JP2008051779A - 試料観察方法及び試料観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法で試料の断面を広範囲に観察することができる試料観察方法及び試料観察装置を提供する。
【解決手段】微細パターンが形成されたウエハである平板状の試料Ｓに対して、グロー放電によって表面から深さ方向に掘削し、試料Ｓの表面から深さ方向に掘削断面を形成する。形成した掘削断面に電子線を照射し、ＳＥＭによって試料Ｓの掘削断面の観察を行う。グロー放電によって、試料Ｓの特定の位置に掘削断面を形成することができ、また試料Ｓの表面を広範囲に短時間で掘削することができる。従って、ウエハに形成された微細パターンの欠損の検査を、簡便に短時間で広範囲に実行することが可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、微細パターンが形成されたウエハ等の平板状の試料を掘削し、掘削した試料の断面をＳＥＭ等で観察する試料観察方法及び試料観察装置に関する。

従来、回路等の微細パターンが形成されたウエハの断面を観察するために、ウエハを含む複数の試料を積層し、積層した試料をダイヤモンドカッター等で切断し、切断により露出した断面をバフ研磨し、バフ研磨後の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により観察することが行われていた。積層した試料の断面を観察することにより、試料に含まれるウエハの断面を観察することができ、ウエハに形成された微細パターンに含まれるボイド又はヒロック等の欠損の検査を行うことが可能となる。

ところが、このようにウエハを切断することによってウエハの断面を観察する方法では、ウエハ上の特定の部分を正確に切断することが極めて困難であり、ウエハの断面を観察する位置を特定できないという問題がある。更にこの方法では、ウエハの切断及びバフ研磨により表層に加工変質層（ビルビー層）が形成され、本来の組織が破壊されて正確な観察が困難になるという問題がある。そこで、ウエハの特定の部分の断面を観察するための技術として、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）を利用する技術が開発されている。ＦＩＢは、細く収束したイオンビームであり、試料に照射することで試料を掘削することができ、また試料上に照射する位置を制御することも可能である。従って、ＦＩＢによってウエハの特定の部分を掘削し、掘削によって露出した断面をＳＥＭ等で観察することにより、ウエハの特定の部分の断面を観察することが可能となる。このように、ＦＩＢとＳＥＭとを組み合わせ、試料の断面を観察できるようにした技術が特許文献１に開示されている。
特開平１１−２１３９３５号公報

しかしながら、ＦＩＢは線状に試料を掘削するので、試料を掘削できる範囲が狭く、ＦＩＢを利用して試料の断面を観察する従来の技術では、ウエハの断面を観測できる範囲が狭いという問題がある。ＦＩＢでウエハを走査することにより、掘削する範囲をある程度広げることはできるものの、微細パターンの欠損の検査を行うための観察に適した十分に広い範囲の断面を露出させるためには長時間が必要になるという問題がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、試料の広い範囲を一度に掘削することができる方法を利用することにより、試料の断面を広範囲に観察することができる試料観察方法及び試料観察装置を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、試料の特定の部分を限定的に掘削する方法を利用することにより、試料の任意の部分の断面を観察することができる試料観察方法及び試料観察装置を提供することにある。

更に本発明の他の目的とするところは、試料の表面からほぼ垂直に掘削できるようにすることにより、効果的な断面の観察が可能となる試料観察方法を提供することにある。

第１発明に係る試料観察方法は、電極と該電極に対向配置される試料との間に電圧を印加して発生させるグロー放電により、前記試料を表面から深さ方向に掘削し、掘削によって前記試料の表面から深さ方向に形成された掘削断面に対して電子線を照射し、電子線の照射により前記掘削断面から放出される電子を検出することによって、前記掘削断面を観察することを特徴とする。

第２発明に係る試料観察方法は、前記電極は、筒状に形成された端部を有し、前記試料の表面は前記電極の前記端部に対向配置されてあり、前記グロー放電は不活性ガスの雰囲気中で発生させることを特徴とする。

第３発明に係る試料観察方法は、前記試料の表面に平板を重ねておき、前記グロー放電により、前記平板を貫通して前記試料を掘削することを特徴とする。

第４発明に係る試料観察装置は、電極と該電極に対向配置される試料との間に電圧を印加して発生させるグロー放電により、前記試料を表面から深さ方向に掘削する手段と、該手段が掘削した前記試料を真空箱中へ移動させる手段と、前記真空箱中で、掘削によって前記試料の表面から深さ方向に形成された掘削断面に対して電子ビームを照射し、前記掘削断面から放出される電子を検出することによって前記掘削断面を観察する手段とを備えることを特徴とする。

第５発明に係る試料観察装置は、前記電極は、筒状に形成された端部を有し、不活性ガスの雰囲気中で前記試料の表面を前記電極の前記端部に対向配置させた状態で、前記グロー放電を発生させるように構成してあることを特徴とする。

第１及び第４発明においては、微細パターンが形成されたウエハ等の試料をグロー放電によって掘削して、試料の表面から深さ方向に掘削断面を形成し、形成した掘削断面に電子線を照射し、掘削断面からの電子を検出することによって掘削断面のＳＥＭによる観察を行う。グロー放電により、ＦＩＢを用いる従来の方法に比べて広範囲に掘削断面が露出される。

