JP2010199003A - 荷電粒子ビーム装置、及び荷電粒子ビームにおける位置補正処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、荷電粒子ビームの偏向方向と試料の傾斜軸に角度ずれが有る場合にも画像の歪みを無くし、試料を正確に観察したり、加工したりすることに関する。
【解決手段】本発明では、荷電粒子ビームの偏向方向と試料の傾斜軸が平行となっていない場合に、荷電粒子ビームの観察方向に対する偏向回転角を求め、荷電粒子ビームの偏向パターンを変形することにより、画像の歪みを補正することに関する。例えば、荷電粒子ビームの偏向パターンを平行四辺形となる。本発明により、試料が傾斜していても、歪みの無い像が得られ、試料の観察や加工を高精度に実施できる。これにより、位置補正マークを自動認識して位置関係を補正する観察や加工も可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子ビームの偏向走査に関する。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）などを半導体デバイスに利用することに関連し、試料を多方向から観察して３次元的な構造や形状を観察したり、加工したりすることの重要性が高まっている。例えば、ＳＥＭ観察では、従来は、ウェーハなどの平面的な試料を、試料表面に対して垂直な方向から観察することが主であったのに対し、最近では、試料表面に対して垂直なデバイス断面の構造観察の必要性が高まっている。また、ＦＩＢ装置においても、試料基板からの微小試料の分離加工や、膜厚均一な薄膜試料作製加工において、傾斜させた試料の観察や加工が行われている。

特開平４−１３２９０９号公報（特許文献１）においては、電子ビームの偏向パターンを台形形状とし、傾斜した試料上に矩形形状の走査領域を形成することが開示されている。

特開平４−１３２９０９号公報

荷電粒子ビーム走査により試料表面を斜め方向から観察した場合の観察像の歪みについて本願発明者が鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

試料を傾斜させて観察する場合、試料の傾斜軸と荷電粒子ビームの偏向方向が平行ではないと、試料の傾斜角度を変えて観察すると像の歪みが起きる。この歪みは、ＦＩＢ加工においては、ある角度では自動認識が可能であった試料上の位置補正マークを別の角度からは認識できないとの問題を引き起こす。試料傾斜時に位置補正マークを認識できないことは、試料を傾斜させ、さまざまな角度から自動で観察や加工を行うことの妨げとなる。

これに対し、試料ステージの回転により、試料の傾斜軸と偏向方向とを機械的に合わせると、観察像の歪みが傾斜方向（傾斜軸と垂直な方向）への圧縮のみとなり、修正や認識が容易にできる。しかし、試料ステージの回転による合わせ操作は、試料が１個の場合は容易であるが、複数の試料が試料ステージ上に有る場合は煩雑である。観察に用いる荷電粒子ビーム光学軸と試料ステージの回転軸の位置がずれているため、試料上の所望位置を像の中心近傍に合わせても、ステージ角度を補正する際に数ミクロン位置がずれ、合わせ直しが必要となるためである。特に、試料ステージの直径が大きい場合、試料ステージの回転軸から遠い所に固定された試料の回転角度を、画像上の位置精度と両立させて合わせることは困難である。

また、ＦＩＢとＳＥＭを組み合わせたＦＩＢ−ＳＥＭ装置においても、荷電粒子ビームの試料への入射方向が、ＦＩＢ光学系とＳＥＭ光学系では異なる。このため、同一の位置補正マークをＦＩＢ光学系とＳＥＭ光学系で自動認識しようとしても、それぞれのビーム走査方向が平行でない場合、像の歪みによりＦＩＢ光学系とＳＥＭ光学系では異なる位置補正マークと認識したり、自動認識できなかったりする可能性があった。偏向方向を傾斜カラムの方向に正確に合わせれば問題は解消するが、多数の試料を並行して処理する際は障害となってしまう。

本発明の目的は、荷電粒子ビームの偏向方向と試料の傾斜軸に角度ずれが有る場合にも画像の歪みを無くし、試料を正確に観察したり、加工したりすることに関する。

本発明では、荷電粒子ビームの偏向方向と試料の傾斜軸が平行となっていない場合に、荷電粒子ビームの観察方向に対する偏向回転角を求め、荷電粒子ビームの偏向パターンを変形することにより、画像の歪みを補正することに関する。例えば、荷電粒子ビームの偏向パターンを平行四辺形とする。

