荷電粒子線装置および試料作製装置
【課題】 大口径ウェハ用の探針移動機構ならびにサイドエントリ型試料ステージを試料作製装置、不良検査装置に適用することで、小型で従来と同等の操作性を有する試料作製装置、評価装置を提供する。
【解決手段】 探針ならびにサイドエントリ型試料ステージを、上記イオンビーム照射光学軸とウェハ面の交点を通る傾斜角を持って真空容器を大気開放することなく真空容器に出し入れ可能とする真空導入手段を配した探針移動機構およびサイドエントリ型試料ステージ微動機構用い、さらにサイドエントリ型試料ステージの試料ホルダの試料片設置部分をウェハ面と平行とする回転自由度を有したサイドエントリ型試料ステージを用いる。
【効果】
真空容器の容積が必要最小限の設置面積の小さい小型で使い勝手の優れた、大口径ウェハ用の試料作製装置、評価装置が実現できる。
【解決手段】 探針ならびにサイドエントリ型試料ステージを、上記イオンビーム照射光学軸とウェハ面の交点を通る傾斜角を持って真空容器を大気開放することなく真空容器に出し入れ可能とする真空導入手段を配した探針移動機構およびサイドエントリ型試料ステージ微動機構用い、さらにサイドエントリ型試料ステージの試料ホルダの試料片設置部分をウェハ面と平行とする回転自由度を有したサイドエントリ型試料ステージを用いる。
【効果】
真空容器の容積が必要最小限の設置面積の小さい小型で使い勝手の優れた、大口径ウェハ用の試料作製装置、評価装置が実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線と移送手段を利用して、試料基板から分析や観察に必要な部分のみを摘出して、分析や観察に好適な形状に加工する試料作製装置、および荷電粒子線下で試料の電気試験を行う荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化に伴い、電子素子の分析や観察、評価の手段として、観察分解能が高い透過型電子顕微鏡（以下ではＴＥＭとする）が有力視されている。ＴＥＭ用の試料作製方法として、例えば特開平５−５２７２１号公報に開示されている集束イオンビーム加工を利用する手段が考案されている。
【０００３】
この手段は、集束イオンビーム（以下ではＦＩＢとする）観察下で試料片を貼り付けたサイドエントリ型試料ステージを試料ステージ微動手段に装填し、真空容器内に導入する。なお、サイドエントリ型試料ステージは、真空容器内を大気に暴露することなく、真空容器外からの出し入れが可能である。この後、試料片の所望の観察部位を含む領域を、数μｍから十数μｍの所望の大きさにＦＩＢで加工した後、探針移動機構を駆動して探針を該当する試料片に接触させて摘出し、一旦保持後、サイドエントリ型試料ステージを引き抜き、ＴＥＭホルダを搭載した別のサイドエントリ型試料ステージを導入する。サイドエントリ型試料ステージの交換後、探針移動機構の探針に保持されている試料片を、デポジション膜を形成することでＴＥＭホルダに固着する。固着後、真空容器から引き抜き、ＴＥＭ装置に装填することでＴＥＭ観察を行う手段である。
【０００４】
またサブミクロンの配線を有する電子素子の評価手段として、例えば特開平９−３２６４２５号公報に開示されている、荷電粒子線観察下で高精度の探針移動機構を用い、直接探針を電子素子に接触させて動作試験を行う検査手段が考案されている。この探針に電圧印加手段、電流測定手段を設けることによって、微細な電子素子の電流電圧特性の評価、導通不良個所の特定が可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した微細な電子素子の評価手段として有効な試料作製装置、不良検査装置を、近年その導入が加速されている大口径の半導体ウェハを扱う装置に適用しようとした場合、以下の解決すべき問題を生じる。
【０００６】
図１３は、一例として従来の探針移動機構を大口径ウェハ用の試料作製装置に用いた場合の装置の断面図である。従来の探針移動機構１は、ウェハ１７に対して水平方向から進入する構成となっている。一方、大口径ウェハ１７を積載し、ウェハ１７の直径以上の可動範囲を要するウェハステージ３４と、それを収納する真空容器６は、大型化が避けられない。一概ではないが、１２インチウェハ１７用の真空容器６には、８００ｍｍ角以上の面積を有する大きさを要することが予想できる。
【０００７】
ところで、図１３の従来例のように探針３をウェハ１７に対して水平に進入させる移動機構１とした場合、探針３の移動量を吸収する探針移動機構１に不可欠なベローズ（図示せず）等の機械部品がウェハ１７面より低い位置にくることが避けられず、このためこれら機械部品類はステージ３４との干渉しない位置すなわちステージ３４の可動範囲外になるように置かざるを得ない。このため真空容器６はさらに大型化が余儀なくされる。しかし、真空容器６の大型化は装置の占有面積の増大および大重量化、高価格化、また真空容器６の排気手段の大型化を招くことから、極力小型化しなければならない。
