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JP7127883B2 - Composite charged particle beam system - Google Patents

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JP7127883B2 JP2020201784A JP2020201784A JP7127883B2 JP 7127883 B2 JP7127883 B2 JP 7127883B2 JP 2020201784 A JP2020201784 A JP 2020201784A JP 2020201784 A JP2020201784 A JP 2020201784A JP 7127883 B2 JP7127883 B2 JP 7127883B2
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浩之 鈴木
真也 北山
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Description

本発明は、イオンビームで薄片試料を作製する複合荷電粒子ビーム装置に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite charged particle beam apparatus for preparing thin specimens with ion beams.

従来、集束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)装置により透過電子顕微鏡(TEM;Transmission Electron Microscope)観察するための薄片試料を作製することが知られている。また、集束イオンビームの照射によりイオン種であるガリウムが薄片試料に注入されダメージ層を形成することも知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, it is known to prepare a thin sample for observation with a transmission electron microscope (TEM) using a focused ion beam (FIB) apparatus. It is also known that gallium, which is an ion species, is implanted into a thin sample by irradiation with a focused ion beam to form a damaged layer.

近年では、ダメージ層を除去する手段として、薄片試料に気体イオンビーム(GIB; Gas Ion Beam)を照射し、ダメージ層を除去する仕上げ加工が提案されている(引用文献1参照)。このような手段によれば、ダメージ層の少ない薄片試料を形成することが可能となる。 In recent years, as a means for removing the damaged layer, a finishing process has been proposed in which a thin sample is irradiated with a gas ion beam (GIB) to remove the damaged layer (see Cited Document 1). According to such means, it is possible to form a thin sample with a less damaged layer.

特開2007-066710号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-066710

しかしながら、従来の手段では、半導体デバイスなどの構造物が薄片試料の観察面に露出している場合には、構造物の有無によって気体イオンビームのエッチングレートが異なるため、観察面に凹凸が形成され筋となって現れる現象、いわゆるカーテン効果が発生してしまう。このため、観察面の観察像に、本来のデバイス構造以外にイオンビーム加工で形成された筋も現れてしまうという課題がある。 However, in the conventional means, when a structure such as a semiconductor device is exposed on the observation surface of the thin sample, the etching rate of the gaseous ion beam differs depending on the presence or absence of the structure, so that unevenness is formed on the observation surface. A phenomenon that appears as streaks, a so-called curtain effect, occurs. For this reason, there is a problem that streaks formed by ion beam processing appear in the observation image of the observation surface in addition to the original device structure.

特に、近年の先端デバイスでは様々な種類の材料が用いられる。そのためエッチングレートの差が顕著になるケースがある。 In particular, various types of materials are used in advanced devices in recent years. Therefore, there are cases where the difference in etching rate becomes significant.

また、先端デバイスでは構造が微細であるので、観察対象も微細である。従って、観察面に現れる凹凸が小さい場合でも観察により影響してしまう。 In addition, since the advanced device has a fine structure, the object to be observed is also fine. Therefore, even if the unevenness appearing on the observation surface is small, it affects the observation.

本発明は、カーテン効果を抑制し、筋の少ない観察像を取得することができる複合荷電粒子ビーム装置を提供する。 The present invention provides a composite charged particle beam apparatus capable of suppressing the curtain effect and obtaining an observation image with few streaks.

本発明の複合荷電粒子ビーム装置は、
薄片試料に第1の荷電粒子ビームを照射する第1の荷電粒子ビーム鏡筒と、
前記薄片試料の前記第1の荷電粒子ビームの照射位置に第2の荷電粒子ビームを照射する第2の荷電粒子ビーム鏡筒と、
試料ホルダと、
前記試料ホルダを載置する試料台と、を備え、
前記試料ホルダは、
前記試料台の上に配置された基台と、
モータにより駆動する回転駆動部と、
前記回転駆動部の駆動によりflip軸を中心に回動する回動台と、を備え、
前記回動台と共に前記薄片試料を保持するTEMグリッドを、前記flip軸を中心とする往復駆動により前記薄片試料の観察面に垂直な面内で回動させる、複合荷電粒子ビーム装置。
The composite charged particle beam device of the present invention comprises:
a first charged particle beam column for irradiating a thin sample with a first charged particle beam;
a second charged particle beam column for irradiating a second charged particle beam onto the first charged particle beam irradiation position of the thin sample;
a sample holder;
a sample stage on which the sample holder is placed,
The sample holder is
a base placed on the sample table;
a rotary drive driven by a motor;
a rotating table that rotates about a flip axis by driving the rotation driving unit;
A composite charged particle beam apparatus, wherein the TEM grid holding the thin sample is rotated in a plane perpendicular to the observation plane of the thin sample by reciprocating driving around the flip axis together with the rotating table.

本発明の一態様として、例えば、前記試料台は、傾斜軸を中心として傾斜することが可能であり、
前記傾斜軸および前記flip軸のユーセントリック位置が一致する。
As one aspect of the present invention, for example, the sample stage can be tilted about the tilt axis,
The eucentric positions of the tilt axis and the flip axis coincide.

本発明の一態様として、例えば、前記試料台は、前記試料ホルダをXYZの三軸方向に移動させること、傾斜させること及び回転させることが可能である。 As one aspect of the present invention, for example, the sample stage can move, tilt, and rotate the sample holder in three axial directions of XYZ.

