WO2023166551A1 - イオンミリング装置及び検査システム - Google Patents

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WO2023166551A1
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processed
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直弘 藤田
久幸 高須
敦史 上野
斉 鴨志田
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株式会社日立ハイテク
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/305—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for casting, melting, evaporating or etching

Definitions

  • the present invention relates to ion milling equipment and inspection systems.
  • the ion milling apparatus irradiates the surface or cross section of a sample (e.g., metal, semiconductor, glass, ceramic, etc.) with an unfocused ion beam (Ar ions, etc.) accelerated to several kV, and stress-free due to the sputtering phenomenon.
  • a smooth processed surface can be obtained by flicking away the atoms on the surface of the sample. This is excellent for performing smoothing processing for observing the surface or cross section of a sample with an electron microscope represented by SEM (Scanning Electron Microscope) and TEM (Transmission Electron Microscope). It is a characteristic.
  • Patent Document 1 the mass of the sputtered particles deposited on the crystal oscillator is measured from the change in the frequency of the oscillation signal due to the deposition of the sputtered particles on the crystal oscillator by milling, and the sputtered particles are deposited on the sample. It is disclosed to estimate the film thickness of the redeposition film formed by
  • Cross-sectional milling processing using an ion milling device that uses an unfocused ion beam has the advantage of being able to expose the internal structure of a three-dimensional device at high speed, but it is difficult to perform processing with a fixed shape.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing how the sample 1 is subjected to cross-sectional milling.
  • the configuration of the ion milling apparatus will be described later with reference to FIG. 1.
  • a side view 50 shows the sample 1 viewed from an ion gun that irradiates an ion beam
  • a top view 51 shows the sample 1 viewed from an imaging device.
  • the hole 52 is seen through as an example of the internal structure of the sample 1 . Since hole 52 is an internal structure, it is not visible from the outside prior to cross-section milling.
  • a shielding plate 3 that shields the ion beam is placed on the sample 1, and the exposed portion of the sample 1 that protrudes slightly from the end face of the shielding plate 3 is milled to expose the cross section of the sample.
  • the intensity of the ion beam is highest at its center (ion beam center) and attenuates according to a Gaussian distribution as it moves away from the ion beam center.
  • the amount of sputtering is the largest in the area where the central portion of the ion beam is irradiated, and the amount of sputtering decreases as the distance from the area increases.
  • the machined surface formed by the cross-sectional milling process is inclined with respect to the depth direction (Y direction) of the hole 52 .
  • the intensity distribution of the ion beam changes depending on the distance between the ion gun and the sample, the acceleration voltage of the ion beam, the discharge voltage, the gas flow rate, etc.
  • the ion beam with the same intensity distribution is applied to the sample. difficult to irradiate. For this reason, variations in the shape of the processed surface to be formed are likely to occur for each sample to be processed.
  • an SEM image (hereinafter referred to as a cross-sectional SEM image) is taken from the same direction as the top view 51, and it is analyzed whether the internal structure is formed into a desired structure.
  • the image of the hole 52 shown in the cross-sectional SEM image includes distortion due to the inclination of the machined surface.
  • this distortion can be eliminated by image processing, the degree of distortion varies depending on the shape of the machined surface.
  • the image of the hole 52a exposed by the processing surface 53 and the image of the hole 52a exposed by the processing surface 54 have different degrees of distortion. If a machined surface is obtained for each cross-sectional milling process, that is, for each machined sample, and the cross-sectional SEM image is subjected to distortion correction according to the inclination of the machined surface, the throughput of inspection will decrease.
  • the throughput of inspection is improved by achieving high reproducibility of the processed shape in the cross-section milling process.
  • An ion milling apparatus which is an embodiment of the present invention, comprises a sample chamber, an ion gun that emits an unfocused ion beam, and an end face of a shielding plate that is placed in the sample chamber and shields the ion beam placed on the sample.
  • a second monitoring mechanism that captures an image of the processed surface of the sample formed by irradiation with the beam, a sputter amount of the sample estimated from the measurement by the first monitoring mechanism, and an image captured by the second monitoring mechanism.
  • a control unit that terminates processing of the sample when the shape of the processed surface image extracted from the sample satisfies processing termination conditions set for the amount of sputtering and the processed surface shape.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ion milling device; FIG. It is a figure which shows the change of the machined surface shape by time transition. It is an example of a processing surface image. It is an example of a processing surface image. 5 is a flowchart of cross-section milling processing; 1 is a schematic configuration diagram of an inspection system; FIG. It is an example of the image processing which an image processing part performs. It is a figure for demonstrating the subject of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of an ion milling device.
  • a sample 1 is placed on a sample stage 2 and is irradiated with an ion beam from an ion gun 4 .
  • a Penning system is adopted which is effective for downsizing the structure.
  • argon ions are generated by colliding electrons generated by Penning discharge with argon gas inside the ion gun, and the generated argon ions are accelerated and emitted as an ion beam.
