JP2018163826A - 荷電粒子ビーム装置、試料加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の厚みを減じた微小試料片の全体にムラなく荷電粒子ビームを照射することが可能であり、かつ、加工時の加工終点を明確に把握することが可能な荷電粒子ビーム装置、および試料加工方法を提供する。【解決手段】試料に向けて荷電粒子ビームを照射し、微小試料片を作成する荷電粒子ビーム装置であって、前記試料に向けて荷電粒子ビームを照射可能な荷電粒子ビーム鏡筒と、前記荷電粒子ビーム鏡筒を収容する前記試料室と、前記試料を保持可能する試料片ホルダと、を有し、前記荷電粒子ビームによって、前記試料の一部領域の厚みを減じた微小試料片を形成する際に、該微小試料片の薄片化部分に隣接する部分が前記薄片化部分に対して傾斜した傾斜部を形成することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、荷電粒子ビームを用いて試料の加工を行うための荷電粒子ビーム装置、および、荷電粒子ビームを用いた試料加工方法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、荷電粒子ビーム（Focused Ion Beam;ＦＩＢ）鏡筒と電子ビーム（Electron Beam；ＥＢ）鏡筒を搭載した荷電粒子ビーム複合装置を用いて、ＦＩＢによる断面形成加工と、その断面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope；ＳＥＭ）により観察を行う断面加工観察方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この断面加工観察方法は、ＦＩＢによる断面形成加工とＳＥＭによる断面観察を繰り返して３次元画像を構築する手法が知られている。この手法では、再構築した３次元立体像から、対象試料の立体的な形体を様々な方向から詳細に解析することができる。更に、対象試料の任意の断面像を再現する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。

その一方で、ＳＥＭは原理上、高倍率（高分解能）の観察に限界があり、また得られる情報も試料表面近くに限定される。このため、より高倍率で高分解能の観察のために、薄膜状に加工した試料に電子を透過させる透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscopy：ＴＥＭ）を用いた観察方法も知られている。こうしたＴＥＭによる観察に用いる薄膜化した微細な試料（以下、微小試料片と称することがある。）の作製にも、上述したようなＦＩＢによる断面形成加工が有効である。

従来、ＴＥＭによる観察に用いる微小試料片を作成する際には、試料の例えば先端部分を試料の厚み方向に沿って荷電粒子ビームを照射し、試料の厚みを減じて薄膜化することによって、微小試料片を作成していた。
例えば、半導体基板中に厚み方向に沿って複数のデバイスを積層した試料を薄膜化する際には、荷電粒子ビームを照射しつつ加工断面のＳＥＭ画像を観察し、加工断面に露出したデバイスの数をカウントすることで、所望の加工終点を把握していた。

一方、荷電粒子ビームを用いた加工によって生じる、荷電粒子ビームの照射方向に沿った加工縞模様（カーテン効果）を軽減するために、試料の厚み方向に対して傾斜した方向から荷電粒子ビームを照射することも行われている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００８−２７００７３号公報 特開平９−１８６２１０号公報

しかしながら、上述した試料の加工方法（薄膜化方法）では、試料のうち、薄膜化する部分はエッチング加工され、当該部分に隣接する部分はエッチング加工されないため、９０°で屈曲する段差が生じる。そして、上述したようなカーテン効果対策のために、薄片化する部分の加工面に対して傾斜した方向から荷電粒子ビームを照射すると、前述の隣接部分が荷電粒子ビームを遮蔽するため、荷電粒子ビームが当たらない陰領域が生じる。このため、荷電粒子ビームが当たらない陰領域を考慮して加工幅を決定しなければならず、所望の加工幅よりも大きな加工範囲に荷電粒子ビームを照射する必要が生じる。このため、試料の加工時間が長くなり、また、所望の形状の微小試料片を作製できない虞もあった。

また、半導体基板中に厚み方向に沿って複数のデバイスを積層した試料を薄膜化する際には、加工終点を把握するために加工によって露出したデバイスの数をカウントする時に、上述した陰領域の影響で加工面のコントラストが低下し、正確にデバイスの数をカウントできず、加工終点の正確な把握ができなくなる虞もあった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、試料の厚みを減じた微小試料片の全体にムラなく荷電粒子ビームを照射することが可能であり、かつ、加工時の加工終点を明確に把握することが可能な荷電粒子ビーム装置、および試料加工方法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、本実施形態の態様は、以下のような荷電粒子ビーム装置、試料加工方法を提供した。
すなわち、本発明の荷電粒子ビーム装置は、試料に向けて荷電粒子ビームを照射し、微小試料片を作成する荷電粒子ビーム装置であって、前記試料に向けて荷電粒子ビームを照射可能な荷電粒子ビーム鏡筒と、前記荷電粒子ビーム鏡筒を収容する前記試料室と、前記試料を保持可能する試料片ホルダと、を有し、前記荷電粒子ビームによって、前記試料の一部領域の厚みを減じた微小試料片を形成する際に、該微小試料片の薄片化部分に隣接する部分が前記薄片化部分に対して傾斜した傾斜部を形成することを特徴とする。

