JP4740668B2 - 荷電ビーム装置及びそのビーム軸の軸合わせ方法 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビーム装置と走査電子顕微鏡のように２つのビーム照射系装置を備えた荷電ビーム装置に関し、特に、２つのビーム軸の軸合わせに関する。

半導体デバイスの基板を、集束イオンビーム装置と走査電子顕微鏡を備えた荷電ビーム装置を用いて観察することが行われている。集束イオンビーム（Focused Ion Beam：以下、ＦＩＢと略す）加工によって、微細試料を切り出し、更に、それから、薄膜試料を作製する。走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope: 以下、ＳＥＭと略す）によって薄膜試料のＳＥＭ像を得ることによって、基板の断面を観察することができる。

集束イオンビーム装置と走査電子顕微鏡を備えた荷電ビーム装置では、イオンビーム照射系のビーム軸と電子ビーム照射系のビーム軸は互いに傾斜している。イオンビーム照射系による走査イオン顕微鏡像（ＳＩＭ画像）とＳＥＭ画像が同一領域の像を表示するには、イオンビーム軸と電子ビーム軸は試料表面にて交差させる「軸合わせ」が必要となる。

軸合わせは、イオンビーム照射系と電子ビーム照射系を機械的に移動させる移動調整によって行う。この移動調整は簡単ではない。２つのビーム照射系の一方を試料筐体に対して垂直に装着し、他方を試料筐体に対して傾斜（鋭角、直角、あるいは鈍角）して装着する。軸合わせは、両走査画像を観察しながらのその画像の視野中心を一致させる調整作業となる。照射系（照射カラム）を移動調整する場合は装置の真空を維持したまま高精度移動する機構が必要となる。高分解能観察及び高位置精度仕様の高電圧の照射系は、耐震や耐電磁ノイズに対し強固に作られており、それぞれが数１０ｋｇと重くなっている。真空維持の観点からは移動部と被移動部とは真空用シールを介してと固定される。従って、照射軸位置調整部は、真空を維持し、かつ、移動性を確保する必要がある。移動する照射系の重力を支えている対置面が水平でない場合は、照射ビーム系の固定機構を緩めると、対置面において、照射ビーム系が自重によるずれて落ちる力が生ずる。そのため、固定機構の緩め前後で照射ビーム系のわずかな位置ずれや倒れが発生する。

ビーム照射系の移動調整に関する従来技術には、以下がある。特許文献１では先ず、イオンビームと電子ビームの両コラムのどちらか一方または両方を機械的に移動可能に構成しておき、イオンビームと電子ビームを交互に試料に照射し、ＳＥＭ画像とＳＩＭ画像を交互に観察する。そして、二種の像を交互に観察しながら、二種の像の位置移動が最小となるように、両光軸を機械的に合わせる。次に、この機械的なアライメントで調整できなかった微小の光軸のずれを、電気的なアライメントによって調整する。この電気的な調整では、イオンビームか電子ビームのいずれか一方または両方のビームシフト機能を用いる。例えば、電子ビームの偏向により電子ビームの走査範囲をシフトさせ、イオンビームの走査範囲と一致させている。

特許文献２では、イオンビームと電子ビームの試料照射位置のずれを確認する手段と、両ビームの試料照射位置を一致させる手段が開示されている。しかし、イオン源と電子源は同一の荷電粒子源で加速電源の極性を正あるいは負にすることにより選択している。従って、イオンビーム照射系と電子ビーム照射系は、原理的には同じ光学軸を用いたものである。しかし、高倍率観察や加工などの実際においては、光軸上に漏洩してくる磁場などのイオンや電子への偏向量が異なるため、単に加速電源の極性を反転しても、両ビームの試料照射位置は一致しない。これらを一致させる手段として静電偏向器による調整が行われる。

特許文献３では、走査電子顕微鏡を用いた観察や検査において、試料が従来の顕微鏡試料室に入れられない程に大きい場合に、鏡体を試料に真空シール手段を介して直接に対置させ、観察や検査の視野移動は鏡体の水平移動により行うことが開示されている。

特開平7-230784号公報 特開平2-27648号公報 特開昭56-76151号公報

本発明の目的は、２つのビーム軸を有する荷電ビーム装置において、２つのビーム軸の軸合わせを効率化することにある。

本発明によると、重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射系と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射系と、有する荷電ビーム装置において、先ず、試料を上下方向に移動させて、第１ビーム軸と試料の表面の交点Ｏｉと第２ビーム軸と試料の表面の交点Ｏｅの間のＸｉ方向の距離ΔＸｉをゼロにする。次に、第２のビーム照射系を水平方向に移動させて、第１ビーム軸と試料の表面の交点Ｏｉと、第２ビーム軸と試料の表面の交点Ｏｅの間のＹｉ方向の距離ΔＹｉをゼロにする。こうして粗調整を行った後に、微調整を行う。