本発明に係る複合荷電粒子ビーム装置によれば、半導体デバイスなどの構造物を有する薄片試料であっても、カーテン効果を抑制し、筋の少ない観察像の取得を図ることができる。 According to the composite charged particle beam apparatus according to the present invention, it is possible to suppress the curtain effect and obtain an observation image with few streaks even for a thin sample having a structure such as a semiconductor device.

本発明に係る実施形態の複合荷電粒子ビーム装置の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a composite charged particle beam device according to an embodiment of the present invention; FIG. 実施形態の複合荷電粒子ビーム装置の要部構成図であって、試料台の動作と各鏡筒との配置関係を示す図である。FIG. 4 is a configuration diagram of the main parts of the composite charged particle beam apparatus of the embodiment, showing the arrangement relationship between the operation of the sample stage and each lens barrel. 試料台の上に載置された試料ホルダの斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a sample holder placed on a sample stage; 図3のP部分の拡大図であって、主としてウォームホイールの拡大斜視図を示す図である。FIG. 4 is an enlarged view of a portion P in FIG. 3, and is a view mainly showing an enlarged perspective view of a worm wheel; 試料ホルダにおけるウォームホイールの最上部に取り付けられたTEMグリッドの動きを示す図であり、(a)はウォームホイールの回動に伴うTEMグリッドの動きを示す模式図であり、(b)は回動台の回動に伴うTEMグリッドの動きを示す模式図である。FIG. 4 is a diagram showing the movement of the TEM grid attached to the top of the worm wheel in the sample holder, (a) is a schematic diagram showing the movement of the TEM grid accompanying rotation of the worm wheel, and (b) is rotation It is a schematic diagram which shows a motion of a TEM grid accompanying rotation of a stand. 加工・観察対象としての薄片試料の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a thin section sample as an object to be processed and observed.

以下、本発明に係る複合荷電粒子ビーム装置の実施形態について説明する。図1は、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置100の全体構成を示す。複合荷電粒子ビーム装置100は、第1の荷電粒子ビームとしての集束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)を照射するFIB鏡筒(第1の荷電粒子ビーム鏡筒)1と、第2の荷電粒子ビームとしての電子ビーム(EB;Electron Beam)を照射するEB鏡筒(第2の荷電粒子ビーム鏡筒)2と、気体イオンビーム(GIB;Gas Ion Beam)を照射するGIB鏡筒3とを備えている。 An embodiment of a composite charged particle beam device according to the present invention will be described below. FIG. 1 shows the overall configuration of a composite charged particle beam device 100 of this embodiment. A composite charged particle beam device 100 includes an FIB lens barrel (first charged particle beam lens barrel) 1 for irradiating a focused ion beam (FIB) as a first charged particle beam, and a second charged particle beam Equipped with an EB column (second charged particle beam column) 2 for irradiating an electron beam (EB) as a beam, and a GIB column 3 for irradiating a gas ion beam (GIB). ing.

FIB鏡筒1は、液体金属イオン源を備えている。また、GIB鏡筒3は、PIG型の気体イオン源を備えている。気体イオン源は、イオン源ガスとして、ヘリウム、アルゴン、キセノン、酸素などを用いる。 The FIB column 1 has a liquid metal ion source. Further, the GIB column 3 has a PIG type gas ion source. A gaseous ion source uses helium, argon, xenon, oxygen, etc. as the ion source gas.

複合荷電粒子ビーム装置100はさらに、EB、FIB、またはGIBの照射により薄片試料7から発生する二次電子を検出する二次電子検出器4を備えている。なお、EBの照射により薄片試料7から発生する反射電子を検出する反射電子検出器を備えていても良い。 The composite charged particle beam device 100 further comprises a secondary electron detector 4 for detecting secondary electrons generated from the thin sample 7 by EB, FIB or GIB irradiation. A backscattered electron detector for detecting backscattered electrons generated from the thin sample 7 by EB irradiation may be provided.

複合荷電粒子ビーム装置100はさらに、薄片試料7を保持・固定する試料ホルダ6と試料ホルダ6を載置する試料台5とを備える。試料台5は、図示せぬXYZの三軸方向に移動可能である。さらに試料台5は、後に述べるように傾斜、回転することもできる。 The composite charged particle beam device 100 further includes a sample holder 6 for holding and fixing the thin sample 7 and a sample table 5 for mounting the sample holder 6 thereon. The sample stage 5 is movable in three axial directions of XYZ (not shown). Furthermore, the sample table 5 can be tilted and rotated as described later.

複合荷電粒子ビーム装置100はさらに、試料台制御部15を備える。試料台制御部15は図示せぬ駆動機構を制御してXYZの三軸方向に試料台5を移動させる。さらに試料台制御部15は、傾斜駆動部8を制御して試料台5を傾斜させるとともに、回転駆動部10を制御して試料台5を回転させる。 The composite charged particle beam device 100 further includes a sample stage controller 15 . The sample table control unit 15 controls a drive mechanism (not shown) to move the sample table 5 in the three axial directions of XYZ. Further, the sample table control unit 15 controls the tilt driving unit 8 to tilt the sample table 5 and controls the rotation driving unit 10 to rotate the sample table 5 .

