JPH09223726A - 荷電粒子ビームによる断面解析システムおよびその方法並びに荷電粒子ビーム処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本課題は、ＬＳＩ等の微細な電子デバイスの断
面構造を荷電ビームを用いて観察する際、これを自動化
することにより、作業性、信頼性を向上させることにあ
る。 【解決手段】本発明は、検査結果（電気的特性、異物サ
イズ、その位置）とデータベース（設計データベース、
加工形状データベース、加工特性データベース）とに基
づいて不良解析ツール３、加工形状決定手段４、三次元
形状ＣＡＤ６および走査条件決定手段９により荷電ビー
ムによる断面加工条件を自動で決定し、加工を行った
後、断面観察において自動で位置決めを行い、焦点合わ
せ、非点補正等の荷電ビームの自動調整を行い、さらに
取得した断面画像データを自動で最適化して表示手段
（モニタ）に表示して断面観察を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子ビームを用
いた半導体等の断面観察を行うための荷電粒子ビームに
よる断面観察システムおよびその方法並びに荷電粒子ビ
ーム処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の荷電粒子ビーム加工装置として、
特開平３−４４０３１号公報および特開平５−９０２１
５号公報に記載されたものが知られている。またＶＬＳ
ＩやＵＬＳＩ等のＬＳＩや薄膜多層基板等の近年の半導
体の開発においては、特定した不良箇所の断面を観察し
て、不良原因を究明することが極めて重要である。一般
的に、この断面観察には、集束イオンビーム、電子ビー
ム等の荷電粒子ビームが用いられる。まず、荷電粒子ビ
ームの光軸に対して垂直に配置した試料上の所望の位置
に荷電粒子ビームを用いて断面を形成する。その後、荷
電粒子ビームの光軸を法線とする平面に対して試料を傾
けて断面観察を行う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、この断面観察
は、断面加工も含めて作業者の経験的な勘と試行錯誤に
より行われており、また作業者にかかる負担（時間的拘
束）も多いという課題があった。

【０００４】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
ＶＬＳＩやＵＬＳＩ等のＬＳＩや薄膜多層基板等の半導
体基板において特定した不良個所の断面を荷電粒子ビー
ムによって観察して不良原因を究明する際において、断
面加工における加工条件の設定を自動化して作業者にか
かる負担を軽減した荷電粒子ビームによる断面観察シス
テムおよびその方法を提供することにある。また本発明
の他の目的は、ＶＬＳＩやＵＬＳＩ等のＬＳＩや薄膜多
層基板等の半導体基板において特定した不良個所の断面
を荷電粒子ビームによって観察して不良原因を究明する
際において、大きく穴をえぐる荒加工と荒加工で荒れた
観察したい断面をきれいに削り落す仕上げ加工とから成
る断面加工における仕上げ加工の加工条件の設定を自動
化して作業者にかかる負担を軽減した荷電粒子ビームに
よる断面観察システムおよびその方法を提供することに
ある。

【０００５】また本発明の他の目的は、ＶＬＳＩやＵＬ
ＳＩ等のＬＳＩや薄膜多層基板等の半導体基板において
特定した不良個所の断面を荷電粒子ビームによって観察
して不良原因を究明する際において、断面観察のために
試料を傾ける際、試料の位置によるビームの焦点ずれや
非点収差の増大を防止して荷電粒子ビームに基づく最適
な断面観察が実行できるようにした荷電粒子ビームによ
る断面観察等の荷電粒子ビーム処理装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、不良情報を取得するための不良情報取得
手段と、該不良情報取得手段で取得された不良情報に基
づいて不良箇所の特定と不良状況の推定を行う不良解析
手段と、該不良解析手段によって特定された不良箇所座
標と該不良状況の推定結果とに基づいて断面加工形状を
決定する加工形状決定手段と、該加工形状決定手段から
決定される断面加工形状に対して設計データを参照して
材質及び層構造データを求める３次元形状ＣＡＤ手段
と、該３次元形状ＣＡＤ手段から得られる材質に対応し
たスパッタ率を算出する加工特性データベース作成手段
と、荷電ビームの走査領域と加工後の形状との対応関係
を示す加工形状データベースと前記加工特性データベー
ス作成手段から算出されるスパッタ率と前記３次元形状
ＣＡＤから得られる層構造と前記加工形状決定手段から
決定される断面加工形状とに基づいて荷電ビームの走査
領域及びドーズ量を決定する走査条件決定手段と、該走
査条件決定手段によって決定された走査領域及びドーズ
量に基づいて断面加工を行う荷電粒子ビーム加工装置と
からなることを特徴とする荷電粒子ビームによる断面解
析システムである。

【０００７】また本発明は、前記荷電粒子ビームによる
断面解析システムにおける前記荷電粒子ビーム加工装置
において、荷電粒子ビーム照射部に反応性ガスを供給す
る手段を設けたことを特徴とする。また本発明は、前記
荷電粒子ビームによる断面解析システムにおける前記荷
電粒子ビーム加工装置において、荷電粒子ビーム加工中
に検出した２次粒子信号の経時変化に基づいて加工終点
の自動検出を行う解析手段を設けたことを特徴とする。
また本発明は、前記荷電粒子ビームによる断面解析シス
テムにおける前記荷電粒子ビーム加工装置において、断
面加工位置、断面観察角度および断面深さに基づいて試
料に対して除去すべき３次元形状を決定する演算手段を
設けることを特徴とする。

