KR20150047427A

KR20150047427A - 단면 가공 방법, 단면 가공 장치

Info

Publication number: KR20150047427A
Application number: KR1020140141720A
Authority: KR
Inventors: 히데카즈 스즈키; 다츠야 아사하타; 아츠시 우에모토
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-05-04
Also published as: US9548185B2; TW201535464A; TWI662583B; US20150115156A1; JP6490938B2; KR102092362B1; JP2015109263A

Abstract

[과제] 경도가 상이한 복수의 물질로 이루어지는 시료에 대해, 집속 이온 빔에 의해 평탄한 단면을 형성하는 것이 가능하게 되는 단면 가공 방법, 단면 가공 장치를 제공한다.
[해결 수단] 단면의 관찰로 얻어지는 SEM상의 단면 정보에 의거하여, 집속 이온 빔의 조사 간격, 조사 시간 등을 가변 제어하면서, 가공 영역의 에칭 가공을 행한다. 이에 의해 시료가 경도가 다른 복수의 물질로 구성되어 있더라도, 균일한 에칭 레이트로 평탄한 관찰면을 형성할 수 있다.

Description

단면 가공 방법, 단면 가공 장치{SECTION PROCESSING METHOD, SECTION PROCESSING APPARATUS}

본 발명은, 현미경에 의해 관찰하는 시료의 관찰면을, 집속 이온 빔을 이용하여 가공하기 위한 단면 가공 방법, 및 단면 가공 장치에 관한 것이다.

예를 들어, 반도체 디바이스 등의 시료를, 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope：SEM), 투과형 전자 현미경(Transmission Electron Microscope：TEM), 에너지 분산형 X선 분석 장치(Energy dispersive X-ray spectrometry：EDS), 전자선 후방 산란 회절 장치(Electron Backscatter Diffraction：EBSD) 등에 의해 관찰, 해석할 때에는, 시료의 관찰면을 평탄하게 형성할 필요가 있다. 관찰면이 평탄하지 않은 경우, 관찰면(단면)의 정확한 상(像)을 취득하거나, 정확한 성분 분석을 행하는 것이 어려워진다.

종래, 이러한 시료의 관찰면의 형성에 있어서는, 시료를 연마하여 평탄한 관찰면을 형성하거나, 시료의 벽개에 의해 평탄한 관찰면을 형성하고 있었다. 그러나, 시료를 연마하는 경우에는, 연마제 등에 의해 시료가 오염될 우려가 있다. 또, 시료를 벽개하는 경우, 시료가 결정성의 물질인 경우에 한정된다.

이로 인해, 근년, 시료의 평탄한 관찰면을 형성하는 수법 중 하나로서, 집속 이온 빔(Focused Ion Beam：FIB)에 의한 단면 형성 가공(에칭 가공)이 이용되고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1). 이러한 집속 이온 빔을 이용한 시료의 관찰면의 형성 방법은, 시료의 임의의 위치에 미세한 관찰면을 정확하게 형성할 수 있다고 하는, 다른 형성 방법에는 없는 이점을 가지고 있다.

일본국 특허 공개 2008-270073호 공보

SEM, TEM, EDS, EBSD 등에 의해 관찰, 해석되는 시료의 상당수는, 균일한 조성인 것은 적고, 그 상당수는 내부에 복수의 물질이나 미세한 구조물을 포함하고 있다. 이러한 복수의 물질로 이루어지는 시료에 대해, 균일한 조사 밀도, 조사 시간으로 목적의 관찰면을 향해 집속 이온 빔을 조사하면, 시료가 균일한 에칭 레이트로 에칭되지 않는다고 하는 과제가 있었다. 이는, 물질의 종류에 따라 각각 경도가 상이하기 때문이다.

시료가 균일한 에칭 레이트로 에칭되지 않은 경우, 예를 들어, 시료 중에 경도가 높고, 에칭 레이트가 낮은 물질이 국부적으로 존재하고 있는 경우에는, 집속 이온 빔의 조사 방향을 따라 그 물질이 중단된 부분보다 앞의 부분도, 경도가 높은 물질이 에칭 마스크의 작용을 하기 때문에 제거되지 않는다고 하는, 이른바 커테이닝(curtaining)이 발생한다. 이러한 커테이닝이 발생하면, 관찰면에 요철이 발생해 버려, 결과적으로 관찰면을 고정밀도로 관찰, 해석을 행하는 것이 어려워진다. 이로 인해, 경도가 상이한 복수의 물질로 이루어지는 시료여도, 집속 이온 빔의 조사에 의해 평탄한 관찰면을 형성 가능한 단면 가공 방법, 단면 가공 장치가 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 서술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 경도가 상이한 복수의 물질로 이루어지는 시료에 대해, 집속 이온 빔에 의해 평탄한 단면을 형성하는 것이 가능하게 되는 단면 가공 방법, 단면 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 몇 개의 양태는, 다음과 같은 단면 가공 방법, 단면 가공 장치를 제공했다.

즉, 본 발명의 단면 가공 방법은, 시료를 향해 집속 이온 빔을 조사하여, 상기 시료의 단면 가공을 행하는 단면 가공 방법으로서, 상기 시료의 단면 정보를 취득하는 단면 정보 취득 공정과, 취득한 상기 단면 정보에 의거하여, 상기 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키면서 조사하여 상기 단면의 에칭을 행하여, 시료 관찰면을 형성하는 단면 가공 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키기 위해, 조사 간격, 또는 조사 시간 중 적어도 어느 하나를 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 단면 정보는, 상기 단면의 콘트라스트, 또는 상기 단면을 구성하는 물질의 분포인 것을 특징으로 한다.

