WO2012077554A1 - 荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法 - Google Patents

荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法 Download PDF

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恒典 野間口
雄 関原
寿英 揚村
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/03—Mounting, supporting, spacing or insulating electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus and a charged particle beam irradiation method using an ion beam, for example.
  • a focused ion beam (FIB) apparatus has been used for preparing a thin film sample for observation with a (scanning) transmission electron microscope ((S) TEM).
  • the FIB apparatus has become an indispensable tool in the preparation of thin film samples for semiconductor device failure analysis.
  • Patent Document 1 discloses a method in which a second ion beam (argon ion) different from the first ion beam (gallium ion) used for thin film processing is used for removing the damaged layer. Yes.
  • Patent Document 2 discloses a method for removing a damaged layer by irradiating a thin sample with argon ions using an ion milling apparatus.
  • Patent Document 3 discloses a method for reducing the energy of the ion beam used for the finishing process to be lower than the energy of the ion beam used for the main process in order to reduce the damage layer.
  • a decrease in throughput can be suppressed by performing a finishing process by tilting a sample with reference to an ion beam.
  • Patent Document 4 discloses a method for obtaining a vertical cross section by inclining a sample by a predetermined angle and irradiating an ion beam. In general, processing is performed by inclining the sample surface by an angle of about 3 to 5 degrees with respect to the central axis of the ion beam.
  • Patent Document 5 describes a technique capable of changing the angle of the ion beam with respect to the sample surface from 75 degrees to 90 degrees using an angle changing electrode.
  • Patent Documents 1 to 3 have a great restriction on the irradiation direction of the ion beam. For this reason, it is difficult to irradiate only a desired region of the sample with an ion beam or to irradiate at an optimum angle.
  • the angle of the ion beam with respect to the sample surface can be changed, but the sample cannot be irradiated with the ion beam at an angle larger than that, and a desired angle can be applied to a desired region. It is difficult to irradiate with.
  • An object of the present invention is to realize a charged particle beam apparatus and a charged particle beam irradiation method capable of irradiating a desired region with a wide range of angles with respect to a sample surface with respect to a sample surface.
  • the charged particle beam device includes an ion beam column, a sample chamber to which the ion beam column is attached, a sample stage disposed in the sample chamber, a sample chamber, a trajectory of the ion beam, and a sample An electrode unit for irradiating the sample supported by the stage and an electrode unit movement control unit for moving the electrode unit are provided.
  • the trajectory of the ion beam generated from the ion beam column can change the angle formed with the extension of the central axis of the ion beam column by the electrode unit, and irradiate the sample supported by the sample stage with the ion beam. it can.
  • a charged particle beam apparatus and a charged particle beam irradiation method that can irradiate a desired region with a wide range of angles with respect to a sample surface with respect to a sample surface can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a charged particle beam apparatus according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows an example which shows the track
  • the present invention includes an electrode section for bending the trajectory of charged particles in a sample chamber of a charged particle beam apparatus including an ion beam column. And a charged particle beam is bent by the electric field which this electrode part generates, and a sample is irradiated.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a charged particle beam apparatus to which a first embodiment of the present invention is applied.
  • a charged particle beam apparatus is provided in an ion beam column 201a, a sample chamber 203, and a sample chamber 203, can be applied with voltage, can be moved in any direction, and an inclination angle is adjusted.
  • the charged particle beam apparatus includes an ion beam scan controller 214 for controlling scanning of the ion beam 201b generated from the ion beam column 201a, and a detector 206 for obtaining a scanning ion microscope (SIM) image.
  • a detector controller 215 that provides detected information to the integrated computer 213, a controller (keyboard, mouse, etc.) 216 for an operator to input various instructions such as irradiation conditions, electrode voltage conditions, and position conditions, and the acquired SIM
  • a display 217 for displaying an image.
  • the charged particle beam apparatus includes a current measuring device 207 for using the electrode unit 204 as a second detector, and a current measuring device control device 218 that performs processing such as amplification of the current value detected by the current measuring device 207. And. A current measurement signal from the current measuring device controller 218 is supplied to the integrated computer 213.
  • the ion beam column 201a includes all components necessary for FIB, such as an ion source for generating the ion beam 201b, a lens for focusing the ion beam 201b, and a deflection system for scanning and shifting the ion beam. It is a system.
  • the ion beam column 201 a is mounted in the sample chamber 203.
  • gallium ions are generally used for the ion beam 201b, but any ion species may be used for processing purposes.
  • the ion beam 201b is not limited to the focused ion beam, but may be a broad ion beam.
  • one FIB column 201a is arranged, but two or more ion beam columns may be arranged.
  • a configuration including a Ga focused ion beam column and an Ar focused ion beam column may be employed.
  • the voltage supply device 205 that supplies a voltage to the electrode unit 204 can be modulated.
  • Each controller can communicate with each other and is controlled by the integrated computer 213.
  • one detector 206 for acquiring a SIM image is arranged, but a configuration including two or more identical or different detectors may be employed.
  • a secondary electron detector and a secondary ion detector may be mounted.
  • the sample chamber 203 is equipped with a sample stage, a gas deposition unit, a micro sampling unit, and the like.
  • a sample stage 219 (shown in FIG. 2) for transporting the sample can place the sample 202, and can be moved, rotated, or tilted on a plane.
  • the sample stage 219 can move a position necessary for ion beam processing and observation to an ion beam irradiation position.
  • a gas deposition unit used for production of a protective film and marking can store a deposit gas that forms a deposited film by irradiation with a charged particle beam, and can supply the deposited gas from the tip of a nozzle as necessary.