【０００８】また本発明は、荷電粒子光学系を有する荷
電粒子ビーム処理装置において、前記荷電粒子光学系に
印加する集束電圧と前記荷電粒子光学系による荷電粒子
ビームの集束距離との相関関係を解析して、荷電粒子ビ
ームの光軸を法線とする平面に対して傾斜をもつ試料上
の任意の位置に対応して前記荷電粒子光学系に印加する
集束電圧を決定する解析手段を備えたことを特徴とする
荷電粒子ビーム処理装置である。また本発明は、荷電粒
子光学系と非点補正電極を有する荷電粒子ビーム処理装
置において、前記非点補正電極に印加する非点補正電圧
と前記荷電粒子光学系による荷電粒子ビームの集束距離
との相関関係を解析して、荷電粒子ビームの光軸を法線
とする平面に対して傾斜をもつ試料上の任意の位置に対
応して前記非点補正電極に印加する非点補正電圧を決定
する解析手段を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム
処理装置である。また本発明は、荷電粒子ビームによる
観察装置において、荷電粒子検出器から検出される２次
荷電粒子画像の内、画面上において領域指定することに
よって得られる試料の観察すべき領域の一部からの２次
荷電粒子画像について階調を制御したり、増幅率を制御
したり、ゲインを制御したりしてコントラストのはっき
りした画像として表示する表示手段を備えたことを特徴
とする荷電粒子ビームによる観察装置である。

【０００９】また本発明は、不良情報取得手段からの不
良情報に基づいて不良解析手段により不良箇所の特定と
不良原因の推定を行い、この得られた座標と不良原因の
推定結果とに基づいて３次元形状決定手段により断面加
工形状を自動決定し、３次元形状ＣＡＤにおいて設計デ
ータを参照して断面加工部分の材質及び層構造データを
求め、予め加工特性データベース作成手段により前記材
質のスパッタ率を求め、走査条件決定手段により加工形
状データベースから得られる荷電粒子ビームの走査領域
と加工後の形状との対応関係を示す情報と前記断面加工
形状と前記層構造データと前記スパッタ率とに基づいて
荷電粒子ビームの走査領域およびドーズ量を決定し、こ
の決定された荷電粒子ビームの走査領域およびドーズ量
に基づいて、荷電粒子ビーム加工装置により断面加工を
施すことを特徴とする荷電粒子ビームによる断面解析方
法である。

【００１０】以上説明したように、本発明によれば、作
業者の経験的な勘に頼らずに、断面加工形状の決定や該
加工形状となるような荷電ビームの走査領域及びドーズ
量の決定を行うことができる。即ち本発明によれば、Ｖ
ＬＳＩやＵＬＳＩ等のＬＳＩや薄膜多層基板等の半導体
基板において特定した不良個所の断面を荷電粒子ビーム
によって観察して不良原因を究明する際において、断面
加工における加工条件の設定を自動化して作業者にかか
る負担を軽減することができる。また本発明によれば、
予め荷電粒子ビームの加工特性を蓄積しておいた加工特
性データベースを用いて、前記断面加工形状と荷電ビー
ム電流とにより断面の仕上げ寸法を算出することによ
り、大きく穴をえぐる荒加工と荒加工で荒れた観察した
い断面をきれいに削り落す仕上げ加工とから成る断面加
工における仕上げ加工においても、作業者による経験的
な勘に頼って試行錯誤を繰り返すことなく、荷電ビーム
の走査領域及びドーズ量の決定を行うことができる。即
ち本発明によれば、ＶＬＳＩやＵＬＳＩ等のＬＳＩや薄
膜多層基板等の半導体基板において特定した不良個所の
断面を荷電粒子ビームによって観察して不良原因を究明
する際において、大きく穴をえぐる荒加工と荒加工で荒
れた観察したい断面をきれいに削り落す仕上げ加工とか
ら成る断面加工における仕上げ加工の加工条件の設定を
自動化して作業者にかかる負担を軽減することができ
る。

【００１１】また本発明によれば、断面観察のために試
料を傾けても、断面観察位置において焦点ずれおよび非
点収差のない２次荷電粒子画像を容易に得ることがで
き、鮮明な画像によって高分解能で断面観察を実行する
ことができる。即ち本発明によれば、ＶＬＳＩやＵＬＳ
Ｉ等のＬＳＩや薄膜多層基板等の半導体基板において特
定した不良個所の断面を荷電粒子ビームによって観察し
て不良原因を究明する際において、断面観察のために試
料を傾ける際、試料の位置によるビームの焦点ずれや非
点収差の増大を防止して荷電粒子ビームに基づく最適な
断面観察を実行することができる。また本発明によれ
ば、断面観察の画像データを取得する際、情報を得たい
部分の画像を鮮明にして断面観察を実行することができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態に
ついて、図面を用いて説明する。なお、図中、同符号の
ものは、同じものあるいは同類、同機能のものを示す。
本発明に係る実施の形態について図１ないし図１６を参
照して説明する。なお本発明の実施の形態においては、
断面加工及び断面観察に集束イオンビームを例にとる
が、電子ビームで代用することも可能である。図１は、
本発明に係る断面観察による不良解析システムの第１の
実施の形態を示す図である。図２は、本発明に係る断面
観察による不良解析システムの第２の実施の形態を示す
図である。図３は、本発明に係る断面観察による不良解
析システムの第３の実施の形態を示す図である。

【００１３】即ち、ＬＳＩの電気的特性を検査するため
の回路テスタ１からの電気的特性情報や、ＬＳＩ製造中
に発生する異物を検査する異物検査装置２からの異物サ
イズや異物発生位置等の情報を不良解析ツール３に送
る。この不良解析ツール３と回路テスタ１および異物検
査装置２との間は、ネットワークで接続しても良く、ま
た記憶させた記憶媒体を搬送して情報（データ）の伝達
を行っても良い。このように不良解析ツール３は、不良
解析ツールプログラムと格納したＲＯＭ、上記電気的特
性情報や異物サイズや異物発生位置等の情報を記憶する
ＲＡＭまたはディスク等の外部記憶装置、不良解析ツー
ルプログラムに基づいて不良解析等を行うＣＰＵ、ディ
スプレイ等の表示手段およびキーボードやマウスやイメ
ージスキャナやディスク等から構成された入出力手段等
から構成される。不良解析ツール３は、回路テスタ１お
よび異物検査装置２との間でネットワークで接続する場
合には、Ｉ／Ｆを有することになる。この不良解析ツー
ル３では、ＲＯＭに記憶された不良解析ツールプログラ
ムに基づいて、設計データベース５の設計データを参照
しながら電気的特性情報や異物情報を統合的に解析し、
不良箇所の座標や不良状況（配線不良、コンタクト不良
等）を推定し、これらの推定情報を加工形状決定手段４
に送信する。また、この推定においてＬＳＩの製造装置
（図示せず）から得られるプロセスモニタ情報を考慮す
ることも可能である。

