JP3897271B2

JP3897271B2 - 加工観察装置及び試料加工方法

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Publication number: JP3897271B2
Application number: JP26412299A
Authority: JP
Inventors: 広靖加賀; 英巳小池; 祐博伊東; 憲史雪田; 和孝二村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP2001084951A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集束イオンビーム装置による試料の加工と加工中の試料断面の観察や分析を一つの装置で行うことができる加工観察装置、及びその加工観察装置を用いた試料加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置は高集積化が進み形成されるパターンが微細化しているため、半導体装置の検査に際し、光学装置では分解能が不十分な状況になっている。このため、電子線装置やイオンビーム装置が半導体装置製造のプロセスモニターとして用いられている。半導体装置は今後、更に微細化が進み集積度が上がると考えられており、半導体装置の検査装置としては、光学式半導体検査装置に代わって荷電粒子ビームを使った半導体検査装置、たとえば測長ＳＥＭ（Scannning electron microscope）や集束イオンビーム（Focused ion beam：ＦＩＢ）装置が益々重要になりつつある。
【０００３】
特に、半導体製造プロセスの不良解析を行う場合、試料の断面観察が有効である。例をあげると、異物検査装置や外観検査装置で試料の不良個所を特定し、特定した不良個所をＦＩＢ装置で加工して断面を作り、その断面をＦＩＢ、走査電子顕微鏡（Scannning electron microscope：ＳＥＭ）あるいは透過電子顕微鏡（Transmisson electron microscope：ＴＥＭ）で観察して構造解析行う。また、試料断面の異物や構造の組成分析には、エネルギー分散形Ｘ線分析装置（Energy dispersive spectrometer：ＥＤＳ）が用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体デバイスのＴＥＭ試料を作製する場合、特定の場所を狙ってスパッタ加工することができるＦＩＢ装置が近年盛んに用いられるようになっている。しかし、半導体デバイスの微細化が進むにつれ、特定の位置を精度良く加工することが益々重要になり、試料を０．１μｍ以下の位置精度で０．１μｍ以下の薄さに加工することが必要になっている。また、半導体デバイスの多層構造化が進んでデバイスの厚みが増し、不良解析場所は表面から深い位置に在る場合が多い。この場合、表面からでは加工場所が分からないが、このような表面から特定できない不良解析場所をＴＥＭ試料に加工することが望まれている。
【０００５】
本発明は、このような要請に応えるべくなされたものであり、ＦＩＢ装置で加工している試料の断面の状態を確認しながらＦＩＢ加工を制御できる加工観察装置及び試料加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ＦＩＢで加工中の試料の加工断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察するために、ＦＩＢ装置のイオン光学系の光軸に対しＳＥＭの電子光学系の光軸を垂直に配置した。更に、ステージ機構の駆動軸をイオン光学系の光軸と電子光学系の光軸の双方に対して垂直に設定した。ＦＩＢ加工中の加工断面におけるサブミクロンの微小部の状態を加工と同時に監視するために、ＦＩＢ装置とＳＥＭのそれぞれに信号検出器を設け、また、それぞれの装置に像表示のためのビーム走査制御回路と像表示制御回路を持たせた。これにより、独立の倍率でＦＩＢ装置とＳＥＭによる同時観察が可能になる。
