イオンビーム加工装置及び加工方法
【課題】本願の目的は，イオンビームによる断面形成時間を短縮する加工方法，およびウェーハから微小試料を分離する加工時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置を提供することにある。
【解決手段】本発明によるイオンビーム加工装置は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，デュオプラズマトロン５１，非軸対称イオンビームレンズ５２，ステンシルマスク５７，などから構成されており，断面に垂直方向に急峻なビームプロファイルを持つアルゴンイオンビームにより試料１１から微小試料１３９を摘出する。
【効果】本願によると，デバイス製造ウェーハ検査・不良解析のための断面観察結果が短時間で得られる。さらに試料を取り出したおよびウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させない新たな検査・解析方法，および高歩留まりの電子部品製造方法が提供される。
【解決手段】本発明によるイオンビーム加工装置は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，デュオプラズマトロン５１，非軸対称イオンビームレンズ５２，ステンシルマスク５７，などから構成されており，断面に垂直方向に急峻なビームプロファイルを持つアルゴンイオンビームにより試料１１から微小試料１３９を摘出する。
【効果】本願によると，デバイス製造ウェーハ検査・不良解析のための断面観察結果が短時間で得られる。さらに試料を取り出したおよびウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させない新たな検査・解析方法，および高歩留まりの電子部品製造方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体デバイスなどの電子部品の検査・解析方法，電子部品製造方法に係わり，試料断面のイオンビームによる加工方法，試料から微小試料を分離または分離準備する試料加工方法，およびイオンビーム加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイナミックランダムアクセスメモリに代表される半導体メモリやマイクロプロセッサ，半導体レーザなど半導体デバイス，および磁気ヘッドなど電子部品の製造においては，高歩留まり製造が求められる。これは不良発生による製品歩留りの低下は，採算の悪化を招くからである。このため，不良の原因となる欠陥や異物，加工不良の早期発見および早期対策が大きな課題となっている。例えば，電子部品の製造現場では，入念な検査による不良発見，およびその発生原因の解析に注力されている。ウェーハを用いた実際の電子部品製造工程では，プロセス途中にあるウェーハを検査して，回路パターンの欠陥や異物など異常箇所の原因を追及して対策方法が検討される。
【０００３】
通常，試料の異常箇所の観察には高分解能の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope以下，ＳＥＭと略記）が用いられる。また近年ではＳＥＭと集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）の複合機ＦＩＢ-ＳＥＭ装置も用いられるようになった。このＦＩＢ-ＳＥＭ装置では，ＦＩＢを照射して所望の箇所に角穴を形成することにより，その断面をＳＥＭ観察することができる。
【０００４】
特開２００２−１５０９９０号公報『微小試料加工観察方法及び装置』には，ＦＩＢにより試料の異常箇所近傍に角穴を形成し，当該角穴の断面をＳＥＭ装置で観察することにより，欠陥や異物などを観察・解析する装置が開示されている。国際公開公報ＷＯ９９／０５５０６『試料作製方法及び装置』には，ＦＩＢおよびプローブを用いて，バルク試料からＴＥＭ観察用の微小試料を摘出する技術が開示されている。 特開２０００−１５６３９３号公報『電子部品製造方法』には，ウェーハから検査用の微小試料をウェーハを割断することなく取り出し，微小試料を取りだした後のウェーハは製造ラインに戻す手法が開示されている。当文献に記載の発明においては，加工プロセスでの進捗状況はモニタで監視され，ウェーハの検査・解析が行なわれる。特開平７−３２０６７０号公報『集束イオンビーム手段をもちいた処理方法およびその装置』にはヘリコン波イオン源を使い，ビームスポット径０．１μｍのアルゴンイオンビームでＳＥＭ観察用の試料を加工する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５０９９０号公報
【０００６】
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ９９／０５５０６
【特許文献３】特開２０００−１５６３９３号公報
【特許文献４】特開平Ｈ７-３２０６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
試料をイオンビームにより加工して断面を形成して，断面を電子顕微鏡で観察する技術，またはイオンビームにより試料から微小試料を分離して微小試料を電子顕微鏡で観察する技術には次のような課題が残されていた。
【０００８】
半導体メモリやマイクロプロセッサ等の電子部品の不良解析では，複数箇所の同時解析や解析結果の短時間でのフィードバックが強く求められている。すなわち，発見された不良箇所からなるべく早く解析用試料を摘出・調整し，検査・解析を行ない，得られた結果をできる限り早期に製造プロセスへフィードバックすることが，製造コスト低減の上で重要である。現状では，イオンビームによる断面形成には５〜１０分程度，イオンビームによる微小試料の摘出には３０〜６０分程度要しているが，製造ラインの要求に対して十分短いとは言えず，試料から観察・解析用試料を調整するまでの時間の短縮が課題となっている。
【０００９】
従来、イオンビームの加工の際には、ビームスポット形状が円形のイオンビームが使用されている。円形のビームを使用する場合、試料断面の加工精度は、ビーム径（イオンビームスポット形状の曲率）で決まる。また、イオンビームによる加工時間は，イオンの照射電流にほぼ反比例する。つまり，イオンビーム電流を大きくすればイオンビーム加工時間は短縮できる。しかし，イオンビーム電流はイオンビーム径が決まると，イオン源やイオン光学系の性能に依存して最大値が決まってしまう。イオン電流とビーム径の特性はレンズの制御値とアパーチャの口径によって決まる特性ではあるが，アパーチャ口径を大にすると電流は大になるが，レンズの収差が増大するためビーム径も大きくなるという関係がある。
【００１０】
図２には、従来のイオンビームにより断面を形成する場合，イオンビーム電流に着目した３個のビームモードを使った加工手順を模式的に示す。Ａ，Ｂ，Ｃの３個のビームモードはビーム径および電流によって特長付けられる。Ａモードはビーム径が約１μｍ，電流が約１０ｎＡ，Ｂモードはビーム径が約２００ｎｍ，電流が約３ｎＡ，Ｃモードはビーム径が約３０ｎｍ，電流が約２００ｐＡである。まず，Ａモードのイオンビームを用いて矩形に走査して角穴を形成する。しかし，ここでは電流は大であるがビーム径も大きいため加工断面はなだらかな曲面になり，観察には適さない。そこで次にＢモードのイオンビームで断面部分を走査し，断面をより急峻に加工する。さらにＣモードのイオンビームにより仕上げの加工により観察するべき断面が完成する。図２では観察断面に，電極断面やプラグ断面が露出していることがわかる。また，ＴＥＭ用観察用の薄膜の場合にも，断面両側から同様に加工することになる。ここでＢモードやＣモードのイオンビームは電流が小さいため電流に反比例した長い時間を要してしまい，観察までの時間が長く，短時間での断面観察は実現されていなかった。
【００１１】
また，シリコンウェーハをガリウムで汚染させることを避け，断面観察後のシリコンウェーハをプロセスラインに戻すためには，イオンを不活性ガスや酸素などの非汚染イオン種にする。この場合，イオン源を液体金属イオン源に換えてプラズマイオン源を採用するが，イオン源輝度が少なくとも２桁から３桁低くなる。このとき断面を仕上げるためにビーム径０．１μｍにすると得られる電流はせいぜい数ｐＡになり，断面加工のためには１時間以上要することになる。このため非汚染イオン種によるデバイス特定箇所の垂直断面観察は実現されていなかった。
【００１２】
上述の問題点に鑑み，本願の目的は半導体デバイス等の歩留向上のために，従来よりも加工時間を長くすることなく、イオンビームによる断面形成の加工精度を向上可能な加工方法，およびウェーハを割断することなく微小試料を分離または分離準備する時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置を提供することにある。さらに，イオンビームに不活性ガスや酸素，窒素イオンを用いたときに，断面形成時間を短縮する加工方法，ウェーハから解析用サンプルを分離または分離準備する時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願では、加工時間を保ったまま加工精度を向上するために、イオンビームのビーム断面形状を楕円状に成形する。楕円状に成形することにより、楕円の短径方向と長径方向とで、それぞれ大小２つの異なるビーム径を有するイオンビームが生成できる。そこで、試料断面の加工には、ビーム径の小さなビームスポットの短径方向を用いる。これにより、円形ビームを用いた場合に比較して、試料の加工精度を向上できる。実際に試料の加工を行なう際には、ビーム径の小さな短径方向が被加工試料の加工断面に向くように、イオンビームと試料との相対位置関係を制御する。相対位置関係を制御するための具体的な手段に関しては、実施例で後述する。
【００１４】
また、イオンビームのスポット形状を楕円状に成形する以外にも、本願の課題は解決可能である。例えば、試料上のビーム形状をステンシルマスクのような型を用いて矩形に成型しても良い。この場合には、矩形の４辺のうち、少なくとも１辺の急峻さが、他の３辺の急峻さよりも小さくなるようにイオンビームを成形する。ここで、「急峻さ」とは、イオンビームのビーム強度が、最大領域からゼロに向かってどれだけの勾配で小さくなっているかを示す概念であり、定量的には、イオンビームプロファイルの裾の幅で表現される。急峻さの制御手段およびイオンビームプロファイルについては、実施例で後述する。
【００１５】
以上、本発明では、イオンビームを、その試料上のビームが、イオンビーム照射軸（イオンビーム光軸）を中心として、非対称（『非軸対称』および照射軸を中心とする９０度回転に対して非対称も含む）になるように成形することにより、課題を解決する。
【発明の効果】
【００１６】
本願によると，半導体デバイス等の歩留向上のために，イオンビームによる断面形成加工時間を短縮する加工方法，およびウェーハを割断することなく微小試料を分離または分離準備する加工時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置が提供される。さらにイオンビームに不活性ガスや酸素，窒素イオンを用いたときに，断面形成時間を短縮する加工方法，ウェーハから解析用サンプルを分離または分離準備する時間を短縮する加工方法が提供され，およびイオンビーム加工装置が提供される。さらにウェーハを評価のために無駄に廃棄せず，かつ検査のための試料を取り出したウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させない新たな検査・解析方法が提供される。また本願による電子部品製造方法を用いることで，ウェーハを割断することなく評価でき，新たな不良を発生させず，高価なウェーハを無駄にすることはない。ひいては，電子部品の製造歩留りが向上する。さらに，解析用サンプルを分離または分離準備する方法，検査・解析方法，および電子部品製造方法を実現できるイオンビーム加工装置が提供される。
【実施例１】
【００１７】
本実施例では、楕円または長方形の開口部を備えたアパーチャにより、イオンビームのスポット形状を成形する実施例について説明する。図１に、本実施例のイオンビーム加工装置の概略構成図を示す。本イオンビーム加工装置２３は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，ガリウムイオンを放出する液体金属イオン源３１，コンデンサレンズ３２，ビーム制限アパーチャ３３，アパーチャ回転機構３７，イオンビーム走査偏向器３４，対物レンズ３５，などから構成されるイオンビーム照射系が配置されている。また，電子銃７，電子銃７から放出する電子ビーム８を集束する電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０等で構成される電子ビーム照射系が配置されている。さらに，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１４，デポガス源１７，および試料１１などが配置されている。また本装置を制御する装置として，イオン源制御装置８１，レンズ制御装置８２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器の制御装置１９，アパーチャ回転制御機構３８，イオン走査偏向制御装置８３，および計算処理装置８５などが配置されている。ここで，計算処理装置８５は、装置ユーザが必要な情報を入力するための情報入力手段や、二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイ等を備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置８５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。
本装置では，液体金属イオン源３１より放出されたガリウムイオンは，コンデンサレンズおよび対物レンズによって試料上に集束される。なお，集束条件設定は計算処理装置８５への入力によってなされる。また試料上に照射されるビーム径は，イオン源を光源とする試料上への結像と，レンズによる収差によって決定される。レンズによる収差は，ビーム制限アパーチャの開口が大きくなると増大しビーム径の拡大となる。
【００１８】
図３(a)(b)にビーム制限アパーチャの平面形状の一例を示す。図３(a)は従来のアパーチャ３で直径の異なる複数の円形の穴が用意されている。図３(b)は本実施の形態の例で，円形の穴，楕円形の穴，および長方形の穴といった非軸対称形状の穴が複数個用意されている。円形は従来と同じで主に像観察する場合に用いる。楕円形や長方形は断面形成する場合に用いるもので，楕円形の長径の方向あるいは長方形の長辺の方向，すなわち図３のＹ方向が断面に平行方向となる。さらに，ビームを矩形に走査した場合，一辺の方向はこのＹ方向と平行にする。なお，ビーム制限アパーチャ上の開口の領域内でイオンビーム電流密度がほぼ一様とすると，試料に到達するイオンビーム電流は開口の面積にほぼ比例する。なお本実施例ではビーム制限アパーチャとして楕円または長方形を取り上げたが，形状が非軸対称であり，穴の最大幅方向に対して略直角方向の幅が概最小幅になるような形状であれば良く，このような形状を本出願では楕円状または長方形状と称する。言うまでもないが楕円状とは形状に明確な角が無いものを指し，長方形状とは角を複数個有するものも指す。また長方形状は必ずしも４角形でなくても５角形以上や３角形でも良い。
【００１９】
図４には，図３(b)に示した非軸対称形状の開口を備えたアパーチャを通過して得られるイオンビームの強度プロファイルを示す。図４(a)は，試料上に投影されるビームをＸ方向から見たプロファイル断面図，図４(b)は，Ｙ方向から見たプロファイル断面図である。Ｘ方向に細く，Ｙ方向に太い分布となっており非軸対称形状に成形されていることがわかる。また例えば長径の長さを短径の２倍にすると，短径が直径の円に比べて開口の面積は２倍になるため，イオンビーム電流は約２倍になる。長径方向のビーム径は短径方向より大きくなるが，その大きさは収差の大きさに依存する。
【００２０】
断面加工では，まず円形の穴を通過させたイオンビームをイオンビーム走査偏向器３４により試料上で走査させる。そして試料から放出された二次粒子を二次粒子検出器１２で検出する。そして計算処理装置８５のディスプレイの画面で，二次粒子検出器１２の検出信号を輝度変調して試料の画像を表示する。
【００２１】
図５(a)に計算処理装置８５のディスプレイ画面４０１の例を示す。この試料ではプラグ５０１を破線５０２の位置で矢印５０３の方向から観察する。しかし，この画面では破線がＹ方向に対して角度θだけ傾斜していることがわかる。そこで操作者が画面を観察しながら試料ステージを回転させて破線がＹ方向に平行となるようにする。なお，図５(a)で破線の位置情報を入力することにより計算処理装置で回転角度を計算させて自動で試料ステージを回転させることもできる。破線の位置情報とは、例えば、破線の終点の位置座標等である。装置ユーザは、破線の端点をポインタで指定するなどして、計算処理装置に破線の位置座標を入力する。
【００２２】
図５(b)に回転後の画面を示す。この画面で試料画像を表示させた状態で，加工すべき矩形領域を設定する。この設定は，これは画面上で操作者がポインタを使うか，またはキーボードからの数字入力により行う。走査領域設定ウインドウ４０２には試料画像表示領域４０３があり，ここに試料画像が表示される。この領域でビーム走査領域４０４を設定する。例えば矩形領域の４隅の位置[1]〜[4]を画面上でポインタ４０５を使って指定するか，あるいは座標入力領域４０６に座標数字を入力する。
【００２３】
次に，長径の長さを短径の２倍にした楕円形の穴を通過させたイオンビームを用いて設定した矩形領域を走査させることにより断面加工を実施する。このビームを用いて断面加工した場合には，イオンビーム電流が従来の円形のビームに比べ２倍であるため加工時間は従来に比べ約１／２にすることができる。すなわち、長径と短径の比率を制御することにより、短径の長さを直径とする軸対称形状、例えば円形にイオンビームスポット形状を成形した場合に対して、イオンビーム電流値を任意の大きさに制御することができる。即ち、長径方向に対してはイオンビームを絞らないためイオンビーム電流が増大し、試料の加工はビームのスポットの短径方向で行なうため加工精度が低下しない。
【００２４】
なお，ここで重要なのはアパーチャ形状の非軸対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように装置を設定することである。この設定は装置設計の際に固定することも可能であるが，アパーチャの回転機構を設け，計算処理装置の指令によって行うことも可能である。すなわち，ビーム制限アパーチャ３３の楕円形の長径の方向すなわち図３のＹ方向が断面に平行方向となるように設定し，イオンビームをイオンビーム走査偏向器３４により試料上で矩形領域を走査させる時には，矩形領域の一辺の方向はこのＹ方向と平行になるように計算処理装置で設定することが重要になる。
【００２５】
また，ビーム走査方向についても同様に，断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。
また，アパーチャをイオンビーム照射軸中心にして回転させるアパーチャ回転機構３７を設ければ，イオンビームの短径方向を任意に設定することができる。図５(a)のディスプレイ画面４０１で破線がＹ方向に対して角度θだけ傾斜していることがわかる。そこで操作者が画面を観察して角度θをもとめ，アパーチャ回転機構を動作させて，角度θアパーチャを回転させてアパーチャの長径方向が破線と平行となるようにしても良い（図５(c)）。また，図５(a)で破線の位置情報を入力することにより計算処理装置で回転角度を計算させて，計算処理装置から回転角度情報を基にアパーチャ回転機構を動作させて自動でアパーチャを回転させることもできる。
【００２６】
次に断面観察の手順について説明する。電子銃７から放出される電子ビーム８を集束して試料１１に照射する。このとき電子ビーム８を走査しながら試料断面に照射し，試料断面から放出される二次電子を二次粒子検出器１２で検出して，その強度を画像の輝度に変換すれば試料断面を観察することができる。すなわち，ＦＩＢ６で回路パターンの欠陥や異物など異常箇所に角穴を形成すれば，欠陥や異物などの断面を電子ビーム８で観察することができ，その発生原因を解析できることになる。また，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができるが，この場合もアパーチャ形状の非軸対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように制御することが必要である。
【００２７】
ＴＥＭ試料作製のための微小試料作製のための加工手順について，図６で説明する。図６(a)：まず，観察断面を形成する両端マーク１３０を電流約１００ｐＡのイオンビームを使って２個作製する。このマークを結んだ線が図６(a)で示した破線に相当する。すなわち，計算処理装置８５のディスプレイの画面で，試料の画像を観察しながら観察位置をマークで特定するのである。なおこの際にはアパーチャは円形を用いるが，ここで楕円形のアパーチャの長径の方向に観察断面の加工方向を合わせるようにステージまたはアパーチャを予め回転させておく。次に，アパーチャをより大きな円形の穴に切り替えて電流を約３０ｎＡに増大させる。そこで２個のマーク１３０を結ぶ直線上で，マーク１３０の両側に２個の角穴１３２を設ける。図６(b)：次に，アパーチャを長径の長さを短径の２倍にした楕円形の穴に切り替える。切り替え動作は、装置ユーザが、情報入力手段を介して切替命令を入力するか、或いは、計算制御装置がアパーチャ回転制御機構３８へ切替の制御信号を送信することにより実行される。電流は約１０ｎＡ得られる。この条件で一方の角穴と交わるように，他方の角穴には交わらないような細長垂直溝１３３を形成する。一方の角穴１３２と交わらない小さな領域は，後に摘出すべき試料を支える支持部１３４になる。ここで，楕円形の穴の長形方向は溝の細長い方向に平行方向である。このようにすると従来の円形の穴アパーチャでは約５ｎＡの電流による加工であったが約２倍の電流による加工ができるため加工時間を約１/２にできる。しかも観察するべき断面方向のビーム径は同じであるため，観察断面に向かって急峻な加工ができる。図６(c)：図６(a)(b)工程の後，試料ステージ制御装置により試料ステージを傾斜させ試料面を小さく傾斜（本実施例では２５°）させる。そこで，上記両角穴１３２を結ぶように，細長い溝１３５を形成する。試料表面に対して斜めから入射したＦＩＢによって斜溝１３５が形成され，先に形成した垂直溝１３３と交わる。図６(a)から(c)の工程によって支持部１３４を残して，マーク１３０を含み，頂角が２５°の直角三角形断面のクサビ型微小試料が片持ち梁の状態で保持されている状態になる。図６（ｄ）：次に，試料ステージ制御装置を動作させ試料ステージを水平に戻す。ここでプローブ制御装置によりプローブを駆動して，摘出すべき試料１３６の支持部１３４とは反対の端部に移送手段先端のプローブ１３７を接触させる。次に，円形のアパーチャに切り替え電流を約２００ｐＡに調整する。この際の切り替え動作も、装置ユーザが、情報入力手段を介して切替命令を入力するか、或いは、計算制御装置がアパーチャ回転制御機構３８へ切替の制御信号を送信することにより実行される。そして摘出すべき試料１３６にプローブ１３７を固定するために，プローブ１３７先端を含む領域に，デポジション用ガスを流出させつつＦＩＢ１３１を走査させる。このようにしてＦＩＢ照射領域にデポ膜１３８が形成され，プローブ１３７と摘出すべき試料１３６とは接続される。図６（ｅ)(ｆ）：微小試料を試料基板から摘出するために，支持部１３４にＦＩＢ照射してスパッタ加工することで，支持状態から開放される。図６（g)(ｈ）：プローブ１３７の先端に接続されて摘出した微小試料１３９は試料ホルダに移動させ，デポガスを導入しつつ微小試料１３９と試料ホルダ１４０と接触部にＦＩＢ１３１を照射する。この操作によって微小試料は試料ホルダ１４０に接続できる。図６（ｉ）：次に，プローブ１３７と微小試料１３９を接続しているデポ膜１３８にＦＩＢを照射してスパッタ除去することで，プローブ１３７を微小試料１３９から分離する。図６（ｊ）：最後に，３種類の径の楕円形のアパーチャを用いて薄膜加工を行う。すなわち粗加工，中加工，仕上げ加工の順に穴径が小さなものを用いて，最終的に観察領域を厚さが１００ｎｍ以下程度のウォール１４３になるように薄く仕上げ加工を施してＴＥＭ試料とする。上述の加工の結果，ＴＥＭ観察領域ができあがる。ここでは，ビーム形状が楕円になっていることにより加工出来上がり形状は非対称になる。このようにすると従来に比べて約２倍の速度で薄膜加工ができることになる。なお，以上では操作者が計算処理装置の入力装置を使って装置を制御している例を説明したが，計算処理装置にメモリなどの記憶手段を設けて、全ての工程の制御条件を制御シーケンスとして格納しておくことにより、全自動でサンプリングを行うことも可能である。
【００２８】
図６に示した実施例では、プローブを用いて試料片を試料基板から摘出した例を示したが、静電吸着により試料片を摘出することもできる。図７には、静電吸着による試料片の摘出例について示す。図７(a)には、ウェーハ２０１上に形成された薄膜２０２に対し、摘出試料を形成する目標位置の両側を階段状にＦＩＢ１３１で加工している様子を示す。試料薄膜２０３を作製し，図７(b)には、形成された試料薄壁２０３の周囲を、ＦＩＢ１３１で一部を残して切り取った所を示す。そして，ウェーハ２０１をイオンビーム加工装置から取りだし，大気中でガラス棒の静電気を利用して，試料薄膜２０３をウェーハ２０１から完全に分離してＴＥＭ試料ホルダ２０４に移動させる。この方法でも，分離した試料薄膜をＴＥＭで解析することができる。なお、静電吸着による試料片の引きはがしは、真空容器内部で実行しても良い。この場合、図１に示した試料作製装置は、ガラス棒や絶縁材料で出来たプローブ等、静電気を帯びやすい材料で出来た微小試料片の摘出手段を備えることになる。すなわち，非軸対称形状のイオンビームを用いる限り，観察・解析用の微小試料の加工を行なう装置・方法は，本実施例の対象となる。
【００２９】
以上のようにウォール加工を施した後，微小試料はＴＥＭの試料室に導入される。ＴＥＭ観察では欠陥や異物などの断面を，ＳＥＭ観察に比べてより高分解能な観察することができ，観察結果から欠陥原因をより詳細に解析することができる。また，以上に述べたイオンビーム筐体と電子ビーム筐体を複合したＦＩＢ−ＳＥＭ装置ばかりでなく，イオンビーム筐体のみを有するイオンビーム加工装置で断面加工を行い，試料を電子顕微鏡に移送して観察する場合のイオンビーム加工装置も，本実施例のイオンビーム加工装置に含む。
【００３０】
以上の実施形態によると，半導体デバイス等の歩留向上のために，イオンビームによる断面形成加工時間を短縮する加工方法，およびウェーハを割断することなく微小試料を分離する加工時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置が提供される。
【実施例２】
【００３１】
本実施例では、試料上のビーム形状をステンシルマスクによって成型して，さらにビームプロファイルを直交２方向に対して非対称にするイオンビーム加工装置の実施例について説明する。すなわち，本実施例では，イオンビーム照射系の途中に，所定形状の開口を持つステンシルマスクを挿入し，開口の形状を試料上に投影した成型ビームを用いる場合について述べる。このような成型ビームは，ビームプロファイルの裾の形状を上記の実施例１で述べた集束イオンビームと同程度にする条件でも，ステンシルマスクの開口面積を大きくすることでイオンビーム電流を増大させることができる。
