(57)【要約】【課題】大きなミリング速度を得ることが可能なイオン源、イオンミリング装置、イオンミリング方法を提供する。【解決手段】イオンガン１は、カソード１１，１２と、内部に設けられた出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノード１３と、最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲である磁石によって磁場を発生させる磁場発生部とを有し、外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成し、イオン化室１８から放出されるイオンを５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧により加速させて試料に照射し加工する。【選択図】図２
2018170295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成するイオン生成部と、前記イオン生成部から放出される前記イオンを加速させる電極に５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧が印加される加速電極と、を有し、前記加速されたイオンを試料に照射し加工するイオンミリング装置において、
前記イオン生成部は、
前記電子が放出されるカソードと、
前記イオン生成部の内部に設けられ、出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノードと、
最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲である磁石によって前記イオン生成部の内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有することを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項２】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記磁石はサマリウムコバルト磁石であることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項３】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記加速電極は、６ｋＶ以上の電圧が印加されることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項４】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記イオン生成部は、ペニング型であることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項５】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記磁場発生部の残留磁束密度は、８１０ｍＴから９５０ｍＴまでの範囲であることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項６】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記磁場発生部の保持力は、６２０ｍＴから６６０ｍＴまでの範囲であることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項７】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記アノードの形状は筒状であり、かつ前記内径と前記出口孔の直径が同一寸法であることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項８】
請求項１記載のイオンミリング装置において、
前記出口孔の直径が前記内径より小さいことを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項９】
外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成するイオン生成部と、前記イオン生成部から放出される前記イオンを加速させる電極に５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧が印加される加速電極と、を有し、前記加速されたイオンを試料に照射し加工するイオンミリング装置に用いられるイオン源において、
前記イオン源は、
前記電子が放出されるカソードと、
前記イオン生成部の内部に設けられ、出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノードと、
最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲である磁石によって前記イオン生成部の内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有することを特徴とするイオン源。
【請求項１０】
請求項９記載のイオン源において、