  • the microsampling unit that picks up a specific portion of the sample 202 by using the processing and cutting of the sample 202 by FIB includes a probe that can be moved in the sample chamber 203 by the probe driving unit.
  • the probe is used to extract a minute sample piece formed on the sample 202 or to supply a potential to the sample by bringing it into contact with the sample surface.
  • the detector controller 215 may include a circuit or an arithmetic processing unit that performs arithmetic processing on the detection signal from the detector 206 and images it.
  • Each drive mechanism such as a sample stage, a deposition unit, and a micro sampling unit also has a control circuit. These control circuits can communicate with each other and are controlled in an integrated manner by one or more computers.
  • FIG. 2 shows a case where the shape of the electrode of the electrode portion 204 is a flat plate electrode, and an ion beam (Ion) beam 301c from the tip portion 301a of the ion beam column 201a is applied by the flat plate electrode 304 to which a voltage is applied. Is bent, and the sample 202 supported by the sample stage 219 is irradiated.
  • the position of the plate electrode 304 position along the extension line of the central axis of the ion beam column 201a, position in the direction orthogonal to the extension line of the central axis of the ion beam column 201a
  • inclination angle ⁇ ion beam column
  • FIG. 2A shows the case where the inclination angle is ⁇ A
  • FIG. 2B shows the case where the inclination angle is ⁇ B.
  • FIG. 3 shows a case where the electrode part 204 has a spherical electrode 404 in shape.
  • the ion beam irradiation position and irradiation angle on the sample 202 can be changed.
  • (A) in FIG. 3 is a case where the distance between the center of the extension line and the spherical electrodes 404 of the central axis of the ion beam column 201a is L A
  • the distance L A is greater than L B.
  • FIG. 4 shows a case where an electrode 504 having a parabolic shape (curved surface shape) is used as the electrode of the electrode unit 204. It is shown that by using this parabolic electrode 504, the spread of the irradiation position of the ion beam 301c can be suppressed.
  • an electrode (a plurality of electrodes) composed of electrodes having the shapes shown in FIGS. 2, 3, and 4
  • various irradiation positions and tilt angles can be changed by changing the position, inclination angle, and rotation angle of the electrodes.
  • An irradiation angle can be realized.
  • the irradiation position and the irradiation angle can also be changed by modulating the voltage applied to the electrode. That is, by combining the electrode shape, electrode voltage, electrode position, ion beam irradiation direction, and sample movement, a desired irradiation position can be irradiated with an ion beam at a desired irradiation angle.
  • the sample surface can be irradiated with the ion beam at a wide range of angles. it can.
  • the angle at which the ion beam 301c is extended from the central axis of the ion beam column 201a is changed by the electrode unit 204, and the electrode unit 204 is moved vertically and horizontally while maintaining the changed beam angle.
  • the ion beam can be irradiated over one surface of the sample 202.
  • a plurality of electrodes 604a (spherical electrodes) and 604b (plate electrodes) may be used simultaneously to realize a desired irradiation position and irradiation angle of the sample 202.
  • the spherical electrode 604a (first electrode portion) can be positioned near the tip portion 301a of the ion beam column 201a
  • the plate electrode 604b (second electrode portion) can be positioned near the sample 202.
  • the support method of the electrode part 204 is not ask
  • a unit for supporting an electrode may be newly prepared, or an electrode may be attached instead of a microsampling probe.
  • the microsampling probe itself may be substituted for the electrode.
  • the electrode unit 204 may be supported on one of the sample stages 219.
  • an electrode unit for bending an ion trajectory 204 may be supported on the eucentric stage, and the sample may be supported on the (S) TEM common sample holder.
  • the operation of the stage that supports the electrode unit 204 can be configured to be controlled by the electrode controller 211.
  • a polyhedral electrode can be applied in addition to a flat plate electrode, a spherical electrode, and a parabolic electrode.
  • the processing becomes non-uniform due to the difference in sputter rate, resulting in streaking in the cross section. For example, in a portion where heavy elements and light elements are alternately present in the upper part of the sample, the sputter rate of that portion is lowered, and a streak is formed in the processed cross section. This streak can be removed or reduced by arbitrarily changing the ion beam irradiation direction so that the sputtering rate is uniform.
  • the ion beam can be irradiated from such an irradiation direction.
  • FIG. 6A shows a method for removing a damaged layer when the present invention is not adopted.
  • a damaged layer 721 is formed on the sample 202 by ion beam irradiation.
  • the ion beam 301b used for removing the damaged layer 721 is an ion beam 301b irradiated from the same direction as the main processing beam. Therefore, as shown in FIG. 6A, the damage layer 721 is removed using a part of the ion beam 301b (a part of the side of the ion beam 301b). Therefore, it is very inefficient.
  • the surface 202a of the sample 202 is processed by the ion beam 301b with the plate electrode 304 moved from the illustrated position. Thereafter, the sample 202 is moved, the plate electrode 304 is moved to the illustrated position, the ion beam 301b is bent by the plate electrode 304, and the damage layer 721 is irradiated, so that the ion beam 301b can be used without waste. The damaged layer 721 can be removed efficiently.
  • the position and inclination of the electrode 304 can be adjusted together.
  • (S) TEM thin film sample preparation as shown in Patent Document 4, in order to obtain a vertical processing cross section, a method of irradiating an ion beam while tilting the sample is taken. If the orientation can be arbitrarily selected, a vertical processed cross section can be obtained without tilting the sample. Furthermore, by irradiating the ion beam from below, the thickened portion (bottom portion) of the thin film sample can be intensively removed, which is efficient.
  • the point that the ion beam can be irradiated from an arbitrary direction is a great advantage also on the observation surface.
