JP5117764B2 - 荷電粒子ビーム加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム加工装置に関し、例えば、線状に溝を加工する場合、所望の溝の深さを試料上に形成して試料を加工する荷電粒子ビーム加工装置に関する。

一般に、透過電子顕微鏡用の試料として、厚さが０．１μｍ程度の薄片が必要とされる。従来方法では観察箇所を含む小片を試料から切り出し、機械的研磨で薄くした後、イオンミリング装置を用いて厚さが０．１μｍ程度の薄片を作成していた。

近年、このような薄片試料を作るために集束イオンビームが用いられるようになってきた。集束イオンビーム装置は、観察と加工ができるため、所望の観察箇所を含む大きさ１０μｍ程度で厚さが０．１μｍ程度に加工した薄片試料を作成することができる。

したがって、集束イオンビームを用いることにより、例えば、半導体デバイス等を透過電子顕微鏡で観察する場合には、ウェーハの中の観察したい位置を特定して観察位置を含む薄片試料を作成できる。このような集束イオンビームを用いた試料の作成方法は、非特許文献１及び２にて報告されている。

また、特許文献１には、ウェーハに対して傾斜したカラムとステージの回転機能を用いて集束イオンビーム加工する装置と方法が開示されている。さらに、特許文献２には、集束イオンビームとサンプリングプローブを用いて薄膜試料片を切り出す方法（サンプリング方法）が記載されている。

特表２００２−５０３８７０号公報 特開平５−５２７２１号公報 「集束イオンビームでTEM用試料を作製したら」表面科学：Vol.16,No.12, pp755-760, 1995 "Transmission Electron Microscope Sample Preparation Using a Focused Ion Beam":J Electron Microscope 43,pp322-326,1994 Yamamura,Y.,"Energy dependence of the yield of ion-induced sputtering of monatomic solid,"At.Dat.&Nuc.Dat.Tab.62(1996)149)

ところで、最近の半導体デバイスは、緻密な構造で特定の部位を解析しようとすると高度な半導体プロセス技術と構造に精通していないと解析できない。不良サイズも１００ｎｍを切り、しかも微妙な不良の有無を見分ける知見がないと不良の有無を判断できない。このような不良の場合、観察位置の特定が難しいため集束イオンビーム装置で直接所望の観察箇所を薄片に加工できない。このため、一旦集束イオンビーム装置で不良の含む小片領域の周囲を加工してウェーハから取り出し（以下、サンプリングと呼ぶ）た後、サンプルキャリア上に乗せ、サンプリングキャリア上で薄膜化して解析する方法を採用している。

また、このような不良解析の薄膜加工では、目的の場所を確実に薄膜加工するには加工終点を検知できるツール、たとえば、薄膜加工中の断面をＳＥＭで観察できる等の加工中の状態をモニターする手段が必要である。更にまた、透過電子顕微鏡と集束イオンビーム装置の間を往復しながら加工して目的の観察箇所の薄膜化を行う必要がある場合もある。

また、最近、プロービング装置での電気的解析もウェーハから素子を含む小片をサンプリングしてデバイスの電気特性を解析する方法が増えてきた。その時、サンプリング小片は表面績の大きい方が素子の電気的解析に有利である。

従来、集束イオンビームを用いてウェーハより欠陥を含む微小片を取り出す場合、欠陥位置の周囲を加工して欠陥を含む小片の突起を形成する。次に、この突起の根元を傾斜面に沿って切り出すことによって微小片をウェーハから分離生成する。

しかしながら、従来の方法では、大きい小片をサンプリングする場合、加工体積が増えて、加工時間が長くなる欠点がある。加工体積を減らす方法として小片の輪郭をライン状に加工して体積を減らす方法が考えられるが、集束イオンビーム装置においてライン状の溝加工は、加工の基本であるがラインの幅が狭くなると加工が進まず必要な深さを短時間で加工できない問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ライン状の溝加工で、適切に溝の深さが制御でき、かつ、高速で行うことができる荷電粒子ビーム加工装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明では、ラインの必要な深さの加工を加工時間が最小となるように、ライン幅とライン深さを計算して求め加工の設定値として加工する。また、実際にビームが照射される領域を集束イオンビーム走査像と重畳して画面上に表示して加工する。試料表面に対して傾斜したイオンビームの場合にもビームに対する試料の傾斜を考慮して、実際にビームが照射される領域を表示して加工する。

即ち、本発明による荷電粒子ビーム加工装置は、荷電粒子ビームによって試料を加工する荷電粒子ビーム加工装置であって、試料を所望の軸方向に移動させるステージと、試料に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビームカラムと、荷電粒子ビームカラムを制御する制御部と、入力した線加工（Ｖ溝）の所望の線分長さＬと所望の深さｄ（＝照射方向から見た場合の深さ）から、線加工（Ｖ溝）の深さＨの設定値と線加工（Ｖ溝）の幅Ｗの設定値を計算する演算部と、を備える。そして、演算部は、溝の深さＨ、Ｖ溝の幅Ｗ、Ｖ溝の長さＬ、物質のスパッタリングイールドＹ（０）、ビーム電流Ｉｂで表される加工時間ｔの演算式に基づいて、この加工時間ｔが最小となる条件を算出して、前記設定値Ｈ及びＷを求める。また、制御部は、演算部によって算出された設定値Ｈ及びＷと線加工の長さＬに基づいて荷電粒子ビームを試料の表面に照射させることによって前記試料の表面にＶ溝を形成する。

本荷電粒子ビーム加工装置は、さらに、所望の線深さｈ（＝切り取る小片の高さ）から計算された線幅Ｗと線加工の長さＬに基づいて、荷電粒子ビームを試料に照射する加工領域と試料像とを重ねて表示部に表示する表示制御部を備える。

さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。

本発明によれば、ラインの必要な深さの加工を短時間で確実に行うことができる。また、試料表面より微小片試料を短時間で（高速に）確実に切り出すことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

＜加工条件：本発明の原理＞
まず、本発明の集束イオンビームによるライン加工を行う時の加工条件について説明する。図１（ａ）に示されるように、イオンビーム２５が平坦な試料４０の表面を走査すると、イオンビーム照射点では、照射量に応じてスパッタリングにより削られ、ビーム走査前後に高低差ができ段差が形成される。ビーム走査の折り返し点では、ビーム照射を受けている部分と受けていない部分で段差が深まり、凹部が形成される。従って、イオンビーム走査前後にて試料表面に傾斜面４０ａ、４０ｂが形成される。

図１（ｂ）に示されるように、傾斜面４０ａの傾斜角をθとする。傾斜面４０ａの法線ｎとイオンビーム２５の光軸２５Ａのなす角をビーム入射角とする。ビーム入射角は、傾斜面４０ａの傾斜角θに等しい。従って、傾斜角が０度のとき、ビーム入射角は０度となり、傾斜角が９０度のとき、ビーム入射角は９０度となる。

イオンビームを試料表面に垂直に照射しても、微小な段差が形成されるため、イオンビーム照射面は傾斜し、イオンビームの入射角は０度にはならない。特に走査ビームの折り返し点４０ａ、４０ｂの入射角が大きくなる。

イオンビームによるスパッタリング収量（１つのイオン粒子に対して何個の原子がスパッタリングされるかを示す量）は、イオンビームの入射角の関数である。非特許文献３において、山村は、実験結果と良く一致する理論表現として下記の式を提案している。

ここで、ｔ＝１／ｃｏｓθ、であり、ｆ、ｓはパラメータである。図２の曲線は、式１において、パラメータをｆ＝１．８、ｓ＝０．３とした場合のグラフである。横軸はイオンビーム入射角、縦軸はスパッタリング収量である。但し、縦軸のスパッタリング収量Ｙ（Ｅ，θ）／Ｙ（０）は、イオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）によって正規化している。

図２に示されるすように、スパッタリング収量はビーム入射角度依存性がある。ビーム入射角度θ（入射面の法線とビームがなす角度）が０度から８０度まで変化する間では、スパッタリング収量はビーム入射角θと共に増加する。特に、ビーム入射角度θが５０度を超えるとスパッタリング収量は急激に増加し、ビーム入射角度θが約８０度のときスパッタリング収量は最大となる。ビーム入射角度θが８０度を超えるとスパッタリング収量は急激に減少する。ビーム入射角度θが更に大きくなると、スパッタリング収量は、１より小さくなる。スパッタリング収量が１（垂直入射のときの値）となったときのビーム入射角度をθcとすると、θcは約８７度である。ビーム入射角度がθcを超えると、スパッタリング収量は微小となり、殆ど試料を加工することができない状態となる。

実際、ライン加工を実施すると、このスパッタリング収量のビーム入射角度依存性でライン加工の断面はＶ溝を形成する。１．５μｍの線幅で線の加工深さを変えたライン加工の例を図３に示す。この工程は、平坦な試料の表面にイオンビームを照射し走査する。最初はライン幅の両端以外はビーム入射角度が小さいからライン幅の両端に傾斜を持つ小さな凹部が形成される。加工が進む（溝が深くなる）につれて両端の傾斜面がラインの中心に向けて大きくなりライン断面はＶ溝となる。Ｖ溝になるとビーム入射角度が大きくなり、加工速度が増加してＶ溝は短時間で深くなるが、ビーム入射角度が急速に増加する。従って、凹部の傾斜面の法線に対するビーム入射角が８０°程度までは急速に削られ、Ｖ溝が深くなるが、その後、徐々に加工が遅くなりＶ溝の傾斜面の法線に対するビーム入射角がθｃに達すると、それ以上Ｖ溝の加工は進まず、この後更に加工時間を長くしてもＶ溝の深さはなかなか深くならないと予測される。

次に、実際には、スパッタされた粒子が側壁に吸着して加工を疎外するので、実際にＶ溝の設定値と実際に加工されたＶ溝の深さの関係を調べた。実験の条件を表１に示す。

ここで、溝加工の長さＬ：２０μｍ、試料：Ｓｉ、加工ビームは加速電圧：４０ｋＶ、ビーム電流：３．９ｎＡを用いた。また、加工倍率：×３０００（ビームＰｉｔｃｈ：１１ｎｍ）、ビーム滞在時間：Ｔｄ＝３μｓである。

加工時間ｔは、Ｓｉ試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）＝０．２７（μｍ３／ｎＣ）として式２を用いて制御する。

図４は、表１の条件の加工で得られたＶ溝の深さｈを測定した結果を示すグラフである。図４からは、線幅Ｗで加工深さｈが変わることが分かる。また、図５は、設定のアスペクト比（Ｈ／Ｗ）と加工結果のアスペクト比（ｈ／ｗ）について変換した結果を示すグラフである。ここで、Ｈは加工深さの設定値である。加工深さ（設定値）Ｈと実際の線深さｈ（所望の深さ：垂直方法の深さ、或いは切り取る小片の高さ）及び実際の深さｄ（所望の深さ：ビーム方向から見た場合の深さ）は、ビームの入射角を０°とした場合に、深さＨまで削れるように加工条件を設定すると、実際は深さｈ（＝ｄ）まで削れるという関係にある（図１１参照）。そして、図５からは、Ａ：定数、α：定数として式３が得られる。

続いて、線加工における側壁リデポジションの量の推定について述べる。線（Ｖ溝）加工の場合、実験結果が示すように加工深さが徐々に止まるのはリデポジションによる影響と考えられる。これは加工底面でスパッタした粒子が面の法線からの角度θとしてｃｏｓθに比例して飛び出すが加工領域から空間に飛び去らずに多くが加工側面に衝突して吸着（リデポジション）するためである。

