JP2019179700A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、試料片を保持したニードルを回転させることにより試料片の姿勢を転換し、試料片を試料ホルダに固定することで、仕上げ加工時に発生するカーテン効果を抑制する荷電粒子ビーム装置が知られている(特許文献2参照)。
しかしながら、試料片の姿勢を転換する自動サンプリングではニードルの回転で試料片がニードルから飛ばされないよう接続強度を保つためにニードルトリミングをより頻繁に行う必要があり、自動サンプリング全体の所要時間が増大してしまう問題があった。
(1)試料から試料片を摘出し、前記試料片の姿勢を転換し、試料片ホルダに固定する工程を自動的に実施する荷電粒子ビーム装置であって、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射光学系と、前記試料を載置して移動する試料ステージと、前記試料片を保持および搬送するための回転軸を含む移動機構を備えたニードルと、前記試料片が移設される試料片ホルダを保持するホルダ固定台と、前記集束イオンビームの照射によってデポジション膜を形成するガスを供給するガス供給部と、前記試料片を前記試料ホルダに固定させた前記ニードルを回転させることなく、前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを前記ニードルに付着した前記デポジション膜に照射させる制御を施すコンピュータと、を備える。
このニードル18とニードル駆動機構19を合わせて試料片移設手段と呼ぶこともある。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S、試料片Q、および照射領域内に存在するニードル18や試料片ホルダPなどである。
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。
ステージ12は、試料S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。
図3は試料片ホルダPの平面図であり、図4は側面図である。試料片ホルダPは、切欠き部31を有する略半円形板状の基部32と、切欠き部31に固定される試料台33とを備えている。基部32は、例えば金属によって直径3mmおよび厚さ50μmなどの円形板状から形成されている。試料台33は、例えばシリコンウェハから半導体製造プロセスによって形成され、導電性の接着剤によって切欠き部31に貼着されている。試料台33は櫛歯形状であり、離間配置されて突出する複数(例えば、5本、10本、15本、20本など)で、試料片Qが移設される柱状部(以下、ピラーとも言う)34を備えている。
各柱状部34の幅を違えておくことにより、各柱状部34に移設した試料片Qと柱状部34の画像を対応付けて、さらに対応する試料片ホルダPと対応付けてコンピュータ22に記憶させておくことにより、1個の試料Sから多数個の試料片Qを作製した場合であっても間違わずに認識でき、後続する透過電子顕微鏡等の分析を該当する試料片Qと試料S上の摘出箇所との対応付けも間違いなく行なえる。各柱状部34は、例えば先端部の厚さは10μm以下、5μm以下などに形成され、先端部に取り付けられる試料片Qを保持する。
なお、基部32は、上記のような直径3mmおよび厚さ50μmなどの円形板状に限定されることはなく、例えば長さ5mm、高さ2mm、厚さ50μmなどの矩形板状であってもよい。要するに、基部32の形状は、後続する透過電子顕微鏡に導入するステージ12に搭載できる形状であるとともに、試料台33に搭載した試料片Qの全てがステージ12の可動範囲内に位置するような形状であればよい。このような形状の基部32によれば、試料台33に搭載した全ての試料片Qを透過電子顕微鏡で観察することができる。
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、集束イオン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、大きな試料Sの摘出に好適である。
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。
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。
図5は、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10による自動サンプリングの動作のうち初期設定工程の流れを示すフローチャートである。先ず、コンピュータ22は、自動シーケンスの開始時に操作者の入力に応じて後述する姿勢制御モードの有無等のモード選択、テンプレートマッチング用の観察条件、および加工条件設定(加工位置、寸法、個数等の設定)、ニードル先端形状の確認などを行なう(ステップS010)。
ホルダ固定台12aに複数の試料片ホルダPが設置され、各試料片ホルダPに複数の柱状部34が設けられている場合、各試料片ホルダPに固有の認識コードと、該当試料片ホルダPの各柱状部34に固有の認識コードとを予め定めておき、これら認識コードと各柱状部34の座標およびテンプレート情報とを対応付けてコンピュータ22が記憶してもよい。
また、コンピュータ22は、上記認識コード、各柱状部34の座標、およびテンプレート情報と共に、試料Sにおける試料片Qが摘出される部位(摘出部)の座標、および周辺の試料面の画像情報をセットで記憶してもよい。
また、例えば岩石、鉱物、および生体試料などの不定形な試料の場合、コンピュータ22は、低倍率の広視野画像、摘出部の位置座標、および画像などをセットにして、これらの情報を認識情報として記憶してもよい。この認識情報を、薄片化した試料Sと関連付けし、または、透過電子顕微鏡像と試料Sの摘出位置と関連付けして記録してもよい。