【００３２】
図８には，本実施例のイオンビーム加工装置の概略構成図を示す。本イオンビーム加工装置は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，アルゴン，ネオン，キセノン，クリプトン，酸素，窒素等のガスイオンを放出するデュオプラズマトロン５１，非軸対称イオンビームレンズ５２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，ステンシルマスク回転機構５８などから構成されるイオンビーム照射系が配置されている。さらに，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，および試料１１などが配置されている。また本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，ステンシルマスク回転制御機構５９，および計算処理装置９５などが配置されている。ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。
【００３３】
ここではアルゴンボンベからの配管途中に存在するガスバルブを開けることによりアルゴンガスをデュオプラズマトロン５１に導入し，ガス放電によるプラズマを生成する。そこでデュオプラズマトロン５１からイオンビーム５８を引き出す。これらは，計算処理装置からの指令によりデュオプラズマトロン制御装置が動作して実行される。そして，このイオンビーム５８を２重４極子レンズからなる非軸対称イオンビームレンズ５２により対物レンズ５５中心近傍に集束させる。すなわち非軸対称イオンビームレンズ５２の電極に印加する電圧を，この条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。ここで，２重４極子レンズの像面はＸ，Ｙ方向で一致させて，倍率は異なるようにレンズは設計されており，Ｘ，Ｙ方向とも対物レンズ５５中心近傍に集束する条件の電圧値に計算処理装置９５で設定する。そしてイオンビーム５８は矩形の穴を有するステンシルマスク５７を通過する。対物レンズ５５はステンシルマスクを試料１１の上に投影する条件で制御する。ここでも対物レンズ５５の電極に印加する電圧を，上記条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。すると，試料上には矩形の成型イオンビームが照射される。
【００３４】
ここで２重４極子レンズのＸ方向の倍率がＹ方向の倍率に比べて小さくなるように電圧を設定すると，対物レンズを通過するイオンビームはＸ方向の広がりがＹ方向に比べて小さくなるため対物レンズの収差の影響は小さくなる。このため，Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状は，Ｙ方向に比べ急峻になる。したがって，成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。
【００３５】
図９を用いて、非軸対称ビームのビームプロファイルのＸ，Ｙ方向の非対称性について説明する。ビームプロファイルのエッジ部分の急峻性について定量的に扱うため、本実施例では、急峻さの尺度としてビームプロファイルの裾の幅を用いる。本実施例では、図９に示すように，ビームプロファイルの裾の幅をビーム強度の１６％から８４％までの距離と定義した。図９に示すビームプロファイルでは、Ｘ方向の裾の幅がＹ方向の裾の幅よりも狭く、従って、図９に示す矩形状のビーム形状では、長辺の方が短辺よりも急峻であることが判る。なお、ビームスポット形状のエッジ部の急峻さの定義としては、裾の幅以外の定義を使用しても構わない。
【００３６】
ここで重要なのはイオンレンズによる集束の非対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように制御することである。すなわち，２重４極子レンズのＸ方向の倍率がＹ方向の倍率に比べて小さくなるように電圧を計算処理装置９５で設定して，図９のようにＸ方向のビームプロファイルの裾の形状をＹ方向に比べて急峻にした場合には，Ｙ方向を形成するべき断面に平行方向となるように設定することが重要である。特に断面位置にイオンビーム照射軸が重なるように，ステンシルマスク５７の矩形穴端の一辺が照射軸と重なるようにステンシルマスク位置を調整するとビームの裾の幅はより小さく制御することができる。
【００３７】
また，本イオンビーム加工装置にイオンビーム走査偏向電極を，ステンシルマスク５７と対物レンズ５５の中間位置に追加してビームを走査して断面を作製する場合には，ビーム走査方向は断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。すなわち，図９のようにＸ方向のビームプロファイルの裾の形状をＹ方向に比べて急峻にした場合には，ビーム走査方向の少なくとも一辺の方向はこのＹ方向と平行になるように，ビーム走査する矩形領域を計算処理装置９５で設定することが重要になる。
【００３８】
また，ステンシルマスクにマスク穴を小さく制限する機構を設け，その穴を投射した成型ビームで試料上を走査して試料画像を取得して加工位置を設定すれば精度良い位置設定をすることができる。なおマスク穴を小さく制限する機構としては，例えばステンシルマスクに微細アパーチャを重ねる構造としても良い。
【００３９】
また，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができるが，この場合もイオンレンズによる集束の非対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように制御することが必要である。
【００４０】
微小試料作製のための加工手順については，図６に示した方法と同様にすることができるが，ビーム形状が矩形であり，かつビーム裾の幅がＸ方向とＹ方向とで非対称となっていることにより加工出来上がり形状が非対称になることに注意が必要である。特に，観察するべき断面に垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるように設定する必要がある。これは装置設計により実現できる。
すなわち，図６(b)での細長垂直溝１３３の形成，図６(c)での細長い溝１３５の形成において，細長垂直溝１３３および細長い溝１３５の微小試料側の断面に対して垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるように設計する。
【００４１】
また，ステンシルマスクをイオンビーム照射軸中心にして回転させるステンシルマスク回転機構５８を設ければ，成型ビームの形状を図１０に示すように任意の方向に回転させることができる。そこでこの成型ビームの端の方向に合わせてプロファイルの裾の幅が小なるように，２重４極子レンズの電極に印加する電圧を計算処理装置９５で設定すれば，試料表面の任意の方向に断面を形成できる成型ビームが得られることになる。すなわち，試料の構造に対して任意の方向の断面を観察することができ，さらに試料ステージを駆動させること無く多方向の断面の観察ができることになる。
なお，本実施の形態ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズとして２重４極子レンズを例としたが，非軸対称な制御が可能なレンズであれば，他の４極子レンズ，８極子レンズ，１６極子レンズ等であっても良い。またこれらの組み合わせおよび対称レンズと組み合わせても良い。また、以上の実施例では、マスク開口の形状を試料上に投影した成型ビームを用いた例について述べたが，成型ビームではなく，楕円または長方形の開口部を備えたアパーチャにより，イオンビームのスポット形状を成形してもよい。
【００４２】
また，本実施例のような非対称のビーム成形手法は、Ｘ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合、即ち対称にビームを成形した場合に比べて、イオンビーム電流を大きくすることができる。従って、本実施例のビーム成形手法は、アルゴンや酸素等、気体元素のイオンビームに対して特に好適である。実施例１ではＧａイオンビームを集束した例を述べたが，Ｇａが加工領域に残る。シリコンデバイス等，半導体装置の製造プロセスにおいては，重金属であるＧａは不良発生原因となる可能性が高いため、試料片作成時には、試料の特性に顕著な影響を及ぼさない不活性ガスや酸素，窒素などの気体元素のイオンビームを用いることが望ましい。しかしながら、現時点で利用可能なイオン源で，気体元素イオンを発生させるプラズマイオン源は，発生できるイオンビームの輝度が，Ｇａ等の液体金属イオン源に比べて少なくとも２桁から３桁低い。従って、わざと非対称にイオンビームを成形し、実際の加工はビームプロファイルのより急峻な部分を用いて行なうことにより、輝度の低いイオン源であっても加工精度を落とさずに使用可能とすることができる。本効果は、気体元素のイオンビーム（例えば、窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビーム等）に限らず、輝度の低いイオン源を使用する場合には全て有効である。
【００４３】
また、ビームプロファイルの裾の急峻性について，直交２方向の急峻性の比率を制御することにより、ビームプロファイルの裾をＸ方向とＹ方向で対称形状にした場合に対して、イオンビーム電流値を任意の大きさに制御することができる。即ち、比較的急峻でない方向が存在することによりイオンビーム電流が増大するが、試料の加工はビームプロファイルの急峻な方向で行なうため加工精度が低下しない。更にまた，本実施例ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズを用いたが，イオン光源形状を非軸対象にするアパーチャと，対称イオンビームレンズを用いても良い。すなわち，イオン源からイオンが放出されるアパーチャを楕円形状あるいは長方形状にするか，あるいは途中に同様な非軸対象なアパーチャを設け，このアパーチャを光源としてレンズを調整しても良い。この場合も，レンズの条件設定は計算処理装置によって実行可能である。
【００４４】
TEMやSEM等の解析手段用微小試料を作製するために、図６あるいは図７で示される試料片作製フローに、本実施例の成型ビームを用いることができる。また，本実施の形態で述べたイオンビーム加工装置ばかりでなく，イオンビーム筐体と電子ビーム筐体を複合したＦＩＢ−ＳＥＭ装置となるイオンビーム加工装置で断面加工を行い，その装置内で電子ビームによる断面観察する場合のイオンビーム加工装置も，本願に示すイオンビーム加工装置に含む。
【００４５】
以上、本実施で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、実施例１で説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加えて、更に，ステンシルマスクを用いることにより，より大きな電流で精度の高い加工ができる。特に輝度の低いイオン源であってもビーム電流を大きくでき，かつ加工精度が高くできるため断面加工や微小試料の作製が短時間で可能という効果を奏することができる。これは半導体装置の製造プロセスにおいては，不良発生原因となる可能性が高いＧａに替わって、試料の特性に顕著な影響を及ぼさない不活性ガスや酸素，窒素などの気体元素のイオンビームを用いることができることを意味する。したがって，半導体デバイス等の歩留向上のために，ウェーハをＧａなどの金属で汚染することなく，イオンビームによる断面形成が可能となり，さらにウェーハを割断することなく微小試料を分離または分離準備ことができるため，ウェーハを評価のために無駄に廃棄せず，かつ検査のための試料を取り出したウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させない新たな検査・解析方法が提供される。また，ウェーハを割断することなく評価でき，新たな不良を発生させず，高価なウェーハを無駄にすることはない。ひいては，半導体装置の製造歩留りが向上する。
【実施例３】
【００４６】
本実施例では，イオン源をＦＩＢカラムに対して傾けて配置し、かつステンシルマスクを用いてイオンビーム形状を成形した例について説明する。ここで，イオン源は不活性ガスや酸素，窒素などの気体元素のイオンビームを引き出すプラズマイオン源を用いるものとする。イオン源のイオン種として不活性ガスや酸素，窒素のような元素種を選べば，デバイスの電気的な特性に影響を与えないのでイオンビームで加工後に加工済みのウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させるようなことは少ない。しかし，このようなインライン応用では、プラズマイオン源の中で金属の不純物が微量に生成され，これが試料まで到達した場合に希に不良を発生させることがあるという課題が残されていた。これらの不純物の一つは金属イオンであり，他には金属の中性粒子である。また中性粒子は，レンズや静電偏向器で制御できず，試料に広く照射される。ガス種のイオンの中性粒子が照射された場合に所望の箇所以外も加工してしまい試料が変質してしまうという問題もあった。
【００４７】
本実施例では，まず，試料に中性粒子の不純物を試料に到達させないためイオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造とする例について述べる。また発生できるプラズマイオン源の輝度は一般に，Ｇａ等の液体金属イオン源に比べて少なくとも２桁から３桁低くなる。そこで，本実施例では，イオンビーム照射系の途中に，所定形状の開口を持つステンシルマスクを挿入し，非軸対称の開口形状を試料上に投影した成型ビームを用いる。
【００４８】
図１１に本実施例のイオンビーム加工装置を示す。本イオンビーム加工装置は，アルゴン，ネオン，キセノン，クリプトン，酸素，窒素等のガスイオンを放出するデュオプラズマトロン５１，コンデンサレンズ２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，イオンビーム偏向器６０及びこれらを格納するＦＩＢカラム用の鏡筒４２などから構成されるイオンビーム照射系が配置されている。また、本装置には電子銃７，電子銃７から放出する電子ビーム８を集束する電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０及びそれらを格納する電子ビームカラム鏡筒２２等で構成される電子ビーム照射系を備えている。
【００４９】
ＦＩＢカラム鏡筒４２及びＳＥＭカラム鏡筒２２の下部には真空試料室４１が配置されており、真空試料室内４１には，二次粒子検出器１２，試料１１を載置する試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，およびマニピュレータ４３などが格納されている。ＦＩＢカラム鏡筒４２内部も真空に維持されているのは言うまでもない。本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，および，イオンビーム偏向制御装置２０，計算処理装置９５などが配置されている。ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。なお、図１１では判りにくいが、本装置のデュオプラズマトロン５１は、ＦＩＢカラムの鏡筒に対して傾けて配置されている。詳しくは、図１１のＹ方向に傾斜しており，イオン源からイオンビームを引きだす方向と，イオンビームの照射軸とは傾斜関係にある。
【００５０】
次に本装置の動作について述べる。まず，アルゴンボンベからの配管途中に存在するガスバルブを開けることによりアルゴンガスをデュオプラズマトロン５１に導入し，ガス放電によるプラズマを生成する。そこでデュオプラズマトロン５１からイオンビーム５６を引き出す。ここでイオンビームを引き出す軸とイオンビームを試料に照射する軸が傾斜しているので，イオンビーム偏向器６０によってイオンビームの行路を屈折させる。イオン源で発生した中性粒子は、イオンビーム偏向器６０による偏向作用を受けないので、そのまま直進する。デュオプラズマトロン５１とイオンビーム偏向器２０の動作は，計算処理装置からの指令によりデュオプラズマトロン制御装置９１，イオンビーム偏向器制御装置２０等或いは計算処理装置９５により制御される。そして，このイオンビーム５６をコンデンサレンズ２により対物レンズ５５中心近傍に集束させる。すなわちコンデンサレンズ２の電極に印加する電圧を，この条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。そしてイオンビーム５８は矩形の穴を有するステンシルマスク５７を通過する。対物レンズ５５はステンシルマスクを試料１１の上に投影する条件で制御する。ここでも対物レンズ５５の電極に印加する電圧を，上記条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。すると，試料上には矩形の成型イオンビームが照射される。この成型イオンビームを照射し続けると試料に矩形の穴が形成される。
【００５１】
次に断面観察の手順について説明する。電子銃７から放出される電子ビーム８を集束して試料１１に照射する。このとき電子ビーム８を走査しながら試料断面に照射し，試料断面から放出される二次電子を二次粒子検出器１２で検出して，その強度を画像の輝度に変換すれば試料断面を観察することができる。すなわち，成型ビームで回路パターンの欠陥や異物など異常箇所に凹部（角穴など）を形成すれば，欠陥や異物などの凹部の壁面を電子ビーム８で観察することができ，その発生原因を解析できることになる。
【００５２】
図１２には、図１１の装置の上面図(a)，正面図(b)，側面図(c)を示す。図１２(a)において、１００１はデュオプラズマトロンを格納する鏡体、１００２がデュオプラズマトロン下部に配置されたＦＩＢカラム鏡体、１００３がＳＥＭカラム鏡体であり、図中の縦横量方向の一点鎖線は、試料ステージのＸ方向、Ｙ方向の中心線である。一点鎖線の交点は、ＦＩＢカラム鏡体の中心軸と試料ステージの試料載置面との交点を意味し、大体、試料載置面の中心と一致する。図１２(a)の上面図から、デュオプラズマトロン１００１がＦＩＢカラム鏡筒１００２に対して傾いて配置されている（図１２(a)では上方に）ことが判る。線分１１０４は、デュオプラズマトロン鏡体１００１の中心軸の延長線と試料ステージの交点と，ＳＥＭカラム鏡体の中心軸と試料ステージとの交点を結ぶ線分であり、線分１１０５は、ＳＥＭカラム鏡体の中心軸を試料ステージへ投影した線分である。本装置の特徴は，イオン源からイオンビームを引き出す軸１１０１と，イオンビームを試料に照射する軸１１００が傾斜関係にある構造であり，上記の線分１１０４と線分１１０５とを平行ではない関係、好ましくは直交関係とすることが可能な構造であることである。わかりやすく言えば、ＦＩＢカラム鏡体の中心軸とＳＥＭカラム鏡体の中心軸とが、試料ステージの試料載置面に対して垂直な同一面内に存在し、かつデュオプラズマトロンの中心軸が、上記ＦＩＢカラム中心軸とＳＥＭカラム中心軸のなす面に対して、所定角度傾いているような構成ということになる。
【００５３】
図１２(b)と図１２(c)とを用いて、各カラムの配置関係について更に説明する。図１２(b)において、ＦＩＢカラム鏡体１００２とＳＥＭカラム鏡体は、各々の中心軸１１００と１００３の中心軸とが、試料ステージ１００６の試料載置面の中心で交差するように配置されている。ＳＥＭ観察の際には、一次電子線は、おおよそ中心軸１１０２に平行に照射されることになる。次に、側面図である図１２(c)を見ると、デュオプラズマトロン１００１は、ＦＩＢカラム１００２に対して傾いて配置されていることが、図１２(a)(b)に比べて明瞭に判る。一方、ＦＩＢカラム１００２の中心軸１１００が、ＳＥＭカラム１００３の中心を通過しているように見えることから、ＳＥＭカラム１００３とＦＩＢカラム１００２とが、互いに中心軸が同一面内にあるような配置関係になっていることが判る。デュオプラズマトロン１００１は、上記面に対して傾いて配置されていることになる。イオン源がＦＩＢカラムに対して傾いているような構造では，イオン源で発生した中性粒子はイオン引き出し方向に沿って飛行し，途中で固定アパーチャ等によって遮られ試料まで到達することは無く，試料を中性粒子不純物で汚染することないためデバイス製造の歩留まりを低下させない。しかし，イオン源から引き出されたイオンビームをＦＩＢカラムの方向に屈折させることにより，投射ビームの強度プロファイルの裾の幅が拡大し，急峻な断面を形成するのに妨げになることが判明した。これはイオンが持っているエネルギがイオン毎にばらつくことに起因している。イオンビームをイオンビーム偏向器で偏向する際，エネルギ差により偏向方向にイオンビーム軌道に広がりが出てしまうのである。この影響は成型イオンビームにも及ぼし，イオンビーム偏向器でイオンビームを屈折させる方向すなわち，つまり図１２(a)の線分１１０４の方向に裾の幅が拡大することがわかった。従って、実際に試料へ照射されるビームスポットには、線分１１０５の向きに急峻な加工エッジが形成され、線分１１０４の向きに対しては鈍った加工エッジが形成される。当然、急峻なエッジで形成した部分の方が加工精度が良く、加工断面も良好であるので、本装置では、線分１１０５の向きに平行な方向からのＳＥＭ観察が可能なようにＳＥＭカラムを配置した。なお、ＳＥＭカラムの配置は、必ずしも線分１１０５の向きに平行である必要は無く、線分１１０４と平行な方向を避けて配置すれば、加工精度の最も悪い方向のＳＥＭ観察を避けることが可能である。図１３(a)は、ＦＩＢにより試料に形成された加工孔を、図１２(b)の装置正面図側から見た加工断面である。図１３(a)で、「ＳＥＭ観察方向」と記載された矢印の示す方向は、ビームスポットの急峻な側で加工された断面であり、急峻な断面が形成されている。一方，図１３(b)は、ＦＩＢにより試料に形成された加工孔を、図１２(c)の装置正面図側から見た加工断面である。図１３(b)中、丸で示された部分は、ＦＩＢのビームスポットの鈍った側で加工された加工断面であり、図１３(a)の加工断面に比べて、だれた断面が形成されている。
【００５４】
なお，本実施例では，コンデンサレンズに軸対称なレンズを用いたが，２重４極子レンズからなる非軸対称イオンビームレンズに置き換えても良い。この場合にはイオンビーム５６を非軸対称イオンビームレンズにより対物レンズ５５中心近傍に集束させる。ここで，２重４極子レンズの像面はＸ，Ｙ方向で一致させて，倍率は異なるようにレンズは設計されており，Ｘ，Ｙ方向とも対物レンズ５５中心近傍に集束する条件の電圧値に計算処理装置９５で設定する。そしてイオンビーム５６は矩形の穴を有するステンシルマスク５７を通過する。対物レンズ５５は同様にステンシルマスクを試料１１の上に投影する条件で制御する。すると，試料上には矩形の成型イオンビームが照射される。ここで２重４極子レンズのＸ方向の倍率がＹ方向の倍率に比べて小さくなるように電圧を設定すると，対物レンズを通過するイオンビームはＸ方向の広がりがＹ方向に比べて小さくなるため対物レンズの収差の影響は小さくなる。このとき，Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状は，Ｙ方向に比べ図９に示すように急峻になる。したがって，成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。また，イオンビーム電流はＸ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。特に断面位置にイオンビーム照射軸が重なるように，ステンシルマスク５７の矩形穴端の一辺が照射軸と重なるようにステンシルマスク位置を調整するとビームの裾の幅はより小さく制御することができる。ここで重要なのは，イオン源からイオンビームを引き出す軸が傾斜している方向が，観察すべき加工断面と少なくとも平行関係にすることである。すなわち，イオン源傾斜の影響が観察すべき断面形成に影響しないようにすることである。なお、本実施例においても、ビームプロファイルの裾の形状の急峻性を定量的に扱うため、ビームプロファイルの裾の幅はビーム強度の１６％から８４％までの距離と定義した（図９参照）。しかし，ビームスポット形状のエッジ部の急峻さの定義としては、裾の幅以外の定義を使用しても構わないのは、実施例２と同様である。
【００５５】
また，図１１に示したイオンビーム加工装置のステンシルマスク５７と対物レンズ５５の中間位置に、イオンビーム走査偏向電極を追加してビームを走査して断面を作製する構成も可能である。この場合，ビーム走査方向を断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。図９に示すビームプロファイルを例に取って説明すると、Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状をＹ方向に比べて急峻にした場合には，ビーム走査方向の少なくとも一辺の方向はこのＹ方向と平行になるように，ビーム走査する矩形領域を計算処理装置９５で設定することが重要になる。また，ビームを走査しない場合には，加工形状はビーム形状と同じに限定されるが，イオンビームを走査することができると，ビーム加工形状に自由度が生まれる。また，加工領域もビーム形状を超えて任意に設定できる効果を奏することができる。
【００５６】
また，ステンシルマスクにマスク穴を小さく制限する機構を設け，その穴を投射した成型ビームで試料上を走査して試料画像を取得して加工位置を設定すれば精度良い位置設定をすることができる。なおマスク穴を小さく制限する機構としては，例えばステンシルマスクに微細アパーチャを重ねる構造としても良い。更にまた，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができる。
ＴＥＭ試料作製のための微小試料作製のための加工手順は、実施例１の図６で示される手順とほぼ同一であるので、相違点のみを説明する。ここではビーム形状が矩形であり，かつビーム裾の幅がＸ方向とＹ方向とで非対称となっていることにより加工出来上がり形状が非対称になることに注意が必要である。特に，観察するべき断面に垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるように設定する必要がある。これは装置設計により実現できる。
【００５７】
