JP4170048B2 - イオンビーム装置およびイオンビーム加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の所定の部分にイオンビームを照射して加工を行うイオンビーム装置およびイオンビーム加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム装置として、集束イオンビーム（Focused Ion Beam：以下、単に「ＦＩＢ」と記す。）装置やイオンミリング装置が知られている。これらの装置は、例えばウェーハの欠損箇所を透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：以下、単に「ＴＥＭ」と記す。）や走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：以下、単に「ＳＥＭ」と記す。）などで断面観察する際の試料作製に用いられている。特に、ＦＩＢ装置は、十分に集束したイオンビームで試料表面を走査し、該走査時に発生する二次電子を検出して画像として観察しながら、欠陥などの特定部位を正確に断面加工できるため、半導体製造プロセスの評価装置として広く利用されている。
【０００３】
図５に、従来のＦＩＢ装置の概略構成を示す。このＦＩＢ装置の主要部は、イオン源１００、イオン光学系１０１、二次荷電粒子検出器１０２、ガス銃１０３、試料ホルダー１０４、試料ステージ１０５からなる。
【０００４】
イオン源１００は、例えばガリウム（Ｇａ）に代表される液体金属イオン源である。イオン光学系１０１は、イオン源１００からのイオンビームを集束するとともに試料１０６上で走査させるためのもので、コンデンサレンズ（静電レンズ）、ビームブランカ、可動絞り、８極スティグメータ、対物レンズ（静電レンズ）および走査電極などから構成されている。二次荷電粒子検出器１０２は、イオンビーム１００ａを試料１０６上で走査した際に発生する二次荷電粒子を検出するもので、この検出結果に基づいて画像処理を行うことにより走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope：以下、単に「ＳＩＭ」と記す。）機能を提供する。
【０００５】
試料ステージ１０５は、５軸制御が可能なステージである。５軸制御では、ＸＹＺ方向への３次元的な移動、ＸＹ平面に垂直な軸周りの回転、チルトの制御が行われる。試料ホルダー１０４は、試料１０６を固定するためのもので、ベースと呼ばれる移動台（不図示）の上に載置されて試料ステージ１０５上へ搬入される。試料１０６は、例えばウェーハである。ガス銃１０３は、試料１０６の表面に、保護膜としてのデポジション膜を形成するためのガスを吹き付けるものである。
【０００６】
次に、上述のＦＩＢ装置を用いた具体的な試料作製手順について説明する。図６の（ａ）および（ｂ）は、ＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。以下、図５および図６を参照して、ＴＥＭ試料の作製手順を説明する。
【０００７】
まず、試料ステージ１０５上に試料１０６であるウェーハを固定し、予め与えられている特定部位の位置情報に基づいて、イオンビーム１００ａがその特定部位の近傍に照射されるように大よその位置合わせを行う。続いて、イオンビーム１００ａで欠損部位の近傍を走査し、この走査により得られるＳＩＭ像を見ながら欠損部位の位置を特定する（位置出し）。位置出し後、ガス銃１０３によりウェーハの表面にデポジション用のガスを吹き付けるとともに、イオンビーム１００ａでウェーハの表面の、特定部位を含む所定の範囲を走査することでデポジション膜（保護膜）を形成する。このデポジション膜の形成は、一般にはイオンアシストデポジション（あるいはイオンビームＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition））と呼ばれており、イオンビーム１００ａで照射した部分に選択的にデポジション膜を形成することができる。
【０００８】
続いて、図６（ａ）に示すように、ウェーハの表面の欠損部位近傍をイオンビーム１００ａで照射して大まかに加工し、さらに、その加工部分にイオンビーム１００ａを照射して仕上げ加工を行う。この加工では、イオンビーム１００ａは、ウェーハの表面に対して法線方向から照射されるので、イオンビームが照射された領域は表面が除々に削れ、図６（ｂ）に示すような断面１０７ａを得る。断面１０７ａの厚さは、０．２〜０．５μｍ程度である。
【０００９】
ここで、試料ステージ１０５のチルト角を制御することによりイオンビーム１００ａのウェーハへの入射角度を調節した後、イオンビーム１００ａによる加工で、断面１０７ａが形成された部分の周りに図６（ｂ）に示すような切り込み１０７ｂ（図６（ｂ）中の破線で示している部分）を形成する。このとき、表面の一部は切り離さないで残しておく。そして、最終仕上げ加工で、さらに断面１０７ａの厚さを０．０５〜０．１μｍ程度に加工する。最後に、一部切り離さないで残しておいた部分を切り離すことで、断面１０７ａを含むＴＥＭ試料１０７を得る。
【００１０】
ＴＥＭ試料１０７の取り出しには、ピックアップ法（あるいはリフトアウト法）と呼ばれる手法を用いる。図７の（ａ）および（ｂ）に、ピックアップ法によるＴＥＭ試料の取り出しの一例を示す。
【００１１】
ピックアップ法によるＴＥＭ試料の取り出しでは、専用装置（マニピュレータ）を使用する。まず、図６の手順で作製されたＴＥＭ試料１０７の片側の断面１０７ａに、ガラス材よりなるプローブ１０８の先端を近づける。プローブ１０８の先端が断面１０７ａにある程度近づくと、図７（ａ）に示すように、静電気によって、ＴＥＭ試料１０７がプローブ１０８の先端に吸着する。先端にＴＥＭ試料１０７が吸着した状態のままプローブ１０８を、別に用意された粘着性を有する有機薄膜１０９上に移動し、図７（ｂ）に示すように、先端に吸着したＴＥＭ試料１０７をＴＥＭ試料用メッシュの有機薄膜１０９上に置く。ＴＥＭ試料１０７は、有機薄膜１０９の粘着性により固定されて、プローブ１０８の先端から離れる。
【００１２】
上記のようにしてＴＥＭ試料１０７が固定されたＴＥＭ試料用メッシュをＦＩＢ装置とは別に設けられたＴＥＭに搬入し、そこで、ＴＥＭ試料１０７の断面１０７ａの観察を行う。
【００１３】
以上説明したＴＥＭ試料の作製手法によれば、試料１０６であるウェーハを割らずに特定箇所のＴＥＭ試料を作製することができるため、ダイシングソーによりウェーハを割って小片化する場合に比べて、コスト面で有利な上、試料作製時間も短縮される。
【００１４】
最近では、ＦＩＢ装置に、走査電子顕微鏡やエネルギー分散型Ｘ線検出器等の観察装置やマニピュレータなどを組み込んだ複合形ＦＩＢ装置も提供されており、試料作製から観察を１台のＦＩＢ装置で行えるようになっている。
【００１５】
しかしながら、上述したＦＩＢ装置による試料作製では、ＦＩＢによる断面１０７ａへのダメージがある。図８（ａ）は、図６（ｂ）のＴＥＭ試料１０７の部分の断面図で、図８（ｂ）はその部分拡大図である。図８中、デポジション膜１１０は、断面加工時に形成された保護膜である。
【００１６】
ＦＩＢにより断面加工を行ったＴＥＭ試料１０７の断面１０７ａの表面は、ＦＩＢによるダメージを受けるとともにＦＩＢに含まれているイオン（例えばＧａイオン）の一部が注入されて、図８（ｂ）に示すようなダメージ層（破砕層）１１１が形成される。ダメージ層１１１は、試料自体に元々含まれていた元素と注入されたイオン（Ｇａ）とが混在したアモルファスな状態になっている。このように観察したい面（断面１０７ａ）に不要なダメージ層１１１が形成されてしまうと、そのダメージ層１１１が妨げとなって、良好なＴＥＭ観察を行うことができない。このようなダメージ層の問題は、ＳＥＭ試料作製においても同様に生じる。
【００１７】
そこで、低エネルギーのイオンビーム、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを用いたエッチング（イオンミリング）によりダメージ層を除去する、という手法が提案されている。例えば、特許第３１１７８３６号（特開平６−２６０１２９号）の公報には、イオミリング装置が組み込まれた、ダメージ層の除去が可能なＦＩＢ装置が開示されている。
【００１８】
図９は、上記公報に記載されたＦＩＢ装置の概略構成を示す模式図である。このＦＩＢ装置の主要部は、液体金属イオンビーム照射装置２００、気体イオンビーム照射装置２０１、試料ステージ２０２からなる。
【００１９】