本発明の荷電粒子ビーム装置によれば、微小試料片の薄片化部分に隣接する部分が、この薄片化部分に対して傾斜した傾斜部を形成することで、傾斜部に露呈するデバイスの断面形状は、デバイスの延長方向に直角な断面における断面形状と比較して、より大きく鮮明に見えるので、デバイスの数を正確にカウントすることができる。これによって、荷電粒子ビームによる試料の加工終点を容易に、かつ確実に決定することができる。

また本発明は、前記傾斜部に対して平行になるようにアルゴンイオンビームを照射することを特徴とする。

本発明の試料加工方法は、試料に向けて荷電粒子ビームを照射し、前記試料の一部領域の厚みを減じた微小試料片を作成する試料作製方法であって、前記荷電粒子ビームの照射によって、前記試料の厚み方向に沿った所定の加工厚みで、かつ前記厚み方向に対して直角な幅方向に沿った加工幅の除去域を、前記厚み方向に沿って複数重ねて形成し、前記除去域を重ねるごとに前記加工幅を段階的に減じることによって、前記微小試料片の薄片化部分に隣接する部分に、前記薄片化部分に対して傾斜させた傾斜部を形成する傾斜部形成工程を備えたことを特徴とする。

本発明の試料加工方法によれば、微小試料片の薄片化部分に隣接する部分に、この薄片化部分に対して傾斜させた傾斜部を形成することができるので、後工程で、試料の加工に用いた荷電粒子ビームとは別な照射角の再加工ビームを照射する際に、微小試料片の付け根部分にアルゴンイオンビームが照射されない陰領域を無くすことができ、微小試料片の全域に確実にアルゴンイオンビームを照射することが可能になる。これによって、微小試料片の全域において加工縞模様が軽減され、鮮明な観察像を得ることが可能な微小試料片を形成できる。

また本発明は、前記傾斜部形成工程における、それぞれの除去域の前記加工厚みおよび前記加工幅は、走査型電子顕微鏡によって得られた前記傾斜部のＳＥＭ画像を参照して決定されることを特徴とする。

また本発明は、前記試料は、基材の内部に埋設層が前記厚み方向に沿って複数重ねて形成され、前記傾斜部形成工程は、前記ＳＥＭ画像を用いて、前記傾斜部に露呈される前記埋設層の数をカウントして、加工終点を決定することを特徴とする。

前記傾斜部形成工程では、前記薄片化部分と、前記薄片化部分に隣接する部分である傾斜部とを、互いに１０°以上９０°未満の範囲で傾斜させることを特徴とする。

また本発明は、前記微小試料片に向けて、前記傾斜部に対して平行になるようにアルゴンイオンビームを照射するアルゴンビーム照射工程を更に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、試料の厚みを減じた微小試料片の全体にムラなく荷電粒子ビームを照射することが可能であり、かつ、加工時の加工終点を明確に把握することが可能な荷電粒子ビーム装置、および試料加工方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置の構成図である。 試料加工方法を段階的に示した説明図である。 試料加工方法を段階的に示した説明図である。 試料加工方法の別な例を示した説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である荷電粒子ビーム装置、およびこれを用いた試料加工方法について説明する。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、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置を示す概略構成図である。
本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置１０は、図１に示すように、内部を真空状態に維持可能な試料室１１と、試料室１１の内部において、バルクの試料Ｖや、試料片Ｓを保持するための試料片ホルダＰを固定可能なステージ１２と、ステージ１２を駆動するステージ駆動機構１３と、を備えている。

荷電粒子ビーム装置１０は、試料室１１の内部における所定の照射領域（つまり走査範囲）内の照射対象に荷電粒子ビーム、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する集束イオンビーム照射光学系１４を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、試料室１１の内部における所定の照射領域内の照射対象に電子ビーム（ＥＢ）を照射する電子ビーム照射光学系１５を備えている。荷電粒子ビーム装置１０は、荷電粒子ビームまたは電子ビームの照射によって照射対象から発生する二次荷電粒子（二次電子、二次イオン）Ｒを検出する検出器１６を備えている。