図６(a)：まず，マスクを円形アパーチャとして，円形で電流約１００ｐＡのイオンビームを準備する。そこで観察断面を形成する両端マーク１３０を２個作製し，実施例１と同様に観察位置をマークで特定する。次にマスクを角穴加工用に矩形の穴形状のものに切り替える。ここでは電流は約３０ｎＡ得られる。そこで２個のマーク１３０を結ぶ直線上で，成型ビームを用いて，マーク１３０の両側に２個の角穴１３２を設ける。図６(b)：次に，マスクを細長溝加工用に切り替える。この切り替え動作は，装置ユーザが，情報入力手段を介して切り替え命令を入力する。ここでは電流は約１０ｎＡ得られる。この条件で一方の角穴と交わるように，他方の角穴には交わらないような細長垂直溝１３３を形成する。なお，図６(b)での細長垂直溝１３３の形成，図６(c)での細長い溝１３５の形成において，細長垂直溝１３３および細長い溝１３５の微小試料側の断面に対して垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるようにする。ここで図６(c) から図６(d）でクサビ型微小試料を形成し，プローブ１３７を接触させる手順は実施例１と同様である。次に，円形のアパーチャに切り替え電流を約２００ｐＡに調整する。この際の切り替え動作も，装置ユーザが，情報入力手段を介して切り替え命令を入力することにより実行される。そして実施例１と同様に，プローブ１３７と摘出すべき試料１３６とを接続する。図６(e)(f)(g)(h)(i)までは実施例１と同様に操作する。図６(j）：最後に，薄膜加工を行う。ここではマスクを薄膜加工用に切り替える。すなわち粗加工，中加工，仕上げ加工の順にビーム電流が小さくなるように，矩形のマスクを順次切り替える。そして最終的に観察領域を厚さが１００ｎｍ以下程度のウォール１４３になるように薄く仕上げ加工を施してＴＥＭ試料とする。なお，以上では操作者が計算処理装置の入力装置を使って装置を制御している例を説明したが，計算処理装置にメモリなどの記憶手段を設けて，全ての工程の制御条件を制御シーケンスとして格納しておくことにより，全自動でサンプリングを行うことも可能である。
【００５８】
以上のようにウォール加工を施した後，微小試料はＴＥＭの試料室に導入される。ＴＥＭ観察では欠陥や異物などの断面を，ＳＥＭ観察に比べてより高分解能な観察することができ，観察結果から欠陥原因をより詳細に解析することができる。なお，本実施の形態ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズとして２重４極子レンズを例としたが，非軸対称な制御が可能なレンズであれば，他の４極子レンズ，８極子レンズ，１６極子レンズ等であっても良い。またこれらの組み合わせおよび対称レンズと組み合わせても良い。
【００５９】
また，以上に述べた実施の形態例では，アルゴンイオンビームを用いたが，他に窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビームでも同様な効果が得られるのは明らかである。また，本実施例ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズを用いたが，イオン光源形状を非軸対象にするアパーチャと，対称イオンビームレンズを用いても良い。すなわち，イオン源からイオンが放出されるアパーチャを楕円形状あるいは長方形状にするか，あるいは途中に同様な非軸対象なアパーチャを設け，このアパーチャを光源としてレンズを調整しても良い。この場合も，レンズの条件設定は計算処理装置によって実行可能である。これについては後で述べる。以上、本実施で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、実施例１及び２で説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加えて、更に，中性粒子が除去されるためプラズマイオン源の中で生じた金属の中性粒子が試料に到達せず，加工後に加工済みのウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させるようなことは極めて少なくなる。また，ガス種の中性粒子が広く試料に照射されることもなくなるため，所望の箇所以外が加工されて試料が変質してしまうという問題が生じなくなるという効果を奏することができる。
【実施例４】
【００６０】
実施例３で示した構成の試料作製装置では、プラズマイオン源で発生した中性粒子やカラム途中で生成された中性粒子は試料に到達しない。しかし，プラズマイオン源で発生した金属などの不純物イオンは試料に到達する。そこで、本実施例では、イオンビームの行路途中に質量分器を設けて、イオン不純物をトラップする構成の試料作製装置について説明する。なお、本実施例でも，マスク開口の形状を試料上に投影した成型ビームを用いる。図１４に、本実施例のイオンビーム加工装置を示す。本実施例のイオンビーム加工装置は、真空容器４１を有しており，真空容器４１内には，デュオプラズマトロン５１，コンデンサレンズ２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，質量分離器６１などから構成されるイオンビーム照射系，および試料１１，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，マニピュレータ４３などが配置されている。また、本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，および，質量分離器制御装置６２，計算処理装置９５などが配置されている。ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。また，本実施例のイオンビーム加工装置には、イオンビーム照射系とは別に、電子ビーム鏡筒２２が配置されており、電子銃７，電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０等を備えている。本装置の動作は実施例１の装置とほぼ同様であり，イオンビーム偏向器の替わりに質量分離器を動作させて，イオンビームに含まれる不純物イオンを除去する。なお，質量分離器の機能は，計算処理装置からの指令により，質量分離器制御装置が動作して実行される。質量分離器，コンデンサレンズ，マスク，対物レンズを通過した成型イオンビームは，試料に照射され矩形の穴が形成される。この後，電子ビーム照射系から放出される電子ビームによって試料断面を観察することができる。
【００６１】
図１４の装置における質量分離器の構造と電子ビーム筒塔との位置関係，および断面形成方向との関係を明確にするため，図１５に、本装置の上面図(a)，正面図(b)，側面図(c)を示す。また、図１５には、質量分離器６１の内部構成も併せて示す。なお，図１５では二次粒子検出器，デポガス源およびマニピュレータなどは省略して示している。
【００６２】
図１５(a)〜(c)で示される上面図，正面図，側面図において、１００６は試料を保持する試料ステージ，１００１はイオンビームを発生させるイオン源，１００２は該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系と，１００３はイオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系、１０１０が質量分離器である。本実施例の質量分離器１０１０は、イオンビームに対して電場と磁場を各々垂直方向に，かつ電場方向と磁場方向が垂直関係にある所謂Ｅ×Ｂ質量分離器である。１０１２は永久磁石、１０１１は、永久磁石１０１２と垂直方向に配置された電場印加用の静電偏向器である。本実施例では永久磁石を用いたが，代わりに電磁石を用いても良い。また磁場のみの質量分離でも良い。この場合にはイオンビーム行路が屈折するが，質量分離の質量分散方向をステージの試料載置面に投影した線分が，前記観察用の荷電粒子ビームの照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分１１０５と少なくとも平行でなければ良い。質量分離の方向と各カラムの配置との関係については後述する。
【００６３】
図１５(a)の右側図において、図中の矢印１０１５は質量分散が生じる方向を示す。質量分離器に入射したイオンのうち、永久磁石の磁場と電場がつりあった質量のイオンのみが質量分離アパーチャ１０１３を通過する。しかし、質量分離により、投射ビームの強度プロファイルの裾の幅が拡大し，急峻な断面を形成する妨げとなることが判明した。これは、イオンが持っているエネルギがイオン毎にばらつくことに起因している。イオンビームを質量分離器で分離する際，エネルギ差により分散方向にイオンビーム軌道に広がりが出てしまうのである。この影響は成型イオンビームにも及び，質量分離器で質量分散させる方向に裾の幅が拡大することがわかった。このため、本装置では、質量分離器の質量分散方向が，断面を掘り進む加工方向と平行にならないように質量分離器を配置することで、加工断面への影響を避けた。以下、図１５(a)の左側図を用いて説明する。図１５(a)の左側図において、線分１１０６は、質量分離器１０１０の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分であり、線分１１０５は、加工断面観察用の荷電粒子ビームの照射軸をステージの試料載置面に投影した線分である。本実施例の試料作製装置の構成上の特徴の一つは、線分１１０５と線分１１０６とが平行では無いことである。線分１１０５と線分１１０６とが平行な場合、イオンビームの質量分散が発生した側で加工された断面を観察することになるため、綺麗な加工断面を観測することができない。試料ステージを回転させてシャープな側で加工された加工断面を観察しても良いが、試料ステージを回転させる必要があるため、観察効率が悪く、ひいては、試料片作製のスループット低下を招く。線分１１０５と線分１１０６とが平行でないように質量分離器と荷電粒子線照射光学系との相対関係を定めることで、イオンビームスポットの最も鈍ったエッジで加工された断面の観察を避けることができる。また、この場合、線分１１０５と線分１１０６とは直交関係であることが好ましい。このような配置にすれば、イオンビームスポットの最もシャープな側のエッジで加工された断面の観察を最初から観察することができるためである。以上説明した線分１１０５と線分１１０６との相対位置関係は、図１４の電子ビーム鏡体２２と、質量分離器の６１の質量分散方向が互いに平行にならないように定められていると定義しても同様である。以上、図１４，図１５で説明した構造とすることにより，成型イオンビームにより急峻な断面を短時間で形成することができ，かつ，断面加工後試料ステージを回転させることなく断面が観察可能になる。これにより、電子ビームによる高スループット断面観察が可能となる。
【００６４】
また，本実施例では，コンデンサレンズに軸対称なレンズを用いたが，２重４極子レンズからなる非軸対称イオンビームレンズに置き換えて，試料上に投射した角型のイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御して，前記質量分離の質量分散方向をステージの試料載置面に投影した線分が，観察すべき加工断面と少なくとも平行関係となるようにする。このときの成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。また，イオンビーム電流はＸ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。
【００６５】
また，本イオンビーム加工装置にイオンビーム走査偏向電極を，ステンシルマスク５７と対物レンズ５５の中間位置に追加してビームを走査して断面を作製する場合には，ビーム走査方向は断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。また，ステンシルマスクにマスク穴を小さく制限する機構を設け，その穴を投射した成型ビームで試料上を走査して試料画像を取得して加工位置を設定すれば精度良い位置設定をすることができる。なおマスク穴を小さく制限する機構としては，例えばステンシルマスクに微細アパーチャを重ねる構造としても良い。
【００６６】
また，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができる。微小試料作製のための加工手順については，図５に示した方法と同様にすることができる。
【００６７】
また，本実施の形態ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズとして２重４極子レンズを例としたが，非軸対称な制御が可能なレンズであれば，他の４極子レンズ，８極子レンズ，１６極子レンズ等であっても良い。またこれらの組み合わせおよび対称レンズと組み合わせても良い。また、非軸対称イオンビームレンズの代わりに、イオン光源形状を非軸対象にするアパーチャと，対称イオンビームレンズを用いても良い。すなわち，イオン源からイオンが放出されるアパーチャを楕円形状あるいは長方形状にするか，あるいは途中に同様な非軸対象なアパーチャを設け，このアパーチャを光源としてレンズを調整しても良い。この場合も，レンズの条件設定は計算処理装置によって実行可能である。これについては後で述べる。また，本実施例では，アルゴンイオンビームを用いたが，他に窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビームでも同様な効果が得られるのは明らかである。
【００６８】
また，本実施例では，デュオプラズマイオン源を用いたが，マイクロ波を用いたプラズマイオン源や液体金属イオン源を用いても同様な効果が得られる。特に金シリコン合金から質量分離器で金や不純物を取り除きシリコンイオンビームのみを試料に照射する場合にはシリコンデバイス製造において試料を不純物で汚染しないという効果を奏することができ，さらにプラズマイオン源では得にくい微細ビームを得ることができるという効果を奏することができる。
【００６９】
以上、本実施例で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、実施例１から３に説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加え、イオン源で発生した金属イオン等の不純物イオンが質量分離器で取り除かれ試料まで到達することが無く，試料を不純物で汚染することがないため、デバイス製造の歩留まりを低下させないという効果を奏することができる。
【実施例５】
【００７０】
本実施例では、イオン源は傾斜させずに、試料に照射されるイオンビームの強度プロファイルの裾の幅を非軸対称に成形した実施例について説明する。実施例３では、イオンビームの断面形状を成形するのにステンシルマスクを使用したが、本実施例でも同様にステンシルマスクを使用する。さらにイオン源近くに配置したアパーチャによって試料に照射されるイオンビームの強度プロファイルの裾の幅を制御する。これにより、試料に照射されるイオンビームの強度プロファイルの裾の幅とイオンビーム断面形状を独立に制御する。
【００７１】
図１６に本実施例のイオンビーム加工装置を示す。本イオンビーム加工装置は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，デュオプラズマトロン５１，コンデンサレンズ２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，イオン源アパーチャ１０１６などから構成されるイオンビーム照射系，および試料１１，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，マニピュレータ４３などが配置されている。また本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，イオン源アパーチャ制御装置１０１７，マスク制御装置１０１８および計算処理装置９５などを備えている。イオン源アパーチャ１０１６は、複数の開口が設けられており、開口形状は楕円，長方形，正方形，円などである。
【００７２】
ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。
【００７３】
また，本装置には電子銃７，電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０等で構成される電子ビーム照射系が配置されている。
本装置は、実施例１の装置とほぼ同様の構成を備えているがイオンビーム偏向器を備えてない。イオン源から照射されたイオンビームは、イオン源アパーチャ１０１６，コンデンサレンズ２，ステンシルマスク５７，対物レンズ５５を通過し、試料に照射される。試料表面には、当該イオンビーム照射により加工穴が形成され、加工断面は、電子ビーム照射系から放出される電子ビームによって試料断面を観察される。
【００７４】
図１６の装置におけるイオン源アパーチャと電子ビーム筒塔間の配置の関係を明確にするため，図１７（a）〜（c）に、本装置の平面図(a)，正面図(b)，側面図(c)を示す。なお，図１７では二次粒子検出器，デポガス源およびマニピュレータなどの図示は省略した。図１７(a)〜(c)で示される上面図，正面図，側面図において、１００６は試料を保持する試料ステージ、１００１はイオンビームを発生させるイオン源，１００２は該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系である。当該イオンビーム照射系では、イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク５７の開口形状が試料上に投射される。第一のマスクすなわちイオン源アパーチャ１０１６の開口は非軸対称な形状を有し、試料上に投射したイオンビーム強度プロファイルも非軸対称形状となる。
【００７５】
図１８には、本実施例で使用する非軸対称開口を備えたイオン源アパーチャ１０１６の一例を示す。イオン源アパーチャ１０１６は、複数の種類の形状の開口が設けられており、加工方法に応じて使用する開口を切り替える。切り替の際に便利なように、アパーチャ端部には、開口毎に切り欠きが設けられている。図１６では図示を省略しているが、本実施例の加工装置には、イオン源アパーチャの送り機構が備えられており、切り欠きによって開口を選択する。図中の一点鎖線は、それぞれＸ方向、Ｙ方向の中心軸であり、その交点が開口の中心軸を形成する。イオンビームがアパーチャを通過する際には、ビームの中心はおおよそこの軸上を通過する。ここで、非軸対称な形状とは，円以外の開口形状一般をさすが，本出願では正方形も除いた形状とする。開口形状が正方形の場合には、ビームの裾の幅が、Ｘ方向，Ｙ方向の２方向に対して同じになるためである。
【００７６】
本実施例においては、図１８のイオン源アパーチャは、加工装置内で、開口の長軸方向を図１７のＸ方向に、開口の短軸方向を図１７のＹ方向に、それぞれ一致させて配置されている。このように、Ｙ方向に，イオン源アパーチャ１０１６の開口の長軸すなわち長方形の長辺あるいは楕円の長径を合わせる設定にすると，対物レンズを通過するイオンビームのＸ方向の広がりは、Ｙ方向の広がりに比べて小さくなり、対物レンズの収差の影響は小さくなる。よって、Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状が，Ｙ方向のそれに比べ急峻になり、結果的に成型ビームによって加工された穴の端面形状も、Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になる。また，イオンビーム電流は、Ｘ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。特に、ステンシルマスク５７の矩形穴端の一辺が照射軸と重なるようにステンシルマスク位置を調整すると、ビームの裾の幅をより小さく制御することができる。これはイオンビーム照射軸上ではレンズの収差が最小になるためである。
図１９には、イオン源アパーチャと，ステンシルマスクの選択により得られる成型ビーム形状とビームプロファイルを示す。なお，選択した開口は図中では矢印で指示。図１９(a)は長方形の開口のイオン源アパーチャと長方形の開口のステンシルマスクを選択した場合である。成型ビームはＹ方向に長くかつ，Ｘ方向に急峻な強度プロファイルを持つ。図１９(b)は長方形の開口のイオン源アパーチャと正方形の開口のステンシルマスクを選択した場合である。成型ビームは正方形であるが，図１９(a)と同様にＸ方向に急峻な強度プロファイルを持つ。このようにイオン源アパーチャを選択することにより、成型イオンビーム形状とは独立に強度プロファイルの裾を制御可能となる。すなわち，加工領域の設定と，加工精度の設定を独立して行うことができる。これによると図１９(b)のように正方形の領域でＸ方向に急峻な断面を形成し，その加工穴の一面をＹ方向から観察して，次に別の領域について観察領域を拡大するため図１９(a)のようにＹ方向の加工領域を拡大し，急峻性については同様な仕様で加工し，同様にＹ方向から観察することができる。このとき観察に必要な面のみ急峻に加工するため，加工のスループットが向上するとともに，さらに断面の急峻性の仕様を同一にして，観察領域を自由に設定できるという効果を奏することができる。
【００７７】
以上，本実施例の装置の特徴は，イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，アパーチャマスクの開口の形状が非軸対称であり，その長軸方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記電子ビーム照射光学系の照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも垂直方向とすることが可能な構造であることである。この構造とすることにより，成型イオンビームにより急峻な断面を短時間で形成することができ，かつ，断面加工後試料ステージを回転させることなく断面が観察可能になるため，電子ビームによる断面観察を高スループットでできる。また、以上に述べた実施例では，アルゴンイオンビームを用いたが，他に窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビームでも同様な効果が得られるのは明らかである。
【００７８】
以上、本実施の形態によると，実施例２に説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果と同等の効果が得られる。ここで実施例２に説明した試料作製装置は非軸対称イオンビームレンズを用いてイオンビームプロファイルの急峻性を制御するが，その調整がやや煩雑になるといった問題があった。しかし，本実施の形態ではイオン源アパーチャの切り替えでイオンビームプロファイルの急峻性を制御するため，その調整が簡単になるという効果を奏することができる。
【実施例６】
【００７９】
本実施例では、実施例４で説明した質量分離器によるイオン源中の不純物遮蔽機能と傾斜イオン源配置によるビームプロファイルの制御機能とに加えて、傾斜イオン源を搭載したイオンビームカラム自体も傾斜させた構造を備えた集束イオンビーム装置に関して説明する。なお、本実施例においては、便宜上、非軸対称アパーチャを用いてイオンビームの裾の幅の制御を行なう例について説明するが、これまでの実施例で説明してきたように、ステンシルマスクや複数の非軸対称アパーチャを用いてイオンビームプロファイル形状を成形しても構わない。
【００８０】
また、実施例１から４までの構造の装置では図６で説明した微小試料作製の際に試料ステージを傾斜させる。ところが大型のウェーハを扱う場合にはステージ傾斜に時間を要するという問題があった。そもそも大型の傾斜ステージ開発が困難になるという問題もあった。そこで本実施例では，イオンビームカラム自体も傾斜させることによって，ステージ傾斜によらずステージ回転で微小試料を作製する。
【００８１】
本実施例の集束イオンビーム装置の外観は、ＦＩＢカラムが傾いている他は、図１４に示した装置とほぼ同じである。よって、本実施例では、外観全体図を用いた説明は省略し、要部図面を用いた説明のみ行う。
【００８２】
図２０（a）〜（c）には、本実施例のイオンビーム装置の上面図，正面図，側面図を示す。図２０(a)〜(c)で示される上面図，正面図，側面図において、１００６は試料を載置する試料ステージ，１００１はイオンビームを発生させるイオン源１００１，１００２は該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系、いわゆるイオンビームカラム，１００３はイオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系、いわゆるＳＥＭカラムである。
【００８３】
イオンビーム照射系１００３の内部構造は図１６に示した装置の構造とほぼ同じであり、イオン源から放射されたイオンビーム光軸上に、イオン源アパーチャ１０１６とステンシルマスク５７とが配置されている。イオン源アパーチャ１０１６は、非軸対称な形状の開口を有し、当該開口を通過したイオンビームのスポット形状を非軸対称に成形し、ステンシルマスク５７は、イオン源アパーチャ１０１６によって成形されたイオンビームを試料上に投射する。ここで、線分１１０５は、前記観察用の荷電粒子ビームの照射軸を試料ステージの試料載置面に投影した線分であり、１１０６は、質量分離器１０１０の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分である。
【００８４】
次に、図２０（b）（c）を用いて、イオンビームカラム１００２とＳＥＭカラム１００３の傾斜関係について説明する。説明の便宜上、試料ステージ面内にＸ，Ｙ軸、試料ステージの法線方向にＺ軸を、試料ステージの中心に座標系の原点をとって考える。図２０（b）において、ＳＥＭカラム１００３は、ＺＸ面内に傾けて配置され、その傾き角はＺ軸に対して４５度である。同様に、図２０（ｃ）において、イオンビームカラム１００２は、ＹＺ面内に傾いて配置されその傾斜角は、Ｙ軸に対して６０度である。１１０１は、イオン源からイオンビームを引き出す引き出し軸であり、１１０２は、イオンビームを試料に照射するイオンビーム照射軸である。１１０１，１１０２ともに、ＹＺ面内で傾斜しているため、１１０１，１１０２を試料ステージへ投影した方向は、線分１１０５と直交する。ＳＥＭカラムの配置とイオンビームカラムの配置をこのように配置し、かつ質量分離方向が線分１１０６に一致するように質量分離器１０１０を調整することにより、実施例４と同様、イオンビームスポットの最もシャープな側のエッジで加工された断面の観察を最初から観察することができる。また、線分１１０５と線分１１０６とが少なくとも平行で無いようにイオンビームカラムとＳＥＭカラムとを配置する、あるいは質量分離器１０１０を調整することにより、イオンビームスポットの最も鈍ったエッジで加工された断面の観察を避けることができる。
【００８５】
本実施例のイオンビーム装置の特徴は、イオン源のみならずイオンビームカラムも傾斜して配置した構造にある。この構造の場合，イオンビームで微小試料作製をする場合に，試料ステージを傾斜することなく，ステージを回転させることによって実現が可能になり，作製のスループットを向上でき，さらにはステージに傾斜自由度がなくても微小試料作製可能になるというという効果を奏することができる。
【００８６】
このような装置構成で，図２０のようにＹ方向に，イオン源アパーチャ１０１６の開口の長軸すなわち長方形の長辺あるいは楕円の長径を合わせる設定にすると，対物レンズを通過するイオンビームはＸ方向の広がりがＹ方向に比べて小さくなるため対物レンズの収差の影響は小さくなる。このとき，Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状は，Ｙ方向に比べ急峻になる。したがって，成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。また，イオンビーム電流はＸ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。
【００８７】