液体金属イオンビーム照射装置２００は、液体金属イオン源から引き出されて十分に集束されたイオンビーム（ＦＩＢ）で試料ステージ２０２上に載置された試料２０３の表面の所定の部分を走査するものである。液体金属イオン源としては、例えばＧａイオン源がある。気体イオンビーム照射装置２０１は、気体イオン源から引き出されたイオンビームで、断面加工された部分を含む領域を一様に照射するものである。
【００２０】
上記のＦＩＢ装置では、まず、液体金属イオンビーム照射装置２００からのＦＩＢで試料２０３を断面加工する。この断面加工の際に、図８（ｂ）に示したようなダメージ層が断面に形成される。断面加工後、気体イオンビーム照射装置２０１からの気体イオンビームを、断面加工部分を含む領域に一様に照射して、エッチングにより断面上のダメージ層を除去する。
【００２１】
なお、気体イオンビームの照射によっても断面はダメージを受けるが、加速エネルギーが低いため、その量は小さい。Ｇａ液体金属イオンビームの場合、加速エネルギー３０ｋＶで、試料がシリコンのときのダメージ層の厚さが２０〜３０ｎｍであるのに対して、加速エネルギーが１ｋＶ以下の気体イオンビームの場合のダメージ層の厚さは数ｎｍ程度であるので、そのダメージ層がＴＥＭやＳＥＭにおける断面観察で問題になることはない。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＦＩＢで試料を断面加工した場合、加工された断面にダメージ層ができるため、ＴＥＭやＳＥＭなどにおいて良好な断面観察を行うことができないという問題がある。
【００２３】
ＦＩＢによる断面加工後に、気体イオンビームでダメージ層除去することで、上記の問題は解決されるが、この場合には、以下に説明するような二次粒子の再付着の問題が生じる。
【００２４】
図１０の（ａ）〜（ｃ）に、断面に再付着層が形成される過程を示す。図１０（ａ）に示すように、断面に形成されたダメージ層１１１を除去するために、Ａｒイオンビームが照射される。このＡｒイオンビームの照射範囲は、断面とそれに隣接する隣接面２０４を含む。Ａｒイオンビームが隣接面２０４に照射されると、図１０（ｂ）に示すように、隣接面２０４から二次粒子２０５が放出される。この隣接面２０４から放出された二次粒子２０５は、ダメージ層１１１が除去された後の断面に付着し、図１０（ｃ）に示すような再付着層２０６が形成される。実際には、ダメージ層１１１の除去と再付着は同時に進行するため、図１０（ｂ）のように、きれいにダメージ層が除去されることはないが、ここでは、理解し易いようにこのような概念図で表した。この再付着層２０６は成分が不明であるとともに、ウェーハなどではＴＥＭやＳＥＭなどにおける断面観察を妨げるような物質により再付着層２０６が形成される。このため、再付着層２０６により、ＴＥＭやＳＥＭにおける良好な断面観察が妨げられてしまう。
【００２５】
なお、ダイシングソーにより小片化した試料をその表面（ウェーハ表面）側からＦＩＢを照射して断面加工を行う場合は、ダメージ層を除去する際に、Ａｒイオンビームを再付着が少なくなるような方向、具体的には、試料の裏面側の方向から照射することで、二次粒子の再付着の問題を解決することが可能である。しかし、この手法は、図６および図７に示したような、ウェーハを割らずに特定部位に対して断面加工を行い、ピックアップ法によりＴＥＭ試料を取り出す方法には適用することはできない。
【００２６】
また、ピックアップ法により取り出したＴＥＭ試料を再加工できるようにしたものも提案されていおり、この場合は、上記の手法を適用することが可能であるが、再加工のための工程が増えるとともに、ＴＥＭ試料を保持するための再加工用の専用ホルダーを別途用意する必要があるためコスト面で不利なものとなる。
【００２７】
本発明の目的は、上記の各問題を解決し、観察面（断面）に二次粒子の再付着層が形成されても断面観察への影響がほとんどない、イオンビーム装置およびイオンビーム加工方法を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のイオンビーム装置は、特定部位に所定の集束イオンビームが照射されて断面が形成された試料の、前記断面を含む所定の範囲の領域に所定の材料よりなるデポジション膜を形成するデポジション手段と、前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記所定の集束イオンビームにより除去する第１のエッチング手段と、前記所定の範囲の領域のうちの少なくとも前記断面を含む領域に気体イオンビームを照射して、前記所定の集束イオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第２のエッチング手段とを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明のイオンビーム加工方法は、試料の特定部位に所定の集束イオンビームを照射して断面を形成する第１の工程と、前記断面を含む所定の範囲の領域に所定の材料よりなるデポジション膜を形成する第２の工程と、前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記所定の集束イオンビームにより除去する第３の工程と、前記所定の範囲の領域のうちの少なくとも前記断面を含む領域に気体イオンビームを照射して、前記所定の集束イオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第４の工程とを有することを特徴とする。
【００３０】
上記のとおりの本発明によれば、断面（観察面）に隣接する部分をデポジション膜で覆った状態で、気体イオンビームによるダメージ層の除去が行われる。このため、二次粒子の再付着はデポジション膜からのものとなる。デポジション膜には、所定の材料、すなわちＴＥＭやＳＥＭによる断面観察を妨げない成分、具体的にはカーボンが用いられているので、このデポジション膜からの二次粒子の再付着により形成された再付着層が、成分的に断面観察の妨げとなることはほとんどない。また、仮に、断面観察の際にその再付着層が観察されたとしても、その再付着層の成分は予め分かっているので、断面観察に際してその部分が問題になることは少ない。
【００３１】
加えて、本発明によれば、再加工用の専用ホルダーなど新たな部材を別途用意する必要はなく、また、ウェーハを割ったりする必要もないので、従来のようにコスト面で不利になったり、試料作製時間が長くなったりすることはない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
図１に、本発明のイオンビーム装置の一実施形態であるＦＩＢ装置の主要構成を模式的に示す。このＦＩＢ装置は、液体金属イオンビーム照射装置１、二次荷電粒子検出器２、ガス銃３、試料６を固定する試料ホルダー４、試料ステージ５、気体イオンビーム照射装置７、駆動部８、制御部９からなる。
【００３４】
液体金属イオンビーム照射装置１は、液体金属イオン源を備える既存の装置であって、液体金属イオン源から引き出されて十分に集束されたイオンビーム（ＦＩＢ）で試料６の特定部位を照射して加工（断面加工）することができる。液体金属イオン源には、例えばＧａイオン源が用いられる。
【００３５】
気体イオンビーム照射装置７は、気体イオン源を備える既存の装置であって、気体イオン源から引き出された気体イオンビームで試料６の所定の領域を走査することができる。気体イオン源に使用可能な気体イオンの種類としては、アルゴン、酸素、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、ラドン等がある。気体イオンビーム照射装置７から照射される気体イオンビームの光軸は、液体金属イオンビーム照射装置１から照射されるＦＩＢの光軸と所定の位置で交わるようになっている。
【００３６】
試料ホルダー４および試料ステージ５は、図５に示したものと同じである。二次荷電粒子検出器２は、ＦＩＢまたは気体イオンビームを試料６に照射した際に発生する二次荷電粒子を検出するものである。この検出結果に基づいて画像処理を行うことによりＳＩＭ機能を提供する。ガス銃３は、保護膜としてのデポジション膜および二次粒子の再付着を保護膜成分のみにするためのデポジション膜を形成するためのもので、所定の原料ガスを試料６の表面に吹き付ける。デポジション材料としては、カーボンが最適である。
【００３７】
制御部９は、液体金属イオンビーム照射装置１におけるＦＩＢ照射、気体イオンビーム照射装置７における気体イオンビーム照射およびガス銃３におけるガス噴射をそれぞれ制御する他、駆動部８によって駆動される試料ステージ５の５軸制御も行う。この他、制御部９は、二次荷電粒子検出器２の出力に基づくＳＩＭ像の画像化に必要な処理も行う。