荷電粒子ビーム装置１０は、試料室１１の内部における所定の照射領域内の照射対象に気体イオンビーム（ＧＢ）を照射する気体イオンビーム光学系１８を備えている。
これら集束イオンビーム照射光学系１４、電子ビーム照射光学系１５、および気体イオンビーム光学系１８は、それぞれのビーム照射軸がステージ１２上の実質的な１点で交差可能なように配置されている。即ち、試料室１１を側面から平面視した時に、集束イオンビーム光学系１４は鉛直方向に沿って配置され、電子ビーム照射光学系１５と気体イオンビーム光学系１８は、それぞれ鉛直方向に対して例えば４５°傾斜した方向に沿って配置されている。こうした配置レイアウトにより、試料室１１を側面から平面視した時に、電子ビーム照射光学系１５から照射される電子ビーム（ＥＢ）のビーム照射軸に対して、気体イオンビーム（ＧＢ）のビーム照射軸は、例えば直角に交わる方向になる。

荷電粒子ビーム装置１０は、照射対象の表面にガスＧを供給するガス供給部１７を備えている。ガス供給部１７は具体的には外径２００μｍ程度のノズル１７ａなどである。
荷電粒子ビーム装置１０は、照射対象の表面にガスＧを供給するガス供給部１７を備えている。ガス供給部１７は具体的には外径２００μｍ程度のノズル１７ａなどである。

荷電粒子ビーム装置１０は、ステージ１２に固定された試料Ｖから試料片Ｓを取り出し、この試料片Ｓを保持して試料片ホルダＰに移設するニードル１９ａおよびニードル１９ａを駆動して試料片Ｓを搬送するニードル駆動機構１９ｂからなる試料片移設手段１９と、ニードル１９ａに流入する荷電粒子ビームの流入電流（吸収電流とも言う）を検出し、流入電流信号はコンピュータに送り画像化する吸収電流検出器２０と、を備えている。

荷電粒子ビーム装置１０は、検出器１６によって検出された二次荷電粒子Ｒに基づく画像データなどを表示する表示装置２１と、コンピュータ２２と、入力デバイス２３と、を備えている。

なお、集束イオンビーム照射光学系１４および電子ビーム照射光学系１５の照射対象は、ステージ１２に固定された試料Ｖ、試料片Ｓ、および照射領域内に存在するニードル１９ａや試料片ホルダＰなどである。

荷電粒子ビーム装置１０は、照射対象の表面に荷電粒子ビームを走査しながら照射することによって、被照射部の画像化やスパッタリングによる各種の加工（掘削、トリミング加工など）と、デポジション膜の形成などが実行可能である。荷電粒子ビーム装置１０は、試料Ｖから試料片Ｓの切り出し、切り出した試料片ＳからＴＥＭによる観察に用いる微小試料片Ｑ（図３参照：例えば、薄片試料、針状試料など）や電子ビーム利用の分析試料片を形成する加工を実行可能である。

荷電粒子ビーム装置１０は、試料片ホルダＰに移設された試料片Ｓの例えば先端部分を、透過電子顕微鏡による透過観察に適した所望の厚さ（例えば、５〜１００ｎｍなど）まで薄膜化して、観察用の微小試料片Ｑを得ることが可能である。荷電粒子ビーム装置１０は、試料片Ｓおよびニードル１９ａなどの照射対象の表面に荷電粒子ビームまたは電子ビームを走査しながら照射することによって、照射対象の表面の観察を実行可能である。

吸収電流検出器２０は、プリアンプを備え、ニードルの流入電流を増幅し、コンピュータ２２に送る。吸収電流検出器２０により検出されるニードル流入電流と荷電粒子ビームの走査と同期した信号により、表示装置２１にニードル形状の吸収電流画像を表示でき、ニードル形状や先端位置特定が行える。

試料室１１は、排気装置（図示略）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。
ステージ１２は、試料Ｖを保持する。ステージ１２は、試料片ホルダＰを保持するホルダ固定台１２ａを備えている。このホルダ固定台１２ａは複数の試料片ホルダＰを搭載できる構造であってもよい。

ステージ駆動機構１３は、ステージ１２に接続された状態で試料室１１の内部に収容されており、コンピュータ２２から出力される制御信号に応じてステージ１２を所定軸に対して変位させる。ステージ駆動機構１３は、少なくとも水平面に平行かつ互いに直交するＸ軸およびＹ軸と、Ｘ軸およびＹ軸に直交する鉛直方向のＺ軸とに沿って平行にステージ１２を移動させる移動機構１３ａを備えている。ステージ駆動機構１３は、ステージ１２をＸ軸またはＹ軸周りに傾斜させる傾斜機構１３ｂと、ステージ１２をＺ軸周りに回転させる回転機構１３ｃと、を備えている。

