JP5352335B2 - 複合荷電粒子線装置 - Google Patents

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Description

本発明は、イオンビームにより加工された試料を電子ビームにより観察する複合荷電粒子線装置に関する。
近年、(走査)透過電子顕微鏡((S)TEM)用の薄膜試料作製には、集束イオンビーム(FIB)装置が用いられている。特に、半導体デバイス不良解析用の薄膜試料作製においては、特定の断面でFIB加工を停止したい場合がほとんどであり、走査電子顕微鏡(SEM)によりFIB加工した断面が観察できるFIB−SEM装置を用いることが一般的となっている。この際、試料の表面情報や凹凸情報を反映した二次電子(SE)を信号として画像観察することが一般的である。
また、SEMでは、試料の材料情報や組成情報を反映した後方散乱電子(BSE)を信号として画像観察する場合がある。BSEは、50eVから電子ビームの入射エネルギーまでの広範囲なエネルギー分布を持って試料から出射した電子の総称である。このうち、完全弾性散乱してエネルギー損失の無い反射電子と、数回のみ試料内で相互作用してから出射されるエネルギー損失の少ない反射電子を合わせ、本明細書では低エネルギー損失電子(Low Loss Electron:LLE)と呼ぶ。LLEは、電子ビームと試料の相互作用がない、もしくは少ないために、試料内部まで入り込んでいない。すなわち試料表面の情報を持った電子であるとされている。
尚、SEMにおけるLLE検出は、1970年、Oliver C. Wellsを中心としたグループによって公表されている。Wellsらの論文や特許明細書では、SEM単体において、高加速で試料表面、且つ材料情報や組成情報を含んだコントラストを得ることが記載されている。
米国特許第4962306号明細書 米国特許第5408098号明細書 特開平3−182039号公報
Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Vol.16 No.4(1970)p.151 Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Vol.19 No.7(1971)p.232 Oliver C.Wells etal.、Applied Physics Letters Vol.23 No.6(1973)p.353 Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Vol.37 No.6(1980)p.507 Oliver C.Wells、Applied Physics Letters Vol.49 No.13(1986)p.764 Oliver C.Wells、Scanning Vol.10(1988)p.73 Oliver C.Wells etal.、Applied Physics Letters Vol.56 No.23(1990)p.2351
本願発明者が、FIB−SEM装置を用いた(S)TEM用の薄膜試料作製について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
最先端デバイスでは、ノードサイズが30nm以下のデバイスが適用されつつあり、このようなデバイスの薄膜試料作製では、ナノメータレベルの精度で、目的断面のところで加工を停止させる必要がある。そのため、試料表面のSEM画像を取得することが重要となる。
SEMでは、試料の表面近傍の組成や凹凸情報を反映した二次電子(Secondary Electron:SE)を信号として画像観察する。しかし、FIB加工した断面や端面は極めて平坦であり、凹凸情報による特定断面の判定は難しい。また、イオンビームでもSEが放出されるため、FIB加工と同時にSEM観察するためには、電子ビームの電流量がイオンビームの電流量より例えば10倍以上大きく、且つ、早い走査時間でSEM画像を取得するという条件を満たす場合に限定される。
他方、SEMでは、試料の材料情報や組成情報を反映した後方散乱電子(BSE)を信号として画像観察することもできる。イオンビームではBSEを放出しないため、FIB加工とSEM観察の同時駆動が可能となる。ただし、BSEを検出する条件はBSE検出器の感度に依存するため、FIB加工と同時にBSE検出するためには、一般的には、SEMの加速電圧を5kV以上に設定する必要がある。しかし、加速電圧を上げると、電子ビームと試料の相互作用領域が大きくなり、BSEが試料内部からも放出されるため、試料表面の情報を得ることが難しくなる。電子ビームと試料の相互作用領域を小さくするためには、SEMの加速電圧を低く設定する必要がある。昨今では、5kV以下の加速電圧でもBSE信号が検出できるSEMが一般的になりつつあるが、低加速電圧にすると、今度は電子ビームのプローブ径が大きくなり、解像度が低下するという問題が発生する。
