イオンビーム加工装置及び試料加工方法
【課題】サンプリング動作中にステージを移動させることなく試料から試料片を短時間に取り出すことができるイオンビーム加工装置及び試料加工方法を提供する。
【解決手段】ウェーハ３１を保持する試料ステージ３３と、イオン源１１で発生したイオンビーム１２をマスク１５によってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビーム１２を試料面に斜めに照射可能な第１イオンビームカラム１０と、第１イオンビームカラム１０よりもイオンビーム２２を細く絞ることが可能なイオンビーム光学系を有し、第１イオンビームカラム１０と同時にイオンビーム２２を試料面に垂直に照射可能な第２イオンビームカラム２０と、イオンビーム１２，２２の照射により加工した試料片５０をウェーハ３１から摘出するマニピュレータ４２と、摘出した試料片５０を保持するカートリッジ５１とを備える。
【解決手段】ウェーハ３１を保持する試料ステージ３３と、イオン源１１で発生したイオンビーム１２をマスク１５によってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビーム１２を試料面に斜めに照射可能な第１イオンビームカラム１０と、第１イオンビームカラム１０よりもイオンビーム２２を細く絞ることが可能なイオンビーム光学系を有し、第１イオンビームカラム１０と同時にイオンビーム２２を試料面に垂直に照射可能な第２イオンビームカラム２０と、イオンビーム１２，２２の照射により加工した試料片５０をウェーハ３１から摘出するマニピュレータ４２と、摘出した試料片５０を保持するカートリッジ５１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の内部構造を確認するために試料の一部分をイオンビームで加工して取り出すイオンビーム加工装置及び試料加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリやマイクロプロセッサ等の半導体デバイスの生産において歩留りを向上させるには、不良デバイスの発生原因を早期に解析して対策を実施する必要がある。不良デバイスの発生原因を解析するためには、従来からデバイスの断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察することが有効な一手段であった。そのためにウェーハ（試料）にＦＩＢ（Focused Ion Beam）で穴加工をし、試料断面をＳＥＭで観察するデュアルビーム装置も開発されている。しかし、近年、半導体デバイスの高密度化に伴って不良原因も微細になっており、数ｎｍ程度の膜厚の不良を判断するにはＳＥＭの分解能では不足する場合が生じてきている。そこで、ＳＥＭよりも分解能が高いＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）やＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）を不良解析に用いることが多くなっている。ＴＥＭやＳＴＥＭを用いた解析では、観察対象に電子線を透過させるため、試料から解析する部分の試料片を取り出して薄膜化する必要がある。
【０００３】
現在、試料から解析する部分の試料片を取り出す技術として、ＦＩＢを用いたマイクロサンプリング法が一般的に用いられている。マイクロサンプリング法は、試料の取り出す部分の周辺に溝を加工した後、試料片をガスデポジションによりプローブに接着して引き上げる方式である。その例として特許第３５４７１４３号公報（特許文献１）がある。なお、ＦＩＢを用いたマイクロサンプリング法は鉄鋼・軽金属関係、ポリマー系高分子分野等においても需要が拡大していくとみられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５４７１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
試料から試料片を取り出すためには、試料片の底辺部を切断する必要がある。そこで、従来は、ステージを傾けてイオンビームを照射したり、イオンビームカラムを傾けてステージを回転させたりしながらイオンビームを照射していた。この場合、ステージ等の傾動、回転、移動の動作、加工位置探しに時間を要する問題があり、サンプリング加工の時間短縮が難しかった。
【０００６】
本発明の目的は、サンプリング動作中にステージを移動させることなく試料から試料片を短時間に取り出すことができるイオンビーム加工装置及び試料加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、これと同時に第２のイオンビームカラムからのイオンビームを試料面に照射し、２本のイオンビームで試料片を同時加工する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、サンプリング動作中にステージを移動させることなく試料から試料片を短時間に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置によるサンプリング動作手順を表すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置によるサンプリング加工の概要を表す図である。
【図４】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置によるサンプリング加工の位置を示す図である。
【図５】サンプリング加工時の試料断面を示す図である。
【図６】イオンビームの照射角度による加工係数の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたマニピュレータの一構成例を表す概略図である。
【図８】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたマニピュレータで試料片を取り出す様子を示した図である。
【図９】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたウェーハホールダの構造を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたカートリッジの構造を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたカーリッジ保持機構の構造を示す図である。
【図１２】サンプルキャリアに試料片を固定する様子を表した図である。
【図１３】高分解能観察用サンプルホールダへのカートリッジ搭載例を表した図である。
【図１４】本発明の第２実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
本実施の形態のイオンビーム加工装置は、２本のイオンビームカラムを備え、第１のイオンビームカラムからはイオン源で発生したイオンビームをマスクによって成形して試料面に照射し、第２のイオンビームカラムからは第１のイオンビームカラムよりも細く絞ったイオンビームを試料面に走査し、第１イオンビームカラム及び第２のイオンビームカラムからのイオンビームで同時加工した試料片を試料から摘出してカートリッジに搭載する。
【００１２】
これによってサンプリング動作中にステージを移動させることなく試料（ウェーハ）からの試料片の取り出し時間を短縮することができるので、ＴＥＭやＳＴＥＭといった高分解能の電子顕微鏡像を短時間に得ることができ、微細な半導体デバイスの不良発生原因も短時間に解析することができる。したがって、半導体デバイス製造の歩留りの向上に貢献する。
【００１３】
本発明のイオンビーム加工装置の実施例を次に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【００１５】
本実施例のイオンビーム加工装置は、第１イオンビームカラム１０、第２イオンビームカラム２０、ウェーハ（試料）３１からの二次電子等を検出する検出器４１、マニピュレータ４２を制御するマニピュレータ移動機構４３を試料室３０に備えた構成となっている。
【００１６】
