JPH11108810A

JPH11108810A - 試料解析方法および装置

Info

Publication number: JPH11108810A
Application number: JP26836397A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Umemura; 馨梅村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-23
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: JP3677968B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体ウエハやデバイスチップから所望の特
定領域を含む試料片のみをサンプリング（摘出）して、
分析／計測装置の試料ステ−ジに、経験や熟練や時間の
かかる手作業の試料作り工程を経ることなく、マウント
（搭載）する試料作製方法およびその装置を提供するこ
と。【解決手段】 FIB加工と、摘出試料の移送、さらには
摘出試料の試料ホルダへの固定技術を用いる。【効果】分析や計測用の試料作製に経験や熟練技能工
程を排除し、サンプリング箇所の決定から各種装置への
装填までの時間が短縮でき、総合的に分析や計測の効率
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハを検
査して微小異物や欠陥など所望箇所を検出し、その所望
箇所を含む試料片を集束イオンビームと移送手段を用い
て摘出して、上記試験片を観察や分析、計測装置に対応
した形状に加工して観察や分析、計測装置に送る試料解
析方法および試料解析装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造では良品をよどみなく生
産し続けることが求められる。生産個数が大量であるた
め、ある工程での不良発生が製品歩留りの低下や生産ラ
インの停止につながり、採算に大きく影響する。このた
め半導体素子の製造現場では、特定のプロセス後やデバ
イス完成後には入念な検査が行なわれ不良品の撲滅と原
因追及に注力している。実際には製造工程で、定期的ま
たは定量数ごとにウエハやデバイスを抜き取り、不良箇
所の有無を検査している。ウエハの場合、検査箇所と検
査項目を予め決めておき各ウエハに対して常にその検査
箇所をモニタして製造プロセスの異常を検出する方法
や、完成後のウエハ全面を隈無く検査して、回路パター
ンの欠陥や異物など異常箇所があればそのデバイスを廃
棄したり、異常原因を追及して対策する方法が行なわれ
る。

【０００３】検査方法の一例として、ウエハ全面もしく
は一部の領域の外観について異物の付着や形成された回
路パターンの欠陥などを検出する検査方法があり、光や
電子線を用いたウエハ外観検査装置（以下、ウエハ検査
装置と略記）やウエハ検査電子顕微鏡（以下、検査SEM
と略記）や、回路の断線や短絡など電気的不良を検出す
るプローバ装置などがある。

【０００４】さらに詳細な試料外観観察には高分解能の
走査型電子顕微鏡（以下、SEMと略記）が用いるが、半
導体の高集積化に伴い、対象物がSEMの分解能では観察
できないほど極微細なものについても解析することが必
要となっている。この場合、SEMに代って観察分解能が
高い透過型電子顕微鏡（以下、TEMと略記）が有力な装
置となっている。

【０００５】ここでTEM用の試料作製方法について説明
する。図２は従来のTEM試料の作製方法のうちの一方法
を説明する図である。図２(a)はLSIを形成した半導体ウ
エハ（以下、略してウエハ３０という）で、上層部３１
と基板部３２とからなる。このウエハ３０のうちの特定
領域についてTEM試料を作製するとする。まず、観察し
たい領域に目印を付け、観察領域を破壊しないようにウ
エハ３０にダイアモンドペンなどで傷付け劈開するか、
ダイシングソ−で例えば切断線３３に沿って分断する。
図２(b)のような切り出した短冊状ペレット３４を２
枚、作製するTEM試料の中央部が観察領域となるように
するため、観察領域同士を向かい合うように接着剤３５
で貼り合わせて、貼り合わせ試料３６を作る（図２
(c)）。次に、この貼り合わせ試料３６をダイヤモンド
カッターでスライスし、スライス試料３７を切り出す
（図２(d)）。このスライス試料３７の大きさは、3×3
×0.5mm程度である。さらに、このスライス試料３７を
研磨材を用いて研磨盤上で薄く研磨し、厚さ20μm程度
の研磨試料３８を作製し、これをTEMステージに搭載す
る単孔型TEMホルダ３９に固定する（図２(e)）。次に、
この研磨試料３８の両面からにイオンビーム４０照射
（図２(f)）して、イオンシニングを行い（図２(g)）、
中央部に穴が開いたらイオンビーム４０照射を止めてTE
M試料４１とする（図２(h)）。こうして、100nm程度以
下に薄くなった薄片部４２をTEM観察領域（図中円内）
としていた。このような方法であるため、観察したい箇
所がミクロンレベルで特定されている場合、位置出しは
非常に難しい。

【０００６】また、TEM試料作製に関する別の従来手法
として集束イオンビーム（以下、FIBと略す）加工を利
用する例がある。図３で説明する。まず、観察すべき領
域の近傍を、図３(a)に示すようにウエハ３０をダイシ
ングを行って（符号３３が切断線である。）短冊状ペレ
ット３４を切り出す（図３(b)）。このペレットの大き
さは、おおよそ3×0.05×0.5mm（ウエハの厚み）であ
る。この短冊状ペレット３４をやや半円形した薄い金属
片からなるTEM試料ホルダ３７に固定する（図３(c)）。
この短冊状ペレット３4の中の観察領域を、厚さ0.1ミク
ロン程度の薄片部（以下、ウォール部という）４３を残
すようにFIB２４を照射し（図３(d)）、薄壁部を形成す
る（以下、ウォール加工と言う。図３(e)）。これをTEM
試料４１として、TEMホルダをTEMステージに搭載し、TE
M装置に導入してウォール部４３を観察する。この方法
によって、観察部をミクロンレベルで位置出しすること
が可能になった。また、この手法に関しては、例えば、
E.C.G.Kirkらが、論文集 Microscopy of Semiconductin
g Materials 1989, Institute of Physics Series No.1
00., p.501-506（公知例１）において説明している。

【０００７】このように、TEMは高分解能観察が期待で
きるが、試料作製に多大の努力を要するという面を持ち
合わせている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
試料解析方法や試料作製方法には以下のような問題点が
あった。