また、ある観察方向における像が歪んでいる場合に、観察像に同様の画像処理を加えることにより、画像の歪みを除去する。

本発明により、試料が傾斜していても、歪みの無い像が得られ、試料の観察や加工を高精度に実施できる。これにより、位置補正マークを自動認識して位置関係を補正する観察や加工も可能となる。また、ＦＩＢ−ＳＥＭなどの異種の荷電粒子ビーム光学系を組み合わせた装置においても、ＳＥＭ像をもとにＦＩＢ加工位置を決めたり、ＦＩＢ加工面をＳＥＭ観察したりすることが可能となる。

試料表面の歪みの無い像を取得する工程。 荷電粒子線装置の概略図。 試料ステージ上の複数試料を固定した状態を示す図。 試料断面像を自動的に取得する工程を示す図。 試料断面像を自動的に取得する工程を示す図。 解析試料から微小試料を摘出するための集束イオンビーム加工パターンの概略図。 分離加工時の集束イオンビームによる走査像。 偏向の回転を解除して上下方向の走査ピッチを縮めて得られた集束イオンビームによる走査像。 回転処理により図８の像を回転させた画像。 試料ステージ近傍の概略断面図。 金属針先端のカーボンナノチューブのＳＥＭ像。 集束イオンビーム走査領域の隅に配置した位置合わせ用加工パターン。 集束イオンビームによる加工穴を観察したＳＥＭ像。 ＳＥＭ像をＦＩＢ加工パターンに重畳する工程を示した説明図。 倍率を上げて位置合わせ用加工パターンを観察したＳＥＭ像。 ＳＥＭ像を重畳してＦＩＢによるカーボンナノチューブの切断加工パターンを配置した装置画面。 切断加工後の金属針先端におけるカーボンナノチューブのＳＥＭ像。

実施例では、荷電粒子ビームの偏向パターンを平行四辺形とし、荷電粒子ビームの偏向方向と傾斜軸が平行でない傾斜試料の立体的な形状観察や加工を行っている。これについて、図１を用いて説明する。

図１（ａ）は、傾斜していない試料の画像であり、試料の傾斜方向１（試料の傾斜軸と垂直）は、荷電粒子ビーム走査画面の上下方向と一致している。装置操作者は、荷電粒子ビーム走査画面の方向と、観察したい試料上の特定箇所２とのずれを偏向方向の回転により補正する（図１（ｂ））。自動位置補正による観察を行う場合は、試料上の特徴物である位置補正マーク４を画像として登録し、観察範囲５を指定する（図１（ｃ））。

図１（ｄ）は、荷電粒子ビームの偏向パターンを矩形のままとして、試料を傾斜した時の観察像である。このように、観察像は平行四辺形に歪む。歪みの形状は、試料の傾斜角度と、試料表面での偏向回転角度とに依存する。今、傾斜方向が、非傾斜時の表示画像（図１（ａ））の上下方向（Ｙ方向）であるとし、非傾斜時の偏向方向が回転角−Ｒで傾斜方向と垂直になっているとすれば、傾斜角度Ｔの時の形状は下の変換行列に従う。

元の観察物の形状が矩形の場合、この変換により平行四辺形になる。Ｒ＝０の時のみ、

のようにＹ（傾斜方向）のみをcosＴ倍に縮小する変換になる。

従って、矩形の走査範囲を平行四辺形に変形すれば、歪みを補正し、歪みの無い画像を得ることができる。もともとの偏向パターンの各ピクセルに対応するビーム位置を上式により変換すれば、図１（ｆ）のような歪みの無い画像が得られる。この像上でマークを検出すれば、平面上の観察範囲５の内部に当たる変換された形状８を走査して、歪みのない画像（図１（ｈ））を得ることができる。ただし、これは試料表面に対しては正しいが、傾斜や凹凸のある試料では誤差が大きい。

逆に、歪みのある傾斜像が得られた場合は、数式１の逆変換である

に従って画像処理することによっても歪みの無い像とすることができる。数式３はさらに、

のように、回転行列とＹ方向の伸張変換（１／cosＴ＞０）に変換できるため、数式３の画像処理を直接行うことができなくても、回転や伸張の画像処理機能があれば、逐次変換により実施することができる。また、装置に備えられた偏向方向の回転機能を用いれば、回転画像処理を１回で済ませることができ、計算の負荷を低減できる。

試料表面以外の面に関しても、３次元座標を使って同様の変換が容易にできる。非傾斜時に偏向方向を−Ｒ回転して傾斜方向と垂直にした場合の変換は

である。試料断面は非傾斜時のｘｚ平面上にあるため、傾斜時のｘ′ｙ′平面上の座標は、この変換式に従って計算でき、非傾斜時には見えない断面上の偏向範囲が与えられる。
ｙｚ平面上、即ち加工穴の側面にあたる箇所の観察も行うことができる。

