JP2021150236A - 集束イオンビーム加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】集束イオンビームによる断面加工を行う際、断面形状を改善させるとともに、作業効率を向上させた集束イオンビーム加工装置を提供する。【解決手段】イオン源２１と、試料２００を保持する試料ステージ５０と、集束レンズ２２と、一辺２４ｔが直線状のスリット２４ｓを有するアパーチャ２４と、アパーチャと試料台との間のビーム経路に配置される投射レンズ２８と、を有し、試料に断面を加工する集束イオンビーム加工装置１００であって、ケーラー照明法により、投射レンズの主面に集束イオンビーム２０Ａが合焦するときの集束レンズの印加電圧を１００としたとき、該印加電圧が１００未満、８０以上に設定され、アパーチャの一辺を、集束イオンビームの中心より一辺が０μｍより大きく、５００μｍ以下の距離Ｓで集束イオンビームがアパーチャにマスクされるよう、アパーチャの位置が設定され、スリットの形状が試料に転写される転写モードをなす。【選択図】図８
Description
本発明は、試料の断面加工を行う集束イオンビーム加工装置に関する。
従来から、集束イオンビーム加工装置で試料の断面加工を行い、この断面の観察が行われている。
断面加工は、図１２に示すようにして行われる。まず、試料２００の表面２００ａに直交するようにして集束イオンビーム２０Ａを照射する。そして、集束イオンビーム２０Ａの照射位置を走査し、試料２００の表面２００ａに直交する（集束イオンビーム２０Ａの照射方向に平行な）断面２００ｃを掘り下げていく。
但し、断面加工後に断面２００ｃを観察すＳＥＭ鏡筒の電子ビーム１０Ａは、集束イオンビーム２０Ａと角度を持っているため、断面２００ｃから離れたところは断面近傍のように深く穴掘りする必要はない。そこで、エッチングに掛かる時間を短縮させて作業効率を向上させるため、断面２００ｃの底面から所定の角度θ（例えば５４度）で表面２００ａ側に立ち上がるスロープ（傾斜）面状に加工する。従来の技術では、現実的な加工時間を考慮すると、断面のサイズは数十μm、広くても100μm以下である。
断面加工は、図１２に示すようにして行われる。まず、試料２００の表面２００ａに直交するようにして集束イオンビーム２０Ａを照射する。そして、集束イオンビーム２０Ａの照射位置を走査し、試料２００の表面２００ａに直交する（集束イオンビーム２０Ａの照射方向に平行な）断面２００ｃを掘り下げていく。
但し、断面加工後に断面２００ｃを観察すＳＥＭ鏡筒の電子ビーム１０Ａは、集束イオンビーム２０Ａと角度を持っているため、断面２００ｃから離れたところは断面近傍のように深く穴掘りする必要はない。そこで、エッチングに掛かる時間を短縮させて作業効率を向上させるため、断面２００ｃの底面から所定の角度θ（例えば５４度）で表面２００ａ側に立ち上がるスロープ（傾斜）面状に加工する。従来の技術では、現実的な加工時間を考慮すると、断面のサイズは数十μm、広くても100μm以下である。
ところで、近年、半導体デバイスや鉱物等の試料において、100μm以上の断面加工をしたいという要望があり、エッチング時間を短縮する観点からは集束イオンビームをなるべく大電流で照射する必要がある。
そこで、集束イオンビームとして、Gaの金属イオンビームに代えて、プラズマからXeイオンを引き出して集束イオンビームとすることで、Gaイオンビームより大電流でビームを試料に照射できる。
そして、このような大電流の集束イオンビームを、集束モードにより試料に照射して加工する。具体的には、集束モードは、集束レンズと対物レンズの間でビームがクロスしないほぼ平行な軌道とし、集束レンズと対物レンズの間に設置した丸穴のアパーチャでビームの角度広がりを調整して最適なビーム形状とする。このようにして得られるビームをビーム偏向器で走査させることで所望の位置の断面を作製することができる。
そこで、集束イオンビームとして、Gaの金属イオンビームに代えて、プラズマからXeイオンを引き出して集束イオンビームとすることで、Gaイオンビームより大電流でビームを試料に照射できる。
そして、このような大電流の集束イオンビームを、集束モードにより試料に照射して加工する。具体的には、集束モードは、集束レンズと対物レンズの間でビームがクロスしないほぼ平行な軌道とし、集束レンズと対物レンズの間に設置した丸穴のアパーチャでビームの角度広がりを調整して最適なビーム形状とする。このようにして得られるビームをビーム偏向器で走査させることで所望の位置の断面を作製することができる。
しかしながら、上記集束モードの場合、大電流ではビーム径が大きくなるため、断面のサンプル上面付近にダレが発生したり、デバイスなどのスパッタリングイールドが異なる物質が含まれるサンプルでは加工筋やステップが残るという問題がある。又、このダレや加工筋を低減するために小電流のビームで仕上げ加工を行うと、結局加工に要する総時間が長くなり、作業効率が低下することになる。特に大電流ビームが要求される断面の深さ（長さ）が大きい場合、小電流ビームでの仕上げ加工にはより多くの時間を要する。
一方、ＦＩＢ鏡筒の集束レンズと対物レンズの間のビーム経路に矩形などの丸穴以外のスリットを有するアパーチャを配置し、そのスリットで集束イオンビームの一部をマスクすることで、スリット形状に成形したビームを照射する転写モードがある。ここで転写モードの場合、対物レンズを投射レンズと呼ぶ。
転写モードは、アパーチャでマスクされた集束イオンビームを用いるので、集束モードよりは加工後の断面をシャープにすることができるという特徴がある。
転写モードは、アパーチャでマスクされた集束イオンビームを用いるので、集束モードよりは加工後の断面をシャープにすることができるという特徴がある。
転写モードを用いる技術としては、アパーチャでスリット状に成形したビームを用いて試料を断面加工する技術が開発されている（特許文献１）。