第２及び第５発明においては、アルゴン等の不活性ガス中で、筒状に形成された電極の端部に試料の表面を対向させた状態でグロー放電による試料の掘削を行うことにより、筒状に形成された端部の内部で加速された不活性ガスのイオンがほぼ直進して試料の表面に衝突するので、試料の表面の内で電極の端部に対向する部分が限定的に掘削される。

第３発明においては、予め試料の表面に平板を重ねておき、平板を貫通して試料を掘削することにより、掘削が浅い部分は平板の部分となり、試料が掘削される部分は掘削が深い部分となる。

第１及び第４発明にあっては、グロー放電により試料を掘削する方法は、ＦＩＢを用いる従来の方法に比べて、試料の表面をより広範囲により早く掘削することができ、観察に適した十分に広い範囲の掘削断面を露出させることができる。従って、微細パターンが形成されたウエハである試料の断面を広い範囲で十分に観察することが可能となり、ウエハに形成された微細パターンの欠損の検査を、簡便に短時間で広範囲に実行することが可能となる。

第２及び第５発明においては、試料の表面の内で特定の部分を限定的に掘削して掘削断面を形成することができるので、試料の任意の部分の断面を簡便に観察することが可能となる。

第３発明においては、試料が掘削される部分は掘削が深い部分となるので、掘削が浅い部分で掘削断面の表面に対する傾斜が緩くなる場合であっても、試料に表面からほぼ垂直な掘削断面を形成することができる。従って、ウエハに形成された微細パターンの欠損の検査を、表面から深さ方向により効果的に行うことができる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の試料観察方法では、微細パターンが形成されたウエハである平板状の試料を掘削することによって試料に掘削断面を形成し、試料に形成された掘削断面をＳＥＭで観察する。本実施の形態では、まず、試料に掘削断面を形成する方法を説明する。

図１は、本発明の試料観察方法を実行するために使用する試料形成装置の構成を示すブロック図である。試料形成装置１０１は、試料を掘削して掘削断面を形成するためのグロー放電を発生させるグロー放電管２、グロー放電を発生させるために印加する電圧に係る電力生成を行う電源部４、及び試料形成装置１０１の全体的な制御を行う制御装置５を備えている。電源部４は交流電源ＡＣ（本実施形態では２２０Ｖ）に接続されて高周波電力を生成するジェネレータ４２及びマッチングボックス４１を備えており、ジェネレータ４２及びマッチングボックス４１は夫々に制御装置５に接続されている。グロー放電管２とマッチングボックス４１とは同電位に設定されている。電源部４には、試料Ｓに電圧を印加するための発振子３０が接続されており、試料Ｓはグロー放電管２と発振子３０との間に挟まれて装着される構成となっている。

また試料形成装置１０１は、グロー放電管２の内部を真空引きする真空引き装置６１を備え、真空引きした後にグロー放電管２の内部にアルゴンガス（不活性ガス）を供給するためのガス供給調整部６２及びガス供給源６３を備えている。ガス供給源６３はアルゴンガスを充填したボンベが相当する。ガス供給源６３からグロー放電管２まで、アルゴンガスを供給するための配管が配置されており、ガス供給調整部６２はガス供給源６３からグロー放電管２までの配管の途中に設けられている。ガス供給調整部６２は、ガス供給源６３からグロー放電管２へ供給されるアルゴンガスの流量を調整するための電磁弁を具備している。

制御装置５は、コンピュータを用いてなり、ＣＰＵ５ａ、ＲＡＭ５ｃ、ＲＯＭ５ｄ、及びハードディスク装置５ｅを備え、夫々は内部バス５ｆに接続されている。また制御装置５は、ジェネレータ４２から延在する第１接続コードＬ１及びマッチングボックス４１から延在する第２接続コードＬ２が接続されるインタフェース基板５ｂを備え、インタフェース基板５ｂは、内部バス５ｆに接続されている。また内部バス５ｆにはモニタ接続線Ｌ３を介してモニタ部５ｇが接続されている。

また、ＲＡＭ５ｃはＣＰＵ５ａが行う各種の制御処理に伴うデータ等を一時的に記憶し、ＲＯＭ５ｄはＣＰＵ５ａが行う基本的な処理内容を規定したプログラム等を予め記憶しており、ハードディスク装置５ｅはＣＰＵ５ａが行う試料Ｓを掘削する処理に関連する制御内容を規定した掘削プログラム５１等を記憶している。ＣＰＵ５ａは、必要に応じて掘削プログラム５１をハードディスク装置５ｅからＲＡＭ５ｃへロードし、ＲＡＭ５ｃへロードした掘削プログラム５１に従って、インタフェース基板５ｂを介してマッチングボックス４１及びジェネレータ４２の動作を制御する処理を行う。またＣＰＵ５ａは、図示しないキーボード又はマウス等の入力部に入力された指示に基づき各種の設定及び制御を行う。

図２は、グロー放電管２の内部構成を示す断面図である。グロー放電管２は短円柱状のランプボディ１１、電極１２、セラミックス部材１３、及び押圧ブロック１５が組み合わされて構成されている。

