JP2016051591A

JP2016051591A - 荷電粒子ビーム装置

Info

Publication number: JP2016051591A
Application number: JP2014176030A
Authority: JP
Inventors: 欣満; Kin Mitsu; 麻畑　達也; Tatsuya Asahata; 達也麻畑
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-04-11

Abstract

【課題】幅広い散乱角度の散乱電子を検出することが可能であり、試料の鮮明な観察像を取得する。【解決手段】荷電粒子ビーム装置１００は、試料５を保持する試料ステージ８と、試料ステージ８に保持された試料５に電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒１と、試料ステージ８に保持された試料５にイオンビームを照射し、エッチング加工するＦＩＢ鏡筒（イオンビーム鏡筒）２と、電子ビーム１ａの照射軸上で移動可能に配置され、電子ビーム１ａが照射され試料５内で散乱し透過した散乱電子を検出する移動式検出器７と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、透過及び散乱電子像を観察可能な荷電粒子ビーム装置に関するものである。

薄膜の試料に電子ビームを走査照射し、試料を透過した電子を検出することで走査透過電子像（ＳＴＥＭ像：Scanning Transmission Electron Microscopy）を観察することができる。

集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）を試料に照射し形成された断面に電子ビームを照射し、透過した電子及び散乱した電子を検出する荷電粒子ビーム装置が開示されている（特許文献１参照）。これによれば、ＦＩＢで加工した試料を試料室内でＳＴＥＭ像観察することができるためスループットが良い。

特開２００６−１２７８５０号公報

ＳＴＥＭ像には、試料内で散乱して透過した散乱電子を検出して得られる暗視野像と、散乱しないで透過した透過電子を検出して得られる明視野像がある。特に暗視野像は散乱電子信号の強度に基づくものであるため、試料を構成する元素によるコントラスト像を観察することができる。

しかしながら、従来の荷電粒子ビーム装置においては、透過した電子を検出する検出器及び散乱した電子を検出する検出器が固定配置されており、幅広い角度で散乱する電子を検出することが困難であった。

本発明は、幅広い角度で散乱する電子を検出可能な荷電粒子ビーム装置に関する。

本発明に係る荷電粒子ビーム装置は、試料を保持する試料ステージと、前記試料ステージに保持された試料に電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、前記試料ステージに保持された試料にイオンビームを照射し、エッチング加工するイオンビーム鏡筒と、電子ビームの照射軸上で移動可能に配置され、電子ビームが照射され試料内で散乱し透過した散乱電子を検出する移動式検出器と、を有する。

本発明の荷電粒子ビーム装置の一態様として例えば、前記移動式検出器を移動させる駆動機構を更に備え、当該駆動機構は、前記移動式検出器を移動させて試料に対する当該移動式検出器の距離を変更する。

本発明の荷電粒子ビーム装置の一態様として例えば、移動式検出器の散乱電子の検出面が複数の検出領域に分割されている。

本発明に係る荷電粒子ビーム装置によれば、幅広い角度で散乱する電子を検出することで、鮮明な観察像を取得することができる。

本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置の構成図である。本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置を用いた透過及び散乱電子の検出方法を説明する説明図である。本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置を用いた透過及び散乱電子の検出方法を説明する説明図である。本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置における移動式検出器の説明図である。本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置における移動式検出器の説明図である。

以下、本発明に係る荷電粒子ビーム装置の実施形態について説明する。

図１に示すように、荷電粒子ビーム装置１００は、電子ビーム鏡筒１と、ＦＩＢ鏡筒（イオンビーム鏡筒）２と、試料室３を備えている。試料室３は、排気装置によって内部を所望の真空状態になるまで排気可能であるとともに、所望の真空状態を維持可能に構成されている。また、試料室３は、試料５を固定し、保持可能な試料ステージ８を備えている。電子ビーム鏡筒１は、試料ステージ８に固定保持された試料５に電子ビーム１ａを照射するように配置されている。ＦＩＢ鏡筒２は、試料ステージ８に固定保持された試料５にイオンビームであるＦＩＢ２ａを照射するように配置されている。

荷電粒子ビーム装置１００は、電子ビーム制御部２２とＦＩＢ制御部２３を備える。電子ビーム制御部２２は電子ビーム鏡筒１に照射信号を送信し、電子ビーム鏡筒１から電子ビーム１ａを照射させる。ＦＩＢ制御部２３はＦＩＢ鏡筒２に照射信号を送信し、ＦＩＢ鏡筒２からＦＩＢ２ａを照射させる。

