JP6114319B2 - 集束イオンビーム装置及び断面加工観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビームを用いた試料の断面加工観察に関するものである。

従来半導体などの試料の断面を加工観察する手法として、ＦＩＢ（集束イオンビーム）−ＳＥＭ装置を用いることが広く知られている。ＦＩＢ−ＳＥＭ装置によれば、集束イオンビームで加工した断面を、試料を移動させることなく、その場でＳＥＭにより観察することができる。

そして、ＳＥＭ観察した断面をさらに集束イオンビームで加工し新たな断面を形成、観察するという工程を連続して繰り返し行うことも知られている。断面観察像を確認しながら断面加工を進めることで、所望の断面に到達したときに断面加工を終了することができる。上記の技術を用いて試料内部の欠陥を加工観察する方法が開示されている（特許文献１参照）。

特開平１１−２７３６１３号公報

しかしながら従来の断面加工観察方法では、断面と断面の間の部分については観察できない。周期構造を有する試料の場合、断面と断面の間の部分に観察したい対象が周期的に存在していると断面に現れないため観察できないことがあった。

この発明は、周期構造を有する試料でも断面観察可能な断面加工観察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。
本発明に係る断面加工観察方法は、試料の表面と略垂直な方向から集束イオンビームを照射して試料の断面を除去して次の断面を形成する断面形成工程と、集束イオンビームで形成した断面に、荷電粒子ビームを照射して断面の観察像を取得する観察像取得工程と、を有し、断面形成工程と観察像取得工程を繰り返し実行する断面加工観察方法において、集束イオンビームで形成した複数の断面間の間隔は少なくとも一つが他の間隔と異なるように、集束イオンビームで断面を形成する。これにより、断面の間隔が一部変化するので、周期構造が同期する観察対象と異なる周期の断面間隔を持つことができる。

本発明に係る断面加工観察方法は、複数の断面間の間隔を変化させるように断面を形成する。これにより周期構造が同期する観察対象と異なる周期の断面間隔を持つことができる。

本発明に係る断面加工観察方法は、複数の断面間の間隔を徐々に変化させるように集束イオンビームで断面を形成する。

本発明に係る断面加工観察方法は、少なくとも一つの断面は他の断面とは面方向が異なるように集束イオンビームで断面を形成する。ここで面方向とは、断面の法線方向である。これにより、面方向が異なる断面との断面の間隔は、面方向が同じである断面の間隔とは異なるようになる。

本発明に係る断面加工観察方法は、表面に対して略垂直な断面と傾斜する断面を集束イオンビームで形成する。

本発明に係る断面加工観察方法は、表面に対して略垂直で、かつ、面方向が異なる断面を集束イオンビームで形成する。

本発明に係る断面加工観察方法は、複数の断面間の面方向を変化させるように集束イオンビームで断面を形成する。

本発明に係る断面加工観察方法は、複数の断面間の面方向を徐々に変化させるように集束イオンビームで断面を形成する。

本発明に係る断面加工観察方法は、三次元像構築機構により複数の断面の観察像と、複数の断面間の距離情報より三次元像を構築する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、試料に集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射系と、試料上の集束イオンビーム照射領域に荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出器と、異なる断面間隔の断面を作成する集束イオンビームの照射信号を集束イオンビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、を有する。これにより、断面加工観察において、他の断面と異なる断面間隔の断面を作成する集束イオンビームを試料に照射することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、集束イオンビーム照射系のビーム軸と荷電粒子ビーム照射系のビーム軸とは略垂直に交差する。これにより、集束イオンビームで形成した断面を、試料を移動させることなく、略垂直方向から荷電粒子ビームを照射することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、集束イオンビーム照射系のビーム軸と荷電粒子ビーム照射系のビーム軸とは略垂直に交差する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、荷電粒子ビーム照射系は、電子ビーム照射系である。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、荷電粒子ビーム照射系は、電界電離型イオン源を有するガスイオンビーム照射系である。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、試料を載置し、集束イオンビームに対して傾斜可能な試料ステージを有し、処理機構は、異なる面方向の断面を作成するために試料ステージを傾斜する傾斜信号を試料ステージの駆動機構に送信する。これにより、異なる面方向の断面を形成する際に、試料ステージを傾斜して試料に対する集束イオンビームの入射角度を変更することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、断面の観察像を記憶する記憶機構と、観察像と断面間の距離から三次元像を構築する三次元像構築機構と、を有する。これにより複数の観察像を記憶し、記憶した観察像を断面間の距離に並べて三次元像を構築することができる。

