JP2019145328A - 荷電粒子ビーム装置、試料加工観察方法 - Google Patents

荷電粒子ビーム装置、試料加工観察方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ガリウムイオンビーム鏡筒と、セミインレンズ型の対物レンズを有する電子ビーム鏡筒と、気体イオンビーム鏡筒とを備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の仕上げ加工と、試料加工面の高精度なＳＥＭ像取得とを、短時間で効率的に行うことが可能な荷電粒子ビーム装置、およびこれを用いた試料加工観察方法を提供する。【解決手段】試料に向けてガリウムイオンビームを照射して前記試料の断面を形成するガリウムイオンビーム鏡筒と、セミインレンズ型の対物レンズを有し、試料に向けて電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、前記試料の断面に向けて気体イオンビームを照射して、前記試料の断面の仕上げ加工を行う気体イオンビーム鏡筒と、を少なくとも備え、前記気体イオンビームは、前記試料の断面の最大径よりも大きなビーム直径を有することを特徴とする。【選択図】図１

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観察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）により観察を行う試料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）。
こうした荷電粒子ビーム複合装置の荷電粒子ビームとしては、一般的にガリウムをイオン源にしたガリウムイオンビームが使用される。しかしながら、ガリウムイオンビームは、試料との化学的反応性が高いことや、ガリウムイオンの衝突によって。試料表面に対するダメージが大きく、これによって生じたダメージ層の除去が課題となっていた。こうした課題を解決するために、荷電粒子ビーム複合装置に、更に希ガスなどの気体をイオン源にした気体イオンビームを照射可能な気体イオンビーム鏡筒を備えたトリプルビーム構成の荷電粒子ビーム複合装置が開発されている（例えば、特許文献２を参照）。
このトリプルビーム構成の荷電粒子ビーム複合装置では、例えば、ガリウムイオンビームを用いて効率よく試料の断面加工を行った後、ガリウムイオンビームで生じた断面のダメージ層を気体イオンビームで除去して仕上げ加工を行うことができる。これにより、ダメージの少ない試料の観察用断面を形成することができる。
また、半導体デバイスの更なる微細化に伴い、試料の加工モニタリング時のＳＥＭ画像の高分解能化が要求されている。特に、試料作製の最終段階においては、ターゲット位置を正確に捕捉するために、高分解能かつリアルタイム性が要求される。ＳＥＭ画像の高分解能化のために、電子ビーム鏡筒と試料との間に電子レンズを形成させるセミインレンズ方式も採用されている。
特開２００８−２７００７３号公報 特開２００７−１６４９９２号公報
上述したような荷電粒子ビーム複合装置に、セミインレンズ型の電子ビーム鏡筒を適用した場合、対物レンズ（電子レンズ）の磁場が電子ビーム鏡筒の外側に生じる。そして、近接配置された気体イオンビーム鏡筒から照射される気体イオンビームが、電子ビーム鏡筒の電子レンズの磁場によって望まない方向に偏向されてしまうことがある。これにより、気体イオンビームを用いて試料の仕上げ加工をしつつ試料加工面のＳＥＭ像を観察する、リアルタイム加工観察を行うことが困難であった。
また、気体イオンビームによる試料の仕上げ加工と、試料加工面のＳＥＭ像とを交互に行う場合、試料の仕上げ加工時には、電子ビーム鏡筒の対物レンズの磁場をオフにする。しかし対物レンズの磁場はヒステリシス現象によって、レンズの励磁電流をオフにしただけでは完全には消去されないため、別途、消磁処理を行う必要がある。よって、気体イオンビームの照射と、電子ビーム鏡筒によるＳＥＭ像の取得とを切り替えるために長時間を要することが課題になっていた。
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、ガリウムイオンビーム鏡筒と、セミインレンズ型の対物レンズを有する電子ビーム鏡筒と、気体イオンビーム鏡筒とを備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の断面の仕上げ加工と、試料の断面の高精度なＳＥＭ像取得とを、短時間で効率的に行うことが可能な荷電粒子ビーム装置、およびこれを用いた試料加工観察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、試料加工観察方法を提供した。