特許文献１の技術では、図１３に示すようにしてスロープ２００ｓを持つ断面試料を作製する。つまり、幅の狭い短冊形状のスリット５００ｓを持つアパーチャ５００を用い、断面２００ｃ側から最も遠い位置に対して、スリット５００ｓを通過させた集束イオンビーム２０Ａの照射を行い、深さＤ１の浅い穴をエッチング加工する。次に、イオンビームの照射領域を断面２００ｃ側に順次移動させ、エッチング時間を長くしてより深いエッチング加工を実行する。このようにして、徐々に深い穴加工を施し、最後に断面２００ｃを形成するための最も深い深さＤ２のエッチング加工を行い、図１３の最終形態の断面が得られる。
又、転写モードにおいて、試料面に到達するビームは光学軸上が最も歪みが小さく、光学軸から離れるにしたがって像分解能が悪化する。
そこで、試料の断面を形成するマスクの一辺を、イオンビームの光学軸に合わせた技術が開発されている（特許文献２）。
これにより、試料の断面をシャープに加工することができるとされる。
そこで、試料の断面を形成するマスクの一辺を、イオンビームの光学軸に合わせた技術が開発されている（特許文献２）。
これにより、試料の断面をシャープに加工することができるとされる。
なお、転写モードとは異なり、投射レンズを用いないものの、マスクの開口を利用して整形したビームスポット、を試料の断面加工に利用する技術も開発されている（特許文献３）。
しかしながら、転写モードを用いる場合、イオンビームの一部がアパーチャ５００でマスクされてエッチングに利用されないため、一般に作業効率が低いという問題がある。
又、特許文献１の技術の場合、図１３に示したように、アパーチャー５００でマスクした短冊状のイオンビームを用いて複数回のエッチング作業をそれぞれエッチング時間を変化させて行う必要があり、この点でも作業効率が低くなる。
又、特許文献１の技術の場合、図１３に示したように、アパーチャー５００でマスクした短冊状のイオンビームを用いて複数回のエッチング作業をそれぞれエッチング時間を変化させて行う必要があり、この点でも作業効率が低くなる。
又、特許文献２の技術の場合、転写モードでマスクして得られた整形ビームの電流分布が一様（図６のハッチングＲ１）であり、試料表面から一様の深さに矩形状にエッチングされてしまう。一方、図１２に示したように、必要とする断面は、断面２００ｃに繋がるスロープ２００ｓ状であり、スロープ２００ｓよりも深く無駄に掘るので作業効率が低下する。
さらに、無駄にエッチングした部位のスパッタ生成物が断面に付着するので、シャープな断面を得るための仕上げ加工の量が増加することによっても作業効率が低下する。
さらに、無駄にエッチングした部位のスパッタ生成物が断面に付着するので、シャープな断面を得るための仕上げ加工の量が増加することによっても作業効率が低下する。
又、特許文献３の技術の場合、マスクと試料の間に、マスクの開口の形状を試料に向けて射影する投射レンズが用いられていないため、ビーム形状は最大で数μｍと小さく、一括で断面加工できる大きさの整形ビームを生成することができない。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、集束イオンビームによる断面加工を行う際、断面形状を改善させるとともに、作業効率を向上させた集束イオンビーム加工装置の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の集束イオンビーム加工装置は、イオン源と、試料を保持する試料ステージと、イオン源から放出されるイオンを集束イオンビームに集束する集束レンズと、前記集束レンズで集束された前記集束イオンビームの一部をマスクし、前記試料を所望の形状に加工するための少なくとも一辺が直線状のスリットを有するアパーチャと、前記アパーチャと前記試料台との間のビーム経路に配置され、前記アパーチャを通過した前記集束イオンビームを、該アパーチャを光源として前記試料の所定位置に合焦させる投射レンズと、を有し、前記試料に対して前記集束イオンビームの照射方向に平行な断面を加工する集束イオンビーム加工装置であって、ケーラー照明法により、前記投射レンズの主面に前記集束イオンビームが合焦するときの前記集束レンズの印加電圧を１００としたとき、前記集束レンズの前記印加電圧が１００未満、８０以上に設定され、前記アパーチャの前記一辺を、前記集束イオンビームの中心より前記一辺が０μｍより大きく、５００μｍ以下の距離で該集束イオンビームが前記アパーチャにマスクされるよう、前記アパーチャの位置が設定され、前記投射レンズの印加電圧は前記アパーチャの前記スリットによる像を前記試料表面に合焦させる印加電圧に設定され、前記集束イオンビームは走査されずに、前記スリットの形状に成形された前記集束イオンビームが前記試料表面に一度に照射され、該スリットの形状が前記試料に転写される転写モードをなすことを特徴とする。
この集束イオンビーム加工装置によれば、集束レンズに印加する電圧の絶対値を小さくするので、試料の中心近傍にプローブ電流が集中する。これにより、集束イオンビームの中心にピークを持ち、中心から離れるにしたがって漸減する電流密度分布のプローブ電流にて試料をエッチングするため、電流密度が高い中心が最も深い形状で掘られる。
一方、必要とする試料断面は、試料表面から垂直に彫られた断面と、断面に繋がるスロープを持つ略Ｖ字形状である。そこで、上述の電流密度分布のプローブ電流で試料をエッチングすれば、断面と断面に繋がるスロープによる略Ｖ字状に近い輪郭で試料がエッチングされるので、断面加工においてイオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。さらに、最も深くエッチングが必要な断面の部分にプローブ電流のピークを合わせれば、追加のエッチングをしなくても断面を深くエッチングできる。これらにより、作業効率が向上する。