試料室３０は、第１イオンビームカラム１０及び第２イオンビームカラム２０とともに内部が高真空に保持される。試料室３０の内部には、ウェーハ３１とカートリッジ５１を保持するウェーハホールダ３２、ウェーハホールダ３２を搭載する試料ステージ３３が備えられている。また、試料室３０の試料ステージ３３の側方には、試料室３０の真空度を悪化させることなくウェーハ３１及びカートリッジ５１を試料室３０に搬入・搬出するための試料交換室３５が設けられている。
【００１７】
第１イオンビームカラム１０は、イオン源１１、引出し電極１３、集束レンズ１４、マスク１５、偏向器１６及び対物レンズ１７を有し、集束レンズ１４、マスク１５、偏向器１６及び対物レンズ１７は、イオン源１１で発生したイオンビーム１２をマスク１５によってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を構成している。この第１イオンビームカラム１０は、鉛直に対して傾斜した状態で試料室３０に設けられており、イオンビーム１２をウェーハ３１の試料面に斜めに照射可能である。第１イオンビームカラム１０は第１イオンビームカラム制御部１８によって制御される。
【００１８】
第１イオンビームカラム１０のイオン源１１は、酸素やアルゴン等のガスをプラズマ化して幅の広いイオンビーム１２を発生させる。集束レンズ１４はマスク１５の開口形状に合わせてイオンビーム１２を収束し、対物レンズ１７ではマスク１５の開口形状に成形されたプロジェクションビームを縮小投射してウェーハ３１を加工する。プロジェクションビームを用いることで、短時間に広い面積の加工が可能である。
【００１９】
第２イオンビームカラム２０は、イオン源２１、引出し電極２３、集束レンズ２４、絞り２５、偏向器２６及び対物レンズ２７を有している。集束レンズ２４、絞り２５、偏向器２６及び対物レンズ２７はイオンビーム光学系を構成しており、絞り２５によってイオンビーム２２を第１のイオンビームカラム１０のイオンビーム１２よりも細く絞ることができ、細く絞ったイオンビーム２２を偏光器２６で偏向走査し、対物レンズ２７によって試料面に集束させる。この第２イオンビームカラム２０は、鉛直に立った状態で試料室３０に設けられており、第１イオンビームカラム１０のイオンビームスポットにイオンビーム２２を垂直に照射可能である。第２イオンビームカラム２０は第２イオンビームカラム制御部２８によって制御される。但し、ここで言う鉛直とは必ずしも厳密なものではなく、誤差の範疇は許容するものとし、イオンビーム２２の光軸（非偏向時）が試料面に対してほぼ垂直となっていれば良い。
【００２０】
第２イオンビームカラム２０のイオン源２１は、Ｇａ（ガリウム）等の液体金属を用いたＬＭＩＳ（Liquid Metal Ion Source）を採用することができる。ＬＭＩＳは高輝度であり、集束レンズ２４、絞り２５、偏向器２６及び対物レンズ２７のイオンビーム光学系により高電流密度の細く絞ったイオンビーム２２を得ることができる。細く絞ったイオンビーム２２の走査によるＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像は、高密度の半導体デバイスにおいてサンプリング位置を正確に見つける際に使用される。
【００２１】
画像生成部７５は、イオンビーム２２の走査信号に同期して、ウェーハ３１からの二次電子等による検出器４１の信号を取り込んで画像データを生成する。全体制御部７４は、第１イオンビームカラム制御部１８、第２イオンビームカラム制御部２８、試料ステージ３３、マニピュレータ移動機構４３等の構成要素を制御する。また、このイオンビーム加工装置の操作部は、表示装置７０、キーボード７２、マウス７３を有するコンピュータ７１によって構成される。
【００２２】
図２は本実施例のイオンビーム加工装置によるサンプリング動作手順を表すフローチャートである。
【００２３】
まずサンプリングを開始する前に、半導体デバイス製造工程のウェーハ検査において検査装置で検査済みのウェーハ３１をウェーハケース３８（図１）に格納しておく。また、取り出した試料片５０（後述の図８、図５等）を搬送するためのカートリッジ５１をカートリッジケース３９（図１）に格納しておく。その上でサンプリングの開始をコンピュータ７１を操作して指示すると、以下の手順が全体制御部７４によって実行される。
【００２４】
まず、ウェーハ・カートリッジ搬入処理Ｓ１０１では、ウェーハ搬送ロボット３６（図１）がウェーハケース３８に格納されているウェーハ３１を取り出して大気状態の試料交換室３５内のウェーハホールダ３２上に搬送する。また、同時にカートリッジ搬送ロボット３７（図１）がカートリッジケース３９に格納されているカートリッジ５１を取り出してウェーハホールダ３２上のカートリッジ傾斜機構５３（後述の図９）に挿入する。ウェーハ３１とカートリッジ５１が搭載されたウェーハホールダ３２は、試料交換室３５を真空排気して試料室３０内の試料ステージ３３に搬入される。
【００２５】
続くサンプリング位置移動処理Ｓ１０２では、検査装置等で検出した欠陥部がビーム照射領域に来るように試料ステージ３３を移動する。欠陥部の位置を示す検査結果ファイルは、ネットワーク等を介して検査装置からコンピュータ７１に転送される。欠陥部を確認するには、第２イオンビームカラム２０によって細く絞ったイオンビーム２２をウェーハ３１上に走査し、画像生成部７５でイオンビーム２２の走査信号に同期して検出器４１の信号を取り込んで画像データを生成し、表示装置７０の画像表示エリア７６（図１）にＳＩＭ像を表示させる。サンプリング位置をＳＩＭ像で確認した後、サンプリング加工処理Ｓ１０３を実行する。
【００２６】
図３は本実施例のイオンビーム加工装置によるサンプリング加工の概要を表す図である。
【００２７】
サンプリング加工処理Ｓ１０３では、サンプリング位置に対して第１イオンビームカラム１０のマスク１５をコの字形に設定し、イオンビーム１２によってウェーハ３１にコの字形の溝加工を施す。同時に第２イオンビームカラム２０は、イオンビーム１２とともにサンプリング位置を囲うように一文字状にイオンビーム２２を走査し、サンプリング位置を分離する。
【００２８】
図４はウェーハ３１のコンタクトホール部をサンプリングする際の表示装置７０の表示状態を例示した図である。
【００２９】
図４では、第２イオンビームカラム２０のイオンビーム２２を走査して得たＳＩＭ像を画像表示エリア７６に表示し、第１イオンビームカラム１０で加工するコの字形の傾斜加工部と第２イオンビームカラム２０で加工する垂直加工部を指定し、サンプリング位置から目的のコンタクトホールを含む試料片５０を摘出する様子を表している。
【００３０】
図５はウェーハ３１の加工断面を示す図である。
【００３１】
図５において、第１イオンビームカラム１０のイオンビーム１２によって深さｄを加工する際の加工時間ｔｋは、試料の材質による加工係数Ｋｍ、照射角度θによる加工係数Ｋａ、ビーム電流密度Ｄｋを用いて次の数式１で表すことができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
垂直の照射に対して傾斜角度θのイオンビーム１２は、加工距離がｄ／ｃｏｓθとなり、加工係数Ｋａは、図６のグラフに示すように変化する。また、ビーム電流密度Ｄｋは、マスク１５を通過した電流量を照射面積で除算した値である。
【００３４】
一方、第２イオンビームカラム２０によって深さｄを加工する際の加工時間ｔｓは、試料の材質による加工係数Ｋｍ、照射ビームの走査面積Ｌ、照射されるビーム電流Ｉｓを用いて次の数式２で表すことができる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
垂直のイオンビーム２２は細く絞られたビームのため目的の面積を加工するには走査する必要があり、その走査範囲の面積が走査面積Ｌである。このイオンビーム２２の走査面積Ｌが、ウェーハ３１から試料片５０を分離するに必要十分であって、かつイオンビーム２２によってプロジェクションビーム１２による加工時間ｔｋ以下の加工時間ｔｓで加工終了する面積であれば、試料片５０のサンプリング加工の所要時間を効果的に短縮することができる。したがって、サンプリング加工時のイオンビーム２２の最適な走査面積Ｌ（ｔｓの目標値をｔｋに設定した場合の値）を算出する数式３は、上記の数式１と数式２から次のように求めることができる。