低加速電圧SEMにおいて電子ビームのプローブ径を小さくする方法として、試料に強い負電位を印加するリターディング法や、カラム内部で電子ビームを加速し、磁場を試料に漏らさないアウトレンズポールピース直前で元の加速電圧まで減速させるブースティング法がある。前者は試料に均一な電位を与える必要があり、電位を均一にできる広範囲な平面がないFIB加工試料への適用は非常に困難である。後者のブースティング法において、特にプローブ径が小さくなる効果が出るのは、ワーキングディスタンス(WD)と呼ばれるSEM対物レンズ先端から試料までの距離を3mm以下に縮めた場合であり、FIBカラムとSEMカラムを搭載したFIB−SEM装置では、イオンビームと電子ビームのクロスポイント(Cross Point:CP)をWD3mm以下にアセンブリすることは極めて困難である。FIB加工後、SEM観察したい断面をCPからSEM対物レンズ側に近づけることは、試料の形状によっては可能であるが、この場合、FIB加工と同時にSEM観察することができない上、ステージを動かす必要があることから作業効率が低下する。また、FIBで追加工をする際には、加工位置の再現精度が著しく低下する。FIB加工とSEM観察を繰り返すというFIB−SEM装置特有の機能(Mill&Monitor機能とする)においても同様のことが言える。
特に近年は、誘電率の低いLow−k材と呼ばれる半導体デバイス材料や、ポリマー系や軽元素組成の機能性材料など、電子ビーム照射によりダメージを受ける材料の観察ニーズが高くなっている。FIB加工によりTEM観察用の薄膜試料を作製する場合には、SEM観察にて低加速電圧を使用すると、よりダメージを与えることになる。一方で、高加速電圧を使用すれば、材料にも依存するが、ほとんどの電子ビームが透過してしまうため、試料に与えるダメージを著しく抑えることができる。
本発明の目的は、FIB加工面を高分解能、且つ低ダメージでSEM観察することに関する。
本発明は、イオンビームにより加工された試料断面や端面を電子ビームにより観察できる複合荷電粒子線装置において、試料断面や端面に照射される電子ビームによって誘起された、弾性散乱電子を含む低エネルギー損失後方散乱電子を検出することができる検出器を備えることに関する。該検出器は、電子ビームカラムの外の空間に設置されていることが望ましい。
本発明により、FIB加工断面や端面の材料や組成の表面情報を、高分解能、且つ低ダメージでSEM観察できる。選択するエネルギーバンドを変えることにより、試料表面に対して異なる深さの情報を得ることもできる。
複合荷電粒子線装置の構成の一例を示す縦断面図。 図1に示した複合荷電粒子線の、クロスポイント付近の詳細を示す模式図。 試料から放出される電子収量のエネルギー分布を示す図。 一次電子が斜めに入射したときの後方散乱電子の角度分布を示す図。 複合荷電粒子線装置の構成の一例を示す縦断面図。 実験に使用した薄膜試料の作成例を示す図。 二次電子像と低エネルギー損失SEM像の比較を示す図。 電子ビームの入射エネルギーと相互作用領域を示す図と、レンズ方式の違いによる加速電圧とビームプローブ径の関係を示す概念図。 三次元構築した画像データの水平方向の断面スライス例を示す図。 薄膜での電子ビームと入射エネルギーと相互作用領域を示す図。 複合荷電粒子線装置の構成の一例を示す縦断面図。 SEM画像取得時間短縮のためのSEM画面表示部の一例を示す図。 SEM画像取得時間短縮のためのSEM画面表示部の一例を示す図。 SEM画像取得時間短縮のためのSEM画面表示部の一例を示す図。
実施例では、イオンビーム加工により作成された試料断面を電子ビームにより観察する複合荷電粒子線装置において、断面に照射された電子ビームによって誘起された、弾性散乱電子を含む低エネルギー損失後方散乱電子を検出する検出器を備えることを開示する。
また、実施例では、検出器が、イオンビームと電子ビームの交差点を中心として、断面へのイオンビーム入射軸から90°以上回転した方向の三次元的な領域に配置されていることを開示する。
また、実施例では、検出器が、断面への電子ビーム入射角度に依存した後方散乱電子の角度分布の最も強い強度を示す角度に配置されていることを開示する。
また、実施例では、検出器が、電子ビーム入射軸を基準にイオンビーム入射軸から離れた方向であり、且つ、試料への電子ビーム入射角度の2倍の角度に配置されていることを開示する。
また、実施例では、検出器が、電子ビームの加速電圧を最大とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを開示する。
また、実施例では、検出器が、電子ビームの加速電圧を1.5kV以上30kV以下とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを開示する。
また、実施例では、イオンビームによる試料断面の加工中に、当該試料断面の表面情報を取得できる複合荷電粒子線装置を開示する。
