KR102183078B1

KR102183078B1 - 하전 입자 빔 장치

Info

Publication number: KR102183078B1
Application number: KR1020140114182A
Authority: KR
Inventors: 진 만; 다츠야 아사하타; 아츠시 우에모토
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2020-11-25
Also published as: TWI638988B; JP2015050069A; KR20150026971A; US9318303B2; TW201514463A; US20150060695A1; JP6382495B2

Abstract

[과제] 시료의 표면에 있어서의 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능한 하전 입자 빔 장치를 제공하는 것이다.
[해결 수단] 제1 조사축을 가지는 전자 빔을 시료에 조사하는 전자 빔 조사부와, 상기 시료를 유지 가능하고, 상기 제1 조사축에 대해 직교하는 방향으로 회전축을 가지는 회전 스테이지와, 상기 회전축에 평행인 제2 조사축을 가지는 이온 빔을 상기 시료에 조사하는 이온 빔 조사부와, 상기 이온 빔 및 상기 전자 빔의 조사에 의해 상기 시료를 통해 발생하는 하전 입자 및 광 중 적어도 한쪽을 검출하는 검출부와, 상기 시료에 기체 이온 빔을 조사하는 기체 이온 빔 조사부를 구비한다.

Description

하전 입자 빔 장치{CHARGED PARTICLE BEAM APPARATUS}

본 발명은, 하전 입자 빔 장치에 관한 것이다.

원자 탐침 분석법은, 금속이나 반도체 등의 시료 표면으로부터 이온을 전계 증발시켜, 이 이온이 소정의 질량 분석기에 입사할 때까지의 시간 및 입사시의 전압을 측정함으로써 이온을 동정하는 분석법이다. 원자 탐침 분석법에서는, 시료 표면의 개개의 원자를 직접 관찰할 수 있음과 더불어, 시료 표면의 원자층을 1층씩 관찰하여, 조성을 동정할 수 있다.

한편, 원자 탐침 분석법에 의한 분석에서는, 선단의 직경이 100nm 정도의 바늘형상 시료를 제작하는 것이 요구되고 있다. 이로 인해, 종래부터 다양한 수법에 의해 바늘형상 시료의 측정이 행해져 왔다. 근래에는, 집속 이온 빔(FIB：Focused Ion Beam)을 이용하여 박막으로부터 바늘형상 시료를 작성하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

또한, 근래에는, 집속 이온 빔과 전자 빔을 시료에 대해 직교하여 조사시키고, 집속 이온 빔에 의해 시료를 바늘형상으로 가공하면서, 전자 빔의 조사에 의해 발생한 이차 전자를 검출함으로써, 실시간으로 시료를 관찰하면서 시료를 바늘형상으로 가공할 수 있는 기술이 알려져 있다. 이 경우, 이온원으로서, 예를 들어 액체 금속 이온원이 이용되어 왔다.

일본국 특허 공개 2009-294235호 공보

그러나, 상기 구성에 있어서는, 이온 빔의 조사에 의해, 시료의 선단부의 표면에 이온이 주입되고, 이 주입 이온에 의해 데미지층이 형성되어 버린다고 하는 문제가 있다.

이상과 같은 사정을 감안하여, 본 발명은, 시료의 표면에 있어서의 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능한 하전 입자 빔 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 하전 입자 빔 장치는, 제1 조사축을 가지는 전자 빔을 시료에 조사하는 전자 빔 조사부와, 상기 시료를 유지 가능하고, 상기 제1 조사축에 대해 직교하는 방향으로 회전축을 가지는 회전 스테이지와, 상기 회전축에 평행인 제2 조사축을 가지는 이온 빔을 상기 시료에 조사하는 이온 빔 조사부와, 상기 이온 빔 및 상기 전자 빔의 조사에 의해 상기 시료를 통해 발생하는 하전 입자 및 광 중 적어도 한쪽을 검출하는 검출부와, 상기 시료에 기체 이온 빔을 조사하는 기체 이온 빔 조사부를 구비한다.

본 발명에 의하면, 기체 이온 빔 조사부를 이용하여 시료에 기체 이온 빔을 조사함으로써, 이온 빔의 조사에 의해 시료의 표면에 주입된 주입 이온을 제거할 수 있다. 게다가, 본 발명에서는, 회전 스테이지에 의해 시료를 회전시킬 수 있기 때문에, 시료의 전체면에 걸쳐 주입 이온의 제거를 행할 수 있다. 이에 의해, 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능해진다.

상기의 하전 입자 빔 장치는, 상기 회전 스테이지를 소정 각도 회동시키는 회동 동작과, 상기 기체 이온 빔 조사부로부터 상기 기체 이온 빔을 조사시키는 조사 동작을 교호로 행하게 하는 제어부를 더 구비한다.