【０００７】
ＦＩＢ装置による像観察方向とＳＥＭによる像観察方向が９０°違うことから、ステージ機構の移動方向と像の動きを一致させ、且つ、双方で同一像（たとえば試料に文字Ｆが描かれているとして、ＦＩＢ装置でもＳＥＭでもＦと見える）にするため、ステージ機構の駆動方向とビーム偏向の極性を図３に示すような関係にした。
【０００８】
それぞれの装置で鮮明な像を得るために、ＦＩＢ装置はイオン像と二次電子像を検出表示できるようにし、ＳＥＭは二次電子像と反射電子像を検出表示できるようにした。ＦＩＢ装置でイオン像を検出する場合には検出器の引き込み電圧をマイナスに設定し、二次電子像を検出する場合には引き込み電圧をプラスに設定する。また、ＳＥＭで二次電子像を検出する場合には検出器の引き込み電圧をプラスに設定し、反射電子像を検出するには検出器の引き込み電圧を０にする。ＦＩＢ加工中にＳＥＭで加工断面を観察できるように、像の表示は次の表１に示す４つの組合わせができるようにした。
【０００９】
【表１】

【００１０】
ＦＩＢ加工中の同時観察でＳＥＭによるＦＩＢ加工断面の鮮明な像が得られる組合せは、表１の１又は２の組み合わせであった。従って、ＦＩＢ加工中にはＳＥＭの像表示は反射電子像にして二次電子を排除した。これにより、ＦＩＢ装置で発生した二次電子の影響を受けない鮮明な像が得られた。
【００１１】
この理由は、同時観察ではＦＩＢとＳＥＭの両方で二次電子が発生して、二次電子検出では混合して検出されるが、物理的に二次イオンの発生はＦＩＢのみから、反射電子の発生はＳＥＭのみからと限定されている。したがって、二次イオンや反射電子の情報は装置間で混合することがないので、表１の１又は２の組み合わせで同時観察を行うとＦＩＢ加工断面の鮮明な像が得られる。
【００１２】
本発明による加工観察装置は、試料室と、ＦＩＢ装置カラムと、ＳＥＭカラムと、試料室に固定され試料ホールダを保持して駆動するステージ機構とを備え、ＦＩＢ装置カラムのイオンビーム光学軸とＳＥＭカラムの電子ビーム光学軸とステージ機構の試料ホールダ駆動軸の一軸とが互いに直交していることを特徴とする。ＦＩＢ装置カラムは、イオン源、イオン源から放出されたイオンビームを集束して試料に照射するためのイオン光学系、イオンビームを偏向制御するための偏向器等を備え、ＳＥＭカラムは電子源、電子源から放出された電子ビームを収束して試料に照射するための電子光学系、電子ビームを偏向制御するための偏向器等を備える。
【００１３】
ステージ機構は、サイドエントリー型のステージ機構である。サイドエントリー型のステージ機構に装着された試料ホールダは、ステージ機構の前記一軸のまわりに９０°ステップで３６０°回転できる。この構造により、ＦＩＢで加工したＴＥＭ用試料断面をＳＥＭで表裏の観察と分析できる。
【００１４】
この加工観察装置は、試料室に対するＦＩＢ装置カラム及びＳＥＭカラムの少なくとも一方の位置を調整する位置調整機構を備える。この位置調整機構により、ＦＩＢ装置による加工断面が、ステージ機構を動かすことなくＳＥＭの観察視野に入るように調整する。位置調整機構によりＳＥＭの走査電子線偏向を利用したイメージシフト機能で調整できる範囲（±２０μｍ以内）まで機械的にＦＩＢ装置の視野とＳＥＭの視野を合わせることによりＦＩＢ装置とＳＥＭで同一視野を得ることができる。
【００１５】
ＦＩＢ装置はイオン像と二次電子像とを切り換えて表示する機能を有し、ＳＥＭは反射電子像と二次電子像とを切り換えて表示する機能を有する。イオン像と二次電子像の切り換え、あるいは反射電子像と二次電子像の切り換えは、例えば検出器の引き込み電圧を切換えることで行うことができる。イオン像を表示するときは、検出器の引き込み電圧をマイナスにする。二次電子像を表示するときは、検出器の引き込み電圧をプラスにする。また、反射電子像を表示するときは、検出器の引き込み電圧をマイナスにして検出器に二次電子が入らないようにする。
