JP4695959B2 - 集束イオンビーム装置及び集束イオンビーム装置の加工位置設定方法 - Google Patents

集束イオンビーム装置及び集束イオンビーム装置の加工位置設定方法 Download PDF

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本発明は試料の走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope:SIM)像を得、それをもとに集束イオンビームで加工する領域を設定する機能を有する集束イオンビーム装置及び集束イオンビーム装置の加工位置設定方法に関する。
半導体素子の欠陥又は不良の分析に走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)や透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)が用いられる。これらの観察装置に導入する試料断片は、集束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)装置によって作製される。集束イオンビーム装置は、高いビーム集束性能を有し、スパッタリング現象を利用して微細加工を行う。
集束イオンビーム装置における微細加工では、試料上の加工位置決めが必要である。加工位置決めは、集束イオンビームによる走査画像を用いて行う。この加工位置決めでは、制御コンピュータ上の試料像の表示分解能(例えば512×512画素)に合致したビーム偏向と画素情報取得処理を行い、走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope:SIM)像を表示して、それをもとに加工位置を設定する。
近年、半導体素子等の微細化により、加工対象となる試料の特徴部位の寸法は非常に小さい。従って、加工位置を見つけ出し、それを視野中心に配置するために、高い倍率、もしくは高鮮明な走査イオン顕微鏡像を取得しなければならない。しかしながら、それによって試料に照射されるイオンビーム量が増加し、試料がダメージを受ける。
本発明の目的は、試料へのダメージを最小化し高精度の位置決めを行うことができる集束イオンビーム装置を提供することにある。
本発明によると、集束イオンビーム装置は、検出器からの二次粒子信号によって生成された原画像を所定のズーム率に拡大すると同時に画素補間を行うことによってズーム画像を生成する。
本発明によると、試料へのダメージを最小化し高精度の位置決めを行うことができる。
図1は本発明の集束イオンビーム装置の構成の概略を示す図である。集束イオンビーム装置は、集束イオンビーム120を生成しそれを試料111に照射するFIBカラム10と、試料111からの二次電子121を検出する検出器112と、制御装置20と、画像生成部30と、入力装置35及び表示装置36を有する。画像生成部30は、検出器112からの二次電子線信号を入力して走査イオン顕微鏡(Scanning Ion Microscope:SIM)像を生成する。画像生成部30は、ズーム部31、シフト部32及びズーム画像の画素補間を行う画素補間部33を有する。
ズーム及びシフトを実現するためには、少なくともビーム偏向点分解能は画像表示分解能より大きい必要がある。本例では、ビーム偏向点分解能は4096×4096点であり表示分解能は512×512画素である。従って、最大8倍のズームが可能である。
画像生成部30はコンピュータ201又はコンピュータによって実行されるプログラムであってよい。
図2は本発明の集束イオンビーム装置のFIBカラム10の詳細図である。FIBカラム10は、液体金属イオン源エミッタ100、引出し電極101、コンデンサーレンズ102、可変アパーチャ103、アライナ・スティグマ104、ブランカ105、ブランキングアパーチャ106、ファラデーカップ107、デフレクタ108及び対物レンズ109を有する。集束イオンビーム装置は、更に、試料111から放出される二次電子を検出する検出器112、試料表面近傍にガスを供給するガス源113、微細試料をピックアップするマニピュレータ115を有する。
