KR20120003812A - 하전 입자 빔 장치 및 시료 가공 방법 - Google Patents
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Abstract
해결 수단
하전 입자 빔 장치는, 이온빔을 발생시키는 이온원과, 이온빔을 시료에 집속시키는 제 1 대물 렌즈를 형성하는 제 1 대물 렌즈 전극과, 제 1 대물 렌즈 전극보다 시료에 가까운 위치에 배치되고, 낮은 가속 전압으로 가속된 이온빔을 시료에 집속시키는 제 2 대물 렌즈를 형성하는 제 2 대물 렌즈 전극을 갖는 이온빔 경통을 구비한다.
하전 입자 빔 장치는, 이온빔을 발생시키는 이온원과, 이온빔을 시료에 집속시키는 제 1 대물 렌즈를 형성하는 제 1 대물 렌즈 전극과, 제 1 대물 렌즈 전극보다 시료에 가까운 위치에 배치되고, 낮은 가속 전압으로 가속된 이온빔을 시료에 집속시키는 제 2 대물 렌즈를 형성하는 제 2 대물 렌즈 전극을 갖는 이온빔 경통을 구비한다.
Description
본 발명은, 집속 이온빔을 사용하여 시료를 가공하는 하전 입자 빔 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 디바이스의 미소 영역을 투과형 전자 현미경 (TEM : Transmission Electron Microscope) 으로 관찰하고, 분석하는 기술의 중요성이 높아지고 있다. TEM 으로 관찰하기 위해서는, 미소 영역을 전자빔이 투과 가능한 두께의 박편 시료로 가공할 필요가 있다. 박편 시료의 제작에는, 집속 이온빔 장치가 널리 사용되고 있다. 그러나, 집속 이온빔 장치에 의한 박편 시료의 제작에서는, 박편 시료에 집속 이온빔 조사에 의한 데미지층이 형성되는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하는 수법 중 하나로서 집속 이온빔 장치에 아르곤 이온빔 조사부를 구비한 장치를 사용하는 것이 알려져 있다 (특허문헌 1 참조).
이것에 의하면, 집속 이온빔 조사에 의해 형성된 데미지층에, 아르곤 이온빔을 적절한 각도로 조사하여, 제거 가공할 수 있다.
또, 다른 수법으로서, 저가속 전압으로 가속된 집속 이온빔에 의해 박편 시료를 제작하는 것이 알려져 있다. 이것에 의하면, 박편 시료에 형성되는 데미지층의 두께를 작게 할 수 있다. 그러나, 집속 이온빔은 가속 전압을 낮게 하면, 이온빔 광학계의 색수차가 커진다. 이로써 집속 이온빔의 빔 직경을 좁힐 수 없는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하는 수법으로서, 중간 가속관을 갖는 집속 이온빔 경통을 사용하는 것이 알려져 있다 (특허문헌 2 참조).
이것에 의하면, 광학계의 색수차를 작게 하고, 또한 에너지가 작은 집속 이온빔을 시료에 도달시킬 수 있다.
또, 다른 수법으로서 시료에 전압을 인가하는 리타딩법이 알려져 있다. 이것에 의하면, 시료에 도달하기 직전에 집속 이온빔의 에너지는 작기 때문에, 수차를 작게 할 수 있다.
그러나, 종래의 장치에서는 다음과 같은 과제가 있었다.
즉, 아르곤 이온빔 조사부를 구비한 장치는 구성이 복잡하다. 또, 중간 가속관을 갖는 집속 이온빔 경통을 구비한 장치는 경통의 구조가 복잡하다. 또, 리타딩법을 사용하는 경우에는, 집속 이온빔 경통과 시료 사이에 집속 이온빔에 대해 대칭인 전계를 형성해야 한다. 그러나, 장치에 시료 관찰용 전자빔 경통을 구비하면, 시료 부근의 전계는 비대칭이 되어 버린다. 그 때문에, 리타딩 효과를 발휘할 수 없다.
이 발명은, 이와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 복잡한 장치 구성을 사용하지 않고, 가속 전압을 작게 해도 빔 직경이 작은 집속 이온빔을 조사할 수 있는 하전 입자 빔 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 이 발명은 이하의 수단을 제공하고 있다.
본 발명은, 시료를 수용하는 시료실과, 이온빔을 가속 전압으로 가속시키고, 그 시료 상에 집속되도록 조사하는 이온빔 경통을 구비한 하전 입자 빔 장치로서, 이온빔 경통은, 이온빔 경통의 기단측에 수용되고, 이온빔을 발생시키는 이온원과, 이온빔을 시료에 조사하는 이온 광학계를 구비하고, 이온 광학계는, 시료에 이온빔을 집속시키는 제 1 대물 렌즈 전극과, 이온빔을 가속시키는 제 1 가속 전압보다 낮은 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 시료에 집속시키는 제 2 대물 렌즈 전극을 구비한다. 이 때문에, 이온빔의 가속 전압에 맞추어, 최적의 대물 렌즈를 형성하고, 빔 직경이 작은 이온빔을 시료에 집속시킬 수 있다.
또, 상기 하전 입자 빔 장치에 있어서, 제 2 대물 렌즈 전극은, 제 1 대물 렌즈 전극보다 이온빔 경통의 선단측에 배치되는 것이 보다 바람직하다. 제 1 대물 렌즈보다 시료에 가까운 위치에 배치된 제 2 대물 렌즈를 사용함으로써, 렌즈와 초점의 거리가 짧아진다. 따라서, 낮은 가속 전압으로 가속된 이온빔으로도 색수차를 작게 할 수 있다.