以上、本実施例で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、イオン源で発生した金属イオン等の不純物イオンが質量分離器で取り除かれ試料まで到達することが無く，試料を不純物で汚染することがないため、デバイス製造の歩留まりを低下させない。また，同時に，中性粒子が除去されるためプラズマイオン源の中で生じた金属の中性粒子が試料に到達せず，加工後に加工済みのウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させるようなことは極めて少なくなる。また，ガス種の中性粒子が広く試料に照射されることもなくなるため，所望の箇所以外が加工されて試料が変質してしまうという問題が生じなくなるまた、実施例１から５に説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加え、更にイオンビームで微小試料作製をする場合に，試料ステージを傾斜することなく，ステージを回転させることによって実現が可能になり，作製のスループットを向上でき，さらにはステージに傾斜自由度がなくても微小試料作製可能になるというという効果を奏することができる。また，これにより大型のウェ−ハ対応の装置の構成が簡便になるという効果を奏することができる。
【実施例７】
【００８８】
本実施例においては、以下のイオンビーム加工装置ないしイオンビーム加工方法が開示される。
（１）試料に対して集束イオンビームを照射して所定の加工を行なうイオンビーム加工装置において、イオンビーム照射軸に対して垂直面内における前記イオンビームのスポット形状が非軸対称であり、前記試料上に形成される加工溝の断面の一つが、前記非軸対称形状の短軸方向と平行となるように加工することを特徴とするイオンビーム加工装置。
（２）イオンビームを試料に対して照射して所定の加工を行なうイオンビーム加工装置において、前記イオンビームのイオンビーム照射軸に対して垂直面内におけるビームスポット形状を非軸対称形状に成形する手段と、前記試料上でのイオンビームの照射位置における前記ビームスポットの一つの軸を所定の方向へ向ける手段とを備えたことを特徴とするイオンビーム加工装置。
（３）被加工試料を載置するステージと、イオンビームを前記試料に対して照射または走査させるイオンビームカラムと、試料に対して電子線を照射するＳＥＭカラムとを有し、前記イオンビームカラムが質量分離器を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
(４)試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と、イオン光源を試料上にビームスポットとして結像する照射光学系と、該ビームスポットの形状を非軸対称形状に整形して結像する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え，前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造であり，その傾斜方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００８９】
（５）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを所望の形状の開口を有するマスクを通して試料に照射する投射イオンビーム照射系と，試料上に投射した角型のイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御する制御手段を備え，前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造であり，その傾斜方向が，観察すべき加工断面と少なくとも平行関係であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（６）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と、該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系と，該イオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系を備え，前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構を備え、該質量分離の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記観察用の荷電粒子ビームの照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも直交関係とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（７）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と、イオン光源を試料上にビームスポットとして結像する照射光学系と、該ビームスポットの形状を非軸対称形状に整形して結像する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え， 前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構を備え、該質量分離の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係にすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（８）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，該照射光学系は，イオン光源を試料上にビームスポットとして結像するものであり，その形状を非軸対称形状に整形して結像する手段を備え，前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え，さらに前記試料の加工断面に荷電ビームを照射する照射光学系を備え，その照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記ビームスポット形状の長軸にすくなくとも直交関係にすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００９０】
（９）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，前記イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，第一のマスクが非軸対称な形状を持ち，その長軸方向と短軸方向について試料上に投射したイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について非軸対称にすることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１０）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，該イオンビームによって試料の断面を加工することが可能であり，前記イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，少なくとも一つのマスクが非軸対称な形状を持ち，その長軸方向を試料断面に平行方向にすることにより，試料上に投射したイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるようにすることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１１）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，該イオンビームによって試料の断面を加工することが可能であり，さらに該イオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系を備え，前記イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，少なくとも一つのマスクが非軸対称な形状を持ち，その長軸方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記荷電ビーム照射光学系の照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも垂直方向とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１２）上記に開示されたイオン源がプラズマイオン源であり，プラズマからイオンを引き出すアパーチャが前記軸非対称であるマスクのとなることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００９１】
（１３）上記のイオンビーム加工装置において，非軸対称形状が楕円状であること特徴とするイオンビーム加工装置。
（１４）上記のイオンビーム加工装置において，前記楕円状に整形する手段として，楕円形状または長方形状の開口を有するアパーチャを備え，試料の加工断面に荷電ビームを照射する照射光学系を備え，その照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記開口の楕円形状の長軸または長方形状の長辺を前記ステージの試料載置面に投影した線分少なくとも垂直方向とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１５）イオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備え，前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造であるイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，イオンビームを試料に照射する軸に対するイオン源からイオンビームを引き出す軸の傾斜方向をステージの試料載置面に投影した線分と，観察方向をステージの試料載置面に投影した線分とが，垂直方向となる観察方向から加工断面を荷電粒子ビームで観察するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１６）イオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備え，前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構を備える構造であるイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，前記質量分離機構の質量分散の方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分と，観察方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分とが，垂直方向となる観察方向から加工断面を荷電粒子ビームで観察するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【００９２】
（１７）イオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備えるイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，該照射光学系によって前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形するステップを含み，さらに前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃えるステップを含み，前記ビームスポット形状の長軸に対して，観察方向をステージの試料載置面に投影した線分が垂直方向となる観察方向から加工断面を荷電粒子ビームで観察するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１８）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームが投射イオン照射系で成形されたイオンビームであることを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１９）上記のイオンビーム加工方法において、成形イオンビームが角型であり，その強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき加工断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（２０）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームは，元素種として不活性ガス種，酸素または窒素のいずれかを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【実施例８】
【００９３】
本実施例においては、以下のイオンビーム加工装置が開示される。
（１）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズと，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備え，前記イオンビームを集束するレンズの少なくとも１個が，イオンビーム照射軸に垂直な２方向に対して収差が異なるように作用するレンズであり，前記試料ステージに保持される試料と前記イオンビームとの相対位置関係を、前記２方向のうち収差が少ない方向が前記試料の加工断面に向くように制御する制御手段とを備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（２）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズを２個以上と，試料を保持する試料ステージと，ステンシルマスクを試料に投影するようにイオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備えたイオンビーム装置において、イオンビームを集束するレンズの少なくとも１個が，イオンビーム照射軸に垂直な２方向のレンズ作用が異なるレンズであり，加工断面に垂直方向と，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向とでレンズ作用を異なるように制御する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（３）上記のイオンビーム加工装置において，加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，イオンビーム照射により試料に角穴を形成する際に，観察するべき試料断面の垂直方向のレンズ倍率が，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小さくなるように制御する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（４）上記のイオンビーム加工装置において，加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，試料上に投影した角型の成形イオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００９４】
（５）上記のイオンビーム加工装置において，該ステンシルマスクがイオンビーム照射軸を中心として回転する機構を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（６）上記のイオンビーム加工装置において，イオンビームにより加工された試料片を該試料から分離するときに用いるプローブを備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（７）上記のイオンビーム加工装置において，前記イオン源で生成されるイオンビームは，元素種として不活性ガス種，酸素または窒素のいずれかを含むことを特徴とするイオンビーム加工装置。
（８）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズを２個以上と，イオンビームが通過するアパーチャと，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備えたイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，観察するべき加工断面の垂直方向のビーム径が，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向のビーム径に比べて小さくなるように制御して断面を形成するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【００９５】
（９）上記のイオンビーム加工方法において，該アパーチャをイオンビーム照射軸に対して回転させるステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１０）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズを２個以上と，試料を保持する試料ステージと，ステンシルマスクとを備えるイオンビーム装置によって，ステンシルマスクを試料に投影するようにイオンビームを制御して断面を形成するステップを含むイオンビーム加工方法において，イオンビームを集束するレンズの少なくとも１個を，加工断面に垂直方向と，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向とでレンズ作用を異なるように制御して断面を形成するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。ｓ
（１１）上記のイオンビーム加工方法において、加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，イオンビーム照射により試料に角穴を形成する際に，観察するべき加工断面の垂直方向のレンズ倍率が，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１２）上記のイオンビーム加工方法において，角型の成形イオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき加工断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【００９６】
（１３）上記のイオンビーム加工方法において，該ステンシルマスクをイオンビーム照射軸に対して回転させるステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１４）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームは，元素種として不活性ガス種，酸素または窒素のいずれかを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１５）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームの走査方向が加工断面に平行方向であることを特徴とするイオンビーム加工方法。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本願の一実施形態例であるイオンビーム加工装置を示す図。
【図２】従来のイオンビーム加工の概略を示す模式図。
【図３】軸対称形状のビーム制限アパーチャと、非軸対称形状のビーム制限アパーチャの平面形状とを示す対比図。
【図４】短軸方向と長軸方向でのイオンビームの強度プロファイルを示す模式図。
【図５（ａ）】計算処理装置のディスプレイ画面。
【図５（ｂ）】計算処理装置のディスプレイ画面。
【図５（ｃ）】計算処理装置のディスプレイ画面。
【図６】試料から微小試料を分離するフローを説明する図。
【図７】静電吸着法による試料分離方法を示した模式図。
【図８】実施例２のイオンビーム加工装置の全体外観図を示す図。
【図９】実施例２におけるアルゴンイオンビームの強度プロファイルを示す図。
【図１０】ステンシルマスクを回転させる様子。
【図１１】実施例３のイオンビーム加工装置の全体外観図。
【図１２】実施例３のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【図１３】実施例３のイオンビーム加工装置で加工された試料の加工断面を、それぞれ側面から見た断面図
【図１４】実施例４のイオンビーム加工装置の全体外観図。
【図１５】実施例４のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【図１６】実施例５のイオンビーム加工装置の全体外観図。
【図１７】実施例５のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【図１８】イオンビーム成形アパーチャの一構成例。
【図１９】イオンビームの強度プロファイルを、それぞれ長軸、短軸方向から説明した図。
【図２０】実施例６のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【符号の説明】
【００９８】
１…イオン源，２…コンデンサレンズ，３…ビーム制限アパーチャ，４…イオンビーム走査偏向器，５…対物レンズ，７…電子銃，８…電子ビーム，９…電子レンズ，１０…電子ビーム走査偏向器，６…集束イオンビーム(ＦＩＢ)，１１…試料，１２…二次粒子検出器，１３…試料ステージ，１４…試料ステージ制御装置，１５…プローブ，１６…マニピュレータ制御装置，１７…デポガス源，１８…デポガス源制御装置，１９…二次粒子検出器制御装置，２１…集束イオビーム筐筒，２２…電子ビーム筐筒，２３…イオンビーム加工装置，３１…液体金属イオン源，３２…コンデンサレンズ，３３…ビーム制限アパーチャ，３４…イオンビーム走査偏向器，３５…対物レンズ，３６…ＦＩＢ，３７…アパーチャ回転機構，３８…アパーチャ回転制御機構，４１…真空容器，８１…イオン源制御装置，８２…レンズ制御装置，８３…イオンビーム走査偏向制御装置，８４…二次粒子検出器制御装置，８５…計算処理装置，５１…デュオプラズマトロン，５２…非軸対称イオンビームレンズ，５４…イオンビーム走査偏向器，５５…対物レンズ，５６…アルゴンイオンビーム，５７…ステンシルマスク，５８…ステンシルマスク回転機構，５９…ステンシルマスク回転制御機構，９１…デュオプラズマトロン制御装置，９２…レンズ制御装置，９３…イオンビーム走査偏向制御装置，９５…計算処理装置，１３０…マーク，１３２…角穴，１３３…垂直溝，１３４…支持部，１３５…斜溝，１３６…摘出すべき試料，１３７…プローブ，１３１…ＦＩＢ，１３８…デポ膜，１３９…微小試料，１４０…試料ホルダ，１４３…ウォール，２０１…ウェーハ，２０２…薄膜，２０３…試料薄膜，２０４…ＴＥＭ試料ホルダ，１０１…角穴，１０２…底穴，１０３…切り欠き溝，１０４…ガスノズル，３０１…角穴，３０２…角穴，３０３…斜溝，３０４…角穴，３０５…取り出し痕，４０１…ディスプレイ画面，４０２…走査領域設定ウインドウ，４０３…試料画像表示領域，４０４…ビーム走査領域，４０５…ポインタ，４０６…座標入力領域，５０１…プラグ，５０２…破線，５０３…矢印。
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体デバイスなどの電子部品の検査・解析方法，電子部品製造方法に係わり，試料断面のイオンビームによる加工方法，試料から微小試料を分離または分離準備する試料加工方法，およびイオンビーム加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイナミックランダムアクセスメモリに代表される半導体メモリやマイクロプロセッサ，半導体レーザなど半導体デバイス，および磁気ヘッドなど電子部品の製造においては，高歩留まり製造が求められる。これは不良発生による製品歩留りの低下は，採算の悪化を招くからである。このため，不良の原因となる欠陥や異物，加工不良の早期発見および早期対策が大きな課題となっている。例えば，電子部品の製造現場では，入念な検査による不良発見，およびその発生原因の解析に注力されている。ウェーハを用いた実際の電子部品製造工程では，プロセス途中にあるウェーハを検査して，回路パターンの欠陥や異物など異常箇所の原因を追及して対策方法が検討される。
【０００３】
通常，試料の異常箇所の観察には高分解能の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope以下，ＳＥＭと略記）が用いられる。また近年ではＳＥＭと集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）の複合機ＦＩＢ-ＳＥＭ装置も用いられるようになった。このＦＩＢ-ＳＥＭ装置では，ＦＩＢを照射して所望の箇所に角穴を形成することにより，その断面をＳＥＭ観察することができる。
【０００４】
特開２００２−１５０９９０号公報『微小試料加工観察方法及び装置』には，ＦＩＢにより試料の異常箇所近傍に角穴を形成し，当該角穴の断面をＳＥＭ装置で観察することにより，欠陥や異物などを観察・解析する装置が開示されている。国際公開公報ＷＯ９９／０５５０６『試料作製方法及び装置』には，ＦＩＢおよびプローブを用いて，バルク試料からＴＥＭ観察用の微小試料を摘出する技術が開示されている。 特開２０００−１５６３９３号公報『電子部品製造方法』には，ウェーハから検査用の微小試料をウェーハを割断することなく取り出し，微小試料を取りだした後のウェーハは製造ラインに戻す手法が開示されている。当文献に記載の発明においては，加工プロセスでの進捗状況はモニタで監視され，ウェーハの検査・解析が行なわれる。特開平７−３２０６７０号公報『集束イオンビーム手段をもちいた処理方法およびその装置』にはヘリコン波イオン源を使い，ビームスポット径０．１μｍのアルゴンイオンビームでＳＥＭ観察用の試料を加工する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５０９９０号公報
【０００６】
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ９９／０５５０６
【特許文献３】特開２０００−１５６３９３号公報
【特許文献４】特開平Ｈ７-３２０６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
試料をイオンビームにより加工して断面を形成して，断面を電子顕微鏡で観察する技術，またはイオンビームにより試料から微小試料を分離して微小試料を電子顕微鏡で観察する技術には次のような課題が残されていた。
【０００８】
半導体メモリやマイクロプロセッサ等の電子部品の不良解析では，複数箇所の同時解析や解析結果の短時間でのフィードバックが強く求められている。すなわち，発見された不良箇所からなるべく早く解析用試料を摘出・調整し，検査・解析を行ない，得られた結果をできる限り早期に製造プロセスへフィードバックすることが，製造コスト低減の上で重要である。現状では，イオンビームによる断面形成には５〜１０分程度，イオンビームによる微小試料の摘出には３０〜６０分程度要しているが，製造ラインの要求に対して十分短いとは言えず，試料から観察・解析用試料を調整するまでの時間の短縮が課題となっている。
