JP5378185B2 - 集束イオンビーム装置、及び集束イオンビーム加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、集束イオンビーム装置に関する。

集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置の応用として、スパッタリング機能を使用して厚さ１μｍ以下の薄膜試料を作製し、この薄膜試料を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察評価することが広く行われている。特開平４−６２７４８号公報（特許文献１）では、試料を数度傾斜させて薄膜加工を行うことにより、均一な膜厚の薄膜試料を作製することを開示している。この技術を、薄膜試料作製の仕上げ等に用いれば、広い範囲を高精度にＴＥＭ観察することが可能となる。

また、集束イオンビームによる試料断面加工と走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を組み合わせた内部構造解析も広く行われている。特開２００８−２８６６５２号公報（特許文献２）では、ＦＩＢ加工を中断して逐次断面を観察することなく、集束イオンビーム加工ビームによる断面からの二次電子信号を像とすることにより、加工面をリアルタイムに観察する方法が提案されている。

また、特開２００４−１２７９３０号公報（特許文献３）では、対物レンズ上の絞り位置を光軸からずらして、軸外のビームを選択的に取り込み、さらに対物レンズの軸外にビームを入射し、収差を相殺させることにより、色収差とコマ収差をそれぞれ相殺させ、試料に対して１０°以上の傾斜角度にてビーム照射することを実現させている。この技術は、集束イオンビーム装置にも応用できる。

特開平４−６２７４８号公報 特開２００８−２８６６５２号公報 特開２００４−１２７９３０号公報

本願発明者が集束イオンビーム加工の応用について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

本願発明者は、薄膜試料作製や断面加工中の断面観察などの集束イオンビーム応用においては、試料ステージを大きな角度で傾斜させる必要がないため、試料ステージを傾斜させることなく、集束イオンビームを傾斜させることにより、実用上十分な加工ができるのではないかと考えた。

そこで、集束イオンビームの傾斜によりビーム収束性が低下する懸念はあったものの、傾斜させた集束イオンビームにより薄膜試料作製や断面加工を行う手法を実験的に検討した。その結果、光軸外にビームを通し、試料上でビームを傾斜させた場合にも、角度が１°前後と小さければ、対物レンズ電圧の調整のみで、試料ステージを傾斜させた時とほぼ同等の加工形状が得られるとの知見を得た。

しかしながら、集束イオンビーム装置に実際にビーム傾斜機能を搭載しようとするとなると、ビームの傾斜方向や角度をオペレータが設定や調整できるようにするとともに、再現性良くビーム傾斜条件を設定できる制御を行う必要がある。また、薄膜加工等に使用する場合は、加工毎に調整し直すのではなく、傾斜ビームが自動的に選択できる設定ができなければ、加工の効率は上げられない。

本発明の目的は、光学系の操作により、試料ステージを機械的に傾斜させた場合と同等な集束イオンビーム加工観察を実現することに関する。

本発明は、集束イオンビーム光学系における絞り，チルト偏向器，ビームスキャナー、及び対物レンズを制御し、該光学系の光軸に対して傾斜したイオンビームを照射することに関する。

本発明により、試料ステージの調整や操作を伴わない薄膜加工や断面加工を実現できる。

本発明による光学系と傾斜ビーム経路を示した図。 装置制御系の構成図。 絞り板と絞り開口の配置。 絞り板と絞り開口の配置（ビーム傾斜時）。 絞り板と絞り開口の配置（絞り板の変形例）。 ビーム傾斜角度の測定方法の説明図（特徴物の動く方向と傾斜方向が平行ではない場合）。 ビーム傾斜角度の測定方法の説明図（特徴物の動く方向と傾斜方向が平行である場合）。 傾斜方向の較正方法の説明図。 傾斜角度とチルト偏向器電圧、対物レンズ電圧調整値の関係を示した図。 傾斜加工条件の選択ＧＵＩを示した図。 非傾斜ビームによるＳＩＭ像を示した図。 傾斜加工条件の選択ＧＵＩを示した図。 傾斜ビームによるＳＩＭ像を用いた加工位置決めを示した図。 傾斜ビームを用いた薄膜加工による断面形状の模式図。 垂直ビームを用いた薄膜加工による断面形状の模式図。 垂直ビームによる加工中断面観察の概念図。 傾斜ビームによる加工中断面観察の概念図。 加工中断面観察による所望断面の検知の概念図。 加工中断面観察による所望断面の検知の概念図。 加工中断面観察像と基準像の照合スコアの変化を示した図。 断面観察加工の設定画面を示した図。 加工中断面観察と断面ＳＥＭモニタの自動切替えのフローチャート。 ＦＩＢ−ＳＥＭでの傾斜試料の加工と断面観察を示した図（断面がデバイスの積層方向に一致していない場合）。 ＦＩＢ−ＳＥＭでの傾斜試料の加工と断面観察を示した図（断面がデバイスの積層方向に一致している場合）。 角度補正された断面を示した図。 回転試料台と柱状試料を示した図。 横方向傾斜ビームによる加工を示した図（左面を仕上げ加工する場合）。 横方向傾斜ビームによる加工を示した図（右面を仕上げ加工する場合）。 垂直ビームによるデポジション接着を示した図（接着できなかった場合）。 傾斜ビームによるデポジション接着を示した図。 仕上げ断面と加工領域を示した図。 加工ビームと仕上げ断面の加工痕を示した図（垂直ビームの場合）。 加工ビームと仕上げ断面の加工痕を示した図（傾斜ビームの場合）。