荷電粒子ビーム装置１００は、荷電粒子検出器として、図示せぬ反射電子検出器を電子ビーム鏡筒１内部に備えており、電子ビーム１ａの照射により試料５から発生した反射電子を検出することができる。また、荷電粒子ビーム装置１００は、荷電粒子検出器として、二次電子検出器４を試料室３内部に備えており、電子ビーム１ａ又はＦＩＢ２ａの照射により試料５から発生した二次電子を検出することができる。

荷電粒子ビーム装置１００は、反射電子検出器又は二次電子検出器４によって検出された反射電子又は二次電子に基づく画像データなどを形成する像形成部２４と、形成した像を表示する表示装置２１を備えている。

像形成部２４は、電子ビーム制御部２２の電子ビーム１ａを走査させる信号と、反射電子検出器又は二次電子検出器４で検出した反射電子又は二次電子の信号とから反射電子像又はＳＥＭ像のデータを形成する。表示装置２１は反射電子像又はＳＥＭ像を表示することができる。また、像形成部２４は、ＦＩＢ制御部２３のイオンビーム２ａを走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＩＭ像のデータを形成する。表示装置２１はＳＩＭ像を表示することができる。

荷電粒子ビーム装置１００は、荷電粒子検出器として、透過電子検出器６、移動式検出器７を試料室３内部に備えており、電子ビーム１ａの照射により試料５を透過及び散乱した電子を検出することができる。

荷電粒子ビーム装置１００は、透過電子検出器６、移動式検出器７で検出した透過及び散乱した電子に基づくＳＴＥＭ像を形成する透過像形成部２６を備えている。透過像形成部２６は、電子ビーム制御部２２の電子ビーム１ａを走査させる信号と、透過電子検出器６、移動式検出器７で検出した透過及び散乱した電子の信号とからＳＴＥＭ像のデータを形成する。表示装置２１はＳＴＥＭ像を表示することができる。

荷電粒子ビーム装置１００は、試料ステージ８を移動させる試料ステージ制御部２５を備える。試料ステージ制御部２５は、試料ステージ８をＸ、Ｙ、Ｚ方向の三軸方向に相当するＤ１、Ｄ２、Ｄ３の三軸方向（図１参照）に移動させる。また、試料ステージ８は傾斜機構９に接続されており、傾斜機構９はＤ２を中心とする傾斜方向に試料ステージ８を傾斜させる。つまり、試料ステージ制御部２５は、試料ステージ８をＤ１、Ｄ２、Ｄ３の三軸方向及びＤ２を中心に傾斜移動させる。また、試料ステージ制御部２５は試料ステージ８をＤ１を中心に回転移動させる。

荷電粒子ビーム装置１００は、さらに、入力装置２０と、コンピュータ２７を備える。操作者の入力操作に応じた信号を出力するマウスおよびキーボードなどの入力装置２０がコンピュータ２７に接続されている。オペレータは装置制御に関する条件を入力装置２０に入力する。入力装置２０は、入力された情報をコンピュータ２７に送信する。コンピュータ２７は、電子ビーム制御部２２、ＦＩＢ制御部２３、像形成部２４、試料ステージ制御部２５又は表示装置２１に信号を送信し、荷電粒子ビーム装置１００の動作を総合的に制御する。

電子ビーム鏡筒１とＦＩＢ鏡筒２とは、それぞれの照射軸が試料５上で互いに直交するように配置されている。電子ビーム鏡筒１及びＦＩＢ鏡筒２の試料室３内に挿入された部分には対物レンズ部材が内蔵されており、それぞれの鏡筒を互いに接近させると干渉してしまうが、直交配置にすることにより試料５にそれぞれの鏡筒を接近させた配置であっても干渉することがない。これにより試料５にそれぞれの鏡筒を接近させることができるため、ワーギングディスタンスを小さくすることができ、試料５に集束するビームを絞ることができる。

透過電子検出器６及び移動式検出器７は、電子ビーム１ａの照射により試料５を透過及び散乱した電子を検出することができる。ここで、試料５は電子ビーム１ａが透過できる程度の膜厚（１００ｎｍ以下）にＦＩＢ加工（エッチング加工）で薄膜化する。試料５に照射された電子ビーム１ａは試料５により透過及び散乱される。散乱角度は試料５を構成する元素によって異なるため、散乱電子信号の強度は構成元素に依存する。すなわち、シリコンのような軽い元素の場合は主に小さい散乱角度で散乱し、タングステンのように重い元素の場合は主に大きい散乱角度で散乱する。これを利用して透過電子及び散乱電子を検出することで試料５を構成する元素情報に起因したコントラスト像を得ることができる。

