CN111033677B

CN111033677B - 带电粒子线装置

Info

Publication number: CN111033677B
Application number: CN201780094118.7A
Authority: CN
Inventors: 平野辽; 野间口恒典; 神谷知里; 片根纯一
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2037-09-04
Also published as: WO2019043946A1; DE112017007776T5; CN111033677A; US11640897B2; DE112017007776B4; JP6901572B2; JPWO2019043946A1; US20200251304A1

Abstract

本发明提供能够有效减少实施SEM观察时的残留磁场的作用的带电粒子线装置。本发明涉及的带电粒子线装置实施将第1线圈截止后在第2线圈流过直流电流的第1模式和将所述第1线圈截止后在所述第2线圈流过交流电流的第2模式中的至少任一种模式。

Description

带电粒子线装置

技术领域

本发明涉及带电粒子线装置。

背景技术

FIB-SEM装置是在同一样品室内配置有会聚离子束(Focus used Ion Beam：FIB)照射部和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope：SEM)的复合带电粒子线装置。FIB-SEM装置用于制作使用透过型电子显微镜进行观察的薄膜样品、或者解析样品的三维构造。SEM由于与FIB相比探头的束径较小，因此能够以高分辨率来观察样品。

FIB-SEM装置交替或同时实施基于FIB的加工和基于SEM的观察。此时，若从SEM的物镜对FIB-SEM的样品室内有磁场泄漏，则FIB的离子束就会发生偏转，或者离子源的同位素就会发生分离，由此使加工精度、分辨率劣化。即使将SEM镜筒的磁透镜截止，也有时会在磁极片有残留磁场残留，该残留磁场会泄漏到样品室而对基于FIB的加工、观察带来影响。

下述专利文献1对复合带电粒子线装置的残留磁场有记载。该文献以“由残留磁场导致的会聚离子束的质量分离的防止以及电子束的聚焦的再现性的提高。”作为课题(参照摘要)，公开了以下技术：“一种复合带电粒子束装置，在同一样品室具备至少1式以上的会聚离子束镜筒和至少1式以上的电子束镜筒，该复合带电粒子束装置的特征在于，具有电子束镜筒的物镜的残留磁力消磁用的衰减交流电路和存储电子束镜筒的物镜的励磁电流值的功能。”(权利要求2)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开平11-329320号公报

发明内容

发明想要解决的课题

如上述专利文献1那样，在使用衰减交流磁场对残留磁场进行消磁的情况下，为了将残留磁场消磁到能够容许给基于FIB的加工、观察带来的影响的级别，而需要数秒左右的时间。因此，为了有效使用带电粒子线装置，谋求有效减少残留磁场的作用。

