JP4855598B2

JP4855598B2 - 試料作製装置および試料作製方法

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Publication number: JP4855598B2
Application number: JP2001204768A
Authority: JP
Inventors: 聡富松; 英巳小池; 亨石谷; 広康志知; 秀夫鹿島; 宗行福田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: JP2003022776A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料作製技術に係り、特に、イオンビームを試料に照射して、断面加工、観察を行う試料作製装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）に代表される半導体メモリやマイクロプロセッサ、半導体レーザなど半導体デバイス、および磁気ヘッドなど電子部品の製造においては、製品の品質管理のために製造工程途中あるいは終了の段階で製品特性が検査される。検査では、製作寸法の計測や、回路パターンの欠陥検査や異物分析がなされる。このため、各種の手段が用意され利用されている。特に異常箇所が製品の内部に存在する場合は、特定位置の試料断面観察が必要であり、この観察断面形成には集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ装置）が広く利用されている。
【０００３】
この手法では、試料表面へのイオンビーム照射によるスパッタリングを利用して穴を形成して、その形成断面をＦＩＢ装置や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察していた。このとき、断面はイオンビーム走査範囲の端部に形成されている。
【０００４】
しかし、実際の形成断面は、加工ビームのフレアやスパッタ物質の再付着（以下、リデポと称す。）により試料表面に対して完全に垂直ではなく、微小な傾斜（テーパ）が存在する。試料台に傾斜機構を有するＦＩＢ装置であれば、テーパに相当する角度、例えば０.５度程度試料を傾斜させてイオンビーム照射することにより、テーパを除去して、より垂直度の高い観察断面を形成することが可能であった。この手法に関しては、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の試料断面加工として、「電子・イオンビームハンドブック第３版」（日本学術振興会第１３２委員会編、日刊工業新聞社、４５９頁〜４６０頁）に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
試料台に傾斜機構を有するＦＩＢ装置であれば、任意角度でのＦＩＢ照射が可能であり、前述の様にテーパ除去加工も可能である。
【０００６】
しかし、近年の半導体デバイス検査では、ウェーハの大口径化が進み、これに対応する試料台も大型化している。大型試料台を精度よく傾斜させるには時間を要し、結果的に試料作製時間が長くなってしまう問題があった。また、試料台自体の大重量のために傾斜前後でユーセントリックが保たれずにＦＩＢ光学系に対する試料位置が移動してしまうため、ＦＩＢの焦点が試料表面から比較的大きくはずれ、試料表面が観察できなくなり、ＦＩＢ光学系の再調整を余儀なくされる問題も発生する。
【０００７】
また、試料台の傾斜機能は試料台そのものと、試料台を内包する試料室を大型化させる原因である。昨今の潮流は、ウェーハ直径が２００ｍｍから３００ｍｍに移行しているところで、さらに４００ｍｍに進展すれば、試料台の大型化は余儀なくされ、上述のような試料台傾斜に伴う問題の解決を避けては通れなくなる。
【０００８】
これに対し、装置の試料台に傾斜機能を省略できれば、装置全体の小型化が実現し試料傾斜に伴う試料位置のズレなどの問題は解決するが、従来の手法では任意角度のＦＩＢ照射が困難であった。試料表面に対してイオンビームを傾斜照射して加工穴を作製し観察断面を形成可能な方法について、特開平３−１６６７４４号公報「断面観察方法」に開示されているが、この方法では垂直断面加工について記載されているが、試料台傾斜無しに照射角を任意に変更する手法については記載されていない。このため、上記のテーパ除去加工も困難であった。
【０００９】
なお、ここで試料台の傾斜とは、試料台面内に含まれる線分もしくは平行な線分を軸として、試料台を回転することとし、以降、試料台の傾斜と記述する。
【００１０】
本発明は、上述の問題点に鑑み、非傾斜試料台においても、ある範囲内の任意の角度でＦＩＢ照射による断面形成が可能な試料作製装置、並びに試料作製方法を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
はじめに、本明細書で使用する語句を、以下の通り定義する。
【００１２】