또, 상기 하전 입자 빔 장치에 있어서, 제 1 대물 렌즈 전극은, 복수의 전극으로 이루어지고, 복수의 전극은, 적어도 제 2 대물 렌즈 전극에 인접하고, 접지된 전극을 구비하고, 접지된 전극과, 제 2 대물 렌즈 전극과, 접지된 이온빔 경통의 선단부에 의해 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 집속시키는 렌즈 전계를 형성하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 하전 입자 빔 장치는 제 2 대물 렌즈 전극을 중심으로 한 아인젤 렌즈를 형성한다. 이로써, 제 2 대물 렌즈 전극을 하나의 전극으로 구성할 수 있다. 따라서, 렌즈 전극의 조립이 용이해져, 렌즈축의 어긋남이 작고, 정밀도가 양호한 이온빔 경통을 조립할 수 있다. 또, 이로써 빔 직경을 작게 할 수 있다. 특히, 렌즈 전극의 축 어긋남이나 기울기는 관찰 이미지의 시야 어긋남의 원인이 된다. 따라서, 렌즈 전극을 정확하게 조립하는 것이 중요하다. 렌즈 전극의 축 어긋남은 15 ㎛ 이하가 되도록 조정한다.
또, 상기 하전 입자 빔 장치에 있어서, 이온 광학계는, 제 1 대물 렌즈 전극보다 이온빔 경통의 기단측에 이온빔을 편향하는 편향 전극을 구비하고, 편향 전극은, 제 1 가속 전압으로 가속된 이온빔을 제 1 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 편향하고, 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 제 2 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 편향하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 렌즈를 교체해도, 이온빔의 복귀 위치를 렌즈의 중심에 오도록 한다. 이로써, 각 렌즈의 중심으로 이온빔을 입사시킬 수 있기 때문에, 수차를 작게 할 수 있다. 또, 렌즈를 교체시켜도 조사 위치를 일치시킬 수 있다. 그리고, 편향 전극을 사용하여 이온빔의 조사 위치를 조정해도, 이온빔이 렌즈의 중심을 지나고 있기 때문에, 관찰 이미지가 흐릿해지지 않는다. 여기서, 편향 전극은, 정전 2 단 전극으로 구성되고, 상하단의 전압비를 조정함으로써, 렌즈의 중심으로 이온빔을 입사시킨다.
또, 상기 하전 입자 빔 장치에 있어서, 이온 광학계는, 제 1 대물 렌즈보다 이온빔 경통의 기단측에 이온빔을 주사하는 주사 전극을 구비하고, 주사 전극은, 제 1 가속 전압으로 가속된 이온빔을 제 1 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 주사하고, 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 제 2 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 주사하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 주사한 이온빔을 렌즈의 중심으로 입사시키고, 이온빔이 복귀 위치를 렌즈의 중심에 오도록 한다. 이로써, 렌즈를 교체시켜도, 이온빔의 복귀 위치가 렌즈의 중심에 있기 때문에, 관찰 이미지의 변형을 경감시킬 수 있다. 여기서, 주사 전극은, 정전 2 단 전극으로 구성되고, 상하단의 전압비를 조정함으로써, 이온빔의 조사 위치를 조정한다.
본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치의 이온 광학계는, 추가로 이온원에서 발생된 이온빔을 집속시키는 집속 렌즈 전극과, 이온빔의 비점 (非点) 을 보정하는 비점 보정 전극을 구비한다.
또, 상기 하전 입자 빔 장치에 있어서, 가속 전압을 입력하는 입력부와, 가속 전압에 대응한 이온 광학계의 설정값을 기억하는 기억부와, 설정값을 이온 광학계에 설정하는 제어부를 구비하고, 기억부는, 제 1 가속 전압에 대응하는 제 1 설정값과, 제 2 가속 전압에 대응하는 제 2 설정값을 기억하고, 제어부는, 입력부에서 제 1 가속 전압을 입력했을 경우, 제 1 설정값을 이온 광학계에 설정하고, 입력부에서 제 2 가속 전압을 입력했을 경우, 제 2 설정값을 이온 광학계에 설정하는 것이 보다 바람직하다. 이로써 가속 전압의 전환에 따라 이온 광학계의 설정도 전환할 수 있기 때문에, 빔의 재조정을 하지 않고 스무즈하게 작업을 실시할 수 있다. 또, 사용하는 대물 렌즈를 교체시켜도, 이온 광학계의 설정도 적절한 설정값으로 바뀌기 때문에, 관찰 영역이 크게 변화하지 않고, 시료 상의 동일 위치를 관찰할 수 있다. 여기서, 기억부는, 이온 광학계에 설정하는 설정값 이외에, 입력부로부터 설정값을 입력할 때의 입력 감도도 기억하고 있는 것이 보다 바람직하다. 입력 감도란, 대물 렌즈 전극, 비점 보정 전극이나 편향 전극에 대한 인가 전압값을 오퍼레이터가 입력할 때의 입력부의 조작 감도이다.
또, 상기 하전 입자 빔 장치에 있어서, 제 1 설정값은, 제 1 대물 렌즈 전극의 설정값이 일정한 전압값이고, 제 2 대물 렌즈 전극의 설정값이 0 이고, 제 2 설정값은, 제 1 대물 렌즈 전극의 설정값이 O 이고, 제 2 대물 렌즈 전극의 설정값이 일정한 전압값인 것이 보다 바람직하다. 대물 렌즈 전극에 전압을 공급한 상태에서 접지 상태로 함으로써, 전환을 단시간에 실시할 수 있다. 특히, 스위치 기구에 의한 전환부에서 전환을 실시함으로써, 사용하는 대물 렌즈의 교체 후에 발생되는 이온빔의 조사 위치의 드리프트를 경감시킬 수 있다.