この位置登録処理において、先ず、コンピュータ22は、粗調整の動作として、ステージ駆動機構13によってステージ12を移動し、試料片ホルダPにおいて試料台33が取り付けられた位置に照射領域を位置合わせする。次に、コンピュータ22は、微調整の動作として、荷電粒子ビーム(集束イオンビームおよび電子ビームの各々)の照射により生成する各画像データから、事前に試料台33の設計形状(CAD情報)から作成したテンプレートを用いて試料台33を構成する複数の柱状部34の位置を抽出する。そして、コンピュータ22は、抽出した各柱状部34の位置座標と画像を、試料片Qの取り付け位置として登録処理(記憶)する(ステップS023)。この時、各柱状部34の画像が、予め準備しておいた柱状部の設計図、CAD図、または柱状部34の標準品の画像と比較して、各柱状部34の変形や欠け、欠落等の有無を確認し、もし、不良であればその柱状部の座標位置と画像と共に不良品であることもコンピュータ22は記憶する。
次に、現在登録処理の実行中の試料片ホルダPに登録すべき柱状部34が無いか否かを判定する(ステップS025)。この判定結果が「NO」の場合、つまり登録すべき柱状部34の残数mが1以上の場合には、処理を上述したステップS023に戻し、柱状部34の残数mが無くなるまでステップS023とS025を繰り返す。一方、この判定結果が「YES」の場合、つまり登録すべき柱状部34の残数mがゼロの場合には、処理をステップS027に進める。
そして、コンピュータ22は、登録すべき試料片ホルダPが無いか否かを判定する(ステップS027)。この判定結果が「NO」の場合、つまり登録すべき試料片ホルダPの残数nが1以上の場合には、処理を上述したステップS020に戻し、試料片ホルダPの残数nが無くなるまでステップS020からS027を繰り返す。一方、この判定結果が「YES」の場合、つまり登録すべき試料片ホルダPの残数nがゼロの場合には、処理をステップS030に進める。
これにより、1個の試料Sから数10個の試料片Qを自動作製する場合、ホルダ固定台12aに複数の試料片ホルダPが位置登録され、そのそれぞれの柱状部34の位置が画像登録されているため、数10個の試料片Qを取り付けるべき特定の試料片ホルダPと、さらに、特定の柱状部34を即座に荷電粒子ビームの視野内に呼び出すことができる。
なお、この位置登録処理(ステップS020、S023)において、万一、試料片ホルダP自体、もしくは、柱状部34が変形や破損していて、試料片Qが取り付けられる状態に無い場合は、上記の位置座標、画像データ、コード番号と共に、対応させて『使用不可』(試料片Qが取り付けられないことを示す表記)などとも登録しておく。これによって、コンピュータ22は、後述する試料片Qの移設の際に、『使用不可』の試料片ホルダP、もしくは柱状部34はスキップされ、次の正常な試料片ホルダP、もしくは柱状部34を観察視野内に移動させることができる。
このテンプレート作成工程において、先ず、コンピュータ22は、ステージ駆動機構13によってステージ12を一旦移動させる。続いて、コンピュータ22は、ニードル駆動機構19によってニードル18を初期設定位置に移動させる(ステップS030)。初期設定位置は、集束イオンビームと電子ビームがほぼ同一点に照射でき、両ビームの焦点が合う点(コインシデンスポイント)であって、直前に行ったステージ移動によって、ニードル18の背景には試料Sなどニードル18と誤認するような複雑な構造が無い、予め定めた位置である。このコインシデンスポイントは、集束イオンビーム照射と電子ビーム照射によって同じ対象物を異なった角度から観察することができる位置である。
コンピュータ22は、電子ビームを走査しながらニードル18に照射することによってニードル18に流入する吸収電流を検出し、吸収電流画像データを生成する。この時、吸収電流画像には、ニードル18と誤認する背景が無いため、背景画像に影響されずにニードル18を認識できる。コンピュータ22は、電子ビームの照射によって吸収電流画像データを取得する。吸収電流像を用いてテンプレートを作成するのは、ニードルが試料片に近づくと、試料片の加工形状や試料表面のパターンなど、ニードルの背景にはニードルと誤認する形状が存在することが多いため、二次電子像では誤認するおそれが高く、誤認防止するため背景に影響を受けない吸収電流像を用いる。二次電子像は背景像に影響を受けやすく、誤認のおそれが高いのでテンプレート画像としては適さない。このように、吸収電流画像ではニードル先端のカーボンデポジション膜を認識できないので、真のニードル先端を知ることはできないが、テンプレートとのパターンマッチングの観点から吸収電流像が適している。
万一、ニードル18の先端形状が変形や破損等により、試料片Qを取り付けられる状態に無い場合(ステップS042;NG)には、ステップS043から、図35のステップS280のNO側に飛び、ステップS050以降の全ステップは実行せずに自動サンプリングの動作を終了させる。つまり、ニードル先端形状が不良の場合、これ以上の作業が実行できず、装置操作者によるニードル交換の作業に入る。ステップS042におけるニードル形状の判断は、例えば、1辺200μmの観察視野で、ニードル先端位置が所定の位置から100μm以上ずれている場合は不良品と判断する。なお、ステップS042において、ニードル形状が不良と判断した場合、表示装置21に『ニードル不良』等と表示して(ステップS043)、装置の操作者に警告する。不良品と判断したニードル18は新たなニードル18に交換するか、軽微な不良であればニードル先端を集束イオンビーム照射によって成形してもよい。
