离子铣削装置的制作方法

本发明涉及离子铣削装置。

背景技术：

离子铣削装置是制作用来利用扫描电子显微镜或透射型电子显微镜等进行观察的试料的装置，并且是使加速的离子向试料撞击、利用离子使原子或分子弹出的溅射现象来切削试料的加工装置。此外，对于被加工的试料，在试料上表面上载置作为离子束的遮蔽板的掩模，从掩模端面突出的部分被溅射，从而能够加工出沿着掩模端面的平滑的截面。离子铣削装置以金属、玻璃、陶瓷、电子零件、复合材料等为加工对象，例如在电子零件中，利用于针对内部构造或截面形状、膜厚评价、结晶状态、故障或异物截面的解析等用途，通过扫描型电子显微镜取得形态像、试料组成像、沟槽像或取得x射线分析、结晶方位解析等。

即，以往已知有如下离子铣削装置的结构，该离子铣削装置具备：离子束源，产生向试料照射的离子束；试料室，内置待进行基于上述离子束的加工的上述试料；排气装置，为了保持上述试料室的真空而进行排气；以及气体注入机构，注入用于生成离子的气体。此外，通过设置使上述离子束源的离子加速并作为二次电子抑制器发挥功能的加速电极，能够实现不会使离子枪与试料间的距离扩大的装置结构，能够使铣削加工时间缩短。在专利文献1中，公开了一种加工效率良好的离子铣削装置，具备照射离子束的离子束源和将试料进行固定的试料保持器，并且具有如下装置结构：具备将上述试料的一部分遮蔽的掩模，在上述离子束源与上述掩模之间设有非轴对称透镜。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009－170117号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在上述那样的离子铣削装置中，作为离子源大多使用结构简单且小型的潘宁(penning)放电方式的离子枪。在离子光学系统中不拥有透镜机构的以往的离子铣削装置中，由离子束照射机构照射的离子束一边扩大一边行进直到到达试料，并且以圆状照射在试料和掩模上。

另一方面，专利文献1中记载的非轴对称透镜(束成形电极)使离子束以沿着掩模端面方向扩大、在试料突出方向(与掩模端面成直角方向)上收缩的方式变形，向试料的大范围的区域照射离子束，由此与圆状的离子束相比能够更高效地加工试料。

所以，发明人等进行了专利文献1中记载的结构是否到将来也能够利用的研究。结果知道，有可能是非轴对称透镜配置在离子束源与试料之间这一结构成为问题。即，离子束源与试料之间的距离由于铣削加工性能下降而不能变大。因此，难以充分地确保配置在其之间的非轴对称透镜与试料的距离，因所照射的离子束而从试料溅射出的被铣削材料会大量附着于配置在试料近旁的非轴对称透镜上，由于该污染而非轴对称透镜的功能下降，可知有可能不能维持离子铣削装置的性能。

本发明是鉴于这样的问题而做出的，目的是提供一种能够抑制束成形电极的污染的离子铣削装置。

用来解决课题的手段

作为用来达到上述目的的一技术方案为一种离子铣削装置，其特征在于，具备：离子枪，包含将离子束成形的束成形电极；试料保持器，将通过上述离子束的照射来加工的试料进行固定；掩模，将上述试料的一部分从上述离子束遮蔽；以及离子枪控制部，控制上述离子枪。

此外，作为另一技术方案为一种离子铣削装置，其特征在于，具备：离子枪，包含将离子束成形的束成形电极；试料保持器，将通过上述离子束的照射来加工的试料进行固定；掩模，将上述试料的一部分从上述离子束遮蔽；电子显微镜立柱，释放电子束；以及离子枪控制部，控制上述离子枪。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够抑制束成形电极的污染的离子铣削装置。

