JP5352335B2 - 複合荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームにより加工された試料を電子ビームにより観察する複合荷電粒子線装置に関する。

近年、（走査）透過電子顕微鏡（（Ｓ）ＴＥＭ）用の薄膜試料作製には、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置が用いられている。特に、半導体デバイス不良解析用の薄膜試料作製においては、特定の断面でＦＩＢ加工を停止したい場合がほとんどであり、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によりＦＩＢ加工した断面が観察できるＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用いることが一般的となっている。この際、試料の表面情報や凹凸情報を反映した二次電子（ＳＥ）を信号として画像観察することが一般的である。

また、ＳＥＭでは、試料の材料情報や組成情報を反映した後方散乱電子（ＢＳＥ）を信号として画像観察する場合がある。ＢＳＥは、５０ｅＶから電子ビームの入射エネルギーまでの広範囲なエネルギー分布を持って試料から出射した電子の総称である。このうち、完全弾性散乱してエネルギー損失の無い反射電子と、数回のみ試料内で相互作用してから出射されるエネルギー損失の少ない反射電子を合わせ、本明細書では低エネルギー損失電子（Low Loss Electron：ＬＬＥ）と呼ぶ。ＬＬＥは、電子ビームと試料の相互作用がない、もしくは少ないために、試料内部まで入り込んでいない。すなわち試料表面の情報を持った電子であるとされている。

尚、ＳＥＭにおけるＬＬＥ検出は、１９７０年、Oliver C. Wellsを中心としたグループによって公表されている。Wellsらの論文や特許明細書では、ＳＥＭ単体において、高加速で試料表面、且つ材料情報や組成情報を含んだコントラストを得ることが記載されている。

米国特許第４９６２３０６号明細書 米国特許第５４０８０９８号明細書 特開平３−１８２０３９号公報

Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Ｖol.１６ Ｎｏ.４（１９７０）ｐ.１５１ Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Ｖol.１９ Ｎｏ.７（１９７１）ｐ.２３２ Oliver C.Wells etal.、Applied Physics Letters Ｖol.２３ Ｎｏ.６（１９７３）ｐ.３５３ Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Ｖol.３７ Ｎｏ.６（１９８０）ｐ.５０７ Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Ｖol.４９ Ｎｏ.１３（１９８６）ｐ.７６４ Oliver C.Wells、Scanning Ｖol.１０（１９８８）ｐ.７３ Oliver C.Wells etal.、Applied Physics Letters Ｖol.５６ Ｎｏ.２３（１９９０）ｐ.２３５１

本願発明者が、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置を用いた（Ｓ）ＴＥＭ用の薄膜試料作製について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

最先端デバイスでは、ノードサイズが３０ｎｍ以下のデバイスが適用されつつあり、このようなデバイスの薄膜試料作製では、ナノメータレベルの精度で、目的断面のところで加工を停止させる必要がある。そのため、試料表面のＳＥＭ画像を取得することが重要となる。

ＳＥＭでは、試料の表面近傍の組成や凹凸情報を反映した二次電子（Secondary Electron：ＳＥ）を信号として画像観察する。しかし、ＦＩＢ加工した断面や端面は極めて平坦であり、凹凸情報による特定断面の判定は難しい。また、イオンビームでもＳＥが放出されるため、ＦＩＢ加工と同時にＳＥＭ観察するためには、電子ビームの電流量がイオンビームの電流量より例えば１０倍以上大きく、且つ、早い走査時間でＳＥＭ画像を取得するという条件を満たす場合に限定される。

他方、ＳＥＭでは、試料の材料情報や組成情報を反映した後方散乱電子（ＢＳＥ）を信号として画像観察することもできる。イオンビームではＢＳＥを放出しないため、ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察の同時駆動が可能となる。ただし、ＢＳＥを検出する条件はＢＳＥ検出器の感度に依存するため、ＦＩＢ加工と同時にＢＳＥ検出するためには、一般的には、ＳＥＭの加速電圧を５ｋＶ以上に設定する必要がある。しかし、加速電圧を上げると、電子ビームと試料の相互作用領域が大きくなり、ＢＳＥが試料内部からも放出されるため、試料表面の情報を得ることが難しくなる。電子ビームと試料の相互作用領域を小さくするためには、ＳＥＭの加速電圧を低く設定する必要がある。昨今では、５ｋＶ以下の加速電圧でもＢＳＥ信号が検出できるＳＥＭが一般的になりつつあるが、低加速電圧にすると、今度は電子ビームのプローブ径が大きくなり、解像度が低下するという問題が発生する。

