JPH04373125A - 集束イオンビーム装置およびそれによる加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集束イオンビームで試
料表面を走査して、試料表面の加工およびその断面・底
面の形状、材質観察を行う集束イオンビーム装置および
それによる加工方法に係り、特に、複数の集束イオンビ
ーム源を備えた集束イオンビーム装置およびそれによる
加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化が進むに
つれ、そのサブミクロンオーダの加工手段として集束イ
オンビーム装置が注目されている。集束イオンビーム装
置は、ＩＣやＬＳＩなどの不良解析時や半導体ウェハー
のプロセスモニター時に、以下のような用途に用いられ
る。 （１）　観察 サブミクロンオーダに絞られた微細電流モードの集束イ
オンビームで試料表面を走査し、試料表面から放出され
る二次電子を検出して、試料断面や材質の拡大像をディ
スプレイ上にＳＩＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｉｏｎ　Ｍｉ
ｃｒｏｓｃｏｐｅ　）像としてとらえる。ＳＩＭ像は電
子ビームによるＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像に比べてビームの進
入深さが浅いために、高いコントラストが得られる。 （２）　穴開け、切断加工大電流モードの集束イオンビ
ームを照射して、試料表面の原子や分子を弾き出し、こ
のスパッタリング現象を利用して、表面保護膜の穴開け
加工や配線の切断を行う。 （３）　金属膜付加工 原料ガスを試料表面に吹きつけて吸着させると共に、集
束イオンビームを目的の加工領域に照射して金属膜を気
相成長させ、配線やプロービングパッドを形成する。

【０００３】このような集束イオンビーム装置で試料の
断面観察を行う場合、図６に示したように、初めに縦横
１０μｍ、深さ数μｍの角穴を、大電流モードの集束イ
オンビーム３０ａ（以下、大電流イオンビームと表現す
る場合もある）による粗加工によって試料９表面に開口
し［同図（ａ）　］、その後、観察面となる開口断面に
、微細電流モードの集束イオンビーム３０ｂ（以下、微
細電流イオンビームと表現する場合もある）を照射して
仕上げ加工を施す［同図（ｂ）　］。

【０００４】観察面の仕上げ加工が終了すると、この観
察面でサブミクロンオーダに絞られた微細電流イオンビ
ーム３０ｃを走査して観察像を得る［同図（ｃ）　］。 大電流モードと微細電流モードとは、レンズ電流やアパ
ーチャを各々適宜に選択することによって設定される。 ところが、従来の集束イオンビーム装置では、以下のよ
うな問題点が指摘されていた。（１）　加工時の集束イ
オンビームは、試料面に対して垂直に照射され、観察時
の集束イオンビームは、加工断面すなわち観察面に対し
て斜めに照射する必要がある。したがって、観察面が正
確に加工できたか否かを判定するためには、前記図６（
ｃ）　に示したように、試料９を傾斜させて観察面に集
束イオンビームを照射し、このとき得られるＳＩＭ像を
観察して加工状態を判定する。加工不足ならば試料位置
を元に戻して再加工を行わなければならなず、操作が繁
雑になってしまう。

【０００５】また、傾斜機構を持った試料微動装置では
、サブミクロンオーダの位置精度が期待できないので、
位置合わせのための操作がさらに必要になってしまう。 （２）　観察面を得るための粗加工および仕上げ加工に
は長時間を要し、作業効率が悪い。例えば、ある断面を
観察する時、縦横１０μｍ、深数μｍの粗加工を施し、
観察面を極微集束イオンビームで仕上げ加工するには約
１時間を要する。

【０００６】そこで、前記（１）　の問題点を解決する
ために、例えば特開平１−１８１５２９号公報では、集
束イオンビーム系の他に、この集束イオンビーム系の光
軸に対して予定を傾斜角を有する光軸の電子ビーム系を
備え、集束イオンビームによる加工状態を、電子ビーム
を走査して検出される２次電子にもとづくＳＥＭ像によ
って観察する装置が提案されている。

【０００７】なお、前記（２）　の問題点を解決するた
めには、これまで、ビーム電流を大きくして粗加工を短
時間にする方法が取られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術では
、加工用のためのイオンビーム系と観察用の電子ビーム
系とを備えなければならないので、構造が複雑になって
しまうという問題があった。また、加工時間をさらに短
縮するためには、大電流モードで機能する集束イオンビ
ーム系を複数設け、これらを同時に照射すれば良いが、
このようにすると、観察面を観察するための電子ビーム
系をさらに設けなければならないので、装置が複雑化、
大型化してしまうという問題があった。

