JP4845452B2 - 試料観察方法、及び荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料の観察方法、及び荷電粒子線装置に係り、特に試料の特定方向から観察を行うための観察方法、及び装置に関するものである。

特許文献１に説明されているように、試料を任意の方向から観察する方法として、イオンビームや電子ビームのような荷電粒子ビームを照射し、当該照射個所から放出された二次電子等に基づいて画像を形成し、この画像から試料の姿勢を確認し、傾斜機構等を用いて、上記任意の方向からビームが照射されるように、試料の姿勢を調整する手法がある。

特開２００５−４４８１７号公報

加工または観察目的の構造体が、単結晶基板上に位置していない場合、方向を示すものが無く、試料の向きを調整するのが困難であった。そのため、従来は方向を示すものが無い材料では、試料加工または観察を繰り返し行い、視覚を頼りに水平度調整を行っていた。本発明の目的は、上記問題点を解消し、試料の水平度調整を簡便に行う方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、荷電粒子源側から見て、試料の手前部分と、奥行き部分に跨って形成される構造体、或いは試料の手前部分と、奥行き部分との間に、所定の関係を持って形成されている構造体が、所定の関係となるように、試料を傾斜、或いは回転する試料観察方法、及び荷電粒子線装置を提案する。

本発明は、簡便な試料水平度調整法を提供することが可能である。

以下に、荷電粒子源から見て、試料の手前の部位から奥行き部分まで、跨って形成される素子が、荷電粒子線の光軸に並行となるように、試料を傾斜することで、試料の角度調整を行う本発明方法、及び装置について、図面を交えて説明する。

図１に、本発明の方法を説明する手順を示す。試料は、多方向観察できる方が望ましい。（ａ）試料は、マイクロサンプリング法により試料片を摘出し、試料台に固定する。
（ｂ）次に、試料片の一部を階段状または斜めに加工し、試料厚さの異なる部位を作製する。（ｃ）次に、試料表面または試料内部の構造を観察し、連続する構造体が同一直線状に並ぶように試料を傾斜または回転する。（ｄ）その結果、試料加工装置または試料観察装置において試料を正確に水平度調整することが可能になる。

本発明を示す模式図を図２に示す。連続的な構造体２を持つ水平な試料１と水平でない試料の透過像を観察した場合、連続した構造体の幅Ｌ１およびＬ２が異なる。そこで、
Ｌ２を最小の値Ｌ１に近づけるように試料を回転または傾斜することで、試料の水平度調整が可能である。また、連続的な構造体の他に、規則的に点在した構造体３を持つ試料でも同様の調整が可能である。

図３は、本発明の試料の形態である。その形態は、試料片側，試料左右および試料上下左右に段差を設ける、または傾斜部を設けた試料など、試料の一部に試料厚さの異なる領域を作製することが特徴である。その理由は以下の通りである。通常、透過電子を観察する試料の厚さは、１００ｎｍ以下の薄膜である。薄膜試料の場合、１００ｎｍ以下の領域の連続構造体は少なく、連続する構造体を観察することが困難である。そのため、水平度調整のために、厚い領域を持たせている。厚い領域が確保できれば、その形状は階段または傾斜のどちらでも応用が可能である。

図４は、階段状に加工した試料の二次電子像である。試料は、針状の試料台の先端５に固定されている。上部が透過像観察用に薄膜化した部位、その下が水平度調整に用いる階段状に加工した部位４である。

図４中の矢印方向から電子線を入射し同試料の走査透過像を観察した例を図５に示す。厚い試料の透過電子の観察には、透過電子顕微鏡よりも色収差の影響が小さい走査透過電子顕微鏡の方が有効である。走査透過電子顕微鏡を用いることで、約１０μｍ厚さの試料まで観察することが出来る。（ａ）が水平度調整実施前、（ｂ）が実施後の像である。上部が透過像観察用に薄膜化した部位、およびその下の水平度調整に用いる階段状に加工した部位である。両者に、連続する構造体が存在している。しかし、薄膜化した部位は、水平度調整実施前後において、像の変化が見られず、この画像に示すように、一般的に薄膜試料での水平度調整は困難である。しかし、階段状に加工した部位は、拡大像に示す通り水平度調整実施前と水平度調整実施後では、その差が明らかである。

このとき画像上で、黒いコントラストで観察される連続的な構造体８の大きさが最小となるように試料の傾斜を行うことで試料の水平度調整が実現できる。透過電子を用いた観察において、格子像レベルの観察するには試料を厚さ０.１μｍ 程度にする必要がある。薄膜部に連続的な構造体もしくは規則的に配列した構造体を正確に薄膜部に納めるためには、加工装置においても試料の水平度調整が重要である。