  • the ion gun 4 is applied with a discharge voltage for generating a Penning discharge from a high-voltage power supply 5a and an acceleration voltage for accelerating argon ions, and an argon gas whose flow rate is controlled by an MFC (Mass Flow Controller) 5b. is supplied.
  • MFC Mass Flow Controller
  • a shielding plate 3 is placed on the sample 1 to shield the ion beam irradiated from the ion gun 4 to the sample 1, and the portion of the sample 1 exposed so as to protrude from the end surface of the shielding plate 3 is milled by the ion beam. (cross-section milling).
  • the sample stage 2 is driven by a stage driving section 9 during the cross-section milling process.
  • the stage drive unit 9 causes the sample stage 2 to swing about a swing axis S (Y direction) set perpendicular to the ion beam center B of the ion beam, and swing the ion beam center B and the swing axis S. and a sliding motion along a direction (X direction) perpendicular to the above.
  • the swing motion of swinging the sample 1 around the swing axis S within a predetermined angular range (swing angle) can smoothen the processed surface. Further, by sliding the sample 1 back and forth in the X direction around the ion beam center B, the processing width in the X direction can be widened.
  • the milling process is performed in the sample chamber 6 evacuated by the exhaust system 10 .
  • the control of the ion milling apparatus is performed by the computer 12 and the controller 11, and these are sometimes collectively called the control unit.
  • the computer 12 sets the milling conditions set by the user in the controller 11 , monitors the milling process (details will be described later), and changes the control values of the controller 11 .
  • the controller 11 controls each configuration (ion gun 4, sample stage 2, exhaust system 10, etc.) of the ion milling apparatus based on the set or changed control values.
  • the ion milling device has at least two monitoring mechanisms to monitor the cross-section milling process.
  • a first monitoring mechanism is a sensor for estimating the amount of spatter on the sample due to the cross-section milling process.
  • the first monitoring mechanism includes a crystal oscillator 17, an oscillation circuit 18, and a detection circuit 19 arranged near the sample 1.
  • the crystal oscillator 17 is, for example, a disk-shaped crystal oscillator, and is preferably installed so as to be movable within the sample chamber 6 so that its position and orientation can be adjusted in order to optimize the sensitivity of monitoring.
  • the oscillation circuit 18 oscillates the crystal oscillator 17 to output an oscillation signal
  • the detection circuit 19 detects the frequency of the oscillation signal.
  • Sputtered particles generated by the milling process adhere to the crystal oscillator 17 and increase the mass of the crystal oscillator, thereby changing the frequency of the oscillation signal. Using this phenomenon, the mass of the sputtered particles deposited on the crystal oscillator 17 is measured from the change in the frequency of the oscillation signal. From the mass of the sputtered particles deposited on the crystal oscillator 17, the sputter amount of the sample 1 by the milling process can be estimated.
  • the second monitoring mechanism is an image sensor that monitors the shape processed by the cross-section milling process.
  • the second monitoring mechanism includes an illumination device 15 such as an LED provided outside the sample chamber 6 and an imaging device 16 that enlarges and images the processed shape of the sample 1 using an optical microscope, an electron microscope, or the like. For this reason, an observation window 7 is provided on the upper surface of the sample chamber 6 , and through the observation window 7 an imaging device 16 can image a processed surface formed by cross-sectional milling.
  • the inner surface of the observation window 7 is protected by a shutter 8 in order to prevent sputtered particles from adhering to the observation window 7 .
  • the shutter 8 While the sample 1 is being irradiated with the ion beam, the shutter 8 is closed to prevent sputtered particles from adhering to the observation window 7 .
  • the illumination 15 illuminates the inside of the sample chamber 6, and the imaging device 16 takes images of the processing surface of the sample 1 at predetermined time intervals.
  • FIG. 2 is a diagram showing an image 20 captured by the imaging device 16, showing changes in the shape of the machined surface due to time transition of the cross-sectional milling process.
  • this example is an example in which a sample having no internal structure is cross-sectionally milled. It can be seen that the machined surface depth (in the Z direction) increases with the passage of time. On the other hand, the processing depth (Y direction) cannot be grasped from an image of the processing surface taken from above. Therefore, in this embodiment, monitoring of the spatter amount is used in addition to image monitoring. If the machined surface shape and the amount of spatter observed from above match the desired values, it is assumed that the three-dimensional machined surface formed by cross-section milling is the desired machined surface. be able to.
  • FIG. 3A is a processed surface image 30 magnified by an optical microscope.
  • the processing surface image 30 includes a sample image 31 subjected to cross-sectional milling, a sample stage image 32 and a shielding plate image 33 .
  • the computer 12 binarizes the processing surface image 30 to obtain a processing surface image 35 shown in FIG. 3B.
  • the shape of the machined surface is extracted in consideration of how the illumination 15 casts a shadow.
  • the machined surface image 35 is used as the machined surface depth
  • the height 36 and the half width 37 are measured.
  • the computer 12 automatically acquires the processing surface image 35 from the processing surface image 30 and performs measurement.
  • FIG. 4 shows a flow chart of the cross-section milling process in this embodiment. This flow is controlled by the computer 12 .