【０００９】（１）座標の問題：ウエハ全面もしくは一
部の検査によって発見した異物や欠陥などの不良箇所を
解析する際、ウエハ検査装置や検査SEMなどの検査装置
内で不良箇所の座標が明らかになっても、実際に分析装
置や観察装置、計測装置（以下、略して分析装置と代表
させる）に入るような寸法に分断して分析試料片に加工
しなければならず、先の不良箇所の正確な位置がわから
なくなり、所望の解析ができないという問題が生じる。

【００１０】（２）試料作製の問題：ウエハ検査装置や
検査SEMによるウエハ全面もしくは一部の検査の結果、
ある位置に不良箇所を検出しても、ウエハから解析試料
片を作製する時に、解析の目的とする微小異物が無くな
ったり変質したり、又は、別の損傷を引き起こし重畳し
て本来の目的とする不良箇所の原因究明ができなくなる
ことがある。これは従来の試料作製方法が試料の切断や
研磨、へき開など機械的や化学的な手法に依っていたた
めで、当初の不良箇所をそのまま状態で分析装置に導入
して的確な解析結果を得る歩留りは高いものではなかっ
た。また、このような的確な解析が長時間に及ぶために
最終的な製品に不良品が続発して多大の損害をもたらす
場合すらある。

【００１１】（３）ウエハ破損の問題：製造途中のある
工程での仕上がりを監視するするために、ウエハの特定
部のみの継続的な検査においては、定期的に定量数毎
に、たった数点の検査箇所に対してウエハを分断して、
検査箇所以外はすべて廃棄している。最近ではウエハ径
が200mmとなり、さらに300mm、またそれ以上に大口径化
する傾向にあるため、付加価値が高いデバイスが数多く
搭載されたウエハを数箇所の検査のために切断や劈開で
分離して、廃棄処分することは非常に不経済であった。

【００１２】ここで、上記問題点（１）から（３）のい
ずれにも関係する例としてTEM試料を例に説明する。TEM
は上述のように高分解能を有しているため、微小部分の
解析には有力なツールであるが、不良領域の特定から
解析結果が出るまでに非常に長い時間を要するため、観
察したいときに即座に結果の見えるSEMのようには普及
していない。解析結果までに長時間を要する原因の一つ
は、TEM観察以前の試料作製過程にある。TEM観察領域は
厚さを100nm程度にまで薄片化しなければならないた
め、従来方法では研磨や機械加工など試料作製者の熟練
を要する手作業が伴っている。しかも、観察領域がミク
ロンレベルで特定されると試料作製は極めて困難にな
る。また、事前に顕微鏡に依ってミクロンオーダで特定
していた不良領域の位置を試料作製中に見失ったり、間
違ってしまうことが多々ある。また、ウエハから所望の
試料片を作製するには、ウエハ劈開や切断など機械的加
工によっているため試料への新たな損傷が発生し、本来
の不良領域との区別がつかなくなる場合がある。さら
に、TEMの試料室は非常に小さく、試料片をミリオーダ
の大きさに細分化しなければならず、ウエハは必ず分断
せざるを得ない。一旦、分析や観察を行った後に、さら
に隣接した箇所を別の分析や観察の必要が出た場合に
は、先の試料作製の分断のために後の分析領域が破壊や
損傷を受けていたり、正確な位置関係が分からなくなっ
て継続した分析や観察情報が得られないという問題を発
生する。

【００１３】このような従来技術に対して、各種検査方
法によって得られた不良箇所に対して、ウエハ形状を維
持したまま、ウエハ上の所望の箇所のみを機械的や化学
的な損傷を重畳することなく、各種分岐装置に導入でき
る試料片に加工して解析できる試料解析方法ならびに試
料解析装置が望まれていた。

【００１４】上述の諸課題に鑑み、本発明の第１の目的
は、ウエハ全面または一部の検査で検出した異物や欠陥
など所望箇所を、ウエハを切断分離せずに正確に位置出
して、各種分析に適した試料片に加工して各種分析装置
で上記所望領域を解析できる試料解析方法を提供するこ
とにある。また、第２の目的は、上記第１目的を実現す
る試料解析装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るためには、目的とする試料片を観察、分析、計測のう
ちの少なくともいずれかによって調べる試料解析方法で
あって、試料基板を検査手段によって検出した異物や欠
陥など所望箇所の座標情報を記憶する工程と、上記所望
箇所の座標情報を基にして上記試料基板から上記所望箇
所を含む試料片を集束イオンビームによる加工を利用し
て摘出して、上記摘出した上記試料片を分析装置または
観察装置または計測装置のうちの少なくともいずれかに
対応する試料ホルダに固定し、上記試料ホルダに固定し
た上記試料片を分析または観察または計測のうちの少な
くともいずれかに適する形状に加工する工程と、上記試
料片を固定した上記試料ホルダを分析装置または観察装
置または計測装置のうちの少なくともいずれかに導入し
て上記所望箇所の解析を行なう工程とからなる試料解析
方法を用いて、特に、上記検査手段が光学式ウエハ検査
装置、ウエハ検査用走査電子顕微鏡、レーザ走査顕微
鏡、光学式顕微鏡のうちの少なくともいずれかを用い
る。

【００１６】また、上記試料片を集束イオンビームによ
る加工を利用して摘出する工程の前に、光学顕微鏡によ
る位置合わせ工程をともなってもよい。

【００１７】さらに、上記試料解析方法において、特
に、上記試料片を集束イオンビームによる加工を利用し
て摘出する工程の前に、上記集束イオンビームによって
上記所望箇所近傍に上記所望箇所が確認できる目印を付
す工程をともなうことで所望箇所を確実に加工できる。

【００１８】また、上記試料解析方法において、上記試
料ホルダに固定した上記試料片に対してさらに集束イオ
ンビーム照射による薄壁加工を施して透過型電子顕微鏡
観察用の試料に仕上げる工程を含むことで、透過型電子
顕微鏡観察までに要する時間が大幅に単縮できる。