すなわち、本発明の荷電粒子ビーム装置は、試料に向けてガリウムイオンビームを照射して前記試料の断面を形成するガリウムイオンビーム鏡筒と、セミインレンズ型の対物レンズを有し、試料に向けて電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、前記試料の断面に向けて気体イオンビームを照射して、前記試料の断面の仕上げ加工を行う気体イオンビーム鏡筒と、を少なくとも備え、前記気体イオンビームは、前記試料の断面の最大径よりも大きなビーム直径を有することを特徴とする。
また、本発明では、前記ガリウムイオンビーム、前記電子ビーム、および前記気体イオンビームのそれぞれのビーム光軸が一点で交差する交点と、前記ガリウムイオンビーム鏡筒の前端部、および前記電子ビーム鏡筒の前端部との間の距離よりも、前記交点と前記気体イオンビーム鏡筒の前端部との間の距離が長いことが好ましい。
また、本発明では、前記気体イオンビーム鏡筒は、対物レンズと、前記気体イオンビームを偏向させる偏向手段とを備え、前記偏向手段は、前記対物レンズよりも前記気体イオンビーム鏡筒の前端部に近い位置に配されることが好ましい。
また、本発明では、前記偏向手段は、互いに対向して配された１組以上の平行平板電極からなり、前記電子ビーム鏡筒からの漏れ磁場によって前記気体イオンビームが偏向する偏向方向と逆の方向に前記気体イオンビームを偏向させることが好ましい。
また、本発明では、前記偏向手段は、１．５ｍｍ以上の偏向能力を有することが好ましい。
また、本発明では、前記気体イオンビームは、ビームエネルギーが０．５ｋｅＶ以上１．０ｋｅＶ以下であり、かつビーム直径が５０μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。
また、本発明では、前記気体イオンビーム鏡筒は、前記電子ビーム鏡筒の外部磁場によって偏向された前記気体イオンビームを遮蔽する偏向遮蔽板を有することが好ましい。
本発明の試料加工観察方法は、前記各項記載の荷電粒子ビーム装置を用いた試料加工観察方法であって、前記気体イオンビームによって前記試料の断面の仕上げ加工を行う同時に、前記電子ビーム鏡筒を用いてセミインレンズモードで前記試料の断面のＳＥＭ像を取得するリアルタイム加工観察工程を有することを特徴とする。
また、本発明の試料加工観察方法は、前記各項記載の荷電粒子ビーム装置を用いた試料加工観察方法であって、前記気体イオンビームによって前記試料の断面の仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、前記電子ビーム鏡筒を用いてセミインレンズモードで前記試料の断面のＳＥＭ像を取得するＳＥＭ像取得工程とを交互に行うことを特徴とする。
本発明によれば、ガリウムイオンビーム鏡筒と、セミインレンズ型の対物レンズを有する電子ビーム鏡筒と、気体イオンビーム鏡筒とを備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の断面の仕上げ加工と、試料の断面の高精度なＳＥＭ像取得とを、短時間で効率的に行うことが可能な荷電粒子ビーム装置、およびこれを用いた試料加工観察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全体を示す概略構成図である。 電子ビーム鏡筒の構成を示す概略構成図である。 気体イオンビーム鏡筒の構成を示す概略構成図である。 仕上げ加工時の試料の状態を示す説明図である。
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観察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。
（荷電粒子ビーム装置）
図１は、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置全体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、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、試料Ｓを載置するための試料台１３を固定可能なステージ１２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、例えば試料Ｓに向けてガリウムイオンビームを照射するガリウムイオンビーム鏡筒１４を備えている。こうしたガリウムイオンビーム鏡筒１４は、液体ガリウムなどを用いたガリウム源（図示略）を備えている。ガリウムイオンビーム鏡筒１４の出射端である前端部１４ａからは、例えば、１μｍ以下のビーム直径のガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）が照射される。ガリウムイオンビームのビームエネルギーは、例えば、１００ｅＶ以上、５０ｋｅＶ以下の範囲である。