【０００９】
従来、イオンビームの加工の際には、ビームスポット形状が円形のイオンビームが使用されている。円形のビームを使用する場合、試料断面の加工精度は、ビーム径（イオンビームスポット形状の曲率）で決まる。また、イオンビームによる加工時間は，イオンの照射電流にほぼ反比例する。つまり，イオンビーム電流を大きくすればイオンビーム加工時間は短縮できる。しかし，イオンビーム電流はイオンビーム径が決まると，イオン源やイオン光学系の性能に依存して最大値が決まってしまう。イオン電流とビーム径の特性はレンズの制御値とアパーチャの口径によって決まる特性ではあるが，アパーチャ口径を大にすると電流は大になるが，レンズの収差が増大するためビーム径も大きくなるという関係がある。
【００１０】
図２には、従来のイオンビームにより断面を形成する場合，イオンビーム電流に着目した３個のビームモードを使った加工手順を模式的に示す。Ａ，Ｂ，Ｃの３個のビームモードはビーム径および電流によって特長付けられる。Ａモードはビーム径が約１μｍ，電流が約１０ｎＡ，Ｂモードはビーム径が約２００ｎｍ，電流が約３ｎＡ，Ｃモードはビーム径が約３０ｎｍ，電流が約２００ｐＡである。まず，Ａモードのイオンビームを用いて矩形に走査して角穴を形成する。しかし，ここでは電流は大であるがビーム径も大きいため加工断面はなだらかな曲面になり，観察には適さない。そこで次にＢモードのイオンビームで断面部分を走査し，断面をより急峻に加工する。さらにＣモードのイオンビームにより仕上げの加工により観察するべき断面が完成する。図２では観察断面に，電極断面やプラグ断面が露出していることがわかる。また，ＴＥＭ用観察用の薄膜の場合にも，断面両側から同様に加工することになる。ここでＢモードやＣモードのイオンビームは電流が小さいため電流に反比例した長い時間を要してしまい，観察までの時間が長く，短時間での断面観察は実現されていなかった。
【００１１】
また，シリコンウェーハをガリウムで汚染させることを避け，断面観察後のシリコンウェーハをプロセスラインに戻すためには，イオンを不活性ガスや酸素などの非汚染イオン種にする。この場合，イオン源を液体金属イオン源に換えてプラズマイオン源を採用するが，イオン源輝度が少なくとも２桁から３桁低くなる。このとき断面を仕上げるためにビーム径０．１μｍにすると得られる電流はせいぜい数ｐＡになり，断面加工のためには１時間以上要することになる。このため非汚染イオン種によるデバイス特定箇所の垂直断面観察は実現されていなかった。
【００１２】
上述の問題点に鑑み，本願の目的は半導体デバイス等の歩留向上のために，従来よりも加工時間を長くすることなく、イオンビームによる断面形成の加工精度を向上可能な加工方法，およびウェーハを割断することなく微小試料を分離または分離準備する時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置を提供することにある。さらに，イオンビームに不活性ガスや酸素，窒素イオンを用いたときに，断面形成時間を短縮する加工方法，ウェーハから解析用サンプルを分離または分離準備する時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願では、加工時間を保ったまま加工精度を向上するために、イオンビームのビーム断面形状を楕円状に成形する。楕円状に成形することにより、楕円の短径方向と長径方向とで、それぞれ大小２つの異なるビーム径を有するイオンビームが生成できる。そこで、試料断面の加工には、ビーム径の小さなビームスポットの短径方向を用いる。これにより、円形ビームを用いた場合に比較して、試料の加工精度を向上できる。実際に試料の加工を行なう際には、ビーム径の小さな短径方向が被加工試料の加工断面に向くように、イオンビームと試料との相対位置関係を制御する。相対位置関係を制御するための具体的な手段に関しては、実施例で後述する。
【００１４】
また、イオンビームのスポット形状を楕円状に成形する以外にも、本願の課題は解決可能である。例えば、試料上のビーム形状をステンシルマスクのような型を用いて矩形に成型しても良い。この場合には、矩形の４辺のうち、少なくとも１辺の急峻さが、他の３辺の急峻さよりも小さくなるようにイオンビームを成形する。ここで、「急峻さ」とは、イオンビームのビーム強度が、最大領域からゼロに向かってどれだけの勾配で小さくなっているかを示す概念であり、定量的には、イオンビームプロファイルの裾の幅で表現される。急峻さの制御手段およびイオンビームプロファイルについては、実施例で後述する。
【００１５】
以上、本発明では、イオンビームを、その試料上のビームが、イオンビーム照射軸（イオンビーム光軸）を中心として、非対称（『非軸対称』および照射軸を中心とする９０度回転に対して非対称も含む）になるように成形することにより、課題を解決する。
【発明の効果】
【００１６】
本願によると，半導体デバイス等の歩留向上のために，イオンビームによる断面形成加工時間を短縮する加工方法，およびウェーハを割断することなく微小試料を分離または分離準備する加工時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置が提供される。さらにイオンビームに不活性ガスや酸素，窒素イオンを用いたときに，断面形成時間を短縮する加工方法，ウェーハから解析用サンプルを分離または分離準備する時間を短縮する加工方法が提供され，およびイオンビーム加工装置が提供される。さらにウェーハを評価のために無駄に廃棄せず，かつ検査のための試料を取り出したウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させない新たな検査・解析方法が提供される。また本願による電子部品製造方法を用いることで，ウェーハを割断することなく評価でき，新たな不良を発生させず，高価なウェーハを無駄にすることはない。ひいては，電子部品の製造歩留りが向上する。さらに，解析用サンプルを分離または分離準備する方法，検査・解析方法，および電子部品製造方法を実現できるイオンビーム加工装置が提供される。
【実施例１】
【００１７】
本実施例では、楕円または長方形の開口部を備えたアパーチャにより、イオンビームのスポット形状を成形する実施例について説明する。図１に、本実施例のイオンビーム加工装置の概略構成図を示す。本イオンビーム加工装置２３は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，ガリウムイオンを放出する液体金属イオン源３１，コンデンサレンズ３２，ビーム制限アパーチャ３３，アパーチャ回転機構３７，イオンビーム走査偏向器３４，対物レンズ３５，などから構成されるイオンビーム照射系が配置されている。また，電子銃７，電子銃７から放出する電子ビーム８を集束する電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０等で構成される電子ビーム照射系が配置されている。さらに，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１４，デポガス源１７，および試料１１などが配置されている。また本装置を制御する装置として，イオン源制御装置８１，レンズ制御装置８２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器の制御装置１９，アパーチャ回転制御機構３８，イオン走査偏向制御装置８３，および計算処理装置８５などが配置されている。ここで，計算処理装置８５は、装置ユーザが必要な情報を入力するための情報入力手段や、二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイ等を備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置８５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。
本装置では，液体金属イオン源３１より放出されたガリウムイオンは，コンデンサレンズおよび対物レンズによって試料上に集束される。なお，集束条件設定は計算処理装置８５への入力によってなされる。また試料上に照射されるビーム径は，イオン源を光源とする試料上への結像と，レンズによる収差によって決定される。レンズによる収差は，ビーム制限アパーチャの開口が大きくなると増大しビーム径の拡大となる。
【００１８】
図３(a)(b)にビーム制限アパーチャの平面形状の一例を示す。図３(a)は従来のアパーチャ３で直径の異なる複数の円形の穴が用意されている。図３(b)は本実施の形態の例で，円形の穴，楕円形の穴，および長方形の穴といった非軸対称形状の穴が複数個用意されている。円形は従来と同じで主に像観察する場合に用いる。楕円形や長方形は断面形成する場合に用いるもので，楕円形の長径の方向あるいは長方形の長辺の方向，すなわち図３のＹ方向が断面に平行方向となる。さらに，ビームを矩形に走査した場合，一辺の方向はこのＹ方向と平行にする。なお，ビーム制限アパーチャ上の開口の領域内でイオンビーム電流密度がほぼ一様とすると，試料に到達するイオンビーム電流は開口の面積にほぼ比例する。なお本実施例ではビーム制限アパーチャとして楕円または長方形を取り上げたが，形状が非軸対称であり，穴の最大幅方向に対して略直角方向の幅が概最小幅になるような形状であれば良く，このような形状を本出願では楕円状または長方形状と称する。言うまでもないが楕円状とは形状に明確な角が無いものを指し，長方形状とは角を複数個有するものも指す。また長方形状は必ずしも４角形でなくても５角形以上や３角形でも良い。
【００１９】
図４には，図３(b)に示した非軸対称形状の開口を備えたアパーチャを通過して得られるイオンビームの強度プロファイルを示す。図４(a)は，試料上に投影されるビームをＸ方向から見たプロファイル断面図，図４(b)は，Ｙ方向から見たプロファイル断面図である。Ｘ方向に細く，Ｙ方向に太い分布となっており非軸対称形状に成形されていることがわかる。また例えば長径の長さを短径の２倍にすると，短径が直径の円に比べて開口の面積は２倍になるため，イオンビーム電流は約２倍になる。長径方向のビーム径は短径方向より大きくなるが，その大きさは収差の大きさに依存する。
【００２０】
断面加工では，まず円形の穴を通過させたイオンビームをイオンビーム走査偏向器３４により試料上で走査させる。そして試料から放出された二次粒子を二次粒子検出器１２で検出する。そして計算処理装置８５のディスプレイの画面で，二次粒子検出器１２の検出信号を輝度変調して試料の画像を表示する。
【００２１】
図５(a)に計算処理装置８５のディスプレイ画面４０１の例を示す。この試料ではプラグ５０１を破線５０２の位置で矢印５０３の方向から観察する。しかし，この画面では破線がＹ方向に対して角度θだけ傾斜していることがわかる。そこで操作者が画面を観察しながら試料ステージを回転させて破線がＹ方向に平行となるようにする。なお，図５(a)で破線の位置情報を入力することにより計算処理装置で回転角度を計算させて自動で試料ステージを回転させることもできる。破線の位置情報とは、例えば、破線の終点の位置座標等である。装置ユーザは、破線の端点をポインタで指定するなどして、計算処理装置に破線の位置座標を入力する。
【００２２】
図５(b)に回転後の画面を示す。この画面で試料画像を表示させた状態で，加工すべき矩形領域を設定する。この設定は，これは画面上で操作者がポインタを使うか，またはキーボードからの数字入力により行う。走査領域設定ウインドウ４０２には試料画像表示領域４０３があり，ここに試料画像が表示される。この領域でビーム走査領域４０４を設定する。例えば矩形領域の４隅の位置[1]〜[4]を画面上でポインタ４０５を使って指定するか，あるいは座標入力領域４０６に座標数字を入力する。
【００２３】
次に，長径の長さを短径の２倍にした楕円形の穴を通過させたイオンビームを用いて設定した矩形領域を走査させることにより断面加工を実施する。このビームを用いて断面加工した場合には，イオンビーム電流が従来の円形のビームに比べ２倍であるため加工時間は従来に比べ約１／２にすることができる。すなわち、長径と短径の比率を制御することにより、短径の長さを直径とする軸対称形状、例えば円形にイオンビームスポット形状を成形した場合に対して、イオンビーム電流値を任意の大きさに制御することができる。即ち、長径方向に対してはイオンビームを絞らないためイオンビーム電流が増大し、試料の加工はビームのスポットの短径方向で行なうため加工精度が低下しない。
【００２４】
なお，ここで重要なのはアパーチャ形状の非軸対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように装置を設定することである。この設定は装置設計の際に固定することも可能であるが，アパーチャの回転機構を設け，計算処理装置の指令によって行うことも可能である。すなわち，ビーム制限アパーチャ３３の楕円形の長径の方向すなわち図３のＹ方向が断面に平行方向となるように設定し，イオンビームをイオンビーム走査偏向器３４により試料上で矩形領域を走査させる時には，矩形領域の一辺の方向はこのＹ方向と平行になるように計算処理装置で設定することが重要になる。
【００２５】
また，ビーム走査方向についても同様に，断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。
また，アパーチャをイオンビーム照射軸中心にして回転させるアパーチャ回転機構３７を設ければ，イオンビームの短径方向を任意に設定することができる。図５(a)のディスプレイ画面４０１で破線がＹ方向に対して角度θだけ傾斜していることがわかる。そこで操作者が画面を観察して角度θをもとめ，アパーチャ回転機構を動作させて，角度θアパーチャを回転させてアパーチャの長径方向が破線と平行となるようにしても良い（図５(c)）。また，図５(a)で破線の位置情報を入力することにより計算処理装置で回転角度を計算させて，計算処理装置から回転角度情報を基にアパーチャ回転機構を動作させて自動でアパーチャを回転させることもできる。
【００２６】
次に断面観察の手順について説明する。電子銃７から放出される電子ビーム８を集束して試料１１に照射する。このとき電子ビーム８を走査しながら試料断面に照射し，試料断面から放出される二次電子を二次粒子検出器１２で検出して，その強度を画像の輝度に変換すれば試料断面を観察することができる。すなわち，ＦＩＢ６で回路パターンの欠陥や異物など異常箇所に角穴を形成すれば，欠陥や異物などの断面を電子ビーム８で観察することができ，その発生原因を解析できることになる。また，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができるが，この場合もアパーチャ形状の非軸対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように制御することが必要である。
【００２７】
ＴＥＭ試料作製のための微小試料作製のための加工手順について，図６で説明する。図６(a)：まず，観察断面を形成する両端マーク１３０を電流約１００ｐＡのイオンビームを使って２個作製する。このマークを結んだ線が図６(a)で示した破線に相当する。すなわち，計算処理装置８５のディスプレイの画面で，試料の画像を観察しながら観察位置をマークで特定するのである。なおこの際にはアパーチャは円形を用いるが，ここで楕円形のアパーチャの長径の方向に観察断面の加工方向を合わせるようにステージまたはアパーチャを予め回転させておく。次に，アパーチャをより大きな円形の穴に切り替えて電流を約３０ｎＡに増大させる。そこで２個のマーク１３０を結ぶ直線上で，マーク１３０の両側に２個の角穴１３２を設ける。図６(b)：次に，アパーチャを長径の長さを短径の２倍にした楕円形の穴に切り替える。切り替え動作は、装置ユーザが、情報入力手段を介して切替命令を入力するか、或いは、計算制御装置がアパーチャ回転制御機構３８へ切替の制御信号を送信することにより実行される。電流は約１０ｎＡ得られる。この条件で一方の角穴と交わるように，他方の角穴には交わらないような細長垂直溝１３３を形成する。一方の角穴１３２と交わらない小さな領域は，後に摘出すべき試料を支える支持部１３４になる。ここで，楕円形の穴の長形方向は溝の細長い方向に平行方向である。このようにすると従来の円形の穴アパーチャでは約５ｎＡの電流による加工であったが約２倍の電流による加工ができるため加工時間を約１/２にできる。しかも観察するべき断面方向のビーム径は同じであるため，観察断面に向かって急峻な加工ができる。図６(c)：図６(a)(b)工程の後，試料ステージ制御装置により試料ステージを傾斜させ試料面を小さく傾斜（本実施例では２５°）させる。そこで，上記両角穴１３２を結ぶように，細長い溝１３５を形成する。試料表面に対して斜めから入射したＦＩＢによって斜溝１３５が形成され，先に形成した垂直溝１３３と交わる。図６(a)から(c)の工程によって支持部１３４を残して，マーク１３０を含み，頂角が２５°の直角三角形断面のクサビ型微小試料が片持ち梁の状態で保持されている状態になる。図６（ｄ）：次に，試料ステージ制御装置を動作させ試料ステージを水平に戻す。ここでプローブ制御装置によりプローブを駆動して，摘出すべき試料１３６の支持部１３４とは反対の端部に移送手段先端のプローブ１３７を接触させる。次に，円形のアパーチャに切り替え電流を約２００ｐＡに調整する。この際の切り替え動作も、装置ユーザが、情報入力手段を介して切替命令を入力するか、或いは、計算制御装置がアパーチャ回転制御機構３８へ切替の制御信号を送信することにより実行される。そして摘出すべき試料１３６にプローブ１３７を固定するために，プローブ１３７先端を含む領域に，デポジション用ガスを流出させつつＦＩＢ１３１を走査させる。このようにしてＦＩＢ照射領域にデポ膜１３８が形成され，プローブ１３７と摘出すべき試料１３６とは接続される。図６（ｅ)(ｆ）：微小試料を試料基板から摘出するために，支持部１３４にＦＩＢ照射してスパッタ加工することで，支持状態から開放される。図６（g)(ｈ）：プローブ１３７の先端に接続されて摘出した微小試料１３９は試料ホルダに移動させ，デポガスを導入しつつ微小試料１３９と試料ホルダ１４０と接触部にＦＩＢ１３１を照射する。この操作によって微小試料は試料ホルダ１４０に接続できる。図６（ｉ）：次に，プローブ１３７と微小試料１３９を接続しているデポ膜１３８にＦＩＢを照射してスパッタ除去することで，プローブ１３７を微小試料１３９から分離する。図６（ｊ）：最後に，３種類の径の楕円形のアパーチャを用いて薄膜加工を行う。すなわち粗加工，中加工，仕上げ加工の順に穴径が小さなものを用いて，最終的に観察領域を厚さが１００ｎｍ以下程度のウォール１４３になるように薄く仕上げ加工を施してＴＥＭ試料とする。上述の加工の結果，ＴＥＭ観察領域ができあがる。ここでは，ビーム形状が楕円になっていることにより加工出来上がり形状は非対称になる。このようにすると従来に比べて約２倍の速度で薄膜加工ができることになる。なお，以上では操作者が計算処理装置の入力装置を使って装置を制御している例を説明したが，計算処理装置にメモリなどの記憶手段を設けて、全ての工程の制御条件を制御シーケンスとして格納しておくことにより、全自動でサンプリングを行うことも可能である。
【００２８】
図６に示した実施例では、プローブを用いて試料片を試料基板から摘出した例を示したが、静電吸着により試料片を摘出することもできる。図７には、静電吸着による試料片の摘出例について示す。図７(a)には、ウェーハ２０１上に形成された薄膜２０２に対し、摘出試料を形成する目標位置の両側を階段状にＦＩＢ１３１で加工している様子を示す。試料薄膜２０３を作製し，図７(b)には、形成された試料薄壁２０３の周囲を、ＦＩＢ１３１で一部を残して切り取った所を示す。そして，ウェーハ２０１をイオンビーム加工装置から取りだし，大気中でガラス棒の静電気を利用して，試料薄膜２０３をウェーハ２０１から完全に分離してＴＥＭ試料ホルダ２０４に移動させる。この方法でも，分離した試料薄膜をＴＥＭで解析することができる。なお、静電吸着による試料片の引きはがしは、真空容器内部で実行しても良い。この場合、図１に示した試料作製装置は、ガラス棒や絶縁材料で出来たプローブ等、静電気を帯びやすい材料で出来た微小試料片の摘出手段を備えることになる。すなわち，非軸対称形状のイオンビームを用いる限り，観察・解析用の微小試料の加工を行なう装置・方法は，本実施例の対象となる。
【００２９】
以上のようにウォール加工を施した後，微小試料はＴＥＭの試料室に導入される。ＴＥＭ観察では欠陥や異物などの断面を，ＳＥＭ観察に比べてより高分解能な観察することができ，観察結果から欠陥原因をより詳細に解析することができる。また，以上に述べたイオンビーム筐体と電子ビーム筐体を複合したＦＩＢ−ＳＥＭ装置ばかりでなく，イオンビーム筐体のみを有するイオンビーム加工装置で断面加工を行い，試料を電子顕微鏡に移送して観察する場合のイオンビーム加工装置も，本実施例のイオンビーム加工装置に含む。
【００３０】
以上の実施形態によると，半導体デバイス等の歩留向上のために，イオンビームによる断面形成加工時間を短縮する加工方法，およびウェーハを割断することなく微小試料を分離する加工時間を短縮する加工方法，およびイオンビーム加工装置が提供される。
【実施例２】
【００３１】
本実施例では、試料上のビーム形状をステンシルマスクによって成型して，さらにビームプロファイルを直交２方向に対して非対称にするイオンビーム加工装置の実施例について説明する。すなわち，本実施例では，イオンビーム照射系の途中に，所定形状の開口を持つステンシルマスクを挿入し，開口の形状を試料上に投影した成型ビームを用いる場合について述べる。このような成型ビームは，ビームプロファイルの裾の形状を上記の実施例１で述べた集束イオンビームと同程度にする条件でも，ステンシルマスクの開口面積を大きくすることでイオンビーム電流を増大させることができる。
【００３２】
図８には，本実施例のイオンビーム加工装置の概略構成図を示す。本イオンビーム加工装置は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，アルゴン，ネオン，キセノン，クリプトン，酸素，窒素等のガスイオンを放出するデュオプラズマトロン５１，非軸対称イオンビームレンズ５２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，ステンシルマスク回転機構５８などから構成されるイオンビーム照射系が配置されている。さらに，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，および試料１１などが配置されている。また本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，ステンシルマスク回転制御機構５９，および計算処理装置９５などが配置されている。ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。
【００３３】
ここではアルゴンボンベからの配管途中に存在するガスバルブを開けることによりアルゴンガスをデュオプラズマトロン５１に導入し，ガス放電によるプラズマを生成する。そこでデュオプラズマトロン５１からイオンビーム５８を引き出す。これらは，計算処理装置からの指令によりデュオプラズマトロン制御装置が動作して実行される。そして，このイオンビーム５８を２重４極子レンズからなる非軸対称イオンビームレンズ５２により対物レンズ５５中心近傍に集束させる。すなわち非軸対称イオンビームレンズ５２の電極に印加する電圧を，この条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。ここで，２重４極子レンズの像面はＸ，Ｙ方向で一致させて，倍率は異なるようにレンズは設計されており，Ｘ，Ｙ方向とも対物レンズ５５中心近傍に集束する条件の電圧値に計算処理装置９５で設定する。そしてイオンビーム５８は矩形の穴を有するステンシルマスク５７を通過する。対物レンズ５５はステンシルマスクを試料１１の上に投影する条件で制御する。ここでも対物レンズ５５の電極に印加する電圧を，上記条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。すると，試料上には矩形の成型イオンビームが照射される。
【００３４】
ここで２重４極子レンズのＸ方向の倍率がＹ方向の倍率に比べて小さくなるように電圧を設定すると，対物レンズを通過するイオンビームはＸ方向の広がりがＹ方向に比べて小さくなるため対物レンズの収差の影響は小さくなる。このため，Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状は，Ｙ方向に比べ急峻になる。したがって，成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。
【００３５】
図９を用いて、非軸対称ビームのビームプロファイルのＸ，Ｙ方向の非対称性について説明する。ビームプロファイルのエッジ部分の急峻性について定量的に扱うため、本実施例では、急峻さの尺度としてビームプロファイルの裾の幅を用いる。本実施例では、図９に示すように，ビームプロファイルの裾の幅をビーム強度の１６％から８４％までの距離と定義した。図９に示すビームプロファイルでは、Ｘ方向の裾の幅がＹ方向の裾の幅よりも狭く、従って、図９に示す矩形状のビーム形状では、長辺の方が短辺よりも急峻であることが判る。なお、ビームスポット形状のエッジ部の急峻さの定義としては、裾の幅以外の定義を使用しても構わない。
【００３６】
ここで重要なのはイオンレンズによる集束の非対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように制御することである。すなわち，２重４極子レンズのＸ方向の倍率がＹ方向の倍率に比べて小さくなるように電圧を計算処理装置９５で設定して，図９のようにＸ方向のビームプロファイルの裾の形状をＹ方向に比べて急峻にした場合には，Ｙ方向を形成するべき断面に平行方向となるように設定することが重要である。特に断面位置にイオンビーム照射軸が重なるように，ステンシルマスク５７の矩形穴端の一辺が照射軸と重なるようにステンシルマスク位置を調整するとビームの裾の幅はより小さく制御することができる。
【００３７】
また，本イオンビーム加工装置にイオンビーム走査偏向電極を，ステンシルマスク５７と対物レンズ５５の中間位置に追加してビームを走査して断面を作製する場合には，ビーム走査方向は断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。すなわち，図９のようにＸ方向のビームプロファイルの裾の形状をＹ方向に比べて急峻にした場合には，ビーム走査方向の少なくとも一辺の方向はこのＹ方向と平行になるように，ビーム走査する矩形領域を計算処理装置９５で設定することが重要になる。
【００３８】
また，ステンシルマスクにマスク穴を小さく制限する機構を設け，その穴を投射した成型ビームで試料上を走査して試料画像を取得して加工位置を設定すれば精度良い位置設定をすることができる。なおマスク穴を小さく制限する機構としては，例えばステンシルマスクに微細アパーチャを重ねる構造としても良い。
【００３９】
また，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができるが，この場合もイオンレンズによる集束の非対称特性と断面形成方向とを上記で述べたように制御することが必要である。
【００４０】