又、エッチングにより発生したスパッタ生成物は観察対象となる断面に付着するが、不要な領域のエッチングを少なくできるので、断面へのスパッタ生成物の付着を低減し、作業効率をより一層向上させることができる。
一方、必要とする試料断面は、試料表面から垂直に彫られた断面と、断面に繋がるスロープを持つ略Ｖ字形状である。そこで、上述の電流密度分布のプローブ電流で試料をエッチングすれば、断面と断面に繋がるスロープによる略Ｖ字状に近い輪郭で試料がエッチングされるので、断面加工においてイオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。さらに、最も深くエッチングが必要な断面の部分にプローブ電流のピークを合わせれば、追加のエッチングをしなくても断面を深くエッチングできる。これらにより、作業効率が向上する。
又、エッチングにより発生したスパッタ生成物は観察対象となる断面に付着するが、不要な領域のエッチングを少なくできるので、断面へのスパッタ生成物の付着を低減し、作業効率をより一層向上させることができる。
又、少なくとも一辺が直線状のスリットを有するアパーチャを用い、この一辺を集束イオンビームの中心からわずかにずらして配置する。
このようにすると、上述のプローブ電流分布のうち、中心より略半分がマスクされ、中心より反対側の略半分のみがプローブ電流として作用する。
その結果、上述のように略Ｖ字形状の断面の輪郭に近いプローブ電流分布となるので、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。
又、このように、アパーチャを通ったプローブ電流は、略Ｖ字形状の断面の輪郭に近いエッチングを行うので、集束イオンビームを走査せずに、アパーチャを用いて一度に試料の断面加工の形状を作り込むことができ、作業効率がさらに向上する。
さらに、断面は、アパーチャのスリットのうち直線状の一辺でイオンビームをマスクしてエッチングするので、断面にダレ（ステップ）が生じにくく、断面形状を改善させることができる。
このようにすると、上述のプローブ電流分布のうち、中心より略半分がマスクされ、中心より反対側の略半分のみがプローブ電流として作用する。
その結果、上述のように略Ｖ字形状の断面の輪郭に近いプローブ電流分布となるので、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。
又、このように、アパーチャを通ったプローブ電流は、略Ｖ字形状の断面の輪郭に近いエッチングを行うので、集束イオンビームを走査せずに、アパーチャを用いて一度に試料の断面加工の形状を作り込むことができ、作業効率がさらに向上する。
さらに、断面は、アパーチャのスリットのうち直線状の一辺でイオンビームをマスクしてエッチングするので、断面にダレ（ステップ）が生じにくく、断面形状を改善させることができる。
本発明の集束イオンビーム加工装置において、前記投射レンズの印加電圧を調整することにより前記集束イオンビームのビームサイズを調整可能としてもよい。
転写モードは集束イオンビームの形状がスリットの形状を反映し、スリット形状を転写する投影倍率はアパーチャ、投射レンズ、及び試料のジオメトリによって一意に決まる。従って、試料の断面加工にて断面の長さを変えるには、アパーチャの形状を変える必要がある。しかしながら、例えば現状のスリットより大きな（例えば10%大きい）断面を作りたい場合に、スリット寸法が大きな別のアパーチャや、１つのアパーチャにさらに別のスリットを設けると作業効率や装置スペース上問題がある。
そこで、投射レンズの印加電圧を変えると、投影倍率が変化するので、断面の長さを容易に変更することができる。
なお、投射レンズの印加電圧を変えるとビームが歪むので、スリット形状を正確に転写する目的には難があるが、断面を形成する際にはビームのエッジがまっすぐであれば問題がない。
又、「断面の長さ」とは、試料の表面と断面との交線（稜線）の長さである。
転写モードは集束イオンビームの形状がスリットの形状を反映し、スリット形状を転写する投影倍率はアパーチャ、投射レンズ、及び試料のジオメトリによって一意に決まる。従って、試料の断面加工にて断面の長さを変えるには、アパーチャの形状を変える必要がある。しかしながら、例えば現状のスリットより大きな（例えば10%大きい）断面を作りたい場合に、スリット寸法が大きな別のアパーチャや、１つのアパーチャにさらに別のスリットを設けると作業効率や装置スペース上問題がある。
そこで、投射レンズの印加電圧を変えると、投影倍率が変化するので、断面の長さを容易に変更することができる。
なお、投射レンズの印加電圧を変えるとビームが歪むので、スリット形状を正確に転写する目的には難があるが、断面を形成する際にはビームのエッジがまっすぐであれば問題がない。
又、「断面の長さ」とは、試料の表面と断面との交線（稜線）の長さである。
本発明の集束イオンビーム加工装置において、前記アパーチャの前記スリットは矩形状であってもよい。
この集束イオンビーム加工装置によれば、試料に矩形状のエッチングを施して、適切な断面を得ることができる。
この集束イオンビーム加工装置によれば、試料に矩形状のエッチングを施して、適切な断面を得ることができる。
本発明の集束イオンビーム加工装置において、前記イオン源はプラズマイオン源であってもよい。
この集束イオンビーム加工装置によれば、Ｇａ等のイオン源に比べて大電流のイオンビームが得られるので作業効率が向上する。
この集束イオンビーム加工装置によれば、Ｇａ等のイオン源に比べて大電流のイオンビームが得られるので作業効率が向上する。