また、実施例では、イオンビームによる試料断面への加工を止めた後に、当該試料断面の表面情報が取得できる複合荷電粒子線装置を開示する。
また、実施例では、イオンビームによる試料断面加工と、当該試料断面の表面情報の取得と、を繰り返し実施できる複合荷電粒子線装置を開示する。
また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第2の検出器を更に備え、イオンビームによる薄膜試料加工中に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを開示する。
また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第2の検出器を更に備え、イオンビームによる薄膜試料への加工を止めた後に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを開示する。
また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第2の検出器を更に備え、イオンビームによる試料断面加工と、薄膜断面の表面情報の取得と、及び薄膜の内部情報の取得と、を繰り返し実施できることを開示する。
また、実施例では、薄膜試料の厚みが、好ましくは300nm以下であることを開示する。
また、実施例では、特定の加工ステップ毎にイオンビーム加工と電子ビーム観察を繰り返したときに取得した試料断面の表面情報画像を、加工ステップ幅、又は任意の幅で重ね合わせて三次元構築できる複合荷電粒子線装置を開示する。
また、実施例では、加工ステップ幅が、好ましくは5nm以下であることを開示する。
また、実施例では、複合荷電粒子線装置が、検出器からの検出信号を画像化して表示するディスプレイを更に備え、当該ディスプレイに表示されている画像の任意範囲を選択し、当該選択された範囲を前記ディスプレイに画像表示することを開示する。
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、図面は専ら発明の理解のために用いるものであり、権利範囲を減縮するものではない。
〔実施例〕
図1は、本実施例におけるFIB−SEM装置の概略図である。
1aはイオンビームカラムであり、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、2aは電子ビームカラムであり、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。イオンビームカラム1aと電子ビームカラム2aは、試料室3に搭載される。尚、本実施例では、イオンビームカラム1aを垂直配置し、電子ビームカラム2a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1aを傾斜配置し、電子ビームカラム2aを垂直配置してもよい。また、イオンビームカラム1aと電子ビームカラム2a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。
試料室3には、2つのカラム以外にも、ステージ,ガス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などが搭載されている。試料を搬送するための試料ステージは、試料5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5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。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3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。
カラムを通過したイオンビーム1bと電子ビーム2bは、クロスポイント4と呼ばれる試料5の一点で交差する。イオンビーム1bや電子ビーム2bを試料5に照射した際に発生する二次電子は、試料室3に搭載された二次電子検出器6で検出する。そして、本実施例では、イオンビームカラム1aから電子ビームカラム2a側に90°以上回転させた検出器が配置される領域8に、低エネルギー損失電子検出器7を配置している。領域8は、図面手前から奥行き方向への拡がりも含めた三次元的な空間である。そして、二次電子検出器6や低エネルギー損失電子検出器7などか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、及び透過電子像などを表示する。また、計算処理部は、イオンビームカラム1a,電子ビームカラム2a,二次電子検出器6,低エネルギー損失電子検出器7,ステージ,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をそれぞれ制御することができる。