본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치는, 제 2 대물 렌즈 전극은, 이온빔이 통과할 수 있는 구멍부를 갖고, 이온빔에 대해 대략 수직인 평면을 갖는 평판부와, 이온빔이 통과할 수 있는 통부로 이루어진다. 평판부를 사용함으로써, 평판부보다 시료측에 배치된 절연 부재에 이온빔이 조사되는 것을 방지할 수 있다. 또, 제 1 대물 렌즈 형성시에는, 접지된 통부가 방전 실드로서 작용하기 때문에, 외부 전장에 의한 이온빔에 대한 영향을 경감시킬 수 있다.
본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치는, 추가로 시료의 이온빔의 조사 영역에 전자빔을 조사할 수 있는 전자빔 경통을 구비하고, 전자빔 경통은, 전자빔을 시료에 집속시키는 전자빔용 대물 렌즈 코일을 갖고, 전자빔용 대물 렌즈 코일 중심과 시료의 거리는, 이온빔 경통의 제 2 대물 렌즈 전극 중심과 시료의 거리보다 크다. 이로써, 이온빔에 의한 시료 가공 중의 시료 가공 영역에 전자빔을 조사하여, SEM 관찰을 할 수 있다. 또, 전자빔 경통의 전자빔용 대물 렌즈의 전계에 의한 이온빔에 대한 영향을 제 2 대물 렌즈 전극에 의해 방지할 수 있다. 또, 시료 부근의 전계의 비대칭성이 경감되기 때문에, 전자빔이나 시료로부터 발생되는 2 차 전자에 대한 전자빔용 대물 렌즈의 전계에 의한 영향도 방지할 수 있다.
본 발명에 관련된 시료 가공 방법은, 제 1 가속 전압으로 이온빔을 가속시켜, 제 1 대물 렌즈에서 집속시킨 시료를 가공하는 제 1 가공 공정과, 제 1 가속 전압보다 낮은 제 2 가속 전압으로 이온빔을 가속시켜, 제 1 대물 렌즈보다 시료에 가까운 제 2 대물 렌즈에서 집속시키고, 시료를 가공하는 제 2 가공 공정으로 이루어진다. 이로써, 제 2 가공 공정에서는, 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔에 의해 데미지층의 두께가 작은 시료 가공을 실시할 수 있다. 또, 시료에 가까운 제 2 대물 렌즈에서 집속시키기 때문에, 수차가 작고, 빔 직경이 작은 이온빔으로 가공할 수 있다.
본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치에 의하면, 제 2 대물 렌즈 전극을 사용함으로써, 가속 전압을 작게 해도 빔 직경이 작은 집속 이온빔을 조사하여, 데미지층이 작은 시료 가공을 도모할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 구성도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 대물 렌즈 전극의 배선도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 대물 렌즈 전극의 구성도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 구성도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태의 시료 가공 방법의 시료 가공의 개략도이다. (a) 조 (粗) 가공, (b) 마무리 가공.
도 6 은, 본 발명의 실시형태의 시료 가공 방법의 플로우 차트이다.
도 7 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 8 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 9 는, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 10 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 대물 렌즈 전극의 배선도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 대물 렌즈 전극의 구성도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태의 하전 입자 빔 장치의 구성도이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태의 시료 가공 방법의 시료 가공의 개략도이다. (a) 조 (粗) 가공, (b) 마무리 가공.
도 6 은, 본 발명의 실시형태의 시료 가공 방법의 플로우 차트이다.
도 7 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 8 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 9 는, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
도 10 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다.
이하, 본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치의 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태의 하전 입자 빔 장치는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 이온빔 (11) 을 발생시키는 이온원 (2) 과, 집속 렌즈를 형성하는 집속 렌즈 전극 (3) 과, 편향 전극 (4) 과, 비점 보정 전극 (5) 과, 주사 전극 (26) 과. 제 1 대물 렌즈를 형성하는 제 1 대물 렌즈 전극 (6, 7, 8) 과, 제 2 대물 렌즈를 형성하는 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 으로 이루어지는 이온빔 경통 (10) 을 구비하고 있다. 이온빔 경통 (10) 은, 접지된 이온빔 경통 외벽 (1) 을 갖고, 이온빔 (11) 의 광축은 진공 상태로 되어 있다.
시료실 (25) 은, 시료 (13) 를 탑재하는 시료대 (12) 와, 시료 (13) 로부터 발생되는 2 차 전자를 검출하는 2 차 전자 검출기 (14) 와, 시료에 원료 가스 또는 에칭 가스를 공급하는 가스총 (15) 을 구비하고 있다.