集束イオンビーム照射光学系１４は、試料室１１の内部においてビーム出射部（図示略）を、照射領域内のステージ１２の鉛直方向上方の位置でステージ１２に臨ませるとともに、光軸を鉛直方向に平行にして、試料室１１に固定されている。これによって、ステージ１２に載置された試料Ｖ、試料片Ｓ、および照射領域内に存在するニードル１９ａなどの照射対象に鉛直方向上方から下方に向かい荷電粒子ビームを照射可能である。

また、荷電粒子ビーム装置１０は、上記のような集束イオンビーム照射光学系１４の代わりに他のイオンビーム照射光学系を備えてもよい。イオンビーム照射光学系は、上記のような集束ビームを形成する光学系に限定されない。イオンビーム照射光学系は、例えば、光学系内に定型の開口を有するステンシルマスクを設置して、ステンシルマスクの開口形状の成形ビームを形成するプロジェクション型のイオンビーム照射光学系であってもよい。このようなプロジェクション型のイオンビーム照射光学系によれば、試料片Ｓの周辺の加工領域に相当する形状の成形ビームを精度良く形成でき、加工時間が短縮される。

集束イオンビーム照射光学系１４は、イオンを発生させるイオン源１４ａと、イオン源１４ａから引き出されたイオンを集束および偏向させるイオン光学系１４ｂと、を備えている。イオン源１４ａおよびイオン光学系１４ｂは、コンピュータ２２から出力される制御信号に応じて制御され、荷電粒子ビームの照射位置および照射条件などがコンピュータ２２によって制御される。

イオン源１４ａは、例えば、液体ガリウムなどを用いた液体金属イオン源やプラズマ型イオン源、ガス電界電離型イオン源などである。イオン光学系１４ｂは、例えば、コンデンサレンズなどの第１静電レンズと、静電偏向器と、対物レンズなどの第２静電レンズと、などを備えている。イオン源１４ａとして、プラズマ型イオン源を用いた場合、大電流ビームによる高速な加工が実現でき、サイズの大きな試料片Ｓの摘出に好適である。例えば、ガス電界電離型イオン源としてアルゴンイオンを用いることで、集束イオンビーム照射光学系１４からアルゴンイオンビームを照射することもできる。

電子ビーム照射光学系１５は、試料室１１の内部においてビーム出射部（図示略）を、照射領域内のステージ１２の鉛直方向に対して所定角度（例えば６０°）傾斜した傾斜方向でステージ１２に臨ませるとともに、光軸を傾斜方向に平行にして、試料室１１に固定されている。これによって、ステージ１２に固定された試料Ｖ、試料片Ｓ、および照射領域内に存在するニードル１９ａなどの照射対象に傾斜方向の上方から下方に向かい電子ビームを照射可能である。

電子ビーム照射光学系１５は、電子を発生させる電子源１５ａと、電子源１５ａから射出された電子を集束および偏向させる電子光学系１５ｂと、を備えている。電子源１５ａおよび電子光学系１５ｂは、コンピュータ２２から出力される制御信号に応じて制御され、電子ビームの照射位置および照射条件などがコンピュータ２２によって制御される。電子光学系１５ｂは、例えば、電磁レンズや偏向器などを備えている。

なお、電子ビーム照射光学系１５と集束イオンビーム照射光学系１４の配置を入れ替えて、電子ビーム照射光学系１５を鉛直方向に、集束イオンビーム照射光学系１４を鉛直方向に所定角度傾斜した傾斜方向に配置してもよい。

気体イオンビーム光学系１８は、例えばアルゴンイオンビームなどの気体イオンビーム（ＧＢ）を照射する。気体イオンビーム光学系１８は、アルゴンガスをイオン化して１ｋＶ程度の低加速電圧で照射することができる。こうした気体イオンビーム（ＧＢ）は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）に比べて集束性が低いため、試料片Ｓや微小試料片Ｑに対するエッチングレートが低くなる。よって、試料片Ｓや微小試料片Ｑの精密な仕上げ加工に好適である。

検出器１６は、試料Ｖ、試料片Ｓおよびニードル１９ａなどの照射対象に荷電粒子ビームや電子ビームが照射された時に照射対象から放射される二次荷電粒子（二次電子、二次イオン）Ｒの強度（つまり、二次荷電粒子の量）を検出し、二次荷電粒子Ｒの検出量の情報を出力する。検出器１６は、試料室１１の内部において二次荷電粒子Ｒの量を検出可能な位置、例えば照射領域内の試料Ｖ、試料片Ｓなどの照射対象に対して斜め上方の位置などに配置され、試料室１１に固定されている。

