JP2015156393A - 断面加工観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料へのダメージを軽減し、表示領域の揃った複数の観察像が取得可能な方法と装置の提供。
【解決手段】集束イオンビームによるエッチング加工で試料に第一の断面を形成する工程と、集束イオンビームを第一の断面に照射し、第一の断面の画像情報を取得する工程と、集束イオンビームで第一の断面をエッチング加工し、第二の断面を形成する工程と、集束イオンビームを第二の断面に照射し、第二の断面の画像情報を取得する工程と、第二の断面の画像情報から集束イオンビームの照射領域の一部の表示領域の画像情報を表示する工程と、表示した画像情報に第一の断面の画像情報を重ねて表示する工程と、照射領域内で表示領域を変更する工程と、を有する断面加工観察方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、集束イオンビーム装置を用いた試料の加工観察に関するものである。

半導体などの試料の断面を加工・観察する手法として、集束イオンビームを用いることが広く知られている。この手法の応用として、特定領域において断面加工観察を繰り返し行い、試料内部の三次元像を構築する技術も知られている。まず、集束イオンビームのエッチング加工で試料の断面を形成する工程と、断面の観察像を取得する工程とを繰り返し実行する。これをカット・アンド・シーと呼ぶ。次に、取得した複数の断面の観察像を組み合わせる。これにより三次元像を構築することができる。また、カット・アンド・シーにより所望の観察対象の断面が形成できたところで加工を止めることも可能である。ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）−ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）装置を用いて試料欠陥の加工観察で加工終点を決定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２７３６１３号公報

そして、カット・アンド・シーにより取得した観察像の比較検討や三次元再構成処理を行うためには、複数の観察像の表示領域が揃っていることが望ましい。ＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用いた場合、カット・アンド・シー実行中はステージ移動が不要であるので、同じ表示範囲の連続的な断面像を容易に得ることができた。

しかし、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置は、装置構成が複雑であり、かつ高価な装置であった。そのため、ＳＥＭを有しない集束イオンビーム装置を用いたカット・アンド・シーが望まれていた。ただし、ＳＥＭを有しない集束イオンビーム装置でカット・アンド・シーを行う場合、次のような課題があった。

断面形成時には、試料に対して垂直方向から集束イオンビームを照射して加工を行う。そして、断面観察時には、断面に対して集束イオンビームが照射できるように試料を傾斜させて観察を行う。つまり、加工と観察の間で試料傾斜するために試料台を傾斜移動させる必要があった。近年、観察対象の微細化に伴い、高分解能での断面観察が要求されている。高分解能断面観察を行うカット・アンド・シーでは、試料台の傾斜移動に伴う複数の断面の間の表示領域のずれは無視できない。

このような表示領域のずれが生じた場合は、従来では断面観察を行いながらビームを偏向してビーム照射位置を移動するか、あるいは試料ステージの位置を微調整することにより表示領域の位置合わせを行っていた。表示領域の位置合わせは、荷電粒子ビームを試料に照射し、位置合わせ中の観察像を見ながら行う。そのため、位置合わせの間、試料への荷電粒子ビームの照射が続くことになる。

しかし、試料に荷電粒子ビームを照射し続けることは、真空試料室中の残留気体と荷電粒子ビームの相互作用による試料へのコンタミネーションの付着や、エッチングによる試料中の微細構造の損失や、荷電粒子ビーム照射による試料形状の変化など、試料にダメージを与える。

そこで、本発明の目的は、試料へのダメージを軽減し、表示領域の揃った複数の観察像が取得可能な方法と装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供している。
本発明に係る断面加工観察装置は、集束イオンビーム照射部と、試料を載置する試料台と、前記試料に電子ビームを照射して取得した観察像を形成する像形成部と、前記観察像を記憶する記憶部と、前記観察像の一部の領域を表示する表示部と、前記表示部に表示した前記観察像の一部の領域と前記記憶部から読み出した前記試料の別の観察像とを重ね合わせて表示し、前記観察像を表示させる領域を変更する像編集部と、前記観察像と前記記憶部から読み出した別の観察像のそれぞれから特徴部分を抽出し、前記特徴部分の位置が一致するように前記観察像と前記別の観察像を重ね合わせる像処理部と、を有する。

また、本発明に係る断面加工観察装置は、試料を載置する試料台と、前記試料に断面加工を施すための集束イオンビーム照射部と、前記試料に電子ビームを照射して取得した観察像を形成する像形成部と、前記観察像を記憶する記憶部と、前記観察像の一部の領域を表示する表示部と、前記表示部に表示した前記観察像の一部の領域と前記記憶部から読み出した前記試料の別の観察像とを重ね合わせて表示し、前記観察像を表示させる領域を変更する像編集部と、前記観察像と前記記憶部から読み出した別の観察像のそれぞれから特徴部分を抽出し、前記特徴部分の位置が一致するように前記観察像と前記別の観察像を重ね合わせる像処理部と、を有し、処理後の複数の観察像に基づき前記断面加工を施した領域の三次元像を構築する。