図６は、図４の二次電子像観察方向と同方向から観察した走査透過像である。マイクロサンプルの薄膜部に連続的な構造体もしくは規則的に配列した構造体を正確に薄膜部が位置していることを確認するためには、この方向からの観察が有効である。しかし、この場合、電子線入射方向に対して試料厚さは数μｍ〜１０μｍとなり走査透過電子顕微鏡を用いる必要がある。図６は、回転軸９に対して、５°回転した試料、１０°回転した試料の走査透過電子顕微鏡像である。試料の画像上に観察できる規則的に点在した構造体７および連続的な構造体８のサイズが最小となる。回転することにより、規則的に点在した構造体７および連続的な構造体８の両者で水平度調整が実現でき、微細化の進む半導体材料でも薄膜内部に連続的に並んだ微細構造体を納めることが出来る。

次に、表面構造を観察しながら、試料の水平度調整を行う例について示す。図７は、二段に加工したマイクロサンプルの断面像である。図８および図９は、上部から観察した二段に加工したマイクロサンプルである。上段１０と下段１１には、試料の構造体が観察できる。この構造体は試料の深さ方向に伸びている。つまり、上段１０と下段１１には、同じ構造体の高さの違う面が観察されていることになる。そのため、この構造体が同一直線状になるように試料回転および試料傾斜を調整することで、試料上部から観察した場合の試料の水平度調整が実現できる。このあとコンタクトの列の中央部分を残すように薄膜化することにより、直線状に並んだ目的の構造物を含む薄膜試料の作製および観察が可能となる（図１０）。

図１１〜図１３は、同様のことを斜め加工したマイクロサンプルで実施した例である。構造体が既知であれば、他の構造体との関係から試料の水平度調整が実現できる。

本発明の第２の実施例について、図面を用いて以下に説明する。

図１４は、集束イオンビーム光学系５１と電子ビーム光学系６１が設けられたいわゆるＦＩＢ−ＳＥＭの一例を示す図である。装置システムの中心部には集束イオンビーム光学系５１と電子ビーム光学系６１が真空試料室８０の上部に設置されている。

真空試料室８０の内部には試料となるウェーハ４１を載置する試料台４４が設置されている。イオンビーム光学系５１及び電子ビーム光学系６１は各々の中心軸がウェーハ４１表面付近で一点に交わるように調整されている。

集束イオンビーム光学系５１には、イオン源２１，集束レンズ２２、及び走査偏向器
２３が備えられ、イオンビーム２４をコントロールするように制御される。電子ビーム光学系６１にも同様に、電子源２７，集束レンズ２９、及び走査偏向器３０が備えられ、電子ビーム３８をコントロールするよう制御される。

試料台４４にはウェーハ４１を前後左右に高精度で移動する機構を内蔵しており、ウェーハ４１上の指定箇所が集束イオンビーム光学系５１の真下に来るように、試料台制御装置４１によって制御される。試料台４４は回転，上下、あるいは傾斜する機能を有する。真空試料室８０には図示を省略した排気装置が接続され適切な圧力に制御されている。

なお、イオンビーム光学系５１，電子ビーム光学系６１にも図示を省略した排気系が個別に備えられ、適切な圧力が維持されている。

真空試料室８０内には、二次電子検出器２６，Ｘ線検出器３６，ガス供給装置３７などが設けられている。更に、その先端に微小試料を保持するプローブ９２，そのプローブを支持するアーム９０、及び当該アーム９０を移動可能に支持するアーム制御装置３５が設けられている。更に、上記ＦＩＢ−ＳＥＭを構成する各構成要素は、制御装置１００によってコントロールされる。

プローブ９２は、アーム９０の長手方向に回転軸を持つ回転機構によって、回転可能に支持されており、イオンビーム２４，電子ビーム３８に向かって、観察面、或いは加工面を向けるように制御される。更にアーム制御装置３５は、プローブ９２を、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能に構成されている。

なお、図１４では理解を容易にするために、プローブ９２の回転軸が紙面横方向にあるように図示されているが、イオンビーム２４によって切り出した微小試料の断面を、電子ビーム３８に向けて回転できるように、紙面垂直方向に回転軸を設置することが望ましい。

制御装置１００内には、二次電子検出器２６によって検出された二次電子に基づいて、形成された画像を記憶するためのフレームメモリが内蔵されている。また、制御装置100は、フレームメモリに登録された画像のコントラスト、或いは二次電子量に基づいて、ラインプロファイルを形成し、当該プロファイル形状に基づいて、試料上の特定部分の測長を行うための機能が設けられている。なお、図１４は、ＦＩＢ−ＳＥＭを説明するための図であるが、ＳＥＭの部分をＳＴＥＭ(Scanning Transmission Electron Microscope) とすることも可能である。その際には、薄膜試料を透過した電子を検出するための透過電子検出器が設けられる。