低加速電圧ＳＥＭにおいて電子ビームのプローブ径を小さくする方法として、試料に強い負電位を印加するリターディング法や、カラム内部で電子ビームを加速し、磁場を試料に漏らさないアウトレンズポールピース直前で元の加速電圧まで減速させるブースティング法がある。前者は試料に均一な電位を与える必要があり、電位を均一にできる広範囲な平面がないＦＩＢ加工試料への適用は非常に困難である。後者のブースティング法において、特にプローブ径が小さくなる効果が出るのは、ワーキングディスタンス（ＷＤ）と呼ばれるＳＥＭ対物レンズ先端から試料までの距離を３mm以下に縮めた場合であり、ＦＩＢカラムとＳＥＭカラムを搭載したＦＩＢ−ＳＥＭ装置では、イオンビームと電子ビームのクロスポイント（Cross Point：ＣＰ）をＷＤ３mm以下にアセンブリすることは極めて困難である。ＦＩＢ加工後、ＳＥＭ観察したい断面をＣＰからＳＥＭ対物レンズ側に近づけることは、試料の形状によっては可能であるが、この場合、ＦＩＢ加工と同時にＳＥＭ観察することができない上、ステージを動かす必要があることから作業効率が低下する。また、ＦＩＢで追加工をする際には、加工位置の再現精度が著しく低下する。ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察を繰り返すというＦＩＢ−ＳＥＭ装置特有の機能（Mill＆Monitor機能とする）においても同様のことが言える。

特に近年は、誘電率の低いＬｏｗ−ｋ材と呼ばれる半導体デバイス材料や、ポリマー系や軽元素組成の機能性材料など、電子ビーム照射によりダメージを受ける材料の観察ニーズが高くなっている。ＦＩＢ加工によりＴＥＭ観察用の薄膜試料を作製する場合には、ＳＥＭ観察にて低加速電圧を使用すると、よりダメージを与えることになる。一方で、高加速電圧を使用すれば、材料にも依存するが、ほとんどの電子ビームが透過してしまうため、試料に与えるダメージを著しく抑えることができる。

本発明の目的は、ＦＩＢ加工面を高分解能、且つ低ダメージでＳＥＭ観察することに関する。

本発明は、イオンビームにより加工された試料断面や端面を電子ビームにより観察できる複合荷電粒子線装置において、試料断面や端面に照射される電子ビームによって誘起された、弾性散乱電子を含む低エネルギー損失後方散乱電子を検出することができる検出器を備えることに関する。該検出器は、電子ビームカラムの外の空間に設置されていることが望ましい。

本発明により、ＦＩＢ加工断面や端面の材料や組成の表面情報を、高分解能、且つ低ダメージでＳＥＭ観察できる。選択するエネルギーバンドを変えることにより、試料表面に対して異なる深さの情報を得ることもできる。

複合荷電粒子線装置の構成の一例を示す縦断面図。 図１に示した複合荷電粒子線の、クロスポイント付近の詳細を示す模式図。 試料から放出される電子収量のエネルギー分布を示す図。 一次電子が斜めに入射したときの後方散乱電子の角度分布を示す図。 複合荷電粒子線装置の構成の一例を示す縦断面図。 実験に使用した薄膜試料の作成例を示す図。 二次電子像と低エネルギー損失ＳＥＭ像の比較を示す図。 電子ビームの入射エネルギーと相互作用領域を示す図と、レンズ方式の違いによる加速電圧とビームプローブ径の関係を示す概念図。 三次元構築した画像データの水平方向の断面スライス例を示す図。 薄膜での電子ビームと入射エネルギーと相互作用領域を示す図。 複合荷電粒子線装置の構成の一例を示す縦断面図。 ＳＥＭ画像取得時間短縮のためのＳＥＭ画面表示部の一例を示す図。 ＳＥＭ画像取得時間短縮のためのＳＥＭ画面表示部の一例を示す図。 ＳＥＭ画像取得時間短縮のためのＳＥＭ画面表示部の一例を示す図。