【００１９】また、上記第２の目的は、ウエハを検査し
て異物や欠陥など所望箇所の座標情報を記憶するウエハ
検査部と、上記所望箇所の座標情報を基にして上記試料
基板に対して集束イオンビームを利用して上記所望箇所
を含む試料片を摘出して分析または観察または計測のう
ちの少なくともいずれかに適する試料ホルダに固定して
加工する試料作製部とから構成され、上記ウエハ検査部
と試料作製部とは上記ウエハを移動するための真空搬送
路によって連結した構造とする。または、ウエハを検査
して異物や欠陥など所望箇所の座標情報を記憶するウエ
ハ検査部と、上記所望箇所の座標情報を基にして上記試
料基板に対して集束イオンビームを利用して上記所望箇
所を含む試料片を摘出して分析装置または観察装置また
は計測装置のうちの少なくともいずれかに適する試料ホ
ルダに固定して、分析装置または観察装置または計測装
置のうちの少なくともいずれかに適する形状の試料片に
加工する試料作製部と、上記試料片の解析を行なう分析
装置または観察装置または計測装置のうちの少なくとも
いずれかの解析部とを少なくとも有し、上記ウエハ検査
部と試料作製部、解析部とは上記ウエハを移動するため
の真空搬送路によって連結した構造とする。または、ウ
エハを検査して異物や欠陥など所望箇所の座標情報を記
憶するウエハ検査部と、上記所望箇所の座標情報を基に
して上記試料基板に対して集束イオンビームを利用して
上記所望箇所を含む試料片を摘出して分析装置または観
察装置または計測装置のうちの少なくともいずれかに適
する試料ホルダに固定して、分析装置または観察装置ま
たは計測装置のうちの少なくともいずれかに適する形状
の試料片に加工する試料作製部と、上記試料片の解析を
行なう分析装置または観察装置または計測装置のうちの
少なくともいずれかの解析部とが機械的に独立して構成
され、少なくとも上記ウエハ検査部での上記所望箇所の
座標情報を上記試料作製部と上記解析部に伝達する情報
伝達手段によって連結した構造とする試料解析装置でも
よい。また、この構造においては、さらに、ウエハ検査
部と試料作製部と解析部の間は、ウエハおよび試料ホル
ダもしくは試料ホルダを搭載した治具を真空容器によっ
て搬送する構造としてもよい。

【００２０】上記試料解析装置もしくは試料解析システ
ムにおいて、特に、検査装置が光学式ウエハ検査装置、
ウエハ検査用走査電子顕微鏡、レーザ走査顕微鏡、光学
式顕微鏡のうちのいずれかにすること、もしくは、解析
部における観察装置が特に、インレンズ型走査型電子顕
微鏡、透過型電子顕微鏡のうちのいずれかとすること
で、効率よく検査することができる。

【００２１】このような試料作製装置を用いることで上
記目的は達成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明による試料作製装置の実施
形態は、ウエハを検査して異物や欠陥など所望箇所の座
標情報を記憶するウエハ検査部と、上記所望箇所の座標
情報を基にして試料基板に対して集束イオンビームを利
用して上記所望箇所を含む試料片を摘出して、分析装置
または観察装置または計測装置のうちの少なくともいず
れかに適する試料ホルダに固定して、これら装置に対応
する形状に加工する試料作製部とから構成され、上記ウ
エハ検査部と試料作製部とは上記ウエハを移動するため
の真空搬送路によって連結した構成とする。

【００２３】以下に、その具体的実施形態例を示す。

【００２４】＜実施形態例１＞図１は、本発明による試
料解析方法を実現するための試料解析装置の一実施例を
示す概略構成図である。

【００２５】試料解析装置１００は、ウエハ検査部１０
１と試料作製部１０２が機械的に連結されている。ウエ
ハ検査部１０１はウエハ外観検査装置や検査SEM、プロ
ーバ装置に該当する。ウエハ検査によって不良箇所を検
出して解析の必要がある場合、ウエハ検査部１０１と試
料作製部１０２の間に設置したバルブ１０６を開いて、
ウエハ１２を試料作製部１０２へ搬送できる。試料作製
部１０２で加工作製された試料片は別にあるTEM, SEMな
ど観察装置や分析装置や計測装置などに搬入して不良箇
所を解析する。逆に、ウエハ検査の結果、異常がない場
合にはウエハ１２は試料作製部１０２に送る必要はな
く、次の製造工程の装置に搬送する。

【００２６】ウエハ検査部１０１の例として、ここでは
検査SEMの場合を示しており、電子ビーム照射光学系１
０３、二次電子検出器１０４、試料室１０７内でウエハ
１２を載置して移動可能な試料ステージ１０５などから
構成している。二次電子検出器１０４に流入する二次電
子信号と電子ビーム照射光学系１０３のビーム偏向を同
期させてウエハ表面形状を表示手段１３’に表示でき、
ウエハ検査部１０１全体の制御を計算処理装置１７’に
よって行なう。ウエハ検査にはウエハ上に形成された複
数個のデバイスを比較する方法や、デバイスの中のセル
同士を比較する方法などがあるが、ここでは限定しな
い。このようなウエハ検査部１００で検出された所望箇
所の座標情報を一旦、計算処理装置１７’に記憶し、情
報伝達手段１１０によって試料作製部１０２の計算処理
部１７に伝達できる。また検査中のウエハ外観や座標情
報は表示手段１３’に表示できる。

【００２７】試料作製部１０２は、試料基板１２や摘出
試料の加工や観察をするFIB照射光学系２、このFIB照射
によって試料から放出する二次電子や二次イオンを検出
する二次粒子検出器３、FIB照射領域にデポジション膜
を形成するための元材料ガスを供給するデポガス源４、
半導体ウエハや半導体チップなどの試料基板１２を載置
する試料ステージ５、摘出試料を試料ホルダに移し変え
る移送手段８、試料基板１２を観察するための光学顕微
鏡９、この光学顕微鏡２６による像や二次粒子検出器３
による像を映す表示手段１３、試料作製部１０２全体を
制御する計算処理装置１７、試料ステージ５を設置する
試料室１８などを少なくとも備えた構成である。さらに
詳細を図４を用いて説明する。

