WO2011046093A1 - 荷電粒子線装置、及び膜厚測定方法 - Google Patents

荷電粒子線装置、及び膜厚測定方法 Download PDF

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WO2011046093A1
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film thickness
sample
region
charged particle
electron beam
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富松聡
大西毅
揚村寿英
南里光栄
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/3174—Etching microareas

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus capable of monitoring a film thickness.
  • FIB focused ion beam
  • TEM Transmission Electron Microscope
  • STEM scanning transmission electron microscope
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3223431
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 3221797
  • Patent Document 3 discloses that a thin film processed by FIB is irradiated with an electron beam, the irradiation intensity and transmission intensity of the electron beam are detected, and the film thickness is monitored from this intensity ratio.
  • Patent Document 4 discloses that a desired film thickness is determined from a change in signal luminance detected by a transmission electron detector or a scattered electron detector by irradiating a thin film processed with FIB with an electron beam. It is described to do.
  • Japanese Patent No. 3223431 Japanese Patent No. 3221797 Japanese Patent No. 3119959 JP 2006-127850 A
  • the irradiation amount of the electron beam to be irradiated is not necessarily constant because it varies depending on the state of the electron source. Due to this change in irradiation amount, the amount of transmitted electrons also varies. For this reason, in order to obtain accurate film thickness information, a film thickness calculation means capable of canceling the influence of the dose change is necessary.
  • An object of the present invention relates to providing a charged particle beam apparatus capable of suppressing an error due to an external condition and accurately monitoring a film thickness.
  • the present invention irradiates a sample with an electron beam, individually detects a signal for each region according to the scattering angle of a transmission electron beam, calculates the individual signal intensity from each other, and calculates an accurate film thickness. About.
  • the present invention it is possible to process a thin film sample with an accurate film thickness, and it is possible to improve the accuracy of structural observation, elemental analysis, and the like.
  • the figure which shows the structural example of a charged particle beam apparatus The figure which shows the structural example of a concentric circular division
  • the figure explaining suitable light-receiving region selection of a transmission electron detector The figure which shows the element mapping image of a process sample.
  • region of a transmission electron detector The figure which shows the example of GUI display of multiple area
  • an electron beam optical system that irradiates an electron beam, a sample stage on which a sample is placed, a transmission electron detector that detects a transmission electron in which a detection unit is divided into a plurality of regions, and a plurality of regions
  • a charged particle beam apparatus comprising: an arithmetic mechanism that calculates an intensity ratio between a transmission electron beam detected by a first region and a transmission electron beam detected by a second region; and a display device that displays a film thickness of the sample.
  • the electron beam optical system irradiates the sample with an electron beam
  • the detection unit detects the transmitted electron beam transmitted through the sample with a transmission electron detector divided into a plurality of regions.
  • a film thickness measurement method for a sample that calculates the intensity ratio of the transmission electron beam detected by the first region and the transmission electron beam detected by the second region in the plurality of regions, and displays the film thickness of the sample by a display device Is disclosed.
  • the embodiment discloses that the transmission electron beam intensity detected by the region detecting the transmission electron beam having a small scattering angle is divided by the transmission electron beam intensity detected by the region detecting the transmission electron having a large scattering angle. .
  • the first region and / or the second region when the transmission electron beam detected by the first region and / or the second region satisfies a predetermined condition is disclosed.
  • the first region and / or the second region is changed based on the constituent element of the sample at the location irradiated with the electron beam.
  • the embodiment discloses that a spectroscopic detector for detecting a constituent element of a sample is provided.
  • the spectral detector is an X-ray detector.
  • an input device for inputting a constituent element of a sample is disclosed. Moreover, it discloses that the constituent elements of the sample are input to the arithmetic device by the input device.
  • the embodiment discloses displaying the average film thickness in a desired region of the sample.
  • the embodiment discloses that the film thickness distribution in a desired region of the sample is displayed.
  • a charged particle beam apparatus including an ion beam optical system that irradiates a sample with an ion beam is disclosed. Moreover, it discloses that a thin film is formed on a sample by irradiating the sample with the ion beam by the ion beam optical system.
  • the embodiment discloses that the ion beam irradiation is controlled based on the output of the calculation mechanism.
  • a charged particle beam apparatus capable of simultaneously irradiating an ion beam and an electron beam is disclosed. Moreover, it discloses that the thin film formation on the sample by ion beam irradiation and the thin film measurement by electron beam irradiation are simultaneously performed.
  • a charged particle beam apparatus including a transfer mechanism for transferring a sample piece separated from an original sample by ion beam processing is disclosed. Moreover, measuring the film thickness of the sample piece isolate
  • FIG. 1 shows a configuration example of a charged particle beam apparatus.
  • the charged particle beam apparatus includes a movable sample stage 102 on which the sample 101 is placed, a sample position control device 103 that controls the position of the sample stage 102 in order to specify the observation or processing position of the sample 101, An ion beam optical system 105 that performs processing by irradiating the sample 101 with the ion beam 104, an ion beam optical system controller 106 that controls the ion beam optical system 105, and secondary electrons that detect secondary electrons from the sample 101. It has a detector 107. The secondary electron detector 107 is controlled by the secondary electron detector control device 108.
  • the electron beam optical system 110 that irradiates the sample 101 with the electron beam 109 is controlled by the electron beam optical system controller 111.
  • the transmission electron detector 113 that detects the transmission electron beam 112 transmitted through the sample 101 is controlled by the transmission electron detector control device 114.
  • the X-ray detector 115 that detects X-rays excited from the sample 101 by irradiation with the electron beam 109 is controlled by the X-ray detector control device 116.
  • the central processing unit 117 for example, a personal computer or a workstation is generally used.
  • a display device 118 that displays an output from the central processing unit 117 is provided.
  • the sample stage 102, the ion beam optical system 105, the secondary electron detector 107, the electron beam optical system 110, the transmission electron detector 113, the X-ray detector 115, and the like are disposed in the vacuum container 119.
  • the ion beam 104 formed by the ion beam optical system 105 is processed by irradiating the sample 101 placed on the sample stage 102, and the thickness of the sample 101 is determined by a signal from the transmission electron detector 113. Monitor.
  • the ion beam optical system 105 is arranged in the vertical direction and the electron beam optical system 110 is arranged in the oblique direction.
  • the arrangement form of the optical system is not limited to this.
  • the ion beam optical system 105 may be disposed in an oblique direction
  • the electron beam optical system 110 may be disposed in a vertical direction.
  • both the ion beam optical system 105 and the electron beam optical system 110 may be arranged obliquely.
  • FIG. 2 shows a detector having a detection region divided into concentric circular regions.
  • the position of the detector 206 is controlled by the transmission electron detector control device 114 of FIG. 1 so that the position directly irradiated with the electron beam 109 when the sample 101 is not present is located in the central region 201 of the detector 206.
  • the wiring 207 and the like are used to send signals in each region to the transmission electron detector control device 114.
  • the detector 206 is composed of, for example, a semiconductor detector.
  • the regions 201 to 205 are insulated from each other so that signals are not mixed with each other.
  • an electron-hole pair depending on the energy of electrons is formed.
  • the generation energy of electron-hole pairs at room temperature is about 3.6 eV. Therefore, if the energy of the transmission electron beam 112 is 30 kV, about 8000 electrons per electron. -Hole pairs will be generated. This electron-hole pair is detected as a current through the wiring 207, and the amount of transmitted electrons is monitored.
  • the detector 206 does not necessarily need to be formed in one layer.
  • a hole is formed in the region 201 and a detector is provided in the second layer, so that only electrons passing through the hole in the first layer are accurately detected. It is also possible to detect it. Moreover, it does not necessarily have to be concentric as shown in FIG. For example, as shown in FIG. 3, the region 301 to 305 is configured and the region 301 is positioned so as to correspond to the region 201 in FIG. You may make it detect. In the case of this structure, there is an advantage that the structure is simple and it is easy to arrange in a narrow space. On the other hand, the concentric circular shape of FIG. 2 has an advantage that the amount of signal on the outside is large.
  • FIG. 4 is a view of the detector 206 as seen from a cross section passing through the center thereof.
  • the electron beam 109 irradiated to the sample 101 becomes a transmission electron beam 112 spread by the interaction with the sample, and is irradiated to the respective regions 201 to 205 of the detector 206.
  • region 201 near the center is the electron beam which permeate
  • a sample obtained by imaging a sample with a signal that is not relatively scattered is generally called a bright-field image (Bright-Field image, hereinafter referred to as BF image).
  • the electron beam applied to the outer region 205 is an electron beam that has been greatly scattered in the sample 101.
  • a sample obtained by imaging a sample with a signal that has been greatly scattered is generally called a dark field image (Dark-Field image, hereinafter referred to as DF image).
  • DF image dark field image
  • the boundary between BF and DF is not physically determined but relative.
  • the areas 201 and 202 are BF
  • the areas 203 to 205 are DF.
  • the area 201 is BF1
  • the area 202 is BF2
  • the area 203 is DF1
  • the area 204 is DF2
  • the area 205 Will be referred to as DF3.