【００１４】加工形状決定手段４も、加工形状決定プロ
グラムを格納したＲＯＭ、上記設計データや不良解説ツ
ール３から得られる不良個所座標や不良状況等を記憶す
るＲＡＭまたはディスク等の外部記憶装置、加工形状決
定プログラムに基づいて加工形状（断面加工形状）の決
定等を行うＣＰＵ、ディスプレイ等の表示手段およびキ
ーボードやマウスやイメージスキャナやディスク等から
構成された入出力手段等から構成される。そして加工形
状決定手段４は、不良箇所の座標から断面観察すべき位
置を決定する。また、不良状況から断面観察すべき領域
を決定する。例えば推定した不良原因がコンタクト不良
であるならば、コンタクトホールの設計寸法からこれを
含むような観察領域としたり、異物により配線が切断し
たと推定された場合は、配線の設計寸法や異物サイズか
ら観察領域を自動的に決定したりする。この加工形状決
定手段４には、観察領域の決定が困難な場合は、作業者
が補助的に判断して決定するような機能を付加すること
も可能である。観察すべき断面の大きさが決まると予め
設定しておいた断面観察角度から除去すべき断面加工形
状が決定できる。この断面観察角度はその都度作業者が
入力手段を用いて入力することも可能である。

【００１５】設計データベース５は、ＣＡＤ情報等を格
納した上位システムに相当し、設計データを得ることが
できる。３次元形状ＣＡＤ６も、被加工部の材質や層構
造、膜厚等を求める３次元形状ＣＡＤプログラムを格納
したＲＯＭ、上記設計データや加工形状決定手段４から
得られる断面加工形状等を記憶するＲＡＭまたはディス
ク等の外部記憶装置、３次元形状ＣＡＤプログラムに基
づいて被加工部の材質や層構造、膜厚等を求めるＣＰ
Ｕ、ディスプレイ等の表示手段およびキーボードやマウ
スやイメージスキャナやディスク等から構成された入出
力手段等から構成される。３次元形状ＣＡＤ６におい
て、加工形状決定手段４から得られる断面加工形状と設
計データベース５から得られる設計データとを比較し
て、被加工部の材質や層構造、膜厚等を求める。この材
質情報は予め被加工材質とスパッタ率との関係を記録さ
せてある加工特性データベース７に送信される。

【００１６】加工特性データベース７も、スパッタ率等
を算出する加工形状データプログラムを格納したＲＯ
Ｍ、上記３次元形状ＣＡＤ６から得られる材質等を一時
記憶し、イオンビームの走査領域と加工後の形状や最適
な仕上げ加工寸法との関係を示すデータを記憶するＲＡ
Ｍまたはディスク等の外部記憶装置、加工形状データプ
ログラムに基づいてスパッタ率等を算出するＣＰＵ、デ
ィスプレイ等の表示手段およびキーボードやマウスやイ
メージスキャナやディスク等から構成された入出力手段
等から構成される。この加工特性データベース７は、上
記３次元形状ＣＡＤ６から得られる材質等に基づいて、
予め実験により求められたイオンビームの走査領域と加
工後の形状や最適な仕上げ加工寸法との関係からスパッ
タ率を抽出する（算出する。）。イオンビームの走査領
域と加工後の形状や最適な仕上げ加工寸法との関係を予
め実験しておき、この関係をこの加工特性データベース
７のＲＡＭまたは外部記憶装置に記録しておく。加工形
状データベース８には、イオンビーム加工装置１０で加
工可能な偏向電極等によるイオンビームの走査領域等の
加工形状データベースが格納されている。

【００１７】走査条件決定手段９も、走査領域やドーズ
量（時間に対する）等を算出する走査条件決定プログラ
ムを格納したＲＯＭ、上記加工形状決定手段４から得ら
れる断面加工形状等や３次元形状ＣＡＤ６から得られる
層構造等や加工特性データベース７から得られるスパッ
タ率等を一時記憶するＲＡＭまたはディスク等の外部記
憶装置、走査条件決定プログラムに基づいて走査領域や
ドーズ量（時間に対する）等を算出するＣＰＵ、ディス
プレイ等の表示手段およびキーボードやマウスやイメー
ジスキャナやディスク等から構成された入出力手段等か
ら構成される。走査条件決定手段９は、この加工形状デ
ータベース８と、以上に述べた断面加工形状、スパッタ
率、層構造、仕上げ加工寸法に基づいて、イオンビーム
の走査領域とそれに対応したドーズ量を計算し、これを
イオンビーム加工装置１０内の制御装置（制御パソコ
ン）に送信する。イオンビーム加工装置１０は制御装置
（制御パソコン）のドーズ量等の制御に基づいて断面加
工を行う。加工領域と比較してイオンビーム径が充分小
さくない場合は、走査領域よりも大きい穴が加工され
る。そこで、荒加工では、走査領域を所望の加工形状よ
りも小さく設定する必要があるため、前述した走査条件
決定手段９では、この加工形状データベース８からの情
報をもとに所望の加工領域を越えないような走査領域を
決定し、これにより仕上げ加工の寸法を求めることがで
きる。

