JP2014041734A - 複合荷電粒子線装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、試料をクロスポイントの位置に置いたまま高分解能観察を可能にする技術を提供する。
【解決手段】イオンビームカラム１０１ａの光軸１０１ｂおよび電子ビームカラム１０２ｂの光軸１０２ｂが交差するクロスポイント１７１に試料１０３を配置し、対物レンズの先端を構成する複数の着脱可能な部品１０８を交換する事により、クロスポイント１７１の位置を変えることなくカラム先端と試料１０３の距離を変える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の荷電粒子線装置を備えた複合荷電粒子線装置に関する。
走査型電子顕微鏡（SEM）と集束イオンビーム（FIB）の両方を備えた複合荷電粒子線装置は、集束イオンビームを用いて加工した（または、加工している）領域を、その場で高分解能SEM観察できるという特徴を有する。そのため、透過型電子顕微鏡観察用試料の作製を初め、ナノメートルオーダーの微細加工が要求される半導体分野や材料分野、医用分野といった様々な産業分野において必須のツールとなっている。
引用文献１では、対物レンズの外部の磁界が最小限である電子顕微鏡システムのための対物レンズが開示されている。
特開2011-222525号公報
本発明者が、複合荷電粒子線装置について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
荷電粒子線カラムを1つのみ備える装置、例えばSEMの場合、SEMの光軸上に試料が位置すればよい。そのため、試料と荷電粒子線カラムの距離は、用途に応じて適宜変更される。例えば、高分解能で観察したい場合には、試料をより荷電粒子線カラムに近づけて観察する。
一方、荷電粒子線カラムを2つ以上備える装置、例えばSEMとFIBを備える装置の場合には、試料を動かすことなくSEM観察とFIB加工を実施できる位置は、SEMの光軸とFIBの光軸が交差するポイント（クロスポイント）ただ一点に限られる。そのため、FIB-SEM装置ではクロスポイントでの使用が一般的であり、試料と各荷電粒子線カラム端の距離は固定である。
荷電粒子線カラムを2つ以上備える装置においても、試料をクロスポイント以外の位置に配置することは可能であるが、その場合にはどちらか一方の荷電粒子線カラムのみを使用することになる。例えば、FIB-SEM装置において、試料をSEMカラムに近づけると、SEMのみの使用に限られる。FIBによる加工を行うためには、再度、試料をクロスポイントに移動する必要がある。
本発明は、上記課題に鑑み、2つ以上の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、試料をクロスポイントの位置に置いたまま高分解能観察を可能にする複合荷電粒子線装置を提供する。
本発明は、以下の構成を有する。複数の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、前記複数のカラムの光軸が交わる交点の位置に試料を配置し、前記荷電粒子線カラムにおける対物レンズの先端を形成する複数の部品が着脱可能であり、前記部品は、前記交点と前記荷電粒子線カラム先端との距離を変更できることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
他の実施例については、発明を実施するための形態の欄で述べる。
本発明によれば、2つ以上の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、各荷電粒子線カラムの光軸が交差するポイントと各荷電粒子線カラム端との距離を変更することで、試料をクロスポイントの位置に置いたまま高分解能観察が可能になる。
第１の実施形態における概略図 クロスポイント付近の拡大図 対物レンズ先端の部品の固定例 対物レンズ先端に異なる部品を取り付けた例 対物レンズ先端の部品のタイプを明示するGUI画面の例 各ユニットの可動範囲を明示するGUI画面の例 警告またはエラー画面の一例 対物レンズの先端の部品がユニットであるときの例 第２の実施形態における概略図 第３の実施形態における概略図
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。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
〔複合荷電粒子線装置の構成〕
