JP2002313275A - 試料の高さ出し機能を備えた集束イオンビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高さ出しのためにレーザー系や光学顕微鏡と
いった高価な手段を必要とせず、スペースとして余裕の
ないガス銃周辺に場所をとる手段の設置をすることもな
く、試料にダメージを与えることもなく、上面規制ホル
ダーを必要とせず、ｘ，ｙ，ｚ３軸駆動の単純なＦＩＢ
装置において、容易に実施できる試料高さ出し方法とそ
れを実行する装置の提供。 【解決手段】 一段目の偏向手段の光学軸方向長さをＬ
₁、間隔Ｌ₂をおいて設置する二段目の偏向手段の光学軸
方向長さをＬ₃に構成し、該二段目の偏向手段から適正
試料面までの距離をＬ₄としたとき、前記一段目の偏向
手段によって偏向される角θ₁ と前記二段目の偏向手段
によって偏向される角θ₂ との関係が θ₁ ／θ₂ ＝−（Ｌ₃／２＋Ｌ₄）／（Ｌ₁／２＋Ｌ₂＋Ｌ
₃＋Ｌ₄） を満たすように設定されることによって、試料の高さを
調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集束イオンビーム
装置においてガス銃と試料面との距離を所定値にするた
めの試料の高さだし技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置）で
エッチング加工やデポジションを実施する際に、ガス銃
によるガス吹きつけが行われる。試料表面に対し一定濃
度のガスを供給するためにはガスノズルと試料との距離
を一定に保つ必要がある。試料としては半導体デバイ
ス、薄膜磁気ヘッド等があり、形状も厚さも様々である
ため、試料ステージの高さを調整してガスノズルと試料
表面との距離を一定に保つようにしている。因みにシリ
コンウエハの厚さは0.5mm〜1.0mm、薄膜磁気ヘッド用ウ
エハは2mm以下である。ガスノズルと試料表面との距離
はガス効果の安定のため、0.5±0.1mm以内に調整する必
要がある。また、この加工に先立ち試料面の画像を観察
して加工位置を確認する必要があるが、鏡筒と試料表面
との距離を一定にしないと像の倍率が変わってしまうと
いう問題も生じる。装置として構造的に鏡筒とガスノズ
ルとの位置関係は決められているので、鏡筒若しくはガ
スノズルに対して試料表面の位置を調整すればよい。

【０００３】従来この位置調整として、ユーセントリッ
クチルトステージを使用して調整する方法があった。こ
のタイプの試料ステージは図５の(a)に示すようにチル
ト（傾斜）軸上をｚ軸が交差する形になっている。ただ
し、ｘ軸ｙ軸及びＲ（回転）軸については省略して図示
している。試料高さがチルト軸上に無いときは図の(b)
に示すようにステージをチルトさせるとイオンビームの
照射位置は移動してしまうが、図の(c)に示すように一
致している場合には位置ズレを起こすことがない。この
関係を利用して試料面を観察しながらチルト角を変更
し、チルト角変更によっても位置ズレしないｚ軸高さを
求めて高さだし調整を行うものである。ただし、この方
法はチルト駆動軸を有している試料ステージでなければ
実行することができない。チルト軸を有するものは断面
観察を行うためのもので、単に表面加工を実行するＦＩ
Ｂ装置にはｘｙｚ３軸駆動が多く、当該装置ではこの手
法は適用できない。また、チルト軸を有する装置であっ
ても最近はガス銃が複数個取り付けられるものがあり、
チルト動作によってガス銃のノズルと試料が衝突してし
まうという不都合も生じる。

