JP2020064780A - 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】ステージのサイズを変更することなく電子ビーム鏡筒と試料との距離を狭めて高解像度のＳＥＭ画像を得ることが可能であり、かつ試料の観察面に正対したＳＥＭ画像を得ることが可能な荷電粒子ビーム装置、試料加工観察方法を提供する。【解決手段】集束イオンビームを前記試料に照射して、試料から試料片を切り出す試料片形成工程と、試料片を試料片支持体で支持し、試料片の断面に集束イオンビームを照射して、断面の加工を行う断面加工工程と、試料片を試料片支持体で支持し、集束イオンビームのビーム光軸と電子ビームのビーム光軸との交点よりも電子ビーム鏡筒に近接する位置まで試料片を移動させる試料片近接移動工程と、試料片の前記断面に向けて電子ビームを照射して、断面のＳＥＭ画像を取得するＳＥＭ画像取得工程と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子ビームを用いて試料の加工および観察を行う荷電粒子ビーム装置および試料加工観察方法に関する。
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）鏡筒、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。特に、試料の厚さに依存することなく高分解能で観察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。
特開２０１０−２３２１９５号公報
複合荷電粒子ビーム装置を用いて試料の断面加工を高精度に行うためには、高解像度のＳＥＭ画像を取得する必要がある。高解像度のＳＥＭ画像を取得するためには、電子ビーム鏡筒と試料との距離（working distance：ＷＤ）を可能な限り狭めることが望ましい。しかしながら、従来の複合荷電粒子ビーム装置は、試料が載置されたステージと電子ビーム鏡筒との干渉を避ける必要があり、ＷＤを狭めることは困難であった。
また、ステージと電子ビーム鏡筒との干渉を避けるために、ステージをより小型化することも考えられるが、この場合、小型化したステージに載置できる試料サイズが制限されるため、大きなステージに載置された試料から観察対象部分をピックアップして、小型化した専用のステージに移載してＳＥＭ画像を取得することになる。この場合、大きなステージと小型化した専用のステージとでは形状や容量が異なるため、試料観察位置付近の電界分布が異なってしまい、電界の補正が必要となる。しかしながら電界の補正が可能な範囲には制限があり、電界の補正範囲を超える場合は二次電子検出器の検出効率が低下し、コントラストが低いＳＥＭ画像しか得られないという課題もある。
また、従来の一般的な複合荷電粒子ビーム装置の場合、試料断面に対して電子ビーム鏡筒の観察角度（電子ビームの入射角度）は概ね５４°になっており、得られたＳＥＭ画像は上下方向に収縮した画像となる。このため、縦横比を実際の試料と合致させるためにＳＥＭ画像を縦方向に引き伸ばす補正を行っているが、ソフトウエア的に画像加工されたＳＥＭ画像は、実際の試料断面像を正確に反映していない不正確な画像になってしまうという課題もある。
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、ステージのサイズを変更することなく電子ビーム鏡筒と試料との距離を狭めて高解像度のＳＥＭ画像を得ることが可能であり、かつ試料の観察面に正対したＳＥＭ画像を得ることが可能な荷電粒子ビーム装置、および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、および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、集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、試料を載置するステージと、前記試料から切り出された観察対象部を含む試料片を保持する試料片支持体と、前記集束イオンビーム鏡筒、前記電子ビーム鏡筒、前記ステージおよび前記試料片支持体の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記試料の観察対象部を含む断面のＳＥＭ画像を取得する際に、前記集束イオンビームのビーム光軸と前記電子ビームのビーム光軸との交点よりも前記電子ビーム鏡筒に近接する位置まで前記試料片を移動させる制御を行うことを特徴とする。
