駆動する。この動作によって、試料ステージ１０２の位置や姿勢が加工中断前の状態から変化する。そのため、試料ステージ駆動源１０３の駆動前の試料ステージの状態情報を記録する（Ｓ３０３’）。状態情報とは、短絡復帰後に試料ステージ１０２を加工中断前の状態に回復するための情報であって、試料ステージ１０２の位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）や必要に応じて試料ステージ１０２の姿勢情報（Ｔ１軸を中心とする傾きθ１、Ｔ２軸を中心とする傾きθ２）を含む。
　試料ステージ１０２駆動後、実施例１と同様にシャフト駆動源１０７によりシャフト１０６をイオン源１０１に挿入し、アノード－カソード間の短絡箇所を除去する。短絡復帰後はイオン源１０１からシャフト１０６を退避させ（Ｓ３０８）、ステップＳ３０３’で記録しておいた状態情報に基づき、試料ステージ１０２を加工中断時の状態に復帰させる（Ｓ３０９’）。具体的には、制御部１０９は、記録された位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）に試料ステージ１０２を移動させ、記録された姿勢情報にしたがって試料ステージ１０２を傾斜させるよう、試料ステージ駆動源１０３を駆動する。
　図７Ａは、実施例３のイオンミリング装置のイオン源１０１とイオン源１０１の内部電極に制御電圧を印加する電源回路とを示す模式図である。実施例１、２とは、アノード－カソード間の短絡箇所の除去方法が異なる。
　シャフト（棒状部材）１０６の先端にはブラシ４０１が設けられ、シャフト１０６はシャフト駆動源１０７を介してシャフト回転源４０２に取り付けられている。実施例３におけるシャフト１０６は、実施例１におけるシャフト１０６と異なり、外部電極としての機能を有さず、ブラシ４０１の支持部材として機能する。Ｙ方向からみたシャフト回転源４０２を図７Ｂに示す。シャフト回転源４０２は回転中心ＣＣを中心に回転し、シャフト回転源４０２の回転に伴ってシャフト１０６も回転する。シャフト回転源４０２は、シャフト１０６及びシャフト駆動源１０７の保持位置を、回転中心ＣＣからシャフト回転源４０２の外周方向に移動可能に構成されている。シャフト回転源４０２は、回転中心ＣＣからΔｒだけ保持位置を外周方向に偏心させる。このとき、図７Ａに示されるように、ブラシ４０１が第２カソード２０２およびアノード２０３の内壁面に接した状態になる。この状態で、シャフト回転源４０２が回転中心ＣＣを中心としてシャフト１０６を回転させることにより、ブラシ４０１が第２カソード２０２およびアノード２０３の内壁面を沿うように回転し、スパッタ粒子の堆積膜を除去する。
　ここで、ブラシ４０１は、接触する第２カソード２０２やアノード２０３を傷つけないよう、樹脂やゴムのような剛性が小さい材質を用い、外側に広がった部分を備えた形状（Ｌ字型）としている。Ｌ字型とすることによって、シャフト１０６が回転されるときに到達可能なブラシ４０１の最外周を、シャフト１０６が回転する領域よりも外側とすることができる。これにより、シャフト１０６を加速電極２０５に接触させることなく、ブラシ４０１をアノード２０３の内壁面に接触させることができる。図７ＡではＬ字型のブラシを示しているが、シャフト１０６が加速電極２０５に接触することなく、ブラシ４０１がアノード２０３の内壁面に接触できれば形状はＬ字型に限定されない。また、図７Ａの例では、実施例１と同様にシャフト回転源４０２をシャッター１０４に設ける例を示しているが、実施例２と同様に試料ステージ１０２にシャフト回転源４０２を設けるようにしてもよい。
　図８に示すフローチャートに、実施例３のイオンミリング装置の試料加工開始から終了までの一連の動作を示す。実施例１のフローチャート（図４）または実施例２のフローチャート（図６）と同じステップについては同じ符号を付して、重複する説明については省略する。
　アノード－カソード間の短絡発生を検知すると加工を中断する（Ｓ３０２）。実施例３では、制御部１０９は、イオン源１０１へのアルゴンガスの供給を停止させてもよい。その後、制御部１０９は、シャッター駆動源１０５を駆動させ、シャフト１０６をイオン源１０１前方に移動させる（Ｓ３０３）。このとき、シャフト１０６はシャフト回転源４０２の回転中心ＣＣに位置し、シャフト回転源４０２の回転中心ＣＣがイオン源１０１の中心軸上に配置されるようにする。これにより、シャフト１０６とイオン源１０１とは同軸上に配置されることになる。