線加工において紙面の前後方向に対しては無限とすると前後方向に対称であるので、図６に示す２次元の線加工モデルにしてリデポジションを考えることができる。

加工穴へ入射するビームで発生したスパッタ粒子の法線成分のフラックスをＦ０とすると、底からの高さ（深さ）ｈにおける面法線のリデポジションフラックスの成分であるＦ（ｈ）は式４のように表される。

また、

であるから、

となる。

Ｑｗａｌｌは、穴の深さｈのとき壁についたリデポジションの総量である。また、Ｑｌｏｓｔは、穴の深さｈのとき失われる粒子の総量である。Ｑｌｏｓｔの累積総和は、加工で失われた総体積≒深さに相当する。

上記、結果をグラフにすると図７のようになる。図５と図７を比べると、実験で得られた結果の図５と計算で得られた結果の図７が一致することが分かる。したがって、線(Ｖ溝)加工は、リデポジションの影響により式９で行われることが分かる。

ここで、Ａ：定数、α：定数である。

したがって、Ｖ溝の実際の深さｈを所望の深さｄ（ビームの照射方向から見た実際の深さ）、Ｖ溝の実際の幅ｗを線幅Ｗ、として定数Ａ，αを決めると設定値Ｈ、Ｗ、線の長さＬ、加工ビーム電流Ｉｂ、ビーム入射角度０°の試料のスパッタリングイールドＹ（０）から線加工が制御できる。

次に、加工時間が最小になる条件を考察する。加工時間ｔは、ビーム電流Ｉｂ、傾斜角０のスパッタリングイールドＹ（０）として、式１０のように表される。

ただし、式１０において、Ｗ≒ｗとした。

そして、加工時間は線幅ｗで極値をもつので、最小加工時間は式１１によって求められる。

したがって、式１１より式１２が得られる。

実験結果から、加工時間ｔが最小になる条件を求めるとＡ＝３．１３０３、α＝１．０６０９であった。よって、Ａとαは、実験の条件にある程度依存するが、Ａ≒３．１３、α≒１．０６である。この結果から式９と式１２から長さＬのライン（溝）加工において所望の溝深さｄ＝実際の溝の深さｈは、設定する線幅Ｗ≒実際の溝幅ｗ、設定する線深さＨが次式の関係を得ることが分かった。その結果を図８に示す。

また、長さＬのライン(溝)加工において所望の溝深さｄ=実際の溝の深さhは、設定線幅Ｗ≒実際の溝幅ｗ、線深さＨが式１４の関係にあることが分かる。

よって、線加工においてＨ／Ｗが１０から１００になってもｄ／ｗは２倍にしかならないのでアスペクト比が８以上では、加工時間に比例して深くなる加工に比べ遅くなることが図８から分かる。したがって、アスペクト比Ｈ／Ｗが８程度以下であれば、一般的な加工は試料に対するビームの照射角０°のスパッタイールドＹ（０）から予想される加工速度よりも速くなる。

実際に加工されるラインの溝深さｄを制御するにはαとＡを決める必要があり、最速状態で制御するアスペクト比は、Ｈ／Ｗ≒５．３程度である。

＜傾斜カラム荷電粒子ビーム装置の構成＞
図９は、本発明の実施形態による傾斜カラム荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す図である。図９に示されるように、傾斜カラム荷電粒子ビーム装置は、サンプリングマニュピュレータ１０、集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラム２０、デポジション銃３０、試料であるウェーハ４０を保持するウェーハホールダ４１、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｒ(回転)の４軸からなるステージ４２、真空排気装置４３、及び、荷電粒子検出器４５を有する。ステージ４２上にて水平面上にｘ軸、ｙ軸をとり、垂直上方にｚ軸をとる。

サンプリングマニュピュレータ１０は、プローブ位置制御１１、及び、サンプリングプローブ１２を有する。ＦＩＢカラム２０は、Ｇａ液体金属イオン源からなるイオン銃２１、イオンビーム２５を制限するビーム制限アパーチャ２２、イオンビーム２５を絞るレンズ系２３、及び、ウェーハ面上をビーム走査するための偏向器２４を有する。ＦＩＢカラム２０の光軸は、ステージ４２のＺ軸に対して４５°の傾斜している。

デポジション銃３０は、ノズル３１、ノズル位置及び温度制御３２、及び、デポジション源リザーバ３３を有する。デポジション源リザーバ３３には、Ｗ（ＣＯ）_６が充填されている。

本例の傾斜カラム荷電粒子ビーム装置は、更に、サンプリングマニュピュレータ制御部５１、デポ銃制御部５２、ＦＩＢ制御部５３、ローダ制御部５４、ステージ制御部５５、真空排気制御部５６、ディスプレイ制御部５７、記憶部５８及びＣＰＵ５９を有する。

サンプリングマニュピュレータ制御部５１は、サンプリングマニュピュレータ１０を制御し、ウェーハから分離された微小片試料の取り出し、乗せ変えを行う。デポ銃制御５２は、デポジション銃３０を制御し、ガス源の温度制御とノズル位置の制御を行う。ＦＩＢ制御部５３は、ＦＩＢカラム２０を制御し、イオンビームの加速、ビーム電流、フォーカス、偏向を制御する。ローダ制御部５４は、ウェーハホールダ４１の出し入れを制御する。

ステージ制御部５５は、レーザ測長系によって計測された位置情報に基づいてステージ４２の駆動・位置制御を行う。ステージ４２は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の直線移動とＺ軸周りの回転を行う４軸ステージである。本例では、レーザ測長系によって位置情報を得るため、サンプリングの位置だし精度を上げることができる。従って、ウェーハから目的とする場所のサンプリングを確実に行うことができる。