図2は、図1におけるクロスポイント4付近を拡大した図である。イオンビーム1bは、典型的にはガリウムイオンが使用されるが、断面を加工する目的においてイオン種は問わない。試料5において、電子ビーム2bが照射される面28は、FIB加工断面や端面である。イオンビーム1bは、加工断面28を順次断面方向に掘り進める。イオンビーム1bによって誘起された二次電子9と、電子ビーム2bによって誘起された二次電子10は、両方共に二次電子検出器6により検出される。一方、電子ビーム2bによって誘起された後方散乱電子(BSE)11は、図3のようなエネルギー分布、図4のような角度分布で、試料5内から真空外に放出される。
図3にBSEのエネルギー分布を示すが、12は、一次ビームの加速電圧近傍のエネルギー領域に含まれる低エネルギー損失反射電子である。現実的には、加速エネルギーEoに対して損失したエネルギー量ΔEoを考え、表面像を観察するアプリケーションでは、20%以下のエネルギー損失電子を検出することが望ましい。このエネルギー範囲のBSE、すなわちLLEを選択的に検出することにより、試料の表面、かつ材料や組成コントラストを得ることができる。更に、選択するエネルギー幅によっては、試料表面から内部に深さ方向の情報の変化も観察することが可能となる。またこのエネルギー範囲には、弾性散乱電子(反射電子)以外にも、電子と試料内の相互作用を特徴づける幾つかのピークが現れることがあり、Eo−ΔEoからEo範囲内の全ての電子を検出するだけではなく、発生した特定ピークのエネルギー範囲のみ抽出することも可能である。さらに、Eoに対するエネルギー損失でΔEoを決める方法だけではなく、図3の12の領域にあるピーク収量の低下量でもΔEoを決定できる。表面像を観察するアプリケーションでは、ピーク収量が40%以下で低下した収量(ピーク収量の60%)の低エネルギー側のエネルギーからEoまでの範囲をΔEoとすることが望ましい。
LLEは試料表面極近傍の情報を持つことから、これを選択的に検出することにより、試料の極表面の材料や組成コントラストを得ることができる。更に、選択するエネルギー幅によっては、試料表面から内部に深さ方向の情報の変化も観察することが可能となる。一方、FIB−SEM装置においては、図2から明確なように、電子ビーム2bは試料5に対してある角度θで入射する。角度θで入射すると、試料5から放出されたBSE11は角度Φに強度分布を持つ。
図4は、θを32°とし、試料5をSiとしたときの角度分布である。θとΦはほぼ同等の角度に分布を持っている。そこで、図1や図2の低エネルギー損失電子検出器7は、領域8内で、特にΦがθとほぼ同等の角度、すなわち、電子ビーム2bの軸から2θ回転した軸上に配置する。試料室3に搭載された他のユニットと干渉しない限りは、できるだけ広い立体角Ωを確保できるように検出器を設計することが望ましい。
以上は、イオンビームカラム1aが直立しているFIB−SEM装置についての説明であるが、図5のように電子ビームカラム2aが直立しているFIB−SEM装置でも同様である。イオンビームカラム1aと電子ビームカラム2aと、イオンビーム加工断面方向との関係で、低エネルギー損失電子検出器7の配置関係は一義的に決まる。
以下では、FIB加工した試料断面のLLEによる観察について説明する。図6は、実験に使用した薄膜試料の作成例を示す図である。図6のように、半導体デバイスにおける複数のキャパシタトレンチが内部にも表面にも存在するようにFIB加工した薄膜試料を準備する。このような薄膜試料を、高加速電圧、例えば15kVで二次電子検出器6により観察すると、図7(a)のような画像を取得できる。FIB加工した断面は非常に平坦であり、凹凸コントラストが強調されているのは、エッジ部分のみである。一方、後方散乱電子が真空外に放出される前に、薄膜試料内において後方散乱電子が二次電子を生成し、真空外に放出される。一般的に、このような二次電子はSE2と呼ばれる。純粋に一次電子ビームと相互作用して発生して放出された二次電子はSE1と呼ばれる。SE1のみを検出する限りは、試料表面の情報を得ることができるが、二次電子検出器6はSE1とSE2の両方を検出するため、放出される二次電子の割合によって、得られるコントラストが変化する。特に、SE2は後方散乱電子によって生成されるため、試料内部の情報と試料の材料や組成コントラストをある程度反映する。高加速電圧になればなるほど一次電子ビームと試料の相互作用領域が大きくなり、SE2の割合が増加するため、材料や組成のコントラストは得られる。しかし、試料内部の情報も含まれてしまうため、ビームプローブ径が小さくても、実際に得られる画像は全体的にボケたような画像となってしまう。逆に、低加速電圧になると、一次電子ビームと試料の相互作用領域がどんどん小さくなるため、SE1とSE2の区別がつかなくなり、より表面、且つ材料や組成コントラストが得られるが、ビームプローブ径は大きくなる。