実施例では、試料を載置する試料ステージと、イオンビームを放出するイオン源と、イオン源から放出されたイオンビームをしぼる絞りと、絞りを通過したイオンビームを偏向させるチルト偏向器と、チルト偏向器を通過したイオンビームを走査させるビームスキャナーと、ビームスキャナーを通過したイオンビームを試料に照射する対物レンズと、絞り，チルト偏向器，ビームスキャナー、及び対物レンズを制御する制御装置と、を備え、制御装置が、絞りを光軸外に移動させ、チルト偏向器がイオンビームを絞りの移動方向に偏向させ、対物レンズの光軸外にイオンビームを通過させ、光軸に対して傾斜したイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、絞り位置，チルト偏向器電圧，対物レンズ電圧、及びビームスキャナー電圧の組み合わせを記憶している集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、傾斜ビームの方向、又は／及び入射角度を表示する表示装置を備える集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、絞りより上流側に存在するレンズの収束点が、チルト偏向器の内部に設定されている集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、ほぼ均一な膜厚の薄膜を作製する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、試料の断面加工に伴い発生した二次粒子信号から断面像を形成する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、形成した断面像が所定条件を満たした場合に断面加工を終了する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、形成した断面像が所定条件を満たした場合に加工条件を変更する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、その側面の傾斜がほぼ同じ柱状試料を作製する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを微小試料に照射し、微小試料と被固定物をデポジション膜により固定する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、制御装置が、光軸に対するイオンビームの傾斜角を変化させながら試料に該イオンビームを照射し、試料に断面を作製する集束イオンビーム装置を開示する。

また、実施例では、試料を載置する試料ステージと、イオンビームを放出するイオン源と、イオン源から放出されたイオンビームをしぼる絞りと、絞りを通過したイオンビームを偏向させるチルト偏向器と、チルト偏向器を通過したイオンビームを走査させるビームスキャナーと、ビームスキャナーを通過したイオンビームを試料に照射する対物レンズと、を備えた集束イオンビーム装置における、絞りを光軸外に移動させ、チルト偏向器がイオンビームを絞りに移動方向に偏向させ、対物レンズの光軸外にイオンビームを通過させ、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射する、試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、絞り位置，チルト偏向器電圧，対物レンズ電圧、及びビームスキャナー電圧の組み合わせを変更することにより、光軸に対するイオンビームの傾斜を変更する試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、傾斜ビームの方向、又は／及び入射角度を、集束イオンビーム装置の表示装置に表示する試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、絞りより上流側に存在するレンズの収束点を、チルト偏向器の内部とする試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、ほぼ均一な膜厚の薄膜を作製する加工観察方法を開示する。

また、実施例では、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、試料の断面加工に伴い発生した二次粒子信号から断面像を形成する試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、形成した断面像が所定条件を満たした場合に断面加工を終了する試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、形成した断面像が所定条件を満たした場合に加工条件を変更する試料の加工方法を開示する。

また、実施例では、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、その側面の傾斜がほぼ同じ柱状試料を作製する試料の加工方法を開示する。

また、実施例では、光軸に対して傾斜したイオンビームを微小試料に照射し、微小試料と被固定物をデポジション膜により固定する試料の加工観察方法を開示する。

また、実施例では、光軸に対するイオンビームの傾斜角を変化させながら試料に該イオンビームを照射し、試料に断面を作製する試料の加工観察方法。

以下、上記及びその他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、各実施例は適宜組み合わせることが可能であり、当該組み合わせ形態についても本明細書では開示している。

本実施例では、傾斜ビームを用いた薄膜加工について説明する。

図１は、本実施例における集束イオンビーム光学系の構成図である。集束イオンビーム光学系は、主に、イオン源１，コンデンサレンズ２，アライナ３，可動絞り４，チルト偏向器５，ブランカ６，ビームスキャナー７，対物レンズ８、及び試料ステージ９から構成されている。この集束イオンビーム光学系において、チルト偏向器５は、アライナと同じ、８極構成の偏向器であり、任意方向に偏向できる。