数式３に相当する逆変換も下式で与えられるため、歪みのある断面像の画像変換も試料表面同様に可能である。

３次元の変換が行列の積になっており、各変換を段階的に計算できることも２次元の場合と全く同様である。３次元の変換式は、傾斜のある平面上でも適用することができる。
例えば、試料断面が垂直に加工できていなくても角度が与えられれば、画像の補正は可能である。また、凹凸のある試料の場合は、平面と見なせる部分に分けることにより、この手法を適用することができる。

実施例では、荷電粒子ビームを偏向走査する偏向器と、傾斜可能な試料ステージと、荷電粒子ビームの照射により発生する二次粒子を検出して像を表示する表示装置と、荷電粒子ビームの偏向パターンを制御する演算手段とを備え、荷電粒子ビームの偏向パターンを矩形から平方四辺形に変形できる荷電粒子ビーム装置を開示する。

また、実施例では、第１の観察方向から荷電粒子ビームを走査して取得した位置補正マークの第１の画像を演算手段に登録し、第２の観察方向から荷電粒子ビームを走査して取得した位置補正マークの第２の画像を前記演算手段に登録し、第２の画像に対して、第１の観察方向と第２の観察方向の成す面の垂線と、荷電粒子ビームの偏向走査方向とがなす角度の回転変換よりなる第１の画像処理と、第１の観察方向と第２の観察方向の成す角度の余弦の逆数倍の縦方向の伸張変換よりなる第２の画像処理と、第１の画像処理と逆方向の回転変換よりなる第３の画像処理と、逐次実施して得られた画像と、第１の画像と、を演算手段が照合する荷電粒子ビーム装置における位置補正処理方法を開示する。

また、実施例では、荷電粒子ビームの走査方向が、平行四辺形の辺に平行であることを開示する。また、実施例では、荷電粒子ビームの観察方向に対する試料ステージの偏向回転角度と、試料ステージの傾斜角度と、に応じて平行四辺形の形状を変更することを開示する。

また、実施例では、荷電粒子ビームの第１の観察方向と、荷電粒子ビームの第２の観察方向と、の成す角度と、第１の観察方向と、第２の観察方向と、の成す面の垂線と、荷電粒子ビームの偏向走査方向がなす角度と、に応じて、第１の観察方向からの観察する場合の荷電粒子ビームの偏向パターンを変換して、第２の観察方向から観察する場合の荷電粒子ビームの偏向パターンとすることを開示する。

また、実施例では、第１の観察方向から荷電粒子ビームを矩形走査して取得した位置補正マークの画像を制御手段に登録し、第２の観察方向からの荷電粒子ビームを平行四辺形走査して取得した画像から制御手段が位置補正マークを検出することを開示する。

また、実施例では、第１の観察方向から荷電粒子ビームを矩形走査して取得した位置補正マークの画像と、第２の観察方向からの荷電粒子ビームを平行四辺形走査して取得した画像と、を表示手段に重畳表示することを開示する。

また、実施例では、荷電粒子ビームがイオンビームであることを開示する。

また、実施例では、荷電粒子ビームが電子ビームであることを開示する。

また、実施例では、荷電粒子ビーム装置が、イオンビームを照射するイオンビームカラムと、電子ビームを照射する電子ビームカラムと、を備えることを開示する。

また、実施例では、荷電粒子ビーム装置が、試料ステージに載置された試料から微小試料を摘出するための加工パターンを登録できることを開示する。

以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について、図面を参酌して説明する。尚、各実施例は適宜組み合わせることが可能であり、本明細書は当該組み合わせ形態も開示している。

本実施例は、集束イオンビームによる断面加工や観察を自動で行う例である。

図２は、本実施例における荷電粒子ビーム装置の概略図であり、装置の一部内部を透視して描画したものである。

荷電粒子線装置１００は、試料やプローブを観察し加工するイオンビームを発生する集束イオンビームカラム１０１，試料やプローブの表面形状を観察するための電子ビームを発生する電子ビームカラム１０２，真空試料室１０３，試料を載置する試料ステージ１０４，プローブ１０５を真空試料室１０３内で微動させるプローブ駆動部１０６，検出器１０８，デポガス源１１５，ディスプレイ１０９、及び計算処理部１１０を備える。

