JPH09115861A - 試料を加工する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ミクロンオーダーの固体の３次元構築を高精度
で実施可能な装置を提供する。 【解決手段】図１に示すごとくイオンカラム１，電子カ
ラム２，試料室３，試料ステージ４，希ガスイオンカラ
ム５，制御系２０等から構成されている。 【効果】（１）複合材料でも正しい３次元情報が得られ
る。（２）加工寸法が精度良く測定出来るためミクロン
オーダーの３次元観察が高精度で可能。（３）１つの観
察面で複数の画像記憶が出来るため、１つの試料で多数
の３次元像が構築出来る。（４）試料台としてサイドエ
ントリーステージを用いると加工カラムと観察カラムが
試料に接近出来るのでそれぞれのビームがよく集束出来
高精度の３次元構築が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体デバイスなどの
積層構造をイオンビームで加工しながらその構造や組成
を再構築する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＦＩＢ装置は例えば“ぶんせき”
１９８９ ＮＯ１ 日本分析化学会に記載されているご
とく、イオンビームでスパッターする方向にデータを蓄
積するものであった。またこの場合、加工深さを特定す
るには時間を用いるものであった。このためスパッター
の速い層と遅い層が複合するような場合では正しい深さ
情報が得られなかった。また、表面が平坦ではない試料
についてはスパッターの入射角依存性のために最初は凹
凸があるが、次第に平坦になるという特性があり、この
点からも深さ方向の精度は十分とはいえなかった。さら
に像の分解能は加工ビームの径によって決まるので十分
ではなかった。即ち加工速度を上げるために大電流にす
るとビーム特性からビーム径が大きくなり像分解能が低
下する欠点があった。また従来の方法では加工とデータ
の取り込みが同時であるため、画像のチェックが途中で
できないこと、観察倍率などを任意に変えることなどが
できなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来技
術では、各種分析パラメータの精度の悪さにより対象試
料の如何なる位置にどのような物質が存在するのかを特
定することができない。本願発明では以上のような従来
技術と同様のハード構成であっても、対象試料の如何な
る位置にどのような物質が存在するのかを特定でき、特
にイオンビ−ムに代表されるような加工手段と該加工手
段による加工個所を観察する観察手段を備えた装置に適
用するのに好適な試料を加工する装置を提供することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は加工手段によっ
て加工される経過を観察手段によって観察することで加
工された部分に如何なる物質が存在するのかを特定する
ことができる。より具体的には加工手段によって、対象
試料の加工個所を任意の厚さを持って順次スパッタリン
グして行き、そのスパッタリング表面を順次観察手段で
観察することで、複数の２次元映像を得ることができ、
更には２次元映像を立体的に配置、組み合わせることで
３次元映像を得ることができる。また、以上のようにし
て得た複数の２次元画像を個々に修飾する工程を備える
ことで、３次元映像を形成する上でより精度の高い３次
元映像を得ることができる。

【０００５】更に、本発明では同じ位置に於ける複数の
画面情報を記憶することも可能であるため異なった修飾
を受けた複数の３次元像を一工程の加工から得ることも
可能である。

【０００６】また、本発明では加工を繰返し行うという
構成上、加工面が汚れやすく、一旦加工面を清浄して
も、次の加工工程ですぐに加工面が汚染されてしまうの
で、加工面を清浄化する清浄工程を加工工程と観察工程
との間に設けることで、常に清浄化された加工面を観察
することが可能にしている。

【０００７】本発明の加工手段である第一のエネルギー
ビーム（イオンビーム）は試料を面積Ｘ×Ｄでスパッタ
加工する。この時加工方向をＹとすると、Ｙがある値に
達した後第一のエネルギービームを停止する。