前記磁石はサマリウムコバルト磁石であることを特徴とするイオン源。
【請求項１１】
請求項９記載のイオン源において、
前記加速電極は、６ｋＶ以上の電圧が印加されることを特徴とするイオン源。
【請求項１２】
請求項９記載のイオン源において、
前記イオン源はペニング型であることを特徴とするイオン源。
【請求項１３】
請求項９記載のイオン源において、
前記磁場発生部の残留磁束密度は、８１０ｍＴから９５０ｍＴまでの範囲であることを特徴とするイオン源。
【請求項１４】
請求項９記載のイオン源において、
前記磁場発生部の保持力は、６２０ｍＴから６６０ｍＴまでの範囲であることを特徴とするイオン源。
【請求項１５】
外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成するイオン生成部と、前記イオン生成部から放出される前記イオンを加速させる電極に５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧が印加される加速電極と、を有し、前記加速されたイオンを試料に照射し加工するイオンミリング装置において、
前記イオン生成部は、
前記電子が放出されるカソードと、
前記イオン生成部の内部に設けられ、出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノードと、
前記イオン生成部の中心軸上に１４０ｍＴから１６０ｍＴの範囲で磁場を発生させる磁場発生部と、を有することを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項１６】
請求項１５記載のイオンミリング装置において、
前記加速電極は、６ｋＶ以上の電圧が印加されることを特徴とするイオンミリング装置。
【請求項１７】
カソードから電子を放出させ、
出口孔が３ｍｍ以上かつ内径が５ｍｍ以下のアノードの内側にて外部から供給されたガスに前記電子を衝突させイオンを生成し、
最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３までの範囲である磁石により発生させた磁場に前記イオンを作用させ、
前記イオンへ５ｋＶ以上の電圧を印加し加速させ、
前記加速されたイオンを試料に照射し加工することを特徴とするイオンミリング方法。
【請求項１８】
請求項１７記載のイオンミリング方法において、
前記イオンへ６ｋＶ以上の電圧を印加し前記イオンを加速させることを特徴とするイオンミリング方法。
【請求項１９】
請求項１７記載のイオンミリング方法において、
前記磁石により、イオン生成部の中心軸上に１４０ｍＴから１６０ｍＴまでの範囲の磁場を発生させることを特徴とするイオンミリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を作製するためのイオンガンおよびそれを有するイオンミリング装置、イオンミリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。また加工される試料は、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がスパッタされることで平滑な断面が加工できる。この方法は、金属、ガラス、セラミック、電子部品、複合材料などを対象に用いられる。
【０００３】
例えば電子部品においては、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といった用途に用いられる。また、走査型電子顕微鏡をはじめとした各種測定装置による形態像、試料組成像、チャネリング像の取得やＸ線分析、結晶方位解析など取得するための断面試料作成方法として利用されている。
【０００４】
前記のようなイオンミリング装置においては、イオンガンとして単純な構成で小型なペニング放電方式のイオンガンが用いられているものがある。ペニング放電方式のイオンガンの基本構造は、イオンガン内部にガスを供給するガス供給機構と、イオンガン内部に配置され正電圧が印加されるアノードと、アノードとの間に電位差を発生させるカソードと、永久磁石とを備える。そして、ペニング型イオンガンは、イオンビームのエネルギーが大きいことに起因する高いミリング速度が得られることが特長である。例えば、特許文献１には高いミリング速度を維持するためにイオンガンから放出されるイオンビームの電流値を常に最大値に保つ方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４８５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年のイオンミリング装置の進歩に伴い、市場が大きく広がってきている。このため適用分野によっては従来よりもさらに高いミリング速度が得られるイオンガンの開発が望まれている。一例として、半導体分野で注目されているシリコン貫通電極（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｖｉａ）を使った３次元実装の解析などが挙げられる。このように、積層された厚い試料を加工するために、従来のミリング速度の目安となる毎時３００μｍ程度では加工に大きな時間を有し、装置の稼働率を低下させるという課題がある。