以上のような構成のＦＩＢ−ＳＥＭ（又はＳＴＥＭ）を用いて、実施例１において説明した断面加工観察を行う例について、以下に説明する。

図１５は、図５を用いて説明した水平度調整を、自動的に行うためのシーケンスを説明するためのフローチャートである。先ず、イオンビーム２４を用いて、連続的な構造体８を含む試料１をウェーハ４１等から切り出し、プローブ９２を用いて試料１を持ち上げる（Ｓ０００１）。次に、図５にて説明したように、画面の手前部分と奥行き部分に跨って形成される連続的な構造体を露出させると共に、断面観察を可能とすべく、試料の薄膜加工を行う（Ｓ０００２）。そして、形成された断面が電子ビーム３８の光軸に垂直となるように、プローブ９２を回転させる（Ｓ０００３）。回転後、ＳＥＭ像、或いはＳＴＥＭ像を形成する（Ｓ０００４）。取得された画像は、上記のフレームメモリに登録される。

形成された画像を元に、連続的な構造体８の紙面上下方向の寸法を測定する。この寸法が最小となるまで、Ｓ０００３〜Ｓ０００６を繰り返す。連続的な構造体８の寸法が最小値を示すということは、電子ビームの照射方向と、連続的な構造体８の奥行き方向がほぼ並行な状態を示している。連続的な構造体８と試料断面は、垂直となるように形成されているため、連続的な構造体８の寸法が最小を示すプローブ９２の回転角が、断面観察
（Ｓ０００７）にとって最適な角度となる。なお、本例の場合、プローブを必要以上に、回転させると、連続的な構造体８の奥行き部分が、試料１の下部に隠れてしまうため、一旦最小値を確認した後、傾斜角を戻すことによって、回転角の変化に対する寸法値の変化が止まった角度（電子ビームと連続的な構造体の長手方向がちょうど並行になる角度）を正確に把握するようにしても良い。

なお、本例では、連続的な構造体８の寸法が最小となる点を見出すことによって、プローブの最適な回転角を求めているが、これに限られることはなく、例えば公知のパターンマッチング技術を用いるようにしても良い。この場合、連続的な構造体８の形状を示すテンプレートを事前に登録しておき、パターンマッチングによって、連続的な構造体８が最小を示す回転角を把握する。パターンマッチングに基づく回転角の把握は、例えば図７〜図１３にて説明した連続的な構造体の場合に特に有効である。

イオンビームや電子ビームを含む荷電粒子ビームに対しての水平度調整を容易に実現することができる。

なお、本実施例では、プローブ９２を回転させることによって、試料の方向を変化させる例について説明したが、これに限られることはなく、例えばウェーハを載せた試料台
４４とは別のステージを設け、切り出した微小試料をその別のステージに載せ、当該別のステージを傾斜させることによって、上記のような水平度調整を行うようにしても良い。また、試料台４４に傾斜機構を設け、同様のことをしても良い。

荷電粒子線を用いて試料を観察する方法，装置であって、試料の姿勢を適正に制御するのに好適な試料観察方法、及び荷電粒子線装置である。

本発明の実施例を示すフローチャートである。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の形態を示す模式図である。 本発明の形態を示す二次電子像である。 本発明の形態を示す走査透過像である。 本発明の形態を示す走査透過像である。 本発明の形態に加工した試料の断面二次電子像である。 本発明の形態に加工した試料の上部から観察した二次電子像である。 本発明の形態に加工した試料の上部から観察した二次電子像である。 本発明の形態に加工した試料の断面走査透過像である。 本発明の形態に加工した試料の断面二次電子像である。 本発明の形態に加工した試料の上部から観察した二次電子像である。 本発明の形態に加工した試料の上部から観察した二次電子像である。 荷電粒子線装置の一例を示す図である。 水平度調整を、自動的に行うためのシーケンスを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…試料、２，８…連続的な構造体、３，７…点在した構造体、４…水平度調整に用いる階段状に加工した部位、５…針状の試料台の先端、６…薄膜化した部位、９…回転軸、１０…上段、１１…下段、１２…斜め加工部。

Claims (2)

1. 荷電粒子線を走査して得られた画像に基づいて試料の観察を行う試料観察方法において、
   前記試料が連続する構造体を持ち、前記試料の透過像を観察した場合、前記荷電粒子線を発生する荷電粒子源から見て、前記試料の厚さの異なる部位を作製し、前記厚さの厚い領域の手前の部分から奥行き部分まで、跨って形成される前記構造体の幅を最小の値に近づけるように、前記試料を傾斜又は回転することを特徴とする試料観察方法。
2. 荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線に対して試料を傾斜させる試料傾斜機構、あるいは前記試料を回転させる試料回転機構の少なくともいずれかと、前記試料から放出された荷電粒子に基づいて、前記試料の透過像を形成する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料が連続する構造体を持ち、前記試料の透過像を観察した場合、前記制御装置は、前記荷電粒子源側から見て、前記試料の厚さの異なる部位を作製し、前記厚さの厚い領域の手前の部位から奥行き部分に跨って形成される前記構造体の幅を最小の値に近づけるように、前記試料傾斜機構、或いは前記試料回転機構を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。

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