【０００８】次に第２のエネルギービーム（電子ビー
ム）はＸＹ面にほぼ垂直に配置されており、この方向か
ら荷電粒子ビームを照射しこの時加工面との相互作用に
よる粒子により画面情報を得る。画面情報の場合、コン
トラストが悪い場合、画像処理を実施する。この画像は
深さ情報Ｄとともに記憶する。この場合の深さ情報は画
像観察用のエネルギービームを集束するパワー、すなわ
ち走査型電子顕微鏡の場合は対物レンズのコイル電流を
変化させて最良の像が得られるコイル電流によって算出
する。最良点の判断が肉眼では出来ない場合、２次電子
信号を面方向に微分し、この値が最大になる点を求め
る。この工程をイオンビームによるスパッタ加工前とス
パッタ後に行い、加工前の最大値と加工後の最大値時の
コイル電流よりスパッタ距離を特定する。本発明ではこ
のスパッタ距離と、先に説明した加工面の２次元画像を
組み合わせることで３次元画像を作成する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例について説明
する。図１は本発明の基本構成を示す。図１の構成はイ
オンカラム１，電子カラム２，試料室３，試料ステージ
４，希ガスイオンカラム５，制御系２０等から構成され
ている。

【００１０】次に加工観察処理例について説明する。イ
オンカラム１のイオン源８で生成されたガリウムイオン
は３０ｋＶに加速されて、静電集束レンズ９と静電対物
レンズ１１により試料２１上に集束される。このビーム
は静電走査電極１０と制御系２０によって走査される。
この走査によって試料はスパッターされて加工される。
この模様を図２を用いて説明する。図２（ａ）は試料２
１の加工方向を示すものであり、Ｘ×Ｄの範囲を走査し
た結果を示している。すなわちＸ×Ｙ×Ｄの範囲の試料
が加工されている。図２（ｂ）は加工される部分のみを
拡大表示したものである。加工は図の上部からＸＤ面に
対して、観察は図の右側からＤＹ面に対して行われる。
このような方向に加工できるように試料を配置すること
でスパッタ速さの異なる材料Ａ，Ｂ，Ｃから構成されて
いる材料でも平坦に加工される。図３は加工方向と観察
方向をＤ−Ｙ断面を用いて示した。図３（ａ）は従来装
置による加工で起こり得る弊害を示した図、図３（ｂ)
(ｃ）は本発明の加工，観察の工程を示す。

【００１１】加工速度を速くするため大電流ビーム（粗
加工ビーム）を用いることがある。この場合ビームの分
布は広くなりこの影響でだれが生じる。このような場合
は図３（ｃ）に示したごとく、細く絞ったビーム（仕上
げビーム）で加工することによって上記だれを少なくす
ることができる。このようにして加工した面を電子カラ
ム２を用いて観察する。図１の電子カラム２は電子源１
３，電磁集束レンズ１４，電磁対物レンズ１６，電磁走
査電極１５，検出器１７などから構成されている。これ
らは走査型電子顕微鏡の構成と同じである。このカラム
の電子ビーム１８を観察面で走査し２次電子像を記録す
る。

【００１２】電子ビーム１８は観察面に対し、ほぼ垂直
に照射されるため、観察面の情報をより正しく記録出来
る。また観察ビーム源を加工ビ−ム源に対して直角に配
置することによって試料を動かすことなく、加工と記録
が出来るため観察範囲Ｘ−Ｙは電子ビーム１８を中心に
した座標を固定出来るため加工寸法Ｘ，Ｙの測定は容易
である。またＳＥＭの観察倍率、即ち観察範囲を変えて
データを取得した場合も寸法Ｘ，Ｙは電子ビーム走査系
の精度で決定出来る。

【００１３】次にＤ方向の加工寸法を算出する方法につ
いて説明する。Ｄ方向の寸法は例えば図２のＸ−Ｄ面に
て、イオンカラム１の持っている測長機能で寸法Ｄを測
定出来るが次のような問題がある。すなわち（１）図３
（ｃ）に示したごとくＸ−Ｄ面と観察面の境界はイオン
ビームの径によって厳密には線ではなく面となりどの点
が境界かの判断が難しい。（２）観察面は厳密にはＸ−
Ｄ面と直交しておらず数度傾斜している事が知られてい
るが、このためＹによってＤが変化する。