図２は、集束イオンビーム光学系の制御系統図である。オペレータは、二次電子検出器１９を入力信号とした画像表示装置１１にて試料を観察しながら、制御コンピュータ１２を介して装置操作を行う。通常の観察や加工時には、ビームは、コンデンサレンズと対物レンズ間に中間収束点１０を持たないが、傾斜ビームがオペレータにより選択された時には、コンデンサレンズ電圧を通常時より上げ、チルト偏向器５の内部でビームを中間収束させる。さらに、可動絞り駆動機構を動作させ、可動絞り４の絞り穴を、光軸からビームを傾斜させようとする方向にずらし、チルト偏向器５により対物レンズへの入射角度を変更する。傾斜ビームにおける絞りの移動量やチルト偏向電圧の設定は、傾斜角度に依存するが、本実施例においては、基本的に、以下に述べる調整手順に基づく調整値を制御コンピュータ１２内に格納し、その登録値を再現することで実施している。

傾斜ビームを調整する第１のステップは、コンデンサレンズ電圧を調整し、ビームの中間収束点をチルト偏向器内部に合わせることである。これには以下の様にする。

チルト偏向器を±１０Ｖ，１Ｈｚ程度で動作させながら、二次電子画像が動かなくなるように対物レンズ電圧を調整し、その後、コンデンサレンズ電圧を調整して試料上にフォーカスを合わせる。この操作により、チルト偏向器に電圧をかけても試料上での照射位置が動かないビームロッキング条件が実現できる。この状態で、試料台を操作し、照射位置を特定できる特徴物、又は、マークをセッティングしておく。

第２のステップとして、可動絞りの絞り穴を光軸からずらす。絞り穴をずらす最適距離は収差を相殺する傾斜角度によって決まっているが、実用に適した傾斜角（〜１°）に対する最適距離は可動絞り上のビーム照射範囲の半径より大きいため、照射範囲の半径の５０％程度にしておけば良い。図４に、絞り板２０上の照射範囲２１と絞り開口２２の位置関係を示す。図３に示した通常使用時の絞り板位置と比較すると、図４の絞り開口２２は十字で示した光軸位置からずれている。傾斜方向や角度の異なる複数の傾斜ビームを定義する場合、開口のずらし距離や方向は、それぞれに決める必要がある。傾斜ビームの絞り開口位置を決めた後、対物レンズ電圧を数Ｖ程度変動させながら、二次電子像を観察し、像の移動方向がビームを傾斜させたい方向に一致することを確認する（図６，図７）。傾斜させたい方向（ここでは像の下方向）に一致していない場合は、図６のように像上の特徴物２６の動く方向が傾斜させる方向に平行とならない。この場合は、絞り位置を機械的に調整し、図７に示したように一致させる。この装置に搭載されている絞り移動機構は、２軸駆動で各軸±１ミクロン以下の位置精度であるが、使用する絞り開口の径程度の位置精度があることが望ましい。図５に示したように、あらかじめずらした位置に開口を設けた絞り板を使用すれば、２軸の駆動機構を用いなくてもよい。また、傾斜時は傾斜方向のビームぼけが大きくなるため、開口は真円ではなく傾斜方向に扁平な楕円形としても良い。

第３のステップとして、ビームの傾斜角度を測定し、チルト偏向器の偏向電圧を設定する。チルト偏向器に、対物レンズの電極穴を通過する範囲で偏向電圧を印加し、対物レンズ電圧を数Ｖ変化させる。これにより、フォーカス位置が変化するが、同時に、二次電子像の移動が起こる。図８に模式的に示したように、ビームの傾斜角度θはレンズ電圧の変化によるフォーカス高さの変化３３の値をΔＺ、像の位置ずれ３４の値をΔＹとすると、
tanθ＝ΔＹ／ΔＺ
で表される。必要なθの値が得られるようにチルト偏向器の電圧を調整する。対物レンズ電圧に対するフォーカス距離の変化率（ｄＺ／ｄＶ）を事前に測定しておき、対物レンズ電圧が一定値変えた時のフォーカス変化量をあらかじめ求めておけば、二次電子像における振れ幅の測長を元に、偏向器電圧を決めることができる。偏向器の電圧を設定した時も、絞り開口位置を微調整した時と同様に、対物レンズ電圧を動かして傾斜方向を確認する。収差を相殺するために、チルト偏向器の偏向方向と絞り開口のずらし方向は同じであるが、絞り機構やアライメントなどの誤差により調整が必要なこともある。絞り位置が光軸上にあれば、傾斜角度Ｔはチルト偏向器の電圧Ｖｔに比例して増大するが、絞り位置が光軸からずれている場合は、もともとビームは対物レンズの中心を通っていないため、傾斜している。このため、図９に示したようにチルト偏向器で偏向し、ビームをレンズ中心付近に通した時、傾斜角度がほぼ０になる。