真空排気制御部５６は真空排気装置４３を制御する。ディスプレイ制御５７は、走査信号と同期した荷電粒子検出器４５からの信号により得られる画像をディスプレイ６０に表示する。記憶部５８は画像を記憶する。ＣＰＵ５９は傾斜カラム荷電粒子ビーム装置の全体を集中管理する。加工においてＣＰＵは、ディスプレイ６０に表示された画像に、加工する領域を重ねて表示し加工の制御パラメータを計算して求め、加工を制御する。

本例の荷電粒子ビーム装置によると、ユーザが所望の線分長さＬとＶ溝の深さｄを入力すると、ＣＰＵ５９は、式９の式に従って、Ｖ溝の深さの設定値Ｈと幅の設定値Ｗを演算する。荷電粒子ビーム装置は、線分の長さＬとしてＣＰＵ５９によって計算された深さの設定値Ｈと幅の設定値Ｗに基づいて、Ｖ溝を形成する。加工時間ｔは、ビーム電流Ｉｂ、線分長さＬ、試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）として、式１５に従って加工すると、所望の深さｄのＶ溝が形成される。

従来の設定する項目と本発明の設定する項目を比較すると表２のようになる。

＜微小片の切り出し方法＞
次に、図９の傾斜カラム荷電粒子ビーム装置を用いて、ウェーハを割らずに欠陥を含む微小片を切り出す方法を説明する。本発明によると、試料表面に対してθ度傾斜した光軸を有するＦＩＢカラム２０を用いて、Ｖ字形溝加工を行う。ＦＩＢカラム２０を固定し、ウェーハの移動と回転のみによって、線分(Ｖ溝)加工のみによって、微小片を切り出す。

先ず、図１０（ａ）に示すように、集束イオンビーム２５の光軸２５Ａはｘｚ平面上にあると仮定する。また、集束イオンビーム２５の光軸２５Ａはｚ軸に対して４５度傾斜しているものとする。試料であるウェーハをｘ軸方向に沿って移動させることにより、ｘ軸方向のＶ溝２０１、２０２を形成する。Ｖ溝２０１、２０２は、ウェーハの表面に垂直に形成される。図１０（ｂ）は図１０（ａ）の矢印Ｂ−Ｂ方向に沿って見た断面図である。Ｖ溝２０１、２０２の両端は、イオンビームの傾斜角４５度に対応した傾斜面２０１ａ、２０１ｂを有する。次に、ウェーハをｙ軸方向に沿って移動させることにより、ｙ軸方向のＶ溝２０３を形成する。図１０（ｃ）は図１０（ａ）の矢印Ｃ−Ｃ方向に沿って見た断面図である。Ｖ溝２０３の断面は、ウェーハの表面に対して４５度傾斜している。

次に、試料であるウェーハをｚ軸周りに１８０度回転させる。それによって、図１０（ｄ）に示すように、Ｖ溝２０３はｙ軸に平行となり、Ｖ溝２０１、２０２はｘ軸に平行となる。ウェーハをｙ軸方向に沿って移動させることにより、ｙ軸方向のＶ溝２０４を形成する。図１０（ｅ）は図１０（ｄ）の矢印Ｅ−Ｅ方向に沿って見た断面図である。Ｖ溝２０４の断面は、ウェーハの表面に対して４５度傾斜している。

図１０（ｆ）は、４つのＶ溝２０１、２０２、２０３、２０４によって微小片２０５が切り出された状態を示す。

実際に、微小片２０５を切り出すには、図９を参照して説明したように、サンプリングプローブ１２を用いる。４つのＶ溝２０１、２０２、２０３、２０４によって微小片２０５を完全に切り離す前に、サンプリングプローブ１２の先端を微小片２０５の上面にタングステンデポジションを用いて接着させる。こうして微小片２０５がサンプリングプローブ１２によって保持された状態で、微小片２０５を完全に切り離す。実際には、溝加工では微小片２０５が倒れることが無いので微小片２０５を完全に切り離した後に、サンプリングプローブ１２の先端を微小片２０５の上面に接着させることも可能である。

こうしてロの字形のＶ溝を形成することによって、二等辺三角形の断面を有する角柱状の微小片２０５が得られる。

小片を取り出す加工（サンプリング加工）においてＣＰＵは、ディスプレイ６０に表示された走査イオン像の画像に、加工の入力パラメータから加工設定値を計算して求め、実際にビームが照射される領域を重ねて表示する。本加工は、必要とするラインの深さｄからライン幅Ｗを演算で決めるので、演算結果の幅Ｗを持たせたラインを表示して加工領域が判明する。

また、図１１（ａ）Ａ−Ａの設定深さＨのライン加工の断面は、図１１（ｂ）に示すように幅Ｗ≒ｗ（加工された線幅）の中心線を頂点とする深さｈ＝ｄのＶ溝となる。走査イオン像と実際にビームが照射される加工領域を重ねて表示するためには、ビームの入射方向から見たときの照射領域の大きさを表示する必要がある。この定義に従うと、加工深さは、ビームの入射方向に対する深さになる。この関係を、ビーム入射方向に対して試料がθ傾斜している場合について図１２に示す。ビームの入射方向から見た線の長さＬ、線幅Ｗで深さｄの線分を加工する場合、試料上では、線の長さＬ／ｃｏｓ（θ）、線幅Ｗ／ｃｏｓ（θ）、試料表面からの深さでは、ｈ＝ｄ×ｃｏｓ（θ）の線分になる。サンプリングする小片の大きさは、当然試料上の大きさで示されるため加工領域の表示は、このルールに沿って演算して行われる。

図１３に示すように、Ｖ溝の角度θが数１３から９°と求められるので、Ｖ溝の角度を考慮して、図１３のように試料ステージをφ＝−４．５°傾斜して（試料と加工ビームとの相対的角度を−４．５°として）加工すると頂角が直角の試料の摘出が可能になる。