実施例では、イオンビーム加工により作成された試料断面を電子ビームにより観察する複合荷電粒子線装置において、断面に照射された電子ビームによって誘起された、弾性散乱電子を含む低エネルギー損失後方散乱電子を検出する検出器を備えることを開示する。

また、実施例では、検出器が、イオンビームと電子ビームの交差点を中心として、断面へのイオンビーム入射軸から９０°以上回転した方向の三次元的な領域に配置されていることを開示する。

また、実施例では、検出器が、断面への電子ビーム入射角度に依存した後方散乱電子の角度分布の最も強い強度を示す角度に配置されていることを開示する。

また、実施例では、検出器が、電子ビーム入射軸を基準にイオンビーム入射軸から離れた方向であり、且つ、試料への電子ビーム入射角度の２倍の角度に配置されていることを開示する。

また、実施例では、検出器が、電子ビームの加速電圧を最大とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを開示する。

また、実施例では、検出器が、電子ビームの加速電圧を１.５ｋＶ以上３０ｋＶ以下とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを開示する。

また、実施例では、イオンビームによる試料断面の加工中に、当該試料断面の表面情報を取得できる複合荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、イオンビームによる試料断面への加工を止めた後に、当該試料断面の表面情報が取得できる複合荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、イオンビームによる試料断面加工と、当該試料断面の表面情報の取得と、を繰り返し実施できる複合荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第２の検出器を更に備え、イオンビームによる薄膜試料加工中に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを開示する。

また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第２の検出器を更に備え、イオンビームによる薄膜試料への加工を止めた後に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを開示する。

また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第２の検出器を更に備え、イオンビームによる試料断面加工と、薄膜断面の表面情報の取得と、及び薄膜の内部情報の取得と、を繰り返し実施できることを開示する。

また、実施例では、薄膜試料の厚みが、好ましくは３００ｎｍ以下であることを開示する。

また、実施例では、特定の加工ステップ毎にイオンビーム加工と電子ビーム観察を繰り返したときに取得した試料断面の表面情報画像を、加工ステップ幅、又は任意の幅で重ね合わせて三次元構築できる複合荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、加工ステップ幅が、好ましくは５ｎｍ以下であることを開示する。

また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、検出器からの検出信号を画像化して表示するディスプレイを更に備え、当該ディスプレイに表示されている画像の任意範囲を選択し、当該選択された範囲を前記ディスプレイに画像表示することを開示する。

以下、上記及びその他の本発明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、図面は専ら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。

〔実施例〕
図１は、本実施例におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置の概略図である。

１ａはイオンビームカラムであり、イオンビームを発生するためのイオン源や、イオンビームを集束するためのレンズ、イオンビームを走査、シフトするための偏向系など、ＦＩＢに必要な構成要素を全て含んだ系である。同様に、２ａは電子ビームカラムであり、電子ビームを発生するための電子源や、電子ビームを集束するためのレンズ，電子ビームを走査，シフトするための偏向系など、ＳＥＭに必要な構成要素を全て含んだ系である。イオンビームカラム１ａと電子ビームカラム２ａは、試料室３に搭載される。尚、本実施例では、イオンビームカラム１ａを垂直配置し、電子ビームカラム２ａを傾斜配置しているが、これに限られず、イオンビームカラム１ａを傾斜配置し、電子ビームカラム２ａを垂直配置してもよい。また、イオンビームカラム１ａと電子ビームカラム２ａの双方を傾斜配置してもよい。また、Ｇａ集束イオンビームカラム，Ａｒ集束イオンビームカラム、及び電子ビームカラムを備えた、トリプルカラム構成としてもよい。