【００１６】
加工観察装置にエネルギー分散形Ｘ線分析装置を併置する場合、エネルギー分散形Ｘ線分析装置の検出器は、直接ＦＩＢ加工位置を見込まない位置に退避できるように可動とするのが好ましい。また、エネルギー分析形Ｘ線分析装置の検出器先端に脱着可能な保護膜を装着するのが好ましい。
本発明による試料加工方法は、前記加工観察装置を用いて、試料のＦＩＢ加工断面をＳＥＭで観察しながらＦＩＢで加工することを特徴とする。この方法は、特に試料のサブミクロン以下の特定微小部をＦＩＢで加工するのに有効である。
【００１７】
試料のＦＩＢ加工断面をＳＥＭで反射電子像を観察しながら、あるいは加工断面をエネルギー分散形Ｘ線分析装置で分析しながらＦＩＢで加工することにより、加工終点を容易に検出することができる。ＳＥＭによる反射電子像の観察は、ＳＥＭの信号検出器を反射電子検出器に切換えるか、二次電子検出器の引き込み電圧を切るか弱くして反射電子を検出するが二次電子を捕捉しないようにして行う。ＦＩＢ加工中は、ＦＩＢ装置は試料のイオン像を観察する。
【００１８】
ＦＩＢによる二次電子像、二次イオン像、ＳＥＭによる二次電子像、反射電子像から得られる情報はそれぞれ異なる。例えば、ＳＥＭの二次電子像は高分解能ではあるが、結晶粒に関する情報が得られない。一方、二次イオン像からは結晶粒の情報が得られる。したがって、これらの像をそれぞれ比較することにより、試料に関してより多くの情報を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による加工観察装置のシステム構成例を説明する概略図である。この加工観察装置は、ＦＩＢカラム２０、ＳＥＭカラム４０、試料室６０、ステージ機構７０、後述するようにステージ機構７０に装着されて試料１０を保持する試料ホールダ８０、ＥＤＳ検出器９５、Ｗ（タングステン）デポ銃９６、ＦＩＢ装置用検出器３１、ＳＥＭ用検出器５１を備える。試料室６０、ＦＩＢカラム２０及びＳＥＭカラム４０の内部は、真空排気装置６５によって真空排気されている。
【００２０】
ＦＩＢは電子ビームと違いスパッタ作用が大きいので、試料１０の微細加工に利用できる。そのため、ＦＩＢ装置はＴＥＭ用試料の加工又はＳＥＭ用試料の断面加工のための加工機と観察装置として使われ、ＳＥＭは加工試料の観察及びＥＤＳと組み合せた分析装置として使われる。Ｗデポ銃９６は、加工試料上にイオンビーム誘発Ｗ膜を堆積し、保護膜を形成するためのものである。ＥＤＳ分析器９５は、ＳＥＭの電子線照射によって試料１０から発生されるＸ線を検出してＸ線分析を行う。
【００２１】
ＦＩＢで加工中の試料１０の加工断面を観察するために、ＦＩＢ装置のイオン光学系の軸に対しＳＥＭの電子光学系の軸が垂直になるように配置した。更に、ステージ機構７０は、その駆動軸の一つがイオン光学系の軸及び電子光学系の軸に対して垂直になるようにした。また、ＦＩＢ加工中に、試料のサブミクロンの微小部の加工断面状態を同時に監視するために、ＦＩＢ装置とＳＥＭのそれぞれに信号検出器３１，５１を設け、それぞれの装置にビーム走査制御回路と像表示制御回路を備えた。これにより、独立の倍率でＦＩＢとＳＥＭによる同時観察ができるようになった。ただし、上記ＦＩＢ装置のイオン光学系の軸とＳＥＭの電子光学系の軸は、正確に直交していなくても、おおよそ直交していれば有用であった。
【００２２】
図２は、試料ホールダ８０とステージ機構７０の説明図である。試料ホールダ８０は、ピン８１、シャフト８３，８４、試料固定部８５、取っ手８６、及び試料向き切替えつまみ８７を備える。試料１０は試料固定部８５に固定される。試料固定部８５はシャフト８３に固定されており、シャフト８３はシャフト８４及び取っ手８６の内部を貫通し、その端部に試料向き切替えつまみ８７が取り付けられている。従って、試料向き切替えつまみ８７を回すと、シャフト８４に対してシャフト８３が回転する。