本発明に係る断面加工観察方法は、試料に集束イオンビームを照射し前記試料の断面を除去して次の断面を形成する断面形成工程と、前記集束イオンビームで形成した前記断面に、荷電粒子ビームを照射し前記断面の観察像を取得する観察像取得工程と、を有し、前記断面形成工程と前記観察像取得工程を繰り返し実行する断面加工観察方法において、 複数の前記断面のうち少なくとも一つの断面は、他の断面とは面方向が異なるように前記集束イオンビームで形成される。

本発明に係る断面加工観察方法は、前記集束イオンビームで形成した前記断面は、前記試料の表面に対して略垂直な断面と傾斜する断面である。

本発明に係る断面加工観察方法は、前記集束イオンビームで形成した前記断面は、前記試料の表面に対して略垂直で、かつ、面方向が異なる断面である。

本発明に係る断面加工観察方法は、さらに、三次元像構築機構により前記複数の断面の観察像と、前記複数の断面間の距離情報より三次元像を構築する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、試料に集束イオンビームを照射し前記試料の断面を除去して次の断面を形成する集束イオンビーム照射系と、前記集束イオンビームで形成した前記断面に、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、前記荷電粒子ビームが照射された前記試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出器と、複数の前記断面のうち少なくとも一つの断面は、他の断面とは面方向が異なるように前記集束イオンビームの照射信号を前記集束イオンビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、を有する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、前記試料を載置し、前記集束イオンビームに対して傾斜可能な試料ステージを有し、前記処理機構は、異なる面方向の断面を作成するために前記試料ステージを傾斜する傾斜信号を前記試料ステージの駆動機構に送信する。

本発明に係る集束イオンビーム装置は、前記断面の観察像を記憶する記憶機構と、前記検出器の前記二次荷電粒子の検出信号から得られる前記断面の複数の観察像と、前記複数の断面間の前記集束イオンビームの送り量より三次元像を構築する三次元像構築機構と、を有する。

本発明に係る断面加工観察装置によれば、周期構造を有する試料でも観察対象の構造の断面を観察することができる。

本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。 本発明に係る集束イオンビーム装置の構成図である。 本発明に係る断面加工観察の説明図である。（ａ）試料上面図、（ｂ）試料断面図 本発明に係る断面加工観察を説明する試料断面図である。 本発明に係る断面加工観察を説明する試料断面図である。 本発明に係る断面加工観察を説明する試料断面図である。 本発明に係る断面加工観察を説明する試料断面図である。 本発明に係る断面加工観察を説明する試料上面図である。 本発明に係る断面加工観察を説明する試料上面図である。 本発明に係る断面加工観察の説明図である。（ａ）試料断面図、（ｂ）観察像重ね合わせの説明図、（ｃ）３次元像の説明図 従来技術を説明する試料断面図である。

以下、本発明に係る装置の実施形態について説明する。

（１）集束イオンビーム装置
本実施形態の集束イオンビーム装置は、図１に示すように、集束イオンビーム照射系１と、電子ビーム照射系２と、試料ステージ６を備えている。集束イオンビーム照射系１から照射した集束イオンビーム３と、電子ビーム照射系２から照射した電子ビーム４は試料ステージ６に載置した試料５上の同一領域に照射可能である。また、電子ビーム照射系２の代わりに電界電離型イオン源を搭載したイオンビーム照射系を用いても良い。その場合、イオン種として、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、水素（H₂）、酸素（O₂）、窒素（N₂）等のガスなどを用いる。

そして、試料５から発生する二次電子や二次イオンなどの荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器７ａを備えている。二次荷電粒子検出器７ａで検出した検出信号は、像形成部９に送信する。また、反射電子検出器７ｂを備えて電子ビーム４から反射される反射電子を検出することができる。反射電子検出器７ｂは電子ビーム照射系２の内部に配置することも可能である。