試料室３には、２つのカラム以外にも、ステージ，ガスデポジションユニット、及びマイクロサンプリングユニットなどが搭載されている。試料を搬送するための試料ステージは、試料５を載置することが可能であり、平面移動や回転移動が可能である。また、イオンビームの加工や観察に必要な箇所をイオンビーム照射位置に移動させたり、電子ビームによる観察位置に移動させたりもできる。尚、試料５としては、半導体試料の他、鉄鋼，軽金属、及びポリマー系高分子等も想定される。保護膜作製やマーキングに使用されるガスデポジッションユニットは、荷電粒子ビームの照射により堆積膜を形成するデポガスを貯蔵し、必要に応じてノズル先端から供給することができる。ＦＩＢによる試料の加工や切断との併用により、試料の特定箇所をピックアップするマイクロサンプリングユニットは、プローブ駆動部によって試料室３内を移動できるプローブを含む。プローブは、試料に形成された微小な試料片を摘出したり、試料表面に接触させて試料へ電位を供給したりすることに利用される。

カラムを通過したイオンビーム１ｂと電子ビーム２ｂは、クロスポイント４と呼ばれる試料５の一点で交差する。イオンビーム１ｂや電子ビーム２ｂを試料５に照射した際に発生する二次電子は、試料室３に搭載された二次電子検出器６で検出する。そして、本実施例では、イオンビームカラム１ａから電子ビームカラム２ａ側に９０°以上回転させた検出器が配置される領域８に、低エネルギー損失電子検出器７を配置している。領域８は、図面手前から奥行き方向への拡がりも含めた三次元的な空間である。そして、二次電子検出器６や低エネルギー損失電子検出器７などからの検出信号を計算処理部によって演算処理して画像化し、ディスプレイに、二次電子像，二次イオン像，特性Ｘ線による元素マップ、及び透過電子像などを表示する。また、計算処理部は、イオンビームカラム１ａ，電子ビームカラム２ａ，二次電子検出器６，低エネルギー損失電子検出器７，ステージ，デポジションユニット、及びマイクロサンプリングユニットをそれぞれ制御することができる。

図２は、図１におけるクロスポイント４付近を拡大した図である。イオンビーム１ｂは、典型的にはガリウムイオンが使用されるが、断面を加工する目的においてイオン種は問わない。試料５において、電子ビーム２ｂが照射される面２８は、ＦＩＢ加工断面や端面である。イオンビーム１ｂは、加工断面２８を順次断面方向に掘り進める。イオンビーム１ｂによって誘起された二次電子９と、電子ビーム２ｂによって誘起された二次電子１０は、両方共に二次電子検出器６により検出される。一方、電子ビーム２ｂによって誘起された後方散乱電子（ＢＳＥ）１１は、図３のようなエネルギー分布、図４のような角度分布で、試料５内から真空外に放出される。

図３にＢＳＥのエネルギー分布を示すが、１２は、一次ビームの加速電圧近傍のエネルギー領域に含まれる低エネルギー損失反射電子である。現実的には、加速エネルギーＥｏに対して損失したエネルギー量ΔＥｏを考え、表面像を観察するアプリケーションでは、２０％以下のエネルギー損失電子を検出することが望ましい。このエネルギー範囲のＢＳＥ、すなわちＬＬＥを選択的に検出することにより、試料の表面、かつ材料や組成コントラストを得ることができる。更に、選択するエネルギー幅によっては、試料表面から内部に深さ方向の情報の変化も観察することが可能となる。またこのエネルギー範囲には、弾性散乱電子（反射電子）以外にも、電子と試料内の相互作用を特徴づける幾つかのピークが現れることがあり、Ｅｏ−ΔＥｏからＥｏ範囲内の全ての電子を検出するだけではなく、発生した特定ピークのエネルギー範囲のみ抽出することも可能である。さらに、Ｅｏに対するエネルギー損失でΔＥｏを決める方法だけではなく、図３の１２の領域にあるピーク収量の低下量でもΔＥｏを決定できる。表面像を観察するアプリケーションでは、ピーク収量が４０％以下で低下した収量（ピーク収量の６０％）の低エネルギー側のエネルギーからＥｏまでの範囲をΔＥｏとすることが望ましい。

ＬＬＥは試料表面極近傍の情報を持つことから、これを選択的に検出することにより、試料の極表面の材料や組成コントラストを得ることができる。更に、選択するエネルギー幅によっては、試料表面から内部に深さ方向の情報の変化も観察することが可能となる。一方、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置においては、図２から明確なように、電子ビーム２ｂは試料５に対してある角度θで入射する。角度θで入射すると、試料５から放出されたＢＳＥ１１は角度Φに強度分布を持つ。