附图说明

图1是表示有关本发明的实施例1的离子铣削装置的一例的概略整体结构剖视图。

图2是表示以往的潘宁放电方式的离子枪及关联的周边部的结构的概略结构剖视图。

图3a是用来说明发明人等研究的、以往的通过在离子枪与试料之间设有束成形电极的装置结构使离子束变形的离子铣削装置和被铣削材料的再附着的概略结构侧视图。

图3b是表示图3a所示的离子铣削装置中的离子束形状的一例的俯视图。

图4a是有关本发明的实施例1的离子铣削装置中的离子枪的概略结构剖视图。

图4b是在图4a所示的离子枪中、在a－a’间截断的用来说明束成形电极的结构的概略结构平面图。

图5a是表示在图4a所示的离子枪中、从x方向(掩模端面平行方向)观察的离子束轮廓的一例的概略剖视图。

图5b是表示在图4a所示的离子枪中、从y方向(掩模端面垂直方向)观察的离子束轮廓的一例的概略剖视图。

图6a是用来说明有关本发明的实施例1的离子铣削装置的效果的概略侧视图。

图6b是用来说明有关本发明的实施例1的离子铣削装置的效果的表示离子束照射范围的一例的概略俯视图。

图7a是用来说明有关本发明的实施例1的离子铣削装置的其他效果的概略侧视图。

图7b是用来说明有关本发明的实施例1的离子铣削装置的其他效果的表示离子束照射范围的一例的俯视图。

图8是表示有关本发明的实施例2的离子铣削装置的一例的概略整体结构剖视图。

图9a是表示图8所示的离子铣削装置中的离子枪一例的概略剖视图。

图9b是表示在图9a所示的离子枪中从x方向(掩模端面平行方向)观察的离子束轮廓的一例的概略剖视图。

图9c是表示在图9a所示的离子枪中从y方向(掩模端面垂直方向)观察的离子束轮廓的一例的概略剖视图。

图10a是有关本发明的实施例3的离子铣削装置中的离子枪的概略结构剖视图。

图10b是在图10a所示的离子枪中、在a－a’间截断的用来说明束成形电极的结构的概略结构平面图。

具体实施方式

在图3a中表示发明人等研究的、通过在离子枪与试料之间设有束成形电极的装置结构使离子束变形的离子铣削装置和被铣削材料的再附着的概略结构侧视图。此外，在图3b中表示图3a所示的离子铣削装置中的离子束形状的俯视图的一例。通过配置束成形电极170，将离子束102在沿着掩模110的端面的方向(x方向)上拉伸，在与掩模110的端面垂直的方向(y方向)上收缩，由此能够对试料的大范围的区域照射离子束102(图3b)，并且与使用圆状的离子束的情况相比能够更高效地加工试料。另外，在图3a中，为了方便而将离子枪101与试料106之间的距离记载得比其他构成要素的大小大。

但是，如图3a所示，由于在配置在离子枪101与试料106之间的束成形电极170上大量地附着通过所照射的离子束102而溅射的被铣削材料190，所以频繁地发生因污染造成的功能下降。因此，可知在离子枪101与试料之间配置了束成形电极170的离子铣削装置难以维持性能。此外，如果为了减少被铣削材料的附着而使离子枪101与试料106的距离扩大，则会发生铣削加工性能下降这样的其他问题。

发明人等为了研究对通过离子束而被溅射的来自试料的被铣削材料向束成形电极的附着进行防止的对策，重新审视了离子枪的构造。在图2中示出了表示以往的潘宁放电方式的离子枪及关联的周边部的结构的概略结构剖视图。离子枪101是潘宁放电方式的离子枪，由向内部供给气体的气体供给机构141、阳极113、配置在离子枪基座117侧的阴极(第1阴极)111和配置在释放离子束的一侧的阴极(第2阴极)112、永久磁铁114、加速电极115、绝缘体(insulator)116和阴极环119构成，被固定于上述离子枪基座117。离子枪控制部103电连接于放电电源121和加速电源122，控制放电电压和加速电压。阴极111和阴极112是强磁性体的纯铁制，与作为磁动势的永久磁铁114一起形成磁路。另一方面，加速电极115、阴极环119和离子枪基座117由不锈钢(sus)制作，所以与氧化铝制绝缘体116及铝制阳极113一起都不包含在磁路中。另外，标号118是离子化室，标号131是阳极出口孔，标号132是阴极出口孔，标号133是加速电极出口孔。

对该离子枪重新审视的结果，想到了配置在释放离子束的一侧的阴极112与加速电极115之间的空间的利用。本发明基于该新的认识，将束成形电极配置在阴极(第2阴极)112与加速电极之间。