  • Step 101 The user sets the milling conditions in the computer 12.
  • the milling conditions include information on the desired machined surface shape and the amount of machining. Specifically, the machined surface shape and the amount of sputtering are set as conditions for finishing machining.
  • the setting method is not particularly limited, and the processing surface image may be registered, or the representative value of the processing surface image according to the processing surface shape determination method performed by the computer 12 may be registered.
  • the spatter amount the sputter amount of the sample to be processed may be registered, or the expected value of the sputter amount deposited on the crystal oscillator 17 by processing the sample may be registered.
  • the ion milling apparatus starts processing.
  • Steps 102 and 103 After continuing the processing for a certain period of time, the irradiation of the sample 1 with the ion beam by the ion gun 4 is stopped, and the imaging device 16 photographs the sample 1 through the observation window 7 to obtain an image of the processed surface of the sample 1. to get
  • Step 104 The computer 12 extracts the processed surface image from the processed surface image.
  • Step 105 The machined surface depth and half width are measured from the machined surface image.
  • the contents of measurement in this step are not limited to the machined surface depth and the half-value width according to the method of determining the machined surface shape.
  • the measured values of the machined surface image may be used.
  • Step 106 In parallel with the monitoring of the cross-section milling process by the second monitoring mechanism in steps 102 to 105, the first monitoring mechanism monitors the cross-section milling process during the cross-section milling process. That is, the oscillation circuit 18 oscillates the crystal oscillator 17 to output an oscillation signal, and the detection circuit 19 detects the frequency of the oscillation signal. The calculator 12 estimates the amount of spatter on the sample 1 from the change in frequency of the oscillation signal detected by the detection circuit 19 .
  • the amount of sputtering on the sample 1 may be estimated from the amount of sputtering deposited on the crystal oscillator 17, or the amount of sputtering deposited on the crystal oscillator 17 may be regarded as the amount of sputtering on the sample 1. .
  • Step 107 When the measured machining surface shape and the measured amount of spatter satisfy the machining end conditions, the machining is terminated (step 108). If the processing end condition is not satisfied, the process proceeds to step 109 . For example, with respect to the machined surface shape and the amount of spatter, which are the machining end conditions set in step 101, when the measured machined surface shape and the amount of spatter are within a predetermined error range, the machining end condition is satisfied. End the processing as
  • Step 109 The computer 12 adjusts the swing speed and/or swing angle of the sample stage 2 as necessary.
  • the computer 12 stores in advance the method of adjusting the swing speed and the swing angle of the sample stage 2 in association with the shape of the processed surface, and selects the method of driving the sample stage 2 according to the shape of the processed surface measured in step 105. adjust.
  • the user acquires time change information of the machined surface shape and time change information of the amount of spatter as shown in FIG. Keep
  • the computer 12 stores the ideal machined surface shape and the amount of spatter according to the elapsed time from the start of machining, and estimates the deviation from the three-dimensional machined surface at that time. It is possible to adjust the driving method of the sample stage so as to further progress the processing in the direction (depth direction of the processing surface) or to further progress the processing in the Y direction (processing depth direction).
  • the processing end condition is usually set according to the elapsed time from the start of processing, and processing is completed when the initially set milling conditions are executed for a predetermined time.
  • the ion milling apparatus of the present embodiment by monitoring the shape of the machined surface and the amount of spatter and feeding them back to the milling conditions, it is possible to improve the reproducibility of three-dimensional machining of the sample. .
  • the flowchart in FIG. 4 can be modified in various ways.
  • the certain period of time in step 102 may be settable by the user or may be set by the device.
  • the frequency of photographing the sample may be changed according to the amount of spatter measured in step 106 .
  • the determination of the machining end condition for the machined surface shape is not limited to the comparison of the representative values of the machined surface shape.
  • the contour line of the machined surface image is modeled, and the computer 12 pre-stores a shape model of the contour line of the ideal machined surface shape corresponding to the elapsed time from the start of machining. It is also possible to make a determination by comparing the shape model of the contour line of the machined surface shape and the shape model of the extracted contour line of the machined surface image.
  • the computer 12 may store a learning model obtained by machine-learning the state of the machined surface shape, and may determine whether or not the machining end condition is satisfied by the learning model. In this case, the measurement process of step 105 can be omitted.
  • the learning model includes a learning model for determining whether or not the termination condition is satisfied, a learning model for determining the most similar machined surface shape among the time series of machined surface shapes as shown in FIG. can be considered.
  • FIG. 5A shows an inspection system using the ion milling device described above.
  • the inspection system 40 includes an ion milling device 41 and an inspection device 42 .
  • the inspection device 42 includes a charged particle beam device 43a and a control device 43b.
  • the ion milling device 41 performs processing to expose the cross section of the sample 1, the inspection device 42 images the processed sample 1b with the charged particle beam device 43a, and the internal structure of the sample 1 is determined appropriately from the cross-sectional image of the processed sample 1b. Analyze whether it is formed in
  • a scanning electron microscope is applied to the charged particle beam device 43a.
  • the control device 43b is composed of a computer, and can realize a predetermined function by executing a program.
