JP5512450B2

JP5512450B2 - イオンミリング装置

Info

Publication number: JP5512450B2
Application number: JP2010170558A
Authority: JP
Inventors: 敦史上野; 久幸高須; 宏史武藤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: JP2012033335A

Description

本発明は、イオンミリング装置に関し、例えば真空外に冷却機能を備えるイオンミリング装置に関するものである。

イオンミリング装置は、走査顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型顕微鏡（ＴＥＭ）等で観察する試料を作製するための装置をいう。観察試料の作製には、例えばアルゴンイオンビームが用いられる。イオンミリング装置は、アルゴンイオンビームを照射し、金属、ガラス、セラミック等の試料表面や断面をイオンスパッタリングによって削る。なお、イオンミリング装置での試料の加工は、真空室内で行われる。

イオンミリング装置では、イオンビームのエネルギーが０．５〜１０Ｗと比較的大きい。このため、真空内で試料を加工する際の温度上昇が無視できない。この試料の温度上昇によって、試料に損傷が発生するため、試料の冷却が必要となる。例えば、大気側に配置した冷却源と、真空内の発熱源とを接続する機構を備える。これにより、真空内の熱を大気側へ放熱できる。このような機構として、例えば、液体窒素デュワーなどの冷却熱源を大気側に配置し、ここからガスラインや金属等の熱伝達物を通して真空内の試料台を冷却する手法や、大気側に配置したペルチェ素子などの冷却源と試料台とを銅などの金属で接続することで冷却する手法がある。

しかしながら、ガスを用いて冷却させる場合、試料台の回転によってガスラインが劣化しやすい。そのため、ガスラインが破損したときは、真空内が汚染されたり、真空度が悪くなったりするので、真空ポンプの破損に至る場合もある。

また、真空外のペルチェ素子と真空内の試料台とを接続する場合、試料ステージの回転にあわせて耐久性を有すること、熱伝導性が良いこと、を同時に満たす熱伝達手段を用いる必要がある。熱伝導性は、断面積に比例するため、金属の断面積を増やす必要があるが、断面積を増やすと金属は変形し難くなり、実装が困難となる。また、実装するには、金属製の編み線を用いることで柔軟性を上げれば良いが、編み線のみでは断面積を確保できないため、イオンミリング加工時に必要な熱伝導性を満足しない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、真空を汚染することなく、イオンミリングでの熱ダメージ低減に充分な熱伝導性と柔軟性とを兼ね揃えた熱伝達手段を実現するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、真空外の冷却源と真空内の試料台とを接続する熱伝達手段として、イオン液体が充填された金属製の編み線と、該編み線を覆う樹脂チューブと、を備える。

すなわち、本発明によるイオンミリング装置は、真空内でイオンビームを照射し、試料台に載置した試料を加工するイオンミリング装置であって、前記試料および試料台からの熱を大気側に配置された冷却源へ伝達する熱伝達手段と、を備え、前記熱伝達手段は、樹脂チューブの内部に、イオン液体を充填した金属製の編み線が設置されることを特徴とする。

この場合において、さらに、前記冷却源に接続され、前記試料台を前記イオンビームの方向に対して傾斜させる傾斜機構を備え、前記熱伝達手段は、前記試料台と前記傾斜機構とに接続されてもよい。

本発明によれば、イオンミリング装置において、イオンビーム照射時の試料温度上昇を防ぐのに充分な熱伝導性と耐久性とを兼ね揃えた試料冷却装置を実現できる。これにより、従来の冷却装置よりも試料への損傷を防止でき、真空内の温度調節を迅速に行うことができる。

本発明の実施形態に係るイオンミリング装置を示す図である。本発明の実施形態に係る傾斜機構とその周辺図である。

本発明は、真空内でイオンビームを照射し、試料台に載置された試料を加工するイオンミリング装置に関するものである。以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実施するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

＜イオンミリング装置＞
図１は、本発明の実施形態に係るイオンミリング装置を示す図である。真空を実現する真空容器１８は、試料１を加工するためのイオンビームを発射するイオン銃１７、試料１を設置する試料台２、試料台２の温度を監視する熱電対１４、試料台２を傾斜させる試料ステージ３、試料ステージ３を傾斜させる傾斜機構４、を備える。

真空容器１８は開口部を有し、該開口部には傾斜機構４および熱電対１４用の穴が開けられた試料板１１が固定されている。傾斜機構４および熱電対１４は、大気側から真空内を制御・監視するため、試料板１１の穴を介して真空容器１８をまたがるように備えられる。また、傾斜機構４と試料板１１との間には、シール１２が設けられ、真空を保持しつつ傾斜機構４を回転させることが可能となる。熱電対１４と試料板１１との間には、ハーメチックシール１３が備えられ、真空容器が密閉される。

大気側には、冷却源となるペルチェ素子８、ペルチェ素子からの熱を放熱する放熱フィン９および冷却ファン１０、ペルチェ素子８を温度制御する温度制御装置１５、が備えられる。

図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る傾斜機構とその周辺図である。傾斜機構４は、真空内の試料ステージと接続するための凸部と、大気側のモーターに接続するための歯車部とを有する。傾斜機構４の歯車部は、別の歯車が噛み合ってモーターへと接続される。モーターが歯車を介して傾斜機構４を回転させることで、試料ステージ３は傾斜中心軸１９を中心として±９０度回転可能となる。

図２（ｂ）は、傾斜機構を真空容器１８の大気側から見た図である。図のように、傾斜中心軸１９を中心に試料ステージの角度を可変できるので、イオンビームに対する試料の入射角を調節できる。また、傾斜機構４は、熱伝導性の高い金属製であり、真空内の試料からの熱をペルチェ素子８に伝達させる役割も果たす。

