JP4676339B2 - 荷電ビーム装置及び試料作製・観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体デバイスの基板から取り出した微細試料に、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：以下、「ＦＩＢ」と略す。）を用いた特定個所の微細加工を利用して、その加工断面を作製し、かつその加工断面を走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、「ＳＥＭ」と略す。）などで観察する荷電ビームを用いた荷電ビーム装置及び試料作製・観察方法に関する。

特許文献１によると、レーザビームを用いて試料表面の複数点の高さを検出し、その複数点の高さ情報から試料表面の傾きを算出する技術が開示されている。また、非特許文献１によると、ＦＩＢ照射系と電子ビーム照射系の両照射軸は鋭角で交差しており、両ビームの走査画像、つまり走査イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像）とＳＥＭ像にて同じ領域の像を表示することができる。電子ビーム照射系から見込まれるように断面をＦＩＢで加工作製すれば、加工断面は試料傾斜せずにＳＥＭ観察することができる。このＦＩＢ加工とＳＥＭ観察を繰り返していけば、加工断面の奥行き方向に連続的な切片画像が積算できる。

ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察の繰返しによる加工断面の奥行き方向のＳＥＭ観察では、加工断面が奥行き方向に移動するため、その移動に伴うＳＥＭ観察の観察視野ずれとフォーカスずれが発生する。これを回避する方法の一つとしてＳＥＭ観察の観察視野とフォーカスをその加工断面の変化に追随させる方法があるが、ズレ量の検出とそれに応じた補正量の算出そして新たな光学条件の再設定が必要となり、非常に複雑で困難なものとなる。

非特許文献１に開示された視野位置補正および自動焦点化の手段には、いずれも最適状態に達するための探索作業（制御計算機内の作業）が組み込まれている。この探索作業時間は、通常、数秒から数１０秒を要し、この間は正しい視野で、かつフォーカスの合った加工断面のＳＥＭ観察は行えない。また、ＳＥＭ観察の観察視野とフォーカスをその加工断面に追随させることもできるが、連続的なズレ量の検出、そのズレ量に対する補正量の算出、そして観察視野とフォーカスの再調整という一連の動作が追加で必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、ＳＥＭ観察の観察視野ずれとフォーカスずれを容易に回避して正確な試料の３次元情報を取得できるようにすることである。

上記課題を解決するために、本発明では、ＦＩＢ加工により形成された加工断面が最初に設定したＳＥＭ観察視野とフォーカスで視野ズレとフォーカスずれが無視できる範囲内に常に存在するようにし、ＦＩＢの走査は一次元方向で固定し、その加工断面（ＳＥＭの観察面でもある）が動かないようにし、この加工断面は加工に用いるイオンビームと観察に用いる電子ビームの二つの光軸を含む平面に対して垂直にし、ＳＥＭの観察視野とフォーカスはこの面において所望の値となるように設定する。また、ステージの平面移動（Ｘ、Ｙ方向）に加えてＦＩＢ加工とＳＥＭ観察の交差位置に合わせて回転（Ｒ方向）、傾斜（Ｔｉｌｔ方向）、そして高さ移動（Ｚ方向）を加える。

本発明により、ＦＩＢ断面加工と加工断面のＳＥＭ観察をＳＥＭの観察視野とフォーカスの再調整なしで連続的に（あるいは繰返し）行うことができ、容易に正確な試料の３次元情報が得られる。

立体的な加工はステージの移動により行えば加工断面（ＳＥＭの観察面）は常に一定位置に保持されるので、最初に設定したＳＥＭ観察視野とフォーカスの再調整は必要ない。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１〜図４は、本発明の実施例１の装置構成を示している。図１は荷電粒子ビーム装置の概略構成図である。イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系３は試料室筐体５に取り付けられており、イオンビーム照射軸（−Ｚ_ｉ）２と電子ビーム照射軸（−Ｚ_ｅ）４は試料６の上で鋭角αの角度で交差している。試料から放出された荷電粒子は荷電粒子検出器７で検出される。

試料６は、移動（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と回転（Ｒ軸）と傾斜（Ｔ軸）が可能な試料ステージ１０に搭載されており、Ｚ移動（イオンビーム照射軸Ｚ_ｉ軸方向の移動）により上述の両照射軸の交差点Ｏを試料６の表面に合わすことができる。イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系３、荷電粒子検出器７、試料ステージ１０は制御部１３により制御され、光学系の設定ウインドウや観察像などはＣＲＴ１２に表示される。

