JP2010199002A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、荷電粒子ビームに対して試料面を傾斜させた場合において、最適な位置にて検出信号を検出することに関する。
【解決手段】本発明は、荷電粒子ビームを試料に照射する荷電粒子線装置において、試料の周囲における複数の所望位置に検出器を移動させ、検出器位置を最適化することに関する。本発明により、試料の姿勢や形状に応じた最適な検出信号を得ることができるため、高精度な試料観察、例えば、ＳＥＭ観察，ＳＴＥＭ観察、及びＦＩＢ観察が可能となる。また、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置においては、ＦＩＢ加工の終点検知を高精度に実施することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオンビームや電子ビーム等を照射できる荷電粒子ビーム装置に関する。

半導体等の欠陥解析や材料物性の解析のためには、高精度観察が可能な走査形電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：以下ＳＥＭ），走査形透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Misroscopr：以下ＳＴＥＭ），透過形電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：以下ＴＥＭ）が用いられる傾向にある。

特に、所定部位の観察には、集束イオンビーム（Focused Ion Beam：以下ＦＩＢ）装置を用いて、試料から所定部位を切り出し、ＳＴＥＭやＴＥＭ観察用の薄膜試料を作成し、この薄膜試料をＳＴＥＭやＴＥＭで観察することが多くなってきている。

そして、近年の更なる半導体デバイスの高集積化等により、より高精度な観察やＦＩＢの加工終点検知が求められ、ＦＩＢにＳＥＭを付加した装置であるＦＩＢ−ＳＥＭ（デュアルビーム）装置が用いられるようになってきた。

特開２００２−１５０９９０号公報（特許文献１）には、集束イオンビーム光学系と、電子ビーム光学系と、試料を載置する試料台と、集束イオンビーム加工により試料から摘出された微小試料を保持する第２試料台と、を備えた微小試料加工観察装置において、電子ビームに対して微小試料が適切な角度となるように第２試料台の角度を調整することが開示されている。

特開２００２−１５０９９０号公報

本願発明者が、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置における高精度な試料観察、特に、荷電粒子ビームの試料面への入射角度との関係について鋭意検討した結果、次のような知見を得るに至った。

一本以上の荷電粒子ビーム光学系を有する装置では、試料ステージ等により試料面を傾斜させた場合に、ビームに対する検出信号の最適位置が変わる。試料の開口部（穴や溝）の深い位置の観察や加工を行う場合には、検出器位置が固定されていると、必要な信号強度を確保できない場合もありうる。

特に、イオンビーム電子光学系と電子ビーム電子光学系の両ビームが交差する点（クロスポイント）を持つＦＩＢ−ＳＥＭ装置は、クロスポイントで試料の主な加工や観察を行うが、両光学系は、試料位置を中心にお互いに物理干渉しないようある角度にて配置されている（例えば６０°）。このため、一つの観察試料面に対して、イオンビームと電子ビームのそれぞれの検出器の最適位置が異なり、高収率な信号取得が更に困難となる。

本発明の目的は、荷電粒子ビームに対して試料面を傾斜させた場合において、最適な位置にて検出信号を検出することに関する。

本発明は、荷電粒子ビームを試料に照射する荷電粒子線装置において、試料の周囲における複数の所望位置に検出器を移動させ、検出器位置を最適化することに関する。

本発明により、試料の姿勢や形状に応じた最適な検出信号を得ることができるため、高精度な試料観察、例えば、ＳＥＭ観察，ＳＴＥＭ観察、及びＦＩＢ観察が可能となる。また、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置においては、ＦＩＢ加工の終点検知を高精度に実施することが可能となる。

実施例１におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置のシステム構成図。 実施例１におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置のシステム構成図。 実施例１におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置のシステム構成図。 実施例１におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置のシステム構成図。 実施例２におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置のシステム構成図。 実施例２における透過電子検出の原理図。 実施例３におけるＦＩＢ−ＳＥＭ装置のシステム構成図。

実施例では、回転可能な試料ステージと、試料からの信号を検出する検出器と、を備え、当該検出器が、試料ステージを中心に回転可能である荷電粒子ビーム装置を開示する。

また、実施例では、電子ビームを照射する電子ビーム光学系と、イオンビームを照射するイオンビーム光学系とを備え、電子ビーム光学系とイオンビーム光学系のクロスポイントを中心に、検出器が回転可能である荷電粒子ビーム装置を開示する。

また、実施例では、検出器が、電子ビーム光学系の光軸上であって、試料を透過した電子ビームが通過する位置に移動できる荷電粒子ビーム装置を開示する。好ましくは、試料ステージに保持されている試料の試料面が電子ビーム光学系を向くように試料ステージが回転できる。