集束イオンビームカラム１０１は、イオン源（図示せず）で発生したイオンをビーム状にして試料１１１やプローブ１０５に照射することにより、試料１１１やプローブ１０５の表面を観察したり、加工したりすることができる。また、電子ビームカラム１０２は、電子源（図示せず）で発生した電子をビーム状にして試料１１１やプローブ１０５に照射することにより、試料１１１やプローブ１０５の表面を観察することができる。電子ビームカラム１０２からの電子ビームの照射位置を、集束イオンビームカラム１０１からのイオンビームの照射位置とほぼ同じとなるように両カラムを配置することにより、イオンビームによる加工部を電子ビームにより観察することができる。図１では、集束イオンビームカラム１０１が垂直方向に配置され、電子ビームカラム１０２は水平面に対して傾斜した方向に配置されている。しかし、この配置に限られず、例えば、電子ビームカラム１０２を垂直方向に配置し、集束イオンビームカラム１０１を水平面に対して傾斜した方向に配置してもよい。

試料ステージ１０４は、試料１１１を載置することが可能であり、イオンビームの加工や観察に必要な箇所をイオンビーム照射位置に移動させたり、電子ビームによる観察位置に移動させたりできる。尚、試料１１１としては、半導体試料の他、鉄鋼，軽金属、及びポリマー系高分子等も想定される。

プローブ１０５は、プローブ駆動部１０６によって真空試料室１０３内を移動でき、試料に形成された微小な試料片を摘出したり、試料表面に接触させて試料へ電位を供給したりすることに利用する。デポガス源１１５は、荷電粒子ビームの照射により堆積膜を形成するデポガスを貯蔵し、必要に応じてノズル先端１１２から供給することができる。

検出器１０８は、イオンビームや電子ビームの照射によって試料やプローブなどの照射部から発生する二次電子や二次イオン，後方散乱電子やＸ線，反射電子などの検出器である。これらの検出信号を計算処理部１１０によって演算処理して画像化し、ディスプレイ１０９に、二次電子像，二次イオン像、及び特性Ｘ線による元素マップなどを表示する。また、透過電子を二次電子に変換して検出器１０８により検出したり、図示していない検出器を使用して透過電子も検出したりしてもよい。また、計算処理部１１０は、イオンビーム制御手段１２１，電子ビーム制御手段１２２，検出器制御手段１２３，ステージ制御手段１２４，デポガス源制御手段１２５、及びプローブ制御手段１２６を介して、集束イオンビームカラム１０１，電子ビームカラム１０２，検出器１０８，試料ステージ１０４，デポガス源１１５、及びプローブ駆動部１０６をそれぞれ制御することができる。

本実施例では、４個の解析試料それぞれについて、１点ずつの断面加工観察を行う場合を説明する。

図３は、４個の解析試料９を試料ステージ上に固定した状態を示す。各解析試料は導電性テープで固定されており、１〜５°の相対的な角度ずれがある。集束イオンビーム光学系の初期偏向方向が試料ステージの傾斜方向と垂直となるよう電気的に調整し、その誤差は０.１°以内となっている。

図４（ａ）に、第１の解析試料の断面観察点での画像を示す。解析試料は半導体デバイスであり、配線パターン上に２箇所のコンタクトホール１１が存在する。この２箇所のコンタクトホール１１の中心を含む面でＦＩＢ加工を行い、破線１０に示す断面を作成することとする。

試料表面を観察しながら偏向方向を約５°回転させ、断面を作製する部分（破線１０）を像に対して水平に合わせる（図４（ｂ））。尚、従来装置と同様に、試料ステージの回転により調整してもよいが、この場合、回転軸と光学軸のずれにより、数ミクロンの誤差が発生したり、自動加工による試料間のステージ移動により、登録座標の再現誤差が生じる可能性がある。

次に、操作画面上で、断面の仕上げ加工パターン１２，断面の窓明け加工パターン１３、及び断面観察パターン１４を配置する（図４（ｃ））。

断面の窓上け加工パターン１３は、高速に加工するため大電流の加工ビームによる窓明け加工に利用するものである。断面の仕上げ加工パターン１２は、断面を垂直に近い角度まで仕上げるための仕上げ加工用パターンである。ここで、各パターンは矩形であり、荷電粒子ビームの偏向方向は辺に平行になるため、代表点と、そこから伸びる２つのベクトルでパターンを指定できるようになっており、簡便にパターンを設定することができる。
尚、一般的な多角形のパターンを設定する場合は、各頂点の座標と偏向方向を指定する。

断面観察パターン１４は、断面加工観察範囲を指定するパターンであり、試料を傾斜させた後にビームを照射する領域を示す。本装置において、断面観察パターン１４は、試料を垂直加工するための加工パターン１３の端を基点として配置するようになっている。