透過電子検出器６は試料５から離れた位置に固定配置されているため、少なくとも試料５を透過した透過電子と、試料５から散乱したもののうち散乱角度の小さい散乱電子を検出し、主に軽い元素が強調されたコントラスト像を形成することができる。しかしながら、重い元素に散乱された散乱角度の大きい電子を検出することができないため、重い元素を含む試料の試料分析に必要なコントラスト像を得ることはできない。

そこで、一般的には試料５に近い位置、詳しくは透過電子検出器６よりも試料５に近い位置に散乱角度の大きい電子を検出する散乱電子検出器が配置される。そして、本実施形態では図示の様に、そのような位置に配置可能な移動式検出器７と当該移動式検出器７を移動させる駆動機構１０が用いられる。

移動式検出器７は、駆動機構１０の作用により、試料５と透過電子検出器６との間に移動可能な状態で配置されているが、移動式検出器７を試料５に近い位置に配置することにより試料５からの散乱角度の大きい電子を検出することができる。駆動機構１０は、移動式検出器７を使用する場合には、移動式検出器７を電子ビームの軌道上、すなわち試料５からの透過電子及び散乱電子の軌道上に、使用しない場合は試料ステージ８から離れた位置、少なくとも試料５からの透過電子及び散乱電子の軌道から外れた位置に移動式検出器７を移動させる。これにより、移動式検出器７で観察する場合のみ移動式検出器７を試料ステージ８周辺に接近させれば良いので、試料５の粗加工や観察などで試料ステージ８を傾斜や回転させる場合や試料室３内で試料５を移設させる場合には移動式検出器７を試料ステージ８から遠ざけることができ、干渉を避けることができる。これにより、移動式検出器７が試料室３内の構成物に干渉することがないため、移動式検出器７を試料５に近い位置に配置させることができる。例えば試料５と移動式検出器７との距離を１０〜５０ｍｍ程度まで小さくすることが可能である。従って、散乱角度の大きい散乱電子も検出することができる。

ここで、試料５の移設は、例えば、試料室３内の電子ビーム鏡筒１とは反対側の透過電子検出器６側から図示しないニードルにより図示しない他の試料ホルダに載置された試料５を試料ステージ８に移設し固定する。これにより、試料交換の際に当該他の試料ホルダに交換する試料を載置し、試料ホルダのみを試料室３の外部から出し入れすることにより試料室３を大気解放しなくて済むため、作業時間を大幅に短縮することができる。

また、駆動機構１０は移動式検出器７を電子ビーム１ａの照射軸方向（Ｄ３方向）に移動させることができる。すなわち駆動機構１０は、移動式検出器７を移動させて試料５に対する移動式検出器７の距離を変更して散乱電子を検出することができるので、幅広い散乱角度で散乱電子を検出することができる。さらに、透過電子検出器６と移動式検出器７を組み合わせることにより、さらに幅広い散乱角度で散乱電子を検出することができる。従って、所望の散乱角度の散乱電子を幅広く検出することができるので所望の元素に着目した鮮明なコントラスト像を取得し試料分析を行うことができる。

図２に示すように、任意に設置可能な開口部（アパーチャ）を持つ部材６ａを通過した散乱角度の小さい散乱電子１１ａ及び透過電子を透過電子検出器６で検出することができる。また、駆動機構１０は移動式検出器７を矢印Ａの方向に沿って移動させることが可能である。移動式検出器７が試料５に近い位置に配置している場合は（図２の移動式検出器７Ａ）、散乱角度の大きい散乱電子１１ｃを検出することができる。そして、移動式検出器７が試料５からより遠い位置に移動した場合は（図２の移動式検出器７Ｂ）、散乱電子１１ｃよりも散乱角度の小さい散乱電子１１ｂを検出することができる。駆動機構１０が連続的に移動式検出器７の位置を電子ビーム鏡筒１の照射軸上で移動させることができるので、連続的に（無段階に）散乱角度の異なるコントラスト像を観察することができる。また、駆動機構１０が移動式検出器７の位置を細かく制御することにより、取得する散乱電子の散乱角度を細かく変更することができるので、所望の元素の散乱信号強度の高いコントラスト像を取得することができる。駆動機構１０による移動式検出器７の駆動方式はベルト、ギヤ、アクチュエータ等、特に限定はされない。また、駆動機構１０は矢印Ａと垂直方向その他任意の角度で移動式検出器７を移動させ、電子ビームの軌道から外すことができる。