本发明鉴于上述这样的课题而完成，提供能够有效减少实施SEM观察时的残留磁场的作用的带电粒子线装置。

用于解决课题的手段

本发明涉及的带电粒子线装置实施将第1线圈截止后在第2线圈流过直流电流的第1模式和将所述第1线圈截止后在所述第2线圈流过交流电流的第2模式中的至少任一种模式。

发明效果

根据本发明涉及的带电粒子线装置，通过按照带电粒子线装置的用途分开使用第1模式和第2模式，能够有效减少残留磁场的作用。

附图说明

图1是实施方式1涉及的带电粒子线装置10的结构图。

图2是表示SEM镜筒100所具备的物镜的结构的侧视图。

图3A是表示物镜作为沉浸型磁透镜来形成时产生的磁场的概略图。

图3B是表示物镜作为非沉浸型磁透镜来形成时产生的磁场的概略图。

图4是表示将物镜截止时的残留磁场的概略图。

图5是说明带电粒子线装置10抑制残留磁场130的作用的次序的流程图。

图6是用于操作者对带电粒子线装置10给出指示的GUI140的示例。

图7是实施方式2涉及的带电粒子线装置10所具备的SEM镜筒100的物镜的结构图。

图8是实施方式3涉及的带电粒子线装置10所具备的SEM镜筒100的物镜的结构图。

具体实施方式

<实施方式1>

图1是本发明的实施方式1涉及的带电粒子线装置10的结构图。是表示FIB-SEM装置的结构的图。带电粒子线装置10构成为FIB-SEM装置。带电粒子线装置10具备SEM镜筒100、FIB镜筒101、样品室102、FIB-SEM架台103、控制器105、监视器106、存储装置107。FIB镜筒101为了对样品104进行加工或观察而对样品104照射FIB。SEM镜筒100为了以高分辨率对样品104进行观察/分析，而对样品104照射电子束。样品室102是设置样品104的空间，具备上述各镜筒。FIB-SEM架台103搭载样品室102。控制器105通过控制带电粒子线装置10来取得样品104的SEM观察像，并利用FIB对样品104进行加工，取得样品104的FIB观察像。监视器106对针对样品104的处理结果(例如观察像)进行画面显示。

FIB镜筒101具备离子源、阻断器、静电偏转器、静电物镜。阻断器用于在保持使FIB镜筒101进行动作的状态下，不使离子束对样品104进行照射。静电偏转器用于以静电物镜的透镜中心为基点使离子束发生偏转，对样品104的表面进行扫描。作为静电偏转器，能够使用1级的偏转器或者上下2级的偏转器等。

SEM镜筒100具备电子枪、聚光透镜、可动光圈、偏转器、物镜。作为电子枪，能够使用丝极方式、肖特基方式、场致发射方式等的电子枪。作为偏转器，可使用磁场偏转型或者静电偏转型的偏转器。能够使用1级的偏转器或者上下2级的偏转器等。作为物镜，能够使用利用了磁场的电子的会聚作用的磁透镜、通过使磁场和电场叠加而降低色差的电场叠加型磁透镜等。

样品104搭载于样品室102所具备的能倾斜的样品台。在通过FIB对样品104进行加工时，使样品104向FIB镜筒101侧倾斜，在通过SEM对样品104进行观察时，使样品104向SEM镜筒100侧倾斜。在SEM观察时对样品104施加偏置电压的情况下，考虑在样品104和SEM镜筒100之间形成的电场的失真，将样品104配置成与SEM镜筒100的中心轴垂直。

控制器105通过偏转器在样品104上扫描由电子枪产生的1次电子线，利用2次电子检测器(搭载于SEM镜筒100内、样品室102内)来检测从样品104内部产生的2次电子，由此取得SEM观察像。控制器105从离子源对样品104照射离子束，由此对样品104进行加工，取得样品104的FIB观察像。FIB观察像能够利用与SEM观察像相同的方法来取得。

存储装置107例如是硬盘驱动器等装置。存储装置107存储由控制器105使用的数据。例如，能够存放指定实施后述的第1模式和第2模式中的哪一种模式的指令。

图2是表示SEM镜筒100所具备的物镜的结构的侧视图。物镜具备第1磁极片110、第2磁极片111、第1线圈112、第3磁极片116。第1磁极片110和第2磁极片111能够由中空圆筒形状的磁性材料形成。电子束通过中空部分。第1磁极片110和第2磁极片111形成为以电子束的路径为中心轴的轴对称。第2磁极片111从电子束的路径观察时配置在第1磁极片110的外侧。第2磁极片111的样品104侧的端部延伸至比第1磁极片110的样品104侧的端部更接近样品104的位置。

第1线圈112配置在第1磁极片110和第2磁极片111之间。控制器105通过控制流过第1线圈112的电流值来调整从第1磁极片110产生的磁通量。由此，能够控制磁透镜的特性，形成后述的非沉浸型磁透镜。