【０００４】特許第2875940号公報に示されたものは、
図６に示すように斜めから入射するレーザビームを試料
面で反射させ、受光器を設置してその受光位置を検知す
ることにより該試料の高さだしを実行するというもので
ある。この手法はレーザ照射系と検出器の設置が必要と
なるが、イオン光学系と二次荷電粒子検出器の他に電子
ビーム照射系、複数のガス銃などを配設するＦＩＢ装置
に更にこれらの部材を配置することは設計上困難という
問題と、高さだしのためだけのレーザ系の設置はコスト
パフォーマンスの上からも好ましくない。また、別の手
法としては、標準試料を用い、該試料表面とガス銃の
ノズルとを接触させてから所定距離(例えば0.5mm下げた
位置）で規定の高さを決め、イオン光学系の対物レン
ズの焦点を該試料の表面に調整し固定する。被測定試
料をステージ上に設置する。ピントの合う位置に試料
の高さ(z軸）調整を行うという方法もある。この手法
は、試料画像の鮮明度で高さを調節することになるが、
光学系の焦点深度が深いと0.1mmの高さ精度がでないの
で、焦点深度を浅くして実行する必要がある。（図７参
照）焦点深度を浅くすることはビーム電流を大きくとる
ことになるが、因みにビーム電流を30ｐＡとすると高さ
だし精度は±0.2mmまで、ビーム電流を400ｐＡとすると
高さだし精度は±0.15mmまでとれる。所望の精度を得る
ためには大電流とし5000倍以上の高倍率で観察する必要
がある。しかし、これは試料に対するダメージの問題を
考慮しなければならない。

【０００５】また、別の方法としては図８に示すような
試料ホルダーを用い、試料の上面規制をした状態で例え
ばホルダーの縁部をガスノズルと接触させて所定距離さ
げることにより、規定位置を決める手法もあるが、これ
は試料表面の起伏がない平坦な試料にはよいが、100μm
程度の起伏がある薄膜磁気ヘッドなどや反りのあるウエ
ハーなどにはこの手法は対応できない。更には、別置き
の光学顕微鏡で試料の場所や高さ座標を測定し、この情
報を記憶しておいてＦＩＢ装置のステージ制御部に該記
憶情報を入力し、必要に応じて座標変換をして該ステー
ジの位置制御を実行して試料の場所と高さだしを行う方
法（特許第2926426号）や、実用新案第1807585号に示さ
れたようにイオン光学系の光学軸と光学顕微鏡の光学軸
とが一致するように設置し、光学顕微鏡の焦点が規定位
置で合うように調整しておいて光学顕微鏡をみながら高
さだしを実行する手法もある。これらは別途光学顕微鏡
の準備設置が必要であるだけでなく、後者の場合にはガ
ス銃周辺のスペースを占有する問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高さ
出しのためにレーザー系や光学顕微鏡といった高価な手
段を必要とせず、スペースとして余裕のないガス銃周辺
に場所をとる手段の設置をすることもなく、試料にダメ
ージを与えることもなく、上面規制ホルダーを必要とせ
ず、ｘ，ｙ，ｚ３軸駆動の単純なＦＩＢ装置において、
容易に実施できる試料高さだし方法の提供とそれを実行
する装置の提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の試料高さだし方
法は、偏向手段をイオン光学軸方向に二段設置し、一段
目で一方向にθ₁ 偏向をかけ、二段目では逆方向にθ₂
戻すようにして試料面にイオンビームを照射してそのス
ポット位置を確認し、次のステップでは一段目で一方向
に−θ₁ 偏向をかけ、二段目では逆方向に−θ₂ 戻すよ
うにして試料面にイオンビームを照射してスポット位置
を確認し、両スポット位置を一致させることで試料の高
さを調整する。また、この方法を実行する集束イオンビ
ーム装置としては、一段目の偏向手段の光学軸方向長さ
をＬ₁、間隔Ｌ₂をおいて設置する二段目の偏向手段の光
学軸方向長さをＬ₃に構成し、該二段目の偏向手段から
適正試料面までの距離をＬ₄としたとき、前記一段目の
偏向手段によって偏向される角θ₁ と前記二段目の偏向
手段によって偏向される角θ₂ との関係が θ₁ ／θ₂ ＝−（Ｌ₃／２＋Ｌ₄）／（Ｌ₁／２＋Ｌ₂＋Ｌ
₃＋Ｌ₄） を満たすように設定されることによって試料高さだし機
能を備えた。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１の(a)に示すように、イオン
光学系光学軸方向に二段の偏向器を組み込む。新たに二
段としてもよいが、従来の偏向器を１段目とし更に一段
加えて二段とした構成でよく、この方がスペース的にも
有効である。一段目の偏向器１の有効長はＬ₁、二段目
の偏向器２の有効長はＬ₃で両者の間隔はＬ₂、二段目の
偏向器２の端部から試料面までの適正距離をＬ₄ とす
る。この適正距離をＬ₄ は標準試料を試料ステージに載
置しガス銃のノズルと該標準試料とを接触させ、その試
料高さ位置から所定距離（例えば0.5mm）下げた位置に
規定する。ここで、Ｌ₁乃至Ｌ₃は装置の設計によって決
まる固定値となる。Ｌ₄ が本発明によって調整されるこ
とになる適正高さの値である。偏向器１及び／又は偏向
器２に通常の走査信号のみを加えれば通常の試料面走査
が実行される。試料面観察の際はこの形態でビームが走
査される。偏向器１及び偏向器２に所定の直流信号を加
えれば、イオンビームはその分だけ偏向されることにな
る。いま直流偏向信号は一方向にだけ与えられるものと
し、一段目では正の向きにθ₁ 二段目では負の向きにθ
₂ だけ戻すように直流信号を偏向器に加える。この時の
状態を図１の(b)に示す。本発明では図に示されたよう
に、試料面の高さが適正位置にあるときに偏向走査信号
を加えないでこの直流信号のみを加え、イオンビームス
ポットがイオン光学軸上にくるように一段目では正の向
きにθ₁ 二段目では負の向きにθ₂ だけ戻すように直流
信号を偏向器に加えるように設定する。この関係は θ₁ ／θ₂ ＝−（Ｌ₃／２＋Ｌ₄）／（Ｌ₁／２＋Ｌ₂＋Ｌ
₃＋Ｌ₄） で表せる。この直流信号に基く偏向角度が決まりそれが
偏向器に加えれていれば試料面が変位した場合スポット
位置は光学軸上からズレることになる。この設定された
偏向信号に通常の走査信号を重畳させると図１の(c)に
示すように通常走査と同様な領域走査が実行され、その
領域の画像を得ることができる。