液体金属イオン源エミッタ100からのイオンは引出し電極101によって引き出され、コンデンサーレンズ102と対物レンズ109により試料111上に集束される。ブランカ105によるブランキング動作では、イオンビームはファラデーカップ107に入射する。
本例の集束イオンビーム装置にはデポジション用ガス源113とマニピュレータ115が装着されており、マイクロサンプリング法によって試料の局所領域から微細試料片を摘出することができる。
図3を参照して本発明の集束イオンビーム装置の制御装置20の例を説明する。制御装置20は、高圧電源203、絞り制御電源204、アライナ・スティグマ制御電源205、ビーム電流計測アンプ206、ブランキング制御電源207、偏向アンプ208、プリアンプ209、ステージ制御電源210、スキャナ211、画像メモリー212、排気制御電源213、ガス制御電源214、及び、マニピュレータ制御電源215を有する。各制御電源は制御バス202を介してコンピュータ201によって統括的に制御される。
高圧電源203はイオン源エミッタ100、引出し電極101、コンデンサーレンズ102、及び、対物レンズ109に高電圧を印加する。絞り制御電源204は可変アパーチャ103を制御し、所望のアパーチャ径を選択する。像観察時には小径アパーチャを選択し、大面積加工を行う場合は大口径アパーチャを選択する。アライナ・スティグマ制御電源205はアライナ・スティグマ104の8極の電極電圧を制御し、電気的な軸合わせと非点補正を行う。ビーム電流計測アンプ206はブランキング時にファラデーカップ107に流入するビーム電流を計測する。ブランキング制御電源207はブランカ105のブランキング電極を駆動し、ビームブランキングを行う。
偏向アンプ208は、スキャナ211から走査信号を入力し、8極2段の静電偏向器であるデフレクタ108を駆動する。プリアンプ209は検出器112からの信号を輝度電圧信号に変換し、それをディジタル値に変換し、画像メモリー212に書き込む。画像メモリー212に格納された像は表示装置36に表示される。
ガス制御電源214はガス源113の温度制御とバルブ開閉制御を行う。マニピュレータ制御電源はマニピュレータ115の微動制御及び試料との接触検出を行う。
図4は本発明の集束イオンビーム装置の第1の例における制御装置20の偏向制御系及び画像生成系の一部を説明する図である。スキャナ211は、X方向及びY方向の9ビットのビーム走査用のカウンタ41、42とDA変換器43、44を有する。カウンタ41、42からのディジタル走査信号xd、ydは、DA変換器43、44によってアナログ走査信号xa、yaに変換され、偏向アンプ208に出力される。
プリアンプ209は検出器112からのアナログ二次電子信号をAD変換するAD変換器45を有する。AD変換器45からのディジタル二次電子信号は、カウンタ41、42からのディジタル走査信号xd、ydと共に、画像メモリー212に格納される。画像の書き込みとスキャンの同期をとることにより、試料の顕微鏡像が画像メモリー212に形成される。こうして、512×512画素の像が画像メモリー212に格納される。
図5を参照して本発明の集束イオンビーム装置の第1の例について説明する。図5は表示装置36の画面の例を示す。この画面500は、画像表示領域511、縦スライドバー512、横スライドバー513を有する。画像表示領域511は試料の像を512×512画素の画像として表示する。縦スライドバー512、及び、横スライドバー513は、画像表示領域511に表示された像を移動させるために用いる。縦スライドバー512と横スライドバー513に含まれる黒色のインジケータの長さは、ズーム率を表わす。また、インジケータの位置は、画像表示領域511に表示されている領域が全体の画像のどの位置にあるかを示す。ズーム率が1のとき、黒色のインジケータは、各スライドバーの全領域に延びている。従って、ズーム率が1のとき、画像表示領域511には、試料の像の全体が表示され、この像を縦スライドバー512と横スライドバー513によって移動させることはできない。