複合荷電粒子ビーム装置100はさらに、試料ホルダ制御部60を備える。試料ホルダ制御部60は、試料台5の上に配置された試料ホルダ6を駆動することにより、薄片試料7の向きを所望の向きに設定する。試料ホルダ6の構成及び作用の詳細は後に述べる。 The composite charged particle beam device 100 further comprises a sample holder controller 60 . The sample holder control unit 60 drives the sample holder 6 placed on the sample table 5 to set the direction of the thin sample 7 in a desired direction. Details of the configuration and operation of the sample holder 6 will be described later.

複合荷電粒子ビーム装置100はさらに、FIB制御部11と、EB制御部12と、GIB制御部13と、像形成部14と、表示部18とを備える。EB制御部12はEB鏡筒2からのEB照射を制御する。FIB制御部11はFIB鏡筒1からのFIB照射を制御する。GIB制御部13はGIB鏡筒3からのGIB照射を制御する。像形成部14は、EBを走査させる信号と、二次電子検出器4で検出した二次電子の信号とからSEM像を形成する。表示部18はSEM像等の観察像や装置の各種制御条件等を表示することができる。また、像形成部14は、FIBを走査させる信号と、二次電子検出器4で検出した二次電子の信号とからSIM像を形成する。表示部18はSIM像を表示することができる。 The composite charged particle beam apparatus 100 further includes an FIB controller 11 , an EB controller 12 , a GIB controller 13 , an image forming unit 14 and a display unit 18 . An EB control unit 12 controls EB irradiation from the EB lens barrel 2 . The FIB controller 11 controls FIB irradiation from the FIB lens barrel 1 . A GIB control unit 13 controls GIB irradiation from the GIB lens barrel 3 . The image forming unit 14 forms an SEM image from the signal for scanning the EB and the signal of the secondary electrons detected by the secondary electron detector 4 . The display unit 18 can display observation images such as SEM images, various control conditions of the apparatus, and the like. The image forming unit 14 also forms a SIM image from the signal for scanning the FIB and the signal of the secondary electrons detected by the secondary electron detector 4 . The display unit 18 can display a SIM image.

複合荷電粒子ビーム装置100はさらに、入力部16と、制御部17を備える。オペレータは装置制御に関する条件を入力部16に入力する。入力部16は、入力された情報を制御部17に送信する。制御部17は、FIB制御部11、EB制御部12、GIB制御部13、像形成部14、試料台制御部15、表示部18、試料ホルダ制御部60に制御信号を送信し、装置の全体を制御する。 The composite charged particle beam device 100 further comprises an input section 16 and a control section 17 . The operator inputs the conditions for device control to the input section 16 . The input unit 16 transmits the input information to the control unit 17 . The control unit 17 transmits control signals to the FIB control unit 11, the EB control unit 12, the GIB control unit 13, the image forming unit 14, the sample stage control unit 15, the display unit 18, and the sample holder control unit 60, and controls the entire apparatus. to control.

装置の制御について、例えば、オペレータは表示部18に表示されたSEM像やSIM像などの観察像に基づいて、FIBやGIBの照射領域を設定する。オペレータは表示部18に表示された観察像上に照射領域を設定する加工枠を入力部16により入力する。さらに、オペレータは加工開始の指示を入力部16に入力すると、制御部17からFIB制御部11又はGIB制御部13に照射領域と加工開始の信号が送信され、FIB制御部11からFIBが、又はGIB制御部13からGIBが、薄片試料7の指定された照射領域に照射される。これによりオペレータが入力した照射領域にFIBまたはGIBを照射することができる。 Regarding the control of the device, for example, the operator sets the FIB and GIB irradiation regions based on observation images such as SEM images and SIM images displayed on the display unit 18 . The operator uses the input unit 16 to input a processing frame for setting an irradiation area on the observation image displayed on the display unit 18 . Further, when the operator inputs a processing start instruction to the input unit 16, the control unit 17 transmits an irradiation area and a processing start signal to the FIB control unit 11 or the GIB control unit 13, and the FIB control unit 11 transmits the FIB, or The GIB from the GIB control unit 13 is applied to the designated irradiation area of the thin sample 7 . As a result, the irradiation area input by the operator can be irradiated with FIB or GIB.

また、複合荷電粒子ビーム装置100は、薄片試料7のEB、FIB、またはGIBの照射領域付近にエッチングガスを供給するガス銃19を備えている。エッチングガスとして、塩素ガス、フッ素系ガス(フッ化キセノン、炭化フッ素など)、ヨウ素ガスなどのハロゲンガスを用いる。薄片試料7の材質と反応するエッチングガスを用いることで、EB、FIB、またはGIBによるガスアシストエッチングを施すことができる。特にEBによるガスアシストエッチングは、イオンスパッタによるダメージを薄片試料7に与えずにエッチング加工することができる。 The composite charged particle beam apparatus 100 also includes a gas gun 19 that supplies an etching gas to the vicinity of the EB, FIB, or GIB irradiation area of the thin sample 7 . Halogen gas such as chlorine gas, fluorine-based gas (xenon fluoride, fluorine carbide, etc.), and iodine gas is used as an etching gas. By using an etching gas that reacts with the material of the thin sample 7, gas-assisted etching by EB, FIB, or GIB can be performed. In particular, gas-assisted etching by EB can perform etching processing without giving damage to the thin sample 7 due to ion sputtering.