  • SIM images from various directions can be acquired even on a sample stage that does not have an inclination mechanism or a rotation mechanism.
  • the current reaching the electrode unit 204 is measured using the current measuring device 207, and the measured current signal is supplied to the integrated computer 213 via the current measuring device control device 218. Then, the integrated computer 213 acquires a SIM image based on the current signal supplied from the current measuring device controller 218. Therefore, a SIM image can be acquired even when the electrode 204 is arranged in the vicinity of the sample 202.
  • the electrode 204 to which a negative voltage is applied is arranged in the vicinity of the sample 202, the same can be said for the secondary ions emitted from the sample 202.
  • the moving distance of the ion beam can be extended.
  • the scanable range of the ion beam depends on the distance from the emission of the ion beam column 201a to the arrival of the sample 202, and the observation region becomes wider as the distance becomes longer.
  • the scanning range of the focused ion beam can be expanded. That is, the observable range at a low magnification can be expanded. This is advantageous when searching for a visual field. It can also be used when processing a wider range.
  • the position in the direction along the extension of the central axis of the ion beam column 201a, the position in the orthogonal direction, and the inclination angle ⁇ (the central axis of the ion beam column 201a).
  • An electrode 204 such as an electrode 304, 404, 504 or the like that can be adjusted) is arranged in the sample chamber 203, and the ion beam 301 c bent by the electrode 304 or the like is applied to the sample 202.
  • the first embodiment of the present invention it is possible to provide an apparatus capable of efficiently removing a damage layer and surface roughness formed on an ion beam irradiation surface during FIB processing.
  • the distance until the ion beam emitted from the ion beam column 201a reaches the sample surface can be extended, and the scanning range can be expanded to expand the low magnification observation range.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of the entire charged particle beam apparatus to which the second embodiment of the present invention is applied.
  • the charged particle beam apparatus includes an SEM column 807a and an electron beam scan controller for controlling scanning of the electron beam 807b of the SEM column 807a in addition to the apparatus configuration of the first embodiment. 818, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the SEM column 807a includes all components necessary for the SEM, such as an electron source for generating an electron beam, a lens for focusing the electron beam, and a deflection system for scanning and shifting the electron beam. It is a system.
  • the charged particle beam apparatus according to the second embodiment of the present invention is an apparatus capable of SEM observation of the cross section of the sample 202 subjected to FIB processing on the spot.
  • the ion beam column 201a is vertically arranged and the SEM column 807a is inclined.
  • the present invention is not limited thereto, and the ion beam column 201a is inclined and the SEM column 807a is arranged. It may be arranged vertically. Further, both the ion beam column 201a and the SEM column 807a may be inclined.
  • a triple column configuration including a Ga focused ion beam column, an Ar focused ion beam column, and an electron beam column may be employed.
  • a detector for obtaining an SEM image, a detector controller for providing detected information to the integrated computer, and an SEM image generated based on the detection signal are displayed.
  • the display is configured to be the same as that for the SIM image, but may include one or a plurality of detectors, a detector controller, and a display as a mechanism for acquiring and displaying the SEM image.
  • the processing state of the ion beam 201b is observed from various directions by SEM observation by bending the electron trajectory and irradiating the sample 202. be able to.
  • the processing state can be observed by SEM by irradiating the front side surface of the sample 202 with an electron beam 807b from the SEM column 807a.
  • the parabolic electrode 904 is bent at the trajectory of the electron beam 807c from the SEM column 807a, and the position irradiated with the ion beam 301c emitted from the tip 301a of the ion beam column 201a is irradiated. It arrange
  • the acceleration voltage of the ion beam 301c is higher than the acceleration voltage of the electron beam 807c.
  • the acceleration voltage of the electron beam 807b is set higher than the acceleration voltage of the ion beam 201b. Is preferable. By doing so, it is possible to realize SEM observation during ion beam processing with little influence on the electron beam 807b.
  • the moving distance of the electron beam 807b can be extended. Therefore, similarly to the case of the SIM observation, it is possible to enlarge the observable range at a low magnification even in the SEM observation.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and as described above, the desired position of the sample surface during processing by the ion beam can be observed by the SEM. Can do.
  • the electric field is used to change the trajectory of the charged particles.
  • the trajectory of the charged particles can be changed using a magnetic field.
  • the charged particle trajectory can be changed by installing a coil or permanent magnet in the sample chamber.
  • the FIB-SEM apparatus provides an apparatus that can observe not only the front surface of the sample but also the back surface thereof.
  • both sides can be observed without moving the sample, and the processing accuracy and processing reproducibility of the thin film sample are dramatically improved.