본 발명에 의하면, 회전 스테이지를 소정 각도 회동시키는 회동 동작과, 기체 이온 빔 조사부로부터 기체 이온 빔을 조사시키는 조사 동작을 교호로 행함으로써, 효율적으로 시료로부터 주입 이온을 제거할 수 있다.

상기의 하전 입자 빔 장치에 있어서, 상기 검출부는, X선 또는, 상기 하전 입자로서, 상기 시료로부터 발생하는 이차 전자, 이차 이온, 후방 산란 전자, 상기 시료를 투과하는 투과 전자 중 적어도 하나를 검출할 수 있다.

본 발명에 의하면, 검출부가, 하전 입자로서 다양한 종류의 하전 입자를 검출하는 것이 가능하기 때문에, 시료의 다면적인 관찰이 가능해진다.

상기의 하전 입자 빔 장치에 있어서, 상기 시료로서, 예를 들어, 반도체 재료가 이용된다.

반도체 재료를 포함하는 시료는, 이온 빔의 조사에 의한 이온 주입의 영향을 받기 쉬운 것이 알려져 있다. 본 발명에 의하면, 반도체 재료를 포함하는 시료의 표면에 있어서, 주입 이온에 의한 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능해지기 때문에, 고품질의 시료를 제작할 수 있다.

상기의 하전 입자 빔 장치에 있어서, 상기 이온 빔 조사부의 이온원으로서, 액체 갈륨 이온원이 이용되고, 상기 반도체 재료는, 예를 들어, Si를 포함한다.

본 발명에 의하면, 이온 빔 조사부의 이온원으로서, 액체 갈륨 이온원이 이용되기 때문에, Si를 포함하는 시료에 Ga이온이 주입되게 된다. 이 경우, Ga이온의 데미지층에 의해, 반도체 시료의 특성이 변화하는 경우가 있다. 본 발명에 의하면, 주입된 Ga이온을 제거하는 것이 가능해지기 때문에, 반도체 시료로의 영향을 저감시킬 수 있다.

상기의 하전 입자 빔 장치에 있어서, 상기 시료는, 선단부가 바늘형상으로 형성되어 있다.

본 발명에 의하면, 선단부가 바늘형상으로 형성된 시료여도, 기체 이온 빔을 조사함으로써, 주입 이온을 제거할 수 있다. 이에 의해, 선단부에 있어서의 데미지층의 형성이 억제된다.

상기의 하전 입자 빔 장치에 있어서, 상기 시료는, 원자 탐침 분석에 이용된다.

본 발명에 의하면, 선단부가 바늘형상으로 형성된 시료여도, 선단부에 있어서의 데미지층의 형성이 억제되기 때문에, 원자 탐침 분석에 이용되는, 선단의 직경이 100nm 정도의 바늘형상 시료여도 용이하게 제작할 수 있다.

본 발명에 의하면, 회전 스테이지에 의해 시료를 회전시키고, 시료의 전체면에 걸쳐 주입 이온의 제거를 행할 수 있기 때문에, 시료의 표면에 있어서의 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 실시 형태에 따른 하전 입자 빔 장치(100)의 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 하전 입자 빔 장치(100)의 개략 단면도.
도 3은 이온 빔 조사부(10)에 의해 선단부(Sa)를 가공하는 모습을 도시하는 도.
도 4는 시료(S)의 선단부(Sa)에 있어서의 원자 맵이며, (a)는 전체 원자에 대해 도시하는 도, (b)는 실리콘 원자에 대해 도시하는 도, (c)는 갈륨 원자에 대해 도시하는 도.
도 5는 기체 이온 빔 조사부(15)에 의해 선단부(Sa)의 최종 마무리를 행하는 모습을 도시하는 도.
도 6은 시료(S)의 선단부(Sa)에 있어서의 원자 맵이며, (a)는 전체 원자에 대해 도시하는 도, (b)는 실리콘 원자에 대해 도시하는 도, (c)는 갈륨 원자에 대해 도시하는 도.

이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

도 1은, 본 실시 형태에 따른 하전 입자 빔 장치(100)의 구성을 도시하는 모식도이다.

도 1에 도시하는 하전 입자 빔 장치(100)는, 원자 탐침 분석법에 이용되는 바늘형상의 시료(S)를 제작한다. 시료(S)의 구성 재료로서는, 예를 들어 금속이나 반도체 등을 들 수 있다. 시료(S)는, 하전 입자 빔 장치(100)에 의해, 선단부(Sa)의 직경이 100nm 정도가 되도록 첨예화된다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 하전 입자 빔 장치(100)는, 집속 이온 빔(FB)을 조사하는 이온 빔 조사부(10)와, 전자 빔(EB)을 조사하는 전자 빔 조사부(20)와, 이차 하전 입자 검출부(30)와, EBSD 검출부(40)와, EDS 검출부(50)와, STEM 검출부(60)와, 시료(S)를 유지하는 시료 스테이지(ST)와, 진공 챔버(CB)와, 제어부(CR)와, 표시부(DP)를 가지고 있다.

