JP4878135B2 - 荷電粒子ビーム装置及び試料加工方法 - Google Patents

Description

本発明は透過電子顕微鏡(ＴＥＭ)で観察するための薄片化試料を作成するための荷電粒子ビーム装置に関する。

近年、半導体デバイスのパターンの微細化に伴い、その半導体デバイスの特定微小部を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope）によって観察し評価する技術の重要性が高まっている。このような特定微小部となる薄片化試料を作製するには、集束イオンビーム装置が広く用いられているが、要求される試料の厚さが薄くなるにつれて、集束イオンビームによるダメージが問題となってきており、ダメージを除去するための方法が必要とされている。

上述した状況における解決策として、例えば、アルゴンなどの化学的活性の低い元素をイオン種とする気体イオンビームを照射する方法が提案されている（特許文献１参照）。
現在広く用いられているアルゴンイオンミリング装置は、単機能の専用装置であるために試料とイオンビームの位置関係はシンプルであり、イオンビームの照射角度も試料ステージの傾きを設定することで簡単に設定でき、また直感的に理解しやすい配置となっている。しかし、実際の薄片化試料がステージに対して傾いたり曲がったりしている場合は認識することができないので精度良く照射角度を制御することが難しいという問題点があった。入射角度は、エッチングレートなどに影響を与える重要なパラメータであるため正確な入射角度制御が望まれていた。

一方、集束イオンビーム装置にアルゴンなどの気体イオンビームを照射する機構を組み込んだ装置なども提案されている（例えば、特許文献２参照）。これらの複合装置では、加工・観察などの便宜上、アルゴンイオンビームの照射角度は、集束イオンビームや走査型電子顕微鏡の軸に対して平行移動や回転方向が固定されている。このため、アルゴンイオンビームを照射する機構の取り付け角度は、ステージの回転軸に対して平行や直角ではない角度にならざるを得ない。この場合、図２に一例を示したように、試料ステージの回転角度と、試料表面へのビームの入射角度は等しくない。このため試料表面に対するアルゴンイオンビームの入射角度は直感的に理解することは困難である。そして、所望の角度で照射するためには、計算により必要なステージの動作量を求めてステージ操作をする必要があった。このような操作は、操作効率や人為的ミスの起こり易さの観点からも解決が望まれていた。
特開平１０−２２１２２７号公報 特開平６−２６０１２９号公報

本発明はこのような事情に鑑み、薄片化試料の配置状況に応じて、正確かつ簡単に気体イオンビームの照射角度を制御することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、試料を加工して薄片化試料を作成するとともに当該薄片化試料を観察する集束イオンビーム装置と前記薄片化試料を観察する走査型電子顕微鏡と前記薄片化試料の表面に気体イオンビームを照射して仕上げ加工をする気体イオンビーム照射装置と、前記薄片化試料が固定され且つ少なくとも1以上の回転軸を有する試料ステージを備えた荷電粒子ビーム装置で薄片化試料の仕上げ加工を行う際に、試料姿勢認識手段を用いて前記試料ステージに対する前記薄片化試料の位置関係を認識し、前記薄片化試料の表面に対する前記気体イオンビームの入射角度を所望の値にするために、前記姿勢認識手段により認識した試料姿勢と前記気体イオンビーム照射装置の取り付け角度に基づき試料ステージを現在位置からどれだけ動かせばよいかを計算し、その計算結果により試料ステージを移動させる試料ステージ制御手段を使用することをもって、前記薄片化試料の表面に正確かつ簡単に所望の入射角度で前記気体イオンビームを照射することが可能となる。この態様において、前記集束イオンビーム装置と前記走査型電子顕微鏡のうちどちらかのみを含む構成に置いても同様の効果を得ることができる。また、前記薄片化試料の表面ではなく裏面に対しても同様の方法を用いて同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様における前記試料姿勢認識手段として前記集束イオンビーム装置による前記薄片化試料の観察像と観察時の前記試料ステージの座標から前記試料ステージに対する前記薄片化試料の位置関係を認識することで、前記薄片化試料の表面に正確かつ簡単に所望の入射角度で前記気体イオンビームを照射することが可能となる。また、本態様において前記集束イオンビーム装置による前記薄片化試料の観察像に代わり、前記走査型電子顕微鏡による観察像を用いることでも同様の効果を得ることができる。