  • 201a ion beam column, 201b, 301b, 301c: ion beam, 202: sample, 202a: sample surface, 203: sample chamber, 204: electrode unit, 205: voltage supply device, 206: detector, 207: current measuring device 211: electrode controller, 212: voltage controller, 213: integrated computer, 214: ion beam scan controller, 215: controller for detector, 216: controller, 217: display, 218: controller for current measuring device, 219: Sample stage, 721: Damaged layer, 301a: Tip of ion beam column, 304, 604b: Plate electrode, 404, 604a: Spherical electrode, 504, 904: Parabolic electrode, 807a: Scanning electron microscope column, 807b: Electron Beam, 807c: electron beam, 818: electron beam scan Down controller, 923: sample back surface

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Abstract

　荷電粒子線を試料表面に対して、所望の領域に広範囲の角度で照射可能な荷電粒子線装置を実現する。　イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線に沿う方向の位置、直交する方向の位置）や傾斜角度（イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と直交する面に対する傾斜角度）を調整可能な電極を有する電極部２０４を、試料室２０３内に配置し、電極等により、曲げられたイオンビーム２０１ｂを試料２０２の表面に照射するように構成する。イオンビーム２０１ｂを試料２０２の表面の所望の領域に、試料表面に対して広範囲の角度で照射可能となる（図１参照）。

Description

荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法
　本発明は、例えば、イオンビームを用いる荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法に関する。
　近年、（走査）透過電子顕微鏡（（Ｓ）ＴＥＭ）観察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、ＦＩＢ装置は必須のツールとなっている。
　近年、半導体産業を筆頭に、燃料電池や太陽電池といったエネルギー産業や、有機エレクトロルミネッセンス（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）ディスプレイなどのように有機材料を用いた産業など、様々な産業において、構造物の微細化が進み、観察試料や分析試料の加工技術向上が望まれている。例えば、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（Ｓ）ＴＥＭ用薄膜試料作製では、ナノメートルオーダーの加工精度が要求される。その上、構造物の微細化・複雑化にともない、軽元素や重元素が混在することによる加工断面の荒れ（カーテニング模様）も（Ｓ）ＴＥＭ観察用試料としてより一層大きな問題となっている。そのため、（Ｓ）ＴＥＭ観察用薄膜試料の最終仕上げにおいては、所望領域のダメージ層およびカーテニング模様を的確に除去することが要求される。
　上記問題を解決するために、特許文献１には、薄膜加工に用いる第１のイオンビーム（ガリウムイオン）とは異なる第２のイオンビーム（アルゴンイオン）をダメージ層除去に用いる方法が示されている。
　また、特許文献２には、イオンミリング装置を用いてアルゴンイオンを薄片試料に照射することでダメージ層を除去する方法が示されている。
　また、特許文献３には、ダメージ層を低減するために、仕上げ加工に用いるイオンビームのエネルギーを主加工に使用するイオンビームのエネルギーよりも低くする方法が示されている。また、イオンビームを基準に見て、試料を傾斜させて仕上げ加工を行うことでスループットの低下を抑えられることについても示されている。
　また、ダメージ層とは別の問題として、集束イオンビームを試料の表面に対して垂直にビームを照射しても垂直な断面は得られない。これは、集束イオンビームはフォーカス位置に集束する形状となっているためであり、試料の表面に対して垂直な断面を有していなければ、（Ｓ）ＴＥＭ観察用の薄膜試料として適切ではない。
　この問題を回避する方法として、特許文献４には、試料を所定の角度だけ傾けて、イオンビームを照射することにより、垂直な断面を得る方法が示されている。一般的には、試料表面をイオンビームの中心軸に対して３～５度程度の角度だけ傾斜させて加工が行なわれている。
　さらに、特許文献５には、角度変更用電極を用いて、イオンビオームを試料表面に対する角度を７５度から９０度まで変更可能な技術が記載されている。
特開２００４－２６４１４５号公報 特開２００２－２７７３６４号公報 特開２００７－１９３９７７号公報 特開平８－５５２８号公報 特開２００２－１４８１５９号公報
　しかしながら、上記特許文献１～３に記載の技術では、イオンビームの照射方位に大きな制約が存在している。そのため、イオンビームを試料の所望の領域のみに照射することや、最適な角度で照射することが困難であった。
　特許文献４に記載の技術のように、イオンビームに対して試料を傾斜させる技術においても、試料傾斜のみではイオンビームを所望の領域に、所望の角度で照射することは困難である。
　さらに、特許文献５に記載の技術では、イオンビオームの試料表面に対する角度を変更可能ではあるが、それ以上の角度でイオンビームを試料に照射させることはできず、所望の領域に、所望の角度で照射することは困難である。
　本発明の目的は、荷電粒子線を試料表面に対して、所望の領域に広範囲の角度で照射可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法を実現することである。
　本発明における荷電粒子線装置は、イオンビームカラムと、イオンビームカラムが取り付けられた試料室と、試料室内に配置された試料ステージと、試料室内に配置され、イオンビームの軌道を変更し、試料ステージに支持された試料に照射させる電極部と、この電極部を移動させる電極部移動制御部とを備えている。