図３に示すように、散乱電子１１の散乱角度は電子ビーム１ａからの広がり角度であり散乱角度θで示すことができる。散乱角度θが０〜１０ｍｒａｄの電子は透過電子検出器６で検出することができ明視野像を形成する。移動式検出器７を試料５に近い位置に配置した場合は、散乱角度θが２００〜８００ｍｒａｄの重元素に敏感な電子を検出することができる。また、移動式検出器７を試料５から離れた位置に配置した場合は、散乱角度θが５０〜２００ｍｒａｄの電子を検出することができる。移動式検出器７を試料５からさらに離れた位置（透過電子検出器６に近い位置）に配置した場合は、散乱角度θが１０〜５０ｍｒａｄの軽元素に敏感な電子を検出することができる。散乱角度θが１０〜８００ｍｒａｄの散乱電子は暗視野像を形成する。

図４に示すように、移動式検出器７は検出面を４つの検出領域７ａ〜７ｄに分割されており、それぞれ独立して電子を検出することができ、また、中央には散乱角度の小さい散乱電子及び透過電子を通過させる穴７ｅを備えている。すなわち、移動式検出器７の検出面は、面内において複数の検出領域に分割されている。特に検出領域７ａ〜７ｄは、検出面の周方向に沿って設けられている。これにより結晶試料などにおいて、結晶方位により特定の方向に散乱される電子を選択的に検出することができ、特定の元素について強調したコントラスト像を形成することができる。

透過像形成部２６は、透過電子検出器６と移動式検出器７で検出した信号を組み合わせてコントラスト像を形成する。移動式検出器７の位置を変更し、また、移動式検出器７の特定の検出領域７ａ〜７ｄで検出したそれぞれの信号を調整してコントラスト像を形成することで、所望の元素に起因する信号が強調されたコントラスト像を取得することができる。

図５に示す他の移動式検出器７では、検出面が４つの検出領域７ａ〜７ｄに加え、さらに他の４つの検出領域７ｆ〜７ｉを加えた、合計８つの検出領域に分割されている。特に検出領域７ａ〜７ｄと、検出領域７ｆ〜７ｉは、検出面の中央（中央の穴７ｅの位置）から、異なる位置にそれぞれ設けられている。内側の検出領域７ａ〜７ｄと外側の検出領域７ｆ〜７ｉを分けることにより、移動式検出器７で検出する電子のうち、検出領域７ａ〜７ｄで散乱角度の小さい散乱電子を検出し、検出領域７ｆ〜７ｉでそれよりも大きい散乱電子を検出することができる。このような構成にすることで、散乱角度の違いをよるコントラストの違いをより細かく検出することができる。

移動式検出器７の種類、形式、数などは特に限定されない。また、移動式検出器７の検出面の形状、検出面の検出領域の分割数や各検出領域の場所の割り当て方法等も、特に限定されない。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明の荷電粒子ビーム装置によれば、幅広い散乱角度の散乱電子を検出することが可能であり、試料の鮮明な観察像を取得でき、検出精度を向上させることができる。

１電子ビーム鏡筒
２ＦＩＢ鏡筒（イオンビーム鏡筒）
３試料室
４二次電子検出器
５試料
６透過電子検出器
７移動式検出器
８試料ステージ
９傾斜機構
１０駆動機構
２０入力装置
２１表示装置
２２電子ビーム制御部
２３ＦＩＢ制御部
２４像形成部
２５試料ステージ制御部
２６透過像形成部
２７コンピュータ
１００荷電粒子ビーム装置

Claims

試料を保持する試料ステージと、
前記試料ステージに保持された試料に電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、
前記試料ステージに保持された試料にイオンビームを照射し、エッチング加工するイオンビーム鏡筒と、
前記電子ビームの照射軸上で移動可能に配置され、前記電子ビームが照射され試料内で散乱し透過した散乱電子を検出する移動式検出器と、を有する荷電粒子ビーム装置。
請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
前記移動式検出器を移動させる駆動機構を更に備え、
当該駆動機構は、前記移動式検出器を移動させて試料に対する当該移動式検出器の距離を変更する、荷電粒子ビーム装置。
請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
前記移動式検出器の散乱電子の検出面が複数の検出領域に分割されている、荷電粒子ビーム装置。