＜サンプリング時の画面表示＞
サンプリングを行うための表示の実施例について以下に説明する。上記ロの字形の枠状にライン加工を行い、ロの字周辺にＶ溝を形成することによって、図１０（ｆ）に示すような断面を有する二等辺三角柱の微小片２０５が得られる。しかし、深さHのライン加工の断面は、幅Ｗの中心線を頂点とする二等辺三角柱でその断面はＶ溝となるため、図１０で示した試料に対して４５°傾斜したビームで加工した場合、直角二等辺三角形ではなく直角より鋭角な二等辺三角形になる。

この点の解決策は、複雑であるが色々な方法で可能であり、かつ、規則性があるためＣＰＵで計算し結果を画面に表示してわかりやすくする。例として、図１０（ｆ）の大きさＬｘ＝１４ μｍ、Ｌｙ＝１６μｍ、ｈ＝１０ μｍの二等辺三角形柱を小片として取り出す場合に付いて説明する。

図１４の表にサンプリングに必要な入力値を示す。ただし、Ｖ溝が交わる為の条件からビーム傾斜方向の長さは、試料高さから決まる（Ｌ２＝２×ｈ×ｔａｎ（θ）＝２０μｍ）。

小片の高さをｈ＝１０μｍにするには、ビームはＬｙ（横）方向に試料表面の法線に対しθ＝４５°傾斜しているから、ビームから試料を見た設定に変えるとＶ溝２０１、２０２の表面からの深さは、１０／ｃｏｓ（θ）＝１４．１μｍである。

したがって、所望の加工深さｄ＝１４．１μｍを得るには、Ｖ溝２０１、２０２の幅の設定値Ｗと深さの設定値Ｈは、数１７の式から、Ｗ＝２．２μｍとＨ＝１１．９μｍになる。

図１４に示す枠の縦の長さＬ１は、小片の縦の長さＬｘ＝１４μｍにＶ溝２０１の幅Ｗを足し込んだＬ１＝１６．２μｍになる。同様に、Ｖ溝２０３の必要な加工深さはｄ＝１４．１μｍである。したがって、Ｖ溝２０３の幅の設定値Ｗと深さの設定値Ｈは、式１３から、Ｗ＝２．２μｍとＨ＝１１．９μｍとなる。

図１４に示す枠の横の長さＬ２は、ｈ＝１０μｍの二等辺三角形柱を小片であるからＬ２＝２×ｈ×ｔａｎ（θ）＝２０μｍでないとＶ溝が交わらない。ビームはＬｙ（横）方向に試料表面の法線に対しθ＝４５°傾斜しているから、Ｌ２＝２０×ｃｏｓ（θ）＝１４．１μｍになる。このとき取り出される小片の横の長さＬｙはＬｙ＝Ｌ２−Ｗ／ｃｏｓ（θ）＝１６．８μｍである。取り出される微小片２０５の寸法は、結果的に１４μｍ×１６μｍ×１０μｍになる。但し、高さが１０μｍである。なお、ビームの傾斜を考慮した表示の大きさを表３に示す。

幅Ｗはビームから見た幅であるので、表３で示すＬ１、Ｌ２を図１４（ｂ）で示す枠として、枠を中心軸として幅Ｗをもたせた領域が実際のビーム照射領域となる。図１４（ａ）は、試料上面から見た図である。

ディスプレイ６０にイオンビーム走査で得られた試料像の倍率に合わせて、小片の大きさ（例えば図１０（ｆ）の大きさＬｘ＝１４μｍ、Ｌｙ＝１６μｍ、ｈ＝１０μｍの二等辺三角形柱）を入力すると表３を生成し、枠と枠を中心とした幅Ｗのビーム照射領域を、イオンビーム走査で得られた試料像と重ねて図１４に示すように表示する。さらに、例えば四隅のコーナが重なるように４本の線分領域に分解してステージの回転角をφ＝０°、１８０°等の情報を加えて加工順番を表示する。

各線分の加工に必要な加工情報は、ビーム照射領域（Ｌ×Ｗ）と深さＨと加工時間である。各線分の加工時間は、式１５に各線分のＨ，Ｗ値と試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）として加工するビーム電流Ｉｂを代入して求める。

Ｓｉ試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）＝０．２７（μｍ３／ｎＣ） としてビーム電流２０ｎＡで小片を取り出すための加工時間は、各線分の加工時間を足し合わせると約５分である。この結果、試料から大きさ（縦Ｌｘ＝１４μｍ、横Ｌｙ＝１６μｍ、高さｈ＝１０μｍ）の小片が分離される。

本発明の実施形態では、Ｖ溝を形成するために、試料の法線に対して傾斜したイオンビームを用いている。ただし、荷電粒子ビーム装置は、試料の法線に対して傾斜したイオンビームを生成することができれば、どのような構成であってもよい。図９の例では、荷電粒子ビーム装置は、ステージ４２のｚ軸に対して傾斜した光軸を有するＦＩＢカラム２０を備えている。ただし、後述するように、傾斜したＦＩＢカラム２０を設ける代わりに、試料を傾斜させる機能を有するステージを用いてもよい。

また、上述の例では、試料の法線に対して４５度傾斜したイオンビームを用いたが、試料の法線に対して他の角度傾斜したイオンビームを用いてもよい。例えば、試料の法線に対して３０度又は６０度傾斜したイオンビームを用いてもよい。

次に、図９の傾斜カラムの代わりに試料を固定したステージがカラムに対して傾斜できる荷電粒子ビーム装置を用いて、線（Ｖ溝）加工を使ってサンプリングする方法を説明する。

小片の形状として色々な加工形状が考えられるが、ステージ傾斜角θ＝３０°の場合のサンプリング方法について図１５（ａ）に示す。図１５（ａ）に示す小片の大きさ（縦Ｌｘ＝１０μｍ、横Ｌｙ＝７．８μｍ、高さｈ＝２０μｍ）の三角柱のサンプリング実施例について説明する。ただし、ステージの傾斜方向はＬｙ（Ｌ２）軸方向とする。