  • FIG. 5 shows a comparatively thick sample.
  • the probability that the electron beam is scattered becomes relatively large.
  • the transmission electron beam 502 spreads, and many electron beams are irradiated also to the area
  • the sample 601 is relatively thin as shown in FIG. 6, since the interaction with the sample atoms is small, the probability that the electron beam goes straight becomes relatively large. For this reason, the signal intensity of the areas 201 and 202 near the center is increased.
  • the irradiation area is expressed as if it is an electron beam boundary line.
  • the electron beam is not irradiated only on the inner side.
  • whether the inner intensity tends to increase or not is merely expressed in a visually easy-to-understand manner, and actual electron beams are distributed in a certain proportion in the regions 201 to 205.
  • FIG. 7 and 8 show the film thickness dependence of the signal intensity due to the light receiving region of the transmission electron detector.
  • FIG. 7 representatively shows signal strength 701 of BF1 (signal of region 201) and signal strength 702 of DF3 (signal of region 205) in an easy-to-understand manner.
  • the signal intensity 701 of BF1 increases as the film thickness decreases (goes to the left on the graph), while the signal intensity 702 of DF3 decreases (the left side on the graph). To go down).
  • FIG. 8 also shows five regions, and each signal is normalized by a signal amount of a certain film thickness T0.
  • the BF1 signal strength 801 monotonously increases as the film thickness decreases
  • the BF2 signal strength 802 has a peak in the middle of the film thickness decrease
  • the DF1 signal strength 803, the DF2 signal strength 804, and the DF3 signal strength 805 are films. It decreases monotonically due to the decrease in thickness.
  • this tendency depends on the element and changes. For example, it is necessary to understand that DF1 does not necessarily decrease monotonously due to a decrease in film thickness, but in the case of a certain element (for example, silicon), it decreases monotonically as shown in FIG.
  • This series of explanations is performed under the condition that a certain element (for example, silicon) has the tendency shown in FIGS.
  • a certain element for example, silicon
  • the film thickness can be calculated backward from the signal value of BF1, for example.
  • the absolute value of the signal intensity 701 varies depending on the intensity of the electron beam 109.
  • the intensity of the electron beam 109 varies depending on the conditions of the electron beam optical system 110 in FIG.
  • a change in electron beam intensity caused by what can be controlled by the electron beam optical system controller 111, such as lens intensity, can be estimated to some extent.
  • the electron beam intensity often fluctuates due to an unexpected change in the state of the electron source, and it is very difficult to keep the irradiation electron beam intensity constant. For this reason, when the irradiation electron beam intensity becomes weak, the signal intensity of the BF1 signal decreases from a signal intensity 901 to a signal intensity 902 as shown in FIG. In this case, even if the BF1 signal can be acquired, the correct film thickness cannot be calculated because it is not known which of the signal intensity 901 and the signal intensity 902 is correct.
  • the signal intensity decreases from the signal intensity 1001 to the signal intensity 1002.
  • the reduction ratio from the signal intensity 901 to the signal intensity 902 due to the decrease in the amount of irradiated electrons is equal to the reduction ratio from the signal intensity 1001 to the signal intensity 1002. Therefore, if the BF1 signal is divided by the DF3 signal, the fluctuation of the electron beam 109 can be canceled.
  • a graph of the film thickness dependence of this division signal is shown in FIG. As described above, the effect of fluctuations in irradiation electron intensity can be ignored by dividing.
  • the BF1 signal, the DF3 signal, and the like can be simultaneously acquired by the detector of FIG. 2, it is possible to acquire the division result in real time with irradiation.
  • BF1 whose signal monotonously increases as the film thickness decreases, is monotonously decreased and divided by DF3 having the largest rate of change, so that it is steeper than any signal shown in FIG. Can be obtained. That the signal changes sharply with respect to the film thickness means that the film thickness resolution becomes higher. That is, if the obtained BF1 / DF3 intensity is A, the film thickness T can be calculated with high accuracy.
  • FIG. 12 shows a case of a relatively light element sample (having a small atomic weight).
  • the probability that the electron beam is scattered becomes relatively small. Since the probability that the transmission electron beam 1202 goes straight is relatively large, the signal intensity of the region 201 and the region 202 near the center is increased.
  • the sample 1301 is a relatively heavy element (having a large atomic weight) as shown in FIG. 13, the interaction with the sample atom is large, so that the electron beam is relatively spread, and the outer region 205 has a large amount.
  • An electron beam will be irradiated.
  • the irradiation area is expressed as if it were the boundary line of the electron beam.
  • the electron beam is not irradiated only on the inner side, and the sample constituent elements are light.
  • the heavy one it is merely expressed in a visually easy-to-understand manner whether the inner strength tends to increase or not, and the actual electron beam is distributed in a certain proportion in the regions 201 to 205.
  • FIG. 14 shows the signal strength of BF1 (the signal of the region 201).
  • the signal intensity 1401 when the sample material is carbon (atomic weight 12.01)
  • the signal intensity 1402 when silicon (atomic weight 28.09)
  • the signal intensity 1403 when tungsten (atomic weight 183.9) are shown. Show.
  • the signal intensity of BF2 (the signal of the region 202) is shown in FIG.
  • the signal intensity 1501 of carbon and the signal intensity 1502 of silicon have a peak in the middle.
  • this BF2 signal is used in the film thickness monitor, for example, in the case of carbon, for one signal intensity A, two film thicknesses T1 and T2 are calculated backward, and it cannot be determined which is correct. This occurs when there is a peak in the middle even when the signal division as described with reference to FIG. 11 is used.
  • the signal intensity 1503 of BF2 since the signal intensity 1503 of BF2 does not have a peak in the middle, it can be used for film thickness monitoring.
  • the usable area and the unusable areas 201 to 205 vary depending on the constituent elements of the sample.
  • this DF3 signal is used as a denominator as shown in FIG. 11, it diverges and the film thickness cannot be monitored.
  • the signal strength 1603 of the inner DF2 (the signal of the region 204) has a sufficient signal strength even in the thin region 1602, and is desirably used as a denominator of division instead of DF3 of FIG.
  • a method of using another region for example, an inner region as a denominator is very effective.
  • FIG. 17 shows an example of a problem in the case of tungsten.
  • the signal intensity 1701 of BF1 (the signal of the area 201) is almost zero in the thick area 1702.
  • this BF1 signal is used for the numerator, the signal becomes almost zero and the film thickness cannot be monitored.
  • the signal intensity 1703 of BF2 (the signal of the area 202) on the outermost side has a sufficient signal intensity even in the thick area 1702, and it is desirable to use it for the numerator of division instead of BF1 in FIG.
  • a method of using another (for example, the outer) region for the molecule is very effective.
  • a region to be used for division may be determined in advance for the element, and a method of changing the region when the signal intensity becomes smaller than a predetermined signal intensity Aw is also possible.
  • Element information can be obtained from the signal of the X-ray detector 115 of FIG. 1, for example. That is, by irradiating the sample 101 with the electron beam 109 and detecting X-rays generated from the irradiated region, it is possible to specify the element in that region. Therefore, by scanning the electron beam 109 on the cross section of the sample 101, an element mapping image as shown in FIG. 18 can be obtained.
  • colors are displayed for each element, and the regions 1801, 1802, 1803, 1804, and 1805 are composed of different elements.
  • the content density for each element may be displayed by contrast or the like.
  • X-ray detection for acquiring the mapping image and signal detection of each of the areas 201 to 205 in the transmission electron beam detector of FIG. 2, for example, can be performed simultaneously. Therefore, while obtaining element information by X-ray detection, the optimum detection region for the film thickness monitor is selected from the regions 201 to 205, and the signal intensity ratio of the selected region is obtained by calculation processing. It is possible to calculate the thickness.
  • element information acquisition by X-ray detection is described here, element information can be obtained in the same manner even when other means such as electron energy loss spectroscopy or reflection electron energy spectroscopy is used. Is available.
  • the constituent elements of the sample 101 are known by design, such as a semiconductor device.
  • the element can be designated in advance by the user.
  • the region 1901 and the region 1902 in FIG. 19 are designated on the GUI on an image formed by secondary electrons, reflected electrons, or transmitted electrons by scanning with the electron beam 109.
  • the constituent elements of the region 1901 The user inputs in the input area 1903.
  • silicon (Si) is selected from the pull-down menu.
  • a detection region optimal for silicon from the regions 201 to 205 for example, select the region 201 for the numerator and 205 for the denominator. It becomes possible.
  • the X-ray detector 115 and the X-ray detector control device 116 of FIG. 1 can be removed from the apparatus configuration by manually inputting the element species.
  • the energy of the irradiated electrons is constant (for example, 30 kV).
  • the energy of the irradiated electrons can actually be changed.
  • the amount of transmitted electrons changes depending on the energy of irradiated electrons, and the signal ratio itself of the regions 201 to 205 of the detector 206 also changes. That is, the signal intensity shown in FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9, FIG. 10, FIG. 11, FIG.