【０００９】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決して、簡単な構造で加工時間を短縮することが
可能であり、かつ試料を傾斜させずに加工断面の観察が
行える集束イオンビーム装置およびそれによる加工方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、大電流イオンビームおよび微細電
流イオンビームの少なくとも一方を試料面に垂直に照射
する主イオンビーム系と、主イオンビーム系とは照射角
度を異にし、大電流イオンビームおよび微細電流イオン
ビームのいずれか一方を試料面に照射する副イオンビー
ム系とを備えた。　　また、主イオンビーム系から照射
された大電流イオンビームによる粗加工および主イオン
ビーム系から照射された微細電流イオンビームによる仕
上げ加工が終了した後に、副イオンビーム系から照射さ
れた微細電流イオンビームを観察面に照射して断面観察
を行うようにした。

【００１１】さらに、主イオンビーム系および副イオン
ビーム系から照射された大電流イオンビームによる粗加
工ならびに主イオンビーム系から照射された微細電流イ
オンビームによる仕上げ加工が終了した後に、副イオン
ビーム系から照射された微細電流イオンビームを観察面
に照射して断面観察を行うようにした。

【００１２】

【作用】上記した構成によれば、副イオンビーム系から
照射された微細電流イオンビームは、観察面に対して予
定の角度をもって照射されるので、試料を傾斜させるこ
となく断面観察が行えるようになる。また、主イオンビ
ーム系および副イオンビーム系から照射された大電流イ
オンビームによって粗加工を行えば、粗加工に要する時
間が短縮される。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

【００１４】図１は本発明の一実施例である集束イオン
ビーム装置の構成を示した図である。　　本実施例の集
束イオンビーム装置は、光軸を異にした２つのイオンビ
ーム系５０、５１を有し、主イオンビーム系５０は、そ
の光軸５０ｇが試料面に対して垂直となるように設置さ
れ、副イオンビーム系５１は、図４に示したように、そ
の集束イオンビームが主イオンビーム系５０によって開
口された加工穴４０の側壁４１に照射されるように、そ
の光軸５１ｇが前記主イオンビーム系の光軸５０ｇに対
して角度θだけ傾くように設置されている。

【００１５】各々のイオンビーム系５０、５１はほぼ同
じ構成であり、それぞれ、イオンを引出して加速する液
体金属イオン源１、１１、電流モードを可変するコンデ
ンサレンズ２、１２、ビーム径を調整してビーム電流を
切り換えるアパーチャ３、１３、ビーム軸合わせ、非点
補正、ブランキングなどを行う偏向電極４、１４、イオ
ンビームの電流をモニタする検出器５、１５、イオンビ
ームを試料面で走査するための偏向電極６、１６、イオ
ンビームを試料の特定位置に集束させるための対物レン
ズ７、１７を備えている。

【００１６】各コンデンサレンズ２、１２は、それぞれ
対物レンズ電源２１、２５に接続されている。アパーチ
ャ３、１３は、それぞれアパーチャ可変電源２２、２６
に接続されている。偏向電極６、１６は、それぞれ偏向
電源２３、２７に接続されている。対物レンズ７、１７
は、それぞれ対物レンズ電源２４、２８に接続されてい
る。また、各電源２１〜２８は、共にコントローラ２０
に接続されている。

【００１７】試料ステージ１０の近傍には、試料９から
放出される２次電子や２次イオンを検出する２次電子２
次イオン検出器８が設置され、表示装置１９にはＳＩＭ
像が表示される。なお、液体金属イオン源のイオン種に
よっては、複数の元素からなるイオン源材料を使用する
場合、イオンビーム系の中間に質量分離装置を具備する
こともある。

【００１８】以下、図２，図３を参照しながら、上記し
た集束イオンビーム装置による断面観察方法を説明する
。図２は、本発明の一実施例である試料の断面観察方法
を説明するための模式図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。

【００１９】初めに、穴加工を行うために、同図（ａ）
　に示したように、主イオンビーム系５０を大電流モー
ドで動作させ、大電流イオンビーム３０ａを試料９に照
射して粗加工を行う。大電流モードでは、前記コンデン
サレンズ２を強く作用させると共に、アパーチャ３で大
きな穴を選択する。大電流モードでは、例えばＧａ液体
金属イオン源を用いて３０ｋＶで加速すると、試料面で
のビーム径は１μｍφ、電流密度は数ｎＡとなる。

