JP5043589B2 - 断面試料作成システム及び断面試料作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、断面試料作成システム及び断面試料作成方法に関し、特に、試料として不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成システム及び断面試料作成方法に関するものである。

近年、半導体製品の分野において、その高集積化、高機能化を実現する一つの手段として、ＳｉＰ（System in Package）といった新しいパッケージ形態の製品（以下、「ＳｉＰ型半導体パッケージ」と呼ぶ。）が登場してきている。このＳｉＰ型半導体パッケージは、複数のＬＳＩチップとその駆動に必要な受動素子等がビルドアップ基板内に形成され、これらの素子が基板上の配線或いはＬＳＩ製造プロセスを用いて形成された配線を介して相互接続されて、同一パッケージ内に複数の素子が集積されたものである。

ＳｉＰ型半導体パッケージは、ＱＦＰ、ＤＩＰといった従来の半導体パッケージとは異なり、ＬＳＩチップを当該パッケージに設けられた外部端子へ接続するために形成される配線の微細化及び多層化がより進んだ形態となっている。

例えば、ＳｉＰ型半導体パッケージに関するある技術文献（IEEE Transactions on Advanced Packaging,vol.27,no.2,p315-325,2004）によれば、今後の半導体デバイスへの機能要求に伴いＳｉＰ化が進んで容量、抵抗、インダクタといった受動素子が集積され、これらを相互接続するためにパッケージ内の配線層において８層かつ１０μｍ幅以下の配線パターンが必要となるとしている。

ところで、ＳｉＰ型半導体パッケージの内部に形成された配線に不具合が生じた場合、その不具合の原因を特定するためには当該不具合を引き起こす欠陥箇所の配線構造状態の確認が不可欠であり、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、収束イオンビーム（ＦＩＢ）、光学顕微鏡等の観察手段を用いてその確認が行われる。このとき、ＳｉＰ型半導体パッケージ内部の配線構造を観察する必要があることから、観察前処理として当該パッケージ中の所望の位置（欠陥箇所）の断面を露出するための加工が必要となる。

しかしながらＳｉＰ型半導体パッケージでは上述のように配線の微細化、多層化がより進んでいることから、当該パッケージ内部の所望の観察部位を含む一定領域の断面を正確に作成することが困難となってきている。

従来、ＳｉＰ型半導体パッケージのような不透明なエポキシ樹脂等でシールドされた試料の断面加工には主に機械的研磨法を用いて所望の観察断面を露出させる方法が取られてきた。これはダイヤモンドスラリー、コロイダルシリカ懸濁液等の研磨材を回転式研磨盤に流しながら試料表面に加重を掛けて機械的に研磨していく方法である。

しかしながらこの方法では作成した断面の研磨傷、界面つぶれ、研磨材食い込みといったこの手法由来の欠陥が頻繁に生じ、また断面の作成位置の制御も作業者の技量によって大きく変わるため、微細な配線構造を持つＳｉＰ型半導体パッケージの断面作成に適用することは困難である。

断面作成手法由来の欠陥の少ない、より平滑な断面を得る手段としては機械的研磨法で得られた断面を更に収束イオンビームで加工し、研磨由来のダメージ領域を除去する方法も試みられているが（例えば、特許文献１参照）、その加工領域は数十μｍ程度が事実上限界であり、また数百μｍ〜数ｍｍの厚さを有する試料断面を均一に平滑化することは困難である。

他の断面加工手段としてはイオンミリング法がある。このイオンミリング法では、機械的研磨法で作成した断面に見られるような加工ダメージがなく、数ｍｍ程度の広い領域に亘って平滑な断面が得られるが、加工箇所を任意に選択することができないため特定箇所をターゲットにした加工はできない。

近年、イオンミリング法を用いた試料の断面加工において、光学顕微鏡等で試料表面を観察しながら加工領域を制御する遮蔽材を所望の加工位置に移動させ、この遮蔽材越しに試料にイオンビームを照射することによって所望の位置の断面を作成する方法及び装置が出現している（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２６４４９号公報 特開２００５−３７１６４号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の方法では、通常不透明なＳｉＰ型半導体パッケージの内部構造を直接観察することは不可能であり、そのため遮蔽材を試料内部の所望の加工位置に配置することができず、所望の加工断面を正確に得ることができない。