通过在加速电极的内侧配置(包含到离子枪)束成形电极，由所照射的离子束溅射出的被铣削材料被加速电极遮蔽，能够避免附着到束成形电极上，所以能够抑制或防止因污染造成的性能下降。进而，束成形电极的形状和配置位置能够根据向束成形电极施加的电压条件来选择，能够选择能够避免内部污染的影响的配置条件，所以能够提供维护性高的离子铣削装置。

以下，通过实施例参照附图对本发明进行说明。

实施例1

图1是表示有关本实施例的离子铣削装置的一例的概略整体结构剖视图。潘宁放电方式的离子枪101在其内部配置有为了产生离子而需要的构成要素，向试料106照射离子束102。气体源142经由气体供给机构141连接于离子枪101，由气体供给机构141控制的气体流量被供给至离子枪101的离子化室内。

离子束102的照射条件受离子枪控制部103控制。离子束102的离子束电流由电流测量机构151测量。电流测量触头153还兼具有离子束的开闭器的作用，具有能够由电流测量触头驱动部152移动的机构。真空腔室104被真空排气系统105控制为大气压或真空。试料106被保持在试料台(试料保持器)107之上，试料台107被试料台架(stage)108保持。在试料106的上表面载置作为离子束的遮蔽板的掩模110，试料106中的从掩模110端面突出的区域被离子束102沿着掩模端面切削，能够形成平滑的截面。

试料台架108包括全部的用来在真空腔室104向大气开放时能够向真空腔室104之外拉出、并且能够使试料106相对于离子束102的光轴以任意的角度倾斜的机构要素。试料台架驱动部109能够使试料台架108左右摇摆，能够控制其速度。此外，也可以具备用来将试料冷却的冷却机构。

图4a是表示与离子枪关联的周边部的结构的剖视图，图4b是图4a中的在a－a’间截断的用来说明束成形电极的配置和周边部的结构的概略平面图。有关本实施例的离子铣削装置中的离子枪101是潘宁放电方式的离子枪，在加速电极115与配置在释放离子束的一侧的阴极112之间配置有由2对4片电极构成的束成形电极170。

离子枪控制部103电连接于放电电源121、加速电源122和束成形电源123(包括124、125)，控制放电电压、加速电压和束成形电压。束成形电极170由图4b所示的4个电极171、172、173、174构成，如图所示，2对电极相面对并沿着x方向及y方向以正交的方式配置。

束成形电源124向沿着y方向相面对的束成形电极171和束成形电极172施加正电压，束成形电源125向沿着x方向相面对的束成形电极173和束成形电极174施加负电压。通过这样的电压条件，离子束能得到在x方向上扩大、在y方向上缩小的束轮廓。通过这样对束成形电极170施加任意的电压，能够匹配于试料的加工希望范围而得到任意的离子束照射区域。

此外，通过将向配置在离子枪的内部的束成形电极施加的电压与离子束的变形量的关系预先存储在存储装置中、并在操作面板上设定离子束的变形量，能够提供可施加与离子束的变形量相应的施加电压的离子铣削装置。

图5a及图5b是有关本实施例的离子铣削装置中的离子束轮廓的一例。是在图4a及图4b所示的离子枪的结构中，通过离子光学模拟器计算出离子轨道而得到的结果，图5a表示z－y面的轮廓(从沿着掩模端面的方向(x方向)观察时的轮廓)，图5b表示z－x面的轮廓(从与掩模端面正交的方向(y方向)观察时的轮廓)。在计算中使用的束成形电极，是图4a的z轴方向的长度为2.5mm、图4b的束成形电极171和172的x轴方向的长度以及束成形电极173和174的y轴方向的长度为3mm、束成形电极171和172的对置距离以及束成形电极173和174的对置距离为4mm的情况。关于向束成形电极170施加的电压，对沿着y方向配置的束成形电极171和172施加+500v，对沿着x方向配置的束成形电极173和174施加－500v，由此能够得到在x方向上为以往的2倍的长度的加工范围的束轮廓。