また、実施例では、検出器が、イオンビーム光学系の光軸に対して、電子ビームの光軸と該検出器の主軸が線対称となる位置に移動できる荷電粒子ビーム装置を開示する。好ましくは、試料ステージに保持されている試料の試料面がイオンビーム光学系を向くように試料ステージが回転できる。

また、実施例では、検出器が、試料面の法線に対して、電子ビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置に移動できる荷電粒子ビーム装置を開示する。好ましくは、試料ステージに保持されている試料の試料面がイオン光学系の光軸と平行となるように試料ステージが回転できる。

また、実施例では、検出器が、試料面の法線に対して、イオンビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置に移動できる荷電粒子ビーム装置を開示する。好ましくは、試料ステージに保持されている試料の試料面が電子ビーム光学系を向くように試料ステージが回転できる。

また、実施例では、検出器が、透過電子像及び２次粒子像を取得できる荷電粒子ビーム装置を開示する。

また、実施例では、検出器が、回転半径方向に伸縮できる荷電粒子ビーム装置を開示する。

また、実施例では、検出器が、試料ステージから離れる方向に退避できる荷電粒子ビーム装置を開示する。

また、実施例では、イオンビーム光学系と、電子ビーム光学系と、保持する試料の傾斜方向を変更可能な試料ステージと、当該試料からの信号を検出する検出器と、を備え、電子ビーム光学系の光軸上であって、試料を透過した電子ビームが通過する位置と、イオンビーム光学系の光軸に対して、電子ビームの光軸と該検出器の主軸が線対称となる位置と、試料面の法線に対して、電子ビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置と、試料面の法線に対して、電子ビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置と、に前記検出器が移動できる荷電粒子ビーム装置を開示する。

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、各実施例は適宜組み合わせることが可能であり、本明細書は当該組み合わせ形態も開示している。

図１は、本実施例における荷電粒子線装置の概略図であり、装置の一部内部を透視して描画したものである。

荷電粒子線装置は、試料１やプローブを観察し加工するイオンビームを発生するＦＩＢ鏡筒３，試料１やプローブの表面形状を観察するための電子ビームを発生するＳＥＭ鏡筒４，試料室２，試料を載置する試料ステージ５，プローブを試料室２内で微動させるプローブ駆動部，検出器７を保持する検出器ステージ６，デポガス源，ディスプレイ、及び計算処理部を備える。

ＦＩＢ鏡筒３は、イオン源で発生したイオンをビーム状にして試料１やプローブに照射することにより、試料１やプローブの表面を観察したり、加工したりすることができる。また、ＳＥＭ鏡筒４は、電子源で発生した電子をビーム状にして試料１やプローブに照射することにより、試料１やプローブの表面を観察することができる。ＳＥＭ鏡筒４からの電子ビームの照射位置を、ＦＩＢ鏡筒３からのイオンビームの照射位置とほぼ同じとなるように両カラムを配置することにより、イオンビームによる加工部を電子ビームにより観察することができる。

試料ステージ５は、試料１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１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。

プローブは、プローブ駆動部によって試料室２内を移動でき、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する。

デポガス源は、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。

検出器７は、イオンビームや電子ビームの照射によって試料やプローブ等の照射部から発生する二次電子や二次イオン，後方散乱電子やＸ線，反射電子，透過電子等の検出器である。これ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、及び透過電子像等を表示する。また、計算処理部は、ＦＩＢ鏡筒３，ＳＥＭ鏡筒４，検出器７，検出器ステージ６，試料ステージ５，デポガス源、及びプローブ駆動部をそれぞれ制御することができる。

検出器ステージ６は回転機構を備え、検出器７を所定位置に配置することができる。検出器７は、ＳＥＭ鏡筒４とＦＩＢ鏡筒３で作られる平面の法線を回転軸とし、試料１の周囲を回転できる。

試料１の姿勢は、試料ステージ５の平面移動や回転移動により制御可能であるが、本実施例では、試料１の試料面はＳＥＭ鏡筒４を向いている。また、透過電子を検出できるように、試料１は薄膜化されている。そして、検出器ステージ６の回転機構が計算処理部により制御され、試料ステージ５を挟んでＳＥＭ鏡筒４に対応した位置に検出器７が配置され、ＳＥＭ鏡筒４の光軸と、検出器の主軸とが一直線となるように配置されている。尚、検出器の配置場所は、試料１を透過した電子等が強く検出される箇所であれば良い。

ＳＥＭ鏡筒４で発生した電子ビーム９は試料１上に入射・走査される。試料１の透過電子は、電子ビーム軸上の位置に移動している検出器７により検出され、信号処理により試料の透過電子像が得られる。

