JP2017174504A - 複合荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】集束イオンビーム鏡筒と電子ビーム鏡筒とを共に備えた複合荷電粒子ビーム装置において、電子ビーム鏡筒の汚損を防止して、高精度に電子ビームを照射可能な複合荷電粒子ビーム装置を提供する。
【解決手段】試料を載置する試料台と、前記試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、前記試料に電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、前記試料台、前記集束イオンビーム鏡筒、および電子ビーム鏡筒を収容する試料室と、前記電子ビーム鏡筒の出射面と前記試料台との間に挿入された挿入位置、および前記出射面と前記試料台との間から退出した開放位置の間で変位可能に形成された防汚板と、前記防汚板を前記挿入位置および前記開放位置の間で変位させる操作手段と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、集束イオンビームによって形成した試料の断面に向けて電子ビームを照射し、試料の断面像を得る複合荷電粒子ビーム装置に関するものである。
例えば、半導体デバイス等の試料の内部構造を解析したり、立体的な観察を行ったりする手法の１つとして、集束イオンビーム（Focused Ion Beam;ＦＩＢ）を利用した断面形成加工（エッチング加工）を行い、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope；ＳＥＭ）により電子ビーム（Electron Beam；ＥＢ）を走査して、試料の断面像を得る方法が知られている（例えば、特許文献１）。
この断面加工観察方法は、複合荷電粒子ビーム装置を利用したＣｕｔ＆Ｓｅｅと呼ばれる手法で、試料の断面加工を行いつつ、この断面像の観察を行うことができるという、他の方法にはない利点を有している。
特開２００８−２７００７３号公報
しかしながら、上述したような、断面加工観察方法に用いる複合荷電粒子ビーム装置は、集束イオンビーム照射によって試料から飛散するスパッタ粒子によって、電子ビーム鏡筒が汚損しやすいという課題があった。即ち、複合荷電粒子ビーム装置は、照射する電子ビーム性能の減衰を少なくするために、試料を載置する試料台に近接して電子ビーム鏡筒が配置されている。このため、集束イオンビームの照射によって試料から飛散したスパッタ粒子が電子ビーム鏡筒の対物レンズなどに付着しやすく、付着したスパッタ粒子によってチャージアップ現象を誘発し電子ビームの軌道が曲がったり、フォーカスや非点が変化するなどの不具合が生じる懸念がある。また、電極間の絶縁性が低下する懸念もある。
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、集束イオンビーム鏡筒と電子ビーム鏡筒とを共に備えた複合荷電粒子ビーム装置において、電子ビーム鏡筒の汚損を防止して、高精度に電子ビームを照射可能な複合荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本実施形態のいくつかの態様は、次のような複合荷電粒子ビーム装置を提供した。
すなわち、本発明の複合荷電粒子ビーム装置は、試料を載置する試料台と、前記試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、前記試料に電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、前記試料台、前記集束イオンビーム鏡筒、および電子ビーム鏡筒を収容する試料室と、前記電子ビーム鏡筒の出射面と前記試料台との間に挿入された挿入位置、および前記出射面と前記試料台との間から退出した開放位置の間で変位可能に形成された防汚板と、前記防汚板を前記挿入位置および前記開放位置の間で変位させる操作手段と、を備えたことを特徴とする。
本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置によれば、集束イオンビーム鏡筒から集束イオンビームを照射する際に、防汚板を挿入位置にしておくことよって、電子ビーム鏡筒の出射面の前面側が防汚板によって覆われた状態にされる。試料に向けて集束イオンビームが照射されると、試料からスパッタ粒子が飛散し、試料の近傍に配された電子ビーム鏡筒に向けても多くのスパッタ粒子が飛来する。しかしながら、電子ビーム鏡筒の出射面の前面側が防汚板によって覆われているために、スパッタ粒子が電子ビーム鏡筒の出射面から内部に入り込んで、例えば対物レンズ等に付着するといったことがない。これにより、電子ビーム鏡筒の内部が飛来するスパッタ粒子よって汚損されることを確実に防止できる。