【００２０】このようにして粗加工が終了すると、同図
（ｂ）　に示したように、主イオンビーム系５０を微細
電流モードに変更して、微細電流イオンビーム３０ｂに
よる仕上げ加工を行う。微細電流モードでは、コンデン
サレンズ２を弱く作用させと共に、アパーチャー３で小
さな穴を選択する。微細電流モードでは、ビーム径が０
．０５μｍφ、電流密度が数十ｐＡとなる。

【００２１】上記のようにして粗加工および仕上げ加工
が終了すると、同図（ｃ）　に示したように、微細電流
モードの副イオンビーム系５１のみを作動させてサブミ
クロンオーダの微細電流イオンビーム３１ｂを加工断面
に照射し、ＳＩＭ像により断面観察を行う。この際、加
工不足が見付かれば、その程度に応じて、主イオンビー
ム系５０を大電流モードあるいは微細電流モードで動作
させて再加工を行う。

【００２２】本実施例によれば、試料を傾斜せずに集束
イオンビームの条件を設定するのみで断面観察像を得る
ことができるので、簡単かつ正確な断面観察が可能にな
る。この断面像は、加工位置の確認や断面の観察、断面
構造の解析など多分野で極めて有効である。

【００２３】また、本実施例によれば、副イオンビーム
系５１の照射角度と断面像の壁の深さとから加工の深さ
が精度よく検出される。すなわち、ＳＩＭ像の拡大倍率
Ｍとイオンビームの照射角度θが予め知れているので、
図５に示したように、ＳＩＭ像上での断面像の壁の深さ
をＹとすると、加工穴４０の深さＤは次式（１）　より
求められる。

【００２４】Ｄ＝Ｙ／（Ｍ・ｓｉｎθ）…（１）但し、
側壁４１の傾きは十分小さくイオンビームとほぼ平行で
あると仮定した。このようにして加工穴４０の深さＤを
知ることは、微細な多層構造をもつＬＳＩを予定の深さ
まで加工する際に極めて有益である。

【００２５】さらに、本実施例によれば、複数のイオン
ビーム系が設けられるだけで電子ビーム系は不要となる
ので、部品の共通化が図れ、装置の構成が簡略化されて
小型化される。

【００２６】なお、上記した実施例では、光軸が試料面
に対して垂直な主イオンビーム系５０から照射される集
束イオンビームは１本だけであるものとして説明したが
、主イオンビーム系５０として複数のイオン源および静
電レンズ系を設け、例えば、主イオンビーム系５０から
、大電流イオンビームと微細電流イオンビームとが同時
に試料面に対して垂直に照射されるようにすれば、粗加
工と仕上げ加工とを平行して行えるようになるので加工
時間が短縮される。

【００２７】図３は、本発明の他の実施例である試料の
断面観察方法を説明するための模式図であり、前記と同
一の符号は同一または同等部分を表している。

【００２８】初めに、穴加工を行うために、同図（ａ）
　に示したように、主イオンビーム系５０および副イオ
ンビーム系５１を共に大電流モードで動作させて大電流
イオンビーム３０ａ、３１ａを試料９に照射して粗加工
を行う。なお、照射角度が試料面に対して垂直ではない
副イオンビーム系５１に関しては、その照射角度を考慮
して走査範囲を決定する。

【００２９】１つの大電流モードの集束イオンビームで
Ｓｉウエハの試料を縦横深さ１０μｍ粗加工するには２
０〜３０分必要である。試料に照射されるイオンビーム
の角度によってスパッタ率は異なるが、２つの集束イオ
ンビーム系が同時に大電流モードで照射されると、その
加工時間は１つの場合の約半分になる。

【００３０】このようにして粗加工が進むと、同図（ｂ
）　に示したように、主イオンビーム系５０を微細電流
モードに変更して、副イオンビーム系５１からの大電流
イオンビーム３１ａによる粗加工と主イオンビーム系５
からの微細電流イオンビーム３０ｂによる仕上げ加工と
を平行して行う。

【００３１】このように、大電流モードおよび微細電流
モードの集束イオンビームを組合せると、大電流モード
のビームが断面観察に必要な粗加工をすると同時に、サ
ブミクロンオーダに絞られた微細電流モードのビームが
断面観察する壁面の仕上げ加工をするので、効率の良い
加工が可能になる。