また、ＧＵＩ上において、断面上のパターンであることを入力する。そして、観察時の傾斜角度（本実施例では４５°）を入力することにより、観察用の分解能が得られるビームを本装置は自動的に選択する。また、加工時の傾斜角度を入力すると、加工用のビームを本装置は自動的に選択する。また、本装置では、傾斜時の像の明るさが変わることを考慮して、自動的に像のコントラストやブライトネスを調整するオプションを指定できるようになっている。ステージ傾斜時の像逃げが無い様、ユーセントリシティーはあらかじめ調製されているが、必要に応じて、オートフォーカスも指定可能である。

尚、本装置では、断面観察パターン１４は、試料を傾斜させていない状態で設定するが、断面形成後、試料を傾斜させて荒観察し、その後設定してもよい。また、本装置では、試料を傾斜させていない状態において、破線１０を一辺とする矩形の断面観察パターンを設定することにより、試料を傾斜させた後、断面上端から（試料表面から）断面観察できる。しかし、破線１０と断面観察パターン１４の距離を変更することにより、断面観察の位置を変更できる。つまり、例えば、図４（ｃ）に描画された断面観察パターンより下方に断面観察パターンを形成することにより、最表面を含まない、試料下層の断面を観察することができる。

更に、上述の加工や観察パターンに加え、位置補正を行うための位置補正マーク４の加工を行い、画像を登録する。以上により、第１点目の自動断面観察の登録が終了する。

２点目から４点目でも１点目と同様に、偏向方向を調整し、加工や観察のパターンを設定し、位置補正マークを作成し、登録する。全４点の登録終了後、自動加工観察を開始する。

本装置は、まず、第１点目の登録座標に移動し、位置補正マーク４を検出する。その後、窓明け加工と断面の仕上げ加工を順次行い、試料ステージを傾斜させる（図４（ｄ））。

そして、集束イオンビームの偏向パターンを数式５に基づいて平行四辺形状に変え、集束イオンビームを走査する。この走査により、歪みの無い像（図４（ｅ））が得られる。

この歪みの無い像から、再度、位置補正マーク４を自動認識する。これと、登録されている断面観察パターン１４に従って、集束イオンビームの偏向パターンを演算処理装置が算出する。これにより、平行四辺形状の断面内部において、辺に平行となるように集束イオンビームが走査される（図４（ｆ））。この結果、歪みの無い断面像（図４（ｇ））が取得できる。

第２点から第４点においても、本装置は、第１点と同様の加工、及び観察動作を行い、実際の試料角度のバラツキによらず、複数試料の断面加工や観察を高精度に行う。

本実施例によれば、試料に対する第１の観察方向に対してビームの偏向方向を合わせれば、荷電粒子ビームの偏向パターンを前述の式（（数式１），（数式５））に従って変換することにより、第２の観察方向の時に発生する歪みを補正することができる。また、偏向パターンの変形により、歪みの無い正しい画像が得られる。更に、傾斜した位置補正マークも高精度に自動認識でき、位置関係を補正する観察や加工が可能となる。尚、本実施例では、偏向パターンの変形を用い、補間計算には誤差が含まれる画像処理を用いていないため、マーク像の認識率が高い。

本実施例は、観察像ではなく登録マーク画像を処理し、傾斜像から位置補正マークを自動認識させる例である。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、実施例１と同様に、偏向方向を回転させて、断面加工パターン１３，仕上げ加工パターン１２、及び断面観察パターン１４を配置し、位置補正マーク４の加工を行った後、マーク画像を登録する。そして、本装置は、断面の窓明け加工、及び断面の仕上げ加工を自動実施する。

その後、試料の傾斜像を取り込む前に、制御ＰＣ内部にて、数式５で示したのと同じ変換をマーク画像に対して行う。本装置の制御ＰＣでは、専用の変換ソフトウェアを持たないため、マーク画像の回転（図５（ｄ）），圧縮（図５（ｅ）），回転（図５（ｆ））の画像処理で代用する。この際、平面において定義した断面観察パターン１４の位置補正マーク４に対する相対位置ベクトル２０に対しても同じ変換を施し、歪み像上での位置補正マークに対する相対位置を計算する。図５では、代表する頂点に対する相対位置ベクトル２０のみを図示しているが、実際には、この頂点から２辺の方向へのベクトルも変換されている。傾斜画像（図５（ｇ））から、画像処理を行ったマーク像を、通常の平面と同様のアルゴリズムで検出する。そして、変換された相対位置ベクトルを基に、断面観察パターン１４を配置し、集束イオンビームを偏向して断面観察を行う。