まず、本実施例における装置構成について述べる。図1は、本実施例における複合荷電粒子線装置の概略図である。図２は、クロスポイント付近の拡大図である。
図1において、複合荷電粒子線装置は、イオンビームカラム101aと、イオンビームカラム101aを制御するためのイオンビームカラム制御器131と、電子ビームカラム102aと、電子ビームカラム102aを制御するための電子ビームカラム制御器132と、試料103を載置することが可能な試料ステージ104と、試料ステージ制御器134、試料室105と、電子ビーム102bまたはイオンビーム101bを試料103に照射した際に発生する電子を検出するための検出器106、107と、各々の検出器を制御する検出器制御器136、137と、X線検出器109と、X線検出器を制御するX線検出器制御器139と、複合荷電粒子線装置全体の動作を制御する統合コンピュータ130と、オペレータが照射条件や試料ステージの位置といった各種指示等を入力するコントローラ（キーボード、マウスなど）151と、装置をコントロールするためのGUI画面153や装置の状態、取得した情報（画像を含む）等を表示する1つまたは複数のディスプレイ152とを備えている。尚、装置の状態や取得した情報等は、GUI画面153に含まれてもよい。
イオンビームカラム101aは、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、電子ビームカラム102ａは、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。また、電子ビームカラム102ａの対物レンズ先端は、着脱可能な部品108で構成される。
そして、イオンビームカラム101aと電子ビームカラム102aは、試料室105に搭載され、イオンビームカラム101aを通過したイオンビーム101bと電子ビームカラム102aを通過した電子ビーム102bは、主にイオンビームカラムの光軸101cと電子ビームカラムの光軸102cとの交点（クロスポイント171）にフォーカスされる。また、イオンビーム101bは、一般にガリウムイオンが使用されるが、加工する目的においてイオン種は問わない。また、イオンビームは、集束イオンビームに限られず、ブロードなイオンビームでもよい。
尚、本実施例では、イオンビームカラム101aを垂直配置し、電子ビームカラム102a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101aを傾斜配置し、電子ビームカラム102aを垂直配置してもよい。また、イオンビームカラム101aと電子ビームカラム102a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。
試料ステージ104は、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。
対物レンズの先端を形成する部品108は、電子ビームカラム102 a、イオンビームカラム101a、試料ステージ104を考慮し、全長が35mm以下であることが望ましい。
検出器106、107は、それぞれ電子ビームカラム102a、試料室105に搭載されている。また、各検出器制御器136、137は、検出信号を演算処理し、画像化する回路または演算処理部を備える。尚、検出器106、107には、電子だけでなくイオンの検出も可能な複合荷電粒子検出器を用いてもよい。また、試料室105には、検出器107以外に、第2、第3、第4、第5の検出器として、三次電子検出器やSTEM検出器、後方散乱電子検出器、低エネルギー損失電子検出器などの検出器を搭載してもよい。さらに、X線検出器109の他に質量分析器などを搭載してもよい。
試料室105には、上記以外にも、ガスデポジションユニット、マイクロサンプリングユニットなどが搭載されている。そして、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といった各駆動機構も制御器を各々に持つ。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105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。さらに、試料室105には、コールドトラップや光学顕微鏡などを搭載してもよい。尚、試料103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。また、統合コンピュータ130および各制御器は、互いに通信可能である。