このビームプローブ径と検出する電子の拡がりの関係は、図8から理解できる。図8(a)は、1kVと15kVの電子ビームがSiに入射したときの相互作用領域の違い、図8(b)は、加速電圧とレンズタイプによるビームプローブ径の関係を示す。より表面情報を得たいのであれば低加速電圧を選択し、より小さいビームプローブ径で高分解能観察したいのであれば高加速電圧を選択する。逆に、低加速を選択すればビームプローブ径は大きくなり、高加速電圧を選択すれば試料内部の広い領域の情報が含まれる。より高分解能で観察する場合は、試料に対して積極的に磁場を漏らすセミインレンズタイプのSEM対物レンズを選択する。磁場を試料側に漏らさないアウトレンズタイプのSEM対物レンズは、分解能はセミインレンズに及ばないが、30kVで使用すればWDが4mm以上となるクロスポイントで1.6nm以下の分解能が得られるため、セミインレンズで低加速電圧を使用するよりも有利となる。さらに、磁場が漏れていないために、FIB加工中にSEM観察が可能となる最大の利点を有する。しかし、いずれにしても、高加速電圧を選択すると試料内部の広い領域の情報が含まれてしまう。
ところが、低エネルギー損失電子を検出すれば、このような問題は解決できる。加速電圧15kVで、検出するエネルギー幅を750V(加速電圧の5%)と設定した低エネルギー損失電子検出器7により観察すると、図7(b)のような画像が取得できる。図7(a)の二次電子検出器6で観察した画像と比較して、試料表面に現れているキャパシタトレンチのコントラストと、さらには材料や組成のコントラストも顕著に現れていることが明確に分かる。エネルギー幅の設定を変えれば、表面から内部へ深さに依存したコントラストを得ることも可能である。
更に、低エネルギー損失電子は、もともと後方散乱電子起因の信号であり、特に一次電子ビームに近いエネルギーの電子であるため、半導体デバイスで多用されている絶縁層やポリマー材料断面のチャージアップがコントラストに現れないとの利点もある。このような利点は、特定の加工ステップを設定し、FIB加工とSEM観察を繰り返すというFIB−SEM装置特有のMill&Monitor機能において非常に有利となる。Mill&Monitorで取得した画像は、通常、加工ステップあるいは任意の幅を設定して、三次元的に画像構築される。三次元構築されたデータは、トモグラフィーなどの試料内部構造の理解に利用される。また、イオンビーム側からは加工ターゲットが見えないため加工断面をSEM観察する必要があるが、一旦、三次元構築した構造が既知のサンプルであれば、図9のように三次元構築されたデータ上で水平面方向に断面をスライスすることが可能である。FIBで観察できる最上面のパターンにターゲット含まれる最下層のパターンを重ね合わせて、加工位置を正確に特定することもできる。
図1から明確なように、電子ビームは試料に対してある角度をもって斜めに入射する。従って、垂直に入射する場合と比較すると、SEM画像の縦方向に奥行き方向の情報が現れてしまう。そのため、表面情報が取得できなければ、これらの奥行き情報も含めて三次元構築されるため正確な試料内部構成が得られない。一方、チャージアップが存在すると、構造物がないにも関わらずSEM画像内で明るいコントラストが現れてしまうため、三次元構築すると構造のないところにも構造があるように表現されてしまう。低エネルギー損失電子を利用したMill&Monitor機能は、上記の問題を回避できる。
以上のように、イオンビームによって加工する極めて平坦で微小な試料断面や端面の電子ビーム観察において、高加速電圧、及び低エネルギー損失電子を用いることは多くの利点がある。特に試料が300nm以下の薄膜になってくると、更に特徴的な利点が得られる。Low−k材と称される低誘電率の先端デバイス材料や、ポリマー系の先端機能性材料は、これらの材料の電子ビーム照射による損傷が問題となる。図8(a)から、高加速電圧になればなるほど、試料への電子ビームエネルギーの蓄積が問題となると想定されるが、試料が薄膜になると、図10のように電子ビームの加速電圧を上げれば、逆に試料を透過するようになり、試料内での電子ビームダメージの蓄積が小さくなる。加速電圧を上げあれば上げるほど、試料薄膜が薄くなればなるほど効果が大きい。一般的に、TEM解析用の薄膜試料の膜厚は100nm以下であり、先端デバイスや先端機能性材料では50nm以下の膜厚の試料作製が要求されている。また、現時点におけるFIB−SEM装置の典型的な最大加速電圧は30kVである。従って、先端デバイスや先端機能性材料の薄膜試料作製の目的においては、加速電圧を30kVに設定することは非常に有効な手段となり得る。