ランプボディ１１は、押圧ブロック１５が組み合わされる端面１１ａの中心箇所に電極１２を取り付けるための窪部１１ｂを凹設すると共に、窪部１１ｂの中心部に中心孔１１ｃを穿設している。また、ランプボディ１１は、周壁部１１ｄから中心へ向けて真空引き用の吸引孔１１ｅ、１１ｆを複数設け、一部の吸引孔１１ｅは中心孔１１ｃと連通させると共に、他の吸引孔１１ｆは窪部１１ｂ側に連通させている。さらに、ランプボディ１１は、周壁部１１ｄから中心へ向けて不活性ガスの供給用のガス供給孔１１ｇを中心孔１１ｃと連通するように形成している。

ランプボディ１１の窪部１１ｂに収められる電極１２は、円板部１２ａの中心から円筒部（端部）１２ｂを突出した形状にしており、円筒部１２ｂの内部から円板部１２ａを貫通する貫通孔１２ｃを穿設している。また、円板部１２ａにも穴１２ｄが形成されている。電極１２は、ランプボディ１１の窪部１１ｂに取り付けられると、ランプボディ１１を介してアース電位になる。なお、電極１２が収められた状態でランプボディ１１の中心孔１１ｃ及び電極１２の貫通孔１２ｃの密閉性を維持するために第１オーリング１６がランプボディ１１及び電極１２の間に取り付けられている。

電極１２を被うように配置されるセラミックス部材１３は、厚みのある円板状の部材であり、電極１２の円板部１２ａを被う突出したフランジ部１３ｄを有すると共に、中心となる箇所には、電極１２の円筒部１２ｂを挿通させる挿通孔１３ｃを形成している。また、セラミックス部材１３は表出する側の端面１３ａにオーリング装着用のリング溝１３ｂを凹設している。セラミックス部材１３は、耐熱性の第１絶縁体１７を介して電極１２の円板部１２ａに対して配置され、配置された状態では、セラミックス部材１３の挿通孔１３ｃと電極１２の円筒部１２ｂとの間に所定の隙間が形成され、円筒部１２ｂの先端１２ｅはセラミックス部材１３の端面１３ａより突出しないようになっている。なお、第１絶縁体１７と電極１２の円板部１２ａとの間にも密閉性維持のために第２オーリング１８が取り付けられている。

電極１２及びセラミックス部材１３をランプボディ１１に固定するための押圧ブロック１５は、環状の部材であり、内周縁側の突出部１５ａでセラミックス部材１３のフランジ部１３ｄをランプボディ１１側へ押圧するようにしている。なお、押圧ブロック１５自体は、ボルトによりランプボディ１１の端面１１ａに取り付けられる。また、押圧ブロック１５の突出部１５ａと、セラミックス部材１３のフランジ部１３ｄとの間にも耐熱性の第２絶縁体１９を介在させている。

グロー放電管２に取り付けられる掘削対象である平板状の試料Ｓは、セラミックス部材１３の端面１３ａに取り付けられた第３オーリング２０に試料Ｓの表面が当接するように配置される。さらに、この状態で試料Ｓの裏面は発振子３０が押し当てられて試料Ｓがグロー放電管２側へ押圧される。これにより試料Ｓの表面と電極１２の円筒部１２ｂの先端１２ｅとが対向する箇所には、第３オーリング２０で囲われて閉鎖された空間Ｋが形成される。発振子３０は、図１に示すように電源線Ｄにより電源部４と接続されており、また、図示しない所定の係止手段で試料Ｓを最適な押圧力でグロー放電管２へ押圧している。

またランプボディ１１の各吸引孔１１ｅ、１１ｆは図１に示す真空引き装置６１と配管で接続されており、ガス供給孔１１ｇは配管でガス供給調整部６２と接続されている。試料Ｓがグロー放電管２に取り付けられた状態で真空引き装置６１が真空引きを行うと、各吸引孔１１ｅ、１１ｆ、中心孔１１ｃ、電極１２の貫通孔１２ｃ、及び空間Ｋが真空にされる。この状態でガス供給調整部６２がアルゴンガスの供給を開始すると、ガス供給孔１１ｇ、中心孔１１ｃ、電極１２の貫通孔１２ｃ及び空間Ｋがアルゴンガスで満たされる。

図３は、電源部４を構成するジェネレータ４２の内部構成を示すブロック図である。ジェネレータ４２は、高周波電力生成部４２ａ、制御部４２ｂ及び電力計測部４２ｃを具備する。高周波電力生成部４２ａは交流電源ＡＣと接続されて高周波の交流電圧を試料Ｓ及び電極１２の間に印加できるように高周波電力を生成する。また、高周波電力生成部４２ａは第１内部接続線４２ｄにより制御部４２ｂと接続されており、制御部４２ｂの制御により高周波電力に係る出力モード及び電力値等を調整する。なお、本実施形態の高周波電力生成部４２ａは１３．５６ＭＨｚの高周波電圧からなる電力を生成している。制御部４２ｂはＩＣ（集積回路）で構成されており、第１接続コードＬ１を通じて制御装置５と接続されている。制御部４２ｂは、制御装置５から出力される各種信号に基づいて高周波電力生成部４２ａの出力を制御する構成となっている。