また、装置構成上、操作性を高めるため光学顕微鏡の鏡筒がコンパクトになっており、必然的に観察可能な最大倍率が制限されているため遮蔽材位置を決める精度にも限界があり、微細な配線構造を持つＳｉＰ型半導体パッケージの特定部位の断面を作成することは前記機械的研磨法同様に困難であった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、イオンミリング法による半導体パッケージ、特にＳｉＰ型半導体パッケージでの断面試料を作成するために通常光学顕微鏡等の試料表面観察手段では観察できない試料内部構造中の所望の断面を正確に得ることができる断面作成方法及び作成システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、試料としての不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成方法において、大気圧中で行われる試料内部観察手段により前記構造体の内部観察画像を取得する試料内部取得工程と、大気圧中で行われる試料表面観察手段により前記構造体の表面観察画像を取得する表面画像取得工程と、前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示部に表示する画像表示工程と、前記表示部に前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示させて、真空中でイオンミリングによる前記構造体の断面加工を行う断面加工工程とを有し、前記試料内部取得工程の前に、前記構造体表面にグリッド状マークを貼り付けるマーク貼付工程と、前記試料内部観察手段により前記グリッド状マーク越しに前記所望の部位を含む前記構造体の内部観察画像を取得する画像取得工程と、前記画像取得工程で取得された前記内部観察画像であらかじめ確認した前記グリッド状マークと前記所望の部位との相対位置に基づいて前記所望の部位近辺まで前記構造体を別途、研削研磨する研削研磨工程とを有し、前記断面加工工程には、イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを前記構造体上の所望の領域にのみ照射されるように前記構造体上に遮蔽材を移動させる遮蔽材移動工程を含むことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の断面試料作成方法において、前記画像表示工程は、前記表面観察画像に前記内部観察画像を重ね合わせて前記表示部に表示することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の断面試料作成方法において、前記試料内部観察手段は、Ｘ線を前記構造体に照射して、前記構造体の内部観察画像を取得するものであり、前記グリッド状マークはＸ線透過能の低い材質又は組成で構成されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、試料としての不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成システムであって、大気圧中で前記構造体の内部観察画像を取得する試料内部観察装置と、大気圧中で前記構造体の表面観察画像を取得する試料表面観察装置と、前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示部に表示する画像処理部と、真空中でイオンビームを発生するイオンビーム発生装置と、前記イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを前記構造体上の領域のうち所望の領域にのみ照射されるように配置される遮蔽材とを備え、前記画像処理部は、前記試料内部観察装置により取得した前記内部観察画像の倍率、コントラスト及び輝度のうち少なくともいずれか１つを調節可能として前記表示部で表示し、前記表示部の表示領域上に前記表面観察画像と前記内部観察画像と前記各画像に現れているグリッド状マークの中心を通る各任意の大きさのグリッド状ラインを同時に表示し、前記ラインを構成するグリッドの繰り返し数、間隔及びライン太さを調節する画像処理を行うことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、試料としての不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成システムであって、大気圧中で前記構造体の内部観察画像を取得する試料内部観察装置と、大気圧中で前記構造体の表面観察画像を取得する試料表面観察装置と、前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示部に表示する画像処理部と、真空中でイオンビームを発生するイオンビーム発生装置と、前記イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを前記構造体上の領域のうち所望の領域にのみ照射されるように配置される遮蔽材とを備え、前記画像処理部は、前記試料内部観察装置により取得した前記内部観察画像の倍率、コントラスト及び輝度のうち少なくともいずれか１つを調節可能として前記表示部で表示し、前記表示部の表示領域上に前記表面観察画像と前記内部観察画像と前記各画像に現れているグリッド状マークの中心を通る各任意の大きさのグリッド状ラインを同時に表示し、前記ラインを前記表示領域上で任意に回転、移動する画像処理を行うことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の断面試料作成システムにおいて、前記画像処理部は、前記表面観察画像に前記内部観察画像を重ね合わせて前記表示部に表示することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載の断面試料作成システムにおいて、前記構造体上における前記遮蔽材の位置を調整する遮蔽材位置調整部を備えたことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項４〜７のいずれか１項に記載の断面試料作成システムにおいて、前記試料表面観察装置は、少なくとも１００倍以上の最大拡大倍率と任意の倍率可変機能を有する顕微鏡を備えることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の断面試料作成システムにおいて、少なくとも前記構造体を保持する試料ホルダと、前記遮蔽材と、前記顕微鏡とを備えた試料表面観察装置を、前記イオンビーム発生装置の筐体内に配置するときに、前記顕微鏡を前記イオンビーム発生装置外に退避する退避機構を有することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項４〜９のいずれか１項に記載の断面試料作成システムにおいて、前記画像処理部は、前記試料内部観察装置により取得した前記内部観察画像を前記表示部の表示領域上で移動及び回転させる画像処理を行うことを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項４〜１０のいずれか１項に記載の断面試料作成システムにおいて、前記試料内部観察装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生部と、前記試料に前記Ｘ線が照射されることによって得られる内部観察画像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、イオンミリング法による半導体パッケージ試料の断面を作成するに際して通常光学顕微鏡等の試料表面観察手段では確認できない半導体パッケージなどの不透明な構造体内部の所望の部位の断面を正確に決定でき、所望の断面を露出した断面観察用試料（以下、「断面試料」とする。）をより精度よく安定して作成することができる。

本発明に係る断面試料作成システム及び断面試料作成方法の実施形態について、図面を参照して説明する。ここでは、試料としての不透明な構造体としてＳｉＰ型半導体パッケージを一例に挙げ、このＳｉＰ型半導体パッケージを加工して、所望の部位の断面を有するＳｉＰ型半導体パッケージの断面試料を作成する態様について説明する。

［１．断面試料作成システムＳの構成］
まず、本発明の一実施形態である断面試料作成システムＳの全体概要について、図面を参照して説明する。図１は本実施形態の断面試料作成システムＳの概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態の断面試料作成システムＳは、試料内部観察手段としての試料内部観察装置Ａと、イオンミリングを行うイオンミリング装置Ｂ１と試料表面観察手段としての試料表面観察装置Ｂ２を備えたイオンミリング装置部Ｂと、表示部であるディスプレイＣ１と画像処理部等として機能するワークステーションＣ２とを備えた画像処理装置Ｃとを有している。