【００３８】
本実施形態のＦＩＢ装置は、制御部９の制御によって提供される、以下のＳＩＭ機能、エッチング機能およびデポジション機能の３つの機能を備え、これらの機能を利用して試料６の断面加工およびダメージ層の除去を行う。
【００３９】
（１）ＳＩＭ機能：
このＳＩＭ機能には、試料６の特定部位を液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで走査して、この走査の際に発生する二次荷電粒子を二次荷電粒子検出器２で検出することでＳＩＭ像を得る第１のＳＩＭ機能と、気体イオンビーム照射装置７からの気体イオンビームで試料６の所定の領域を走査して、この走査の際に発生する二次荷電粒子を二次荷電粒子検出器２で検出することでＳＩＭ像を得る第２のＳＩＭ機能とがある。第１のＳＩＭ機能は、主にＦＩＢによる断面加工の際に用いられ、第２のＳＩＭ機能は、気体イオンビームによるダメージ層の除去の際に用いられる。
【００４０】
（２）エッチング機能：
このエッチング機能には、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで試料６の特定部位を照射して加工（断面加工）を行う第１のエッチング機能と、気体イオンビーム照射装置７からの気体イオンビームで試料６の断面を含む所定の範囲の領域を一様に照射してダメージ層を除去する第２のエッチング機能とがある。
【００４１】
（３）デポジション機能：
このデポジション機能には、ガス銃３により試料６の表面に所定のガスを吹き付けるとともに、ＦＩＢで試料６の特定部位を含む所定の範囲を走査することでデポジション膜を形成する第１のデポジション機能と、ガス銃３により試料６の表面に所定のガスを吹き付けるとともに、気体イオンビームで試料６の断面およびその隣接面を含む所定の範囲の領域を一様に照射してデポジション膜を形成する第２のデポジション機能とがある。第１のデポジション機能は、主にＦＩＢによる断面加工の際に用いられ、第２のデポジション機能は、気体イオンビームによるダメージ層の除去の際に用いられる。
【００４２】
次に、本実施形態のＦＩＢ装置を用いた具体的な試料作製手順について説明する。ここでは、一例として、試料６であるウェーハの特定部位（欠損箇所）のＴＥＭ試料を作製する手順について説明する。なお、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢによるウェーハの特定部位の断面加工は、図６に示した手順と同じであるため、以下の説明では、断面加工の工程の詳しい説明は省略する。
【００４３】
図２の（ａ）〜（ｄ）は、ＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。図１および図２を参照してＴＥＭ試料の作製手順を説明する。
【００４４】
まず、図６に示した手順に従って、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで試料６であるウェーハの特定部位を照射し、図２（ａ）に示すようなＴＥＭ試料部を形成する（第１のエッチング機能）。ＴＥＭ試料部の断面７ａの厚さは３０〜１００ｎｍ程度であり、この断面７ａには、図８で示したものと同様のダメージ層１１１が形成されている。また、ＴＥＭ試料部の表面（ウェーハ表面）には、断面加工の際に、第１のデポジション機能により形成されたデポジション膜１１０が残っている。このデポジション膜１１０も、ＦＩＢが照射された部分にダメージ層１１１が形成されている。
【００４５】
断面加工後、図２（ｂ）に示すように、ＴＥＭ試料部の断面７ａおよびこれに隣接する隣接面６ａを含む所定の範囲の領域にデポジション膜１１２ａ、１１２ｂを形成する（第２のデポジション機能）。図３に、この第２のデポジション機能によるデポジション膜形成を模式的に示す。
【００４６】
デポジション膜１１２ａ、１１２ｂの形成では、図３に示すように、まず、ガス銃３を用いて、ＴＥＭ試料部の断面７ａおよびこれに隣接する隣接面６ａを含む所定の範囲の領域に所定のガスを吹き付け、さらに気体イオンビーム照射装置７からの気体イオンビーム（ここではＡｒイオンビーム）で、その所定の範囲の領域を一様に照射する。続いて、試料６を１８０°回転して、同様な処理を施し、両断面７ａおよび両隣接面６ａに一様にデポジション膜１１２ａ、１１２ｂを形成する。デポジション膜１１２ａ、１１２ｂの膜厚は、数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。
【００４７】
デポジション膜１１２ａ、１１２ｂの形成後、図２（ｃ）に示すように、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで両断面７ａ上のデポジション膜１１２ａを除去する（第１のエッチング機能）。続いて、図２（ｄ）に示すように、断面７ａおよびこれに隣接する隣接面６ａを含む所定の範囲の領域を気体イオンビーム照射装置７からのＡｒイオンビームで一様に照射して、断面７ａ上のダメージ層１１１を除去する（第２のエッチング機能）。このときのＡｒイオンビームの照射範囲は、デポジション膜１１２ａ、１１２ｂが形成された範囲を超えないものとする。最後に、試料６を１８０°回転し、同様の処理を、先の断面７ａとは反対の側に位置する断面７ａに対して行う。これにより、両断面７ａ上のダメージ層１１１が除去される。
【００４８】
上述のＴＥＭ試料の作製によれば、図２（ｄ）におけるＡｒイオンビームによるダメージ層１１１の除去の際、隣接面６ａにはデポジション膜１１２ｂが形成されているので、二次粒子の再付着はこのデポジション膜１１２ｂからのものとなる。デポジション膜１１２ｂには、ＴＥＭ観察を妨げない成分、具体的にはカーボンが用いられているので、デポジション膜１１２ｂからの二次粒子の再付着により形成される再付着層（カーボン）１１３が、成分的にＴＥＭ観察の妨げとなることはほとんどない。また、再付着層（カーボン）１１３の厚さは数ｎｍ〜数十ｎｍであり、厚さ的に見てもＴＥＭ観察の際に問題となることはない。特に、カーボンのエッチングレートは遅いことから、再付着層（カーボン）１１３は、従来の場合に形成されていた再付着層の厚さより薄くなることが予想される。なお、仮に、ＴＥＭ観察の際にその再付着層（カーボン）１１３が観察されたとしても、カーボンであることが予め分かっているので、その部分については欠損と関係しないと判断することができる。これに対して、従来の場合は、再付着層は、その成分が不明であるため、ＴＥＭ観察の際に欠損と関係する否かを判断することができず、問題となっていた。
【００４９】
上述したデポジション膜（カーボン）を利用した二次粒子の再付着は、ＳＥＭ試料の作製にも適用することができる。ＳＥＭ試料の作製では、ＴＥＭ試料のような形態で試料を作製する場合（ただし、観察面となる断面は片面のみ）と、ウェーハの特定部位（欠損箇所）をＦＩＢにより加工して凹状の穴を形成し、この凹状の穴の壁面を観察面（断面）とする場合とがあるが、いずれの場合も、デポジション膜（カーボン）を利用した二次粒子の再付着を適用することができる。
【００５０】
また、ダイシングソーにより小片化した試料を加工する場合やピックアップ法により取り出したＴＥＭ試料を再加工する場合にも、上記デポジション膜（カーボン）を利用した二次粒子の再付着を適用することができる。
【００５１】
ところで、ＦＩＢによる断面加工および気体イオンビームによるダメージ層の除去に際しては、断面に生じるスジが生じることが知られている。例えば、表面に凹凸を有する試料に対してＦＩＢをその表面に略垂直な方向から照射して断面加工を行う場合、凹凸部の境界（角部）と平坦な部分とにおける加工速度（エッチング速度）が異なるため、形成された断面に表面の凹凸に応じたスジが生じる。また、断面加工領域に、材質の異なる領域（境界）が存在する場合も、同様なスジが生じる。これらのスジは、ＴＥＭやＳＥＭを用いた良好な断面観察を妨げる。
【００５２】
本実施形態のＦＩＢ装置では、以下に挙げる手順１、２のうちのいずれかを採用することで、上記のようなスジを取り除き、良好な断面観察を実現するようになっている。
【００５３】
＜手順１＞
（１−１）ＦＩＢを試料表面に第１の照射方向（例えば、試料表面に垂直な方向）から照射して断面加工を行う。この断面加工の際に、スジが生じる。
【００５４】
（１−２）スジを取り除くために、上記断面加工により得られた断面に対して、ＦＩＢを第１の照射方向とは異なる第２の照射方向から照射してエッチングする。これにより、断面に形成されたスジが取り除かれる。