  • the signal intensity of the entire transmitted electrons decreases as the energy of the irradiated electrons decreases, but the regions 201 to 205 do not decrease at the same rate, and the amount of transmitted electrons on the region 201 side (near the center) does not decrease.
  • the reduction is greater.
  • the calibration curve corresponding to FIGS. 7, 8, 9, 10, 11, 14, 14, 15, 17, etc. is also changed. It is desirable that the regions 201 to 205 to be used are also changed depending on the energy of the irradiation electrons.
  • the policy for selecting the optimum region for the calculation is the same as that described above.
  • FIGS. 20 to 26 show the display method of the film thickness when the film thickness information is acquired by the above method.
  • a secondary electron image 2001 in FIG. 20 is a cross-sectional image of the sample 101.
  • the sample is not limited to a secondary electron image, and may be a transmission electron image, a reflection electron image, an element mapping image, or the like.
  • An image of 101 is desirable. This is because the position error of the region designated for the film thickness monitor does not occur because it has the same deflection scanning information as the electron beam 109 used for the film thickness monitor.
  • the cursor 2002 when the position where the film thickness is desired to be monitored is designated by the cursor 2002, the film thickness calculated by the above method is displayed in the film thickness display area 2003.
  • the meter display area 2101 in FIG. 21 is configured to indicate a needle that can swing the film thickness value at the cursor position.
  • the change in film thickness depending on the position can be visually recognized.
  • the film thickness is monitored simultaneously with the processing by the ion beam 104 using the meter display area 2101, it is possible to visually recognize the state in which the film thickness is decreased by the processing by the shake of the meter needle. Easy to understand the situation.
  • a pop-up display as shown in FIG. 22 is possible.
  • a pop-up 2201 is a balloon displayed near the cursor position, and displays the film thickness corresponding to the cursor position such as a secondary electron image as a numerical value inside the balloon. Thereby, the film thickness can be recognized without taking the eyes off the secondary electron image 2001.
  • FIG. 23 shows an example of numerical film thickness display by region designation.
  • a monitor area 2301 in FIG. 23 is an area where information is averaged, and the size and position can be changed. For example, the size can be set by a drag operation, and the position can be changed by a cursor, a cross key on the keyboard, or the like.
  • the film thickness in this area is displayed in the film thickness display area 2302. Note that a meter display as shown in FIG. 24 or a pop-up display as shown in FIG. 25 may be used.
  • a sharp in-plane film thickness change hardly occurs. Therefore, when measuring the film thickness produced by the ion beam, if such an area average film thickness display is used, FIG. More stable information than the point data as shown in FIG. 22 can be obtained.
  • the calculated film thickness is assigned to contrast, pseudo color, or the like, and the film thickness distribution of the region corresponding to the secondary electron image or the like is changed by contrast change or color change. It may be displayed in the display area 2601. In this case, it is possible to overlook the film thickness distribution depending on the position.
  • the film thickness can be recognized by comparing the contrast between the contrast bar 2602 and the film thickness distribution display area 2601, for example. In the example of FIG. 26, it can be seen that the upward direction is thin, and the thickness increases as it goes downward.
  • an accurate numerical value or the like may be displayed as shown in FIGS. 20 to 25 by bringing a cursor or an average area on the film thickness distribution display area 2601. In this case, it is possible to recognize both the overall trend and the detailed numerical value.
  • FIG. 27 shows a GUI display example of the light receiving region of the transmission electron detector.
  • the molecule use area display unit 2701 in FIG. 27 displays the area used for the numerator of calculation, and in the example of FIG. 27, the BF1 signal is selected from the area 201.
  • the denominator use area display unit 2702 displays an area used for the denominator of calculation, and in this example, the DF3 signal is selected from the area 205. While displaying the region of the detector thus selected, the user designates the region of the detector by selecting the region of the numerator use region display unit 2701 and the denominator use region display unit 2702 with the cursor. It is also possible. Furthermore, as shown in the example of the denominator use area display unit 2801 in FIG. 28, addition of a plurality of areas can be used for the denominator and the like. The same applies to the molecule use area display section.
  • the arithmetic processing between the signals of the areas 201 to 205 selected in this way is performed by a semiconductor device included in the transmission electron detector control device 114. For this reason, high-speed real-time processing is possible.
  • the film thickness of the sample to be ion beam processed can be accurately monitored, so that high-precision observation and analysis sample preparation are possible.
  • FIG. 29 shows a configuration example of a charged particle beam apparatus with a function of extracting a small sample piece.
  • the original sample stage 2901 can place an original sample 2902 such as a semiconductor wafer, a chip or a lump.
  • a probe 2903 for extracting a sample piece from the original sample 2902 is held at the tip of the probe driving mechanism 2904.
  • a probe controller 2905 controls the probe position and the like.
  • An assist gas source 2906 for supplying an assist gas used for ion beam assist deposition or ion beam assist etching is controlled by a gas source control device 2907.
  • the probe control device 2905, the gas source control device 2907, and the like are controlled by the central processing unit 117. Instead of the probe, a microfork that can sandwich the sample piece or a micromanipulator that can hold the sample piece may be used.
  • FIG. 30 shows a flow of extracting a small sample piece.
  • the three rectangular holes 3002, 3003, and 3004 are processed by the ion beam 3001 around the desired cross section (in the direction of three sides) of the original sample 2902 placed on the original sample stage 2901.
  • a deposition film 3009 (a tungsten film in this embodiment) is formed by irradiating an ion beam 3001 to a region including the probe tip while supplying a deposition gas 3008 from an assist gas source 2906, and a sample piece. 3007 and the probe 2903 are fixed.
  • the ion beam 3001 is irradiated in parallel to the desired cross section and processed to near the desired cross section.
  • FIB processing is performed on both sides little by little while repeating the above (b) and (c) to finish the target thin film.
  • a thin film sample having a desired film thickness can be prepared by irradiating the thin film portion with an electron beam as shown in Example 1 and monitoring the film thickness during or between the thin film processes. It becomes possible. Further, when the thin film processing of FIGS. 31 (b) and (c) is automatically performed, the processing of FIGS. 31 (b) and (c) is automatically repeated until the film thickness is set in advance, and the film thickness set in advance is set. If the film thickness monitor information matches, the processing, that is, ion beam irradiation is stopped.
  • the sample piece as shown in the present embodiment can be held on the thin sample carrier 3010, the possibility of shielding the electron beam transmission for film thickness monitoring is reduced, and accurate film thickness monitoring is facilitated. Can be done. This is also effective in obtaining element information by detecting X-rays described in Example 1, and the possibility that incorrect element information is obtained by irradiating scattered electrons in the vicinity region is reduced. Accurate film thickness measurement can be realized. In addition, since it is possible to perform operations such as processing a sample with a precise film thickness for a desired observation section from a large original sample in a single vacuum sample chamber, a sample that changes in quality by reacting with the atmosphere. In this case, a thin film sample can be reliably produced, and the processing throughput can be improved.
  • FIG. 32 shows a configuration example of a charged particle beam apparatus with a gas ion beam.
  • a gas ion beam optical system 3201 that irradiates the sample 101 with a gas ion beam is controlled by a gas ion beam optical system controller 3202.
  • the gas ion beam optical system control device 3202 is controlled from the central processing unit 117 in the same manner as other control device devices.
  • a gallium ion beam is generally used as the ion beam 104 used for thin film processing. This is because the focusability of the gallium ion beam is excellent and it is effective for microfabrication. However, since gallium itself is a heavy metal, it is not preferable for analysis or the like that gallium remains in the processed sample. Furthermore, in order to focus the beam finely, high acceleration is necessary, but when processing with a high acceleration ion beam, a layer called a damage layer is formed. For example, when the sample to be processed is a silicon crystal, if the sample is processed with an accelerated gallium ion beam of about 30 kV, the silicon crystal is broken and an amorphous layer of about 30 nm is formed on one side.
  • argon or xenon is often used as the gas ion.
  • the thin film is irradiated with these gas ions at a low acceleration of, for example, 1 kV or less and finished.
  • FIG. 33 shows this state.
  • the sample thin film is irradiated with a gas ion beam 3301 and the region 3302 is irradiated.
  • the gas ion beam is widely irradiated as a final finish.
  • the processing is controlled not by the irradiation position management but by the time management.
  • the present invention contributes to improvement of semiconductor device failure analysis and structure analysis technology.
  • the present invention can be used not only for semiconductor devices but also for high-resolution observation of steel, light metals, polymer polymers, biological samples, and the like.
  • the merit that a sample having an accurate film thickness can be produced by an apparatus in which ion beam processing and a film thickness monitor are integrated has been described.
  • the present invention can also be used for an apparatus for measuring the film thickness of a sample manufactured by another ion beam apparatus or a sample manufactured by mechanical polishing, chemical polishing, or the like.