【００２３】
試料ホールダ８０は、試料室６０の壁面に取り付けられたステージ機構（サイドエントリー型ステージ機構）７０に装着される。ステージ機構７０にはシャフト挿入穴７１と溝７２が設けられている。シャフト８４上のピン８１をステージ機構７０の溝７２の位置に合わせて試料ホールダ８０のシャフト８４をシャフト挿入穴７１に挿入すると、試料ホールダ８０は、ピン８１が溝７２にガイドされ、ステージ機構７０に位置決めされて挿入される。ステージ機構７０はシャフト挿入穴７１に挿入された試料ホールダ８０のシャフト８４を気密に保持し、試料ホールダ８０をホールダ挿入方向及びその方向に直交する２方向及びθ方向に駆動することができる。また、ステージ機構７０に保持された試料ホールダ８０の試料向き切替えつまみ８７を回すと、試料ホールダ挿入方向を軸としてシャフト８３及び試料固定部８５が回転する。試料向き切替えつまみ８７は、９０゜ずつステップ的に回転できる。
【００２４】
試料ホールダ８０のこの構造によって、ＦＩＢで加工した試料断面をＳＥＭで観察できるとともに、試料の向きを９０°回転して、ＦＩＢによってＳＥＭで観察した試料断面と同一の試料断面を観察することが可能になる。イオン照射によって試料から放出された二次電子による二次電子像と、電子線照射によって試料から放出された二次電子による二次電子像では、同じ二次電子像でも違いが生じる。この試料ホールダ８０を用いると、試料を９０゜回転することによって試料の同一位置の二次電子像をＦＩＢ装置とＳＥＭによって観察することができ、試料断面についての多くの情報を簡便に得ることができる。
【００２５】
図３は、ＦＩＢ装置のイオンビーム入射方向、ＳＥＭの電子ビーム入射方向、及びステージ機構の移動方向の関係を説明する図である。図３（ａ）に示すように、ＦＩＢ装置のイオンビーム入射方向とＳＥＭの電子ビーム入射方向は直交しており、ホールダ挿入方向（ステージ機構軸）はその両方向に直交している。図３に示すように、ＳＥＭからみたＸ，Ｙ，Ｚ方向は、ＦＩＢ装置ではＸ，Ｚ，Ｙ方向にそれぞれ対応する。この場合、ＳＥＭでＺを調整してもＳＥＭ像は移動しないが、ＦＩＢ装置による観察像はＹ方向に移動する。このことを利用して、ＦＩＢ装置とＳＥＭの観察点を一致させることができる。
【００２６】
図３（ｂ）は、試料が図３（ａ）の姿勢にあるときＦＩＢ装置で観察した試料表面のＦＩＢ像である。また、図３（ｃ）はＳＥＭで観察した試料断面のＳＥＭ像である。試料ホールダ４は、ＦＩＢで加工したＴＥＭ用試料断面をＳＥＭで表裏の観察と分析ができるように、９０°ステップで３６０°回転できるようになっている。ステージ機構７０の移動方向と像の動きを一致させ、且つ、ＳＥＭとＦＩＢ装置で同一像を観察できるようにするため、例えば文字Ｆが描かれた試料の像を観察したとき、ＦＩＢ装置でもＳＥＭでもＦと見えるようにするため、ステージ機構の駆動方向とビーム偏向の極性を図３の関係にした。
【００２７】
ＦＩＢ装置とＳＥＭで同一視野を得るために、ＳＥＭのイメージシフト機構で調整できる範囲（±２０μｍ以内）までＦＩＢ装置とＳＥＭの視野を機械的に合わせる調整機構をＳＥＭ鏡筒の試料室取付け部に設けた。
【００２８】
図４は、ＦＩＢ装置とＳＥＭの視野合わせ調整機構の説明図である。図４（ａ）は試料室に取り付けられたＳＥＭカラムを示す側面図、図４（ｂ）はＳＥＭカラムを光軸方向に見た図である。図４（ａ）に示すように、ＳＥＭカラム４０は試料室６０にＯリング６１で真空シールドされて取付けられている。試料室６０とＳＥＭカラム４０は、真空ポンプによって真空排気され高真空に保たれている。ＳＥＭカラム取付けフランジ５９の周囲には試料室６０に固定されたリング状の位置調整板６２があり、位置調整板６２には位置調整ネジ６３が４ヶ所に設けられている。４ヶ所の位置調整ネジ６３の押し出し量を調整することにより、試料室６０に対するＳＥＭカラム４０の位置を調整することができる。