本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様の何れかにおいて、前記気体イオンビームはネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素のうちいずれか１つまたは複数の気体イオンビームを用いたものである。これにより、前記薄片化試料の表面に正確かつ簡単に所望の入射角度で前記気体イオンビームを照射することが可能となる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様の何れかにおいて、前記試料ステージは前記集束イオンビーム装置及び前記走査型電子顕微鏡の軸と直交するチルト軸と、前記チルト軸の回転に伴って回転する三軸の直交ステージと、前記三軸の直交ステージに載置された回転軸を有する五軸ステージとして構成されるものである。ここで、五軸ステージの五軸とは、チルト軸、ローテーション軸、X軸、Y軸及びZ軸である。これにより、前記薄片化試料の表面に正確かつ簡単に所望の入射角度で前記気体イオンビームを照射することが可能となる。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記集束イオンビーム装置の軸と前記走査型電子顕微鏡の軸と前記気体イオンビーム照射装置の軸は実質的に一点で交わり、さらに前記気体イオンビーム照射装置の軸は前記チルト軸と前記集束イオンビーム装置または前記走査型電子顕微鏡の軸を含む平面内で且つ前記チルト軸と直交あるいは平行以外の角度を持つように構成される。これにより、前記薄片化試料の表面に正確かつ簡単に所望の入射角度で前記気体イオンビームを照射することが可能となる。

本発明によれば、上述のように薄片化試料の配置状況に応じて、正確かつ簡単に気体イオンビームの照射角度を制御することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明の構成は以下の説明に限定されない。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る荷電粒子ビーム装置の概略を示す概略図である。
本実施形態では、集束イオンビーム装置などによりある程度薄片化された試料（以下、薄片化試料と称する）としてステージに固定された状態を前提として説明する。図１では省略されているが、前記薄片化試料はＴＥＭ観察時に使用されるメッシュと呼ばれる試料台に固定され、前記メッシュを介して試料ステージ６に固定されている。また、ここで言うある程度の薄片化とは試料やその観察目的などにより大きく異なるが、この試料の厚さは本発明の本質には関係しない。一例を挙げれば１００乃至２００ナノメートル程度の厚さまで薄片化された試料である。

図１に示すように、本実施形態の荷電粒子ビーム装置は、不図示の真空排気ポンプにより内部が真空状態に維持される試料室１に、試料表面を加工して薄片化試料２を作製すると共にその薄片化試料２を観察する集束イオンビーム装置３と、薄片化試料２を観察する走査型電子顕微鏡４と、薄片化試料２に気体イオンビーム１２を照射して仕上げ加工をする気体イオンビーム照射装置５と、薄片化試料２が固定され且つ少なくとも１以上の回転軸を有する試料ステージ６とを具備する。気体イオンビーム照射装置５はアルゴンガスをイオン化して１ｋＶ程度の低加速電圧で照射するアルゴンイオンビーム照射装置を用いた。また、集束イオンビーム装置３は垂直に配置し、走査型電子顕微鏡４と気体イオンビーム照射装置５は斜めに配置されこれら３つのビームの軸は実質的に１点で交差するように配置した。さらに試料ステージ６は、集束イオンビーム装置３と走査型電子顕微鏡４の軸の交点を含み、かつそれぞれの軸に直交するような軸に沿って回転するチルトステージ９と、チルトステージに載置された直交３軸のＸＹＺステージ１０と、さらに前記ＸＹＺステージに載置され、上下方向を軸として回転するローテーションステージ１１をもつ５軸ユーセントリックステージである。

