JP5858702B2 - 複合荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

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Description

本発明は集束イオンビーム装置や走査電子顕微鏡などの荷電粒子ビーム装置に関する。
半導体デバイスなどの微細な試料を加工、観察する装置として集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置が知られている。また、集束イオンビームで加工している試料を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）でリアルタイム観察する装置としてＦＩＢ−ＳＥＭ複合装置が知られている。
ＦＩＢ−ＳＥＭ複合装置は、一般に、ＦＩＢ鏡筒の照射軸とＳＥＭ鏡筒の照射軸とのなす角度が５０度から６０度程度になるようにそれぞれの鏡筒が配置されている。これにより、ＦＩＢとＳＥＭで試料の同一領域を観察することができる。また、ＦＩＢ像とＳＥＭ像で同じ観察対象を上下が同じ向きに見えるように観察像を表示している。
例えば、図５（ａ）に示すように、試料ホルダ２３に固定された薄片試料２４に対し、イオンビーム５１と電子ビーム５２を照射し、観察像を取得する。図５（ｂ）の左側のＳＥＭ像５５と右側のＦＩＢ像５６は、取得した観察像である。ＳＥＭ像５５とＦＩＢ像５６は、薄片試料２４の観察面２４ａが上下同じ向きになるように表示されている。このため、ＳＥＭ像５５とＦＩＢ像５６で観察している薄片試料２４の位置関係が明確であり、作業者は操作がしやすい。
ところで、近年のデバイス寸法の縮小に伴い、ＦＩＢで加工している試料面を高分解能でＳＥＭ観察することが求められている。そこで、ＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒を直角に構成した複合荷電粒子ビーム装置が提案されている（特許文献１参照）。
この装置は、ＦＩＢで加工した断面に対し、垂直方向からＳＥＭ観察することができる。ＳＥＭは、一般に観察面に対し垂直方向から観察すると、高い分解能で観察できる。従って、特許文献１の装置はＦＩＢで加工した断面を、その場で、高分解能でＳＥＭ観察することができる。
しかしながら、特許文献１の装置はＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒を直角に配置されているため、ＦＩＢで観察している試料面をＳＥＭで観察することができない。そのため、作業者が観察像内における試料の位置関係を把握することが困難であるという問題があった。
特開平６−２３１７２０号公報
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒を直角に配置された装置において、ＦＩＢ像とＳＥＭ像で観察している試料の位置関係を作業者が把握しやすい複合荷電粒子ビーム装置を提供することである。
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
ＦＩＢ鏡筒と、前記ＦＩＢ鏡筒と略直角に配置されたＳＥＭ鏡筒と、試料を載置する試料台と、前記試料から発生する二次粒子を検出する検出器と、前記検出器の検出信号からＦＩＢ像とＳＥＭ像を形成する観察像形成部と、前記ＦＩＢ像内の前記試料の左右の向きと前記ＳＥＭ像内の前記試料の左右の向きが同じである前記ＦＩＢ像と前記ＳＥＭ像を表示する表示部と、ＦＩＢ照射による観察面形成と前記観察面のＳＥＭ像取得とを繰り返すことで取得した複数のＳＥＭ像の左右の向きを反転させ、反転させたＳＥＭ像から三次元像を形成する三次元像形成部と、を有する複合荷電粒子ビーム装置を用いる。
本発明に係る複合荷電粒子ビーム装置によれば、左右の向きが同じであるＦＩＢ像とＳＥＭ像を表示することにより、ＦＩＢ像とＳＥＭ像で観察している試料の位置関係が明確となり、作業者が容易に操作できる。
本発明の実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る試料観察を説明する図である。 本発明の実施形態に係る三次元像形成を説明する図である。 本発明の実施形態に係る三次元像形成を説明する図である。 従来のＦＩＢ−ＳＥＭ複合装置による試料観察を説明する図である。
本発明の実施形態は、ＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒を直角に構成した装置でＦＩＢ像とＳＥＭ像の表示方向を揃える。
従来のＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒とが５０度から６０度程度で配置された複合装置では、同じ観察面を観察することができるため、同一対象物をＦＩＢ像とＳＥＭ像で表示することができる。従って、表示方向がどの方向であっても作業者は試料の位置関係を明確に把握することができた。