【０００８】
また、上述のような配置とした場合、探針３を荷電粒子線の光学系における光学軸の中心近傍まで延長させる必要があるが、探針３および探針３を保持している探針ホルダ１０が図１３に示すように長大となることから、探針ホルダ１０の剛性の著しい劣化は避けられず、数μｍの試料片３２の取扱いや、サブミクロンの配線を有する電子素子の所望の位置に短針を接触させる操作が極めて困難なものとなる。
【０００９】
同様の問題は試料作製装置に不可欠な試料ホルダ（図示せず）、特にＴＥＭホルダを搭載するサイドエントリ型試料ステージ（図示せず）にも発生する。また探針ホルダ１０と同様にサイドエントリ型試料ステージを荷電粒子線の光学系２６の光学軸中心近傍まで延長した場合、サイドエントリ型試料ステージをそのままＴＥＭ装置６４に装填できないことになる。このため、操作者がピンセット等を用いて、数μｍの試料片（図示せず）が固着されているＴＥＭホルダをＴＥＭ用のサイドエントリ型試料ステージ４２に移し変える操作を要することになり、使用・操作上の制限が課せられ、実用的ではない。
【００１０】
この対策として、サイドエントリ型試料ステージ４２そのものを真空容器６内に搬送する手段も考えられるが、専用の長大な搬送装置が必要となるため、さらに装置の大型化を招くことになる他、基本的に触手にて取り扱うサイドエントリ型試料ステージ４２を真空容器６内に導入する事は、真空容器６内の圧力の増加、汚染等の問題を招くことになる。
【００１１】
本発明の目的は、大口径ウェハ用の探針移動機構ならびにサイドエントリ型試料ステージを提供し、これらを試料作製装置あるいは不良検査装置に適用することで、真空容器の容積が必要最小限ですみ、占有面積が小さく、かつ従来より高いの操作性を有する試料作製装置、不良検査装置、荷電粒子線装置を提供することにある。
【００１２】
さらに本発明の目的は、試料からイオンビームにより加工して取り出した数μｍの試料片の取扱い操作およびサブミクロンの配線を有する電子素子上の所望の位置に位置付けたり、試料片を所定の位置に移動し荷電粒子線の照射光学系の方向に回動させたり、探針の操作を容易化した試料作製装置、不良検査装置、荷電粒子線装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の目的は試料からイオンビームにより加工して取り出した数μｍの試料片が固着されているＴＥＭ用ホルダを試料作製装置の真空容器内に導入する際に真空容器内の圧力増加や汚染が生じにくい試料作製装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記本発明の目的は、以下の構成によって達成される。
（１）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、荷電粒子ビーム照射光学系と、荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、試料にその先端を接触可能な針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダとを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える荷電粒子線装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダの概略中心軸が試料ステージの試料設置面と傾斜角を持って交わることを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（２）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、荷電粒子ビーム照射光学系と、荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、試料にその先端を接触可能な針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダとを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える荷電粒子線装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダを真空容器に支持する部材から荷電粒子ビーム照射光学系の概略中心軸までの最短距離が、上記試料ステージの水平方向最大可動範囲の１／２以下であることことを特徴とする荷電粒子線装置。
【００１５】