図４は、θを３２°とし、試料５をＳｉとしたときの角度分布である。θとΦはほぼ同等の角度に分布を持っている。そこで、図１や図２の低エネルギー損失電子検出器７は、領域８内で、特にΦがθとほぼ同等の角度、すなわち、電子ビーム２ｂの軸から２θ回転した軸上に配置する。試料室３に搭載された他のユニットと干渉しない限りは、できるだけ広い立体角Ωを確保できるように検出器を設計することが望ましい。

以上は、イオンビームカラム１ａが直立しているＦＩＢ−ＳＥＭ装置についての説明であるが、図５のように電子ビームカラム２ａが直立しているＦＩＢ−ＳＥＭ装置でも同様である。イオンビームカラム１ａと電子ビームカラム２ａと、イオンビーム加工断面方向との関係で、低エネルギー損失電子検出器７の配置関係は一義的に決まる。

以下では、ＦＩＢ加工した試料断面のＬＬＥによる観察について説明する。図６は、実験に使用した薄膜試料の作成例を示す図である。図６のように、半導体デバイスにおける複数のキャパシタトレンチが内部にも表面にも存在するようにＦＩＢ加工した薄膜試料を準備する。このような薄膜試料を、高加速電圧、例えば１５ｋＶで二次電子検出器６により観察すると、図７（ａ）のような画像を取得できる。ＦＩＢ加工した断面は非常に平坦であり、凹凸コントラストが強調されているのは、エッジ部分のみである。一方、後方散乱電子が真空外に放出される前に、薄膜試料内において後方散乱電子が二次電子を生成し、真空外に放出される。一般的に、このような二次電子はＳＥ２と呼ばれる。純粋に一次電子ビームと相互作用して発生して放出された二次電子はＳＥ１と呼ばれる。ＳＥ１のみを検出する限りは、試料表面の情報を得ることができるが、二次電子検出器６はＳＥ１とＳＥ２の両方を検出するため、放出される二次電子の割合によって、得られるコントラストが変化する。特に、ＳＥ２は後方散乱電子によって生成されるため、試料内部の情報と試料の材料や組成コントラストをある程度反映する。高加速電圧になればなるほど一次電子ビームと試料の相互作用領域が大きくなり、ＳＥ２の割合が増加するため、材料や組成のコントラストは得られる。しかし、試料内部の情報も含まれてしまうため、ビームプローブ径が小さくても、実際に得られる画像は全体的にボケたような画像となってしまう。逆に、低加速電圧になると、一次電子ビームと試料の相互作用領域がどんどん小さくなるため、ＳＥ１とＳＥ２の区別がつかなくなり、より表面、且つ材料や組成コントラストが得られるが、ビームプローブ径は大きくなる。

このビームプローブ径と検出する電子の拡がりの関係は、図８から理解できる。図８（ａ）は、１ｋＶと１５ｋＶの電子ビームがＳｉに入射したときの相互作用領域の違い、図８（ｂ）は、加速電圧とレンズタイプによるビームプローブ径の関係を示す。より表面情報を得たいのであれば低加速電圧を選択し、より小さいビームプローブ径で高分解能観察したいのであれば高加速電圧を選択する。逆に、低加速を選択すればビームプローブ径は大きくなり、高加速電圧を選択すれば試料内部の広い領域の情報が含まれる。より高分解能で観察する場合は、試料に対して積極的に磁場を漏らすセミインレンズタイプのＳＥＭ対物レンズを選択する。磁場を試料側に漏らさないアウトレンズタイプのＳＥＭ対物レンズは、分解能はセミインレンズに及ばないが、３０ｋＶで使用すればＷＤが４mm以上となるクロスポイントで１.６ｎｍ以下の分解能が得られるため、セミインレンズで低加速電圧を使用するよりも有利となる。さらに、磁場が漏れていないために、ＦＩＢ加工中にＳＥＭ観察が可能となる最大の利点を有する。しかし、いずれにしても、高加速電圧を選択すると試料内部の広い領域の情報が含まれてしまう。