図２〜図４は、本発明の実施例１のＦＩＢによる断面試料作製およびＳＥＭ観察方法の説明図である。先ず図２にて、ＦＩＢ加工による断面試料作製とその断面のＳＥＭ観察を繰返し（あるいは連続的に）行う方法を説明する。三次元（３Ｄ）解析したい領域２１は断面２０を端面として幅Ｗ深さＤ長さＬの直方体で近似できる。代表的なＷ，Ｄ，およびＬのサイズは、それぞれ８μｍ、８μｍおよび２０μｍである。

まず初めに矩形２２の穴加工をして断面２０をＦＩＢで作製し、露出させる。この加工ではＦＩＢをＸ_ｉ方向（ここではＸ_ｉ，１→Ｘ_ｉ，ｓ）に走査する。加工断面は図２に示すようにイオン照射軸を含んだ平面Ｙ_ｉＺ_ｉに平行に作製する（厳密にはイオンのスパッタリング特性で平面Ｙ_ｉＺ_ｉに対し１−３度ずれるが、ここでは平行と近似表記する）。ＦＩＢおよび電子ビームの照射方向はそれぞれ−Ｚ_ｉ軸および−Ｚｅ軸である。この矩形穴２２は断面２０のＳＥＭ観察用の電子ビーム通過路として利用される。

その後、ＦＩＢの−Ｘ_ｉ方向への偏向は行わず、ステージをＸ_ｉ方向に移動することで（図２においてＸ_ｉ，ｓ→Ｘ_ｉ，２）新たな断面を作成してゆく。この実施例１での加工領域はＷ×Ｄ×Ｌの直方体となり、これが取得する三次元情報となる。このような動作を行うことにより観察面は常に一定位置に保持されるのでＳＥＭ観察はフォーカスの再調整も観察視野の再調整も必要としない。

ステージは図３に示す所望の任意のトレースライン３０に従い移動させる。その結果、ＦＩＢ加工断面かつＳＥＭ観察断面２０は試料の座標系から見るとトレースライン３０に添って移動することになるが、ＦＩＢおよびＳＥＭの光軸の座標系から見ると移動していない。すなわち実質的に加工位置は移動しているが、ＳＥＭを基準として見ると加工・観察位置は動いておらず、ＳＥＭ観察視野とフォーカスは一定のままでよく、再調整は必要としない。

図４の加工領域３１は、ステージを５方向（Ｘ_{１，ｓｔａｇｅ}、−Ｒ_{１，ｓｔａｇｅ}、−Ｙ_{１，ｓｔａｇｅ}、Ｒ_{２，ｓｔａｇｅ}、Ｘ_{２，ｓｔａｇｅ}）に順次移動（Ｘ_{１，ｓｔａｇｅ} → −Ｒ_{１，ｓｔａｇｅ} → −Ｙ_{１，ｓｔａｇｅ} → Ｒ_{２，ｓｔａｇｅ} → Ｘ_{２，ｓｔａｇｅ}）することでトレースライン３０に追随して加工される。このようにステージの駆動軸を複数組み合わせた移動を行うことで、単純な長方形だけではなく、たとえば図４のクランク状の領域（加工領域３１）でも容易に三次元で解析できる。これと同じ思想によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｒ軸、Ｔ軸の５軸を用いることで平面移動（Ｘ、Ｙ方向）、高さ移動（Ｚ方向）、回転（Ｒ方向）、傾斜（Ｔｉｌｔ方向）を自由に組み合わせ任意の領域を容易に三次元解析することができる。

ステージの移動はイオンビームの走査と同期して連続的に行ってもよいし、断続的に行っても良い、また、イオンビームに走査とブランキングを組み合わせて行う場合には、ステージの移動はイオンビームの走査あるいはブランキングと同期して連続的に行っても断続的に行っても良い。同期するのは電子ビームの走査でも構わない。

試料の三次元観察は所望の断面が作れればよいので、イオンビームは微小スポット形状の集束イオンビームに限らず、あるマスク形状を投射する投射型イオンビームを用いてもよい。投射型イオンビームのばあいには、縮小率を所望の断面の大きさに合わせて走査動作をなくし、単に投射するだけでも良い。これでもステージを移動させるので三次元の加工は実現できる。また投射と走査を組み合わせてもよい。