【００２９】
この調整機構を用いて、ＦＩＢ装置とＳＥＭの視野を、ＳＥＭのイメージシフトで調整できる範囲（±２０μｍ以内）まで合わせた。ＦＩＢ装置とＳＥＭの視野合わせに当たっては、例えばＦＩＢ装置によって試料像を観察し、次に試料ホールダ８０の試料向き切替えつまみ８７を９０゜回して、ＦＩＢ装置による試料観察面をＳＥＭ側に向ける。そして、ＳＥＭによる試料像を見ながら、その像がＦＩＢ装置による試料像と一致するように、位置調整板６２の位置調整ネジ６３によって試料室６０に対するＳＥＭカラム４０の位置を調整する。ＦＩＢ装置の視野とＳＥＭの視野を合わせることは、ステージ機構７０のＸ軸とＦＩＢの光軸との交点にＳＥＭの軸を合わせることに相当する。ＦＩＢ装置の視野とＳＥＭの視野が合っていれば、試料ホールダ８０の試料固定部８５を９０゜回転することで、ＦＩＢ装置とＳＥＭによって試料上の同じ点を観察することができる。
【００３０】
図５は、本発明による試料加工観察装置のシステム構成を示す概略図である。ＦＩＢ装置のＧａ液体金属イオン源２１から引出されたＧａイオンビーム２２は３０ｋＶに加速され、ビーム制限アパーチャ２３を通過して対物レンズ２４で集束され、固体試料１０を照射する。ビーム走査信号生成装置２５は、制御コンピュータ９０からビーム走査を開始命令を受けると、ビーム走査信号を偏向器制御装置２６に渡し、偏向器制御装置２６では走査（偏向）信号に基づいて電圧を生成して偏向器２７に電圧を印加する。イオンビーム２２は、試料１０上を走査するように偏向制御される。
【００３１】
イオンビーム２２を照射することによって固体試料１０から発生した二次電子１１と二次イオン１２は、検出器３１で検出され、プリアンプ３２で増幅されて電気信号に変換される。検出器３１には、検出電圧（引き込み電圧）がプラスがマイナスかに応じて二次電子１１と二次イオン１２を選別して検出できるＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）を使用した。上記検出信号は、偏向器制御装置２６からの偏向信号と同期して走査信号を輝度変調してワークステーション（ＷＳ）のモニター３３に像表示されると同時に、信号処理装置３４で像をデジタル化してメモリに蓄える。この信号処理装置３４のデータは、制御コンピュータ９０に渡され制御される。
【００３２】
同様に、ＳＥＭの電子源４１から引出された電子ビーム４２は、最大３０ｋＶに加速され、ビーム制限アパーチャ４３を通過して対物レンズ４４で集束されて固体試料１０を照射する。走査信号生成装置４５は、制御コンピュータ９０からビーム走査を開始命令を受けると走査信号を偏向器制御装置４６に渡し、偏向器制御装置４６では走査（偏向）信号に基づいて電圧を生成して偏向器４７に電圧を印加する。こうして、電子ビーム４２は試料１０上を走査するよう偏向制御される。
【００３３】
電子ビーム４２を照射することによって固体試料１０から発生した二次電子１３と反射電子１４は、検出器５１で検出され、プリアンプ５２で増幅されて電気信号に変換される。検出器５１として、検出電圧（引き込み電圧）がプラスか０かに応じて二次電子１３と反射電子１４を選別して検出できるＹＡＧ半導体検出器を用いた。増幅された検出信号は、偏向制御装置４６の偏向信号と同期してモニターの走査信号を輝度変調してＷＳのモニター５３に像表示されると同時に、信号処理装置５４で像をデジタル化してメモリに蓄える。この信号処理装置５４のデータは、制御コンピュータ９０に渡され制御される。
【００３４】