入射電子ビームの大半が透過する特性を利用したFIB−SEM装置として、図11のように、電子ビームが入射するFIB加工断面の反対面方向の電子ビームカラム2a軸上にSTEM検出器13を設置した装置が考えられる。透過電子には、薄膜試料内部の結晶構造や組成情報が含まれる。STEM検出器は、主に結晶の回折コントラストを検出する明視野(Bright Field:BF)検出器、材料組成のコントラストを検出する暗視野(Dark Field:DF)検出器、高角度散乱暗視野(High-Angle Annular Dark-Field:HAADF)検出器から構成される。STEMコントラストは、基本的に試料内部情報を表しているため、STEM検出器13と低エネルギー損失電子検出器7を組み合わせ使用すれば、試料表面と内部の様々な情報を得ることができる。どちらの検出器もFIB加工中でも駆動可能である。特に、薄膜作製時のFIB加工終点を判断し、決定するための手段として非常に重要な機能となる。すなわち、STEM検出器13により内部情報を確認しながら、どの程度FIB加工を進めれば良いかを判断し、低エネルギー損失電子検出器7による表面情報と材料の組成情報、STEM検出器13による結晶と組成情報を確認することによって、加工を停止する位置の決定精度を上げることが可能である。
図1,図5、及び図11の例における検出器配置の領域と角度は、試料側に磁場を漏らさないアウトレンズモードで使用することを想定している。後方散乱電子は等方的に試料室内を移動してLLE検出器に到達する。LLE検出器は、構成が容易な静電フィルター型としている。このような条件では、FIB加工とSEM及びSTEM観察が同時に実施できるという最大の利点がある。しかしながら、同時加工観察という点を除けば、よりビームプローブ径が小さく高分解能観察可能なセミインレンズモードでSEM観察することもできる。尚、この場合、漏れ磁場により後方散乱電子は曲げられ、検出器への入射角度がばらつくため、静電フィルター型の検出器の適用は難しい。しかし、低エネルギー損失電子だけをエネルギー弁別して検出器に誘導する必要はなく、後方散乱電子すべてのエネルギー範囲を検出器により検出し、検出した後方散乱電子のエネルギーに比例した波高パルスが出力されるような検出系を採用すれば、弾性散乱電子や低エネルギー損失電子のエネルギーに対応する波高パルスのみ選択して画像化することが可能である。このような検出系の最大の特徴は、エネルギーのハイパスフィルターだけでなくローパス、バンドパスフィルターとしても機能させることができることである。
低エネルギー損失電子を利用する場合、特定のエネルギー範囲の後方散乱電子だけが検出されるため、その収量は低下する。そのため、十分な信号対雑音比で低エネルギー損失電子画像を取得するためには、一分以上の時間が必要となるが、FIB加工と同時にSEM観察しながら加工終点を判断する場合、10s以下で画像取得できることが望ましい。
図12は、信号取得時間を見かけ上短くする機能の、2画面表示構成のSEM観察画像表示部14の一例である。左側で二次電子画像を表示しながら特定エリアを設定し(二次電子画像表示とエリア設定部15)、右側で、左側で設定された特定エリアのみ低エネルギー損失画像を表示する(エリア設定された低エネルギー損失電子画像表示部16)。半導体デバイス試料の薄膜作製においてFIB加工終点検知を実施する場合、FIB加工断面の特定のエリアだけを観察できれば良いことが多いと考えられるため、SEM画像全面を画像表示させるのではなく、特定エリアだけを画像表示することにより、信号取得時間を短縮している。例えば、80秒必要であったSEM画像取得時間も、16分の1の面積のみ画像取得することとすれば、5秒で取得できる。画像を取得するエリアは、任意の大きさに縮小することが可能である。画面の縦横比を固定した任意縮小画像の場合は、図13のように、画像取得終了後に、画像処理機能によって画素補間やノイズ除去などの処理を加えて元の大きさに拡大して表示することが可能である。また、半導体デバイスはFIB加工断面で周期的な構造である場合が多く、図14のようにライン形状でエリアを指定して画像を取得することも可能である。尚、図12と図14の実施例では、2画像表示構成とし、左側画像表示部で特定エリアを設定し、右側画像表示で表示する構成としたが、1画面表示、または複数画面表示でも同様の設定が可能である。また、図12から図14の実施例では、左側に二次電子画像を、右側に低エネルギー損失画像を表示した例としたが、画像表示部には、装置に搭載された全ての検出器で検出した信号を選択して表示することが可能である。
FIB−SEM装置におけるFIB加工断面や端面における、材料,組成、及び表面情報、若しく深さ情報を、高分解能、且つ低ダメージで、FIB加工と同時、又はFIB加工と切り替えてSEM観察可能な装置を提供できる。最先端デバイスや機能材料の、高品位、且つ高精度な薄膜作製が可能となり、解析精度や利便性が飛躍的に向上する。
1a イオンビームカラム
1b イオンビーム
2a 電子ビームカラム
2b 電子ビーム
3 試料室
4 クロスポイント
5 試料
6 二次電子検出器
7 低エネルギー損失電子検出器
8 領域
9 イオンビームによって誘起された二次電子
10 電子ビームによって誘起された二次電子
11 電子ビームによって誘起された後方散乱電子
12 反射電子と低エネルギー損失電子のエネルギー領域
13 STEM検出器