この断面試料作成システムＳは、試料としてＳｉＰ型半導体パッケージ（以下、「試料Ｍ」とする。）を加工して、当該試料Ｍの所望の部位の断面を作成するために用いられるものであり、試料内部観察装置Ａによって試料Ｍの内部観察画像を取得し、試料表面観察装置Ｂ２により試料Ｍの表面観察画像を取得する。そして、内部観察画像と表面観察画像とをディスプレイＣ１に表示させ、作業者はこれらの画像を見ながら、イオンミリング装置Ｂ１のイオンミリングによる試料Ｍの断面加工を行うことができるようにしている。

［２．試料内部観察装置Ａの構成］
以下、試料内部観察装置Ａの構成について図面を参照して説明する。図２は本実施形態の試料内部観察装置Ａの具体的構成を示す図である。

試料内部観察装置Ａは、Ｘ線等によって試料Ｍの内部を観察する装置であり、例えばＸ線透過観察装置を適用することができる。ここでは、試料内部観察装置Ａとして、開放管型Ｘ線透過観察装置を例に挙げて説明する。

図２に示すように、試料内部観察装置Ａは、電子線発生部１、収束レンズ部２、Ｘ線ターゲット３、試料Ｍを載置する試料ステージ４、Ｘ線像撮像部５、画像信号処理部６、電子線発生部１内の真空状態保持及び部内清浄化を行う真空ポンプ７などにより構成される。

この試料内部観察装置Ａでは、電子線発生部１で発生させた電子線εを収束レンズ部２で収束してＸ線ターゲット３に照射し、この照射によってＸ線ターゲット３で発生したＸ線χを試料Ｍに照射し、この試料Ｍを透過してくるＸ線をＸ線像撮像部５で撮像し画像信号処理部６で処理する。

画像信号処理部６は、電子線発生部１により発生させる電子線εを制御して、試料Ｍに照射するＸ線χを制御するＸ線制御コントローラ６０と、Ｘ線像撮像部５を制御し、このＸ線像撮像部５から出力される撮像画像を処理するカメラコントローラ６１と、カメラコントローラ６１で処理された撮像画像を表示するディスプレイ６２とからなり、ディスプレイ６２上に試料ＭのＸ線撮像による内部構造の状態を内部観察画像として表示する。なお、電子線発生部１、収束レンズ部２、Ｘ線ターゲット３及びＸ線制御コントローラ６０によりＸ線発生部が構成される。

このように、試料内部観察装置Ａでは、試料Ｍの内部構造の状態を示す内部観察画像を取得し、ディスプレイ６２で表示することができ、これにより不透明な試料Ｍの内部に構成された配線等を観察することができる。また、試料内部観察装置Ａでは、Ｘ線像撮像部５によって撮像された試料Ｍの内部観察画像を画像処理装置Ｃに送信する。

試料内部観察装置Ａとしては、Ｘ線透過観察装置に限らず、半導体基板（シリコン）を透過する波長の光源を用いた赤外顕微鏡を備えた試料内部観察装置、赤外レーザー顕微鏡等を備えた試料内部観察装置などを用いることも可能である。

［３．イオンミリング装置部Ｂの構成］
次に、イオンミリング装置部Ｂの構成について図面を参照して説明する。図３は本実施形態のイオンミリング装置部Ｂの具体的構成を示す図である。

イオンミリング装置部Ｂは、図１に示すように、イオンミリング装置Ｂ１と試料表面観察装置Ｂ２を備えている。

イオンミリング装置部Ｂのイオンミリング装置Ｂ１は、図３に示すように、真空チャンバ８、この真空チャンバ８に取り付けられ、真空チャンバ８内にイオンビーム（例えば、アルゴンイオンビーム）を放出するイオンビーム発生装置であるイオン銃９、真空チャンバ８と着脱自在に嵌合する試料ステージ引き出し機構１０、試料ステージ１１、試料Ｍの位置を調整する遮蔽材位置調整部としての試料位置調節機構１２、試料Ｍを保持する試料ホルダ１３、後述の遮蔽材１６の位置を調整する遮蔽材位置調節機構１４、遮蔽材１６の傾倒を行う遮蔽材傾倒機構１５、イオン銃９により発生されたイオンビームを試料Ｍの領域のうち所望の領域にのみ照射するために用いられる遮蔽材１６、この遮蔽材１６を保持する遮蔽材保持機構１７、真空チャンバ８内の空気を排気する排気装置１８、イオンミリング法で試料Ｍを加工する空間である試料加工室１９などから構成される。

また、イオンミリング装置部Ｂの試料表面観察装置Ｂ２は、図３に示すように、光学顕微鏡２０、光学顕微鏡２０の位置を調整する光学顕微鏡位置調節機構２１、真空チャンバ８を試料ステージ引き出し機構１０に嵌合するときに光学顕微鏡２０を真空チャンバ８から退避させる光学顕微鏡退避機構２２、光学顕微鏡２０で取得した試料Ｍの表面観察画像を表示するディスプレイ２３などから構成される。

このイオンミリング装置部Ｂでは、まず、試料Ｍの加工前に光学顕微鏡退避機構２２により光軸ＷをＺ方向に向け、光学顕微鏡２０を試料Ｍの上部に移動させる。そして、光学顕微鏡２０によって試料ステージ１１に固定した試料Ｍの表面観察画像（光学顕微鏡画像）を取得する。

