JP5246981B2 - 試料加工方法及びイオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビーム装置や電子顕微鏡において発生するチャージアップ現象を防止する方法とその機能を備えた荷電粒子照射装置に関する。

集束イオンビーム（FIB）や電子ビーム（EB）などの荷電粒子を表面が絶縁物の試料に照射すると、電荷が蓄積され表面電位が変化する帯電（チャージアップ）現象を起こすことはよく知られている。この現象が起こると試料に照射している一次荷電粒子や一次荷電粒子励起の2次荷電粒子の軌道が曲がったり、荷電粒子のエネルギーが変わったりして、試料の観察や加工に影響を及ぼす。そのため、この帯電を防止するために従来からいくつかの手法が取られている。例えば、試料表面に荷電粒子を照射し帯電を中和させる方式のもの、試料表面に導電性の薄膜のコーティングを施しチャージを逃がす方式のものなどが一般的な手法である。図５の(a)に示すように陽イオンの集束イオンビーム１などが絶縁物試料６の表面に照射され、電荷が蓄積されると試料面はプラスの電荷をおびる。この状態では照射されるイオンスポットの位置や弾き出される二次荷電粒子の数や放出方向に影響を与え、所望の加工や検出器２による情報検出が出来ない。そこで、電子銃３から電子の照射を行うと図の(b)に示されるように陰電荷を持つ電子が陽イオンと結合して電荷が中和される。この状態では帯電する電荷の影響はなくなり、所期の加工または検出が可能となる。また、図６に示す導電膜コーティング法は試料表面に予め薄い導電膜４をコーティングしておき、この膜を接地点に導通させるようにしておけば、図の(a)に示す電子ビーム照射の場合には陰電荷を有する電子は該導電膜を介してアースに逃げることになる。また、(b)に示されるようにイオンビーム照射により絶縁性の試料表面の一部が露出した状態となり、その部分に陽イオンが残留するようになっても、近傍の導電性被膜を介してアースから電子が供給され、陽イオンと結合して電荷が中和されて電荷が照射領域に滞留することはない。

しかし、電子シャワーなど荷電粒子を照封して帯電を中和する前者の方法は、一次荷電粒子の照射条件や試料の種類によって帯電状況が異なるため、最適な中和荷電粒子の照射条件を設定するのが困難であるという問題がある。また、試料表面に導電性の薄膜をコーティング方法はチャージを外部に逃がすものであるため帯電状態を把握する必要はないが、蒸着やスパッタコーティングなどによってコーティング処理するものであり、この作業は本発明の対象である荷電粒子照射装置とは別の真空装置を用いて試料をコーティングすることになる。そしてその際、試料の出し入れや試料サイズに制限があったり、広範囲にコーティングされるため不必要な部分にはマスキングするなど、面倒な前処理作業を行う必要があるという問題がある。

発明が解決しようとする課題

本発明の課題は、帯電状況を把握した上での厄介な中和加減を行う必要がなく、別の真空装置を用いた前処理、しかも面倒な準備作業を必要としない帯電防止方法と、その機能を備えた荷電粒子照射装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

本発明の荷電粒子照射装置は、荷電粒子装置の試料室内に、該試料室外から制御することができるマニピュレータを装備し、このマニピュレータの先端に導電性の針状のプローブを取りつけると共に該プローブはグランド等電荷を吸収する部材に接続され、対象となる試料領域に一次荷電粒子の照射によって導電性の被膜を形成するスパッタ若しくはデポジション手段を備えるようにし、前記プローブは前記マニピュレータの操作により試料上の一次荷電粒子の照射領域に移動し、試料表面に接触することができ、試料面の電位測定や信号供給などを可能にした。