本発明によると、２つのビーム軸を有する荷電ビーム装置において、２つのビーム軸を交差させる軸合わせを効率化することにある。

以下に、図面を参照して本発明の例を説明する。

図１を参照して本発明による荷電ビーム装置の第１の例を説明する。荷電ビーム装置は、重力方向とほぼ平行なイオンビーム軸２を有するイオンビーム照射系１と、重力方向より傾斜した電子ビーム軸４を有する電子ビーム照射系３の２つのビーム照射系を有する。２つのビーム照射系１，３は、試料室筐体５に装着されている。イオンビーム照射系１には照射軸位置調整部９が設けられている。

試料室筐体５内には試料６を保持する試料ステージ１０が配置されている。試料室筐体５には、試料６表面から放出される２次電子、反射電子等を検出する二次電子検出器７が配置されている。試料室筐体５には、試料６表面から放出されるＸ線を検出するＸ線検出器８が配置されているが、図１において電子ビーム照射系３の背後に隠れ、図示することができないため、図１の下部に別個に示してある。

荷電ビーム装置は更に、試料室筐体５内を真空排気する排気系１１、排気系に電源を供給する排気系電源１２、ＳＩＭ画像１３ａ及びＳＥＭ画像１３ｂを表示する画像表示手段１３、及び、ビーム制御部１５を有する。

画像表示手段１３は、輝度信号として二次電子、反射電子等を用いて生成したＳＩＭ画像及びＳＥＭ画像を表示するが、二次電子、反射電子、Ｘ線等を用いて生成した複数のＳＥＭ画像を表示するように構成してもよい。

ビーム制御部１５は、イオンビーム照射系１及び電子ビーム照射系３の制御ばかりでなく、荷電粒子検出器７、Ｘ線検出器８、画像表示手段１３及び排気系電源部１２を含む装置全体のシステム制御を行う。

イオンビーム照射系３からのイオンビーム及び電子ビーム照射系３からの電子ビームは、試料６の表面に照射される。それによって、試料表面からは、二次電子線、反射電子線等が放出される。これらの２次電子、反射電子等は、二次電子検出器７によって検出され、それぞれの走査画像であるＳＩＭ画像及びＳＥＭ画像が得られる。尚、試料表面から放出されるＸ線をＸ線検出器８によって検出することにより、元素分析が行われ、又は、元素の分布像が得られる。

試料表面をイオンビーム加工する場合には、加工の前後、あるいは加工中の状態をＳＥＭ画像によって観察することができる。

イオンビーム照射系１及び電子ビーム照射系３は、イオンビーム照射系１のビーム軸２と電子ビーム照射系３のビーム軸４が設計上の原点Ｏ（記載されていない）にて交差するように、装着される。しかしながら、部品製作誤差や組み立て誤差のため、両ビーム軸は交わらず、通常、最大±１００μｍ程度の交差誤差が発生する。そのため、両ビーム軸が交差するように軸合わせを行う必要がある。

図１及び図２を参照して、照射軸位置調整部９の構造及び機能を説明する。図示のように、試料６の表面上にＸｉ軸及びＹｉ軸をとる。また、両軸に垂直に且つ上方にＺｉ軸をとる。照射軸位置調整部９は、端部フランンジ１６とブロックガイド１８ａ、１８ｂと移動調製用ねじ３３ａ、３３ｂと有する。ブロックガイドはＸ軸ブロックガイド１８aとＹ軸ブロックガイド１８bとを有し、フレーム状の構造を有し、試料室筐体５に固定されている。

イオンビーム照射系１の周囲には端部フランジ１６が固定されている。端部フランジ１６は、真空用シール１７を介して、試料室筐体５上に配置されている。真空用シール１７は、弾性材料からなる環状シールであり、例えばゴム製のＯリングである。従って、真空用シール１７と試料室筐体５の間のシール面によって、イオンビーム照射系１の荷重の大部分が支持される。

端部フランンジ１６は、ブロックガイド１８ａ、１８ｂ内に配置されている。Ｘ軸ブロックガイド１８aの内側側面にはＶ溝３２が形成され、Ｖ溝３２と端部フランンジ１６の間の空間にボールベアリングが装着されている。

移動調製用ねじ３３は、Ｙ軸ブロックガイド１８bに形成されたねじ穴を貫通し、その先端は、端部フランンジ１６の側面に当接している。従って、移動調製用ねじ３３ａ、３３ｂを調節することによって、端部フランンジ１６のＹｉ方向の位置を調節することができる。端部フランンジ１６がＹｉ方向に移動すると、イオンビーム照射系１もＹｉ方向に移動する。

端部フランンジ１６がＹｉ方向に移動すると、真空用シール１７は、試料室筐体５上を滑りながら移動するが、真空用シール１７と試料室筐体５の間は完全にシールされる。真空用シール１７と試料室筐体５の間のシール面は、好ましくは水平である。シール面を水平にすることにより、イオンビーム照射系１が自重によって移動することが防止される。

イオンビーム照射系１の位置調整が終わると、移動調製用ねじ３３ａ、３３ｂを締め付け、端部フランジ１６に設けた孔３４にボルトを挿入し、端部フランジ１６を試料室筐体５に固定する。端部フランジ１６の孔３４は、端部フランジ１６のＹｉ方向の移動（数１００μｍ）を許容させるために長穴となっている。