图6a及图6b是用来说明本实施例的效果的表示离子束照射范围的一例的图。图6a是从离子束102的行进方向的侧面侧观察加工中的状态的图，图6b是从离子枪101侧观察试料106和向试料106照射的离子束102的概略俯视图。离子束102的中心位置被调整为，使其处于掩模110的端部。如该图所示，在从离子枪101照射的离子束102为在x方向上扩大、在y方向上缩小的束轮廓的情况下，通过电场，大部分离子束102能够集中照射在试料106上，所以与以往相比能够在短时间内进行大范围的加工，能够提高加工效率。

图7a及图7b是用来说明本实施例的其他效果的表示离子束照射范围的一例的图。图7a是从离子束102的行进方向的侧面侧观察加工中的状态的图，图7b是从离子枪101侧观察试料106和向试料106照射的离子束102的图。如该图所示，在从离子枪101照射的离子束102为在y方向上扩大、在x方向上缩小的束轮廓的情况下，向试料的离子束照射区域被缩小，与以往的使用圆状束的情况相比能够抑制被照射在加工希望范围以外的离子束。由此，能够减少因热能而试料变形或溶解等的加工不良。此外，还能够与试料台架等所具备的冷却机构并用。

进而，如果选择了低加速电压条件，则被照射离子束102的区域在y方向上进一步扩大，能够抑制由从被照射在加工希望范围以外的离子束扩散的热能造成的试料的破损，所以能够加工对热损伤更脆弱的材料。

在离子束源(离子枪)的内部，在配置在释放离子束的一侧的阴极电极与加速电极之间，配置由对置的2对4片电极构成的束成形电极，通过向正交的束成形电极施加任意的电压，能够提供匹配于试料的加工希望范围而将离子束成形的结构的离子铣削装置。

在图1所示的离子铣削装置中搭载图4a所示的离子枪而对试料进行加工的结果为，与将束成形电极配置在离子枪与试料之间的情况相比，能够大幅地减少被铣削材料向束成形电极的附着。此外，通过使离子束如图6b所示采用在沿着掩模边缘的方向上长、在与掩模边缘成直角方向上短的束形状，以例如椭圆形状的长轴方向成为沿着掩模边缘的方向的方式将离子束形状成形，由此能够在束成形电极的污染得到抑制的状态下提高试料的加工效率。此外，通过使离子束如图7b所示采用在沿着掩模边缘的方向上短、在与掩模边缘成直角方向上长的束形状，以例如椭圆形状的长轴方向成为与掩模边缘成直角的方向的方式将离子束形状成形，由此能够在束成形电极的污染得到抑制的状态下抑制离子铣削时的试料的加热。由此，能够进行热损伤承受力弱的试料的加工。

以上，根据本实施例，能够提供能够抑制束成形电极的污染的离子铣削装置。此外，在离子束源的内部，通过在配置在释放离子束的一侧的阴极电极与加速电极之间配置束成形电极并施加任意的电压，能够匹配于试料的加工希望范围而将离子束成形。由此，能够提供在束成形电极的污染得到抑制的状态下能够进行加工效率高的离子铣削加工、热损伤承受力弱的材料的离子铣削加工的离子铣削装置。

实施例2

使用图8对有关本发明的实施例2的离子铣削装置进行说明。另外，关于在实施例1中记载、在本实施例中未记载的事项，只要没有特别的说明，则也能够应用于本实施例。

图8是有关本实施例的离子铣削装置的概略整体结构剖视图。在本实施例中，对在离子铣削装置中搭载了sem等电子显微镜的例子进行说明。潘宁放电方式的离子枪101在其内部配置有为了产生离子所需要的构成要素，形成用来将离子束102向试料106照射的照射系统。电子显微镜立柱161在其内部配置有为了产生电子束162所需要的构成要素，形成用来将电子束162向试料106照射的照射系统。气体源142经由气体供给机构141连接于离子枪101，将由气体供给机构141控制的气体流量向离子枪101的离子化室内供给。

离子束102的照射条件由离子枪控制部103控制。离子束102的离子束电流由电流测量机构151测量。电流测量触头153还兼具有离子束的开闭器的作用，具有通过电流测量触头驱动部152而工作的机构。真空腔室104被真空排气系统105控制为大气压或真空。试料106被保持在试料台107之上，试料台107被试料台架108保持。