ところが、低エネルギー損失電子を検出すれば、このような問題は解決できる。加速電圧１５ｋＶで、検出するエネルギー幅を７５０Ｖ（加速電圧の５％）と設定した低エネルギー損失電子検出器７により観察すると、図７（ｂ）のような画像が取得できる。図７（ａ）の二次電子検出器６で観察した画像と比較して、試料表面に現れているキャパシタトレンチのコントラストと、さらには材料や組成のコントラストも顕著に現れていることが明確に分かる。エネルギー幅の設定を変えれば、表面から内部へ深さに依存したコントラストを得ることも可能である。

更に、低エネルギー損失電子は、もともと後方散乱電子起因の信号であり、特に一次電子ビームに近いエネルギーの電子であるため、半導体デバイスで多用されている絶縁層やポリマー材料断面のチャージアップがコントラストに現れないとの利点もある。このような利点は、特定の加工ステップを設定し、ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察を繰り返すというＦＩＢ−ＳＥＭ装置特有のMill＆Monitor機能において非常に有利となる。Mill＆Monitorで取得した画像は、通常、加工ステップあるいは任意の幅を設定して、三次元的に画像構築される。三次元構築されたデータは、トモグラフィーなどの試料内部構造の理解に利用される。また、イオンビーム側からは加工ターゲットが見えないため加工断面をＳＥＭ観察する必要があるが、一旦、三次元構築した構造が既知のサンプルであれば、図９のように三次元構築されたデータ上で水平面方向に断面をスライスすることが可能である。ＦＩＢで観察できる最上面のパターンにターゲット含まれる最下層のパターンを重ね合わせて、加工位置を正確に特定することもできる。

図１から明確なように、電子ビームは試料に対してある角度をもって斜めに入射する。従って、垂直に入射する場合と比較すると、ＳＥＭ画像の縦方向に奥行き方向の情報が現れてしまう。そのため、表面情報が取得できなければ、これらの奥行き情報も含めて三次元構築されるため正確な試料内部構成が得られない。一方、チャージアップが存在すると、構造物がないにも関わらずＳＥＭ画像内で明るいコントラストが現れてしまうため、三次元構築すると構造のないところにも構造があるように表現されてしまう。低エネルギー損失電子を利用したMill＆Monitor機能は、上記の問題を回避できる。

以上のように、イオンビームによって加工する極めて平坦で微小な試料断面や端面の電子ビーム観察において、高加速電圧、及び低エネルギー損失電子を用いることは多くの利点がある。特に試料が３００ｎｍ以下の薄膜になってくると、更に特徴的な利点が得られる。Ｌｏｗ−ｋ材と称される低誘電率の先端デバイス材料や、ポリマー系の先端機能性材料は、これらの材料の電子ビーム照射による損傷が問題となる。図８（ａ）から、高加速電圧になればなるほど、試料への電子ビームエネルギーの蓄積が問題となると想定されるが、試料が薄膜になると、図１０のように電子ビームの加速電圧を上げれば、逆に試料を透過するようになり、試料内での電子ビームダメージの蓄積が小さくなる。加速電圧を上げあれば上げるほど、試料薄膜が薄くなればなるほど効果が大きい。一般的に、ＴＥＭ解析用の薄膜試料の膜厚は１００ｎｍ以下であり、先端デバイスや先端機能性材料では５０ｎｍ以下の膜厚の試料作製が要求されている。また、現時点におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置の典型的な最大加速電圧は３０ｋＶである。従って、先端デバイスや先端機能性材料の薄膜試料作製の目的においては、加速電圧を３０ｋＶに設定することは非常に有効な手段となり得る。