熱電対１４は、ハーメチックシール１３を通り、温度制御装置１５に接続される。また、ペルチェ素子８は、ペルチェ素子電源ケーブル１６を介して温度制御装置１５に接続される。

温度制御装置１５は、設定温度になるように、スイッチング電源によってペルチェ素子８へ流れる電流を制御する。温度は、室温以上および室温以下の任意の温度に設定可能である。

次に、図１および図２を参照して、真空内と大気側の熱伝達手段について説明する。本発明は、熱伝達手段として、試料からの熱を伝達する金属製の編み線５、編み線５に充填されたイオン液体７、イオン液体および編み線を覆うチューブ６、を備えることを特徴とする。編み線５の両端部はネジにより試料台２および傾斜機構４にそれぞれ固定される。また、樹脂チューブ６は、例えばＳＷＬ式により試料台２または傾斜機構４に固定される。なお、図１では、熱伝達手段は傾斜機構４に接続されているが、本発明の熱伝達手段は柔軟性を有するため、経路は問わずに大気側の冷却源へ直接接続することもできる。また、編み線５および樹脂チューブ６の固定方法は、これに限定されない。

金属製の編み線５は、Φ＝２ｍｍ程度以下の細い銅線を複数本編みこんだ構成である。この構成により、柔軟性が生じるため、試料ステージ３の回転を妨げない。また、銅の高い熱伝導率により、試料からの熱を大気側へ伝導できる。さらに、銅の高い電気伝導率により、試料へ放射されたイオンビームを接地させ、試料の帯電を防ぐことができる。

イオン液体７は、編み線外周の細かい隙間を埋めるように充填される。ここで、イオン液体を用いる理由を説明する。第一に、イオン液体を充填した編み線構造は、同じ断面積の金属と同等の熱伝導性を有するため、試料台からの熱を大気側へ伝達することができる。第二に、イオン液体は、真空内でも揮発しないため、万が一真空内で漏れた場合でも、真空度を低下させたり真空容器を汚染したりすることはない。第三に、温度・真空に対して安定であるため、真空内の温度・圧力変化を伴う加工においても常時液体のまま使用することができる。よって、液体の流動性により、編み線の柔軟性を損なわない。

樹脂チューブ６は、イオン液体７が編み線５から漏れないように、編み線全体を覆う。また、樹脂チューブ６には、真空内にも設置可能なポリテトラフルオロエチレンなどの比較的柔軟な材質を採用することで、試料ステージ３の回転に対応することができる。

このように、真空内の発熱源と大気側の冷却源とを、イオン液体が充填された金属製の編み線で接続することにより、高い熱伝導性と耐久性とを兼ね揃えた熱伝達手段を実現できる。これにより、従来の冷却装置よりも試料への損傷を防止でき、真空内の温度調節を迅速に行うことができる。また、従来よりも冷却時間を短縮できるため、加工のスループットを向上させることができる。

＜適用例＞
たとえば、融点が１８０℃の半田を試料としてイオンミリング処理する場合を考える。イオンビーム照射により試料の温度が上昇するので、室温３０℃から加工すると、試料温度が徐々に上昇し、１５０〜１６０℃に達した時点で変形・融解が発生する。そこで、試料を予め、室温−３０℃まで冷却して加工すれば、前述の温度に達するまで長時間加工を続けることができる。この場合、ペルチェ素子８と温度制御装置１５による温度制御が有効である。なお、大気側からガスラインを介して液体窒素により試料の温度を下げる手段では、温度制御のために比較的複雑な機器構成が必要となる。

温度制御装置１５は、設定温度になるように、試料の熱を大気側へ放熱する。このとき、上記構成により試料の熱が大気側へすばやく放熱されるので、設定温度に達するまでの時間を短縮できる。また、熱による変形・融解等のダメージの低減を図ることができる。

また、ペルチェ素子８は、供給電流の極性を反転すればヒーターとしても利用できるため、試料を加熱することも可能である。たとえば、樹脂などの熱に弱い試料を加工するために試料を冷却した場合は、大気開放時に霜や結露が生じる。これを防ぐため、すばやく室温以上になるように試料を温度制御することができるので、トータルのイオンミリング加工時間を短縮できる。

なお、本発明は、イオンミリング装置だけでなく、ＳＥＭ、ＴＥＭ、集束イオンビーム装置などの真空装置にも応用することができる。また、金属製の編み線５は必ずしも必要ではなく、樹脂チューブ６とイオン液体７のみでも同様の効果が期待できる。

１試料
２試料台
３試料ステージ
４傾斜機構
５編み線
６樹脂チューブ
７イオン液体
８ペルチェ素子
９放熱フィン
１０冷却ファン
１１試料板
１２シール
１３ハーメチックシール
１４熱電対
１５温度制御装置
１６ペルチェ素子電源ケーブル
１７イオン銃
１８真空容器
１９試料ステージ傾斜中心軸

Claims

真空内でイオンビームを照射し、試料台に載置した試料を加工するイオンミリング装置であって、
前記試料および試料台からの熱を大気側に配置された冷却源に伝達する熱伝達手段を備え、
前記熱伝達手段は、樹脂チューブの内部に、イオン液体を充填した金属製の編み線が設置されることを特徴とするイオンミリング装置。
さらに、前記冷却源に接続され、前記試料台を前記イオンビームの方向に対して傾斜させる傾斜機構を備え、
前記熱伝達手段は、前記試料台と前記傾斜機構とに接続されることを特徴とする請求項１記載のイオンミリング装置。
前記冷却源は、ペルチェ素子または液体窒素デュワーであることを特徴とする請求項１記載のイオンミリング装置。
前記樹脂チューブはポリテトラフルオロエチレン製であり、前記編み線は銅製であることを特徴とする請求項１記載のイオンミリング装置。