所望断面とは、装置操作者が形成しようとする断面である。設定断面とは、設定したイオンビーム走査領域がビーム径やリデポの影響無く理想的に加工されると仮定した断面である。形成断面とは、実際にＦＩＢ加工で形成される断面である。形成断面稜とは、形成断面と試料表面が成す交線である。設定断面稜とは、設定断面と試料表面が成す交線である。偏向走査領域端とは、イオンビーム走査領域を形成する１辺である。所望断面稜とは、所望断面と試料表面が成す交線である。所望断面稜法線方向とは、所望断面稜の試料表面内の法線で試料から加工空間へ向かう方向である。所望断面法線方向とは、所望断面の法線で試料内部から加工空間へ向かう方向である。所望俯角とは、所望断面法線方向と試料表面の成す角であり、所望断面法線方向が試料表面上から試料内部へ向かう場合を正、試料内部から試料表面上へ向かう場合（仰角に相当）を負とする。設定断面俯角とは、設定断面法線方向と試料表面のなす角であり、設定断面法線方向が試料表面上から試料内部へ向かう場合を正、試料内部から試料表面上へ向かう場合（仰角に相当）を負とする。
【００１３】
上記目的を達成する手段として、以下のものを上げる。
（１）イオン源と、イオン源から放出するイオンを集束するレンズと、偏向器から構成されるイオンビーム光学系と、イオンビーム光学系を制御するイオンビーム光学系制御装置と、イオンビームを試料に照射した際に発生する試料からの２次粒子を検出するための検出器と、試料を保持する試料台と、試料台の位置を制御する試料位置制御装置を備え、イオンビーム加工により試料に試料断面を形成する試料作製装置において、上記イオンビーム光学系のイオンビーム光軸と試料表面の成す角度が固定されており、設定断面俯角に対応して、試料断面の形成を制御するよう構成した。これにより、イオンビーム光学系に対して試料台の傾斜を変更できない装置においても、任意の傾斜角の断面を形成することが可能となる。
（２）イオン源と、イオン源から放出するイオンを集束するレンズと、偏向器から構成されるイオンビーム光学系と、イオンビーム光学系を制御するイオンビーム光学系制御装置と、イオンビームを試料に照射した際に発生する試料からの２次粒子を検出するための検出器と、試料を保持する試料台と、試料台の位置を制御する試料位置制御装置を備え、イオンビーム加工により試料に試料断面を形成する試料作製装置において、イオンビーム光学系制御装置が、イオンビーム光学系のイオンビーム光軸と試料表面の成す角度が０°より大きく９０°未満であり、設定断面の設定断面俯角に対応して、偏向器によるイオンビーム走査を制御する構成とした。これにより、断面加工時のＦＩＢ照射角度を任意に設定することができる。
（３）上記（１）、（２）の試料作製装置において、イオンビーム光学系制御装置が、設定断面の設定断面俯角に対応して、イオンビーム光軸を法線とする面に所望俯角を投影した角度情報をもとに上記偏向器を制御する構成とした。これにより、イオンビーム加工設定角度を制御し、断面加工時のＦＩＢ照射角度を任意に設定することができる。
（４）上記（１）、（２）の試料作製装置において、イオンビーム光学系制御装置が、設定断面の設定断面俯角に対応して、イオンビーム光軸を法線とする面に設定断面俯角を投影した角度情報をもとに上記偏向器を制御し、試料位置制御装置が試料台の試料台面内の回転を制御する構成とした。これにより、試料回転により任意の加工位置に任意の俯角の断面を形成することが容易となる。
（５）上記（１）から（４）の試料作製装置において、設定断面の設定断面俯角をイオンビーム光軸を法線とする面に投影した角度情報を、２次粒子検出器による２次粒子情報を表示する表示装置上に表示して設定する構成とした。これにより、オペレータが所望のＦＩＢ照射角度に対応する加工設定を視覚的に行うことが可能となる。
（６）上記（１）、（２）の試料作製装置において、所望断面稜の座標、所望断面法線方向、および大きさのパラメータ、あるいはこれらと等価的なパラメータのうち何れか、またはこれらパラメータの組合せに対応して、イオンビーム光学系制御装置がイオンビーム偏向器を制御し、試料位置制御装置が試料台の試料台面内での回転を制御する構成とした。これにより、オペレータが所望する断面形成パラメータに対応する加工設定を自動化することが可能となる。
（７）上記（１）から（６）の試料作製装置において、所望断面の所望断面俯角、またはこれと等価なパラメータを設定するための入力装置を有する構成とした。これにより、オペレータが容易に所望断面の俯角を設定することが可能となる。
（８）イオンビームを試料に傾斜方向から照射して、スパッタリング加工により断面を作製する試料作製方法において、試料の観察を所望する断面の俯角を設定する工程と、この俯角に対応してイオンビームの偏向走査領域端を決定して偏向走査領域を設定する工程と、この偏向走査領域をイオンビーム加工する工程から試料を作製することで、イオンビームの偏向制御のみで、ある範囲の任意の傾斜角度の断面を形成することができる。
（９）上記（８）の試料作製方法において、所望断面の回転角を取得する工程と、この俯角と所望断面の回転角に対応して試料回転角を決定して、試料台の試料台面内での回転を設定する工程から試料を作製することで、所望の断面位置にある範囲の任意の傾斜角度の断面を形成することができる。
（１０）荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束し、走査、偏向する荷電粒子ビーム光学系を用いて、荷電粒子ビーム加工により試料台に保持された試料に試料断面を形成するよう構成した試料作製装置において、荷電粒子ビーム光学系の荷電粒子ビーム光軸と試料台面とのなす角度を固定とし、かつ、試料台の試料台面内での回転により、試料断面の形成を制御してなることを特徴とする試料作製装置を提供する。