【００１８】以上説明したように、図１に示す第１の実
施の形態の場合、不良解析ツール３、加工形状決定手段
４、設計データベース５、３次元形状ＣＡＤ６、加工特
性データベース７、加工形状データベース８、走査条件
決定手段９およびイオンビーム加工装置１０を、ネット
ワークで接続しても良く、また記憶媒体を用いて情報
（データ）の伝達を行っても良い。また図２に示す第２
の実施の形態においては、図１に示す３次元形状ＣＡＤ
６を加工形状決定手段４において実行し、イオンビーム
加工装置１０の制御装置内に加工特性データベース７、
加工形状データベース８および走査条件決定手段９を備
えた場合を示す。即ち加工形状決定手段４内のＲＯＭに
被加工部の材質や層構造、膜厚等を求める３次元形状Ｃ
ＡＤプログラムを格納すればよい。これによって加工形
状決定手段４からは、材質、層構造、および断面加工形
状を得ることができる。またイオンビーム加工装置１０
の制御装置内に設けられたＲＯＭ、ＲＡＭまたは外部記
憶装置、ＣＰＵ、表示手段（画像メモリも含む）や入出
力手段（これらＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、外部記憶装
置、表示手段、入出力手段およびＩ／Ｆ等は、バスによ
って接続される。）において、加工特性データベース７
において実行するスパッタ率の算出、並びに走査条件決
定手段９において実行する走査領域およびドーズ量（時
間）の算出を実行しても良い。当然イオンビーム加工装
置１０の制御装置（制御パソコン）内に設けられたＲＯ
Ｍには、加工特性データベース７および走査条件決定手
段９のプログラムを格納することが必要となる。

【００１９】また図３に示す第３の実施の形態において
は、図２に示す加工形状決定手段４をイオンビーム加工
装置１０の制御装置内において実行する場合を示す。即
ちイオンビーム加工装置１０の制御装置（制御パソコ
ン）内のＲＯＭに、加工形状決定手段４が実行する加工
形状決定プログラムと被加工部の材質や層構造、膜厚等
を求める３次元形状ＣＡＤプログラムとを格納すればよ
い。これによってイオンビーム加工装置１０の制御装置
内に設けられたＲＯＭ、ＲＡＭまたは外部記憶装置、Ｃ
ＰＵ、表示手段（画像メモリも含む）や入出力手段にお
いて、加工形状決定手段４において実行する材質、層構
造、および断面加工形状、加工特性データベース７にお
いて実行するスパッタ率の算出、並びに走査条件決定手
段９において実行する走査領域およびドーズ量（時間）
の算出を実行しても良い。当然イオンビーム加工装置１
０の制御装置内に設けられたＲＯＭには、加工形状決定
手段４、３次元形状ＣＡＤ６、加工特性データベース７
および走査条件決定手段９のプログラムを格納すること
が必要となる。

【００２０】次に、この走査条件決定手段９における走
査領域を決定方法について詳細に説明する。図４は断面
作成プロセスを示す図である。一般的にイオンビーム加
工装置は、ビーム電流の種類がいくつか用意されてお
り、いずれかを選択することが可能である。ビーム電流
の大きいビームを用いた方が高速加工ができ、ビーム電
流の小さいビームで加工した方が加工時間はかかるが、
きれいな端面となる。まず、図４（ａ）には、ＶＬＳ
Ｉ、ＵＬＳＩ等のＬＳＩや薄膜多層基板等のＩＣ素子に
対して最終的に得たい所望の断面加工形状の一実施の形
態を示す。図４（ｂ）には、ビーム電流の小さい、充分
細く絞ったイオンビームによる加工を示す。この場合
は、所望の断面加工形状と同じ走査領域で加工すること
で所望の加工結果が得られる。しかし、図４（ｃ）に示
すように、加工時間を短縮するために大電流のビーム径
の太いビームで加工を行う際、所望の断面加工形状と同
じ領域でイオンビームを走査してしまうと、観察断面の
一部あるいはすべてを除去してしまうことになる。

【００２１】そこで、図４（ｄ）に示すように、イオン
ビーム加工装置１０内の制御装置は、加工時間を短縮す
るために、例えば開口径が大きい制限アパーチャ６２に
切り替えて静電レンズ６３によって集束させることによ
って得られる大電流のビーム径の太いビーム（例えば
０．５μｍ〜２μｍ：ビーム電流は約１ｎＡ（ビーム径
が０．５μｍの場合）〜約５ｎＡ（ビーム径が２μｍの
場合）となる。）で加工を行うべく、走査条件決定手段
９から得られるデータに基づいて、加工形状データベー
ス８に記憶させてある走査領域と加工結果との関係を考
慮して、仕上げしろを残すように若干走査領域を狭めて
設定する。最後に、例えば開口径が小さい制限アパーチ
ャ６２に切り替えて静電レンズ６３によって集束させる
ことによって得られる充分細く絞った（例えば０．０５
μｍ〜０．３μｍ：ビーム電流は約１０ｐＡ（ビーム径
が０．０５μｍの場合）〜約０．５ｎＡ（ビーム径が
０．３μｍの場合）イオンビームにより仕上げ加工部２
４を除去すべく、イオンビーム加工装置１０内の制御装
置は、走査条件決定手段９から得られる走査領域データ
に基づいて仕上げ加工の走査領域を決定する。なお、制
限アパーチャ６２として、ブランキング電極に設けられ
たアパーチャによって実現しても良いことは明らかであ
る。またブランキング電極に設けられたアパーチャに入
射するイオンビーム電流を測定することによってイオン
ビーム電流を検出することができる。そして検出された
イオンビーム電流を測定して制限アパーチャの開口径を
調整するように構成しても良い。

【００２２】ところで、観察断面２１の位置精度が必要
でない場合においても、大電流の太いイオンビームでは
観察断面２１の表面が荒れて、詳細な断面情報が得られ
ないため、仕上げ加工を行う必要がある。断面観察は、
試料２２を所望量傾けて、集束イオンビームを照射して
２次荷電粒子を検出するＳＩＭ観察、または集束電子ビ
ームを照射して２次電子を検出するＳＥＭ観察によって
行う。

