JP5986408B2 - 試料作製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、荷電粒子ビームを照射し試料にデポジション膜を形成する試料作製方法に関するものである。
従来より半導体デバイスの欠陥解析などを目的とし、試料内の微小領域を観察する手法として、ＴＥＭ観察が知られている。ＴＥＭ観察では透過電子像を取得するための試料準備として、試料の一部に電子線が透過できる厚さの薄膜部を有するＴＥＭ試料を作製する必要がある。
近年ではＴＥＭ試料を作製する手法として、集束イオンビームによるＴＥＭ試料作製方法が用いられている。この方法では、試料内部の所望の観察領域を含む部分を残すように周辺部分をエッチング加工する。そして、残された部分を電子線が透過できる厚さになるまでエッチング加工し薄膜部を形成する。これにより、所望の観察領域を含む部分についてピンポイントでＴＥＭ試料を作製することができる。
しかしながら、ＴＥＭ試料を作製する際に薄膜部の厚さが小さくなると内部応力により薄膜部が湾曲してしまう問題があった。このような問題を解決する手法として、薄膜部にデポジション膜からなる補強層を形成し湾曲を防ぐ方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００９−１９８４１２号公報
しかしながら、このような方法によると、膜厚が極めて小さい薄膜部を形成する場合において、デポジション膜の張力により薄膜部が湾曲してしまう場合があった。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、薄膜部の観察面と、それに対向する面の両面にデポジション膜を形成することにより、膜厚が極めて小さい薄膜部であっても湾曲させることなく試料を作製する試料作製方法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。
本発明に係る試料作製方法は、試料片をイオンビームで加工し、電子ビームが透過可能な膜厚の薄膜部を形成する工程と、薄膜部にデポジションガスを供給する工程と、薄膜部に電子ビームを照射し、薄膜部の電子ビームが入射される側の第一の面と、当該面に対向する第二の面に同時にデポジション膜を形成する工程と、を有する。
これにより、第一の面と第二の面に同一の電子ビームでデポジション膜を形成することができるので、薄膜部に対し両面から張力がかかるので、薄膜部が湾曲することがない。
本発明に係る試料作製方法によれば、薄膜部の両面にデポジション膜を形成できるので、薄膜部を湾曲させることなく、試料を作製することができる。
本発明に係る実施形態の荷電粒子ビーム装置の構成図である。 本発明に係る実施形態の試料作製方法の説明図ある。 本発明に係る実施形態の試料作製方法の説明図ある。 本発明に係る実施形態の試料作製方法の説明図ある。 本発明に係る実施形態の試料作製方法の説明図ある。 本発明に係る実施形態の試料作製方法の説明図ある。
以下、本発明に係る試料作製方法の実施形態について説明する。
まず、試料作製方法を実施する荷電粒子ビーム装置について説明する。荷電粒子ビーム装置は、図１に示すように、ＥＢ鏡筒１と、ＦＩＢ鏡筒２と、試料室３を備えている。試料室３内に収容された試料７にＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射する。ＥＢ鏡筒１とＦＩＢ鏡筒２とは、それぞれの照射軸が試料７上で互いに直交するように配置されている。
さらに、荷電粒子ビーム装置は荷電粒子検出器として二次電子検出器４と透過電子検出器５を備えている。二次電子検出器４は、電子ビーム８又はイオンビーム９の照射により試料７から発生した二次電子を検出することができる。透過電子検出器５はＥＢ鏡筒１に対向する位置に備えられている。透過電子検出器５は、電子ビーム８を試料７に照射した結果、試料７により透過された透過電子と試料７に入射されなかった電子ビーム８を検出することができる。
さらに、荷電粒子ビーム装置は試料７を保持する試料台６を備える。試料台６は試料台駆動部１５により駆動し、試料台６の移動は試料台制御部１６により制御される。試料台駆動部１５は、試料台６をＸ、Ｙ、Ｚ方向の三軸方向に移動させる。また、試料台６を傾斜させる。
荷電粒子ビーム装置は、さらに、ＥＢ制御部１２と、ＦＩＢ制御部１３と、像形成部１４と、表示部１７を備える。ＥＢ制御部１２はＥＢ鏡筒１に照射信号を送信し、ＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を照射させる。ＦＩＢ制御部１３はＦＩＢ鏡筒２に照射信号を送信し、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を照射させる。