【００１４】このため本実施例では図４に示した方法で
Ｄ寸法を計測する。すなわち試料２１と対物レンズの距
離は電子ビーム１８が試料上に正しく集束されている場
合対物レンズのコイル電流で求めることが出来る。この
場合試料上に正しく集束されているか否かの判断は肉眼
では判別出来ない範囲が存在するため、本実施例では微
分法を用いる。すなわちＸ−Ｙ方向に２次電子信号の微
分値を求め、観察画面の総和を求め、この値が最大とな
る点を正しい集束点とする。この方法は従来から自動で
集束点を探す方法すなわちオートフォーカスの方法とし
て知られている。本実施例では基準点と次の観察面との
間でコイル電流の差を求め、この差を更に距離Ｄに換算
することで行う。

【００１５】この方法でＤ方向の寸法を求めると、観察
面の平均的寸法が求まるため、観察面が傾斜しておりか
つ観察位置を変えた場合でも対応出来る。このとき明ら
かに傾斜している観察面に対してはＹの値を変えた２つ
の観察点で上記Ｄの測定を実施し、両者のＹ方向の差と
Ｄ方向の寸法差によって傾斜角をもとめることで、必要
に応じて再度加工を行うなどの処置を講ずることができ
る。

【００１６】更にこの２つの寸法情報を求めることによ
って得られた傾斜角を、後述する３次元構築に使用する
ことも出来る。

【００１７】本発明の３次元構築手段は、イオンビーム
によって加工された試料の、スパッタリングされた部分
が、如何なる物質で構成され、複数種存在する物質がど
のように配置されていたのかを特定するためのものであ
る。

【００１８】その具体的手段を図５を用いて説明する。
図５ではスパッタリング工程を多段階に分けて行ってい
る。即ち、図５に示すようなＸ×Ｄ×Ｙの直方体をイオ
ンビームによってＤ方向に任意の間隔毎刻むことによっ
て、最終的にＸ×Ｄ×Ｙをスパッタリングしている。そ
して、イオンビームのスパッタリング工程間に切削箇所
を電子ビームによって観察することでＸ×Ｙの２次元画
像を得ている。この切削工程毎に得られた２次元画像
を、前述した手段によって得られたＤ方向への距離に基
づいてＤ方向に構築することによって、最終的な３次元
画像を得ている。このようにして得られた３次元画像に
よって、スパッタリング箇所に如何なる物質がどのよう
に配置されているのかを特定することができる。またス
パッタリング箇所の特定によって、スパッタリング箇所
のみならず、スパッタリング箇所以外の部分の特定を行
うのも容易になる。即ち、対象試料全体がほぼ同様の物
質による構成を有している場合、あるいは特定形状を有
する物質がスパッタリングの箇所にかかっている場合、
スパッタリング箇所の物質の特定を行うだけで自ずとそ
の周囲あるいは対象試料全体の構成が把握できるように
なる。

【００１９】尚、図５には図示してないが、１つのＤの
値に対して複数の画面を記憶しておき、３次元構築に際
し、そのなかから適当な画面を任意に選択する工程を設
けることによって測定者の意に即した３次元画像を得る
ことができる。

【００２０】また、測定条件に応じて、各Ｄ方向の寸法
毎に複数の２次元画像を得ると共に、その測定条件毎に
画像を分類し、測定条件と併せて記憶しておけば、測定
条件に応じた３次元画像を得るのに大変便利である。ま
た、違った測定条件の２次元画像を組み合わせることで
３次元画像を得る場合にも大変便利である。特に後で説
明する自動化の場合はより便利である。

【００２１】３次元構築図（図５ｂ）は任意の断面で切
断し、この面を表示したり、この面情報に対して画像処
理をすることも出来る。また画像情報を２次元に複数表
示すると構造解析の上で有益であり、この２次元表示が
立体構築像と同時表示すると更に有益である。