상기 단면 정보는, 상기 단면의 콘트라스트, 또는 상기 단면을 구성하는 물질의 분포에 의거하여 작성된, 상기 단면의 에칭 레이트 맵인 것을 특징으로 한다.

단면 정보 취득 공정은, 상기 시료의 단면의 SEM상을 취득하는 공정인 것을 특징으로 한다.

단면 정보 취득 공정은, 상기 단면의 EDS 측정 또는 EBSD 측정을 행하는 공정인 것을 특징으로 한다.

상기 단면 정보는, 상기 단면의 EDS 측정 또는 EBSD 측정에 의해 측정된 상기 집속 이온 빔의 이온종의 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 단면 가공 공정은, 미리 설정한 관찰면 위치까지 단계적으로 행해지고, 각 단계에 있어서 상기 단면 정보 취득 공정을 행하는 것을 특징으로 한다.

상기 단면 정보에 의거하여, 상기 단면에 조사하는 집속 이온 빔의 조사 조건을 생성하는 조사 조건 생성 공정을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 단면 가공 방법에 의해, 상기 시료의 한쪽 단면 및 다른쪽 단면의 가공을 행하여, 상기 시료의 박편을 형성할 때에, 상기 단면의 EDS 측정 또는 EBSD 측정에 의거하여 상기 단면 정보를 취득하고, 상기 단면 정보에 의거하여 상기 시료의 박편을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 단면 가공 방법에 의해, 상기 시료의 한쪽 단면 및 다른쪽 단면의 가공을 행하여, 상기 시료의 박편을 형성할 때에, 상기 단면 정보 취득 공정에 있어서, 투과 전자, 반사 전자 또는 이차 전자에 의거하여 상기 단면 정보를 취득하고, 상기 단면 정보에 의거하여 상기 시료의 박편을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 단면 가공 장치는, 시료를 올려놓는 시료대와, 상기 시료에 집속 이온 빔을 조사하는 집속 이온 빔 경통과, 상기 시료에 전자 빔을 조사하는 전자 빔 경통과, 상기 시료로부터 발생하는 이차 전자를 검출하는 이차 전자 검출기와, 상기 시료의 단면 정보를 취득하는 단면 정보 취득 공정, 및, 취득한 상기 단면 정보에 의거하여, 상기 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키면서 조사하여 상기 단면의 에칭을 행하여, 시료 관찰면을 형성하는 단면 가공 공정을 실행시키는 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 시료 단면의 관찰로 얻어진 단면 정보에 의거하여, 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키면서 가공 영역의 에칭 가공을 행한다. 이에 의해 시료가 경도가 다른 복수의 물질로 구성되어 있더라도, 균일한 에칭 레이트로 평탄한 단면(관찰면)을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 단면 가공 장치를 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는 단면 가공 장치의 제어부의 구성을 도시하는 개략 구성도이다.
도 3은 반도체 웨이퍼를 단면 가공하는 모습을 도시하는 설명도이다.
도 4는 단면 가공 방법의 순서를 나타내는 플로차트이다.
도 5는 시료 에칭시의 FIB의 가변 제어예를 도시하는 설명도이다.
도 6은 단면 가공에 의해 시료의 박편에 마무리 가공을 행하는 모습을 도시하는 설명도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 단면 가공 방법, 단면 가공 장치에 대해 설명한다. 또한, 이하에 도시하는 각 실시 형태는, 발명의 취지를 보다 쉽게 이해시키기 위해 구체적으로 설명하는 것이며, 특별히 지정이 없는 한, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또, 이하의 설명에서 이용하는 도면은, 본 발명의 특징을 알기 쉽게 하기 위해, 편의상, 주요부가 되는 부분을 확대하여 도시하고 있는 경우가 있으며, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 동일하다고는 한정되지 않는다.

(단면 가공 장치)

도 1은, 단면 가공 장치를 도시하는 개략 구성도이다.

본 발명의 단면 가공 장치(10)는, 집속 이온 빔(FIB) 경통(11)과, 전자 빔(EB) 경통(12)과, 시료실(13)을 구비하고 있다. 집속 이온 빔 경통(11)과, 전자 빔 경통(12)은, 시료실(13) 내에 수용되어 있고, 스테이지(시료대)(14)에 올려놓여진 시료(S)를 향해 집속 이온 빔(FIB)과, 전자 빔(EB)을 조사 가능하도록 배치되어 있다. 스테이지(14)는 XYZ의 각 방향의 이동, 경사가 가능하여, 이에 의해, 시료(S)를 임의의 방향으로 조정할 수 있다.

단면 가공 장치(10)는, 또한 집속 이온 빔(FIB) 제어부(15)와, 전자 빔(EB) 제어부(16)를 구비하고 있다. 집속 이온 빔 제어부(15)는, 집속 이온 빔 경통(11)을 제어하여, 집속 이온 빔을 임의의 전류값으로, 또한 임의의 타이밍으로 조사시킨다. 전자 빔 제어부(16)는, 전자 빔 경통(12)을 제어하여, 전자 빔을 임의의 타이밍으로 조사시킨다.