しかし、ＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒を直角に構成した装置では、特に、イオンビームで形成した観察面を、試料を移動させることなくその場で、観察面に対し略垂直方向から電子ビームを照射し観察面のＳＥＭ像を取得する場合においては、ＦＩＢ像に観察面が表示されない。
さらに、従来装置のように、ＦＩＢ像とＳＥＭ像の表示方向も上下方向が同じ方向であったとしても、同一対象物をＦＩＢ像とＳＥＭ像に表示することができない場合であっても、作業者は試料の位置関係について容易に把握することができなかった。
そこで、本発明の実施形態では、ＦＩＢ像、またはＳＥＭ像の左右方向の表示方向を揃える。これにより同一対象物をＦＩＢ像とＳＥＭ像に表示することができなくても、表示方向が揃っているため、ＦＩＢ像とＳＥＭ像から試料の位置関係を直感的に把握しやすくなった。
さらに、取得したＳＥＭ像から三次元像を構築する場合においては、取得したＳＥＭ像の左右の向きをさらに反転させることにより、実際の試料の位置関係を再現した三次元像を構築することができる。
以下、本発明に係る複合荷電粒子ビーム装置の実施形態について説明する。
本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置は、図１に示すように、ＦＩＢ鏡筒１と、ＳＥＭ鏡筒２と、試料ステージ３と、二次電子検出器５と、透過電子検出器６を備えている。ＦＩＢ鏡筒１とＳＥＭ鏡筒２は、それぞれのビーム照射軸が略垂直に交差するように配置されている。そして、試料ステージ３に固定された試料４近傍でそれぞれのビーム照射軸が交差するように配置されている。これにより、ＦＩＢ鏡筒１から照射したイオンビームにより加工した加工面に対し、ＳＥＭ鏡筒２から電子ビームを略垂直に照射しＳＥＭ観察することができる。
試料ステージ３は、ステージ駆動機構７により駆動する。試料ステージ３は、ＦＩＢ鏡筒１のビーム照射軸を中心に回転可能な回転機構と、Ｘ、Ｙ、Ｚの三軸方向に移動可能な移動機構を備えている。また、試料ステージ３は、試料４をイオンビームに対し傾斜させる傾斜機構を備える。これにより、所望の角度からイオンビームを照射し試料４を加工することができる。
透過電子検出器６、ＳＥＭ鏡筒２のビーム照射軸上に配置されている。ＳＥＭ鏡筒２から電子ビームを照射し、試料４を透過した電子や試料４で散乱した電子を検出することができる。
二次電子検出器５と透過電子検出器６は、像形成部８と接続されている。二次電子検出器５の検出信号からＦＩＢ像やＳＥＭ像を形成する。二次電子検出器５の他に、電子ビーム鏡筒２内部に反射電子検出器を備え、反射電子像を形成することもできる。そして、試料４から放出される散乱電子を検出するスクリーンを備え、ＥＢＳＤ像を形成することもできる。透過電子検出器６の検出信号から透過電子像を形成する。また、試料４から放出されるＸ線を検出するＥＤＳ検出器１６を備える。
ＦＩＢ像、ＳＥＭ像や透過電子像は表示部９に表示される。表示部９は表示装置１３と表示装置１４からなり、それぞれの観察像を別々の表示装置に表示することができる。また、一つの表示装置にそれぞれの観察像を表示することもできる。その場合、表示部９は一つの表示装置からなる。
作業者は入力部１０を通して複合荷電粒子ビーム装置を操作する。ビーム照射条件や加工領域の設定などを入力することができる。
また、ビーム走査制御部１１は、ＦＩＢ鏡筒１やＳＥＭ鏡筒２から照射するイオンビームや電子ビームの走査方向を制御する。
また、画像処理部１２は、像形成部８で形成されたＦＩＢ像やＳＥＭ像などの観察像を画像処理する。
また、像形成部８で形成された複数のＳＥＭ像から三次元像を形成する三次元像形成部１５を備えている。
＜実施形態１＞
試料の観察像を表示する本願発明の実施形態について説明する。図２（ａ）は、上述した複合荷電粒子ビーム装置における薄片試料２４に対するイオンビーム２１と電子ビーム２２の照射方向を説明する図である。
薄片試料２４は試料ホルダ２３に固定されている。薄片試料２４が薄くなるように薄片試料２４の観察面２４ａ側にイオンビーム２１を照射し、薄片化加工を行う。観察面２４ａに対し略平行の方向からイオンビーム２１を照射する。この方向からイオンビーム２１を走査照射し、取得した観察像が図２（ｂ）の右側のＦＩＢ像３４である。
薄片加工中、または加工前後に観察面２４ａをＳＥＭ観察する。観察面２４ａに対し略垂直の方向から電子ビーム２２を照射する。観察面に対し略垂直方向から電子ビームを照射することで高分解能の観察像が得られる。この方向から電子ビーム２２を走査照射し、取得した観察像が図２（ｂ）の左側のＳＥＭ像３１である。