第2线圈113从电子束的路径(各磁极片的中心轴)观察时配置在第2磁极片111的外侧。可以由SEM镜筒100具备第2线圈113，也可以在样品室102内配置第2线圈113。控制器105通过控制流过第2线圈113的电流值，来调整从第2磁极片111产生的磁通量。由此，能够控制磁透镜的特性，形成后述的沉浸型磁透镜。

第3磁极片116从电子束的路径观察时配置得比第2磁极片111更靠外侧。第2磁极片111和第3磁极片116形成包围第2线圈113的磁路。

第3线圈114从电子束的路径观察时配置在第2磁极片111的外侧，用于通过后述的方法来抑制残留磁场。作为第3线圈114，与第1线圈112以及第2线圈113相比，能够使用线圈线的匝数少且小型的线圈。第3线圈114能够构成为SEM镜筒100的一部分，也能够配置在样品室102。

磁场检测器115配置在样品室102，能够测定样品室102内的磁场。控制器105使用由磁场检测器115测定的样品室102内的磁场来控制各线圈的电流值。

图3A是表示物镜作为沉浸型磁透镜来形成时产生的磁场的概略图。通过在第2线圈113流过电流，从而在SEM镜筒100和样品104之间形成沉浸型磁透镜120。沉浸型磁透镜120的透镜主面处于样品104附近，因此通过透镜的短焦点化能够以高分辨率来观察样品104。另一方面，在形成沉浸型磁透镜时，从第2磁极片111在样品室102内部产生强力的透镜磁场121，因此FIB会受到透镜磁场121的作用。因此，此时无法实施基于FIB的加工、观察。

图3B是表示物镜作为非沉浸型磁透镜来形成时产生的磁场的概略图。通过在第1线圈112流过电流，从而在SEM镜筒100和样品104之间形成非沉浸型磁透镜122。非沉浸型磁透镜122的透镜主面处于第1磁极片110的端部和第2磁极片111的端部之间，因此透镜磁场123被第2磁极片111阻塞。因此，若与沉浸型磁透镜相比，则磁场针对FIB的影响小。但是，在非沉浸型磁透镜122中，也有时会因磁极片的形状、位置关系而在样品室102内有磁场泄漏(泄漏磁场124)。该泄漏磁场124成为FIB像移位、分辨率劣化的主要原因。

图4是表示将物镜截止时的残留磁场的概略图。若将流过第1线圈112的电流截止，则非沉浸型磁透镜122成为截止，进而若将流过第2线圈113的电流截止，则沉浸型磁透镜120也成为截止。此时，残留磁场130在样品室102内残留。若残留磁场130存在于FIB的路径或其附近，则会对离子束作用洛伦兹力，使离子束向与离子束的行进方向和磁场的磁通量方向正交的方向偏转。

残留磁场130根据SEM镜筒100的物镜的使用状况而变化。因此，由残留磁场130导致的样品104表面的离子束的移位量具有数nm至数十nm的偏差，这成为使FIB的加工精度恶化的主要原因。关于沉浸型磁透镜120，由于流过第2磁极片111的磁通量密度大，因此与非沉浸型磁透镜122相比残留磁场大(大概1mT以上)。因此，在本实施方式1中，谋求在将磁透镜在沉浸型磁透镜120和非沉浸型磁透镜122之间进行切换时，使用第2线圈113或第3线圈114将残留磁场130的作用抵消。

图5是说明带电粒子线装置10抑制残留磁场130的作用的次序的流程图。带电粒子线装置10能够实施如下2个动作模式：(a)在通过直流电流抑制残留磁场130的作用的同时实施基于FIB的加工、观察的第1模式；(b)在通过交流电流尽可能地消除残留磁场130后实施基于FIB的加工、观察的第2模式。控制器105例如能够在如下等情况下实施本流程图：(a)将磁透镜在沉浸型磁透镜120和非沉浸型磁透镜122之间进行了切换时；(b)操作者给出了指示时等。以下，说明图5的各步骤。

(图5：步骤S501)

