JPH08315764A - 集束イオンビーム加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ＦＩＢのアシストデポジションやアシストエッ
チングの作業において、高さの異なる種々の試料表面に
対して、ノズル先端をその試料表面から所望値だけ離し
て設定する操作手順を簡単化し、ＦＩＢ加工装置を使い
勝手良くする。 【構成】集束レンズのレンズ電圧とレンズからＦＩＢの
集束点までの距離との関係を用いて、ノズル１０の先端
と試料４表面との両者間の距離を所望値に設定する方法
を用いる。 【効果】種々の高さの異なる試料表面に対して、ノズル
先端をその試料表面から所望値だけ離して設定すること
が簡単に、かつ、試料毎に大気に取り出すことなくで
き、アシストデポジションやアシストエッチングの作業
を高効率にでき、この作業によるＦＩＢ加工装置の使い
勝手を大きく改善できる。

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加工装
置に関し、特に、半導体微細素子などの不良解析やその
製造プロセスのプロセス評価，欠陥素子などの配線の切
断や接続によるデバイス修正，光やＸ線用のマスク欠陥
などの修正に用いるアシストデポジション、あるいはア
シストエッチング用などのガス供給ノズルを搭載した集
束イオンビーム（Focused Ion Beam, 略してＦＩＢ）加
工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のＦＩＢ加工装置のアシストデポジ
ションの概略を図２に示す。このような装置は、例え
ば、特公平1−243354 号公報に知られている。この装置
によれば、イオン源部１から発生したイオンをイオン光
学系部２で集束したＦＩＢ３を試料４上に走査照射す
る。試料４から放出された二次電子あるいは二次イオン
を荷電粒子検出器６で検出する。表示装置８ではＣＲＴ
上にその走査信号入力にイオン光学系制御部７で発生し
たＦＩＢ走査信号と同期した信号を入れ、かつ、輝度信
号に荷電粒子検出器６で検出した強度信号を入れ、走査
型イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope，略してＳ
ＩＭ ）の像を形成する。アシストデポジションを行う
場合、ガス吹き付け装置９でガス材料貯め部などの温度
制御、およびガス供給ノズル１０からのガスの放出と停
止のバルブ制御を行う。この装置は、ＦＩＢのみによる
スパッタリング加工ももちろん可能である。ＳＩＭ像
は、加工領域の位置決め，加工モニター，加工終了の確
認に利用する。

【０００３】アシストデポジションは、試料表面に吸着
したデポジション用ガス分子（例えば、タングステンヘ
キサカルボニル：Ｗ(ＣＯ)₆ ガス）をイオン照射により
分解反応させて、非ガス状の物質（例えば、タングステ
ン：Ｗ）を堆積させる膜形成方法である。Ｗの他、Ｍ
ｏ，Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕなどを含むガス材料を採用するこ
とにより、堆積膜にこれらの金属膜を形成することも可
能である。

【０００４】一方、アシストエッチングは、試料表面
（例えば、Ｓｉ表面）に吸着したエッチング用ガス分子
（例えば、ゼノンフロライド：ＸｅＦ₂ ）をイオン照射
により分解反応させて、試料のスパッタエッチングを増
速するエッチング方法である。この分解反応は化学反応
であり、エッチング増速させたい試料材料に合ったエッ
チング用ガスを選ぶ必要がある。

【０００５】これらのアシストデポジションやアシスト
エッチングの速度は、ガス吸着とイオン照射による解離
反応との同時／繰り返し反応で決まるため、ガス分子フ
ラックスを十分に大きくする必要がある。そのためガス
供給ノズル１０を試料表面の近くに設定する必要があ
る。しかし、余り近すぎると表面の高さの異なる試料を
平面内に動かした時、その表面にノズル先端が接触し、
ノズルや試料を破損する恐れがある。試料表面からノズ
ル先端までの代表的な設定値は１００〜３００μｍであ
る。またノズルの内径は０.５〜１mm とかなり細いもの
である（ここでは、ＦＩＢ装置の光軸を高さ方向に取
り、その直角面を水平面と呼ぶ。従って、ＦＩＢ光軸を
横にした場合の水平面は、重力方向を基準とした水平面
とは異なる。）。

【０００６】従来のノズル高さの設定方法は以下のよう
にして行っていた。まず、試料高さが異なる複数個の試
料は同じ高さ毎に試料を分類する。次に、ＦＩＢ加工装
置の試料室から試料ホルダーを大気中に引き出し、そこ
にある高さの試料を搭載する。最後に、ノズル先端まで
の高さの過不足分は、試料ホルダーに付属の高さ調整機
構を用いた調整移動により解消する（大気中には、試料
ステージも含めて引き出す場合もあり、この時にはノズ
ル先端までの高さの過不足分は、試料ステージの高さ調
整機構を用いた調整移動により解消する。）。この移動
量の確認は、光学顕微鏡の焦点深度が浅いことを利用し
て、光学顕微鏡自体の高さ方向の移動量と対応させて行
っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この方法では、以下の
問題点がある。すなわち、高さの異なる試料の試料ホ
ルダー（試料ステージを含む）への同時搭載、かつ、一
回の試料室への試料ホルダーのローデイングに対し順次
加工ができない。パッケージ試料のように、観察部位
の周辺が高くなっている試料に対しては、試料室内の試
料ステージの平面移動にてノズル先端をその部位近辺ま
で誘導することができない。