入射電子ビームの大半が透過する特性を利用したＦＩＢ−ＳＥＭ装置として、図１１のように、電子ビームが入射するＦＩＢ加工断面の反対面方向の電子ビームカラム２ａ軸上にＳＴＥＭ検出器１３を設置した装置が考えられる。透過電子には、薄膜試料内部の結晶構造や組成情報が含まれる。ＳＴＥＭ検出器は、主に結晶の回折コントラストを検出する明視野（Bright Field：ＢＦ）検出器、材料組成のコントラストを検出する暗視野（Dark Field：ＤＦ）検出器、高角度散乱暗視野（High-Angle Annular Dark-Field：ＨＡＡＤＦ）検出器から構成される。ＳＴＥＭコントラストは、基本的に試料内部情報を表しているため、ＳＴＥＭ検出器１３と低エネルギー損失電子検出器７を組み合わせ使用すれば、試料表面と内部の様々な情報を得ることができる。どちらの検出器もＦＩＢ加工中でも駆動可能である。特に、薄膜作製時のＦＩＢ加工終点を判断し、決定するための手段として非常に重要な機能となる。すなわち、ＳＴＥＭ検出器１３により内部情報を確認しながら、どの程度ＦＩＢ加工を進めれば良いかを判断し、低エネルギー損失電子検出器７による表面情報と材料の組成情報、ＳＴＥＭ検出器１３による結晶と組成情報を確認することによって、加工を停止する位置の決定精度を上げることが可能である。

図１，図５、及び図１１の例における検出器配置の領域と角度は、試料側に磁場を漏らさないアウトレンズモードで使用することを想定している。後方散乱電子は等方的に試料室内を移動してＬＬＥ検出器に到達する。ＬＬＥ検出器は、構成が容易な静電フィルター型としている。このような条件では、ＦＩＢ加工とＳＥＭ及びＳＴＥＭ観察が同時に実施できるという最大の利点がある。しかしながら、同時加工観察という点を除けば、よりビームプローブ径が小さく高分解能観察可能なセミインレンズモードでＳＥＭ観察することもできる。尚、この場合、漏れ磁場により後方散乱電子は曲げられ、検出器への入射角度がばらつくため、静電フィルター型の検出器の適用は難しい。しかし、低エネルギー損失電子だけをエネルギー弁別して検出器に誘導する必要はなく、後方散乱電子すべてのエネルギー範囲を検出器により検出し、検出した後方散乱電子のエネルギーに比例した波高パルスが出力されるような検出系を採用すれば、弾性散乱電子や低エネルギー損失電子のエネルギーに対応する波高パルスのみ選択して画像化することが可能である。このような検出系の最大の特徴は、エネルギーのハイパスフィルターだけでなくローパス、バンドパスフィルターとしても機能させることができることである。

低エネルギー損失電子を利用する場合、特定のエネルギー範囲の後方散乱電子だけが検出されるため、その収量は低下する。そのため、十分な信号対雑音比で低エネルギー損失電子画像を取得するためには、一分以上の時間が必要となるが、ＦＩＢ加工と同時にＳＥＭ観察しながら加工終点を判断する場合、１０ｓ以下で画像取得できることが望ましい。

図１２は、信号取得時間を見かけ上短くする機能の、２画面表示構成のＳＥＭ観察画像表示部１４の一例である。左側で二次電子画像を表示しながら特定エリアを設定し（二次電子画像表示とエリア設定部１５）、右側で、左側で設定された特定エリアのみ低エネルギー損失画像を表示する（エリア設定された低エネルギー損失電子画像表示部１６）。半導体デバイス試料の薄膜作製においてＦＩＢ加工終点検知を実施する場合、ＦＩＢ加工断面の特定のエリアだけを観察できれば良いことが多いと考えられるため、ＳＥＭ画像全面を画像表示させるのではなく、特定エリアだけを画像表示することにより、信号取得時間を短縮している。例えば、８０秒必要であったＳＥＭ画像取得時間も、１６分の１の面積のみ画像取得することとすれば、５秒で取得できる。画像を取得するエリアは、任意の大きさに縮小することが可能である。画面の縦横比を固定した任意縮小画像の場合は、図１３のように、画像取得終了後に、画像処理機能によって画素補間やノイズ除去などの処理を加えて元の大きさに拡大して表示することが可能である。また、半導体デバイスはＦＩＢ加工断面で周期的な構造である場合が多く、図１４のようにライン形状でエリアを指定して画像を取得することも可能である。尚、図１２と図１４の実施例では、２画像表示構成とし、左側画像表示部で特定エリアを設定し、右側画像表示で表示する構成としたが、１画面表示、または複数画面表示でも同様の設定が可能である。また、図１２から図１４の実施例では、左側に二次電子画像を、右側に低エネルギー損失画像を表示した例としたが、画像表示部には、装置に搭載された全ての検出器で検出した信号を選択して表示することが可能である。