図６は、電子線照射で試料から発生する二次粒子のエネルギー分布を示す説明図である。一般に、電子線照射では二次電子と反射電子が発生する。二次電子のエネルギーは約４ｅＶにピークがあり、そのピークから減少しながら５０ｅＶ程度まで拡がる。また、反射電子のエネルギーは、照射エネルギーと等しいエネルギーの付近にピークを生じる。
【００３５】
図７は、イオン照射で試料から発生する二次粒子のエネルギー分布を示す説明図である。イオン照射では、電子線照射の場合と同様に約４ｅＶにピークがあり、それから減少しながら５０ｅＶ程度まで拡がる二次電子を生じるが、反射電子は生じない。その代わり、イオンビームのスパッタ作用で二次イオンを生じる。
【００３６】
従って、二次電子の検出効率を高めるには、二次電子発生点近傍に数Ｖ程度の検出器への引込み電圧が必要である。一方、反射電子はエネルギーが高く引き込み電圧を必要としない。このため、反射電子は直接検出器で捉えるが、発生点からの距離の２乗に反比例して反射電子検出効率が悪くなるので、検出立体角が大きくなるように発生点近傍で検出される。二次イオンは、二次電子と極性が反対で、エネルギー分布が二次電子より若干低い方にシフトしているが分布は良く似ている。このため、二次イオン検出には負の引き込み電圧を印加する。当然この条件では、電子の検出が排除される。
【００３７】
鮮明な像を表示するために、ＦＩＢ装置の検出器は、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）を用いてイオン像と二次電子像を検出表示できるように、ＳＥＭの検出器は、シンチレータとＰＨＭ（フォトマルチプライヤー）による検出器で二次電子像を、ＳＳＤ（半導体検出器）による検出器で反射電子像を検出表示できるようにした。
像表示の組合わせは、次の〔表２〕に示すように８種類ある。
【００３８】
【表２】

【００３９】
表２の１又は２は、ＳＥＭで二次電子像又は反射電子像を観察している状態で、この時イオンビーム装置は、動作していないか、検出器をＯＦＦにした場合で、ＳＥＭで鮮明な像が得ることができた。表２の３又は４は、ＦＩＢ装置で二次電子像又はイオン像を観察している状態で、この時ＳＥＭは、動作していないか検出器をＯＦＦした場合で、ＦＩＢ装置で鮮明な像を得ることができた。表２の５は、ＦＩＢ装置でイオン像を観察し、ＳＥＭで反射電子像を観察している状態で、ＦＩＢ加工中に加工断面をＳＥＭを観察した場合、ＦＩＢ、ＳＥＭの双方で鮮明な像が得られた。表２の６は、ＦＩＢ装置で二次電子像を観察し、ＳＥＭで反射電子像を観察している状態で、ＦＩＢ加工中に加工断面をＳＥＭ観察した場合、ＳＥＭで鮮明な像が得られた。表２の７は、ＦＩＢ装置でイオン像を観察し、ＳＥＭで二次電子像を観察している状態で、ＦＩＢ加工中に加工断面をＳＥＭを観察した場合、ＦＩＢ装置で鮮明な像が得られた。しかし、ＳＥＭの像は不鮮明であった。表２の８は、ＦＩＢ装置とＳＥＭの両方で二次電子を検出している状態で、ＦＩＢ加工中に加工断面をＳＥＭで観察した場合、ＦＩＢ装置、ＳＥＭ、それぞれの検出器に両方の装置で発生した二次電子信号が重畳して検出され、ＦＩＢ装置の像もＳＥＭの像も不鮮明であった。
【００４０】
ＦＩＢ加工中の加工断面のＳＥＭによる観察は、鮮明か不鮮明かを別にすると表２の５から８で可能であったが、鮮明な像を得る観点から表２の５又は６が望ましく、その中でも最も簡便な方法は６のＦＩＢ装置で二次電子像を観察し、ＳＥＭで反射電子像を観察する方法であった。この検出器の検出モードを変える機能によって同一断面を、ＦＩＢによる二次電子像、二次イオン像、ＳＥＭによる二次電子像、反射電子像をそれぞれで比較することによって、半導体の不良解析や構造解析に役立てることが出来た。
【００４１】