단면 가공 장치(10)는, 또한 단면 정보 취득 수단(19)을 구비하고 있다. 단면 정보 취득 수단(19)으로서는, 전자 빔(EB)을 시료(S)에 조사했을 때에, 시료(S)로부터 발생한 이차 전자를 검출하는 이차 전자 검출기, 전자 빔(EB)을 시료(S)에 조사했을 때에, 시료(S)에서 반사된 반사 전자를 검출하는 반사 전자 검출기, 전자 빔(EB)을 시료(S)에 조사했을 때에, 시료(S)를 투과한 투과 전자를 검출하는 투과 전자 검출기, 전자 빔(EB)을 시료(S)에 조사했을 때에, 시료(S)로부터 발생한 X선을 검출하는 EDS 검출기, 전자 빔(EB)을 시료(S)에 조사했을 때에, 시료(S)에서 발생하는 전자선 후방 산란 회절에 의한 EBSD 패턴을 검출하는 EBSD 검출기 등을 들 수 있다. 단면 정보 취득 수단(19)으로서는, 이들 이차 전자 검출기, 반사 전자 검출기, 투과 전자 검출기, EDS 검출기 등을 단독으로, 또는 임의의 조합으로 설치할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 이들 이차 전자 검출기, 반사 전자 검출기, 투과 전자 검출기, EDS 검출기, EBSD 검출기 중, 단면 정보 취득 수단(19)으로서, 이차 전자 검출기(17)와, EDS 검출기(18)를 구비한 예를 들어 설명했는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 반사 전자 검출기를 설치하는 경우, 전자 빔 경통(12)의 내부에 형성된다.

이차 전자 검출기(17)는, 집속 이온 빔(21) 또는 전자 빔(22)을 시료(S)에 조사하여, 시료(S)로부터 발생한 이차 전자를 검출한다. 이러한 이차 전자에 의해, 시료(S)의 SEM상을 취득할 수 있다. 또, EDS 검출기(18)는, 전자 빔(22)을 시료(S)에 조사하여, 시료(S)로부터 발생한 X선을 검출한다. 시료(S)로부터 발생하는 X선은, 시료(S)를 구성하는 물질마다 특유의 특성 X선을 포함하며, 이러한 특성 X선에 의해, 시료(S)를 구성하는 물질을 특정할 수 있다.

또한, EBSD 검출기를 더 설치하는 구성도 바람직하다. EBSD 검출기에서는, 결정성 재료에 전자 빔을 조사하면, 시료(S)의 표면에서 발생하는 전자선 후방 산란 회절에 의해 회절 도형 즉 EBSD 패턴이 관측되고, 시료(S)의 결정계나 결정 방위에 관한 정보가 얻어진다. 이러한 EBSD 패턴을 측정, 해석함으로써, 시료(S)의 미소 영역의 결정계나 결정 방위의 분포에 관한 정보가 얻어지며, 시료(S)를 구성하는 물질을 특정할 수 있다.

단면 가공 장치(10)는, 시료(S)의 단면상을 형성하는 상형성부(23)와, 단면상을 표시하는 표시부(24)를 구비하고 있다. 상형성부(23)는, 이차 전자 검출기(17)에서 검출한 이차 전자의 신호에 의거하여 SEM상을 형성한다. 표시부(24)는, 상형성부(23)로 얻어진 SEM상을 표시한다. 표시부(24)는, 예를 들어 디스플레이 장치로 구성되어 있으면 된다.

또, 상형성부(23)는, 전자 빔(22)의 주사 신호와, EDS 검출기(18)에서 검출한 특성 X선의 신호로부터, EDS 맵을 형성한다. 표시부(24)는 상형성부(23)로 얻어진 EDS 맵을 표시한다. 또한, EDS 맵이란, 검출한 특성 X선의 에너지로부터 각 전자 빔 조사점에 있어서의 시료(S)의 물질을 특정하여, 전자 빔(22)의 조사 영역의 물질의 분포를 나타낸 것이다.

단면 가공 장치(10)는, 또한 제어부(25)와, 입력부(26)를 구비한다. 오퍼레이터는 단면 가공 장치(10)의 각종 제어 조건을 입력부(26)를 통해 입력한다. 입력부(26)는, 입력된 정보를 제어부(25)로 송신한다. 제어부(25)는, 이온 빔 제어부(15), 전자 빔 제어부(16), 상형성부(23)에 제어 신호를 출력하고, 단면 가공 장치(10) 전체의 동작을 제어한다.

도 2는, 단면 가공 장치의 제어부의 구성을 도시하는 개략 구성도이다.

제어부(25)는, 가공 조건 기억부(31)와, 단면상 기억부(32)와, 에칭 레이트 기억부(33)와, 조사 조건 생성부(34)와, 단면 가공 제어부(35)를 구비하고 있다.

가공 조건 기억부(31)는, 에칭 레이트에 따른 집속 이온 빔의 조사 간격이나 조사 시간을 기억하고 있다. 이러한 데이터는, 후술하는 조사 조건 생성부(34)에 의해, 집속 이온 빔(21)의 조사 조건의 생성시에 참조된다.

단면상 기억부(32)는, 상형성부(23)에 의해 형성된 시료(S) 단면의 SEM상을 기억한다. 이러한 SEM상은, 후술하는 조사 조건 생성부(34)에 의해, 집속 이온 빔(21)의 제어 순서의 생성시에 참조된다.

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, 단면상 기억부(32)에 EDS 맵도 기억시키면 된다.