図３を参照して説明する。イオンビーム軸２と試料６の表面６ａの交点を原点ＯｉとするＸｉＹｉＺｉ座標を定義する。試料６の表面６ａ上にＸｉＹｉ面をとり、イオンビーム軸２に沿って、イオン進行方向と反対方向に＋Ｚｉ軸をとり、イオン進行方向に−Ｚｉ軸をとる。ＸｉＺｉ面は図１の紙面と平行にとる。また、電子ビーム軸４と試料６の表面６ａの交点を原点ＯeとするＸeＹeＺe座標を定義する。電子ビーム軸４に沿って電子進行方向に−Ｚe軸をとり、電子進行方向と反対方向に＋Ｚe軸をとる。Ｚe軸に垂直に、Ｘe軸及びＹe軸をとる。ＸeＺe面およびＹeＺe面はそれぞれＸiＺi面およびＹiＺi面と平行に取る。電子ビーム軸４がＸｉＹｉ面となす角をαとする。尚、添え字ｉはイオンビーム照射系１を表し、添え字ｅは電子ビーム照射系３を表す。

イオンビーム軸２をＸｅＺｅ面上に投影すると、イオンビーム軸２と電子ビーム軸４は、点Ｏｉｅで交差するように見えるが、実際には、両ビーム軸２，４は、Ｙｉ方向にΔＹｉだけずれている。従って、イオンビーム軸２と試料６の表面６ａの交点Ｏｉと電子ビーム軸４と試料６の表面６ａの交点ＯeはＹｉ軸方向にΔＹｉだけずれ、Ｘｉ軸方向にΔＸｉだけずれている。

図４を参照して、軸合わせの方法を説明する。尚、随時、図３、図５及び図６を参照する。図５は試料６の表面を示し、本例では９個のアルファベット、Ａ〜Ｊが描かれているものとする。図６（ａ）は図５（ｂ）の参照符号３００にて示す領域のＳＩＭ画像３００ｉを示し、図６（ｂ）は図５（ｂ）の参照符号３０１にて示す領域のＳＥＭ画像３０１ｅを示し、図６（ｃ）は図５（ｃ）の参照符号３０２にて示す領域のＳＥＭ画像３０２ｅ又はＳＩＭ画像３０２ｉを示す。

尚、電子ビーム軸４は試料の表面６ａに対して傾斜しているから、試料表面の所定の領域のＳＩＭ画像とＳＥＭ画像を生成すると、ＳＥＭ画像では、Ｘｉ方向にｃｏｓαだけ縮小された像として得られる。従って、図６（ｂ）のＳＥＭ画像３０１ｅと図６（ｃ）のＳＥＭ画像３０２ｅは、Ｘｉ方向に１／ｃｏｓα倍拡大したものである。

先ずステップＳ１、Ｓ２の粗調整を行い、次に、ステップＳ３の微調整を行う。ステップＳ１では、試料表面の高さ位置の移動調整を行う。先ず、図６（a）に示すＳＩＭ画像３００ｉと図６（ｂ）に示すＳＥＭ画像３０１ｅを取得する。

図５（ｂ）に示すように、イオンビーム軸２と試料６の表面６ｓの交点Ｏｉは、文字「Ｂ」の右下にあり、電子ビーム軸４と試料６の表面６ａの交点Ｏｅは、文字「Ｄ」の右下にある。イオンビーム軸２の交点Ｏｉが文字「Ｂ」の右下にあることは、図６（ａ）のＳＩＭ画像３００ｉから判る。電子ビーム軸４の交点Ｏｅが文字「Ｄ」の右下にあることは、図６（ｂ）のＳＥＭ画像３０１ｅから判る。

図６（ｂ）のＳＥＭ画像３０１ｅを観察しながら、試料ステージ１０を操作し、試料６を上下方向に、即ち、Ｚｉ軸に沿って移動させる。

図３に示すように、試料６を＋Ｚｉ方向に移動させたとき、電子ビーム軸４の交点ＯｅがＸｉ方向に沿って点Ｏｉｅに近づく方向に移動したなら、電子ビーム軸４の交点Ｏｅは、点Ｏｉｅより下方にあると判定する。即ち、試料の表面６ａは点Ｏｉｅより下方にあると判定する。試料６を＋Ｚｉ方向に移動させたとき、電子ビーム軸４の交点ＯｅがＸｉ方向に沿って点Ｏｉｅより遠ざかる方向に移動したなら、電子ビーム軸４の交点Ｏｅは、点Ｏｉｅより上方にあると判定する。即ち、試料の表面６ａは点Ｏｉｅより上方にあると判定する。

試料６を＋Ｚｉ方向に移動させる代わりに、−Ｚｉ方向に移動させてもよい。この場合、電子ビーム軸４の交点Ｏｅが点Ｏｉｅに近づく方向に移動したなら、電子ビーム軸４の交点Ｏｅは、試料の表面６ａより上方にあると判定する。電子ビーム軸４の交点Ｏｅが点Ｏｉｅより遠ざかる方向に移動したなら、試料の表面６ａは点Ｏｉｅより上方にあると判定する。