하전 입자 빔 장치(100) 중, 이온 빔 조사부(10), 기체 이온 빔 조사부(15), 전자 빔 조사부(20), 이차 하전 입자 검출부(30), EBSD 검출부(40), EDS 검출부(50), STEM 검출부(60) 및 시료 스테이지(ST)에 대해서는, 일부 또는 전부가 진공 챔버(CB)의 내부에 배치되어 있다. 진공 챔버(CB)에는, 도시 생략한 진공 펌프가 설치되어 있어, 내부(CBa)를 고진공 분위기까지 배기 가능하다.

도 2는, 하전 입자 빔 장치(100)의 개략 단면도이다. 도 2는, 이온 빔 조사부(10), 전자 빔 조사부(20) 및 진공 챔버(CB)에 대한 단면 구성만을 도시하고 있고, 다른 구성에 대해서는 모식적으로 도시하고 있다. 또한, 도 2에서는 XYZ 좌표계를 이용하여 도 중의 방향을 설명한다. 이 XYZ 좌표계에 있어서는, 이온 빔 조사부(10)로부터 조사되는 집속 이온 빔(FB)의 조사 방향을 X방향으로 하고, 전자 빔 조사부(20)로부터 조사되는 전자 빔(EB)의 조사 방향을 Y방향으로 하며, X방향 및 Y방향에 직교하는 방향을 Z방향으로 하고 있다. X방향, Y방향 및 Z방향의 각각은, 도 중의 화살표의 방향이 ＋방향이며, 화살표의 방향과는 반대의 방향이 ―방향인 것으로서 설명한다. 또, X축 회전의 방향에 대해서는 θX방향으로 표기한다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 이온 빔 조사부(10)는, 이온 빔 경통(11)과, 이온 빔 발생원(12)과, 이온 빔 광학계(13)를 구비하고 있다. 이온 빔 경통(11)은, 원통형상으로 형성되어 있고, 중심축이 X방향에 평행하게 배치되어 있다. 이온 빔 발생원(12)으로서는, 예를 들어 액체 갈륨 이온원 등을 이용할 수 있다. 이온 빔 발생원(12) 및 이온 빔 광학계(13)는, 이온 빔 경통(11)의 내부에 배치되어 있다. 이온 빔 조사부(10)는, 이온 빔 발생원(12)에서 발생시킨 이온의 빔을 이온 빔 광학계(13)로 가늘게 좁혀 집속 이온 빔(FB)으로 하고, 상기 집속 이온 빔(FB)을 이온 빔 경통(11)의 ＋X측 단부에 배치된 사출구(11a)로부터 ＋X방향으로 사출하는 구성이다. 이와 같이, 이온 빔 조사부(10)로부터 조사된 집속 이온 빔(FB)의 조사축은, X축에 평행하다.

기체 이온 빔 조사부(15)는, 예를 들어 아르곤 이온 빔 등의 기체 이온 빔(GB)을 조사한다. 기체 이온 빔 조사부(15)에 의한 기체 이온 빔(GB)의 조사 각도는 특별히 한정되지 않는다. 기체 이온 빔(GB)은, 집속 이온 빔(FB)에 비해 집속성이 낮기 때문에, 시료 표면에 있어서의 에칭 레이트도 낮아져 있다.

전자 빔 조사부(20)는, 전자 빔 경통(21)과, 전자 빔 발생원(22)과, 전자 빔 광학계(23)를 구비하고 있다. 전자 빔 경통(21)은, 원통형상으로 형성되어 있고, 중심축이 Y방향에 평행하게 배치되어 있다. 전자 빔 발생원(22) 및 전자 빔 광학계(23)는, 경통(21)의 내부에 배치되어 있다. 전자 빔 조사부(20)는, 전자 빔 발생원(22)에서 발생시킨 전자의 빔을 전자 빔 광학계(23)로 가늘게 좁혀 전자 빔(EB)으로 하고, 상기 전자 빔(EB)을 전자 빔 경통(21)의 ＋Y측 단부에 배치된 사출구(21a)로부터 ＋Y방향으로 사출하는 구성이다. 이와 같이, 전자 빔 조사부(20)로부터 조사된 전자 빔(EB)의 조사축은, Y축에 평행하다. 또, 상기와 같이, 전자 빔(EB)의 조사축은, 집속 이온 빔(FB)의 조사축과 직교하고 있다. 또한, 전자 빔 경통(21)의 내부에는, 시료(S)의 선단부(Sa)에서 발생하여 상기 전자 빔 경통(21)의 내부에 도달한 반사 전자(Er)를 검출하는 이차 전자 검출부(24)가 설치되어 있다.