微小試料作製のための加工手順については，図６に示した方法と同様にすることができるが，ビーム形状が矩形であり，かつビーム裾の幅がＸ方向とＹ方向とで非対称となっていることにより加工出来上がり形状が非対称になることに注意が必要である。特に，観察するべき断面に垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるように設定する必要がある。これは装置設計により実現できる。
すなわち，図６(b)での細長垂直溝１３３の形成，図６(c)での細長い溝１３５の形成において，細長垂直溝１３３および細長い溝１３５の微小試料側の断面に対して垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるように設計する。
【００４１】
また，ステンシルマスクをイオンビーム照射軸中心にして回転させるステンシルマスク回転機構５８を設ければ，成型ビームの形状を図１０に示すように任意の方向に回転させることができる。そこでこの成型ビームの端の方向に合わせてプロファイルの裾の幅が小なるように，２重４極子レンズの電極に印加する電圧を計算処理装置９５で設定すれば，試料表面の任意の方向に断面を形成できる成型ビームが得られることになる。すなわち，試料の構造に対して任意の方向の断面を観察することができ，さらに試料ステージを駆動させること無く多方向の断面の観察ができることになる。
なお，本実施の形態ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズとして２重４極子レンズを例としたが，非軸対称な制御が可能なレンズであれば，他の４極子レンズ，８極子レンズ，１６極子レンズ等であっても良い。またこれらの組み合わせおよび対称レンズと組み合わせても良い。また、以上の実施例では、マスク開口の形状を試料上に投影した成型ビームを用いた例について述べたが，成型ビームではなく，楕円または長方形の開口部を備えたアパーチャにより，イオンビームのスポット形状を成形してもよい。
【００４２】
また，本実施例のような非対称のビーム成形手法は、Ｘ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合、即ち対称にビームを成形した場合に比べて、イオンビーム電流を大きくすることができる。従って、本実施例のビーム成形手法は、アルゴンや酸素等、気体元素のイオンビームに対して特に好適である。実施例１ではＧａイオンビームを集束した例を述べたが，Ｇａが加工領域に残る。シリコンデバイス等，半導体装置の製造プロセスにおいては，重金属であるＧａは不良発生原因となる可能性が高いため、試料片作成時には、試料の特性に顕著な影響を及ぼさない不活性ガスや酸素，窒素などの気体元素のイオンビームを用いることが望ましい。しかしながら、現時点で利用可能なイオン源で，気体元素イオンを発生させるプラズマイオン源は，発生できるイオンビームの輝度が，Ｇａ等の液体金属イオン源に比べて少なくとも２桁から３桁低い。従って、わざと非対称にイオンビームを成形し、実際の加工はビームプロファイルのより急峻な部分を用いて行なうことにより、輝度の低いイオン源であっても加工精度を落とさずに使用可能とすることができる。本効果は、気体元素のイオンビーム（例えば、窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビーム等）に限らず、輝度の低いイオン源を使用する場合には全て有効である。
【００４３】
また、ビームプロファイルの裾の急峻性について，直交２方向の急峻性の比率を制御することにより、ビームプロファイルの裾をＸ方向とＹ方向で対称形状にした場合に対して、イオンビーム電流値を任意の大きさに制御することができる。即ち、比較的急峻でない方向が存在することによりイオンビーム電流が増大するが、試料の加工はビームプロファイルの急峻な方向で行なうため加工精度が低下しない。更にまた，本実施例ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズを用いたが，イオン光源形状を非軸対象にするアパーチャと，対称イオンビームレンズを用いても良い。すなわち，イオン源からイオンが放出されるアパーチャを楕円形状あるいは長方形状にするか，あるいは途中に同様な非軸対象なアパーチャを設け，このアパーチャを光源としてレンズを調整しても良い。この場合も，レンズの条件設定は計算処理装置によって実行可能である。
【００４４】
TEMやSEM等の解析手段用微小試料を作製するために、図６あるいは図７で示される試料片作製フローに、本実施例の成型ビームを用いることができる。また，本実施の形態で述べたイオンビーム加工装置ばかりでなく，イオンビーム筐体と電子ビーム筐体を複合したＦＩＢ−ＳＥＭ装置となるイオンビーム加工装置で断面加工を行い，その装置内で電子ビームによる断面観察する場合のイオンビーム加工装置も，本願に示すイオンビーム加工装置に含む。
【００４５】
以上、本実施で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、実施例１で説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加えて、更に，ステンシルマスクを用いることにより，より大きな電流で精度の高い加工ができる。特に輝度の低いイオン源であってもビーム電流を大きくでき，かつ加工精度が高くできるため断面加工や微小試料の作製が短時間で可能という効果を奏することができる。これは半導体装置の製造プロセスにおいては，不良発生原因となる可能性が高いＧａに替わって、試料の特性に顕著な影響を及ぼさない不活性ガスや酸素，窒素などの気体元素のイオンビームを用いることができることを意味する。したがって，半導体デバイス等の歩留向上のために，ウェーハをＧａなどの金属で汚染することなく，イオンビームによる断面形成が可能となり，さらにウェーハを割断することなく微小試料を分離または分離準備ことができるため，ウェーハを評価のために無駄に廃棄せず，かつ検査のための試料を取り出したウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させない新たな検査・解析方法が提供される。また，ウェーハを割断することなく評価でき，新たな不良を発生させず，高価なウェーハを無駄にすることはない。ひいては，半導体装置の製造歩留りが向上する。
【実施例３】
【００４６】
本実施例では，イオン源をＦＩＢカラムに対して傾けて配置し、かつステンシルマスクを用いてイオンビーム形状を成形した例について説明する。ここで，イオン源は不活性ガスや酸素，窒素などの気体元素のイオンビームを引き出すプラズマイオン源を用いるものとする。イオン源のイオン種として不活性ガスや酸素，窒素のような元素種を選べば，デバイスの電気的な特性に影響を与えないのでイオンビームで加工後に加工済みのウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させるようなことは少ない。しかし，このようなインライン応用では、プラズマイオン源の中で金属の不純物が微量に生成され，これが試料まで到達した場合に希に不良を発生させることがあるという課題が残されていた。これらの不純物の一つは金属イオンであり，他には金属の中性粒子である。また中性粒子は，レンズや静電偏向器で制御できず，試料に広く照射される。ガス種のイオンの中性粒子が照射された場合に所望の箇所以外も加工してしまい試料が変質してしまうという問題もあった。
【００４７】
本実施例では，まず，試料に中性粒子の不純物を試料に到達させないためイオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造とする例について述べる。また発生できるプラズマイオン源の輝度は一般に，Ｇａ等の液体金属イオン源に比べて少なくとも２桁から３桁低くなる。そこで，本実施例では，イオンビーム照射系の途中に，所定形状の開口を持つステンシルマスクを挿入し，非軸対称の開口形状を試料上に投影した成型ビームを用いる。
【００４８】
図１１に本実施例のイオンビーム加工装置を示す。本イオンビーム加工装置は，アルゴン，ネオン，キセノン，クリプトン，酸素，窒素等のガスイオンを放出するデュオプラズマトロン５１，コンデンサレンズ２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，イオンビーム偏向器６０及びこれらを格納するＦＩＢカラム用の鏡筒４２などから構成されるイオンビーム照射系が配置されている。また、本装置には電子銃７，電子銃７から放出する電子ビーム８を集束する電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０及びそれらを格納する電子ビームカラム鏡筒２２等で構成される電子ビーム照射系を備えている。
【００４９】
ＦＩＢカラム鏡筒４２及びＳＥＭカラム鏡筒２２の下部には真空試料室４１が配置されており、真空試料室内４１には，二次粒子検出器１２，試料１１を載置する試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，およびマニピュレータ４３などが格納されている。ＦＩＢカラム鏡筒４２内部も真空に維持されているのは言うまでもない。本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，および，イオンビーム偏向制御装置２０，計算処理装置９５などが配置されている。ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。なお、図１１では判りにくいが、本装置のデュオプラズマトロン５１は、ＦＩＢカラムの鏡筒に対して傾けて配置されている。詳しくは、図１１のＹ方向に傾斜しており，イオン源からイオンビームを引きだす方向と，イオンビームの照射軸とは傾斜関係にある。
【００５０】
次に本装置の動作について述べる。まず，アルゴンボンベからの配管途中に存在するガスバルブを開けることによりアルゴンガスをデュオプラズマトロン５１に導入し，ガス放電によるプラズマを生成する。そこでデュオプラズマトロン５１からイオンビーム５６を引き出す。ここでイオンビームを引き出す軸とイオンビームを試料に照射する軸が傾斜しているので，イオンビーム偏向器６０によってイオンビームの行路を屈折させる。イオン源で発生した中性粒子は、イオンビーム偏向器６０による偏向作用を受けないので、そのまま直進する。デュオプラズマトロン５１とイオンビーム偏向器２０の動作は，計算処理装置からの指令によりデュオプラズマトロン制御装置９１，イオンビーム偏向器制御装置２０等或いは計算処理装置９５により制御される。そして，このイオンビーム５６をコンデンサレンズ２により対物レンズ５５中心近傍に集束させる。すなわちコンデンサレンズ２の電極に印加する電圧を，この条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。そしてイオンビーム５８は矩形の穴を有するステンシルマスク５７を通過する。対物レンズ５５はステンシルマスクを試料１１の上に投影する条件で制御する。ここでも対物レンズ５５の電極に印加する電圧を，上記条件を満たすように予め計算によって求めておいた値に計算処理装置９５で設定する。すると，試料上には矩形の成型イオンビームが照射される。この成型イオンビームを照射し続けると試料に矩形の穴が形成される。
【００５１】
次に断面観察の手順について説明する。電子銃７から放出される電子ビーム８を集束して試料１１に照射する。このとき電子ビーム８を走査しながら試料断面に照射し，試料断面から放出される二次電子を二次粒子検出器１２で検出して，その強度を画像の輝度に変換すれば試料断面を観察することができる。すなわち，成型ビームで回路パターンの欠陥や異物など異常箇所に凹部（角穴など）を形成すれば，欠陥や異物などの凹部の壁面を電子ビーム８で観察することができ，その発生原因を解析できることになる。
【００５２】
図１２には、図１１の装置の上面図(a)，正面図(b)，側面図(c)を示す。図１２(a)において、１００１はデュオプラズマトロンを格納する鏡体、１００２がデュオプラズマトロン下部に配置されたＦＩＢカラム鏡体、１００３がＳＥＭカラム鏡体であり、図中の縦横量方向の一点鎖線は、試料ステージのＸ方向、Ｙ方向の中心線である。一点鎖線の交点は、ＦＩＢカラム鏡体の中心軸と試料ステージの試料載置面との交点を意味し、大体、試料載置面の中心と一致する。図１２(a)の上面図から、デュオプラズマトロン１００１がＦＩＢカラム鏡筒１００２に対して傾いて配置されている（図１２(a)では上方に）ことが判る。線分１１０４は、デュオプラズマトロン鏡体１００１の中心軸の延長線と試料ステージの交点と，ＳＥＭカラム鏡体の中心軸と試料ステージとの交点を結ぶ線分であり、線分１１０５は、ＳＥＭカラム鏡体の中心軸を試料ステージへ投影した線分である。本装置の特徴は，イオン源からイオンビームを引き出す軸１１０１と，イオンビームを試料に照射する軸１１００が傾斜関係にある構造であり，上記の線分１１０４と線分１１０５とを平行ではない関係、好ましくは直交関係とすることが可能な構造であることである。わかりやすく言えば、ＦＩＢカラム鏡体の中心軸とＳＥＭカラム鏡体の中心軸とが、試料ステージの試料載置面に対して垂直な同一面内に存在し、かつデュオプラズマトロンの中心軸が、上記ＦＩＢカラム中心軸とＳＥＭカラム中心軸のなす面に対して、所定角度傾いているような構成ということになる。
【００５３】
図１２(b)と図１２(c)とを用いて、各カラムの配置関係について更に説明する。図１２(b)において、ＦＩＢカラム鏡体１００２とＳＥＭカラム鏡体は、各々の中心軸１１００と１００３の中心軸とが、試料ステージ１００６の試料載置面の中心で交差するように配置されている。ＳＥＭ観察の際には、一次電子線は、おおよそ中心軸１１０２に平行に照射されることになる。次に、側面図である図１２(c)を見ると、デュオプラズマトロン１００１は、ＦＩＢカラム１００２に対して傾いて配置されていることが、図１２(a)(b)に比べて明瞭に判る。一方、ＦＩＢカラム１００２の中心軸１１００が、ＳＥＭカラム１００３の中心を通過しているように見えることから、ＳＥＭカラム１００３とＦＩＢカラム１００２とが、互いに中心軸が同一面内にあるような配置関係になっていることが判る。デュオプラズマトロン１００１は、上記面に対して傾いて配置されていることになる。イオン源がＦＩＢカラムに対して傾いているような構造では，イオン源で発生した中性粒子はイオン引き出し方向に沿って飛行し，途中で固定アパーチャ等によって遮られ試料まで到達することは無く，試料を中性粒子不純物で汚染することないためデバイス製造の歩留まりを低下させない。しかし，イオン源から引き出されたイオンビームをＦＩＢカラムの方向に屈折させることにより，投射ビームの強度プロファイルの裾の幅が拡大し，急峻な断面を形成するのに妨げになることが判明した。これはイオンが持っているエネルギがイオン毎にばらつくことに起因している。イオンビームをイオンビーム偏向器で偏向する際，エネルギ差により偏向方向にイオンビーム軌道に広がりが出てしまうのである。この影響は成型イオンビームにも及ぼし，イオンビーム偏向器でイオンビームを屈折させる方向すなわち，つまり図１２(a)の線分１１０４の方向に裾の幅が拡大することがわかった。従って、実際に試料へ照射されるビームスポットには、線分１１０５の向きに急峻な加工エッジが形成され、線分１１０４の向きに対しては鈍った加工エッジが形成される。当然、急峻なエッジで形成した部分の方が加工精度が良く、加工断面も良好であるので、本装置では、線分１１０５の向きに平行な方向からのＳＥＭ観察が可能なようにＳＥＭカラムを配置した。なお、ＳＥＭカラムの配置は、必ずしも線分１１０５の向きに平行である必要は無く、線分１１０４と平行な方向を避けて配置すれば、加工精度の最も悪い方向のＳＥＭ観察を避けることが可能である。図１３(a)は、ＦＩＢにより試料に形成された加工孔を、図１２(b)の装置正面図側から見た加工断面である。図１３(a)で、「ＳＥＭ観察方向」と記載された矢印の示す方向は、ビームスポットの急峻な側で加工された断面であり、急峻な断面が形成されている。一方，図１３(b)は、ＦＩＢにより試料に形成された加工孔を、図１２(c)の装置正面図側から見た加工断面である。図１３(b)中、丸で示された部分は、ＦＩＢのビームスポットの鈍った側で加工された加工断面であり、図１３(a)の加工断面に比べて、だれた断面が形成されている。
【００５４】
なお，本実施例では，コンデンサレンズに軸対称なレンズを用いたが，２重４極子レンズからなる非軸対称イオンビームレンズに置き換えても良い。この場合にはイオンビーム５６を非軸対称イオンビームレンズにより対物レンズ５５中心近傍に集束させる。ここで，２重４極子レンズの像面はＸ，Ｙ方向で一致させて，倍率は異なるようにレンズは設計されており，Ｘ，Ｙ方向とも対物レンズ５５中心近傍に集束する条件の電圧値に計算処理装置９５で設定する。そしてイオンビーム５６は矩形の穴を有するステンシルマスク５７を通過する。対物レンズ５５は同様にステンシルマスクを試料１１の上に投影する条件で制御する。すると，試料上には矩形の成型イオンビームが照射される。ここで２重４極子レンズのＸ方向の倍率がＹ方向の倍率に比べて小さくなるように電圧を設定すると，対物レンズを通過するイオンビームはＸ方向の広がりがＹ方向に比べて小さくなるため対物レンズの収差の影響は小さくなる。このとき，Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状は，Ｙ方向に比べ図９に示すように急峻になる。したがって，成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。また，イオンビーム電流はＸ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。特に断面位置にイオンビーム照射軸が重なるように，ステンシルマスク５７の矩形穴端の一辺が照射軸と重なるようにステンシルマスク位置を調整するとビームの裾の幅はより小さく制御することができる。ここで重要なのは，イオン源からイオンビームを引き出す軸が傾斜している方向が，観察すべき加工断面と少なくとも平行関係にすることである。すなわち，イオン源傾斜の影響が観察すべき断面形成に影響しないようにすることである。なお、本実施例においても、ビームプロファイルの裾の形状の急峻性を定量的に扱うため、ビームプロファイルの裾の幅はビーム強度の１６％から８４％までの距離と定義した（図９参照）。しかし，ビームスポット形状のエッジ部の急峻さの定義としては、裾の幅以外の定義を使用しても構わないのは、実施例２と同様である。
【００５５】
また，図１１に示したイオンビーム加工装置のステンシルマスク５７と対物レンズ５５の中間位置に、イオンビーム走査偏向電極を追加してビームを走査して断面を作製する構成も可能である。この場合，ビーム走査方向を断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。図９に示すビームプロファイルを例に取って説明すると、Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状をＹ方向に比べて急峻にした場合には，ビーム走査方向の少なくとも一辺の方向はこのＹ方向と平行になるように，ビーム走査する矩形領域を計算処理装置９５で設定することが重要になる。また，ビームを走査しない場合には，加工形状はビーム形状と同じに限定されるが，イオンビームを走査することができると，ビーム加工形状に自由度が生まれる。また，加工領域もビーム形状を超えて任意に設定できる効果を奏することができる。
【００５６】
また，ステンシルマスクにマスク穴を小さく制限する機構を設け，その穴を投射した成型ビームで試料上を走査して試料画像を取得して加工位置を設定すれば精度良い位置設定をすることができる。なおマスク穴を小さく制限する機構としては，例えばステンシルマスクに微細アパーチャを重ねる構造としても良い。更にまた，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができる。
ＴＥＭ試料作製のための微小試料作製のための加工手順は、実施例１の図６で示される手順とほぼ同一であるので、相違点のみを説明する。ここではビーム形状が矩形であり，かつビーム裾の幅がＸ方向とＹ方向とで非対称となっていることにより加工出来上がり形状が非対称になることに注意が必要である。特に，観察するべき断面に垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるように設定する必要がある。これは装置設計により実現できる。
【００５７】
図６(a)：まず，マスクを円形アパーチャとして，円形で電流約１００ｐＡのイオンビームを準備する。そこで観察断面を形成する両端マーク１３０を２個作製し，実施例１と同様に観察位置をマークで特定する。次にマスクを角穴加工用に矩形の穴形状のものに切り替える。ここでは電流は約３０ｎＡ得られる。そこで２個のマーク１３０を結ぶ直線上で，成型ビームを用いて，マーク１３０の両側に２個の角穴１３２を設ける。図６(b)：次に，マスクを細長溝加工用に切り替える。この切り替え動作は，装置ユーザが，情報入力手段を介して切り替え命令を入力する。ここでは電流は約１０ｎＡ得られる。この条件で一方の角穴と交わるように，他方の角穴には交わらないような細長垂直溝１３３を形成する。なお，図６(b)での細長垂直溝１３３の形成，図６(c)での細長い溝１３５の形成において，細長垂直溝１３３および細長い溝１３５の微小試料側の断面に対して垂直方向がビームプロファイルの裾の幅が小なる方向となるようにする。ここで図６(c) から図６(d）でクサビ型微小試料を形成し，プローブ１３７を接触させる手順は実施例１と同様である。次に，円形のアパーチャに切り替え電流を約２００ｐＡに調整する。この際の切り替え動作も，装置ユーザが，情報入力手段を介して切り替え命令を入力することにより実行される。そして実施例１と同様に，プローブ１３７と摘出すべき試料１３６とを接続する。図６(e)(f)(g)(h)(i)までは実施例１と同様に操作する。図６(j）：最後に，薄膜加工を行う。ここではマスクを薄膜加工用に切り替える。すなわち粗加工，中加工，仕上げ加工の順にビーム電流が小さくなるように，矩形のマスクを順次切り替える。そして最終的に観察領域を厚さが１００ｎｍ以下程度のウォール１４３になるように薄く仕上げ加工を施してＴＥＭ試料とする。なお，以上では操作者が計算処理装置の入力装置を使って装置を制御している例を説明したが，計算処理装置にメモリなどの記憶手段を設けて，全ての工程の制御条件を制御シーケンスとして格納しておくことにより，全自動でサンプリングを行うことも可能である。
【００５８】
以上のようにウォール加工を施した後，微小試料はＴＥＭの試料室に導入される。ＴＥＭ観察では欠陥や異物などの断面を，ＳＥＭ観察に比べてより高分解能な観察することができ，観察結果から欠陥原因をより詳細に解析することができる。なお，本実施の形態ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズとして２重４極子レンズを例としたが，非軸対称な制御が可能なレンズであれば，他の４極子レンズ，８極子レンズ，１６極子レンズ等であっても良い。またこれらの組み合わせおよび対称レンズと組み合わせても良い。
【００５９】
また，以上に述べた実施の形態例では，アルゴンイオンビームを用いたが，他に窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビームでも同様な効果が得られるのは明らかである。また，本実施例ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズを用いたが，イオン光源形状を非軸対象にするアパーチャと，対称イオンビームレンズを用いても良い。すなわち，イオン源からイオンが放出されるアパーチャを楕円形状あるいは長方形状にするか，あるいは途中に同様な非軸対象なアパーチャを設け，このアパーチャを光源としてレンズを調整しても良い。この場合も，レンズの条件設定は計算処理装置によって実行可能である。これについては後で述べる。以上、本実施で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、実施例１及び２で説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加えて、更に，中性粒子が除去されるためプラズマイオン源の中で生じた金属の中性粒子が試料に到達せず，加工後に加工済みのウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させるようなことは極めて少なくなる。また，ガス種の中性粒子が広く試料に照射されることもなくなるため，所望の箇所以外が加工されて試料が変質してしまうという問題が生じなくなるという効果を奏することができる。
【実施例４】
【００６０】
実施例３で示した構成の試料作製装置では、プラズマイオン源で発生した中性粒子やカラム途中で生成された中性粒子は試料に到達しない。しかし，プラズマイオン源で発生した金属などの不純物イオンは試料に到達する。そこで、本実施例では、イオンビームの行路途中に質量分器を設けて、イオン不純物をトラップする構成の試料作製装置について説明する。なお、本実施例でも，マスク開口の形状を試料上に投影した成型ビームを用いる。図１４に、本実施例のイオンビーム加工装置を示す。本実施例のイオンビーム加工装置は、真空容器４１を有しており，真空容器４１内には，デュオプラズマトロン５１，コンデンサレンズ２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，質量分離器６１などから構成されるイオンビーム照射系，および試料１１，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，マニピュレータ４３などが配置されている。また、本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，および，質量分離器制御装置６２，計算処理装置９５などが配置されている。ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。また，本実施例のイオンビーム加工装置には、イオンビーム照射系とは別に、電子ビーム鏡筒２２が配置されており、電子銃７，電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０等を備えている。本装置の動作は実施例１の装置とほぼ同様であり，イオンビーム偏向器の替わりに質量分離器を動作させて，イオンビームに含まれる不純物イオンを除去する。なお，質量分離器の機能は，計算処理装置からの指令により，質量分離器制御装置が動作して実行される。質量分離器，コンデンサレンズ，マスク，対物レンズを通過した成型イオンビームは，試料に照射され矩形の穴が形成される。この後，電子ビーム照射系から放出される電子ビームによって試料断面を観察することができる。
【００６１】
図１４の装置における質量分離器の構造と電子ビーム筒塔との位置関係，および断面形成方向との関係を明確にするため，図１５に、本装置の上面図(a)，正面図(b)，側面図(c)を示す。また、図１５には、質量分離器６１の内部構成も併せて示す。なお，図１５では二次粒子検出器，デポガス源およびマニピュレータなどは省略して示している。
【００６２】