제어부 (21) 는, 키보드나 마우스 등의 입력부 (23) 로부터 입력된 이온빔 조사 조건에 따라, 이온원 (2), 집속 렌즈 전극 (3), 편향 전극 (4), 비점 보정 전극 (5), 제 1 대물 렌즈 전원 (18) 에 각각 설정값을 송신하고, 이온원, 각 전극과 전원은 설정값에 따라, 설정값의 전압을 각각 인가한다. 또, 입력된 이온빔 조사 조건은, 기억부 (27) 에 기억된다. 입력부 (23) 에서 조사 조건 전환을 입력하면, 전환에 대응한 설정값을 제어부 (21) 가 기억부 (27) 로부터 판독하여, 이온빔 경통 (10) 의 각 전극에서 설정값의 전압을 설정한다. 또, 제어부 (21) 는, 이온빔 경통 (10) 내의 가동 조리개를 제어함으로써 시료 (13) 에 조사되는 이온빔 전류량을 조정한다. 또, 제어부 (21) 는, 시료 (13) 가 원하는 위치에 이온빔 (11) 을 조사할 수 있도록 시료대 (12) 에 이동 신호를 송신하고, 시료대 (12) 를 이동시킨다. 그리고, 시료 (13) 가 원하는 위치에 이온빔 (11) 을 조사하고, 시료 (13) 로부터 발생된 2 차 전자를 2 차 전자 검출기 (14) 에서 검출한다. 검출된 2 차 전자의 신호는, 제어부 (21) 로 송신된다. 제어부 (21) 에서 검출 신호와, 이온빔 (11) 의 주사 신호로부터 2 차 전자 이미지를 형성한다. 2 차 전자 이미지를 표시부 (22) 에 표시한다.
또, 이온빔 (11) 조사시에, 가스총 (15) 으로부터 시료 (13) 에 가스원 용기 (16) 내에 수용된 원료 가스, 또는 에칭 가스를 공급함으로써, 이온빔 (11) 조사 영역에 원료 가스재의 디포지션, 또는 에칭 가스에 의한 증속 에칭을 실시할 수 있다.
도 2 는, 본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치의 대물 렌즈 전극의 배선도이다. 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 과 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 은, 각각 제 1 전환부 (17) 와 제 2 전환부 (19) 에 접속되어 있다. 제 1 전환부 (17) 는, 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 과 제 1 대물 렌즈 전원 (18) 을 접속하는 배선과, 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 을 접지하는 배선을 전환시킬 수 있다. 또, 제 2 전환부 (19) 는, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 과 제 2 대물 렌즈 전원 (20) 을 접속하는 배선과, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 접지시키는 배선을 전환할 수 있다. 또, 제 1 대물 렌즈 전원 (18) 과 제 2 대물 렌즈 전원 (20) 은, 각각 제어부 (21) 에 접속되고, 제어부 (21) 로부터 송신되는 설정 전압값의 전압을 렌즈 전극에 인가한다.
대물 렌즈 전압 제어부 (24) 는, 제 1 전환부 (17) 와 제 2 전환부 (19) 를 제어한다. 제 1 대물 렌즈를 형성하는 경우, 대물 렌즈 전압 제어부 (24) 는 제 1 전환부 (17) 와 제 2 전환부 (19) 에 다음과 같이 배선하는 신호를 송신한다. 즉, 제 1 전환부 (17) 를 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 과 제 1 대물 렌즈 전원 (18) 을 접속하는 배선으로 하고, 또한 제 2 전환부 (19) 를 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 접지하는 배선으로 한다. 또, 제 2 대물 렌즈를 형성하는 경우, 대물 렌즈 전압 제어부 (24) 는 제 1 전환부 (17) 와 제 2 전환부 (19) 에 다음과 같이 배선하는 신호를 송신한다. 즉, 제 1 전환부 (17) 를 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 을 접지하는 배선으로 하고, 또한 제 2 전환부 (19) 를 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 제 2 대물 렌즈 전원 (20) 을 접속하는 배선으로 한다.
제 1 대물 렌즈를 형성하는 경우, 제 1 대물 렌즈 전극 (6, 8) 을 접지하고, 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 에 10 ㎸ 이하의 전압을 인가함으로써, 제 1 대물 렌즈를 형성한다. 이 때 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 은 접지되어 있기 때문에 렌즈로서 작용하지 않는다. 여기서, 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 에 대한 인가 전압의 극성은, 정 또는 부로 할 수 있다. 단, 이온빔 (11) 을 가속시키기 위해서 음의 전압을 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 에 인가하는 것이, 색수차는 작아지고, 작은 빔 직경의 이온빔을 조사할 수 있다.
제 2 대물 렌즈를 형성하는 경우, 제 1 대물 렌즈 전극 (6, 7, 8) 을 접지하고, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 에 5 ㎸ 이하의 전압을 인가함으로써, 제 2 대물 렌즈를 형성한다. 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 에 인접하는 제 1 대물 렌즈 전극 (8) 과 이온빔 경통 외벽 (1) 의 선단부 (1a) 는 접지되고, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 에 전압 인가함으로써, 아인젤 렌즈를 형성한다. 이 때 제 1 대물 렌즈 전극 (7) 은 접지되어 있기 때문에 렌즈로서 작용하지 않는다. 여기서, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 에 대한 인가 전압의 극성은, 정 또는 부로 할 수 있다. 단, 이온빔 (11) 을 가속시키기 위해서 음의 전압을 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 에 인가하는 것이, 색수차는 작아지고, 작은 빔 직경의 이온빔을 조사할 수 있다.
도 3 은, 본 발명에 관련된 하전 입자 빔 장치의 대물 렌즈 전극의 구성도이다. 제 1 대물 렌즈 전극 (6, 7, 8) 은, 이온빔 (11) 에 대해 대략 수직인 평면을 갖고, 이온빔 (11) 을 통과시키는 구멍부를 갖는 평판 형상의 전극이다. 또, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 은, 이온빔 (11) 을 통과시키는 구멍부 (9a) 를 갖고, 이온빔 (11) 에 대해 대략 수직인 평면을 갖는 평판부 (9b) 와, 통부 (9c) 로 이루어진다. 평판부 (9b) 보다 시료 (13) 측에 렌즈의 내압재로서 절연성 물질이 배치되어 있는 경우라도, 평판부 (9b) 를 사용함으로써, 이온빔 (11) 의 광축으로부터 떨어진 성분이 절연성 물질에 조사되는 것을 방지할 수 있다. 이로써 이온빔 조사에 의한 절연성 물질의 데미지나 차지업을 방지할 수 있다. 또, 통부 (9c) 는 이온빔 (11) 을 덮도록 배치되어 있기 때문에, 통부 (9c) 의 내측을 통과하는 이온빔 (11) 에 대한 외부 전계의 영향을 경감시킬 수 있다.