에칭 레이트 기억부(33)는, 재료마다의 에칭 레이트(조사량에 대한 가공량의 비율)의 참조 테이블을 기억하고 있다.

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, EDS 맵에 의해 특정된 재질에 따른 에칭 레이트의 참조 테이블을 기억시키면 되고,

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EBSD 검출기를 설치하는 구성에서는, EBSD 맵에 따른 에칭 레이트의 참조 테이블을 기억시키면 된다.

조사 조건 생성부(34)는, 단면상 기억부(32)로부터 시료(S) 단면의 SEM상을 읽어내고, 에칭 레이트 기억부(33)를 참조하여, SEM상의 휘도나 농담(濃淡)으로부터, 시료(S)의 단면에 있어서의 재질에 따른 적절한 에칭 레이트마다의 영역을 면으로 나타내는 에칭 레이트 맵을 제작한다.

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, 단면상 기억부(32)로부터 시료(S) 단면의 EDS 맵을 읽어내고, 에칭 레이트 기억부(33)를 참조하여, 시료(S) 단면의 에칭 레이트 맵을 제작한다. 또한, 이들 에칭 레이트 맵은, SEM상에 의거하는 것이나, EDS 맵에 의거하는 것 등 중, 적어도 어느 하나가 작성되면 되고, 복수 종류 작성함으로써, 에칭 레이트 맵의 정밀도를 보다 좋게 할 수 있다.

조사 조건 생성부(34)는, 가공 조건 기억부(31)로부터 에칭 레이트에 따른 집속 이온 빔의 조사 간격(조사점 사이의 거리), 조사 시간(집속 이온 빔의 체재 시간)을 참조하여, 시료(S)의 단면 전체를 균일하게 에칭하는데 필요한 집속 이온 빔의 조사 조건을 생성한다. 이러한 조사 조건은, 시료(S) 단면의 미소 영역마다, 그 경도에 따라 에칭에 필요한 집속 이온 빔의 조사 간격, 조사 시간을 나타낸 것이다.

또한, 이러한 조사 조건은 집속 이온 빔의 조사 강도가 일정하다면, 조사 시간을 나타내는 것이면 된다. 또, 집속 이온 빔의 조사 시간이 일정하다면, 조사 간격을 나타내는 것이면 된다. 또, 이들 조사 간격, 조사 시간의 모든 제어를 나타내는 것이어도 된다.

단면 가공 제어부(35)는, 제어 순서 생성부(34)에서 생성된 제어 순서에 의거하여, 집속 이온 빔의 빔 조사량의 정보를 집속 이온 빔 제어부(15)에 출력한다.

(단면 가공 방법의 개요)

이상과 같은 구성의 단면 가공 장치를 이용한, 본 발명의 단면 가공 방법을 설명한다. 여기에서는, 반도체 웨이퍼의 임의의 위치에 설정한 관찰면을 포함하는 박편 시료를 형성하는 경우를, 본 발명의 단면 가공 방법의 일례로서 든다. 이러한 박편 시료는, 예를 들어 TEM에 의한 투과 관찰에 이용되고, 시료의 관찰면은 높은 평탄성이 요구된다.

도 3은, 반도체 웨이퍼를 단면 가공하는 모습을 도시하는 설명도이다. 도 3(a)은, 반도체 웨이퍼에 있어서의 가공홈을 도시한다. 도 3(b)은 가공홈의 주변을 도시하는 확대도이다. 도 3(c)은, 도 3(b)의 A－A선을 따르는 단면도이다.

시료(반도체 웨이퍼)(S)는, 내부에 미소한 디바이스 구조를 가지고 있다. 단면 가공 관찰에서는, 시료(S) 내부의 디바이스 구조나 결함 등의 원하는 관찰 대상의 단면 관찰상을 취득하여, 분석한다.

우선, 시료(반도체 웨이퍼)(S) 내에 있어서 단면을 관찰하고 싶은 위치를 관찰면의 형성 예정 위치(R)로서 설정한다. 그리고, 이 형성 예정 위치(R)의 근방에 집속 이온 빔(21)을 조사하여, 에칭 가공에 의해 가공홈(41)을 형성하고, 형성 예정 위치(R)를 향해 가공홈(41)을 넓혀 간다. 또한, 이하의 설명에서는, 형성 예정 위치(R)를 향해 가공홈(41)을 넓혀 가는 방향을, 가공 방향(PD)이라고 칭한다.

우선, 시료에 형성되는 가공홈(41)으로서, 형성된 단면(41s)에 전자 빔(22)을 조사할 수 있도록, 시료(S)의 표면으로부터의 깊이가 가공 방향(PD)으로 진행될수록 점증하는 슬로프 형상을 미리 형성해 둔다. 그리고, 단면(41s)으로부터 가공 방향(PD)을 따라, 슬라이스 가공의 가공 영역(42, 43, 44)의 순으로 가공홈(41)을 단계적으로 넓혀 가고, 최종적으로 형성 예정 위치(R)의 두께 방향을 따르는 단면인 관찰면(44s)을 노출시킨다.

