JP2013175476A - 複合集束イオンビーム装置及びそれを用いた加工観察方法、加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウェハ等の試料を汚染することなく迅速に加工することができ、高分解能の観察や微細な加工が可能な複合集束イオンビーム装置それを用いた加工観察方法、加工方法を提供する。
【解決手段】本発明は、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系１０と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系２０と、を有し、第２のイオンビーム照射系２０から射出される第２のイオンビーム２０Ａのビーム径は、第１のイオンビーム照射系１０から射出される第１のイオンビーム１０Ａのビーム径よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合集束イオンビーム装置及びそれを用いた加工観察方法、加工方法に関する。
本出願は、特願２００７−２０７０９８を基礎出願とし、その内容を取り込むものとする。

従来から、複合集束イオンビーム装置として、液体ガリウムイオン源を有するイオンビーム照射系と、アルゴンガスイオン源を有するイオンビーム照射系とを備えた複合装置が知られている（例えば特許文献１参照）。また、イオンビーム照射系と電子ビーム照射系とを備え、電子ビーム照射系を用いた試料観察を行いつつ、イオンビーム照射系による試料加工を行えるようにした装置が知られている（例えば特許文献２参照）。

特許文献１記載の集束イオンビーム装置によれば、ガリウムイオンビームによる試料加工の後、アルゴンイオンビームによるクリーニングを行うことで、試料に注入されたガリウムイオンを取り除くことができる。一方、特許文献２記載の集束イオンビーム装置によれば、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察用の薄膜試料の加工を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡；電子ビーム照射系）観察によって仕上がり具合を確認しながら実施することができる。
しかしながら、試料の加工にガリウムイオンビームを用いると、試料への金属イオン注入が避けられない。特許文献１記載の集束イオンビーム装置ではガリウムイオンの除去が可能であるが、除去加工に時間がかかる。

特開平６−２６０１２９号公報 特開平４−０７６４３７号公報

解決しようとする課題は、シリコンウェハ等の試料を汚染することなく迅速に加工することができ、高分解能の観察や微細な加工が可能な複合集束イオンビーム装置それを用いた加工観察方法、加工方法を提供する点である。

本発明の複合集束イオンビーム装置は、上記課題を解決するために、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、前記第１のイオンと異なるイオン種であって、前記第１のイオンの質量よりも質量の小さい第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、前記第１のイオンビーム照射系および前記第２のイオンビーム照射系の各々が、試料へ第１のイオンビームおよび第２のイオンビームを照射した際に、試料から発せられる二次電子および二次イオンを検出する二次荷電粒子検出器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の複合集束イオンビーム装置は、前記第２のイオンビーム照射系から試料へ前記第２のイオンビームが照射された際、試料を透過したイオンを検出する透過荷電粒子検出器を備えることを特徴とする。

本発明の加工観察方法は、試料にイオンビームを照射して加工観察する方法であって、
第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、前記第１のイオンと異なるイオン種であって、前記第１のイオンの質量よりも質量の小さい第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射するステップと、前記第１のイオンビーム照射系および前記第２のイオンビーム照射系の各々が、試料へ第１のイオンビームおよび第２のイオンビームを照射した際に、試料から発せられる二次電子および二次イオンを検出して前記試料を観察するステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明の加工観察方法は、前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給しながら前記試料に対して前記第２のイオンビームを照射することで前記試料を加工するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の加工観察方法。

また、本発明の複合集束イオンビーム装置は、上記課題を解決するために、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源（電界電離型ガスイオン源ともいう）を備えた第２のイオンビーム照射系と、を有し、前記第２のイオンビーム照射系から射出される第２のイオンビームのビーム径が、前記第１のイオンビーム照射系から射出される第１のイオンビームのビーム径よりも小さいことを特徴とする。
この構成によれば、２種類のイオンビーム照射系を備えているので、一方のイオンビーム照射系による試料観察を行いつつ、他方のイオンビーム照射系を用いた試料加工を行うことができる。特にガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系は、ビーム径を小さく絞ることができるため高分解能の観察が可能である。
またいずれのイオンビーム照射系もガスイオン源を用いているため、イオンビームの照射によって試料が汚染されることが無い。したがって、半導体装置の製造工程途中の試料を本発明の複合集束イオンビーム装置で加工観察した後にも、試料を工程に戻すことができ、製品を無駄にすることが無くなる。

また本発明の複合集束イオンビーム装置は、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、を有し、前記第２のイオンの質量が前記第１のイオンの質量よりも小さいことを特徴とする。
第１のイオンよりも質量の小さい第２のイオンを用いた第２のイオンビーム照射系を備えていることで、観察時のイオンビーム照射による試料のスパッタを抑えることができる。また質量の大きな第１のイオンビームは、スパッタ効率が高いので加工に好適である。

さらに電子ビーム照射系を備えていることが好ましい。
この構成によれば、電子ビーム照射系を観察装置として用いて試料を観察することができるので、第１のイオンビーム照射系と第２のイオンビーム照射系とを適宜選択しつつ多彩な加工形態で試料を加工するとともに、電子ビーム照射系により加工の仕上がり具合を確認することができる。これにより、効率よく高精度に試料を加工できる複合集束イオンビーム装置となる。

前記第１のイオンビームと前記第２のイオンビームとが鋭角に交差するように前記第１のイオンビーム照射系及び前記第２のイオンビーム照射系が配置されている構成とすることができる。
第１及び第２のイオンビーム照射系をこのように配置することで、試料を観察しつつ加工する用途に好適に用いることができる複合集束イオンビーム装置とすることができる。

前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料を支持する試料台を備え、前記第２のイオンビーム照射系が前記試料台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記第１のイオンビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることが好ましい。高分解能観察に用いる第２のイオンビーム照射系を試料台の鉛直方向にすることで、耐震性を向上させることができる。

試料が数ｍｍの小寸法である場合には、前記第１及び第２のイオンビームが略直交するように前記第１及び第２のイオンビーム照射系が配置されていることが好ましい。
このような構成とすれば、一方のイオンビーム照射系を用いた試料の加工部位に対して、他方のイオンビーム照射系からのイオンビームを垂直に照射できるようになるため、特に加工中の観察を要する用途に好適な構成となる。

前記第１及び第２のイオンビームの両方を加工に用いる場合には、前記第１及び第２のイオンビームが略平行となるように前記第１及び第２のイオンビーム照射系が配置されていることが好ましい。
このような構成とすれば、第１のイオンビームで粗加工後に、ステージ移動して、第２のイオンビームを照射する位置に移動し仕上げ加工することができる。