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、例えば試料Ｓに向けて電子ビーム（ＥＢ）を照射する電子ビーム鏡筒１５を備えている。この電子ビーム鏡筒１５のより詳しい構成は後述する。
また、荷電粒子ビーム装置１０は、電子ビームの照射によって試料Ｓから発生する二次電子を検出する二次電子検出器１６を備えている。二次電子検出器１６は、試料Ｓなどの照射対象に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）の強度（つまり、二次電子の量）を検出し、二次電子の検出量の情報を出力する。二次電子検出器１６は、試料室１１の内部において、二次電子の量を検出可能な位置、例えば照射領域内の試料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、例えば試料Ｓに向けて気体イオンビームを照射する気体イオンビーム鏡筒１８を備えている。本実施形態では、気体イオンビームとして、希ガスであるアルゴンを適用したアルゴンイオンビーム（ＧＢ）を用いている。この気体イオンビーム鏡筒１８のより詳しい構成は後述する。
荷電粒子ビーム装置１０は、照射対象、例えば試料Ｓの表面にガスを供給するガス銃１７を備えている。ガス銃１７は、例えば、外径２００μｍ程度のノズル等を備えている。ガス銃１７は、例えば、ガリウムイオンビームによる試料のエッチングを選択的に促進するためのエッチング用ガスや、試料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供給する。
荷電粒子ビーム装置１０は、制御部２１と、表示装置２２と、入力デバイス２３と、を備えている。制御部２１は、荷電粒子ビーム装置１０を構成するガリウムイオンビーム鏡筒１４、電子ビーム鏡筒１５、二次電子検出器１６、気体イオンビーム鏡筒１８、ガス銃１７などを制御する制御手段である。制御部２１は、例えば、パーソナルコンピュータ、およびインターフェースなどから構成される。表示装置２２は、二次電子検出器１６によって検出された二次電子に基づく試料Ｓの画像などを表示する。
なお、荷電粒子ビーム装置１０は、上述した構成以外にも、ステージ１２に載置された試料Ｓを移動させるニードル機構（図示略）などが設けられている。
図２は、電子ビーム鏡筒の構成を示す概略構成図である。本実施形態では、電子ビーム鏡筒として、セミインレンズ型の電子ビーム鏡筒１５を用いている。電子ビーム鏡筒１５は、電子を発生させる電子源３１と、電子源３１から射出された電子ビーム（ＥＢ）を集束させるコンデンサレンズ３２と、電子ビーム（ＥＢ）を偏向させる偏向器３３と、対物レンズ部３４などを備えている。
対物レンズ部３４は、電子レンズである第１対物レンズ３５を形成するための第１コイル３６と、電子レンズである第２対物レンズ３７を形成するための第２コイル３８とを備えている。第１対物レンズ３５は、電子ビーム鏡筒１５の出射端である前端部１５ａの内側で、かつ、第１コイル３６、第２コイル３８の外側に形成される。また、第２対物レンズ３７は、電子ビーム鏡筒１５の前端部１５ａの外側、例えば、電子ビーム鏡筒１５の前端部１５ａと、ステージ１２に載置された試料Ｓとの間に形成される。試料Ｓの一部は、例えば、第２対物レンズ３７の形成範囲の中に入っている。
このように、電子ビーム鏡筒１５は、第１対物レンズ３５および第２対物レンズ３７を、第１コイル３６および第２コイル３８と、試料Ｓとの間に形成した、セミインレンズ型になっている。電子ビーム鏡筒１５の対物レンズ部３４をセミインレンズ型にすることによって、電子ビーム（ＥＢ）の焦点距離を短くなり、例えば、アウトレンズ型の対物レンズと比較して、高分解能で試料Ｓを観察することができる。また、試料Ｓは第１コイル３６および第２コイル３８の外側に配置されるので、第１コイル３６および第２コイル３８の内径によって試料Ｓのサイズが制限されることが無く、インレンズ型の対物レンズと比較して、よりサイズの大きな試料Ｓを観察することができる。
図３は、気体イオンビーム鏡筒の構成を示す概略構成図である。本実施形態では、気体イオンビーム鏡筒１８は、気体としてアルゴンを適用したアルゴンイオンビーム（ＧＢ）を照射する。なお、気体イオンビーム鏡筒１８から照射する気体イオンビームは、アルゴンイオンビームに限定されるものでは無く、例えば、ネオン，クリプトン，キセノンなど他の気体を用いた気体イオンビームであってもよい。
気体イオンビーム鏡筒１８は、出射端である前端部１８ａに向かって順に、アルゴンイオン源４１、コンデンサレンズ４２、ブランキング電極４３、対物レンズ電極４４、遮蔽板４５、および偏向電極（偏向手段）４６を備えている。
