JP2012174531A - プローブ装置及びそれを用いた荷電粒子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は加工・観察において試料台傾斜時に煩雑な操作をすることなく、帯電防止が可能でかつ試料表面の汚染・損傷が低減可能な方法と、この帯電防止方法とマイクロサンプリングを同一プローブで実施可能にする方法と、これらの機能を備えた荷電粒子線照射装置を提供するためのものである。
【解決手段】先端位置制御機構を導入し、試料台傾斜時にはプローブ先端位置に自由度を持たせることでプローブが折れる、若しくは曲がることなく帯電防止を可能とし、かつ先端位置を固定することで同一プローブによるマイクロサンプリングを可能にする。
【選択図】図２

Description

この発明は、集束イオンビーム装置または電子顕微鏡装置等のプローブ装置及びそれを用いた荷電粒子線照射装置であって、特に帯電現象を防止するための除帯電機構を備えたプローブ装置（以下、単にプローブと記載する場合もある）及びそれを用いた荷電粒子線照射装置に関するものである。

集束イオンビーム（以下、ＦＩＢと記載する場合がある）装置または電子顕微鏡装置等を用いた加工及び観察は、物質の形状及び構造の確認のために必要不可欠な技術である。絶縁性もしくは半絶縁性の物質を試料として用いる場合には、荷電粒子線を照射することによって試料表面に電荷が蓄積される帯電現象により、試料表面の電位が変化するため、照射される一次荷電粒子や試料から発せられる二次荷電粒子の軌道が変わる。これにより加工位置精度の低下、二次電子像質の著しい劣化、及び、異常なコントラストの発現などが引き起こされ問題となる。

この帯電現象を防止または解消するために、従来からいくつかの方法が提案されている。帯電した試料表面に適当な荷電粒子線を照射することで帯電を打ち消す方法、または、帯電を防止したい領域に導電性の針状プローブを接触させ、当該領域の電荷を逃がす方法等がある（例えば、特許文献１参照）。

一方、ＦＩＢによる三次元微細加工技術とマイクロマニピュレーション技術を用いた集積回路チップや半導体ウェハーの任意の箇所を分離する手法が存在する。これは透過型電子顕微鏡等の試料作製手段として必要不可欠な技術である。この場合、分析対象部を含む試料の一部を分離する工程中に、外部から別個に導入したプローブに分離試料を機械的に接続する。分離した試料はプローブで支持され、搬送される（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−３１３２７４号公報 特開平５−０５２７２１号公報

上記荷電粒子線を照射して帯電を打ち消す方法では、一次荷電粒子の加速電圧、照射電流量、試料の材質、または、その設置方法によって帯電の度合いが異なるため、過不足なく試料の帯電を打ち消す荷電粒子線の照射条件を見出すことは非常に困難である。

また、上記特許文献１に係る帯電防止方法では、観察毎に最適な荷電粒子照射条件を設定する必要がないため帯電防止を容易に行うことが可能である。しかしながら、一般にＦＩＢ加工では、作製した断面を観察する際はＦＩＢ装置内で加工断面の法線とイオンビームの入射軸が鋭角となるように試料台を傾斜(回転)させる必要がある。一方、針状プローブは金属または半導体から構成されているため、プローブを試料表面に接触させたまま試料台を傾斜させると、その先端が試料台の回転軸中心からずれている場合には試料台回転中にプローブが折れたり、曲がったりする可能性がある。上記特許文献１では、この試料台を傾斜させる前にプローブをいったん試料表面から離し、試料台傾斜後に再び試料表面に接触させることでプローブが折れたり、曲がったりすることを防止している。

微小領域での試料摘出方法として、上記特許文献２に記載のマイクロサンプリング法がよく知られている。このマイクロサンプリング法による試料摘出には針状のプローブが用いられる。帯電防止と共にマイクロサンプリング法による試料摘出を行う場合がある。