ガス供給部１７は試料室１１に固定されており、試料室１１の内部においてガス噴射部（ノズルとも言う）を有し、ステージ１２に臨ませて配置されている。ガス供給部１７は、荷電粒子ビーム（集束イオンビーム）による試料Ｖ、試料片Ｓのエッチングを、これらの材質に応じて選択的に促進するためのエッチング用ガスと、試料Ｖ、試料片Ｓの表面に金属または絶縁体などの堆積物によるデポジション膜を形成するためのデポジション用ガスなどを試料Ｖ、試料片Ｓに供給可能である。

試料片移設手段１９を構成するニードル駆動機構１９ｂは、ニードル１９ａが接続された状態で試料室１１の内部に収容されており、コンピュータ２２から出力される制御信号に応じてニードル１９ａを変位させる。ニードル駆動機構１９ｂは、ステージ１２と一体に設けられており、例えばステージ１２が傾斜機構１３ｂによって傾斜軸（つまり、Ｘ軸またはＹ軸）周りに回転すると、ステージ１２と一体に移動する。

ニードル駆動機構１９ｂは、３次元座標軸の各々に沿って平行にニードル１９ａを移動させる移動機構（図示略）と、ニードル１９ａの中心軸周りにニードル１９ａを回転させる回転機構（図示略）と、を備えている。なお、この３次元座標軸は、試料ステージの直交３軸座標系とは独立しており、ステージ１２の表面に平行な２次元座標軸とする直交３軸座標系で、ステージ１２の表面が傾斜状態、回転状態にある場合、この座標系は傾斜し、回転する。

コンピュータ２２は、少なくともステージ駆動機構１３と、集束イオンビーム照射光学系１４と、電子ビーム照射光学系１５と、ガス供給部１７と、ニードル駆動機構１９ｂを制御する。

また、コンピュータ２２は、試料室１１の外部に配置され、表示装置２１と、操作者の入力操作に応じた信号を出力するマウスやキーボードなどの入力デバイス２３とが接続されている。コンピュータ２２は、入力デバイス２３から出力される信号または予め設定された自動運転制御処理によって生成される信号などによって、荷電粒子ビーム装置１０の動作を統合的に制御する。

コンピュータ２２は、荷電粒子ビームの照射位置を走査しながら検出器１６によって検出される二次荷電粒子Ｒの検出量を、照射位置に対応付けた輝度信号に変換して、二次荷電粒子Ｒの検出量の２次元位置分布によって照射対象の形状を示す画像データを生成する。吸収電流画像モードでは、コンピュータ２２は、荷電粒子ビームの照射位置を走査しながらニードル１９ａに流れる吸収電流を検出することによって、吸収電流の２次元位置分布（吸収電流画像）によってニードル１９ａの形状を示す吸収電流画像データを生成する。

コンピュータ２２は、生成した各画像データとともに、各画像データの拡大、縮小、移動、および回転などの操作を実行するための画面を、表示装置２１に表示させる。コンピュータ２２は、自動的なシーケンス制御におけるモード選択および加工設定などの各種の設定を行なうための画面を、表示装置２１に表示させる。

以上のような構成の荷電粒子ビーム装置１０を用いた、本発明の試料加工方法を説明する。
図２、図３は、試料加工方法を段階的に示した説明図である。
なお、以下の実施形態では、試料加工方法として、試料片ホルダＰに支持された試料片Ｓを荷電粒子ビームによって薄膜化して、ＴＥＭ観察用の微小試料片Ｑを作成する例を挙げて説明する。また、図２（ａ）に示すように、試料片Ｓは、例えば、半導体基板からなる試料Ｖ（図１参照）に複数のデバイス３１，３１…が形成された領域を切り出したものを想定し、デバイス３１，３１…が並べられた方向を厚み方向Ｔと称し、この厚み方向Ｔに対して直角で、かつデバイス３１の延長方向を幅方向Ｗと称する。また、厚み方向Ｔおよび幅方向Ｗに対して直角な方向を加工方向Ｄと称する。

まず、半導体基板からなる試料Ｖ（図１参照）から観察対象を含む小領域である試料片ＳをＦＩＢ加工によって切り出す。そして、ニードル１９ａ（図１参照）を用いて半導体基板の厚み方向が鉛直方向（加工方向Ｄ）になるように、試料片ホルダＰ（図１参照）に加工対象である試料片Ｓを支持させる。そして、図２（ｂ）に示すように、試料片Ｓに対して照射領域を設定し、集束イオンビーム照射光学系１４（図１参照）からＦＩＢを加工方向Ｄに沿って照射する。そして、試料片Ｓの厚み方向Ｔに沿った所定の加工厚みで、かつ幅方向Ｗに沿った加工幅Ｗ１の第１除去域Ｅ１を形成する。これにより、第１除去域Ｅ１の付け根側の端部Ｅ１ｅには、例えば、１つのデバイス３１の端面が露呈される。