図2は、複合荷電粒子ビーム装置100の要部であって、試料台5の動作と各鏡筒との配置関係を示す。FIB1b又はGIB3bで加工中の薄片試料7をSEM観察するために、FIB鏡筒1のFIB照射軸1aとEB鏡筒2のEB照射軸2a、及び、EB鏡筒2のEB照射軸2aとGIB鏡筒3のGIB照射軸3aは、試料台5の移動により位置調整された薄片試料7上で交差するように配置されている。すなわち、FIB鏡筒1のFIB1bの照射位置と、EB鏡筒2のEB2bの照射位置と、GIB鏡筒3のGIB3bの照射位置は、薄片試料7上で一致する。 FIG. 2 shows the essential part of the composite charged particle beam system 100, showing the positional relationship between the operation of the sample table 5 and each column. For SEM observation of the thin sample 7 being processed by the FIB 1b or GIB 3b, the FIB irradiation axis 1a of the FIB barrel 1 and the EB irradiation axis 2a of the EB barrel 2, and the EB irradiation axis 2a of the EB barrel 2 and the GIB The GIB irradiation axis 3a of the lens barrel 3 is arranged so as to intersect above the thin sample 7 whose position is adjusted by moving the sample stage 5. As shown in FIG. That is, the irradiation position of FIB1b of FIB lens barrel 1, the irradiation position of EB2b of EB lens barrel 2, and the irradiation position of GIB3b of GIB lens barrel 3 coincide on thin sample .

試料台5は、FIB照射軸1aと直交し、かつ、FIB照射軸1aとGIB照射軸3aとがなす第1の面21の面内に位置する傾斜軸8aを中心に傾斜機構としての傾斜駆動部8により傾斜することができる。すなわち、傾斜機構としての傾斜駆動部8が、制御部17さらには試料台制御部15の制御の下で駆動し、矢印Aに示すように試料台5を傾斜させる。 The sample table 5 is driven to tilt about a tilting axis 8a which is perpendicular to the FIB irradiation axis 1a and which is positioned within a first plane 21 defined by the FIB irradiation axis 1a and the GIB irradiation axis 3a. The portion 8 allows tilting. That is, the tilt driving section 8 as a tilting mechanism is driven under the control of the control section 17 and the sample table control section 15 to tilt the sample table 5 as indicated by the arrow A. FIG.

また、試料台5は、回転駆動部10により、薄片試料7を平面内で回転する回転操作も可能となっている。すなわち、回転機構としての回転駆動部10が、制御部17さらには試料台制御部15の制御の下で駆動し、矢印Bに示すように試料台5を平面内で回転させる。回転機構としての回転駆動部10にはサーボモータ等種々のものが使用可能であり特にその種類は限定されない。 In addition, the sample table 5 can be rotated by a rotary drive unit 10 to rotate the thin sample 7 within a plane. That is, the rotation driving section 10 as a rotating mechanism is driven under the control of the control section 17 and the sample table control section 15 to rotate the sample table 5 in the plane as indicated by the arrow B. FIG. Various devices such as a servomotor can be used for the rotation drive unit 10 as a rotation mechanism, and the type thereof is not particularly limited.

次に、試料台5の上に配置された試料ホルダ6の構成、動作、作用について説明する。図3に示すように、試料ホルダ6は、試料台5の上に直接に配置された基台61と、ホルダシャフト62と、第2の回動ユニットとしての回動台63と、第1の回動ユニットとしてのウォームホイール64とを備える。ホルダシャフト62は、外部からの電力供給により駆動する図示せぬモータからの給電により回転する。板状の回動台63は、減速ギアなどを介して、基台61の上部空間においてホルダシャフト62に接続しており、ホルダシャフト62の回転とともに、シャフト軸としてのF軸(flip軸)を回動中心軸として、FR1方向に回動(搖動)する。 Next, the configuration, operation and function of the sample holder 6 placed on the sample stage 5 will be described. As shown in FIG. 3, the sample holder 6 includes a base 61 arranged directly on the sample table 5, a holder shaft 62, a rotating table 63 as a second rotating unit, and a first rotating unit. and a worm wheel 64 as a rotating unit. The holder shaft 62 is rotated by power supply from a motor (not shown) driven by power supply from the outside. The plate-shaped rotating base 63 is connected to the holder shaft 62 in the space above the base 61 via a reduction gear or the like, and as the holder shaft 62 rotates, the F axis (flip axis) as a shaft axis is rotated. It rotates (oscillates) in the FR1 direction as the central axis of rotation.

図4は、図3のP部分の拡大図である。ウォームホイール64は、回動台63に形成された凹部63aに収納されている。ウォームホイール64には、円弧状に形成されたガイド溝66が形成されている。回動台63に設けられ、回動台63とは独立して駆動するローラー65が、ガイド溝66に摺動しつつ回転可能な状態でガイド溝66にはめ込まれている。ローラー65が回転すると、空転せずにガイド溝66に摺動しつつ回転するため、ローラー65の回転により、ウォームホイール64は、ローラー軸としてのS軸(swing軸)を回動中心軸として、SR1方向に回動(搖動)する。したがって、ウォームホイール64は、回動台63とは独立して回動可能(搖動可能)である。 FIG. 4 is an enlarged view of part P in FIG. The worm wheel 64 is accommodated in a recess 63a formed in the rotating base 63. As shown in FIG. An arc-shaped guide groove 66 is formed in the worm wheel 64 . A roller 65 that is provided on the rotating table 63 and driven independently of the rotating table 63 is fitted in the guide groove 66 in a rotatable state while sliding in the guide groove 66 . When the roller 65 rotates, it rotates while sliding along the guide groove 66 without idle rotation. It rotates (oscillates) in the SR1 direction. Therefore, the worm wheel 64 is rotatable (swingable) independently of the rotating base 63 .