前記防汚板は、前記挿入位置において前記電子ビーム鏡筒の出射面の近傍を覆うことを特徴とする。
前記操作手段は、前記試料室の外部に形成されていることを特徴とする。
前記防汚板は、非磁性材料から形成されていることを特徴とする。
前記防汚板は、帯状の板バネ材料からなることを特徴とする。
前記防汚板は、長手方向に沿った両側面とその近傍を支持する支持部材によって、長手方向に沿って摺動自在に支持され、該支持部材は、前記電子ビーム鏡筒の出射面と重なる位置以外に配されていることを特徴とする。
前記防汚板は、長手方向に対して直角な断面が弧状を成し、前記挿入位置において両側端が中心部よりも前記電子ビーム鏡筒の出射面側に突出するように配されていることを特徴とする。
本発明によれば、集束イオンビーム鏡筒と電子ビーム鏡筒とを共に備えた複合荷電粒子ビーム装置において、電子ビーム鏡筒の汚損を防止して、高精度に電子ビームを照射することが可能になる。
実施形態の複合荷電粒子ビーム装置を示す概略構成図である。 鏡筒防汚装置を構成する防汚板と支持部材を示す要部拡大斜視図である。 支持部材を裏面側から見た時の要部拡大斜視図である。 防汚板と支持部材とを電子ビーム鏡筒の近傍から見た時の断面図である。 他の実施形態における防汚板と支持部材とを電子ビーム鏡筒の近傍から見た時の断面図である。 挿入位置にある防汚板の状態を示す要部模式図である。 開放位置にある防汚板の状態を示す要部模式図である。
以下、図面を参照して、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図１は、実施形態の複合荷電粒子ビーム装置を示す概略構成図である。
本実施形態のＦＩＢ−ＳＥＭ装置（複合荷電粒子ビーム装置）１０は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）鏡筒１１と、電子ビーム（ＥＢ）鏡筒１２と、試料Ｓを載置するターンテーブルを有する試料台１５と、これらを収容する試料室１４とを備えている。
集束イオンビーム鏡筒１１、および電子ビーム鏡筒１２は、試料室１４にそれぞれ固定されている。なお、集束イオンビーム鏡筒１１と、電子ビーム鏡筒１２とを、それぞれの鏡筒から照射するビームが試料Ｓ上でそれぞれ直交するように配置すると、加工された断面に対し垂直に電子ビームを照射でき、高い分解能の断面像が取得できるので、より好ましい。
ＦＩＢ−ＳＥＭ装置１０は、更に二次電子検出器１７と、ＥＤＳ検出器１８とを備えている。二次電子検出器１７は、集束イオンビームまたは電子ビームを試料Ｓに照射し、試料Ｓから発生した二次電子を検出する。また、ＥＤＳ検出器１８は、電子ビームを試料Ｓに照射し、試料Ｓから発生したＸ線を検出する。試料Ｓから発生するＸ線は、試料Ｓを構成する物質ごとに特有の特性Ｘ線を含み、こうした特性Ｘ線によって、試料Ｓを構成する物質を特定することができる。
なお、二次電子検出器１７に代えて、反射電子検出器を設ける構成も好ましい。反射電子検出器は、電子ビームが試料Ｓで反射した反射電子を検出する。こうした反射電子によって、断面像を取得することができる。
また、二次電子検出器１７や反射電子検出器を電子ビーム鏡筒の内部に配置してＳＥＭ鏡筒とすることもできる。
また、ＥＤＳ検出器１８に代えて、ＥＢＳＤ検出器を設ける構成も好ましい。ＥＢＳＤ検出器では、結晶性材料に電子ビームを照射すると、試料Ｓの表面で生じる電子線後方散乱回折により回折図形すなわちＥＢＳＤパターンが観測され、試料Ｓの結晶系や結晶方位に関する情報が得られる。こうしたＥＢＳＤパターンを測定，解析することで、試料Ｓの微小領域の結晶方位の分布を特定することができる。
試料室１４は、例えば、内部が減圧可能な気密構造の耐圧筐体からなる。試料室１４には、内部を減圧する真空ポンプ（図示略）が接続されている。
電子ビームが出射される電子ビーム鏡筒１２の出射面（開口面）の近傍には、鏡筒防汚装置２１が配されている。鏡筒防汚装置２１は、防汚板２２と、この防汚板２２を摺動自在に支持する支持部材２３と、防汚板２２を動かす操作手段２４とを備えている。
図２は、鏡筒防汚装置を構成する防汚板と支持部材とを示す要部拡大斜視図である。また、図３は支持部材を裏面側から見た時の要部拡大斜視図である。また、図４は、防汚板と支持部材とを電子ビーム鏡筒の近傍から見た時の断面図である。