そして、ディスプレイ２３に表示された試料Ｍの表面観察画像を確認しながら、試料Ｍの断面作成位置を決め、遮蔽材位置調節機構１４を操作して遮蔽材１６をＹ方向に移動させる。このように試料Ｍの断面作成位置を決めた後、光学顕微鏡退避機構２２を用いて光学顕微鏡２０を試料Ｍの上部より退避させイオンビームＩｂを遮蔽材１６越しに試料Ｍに照射して、試料Ｍのイオンミリング加工を行う。

従って、遮蔽材１６の端面を境界とした試料Ｍの断面作成位置にイオンビームＩｂが正確に照射されて試料Ｍが切削され、所望の断面を有する断面試料を作成することができる。

（光学顕微鏡２０について）
遮蔽材１６の位置決めの正確さは、試料断面作成の位置の正確さを決めることから、試料Ｍと遮蔽材１６の位置を観察するための光学顕微鏡２０はできる限り高い拡大倍率を備えていることが望ましい。

上記特許文献１の断面試料作成装置に装備される試料表面観察のための光学顕微鏡は単眼かつ倍率固定の光学顕微鏡であり、微細で多様な内部構造をもつ試料Ｍ中の所望の位置の断面を作成する上で遮蔽材の位置を判別する顕微鏡の解像度に限界があった。

そこで、本実施形態の断面試料作成システムＳでは、より高精度かつ試料Ｍにおける内部構造の微細化の程度に応じた適切な拡大視野で試料Ｍの断面作成位置を決めることができるように、光学顕微鏡２０として、拡大倍率可変かつ少なくとも１００倍以上の拡大倍率での観察が可能な光学顕微鏡を用いており、この光学顕微鏡２０は例えば、倍率可変かつ少なくとも１００倍以上の拡大倍率での観察可能なＣＣＤ撮像素子とモニタとを備えている。

（光学顕微鏡２０の退避構造について）
上述のように、本実施形態の断面試料作成システムＳでは、真空チャンバ８を試料ステージ引き出し機構１０に嵌合してイオンミリング加工を行うが、この嵌合の際、光学顕微鏡退避機構２２を用いて光学顕微鏡２０を試料Ｍの上部より退避可能な構成としている。

光学顕微鏡２０は、鏡筒がより長くかつディスプレイ２３へ画像送信するためのケーブル２０”を備える。従って、例えば、図４（ａ）に示すように試料Ｍのイオンミリング加工時に支点ｒ１を中心にＹＺ平面上を回転させ、光学顕微鏡２０と光学顕微鏡位置調節機構２１を試料ステージ引き出し機構１０の上方（光学顕微鏡２０の鏡筒２０’がＺ軸と直交する方向）に退避させる構造とした場合、ケーブル２０”が干渉して鏡筒２０’を試料Ｍの上部（試料表面観察位置）に移動させるごとに、光学顕微鏡２０の観察視野に位置ズレが生じる。しかも、試料Ｍのイオンミリング加工時（光学顕微鏡２０の退避時）にはイオンミリング装置Ｂ１の前面に光学顕微鏡２０の長い鏡筒２０’が突き出す形態となり操作安全上の問題もある。

そこで、本実施形態の試料表面観察装置Ｂ２では、図４（ｂ）に示すように、光学顕微鏡２０が試料ステージ引き出し機構１０の側部に移動できるように支点ｒ２を有する光学顕微鏡退避機構２２を設けることとし、試料Ｍのイオンミリング加工時には支点ｒ２を中心にＸＹ平面上で回転して光学顕微鏡２０の鏡筒２０’を光軸Ｗと平行に退避できるようにしている。

これにより、光学顕微鏡２０に接続されるケーブル２０”の干渉を軽減し、試料Ｍの観察位置へ鏡筒２０’を繰り返し移動させる場合の安定性を確保すると共にイオンミリング装置Ｂ１の周囲への光学顕微鏡２０の過剰な突き出しがなくなり、操作安全性の高い装置形態となる。

［４．画像処理装置Ｃの構成］
次に、画像処理装置Ｃの構成について図面を参照して説明する。図５は本実施形態におけるワークステーションＣ２の構成図である。

画像処理装置Ｃは、図１に示すように、表示部であるディスプレイＣ１と、画像加工処理プログラムを格納し、画像処理部として機能するワークステーションＣ２とを備えている。なお、ここでは、画像処理装置ＣのディスプレイＣ１として、イオンミリング装置部Ｂに装備されたディスプレイ２３を用いることとしている。

ワークステーションＣ２は、図５に示すように、制御部１００、画像加工処理プログラム１１０を格納したハードディスク（ＨＤＤ）１０１、入力部１０２、通信インタフェイス１０３、画像出力部１０４などから構成され、これらはバス１０５で接続されている。

制御部１００は、ハードディスク１０１から画像加工処理プログラム１１０を読み出して実行することによって画像処理部として機能する。

例えば、制御部１００は画像処理部として、試料内部観察装置Ａにより取得された内部観察画像を試料内部観察装置Ａから通信インタフェイス１０３を介して取り込み、ディスプレイ２３へ表示し、また、試料表面観察装置Ｂ２により取得された表面観察画像を試料表面観察装置Ｂ２から通信インタフェイス１０３を介して取り込み、ディスプレイ２３へ表示する。