【００２８】図４は、図１で示した構成部品に加えて、
試料基板１２の一部を摘出した微小な摘出試料を固定す
る試料ホルダ６、試料ホルダを保持する保持手段７（以
下、ホルダカセットともいう）、試料ステージ５の位置
を制御するためのステージ制御装置１０、移送手段８を
試料ステージ５と独立に駆動するための移送手段制御装
置１１、試料ホルダ６や試料基板１２や移送手段８など
をイオンビーム照射によって発生する２次電子または２
次イオンによって映像化する画像表示手段１３、FIB照
射光学系２のFIB制御装置１４なども構成され、この
他、デポガス源制御装置１５、二次粒子検出制御装置１
６、画像表示手段１３、移送手段制御装置１１などは計
算処理装置１７により制御される。

【００２９】FIB照射光学系２は、液体金属イオン源２
０から放出したイオンをビーム制限アパチャ２１、集束
レンズ２２、対物レンズ２３を通すことで10nm径程度か
ら１ミクロン径程度のFIB２４を形成する。FIB２４を偏
向器２５を用いて試料基板１２上を走査することで、走
査形状に試料基板１２にミクロンからサブミクロンレベ
ルの加工ができる。ここでの加工とは、スパッタリング
による凹部や、FIBアシストデポジションによる凸部、
もしくは、これらを組み合わせて試料基板の形状を換え
る操作を指す。FIB照射によって形成するデポジション
膜は、移送手段８の先端にある接触部と試料基板１２を
接続したり、摘出試料を試料ホルダに固定するために使
用する。また、FIB照射時に発生する二次電子や二次イ
オンを二次粒子検出器３で検出して画像化することで加
工領域などを観察することができる。

【００３０】試料ステージ５は試料室１８に設置され、
FIB照射光学系２なども真空容器内に配置されている。
試料ステージ５は、試料ホルダ６を搭載した保持手段
（試料ホルダカセット）７が着脱でき、ステ−ジ制御装
置１０によって、３次元（X,Y,Z）方向の移動及び傾
斜、回転が制御される。試料基板１２は必要に応じて試
料基板搬送路１９を用いて出入りする。

【００３１】試料ホルダ６は図５に示すような凸型断面
をした短冊状シリコン片２７である。この短冊状シリコ
ン片２７は、シリコンウエハからへき開やダイシングソ
ーを利用して形成した。本実施例で用いた試料ホルダの
大きさは長さ2.5mm、上部幅50ミクロン、下部幅200ミク
ロン、高さ0.5mm（シリコンウエハ厚）で、摘出試料の
固定面をシリコンウエハ面または劈開面とすることで、
摘出試料７０を固定面に固着してTEM観察しても固定面
の凹凸が電子線照射を阻害することはない。また、試料
ホルダ形状はここに示した寸法に限ることはないが、固
定面をウエハ面もしくはへき開面にすることと幅をでき
る限り薄くすることが、TEM観察しやすくするために必
要である。図５は摘出試料７０を一個の試料ホルダ６に
３個搭載した例である。一方、従来のTEM用の試料ホル
ダは図６（a）の単孔型や（b）のメッシュ型であり、単
孔型は中央に直径１mm程度の単孔７５が設けられた直径
３mm程度の薄厚金属円板７６であるが、本発明による試
料作製方法で得られる摘出試料７０のように１０〜２０
ミクロンと小さいと、摘出試料７０を単孔７５の側壁に
正確に取付けることが非常に難しい。また、メッシュ型
では薄肉金属円板７６にはメッシュ７７が貼られていて
試料の大きさに合わせた間隔のメッシュ７７を用いれば
取付け位置はある程度任意に選ぶことができるが、観察
したい領域が電子線経路がメッシュ７７の陰になりTEM
観察できなくなる危険性が非常に高かった。

【００３２】ホルダカセット（保持手段）７は試料ホル
ダ６を支える治具であり、試料ステージ５に搭載する。
試料ステージ５は、ウエハも載置できる汎用の大型ステ
ージや、デバイスチップが搭載できる程度の小型ステー
ジを指す。１個のホルダカセット７に搭載する試料ホル
ダ６の数は１個でも複数個でも良い。また、試料ステー
ジ５に設置できるホルダカセット７の数は１個でも複数
個でも良い。

【００３３】光学顕微鏡９には従来の光学式顕微鏡より
高分解能が期待できるレーザ走査顕微鏡を用いた。レー
ザ走査顕微鏡は発振器２８を出たレーザ光を対物レンズ
によって集束して試料に照射して、微小レーザスポット
で励起された焦点からの蛍光は、ダイクロイックミラー
を通過して、試料の焦点と共焦点の位置に設置したアパ
チャを通ってCCD２９に届いて試料の焦点からの蛍光の
みによって像が形成される。視野を一様に励起する方法
に比較して迷光は極めて少なく、焦点以外のからの蛍光
が仮に発生しても、上記アパチャに妨げられてCCD２９
には到達せずクリヤな像が得られる。試料基板１２とダ
イクロイックミラーの間に２枚のミラーを設置して、X,
Y方向に走査することで、試料表面像を得ることができ
表示手段１３に表示する。この光学顕微鏡９は、試料基
板１２に予め設置していたマーク（図示せず）座標と、
検査部１０１で得られた座標情報と、関係からなお、集
束イオンビーム装置にレーザー顕微鏡を備えた装置につ
いては、特開平９-１３４６９９号公報『集束イオンビ
ーム装置』（公知例３）に示されているが、試料基板１
２の特定領域部分を摘出する移送手段８の存在について
は一切記載されていない。