本実施例では、画像処理が必要となるものの、位置補正マーク近傍の画像データ、及び加工パターンの位置データのみを扱えば十分であるため、装置負荷が少なくて済むという利点がある。

本実施例は、複数の解析試料を傾斜させて集束イオンビーム加工し、それぞれの解析試料から微小試料を摘出する例である。以下、実施例１及び２との相違点を中心に説明する。

本実施例では、実施例２と同様に、複数の相対的な角度ずれがある解析試料に対して、偏向方向を回転させた像で加工パターン、及び試料摘出工程において位置補正するために用いる十字形状の位置補正マーク像を登録する。図６は、解析試料から微小試料を摘出するための集束イオンビームの加工パターンを示す。微小試料摘出用の加工パターンは、複数の加工パターンを組み合わせ構成されている。前後２個の矩形パターン２３，２４により摘出部分を挟み、壁状に加工する。分離加工パターン２２は、試料を傾斜させた状態での集束イオンビーム加工に用いられ、壁状に加工された摘出部の底を基板から切り離し、プローブによる摘出を容易にするためのものである。分離加工パターン２２は、図６では扁平な矩形にしているが、壁の両端の分離を短時間で行うために逆Ｕ字型を使ってもよい。加工パターンの位置は、前述の断面観察パターンと同様に、断面上の位置で定義されている。

本装置では、偏向パターンを平行四辺形状に変形させる機能が無いため、実施例１のように傾斜状態の試料から歪みのない画像を直接取得することはできない。しかし、偏向パターンの回転機能，上下方向の走査ピッチの変更機能、及び画像処理を併用すると、分離加工時の傾斜した位置補正マークの自動認識を行える。

図７は、試料傾斜後の画像であるが、ここからは位置補正マーク２１は認識できない。
しかし、マーク像登録時の偏向方向の回転をキャンセルし、像の上下方向と試料の傾斜方向を合わせた状態で、縦方向の画像取り込みの縦方向走査ピッチを傾斜角度Ｔの余弦cosＴ倍（ここでは傾斜角度は４５°のため、０.７０７倍）にして取り込みを行うことにより、傾斜方向に伸張された画像（図８）が得られる。取り込んだ画像に対し、引き続き画像処理により、偏向時の回転と同方向に回転させる。これにより、図９に示すように、歪みが無く、方向と倍率が同じ像が得られ、登録されている位置補正マーク２１の自動認識ができる。分離加工パターンは、図６では便宜上、平面像上で登録されているが、実際には断面上で定義されているため、位置補正マークに対する代表点への相対位置ベクトルと、代表点から各頂点へのベクトルとを数式５に従って変換する。この結果、回転処理により図８の画像を回転させた画像（図９）では、２７に示すような平行四辺形状となる。本装置においては、実際の集束イオンビームの偏向制御は逆回転変換を行い、図８の状態で行う。この場合、加工時のビーム偏向は平行四辺形の辺に平行にはならないが、試料の分離目的で行う加工は仕上がり形状を問わないため、特に問題とはならない。

本実施例のように、偏向パターンの変形が完全にできない装置においても画像処理と併用することにより、登録マーク位置を自動認識できる。ただし、画像処理による回転処理は、図９の２６で示したように、画像端部にブランクを生じてしまうため、位置補正マークが画像の端に近い位置に来た場合には検出できなくなる可能性がある。この場合、加工パターンの定義像の倍率を下げ、より広範囲の画像を取り込むようにすれば、検出することが可能となる。

本実施例は、ＳＥＭ像をもとにＦＩＢ加工位置を決めたり、ＦＩＢ加工面をＳＥＭ観察したりする例である。以下、実施例１〜３との相違点を中心に説明する。

図１０に試料ステージ近傍の概略断面図であり、集束イオンビームカラム，電子ビームカラム、及び試料ステージの配置関係を示す。本装置では、直立した集束イオンビームカラム２８と、６０°傾斜した電子ビームカラム２９とが、試料室に固定されている。集束イオンビームカラムから見た試料像と電子ビームカラムから見た試料像の間には角度差があるため、それぞれの偏向方向が平行になっていない限り、ＳＩＭ像とＳＥＭ像は、単純な圧縮や伸張の関係ではなく、歪みが生じる。本実施例では、ＳＥＭ像による観察により位置補正マークを検出し、集束イオンビーム加工を行う工程を示す。

本実施例における試料は、図１１に示したように、集束イオンビームの照射により破損してしまうカーボンナノチューブが、金属針３１の先端に固定されたものであり、不要なカーボンナノチューブ３３を集束イオンビームで切断する必要がある。