気体イオンビーム鏡筒１８は、アルゴンガスをイオン化して、例えば、１．０ｋｅＶ程度の低加速電圧で照射することができる。こうしたアルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、ガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）に比べて集束性が低いため、試料Ｓに対するエッチングレートが低くなる。従って、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、ガリウムイオンビームによって試料Ｓの断面形成を行った後、この断面の精密な仕上げ加工に好適である。
気体イオンビーム鏡筒１８から照射されるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、ビームエネルギーが０．５ｋｅＶ以上１．０ｋｅＶ以下である。また、ビーム直径が５０μｍ以上、１０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上、３００μｍ以下である。
ブランキング電極４３は、通電によってアルゴンイオンビーム（ＧＢ）を遮蔽する。
対物レンズ電極４４は、内部に電子レンズである対物レンズ４８を形成する。こうした対物レンズ４８によって、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）は集束される。
遮蔽板４５は、対物レンズ電極４４と偏向電極４６との間にあって、外部磁場によって偏向されたアルゴンイオンビーム（図３中の点線矢印Ｄ１を参照）を遮蔽し、気体イオンビーム鏡筒１８から照射されないようにする。このアルゴンイオンビームを偏向させる外部磁場は、電子ビーム鏡筒１５の対物レンズ部３４で発生する磁場である。
なお、ブランキング電極４３と遮蔽板４５とは、どちらか一方を選択的に設けることが好ましい。
本実施形態のように、セミインレンズ型の対物レンズ部３４を備えた電子ビーム鏡筒１５では、電子ビーム鏡筒１５の外部に第２コイル３８による第２対物レンズ３７が形成されるので、気体イオンビーム鏡筒１８は、この電子ビーム鏡筒１５の外部磁場の影響を受ける。遮蔽板４５は、この外部磁場によって偏向されたアルゴンイオンビーム（ＧＢ）のビーム軌道上に位置するように配置される。従って、電子ビーム鏡筒１５から電子ビーム（ＥＢ）が照射されている時は、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）は気体イオンビーム鏡筒１８から照射されない。
偏向電極（偏向手段）４６は、対物レンズ４８よりも気体イオンビーム鏡筒１８の前端部１８ａに近い位置に配されている。これにより、偏向電極４６よりもサイズ（直径）の大きい対物レンズ電極４４が試料Ｓから遠い位置に配置され、気体イオンビーム鏡筒１８の前端部１８ａの形状を細くすることができるので、試料Ｓに対して、ガリウムイオンビーム鏡筒１４の前端部１４ａおよび電子ビーム鏡筒１５の前端部１５ａとともに、気体イオンビーム鏡筒１８の前端部１８ａを試料Ｓに対して近接配置することができる。
本実施形態の荷電粒子ビーム装置１０は、図１に示すように、ガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）、電子ビーム（ＥＢ）、およびアルゴンイオンビーム（ＧＢ）のそれぞれのビーム光軸が一点で交差する交点Ｐと、ガリウムイオンビーム鏡筒１４の前端部１４ａ、および電子ビーム鏡筒１５の前端部１５ａとの距離よりも、気体イオンビーム鏡筒１８の前端部１８ａとの距離が長くなるように配置されている。
試料Ｓと各鏡筒の前端部との距離が小さいほうが、それぞれのビームを絞る（ビーム直径を小さくする）ことができるため、高分解能観察が要求される電子ビーム鏡筒１５と、微細加工が要求されるガリウムイオンビーム鏡筒１４を、より試料Ｓに近接させて配置する。これにより、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）のビーム直径をガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）のビーム直径よりも大きくした、よりブロードなビームにすることができる。アルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、試料Ｓの加工断面の最大径よりも大きなビーム直径であればよい。
再び図３を参照して、偏向電極（偏向手段）４６は、互いに対向して配された１組以上の平行平板電極から構成されている。この平行平板電極からなる偏向電極４６は、電子ビーム鏡筒１５から照射される電子ビーム（ＥＢ）の偏向方向（図３中の実線矢印Ｄ２を参照）と同一の方向にアルゴンイオンビーム（ＧＢ）を偏向させる。