これにより、真空容器の容積が必要最小限の、占有面積の小さい小型で、装置レイアウトの自由度が広い荷電粒子線装置を提供できる。
（３）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、イオンビーム照射光学系と、イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、上記試料の一部を分離した摘出試料片を保持する針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダと、上記摘出試料片を設置可能な試料ホルダを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える試料作製装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダの概略中心軸が試料ステージの試料設置面と傾斜角を持って交わることを特徴とする試料作製装置とする。
【００１６】
数μｍの試料片の取り扱い操作の容易化を実現する試料作製装置を提供できる。
（４）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、イオンビーム照射光学系と、イオンビビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、上記試料の一部を分離した摘出試料片を保持する針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダと、上記摘出試料片を設置可能な試料ホルダを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える試料作製装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダを真空容器に支持する部材から荷電粒子ビーム照射光学系の概略中心軸までの最短距離が、上記試料ステージの水平方向最大可動範囲の１／２以下であることことを特徴とする試料作製装置とする。
【００１７】
（５）（３）または（４）記載の試料作製装置において、上記試料ホルダを載置するサイドエントリ型試料ステージを備え、その概略中心軸が試料ステージの試料設置面と傾斜角を持って交わるように構成し、かつ上記サイドエントリ型試料ステージは、上記真空容器を真空状態に保持して上記真空容器外からの出し入れが可能な真空導入手段と、上記サイドエントリ型試料ステージの微動手段を有した構成とした試料作製装置とする。
【００１８】
（６）（５）記載のサイドエントリ型試料ステージは、上記試料ホルダの上記試料片設置部が、上記探針ホルダの概略中心軸を上記試料ステージ試料設置面に投影した線分と平行線を回転軸として回転する回転自由度を有することを特徴とする。
【００１９】
（７）（３）または（４）記載の移送手段は、上記探針ホルダの概略中心軸を上記試料ステージ試料設置面に投影した線分と平行線を回転中心軸として、上記針状部材が回転する回転自由度を有した移送手段である試料作製装置とする。
（８）（５）記載のサイドエントリ型試料ステージにおいて、上記試料ホルダが上記真空導入手段の概略中心軸廻りに回転移動可能なサイドエントリ型試料ステージである試料作製装置とする。
（９）（３）または（４）記載の移送手段は、上記針状部材は探針と探針保持具で構成され、上記探針の先端を保護する保護カバーを有し、上記保護カバーが上記探針を収納する構成とすることを特徴とする試料作製装置とする。
（１０）（５）記載のサイドエントリ型試料ステージが、集束荷電粒子ビーム装置、投射荷電粒子ビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブＸ線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、中性粒子イオン化質量分析装置、Ｘ線光電子分光分析装置、またはプローブを用いた電気計測装置のうちの少なくとも一つ以上に装填できることを特徴とする試料作製装置とする。
（１１）（１）または（２）記載の荷電粒子線装置において、上記針状部材は上記針状部材を上記試料に接触させて上記試料の一部に電圧を供給する電圧印加手段に連結していることを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（１２）（１）または（２）記載の荷電粒子線装置において、上記針状部材を試料に接触させ、上記試料の電気的特性を測定することを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（１３）（１）または（２）記載の荷電粒子線装置において、二次粒子検出器で得られた二次粒子像を表示する画像表示器と、上記針状部材に電圧を供給する電源とを有し、上記針状部材を上記試料に接触させて上記試料の一部に電圧を供給し、上記試料の二次粒子像を上記画像表示器に表示することを特徴とする荷電粒子線装置とする。