加工位置を決めるための試料のＳＩＭ像を直接取得することはできないため、ＳＥＭ像に基づいて集束イオンビーム加工パターンを配置しなければならない。集束イオンビーム、及び電子ビームの両光学軸の交点近傍に試料が存在し、両光学系の視野が重なっていることは、ＳＥＭ像に基づいた機械的な位置調整により保証できる。しかし、試料の加工精度は１０ｎｍレベルを要求されるため、図１１のＳＥＭ像を単純に両光学系の観察角度の差で変換するだけでは、十分な加工精度を得ることはできない。

本実施例では、まず、図１２に示すように、倍率５０００倍での集束イオンビームの走査範囲の端に、４点の位置補正パターン３４を配置し、集束イオンビーム加工する。この加工パターンを３０００倍のＳＥＭ像（図１２）で検出することにより、それぞれの像の位置較正を行う。図１３のＳＥＭ像では、集束イオンビーム走査範囲で正方形を成す４点が平行四辺形に歪んでおり、ＳＥＭ像とＦＩＢ像の偏向方向が平行ではないことが分かる。この歪みを修正し、合同の正方形になるように偏向パターンを修正する。しかし、試料高さのずれにより、ＳＥＭ像とＦＩＢ像の間には並行移動分のずれ（Ｘｏ，Ｙｏ）がある。また、倍率の較正誤差ｍがあり、さらに、偏向方向の誤差が有る。このため、ＳＥＭ像上、及びＦＩＢ像上４点のピクセル座標から、この４変数を最小二乗近似により求める。
ここで、カラム間の角度Ｔは設計値通りで正しいと仮定している。図１４は、こうして求めたパラメータ値から図１３のＳＥＭ像を集束イオンビームの偏向画面に重畳したものである。

この倍率は、加工パターンを配置するには不十分であるため、集束イオンビームの偏向画面をさらにズームして新たに指定する高倍率なＦＩＢ加工定義範囲として、３００００倍の偏向範囲３７でもう一度位置補正パターン３８を配置し、集束イオンビーム加工する。図１５は、図１４における偏向範囲３７のＳＥＭ像であり、４０は、位置補正パターン３８により形成された加工穴である。図１６は、このＳＥＭ像を、新たに指定された高倍率の集束イオンビームの偏向範囲３７に重畳して得たものである。十分な倍率が得られたため、ここで、加工パターン４１を配置する。図１６に、加工後のＳＥＭ像を示す。

本実施例によれば、相対的な角度がＴだけ異なる複数本のビーム光学系を備えた装置において、ひとつの荷電粒子ビーム光学系の偏向方向を、２本の光学系軸の張る平面に垂直に調整すれば、偏向方向がＲだけ回転した他の光学系からの観察像との間に変換関係が成り立つ。ＦＩＢ−ＳＥＭなどの異種の荷電粒子ビーム光学系を組み合わせた装置において、ＳＥＭ像をもとにＦＩＢ加工位置を決めたり、ＦＩＢ加工面をＳＥＭ観察したりすることが可能となる。

尚、本実施例では、集束イオンビームカラムを垂直配置し、電子ビームカラムを傾斜配置しているが、これに限られず、集束イオンビームカラムを傾斜配置し、電子ビームカラムを垂直配置してもよい。また、集束イオンビームカラムと電子ビームカラムの双方を傾斜配置してもよい。更に、Ｇａ集束イオンビームカラム，Ａｒ集束イオンビームカラム、及び電子ビームカラムを備えた、トリプルカラム構成としてもよい。