これによって、外部磁場によるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）の偏向量と同一の偏向量となる磁場を発生させる電圧を偏向電極（偏向手段）４６に印加することで、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）を用いた試料Ｓの加工時に視野補正を行うことができる。
また、偏向電極（偏向手段）４６は、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）に対して、例えば、１．５ｍｍ以上の偏向能力を有する。そして、偏向電極（偏向手段）４６の偏向能力を１．５ｍｍ以上にすることで、電子ビーム鏡筒１５のセミインレンズ型の対物レンズ部３４で生じる外部磁場によるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）の偏向（例えば１ｍｍ程度）を振り戻すことができる。これにより、電子ビーム（ＥＢ）を照射して試料Ｓの加工面などを観察中に、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）による試料Ｓの仕上げ加工を行うことが可能であり、また、加工時に試料Ｓの加工面のリアルタイムモニタリングが実現できる。
また、本実施形態の荷電粒子ビーム装置１０によれば、セミインレンズ型の対物レンズ部３４を用いた高分解能ＳＥＭ観察と気体イオンビーム（アルゴンイオンビーム）による仕上げ加工を行うことにより、微細構造を有する試料、つまりデバイス寸法が小さい試料であっても高い位置精度で仕上げ加工終点を検出することが可能になる。
なお、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、ビーム直径が５０μｍ以上、１０００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上、３００μｍ以下であり、試料Ｓの加工部位に比べて大きく面加工を行うため、ビーム形状の劣化は加工に大きな影響を与えない。このため、気体イオンビーム鏡筒１８に偏向電極（偏向手段）４６を設けない構成であっても良い。
（試料加工観察方法：第１実施形態）
以上のような構成の荷電粒子ビーム装置１０を用いた、本発明の試料加工観察方法について、図１〜４を参照しつつ説明する。
荷電粒子ビーム装置１０を用いて、例えば、試料Ｓの内部の観察対象（観察面）を露出させる加工を行う際には、加工前の試料Ｓを試料台１３にセットした後、ステージ１２に固定する。そして、制御部２１を介してステージ１２を動かし、試料Ｓが最適な加工位置になるように調整する。
そして、まず、ガリウムイオンビーム鏡筒１４から、例えば１μｍ以下のビーム直径のガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）を試料Ｓに向けて照射する。そして、図４に示すように、試料Ｓの内部に形成されたデバイスＭの一面が露出する位置（観察面Ｆ）まで、ガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）によって試料Ｓを削る。このようにして形成される観察面Ｆのサイズは、例えば、１０μｍ×２０μｍ程度である。
こうしたガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）において、試料Ｓの加工状況をモニタリングするために、任意のタイミングで電子ビーム鏡筒１５から加工面に向けて電子ビーム（ＥＢ）を照射して、加工面で生じた二次電子を二次電子検出器１６によって検出し、加工面のＳＥＭ画像を表示装置２２で確認すればよい。この時、電子ビーム鏡筒１５は、第１対物レンズ３５および第２対物レンズ３７が、第１コイル３６および第２コイル３８の外側に形成され、かつ、第１対物レンズ３５および第２対物レンズ３７が試料Ｓに対して離間したアウトレンズモードによって電子ビーム（ＥＢ）を照射する。
ガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）によって、試料Ｓを目的の観察面Ｆまで加工したら、次に、観察面Ｆに存在するガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）の加工痕を除去し、より平滑にする仕上げ加工を行う。本実施形態では、気体イオンビーム鏡筒１８から観察面Ｆに向けてアルゴンイオンビーム（ＧＢ）を照射して仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、観察面Ｆに向けて電子ビーム（ＥＢ）を照射して、観察面ＦのＳＥＭ画像を取得するＳＥＭ像取得工程とを交互に行う。