도 7 내지 도 10 은, 본 발명의 실시형태의 이온 광학계의 개략도이다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, 상하 2 단의 정전 전극으로 이루어지는 편향 전극 (4) 에 의해, 이온빔 (71b) 은 제 1 대물 렌즈 전계 (71) 의 렌즈 중심 (71a) 을 통과하도록 편향된다. 이로써 이온빔 (71b) 은, 항상 렌즈 중심 (71a) 을 지나서 시료 (13) 에 조사된다.
도 8 은, 이온빔 (71b) 보다 낮은 가속 전압으로 가속된 이온빔 (72b) 을 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 사용하여 시료 (13) 에 조사하는 경우의 이온 광학계의 개략도이다. 렌즈를 교체하면, 이온빔 (71b) 의 빔 궤도에서는, 제 2 대물 렌즈 전계 (72) 의 렌즈 중심 (72a) 으로부터 벗어난 위치에 조사되어 버린다. 렌즈의 중심을 지나지 않는 빔은 수차의 영향을 받게 된다. 그러면, 시료 (13) 상에 빔을 집속시킬 수 없기 때문에, 관찰 이미지가 흐릿해진다. 그래서, 렌즈의 교체에 수반하여, 이온빔 (72b) 이 제 2 대물 렌즈 전계 (72) 의 렌즈 중심 (72a) 을 지나도록 편향 전극 (4) 의 설정값을 변경한다. 이로써 렌즈를 교체해도 이온빔 (72b) 은 대물 렌즈의 중심을 지나기 때문에, 시료 (13) 상에 빔을 집속시킬 수 있다.
이온빔의 가속 전압과 사용하는 대물 렌즈를 교체하는 경우, 시료 (13) 상의 빔의 조사 위치가 어긋나 버리는 경우가 있다. 이 어긋남을, 편향 전극 (4) 을 사용하여 이온빔을 변경하여 보정한다. 상기와 같이, 편향 전극 (4) 은 대물 렌즈의 중심을 이온빔이 통과하도록 이온빔을 편향시키기 때문에, 조사 위치를 보정해도 관찰 이미지가 흐릿해지는 경우는 없다.
또, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 주사 전극 (26) 은 이온빔 (81b) 을 시료 (13) 상에 주사시킨다. 주사 전극 (26) 은 상하 2 단의 정전 전극으로 이루어진다. 주사 전극 (26) 은, 이온빔 (81b) 을 제 1 대물 렌즈 전계 (71) 의 렌즈 중심 (71a) 을 지나도록 주사시킨다. 이로써 이온빔 (81b) 은, 항상 렌즈 중심 (71a) 을 지나 시료 (13) 에 조사된다. 그리고, 이온빔 (81b) 은 시료 (13) 상에 주사폭 (80) 으로 주사된다.
도 10 은, 이온빔 (81b) 보다 낮은 가속 전압으로 가속된 이온빔 (82b) 을 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 사용하여 시료 (13) 에 조사하는 경우의 이온 광학계의 개략도이다. 렌즈를 교체하면, 이온빔 (81b) 의 빔 궤도에서는, 제 2 대물 렌즈 전계 (72) 의 렌즈 중심 (72a) 으로부터 벗어난 위치에 조사되어 버린다. 렌즈의 중심을 지나지 않는 빔을 사용한 시료의 관찰 이미지는 왜곡된 이미지가 되어 버린다. 그래서, 렌즈의 교체에 수반하여, 이온빔 (82b) 이 제 2 대물 렌즈 전계 (72) 의 렌즈 중심 (72a) 을 지나도록 주사 전극 (26) 의 설정값을 변경한다. 이로써 렌즈를 교체해도 이온빔 (82b) 은 대물 렌즈의 중심을 지나기 때문에, 시료 (13) 상에 빔을 집속시킬 수 있다.
이온빔의 가속 전압으로 사용하는 대물 렌즈를 교체하는 경우, 시료 (13) 상의 빔의 주사폭이 어긋나 버리는 경우가 있다. 이 어긋남을, 주사 전극 (26) 을 사용하여 보정한다. 상기와 같이, 주사 전극 (26) 은 대물 렌즈의 중심을 이온빔이 통과하도록 이온빔을 주사하기 때문에, 주사폭을 보정해도 관찰 이미지가 왜곡되지 않는다.