本発明により、荷電粒子ビーム装置の自動観察や自動加工が可能となり、観察や加工の作業効率や歩留まりの向上に寄与できる。

１ 傾斜方向
２ 特定箇所
３ 走査の方向を示すための線
４ 位置補正マーク
５ 観察範囲
６ 走査方向を示す矢印
７ 変換された画像取得範囲
８ 観察範囲５が変換された形状
９ 解析試料
１０ 観察したい断面を表す破線
１１ 配線のコンタクトホール
１２，１３ 加工パターン
１４ 断面観察パターン
１５ 観察する断面
１６ 走査パターンを変換して得られるＦＩＢ走査像
１７ 傾斜像上の断面観察範囲１４
１８ 試料の表面部分
１９ コンタクトホール部の断面
２０ 相対位置ベクトル
２１ 位置補正マーク
２２ 摘出試料の底部を分離するための分離加工パターン
２３ 摘出試料を壁状に加工するための矩形パターン
２４ 壁状の摘出試料を薄くするための矩形パターン
２５ 摘出試料部
２６ 位置補正マークの自動認識に基づき配置された分離用加工パターン
２７ 画像回転処理により生じた画像のブランク部
２８，１０１ 集束イオンビームカラム
２９，１０２ 電子ビームカラム
３０ ＦＩＢ−ＳＥＭ装置の試料ステージ
３１ カーボンナノチューブを支持する金属針
３２ 針と方向が一致しているカーボンナノチューブ
３３ 針と方向が合わないカーボンナノチューブ
３４ ＦＩＢ加工編集画面上の位置合わせパターン
３５ 位置合わせパターンの位置関係を指定する補助パターン
３６ ＳＥＭ画像上で観察されたＦＩＢ加工穴
３７ 偏光範囲
３８ 位置補正パターン
３９ ＦＩＢ加工穴と加工パターンの位置を合わせるために変形したＳＥＭ像の外周
４０ 高倍率ＳＥＭ像で観察したＦＩＢ加工穴
４１ 高倍率のＳＥＭ像を編集画面に重畳して配置したカーボンナノチューブの切断加工パターン
４２ 切断加工されたカーボンナノチューブ
１００ 荷電粒子線装置
１０３ 真空試料室
１０４ 試料ステージ
１０５ プローブ
１０６ プローブ駆動部
１０８ 検出器
１０９ ディスプレイ
１１０ 計算処理部
１１１ 試料
１１２ ノズル先端
１１５ デポガス源
１２１ イオンビーム制御手段
１２２ 電子ビーム制御手段
１２３ 検出器制御手段
１２４ ステージ制御手段
１２５ デポガス源制御手段
１２６ プローブ制御手段

Claims (11)

1. 荷電粒子ビームを偏向走査する偏向器と、傾斜可能な試料ステージと、荷電粒子ビームの照射により発生する二次粒子を検出して像を表示する表示装置と、荷電粒子ビームの偏向パターンを制御する演算手段とを備える荷電粒子ビーム装置において、
   荷電粒子ビームの偏向パターンを矩形から平方四辺形に変形できることを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   荷電粒子ビームの走査方向は、平行四辺形の辺に平行であることを特徴とする装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   荷電粒子ビームの観察方向に対する試料ステージの偏向回転角度と、試料ステージの傾斜角度と、に応じて平行四辺形の形状を変更することを特徴とする装置。
4. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   荷電粒子ビームの第１の観察方向と、荷電粒子ビームの第２の観察方向と、の成す角度と、
   前記第１の観察方向と、前記第２の観察方向と、の成す面の垂線と、荷電粒子ビームの偏向走査方向がなす角度と、に応じて、
   前記第１の観察方向からの観察する場合の荷電粒子ビームの偏向パターンを変換して、前記第２の観察方向から観察する場合の荷電粒子ビームの偏向パターンとすることを特徴とする装置。
5. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   第１の観察方向から荷電粒子ビームを矩形走査して取得した位置補正マークの画像を制御手段に登録し、第２の観察方向からの荷電粒子ビームを平行四辺形走査して取得した画像から前記制御手段が前記位置補正マークを検出することを特徴とする装置。
6. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   第１の観察方向から荷電粒子ビームを矩形走査して取得した位置補正マークの画像と、第２の観察方向からの荷電粒子ビームを平行四辺形走査して取得した画像と、を前記表示手段に重畳表示することを特徴とする装置。
7. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記荷電粒子ビームがイオンビームであることを特徴とする装置。
8. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記荷電粒子ビームが電子ビームであることを特徴とする装置。
9. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   イオンビームを照射するイオンビームカラムと、電子ビームを照射する電子ビームカラムを備えることを特徴とする装置。
10. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
    試料ステージに載置された試料から微小試料を摘出するための加工パターンを登録できることを特徴とする装置。
11. 荷電粒子ビーム装置における位置補正処理方法であって、
    第１の観察方向から荷電粒子ビームを走査して取得した位置補正マークの第１の画像を演算手段に登録し、
    第２の観察方向から荷電粒子ビームを走査して取得した位置補正マークの第２の画像を前記演算手段に登録し、
    前記第２の画像に対して、前記第１の観察方向と前記第２の観察方向の成す面の垂線と、荷電粒子ビームの偏向走査方向とがなす角度の回転変換よりなる第１の画像処理と、前記第１の観察方向と前記第２の観察方向の成す角度の余弦の逆数倍の縦方向の伸張変換よりなる第２の画像処理と、前記第１の画像処理と逆方向の回転変換よりなる第３の画像処理と、逐次実施して得られた画像と、第１の画像と、を演算手段が照合することを特徴とする方法。

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