前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料を支持する試料台を備え、前記試料台が、前記試料に対して前記第１のイオンビームが略鉛直方向に照射される第１の支持位置と、前記試料に対して前記第２のイオンビームが略鉛直方向に照射される第２の支持位置との間を移動自在である構成とすることが好ましい。すなわち具体的には、試料台を水平移動することでイオンビームを切り替えられるようにする。

前記第２の支持位置で支持された前記試料に対して電子ビームを照射する電子ビーム照射系を備えていることが好ましい。
このようにビーム径を小さく絞ることができる第２のイオンビーム照射系側に電子ビーム照射系を配置すれば、両方のビームを同時に照射しながら、あるいはビームを切り替えて、第２のイオンビームによる試料の仕上げ加工等に連続して、電子ビームによる試料の観察を行うことができる。したがって観察したい領域を確実にとらえることができる。
さらに、この構成の装置は、ＴＥＭ観察用薄片試料作製に好適である。ＳＥＭモニター下で加工するので、薄片位置が精密化出来る上に観察ダメージも避けられるからである。

前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記第２のイオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることが好ましい。
かかる構成のガスフィールドイオン源により、小さいビーム径のイオンビームを安定的に形成できる。

前記第２のイオンが、ヘリウムイオンであることが好ましい。
この構成により、試料のスパッタをほとんど生じさせることなく試料像を得ることができる第２のイオンビーム照射系を備えた複合集束イオンビーム装置となる。

前記第１のイオンが、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンから選ばれる１種以上の希ガスイオンであることが好ましい。
この構成により、照射しても試料を汚染しない第１のイオンビームを安定的に得ることができる。

前記第１のイオン又は前記第２のイオンの照射によって試料から発生する二次荷電粒子と前記試料を透過した荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出装置と、前記検出装置の出力に基づいて前記試料の画像を表示する画像表示装置とを備えていることが好ましい。 この構成により、イオンビーム照射による試料像の観察が可能な複合集束イオンビーム装置となる。

前記検出装置が、電子検出器、イオン検出器、及び透過荷電粒子検出器の少なくとも１つを備えていることが好ましい。すなわち、イオンビーム照射により試料から発生する二次電子、二次イオン、及び透過荷電粒子のいずれかを検出できるものを備えていることが好ましい。

また、前記検出装置が、第１のイオンビーム照射系から発生する第１のイオンの照射によって発生する二次イオンを検出する第１のイオン検出器と、第２のイオンビーム照射系から発生しかつ第１のイオンよりも軽い第２のイオンが試料に当たって反射する反射イオンを検出する第２のイオン検出器を備えていることが好ましい。
この構成によれば、二次イオンから得られる画像と、反射イオンから得られる画像を取得することができる。このため、例えば加工中において、試料の加工部分の試料表面の画像と加工部分の試料断面の画像とを同時に取得することができる。

前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料の近傍にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃を備えていることが好ましい。
この構成によれば、ガスアシストデポジションによる構造物の形成、及びガスアシストエッチングによる試料の加工等を迅速かつ容易に行える複合集束イオンビーム装置となる。

本発明の加工観察方法は、試料にイオンビームを照射して加工観察する方法であって、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射して前記試料を観察するステップとを有することを特徴とする。
この加工観察方法によれば、相対的にビーム径が大きく金属イオンを含まない第１のイオンビーム照射系を用いて、試料を汚染することなく試料の加工を迅速に効率よく行いつつ、ビーム径の小さい第２のイオンビーム照射系を用いて試料の損傷や汚染を回避しつつ観察を行うことができる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつ加工観察を行うことができる。

本発明の加工観察方法は、試料にイオンビームを照射して加工観察する方法であって、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、前記第１のイオンよりも質量の小さい第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射して前記試料を観察するステップとを有することを特徴とする。
この加工観察方法によれば、相対的に質量の大きい第１のイオンを用いた第１のイオンビーム照射系を用いて試料の加工を迅速に効率よく行いつつ、質量の小さい第２のイオンを用いた第２のイオンビーム照射系を用いて試料の損傷や汚染を回避しつつ観察を行うことができる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつ加工観察を行うことができる。

前記第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと前記第２のイオンビームを照射して前記試料を観察するステップとが同時に行なわれることが好ましい。
この構成によれば、第１のイオンビームの照射して加工するときに、リアルタイムで加工部分の観察が行えることとなり、加工精度を向上させることができる。

前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給しながら前記試料に対して前記第２のイオンビームを照射することで前記試料を加工するステップを有する加工観察方法とすることもできる。
このように第２のイオンビーム照射系を用いて試料の加工を行うようにすれば、第１のイオンビーム照射系を用いた場合よりも微細な加工が可能であるため、第１のイオンビーム照射系による加工と第２のイオンビーム照射系による加工との組み合わせによって、微細かつ高精度の加工を容易に行うことができ、より高度の加工観察を実施することができる。

本発明の加工方法は、試料にイオンビームを照射して加工する方法であって、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を粗加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から前記試料の粗加工された部分の一部に第２のイオンビームを照射して前記試料を仕上げ加工するステップとを有することを特徴とする。
この加工方法によれば、ビーム径の異なる第１のイオンビーム照射系と第２のイオンビーム照射系とを組み合わせて用いて試料を加工するので、高精度の加工を効率よく行うことができる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつ加工を行うことができる。

本発明の加工方法は、試料にイオンビームを照射して加工する方法であって、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を粗加工するステップと、前記第１のイオンよりも質量の小さい第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系から前記試料の粗加工された部分の一部に第２のイオンビームを照射して前記試料を仕上げ加工するステップとを有することを特徴とする。
この加工方法によれば、質量の異なる第１のイオンビーム照射系と第２のイオンビーム照射系とを組み合わせて用いて試料を加工するので、両者の加工性能の差異を利用して高精度の加工を効率よく行うことができる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつ加工を行うことができる。

仕上げ加工するステップは、前記第２のイオンビームによる加工部に電子ビームを照射して前記加工部を観察しながら行うものであってもよい。これにより仕上がり具合を確認しながら加工することができるので、高精度に加工を施すことができる。