次に、図２（ｃ）に示すように、厚み方向Ｔに沿って第１除去域Ｅ１に重なる位置、即ち、第１除去域Ｅ１から厚み方向Ｔに沿って所定の加工厚みだけずらした位置にＦＩＢを照射し、第２除去域Ｅ２を形成する。この時、幅方向Ｗに沿った加工幅Ｗ２として、加工幅Ｗ１よりも所定減少幅ΔＷだけ短い幅に設定する。これにより、第２除去域Ｅ２の付け根側の端部Ｅ２ｅは、第１除去域Ｅ１の付け根側の端部Ｅ１ｅよりも幅方向Ｗの中心側に向けてずれた位置になる。

更に、図３（ａ）に示すように、厚み方向Ｔに沿って直前に形成した第ｎ除去域Ｅｎに重なる位置、即ち、第ｎ除去域Ｅｎから厚み方向Ｔに沿って所定の加工厚みだけずらした位置にＦＩＢを照射し、第（ｎ＋１）除去域Ｅ（ｎ＋１）を形成する。この時、幅方向Ｗに沿った加工幅Ｗ（ｎ＋１）として、直前の第ｎ除去域Ｅｎの加工幅Ｗｎよりも所定減少幅ΔＷだけ短い幅に設定する。このようにして、試料片Ｓに対してＦＩＢを加工方向Ｄに沿って照射し、段階的に加工幅を減じた多数の除去域を厚み方向Ｔに重ねて形成することにより、試料片Ｓの厚み方向Ｔに沿った厚みを減じた微小試料片Ｑを形成する。

こうした段階的に加工幅を減じた多数の除去域を形成することで、微小試料片Ｑには、その厚みが減じられた薄片化部分Ｑｓが形成される。そして、この薄片化部分Ｑｓに隣接する部分、即ち、それぞれの除去域の付け根側の端部が連なった部分には傾斜部（薄片化部分に隣接する部分）Ｃが形成される（傾斜部形成工程）。傾斜部Ｃは、例えば、厚み方向Ｔに対して１０°以上９０°未満の範囲で傾斜した傾斜面であり、例えば、傾斜部Ｃの表面はアルゴンイオンビームの照射角と平行になるように形成されていればよい。一例として、本実施形態では、傾斜部Ｃは、厚み方向Ｔに対して２０°で傾斜した傾斜面を成す。ここで、１０°以上９０°未満の範囲において、９０°未満の小さい入射角度でビームを入射することで、ビーム入射による試料へのダメージ層を浅くすることができる。これにより、ダメージ層を浅いため、デバイス寸法が微細な試料であっても加工時の加工終点を明確に把握することができる。

なお、図２、図３に示す実施形態では、試料片Ｓの幅方向Ｗに沿った加工幅Ｗｎが段階的に小さくなるようにＦＩＢをスキャンさせて照射することで、傾斜部（薄片化部分に隣接する部分）Ｃを形成しているが、ＦＩＢのスキャン方法はこれに限定されるものでは無い。

例えば、図４に示すＦＩＢのスキャンの例では、薄片化部分Ｑｓとなる試料片Ｓの幅方向Ｗに沿った除去域Ｅｎの加工幅Ｗｎを一定にしている。そして、更にそれぞれの除去域Ｅｎの付け根側から、厚み方向Ｔに対して１０°以上９０°未満の範囲で傾斜する方向に連続してＦＩＢをスキャンさせる。これにより、ＦＩＢが厚み方向Ｔに対して傾斜する方向にスキャンさせた領域に、傾斜部Ｃが形成される。こうした傾斜部Ｃに沿った加工幅Ｗｎは、段階的に漸増していく。ここで、ＦＩＢのスキャン方法はＦＩＢのスキャン方向を試料片Ｓの幅方向から厚み方向Ｔに対して傾斜する方向に変更するベクタースキャンを用いる。
また、試料片Ｓの幅方向に第１の矩形の照射領域を、厚み方向Ｔに対して傾斜する方向に第２の矩形の照射領域を設定し、それぞれの照射領域でラスタースキャンまたはビットマップスキャンを用いても良い。

これ以外にも、微小試料片Ｑの薄片化部分Ｑｓと薄片化部分Ｑｓに隣接する部分である傾斜部Ｃとで区画された台形領域内におけるＦＩＢのスキャン方向は、特に限定されるものでは無く、薄片化部分Ｑｓに隣接する部分である傾斜部Ｃとが形成可能であれば、どのような方向でＦＩＢをスキャンして除去域を形成してもよい。