【００３７】
【数３】
【００３８】
全体制御装置７４によって、上記の加工深さｄ、加工係数Ｋａ，Ｋｍ、照射角度θ、ビーム電流密度Ｄｋ、ビーム電流Ｉｓを基に上記走査面積Ｌが演算され、第２イオンビームカラム２０のイオンビーム２２の走査面積がＬかそれよりも短くなるようにイオンビームカラム１０，２０を制御することで、サンプリング加工時間を効果的に短縮することができる。
【００３９】
なお、同時加工においては、試料片５０をウェーハ３１から完全に切り離すと試料片５０が飛び出す恐れがあるため、一部分を残して加工すると良い。
【００４０】
このサンプリング加工処理Ｓ１０３が終了したら、マニピュレータ４２による把持・分離処理Ｓ１０４（図２）に手順を移す。
【００４１】
図７はマニピュレータ４２の一構成例を表す概略図である。
【００４２】
図７に例示したマニピュレータ４２は、先端を２本のアームでピンセット状に形成し、２本のアームを形状記憶合金製のワイヤー４６で連結した構成である。ワイヤー４６には電源４５が接続され、ワイヤー４６に流れる電流はスイッチ４４によって遮断される。図７（ａ）はスイッチ４４の接点を開いて電流を遮断した状態を表しており、マニピュレータ４２の両アームの先端部は離れている。一方、図７（ｂ）はスイッチ４４の接点を閉じて電流を流した状態を表しており、ワイヤー４６が縮んで両アームの先端部が接触している。このアーム先端が閉じた状態（図７（ｂ））からスイッチ４４の接点を開いて電流を遮断すると、ワイヤー４６が伸びてアーム先端部が開いた状態（図７（ａ））に復帰する。
【００４３】
なお、本実施例では形状記憶合金を用いてマニピュレータ４２のアームを開閉する構成を例示したが、ピエゾ素子やバイメタル等を用いてマニピュレータ４２を構成することもできる。また、マニピュレータ４２の移動や開閉の動作はコンピュータ７１を操作することで全体制御装置７４を介してマニピュレータ移動機構４３を制御することによって実行される。
【００４４】
図８はマニピュレータ４２で試料片５０を取り出す様子を示した図である。
【００４５】
把持・分離処理Ｓ１０４において、サンプリング加工処理Ｓ１０３で加工した試料片５０を取り出す場合は試料片５０をマニピュレータ４２の量アームで挟持して把持するが、その際、試料片５０とウェーハ３１の接続部（サンプリング加工で残した部分）は薄いので、試料片５０を把持したままマニピュレータ４２を少し移動させれば接続部が断裂し、試料片５０はウェーハ３１から分離する。試料片５０をウェーハ３１から分離したら、サンプリキャリア固定処理Ｓ１０５（図２）に移行する。
【００４６】
図９はウェーハホールダ３２の構造を示す斜視図、図１０はカートリッジ５１の構造を示す斜視図である。
【００４７】
図９及び図１０に示したように、ウェーハホールダ３２の端部には、保持されたウェーハ３１の外側の領域に来るようにカーリッジ保持機構５３が設けられており、このカートリッジ保持機構５３にカートリッジ５１が挿入されている。カートリッジ５１は、ウェーハ３１から取り出した試料片５０を搭載し、試料室３０の外に搬送するための容器となっている。カートリッジ５１には、一般的なＴＥＭやＳＴＥＭの試料ホールダに装着可能な直径（例えば３ｍｍ程度）の半円形状の板であるサンプルキャリア５２が固定されている。このサンプルキャリア５２の試料片５０を把持する部分には保持穴５５が加工されている。サンプルキャリア５２は形状記憶合金で作られており、保持穴５５の幅は、所定値よりも温度が高いと試料片５０の幅よりも大きく、所定値よりも温度が低いと試料片の幅よりも小さくなるようになっている。
【００４８】
図１１はカーリッジ保持機構５３の構造を示す図である。
【００４９】
カートリッジ５１はソケット５７を介してカートリッジ保持機構５３にそう略されている。カートリッジ保持機構５３はソケット５７に繋がる加熱ヒータ５８を備えており、図１２（ａ）に示すように試料片５０を保持穴５５に搭載する際に加熱ヒータ５８によってサンプルキャリア５２を加熱し、搭載後に加熱を中止し冷却する。これによって、保持穴５５が元の大きさに縮んで試料片５０が保持穴５５の内壁に挟持され、図１２（ｂ）に示すようにガスデポジションなしにカートリッジ５１に試料片５０を固定することができる。
【００５０】
なお、本実施例ではサンプルキャリア５２を形状記憶合金で形成して保持穴５５に試料片５０を固定する例を示したが、ピエゾ素子やバイメタル等を用いて構成することもできる。
【００５１】
最後のウェーハ・カートリッジ搬出処理Ｓ１０６（図２）では、ウェーハホールダ３２に搭載したウェーハ３１をウェーハケース３８に格納し、取り出した試料片５０を保持したカートリッジ５１をカートリッジケース３９に格納する。図１３に高分解能観察用サンプルホールダへのカートリッジ搭載例を示した通り、ウェーハ・カートリッジ搬出処理Ｓ１０６後のカートリッジ５１は、ＴＥＭやＳＴＥＭなどの高分解能な電子顕微鏡のサイドエントリステージに挿入可能な試料ホールダ５４の先端に装着される。
【００５２】
以上のように、本実施例では、２本のイオンビームカラム１０，２０を備えているので、第１イオンビームカラム１０からはイオン源１１で発生したイオンビーム１２をマスク１５によって成形してウェーハ３１に照射し、第２イオンビームカラム２０からは第１イオンビームカラム１０のイオンビーム１２よりも細く絞ったイオンビーム２２をウェーハ３１に走査し、２本のイオンビームカラム１０，２０からのイオンビーム１２，２２で同時加工した試料片５０をウェーハ３１から摘出してカートリッジ５１に搭載する。
【００５３】
これによって、１本のイオンビームカラムでサンプリング加工する場合のようにサンプリング動作中に試料ステージ３３を傾動、回転、移動させたり加工位置を探したりすることなく、ウェーハ３１からの試料片５０の加工時間を短縮することができる。このようにサンプリング動作中に試料ステージ３３を移動させることなくウェーハ３１から試料片５０を短時間に取り出すことができるので、ＴＥＭやＳＴＥＭといった高分解能の電子顕微鏡像を短時間に得ることができ、微細な半導体デバイスの不良発生原因も短時間に解析することができる。よって、半導体デバイス製造の歩留りの向上に貢献する。
【００５４】
また、本実施例では、試料３１から試料片５０を摘出する際、試料片５０をカートリッジ５１に搭載する際にガスでポジション処理を要さないので、試料片５０の取り出し時間をより短縮することができる。但し、一般のガスデポジション処理を伴って試料片５０を摘出しカートリッジ５１に搭載する構成としても、２本のイオンビームカラム１０，２０で試料片５０を同時加工することによって試料片５０の加工時間を大幅に短縮できることに変わりはない。
【実施例２】
【００５５】
図１４は本発明の第２実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【００５６】
本実施例が第１実施例と相違する点は、第２イオンビームカラム８０を斜めに設置し、第１及び第２イオンビームカラム１０，８０の間に電子ビームカラム９０を配置した点にある。
【００５７】
第２イオンビームカラム８０は、イオン源８１、引出し電極８３、集束レンズ８４、マスク８５、偏向器８６及び対物レンズ８７を有し、集束レンズ８４、マスク８５、偏向器８６及び対物レンズ８７は、イオン源８１で発生したイオンビーム８２をマスク８５によってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を構成している。この第２イオンビームカラム８０は、鉛直に対して傾斜した状態で試料室３０に設けられており、第１イオンビームカラム１０のイオンビームスポットにイオンビーム８２を斜めに照射可能である。また、第２イオンビームカラム８０は、第２イオンビームカラム制御部８８によって制御される。
【００５８】