本発明の帯電防止は、基本的に試料表面に導電性の被膜を形成させて帯電した電荷を逃がす方式に属する。この方式は前述したように試料面の帯電状況を把握した上で中和調整をするという厄介な手間はない反面、別の真空装置を用いた前処理、しかも面倒な準備作業を必要とする問題をもつものであるため、本発明はその問題を解決することに出発する。そのために、まず試料に導電性のコーティングを施す作業を他の真空装置を用いないで当該荷電粒子照射装置を用いて実行することを考え、本発明では集束イオンビームを用いたスパッタコーティングやガス銃を用いたデポジションによって試料表面に被膜を形成することに想到した。この方法によれば他の真空装置を必要としないし、コーティングを施す領域を必要領域に限定して実行することが容易である。
ところで、本発明者は先に試料上に配置された一つ以上の針状のプローブを試料室の外から三次元的に駆動操作できる機能を備えた集束イオンビームを用いた加工装置を発明し、特許第2807715号として登録されている。この特許明細書にはこのプローブの一つの使用形態として試料上に配置されたプローブを切断前に配線へ接続させ、該プローブを接地することによりＩＣ配線切断時のチャージアップによる回路素子の破壊を防ぐことが開示されている。
本発明では、スパッタコーティングで被膜を形成する場合のターゲットと、帯電チャージを逃がす手段として針状のプローブを取り付けたマニピュレータを当該荷電粒子照射装置の試料室内に設置する。このプローブは先の特許発明のように電荷を逃がす導電路となるだけでなく、スパッタコーティングの原材料ともなるものであるから、それに適した導電性の材料が選択される。このプローブは、試料室外から操作されるマニピュレータによって、試料上の一次荷電粒子の照射領域に移動してスパッタコーティングのターゲットになったり、試料表面に接触するようにして試料表面に帯電した電荷を逃がす導電路となったり、ときとして試料面の電位測定や信号供給などを可能とする。
ガス銃を用いたデポジションによってコーティングを施す形態では適宜のガスを噴射させながら集束イオンビームを照射させることで照射領域に所望のデポジション（荷電粒子励起のCVD）を施すことができる。この場合も先端に導電性のプローブを付けたマニピュレータは必要であり、スパッタコーティングのターゲットにならないだけでそれ以外の役割としてはスパッタコーティングの場合と同様の役割を果たす。

図１に本発明を集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置に適用した態様を示す。(a)に示されるように導電性材料の針状のプローブ５の先端を、図示していないマニピュレータを操作して試料面から隔離した状態でイオン光学系からの一次イオンビームが照射させる領域の近傍に移動させて保持する。次に(b)に示すようにこのプローブ５の先端部分をターゲットとして集束イオンビーム１を照射する。ターゲットとしてイオンビームが照射されたプローブ５は、スパッタエッチングされ素材が二次粒子となって微粒子の形態で周囲に飛散する。飛散したプローブの素材の一部は試料表面に付着し(c)に図示するように被膜を形成する。この被膜の素材はターゲットとなったプローブと同じであるから導電性である。次に、接地部と導通するように構成されたプローブ５は、(d)に示されるようにマニピュレータを操作して先端が被膜領域４の周縁部に接触するように移動させる。この状態で例えば集束イオンビームを照射して試料表面をスパッタエッチング加工する。すると試料表面の導電性被膜はエッチングされて絶縁性の試料が露出され、照射された陽イオンの電荷が蓄積される。したがって、露出した試料表面は陽電荷に帯電するが、(e)に図示される如く接地点からプローブと周辺の導電性被膜を介した導電路によって電子が運ばれ、陽イオンを中和させる。このように作用することで、チャージによる影響を受けることなく一次イオンビームも所定照射位置に照射され、二次荷電粒子も適正に検出される。

図２に本発明を電子顕微鏡等の電子ビーム（ＥＢ）装置に適用した態様を示す。図に示されるように一次荷電粒子を照射する電子光学系とは別にイオンビームを照射するイオン銃７設置する。該イオン銃７は電子ビームが照射される試料面近傍に設置する。(a)に図示されているように導電性材料の針状のプローブ５の先端を、図示していないマニピュレータを操作して試料面から隔離した状態で電子光学系からの一次電子ビームが照射させる領域の近傍に移動させて保持する。次に(b)に示すようにイオン銃７からこのプローブ５の先端部分をターゲットとしてイオンビーム１を照射する。ターゲットとしてイオンビームが照射されたプローブ５は、スパッタエッチングされ素材が二次粒子となって微粒子の形態で周囲に飛散する。飛散したプローブの素材の一部は試料表面に付着し(c)に図示するように被膜４を形成する。この被膜の素材はターゲットとなったプローブと同じであるから導電性である。次に、接地部と導通するように構成されたプローブ５は、(d)に示されるようにマニピュレータを操作して先端が被膜領域４の周縁部に接触するように移動させる。この状態で例えば試料表面に電子ビームを照射して二次電子を叩きだし検出器で捉えて走査領域の画像を得る。(e)に図示される如く試料表面に電子が照射されるが電子は試料表面に残留することなく、導電性被膜からプローブを介した導電路によって電子が接地点に運ばれる。このように作用することで、試料表面はチャージされることなく一次イオンビームも所定照射位置に照射され、二次荷電粒子も適正に検出される。