また、制御部１００は画像処理部として、内部観察画像や表面観察画像をディスプレイ２３へ表示する際に、入力部１０２への操作に応じて、各画像の透明度、コントラスト及び輝度を調整する画像処理、各画像のディスプレイ２３の表示画面上での移動、回転及び任意倍率への拡大縮小などの画像処理、ディスプレイ２３の表示画面上での任意の大きさの基準グリッド状ライン表示及びライン調整（グリッドの繰り返し数、間隔及びラインの太さなどの調節、グリッド状ラインのディスプレイ２３の表示画面上での移動や回転）などの画像処理を行う。

制御部１００は、ハードディスク１０１から画像加工処理プログラム１１０を読み出して実行することによって試料内部観察装置Ａやイオンミリング装置部Ｂを制御する制御部としても機能する。

（重ね合わせ方法について）
制御部１００は画像処理部として、入力部１０２への操作に応じて、内部観察画像を光学顕微鏡２０より出力される表面観察画像に重ね合わせる画像処理を行うことができ、以下、内部観察画像を表面観察画像と重ね合わせる方法の概要を図面を参照して具体的に説明する。図６は試料Ｍにグリッド状マークを貼り付けた状態を示す図、図７はディスプレイ２３に表示される内部観察画像及び表面観察画像を示す図である。

まず、制御部１００は、試料内部観察装置Ａで取得した試料Ｍの内部観察画像２４を通信インタフェイス１０３を介して取得し、ディスプレイ２３上に表示する（図７（ａ）の左図参照）。ここでは、所望の断面作成位置を相対的に把握するための目盛りとして試料Ｍの表面に貼り付けたグリッド状マーク２７（図６参照）のＸ線画像２４’も内部観察画像２４中に同時に表示される。

次に、試料Ｍを試料表面観察装置Ｂ２に導入する。制御部１００は、試料表面観察装置Ｂ２の光学顕微鏡２０によって取得された表面観察画像２５を通信インタフェイス１０３を介して取得し、ディスプレイ２３上に表示する。この際、グリッド状マーク２７の光学顕微鏡画像２５’も同時に表面観察画像２５中に表示される（図７（ａ）の右図参照）。

次に、表面観察画像２５に現れている試料Ｍの座標位置が内部観察画像２４に現れている試料Ｍの内部構造の座標位置と合致するように内部観察画像２４のディスプレイ２３上での位置、角度、倍率を入力部１０２への操作によって制御部１００により調整して各々の画像に現れているグリッド状マーク２７の画像２４’、２５’を目安としてディスプレイ２３内で表面観察画像２５に内部観察画像２４を重ね合わせる（図７（ｂ）、（ｃ）参照）。なお、入力部１０２への操作ではなく、制御部１００による動的な画像処理によって表面観察画像２５に内部観察画像２４を重ね合わせるようにしてもよい。

この時、表面観察画像２５と内部観察画像２４のコントラスト輝度のどちらかが強すぎると目視での重ね合わせが困難となるので、制御部１００は、各々の画像の透明度を調整する。また、制御部１００は、画像を高い拡大倍率下で合わせるための目安として画像上のグリッド状マーク２７の画像２４’、２５’の中心を通るグリッド状ラインＬを表示し、これを基準にしてより詳細に各々の画像２４、２５のグリッド状マークの画像２４’、２５’同士を重ね合わせることができる（図７（ｃ）参照）。制御部１００は、このグリッド状ラインＬをグリッド状マークの画像２４’、２５’の移動や回転に合わせて移動や回転を行うようにしている。また、制御部１００は、入力部１０２への操作に応じて、グリッド状ラインＬの太さなどを調整する。

なお、上記グリッド状マーク２７は、断面作成したい試料Ｍの内部位置を相対的に把握するため、グリッドパターン（格子状の繰り返しパターン）となっていることが望ましい。例えば、ＴＥＭ観察の際に試料Ｍを保持するために用いられる金属メッシュが利用できる。グリッド（格子）のメッシュ間隔は数μｍ〜数ｍｍと幅広い種類があるため、試料Ｍにおける内部構造の微細化の程度に応じて選択できる。また、試料内部観察装置ＡにＸ線を用いた場合、透過してくるＸ線による内部観察画像２４内には試料Ｍの表面に貼り付けたグリッド状マーク２７と試料Ｍの内部構造の双方の画像が現れる必要があるため、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｕなどＸ線透過能の小さい材質で構成されていることが望ましい。

［５．断面試料作成方法]
以上のように構成された断面試料作成システムＳを用いて、試料Ｍの所望の部位の断面を作成する工程について図面を参照して詳細に説明する。図８は本実施形態における断面試料作成システムＳによる加工工程の概略を示す図、図９〜図１４は本実施形態における断面試料作成方法の説明図である。

（グリッド状マーク貼付工程）
まず、微細な内部配線構造を有する試料Ｍ（例えば、不透明なＳｉＰ型半導体パッケージ）の表面にグリッド状マーク２７を熱硬化性エポキシ樹脂等を用いて接着する（図８のＳ１、図６参照）。