以上のように段階的に加工幅を減じた多数の除去域の形成過程において、任意のタイミングで電子ビーム照射光学系１５からＥＢを照射し、傾斜部ＣのＳＥＭ画像を取得する。そして、得られたＳＥＭ画像を観察し、傾斜部Ｃに露呈したデバイス３１，３１…の数をカウントすることによって、ＦＩＢによる厚み方向Ｔの加工終点を決定することができる。傾斜部Ｃに露呈するデバイス３１，３１…の断面形状は、例えば、厚み方向Ｔに沿った断面に露呈するデバイスの断面形状と比較して、より大きく鮮明に見えるので、デバイス３１，３１…の数を正確にカウントすることができる。

なお、ＳＥＭ画像の取得から、傾斜部Ｃに露呈したデバイス３１，３１…のカウントまでを、例えばコンピュータ２２によって自動的に行い、この結果を試料片Ｓに対してＦＩＢの照射条件にフィードバックさせることによって、付け根側に傾斜部Ｃが接続される微小試料片Ｑの形成を自動化させることができる。

こうした自動化による加工終点の検出方法の具体例として、予め、観察目標位置までに出現する（傾斜部Ｃに露出する）設計上のデバイス３１，３１…の数をコンピュータ２２に入力しておく。こうしたデバイス３１の予定出現数は、試料Ｖに形成された集積回路の設計データなどから把握することができる。

そして、ＦＩＢの照射による除去域の形成と照射ＳＥＭ画像の取得とを繰り返すことで傾斜部Ｃに出現したデバイス３１の数を、コンピュータ２２で実行する画像比較ソフトウェアなどによってカウントする。そして、コンピュータ２２に予め入力したデバイス３１の予定出現数と、実際のＳＥＭ画像の取得による傾斜部Ｃに出現したデバイス３１の数とが一致した時に、ここを加工終点と認識してＦＩＢを照射を終了させる。

また、自動化による加工終点の検出方法の別な具体例として、ＦＩＢによって試料（半導体基板）Ｖ（図１参照）から試料片Ｓを切り出した際に、試料片Ｓの側壁のＳＥＭ画像を取得する。そして、この試料片Ｓの側壁に露出したデバイス３１の数を、コンピュータ２２で実行する画像比較ソフトウェアなどによってカウントする。あるいは、試料片Ｓを切り出した後の試料Ｖの切り取り端面に露出したデバイス３１の数や、試料Ｖに形成された集積回路の設計データなどに基づいた、試料片Ｓの切り出し部分の設計上のデバイス３１の数をカウントしてもよい。

こうしてコンピュータ２２に認識された、試料片Ｓのデバイス３１の総数から、ＦＩＢの照射による除去域の形成と照射ＳＥＭ画像の取得とを繰り返すことで傾斜部Ｃに出現した実際のデバイス３１の数を減じていき、予めコンピュータ２２に入力した、試料片Ｓに残したいデバイス３１の数と一致した時に、ここを加工終点と認識してＦＩＢを照射を終了させる。

次に、図３（ｂ）に示すように、例えば、傾斜部Ｃの表面に平行な角度で、微小試料片Ｑに対して、気体イオンビーム、例えばアルゴンイオンビームを照射し、ＦＩＢを用いた加工によって生じる加工縞模様（カーテン効果）を軽減する（アルゴンビーム照射工程）。

このアルゴンビーム照射工程では、気体イオンビーム光学系１８（図１参照）から、アルゴンガスをイオン化して例えば１ｋＶ程度の低加速電圧で微小試料片Ｑの全域にアルゴンイオンビームを照射する。この時、電子ビーム照射光学系１５からＥＢを微小試料片Ｑに向けて照射し、得られたＳＥＭ画像に基づいてアルゴンイオンビームによる微小試料片Ｑの仕上げ加工を行うことが好ましい。この時の加工終点の検出も、上述したＦＩＢによる微小試料片Ｑの加工時の加工終点検出手順を適用することができる。これによって、アルゴンビーム照射工程の自動化を行うことができる。

こうしたアルゴンビーム照射工程において、微小試料片Ｑの付け根部分に隣接した部分として、厚み方向Ｔに対して１０°以上、９０°未満の角度範囲で傾斜させた傾斜部Ｃが形成されているので、試料片Ｓの厚みを減じて薄膜化した微小試料片Ｑの全域に、ムラなくアルゴンイオンビームを照射することができる。