이와 같이, 이온 빔 조사부(10) 및 전자 빔 조사부(20)는, 집속 이온 빔(FB) 및 전자 빔(EB)이 직교하는 방향으로 조사되도록 배치되어 있다. 시료 스테이지(ST)는, 집속 이온 빔(FB) 및 전자 빔(EB)의 교차하는 위치 또는 그 근방에 시료(S)의 선단부(Sa)가 배치되도록 시료(S)를 유지하고 있다.

본 실시 형태에서는, 시료 스테이지(ST)는, 시료(S)의 선단부(Sa)가 ―X방향을 향하도록 시료(S)를 유지하고 있다. 이로 인해, 집속 이온 빔(FB)은, 시료(S)의 선단측으로부터 선단부(Sa)에 조사되도록 되어 있다. 또, 전자 빔(EB)은, 집속 이온 빔(FB)에 직교하는 방향으로 조사되기 때문에, 집속 이온 빔(FB)이 조사되는 선단부(Sa)에 대해 전자 빔(EB)을 조사할 수 있다. 이로 인해, 집속 이온 빔(FB)에 의한 가공 중의 선단부(Sa)를 관찰하는 것이 가능하게 된다. 또한, 시료 스테이지(ST)는, X축에 평행인 회전축(AX)을 중심으로 하여 회전 가능하게 설치되어 있다.

이온 빔 조사부(10)는, 시료(S)의 선단부(Sa)에 대해, 집속 이온 빔(FB)의 조사 위치를 이동시킬 수 있도록 되어 있다.

시료(S)의 선단부(Sa)에 집속 이온 빔(FB)이나 전자 빔(EB)이 조사되면, 선단부(Sa)로부터는 이차 전자(Es)나 후방 산란 전자(Ed), 이차 이온 등의 하전 입자가 발생한다. 또, 선단부(Sa)로부터 X선(R)이 방출된다. 한편, 선단부(Sa)를 투과하는 투과 전자(Et)도 발생한다.

이차 하전 입자 검출부(30)는, 시료(S)의 선단부(Sa)에서 발생한 이차 전자(Es)나 이차 이온을 검출한다. 이차 하전 입자 검출부(30)는, 이차 전자(Es) 중 이차 전자 검출부(24)와는 상이한 각도의 전자를 검출한다. 이차 하전 입자 검출부(30)에 의한 검출 결과를 이용함으로써, 선단부(Sa)의 요철 형상 등을 관찰할 수 있다.

EBSD 검출부(40)는, 시료(S)의 선단부(Sa)에서 발생한 회절 전자(Ed)를 검출한다. EBSD 검출부(40)는, 전자선 후방 산란 회절법의 원리에 의거한 검출을 행한다. 전자선 후방 산란 회절법은, 전자 빔(EB)의 조사에 의해 발생한 회절 전자의 회절 패턴을 해석하는 수법이다. 결정성을 가지는 시료에 대해 전자 빔을 조사하면, 상기와 같이 회절 전자가 발생한다. 이 회절 전자는, 시료의 결정 격자면에 의해 회절된다. 회절된 회절 전자는, 소정의 면 상에 띠형상의 회절 패턴을 형성한다. 이 회절 패턴을 검출함으로써, 결정 구조나 결정 방위를 구할 수 있다.

EBSD 검출부(40)는, 회절 패턴이 형성되기 위한 검출면(40a)을 가지고 있다. EBSD 검출부(40)는, 검출면(40a)에 형성된 회절 전자의 회절 패턴을 검출 가능하다. 검출면(40a)은, 평면형상으로 형성되어 있고, ―Z측을 향하고 있다. 검출면(40a)은, Z방향시(視)로 원형이다. 검출면(40a)은, 시료(S)의 선단부(Sa)로부터 볼 때 ＋Z방향 상에 배치되어 있다.

EDS 검출부(50)는, 시료(S)의 선단부(Sa)에서 발생한 X선(R)을 검출한다. X선(R)은, 원소마다 상이한 특성 X선이다. EDS 검출부(50)에서는, 이러한 특성 X선을 검출 가능하기 때문에, 선단부(Sa)에 포함되는 원소를 검출 가능하게 된다. 또한, EDS 검출부(50)는, 검출 결과의 방위 의존성이 낮기 때문에, 검출면이 시료(S)측을 향하고 있으면 된다. EDS 검출부(50)를 이용함으로써, 선단부(Sa) 중 조성이 상이한 계면을 가공하는 경우에 있어서의 가공의 모습을 관찰할 수 있다.