　イオンビームカラムから発生されたイオンビームの軌道は、電極部により、イオンビームカラムの中心軸の延長線となす角度を変更し、上記イオンビームを上記試料ステージに支持される試料に照射することができる。
　本発明によれば、荷電粒子線を試料表面に対して、所望の領域に広範囲の角度で照射可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法を実現することができる。
本発明の第１の実施例による荷電粒子線装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施例におけるイオンビームの軌道を示す一例を示す図である。 本発明の第１の実施例におけるイオンビームの軌道を示す他の例を示す図である。 本発明の第１の実施例におけるイオンビームの軌道を示す他の例を示す図である。 本発明の第１の実施例におけるイオンビームの軌道を示す他の例を示す図である。 本発明の第１の実施例によるダメージ層除去方法と本発明と異なる例によるダメージ層除去方法との比較説明図である。 本発明の第２の実施例による荷電粒子線装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施例における電子ビームの軌道を説明する図である。
　本発明は、イオンビームカラムを備える荷電粒子線装置の試料室内に、荷電粒子の軌道を曲げるための電極部を備えている。そして、この電極部が生成する電場によって荷電粒子線が曲げられ、試料に照射される。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
　（第１の実施例）
　（荷電粒子線装置の構成の説明）
　図１は、本発明の第１の実施例が適用された荷電粒子線装置の全体の概略構成図である。
　図１において、荷電粒子線装置は、イオンビームカラム２０１ａと、試料室２０３と、試料室２０３内に設けられ、電圧印加が可能で、任意の方向に移動可能であり、かつ、傾斜角度が調整可能な電極部２０４と、この電極部２０４の位置や角度を制御する電極制御器２１１と、電極部２０４に電圧を印加するための電圧供給装置２０５と、電圧供給装置２０５を制御する電圧制御器２１２と、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２１３とを備える。
　さらに、荷電粒子線装置は、イオンビームカラム２０１ａか発生されるイオンビーム２０１ｂの走査を制御するためのイオンビームスキャン制御器２１４と、走査型イオン顕微鏡（ＳＩＭ）像を得るための検出器２０６と、検出した情報を統合コンピュータ２１３に提供する検出器用制御器２１５と、オペレータが照射条件や電極の電圧条件や位置条件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）２１６と、取得したＳＩＭ像を表示するディスプレイ２１７とを備えている。
　さらに、荷電粒子線装置は、電極部２０４を第２の検出器として用いるための電流計測器２０７と、電流計測器２０７が検出した電流値を増幅等の処理を行う電流計測装置用制御装置２１８とを備えている。電流計測装置用制御装置２１８からの電流計測信号は、統合コンピュータ２１３に供給される。
　イオンビームカラム２０１ａは、イオンビーム２０１ｂを発生するためのイオン源や、イオンビーム２０１ｂ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。そして、イオンビームカラム２０１ａは、試料室２０３に搭載される。また、イオンビーム２０１ｂ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２０１ｂ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。なお、本発明の第１の実施例では、１つのＦＩＢカラム２０１ａを配置しているが、２つ以上のイオンビームカラムを配置してもよい。例えば、Ｇａ集束イオンビームカラムとＡｒ集束イオンビームカラムとを備えた構成としてもよい。
　なお、電極部２０４に電圧を供給する電圧供給装置２０５は、変調可能である。また、各制御器は互いに通信可能であり、統合コンピュータ２１３によってコントロールされる。
　また、第１の実施例では、ＳＩＭ像を取得するための検出器２０６を１つ配置したが、２つ以上の同一または異なる検出器を備えた構成としてもよい。例えば、二次電子検出器と二次イオン検出器を搭載してもよい。
　さらに、試料室２０３には、上述した構成以外にも、試料ステージ、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。試料を搬送するための試料ステージ２１９（図２に示す）は、試料２０２を載置することが可能であり、平面移動や回転、傾斜が可能である。また、試料ステージ２１９は、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ることもできる。
　試料２０２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２０２の加工や切断との併用により、試料２０２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２０３内を移動できるプローブを含む。プローブは、試料２０２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。
　また、検出器用制御器２１５は、検出器２０６からの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ていてもよい。また、試料ステージ、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といった各駆動機構も制御回路を各々に持つ。そして、それらの制御回路は互いに通信可能であり、１つまたは複数のコンピュータによって統合的にコントロールされる。
　図２、図３、図４は、図１に示した試料２０２付近の拡大図である。
　図２は、電極部２０４が有する電極の形状が平板電極である場合を示しており、電圧が印加された平板電極３０４によって、イオンビームカラム２０１ａの先端部３０１ａからのイオン（Ｉｏｎ）のビーム３０１ｃが曲げられ、試料ステージ２１９に支持された試料２０２に照射されることを示している。この場合、平板電極３０４の位置（イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線に沿う方向の位置、イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線に直交する方向の位置）や傾斜角度α（イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と直交する面に対する傾斜角度）を変更することで試料２０２上でのイオンビーム３０１ｃの照射位置や照射角度を変更することが可能である。図２の（Ａ）は、傾斜角度がαＡの場合であり、図２の（Ｂ）は、傾斜角度がαＢの場合である。