像形成部９において、二次荷電粒子検出器７ａまたは反射電子検出器７ｂが送信した検出信号と、集束イオンビーム照射系１または電子ビーム照射系２で集束イオンビーム３または電子ビーム４を走査照射した照射信号により二次電子像、二次イオン像、または反射電子像を形成する。形成した像を表示部１０に表示する。

また、試料５にガス銃１２から原料ガスを吹き付け、集束イオンビーム３または電子ビーム４を照射することで、ビーム照射領域にデポジション膜を形成することができる。原料ガスはガス源１３に収容し、バルブ１３ａでガス供給を制御する。原料ガスとしては、例えば、フェナントレン、ナフタレンなどのカーボン系ガス、プラチナやタングステンなどの金属を含有する金属化合物ガスなどを用いることができる。また、原料ガスとして、エッチングガスを用いた場合、ビーム照射領域をガス・アシステッド・エッチングすることができる。エッチングガスとしては、例えば、フッ化キセノン、塩素、ヨウ素、三フッ化塩素、一酸化フッ素、水などを用いることが可能である。

（２）垂直配置照射系
また、本実施形態の集束イオンビーム装置は、図２に示すように、集束イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系３が試料ステージ６に設置されている試料５の位置で略垂直に交差する構成を備えている。ところで、電子ビームやイオンビームの照射系の対物レンズは試料面に近いほうが、試料にビーム径の小さいビームを照射することができる。そのため、高分解能観察や微細加工を行うためには、照射系を試料に近い位置に配置することが望ましい。しかし、照射系の試料側の先端部は、一般に円錐上になっているため、集束イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系２がなす角が小さく、かつ、試料５に近い位置で配置すると照射系同士がぶつかってしまう。そこで、図２のように集束イオンビーム照射系１と電子ビーム照射系２を略垂直に配置することにより、照射系を試料５に近い位置に配置しても照射系同士がぶつかることはない配置を実現している。

また、集束イオンビーム３で形成した試料５の断面に対して、電子ビーム４を断面に対して略垂直に走査照射することができる。略垂直に電子ビーム４を照射することで、高分解能の観察像を取得することができる。また、集束イオンビーム３による断面形成後、試料ステージ６を動作させずに電子ビーム４で断面観察することができるので、断面形成、断面観察を複数回繰り返す断面加工観察プロセスにかかる時間を大幅に短縮することができる。

また、電子ビーム４の照射方向に透過電子検出器１６を備えている。これにより、試料５を透過可能な加速電圧で加速させた電子ビーム４を試料５に照射し、透過電子を透過電子検出器１６で検出することで試料５の透過電子像を取得することができる。

（３）断面加工観察
次に、本実施形態の断面加工観察方法について説明する。図３は断面加工観察方法を説明する試料５の図であり、図３（ａ）は試料５の上面図、図３（ｂ）は断面図である。まず、試料５の表面５ａに集束イオンビーム３を走査照射して加工領域付近の観察像を取得する。加工領域付近の観察像で断面加工観察を行う領域に加工枠３１を設定する。加工領域は試料５の断面５ｂを含む領域である。断面５ｂはあらかじめ集束イオンビーム３で形成しても、他の装置で形成してもよい。加工枠３１は集束イオンビーム３の照射により取得した観察像上に設定する。集束イオンビーム３の走査は、主走査方向を断面５ｂと略平行の方向とし、副走査方向を断面５ｂと略垂直な方向とする。集束イオンビーム３は、主走査方向にライン走査し、次に副走査方向に隣のラインを走査する。

図３（ｂ）に示すように試料５の表面５ａと略垂直な方向から集束イオンビーム３ａを主走査方向に走査照射する。これにより断面５ｂの次の断面５ｃが形成される。断面５ｃに電子ビーム４ａを走査照射して断面５ｃの観察像を取得する。次に集束イオンビーム３ｂを走査照射し、次の断面５ｄを形成する。ここで断面５ｄに電子ビーム４ｂを走査照射して断面５ｄの観察像を取得する。同様に、集束イオンビーム３ｃを走査照射し、次の断面５eを形成し、断面５eに電子ビーム４ｃを走査照射して断面５eの観察像を取得する。これを繰り返し実行し、複数の断面の観察像を取得する。