しかしながら、このように帯電防止を行うと共に、微小な断面加工を繰り返して、その都度断面観察を実施したい場合には、試料台の傾斜毎にプローブの離脱と接触を繰り返さなければならず、操作が煩雑となると共に時間もかかる。
さらにプローブの接触または離脱の操作毎に試料表面とプローブとの位置確認のため、試料表面の二次荷電粒子像を観察する必要がある。これにより試料表面にはイオンビーム照射による試料汚染や損傷の増大を招き、試料最表面の状態を観察したい場合には致命的な問題となる。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、帯電防止を行うと共に、微小な断面加工を繰り返して、その都度断面観察する場合において、試料台傾斜時に煩雑な操作をすることなく、マイクロサンプリング法による試料摘出に前記帯電防止法を用いたプローブ装置を使用する方法と、この機能を備えた荷電粒子線照射装置を提供するためのものである。

この発明に係るプローブ装置は、マニピュレータと、前記マニピュレータに接続された筒状の軸受けと、前記軸受けに結合された中央部と、前記中央部に結合された先端部とを有するプローブ装置であって、前記先端部が前記中央部に対し、非固定状態となりうることを特徴とするものである。

本発明によれば、荷電粒子線照射装置において、プローブを用いた除電及び微小資料の抽出を同一装置内で行う場合に、プローブの先端位置が自由に動かせるため、試料台の回転時または加工時に、プローブが折れたり曲がったりすることなく帯電防止が可能である。
また、プローブを試料表面に接触させたままの状態で試料台の回転が可能であるため、プローブの離脱及び接触を繰り返す必要がなく、煩雑な作業及びその作業時間を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係るＦＩＢ装置の試料室内を示す概略図である。 この発明の実施の形態１に係るプローブ装置を示す概略図である。 この発明の実施の形態１に係る第一可動部の構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る第二可動部の構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る第二可動部のはめ込み構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る試料台を傾斜させない状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る試料台を傾斜させた状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る試料から微小試料を摘出する場合を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係るプローブ装置を示す概略図である。

実施の形態１．
次に、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似する部分には、同一又は類似の符号を用いている。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌した上で判断すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が実際の場合と異なる場合もありうる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るＦＩＢ装置の試料室内を示す概略図である。図を用いてＦＩＢ装置の試料室内の機能について説明する。ここで試料室内は真空である。図において、ＦＩＢ光学系１は集束イオンビームの発生とその制御を行う。試料台２は試料の加工位置をＦＩＢ光学系１の直下に移動させるためにＸＹＺ軸方向に可動する。
また、試料台２はＦＩＢ加工後の断面観察やマイクロサンプリングによる試料摘出を実施するために、イオンビームの照射方向に対して傾斜させ角度を持たせることができる。試料３の表面は、半導体ウェハー、集積回路等の加工及び観察対象の面であり帯電防止の対象でもある。
また、試料３の表面はＦＩＢ光学系１により照射された荷電粒子４が試料表面に蓄積され正に帯電する。

電粒子ガス銃５はフェナントレン等の炭素源を供給するためのものであり、イオンビームアシストによる炭素デポジション膜の形成に関わる。プローブ６を用いて帯電防止またはマイクロサンプリングを実施する。プローブ６は導電性材料からなり、グランド（アース）７に接地されているため、試料表面に接触させることで電子８を供給し、帯電した電荷を中和することができる。プローブ６はその全体位置をマニピュレータ（図示は省略）で操作可能であり、また、プローブ６の先端位置を固定することも、動作可能とし自由度を持たせることもできる。試料台２及びプローブ６等の操作は、試料室外からコンピュータ等により制御する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るプローブの先端の機能を示す概略図である。図において、プローブ６は全体位置を操作するマニピュレータに接続された筒状の軸受け２０１と、軸受け２０１に結合され、軸回りに回転可能な軸つきの中央部２０３と、軸受け２０１と中央部２０３とを回転可能に結合する第一可動部２０２と、中央部２０３に設けられ先端部２０５を試料台２に平行な面内で動作可能な第二可動部２０４を有する。

図３は第一可動部２０２の構造を示す断面図である。図はプローブ６の径方向の断面を示す。軸受け２０１には圧電素子２０６が設けられている。ここでは、十字方向に４箇所（２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、及び、２０６ｄ）設けられているが、特に４箇所に限ったものではない。２箇所であっても、６箇所であっても、または、８箇所であってもよく。それ以上であっても構わない。
圧電素子２０６は所定電圧を印加することで膨張または収縮を制御可能な性質を有するもので、例えば、圧電セラミックスの応用製品である圧電アクチュエータなどを用いることができる（ＦＤＫ株式会社 技術資料 圧電セラミックス（ＢＺ−ＴＥＪ００１−０２１１）１７貢参照）。