最後のステップでは、ビームが傾斜した状態で最もフォーカスが合うように対物レンズ電圧を調整し、第１のステップで試料上に設定したマークを画面上の元の位置に戻すように像シフトする補正電圧を求める。調整する対物レンズ電圧は垂直入射の時よりも必ず低いため、ΔＶｏは負であり、図９に示したように絶対値はほぼ傾斜角度の２乗に比例する。これを傾斜角度の関数とするか、テーブルとして制御系に登録して制御することもできる。位置補正シフト電圧も同様である。このシフトはレンズ上の入射点を変えないためにチルト偏向器ではなく、ビームスキャナー７（図１）のシフトで行う。傾斜角度が小さい場合のフォーカス電圧は非傾斜時とほとんど変わらないため、フォーカス電圧を変えなくても良く、また、対物レンズ電圧の調整だけでうまくフォーカスできない場合は非点補正器を使用しても良い。

以上で、傾斜ビームの調整ができたことになり、コンデンサレンズ電圧，絞り駆動機構の座標，チルト偏向器電圧，対物レンズ電圧，補正シフト電圧、及び、非点補正電圧が一組の登録値となり、制御コンピュータ内に格納される。ここで、アライナ軸調整は傾斜ビームの登録前に通常のビーム調整で行っておくものとする。

ここでは、画面水平方向に作製した薄膜の仕上げ加工を行うことが目的のため、像の上下方向（Ｙ方向）に±２°の傾斜を行うために、加速電圧３０ｋＶで＋２°，−２°の２本のビームを調整し、登録した。絞り径は３０μｍであり、光軸からのずらし距離はそれぞれ±１５０μｍ、チルト偏向電圧はＹ方向に＋１０.２０Ｖ，−１０.３５Ｖであった。対物レンズ電圧は±２°傾斜ビームのいずれも非チルトビームよりも３０Ｖ低く設定された。同じチルト角度の偏向電圧の絶対値が異なるのは奇異に思えるが、光学系のアライメントのエラーが含まれるためと考えられる。

本実施例の集束イオンビーム装置では、同じ加速電圧や絞りで、入射角度の異なるビーム条件が登録できる。混用を回避するため、ソフトウェア上で登録条件をＧＵＩで明瞭に区別している（図１０）。ビーム条件の選択メニュー４０で表示されているのは、加速電圧，Ｘ方向傾斜角度，Ｙ方向傾斜角度、及び絞り開口径である。Ｔは傾斜ビームを示している。例えば、３０ｋＶ−Ｔ（０°，＋１°）−３０φは加速３０ｋＶの傾斜ビームでＹ方向に＋１°傾斜しており、直径３０μｍの可変絞りが選択されていることを示している。中間収束点を持たない通常ビームと比較して、傾斜ビームは可変絞り上での電流密度が高いため、同じ絞り径でもビーム電流が数倍大きく、加工速度も速い。このため、この区別を明瞭にすることが望ましい。傾斜ビームでも傾斜角度を０°に設定することはでき、図１１は、そのビームを選択して二次電子像を取り込み薄膜加工の設定を行った画面である。傾斜ビームと垂直ビームを混用することがない様に傾斜ビームが選択された時は、二次電子像の取り込み画面に登録されたビームの向きや傾斜角度の絶対値が矢印４４、及び数値４５にて画面表示される。ただし、これらの表示は、観察の邪魔になる場合があるため、オプションで非表示とすることができる。

通常ビームで加工する場合は、ステージの傾斜移動と組み合わせた設定が必要であるが、この場合はビームが傾斜しているため、ステージ傾斜は不要である。傾斜ビームによる加工登録では、実際に傾斜ビームにより画像を取り込んで、その画像上にて加工領域指定図形４１の形上を決定する。加工する薄壁の側面部を狙って加工領域を配置できるため、薄膜の上部をスパッタ加工して破壊してしまう失敗は少ない。また、ビーム電流の大きい傾斜ビームは、スループット上のメリットが大きい。画像認識は２°の傾斜角度により影響を受けないため、位置補正マーク４２を使用した自動加工も可能である。ステージの移動を使用しないため、ユーセントリック傾斜の事前調整は不要である。試料高さのずれによる、位置ずれやビームぼけの影響はあるが、±２０μｍの範囲では問題なく、通常の垂直ビームと同等に使用することができる。