このとき、グリッド状マーク２７の表面が試料Ｍの表面に対して傾斜していると、試料Ｍの表面を光学顕微鏡２０で観察するとき、その観察位置によってはグリッド状マーク２７表面に対する光学顕微鏡２０の画像焦点位置が変化し、その後に行う内部観察画像との重ね合わせの位置精度が悪化する。従って、グリッド状マーク２７は可能な限り試料Ｍの表面に近くかつ試料Ｍの表面に平行に接着する。

（画像取得工程）
次に、グリッド状マーク２７を貼り付けた試料Ｍを図２に示したような試料内部観察装置Ａの試料ステージ４に導入し、Ｘ線ターゲット３より発生するＸ線χを試料Ｍに照射する。この状態でＸ線像撮像部５により試料内部観察画像αとグリッド状マーク画像βを含む内部観察画像２８を取得して、ディスプレイ６２又はイオンミリング装置部Ｂに装備されたディスプレイ２３に表示し、試料内部観察画像αに含まれる欠陥等の被断面加工箇所γを確認する（図８のＳ２、図９参照）。このとき、被断面加工箇所γとグリッド状マーク画像βとの相対位置も目視で同時に確認しておく。

（研削研磨工程）
次に、上記工程であらかじめ確認した試料Ｍ内の被断面加工箇所γの手前付近まで回転式研磨盤等（図示せず）を用いて研削研磨し、イオンミリング断面加工前の試料Ｍ１を得る（図８のＳ３〜Ｓ５、図１０参照）。内部観察画像２８によってあらかじめ確認しておいたグリッド状マーク画像βと被断面加工箇所γの相対位置を目安にすることにより、従来の機械的研磨法のように研磨処理毎に露出断面を観察して研磨進行度合いを確認する手間を省くことができ、被断面加工箇所γの数十μ程度手前で容易に研磨面を制御できる。

（内部観察画像取得及び表示工程）
次に、ワークステーションＣ２の制御部１００は、再度試料内部観察装置Ａを用いて上記工程で作成した試料Ｍ１の内部観察画像３０を取得する（図８のＳ６、図１１参照）。図１１には、試料Ｍの研削研磨処理後の試料Ｍ１の表面に残留したグリッド状マーク画像β’及び試料Ｍ１の内部に残留した試料内部観察画像α’及び被断面加工箇所γが示されている。取得した画像は画像処理装置Ｃ内のワークステーションＣ２のＨＤＤ１０１へ保存する。

（表面観察画像取得及び表示工程）
次に、試料Ｍ１を図３に示したイオンミリング装置Ｂ１への導入のために試料ホルダ１３に接着し、この試料ホルダ１３を試料ステージ１１上に配置される試料位置調節機構１２に固定する（図８のＳ７参照）。その後、光学顕微鏡２０を試料Ｍ１上に移動させ、試料位置調節機構１２によって観察視野を適宜調整しながら試料Ｍ１の端面と所望の断面作成位置近辺の領域とを含む領域の表面観察画像３１を試料内部構造の微細化程度に応じて拡大倍率を調整しディスプレイ２３の表示領域上に表示する（図８のＳ８）。表面観察画像３１の取得及び拡大倍率の調整は、ワークステーションＣ２の入力部１０２を操作に応じて、制御部１００の処理により行われるものであるが、制御部１００によって自動的に行うようにしてもよい。

（画像重ね合わせ工程）
次に、ワークステーションＣ２の制御部１００は、あらかじめ取得した試料内部構造情報を含む内部観察画像３０をＨＤＤ１０２から読み出して表面観察画像３１が表示されているディスプレイ２３表示領域上に同時に表示する。

そして、ワークステーションＣ２の入力部１０２への操作に応じて、制御部１００により被断面加工箇所γを中心とし、ディスプレイ２３の表示領域上に表示されている内部観察画像３０を表面観察画像３１の視野に合致した位置、倍率、画像傾きとなるように調整し、表面観察画像３１内に現れる試料Ｍ１表面のグリッド状マーク２７の各グリッド点（格子点）が内部観察画像３０に現れているグリッド状マーク画像β’の各グリッド点と完全に一致するように内部観察画像３０をディスプレイ２３上で移動させて目視にて重ね合わせ、合成画像３２を得る（図８のＳ９、図１２、図１３参照）。

通常、グリッド状マーク２７は表面観察画像３１中では照明の反射によって輝度が非常に大きくなり、画像重ね合わせの工程時に内部観察画像３０が判別しにくくなることが多いため、表面観察画像３１の透明度を適宜変えて各々の画像を目視で最も合わせやすいコントラストに調整する。表面観察画像３１の透明度の調整は、入力部１０２への操作に応じて制御部１００によって行うことができる。

また、各々の画像のグリッド状マーク画像β，β’同士をできるだけ正確に重ね合わせるためには各々の画像で表示されているグリッド状マーク画像β，β’の相対位置を把握するための基準が必要となるが、本実施形態の断面試料作成システムＳでは、制御部１００の処理により、ディスプレイ２３の表示領域上にグリッド状マーク２７のグリッド（格子）間隔に合わせて任意に大きさを調整できるグリッド状ラインＬを表面観察画像３１上に現れているグリッド状マーク画像β，β’の各グリッド点を通るように重ね表示できるので、これを基準にして内部観察画像３０と表面観察画像３１をより詳細に重ね合わせることができる。