STEM 검출부(60)는, 시료(S)의 선단부(Sa)를 투과한 투과 전자(Et)를 검출한다. STEM검출부(60)에서는, 선단부(Sa)의 결정 상태나 조성 정보 등을 검출 가능하다. 또, 제어부(CR)에서는, STEM 검출부(60)의 검출 결과에 의거하여, 선단부(Sa)의 삼차원의 정보를 얻는 것이 가능하다. 선단부(Sa)가 충분히 가공되어 있지 않은 단계에서는, 선단부(Sa)의 반경이 크기 때문에, 투과 전자(Et)가 적어, 검출 정밀도는 그다지 높아지지 않는다. 한편, 선단부(Sa)의 가공이 진행되면, 선단부(Sa)의 반경이 작아지기(100nm에 가까워지기) 때문에, 투과 전자(Et)가 많아져, 검출 정밀도가 높아진다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 선단부(Sa)의 가공의 도중 이후(예를 들어, 최종 단계)에서 적절하게 이용된다.

제어부(CR)는, 상기 서술한 각 구성부를 종합적으로 제어하고 있음과 더불어, 이온 빔 조사부(10)의 경통(11) 및 전자 빔 조사부(20)의 전자 빔 경통(21)의 가속 전압이나 빔 전류를 변화시킬 수 있도록 되어 있다. 제어부(CR)는, 이온 빔 조사부(10)의 가속 전압이나 빔량을 변화시킴으로써, 집속 이온 빔(FB)의 빔 반경을 자재로 조정할 수 있도록 되어 있다. 이에 의해, 관찰 화상을 취득할 뿐만 아니라, 시료(S)를 국소적으로 에칭 가공할 수 있도록 되어 있다. 게다가, 에칭 가공할 때에, 빔 반경을 조정함으로써 조(粗)가공부터 마무리 가공까지 가공 정밀도를 자유롭게 바꾸는 것이 가능하게 되어 있다.

또, 제어부(CR)는, 기체 이온 빔 조사부(15)로부터 조사되는 기체 이온 빔(GB)의 조사 시간, 조사의 타이밍, 조사 에너지 등을 조정 가능하다. 또, 제어부(CR)는, 시료 스테이지(ST)의 XYZ 방향에 있어서의 위치, 회절 각도, 회절의 타이밍, 회전 속도, 회전 방향 등을 조정 가능하다.

또, 제어부(CR)는, 이차 전자 검출부(24), 이차 하전 입자 검출부(30), EBSD 검출부(40), EDS 검출부(50) 및 STEM 검출부(60)의 각부에서 검출된 검출 결과를 신호로 변환하여, 관찰 화상 데이터를 생성할 수 있다. 제어부(CR)는, 관찰 화상 데이터를 생성한 후, 이 관찰 화상 데이터에 의거하여 표시부(DP)에 관찰 화상을 출력시킬 수 있도록 되어 있다.

또, 제어부(CR)에는, 오퍼레이터가 입력 가능한 입력부(IP)가 접속되어 있다. 제어부(CR)는, 입력부(IP)에 의해 입력된 신호에 의거하여 각 구성품을 제어 가능하다. 예를 들어, 오퍼레이터는, 입력부(IP)를 통해, 집속 이온 빔(FB) 및 전자 빔(EB)의 조사 위치나 빔 반경을 조정 가능하다. 이 경우, 오퍼레이터는, 선단부(Sa) 중 원하는 영역에 집속 이온 빔(FB)을 조사하여 에칭 가공을 행하거나, 원하는 영역에 전자 빔(EB)을 조사하여 관찰할 수 있도록 되어 있다. 또, 오퍼레이터는, 입력부(IP)를 통해, 기체 이온 빔(GB)의 조사를 행하게 할 수 있다.

다음에, 이와 같이 구성된 하전 입자 빔 장치(100)를 이용하여, 시료(S)를 바늘형상으로 가공하는 시료 작성 방법에 대해 설명한다. 우선, 시료(S)를 시료 스테이지(ST)에 유지시킴과 더불어, 진공 챔버(CB) 내를 진공 상태로 세트하는 초기 설정을 행한다. 이 초기 설정이 종료한 후, 시료(S)에 집속 이온 빔(FB)을 조사하여 시료(S)의 선단부(Sa)를 바늘형상으로 가공하는 공정을 행한다.

제어부(CR)는, 시료 스테이지(ST)를 동작시켜 시료(S)의 선단부(Sa)의 위치를 조정시킨다. 그 후, 제어부(CR)는, 이온 빔 조사부(10)로부터 시료(S)를 향해 집속 이온 빔(FB)을 조사시킨다.