従って、図６（ｂ）のＳＥＭ画像３０１ｅを観察しながら、試料６を上下方向に移動させることによって、電子ビーム軸４の交点Ｏｅと点Ｏｉｅの間のＸｉ方向の距離ΔＸｉをゼロにすることができる。図５（ｃ）は、電子ビーム軸４の交点Ｏｅが点Ｏｉｅ上に移動した後の状態を示し、図６（ｃ）は、電子ビーム軸４の交点Ｏｅが点Ｏｉｅ上に移動した後の状態を示すＳＥＭ画像３０２ｅを示す。図２の参照符号６ｂは、ステップＳ１の処理が終了した後の試料の表面を示す。

ステップＳ１の試料表面の高さ位置の移動調整では、試料を上下方向に移動させるため、走査画像の観察倍率が変化するが、この変化量は微小であり無視する。

ステップＳ２では、イオンビーム軸２の水平方向の移動調整を行う。図６（ａ）に示すＳＩＭ画像３００ｉを観察しながら、イオンビーム軸２の交点Ｏｉが、電子ビーム軸４の交点Ｏｅに一致するように、イオンビーム照射系１をＹｉ方向に沿って移動させる。図６（ａ）に示すＳＩＭ画像３００ｉが、図６（ｃ）に示すＳＥＭ画像３０２ｅと同一となったとき、イオンビーム軸２の交点Ｏｉと電子ビーム軸４の交点Ｏｅの間のＹｉ方向の距離ΔＹｉがゼロになる。

ステップＳ２のイオンビーム軸２の水平方向の移動調整は、照射軸位置調整部９によって行う。また、ステップＳ２のイオンビーム軸２の水平方向の移動調整では、試料の表面が水平であると仮定すると、走査画像の観察倍率は変化しない。従って、像ボケは起きない。

最後にステップＳ３にて、両ビーム軸の交差のための最終微調整を行う。ステップＳ１、Ｓ２による機械的粗調整を行っても、両ビーム軸の間には、未だ１０μｍ程度以下の誤差が残っている。この交差誤差は、両ビーム照射系の少なくとも一方にビームアライナーを設けることにより調整することができる。ビームアライナーによる電気的なビームシフト調整により交差誤差を１０ｎｍ程度まで下げられる。ビームアライナーの例は後に図８を参照して説明する。

特許文献１に記載された従来技術では、予め設定されている装置の設計上の点を交差点とする。従って、ビーム照射系の移動調整により試料の高さ位置が変わる場合があり、走査画像の像ぼけは発生する。

本発明の特徴は、先ず、試料を垂直方向に沿って移動させ、次に、重力方向に対して傾斜したビーム軸を有するビーム照射系を固定した状態で、重力方向のビーム軸を有するビーム照射系を水平方向に移動させる。それによって、２つのビーム照射系のビーム軸を交差させる。この交差点を装置が求めた交差点として採用する。試料を垂直方向に沿って移動させることによって像ボケは発生するが、それは僅かである。

図７を参照して本発明による荷電ビーム装置の第２の例を説明する。本例の荷電ビーム装置は、図１の第１の例と比較して、照射軸位置調整部９の構造が異なる。従って、ここでは、照射軸位置調整部９について説明する。図１の第１の例では、真空用シール１７と試料室筐体５の間のシール面の滑りを利用してイオンビーム照射系１を移動したが、本例ではベローズを用いる点が異なる。

照射軸位置調整部９は、端部フランンジ１６とブロックガイド１８とベローズ１９ｃと両端フランジ１９ａ、１９ｂと有する。ブロックガイド１８は試料室筐体５に固定されている。ブロックガイド１８の上端には、上端部フランンジ１６が固定されている。端部フランンジ１６は長孔を有し、そこをイオンビーム照射系１が貫通している。イオンビーム照射系１の周囲には上側フランジ１９ａが固定されている。上側フランジ１９ａはベローズ１９ｃを介して下側フランジ１９ｂに接続されている。

上側フランジ１９ａと端部フランンジ１６の間には真空シール１７ａが配置され、下側フランジ１９ｂと試料室筐体５の間には真空シール１７ｂが配置されている。

本例の照射軸位置調整部９は、図２に示した、移動調整機構を有する。ブロックガイド１８の内側側面にはＶ溝３２が形成され、Ｖ溝３２と上側フランジ１９ａの間の空間にボールベアリングが装着されている。ブロックガイド１８はＸ軸ブロックガイド１８aとＹ軸ブロックガイド１８bとを有し、移動調製用ねじ３３が、Ｙ軸ブロックガイド１８bに形成されたねじ穴を貫通し、その先端は、イオンビーム照射系１に当接している。移動調製用ねじ３３ａ、３３ｂを調節することによって、イオンビーム照射系１はＹｉ方向に移動する。イオンビーム照射系１が移動すると、それに装着された上側フランジ１９ａも移動するが、上側フランジ１９ａの移動はベローズ１９ｃによって吸収され、下側フランジ１９ｂは移動しない。

