JP5646836B2 - 試料加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料に集束イオンビームを照射し加工する装置に関するものである。

従来、集束イオンビームによるエッチング加工で試料に断面を形成し、断面を観察する方法が知られている。この方法では試料表面に凹凸部がある場合、凹凸部が切断断面に影響を与え、縦筋が入る現象が生じ、正確な断面像が得がたい欠点があった。

この課題を克服するために、原料ガスを試料表面に供給し集束イオンビームを照射して試料表面の断面加工部を含む領域の凹凸を穴埋めし平面状に膜付けし、これに続く断面加工時に起こる表面の凹凸部の影響が断面に縦筋となって現れるのを防ぐ方法が知られている（特許文献１参照。）。

特開平２−１５２１５５号公報

しかしながら従来の方法では、表面の凹凸部が大きい試料では膜付けで穴が埋まらないことがあり凹凸部に平坦な膜付けができない。そのため、膜付けをしても断面に縦筋が現れてしまう。また、膜付けする膜と試料の材料で硬さが大きく異なる場合も断面加工時の集束イオンビームエッチングの加工速度に差が生じるため断面に縦筋が現れてしまう。

本発明の目的は、凹凸部が大きい試料でも断面に縦筋が生じるのを軽減する試料加工装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。

（１）本発明に係る試料加工方法は、表面に凹凸を有する試料に第一の断面を形成する工程と、第一の断面と交差する第二の断面を集束イオンビームで形成する工程とを含む試料加工方法であって、前記試料の前記凹凸を有する表面に前記集束イオンビームの照射でエッチング加工して前記第一の断面を形成し、前記第一の断面を形成する前記集束イオンビームと前記試料に対して異なる方向から前記集束イオンビームを入射し前記第二の断面を形成する。表面に凹凸部がある試料でも第一の断面を形成し、第一の断面と交差する第二の断面を形成することにより、第二の断面では凹凸部による断面への縦筋の影響を軽減することができる。第一の断面は試料表面の凹凸部に比べて平坦な面である。そして、平坦な第一の断面側から集束イオンビームを照射して第一の断面を交差するように第二の断面を形成することで、第二の断面は縦筋の少ない良好な観察面になる。この観察面を集束イオンビームやＳＥＭで観察することができる。
また、集束イオンビームで第一の断面を形成することで、平坦な第一の断面を形成することができる。集束イオンビームの入射角度を変えて第一の断面側から集束イオンビームを入射することで、第一の断面よりも平坦な第二の断面を形成することができる。また、第一の断面と第二の断面を同一の試料加工装置で形成することができるので、複数の装置を用いる必要がない。

（２）本発明に係る試料加工方法は、試料の表面に対して略平行に集束イオンビームを照射して第一の断面を形成し、表面に対して略垂直に集束イオンビームを照射して第二の断面を形成する。試料表面に対して略平行に集束イオンビームを入射することで、表面の凹凸の影響を受けることなく第一の断面を形成することができる。また第一の断面に対して略垂直に第二の断面を形成することで、試料表面に垂直な断面を形成することができる。

（３）本発明に係る試料加工方法は、試料を傾斜および回転し、第一の断面を形成する集束イオンビームと試料に対して異なる方向から集束イオンビームを入射して第二の断面を形成する。試料を傾斜および回転することで集束イオンビームの入射角度を変えることができる。これにより試料室内で連続して第一の断面と第二の断面を形成することができる。

（４）本発明に係る試料加工方法は、さらに第一の断面に保護膜を形成する工程を有し、第一の断面と保護膜に対して交差する第二の断面を集束イオンビームで形成する。保護膜を形成することにより、保護膜側から集束イオンビームを入射してより平坦な第二の断面を形成することができる。また、原料ガスを供給し集束イオンビームを照射して保護膜を第一の断面に形成することで、保護膜形成と断面形成を同一装置内で実施することができる。

（５）本発明に係る試料加工装置は、集束イオンビーム照射部と、表面に凹凸を有する試料を載置する試料台と、試料台を傾斜する試料台制御部と、集束イオンビームを試料に照射し、試料から発生した二次粒子を検出する二次粒子検出部と、二次粒子検出部からの信号に基づいて観察像を形成する観察像形成部と、観察像を表示する表示部と、試料を第一の傾斜角で設置し、前記試料の前記凹凸を有する表面に前記集束イオンビームの照射でエッチング加工して第一の断面を形成し、試料を第二の傾斜角で設置し第一の断面と交差する第二の断面を集束イオンビームで形成する試料傾斜ホルダとを有する。試料傾斜ホルダにより試料室内で試料の傾斜を制御して第一の断面と第二の断面を形成する集束イオンビームの試料に対する入射角を変更することができる。