前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、前記試料の前記第１のイオンビームの照射によって加工された部分の少なくとも一部にさらに第２のイオンビームを照射して前記試料を後加工するステップとを同時に行うことが好ましい。
この場合、第１のイオンビームの照射による粗加工と、第２のイオンビーム照射による仕上げ加工とを同時に行うことができ、加工効率をより一層向上することができる。

本発明によれば、従来以上の超高分解能ＳＩＭ観察が可能であり、かつ試料を汚染することなく加工することができる複合集束イオンビーム装置を提供することができる。
本発明によれば、試料を加工しつつ高分解能観察することができる加工観察方法、並びに試料を汚染することなく加工できる装置及び加工方法を提供することができる。そして、試料に金属イオンを照射しないので、試料の金属汚染が無く、加工観察等に供したシリコンウェハ等をラインに戻すことが可能となる。

図１は、第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の概略構成図である。 図２は、第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の概略断面図である。 図３は、電界放出型イオン源の断面図である。 図４は、第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の他の構成を示す図である。 図５Ａは、断面加工観察方法を示す図である。 図５Ｂは、断面加工観察方法を示す図である。 図６Ａは、ＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図である。 図６Ｂは、ＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図である。 図６Ｃは、ＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図である。 図７は、加工方法の一形態であるＴＥＭ試料作製方法を示す図である。 図８は、第２実施形態の第１構成例に係る複合集束イオンビーム装置の概略構成図である。 図９は、第２実施形態の第２構成例に係る複合集束イオンビーム装置の概略構成図である。 図１０Ａは、連続断面加工観察方法を示す図である。 図１０Ｂは、連続断面加工観察方法を示す図である。 図１０Ｃは、連続断面加工観察方法を示す図である。 図１０Ｄは、連続断面加工観察方法を示す図である。 図１０Ｅは、連続断面加工観察方法を示す図である。

以下、本発明の複合集束イオンビーム装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の複合集束イオンビーム装置の概略斜視図である。図２は、複合集束イオンビーム装置１００の概略断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００は、真空室１３と、第１のイオンビーム照射系１０と、第２のイオンビーム照射系２０と、試料ステージ１６と、マニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とを備えている。真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、上記の各構成品はそれらの一部又は全部が真空室１３内に配置されている。

本実施形態において、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０は、それぞれが集束イオンビーム鏡筒を備えており、真空室１３内に配置された試料ステージ１６上の試料（加工対象物あるいは観察対象物）に対して集束イオンビーム（第１のイオンビーム１０Ａ、第２のイオンビーム２０Ａ）を照射する。

図２に示すように、第１のイオンビーム照射系１０は、プラズマ型ガスイオン源３４と、イオン光学系３５とを備えている。プラズマ型ガスイオン源３４は、例えば、内部にプラズマを維持しつつ第１のイオンを流出させるプラズマ発生器と、プラズマ発生器から第１のイオンを引き出す引出オリフィスと、引出オリフィスを通過した第１のイオンを静電的に加速する引出電極とを備えて構成される。

プラズマ型ガスイオン源３４においてプラズマを形成するプラズマガスには希ガスが用いられる。すなわち、プラズマガスはネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンから選ばれる１種又は複数種のガスであることが好ましく、これらのうちでもアルゴン又はキセノンを用いることがより好ましい。
またプラズマ型ガスイオン源３４として、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）イオン源を用いることが好ましく、このような構成とすれば、イオン源におけるプラズマ密度を向上させることができ、効率よくイオンを引き出すことができる。

引出電極から引き出された第１のイオンはビームの形で射出され、イオン光学系３５によってイオン光学的操作を加えられて集束され、集束イオンビーム（第１のイオンビーム）１０Ａとして試料Ｗａ又は試料Ｗｂに照射される。

イオン光学系３５は、例えば、プラズマ型ガスイオン源３４側から真空室１３側に向けて順に、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。

第２のイオンビーム照射系２０は、第２のイオンを発生させるとともに流出させるガスフィールドイオン源２１と、ガスフィールドイオン源２１から流出した第２のイオンを集束イオンビーム（第２のイオンビーム２０Ａ）に成形するイオン光学系２５とを備えている。

イオン光学系２５は、第１のイオンビーム照射系１０に備えられたイオン光学系３５と共通の基本構成を備えており、例えば、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。

ここで図３は、ガスフィールドイオン源２１を示す概略断面図である。
図３に示すように、ガスフィールドイオン源２１は、イオン発生室２１ａと、エミッタ２２と、引出電極２３と、冷却装置２４とを備えて構成されている。イオン発生室２１ａの壁部に冷却装置２４が配設されており、冷却装置２４のイオン発生室２１ａに臨む面に針状のエミッタ２２が装着されている。冷却装置２４は、内部に収容された液体窒素等の冷媒によってエミッタ２２を冷却する。そして、イオン発生室２１ａの開口端近傍に、エミッタ２２の先端２２ａと対向する位置に開口部２３ａを有する引出電極２３が配設されている。

イオン発生室２１ａは、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。イオン発生室２１ａには、ガス導入管２６ａを介してガス供給源２６が接続されており、イオン発生室２１ａ内に微量のガス（例えばヘリウムガス）を供給するようになっている。
なお、ガスフィールドイオン源２１においてガス供給源２６から供給されるガスは、ヘリウムに限られるものではなく、ネオン、アルゴン、キセノン等のガスであってもよい。また、ガス供給源２６から複数種のガスを供給可能に構成し、第２のイオンビーム照射系２０の用途に応じてガス種を切り替えられるようにしてもよい。

エミッタ２２は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものからなる部材であり、その先端２２ａは原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。またエミッタ２２は、イオン源の動作時には冷却装置２４によって７８Ｋ程度以下の低温に保持される。エミッタ２２と引出電極２３との間には、電源２７によって電圧が印加されるようになっている。

エミッタ２２と引出電極２３との間に電圧が印加されると、鋭く尖った先端２２ａにおいて非常に大きな電界が形成されるとともに、分極してエミッタ２２に引き寄せられたヘリウム原子２６ｍが、先端２２ａのうちでも電界の高い位置で電子をトンネリングにより失ってヘリウムイオン（第２のイオン）となる（電界イオン化）。そして、このヘリウムイオンが正電位に保持されているエミッタ２２と反発して引出電極２３側へ飛び出し、引出電極２３の開口部２３ａからイオン光学系２５へ射出されたヘリウムイオンがイオンビームを構成する。