  • an imaging unit 44, an image processing unit 45, and an analysis unit 46 are shown as functions related to inspection.
  • the imaging unit 44 controls the charged particle beam device 43a to capture a cross-sectional image of the processed sample 1b
  • the image processing unit 45 processes the captured cross-sectional image of the processed sample 1b
  • the analysis unit 46 An analysis is performed as to whether or not a desired internal structure is formed in the sample 1 from a predetermined image-processed cross-sectional image.
  • FIG. 5B An example of image processing performed by the image processing unit 45 is shown in FIG. 5B.
  • a cross-sectional image 47 of the processed sample 1b captured by the charged particle beam device 43a shows a pattern of holes (internal structure) as shown in FIG.
  • the pattern image is distorted due to the inclination of the processed surface in the cross-sectional milling process.
  • the image processing unit 45 binarizes the cross-sectional image 47 to extract a pattern image 48, corrects distortion due to the inclination of the processing surface, and obtains a corrected pattern image 49.
  • FIG. 5B An example of image processing performed by the image processing unit 45 is shown in FIG. 5B.
  • a cross-sectional image 47 of the processed sample 1b captured by the charged particle beam device 43a shows a pattern of holes (internal structure) as shown in FIG.
  • the pattern image is distorted due to the inclination of the processed surface in the cross-sectional milling process.
  • the image processing unit 45 binarizes the cross-sectional
  • the image processing unit 45 does not need to change the correction method and correction amount of the correction pattern image 49 for each processed sample 1b, and can perform the same correction regardless of the processed sample 1b. As a result, inspection throughput can be improved.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above embodiments have been described in detail to facilitate understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • each of the configurations, functions, processing units, processing means, etc. described above may be implemented by hardware, for example, by designing a part or all of them using an integrated circuit.
  • ⁇ may be realized by software by a processor interpreting and executing a program for realizing each function.
  • Information such as programs, tables, and files that implement each function can be stored in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or other recording medium.
  • SSD Solid State Drive

Abstract