第２イオンビームカラム８０のイオン源８１は、酸素やアルゴン等のガスをプラズマ化して幅の広いイオンビーム８２を発生させる。集束レンズ８４はマスク８５の開口形状に合わせてイオンビーム８２を収束し、対物レンズ８７ではマスク８５の開口形状に成形されたプロジェクションビームを縮小投射してウェーハ３１を加工する。プロジェクションビームを用いることで、短時間に広い面積の加工が可能である。
【００５９】
本実施例では、第２イオンビームカラム８０からもプロジェクションビーム（例えば図４の垂直加工部のような一文字状に成形されたイオンビーム）を照射し、２本のイオンビームカラム１０，８０の双方からプロジェクションビームを照射することで、試料片５０をサンプリング加工する。
【００６０】
電子ビームカラム９０は、電子源９１、引出し電極９３、集束レンズ９４、絞り９５、偏向器９６及び対物レンズ９７を有している。集束レンズ９４、絞り９５、偏向器９６及び対物レンズ９７は電子ビーム光学系を構成しており、絞り９５によって電子ビーム９２を細く絞り、細く絞った電子ビーム９２を偏光器９６で偏向走査して対物レンズ９７によって試料面に集束させる。これによって得られた二次電子等の信号を検出器４１で検出し、画像生成部７５によってＳＥＭ像を生成する。ＳＥＭ像は表示器７０の画像表示エリア７６に表示され、サンプリング位置の設定に用いられる。この電子ビームカラム９０は、鉛直に立った状態で試料室３０に設けられており、イオンビームカラム１０，８０のイオンビームスポットに電子ビーム９２を垂直に照射可能である。電子ビームカラム９０は電子ビームカラム制御部９８によって制御される。但しここで言う鉛直は必ずしも厳密なものではなく、誤差の範疇は許容するものとし、電子ビーム９２の光軸（非偏向時）が試料面に対してほぼ垂直となっていれば良い。
【００６１】
その他の構成については第１実施例と同様であり、既に説明した構成要素と同様のものには既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００６２】
本実施例においても２本のイオンビームカラム１０，８０によって試料片５０をサンプリング加工するので、第１実施例と同様に試料片５０の加工時間を大幅に短縮することができる。
【００６３】
加えて、イオンビームカラム１０，８０の双方を傾斜させたことによってウェーハ３１の上方のスペースが空くので、電子ビームカラム９０をウェーハ３１に対して垂直に設置することができる。また、電子ビームカラム９０を設けたことによってＳＩＭ機能を省略することができるので、イオンビームカラム１０，８０の双方のイオン源１１，８１をガスイオン源とすることができ、ＬＭＩＳの使用によるウェーハ３１や装置内の金属汚染を抑制することができる。
【００６４】
なお、本実施例では第２イオンビームカラム８０のイオン源８１にガスイオン源を使用し、またマスク８５で成形したプロジェクションビームを照射する構成としたが、第１実施例と同じくイオン源８１にＬＭＩＳを用い、細く絞って偏向走査する構成とすることもできる。また、有用であれば、第２イオンビームカラム８０を垂直に取り付け、電子ビームカラム９０を斜めに取り付ける構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 第１イオンビームカラム
１１ イオン源
１２ イオンビーム
１３ 引出し電極
１４ 集束レンズ
１５ マスク
１６ 偏向器
１７ 対物レンズ
１８ 第１イオンビームカラム制御部
２０ 第２イオンビームカラム
２１ イオン源
２２ イオンビーム
２３ 引出し電極
２４ 集束レンズ
２５ 絞り
２６ 偏向器
２７ 対物レンズ
２８ 第２イオンビームカラム制御部
３０ 試料室
３１ ウェーハ
３２ ウェーハホールダ
３３ 試料ステージ
４２ マニピュレータ
４３ マニピュレータ移動機構
４４ スイッチ
４５ 電源
４６ ワイヤー
５０ 試料片
５１ カートリッジ
５２ サンプルキャリア
５３ カートリッジ保持機構
５４ 試料ホールダ
５５ 保持穴
５７ ソケット
５８ 加熱ヒータ
７４ 全体制御部
８０ 第２イオンビームカラム
８１ イオン源
８２ イオンビーム
８３ 引出し電極
８４ 集束レンズ
８５ 絞り
８６ 偏向器
８７ 対物レンズ
８８ 第２イオンビームカラム制御部
９０ 電子ビームカラム
９１ 電子源
９２ 電子ビーム
９３ 引出し電極
９４ 集束レンズ
９５ 絞り
９６ 偏向器
９７ 対物レンズ
９８ 電子ビームカラム制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の内部構造を確認するために試料の一部分をイオンビームで加工して取り出すイオンビーム加工装置及び試料加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリやマイクロプロセッサ等の半導体デバイスの生産において歩留りを向上させるには、不良デバイスの発生原因を早期に解析して対策を実施する必要がある。不良デバイスの発生原因を解析するためには、従来からデバイスの断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察することが有効な一手段であった。そのためにウェーハ（試料）にＦＩＢ（Focused Ion Beam）で穴加工をし、試料断面をＳＥＭで観察するデュアルビーム装置も開発されている。しかし、近年、半導体デバイスの高密度化に伴って不良原因も微細になっており、数ｎｍ程度の膜厚の不良を判断するにはＳＥＭの分解能では不足する場合が生じてきている。そこで、ＳＥＭよりも分解能が高いＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）やＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）を不良解析に用いることが多くなっている。ＴＥＭやＳＴＥＭを用いた解析では、観察対象に電子線を透過させるため、試料から解析する部分の試料片を取り出して薄膜化する必要がある。
【０００３】
現在、試料から解析する部分の試料片を取り出す技術として、ＦＩＢを用いたマイクロサンプリング法が一般的に用いられている。マイクロサンプリング法は、試料の取り出す部分の周辺に溝を加工した後、試料片をガスデポジションによりプローブに接着して引き上げる方式である。その例として特許第３５４７１４３号公報（特許文献１）がある。なお、ＦＩＢを用いたマイクロサンプリング法は鉄鋼・軽金属関係、ポリマー系高分子分野等においても需要が拡大していくとみられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５４７１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
試料から試料片を取り出すためには、試料片の底辺部を切断する必要がある。そこで、従来は、ステージを傾けてイオンビームを照射したり、イオンビームカラムを傾けてステージを回転させたりしながらイオンビームを照射していた。この場合、ステージ等の傾動、回転、移動の動作、加工位置探しに時間を要する問題があり、サンプリング加工の時間短縮が難しかった。
【０００６】
本発明の目的は、サンプリング動作中にステージを移動させることなく試料から試料片を短時間に取り出すことができるイオンビーム加工装置及び試料加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、これと同時に第２のイオンビームカラムからのイオンビームを試料面に照射し、２本のイオンビームで試料片を同時加工する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、サンプリング動作中にステージを移動させることなく試料から試料片を短時間に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置によるサンプリング動作手順を表すフローチャートである。
【図３】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置によるサンプリング加工の概要を表す図である。
【図４】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置によるサンプリング加工の位置を示す図である。