【００２２】使用する観察面の情報は２次電子ばかりで
なく特性Ｘ線も同様の加工寸法情報と同時に記録するこ
とが出来る。図６はＸ線情報検知の例を示す。ＳＥＭ画
像２２測定と同様に例えばアルミニウムの特性Ｘ線に検
知器を合わせておき、電子線を走査して情報を記憶し、
図５のＳＥＭ像と同様の方法で元素マップ２４を加工寸
法情報と同時に記憶し、この情報から３次元構築する。
この場合は３次元中におけるアルミニウムの立体分布図
が得られる。

【００２３】次に加工と観察の間に加工面修飾工程を入
れる例について図１を用いて説明する。図１において希
ガスイオンカラム５には希ガスイオン源１９が搭載され
ている。本実施例ではガスとしてアルゴンを使用してい
る。イオン源で生成されたアルゴンイオンは２〜３ｋＶ
に加速され、前記した加工面に照射する。希ガスイオン
を試料面に照射すると、加工表面に再付着している加工
物質や加工用のガリウム等が除去され観察がより正確に
実施出来る利点がある。加工面の修飾はイオンビーム照
射だけでなくガス自体がエッチング作用を持っている塩
素などのガスを試料面に直接作用させるドライエッチン
グ方式でも可能である。また加工自体をこれらのエッチ
ングを促進するガスと同時に行う方法、すなわちガスア
シストイオンエッチングなどで実施しても加工面をきれ
いにすることが出来る。この場合のガス供給は図１のガ
ス導入装置６からガスの流量を制御して行う。加工面の
修飾は実際の面を修飾した後再び観察することと、取り
込んだ画面情報自体を修飾、すなわち画像処理して記憶
することも可能である。

【００２４】図１の試料ステージ４はサイドエントリー
方式のステージを用いている。このステージを用いる利
点はイオンカラム１と電子カラム２のそれぞれを試料に
２１に極力近づけることが可能で、これにより両カラム
の集束性能が向上することである。さらにサイドエント
リーステージの開口部は図１の垂直方向すなわち、イオ
ンカラム方向だけでなく垂直方向にも設けてあることが
重要である。この構成にて観察ビームと加工ビームをほ
ぼ直角に配置し同時に像分解能を向上させることが可能
となり、３次元構築の精度が向上した。

【００２５】またこれらのステージを他のＳＥＭまたは
ＴＥＭのステージと共通にしておくと、この装置で加工
した試料を３次元構築の途中でかつ、試料の付替をしな
いで他のＳＥＭまたはＴＥＭにて観察することが可能で
ある。

【００２６】以上の操作、すなわち加工，加工面の修
飾，加工面の観察，加工寸法の測定、これらの記憶等は
それぞれ手動操作であったが、これらを自動で実施する
ことがてきる。装置はコンピュータで制御されているの
で、自動化のためにハードの変更は必要でなくソフトウ
エアの変更で可能となる。特に加工工程でその体積が大
きい場合は長時間を要するので、操作者が監視するのは
大変で、自動化の意味がここにある。ただし自動加工の
場合は加工画面ごとの条件変更などは不都合である。

【００２７】以上本発明の実施例について説明したが、
上記実施例に限定されず多くの変形が可能である。例え
ばエネルギービームとしてイオンと電子を説明したが、
これがイオン、イオンでも３次元構築は可能である。但
しこの場合は観察中にスパッターが伴うのでこの点を考
慮する必要が有る。しかしながらイオンによる２次電子
像は電子によるものより元素の差によるコントラストが
よいと言う利点が有る。またこの場合、２次イオンをマ
スフィルターを通して観察するとＸ線と同様に元素分布
の情報も同時に得る事が出来る。

【００２８】その他の変形例としては、透過型電子顕微
鏡（ＴＥＭ）の電子カラムをエネルギービームの１つと
して使用することも出来る。この場合はＴＥＭの持って
いるＳＥＭ機能を用いて観察をする。この場合は試料を
３次元に観察すると同時に、試料が十分薄くなった場合
はＴＥＭ像による情報も合わせて記録可能で、これらの
情報を合わせてより高度の解析が可能となる。