本発明によれば、集束イオンビームによる断面加工を行う際、断面形状を改善させるとともに、作業効率を向上させた集束イオンビーム加工装置が得られる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る集束イオンビーム加工装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１において、集束イオンビーム加工装置１００は、電子ビーム鏡筒（ＳＥＭ鏡筒）１０と、集束イオンビーム鏡筒（ＦＩＢ鏡筒）２０と、二次電子検出器４、５と、制御手段６と、表示部７と、入力手段８と、試料ステージ５０と、を備え、試料ステージ５０上に配置した試料２００を集束イオンビームにより加工して、SEMにより観察することができる。
なお、図１において、ＦＩＢ鏡筒２０が垂直になるよう配置され、ＳＥＭ鏡筒１０は垂直から所定角度で斜めに配置されているが、これに限られない。
集束イオンビーム加工装置１００の各構成部分の一部又は全部は真空室４０内に配置され、真空室４０内は所定の真空度まで減圧されている。
図１は本発明の実施形態に係る集束イオンビーム加工装置１００の全体構成を示すブロック図である。図１において、集束イオンビーム加工装置１００は、電子ビーム鏡筒（ＳＥＭ鏡筒）１０と、集束イオンビーム鏡筒（ＦＩＢ鏡筒）２０と、二次電子検出器４、５と、制御手段６と、表示部７と、入力手段８と、試料ステージ５０と、を備え、試料ステージ５０上に配置した試料２００を集束イオンビームにより加工して、SEMにより観察することができる。
なお、図１において、ＦＩＢ鏡筒２０が垂直になるよう配置され、ＳＥＭ鏡筒１０は垂直から所定角度で斜めに配置されているが、これに限られない。
集束イオンビーム加工装置１００の各構成部分の一部又は全部は真空室４０内に配置され、真空室４０内は所定の真空度まで減圧されている。
上述のように、試料ステージ５０上には試料２００が載置されている。そして、試料ステージ５０は、試料２００を５軸で変位させることができる移動機構を有している。
制御手段６は、中央演算処理装置としてのＣＰＵと、データやプログラムなどを格納する記憶部（ＲＡＭおよびＲＯＭ）と、外部機器との間で信号の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートとを備えるコンピュータで構成することができる。制御手段６は、記憶部に格納されたプログラムに基づいてＣＰＵが各種演算処理を実行し、集束イオンビーム加工装置１００の各構成部分を制御する。そして、制御手段６は、電子ビーム鏡筒１０、集束イオンビーム鏡筒２０、二次電子検出器４、５、及び試料ステージ５０の制御配線等と電気的に接続されている。
また制御手段６は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ５０を駆動し、試料２００の位置や姿勢を調整して試料２００表面への電子ビーム１０Ａ、イオンビーム２０Ａの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。
なお、制御手段６には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段８と、試料の画像等を表示する表示部７とが接続されている。
また制御手段６は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ５０を駆動し、試料２００の位置や姿勢を調整して試料２００表面への電子ビーム１０Ａ、イオンビーム２０Ａの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。
なお、制御手段６には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段８と、試料の画像等を表示する表示部７とが接続されている。
ＳＥＭ鏡筒１０は、図示はしないが、電子を放出する電子源と、電子源から放出された電子をビーム状に成形するとともに走査する電子光学系とを備えている。電子ビーム鏡筒１０から射出される電子ビーム１０Ａを試料２００に照射することによって、試料２００からは二次電子が発生する。この発生した二次電子を、鏡筒内の二次電子検出器５、又は鏡筒外の二次電子検出器４で検出して試料２００の像を取得することができる。又、鏡筒内の反射電子検出器で反射電子を検出して試料２００の像を取得することができる。
電子光学系は、例えば、電子ビーム１０Ａを集束するコンデンサーレンズと、電子ビーム１０Ａを絞り込む絞りと、電子ビーム１０Ａの光軸を調整するアライナと、電子ビーム１０Ａを試料２００に対して集束する対物レンズと、試料２００上で電子ビーム１０Ａを走査する偏向器とを備えて構成される。
電子光学系は、例えば、電子ビーム１０Ａを集束するコンデンサーレンズと、電子ビーム１０Ａを絞り込む絞りと、電子ビーム１０Ａの光軸を調整するアライナと、電子ビーム１０Ａを試料２００に対して集束する対物レンズと、試料２００上で電子ビーム１０Ａを走査する偏向器とを備えて構成される。
ＦＩＢ鏡筒２０は、後述するように、イオンを発生させるイオン源と、イオン源から放出したイオンを集束イオンビームに成形するとともに走査させるイオン光学系とを備えている。ＦＩＢ鏡筒２０から荷電粒子ビームである集束イオンビーム２０Ａを、試料２００に照射してエッチング加工することで、試料２００の断面２００ｃ（図１２参照）を加工する。
図２に示すように、ＦＩＢ鏡筒２０は、イオン源２１側から対物レンズ２８に向かって以下の順に、イオンを発生させるイオン源２１と、イオン源から放出したイオンを集束イオンビーム２０Ａに集束する集束レンズ２２と、イオンビームをオン／オフするブランカ２３と、アパーチャ（可動絞り）２４と、アライメント２５と、スティグメータ２６と、走査電極２７と、集束イオンビーム２０Ａを試料２００の所定位置に合焦させる対物レンズ２８と、を備える。又、対物レンズ２８の周囲には、二次電子検出器２９ａとガス銃２９ｂが配置されている。
アライメント２５は、イオンビームが対物レンズ２８の中心軸を通過するようにビームの軌道を調整する。スティグメータ２６、走査電極２７は、それぞれ非点収差補正する機能、ビームを試料上で走査する機能を有する。