【００３４】移送手段８は試料基板が大口径のウエハで
あっても、その任意の箇所から素早くサンプリングする
ことを実現するために、移動速度が早くストロークが大
きい粗動部６０と、粗動部の移動分解能と同等のストロ
ークを有して高い移動分解能の微動部６１とで構成し、
移送手段全体を試料ステージと独立して設置して、サン
プリング位置の大きな移動は試料ステージ移動に分担さ
せた。粗動部のXYZ方向の駆動はモータやギヤ、圧電素
子などで構成して、数mm程度のストロークで、数ミクロ
ンの移動分解能を有している。微動部はできるだけコン
パクトであることや、精密移動することが要求されるた
めバイモルフ圧電素子を用いてサブミクロンの移動分解
能が得ている。図７は移送手段８の粗動部６０と微動部
６１の構成例である。粗動部６０は狭窄部６２を支点と
して支柱６３が３個のエンコーダ６４X、６４Z、６４Y
（図示せず）によってXYZ軸方向に移動できる。粗動部
６０の駆動系は試料室壁６６の横ポートを介して大気側
にあり、真空はベローズ６５によって遮断されている。
バイモルフ圧電素子６７の先端には直径５０ミクロン程
度の細く先鋭化したタングステン製のプローブ６８を連
結し、粗動部６０とは延長棒６９によって連結した。バ
イモルフ圧電素子６７に電圧を与えることで、プローブ
６８先端は微動する。このように移送手段８には、構
成、サイズ、設置位置を充分に考慮しなければず、本発
明による試料作製装置ではこれらすべてを解決してい
る。

【００３５】この移送手段８に類似した従来技術として
特開平５-５２７２１号公報『試料の分離方法及びこの
分離方法で得た分離試料の分析方法』（公知例２）があ
る。この従来技術によれば、分離試料を搬送する搬送手
段はバイモルフ圧電素子３個をXYZ軸に対応して構成し
ているが、その搬送手段の設置位置は不明で、唯一上記
公報の図３からステージ上に設置されていると読み取れ
る。このように、搬送手段が試料ステージに設置されて
いると、対象試料が例えば直径300mmのウエハの中心部
にある場合では、搬送手段先端の移動ストロークが、搬
送手段位置から試料の所望箇所までの距離に比べて遥か
に小さいため、試料ステージに設置された搬送手段では
届かないという致命的問題点を有することになる。さら
に、この３軸がバイモルフ圧電素子の構成では、バイモ
ルフ圧電素子は一端を支点にして他端がたわむ動きをす
るため、他端は印加電圧に従って円弧を描く。つまり、
XY平面内の移動では１個のバイモルフ圧電素子の動作の
みでは搬送手段先端のプローブが１軸方向に直線的に動
作しない。従って、３個のバイモルフ圧電素子で微動部
を構成してプローブ先端を所望の位置に移動させるため
には３個のバイモルフ圧電素子を非常に複雑に制御しな
ければならないという特性を有している。

【００３６】＜実施形態例２＞上記実施形態例１では、
ウエハ検査部１０１と試料作製部１０２を機械的に結合
させ、試料基板１２であるウエハを両装置間で搬走させ
る例を説明した。本実施形態例２は図８のようにウエハ
検査部１０１と試料作製部１０２が機械的に独立してい
て、不良箇所の座標情報が両者の計算処理装置１７、１
７’を往来する例である。試料基板であるウエハ１２は
小型で真空状態にできる搬送用容器１０７に封入して運
搬する。ウエハ検査部１０１での座標情報などは計算処
理装置１７’から情報伝達手段１１０を通じて試料作製
部１０２の計算処理装置１７に伝達できる。このような
構成により、ウエハ検査部１０１で検出したウエハ１２
の不良箇所は試料作製部１０２において、各種解析装置
で解析し易い形状に加工作製する。

【００３７】＜実施形態例３＞次に、本発明による試料
解析方法の一実施形態を説明する。ここでは、試料の例
としてTEM観察すべき試料片の作製方法を取り上げ、ウ
エハ観察から試料片加工、TEM観察までの試料解析方法
の具体的説明を行なう。また、手順を明確にするために
以下にいくつかの工程に分割して、図を用いて説明す
る。

【００３８】（１）外観検査工程：まず、検査すべきウ
エハの全面もしくはその一部について異常の有無を検査
する。検査内容は、光（レーザ）によるウエハ検査装置
や電子ビームによる検査SEMなどの外観検査や、プロー
ブ装置による電気回路検査などである。この検査によっ
て異物や欠陥、配線異常など不良箇所の位置を知ること
ができる。この時、ウエハに予め設置した目印（ウエハ
マーク）を基準にして上記不良箇所の該当デバイス座標
と、その該当デバイスに予め設置したマークを基準にし
た座標情報として計算処理装置に記憶する。

【００３９】（２）試料作製工程 (a)マーキング工程：上記ウエハを試料作製部に導入し
て、まず、先の該当デバイスの目印（デバイスマーク）
を探し出す。ここで、デバイスマークは試料作製部に設
置したレーザ顕微鏡で探す。さらに詳しい探索によって
上記不良箇所を探し出すが、このとき、FIB照射による
二次電子像によって探索すると、試料表面はFIBによっ
てスパッタされるため表面損傷を受け、最悪の場合、所
望の解析すべき不良物が無くなってしまうことが生じ
る。従って、ウエハ検査時のウエハマークとデバイスマ
ークと不良箇所の座標および、試料作製部内でのウエハ
マークとデバイスマークの座標をもとに、試料作製装置
内での不良箇所の座標を計算により導出した後、不良箇
所が確認できるように複数ヵ所にFIBによってマークを
つける。

【００４０】本例では図９aのように、観察領域を挟ん
で１０ミクロン間隔で＋マーク８０を２個施した。上記
２個のマークを結ぶ直線は試料ステージの傾斜軸と平行
になるように事前に、試料ステージを回転調整してお
く。

【００４１】(b)大矩形穴加工工程：上記２個のマーク
８０を結ぶ直線上で、２個のマークの両側にFIB８１に
よって２個の矩形穴８２を設けた。開口寸法は例えば１
０×７ミクロン、深さ１５ミクロン程度で、両矩形穴の
間隔を３０ミクロンとした。いずれも、短時間に完了さ
せるために直径０.１５ミクロン程度で電流約１０nAの
大電流FIBで加工した。加工時間はおよそ５分であっ
た。