【００２９】最後にエネルギービームとしてイオンとレ
ーザーの組み合わせも可能である。この場合レーザー顕
微鏡としては共焦点走査型レーザー顕微鏡が適してい
る。レーザーは光学レンズを用いて集束するためフォー
カス距離は機械的にレンズ位置を測定する必要が有る。

【００３０】イオンビームで加工したままの面は加工リ
デポや加工による損傷，加工ビームの打ち込み等によっ
てよく観察出来ない場合があるが、本発明では、画面１
枚ごと修飾して記憶する手段を設けこの問題を解決し
た。

【００３１】

【発明の効果】本発明の構成によれば以下のような効果
を得ることができる。

【００３２】（１）複合材料でも正しい３次元情報が得
られるので対象試料内に如何なる物質がどのように配置
されているかを特定することができる。（２）１つの観
察面で複数の測定条件に沿って得た複数の画像から任意
の画像を選択する工程を備えているので加工者の意に沿
った３次元画像を構築することができる。（３）サイド
エントリーステージを採用しているため加工カラム，観
察カラム及び対象試料を近接できそれぞれのビームを収
束でき高精度の３次元構築が可能となった。

【００３３】（４）スパッタリング寸法を精度良く測定
することができるためミクロンオーダーでの３次元観察
が高精度で可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】３次元観察装置の構成を示す図。

【図２】加工方向と観察方向を説明するための図。

【図３】加工方向と観察面の形状を示す図。

【図４】寸法Ｄを測定する方法。

【図５】３次元構築例。

【図６】Ｘ線画像の測定例を示す図。

【符号の説明】

１…イオンカラム、２…電子カラム、３…試料室、４…
試料ステージ、５…希ガスイオンカラム、６…ガス導入
装置、７…検出器、８…イオン源、９…静電集束レン
ズ、１０…静電走査電極、１１…静電対物レンズ、１２
…イオンビーム、１３…電子源、１４…電磁集束レン
ズ、１５…電磁走査電極、１６…電磁対物レンズ、１７
…検出器、１８…電子ビーム、１９…希ガスイオン源、
２０…制御系、２１…試料、２２…ＳＥＭ像、２３…Ｘ
線検知器、２４…Ｘ線元素マップ、２５…Ｘ線ラインプ
ロファイ。