【００５５】
（１−３）スジが取り除かれた断面に対して、第３の照射方向から気体イオンビームを照射して断面上のダメージ層を除去する。このダメージ層の除去工程で、スジが形成される。
【００５６】
（１−４）上記（１−３）の工程で形成されたスジを除去するために、断面に対して、気体イオンビームを第３の照射方向とは異なる第４の照射方向から照射してエッチングする。これにより、断面に形成されたスジが取り除かれる。
【００５７】
上記の（１−１）の工程および（１−２）の工程は、同時に行ってもよい。すなわち、第１の照射方向と第２の照射方向とを切り替えながら断面加工を行うようにしてもよい。同様に、上記の（１−３）の工程および（１−４）の工程も、同時に行ってもよい。この場合は、第３の照射方向と第４の照射方向とを切り替えながらダメージ層の除去を行うことになる。
【００５８】
＜手順２＞
（２−１）ＦＩＢを試料表面に第１の照射方向（例えば、試料表面に垂直な方向）から照射して断面加工を行う。この断面加工の際に、スジが生じる。
【００５９】
（２−２）上記断面加工により得られた断面に対して、第１の照射方向とは異なる第２の照射方向から気体イオンビームを照射して断面上のダメージ層を除去する。このダメージ層の除去工程では、（２−１）で生じたスジが除去されるが、気体イオンビームの照射により新たなスジが断面に形成される。
【００６０】
（２−３）上記（２−２）の工程で形成されたスジを除去するために、断面に対して、気体イオンビームを第２の照射方向とは異なる第３の照射方向から照射してエッチグする。これにより、断面に形成されたスジが取り除かれる。
【００６１】
上記の（２−２）の工程および（２−３）の工程は、同時に行ってもよい。すなわち、第２の照射方向と第３の照射方向とを切り替えながらダメージ層の除去を行うようにしてもよい。この場合は、断面加工時に生じたスジとダメージ層除去の際に生じるスジとを同時に取り除くことになる。
【００６２】
上述の手順１および手順２における照射方向の切り替えは、試料ステージのチルト角を制御することにより行うことができる。
【００６３】
以上説明したＦＩＢ装置は一例であって、装置構成および加工手順は、図１〜３に示したものに限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００６４】
図４に、図１に示したＦＩＢ装置にＳＥＭによる断面観察が可能な機能を組み込んだ複合装置の概略構成を示す。この複合装置は、図１に示した構成において、試料６に形成された断面に電子ビームを照射する電子ビーム照射装置１０を加えたものである。制御部９は、電子ビーム照射装置１０における電子ビームの照射、および電子ビーム照射により生じる二次電子を検出する二次荷電粒子検出器２の出力に基づくＳＥＭ像の画像化に必要な処理を行う。この制御部９による制御で、ＳＥＭ機能を提供する。
【００６５】
以上説明した本発明のイオンビーム装置において、気体イオンビームの加速電圧は数１００Ｖから５ｋＶが一般的であるが、ダメージを少なくするために低いほどよい。ただし、低い加速電圧にすると、エッチング速度が遅くなるため、実用的な時間でエッチングの終了する加速電圧を設定することが望ましい。
【００６６】
また、二次粒子の再付着の際に用いられるデポジション膜（図２のデポジション膜１１２ａ、１１２ｂ）の材料は、カーボンに限定されるものではなく、ＴＥＭやＳＥＭにおける良好な断面観察を妨げないものであれば、どのような材料を用いてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、観察面（断面）に二次粒子の再付着層が形成されてもＳＥＭやＴＥＭにおける断面観察への影響がほとんどないので、ウェーハのような大きな試料からダメージ層の少ないＴＥＭ試料やＳＥＭ試料を容易に作製することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＦＩＢ装置の主要構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示すＦＩＢ装置において行われるＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。
【図３】図２（ｂ）に示すデポジション膜の形成を説明するための模式図である。
【図４】図１に示すＦＩＢ装置にＳＥＭ機能を組み込んだ複合装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】従来のＦＩＢ装置の概略構成を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、図５に示す従来のＦＩＢ装置において行われるＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、ピックアップ法によるＴＥＭ試料の取り出しを説明するための模式図である。
【図８】（ａ）は、図６（ｂ）に示すＴＥＭ試料の部分の断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図９】特開平６−２６０１２９号公報に記載されたＦＩＢ装置の概略構成を示す模式図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、再付着層の形成過程を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 液体金属イオンビーム照射装置
２ 二次荷電粒子検出器
３ ガス銃
４ 試料ホルダー
５ 試料ステージ
６ 試料
６ａ 隣接面
７ 気体イオンビーム照射装置
７ａ 断面
８ 駆動部
９ 制御部
１０ 電子ビーム照射装置
１１０、１１２ａ、１１２ｂ デポジション膜
１１３ 再付着層
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の所定の部分にイオンビームを照射して加工を行うイオンビーム装置およびイオンビーム加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビーム装置として、集束イオンビーム（Focused Ion Beam：以下、単に「ＦＩＢ」と記す。）装置やイオンミリング装置が知られている。これらの装置は、例えばウェーハの欠損箇所を透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：以下、単に「ＴＥＭ」と記す。）や走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：以下、単に「ＳＥＭ」と記す。）などで断面観察する際の試料作製に用いられている。特に、ＦＩＢ装置は、十分に集束したイオンビームで試料表面を走査し、該走査時に発生する二次電子を検出して画像として観察しながら、欠陥などの特定部位を正確に断面加工できるため、半導体製造プロセスの評価装置として広く利用されている。
【０００３】
図５に、従来のＦＩＢ装置の概略構成を示す。このＦＩＢ装置の主要部は、イオン源１００、イオン光学系１０１、二次荷電粒子検出器１０２、ガス銃１０３、試料ホルダー１０４、試料ステージ１０５からなる。
【０００４】
イオン源１００は、例えばガリウム（Ｇａ）に代表される液体金属イオン源である。イオン光学系１０１は、イオン源１００からのイオンビームを集束するとともに試料１０６上で走査させるためのもので、コンデンサレンズ（静電レンズ）、ビームブランカ、可動絞り、８極スティグメータ、対物レンズ（静電レンズ）および走査電極などから構成されている。二次荷電粒子検出器１０２は、イオンビーム１００ａを試料１０６上で走査した際に発生する二次荷電粒子を検出するもので、この検出結果に基づいて画像処理を行うことにより走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope：以下、単に「ＳＩＭ」と記す。）機能を提供する。
【０００５】
試料ステージ１０５は、５軸制御が可能なステージである。５軸制御では、ＸＹＺ方向への３次元的な移動、ＸＹ平面に垂直な軸周りの回転、チルトの制御が行われる。試料ホルダー１０４は、試料１０６を固定するためのもので、ベースと呼ばれる移動台（不図示）の上に載置されて試料ステージ１０５上へ搬入される。試料１０６は、例えばウェーハである。ガス銃１０３は、試料１０６の表面に、保護膜としてのデポジション膜を形成するためのガスを吹き付けるものである。
【０００６】
