JP5378830B2 - 集束イオンビーム装置、及びそれを用いた試料の加工方法 - Google Patents
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Description
通常これらの操作は、集束イオンビーム装置の視野内で行われるため、マニピュレータの動作の自由度は少ない。そのため、原試料から取り出された薄片は、取り出された時と同じ姿勢(向き)のまま試料ホルダに固定される。例えば、半導体デバイスは配線層が上で基板が下に位置するため、半導体デバイスの薄片は、配線層が上の状態で試料台に固定される。
この技術によれば、薄片試料に探針を固定して原試料から取り出した後、探針を中心軸の周りに回転させて試料の上下の向きを反対にする。但し、探針が試料ホルダの上面と角度を持って取り付けられているため、探針を回転させた際、試料の上面と試料ホルダの上面部が平行にならない。そこで、傾斜機構により探針を傾斜させ、試料の上面と試料ホルダの上面部を平行にしてから試料を試料ホルダへ移動し、試料を固定する。このようにして、半導体デバイスの下部を上向きにし、例えばアルゴンイオンビームを照射して試料ダメージ層を除去する等の最終加工を行うことができる。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、マニピュレータとして微小ピンセットとその回転機構とを用いることで、傾斜機構を必要とせずに試料の向きを変えて試料ホルダへ固定することができる集束イオンビーム装置、それを用いた試料の加工方法の提供を目的とする。
又、試料台の表面に対して傾いている固定面を用いた場合、微小ピンセットを軸方向の周りに回転させるだけで、試料の向きが変わるとともに試料の1つの面が固定面と平行になる。そのため、微小ピンセットの傾斜機構を必要とせずに試料の向きを変えて試料ホルダの固定面にそのまま固定することができる。
このような構成とすると、固定面に試料を当接させた後、微小ピンセットを所定の方向に移動すると固定面上で試料に力が働いて試料の向きが変わり、試料の前記第2面が固定面と平行になるので、試料の向きを変えつつ試料をそのまま固定面に固定することができる。
図1は本発明の実施形態に係る集束イオンビーム装置100の全体構成を示すブロック図である。図1において、集束イオンビーム装置100は、真空室10と、イオンビーム照射系(特許請求の範囲の「集束イオンビーム照射機構」)120と、電子ビーム照射系30と、アルゴンイオンビーム照射系40と、微小ピンセット50と、試料ステージ60と、二次荷電粒子検出器70と、ガス銃80と、制御部90とを備えている。真空室10の内部は所定の真空度まで減圧され、集束イオンビーム装置100の各構成部分の一部又は全部が真空室10内に配置されている。
ここで、原試料2にイオンビーム120Aを照射してエッチングし、例えば透過電子顕微鏡(TEM)用試料片を作製する。その後、微小ピンセット50で試料片を挟持し、TEM観察用の試料ホルダ62に移し、TEM観察を行う。この試料ホルダ62は、試料台61の周縁に沿って配置されている。なお、原試料2から取り出され、微小ピンセット50によって挟持された試料片が特許請求の範囲の「試料」に相当する。
ピンセットホルダ52の後端は開閉機構53に接続され、開閉機構53により、微小ピンセット50先端部を開閉し、試料片を挟持したり離すことができる。微小ピンセット50は、例えばMEMS等の半導体シリコンプロセス技術によって作製することができ、近接する2本の針状体を開閉機構53(静電アクチュエータ等)を用いて開閉することで、ピンセットとして機能することができる。静電アクチュエータに電圧が印加されると2本の針状体の間隔が開き、電圧が解除されると弾性力で針状体の間隔が戻るようにすることができる。
なお、本発明においては、移動機構55がさらにピンセットホルダ52をX軸(又はY軸)回りに回転させるチルト機構(傾斜機構)を備えている必要がない。これは後述するように、本発明においては、回転機構54によってピンセットホルダ52(微小ピンセット50)を軸方向の周りに回転させるだけで、試料の向きを変えて試料台へ固定することができるからである。従って、微小ピンセット50の取付角度に応じて、数十度程度の傾斜角を有するストロークの大きな傾斜機構が不要となり、集束イオンビーム装置内の狭い空間に傾斜機構を設けなくてよく、又、傾斜機構を省略してコストダウンを図ることができる。
又、微小ピンセット50を用いて試料を保持するため、探針を用いた場合のように試料をデポジションする必要がなく、作業負担が軽減する。
又、制御部90は、二次荷電粒子検出器70で検出された二次荷電粒子を輝度信号に変換して試料表面を表す画像データを生成し、この画像データを基に試料画像を生成する。試料画像は、制御部90に接続された表示装置91に出力される。