（１１）荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束し、走査・偏向する荷電粒子ビーム光学系を用いて、荷電粒子ビーム加工により試料台に載置された試料に試料断面を形成する試料作製装置において、荷電粒子ビーム光学系の荷電粒子ビーム光軸と試料表面とのなす角度を固定とし、試料の観察を所望する試料断面を形成するために設定した設定断面の法線方向と試料表面のなす角度に対応して、荷電粒子ビーム光学系の走査、偏向を制御するよう構成したことを特徴とする試料作製装置を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明による試料作製装置の一実施例を示す構成ブロック図である。
【００１６】
試料作製装置は、半導体ウエハや半導体チップ等の試料１を載置する可動で非傾斜の試料台２と、試料１の観察、加工位置を特定するため試料台２の位置を制御する試料位置制御装置３と、試料１の観察位置近傍にイオンビーム４を照射して観察用の穴を成形加工をするイオンビーム光学系５と、試料１の近傍を観察するための電子ビーム６を照射する電子ビーム光学系７と、試料１からの２次粒子（例えば、２次電子等）を検出する２次粒子検出器８を有する。
【００１７】
イオンビーム光学系５の構成は、以下の通りである。イオンを発生するイオン源９は加速電源１０により接地電位に対して加速電圧が印加される。イオン源９のイオン放出が不安定な場合には通電加熱電源１１により通電加熱を行い、イオン源９の状態改善をする。イオンの引出し電界を形成する引き出し電極１２は、引き出し電源１３によりイオン源９に対して引出し電圧が印加される。これにより引き出されたイオンビームは、アパーチャ１４によりビーム広がりが制限される。このアパーチャ１４は、引き出し電極１２と同電位である。このアパーチャ１４を通過したイオンビームは、集束電源１５により集束電圧を印加された集束レンズ１６により集束される。
【００１８】
集束されたイオンビームは、偏向電源１７が印加される偏向器１８により、走査、偏向が行われる。偏向電源１７は、Ｘ方向の偏向を行う電源１９、２０と、Ｙ方向の偏向を行う電源２１、２２により構成されており、電源１９と２０にはそれぞれ絶対値が等しく極性が逆の電位Ｖx／２、−Ｖx／２がＸ方向の対向電極に印加される。電源２１と２２にもＹ方向について同様にそれぞれＶy／２、−Ｖy／２が設定される。偏向されたイオンビームは、対物電源２３により対物電圧を印加された対物レンズ２４により試料1表面上に集束される。
【００１９】
上記の加速電源１０、引き出し電源１３、集束電源１５、偏向電源１７、対物電源２３は、イオンビーム光学系制御装置２５により制御される。上記イオンビーム光学系５のイオンビーム光軸は、試料１表面に対して傾斜している。
【００２０】
また、電子ビーム光学系７は、電子を発生する電子源２６と電子ビームを偏向、走査する偏向レンズ２７等から構成されている。
【００２１】
イオンビーム光学系制御装置２５、試料位置制御装置３、電子ビーム光学系７を制御する電子ビーム光学系制御装置２８、二次電子検出器８の検出情報を表示する表示装置２９等は、中央処理装置３０により制御される。試料台２、イオンビーム光学系５、電子ビーム光学系７、二次電子検出器８等は真空容器３１内に配置される。
【００２２】
図２は、断面観察のための傾斜したイオンビーム光学系での試料加工例を示すものである。本構成では、イオンビーム光軸３５が試料１表面の垂直軸４０に対して傾斜しており、傾斜角４１を、ここでは０°より大きく９０°未満の角度θとする。３７はイオンビーム光軸３５を試料表面に投影した光軸投影線である。ここに、加工穴３９を形成し、作製された形成断面３８を観察することを目的とする。ここで、図２のように形成断面３８と試料表面の交線である所望断面稜３７が、光軸投影線３６と平行であるとする。
【００２３】
このときイオンビーム加工設定は、図３に示すように、表示装置２９中の二次電子像４５の上でイオンビーム走査領域４６を設定することにより行う。この場合、所望断面稜３７は光軸投影線３６（二次電子像画面上には実在しない架空の線）と平行となる。
【００２４】
この場合の試料加工断面を図４に示す。この場合はイオンビーム４は所望断面５２に平行に照射され、加工穴３９を形成する。ここで、もし、理想加工が実現できれば形成断面が所望断面５２と一致するはずであるが、実際はイオンビームフレアの影響やリデポ等があるため、加工テーパ角αtを有する形成断面５１となる。このため、深さに伴い位置ずれが存在し、正確な断面観察ができない可能性があるため、以下の改善が必要である。
【００２５】
図５に示すようにイオンビーム５５をテーパ角に相当する傾斜角だけ傾斜照射して加工穴５４を形成すれば、形成断面５６は所望断面５２の位置に正しく形成される。即ち設定断面５８の設定断面俯角αdを図４のテーパ角に相当する傾斜角αtに一致させれば良い。
【００２６】
この傾斜加工を本非傾斜試料台で実現するためには、図６に示す加工設定を行う。図６（ａ）でイオンビーム走査領域６２の偏向走査領域端６１（設定断面稜と一致）が光軸投影線３６に対して加工回転角６３（ここでは角度をφdとする）を成すように設定する。ここで、図６（ｂ）のように、二次電子像４５の画面表示全体をφd回転させて表示しても良く、この場合は架空の光軸投影線３６がφd回転しており、イオンビーム走査領域６６とその偏向走査領域端６５（設定断面稜と一致）は二次電子像４５画面上で図３と同様に垂直に見えるため、オペレータは加工設定が行いやすい。ここで、φdは（数１）で示す計算式により、イオンビーム光学系制御装置２５により計算され、自動的に偏向器１８の走査を設定する。
【００２７】
【数１】