電力計測部４２ｃは、第２及び第３内部接続線４２ｅ、４２ｆにより制御部４２ｂ及び高周波電力生成部４２ａと接続されている。電力計測部４２ｃは、高周波電力生成部４２ａで生成されて発振子３０へ供給される高周波電力の進行波の電力値である出力値Ｐｆを検出すると共に、試料Ｓから反射して戻ってくる反射波の電力値である反射値Ｐｒを検出し、検出した値を制御部４２ｂへ伝送する構成となっている。

制御部４２ｂは、高周波電力の出力を制御する方法として、２種類の出力モードを切り替えることが可能である。一方の出力モードは、所定の時間内、連続して所定の高周波電力を出力して試料Ｓ及び電極１２の間に連続的な高周波電圧の印加を行うモードであり、以下、このモードを連続モードと言う。また他方の出力モードは、所定の時間内、パルス的に所定の高周波電力を出力して試料Ｓ及び電極１２の間に断続的な高周波電圧の印加を行うモードであり、以下、このモードを断続モードと言う。

制御部４２ｂは、制御装置５から出力される信号に基づいて連続モードと断続モードとを切り替える処理を実行し、断続モードでは内部のＩＣでパルス的な処理を行うことで電力供給及び電力供給休止を交互に行う。また制御部４２ｂは、単位時間当たりの給電回数に相当する給電周波数、断続モードにおいて給電を行っている時間の割合を示すデューティ比、及び給電の電力値を調整可能である。給電周波数の変更に関して、制御部４２ｂは、約３０Ｈｚ〜約３００００Ｈｚの範囲で給電周波数を調整可能であり、給電周波数が変更されるとパルス的な給電の時間間隔が変化する。

また、試料Ｓの掘削が進行するにつれて、試料Ｓと電極１２の先端１２ｅとの距離が長くなり、試料Ｓに係るインピーダンス値が随時変化するので、制御部４２ｂは、断続モードにおけるインピーダンス値変化に対する調整処理をも実行する。具体的には、制御部４２ｂは、前述の出力値Ｐｆ及び反射値Ｐｒを電力計測部４２ｃから伝送され、出力値Ｐｆと反射値Ｐｒとの差を演算し、演算した差に基づいて出力値Ｐｆを変更する制御を行う。なお、制御部４２ｂは、出力値Ｐｆと反射値Ｐｒとの差（Ｐｆ−Ｐｒ）が一定となるように出力値Ｐｆを調整しており、本実施形態では演算した差（Ｐｆ−Ｐｒ）が制御装置５から伝送されてきた基準電力値と同等となるように高周波電力生成部４２ａで生成される出力値Ｐｆを制御部４２ｂが内蔵するＩＣのソフト的な処理で調整する。

このように制御部４２ｂがソフト的な調整を行うことで、断続モードでの試料Ｓのインピーダンス値の変化に対応して適切な給電を行える。なお、制御部４２ｂが試料Ｓのインピーダンス値の変化に対応した調整を行うのは断続モードの場合であり、連続モードでは後述するようにマッチングボックス４１が調整を行う。

図４は、電源部４を構成するマッチングボックス４１の内部構成を示すブロック図である。マッチングボックス４１は、連続モードにおいてジェネレータ４２で生成された高周波電力の出力形態を調整する可変コンデンサ４１ａ、可変コンデンサ４１ａの電気容量を調整するモータ４１ｂ、モータ４１ｂの駆動等の制御を行うコンデンサ制御部４１ｃを具備する。可変コンデンサ４１ａはモータ４１ｂの駆動に応じて自身の電気容量を変更可能であり、電気容量の変更によりモジュール及びフェーズが調整される。

コンデンサ制御部４１ｃは、第２接続コードＬ２により制御装置５と接続されており、制御装置５からマッチングボックス４１へ伝送される断続モードの設定の通知信号に基づいてモータ４１ｂの駆動を制御する。具体的には、断続モードの通知信号を受け付けた場合、コンデンサ制御部４１ｃは、可変コンデンサ４１ａの電気容量が一定に固定されるようにモータ４１ｂを一定の状態に維持する制御を行う。よって、断続モードではマッチングボックス４１で高周波電力のモジュール及びフェーズは調整されない。また、断続モードの通知信号を受け付けない場合、即ち、連続モードが設定された場合は、コンデンサ制御部４１ｃは、試料Ｓからの反射値Ｐｒが最小となるようにモータ４１ｂの駆動を制御して可変コンデンサ４１ａの電気容量を変更する制御を行う。なお、反射値Ｐｒが最小であれば、コンデンサ制御部４１ｃは可変コンデンサ４１ａの電気容量を変更する制御は行わない。