図３（ａ）は、第一可動部２０２が回転可能な状態を示す断面図である。圧電素子２０６に電圧を印加するかまたは印加しないかにより収縮させることで第一可動部２０２は自由度を持ち、回転軸２０７の周りで回転することができる。図において、圧電素子２０６と回転軸２０７との間は図示の関係上相当な距離を有しているが、実際には圧電素子２０６と回転軸２０７の摩擦力が回転力に対し小さくなりさえすれば回転することができるため、かすかに離れる程度でも、または接していてもかまわない。

また、図３（ｂ）は、第一可動部２０２が固定された状態を示す断面図である。圧電素子２０６に電圧を印加するかまたは印加しないかにより膨張させることで第一可動部２０２を固定することができる。

図４は第二可動部２０４の構造を示す断面図である。図はプローブ６の長手方向の断面を示す。図４（ａ）は第二可動部２０４が固定されていない可動状態（非固定状態）を示す断面図である。圧電素子２０９に電圧を印加するかまたは印加しないかにより収縮させることで、圧電素子２０９と先端部２０５との間に隙間ができ、第二可動部２０４は自由度を持ち動作することができる。

図において、圧電素子２０９と先端部２０５との間は図示の関係上相当な距離を有しているが、実際には圧電素子２０９と先端部２０５との間に隙間ができさえすれば動作することができる。なお、隙間が大きくなればなるほど自由度は増すが、かすかに離れる程度でも、先端部２０５の支点２０８の位置等により所定の値に設定することが可能である。
ここでは、圧電素子２０９は断面方向に２箇所（２０９ａ及び２０９ｂ）設けられているが、特に２箇所に限ったものではない。４箇所であっても、６箇所であっても、または、８箇所であってもよく。それ以上であっても構わない。

また、図４（ｂ）は、第二可動部２０４が固定された状態を示す断面図である。圧電素子２０９に電圧を印加するかまたは印加しないかにより膨張させることで第二可動部２０４を圧電素子２０９ａと圧電素子２０９ｂとで両側から押さえつけ固定することができる。
なお、ここでは支点２０８を軸で構成し一平面内での回転運動のみできる構成を示しているが、支点２０８を点で構成することにより一平面内に限らず動作可能なことはいうまでもない。ここで、支点２０８を点で構成する構造としては、一例としては、図５に示すようなはめ込み構造２１０が考えうる。しかし、この構造に限られたものではない。なお、図５はプローブ６の可動状態（非固定状態）を示した図であるが、固定状態については上記図４（ｂ）の支点部分をはめ込み構造２１０とすることで容易に想像可能なためここでは省略する。また、このような構造でプローブ６を固定するためには、図３（ｂ）で示したのと同様に４点で固定することにより、より確実に固定することができる。

図６は、試料台２を傾斜させない状態の試料３とプローブ６との先端部２０５の位置関係を示す模式図である。試料３の表面加工または観察を行う際、試料台２に機械的な微動が発生した場合でも先端部２０５に自由度を持たせておくことで、先端部２０５が試料台２の微動に追随し移動するため、先端部２０５に無理な力がかかり変形することなく試料３の表面の帯電を防止することができる。

図７は、試料台２を図６の状態から傾斜させた場合の試料３とプローブ６との先端部２０５の位置関係を示す模式図である。このとき第一可動部２０２及び第二可動部２０４により、中央部２０３及び先端部２０５に自由度を持たせることで、プローブ６の接触位置が試料台２の傾斜の回転軸中心からずれている場合にプローブ６の先端にかかる力の方向へ添って先端部２０５が移動するため、プローブ６の先端が折れる若しくは曲がってしまうことを防止することができる。そのため試料３を傾斜させるに際して、試料台２を傾斜させる度にプローブ６の先端と試料３の表面とを切り離す必要がなくなるため、試料台２を傾斜させる度毎にプローブ６と試料３とを分離させ、また接着させる回数を大幅に低減することができる。試料３の断面を微小量ずつ加工し、その都度観察を行う場合には作業効率、試料３の表面の損傷の程度に大きな差が現れる。