ウォームホイール64の最上部には、薄片試料7が直接取り付け可能な試料保持部としてのTEMグリッド67が設けられている。TEMグリッド67は薄板により作成されており、中央部分に試料保持台67aが形成され、試料保持台67aの上に5本の柱67b1、67b2、67b3、67b4、67b5が形成されている。薄片試料7は、柱67b1~67b5に取り付けられる。 A TEM grid 67 is provided on the top of the worm wheel 64 as a sample holder to which the thin sample 7 can be directly attached. The TEM grid 67 is made of a thin plate, and has a sample holding table 67a formed in the center, and five columns 67b1, 67b2, 67b3, 67b4, and 67b5 formed on the sample holding table 67a. The thin sample 7 is attached to the pillars 67b1-67b5.

TEMグリッド67は、回動台63、ウォームホイール64の回動に伴い、図5に示すように移動し、TEMグリッド67に取り付けられた薄片試料7も移動する。図5(a)は、ウォームホイール64の回動に伴うTEMグリッド67の動作を示す。TEMグリッド67は、図4におけるウォームホイール64の動き矢印SR1と連動した矢印SR2方向に回動する。図5(b)は、回動台63の回動に伴うTEMグリッド67の動作を示す。TEMグリッド67は、図3における回動台63の動き矢印FR1と連動した矢印FR2方向に回動する。 The TEM grid 67 moves as shown in FIG. 5 as the rotating table 63 and the worm wheel 64 rotate, and the thin sample 7 attached to the TEM grid 67 also moves. FIG. 5(a) shows the movement of the TEM grid 67 as the worm wheel 64 rotates. The TEM grid 67 rotates in the direction of the arrow SR2 linked with the motion arrow SR1 of the worm wheel 64 in FIG. FIG. 5(b) shows the movement of the TEM grid 67 accompanying the rotation of the rotation table 63. FIG. The TEM grid 67 rotates in the direction of an arrow FR2 interlocked with the motion arrow FR1 of the rotating table 63 in FIG.

図5(a)に示すように本実施形態では、ウォームホイール64ひいてはTEMグリッド67が、試料台5の上において、紙面に垂直方向に延びる第1の回動軸A1を中心として薄片試料7の観察面に平行な面内で、薄片試料7を回動させることが可能である。ここでの第1の回動軸A1は図4のS軸に平行であり、TEMグリッド67が当該第1の回動軸A1を中心として回動する仮想的な軸である。そして、薄片試料7の観察面は紙面に平行な方向、すなわち第1の回動軸A1に垂直な方向に拡がっており、薄片試料7が、紙面、すなわち当該観察面に平行な面内で回動する。また、第1の回動軸A1は、柱67b1~67b5のうち、中央に位置する柱67b3の位置に合致する。 As shown in FIG. 5(a), in this embodiment, the worm wheel 64 and thus the TEM grid 67 are placed on the sample table 5, and the thin sample 7 is moved around the first rotation axis A1 extending in the direction perpendicular to the plane of the paper. It is possible to rotate the thin sample 7 in a plane parallel to the observation plane. The first rotation axis A1 here is parallel to the S axis in FIG. 4, and is a virtual axis around which the TEM grid 67 rotates about the first rotation axis A1. The observation surface of the thin sample 7 spreads in the direction parallel to the paper surface, that is, the direction perpendicular to the first rotation axis A1, and the thin sample 7 rotates in the paper surface, that is, in the plane parallel to the observation surface. move. Also, the first rotation axis A1 coincides with the position of the central column 67b3 among the columns 67b1 to 67b5.

ここで、図2に示したよう8に、試料台5は傾斜軸8aを中心として傾斜することが可能であるが、この傾斜軸8aと第1の回動軸A1のユーセントリック(eucentric)位置は一致する。すなわち、図5(a)、(b)に示す基準線Eはユーセントリック位置を示し、基準線E上に傾斜軸8aと第1の回動軸A1が位置する。ここでユーセントリック位置は、薄片試料7上におけるFIB1bおよびEB2b(ならびにGIB3b)の照射位置に相当する。このような構成により、たとえ試料台5の傾斜と図5(a)に示すTEMグリッド67の回動が同時に行われても、照射対象が元の照射位置からずれることはなく、正確な加工および観察が実施可能となる。 Here, as shown in FIG. 2, the sample stage 5 can be tilted about the tilting axis 8a. matches. That is, the reference line E shown in FIGS. 5(a) and 5(b) indicates the eucentric position, on which the tilt axis 8a and the first rotation axis A1 are positioned. Here, the eucentric position corresponds to the irradiation position of FIB1b and EB2b (and GIB3b) on the thin section sample 7 . With such a configuration, even if the tilting of the sample stage 5 and the rotation of the TEM grid 67 shown in FIG. Observation becomes possible.