Abstract

本発明の荷電粒子線装置は、複数の領域（２０１－２０５；３０１－３０５）に分割された検出部を有する透過電子検出器（１１３；２０６）を備え、試料（１０１）に電子線（１０９）を照射した際に前記試料から発生する透過電子線（１１２）を前記透過電子線の散乱角に応じた前記領域ごとの信号として個別に検出した後、前記個別の信号強度をお互いに演算することによって、前記試料の膜厚を算出することを特徴とする。これにより、外部条件による誤差を抑制した正確な膜厚モニタを行い、薄膜試料を正確な膜厚に加工できる荷電粒子線装置が実現するので、構造観察や元素分析等の精度を向上させることが可能になった。

Description

荷電粒子線装置、及び膜厚測定方法
　本発明は、膜厚モニタが可能な荷電粒子線装置に関する。
　微細化が進む半導体デバイスの検査，解析に対するニーズが高まっている。その中でも不良原因を特定するための不良解析においては、デバイス内部の欠陥を直接観察することが必須技術となっている。これらの観察のためには、デバイスの観察目的位置を正確に微細加工する必要がある。従来、この正確な微細加工を行う装置として使用されてきたのは、集束イオンビーム（Focused Ion Beam、以下ＦＩＢ）加工装置である。このＦＩＢでは、サブミクロンオーダーに集束したイオンビームを静電偏向走査し、試料に照射することにより、目標位置を正確に加工することができる。このため、解析用の断面形成や解析用試料の作製等にＦＩＢは用いられる。
　高分解能観察には、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope、以下ＴＥＭ）や走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope、以下ＳＴＥＭ）等が使用される。このＴＥＭやＳＴＥＭで試料を観察するためには、試料を電子線が透過する厚さ、例えば１００ｎｍ程度にまで薄く加工する必要がある。近年のデバイスの微細化により、薄膜試料内に観察目標位置が正確に入るよう試料作製するためには、試料薄膜の膜厚管理が重要となってきている。
　薄膜の厚さをモニタする技術としては、例えば、特許第３２２３４３１号公報（特許文献１）や特許第３２２１７９７号公報（特許文献２）に記載されている技術がある。これらは、ＦＩＢで加工する薄膜に電子線を照射し、その透過電子量を検出することで加工薄膜の膜厚をモニタする。また、特許第３１１９９５９号公報（特許文献３）には、ＦＩＢで加工する薄膜に電子線を照射し、電子線の照射強度と透過強度を検出し、この強度比から膜厚をモニタすることが記載されている。また、特開２００６－１２７８５０号公報（特許文献４）には、ＦＩＢで加工する薄膜に電子線を照射し、透過電子検出器や散乱電子検出器により検出した信号輝度変化から所望膜厚を判断することが記載されている。
特許第３２２３４３１号公報 特許第３２２１７９７号公報 特許第３１１９９５９号公報 特開２００６－１２７８５０号公報
　本願発明者が膜厚モニタについて鋭意検討した結果、次のような知見を得るに至った。
　電子線を加工試料の膜厚モニタに使用することは、局所的な領域の膜厚情報が得られるため、大変有効である。しかし、同じ膜厚であっても、透過電子量は試料を構成する材質によって異なる。このため、正確な膜厚情報を得るためには、試料材質情報を加味した膜厚算出手段が必要となる。
　また、照射する電子線の照射量は、電子源の状態により変化するため必ずしも一定ではない。この照射量変化により、透過電子量も変動を受ける。このため、正確な膜厚情報を得るためには、照射量変化の影響をキャンセル可能な膜厚算出手段が必要となる。
　本発明の目的は、外部条件による誤差を抑制し、正確な膜厚モニタが可能な荷電粒子線装置を提供することに関する。
　本発明は、試料に電子線を照射し、透過電子線の散乱角に応じた領域ごとの信号を個別に検出し、上記個別の信号強度をお互いに演算し、正確な膜厚を算出することに関する。
　本発明により、薄膜試料を正確な膜厚に加工することが可能となり、構造観察や元素分析等の精度を向上させることができる。
荷電粒子線装置の構成例を示す図。 同心円型の分割型透過電子検出器の構成例を示す図。 ライン型の分割型透過電子検出器の構成例を示す図。 分割型透過電子検出器への試料透過電子の受光の様子を示す図。 厚い試料の試料透過電子の広がりを説明する図。 薄い試料の試料透過電子の広がりを説明する図。 透過電子検出器の受光領域による信号強度の膜厚依存性を示す図。 透過電子検出器の受光領域による規格化した信号強度の膜厚依存性を示す図。 照射電子ビーム強度変化によるＢＦ１信号強度の膜厚依存性を示す図。 照射電子ビーム強度変化によるＤＦ３信号強度の膜厚依存性を示す図。 除算信号の膜厚依存性と膜厚算出を説明する図。 原子量が小さい材質試料の試料透過電子の広がりを説明する図。 原子量が大きい材質試料の試料透過電子の広がりを説明する図。 試料構成元素の違いによるＢＦ１信号強度の膜厚依存性を示す図。 試料構成元素の違いによるＢＦ２信号強度の膜厚依存性を示す図。 透過電子検出器の適切な受光領域選択を説明する図。 透過電子検出器の適切な受光領域選択を説明する図。 加工試料の元素マッピング像を示す図。 加工試料の元素入力方法を示す図。 カーソルポイント指定による数値膜厚表示の例を示す図。 カーソルポイント指定によるメータ膜厚表示の例を示す図。 カーソルポイント指定によるポップアップ膜厚表示の例を示す図。 領域指定による数値膜厚表示の例を示す図。 領域指定によるメータ膜厚表示の例を示す図。 領域指定によるポップアップ膜厚表示の例を示す図。 膜厚マッピング像表示の例を示す図。 透過電子検出器の受光領域のＧＵＩ表示例を示す図。 透過電子検出器の受光領域の複数領域加算のＧＵＩ表示例を示す図。 微小試料片摘出機能付き荷電粒子線装置の構成例を示す図。 微小試料片の摘出手順を説明する図。 微小試料の薄膜加工を説明する図。 ガスイオンビーム付き荷電粒子線装置の構成例を示す図。 ガスイオンビームによる仕上げ加工を説明する図。
　実施例では、電子線を照射する電子線光学系と、試料を載置する試料台と、検出部が複数の領域に分割されている透過電子を検出する透過電子検出器と、複数の領域における第１の領域が検出した透過電子線と第２の領域が検出した透過電子線の強度比を演算する演算機構と、試料の膜厚を表示する表示装置と、を備える荷電粒子線装置を開示する。
　また、実施例では、電子線光学系により、試料に電子線を照射し、検出部が複数の領域に分割された透過電子検出器により、試料を透過した透過電子線を検出し、演算装置により、複数の領域における第１の領域が検出した透過電子線と第２の領域が検出した透過電子線の強度比を演算し、表示装置により、試料の膜厚を表示する試料の膜厚測定方法を開示する。
　また、実施例では、散乱角の小さな透過電子線を検出する領域が検出した透過電子線強度を、散乱角の大きな透過電子を検出する領域が検出した透過電子線強度により除することを開示する。
　また、実施例では、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域が検出した透過電子線が所定の条件となった場合に、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域を変更することを開示する。
　また、実施例では、電子線が照射されている箇所における試料の構成元素に基づいて、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域を変更することを開示する。
　また、実施例では、試料の構成元素を検出する分光検出器を備えることを開示する。また、好ましくは、当該分光検出器はＸ線検出器である。
　また、実施例では、試料の構成元素を入力する入力装置を開示する。また、入力装置により、試料の構成元素を演算装置に入力することを開示する。
　また、実施例では、試料の所望領域における平均膜厚を表示することを開示する。
　また、実施例では、試料の所望領域における膜厚分布を表示することを開示する。
　また、実施例では、試料に対してイオンビームを照射するイオンビーム光学系を備える荷電粒子線装置を開示する。また、当該イオンビーム光学系により試料に対してイオンビームを照射し、試料に薄膜を形成することを開示する。
　また、実施例では、演算機構の出力に基づいてイオンビームの照射を制御することを開示する。
　また、実施例では、イオンビームと電子線を同時に照射できる荷電粒子線装置を開示する。また、イオンビーム照射による試料への薄膜形成と、電子線照射による薄膜測定とを同時に実施することを開示する。
　また、実施例では、イオンビーム加工により元試料から分離された試料片を移送する移送機構を備える荷電粒子線装置を開示する。また、イオンビーム加工により元試料から分離された試料片の膜厚を測定することを開示する。
　以下、上記及びその他の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。尚、図面は発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を減縮するものではない。また、各実施例は適宜組み合わせることが可能であり、この組み合わせも本明細書では開示している。
　本実施例では、イオンビームで加工する試料の膜厚を正確にモニタすることが可能な荷電粒子線装置について説明する。