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エネルギービームをもって対象試料を加工
   する手段と、前記対象試料を観察する手段を有し、前記
   対象試料に対し、少なくともエネルギービームの照射方
   向を１次元とした２次元方向にスパッタリングを行うと
   共に、該スパッタリング加工前後に前記対象試料の加工
   面を観察する工程を有することを特徴とする試料を観察
   する装置。
2. 【請求項２】前記対象試料を観察する手段は、荷電粒子
   ビームを前記対象試料に照射することによって得られる
   反応を検知することで前記加工面の２次元像を得るもの
   であることを特徴とする請求項１に記載の試料を加工す
   る装置。
3. 【請求項３】前記対象試料を観察する手段は、前記２次
   元的に行われたスパッタリング面からみて直角方向に配
   置され、少なくとも荷電粒子ビームを発生する電子源
   と、該電子源から発射されるビームを対象試料に照射さ
   せるための対物レンズを有し、加工前後の対物レンズに
   対する制御量差を持って加工前後の試料表面間距離を特
   定する手段を備えることを特徴とする請求項１または２
   に記載の試料を加工する装置。
4. 【請求項４】前記試料表面間距離を特定する手段は、対
   物レンズに供給される電流又は電圧と、前記荷電粒子ビ
   ームを試料に照射することによって得られる反応に基づ
   く信号を前記荷電粒子ビームに対し垂直に微分し、前記
   対物レンズの焦点距離を算出する機能を備えてなること
   を特徴とする請求項３に記載の試料を加工する装置。
5. 【請求項５】前記試料表面間距離を特定する手段によっ
   て得られた加工前後の試料表面間距離と、前記対象試料
   を観察する手段によって得られた２次元画像をもって３
   次元画像を構築することを特徴とする請求項３または４
   に記載の試料を加工する装置。
6. 【請求項６】前記対象試料を観察する手段は、観察手段
   に応じて１加工面に対し複数の観察を行い複数の２次元
   画像を得ると共に、前記３次元画像を構築する際に前記
   複数の２次元画像の中から任意の画像を選択する行程を
   備えたことを特徴とする請求項５に記載の試料を加工す
   る装置。
7. 【請求項７】前記対象試料に対するスパッタリング工程
   と観察手段による観察工程間に、加工面修飾工程を介在
   させたことを特徴とする請求項１乃至６に記載の試料を
   加工する装置。
8. 【請求項８】前記試料を加工する装置は、前記２次元方
   向に施した加工を複数回行うと共に、該各加工後の加工
   面を前記観察手段で観察し、３次元画像を構築すること
   を特徴とする請求項１乃至７に記載の試料を加工する装
   置。
9. 【請求項９】前記対象試料の試料ステージはサイドエン
   トリーステージであることを特徴とする請求項１乃至８
   に記載の試料を加工する装置。
10. 【請求項１０】複数のエネルギービームを照射可能なカ
    ラム，試料をエッチングする手段，エッチングした面を
    観察する手段を備え、該観察する手段はエッチング寸法
    を検出する機能を有し前記観察した面と関連づけて表示
    する機能を備えたことを特徴とする試料を加工する装
    置。
11. 【請求項１１】加工ビームを長さＸ，幅Ｄで走査しなが
    ら照射し、この時の加工進行方向をＹとすると、観察面
    はＸ，Ｙ面であることを特徴とする請求項１０に記載の
    試料を加工する装置。
12. 【請求項１２】前記観察面を作成するために加工条件の
    変更も含めて複数回の加工を行うことを特徴とする請求
    項１０に記載の試料を加工する装置。
13. 【請求項１３】１つの加工面に対して観察条件を変えて
    観察した複数の画像より複数の３次元表示を行う機能を
    備えたことを特徴とする請求項１０に記載の試料を加工
    する装置。
14. 【請求項１４】前記エッチング寸法を検出する機能は、
    エッチング面を観察するカラムレンズのフォーカス距離
    により算出することを特徴とする請求項１０または１１
    に記載の試料を加工する装置。
15. 【請求項１５】前記フォーカス距離の算出はフォーカス
    電流または電圧と観察画面構成する荷電粒子信号を面方
    向に微分した値のピーク値から求めることを特徴とする
    請求項１４に記載の試料を加工する装置。
16. 【請求項１６】前記面の情報は荷電粒子信号及びＸ線信
    号であることを特徴とする請求項１４に記載の試料を加
    工する装置。
17. 【請求項１７】前記エッチングによる加工工程と、前記
    エッチング面の観察工程間に加工面修飾工程を取り入れ
    たことを特徴とする請求項１に記載の試料を加工する装
    置。
18. 【請求項１８】前記加工カラムと前記面の観察手段は前
    記試料を交点としたほぼ直角に配置されていることを特
    徴とする請求項１０に記載の試料を加工する装置。
19. 【請求項１９】前記試料を配置する試料ステージはサイ
    ドエントリーステージであることを特徴とする請求項１
    ０に記載の試料を加工する装置。
20. 【請求項２０】前記サイドエントリーステージのホルダ
    ーは試料加工面内で試料加工方向とほぼ直角方向の３方
    向が開放されていることを特徴とする請求項１９に記載
    の試料を加工する装置。
21. 【請求項２１】前記サイドエントリーステージはＴＥＭ
    及びＳＥＭに共通に使用できることを特徴とする請求項
    １９に記載の試料を加工する装置。
22. 【請求項２２】加工から加工面情報の取得の繰り返し過
    程を予め設定した条件で自動的に実施することを特徴と
    する請求項１０に記載の試料を加工する装置。