尚、図5(a)においては第1の回動軸A1が延びる方向は紙面に垂直方向に固定されているが、傾斜軸8aが延びる方向は試料台5の回転駆動部10による回転により変化するため、図5(a)では固定されていない。 In FIG. 5(a), the direction in which the first rotation axis A1 extends is fixed to the direction perpendicular to the plane of the paper, but the direction in which the tilt axis 8a extends changes according to the rotation of the sample table 5 by the rotation drive unit 10. Therefore, it is not fixed in FIG. 5(a).

また、図5(b)に示すように本実施形態では、回動台63ひいてはTEMグリッド67が、試料台5の上において、紙面に垂直方向に延びる第2の回動軸A2を中心として薄片試料7の観察面に垂直な面内で、薄片試料7を回動させることが可能である。ここでの第2の回動軸A2は図3のF軸に一致し、TEMグリッド67が当該第2の回動軸A2を中心として回動する仮想的な軸である。そして、薄片試料7の観察面は紙面に垂直な方向、すなわち第2の回動軸A2に平行な方向に拡がっており、薄片試料7が、紙面、すなわち当該観察面に垂直な面内で回動する。また、試料台5の傾斜軸8aと第2の回動軸A2のユーセントリック位置も一致する。 In addition, as shown in FIG. 5B, in this embodiment, the rotating table 63 and the TEM grid 67 are mounted on the sample table 5 so as to rotate about the second rotating shaft A2 extending in the direction perpendicular to the plane of the paper. It is possible to rotate the thin sample 7 within a plane perpendicular to the observation surface of the sample 7 . The second rotation axis A2 here corresponds to the F axis in FIG. 3, and is a virtual axis around which the TEM grid 67 rotates about the second rotation axis A2. The observation surface of the thin sample 7 spreads in a direction perpendicular to the paper surface, that is, in a direction parallel to the second rotation axis A2, and the thin sample 7 is rotated within the paper surface, that is, a plane perpendicular to the observation surface. move. The eucentric position of the tilting axis 8a of the sample table 5 and the second rotation axis A2 also coincide.

尚、図5(a)、(b)では、TEMグリッド67の動きをわかりやすく示すため、互いに異なる回動位置にある三つのTEMグリッド67を水平方向に引き離した状態で示した。しかしながら、実際の装置においては、第1及び第2の回動軸A2を中心として回動するため、異なる位置にある三つのTEMグリッド67は離れた状態ではない。 In FIGS. 5A and 5B, three TEM grids 67 at different rotational positions are shown separated in the horizontal direction in order to clearly show the movement of the TEM grids 67 . However, in an actual device, the three TEM grids 67 at different positions are not separated because they rotate about the first and second rotation axes A2.

図6は、半導体デバイスの一部を切り出した薄片試料7の模式図である。薄片試料7は、デバイスの構造物31、32、33を有している。観察面としての断面7aには構造物31、33が露出している。上面7cの側から、FIB1b、EB2b、GIB3bが照射される。 FIG. 6 is a schematic diagram of a thin sample 7 obtained by cutting out a part of a semiconductor device. The thin sample 7 has device structures 31 , 32 , 33 . Structures 31 and 33 are exposed on the cross section 7a as an observation surface. FIB1b, EB2b, and GIB3b are irradiated from the upper surface 7c side.

このような断面に対し、一つの方向から荷電粒子ビームを照射すると構造物のある部分とない部分とでエッチングレートが異なるため、断面上に凹凸が形成される。凹凸が形成された断面をSEM観察すると、観察像には凹凸に起因する筋が含まれてしまう。この筋はイオンビーム加工により形成されたものであるから、半導体デバイスの構造物や欠陥ではない。観察像に筋が現れてしまうと、半導体デバイスの構造物や欠陥と見分けがつかなくなってしまうことがある。 When a charged particle beam is irradiated from one direction to such a cross section, the etching rate differs between a portion with a structure and a portion without a structure, so unevenness is formed on the cross section. When a cross section on which unevenness is formed is observed with an SEM, the observed image includes streaks caused by the unevenness. Since this streak is formed by ion beam processing, it is not a structure or defect of the semiconductor device. If streaks appear in the observed image, they may be indistinguishable from semiconductor device structures and defects.