次に、上述のＦＩＢ装置を用いた具体的な試料作製手順について説明する。図６の（ａ）および（ｂ）は、ＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。以下、図５および図６を参照して、ＴＥＭ試料の作製手順を説明する。
【０００７】
まず、試料ステージ１０５上に試料１０６であるウェーハを固定し、予め与えられている特定部位の位置情報に基づいて、イオンビーム１００ａがその特定部位の近傍に照射されるように大よその位置合わせを行う。続いて、イオンビーム１００ａで欠損部位の近傍を走査し、この走査により得られるＳＩＭ像を見ながら欠損部位の位置を特定する（位置出し）。位置出し後、ガス銃１０３によりウェーハの表面にデポジション用のガスを吹き付けるとともに、イオンビーム１００ａでウェーハの表面の、特定部位を含む所定の範囲を走査することでデポジション膜（保護膜）を形成する。このデポジション膜の形成は、一般にはイオンアシストデポジション（あるいはイオンビームＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition））と呼ばれており、イオンビーム１００ａで照射した部分に選択的にデポジション膜を形成することができる。
【０００８】
続いて、図６（ａ）に示すように、ウェーハの表面の欠損部位近傍をイオンビーム１００ａで照射して大まかに加工し、さらに、その加工部分にイオンビーム１００ａを照射して仕上げ加工を行う。この加工では、イオンビーム１００ａは、ウェーハの表面に対して法線方向から照射されるので、イオンビームが照射された領域は表面が除々に削れ、図６（ｂ）に示すような断面１０７ａを得る。断面１０７ａの厚さは、０．２〜０．５μｍ程度である。
【０００９】
ここで、試料ステージ１０５のチルト角を制御することによりイオンビーム１００ａのウェーハへの入射角度を調節した後、イオンビーム１００ａによる加工で、断面１０７ａが形成された部分の周りに図６（ｂ）に示すような切り込み１０７ｂ（図６（ｂ）中の破線で示している部分）を形成する。このとき、表面の一部は切り離さないで残しておく。そして、最終仕上げ加工で、さらに断面１０７ａの厚さを０．０５〜０．１μｍ程度に加工する。最後に、一部切り離さないで残しておいた部分を切り離すことで、断面１０７ａを含むＴＥＭ試料１０７を得る。
【００１０】
ＴＥＭ試料１０７の取り出しには、ピックアップ法（あるいはリフトアウト法）と呼ばれる手法を用いる。図７の（ａ）および（ｂ）に、ピックアップ法によるＴＥＭ試料の取り出しの一例を示す。
【００１１】
ピックアップ法によるＴＥＭ試料の取り出しでは、専用装置（マニピュレータ）を使用する。まず、図６の手順で作製されたＴＥＭ試料１０７の片側の断面１０７ａに、ガラス材よりなるプローブ１０８の先端を近づける。プローブ１０８の先端が断面１０７ａにある程度近づくと、図７（ａ）に示すように、静電気によって、ＴＥＭ試料１０７がプローブ１０８の先端に吸着する。先端にＴＥＭ試料１０７が吸着した状態のままプローブ１０８を、別に用意された粘着性を有する有機薄膜１０９上に移動し、図７（ｂ）に示すように、先端に吸着したＴＥＭ試料１０７をＴＥＭ試料用メッシュの有機薄膜１０９上に置く。ＴＥＭ試料１０７は、有機薄膜１０９の粘着性により固定されて、プローブ１０８の先端から離れる。
【００１２】
上記のようにしてＴＥＭ試料１０７が固定されたＴＥＭ試料用メッシュをＦＩＢ装置とは別に設けられたＴＥＭに搬入し、そこで、ＴＥＭ試料１０７の断面１０７ａの観察を行う。
【００１３】
以上説明したＴＥＭ試料の作製手法によれば、試料１０６であるウェーハを割らずに特定箇所のＴＥＭ試料を作製することができるため、ダイシングソーによりウェーハを割って小片化する場合に比べて、コスト面で有利な上、試料作製時間も短縮される。
【００１４】
最近では、ＦＩＢ装置に、走査電子顕微鏡やエネルギー分散型Ｘ線検出器等の観察装置やマニピュレータなどを組み込んだ複合形ＦＩＢ装置も提供されており、試料作製から観察を１台のＦＩＢ装置で行えるようになっている。
【００１５】
しかしながら、上述したＦＩＢ装置による試料作製では、ＦＩＢによる断面１０７ａへのダメージがある。図８（ａ）は、図６（ｂ）のＴＥＭ試料１０７の部分の断面図で、図８（ｂ）はその部分拡大図である。図８中、デポジション膜１１０は、断面加工時に形成された保護膜である。
【００１６】
ＦＩＢにより断面加工を行ったＴＥＭ試料１０７の断面１０７ａの表面は、ＦＩＢによるダメージを受けるとともにＦＩＢに含まれているイオン（例えばＧａイオン）の一部が注入されて、図８（ｂ）に示すようなダメージ層（破砕層）１１１が形成される。ダメージ層１１１は、試料自体に元々含まれていた元素と注入されたイオン（Ｇａ）とが混在したアモルファスな状態になっている。このように観察したい面（断面１０７ａ）に不要なダメージ層１１１が形成されてしまうと、そのダメージ層１１１が妨げとなって、良好なＴＥＭ観察を行うことができない。このようなダメージ層の問題は、ＳＥＭ試料作製においても同様に生じる。
【００１７】
そこで、低エネルギーのイオンビーム、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを用いたエッチング（イオンミリング）によりダメージ層を除去する、という手法が提案されている。例えば、特許第３１１７８３６号（特開平６−２６０１２９号）の公報には、イオミリング装置が組み込まれた、ダメージ層の除去が可能なＦＩＢ装置が開示されている。
【００１８】
図９は、上記公報に記載されたＦＩＢ装置の概略構成を示す模式図である。このＦＩＢ装置の主要部は、液体金属イオンビーム照射装置２００、気体イオンビーム照射装置２０１、試料ステージ２０２からなる。
【００１９】
液体金属イオンビーム照射装置２００は、液体金属イオン源から引き出されて十分に集束されたイオンビーム（ＦＩＢ）で試料ステージ２０２上に載置された試料２０３の表面の所定の部分を走査するものである。液体金属イオン源としては、例えばＧａイオン源がある。気体イオンビーム照射装置２０１は、気体イオン源から引き出されたイオンビームで、断面加工された部分を含む領域を一様に照射するものである。
【００２０】
上記のＦＩＢ装置では、まず、液体金属イオンビーム照射装置２００からのＦＩＢで試料２０３を断面加工する。この断面加工の際に、図８（ｂ）に示したようなダメージ層が断面に形成される。断面加工後、気体イオンビーム照射装置２０１からの気体イオンビームを、断面加工部分を含む領域に一様に照射して、エッチングにより断面上のダメージ層を除去する。
【００２１】
なお、気体イオンビームの照射によっても断面はダメージを受けるが、加速エネルギーが低いため、その量は小さい。Ｇａ液体金属イオンビームの場合、加速エネルギー３０ｋＶで、試料がシリコンのときのダメージ層の厚さが２０〜３０ｎｍであるのに対して、加速エネルギーが１ｋＶ以下の気体イオンビームの場合のダメージ層の厚さは数ｎｍ程度であるので、そのダメージ層がＴＥＭやＳＥＭにおける断面観察で問題になることはない。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＦＩＢで試料を断面加工した場合、加工された断面にダメージ層ができるため、ＴＥＭやＳＥＭなどにおいて良好な断面観察を行うことができないという問題がある。
【００２３】
ＦＩＢによる断面加工後に、気体イオンビームでダメージ層除去することで、上記の問題は解決されるが、この場合には、以下に説明するような二次粒子の再付着の問題が生じる。
【００２４】
図１０の（ａ）〜（ｃ）に、断面に再付着層が形成される過程を示す。図１０（ａ）に示すように、断面に形成されたダメージ層１１１を除去するために、Ａｒイオンビームが照射される。このＡｒイオンビームの照射範囲は、断面とそれに隣接する隣接面２０４を含む。Ａｒイオンビームが隣接面２０４に照射されると、図１０（ｂ）に示すように、隣接面２０４から二次粒子２０５が放出される。この隣接面２０４から放出された二次粒子２０５は、ダメージ層１１１が除去された後の断面に付着し、図１０（ｃ）に示すような再付着層２０６が形成される。実際には、ダメージ層１１１の除去と再付着は同時に進行するため、図１０（ｂ）のように、きれいにダメージ層が除去されることはないが、ここでは、理解し易いようにこのような概念図で表した。この再付着層２０６は成分が不明であるとともに、ウェーハなどではＴＥＭやＳＥＭなどにおける断面観察を妨げるような物質により再付着層２０６が形成される。このため、再付着層２０６により、ＴＥＭやＳＥＭにおける良好な断面観察が妨げられてしまう。