ブランカ２３と走査電極２７は偏向器をなす。
アライメント２５は、イオンビームが対物レンズ２８の中心軸を通過するようにビームの軌道を調整する。スティグメータ２６、走査電極２７は、それぞれ非点収差補正する機能、ビームを試料上で走査する機能を有する。
ブランカ２３と走査電極２７は偏向器をなす。
図７に示すように、アパーチャ２４は、集束レンズ２２で集束された集束イオンビーム２０Ａの一部をマスクし、試料２００を所望の形状に加工するための少なくとも一辺２４ｔが直線状のスリット２４ｓを有する。本願発明は、スリット２４ｓによりイオンビームの一部をマスクしてスリット形状に成形したビームを照射する転写モードを採用する。
なお、図７に示すように、集束モードによりイオンビームを走査することによっても試料の観察、加工ができるように、アパーチャ２４は集束モード用の丸穴２４ｈも有する。丸穴２４ｈは、イオンビームの角度広がりを調整するものであり、アパーチャ２４を図示しない駆動部にてアパーチャ平面内を移動させることにより所望のスリット２４ｓ又は丸穴２４ｈを選択し、転写モードと集束モードとを切り替えできる。
なお、図７に示すように、集束モードによりイオンビームを走査することによっても試料の観察、加工ができるように、アパーチャ２４は集束モード用の丸穴２４ｈも有する。丸穴２４ｈは、イオンビームの角度広がりを調整するものであり、アパーチャ２４を図示しない駆動部にてアパーチャ平面内を移動させることにより所望のスリット２４ｓ又は丸穴２４ｈを選択し、転写モードと集束モードとを切り替えできる。
図３は、ＦＩＢ鏡筒２０における集束レンズ２２、アパーチャ２４及び投射（対物）
レンズ２８を示す。
集束レンズ２２は、２つのレンズ２２ａ、２２ｂからなり、これにより、アパーチャ２４のスリット２４ｓを通過するプローブ電流を調整することが可能である。プローブ電流を増やすとアパーチャ２４を通過するビームの開き角が大きくなるため収差が大きくなり、鋭いビーム形状が得られない事がある。そこで、所望のビーム形状に応じて最適なスリット２４ｓの寸法が設定される。
なお、図３では集束レンズは２２ａ、２２ｂの２段からなるが、これに限らず一段でも構わない。
集束レンズ２２及び投射レンズ２８は静電レンズからなる。
なお、転写モードを採用する場合、アパーチャ２４の投影倍率はアパーチャ２４と投射レンズ２８と試料２００との距離の関係で決まる。
レンズ２８を示す。
集束レンズ２２は、２つのレンズ２２ａ、２２ｂからなり、これにより、アパーチャ２４のスリット２４ｓを通過するプローブ電流を調整することが可能である。プローブ電流を増やすとアパーチャ２４を通過するビームの開き角が大きくなるため収差が大きくなり、鋭いビーム形状が得られない事がある。そこで、所望のビーム形状に応じて最適なスリット２４ｓの寸法が設定される。
なお、図３では集束レンズは２２ａ、２２ｂの２段からなるが、これに限らず一段でも構わない。
集束レンズ２２及び投射レンズ２８は静電レンズからなる。
なお、転写モードを採用する場合、アパーチャ２４の投影倍率はアパーチャ２４と投射レンズ２８と試料２００との距離の関係で決まる。
そして、本発明で用いる転写モードでは、集束レンズ２２により投射レンズ２８主面にビームが集束（合焦）するように集束レンズ２２の電圧を設定する。集束レンズ２２と投射レンズ２８の間に上述のアパーチャ２４が設置され、アパーチャ２４のスリット２４ｓの開口形状が試料２００上に転写されるように投射レンズ２８の電圧が決定される。
これにより、図３のアパーチャ２０から試料２００に向かう軌道（太い実線で図示）のように、開口形に成形されたビームが試料上に照射され、アパーチャ形状が試料に転写される。
ここで、転写モードでは、アパーチャ２４の開口形状を試料２００に投射するため、アパーチャ２４のスリット２４ｓを光源として投射レンズ２８で試料２００に光源を結像する必要がある。したがって、投射レンズ２８の印加電圧は幾何的に一意に決まる。
これにより、図３のアパーチャ２０から試料２００に向かう軌道（太い実線で図示）のように、開口形に成形されたビームが試料上に照射され、アパーチャ形状が試料に転写される。
ここで、転写モードでは、アパーチャ２４の開口形状を試料２００に投射するため、アパーチャ２４のスリット２４ｓを光源として投射レンズ２８で試料２００に光源を結像する必要がある。したがって、投射レンズ２８の印加電圧は幾何的に一意に決まる。
次に、図４〜図１１を参照し、本発明の特徴部分について説明する。
ここで、集束レンズ２２に印加する電圧の絶対値を小さくする度合として、ケーラー照明法により、投射レンズ２８の主面に集束イオンビーム２０Ａが合焦するときの集束レンズ２２に印加する電圧を１００としたとき、集束レンズ２２の印加電圧が１００未満、８０以上に設定される。なお、アパーチャ２４は、ケーラー照明法における「視野絞り」に相当する。
ここで、集束レンズ２２に印加する電圧の絶対値を小さくする度合として、ケーラー照明法により、投射レンズ２８の主面に集束イオンビーム２０Ａが合焦するときの集束レンズ２２に印加する電圧を１００としたとき、集束レンズ２２の印加電圧が１００未満、８０以上に設定される。なお、アパーチャ２４は、ケーラー照明法における「視野絞り」に相当する。
そして、図４において、ケーラー照明法による上記条件にて、集束レンズ２２の印加電圧が１００のときのイオンビームの軌道ＬＡに対し、それぞれ印加電圧が８９、８５のときのイオンビームの軌道ＬＢ、ＬＣは、ＬＡよりも試料２００の中心により集中している。
又、図５において、軌道ＬＡにおけるプローブ電流は試料２００の表面の中心Ｏから半径方向（面方向外側）に向かい、一様（矩形）である。
一方、軌道ＬＢ、ＬＣにおけるプローブ電流は試料２００の表面の中心Ｏが最も強く、半径方向（面方向外側）に向かい低下している。
以上から、集束レンズ２２の印加電圧を１００未満、８０以上に設定した。