防汚板２２は、非磁性材料であり、かつ弾性に富んだ帯状の細長いバネ板から構成されている。バネ板としては、非磁性鋼製の薄板、りん青銅製の薄板、あるいは樹脂製の薄板などが挙げられる。本実施形態では、防汚板２２としてりん青銅製の薄板からなるバネ板を用いている。こうした防汚板２２は、例えば、長手方向に対して直角な断面が弧状を成す形状のものを用いている。こうした弧状のバネ板を用いることによって、防汚板２２は一定の長さまでは支え無しに湾曲せずに直線を保って延びることができる。
支持部材２３は、防汚板２２の長手方向に沿った両側面とその近傍を支持する中空帯状の部材であり、防汚板２２を長手方向に沿って摺動自在になるように支持する。また、支持部材２３の先端は、防汚板２２が伸びた時の方向を決めるため直線形状を有する。こうした支持部材２３は、軽量化および真空排気時間短縮のために、複数の開口２３ａが形成されていることが好ましい。支持部材２３は、例えば、樹脂材料や非磁性の金属材料などから構成されている。
こうした支持部材２３は、一端が電子ビーム鏡筒１２に配され、電子ビーム鏡筒１２に沿って試料室１４の外部まで延び、他端が操作手段２４に達している。防汚板２２は、この支持部材２３に支持されて、一端が電子ビーム鏡筒１２の近傍に延び、他端が操作手段２４に接続されている。なお、支持部材２３は、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａと重なる位置以外に形成され、電子ビームの照射に干渉しないようにされている。即ち、支持部材２３は、一端が電子ビーム鏡筒１２の近傍までは延びているものの、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａと重なる位置には入らないように形成されている。
なお、こうした防汚板２２は、他端が操作手段２４に直接接続される構成以外にも、例えば、電子ビーム鏡筒１２の近傍のみ防汚板２２を形成し、防汚板２２の他端と操作手段２４とを、チューブワイヤーなどの接続部材によって接続する構成も好ましい。こうした構成の場合、防汚板２２やこれを支持する支持部材２３を電子ビーム鏡筒１２の近傍のみに配し、支持部材２３の他端と操作手段２４とを、上述したチューブワイヤーなどの中間接続部材を介して接続すればよい。
また、防汚板は上述した弧状の断面をもつバネ板を用いる以外にも、例えば、図５に示すように、両側面を折り返した形状の防汚板３２を用いることもできる。こうした形状の防汚板３２では、両側面の厚みが増すため、弧状の断面をもつ防汚板２２（図４参照）と同様に、支持部材２３によって支持されなくても、所定の長さまでは自重によって先端が下方に垂れ下がることなく直線的に延びた状態が保たれる。
操作手段２４は、例えば、ソレノイドなど、防汚板２２を直線的に動かすことが可能な部材から構成される。こうした操作手段２４は、手動で操作されたり、あるいは、複合荷電粒子ビーム装置１０全体を制御する制御部（図示略）によって制御される。こうした操作手段２４は、試料室１４の外部に設けられている。このため、防汚板２２やこれを支持する支持部材２３が試料室１４の内外を貫通する部分には、試料室１４内の気密を保つための真空シール構造が形成されていればよい。
以上のような鏡筒防汚装置２１を構成する防汚板２２は、図６に示す挿入位置と、図７に示す開放位置との間で変位可能に形成されている。即ち、挿入位置においては、防汚板２２の一端側の領域が、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａと試料台１５との間に挿入された位置にされる。本実施形態では、挿入位置にある防汚板２２は、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの直前部分を覆うように配される。
この挿入位置おいては、防汚板２２が弧状のバネ板から構成されているために、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａで防汚板２２が支持部材２３に支持される必要が無い。防汚板２２は、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａに重なる位置で支持部材２３に支持されなくても、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの前面側で自重によって下方に大きく垂れ下がることなく、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａと平行になるように直線的に延びた状態が保たれる。即ち、挿入位置おいては、防汚板２２は、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａと重ならない位置にある支持部材２３から一方の側だけで片持ち支持された状態となる。なお、図４に示すように、挿入位置においては、断面弧状の防汚板２２は、両側端が中心部よりも電子ビーム鏡筒１２側に突出し、出射面側が凹面になるように配されている。