　図１に、荷電粒子線装置の構成例を示す。本実施例における荷電粒子線装置は、試料１０１を載置する可動の試料ステージ１０２と、試料１０１の観察や加工位置を特定するために試料ステージ１０２の位置を制御する試料位置制御装置１０３と、試料１０１にイオンビーム１０４を照射して加工を行うイオンビーム光学系１０５と、イオンビーム光学系１０５を制御するイオンビーム光学系制御装置１０６と、試料１０１からの２次電子を検出する二次電子検出器１０７を有する。二次電子検出器１０７は、二次電子検出器制御装置１０８により制御される。電子線１０９を試料１０１に照射する電子線光学系１１０は、電子線光学系制御装置１１１により制御される。試料１０１を透過した透過電子線１１２を検出する透過電子検出器１１３は、透過電子検出器制御装置１１４により制御される。また、電子線１０９の照射により試料１０１から励起されるＸ線を検出するＸ線検出器１１５は、Ｘ線検出器制御装置１１６により制御される。試料位置制御装置１０３，イオンビーム光学系制御装置１０６，二次電子検出器制御装置１０８，電子線光学系制御装置１１１，透過電子検出器制御装置１１４、及びＸ線検出器１１５等は、中央処理装置１１７により制御される。中央処理装置１１７としては、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーションが一般的に使用される。また、中央処理装置１１７からの出力を画像表示する表示装置１１８を有する。試料ステージ１０２，イオンビーム光学系１０５，二次電子検出器１０７，電子線光学系１１０，透過電子検出器１１３、及びＸ線検出器１１５等は、真空容器１１９内に配置される。この構成により、イオンビーム光学系１０５で形成されたイオンビーム１０４を試料ステージ１０２上に載置された試料１０１に照射して加工し、その試料１０１の厚さを透過電子検出器１１３の信号でモニタする。
　尚、本実施例における荷電粒子線装置では、イオンビーム光学系１０５が垂直方向に配置され、電子線光学系１１０が斜め方向に配置されているが、光学系の配置形態はこれに限られない。例えば、イオンビーム光学系１０５を斜め方向に配置し、電子線光学系１１０を垂直方向に配置してもよい。また、イオンビーム光学系１０５と電子線光学系１１０の双方を斜めに配置してもよい。
　ここで、透過電子検出器１１３の具体的構成例を説明する。図２は、同心円形状に領域分割された検出領域を有する検出器である。ここでは、５つの領域２０１～２０５に分割した例を示しているが、２分割以上であれば本実施例を実施することは可能である。検出器２０６の位置は、図１の透過電子検出器制御装置１１４により制御され、試料１０１が存在しない場合の電子線１０９が直接照射される位置が検出器２０６の中心の領域２０１に位置するように位置決めする。配線２０７等は、各々の領域の信号を透過電子検出器制御装置１１４に送るためのものである。この検出器２０６は、例えば半導体検出器等で構成される。この場合、各々の領域２０１～２０５の間はそれぞれ絶縁されており、お互いに信号が混入しないようになっている。半導体検出器に透過電子線１１２が照射されると、電子のエネルギーに依存した電子－正孔対が形成される。例えばシリコンの半導体検出器の場合、室温での電子－正孔対の生成エネルギーは３.６ｅＶ程度であるため、透過電子線１１２のエネルギーが３０ｋＶであれば、１つの電子で８０００個程度の電子－正孔対が生成されることになる。この電子－正孔対を、電流として、配線２０７を介して検出し、透過電子量をモニタする。この検出器２０６は、必ずしも１層で形成する必要は無く、例えば領域２０１の部分に穴を開け、２層目に検出器を持たせることにより、１層目の穴を通った電子だけを正確に検出することも可能となる。また、図２のように必ずしも同心円状で無くても良い。例えば図３のように領域３０１～３０５で構成し、領域３０１が図２の領域２０１に相当するように位置決めすることにより、中心付近の信号を領域３０１が検出し、外側の信号を領域３０５が検出するようにしても良い。この構造の場合は、構造が単純で、狭いスペースにも配置しやすいという長所がある。一方、図２の同心円状の場合は、外側の信号量が多いという長所がある。
　この検出器２０６に試料１０１を透過した透過電子線１１２がどのように照射されるかについて、図４を用いて説明する。図４は、検出器２０６を、その中心を通る断面から見た図である。試料１０１に照射された電子線１０９は、試料との相互作用により広がった透過電子線１１２となり、検出器２０６のそれぞれの領域２０１～２０５に照射される。このうち、中心付近の領域２０１に照射される電子線は、試料１０１内での散乱の影響を比較的受けずに透過してきた電子線である。この比較的散乱を受けていない信号で試料を画像化したものを、一般的に明視野像（Bright Field像、以下ＢＦ像）と呼ぶ。一方、外側の領域２０５に照射される電子線は、試料１０１内で大きく散乱を受けた電子線である。この大きく散乱を受けた信号で試料を画像化したものを、一般的に暗視野像（Dark Field像、以下ＤＦ像）と呼ぶ。ただし、このＢＦとＤＦの境界は物理的に決まったものでは無く、相対的なものである。例えば、本実施例の場合は、便宜上、領域２０１，２０２をＢＦ、領域２０３～２０５をＤＦとし、それぞれ、領域２０１をＢＦ１、領域２０２をＢＦ２、領域２０３をＤＦ１、領域２０４をＤＦ２、領域２０５をＤＦ３と呼ぶこととする。
　ここで、透過電子線の分布と試料の膜厚の関係について、図５及び図６を用いて説明する。図５は比較的厚い試料の場合である。この場合は、電子線１０９が試料５０１を透過する間に多くの原子との相互作用をすることから、電子線が散乱される確率が比較的大きくなる。このため、透過電子線５０２が広がり、より外側の領域２０５にも多くの電子線が照射されることとなる。一方、図６のように試料６０１が比較的薄い場合には、試料原子との相互作用が少ないことから、電子線が直進する確率が比較的に大きくなる。このため、中心付近の領域２０１，２０２等の信号強度が大きくなる。尚、図５や図６では、あたかも電子線の境界線のように照射領域を表現しているが、電子線がこの内側のみに照射されるわけではなく、あくまでも膜厚の厚いものと薄いものの比較として内側の強度が強くなる傾向かそうでないかを視覚的に分かりやすく表現したに過ぎず、実際の電子線は領域２０１～２０５にある割合で分布する。
　図７及び図８に、透過電子検出器の受光領域による信号強度の膜厚依存性を示す。図７は、ＢＦ１（領域２０１の信号）の信号強度７０１とＤＦ３（領域２０５の信号）の信号強度７０２を分かりやすく代表的に示している。図５や図６でも説明したとおり、ＢＦ１の信号強度７０１は膜厚が薄くなる（グラフ上左側に行く）に従って増加して行き、一方ＤＦ３の信号強度７０２は膜厚が薄くなる（グラフ上左側に行く）に従って減少していく。図８は５つの領域とも記載したものであり、ある膜厚Ｔ０の信号量でそれぞれの信号を規格化したものである。この場合、ＢＦ１信号強度８０１は膜厚減少により単調的に増加、ＢＦ２信号強度８０２は膜厚減少の途中でピークを有し、ＤＦ１信号強度８０３，ＤＦ２信号強度８０４、及びＤＦ３信号強度８０５は膜厚減少により単調的に減少している。ただし、後述するように、この傾向は元素に依存するものであり、変化する。例えばＤＦ１が膜厚減少により必ず単調的に減少するとは限らず、あくまである元素（例えばシリコン）の場合、図８に示すように単調的に減少するとの理解が必要である。この一連の説明では、ある元素（例えばシリコン）で図７及び図８の傾向があるという条件の下で行う。ここで、図７の傾向が保証されれば、例えばＢＦ１の信号値から膜厚を逆算することが可能となる。しかし、この信号強度７０１の絶対値は電子線１０９の強度により変動する。電子線１０９の強度は、図１の電子線光学系１１０の条件等で変動する。レンズ強度等、電子線光学系制御装置１１１で制御できるものによる電子線強度変化はある程度見積もることはできる。しかし、電子源の予期せぬ状態変化等で電子線強度が変動する場合も多く、照射電子線強度を一定に保つことは大変困難である。このため、照射電子線強度が弱くなるとＢＦ１信号は、図９に示すように、信号強度９０１から信号強度９０２のように信号強度が減少する。この場合は、例えＢＦ１信号が取得できても、信号強度９０１と信号強度９０２のどちらが正しいか分からないため、正しい膜厚を算出することはできない。
　照射電子線の強度変動を検出するために、仮に、試料１０１への電子線照射を遮って電流検出器等を入れ、電子線１０９の変化を取得した場合は、透過信号を同時には取得できないため、リアルタイムの膜厚モニタはできなくなる。また、電子源と試料との間に機械的に検出器を入れる場合は、機械的挿入に時間が掛かってしまう。電磁偏向を用いて電子線を大きく偏向し、照射電子の検出器に電子線を照射する方法も考えられるが、大きな電子線偏向は、その後の試料への再照射時に照射位置ずれの要因となる可能性がある。このため、照射電子線の強度変動を取得せずに、照射電子線の強度変動による膜厚算出誤差を抑制する方法が求められる。
　ここでＤＦ３信号に着目してみると、図１０に示すように、照射電子線強度が弱くなると、信号強度１００１から信号強度１００２のように信号強度が減少する。このとき、照射電子量減少による信号強度９０１から信号強度９０２への減少比と、信号強度１００１から信号強度１００２への減少比は等しくなる。このため、ＢＦ１信号をＤＦ３信号で除算すれば、電子線１０９の変動をキャンセルできる。この除算信号の膜厚依存性のグラフを図１１に示す。上記の通り、除算することにより、照射電子強度の変動影響は無視できる。また、ＢＦ１信号やＤＦ３信号等は、図２の検出器により同時に取得することが可能であるため、照射とリアルタイムに除算結果を取得することが可能となる。さらに、図８に示したように、膜厚減少により信号が単調に増加するＢＦ１を、単調に減少し、かつ最も変化率の大きいＤＦ３で除算することにより、図８に示すどの信号よりも急峻に変化する信号強度１１０１を得ることができる。膜厚に対して急峻に信号が変化するということは、より膜厚分解能が高くなるということを意味する。即ち、得られたＢＦ１／ＤＦ３強度がＡであれば、これから膜厚Ｔが高精度で算出できる。