又、図５において、軌道ＬＡにおけるプローブ電流は試料２００の表面の中心Ｏから半径方向（面方向外側）に向かい、一様（矩形）である。
一方、軌道ＬＢ、ＬＣにおけるプローブ電流は試料２００の表面の中心Ｏが最も強く、半径方向（面方向外側）に向かい低下している。
以上から、集束レンズ２２の印加電圧を１００未満、８０以上に設定した。
以上のように、集束レンズ２２に印加する電圧の絶対値を小さくして試料２００の中心近傍にプローブ電流を集中させることにより、断面試料を作製する際、作業効率を向上させることができる。
つまり、図６に示すように、集束レンズ２２の印加電圧が１００の軌道ＬＡにおけるプローブ電流は一様（矩形）であるので、この軌道ＬＡのプローブ電流にて試料２００をエッチングすると、矩形状を反転させた一様の深さに掘られる。
つまり、図６に示すように、集束レンズ２２の印加電圧が１００の軌道ＬＡにおけるプローブ電流は一様（矩形）であるので、この軌道ＬＡのプローブ電流にて試料２００をエッチングすると、矩形状を反転させた一様の深さに掘られる。
これに対し、図１２に示したように、必要とする断面試料は、試料表面から垂直に彫られた断面２００ｃと、断面２００ｃに繋がるスロープ２００ｓを持つ形状であり、一様の深さにエッチングすると、図６のハッチングＲ１で示したようにスロープ２００ｓよりも深く掘ることになり、Ｒ１の部位のエッチングが無駄になって作業効率が低下する。一方で、一様の深さにエッチングすると、断面２００ｃの部分ではエッチングが不足し追加のエッチング時間を要するので、この点でも作業効率が低下する。
そこで、軌道ＬＢの中心Ｏにピークを持ち、中心から離れるにしたがって漸減する電流密度分布のプローブ電流にて試料２００をエッチングすると、電流密度が高い中心Ｏが最も深い形状で掘られる。
その結果、断面２００ｃと断面２００ｃに繋がる略Ｖ字状に近い輪郭で試料２００がエッチングされるので、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。さらに、最も深くエッチングが必要な断面２００ｃの部分にプローブ電流のピークを合わせれば、追加のエッチングをしなくても断面２００ｃを深くエッチングできる。
これらにより、作業効率が向上する。
又、エッチングにより発生したスパッタ生成物は観察対象となる断面に付着するが、不要な領域のエッチングを少なくできるので、断面へのスパッタ生成物の付着を低減し、作業効率をより一層向上させることができる。
その結果、断面２００ｃと断面２００ｃに繋がる略Ｖ字状に近い輪郭で試料２００がエッチングされるので、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。さらに、最も深くエッチングが必要な断面２００ｃの部分にプローブ電流のピークを合わせれば、追加のエッチングをしなくても断面２００ｃを深くエッチングできる。
これらにより、作業効率が向上する。
又、エッチングにより発生したスパッタ生成物は観察対象となる断面に付着するが、不要な領域のエッチングを少なくできるので、断面へのスパッタ生成物の付着を低減し、作業効率をより一層向上させることができる。
又、図７に示すように、本発明においては、少なくとも一辺２４ｔが直線状（図６では全体として矩形状）のスリット２４ｓを有するアパーチャ２４を用いる。そして、図８に示すように、アパーチャ２４の一辺を集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと略一致させる。
つまり、図８において、イオンビームの軌道ＬＢにおけるプローブ電流は、中心Ｏで電流密度が大きく、中心から離れるにしたがって漸減する分布であるため、この軌道ＬＢのプローブ電流にて試料２００をエッチングすると、電流密度分布を反転させた中心Ｏが最も深い形状で掘られる。
つまり、図８において、イオンビームの軌道ＬＢにおけるプローブ電流は、中心Ｏで電流密度が大きく、中心から離れるにしたがって漸減する分布であるため、この軌道ＬＢのプローブ電流にて試料２００をエッチングすると、電流密度分布を反転させた中心Ｏが最も深い形状で掘られる。
これに対し、図１２に示したように、必要とする試料断面は、試料表面から垂直に彫られた断面２００ｃと、断面２００ｃに繋がるスロープ２００ｓを持つ形状である。そこで、アパーチャ２４の一辺１４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと一致させると、軌道ＬＢにおけるプローブ電流分布のうち、中心Ｏより半分（図８の左側）がマスクされ、中心Ｏより反対側の半分のみがプローブ電流ＬＭとして作用する。
その結果、断面２００ｃと断面２００ｃに繋がる略Ｖ字状の試料２００がエッチングされ、これは断面２００ｃ及びスロープ２００ｓの輪郭に近いので、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。
その結果、断面２００ｃと断面２００ｃに繋がる略Ｖ字状の試料２００がエッチングされ、これは断面２００ｃ及びスロープ２００ｓの輪郭に近いので、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できる。
又、このように、アパーチャ２４を通ったプローブ電流は、断面２００ｃ及びスロープ２００ｓの輪郭に近いエッチングを行うので、集束イオンビームを走査せずに、アパーチャ２４を用いて一括で試料２００の断面加工の形状を作り込むことができ、作業効率がさらに向上する。
さらに、断面２００ｃは、アパーチャ２４のスリット２４ｓのうち直線状の一辺２４ｔでイオンビームをマスクしてエッチングするので、断面にダレ（ステップ）が生じにくく、断面形状を改善させることができる。
さらに、断面２００ｃは、アパーチャ２４のスリット２４ｓのうち直線状の一辺２４ｔでイオンビームをマスクしてエッチングするので、断面にダレ（ステップ）が生じにくく、断面形状を改善させることができる。