도 3은, 이온 빔 조사부(10)에 의해 선단부(Sa)를 가공하는 모습을 도시하는 도이다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 이온 빔 조사부(10)는, 선단부(Sa)에 대해 ＋X방향으로 집속 이온 빔(FB)을 조사한다. 이때, 집속 이온 빔(FB)은, X방향시에 있어서 선단부(Sa)의 중심부로부터 어긋난 위치에 조사된다. 선단부(Sa) 중 집속 이온 빔(FB)이 조사된 부분은, 집속 이온 빔(FB)에 의해 선택적으로 에칭된다.

선단부(Sa)의 일부분에 집속 이온 빔(FB)이 조사된 후, 제어부(CR)는, 집속 이온 빔(FB)의 조사 위치를 θX방향에 어긋나게 집속 이온 빔(FB)을 조사시킨다. 이와 같이, 집속 이온 빔(FB)의 조사 영역을 θX방향에 어긋나게 하면서 상기의 에칭을 행하게 한다. 이 처리를 반복하여 행함으로써, 시료(S)의 선단부(Sa)는, 서서히 첨예화되어, 바늘형상으로 형성된다.

시료(S)의 회전 각도나 집속 이온 빔(FB)의 빔 반경, 조사 시간 등에 대해서는, 오퍼레이터에 의해 설정 가능하게 해도 되고, 미리 소정의 값이 설정되어 있어, 상기 소정값을 이용하도록 해도 된다. 소정값이 설정되어 있는 경우, 소정값을 변경할 수 있도록 해도 된다.

또, 시료(S)를 가공하고 있을 때에, 관찰 화상을 확인하고 싶은 경우에는, 적당히 전자 빔 조사부(20)로부터 전자 빔(EB)을 조사시키도록 하면 된다. 도 3에서는, 전자 빔(EB)에 의해 발생한 대전 입자(E)가 각종 검출부(이차 전자 검출부(24), 이차 하전 입자 검출부(30), EBSD 검출부(40), EDS 검출부(50) 및 STEM 검출부(60))에 의해 검출되는 모습이 도시되어 있다.

제어부(CR)는, 이 각 검출부에 있어서의 검출 결과에 의거한 관찰 화상 데이터를 생성하고, 관찰 화상을 표시부(DP)에 표시시킨다. 오퍼레이터는, 표시부(DP)에 표시된 관찰 화상에 의해, 시료(S)의 선단부(Sa) 상태를 관찰할 수 있다. 또, 오퍼레이터는, 어느 검출기의 관찰 화상을 표시부(DP)에 표시시킬지를 선택할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는 집속 이온 빔(FB)의 조사축과 시료 스테이지(ST)의 회전축이 평행이기 때문에, 시료 스테이지(ST)의 회전 중심을 관찰할 수 있다(SIM 관찰). 이 관찰 결과에 의거하여, 제어부(CR) 혹은 오퍼레이터는, 시료 스테이지(ST)의 회전축 상에 시료(S)를 배치한다(센터 포지션 산출 기능). 이에 의해, 축 어긋남을 막을 수 있기 때문에, 시료(S)를 회전시키면서 가공 관찰할 수 있다. 또, 가공과 관찰을 교호로 실시함으로써, 가공 종점을 검출할 수도 있다.

시료(S)의 선단부(Sa)를 바늘형상으로 형성한 후, 최종 마무리를 행한다. 상기의 집속 이온 빔(FB)의 조사에 의해, 선단부(Sa)의 표면에는 갈륨 이온이 주입된 상태로 되어 있다. 도 4(a), 도 4(b) 및 도 4(c)는, 시료(S)의 선단부(Sa) 상태를 도시하는 원자 맵이다. 또한, 시료(S)로서 Si를 이용하고 있으며, 도 4(a)~도 4(c)에 도시하는 원자 맵은, 이 Si의 선단의 모습을 관찰하는 것이다. 도 4(a)는 모든 원자에 대해 도시하는 것이고, 도 4(b)는 실리콘 원자에 대해 도시하는 것이며, 도 4(c)는 갈륨 원자에 대해 도시하는 것이다. 도 4(a)~도 4(c), 특히 도 4(c)에 도시하는 바와 같이, 선단부(Sa)의 표면은 갈륨 원자(갈륨 이온)가 다수 주입된 상태로 되어 있다. 이러한 갈륨 원자(갈륨 이온)에 의해, 선단부(Sa)의 표면에 데미지층이 형성되어 버린다. 최종 마무리에서는, 선단부(Sa)의 표면에 주입된 갈륨 원자(갈륨 이온)를 제거한다.

