JP2007164992A

JP2007164992A - 複合荷電粒子ビーム装置

Info

Publication number: JP2007164992A
Application number: JP2005355734A
Authority: JP
Inventors: Haruo Takahashi; 春男高橋; Hiroshi Yamamoto; 洋山本; Toshiaki Fujii; 利昭藤井
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US20080315088A1; US7718981B2; WO2007066544A1

Abstract

【課題】気体イオンビーム装置とＦＩＢとＳＥＭを用いて、効率よくTEM試料作製ができる複合荷電粒子ビーム装置としての構成方法を提供する。
【解決手段】ＦＩＢ鏡筒１と、ＳＥＭ鏡筒２と、気体イオンビーム鏡筒３と、ユーセントリックチルト機構とユーセントリックチルト軸８と直交する回転軸１０とを持つ回転試料ステージ９と、を含む複合荷電粒子ビーム装置であり、集束イオンビーム４と電子ビーム５と気体イオンビーム６とは、１点で交わり、かつＦＩＢ鏡筒１の軸とＳＥＭ鏡筒２の軸はそれぞれユーセントリックチルト軸８と直交し、かつＦＩＢ鏡筒１の軸と気体イオンビーム鏡筒３の軸とユーセントリックチルト軸８とは一つの平面内にあるように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は複数の荷電粒子ビーム装置を結合した、複合荷電粒子ビーム装置に関する。

近年、半導体デバイスのパターン微細化に伴い、その半導体デバイスの特定微少部を透過電子顕微鏡(ＴＥＭ:Transmission Electron Microscope)によって観察し、評価する技術の重要性が高まっている。このような特定微少部となる薄片化試料を作製するには、集束イオンビーム(ＦＩＢ: Focused Ion Beam)装置が広く用いられているが、要求される試料厚みが小さくなるにつれて、集束イオンビームによるダメージが問題となってきており、ダメージを除去するための方法が必要とされている。

上述した状況における解決策として、例えば、アルゴンなどの化学的活性の低い元素をイオン種とするイオンビームを数キロボルト以下の低い加速電圧で照射する方法が提案されている(特許文献１参照)。

一方で、半導体の特定微少部を含むTEM試料を正確に作製するために、例えば特許文献2で開示されているようなFIBと走査電子顕微鏡(ＳＥＭ: Scanning Electron Microscope)を結合した装置も提案されている。これらの装置では作製される薄片化試料が観察したい特定部位を含むように注意深くSEMで観察しながらFIBを用いた微細加工をしている。

また、これらのメリットを併せ持つことができるようにFIB、SEM及び気体イオンビームの３本のビームを併せ持つ装置も提案されている(非特許文献1)。このような３種類の荷電粒子ビーム装置を統合した複合荷電粒子ビーム装置においては、それぞれの荷電粒子ビーム装置の配置や試料ステージの自由度との関係が、それぞれの荷電粒子ビーム装置の特性を活かしながら効率的に作業できるような装置を設計する上で非常に重要な要素となる。それは、以下に述べるような理由による。

第一に、一般にFIBはSEMおよび気体イオンビーム照射装置ではビームの集束に有利なように試料の近くに置くことが要求されるが、統合するビーム装置の数が増えるほど、全てを良い条件の場所に配置することが難しくなる。第二に半導体ウェーハ等の試料を傾斜させて観察、加工するために試料室内に試料を傾斜させるための空間の確保が必要であるため、荷電粒子ビーム装置を自由に配置できる空間が更に限定される。第三に、試料ステージについてであるが、スペース、精度、剛性、コストといった観点からステージの自由度は全ての荷電粒子ビームに対して十分な自由度を持たせることは難しい。そのため、ステージの自由度と荷電粒子ビーム装置の配置の関係により使い勝手が大きく左右される。

