JP3820427B2 - 集束イオンビーム装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
集束イオンビームを用いた、試料の断面を求めるための加工観察方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集束イオンビーム装置を用いて試料の断面を求める方法は、例えば、特開昭６２−１７４９１８号公報に開示されている。すなわち、断面作成箇所の試料表面にイオンビームを垂直に当て、垂直の断面を形成し、その断面を観察する。
集束イオンビームを用いない方法としては、試料を劈開したり、研磨する方法が知られているが、いずれも、加工目標位置を精密に決定することはできない。それに対して、集束イオンビームを用いた方法では、顕微鏡機能と加工機能を組み合わせることにより、加工目標位置を正確に決定し、加工することができるという特徴があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体製造技術などの長足の進歩に伴い、断面形状を観察する試料の形状はますます微細になっている。近年開発が進められている半導体素子に用いられている積層構造の最も薄いものは1Oｎm以下となり、そのため、垂直な断面を形成し、それを観察を走査照射して、露出した試料面を観察する場合、観察装置の分解能にごく近くなっているため、観察が困難になっている。さらに、断面構造の組成分析を行う場合、照射するエネルギービームは観察装置のエネルギービームほど細く絞ることはできない。したがって、従来の方法では分析を行うことができなくなりつつある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、イオンビームの入射角度を浅くし、試料を斜めにエッチング加工し、露出した試料面に対し垂直またはそれに近い角度からイオンビームを照射して、露出した試料面を観察する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
先ず初めに、図1を用いて集束イオンビーム装置に関して説明する。図1は、集束イオンビーム装置の槻略構成を示す図である。図1に示すように、イオン源部3は、例えば、Gａなどからなる液体金属イオン源1および引き出し電極２を有する。そして、イオン源３は、ＸＹ方向移動装置４に搭載されて発生するビームに直交する２方向であるＸＹ方向に移動可能に設けられている。イオン源部３のビーム照射側には、イオン源部３から発生する高輝度イオンビームB１の電流密度の高い中央部分のみを通過させる第１のアパーチャ５が配置されている。
【０００６】
また、第１のアパーチャ５のビーム出射側にはコンデンサレンズ6、第2のアパーチャ7および対物レンズ8からなる荷電粒子光学系9が配置されており、イオン源1から発生した高輝度イオンビームB１は荷電粒子光学系9により集束されて集束イオンビームB２となる。
ここで、第2のアパーチャ7は、径寸法の異なる複数の透孔７ａを有し、透孔切替装置１０により切替可能となっている。なお、図には、１個の透孔７ａのみ示されている。すなわち、第2のアパーチャ7は、透孔切替装置１０により複数の寸法の異なる透孔７ａに変更可能となっている。なお、この例では、複数の径寸法の異なる透孔７ａを有する部材をスライドさせることにより透孔７ａの径寸法を変更可能としているが、単独の透孔７ａの径寸法を連続的にまたは段階的に変更可能なようにしてもよい。このように透孔切替装置１０の構成は特に限定されないが、具体的な例としては、例えば、特開昭６２−２２３７５６号公報に開示された構成を挙げることができる。
【０００７】
また、第2のアパーチャ7は、ＸＹ方向移動装置１１により、各透孔７ａの径方向の位置をXY方向に移動可能となっている。
荷電粒子光学系9のビーム出射側には、ブランキング電極１２およびブランキングアパーチャ１３からなるブランキング手段が設けられており、集束イオンビームのオン・オフを行うようになっている。すなわち、集束イオンビームＢ２をオフする場合にブランキング電極１２に電圧を印加して集束イオンビームＢ２を偏向させることによりブランキングアパーチャ１３で遮断するようにする。なお、ブランキング電極１２およびブランキングアパーチャ１３の配置は、これに限定されず、例えば、荷電粒子系9の上方に配置してもよい。