ここで、イオンビーム光軸傾斜角θは装置で決まっているため、設定断面俯角αdに対して加工設定の回転角φdが一意的に決定される。ここで−θ≦αd≦θである。
【００２８】
このときの加工を表したのが図７であり、加工穴７２の設定断面稜７１が光軸投影線３６と角度７４（ここでは設定断面稜回転角βdとする）ずれている。このβdは（数２）で表される。
【００２９】
【数２】

このβdとφdの関係は（数３）のように簡単に表される。
【００３０】
【数３】

即ち、図８（ａ）に示すように、加工回転角φdが０°の場合の二次電子像である図３において、断面加工する構造方向８１が光軸投影線３６と平行な状態を試料台３の回転基準（ここでは０°とする）としたときは、図８（ｂ）に示すように試料台をβd回転させれば設定断面稜７１が断面加工する構造方向８１と一致し、所望の観察断面作製が可能となる。
【００３１】
つまり、上記の通り、加工回転角φdは設定断面俯角αdで決定されるため、設定断面稜回転角βdから決定される試料台回転角βrも設定断面俯角αdに対して一意的に決まる。このため、（数２）計算を試料位置制御装置１８により行うことで、断面加工する構造方向に対して試料台回転を自動制御することが可能となる。
【００３２】
以上の設定のフローをブロック図で表現すると図９に示す通りとなる。まず、設定断面俯角αdがユーザにより入力される（９１）。これは、例えば図１０（ａ）に示すとおり表示装置２９画面上の設定断面俯角設定部１０１に入力することで、中央処理装置３０を介してイオンビーム光学系制御装置２５に伝達される。
【００３３】
次に、所望断面稜をユーザが設定する（９３）。これは、例えば図１０に示すとおり二次電子像４５画面上で所望断面稜１０２の始点（Xs、Ys）１０３と終点(Xe、Ye)１０４を指定することで設定される。この目標とする位置はデバイス設計のＣＡＤ（Computer-Aided Design）データから位置設定する事も可能であり、この場合には試料の最表面に無い下層配線位置を設定する事も可能である。このＣＡＤデータでは所望断面稜設定９３において、座標情報として数値的に所望断面稜１０２の始点（Xs、Ys）１０３と終点(Xe、Ye)１０４を設定することも可能である。図１０の矢印１０５は所望断面稜法線方向を表し、この矢印方向に、イオンビーム加工穴を形成する。
【００３４】
これらの情報を元に、まず、イオンビーム走査範囲を決定する。ここでは、図６（ｂ）で説明したように二次電子像取込用のイオンビーム走査自身を回転させる場合について説明する。まず、（数１）により加工回転角φdを算出する（９２）。この加工回転角φd分のイオンビーム走査回転を行うことで、イオンビーム走査回転を行う前の偏向座標（Xi、Yj）が（数４）、（数５）で表される（Xij、Yij）に変換される。
【００３５】
【数４】