以上述べたように、それぞれの荷電粒子ビーム装置の配置や試料ステージの自由度との関係が、それぞれの荷電粒子ビーム装置の特性を活かしながら効率的に作業できるような装置を設計する上で非常に重要な要素となってはいるが従来の開示に於いてはこれらの点について触れられていない。
特開平１０−２２１２２７号公報特許第３０４１４０３号広報藤井利昭、試料作製時のダメージを抑制できるFIB装置「SMI3000シリーズ」,電子材料 2004年6月号 p36-38

本発明はこのような事情に鑑み、アルゴンなどの不活性ガスイオンを低加速で照射することによるダメージ低減効果や、高性能FIBによる高精度な試料作製技術、および半導体微細パターンの特定部位を薄片化するための高性能SEMによる薄片化加工の終点観察などの機能を損なうことなく、効率よくTEM試料作製ができる複合荷電粒子ビーム装置としての構成方法を提供することが本発明の課題である。

上記課題を解決する本発明の第１の形態は、少なくとも、集束イオンビーム装置と、走査電子顕微鏡と、気体イオンビーム装置と、試料ステージとを備えた複合荷電粒子ビーム装置であり、前記試料ステージは、少なくとも試料を同一高さで傾斜させるためのユーセントリックチルト機構と、前記ユーセントリックチルト機構の軸であるユーセントリックチルト軸と直交する回転軸とを有し、前記集束イオンビーム装置と前記走査電子顕微鏡と前記気体イオンビーム装置とは、前記集束イオンビーム装置から照射される集束イオンビームと、前記走査電子顕微鏡から照射される電子ビームと、前記気体イオンビーム装置から照射される気体イオンビームとが、１点と見なせる領域で交わるよう配置及び調整され、かつ前記集束イオンビーム装置の鏡筒の軸と前記電子顕微鏡の鏡筒の軸はそれぞれ前記ユーセントリックチルト軸と実質的に直交し、かつ前記集束イオンビームの鏡筒の軸と前記気体イオンビームの鏡筒の軸と前記ユーセントリックチルト軸とは一つの平面内にあると見なせるように配置されることを特徴とする、複合荷電粒子ビーム装置である。

上記課題を解決する本発明の第１の形態による作用は、前記集束イオンビームと前記電子ビームと前記気体イオンビームが、１点と見なせる領域で交わるよう配置及び調整されることで、前記集束イオンビームと前記電子ビームと前記気体イオンビームを試料上の１点に照射することができる。また、前記集束イオンビームの鏡筒の軸と前記電子ビーム鏡筒の軸がそれぞれ前記ユーセントリックチルト軸と実質的に直交し、かつ前記集束イオンビーム鏡筒の軸と前記気体イオンビーム鏡筒の軸と前記ユーセントリックチルト軸とが実用上一つの平面内にあると見なせるように配置されることで、前記平面と平行な方向に前記集束イオンビームで加工した加工面に対して、試料を適当な角度だけ傾けることで前記気体イオンビームを浅い角度で前記加工面に照射することが可能であり、なおかつ前記走査型電子顕微鏡に対しては加工中の試料の表面を観察するのに十分な深い角度を得ることができる。

本発明によれば、FIB装置にて薄片化試料を作る際、試料表面がSEM側になるように薄片化加工を行うと、加工中にSEMで表面を観察するのにステージの移動なく作業することができる。この状態で薄片化が終了すると、気体イオンビームの軸は薄片化した試料の表面と平行な状態になっている。ダメージの少ない試料作製のためには気体イオンビームは、浅い角度で照射することが望ましいので、FIBによる薄片化が終了した段階で、気体イオンビームを照射するために、試料を適当な角度だけ傾けることで気体イオンビームによる仕上げ加工が可能となる。この際、気体イオンビームを薄片化試料表面に浅い角度で入射すると、薄片化試料表面はSEMに対しては比較的深い角度を保つことができるため、そのままの状態でも試料の状態を観察することが可能である。また、試料をSEMに正対した状態で観察する必要がある場合でも、少ないステージ移動で観察位置に試料を移動させることができる。このように、本発明によれば気体イオンを低加速で照射することによるダメージ低減効果や、高性能FIBによる高精度な試料作製技術、および半導体微細パターンの特定部位を薄片化するための高性能SEMによる薄片化加工の終点観察などの機能を損なうことなく、効率よくTEM試料作製ができる複合荷電粒子ビーム装置を構成できる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明の構成は以下の説明に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略を示す概略図である。本発明におい気体イオンビーム６としてどのイオンを用いるかは本質ではないが、本実施例においては、気体イオンビーム６としてアルゴンイオンビームを用いた。