控制器105按照所给出的指令来判定实施第1模式和第2模式中的哪一种模式。在实施第1模式的情况下前进到步骤S502，在实施第2模式的情况下前进到步骤S504。指令例如能够经由后述的GUI(Graphical User Interface，图形用户界面)由操作者给出，还能够根据样品104的类型、应实施的加工/观察的内容而预先规定动作模式，并且将该规定作为指令存放在存储装置107，由控制器105将其读出。也可以通过其他适当的方法来给出指令。无论在哪一种情况下，带电粒子线装置10都将所给出的指令暂时存放在存储装置107，并由控制器105将其读出。

(图5：步骤S502)

控制器105将SEM镜筒100的物镜(沉浸型磁透镜120或非沉浸型磁透镜122)截止。具体来说，将形成磁透镜的线圈(第1线圈112或第2线圈113)的电流截止。

(图5：步骤S503)

控制器105通过使直流电流流过第2线圈113或第3线圈114，来产生使残留磁场130偏移的磁场。直流电流的朝向是产生将残留磁场130的作用抵消的磁场的朝向。直流电流的大小能够通过由磁场检测器115测定残留磁场130的大小而确定，还能够基于FIB观察像的位置因残留磁场130而发生移位的量来确定。也可以通过其他适当的方法来确定。

(图5：步骤S503：补充之一)

第1模式由于仅产生抵消残留磁场130的影响的磁场，因此与后述的第2模式相比，能够快速发挥效果。其中，由于并不是完全去除残留磁场130，因此可以说，例如在残留磁场130小的非沉浸型磁透镜122的使用后、基于FIB的加工精度的要求不太高的用途(例：粗加工)中，适于使用第1模式。

(图5：步骤S503：补充之二)

在使用第1线圈112形成非沉浸型磁透镜122后，能够使用第2线圈113和第3线圈114中的任一方或两方来实施第1模式。在使用第2线圈113形成沉浸型磁透镜120后，能够使用第3线圈114来实施第1模式。

(图5：步骤S503：补充之三)

第1模式并不是将残留磁场130完全消除，只不过是能够在产生偏移磁场的期间抑制残留磁场130的作用。因此，在使用FIB的情况下，控制器105一面实施第1模式，一面实施基于FIB的加工/观察。

(图5：步骤S504)

本步骤与步骤S502相同。

(图5：步骤S505)

控制器105通过使交流电流流过第2线圈113或第3线圈114，来尽可能地消除残留磁场130。通过随着时间经过而减小交流电流的振幅，从而能够使磁极片中残留的残留磁场130随时间而减少，接近于零。交流电流的振幅只要预先确定适当的值即可。

(图5：步骤S505：补充)

第2模式由于一面使交流电流的振幅随时间而减少，一面逐渐地消除残留磁场130，因此直到残留磁场130对FIB给出的作用收于容许范围内为止，大概需要数秒左右。另一方面，第2模式与第1模式相比，消磁效果高。因此，关于第2模式，可以说，在基于FIB的加工精度的要求高的用途、实施三维构造解析等之前，适于使用第2模式。

(图5：步骤S501：补充)

还能够将第1模式和第2模式组合来使用。在该情况下，在步骤S501中，接受该意思的指令，控制器105按照该指令将各模式组合使用。例如，能够在通过第2模式将残留磁场130减少到某程度后，通过第1模式使残留磁场130发生偏移。在该情况下，以校正第2模式中残留的微小的残留磁场130为目的，来利用第1模式。由此，能够更快速地实现与第2模式同等以上的精度。

图6是用于由操作者对带电粒子线装置10给出指示的GUI140的示例。控制器105在监视器106上对GUI140进行画面显示。操作者经由GUI140按每个加工项目来指定实施第1模式和第2模式中的哪一种模式。能够实施两种模式，也能够哪一种模式都不实施。