（遮蔽材移動工程）
次に、上記工程で作成した合成画像３２をディスプレイ２３上で確認しながら、この合成画像３２に現れている被断面加工箇所γを横切るように遮蔽材位置調節機構１４によって、イオンミリング装置Ｂ１に装備される遮蔽材１６の端面を断面作成箇所に移動させた後、この遮蔽材１６を磁気によって固定する（図８のＳ１０、図１４参照）。なお、遮蔽材位置調節機構１４は、ワークステーションＣ２の入力部１０２への操作に応じて制御部１００によって制御することができる。

ここで、合成画像３２が表示されたディスプレイ２３の表示領域上ではイオンミリング加工される被加工領域以外は前記遮蔽材１６表面のみ表示されていることになる。このようにして光学顕微鏡では確認できない不透明な試料Ｍに対してその内部構造中の所望の位置を明らかにしながら断面作成位置を正確に決定することができる。

（イオンミリングによる切削工程）
次に光学顕微鏡２０をイオンミリング装置Ｂ１から退避させた後、イオンビームＩｂを遮蔽材１６越しに試料Ｍ１に照射する。試料Ｍ１はイオンビームＩｂによって遮蔽材１６で覆われていない領域が削り取られて目的とする所望の断面が出現する（図８のＳ１１参照）。

本実施形態における断面試料作成方法によって、回転式研磨盤等を用いて研削研磨したときであれば確認できない（例えば、図１５（ｂ）参照）場合であっても、図１５（ａ）に示すように、Ａｕ線ボンド切れの欠陥状態を示す断面を確認することができる。

以上のように本実施形態における断面試料作成方法は、不透明な構造体（一例としてＳｉＰ型半導体パッケージ）である試料Ｍを加工して、当該試料Ｍの所望の部位の断面を作成する断面試料作成方法であり、試料内部観察装置Ａにより試料Ｍの内部観察画像を取得し、さらに、試料表面観察装置Ｂ２により試料Ｍの表面観察画像を取得して、内部観察画像と表面観察画像とを表示部であるディスプレイ２３に表示する。そして、このようにディスプレイ２３に内部観察画像と表面観察画像とを表示させて、イオンミリング法による試料Ｍの断面加工を行うようにしている。

従って、イオンミリング法によるＳｉＰ型半導体パッケージなどの不透明な構造体である試料Ｍ１の断面を作成するに際して、光学顕微鏡等の通常の試料表面観察装置では確認できない試料Ｍ１内部の所望の部位の断面を正確に決定でき、所望の断面を露出した断面試料を精度よく安定して作成することができる。

また、表示部に内部観察画像と表面観察画像とを表示させるときに、表面観察画像に内部観察画像を重ね合わせることができるようにしている。

従って、表面観察画像と内部観察画像の合成画像により試料Ｍ１内部の所望の部位の断面を正確に決定できる。

さらに、イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを試料Ｍ１上の所望の領域にのみ照射されるように試料Ｍ１上に遮蔽材１６を高倍率で観察しながら移動させることができるようにしている。

従って、所望の断面を露出した断面試料をより精度よく安定して作成することができる。

また、前処理として、試料Ｍの表面にグリッド状マークを貼り付け、試料内部観察手段によりグリッド状マーク越しに所望の部位を含む試料Ｍの内部観察画像を取得し、この内部観察画像に基づいて所望の部位近辺まで試料Ｍを研削研磨するようにしてもよい。

これにより、所望の断面を露出した断面試料をより効率よく作成することができる。

本発明の一実施形態である断面試料作成システムの概略構成図である。 図１に示す試料内部観察装置の具体的構成を示す図である。 図１に示すイオンミリング装置部の具体的構成を示す図である。 図３に示す光学顕微鏡位置調節機構の説明図である。 図１に示すワークステーションの構成図である。 試料にグリッド状マークを貼り付けた状態を示す図である。 ディスプレイに表示される内部観察画像及び表面観察画像を示す図である。 図１に示す断面試料作成システムによる加工工程の概略を示す図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法の説明図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法の説明図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法の説明図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法の説明図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法の説明図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法の説明図である。 本発明の一実施形態である断面試料作成方法での断面作成結果を示す図である。

符号の説明

Ｓ 断面試料作成システム
Ａ 試料内部観察装置
Ｂ イオンミリング装置部
Ｂ１ イオンミリング装置
Ｂ２ 試料表面観察装置
Ｃ 画像処理装置
Ｃ１，２３，６２ ディスプレイ
Ｃ２ ワークステーション
Ｍ，Ｍ１ 試料
１ 電子線発生部
２ 収束レンズ部
３ Ｘ線ターゲット
４ 試料ステージ
５ Ｘ線像撮像部
６ 画像信号処理部
７ 真空ポンプ
８ 真空チャンバ
９ イオン銃（イオンビーム発生装置）
１０ 試料ステージ引き出し機構
１１ 試料ステージ
１２ 試料位置調節機構
１３ 試料ホルダ
１４ 遮蔽材位置調節機構
１５ 遮蔽材傾倒機構
１６ 遮蔽材
１７ 遮蔽材保持機構
１８ 排気装置
１９ 試料加工室
２０ 光学顕微鏡
２１ 光学顕微鏡位置調節機構
２２ 光学顕微鏡退避機構
２４、２８、３０ 内部観察画像
２５、３１ 表面観察画像
３２ 合成画像
６０ Ｘ線制御コントローラ
６１ カメラコントローラ
１００ 制御部
１０１ ハードディスク
１０２ 入力部
１０３ 通信インタフェイス
１０４ 画像出力部