【０００７】
一方、特許文献１に記載されているように、従来の方式ではミリング速度を高めるにはイオンガンから放出されるイオンビームの電流値を常に大きく保つ必要があると考えられてきた。そのために、高いプラズマ密度が不可欠であり、高磁束密度の磁場を形成することで電子軌道を長く取ることが重要と考えられてきた。
【０００８】
しかしながら本願発明者は前記目的を達成するために実験を繰り返し行い、以下の知見を得た。
【０００９】
ペニング放電方式のイオンガンにおいてイオンガンから放出されるイオンの量を多くするためには、イオンガンの構成において、特定の磁束密度を有する永久磁石を用い、イオンビームのプロファイルが理想的に形成され、加速電極出口孔の周辺部分に衝突することなくイオンガンから放出されうる範囲内にイオン化室の領域を制御することが重要であることを見出した。
【００１０】
これは、過剰な磁場や過剰なイオン化室領域によるイオンガンにおいては、放出されるイオンが加速電極出口孔の周辺部分に衝突することによりイオンガンから放出されるイオンの量が減少することに起因すると考える。これにより、特許文献１のような、イオンビームの電流量を常に大きく保つ発明よりもイオンガンから放出されるイオンの量を飛躍的に多くすることができる。
【００１１】
上記のように、本願発明者の独自の知見を用いた発明は、これまでなされてこなかった。そこで本発明は、このような実験結果及び実験結果から得られた発明者独自の知見に基づき、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能な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、イオンミリング方法を提案する。本発明により、市場とともに広がった新たな課題を解決することができるようになった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
具体的な一態様として、本発明のイオンミリング装置は、外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成するイオン生成部と、前記イオン生成部から放出される前記イオンを加速させる電極に５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧が印加される加速電極と、を有し、前記加速されたイオンを試料に照射し加工するイオンミリング装置において、前記イオン生成部は、前記電子が放出されるカソードと、前記イオン生成部の内部に設けられ、かつ出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノードと、最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲である磁石によって前記イオン生成部の内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、他の具体的な一態様として、本発明のイオン源は、外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成するイオン生成部と、前記イオン生成部から放出される前記イオンを加速させる電極に５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧が印加される加速電極と、を有し、前記加速されたイオンを試料に照射し加工するイオンミリング装置に用いられるイオン源において、前記イオン源は、前記電子が放出されるカソードと、前記イオン生成部の内部に設けられ、出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノードと、最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲である磁石によって前記イオン生成部の内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、他の具体的な一態様として、本発明のイオンミリング装置は、外部から供給されたガスに電子を衝突させイオンを生成するイオン生成部と、前記イオン生成部から放出される前記イオンを加速させる電極に５ｋＶ以上８ｋＶ以下の電圧が印加される加速電極と、を有し、前記加速されたイオンを試料に照射し加工するイオンミリング装置において、前記イオン生成部は、前記電子が放出されるカソードと、前記イオン生成部の内部に設けられ、出口孔が３ｍｍ以上で、かつ内径が５ｍｍ以下のアノードと、前記イオン生成部の中心軸上に１４０ｍＴから１６０ｍＴの範囲で磁場を発生させる磁場発生部と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、他の具体的な一態様として、本発明のイオンミリング方法は、カソードから電子を放出させ、出口孔が３ｍｍ以上かつ内径が５ｍｍ以下のアノードの内側にて外部から供給されたガスに前記電子を衝突させイオンを生成し、最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ３から１９１ｋＪ／ｍ３までの範囲である磁石により発生させた磁場に前記イオンを作用させ、前記イオンへ５ｋＶ以上の電圧を印加し加速させ、前記加速されたイオンを試料に照射し加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