【図５】サンプリング加工時の試料断面を示す図である。
【図６】イオンビームの照射角度による加工係数の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたマニピュレータの一構成例を表す概略図である。
【図８】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたマニピュレータで試料片を取り出す様子を示した図である。
【図９】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたウェーハホールダの構造を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたカートリッジの構造を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置に備えられたカーリッジ保持機構の構造を示す図である。
【図１２】サンプルキャリアに試料片を固定する様子を表した図である。
【図１３】高分解能観察用サンプルホールダへのカートリッジ搭載例を表した図である。
【図１４】本発明の第２実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
本実施の形態のイオンビーム加工装置は、２本のイオンビームカラムを備え、第１のイオンビームカラムからはイオン源で発生したイオンビームをマスクによって成形して試料面に照射し、第２のイオンビームカラムからは第１のイオンビームカラムよりも細く絞ったイオンビームを試料面に走査し、第１イオンビームカラム及び第２のイオンビームカラムからのイオンビームで同時加工した試料片を試料から摘出してカートリッジに搭載する。
【００１２】
これによってサンプリング動作中にステージを移動させることなく試料（ウェーハ）からの試料片の取り出し時間を短縮することができるので、ＴＥＭやＳＴＥＭといった高分解能の電子顕微鏡像を短時間に得ることができ、微細な半導体デバイスの不良発生原因も短時間に解析することができる。したがって、半導体デバイス製造の歩留りの向上に貢献する。
【００１３】
本発明のイオンビーム加工装置の実施例を次に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の第１実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【００１５】
本実施例のイオンビーム加工装置は、第１イオンビームカラム１０、第２イオンビームカラム２０、ウェーハ（試料）３１からの二次電子等を検出する検出器４１、マニピュレータ４２を制御するマニピュレータ移動機構４３を試料室３０に備えた構成となっている。
【００１６】
試料室３０は、第１イオンビームカラム１０及び第２イオンビームカラム２０とともに内部が高真空に保持される。試料室３０の内部には、ウェーハ３１とカートリッジ５１を保持するウェーハホールダ３２、ウェーハホールダ３２を搭載する試料ステージ３３が備えられている。また、試料室３０の試料ステージ３３の側方には、試料室３０の真空度を悪化させることなくウェーハ３１及びカートリッジ５１を試料室３０に搬入・搬出するための試料交換室３５が設けられている。
【００１７】
第１イオンビームカラム１０は、イオン源１１、引出し電極１３、集束レンズ１４、マスク１５、偏向器１６及び対物レンズ１７を有し、集束レンズ１４、マスク１５、偏向器１６及び対物レンズ１７は、イオン源１１で発生したイオンビーム１２をマスク１５によってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を構成している。この第１イオンビームカラム１０は、鉛直に対して傾斜した状態で試料室３０に設けられており、イオンビーム１２をウェーハ３１の試料面に斜めに照射可能である。第１イオンビームカラム１０は第１イオンビームカラム制御部１８によって制御される。
【００１８】
第１イオンビームカラム１０のイオン源１１は、酸素やアルゴン等のガスをプラズマ化して幅の広いイオンビーム１２を発生させる。集束レンズ１４はマスク１５の開口形状に合わせてイオンビーム１２を収束し、対物レンズ１７ではマスク１５の開口形状に成形されたプロジェクションビームを縮小投射してウェーハ３１を加工する。プロジェクションビームを用いることで、短時間に広い面積の加工が可能である。
【００１９】
第２イオンビームカラム２０は、イオン源２１、引出し電極２３、集束レンズ２４、絞り２５、偏向器２６及び対物レンズ２７を有している。集束レンズ２４、絞り２５、偏向器２６及び対物レンズ２７はイオンビーム光学系を構成しており、絞り２５によってイオンビーム２２を第１のイオンビームカラム１０のイオンビーム１２よりも細く絞ることができ、細く絞ったイオンビーム２２を偏光器２６で偏向走査し、対物レンズ２７によって試料面に集束させる。この第２イオンビームカラム２０は、鉛直に立った状態で試料室３０に設けられており、第１イオンビームカラム１０のイオンビームスポットにイオンビーム２２を垂直に照射可能である。第２イオンビームカラム２０は第２イオンビームカラム制御部２８によって制御される。但し、ここで言う鉛直とは必ずしも厳密なものではなく、誤差の範疇は許容するものとし、イオンビーム２２の光軸（非偏向時）が試料面に対してほぼ垂直となっていれば良い。
【００２０】
第２イオンビームカラム２０のイオン源２１は、Ｇａ（ガリウム）等の液体金属を用いたＬＭＩＳ（Liquid Metal Ion Source）を採用することができる。ＬＭＩＳは高輝度であり、集束レンズ２４、絞り２５、偏向器２６及び対物レンズ２７のイオンビーム光学系により高電流密度の細く絞ったイオンビーム２２を得ることができる。細く絞ったイオンビーム２２の走査によるＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像は、高密度の半導体デバイスにおいてサンプリング位置を正確に見つける際に使用される。
【００２１】
画像生成部７５は、イオンビーム２２の走査信号に同期して、ウェーハ３１からの二次電子等による検出器４１の信号を取り込んで画像データを生成する。全体制御部７４は、第１イオンビームカラム制御部１８、第２イオンビームカラム制御部２８、試料ステージ３３、マニピュレータ移動機構４３等の構成要素を制御する。また、このイオンビーム加工装置の操作部は、表示装置７０、キーボード７２、マウス７３を有するコンピュータ７１によって構成される。
【００２２】
図２は本実施例のイオンビーム加工装置によるサンプリング動作手順を表すフローチャートである。
【００２３】
まずサンプリングを開始する前に、半導体デバイス製造工程のウェーハ検査において検査装置で検査済みのウェーハ３１をウェーハケース３８（図１）に格納しておく。また、取り出した試料片５０（後述の図８、図５等）を搬送するためのカートリッジ５１をカートリッジケース３９（図１）に格納しておく。その上でサンプリングの開始をコンピュータ７１を操作して指示すると、以下の手順が全体制御部７４によって実行される。
【００２４】
まず、ウェーハ・カートリッジ搬入処理Ｓ１０１では、ウェーハ搬送ロボット３６（図１）がウェーハケース３８に格納されているウェーハ３１を取り出して大気状態の試料交換室３５内のウェーハホールダ３２上に搬送する。また、同時にカートリッジ搬送ロボット３７（図１）がカートリッジケース３９に格納されているカートリッジ５１を取り出してウェーハホールダ３２上のカートリッジ傾斜機構５３（後述の図９）に挿入する。ウェーハ３１とカートリッジ５１が搭載されたウェーハホールダ３２は、試料交換室３５を真空排気して試料室３０内の試料ステージ３３に搬入される。
【００２５】
続くサンプリング位置移動処理Ｓ１０２では、検査装置等で検出した欠陥部がビーム照射領域に来るように試料ステージ３３を移動する。欠陥部の位置を示す検査結果ファイルは、ネットワーク等を介して検査装置からコンピュータ７１に転送される。欠陥部を確認するには、第２イオンビームカラム２０によって細く絞ったイオンビーム２２をウェーハ３１上に走査し、画像生成部７５でイオンビーム２２の走査信号に同期して検出器４１の信号を取り込んで画像データを生成し、表示装置７０の画像表示エリア７６（図１）にＳＩＭ像を表示させる。サンプリング位置をＳＩＭ像で確認した後、サンプリング加工処理Ｓ１０３を実行する。