イオンミリング装置は、試料にイオンビームが照射されることにより発生するスパッタ粒子の量を計測する第１のモニタリング機構と、試料にイオンビームが照射されることにより形成される試料の加工面を撮像する第２のモニタリング機構とを備え、断面ミリング処理において、第１のモニタリング機構による計測から推定される試料のスパッタ量及び第２のモニタリング機構で撮像された画像から抽出された加工面像の形状が、スパッタ量及び加工面形状について設定された加工終了条件を満たす場合に、試料に対する加工を終了する。

Description

イオンミリング装置及び検査システム
　本発明は、イオンミリング装置及び検査システムに関する。
　イオンミリング装置は、試料（例えば、金属、半導体、ガラス、セラミックなど）の表面あるいは断面に、数ｋＶに加速させた非集束のイオンビーム（Ａｒイオンなど）を照射し、スパッタリング現象により無応力で試料表面の原子を弾き飛ばすことにより、平滑な加工面を得ることができる。これは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）に代表される電子顕微鏡により、試料の表面あるいは断面を観察するための平滑加工を行うために優れた特性である。
　特許文献１には、ミリング加工によりスパッタ粒子が水晶振動子上に堆積することによる発振信号の周波数の変化から、水晶振動子上に堆積したスパッタ粒子の質量を測定し、試料にスパッタ粒子が堆積することによって形成されるリデポジション膜の膜厚を推定することが開示されている。
国際公開第２０２１／０３８６５０号公報
　半導体素子が三次元に集積される三次元デバイスの開発が進められている。既に量産段階にあるものから開発レベルにあるものまでさまざまであるが、例えば、メモリセルアレイが積層されるフラッシュメモリ、FinFET、GAA（Gate All Around）型FETなどが知られている。これらは、微細かつ高アスペクト比の溝や穴が高密度に設けられ、溝や穴の側壁に絶縁膜、半導体膜、あるいは金属膜などが積層されることにより、能動素子が形成される。このような内部構造を有する三次元デバイスの量産ラインの歩留まりを上げるため、三次元デバイスの内部構造を露出させ、実際に所望の内部構造が形成されているかについて、内部微細構造を撮像したＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像から解析することが有効である。
　非集束イオンビームを用いるイオンミリング装置による断面ミリング処理は、高速に三次元デバイスの内部構造を露出させることが可能であるという利点を有する一方、一定の加工形状で加工を行うことが難しい。
　図６は試料１に対して断面ミリング処理を行う様子を示す模式図である。イオンミリング装置の構成については図１を用いて後述するが、側面図５０はイオンビームを照射するイオンガンからみた試料１を示しており、上面図５１は撮像装置からみた試料１を示している。なお、試料１には内部構造の例として穴５２を透視させて示している。穴５２は内部構造であるので、断面ミリング処理前には外から見ることはできない。
　断面ミリング処理では、試料１上にイオンビームを遮蔽する遮蔽板３を配置し、遮蔽板３の端面からわずかに突き出すように露出された試料１の部分をミリング処理することで試料の断面を露出させる。イオンビームの強度は、その中心（イオンビーム中心）において最も強度が高く、イオンビーム中心から離れるにつれてガウシアン分布にしたがって減衰する。この結果、イオンビームの中心部が照射される領域ではスパッタ量が最も大きく、そこから離れるほどスパッタ量が減少することになる。
　このため、図６の例であれば、断面ミリング処理による加工面は穴５２の深さ方向（Ｙ方向）に対して傾斜して形成される。ここで、イオンビームの強度分布は、イオンガンと試料との距離、イオンビームの加速電圧、放電電圧、ガス流量などに影響を受けて変化するため、常に同一の強度分布をもつイオンビームを試料に照射することが難しい。このため、加工する試料ごとに、形成される加工面の形状のばらつきが生じやすい。
　断面ミリング処理により露出された内部構造は、上面図５１と同じ方向からＳＥＭ画像（以下、断面ＳＥＭ画像という）が撮像され、内部構造が所望の構造に形成されているか解析される。ここで、断面ミリング処理による加工面が穴５２の深さ方向に対して傾斜していることにより、断面ＳＥＭ画像に写る穴５２の像は加工面の傾斜に起因する歪みを含んでいる。この歪みは画像処理により解消できるものの、歪みの程度は加工面の形状によって変化する。例えば、加工面５３によって露出された穴５２ａの像と加工面５４によって露出された穴５２ａの像とは歪みの程度が異なる。断面ミリング処理ごと、すなわち加工済試料ごとに加工面を求め、断面ＳＥＭ画像を加工面の傾斜に応じた歪み補正を行うとすると、検査のスループットが低下してしまう。
　本発明では、断面ミリング処理における加工形状の高い再現性を実現することにより、検査のスループットを向上させる。
　本発明の一実施の態様であるイオンミリング装置は、試料室と、非集束のイオンビームを放出するイオンガンと、試料室内に配置され、試料上に配置されるイオンビームを遮蔽する遮蔽板の端面から試料の一部が露出されるように、試料を載置する試料ステージと、試料にイオンビームが照射されることにより発生するスパッタ粒子の量を計測する第１のモニタリング機構と、試料にイオンビームが照射されることにより形成される試料の加工面を撮像する第２のモニタリング機構と、第１のモニタリング機構による計測から推定される試料のスパッタ量及び第２のモニタリング機構で撮像された画像から抽出された加工面像の形状が、スパッタ量及び加工面形状について設定された加工終了条件を満たす場合に、試料に対する加工を終了する制御部と、を有する。
　断面ミリング処理における加工形状の高い再現性を実現する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
イオンミリング装置の全体構成図である。 時間推移による加工面形状の変化を示す図である。 加工面画像の例である。 加工面像の例である。 断面ミリング処理のフローチャートである。 検査システムの概略構成図である。 画像処理部が実行する画像処理の例である。 本発明の課題を説明するための図である。