発明者の知見から得られた独自の構成を用いることで、本発明においては、イオンガンから放出されるイオンの量を飛躍的に多くすることが可能となる。これにより、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のイオンミリング加工装置の構成を示す説明図である。
【図２】本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の一例である。
【図３】本発明のイオンガン内部の軸上強度の比較を示す図の一例である。
【図４】本発明の効果を説明するミリング速度とイオンガンの軸上磁束密度の関係を示す図である。アノード内径がそれぞれ、（a）８ｍｍ、（ｂ）６ｍｍ、（ｃ）５ｍｍ、（ｄ）４ｍｍ、のときを示す。
【図５】本発明の効果を説明するミリング速度と永久磁石の最大エネルギー積の関係を示す図である。アノード内径がそれぞれ、（a）８ｍｍ、（ｂ）６ｍｍ、（ｃ）５ｍｍ、（ｄ）４ｍｍ、のときを示す。
【図６】本発明の効果を説明するミリング速度と永久磁石の残留磁束密度の関係を示す図である。アノード内径がそれぞれ、（a）８ｍｍ、（ｂ）６ｍｍ、（ｃ）５ｍｍ、（ｄ）４ｍｍ、のときを示す。
【図７】本発明の効果を説明するミリング速度と永久磁石の保持力の関係を示す図である。アノード内径がそれぞれ、（a）８ｍｍ、（ｂ）６ｍｍ、（ｃ）５ｍｍ、（ｄ）４ｍｍ、のときを示す。
【図８】本発明のビームプロファイルを示す図の一例である。
【図９】本発明のビームプロファイルを示す図の他の一例である。
【図１０】本発明のイオンガン内部の軸上強度の比較を示す図の他の一例である。
【図１１】本発明のビームプロファイルを示す図の他の一例である。
【図１２】本発明の効果を説明するミリング速度と磁場強度の関係を示す図の一例である。
【図１３】本発明のマスクからの試料突き出し量とミリングレートの関係を示す図の一例である。
【図１４】本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の他の一例である。
【図１５】本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の他の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、電子顕微鏡で観察される試料を作製するためのイオンガンを持つイオンミリング装置に係り、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能なペニング放電方式、もしくはそれに準ずる形状のイオンガンおよびそれを有するイオンミリング装置、イオンミリング方法に関する。
【００１９】
このため、ペニング放電方式のイオンガンの構成として、本願発明者の知見を踏まえ、特定の磁場強度を有する永久磁石において、イオンガンから放出されるイオンの量を飛躍的に多くすることが可能となるよう、特定のイオン化室領域にてイオンを生成するように制御する。これにより、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能である。
【００２０】
さらに、本発明のイオンガンの各構成において、イオンビーム電流が安定化する以外にも、従来と比較してメリットが生じる。これは、過剰な磁場や過剰なイオン化室領域により放出されるイオンが加速電極出口孔の周辺部分に衝突することを回避できることに起因する。例を挙げると、加速電極に付着するリポジションや加速電極出口孔の変形、リデポジションによる汚染などの悪影響を低減するメリットがある。
【００２１】
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。
【００２２】
図１は本発明のイオンミリング加工装置の構成を示す説明図である。いわゆるペニング放電方式、もしくはそれに準ずる形状のイオンガン１は、その内部にイオンを発生するために必要な構成要素が配置され、イオンビーム２を試料６に照射するための照射系を形成する。
【００２３】
次に、ガス源４１はガス供給機構４０を介してイオンガン１に接続され、ガス供給機構４０により制御されたガス流量がイオンガン１のイオン化室内に供給される。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。イオンビーム２のイオンビーム電流は、電流測定部５０によって測定される。電流測定子５２はイオンビームのシャッタの役割も兼ねており、電流測定子駆動部５１により稼動する機構を有する。
【００２４】
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ことができるための機構要素をすべて含んでいる。試料ステージ駆動部９は、試料ステージ８を左右へスイングすることができ、その速度を制御することができる。
【００２５】