本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置100では、試料台5は、傾斜駆動部8の作用により傾斜軸8aを中心に傾斜可能であり、かつ、回転駆動部10の作用により回転可能であって、FIB鏡筒1、EB鏡筒2、GIB鏡筒3に対する薄片試料7の相対的な位置(向き)を変更することができる。さらに試料台5の上の試料ホルダ6が、図5に示す作用により、FIB鏡筒1、EB鏡筒2、GIB鏡筒3に対する薄片試料7の相対的な位置(向き)を変更することができる。試料台5および試料ホルダ6の動きの組み合わせにより、例えば、薄片試料7へのGIB鏡筒3からのGIB3bの照射方向をきめ細かく設定することができる。よって、一の方向からのGIB3bによるエッチング加工で生じた薄片試料7の観察面としての断面7aに発生した凹凸を、他の方向からのGIB3bでエッチング加工することが自由に可能であり、断面7aに露出したデバイスの構造物による凹凸の形成を抑制することができる。また、ユーセントリック位置において薄片試料7のFIB鏡筒1、EB鏡筒2、GIB鏡筒3に対する相対的な位置(向き)を変更することができるため、例えば、S軸もしくはF軸を中心にビーム照射中にTEMグリッドを連続的に往復駆動させることにより、薄片試料7へのビーム照射が均一に行われる。これによりデバイスの構造物による凹凸の形成を抑制することができる。ひいては得られる観察面の観察像における余計な筋の発生を抑制することができ、精度の高い観察を行うことができる。 In the composite charged particle beam apparatus 100 of this embodiment, the sample table 5 can be tilted about the tilt axis 8a by the action of the tilt drive section 8, and can be rotated by the action of the rotation drive section 10, The relative position (orientation) of the thin sample 7 with respect to the FIB barrel 1, EB barrel 2, and GIB barrel 3 can be changed. Furthermore, the sample holder 6 on the sample table 5 can change the relative position (orientation) of the thin sample 7 with respect to the FIB lens barrel 1, EB lens barrel 2, and GIB lens barrel 3 by the action shown in FIG. can. By combining the movements of the sample stage 5 and the sample holder 6, for example, the irradiation direction of the GIB 3b from the GIB lens barrel 3 to the thin sample 7 can be finely set. Therefore, it is possible to freely etch the unevenness generated in the cross section 7a as an observation surface of the thin sample 7 by etching with the GIB 3b from one direction with the GIB 3b from the other direction. It is possible to suppress the formation of unevenness due to the structure of the device exposed to the surface. In addition, since the relative position (orientation) of the thin sample 7 with respect to the FIB barrel 1, EB barrel 2, and GIB barrel 3 can be changed at the eucentric position, for example, By continuously reciprocating the TEM grid during beam irradiation, the thin sample 7 is uniformly irradiated with the beam. As a result, it is possible to suppress the formation of irregularities due to the structure of the device. As a result, it is possible to suppress the generation of unnecessary streaks in the obtained observation image of the observation surface, and it is possible to perform observation with high accuracy.

尚、本例ではGIB3bの薄片試料7に対する照射方向を変動させる例について説明したが、FIB1b、EB2bの薄片試料7に照射方向を変動させるようにすることも可能である。 In this example, the irradiation direction of the thin sample 7 of the GIB 3b is changed, but it is also possible to change the irradiation direction of the thin sample 7 of the FIB 1b and EB2b.

上記の説明では、FIB鏡筒1が鉛直方向に配置されているが、FIB鏡筒1とEB鏡筒2とを入れ替えて配置しても良い。 Although the FIB lens barrel 1 is arranged in the vertical direction in the above description, the FIB lens barrel 1 and the EB lens barrel 2 may be exchanged.

また、一般的にGIB3bにより薄片試料7の仕上げ加工が施されるが、GIB3bの代わりに、EB2bによるガスアシストエッチングや、FIB1bを用いても良い。FIB1bを用いる場合は、薄片試料7の断面7aを形成する加工と仕上げ加工とにおいて、FIB1bのビームエネルギーを変更することが望ましい。すなわち、薄片試料7の断面7aを形成する加工では、加速電圧が30から40kVで加速されたFIB1bを用いて高速に、かつビーム径の小さいビームで急峻な断面を形成し、仕上げ加工では、加速電圧1kVから10kV程度の低加速のFIB1bを用いて、薄片試料7への侵入長の小さいビームを用いることで、ダメージの小さい加工を施す。これにより、ダメージの小さい仕上げ加工を施すことができる。 Further, although the thin sample 7 is generally finished by GIB 3b, gas-assisted etching by EB 2b or FIB 1b may be used instead of GIB 3b. When using the FIB 1b, it is desirable to change the beam energy of the FIB 1b between the processing for forming the cross section 7a of the thin sample 7 and the finishing processing. That is, in the processing for forming the cross section 7a of the thin sample 7, the FIB 1b accelerated at an acceleration voltage of 30 to 40 kV is used to form a steep cross section at high speed with a beam having a small beam diameter. By using a low-acceleration FIB 1b with a voltage of about 1 kV to 10 kV and using a beam with a small penetration depth into the thin sample 7, processing with little damage is performed. As a result, finishing with less damage can be performed.

また、試料ホルダ6のサイズ、薄片試料7の取り付け方法等の詳細は特に限定されず、観測に応じて最適なものを選択することが可能である。また、薄片試料7の表面、裏面を入れ替えることにより、表面および裏面の両方を加工することが可能となる。 Details such as the size of the sample holder 6 and the mounting method of the thin sample 7 are not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the observation. Moreover, by exchanging the front surface and the back surface of the thin sample 7, it becomes possible to process both the front surface and the back surface.

尚、上記の実施形態では、試料ホルダ6の詳細な構成が示されている。しかしながら、試料ホルダ6の構成は実施形態のものには限定されない。すなわち、試料ホルダ6が試料台5の上において、第1の回動軸A1を中心として薄片試料7の観察面に平行な面内で、薄片試料7を回動させることが可能であればよく、実施形態のウォームホイール64は必須の構成ではない。また、試料ホルダ6が試料台5の上において、第1の回動軸A1に略直交する第2の回動軸A2を中心として、薄片試料7の観察面に垂直な面内で、薄片試料7を回動させることが可能であればよく、実施形態の回動台63も必須の構成ではない。 Note that the detailed configuration of the sample holder 6 is shown in the above embodiment. However, the configuration of the sample holder 6 is not limited to that of the embodiment. That is, it is sufficient if the sample holder 6 is placed on the sample table 5 and the thin sample 7 can be rotated about the first rotation axis A1 in a plane parallel to the observation surface of the thin sample 7. , the worm wheel 64 of the embodiment is not an essential component. Further, the sample holder 6 is placed on the sample stage 5, and the thin sample 7 is rotated in a plane perpendicular to the observation surface of the thin sample 7 around the second rotating shaft A2 substantially perpendicular to the first rotating shaft A1. 7 can be rotated, and the rotation table 63 of the embodiment is not an essential component.