像形成部１４は、ＥＢ制御部１２の電子ビーム８を走査させる信号と、透過電子検出器５で検出した透過電子の信号とから透過電子像を形成する。表示部１７は透過電子像を表示することができる。また、像形成部１４は、ＥＢ制御部１２の電子ビーム８を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＥＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＥＭ像を表示することができる。また、像形成部１４は、ＦＩＢ制御部１３のイオンビーム９を走査させる信号と、二次電子検出器４で検出した二次電子の信号とからＳＩＭ像のデータを形成する。表示部１７はＳＩＭ像を表示することができる。
荷電粒子ビーム装置は、さらに、入力部１０と、制御部１１を備える。オペレータは装置制御に関する条件を入力部１０に入力する。入力部１０は、入力された情報を制御部１１に送信する。制御部１１は、ＥＢ制御部１２、ＦＩＢ制御部１３、像形成部１４、試料台制御部１６または表示部１７に制御信号を送信し、荷電粒子ビーム装置の動作を制御する。
また、荷電粒子ビーム装置は、試料７にデポジションガスを供給するガス銃１８を備える。ガス銃１８は、試料７に原料ガスを吹き付ける。試料７をＥＢ鏡筒１に対し垂直に配置することで、ガス銃１８は、ＥＢ鏡筒１側の面とその反対側の面に均等に原料ガスを吹き付けることができる。原料ガスが吹き付けられた試料７に電子ビーム８またはイオンビーム９を照射することで、照射された領域にデポジション膜が形成される。原料ガスとしては、ナフタレンやフェナントレンなどの炭素を主成分とするカーボン系ガスやプラチナやタングステンを含有する有機化合物ガスを用いる。
次に本実施形態の試料作製方法を説明する。試料作製方法は、図２（ａ）に示すようにウエハ２１の一部をイオンビーム９で加工することで、試料７を作製することができる。図２（ｂ）は試料７周辺の拡大図である。イオンビーム９をウエハ２１に照射し、試料７を残すように加工溝２２を形成する。そして、試料７をウエハ２１から切り離し、試料台６に固定する。
次に試料７に薄膜部を形成する加工を施す。図３（ａ）は、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を試料７に走査照射し、取得したＳＩＭ像３１である。ここに、イオンビーム９で薄膜部を形成するためのイオンビーム９の照射領域３２、３３を設定する。なお、照射領域３２、３３は、薄膜部の膜厚が電子ビーム８を透過できる大きさになるように設定する。
次に照射領域３２、３３にイオンビーム９を照射し、試料７をエッチング加工する。これにより図３（ｂ）に示すように、薄膜部７ａが形成される。すなわち、試料７は膜厚が大きい支持部７ｂ、ｃと膜厚が小さい薄膜部７ａとから構成される。
次に薄膜部７ａの湾曲防止のためのデポジション膜を形成する。
まず、デポジション膜の形成原理について図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように薄膜部７ａに向けて電子ビーム８を照射すると、電子ビーム鏡筒１側の薄膜部７ａの表面７ｄから二次電子が発生する。また、電子ビーム８は薄膜部７ａを透過するので、表面７ｄの反対側の裏面７ｅからも二次電子が発生する。すなわち、電子ビーム８が照射される位置について薄膜部７ａの両面から二次電子が発生する。この二次電子を利用して薄膜部７ａの両面に同時にデポジション膜を形成する。つまり、デポジションガスを薄膜部７ａの表面７ｄと裏面７ｅに均等に吹きつけ、電子ビーム８を表面７ｄに照射することで、その照射位置の薄膜部７ａの両面から二次電子が発生し、デポジションガスを分解する。これにより分解された成分が薄膜部７ａに堆積する。
図４（ｂ）に示すように、デポジションガスを薄膜部７ａに吹きつけ、図４（ａ）のように電子ビーム８を照射した結果、表面７ｄに堆積物４１が、裏面７ｅに堆積物４２がそれぞれ形成される。電子ビーム８が照射された位置の両面に堆積物を形成することができる。従って、電子ビーム８を走査照射すると堆積物からなるデポジション膜が形成される。
デポジション膜の形成について説明する。図５（ａ）は、ＥＢ鏡筒１から電子ビーム８を走査照射し取得した試料７のＳＥＭ像５１である。ＳＥＭ像５１は薄膜部７ａの表面７ｄ側から観察したＳＥＭ像である。ここで、デポジション膜を形成するための電子ビーム８の照射領域５２を設定する。照射領域５２は薄膜部７ａの表面７ｄの観察領域７ｆを除いた全面に設定する。薄膜部７ａは膜厚が小さいので局所的にデポジション膜を形成すると張力が局所的に発生し、薄膜部７ａを湾曲させてしまうからである。