14 SEM観察画像表示部
15 二次電子画像表示とエリア設定部
16 エリア設定された低エネルギー損失電子画像表示部
28 面

Claims (15)

  1. イオンビーム加工により作成された試料断面を電子ビームにより観察する複合荷電粒子線装置において、
    前記断面に照射された電子ビームによって誘起された、弾性散乱電子を含む低エネルギー損失後方散乱電子を検出する検出器を備え、
    当該検出器が、イオンビームと電子ビームの交差点を中心として、前記断面へのイオンビーム入射軸から90°以上回転した方向の三次元的な領域に配置されていることを特徴とする複合荷電粒子線装置。
  2. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記検出器が、前記断面への電子ビーム入射角度に依存した後方散乱電子の角度分布の最も強い強度を示す角度に配置されていることを特徴とする装置。
  3. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記検出器が、電子ビーム入射軸を基準にイオンビーム入射軸から離れた方向であり、且つ、イオンビームで加工された試料断面に対する法線軸と試料への電子ビーム入射軸とがなす角度の2倍の角度に配置されていることを特徴とする装置。
  4. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記検出器が、電子ビームの加速電圧を設定できる加速電圧の最大とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを特徴とする装置。
  5. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記検出器が、電子ビームの加速電圧を1.5kV以上30kV以下とした場合における低エネルギー損失後方散乱電子を検出できることを特徴とする装置。
  6. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    イオンビームによる試料断面の加工中に、当該試料断面の表面情報を取得できることを特徴とする装置。
  7. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    イオンビームによる試料断面への加工を止めた後に、当該試料断面の表面情報が取得できることを特徴とする装置。
  8. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    イオンビームによる試料断面加工と、当該試料断面の表面情報の取得と、を繰り返し実施できることを特徴とする装置。
  9. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第2の検出器を備え、イオンビームによる薄膜試料加工中に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを特徴とする装置。
  10. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第2の検出器を備え、イオンビームによる薄膜試料への加工を止めた後に、試料断面の表面情報と、薄膜試料の内部情報とを同時に取得できることを特徴とする装置。
  11. 請求項1記載の複合荷電粒子線装置において、
    薄膜試料を透過した電子ビームを検出する第2の検出器を備え、イオンビームによる試料断面加工と、薄膜断面の表面情報の取得と、及び薄膜の内部情報の取得と、を繰り返し実施できることを特徴とする装置。
  12. 請求項9〜11のいずれか1項に記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記薄膜試料の厚みが300nm以下であることを特徴とする装置。
  13. 請求項8、又は11のいずれか1項に記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記試料断面加工の加工ステップ毎にイオンビーム加工と電子ビーム観察を繰り返したときに取得した試料断面の表面情報画像を、前記加工ステップ幅で重ね合わせて三次元構築できることを特徴とする装置。
  14. 請求項13記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記加工ステップ幅が5nm以下であることを特徴とする装置。
  15. 請求項1〜14のいずれか1項に記載の複合荷電粒子線装置において、
    前記検出器からの検出信号を画像化して表示するディスプレイを備え、当該ディスプレイに表示されている画像の任意範囲を選択し、当該選択された範囲を前記ディスプレイに画像表示することを特徴とする装置。
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