【０００８】
また、ブランキングアパーチャ１３のビーム出射側には、ブランキングアパーチヤ１３を通過した集束イオンビームＢ２を所望の位置に走査するための偏向電極１６が配置されている。偏向電極１６により走査される集束イオンビームＢ２は、試料ステージ１７上の試料１８の所望の位置に照射されるようになっている。そして、試料１８の表面の所定領域で集束イオンビームＢ２を繰り返し照射走査することができる。試料ステージ１７には、試料１８をＸＹＺ方向に移動可能にするＸＹＺ移動機能が備えられ、更に試料１８を傾斜させる傾斜機能も備えている。
【０００９】
試料ステージ１７の上方には、集束イオンビームＢ２が照射された試料１８の表面から放出される二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器１９が配置されている。この二次荷電粒子検出器１９には、検出信号を増幅すると共に二次荷電粒子の平面強度分布を求める画像制御部２０と、この画像制御部２０からの平面強度分布信号に基づいて試料表面に形成されているパターンを表示する画像表示装置２１とが接続されている。
【００１０】
さらに、試料ステージ１７の側方には、当該試料ステージ１７と位置交換可能なフアラデーカップ１５が設けられている。フアラデーカップ１５は、試料１８の代わりに集束イオンビームB2の照射を受け、そのビーム電流を測定するものである。
なお、上述した引き出し電極2、プランキンング電極１２および偏向電極１６には、それぞれに所望の電圧を印加する引き出し電源２２、ブランキング電源２３および偏向電源２４がそれぞれ接続されている。さらに、このような集束イオンビーム装置全体を総合的に制御すると共に、XY方向移動装置4、透孔切替装置１０、XY方向移動装置１１、および上述した各電源２２〜２４等を個々に制御可能なコンピュータシステムからなる制御部２５が設けられている。
【００１１】
このような集束イオンビーム装置では、イオン源3より引き出されたイオンビームＢ１を荷電粒子光学系9により集束し且つ偏向電極１６により走査して試料１８に照射し、試料１８の加工を行うことができる。また、この例では図示していないが、試料１８の近傍にガス照射ノズルを設け、集束イオンビームＢ２の照射と同時にガス照射ノズルからガスを供給することにより、局所的にＣＶＤ成膜を行うことができる。
【００１２】
また、このような加工を行う際、加工状況は、画像表示装置２１により観察することができる。なお、この例では図示していないが、例えば一般の照明により試料１８の表面を照射して、同時に光学顕微鏡により試料表面を観察できるようにしてもよい。
以下、このような集束イオンビーム装置を用いた試料加工方法を説明する。まず、試料１８の断面形成をする周辺画像を図２のように求める。なお、図２は、集束イオンビームＢ２を走査させながら試料１８の表面を照射し、その照射により試料１８表面から発生する二次荷電粒子を二次荷電粒子検出器１９にて検出して、得られた画像である。
【００１３】
初め、試料１８は、その表面が集束イオンビームＢ２の照射軸に対して、直角になるように配置されている。そして、試料１８の加工観察位置を求める。そして、試料ステージの１７の傾斜機能を用いて、試料１８を図３ｂの様に、角度θだけ傾ける。この時、集束イオンビームＢ２の所定光軸に対する試料１８の加工位置がずれる。ここで再び、集束イオンビームＢ２を走査照射し、試料表面の画像を観察する。
【００１４】
つづいて、前記画像において観察したい構造のある部分A-A’を指定する。そして、観察したい構造のある大凡の深さdを指示する。加工を行う際の集束イオンビームＢ２の入射角度はθとなる。これらの関係から図３ａのように試料を傾斜したときのイオンビーム照射領域（加工枠３０）を決定する。 加工枠３０の領域を、偏向電極１６により、集束イオンビームＢ２の走査領域に設定し、走査照射する。つまり加工する。加工開始後一定時間経過した後に、加工面を観察し、所望の箇所が求められていないか確認する。したがって、加工当初は探さdを浅めに設定して加工領域を決定し、加工形状を確認しながら、順次、深さdを大きな値にすることにより所望の箇所を求める。試料１８は、図３ｂの様に、断面加工される。例えば、試料１８は、基板３３上に絶縁膜３１が形成され、その絶縁膜中に非常に薄い配線３２が形成されている半導体装置である。そして、観察する断面は配線３２である。前述のようにして、断面加工された配線３２は、断面として、あたかも１／ＣＯＳθ倍される。θ＝８０°とすると、５．８倍であり、θ＝８５°とすると、１１．５倍である。