【００２３】イオンビーム加工装置１０において、制限
アパーチャ６２の切り替えも含めて制御装置（制御パソ
コン）等からの制御に基づいて観察断面２１を形成する
ためには、断面の観察の向き、観察角度θ、観察する断
面の領域を決定する断面深さＤおよび断面幅Ｗ、イオン
ビーム電流の種類、試料の材質とイオンビームの加工特
性で決まるスパッタ率σ、断面加工のステップ数ｎ、観
察断面２１の位置（Ｘ，Ｙ）が必要である。観察角度θ
は、予め一定（例えば、３０度、４５度）にしても良い
し、加工の都度作業者が加工形状決定手段４に入力手段
を用いて入力して設定しても良い。また、イオンビーム
電流の種類は、荒加工、仕上げ加工のそれぞれについて
予め設定しておいくが、作業者が加工穴の大きさや断面
の仕上がりを考慮して、これを変更できる機能も設けて
おく。走査条件決定手段９にて算出した走査時間の結果
を見て、作業者がイオンビーム電流を変更することも可
能である。スパッタ率σは、荷電ビームの加速エネル
ギ、ビーム電流、被加工材質等により変化するため、前
述したとおり予めデータベース化しておくが、作業者が
その都度走査条件決定手段９に入力手段を用いて入力し
てもよい。走査条件決定手段９において決定されるイオ
ンビームの走査条件を簡略化するために、通常断面加工
の形状はステップ状としていた。このステップ数ｎは、
キーボード（入力手段）から入力したり、予め固定値と
させても良い。加工端面をきれいに仕上げるためには、
走査方向も極めて重要な要素である。通常、走査領域に
対して水平方向の走査（１ライン）が終わる毎に、垂直
方向にずらして次のライン走査を行い、これを繰り返し
て１フレームとする。この１フレーム中最後の１ライン
が観察断面と一致するように走査方向を決定させる。ま
た、荒加工時におけるイオンビームの集束調整（図１２
に示すように、例えば開口径の異なる制限アパーチャ６
２を切り替えて行う。また電源より静電レンズ６３に印
加する電圧を制御装置により調整しても良い。）によ
り、仕上げ加工部２４の領域が若干変動するため、作業
者が荒加工後、イオンビーム加工装置１０に設置された
表示手段（モニタ）４４に表示された試料の観察結果か
ら領域決定してもよい。

【００２４】イオンビーム加工装置１０内に設置された
制御装置（制御パソコン）において実行する仕上げ加工
の終点については、ドーズ量で決定する以外に２次粒子
信号を活用して自動終点検出を行うことも可能である。
またイオンビーム加工装置１０に設置された表示手段
（モニタ）に２次粒子信号を表示して検出することもで
きる。図５は、２次イオン信号検出方式の概要を示す図
である。図５に示すようにイオンビーム加工装置１０の
試料室３１に内設した２次イオン検出器３２を用いて、
加工中に試料２２より放出した２次イオン３３の量を検
出する。図６は加工中の２次イオン信号強度の変化を示
す図である。加工開始当初は、荒れたテーパ形状の仕上
げ加工部２４を加工しているため、２次イオン３３の放
出量が多く信号強度も高い。加工が進行するに従って、
仕上げ加工部２４が削られ、この２次イオン３３が穴底
から放出しにくくなり信号強度が低下していく。例え
ば、この信号強度変化の微分をとってこの微分値が０近
辺になったところで加工終点を検出したりすることがで
きる。これ以外にも加工開始時の信号強度と比較して、
信号の低下量がある値以上となったときに終点とするよ
うなアルゴリズムにすることもできる。また、ここでは
２次粒子として２次イオンの例をあげているが、これを
２次電子に置き換えてもよい。

【００２５】以上では荒加工、仕上げ加工といった２段
加工の例を示したが、適切な一種類のビーム電流を選択
して、一回で加工を行ってもよい。特に加工サイズが小
さい場合は、こちらの方が効率が良い。また、断面加工
が長時間にわたるような場合では、ステージやビームが
ドリフトし加工位置ずれが生じる恐れがあり、この対策
として単位時間のドリフト量を予め測定しておき、これ
を補正するように設定を変更させる機能を設けておいて
も良い。

【００２６】次に、上記の如く加工した断面観察用の穴
に対する２次荷電粒子像に基づく断面観察について説明
する。まず図７ないし図９を参照しながら、イオンビー
ム加工装置１０内に設置された制御装置（制御パソコ
ン）を用いて、イオンビーム２３の軸に対して傾けて配
置した試料表面への焦点あわせのための準備作業につい
て述べる。図７はステージ上に設けた階段を表す図であ
り、図８は集束距離に対応した集束レンズ電圧を記録さ
せる集束イオンビーム加工装置１０内の制御パソコン
（制御装置）に設置された表示手段（モニタ）４４のウ
インドウを示す図であり、図９は集束距離に対する集束
レンズ電圧（静電レンズ６３に印加される電圧）の関係
を表す図である。即ち、静電レンズ６３に印加される集
束レンズ電圧が高くなると集束距離も増加することにな
る。まず、図７に示すように、２種類以上の異なる高さ
の階段４３を、試料室３１に内設したステージ４１ある
いは試料ホルダ４２に設ける。この階段４３のステップ
ごとの段差は、段差計等を用いて予め正確に求め、制御
装置内のＲＡＭ等に入力手段を用いて入力して格納して
おく。集束距離は、静電レンズ６３によって決まる集束
距離の基準面と試料２２の表面またはステージ４１にお
ける各階段４３の表面との距離で示される。なお、基準
面とステージ４１上のある点までの距離は既知の値とす
る。従って、各ステップａ，ｂ，ｃに応じて集束距離は
求まり、表示手段（モニタ）４４のウインドウ４７にＨ
ｅｉｇｈｔとして表示されることになる。そして上記各
階段に対応する複数のステップａ，ｂ，ｃの各々におい
て、制御装置（制御パソコン）によって例えば静電レン
ズ６３に印加する集束レンズ電圧を僅か変えながら、図
８に示すように２次イオン像表示ウインドウ４５に表示
される２次イオン像を見て、最も合焦点状態になった集
束レンズ電圧を検出して焦点合わせを行う。即ち、焦点
合わせされたときの集束レンズ電圧が、表示手段（モニ
タ）４４のウインドウ４７にＶｏｌｔａｇｅとして表示
される。そして各ステップａ，ｂ，ｃにおいて、焦点合
わせされた集束レンズ電圧の値をＶａ，Ｖｂ，Ｖｃと
し、集束距離をＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとし、これらの集束電
圧および集束距離を各ステップの集束電圧を記録させる
ウインドウ４７を用いて制御装置内のＲＡＭ等に記録さ
せる。ここで、焦点合わせされた集束レンズ電圧の値
（Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ）を入力せずに、その時の設定電圧
を記憶させるボタンをクリックするようにしてもよい。
また、集束距離の入力は、予め各ステップに番号付けを
行い各番号に対応した集束距離のデータファイルを保存
しておき（イオンビーム加工装置１０内に設置された制
御装置（制御パソコン）内のＲＡＭまたは外部記憶装置
に保存しておく。）、ウインドウ４７上で番号のみ選択
することで代用しても良い。以上の作業により図９に示
すように集束電圧（Ｖ）と集束距離（Ｌ）との関係を求
めることができる。そして制御装置内のＣＰＵは、この
関係から曲線近似して、任意の集束距離Ｌｘに対応した
集束レンズ電圧Ｖｘを求めたり、任意の集束レンズ電圧
Ｖｘに対応した集束距離Ｌｘを求められるようにしてお
く。ここで、集束距離は静電レンズ（図１２参照）６３
からの距離でなくてもよく、任意の一つのステップや試
料２２の表面などの基準面からの距離でもよい。この校
正作業は、集束電圧と集束距離との関係がくずれると思
われるような時（イオン源交換後やイオンの加速エネル
ギの変更時など）に適宜行う。