<실시예 1>
본 실시형태의 하전 입자 빔 장치에 의해 분해능이 향상된 실시예에 대해 설명한다. 시료 (13) 를 정밀한 형상으로 가공하기 위한 마무리 가공에서 사용하는 빔 전류량에 있어서, 가속 전압 30 ㎸ 로 가속한 이온빔 (11) 을 제 1 대물 렌즈에 의해 시료 (13) 에 집속시켰을 때의 빔 직경은 수십 ㎚ 정도였다. 이 때 이온빔 (11) 이 시료 (13) 에 형성한 데미지층의 두께는 20 ㎚ 정도였다. 또, 가속 전압 2 ㎸ 로 가속한 이온빔 (11) 을 제 1 대물 렌즈에 의해 시료 (13) 에 집속시켰을 때의 빔 직경은 200 ㎚ 정도였다. 이 때 이온빔 (11) 이 시료 (13) 에 형성한 데미지층의 두께는 20 ㎚ 정도였다. 가속 전압이 낮은 것이 이온빔 (11) 의 시료 (13) 에 대한 침입 깊이는 작아지기 때문에, 이온빔 조사에 의한 시료에 생기는 데미지층의 두께는 가속 전압이 낮은 것이 작아진다. 그러나, 제 1 대물 렌즈에 의해 시료 (13) 에 집속시켰을 경우에서는, 빔 직경은 200 ㎚ 정도가 되어 버린다. 그 때문에 분해능의 낮은 관찰이 되기 때문에, 이온빔의 조사 위치를 정확하게 결정하는 것이 곤란하였다.
한편, 가속 전압 2 ㎸ 로 가속한 이온빔 (11) 을 제 2 대물 렌즈에 의해 시료 (13) 에 집속시켰을 때의 빔 직경은 100 ㎚ 정도였다. 제 2 대물 렌즈를 사용함으로써 낮은 가속 전압으로 가속한 이온빔이라도 빔 직경을 작게 할 수 있었다. 이로써 정확하게 이온빔의 조사 위치를 결정할 수 있게 되었다.
여기서, 가속 전압을 2 ㎸ 로 했지만, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 에서 방전이 발생하지 않는 범위 내에서 가속 전압의 값은 설정할 수 있다.
또, 제 1 대물 렌즈로부터 제 2 대물 렌즈로의 교체는, 제어부 (21) 가 미리 기억된 이온원 (2) 과, 집속 렌즈 전극 (3) 과, 편향 전극 (4) 과, 비점 보정 전극 (5) 및 제 2 대물 렌즈 전원 (20) 에 대한 설정값을 각각 이온원, 각 전극과 전원에 송신한다. 이로써, 렌즈 교체시마다, 각 구성 요소의 설정값을 조정할 필요가 없어졌다.
<실시예 2>
도 4 를 사용하여, 전자빔 경통을 구비한 하전 입자 빔 장치의 실시예에 대해 설명한다. 전자원 (42) 과, 전자빔용 대물 렌즈 (43) 를 갖는 전자빔 경통 (41) 을 구비하고 있다. 전자빔 (44) 은 시료 (13) 상의 이온빔 (11) 의 조사 영역에 조사할 수 있다. 전자빔 (44) 을 이온빔 (11) 의 조사 영역에 주사 조사함으로써, 이온빔 (11) 과 시료 (l3) 의 소망 위치를 가공하고 있는 모습을 SEM 관찰할 수 있었다.
여기서, 이온빔 경통 (10) 의 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 은, 전자빔 경통 (41) 의 전자빔용 대물 렌즈 코일 (43) 보다 시료 (13) 에 가까운 위치에 배치되어 있다. 즉, 전자빔용 대물 렌즈 중심 위치 (46) 와 전자빔 조사 위치 (47) 의 거리 (45) 는, 제 2 대물 렌즈 중심 위치 (49) 와 이온빔 조사 위치 (50) 의 거리 (48) 보다 크다. 이로써, 이온빔 (11) 에 대한 외부 전계에 의한 영향을 경감시킬 수 있었다.
전자빔 경통 (41) 의 대물 렌즈가 전자장 중첩형인 경우, 전자빔용 대물 렌즈를 형성시에, 이온빔 (11) 에 대해 비대칭인 전계가 시료 (13) 부근에 형성된다. 이온빔 (11) 은 비대칭인 전계의 영향을 받아, 시료 (13) 에 조사되는 빔 형상이 변화되는 경우가 있다.
그러나, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 시료 (13) 근처에 배치함으로써, 시료 (13) 부근에서 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 의 통부 (9c) 가 이온빔 (11) 을 덮기 때문에, 비대칭인 전계의 영향을 경감시킬 수 있었다.
또, 전자빔 경통 (41) 의 대물 렌즈가 전자장 중첩형인 경우, 전자빔용 대물 렌즈를 형성시에, 전자빔 (44) 에 대해 비대칭인 전계가 시료 (13) 부근에 형성된다. 이 전계의 영향을 받아, 시료 (13) 에 조사되는 전자빔 (44) 의 빔 형상은 변형된다.
그러나, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 사용함으로써, 시료 (13) 부근의 전자빔 (44) 에 대해 비대칭인 전계를 경감시킬 수 있다. 요컨대, 전자빔 (44) 에 대해, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 의 통부 (9c) 와 시료대 (12) 가 거의 대향하는 위치에 있기 때문에, 전계의 비대칭성이 완화된다. 이로써, 전자빔 (44) 의 빔 형상은 크게 변형되지 않고, 고분해능으로 시료 (13) 를 관찰할 수 있었다.
또, 전자빔 경통 (41) 은 전자빔용 2 차 전자 검출기 (34) 를 구비하고 있다. 전자빔 경통 (41) 의 대물 렌즈가 전자장 중첩형인 경우, 전자빔용 대물 렌즈를 형성하면 시료 (13) 부근에 전계가 발생한다. 전자빔 (44) 을 시료 (13) 에 조사하여, 발생된 2 차 전자는, 전자빔용 대물 렌즈가 형성하는 전계에 의해 전자빔용 2 차 전자 검출기 (34) 로 인입되어 검출된다. 그러나, 전자빔 경통 (41) 이 시료 (13) 에 대해 경사지게 배치되어 있는 경우, 시료 (13) 부근에는 전자빔 (44) 에 대해 비대칭인 전계가 형성된다. 이 때문에, 2 차 전자의 궤도는 비대칭인 전계의 영향을 받아 구부러져, 전자빔용 2 차 전자 검출기 (34) 에 도달하는 것이 곤란해진다.