【００２６】
図３は本実施例のイオンビーム加工装置によるサンプリング加工の概要を表す図である。
【００２７】
サンプリング加工処理Ｓ１０３では、サンプリング位置に対して第１イオンビームカラム１０のマスク１５をコの字形に設定し、イオンビーム１２によってウェーハ３１にコの字形の溝加工を施す。同時に第２イオンビームカラム２０は、イオンビーム１２とともにサンプリング位置を囲うように一文字状にイオンビーム２２を走査し、サンプリング位置を分離する。
【００２８】
図４はウェーハ３１のコンタクトホール部をサンプリングする際の表示装置７０の表示状態を例示した図である。
【００２９】
図４では、第２イオンビームカラム２０のイオンビーム２２を走査して得たＳＩＭ像を画像表示エリア７６に表示し、第１イオンビームカラム１０で加工するコの字形の傾斜加工部と第２イオンビームカラム２０で加工する垂直加工部を指定し、サンプリング位置から目的のコンタクトホールを含む試料片５０を摘出する様子を表している。
【００３０】
図５はウェーハ３１の加工断面を示す図である。
【００３１】
図５において、第１イオンビームカラム１０のイオンビーム１２によって深さｄを加工する際の加工時間ｔｋは、試料の材質による加工係数Ｋｍ、照射角度θによる加工係数Ｋａ、ビーム電流密度Ｄｋを用いて次の数式１で表すことができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
垂直の照射に対して傾斜角度θのイオンビーム１２は、加工距離がｄ／ｃｏｓθとなり、加工係数Ｋａは、図６のグラフに示すように変化する。また、ビーム電流密度Ｄｋは、マスク１５を通過した電流量を照射面積で除算した値である。
【００３４】
一方、第２イオンビームカラム２０によって深さｄを加工する際の加工時間ｔｓは、試料の材質による加工係数Ｋｍ、照射ビームの走査面積Ｌ、照射されるビーム電流Ｉｓを用いて次の数式２で表すことができる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
垂直のイオンビーム２２は細く絞られたビームのため目的の面積を加工するには走査する必要があり、その走査範囲の面積が走査面積Ｌである。このイオンビーム２２の走査面積Ｌが、ウェーハ３１から試料片５０を分離するに必要十分であって、かつイオンビーム２２によってプロジェクションビーム１２による加工時間ｔｋ以下の加工時間ｔｓで加工終了する面積であれば、試料片５０のサンプリング加工の所要時間を効果的に短縮することができる。したがって、サンプリング加工時のイオンビーム２２の最適な走査面積Ｌ（ｔｓの目標値をｔｋに設定した場合の値）を算出する数式３は、上記の数式１と数式２から次のように求めることができる。
【００３７】
【数３】
【００３８】
全体制御装置７４によって、上記の加工深さｄ、加工係数Ｋａ，Ｋｍ、照射角度θ、ビーム電流密度Ｄｋ、ビーム電流Ｉｓを基に上記走査面積Ｌが演算され、第２イオンビームカラム２０のイオンビーム２２の走査面積がＬかそれよりも短くなるようにイオンビームカラム１０，２０を制御することで、サンプリング加工時間を効果的に短縮することができる。
【００３９】
なお、同時加工においては、試料片５０をウェーハ３１から完全に切り離すと試料片５０が飛び出す恐れがあるため、一部分を残して加工すると良い。
【００４０】
このサンプリング加工処理Ｓ１０３が終了したら、マニピュレータ４２による把持・分離処理Ｓ１０４（図２）に手順を移す。
【００４１】
図７はマニピュレータ４２の一構成例を表す概略図である。
【００４２】
図７に例示したマニピュレータ４２は、先端を２本のアームでピンセット状に形成し、２本のアームを形状記憶合金製のワイヤー４６で連結した構成である。ワイヤー４６には電源４５が接続され、ワイヤー４６に流れる電流はスイッチ４４によって遮断される。図７（ａ）はスイッチ４４の接点を開いて電流を遮断した状態を表しており、マニピュレータ４２の両アームの先端部は離れている。一方、図７（ｂ）はスイッチ４４の接点を閉じて電流を流した状態を表しており、ワイヤー４６が縮んで両アームの先端部が接触している。このアーム先端が閉じた状態（図７（ｂ））からスイッチ４４の接点を開いて電流を遮断すると、ワイヤー４６が伸びてアーム先端部が開いた状態（図７（ａ））に復帰する。
【００４３】
なお、本実施例では形状記憶合金を用いてマニピュレータ４２のアームを開閉する構成を例示したが、ピエゾ素子やバイメタル等を用いてマニピュレータ４２を構成することもできる。また、マニピュレータ４２の移動や開閉の動作はコンピュータ７１を操作することで全体制御装置７４を介してマニピュレータ移動機構４３を制御することによって実行される。
【００４４】
図８はマニピュレータ４２で試料片５０を取り出す様子を示した図である。
【００４５】
把持・分離処理Ｓ１０４において、サンプリング加工処理Ｓ１０３で加工した試料片５０を取り出す場合は試料片５０をマニピュレータ４２の量アームで挟持して把持するが、その際、試料片５０とウェーハ３１の接続部（サンプリング加工で残した部分）は薄いので、試料片５０を把持したままマニピュレータ４２を少し移動させれば接続部が断裂し、試料片５０はウェーハ３１から分離する。試料片５０をウェーハ３１から分離したら、サンプリキャリア固定処理Ｓ１０５（図２）に移行する。
【００４６】
図９はウェーハホールダ３２の構造を示す斜視図、図１０はカートリッジ５１の構造を示す斜視図である。
【００４７】
図９及び図１０に示したように、ウェーハホールダ３２の端部には、保持されたウェーハ３１の外側の領域に来るようにカーリッジ保持機構５３が設けられており、このカートリッジ保持機構５３にカートリッジ５１が挿入されている。カートリッジ５１は、ウェーハ３１から取り出した試料片５０を搭載し、試料室３０の外に搬送するための容器となっている。カートリッジ５１には、一般的なＴＥＭやＳＴＥＭの試料ホールダに装着可能な直径（例えば３ｍｍ程度）の半円形状の板であるサンプルキャリア５２が固定されている。このサンプルキャリア５２の試料片５０を把持する部分には保持穴５５が加工されている。サンプルキャリア５２は形状記憶合金で作られており、保持穴５５の幅は、所定値よりも温度が高いと試料片５０の幅よりも大きく、所定値よりも温度が低いと試料片の幅よりも小さくなるようになっている。
【００４８】
図１１はカーリッジ保持機構５３の構造を示す図である。
【００４９】
カートリッジ５１はソケット５７を介してカートリッジ保持機構５３にそう略されている。カートリッジ保持機構５３はソケット５７に繋がる加熱ヒータ５８を備えており、図１２（ａ）に示すように試料片５０を保持穴５５に搭載する際に加熱ヒータ５８によってサンプルキャリア５２を加熱し、搭載後に加熱を中止し冷却する。これによって、保持穴５５が元の大きさに縮んで試料片５０が保持穴５５の内壁に挟持され、図１２（ｂ）に示すようにガスデポジションなしにカートリッジ５１に試料片５０を固定することができる。
【００５０】
なお、本実施例ではサンプルキャリア５２を形状記憶合金で形成して保持穴５５に試料片５０を固定する例を示したが、ピエゾ素子やバイメタル等を用いて構成することもできる。
【００５１】
最後のウェーハ・カートリッジ搬出処理Ｓ１０６（図２）では、ウェーハホールダ３２に搭載したウェーハ３１をウェーハケース３８に格納し、取り出した試料片５０を保持したカートリッジ５１をカートリッジケース３９に格納する。図１３に高分解能観察用サンプルホールダへのカートリッジ搭載例を示した通り、ウェーハ・カートリッジ搬出処理Ｓ１０６後のカートリッジ５１は、ＴＥＭやＳＴＥＭなどの高分解能な電子顕微鏡のサイドエントリステージに挿入可能な試料ホールダ５４の先端に装着される。
【００５２】