　図１は、イオンミリング装置の全体構成を示す図である。試料１は試料ステージ２上に設置され、イオンガン４から試料１にイオンビームが照射される。イオンガン４としては、構造を小型化するために有効なペニング方式を採用する。ぺニング方式のイオンガンでは、イオンガン内部においてぺニング放電によって発生させた電子とアルゴンガスとを衝突させることによってアルゴンイオンを生成し、生成したアルゴンイオンを加速してイオンビームとして放出する。このため、イオンガン４には、高圧電源５ａからぺニング放電を発生させるための放電電圧、アルゴンイオンを加速させるための加速電圧が印加され、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）５ｂにより流量制御されたアルゴンガスが供給される。
　試料１上には、イオンガン４から試料１に照射されるイオンビームを遮蔽する遮蔽板３が配置され、遮蔽板３の端面から突き出すように露出された試料１の部分がイオンビームによってミリングされる（断面ミリング）。試料ステージ２は、断面ミリング処理中、ステージ駆動部９によって駆動される。例えば、ステージ駆動部９は試料ステージ２に、イオンビームのイオンビーム中心Ｂと直交するように設定されるスイング軸Ｓ（Ｙ方向）を中心としたスイング動作と、イオンビーム中心Ｂ及びスイング軸Ｓと直交する方向（Ｘ方向）に沿ったスライド動作とを行わせる。スイング軸Ｓを中心に試料１を所定の角度範囲（スイング角度）でスイングさせるスイング動作により、加工面を平滑化させることができる。また、イオンビーム中心Ｂを中心として試料１をＸ方向に行き来させるスライド動作により、Ｘ方向の加工幅を広げることができる。ミリング処理は排気系１０により真空排気された試料室６内において行われる。
　イオンミリング装置の制御は、計算機１２とコントローラ１１とにより行われ、これらを包括して制御部と呼ぶこともある。計算機１２はユーザにより設定されたミリング条件をコントローラ１１に設定するとともに、ミリング処理のモニタリングを行い（詳細は後述する）、コントローラ１１の制御値を変更する。コントローラ１１は設定または変更された制御値に基づき、イオンミリング装置の各構成（イオンガン４、試料ステージ２、排気系１０など）を制御する。
　イオンミリング装置は、断面ミリング処理をモニタするため、少なくとも２つのモニタリング機構を有する。第１のモニタリング機構は、断面ミリング処理による試料のスパッタ量を推定するセンサである。第１のモニタリング機構は、試料１の近傍に配置される水晶振動子１７、発振回路１８、検出回路１９を含む。水晶振動子１７は例えば、円板状の水晶振動子であり、モニタリングの感度を最適化するため、位置や向きを調整できるよう試料室６内で可動となるように設置されることが望ましい。ミリング処理中、発振回路１８は、水晶振動子１７を発振させて発振信号を出力し、検出回路１９にて発振信号の周波数を検出する。ミリング処理により発生したスパッタ粒子が水晶振動子１７に付着して水晶振動子の質量が増加することにより、発振信号の周波数が変化する。この現象を利用して、発振信号の周波数の変化から水晶振動子１７に堆積したスパッタ粒子の質量を計測する。水晶振動子１７に堆積したスパッタ粒子の質量からミリング処理による試料１のスパッタ量を推定することができる。
　第２のモニタリング機構は、断面ミリング処理による加工形状をモニタする画像センサである。第２のモニタリング機構は、試料室６外に設けられるＬＥＤなどの照明１５、光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡などにより試料１の加工形状を拡大して撮像する撮像装置１６を含む。このため、試料室６の上面には観察窓７が設けられており、観察窓７を介して、撮像装置１６により断面ミリング処理により形成された加工面を撮像可能としている。なお、観察窓７にスパッタ粒子が付着するのを防止するため、観察窓７の内面はシャッター８によって保護されている。イオンビームが試料１に照射されている期間中は、シャッター８を閉じて、観察窓７へのスパッタ粒子の付着を防ぐ。照明１５は試料室６内を照らし、撮像装置１６により、試料１の加工面画像を所定の時間間隔で撮影する。
　図２は、断面ミリング処理の時間推移による加工面形状の変化を撮像装置１６による画像２０により示した図である。なお、この例は内部構造のない試料を断面ミリング処理した例である。時間経過につれて、加工面深さ（Ｚ方向）が深くなっていくことがわかる。一方で、加工深さ（Ｙ方向）は、加工面を上方から撮像した像から把握することができない。そこで、本実施例では、画像によるモニタリングに加えてスパッタ量のモニタリングを併用する。上方から観察された加工面形状とスパッタ量とがそれぞれ所望の値と一致している場合には、断面ミリング処理により形成される３次元の加工面は所望の加工面になっていると推定することができる。
　図２に示されるような上方から観察された加工面形状の変化を自動でモニタリングするため、得られた加工面画像の画像処理を行う。図３Ａは光学顕微鏡により拡大して撮像した加工面画像３０である。加工面画像３０には、断面ミリング処理された試料像３１、試料ステージ像３２、遮蔽板像３３が含まれている。計算機１２は、加工面画像３０を二値化して、図３Ｂに示す加工面像３５を得る。なお、二値化にあたっては、照明１５による影の付き方などを考慮して加工面形状を抽出する。後述する加工面形状の判定のため、加工面形状を示す代表値として、加工面深さ３６と半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum）３７を用いる場合には、加工面像３５から加工面深さ３６と半値幅３７とを計測する。計算機１２は、加工面画像３０からの加工面像３５の取得、採寸を自動的に実行する。
　図４に本実施例における断面ミリング処理のフローチャートを示す。本フローは計算機１２によって制御される。