エミッタ２２の先端２２ａは極めて尖鋭な形状であり、ヘリウムイオンはこの先端２２ａから飛び出すため、ガスフィールドイオン源２１から放出されるイオンビームのエネルギー分布幅は極めて狭く、プラズマ型ガスイオン源３４や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。

なお、エミッタ２２への印加電圧が大きすぎると、ヘリウムイオンとともにエミッタ２２の構成元素（タングステンや白金）が引出電極２３側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にエミッタ２２に印加する電圧は、エミッタ２２自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。
一方、このようにエミッタ２２の構成元素を操作できることを利用して、先端２２ａの形状を調整することができる。例えば、先端２２ａの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。
またエミッタ２２は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端２２ａの尖鋭形状を回復することもできる。

図１及び図２に戻り、試料ステージ１６は、試料台１４と試料ホルダ１５とを移動可能に支持している。試料台１４上には試料Ｗａ（例えば半導体ウエハ等）が載置され、試料ホルダ１５上には、試料Ｗａから作製される微小な試料Ｗｂが載置される。そして、試料ステージ１６は、試料台１４及び試料ホルダ１５を５軸で変位させることができる。すなわち、試料台１４を水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿ってそれぞれ移動させるＸＹＺ移動機構１６ｂと、試料
台１４をＺ軸回りに回転させるローテーション機構１６ｃと、試料台１４をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させるチルト機構１６ａとを備えて構成されている。試料ステージ１６は、試料台１４を５軸に変位させることで、試料Ｗａ（試料Ｗｂ）の特定位置をイオンビームが照射される位置に移動するようになっている。

真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、真空室１３内にはマニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とが設けられている。
マニピュレータ１７は、試料Ｗａから作製される試料Ｗｂを支持するものであり、試料Ｗｂを指示した状態でマニピュレータ１７と試料ホルダ１５とを相対的に移動させることで、試料台１４から試料ホルダ１５に試料Ｗｂを運搬する。運搬に際しては、マニピュレータ１７を固定した状態で試料ステージ１６を駆動して試料ホルダ１５を試料Ｗｂが支持されている位置まで移動させてもよく、マニピュレータ１７を移動させて試料Ｗｂを運搬してもよい。

二次荷電粒子検出器１８は、第１のイオンビーム照射系１０や第２のイオンビーム照射系２０から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビームが照射された際に、試料Ｗａ又は試料Ｗｂから発せられる二次電子や二次イオンを検出する。また透過荷電粒子検出器１９は、第２のイオンビーム照射系２０から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビームが照射された際に試料Ｗａ又は試料Ｗｂを透過したイオンを検出する。

二次荷電粒子検出器１８は、この実施形態の場合、第１のイオンビーム照射系１０から発生する第１のイオンの照射によって発生する二次イオンを検出する第１のイオン検出器１８Ａと、第２のイオンビーム照射系から発生しかつ第１のイオンよりも軽い第２のイオンが試料に当たって反射する反射イオンを検出する第２のイオン検出器１８Ｂとを備える。第１のイオン検出器１８Ａは、第１のイオンの照射によって発生する二次イオンが広範囲に亘って放射されるので、配置の自由度が高い。これに比べ、第二イオン検出器１８Ｂは、試料Ｗａ、Ｗｂに当たって反射する反射イオンの放射角度がある程度定まっているので、第１のイオンビーム照射系１０のビーム鏡筒の近傍に配置されるのが好ましい。

ガス銃１１は、試料Ｗａ、Ｗｂへエッチングガスやデポジションガス等の所定のガスを放出する。そして、ガス銃１１からエッチングガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂに第１のイオンビーム１０Ａ又は第２のイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビームによる試料のエッチング速度を高めることができる。一方、ガス銃１１からデポジションガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂにイオンビームを照射すれば、試料Ｗａ、Ｗｂ上に金属や絶縁体の堆積物を形成することができる。

また、複合集束イオンビーム装置１００は、当該装置を構成する各部を制御する制御装置３０を備えている。制御装置３０は、第１のイオンビーム照射系１０、第２のイオンビーム照射系２０、二次荷電粒子検出器１８、透過荷電粒子検出器１９、及び試料ステージ１６と接続されている。また、二次荷電粒子検出器１８あるいは透過荷電粒子検出器１９からの出力に基づき試料Ｗａ及び試料Ｗｂを映像として表示する表示装置３８を備えている。

制御装置３０は、複合集束イオンビーム装置１００を総合的に制御するとともに、二次荷電粒子検出器１８又は透過荷電粒子検出器１９で検出された二次荷電粒子又は透過荷電粒子を輝度信号に変換して画像データを生成し、この画像データを表示装置３８に出力している。これにより表示装置３８は、上述したように試料像を表示できるようになっている。

また制御装置３０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの位置や姿勢を調整する。これにより、試料表面におけるイオンビームの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。例えば、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０との切替操作に連動して試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａや試料Ｗｂを移動させたり、傾けることができるようになっている。

以上の構成を備えた本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００では、第２のイオンビーム照射系２０から射出される第２のイオン（ヘリウムイオン）が、第１のイオンビーム照射系１０から射出される第１のイオン（アルゴンイオンやキセノンイオン）よりも質量が小さいものとなっている。そのため、第２のイオンビーム２０Ａを試料Ｗａ又は試料Ｗｂに照射しても、試料がスパッタされにくく、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの二次荷電粒子像観察に好適なイオンビーム照射系となっている。

また、第２のイオンビーム照射系２０では、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。
１ｎｍ以下のビーム径を得るには、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）では回折収差の影響を回避するためにＷＤを１〜２ｍｍ以下にしなければならないが、複数のビーム照射系を有する構成ではレンズ同士の機械的干渉によりＷＤを５ｍｍ以下にするのは極めて困難である。これに対して、第２のイオンビーム２０Ａでは、用いられているヘリウムイオンの運動量がＳＥＭで用いられる電子の運動量に比べて非常に大きく、ドブロイ波長が非常に小さくなるため、回折効果が無視できる程度に小さくなる。したがって、第２のイオンビームでは回折収差を無視できるのでＷＤを長くしても細いビーム径を得ることができ、大型の試料に対しても高分解能観察、計測が可能である。

また、第２のイオンビーム２０Ａでは、試料における相互作用体積が表面からの深さ方向に長く延び、試料表面での面方向の広がりは小さくなることからイオンビームを照射した位置の情報を正確に反映した試料像を得ることができ、試料のチャージアップも抑えることができる。さらに、ヘリウムイオンの運動量は電子の運動量に対して非常に大きいため、試料表面からより多くの二次電子が放出される。
これらにより、第２のイオンビーム２０Ａを試料に照射して二次荷電粒子像観察を行うことで、高分解能かつ高コントラストの試料像を得ることができる。