本例ではイオンビーム照射系１の荷重を支えるのは、上側フランジ１９ａと端部フランンジ１６の間に設けた真空シール１７ａではなく、ベローズ１９ｃである。従って、上側フランジ１９ａと端部フランンジ１６の間は完全にシールされる。しかしながら、本例では、ベローズ１９ｃに設けたため、イオンビーム照射系１が試料室筐体５から離れる。そのため、イオンビーム照射系１の光学設計にはベローズ１９ｃによる光路の増加分を考慮する必要がある。

図８を参照して荷電ビーム装置の第３の例を説明する。第１及び第２の例では、軸合わせのために、イオンビーム照射系１の全体を移動調整した。本例では、軸合わせのために、イオンビーム照射系１の一部、即ち、対物レンズのみを移動する。

図８は、荷電ビーム装置の第３の例の一部、即ち、イオンビーム照射系１を、イオンビーム軸２を含むＹｉＺｉ面に沿って切断した断面構成を示す。イオンビーム照射系１は、イオンを発生するイオン銃２０、イオン銃２０から放出されたイオンを試料６上に集束する集束レンズ２１と対物レンズ２２、ビームの非点形状を補正する機能とビーム軸の軸合わせを行うアライナー機能を備えた非点補正器・アライナー２３、試料６上にビームを走査させる偏向器２４、及び、対物レンズ２２の位置調整を行う照射軸位置調整部９を有する。照射軸位置調整部９には真空ベローズ１９ｃが設けられている。真空ベローズ１９ｃは、対物レンズ２２の位置移動２５を吸収すると共に、真空シールの機能を提供する。イオンビーム照射系１は、イオンビーム軸２が重力方向となるように、試料室筐体５に搭載されている。

軸合わせの方法は図４の流れ図に従って行う。即ち、ステップＳ１の試料表面の高さ位置の移動調整、ステップＳ２のイオンビーム軸２の水平方向の移動調整、ステップＳ３の両ビーム軸の交差のための最終微調整、を行う。しかしながら、ステップＳ２のイオンビーム軸２の水平方向の移動調整では、イオンビーム照射系１の移動によってではなく、非点補正補正器・アライナー２３及び対物レンズ２２によって実現する。

電子ビーム軸４とＹｉＺｉ面の交点をＯｅ、イオンビーム軸２と試料６表面の交点をＯｉとすると、ステップＳ１の試料表面の高さ位置の移動調整が終わったとき、両交点間には、通常、最大±１００μｍ程度のＹｉ方向の交差誤差がある。本例では、非点補正補正器・アライナー２３を通過したイオンビーム軸２を、アライナー２３によって僅かにＹｉ方向に電気的に偏向調整する。こうして、偏向調整されたイオンビーム軸２ａは、電子ビーム軸４とＹｉＺｉ面の交点Ｏｅを通る。

イオンビーム軸の偏向調整を行うと同時に、照射軸位置調整部９によって対物レンズ２２を移動調整２５する。即ち、対物レンズ２２を、レンズ中心が偏向調整されたイオンビーム軸２ａに整合するように、Ｙｉ方向に機械的に移動させる。対物レンズ２２の中心とイオンビーム軸２aと間の離軸量は、イオンビームを試料表面にフォーカス（つまり、対物レンズ電圧を合わせた）させて得たＳＩＭ画像において、対物レンズ電圧を僅かに上下に時間的に揺らした時のＳＩＭ画像の視野中心位置の動揺程度から判断できる。この離軸量がゼロの場合、ＳＩＭ画像の視野中心位置の揺動量もゼロとなる。

偏向調整されたイオンビーム軸２aは、対物レンズ２２の光軸に対して僅かに傾斜している。従って、対物レンズ２２に入射するイオンビームは、対物レンズ２２の光軸に対して僅かに傾斜している。従って、対物レンズの収差により、イオンビームの集束形状特性が若干悪くなる。この収差は、非点補正器・アライナー２３の非点補正器により補正することができる。

本例では、非点補正補正器・アライナー２３と対物レンズ２２によって軸合わせを行うが、その最大の利点は、移動させる対象物が対物レンズ２２であるため、照射軸位置調整部９のサイズや重量を大幅に小さくすることができる。従って、イオンビーム照射系１を小型化できるばかりでなく、荷電ビーム装置の小型化を実現することができる。

ここでは、対物レンズ２２をＹｉ方向に移動させる場合を説明したが、対物レンズ２２の代わりに、対物レンズ２２にイオン源２０と集束レンズ２１を組合せたものを移動させてもよい。この場合、イオン源２０、集束レンズ２１および対物レンズ２２を一直線上に配置することができるから、偏向調整されたイオンビーム軸２aは、対物レンズ２２の光軸に沿って入射する。従って、イオンビーム集束特性を劣化させることはない。しかしながら、イオン源２０から対物レンズ２２までの距離が対物レンズ２２から試料６までの距離より長いため、軸合わせにおいてイオン源２０、集束レンズ２１および対物レンズ２２を移動させるＹｉ方向の距離が大きくなる。また、イオン源２０、集束レンズ２１および対物レンズ２２を移動させるための機構が大きくなる。