ステージ機構操作は、ステージ機構操作卓とＦＩＢ装置のＷＳのステージ機構コントロール画面からできるようにした。ステージ機構操作卓の表示は、ＳＥＭで見たステージ機構の移動方向に合わせた。一方、ＷＳのステージ機構コントロール画面の表示は、ＦＩＢ装置で見たステージ機構の移動方向に合わせた。また、ステージ機構の移動は、ステージ機構コントロール画面とステージ機構操作卓に連動して座標値を表示するようにした。ステージ機構の移動速度は、ステージ機構操作卓に速度の切替えスイッチを設けた。また、ＦＩＢ装置の倍率に連動してステージ機構の移動速度が変わるようにした。
【００４２】
また、ＳＥＭでＥＤＳ分析できるように、ＥＤＳ検出器９５の信号取出し角を最適化し、ＥＤＳを使用しない場合は、ＥＤＳ検出器９５の先端にシャッターを設けてＦＩＢ加工で生じるスパッタ粒子によってＥＤＳ検出器９５が汚染されるのを防いだ。また、ＦＩＢ加工中にＥＤＳ分析を行うために、ＦＩＢ加工中に生じるスパッタ粒子で直接ＥＤＳ検出器９５が汚染されないように、ＥＤＳ検出器９５の先端に有機保護膜を設けた。
【００４３】
図８は、本発明の加工観察装置を用いた試料加工方法の一例を説明する図である。この例は、半導体デバイスをＦＩＢ装置によって加工してコンタクトホールの部分の断面を作成する例を示している。ＦＩＢ入射方向、ＳＥＭの電子ビーム入射方向に対する試料の姿勢は、図３に示すようになっている。
【００４４】
ＦＩＢ装置は、検出器にマイナスの引き込み電圧を印加して二次イオン像を観察しながら加工を行った。ＳＥＭは、検出器としてプラスの電圧を印加した半導体検出器を用い、二次電子の入射を抑制して加工断面の反射電子像を実時間観察した。このとき、加工が進むにつれてＳＥＭの反射電子像は図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように変化した。オペレータはＳＥＭの反射電子像をモニターし、図８（ｃ）のようにコンタクトホール１０１の断面が現れたとき、ＦＩＢ加工を終了した。
【００４５】
図９は、本発明の加工観察装置を用いた試料加工方法の他の例を説明する図である。この例は、試料中の異物を調べるために試料をＦＩＢ加工した例である。ＦＩＢ入射方向、ＳＥＭの電子ビーム入射方向に対する試料の姿勢は、図３に示すようになっている。ＥＤＳ検出器のエネルギーレベルは、予め異物の特性Ｘ線に合わせた。
【００４６】
ＦＩＢ装置は、検出器にマイナスの引き込み電圧を印加して二次イオン像を観察しながら加工を行った。ＳＥＭは、検出器としてプラスの電圧を印加した半導体検出器を用い、二次電子の入射を抑制して加工断面の反射電子像を実時間観察した。また、ＥＤＳ検出器によりＳＥＭの電子線照射によって試料断面から発生されるＸ線分析も同時に行った。加工が進むにつれて、ＳＥＭの反射電子像は図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように変化した。また、加工が進むにつれてＥＤＳ分析信号強度は、ＦＩＢ加工が進むにつれて図９（ｄ）のように変化した。オペレータは、ＳＥＭの反射電子像とＥＤＳ分析信号強度をモニターし、図９（ｃ）のようにＳＥＭ像に異物１０２が大きく現れ、ＥＤＳ分析による異物の物質分析結果が最大となった時間ｔ＝ｔ₃でＦＩＢ加工を止めた。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によると、ＦＩＢ装置で加工している試料断面の状態をＳＥＭで確認しながらＦＩＢ加工制御できる。これによって、試料の特定の位置を精度良くＦＩＢ加工することが可能になり、０．１μｍ以下の加工位置精度で０．１μｍ以下の薄さの加工ができる。また、試料表面からでは加工場所が分からない試料をＴＥＭ試料に加工することができる。
【００４８】
また、試料の同一断面から得たＦＩＢによる二次電子像、二次イオン像、ＳＥＭによる二次電子像、反射電子像をそれぞれ比較することによって豊富な情報を得ることができ、半導体の不良解析等に役立てることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による加工観察装置のシステム構成例を説明する概略図。