これにより自動的に第一の断面像と第二の断面像の間で表示領域の位置ずれがない観察像を取得することができる。

本発明によると、取得した画像情報を用いて観察像間の表示領域の位置ずれを補正することができるので、観察対象へのダメージを軽減し、表示領域の揃った複数の観察像が取得することができる。

本発明の実施例を示す集束イオンビーム装置の概略図。 本発明の実施例を示す断面加工観察の概略図。 本発明の実施例を示すフローチャート。 本発明の実施例を示す画像情報の編集の説明図。 本発明の実施例を示す表示領域の補正の説明図。

以下、本発明の実施例を図１から図５に基づいて説明する。
集束イオンビーム装置は、図１に示すように、次の構成を備えている。集束イオンビームを照射するイオンビーム鏡筒１と、内部を真空状態にする試料室２を備える。試料室２は、試料４を載置する試料台３と、二次電子を検出する二次電子検出器５を備える。

また、試料４の表面および断面に対して集束イオンビームを照射するために集束イオンビームに対して試料台４を傾斜させる試料台駆動部６を備える。
また、集束イオンビーム照射と観察像形成に関する制御を行う制御部１０を備える。制御部１０に指示を入力するキーボートやマウスなどの入力手段である入力部１１を備える。

制御部１０は、イオンビーム鏡筒１を制御するイオンビーム制御部１３と、画像情報を形成する像形成部１４を備える。また、制御部１０は、像形成部１４で形成した画像情報を記憶する第一の記憶部１５と、第一の記憶部１５で記憶した画像情報を編集する像編集部１６を備える。また、制御部１０は、第一の記憶部１５で記憶した画像情報を画像処理する像処理部１７を備える。また、制御部１０は、像編集部１６で画像処理した画像情報や像処理部１７で画像処理した画像情報を記憶する第二の記憶部１８を備える。

また、像形成部１４で形成した画像情報や像処理部１７で画像処理した画像情報から試料４の観察像を表示する表示部１２を備える。

入力部１１から集束イオンビーム照射設定情報をイオンビーム制御部１３に入力する。イオンビーム制御部１３はイオンビーム鏡筒１にイオンビーム照射の走査信号を出力する。イオンビーム鏡筒１は試料４の表面の照射領域に集束イオンビームを走査照射する。集束イオンビーム照射により試料４の表面から発生した二次電子は二次電子検出器５で検出される。検出された二次電子の信号と集束イオンビーム照射の走査信号に基づいて像形成部１４で照射領域の画像情報を形成する。ここで、画像情報とは、ピクセルの座標情報とピクセル毎の輝度情報からなる。ピクセルの座標情報とは、集束イオンビームを照射する位置座標情報である。ピクセル毎の輝度情報とは、集束イオンビームを照射したピクセルで発生した二次電子信号の輝度情報である。像形成部１４で形成された画像情報から、照射領域内の一部分の画像情報を観察像として表示部１２に表示する。

次に、このように構成された集束イオンビーム装置による断面加工観察について、図２から図５に基づいて説明する。
図２は本発明の実施例を示す断面加工観察の概略図である。図２（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）は、試料台３と試料４の断面図である。図２（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）は、それぞれ図２（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）の集束イオンビーム３０の方向から集束イオンビーム３０を走査照射して得られた観察像である。

まず、断面観察するための断面を形成する。集束イオンビーム３０を照射し、凹部２１を形成する（図２（ａ））。そして、試料４表面に対して略垂直方向から集束イオンビーム３０を試料４の照射領域に走査照射して観察像を取得する（図２（ｂ））。

断面観察では、凹部２１の台形上辺にあたる部分の側壁に形成された第一の断面２２を観察する。ここで、断面位置は、試料４の表面に対して略垂直な方向であり、かつ、観察対象である試料４内部の構造物の配列方向が断面に対して略垂直方向に配置されるように選択することが望ましい。配列方向とは、例えばビアが繰り返し配置されている方向である。そして、断面加工と観察を繰り返し行う断面加工の進行方向は、試料４内部の構造の配置に略平行な方向であることが望ましい。これにより、断面加工を進行させながら取得した断面の観察像を組み合わせることで、観察対象の構造物の三次元像を構築することができる。

ここで、凹部２１の形状について説明する。第一の断面２２を上辺とする台形形状にすることにより、第一の断面２２から発生する二次電子を効率よく二次電子検出器５に集めることができる。また、凹部２１は第一の断面２２側は凹部の深さが深く、第一の断面２２から離れるに従い浅くなっている。これにより凹部２１全体を深く加工するよりも加工量を節約することができる。ただし、本発明は上記の形状に限定するものではない。