一方、開放位置においては、防汚板２２の一端側の領域が、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａと試料台１５との間から退出した位置に配され、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａが開放される（露出される）。この開放位置では、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの前面側は防汚板２２に覆われることがない。
以上のような構成の鏡筒防汚装置を備えた複合荷電粒子ビーム装置の作用を説明する。
本実施形態のＦＩＢ−ＳＥＭ装置１０を用いて、試料Ｓの断面加工および断面観察を行う際には、例えば、試料Ｓのうち、観察対象が存在する位置の周辺に向けて集束イオンビーム鏡筒１１から集束イオンビームを照射して、断面をエッチング加工によって形成する。
こうした集束イオンビーム鏡筒１１から集束イオンビームを照射する際には、鏡筒防汚装置２１を構成する防汚板２２を、図６に示す挿入位置にしておく。これによって、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの前面側が防汚板２２によって覆われた状態にされる。
試料Ｓに向けて集束イオンビームを照射が照射されると、試料Ｓからスパッタ粒子Ｍが飛散し、試料Ｓの近傍に配された電子ビーム鏡筒１２に向けても多くのスパッタ粒子Ｍが飛来する。しかしながら、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの前面側が防汚板２２によって覆われているために、スパッタ粒子Ｍが電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａから内部に入り込んで、例えば対物レンズ等に付着するといったことがない。これにより、電子ビーム鏡筒１２の内部が飛来するスパッタ粒子Ｍによって汚損されることを確実に防止できる。
集束イオンビームの照射による一回の試料Ｓの加工が完了したら、次に、断面加工観察を行う条件を設定して、電子ビーム鏡筒１２から電子ビームを試料Ｓの断面に照射して断面観察を行う。
断面加工観察を行う際には、予め鏡筒防汚装置２１を構成する防汚板２２を、図７に示す解放位置にしておく。これによって、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの前面側から防汚板２２が退避し、電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａが試料Ｓに対して露出した状態になる。
こうした断面加工観察を行う際に、前工程で防汚板２２を挿入位置にして断面加工を行っているため、電子ビーム鏡筒１２の内部がスパッタ粒子Ｍによって汚損されておらず、スパッタ粒子の付着よる電子ビームの軌道が曲がったり、フォーカスや非点が変化するなどの不具合が生じることがない。従って、試料Ｓの断面を高精度に、かつ正確に観察することができる。
鏡筒防汚装置２１を構成する防汚板２２を挿入位置と開放位置との間で変位させる操作手段２４は、複合荷電粒子ビーム装置１０の全体を制御する制御部によって、集束イオンビーム鏡筒１１と電子ビーム鏡筒１２の動作に連動させて制御することが好ましい。即ち、集束イオンビーム鏡筒１１から集束イオンビームを照射させる動作モードにおいては、制御部が操作手段２４を介して自動的に防汚板２２を挿入位置に変位させる。また、電子ビーム鏡筒１２から電子ビームを照射させる動作モードにおいては、制御部が操作手段２４を介して防汚板２２を自動的に開放位置に変位させる。これにより、防汚板２２の位置変更をしないまま集束イオンビームや電子ビームを照射するといった誤動作を防止することができる。
ＦＩＢ−ＳＥＭ装置１０を用いて試料の三次元画像を構築する方法としては、試料Ｓに対して集束イオンビーム鏡筒１１からＦＩＢを照射してエッチング加工を行い、試料Ｓの断面を露出させる。続いて、露出させた断面に電子ビーム鏡筒１２からＥＢを照射してＳＥＭ観察を行い、試料Ｓの断面像を取得する。続いて、再度ＦＩＢを照射によってエッチング加工を行って、試料Ｓの次の断面を露出させた後、ＳＥＭ観察により２枚目の断面像を取得する。このように、試料の任意の方向に沿ってエッチング加工とＳＥＭ観察とを繰り返して、試料Ｓの複数枚の断面像を取得する。そして、最後に、取得した複数枚の断面像を、例えはコンピュータによる画像処理によって三次元再構築することで、試料Ｓの三次元画像を構築することができる。