図２は、本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の一例である。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状に形成されており、イオン化室１８に不活性ガスを導入するための孔が設けられている。ここでは不活性ガスの代表例としてアルゴンガスを例示したが、本発明は他の不活性ガスにも適用できる。
【００２６】
次に、永久磁石１４は磁場発生部として作用させる。例えば最大エネルギー積が１２７ｋＪ／ｍ3から１４３ｋＪ／ｍ３の範囲であることを特徴とするサマコバ磁石であり、円筒状、もしくはそれに準ずる形状に形成され永久磁石１４の一端は、磁性材料で作られたカソード１１に繋がっている。なお、ここでは永久磁石を一例として説明したが、本発明で規定する特定の範囲の性能を発揮する磁場発生部(例えばコイルなど)でもよい。
【００２７】
カソード１２は例えば純鉄など導電性のある磁性材料により円盤状に形成されており、中央部には、例えば直径４ｍｍのカソード出口孔３２が設けられている。カソード１２は、永久磁石１４の他端に繋がっており、カソード１１と永久磁石１４との構成によりイオンガン１の内部に磁場を発生させている。円筒状に形成されているインシュレータ１６は、永久磁石１４の内側に配置され、インシュレータ１６の外面は永久磁石１４の内面に接触している。インシュレータ１６は例えばセラミックスなどの電気絶縁性を有する非磁性材料で形成されている。
【００２８】
アノード１３はインシュレータ１６の内側にはめ込まれており、アノード１３の外面はインシュレータ１６の内面に接触しており、内面はイオン化室１８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、例えばその内径は４ｍｍであり、アノード出口孔３１の直径も４ｍｍであってアノード内径と同一寸法である。アノード１３はインシュレータ１６によりカソード１１とカソード１２および永久磁石１４に対して電気的に絶縁されている。
【００２９】
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、イオンビームが通過する中央部には例えば直径４ｍｍの加速電極出口孔３３が設けられている。接地電極に保たれた加速電極１５はカソード１１とカソード１２と永久磁石１４とを囲むように、イオンガンベース１７の周辺部に固定されている。
【００３０】
ガス供給機構４０はイオンガンベース１７に接続され、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すべて含んでいる。イオンガンベース１７およびカソード１１には孔が設けられており、その孔を経由して、ガス供給機構４０から導入されたアルゴンガスがイオン化室１８に導入される。
【００３１】
イオン化室１８に導入されたアルゴンガスを適切なガス分圧を保った状態とし、放電電源２１によりカソード１１、カソード１２とアノード１３の間に０〜４ｋＶ程度の放電電圧を印加させ、放電（グロー放電）させてアルゴンイオンを発生させる。このとき、永久磁石１４の磁界によって放電により生じた電子を回転させ、電子のパスを長くして放電効率を上げることができる。さらに、加速電源２２によりカソード１２と加速電極１５の間に、０〜１０kＶ程度（もしくはそれ以上）の加速電圧を印加してアルゴンイオンを加速させて、イオンビーム２をイオンガン１の外に射出させる。なおカソード１２に電気的に接続された永久磁石１４とカソード１１はカソード１２と同電位に保たれる。
【００３２】
このような電圧印加により、カソード１１表面とカソード１２表面から電子が放出され、その放出された電子はアノード１３に向けて加速される。その際、カソード１１とカソード１２表面から放出された電子は、イオン化室１８にカソード１１とカソード１２および永久磁石１４により形成された磁場でその軌道が曲げられ旋回運動を行う。
【００３３】
ここで、イオン化室１８内を旋回する電子がアルゴンガスに衝突すると、その衝突を受けたアルゴンガスはイオン化し、陽イオンがイオン化室１８で発生する。イオン化室１８で発生した陽イオンの一部は、カソード１２のカソード出口孔３２を通り、加速電極１５で加速されて加速電極出口孔３３からイオンガン１の外部に放出され、陽イオンからなるイオンビーム２によって試料６が加工される。
【００３４】
本願発明者は、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能なペニング放電方式のイオンガンを目的として実験を繰り返し行い、イオンガン構成として、永久磁石１４の磁場強度と、イオン化室の領域を設定するアノード１３の内径とが特定の範囲にある時に、従来からは予見できないほど大きなミリング速度が得られることを独自に見出した。従って、本発明によれば、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能な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、イオンミリング方法を提供することができる。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１に実験に使用した磁石の性能一覧を示す。また図３は本発明のイオンガン内部の軸上磁場強度の比較を示す図の一例である。図３は、表１に示した磁石Ａから磁石Ｄまでの４種類の磁石を、イオンガン１の永久磁石１４として組み込んだ場合のイオンガンの中心軸上の磁束密度を磁場シミュレータにて算出した結果である。計算に用いた残留磁束密度および保持力は表１に示した数値を用いている。