【００４２】(c)垂直溝加工工程：次に、図９bのように
上記マーク８０を結ぶ直線より約２ミクロン隔てて、
かつ、一方の矩形穴８２と交わるように、他方の矩形穴
には交わらないように幅約２ミクロン、長さ約３０ミ
クロン、深さ約１０ミクロンの細長垂直溝８３を形成す
る。ビームの走査方向は、FIBが試料を照射した時に発
生するスパッタ粒子が形成した垂直溝や大矩形穴を埋め
ることがないようにする。一方の矩形穴８２と交わらな
い小さな領域は、後に摘出すべき試料を支える支持部８
４になる。

【００４３】(d)傾斜溝加工工程：上記(b)(c)工程の
後、試料面を小さく傾斜（本実施例では２０°）させ
る。ここで、上記２個のマーク８０を結ぶ直線は試料ス
テージの傾斜軸に平行に設定している。そこで、図９c
のように上記マーク８０を結ぶ直線より約２ミクロン
隔てて、かつ、上記細長垂直溝８３とは反対側に、上記
両矩形穴８２を結ぶように、幅約２ミクロン、長さ約
３２ミクロン、深さ約１５ミクロンの溝を形成する。F
IB照射によるスパッタ粒子が形成した矩形穴８２を埋め
ることがないようにする。試料基板面に対して斜めから
入射したFIB８１によって細長傾斜溝８５が形成され、
先に形成した細長垂直溝８３と交わる。(b)から(d)の工
程によって、支持部８４を残してマーク８０を含み、頂
角が７０°の直角三角形断面のクサビ型摘出試料が片持
ち梁の状態で保持されている状態になる。

【００４４】(e)プローブ固定用デポ工程：次に、図９d
のように試料ステージを水平に戻し、摘出すべき試料８
６の支持部８４とは反対の端部に移送手段先端のプロー
ブ８７を接触させる。接触は試料とプローブとの導通や
両者間の容量変化によって感知することができる。ま
た、不注意なプローブ８７の押し付けによって、摘出す
べき試料８６やプローブ８７の破損を避けるために、プ
ローブが試料に接触した時点で＋Z方向駆動を停止させ
る機能を有している。次に、摘出すべき試料８６にプロ
ーブ８８を固定するために、プローブ先端を含む約2ミ
クロン平方の領域に、デポジション用ガスを流出させつ
つFIBを走査させる。このようにしてFIB照射領域にデポ
膜８８が形成され、プローブ８７と摘出すべき試料８６
とは接続される。

【００４５】(f)摘出試料摘出工程：摘出試料を試料基
板から摘出するために、支持部８４にFIB照射してスパ
ッタ加工することで、支持状態から開放される。支持部
８４は試料面上から見て２ミクロン平方、深さ約１０ミ
クロンであるため２〜３分のFIB走査で除去できる。
（図９e, f） (g)摘出試料搬送（試料ステージ移動）工程：プローブ
８７の先端に接続されて摘出した摘出試料８９は試料ホ
ルダに移動させるが、実際には試料ステージを移動さ
せ、FIB走査領域内に試料ホルダ９０を移動させる。こ
のとき、不意の事故を避けるために、プローブを＋Z方
向に退避させておくとよい。ここで、試料ホルダ９０の
設置状態は後述するように種々の形態があるが、本例で
は、サイドエントリ型のTEMステージ上に設置している
ことを想定している。（図９g） (h)摘出試料固定工程：FIB走査領域内に試料ホルダ９０
が入ってくると試料ステージ移動を停止し、プローブを
ーZ方向に移動させ、試料ホルダ９０に接近させる。摘
出試料８９が試料ホルダ９０に接触した時、デポガスを
導入しつつ摘出試料８９と試料ホルダ９０と接触部にFI
Bを照射する。この操作によって摘出試料は試料ホルダ
に接続できる。本実施例では摘出試料８９の長手方向の
端面にデポ膜９２を形成した。FIB照射領域は３ミクロ
ン平方程度で、デポ膜９２の一部は試料ホルダ９０に、
一部は摘出試料側面に付着し、両者が接続される。（図
９h ） (i)プローブ切断工程：次に、デポ用のガスを導入を停
止した後、プローブ８７と摘出試料８９を接続している
デポ膜にFIB８１を照射してスパッタ除去することで、
プローブ８７を摘出試料８９から分離でき、摘出試料８
９は試料ホルダ９０に自立する。（図９i） (j)試料片加工工程（ウオール加工）：最後に、FIB照射
して、最終的に観察領域を厚さが１００nm以下程度のウ
ォール９３になるように薄く仕上げ加工を施してTEM試
料とする。このとき、摘出試料の長手方向の側面の一方
が垂直面であるため、ウォール加工のためにFIB照射領
域を決定する際、この垂直面を基準にすることで試料基
板８９表面にほぼ垂直なウォール９３を形成することが
できる。また、FIB照射に先立ち、ウォール面をより平
面的に加工するために、ウォール形成領域を含む上面に
FIBデポ膜を形成しておくとよい。この方法は既によく
知られている。上述の加工の結果、横幅約１５ミクロ
ン、深さ約１０ミクロンのウォールが形成でき、TEM観
察領域ができあがる。以上、マーキングからウォール加
工完成まで、約１時間３０分で、従来のTEM試料作製方
法に比べて数分の１に時間短縮できた。（図j）（３）解析工程（TEM観察）：ウォール加工後、サイド
エントリ型TEMステージを引き抜き、TEMの試料室に導入
する。このとき、電子線経路と、ウォール面が垂直に交
わるようにTEMステージを回転させて挿入する。その後
のTEM観察技術についてはよく知られているので、ここ
では省略する。