　ただし、上述したように、試料膜厚と透過電子線の関係は、ある特定した元素に対して成り立つものであるため、透過電子線からの試料膜厚算出には、試料の構成元素を考慮する必要がある。透過電子線の分布と試料構成元素の関係について、図１２、及び図１３を用いて説明する。図１２は、比較的軽い（原子量が小さい）元素の試料の場合である。この場合は、電子線１０９が試料１２０１を透過する間に原子量が軽い原子と相互作用することから、電子線が散乱される確率が比較的小さくなる。透過電子線１２０２が直進する確率が比較的大きくなるため、中心付近の領域２０１や領域２０２等の信号強度が大きくなる。一方、図１３のように試料１３０１が比較的重い（原子量が大きい）元素の場合には、試料原子との相互作用が大きいため、電子線が比較的広がり、より外側の領域２０５にも多くの電子線が照射されることになる。尚、この図１２や図１３では、あたかも電子線の境界線のように照射領域を表現しているが、電子線がこの内側のみに照射されるわけではなく、あくまでも試料構成元素の軽いものと重いものの比較として内側の強度が強くなる傾向かそうでないかを視覚的に分かりやすく表現したに過ぎず、実際の電子線は領域２０１～２０５にある割合で分布する。
　図１４及び図１５に、試料構成元素の違いによる信号強度の膜厚依存性を示す。図１４は、ＢＦ１（領域２０１の信号）の信号強度を示す。図１４では、試料材質がカーボン（原子量１２.０１）の場合の信号強度１４０１，シリコン（原子量２８.０９）の場合の信号強度１４０２、及びタングステン（原子量１８３.９）の場合の信号強度１４０３を示している。図１２や図１３でも説明したとおり、原子量が大きくなるに従って信号量が減少していることが分かる。次に、ＢＦ２（領域２０２の信号）の信号強度を図１５に示す。カーボンの信号強度１５０１やシリコンの信号強度１５０２は途中にピークを有する。このため、仮に、このＢＦ２信号を膜厚モニタに使用すると、例えばカーボンの場合一つの信号強度Ａに対して、膜厚がＴ１，Ｔ２と２つ逆算され、どちらが正しいか判別できない。これは、図１１を用いて説明したような信号での除算を用いても、途中にピークがある場合は発生する。一方、タングステンの場合はＢＦ２の信号強度１５０３は途中にピークを持たないため、膜厚モニタに使用することが可能となる。このように、試料の構成元素によって、使用できる領域と使用できない領域２０１～２０５が変わることになる。ただし、上記のカーボンのＢＦ２信号のようにＴ１，Ｔ２と２つの膜厚が算出された場合に、近傍に別の元素の領域があれば、イオンビーム加工で急激な膜厚分布が生じないという前提条件等から、別の元素の近傍領域の膜厚算出結果に近い方を選択するというフィルタリング等による膜厚算出も可能である。即ち、試料の構成元素によって、膜厚モニタに使用する最適な領域を領域２０１～２０５から選択することが重要となる。例えば、図１６はカーボンの場合を示しているが、ＤＦ３（領域２０５の信号）の信号強度１６０１は、薄い領域１６０２では信号強度がほぼゼロに近くなる。この場合は、図１１のようにこのＤＦ３信号を分母に使用すると発散してしまい、膜厚モニタができなくなる。一方、その一つ内側のＤＦ２（領域２０４の信号）の信号強度１６０３は薄い領域１６０２でも充分な信号強度があり、図１１のＤＦ３の代わりに除算の分母に使用することが望ましい。このように、例えば予め定めた信号強度Ａｃよりも実際の信号が小さくなる領域では、別の（例えばより内側の）領域を分母に使用するという使用法が大変有効である。これは、予め元素に対して除算に使用する領域を取り決めておいてもよく、また、予め定めた信号強度Ａｃよりも小さくなった場合に領域を変更するという使用法も可能である。同様に、図１７はタングステンの場合に問題が生じる例で、ＢＦ１（領域２０１の信号）の信号強度１７０１は厚い領域１７０２では信号強度がほぼゼロに近くなる。この場合は、図１１のように、このＢＦ１信号を分子に使用するとほぼゼロとなり、膜厚モニタができなくなる。一方、その一つ外側のＢＦ２（領域２０２の信号）の信号強度１７０３は厚い領域１７０２でも充分な信号強度があり、図１１のＢＦ１の代わりに除算の分子に使用することが望ましい。このように、例えば予め定めた信号強度Ａｗよりも実際の信号が小さくなる領域では別の（例えばより外側の）領域を分子に使用するという使用法が大変有効である。これは予め元素に対して除算に使用する領域を取り決めておいてもよく、また、予め定めた信号強度Ａｗよりも小さくなった場合に領域を変更するという使用法も可能である。
　上記の元素情報を基にした信号強度の選択は、膜厚モニタの前に元素情報を得る必要がある。元素情報は、例えば図１のＸ線検出器１１５の信号から得ることが可能である。即ち、電子線１０９を試料１０１に照射してその照射領域から発生するＸ線を検出することにより、その領域の元素を特定することが可能である。従って、試料１０１の断面上で電子線１０９を走査することにより、図１８に示すような元素マッピング像を取得することが可能となる。ここでは、例えば元素毎に色分けして表示され、領域１８０１，領域１８０２，領域１８０３，領域１８０４、及び領域１８０５は、それぞれ異なる元素で構成されている。ここでは図示しないが、元素毎に１枚ずつ含有密度をコントラスト等により表示してもよい。このマッピング像を取得するためのＸ線検出と、例えば図２の透過電子線検出器における各領域２０１～２０５の信号検出は、同時に行うことが可能である。よって、Ｘ線検出により元素情報を取得しつつ、膜厚モニタに最適な検出領域を領域２０１～２０５から選択し、選択された領域の信号強度比を演算処理により求めることにより、ほぼリアルタイムで膜厚を算出することが可能となる。ここではＸ線検出による元素情報取得を記載したが他の手段、例えば電子エネルギー損失分光や反射電子エネルギー分光等を利用する場合でも同様に元素情報を得ることが可能であり、膜厚モニタ情報として利用可能である。
　また、試料１０１が、半導体デバイス等のように、設計上、構成元素が判明している場合もある。この場合は、元素を予めユーザ指定することも可能である。例えば、電子線１０９の走査により、二次電子、反射電子、又は透過電子で形成した像上で、図１９の領域１９０１や領域１９０２をＧＵＩ上で指定し、例えば領域１９０１の構成元素を、元素入力領域１９０３にユーザが入力する。ここでは、プルダウンメニューからシリコン（Ｓｉ）を選択した例を示している。こうすることで、例えば領域１９０１の膜厚をモニタするためにはシリコンに最適な検出領域を領域２０１～２０５から自動的に選択（例えば分子に領域２０１と分母に２０５を選択等）することが可能となる。このように、元素種を手動入力することにより、図１のＸ線検出器１１５やＸ線検出器制御装置１１６を装置構成から外すこともできる。
　以上では、説明を簡単にするために、照射電子のエネルギーは一定の場合（例えば３０ｋＶ）を仮定しているが、実際は照射電子のエネルギーを変えることも可能である。実際、透過電子量は照射電子のエネルギーにより変化し、検出器２０６の領域２０１～２０５の信号比自体も変化する。即ち、図７，図８，図９，図１０，図１１，図１４，図１５，図１６，図１７等に示した信号強度も照射電子のエネルギーにより変わる。傾向としては、照射電子のエネルギーが低くなれば、透過電子全体の信号強度も低くなるが、領域２０１～２０５が同じ割合で低くなるわけではなく、領域２０１側（中心付近）の透過電子量の減少がより大きい。このため、照射電子のエネルギーを変える場合には、図７，図８，図９，図１０，図１１，図１４，図１５，図１６，図１７等に相当する検量線も変え、演算に使用する領域２０１～２０５も、照射電子のエネルギーにより変えることが望ましい。ただし、演算に最適な領域選択の方針は、上述してきたものと同じである。膜厚減少に対して単調に増加する信号で最も変化率が高い領域と、膜厚減少に対して単調に減少する信号で最も変化率が高い領域とを選択して除算する場合が、最も膜厚変化に対して敏感な信号を得ることが可能であるため、領域選択として最適である。ただし、信号強度が小さくなりすぎる領域や元素では、第２候補の領域に領域選択を変えることも、上述してきたものと同じである。こうすることにより、照射電子のエネルギーを変えた場合にも正確な膜厚モニタが実現できる。
　ここで、上記の方法で膜厚情報を取得する場合の、膜厚の表示方法について図２０～図２６に示す。
　図２０の二次電子像２００１は、試料１０１の断面像である。ここでは二次電子像を用いているが、二次電子像に限定されるものではなく、透過電子像，反射電子像、又は元素マッピング像等でもよく、電子線１０９の走査で得られた試料１０１の像であることが望ましい。これは、膜厚モニタに使用する電子線１０９と同一の偏向走査情報を有することから、膜厚モニタに指定する領域の位置誤差が生じないためである。ここで、膜厚をモニタしたい位置をカーソル２００２で指定すると、膜厚表示領域２００３に上記方法で算出された膜厚が表示される。
　また、図２１のメータ表示領域２１０１では、カーソル位置の膜厚の値を振れる針が示すように構成されている。二次電子像等の上でカーソルを移動させ、カーソル移動による針の振れ具合を見ることにより、位置による膜厚の変化を視覚的に認識できる。また、メータ表示領域２１０１を用いて、イオンビーム１０４による加工と同時に膜厚モニタ行うと、加工により膜厚が減少していく様子をメータの針の振れにより視覚的に認識できるため、加工の進行状況を理解しやすい。