【００３７】
図３の横軸となるＺ軸座標のうち磁石が配置される位置はＺ＝−３４．５から−２２．５の範囲である。この領域がイオンガン内部でプラズマ生成室として作用し、その軸上磁束密度は磁石Ａが約２２０ｍＴ、磁石Ｂが約２００ｍＴ、磁石Ｃが約１４５ｍＴ、磁石Ｄが約１００ｍＴとなる。
【００３８】
図４は本発明の効果を説明するミリング速度とイオンガンの軸上磁束密度の関係を示す図である。（a）はアノード内径が８ｍｍ、（ｂ）はアノード内径が６ｍｍ、（ｃ）はアノード内径が５ｍｍ、（ｄ）はアノード内径が４ｍｍの結果を示す。実験に適用したミリング条件は、加速電圧条件が５ｋＶと６ｋＶの２種類とし、放電電圧は１．５ｋＶ、イオンガンに導入するガスにはアルゴンガスを用い、その流量は０．０７ｃｍ3/分とした。被加工材料にはシリコンを用い、遮蔽板となるマスクなしでのミリング加工を１時間実施した場合の結果である。図４の結果から、加速電圧が６ｋＶであって、イオンガンの軸上磁束密度が１４０ｍＴ近傍であって、アノード内径が５ｍｍ以下の場合にのみ、他の条件の２倍以上のミリング速度が得られることが分かる。
【００３９】
図５は本発明の効果を説明するミリング速度と永久磁石の最大エネルギー積の関係を示す図である。（a）はアノード内径が８ｍｍ、（ｂ）はアノード内径が６ｍｍ、（ｃ）はアノード内径が５ｍｍ、（ｄ）はアノード内径が４ｍｍの結果を示す。図５の結果から、加速電圧が６ｋＶであって、永久磁石の最大エネルギー積が１２７ｋＪ／ｍ３から１４３ｋＪ／ｍ３の範囲であって、アノード内径が５ｍｍ以下の場合にのみ、他の条件の２倍以上のミリング速度が得られることが分かる。
【００４０】
図６は本発明の効果を説明するミリング速度と永久磁石の残留磁束密度の関係を示す図である。（a）はアノード内径が８ｍｍ、（ｂ）はアノード内径が６ｍｍ、（ｃ）はアノード内径が５ｍｍ、（ｄ）はアノード内径が４ｍｍの結果を示す。図６の結果から、加速電圧が６ｋＶであって、永久磁石の残留磁束密度が８５０ｍＴであって、アノード内径が５ｍｍ以下の場合にのみ、他の条件の２倍以上のミリング速度が得られることが分かる。
【００４１】
図７は本発明の効果を説明するミリング速度と永久磁石の保持力の関係を示す図である。（a）はアノード内径が８ｍｍ、（ｂ）はアノード内径が６ｍｍ、（ｃ）はアノード内径が５ｍｍ、（ｄ）はアノード内径が４ｍｍの結果を示す。図７の結果から、加速電圧が６ｋＶであって、永久磁石の保持力が６６０ｍＴであって、アノード内径が５ｍｍ以下の場合にのみ、他の条件の２倍以上のミリング速度が得られることが分かる。
【００４２】
図８は本発明のビームプロファイルを示す図の一例である。ここでは、表１に示した磁石Ａから磁石Ｄまでの４種類の磁石をイオンガン１の永久磁石１４として組み込み、アノード内径を４ｍｍとしたイオンガン構成において、加速電圧を６ｋＶ、放電電圧を１．５ｋＶとし、イオンガンに導入するガスには流量０．０７ｃｍ3/分のアルゴンガスを用いた。被加工材料にはシリコンを用い、遮蔽板となるマスクなしでのミリング加工を１時間実施した場合のビームプロファイルである。図８の結果から、磁石Ｃの場合のみでビーム痕の深さが３００μｍとなり、すなわちミリング速度は毎時３００μｍを記録し、他の条件に比べて約２倍のミリング速度を得ることが可能であることが分かる。また、この場合においてもイオンビームスポット径は縮小していない。
【００４３】
図９は本発明のビームプロファイルを示す図の他の一例である。ここでは、表１に示した磁石Ｃをイオンガン１の永久磁石１４として組み込み、アノード内径を５．０ｍｍ、５．２ｍｍ、５．４ｍｍ、５．６ｍｍ、５．８ｍｍの５種類とした場合のイオンガン構成において、加速電圧を６ｋＶ、放電電圧を１．５ｋＶとし、イオンガンに導入するガスには流量０．０７ｃｍ3/分のアルゴンガスを用いた。被加工材料にはシリコンを用い、遮蔽板となるマスクなしでのミリング加工を１時間実施した場合のビームプロファイルである。図９の結果から、アノード内径が５．０ｍｍの場合にはビーム痕の深さが２９０μｍとなり、５．４ｍｍ以上の場合に比べて約２倍のミリング速度を得ることが可能であることが分かる。またアノード内径５．２ｍｍの場合であってもミリング速度の若干の向上が見て取れることから、アノード内径が５．２ｍｍ以下ならば、本発明の思想の範疇に含まれるとし 、その中でも特に顕著な効果が現れる領域は、アノード内径が５．０ｍｍ以下の条件であるとした。
【００４４】
【表２】
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【００４５】
表２に実験に使用した他の磁石の性能一覧を示す。また図１０は本発明のイオンガン内部の軸上磁場強度の比較を示す図の他の一例である。図１０は、表２に示した磁石Ｃから磁石Ｇまでの４種類の磁石を、イオンガン１の永久磁石１４として組み込んだ場合のイオンガンの中心軸上の磁束密度を磁場シミュレータにて算出した結果である。計算に用いた残留磁束密度および保持力は表２に示した数値を用いている。