【００２５】
なお、ダイシングソーにより小片化した試料をその表面（ウェーハ表面）側からＦＩＢを照射して断面加工を行う場合は、ダメージ層を除去する際に、Ａｒイオンビームを再付着が少なくなるような方向、具体的には、試料の裏面側の方向から照射することで、二次粒子の再付着の問題を解決することが可能である。しかし、この手法は、図６および図７に示したような、ウェーハを割らずに特定部位に対して断面加工を行い、ピックアップ法によりＴＥＭ試料を取り出す方法には適用することはできない。
【００２６】
また、ピックアップ法により取り出したＴＥＭ試料を再加工できるようにしたものも提案されていおり、この場合は、上記の手法を適用することが可能であるが、再加工のための工程が増えるとともに、ＴＥＭ試料を保持するための再加工用の専用ホルダーを別途用意する必要があるためコスト面で不利なものとなる。
【００２７】
本発明の目的は、上記の各問題を解決し、観察面（断面）に二次粒子の再付着層が形成されても断面観察への影響がほとんどない、イオンビーム装置およびイオンビーム加工方法を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のイオンビーム装置は、特定部位に所定の集束イオンビームが照射されて断面が形成された試料の、前記断面を含む所定の範囲の領域に所定の材料よりなるデポジション膜を形成するデポジション手段と、前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記所定の集束イオンビームにより除去する第１のエッチング手段と、前記所定の範囲の領域のうちの少なくとも前記断面を含む領域に気体イオンビームを照射して、前記所定の集束イオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第２のエッチング手段とを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明のイオンビーム加工方法は、試料の特定部位に所定の集束イオンビームを照射して断面を形成する第１の工程と、前記断面を含む所定の範囲の領域に所定の材料よりなるデポジション膜を形成する第２の工程と、前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記所定の集束イオンビームにより除去する第３の工程と、前記所定の範囲の領域のうちの少なくとも前記断面を含む領域に気体イオンビームを照射して、前記所定の集束イオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第４の工程とを有することを特徴とする。
【００３０】
上記のとおりの本発明によれば、断面（観察面）に隣接する部分をデポジション膜で覆った状態で、気体イオンビームによるダメージ層の除去が行われる。このため、二次粒子の再付着はデポジション膜からのものとなる。デポジション膜には、所定の材料、すなわちＴＥＭやＳＥＭによる断面観察を妨げない成分、具体的にはカーボンが用いられているので、このデポジション膜からの二次粒子の再付着により形成された再付着層が、成分的に断面観察の妨げとなることはほとんどない。また、仮に、断面観察の際にその再付着層が観察されたとしても、その再付着層の成分は予め分かっているので、断面観察に際してその部分が問題になることは少ない。
【００３１】
加えて、本発明によれば、再加工用の専用ホルダーなど新たな部材を別途用意する必要はなく、また、ウェーハを割ったりする必要もないので、従来のようにコスト面で不利になったり、試料作製時間が長くなったりすることはない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
図１に、本発明のイオンビーム装置の一実施形態であるＦＩＢ装置の主要構成を模式的に示す。このＦＩＢ装置は、液体金属イオンビーム照射装置１、二次荷電粒子検出器２、ガス銃３、試料６を固定する試料ホルダー４、試料ステージ５、気体イオンビーム照射装置７、駆動部８、制御部９からなる。
【００３４】
液体金属イオンビーム照射装置１は、液体金属イオン源を備える既存の装置であって、液体金属イオン源から引き出されて十分に集束されたイオンビーム（ＦＩＢ）で試料６の特定部位を照射して加工（断面加工）することができる。液体金属イオン源には、例えばＧａイオン源が用いられる。
【００３５】
気体イオンビーム照射装置７は、気体イオン源を備える既存の装置であって、気体イオン源から引き出された気体イオンビームで試料６の所定の領域を走査することができる。気体イオン源に使用可能な気体イオンの種類としては、アルゴン、酸素、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、ラドン等がある。気体イオンビーム照射装置７から照射される気体イオンビームの光軸は、液体金属イオンビーム照射装置１から照射されるＦＩＢの光軸と所定の位置で交わるようになっている。
【００３６】
試料ホルダー４および試料ステージ５は、図５に示したものと同じである。二次荷電粒子検出器２は、ＦＩＢまたは気体イオンビームを試料６に照射した際に発生する二次荷電粒子を検出するものである。この検出結果に基づいて画像処理を行うことによりＳＩＭ機能を提供する。ガス銃３は、保護膜としてのデポジション膜および二次粒子の再付着を保護膜成分のみにするためのデポジション膜を形成するためのもので、所定の原料ガスを試料６の表面に吹き付ける。デポジション材料としては、カーボンが最適である。
【００３７】
制御部９は、液体金属イオンビーム照射装置１におけるＦＩＢ照射、気体イオンビーム照射装置７における気体イオンビーム照射およびガス銃３におけるガス噴射をそれぞれ制御する他、駆動部８によって駆動される試料ステージ５の５軸制御も行う。この他、制御部９は、二次荷電粒子検出器２の出力に基づくＳＩＭ像の画像化に必要な処理も行う。
【００３８】
本実施形態のＦＩＢ装置は、制御部９の制御によって提供される、以下のＳＩＭ機能、エッチング機能およびデポジション機能の３つの機能を備え、これらの機能を利用して試料６の断面加工およびダメージ層の除去を行う。
【００３９】
（１）ＳＩＭ機能：
このＳＩＭ機能には、試料６の特定部位を液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで走査して、この走査の際に発生する二次荷電粒子を二次荷電粒子検出器２で検出することでＳＩＭ像を得る第１のＳＩＭ機能と、気体イオンビーム照射装置７からの気体イオンビームで試料６の所定の領域を走査して、この走査の際に発生する二次荷電粒子を二次荷電粒子検出器２で検出することでＳＩＭ像を得る第２のＳＩＭ機能とがある。第１のＳＩＭ機能は、主にＦＩＢによる断面加工の際に用いられ、第２のＳＩＭ機能は、気体イオンビームによるダメージ層の除去の際に用いられる。
【００４０】
（２）エッチング機能：
このエッチング機能には、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで試料６の特定部位を照射して加工（断面加工）を行う第１のエッチング機能と、気体イオンビーム照射装置７からの気体イオンビームで試料６の断面を含む所定の範囲の領域を一様に照射してダメージ層を除去する第２のエッチング機能とがある。
【００４１】
（３）デポジション機能：
このデポジション機能には、ガス銃３により試料６の表面に所定のガスを吹き付けるとともに、ＦＩＢで試料６の特定部位を含む所定の範囲を走査することでデポジション膜を形成する第１のデポジション機能と、ガス銃３により試料６の表面に所定のガスを吹き付けるとともに、気体イオンビームで試料６の断面およびその隣接面を含む所定の範囲の領域を一様に照射してデポジション膜を形成する第２のデポジション機能とがある。第１のデポジション機能は、主にＦＩＢによる断面加工の際に用いられ、第２のデポジション機能は、気体イオンビームによるダメージ層の除去の際に用いられる。
【００４２】
次に、本実施形態のＦＩＢ装置を用いた具体的な試料作製手順について説明する。ここでは、一例として、試料６であるウェーハの特定部位（欠損箇所）のＴＥＭ試料を作製する手順について説明する。なお、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢによるウェーハの特定部位の断面加工は、図６に示した手順と同じであるため、以下の説明では、断面加工の工程の詳しい説明は省略する。
【００４３】