ここで、周期構造を有する試料の従来の断面加工観察について説明する。図１１に示すように、試料５は内部に周期構造１１０を有する。この周期構造１１０は厚さ２ｎｍ、間隔８ｎｍで周期性を有する。この試料５に対して、断面と断面の間隔を１０ｎｍで断面加工観察すると、図１１のように周期構造物１１０の断面は、電子ビームによる観察のタイミングで露出することはない。従って、この断面加工観察では、周期構造物１１０を含まない断面の観察像のみを取得することになる。オペレータが事前に内部構造についての認識無しで断面加工観察すると、周期構造物１１０を含む断面は観察できないため、周期構造物１１０は存在しないと誤認してしまう。

次に、本発明の断面加工観察方法について説明する。図４に示すように、試料５に対して断面加工観察を実施する。集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄについては、断面と断面の間隔が１０ｎｍになるように照射して、断面５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆを形成し、それぞれの観察像を取得する。そして、集束イオンビーム３ｅでは、次の断面との間隔が１５ｎｍになるように照射し、断面５ｇを形成する。その後、集束イオンビーム３ｆ、３ｇ、３ｈでは、断面と断面の間隔が１０ｎｍになるように照射する。このように１箇所の間隔について、他の間隔と異なる大きさにすることで、断面加工観察の周期を変化させることができる。これにより、周期構造物と断面の間隔が同期した場合でも、周期構造物の断面を観察することができる。

次に、一回目と二回目の断面加工観察で間隔を変化させる方法について説明する。図５に示すように、一回目の断面加工観察（集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）では断面と断面の間隔を１２ｎｍ、二回目の断面加工観察（集束イオンビーム３ｅ、３ｆ、３ｇ）では断面と断面の間隔を３５ｎｍになるように集束イオンビーム３を照射する。これにより、一回目と二回目の断面加工観察で周期を変化させることができる。ここで、一回目と二回目の断面と断面の間隔は、互いに素の関係にある値を選ぶことが好ましい。それは、観察対象の周期構造を見つけ易くするためである。

次に断面と断面の間隔を徐々に変化させる断面加工観察について説明する。図６に示すように、集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをそれぞれ異なる断面と断面の間隔になるように照射する。ここでは、断面５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆの間隔をそれぞれ、５ｎｍ、８ｎｍ、１１ｎｍ、１４ｎｍになるように集束イオンビーム３を照射した。

本発明の断面加工観察は、図１または図２に示す集束イオンビーム装置により自動的に実施することができる。処理機構１１において、断面加工観察を行う領域、複数の異なる集束イオンビームの送り量、つまり断面と断面の間隔を設定し、設定したビーム照射情報を、ビーム制御部８を通して集束イオンビーム照射系１、電子ビーム照射系２にビーム照射信号を送信する。これにより、設定したビーム送り量で集束イオンビーム３を照射し、形成された断面に電子ビーム４を照射して断面の観察像を取得することができる。

次に、他の断面とは面方向が異なるように断面を形成する断面加工観察について説明する。図７に示すように、一回目の断面加工観察（集束イオンビーム３ａ、３ｂ、３ｃ）では試料５の表面５ａに対して略垂直な方向に集束イオンビーム３を照射して断面を形成する。そして、試料ステージ６の駆動機構６ａを動作させて、試料５を集束イオンビーム照射系１に対して傾斜させる。そして、二回目の断面加工観察（集束イオンビーム３ｄ、３ｅ、３ｆ）では試料５の表面５ａの法線方向に対して傾斜した方向から集束イオンビーム３を照射する。これにより、断面加工観察の断面と断面の間隔を変化させることができる。この場合、処理機構１１において、断面加工観察を行う領域、集束イオンビームの送り量、つまり断面と断面の間隔、及び集束イオンビームの照射角度を設定し、設定したビーム照射情報を、ビーム制御部８を通して集束イオンビーム照射系１、電子ビーム照射系２にビーム照射信号を、また、試料ステージ６の駆動機構６ａに試料ステージの傾斜信号を送信する。これにより、設定した入射角度で集束イオンビーム３を照射し、形成された断面に電子ビーム４を照射して断面の観察像を取得することができる。