次に、上述の如き構成でなる試料形成装置１０１が実行する処理を説明する。試料形成装置１０１は、グロー放電により、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓを表面から深さ方向に掘削し、ＳＥＭで観察するための掘削断面を露出させる。制御装置５のＣＰＵ５ａは、掘削プログラム５１に従って、試料Ｓを掘削して掘削断面を形成するための条件を制御する処理を行う。掘削プログラム５１は、試料Ｓに印加する電力の条件を複数種類規定してある。具体的には、電源部４から発振子３０に印加する高周波電圧の電力値、断続モードでの供給周波数、又はデューティ比等の電力の条件を制御することで、試料Ｓが掘削される速度を調整することができる。制御装置５は、試料Ｓの材質又は掘削すべき深さ等の試料形成に必要な情報を、図示しないキーボード又はマウス等の入力部を用いて使用者の操作により入力される。ＣＰＵ５ａは、試料Ｓを適切な速度で掘削できるように、電源部４から発振子３０に印加する高周波電圧の電力値、供給周波数又はデューティ比の条件を設定する。

グロー放電管２の内部を真空引き装置６１で真空引きしてから、ガス供給源６３がグロー放電管２の内部へアルゴンガスを供給し、ＣＰＵ５ａに設定された条件で電源部４が発振子３０へ高周波電圧を供給する。グロー放電管２の内部にアルゴンガスが供給される状態では、空間Ｋ内には十分なアルゴンガスが随時供給され、アルゴンガスの雰囲気中で発振子３０に高周波電圧が電源部４から供給されることで、電極１２及び試料Ｓの間に電圧が印加され、電極１２と試料Ｓとの間でグロー放電が発生する。グロー放電が発生することにより、アルゴンガスに含まれるアルゴンイオンが試料Ｓの電極１２に対向した表面に衝突し、スパッタリングが発生する。このスパッタリングでのアルゴンイオンの衝突により、試料Ｓの電極１２に対向した表面では、電極１２の先端１２ｅの大きさに応じた所定の面積が掘削される。

ＣＰＵ５ａは、試料Ｓを掘削するための処理を実行しながら、試料Ｓの掘削を開始してから経過した時間を計測し、試料Ｓの材質及び掘削すべき深さに応じた時間が経過した場合に、電源部４に高周波電圧の供給を停止させることによって、試料Ｓの掘削を停止する。以上の処理によって、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓは、表面から深さ方向に掘削され、ＳＥＭで観察するための掘削断面が露出するように形成される。なお、試料形成装置１０１は、掘削量又は掘削深さを測定する手段を更に備え、掘削量又は掘削深さが所定の値になるまで試料Ｓの掘削を行う形態であってもよい。

図５は、掘削された試料Ｓの形状を示す断面図である。図５（ａ）は掘削開始前の試料Ｓを示し、電極１２の先端１２ｅに試料Ｓが対向している。グロー放電により、電極１２から試料Ｓへアルゴンイオンが衝突して試料Ｓが掘削される。図５（ｂ）は掘削後の試料Ｓを示す。グロー放電により貫通孔１２ｃ内で加速したアルゴンイオンがほぼ直進して試料Ｓの表面に衝突するので、試料Ｓの表面の内でアルゴンイオンが衝突する部分は貫通孔１２ｃの大きさの範囲に対向する部分にほぼ限定され、貫通孔１２ｃの大きさの範囲に対向する試料Ｓの表面部分が限定的に掘削される。貫通孔１２ｃの大きさの範囲に対向する試料Ｓの表面部分の周囲では、アルゴンイオンはほとんど衝突せず、掘削がほとんど行われない。従って、試料Ｓは、貫通孔１２ｃの大きさの範囲に対向する表面部分から深さ方向に実質的に垂直に掘削され、試料Ｓの掘削される範囲と掘削されない範囲との境界に掘削断面が形成される。

図６は、掘削される試料Ｓを模式的に示す斜視図である。図６（ａ）は、掘削前の試料Ｓを示し、試料Ｓは、微細パターンが形成された半導体のウエハである。図６（ｂ）は、掘削断面が形成された試料Ｓを示す。電極１２の先端１２ｅの形状に応じて、試料Ｓは円形状に掘削されている。このように、電極１２の先端１２ｅの大きさに応じた試料Ｓの所定の面積が掘削され、ＦＩＢを用いる従来の方法に比べて、試料Ｓの表面をより広範囲に掘削し、観察に適した十分に広い範囲の掘削断面を露出させることができる。また発振子３０に供給する高周波電圧のデューティ比を向上させる等の方法により高速度で試料Ｓの掘削ができるので、ＦＩＢを用いる従来の方法に比べて、ＳＥＭで観察するために十分広い範囲をより短時間で掘削して試料Ｓに掘削断面を形成することが可能となる。更に、試料Ｓをグロー放電管２に装着する位置を調整することにより、試料Ｓの特定の位置に掘削断面を形成することができる。なお、本発明では、ウエハ全体を試料Ｓとして用いるのではなく、ウエハの一部を切除して試料Ｓとして用いてもよい。

次に、試料Ｓに形成した掘削断面を観察する方法を説明する。図７は、本発明の試料観察方法を実行するために使用するＳＥＭ装置の構成を示す模式的構成図である。ＳＥＭ装置１０２は、真空箱７１内に、電子線を試料に照射する電子線照射部７２、試料から発生する電子を検出する電子検出部７３、試料を載置するゴニオステージ７４、及びゴニオステージ７４が載置されたＸＹテーブル７５を備えている。