図４に示すように、気体イオンビーム鏡筒１８から照射されるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、例えば、ビーム直径Ｑが５０μｍ以上、１０００μｍ以下であり、ガリウムイオンビーム（ＦＩＢ）よりも格段にビーム直径が大きい。即ち、アルゴンイオンビームは、試料Ｓの観察面Ｆ（加工断面）の最大径よりも大きなビーム直径を有する。これにより、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）を走査することなく観察面Ｆ全体を均一な加工量で仕上げ加工することができる。
デバイスＭなど微細構造を有する試料Ｓの加工では、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）による加工量は小さくてよいが、正確な加工終点検出が要求される。アルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、観察面Ｆよりもビーム直径Ｑが大きいため、ビームエネルギーが０．５ｋｅＶ以上１．０ｋｅＶ以下といった低エネルギーで加工速度を遅くしつつ、観察面Ｆ全体を一定の加工量で仕上げ加工することができる。
本実施形態では、こうした仕上げ加工工程と交互にＳＥＭ像取得工程を行う。ＳＥＭ像取得工程では、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）の照射を停止させた後、電子ビーム鏡筒１５からセミインレンズモードによって電子ビーム（ＥＢ）を照射し、観察面Ｆで生じた二次電子を二次電子検出器１６で検出してＳＥＭ画像を取得する。電子ビーム鏡筒１５セミインレンズモードにすることにより、試料Ｓが第１コイル３６や第２コイル３８から離間した位置にあっても、高精度で鮮明なＳＥＭ画像を得ることができる。
本実施形態では、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）のビーム直径が５０μｍ〜１０００μｍ程度である。このアルゴンイオンビーム（ＧＢ）は、ほぼ均一なプロファイルを有しているため、仕上げ加工時における位置精度は、ビーム直径の半分程度（２５μｍ〜５００μｍ）である。また、電子ビーム鏡筒１５の対物レンズ部３４の励磁電流をオフにした後、残留ヒステリシスによって第１対物レンズ３５や第２対物レンズ３７のレンズ磁場が完全に消去されない場合においても、これら外部磁場によるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）の偏向量は、８μｍ程度であり、仕上げ加工には影響を与えない。そのため、第１対物レンズ３５や第２対物レンズ３７のレンズ磁場の消磁処理を必要とせず、仕上げ加工工程とＳＥＭ像取得工程とを交互に行うことができる。
（試料加工観察方法：第２実施形態）
本発明の試料加工観察方法の第２実施形態では、試料Ｓの観察面の仕上げ加工において、仕上げ加工工程とＳＥＭ像取得工程とを同時に行う（リアルタイム加工観察工程）。
本実施形態では、試料Ｓの観察面Ｆの仕上げ加工に用いるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）のビーム直径が５０μｍ〜１０００μｍ程度であり、試料Ｓの観察面Ｆのサイズに比べて大きく、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）を走査させることなく観察面Ｆ全体を面加工できるので、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）ビーム形状の劣化が仕上げ加工精度に大きな影響を与えることがない。
また、気体イオンビーム鏡筒１８には、１．５ｍｍ以上のビーム偏向能力を有する平行平板電極からなる偏向電極（偏向手段）４６を備えているので、電子ビーム鏡筒１５の第１対物レンズ３５や第２対物レンズ３７のレンズ磁場による偏向（１．０ｍｍ程度）を振り戻すことができる。これにより、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）の照射による仕上げ加工工程と、電子ビーム（ＥＢ）の照射によるＳＥＭ像取得工程とを同時に行う、仕上げ加工時のリアルタイムモニタリングが実現できる。
（試料加工観察方法：第３実施形態）
本発明の試料加工観察方法の第３実施形態では、試料Ｓの観察面の仕上げ加工において、仕上げ加工工程とＳＥＭ像取得工程とを交互に行う。
本実施形態では、ＳＥＭ像取得工程を行う際に、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）を試料Ｓの観察面Ｆに照射しないように、ビーム軌道を偏向させる。例えば、気体イオンビーム鏡筒１８の平行平板電極からなる偏向電極（偏向手段）４６は、電子ビーム鏡筒１５の第１対物レンズ３５や第２対物レンズ３７のレンズ磁場によるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）の偏向方向と同一方向にアルゴンイオンビーム（ＧＢ）を偏向させる。これにより、ＳＥＭ像取得工程において、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）のブランカーとしての機能を果たす。