また第２のイオンビーム照射系２０は、先の第１のイオンビーム照射系１０よりも小さいビーム径のイオンビームを射出できるものとなっている。このようなビーム径の小さい第２のイオンビーム２０Ａを用いることで、第１のイオンビーム１０Ａを用いて試料を加工する場合に比して微細な加工（エッチング、デポジション）が可能である。

なお、第２のイオンビーム２０Ａをヘリウムイオンにより構成すると、単にイオンビームを試料に照射したのでは試料はほとんどエッチングされないが、ガス銃１１からエッチングアシスト用のガスを供給しながら第２のイオンビーム２０Ａを試料に照射することで、実用的な速度で試料を加工することができる。また第２のイオンビーム２０Ａを、ヘリウムイオンよりも質量の大きいネオンイオンやアルゴンイオンによって構成すれば、加工の効率を向上させることができる。

そして、本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００では、加工寸法の異なる２つのイオンビーム照射系が備えられているため、用途に応じてこれらのイオンビーム照射系を選択し、あるいは組み合わせることができる。より詳細には、ビーム径の大きい第１のイオンビーム照射系１０を主に加工用途に用い、ビーム径が小さく試料のスパッタを回避できる第２のイオンビーム照射系２０を主に観察用途に用いる組み合わせ、第１のイオンビーム照射系１０を試料の粗加工に用い、第２のイオンビーム照射系２０を試料の精密加工に用いる組み合わせなどを選択することができる。

また本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００は、２つのイオンビーム照射系１０，２０のいずれにも液体金属イオン源を用いていない。したがって、複合集束イオンビーム装置１００での処理に供した試料が金属イオン（ガリウムイオン等）に汚染されることがなく、例えば半導体装置の製造工程から抜き取った試料を検査した後、この試料を再び工程に戻すことが可能になる。これにより、抜き取り検査で使用した試料を無駄にすることがなくなる。

本実施形態では、図２に示したように、第２のイオンビーム照射系２０を試料ステージ１６の鉛直上方に配置して試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して第２のイオンビーム２０Ａを鉛直方向に照射する。一方、第１のイオンビーム照射系１０は鉛直方向に対して傾いて配置され、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して斜め方向に第１のイオンビーム１０Ａを照射するようになっている。このように、ヘリウムイオンからなる第２のイオンビーム２０Ａを鉛直方向に沿って射出させる構成とすれば、観察や加工に際して高精度のステージ制御が容易になり、特にイオンビームによる加工における所望の精度を得やすくなる。

なお、第１のイオンビーム照射系１０、及び第２のイオンビーム照射系２０の配置は、図２に示したものに限定されず、種々の配置形態を採用することが可能である。例えば、図２において、第２のイオンビーム照射系２０を試料Ｗａの鉛直方向に対して斜めから第２のイオンビーム２０Ａを照射するように配置してもよい。

図４は、第１及び第２のイオンビーム照射系１０，２０の配置を変更した複合集束イオンビーム装置１００Ａを示す図である。図４に示す複合集束イオンビーム装置１００Ａでは、試料Ｗａの鉛直上方に第２のイオンビーム照射系２０が配置される一方、試料Ｗａの側方に第１のイオンビーム照射系１０が配置されている。第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとは、互いに略直交するように射出される。

図４に示すように第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとが互いに略直交するように配置することで、第１のイオンビーム照射系１０による試料の加工を、第２のイオンビーム照射系２０による観察を行いながら実施することができる。したがって図４に示す複合集束イオンビーム装置１００Ａは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製やアトムプローブなどのナノオーダーサイズの加工用途に好適に用いることができる。
なお、複合集束イオンビーム装置１００Ａにおいて、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを入れ替えて配置してもよい。

［加工観察方法及び加工方法］
次に、先の実施形態の複合集束イオンビーム装置１００を用いた加工観察方法及び加工方法について、図面を参照しつつ説明する。複合集束イオンビーム装置１００は、試料の断面加工観察、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製及び観察に好適に用いることができる。

＜断面加工観察＞
図５は、複合集束イオンビーム装置１００による試料の断面加工観察方法を示す図である。なお、図５では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示している。
本例の加工観察方法では、試料Ｗａの加工に第１のイオンビーム照射系１０を用い、加工された試料Ｗａの観察に第２のイオンビーム照射系２０を用いる。

まず、図５Ａに示すように、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを走査しつつ照射することにより試料Ｗａの表面部を部分的に除去し、断面矩形状の凹部Ｗｒを形成する。
そして、図５Ｂに示すように、形成した凹部Ｗｒの内壁として露出した面Ｗｓに対して、第２のイオンビーム２０Ａを照射することで、発生した二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。

ここで、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを照射して加工することと、加工中の試料Ｗａの表面に第２のイオンビーム２０Ａを照射して観察することを同時に行うことができる。つまり、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとを同時に照射すると、試料Ｗａからは、第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａの照射によって二次イオンや反射イオンなどが発生する。このうち反射イオンは、入射イオンビームの質量や検出角度に依存するので、他の検出粒子から容易に区別できる。このため、加工中でありながら、第２のイオン検出器１８Ｂによって試料からの反射イオンのみを検出することで、高分解能かつ高コントラストの試料像を得ることができる。このように加工と該加工部分の観察とを同時に行えることは、試料に対してどの程度加工が進んでいるかをリアルタイムで正確に知ることができるため、加工精度を向上させることができる。

本例の加工観察方法によれば、試料Ｗａに対して金属イオンを照射しないので、金属イオン注入による試料Ｗａの汚染を生じさせることがなく、加工観察によって試料Ｗａに悪影響が及ぶのを回避することができる。また、観察装置としてビーム径を小さく絞れる第２のイオンビーム照射系２０を用いているので、ＳＥＭと比較しても高分解能の観察が可能である。

＜ＴＥＭ試料作製及び観察＞
図６は、複合集束イオンビーム装置１００によるＴＥＭ試料の加工方法を示す図である。なお、図６では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示しており、またイオンビームの照射方向も一部異ならせている。