　また、図３は、電極部２０４が有する電極の形状が球状電極４０４である場合を示している。この場合、球状電極４０４を水平移動（イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と直交する方向への移動）することで、試料２０２へのイオンビーム照射位置や照射角度が変更可能である。図３の（Ａ）は、イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と球状電極４０４の中心との距離がＬＡの場合であり、図３の（Ｂ）は、イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と球状電極４０４の中心との距離がＬＢの場合である。ただし、距離ＬＡはＬＢより大である。
　また、図４は、電極部２０４が有する電極の形状がパラボラ形状（方物曲面形状）の電極５０４を用いる場合を示している。このパラボラ形状の電極５０４を用いることにより、イオンビーム３０１ｃの照射位置の広がりを抑えることができることが示されている。
　また、図２、図３、図４に示したような形状の電極を複合した電極（複数の電極）を用いれば、電極の位置や傾斜角度、回転角度を変更することで様々な照射位置および照射角度を実現することができる。また、電極に印加する電圧を変調することによっても照射位置や照射角度を変更することができる。即ち、電極形状や電極電圧、電極の位置、イオンビームの照射方位、試料の移動を組み合わせることで所望の照射位置に所望の照射角度でイオンビームを照射することができる。具体的には、平行電極３０４を、イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と垂直な状態から水平な状態まで角度を変更することにより、広範囲の角度でイオンビームを試料表面に照射することができる。
　または、電極部２０４により、イオンビーム３０１ｃをイオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線となす角度を変更し、その変更したビームの角度を維持した状態で、電極部２０４を上下左右方向に移動させることにより、試料２０２の一表面に渡ってイオンビームを照射することができる。
　また、図５に示すように、複数の電極６０４ａ（球状電極）、６０４ｂ（平板状電極）を同時に使用して、試料２０２の所望の照射位置や照射角度を実現してもよい。例えば、球状電極６０４ａ（第１の電極部）をイオンビームカラム２０１ａの先端部３０１ａの近傍に位置させ、平板電極６０４ｂ（第２の電極部）を試料２０２の近傍に位置させることも可能である。
　なお、イオンビーム３０１ｃの軌道を曲げるという目的において電極部２０４の支持方法は問わない。例えば、電極支持用のユニットを新規に用意してもよいし、マイクロサンプリングプローブの代わりに電極を取り付けてもよい。もちろん、マイクロサンプリングプローブ自体を電極の代わりしてもよい。また、複数の試料ステージ２１９が備えつけられている場合には、試料ステージ２１９の１つに電極部２０４を支持してもよい。例えば、ＸＹＺの駆動機構、傾斜機構、および回転機構を備えた試料ステージ（ユーセントリックステージ）と（Ｓ）ＴＥＭ共用試料ホルダとを備えた荷電粒子線装置において、イオンの軌道を曲げるための電極部２０４をユーセントリックステージに支持し、試料を（Ｓ）ＴＥＭ共用試料ホルダに支持してもよい。この場合、電極部２０４を支持するステージの動作を電極制御器２１１で制御するように構成できる。
　また、上述した電極の例として、平板電極、球状電極、パラボラ形状電極の他に、多面体電極も適用可能である。
　（イオンビームの任意方向照射についての説明）
　以上のような構成を有し、イオンビームが照射できる荷電粒子線装置に、イオンの軌道を曲げる電極を試料室に搭載する効果は、イオンビームを任意の方向から照射できることであり、以下、その説明を行う。
　重元素と軽元素が混在した試料をイオンビームで加工すると、スパッタレートの違いにより加工不均一になり、断面に筋ができる。例えば、重元素と軽元素が交互に試料の上部に存在する部分では、その部分のスパッタレートが低下し加工断面に筋ができる。この筋は、スパッタレートが均一になるようにイオンビームの照射方向を任意に変更することにより除去または軽減することが可能になる。
　また、（Ｓ）ＴＥＭ用薄膜試料作製においては、試料の観察領域の下方に重元素の領域がくるようなイオンビーム照射方位をとることで、観察領域の表面荒れを防ぐことが可能である。
　本発明の第１の実施例によれば、このような照射方位からイオンビームを照射することが可能となる。
　また、イオンビーム照射によるダメージ層の除去を高効率で行うことが可能となる。
　図６の（Ａ）は、本発明を採用しない場合のダメージ層の除去方法を示す。イオンビーム３０１ｂを用いて、試料２０２の表面２０２ａを加工した場合、イオンビーム照射により、試料２０２には、ダメージ層７２１が形成される。このダメージ層７２１の除去に用いるイオンビーム３０１ｂは、主加工ビームと同一方向から照射するイオンビーム３０１ｂである。そのため、図６の（Ａ）に示すように、イオンビーム３０１ｂの極々一部（イオンビーム３０１ｂの側部の一部）を用いてダメージ層７２１を除去することになる。そのため、非常に効率が悪い。
　これに対して、図６の（Ｂ）に示す本発明を適用した場合に例においては、平板電極３０４を図示した位置から移動した状態で、イオンビーム３０１ｂにより、試料２０２の表面２０２ａを加工した後、試料２０２を移動し、かつ、平板電極３０４を図示した位置に移動して、イオンビーム３０１ｂを平板電極３０４で曲げて、ダメージ層７２１の照射することで、イオンビーム３０１ｂを無駄なく利用し効率よくダメージ層７２１を除去することができる。
　また、電極３０４の位置や傾きをコントロールし、試料２０２上の所望の領域に所望の角度で照射することで、表面の凹凸を除去することもできる。例えば、イオンビーム照射によって生成された表面荒れを効率よく除去することができる。その際、電極３０４の位置や傾きに加え、試料２０２の位置や傾きも合わせて調整してもよい。
　また、（Ｓ）ＴＥＭ用薄膜試料作製において、特許文献４に示されているように垂直な加工断面を得るために試料を傾斜させてイオンビームを照射する方法が取られるが、イオンビームの照射方位を任意に選択することができれば、試料を傾斜させなくても垂直な加工断面を得ることができる。さらに、下方からイオンビームを照射することで、薄膜試料の厚くなっている部分（裾の部分）を集中的に除去することができ効率的である。
　さらに、イオンビームを任意方位から照射できる点は、観察面においても大きな利点である。例えば、傾斜機構や回転機構を持たない試料ステージにおいても様々な方向からのＳＩＭ像を取得することができる。例えば、カラム下方から観察したＳＩＭ像や、光軸に対して水平な方向から観察したＳＩＭ像の取得も可能である。その結果、試料の立体構造をより正確に分析することが可能になる。尚、ＳＩＭ像取得方法として電極を検出器として用いてもよい。