試料ステージ６に固定された薄片化試料２は、試料姿勢認識手段７により試料ステージ６に対する相対的な位置関係が把握される。試料姿勢認識手段７は例えば以下に説明するような方法で実現される。第１に薄片化試料２をユーセントリック位置に配置する。このために、チルトステージ９のチルト軸を動作させても像が動かない位置を探す方法が広く使われている。第２に集束イオンビーム装置３により薄片化試料２の観察像を得る。この観察像は例えば図３の(a)のようなものである。この際、試料がエッチングにより損傷することを避けるため、観察用ビームの電流値や走査時間は十分に注意する必要がある。この観察像において、図３の（ｂ）のように薄片化試料２の上辺が、チルトステージ９のチルト軸の方向と一致するようにローテーションステージ１１を動作させる。チルトステージ９のチルト軸の方向が画面上の水平または垂直などわかりやすい角度に一致するように事前に調整をしておくことでこの作業は容易に行うことができる。また、薄片化試料２がローテーションステージ１１の回転中心にない場合は、回転に伴ってＸＹステージ１０も動作させる必要があるが、広く一般に行われていることなのでこの詳細は説明を省略する。第３に薄片化試料２が真上から見えるようにチルトステージ９を動作させる。具体的には、図３の（ｃ）のように薄片化試料２の上辺だけが見えて壁面がほとんど見えなくなるように調整する。今後の説明の便宜のためにこの時点で走査型電子顕微鏡４に対向している面を表面と定義する。第４にこの時点の試料ステージ６の、チルト角とローテーション角を記録する。この角度がすなわち試料ステージ６に対する薄片化試料２の角度となり姿勢を認識できたことになる。ここでの試料姿勢認識手段は、集束イオンビーム装置３の観察像に基づいて行ったが、走査型電子顕微鏡４と集束イオンビーム装置３の位置関係は相互の取りつけ角度によって決まる定数なので、同様のことを走査型電子顕微鏡４の観察像によって行っても同じように試料ステージ６に対する薄片化試料２の姿勢を認識することができる。集束イオンビーム装置３は通常30ｋＶ程度の加速電圧で用いることが多いため走査型電子顕微鏡４による観察は、薄片化試料２に与えるダメージが小さい場合が多い。そのため、仕上げ加工の追加工のような場合は走査型電子顕微鏡４の観察像を使用する場合もある。

上述のように姿勢認識手段７により、薄片化試料２の姿勢が認識できた。この情報をもとに、所望の入射角を得るためのステージ移動量の計算を行う。気体イオンビーム照射装置５と直角に交わる回転軸を持ったステージがあれば、角度の計算は直感的に行える程度に簡単だが、ここで例示している形態のように気体イオンビーム照射装置５に対して、直交する回転軸がない場合は以下のような計算を行う。

試料ステージ６の表面に固定された座標系で表した薄片化試料２の表面の法線ベクトルをｎｓとする。この法線ベクトルｎｓの成分は前述の試料姿勢認識手段によって得られる。このベクトルｎｓをローテーションステージの回転を表現する行列Ｒによって、チルトステージに固定された座標系で表した薄片化試料２の法線ベクトルｎｔに変換することができる。さらに、同様にしてチルトステージの回転を表現する行列Ｔによって試料室１に固定された座標系で表された薄片化試料２の法線ベクトルｎｃに変換することができる。一方、気体イオンビーム照射装置５から照射されるの気体イオンビームの進行方向を表すベクトルは、その取りつけ角度から試料室１に固定された座標系で直ちに表すことができる。この気体イオンビームの進行方向を表すベクトルをｂｃとすると、薄片化試料２に対する入射角αは、薄片化試料２の法線ベクトルと気体イオンビーム進行方向ベクトルのなす角を９０°から減じたものであるから、ベクトルの内積の定義より

と表される。ｎｃは、チルトステージ９の回転角ｔ、ローテーションステージ１１の回転角ｒ、さらに薄片化試料２の試料ステージ６に対する傾きτ、回転角ρを含み、ベクトルｂｃは、気体イオンビーム照射装置５の取りつけ角度によって決まる定数であるため、数式２の右辺は、チルトステージ９の回転角ｔ、ローテーションステージの回転角ｒ、さらに薄片化試料２の試料ステージ６に対する傾きτ、回転角ρの関数であると考えられる。τ、ρに前述の試料姿勢認識手段７で得られた値を代入し、ｔについては固定しｒについて解くことで、所望の入射角度に対する試料ステージ６の移動量を求めることができる。この場合、解が２つある場合があるが、試料ステージ６の移動量を最小化するといった条件や、加工している面が走査型電子顕微鏡４で観察可能といった条件を付帯することで解を選択することができる。また、裏面については入射角αの符号を負の値にして解くことで必要な試料ステージ６の移動量を求めることができる。この計算結果に基づき試料ステージ６を動作させる。以上が試料ステージ制御手段８の説明である。