図に示したように、ＦＩＢ鏡筒１とＳＥＭ鏡筒２および気体イオンビーム鏡筒３はそれらの軸が１点で交わるように設計され、実際のビームの交点も１点になるように調整する機構が備えられている。以降、この節ではＦＩＢ鏡筒１、ＳＥＭ鏡筒２、気体イオンビーム鏡筒３、ユーセントリックチルト軸８および回転軸１０との関係を表すために、前記ビーム交点を原点とする座標系を用いることとする。各軸の向きは、水平面からの角度（以降仰角と呼ぶ）と、軸を水平面に投影したときの水平面上での角度関係(以降方位角と呼ぶ)で表す。

本実施例においては、ＦＩＢ鏡筒１は水平面に対し垂直方向に取り付けられ、ＳＥＭ鏡筒２と気体イオンビーム鏡筒３とは方位角の差が９０度となるように配置する。この場合のＳＥＭ鏡筒２と気体イオンビーム鏡筒３の仰角は本発明を規定するものではないが、一例を挙げればＳＥＭ鏡筒２の仰角が３５度、気体イオンビーム装置３の仰角が４５度である。

試料ステージは、直交３軸ステージ１２と回転ステージ９とからなり、チルト機構の上に直交３軸ステージ１２を介して回転ステージ９を配置した。チルト機構は、回転作用部７と、回転作用部７の回転に連動して動く試料ステージ台とからなる。このような構成とすることで、チルト機構の軸８とＦＩＢ鏡筒１とＳＥＭ鏡筒２と気体イオンビーム装置３の位置関係はステージの動作によらず不変であるため、チルト機構の軸そのものがユーセントリックチルト軸８となる。複数のビームが１点で公差する複合荷電粒子ビーム装置においては、ビームの交点をユーセントリックチルト軸８上設定することで、試料をビームの交点に持ってくることが容易になる。回転ステージ９の回転軸１０は直交３軸ステージ１２の動作により、必ずしも垂直に配置されたＦＩＢ鏡筒１の軸とは一致しないが、直交３軸ステージ１２の動作を伴うことで、擬似的にＦＩＢ鏡筒１の軸上での回転が可能となる。この部分は本発明の本質には関係しないので、以降説明を簡単にするために、回転軸１０はＦＩＢ鏡筒１の軸と一致しており、試料は回転軸上に配置されているものとして説明を行う。試料ステージ９のユーセントリックチルト軸８は気体イオンビーム装置３の軸の方位角と同じになるように構成する。言い換えれば、気体イオンビーム装置３の軸を水平面に投影した場合、ユーセントリックチルト軸８と一致する。