なお、制御部90には、オペレータの入力指示を取得するキーボード等の入力手段92が接続されている。
イオン光学系122は、例えば、イオンビーム120Aを集束するコンデンサーレンズと、イオンビーム120Aを絞り込む絞りと、イオンビーム120Aの光軸を調整するアライナと、イオンビーム120Aを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビーム120Aを走査する偏向器とを備えて構成される。
以上のように、本発明においては、試料表面を表す試料画像を取得するため、イオンビーム120Aの照射による二次荷電粒子(二次イオンや二次電子)を用いてもよく、電子ビーム30Aの照射による二次荷電粒子(二次電子)を用いてもよい。なお、本発明においては、電子ビーム照射系30を備えていない荷電粒子ビーム装置を用いてもかまわない。
二次荷電粒子検出器70は、原試料2へイオンビーム120A又は電子ビーム30Aが照射された際に、原試料から発生する二次荷電粒子(二次電子や二次イオン)を検出する。
試料ホルダ62において、筐体62aの上面に隣接する側面が試料台61の側壁に接続され、筐体62aの上面が試料台61と平行になっている。このため、試料片を固定する試料取り付け部62yの各バーの先端を通る平面(特許請求の範囲の「固定面」に相当)62sも、試料台61と平行になっている。なお、各ホルダ部62bの平面方向は試料台61の径方向に向いている。又、以下の実施形態において、試料取り付け部62y等の側面に試料片を取り付けてもよい。
このように、固定面62sが試料台61と平行な試料ホルダ62は、後述する本発明の第3の実施形態の試料の加工方法に好適に用いられる。
このように、固定面62sを試料台61に対して傾けた試料ホルダ62は、本発明の第1の実施形態の試料の加工方法に用いることができる。本発明の第1の実施形態の試料の加工方法は、試料片20を挟持した微小ピンセット50を回転させたとき、試料片20の1つの面が固定面62sと平行になることを特徴としている。
微小ピンセット50の軸方向Lは、試料台61の表面と所定の角度(θ)をなしている。又、矩形状の試料片20は試料台61の表面から垂直に立ち上がり、試料片20の上辺20a(及び下辺20b)がLとθの角度をなすようになっている。従って、挟持工程で試料片20を挟持した際、試料片20の上面(及び下面)がLとθの角度をなしている。
一方、回転工程で微小ピンセット50を180°回転させると、試料片20の上下の向きが反対となり、下辺20bが上側に位置する。又、余角の関係から、上辺20aが試料台61の表面と2θの角度をなし、試料片20の側辺20c(上辺20aに隣接する辺)が試料台61の表面と(90−2θ)の角度をなす。
試料片20を微小ピンセット50で挟持した時点で、試料片20の下辺20bが下側を向き、側辺20cが先端側に位置する。微小ピンセット50を軸方向L周りに180°回転させると、試料片20の側辺20cが試料台61の表面と(90−2θ)の角度をなして下側を向く。
ここで、試料ホルダ62の筐体62aの上面が試料台61の表面に対して(90−2θ)傾いていることで、固定面62sも試料台61の表面に対して(90−2θ)傾く。このため、試料片20の側辺20c(特許請求の範囲の「試料の1つの面」に相当、ここで正確には、側辺20cの端面が「1つの面」に対応する)が固定面62sと平行になり、試料片20をそのまま固定面62sに固定することができる。
つまり、微小ピンセット50を回転させるだけでよく、微小ピンセット50の取り付け角度を傾斜(チルト)させなくとも、試料の向きを変えて試料台へ固定することができる。
又、試料ホルダ63の場合、試料取り付け部63yの各バーの側部が試料片20を固定する固定面63sになっている。このため、固定面63sは、試料台61の中心に向かって下がるように傾く。
図6と同様、試料片20を微小ピンセット50で挟持した時点で、試料片20の下辺20bが下側を向き、側辺20cが先端側に位置する。微小ピンセット50を軸方向L周りに180°回転させると、試料片20の側辺20cが試料台61の表面と(90−2θ)の角度をなして下側を向く。
ここで、試料ホルダ63の筐体63aの上面が試料台61の表面に対して(90−2θ)傾いているため、固定面63sも試料台61の表面に対して(90−2θ)傾く。このため、試料片20の側辺20cが固定面63sと平行になり、試料片20をそのまま固定面63sに固定することができる。つまり、微小ピンセット50を回転させるだけでよく、微小ピンセット50の取り付け角度を傾斜しなくとも、試料の向きを変えて試料台へ固定することができる。