また、本発明では、前記集束イオンビームによって前記断面を形成する際に、前記交点に前記試料片を移動させる制御を行うことを特徴とする。
また、本発明では、前記断面に前記集束イオンビームを照射して前記断面の加工を行う際、前記試料の観察対象部を含む断面のＳＥＭ画像を取得する際、の少なくともいずれか一方において、前記ステージを前記試料片に向けて接近動作させる制御を行うことを特徴とする。
本発明の試料加工観察方法は、集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、試料から切り出された観察対象部を含む試料片を保持する試料片支持体と、を備えた荷電粒子ビーム装置を用いて、前記試料の観察対象部を含む断面の加工およびＳＥＭ画像を得る試料加工観察方法であって、前記集束イオンビームを前記試料に照射して、前記試料から前記試料片を切り出す試料片形成工程と、前記試料片を前記試料片支持体で支持し、前記試料片の前記断面に前記集束イオンビームを照射して、前記断面の加工を行う断面加工工程と、前記試料片を前記試料片支持体で支持し、前記集束イオンビームのビーム光軸と前記電子ビームのビーム光軸との交点よりも前記電子ビーム鏡筒に近接する位置まで前記試料片を移動させる試料片近接移動工程と、前記試料片の前記断面に向けて前記電子ビームを照射して、前記断面のＳＥＭ画像を取得するＳＥＭ画像取得工程と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明では、前記試料片を前記試料片支持体で支持し、前記試料片の前記断面が前記電子ビームのビーム光軸に対して直角になるように傾斜させる試料片角度調節工程を更に備えたことを特徴とする。
また、本発明では、前記試料片にドリフト補正マークを形成する補正マーク形成工程を更に備えたことを特徴とする。
また、本発明では、前記試料片支持体は複数形成され、前記試料片角度調節工程は、複数の前記試料片支持体どうしの間で前記試料片を受け渡して行うことを特徴とする。
また、本発明では、前記断面加工工程またはＳＥＭ画像取得工程の少なくともいずれか一方では、前記試料を載置するステージを前記試料片に向けて接近動作させることを特徴とする。
また、本発明では、前記断面加工工程では、前記試料片の周縁部分の少なくとも一部よりも内側だけを薄膜化させることを特徴とする。
また、本発明では、前記断面加工工程から前記試料片近接移動工程を経て前記画像取得工程までを、予め設定した回数繰り返すことを特徴とする。
本発明によれば、特殊なステージを用いることなく電子ビーム鏡筒と試料との距離を狭めて、高解像度のＳＥＭ画像を容易に得ることが可能な荷電粒子ビーム装置、および試料加工観察方法を提供することができる。
本発明の荷電粒子ビーム装置の一例を示す構成図である。 本発明の試料加工観察方法を段階的に示したフローチャートである。 第１実施形態を示す説明図である。 第１実施形態の変形例を示す説明図である。 第２実施形態を示す説明図である。 第３実施形態を示す説明図である。 第４実施形態を示す説明図である。 第４実施形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、本発明の一実施形態の荷電粒子ビーム装置を示す構成図である。
本発明の一実施形態の荷電粒子ビーム装置（複合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を保持するための試料ホルダ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鏡筒１４を備えている。本実施形態では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）として、ガリウムイオンビームが用いられる。
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鏡筒１５を備えている。
荷電粒子ビーム装置１０は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）または電子ビーム（ＥＢ）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荷電粒子ビームである気体イオンビーム（ＧＢ）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（ＧＢ）として、アルゴンイオンビームが用いられる。