電子線照射部７２は、電子を発生させて加速させる電子銃、電子線を収束する電子レンズ、及び電子線で試料を走査するための偏向コイル等を含んで構成されている。ゴニオステージ７４は、試料を載置可能であり、電子線照射部７２からの電子線に対する試料の角度を調整することが可能である。ＸＹテーブル７５は、ゴニオステージ７４を載置しており、平面内でゴニオステージ７４の位置を調整することで、ゴニオステージ７４に載置された試料の位置を調整することが可能である。電子検出部７３は、電子線照射部７２からの電子線が試料に照射されることで試料から放出される反射電子又は二次電子を検出する。反射電子は、電子線に含まれる電子が試料で反射した電子であり、二次電子は、電子線の照射によって試料で発生した電子である。図７中には、電子の軌跡を矢印で示す。電子線照射部７２、電子検出部７３、ゴニオステージ７４及びＸＹテーブル７５は、コンピュータを用いてなる制御装置７６に接続されている。また真空箱７１には、真空箱７１内を真空引きするロータリーポンプ等を用いた真空引き装置７７が設けられている。

試料形成装置１０１で掘削断面を形成した試料Ｓを真空箱７１内のゴニオステージ７４に載置し、真空引き装置７７で真空箱７１を真空引きすることにより、ＳＥＭ装置１０２で試料Ｓを観察することが可能となる。制御装置７６は、電子線照射部７２、電子検出部７３、ゴニオステージ７４及びＸＹテーブル７５の動作を制御する。電子線照射部７２からの電子線が試料Ｓに形成された掘削断面に照射されるように、制御装置７６の制御により、ＸＹテーブル７５が試料Ｓの位置を調整し、ゴニオステージ７４が試料Ｓの角度を調整する。電子線照射部７２からの電子線が試料Ｓに形成された掘削断面に照射され、掘削断面からの反射電子又は二次電子を電子検出部７３で検出し、電子検出部７３の検出結果の画像処理を制御装置７６で行うことにより、試料Ｓの掘削断面のＳＥＭ像を得ることができる。電子線照射部７２が照射する電子線で掘削断面を走査するか、又はゴニオステージ７４及びＸＹテーブル７５で電子線が当たる試料Ｓ上の位置を調整することにより、広範囲で掘削断面のＳＥＭ像を取得することができる。例えば、試料Ｓの円状に掘削された部分の周辺に形成された掘削断面を３６０°の全範囲に亘って観察することも可能である。

以上詳述した如く、本発明においては、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓをグロー放電によって掘削して、試料Ｓに掘削断面を形成し、形成した掘削断面に電子線を照射して、試料Ｓの掘削断面のＳＥＭ像を取得する。グロー放電により試料Ｓを掘削する方法は、ＦＩＢを用いる従来の方法と同様に、試料Ｓの特定の位置に掘削断面を形成することができ、試料Ｓの任意の部分の断面をＳＥＭ装置１０２で観察することが可能となる。またグロー放電により試料Ｓを掘削する方法は、従来の方法に比べて、試料Ｓの表面をより広範囲により早く掘削することができ、観察に適した十分に広い範囲の掘削断面を露出させることができる。従って、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓの任意の位置で断面を十分に観察することが可能となり、ウエハに形成された微細パターンの欠損の検査を、簡便に短時間で広範囲に実行することが可能となる。更に、グロー放電を用いて試料Ｓを掘削する本発明の方法は、ウエハを切断する従来の方法に比べて、試料Ｓに形成される掘削断面に与えるダメージが少なく、ウエハである試料Ｓの断面をより本来の状態に近い状態で観察することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、試料Ｓを直接に電極１２に対向させてグロー放電を発生させる形態を示したが、この形態では、掘削が浅い部分で掘削断面の表面に対する傾斜が緩くなる可能性がある。従って、本発明では、掘削断面の表面に対する傾斜をより垂直に近づけるために、予め試料Ｓの表面に平板を重ねておき、平板を貫通して試料Ｓを掘削する方法を用いてもよい。

図８は、平板を用いた場合に試料Ｓをグロー放電管２に装着した形態を示す拡大部分断面図である。試料Ｓの表面にプラスチック基板等の平板Ｔを重ねておき、セラミックス部材１３に取り付けられた第３オーリング２０に平板Ｔが当接するように配置される。試料Ｓの裏面には発振子３０が押し当てられており、試料Ｓ及び平板Ｔがグロー放電管２側へ押圧される。これにより平板Ｔの表面と電極１２の円筒部（端部）１２ｂの先端１２ｅとが対向し、円筒部１２ｂの先端１２ｅと平板Ｔとの間に空間Ｋが形成される。この状態でグロー放電を発生させることにより、まず平板Ｔが掘削され、掘削により平板Ｔが貫通された後に試料Ｓが表面から掘削される。