도 5는, 선단부(Sa)의 표면에 주입된 갈륨 이온을 제거하는 모습을 도시하는 사시도이다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 갈륨 이온을 제거하는 경우, 기체 이온 빔 조사부(15)로부터 선단부(Sa)에 대해 기체 이온 빔(GB)을 조사한다. 기체 이온 빔(GB)은, 집속 이온 빔(FB)보다 에칭 레이트가 낮기 때문에, 선단부(Sa)의 형상이 변화하는 일 없이, 선단부(Sa)의 표면만이 에칭된다. 이에 의해, 선단부(Sa)의 표면에 주입된 갈륨 원자(갈륨 이온)가 에칭에 의해 제거된다.

도 6(a), 도 6(b) 및 도 6(c)은, 시료(S)의 선단부(Sa) 상태를 도시하는 원자 맵이다. 도 6(a)은 모든 원자에 대해 도시하는 것이고, 도 6(b)은 실리콘 원자에 대해 도시하는 것이며, 도 6(c)은 갈륨 원자에 대해 도시하는 것이다. 도 6(a)~도 6(c), 특히 도 6(c)에 도시하는 바와 같이, 선단부(Sa)의 표면에는 갈륨 원자(갈륨 이온)가 존재하지 않은 상태로 되어 있다. 이와 같이, 최종 마무리에 의해 선단부(Sa)의 표면에 주입된 갈륨 원자(갈륨 이온)가 제거된다.

최종 마무리 공정에 있어서, 제어부(CR)는, 기체 이온 빔(GB)의 조사 동작과, 시료 스테이지(ST)를 θX방향으로 소정 각도 회동시키는 회동 동작을 교호로 행하게 한다. 예를 들어, 기체 이온 빔(GB)을 1회 조사시킨 후, 시료 스테이지(ST)를 θX방향으로 30° 회동시킨다. 시료 스테이지(ST)를 회동시킨 후, 기체 이온 빔(GB)을 1회 조사시킨다.

이와 같이, 기체 이온 빔(GB)을 1회 조사할 때마다, 시료 스테이지(ST)를 θX방향으로 30°씩 회동시킨다. 이 동작을 반복하여 행하게 하고, 시료 스테이지(ST)가 θX방향으로 360° 회전되고나서 최종 마무리를 종료한다. 이때, 최종 마무리 개시부터 종료까지의 시간을 미리 설정함으로써, 기체 이온 빔(GB)의 각 조사 동작의 기간과, 시료 스테이지(ST)의 각 회전 동작의 기간이 각각 각 회에 대해 균등해지도록 자동적으로 설정된다. 이와 같이, 회전 각도, 회전 동작의 시간, 기체 이온 빔(GB)의 조사 시간을 조정함으로써, 선단부(Sa)의 둘레 방향의 전체에 걸쳐 균일하게 클리닝을 행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 최종 마무리 공정을 행할 때에, 전자 빔 조사부(20)로부터 전자 빔(EB)을 조사하여, 각종 검출부에서 선단부(Sa) 상태를 관찰해도 된다.

이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 기체 이온 빔 조사부(15)를 이용하여 시료(S)에 기체 이온 빔(GB)을 조사함으로써, 집속 이온 빔(FB)의 조사에 의해 시료(S)의 표면에 주입된 갈륨 이온을 제거할 수 있다. 게다가, 본 실시 형태에서는, 시료 스테이지(ST)에 의해 시료(S)를 회전시킬 수 있기 때문에, 시료(S)의 전체면에 걸쳐 갈륨 이온의 제거를 행할 수 있다. 이에 의해, 시료(S)의 표면에 있어서의 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시 형태에서는, 시료 스테이지(ST)를 소정 각도 회동시키는 회동 동작과, 기체 이온 빔 조사부(15)로부터 기체 이온 빔(GB)을 조사시키는 조사 동작을 교호로 행함으로써, 효율적으로 시료(S)로부터 갈륨 이온을 제거할 수 있다. 또한, 교호가 아니라 회전 동작과 조사 동작을 동시에 실시할 수도 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 시료로부터 발생하는 이차 전자, 이차 이온, 후방 산란 전자, 시료(S)를 투과하는 투과 전자 중 적어도 하나를 검출 가능하고, 또, X선을 검출 가능하기 때문에, 시료(S)의 다면적인 관찰이 가능하게 된다.

또, 본 실시 형태에서는, 시료(S)의 재료로서, Si 등의 반도체 재료를 예로 들어 설명했는데, 이러한 반도체 재료를 포함하는 시료(S)는, 이온 빔의 조사에 의한 이온 주입의 영향을 받기 쉽다. 본 실시 형태에 의하면, 반도체 재료를 포함하는 시료(S)의 표면에 있어서, 이온에 의한 데미지층의 형성을 억제하는 것이 가능해지기 때문에, 고품질의 시료(S)를 제작할 수 있다.