また、防汚板２２を操作する操作手段２４を試料室１４の外部に配置することによって、機械的な動作装置を試料室１４内に配置することによる試料室１４内の汚染を防止し、試料室１４内を清浄な環境に保つことができる。
また、防汚板２２を非磁性材料で形成することによって、電子ビーム鏡筒１２から出射される電子ビームに対して磁気による影響を排除することができる。即ち、防汚板２２は、開放位置においても、その端部は電子ビーム鏡筒１２の出射面１２ａの近傍に位置している。このため、防汚板２２が磁性材料であると、磁気によって電子ビームの軌道が変化する懸念があるが、防汚板２２を非磁性材料で形成することによって、こうした電子ビームの磁気による軌道変化を確実に防止することができる。ＳＥＭ対物レンズの磁場を試料近傍まで漏らし、レンズ主面を試料に近づけてＳＥＭ分解能を向上させる場合、非磁性の防汚板は必須である。
複合荷電粒子ビーム装置１０においては、上述したように加工と観察とを時系列で繰り返す操作以外にも、加工中の様子をリアルタイムで観察するモードも併用する。例えば、反射電子検出器を使う場合は、ＦＩＢ照射により発生した二次電子を捕獲ぜず、電子ビーム照射により発生した反射電子のみで画像化できるため、加工中に同時観察ができる。 また、電子ビーム電流をＦＩＢ電流と比較して極めて大きく設定すると、電子ビームによる二次電子が支配的となり、多少のノイズは画像に生じるものの、同時観察が可能であるという利点がある。
これらの動作モードの場合、電子ビーム鏡筒１２の前面側に防汚板を挿入しない状態で加工を実施するため、ＦＩＢ電流量や利用時間を管理することが望ましく、本発明のように、各構成要素が装置全体を制御する制御装置と繋がり、互いに連動する構成にすることが望ましい。
集束イオンビーム鏡筒１１はプラズマイオン源を備えた大電流照射可能な鏡筒であっても良い。大電流による高速、大面積加工によるスパッタ粒子対策として、本発明は大きな作用効果を奏する。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１０ ＦＩＢ−ＳＥＭ装置（複合荷電粒子ビーム装置）
１１ 集束イオンビーム（ＦＩＢ）鏡筒
１２ 電子ビーム（ＥＢ）鏡筒
１４ 試料室
１５ 試料台
２１ 鏡筒防汚装置
２２ 防汚板
２４ 操作手段

Claims (7)

  1. 試料を載置する試料台と、
    前記試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、
    前記試料に電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、
    前記試料台、前記集束イオンビーム鏡筒、および電子ビーム鏡筒を収容する試料室と、
    前記電子ビーム鏡筒の出射面と前記試料台との間に挿入された挿入位置、および前記出射面と前記試料台との間から退出した開放位置の間で変位可能に形成された防汚板と、
    前記防汚板を前記挿入位置および前記開放位置の間で変位させる操作手段と、を備えたことを特徴とする複合荷電粒子ビーム装置。
  2. 前記防汚板は、前記挿入位置において前記電子ビーム鏡筒の出射面の近傍を覆うことを特徴とする請求項１記載の複合荷電粒子ビーム装置。
  3. 前記操作手段は、前記試料室の外部に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の複合荷電粒子ビーム装置。
  4. 前記防汚板は、非磁性材料から形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載の複合荷電粒子ビーム装置。
  5. 前記防汚板は、帯状の板バネ材料からなることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載の複合荷電粒子ビーム装置。
  6. 前記防汚板は、長手方向に沿った両側面とその近傍を支持する支持部材によって、長手方向に沿って摺動自在に支持され、該支持部材は、前記電子ビーム鏡筒の出射面と重なる位置以外に配されていることを特徴とする請求項５記載の複合荷電粒子ビーム装置。
  7. 前記防汚板は、長手方向に対して直角な断面が弧状を成し、前記挿入位置において両側端が中心部よりも前記電子ビーム鏡筒の出射面側に突出するように配されていることを特徴とする請求項５または６記載の複合荷電粒子ビーム装置。
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