図１４は、傾斜ビーム５０による薄膜の断面形状５１を模式的に示している。試料ステージを傾斜した時と同様に、均一な膜厚の薄膜を作製することができた。図１５の５３は、非傾斜ビーム５２で加工したときの断面形状であり、下部が厚いため、ＴＥＭ観察時に下部では電子が透過しない。

本実施例によれば、ビーム傾斜の光学条件を必要な場合に再現でき、また、傾斜方向や角度を表示できるため、加工条件の確認が容易で、傾斜ビーム形成条件の調整が簡単な、作業効率の高い集束イオンビーム装置を提供できる。

また、本実施例によれば、ビームを傾斜させて薄膜加工を行うことにより、ビームフレアによるテーパー形状をなくし、試料を傾斜せずとも概ね垂直な形状の薄膜加工を行え、電子線の透過性が良好な均一な膜厚の試料を容易に作製できる。

本実施例は、所望の断面から断面ＳＥＭ像による解析を自動的に開始させる断面加工を、傾斜ビームを使用して行ったものである。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

従来からイオンビームによる加工中の断面像は画像伸張により得られる。しかしながら、図１６にて矢印で示したように、垂直ビームでは入射角度θ（観察試料面に対する角度）が小さいため、ビームの照射範囲は断面上で１／sinθ倍に伸びてしまい、傾斜方向の分解能は大幅に低下する。断面像をパターン認識する場合の信頼性は低かった。しかしながら、加工ビーム６０をわずかに傾斜させると伸張断面像の分解能が大幅に向上する（ｂ）。これは、傾斜ビーム６１に対するθは垂直ビームに対するθ（≒０）の数倍になるためである。

これを利用して、断面加工の終点を、パターン認識を利用して自動検出し、断面ＳＥＭ観察を行う工程を図１８にて説明する。（ａ），（ｂ），…，（ｆ）が断面に垂直方向から見た構造、（ａ′），（ｂ′），…，（ｆ′）が傾斜ビームによって得た二次電子信号を伸張して得た断面像である。図１８（ａ）に示した不良プラグ６３の断面解析を行う場合、類似の形状を持つプラグ６４をマニュアルで断面加工し、傾斜ビームにより基準画像（図１８（ｂ′））を取得する。この後、自動で断面を徐々に削るスライス加工を進めながら、周期的に傾斜ビームで断面像を取り込み、基準像と照合し、スコアを計算する。すると、スコアは図１９に示した挙動を示す。加工を進めていくと、類似の断面形状（ｅ′）が出てきた時にスコアが高くなり、所望の断面に達したことを判断できる。プラグ部が断面に出てくるとスコアは徐々に下がり、上層配線部６５がなくなると急激に低下する。ここではしきい値Ｓthを設定し、スコアがＳthより大きい断面像を検知すると（ここではＮ０回目の断面像の照合から）加工を終了し、断面ＳＥＭ像の取り込みを開始するというフローで制御を行った（図２１）。本装置の加工終了条件の設定は、図２０のインタフェースで行うようになっている。この画面で上記の傾斜ビームによる基準像の取り込み，しきい値の設定、及び傾斜ビームによる断面像取り込みのインターバルなどが設定できる。比較する範囲を断面像の一部分に限定するなどの処理もできる。本装置では、この設定画面は断面加工工程に付属しており、断面ＳＥＭの取り込み解析の設定は別の設定画面で行うが、連続して行う場合には、断面加工位置などの情報は受け渡される。

こうすると、ＳＥＭ画像の取り込み工程を解析点の近傍のみに限定することができる。断面ＳＥＭ像の取り込みを開始するトリガーとしては、スコア値はバラツキが大きいため、スコアの移動平均をとった極大点または極小点をカウントする方法も有効である。また、半導体デバイスなどで複数の類似構造がある場合も何個目かを指定して解析を開始することができる。

傾斜ビームによる画像取り込み中も加工は進むため、集束イオンビームとＳＥＭの制御切替えや、画像取り込み中の加工中断をなくし、加工時間を短縮でき、さらに不要なデータを取り込まないことから蓄積する画像データ量も低減される。照合スコアをトリガーとして、イオンビームの電流値や加工条件を変えるなどの調整や、マニュアルで解析を行うための前処理加工も自動化可能である。

本実施例によれば、ビームを傾斜させ、断面上で走査することにより、断面上での分解能が高くなり、必要な形状が現われたかどうかをパターン認識することができ、自動で加工を制御することが容易となる。