ステップS042において、ニードル18が予め定めた正常な形状であれば次のステップS044に進む。
図6(A)は、ニードル18(タングステンニードル)の先端にカーボンデポジション膜DMの残渣が付着している状態を説明するためにニードル先端部を拡大した模式図である。吸収電流像を用いてテンプレートを作成するのは、ニードル18が試料片Qに近づくと、試料片Qの加工形状や試料表面のパターンなど、ニードル18の背景にはニードル18と誤認する形状が存在することが多いため、二次電子像では誤認するおそれが高く、誤認防止するため背景に影響を受けない吸収電流像を用いる。二次電子像は背景像に影響を受けやすく、誤認のおそれが高いのでテンプレート画像としては適さない。このように、吸収電流画像ではニードル先端のカーボンデポジション膜DMを認識できないので、真のニードル先端を知ることはできないが、テンプレートとのパターンマッチングの観点から吸収電流像が適している。
このため、以下のようにして、カーボンデポジション膜DMの先端座標Cからニードル18の真の先端座標を求める。なお、ここで、図6(B)の画像を第1画像と呼ぶことにする。
ニードル18の吸収電流像(第1画像)を取得する工程がステップS044である。
次に、図6(B)の第1画像を画像処理して、背景より明るい領域を抽出する(ステップS045)。
この第2画像をコンピュータに記憶する。
次に、図6(B)の第1画像において、背景の明度より暗い領域を抽出する(ステップS046)。
次に、コンピュータ22に記憶した第2画像と第3画像を合成する(ステップS047)。
次に、第4画像から、カーボンデポジション膜DMの先端、つまり、カーボンデポジション膜DMが堆積したニードル18の真の先端座標を求める(ステップS048)。
コンピュータ22から第4画像を取り出し表示し、ニードル18の真の先端座標を求める。ニードル18の軸方向で最も突き出た箇所Cが真のニードル先端であり、画像認識により自動的に判断させ、先端座標をコンピュータ22に記憶する。
次に、テンプレートマッチングの精度を更に高めるために、ステップS044時と同じ観察視野でのニードル先端の吸収電流画像をレファレンス画像として、テンプレート画像はレファレンス画像データのうち、ステップS048で得たニードル先端座標を基準として、ニードル先端を含む一部のみを抽出したものとし、このテンプレート画像をステップS048で得たニードル先端の基準座標(ニードル先端座標)とを対応付けてコンピュータ22に登録する(ステップS050)。
なお、ステップS050においては、ステップS044時と同じ観察視野と限定したが、これに限ることはなく、ビーム走査の基準が管理できていれば同一視野に限定されることはない。また、上記ステップS050の説明ではテンプレートを、ニードル先端部を含むとしたが、基準座標とさえ座標が対応付けられていれば先端を含まない領域をテンプレートとしても構わない。
また、上記の柱状部34のテンプレートを作成する工程(S020からS027)と、ニードル18のテンプレートを作成する工程(S030からS050)が逆であってもよい。但し、ニードル18のテンプレートを作成する工程(S030からS050)が先行する場合、後述のステップS280から戻るフロー(E)も連動する。
図9は、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10による自動サンプリングの動作のうち、試料片Qを試料Sからピックアップする工程の流れを示すフローチャートである。ここで、ピックアップとは、集束イオンビームによる加工やニードルによって、試料片Qを試料Sから分離、摘出することを言う。
まず、コンピュータ22は、対象とする試料片Qを荷電粒子ビームの視野に入れるためにステージ駆動機構13によってステージ12を移動させる。目的とするレファレンスマークRefの位置座標を用いてステージ駆動機構13を動作させてもよい。
次に、コンピュータ22は、荷電粒子ビームの画像データを用いて、予め試料Sに形成されたレファレンスマークRefを認識する。コンピュータ22は、認識したレファレンスマークRefを用いて、既知であるレファレンスマークRefと試料片Qとの相対位置関係から試料片Qの位置を認識して、試料片Qの位置を観察視野に入るようにステージ移動する(ステップS060)。
次に、コンピュータ22は、ステージ駆動機構13によってステージ12を駆動し、試料片Qの姿勢が所定姿勢(例えば、ニードル18による取出しに適した姿勢など)になるように、姿勢制御モードに対応した角度分だけステージ12をZ軸周りに回転させる(ステップS070)。
次に、コンピュータ22は、荷電粒子ビームの画像データを用いてレファレンスマークRefを認識し、既知であるレファレンスマークRefと試料片Qとの相対位置関係から試料片Qの位置を認識して、試料片Qの位置合わせを行なう(ステップS080)。次に、コンピュータ22は、ニードル18を試料片Qに接近させる処理として、以下の処理を行う。
ここで、移動目標位置APは、試料片Qに近い位置とする。移動目標位置APは、例えば、試料片Qの支持部Qaの反対側の側部に近接した位置とする。コンピュータ22は、移動目標位置APを、試料片Qの形成時の加工枠Fに対して所定の位置関係を対応付けている。コンピュータ22は、集束イオンビームの照射によって試料Sに試料片Qを形成する際の加工枠FとレファレンスマークRefとの相対的な位置関係の情報を記憶している。コンピュータ22は、認識したレファレンスマークRefを用いて、レファレンスマークRefと加工枠Fと移動目標位置AP(図2参照)との相対的な位置関係を用いて、ニードル18の先端位置を移動目標位置APに向かい3次元空間内で移動させる。コンピュータ22は、ニードル18を3次元的に移動させる際に、例えば、先ずX方向およびY方向で移動させ、次にZ方向に移動させる。