（６）本発明に係る試料加工装置は、さらに、第一の断面に原料ガスを供給するガス銃を有する。ガス銃を用いて第一の断面に保護膜を形成することができる。

（７）本発明に係る試料加工装置は、さらに、集束イオンビームを照射する試料の位置と同一位置にイオンビームを照射するイオンビーム照射部を有する。イオンビームを用いた第一の断面の形成状況を集束イオンビームで観察することができる。これよりイオンビーム加工の加工終了の判断をその場で行うことができる。

本発明にかかる試料加工装置によれば、凹凸部が大きい試料でも断面に縦筋が生じるのを軽減し試料を加工することができる。

本発明に係る試料加工装置の構成図である。 図１に示す試料加工装置の変形例を示す図である。 本発明に係る試料加工方法を示す図である。 本発明に係る試料加工方法を示す図である。 本発明に係る試料加工方法を示す図である。 本発明に係る試料加工方法を示す図である。 本発明に係る試料加工方法を示す図である。 本発明に係る試料加工方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る試料加工装置の実施形態について説明する。

本発明に係る試料加工装置は、図１に示すように、試料室２に集束イオンビーム照射部１と、試料４を載置した試料台３と、ガス銃７と、二次粒子検出器５とを備えている。試料台３は試料台制御部６と接続され、また、二次粒子検出器５は観察像形成部１１と接続され、観察像形成部１１は集束イオンビーム照射部１と表示部１２に接続されている。試料４に集束イオンビーム制御部１から出射した集束イオンビームを照射し、試料４から発生した二次電子を二次粒子検出器５で検出する。検出された二次電子信号は集束イオンビームの走査照射信号に基づいて観察像形成部で観察像を形成する。観察像は表示部１２に表示する。また、形成する膜の原料ガスをガス銃７から試料４に供給し、集束イオンビームを照射することで、試料４上にデポジション膜を形成することができる。

また、図１の変形例の試料加工装置は、図２に示すように、試料室２にガスイオンビーム照射部８を備えている。ガスイオンビーム照射部８は、アルゴン、キセノンなどのガスイオンビームを試料４上に照射する。ガスイオンビームは集束イオンビームの照射位置を含む試料４上の領域に照射することができる。

次に、本発明に係る試料加工方法の実施形態について説明する。

本発明に係る試料加工方法は、図３に示すように、試料４に対して二つの異なる方向から集束イオンビームを照射して第一の断面３３および第二の断面３６を形成する。図３（ａ）、（ｂ）は試料４の断面図である。図３（ｃ）は凹部３５を形成した試料４の立体模式図である。図示していないが試料４の表面には大きな凹凸部が存在する。

まず、集束イオンビーム３１を図に示す方向から試料４に照射し、凹部３２を形成する。凹部３２の側面が第一の断面３３である。第一の断面３３は集束イオンビーム照射で形成されているため平坦な面が形成されるが、表面の凹凸の影響を受けて縦筋の入った面になっている。次に第一の断面３３を含む領域に集束イオンビーム３４を図に示す方向から試料４に照射し、凹部３５を形成する。凹部３５の側面で第一の断面３３と交差している面が第二の断面３６である。第二の断面３６は第一の断面３３と接している面である。第二の断面３６は第一の断面３３に集束イオンビーム３４を照射して形成された面であるので、第一の断面３３に形成された縦筋の影響を受け若干縦筋が入ることもあるが、試料４の表面の凹凸の影響を受けた第一の断面に比べて、縦筋の発生は大きく軽減され平坦な面になっている。また、図３（ｂ）に示すように凹部３５は開口部となっており第二の断面３６に集束イオンビームやＳＥＭの電子ビームを照射し観察することができる。

ここで上記の実施形態では、凹部３２を集束イオンビーム３１で形成したが、アルゴンやキセノンなどのガスイオンを用いたがガスイオンビームで形成してもよい。その場合、
従来のガリウムイオンの集束イオンビームを用いた際に起こる試料への金属イオン注入がないため試料を汚染することなく加工することができる。