以上のように、本実施例では、２本のイオンビームカラム１０，２０を備えているので、第１イオンビームカラム１０からはイオン源１１で発生したイオンビーム１２をマスク１５によって成形してウェーハ３１に照射し、第２イオンビームカラム２０からは第１イオンビームカラム１０のイオンビーム１２よりも細く絞ったイオンビーム２２をウェーハ３１に走査し、２本のイオンビームカラム１０，２０からのイオンビーム１２，２２で同時加工した試料片５０をウェーハ３１から摘出してカートリッジ５１に搭載する。
【００５３】
これによって、１本のイオンビームカラムでサンプリング加工する場合のようにサンプリング動作中に試料ステージ３３を傾動、回転、移動させたり加工位置を探したりすることなく、ウェーハ３１からの試料片５０の加工時間を短縮することができる。このようにサンプリング動作中に試料ステージ３３を移動させることなくウェーハ３１から試料片５０を短時間に取り出すことができるので、ＴＥＭやＳＴＥＭといった高分解能の電子顕微鏡像を短時間に得ることができ、微細な半導体デバイスの不良発生原因も短時間に解析することができる。よって、半導体デバイス製造の歩留りの向上に貢献する。
【００５４】
また、本実施例では、試料３１から試料片５０を摘出する際、試料片５０をカートリッジ５１に搭載する際にガスでポジション処理を要さないので、試料片５０の取り出し時間をより短縮することができる。但し、一般のガスデポジション処理を伴って試料片５０を摘出しカートリッジ５１に搭載する構成としても、２本のイオンビームカラム１０，２０で試料片５０を同時加工することによって試料片５０の加工時間を大幅に短縮できることに変わりはない。
【実施例２】
【００５５】
図１４は本発明の第２実施例に係るイオンビーム加工装置の全体構成を表すブロック図である。
【００５６】
本実施例が第１実施例と相違する点は、第２イオンビームカラム８０を斜めに設置し、第１及び第２イオンビームカラム１０，８０の間に電子ビームカラム９０を配置した点にある。
【００５７】
第２イオンビームカラム８０は、イオン源８１、引出し電極８３、集束レンズ８４、マスク８５、偏向器８６及び対物レンズ８７を有し、集束レンズ８４、マスク８５、偏向器８６及び対物レンズ８７は、イオン源８１で発生したイオンビーム８２をマスク８５によってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を構成している。この第２イオンビームカラム８０は、鉛直に対して傾斜した状態で試料室３０に設けられており、第１イオンビームカラム１０のイオンビームスポットにイオンビーム８２を斜めに照射可能である。また、第２イオンビームカラム８０は、第２イオンビームカラム制御部８８によって制御される。
【００５８】
第２イオンビームカラム８０のイオン源８１は、酸素やアルゴン等のガスをプラズマ化して幅の広いイオンビーム８２を発生させる。集束レンズ８４はマスク８５の開口形状に合わせてイオンビーム８２を収束し、対物レンズ８７ではマスク８５の開口形状に成形されたプロジェクションビームを縮小投射してウェーハ３１を加工する。プロジェクションビームを用いることで、短時間に広い面積の加工が可能である。
【００５９】
本実施例では、第２イオンビームカラム８０からもプロジェクションビーム（例えば図４の垂直加工部のような一文字状に成形されたイオンビーム）を照射し、２本のイオンビームカラム１０，８０の双方からプロジェクションビームを照射することで、試料片５０をサンプリング加工する。
【００６０】
電子ビームカラム９０は、電子源９１、引出し電極９３、集束レンズ９４、絞り９５、偏向器９６及び対物レンズ９７を有している。集束レンズ９４、絞り９５、偏向器９６及び対物レンズ９７は電子ビーム光学系を構成しており、絞り９５によって電子ビーム９２を細く絞り、細く絞った電子ビーム９２を偏光器９６で偏向走査して対物レンズ９７によって試料面に集束させる。これによって得られた二次電子等の信号を検出器４１で検出し、画像生成部７５によってＳＥＭ像を生成する。ＳＥＭ像は表示器７０の画像表示エリア７６に表示され、サンプリング位置の設定に用いられる。この電子ビームカラム９０は、鉛直に立った状態で試料室３０に設けられており、イオンビームカラム１０，８０のイオンビームスポットに電子ビーム９２を垂直に照射可能である。電子ビームカラム９０は電子ビームカラム制御部９８によって制御される。但しここで言う鉛直は必ずしも厳密なものではなく、誤差の範疇は許容するものとし、電子ビーム９２の光軸（非偏向時）が試料面に対してほぼ垂直となっていれば良い。
【００６１】
その他の構成については第１実施例と同様であり、既に説明した構成要素と同様のものには既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００６２】
本実施例においても２本のイオンビームカラム１０，８０によって試料片５０をサンプリング加工するので、第１実施例と同様に試料片５０の加工時間を大幅に短縮することができる。
【００６３】
加えて、イオンビームカラム１０，８０の双方を傾斜させたことによってウェーハ３１の上方のスペースが空くので、電子ビームカラム９０をウェーハ３１に対して垂直に設置することができる。また、電子ビームカラム９０を設けたことによってＳＩＭ機能を省略することができるので、イオンビームカラム１０，８０の双方のイオン源１１，８１をガスイオン源とすることができ、ＬＭＩＳの使用によるウェーハ３１や装置内の金属汚染を抑制することができる。
【００６４】
なお、本実施例では第２イオンビームカラム８０のイオン源８１にガスイオン源を使用し、またマスク８５で成形したプロジェクションビームを照射する構成としたが、第１実施例と同じくイオン源８１にＬＭＩＳを用い、細く絞って偏向走査する構成とすることもできる。また、有用であれば、第２イオンビームカラム８０を垂直に取り付け、電子ビームカラム９０を斜めに取り付ける構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００６５】
１０ 第１イオンビームカラム
１１ イオン源
１２ イオンビーム
１３ 引出し電極
１４ 集束レンズ
１５ マスク
１６ 偏向器
１７ 対物レンズ
１８ 第１イオンビームカラム制御部
２０ 第２イオンビームカラム
２１ イオン源
２２ イオンビーム
２３ 引出し電極
２４ 集束レンズ
２５ 絞り
２６ 偏向器
２７ 対物レンズ
２８ 第２イオンビームカラム制御部
３０ 試料室
３１ ウェーハ
３２ ウェーハホールダ
３３ 試料ステージ
４２ マニピュレータ
４３ マニピュレータ移動機構
４４ スイッチ
４５ 電源
４６ ワイヤー
５０ 試料片
５１ カートリッジ
５２ サンプルキャリア
５３ カートリッジ保持機構
５４ 試料ホールダ
５５ 保持穴
５７ ソケット
５８ 加熱ヒータ
７４ 全体制御部
８０ 第２イオンビームカラム
８１ イオン源
８２ イオンビーム
８３ 引出し電極
８４ 集束レンズ
８５ 絞り
８６ 偏向器
８７ 対物レンズ
８８ 第２イオンビームカラム制御部
９０ 電子ビームカラム
９１ 電子源
９２ 電子ビーム
９３ 引出し電極
９４ 集束レンズ
９５ 絞り
９６ 偏向器
９７ 対物レンズ
９８ 電子ビームカラム制御部
【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、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビームを試料面に斜めに照射可能な第１のイオンビームカラムと、
前記第１のイオンビームカラムよりもイオンビームを細く絞ることが可能なイオンビーム光学系を有し、前記第１のイオンビームカラムと同時にイオンビームを試料面に垂直に照射可能な第２のイオンビームカラムと、
イオンビームの照射により加工した試料片を試料から摘出するマニピュレータ機構と、
摘出した試料片を保持するカートリッジと
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２】
試料を保持する試料ステージと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビームを試料面に斜めに照射可能な第１のイオンビームカラムと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、前記第１のイオンビームカラムと同時にイオンビームを試料面に斜めに照射可能な第２のイオンビームカラムと、