図２では、検出器ステージ６によって検出器７が紙面左上に配置され、試料１の試料面が見える場所に位置している。また、試料１の試料面が、ＦＩＢ鏡筒３の方向を向くように、試料ステージ５が調整されている。つまり、試料面に対して、検出器７，ＦＩＢ鏡筒３、及びＳＥＭ鏡筒４が同じ側に配置され、ＳＥＭ鏡筒４の光軸と、検出器の主軸が、ＦＩＢ鏡筒３の光軸に対して線対称となるように配置されている。尚、検出器の配置場所は、試料１から放出された二次電子等が強く検出される箇所であれば良い。

ＳＥＭ鏡筒４で発生した電子ビーム９は、試料１上に入射・走査され、主に２次電子である信号１２が検出器７で検出される。ＦＩＢ加工・観察中に、試料１の試料面をＳＥＭ鏡筒４の方向に向けずにＳＥＭ観察できる。本装置では、検出器ステージ６の回転機構により検出器７の位置を微調整できるため、試料面向きや試料形状等に応じた最適配置での信号検出が可能となる。

図３では、試料１の試料面が、ＦＩＢ鏡筒３と平行となるように、試料ステージ５は調整されている。また、検出器ステージ６によって検出器７が紙面右下に配置され、試料１の試料面が見える場所に位置している。つまり、試料面に対して、検出器７とＳＥＭ鏡筒４が同じ側に配置され、ＳＥＭ鏡筒４の光軸と、検出器の主軸が、試料ステージ５を通過する試料面の法線に対して線対称となるように配置されている。尚、検出器の配置場所は、試料１から放出された二次電子等が強く検出される箇所であれば良い。

ＳＥＭ鏡筒４で発生した電子ビーム９は、試料１上に入射・走査され、主に２次電子である信号１２が検出器７で検出される。集束イオンビーム照射により試料１を薄膜化しながら、試料１の試料面をＳＥＭ観察することが可能となる。

図４では、２次イオンや２次電子等のイオンビーム照射により発生する信号を検出する例を示す。検出器ステージ６によって検出器７が紙面右に配置されている。また、試料１の試料面がＳＥＭ鏡筒４の方向を向くように試料ステージ５が調整されている。また、ＦＩＢ鏡筒３と検出器７の双方に対して試料１の試料面が見えるように配置され、ＦＩＢ鏡筒３の光軸と、検出器の主軸とが、試料面の法線に対して線対称となるように配置されている。尚、検出器の配置場所は、試料１から放出された二次イオン等が強く検出される箇所であれば良い。

ＦＩＢ鏡筒３で発生したイオンビーム１０は試料１上に入射・走査され、主に２次イオンである信号１２が検出器７で検出される。

本実施例では、試料を中心として検出器を回転させることにより、試料の向きや形状によって決まる信号検出の最適位置を調整できる。また、反射電子や透過電子等の所望の検出信号のみ選択的に取得することが可能となる。

尚、本実施例では、ＦＩＢ鏡筒３を垂直配置し、ＳＥＭ鏡筒４を傾斜配置しているが、これに限られず、ＦＩＢ鏡筒３を傾斜配置し、ＳＥＭ鏡筒４を垂直配置してもよい。また、ＦＩＢ鏡筒３とＳＥＭ鏡筒４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。また、検出器７の回転移動は、一回転以上できる方式のみならず、例えば、所定の範囲内で振り子のように移動する方式としても良い。また、検出器７の配置は、試料ステージ５を中心とした回転移動のみならず、上下左右移動と傾斜角変更を組み合わせて実現してもよい。

本実施例は、実施例１で説明した検出器ステージ６の回転機構に、更に回転半径方向に検出器が移動可能な機構、いいかえると、回転半径が変更可能な機構を付加したものである。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

図５に、本実施例の荷電粒子線装置の概略を示す。本実施例では、実施例１と同じ方法で透過電子を検出するが、検出器ステージ６に付加された回転半径方向の移動機構により、試料１と検出器７の相対距離を変更することができる。

図６に、透過電子の検出原理を示す。ＳＥＭ鏡筒４で発生した電子ビーム９は試料１上に入射・走査され、透過電子１１が検出器７で検出される。透過電子は、試料内部であまり散乱しないで透過する明視野透過電子１１ａと、試料内部で散乱されて透過する暗視野透過電子１１ｂの２種類に分類され、検出器内部で分割されたセンサにて個々に検出される。このうち、後者の暗視野透過電子１１ｂは、検出器ステージ６により試料からの距離を変えると、散乱電子の検出角度が変わるため、試料ステージ７を試料１から遠ざけて検出角度を大きくすることにより、Ｚコントラスト観察を行うことができる。