【００１５】
加工終了後、試料の加工面に対し、イオンビームが垂直かそれに近い角度になるように傾斜し、加工（断面）面を観察する。また、加工面に現れた物質の組成を分析する。試料ステージ１７の傾斜機能を元に戻すと、試料１８の表面と集束イオンビームＢ２の光軸とは、垂直をなす。従って、加工（断面）面は水平に対して９０−θ°傾斜することになる。加工（断面）面に対して、垂直に観察する場合は、試料ステージ１７の傾斜機能で試料ステージ１７を更に、９０−θ°傾斜させて観察する。
【００１６】
このとき、加工領域の決定を前記コンピュータシステムが自動的にまたは対話形式で行うようにすることもできる。
さらに、図３ｂに示されているBB`線より下側のエッチングされている部分は、観察に寄与しないことから、エッチングは不要である。従って、加工枠をAA'側の小さなものから時間経過に従い広くするようにすることにより、不要なエッチング量を少なくできる。その結果、加工に要する時間を短縮することができる。
【００１７】
また、試料ステージは一般に断面の拡大効果が顕著になるほど試料を傾斜することはできない。そこで、図４に示す試料傾斜機構３４の上に試料を設置する。さらに、任意に傾きを変えられる回転軸３５を備えた試料傾斜冶具３４を試料ステージ１７に設置するようにして、試料表面に対する集束イオンビームＢ２の入射角度をごく浅くするようにすることができる。また、試料ステージ１７の代わりに、この試料傾斜機構を持つ試料ホルダーを試料室に設置できるようにし、イオンビーム加工をできるようにすることもできる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、従来観察や分析の困難であった微細の縦横造を観察または分析できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る集積イオンビーム装置の槻略構成を示す構成図である。
【図２】水平に置いた試料の観察画像である。
【図３】本発明の加工状態を示し、図３ａは平面図であり、図３ｂは断面図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 イオン源
2 引き出し電極
3 イオン源部
4 XY方向移動装置
5 第1のアパーチャ
5a 透孔
6 コンデンサレンズ
7 アパーチャ
7a 透孔
8 対物レンズ
9 荷電粒子光学系
10 透孔切替装置
11XY 方向移動装置
12 ブランキング電極
13 ブランキングアパーチャ
14 ブランキング手段
15 フアラデーカップ
16 偏向電極
17 試料ステージ

Claims (1)

1. イオンビームを発生するイオン源と、
   前記イオンビームを集束する荷電粒子光学系と、
   前記集束イオンビームを試料の所望の位置に走査照射するための偏向電極と、
   ＸＹＺ移動機構が備えられた試料ステージと、
   からなる集束イオンビーム装置において、
   前記試料ステージは、
   前記試料表面の観察に必要な領域を前記集束イオンビームを走査照射することにより加工する時には、前記集束イオンビームの入射角に対し、前記試料を水平に対して第一の角度にて傾斜させた状態にし、
   前記試料の加工断面を観察する時には、前記試料ステージを、その傾斜を元に戻した状態から、イオンビームが試料の加工面に対し垂直かそれに近い角度になるように更に第二の角度として９０−第一の角度傾斜させた状態か、それに近い角度にする、
   傾斜機構を備え、
   前記試料ステージ上には第２の試料傾斜機構が設置され、
   該第２の試料傾斜機構は、前記試料ステージの表面に対して所定角度傾斜させて試料を載置できる試料載置部を有することを特徴とする集束イオンビーム装置。

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