コンピュータ22は、ニードル18を移動させる際に、試料片Qを形成する自動加工の実行時に試料Sに形成されたレファレンスマークRefを用いて、電子ビームと集束イオンビームによる異なった方向からの観察よって、ニードル18と試料片Qとの3次元的な位置関係が精度良く把握することができ、適正に移動させることができる。
図10は、ニードルを試料片に接続させる際の位置関係を説明するための図で、試料片Qの端部を拡大した図である。図10において、ニードル18を接続すべき試料片Qの端部(断面)をSIM画像中心35に配置し、SIM画像中心35から所定距離L1を隔て、例えば、試料片Qの幅の中央の位置を接続加工位置36とする。接続加工位置は、試料片Qの端面の延長上(図10の符号36a)の位置であってもよい。この場合、デポジション膜が付き易い位置となって都合がよい。コンピュータ22は、所定距離L1の上限を1μmとし、好ましくは、所定距離L1を100nm以上かつ400nm以下とする。所定距離L1が100nm未満であると、後の工程で、ニードル18と試料片Qを分離する際に接続したデポジション膜のみを切断できず、ニードル18まで切除するリスクが高い。ニードル18の切除はニードル18を短小化させ、ニードル先端が太く変形してしまい、これを繰返すと、ニードル18を交換せざるを得ず、本発明の目的である繰返し自動でサンプリングを行うことに反する。また、逆に、所定距離L1が400nmを超えるとデポジション膜による接続が不十分となり、試料片Qの摘出に失敗するリスクが高くなり、繰返しサンプリングすることを妨げる。
また、図10からは深さ方向の位置が見えないが、例えば、試料片Qの幅の1/2の位置と予め定める。但し、この深さ方向もこの位置に限定されることはない。この接続加工位置36の3次元座標をコンピュータ22に記憶しておく。
コンピュータ22は、予め設定されている接続加工位置36を指定する。コンピュータ22は、同じSIM画像またはSEM画像内にあるニードル18先端と接続加工位置36の三次元座標を基に、ニードル駆動機構19を動作させ、ニードル18を所定の接続加工位置36に移動する。コンピュータ22は、ニードル先端が接続加工位置36と一致した時に、ニードル駆動機構19を停止させる。
図11および図12は、ニードル18が試料片Qに接近する様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームにより得られる画像を示す図(図11)、および、電子ビームにより得られる画像を示す図(図12)である。図12はニードルの微調整前後の様子を示しており、図12におけるニードル18aは、移動目標位置にあるニードル18を示し、ニードル18bはニードル18の微調整後、接続加工位置36に移動したニードル18を示していて、同一のニードル18である。なお、図11および図12は、集束イオンビームと電子ビームで観察方向が異なることに加え、観察倍率が異なっているが、観察対象とニードル18は同一である。
このようなニードル18の移動方法によって、ニードル18を試料片Q近傍の接続加工位置に精度良く、迅速に接続加工位置36に接近させる、停止させることができる。
このステップS120では、コンピュータ22は、ニードル18を試料片Qに直接接触させずに間隔を開けた位置でデポジション膜により接続するので、後の工程でニードル18と試料片Qとが集束イオンビーム照射による切断により分離される際にニードル18が切断されない。また、ニードル18の試料片Qへの直接接触に起因する損傷などの不具合が発生することを防止できる利点を有している。さらに、たとえニードル18が振動しても、この振動が試料片Qに伝達されることを抑制できる。さらに、試料Sのクリープ現象による試料片Qの移動が発生する場合であっても、ニードル18と試料片Qとの間に過剰なひずみが生じることを抑制できる。図13は、この様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームにより得られる画像データにおける、ニードル18および試料片Qの接続加工位置を含む加工枠R1(デポジション膜形成領域)を示す図であり、図14は図13の拡大説明図であり、ニードル18と試料片Q、デポジション膜形成領域(例えば、加工枠R1)の位置関係を分かり易くしている。ニードル18は試料片Qから所定距離L1の間隔を有した位置を接続加工位置として接近し、停止する。ニードル18と試料片Q、デポジション膜形成領域(例えば、加工枠R1)は、ニードル18と試料片Qを跨ぐように設定する。デポジション膜は所定距離L1の間隔にも形成され、ニードル18と試料片Qはデポジション膜で接続される。
コンピュータ22は、所定の切断加工時間に亘って、切断加工位置T1に集束イオンビームを照射することによって、試料片Qを試料Sから分離する。図15は、この様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームにより得られる画像データにおける試料Sおよび試料片Qの支持部Qaの切断加工位置T1を示す図である。
コンピュータ22は、試料Sとニードル18との導通を検知することによって、試料片Qが試料Sから切り離されたか否かを判定する(ステップS133)。