図１５(a)〜(c)で示される上面図，正面図，側面図において、１００６は試料を保持する試料ステージ，１００１はイオンビームを発生させるイオン源，１００２は該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系と，１００３はイオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系、１０１０が質量分離器である。本実施例の質量分離器１０１０は、イオンビームに対して電場と磁場を各々垂直方向に，かつ電場方向と磁場方向が垂直関係にある所謂Ｅ×Ｂ質量分離器である。１０１２は永久磁石、１０１１は、永久磁石１０１２と垂直方向に配置された電場印加用の静電偏向器である。本実施例では永久磁石を用いたが，代わりに電磁石を用いても良い。また磁場のみの質量分離でも良い。この場合にはイオンビーム行路が屈折するが，質量分離の質量分散方向をステージの試料載置面に投影した線分が，前記観察用の荷電粒子ビームの照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分１１０５と少なくとも平行でなければ良い。質量分離の方向と各カラムの配置との関係については後述する。
【００６３】
図１５(a)の右側図において、図中の矢印１０１５は質量分散が生じる方向を示す。質量分離器に入射したイオンのうち、永久磁石の磁場と電場がつりあった質量のイオンのみが質量分離アパーチャ１０１３を通過する。しかし、質量分離により、投射ビームの強度プロファイルの裾の幅が拡大し，急峻な断面を形成する妨げとなることが判明した。これは、イオンが持っているエネルギがイオン毎にばらつくことに起因している。イオンビームを質量分離器で分離する際，エネルギ差により分散方向にイオンビーム軌道に広がりが出てしまうのである。この影響は成型イオンビームにも及び，質量分離器で質量分散させる方向に裾の幅が拡大することがわかった。このため、本装置では、質量分離器の質量分散方向が，断面を掘り進む加工方向と平行にならないように質量分離器を配置することで、加工断面への影響を避けた。以下、図１５(a)の左側図を用いて説明する。図１５(a)の左側図において、線分１１０６は、質量分離器１０１０の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分であり、線分１１０５は、加工断面観察用の荷電粒子ビームの照射軸をステージの試料載置面に投影した線分である。本実施例の試料作製装置の構成上の特徴の一つは、線分１１０５と線分１１０６とが平行では無いことである。線分１１０５と線分１１０６とが平行な場合、イオンビームの質量分散が発生した側で加工された断面を観察することになるため、綺麗な加工断面を観測することができない。試料ステージを回転させてシャープな側で加工された加工断面を観察しても良いが、試料ステージを回転させる必要があるため、観察効率が悪く、ひいては、試料片作製のスループット低下を招く。線分１１０５と線分１１０６とが平行でないように質量分離器と荷電粒子線照射光学系との相対関係を定めることで、イオンビームスポットの最も鈍ったエッジで加工された断面の観察を避けることができる。また、この場合、線分１１０５と線分１１０６とは直交関係であることが好ましい。このような配置にすれば、イオンビームスポットの最もシャープな側のエッジで加工された断面の観察を最初から観察することができるためである。以上説明した線分１１０５と線分１１０６との相対位置関係は、図１４の電子ビーム鏡体２２と、質量分離器の６１の質量分散方向が互いに平行にならないように定められていると定義しても同様である。以上、図１４，図１５で説明した構造とすることにより，成型イオンビームにより急峻な断面を短時間で形成することができ，かつ，断面加工後試料ステージを回転させることなく断面が観察可能になる。これにより、電子ビームによる高スループット断面観察が可能となる。
【００６４】
また，本実施例では，コンデンサレンズに軸対称なレンズを用いたが，２重４極子レンズからなる非軸対称イオンビームレンズに置き換えて，試料上に投射した角型のイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御して，前記質量分離の質量分散方向をステージの試料載置面に投影した線分が，観察すべき加工断面と少なくとも平行関係となるようにする。このときの成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。また，イオンビーム電流はＸ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。
【００６５】
また，本イオンビーム加工装置にイオンビーム走査偏向電極を，ステンシルマスク５７と対物レンズ５５の中間位置に追加してビームを走査して断面を作製する場合には，ビーム走査方向は断面平行方向と一致させると効率的な断面加工が可能になる。また，ステンシルマスクにマスク穴を小さく制限する機構を設け，その穴を投射した成型ビームで試料上を走査して試料画像を取得して加工位置を設定すれば精度良い位置設定をすることができる。なおマスク穴を小さく制限する機構としては，例えばステンシルマスクに微細アパーチャを重ねる構造としても良い。
【００６６】
また，ＴＥＭ試料作製では，観察するべき面の両側から同様な加工をすれば同様な効果を得ることができる。微小試料作製のための加工手順については，図５に示した方法と同様にすることができる。
【００６７】
また，本実施の形態ではビームの裾の幅を制御するために非軸対称イオンビームレンズとして２重４極子レンズを例としたが，非軸対称な制御が可能なレンズであれば，他の４極子レンズ，８極子レンズ，１６極子レンズ等であっても良い。またこれらの組み合わせおよび対称レンズと組み合わせても良い。また、非軸対称イオンビームレンズの代わりに、イオン光源形状を非軸対象にするアパーチャと，対称イオンビームレンズを用いても良い。すなわち，イオン源からイオンが放出されるアパーチャを楕円形状あるいは長方形状にするか，あるいは途中に同様な非軸対象なアパーチャを設け，このアパーチャを光源としてレンズを調整しても良い。この場合も，レンズの条件設定は計算処理装置によって実行可能である。これについては後で述べる。また，本実施例では，アルゴンイオンビームを用いたが，他に窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビームでも同様な効果が得られるのは明らかである。
【００６８】
また，本実施例では，デュオプラズマイオン源を用いたが，マイクロ波を用いたプラズマイオン源や液体金属イオン源を用いても同様な効果が得られる。特に金シリコン合金から質量分離器で金や不純物を取り除きシリコンイオンビームのみを試料に照射する場合にはシリコンデバイス製造において試料を不純物で汚染しないという効果を奏することができ，さらにプラズマイオン源では得にくい微細ビームを得ることができるという効果を奏することができる。
【００６９】
以上、本実施例で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、実施例１から３に説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加え、イオン源で発生した金属イオン等の不純物イオンが質量分離器で取り除かれ試料まで到達することが無く，試料を不純物で汚染することがないため、デバイス製造の歩留まりを低下させないという効果を奏することができる。
【実施例５】
【００７０】
本実施例では、イオン源は傾斜させずに、試料に照射されるイオンビームの強度プロファイルの裾の幅を非軸対称に成形した実施例について説明する。実施例３では、イオンビームの断面形状を成形するのにステンシルマスクを使用したが、本実施例でも同様にステンシルマスクを使用する。さらにイオン源近くに配置したアパーチャによって試料に照射されるイオンビームの強度プロファイルの裾の幅を制御する。これにより、試料に照射されるイオンビームの強度プロファイルの裾の幅とイオンビーム断面形状を独立に制御する。
【００７１】
図１６に本実施例のイオンビーム加工装置を示す。本イオンビーム加工装置は，真空容器４１を有しており，真空容器内には，デュオプラズマトロン５１，コンデンサレンズ２，対物レンズ５５，ステンシルマスク５７，イオン源アパーチャ１０１６などから構成されるイオンビーム照射系，および試料１１，二次粒子検出器１２，試料ステージ１３，プローブ１５，デポガス源１７，マニピュレータ４３などが配置されている。また本装置を制御する装置として，デュオプラズマトロン制御装置９１，レンズ制御装置９２，試料ステージ制御装置１４，マニピュレータ制御装置１６，デポガス源制御装置１８，二次電子検出器制御装置１９，イオン源アパーチャ制御装置１０１７，マスク制御装置１０１８および計算処理装置９５などを備えている。イオン源アパーチャ１０１６は、複数の開口が設けられており、開口形状は楕円，長方形，正方形，円などである。
【００７２】
ここで，計算処理装置９５は二次粒子検出器の検出信号を基に生成された画像や，情報入力手段によって入力した情報などを表示するディスプレイを備える。また，試料ステージは，試料載置面内の直行２方向への直線移動機構，試料載置面に垂直方向への直線移動機構，試料載置面内回転機構，および試料載置面内に傾斜軸を持つ傾斜機構を備え，これらの制御は計算処理装置９５からの指令によって試料ステージ制御装置１４で行われる。
【００７３】
また，本装置には電子銃７，電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０等で構成される電子ビーム照射系が配置されている。
本装置は、実施例１の装置とほぼ同様の構成を備えているがイオンビーム偏向器を備えてない。イオン源から照射されたイオンビームは、イオン源アパーチャ１０１６，コンデンサレンズ２，ステンシルマスク５７，対物レンズ５５を通過し、試料に照射される。試料表面には、当該イオンビーム照射により加工穴が形成され、加工断面は、電子ビーム照射系から放出される電子ビームによって試料断面を観察される。
【００７４】
図１６の装置におけるイオン源アパーチャと電子ビーム筒塔間の配置の関係を明確にするため，図１７（a）〜（c）に、本装置の平面図(a)，正面図(b)，側面図(c)を示す。なお，図１７では二次粒子検出器，デポガス源およびマニピュレータなどの図示は省略した。図１７(a)〜(c)で示される上面図，正面図，側面図において、１００６は試料を保持する試料ステージ、１００１はイオンビームを発生させるイオン源，１００２は該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系である。当該イオンビーム照射系では、イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク５７の開口形状が試料上に投射される。第一のマスクすなわちイオン源アパーチャ１０１６の開口は非軸対称な形状を有し、試料上に投射したイオンビーム強度プロファイルも非軸対称形状となる。
【００７５】
図１８には、本実施例で使用する非軸対称開口を備えたイオン源アパーチャ１０１６の一例を示す。イオン源アパーチャ１０１６は、複数の種類の形状の開口が設けられており、加工方法に応じて使用する開口を切り替える。切り替の際に便利なように、アパーチャ端部には、開口毎に切り欠きが設けられている。図１６では図示を省略しているが、本実施例の加工装置には、イオン源アパーチャの送り機構が備えられており、切り欠きによって開口を選択する。図中の一点鎖線は、それぞれＸ方向、Ｙ方向の中心軸であり、その交点が開口の中心軸を形成する。イオンビームがアパーチャを通過する際には、ビームの中心はおおよそこの軸上を通過する。ここで、非軸対称な形状とは，円以外の開口形状一般をさすが，本出願では正方形も除いた形状とする。開口形状が正方形の場合には、ビームの裾の幅が、Ｘ方向，Ｙ方向の２方向に対して同じになるためである。
【００７６】
本実施例においては、図１８のイオン源アパーチャは、加工装置内で、開口の長軸方向を図１７のＸ方向に、開口の短軸方向を図１７のＹ方向に、それぞれ一致させて配置されている。このように、Ｙ方向に，イオン源アパーチャ１０１６の開口の長軸すなわち長方形の長辺あるいは楕円の長径を合わせる設定にすると，対物レンズを通過するイオンビームのＸ方向の広がりは、Ｙ方向の広がりに比べて小さくなり、対物レンズの収差の影響は小さくなる。よって、Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状が，Ｙ方向のそれに比べ急峻になり、結果的に成型ビームによって加工された穴の端面形状も、Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になる。また，イオンビーム電流は、Ｘ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。特に、ステンシルマスク５７の矩形穴端の一辺が照射軸と重なるようにステンシルマスク位置を調整すると、ビームの裾の幅をより小さく制御することができる。これはイオンビーム照射軸上ではレンズの収差が最小になるためである。
図１９には、イオン源アパーチャと，ステンシルマスクの選択により得られる成型ビーム形状とビームプロファイルを示す。なお，選択した開口は図中では矢印で指示。図１９(a)は長方形の開口のイオン源アパーチャと長方形の開口のステンシルマスクを選択した場合である。成型ビームはＹ方向に長くかつ，Ｘ方向に急峻な強度プロファイルを持つ。図１９(b)は長方形の開口のイオン源アパーチャと正方形の開口のステンシルマスクを選択した場合である。成型ビームは正方形であるが，図１９(a)と同様にＸ方向に急峻な強度プロファイルを持つ。このようにイオン源アパーチャを選択することにより、成型イオンビーム形状とは独立に強度プロファイルの裾を制御可能となる。すなわち，加工領域の設定と，加工精度の設定を独立して行うことができる。これによると図１９(b)のように正方形の領域でＸ方向に急峻な断面を形成し，その加工穴の一面をＹ方向から観察して，次に別の領域について観察領域を拡大するため図１９(a)のようにＹ方向の加工領域を拡大し，急峻性については同様な仕様で加工し，同様にＹ方向から観察することができる。このとき観察に必要な面のみ急峻に加工するため，加工のスループットが向上するとともに，さらに断面の急峻性の仕様を同一にして，観察領域を自由に設定できるという効果を奏することができる。
【００７７】
以上，本実施例の装置の特徴は，イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，アパーチャマスクの開口の形状が非軸対称であり，その長軸方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記電子ビーム照射光学系の照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも垂直方向とすることが可能な構造であることである。この構造とすることにより，成型イオンビームにより急峻な断面を短時間で形成することができ，かつ，断面加工後試料ステージを回転させることなく断面が観察可能になるため，電子ビームによる断面観察を高スループットでできる。また、以上に述べた実施例では，アルゴンイオンビームを用いたが，他に窒素，酸素，ネオン，キセノン，クリプトンなどの元素，およびこれらの混合イオンビームでも同様な効果が得られるのは明らかである。
【００７８】
以上、本実施の形態によると，実施例２に説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果と同等の効果が得られる。ここで実施例２に説明した試料作製装置は非軸対称イオンビームレンズを用いてイオンビームプロファイルの急峻性を制御するが，その調整がやや煩雑になるといった問題があった。しかし，本実施の形態ではイオン源アパーチャの切り替えでイオンビームプロファイルの急峻性を制御するため，その調整が簡単になるという効果を奏することができる。
【実施例６】
【００７９】
本実施例では、実施例４で説明した質量分離器によるイオン源中の不純物遮蔽機能と傾斜イオン源配置によるビームプロファイルの制御機能とに加えて、傾斜イオン源を搭載したイオンビームカラム自体も傾斜させた構造を備えた集束イオンビーム装置に関して説明する。なお、本実施例においては、便宜上、非軸対称アパーチャを用いてイオンビームの裾の幅の制御を行なう例について説明するが、これまでの実施例で説明してきたように、ステンシルマスクや複数の非軸対称アパーチャを用いてイオンビームプロファイル形状を成形しても構わない。
【００８０】
また、実施例１から４までの構造の装置では図６で説明した微小試料作製の際に試料ステージを傾斜させる。ところが大型のウェーハを扱う場合にはステージ傾斜に時間を要するという問題があった。そもそも大型の傾斜ステージ開発が困難になるという問題もあった。そこで本実施例では，イオンビームカラム自体も傾斜させることによって，ステージ傾斜によらずステージ回転で微小試料を作製する。
【００８１】
本実施例の集束イオンビーム装置の外観は、ＦＩＢカラムが傾いている他は、図１４に示した装置とほぼ同じである。よって、本実施例では、外観全体図を用いた説明は省略し、要部図面を用いた説明のみ行う。
【００８２】
図２０（a）〜（c）には、本実施例のイオンビーム装置の上面図，正面図，側面図を示す。図２０(a)〜(c)で示される上面図，正面図，側面図において、１００６は試料を載置する試料ステージ，１００１はイオンビームを発生させるイオン源１００１，１００２は該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系、いわゆるイオンビームカラム，１００３はイオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系、いわゆるＳＥＭカラムである。
【００８３】
イオンビーム照射系１００３の内部構造は図１６に示した装置の構造とほぼ同じであり、イオン源から放射されたイオンビーム光軸上に、イオン源アパーチャ１０１６とステンシルマスク５７とが配置されている。イオン源アパーチャ１０１６は、非軸対称な形状の開口を有し、当該開口を通過したイオンビームのスポット形状を非軸対称に成形し、ステンシルマスク５７は、イオン源アパーチャ１０１６によって成形されたイオンビームを試料上に投射する。ここで、線分１１０５は、前記観察用の荷電粒子ビームの照射軸を試料ステージの試料載置面に投影した線分であり、１１０６は、質量分離器１０１０の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分である。
【００８４】
次に、図２０（b）（c）を用いて、イオンビームカラム１００２とＳＥＭカラム１００３の傾斜関係について説明する。説明の便宜上、試料ステージ面内にＸ，Ｙ軸、試料ステージの法線方向にＺ軸を、試料ステージの中心に座標系の原点をとって考える。図２０（b）において、ＳＥＭカラム１００３は、ＺＸ面内に傾けて配置され、その傾き角はＺ軸に対して４５度である。同様に、図２０（ｃ）において、イオンビームカラム１００２は、ＹＺ面内に傾いて配置されその傾斜角は、Ｙ軸に対して６０度である。１１０１は、イオン源からイオンビームを引き出す引き出し軸であり、１１０２は、イオンビームを試料に照射するイオンビーム照射軸である。１１０１，１１０２ともに、ＹＺ面内で傾斜しているため、１１０１，１１０２を試料ステージへ投影した方向は、線分１１０５と直交する。ＳＥＭカラムの配置とイオンビームカラムの配置をこのように配置し、かつ質量分離方向が線分１１０６に一致するように質量分離器１０１０を調整することにより、実施例４と同様、イオンビームスポットの最もシャープな側のエッジで加工された断面の観察を最初から観察することができる。また、線分１１０５と線分１１０６とが少なくとも平行で無いようにイオンビームカラムとＳＥＭカラムとを配置する、あるいは質量分離器１０１０を調整することにより、イオンビームスポットの最も鈍ったエッジで加工された断面の観察を避けることができる。
【００８５】
本実施例のイオンビーム装置の特徴は、イオン源のみならずイオンビームカラムも傾斜して配置した構造にある。この構造の場合，イオンビームで微小試料作製をする場合に，試料ステージを傾斜することなく，ステージを回転させることによって実現が可能になり，作製のスループットを向上でき，さらにはステージに傾斜自由度がなくても微小試料作製可能になるというという効果を奏することができる。
【００８６】
このような装置構成で，図２０のようにＹ方向に，イオン源アパーチャ１０１６の開口の長軸すなわち長方形の長辺あるいは楕円の長径を合わせる設定にすると，対物レンズを通過するイオンビームはＸ方向の広がりがＹ方向に比べて小さくなるため対物レンズの収差の影響は小さくなる。このとき，Ｘ方向のビームプロファイルの裾の形状は，Ｙ方向に比べ急峻になる。したがって，成型ビームによって加工された穴の端面形状は，Ｘ方向でＹ方向に比べ急峻になり，断面観察に適した形状になる。また，イオンビーム電流はＸ，Ｙ方向とも急峻なプロファイルになるように制御した場合に比べて大きくなる。
【００８７】
以上、本実施例で説明した試料作製方法ないし試料作製装置によれば、イオン源で発生した金属イオン等の不純物イオンが質量分離器で取り除かれ試料まで到達することが無く，試料を不純物で汚染することがないため、デバイス製造の歩留まりを低下させない。また，同時に，中性粒子が除去されるためプラズマイオン源の中で生じた金属の中性粒子が試料に到達せず，加工後に加工済みのウェーハをプロセスに戻しても不良を発生させるようなことは極めて少なくなる。また，ガス種の中性粒子が広く試料に照射されることもなくなるため，所望の箇所以外が加工されて試料が変質してしまうという問題が生じなくなるまた、実施例１から５に説明した試料作製方法ないし試料作製装置の効果に加え、更にイオンビームで微小試料作製をする場合に，試料ステージを傾斜することなく，ステージを回転させることによって実現が可能になり，作製のスループットを向上でき，さらにはステージに傾斜自由度がなくても微小試料作製可能になるというという効果を奏することができる。また，これにより大型のウェ−ハ対応の装置の構成が簡便になるという効果を奏することができる。
【実施例７】
【００８８】
本実施例においては、以下のイオンビーム加工装置ないしイオンビーム加工方法が開示される。
（１）試料に対して集束イオンビームを照射して所定の加工を行なうイオンビーム加工装置において、イオンビーム照射軸に対して垂直面内における前記イオンビームのスポット形状が非軸対称であり、前記試料上に形成される加工溝の断面の一つが、前記非軸対称形状の短軸方向と平行となるように加工することを特徴とするイオンビーム加工装置。
（２）イオンビームを試料に対して照射して所定の加工を行なうイオンビーム加工装置において、前記イオンビームのイオンビーム照射軸に対して垂直面内におけるビームスポット形状を非軸対称形状に成形する手段と、前記試料上でのイオンビームの照射位置における前記ビームスポットの一つの軸を所定の方向へ向ける手段とを備えたことを特徴とするイオンビーム加工装置。
（３）被加工試料を載置するステージと、イオンビームを前記試料に対して照射または走査させるイオンビームカラムと、試料に対して電子線を照射するＳＥＭカラムとを有し、前記イオンビームカラムが質量分離器を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
(４)試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と、イオン光源を試料上にビームスポットとして結像する照射光学系と、該ビームスポットの形状を非軸対称形状に整形して結像する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え，前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造であり，その傾斜方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００８９】
（５）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを所望の形状の開口を有するマスクを通して試料に照射する投射イオンビーム照射系と，試料上に投射した角型のイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御する制御手段を備え，前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造であり，その傾斜方向が，観察すべき加工断面と少なくとも平行関係であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（６）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と、該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系と，該イオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系を備え，前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構を備え、該質量分離の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記観察用の荷電粒子ビームの照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも直交関係とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（７）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と、イオン光源を試料上にビームスポットとして結像する照射光学系と、該ビームスポットの形状を非軸対称形状に整形して結像する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え， 前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構を備え、該質量分離の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係にすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（８）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，該照射光学系は，イオン光源を試料上にビームスポットとして結像するものであり，その形状を非軸対称形状に整形して結像する手段を備え，前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え，さらに前記試料の加工断面に荷電ビームを照射する照射光学系を備え，その照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記ビームスポット形状の長軸にすくなくとも直交関係にすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００９０】