図９を参照して本発明による荷電ビーム装置の第４の例を説明する。本例の荷電ビーム装置は、重力方向とほぼ平行な電子ビーム軸４を有する電子ビーム照射系３と、重力方向より傾斜したイオンビーム軸２を有するイオンビーム照射系１を有する。電子ビーム照射系３には照射軸位置調整部９が設けられている。

二次電子検出器７、Ｘ線検出器８、排気系１１、排気系電源１２、画像表示手段１３、及び、ビーム制御部１５は、図１の第１の例と同様であり、ここでは、その説明を省略する。ここでは、図１の第１の例と異なる部分について説明する。

試料室筐体５には、試料６を保持するサイドエントリ試料ステージ２５が設けられ、試料６の下方に検出器２６a、26ｂが設けられている。検出器２６a、26ｂからの検出信号によって、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）像が得られる。

試料６は薄膜である。薄膜試料は、イオンビームによってバルク試料を断面加工することによって得られる。薄膜試料の表面は元のバルク試料表面に対し、通常は垂直に作製される。サイドエントリ試料ステージ２５は、薄膜試料を回転傾斜させるための回転制御機構を有し、薄膜試料を生成する場合には、薄膜試料の面がイオンビームに対して平行になるように制御し、ＳＴＥＭ像を得る場合には、薄膜試料の面が電子ビームに対して垂直になるように制御する。図９において、サイドエントリ試料ステージ２５の試料の回転軸は図示の都合からＸｅＺｅ面内にあるように描かれているが、実際はＹｅＺｅ面内（紙面に垂直な面内）にある。

電子ビーム照射系３からの電子ビームは、薄膜の試料６に照射され、薄膜の試料６を透過し、散乱する。散乱角の大きい電子ビームは、第１の検出器２６aによって検出され、散乱角の小さい電子ビームは第２の検出器２６ｂによって検出される。検出器２６a、26ｂからの検出信号によって、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）像が得られる。２つの検出器２６a、２６ｂからの検出信号によって、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）像における暗視野像と明視野像が得られる。

軸合わせの方法は図４の流れ図と同様であるが、本例ではステップＳ２のイオンビーム軸の水平方向の移動調整の代わりに電子ビーム軸４の水平方向の移動調整を行う。ステップＳ２の電子ビーム軸４の移動調整では、電子ビーム軸４の移動量は最大±１００μｍ程度である。電子ビーム軸４の移動量は、検出器２６a、26ｂの孔内径に比べて十分小さい。従って、通常のＳＴＥＭ像の観察には影響しない。

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。

本発明の荷電ビーム装置の第１実施例の概略構成を説明する図である。 本発明の荷電ビーム装置の第１実施例の照射軸位置調整部の概略構成を説明する図である。 本発明の荷電ビーム装置における２つのビーム軸の軸ずれを説明する図である。 本発明の荷電ビーム装置における２つのビーム軸の軸合わせ方法を説明する図である。 本発明の荷電ビーム装置の第１実施例における試料表面構造のモデルを表示する図である。 本発明の荷電ビーム装置の第１実施例において、軸合わせにおけるＳＩＭ画像及びＳＥＭ画像を示す図である。 本発明の荷電ビーム装置の第２実施例の装置の概略構成を説明する図である。 本発明の荷電ビーム装置の第３実施例の装置の照射軸位置調整部の概略構成を説明する図である。 本発明の荷電ビーム装置の第４実施例の装置の概略構成を説明する図である。

符号の説明

１：イオンビーム照射系、２：イオンビーム軸、３：電子ビーム照射系、４：電子ビーム軸、５：試料室筐体、６：試料、７：二次電子検出器、８：Ｘ線検出器、９：照射軸位置調整部、１０：試料ステージ、１１：排気系、１２：排気系電源、１３：画像表示手段、１３a：SIM画像、１３b：SEM画像、１５：ビーム制御部、１６：端部フランジ、１７：真空用シール、１８a：Ｘ軸ブロックガイド、１８b：Ｙ軸ブロックガイド、１９ａおよび１９ｂ：フランジ、１９ｃ：ベローズ、２０：イオン源、２１：集束レンズ、２２：対物レンズ、２３：非点補正器・ビームアライナー、２４：偏向器、２５：サイドエントリ試料ステージ、２６：ＳＴＥＭ検出器、３２：Ｖ字状溝、３３：移動調製用ボルトねじ、３４：端部フランジ固定用孔

Claims (32)