本実施例は、ＦＩＢ−ＳＥＭにおいて、ＦＩＢ加工と断面ＳＥＭ観察を逐次繰り返して半導体内部の構造を計測する工程にビーム傾斜機能を使用した例である。以下、実施例１及び２との相違点を中心に説明する。

本実施例における計測は、３００mmウェーハ試料に対して行っている。大口径ウェーハは反りを生じやすく、試料表面の法線方向がＦＩＢによる加工断面と一致しない場合が多い。このため、断面画像から３次元構造を再構成する際に補正が必要である。図２２は、予備的な断面出しを行った時の断面ＳＥＭ像であるが、層間配線７１の上層配線７０近くの部分が残っているのに対して下層配線７２との接合部は既に加工されて消えており、断面が正確にデバイスの積層方向に一致していないことがわかる。このため、加工ビームを垂直から０.５°傾斜させて加工を行った所、図２３に示したように、このような現象は見えなくなった。図２４の模式図のように、傾斜ビーム７７による加工により断面７６が傾斜し、デバイス積層方向に一致したためと考えられる。この場合、ＳＥＭの断面観察像から３次元構造を再構成するときは、この０.５°を加算して行う。

本実施例では、試料側が傾斜しているとしたが、実際には、ＦＩＢ光学系のアライメント誤差や、静電レンズ電極の組み立て軸ずれ誤差によりビーム側が傾斜して入射していることも考えられる。このような場合にも、同様に傾斜角度を設定することで補正が可能である。薄膜試料の片面のみテーパー角度が大きくなるなど不具合があるケースでは補正が有効となる。

本実施例は、透過電子顕微鏡でデバイス構造を３次元的に計測する際に使用する柱状試料の作製にビーム傾斜機能を使用した例である。以下、実施例１〜３との相違点を中心に説明する。

図２５に、絞りを光軸周りに２次元的に移動させることにより、柱状試料を作製した例を示した。柱状試料８０は、透過電子顕微鏡でデバイス構造を３次元的に計測する際に使用するものであり、試料固定面に垂直な軸を中心に回転させた際の見え方を同じとするために、柱の各面の仕上げ角度をできる限り同一に保つ必要がある。透過電子顕微鏡と集束イオンビーム装置を往復させながら加工を行うには、試料回転ができるサイドエントリーステージホルダーに置いておくことが望ましい。しかしながら、この回転試料ホルダー８１の回転移動は±３°程度しか角度精度がなく、回転〜傾斜により４つの面を仕上げるのは精度上非常に困難である。従って、回転試料ホルダーを傾斜しての加工は、上下方向（Ｙ方向）のみとして、左右の面の仕上げはビームの傾斜方向を変えて行う。

ここでは、Ｘ方向±１°のビームをあらかじめ登録し、図２６及び図２７に示したように、各面の仕上げ加工の加工範囲指定図形８４を傾斜ビームの像上で設定する。これにより、ステージの傾斜ができない横方向の面もテーパーがなく、垂直に近い面を形成できる。

傾斜ビームはスパッタ以外にも使用可能である。本実施例では、集束イオンビームデポジションに利用した例につき、実施例１〜４との相違点を中心に説明する。

図２８及び図２９を用いて、基板から摘出した微小試料９０を電子顕微鏡試料ホルダー９１に集束イオンビームデポジションを使用して接着固定する例を説明する。微小試料９０は、試料ステージの傾斜を使用して基板から底部を分離し、プローブ９５にデポジションを使用して固定した後、基板との接続部をスパッタ加工で切断し、プローブを持ち上げた後に試料ホルダー上に移動したものである。

図示したとおり、このようにして作製した微小試料は上部が厚い楔状になっている。この微小試料の下部にある薄いエッジの部分を電子顕微鏡試料ホルダー９１の上面、又は側面に集束イオンビームデポジションを使用して接着するが、微小試料の下端は単純な形状ではないため、ホルダーと接触しているかどうかは、非傾斜の集束イオンビームを走査して得られる走査イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像）でははっきりしないことが多い。デポジションにより接着固定する際に、図２８に示したようにデポジション膜９２が連続にならずに接着できないことがある。しかしながら、この接着工程に傾斜ビーム９６を用いることにより、微小試料下端へのビーム照射が高精度でできるようになり、デポジション膜９２の回りこみをより効率的に行うことができ、歩留りを上げることができる。

本実施例では、断面仕上げ加工時の集束イオンビームの入射角度を面に平行な方向でフレーム毎に変化させ、観察断面が平坦になるように仕上げ、断面計測等が行い易いようにしている。以下、実施例１〜５との相違点を中心に説明する。