次に第一の断面２１を観察する。集束イオンビーム３０を第一の断面２２に照射するために試料台３をに傾斜する。このときの傾斜角はθ１である。第一の断面２２を含む照射領域に集束イオンビーム３０を走査照射し、第一の断面２２を観察する（図２（ｃ））。第一の断面２２の観察像には試料４の内部構造が現れている（図２（ｄ））。

ここで、観察する時の集束イオンビームのビーム電流は凹部２１をエッチング加工したときのビーム電流に比べて小さいビーム電流を用いる。これにより断面観察する際、第一の断面２２に与えるダメージを軽減することができる。

次に第二の断面を形成する。集束イオンビーム３０を試料４表面に対して略垂直方向から照射するために試料台３の傾斜を戻す（図２（ｅ））。そして、エッチング加工により第一の断面２１を含む凹部２４を形成する（図２（ｆ））。形成された凹部２４の側面が第二の断面２５である。

次に第二の断面２５を観察する。集束イオンビーム３０を第二の断面２５に照射するために試料台３を傾斜する。このときの傾斜角はθ２である（図２（ｇ））。第二の断面２５を含む照射領域に集束イオンビーム３０を走査照射し、第二の断面２５を観察する（図２（ｈ））。上記の断面形成と断面観察を繰り返し行い、複数の断面の画像情報を取得する。

ところで、断面加工観察では、断面を形成し、断面を観察するために観察試料台３の傾斜を繰り返し行う。すると、試料台３の傾斜角のずれが生じる。傾斜角のずれとは、図２（ｃ）の傾斜角θ１と図２（ｇ）の傾斜角θ２との角度差である。数ナノメートルの分解能で数百枚の断面画像を取得する断面加工観察では、試料台３の傾斜角のずれにより取得した複数の断面像の間で観察領域の位置ずれが生じ、所望の領域が観察できないことがある。本発明では、画像情報を処理することで、観察領域の位置ずれを補正する。

画像情報の処理について説明する。まず、画像情報の取得について図３のフローチャートを用いて説明する。最初に、第一の断面２１の画像情報を取得する（ｓ１）。取得した画像情報を第一の記憶部１５に記憶する。次に、試料台３の傾斜を戻す（ｓ２）。そして、凹部２４を形成し、第二の断面２５を露出させる（ｓ３）。次に、第二の断面２５を観察するために試料台３を傾斜する（ｓ４）。そして、第二の断面２５の画像情報を取得する（ｓ５）。次に像編集部１６で第二の断面２５の画像情報の編集を行う（ｓ６）。

次に画像情報の編集について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、第一の断面２２の観察像である。断面観察では、第一の断面２２を拡大した観察領域の画像情報を取得する。表示領域４１は、表示部１２に表示する表示領域である。図４（ｂ）は、表示領域４１内の第一の断面２２の観察像である。第一の断面２２にはビア４２などの内部構造が露出している。

図４（ｃ）は、表示部１２に表示した第二の断面２５の観察像である。すなわち、第一の断面２２の表示領域４１と同じ位置座標に集束イオンビーム３０を照射し、得られた観察像である。ビア４３は、第一の断面２２のビア４２と同じビアであるが、断面に露出している形状は異なる。

像編集部１６で次の処理行う。表示部１２に第二の断面２５の観察像を表示した状態で、第一の記憶部１５から第一の断面２２の画像情報を読み出す。そして、読み出した第一の断面２２の画像情報を第二の断面２５の観察像に表示部１２上で重ね合わせる。このとき第一の断面２２の画像情報は、第一の断面２２の画像情報を重ね合わせても第二の断面２５の観察像が認識できるように半透明にすることが望ましい。また、重ね合わせの手法として、ピクセル毎に２枚の画像の輝度情報の排他的論理和を取る手法や、ピクセル単位で交互に２枚の断面の画像情報を表示する手法を用いることも可能である。

図４（ｄ）は、第二の断面２５の観察像に第一の断面２２の画像情報を重ね合わせた観察像である。ここでは断面２５の内部構造を点線で示す。図４（ｄ）において、ビア４２とビア４３の位置がずれている。この位置ずれの原因は、試料台３の傾斜動作によるものである。そこで、第二の断面２５の表示領域を移動させる。ビア４３がビア４２に重なるように移動させる。これにより、図４（ｅ）に示すように、第一の断面２２の内部構造と第二の断面２５の内部構造が重なり、二つの断面の表示領域が揃った断面像になった。