【０００９】次に、直流信号の正負を逆転させ、一段目
では負の向きにθ₁ 二段目では正の向きにθ₂ だけ戻す
ように直流信号を偏向器に加えるようにする。図１の
(d)に示すように試料面が適正高さ位置にあるときは、
ビームの曲折が逆になるだけでビームスポットはやはり
イオン光学軸上の同じ位置にくることになる。このと
き、通常の走査信号を重畳すれば得られる試料画像は図
のＥのようにして得られるが、これは先の図の(c)のも
のと同じとなる。本発明の原理は図２から判るように偏
向器１，２に加える直流信号を反転／非反転させたとき
試料高さがｚ１またはｚ３にあるときはビームスポット
位置が一致せず、ｚ２の高さにあるときビームスポット
位置が一致する。試料がこの高さｚ２の位置にあると
き、二段目の偏向器２の端部から試料面までの距離が適
正なＬ₄ になっていることになる。すなわち、本発明の
試料高さだし方法は、偏向手段をイオン光学軸方向に二
段設置し、一段目で一方向にθ₁ 偏向をかけ、二段目で
は逆方向にθ₂ 戻すようにして試料面にイオンビームを
照射してそのスポット位置を確認し、次のステップでは
一段目で一方向に−θ₁ 偏向をかけ、二段目では逆方向
に−θ₂ 戻すようにして試料面にイオンビームを照射し
てスポット位置を確認し、両スポット位置を一致させる
ことで試料の高さを調整するものである。

【００１０】

【実施例１】本発明の方法を実現する装置の実施例を示
す。イオン光学系光学軸方向に二段の偏向器を組み込
む。一段目の偏向器１の有効長はＬ₁＝５mm、二段目の
偏向器２の有効長はＬ₃＝５mmで両者の間隔はＬ₂＝１mm
とし、二段目の偏向器２の端部から試料面までの適正距
離をＬ₄＝10mmとする。標準試料を試料ステージに載置
しガス銃のノズルと該標準試料とを接触させ、その試料
高さ位置から0.5mm下げた位置に規定する。偏向器１，
２に加える直流信号をそれぞれの偏向角がθ₁ ，θ₂
が次式を満たすように設定する。 θ₁ ／θ₂ ＝−（Ｌ₃／２＋Ｌ₄）／（Ｌ₁／２＋Ｌ₂＋Ｌ₃＋Ｌ₄） ＝−（2.5mm＋10mm）／（2.5mm＋１mm＋５mm＋10mm）＝−0.676 この状態で偏向器２に直流信号を反転／非反転して加
え、それに走査信号を重畳して標準試料の画像を撮った
とき、両画像が一致していることを確認する。しかし、
実際には、設計通りに物が出来ていない場合がある。特
に、Ｌ₄の値は±0.2mm程度のばらつきがある。従って、
両画面が一致するように偏向比（偏向器１，２に印加す
る電圧の比率）の微調整を行う。続いて、被検査試料を
ステージに載置して、偏向器１，２に設定した直流信号
を反転／非反転して加え、それに走査信号を重畳して試
料の画像を撮り、二枚の画像を重ねる。このとき、図３
の(b)のように像が一致していれば試料表面の位置ｚ２
は適正位置にあることになるが、一般には図３の(a)ま
たは(c)に示したように二重画像の状態となる。これは
図２の試料高さがｚ１またはｚ３の位置にあるためであ
る。従って、試料ステージの高さを調整して像が一致す
るようにする。このときｚ＝ｚ２となる。例えば、入射
角±0.6deg.で二重像の間隔が２μm以下となるように高
さ調節を行うと、高さ精度0.1mmを確保することができ
る。