【００４６】
図１０の横軸となるＺ軸座標のうち磁石が配置される位置はＺ＝−３４．５から−２２．５の範囲である。この領域がイオンガン内部でプラズマ生成室として作用し、その軸上磁束密度は磁石Ｅが約１６０ｍＴ、磁石Ｆが約１５５ｍＴ、磁石Ｃが約１４５ｍＴ、磁石Ｇが約１４０ｍＴとなる。
【００４７】
図１１は本発明のビームプロファイルを示す図の他の一例である。ここでは、表２に示した磁石Ｃから磁石Ｇまでの４種類の磁石をイオンガン１の永久磁石１４として組み込み、アノード内径を４ｍｍとしたイオンガン構成において、加速電圧を６ｋＶ、放電電圧を１．５ｋＶとし、イオンガンに導入するガスには流量０．０７ｃｍ3/分のアルゴンガスを用いた。被加工材料にはシリコンを用い、遮蔽板となるマスクなしでのミリング加工を１時間実施した場合のビームプロファイルである。図１１の結果から、磁石Ｃから磁石Ｇまでの４種類の磁石全てにおいてビーム痕の深さが３００μｍとなり、すなわちミリング速度は毎時３００μｍが可能であることが分かる。
【００４８】
図１２は本発明の効果を説明するミリング速度と磁場強度の関係を示す図の一例である。（a）ミリング速度とイオンガンの軸上磁束密度の関係、（ｂ）はミリング速度と永久磁石の最大エネルギー積の関係を示す。ここでは、表１および表２に示した磁石Ａから磁石Ｇまでの７種類の磁石をイオンガン１の永久磁石１４として組み込み、アノード内径を４ｍｍとしたイオンガン構成において、加速電圧条件を６ｋＶとし、放電電圧は１．５ｋＶ、イオンガンに導入するガスにはアルゴンガスを用い、その流量は０．０７ｃｍ3/分とした。被加工材料にはシリコンを用い、遮蔽板となるマスクなしでのミリング加工を１時間実施した場合の結果である。図１２の結果から、磁石Ｃ、磁石Ｅ、磁石Ｆ、磁石Ｇの場合において他の磁石の２倍以上のミリング速度が得られることが分かる。これらの磁石の磁場強度は、最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ3から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲であり、残留磁束密度が８１０ｍＴから９５０ｍＴの範囲内であり、保持力が６２０ｍＴから６６０ｍＴの範囲である。
【００４９】
以上に示したように、本発明によればイオンガン１の構成として、（1）適切な磁場強度として最大エネルギー積が１１０ｋＪ／ｍ3から１９１ｋＪ／ｍ３の範囲である磁石を永久磁石１４として適用し、イオンガン１の軸上磁束密度を１４０から１６０ｍＴの範囲内に制御することと、（２）適切なイオン化室領域としてアノード内径を５ｍｍ以下に制限することと、（３）加速電圧を６ｋＶ以上に制限することにより、イオンガンから放出されるイオンの量を飛躍的に多くすることが可能となり、従来の２倍以上のミリング速度を得ることが可能となる。
【００５０】
また、図４から図７の結果から、加速電圧が５ｋＶの場合であってもミリングレートの若干の向上が見て取れることから、加速電圧５ｋＶ以上ならば、本発明において良好な条件が実現できていることも分かる。したがって、加速電圧は５ｋＶ以上ならば、本発明の思想の範疇に含まれるとし 、その中でも特に顕著な効果が現れる領域は、加速電圧６ｋＶ以上の条件であるとした。
【００５１】
また、図９の結果から、アノード内径５．２ｍｍの場合であってもミリング速度の若干の向上が見て取れることから、アノード内径が５．２ｍｍ以下ならば、本発明の思想の範疇に含まれるとし 、その中でも特に顕著な効果が現れる領域は、アノード内径が５．０ｍｍ以下の条件であるとした。
【００５２】
図１３は本発明のマスクからの試料突き出し量とミリングレートの関係を示す図の一例である。ここでは、加工され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がミリングされる断面加工を行い、図１３の横軸はマスクからの試料突き出し量をとっている。ここで、実施例として表1の磁石Ｃをイオンガン１の永久磁石１４として組み込み、アノード内径を４ｍｍ、アノード出口孔３１の直径を４ｍｍとアノード内径と同一寸法としたイオンガン構成の評価を行い、従来例として表1の磁石Ａをイオンガン１の永久磁石１４として組み込み、アノード内径を８ｍｍ、アノード出口孔３１の直径を４ｍｍとしたイオンガン構成の評価を行った。加速電圧は６ｋＶ、放電電圧を１．５ｋＶとし、イオンガンに導入するガスには流量０．０７ｃｍ3/分のアルゴンガスを用いた。被加工材料にはシリコンを用い、ミリング時間は１時間に設定した。図１３の結果から、マスクからの試料突き出し量を５０μｍとする加工条件において、実施例では毎時１３５０μｍのミリング速度を得ることが可能であり、従来例の毎時４５０μｍと比較してミリング速度は約３倍と著しく向上する。
【００５３】
以上のように、本発明によればイオンガンから放出されるイオンの量を理想的に多くすることが可能となり、従来よりも著しく大きいミリング速度を得ることが可能な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、イオンミリング方法が提供できる。
【００５４】