本例の加工方法では、試料Ｗａの粗加工に第１のイオンビーム照射系１０を用い、粗加工後の試料を第２のイオンビーム照射系２０を用いて仕上げ加工することでＴＥＭ試料である試料Ｗｂを得る。
まず、図６Ａに示すように、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを走査しつつ照射することにより部分的に除去し、ＴＥＭ試料である試料Ｗｂとなる部分の両側に、底面がスロープ状の凹部Ｗｒ、Ｗｒを形成する。

次に、図６Ｂに示すように、第２のイオンビーム２０Ａを試料に照射して試料Ｗｂの観察領域となる部分の仕上げ加工を行う。このとき、ガス銃１１を併用したガスアシストエッチング又はガスアシストデポジションを行うことが好ましい。ガス銃１１を併用することでエッチング及びデポジションの処理速度を向上させることができ、効率よく試料Ｗｂを作製することができる。
その後、試料Ｗｂをマニピュレータ１７によって支持した状態で試料Ｗａから切り離すことで、ＴＥＭ試料としての試料Ｗｂが得られる。

この加工方法によれば、ＴＥＭ試料の作製に際して、試料Ｗｂとなる部分の周囲の粗加工については第１のイオンビーム照射系１０を用いるので、比較的広い領域を迅速に加工することができる。また、試料Ｗｂの観察領域となる薄膜部分の仕上げ加工については第２のイオンビーム照射系２０を用いるので、細部の仕上げ加工を高精度に行うことができる。また試料Ｗａ、Ｗｂに対して金属イオンを照射しないので、金属イオンの注入によって試料に悪影響が及ぶのを回避できる。

さらに本発明の複合集束イオンビーム装置１００では、作製した試料Ｗｂの観察を行うこともできる。この場合、図６Ｃに示すように、切り離された試料Ｗｂをマニピュレータ１７によって試料ホルダ１５に移動させる。そして、かかる試料Ｗｂに対して第２のイオンビーム２０Ａを照射し、透過したイオンを透過荷電粒子検出器１９で検出する。このようにして、透過荷電粒子検出器１９の検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。

なお、本例の加工観察方法において、図６Ａ及び図６Ｂに示す試料Ｗｂの作製を、第１のイオンビーム照射系１０のみ、あるいは第２のイオンビーム照射系２０のみを用いて行うこともできる。また、加工装置として第１のイオンビーム照射系１０のみを用い、作製した試料Ｗｂの観察装置として第２のイオンビーム照射系２０を用いる方法も採用できる。

第２のイオンビーム２０Ａを用いた加工では、第１のイオンビーム１０Ａと比べてビーム径を小さく絞ることができるため、削りたい部分に集中的にビームを当てることができる。このため、第１のイオンビーム１０Ａの照射による加工では得ることができなかった、高精度の加工が可能となる。

また、図７はＴＥＭ試料を作製する手順を示す図である。ここでは、まず、図７における左側のスロープ状の凹部Ｗｒ（図中Ｉで示す）を、第１のイオンビーム１０Ａを照射することで除去する。次に、図７における右側の部分スロープ状の凹部Ｗｒ（図中ＩＩで示す）を、第１のイオンビームを照射することで除去する。これと同時に、除去した左側のスロープ状の凹部ＷｒのＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分（図中ＩＩＩで示す）を第２のイオンビーム２０Ａを照射することで除去する。次に、除去した右側のスロープ状の凹部ＷｒのＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分（図中ＩＶで示す）を第２のイオンビーム２０Ａを照射することで除去する。

つまり、このＴＥＭ試料作製方法では、２番目の工程で、右側の部分スロープ状の凹部Ｗｒ（図中ＩＩで示す）を除去する粗加工と、除去した左側のスロープ状の凹部ＷｒのＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分を除去する仕上げ加工を同時に行っており、これにより、加工効率の向上を図ることができる。このとき、粗加工を行う際に除去した材料が仕上げ加工部分に再付着することが懸念されるが、双方の加工領域の間には、ＴＥＭ試料となる部分Ｗｃが存在するので、そのような不具合の発生は生じにくい。また、上記のように粗加工と仕上げ加工を同時の行うときに、第１のイオンの照射によって発生する二次イオンを第１のイオン検出器１８Ａで検出することができ、しかも、第２のイオンが試料に当たって反射する反射イオンを第２のイオン検出器１８Ｂによって検出することができるので、それら加工部分を同時にモニタリングすることができる。この点においても加工効率の図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。
図８は、本実施形態の第１構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ａの概略構成図であり、図９は、第２構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ｂの概略構成図である。
なお、図８及び図９において図１から図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。

まず、図８に示す第１構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ａは、第１のイオンビーム照射系１０及び第２のイオンビーム照射系２０に加えて、電子ビーム照射系５０を備えている。電子ビーム照射系５０は、試料Ｗａに対して電子ビームを照射するＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）鏡筒として機能するものである。したがって、複合集束イオンビーム装置２００Ａは、第１及び第２のイオンビーム照射系１０，２０から射出する第１のイオンビーム１０Ａ、第２のイオンビーム２０Ａを試料Ｗａに対して照射するとともに、ＳＥＭ鏡筒である電子ビーム照射系５０を用いた試料像観察が可能になっている。電子ビーム照射系５０としては、公知の構成が採用できる。
複合集束イオンビーム装置２００Ａでは、第１のイオンビーム照射系１０、第２のイオンビーム照射系２０、及び電子ビーム照射系５０は、試料Ｗａ上の同一箇所に対してイオンビーム及び電子ビームを照射可能に各鏡筒が配置されている。

次に、図９に示す第２構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ｂは、第１のイオンビーム照射系１０、第２のイオンビーム照射系２０に加えて、電子ビーム照射系５０を備えている点では第１構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ａと同様である。しかし複合集束イオンビーム装置２００Ｂでは、第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａの射出方向が互いに略平行となるようにそれぞれの鏡筒が配置されている。 そして、試料台１４が水平方向に移動自在とされている。この構成により、試料台１４上に載置された試料Ｗａは、第１のイオンビーム１０Ａが照射される位置と、第２のイオンビーム２０Ａが照射される位置との間で移動するようになっている。

また、電子ビーム照射系５０は、試料Ｗａに対して鉛直方向に対して斜め向きに電子ビーム５０Ａを照射する。さらに電子ビーム照射系５０は第２のイオンビーム照射系２０の近傍に配置されており、第２のイオンビーム２０Ａが照射される試料Ｗａ上の同一位置に電子ビーム５０Ａを照射する。