次に、本発明に係る試料加工方法の第２の実施形態について説明する。

本発明に係る試料加工方法は、図４に示すように、試料４の表面に略平行に集束イオンビーム４１を照射し凹部４２を形成する。次に試料４の表面に対して略垂直に集束イオンビーム４４を照射して凹部４５を形成する。図４（ａ）、（ｂ）は、試料４の断面図で、図４（ｃ）は凹部４５を形成した試料４の立体模式図である。

まず、集束イオンビーム４１を試料４の表面に略平行に照射し凹部４２を形成する。凹部４２の側面が第一の断面４３である。次に第一の断面４３の一部に集束イオンビーム４４を図に示す方向から試料４に照射し、凹部４５を形成する。凹部４５の側面で第一の断面４３と交差している面が第二の断面４６である。第二の断面４６は第一の断面４３と接している面である。また第二の断面４６は試料４の上面と側面から連続して形成した凹部の側面である。第二の断面４６は試料４の側面側に露出しているため、集束イオンビームやＳＥＭを用いて観察を行う際、入射ビームを照射しやすく、また、発生する二次電子を検出しやすいため観察し易い。また試料４の表面に対して垂直に断面を形成しているため、例えば半導体デバイスなど内部に試料表面に対して垂直・平行方向に規則的に配置された構造を有する試料では、第二の断面４６の観察像から構造の位置や形状を把握しやすい。

次に、本発明に係る試料加工方法の第３の実施形態について説明する。

本発明に係る試料加工方法および装置は、図５に示すように、試料４を試料傾斜ホルダ９に設置し、試料傾斜ホルダ９を載置した試料台３を傾斜および回転することで二つの異なる方向から集束イオンビームを試料４に照射する。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は試料４の加工方法を説明する試料台３に掲載された試料４の断面図である。

まず試料４を試料台３に載置された試料傾斜ホルダ９に設置する。試料傾斜ホルダ９は試料台３に対して試料４を傾斜して設置するためのホルダである。試料台３の傾斜可能範囲を超えて試料４を傾斜することができる。図５（ａ）に示すように試料傾斜ホルダ９に設置した試料４に対して集束イオンビーム４１を照射し、凹部４２を形成する。

次に試料台制御部６により試料台３を図５（ｂ）のように傾斜する。次に試料台３を回転し図５（ｃ）のように配置する。ここで傾斜と回転の順番は上記に限定するものではない。図５（ｃ）に示すように凹部４２の側面に集束イオンビーム４４を照射して凹部４５を形成する。

上記のとおり試料傾斜ホルダ９を用いることにより試料室２内で第一の断面と第二の断面を連続して形成することができる。これにより短時間で試料を加工することができる。

試料傾斜ホルダ９を有していない装置でも本発明の試料加工方法は実施することができる。この場合、第一の断面を形成し、一度試料室２から試料を取り出し、試料の向きを変えて試料台３に設置し、再度試料室２に挿入して第二の断面を形成する。

次に、本発明に係る試料加工方法の第４の実施形態について説明する。

本発明に係る試料加工方法は、図６に示すように、第一の断面４３を形成し、集束イオンビームを用いたデポジションにより第一の断面４３上に保護膜を形成６１し、保護膜６
１に集束イオンビームを照射して保護膜６１と第一の断面４３と交差する第二の断面４６を形成する。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は試料４の加工方法を説明する試料４の断面図である。

まず、図６（ａ）に示すように集束イオンビーム４１を試料４の表面に略平行に照射し凹部４２を形成する。凹部４２の側面が第一の断面４３である。次にガス銃７からフェナントレンやナフタレンなどのカーボンやタングステン、プラチナなどの金属を含むカーボン系ガスを第一の断面４３表面に供給し、集束イオンビーム４４を照射し、図６（ｂ）に示すように、第一の断面４３上に保護膜６１を形成する。次に保護膜６１の一部に集束イオンビーム４４を図に示す方向から照射し、凹部４５を形成する。凹部４５の側面で保護膜６１と第一の断面４３に対して交差している面が第二の断面４６である。第一の断面４３の縦筋を保護膜６１で平坦化している。保護膜６１側から集束イオンビーム４４を照射して第二の断面４６を形成しているので、より平坦な第二の断面４６を形成することができる。

次に、本発明に係る試料加工方法の第５の実施形態について説明する。

本発明に係る試料加工方法は、図７に示すように、プローブ７１を用いて試料４の表面を掘削加工して第一の断面７２を形成し、集束イオンビーム７３を照射し第一の断面７２と交差する第二の断面７４を形成する。図７（ａ）、（ｂ）は試料４の断面図である。