【００２７】次に、試料２２を傾け、断面観察を行う。
図１０は傾けた試料と集束距離を説明する図である。断
面位置を探しやすくするために、試料上の座標が既知の
アライメントマーク５１を用いて、試料２２上の座標系
を決定する。このアライメントマークＭ1〜Ｍ3は、一次
変換を定義するために３点設けておくことが望ましい。
図１１はアライメント作業時に用いる集束イオンビーム
加工装置１０の制御装置（制御パソコン）における表示
手段のモニタ画面を示す図である。まず、一つ目のアラ
イメントマーク５１を合わせ込むためにステージ４１を
移動し、２次イオン像表示ウインドウ４５を見ながら焦
点をあわせた上で、モニタ上のアライメントウインドウ
５２の中で、試料上の座標位置（ｘ１，ｙ１）をキーボ
ード等の入力手段より入力し、焦点合わせされた集束レ
ンズ電圧（Ｖ１）の記憶ボタンをクリックして制御装置
（制御パソコン）のＲＡＭ等に記憶させる。現在の集束
レンズ電圧を表示させ、これをキーボードより入力して
記憶させるような構成としても良い。その他の２点のア
ライメントマークについても同様の手順をふむ。以上に
より、まずステージの座標系（Ｘ，Ｙ）と試料上の座標
系（ｘ，ｙ）の一次変換の対応が完了する。次に、前述
した集束レンズ電圧と集束距離との関係（図９）を用い
て、制御装置内のＣＰＵは、各点の集束レンズ電圧のデ
ータから集束距離（Ｚ１、Ｚ２およびＺ３）を算出す
る。そして制御装置内のＣＰＵは、この各点の集束距離
（Ｚ）とステージ座標系（Ｘ，Ｙ）により試料表面の平
面方程式が決定できる。観察断面２１に移動するため
に、観察断面２１の位置（試料上の座標系（ｘｉ，ｙ
ｉ））を予めファイルを呼び出すか、その場で手入力し
てステージ４１を移動する。この試料上の座標系（ｘ
ｉ，ｙｉ）をステージ座標系（Ｘｉ，Ｙｉ）に変換し、
これをもとにステージを移動させる。次に制御装置内の
ＣＰＵは、この観察点におけるステージ座標系（Ｘｉ，
Ｙｉ）および前記平面方程式より集束距離（Ｚｉ）を求
め、この集束距離（Ｚｉ）および図９に示した集束レン
ズ電圧（Ｖ）と集束距離（Ｚ）との関係から適正な集束
レンズ電圧（Ｖｉ）を決定することができる。ところ
で、２次荷電粒子像に基づいて断面観察する際、照射す
る荷電粒子ビームの径を０．５μｍ以下にして、解像度
を向上させる必要がある。特に解像度の多くは荷電粒子
ビームの径に依存することから、例えば０．１μｍ以下
にすれば約０．１μｍ以下の解像度が得られる。また２
次荷電粒子像の場合は通常焦点深度が約１０μｍ程度と
深いため、断面観察穴の深さが約１０μｍ以下の場合に
は、焦点合わせすることなく、上記の如く細く絞った荷
電粒子ビームを断面上を走査して得られる２次荷電粒子
像に基づいて鮮明な画像として表示手段（モニタ）４４
に表示して断面観察を行うことができる。断面観察穴の
深さが２次荷電粒子像の焦点深度よりも深くなった場合
には、上記の如く細く絞った荷電粒子ビームを断面上を
走査する間において、静電レンズ（荷電粒子光学系）６
３に印加する集束レンズ電圧を制御する必要がある。