コンピュータ22は、試料Sとニードル18との導通を検知しない場合には、試料片Qが試料Sから切り離された(OK)と判定し、これ以降の処理(つまり、ステップS140以降の処理)の実行を継続する。一方、コンピュータ22は、切断加工の終了後、つまり切断加工位置T1での試料片Qと試料Sとの間の支持部Qaの切断が完了した後に、試料Sとニードル18との導通を検知した場合には、試料片Qが試料Sから切り離されていない(NG)と判定する。コンピュータ22は、試料片Qが試料Sから切り離されていない(NG)と判定した場合には、この試料片Qと試料Sとの分離が完了していないことを表示装置21への表示または警告音などにより報知する(ステップS136)。そして、これ以降の処理の実行を停止する。この場合、コンピュータ22は、試料片Qとニードル18を繋ぐデポジション膜(後述するデポジション膜DM2)を集束イオンビーム照射によって切断し、試料片Qとニードル18を分離して、ニードル18を初期位置(ステップS060)に戻るようにしてもよい。初期位置に戻ったニードル18は。次の試料片Qのサンプリングを実施する。
次に、コンピュータ22は、ステージ退避の処理を行なう(ステップS150)。コンピュータ22は、図17に示すように、ステージ駆動機構13によってステージ12を、所定距離を移動させる。例えば、1mm、3mm、5mmだけ鉛直方向下方(つまりZ方向の負方向)に下降させる。コンピュータ22は、ステージ12を所定距離だけ下降させた後に、ガス供給部17のノズル17aをステージ12から遠ざける。例えば、鉛直方向上方の待機位置に上昇させる。図17は、この様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の電子ビームにより得られる画像データにおける試料片Qが接続されたニードル18に対してステージ12を退避させた状態を示す図である。
図20および図21は、ニードル18の回転角度90°でのアプローチモードにおいて、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームにより得られる画像データにおける試料片Qが接続されたニードル18を90°回転させた状態(図20)と、電子ビームにより得られる画像データにおける試料片Qが接続されたニードル18を90°回転させた状態(図21)とを示す図である。コンピュータ22は、ニードル18の回転角度90°でのアプローチモードにおいては、ニードル18を90°だけ回転させた状態で試料片Qを試料片ホルダPに移設するために適した姿勢状態を設定している。
図22および図23は、ニードル18の回転角度180°でのアプローチモードにおいて、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームにより得られる画像データにおける試料片Qが接続されたニードル18を180°回転させた状態(図22)と、電子ビームにより得られる画像データにおける試料片Qが接続されたニードル18を180°回転させた状態(図23)とを示す図である。コンピュータ22は、ニードル18の回転角度180°でのアプローチモードにおいては、ニードル18を180°だけ回転させた状態で試料片Qを試料片ホルダPに移設するために適した姿勢状態を設定している。
なお、ニードル18と試料片Qとの相対的な接続姿勢は、予め上述した試料片ピックアップ工程において、試料片Qに対し所定の角度でニードル18をアプローチしてニードル18を試料片Qに接続する際に、各姿勢制御モードに適した接続姿勢に設定されている。
コンピュータ22は、ニードル18および試料片Qの背景に構造物がない位置にステージ12を移動させることをステージ駆動機構13またはニードル駆動機構19に指示した際に、実際に指示した場所にニードル18が到達していない場合には、観察倍率を低倍率にしてニードル18を探し、見つからない場合にはニードル18の位置座標を初期化して、ニードル18を初期位置に移動させる。
コンピュータ22は、集束イオンビームにより実際に加工された試料片Qおよび試料片Qが接続されたニードル18に対して実際に取得する画像データをレファレンス画像データとするので、試料片Qおよびニードル18の形状によらずに、精度の高いパターンマッチングを行うことができる。
なお、コンピュータ22は、各画像データを取得する際に、試料片Qおよび試料片Qが接続されたニードル18の形状の認識精度を増大させるために予め記憶した好適な倍率、輝度、コントラスト等の画像取得条件を用いる。
ここで、所望の試料片ホルダPの柱状部34が観察視野領域内に入るか否かを判定し(ステップS195)、所望の柱状部34が観察視野領域内に入れば、次のステップS200に進む。もし、所望の柱状部34が観察視野領域内に入らなければ、つまり、指定座標に対してステージ駆動が正しく動作しない場合は、直前に指定したステージ座標を初期化して、ステージ12が有する原点位置に戻る(ステップS197)。そして、再度、事前登録した所望の柱状部34の座標を指定して、ステージ12を駆動させ(ステップS190)て、柱状部34が観察視野領域内に入るまで繰り返す。
このステップS200によって、元の試料S表面端面を柱状部34の端面に対して平行または垂直の関係に、試料片Qと試料片ホルダPの姿勢調整することができる。特に、柱状部34に固定した試料片Qを集束イオンビームで薄片化加工を行なうことを想定して、元の試料Sの表面端面と集束イオンビーム照射軸が垂直関係となるように試料片Qと試料片ホルダPの姿勢調整することが好ましい。また、柱状部34に固定する試料片Qが、元の試料Sの表面端面が柱状部34に垂直で、集束イオンビームの入射方向に下流側になるように試料片Qと試料片ホルダPの姿勢調整するのも好ましい。
ここで、試料片ホルダPのうち柱状部34の形状の良否を判定する(ステップS205)。ステップS023で柱状部34の画像を登録したものの、その後の工程で、予期せぬ接触等によって指定した柱状部34が変形、破損、欠落などしていないかを、柱状部34の形状の良否を判定するのがこのステップS205である。このステップS205で、該当柱状部34の形状に問題無く良好と判断できれば次のステップS210に進み、不良と判断すれば、次の柱状部34を観察視野領域内に入るようにステージ移動させるステップS190に戻る。