〔対物レンズ先端の固定方法〕
対物レンズ先端の部品108の固定方法は、ネジによる固定方法や、部品そのものにネジを切る方法、圧着による固定方法など様々考えられる。ここでは、その一例について記載する。
図3（a）には、ネジによる固定例を示す。1本のネジを用いれば固定は可能であるが、安定性を考慮すると2本以上のネジを用いる方がよい。さらに、組み立て時の部品の位置調整を考慮すると3本ないしは4本のネジを用いて固定する方が望ましい。何故なら、3本ないし4本のネジを用いた場合には、互いのネジの締め込み具合によって部品308aの位置を調整できるという利点を持つためである。
図3（b）には、部品308b自体にネジを切る例を示す。固定による部品点数が増えないという利点がある。
図3（c）には、溝と突起を合わせることで固定する例を示す。図3（c）では、部品308cに突起、対物レンズ本体に溝を設けているが、その逆でも構わない。これにより、より簡便に脱着が可能となる。
上記以外にも、部品308dを引っかけて固定する方法（図3（d））や、部品308eを引っ張り上げる方法（図3（e））、着脱可能な接着材を用いた固定方法など様々な方法が考えられる。また、部品108を固定する目的において複数の方法を組み合わせても構わない。

電子ビームカラム102ａの対物レンズ先端を着脱可能な部品108で構成する効果について述べる。
対物レンズの先端を着脱可能な部品で構成することで、用途に応じて異なる構造の対物レンズ先端を装着することができる。その結果、例えば、（１）試料と対物レンズ下面までの距離（Working Distance : WD）を変更することができる（２）対物レンズ先端が損傷した場合や汚染された場合の修復が容易となる（３）異なる材質の対物レンズ先端を複数用意することでシステムピークに対応できる、という効果が得られる。下記、各効果について詳細に説明する。
〔（１）WDを変更することができることに関する効果〕
一般にWDを短くするとSEMの分解能は向上する。一方で、WDを短くすると試料室に搭載された検出器107やX線検出器109の検出効率が低下する。そのため、用途に応じてWDを変更することが望まれる。1つの荷電粒子線カラムが搭載されている汎用SEM装置の場合には、試料ステージを動かすことで対応でき、日常的に行われている。しかし、2つ以上の荷電粒子線カラムが搭載されているFIB-SEM装置の場合には、クロスポイント171に試料103が位置するように試料ステージ104は調整される。そのため、光軸方向の試料ステージ104の位置は基本的に固定である。即ち、WDは、イオンビームカラムと電子ビームカラムの搭載位置によって基本的に決まってしまう。しかし、電子ビームカラム102ａの対物レンズ先端を着脱可能な部品108で構成することで、WDを変更することができる。即ち、試料ステージ104の位置を動かすことなく、対物レンズ下面を変えることでWDを変更する。例えば、図4に示すように、高分解能観察が重要になる場合には、対物レンズ先端の部品408aを長くし、分解能よりも試料ステージの駆動範囲や検出器107やX線検出器109の検出効率を優先したい場合には、対物レンズ先端の部品408bを短くすればよい。
また、対物レンズ先端の部品408b を短くした場合、デポジションユニットやマイクロサンプリングユニットの駆動範囲も広げることができる。その他、コールドトラップなどもより試料に近づけることができる。即ち、複合荷電粒子線装置の汎用性を広げることができる。
さらに、対物レンズ先端の位置ごとにGUI画面153の表示が変わると便利である。例えば、取り付けられている対物レンズの種類を明示したり（図4）、クロスポイントと各荷電粒子線カラム端との距離を明示したり（図4）、対物レンズの種類ごとに各ユニットの駆動範囲を明示したり（図5）する機能があると便利である。尚、明示方法は、文字や数値による表示であってもよいし、図形や色といった図示であってもよい。また、その両方が表示されていてもよい。

〔（２）対物レンズ先端が損傷した場合や汚染された場合に対する修復容易さについて〕
試料近傍にある部品には、試料から放出されるガスやイオンビームによるスパッタ粒子などが付着する。その付着物により、荷電粒子線装置の性能が劣化する場合がある。例えば、対物レンズ先端に付着した絶縁物によって、一次ビームが曲げられたり、試料からの放出電子が曲げられたり、といったことが起こりうる。そのような場合、対物レンズのクリーニング、さらには対物レンズ一式を交換といった作業が必要となる。また、クリーニング作業には、作業時に対物レンズを傷をつけてしまうといったリスクもある。
しかし、電子ビームカラム102ａの対物レンズ先端を着脱可能な部品108で構成することで、対物レンズ先端の汚染および損傷に対して、交換という対応をとることができる。これにより、これまでよりも容易かつ低リスクで対物レンズ先端の汚染および損傷に対する修復が可能となる。