図１４は、本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の他の一例である。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状に形成されており、イオン化室１８にアルゴンガスを導入するための孔が設けられている。永久磁石１４は、例えば残留磁束密度が８１０ｍＴから９５０ｍＴの範囲であることを特徴とするサマコバ磁石であり、円筒状に形成され永久磁石１４の一端は、磁性材料で作られたカソード１１に繋がっている。カソード１２は例えば純鉄など導電性のある磁性材料により円盤状に形成されており、中央部には例えば直径４ｍｍのカソード出口孔３２が設けられている。カソード１２は、永久磁石１４の他端に繋がっており、カソード１１と永久磁石１４との構成によりイオンガン１内に磁場を発生させている。円筒状に形成されているインシュレータ１６は、永久磁石１４の内側に配置され、インシュレータ１６の外面は永久磁石１４の内面に接触している。インシュレータ１６は例えばセラミックスなどの電気絶縁性を有する非磁性材料で形成されている。アノード１３はインシュレータ１６の内側にはめ込まれており、アノード１３の外面はインシュレータ１６の内面に接触しており、内面はイオン化室１８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、例えばその内径は５ｍｍであり、アノード出口孔３１の直径は４ｍｍである。アノード１３はインシュレータ１６によりカソード１１とカソード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、中央部には例えば直径２ｍｍの加速電極出口孔３３が設けられている。接地電極に保たれた加速電極１５はカソード１１とカソード１２と永久磁石１４とを囲むように、イオンガンベース１７の周辺部に固定されている。ガス供給機構４０はイオンガンベース１７に接続され、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すべて含んでいる。イオンガンベース１７およびカソード１１には孔が設けられており、ガス供給機構４０から導入されたアルゴンガスがイオン化室１８に導入される。
【００５５】
図１５は、本発明のイオンガンと関連する周辺部の構成を示す断面図の他の一例である。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状に形成されており、イオン化室１８にアルゴンガスを導入するための孔が設けられている。永久磁石１４は、例えば保持力が６２０ｍＴから６６０ｍＴの範囲であることを特徴とするサマコバ磁石であり、円筒状に形成され永久磁石１４の一端は、磁性材料で作られたカソード１１に繋がっている。カソード１２は例えば純鉄など導電性のある磁性材料により円盤状に形成されており、中央部には例えば直径３ｍｍのカソード出口孔３２が設けられている。カソード１２は、永久磁石１４の他端に繋がっており、カソード１１と永久磁石１４との構成によりイオンガン１内に磁場を発生させている。
【００５６】
円筒状に形成されているインシュレータ１６は、永久磁石１４の内側に配置され、インシュレータ１６の外面は永久磁石１４の内面に接触している。インシュレータ１６は例えばセラミックスなどの電気絶縁性を有する非磁性材料で形成されている。アノード１３はインシュレータ１６の内側にはめ込まれており、アノード１３の外面はインシュレータ１６の内面に接触しており、内面はイオン化室１８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、例えばその内径は４ｍｍであり、アノード出口孔３１の直径は３ｍｍである。アノード１３はインシュレータ１６によりカソード１１とカソード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、中央部には例えば直径２ｍｍの加速電極出口孔３３が設けられている。
【００５７】
接地電極に保たれた加速電極１５はカソード１１とカソード１２と永久磁石１４とを囲むように、イオンガンベース１７の周辺部に固定されている。ガス供給機構４０はイオンガンベース１７に接続され、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すべて含んでいる。イオンガンベース１７およびカソード１１には孔が設けられており、ガス供給機構４０から導入されたアルゴンガスがイオン化室１８に導入される。
【符号の説明】
【００５８】
１  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  カソード
１２  カソード
１３  アノード
１４  永久磁石
１５  加速電極
１６  インシュレータ
１７  イオンガンベース
１８  イオン化室
２１  放電電源
２２  加速電源
３１  アノード出口孔 
３２  カソード出口孔
３３  加速電極出口孔 
４０  ガス供給機構 
４１  ガス源
５０  電流測定部 
５１  電流測定子駆動部
５２  電流測定子 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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