加工領域の設定は、図３の所望の断面２０の大きさとトレースライン３０の設定で可能である。断面２０の大きさは図２のＷとＤの二つのパラメータを指定する。トレースラインは所望の三次元領域を線で指定する。従来は加工領域を、たとえば図４のクランク型領域とすると、イオンビーム照射軸２からみて試料表面にクランク型の長方形を二次元図形で指定し、加工深さをパラメータとして設定していた。この従来方法では形状が複雑になるほど設定作業が大変であったが、本発明ではトレースラインを線として引くだけでよく、大幅な作業の容易化を実現している。

本発明の実施例１の荷電粒子ビーム装置の概略構成図である。 本発明の実施例１のＦＩＢによる断面試料作製およびＳＥＭ観察方法の説明図である。 本発明の実施例１のトレースラインと各光軸との関係の説明図である。 本発明の実施例１のステージ移動と解析領域の説明図である。

符号の説明

１ イオンビーム照射系
２ イオンビーム照射軸
３ 電子ビーム照射系
４ 電子ビーム照射軸
５ 試料室筐体
６ 試料
７ 荷電粒子検出器
１０ 試料ステージ
１２ ＣＲＴ
１３ 制御部
２０ 加工断面
２１ ３Ｄ解析したい領域（幅Ｗ深さＤ長さＬ）
２２ 初期穴加工の矩形
３０ 試料ステージの所望のトレースライン
３１ 所望の解析領域

Claims (5)

1. イオンビームを発生させるイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズと、前記イオンビームを前記試料上で走査する偏向器と、前記電子ビームを発生させる電子源と、前記電子ビームを集束させるレンズと、前記電子ビームを前記試料上で走査する偏向器と、前記試料の画像を取得するために前記試料から発生した二次粒子を検出する検出器とを具備し、前記イオンビームと前記電子ビームとが鋭角の角度で交わる位置が存在し、その交わる位置に前記試料を配置することができるステージあるいはマニピュレータ機構あるいはその両方を具備する荷電ビーム装置において、
   前記イオンビームあるいは前記電子ビームの何れか、あるいはその両方のビームの照射に同期して、前記イオンビームと前記電子ビームとが交わる位置に前記試料の加工断面を合わすように前記イオンビームのＸ方向の位置を固定し、前記イオンビームをＹ方向に往復動させながら、前記試料を移動させることで立体的な加工を行い、その加工断面を連続的あるいは断続的に観察することを特徴とする荷電ビーム装置。
2. 請求項１に記載の荷電ビーム装置において、
   前記加工断面は前記イオンビームと前記電子ビームとが交わる位置に合わせた平面であり、かつ加工に用いる前記イオンビームと観察に用いる前記電子ビームの二つの光軸を含む平面に対して垂直な平面であることを特徴とする荷電ビーム装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷電ビーム装置において、
   前記試料上の加工領域の位置は、メモリに保存した観察像に所望の加工断面が移動するトレースラインを線で指定することで設定することを特徴とする荷電ビーム装置。
4. 請求項３に記載の荷電ビーム装置において、
   設定した前記トレースラインに従い前記ステージあるいはマニピュレータあるいはその両方が移動することで前記試料の立体的な加工を行うことを特徴とする荷電ビーム装置。
5. イオンビームを発生させるイオン源と、前記イオンビームを集束させるレンズと、前記イオンビームを前記試料上で走査する偏向器と、前記電子ビームを発生させる電子源と、前記電子ビームを集束させるレンズと、前記電子ビームを前記試料上で走査する偏向器と、前記試料の画像を取得するために前記試料から発生した二次粒子を検出する検出器とを具備し、前記イオンビームと前記電子ビームとが鋭角の角度で交わる位置が存在し、その交わる位置に前記試料を配置することができるステージあるいはマニピュレータ機構あるいはその両方を具備する荷電ビーム装置による試料作製・観察方法において、
   前記イオンビームあるいは前記電子ビームの何れか、あるいはその両方のビームの照射に同期して、前記イオンビームと前記電子ビームとが交わる位置に前記試料の加工断面を合わすように前記イオンビームのＸ方向の位置を固定し、前記イオンビームをＹ方向に往復動させながら、前記試料を移動させることで立体的な加工を行う段階と、
   その加工断面を連続的あるいは断続的に観察する段階と、を備えたことを特徴とする試料作製・観察方法。

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