なお、コンピュータ22は、指定した柱状部34を観察視野領域内に入れるためにステージ12の移動をステージ駆動機構13に指示した際に、実際には指定された柱状部34が観察視野領域内に入らない場合には、ステージ12の位置座標を初期化して、ステージ12を初期位置に移動させる。
そしてコンピュータ22は、ガス供給部17のノズル17aを、集束イオンビーム照射位置近くに移動させる。例えば、ステージ12の鉛直方向上方の待機位置から加工位置に向かい下降させる。
ここで言う「試料片マウント工程」とは、摘出した試料片Qを試料片ホルダPに移設する工程のことである。
図26は、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10による自動サンプリングの動作のうち、試料片Qを所定の試料片ホルダPのうちの所定の柱状部34にマウント(移設)する工程の流れを示すフローチャートである。
コンピュータ22は、集束イオンビームおよび電子ビーム照射により得られる各画像データを用いて、上述したステップS020において記憶した試料片Qの移設位置を認識する(ステップS210)。コンピュータ22は、柱状部34のテンプレートマッチングを実行する。コンピュータ22は、櫛歯形状の試料台33の複数の柱状部34のうち、観察視野領域内に現れた柱状部34が予め指定した柱状部34であることを確認するために、テンプレートマッチングを実施する。コンピュータ22は、予め柱状部34のテンプレートを作成する工程(ステップS020)において作成した柱状部34毎のテンプレートを用いて、集束イオンビームおよび電子ビームの各々の照射により得られる各画像データとテンプレートマッチングを実施する。
また、コンピュータ22は、所定領域(少なくとも柱状部34を含む領域)の画像データからエッジ(輪郭)を抽出して、このエッジパターンをテンプレートとしてもよい。また、コンピュータ22は、所定領域(少なくとも柱状部34を含む領域)の画像データからエッジ(輪郭)を抽出することができない場合には、画像データを再度取得する。抽出したエッジを表示装置21に表示し、観察視野領域内の集束イオンビームによる画像または電子ビームによる画像とテンプレートマッチングしてもよい。
先ず、コンピュータ22は、ニードル18の位置を認識する(ステップS220)。コンピュータ22は、ニードル18に荷電粒子ビームを照射することによってニードル18に流入する吸収電流を検出し、吸収電流画像データを生成する。コンピュータ22は、集束イオンビーム照射と、電子ビーム照射によって各吸収電流画像データを取得する。コンピュータ22は、2つの異なる方向からの各吸収電流画像データを用いて3次元空間でのニードル18の先端位置を検出する。
なお、コンピュータ22は、検出したニードル18の先端位置を用いて、ステージ駆動機構13によってステージ12を駆動して、ニードル18の先端位置を予め設定されている視野領域の中心位置(視野中心)に設定してもよい。
なお、コンピュータ22は、このテンプレートマッチングにおいて画像データの所定の領域(少なくともニードル18および試料片Qを含む領域)からエッジ(輪郭)を抽出する際には、抽出したエッジを表示装置21に表示する。また、コンピュータ22は、テンプレートマッチングにおいて画像データの所定の領域(少なくともニードル18および試料片Qを含む領域)からエッジ(輪郭)を抽出することができない場合には、画像データを再度取得する。
そして、コンピュータ22は、集束イオンビームおよび電子ビームの各々の照射により得られる各画像データにおいて、相互に接続されたニードル18および試料片Qのテンプレートと、試料片Qの取付け対象である柱状部34のテンプレートとを用いたテンプレートマッチングに基づき、試料片Qと柱状部34との距離を計測する。
そして、コンピュータ22は、最終的にステージ12に平行な平面内での移動のみによって試料片Qを、試料片Qの取付け対象である柱状部34に移設する。
この空隙L2が500nm以上の場合であっても接続できるが、デポジション膜による柱状部34と試料片Qとの接続に要する時間が所定値以上に長くなり、1μmは好ましくない。この空隙L2が小さくなるほど、デポジション膜による柱状部34と試料片Qとの接続に要する時間が短くなるが、接触させないことが肝要である。
なお、コンピュータ22は、この空隙L2を設ける際に、柱状部34およびニードル18の吸収電流画像を検知することによって両者の空隙を設けてもよい。
コンピュータ22は、柱状部34とニードル18との間の導通、または柱状部34およびニードル18の吸収電流画像を検知することによって、柱状部34に試料片Qを移設した後において、試料片Qとニードル18との切り離しの有無を検知する。
なお、コンピュータ22は、柱状部34とニードル18との間の導通を検知することができない場合には、柱状部34およびニードル18の吸収電流画像を検知するように処理を切り替える。
なお、検知するのは上述の電気抵抗に限らず、電流や電圧など柱状部と試料片Qの間の電気特性が計測できればよい。また、コンピュータ22は、予め定めた時間内に予め定めた電気特性(電気抵抗値、電流値、電位など)を満足しなければ、デポジション膜の形成時間を延長する。また、コンピュータ22は、柱状部34と試料片Qの空隙L2、照射ビーム条件、デポジション膜用のガス種について最適なデポジション膜を形成できる時間を予め求めておき、このデポジション形成時間を記憶しておき、所定の時間でデポジション膜の形成を停止することできる。