なお、試料ホルダ63の場合、試料取り付け部63yの各バーの側部に試料片20を固定するため、試料ホルダ63を水平に戻して試料片20を観察した場合、試料ホルダ62と異なる方向から試料片20を観察することができる。
但し、第2の実施形態の場合、試料片21の上辺20aから下辺20bへ向かって切込み21dが形成され、切込み21dと試料片21の側片との間を微小ピンセット50で挟持するようになっている。
微小ピンセット50の軸方向Lは、試料台61の表面と所定の角度(θ)をなしている。又、矩形状の試料片21の表面が軸方向Lとθの角度をなすようになっている。
一方、回転工程で微小ピンセット50を180°回転させると、試料片21の上下の向きが反対となり、下辺21bが上側に位置する。又、余角の関係から、試料片21の表面が試料台61の表面と(90−2θ)の角度をなす。
又、試料ホルダ64の場合、試料取り付け部64yの各バーの側部が試料片21を固定する固定面64sになっている。このため、固定面64sは、試料台61の中心に向かって上がるように傾く。
試料片21を微小ピンセット50で挟持した時点で、試料片21の上辺21aが上側を向く。微小ピンセット50を軸方向L周りに180°回転させると、試料片21の上辺21aが下側を向き、試料片21の表面が試料台61の表面と(90−2θ)の角度をなす。又、上辺21aの端面は、試料台61の表面と2θの角度をなす(上辺21aの端面が試料片21の表面と直角のため)。
一方、試料ホルダ64の筐体64aの上面が試料台61の表面に対して(90−2θ)傾いており、固定面64sが筐体64aの上面と垂直であるから、固定面64sは試料台61の表面に対して2θ傾く。このため、試料片21の上辺21a(の端面)が固定面64sと平行になり、試料片21の上辺21aをそのまま固定面64sに固定することができる。つまり、微小ピンセット50を回転させるだけでよく、微小ピンセット50の取り付け角度を傾斜しなくとも、試料の向きを変えて試料台へ固定することができる。
又、試料ホルダ65の場合、試料取り付け部65yの各バーの側部であって試料ホルダ65の平面と直交する面が試料片21を固定する固定面65sになっている。このため、固定面65sは、試料台61の表面と垂直になっている。又、各バーの側部は試料台61の中心に向かって下がるように傾く。
試料片21を微小ピンセット50で挟持した時点で、試料片21の下辺21bが下側を向く。微小ピンセット50を軸方向L周りに180°回転させると、試料片21の下辺21bが上側を向くとともに、試料片21の表面が試料台61の表面と(90−2θ)の角度をなす。
なお、図14の例では、固定面65sが試料台61の表面と垂直になっているため、微小ピンセット50を回転させなくとも、試料片21の側辺21c(の端面)が固定面65sと平行になっている。但し、微小ピンセット50を回転させると、固定面65sとなる試料取り付け部65yの各バーの延びる方向が側辺21cの延びる方向と平行になる(具体的には、各バーの延びる方向が試料台61の表面に対して(90−2θ)の角度となる)ので、試料片21をそのまま固定面65sに固定することができる。
次に、微小ピンセット50を回転した状態で微小ピンセット50を試料ホルダ62に接近させ、試料片20を試料ホルダ62の固定面62に当接させる(当接工程;図16(c))。
そこで、微小ピンセット50を前方F1に移動させると、角部Pを支点として側辺20cが前方に倒れ、側辺20c(の端面)が固定面62sと平行に向くようになり、側辺20cを固定面62sに取り付けることができる(移動工程;図16(d))。従って、微小ピンセット50を回転させるだけでよく、微小ピンセット50の取り付け角度を傾斜しなくとも、試料の向きを変えて試料台へ固定することができる。
なお、角部Pを支点として側辺20cを動き易くするため、図16(c)で試料片20の角部Pを固定面62に当接させた後、微小ピンセット50の挟持力を弱めながら移動させてもよい。
図17の例では、図17(c)の当接工程で側辺20cの角部Pを固定面62sに引っ掛けた後(当接させた後)、微小ピンセット50を後方F2に移動し、角部Pを支点として上辺20aを後方に倒れさせる点が、図16の例と異なっている。
このようにすると、上辺20a(の端面)が固定面62sと平行に向くようになり、上辺20aを固定面62sに取り付けることができる(移動工程;図17(d))。従って、微小ピンセット50を回転させるだけでよく、微小ピンセット50の取り付け角度を傾斜しなくとも、試料の向きを変えて試料台へ固定することができる。