【００１１】

【実施例２】次に、重ね画像上から試料位置が高すぎる
のか低すぎるのかを簡便に判定できる実施例を示す。こ
の方法は直流信号反転時の画像を取得するフレーム数と
非反転時の画像を取得するフレーム数とに差をつけ、両
画像に濃淡の区別をつける方法である。図４の(a)に示
すように一段目の偏向器１と偏向器２に印加する直流信
号の反転／非反転する時間間隔を同じとせず、この実施
例では(b)に示すように時間差すなわち画像を取得する
フレーム数に差（例えば非反転時にｎフレーム、反転時
に１／２フレーム）をつけるようにした。このことによ
り、直流信号反転時の画像と非反転時の画像のうち、い
ずれが長い時間表示されるかを見れば試料位置が高いの
か低いのかを判定することができる。すなわち、図３の
(a)に示されるように試料高さが高いときには、反転時
の画像は右にズレ非反転時の画像は左にズレる関係にあ
るから非反転時のフレーム数を多くとったこの場合に左
側が長く表示されれば試料位置が高いということが判る
のである。これに対し右側が長く表示されるならば試料
位置が低いということが判る。判定した方向にｚ軸を駆
動しながら撮像を繰返し画像が等しくなるように調整す
る。

【００１２】

【実施例３】次に、重ね画像上から試料位置が高すぎる
のか低すぎるのかを簡便に判定できる異なる実施例を示
す。この方法は図４の(c)に示すように、非反転時の画
像を多くのフレーム数で取得した後瞬時的に反転走査に
入り、少ないフレーム数の走査の後ランプ状に直流信号
を変化させて徐々に非反転時の画像に移行させる。この
ような偏向信号を付与すると、試料が適正位置にある時
には非反転時の画像も反転時の画像も一致しているので
画像のズレはないが、高過ぎるときは右側画像から左側
画像に切り替わる際に尾を引くように移行する現象が見
られる。これに対し、試料位置が低いときには反対に左
側画像から右側画像に切り替わる際に尾を引くように移
行する現象が見られる。判定した方向にｚ軸を駆動しな
がら撮像を繰返し画像が等しくなるように調整する。上
記の実施例では対物レンズの後段に二段の偏光器を配置
するものとしたが、対物レンズの前後に分離して配置す
るようにしても良い。その場合には対物レンズの焦点は
標準試料を規定値の高さにして調整し、固定して使用す
る。焦点深度が深い場合でも本発明によれば精度よく高
さ調整が可能である。なお、この方式においては反転／
非反転時のフレーム数に差を設けることは必ずしも必須
ではない。