これら集束イオンビーム鏡筒１４、電子ビーム鏡筒１５、および気体イオンビーム鏡筒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点である交点Ｃで交差可能なように配置されている。即ち、本実施形態では、試料室１１を側面から平面視した時に、電子ビーム鏡筒１５は鉛直方向に沿って配置され、集束イオンビーム鏡筒１４と気体イオンビーム鏡筒１８は、それぞれ鉛直方向に対して例えば６０°と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、集束イオンビーム鏡筒１４から照射される集束イオンビーム（ＦＩＢ）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、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を移動、回転させるニードル駆動機構１９ｂからなる試料片支持体１９を備えている。
また、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。
本実施形態では、試料片支持体１９は１つだけ形成されているが、試料片支持体１９を複数形成することもできる。例えば、試料片支持体１９が２つ形成される場合には、試料片支持体１９どうしが、水平回りで互いに１８０°対向して配置されていたり、互いに９０°の角度で配置されていればよい。
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（制御部）２２と、入力デバイス２３と、を備えている。なお、集束イオンビーム鏡筒１４および電子ビーム鏡筒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（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、試料片支持体１９のニードル１９ａの先端で試料Ｖから切り出した試料片Ｓを保持した状態で、試料片Ｓに向けて集束イオンビーム（ＦＩＢ）や気体イオンビーム（ＧＢ）を照射して、試料片Ｓの観察対象部を含む断面の加工を行うことができる。
また、荷電粒子ビーム装置１０は、試料片支持体１９のニードル１９ａの先端で試料片Ｓを保持した状態で、試料片Ｓの断面に向けて電子ビーム（ＥＢ）を照射して、試料片Ｓの断面から生じた二次荷電粒子（二次電子、二次イオン）Ｒを検出器１６で検出することで、試料片Ｓの断面のＳＥＭ画像を取得することができる。
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Ｖを固定する試料ホルダ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（制御部）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。
集束イオンビーム鏡筒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などの照射対象に傾斜方向の上方から下方に向かい集束イオンビームを照射可能である。
集束イオンビーム鏡筒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（制御部）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、集束イオンビーム鏡筒１４からアルゴンイオンビームを照射することもできる。
電子ビーム鏡筒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などの照射対象に鉛直方向上方から下方に向かい電子ビームを照射可能である。
電子ビーム鏡筒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（制御部）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、電子ビーム鏡筒１５と集束イオンビーム鏡筒１４の配置を入れ替えて、電子ビーム鏡筒１５を鉛直方向に所定角度傾斜した傾斜方向に、集束イオンビーム鏡筒１４を鉛直方向に配置してもよい。
気体イオンビーム鏡筒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。気体イオンビーム鏡筒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、集束イオンビーム（ＦＩＢ）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。