그러나, 제 2 대물 렌즈 전극 (9) 을 사용함으로써, 시료 (13) 부근의 전자빔 (44) 에 대해 비대칭인 전계를 경감시킬 수 있다. 이로써 비대칭인 전계로부터 2 차 전자가 수용되는 영향은 경감된다. 따라서, 전자빔용 2 차 전자 검출기 (34) 의 2 차 전자 검출 효율은 향상되어, 고품질인 2 차 전자 이미지를 얻을 수 있었다.
<실시예 3>
본 실시형태의 시료 가공 방법에 대해 도 5 과 도 6 을 설명한다. 도 5는, 본 발명에 관련된 시료 가공 방법의 시료 가공의 개략도이다. 또, 도 6 은, 본 발명에 관련된 시료 가공 방법의 플로우 차트이다. 시료 (13) 로부터 데미지층이 적은 TEM 시료를 제작한다.
도 5(a) 에 나타내는 바와 같이, 가속 전압 30 ㎸ 로 가속되어, 제 1 대물 렌즈에서 집속된 이온빔 (11) 을 사용하여, 관찰 대상인 박편 시료부 (53) 를 남겨 대향하는 가공홈 (51, 52) 을 형성하는 조 가공을 실행한다 (S1). 이온빔 (11) 의 조사에 의해 박편 시료부 (53) 에 인접하는 영역에 데미지층 (54, 55) 이 형성된다.
다음으로 가속 전압을 2 ㎸ 로 전환하고, 대물 렌즈도 제 2 대물 렌즈로 교체한다 (S2). 다음으로 도 5(b) 에 나타내는 바와 같이, 이온빔 (11) 을 데미지층 (54, 55) 에 조사하고, 제거 가공한다 (S3). 이로써 데미지 영역이 적은 박편 시료부 (53) 을 자를 수 있었다.
1 … 이온빔 경통 외벽
1a … 선단부
2 … 이온원
3 … 집속 렌즈 전극
4 … 편향 전극
5 … 비점 보정 전극
6 … 제 1 대물 렌즈 전극
7 … 제 1 대물 렌즈 전극
8 … 제 1 대물 렌즈 전극
9 … 제 2 대물 렌즈 전극
9a … 구멍부
9b … 평판부
9c … 통부
10 … 이온빔 경통
11 … 이온빔
12 … 시료대
13 … 시료
14 … 2 차 전자 검출기
15 … 가스총
16 … 가스원 용기
17 … 제 1 전환부
18 … 제 1 대물 렌즈 전원
19 … 제 2 전환부
20 … 제 2 대물 렌즈 전원
21 … 제어부
22 … 표시부
23 … 입력부
24 … 대물 렌즈 전압 제어부
25 … 시료실
26 … 주사 전극
27 … 기억부
34 … 전자빔용 2 차 전자 검출기
41 … 전자빔 경통
42 … 전자원
43 … 전자빔용 대물 렌즈 코일
44 … 전자빔
45 … 전자빔용 대물 렌즈 중심 위치와 전자빔 조사 위치의 거리
46 … 전자빔용 대물 렌즈 중심 위치
47 … 전자빔 조사 위치
48…제 2 대물 렌즈 중심 위치와 이온빔 조사 위치의 거리
49 … 제 2 대물 렌즈 중심 위치
50 … 이온빔 조사 위치
51 … 가공홈
52 … 가공홈
53 … 박편 시료부
54 … 데미지층
55 … 데미지층
70 … 중심축
71 … 제 1 대물 렌즈 전계
71a … 렌즈 중심
71b … 이온빔
72 … 제 2 대물 렌즈 전계
72a … 렌즈 중심
72b … 이온빔
80 … 주사폭
81b … 이온빔
82b·‥이온빔
1a … 선단부
2 … 이온원
3 … 집속 렌즈 전극
4 … 편향 전극
5 … 비점 보정 전극
6 … 제 1 대물 렌즈 전극
7 … 제 1 대물 렌즈 전극
8 … 제 1 대물 렌즈 전극
9 … 제 2 대물 렌즈 전극
9a … 구멍부
9b … 평판부
9c … 통부
10 … 이온빔 경통
11 … 이온빔
12 … 시료대
13 … 시료
14 … 2 차 전자 검출기
15 … 가스총
16 … 가스원 용기
17 … 제 1 전환부
18 … 제 1 대물 렌즈 전원
19 … 제 2 전환부
20 … 제 2 대물 렌즈 전원
21 … 제어부
22 … 표시부
23 … 입력부
24 … 대물 렌즈 전압 제어부
25 … 시료실
26 … 주사 전극
27 … 기억부
34 … 전자빔용 2 차 전자 검출기
41 … 전자빔 경통
42 … 전자원
43 … 전자빔용 대물 렌즈 코일
44 … 전자빔
45 … 전자빔용 대물 렌즈 중심 위치와 전자빔 조사 위치의 거리
46 … 전자빔용 대물 렌즈 중심 위치
47 … 전자빔 조사 위치
48…제 2 대물 렌즈 중심 위치와 이온빔 조사 위치의 거리
49 … 제 2 대물 렌즈 중심 위치
50 … 이온빔 조사 위치
51 … 가공홈
52 … 가공홈
53 … 박편 시료부
54 … 데미지층
55 … 데미지층
70 … 중심축
71 … 제 1 대물 렌즈 전계
71a … 렌즈 중심
71b … 이온빔
72 … 제 2 대물 렌즈 전계
72a … 렌즈 중심
72b … 이온빔
80 … 주사폭
81b … 이온빔
82b·‥이온빔
Claims (13)
- 시료를 수용하는 시료실과, 이온빔을 가속 전압으로 가속시키고, 그 시료 상에 집속되도록 조사하는 이온빔 경통을 구비한 하전 입자 빔 장치로서,
상기 이온빔 경통은, 상기 이온빔 경통의 기단측에 수용되고, 이온빔을 발생시키는 이온원과, 상기 이온빔을 상기 시료에 조사하는 이온 광학계를 구비하고,
상기 이온 광학계는, 상기 시료에 상기 이온빔을 집속시키는 제 1 대물 렌즈 전극과, 상기 이온빔을 가속시키는 제 1 가속 전압보다 낮은 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 상기 시료에 집속시키는 제 2 대물 렌즈 전극을 구비하는 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 대물 렌즈 전극은, 상기 제 1 대물 렌즈 전극보다 상기 이온빔 경통의 선단측에 배치된 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 대물 렌즈 전극은, 복수의 전극으로 이루어지고,