ＦＩＢ−ＳＥＭ装置におけるＦＩＢ加工断面や端面における、材料，組成、及び表面情報、若しく深さ情報を、高分解能、且つ低ダメージで、ＦＩＢ加工と同時、又はＦＩＢ加工と切り替えてＳＥＭ観察可能な装置を提供できる。最先端デバイスや機能材料の、高品位、且つ高精度な薄膜作製が可能となり、解析精度や利便性が飛躍的に向上する。

１ａ イオンビームカラム
１ｂ イオンビーム
２ａ 電子ビームカラム
２ｂ 電子ビーム
３ 試料室
４ クロスポイント
５ 試料
６ 二次電子検出器
７ 低エネルギー損失電子検出器
８ 領域
９ イオンビームによって誘起された二次電子
１０ 電子ビームによって誘起された二次電子
１１ 電子ビームによって誘起された後方散乱電子
１２ 反射電子と低エネルギー損失電子のエネルギー領域
１３ ＳＴＥＭ検出器
１４ ＳＥＭ観察画像表示部
１５ 二次電子画像表示とエリア設定部
１６ エリア設定された低エネルギー損失電子画像表示部
２８ 面

Claims (15)

1. イオンビーム加工により作成された試料断面を電子ビームにより観察する複合荷電粒子線装置において、
   前記断面に照射された電子ビームによって誘起された、弾性散乱電子を含む低エネルギー損失後方散乱電子を検出する検出器を備え、
   当該検出器が、イオンビームと電子ビームの交差点を中心として、前記断面へのイオンビーム入射軸から９０°以上回転した方向の三次元的な領域に配置されていることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   前記検出器が、前記断面への電子ビーム入射角度に依存した後方散乱電子の角度分布の最も強い強度を示す角度に配置されていることを特徴とする装置。
3. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   前記検出器が、電子ビーム入射軸を基準にイオンビーム入射軸から離れた方向であり、且つ、イオンビームで加工された試料断面に対する法線軸と試料への電子ビームの入射軸とがなす角度の２倍の角度に配置されていることを特徴とする装置。
4. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   前記検出器が、電子ビームの加速電圧を設定できる加速電圧の最大値とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを特徴とする装置。
5. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   前記検出器が、電子ビームの加速電圧を１.５ｋＶ以上３０ｋＶ以下とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを特徴とする装置。
6. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   イオンビームによる試料断面の加工中に、当該試料断面の表面情報を取得できることを特徴とする装置。
7. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   イオンビームによる試料断面への加工を止めた後に、当該試料断面の表面情報が取得できることを特徴とする装置。
8. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   イオンビームによる試料断面加工と、当該試料断面の表面情報の取得と、を繰り返し実施できることを特徴とする装置。
9. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
   薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第２の検出器を備え、イオンビームによる薄膜試料加工中に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを特徴とする装置。
10. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
    薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第２の検出器を備え、イオンビームによる薄膜試料への加工を止めた後に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを特徴とする装置。
11. 請求項１記載の複合荷電粒子線装置において、
    薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第２の検出器を備え、イオンビームによる試料断面加工と、薄膜断面の表面情報の取得と、及び薄膜の内部情報の取得と、を繰り返し実施できることを特徴とする装置。
12. 請求項９〜１１のいずれか１項に記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記薄膜試料の厚みが３００ｎｍ以下であることを特徴とする装置。
13. 請求項８、又は１１のいずれか１項に記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記試料断面加工の加工ステップ毎にイオンビーム加工と電子ビーム観察を繰り返したときに取得した試料断面の表面情報画像を、前記加工ステップ幅で重ね合わせて三次元構築できることを特徴とする装置。
14. 請求項１３記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記加工ステップ幅が５ｎｍ以下であることを特徴とする装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記検出器からの検出信号を画像化して表示するディスプレイを備え、当該ディスプレイに表示されている画像の任意範囲を選択し、当該選択された範囲を前記ディスプレイに画像表示することを特徴とする装置。

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