表示領域の移動は、作業者が手動で行う場合と、画像認識により自動で行う場合がある。作業者が手動で行う場合は、作業者が表示部１２に表示された観察像を見ながら、第二の断面２５の表示領域を移動させる指示を入力部１１から入力する。また、自動処理で行う場合は、像処理部１７で画像処理する。

画像処理は、二つの画像情報において、輝度情報で特徴のある部分を抽出し、パターンマッチングする処理である。第一の記憶部１５に記憶した第一の断面２２の画像情報と第二の断面２５の画像情報を像処理部１７に入力する。像処理部１７でパターンマッチング処理をする。パターンマッチング処理により得られた表示領域を移動した第二の断面２５の画像情報を第二の記憶部１８に記憶する。

ここで上記の説明では、断面に露出した内部構造を特徴部分として説明したが、内部構造は切り出す断面によって形状が変化することがある。そこで、形状が変化しない構造物を特徴部分として抽出することが望ましい。

また上記の説明では、表示領域を補正するために第一の断面２２の画像情報を用いたが、本発明はこれに限定するものではない。すなわち、表示領域を補正する対象の断面よりも以前に作成した断面の画像情報であれば、その画像情報を表示領域の補正に用いることができる。

上記の工程を繰り返し行うことで、表示領域を補正した複数の断面の画像情報を取得することができる。表示領域を補正した断面の画像情報を第二の記憶部１８に記憶する。記憶した複数の画像情報を用いることで、断面加工した領域の三次元像を構築することができる。

ここで、図５を用いて、表示領域の補正について説明する。図５（ａ）は、第二の断面２５の観察像である。表示領域５１は、第一の断面２２の表示領域４１に対応する領域である。すなわち、表示領域５１と表示領域４１とは、集束イオンビーム３０を照射する位置座標が同じである。断面観察を行う際、表示領域５１を含み、表示領域５１よりも広いビーム照射領域５２に集束イオンビーム３０を照射し、画像情報を取得する。取得した画像情報は第一の記憶部１５に記憶する。

次に、表示領域の補正を作業者が手動で行う場合は、像編集部１６で表示領域を補正する。第一の記憶部１５からビーム照射領域５２の画像情報を読み出す。入力部１１からの入力により、ビーム照射領域５２内で表示領域５１を移動し、移動した表示領域５１内の画像情報を表示部１２に表示する。すなわち、図５（ｂ）で示した表示領域５１をビーム照射領域５２内で移動し、図５（ｃ）で示した位置に表示領域５１を移動する。そして、表示領域を補正した画像情報を第二の記憶部１８に記憶する。

また、画像認識により自動で行う場合は、像処理部１７で表示領域を補正する。第一の記憶部１５からビーム照射領域５２の画像情報を読み出す。像処理部１７で画像処理を行い、補正した画像情報を第二の記憶部１８に記憶する。

また、上記の説明では、断面像取得に集束イオンビームを照射して取得した二次電子像を用いていたが、電子ビームを照射して取得した二次電子像を用いることも可能である。

１…イオンビーム鏡筒
２…試料室
３…試料台
４…試料
５…二次電子検出器
６…試料台駆動部
１０…制御部
１１…入力部
１２…表示部
１３…イオンビーム制御部
１４…像形成部
１５…第一の記憶部
１６…像編集部
１７…像処理部
１８…第二の記憶部

Claims (2)

1. 集束イオンビーム照射部と、
   試料を載置する試料台と、
   前記試料に電子ビームを照射して取得した観察像を形成する像形成部と、
   前記観察像を記憶する記憶部と、
   前記観察像の一部の領域を表示する表示部と、
   前記表示部に表示した前記観察像の一部の領域と前記記憶部から読み出した前記試料の別の観察像とを重ね合わせて表示し、前記観察像を表示させる領域を変更する像編集部と、
   前記観察像と前記記憶部から読み出した別の観察像のそれぞれから特徴部分を抽出し、前記特徴部分の位置が一致するように前記観察像と前記別の観察像を重ね合わせる像処理部と、を有する断面加工観察装置。
2. 試料を載置する試料台と、
   前記試料に断面加工を施すための集束イオンビーム照射部と、
   前記試料に電子ビームを照射して取得した観察像を形成する像形成部と、
   前記観察像を記憶する記憶部と、
   前記観察像の一部の領域を表示する表示部と、
   前記表示部に表示した前記観察像の一部の領域と前記記憶部から読み出した前記試料の別の観察像とを重ね合わせて表示し、前記観察像を表示させる領域を変更する像編集部と、
   前記観察像と前記記憶部から読み出した別の観察像のそれぞれから特徴部分を抽出し、前記特徴部分の位置が一致するように前記観察像と前記別の観察像を重ね合わせる像処理部と、を有し、
   処理後の複数の観察像に基づき前記断面加工を施した領域の三次元像を構築する、断面加工観察装置。
   

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