図８は試料３から、微小試料２１１を摘出する際のプローブ６の状態を示す模式図である。図において、先端部２０５と微小試料２１１は炭素デポジション膜２１２により接着されている。このとき、第一可動部２０２及び第二可動部２０４が固定されることにより、先端部２０５は固定されている。これによりプローブ６の先端が固定され、サブミクロン単位の位置制御精度が要求されるマイクロサンプリングが実施可能となる。

以上から明らかなとおり、本発明に係るプローブ装置は、加工中は先端部の損傷なく試料の表面の帯電を防止する機能を持ち、微小試料を摘出する際には、その機能を有するもので、一連の作業の中で両機能をそれぞれの機能に応じた適切な状態で使い分けることができ、効率よく作業が行えるものである。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、プローブの先端の可動機構を圧電素子により実現していたが、この実施の形態２に示すようにバネを用いても同様の機能が得られる。図９は、この実施の形態に係るプローブの先端部分を示す断面図である。マニピュレータ（図示は省略）で操作可能な支持部３１と、この支持部３１と先端部３３との間に接続されたバネ部３２と、支持部３１に固定され、バネ部３２を覆う中空部３４と、支持部３１に設けられた押さえ部３５から構成されている。（ａ）に示すように、押さえ部３５をマニピュレータからの操作により引っ込めることで、先端部３３はバネ部３２によってのみ支持される状態となり、先端部３３は動作可能となる。一方、（ｂ）に示すように、押さえ部３５をマニピュレータからの操作により突き出すことで、先端部３３の底部３６が中空部３４の止め部３７に押さえつけられ、先端部３３が固定される。

前記押さえ部３５は棒状で支持部３１からせり出す機構を想定しているが、先に述べた圧電素子を用いて構成してもよい。

なお、上記実施の形態に係るプローブ装置及びそれを用いた荷電粒子線照射装置では、コンピュータプログラムにより、可動状態（非固定状態）と固定状態とを装置の稼動状態に合わせて予め設定しておくことで制御可能である。

また、プローブの先端が自由度を持つが固定はできない場合は、プローブの先端と摘出試料とが振動するため、サブミクロン単位での試料位置制御が求められるマイクロサンプリングを実施することは不可能であるが、本発明に係るプローブ装置及びそれを用いた荷電粒子線照射装置では、先端が可動状態と固定状態とで制御可能であるため、マイクロサンプリングを適切に実施することができる。
また、試料表面への一次荷電粒子線照射時間を大幅に短縮することができるため、観察部位やその周囲の汚染や損傷を最小限に留めた帯電防止を実施することができる。

１ ＦＩＢ光学系
２ 試料台
３ 試料
４ 荷電粒子
５ 電粒子ガス銃
６ プローブ
７ グランド（アース）
８ 電子
２０１ 軸受け
２０２ 第一可動部
２０３ 中央部
２０４ 第二可動部
２０５ 先端部
２０６（２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ） 圧電素子
２０７ 回転軸
２０８ 支点
２０９（２０９ａ、２０９ｂ） 圧電素子
２１０ はめ込み構造
２１１ 微小試料
２１２ 炭素デポジション膜
３１ 支持部
３２ バネ部
３３ 先端部
３４ 中空部
３５ 押さえ部
３６ 底部
３７ 止め部

Claims (4)

1. マニピュレータと、前記マニピュレータに接続された筒状の軸受けと、前記軸受けに結合された中央部と、前記中央部に結合された先端部とを有するプローブ装置であって、前記先端部が前記中央部に対し、非固定状態となりうることを特徴とするプローブ装置。
2. 前記軸受けに対し、前記中央部が軸回りに回転可能に結合されたことを特徴とする請求項１記載のプローブ装置。
3. 前記非固定状態への遷移に圧電素子による制御構造を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のプローブ装置。
4. 前記請求項１乃至前記請求項３のいずれか一項に記載したプローブ装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。

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