サンプリングで取り出す小片の形状として三角柱を選択、大きさ（縦Ｌｘ＝１０μｍ、（横Ｌｙ＝１２μｍ、）高さｈ＝２０μｍ）を入力する。ただし、Ｌｙは、小片の高さｈ＝ ２０μｍ からＶ溝が交わる条件からＬｙの初期値をｈ×ｔａｎ（θ）とする。

図１５（ａ）に示す小片の高さｈ＝２０μｍ、ステージ傾斜角θ＝０°である線分はｈ＝２０μｍ、数１７を使ってＷ＝３．２μｍ、Ｈ＝１６．８μｍ、一方、ステージ傾斜角θ＝３０°の場合はｄ＝ｈ／ｃｏｓ（θ）＝２３μｍであるから、式１３を使ってＷ＝３．７μｍ、Ｈ＝１９．４μｍとなる。

ディスプレイに表示する枠の大きさＬ１×Ｌ２は、ステージ傾斜角０°のときにＬ１＝ Ｌｘ＋３．７＝１３．７、Ｌ２＝Ｌｙ＝ｈ×ｔａｎ（θ）＝１１．５μｍである。一方、ステージ傾斜角３０°のときにＬ１＝１３．７、Ｌ２＝Ｌｙ×ｃｏｓ（θ）＝１０μｍである。なお、ビームの傾斜を考慮した表示の大きさを表4に示す。

幅Ｗはビームから見た幅であるので、表４に太字で示すＬ１、Ｌ２を図１５（ａ）で示す枠として、枠を中心軸として表４の（ ）を線幅Ｗとして領域を表示すると、表示された領域が実際のビーム照射領域となる。

イオンビーム走査で得られた試料像と重ねて表示する。さらに、図１５（ａ）に示すように例えば四隅のコーナが重なるように４本の線分領域に分解してステージの傾斜角をθ＝０°、３０°等の情報を加えて加工順番を表示する。

各線分の加工に必要な加工情報は、ビーム照射領域（Ｌ×Ｗ）と深さＨと加工時間である。各線分の加工時間は、上記式１５に各線分のＨ，Ｗ値と試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）として加工するビーム電流Ｉｂを代入して求める。

Ｓｉ試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）＝０．２７（μｍ３／ｎＣ） としてビーム電流２０ｎＡで小片を取り出すための加工時間は、各線分の加工時間を足し合わせると約１０分である。この加工の結果、試料から大きさ（縦Ｌｘ＝１０μｍ、横Ｌｙ＝７．８μｍ、高さｈ＝２０μｍ）の小片が分離される。

表４から取り出される小片は、直角三角柱の直角部が直角より鈍角になっている。頂角を直角にするには、図１５（ｂ）に示すように、表４の加工順番ｉ）においてステージの傾斜を−４．５°にして加工する。このときの照射領域の表示はｃｏｓ（−４．５°）＝０．９９７であるから０°と同じで良い。

また、図１５（ａ）から分かるように直角三角柱の頂角部が３０°より鋭角になっている。これを３０°にするには図１５（ｂ）に示すようにステージの傾斜角を３４．５°にして加工する。このようにして加工すると試料から大きさ（縦Ｌｘ＝１０μｍ、横Ｌｙ＝１１．５μｍ、高さｈ＝２０μｍ）の頂角３０°の直角三角柱の小片を分離することができる。

図１５（ｂ）に示す小片の高さｈ＝２０μｍ、ステージ傾斜角θ＝−５°である線分はｈ＝２０μｍ、式１３を使ってＷ＝３．２μｍ、Ｈ＝１６．９μｍ、一方、ステージ傾斜角θ＝３５°の場合はｄ＝ｈ／ｃｏｓ（θ）＝２４．４μｍであるから、式１３を使ってＷ＝３．９μｍ、Ｈ＝２０．５μｍとなる。

ディスプレイに表示する枠の大きさＬ１×Ｌ２は、ステージ傾斜角θ＝−５°のときにＬ１＝ Ｌｘ×ｃｏｓ（θ）＋３．９＝１３．９、Ｌ２＝Ｌｙ＋３．２／２＋３．９／２／ｃｏｓ（３５°）＝１５．５μｍである。一方、ステージ傾斜角θ＝３５°のときにＬ１＝１３．９、Ｌ２＝１５．５×ｃｏｓ（θ）＝１２．７μｍである。なお、ビームの傾斜を考慮した表示の大きさを表５に示す。

幅Ｗはビームから見た幅であるので、表５で示すＬ１、Ｌ２を図１５（ｂ）で示す枠として、枠を中心軸として幅Ｗをもたせた領域が実際のビーム照射領域となる。

図１５（ｂ）に示すようにイオンビーム走査で得られた試料像と重ねて表示する。さらに、図１５（ｂ）に示すように例えば四隅のコーナが重なるように４本の線分領域に分解してステージの傾斜角をθ＝５°、３５°等の情報を加えて加工順番を表示する。

各線分の加工に必要な加工情報は、ビーム照射領域（Ｌ×Ｗ）と深さＨと加工時間である。各線分の加工時間は、式１５に各線分のＨ，Ｗ値と試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）として加工するビーム電流Ｉｂを代入して求める。Ｓｉ試料に対するイオンビーム入射角θが０のときのスパッタリングイールドＹ（０）＝０．２７（μｍ３／ｎＣ） としてビーム電流２０ｎＡで小片を取り出すための加工時間は、各線分の加工時間を足し合わせると約１２分である。この結果、試料から大きさ（縦Ｌｘ＝１０μｍ、横Ｌｙ＝１２ μｍ、高さｈ＝ ２０μｍ）の頂角が直角の小片が分離される。