또, 가공 영역(42, 43)의 가공이 완료할 때마다, 가공에 의해 노출된 시료(S)의 두께 방향을 따르는 직사각형의 단면을 향해 전자 빔(22)을 조사하여, 이차 전자에 의거한 SEM 관찰상을 취득한다. 또한, SEM 관찰상은, 반사 전자에 의거한 반사 전자상이어도 된다. 또, SEM 관찰상을 대신하여, 특성 X선의 검출에 의한 EDS 맵이나 EBSD 맵을 취득해도 된다. 혹은, SEM 관찰상과, EDS 맵이나 EBSD 맵 양쪽 모두를 취득해도 된다.

이러한 가공 영역(42, 43)에서 각각 취득한 단면(42s, 43s)의 SEM 관찰상은, 다음의 가공 영역을 에칭 가공할 때에, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격, 조사 시간의 가변 제어에 반영된다.

이상과 같이, 가공 영역(42)을 집속 이온 빔(21)으로 에칭 가공하여, 노출한 단면(42s)에 전자 빔(22)을 조사하여, 단면(42s)의 SEM 관찰상을 취득한다. 다음에, 가공 영역(43)을 집속 이온 빔(21)으로 에칭 가공할 때에, 단면(42s)의 SEM 관찰상에 의거하여, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격, 조사 시간을 가변 제어하면서 에칭 가공하여 단면(43s)을 노출시킨다. 마찬가지로, 가공 영역(44)을 집속 이온 빔(21)으로 에칭 가공할 때에, 단면(43s)의 SEM 관찰상에 의거하여, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격, 조사 시간을 가변 제어하면서 에칭 가공하여 관찰면(단면)(44s)을 노출시킨다.

또한, 각각의 단면(42s)에서는, SEM 관찰상을 대신하여, 혹은 SEM 관찰상과 더불어, EDS 맵이나 EBSD 맵에 의거하여, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격, 조사 시간을 가변 제어하면서 에칭 가공하여 단면(43s)을 노출시키는 구성이어도 된다.

도 3(d)에 도시하는 바와 같이, 박편 시료를 형성할 때에는, 관찰면(단면)(44s)을 형성한 후, 관찰면(단면)(44s)과는 반대측의 근방으로부터, 상기 서술한 공정과 마찬가지로 하여 관찰면(단면)(44s)을 향해 가공홈(46)을 형성함으로써, 관찰면(단면)(44s)을 포함하는 최종 마무리 두께 200nm 이하의 박편(47)을 얻을 수 있다.

(단면 가공 방법의 실시 형태)

다음에, 상기 서술한 단면 가공 방법의 개요에 의거하여, 도 1~도 4를 참조해, 가공 순서를 더 자세하게 설명한다.

도 4는, 본 발명의 단면 가공 방법을 나타내는 플로차트이다.

우선, 미리 설정한 이 형성 예정 위치(R)의 근방에 집속 이온 빔(21)을 조사하여, 에칭 가공에 의해 슬로프 형상의 가공홈(41)을 형성한다. 계속해서, 가공 방향(PD)을 향해, 슬라이스 간격(D)으로 가공 영역(42)의 에칭 가공(S1：초기 단면의 형성)을 행한다. 이들 슬로프 형상의 가공홈(41), 및 가공 영역(42)은, 예를 들어, 집속 이온 빔(21)을 균일하게 조사하는, 래스터 스캔에 의해 행하면 된다.

다음에, 슬라이스 가공으로 형성된 단면(42s)에 전자 빔(22)을 조사하여, 시료(S)로부터 발생한 이차 전자에 의거해, 상형성부(23)는 단면(42s)의 SEM상을 형성한다(S2：단면 정보 취득 공정). 그리고, 단면(42s)의 SEM상이 단면상 기억부(32)에 기억된다.

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, 또한, 전자 빔(22)의 조사에 의해 발생하는 X선을 EDS 검출기(18)로 검출한다. 이때, 반도체 웨이퍼인 시료(S)로부터 디바이스를 구성하는 물질인 실리콘, 산소, 알루미늄, 구리 등의 특정 X선이 검출된다. 상형성부(23)는, 전자 빔(21)의 조사 위치와 검출된 특정 X선에 의거하여, 전자 빔(21)의 조사 영역의 물질의 분포인 EDS 맵을 형성한다. 이러한 EDS 맵도, 단면상 기억부(32)에 기억시키면 된다.

다음에, 가공 영역(43)을 에칭 가공할 때의 집속 이온 빔(21)의 조사 조건을 생성시킨다. 우선, 조사 조건 생성부(34)는, 단면상 기억부(32)로부터 상형성부(23)에 의해 형성된 시료(S)의 단면의 SEM상을 읽어낸다. 다음에, 에칭 레이트 기억부(33)로부터, SEM상의 휘도나 농담과, 에칭 레이트를 결부하는 참조 테이블을 참조한다.

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, 단면상 기억부(32)로부터 상형성부(23)에 의해 형성된 시료(S)의 EDS 맵을 읽어내고, 에칭 레이트 기억부(33)로부터, EDS 맵과, 에칭 레이트를 결부하는 참조 테이블을 참조하면 된다.

그리고, 조사 조건 생성부(34)는, 읽어낸 SEM상의 휘도나 농담과, 에칭 레이트 기억부(33)의 참조 테이블을 대비시켜, 단면(42s)의 에칭 레이트 맵을 제작한다(S3：에칭 레이트 맵의 작성).

또한, 단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, 조사 조건 생성부(34)는, 읽어낸 EDS 맵과, 에칭 레이트 기억부(33)의 참조 테이블을 대비시켜, 단면(42s)의 에칭 레이트 맵을 작성하면 된다.