【００４６】なお、上記試料解析方法のうち試料作製工
程に類似した従来技術として公知例２がある。本試料作
製工程が従来方法と全く異なることを示すために従来方
法を図１０で説明する。まず、試料５０の表面に対しFI
B２４が直角に照射するように試料５０の姿勢を保ち、
試料上でFIB２４を矩形に走査させ、試料表面に所要の
深さの角穴５１を形成する（図１０(a)）。次に、試料
表面に対するFIBの軸が約70°傾斜するように試料を傾
斜させ、底穴５２を形成する。試料の傾斜角の変更は、
試料ステージ（図示せず）によって行われる（図１０
(b)）。試料の姿勢を変更し、試料の表面がFIBに対して
再び垂直になるように試料を設置し、切り欠き溝５３を
形成する（図１０(c)）。マニピュレータ（図示せず）
を駆動し、マニピュレータ先端のプローブ５４の先端
を、試料５０を分離する部分に接触させる（図１０
(d)）。ガスノズル５５から堆積性ガス５６を供給し、
FIBをプローブの先端部を含む領域に局所的に照射し、
イオンビームアシストデポジション膜（以下、デポ膜５
７と略す）を形成する。接触状態にある試料の分離部分
とプローブ４４の先端はデポ膜４６で接続される（図１
０(e)）。 FIB２４で残りの部分を切り欠き加工し（図
１０(f)）、試料５０から分離試料５８を切り出す。切
り出された分離試料５８は、接続されたプローブ５４で
支持された状態になる（図１０(g)）。この分離試料５
８を、上記第２の従来手法と同様にFIBで加工し、観察
しようとする領域をウォール加工するとTEM試料（図示
せず）となる。

【００４７】試料基板から微小試料を摘出するために
は、微小試料を基板から分離することが必須で、摘出試
料の底面となる面と基板との分離工程（以下、底浚いと
呼ぶ）が伴う。公知例２に示されたFIBによる底浚い法
では、基板表面に対し斜方向からFIBを入射させて加工
するため、摘出した試料片の底面には、底浚い時のイオ
ンビーム入射角と加工アスペクト比からなる傾斜が付
く。また、図１０bに示した斜めからのFIB照射を実現す
るための角穴５１が非常に大きくなければならない。こ
れは角穴５１の形成時に多大の時間を要することを示し
ている。また、この公知例では斜めFIB照射するために
試料を約７０°も大きく傾斜させている。FIBの集束性
から要求される対物レンズと試料との間隔を考慮する
と、このような大傾斜はFIB性能を悪化させてしまい、
満足な加工が出来ないと予想される。通常用いられてい
るFIB装置性能を維持するには６０°程度が限度であ
る。また、直径300mmなど大口径ウエハ用試料ステージ
を７０°も大きく傾斜させることは、機械的に非常に困
難である。たとえ７０°の大傾斜が可能としても摘出試
料の底面は７０°の傾斜を持ち、水平面の試料ホルダに
設置すると、本来の試料表面は試料ホルダ面に対して２
０°も傾斜しており、表面に対してほぼ垂直な断面やウ
ォ−ルを形成することが困難となる。試料基板の表面に
対しほぼ垂直な断面やウォールを形成するためには、底
面の傾斜を小さくして底面を表面に平行に近くすること
が必須で、そのためには試料傾斜をさらに大きくしなけ
ればならず、これは上述の装置上の制約からさらに困難
になる。従って、本発明が目指すような摘出した試料を
別の部材（試料ホルダ）に設置して、他の観察装置や分
析装置に導入するためには、垂直断面が形成できる別の
底浚い方法を検討しなければならない。（但し、公知例
２では分離した試料は試料ホルダの類に設置することな
く、搬送手段のプロ−ブに付けたまま観察する方法であ
るため、底面の形状は影響しない。）このように、本発明による試料作製工程と公知例２によ
る試料分離方法と大きく異なる点は、(１)試料の摘出
（分離）に際してのビーム照射方法が全く異なり、摘出
試料をなるべく薄くするためと、底面の分離を簡便に、
また、試料ステージの傾斜をなるべく小さくするために
長手方向（TEM観察面に平行方向）の側面を傾斜加工し
たこと、(２)摘出した試料は移送手段とは別の部材であ
る試料ホルダに固定することにあり、ウエハからも試料
片が摘出できる試料作製装置と試料作製方法を提供して
いる。

【００４８】＜実施形態例４＞上記実施形態例の試料解
析工程はTEM解析に限らず、他の観察手法、分析手法や
観察手法に用いることも可能である。

【００４９】例えば、解析装置がインレンズ型の高分解
能SEMである場合にも適用できる。インレンズ型SEMは観
察試料を対物レンズ内に入れる方式で、分解能がアウト
レンズに比べて非常に良いため表面観察の強力なツール
であるが、試料をレンズ内に入れる都合上、数ミリ程度
に小さくしなければならない。従って、ウエハ検査装置
などで不良箇所を発見し、その部分をさらに詳しく観察
しようとしてもウエハのままではインレンズ型の走査電
子顕微鏡内に導入することはできず、ウエハを分断して
細分化せざるを得なかった。本発明による試料解析方法
によると、ウエハから所望の領域の試料片を摘出するこ
とができるため、インレンズ型SEMで高分解能観察をす
ることができる。観察領域はウエハ表面ばかりでなく、
摘出する際に形成できる断面も観察できるため、試料片
摘出時のFIB照射方向を適切に行なえば、不良箇所の断
面も観察することができる。このような方法によって、
座標の問題、試料作製の問題、ウエハ分割の問題を解決
して試料解析を行なうことができる。また、その他、オ
ージェ電子分光分析や二次イオン質量分析など元素分析
を行なう試料解析についても同様に行なえる。

【００５０】

【発明の効果】本発明による試料解析方法および装置を
用いることで、所望の箇所をマークしたその場で、ウエ
ハを細分化することなく、また、ウエハから人の手作業
を介することなくTEM観察始めその他の分析、計測、観
察のための試料を作製することでき、解析結果を得るま
での時間を短縮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による試料解析装置の一実施形態を示す
構成ブロック図。