次に、ガス銃から適宜のガスを噴射させながらイオンビームを照射して試料表面に被覆層を形成させる、所謂デポジションの技術を用いて導電膜を形成させる形態をしめす。図３の(a)に示すようにガス銃８から例えばフェナントレンを噴射させてガリウムイオンビーム１を照射するものとすると、試料表面には図の(b)に示すように導電膜（被膜）４が形成される。この作業を行うときはプローブ５は必要ないので、ＵＰの状態に退避させておく。この試料６に加工等を行うため、集束イオンビームを照射する。この時の状態を図の(c)に示す。このときからプローブ５は図示していないマニピュレータによって導電膜４の周縁部に接触するように移動される。このとき導電膜にイオンビームが照射されるが、この導電膜４は絶縁性の試料表面に孤立された状態にあるため、電荷がこの孤立領域に蓄積させられる。しかし、この孤立領域はいまアースされたプローブ５と接触状態にあるため、電荷はこの孤立領域に滞留することなく放出される。試料は集束イオンビームの照射を受け、表面がスパッタエッチングされ、図の(d)に示すように導電膜４（カーボン被覆層）は削られ、試料面が露出するようになる。試料は絶縁性であるから、ここに集束イオンビームが照射されるとイオンの電荷が試料内部に蓄積する。しかし、この試料面が露出した領域の周囲には導電膜４が存在しており、その周縁にはアースされたプローブ５が接触しているので、接地点から電子等負電荷の供給を受け、イオンは中和される。これによってイオンビーム照射に伴うチャージアップの現象を解消することができる。この方式の場合にはプローブ５はスパッタコーティングのためのターゲットとして用いられないが、電荷の放出などその他の機能としては先の方式のものと同様に用いられる。

試料表面にある異物の断面観察を集束イオンビーム装置を用い、本発明を実行する例を示す。観察したい異物の存在する試料部分を特定し、その周辺部分に導電性被膜を施すため、マニピュレータの先端部にタングステンのプローブを取り付け該マニピュレータを操作して対象となる異物近傍に試料表面から離して設置する。このマニピュレータは、外部制御でサブミクロン以下のステップで微動ができる。図４の(a)に示すように該プローブ５をターゲットとして集束イオンビーム装置からイオンビームを照射し、プローブ５をスパッタリングする。該スパッタリングによって周囲に飛散したプローブ５の素材、この場合にはタングステン微粒子は一部試料表面に付着し、対象となる異物周辺に導電膜４を形成する。図の(b)に示すようにプローブ５を該導電膜４に接触させるようにする。この状態で試料表面の観察を行い、異物の位置を確認する。図の(c)に示すように異物の観察位置がイオン光学系の軸上に来るようにステージを駆動する。つづいてマニピュレータを操作し図の(d)にあるようにプローブ５の先端が前記導電膜４の周縁部に接触させるようにする。このプローブ５はアース接続されている。この状態で集束イオンビームを走査させて観察断面の断面加工を行う。断面観察が可能なようにその前面の視野確保部分の必要領域の穴空け加工を行い、続いて該断面の仕上げ加工を行う。これらの加工中試料にはイオンが叩き込まれて電荷が蓄積するが、アースされたプローブ５を介して電荷は放出されるので、イオンビームの走査にチャージの影響を受けることはない。必要領域の穴あけ加工と観察断面部分の仕上げ加工が終了したならば、プローブ５をアップさせて試料面から隔離させ、試料ステージをチルトして断面観察ができるように調整する。チルト位置が決まったならばマニピュレータを操作しプローブ５の先端を再び試料表面の導電膜４と接触させる。断面部分に集束イオンビームを走査して図の(e)に示すような断面観察画像を得るのであるが、この際も導電膜４はプローブ５を介してアースされているのでイオンビーム照射によるチャージアップは起こらない。従って一次イオンビームの照射位置のズレはなく、二次荷電粒子の検出にも影響がないので鮮明な画像が取得できる。なお、試料へのFIB照射位置をシフトする場合は、ビームシフトを使用するが、試料を微動したい場合は、ビームオフ／プローブアップ／ステージ微動／プローブダウン／ビームオンの一連の動作を、観察画面をクリックしてステージを移動させるセンターリング機能に組み込み、簡単に試料の微動を行うことができる。

上述した説明ではプローブはアース状態にしておくものであったが、このプローブの使い方としては、チャージの放出機能のみならず、試料所定部分の電位測定や信号供給などを行わせることもできる。
また、本発明の方式は、絶縁物試料の観察および加工などに利用できる。特に、局所的なスパッタコーティングは、プローブの材質を変えることで、最適なコーティング材を選ぶことができる。最表面層とのコントラストが付きやすい材質を選ぶと、断面観察で最表面を確認したい場合、非常に便利である。たとえば、パネルなどの絶縁物観察を行う場合、前処理無しでFIB装置に入れ、同じ試料室内で局所的な導電膜のコーティングが可能であり、帯電を防止できる。また、レジストなどの絶縁物の断面観察を行う場合、レジスト表面に金属膜をコーティングし、レジストと金属の像のコントラスト差を利用して、表面層の断面観察を容易に行うことができる。