예를 들어, Ga를 이온종으로 하는 집속 이온 빔(21)을 이용하여 시료(S)의 단면(42s)을 형성하면, 이 단면(42s)에 Ga이온의 충돌에 의해 발생한 데미지층이 형성된다. 이러한 데미지층은, 단면(s)에 있어서의 데미지를 받지 않은 영역과 비교하여, 에칭 레이트가 상이하다.

단면 정보 취득 수단(19)으로서 EDS 검출기(18)를 설치하는 경우에는, EDS 검출기(18)에 의해 얻어진 EDS상의 Ga신호에 의거하여, Ga이온에 의한 데미지층을 상정하여, 단면(42s)의 에칭 레이트 맵을 작성하면 된다. 즉, 잔류 Ga가 소정량보다 많이 존재하는 부분을 데미지층이라고 상정하여, 이 데미지층이, 데미지가 없는 영역에 비해 에칭 레이트가 높아지는 에칭 레이트 맵을 작성하면 된다.

또한, 이들 에칭 레이트 맵은, SEM상에 의거하는 것이나, EDS 맵에 의거하는 것 등, 적어도 어느 하나가 작성되면 되고, 복수 종류 작성하여 조합시킴으로써, 단면의 에칭 레이트 맵의 정밀도를 보다 좋게 할 수 있다.

그리고, 조사 조건 생성부(34)는, 가공 조건 기억부(31)로부터, 에칭 레이트마다 가공에 필요한 집속 이온 빔의 조사 조건인 조사 간격, 조사 시간의 데이터를 읽어낸다. 그리고, 작성된 단면(42s)의 에칭 레이트 맵에 의거하여, 단면(42s) 전체를 균일하게 에칭하는데 필요한 집속 이온 빔의 조사 조건을 생성한다(S4: 조사 조건 생성 공정). 이러한 조사 조건은, 단면(42s)의 미소 영역마다, 그 경도에 따라 에칭에 필요한 집속 이온 빔의 조사 간격, 조사 시간을 나타낸 것이다.

또한, 이러한 조사 조건은 집속 이온 빔의 조사 강도를 일정하게 하는 경우, 단면(42s)의 미소 영역마다의 조사 시간을 나타내는 데이터가 된다. 또, 집속 이온 빔의 조사 시간을 일정하게 하는 경우, 단면(42s)의 미소 영역마다의 조사 간격을 나타내는 데이터가 된다.

다음에, 단면 가공 제어부(35)는, 조사 조건 생성부(34)에서 생성된 집속 이온 빔의 조사 조건을 읽어낸다. 그리고, 이 조사 조건에 의거하여, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격이나 조사 시간을 가변 제어하면서, 가공 영역(43)의 에칭 가공을 행한다(S5：단면 가공 공정).

도 5는, 시료의 에칭 가공의 일례를 도시하는 설명도이다. 또한, 이 도 5의 상면도에 있어서는, 집속 이온 빔의 조사를 알기 쉽게 하기 위해, 각각의 영역(E1, E2)은, 깊이 방향의 내부 구조를 나타내고 있으며, 표면에 노출된 상태는 아니다.

이 도 5에 도시하는 예에서는, 시료(S)를 구성하는 복수의 재료 각각의 에칭 레이트에 따라, 집속 이온 빔의 조사 간격을 가변 제어하고 있다.

예를 들어, 도 5(a)에 도시하는 시료(S)의 단면(Sf)에는, 실리콘으로 이루어지는 영역(E1)과, 이 실리콘에 삽입된 텅스텐으로 이루어지는 영역(E2)이 노출되어 있다. 집속 이온 빔(21)으로 에칭을 행하는 경우, 집속 이온 빔(21)의 조사 강도나 조사 밀도를 일률적으로 한 래스터 스캔에서는, 실리콘보다 경도가 높은 텅스텐으로 이루어지는 영역(E2)은, 영역(E1)에 비해 에칭 레이트가 낮아져, 이 부분에 커테이닝이 발생하고, 에칭으로 형성한 단면에는 요철이 발생한다.

한편, 본 발명의 단면 가공 방법에서는, 미리 취득한 SEM상에 의한 단면 정보에 의거하여 작성한 단면(Sf)의 에칭 맵에 따라, 집속 이온 빔의 조사 간격, 조사 시간 등을 가변 제어(벡터 스캔)하면서 에칭을 행한다. 예를 들어, 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 실리콘보다 경도가 높은 텅스텐으로 이루어지는 영역(E2)은, 실리콘으로 이루어지는 영역(E1)보다, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격이 조밀하게 되도록 제어된다. 이에 의해, 단면(Sf) 전체적으로 균일하게 에칭이 행해지고, 에칭 후에 노출되는 단면(관찰면)은, 요철이 매우 적은 평탄한 면이 된다.

상기 서술한 바와 같이, 집속 이온 빔(21)의 조사 간격을 가변 제어하면서, 가공 영역(43)의 에칭 가공을 행하면, 거의 평탄한 요철이 없는 단면(43s)이 얻어진다.

여기서 다시 슬라이스 가공으로 형성된 단면(43s)에 전자 빔(22)을 조사하여, 단면(43s)의 SEM상을 형성한다. 그리고, 이들 단면(43s)의 SEM상에 의거하여, 단면(43s)의 에칭 맵을 제작한다. 그리고, 다음의 가공 영역(44)을, 재료의 경도의 차이에 상관없이 균일하게 에칭하는데 필요한, 집속 이온 빔의 조사 간격, 조사 시간 등을 나타내는 조사 조건을 생성한다.