この画面500は、更に、画像取得ボタン514、及び、ズーム率設定ボタン515を有する。画像取得ボタン514は、現在のズーム率とシフト位置でビームをスキャンして、新たに試料画像を取得するために設けられている。画像取得ボタン514については、後に、本発明の第2の例にて説明する。ズーム率設定ボタン515は、ズーム率を設定するために用いる。ズーム率は本例では、1倍〜8倍を用いる。
本例によると、ズーム率変更と同時に画素補間を行う。初期画面では、画像表示領域511にズーム率が1の画像が表示される。図示のように、ユーザが、ズーム率を1から4に変更すると、画像表示領域511には、4倍に拡大された像の一部が表示される。ズーム率が4の画像では、粗い画像となるが、本例では、画素間の領域に補間画素を埋め込むため鮮明な画像が得られる。画像表示領域511の一部516を拡大して描くと、実データ画素の間に補間データ画素が配置されているのがわかる。補間する画素のピッチはズーム率に対応する。例えば、ズーム率が4のとき、4画素ピッチで補間画素を挿入する。それにより、画素補間しない場合に比べ滑らかな画像を得ることができる。本例における画素補間の方法として、例えば、二次元的な平均値を補間情報とする処理(バイリニア法)が用いられてよい。
画像表示領域511には、ソフトウエア的に4倍に拡大され且つ画素補間された試料の像が表示されている。試料の加工対象物520が鮮明に表示されており、ユーザは、加工枠521を正確に設定することができる。もし、画像表示領域511内に加工対象物520が表示されていない場合には、縦スライドバー512と横スライドバー513によって視野を移動させることにより、加工対象物520を画像表示領域511内に表示させることができる。本例によると、加工対象物520を鮮明に表示するために、通常のビームの照射量の1/16の照射量で正確な加工位置決めが可能となった。このように、試料に対するダメージを軽減することができる。
図6を参照して本発明の集束イオンビーム装置の第2の例について説明する。図6は表示装置36の画面の例を示す。この画面500は、画像表示領域511、縦スライドバー512、横スライドバー513、画像取得ボタン514、及び、ズーム率設定ボタン515を有する。本例では、ズーム率は、1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍が可能である。
図5を参照して説明した本発明の第1の例では、ズームを行い、画素補間により画像の鮮明度を確保した。しかしながら、画素補間によって画像の鮮明度を確保することができるのは、ズーム率が8倍程度(4〜8倍)までである。ズーム率が8倍を超えると画素補間を行っても、鮮明な且つ正確な画像を得ることはできない。そこで本例では、ズーム後に画像を再取得する手法を組み合わせて使用し、広いズーム率設定範囲を確保し、加工位置決めの精度向上を図った。これを実現するためには、ビーム偏向点分解能が少なくとも表示分解能より大きくなければならない。本例では、表示分解能は512×512画素であるが、ズーム偏向点分解能は4096×4096点である。
ここでは、ズーム率が32倍の画像を得る場合を例に説明する。先ずズーム率8倍状態で画像取得する。次に、この画像を画素補間して4倍に拡大する。こうして、8倍と4倍のズームにより32倍のズーム画像を得ることができる。
初期画面では、画像表示領域511にズーム率が1の画像が表示される。ズーム率が1の場合、4096×4096個のビーム偏向点をビーム偏向機能によって1/8に間引いて512×512個の画素の画像を得る。次に、ズーム率を1から8に変更すると、画像表示領域511には、画素補間して8倍に拡大された画像が表示される。
次に、画像取得ボタン514を押す。それによって、現在のズーム率とシフト位置にて、新たな画像が得られる。現在のズーム率8倍の状態で、512×512点の新たな原画像が取得される。
図6(a)は、ズーム率が8倍の状態で画像取得ボタンを押した後の画像を示す。画像表示領域511の一部611を拡大して描くと、実データ画素のみからなるのがわかる。但し、画像表示領域511には、4096×4096個のビーム偏向点による走査イオン顕微鏡像の一部のみが表示される。走査イオン顕微鏡像の他の部分を表示させるには、縦スライドバー512及び横スライドバー513を用いて、画像をシフトさせればよい。