【数５】

ここで、イオンビーム走査領域を定義する(i ＝ 1〜n、 j ＝ 1〜m)は、所望断面稜設定（Xs、Ys）、(Xe、Ye)と所望断面深さZdから決定する（９５）。この所望断面深さZd設定（９４）は、例えば図１０（ａ）の示すとおり表示装置２９画面上の所望断面深さ設定部１０６に入力することで、中央処理装置３０を介してイオンビーム光学系制御装置２５に伝達される。(i ＝ 1〜n、 j ＝ 1〜m)は所望断面稜の長さから決まる加工穴長さと、断面観察角度と所望断面深さZdから決まる加工穴幅から決定される。この（Xij、Yij）に対応する偏向電圧を（数６）、（数７）により算出する（９６）。
【００３６】
【数６】

【数７】

ここで、kx、kyはそれぞれX、Y方向の偏向の係数で、加速電圧１０、偏向器１８の長さ、対向電極間距離，偏向器１８から試料１までの距離等により装置的に決定される係数である。この（Vxij、Vyij）を偏向電源１７から印加し、偏向器１８の電圧制御を行う。このとき、設定断面稜は、図６（ｂ）の６５で示す通り、二次電子像３６上で垂直となる。この設定断面稜６５に所望断面稜１０２を試料台２の回転により一致させるために必要な試料台回転角βrは、（数８）により試料位置制御装置３で算出され、試料台２が回転制御される。
【００３７】
【数８】

このとき、二次電子像４５上には、図１０（ｂ）に示すように、所望断面稜１０７に対して、イオンビーム走査領域１０８が（X11、Y11）１０９、（X1m、Y1m）１１０、（Xn1、Yn1）１１１、（Xnm、Ynm）１１２に囲まれた領域として設定されている。この領域をイオンビーム走査して加工を行うことで、所望断面が形成される。
【００３８】
もし、イオンビームのフレアによる加工誤差を有し問題となる場合は、（X11、Y11）１０９と（X1m、Y1m）１１０を結ぶ線分で形成される偏向走査領域端を、所望断面１０７から誤差分だけ図１０（ｂ）中で右方向に移動して設定すると形成断面が所望断面１０７となる。
【００３９】
ここで、イオンビーム光軸傾斜角θが４５°の場合の実際の加工例を示す。（表１）は、−４５°〜＋４５°の設定断面俯角αdに対する加工回転角φdと設定断面稜回転角βdを（数１）、（数２）の計算から求めた設定値（degree単位で小数第１位まで記載）である。
【００４０】
（表１）

【００４１】
これら条件で加工したときの、実際の形成断面の形成断面俯角と設定断面俯角αdの関係を図１４に示す。加工が理想的であれば実験値１４１は理想線１４２と一致するはずであるが、実際には一致していない。このズレは加工テーパが原因である。このため、正確な所望断面を形成するためには、テーパ角αtを自動的に補正する、以下のようなフローが必要である。
【００４２】
テーパ角αtは、イオンビームエネルギーや試料材質等に依存するのみならず、イオンビームの光軸傾斜角θや所望断面俯角αeにも依存する。このため、テーパ角をαt（αe，θ）と表現すると、以下の（数９）で表される設定断面俯角αdを使用して、（数１）のφdを偏向制御し、（数８）のβrを試料台回転制御することで形成断面を所望断面と一致させることができる。
【００４３】
【数９】

即ち、テーパ角αt（αe，θ）のαe，θをパラメータとしたテーブルを使用することで、自動的に形成断面を所望断面位置に作製することができる。θが４５°の時は、このテーブルは例えば（表２）のようになる。
【００４４】
（表２）

【００４５】
以上のように、本発明の構成により、加工設定の回転角φdと試料台回転角βｒを自動制御することで、イオンビームの傾斜照射角αdを任意に選ぶことができ、テーパ除去加工等も容易となる。
【００４６】
（実施例２）
本実施例では、断面作製のために実際に加工される形状を矩形とする例について説明する。
【００４７】
実施例１で説明したイオンビーム走査領域は図６のように矩形であるため、実際に試料表面上で加工される形状は、図１５（ａ）の１５１に示す通り平行四辺形となる。ここで、１５３、１５４、１５５はデバイスの配線であり、このうち配線１５３、１５４の位置を加工することを目的とする。形成断面稜１５２は配線１５３、１５４と垂直に交差するように加工されている。この場合、形成断面稜以外の加工稜１５６は形成断面稜１５２に対して斜めに形成され、本来加工する必要が無い配線１５５まで加工してしまうことがある。
【００４８】
このため、図１５（ｂ）に示すような加工が望まれる場合がある。即ち、試料表面上での加工形状が１５７のように矩形にし、形成断面稜１５８以外の加工稜１５９を配線１５３等と平行にすることで、目標配線１５３、１５４のみを加工することが可能となる。
【００４９】
この加工を実現するためには、図１６に示す加工設定を行えば良い。これは、図６（ｂ）に対応する図であり、二次電子像１６１の画面表示全体をφd回転させて表示したものである。ここで、偏向走査領域端１６３は図６（ｂ）の偏向走査領域端６５と同様に設定するが、この偏向走査領域１６２は図６（ｂ）の矩形の偏向走査領域６６と異なり、平行四辺形に設定する。このとき１６４に示す平行四辺形の内角γ（degree表示）は、（数１０）で表される。
【００５０】
【数１０】