【図２】従来のTEM試料の作製手順を説明するための
図。

【図３】従来のTEM試料の別の作製手順を説明するため
の図。

【図４】本発明による試料解析装置のうち試料作製部の
一実施形態を説明するための構成ブロック図。

【図５】本発明による試料解析装置の実施形態で特に試
料ホルダを説明するための図。

【図６】従来のTEMホルダを説明するための図。

【図７】本発明による試料解析装置の実施形態における
試料作製部のうち、特に移送手段の一実施形態を説明す
るための図。

【図８】本発明による試料解析装置の別の実施形態を示
す構成ブロック図。

【図９】本発明による試料解析方法における試料作製工
程について説明するための図。

【図１０】従来のTEM用試料ホルダーについて説明する
ための図である。

【符号の説明】

２…FIB照射光学系、３…二次粒子検出器、４…デポガ
ス源、５…試料ステージ、６…試料ホルダ、７…保持手
段（ホルダカセット）、８…移送手段、９…光学顕微
鏡、１００…試料解析装置、１０１…ウエハ検査部、１
０２…試料作製部、１０３…電子ビーム照射系、１０４
…二次電子検出器、１０５…試料ステージ、１０７…搬
送用容器、１１０…情報伝達手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】目的とする試料片を観察、分析、計測のう
ちの少なくともいずれかによって調べる試料解析方法で
あって、試料基板を検査手段によって検出した異物や欠
陥など所望箇所の座標情報を記憶する工程と、上記所望
箇所の座標情報を基にして上記試料基板から上記所望箇
所を含む試料片を集束イオンビームによる加工を利用し
て摘出して、上記摘出した上記試料片を分析装置または
観察装置または計測装置のうちの少なくともいずれかに
対応する試料ホルダに固定し、上記試料ホルダに固定し
た上記試料片を分析または観察または計測のうちの少な
くともいずれかに適する形状に加工する工程と、上記試
料片を固定した上記試料ホルダを分析装置または観察装
置または計測装置のうちの少なくともいずれかに導入し
て上記所望箇所の解析を行なう工程とからなることを特
徴とする試料解析方法。
【請求項２】請求項１記載の試料解析方法において、特
に、上記検査手段が光学式ウエハ検査装置、ウエハ検査
用走査電子顕微鏡、レーザ走査顕微鏡、光学式顕微鏡の
うちの少なくともいずれかを用いることを特徴とする試
料解析方法。
【請求項３】請求項１または２記載の試料解析方法にお
いて、特に、上記試料片を集束イオンビームによる加工
を利用して摘出する工程の前に、光学顕微鏡による位置
合わせ工程をともなうことを特徴とする試料解析方法。
【請求項４】請求項１から３のいずれかに記載の試料解
析方法において、特に、上記試料片を集束イオンビーム
による加工を利用して摘出する工程の前に、上記集束イ
オンビームによって上記所望箇所近傍に上記所望箇所が
確認できる目印を付す工程をともなうことを特徴とする
試料解析方法。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の試料解
析方法において、さらに、上記試料ホルダに固定した上
記試料片に対してさらに集束イオンビーム照射による薄
壁加工を施して透過型電子顕微鏡観察用の試料に仕上げ
る工程を含むことを特徴とする試料解析方法。
【請求項６】ウエハを検査して異物や欠陥など所望箇所
の座標情報を記憶するウエハ検査部と、上記所望箇所の
座標情報を基にして上記試料基板に対して集束イオンビ
ームを利用して上記所望箇所を含む試料片を摘出して分
析または観察または計測のうちの少なくともいずれかに
適する試料ホルダに固定して加工する試料作製部とから
構成して、上記ウエハ検査部と試料作製部とは上記ウエハを移動す
るための真空搬送路によって連結した構造であることを
特徴とする試料解析装置。
【請求項７】ウエハを検査して異物や欠陥など所望箇所
の座標情報を記憶するウエハ検査部と、上記所望箇所の座標情報を基にして上記試料基板に対し
て集束イオンビームを利用して上記所望箇所を含む試料
片を摘出して分析装置または観察装置または計測装置の
うちの少なくともいずれかに適する試料ホルダに固定し
て、分析装置または観察装置または計測装置のうちの少
なくともいずれかに適する形状の試料片に加工する試料
作製部と、上記試料片の解析を行なう分析装置または観察装置また
は計測装置のうちの少なくともいずれかの解析部とを少
なくとも有して、上記ウエハ検査部と試料作製部、解析部とは上記ウエハ
を移動するための真空搬送路によって連結した構造であ
ることを特徴とする試料解析装置。
【請求項８】ウエハを検査して異物や欠陥など所望箇所
の座標情報を記憶するウエハ検査部と、上記所望箇所の座標情報を基にして上記試料基板に対し
て集束イオンビームを利用して上記所望箇所を含む試料
片を摘出して分析装置または観察装置または計測装置の
うちの少なくともいずれかに適する試料ホルダに固定し
て、分析装置または観察装置または計測装置のうちの少
なくともいずれかに適する形状の試料片に加工する試料
作製部と、上記試料片の解析を行なう分析装置または観察装置また
は計測装置のうちの少なくともいずれかの解析部とが機
械的に独立して構成され、少なくとも上記ウエハ検査部での上記所望箇所の座標情
報を上記試料作製部と上記解析部に伝達する情報伝達手
段によって連結した構造であることを特徴とする試料解
析装置。
【請求項９】請求項８記載の試料解析装置において、さ
らに、上記ウエハ検査部と上記試料作製部と上記解析部の間
は、上記ウエハおよび上記試料ホルダもしくは上記試料
ホルダを搭載した治具を真空容器によって搬送する構造
であることを特徴とする試料解析装置。
【請求項１０】請求項６から９のいずれかに記載の試料
解析装置において、特に、上記検査装置が光学式ウエハ
検査装置、ウエハ検査用走査電子顕微鏡、レーザ走査顕
微鏡、光学式顕微鏡のうちのいずれかであることを特徴
とする試料解析装置。
【請求項１１】請求項６から９のいずれかに記載の試料
解析装置において、上記解析部における観察装置が、特
に、インレンズ型走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡
のうちのいずれかであることを特徴とする試料解析装
置。