即ち、図１に示すように、試料室１１を側面から平面視した時に、電子ビーム照射光学系１５から照射される電子ビーム（ＥＢ）のビーム照射軸に対して、気体イオンビーム（ＧＢ）のビーム照射軸が、例えば直角に交わる方向になるように気体イオンビーム光学系１８が配置されている。このため、微小試料片Ｑにおける幅方向Ｗに対して、厚み方向Ｔが例えば直角になっていると、微小試料片Ｑの付け根部分にアルゴンイオンビームが照射されない陰領域が生じてしまう。

しかし、本実施形態のように、厚み方向Ｔに対して傾斜した角度で照射されるアルゴンイオンビームに対応して、微小試料片Ｑに、例えば１０°以上９０°未満の範囲で傾斜した傾斜部Ｃを形成することによって、微小試料片Ｑの付け根部分にアルゴンイオンビームが照射されない陰領域を無くすことができ、微小試料片Ｑの全域に確実にアルゴンイオンビームを照射することが可能になる。これによって、微小試料片Ｑの全域において加工縞模様が軽減され、鮮明な観察像を得ることが可能なＴＥＭ観察用試料片を形成できる。

なお、図３（ｃ）に示すように、上述した厚み方向Ｔに沿った加工方向とは反対方向からも、幅方向Ｗに沿った加工幅を段階的に減じた多数の除去域を形成し、両側から厚みを減じた薄片化部分Ｑｓを有する微小試料片Ｑを形成することができる。

本発明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…荷電粒子ビーム装置、１１…試料室、１２…ステージ（試料ステージ）、１３…ステージ駆動機構、１４…集束イオンビーム照射光学系（荷電粒子ビーム照射光学系）、１５…電子ビーム照射光学系（荷電粒子ビーム照射光学系）、１６…検出器、１７…ガス供給部、１８…気体イオンビーム照射光学系（荷電粒子ビーム照射光学系）、１９ａ…ニードル、１９ｂ…ニードル駆動機構、２０…吸収電流検出器、２１…表示装置、２２…コンピュータ、２３…入力デバイス、３３…試料台、３４…柱状部、Ｃ…傾斜部、Ｐ…試料片ホルダ、Ｑ…微小試料片、Ｒ…二次荷電粒子、Ｓ…試料片、Ｖ…試料。

Claims (7)

1. 試料に向けて荷電粒子ビームを照射し、微小試料片を作成する荷電粒子ビーム装置であって、
   前記試料に向けて荷電粒子ビームを照射可能な荷電粒子ビーム鏡筒と、
   前記荷電粒子ビーム鏡筒を収容する前記試料室と、
   前記試料を保持可能する試料片ホルダと、を有し、
   前記荷電粒子ビームによって、前記試料の一部領域の厚みを減じた微小試料片を形成する際に、該微小試料片の薄片化部分に隣接する部分が前記薄片化部分に対して傾斜した傾斜部を形成することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 前記傾斜部に対して平行になるようにアルゴンイオンビームを照射することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
3. 試料に向けて荷電粒子ビームを照射し、前記試料の一部領域の厚みを減じた微小試料片を作成する試料作製方法であって、
   前記荷電粒子ビームの照射によって、前記試料の厚み方向に沿った所定の加工厚みで、かつ前記厚み方向に対して直角な幅方向に沿った加工幅の除去域を、前記厚み方向に沿って複数重ねて形成し、前記除去域を重ねるごとに前記加工幅を段階的に減じることによって、前記微小試料片の薄片化部分に隣接する部分に、前記薄片化部分に対して傾斜させた傾斜部を形成する傾斜部形成工程を備えたことを特徴とする試料加工方法。
4. 前記傾斜部形成工程における、それぞれの除去域の前記加工厚みおよび前記加工幅は、走査型電子顕微鏡によって得られた前記傾斜部のＳＥＭ画像を参照して決定されることを特徴とする請求項３記載の試料加工方法。
5. 前記試料は、基材の内部に埋設層が前記厚み方向に沿って複数重ねて形成され、
   前記傾斜部形成工程は、前記ＳＥＭ画像を用いて、前記傾斜部に露呈される前記埋設層の数をカウントして、加工終点を決定することを特徴とする請求項４記載の試料加工方法。
6. 前記傾斜部形成工程では、前記薄片化部分と、前記薄片化部分に隣接する部分である傾斜部とを、互いに１０°以上９０°未満の範囲で傾斜させることを特徴とする請求項３ないし５いずれか一項記載の試料加工方法。
7. 前記微小試料片に向けて、前記傾斜部に対して平行になるようにアルゴンイオンビームを照射するアルゴンビーム照射工程を更に備えたことを特徴とする請求項３ないし６いずれか一項記載の試料加工方法。

Images