コンピュータ22は、試料片Qと柱状部34との接続が確認された時点で、ガス供給と集束イオンビーム照射を停止させる。図29は、この様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームによる画像データで、ニードル18に接続された試料片Qを柱状部34に接続するデポジション膜DM1を示す図である。
コンピュータ22は、ニードル18の吸収電流の変化に応じて試料片Qおよび柱状部34がデポジション膜DM1により接続されたと判定した場合に、所定時間の経過有無にかかわらずに、デポジション膜DM1の形成を停止してもよい。接続完了が確認できれば次のステップS260に移り、もし、接続完了しなければ、予め定めた時間で集束イオンビーム照射とガス供給を停止して、集束イオンビームによって試料片Qとニードル18を繋ぐデポジション膜DM2を切断し、ニードル先端の試料片Qは破棄する。ニードルを退避させる動作に移る(ステップS270)。
上記図29は、この様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10の集束イオンビームにより得られる画像データにおけるニードル18と試料片Qとを接続するデポジション膜DM2を切断するための切断加工位置T2を示す図である。コンピュータ22は、柱状部34の側面から所定距離(つまり、柱状部34の側面から試料片Qまでの空隙L2と、試料片Qの大きさL3との和)Lと、ニードル18と試料片Qの空隙の所定距離L1(図29参照)の半分との和(L+L1/2)だけ離れた位置を切断加工位置T2に設定する。また、切断加工位置T2を、所定距離Lとニードル18と試料片Qの空隙の所定距離L1の和(L+L1)だけ離れた位置としてもよい。この場合、ニードル先端に残存するデポジション膜DM2(カーボンデポジション膜)が小さくなって、ニードル18のクリーニング(後述)作業の機会が少なくなって、連続自動サンプリングにとって好ましい。
コンピュータ22は、所定時間に亘って、切断加工位置T2に集束イオンビームを照射することによって、ニードル18を試料片Qから分離できる。コンピュータ22は、所定時間に亘って、切断加工位置T2に集束イオンビームを照射することによって、デポジション膜DM2のみを切断して、ニードル18を切断することなくニードル18を試料片Qから分離する。ステップS260においては、デポジション膜DM2のみを切断することが重要である。これにより、1度セットしたニードル18は長期間、交換せずに繰り返し使用できるため、無人で連続して自動サンプリングを繰返すことができる。図30は、この様子を示しており、本発明の実施形態に係る荷電粒子ビーム装置10における集束イオンビームの画像データによるニードル18が試料片Qから切り離された状態を示す図である。ニードル先端にはデポジション膜DM2の残渣が付いている。
また、ニードル18のエッジおよび残渣DM2aの位置捕捉には、事前に荷電粒子ビーム照射によって取得したテンプレート画像と重ね合わせて差分を抽出する等の処理によってでもよい。
図37は、上面ニードル18の先端面の厚さが増加した場合、ニードル18を制御してニードル18の端面上面エッジ18aと試料表面Sbとの高さ位置を合わせる際の位置関係の例を示している。ニードル18の下面側と試料Sとの意図しない接触を回避するため、ニードル18は上面側から先鋭化加工されていることが望ましい。上述の実施形態においては、ニードル18の残渣DM2aのトリミング加工による除去について手順を説明したが、第1の変形例ではニードル18のエッジ認識を利用したニードル18の先鋭化加工について説明する。
コンピュータ22は、デポジション膜DM2の残渣DM2aまたはニードル18として抽出したピクセルの位置座標ごとに対して整形加工をするための集束イオンビームの加工領域を画定する際、下記に述べる判定により加工領域の異なる各処理に分岐する。コンピュータ22はニードル18の画像データ面内の上面エッジ点列18UESの先端側終点ピクセル18UEPと下面エッジ点列18LESの先端側終点ピクセル18LEP間の距離をニードル18の先端の厚さNTとして測定する。厚さNTが設定された所定の初期値NTa(例えば1μm)以下の場合には、上述のように残渣DM2aのピクセル群に限定して集束イオンビームをベクタースキャンする。また、厚さNTが初期値NTaを超過している場合には加工範囲を変更する。次に変更した場合の実施形態について説明する。図38は、このようなステップにおける加工時のニードル18のエッジ認識時の過程を示している。輝度差を有するピクセル18Pの探索過程は図43と同じである。コンピュータ22は厚さNTの判定結果をもとに、加工結果がニードル18の厚さNTが設定された所定の初期値NTaに収まるように加工領域の画定を行う。コンピュータ22は、抽出したニードル18の画像面内上面エッジ点列18UESを画像内-Y方向にNTから所定の厚さを差し引いた距離分平行移動させた点列とニードル18の上面のエッジ点列18UESに囲まれ、所定のX方向の長さ(例えば100μm)までの領域と残渣DM2aとして抽出した領域を包含した加工領域T4を設定する。この加工領域T4内に存在するピクセルに対して集束イオンビームをベクタースキャンして先鋭化加工を実施する。図39は、先述した加工領域T4とニードル18との位置関係を示す模式図である。