また、アルゴンイオンビーム（ＧＢ）による仕上げ加工工程において、電子ビーム鏡筒１５からの外部磁場によるアルゴンイオンビーム（ＧＢ）の偏向量と同一の偏向量となる電圧を偏向電極（偏向手段）４６に印加することで、仕上げ加工工程でのアルゴンイオンビーム（ＧＢ）の視野補正を行うことが可能となる。
なお、第３実施形態の変形例として、気体イオンビーム鏡筒１８に設けた遮蔽板４５を用いて、ＳＥＭ像取得工程において電子ビーム鏡筒１５の対物レンズ部３４のレンズ磁場による外部磁場によって偏向されたアルゴンイオンビーム（図３中の点線矢印を参照）を遮蔽する。これにより、気体イオンビーム鏡筒１８に、ブランキング電極４３を設けなくても、電子ビーム鏡筒１５から電子ビーム（ＥＢ）が照射されると、アルゴンイオンビームの照射が停止され、高精度で鮮明なＳＥＭ画像を取得することができる。
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…試料台、１４…ガリウムイオンビーム鏡筒、１５…電子ビーム鏡筒、１６…二次電子検出器、１８…気体イオンビーム鏡筒、２１…制御部、２２…表示装置、２３…入力デバイス、Ｓ…試料。

Claims (9)

  1. 試料に向けてガリウムイオンビームを照射して前記試料の断面を形成するガリウムイオンビーム鏡筒と、セミインレンズ型の対物レンズを有し、試料に向けて電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、前記試料の断面に向けて気体イオンビームを照射して、前記試料の断面の仕上げ加工を行う気体イオンビーム鏡筒と、を少なくとも備え、
    前記気体イオンビームは、前記試料の断面の最大径よりも大きなビーム直径を有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  2. 前記ガリウムイオンビーム、前記電子ビーム、および前記気体イオンビームのそれぞれのビーム光軸が一点で交差する交点と、前記ガリウムイオンビーム鏡筒の前端部、および前記電子ビーム鏡筒の前端部との間の距離よりも、前記交点と前記気体イオンビーム鏡筒の前端部との間の距離が長い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. 前記気体イオンビーム鏡筒は、対物レンズと、前記気体イオンビームを偏向させる偏向手段とを備え、前記偏向手段は、前記対物レンズよりも前記気体イオンビーム鏡筒の前端部に近い位置に配されることを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子ビーム装置。
  4. 前記偏向手段は、互いに対向して配された１組以上の平行平板電極からなり、前記電子ビーム鏡筒からの漏れ磁場によって前記気体イオンビームが偏向する偏向方向と逆の方向に前記気体イオンビームを偏向させることを特徴とする請求項３記載の荷電粒子ビーム装置。
  5. 前記偏向手段は、１．５ｍｍ以上の偏向能力を有することを特徴とする請求項４記載の荷電粒子ビーム装置。
  6. 前記気体イオンビームは、ビームエネルギーが０．５ｋｅＶ以上１．０ｋｅＶ以下であり、かつビーム直径が５０μｍ以上、１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５いずれか一項記載の荷電粒子ビーム装置。
  7. 前記気体イオンビーム鏡筒は、前記電子ビーム鏡筒の外部磁場によって偏向された前記気体イオンビームを遮蔽する偏向遮蔽板を有することを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子ビーム装置。
  8. 請求項１ないし７いずれか一項記載の荷電粒子ビーム装置を用いた試料加工観察方法であって、前記気体イオンビームによって前記試料の断面の仕上げ加工を行う同時に、前記電子ビーム鏡筒を用いてセミインレンズモードで前記試料の断面のＳＥＭ像を取得するリアルタイム加工観察工程を有することを特徴とする試料加工観察方法。
  9. 請求項１ないし７いずれか一項記載の荷電粒子ビーム装置を用いた試料加工観察方法であって、前記気体イオンビームによって前記試料の断面の仕上げ加工を行う仕上げ加工工程と、前記電子ビーム鏡筒を用いてセミインレンズモードで前記試料の断面のＳＥＭ像を取得するＳＥＭ像取得工程とを交互に行うことを特徴とする試料加工観察方法。
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