1. 重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射装置と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射装置と、上記第１および第２のビーム照射系を支持する試料筐体と、上記第１ビーム軸を上記第２ビーム軸に交差させるための照射軸位置調整部と、を有し、試料の表面上にＸ軸及びＹ軸をとるとき、上記第１ビーム軸と試料の表面の交点である第１の交点と上記第２ビーム軸と試料の表面の交点である第２の交点との間のＸ方向の距離ΔＸがゼロとなるように、上記試料を上下方向に移動させ、次に、上記第２ビーム軸を固定した状態で、上記第１の交点と上記第２の交点の間のＹ方向の距離ΔＹがゼロとなるように、上記照射軸位置調整部によって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させるように構成されている荷電ビーム装置。
2. 請求項１の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部は、上記第１のビーム照射系の全体を移動させることによって上記第１ビーム軸を移動させることを特徴とする荷電ビーム装置。
3. 請求項２の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部は、上記第１のビーム照射系と上記試料筐体の間に配置された弾力性真空シールを有することを特徴とする荷電ビーム装置。
4. 請求項２の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部は、上記第１のビーム照射装置と上記試料筐体の間に配置されたベローズを有することを特徴とする荷電ビーム装置。
5. 請求項１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射装置は、上記第１ビーム軸を偏向させて上記第２ビーム軸に整合させるアライナーと対物レンズを有し、上記照射軸位置調整部は、上記アライナーによって上記第１ビーム軸を偏向させたとき上記対物レンズを移動させるように構成されていることを特徴とする荷電ビーム装置。
6. 請求項５の荷電ビーム装置において、上記対物レンズの収差を補正する非点補正器が設けられていることを特徴とする荷電ビーム装置。
7. 請求項１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射装置がイオンビーム照射系であり、上記第２のビーム照射装置が電子ビーム照射系であることを特徴とする荷電ビーム装置。
8. 請求項１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射装置が電子ビーム照射系であり、上記第２のビーム照射装置がイオンビーム照射系であり、上記電子ビーム照射装置からみて上記試料の後方の電子ビーム軸上に上記試料を透過し、散乱した電子ビームを検出する検出器を配置したことを特徴とする荷電ビーム装置。
9. 請求項１の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部によって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させた後に、ビームアライナーによる電気的なビームシフト調整により交差誤差を１０ｎｍ以下にすることを特徴とする荷電ビーム装置。
10. 請求項１の荷電ビーム装置において、上記第１の交点を視野中心とする第１ビーム走査画像と上記第２の交点を視野中心とする第２ビーム走査画像とを表示する表示装置を備えることを特徴とする荷電ビーム装置。
11. 重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射手段と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射手段と、上記第１および第２のビーム照射系を支持する試料筐体と、試料を移動させるための試料ステージと、上記第１ビーム軸を上記第２ビーム軸に交差させるための照射軸位置調整手段と、を有し、試料の表面上にＸ軸及びＹ軸をとるとき、上記第１ビーム軸と試料の表面の交点である第１の交点と上記第２ビーム軸と試料の表面の交点である第２の交点との間のＸ方向の距離ΔＸがゼロとなるように、上記試料ステージによって上記試料を上下方向に移動させ、次に、上記第２ビーム軸を固定した状態で、上記第１の交点と上記第２の交点の間のＹ方向の距離ΔＹがゼロとなるように、上記照射軸位置調整手段によって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させるように構成されている荷電ビーム装置。
12. 請求項１１の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整手段は、上記第１のビーム照射手段の全体を移動させることによって上記第１ビーム軸を移動させることを特徴とする荷電ビーム装置。
13. 請求項１１の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整手段は、上記第１のビーム照射手段と上記試料筐体の間に配置された弾力性真空シール又はベローズを有することを特徴とする荷電ビーム装置。
14. 請求項１１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射手段は、上記第１ビーム軸を偏向させて上記第２ビーム軸に整合させるアライナーと対物レンズを有し、上記照射軸位置調整手段は、上記アライナーによって上記第１ビーム軸を偏向させたとき上記対物レンズを移動させるように構成されていることを特徴とする荷電ビーム装置。
15. 重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射系と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射系と、を有する荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、
    試料の表面上にＸ軸及びＹ軸をとるとき、上記第１ビーム軸と試料の表面の交点である第１の交点と上記第２ビーム軸と試料の表面の交点である第２交点との間のＸ方向の距離ΔＸがゼロとなるように、上記試料を上下方向に移動させる上下方向移動ステップと、
    該上下方向移動ステップの次に、上記第２ビーム軸を固定した状態で、上記第１の交点と上記第２交点の間のＹ方向の距離ΔＹがゼロになるように、上記第１ビーム軸を水平面に沿ってＹ方向に移動させるＹ方向移動ステップと、
    を含む荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。
16. 請求項１５の荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、上記上下方向移動ステップ及び上記Ｙ方向移動ステップの後に、ビームアライナーによる電気的なビームシフト調整により交差誤差を１０ｎｍ以下にする微調整ステップと、を含むことを特徴とする荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。