게다가, 이온 빔 조사부(10)의 이온원으로서, 액체 갈륨 이온원이 이용되기 때문에, Si를 포함하는 시료에 갈륨 이온이 주입되게 되는 경우여도, 주입된 갈륨 이온을 제거하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 갈륨 이온에 의한 데미지층의 형성을 억제할 수 있기 때문에, 시료(S)의 특성이 변화하는 것을 막을 수 있다.

특히, 시료 스테이지(ST)의 회전 중심 맞춤을 행하고, 집속 이온 빔(FB) 가공을 실시하므로, 데미지층이 균등하게 형성되고, 또한, 기체 이온 빔(GB)에 의해, 선단부(Sa)의 둘레 방향의 전체에 걸쳐 균일하게 클리닝을 행할 수 있으므로, 미세한 선단이어도 데미지층이 억제된 고품질인 시료를 제작할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 선단부(Sa)가 바늘형상으로 형성된 시료(S)여도, 기체 이온 빔(GB)을 조사함으로써, 표면의 갈륨 이온을 제거할 수 있다. 이에 의해, 선단부(Sa)가 바늘형상으로 형성된 시료여도, 선단부(Sa)에 있어서의 데미지층의 형성이 억제된다. 이로 인해, 원자 탐침 분석에 이용되는, 선단의 직경이 100nm 정도의 바늘형상 시료여도 용이하게 제작할 수 있다.

본 발명의 기술 범위는 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적당히 변경을 가할 수 있다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 기체 이온 빔(GB)을 구성하는 기체로서, 아르곤을 예로 들어 설명했는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이러한 기체로서, 아르곤 외에, 네온이나 크세논 등의 희가스나, 질소 등의 불활성 가스 등을 이용해도 된다.

Sa…선단부
S…시료
FB…집속 이온 빔
GB…기체 이온 빔
EB…전자 빔
ST…시료 스테이지
CB…진공 챔버
CR…제어부
IP…입력부
E…대전 입자
10…이온 빔 조사부
15…기체 이온 빔 조사부
20…전자 빔 조사부
24…이차 전자 검출부
30…이차 하전 입자 검출부
40…EBSD 검출부
50…EDS 검출부
60…STEM 검출부
100…하전 입자 빔 장치

Claims

시료의 선단부를 바늘형상으로 가공하는 하전 입자 빔 장치로서,
제1 조사축을 가지는 전자 빔을 상기 시료에 조사하는 전자 빔 조사부와,
상기 시료를 유지 가능하고, 상기 제1 조사축에 대해 직교하는 방향으로 회전축을 가지는 회전 스테이지와,
상기 회전축에 평행인 제2 조사축을 가지는 이온 빔을 상기 시료에 조사하는 이온 빔 조사부와,
상기 이온 빔 및 상기 전자 빔의 조사에 의해 상기 시료를 통해 발생하는 하전 입자 및 X선 중 적어도 한쪽을 검출하는 검출부와,
상기 시료에 기체 이온 빔을 조사하는 기체 이온 빔 조사부를 구비하고,
상기 회전 스테이지에 의해 상기 시료를 회전시켜, 상기 이온 빔에 의해 바늘형상 시료를 형성하고, 또한, 상기 회전 스테이지에 의해 상기 시료를 회전시켜, 상기 기체 이온 빔에 의해 상기 바늘형상 시료의 선단부의 둘레 방향의 전체에 걸쳐 균일하게 마무리 가공을 실시하는, 하전 입자 빔 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 회전 스테이지를 소정 각도 회동시키는 회동 동작과, 상기 기체 이온 빔 조사부로부터 상기 기체 이온 빔을 소정 시간 조사시키는 조사 동작을 교호로 행하게 하는 제어부를 더 구비하는, 하전 입자 빔 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 검출부는,
상기 하전 입자로서, 상기 시료로부터 발생하는 이차 전자, 이차 이온, 후방 산란 전자, 상기 시료를 투과하는 투과 전자 중 적어도 하나를 검출할 수 있는, 하전 입자 빔 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 시료로서, 반도체 재료가 이용되는, 하전 입자 빔 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 이온 빔 조사부의 이온원으로서, 액체 갈륨 이온원이 이용되고,
상기 반도체 재료는 Si를 포함하는, 하전 입자 빔 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 시료는 선단부가 바늘형상으로 형성되어 있는, 하전 입자 빔 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 시료는 원자 탐침 분석에 이용되는, 하전 입자 빔 장치.