【０００８】本発明の課題は、高さの異なる種々の試料
表面に対して、ノズル先端をその試料表面から所望値だ
け離して設定する手法を簡単化し、ＦＩＢ加工装置を使
い勝手良くすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、静電レンズの電圧値及び静電レンズからビーム集束
点までの距離に基づいてノズル先端と試料面の距離を設
定するように構成した。好ましくは、ＦＩＢを集束する
静電レンズのレンズ電圧値とその静電レンズからＦＩＢ
集束点までの距離との関係式を前もって求めておき、以
後、この関係式を用いてノズル先端あるいは試料表面に
ＦＩＢ集束させた時のレンズ電圧値からそれらの位置や
それら間の距離を求めたり、逆に、それら所望の位置に
対応したレンズ電圧値を個々に設定し、個々のＳＩＭ像
がジャストフォーカスするまでそれらの位置を移動調整
できるよう構成する。

【００１０】

【作用】上記手段により、ノズル先端や試料表面の位置
をレンズ電圧値から知ったり、それらを所望位置に移動
調整することが簡単にできる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１を用いて説明す
る。

【００１２】ガリウム液体金属イオン源を搭載したＦＩ
Ｂ加工観察装置では、集束と対物の２段の静電レンズ光
学系によりイオン加速電圧が３０ｋＶで、かつ、ビーム
径が０.０５〜１μｍ の加工用ビームと１０〜３０ｎｍ
のＳＩＭ像観察用の細いビームとの二種類のビームを形
成する。試料室内にはノズル１０が試料４上のＦＩＢ３
の照射部に向くように取り付けられている。そのノズル
先端位置には、退避位置と作業位置との二種類があり、
その位置の設定と調整が試料室外（大気圧側）からでき
るようにしてある。ここで、退避位置とは、試料表面の
高い試料がロードされても、ノズル先端が試料に接触し
ないように設定した高いノズル位置である。また、作業
位置とは、アシストデポジション、あるいはアシストエ
ッチングの作業時のノズル先端位置であり、平面方向で
はＦＩＢ光軸から数１０μｍ離れ、かつ、高さ方向では
試料表面から２００〜３００μｍ離れた位置である。こ
の作業位置は調整段階でＸＹＺ方向微動が必要であり、
±５００μｍの範囲内の微調が可能である。

【００１３】観測ビームにおける対物レンズのレンズ電
圧Ｖｏと対物レンズからビーム集束点までの距離Ｚとの
関係式［Ｖｏ＝ｆ（Ｚ），Ｚ＝ｇ（Ｖｏ）］は、前もっ
て計算により求め、これが実験的に良く合うことを確認
した。関数ｆ(Ｚ)，ｇ(Ｖｏ)は、Ｚ＝５〜２０mmの範囲
においていずれも変数Ｚ，Ｖｏの３次までの多項式で十
分である。また、作業位置におけるデポ先端部のノズル
外径のＦＩＢ軸方向での高さ（図１参照）をＺｎを前も
って求めておく。本実施例では、試料表面からノズル先
端までの設定距離は０.３mm，Ｚｎ＝０.８mmである。

【００１４】図３はＺの変化に対するＳＩＭ像のボケ程
度を見たものである。本図ではＺを６から６.３mm に変
化、つまり、Ｚの増分ΔＺを０から０.３mm 変化させた
場合のＳＩＭ像（１６μｍ角）である。ΔＺ＝０の像が
ジャストフォーカスさせたものである。試料は４Ｍ−Ｄ
ＲＡＭのデバイスである。ＳＩＭ像から目視によるジャ
ストフォーカスの試料高さ位置を探す方法による位置精
度は個人差も含めて±３０μｍ以下であることを実験的
に確かめた。この精度はノズル高さの設定所望値の３０
０μｍに比べ±１０％以下であり、本方法が有効である
ことがわかった。

【００１５】以下、デポジション、あるいはエッチング
用ガス材料貯め部などの温度設定は既に終わっていると
し、ノズル高さ設定の操作手順について説明する。説明
の中で、試料表面のデポジション、あるいはエッチング
したい個所を“加工個所”と呼ぶ。