図２は、ＦＩＢ鏡筒１からのＦＩＢ４を用いて薄片化試料１１を作製中の状態を表す概略図である。図に示したように薄片化試料の表面がＳＥＭ鏡筒２の正面になるようにすると、ＳＥＭ鏡筒からの電子ビーム５が薄片化試料１１に対して深い角度で当たるため薄片化の進行状況を詳細に観察することができる。ＦＩＢ４による薄片化が終了すると、気体イオンビーム鏡筒３からの気体イオンビーム６を照射して仕上げ加工を行うため試料を回転させる。一般に気体イオンビームによる仕上げ加工は、浅い角度で試料表面に入射させた方が状態良く仕上げることができる。一方、入射角度が浅いほど試料表面の仕上げ加工は時間を要する。このため、試料作製にかけられる時間と求める質の関係で入射角度を決定する。多くの場合１０度乃至２０度の角度が用いられる。ＦＩＢ４による薄片化加工が終了した状態では、気体イオンビーム６の入射角度は０度であるため、図３に示したように、薄片化試料１１を回転させることで所望の入射角を得られるようにする。気体イオンビーム６の薄片化試料１１への入射角は前述のように小さな角度であるため、電子ビーム５の薄片化試料１１への入射角は図２の状態にくらべ大きく減ることは無く、試料ステージの移動を伴うことなく、気体イオンビーム６による薄片化試料１１の仕上げ加工の進行状況を観察することができる。半導体デバイスなどの特定微少部を観察する必要のある試料などの場合、進行状況を見ながら徐々に仕上げ加工を進めることが多いため、ＳＥＭ鏡筒２による観察は非常に重要な工程である。これらの工程が試料ステージの移動なしに繰り返すことが可能であることは、ＴＥＭ試料作製において大きな作業効率の向上をもたらす。

（他の実施形態）
上述した実施形態１ではFIB鏡筒１が水平面に対し垂直の配置であったが、これに特に限定されず、例えばSEM鏡筒２を垂直にして、FIB鏡筒１と気体イオンビーム鏡筒3の軸を含む平面をチルト軸８の周りに適当な角度傾けた配置としても、請求項１で示される要件を満たす。また、FIB鏡筒１あるいはSEM鏡筒２のどちらかの鏡筒が垂直である必要も同様にして無い。

また、実施形態１では回転ステージ９を回転させることで気体イオンビーム６の入射角度を決定したが、同様にユーセントリックチルト機構を動作させて気体イオンビーム６の入射角度を決定することもできる。この場合でも、入射角度が小さい場合は電子ビーム５の薄片化試料１１の表面に対する角度は、大きく減ることはないのでそのままの状態で観察することができる。

本発明の実施形態１に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略図である。本発明の実施形態１に係る複合荷電粒子ビーム装置の試料と荷電粒子ビームの位本発明の実施形態１に係る複合荷電粒子ビーム装置の試料と荷電粒子ビームの位置関係を表す概略図である。

符号の説明

１ FIB鏡筒
２ SEM鏡筒
３気体イオンビーム鏡筒
４集束イオンビーム
５電子ビーム
６気体イオンビーム
７ユーセントリックチルト機構の回転作用部
８ユーセントリックチルト軸
９回転ステージ
１０回転軸
１１薄片化試料
１２直交３軸ステージ

Claims

少なくとも、集束イオンビーム装置と、走査電子顕微鏡と、気体イオンビーム装置と、試料ステージとを備えた複合荷電粒子ビーム装置であり、
前記試料ステージは、少なくとも試料を同一高さで傾斜させるためのユーセントリックチルト機構と、前記ユーセントリックチルト機構の軸であるユーセントリックチルト軸と直交する試料ステージ回転軸とを有し、
前記集束イオンビーム装置と前記走査電子顕微鏡と前記気体イオンビーム装置とは、前記集束イオンビーム装置から照射される集束イオンビームと、前記走査電子顕微鏡から照射される電子ビームと、前記気体イオンビーム装置から照射される気体イオンビームとが、１点と見なせる領域で交わるよう配置及び調整され、かつ前記集束イオンビーム装置の鏡筒の軸と前記電子顕微鏡の鏡筒の軸はそれぞれ前記ユーセントリックチルト軸と実質的に直交し、かつ前記集束イオンビームの鏡筒の軸と前記気体イオンビームの鏡筒の軸と前記ユーセントリックチルト軸とは一つの平面内にあると見なせるように配置されることを特徴とする、複合荷電粒子ビーム装置。