試料片支持体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（制御部）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（制御部）２２は、少なくともステージ駆動機構１３と、集束イオンビーム鏡筒１４と、電子ビーム鏡筒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。
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。
（試料加工観察方法：第１実施形態）
上述した構成の荷電粒子ビーム装置１０を用いた本発明の第１実施形態の試料加工観察方法を、図１〜４を用いて説明する。
図２は、本発明の試料加工観察方法を段階的に示したフローチャートである。
本発明の試料加工観察方法によって観察対象部を含む試料片Ｓの観察断面を形成する際には、まず、観察対象部が含まれるバルクの試料Ｖを試料ホルダＰにセットして、ステージ１２上に載置する。観察対象部が含まれる試料Ｖとしては、例えば、微細な集積回路を形成した半導体チップなどが挙げられる。
次に、ステージ１２上に載置された試料Ｖから、観察対象部を含む小領域を切り出して、試料片Ｓを作成する（試料片形成工程Ｓ１）。試料片形成工程Ｓ１では、集束イオンビーム鏡筒１４から試料Ｖに向けて集束イオンビーム（ＦＩＢ）、例えばガリウムイオンビームを照射する。この時、試料Ｖに予め設定された観察対象部を含む小領域の外縁に沿って集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する。これにより、試料Ｖから、観察対象部を含む小領域を切り出した試料片Ｓが得られる。試料片Ｓは、例えば矩形の薄板状に形成される。
次に、試料片支持体１９のニードル駆動機構１９ｂを操作して、ニードル１９ａの先端を、切り出した試料片Ｓの外面、例えばＳＥＭによる観察断面を形成する加工面（断面）に直角な側面に接触させる。
そして、ガス供給部１７のノズル１７ａからニードル１９ａと試料片Ｓとの接触部分に向けてデポジション用ガス、例えばカーボン系ガスを供給しつつ、この部分に集束イオンビーム鏡筒１４から集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射する。これにより、ニードル１９ａの先端と試料片Ｓとの接触部分にデポジション膜が形成される。こうしたデポジション膜によって、ニードル１９ａの先端と試料片Ｓとが接着され、試料片Ｓはニードル１９ａに支持される。
次に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）によって、試料片Ｓに対してマッチング用マーク（１ポイントドリフト補正マーク）を形成する。マッチング用マークの形成位置は、次工程である断面加工工程Ｓ２で消滅しない位置に形成される。次に、試料片Ｓに加工面（断面）であるスライス加工枠を設定する。この時、ドリフト補正機能をセットする。
次に、図３（ａ）に示すように、この試料片Ｓの加工面が、それぞれのビーム照射軸が１点で交差する交点Ｃに一致するように、試料片Ｓを支持するニードル１９ａを動かす。そして、例えば試料片Ｓの加工面（断面）に対して平行な方向に集束イオンビーム鏡筒１４から集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射して、試料片Ｓの加工面を所定の深さまで削る（断面加工工程Ｓ２）。
次に、図３（ｂ）に示すように、試料片Ｓをニードル１９ａに保持させたまま、ニードル駆動機構１９ｂを介してニードル１９ａを操作し、試料片Ｓの加工面が交点Ｃよりも電子ビーム鏡筒１５の照射端に近接するように試料片Ｓを移動（図３（ｂ）中のＺ方向）させる（試料片近接移動工程Ｓ３）。すなわち、試料片Ｓの加工面に対する電子ビーム鏡筒１５のワーキングディスタンスが交点Ｃに比べて小さくなる位置に試料片Ｓを移動させる。
次に、図３（ｃ）に示すように、ニードル駆動機構１９ｂを介してニードル１９ａを回転させ、試料片Ｓの加工面（断面）が電子ビーム鏡筒１５のビーム光軸に対して直角になるように傾斜させる（試料片角度調節工程Ｓ４）。なお、ここで試料片Ｓの加工面（断面）と電子ビーム鏡筒１５のビーム光軸とは、９０°±５°範囲でほぼ直角になっていれば、後述するＳＥＭ画像の取得時に完全な直角（９０°）とほぼ同等の効果が得られる。