　また、図２２のようなポップアップ表示も可能である。ポップアップ２２０１は、カーソル位置の近傍に表示される吹き出しであり、二次電子像等のカーソル位置に対応した膜厚を、吹き出し内部に数値として表示する。これにより、二次電子像２００１から目を離さずに膜厚を認識することができる。
　以上は、カーソルにより指示したポイントの膜厚情報の表示について説明したが、ある面積を持った領域の平均情報を知りたいという場合もある。この表示例を図２３～図２５に示す。
　図２３に、領域指定による数値膜厚表示の例を示す。図２３のモニタ領域２３０１が情報を平均する領域であり、サイズや位置が変更可能である。例えば、サイズはドラッグ操作により設定可能であり、位置はカーソルやキーボードの十字キー等で変更可能である。この領域の膜厚が膜厚表示領域２３０２に表示される。尚、図２４のようなメータ表示や、図２５のようなポップアップ表示としてもよい。イオンビームの断面加工では、あまり面内の急峻な膜厚変化が生じにくいため、特にイオンビームにより作製した膜厚を測定する場合、このような面積平均の膜厚表示を用いると、図２０～図２２のようなポイントデータよりも安定した情報を得ることができる。
　また、例えば図２６に示すように、算出された膜厚をコントラストや擬似カラー等に割り当てて、二次電子像等に対応する領域の膜厚分布を、コントラスト変化や色変化により、膜厚分布表示領域２６０１に表示してもよい。この場合、位置による膜厚分布を一望することができる。膜厚は、例えばコントラストバー２６０２と膜厚分布表示領域２６０１のコントラストを見比べて認識することが可能である。図２６の例では、上方向が薄く、下に行くにつれて厚くなっている様子が分かる。尚、膜厚分布表示領域２６０１上にカーソルや平均領域を持っていくことにより、図２０～図２５のように、正確な数値等を表示するようにしてもよい。この場合、全体傾向と詳細数値を両方認識することが可能となる。
　以上のように、膜厚モニタに使用する透過電子線の検出器２０６の領域２０１～２０５は元素等や膜厚（信号量）に応じて自動的に選択されるが、どの領域が選択されているかをユーザに示すことも重要である。また、領域２０１～２０５の中でどの領域を使用するかをユーザが指定できることも望ましい。そこで、透過電子検出器の受光領域のＧＵＩ表示例を図２７に示す。
　図２７の分子使用領域表示部２７０１は、演算の分子に使用する領域を表示しており、図２７の例では領域２０１を選択したＢＦ１信号となっている。一方、分母使用領域表示部２７０２は、演算の分母に使用する領域を表示しており、この例では領域２０５を選択したＤＦ３信号となっている。このように選択されている検出器の領域を表示する一方で、この分子使用領域表示部２７０１や分母使用領域表示部２７０２の領域をカーソルで選択することにより、検出器の領域をユーザが指定することも可能となっている。さらに、図２８の分母使用領域表示部２８０１の例に示すように、複数の領域の加算を分母等に使用することも可能である。分子使用領域表示部も同様である。
　このように選択された各領域２０１～２０５の信号間の演算処理は、この例では透過電子検出器制御装置１１４が有する半導体デバイスにて行っている。このため、高速のリアルタイム処理が可能である。しかし、このようにハード的に演算を行わなくとも、例えば、中央処理装置１１７上にて、ソフト処理として演算することも可能である。この場合は、様々な演算処理のバリエーションをプログラム変更で追加することも可能となる。
　以上のように、本実施例の荷電粒子線装置では、イオンビーム加工する試料の膜厚を正確にモニタすることが可能となるため、高精度な観察や、分析試料の作製が可能となる。
　本実施例では、イオンビーム加工により元試料から微小試料片を摘出可能な荷電粒子線装置について説明する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。
　図２９に、微小試料片摘出機能付き荷電粒子線装置の構成例を示す。元試料台２９０１は、例えば半導体ウェーハやチップ若しくは塊のような元試料２９０２を載置することができる。この元試料２９０２から試料片を摘出するためのプローブ２９０３は、プローブ駆動機構２９０４の先端に保持されている。プローブ制御装置２９０５によりプローブ位置等は制御される。イオンビームアシストデポジションやイオンビームアシストエッチングのために使用するアシストガスを供給するアシストガス源２９０６は、ガス源制御装置２９０７により制御される。プローブ制御装置２９０５やガス源制御装置２９０７等は中央処理装置１１７により制御される。尚、プローブの代わりに、試料片を挟み込めるマイクロフォークや、試料片を掴めるマイクロマニピュレータを用いてもよい。
　ここで、イオンビーム加工により摘出された微小試料片からの薄膜作製について、図３０及び図３１を用いて説明する。図３０は、微小試料片の摘出フローを示したものである。
　（ａ，ｂ）始めに、元試料台２９０１に載置された元試料２９０２における所望断面の周り（３辺方向）に、イオンビーム３００１により３つの矩形穴３００２，３００３，３００４の加工を行う。
　（ｃ）次に、元試料台２９０１を傾斜させ、溝３００５の加工を行うことにより、支持部３００６のみで元試料２９０２に支持された試料片３００７を作製する。
　（ｄ，ｅ）次に、元試料台２９０１の傾斜を元に戻し、プローブ駆動機構２９０４によりプローブ２９０３の先端を試料片３００７に接触させる。そして、アシストガス源２９０６からデポジションガス３００８を供給しながらプローブ先端を含む領域にイオンビーム３００１照射を行うことにより、デポジション膜３００９（本実施例の場合はタングステン膜）を形成し、試料片３００７とプローブ２９０３を固定する。
　（ｆ，ｇ）試料片３００７とプローブ２９０３を固定した後に、支持部３００６をイオンビーム加工で除去することにより、元試料２９０２から試料片３００７を分離する。
　（ｈ）分離された試料片３００７をプローブ駆動によりサンプルキャリア３０１０に接触させる。このサンプルキャリア３０１０は、図２９の試料ステージ１０２に載置されている。そこで、接触部に上記と同様の方法でデポジション膜３０１１を形成し、試料片３００７とサンプルキャリア３０１０を固定する。
　（ｉ）試料片３００７とサンプルキャリア３０１０を固定した後に、プローブ先端をイオンビーム加工し、プローブを分離することにより、試料片３００７をプローブから独立させる。
　次に、薄膜の作製について図３１を用いて説明する。
　（ａ，ｂ）所望断面に平行にイオンビーム３００１を照射し、所望断面近傍まで加工する。
　（ｃ）さらに反対側もイオンビーム３００１を照射し、所望断面近傍まで加工する。
　上記（ｂ），（ｃ）を繰り返しながら両面を少しずつＦＩＢ加工し、目標薄膜に仕上げる。この薄膜加工の加工中、又は加工の合間に、実施例１で示したように電子線をこの薄膜部に照射し、膜厚をモニタすることで、所望膜厚の薄膜試料を作製することが可能となる。さらに、上記図３１（ｂ），（ｃ）の薄膜加工を自動で行う場合、予め設定した膜厚になるまで図３１（ｂ），（ｃ）の加工を自動で繰返し、予め設定した膜厚と膜厚モニタ情報が一致すれば加工、即ちイオンビーム照射を止める。
　本実施例で示したような試料片は薄いサンプルキャリア３０１０に保持することが可能であるため、膜厚モニタ用の電子線透過を遮蔽する可能性が少なくなり、正確な膜厚モニタを容易に行うことが可能となる。これは実施例１で説明したＸ線の検出による元素情報取得にも効果があり、近傍領域に散乱電子が照射されることにより、間違った元素情報が得られてしまう可能性が少なくなるため、正確な膜厚測定が実現できる。さらに、大きな元試料から、所望の観察部に関する正確な膜厚の試料を加工するといった作業を、一つの真空試料室中で行うことが可能であるため、大気と反応して変質するような試料の場合も確実に薄膜試料を作製することが可能であり、加工スループットも向上できる。
　本実施例では、薄膜仕上げ加工にガスイオンビームを用いる荷電粒子線装置について説明する。以下、実施例１や実施例２との相違点を中心に説明する。
　図３２に、ガスイオンビーム付き荷電粒子線装置の構成例を示す。試料１０１にガスイオンビームを照射するガスイオンビーム光学系３２０１は、ガスイオンビーム光学系制御装置３２０２により制御される。ガスイオンビーム光学系制御装置３２０２は、中央処理装置１１７から他の制御装置装置と同様に制御される。
　現状、薄膜加工に用いられるイオンビーム１０４としては、ガリウムイオンビームが一般的に使用されている。ガリウムイオンビームの集束性が優れており、微細加工に有効なためである。しかし、ガリウム自体は重金属であるため、加工した試料にガリウムが残ることは、分析等にとって好ましくない。さらに、ビームを微細に集束させるためには高加速性が必要であるが、高加速のイオンビームで加工した場合、ダメージ層と呼ばれる層が形成される。例えば加工する試料がシリコン結晶の場合、３０ｋＶ程度の加速のガリウムイオンビームにて試料を加工すると、シリコン結晶が崩れ、片面につき３０ｎｍ程度のアモルファス層が形成されてしまう。
　このような重金属汚染層やダメージ層を除去するためには、低加速のガスイオンビームで仕上げ加工をすることが有効である。ガスイオンとしては、例えばアルゴンやキセノン等がよく用いられる。これらガスイオンを、例えば１ｋＶやそれ以下の低加速で薄膜に照射し、仕上げ加工する。
　この様子を表したものが図３３である。ガスイオンビーム３３０１を試料薄膜に照射し、領域３３０２に照射する。現状、ガスイオンビームの照射領域をガリウムイオンビームのように小さく絞れることは難しいため、ガリウムイオンビームで薄膜作製した後に、最終仕上げとしてガスイオンビームを広く照射する。この場合、ガスイオンビームの照射位置はガリウムイオンビームのように正確に位置決めすることが難しいため、照射位置管理では無く時間管理で加工を制御する。ここで、実施例１や実施例２で説明した透過電子による膜厚モニタを行うことにより、ガスイオンビーム照射中や照射間に膜厚情報を取得することが可能となる。予め設定した膜厚と膜厚モニタ情報が一致した場合にガスイオンビーム照射を止めること等により、仕上げ加工管理が実現できる。
