中古 エヌエス イオンミリング M-18 TURBO 1001P

イオンミリングは、真空中でアルゴンなどの不活性ガスをイオン化し、電界で加速したイオンを試料や基板に当てて削る加工法である。イオンが衝突すると表面の原子が物理的に弾き出される(スパッタリング)ので、化学反応に頼らず、材料の種類をほとんど選ばない。反応性ガスでは削りにくい金、白金、磁性材料も加工でき、性質の異なる金属を重ねた多層膜も一つの工程で処理できる。装置は用途によって大きく二つに分かれる。一つは走査電子顕微鏡(SEM)で観察する断面や表面を作る前処理装置、もう一つは薄膜デバイスの微細加工に使うイオンビームエッチング(IBE)装置である。
前処理装置で代表的なのは断面ミリングである。試料とイオン銃の間に遮蔽板を置き、遮蔽板の端から試料をわずかに突き出させてビームを当てると、突き出た部分だけが削られ、端面の位置に平滑な断面ができる。加速電圧は最大で数kV程度、加工幅は1mm弱、加工速度は機種や材料によって毎時数十〜数百µmが目安である。機械研磨と違って応力がかからないため、軟らかい材料、1µm以下の薄膜、硬さの違う層の界面、亀裂やボイドを、つぶしたりダレさせたりせずに出せる。平面ミリングという方法もあり、研磨面に浅い角度でビームを当てながら試料を回転させ、直径数mmの範囲で研磨傷や加工変質層を取り除く。熱に弱い試料向けの冷却機能や、大気に触れさせずに運ぶ雰囲気遮断機能を持つ装置もある。
IBE装置は、イオン源、ビームの正電荷を打ち消すニュートラライザー(中和器)、基板ステージ、真空チャンバー、排気系で構成される。代表的なカウフマン型イオン源では、カソードフィラメントから出た熱電子が磁場の中で螺旋状に動いてArガスを電離させ、プラズマを作る。そこからスクリーングリッドとアクセラレーターグリッドの2枚のグリッドでイオンを引き出す。基板に当たるイオンのエネルギーはビーム電源の電圧で決まり、通常は200〜1000eV程度である。アクセラレーターグリッドを負電位にしておくのは、中和用の電子がイオン源へ逆流しないようにするためである。指向性の高い平行ビームで削るので、エッジを鋭く仕上げられ、基板を傾ければテーパー加工もできる。基板を自転・公転させるプラネタリーステージを使うと、複数枚をそろった深さで処理できる。
運用上は次の点に注意が要る。削られた物質がパターンの側壁に付き直しやすいこと、マスクとの選択比が化学的なエッチングより低いこと、加工速度が比較的遅いことである。対策として、入射角の調整、エンドポイント検出器による終点管理、基板冷却による温度管理を組み合わせる(表面を80℃程度以下に保つ例がある)。排気はターボ分子ポンプを主体とするのが一般的で、到達圧力は10^-5Pa台、動作圧力は10^-2Pa台が一つの目安になる。保守では、フィラメントやグリッドの消耗と、チャンバー内に付いたスパッタ物の清掃が主な項目になる。
主な用途は、半導体、電子部品、電池材料、高分子などの断面観察、EBSDやEDS分析の前処理、FIB加工の前の粗加工である。デバイス加工では、スピントロニクス素子や磁気センサーの磁性多層膜の加工、化合物半導体での金配線の加工やめっきシード層の除去に使われる。