次にデポジションガスを薄膜部７ａに吹き付けながら、電子ビーム８を照射領域５２に走査照射する。均一な膜厚のデポジション膜を形成するために、電子ビーム８は表面７ｄに対し垂直方向から照射することが好ましい。これにより、図５（ｂ）に示すように薄膜部７ａの表面７ｄを覆うデポジション膜５４を形成することができる。また、上述したように薄膜部７ａの裏面７ｅにもデポジション膜が同時に形成される。
この方法によれば、薄膜部７ａの表面７ｄと裏面７ｅに同時にかつ、薄膜部７ａを挟む対向する位置に堆積物を堆積着させ、膜を形成するので、膜厚の小さい薄膜部７ａに局所的に張力をかけることなくデポジション膜を形成することができる。
ところで、上記の方法でデポジション膜を形成し、デポジション膜の膜厚が大きくなると、デポジション膜と薄膜部７ａを透過する電子ビームの量が減少する。すると、表面７ｄ側と裏面７ｅ側とでデポジション膜の成長速度が異なってしまう。そこで、イオンビーム９によるエッチング加工で表面７ｄ側と裏面７ｅ側とのデポジション膜の成長速度を調整する。
図６（ａ）は、デポジション膜形成後に、ＦＩＢ鏡筒２からイオンビーム９を試料７に走査照射し、取得したＳＩＭ像６１である。薄膜部７ａの表面７ｄに形成されたデポジション膜５４の膜厚は、裏面７ｅに形成されたデポジション膜５５の膜厚よりも大きい。そこで、デポジション膜５４の膜厚をデポジション膜５５の膜厚と同じになるようにイオンビーム９をデポジション膜５４に照射し、エッチング加工を施す。これにより、図６（ｂ）のＳＩＭ像６２に示すように、デポジション膜５５の膜厚と同じ膜厚のデポジション膜５６を形成することができる。また、必要な膜厚に達するまで追加のデポジション膜の形成を行うことができる。
ここで、イオンビーム９によるエッチング加工は、デポジション膜５４の膜厚を小さくするように加工するため、デポジション膜５４の膜厚方向または膜厚方向に垂直な方向からイオンビーム９を照射することが好ましい。デポジション膜５４の膜厚を均一に小さくすることができるからである。ＥＢ鏡筒１とＦＩＢ鏡筒２の照射軸が試料７上で互いに直交するように配置された装置によれば、試料台６を傾斜させ試料７の角度を変更することなく、イオンビーム９をデポジション膜５４の膜厚方向に垂直な方向から照射することができるので、均一な膜厚のデポジション膜５６を効率よく形成することができる。
ここまで、電子ビーム８とイオンビーム９が直交する装置を用いて加工する方法について説明したが、電子ビーム８とイオンビーム９が直交しなくても、デポジション工程とエッチング加工工程で試料台６を傾斜させ、試料７の角度を変更することにより試料作製することができる。
１…ＥＢ鏡筒
２…ＦＩＢ鏡筒
３…試料室
４…二次電子検出器
５…透過電子検出器
６…試料台
７…試料
７ａ…薄片部
７ｂ、７ｃ…支持部
７ｄ…表面
７ｅ…裏面
７ｆ…観察領域
８…電子ビーム
９…イオンビーム
１０…入力部
１１…制御部
１２…ＥＢ制御部
１３…ＦＩＢ制御部
１４…像形成部
１５…試料台駆動部
１６…試料台制御部
１７…表示部
１８…ガス銃
２１…ウエハ
２２…加工溝
３１、３４…ＳＩＭ像
３２、３３…照射領域
４１、４２…堆積物
５１、５３…ＳＥＭ像
５２…照射領域
５４、５５、５６…デポジション膜
６１、６２…ＳＩＭ像

Claims (4)

  1. 試料片をイオンビームで加工し、電子ビームが透過可能な膜厚の薄膜部を形成する工程と、
    前記薄膜部にデポジションガスを供給する工程と、
    前記薄膜部に前記電子ビームを照射し、前記薄膜部の前記電子ビームが入射される側の第一の面と、当該面に対向する第二の面に同時にデポジション膜を形成する工程と、を有する試料作製方法。
  2. 前記第一の面に形成されたデポジション膜を前記イオンビームでエッチング加工し、前記デポジション膜の膜厚を小さくする工程を有する請求項１に記載の試料作製方法。
  3. 前記デポジション膜の膜厚を小さくする工程は、前記第一の面のデポジション膜の膜厚が前記第二の面のデポジション膜の膜厚と同じになるように前記イオンビームにより前記第一の面のデポジション膜をエッチング加工する請求項２に記載の試料作製方法。
  4. 前記イオンビームは前記電子ビームの照射方向に対し、垂直な方向から照射する請求項２または３に記載の試料作製方法。
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JP2010048584A (ja) Ｘ線光電子分光装置及び全反射ｘ線光電子分光装置並びに角度分解ｘ線光電子分光装置

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