【００２８】図１２にイオン源（例えばＧａ等の液体金
属イオン源）６１、制限アパーチャ６２、静電レンズ６
３の中心軸との位置関係を表す図を示す。ここで、イオ
ン源６１、制限アパーチャ６２、静電レンズ６３のいず
れか一つの中心軸にずれがあると、静電レンズ６３に印
加する集束レンズ電圧の調整（制御）により焦点位置が
ずれ、前記のアライメント作業に支障をきたす恐れがあ
り、予め調整してこのずれを最小限にしておく必要があ
る。ところで、静電レンズ６３の下側には、非点補正を
行うための非点補正電極が設けられ、この非点補正電極
に対してＸ方向非点補正電圧とＹ方向非点補正電圧とが
印加できるように構成されている。そしてこの場合、非
点補正の記録機能を設けることが必要となる。そのた
め、即ち集束距離と非点補正電極に印加する電圧との関
係を記録しておくことが必要となる。図１３は非点補正
機能付きアライメントウインドウを示す図、図１４は集
束距離と非点補正電圧との関係を示す図である。即ち図
１４に示すように、例えば非点補正電極に印加するＸ方
向非点補正電圧に対する集束距離は１４１に示す関係と
なり、非点補正電極に印加するＹ方向非点補正電圧に対
する集束距離は１４２に示す関係となる。まず、図１３
に示すようにアライメントウインドウ５２において、前
述した通り３点アライメントマーク５１（Ｍ1，Ｍ2，Ｍ
3）に対する位置および集束レンズ電圧の入力に加え
て、非点補正ボタンをクリックすることで、集束距離に
対応した非点補正電圧を制御装置のＲＡＭ等に記録させ
る。これは、図７に示した階段４３上での焦点合わせに
おいて集束距離と対応させて記憶させることで代用する
ことも可能である。図１４に示すように、集束距離対応
した非点補正電圧の近似曲線が作成され、任意の集束距
離に対応する高精度の非点補正が可能となる。ここで、
集束距離と非点補正電圧との対応の替わりに、静電レン
ズ６３に印加する集束レンズ電圧と非点補正電圧との対
応としてもよい。それは、図７に示す如く、集束レンズ
電圧は集束距離とある決められた関係を有するからであ
る。

【００２９】以上に述べたような集束距離に対応した集
束電圧および非点補正の調整は断面観察に限らず、通常
の荷電ビーム加工および観察にも適用可能である。次
に、断面の観察および記録作業の説明を行う。図１５
は、従来の２次イオン像及び画像データの解析結果を示
す図で、図１６は、本実施例の２次イオン像及び画像デ
ータの解析結果を示す図である。図１５に示すように、
従来の（１）得られた２次イオン像４６をそのまま表示
する、（２）各画素における信号強度を解析し最低信号
を下限、最高信号を上限としてある階調（例えば２５６
階調）として表示する、（３）ガンマ補正を行って表示
する、等の方法では、像全体として適正化しているの
で、見たい部分が必ずしも鮮明になるとは限らない。

【００３０】そこで、本発明は、図１６に示すように見
たい部分のみの領域（サンプリング領域７０）をモニタ
４４上で指定して、この領域内の信号強度の上限下限
を、制御装置内のＣＰＵによって画像メモリを介してあ
る階調で表示する機能を持たせることにより、必要な情
報を逃さないようにしてコントラストがはっきりした鮮
明な２次荷電粒子画像を表示手段（モニタ）４４の画面
に表示して観察することができる。この見たい部分の領
域は、一度２次イオン像４６を取得した後、作業者がモ
ニタ４４上の２次イオン像４６を見ながらその場でマウ
スを動かして指定してもよいし、断面観察前に予め入力
して記憶させておけば、自動で画像データが取得でき
る。

【００３１】さらに信号強度の上下限の差により、２次
荷電粒子像（２次イオン像）を取り込むセンサである荷
電粒子検出器において検出される２次荷電粒子信号の増
幅率の制御を行って画像データを採取しなおすことも有
効である。例えば、上記サンプリングエリアにおける信
号強度の上下限の差があまりにも小さい場合、ある決め
られた階調に引き延ばしてもノイズ成分が目立ってしま
う。そこで、荷電粒子検出器のゲイン等を上げることに
よりコントラストを強調し、信号強度の上下限の差をあ
る程度の範囲になるように制御し、これによりノイズが
少ないコントラストのはっきりした画像を取得できる。
また、例えば上記サンプリングエリアにおける信号強度
の上限があまりにも大きい場合には、荷電粒子検出器の
出力や信号処理基板が過飽和状態となっている恐れがあ
る。このような場合には信号の上下限のいずれかがつぶ
れてしまっているので、画像処理を行っても、このつぶ
れた部分の情報は再現できない。この場合も、上記の例
と同様、コントラストの制御が必要となる。

【００３２】以上説明した本発明に係る実施の形態は、
自動処理の部分を適宜、作業者の判断、作業と置き換え
ることもできる。また以上説明した実施例においては、
荷電粒子ビームによる断面形成についてのみ説明してき
たが、加工時に反応性ガスを供給して化学反応を促進さ
せるアシストエッチング法を用いて高速に断面形成を行
うことも有効である。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、検査結果とデータベー
スとに基づいて荷電ビームによる断面加工条件を自動で
決定することにより、効率良く断面を形成することがで
きる効果を奏する。また本発明によれば、集束距離に応
じて集束電圧および非点補正電圧を記憶する機能と、任
意の集束距離に対して最適な集束電圧および非点補正電
圧を算出する機能とを設けることにより、断面用試料を
傾けたことによる集束距離の変化に対応して自動焦点、
および自動非点補正を実現することができ、作業性を飛
躍的に向上させることができる効果を奏する。また本発
明によれば、断面試料の観察において観察すべき領域の
みの画像を抽出してこれを最適化する手段を設けること
により、見たい情報を的確に捕らえることができ、画像
の撮り直し等の試行錯誤による手間を解消させることが
できる効果を奏する。また本発明によれば、以上によ
り、作業者の熟練度によらずに、最適な断面観察を効率
良く行うことができ、さらに信頼性を向上させることが
できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る断面観察による不良解析システム
の第１の実施の形態を示す図である。