上記構成を備えた本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂは、先の第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置１００と同様に、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを用いた試料の加工観察、加工が可能である。そして、第１のイオンビーム照射系１０及び第２のイオンビーム照射系２０に加えてＳＥＭ鏡筒である電子ビーム照射系５０を備えていることで、特に試料の観察において、第１の実施形態よりも多様な観察形態を採用可能の複合集束イオンビーム装置となっている。

先に記載のように、本発明に係る複合集束イオンビーム装置では、第２のイオンビーム照射系２０から第２のイオンビーム２０Ａを試料に照射し、発生する二次イオンを検出して試料像（ＳＩＭ像）を得ることができるが、本実施形態ではさらに、電子ビーム照射系５０から電子ビーム５０Ａを試料に照射して二次電子像（ＳＥＭ像）を得ることができる。そして、ＳＥＭ像とＳＩＭ像ではコントラストが異なるため、試料の構造等に合わせてこれらを選択できるようにすると、より高度な加工観察が可能になる。例えば、多層絶縁膜などはＳＩＭ像では暗く見えてしまい観察しづらいが、ＳＥＭ像に切り替えることで、高コントラストの画像を視認できるようになる。

また、第２のイオンビーム照射系２０を試料の微細加工専用のイオンビーム照射系とすることができるため、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを併用した高速、高精度加工を、電子ビーム照射系５０を用いた観察によって仕上がり具合を確認しつつ実施することができる。

［加工観察方法及び加工方法］
以下、第２実施形態の複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂを用いた加工観察方法及び加工方法について、図面を参照しつつ説明する。複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂは、試料の連続断面加工観察、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製及び観察、加工用途に好適に用いることができる。

＜断面加工観察＞
図１０は、複合集束イオンビーム装置２００Ａ又は２００Ｂを用いた試料の連続断面加工観察方法を示す図である。なお、図１０では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示しており、説明の簡単のためにイオンビームの照射方向を一部異ならせている。
本例の加工観察方法では、試料Ｗａの加工に第１のイオンビーム照射系１０及び第２のイオンビーム照射系２０を用い、加工された試料Ｗａの観察に電子ビーム照射系５０を用いる。

（１）第１構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ａを用いる場合
まず、図１０Ａに示すように、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを走査しつつ照射することにより試料Ｗａの表面部を部分的に除去して断面矩形状の凹部Ｗｒを形成する。この第１のイオンビーム１０Ａを用いた加工処理により観察対象となる第１断面Ｗｓ１が凹部Ｗｒの内壁として露出する。
次いで、試料Ｗａに対して第２のイオンビーム２０Ａを照射することにより、観察対象である第１断面Ｗｓ１の仕上げ加工を行う。複合集束イオンビーム装置２００Ａでは、第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとを試料Ｗａの同一位置に照射できるため、試料Ｗａの角度を変更するのみで第１のイオンビーム１０Ａ及び第２のイオンビーム２０Ａを用いた加工を連続的に行うことができる。
そして、図１０Ｂに示すように、仕上げ加工が施された第１断面Ｗｓ１に対して、電子ビーム５０Ａを照射することで、試料から発生した二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。

次に、図１０Ｃに示すように、試料Ｗａの第１断面Ｗｓ１近傍に第２のイオンビーム２０Ａを照射する。これにより、第１断面Ｗｓ１を含む部分を選択的に除去し、第１断面Ｗｓ１の内側の第２断面Ｗｓ２を露出させる。この工程では、ビーム径を小さく絞ることができる第２のイオンビーム２０Ａを用いて試料を加工しているので、試料を高精度に加工することができ、所望の状態の断面を容易に得ることができる。
またかかる工程において、ガス銃１１からアシスト用エッチングガスを供給しつつ第２のイオンビーム２０Ａを照射すれば、効率よく試料を加工することができる。
そして、図１０Ｄに示すように、第２断面Ｗｓ２に対して、電子ビーム５０Ａを照射することで、試料から発生した二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。
その後、図１０Ｃ、図１０Ｄに示す工程を繰り返し実施することで、図１０Ｅに示すように、試料Ｗａにおける所望の位置の断面を連続的に観察することができる。

（２）第２構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ｂを用いる場合
第２構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ｂを用いる場合にも、まず図１０Ａに示すように試料Ｗａに凹部Ｗｒを形成する。すなわち、試料Ｗａを支持した試料台１４を、第１のイオンビーム照射系１０の正面に配置し、試料Ｗａに対して第１のイオンビーム１０Ａを照射することで凹部Ｗｒを形成する（粗加工）。

凹部Ｗｒを形成したならば、次に、試料台１４を第２のイオンビーム照射系２０の正面に移動させる。そして、図１０Ａに示すように、凹部Ｗｒの内壁面として露出している第１断面Ｗｓ１に第２のイオンビーム２０Ａを照射し、第１断面Ｗｓ１の仕上げ加工を行う。これにより、観察対象としての第１断面Ｗｓ１が得られる。
そして、図１０Ｂに示すように、仕上げ加工が施された第１断面Ｗｓ１に対して、電子ビーム５０Ａを照射することで、試料から発生した二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。第２構成例に係る複合集束イオンビーム装置２００Ｂでは、第２のイオンビーム照射系２０の近傍に電子ビーム照射系５０が配設され、第２のイオンビーム２０Ａと同一位置に電子ビーム５０Ａを照射可能であるから、第１断面Ｗｓ１の仕上げ加工とＳＥＭ観察とを、試料台１４の移動を伴わずに連続して行うことができる。

次に、図１０Ｃに示すように、試料Ｗａの第１断面Ｗｓ１近傍に第２のイオンビーム２０Ａを照射する。これにより、第１断面Ｗｓ１を含む部分を選択的に除去し、第１断面Ｗｓ１の内側の第２断面Ｗｓ２を露出させる。この工程では、ビーム径を小さく絞ることができる第２のイオンビーム２０Ａを用いて試料を加工しているので、試料を高精度に加工することができ、所望の状態の断面を容易に得ることができる。またかかる工程において、ガス銃１１からアシスト用エッチングガスを供給しつつ第２のイオンビーム２０Ａを照射すれば、効率よく試料を加工することができる。
そして、図１０Ｄに示すように、第２断面Ｗｓ２に対して、電子ビーム５０Ａを照射することで、試料から発生した二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。
その後、図１０Ｃ、図１０Ｄに示す工程を繰り返し実施することで、図１０Ｅに示すように、試料Ｗａにおける所望の位置の断面を連続的に観察することができる。