　ステップ１０１：ユーザは計算機１２にミリング条件を設定する。ミリング条件には、所望の加工面形状と加工量の情報を含む。具体的には加工終了条件とする加工面形状とスパッタ量を設定する。設定方法に特に限定はなく、加工面像を登録してもよいし、計算機１２が実施する加工面形状の判定方法に応じた加工面像の代表値を登録してもよい。また、スパッタ量についても、加工される試料のスパッタ量を登録してもよいし、試料の加工により水晶振動子１７に堆積するスパッタ量の期待値を登録してもよい。ミリング条件の設定後、イオンミリング装置は加工を開始する。
　ステップ１０２～１０３：一定時間加工を継続した後、イオンガン４によるイオンビームの試料１への照射を停止し、撮像装置１６は観察窓７を介して試料１を撮影し、試料１の加工面画像を取得する。
　ステップ１０４：計算機１２は、加工面画像から加工面像を抽出する。
　ステップ１０５：加工面像から加工面深さと半値幅を計測する。本ステップでの計測内容は、加工面形状の判定方法にしたがい、加工面深さと半値幅に限定されない。これら２つの代表値に加えて、あるいは代えて、加工面像の採寸値を用いてもよい。
　ステップ１０６：ステップ１０２～１０５の第２のモニタリング機構による断面ミリング処理のモニタリングに並行して、断面ミリング処理中は第１のモニタリング機構により断面ミリング処理のモニタリングを実行する。すなわち、発振回路１８は、水晶振動子１７を発振させて発振信号を出力し、検出回路１９にて発振信号の周波数を検出する。計算機１２は検出回路１９で検出される発振信号の周波数の変化から試料１のスパッタ量を推定する。なお、推定方法としては、水晶振動子１７に堆積したスパッタ量から試料１のスパッタ量を推定してもよいし、水晶振動子１７に堆積したスパッタ量を試料１のスパッタ量とみなしてもよい。
　ステップ１０７：計測された加工面形状及び計測されたスパッタ量が加工終了条件を満たす場合には、加工を終了する（ステップ１０８）。加工終了条件を満たさない場合には、ステップ１０９へ遷移する。例えば、ステップ１０１で設定した加工終了条件とする加工面形状とスパッタ量に対して、測定された加工面形状とスパッタ量のそれぞれが所定の誤差範囲に含まれる場合には、加工終了条件を満たすとして加工を終了する。
　ステップ１０９：計算機１２は必要に応じて試料ステージ２のスイング速度及び／またはスイング角度を調整する。計算機１２は、あらかじめ加工面形状と対応させて試料ステージ２のスイング速度とスイング角度の調整方法を記憶しておき、ステップ１０５で計測された加工面形状に応じて、試料ステージ２の駆動方法を調整する。ユーザは、あらかじめ様々な試料ステージ駆動条件により、図２に示したような加工面形状の時間変化情報とスパッタ量の時間変化情報を取得し、これに基づき試料ステージ２の駆動について調整方法を設定しておく。計算機１２は、加工開始からの経過時間に応じて理想的な加工面形状とスパッタ量を記憶しておくことにより、その時点での３次元での加工面との乖離を推定し、例えば、Ｚ方向（加工面深さ方向）への加工をより進展させる、あるいはＹ方向（加工深さ方向）への加工をより進展させるよう試料ステージの駆動方法を調整することができる。
　イオンミリング装置では、通常、加工終了条件は加工開始からの経過時間によって設定され、最初に設定したミリング条件で所定時間実行することで加工を終了する。これに対して、本実施例のイオンミリング装置では、加工面形状とスパッタ量とをモニタリングし、ミリング処理条件にフィードバックさせることにより、試料の３次元での加工の再現性を向上させることができる。
　なお、図４のフローチャートは様々な変形が可能である。例えば、ステップ１０２の一定時間は、ユーザが設定可能にしてもよく、装置が設定するようにしてもよい。また、ステップ１０６で計測されるスパッタ量に応じて試料の撮影頻度を変更できるようにしてもよい。
　加工面形状についての加工終了条件の判定も、加工面形状の代表値の比較に限られない。例えば、ステップ１０５で加工面像の輪郭線をモデル化し、計算機１２は、加工開始からの経過時間に応じた理想的な加工面形状の輪郭線の形状モデルをあらかじめ記憶しておき、理想的な加工面形状の輪郭線の形状モデルと抽出された加工面像の輪郭線の形状モデルとを比較して判定することも可能である。また、計算機１２は加工面形状の状態を機械学習させた学習モデルを記憶しておき、学習モデルにより加工終了条件を満たすかどうかを判定させるようにしてもよい。この場合は、ステップ１０５の計測処理を不要にできる。この場合の学習モデルとしては、終了条件を満たすか否かを判定する学習モデルや、図２に示したような加工面形状の時系列のうち、最も類似する加工面形状を判定する学習モデルなどが考えられる。
　図５Ａに、以上説明したイオンミリング装置を用いた検査システムを示す。検査システム４０は、イオンミリング装置４１と検査装置４２とを含む。検査装置４２は荷電粒子線装置４３ａと制御装置４３ｂを含む。イオンミリング装置４１により試料１の断面を露出する加工を行い、検査装置４２は、加工済試料１ｂを荷電粒子線装置４３ａにより撮像し、加工済試料１ｂの断面画像から試料１の内部構造が適切に形成されているかどうか解析する。
　荷電粒子線装置４３ａには例えば、走査電子顕微鏡を適用する。制御装置４３ｂは、計算機で構成され、プログラムを実行することによって、所定の機能を実現できる。ここでは検査に関係する機能として、撮像部４４、画像処理部４５、解析部４６を示している。撮像部４４は、荷電粒子線装置４３ａを制御して加工済試料１ｂの断面画像を撮影し、画像処理部４５は、撮影した加工済試料１ｂの断面画像を画像処理し、解析部４６は、所定の画像処理された断面像から試料１に所望の内部構造が形成されているかの解析を行う。
　図５Ｂに画像処理部４５が実行する画像処理の例を示す。荷電粒子線装置４３ａが撮像した加工済試料１ｂの断面画像４７には図６に示したような穴（内部構造）のパターンが写っている。断面画像４７では断面ミリング処理における加工面の傾斜のために、パターンの像が歪んでいる。画像処理部４５は、断面画像４７を二値化してパターン像４８を抽出し、加工面の傾斜による歪みを補正して補正パターン像４９を得る。