17. 請求項１５の荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、上記Ｙ方向移動ステップは、上記第１のビーム照射系の全体を移動させることによって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させることを特徴とする荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。
18. 請求項１５の荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、上記Ｙ方向移動ステップは、上記第１のビーム照射系に設けたアライナーによって上記第１ビームを偏向させ、該第１ビームを偏向量に対応して上記第１のビーム照射系に設けた対物レンズを移動させることを特徴とする荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。
19. 請求項１５の荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、上記第１のビーム照射系がイオンビーム照射系であり、上記第２のビーム照射系が電子ビーム照射系であることを特徴とする荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。
20. 請求項１５の荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、Ｙ方向移動ステップは、上記第１の交点を視野中心とするＳＩＭ画像と上記第２の交点を視野中心とするＳＥＭ画像を比較することによって、第１の交点と第２交点の間のＹ方向の距離ΔＹがゼロになったことを判定することを特徴とする荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。
21. 重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射装置と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射装置と、上記第１および第２のビーム照射系を支持する試料筐体と、上記第１ビーム軸を上記第２ビーム軸に交差させるための照射軸位置調整部と、を有し、試料の表面上にＸ軸及びＹ軸をとるとき、上記第１ビーム軸と試料の表面の交点である第１の交点と上記第２ビーム軸と試料の表面の交点である第２の交点との間のＸ方向の距離ΔＸが微小となるように、上記試料を上下方向に移動させ、次に、上記第２ビーム軸を固定した状態で、上記第１の交点と上記第２の交点の間のＹ方向の距離ΔＹが微小となるように、上記照射軸位置調整部によって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させるように構成されている荷電ビーム装置。
22. 請求項２１の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部は、上記第１のビーム照射系の全体を移動させることによって上記第１ビーム軸を移動させることを特徴とする荷電ビーム装置。
23. 請求項２２の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部は、上記第１のビーム照射系と上記試料筐体の間に配置された弾力性真空シールを有することを特徴とする荷電ビーム装置。
24. 請求項２２の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部は、上記第１のビーム照射装置と上記試料筐体の間に配置されたベローズを有することを特徴とする荷電ビーム装置。
25. 請求項２１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射装置は、上記第１ビーム軸を偏向させて上記第２ビーム軸に整合させるアライナーと対物レンズを有し、上記照射軸位置調整部は、上記アライナーによって上記第１ビーム軸を偏向させたとき上記対物レンズを移動させるように構成されていることを特徴とする荷電ビーム装置。
26. 請求項２５の荷電ビーム装置において、上記対物レンズの収差を補正する非点補正器が設けられていることを特徴とする荷電ビーム装置。
27. 請求項２１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射装置がイオンビーム照射系であり、上記第２のビーム照射装置が電子ビーム照射系であることを特徴とする荷電ビーム装置。
28. 請求項２１の荷電ビーム装置において、上記第１のビーム照射装置が電子ビーム照射系であり、上記第２のビーム照射装置がイオンビーム照射系であり、上記電子ビーム照射装置からみて上記試料の後方の電子ビーム軸上に上記試料を透過し、散乱した電子ビームを検出する検出器を配置したことを特徴とする荷電ビーム装置。
29. 請求項２１の荷電ビーム装置において、上記照射軸位置調整部によって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させた後に、ビームアライナーによる電気的なビームシフト調整により交差誤差を１０ｎｍ以下にすることを特徴とする荷電ビーム装置。
30. 請求項２１の荷電ビーム装置において、上記第１の交点を視野中心とする第１ビーム走査画像と上記第２の交点を視野中心とする第２ビーム走査画像とを表示する表示装置を備えることを特徴とする荷電ビーム装置。
31. 重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射手段と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射手段と、上記第１および第２のビーム照射系を支持する試料筐体と、試料を移動させるための試料ステージと、上記第１ビーム軸を上記第２ビーム軸に交差させるための照射軸位置調整手段と、を有し、試料の表面上にＸ軸及びＹ軸をとるとき、上記第１ビーム軸と試料の表面の交点である第１の交点と上記第２ビーム軸と試料の表面の交点である第２の交点との間のＸ方向の距離ΔＸが微小となるように、上記試料ステージによって上記試料を上下方向に移動させ、次に、上記第２ビーム軸を固定した状態で、上記第１の交点と上記第２の交点の間のＹ方向の距離ΔＹが微小となるように、上記照射軸位置調整手段によって上記第１ビーム軸をＹ方向に移動させるように構成されている荷電ビーム装置。
32. 重力方向の第１ビーム軸を有する第１のビーム照射系と、重力方向に対して傾斜した第２ビーム軸を有する第２のビーム照射系と、を有する荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法において、
    試料の表面上にＸ軸及びＹ軸をとるとき、上記第１ビーム軸と試料の表面の交点である第１の交点と上記第２ビーム軸と試料の表面の交点である第２交点との間のＸ方向の距離ΔＸが微小となるように、上記試料を上下方向に移動させる上下方向移動ステップと、
    該上下方向移動ステップの次に、上記第２ビーム軸を固定した状態で、上記第１の交点と上記第２交点の間のＹ方向の距離ΔＹが微小になるように、上記第１ビーム軸を水平面に沿ってＹ方向に移動させるＹ方向移動ステップと、
    を含む荷電ビーム装置のビーム軸の軸合わせ方法。

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