また、図２，図３、及び図４で示した反射電子検出の場合も、検出器７を試料１に近づけ、検出器７と試料１の距離を調整することにより、最適な信号強度を得ることができる。

本実施例は、実施例１や実施例２で説明した検出器ステージ６の回転および回転半径方向の移動機構に対して、回転軸方向の退避機構を付加したものである。以下、実施例１や実施例２との相違点を中心に説明する。

図７に、本実施例の荷電粒子線装置の概略を示す。本実施例で第三の実施例である。図７の側面図に示すように、本実施例の検出器は、観察位置と退避位置を移動可能である。観察位置においては、検出器７ａは、ＦＩＢ鏡筒３やＳＥＭ鏡筒の光軸、及び試料ステージ５を含む平面上に存在する。退避位置においては、試料ステージ５やデポガス銃８を取り付けている試料室２の壁の反対側の壁近くに検出器７ｂが存在する。

本装置においては、ＦＩＢ加工の際の保護膜形成や試料片とプローブの接続等のため、デポガス源から供給されたデポガスを試料室内の所定位置に放出するためのデポガス銃８が付加されているが、デポジションガス注入時の周囲環境は、ガスによるコンタミネーション付着が起こりやすい状況にある。

このため、デポジションガス注入時に、退避機構により検出器７を一時的に試料から離れる方向へ退避させることにより、汚染による検出器７の性能劣化を防ぐことができる。
また、検出器ステージ６の移動動作の際、退避機構により検出器７を試料室側へ退避させることより、試料ステージ，ＳＥＭ鏡筒、及びＦＩＢ鏡筒等の他のユニットとの干渉を防ぐことができる。

１ 試料
２ 試料室
３ ＦＩＢ鏡筒
４ ＳＥＭ鏡筒
５ 試料ステージ
６ 検出器ステージ
７ 検出器
８ デポガス銃
９ 電子ビーム
１０ イオンビーム
１１ 透過電子
１２ 信号

Claims (14)

1. 回転可能な試料ステージと、試料からの信号を検出する検出器と、を備えた荷電粒子ビーム装置において、
   前記検出器が、試料ステージを中心に回転可能である装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   電子ビームを照射する電子ビーム光学系と、イオンビームを照射するイオンビーム光学系とを備え、
   電子ビーム光学系とイオンビーム光学系のクロスポイントを中心に、前記検出器が回転可能であることを特徴とする装置。
3. 請求項２記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記検出器が、電子ビーム光学系の光軸上であって、試料を透過した電子ビームが通過する位置に移動できることを特徴とする装置。
4. 請求項３記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記試料ステージが、当該試料ステージに保持されている試料の試料面が電子ビーム光学系を向くように回転できることを特徴とする装置。
5. 請求項２記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記検出器が、イオンビーム光学系の光軸に対して、電子ビームの光軸と該検出器の主軸が線対称となる位置に移動できることを特徴とする装置。
6. 請求項５記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記試料ステージが、当該試料ステージに保持されている試料の試料面がイオンビーム光学系を向くように回転できることを特徴とする装置。
7. 請求項２記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記検出器が、前記試料面の法線に対して、電子ビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置に移動できることを特徴とする装置。
8. 請求項７記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記試料ステージが、当該試料ステージに保持されている試料の試料面がイオン光学系の光軸と平行となるように回転できることを特徴とする装置。
9. 請求項２記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記検出器が、前記試料面の法線に対して、イオンビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置に移動できることを特徴とする装置。
10. 請求項９記載の荷電粒子ビーム装置において、
    前記試料ステージが、当該試料ステージに保持されている試料の試料面が電子ビーム光学系を向くように回転できることを特徴とする装置。
11. 請求項２記載の荷電粒子ビーム装置において、
    前記検出器が、透過電子像及び２次粒子像を取得できることを特徴とする装置。
12. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
    前記検出器が、回転半径方向に伸縮できることを特徴とする装置。
13. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
    前記検出器が、試料ステージから離れる方向に退避できることを特徴とする装置。
14. イオンビーム光学系と、電子ビーム光学系と、保持する試料の傾斜方向を変更可能な試料ステージと、当該試料からの信号を検出する検出器と、を備えた荷電粒子ビーム装置において、
    前記検出器が、
    電子ビーム光学系の光軸上であって、試料を透過した電子ビームが通過する位置と、
    イオンビーム光学系の光軸に対して、電子ビームの光軸と該検出器の主軸が線対称となる位置と、
    前記試料面の法線に対して、電子ビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置と、
    前記試料面の法線に対して、電子ビーム光学系の主軸と該検出器の主軸が線対称となる位置と、
    に移動できることを特徴とする装置。

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