図３０に、上部から観察した二次電子像上における加工領域指定図形１００を示す。ビームは、主偏向を１００の長辺方向として、仕上げ断面１０１に向けてラスター走査される。１フレーム毎にビームの傾斜角度を横方向に＋２°，−２°交互に変化させた。これは、フレーム毎に、対物レンズ上のチルト偏向器の電圧と対物レンズ電圧のみを切替えることにより行った。ビームの傾斜方向が変化するため、実施例１の光学系で述べたように、絞り開口の位置も横方向にずらした方がビームの収束性は高くできるが、この仕上げ加工では走査はフレーム時間が約０.５ｓと速く、絞り位置を機械的に変えている待ち時間を入れると加工時間が数倍に長くなってしまうため、短時間で切替えられる偏向電圧、及び、対物レンズ電圧のみを切替えた。ビームは傾斜方向、即ち、仕上げ断面１０１に平行な方向に大きくぼけ、扁平な形状になるが、仕上げ加工のため影響は小さい。交互に入射方向を変えたため、図３１に示したように、非傾斜ビームで加工した場合に断面上部の構造１０５が反映してできる線状の加工痕（段差１０４）が、図３２に示したように平均化されぼやけて１０７のようになり、断面観察が行い易くなった。この方法は、非常に高い平坦性が必要なホログラフィー薄膜試料のように、Ｄ／Ａ変換のノイズが重畳して入る筋が問題になる場合にも応用することができる。

本発明によれば、集束イオンビームによる薄膜加工や、断面出し加工を自動化し、歩留りを向上させることができる。例えば、断面モニタに利用して終点検知することにより、断面加工の自動化も容易となる。

１ イオン源
２ コンデンサレンズ
３ アライナ
４ 可動絞り
５ チルト偏向器
６ ブランカ
７ ビームスキャナー
８ 対物レンズ
９ 試料ステージ
１０ 中間収束点
１１ 画像表示装置
１２ 制御コンピュータ
１３ コンデンサレンズ電源
１４ ２軸絞り駆動機構
１５ チルト偏向器電源
１６ ブランカ電源
１７ ビームスキャナー電源
１８ 対物レンズ電源
１９ 二次電子検出器
２０ 絞り板
２１ ビーム照射範囲
２２ 絞り開口
２３ 光軸位置
２４ ビーム傾斜専用絞り板
２５ 楕円形の絞り開口
２６ （試料上の）特徴物
３０ ビーム入射方向
３１ 試料面
３２ オーバーフォーカス高さ
３３ フォーカス高さの変化
３４ 像の位置ずれ
４０ ビーム条件の選択メニュー
４１ 加工領域指定図形
４２ 位置補正マーク
４３ 薄膜加工領域
５０，６１，７７，９６，１０３ 傾斜ビーム
５１ 薄膜の断面形状
５２，９４，１０２ 非傾斜ビーム
５３ 非傾斜ビーム加工による薄膜
６０ （非傾斜の）ビーム
６２ 加工断面
６３ 不良プラグ
６４ （正常）プラグ
６５ 上層配線部
６６ 不良プラグ内部の空洞
７０ 上層配線
７１ 層間配線
７２ 下層配線
７３ 表面保護膜
７４ 絶縁膜
７５ 窓明け加工
７６ 角度補正された断面
８０ 柱状試料
８１ 回転試料ホルダー
８２ 傾斜方向
８３ 回転方向
８４ 加工領域指定図形
９０ 微小試料
９１ 電子顕微鏡試料ホルダー
９２ デポジション膜
９３ ガスノズル
９５ プローブ
１００ 加工領域指定図形
１０１ 仕上げ断面
１０４ 段差
１０５ 上部構造
１０６ 下部構造
１０７ 平均化された加工痕

Claims (22)

1. 試料を載置する試料ステージと、
   イオンビームを放出するイオン源と、
   前記イオン源から放出されたイオンビームをしぼる絞りと、
   前記絞りより上流側に存在する静電レンズであるコンデンサレンズと、
   前記絞りを通過したイオンビームを偏向させるチルト偏向器と、
   前記チルト偏向器を通過したイオンビームを走査させるビームスキャナーと、
   前記ビームスキャナーを通過したイオンビームを試料に照射する静電レンズである対物レンズと、
   前記コンデンサレンズ、前記絞り，前記チルト偏向器，前記ビームスキャナー、及び前記対物レンズを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置が、傾斜ビームが選択された時に、垂直ビームによる観察や加工時には前記絞りより上流側に存在する前記コンデンサレンズと前記対物レンズの間で中間収束点を持たないイオンビームを、前記絞りより上流側に存在する前記コンデンサレンズと前記対物レンズの間で中間収束させ、前記絞りを光軸外に移動させ、前記チルト偏向器がイオンビームを前記絞りの移動方向に偏向させ、前記対物レンズの光軸外にイオンビームを通過させ、光軸に対して傾斜したイオンビームを照射できる集束イオンビーム装置。
   
2. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
   前記制御装置が、コンデンサレンズ電圧、絞り位置，チルト偏向器電圧，対物レンズ電圧、及びビームスキャナー電圧の組み合わせを記憶していることを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
3. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
   傾斜ビームの方向、又は／及び入射角度を表示する表示装置を備えることを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
4. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって
   前記絞りより上流側に存在するレンズの収束点が、前記チルト偏向器の内部に設定されていることを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
5. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
   前記制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、ほぼ均一な膜厚の薄膜を作製することを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
6. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
   前記制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、試料の断面加工に伴い発生した二次粒子信号から断面像を形成することを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
7. 請求項６記載の集束イオンビーム装置であって、
   前記制御装置が、前記形成した断面像が所定条件を満たした場合に断面加工を終了することを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
8. 請求項６記載の集束イオンビーム装置であって、
   前記制御装置が、前記形成した断面像が所定条件を満たした場合に加工条件を変更することを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
9. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
   前記制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、その側面の傾斜がほぼ同じ柱状試料を作製することを特徴とする集束イオンビーム装置。
   
10. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
    前記制御装置が、光軸に対して傾斜したイオンビームを微小試料に照射し、微小試料と被固定物をデポジション膜により固定することを特徴とする集束イオンビーム装置。
    
11. 請求項１記載の集束イオンビーム装置であって、
    前記制御装置が、光軸に対するイオンビームの傾斜角を変化させながら試料に該イオンビームを照射し、試料に断面を作製することを特徴とする集束イオンビーム装置。
    
12. 試料を載置する試料ステージと、
    イオンビームを放出するイオン源と、
    前記絞りより上流側に存在する静電レンズであるコンデンサレンズと、
    前記イオン源から放出されたイオンビームをしぼる絞りと、
    前記絞りを通過したイオンビームを偏向させるチルト偏向器と、
    前記チルト偏向器を通過したイオンビームを走査させるビームスキャナーと、
    前記ビームスキャナーを通過したイオンビームを試料に照射する静電レンズである対物レンズと、
    を備えた集束イオンビーム装置における試料の加工観察方法であって、
    垂直ビームによる観察や加工時には前記絞りより上流側に存在する前記コンデンサレンズと前記対物レンズの間で中間収束点を持たないイオンビームを、前記絞りより上流側に存在する前記コンデンサレンズと前記対物レンズの間で中間収束させ、前記絞りを光軸外に移動させ、前記チルト偏向器がイオンビームを前記絞りの移動方向に偏向させ、前記対物レンズの光軸外にイオンビームを通過させ、光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射する、試料の加工観察方法。
    
13. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    コンデンサレンズ電圧、絞り位置，チルト偏向器電圧，対物レンズ電圧、及びビームスキャナー電圧の組み合わせを変更することにより、光軸に対するイオンビームの傾斜を変更することを特徴とする試料の加工観察方法。
    
14. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    傾斜ビームの方向、又は／及び入射角度を、集束イオンビーム装置の表示装置に表示することを特徴とする試料の加工観察方法。
    
15. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    前記絞りより上流側に存在するレンズの収束点を、前記チルト偏向器の内部とすることを特徴とする試料の加工観察方法。
    
16. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、ほぼ均一な膜厚の薄膜を作製することを特徴とする試料の加工観察方法。
    
17. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、試料の断面加工に伴い発生した二次粒子信号から断面像を形成することを特徴とする試料の加工観察方法。
    
18. 請求項１７記載の試料の加工観察方法であって、
    前記形成した断面像が所定条件を満たした場合に断面加工を終了することを特徴とする試料の加工観察方法。
    
19. 請求項１７記載の試料の加工観察方法であって、
    前記形成した断面像が所定条件を満たした場合に加工条件を変更することを特徴とする試料の加工方法。
    
20. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    光軸に対して傾斜したイオンビームを試料に照射し、その側面の傾斜がほぼ同じ柱状試料を作製することを特徴とする試料の加工方法。
    
21. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    光軸に対して傾斜したイオンビームを微小試料に照射し、微小試料と被固定物をデポジション膜により固定することを特徴とする試料の加工観察方法。
    
22. 請求項１２記載の試料の加工観察方法であって、
    光軸に対するイオンビームの傾斜角を変化させながら試料に該イオンビームを照射し、試料に断面を作製することを特徴とする試料の加工観察方法。

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