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified, improved, etc. as appropriate. In addition, the material, shape, size, numerical value, form, number, location, etc. of each component in the above-described embodiment are arbitrary and not limited as long as the present invention can be achieved.

本発明に係る複合荷電粒子ビーム装置は、薄片試料に対し、各種のビームの照射方向をきめ細かに設定することが可能であるため、カーテン効果を抑制し、筋の少ない観察像を取得することができる。 The composite charged particle beam apparatus according to the present invention can finely set the irradiation direction of various beams to a thin sample, so that the curtain effect can be suppressed and an observation image with few streaks can be obtained. can.

1:FIB鏡筒
1a:FIB照射軸
1b:FIB
2:EB鏡筒
2a:EB照射軸
2b:EB
3:GIB鏡筒
3a:GIB照射軸
3b:GIB
4:二次電子検出器
5:試料台
6:試料ホルダ
7:薄片試料
7a:断面
7c:上面
8:傾斜駆動部
8a:傾斜軸
10:回転駆動部
11:FIB制御部
12:EB制御部
13:GIB制御部
14:像形成部
15:試料台制御部
16:入力部
17:制御部
18:表示部
19:ガス銃
21:第1の面
31、32、33:構造物
60:試料ホルダ制御部
61:基台
62:ホルダシャフト
63:回動台(第2の回動ユニット)
64:ウォームホイール(第1の回動ユニット)
65:ローラー
66:ガイド溝
67:TEMグリッド(試料保持部)
100:複合荷電粒子ビーム装置
A1:第1の回動軸
A2:第2の回動軸
1: FIB lens barrel 1a: FIB irradiation axis 1b: FIB
2: EB barrel 2a: EB irradiation axis 2b: EB
3: GIB lens barrel 3a: GIB irradiation axis 3b: GIB
4: Secondary electron detector 5: Sample table 6: Sample holder 7: Thin piece sample 7a: Cross section 7c: Upper surface 8: Tilt drive unit 8a: Tilt shaft 10: Rotation drive unit 11: FIB control unit 12: EB control unit 13 : GIB control unit 14: image forming unit 15: sample table control unit 16: input unit 17: control unit 18: display unit 19: gas gun 21: first surfaces 31, 32, 33: structure 60: sample holder control Part 61: base 62: holder shaft 63: rotation base (second rotation unit)
64: Worm wheel (first rotating unit)
65: Roller 66: Guide groove 67: TEM grid (sample holder)
100: Composite charged particle beam device A1: First rotation axis A2: Second rotation axis

Claims (2)

薄片試料に第1の荷電粒子ビームを照射する第1の荷電粒子ビーム鏡筒と、
前記薄片試料の前記第1の荷電粒子ビームの照射位置に第2の荷電粒子ビームを照射する第2の荷電粒子ビーム鏡筒と、
試料ホルダと、
前記試料ホルダを載置する試料台と、を備え、
前記試料台は、傾斜軸を中心として傾斜することが可能であり、
前記試料ホルダは、
前記試料台の上に配置された基台と、
モータにより駆動する回転駆動部と、
前記回転駆動部の駆動によりflip軸を中心に前記試料台と独立して回動する回動台と、を備え、
前記回動台と共に前記薄片試料を前記flip軸上に配置可能に保持するTEMグリッドを、前記flip軸を中心とする往復駆動により前記薄片試料の観察面に垂直な面内で回動させ
前記傾斜軸および前記flip軸のユーセントリック位置は一致する、
複合荷電粒子ビーム装置。
a first charged particle beam column for irradiating a thin sample with a first charged particle beam;
a second charged particle beam column for irradiating a second charged particle beam onto the first charged particle beam irradiation position of the thin sample;
a sample holder;
a sample stage on which the sample holder is placed,
The sample stage can be tilted about a tilt axis,
The sample holder is
a base placed on the sample table;
a rotary drive driven by a motor;
a rotating table that rotates independently of the sample table around a flip axis driven by the rotating drive unit;
rotating the TEM grid that holds the thin sample so as to be arranged on the flip axis together with the rotating table in a plane perpendicular to the observation plane of the thin sample by reciprocating driving about the flip axis ;
eucentric positions of the tilt axis and the flip axis coincide;
Composite charged particle beam device.
請求項に記載の複合荷電粒子ビーム装置であって、
前記試料台は、前記試料ホルダをXYZの三軸方向に移動させること、傾斜させること、及び回転させることが可能である、複合荷電粒子ビーム装置。
A composite charged particle beam device according to claim 1 ,
The composite charged particle beam apparatus, wherein the sample table is capable of moving, tilting, and rotating the sample holder in three axial directions of XYZ.
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