発明の効果

本発明の荷電粒子照射装置における帯電防止方法は、試料室外から制御することができるマニピュレータの先端に導電性部材からなる針状のプローブを取りつけると共に該プローブはグランド等電荷を吸収する部材に接続され、対象となる試料領域に形成された導電性の被膜に前記プローブを接触させることにより試料表面の電荷を放出させるものであるから、所謂チャージアップによる影響を帯電状況を把握した上での厄介な中和加減を行う必要がなく、面倒な準備作業を必要としないで効果的に回避させることができる。
また、試料領域に形成される導電性の被膜は、プローブをターゲットとしたイオンビーム光学系からのスパッタコーティングによるものであったり、ガス銃からのガス噴射とイオンビーム光学系からのイオンビーム照射によるデポジションによるものであるから、別の真空装置を用いた前処理を必要とせず荷電粒子照射装置自らの中で実行できる。

本発明の集束イオンビーム装置は、試料室外から制御することができるマニピュレータと、該マニピュレータの先端に導電性部材からなる針状のプローブを交換可能に取りつける手段と、該プローブが適宜の電位とされるように外部端子と導通させる部材とを備える構成を、また、本発明の電子ビーム装置は、試料室外から制御することができるマニピュレータと、該マニピュレータの先端に導電性部材からなる針状のプローブを交換可能に取りつける手段と、該プローブをターゲットとしてスパッタリングを実行できるイオン銃と、該プローブが適宜の電位とされるように外部端子と導通させる部材とを備える構成を採ることによって、帯電状況を把握した上での厄介な中和加減を行う必要がなく、別の真空装置を用いた前処理、しかも面倒な準備作業を必要としない帯電防止機能を備えた荷電粒子照射装置を提供することができる。
本発明の方式は、必要に応じて局所的なコーティングができるため、他の装置でコーティングする手間がいらない。また、このコーティング方法は局所的なため不必要な領域へコーティングすることもない。さらに、スパッタコーティングは、プローブ材を変えることにより、いろいろな材料を試料表面にコーティングすることができる。

集束イオンビーム装置を用いたスパッタコーティングによって本発明を実現する形態を示す図である。 電子ビーム装置を用いたスパッタコーティングによって本発明を実現する形態を示す図である。 集束イオンビーム装置を用いたデポジションによって本発明を実現する形態を示す図である。 絶縁物上の異物を断面観察するときに本発明の方式を用いて実行した実施例を示す図である。 電子中和法を用いた従来の帯電防止技術を説明する図である。 導電膜コーティング法を用いた従来の帯電防止技術を説明する図である。

１ 一次荷電粒子ビーム ６ 試料
２ 二次荷電粒子検出器 ７ イオン銃
３ 電子銃 ８ ガス銃
４ 導電膜
５ プローブ

Claims (3)

1. イオンビームの照射範囲内にプローブの先端を移動させる工程と、
   前記プローブの先端に前記イオンビームを照射し、前記プローブをターゲットとしてスパッタエッチングされた二次粒子を試料上に堆積させ導電膜を形成する工程と、
   前記導電膜に前記プローブを接触させる工程と、
   前記イオンビームを前記導電膜の一部に照射し、前記試料の断面を形成する工程と、
   前記プローブを前記導電膜から隔離し、前記試料を傾斜させる工程と、
   前記プローブを前記導電膜に接触させ、前記断面に前記イオンビームを走査照射し、断面観察を行う工程と、からなる試料加工方法。
   
2. プローブと、
   前記プローブの先端にイオンビームを照射し、前記プローブをターゲットとしてスパッタエッチングされた二次粒子を試料上に堆積させ導電膜を形成するためのイオンビーム光学系と、
   前記イオンビームの照射範囲内に前記プローブの先端を移動させるマニピュレータと、
   前記試料を載置するステージと、を有し、
   前記プローブを前記導電膜に接触させた後に前記ステージを移動させる場合、前記プローブを前記導電膜から隔離し、前記ステージを移動させた後に前記プローブを前記導電膜に接触させるイオンビーム装置。
   
3. 前記ステージを移動させる場合、前記イオンビームの前記試料への照射を停止させる請求項２に記載のイオンビーム装置。

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