図２の（ａ）〜（ｄ）は、ＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。図１および図２を参照してＴＥＭ試料の作製手順を説明する。
【００４４】
まず、図６に示した手順に従って、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで試料６であるウェーハの特定部位を照射し、図２（ａ）に示すようなＴＥＭ試料部を形成する（第１のエッチング機能）。ＴＥＭ試料部の断面７ａの厚さは３０〜１００ｎｍ程度であり、この断面７ａには、図８で示したものと同様のダメージ層１１１が形成されている。また、ＴＥＭ試料部の表面（ウェーハ表面）には、断面加工の際に、第１のデポジション機能により形成されたデポジション膜１１０が残っている。このデポジション膜１１０も、ＦＩＢが照射された部分にダメージ層１１１が形成されている。
【００４５】
断面加工後、図２（ｂ）に示すように、ＴＥＭ試料部の断面７ａおよびこれに隣接する隣接面６ａを含む所定の範囲の領域にデポジション膜１１２ａ、１１２ｂを形成する（第２のデポジション機能）。図３に、この第２のデポジション機能によるデポジション膜形成を模式的に示す。
【００４６】
デポジション膜１１２ａ、１１２ｂの形成では、図３に示すように、まず、ガス銃３を用いて、ＴＥＭ試料部の断面７ａおよびこれに隣接する隣接面６ａを含む所定の範囲の領域に所定のガスを吹き付け、さらに気体イオンビーム照射装置７からの気体イオンビーム（ここではＡｒイオンビーム）で、その所定の範囲の領域を一様に照射する。続いて、試料６を１８０°回転して、同様な処理を施し、両断面７ａおよび両隣接面６ａに一様にデポジション膜１１２ａ、１１２ｂを形成する。デポジション膜１１２ａ、１１２ｂの膜厚は、数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。
【００４７】
デポジション膜１１２ａ、１１２ｂの形成後、図２（ｃ）に示すように、液体金属イオンビーム照射装置１からのＦＩＢで両断面７ａ上のデポジション膜１１２ａを除去する（第１のエッチング機能）。続いて、図２（ｄ）に示すように、断面７ａおよびこれに隣接する隣接面６ａを含む所定の範囲の領域を気体イオンビーム照射装置７からのＡｒイオンビームで一様に照射して、断面７ａ上のダメージ層１１１を除去する（第２のエッチング機能）。このときのＡｒイオンビームの照射範囲は、デポジション膜１１２ａ、１１２ｂが形成された範囲を超えないものとする。最後に、試料６を１８０°回転し、同様の処理を、先の断面７ａとは反対の側に位置する断面７ａに対して行う。これにより、両断面７ａ上のダメージ層１１１が除去される。
【００４８】
上述のＴＥＭ試料の作製によれば、図２（ｄ）におけるＡｒイオンビームによるダメージ層１１１の除去の際、隣接面６ａにはデポジション膜１１２ｂが形成されているので、二次粒子の再付着はこのデポジション膜１１２ｂからのものとなる。デポジション膜１１２ｂには、ＴＥＭ観察を妨げない成分、具体的にはカーボンが用いられているので、デポジション膜１１２ｂからの二次粒子の再付着により形成される再付着層（カーボン）１１３が、成分的にＴＥＭ観察の妨げとなることはほとんどない。また、再付着層（カーボン）１１３の厚さは数ｎｍ〜数十ｎｍであり、厚さ的に見てもＴＥＭ観察の際に問題となることはない。特に、カーボンのエッチングレートは遅いことから、再付着層（カーボン）１１３は、従来の場合に形成されていた再付着層の厚さより薄くなることが予想される。なお、仮に、ＴＥＭ観察の際にその再付着層（カーボン）１１３が観察されたとしても、カーボンであることが予め分かっているので、その部分については欠損と関係しないと判断することができる。これに対して、従来の場合は、再付着層は、その成分が不明であるため、ＴＥＭ観察の際に欠損と関係する否かを判断することができず、問題となっていた。
【００４９】
上述したデポジション膜（カーボン）を利用した二次粒子の再付着は、ＳＥＭ試料の作製にも適用することができる。ＳＥＭ試料の作製では、ＴＥＭ試料のような形態で試料を作製する場合（ただし、観察面となる断面は片面のみ）と、ウェーハの特定部位（欠損箇所）をＦＩＢにより加工して凹状の穴を形成し、この凹状の穴の壁面を観察面（断面）とする場合とがあるが、いずれの場合も、デポジション膜（カーボン）を利用した二次粒子の再付着を適用することができる。
【００５０】
また、ダイシングソーにより小片化した試料を加工する場合やピックアップ法により取り出したＴＥＭ試料を再加工する場合にも、上記デポジション膜（カーボン）を利用した二次粒子の再付着を適用することができる。
【００５１】
ところで、ＦＩＢによる断面加工および気体イオンビームによるダメージ層の除去に際しては、断面に生じるスジが生じることが知られている。例えば、表面に凹凸を有する試料に対してＦＩＢをその表面に略垂直な方向から照射して断面加工を行う場合、凹凸部の境界（角部）と平坦な部分とにおける加工速度（エッチング速度）が異なるため、形成された断面に表面の凹凸に応じたスジが生じる。また、断面加工領域に、材質の異なる領域（境界）が存在する場合も、同様なスジが生じる。これらのスジは、ＴＥＭやＳＥＭを用いた良好な断面観察を妨げる。
【００５２】
本実施形態のＦＩＢ装置では、以下に挙げる手順１、２のうちのいずれかを採用することで、上記のようなスジを取り除き、良好な断面観察を実現するようになっている。
【００５３】
＜手順１＞
（１−１）ＦＩＢを試料表面に第１の照射方向（例えば、試料表面に垂直な方向）から照射して断面加工を行う。この断面加工の際に、スジが生じる。
【００５４】
（１−２）スジを取り除くために、上記断面加工により得られた断面に対して、ＦＩＢを第１の照射方向とは異なる第２の照射方向から照射してエッチングする。これにより、断面に形成されたスジが取り除かれる。
【００５５】
（１−３）スジが取り除かれた断面に対して、第３の照射方向から気体イオンビームを照射して断面上のダメージ層を除去する。このダメージ層の除去工程で、スジが形成される。
【００５６】
（１−４）上記（１−３）の工程で形成されたスジを除去するために、断面に対して、気体イオンビームを第３の照射方向とは異なる第４の照射方向から照射してエッチングする。これにより、断面に形成されたスジが取り除かれる。
【００５７】
上記の（１−１）の工程および（１−２）の工程は、同時に行ってもよい。すなわち、第１の照射方向と第２の照射方向とを切り替えながら断面加工を行うようにしてもよい。同様に、上記の（１−３）の工程および（１−４）の工程も、同時に行ってもよい。この場合は、第３の照射方向と第４の照射方向とを切り替えながらダメージ層の除去を行うことになる。
【００５８】
＜手順２＞
（２−１）ＦＩＢを試料表面に第１の照射方向（例えば、試料表面に垂直な方向）から照射して断面加工を行う。この断面加工の際に、スジが生じる。
【００５９】
（２−２）上記断面加工により得られた断面に対して、第１の照射方向とは異なる第２の照射方向から気体イオンビームを照射して断面上のダメージ層を除去する。このダメージ層の除去工程では、（２−１）で生じたスジが除去されるが、気体イオンビームの照射により新たなスジが断面に形成される。
【００６０】
（２−３）上記（２−２）の工程で形成されたスジを除去するために、断面に対して、気体イオンビームを第２の照射方向とは異なる第３の照射方向から照射してエッチグする。これにより、断面に形成されたスジが取り除かれる。
【００６１】
上記の（２−２）の工程および（２−３）の工程は、同時に行ってもよい。すなわち、第２の照射方向と第３の照射方向とを切り替えながらダメージ層の除去を行うようにしてもよい。この場合は、断面加工時に生じたスジとダメージ層除去の際に生じるスジとを同時に取り除くことになる。
【００６２】
上述の手順１および手順２における照射方向の切り替えは、試料ステージのチルト角を制御することにより行うことができる。
【００６３】
以上説明したＦＩＢ装置は一例であって、装置構成および加工手順は、図１〜３に示したものに限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００６４】
図４に、図１に示したＦＩＢ装置にＳＥＭによる断面観察が可能な機能を組み込んだ複合装置の概略構成を示す。この複合装置は、図１に示した構成において、試料６に形成された断面に電子ビームを照射する電子ビーム照射装置１０を加えたものである。制御部９は、電子ビーム照射装置１０における電子ビームの照射、および電子ビーム照射により生じる二次電子を検出する二次荷電粒子検出器２の出力に基づくＳＥＭ像の画像化に必要な処理を行う。この制御部９による制御で、ＳＥＭ機能を提供する。