（９）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，前記イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，第一のマスクが非軸対称な形状を持ち，その長軸方向と短軸方向について試料上に投射したイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について非軸対称にすることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１０）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，該イオンビームによって試料の断面を加工することが可能であり，前記イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，少なくとも一つのマスクが非軸対称な形状を持ち，その長軸方向を試料断面に平行方向にすることにより，試料上に投射したイオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるようにすることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１１）試料を保持する試料ステージと，イオンビームを発生させるイオン源と該試料ステージに保持される試料に対してイオンビームを照射する照射光学系を備え，該イオンビームによって試料の断面を加工することが可能であり，さらに該イオンビームによって加工した断面を観察するための荷電ビーム照射光学系を備え，前記イオンビーム照射系が，イオンビーム経路途中に所望の開口を持つマスクを２つ以上備え，少なくとも一つのマスク形状を試料上に投射する投射イオン光学系であり，少なくとも一つのマスクが非軸対称な形状を持ち，その長軸方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記荷電ビーム照射光学系の照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも垂直方向とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１２）上記に開示されたイオン源がプラズマイオン源であり，プラズマからイオンを引き出すアパーチャが前記軸非対称であるマスクのとなることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００９１】
（１３）上記のイオンビーム加工装置において，非軸対称形状が楕円状であること特徴とするイオンビーム加工装置。
（１４）上記のイオンビーム加工装置において，前記楕円状に整形する手段として，楕円形状または長方形状の開口を有するアパーチャを備え，試料の加工断面に荷電ビームを照射する照射光学系を備え，その照射軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が，前記開口の楕円形状の長軸または長方形状の長辺を前記ステージの試料載置面に投影した線分少なくとも垂直方向とすることが可能な構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（１５）イオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備え，前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と，イオンビームを試料に照射する軸が傾斜関係にある構造であるイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，イオンビームを試料に照射する軸に対するイオン源からイオンビームを引き出す軸の傾斜方向をステージの試料載置面に投影した線分と，観察方向をステージの試料載置面に投影した線分とが，垂直方向となる観察方向から加工断面を荷電粒子ビームで観察するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１６）イオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備え，前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構を備える構造であるイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，前記質量分離機構の質量分散の方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分と，観察方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分とが，垂直方向となる観察方向から加工断面を荷電粒子ビームで観察するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【００９２】
（１７）イオン源と，該イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備えるイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，該照射光学系によって前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形するステップを含み，さらに前記試料ステージに保持される試料の加工時に，該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃えるステップを含み，前記ビームスポット形状の長軸に対して，観察方向をステージの試料載置面に投影した線分が垂直方向となる観察方向から加工断面を荷電粒子ビームで観察するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１８）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームが投射イオン照射系で成形されたイオンビームであることを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１９）上記のイオンビーム加工方法において、成形イオンビームが角型であり，その強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき加工断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（２０）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームは，元素種として不活性ガス種，酸素または窒素のいずれかを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【実施例８】
【００９３】
本実施例においては、以下のイオンビーム加工装置が開示される。
（１）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズと，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備え，前記イオンビームを集束するレンズの少なくとも１個が，イオンビーム照射軸に垂直な２方向に対して収差が異なるように作用するレンズであり，前記試料ステージに保持される試料と前記イオンビームとの相対位置関係を、前記２方向のうち収差が少ない方向が前記試料の加工断面に向くように制御する制御手段とを備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（２）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズを２個以上と，試料を保持する試料ステージと，ステンシルマスクを試料に投影するようにイオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備えたイオンビーム装置において、イオンビームを集束するレンズの少なくとも１個が，イオンビーム照射軸に垂直な２方向のレンズ作用が異なるレンズであり，加工断面に垂直方向と，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向とでレンズ作用を異なるように制御する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（３）上記のイオンビーム加工装置において，加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，イオンビーム照射により試料に角穴を形成する際に，観察するべき試料断面の垂直方向のレンズ倍率が，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小さくなるように制御する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（４）上記のイオンビーム加工装置において，加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，試料上に投影した角型の成形イオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき試料断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御する制御手段を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【００９４】
（５）上記のイオンビーム加工装置において，該ステンシルマスクがイオンビーム照射軸を中心として回転する機構を備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（６）上記のイオンビーム加工装置において，イオンビームにより加工された試料片を該試料から分離するときに用いるプローブを備えることを特徴とするイオンビーム加工装置。
（７）上記のイオンビーム加工装置において，前記イオン源で生成されるイオンビームは，元素種として不活性ガス種，酸素または窒素のいずれかを含むことを特徴とするイオンビーム加工装置。
（８）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズを２個以上と，イオンビームが通過するアパーチャと，試料を保持する試料ステージと，イオンビームを制御して試料断面形成加工を行うイオンビーム制御手段とを備えたイオンビーム装置によって試料の断面を形成するイオンビーム加工方法において，加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，観察するべき加工断面の垂直方向のビーム径が，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向のビーム径に比べて小さくなるように制御して断面を形成するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【００９５】
（９）上記のイオンビーム加工方法において，該アパーチャをイオンビーム照射軸に対して回転させるステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１０）イオン源と，該イオン源から放出するイオンビームを集束するレンズを２個以上と，試料を保持する試料ステージと，ステンシルマスクとを備えるイオンビーム装置によって，ステンシルマスクを試料に投影するようにイオンビームを制御して断面を形成するステップを含むイオンビーム加工方法において，イオンビームを集束するレンズの少なくとも１個を，加工断面に垂直方向と，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向とでレンズ作用を異なるように制御して断面を形成するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。ｓ
（１１）上記のイオンビーム加工方法において、加工した断面を電子ビームまたはイオンビームで観察するために，イオンビーム照射により試料に角穴を形成する際に，観察するべき加工断面の垂直方向のレンズ倍率が，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１２）上記のイオンビーム加工方法において，角型の成形イオンビームの強度プロファイルの裾の幅について，観察するべき加工断面の垂直方向の幅を，イオンビーム照射軸に垂直で加工断面に平行方向に比べて小なるように制御するステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
【００９６】
（１３）上記のイオンビーム加工方法において，該ステンシルマスクをイオンビーム照射軸に対して回転させるステップを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１４）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームは，元素種として不活性ガス種，酸素または窒素のいずれかを含むことを特徴とするイオンビーム加工方法。
（１５）上記のイオンビーム加工方法において，イオンビームの走査方向が加工断面に平行方向であることを特徴とするイオンビーム加工方法。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本願の一実施形態例であるイオンビーム加工装置を示す図。
【図２】従来のイオンビーム加工の概略を示す模式図。
【図３】軸対称形状のビーム制限アパーチャと、非軸対称形状のビーム制限アパーチャの平面形状とを示す対比図。
【図４】短軸方向と長軸方向でのイオンビームの強度プロファイルを示す模式図。
【図５（ａ）】計算処理装置のディスプレイ画面。
【図５（ｂ）】計算処理装置のディスプレイ画面。
【図５（ｃ）】計算処理装置のディスプレイ画面。
【図６】試料から微小試料を分離するフローを説明する図。
【図７】静電吸着法による試料分離方法を示した模式図。
【図８】実施例２のイオンビーム加工装置の全体外観図を示す図。
【図９】実施例２におけるアルゴンイオンビームの強度プロファイルを示す図。
【図１０】ステンシルマスクを回転させる様子。
【図１１】実施例３のイオンビーム加工装置の全体外観図。
【図１２】実施例３のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【図１３】実施例３のイオンビーム加工装置で加工された試料の加工断面を、それぞれ側面から見た断面図
【図１４】実施例４のイオンビーム加工装置の全体外観図。
【図１５】実施例４のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【図１６】実施例５のイオンビーム加工装置の全体外観図。
【図１７】実施例５のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【図１８】イオンビーム成形アパーチャの一構成例。
【図１９】イオンビームの強度プロファイルを、それぞれ長軸、短軸方向から説明した図。
【図２０】実施例６のイオンビーム加工装置の上面図、平面図、側面図。
【符号の説明】
【００９８】
１…イオン源，２…コンデンサレンズ，３…ビーム制限アパーチャ，４…イオンビーム走査偏向器，５…対物レンズ，７…電子銃，８…電子ビーム，９…電子レンズ，１０…電子ビーム走査偏向器，６…集束イオンビーム(ＦＩＢ)，１１…試料，１２…二次粒子検出器，１３…試料ステージ，１４…試料ステージ制御装置，１５…プローブ，１６…マニピュレータ制御装置，１７…デポガス源，１８…デポガス源制御装置，１９…二次粒子検出器制御装置，２１…集束イオビーム筐筒，２２…電子ビーム筐筒，２３…イオンビーム加工装置，３１…液体金属イオン源，３２…コンデンサレンズ，３３…ビーム制限アパーチャ，３４…イオンビーム走査偏向器，３５…対物レンズ，３６…ＦＩＢ，３７…アパーチャ回転機構，３８…アパーチャ回転制御機構，４１…真空容器，８１…イオン源制御装置，８２…レンズ制御装置，８３…イオンビーム走査偏向制御装置，８４…二次粒子検出器制御装置，８５…計算処理装置，５１…デュオプラズマトロン，５２…非軸対称イオンビームレンズ，５４…イオンビーム走査偏向器，５５…対物レンズ，５６…アルゴンイオンビーム，５７…ステンシルマスク，５８…ステンシルマスク回転機構，５９…ステンシルマスク回転制御機構，９１…デュオプラズマトロン制御装置，９２…レンズ制御装置，９３…イオンビーム走査偏向制御装置，９５…計算処理装置，１３０…マーク，１３２…角穴，１３３…垂直溝，１３４…支持部，１３５…斜溝，１３６…摘出すべき試料，１３７…プローブ，１３１…ＦＩＢ，１３８…デポ膜，１３９…微小試料，１４０…試料ホルダ，１４３…ウォール，２０１…ウェーハ，２０２…薄膜，２０３…試料薄膜，２０４…ＴＥＭ試料ホルダ，１０１…角穴，１０２…底穴，１０３…切り欠き溝，１０４…ガスノズル，３０１…角穴，３０２…角穴，３０３…斜溝，３０４…角穴，３０５…取り出し痕，４０１…ディスプレイ画面，４０２…走査領域設定ウインドウ，４０３…試料画像表示領域，４０４…ビーム走査領域，４０５…ポインタ，４０６…座標入力領域，５０１…プラグ，５０２…破線，５０３…矢印。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する試料ステージと、
イオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料ステージに保持される試料に対しイオンビームを照射する照射光学系とを備え、
前記照射光学系は、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に、前記試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え、
前記照射光学系は、前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と、イオンビームを試料に照射する軸とが交差する関係にある構造であり、前記イオンビームを引き出す軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係となる構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項２】
試料を保持する試料ステージと、
イオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料ステージに保持される試料に対しイオンビームを照射する照射光学系とを備え、
前記照射光学系は、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に、該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段と、
前記イオンビームによって加工した断面に荷電ビームを照射する荷電ビーム照射光学系とを備え、
前記荷電ビームを照射する軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも直交関係となる構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項３】
試料を保持する試料ステージと、
イオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料ステージに保持される試料に対しイオンビームを照射する照射光学系とを備え、
前記照射光学系は、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に、該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段と、
前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構とを備え、
前記質量分離の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係となる構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載のイオンビーム加工装置において、
前記非軸対称形状が楕円状であること特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項５】
請求項１乃至３に記載のイオンビーム加工装置において、
前記イオンビーム照射により、試料から二次的に発生する荷電粒子線を捕捉する検出器と、
当該検出器の検出信号を基に前記試料の画像を生成する手段と、
当該生成された画像を表示するディスプレイとを備え、
前記制御手段に対して必要な情報の入力を行なう入力手段とを備えたことを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項６】
イオン源と、試料を保持する試料ステージと、前記イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と、を備えるイオンビーム装置により前記試料の断面を形成するイオンビーム加工方法であって、
前記照射光学系が、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形するステップと、
前記試料ステージに保持される試料の加工時に、前記試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃えるステップと、
加工断面の観察方向をステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸と直交関係となるように加工断面を荷電粒子ビームによって観察するステップと、
を有することを特徴とするイオンビーム加工方法。
【請求項１】
試料を保持する試料ステージと、
イオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料ステージに保持される試料に対しイオンビームを照射する照射光学系とを備え、
前記照射光学系は、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に、前記試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段とを備え、
前記照射光学系は、前記イオン源からイオンビームを引き出す軸と、イオンビームを試料に照射する軸とが交差する関係にある構造であり、前記イオンビームを引き出す軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係となる構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項２】
試料を保持する試料ステージと、
イオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料ステージに保持される試料に対しイオンビームを照射する照射光学系とを備え、
前記照射光学系は、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に、該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段と、
前記イオンビームによって加工した断面に荷電ビームを照射する荷電ビーム照射光学系とを備え、
前記荷電ビームを照射する軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも直交関係となる構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項３】
試料を保持する試料ステージと、
イオンビームを発生させるイオン源と、
前記試料ステージに保持される試料に対しイオンビームを照射する照射光学系とを備え、
前記照射光学系は、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形する手段と、前記試料ステージに保持される試料の加工時に、該試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃える制御手段と、
前記イオン源から引き出したイオンビームを質量分離する機構とを備え、
前記質量分離の質量分散方向を前記ステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸を前記ステージの試料載置面に投影した線分と少なくとも平行関係となる構造であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載のイオンビーム加工装置において、
前記非軸対称形状が楕円状であること特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項５】
請求項１乃至３に記載のイオンビーム加工装置において、
前記イオンビーム照射により、試料から二次的に発生する荷電粒子線を捕捉する検出器と、
当該検出器の検出信号を基に前記試料の画像を生成する手段と、
当該生成された画像を表示するディスプレイとを備え、
前記制御手段に対して必要な情報の入力を行なう入力手段とを備えたことを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項６】
イオン源と、試料を保持する試料ステージと、前記イオン源から引き出したイオンビームを試料に照射する照射光学系と、を備えるイオンビーム装置により前記試料の断面を形成するイオンビーム加工方法であって、
前記照射光学系が、前記イオンビームのビームスポット形状を非軸対称形状に整形するステップと、
前記試料ステージに保持される試料の加工時に、前記試料の加工断面と前記ビームスポット形状の長軸とを平行に揃えるステップと、
加工断面の観察方向をステージの試料載置面に投影した線分が、前記ビームスポット形状の長軸と直交関係となるように加工断面を荷電粒子ビームによって観察するステップと、
を有することを特徴とするイオンビーム加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図５（ｃ）】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図５（ｃ）】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１２９２１２（Ｐ２０１２−１２９２１２Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６１３９７（Ｐ２０１２−６１３９７）
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【分割の表示】特願２００５−１６７６７０（Ｐ２００５−１６７６７０）の分割
【原出願日】平成１７年６月８日（２００５．６．８）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【分割の表示】特願２００５−１６７６７０（Ｐ２００５−１６７６７０）の分割
【原出願日】平成１７年６月８日（２００５．６．８）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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