まず図７（ａ）に示すようにプローブ７１で試料４を物理的に掘削する。これにより第一の断面７２が形成される。次に図７（ｂ）に示すように集束イオンビーム７３を照射して凹部７３を形成する。凹部７３の側面が第二の断面７４である。第二の断面７３は掘削により形成された平坦な第一の断面７２側から集束イオンビームを照射して形成した断面であるので縦筋の少ない面を形成することができる。

次に本発明のフローチャートを図８に示す。まず試料に第一の断面を形成する（ｓ１）。次に第二の断面を形成する集束イオンビームの入射角度を設定するために試料の角度を調整する（ｓ２）。次に集束イオンビームを照射して第二の断面を形成する（ｓ３）。これにより試料の表面に大きな凹凸がある材料や保護膜と硬さが大きく異なる材料でも集束イオンビーム加工で発生する縦筋の少ない第二の断面を形成することができる。これにより正確な断面観察を行うことができる。

１…集束イオンビーム照射部
２…試料室
３…試料台
４…試料
５…二次粒子検出器
６…試料台制御部
７…ガス銃
８…ガスイオンビーム照射部
９…試料傾斜ホルダ
１１…観察像形成部
１２…表示部
３１…集束イオンビーム
３２…凹部
３３…第一の断面
３４…集束イオンビーム
３５…凹部
３６…第二の断面
４１…集束イオンビーム
４２…凹部
４３…第一の断面
４４…集束イオンビーム
４５…凹部
４６…第二の断面
６１…保護膜
７１…プローブ
７２…第一の断面
７３…凹部
７４…第二の断面

Claims (10)

1. 表面に凹凸を有する試料に第一の断面を形成する工程と、
   前記第一の断面と交差する第二の断面を集束イオンビームで形成する工程と、
   を含む試料加工方法であって、
   前記試料の前記凹凸を有する表面に前記集束イオンビームの照射でエッチング加工して前記第一の断面を形成し、前記第一の断面を形成する前記集束イオンビームと前記試料に対して異なる方向から前記集束イオンビームを入射し前記第二の断面を形成する試料加工方法。
2. 前記試料の表面に対して略平行に前記集束イオンビームを照射して前記第一の断面を形成し、前記表面に対して略垂直に前記集束イオンビームを照射して前記第二の断面を形成する請求項１に試料加工方法。
3. 前記試料を傾斜および回転し、前記第一の断面を形成する前記集束イオンビームと前記試料に対して異なる方向から前記集束イオンビームを入射して前記第二の断面を形成する請求項１に記載の試料加工方法。
4. さらに前記第一の断面に保護膜を形成する工程を有し、
   前記第一の断面と前記保護膜に対して交差する第二の断面を集束イオンビームで形成する請求項１に記載の試料加工方法。
5. 前記保護膜は、原料ガスを前記第一の断面に供給し、前記第一の断面に前記集束イオンビームを照射して形成する請求項４に記載の試料加工方法。
6. 集束イオンビーム照射部と、
   表面に凹凸を有する試料を載置する試料台と、
   前記試料台を傾斜する試料台制御部と、
   前記集束イオンビームを前記試料に照射し、前記試料から発生した二次粒子を検出する二次粒子検出部と、
   前記二次粒子検出部からの信号に基づいて観察像を形成する観察像形成部と、
   前記観察像を表示する表示部と、
   前記試料を第一の傾斜角で設置し、前記試料の前記凹凸を有する表面に前記集束イオンビームの照射でエッチング加工して第一の断面を形成し、前記試料を第二の傾斜角で設置し前記第一の断面と交差する第二の断面を前記集束イオンビームで形成する試料傾斜ホルダと、
   を有する試料加工装置。
7. さらに、前記第一の断面に原料ガスを供給するガス銃を有する請求項６に記載の試料加工装置。
8. さらに、前記集束イオンビームを照射する前記試料の位置と同一位置にイオンビームを照射するイオンビーム照射部を有する請求項６に記載の試料加工装置。
9. 前記第一の断面は前記凹凸の影響を受けて縦筋の入った面となり、
   前記第二の断面は、前記第一の断面に比べて前記凹凸による縦筋の影響が軽減される請求項１に記載の試料加工方法。
10. 前記第一の断面は前記凹凸の影響を受けて縦筋の入った面となり、
    前記第二の断面は、前記第一の断面に比べて前記凹凸による縦筋の影響が軽減される請求項６に記載の試料加工装置。

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