　本実施例で示したような装置構成とすることにより、仕上げ加工の終点制御も可能となるため、より高品位の薄膜作製が実現できる。
　本発明は、半導体デバイスの不良解析や構造解析技術の向上に貢献する。また、半導体デバイスのみならず、鉄鋼，軽金属，ポリマー系高分子，生体試料等の高分解能観察にも本発明は利用可能である。
　尚、上述の実施例では、イオンビーム加工と膜厚モニタが一体となった装置により、正確な膜厚の試料を作製できるメリットを説明したが、イオンビーム光学系を外した構成においても膜厚のモニタは可能であり、本発明は、他のイオンビーム装置で作製した試料や、機械的研磨や化学的研磨等で作製した試料の膜厚を測定する装置にも利用可能である。
１０１，５０１，６０１，１２０１，１３０１　試料
１０２　試料ステージ
１０３　試料位置制御装置
１０４，３００１　イオンビーム
１０５　イオンビーム光学系
１０６　イオンビーム光学系制御装置
１０７　二次電子検出器
１０８　二次電子検出器制御装置
１０９　電子線
１１０　電子線光学系
１１１　電子線光学系制御装置
１１２，５０２，１２０２　透過電子線
１１３　透過電子検出器
１１４　透過電子検出器制御装置
１１５　Ｘ線検出器
１１６　Ｘ線検出器制御装置
１１７　中央処理装置
１１８　表示装置
２０１～２０５，３０１～３０５，１８０１～１８０５，１９０１，１９０２，３３０２　領域
２０６　検出器
７０１，７０２，８０１～８０５，９０１，９０２，１００１，１００２，１１０１，１４０１～１４０３，１５０１～１５０３，１６０１，１６０３，１７０１，１７０３　信号強度
１６０２　薄い領域
１７０２　厚い領域
１９０３　元素入力領域
２００１　二次電子像
２００２　カーソル
２００３，２３０２　膜厚表示領域
２１０１　メータ表示領域
２２０１　ポップアップ
２３０１　モニタ領域
２６０１　膜厚分布表示領域
２６０２　コントラストバー
２７０１　分子使用領域表示部
２７０２，２８０１　分母使用領域表示部
２９０１　元試料台
２９０２　元試料
２９０３　プローブ
２９０４　プローブ駆動機構
２９０５　プローブ制御装置
２９０６　アシストガス源
２９０７　ガス源制御装置
３００２～３００４　矩形穴
３００５　溝
３００６　支持部
３００７　試料片
３００８　デポジションガス
３００９，３０１１　デポジション膜
３０１０　サンプルキャリア
３２０１　ガスイオンビーム光学系
３２０２　ガスイオンビーム光学系制御装置
３３０１　ガスイオンビーム

Claims (26)

  1. 　電子線を照射する電子線光学系と、試料を載置する試料台と、透過電子を検出する透過電子検出器を有する荷電粒子線装置において、
    　前記透過電子検出器の検出部が複数の領域に分割されており、
    　当該複数の領域における第１の領域が検出した透過電子線と第２の領域が検出した透過電子線の強度比を演算する演算機構と、
    　前記試料の膜厚を表示する表示装置と、
    を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記演算機構は、散乱角の小さな透過電子線を検出する領域が検出した透過電子線強度を、散乱角の大きな透過電子を検出する領域が検出した透過電子線強度により除することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記演算機構は、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域が検出した透過電子線検出が所定条件となった場合に、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域を変更することを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記演算機構は、電子線が照射されている箇所における試料の構成元素に基づいて、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域を変更することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記試料の構成元素を検出する分光検出器を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５記載の荷電粒子線装置において、
    　前記分光検出器がＸ線検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記試料の構成元素を入力する入力装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記表示装置は、前記試料の所望領域における平均膜厚を表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記表示装置は、前記試料の所望領域における膜厚分布を表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記試料に対してイオンビームを照射するイオンビーム光学系を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１０記載の荷電粒子線装置において、
    　前記イオンビーム光学系は、前記演算機構の出力に基づいてイオンビームの照射を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　請求項１０記載の荷電粒子線装置において、
    　イオンビームと電子線を同時に照射できることを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１０記載の荷電粒子線装置において、
    　イオンビーム加工により元試料から分離された試料片を移送する移送機構を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　試料の膜厚測定方法であって、
    　電子線光学系により、試料に電子線を照射し、
    　検出部が複数の領域に分割された透過電子検出器により、前記試料を透過した透過電子線を検出し、
    　演算機構により、前記複数の領域における第１の領域が検出した透過電子線と第２の領域が検出した透過電子線の強度比を演算し、
    　表示装置により、前記試料の膜厚を表示する膜厚測定方法。
  15. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　前記演算機構により、散乱角の小さな透過電子線を検出する領域が検出した透過電子線強度を、散乱角の大きな透過電子を検出する領域が検出した透過電子線強度により除することを特徴とする膜厚測定方法。
  16. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域が検出した透過電子線検出が所定条件となった場合に、前記第１の領域、及び／又は前記第２の領域を変更することを特徴とする膜厚測定方法。
  17. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　電子線が照射されている箇所における試料の構成元素に基づいて、前記第１領域、及び／又は前記第２領域を変更することを特徴とする膜厚測定方法。
  18. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　分光検出器により、前記試料の構成元素を検出することを特徴とする膜厚測定方法。
  19. 　請求項１８記載の膜厚測定方法において、
    　前記分光検出器がＸ線検出器であることを特徴とする膜厚測定方法。
  20. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　入力装置により、前記試料の構成元素を前記演算機構に入力することを特徴とする膜厚測定方法。
  21. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　前記試料の所望領域における平均膜厚を表示することを特徴とする膜厚測定方法。
  22. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　前記試料の所望領域における膜厚分布を表示することを特徴とする膜厚測定方法。
  23. 　請求項１４記載の膜厚測定方法において、
    　イオンビーム光学系により前記試料に対してイオンビームを照射し、前記試料に薄膜を形成することを特徴とする膜厚測定方法。
  24. 　請求項２３記載の膜厚測定方法において、
    　前記イオンビーム光学系は、前記演算機構の出力に基づいてイオンビームの照射を制御することを特徴とする膜厚測定方法。
  25. 　請求項２３記載の膜厚測定方法において、
    　イオンビーム照射による前記試料への薄膜形成と、電子線照射による薄膜測定とを同時に実施することを特徴とする膜厚測定方法。
  26. 　請求項２３記載の膜厚測定方法において、
    　イオンビーム加工により元試料から分離された試料片の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定方法。
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