　ところで、図１において、正の電圧を印加した電極２０４を試料２０２の近傍に配置した場合、試料２０２から放出された二次電子の多くは、電極２０４の電圧に引き寄せられ、検出器２０６に到達しない。そのため、検出器２０６ではＳＩＭ像の取得が困難となる。
　そこで、電流計測装置２０７を用いて、電極部２０４に到達する電流を測定し、測定された電流信号が電流計測装置用制御装置２１８を介して、統合コンピュータ２１３に供給される。そして、統合コンピュータ２１３が、電流計測装置用制御装置２１８から供給された電流信号に基づいて、ＳＩＭ像を取得する。したがって、試料２０２の近傍に電極２０４を配置した場合においてもＳＩＭ像を取得することができる。
　また、負の電圧を印加した電極２０４を試料２０２の近傍に配置した場合には、試料２０２から放出された二次イオンにおいて上述と同様なことが言える。
　このように、本発明を用いることで、集束イオンビーム照射によって形成される非晶質層や観察断面の荒れを効率よく除去し、かつ加工状況をより正確に知ることが可能となる。
　（低倍率観察）
　次に、本発明の第１の実施例により、低倍率の観察可能範囲を拡大可能であることを説明する。
　本発明の第１の実施例のように、イオンビームを迂回させて試料２０２に照射することで、イオンビームの移動距離を伸ばすことができる。イオンビームの走査可能範囲は、イオンビームカラム２０１ａを出射してから試料２０２に到達するまでの距離に依存し、距離が長くなるほど観察領域は広くなる。
　従って、本発明の第１の実施例によれば、集束イオンビームの走査範囲を広げることができる。即ち、低倍率の観察可能範囲を広げることができる。この点は、視野探しを行なう上で優位である。また、より広範囲を加工したい場合にも利用可能である。
　以上のように、本発明の第１の実施例によれば、イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線に沿う方向の位置、直交する方向の位置や傾斜角度α（イオンビームカラム２０１ａの中心軸の延長線と直交する面に対する傾斜角度）を調整可能な電極３０４、４０４、５０４などの電極２０４を、試料室２０３内に配置し、電極３０４等により、曲げられたイオンビーム３０１ｃを試料２０２の表面に照射するように構成したので、イオンビームを試料表面の所望の領域に、試料表面に対して広範囲の任意の角度で照射可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法を実現することができる。
　以上のように、本発明の第１の実施例によれば、ＦＩＢ加工時にイオンビーム照射面に形成されるダメージ層や表面荒れを効率よく除去できる装置を提供することができる。
　さらに、イオンビームカラム２０１ａから出射されたイオンビームの試料表面に到達するまでの距離を延長することが可能であり、走査範囲を拡大して、低倍率の観察範囲を拡大することができる。
　（第２の実施例）
　（荷電粒子線装置の構成の説明）
　図７は、本発明の第２の実施例が適用される荷電粒子線装置全体の概略構成図である。
　なお、第２の実施例における荷電粒子線装置は、第１の実施例の装置構成に加え、ＳＥＭカラム８０７ａと、このＳＥＭカラム８０７ａの電子ビーム８０７ｂの走査を制御するための電子ビームスキャン制御器８１８とを備えており、他の構成は第１の実施例と同等となっている。
　また、ＳＥＭカラム８０７ａ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。
　本発明の第２の実施例による荷電粒子線装置は、ＦＩＢ加工した試料２０２の断面をその場でＳＥＭ観察できる装置である。
　なお、本発明の第２の実施例では、イオンビームカラム２０１ａを垂直配置し、ＳＥＭカラム８０７ａ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２０１ａを傾斜配置し、ＳＥＭカラム８０７ａを垂直配置してもよい。また、イオンビームカラム２０１ａとＳＥＭカラム８０７ａ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、本発明の第２の実施例では、ＳＥＭ像を得るための検出器と、検出した情報を統合コンピュータに提供する検出器用制御器と、検出信号に基づいて生成されたＳＥＭ画像を表示するディスプレイは、ＳＩＭ像用のものと同一のものを用いる構成としているが、ＳＥＭ像を取得・表示する機構として、１つまたは複数の検出器、検出器用制御器、ディスプレイを備えてもよい。
　（加工状況のＳＥＭ観察）
　本発明の第２の実施例における加工状況のＳＥＭ観察について説明する。
　ＳＥＭカラム８０７ａを備えた荷電粒子線装置である本発明の第２の実施例においては、電子の軌道を曲げて試料２０２に照射することでイオンビーム２０１ｂの加工状況を様々な方位からＳＥＭ観察することができる。
　試料２０２の表側の面を観察する場合は、図７に示すように、ＳＥＭカラム８０７ａからの電子ビーム８０７ｂを試料２０２の表側面に照射して、加工状況をＳＥＭ観察することができる。
　また、例えば、図８に示すように、パラボラ形状電極９０４をＳＥＭカラム８０７ａからの電子線８０７ｃの軌道を曲げて、イオンビームカラム２０１ａの先端部３０１ａから出射されたイオンビーム３０１ｃが照射される位置に配置された試料２０２に向かうように配置する。これにより、ＳＥＭカラム８０７ａから見て、試料２０２の裏側の面９２３を観察することができ、薄膜試料２０２の両面において加工状況をより正確に把握することができ、試料加工精度を向上させることができる。
　ただし、イオンビーム２０１ｂ照射による試料加工中に、ＳＥＭカラム８０７ａから見て裏側の試料面９２３をＳＥＭ観察する場合には、イオンビーム３０１ｃの加速電圧を電子ビーム８０７ｃの加速電圧より高くする方が望ましい。そうすることで、イオンビーム３０１ｃには殆んど影響を及ぼすことなく、図８に示すような電子の軌道を実現することができる。
　一方、電極２０４によって軌道を曲げられたイオンビーム２０１ｂを用いて加工を行っている最中にＳＥＭ観察を行う場合には、イオンビーム２０１ｂの加速電圧よりも電子ビーム８０７ｂの加速電圧を高く設定する方が望ましい。そうすることで、電子ビーム８０７ｂには殆んど影響を及ぼすことなくイオンビーム加工中のＳＥＭ観察を実現することができる。
　また、電子ビーム８０７ｂを迂回させて試料２０２に照射することで、電子ビーム８０７ｂの移動距離を伸ばすことができる。これにより、ＳＩＭ観察の場合と同様、ＳＥＭ観察においても低倍率の観察可能範囲を拡大することができる。
　本発明の第２の実施例によれば、第１の実施例と同様の効果を得ることができる他、上述したように、イオンビームによる加工中の試料表面の所望位置をＳＥＭにより観察することができる。
　なお、本発明の第１、第２の実施例ともに、荷電粒子の軌道を変えるために電場を用いたが、磁場を用いても荷電粒子の軌道を変えることができる。例えば、コイルや永久磁石を試料室に設置することで荷電粒子の軌道を変えることもできる。