図6(b)は、ズーム率設定ボタン515によってズーム率を32倍に設定したときの画像を示す。画像表示領域511に表示された画像は、ズーム率8倍の状態で画像取得した原画像を画素補間により4倍に拡大したものである。画像表示領域511の一部612を拡大して描くと、実データ画素の間に補間データ画素が配置されているのがわかる。この状態では、ビーム偏向点と画像像表示領域511の画像の画素の間に一対一の関係は成立しない。画像表示領域511には、32倍に拡大された走査イオン顕微鏡像の一部のみが表示される。走査イオン顕微鏡像の他の部分を表示させるには、縦スライドバー512及び横スライドバー513を用いて、画像をシフトさせればよい。この機能により、試料ステージを動かすことなく、試料の広い領域を高い分解能で観察することが可能である。
こうして本例では、ズーム率が32倍の状態で、高精度の加工位置決めを行うことができる。
ビーム偏向点と画像表示領域511の画像の画素の間に一対一の関係があるかないかを区別することができると便利である。そこで本例では、ズーム率が1倍、2倍、4倍、8倍の場合はズーム率の表示色を青色に、ズーム率が16倍、32倍の場合、表示色を赤色にして、オペレータにズーム機能の状態が分かるようにした。
図7を参照して本発明の集束イオンビーム装置の第2の例における処理を説明する。ステップS101にて、集束イオンビーム装置の画像生成部30は初期画面を生成し、それを表示装置36の画面に表示する。初期画面ではズーム率が1の画像が表示される。ステップS102にて、画像生成部30はユーザが入力したズーム率が8倍以下であるか否かを判定する。
ステップS102にて、ズーム率が8倍以下の場合にはステップS103に進み画素補間が実施される。ステップS102にて、ズーム率が8倍以下でないの場合には、ステップS104に進み、ズーム率が8倍の状態で一度画像の再取得を行い、その後、ステップS103に進み画素補間が実施される。画素補間後にステップS105で画像表示される。
図8は本発明の集束イオンビーム装置の第2の例における制御装置20の偏向制御系及び画像生成系の例を示す図である。スキャナ211は、X方向及びY方向の12ビットのビーム走査用のカウンタ61、62とバレルシフタ63、64とシフトレジスタ65、66と、加算器67、68とDA変換器69、70を有する。
カウンタ61、62は、高精細の画像を取得し、又は、試料を加工する場合には12ビットモードで動作し、画像取得ボタン514を押して画像を取得する場合は、9ビットモードで動作する。図8は、9ビットモード時のビット数を表記した。バレルシフタ63、64のシフトビットはズーム率に対応している。レジスタ65、66の値は縦スライドバー512と横スライドバー513による移動量に対応している。レジスタ65、66によって試料ステージを移動させることなく画像シフトが実現される。
カウンタ61、62からのデジタル走査信号xd、ydは、バレルシフタ63、64によってシフトされ、加算器67に送出される。加算器67は、バレルシフタ63、64からの信号とシフトレジスタ65、66からの信号を加算し、DA変換器69、70に送出する。DA変換器69、70は、加算した信号をアナログ走査信号xa、yaに変換し、偏向アンプ208に出力する。
プリアンプ209は検出器112からのアナログ二次電子信号をAD変換するAD変換器71を有する。AD変換器71からのディジタル二次電子信号は、カウンタ61、62からのディジタル走査信号xd、ydと共に、画像メモリー212に格納される。画像の書き込みとスキャンの同期をとることにより、試料の顕微鏡像が画像メモリー212に形成される。こうして、512×512画素の像が画像メモリー212に格納される。
本発明によると、加工位置決めを行うために試料の像を得るとき、試料ダメージが極小となり、更に、加工位置決め精度が高くなる。従って、マイクロサンプリングによって微小な試料断片を得る場合でも、試料の表面のダメージが少なく、目的部位をより正確に摘出することができる。
特に半導体メモリーの繰り返しパターン(セル)を計数する場合(セルカウント)、画素補間をすることでセルの境界が判別しやすくなり、一度に多数のセルが数えられる。また、CADナビゲーションシステムと併用する場合も、アライメント作業や場所探し中の試料ダメージを軽減する効果が期待できる。