　この状態で、制御部１０９は、シャフト駆動源１０７を駆動させ、シャフト１０６をブラシ４０１が第２カソード２０２に接触するまでイオン源１０１に挿入した後、シャフト回転源４０２のシャフト１０６の保持位置をブラシ４０１がアノード２０３に接触するまで（Δｒ）偏心させる（Ｓ３０４’）。偏心されたシャフト１０６の中心軸を図７Ａ，Ｂにおいて中心軸ＣＳとして表している。その後、制御部１０９は、シャフト回転源４０２によって回転中心ＣＣを軸としてシャフト１０６を回転させることによって、ブラシ４０１が第２カソード２０２およびアノード２０３の内壁面を沿うように回転し、スパッタ粒子の堆積膜を除去する（Ｓ３０６’）。あらかじめ設定された一定時間、ブラシ４０１を回転させた後、アノード－カソード間の短絡箇所が除去されたことを確認する（Ｓ３０７）。前記イオン源から前記シャフトを退避させる。アノード－カソード間の短絡復帰後、制御部１０９は、シャフト駆動源１０７を駆動させ、イオン源１０１からシャフト１０６を退避させる（Ｓ３０８’）。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は記述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、実施例１において外部電極として使用したシャフトは、アルゴンイオンによるスパッタリング現象を短絡箇所だけで効率よく引き起こすために、イオン源１０１に挿入されたシャフトの先端だけに電圧が印加されるように絶縁体を含めた構造としてもよい。
１００，１００Ｂ：イオンミリング装置、１０１：イオン源、１０２：試料ステージ、１０３：試料ステージ駆動源、１０４：シャッター、１０５：シャッター駆動源、１０６：シャフト、１０７：シャフト駆動源、１０８：電源ユニット、１０９：制御部、１１０：表示部、１１１：試料室、２０１：第１カソード、２０２：第２カソード、２０３：アノード、２０４：永久磁石、２０５：加速電極、２０６：ガス配管、２０７：マスフローコントローラ、２０８：電流計、２０９：電圧計、２１０：堆積膜、２１１：開口、４０１：ブラシ、４０２：シャフト回転源。

Claims (15)

  1. 　試料室と、
    　前記試料室内に配置され、試料を載置する試料ステージと、
    　第１の内部電極、第２の内部電極及び加速電極を備えるイオン源と、
    　前記イオン源に挿抜可能な棒状電極と、
    　前記第１の内部電極、前記第２の内部電極、前記加速電極及び前記棒状電極に接続される電源ユニットとを有し、
    　前記棒状電極が前記イオン源から退避された状態で、前記電源ユニットは前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間に第１の放電電圧を、前記第１の内部電極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、前記イオン源は前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間の放電により発生した電子とガスとの衝突により生成されるイオンを前記加速電圧により加速して、前記試料に向かう非集束のイオンビームとして放出し、
    　前記棒状電極が前記イオン源に挿入された状態で、前記電源ユニットは前記棒状電極と前記第１の内部電極及び前記第２の内部電極との間に第２の放電電圧を印加することにより、前記イオン源はその内部に、前記棒状電極と前記第１の内部電極または前記第２の内部電極との間の放電により発生した電子とガスとの衝突によりイオンを発生させるイオンミリング装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記イオンビームによる前記試料の加工中に前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との短絡を検知したとき、前記電源ユニットに前記第１の放電電圧と前記加速電圧の印加を停止させ、前記イオン源に前記棒状電極を挿入した後、前記電源ユニットに前記第２の放電電圧を印加させる制御部を有するイオンミリング装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記制御部は、前記電源ユニットによる前記第１の放電電圧と前記加速電圧の印加の停止後も、前記イオン源への前記ガスの供給を継続するイオンミリング装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記制御部は、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との短絡箇所の除去を検知したとき、前記電源ユニットに前記第２の放電電圧の印加を停止させ、前記イオン源から前記棒状電極を退避させた後、前記電源ユニットに前記第１の放電電圧と前記加速電圧の印加を再開させるイオンミリング装置。