以上が本発明による荷電粒子ビーム装置による気体イオンビーム照射角度の制御の説明である。

ここまでの説明を、オペレータの操作の観点から振りかえると、まず、薄片化試料２が真上から見えるように試料ステージを操作する。次いで、入射角度と表裏のどちらに気体イオンビームを照射するかを指定する。入射角度を指定する際には、オペレータは気体イオンビーム照射装置５の取りつけ角度などについては意識する必要がないため非常に簡単に操作することができる。

これらより本発明によれば、薄片化試料の配置状況に応じて、正確かつ簡単に気体イオンビームの照射角度を制御することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供することが可能となる。
（他の実施形態）
上述した実施形態１では、集束イオンビーム装置３と走査型電子顕微鏡４が両方とも実装されているが、どちらか片方と気体イオンビーム照射装置の組合わせでも試料姿勢認識手段は同様に実行することが可能で、結果として薄片化試料の配置状況に応じて、正確かつ簡単に気体イオンビームの照射角度を制御することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供することが可能となる。

また、試料姿勢認識手段は実施形態１で行ったように、薄片化試料２が決まった見え方になるようにオペレータが操作することもできるが、画像認識の技術を使って自動で行うことも可能であり、本発明の開示の範囲に含まれる。

本発明の実施形態１に係る荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る試料姿勢認識手段の一例を説明する図である。 ステージの回転角度と試料への入射角度の関係を表す図である。

符号の説明

１ 試料室
２ 薄片化試料
３ 集束イオンビーム装置
４ 走査型電子顕微鏡
５ 気体イオンビーム照射装置
６ 試料ステージ
７ 試料姿勢認識手段
８ 試料ステージ制御手段
９ チルトステージ
１０ ＸＹＺステージ
１１ ローテーションステージ
１２ 気体イオンビーム
１３ 気体イオンビーム照射角度
１４ ステージ回転角度

Claims (5)

1. 試料を加工し、薄片化試料を作製する集束イオンビーム装置と、
   前記薄片化試料を観察する走査型電子顕微鏡と、
   前記集束イオンビーム装置と前記走査型電子顕微鏡の軸と直交するチルト軸に沿って傾斜可能な試料ステージと、
   前記チルト軸に対し傾斜して配置され、前記薄片化試料の表面または裏面に気体イオンビームを照射し、仕上げ加工をする気体イオンビーム照射装置と、
   前記試料ステージの回転を制御する試料ステージ制御手段と、
   前記薄片化試料の表面または裏面に対する前記気体イオンビームの入射角度を入力する入力手段と、を備え、
   前記試料ステージに載置された前記薄片化試料の表面または裏面と前記気体イオンビーム照射装置の照射軸とのなす角度が前記入射角度になるように、前記試料ステージの位置情報と前記気体イオンビーム照射装置の鏡筒の取り付け角度から前記試料ステージの回転量を算出し、前記試料ステージ制御手段により前記試料ステージを回転させる荷電粒子ビーム装置。
2. 前記気体イオンビームは、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素のうちいずれか１つまたは複数からなる請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置。
3. 前記試料ステージは、前記集束イオンビーム装置及び前記走査型電子顕微鏡の鏡筒軸と直交するチルト軸と、前記チルト軸の回転に伴って回転する三軸の直交ステージと、前記三軸の直交ステージに載置された回転軸を有する請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム装置。
4. 前記集束イオンビーム装置及び前記走査型電子顕微鏡の軸と前記気体イオンビーム照射装置の軸は、実質的に一点で交わり、
   前記気体イオンビーム照射装置の軸は、前記チルト軸と前記集束イオンビーム装置または前記走査型電子顕微鏡の軸を含む平面内で且つ前記チルト軸と直交あるいは平行以外の角度を有する請求項３に記載の荷電粒子ビーム装置。
5. 薄片化試料の仕上げ加工を行うための気体イオンビームの入射角度を設定する工程と、
   試料ステージに固定された前記薄片化試料に集束イオンビームまたは電子ビームを照射し、前記薄片化試料の観察像を取得する工程と、
   前記観察像を取得した際の前記試料ステージの位置情報と、前記気体イオンビームの鏡筒の取り付け角度に基づき前記試料ステージの回転量を算出し、前記入射角度で前記気体イオンビームを前記薄片化試料に照射するために前記回転量に基づき前記試料ステージを回転させる工程と、
   前記入射角度で前記気体イオンビームを前記薄片化試料に照射し、前記薄片化試料の仕上げ加工を行う工程と、からなる試料加工方法。

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