【００６５】
以上説明した本発明のイオンビーム装置において、気体イオンビームの加速電圧は数１００Ｖから５ｋＶが一般的であるが、ダメージを少なくするために低いほどよい。ただし、低い加速電圧にすると、エッチング速度が遅くなるため、実用的な時間でエッチングの終了する加速電圧を設定することが望ましい。
【００６６】
また、二次粒子の再付着の際に用いられるデポジション膜（図２のデポジション膜１１２ａ、１１２ｂ）の材料は、カーボンに限定されるものではなく、ＴＥＭやＳＥＭにおける良好な断面観察を妨げないものであれば、どのような材料を用いてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、観察面（断面）に二次粒子の再付着層が形成されてもＳＥＭやＴＥＭにおける断面観察への影響がほとんどないので、ウェーハのような大きな試料からダメージ層の少ないＴＥＭ試料やＳＥＭ試料を容易に作製することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＦＩＢ装置の主要構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示すＦＩＢ装置において行われるＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。
【図３】図２（ｂ）に示すデポジション膜の形成を説明するための模式図である。
【図４】図１に示すＦＩＢ装置にＳＥＭ機能を組み込んだ複合装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】従来のＦＩＢ装置の概略構成を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、図５に示す従来のＦＩＢ装置において行われるＴＥＭ試料の作製手順を示す工程図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、ピックアップ法によるＴＥＭ試料の取り出しを説明するための模式図である。
【図８】（ａ）は、図６（ｂ）に示すＴＥＭ試料の部分の断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図９】特開平６−２６０１２９号公報に記載されたＦＩＢ装置の概略構成を示す模式図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、再付着層の形成過程を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 液体金属イオンビーム照射装置
２ 二次荷電粒子検出器
３ ガス銃
４ 試料ホルダー
５ 試料ステージ
６ 試料
６ａ 隣接面
７ 気体イオンビーム照射装置
７ａ 断面
８ 駆動部
９ 制御部
１０ 電子ビーム照射装置
１１０、１１２ａ、１１２ｂ デポジション膜
１１３ 再付着層
Claims (13)
- 液体金属イオン源から引き出されて集束されたイオンビームが照射されて断面が形成された試料の、前記断面およびその隣接面を含む領域にＳＥＭあるいはＴＥＭによる観察を妨げない材料よりなるデポジション膜を形成するデポジション手段と、
前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記集束されたイオンビームにより除去する第１のエッチング手段と、
前記断面に気体イオンビームを照射して、前記集束されたイオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第２のエッチング手段とを有することを特徴とするイオンビーム装置。 - 液体金属イオン源から引き出されて集束されたイオンビームが照射されて断面が形成された試料の、前記断面およびその隣接面を含む領域に成分が予め分かっている材料よりなるデポジション膜を形成するデポジション手段と、
前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記集束されたイオンビームにより除去する第１のエッチング手段と、
前記断面に気体イオンビームを照射して、前記集束されたイオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第２のエッチング手段とを有することを特徴とするイオンビーム装置。 - 液体金属イオン源から引き出されて集束されたイオンビームが照射されて断面が形成された試料の、前記断面およびその隣接面を含む領域にカーボンよりなるデポジション膜を形成するデポジション手段と、
前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記集束されたイオンビームにより除去する第１のエッチング手段と、
前記断面に気体イオンビームを照射して、前記集束されたイオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第２のエッチング手段とを有することを特徴とするイオンビーム装置。 - 前記気体イオンビームは、不活性ガスイオンビームであることを特徴とする請求項１、２または３に記載のイオンビーム装置。
- 前記液体金属イオン源はＧａイオン源である請求項１から４のいずれか１項に記載のイオンビーム装置。
- 試料の特定部位に液体金属イオン源から引き出されて集束されたイオンビームを照射して断面を形成する第１の工程と、
前記断面およびその隣接面を含む領域にＳＥＭあるいはＴＥＭ観察を妨げない材料よりなるデポジション膜を形成する第２の工程と、
前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記集束されたイオンビームにより除去する第３の工程と、
前記断面に気体イオンビームを照射して、前記集束されたイオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第４の工程とを有することを特徴とするイオンビーム加工方法。 - 試料の特定部位に液体金属イオン源から引き出されて集束されたイオンビームを照射して断面を形成する第１の工程と、
前記断面およびその隣接面を含む領域に成分が予め分かっている材料よりなるデポジション膜を形成する第２の工程と、
前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記集束されたイオンビームにより除去する第３の工程と、
前記断面に気体イオンビームを照射して、前記集束されたイオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第４の工程とを有することを特徴とするイオンビーム加工方法。 - 試料の特定部位に液体金属イオン源から引き出されて集束されたイオンビームを照射して断面を形成する第１の工程と、
前記断面およびその隣接面を含む領域にカーボンよりなるデポジション膜を形成する第 ２の工程と、
前記デポジション膜の前記断面上の部分を前記集束されたイオンビームにより除去する第３の工程と、
前記断面に気体イオンビームを照射して、前記集束されたイオンビームの照射によって形成された、前記断面上のダメージ層を除去する第４の工程とを有することを特徴とするイオンビーム加工方法。 - 前記第３の工程は、前記気体イオンビームの前記試料への入射角度を変化させて前記ダメージ層を除去する工程を含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のイオンビーム加工方法。
- 前記第１の工程は、前記集束されたイオンビームの前記試料への照射角度を変化させて前記断面を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載のイオンビーム加工方法。
- 前記第２の工程は、前記集束されたイオンビームの前記試料への照射角度を変化させて前記デポジション膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載のイオンビーム加工方法。
- 前記気体イオンビームは、不活性ガスイオンビームであることを特徴とする請求項６から１１のいずれか１項に記載のイオンビーム加工方法。
- 前記液体金属イオン源は、Ｇａイオン源である請求項６から１２のいずれか１項に記載のイオンビーム加工方法。
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