Development of multi-focused ion beams for highly functional nano-dimension free processing

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02093
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 桑野 博喜 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (50361118)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大口 裕之 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (40570908) ; LE VANMINH 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (60765098)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 集束イオンビーム / ＭＥＭＳ / マルチ集束イオンビーム

Outline of Annual Research Achievements

Siマイクロマシニングにより作製したエミッタアレイによりイオン液体電界放出型イオン源アレイを適用してSiエッチング特性を把握し、イオン液体イオン源によるSiエッチングメカニズム解明を行った。Siエッチング面表面のXPS分析およびエッチング雰囲気の質量分析により、イオン液体のFフラクションがエッチングに大きく関与しておりSiFｘという気体となってエッチングされることが判明した。
電界シミュレーションによりエミッタアレイおよびターゲット近傍の電界計算を行い、エミッタ保持部などもイオンの集束化に影響を与えることを明らかにした。エミッタ保持部の影響を受けないようなイオンエミッタ構成を考案し、実実験によりその効果を明らかにした。
レンズ系で最も困難な課題は、球面収差と色収差である。色収差は従来のGa集束イオンビームに比べ種々のイオン種が存在することから増大の可能性があるが、その他の収差はGa集束イオンビームと比べ、エミッタ先端半径、アパチャー半径、光源、レンズ・光源間距離などいずれも二桁以上小さく高精度に作製することにより、収差を抑圧できる可能性があるのでシミュレーションおよび昨年度試作したイオンエネルギー分布測定装置により検討を進めた。
イオンエミッタの構成法として昨年度はout-of-plane型について検討したが、本年はin-plane型を新たに発案し試作してその機能を確認した。イオン液体のエミッタ先端への供給が確実に行われることと、その供給量が制御できることを実験的に明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画の通り以下の検討項目を実施した。
(１) Si基板エッチングメカニズムについて明らかにした。
(２) イオン液体を用いた集束イオンビームについて電界シミュレーションおよび 実験により基礎特性を把握した。
(３) Siマイクロマシニングにより作製した電界放出型イオン源アレイの構成として従来のout-of-plane型に加えて新たにin-plane型を考案し、イオン液体供給制御の優位性について明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

Siマイクロマシニングにより製作したマルチ集束イオンビーム源によりエッチング、表面修飾、イオン注入などの各種加工に対し特に、Siとイオン液体中の各種元素、特にF, Cl, Cなどに着目して多種・多様な加工法が可能であることを明らかにする。エッチングではF成分の多いイオン液体を用いる。最初にイオン液体としてEMI-BF4を用いたイオン液体イオン源と簡便な減速系レンズによりSi基板をエッチングし、エッチング中の質量分析と粟得てエッチング面のAFM観察およびXPS観察を行う。この過程において化学反応の効果を明らかにし、さらなるスパッタ率増大可能性を追究する。
イオンビーム構成原子、分子の同定およびエッチングメカニズムの解明のためにイオンビームそのものの解析を進める。このため、ビーム中のイオン種および中性分子種の同定を進めるとともにそれぞれのエネルギー分布の測定を進める。

Remarks

マイクロマシニングを用いたイオン源の作製
http://www.nanosys.mech.tohoku.ac.jp/research/research.html