  5. 　請求項３において、
    　前記電源ユニットは、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間の電位差を計測する電圧計を備え、
    　前記制御部は、前記電圧計が測定する電位差に基づき前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との短絡または短絡復帰を検知するイオンミリング装置。
  6. 　請求項４において、
    　前記棒状電極を前記イオン源が前記イオンビームを放出する開口の前方に移動させる第１の駆動源と、前記開口の前方に移動された前記棒状電極を前記イオン源に挿入する第２の駆動源とを有し、
    　前記制御部は前記第１の駆動源及び前記第２の駆動源により前記棒状電極の挿抜を行うイオンミリング装置。
  7. 　請求項６において、
    　前記イオンビームの前記試料への照射を遮断するシャッターと、
    　前記シャッターを駆動するシャッター駆動源とを有し、
    　前記第１の駆動源は前記シャッター駆動源と共用されるイオンミリング装置。
  8. 　請求項６において、
    　前記試料ステージの位置決めを行う試料ステージ駆動源を有し、
    　前記第１の駆動源は前記試料ステージ駆動源と共用されるイオンミリング装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記制御部は、前記イオン源に前記棒状電極を挿入する動作を開始する前の前記試料ステージの状態情報を記憶し、前記イオン源から前記棒状電極を退避させた後、前記状態情報に基づき前記試料ステージを前記イオン源に前記棒状電極を挿入する動作を開始する前の状態に回復させるイオンミリング装置。
  10. 　請求項９において、
    　前記状態情報は、前記試料ステージの位置座標と姿勢情報を含むイオンミリング装置。
  11. 　試料室と、
    　前記試料室内に配置され、試料を載置する試料ステージと、
    　アノードとカソードとの間の放電により発生した電子によって生成されたイオンを加速電極により加速することにより、前記試料に向かう非集束のイオンビームとして放出するイオン源と、
    　前記アノード、前記カソード及び前記加速電極に接続される電源ユニットと、
    　前記イオン源に挿抜可能であって、先端にブラシが設けられた棒状部材と、
    　前記イオンビームによる前記試料の加工中に前記アノードと前記カソードとの短絡を検知したとき、前記電源ユニットに前記アノードと前記カソードとの間に印加される放電電圧と前記アノードと前記加速電極との間に印加される加速電圧の印加を停止させ、前記イオン源に前記棒状部材を挿入し、前記ブラシにより前記アノードと前記カソードとの短絡箇所を除去させる制御部とを有するイオンミリング装置。
  12. 　請求項１１において、
    　前記制御部は、前記アノードと前記カソードとの短絡箇所の除去を検知したとき、前記イオン源から前記棒状部材を退避させた後、前記電源ユニットに前記放電電圧と前記加速電圧の印加を再開させるイオンミリング装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記棒状部材を前記イオン源が前記イオンビームを放出する開口の前方に移動させる第１の駆動源と、前記開口の前方に移動された前記棒状部材を前記イオン源に挿入する第２の駆動源と、前記棒状部材を保持し、回転中心を中心として前記棒状部材を回転させる回転源とを有し、
    　前記制御部は前記回転源の前記回転中心で前記棒状部材を保持した状態で、前記第１の駆動源及び前記第２の駆動源により前記棒状部材が前記カソードに接触するまで前記イオン源に挿入するイオンミリング装置。
  14. 　請求項１３において、
    　前記棒状部材の前記回転中心は前記イオン源の中心軸上に配置され、
    　前記制御部は、前記棒状部材が前記イオン源に挿入された後、前記回転源による前記棒状部材の保持位置を前記ブラシが前記カソードに接触するまで偏心させ、前記回転源により、前記回転中心を軸として前記棒状部材を回転させるイオンミリング装置。
  15. 　請求項１４において、
    　前記ブラシは、前記棒状部材よりも外側に広がった部分を備えた形状を有するイオンミリング装置。
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