GUI140具有加工模式栏141和动作模式指定栏142。加工模式栏141显示加工动作的内容。动作模式指定栏142是按每个加工动作来指定实施第1模式和第2模式中的哪一种模式的栏。例如在FIB加工中不太需要精度的粗加工、使离子束散焦来将样品表面去掉的大范围加工中，操作者选择第1模式，在需要精度的精密加工、长时间的连续加工中选择第2模式或者两个模式。

控制器105通过在将带电粒子线装置10的动作从SEM观察切换成FIB加工/观察时自动实施图5的流程图，从而能够在使用FIB之前抑制残留磁场130的作用。

<实施方式1：总结>

本实施方式1涉及的带电粒子线装置10能够实施通过直流电流来减少残留磁场130的作用的第1模式和通过交流电流来减少残留磁场130的作用的第2模式。由此，由于能够根据FIB镜筒101的用途来分开使用第1模式和第2模式，因此能够兼顾基于FIB的加工/观察的精度和动作效率。

<实施方式2>

图7是本发明的实施方式2涉及的带电粒子线装置10所具备的SEM镜筒100的物镜的结构图。本实施方式2涉及的带电粒子线装置10与实施方式1不同的是不具备第3线圈114。其他结构与实施方式1相同。在本实施方式2中，第1模式和第2模式都使用第2线圈113来实施。由于不使用第3线圈114，因此有时各模式中流过第2线圈113的电流值会与实施方式1不同，但是动作次序与实施方式1相同。

第2线圈113由于兼具形成磁透镜的任务和抑制残留磁场的任务，因此在3个线圈当中匝数最多。即，第2线圈匝数≥第1线圈匝数≥第3线圈匝数。在为了形成磁透镜而仅使用第1线圈112的情况下，也可以使第2线圈113的匝数比第1线圈112少。即，也可以是第1线圈匝数≥第2线圈匝数。

<实施方式3>

图8是本发明的实施方式3涉及的带电粒子线装置10所具备的SEM镜筒100的物镜的结构图。第1线圈112和第2线圈113中的任一方或两方能够分割成多个线圈来构成。在图8中示出将第1线圈112和第2线圈113都分割成2个线圈的示例。

为了使从磁极片产生的磁场稳定，抑制磁极片的温度变化很重要。为了抑制磁极片的温度变化，只要将线圈的消耗功率保持成恒定即可。为了在将线圈的消耗功率保持成恒定的同时对磁场进行调整，只要在使流过线圈的电流的大小保持成恒定的同时使电流的朝向发生变化即可。例如，在图8中，通过在线圈112A和112B中流过相互相反朝向的电流，从而能够抵消产生的磁场。在产生磁场时，只要在线圈112A和112B中流过相同朝向的电流即可。无论在哪一种情况下，都能够通过将电流值保持成恒定，来将消耗功率保持成恒定。

各分割线圈的匝数可以相同，也可以分别不同。匝数相同的话，能够简化电流控制。作为线圈的性能，无论在分割线圈的情况下，还是在单一线圈的情况下，都相同。

<本发明的变形例>

本发明并不限定于前述的实施例，而是包含各种变形例。例如，上述的实施例是为了以容易理解本发明的方式进行说明而详细说明的实施例，并不限定于一定具备所说明的全部结构。此外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，此外，还能够在某实施例的结构中追加其他实施例的结构。此外，针对各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加/删除/置换。

在以上的实施方式中，说明了SEM镜筒100的残留磁场对FIB带来影响的例子。SEM镜筒100的残留磁场也会在接下来使用SEM镜筒100时带来影响。因此，即使在不使用FIB的情况下，本发明的方法也是有用的。