図１５（ａ）と図１５（ｂ）の小片内に示す×はデバイスの欠陥位置として、サンプリングした小片から×を含む薄膜試料を作製する工程を考えると、図１５（ｂ）の方がサンプリング、及びに、薄膜作製が楽である。

このように、小片をサンプリングする為の加工方法は様々であるが、必要な大きさのサンプル形状を入力すると、サンプリングに必要な加工条件と手順をＣＰＵで計算して図１５（ｂ）のように示し、ステージの状態に応じて実際にビームが照射される領域を画面に表示して加工することができる。このため、複雑な加工でも画面の指示に従って加工を行えば悩むことなく小片をサンプリングすることができる。

また、加工時間ｔは、式１５で表されるが、本発明によると、Ｈ＞＞Ｗ、Ｌ＞＞Ｗであるため、Ｈ×Ｌに比例する。一方、従来の加工では、Ｈ＞＞Ｗ、Ｌ＞＞ＷにできないのでＨ×Ｗ×Ｌに比例する。つまり、小片の大きさで加工時間が本発明は面積的に増加するが、従来方法では体積的に増加する。このため、加工時間が短くできる。

以上のように、本発明によれば、Ｖ溝加工のみで試料から微小片をサンプリングできるので、１種類の加工ビームでサンプリング加工ができる。即ち、加工の開始から終了まで、Ｖ溝の幅の設定値ｗ及び深さの設定値Ｈは略一定である。

また、本発明によれば、Ｖ溝加工で所望の深さｄが与えられると、加工時間が最小になるように、Ｖ溝の深さの設定値Ｈと幅の設定値Ｗが求められる。従って、Ｖ溝を簡便に効率が良く加工できる。また、Ｖ溝加工では、矩形形状の溝より加工体積が小さいのでビーム電流が小さくても短時間でサンプリングできる。

さらに、本発明によれば、ウェーハに対して傾斜したカラムを備えた装置において、ステージの回転機能を１回用いるだけでウェーハを割らずに欠陥を含む微小片をサンプリングできるので、サンプリング自動化に適する。

ビーム走査によって生じた試料表面の微小段差と凹状の加工側面のビーム照射角を説明するための図である。 スパッタリング収量の入射角依存性を示す図である。 線加工の線幅と加工深さの関係の断面観察例である。 加工深さｈと設定アスペクト比（Ｈ／Ｗ）の関係を調べた結果の図である。 設定アスペクト比（Ｈ／Ｗ）と実際に加工されて得られたアスペクト比（ｈ／ｗ）の関係を調べた結果の図である。 計算モデルを説明するための図である。 アスペクト比ｘと（スパッタ量の累積／穴の開口）比の計算結果を示す図である。 設定アスペクト比（Ｈ／Ｗ）と実際に加工されて得られたアスペクト比（ｈ／ｗ）の関係にＨ／Ｗ＝ｈ／ｗの関係を比較した図である。 本発明による荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す図である。 本発明によるロの字形のＶ溝によって微小片試料を切り出す方法を説明するための説明図である。 Ｖ溝の深さの設定値Ｈと幅の設定値Ｗに対して実際に形成されるＶ溝の深さｄの関係を示す図である。 ビーム照射方向から見た大きさと、試料面上の大きさの関係を示す図である。 Ｖ溝で直角の頂角を得る説明をするための図である。 本発明を使って試料に対して傾斜したカラム装置で小片をサンプリングする為の加工設定を説明する図である。 本発明を使って傾斜可能なステージをもつ装置で小片をサンプリングする為の加工設定を説明する図である。

符号の説明

１０…サンプリングマニュピュレータ、１１…プローブ位置制御、１２…サンプリングプローブ、２０…集束イオンビーム（ＦＩＢ）カラム、２１…イオン銃、２２…ビーム制限アパーチャ、２３…レンズ系、２４…偏向器、２５…イオンビーム、３０…デポジション銃、３１…ノズル、３２…ノズル位置・温度制御、３３…デポジション源リザーバ、４０…ウェーハ、４１…ウェーハホールダ、４２…ステージ、４３…真空排気装置、４５…荷電粒子検出器、５７…ディスプレイ制御部、６０…ディスプレイ

Claims (13)

1. 荷電粒子ビームによって試料を加工する荷電粒子ビーム加工装置であって、
   前記試料を所望の軸方向に移動させるステージと、
   前記試料に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビームカラムと、
   前記荷電粒子ビームカラムを制御する制御部と、
   線加工（Ｖ溝）の加工条件を計算する演算部と、を備え、
   前記演算部は、入力された線加工（Ｖ溝）の所望の線分長さＬと所望の深さｄから、前記線加工（Ｖ溝）の深さの設定値Ｈと前記線加工（Ｖ溝）の幅の設定値Ｗを計算し、
   前記演算部は、溝の深さＨ、Ｖ溝の幅Ｗ、Ｖ溝の長さＬ、物質のスパッタリングイールドＹ（０）、ビーム電流Ｉｂで表される加工時間ｔの次の演算式に対して前記計算された設定値Ｈ及び設定値Ｗを設定し、
   
   ここで、前記演算部は、前記加工時間ｔが線幅ｗ＝Ｗで極小値を取るときを最小加工時間と設定し、その加工時間ｔは、Ａ及びαを所定定数として次の式で表され、
   
   前記制御部は、前記加工時間ｔが最小となる条件を算出し、当該条件に基づいて前記荷電粒子ビームを前記試料の表面に照射させることによって前記試料の表面にＶ溝を形成することを特徴とする荷電粒子ビーム加工装置。
2. 前記演算部は、所望の線深さｄから決まる前記線加工の幅の設定値Ｗと深さの設定値Ｈを、Ｈ／Ｗの比が一定になるように設定することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
3. 前記演算部は、前記所定定数Ａ及びαを、それぞれＡ≒３．１、α≒１と設定することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
4. 前記演算部は、前記線加工(Ｖ溝)の深さの設定値Ｈと線加工(Ｖ溝)の幅の設定値Ｗを、次式を用いて算出することを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
   