以上のように、平行四辺形の偏向走査領域１６２の設定で加工することにより、図１５（ｂ）の矩形加工が実現できるため、無駄な領域を加工することなく任意傾斜加工を実現することができる。
【００５１】
（実施例３）
本実施例では、本発明による試料作製装置を、ＴＥＭ観察やエネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＸ）や電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）の薄膜試料に適用した例について説明する。
【００５２】
ＴＥＭ観察用薄膜は、観察分解能を向上するためには薄いことが要求され、通常１００ｎｍ程度の厚さに加工する。しかし、実施例１で述べたように観察断面に対してイオンビームを平行に照射する場合には、ＴＥＭ薄膜加工では、図１１に示す様にテーパを有する薄膜断面１１５、１１６ができてしまうため所望観察面１１７に対して深さ方向に厚さ分布を持つ試料となる。この場合は、深い領域では余分な構造まで含んでしまい、観察精度が劣化する。さらに、組成元素分析のためにＥＤＸやＥＥＬＳを使用する場合には、Ｘ線や電子線の信号量の定量性が重要であるが、膜厚が異なる図１１のような試料の場合には、組成の定量的比較ができなくなる。
【００５３】
これを解決するためには、実施例１で説明したようにイオンビームの加工設定の回転角φdをイオンビーム光学系制御装置２５で制御し、図１２（ａ）に示すとおり、イオンビーム１２１が所望観察面１１７に対して傾斜させて照射することにより、薄膜断面１２２を所望観察面１１７に平行に形成することができる。同様に逆方向にイオンビームの加工設定の回転角φdを設定することで、図１２（ｂ）に示す傾斜イオンビーム１２４の照射が可能になり、薄膜断面１２５を形成できる。これにより、膜厚均一性の高い観察薄膜を形成することが可能となる。
【００５４】
以上のように、本発明の構成により、加工設定の回転角φdと試料台回転角βrを自動制御することで、イオンビームの傾斜照射角αdを任意に選ぶことができ、膜厚均一性の高い薄膜が形成でき、ＴＥＭ観察の観察精度の向上やＥＤＸ、ＥＥＬＳの分析定量化に有効である。
【００５５】
（実施例４）
本実施例では、本発明による試料作製装置を、オージェ電子分光分析（ＡＥＳ）や二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の深さ分析用試料に適用した例について説明する。
【００５６】
ＡＥＳやＳＩＭＳで試料表面平行方向に組成が均一な試料部の深さ方向の組成分析をする場合、深さ方向分解能を向上するために浅い角度で形成した断面を分析することで深さ分解能を向上させることができる。このような分析に適した分析断面作製法について図１３（ａ）に示す。
【００５７】
イオンビーム１３１は、実施例１で説明したイオンビーム偏向制御により傾斜照射を行い加工穴１３３を形成する。こうして形成断面１３２を形成することにより断面に露出する試料内部構造は試料深さ方向よりも広くなる。この形成断面１３２に電子ビーム１３４を照射し、オージェ電子を検出して分光して、形成断面１３２内の面内組成分布を取得することにより、試料１の深さ方向の組成分布を得ることができる。電子ビーム１３４の代わりにイオンビームを照射し、二次イオンを検出して質量分析すれば、ＳＩＭＳによる深さ方向の元素分析にも使用可能である。
【００５８】
このように本試料作製装置により浅い角度の傾斜断面を形成することにより、ＡＥＳ、ＳＩＭＳ等の組成深さ分析の分解能を向上させることも可能となる。
【００５９】