次に、電子ビーム鏡筒１５のビーム光軸に対して加工面（断面）が直角に広がるようにされた試料片Ｓに向けて、電子ビーム鏡筒１５から電子ビーム（ＥＢ）を照射する。この時、前工程の試料片角度調節工程Ｓ４を経ることで、電子ビーム（ＥＢ）は、試料片Ｓの加工面（断面）に対してほとんど直角に入射する。そして、試料片Ｓの加工面（断面）から出た二次電子（二次荷電粒子）を検出器１６で検出し、検出器１６の出力信号に基づいて加工面（断面）のＳＥＭ画像をコンピュータ２２で形成し、表示装置２１に表示する（ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５）。なお、ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５においては、試料片Ｓのエッジ部分などでマッチングを行い、ＳＥＭ画像取得の際の中心位置を自動認識する。
このように、試料片近接移動工程Ｓ３を経た試料片Ｓの加工面（断面）のＳＥＭ画像は、従来のように、試料片Ｓの加工面（断面）が交点Ｃの位置にある状態で得られたＳＥＭ画像と比較して、試料片Ｓの加工面（断面）の位置がより電子ビーム鏡筒１５に近接した位置でのＳＥＭ画像であるので、加工面（断面）の様子がより一層鮮明になり、拡大倍率を上げても細部まで鮮明に映し出すことができる。従って、観察対象物の構造が微細で複雑な試料片Ｓであっても、加工面（断面）の状態を正確に把握することができる。
また、試料片角度調節工程Ｓ４によって、試料片Ｓの加工面（断面）と電子ビーム鏡筒１５のビーム光軸とが直角になるように試料片Ｓを動かす（回転させる）ことによって、ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５で得られる加工面（断面）のＳＥＭ画像は、従来のように電子ビーム鏡筒１５のビーム光軸に対して直角よりも傾斜した（例えば５４°）状態でのＳＥＭ画像と比較して、上下方向に収縮が殆どない。これにより、得られたＳＥＭ画像をソフトウエア的に画像加工することなく、加工面（断面）の形状を歪みなく正確に反映されたＳＥＭ画像を得ることができる。
この後、ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５で得られる加工面（断面）の様子を確認し、再び断面加工工程Ｓ２からＳＥＭ画像取得工程Ｓ５までを、所望の加工面（断面）が得られるまで繰り返す。試料片Ｓが集束イオンビーム（ＦＩＢ）による加工位置に戻った際には、ドリフト補正マークの認識を実行する。
また、断面加工工程Ｓ２からＳＥＭ画像取得工程Ｓ５までを、予め設定した所望の回数繰り返し、試料片Ｓの特定領域における連続した複数の断面のＳＥＭ画像を取得して、試料片Ｓの特定領域の立体像を生成することもできる。つまり、少なくとも、断面加工工程Ｓ２において試料片Ｓを交点Ｃに移動させ、加工面をスライス加工し、試料片近接移動工程Ｓ３において試料片Ｓを交点Ｃよりも電子ビーム鏡筒１５の照射端に近接するように移動させ、ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５においてＳＥＭ画像を取得するプロセスを繰り返し実施する。コンピュータ２２は、加工位置と観察位置との間を試料片Ｓが往復するようにニードル駆動機構１９ｂを制御する。これにより、試料片の連続的な断面加工観察を実施することができる。また、断面加工観察により取得した情報に基づき断面工観察を施した領域の立体像を生成することができる。
ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５から断面加工工程Ｓ２に移行する際には、試料片Ｓをニードル１９ａに固定したまま、試料片角度調節工程Ｓ４の逆回転操作を行い、続けて試料片近接移動工程Ｓ３の逆行操作を行えばよい。
以上のように、本発明の試料加工観察方法によれば、このように、試料片Ｓの加工面（断面）の加工とＳＥＭ画像による観察とを、試料片Ｓをニードル１９ａに固定したまま行うことができるので、試料片Ｓを例えば専用ステージに移動させることなく観察することができ、作業時間を大幅に短縮できる。
また、試料片Ｓをニードル１９ａに固定したままＳＥＭ画像による観察ができるので、観察位置付近でニードル１９ａよりも体積の大きい専用のステージを用いた場合よりも電界分布の変化が小く抑えられる。よって、取得したＳＥＭ画像のコントラストの低下を防止でき、高コントラストの鮮明なＳＥＭ画像を得ることができる。
上述した第１実施形態の試料加工観察方法の変形例として、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いた断面加工工程Ｓ２の完了後に、気体イオンビーム鏡筒１８から気体イオンビーム（ＧＢ）、例えばアルゴンイオンビームを照射して、試料片Ｓの加工面（断面）の仕上げ加工を行うことも好ましい（図４参照）。