　また、最先端デバイスや機能材料の高品位な薄膜試料作製が可能となり、加工効率が飛躍的に向上するとともに、（Ｓ）ＴＥＭにおける解析精度も飛躍的に向上する。
　さらに、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置では、試料の表面だけでなく、裏面もＳＥＭ観察できる装置を提供する。薄膜試料作製において、試料を動かすことなく両面を観察することが可能となり、薄膜試料の加工精度および加工再現性が飛躍的に向上する。
　２０１ａ：イオンビームカラム、２０１ｂ、３０１ｂ、３０１ｃ：イオンビーム、２０２：試料、２０２ａ：試料表面、２０３：試料室、２０４：電極部、２０５：電圧供給装置、２０６：検出器、２０７：電流計測器、２１１：電極制御器、２１２：電圧制御器、２１３：統合コンピュータ、２１４：イオンビームスキャン制御器、２１５：検出器用制御器、２１６：コントローラ、２１７：ディスプレイ、２１８：電流計測装置用制御装置、２１９：試料ステージ、７２１：ダメージ層、３０１ａ：イオンビームカラムの先端部、３０４、６０４ｂ：平板電極、４０４、６０４ａ：球状電極、５０４、９０４：パラボラ電極、８０７ａ：走査電子顕微鏡カラム、８０７ｂ：電子ビーム、８０７ｃ：電子ビーム、８１８：電子ビームスキャン制御器、９２３：試料裏面

Claims (18)

  1. 　イオンビームを照射するイオンビームカラムと、
    　上記イオンビームカラムが取り付けられた試料室と、
    　上記試料室内に配置され、試料を支持する試料ステージと、
    　上記試料室内に配置され、上記イオンビームカラムから発生されたイオンビームの軌道を変更し、上記試料ステージに支持される試料に照射させる電極部と、
    　上記電極部を上記試料室内で移動させる電極部移動制御部と、
    　上記電極部に電圧を供給する電圧供給部と、
    　を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部移動制御部は、上記電極部の位置及び傾斜角度を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部は、上記電極部が、上記イオンビームカラムから見て、上記試料ステージに支持される試料よりも下方に位置させて、イオンビームを上記試料に照射させることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部は、平板状の電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部は、球状の電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部は、放物曲面形状の電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部は、多面体の電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部は、上記イオンビームカラムの近傍に位置する第１の電極部と、上記試料ステージの近傍に位置する第２の電極部とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部に到達する二次イオン又は二次電子を検出する電流計測部と、この電流計測部により計測された二次イオン又は二次電子に基づいて、走査型イオン顕微鏡像を形成する統合コンピュータとを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　イオンビームを照射するイオンビームカラムと、
    　上記イオンビームカラムが取り付けられた試料室と、
    　上記試料室内に配置され、試料を支持する複数の試料ステージと、
    　上記試料室内に配置された上記複数の試料ステージのうちの一つに配置され、上記イオンビームカラムから発生されたイオンビームの軌道を変更し、上記複数の試料ステージのうちの他のステージに支持される試料に照射させる電極部と、
    　上記電極部を上記試料室内で移動させる電極部移動制御部と、
    　上記電極部に電圧を供給する電圧供給部と、
    　を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部移動制御部は、上記電極部の位置及び傾斜角度を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
    　上記電極部移動制御部は、上記電極部が、上記イオンビームカラムから見て、上記試料ステージに支持される試料よりも下方に位置させて、イオンビームを上記試料に照射させることを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　電子ビームを上記試料ステージに支持される試料又は上記電極部に照射する走査電子顕微鏡カラムと、この走査電子顕微鏡カラムから照射される電子ビームの走査を制御する電子ビームスキャン制御部とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　イオンビームを照射するイオンビームカラムと、上記イオンビームカラムが取り付けられた試料室と、上記試料室内に配置され、試料を支持する試料ステージとを有する荷電粒子線装置における荷電粒子線照射方法において、
    　上記イオンビームカラムから発生されたイオンビームの軌道を、上記試料室内に配置され、電圧が供給される移動可能な電極部により、上記イオンビームカラムの中心軸の延長線となす角度を変更し、上記イオンビームを上記試料ステージに支持される試料に照射することを特徴とする荷電粒子線照射方法。
  15. 　請求項１４に記載の荷電粒子線照射方法において、
    　上記電極部の位置及び傾斜角度を制御することを特徴とする荷電粒子線照射方法。
  16. 　請求項１５に記載の荷電粒子線照射方法において、
    　上記電極部移動制御部は、上記電極部が、上記イオンビームカラムから見て、上記試料ステージに支持される試料よりも下方に位置させて、イオンビームを上記試料に照射させることを特徴とする荷電粒子線照射方法。
  17. 　請求項１５に記載の荷電粒子線照射方法において、
    　上記イオンビームカラムの近傍に位置する第１の電極部と、上記試料ステージの近傍に位置する第２の電極部とを用いて、上記イオンビームの照射方向を変更することを特徴とする荷電粒子線照射方法。
  18. 　請求項１４記載の荷電粒子線照射方法において、
    　上記電極部に到達する二次イオン又は二次電子を電流計測部により検出し、この電流計測部により計測された二次イオン又は二次電子に基づいて、走査型イオン顕微鏡像を形成することを特徴とする荷電粒子線照射方法。
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