【図２】試料ホールダとステージ機構の説明図。
【図３】ＦＩＢ装置のイオンビーム入射方向、ＳＥＭの電子ビーム入射方向、及びステージ機構の移動方向の関係を説明する図。
【図４】ＦＩＢ装置とＳＥＭの視野合わせ調整機構の説明図。
【図５】本発明による試料加工観察装置のシステム構成を示す概略図。
【図６】電子線照射で試料から発生する二次粒子のエネルギー分布を示す説明図。
【図７】イオン照射で試料から発生する二次粒子のエネルギー分布を示す説明図。
【図８】本発明の加工観察装置を用いた試料加工方法の一例を説明する図。
【図９】本発明の加工観察装置を用いた試料加工方法の他の例を説明する図。
【符号の説明】
１０…試料、１１…二次電子、１２…二次イオン、１３…二次電子、１４…反射電子、２０…ＦＩＢカラム、２１…イオン源、２２…イオンビーム、２３…ビーム制限アパーチャ、２４…対物レンズ、２５…ビーム走査信号生成装置、２６…偏向器制御装置、２７…偏向器、３１…ＦＩＢ装置用検出器、３２…プリアンプ、３３…モニター、３４…信号処理装置、４０…ＳＥＭカラム、４１…電子源、４２…電子ビーム、４３…ビーム制限アパーチャ、４４…対物レンズ、４５…走査信号生成装置、４６…偏向器制御装置、４７…偏向器、５１…ＳＥＭ用検出器、５２…プリアンプ、５３…モニター、５４…信号処理装置、５９…ＳＥＭカラム取付けフランジ、６０…試料室６０、６１…Ｏリング、６２…位置調整板、６３…位置調整ネジ、６５…真空排気装置、７０…ステージ機構、７１…シャフト挿入穴、７２…溝、８０…試料ホールダ、８１…ピン、８３…シャフト、８４…シャフト、８５…試料固定部、８６…取っ手、８７…試料向き切替えつまみ、９０…制御コンピュータ、９５…ＥＤＳ検出器、９６…Ｗデポ銃、１０１…コンタクトホール、１０２…異物

Claims

試料室と、
前記試料室に保持された試料に集束イオンビームを照射可能な集束イオンビーム装置カラムと、
前記試料室に保持された試料に前記集束イオンビームと同時に電子ビームを照射可能な走査電子顕微鏡カラムと、
前記集束イオンビーム装置カラムから照射された集束イオンビームが試料に照射されたことにより発生する信号を検出する第１の信号検出器と、
前記走査電子顕微鏡カラムから照射された電子ビームが試料に照射されたことにより発生する信号を検出する第２の信号検出器と、
前記集束イオンビーム装置の像と前記走査電子顕微鏡の像とを同時表示するために、前記第１の信号検出器と第２の信号検出器のそれぞれに備えられた、像表示のためのビーム走査制御回路と像表示制御回路と、
前記集束イオンビーム装置の像倍率と前記走査電子顕微鏡の像倍率とを独立に制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする加工観察装置。
請求項１記載の加工観察装置において、
前記第１の信号検出器はマルチチャンネルプレートであり、
前記第２の信号検出器はシンチレータとフォトマルチプライヤーによる検出器と半導体検出器の組合せからなることを特徴とする加工観察装置。
請求項２記載の加工観察装置において、
前記第１の信号検出器と第２の信号検出器の検出モードを変える機能を備えたことを特徴とする加工観察装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の加工観察装置において、
前記集束イオンビーム装置カラムのイオンビーム光学軸と、前記走査電子顕微鏡カラムの電子ビーム光学軸と、前記試料室の試料ステージ機構の試料ホールダ駆動軸の一軸とが互いに略直交していることを特徴とする加工観察装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の加工観察装置を用いた試料加工方法において、試料の集束イオンビーム加工断面を走査電子顕微鏡で観察しながら集束イオンビームで加工することを特徴とする試料加工方法。