5. 前記演算部は、前記線加工(Ｖ溝)の深さの設定値Ｈと線加工(Ｖ溝)の幅の設定値Ｗを、次式を用いて算出することを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
   
6. さらに、前記所望の深さｄから計算された前記線幅Ｗと前記線加工の長さＬに基づいて、前記荷電粒子ビームを前記試料に照射する加工領域と試料像とを重ねて表示部に表示する表示制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
7. 前記荷電粒子ビームカラムは前記ステージに対して所定角度傾斜しており、
   前記制御部は、前記試料に対して第１の照射方向から前記荷電粒子ビームを照射し、その後、前記ステージを回転させて、前記第１の照射方向とは反対方向の第２の照射方向から前記荷電粒子ビームを前記試料に対して照射する請求項１に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
8. 前記表示制御部は、前記加工領域の枠と所望の線深さｈの指定に応答して、４つの線(Ｖ溝)加工に分解して線(Ｖ溝)加工の順番を前記表示部に表示し、この順番にしたがって前記試料の加工を可能にすることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
9. 前記表示制御部は、サンプリングする小片の前記所望の線深さｈ（＝小片の高さ）と前記荷電粒子ビームの前記試料に対する照射角θと前記荷電粒子ビームの照射方向に垂直な方向における前記小片の大きさＬの指定に応答して、前記サンプリングに必要な枠を決め、この枠を前記幅Ｗの中心軸として線分に分解して、前記荷電粒子ビームから見たビーム照射領域と荷電粒子ビーム走査像とを重畳して前記表示部に表示することを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
10. 前記演算部は、サンプリングする小片の前記所望の線深さｈ（＝小片の高さ）と前記荷電粒子ビームの前記試料に対する照射角θと前記荷電粒子ビームの照射方向に垂直な方向における前記小片の大きさＬの指定に応答して、前記加工領域を前記サンプリングに必要な線分に分解して各線分の所望の深さｄ（＝照射方向から見た場合の深さ）を求め、前記演算式に従って前記幅の設定値Ｗと前記深さの設定値Ｈを算出して前記加工時間ｔを求めることを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子ビーム加工装置。
11. 荷電粒子ビームによって試料を加工する荷電粒子ビーム加工装置であって、
    前記試料を所望の軸方向に移動させるステージと、
    前記試料に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビームカラムと、
    前記荷電粒子ビームカラムを制御する制御部と、
    表示部に試料像を表示する表示制御部と、
    線加工（Ｖ溝）の加工条件を計算する演算部と、を備え、
    前記演算部は、入力された線加工（Ｖ溝）の所望の線分長さＬと所望の深さｄから、前記線加工（Ｖ溝）の深さの設定値Ｈと前記線加工（Ｖ溝）の幅の設定値Ｗを計算し、
    ここで、前記演算部は、前記荷電粒子ビームの照射角θとした場合のビームの照射方向から見た所望の深さｄを、入力された所望の線深さｈに基づいて、ｄ＝ｈ／ｃｏｓθとして求め、
    前記演算部は、次の演算式を満たす、或いは、Ｈ／Ｗを変数としたｌｏｇの近似関数を満たす、深さＨ及び線幅Ｗを前記設定値Ｈおよび前記設定値Ｗとして求め、
    さらに、前記演算部は、前記試料上の線加工（Ｖ溝）の長さをＬ’とした場合に、前記照射方向から見た場合の長さＬを、Ｌ＝Ｌ’・ｃｏｓθにより求めて設定値Ｌとし、
    前記演算部は、溝の深さＨ、Ｖ溝の幅Ｗ、Ｖ溝の長さＬ、物質のスパッタリングイールドＹ（０）、ビーム電流Ｉｂで表される加工時間ｔを表す次の演算式に対して、前記計算された設定値Ｈ、設定値Ｗ、及び設定値Ｌを設定して、前記加工時間ｔが最小となる条件を算出し、
    前記制御部は、前記線加工の長さＬと前記幅Ｗで表示される加工領域に、前記加工時間ｔが最小となる条件に基づいて前記荷電粒子ビームを照射し、その照射した結果、前記線加工の長さＬ、幅Ｗ、深さｄの線（Ｖ溝）状の加工がなされ、
    前記表示制御部は、前記設定値である深さＨと前記線幅Ｗと前記線加工の長さＬの値とともに、前記幅Ｗと前記長さＬとで表される前記加工領域を前記試料像と重畳して前記表示部に表示することを特徴とする荷電粒子ビーム加工装置。
12. 荷電粒子ビームによって試料を加工する荷電粒子ビーム加工装置であって、
    前記試料を所望の軸方向に移動させるステージと、
    前記試料に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビームカラムと、
    前記荷電粒子ビームカラムを制御する制御部と、
    入力した線加工（Ｖ溝）の所望の線分長さＬと所望の深さｄ（照射方向から見た場合の深さ）から、線加工（Ｖ溝）の深さＨの設定値と線加工（Ｖ溝）の幅Ｗの設定値を、次式を用いて計算する演算部と、を備え、
    前記制御部は、前記演算部によって算出された前記設定値Ｈ及びＷと前記線加工の長さＬに基づいて前記荷電粒子ビームを前記試料の表面に照射させることによって前記試料の表面にＶ溝を形成することを特徴とする荷電粒子ビーム加工装置。
13. さらに、前記所望の線深さｈから計算された前記線幅Ｗと前記線加工の長さＬに基づいて、前記荷電粒子ビームを前記試料に照射する加工領域と試料像とを重ねて表示部に表示する表示制御部を備えることを特徴とする請求項１２に記載の荷電粒子ビーム加工装置。