그리고, 이 가공 영역(44)을 가공하기 위한 조사 조건에 의거하여, 집속 이온 빔의 조사 간격을 가변 제어하면서 가공 영역(44)의 에칭을 행한다. 가공 영역(44)의 단면이 관찰면의 형성 예정 위치(R)인 경우에는, 이 단면을 관찰면(44s)으로 한다(S6: 가공 종단 판단). 이에 의해, 요철이 매우 적은 평탄한 관찰면(44s)이 형성된다. 이와 같이 하여 형성된 관찰면(44s)은, 재질의 경도의 차이에 의한 요철이 없고, 고경도의 재료에 의한 커테이닝의 형성도 억제되어 있으므로, 예를 들어, TEM 관찰시의 박편 시료로 한 경우, 매우 고정밀도로 선명한 관찰상을 얻는 것이 가능하게 된다.

(단면 가공 방법의 다른 실시 형태)

도 6은, 단면 가공에 의해 시료의 박편에 마무리 가공을 행하는 모습을 도시하는 설명도이다. 이 중, 도 6(a)은 시료 전체를 도시하고, 도 6(b)은 박편의 일부를 확대하여 도시한다.

TEM 관찰용의 시료의 박편을 작성하는 경우, 단면의 평탄성이 중요해진다. 또한, 원하는 관찰 대상(예를 들어, 주목하는 하나의 디바이스 구조(도 6의 디바이스 구조(47c)))만을 포함하는 박편이 되도록, 막두께를 얇게 하는 마무리 가공을 행함으로써, 원하는 관찰 대상의 정확한 TEM 관찰을 실현할 수 있다. 예를 들어, 근년의 미세화된 디바이스에 있어서는, 막두께 50nm 이하, 특히 수십nm 정도의 박편을 형성할 필요가 있다.

이로 인해, 도 3(d)에 도시한 단면 가공 방법에 의해 얻어진 박편(47)을 더 얇게 하도록, 집속 이온 빔을 이용하여 마무리 가공을 행한다.

도 6에 있어서, 47a는 마무리 가공에 의해, 도 3(d)에 도시한 박편(47)을 더 박육화시킨 마무리 가공 박편, 47b는 마무리 가공을 행하지 않은 영역(즉, 도 3(d)에 도시한 박편(47)과 같은 두께인 부분)이다. 최종적으로는 마무리 가공 박편(47a)의 두께 내에 디바이스 구조(47c)가 하나만 남도록 마무리 가공을 행한다.

이러한 마무리 가공에 있어서, EDS 측정을 행하여, EDS의 신호 강도로부터 박편의 막두께를 측정한다. EDS 측정을 행하기 위한 전자 빔을 박편의 단면에 조사할 때에, 박편의 막두께가 얇은(예를 들어, 100nm 이하 정도) 경우, 전자 빔의 일부가 박편을 투과하거나, X선을 방출하는 박편의 양이 작아지기 때문에, EDS 신호가 약해진다. 이러한 박편의 막두께와 EDS 신호의 상관 관계를 이용하여 막두께를 측정한다.

박편의 막두께 측정에 있어서는, 디바이스 구조(47c)의 사이즈가 기존의 표준 시료를 이용하여 EDS의 신호 강도와 나머지 막두께의 상관 관계를 조사한 검량 데이터를 미리 취득하고, 이 검량 데이터와 단면(44b)의 EDS의 신호 강도를 비교한다. 혹은, 전자 빔이 투과하지 않는 두께를 가지는 영역(44a)과 측정 영역(44b)의 EDS 신호의 비교에 의해 막두께를 구해도 된다.

이러한 마무리 가공에 있어서도, 도 3에 도시하는 실시 형태와 같이, 집속 이온 빔의 도즈량(단위 면적당 전자의 주입량)을 제어하기 위해, 조사 간격, 조사 시간 등을 가변 제어(벡터 스캔)하면서 에칭을 계속 행하고, 막두께를 측정하여, 박편이 목표한 막두께에 도달했을 때에 마무리 가공을 종료시킨다. 이에 의해, 예를 들어, 주목하는 하나의 디바이스 구조(47c)만을 포함하는 막두께의 박편을 형성할 수 있다.

이러한 마무리 가공에 의해, 평탄한 단면을 가지는 박편을 제작할 수 있으므로, TEM 관찰에 있어서 정확한 TEM상을 얻을 수 있다. 또, 마무리 가공 중에 평탄한 단면의 막두께를 측정하여, 마무리 가공의 종점을 검출할 수 있으므로, 서로 경도가 상이한 재질을 포함하는 재료라도 에칭 레이트에 차가 발생할 일은 없고, 또한, 막두께를 잘못 검출할 일이 없으며, 원하는 막두께에서 마무리 가공을 종료시킬 수 있다.

또한, 상기 서술한 마무리 가공에 있어서, EDS 측정 이외에도 투과 전자, 반사 전자, 또는 이차 전자에 의거하는 신호를 검출하고, 이들 신호로부터 집속 이온 빔의 도즈량을 제어하여 에칭을 계속 행하면서, 막두께를 측정하는 구성으로 할 수 있다.