なお、以上の実施例では、イオンビームによる加工を例にとって説明してきたが、本発明は、イオンビームに限らず加工可能な荷電粒子線ビームであれば適用可能である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、装置製造コストの低減に有効な非傾斜試料台による装置構成で、任意の角度でのイオンビーム照射加工が可能となり、精度良い断面が形成できるため、ＦＩＢやＳＥＭ観察が高精度化される。また、膜厚均一性の高い試料薄膜が形成でき、ＴＥＭ観察の観察精度の向上やＥＤＸ、ＥＥＬＳの分析定量化に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による試料作製装置の一実施例を示す全体構成図。
【図２】斜め方向からのイオンビーム照射による断面加工例を示す図。
【図３】二次電子像上での断面加工設定画面を示す図。
【図４】所望断面に対するイオンビーム平行照射での形成断面を示す図。
【図５】所望断面に対するイオンビーム傾斜照射での形成断面を示す図。
【図６】イオンビーム傾斜照射時の二次電子像上での断面加工設定画面を示す図。
【図７】イオンビーム傾斜照射時の断面加工を示す図。
【図８】断面加工する構造を加工設定と一致させる試料回転を示す図。
【図９】本発明における加工設定のフローを示すブロック図。
【図１０】加工設定画面を示す図
【図１１】所望断面に対するイオンビーム平行照射での薄膜加工を示す図。
【図１２】所望断面に対するイオンビーム傾斜照射での薄膜加工を示す図。
【図１３】深さ方向組成分析に適した試料断面形成加工を示す図。
【図１４】実験による設定断面俯角と形成断面俯角の関係を示す図。
【図１５】試料表面加工形状によるデバイスパターン加工の違いを示す図。
【図１６】矩形穴加工のための偏向走査領域を示す図。
【符号の説明】
１…試料、２…試料台、３…試料位置制御装置、４…イオンビーム、５…イオンビーム光学系、６…電子ビーム、７…電子ビーム光学系、８…二次電子検出器、９…イオン源、１０…加速電源、１１…通電加熱電源、１２…引き出し電極、１３…引き出し電源、１４…アパーチャ、１５…集束電源、１６…集束レンズ、１７…偏向電源、１８…偏向器、２３…対物電源、２４…対物レンズ、２５…イオンビーム光学系制御装置、２６…電子源、２７…偏向レンズ、２８…電子ビーム光学系制御装置、２９…表示装置、３０…中央処理装置、３１…真空容器、３５…イオンビーム光軸、３６…光軸投影線、３７…所望断面稜、３８…形成断面、３９…加工穴、４０…試料表面の垂直軸、４１…傾斜角、４５…二次電子像、４６…イオンビーム走査領域、５１…形成断面、５２…所望断面、５５…イオンビーム、５６…形成断面、５７…加工穴、５８…設定断面、６１…設定断面稜、６２…イオンビーム走査領域、６３…加工回転角、６５…設定断面稜、６６…イオンビーム走査領域、７１…設定断面稜、７２…加工穴、７３…形成断面、７４…設定断面稜回転角、８１…断面加工する構造方向、１０１…設定断面俯角設定部、１０２…所望断面稜、１０５…矢印、１０６…所望断面深さ設定部、１０７…所望断面稜、１０８…イオンビーム走査領域、１１５、１１６…薄膜断面、１１７…所望観察面、１２１…イオンビーム、１２２、１２３…薄膜断面、１２４…イオンビーム、１２５…薄膜断面、１３１…イオンビーム、１３２…形成断面、１３３…加工穴、１３４…電子ビーム、１４１…実験値、１４２…理想線、１５１…加工形状、１５２…形成断面稜、１５３、１５４、１５５…配線、１５６…加工稜、１５７…加工形状、１５８…形成断面稜、１５９…加工稜、１６１…二次電子像、１６２…偏向走査領域、１６３…偏向走査領域端、１６４…内角。