本発明によれば、試料ダメージが少ない状態で、正確な加工位置決めができる。また、粗い画像を取得しても正確な加工位置合わせが可能となるため、画像取得時間の節約が可能である。
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。
本発明の集束イオンビーム装置の構成の概略を示す図である。 本発明の集束イオンビーム装置のFIBカラムの詳細図である。 本発明の集束イオンビーム装置の制御装置の構成図である。 本発明の集束イオンビーム装置の第1の例における制御装置の偏向制御系及び画像生成系の一部を説明する図である。 本発明の集束イオンビーム装置の第1の例における表示装置の画面の例を示す図である。 本発明の集束イオンビーム装置の第2の例における表示装置の画面の例を示す図である。 本発明の集束イオンビーム装置の第2の例における処理の流れを示す図である。 本発明の集束イオンビーム装置の第2の例における制御装置の偏向制御系及び画像生成系の例を示す図である。
符号の説明
10…FIBカラム、20…制御装置、30…画像生成部、35…入力装置、36…表示装置、100…エミッタ、101…引出し電極、102…コンデンサーレンズ、103…可変アパーチャ、104…アライナ・スティグマ、105…ブランカ、106…ブランキングアパーチャ、107…ファラデーカップ、108…デフレクタ、109…対物レンズ、111…試料、112…検出器、113…ガス源、115…マニピュレータ、120…イオンビーム、121…二次電子、201…コンピュータ、202…制御バス、203…高圧電源、204…絞り制御電源、205…アライナ・スティグマ制御電源、206…ビーム電流計測アンプ、207…ブランキング制御電源、208…偏向アンプ、209…プリアンプ、210…ステージ制御電源、211…スキャナ、212…画像メモリー、213…排気制御電源、214…ガス制御電源、215…マニピュレータ制御電源

Claims (13)

  1. 試料に集束イオンビームを照射する照射系と、上記集束イオンビームを偏向する偏向制御系と、上記試料からの二次粒子信号を検出する検出器と、該検出器からの信号より上記試料の走査イオン顕微鏡像を生成する画像生成部と、該生成された走査イオン顕微鏡像の全部もしくは一部を表示する表示装置とユーザからの指示を入力する入力装置とを有し、
    上記表示装置の初期画面にズーム率が1の走査イオン顕微鏡像を表示し、上記入力装置を介してユーザが入力したズーム率が一定倍以下の場合には上記ズーム率が1の走査イオン顕微鏡像に対して画素補間を行うことによってユーザが指定したズーム率の走査イオン顕微鏡像を生成して上記表示装置に表示し、上記入力装置を介してユーザが入力したズーム率が一定倍以下でない場合には上記一定倍の走査イオン顕微鏡像を再取得し、該再取得した走査イオン顕微鏡像に対して画素補間を行うことによってユーザが指定したズーム率の走査イオン顕微鏡像を生成して上記表示装置に表示することを特徴とする集束イオンビーム装置。
  2. 請求項1記載の集束イオンビーム装置において、上記偏向制御系は上記表示装置による表示分解能より大きいビーム偏向点分解能と該ビーム偏向点を間引いて偏向する機能とを有し、上記ズーム率が1の走査イオン顕微鏡像は、ビーム偏向点を間引いて生成されることを特徴とする集束イオンビーム装置。
  3. 請求項1記載の集束イオンビーム装置において、上記表示装置による表示分解能がx×y画素とした時、上記偏向制御系のビーム偏向点分解能は(4×x)×(4×y)点もしくは(8×x)×(8×y)点であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
  4. 請求項1記載の集束イオンビーム装置において、上記表示装置は、上記走査イオン顕微鏡像を表示する画像表示領域と設定されたズーム率を表示する領域を含む画面を表示し、上記画像表示領域に表示された走査イオン顕微鏡像が画素補間を行わず生成された場合のズーム率と画素補間を行って生成された場合のズーム率の表示を異なる色で行うことを特徴とする集束イオンビーム装置。