図９は、掘削された試料Ｓの形状を示す断面図である。図９（ａ）は平板Ｔを用いずに掘削を行った試料Ｓを示す。図９（ａ）に示すように、掘削が浅い部分で掘削断面の表面に対する傾斜が緩くなることがある。図９（ｂ）は、平板Ｔを用いて掘削を行った場合の平板Ｔ及び試料Ｓを示す。まず平板Ｔが掘削され、平板Ｔが貫通された後に試料Ｓが表面から掘削されるので、掘削が浅い部分は平板Ｔの部分となり、試料Ｓが掘削される部分は掘削が深い部分であり、表面からほぼ垂直に掘削断面が形成される。

このように、平板Ｔを貫通させて試料Ｓを掘削することにより、表面からほぼ垂直な掘削断面を形成することができる。平板Ｔを外してから試料ＳをＳＥＭ装置１０２で観察することにより、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓのより垂直に近い断面を観察することができる。従って、深さ方向にウエハの検査をより効果的に行うことができる。

なお、本実施の形態においては、試料Ｓの表面を鉛直面にして表面から掘削するように試料形成装置１０１を構成した形態を示したが、これに限るものではなく、本発明では、試料形成装置１０１は、試料Ｓの表面を上面又は下面にして表面から掘削するように構成した形態であってもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１においては、試料に掘削断面を形成する過程と試料の掘削断面を観察する過程とを分けて実行する形態を示したが、実施の形態２においては、一つの装置で試料への掘削断面の形成と観察とを実行する形態を示す。

図１０は、本発明の試料観察方法を実行するために使用する試料観察装置の構成を示す模式的構成図である。試料観察装置１０３では、試料Ｓに掘削断面を形成するための試料形成室８１を真空箱７１に隣設してある。試料形成室８１には、図２に示す電極１２の円筒部１２ｂの先端１２ｅを試料形成室８１内で下側に向けて、グロー放電管２を備えてある。グロー放電管２の内部構成は、図２を用いて説明した実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。グロー放電管２には、実施の形態１と同様に、真空引き装置６１、ガス供給調整部６２及びガス供給源６３が設けられている。なお、真空引き装置６１及びガス供給調整部６２は、試料形成室８１にも配管で接続された形態であってもよい。

試料観察装置１０３は、試料形成室８１内に、グロー放電管２の図２に示す電極１２の円筒部１２ｂの先端１２ｅに対向する位置に試料Ｓを保持可能なターンテーブル８２を備えている。ターンテーブル８２は、試料Ｓを載置して回転し、試料Ｓをグロー放電管２の電極１２に対向する位置に保持し、掘削断面が形成された後の試料Ｓを移送することができる。また試料観察装置１０３は、電源部４に接続された発振子３１を備えている。発振子３１は、ターンテーブル８２によってグロー放電管２の電極１２に対向する位置に保持された試料Ｓの裏側に近接できるように、位置を調整可能な構成になっている。電源部４の構成は実施の形態１と同様であり、その説明を省略する。

試料形成室８１と真空箱７１との間には、必要に応じて開放可能な扉８４が設けられている。また試料観察装置１０３は、試料形成室８１内に、扉８４が開放されている状態で試料Ｓを試料形成室８１から真空箱７１内へ移送するウエハローダ８３を備えている。ウエハローダ８３は、位置を調整可能であり、扉８４が開放された場合に、試料Ｓを移送可能な位置へ移動し、ターンテーブル８２に移送された試料Ｓを更に真空箱７１へ移送する。

また試料観察装置１０３は、真空箱７１内に試料Ｓを載置できるＸＹＺテーブル８５と、ＸＹＺテーブル８５を載置してある水平移動部８６とを備えている。水平移動部８６は、ＸＹＺテーブル８５を水平方向に移動させることが可能であり、ＸＹＺテーブル８５を移動させて、ウエハローダ８３が真空箱７１内に移送した試料ＳをＸＹＺテーブル８５に載置させることができる。更に試料観察装置１０３は、真空箱７１内に電子線照射部７２及び電子検出部７３を備えており、真空箱７１内を真空引きする真空引き装置７７を設けている。電子線照射部７２は、試料Ｓに形成された掘削断面に電子線を照射できるように、ＸＹＺテーブル８５に対して垂直な状態から傾斜した姿勢で設けられている。発振子３１、電源部４、ターンテーブル８２、ウエハローダ８３、扉８４、ＸＹＺテーブル８５、水平移動部８６、電子線照射部７２、及び電子検出部７３は、コンピュータを用いた制御装置８７に接続されており、制御装置８７にその動作を制御される。

次に、上述の如き構成でなる試料観察装置１０３が実行する処理を説明する。ターンテーブル８２によって試料Ｓがグロー放電管２の電極１２に対向する位置に保持された状態で、グロー放電管２の内部を真空引き装置６１で真空引きしてから、ガス供給源６３がグロー放電管２の内部へアルゴンガスを供給し、制御装置８７は発振子３１を試料Ｓの裏側に近接させる。次に制御装置８７は電源部４を動作させ、電源部４は発振子３１へ高周波電圧を供給する。アルゴンガスの雰囲気中で発振子３１に高周波電圧が電源部４から供給されることで、電極１２及び試料Ｓの間に電圧が印加され、電極１２と試料Ｓとの間でグロー放電が発生する。グロー放電が発生することにより、アルゴンイオンによる試料Ｓ表面へのスパッタリングが発生し、試料Ｓが掘削される。制御装置８７は、試料Ｓを掘削するための処理を実行しながら、試料Ｓの掘削を開始してから経過した時間を計測し、試料Ｓの材質及び掘削すべき深さに応じた時間が経過した場合に、電源部４に高周波電圧の供給を停止させることによって、試料Ｓの掘削を停止する。これまでの処理によって、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓは、表面から深さ方向に掘削され、掘削断面が形成される。