例えば、上記実施形態では、試料ホルダを試料台に対して傾け、試料ホルダに設けられた固定面を試料台の表面に対して傾けたが、試料ホルダ内で固定面を斜めに取り付け、試料ホルダ自身を試料台に平行に取り付けてもよい。但し、通常の試料ホルダは、固定面が試料ホルダの筐体に対して平行(又は直角)であるため、通常の試料ホルダと試料台の間にスペーサを介装して角度を調整する方が、汎用の試料ホルダを利用できるので好ましい。
又、上記実施形態では、試料ホルダとして、細いバーが並んだメッシュを用いたが、これに限定されず、例えば従来から常用される半月型のメッシュ(平坦部に試料を固定するもの)を用いることもできる。又、試料としては、上記したTEM用の試料片に限定されない。
この場合、制御部90は、まず試料片20の位置を(画像処理等により)取得し、その位置に微小ピンセット50を移動させた後、微小ピンセット50を開く制御を行う。次に、制御部90は微小ピンセット50を閉じて試料片20を挟持する(挟持工程)。制御部90は、試料片20を挟持したと判断すると、回転機構により微小ピンセット50を回転させる(回転工程)。制御部90は、試料ホルダ62の固定面62sの座標をあらかじめ取得しておき、微小ピンセット50を移動させ、挟持された試料片20を上記座標へ移動させる。これにより、試料片20を固定面62sに当接させる(当接工程)。
試料片20を固定面62sに当接すると、所定の衝撃力が微小ピンセット50を介して検出されるので、これをキーとして、制御部90は微小ピンセット50を予め定めた方向(例えば、図16、図17の方向F1やF2)へ移動させる。これにより、試料片20の1つの面が固定面62sと平行に向くので、制御部90は固定部へのデポジションを行う制御をし、試料片20を固定面62sに固定する。その後、制御部90は、微小ピンセット50を開くとともに、移動する制御を行い、作業を終了する。
20c 試料の1つの面
50 微小ピンセット
53 開閉機構
54 回転機構
55 移動機構
61 試料台
62〜65 試料ホルダ
62s〜65s 固定面
90 制御部
100 集束イオンビーム装置
120 集束イオンビーム照射機構
L 微小ピンセットの軸方向
θ 軸方向が試料台の表面となす角度
Claims (4)
- 試料を固定するための固定面を有する試料ホルダと、
前記試料ホルダが設置されると共に、前記試料に加工する前の原試料を設置する試料台と、
集束イオンビームを前記原試料に照射して前記試料に加工する集束イオンビーム照射機構と、
前記加工後の前記試料を挟持し、その軸方向が前記試料台の表面と所定の角度θをなす微小ピンセットと、
前記微小ピンセットを開閉させる開閉機構と、
前記微小ピンセットを前記軸方向の周りに回転させる回転機構と、
前記微小ピンセットの位置を前記試料台から前記試料ホルダへ移動させる移動機構と
を備えた集束イオンビーム装置であって、
前記原試料及び前記試料は、前記試料台の前記表面に設置される下面と、該下面と異なる面であって前記固定面に固定される第2面とを有し、
前記加工後の前記試料を前記下面以外の2つの面で挟持した前記微小ピンセットを180度の角度で前記軸方向の周りに回転させたとき、前記試料の前記第2面が前記固定面と平行になるよう、前記固定面が前記試料台の表面に対して傾いている集束イオンビーム装置。 - 前記下面と前記第2面とは垂直又は平行であり、前記固定面が前記試料台の表面に対して(90−2θ)又は2θの角度で傾いている請求項1記載の集束イオンビーム装置。
- 前記試料を挟持した前記微小ピンセットを180度の角度で回転させ、該微小ピンセットを移動して前記固定面に前記試料を当接させた後、前記試料の前記第2面が前記固定面と平行に向くよう前記微小ピンセットを移動する制御部を備えた請求項1記載の集束イオンビーム装置。
- 集束イオンビームを原試料に照射して試料に加工する方法であって、
前記試料を固定するための固定面を有する試料ホルダが設置されると共に、前記原試料を設置する試料台を用い、
前記原試料及び前記試料は、前記試料台の前記表面に設置される下面と、該下面と異なる面であって前記固定面に固定される第2面とを有し、
その軸方向が前記試料台の表面と所定の角度θをなす微小ピンセットにより、前記加工後の前記試料を挟持する挟持工程と、
前記試料を挟持した前記微小ピンセットを前記軸方向の周りに所定の角度で回転させる回転工程と、
前記微小ピンセットの位置を前記試料台から前記試料ホルダへ移動させる移動過程と、
前記試料ホルダに、前記回転された前記微小ピンセットを接近させて前記試料を前記固定面に固定する固定工程とを有し、
前記回転工程で前記微小ピンセットを180度の角度で前記軸方向の周りに回転させたとき、前記試料の前記第2面が前記固定面と平行になるよう、前記固定面が前記試料台の表面に対して傾いている、集束イオンビーム装置を用いた試料の加工方法。
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