図９は、アパーチャ２４の一辺２４ｔの位置の変化による、集束イオンビーム２０Ａの軌道ＬＤ〜ＬＦを示す。
アパーチャ２４のスリット２４ｓの中心を集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏに合わせた軌道をＬＤとし、アパーチャ２４の一辺１４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏに合わせた軌道をＬＥとする。又、アパーチャ２４の一辺１４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏよりも内側に合わせた（つまり、集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりもアパーチャ２４にマスクされる位置とした）軌道をＬＦとする。
ここで、軌道ＬＦにおいて、集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりもアパーチャ２４にマスクされる幅（距離）をＳとする。
アパーチャ２４のスリット２４ｓの中心を集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏに合わせた軌道をＬＤとし、アパーチャ２４の一辺１４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏに合わせた軌道をＬＥとする。又、アパーチャ２４の一辺１４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏよりも内側に合わせた（つまり、集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりもアパーチャ２４にマスクされる位置とした）軌道をＬＦとする。
ここで、軌道ＬＦにおいて、集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりもアパーチャ２４にマスクされる幅（距離）をＳとする。
図１０に示すように、アパーチャ２４の一辺１４ｔが集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏら離れた軌道ＬＤにおけるプローブ電流は、中心Ｏが最も高いピークとなっている。
これに対し、アパーチャ２４の一辺を集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと略一致させた軌道ＬＥ，ＬＦにおけるプローブ電流は、模式図８で示したように、中心Ｏから右半分のみの形状となっているとともに、中心Ｏよりも右半分で半径方向外側に軌道ＬＤよりも広がっている。
これにより、アパーチャ２４の一辺２４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと略一致させることで、断面にダレ（ステップ）が生じにくく、断面形状を改善させるとともに、プローブ電流がスロープ２００ｓの輪郭に近くなって、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できることがわかる。
これに対し、アパーチャ２４の一辺を集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと略一致させた軌道ＬＥ，ＬＦにおけるプローブ電流は、模式図８で示したように、中心Ｏから右半分のみの形状となっているとともに、中心Ｏよりも右半分で半径方向外側に軌道ＬＤよりも広がっている。
これにより、アパーチャ２４の一辺２４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと略一致させることで、断面にダレ（ステップ）が生じにくく、断面形状を改善させるとともに、プローブ電流がスロープ２００ｓの輪郭に近くなって、イオンビームを無駄なくエッチングに利用できることがわかる。
図１１は、各軌道ＬＤ〜ＬＦにおける、試料２００の断面エッチング後の最終形態の平面輪郭（集束イオンビームの照射方向から見た試料２００のエッチング凹部の平面形状）である。
理想的な光学系では、アパーチャ２４の一辺２４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと一致させた軌道ＬＥでは、一辺２４ｔに沿って断面２００ｃの照射部位に直線ビーム形状が得られる。しかし、通常は理想的な条件にはならず、図１１に示すように集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりもアパーチャ２４にマスクされるように設定する軌道ＬＦの方が、一辺２４ｔに沿った断面２００ｃの照射部位（図１１の破線ＬＦのＸ方向に沿う直線部分）において直線ビーム形状が得られる傾向にある。
そこで、集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりも５００μｍ以下の距離でアパーチャ２４にマスクされるよう（つまり、図９の距離Ｓ＜５００μｍとなるよう）、アパーチャ２４の位置を設定するとよい。
ここで、図１２に示すように、試料２００の表面２００ａと断面２００ｃとの交線（稜線）２００ｄの長さは10μm以上1mm以下であると好ましい。この稜線２００ｄの長さを作成するために、アパーチャ２４の一辺２４ｔの長さは、アパーチャ２４の投影倍率によっても変わるが、通常１μｍ以上、１ｍｍである。
理想的な光学系では、アパーチャ２４の一辺２４ｔを集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏと一致させた軌道ＬＥでは、一辺２４ｔに沿って断面２００ｃの照射部位に直線ビーム形状が得られる。しかし、通常は理想的な条件にはならず、図１１に示すように集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりもアパーチャ２４にマスクされるように設定する軌道ＬＦの方が、一辺２４ｔに沿った断面２００ｃの照射部位（図１１の破線ＬＦのＸ方向に沿う直線部分）において直線ビーム形状が得られる傾向にある。