本例の加工観察方法では、第１のイオンビーム照射系１０を用いて試料Ｗａを粗加工し、その後第２のイオンビーム照射系２０を用いて第１断面Ｗｓ１の仕上げ加工するので、観察対象である第１断面Ｗｓ１を高精度に加工することができ、高品質の試料断面像を得ることができる。

また、第２断面Ｗｓ２以降の各断面における加工では、第２のイオンビーム照射系２０を用いて加工を行っているので、試料Ｗａを移動させることなく高精度に断面加工を行うことができる。したがって、すべての試料断面において高品質の試料像を得ることができる。

さらに、本例の加工観察方法によれば、試料Ｗａに対して金属イオンを照射しないので、金属イオン注入による試料Ｗａの汚染を生じさせることがなく、加工観察によって試料Ｗａに悪影響が及ぶのを回避することができる。

＜ＴＥＭ試料作製及び観察＞
第２実施形態に係る複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂは、ＴＥＭ試料の作製や、微細構造物の形成等の加工方法にも好適に用いることができる。
本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂを用いた場合にも、図６に示したのと同様の作成工程によりＴＥＭ試料である試料Ｗｂを得ることができる。すなわち、第１のイオンビーム照射系１０を用いて試料Ｗａを粗加工し、その後第２のイオンビーム照射系２０を用いて仕上げ加工を行うことで、薄膜の試料Ｗｂを作製することができる。

そして、本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂでは、電子ビーム照射系５０を備えているので、試料Ｗａから切り離した試料Ｗｂの観察を連続して行うことができる。すなわち、図６Ｃに示すように、マニピュレータ１７によって試料ホルダ１５（図８及び図９では図示を省略）上に移動され、載置された試料Ｗｂに対して、電子ビーム５０Ａを照射し、透過電子を透過荷電粒子検出器１９で検出することで、試料Ｗｂの透過電子像を得ることができる。

＜微細構造の形成＞
また、本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂは、アトムプローブ等の微細構造形成方法（加工方法）に適用することもできる。
本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００Ａ、２００Ｂは、加工装置として用いることができる第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを備えており、かつ観察装置として用いることができる電子ビーム照射系５０を備えている。したがって、加工寸法に応じて第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを適宜選択して加工できるのに加えて、微細構造物の仕上がり具合を電子ビーム照射系５０によって確認しながら加工することができる。
よって、本例の微細構造形成方法によれば、所望の形状の微細構造を効率よく高精度に形成することができる。

本発明は、複合集束イオンビーム装置に関する。本発明の複合集束イオンビーム装置によれば、第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、を有し、前記第２のイオンビーム照射系から射出される第２のイオンビームのビーム径が、前記第１のイオンビーム照射系から射出される第１のイオンビームのビーム径よりも小さいから、従来以上の超高分解能ＳＩＭ観察が可能であり、かつ試料を汚染することなく加工することができる。

１０ 第１のイオンビーム照射系
１０Ａ 第１のイオンビーム
１１ ガス銃
１３ 真空室
１４ 試料台
１５ 試料ホルダ
１８ 二次荷電粒子検出器
１９ 透過荷電粒子検出器
２０ 第２のイオンビーム照射系
２０Ａ 第２のイオンビーム
２１ ガスフィールドイオン源
２１ａ イオン発生室
２５ イオン光学系
２６ ガス供給源
２６ａ ガス導入管
３０ 制御装置、
３４ 型ガスイオン源
３５ イオン光学系
３８ 表示装置
５０ 電子ビーム照射系
５０Ａ 電子ビーム
Ｗａ 試料
Ｗｂ 試料
１００，１００Ａ，２００Ａ，２００Ｂ 複合集束イオンビーム装置

Claims (15)

1. 第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、
   前記第１のイオンと異なるイオン種であって、前記第１のイオンの質量よりも質量の小さい第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、
   前記第１のイオンビーム照射系および前記第２のイオンビーム照射系の各々が、試料へ第１のイオンビームおよび第２のイオンビームを照射した際に、試料から発せられる二次電子および二次イオンを検出する二次荷電粒子検出器と、
   を備えることを特徴とする複合集束イオンビーム装置。
2. 前記第２のイオンビーム照射系から試料へ前記第２のイオンビームが照射された際、試料を透過したイオンを検出する透過荷電粒子検出器を備えることを特徴とする請求項１に記載の複合集束イオンビーム装置。
3. さらに電子ビーム照射系を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合集束イオンビーム装置。
4. 前記第１のイオンビームと前記第２のイオンビームとが鋭角に交差するように前記第１のイオンビーム照射系及び前記第２のイオンビーム照射系が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
5. 前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料を支持する試料台を備え、
   前記第２のイオンビーム照射系が前記試料台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記第１のイオンビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の複合集束イオンビーム装置。
6. 前記第１及び第２のイオンビームが略直交するように前記第１及び第２のイオンビーム照射系が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
7. 前記第１及び第２のイオンビームが略平行となるように前記第１及び第２のイオンビーム照射系が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
8. 前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料を支持する試料台を備え、
   前記試料台が、前記試料に対して前記第１のイオンビームが略鉛直方向に照射される第１の支持位置と、前記試料に対して前記第２のイオンビームが略鉛直方向に照射される第２の支持位置との間を移動自在であることを特徴とする請求項７に記載の複合集束イオンビーム装置。
9. 前記第２の支持位置で支持された前記試料に対して電子ビームを照射する電子ビーム照射系を備えていることを特徴とする請求項８に記載の複合集束イオンビーム装置。
10. 前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記第２のイオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
11. 前記第２のイオンが、ヘリウムイオンであることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
12. 前記第１のイオンが、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンから選ばれる１種以上の希ガスイオンであることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
13. 前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料の近傍にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃を備えていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の複合集束イオンビーム装置。
14. 試料にイオンビームを照射して加工観察する方法であって、
    第１のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、
    前記第１のイオンと異なるイオン種であって、前記第１のイオンの質量よりも質量の小さい第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射するステップと、
    前記第１のイオンビーム照射系および前記第２のイオンビーム照射系の各々が、試料へ第１のイオンビームおよび第２のイオンビームを照射した際に、試料から発せられる二次電子および二次イオンを検出して前記試料を観察するステップと、
    を有することを特徴とする加工観察方法。
15. 前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給しながら前記試料に対して前記第２のイオンビームを照射することで前記試料を加工するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の加工観察方法。

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