　本実施例の検査システムでは、加工済試料１ｂの３次元の加工面のばらつきが所定の範囲に抑えられている。このため、画像処理部４５は加工済試料１ｂごとに補正パターン像４９の補正方法や補正量を変える必要がなく、加工済試料１ｂにかかわらず、同じ補正を実行することができる。これにより、検査のスループットを向上させることができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすくするために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、その他の記録媒体に記憶させることができる。
１：試料、１ｂ：加工済試料、２：試料ステージ、３：遮蔽板、４：イオンガン、５ａ：高圧電源、５ｂ：ＭＦＣ、６：試料室、７：観察窓、８：シャッター、９：ステージ駆動部、１０：排気系、１１：コントローラ、１２：計算機、１５：照明、１６：撮像装置、１７：水晶振動子、１８：発振回路、１９：検出回路、２０：画像、３０：加工面画像、３１：試料像、３２：試料ステージ像、３３：遮蔽板像、３５：加工面像、３６：加工面深さ、３７：半値幅、４１：イオンミリング装置、４２：検査装置、４３ａ：荷電粒子線装置、４３ｂ：制御装置、４４：撮像部、４５：画像処理部、４６：解析部、４７：断面画像、４８：パターン像、４９：補正パターン像、５０：側面図、５１：上面図、５２：穴、５３，５４：加工面。

Claims (7)

  1. 　試料室と、
    　非集束のイオンビームを放出するイオンガンと、
    　前記試料室内に配置され、試料上に配置される前記イオンビームを遮蔽する遮蔽板の端面から前記試料の一部が露出されるように、前記試料を載置する試料ステージと、
    　前記試料に前記イオンビームが照射されることにより発生するスパッタ粒子の量を計測する第１のモニタリング機構と、
    　前記試料に前記イオンビームが照射されることにより形成される前記試料の加工面を撮像する第２のモニタリング機構と、
    　前記第１のモニタリング機構による計測から推定される前記試料のスパッタ量及び前記第２のモニタリング機構で撮像された画像から抽出された加工面像の形状が、スパッタ量及び加工面形状について設定された加工終了条件を満たす場合に、前記試料に対する加工を終了する制御部と、を有することを特徴とするイオンミリング装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記イオンビームのイオンビーム中心と直交するスイング軸を中心に前記試料ステージを所定のスイング角度でスイング動作させるステージ駆動部を有し、
    　前記制御部は、前記第１のモニタリング機構による計測から推定される前記試料のスパッタ量及び前記第２のモニタリング機構で撮像された画像から抽出された加工面像の形状が、前記加工終了条件を満たさない場合に、前記ステージ駆動部による前記試料ステージのスイング動作のスイング速度及び／またはスイング角度を調整することを特徴とするイオンミリング装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記第１のモニタリング機構は、前記試料室内に配置される水晶振動子と、前記水晶振動子を発振させて発振信号を出力する発振回路と、前記発振信号の周波数を検出する検出回路と、を備え、
    　前記制御部は、前記発振信号の周波数の変化から計測される前記水晶振動子に堆積したスパッタ粒子の質量から前記試料のスパッタ量を推定することを特徴とするイオンミリング装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記第２のモニタリング機構は、前記試料室の外に配置され、前記試料室に設けられた観察窓を介して前記試料の加工面を撮像する撮像装置を備え、
    　前記撮像装置の光軸は、前記イオンビームのイオンビーム中心と直交するように配置されることを特徴とするイオンミリング装置。
  5. 　請求項４において、
    　前記第２のモニタリング機構の前記撮像装置は、所定の時間間隔で前記試料の加工面を撮像することを特徴とするイオンミリング装置。
  6. 　請求項１において、
    　前記制御部は、前記加工面像の加工面深さ及び半値幅を計測し、前記加工面像の加工面深さ及び半値幅に基づき前記加工終了条件を満たすか否かを判定することを特徴とするイオンミリング装置。
  7. 　試料の所定の内部構造を検査する検査システムであって、
    　請求項１～６のいずれか一項に記載のイオンミリング装置と、
    　前記イオンミリング装置によって加工された加工済試料の内部構造を検査する検査装置と、を有し、
    　前記検査装置は、
    　荷電粒子線装置と、
    　前記荷電粒子線装置により前記加工済試料の加工面を撮像することにより断面画像を取得する撮像部と、
    　前記断面画像から所定の内部構造のパターン像を抽出し、前記パターン像に歪み補正を施して補正パターン像を出力する画像処理部と、
    　前記画像処理部が出力した前記所定の内部構造の前記補正パターン像を解析する解析部と、を備え、
    　前記歪み補正は前記加工済試料の加工面の傾斜による歪みを補正するものであって、前記画像処理部は、前記所定の内部構造を検査するために前記イオンミリング装置によって加工された複数の加工済試料から抽出した前記パターン像のそれぞれに等しい歪み補正を施すことを特徴とする検査システム。
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JP2008091221A (ja) * 2006-10-02 2008-04-17 Hitachi High-Tech Science Systems Corp イオンビーム加工装置及び方法
WO2021038650A1 (ja) * 2019-08-23 2021-03-04 株式会社日立ハイテク イオンミリング装置及びそれを用いたミリング加工方法

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