상기 복수의 전극은, 적어도 상기 제 2 대물 렌즈 전극에 인접하고, 접지된 전극을 구비하고,
상기 접지된 전극과, 상기 제 2 대물 렌즈 전극과, 접지된 상기 이온빔 경통의 선단부에 의해 상기 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 집속시키는 렌즈 전계를 형성하는 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 광학계는, 상기 제 1 대물 렌즈 전극보다 상기 이온빔 경통의 기단측에 상기 이온빔을 편향하는 편향 전극을 구비하고,
상기 편향 전극은, 상기 제 1 가속 전압으로 가속된 이온빔을 상기 제 1 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 편향하고, 상기 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 상기 제 2 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 편향하는 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 광학계는, 상기 제 1 대물 렌즈보다 상기 이온빔 경통의 기단측에 상기 이온빔을 주사하는 주사 전극을 구비하고,
상기 주사 전극은, 상기 제 1 가속 전압으로 가속된 이온빔을 상기 제 1 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 주사하고, 상기 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔을 상기 제 2 대물 렌즈 전극의 렌즈 중심을 통과하도록 주사하는 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이온 광학계는, 상기 이온원에서 발생된 상기 이온빔을 집속시키는 집속 렌즈 전극과,
상기 이온빔의 비점을 보정하는 비점 보정 전극을 구비하는 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 가속 전압과 상기 제 2 가속 전압을 입력하는 입력부와,
상기 제 1 가속 전압과 상기 제 2 가속 전압에 대응한 상기 이온 광학계의 설정값을 기억하는 기억부와,
상기 설정값을 상기 이온 광학계에 설정하는 제어부를 더 구비하고,
상기 기억부는, 상기 제 1 가속 전압에 대응하는 제 1 설정값과, 상기 제 2 가속 전압에 대응하는 제 2 설정값을 기억하고,
상기 제어부는, 상기 입력부에서 상기 제 1 가속 전압을 입력했을 경우, 상기 제 1 설정값을 상기 이온 광학계에 설정하고, 상기 입력부에서 상기 제 2 가속 전압을 입력했을 경우, 상기 제 2 설정값을 상기 이온 광학계에 설정하는 하전 입자 빔 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 설정값은, 상기 제 1 대물 렌즈 전극의 설정값이 일정한 전압값이고, 상기 제 2 대물 렌즈 전극의 설정값이 0 이고,
상기 제 2 설정값은, 상기 제 1 대물 렌즈 전극의 설정값이 0 이고, 상기 제 2 대물 렌즈 전극의 설정값이 일정한 전압값인 하전 입자 빔 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 설정값과 제 2 설정값은, 상기 제 1 가속 전압으로 가속된 이온빔과 상기 제 2 가속 전압으로 가속된 이온빔이 동일한 영역을 조사하도록 설정된 설정값인 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 대물 렌즈 전극은, 상기 이온빔이 통과할 수 있는 구멍부를 갖고, 상기 이온빔에 대해 대략 수직인 평면을 갖는 평판부와, 상기 이온빔이 통과할 수 있는 통부로 이루어지는 하전 입자 빔 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 시료의 상기 이온빔의 조사 영역에 전자빔을 조사할 수 있는 전자빔 경통을 더 구비하고,
상기 전자빔 경통은, 상기 전자빔을 상기 시료에 집속시키는 전자빔용 대물 렌즈 코일을 갖고,
상기 전자빔용 대물 렌즈 코일의 중심과 상기 시료의 거리는, 상기 이온빔 경통의 상기 제 2 대물 렌즈 전극의 중심과 상기 시료의 거리보다 큰 하전 입자 빔 장치. - 제 1 가속 전압으로 이온빔을 가속시키고, 제 1 대물 렌즈에서 집속시켜 시료를 가공하는 제 1 가공 공정과,
상기 제 1 가속 전압보다 낮은 제 2 가속 전압으로 이온빔을 가속시키고, 상기 제 1 대물 렌즈보다 상기 시료에 가까운 제 2 대물 렌즈에서 집속시켜, 상기 시료를 가공하는 제 2 가공 공정으로 이루어지는 시료 가공 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 가공 공정은, 상기 제 1 가공 공정에서 상기 시료에 형성된 데미지 부분을 제거하는 가공 공정인 시료 가공 방법.
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