【００２０】
以上の構成によって、真空容器の容積が必要最小限の、占有面積の小さい小型で、かつ従来より高い操作性を有する荷電粒子線装置、試料作製装置、荷電粒子線加工装置、不良解析装置を提供できる。さらに、サブミクロンの配線を有する電子素子の所望の位置への、探針の接触操作の容易化を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
探針および試料ホルダを搭載するサイドエントリ型試料ステージを、ウェハに対して斜めに入射させることによって、真空容器の容積が必要最小限の設置面積の小さい小型で従来と同等の操作性を有する、大口径ウェハ用の試料作製装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の第１の実施例を示す試料作製装置の縦断面図であり、図２は第１の実施例に使用する探針移動機構１のみを抜粋した縦断面図、図３はその平面図である。なお、以下本明細書に示す符号において、同一の符号を用いた部材は同等の機能を有する部材である。
【００２３】
図２および図３を用いて本発明の探針移動機構１を説明する。探針移動機構１に設けているエアロック室２は探針３の移動量を吸収するベローズ４を介してベースフランジ５に結合している。ベースフランジ５は真空シール７を介在させて真空容器６に固定される。エアロック室２の端面には開閉可能なエアロックバルブ８が配されており、円筒状のエアロックバルブ開閉機構９を回転させることで開閉の操作が行われる。図２ではエアロックバルブ８が開放され、探針ホルダ１０はその中心軸がウェハ１７面に対して斜めになるように真空容器６内に導入されている状態を示している。エアロックバルブ８、エアロックバルブ開閉機構９を収納するエアロック室外筒１１は同心円状の中空２重構造としてあり、中空部の一端はエアロック室２と通じ、他端は排気管１２に通じている。上記のような構成とすることで、従来必要としていたエアロック室２用の小型ベローズは不要となり、探針移動機構１の簡易化、小型化、安価化が実現できる。
【００２４】
ベローズ４の固定側フランジ１３には、気密機能を有する電流導入端子１４を配している。電流導入端子１４の真空側は、探針３を保持する絶縁材に探針３とプローブホルダストッパ１５の接触部に導通処理を施した探針保持具４９に導線１６で接続させることで、大気側から探針３への給電が可能である。
【００２５】
エアロック室外筒１１の一方は、図示のようにウェハ１７面に平行にＹ軸直進案内１８ａを固定したＹ軸ステージ１９ａが固定されており、図３に示すようにＹ軸直進案内１８ａを介してＹ軸ベース２０に結合している。Ｙ軸の直進駆動はＹ軸ベース２０に保持されているＹ軸リニアアクチュエータ２１ａを用いて行う。Ｙ軸リニアアクチュエータ２１ａの出力軸はＹ軸てこ２２ａを介してＹ軸ステージ１９ａと結合している。Ｙ軸ベース２０はＺ軸ステージ１９ｂと結合している。
【００２６】
Ｚ軸ステージ１９ｂは、図示のようにＹ軸直進案内１８ａと９０°位相の異なるウェハ１７面に鉛直に配したＺ軸直進案内１８ｂを介してＸ軸ステージ１９ｃと結合している。Ｚ軸ステージ１９ｂの直進駆動はＸ軸ステージ１９ｃに保持されているＺ軸リニアアクチュエータ２１ｂを用いて行う。Ｚ軸リニアアクチュエータ２１ｂの出力軸はＺ軸てこ２２ｂを介してＺ軸ステージ１９ｂと結合している。
【００２７】
同様にＸ軸ステージ１９ｃは図示のようにＹ軸直進案内１８ａと９０°位相の異なるウェハ１７面に平行に配したＸ軸直進案内１８ｃを介してベースフランジ５と結合している。Ｘ軸ステージ１９ｃの直進駆動はベースフランジ５に保持しているＸ軸リニアアクチュエータ２１ｃを用いて行う。Ｘ軸リニアアクチュエータ２１ｃの出力軸はＸ軸てこ２２ｃを介してＸ軸ステージ１９ｃと結合している。
【００２８】
以上のようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を各々のてこを介して各々のリニアアクチュエータと結合することで、リニアアクチュエータ部分の突出物をなくすることが可能であり、探針移動機構１の小型化が実現できる。本実施例の探針移動機構１のＸ軸方向の幅およびＺ軸方向の高さは、使用しているリニアアクチュエータとほぼ同じ１７２ｍｍ、１６５ｍｍである。
【００２９】
本実施例による探針ホルダ１０の真空容器６内への導入は以下の手順を採る。