Claims (11)

1. 試料としての不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成方法において、
   大気圧中で行われる試料内部観察手段により前記構造体の内部観察画像を取得する試料内部取得工程と、
   大気圧中で行われる試料表面観察手段により前記構造体の表面観察画像を取得する表面画像取得工程と、
   前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示部に表示する画像表示工程と、
   前記表示部に前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示させて、真空中でイオンミリングによる前記構造体の断面加工を行う断面加工工程とを有し、
   前記試料内部取得工程の前に、
   前記構造体表面にグリッド状マークを貼り付けるマーク貼付工程と、
   前記試料内部観察手段により前記グリッド状マーク越しに前記所望の部位を含む前記構造体の内部観察画像を取得する画像取得工程と、
   前記画像取得工程で取得された前記内部観察画像であらかじめ確認した前記グリッド状マークと前記所望の部位との相対位置に基づいて前記所望の部位近辺まで前記構造体を別途、研削研磨する研削研磨工程とを有し、
   前記断面加工工程には、イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを前記構造体上の所望の領域にのみ照射されるように前記構造体上に遮蔽材を移動させる遮蔽材移動工程を含むことを特徴とする断面試料作成方法。
2. 前記画像表示工程は、前記表面観察画像に前記内部観察画像を重ね合わせて前記表示部に表示することを特徴とする請求項１に記載の断面試料作成方法。
3. 前記試料内部観察手段は、Ｘ線を前記構造体に照射して、前記構造体の内部観察画像を取得するものであり、
   前記グリッド状マークはＸ線透過能の低い材質又は組成で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の断面試料作成方法。
4. 試料としての不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成システムであって、
   大気圧中で前記構造体の内部観察画像を取得する試料内部観察装置と、
   大気圧中で前記構造体の表面観察画像を取得する試料表面観察装置と、
   前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示部に表示する画像処理部と、
   真空中でイオンビームを発生するイオンビーム発生装置と、
   前記イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを前記構造体上の領域のうち所望の領域にのみ照射されるように配置される遮蔽材とを備え、
   前記画像処理部は、
   前記試料内部観察装置により取得した前記内部観察画像の倍率、コントラスト及び輝度のうち少なくともいずれか１つを調節可能として前記表示部で表示し、
   前記表示部の表示領域上に前記表面観察画像と前記内部観察画像と前記各画像に現れているグリッド状マークの中心を通る各任意の大きさのグリッド状ラインを同時に表示し、前記ラインを構成するグリッドの繰り返し数、間隔及びライン太さを調節する画像処理を行うこと、を特徴とする断面試料作成システム。
5. 試料としての不透明な構造体を加工して、当該構造体の所望の部位の断面を作成する断面試料作成システムであって、
   大気圧中で前記構造体の内部観察画像を取得する試料内部観察装置と、
   大気圧中で前記構造体の表面観察画像を取得する試料表面観察装置と、
   前記内部観察画像と前記表面観察画像とを表示部に表示する画像処理部と、
   真空中でイオンビームを発生するイオンビーム発生装置と、
   前記イオンビーム発生装置により発生されたイオンビームを前記構造体上の領域のうち所望の領域にのみ照射されるように配置される遮蔽材とを備え、
   前記画像処理部は、
   前記試料内部観察装置により取得した前記内部観察画像の倍率、コントラスト及び輝度のうち少なくともいずれか１つを調節可能として前記表示部で表示し、
   前記表示部の表示領域上に前記表面観察画像と前記内部観察画像と前記各画像に現れているグリッド状マークの中心を通る各任意の大きさのグリッド状ラインを同時に表示し、前記ラインを前記表示領域上で任意に回転、移動する画像処理を行うこと、を特徴とする断面試料作成システム。
6. 前記画像処理部は、前記表面観察画像に前記内部観察画像を重ね合わせて前記表示部に表示することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の断面試料作成システム。
7. 前記構造体上における前記遮蔽材の位置を調整する遮蔽材位置調整部を備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の断面試料作成システム。
8. 前記試料表面観察装置は、少なくとも１００倍以上の最大拡大倍率と任意の倍率可変機能を有する顕微鏡を備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の断面試料作成システム。
9. 少なくとも前記構造体を保持する試料ホルダと、前記遮蔽材と、前記顕微鏡とを備えた試料表面観察装置を、前記イオンビーム発生装置の筐体内に配置するときに、前記顕微鏡を前記イオンビーム発生装置外に退避する退避機構を有することを特徴とする請求項８に記載の断面試料作成システム。
10. 前記画像処理部は、前記試料内部観察装置により取得した前記内部観察画像を前記表示部の表示領域上で移動及び回転させる画像処理を行うことを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の断面試料作成システム。
11. 前記試料内部観察装置は、
    Ｘ線を発生するＸ線発生部と、
    前記試料に前記Ｘ線が照射されることによって得られる内部観察画像を撮像する撮像素子と、を備えることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の断面試料作成システム。