【図２】本発明に係る断面観察による不良解析システム
の第２の実施の形態を示す図である。

【図３】本発明に係る断面観察による不良解析システム
の第２の実施の形態を示す図である。

【図４】本発明に係る断面作成プロセスの一実施の形態
を示す図である。

【図５】本発明に係る２次イオン信号検出方式の概要を
示す図である。

【図６】本発明に係る加工中の２次イオン信号強度の変
化を示す図である。

【図７】本発明に係るステージ上に設けた階段の一実施
の形態を示す図である。

【図８】本発明に係る集束距離に対応した集束レンズ電
圧を記録させるウインドウの一実施の形態を示す図であ
る。

【図９】本発明に係る集束距離に対する集束レンズ電圧
の関係を示す図である。

【図１０】本発明に係る傾けた試料と集束距離とを説明
するための図である。

【図１１】本発明に係るアライメント作業時に用いる集
束イオンビーム加工装置の制御パソコンのモニタ画面の
一実施の形態を示す図である。

【図１２】本発明に係る荷電ビーム源、制限アパーチ
ャ、静電レンズの中心軸との位置関係を示す図である。

【図１３】本発明に係る非点補正機能付きアライメント
ウインドウの一実施の形態を示す図である。

【図１４】本発明に係る集束距離と非点補正電圧との関
係を示す図である。

【図１５】従来の２次イオン像及び画像データの解析結
果を示す図である。

【図１６】本発明に係る２次イオン像及び画像データの
解析結果を示す図である。

【符号の説明】

１…回路テスタ、２…異物検査装置、３…不良解析ツー
ル ４…加工形状決定手段、５…設計データベース、６…三
次元形状ＣＡＤ ７…加工特性データベース、８…加工形状データベース ９…走査条件決定手段、１０…イオンビーム加工装置、
２１…観察断面 ２２…試料、２３…イオンビーム、２４…仕上げ加工
部、３１…試料室 ３２…２次イオン検出器（２次荷電粒子検出器） ３３…２次イオン（２次荷電粒子）、４１…ステージ ４２…試料ホルダ、４３…階段、４４…表示手段（モニ
タ） ４５…２次イオン像表示ウインドウ、４６…２次イオン
像（２次荷電粒子像） ４７…各ステップの集束電圧を記録させるウインドウ ５１…アライメントマーク、５２…アライメントウイン
ドウ、６１…イオン源 ６２…制限アパーチャ、６３…静電レンズ（荷電粒子光
学系） ７０…サンプリング領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/304 Ｈ０１Ｊ 37/304 Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｄ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】不良情報を取得するための不良情報取得手
   段と、 該不良情報取得手段で取得された不良情報に基づいて不
   良箇所の特定と不良状況の推定を行う不良解析手段と、 該不良解析手段によって特定された不良箇所座標と該不
   良状況の推定結果とに基づいて断面加工形状を決定する
   加工形状決定手段と、 該加工形状決定手段から決定される断面加工形状に対し
   て設計データを参照して材質及び層構造データを求める
   ３次元形状ＣＡＤ手段と、 該３次元形状ＣＡＤ手段から得られる材質に対応したス
   パッタ率を算出する加工特性データベース作成手段と、 荷電ビームの走査領域と加工後の形状との対応関係を示
   す加工形状データベースと前記加工特性データベース作
   成手段から算出されるスパッタ率と前記３次元形状ＣＡ
   Ｄから得られる層構造と前記加工形状決定手段から決定
   される断面加工形状とに基づいて荷電ビームの走査領域
   及びドーズ量を決定する走査条件決定手段と、 該走査条件決定手段によって決定された走査領域及びド
   ーズ量に基づいて断面加工を行う荷電粒子ビーム加工装
   置とからなることを特徴とする荷電粒子ビームによる断
   面解析システム。
2. 【請求項２】前記荷電粒子ビーム加工装置において、荷
   電粒子ビーム照射部に反応性ガスを供給する手段を設け
   たことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームに
   よる断面解析システム。
3. 【請求項３】前記荷電粒子ビーム加工装置において、荷
   電粒子ビーム加工中に検出した２次粒子信号の経時変化
   に基づいて加工終点の自動検出を行う解析手段を設けた
   ことを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子ビー
   ムによる断面解析システム。
4. 【請求項４】前記荷電粒子ビーム加工装置において、断
   面加工位置、断面観察角度および断面深さに基づいて試
   料に対して除去すべき３次元形状を決定する演算手段を
   設けることを特徴とする請求項１または２または３記載
   の荷電粒子ビームによる断面解析システム。
5. 【請求項５】荷電粒子光学系を有する荷電粒子ビーム処
   理装置において、 前記荷電粒子光学系に印加する集束電圧と前記荷電粒子
   光学系による荷電粒子ビームの集束距離との相関関係を
   解析して、荷電粒子ビームの光軸を法線とする平面に対
   して傾斜をもつ試料上の任意の位置に対応して前記荷電
   粒子光学系に印加する集束電圧を決定する解析手段を備
   えたことを特徴とする荷電粒子ビーム処理装置。
6. 【請求項６】荷電粒子光学系と非点補正電極を有する荷
   電粒子ビーム処理装置において、 前記非点補正電極に印加する非点補正電圧と前記荷電粒
   子光学系による荷電粒子ビームの集束距離との相関関係
   を解析して、荷電粒子ビームの光軸を法線とする平面に
   対して傾斜をもつ試料上の任意の位置に対応して前記非
   点補正電極に印加する非点補正電圧を決定する解析手段
   を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム処理装置。
7. 【請求項７】荷電粒子ビームによる観察装置において、
   荷電粒子検出器から検出される２次荷電粒子画像の内、
   試料の観察すべき領域の一部からの２次荷電粒子画像を
   コントラストのはっきりした画像として表示する表示手
   段を備えたことを特徴とする荷電粒子ビームによる観察
   装置。
8. 【請求項８】不良情報取得手段からの不良情報に基づい
   て不良解析手段により不良箇所の特定と不良原因の推定
   を行い、 この得られた座標と不良原因の推定結果とに基づいて３
   次元形状決定手段により断面加工形状を自動決定し、 ３次元形状ＣＡＤにおいて設計データを参照して断面加
   工部分の材質及び層構造データを求め、予め加工特性デ
   ータベース作成手段により前記材質のスパッタ率を求
   め、 走査条件決定手段により加工形状データベースから得ら
   れる荷電粒子ビームの走査領域と加工後の形状との対応
   関係を示す情報と前記断面加工形状と前記層構造データ
   と前記スパッタ率とに基づいて荷電粒子ビームの走査領
   域およびドーズ量を決定し、 この決定された荷電粒子ビームの走査領域およびドーズ
   量に基づいて、荷電粒子ビーム加工装置により断面加工
   を施すことを特徴とする荷電粒子ビームによる断面解析
   方法。