〔（３）異なる材質の対物レンズ先端を複数用意することでシステムピークに対応できる効果について〕
試料近傍に存在する部品の材質は、試料の組成分析に大きな影響を与える。例えば、X線分析を行う際、検出したい元素と同じ物質が、対物レンズ先端の部品108に用いられていると、試料からの信号なのか対物レンズ先端からの信号なのかの区別がつかない。その対応策として、対物レンズ先端に分析したい元素を含まない材質のメッキを施すなどの方法がある。しかし、分析する試料が多岐にわたるとメッキによる対応も困難となる。
しかし、電子ビームカラム102ａの対物レンズ先端を着脱可能な部品108で構成することで、異なるメッキを施した対物レンズ先端の部品を用意することができる。即ち、分析対象に合わせて、対物レンズ先端の部品を交換することが可能となる。これにより、元素分析の幅を飛躍的に改善することができる。
また、取り付けられている対物レンズ先端の部品ごとにGUI画面153の表示が変わると便利である（図５）。尚、明示方法は、文字や数値による表示であってもよいし、図示であってもよい。また、その両方が表示されていてもよい。例えば、図５では、「Obj TypeSEM」で電子ビームカラム102ａについての情報を意味し、「Long Type」で長い部品を意味し「、Carbon coating」でカーボンがコートされた部品であることを意味している。「WDSEM」は試料からカラム先端までのワーキングディスタンスが表示されている。「Obj TypeFIB」のイオンビームカラム101aについての情報も同様である。
図６では、各ユニットの可動範囲を明示するGUI画面の例を示したものである。本GUIでは、ステージの可動範囲とUnitA（例えば、デポジションユニット、マイクロサンプリングのプローブ等）の可動範囲が数値で示されている。
尚、本実施例では、SEM側の対物レンズにおいて記載したが、FIB側においても同様のことが言える。また、対物レンズ先端を形成する部品は、複数の部品から構成されるユニット（図8）であってもよいし、複数の部品（またはユニット）に分かれていてもよい。
また、本実施例では、イオンビームカラムと電子ビームカラムを備えた複合荷電粒子線装置において記載したが、荷電粒子線カラムの組み合わせは問わない。例えば、2つ以上の電子ビームカラムを備える装置や2つ以上のイオンビームカラムを備える装置に適応しても構わない。また、荷電粒子線カラムとレーザー等光学装置との組み合わせに適応しても構わない。
図9に、第2の実施形態における複合荷電粒子線装置の構成を示す。第2の実施形態における複合荷電粒子線装置の構成は、電子ビームカラム902ａの対物レンズ先端が着脱可能でない代わりに、電子ビームカラム全体を駆動する駆動機構が備わっている点において第1の実施形態における装置構成と異なる。それ以外の点は、第1の実施形態における装置構成とほぼ同じである。当該駆動機構は、試料室の真空を維持したまま電子ビームカラム全体を駆動することができる。
本実施形態により、第1の実施形態に記載した「WDを変更することができることに関する効果」と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施例の場合には、SEM観察中またはFIB加工中にWDを変更できるという利点も持つ。さらに、本実施例においても第１の実施形態と同様、対物レンズ先端の位置ごとにGUI画面の表示が変わると便利である。
尚、本実施例では電子ビームカラム全体を駆動する機構としたが、対物レンズ先端の位置を変更する目的において、対物レンズのみを駆動しても構わないし、対物レンズの一部または対物レンズを含むカラムの一部を駆動しても構わない。
また、本実施例においても第１の実施形態と同様、荷電粒子線カラムの組み合わせは問わない。
図10に、第3の実施形態における複合荷電粒子線装置の構成を示す。第3の実施形態における複合荷電粒子線装置の構成は、電子ビームカラム002ａの対物レンズ先端が着脱可能でない代わりに、対物レンズと試料室との間にサイズの異なるフランジ010を設ける機構となっている点において第1の実施形態における装置構成と異なる。それ以外の点は、第1の実施形態における装置構成とほぼ同じである。
本実施形態により、第1の実施形態に記載した「WDを変更することができることに関する効果」と同様の効果を得ることができる。また、本実施例においても第１の実施形態と同様、対物レンズ先端の位置ごとにGUI画面の表示が変わると便利である。
また、本実施例においても第１の実施形態と同様、荷電粒子線カラムの組み合わせは問わない。