そして、観察像の表示方向設定について説明する。薄片試料２４の座標系を、イオンビーム照射方向をＸ軸方向２５、電子ビーム照射方向をＹ軸方向２６とし、Ｚ軸の方向をＺ軸方向２７とする。
ＦＩＢ像３４は、ＦＩＢ像のＸ軸方向３５が薄片試料２４の座標系のＺ軸方向２７の逆方向に、ＦＩＢ像のＹ軸方向３６が試料２４の座標系のＹ軸方向２６になるように表示する。
ＳＥＭ像３１は、ＳＥＭ像のＸ軸方向３２が試料２４の座標系のＺ軸方向２７の逆方向に、ＳＥＭ像のＹ軸方向３３が薄片試料２４の座標系のＸ軸方向２５の逆方向になるように表示する。
従来のＦＩＢ−ＳＥＭ複合装置では、図５（ｂ）に示すようにＳＥＭ像のＸ軸方向５７は、ＦＩＢ像のＸ軸方向５９と逆の方向になっている。これに対し、複合荷電粒子ビーム装置では、図２（ｂ）に示すようにＳＥＭ像のＸ軸方向３２とＦＩＢ像のＸ軸方向３５を同じ方向に表示している。これにより、同じ観察面を表示できないＳＥＭ像３１とＦＩＢ像３４であっても、Ｘ軸方向を揃えているため作業者は試料２４の位置関係を容易に把握することができる。
＜実施形態２＞
三次元像を構築する本願発明の実施形態について説明する。図３（ａ）に示すようにイオンビーム２１により、試料２４をスライス加工し、露出した面をＳＥＭ観察する。スライスされた面のＳＥＭ像とスライス面と次のスライス面の間隔から、ＳＥＭ像をスライス間隔に対応した間隔で並べることで三次元像を構築する。
イオンビーム２１を試料２４の座標系のＺ軸方向２７に平行に走査照射し加工する。加工により露出したスライス面２４ｂに対し略垂直方向から電子ビーム２２を照射し、ＳＥＭ像を取得し、記憶する。再びイオンビーム２１で加工し、スライス面２４ｃを露出させ、スライス面２４ｃのＳＥＭ像を取得する。次にスライス面２４ｄを露出するように、スライス加工とＳＥＭ像取得を繰り返し行う。
イオンビーム２１と電子ビーム２２の入射方向を変えることなく加工と観察ができるので、高分解能ＳＥＭ像を効率良く取得することができる。
次に三次元像形成部１５での処理について説明する。記憶したスライス面のＳＥＭ像を図３（ｂ）に示すように薄片試料２４の構造を再現するように配置する。これにより、図３（ｃ）に示すように薄片試料２４の三次元像３８を形成することができる。三次元像３８は薄片試料２４内部の構造物３７の形状を再現することができるので、二次元像では把握しにくい構造を容易に把握することができる。
また、三次元像形成部１５では、取得したＳＥＭ像の方向と実際の観察対象の方向を揃える処理を行う。図４（ａ）は取得したＳＥＭ像３１である。実際の薄片試料２４に対しＳＥＭ像のＸ軸方向３２が逆になっている。そこで、図４（ｂ）に示すようにＳＥＭ像３１をＸ軸方向が逆になるように反転させる。反転させたＳＥＭ像４１で三次元像を形成することで、実際の薄片試料２４の方向も再現した三次元像を形成することができる。
上記の説明では、ＳＥＭ像について説明したが、ＳＥＭ像の代わりに透過電子像、反射電子像、ＥＤＳ像、ＥＢＳＤ像を用いることも可能である。
１…ＦＩＢ鏡筒
２…ＳＥＭ鏡筒
３…試料ステージ
４…試料
５…二次電子検出器
６…透過電子検出器
７…ステージ駆動機構
８…像形成部
９…表示部
１０…入力部
１１…ビーム走査制御部
１２…画像処理部
１３、１４…表示装置
１５…三次元像形成部
２４…薄片試料
２４ａ…観察面
２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ…スライス面
２５…Ｘ軸方向
２６…Ｙ軸方向
２７…Ｚ軸方向
３１…ＳＥＭ像
３２…ＳＥＭ像のＸ軸方向
３３…ＳＥＭ像のＹ軸方向
３４…ＦＩＢ像
３５…ＦＩＢ像のＸ軸方向
３６…ＦＩＢ像のＹ軸方向
３７…構造物
３８…三次元像
４１…反転させたＳＥＭ像
５１…イオンビーム
５２…電子ビーム
５５…ＳＥＭ像
５６…ＦＩＢ像
５７…ＳＥＭ像のＸ軸方向
５８…ＳＥＭ像のＹ軸方向
５９…ＦＩＢ像のＸ軸方向
６０…ＦＩＢ像のＹ軸方向

Claims (1)

  1. ＦＩＢ鏡筒と、
    前記ＦＩＢ鏡筒と略直角に配置されたＳＥＭ鏡筒と、
    試料を載置する試料台と、
    前記試料から発生する二次粒子を検出する検出器と、
    前記検出器の検出信号からＦＩＢ像とＳＥＭ像を形成する観察像形成部と、
    前記ＦＩＢ像内の前記試料の左右の向きと前記ＳＥＭ像内の前記試料の左右の向きが同じである前記ＦＩＢ像と前記ＳＥＭ像を表示する表示部と、
    ＦＩＢ照射による観察面形成と前記観察面のＳＥＭ像取得とを繰り返すことで取得した複数のＳＥＭ像の左右の向きを反転させ、反転させたＳＥＭ像から三次元像を形成する三次元像形成部と、を有する複合荷電粒子ビーム装置。
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