  5. 請求項記載の集束イオンビーム装置において、上記表示装置によって表示される画面は、上記画像表示領域に表示された像を縦方向に移動させるための縦スライドバーと横方向に移動させるための横スライドバーを有し、スライドバーの長さにはズーム率が反映され、スライドバーの位置は上記画像表示領域に表示されている領域が全体の画像のどの位置にあるかを示すことを特徴とする集束イオンビーム装置。
  6. 請求項1記載の集束イオンビーム装置において、上記画像生成部は、上記試料の走査イオン顕微鏡像を格納する画像メモリーを有し、該画像メモリーは上記偏向制御系からの走査信号と同期的に上記試料の走査イオン顕微鏡像の書き込みを行うことを特徴とする集束イオンビーム装置。
  7. 請求項1記載の集束イオンビーム装置において、上記偏向制御系は、X方向及びY方向の走査信号を出力するスキャナと、該スキャナからの走査信号を入力しデフレクタを駆動する信号を生成する偏向アンプと、を有することを特徴とする集束イオンビーム装置。
  8. 請求項1記載の集束イオンビーム装置において、上記表示装置に表示された顕微鏡像をもとに集束イオンビームを局所照射する領域を設定する加工位置設定部と、デポジション用ガス源とマニピュレータが設けられ、マイクロサンプリング法によって試料の局所領域から微細試料片を摘出することができるように構成されていることを特徴とする集束イオンビーム装置。
  9. 試料に集束イオンビームを照射する照射系と、上記集束イオンビームを偏向する偏向制御系と、上記試料からの二次粒子信号を検出する検出器と、該検出器からの信号より上記試料の走査イオン顕微鏡像を生成する画像生成部と、該生成された走査イオン顕微鏡像の全部もしくは一部を表示する表示装置と、ユーザからの指示を入力する入力装置とを有する集束イオンビーム装置を用いた加工位置設定方法において、
    上記表示装置の画面にズーム率が1の走査イオン顕微鏡像を表示することと、上記入力装置を介してユーザが入力したズーム率が一定倍以下であるか否かを判定することと、上記ユーザが入力したズーム率が一定倍以下の場合には上記ズーム率が1の走査イオン顕微鏡像に対して画素補間を行うことによってユーザが指定したズーム率の走査イオン顕微鏡像を生成して上記表示装置に表示し上記ユーザが入力したズーム率が一定倍以下でない場合には上記一定倍の走査イオン顕微鏡像を再取得し、該再取得した走査イオン顕微鏡像に対して画素補間を行うことによってユーザが指定したズーム率の走査イオン顕微鏡像を生成して上記表示装置に表示することと、上記表示装置に表示された画像をもとに加工領域を設定することと、を含む集束イオンビーム装置を用いた加工位置設定方法。
  10. 請求項記載の集束イオンビーム装置の加工位置設定方法において、上記表示装置による表示分解能をx×y画素とした時、上記偏向制御系のビーム偏向点分解能を(4×x)×(4×y)点もしくは(8×x)×(8×y)点とすることを特徴とする集束イオンビーム装置の加工位置設定方法。
  11. 請求項記載の集束イオンビーム装置の加工位置設定方法において、上記表示装置は、上記走査イオン顕微鏡像を表示する画像表示領域と設定されたズーム率を表示する領域を含む画面を表示し、上記画像表示領域に表示された走査イオン顕微鏡像が画素補間を行わず生成された場合のズーム率と画素補間を行って生成された場合のズーム率の表示を異なる色で行うことを特徴とする集束イオンビーム装置の加工位置設定方法
  12. 請求項11記載の集束イオンビーム装置の加工位置設定方法において、上記表示装置によって表示される画面は、上記画像表示領域に表示された像を縦方向に移動させるための縦スライドバーと横方向に移動させるための横スライドバーを有し、スライドバーの長さにはズーム率が反映され、スライドバーの位置は上記画像表示領域に表示されている領域が全体の画像のどの位置にあるかを示すことを特徴とする集束イオンビーム装置の加工位置設定方法
  13. 請求項12のいずれか1項記載の集束イオンビーム装置の加工位置設定方法をコンピュータに実行させるためプログラム。
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