制御装置８７は、発振子３１を移動させ、掘削断面が形成された試料Ｓをターンテーブル８２に移送させ、扉８４を開放し、試料Ｓをウエハローダ８３に試料形成室８１から真空箱７１内へ移送させる。制御装置８７は、水平移動部８６の動作を制御して、ＸＹＺテーブル８５上に試料Ｓを載置させ、電子線照射部７２から電子線を照射される位置までＸＹＺテーブル８５を移動させる。制御装置８７が扉８４を閉鎖し、真空引き装置７７が真空箱７１を真空引きする。次に制御装置８７は、電子線照射部７２からの電子線が試料Ｓに形成された掘削断面に照射されるように、ＸＹＺテーブル８５に試料Ｓの位置を調整させる。電子線照射部７２からの電子線が試料Ｓに形成された掘削断面に照射され、掘削断面からの反射電子又は二次電子を電子検出部７３で検出し、電子検出部７３の検出結果の画像処理を制御装置８７で行うことにより、試料Ｓの掘削断面のＳＥＭ像を得ることができる。電子線照射部７２が照射する電子線で掘削断面を走査するか、又はＸＹＺテーブル８５で電子線が当たる試料Ｓ上の位置を調整することにより、広範囲で掘削断面のＳＥＭ像を取得することができる。

以上詳述した如く、本実施の形態においても、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓをグロー放電によって掘削して、試料Ｓに掘削断面を形成し、形成した掘削断面に電子線を照射して、試料Ｓの掘削断面のＳＥＭ像を取得することができる。試料観察装置１０３を用いることによって、微細パターンが形成されたウエハである試料Ｓの任意の位置で掘削断面を形成して観察することが可能となり、ウエハに形成された微細パターンの欠損の検査を、より簡便に短時間で広範囲に実行することが可能となる。

本発明の試料観察方法を実行するために使用する試料形成装置の構成を示すブロック図である。 グロー放電管の内部構成を示す断面図である。 電源部を構成するジェネレータの内部構成を示すブロック図である。 電源部を構成するマッチングボックスの内部構成を示すブロック図である。 掘削された試料の形状を示す断面図である。 掘削される試料を模式的に示す斜視図である。 本発明の試料観察方法を実行するために使用するＳＥＭ装置の構成を示す模式的構成図である。 平板を用いた場合に試料をグロー放電管に装着した形態を示す拡大部分断面図である。 掘削された試料の形状を示す断面図である。 本発明の試料観察方法を実行するために使用する試料観察装置の構成を示す模式的構成図である。

符号の説明

１０１ 試料形成装置
１０２ ＳＥＭ装置
１０３ 試料観察装置
１２ 電極
１２ｂ 円筒部（端部）
１２ｃ 貫通孔
１２ｅ 先端
２ グロー放電管
３０、３１ 発振子
４ 電源部
５、７６、８７ 制御装置
７１ 真空箱
７２ 電子線照射部
７３ 電子検出部
Ｓ 試料
Ｔ 平板

Claims (5)

1. 電極と該電極に対向配置される試料との間に電圧を印加して発生させるグロー放電により、前記試料を表面から深さ方向に掘削し、
   掘削によって前記試料の表面から深さ方向に形成された掘削断面に対して電子線を照射し、
   電子線の照射により前記掘削断面から放出される電子を検出することによって、前記掘削断面を観察すること
   を特徴とする試料観察方法。
2. 前記電極は、筒状に形成された端部を有し、
   前記試料の表面は前記電極の前記端部に対向配置されてあり、
   前記グロー放電は不活性ガスの雰囲気中で発生させること
   を特徴とする請求項１に記載の試料観察方法。
3. 前記試料の表面に平板を重ねておき、
   前記グロー放電により、前記平板を貫通して前記試料を掘削すること
   を特徴とする請求項２に記載の試料観察方法。
4. 電極と該電極に対向配置される試料との間に電圧を印加して発生させるグロー放電により、前記試料を表面から深さ方向に掘削する手段と、
   該手段が掘削した前記試料を真空箱中へ移動させる手段と、
   前記真空箱中で、掘削によって前記試料の表面から深さ方向に形成された掘削断面に対して電子ビームを照射し、前記掘削断面から放出される電子を検出することによって前記掘削断面を観察する手段と
   を備えることを特徴とする試料観察装置。
5. 前記電極は、筒状に形成された端部を有し、
   不活性ガスの雰囲気中で前記試料の表面を前記電極の前記端部に対向配置させた状態で、前記グロー放電を発生させるように構成してあること
   を特徴とする請求項４に記載の試料観察装置。

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