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は、ガリウムイオンビームなどの集束イオンビーム（ＦＩＢ）に比べて集束性が低いため、試料片Ｓの加工面（断面）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は、ガリウムイオンビームによって試料片Ｓの加工面（断面）の加工を行った後の精密な仕上げ加工に好適である。
このように、気体イオンビーム（ＧＢ）によって試料片Ｓの加工面（断面）の仕上げ加工を行うことによって、ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５で得られる加工面（断面）のＳＥＭ画像をより鮮明なものにすることができる。
（試料加工観察方法：第２実施形態）
ＳＥＭ画像の高分解能化のために、電子ビーム鏡筒１５と試料片Ｓとの間に電子レンズを形成させるセミインレンズ方式の電子ビーム鏡筒１５を用いる場合、電子レンズの磁場が電子ビーム鏡筒１５の外側に生じるために、断面加工工程Ｓ２で試料片Ｓを集束イオンビーム（ＦＩＢ）で加工する際に、特に低加速の集束イオンビーム（ＦＩＢ）は、電子ビーム鏡筒１５の電子レンズの磁場によってビーム軌道が曲がったり、ビーム形状が歪んだりする虞がある。
このため、第２実施形態では、断面加工工程Ｓ２において、ステージ駆動機構１３を操作してステージ１２を、ニードル１９ａに保持された試料片Ｓに接近させる（図５（ａ）参照）。ステージ１２は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム軌道を中心に磁場が概ね対称になるように配置すればよい。
同様に、ＳＥＭ画像取得工程Ｓ５においても、ステージ駆動機構１３を操作してステージ１２を、ニードル１９ａに保持された試料片Ｓに接近させる（図５（ｂ）参照）。これによって、電子ビーム（ＥＢ）に対して磁場が適切な分布になるように制御できる。ステージ１２は、電子ビーム（ＥＢ）のビーム軌道を中心に磁場が概ね対称になるように配置すればよい。
（試料加工観察方法：第３実施形態）
第３実施形態では、断面加工工程Ｓ２において、試料片Ｓに対して額縁加工を行う。即ち、図６（ａ）に示すように、試料片Ｓの一方に向けて第１の照射角度から集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射し、試料片Ｓの矩形の加工面（断面）の３辺を所定幅で額縁状に周縁部分を残し（額縁部Ｓａ）、その内側を薄膜化（薄膜部Ｓｂ）する。
次に、図６（ｂ）に示すように、ニードル１９ａを回転させて試料片Ｓの表裏を逆にして、第２の照射角度から集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射し、試料片Ｓの矩形の加工面（断面）の３辺を所定幅で額縁状に残し（額縁部Ｓｃ）、その内側を薄膜化（薄膜部Ｓｄ）する（図６（ｂ）参照）。
このような第３実施形態によれば、試料片Ｓの一部だけを薄膜化し、その周囲を額縁部として薄膜化しない部分を残すことで、一部を薄膜化した試料の強度を保つことができる。そして、試料片Ｓの表裏で異なる方向から額縁加工することで、薄片部の全ての周囲を額縁化できるので試料の強度を保つことができ、かつ、試料片にカーテン効果による縞が形成されることを抑制できる。
（試料加工観察方法：第４実施形態）
第４実施形態は、試料片支持体１９を２つ備えた荷電粒子ビーム装置１０を用いた例であり、互いに離間して配置された２つのニードル１９ａ１，１９ａ２を有する（図７参照）。まず、第１のニードル１９ａ１で試料片Ｓを保持する。
そして、試料片Ｓを第２のニードル１９ａ２に移し変え、第２のニードル１９ａ２を回転させることにより、試料片Ｓへの集束イオンビーム（ＦＩＢ）の入射角度を変更する（図７（ａ）参照）。図７（ｂ）に示すように、第２のニードル１９ａ２を、電子ビーム（ＥＢ）のビーム光軸と、集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム光軸のなす面の法線方向に平行になるように配置する。
まず、第１のニードル１９ａ１で試料片Ｓを支持した状態で、第１の入射角度で集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射してＦＩＢ加工を行う（図８（ａ）参照）。次に、第２のニードル１９ａ２を試料片Ｓに接続する（図８（ｂ）参照）。次に、第１のニードル１９ａ１から試料片Ｓを分離し、第２のニードル１９ａ２を回転させる（図８（ｃ）参照）。そして、第１の入射角度で集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射してＦＩＢ加工を行う（図８（ｄ）参照）。