试料台架108包括全部的用来在真空腔室104向大气开放时能够向真空腔室104之外拉出、并且能够使试料106相对于离子束102的光轴以任意的角度倾斜的机构要素。试料台架驱动部109能够使试料台架108左右摇摆，能够控制其速度。

搭载了电子显微镜的离子铣削装置是适合于具有束成形机构的情况的结构。例如，在图6b所示的离子束照射范围的情况下，由于从离子枪101照射的离子束102成为在y方向上缩小的束轮廓，所以需要非常高精度的对位。在搭载了电子显微镜的离子铣削装置的情况下，能够进行应用电子显微镜机构的超高精度对位。在本实施例中，能够将成形的离子束102相对于掩模边缘容易且高精度地对位，所以能够将离子束102的大多区域向试料106集中照射。由此，在使用椭圆状束的长轴方向的情况下，能够在短时间内进行大范围的试料的加工，加工效率提高。另外，在搭载电子显微镜的情况下，考虑来自离子枪的泄漏磁场对电子线的影响，优选的是使加速电极为强磁性体材料。

图9a至图9c是表示本实施例的另一例的离子枪的构造图和离子束轮廓。图9a是表示离子枪101的剖视图，图9b及图9c是用离子光学模拟器计算离子轨道的结果，图9b表示z－y面的轮廓(从沿着掩模端面的方向(x方向)观察时的轮廓)，图9c表示z－x面的轮廓(从与掩模端面正交的方向(y方向)观察时的轮廓)。

有关本实施例的离子枪101的特征在于，在加速电极115与配置在释放离子束的一侧的阴极112之间配置有由2对4片电极构成的束成形电极170。束成形电极170由4个电极171、172、173、174构成，2对电极相面对而沿着x方向及y方向以正交的方式配置(参照图4a、图4b)。在离子轨道计算中使用的束成形电极，是图4a的z轴方向的长度为1.5mm、图4b的束成形电极171和172的x轴方向的长度以及束成形电极173和174的y轴方向的长度为3mm的情况。

图9a至图9c表示将束成形电极171和172的对置距离、以及束成形电极173和174的对置距离配置为6mm的情况，表示关于向束成形电极170施加的电压，向沿着y方向配置的束成形电极171和172施加+1800v，向沿着x方向配置的束成形电极173和174施加－1800v，由此能够得到成为在x方向上被拉伸的加工区域的束轮廓。

同样关于束成形电极的配置条件和施加电压利用离子光学模拟器进行了评价的结果汇总在表1中。在评价中使用的束成形电极170由4个电极171、172、173、174构成，2对电极相面对并沿着x方向及y方向以正交的方式配置。束成形电极的尺寸设为，图4a所示的z轴方向的长度为1.5mm，图4b所示的束成形电极171和172的x轴方向的长度以及束成形电极173和174的y轴方向的长度为3mm。这里，关于束成形电极171和172的对置距离以及束成形电极173和174的对置距离进行评价，将设对置距离为3mm、4mm、5mm、6mm的情况下的向束成形电极施加的电压条件最优化。

[表1]

可得到束成形的效果的基准条件设为，扩大方向的束宽为缩小方向的束宽的2倍以上。在向束成形电极施加的电压比表1中表示的施加电压范围小的情况下不能得到充分的束成形效果。此外，在向束成形电极施加的电压比施加电压范围大的情况下，离子束轨道发生跨交(crossover)。在本实施例中，在离子束源(离子枪)的内部，在配置在释放离子束的一侧的阴极电极与加速电极之间配置具有表1所示的结构的束成形电极，通过施加表1所示的电压，能够匹配于试料的加工希望范围而将离子束成形。由此，能够提供能够进行加工效率高的离子铣削加工、热损伤承受力弱的材料的离子铣削加工的离子铣削装置。

此外，通过将向配置在离子枪的内部的束成形电极施加的电压与离子束的变形量的关系预先存储在存储装置中、并在操作面板上设定离子束的变形量，能够提供能够施加与离子束的变形量相应的施加电压的离子铣削装置。