【００１６】(1) ＦＩＢは観察ビームに設定し、ＳＩＭ
像観察を最大走査範囲（約１mm角）とする。

【００１７】(2) 試料を搭載した試料ホルダーを試料室
にロードする。

【００１８】(3) ノズルが退避位置にあることを確認
し、試料の加工個所をＦＩＢ直下に平面移動し、かつそ
の高さ位置が試料ステージのユーセントリック位置より
十分に低い位置まで試料ステージの高さを下げる。ここ
で、ユーセントリック位置とは試料の傾斜において、い
ずれの傾斜角に対してもその傾斜軸を共通とした場合の
高さ位置のことである。

【００１９】(4) 最大走査範囲のＳＩＭ像を観察しなが
ら試料傾斜を繰り返し、試料像が逃げないように試料表
面の高さをステージのユーセントリック位置に合わせ
る。

【００２０】(5) ＦＩＢを試料表面にジャストフォーカ
スさせ、その時の対物レンズのレンズ電圧値ＶｏをＶｏ
ｓとし、その時のＺ値ＺｓをＺｓ＝ｇ（Ｖｏｓ）より求
める。

【００２１】(6) 試料ステージを約５mm下方に移動す
る。

【００２２】(7) 作業位置にあるノズル先端のトップ部
にビームを集束するレンズ電圧値Vow［＝ｆ（Ｚｓ＋Ｚ
ｎ＋０.３mm）］を求め、そこにレンズ電圧を設定す
る。

【００２３】(8) ノズルを退避位置から作業位置に移動
する。

【００２４】(9) 最大走査範囲（１mm角）のＳＩＭ像
（図４参照）にて、ノズル先端部が像の中心から数１０
μｍ離れ、かつ、ＳＩＭ像がジャストフォカス像になる
ようにノズル位置をＸＹＺ軸微調する。最終のジャスト
フォーカス像は像倍率を上げ（ＦＩＢ走査範囲を２００
μｍ角程度まで狭め）て確認する。

【００２５】(10)レンズ電圧Ｖｏを再度、Ｖｏｓに設定
する。

【００２６】(11)ＳＩＭ像をモニターしながら、試料ス
テージを約５mm上方のユーセントリック位置にゆっくり
と移動させ、ジャストフォーカスのＳＩＭ像を得る。

【００２７】以上の操作手順によりノズル高さを所望値
に設定できるので、この後、デポジション、あるいはエ
ッチング作業を行う。更に、高さの異なる（＜５mm）試
料が試料ステージに乗っており、これら試料に対しても
作業をする場合は手順(3）に戻り、(3）〜(11)を繰り返
せば良い。

【００２８】本実施例においては、関数Ｖｏ＝ｆ
(Ｚ），Ｚ＝ｇ(Ｖｏ）を用いてのＺとＶｏとの両者間の
換算にはＦＩＢ加工装置の制御に用いている計算機を用
いたが、前もって準備した表を用いてもできる。

【００２９】本発明と同じ手法は、電子ビームやレーザ
ビームなどの集束ビームを用いた作業にも応用展開が可
能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、ＦＩＢ加工装置におい
て試料表面やノズル先端を所望の高さ位置に設定でき、
逆に、ビーム直下にあるこれらの高さ位置を測ることも
できる。これにより、種々の高さの異なる試料表面に対
して、ノズル先端をその試料表面から所望値だけ離して
設定することが簡単に、かつ、試料毎に試料室外（大気
圧）に取り出すことなくできるため、アシストデポジシ
ョンやアシストエッチングの作業を高効率にすることが
できた。また、この作業によるＦＩＢ加工装置の使い勝
手を大きく改善することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の集束イオンビーム加工装置に
おけるノズル高さの設定方法の説明図。

【図２】集束イオンビーム加工装置におけるアシストデ
ポジション、あるいはアシストエッチングの説明図。

【図３】本発明の実施例における試料表面の高さ位置
（Ｚ）の変化に対するＳＩＭ像（１６μｍ角走査）のボ
ケ程度。ΔＺ＝０のとき、ＦＩＢは試料表面にジャスト
フォーカス。

【図４】ノズルの作業位置への設定に用いるＳＩＭ像
（６００μｍ角走査）の説明図。

【符号の説明】

１…イオン源部、２…イオン光学系部、３…集束イオン
ビーム（ＦＩＢ）、４…試料、５…試料ホルダー、６…
荷電粒子検出器、７…イオン光学系制御部、８…表示装
置、９…ガス吹き付け装置、１０…ガス供給ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集束イオンビームを静電レンズを介して試
   料に照射して加工する集束イオンビーム加工装置におい
   て、前記静電レンズの電圧値及び該レンズから該集束イ
   オンビームの集束点までの距離とに基づいて、ガスを供
   給するノズルの先端と該試料の表面との距離を設定する
   機構を有することを特徴とした集束イオンビーム加工装
   置。