Claims

荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束し、走査、偏向する荷電粒子ビーム光学系を用いて、荷電粒子ビーム加工により試料台に保持された試料に試料断面を形成するよう構成した試料作製装置において、
前記試料台は非傾斜であって、
前記荷電粒子ビーム光学系の荷電粒子ビーム光軸と、非傾斜の前記試料台に載置された試料表面のなす角度が０°より大きく９０°未満であり、かつ前記荷電粒子ビーム光軸と前記試料表面の成す角を固定にし、
前記試料の観察を所望する試料断面を形成するために設定した設定断面と前記試料表面の交線である設定断面稜が前記荷電粒子ビーム光軸を前記試料表面に投影した光軸投影線に対してなす回転角を算出し、前記回転角に基づいて前記荷電粒子ビーム光学系の偏向器を制御し、
前記設定断面の法線方向と前記試料表面のなす設定断面俯角に基づいて試料台回転角を算出し、前記試料台回転角に基づいて前記試料台の試料台面内での回転を制御することを特徴とする試料作製装置。
荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束し、走査・偏向する荷電粒子ビーム光学系を用いて、荷電粒子ビーム加工により試料台に載置された試料に試料断面を形成する試料作製装置において、
前記試料台は非傾斜であって、
前記荷電粒子ビーム光学系の荷電粒子ビーム光軸と、非傾斜の前記試料台に載置された試料表面のなす角度が０°より大きく９０°未満であり、かつ、前記荷電粒子ビーム光軸と前記試料表面の成す角を固定にし、
前記試料の観察を所望する試料断面を形成するために設定した設定断面と前記試料表面の交線である設定断面稜が前記荷電粒子ビーム光軸を前記試料表面に投影した光軸投影線に対してなす回転角を算出し、前記回転角に基づいて、前記荷電粒子ビーム光学系の走査、偏向を制御するよう構成したことを特徴とする試料作製装置。
イオン源と、前記イオン源から放出するイオンを集束するレンズと、偏向器から構成されるイオンビーム光学系と、前記イオンビーム光学系を制御するイオンビーム光学系制御装置と、イオンビームを試料に照射した際に発生する前記試料からの２次粒子を検出するための検出器と、前記試料を保持する試料台と、前記試料台の位置を制御する試料位置制御装置とを備え、イオンビーム加工により前記試料に試料断面を形成する試料作製装置において、
前記試料台は非傾斜であって、
前記イオンビーム光学系のイオンビーム光軸と、非傾斜の前記試料台に載置された試料表面のなす角度が０°より大きく９０°未満であり、かつ、前記イオンビーム光軸と前記試料表面の成す角を固定にし、
前記イオンビーム光学系制御装置は、前記設定断面と前記試料表面の交線である設定断面稜が前記イオンビーム光軸を前記試料表面に投影した光軸投影線に対してなす回転角を算出し、前記回転角に基づいて前記偏向器を制御し、
前記試料位置制御装置は、前記試料の観察を所望する試料断面を形成するために設定した設定断面の法線方向と前記試料表面のなす設定断面俯角に基づいて試料台回転角を算出し、前記試料台の試料台面内での回転角度を制御することを特徴とする試料作製装置。
イオン源と、前記イオン源から放出するイオンを集束するレンズと、偏向器とを有するイオンビーム光学系と、前記イオンビーム光学系を制御するイオンビーム光学系制御装置と、前記イオンビームを試料に照射した際に発生する前記試料からの２次粒子を検出するための検出器と、前記試料を保持する試料台と、前記試料台の位置を制御する試料位置制御装置とを備え、イオンビーム加工により前記試料に試料断面を形成する試料作製装置において、
前記試料台は、試料台面内に含まれる線分もしくは平行な線分を軸として回転せず、
前記イオンビーム光学系のイオンビーム光軸と、前記試料台に載置された試料表面のなす角度が０°より大きく９０°未満であり、かつ、前記イオンビーム光軸と前記試料表面の成す角を固定にし、
前記イオンビーム光学系制御装置は、前記試料の観察を所望する試料断面を形成するために設定した設定断面と前記試料表面の交線である設定断面稜が前記イオンビーム光軸を前記試料表面に投影した光軸投影線に対してなす回転角を算出し、前記回転角に基づいて前記偏向器によるイオンビーム走査を制御することを特徴とする試料作製装置。
前記イオンビーム光軸を前記試料表面に投影した光軸投影線および前記設定断面と前記試料表面の交線である設定断面稜を、前記イオンビーム光軸に垂直な面にそれぞれ投影した場合にお互いがなす角度情報を、前記２次粒子検出器による２次粒子情報を表示する表示装置上に表示するよう構成したことを特徴とする請求項３又は４記載の試料作製装置。
イオンビーム光学系を介してイオンビームを試料に傾斜方向から照射して、スパッタリング加工により前記試料に試料断面を形成する試料作製方法において、
前記試料を保持する試料台は非傾斜であり、前記イオンビーム光学系のイオンビーム光軸と前記試料表面の成す角を固定にし、
前記試料の観察を所望する試料断面の俯角を設定する工程と、
前記俯角に基づいて、前記試料断面を形成するために設定した設定断面と試料表面の交線である設定断面稜が前記イオンビーム光学系のイオンビーム光軸を前記試料表面に投影した光軸投影線に対してなす回転角を算出する工程と、
前記試料上に、前記回転角に対応してイオンビームの偏向走査領域を形成する一辺を決定し、偏向走査領域を設定する工程と、
前記偏向走査領域をイオンビーム加工する工程とを有することを特徴とする試料作製方法。
前記回転角に対応する試料台回転角を決定し、前記試料台の試料台面内での回転を設定する工程を有することを特徴とする請求項６記載の試料作製方法。