박편의 막두께 측정 방법으로서는, 예를 들어, WO06/073063에 개시된 수법을 이용할 수 있다. 즉, 측정 영역(44b)의 투과 전자, 반사 전자, 또는 이차 전자의 신호에 의거하여 집속 이온 빔의 도즈량을 제어하여 에칭을 계속 행하면서, 전자 빔이 투과하지 않는 두께를 가지는 영역(44a)과 측정 영역(44b)의 투과 전자, 반사 전자, 또는 이차 전자의 신호를 검출하여, 막두께를 측정할 수 있다.

이상, 본 발명의 단면 가공 장치, 단면 가공 방법을 상세하게 설명했는데, 본 발명은, 특별히 거절히 없는 한, 이들 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.

상기 서술한 실시 형태에서는, 단면의 형성 순서를 자동으로 행하는 예를 나타냈는데, 예를 들어, 단면의 SEM상의 농담이나, EDS 맵의 재질 분포에 따라, 오퍼레이터가 수동으로 집속 이온 빔의 전류값을 가변 제어하면서 에칭을 행하는 구성이어도 된다.

상기 서술한 실시 형태에서는, SEM상에 의해 작성한 에칭 맵에 따라, 집속 이온 빔의 조사 조건을 생성하고 있는데, 단면 정보 취득 수단으로서 EDS 검출기나 EBSD 검출기를 설치한 구성에서는, EDS 맵이나 EBSD 맵에 따라, 집속 이온 빔의 조사 조건을 생성하면 된다.

상기 서술한 실시 형태에서는, 관찰면을 노출시키기까지, 단계적으로 슬라이스 가공과 단면 관찰을 반복하고 있는데, 1회의 에칭에 의해 목적의 관찰면까지 슬라이스 가공을 행하는 구성이어도 된다. 이 경우, 단면 관찰에 의한 SEM상의 취득은, 최초의 1회뿐이다.

경도의 차이에 의한 에칭 레이트를 차를 해소하는 방법으로서는, 집속 이온 빔의 조사 간격, 조사 시간을 들고 있는데, 이들은 각각 단독으로 가변 제어해도, 혹은 2개를 조합시킨 가변 제어를 행해도 된다.

10 단면 가공 장치
11 집속 이온 빔(FIB) 경통
12 전자 빔(EB) 경통
15 집속 이온 빔 제어부
16 전자 빔 제어부
25 제어부

Claims

시료를 향해 집속 이온 빔을 조사하여, 상기 시료의 단면 가공을 행하는 단면 가공 방법으로서,
상기 시료의 단면 정보를 취득하는 단면 정보 취득 공정과,
취득한 상기 단면 정보에 의거하여, 상기 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키면서 조사하여 상기 단면의 에칭을 행하여, 시료 관찰면을 형성하는 단면 가공 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키기 위해, 조사 간격, 또는 조사 시간 중 적어도 어느 하나를 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 단면 정보는, 상기 단면의 콘트라스트, 또는 상기 단면을 구성하는 물질의 분포인 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단면 정보는, 상기 단면의 콘트라스트, 또는 상기 단면을 구성하는 물질의 분포에 의거하여 작성된, 상기 단면의 에칭 레이트 맵인 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단면 정보 취득 공정은 상기 시료의 단면의 SEM상(像)을 취득하는 공정인 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단면 정보 취득 공정은 상기 단면의 EDS 측정 또는 EBSD 측정을 행하는 공정인 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 단면 정보는, 상기 단면의 EDS 측정 또는 EBSD 측정에 의해 측정된 상기 집속 이온 빔의 이온종의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단면 가공 공정은, 미리 설정한 관찰면 위치까지 단계적으로 행해지고, 각 단계에 있어서 상기 단면 정보 취득 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단면 정보에 의거하여, 상기 단면에 조사하는 집속 이온 빔의 조사 조건을 생성하는 조사 조건 생성 공정을 더 구비한 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 6 또는 청구항 7에 기재된 단면 가공 방법에 의해, 상기 시료의 한쪽 단면 및 다른쪽 단면의 가공을 행하여, 상기 시료의 박편을 형성할 때에, 상기 단면 정보 취득 공정에 있어서, 상기 단면의 EDS 측정 또는 EBSD 측정에 의거하여 상기 단면 정보를 취득하고, 상기 단면 정보에 의거하여 상기 시료의 박편을 형성하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 단면 가공 방법에 의해, 상기 시료의 한쪽 단면 및 다른쪽 단면의 가공을 행하여, 상기 시료의 박편을 형성할 때에, 상기 단면 정보 취득 공정에 있어서, 투과 전자, 반사 전자 혹은 이차 전자에 의거하여 상기 단면 정보를 취득하고, 상기 단면 정보에 의거하여 상기 시료의 박편을 형성하는 것을 특징으로 하는 단면 가공 방법.
시료를 올려놓는 시료대와,
상기 시료에 집속 이온 빔을 조사하는 집속 이온 빔 경통과,
상기 시료에 전자 빔을 조사하는 전자 빔 경통과,
상기 시료로부터 발생하는 이차 전자를 검출하는 이차 전자 검출기와,
상기 시료의 단면 정보를 취득하는 단면 정보 취득 공정, 및, 취득한 상기 단면 정보에 의거하여, 상기 집속 이온 빔의 조사량을 가변시키면서 조사하여 상기 단면의 에칭을 행하여, 시료 관찰면을 형성하는 단면 가공 공정을 실행시키는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 단면 가공 장치.