次に、試料５の表面５ａに対して略垂直な方向から集束イオンビーム３を照射して、面方向が異なる断面を形成する断面加工観察について説明する。図８は、試料上面図であり、一回目の断面加工観察（断面５ｃ、５ｄ、５ｅ）では試料５の断面５ｂと略平行な断面になるように集束イオンビーム３を照射する。そして、二回目の断面加工観察（集束イオンビーム３ｄ、３ｅ、３ｆ）では、断面５ｅに対して傾斜するように集束イオンビーム３を照射して断面を形成する。これにより、断面加工観察の断面と断面の間隔を変化させることができる。また、図９に示すように断面５ｅに対して徐々に傾斜角が変化した断面を形成するように集束イオンビーム３を照射することも可能である。

（４）三次元像構築
図１０（ａ）に示すように、上記で説明した方法により複数の断面を形成し、その観察像を取得する。取得した観察像とビーム送り幅情報を像記憶部１４に記憶する。三次元像形成部１５で、記憶した観察像とビーム送り幅情報から複数の観察像を組み合わせで三次元像を構築し、表示部１０に表示する。三次元像の構築は、図１０（ｂ）に示すように断面５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅの観察像１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅを、観察像と観察像の間隔が画像のスケールとして、ビーム送り幅程度になるように配置し、観察像を半透明な画像になるように画像処理する。これにより、図１０（ｃ）に示すように三次元像１０１を構築することができる。三次元像１０１によれば、断面加工観察処理をした領域に含まれる構造物１０１ａを立体的に認識することができる。

１…集束イオンビーム照射系
２…電子ビーム照射系
３…集束イオンビーム
４…電子ビーム
５…試料
６…試料ステージ
６ａ…駆動機構
７ａ…二次電子検出器
７ｂ…反射電子検出器
８…ビーム制御部
９…像形成部
１０…表示部
１１…処理機構
１２…ガス銃
１３…ガス源
１３ａ…バルブ
１４…像記憶部
１５…三次元像形成部
１６…透過電子検出器
３１…加工枠

Claims (5)

1. 試料に加工枠を設定する加工枠設定工程と、
   前記加工枠で設定された領域内に集束イオンビームを照射し前記試料の断面を除去して次の断面を形成する断面形成工程と、
   前記集束イオンビームで形成した前記断面に、荷電粒子ビームを照射し前記断面の観察像を取得する観察像取得工程と、を有し、前記断面形成工程と前記観察像取得工程を繰り返し実行する断面加工観察方法において、
   前記加工枠内に形成された複数の前記断面のうち少なくとも一つの断面は、前記試料の表面に対して略垂直な断面であり、他の断面は前記試料の表面に対して傾斜した断面であり、前記一つの断面は、前記他の断面とは面方向が異なるように前記集束イオンビームで形成されることを特徴とする断面加工観察方法。
2. さらに、三次元像構築機構により前記複数の断面の観察像と、前記複数の断面間の距離情報より三次元像を構築する請求項１に記載の断面加工観察方法。
3. 試料に設定された加工枠の領域内に集束イオンビームを照射し前記試料の断面を除去して次の断面を形成する集束イオンビーム照射系と、
   前記集束イオンビームで形成した前記断面に、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子ビーム照射系と、
   前記荷電粒子ビームが照射された前記試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出器と、
   前記加工枠内に形成された複数の前記断面のうち少なくとも一つの断面は、前記試料の表面に対して略垂直な断面であり、他の断面は前記試料の表面に対して傾斜した断面であり、前記一つの断面は、前記他の断面とは面方向が異なるように前記集束イオンビームの照射信号を前記集束イオンビーム照射系に送信する処理を行う処理機構と、
   を有する集束イオンビーム装置。
4. 前記試料を載置し、前記集束イオンビームに対して傾斜可能な試料ステージを有し、
   前記処理機構は、異なる面方向の断面を作成するために前記試料ステージを傾斜する傾斜信号を前記試料ステージの駆動機構に送信する請求項３に記載の集束イオンビーム装置。
5. 前記断面の観察像を記憶する記憶機構と、
   前記検出器の前記二次荷電粒子の検出信号から得られる前記断面の複数の観察像と、前記複数の断面間の前記集束イオンビームの送り量より三次元像を構築する三次元像構築機構と、を有する請求項３または４に記載の集束イオンビーム装置。

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