在图8所示的离子铣削装置中搭载图9a所示的离子枪而将试料加工的结果为，与将束成形电极配置在离子枪与试料之间的情况相比，能够大幅地减少被铣削材料向束成形电极的附着。此外，通过使离子束如图6b所示使用在沿着掩模边缘的方向上长、在与掩模边缘成直角方向上短的束形状，以例如椭圆形状的长轴方向成为沿着掩模边缘的方向的方式将离子束形状成形，由此能够在束成形电极的污染得以抑制的状态下提高试料的加工效率。在此情况下，通过使用搭载在离子铣削装置中的电子显微镜，能够容易地进行离子束向掩模边缘的对位。此外，通过使离子束如图7b所示使用在沿着掩模边缘的方向上短、在与掩模边缘成直角方向上长的束形状，以例如椭圆形状的长轴方向成为与掩模边缘成直角方向的方式将离子束形状成形，由此能够在束成形电极的污染得以抑制的状态下抑制离子铣削时的试料的加热。由此，能够进行热损伤承受力弱的试料的加工。

以上，根据本实施例，能够得到与实施例1同样的效果。此外，通过搭载sem等电子显微镜，能够容易地进行掩模边缘和离子束的对位。

实施例3

使用图10a及图10b对有关本发明的实施例3的离子铣削装置进行说明。另外，关于在实施例1或2中记载而在本实施例中未记载的事项，只要没有特别的说明，则也能够应用于本实施例。

图10a及图10b是表示有关本实施例的离子铣削装置中的离子枪的一例的构造图。作为离子铣削装置，可以使用具有图1或图8所示的结构的装置。图10a是表示与离子枪101关联的周边部的结构的概略剖视图，图10b是图10a中的在a－a’间截断的表示束成形电极的配置和周边部的结构的图。有关本实施例的离子枪101的特征在于，在加速电极115与配置在释放离子束的一侧的阴极112之间配置有由1对2片电极构成的束成形电极180。离子枪控制部103电连接于放电电源121、加速电源122和束成形电源126(包括127)，控制放电电压、加速电压和束成形电压。束成形电极180由2个电极181、182构成，如图示那样，1对电极相面对而沿着x方向配置。束成形电源127向沿着x方向相面对的束成形电极181和束成形电极182施加负电压。通过这样的电压条件，离子束能得到在x方向上扩大的束轮廓。通过这样向束成形电极施加任意的电压，能够匹配于试料的加工希望范围而得到离子束照射区域。

在图1或图8所示的离子铣削装置中搭载图10a所示的离子枪并将试料加工的结果是，与将束成形电极配置在离子枪与试料之间的情况相比，能够大幅地减少被铣削材料向束成形电极的附着。此外，通过使离子束采用在沿着掩模边缘的方向上长、在与掩模边缘成直角方向上短的束形状，能够在束成形电极的污染得以抑制的状态下提高试料的加工效率。此外，通过使离子束采用在沿着掩模边缘的方向上短、在与掩模边缘成直角方向上长的束形状，能够在束成形电极的污染得以抑制的状态下抑制离子铣削时的试料的加热。由此，能够进行热损伤承受力弱的试料的加工。

以上，根据本实施例，能够得到与实施例1、2同样的效果。此外，通过用1对2片的电极构成束成形电极，能够使结构简略化。

另外，本发明并不限定于上述的实施例，而包括各种各样的变形例。例如，上述的实施例是为了将本发明容易理解地说明而详细地说明的，并不一定限定于具备所说明的全部结构。此外，也可以将某个实施例的结构的一部分替换为其他实施例的结构，此外，还可以对某个实施例的结构添加其他实施例的结构。此外，关于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、替换。

标号说明

101离子枪；102离子束；103离子枪控制部；104真空腔室；105真空排气系统；106试料；107试料台(试料保持器)；108试料台架；109试料台架驱动部；110对于离子束的掩模；111配置在离子枪基座侧的阴极(第1阴极)；112配置在释放离子束的一侧的阴极(第2阴极)；113阳极；114永久磁铁；115加速电极；116绝缘体；117离子枪基座；118离子化室；119阴极环；121放电电源；122加速电源；123、124、125、126、127束成形电源；131阳极出口孔；132阴极出口孔；133加速电极出口孔；141气体供给机构；142气体源；151电流测量机构；152电流测量触头驱动部；153电流测量触头；161电子显微镜立柱；162电子束；170、171、172、173、1744片型束成形电极；180、181、1822片型束成形电极；190被铣削材料。