このような第４実施形態の試料加工観察方法によれば、第２のニードル１９ａ２は集束イオンビーム（ＦＩＢ）のビーム光軸に対して、垂直方向を中心に回転可能であるため、集束イオンビーム（ＦＩＢ）の試料片Ｓに対する入射角度の調整が容易になり、試料片Ｓの加工容易性を高めることができる。
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…集束イオンビーム鏡筒、１５…電子ビーム鏡筒、１６…検出器、１７…ガス供給部、１８…気体イオンビーム鏡筒、１９ａ…ニードル、１９ｂ…ニードル駆動機構、２１…表示装置、２２…コンピュータ、２３…入力デバイス、３３…試料台、Ｐ…試料ホルダ、Ｒ…二次荷電粒子、Ｓ…試料片、Ｖ…試料。

Claims (10)

  1. 集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、試料を載置するステージと、前記試料から切り出された観察対象部を含む試料片を保持する試料片支持体と、前記集束イオンビーム鏡筒、前記電子ビーム鏡筒、前記ステージおよび前記試料片支持体の動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記試料の観察対象部を含む断面のＳＥＭ画像を取得する際に、前記集束イオンビームのビーム光軸と前記電子ビームのビーム光軸との交点よりも前記電子ビーム鏡筒に近接する位置まで前記試料片を移動させる制御を行うことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  2. 前記制御部は、前記集束イオンビームによって前記断面を形成する際に、前記交点に前記試料片を移動させる制御を行う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. 前記制御部は、前記断面に前記集束イオンビームを照射して前記断面の加工を行う際、前記試料の観察対象部を含む断面のＳＥＭ画像を取得する際、の少なくともいずれか一方において、前記ステージを前記試料片に向けて接近動作させる制御を行う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. 集束イオンビームを照射する集束イオンビーム鏡筒と、電子ビームを照射する電子ビーム鏡筒と、試料から切り出された観察対象部を含む試料片を保持する試料片支持体と、を備えた荷電粒子ビーム装置を用いて、前記試料の観察対象部を含む断面の加工およびＳＥＭ画像を得る試料加工観察方法であって、
    前記集束イオンビームを前記試料に照射して、前記試料から前記試料片を切り出す試料片形成工程と、
    前記試料片を前記試料片支持体で支持し、前記試料片の前記断面に前記集束イオンビームを照射して、前記断面の加工を行う断面加工工程と、
    前記試料片を前記試料片支持体で支持し、前記集束イオンビームのビーム光軸と前記電子ビームのビーム光軸との交点よりも前記電子ビーム鏡筒に近接する位置まで前記試料片を移動させる試料片近接移動工程と、
    前記試料片の前記断面に向けて前記電子ビームを照射して、前記断面のＳＥＭ画像を取得するＳＥＭ画像取得工程と、
    を備えたことを特徴とする試料加工観察方法。
  5. 前記試料片を前記試料片支持体で支持し、前記試料片の前記断面が前記電子ビームのビーム光軸に対して直角になるように傾斜させる試料片角度調節工程を更に備えたことを特徴とする請求項４記載の試料加工観察方法。
  6. 前記試料片にドリフト補正マークを形成する補正マーク形成工程を更に備えたことを特徴とする請求項４または５記載の試料加工観察方法。
  7. 前記試料片角度調節工程は、複数の前記試料片支持体どうしの間で前記試料片を受け渡して行うことを特徴とする請求項５記載の試料加工観察方法。
  8. 前記断面加工工程またはＳＥＭ画像取得工程の少なくともいずれか一方では、前記試料を載置するステージを前記試料片に向けて接近動作させることを特徴とする請求項４ないし７いずれか一項記載の試料加工観察方法。
  9. 前記断面加工工程では、前記試料片の周縁部分の少なくとも一部よりも内側だけを薄膜化させることを特徴とする請求項４ないし８いずれか一項記載の試料加工観察方法。
  10. 前記断面加工工程から前記試料片近接移動工程を経て前記画像取得工程までを、予め設定した回数繰り返すことを特徴とする請求項４ないし９いずれか一項記載の試料加工観察方法。
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