【００３２】また、大電流モードのビームによる粗加工
スパッタによって段面観察壁にスパッタされた試料片が
再付着するものも同時に取り除かれ、短時間できれいな
断面加工が得られるようになる。

【００３３】上記のようにして粗加工および仕上げ加工
が終了すると、同図（ｃ）　に示したように、副イオン
ビーム系５１を微細電流モードに変更し、サブミクロン
オーダの微細電流イオンビーム３１ｂを加工断面に照射
して断面観察を行う。

【００３４】本実施例によれば、前記第１実施例で得ら
れた効果の他に、粗加工に費やす時間が短縮されるとい
う特有の効果が得られる。

【００３５】なお、上記した本発明の他の実施例では、
仕上げ加工は粗加工と平行して行われるものとして説明
したが、本発明はこれのみに限定されず、主イオンビー
ム系５０および副イオンビーム系５１からの２本の大電
流イオンビームによる粗加工が終了したのちに、主イオ
ンビーム系５０による微細電流イオンビームだけで仕上
げ加工を行うようにしても良い。

【００３６】さらに、上記した各実施例では、イオン源
として液体金属イオン源を用いるものとして説明したが
、本発明はこれのみに限定されるものではなく、ガスフ
ェーズイオン源やプラズマイオン源であっても良い。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果が達成される。（１）　試料面に対して予
定の傾斜角度で集束イオンビームを照射する副イオンビ
ーム系を設けたので、試料を傾斜させずに断面像を得る
ことができ、簡単かつ正確な断面観察が可能になる。（
２）　複数の大電流イオンビームを同時に照射すれば、
粗加工に要する時間が短縮される。（３）　大電流イオ
ンビームと微細電流イオンビームとを同時に照射すれば
、粗加工と仕上げ加工とが同時に行われて、加工時間が
短縮される。 （４）　副イオンビーム系の照射角度と断面像から、加
工顔面上での距離を精度よく測定できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の一実施例を示すブロック図である
。

【図２】　　本発明の一実施例の動作を説明するための
模式図である。

【図３】　　本発明の他の実施例の動作を説明するため
の模式図である。

【図４】　　主および副イオンビームの位置関係を示し
た図である。

【図５】　　加工断面上での距離の測定方法を説明する
ための図である。

【図６】　　従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　照射角度を異にする複数のイオンビー
   ム系を備え、各イオンビーム系から放出される複数の集
   束イオンビームを同一試料上に照射する集束イオンビー
   ム装置において、大電流イオンビームおよび微細電流イ
   オンビームの少なくとも一方を試料面に垂直に照射する
   主イオンビーム系と、前記主イオンビーム系とは照射角
   度を異にし、大電流イオンビームおよび微細電流イオン
   ビームのいずれか一方を選択的に試料面に照射する副イ
   オンビーム系と、集束イオンビームの試料への照射によ
   って発生される２次荷電粒子を検出して観察像を表示す
   る観察手段とを具備したことを特徴とする集束イオンビ
   ーム装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の集束イオンビーム装置
   による加工方法であって、主イオンビーム系から照射さ
   れた大電流イオンビームによる粗加工および主イオンビ
   ーム系から照射された微細電流イオンビームによる仕上
   げ加工が終了した後に、副イオンビーム系から照射され
   た微細電流イオンビームを観察面に照射して断面観察を
   行うことを特徴とする集束イオンビーム装置による加工
   方法。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の集束イオンビーム装置
   による加工方法であって、主イオンビーム系および副イ
   オンビーム系から照射された大電流イオンビームによる
   粗加工ならびに主イオンビーム系から照射された微細電
   流イオンビームによる仕上げ加工が終了した後に、副イ
   オンビーム系から照射された微細電流イオンビームを観
   察面に照射して断面観察を行うことを特徴とする集束イ
   オンビーム装置による加工方法。
4. 【請求項４】　　前記微細電流イオンビームによる仕上
   げ加工は、前記大電流イオンビームによる粗加工が終了
   した後に行われることを特徴とする請求項２または請求
   項３記載の集束イオンビーム装置による加工方法。
5. 【請求項５】　　前記大電流イオンビームによる粗加工
   の少なくとも一部は、前記微細電流イオンビームによる
   仕上げ加工と平行して行われることを特徴とする請求項
   ２または請求項３記載の集束イオンビーム装置による加
   工方法。