【００１３】

【発明の効果】本発明の試料高さだし方法は、偏向手段
をイオン光学軸方向に二段設置し、一段目で一方向にθ
₁ 偏向をかけ、二段目では逆方向にθ₂ 戻すようにして
試料面にイオンビームを照射してそのスポット位置を確
認し、次のステップでは信号印加極性を反転させ一段目
で一方向に−θ₁ 偏向をかけ、二段目では逆方向に−θ
₂ 戻すようにして試料面にイオンビームを照射してスポ
ット位置を確認し、両スポット位置を一致させることで
試料の高さを調整するようにしたもので、従来方式のよ
うな高さ出しのためにレーザー系や光学顕微鏡といった
高価な手段を必要とせず、スペースとして余裕のないガ
ス銃周辺に場所をとる手段の設置をすることもなく、試
料にダメージを与えることもなく、上面規制ホルダーを
必要とせず、ｘ，ｙ，ｚ３軸駆動の単純なＦＩＢ装置に
おいてさえ、試料高さだし方法が容易に実施できる。本
発明は、二段の偏向手段に印加する反転／非反転直流信
号に通常の走査偏向信号を重畳させ、試料面の二次元画
像を得て、両画像を重ねたとき二重とならないように試
料の高さを調整する試料高さだし方法であって、二段の
偏向手段に印加する直流信号の反転／非反転印加時間に
差をもたせ、左右にズレる画像の表示時間差から調整方
向を判別するであるとか、二段の偏向手段に印加する直
流信号の反転／非反転切り替えの一方をランプ状に変化
させ、画像が尾を引く向き情報から調整方向を判別する
方法を採用することで、試料の位置が高いのか低いのか
の判別が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作動を説明する図であり、(a)は画像
取り込みの走査を、(b)は非反転時のビーム軌道を、(c)
は非反転時の走査を、(d)は反転時のビーム軌道を、(e)
は反転時の走査を示す図である。

【図２】本発明の試料高さだし原理を説明する図であ
る。

【図３】本発明による高さ位置と反転時／非反転時の画
像との関係を説明する図である。

【図４】本発明において二段偏向器にかける直流信号を
示す図である。

【図５】ユーセントリックステージを使用した従来の試
料高さだし法を説明する図である。

【図６】レーザー光を利用した従来の試料高さだし法を
説明する図である。

【図７】像焦点法による従来の試料高さだし法を説明す
る図である。

【図８】試料ホルダーを利用した従来の試料高さだし法
を説明する図である。

【符号の説明】

１ 前段偏向器 Ｌ₁ 前段偏向器の光
軸方向有効長 ２ 後段偏向器 Ｌ₂ 前段偏向器と後
段偏向器間の間隔 ３ 試料 Ｌ₃ 後段偏向器の光
軸方向有効長 θ₁ 前段偏向器による偏向角 Ｌ₄ 適正高さ位置
の試料と後段偏向器 θ₂ 後段偏向器による偏向角 端部間の間隔 ｚ１，ｚ２，ｚ３ 試料高さ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F067 AA23 BB02 CC17 HH08 HH14 JJ07 LL16 5C001 AA01 CC04 5C034 DD05 DD09 5F033 QQ53 XX36

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏向手段をイオン光学軸方向に二段設置
   し、一段目で一方向にθ₁ 偏向をかけ、二段目では逆方
   向にθ₂ 戻すようにして試料面にイオンビームを照射し
   てそのスポット位置を確認し、次のステップでは一段目
   で一方向に−θ₁ 偏向をかけ、二段目では逆方向に−θ
   ₂ 戻すようにして試料面にイオンビームを照射してスポ
   ット位置を確認し、両スポット位置を一致させることで
   試料の高さを調整する試料高さだし方法。
2. 【請求項２】 二段の偏向手段に印加する反転／非反転
   直流信号に通常の走査偏向信号を重畳させ、試料面の二
   次元画像を得て、両画像を重ねたとき二重とならないよ
   うに試料の高さを調整する請求項１に記載の試料高さだ
   し方法。
3. 【請求項３】 二段の偏向手段に印加する直流信号の反
   転／非反転印加時間に差をもたせ、左右にズレる画像の
   表示時間差から調整方向を判別する請求項２に記載の試
   料高さだし方法。
4. 【請求項４】 二段の偏向手段に印加する直流信号の反
   転／非反転切り替えの一方をランプ状に変化させ、画像
   が尾を引く向き情報から調整方向を判別する請求項２に
   記載の試料高さだし方法。
5. 【請求項５】 一段目の偏向手段の光学軸方向長さをＬ
   ₁、間隔Ｌ₂をおいて設置する二段目の偏向手段の光学軸
   方向長さをＬ₃に構成し、該二段目の偏向手段から適正
   試料面までの距離をＬ₄としたとき、前記一段目の偏向
   手段によって偏向される角θ₁と前記二段目の偏向手段
   によって偏向される角θ₂との関係が θ₁ ／θ₂ ＝−（Ｌ₃／２＋Ｌ₄）／（Ｌ₁／２＋Ｌ₂＋Ｌ
   ₃＋Ｌ₄） を満たすように設定されることによって試料高さだし機
   能を備えた集束イオンビーム装置。