本発明によれば、FIB-SEM装置に代表される2つ以上の荷電粒子線カラムを有する複合荷電粒子線装置において、用途に応じて対物レンズ先端の形状を変更することができる。その結果、1つの複合荷電粒子線装置において対応可能な試料の幅が拡張される。即ち、装置の利便性が飛躍的に改善される。
101a：イオンビームカラム
101b：イオンビーム
101c：イオンビームカラムの光軸
102a, 902a, 002a：電子ビームカラム
102b：電子ビーム
102c：電子ビームカラムの光軸
103：試料
104：試料ステージ
105：試料室
106、107：検出器
108, 308a, 308b, 308c, 308d, 308e, 408a, 408b, 808：着脱可能な部品
109：X線検出器
130：統合コンピュータ
131：イオンビームカラム制御器
132：電子ビームカラム制御器
134：試料ステージ制御器
136、137：検出器制御器
139：X線検出器制御器
151：コントローラ（キーボード、マウスなど）
152：ディスプレイ
153：GUI画面
171：クロスポイント
010：フランジ

Claims (14)

  1. 複数の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、
    前記複数のカラムの光軸が交わる交点の位置に試料を配置し、
    前記荷電粒子線カラムにおける対物レンズの先端を形成する複数の部品が着脱可能であり、前記部品は、前記交点と前記荷電粒子線カラム先端との距離を変更できることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  2. 請求項１の複合荷電粒子線装置において、
    前記部品は、前記荷電粒子線カラムの光軸が交わる交点の位置を変化することなく、前記交点と1つ以上の荷電粒子線カラム先端との距離を変更できる機構を備えることを特徴とする複合荷電粒子線装置。

  3. 請求項１の複合荷電粒子線装置において、
    前記複数の荷電粒子線カラムは、電子ビームを照射するカラムと、イオンビームを照射するカラムであることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  4. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    前記対物レンズの先端を形成する部品の全長が、35mm以下であることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  5. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、対物レンズの先端を形成する複数の部品の種類を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。

  6. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、前記部品の種類が不適切であることを警告する表示が可能であることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  7. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、2つ以上の荷電粒子線カラムの光軸が交わる点と各荷電粒子線カラムとの距離を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。

  8. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    試料を載置する試料ステージと、前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、前記試料ステージの可動範囲を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。

  9. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    試料近傍にガスを供給するデポジションユニットと、前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、前記デポジションユニットの可動範囲を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  10. 請求項1の複合荷電粒子線装置において、
    試料から微小試料を取り出すサンプリングのプローブと、前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、前記プローブの可動範囲を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  11. 複数の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、
    前記複数のカラムの光軸が交わる交点の位置に試料を配置し、
    前記複数の荷電粒子線カラムの光軸が交わる交点の位置を変えずに前記交点と前記荷電粒子線カラム先端との距離を変更できるように前記荷電粒子カラムを移動する移動機構を備えることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  12. 請求項1１の複合荷電粒子線装置において、
    前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、2つ以上の荷電粒子線カラムの光軸が交わる点と各荷電粒子線カラムとの距離を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。


  13. 複数の荷電粒子線カラムを備える複合荷電粒子線装置において、
    前記複数のカラムの光軸が交わる交点の位置に試料を配置し、
    前記複数の荷電粒子線カラムの光軸が交わる交点の位置を変えずに前記交点と前記荷電粒子線カラム先端との距離を変更できるように前記荷電粒子線カラムと前記荷電粒子線カラムが配置される試料室の間に、異なる大きさのフランジが着脱可能であることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  14. 請求項1３の複合荷電粒子線装置において、
    前記複合荷電粒子線装置を操作するためのGUIを表示するための表示装置を備え、
    前記表示装置に、2つ以上の荷電粒子線カラムの光軸が交わる点と各荷電粒子線カラムとの距離を表示することができることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
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