そこで、集束イオンビーム２０Ａの中心Ｏが一辺２４ｔよりも５００μｍ以下の距離でアパーチャ２４にマスクされるよう（つまり、図９の距離Ｓ＜５００μｍとなるよう）、アパーチャ２４の位置を設定するとよい。
ここで、図１２に示すように、試料２００の表面２００ａと断面２００ｃとの交線（稜線）２００ｄの長さは10μm以上1mm以下であると好ましい。この稜線２００ｄの長さを作成するために、アパーチャ２４の一辺２４ｔの長さは、アパーチャ２４の投影倍率によっても変わるが、通常１μｍ以上、１ｍｍである。
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
本発明の集束イオンビーム加工装置は、少なくとも集束イオンビーム鏡筒を備えていればよく、電子ビーム鏡筒は必須の構成ではない。
本発明の集束イオンビーム加工装置は、少なくとも集束イオンビーム鏡筒を備えていればよく、電子ビーム鏡筒は必須の構成ではない。
本発明の集束イオンビーム加工装置において、投射レンズの印加電圧を調整することにより集束イオンビームのビームサイズを調整可能としてもよい。
転写モードは集束イオンビームの形状がスリットの形状を反映し、スリット形状を転写する投影倍率はアパーチャ、投射レンズ、及び試料のジオメトリによって一意に決まる。従って、試料の断面加工にて断面の長さを変えるには、アパーチャの形状を変える必要がある。しかしながら、例えば現状のスリットより大きな（例えば10%大きい）断面を作りたい場合に、スリット寸法が大きな別のアパーチャや、１つのアパーチャにさらに別のスリットを設けると作業効率や装置スペース上問題がある。
そこで、投射レンズの印加電圧を変えると、投影倍率が変化するので、断面の長さを容易に変更することができる。
なお、投射レンズの印加電圧を変えるとビームが歪むので、スリット形状を正確に転写する目的には難があるが、断面を形成する際にはビームのエッジがまっすぐであれば問題がない。
転写モードは集束イオンビームの形状がスリットの形状を反映し、スリット形状を転写する投影倍率はアパーチャ、投射レンズ、及び試料のジオメトリによって一意に決まる。従って、試料の断面加工にて断面の長さを変えるには、アパーチャの形状を変える必要がある。しかしながら、例えば現状のスリットより大きな（例えば10%大きい）断面を作りたい場合に、スリット寸法が大きな別のアパーチャや、１つのアパーチャにさらに別のスリットを設けると作業効率や装置スペース上問題がある。
そこで、投射レンズの印加電圧を変えると、投影倍率が変化するので、断面の長さを容易に変更することができる。
なお、投射レンズの印加電圧を変えるとビームが歪むので、スリット形状を正確に転写する目的には難があるが、断面を形成する際にはビームのエッジがまっすぐであれば問題がない。
又、イオン源がプラズマイオン源であると、Ｇａ等のイオン源に比べて大電流のイオンビームが得られるので作業効率が向上する。
２０ 集束イオンビーム鏡筒
２０Ａ 集束イオンビーム
２１ イオン源
２２ 集束レンズ
２４ アパーチャ
２４ｓ スリットを有する
２４ｔ スリットの直線状の一辺
２８ 投射レンズ
５０ 試料ステージ
１００ 集束イオンビーム加工装置
２００ 試料
２００ｃ 試料の断面
Ｓ 集束イオンビームの中心が一辺よりもアパーチャにマスクされる距離
２０Ａ 集束イオンビーム
２１ イオン源
２２ 集束レンズ
２４ アパーチャ
２４ｓ スリットを有する
２４ｔ スリットの直線状の一辺
２８ 投射レンズ
５０ 試料ステージ
１００ 集束イオンビーム加工装置
２００ 試料
２００ｃ 試料の断面
Ｓ 集束イオンビームの中心が一辺よりもアパーチャにマスクされる距離
Claims (4)
- イオン源と、
試料を保持する試料ステージと、
イオン源から放出されるイオンを集束イオンビームに集束する集束レンズと、
前記集束レンズで集束された前記集束イオンビームの一部をマスクし、前記試料を所望の形状に加工するための少なくとも一辺が直線状のスリットを有するアパーチャと、
前記アパーチャと前記試料台との間のビーム経路に配置され、前記アパーチャを通過した前記集束イオンビームを、該アパーチャを光源として前記試料の所定位置に合焦させる投射レンズと、
を有し、前記試料に対して前記集束イオンビームの照射方向に平行な断面を加工する集束イオンビーム加工装置であって、
ケーラー照明法により、前記投射レンズの主面に前記集束イオンビームが合焦するときの前記集束レンズの印加電圧を１００としたとき、前記集束レンズの前記印加電圧が１００未満、８０以上に設定され、
前記アパーチャの前記一辺を、前記集束イオンビームの中心より前記一辺が０μｍより大きく、５００μｍ以下の距離で該集束イオンビームが前記アパーチャにマスクされるよう、前記アパーチャの位置が設定され、
前記投射レンズの印加電圧は前記アパーチャの前記スリットによる像を前記試料表面に合焦させる印加電圧に設定され、
前記集束イオンビームは走査されずに、前記スリットの形状に成形された前記集束イオンビームが前記試料表面に一度に照射され、該スリットの形状が前記試料に転写される転写モードをなすことを特徴とする集束イオンビーム加工装置。 - 前記投射レンズの印加電圧を調整することにより前記集束イオンビームのビームサイズを調整可能である請求項１に記載の集束イオンビーム加工装置。
- 前記アパーチャの前記スリットは矩形状である請求項１又は２に記載の集束イオンビーム加工装置。
- 前記イオン源はプラズマイオン源である請求項１〜３のいずれか一項に記載の集束イオンビーム加工装置。
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