コンピュータ22は、デポジション膜DM2の残渣またはニードル18への集束イオンビーム照射をニードル18と試料片Qとの分離のタイミングで行ってもよい。分離とトリミング加工のタイミングを同時にすることによって、画像データ取得に要するスキャン時間分を短縮することが可能である。例えば、図40はニードル18と試料片Qとの分離の前に、係る荷電粒子ビーム装置10によって集束イオンビームを照射して取得した画像データの模式図を示す。さらに、図41は、図40の状態において、ニードル18と試料片Qとの接続部付近においてエッジ点列を抽出する過程の模式図である。コンピュータ22は、上述の同じ手順に基づいてニードル18の上面エッジ点列18UESと下面エッジ点列18LESを抽出した上で、事前に設定された試料片QのX方向の長さLの情報から、側面エッジの位置座標を求め、加工領域T2aを試料片Qのニードル18側の側面エッジまで拡張して画定する(図41)。さらに、上述のニードル先端形状認識後の分岐を適用して加工領域T3および加工領域T4に加工領域T2を包含した加工領域T2aとしてもよい。また、ニードル18のエッジ抽出を行った後、画像面内水平方向に探索することで試料片Qの側面エッジ点列を抽出し、加工領域T2aの範囲を定めてもよい。拡張後の加工領域T2aに対しては、先述の実施形態と同じく集束イオンビームをベクタースキャンして加工を実行する。
なお、上述したスタートからエンドまでのフローは一例にすぎず、全体の流れに支障が出なければ、ステップの入れ替えやスキップを行なってもよい。
コンピュータ22は、上述したスタートからエンドまでを連続動作させることで、無人でサンプリング動作を実行させることができる。上述の方法により、ニードル18を交換することなく繰り返し試料サンプリングすることができるため、同一のニードル18を用いて多数個の試料片Qを連続してサンプリングすることができる。
これにより荷電粒子ビーム装置10は、試料Sから試料片Qを分離および摘出する際に同じニードル18の成形することなく、さらにはニードル18自体を交換することなく繰り返し使用でき、一個の試料Sから多数個の試料片Qを自動で作製することができる。従来のような操作者の手動操作を施すことなくサンプリングが実行できる。
また、上述した実施形態では、ニードル18は先鋭化された針状部材を一例として説明したが、先端が平たがね状などの形状であってもよい。
例えば、本発明による荷電粒子ビーム装置10では、試料片Qを摘出する手段としてニードル18について説明をしたが、これに限定されることは無く、微細に動作するピンセットであってもよい。ピンセットを用いることで、デポジションを行なうことなく試料片Qを摘出でき、先端の損耗などの心配もない。ニードル18を使った場合であっても、試料片Qとの接続はデポジションに限定されることは無く、ニードル18に静電気力を付加した状態で試料片Qに接触させ、静電吸着して試料片Qとニードル18の接続を行なってもよい。
Claims (7)
- 試料から試料片を摘出し、前記試料片の姿勢を転換し、試料片ホルダに固定する工程を自動的に実施する荷電粒子ビーム装置であって、
荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射光学系と、
前記試料を載置して移動する試料ステージと、
前記試料片を保持および搬送するための回転軸を含む移動機構を備えたニードルと、
前記試料片が移設される試料片ホルダを保持するホルダ固定台と、
前記集束イオンビームの照射によってデポジション膜を形成するガスを供給するガス供給部と、
前記試料片を前記試料ホルダに固定させた前記ニードルを回転させることなく、前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを前記ニードルに付着した前記デポジション膜に照射させる制御を施すコンピュータと、を備える荷電粒子ビーム装置。 - 前記コンピュータは、前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを前記デポジション膜及び前記ニードルに照射させることを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記コンピュータは、前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを照射させ、前記試料片と前記ニードル分離する際に形成されたニードルの端面を除去加工することを特徴とする請求項2に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記コンピュータは、前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを前記ニードルの前記デポジション膜が付着した側に照射させることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記コンピュータは、前記ニードルの先端の厚さ寸法が所定の値を超過した場合に、前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを前記ニードルの前記デポジション膜が付着した側に照射させ、前記厚さ寸法が所定の値以内となるように加工することを特徴とする請求項2から4のいずれか一に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記コンピュータは、前記荷電粒子ビームを照射し取得した前記デポジション膜及び前記ニードルの画像データにおける各ピクセルの輝度変化に応じて、前記荷電粒子ビーム照射光学系からの前記荷電粒子ビームの照射を終了することを特徴とする請求項1から5のいずれか一に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記コンピュータは、前記ニードルと前記試料片とを分離する際に、前記ニードルに付着したデポジション膜に対して前記荷電粒子ビーム照射光学系から前記荷電粒子ビームを照射させることを特徴とする請求項1から6のいずれか一に記載の荷電粒子ビーム装置。
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