電子ビームを試料面に垂直に照射する電子ビームカラムと、
イオンビームの照射により加工した試料片を試料から摘出するマニピュレータ機構と、
摘出した試料片を保持するカートリッジと
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３】
試料を保持する試料ステージと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビームを試料面に斜めに照射可能な第１のイオンビームカラムと、
前記第１のイオンビームカラムよりもイオンビームを細く絞ることが可能なイオンビーム光学系を有し、前記第１のイオンビームカラムと同時にイオンビームを試料面に斜めに照射可能な第２のイオンビームカラムと、
電子ビームを試料面に垂直に照射する電子ビームカラムと、
イオンビームの照射により加工した試料片を試料から摘出するマニピュレータ機構と、
摘出した試料片を保持するカートリッジと
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４】
請求項１又は３のイオンビーム加工装置において、前記第２のイオンビームカラムによる加工時間が前記第１のイオンビームカラムによる加工時間以下となるように、前記第２のイオンビームカラムのイオンビームの走査範囲を制御する制御手段を有することを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項５】
請求項１−３のいずれかのイオンビーム加工装置において、前記マニピュレータ機構は、試料片を挟持して把持する機構を有していることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項６】
請求項１−３のいずれかのイオンビーム加工装置において、前記カートリッジは、試料片を挟持して保持する機構を有していることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項７】
第１のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、
これと同時に第２のイオンビームカラムにおいて前記成形したイオンビームよりも細く絞ったイオンビームを試料面に走査し、
前記プロジェクションビーム及び前記走査イオンビームで加工した試料片を試料から摘出してカートリッジに搭載する
ことを特徴とする試料加工方法。
【請求項８】
第１のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、
これと同時に第２のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、
２本のプロジェクションビームで加工した試料片を試料から摘出してカートリッジに搭載する
ことを特徴とする試料加工方法。
【請求項１】
試料を保持する試料ステージと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビームを試料面に斜めに照射可能な第１のイオンビームカラムと、
前記第１のイオンビームカラムよりもイオンビームを細く絞ることが可能なイオンビーム光学系を有し、前記第１のイオンビームカラムと同時にイオンビームを試料面に垂直に照射可能な第２のイオンビームカラムと、
イオンビームの照射により加工した試料片を試料から摘出するマニピュレータ機構と、
摘出した試料片を保持するカートリッジと
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２】
試料を保持する試料ステージと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビームを試料面に斜めに照射可能な第１のイオンビームカラムと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、前記第１のイオンビームカラムと同時にイオンビームを試料面に斜めに照射可能な第２のイオンビームカラムと、
電子ビームを試料面に垂直に照射する電子ビームカラムと、
イオンビームの照射により加工した試料片を試料から摘出するマニピュレータ機構と、
摘出した試料片を保持するカートリッジと
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３】
試料を保持する試料ステージと、
イオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形するプロジェクション光学系を有し、イオンビームを試料面に斜めに照射可能な第１のイオンビームカラムと、
前記第１のイオンビームカラムよりもイオンビームを細く絞ることが可能なイオンビーム光学系を有し、前記第１のイオンビームカラムと同時にイオンビームを試料面に斜めに照射可能な第２のイオンビームカラムと、
電子ビームを試料面に垂直に照射する電子ビームカラムと、
イオンビームの照射により加工した試料片を試料から摘出するマニピュレータ機構と、
摘出した試料片を保持するカートリッジと
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４】
請求項１又は３のイオンビーム加工装置において、前記第２のイオンビームカラムによる加工時間が前記第１のイオンビームカラムによる加工時間以下となるように、前記第２のイオンビームカラムのイオンビームの走査範囲を制御する制御手段を有することを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項５】
請求項１−３のいずれかのイオンビーム加工装置において、前記マニピュレータ機構は、試料片を挟持して把持する機構を有していることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項６】
請求項１−３のいずれかのイオンビーム加工装置において、前記カートリッジは、試料片を挟持して保持する機構を有していることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項７】
第１のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、
これと同時に第２のイオンビームカラムにおいて前記成形したイオンビームよりも細く絞ったイオンビームを試料面に走査し、
前記プロジェクションビーム及び前記走査イオンビームで加工した試料片を試料から摘出してカートリッジに搭載する
ことを特徴とする試料加工方法。
【請求項８】
第１のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、
これと同時に第２のイオンビームカラムにおいてイオン源で発生したイオンビームをマスクによってプロジェクションビームに成形して試料面に照射し、
２本のプロジェクションビームで加工した試料片を試料から摘出してカートリッジに搭載する
ことを特徴とする試料加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１７７１２１（Ｐ２０１０−１７７１２１Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０３３８（Ｐ２００９−２０３３８）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【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２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【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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