在以上的实施方式中，控制器105能够使用安装有该功能的电路器件等硬件来构成，还能够通过由运算装置执行安装有该功能的软件来构成。

附图标记说明

10：带电粒子线装置

100：SEM镜筒

101：FIB镜筒

102：样品室

103：FIB-SEM架台

104：样品

105：控制器

106：监视器

110：第1磁极片

111：第2磁极片

112：第1线圈

113：第2线圈

114：第3线圈

115：磁场检测器

116：第3磁极片

Claims

1.一种带电粒子线装置，对样品照射带电粒子线，该带电粒子线装置的特征在于，具备：

对所述样品出射电子束的电子束照射部；以及

使所述电子束对所述样品收束的物镜，

所述物镜具备：

第1磁极片；

配置在相对于所述第1磁极片远离所述电子束的路径一侧的位置的第2磁极片；

配置在所述第1磁极片和所述第2磁极片之间的第1线圈；以及

配置在相对于所述第2磁极片远离所述电子束的路径一侧的位置的第2线圈，

所述带电粒子线装置还具备：

控制流过所述第1线圈的电流和流过所述第2线圈的电流的控制部；以及

存储针对所述控制部的指令的存储部，

所述控制部按照所述存储部存储的所述指令来实施以下模式中的至少任一种模式：

第1模式，通过在将流过所述第1线圈的电流截止后在所述第2线圈流过直流电流，来减少在所述第2磁极片残留的残留磁场的作用；以及

第2模式，通过在将流过所述第1线圈的电流截止后在所述第2线圈流过交流电流，来减少在所述第2磁极片残留的残留磁场的作用，

所述带电粒子线装置还具备对所述样品出射会聚离子束的离子束照射部，

所述控制部在实施所述第1模式的期间，通过控制所述离子束照射部，来对所述样品照射所述会聚离子束并对所述样品进行加工；或者，所述控制部根据针对实施所述第1模式和所述第2模式中的哪一个的指定来在使用所述会聚离子束对所述样品进行加工时实施第1模式和第2模式中的至少任一者。

2.根据权利要求1所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述控制部在实施所述第2模式的期间，通过随时间地减少所述交流电流的振幅，来随时间地减少在所述第2磁极片残留的残留磁场。

3.根据权利要求1所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述控制部构成为能够对以下模式进行切换：

第1磁透镜模式，通过在所述第1线圈流过电流来形成磁透镜；以及

第2磁透镜模式，通过在所述第2线圈流过电流来形成磁透镜，

所述控制部在将动作模式在所述第1磁透镜模式和所述第2磁透镜模式之间进行切换时，实施所述第1模式和所述第2模式中的至少任一种模式。

4.根据权利要求1所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述带电粒子线装置还具备：

输入针对所述控制部的指示的用户界面，

所述用户界面具有指定在使用所述会聚离子束对所述样品进行加工时实施所述第1模式和所述第2模式中的哪一种模式的指定栏。

5.根据权利要求1所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述带电粒子线装置还具备配置在相对于所述第2磁极片远离所述电子束的路径一侧的位置的第3线圈，

所述控制部按照所述存储部存储的所述指令实施以下模式中的至少任一种模式：

第3模式，通过在将流过所述第1线圈的电流和流过所述第2线圈的电流截止后在所述第3线圈流过直流电流，来减少在所述第2磁极片残留的残留磁场的作用；以及

第4模式，通过在将流过所述第1线圈的电流和流过所述第2线圈的电流截止后在所述第3线圈流过交流电流，来减少在所述第2磁极片残留的残留磁场的作用。

6.根据权利要求5所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述带电粒子线装置还具备配置在相对于所述第2线圈远离所述电子束的路径一侧的位置的第3磁极片，

所述第2磁极片和所述第3磁极片形成包围所述第2线圈的磁路。

7.根据权利要求1所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述第1线圈和所述第2线圈中的至少任一个由多个线圈形成。

8.根据权利要求5所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述第2线圈的匝数为所述第1线圈的匝数以上，

所述第1线圈的匝数为所述第3线圈的匝数以上。

9.根据权利要求1所述的带电粒子线装置，其特征在于，

所述第2线圈的匝数为所述第1线圈的匝数以上。