探針ホルダ１０をエアロックバルブ８の手前まで挿入する。この状態でエアロック室２は探針ホルダ１０の外筒に配した真空シール７で気密が保たれる。挿入後排気管１２からエアロック室外筒１１の中空部分を通して、エアロック室２内を真空に排気する。エアロック室２の圧力が所定の圧力に到達したことを確認後、エアロックバルブ開閉機構９を用いてエアロックバルブ８を開放し、探針ホルダ１０を真空容器６内に導入する。以上の操作で、真空容器６を大気にさらすことなく探針３を真空容器６内に導入することができる。
【００３０】
探針ホルダ１０の真空容器６からの引き抜きは、挿入と逆の手順を踏むことで可能である。すなわち探針ホルダ１０をエアロックバルブ８の手前まで一旦引き抜き、この後エアロックバルブ８を、エアロックバルブ開閉機構９を用いて閉止する。閉止を確認後、排気管１２からエアロック室２をリークする。大気圧確認後探針ホルダ１０を探針移動機構１から取り出す。以上の構成を採ることによって、消耗品である探針３の交換作業を、真空容器６を大気にさらすことなく行うことができる。
【００３１】
以上説明してきた探針移動機構１を用いた試料作製装置が図１である。探針ホルダ１０を、探針ホルダ１０の概略中心軸がウェハ１７に対して斜めに進入する構成（本実施例では３０度傾斜して入射させた）としたことで、探針ホルダ１０を最小限の長さで荷電粒子線光学系の光学軸２４近傍まで到達させることができたことから、剛性の高い探針ホルダ１０が実現でき、数μｍの試料片３２の取扱いや、サブミクロンの配線を有する電子素子の所望の位置に探針先端を接触させるといった操作が極めて容易なものとなる。
【００３２】
また、探針３の移動量を吸収するベローズ４などの機械部品が、ウェハ１７面より低い位置にくることがないため、探針移動機構１は真空容器６の大きさに影響を与えることはなく、真空容器６はウェハ１７の可動範囲で決定する最小の大きさとすることができる。装置の大きさを決定する真空容器６を最小とすることで、装置の占有面積の縮小、および軽量化、低価格化、また排気手段の小型化を可能とした探針移動機構を搭載した大口径用試料作製装置が実現できる。なお、本実施例では、探針ホルダ１０の入射角度を３０度としているが、３０度に限定されるものではなく、探針３が画像表示器３８で表示できる範囲にあるように真空容器６に斜めに挿入することで同様の効果が得られる。
【００３３】
また、探針移動機構１と真空容器６を結合するベースフランジ５の中心と、光学軸２４の垂線との交点までの距離を、試料ステージ３４の水平方向の可動範囲の１／２以下、本実施例では１５０ｍｍ以下となる位置に探針移動機構１を配することで、任意の傾斜角度で探針ホルダ１０を最小限の長さで真空容器６に導入することが可能となり、真空容器６の小型化を可能としながら、装置レイアウトの自由度を拡げることができる。さらに真空容器６に対して斜入射する探針移動機構１の各々のリニアアクチュエータと各々のステージをてこを介して結合した構成を採ることで、特出した突出物がない探針移動機構１とすることができるため真空容器６に配される他の測定機機などにレイアウト上の制限を与えず、また予期しない干渉等の問題を未然に防げ、装置の小型化が実現できる。
【００３４】
本装置を用いた試料作製は以下の手順で行う。イオン源２５から放出されたイオンビーム２７は、光学系２６を通ることでステージ３４上の所望の位置に集束される。集束されたイオンビームすなわちＦＩＢ２７は、ウェハ１７表面を走査した形状にスパッタすることで、試料片（図示せず）の精密な加工が行える。ステージ３４上には、ウェハ１７と摘出した試料片を保持する試料ホルダ３３ａを載置しており、ステージ位置コントローラ３５によってＦＩＢ加工および摘出する位置の特定を行う。
【００３５】
探針移動機構１に装着された探針３は、ステージ３４とは独立に駆動可能な探針位置コントローラ２３によって、ウェハ１７上の摘出位置まで移動させる。移動および加工の操作は、ＦＩＢコントローラ３６によってウェハ１７の摘出位置近傍にＦＩＢを走査して、ウェハ１７からの二次電子を二次電子検出器３７によって検出し、得られた二次粒子像を画像表示器３８に表示させ、観察しながら行う。
【００３６】
試料片の摘出には、ウェハ１７の姿勢を変化させながらＦＩＢ加工を行うことによって、試料片をクサビ状に切り出し、探針３を試料片の一端に接触させる接触部にはデポジションガス源３９を用いて堆積ガスを供給し、イオンビームアシストデポジション膜を形成することで、探針３と試料片との接着を行う。この後、探針位置コントローラ２３によって探針３をウェハ１７から引き上げ、ステージ３４上の試料ホルダ３３ｂの位置に移動する。探針３を下降し、探針３に接着した試料片のクサビ部分が試料ホルダ３３ｂの表面に接触したことを確認し、イオンビームアシストデポジションにて試料片の側面と試料ホルダ３３ａを接着する。探針３の先端はＦＩＢによって試料片３２から切断され、探針位置コントローラ２３によって次の試料摘出位置への移動を行う。
【００３７】
以上の工程によってウェハ１７から所望とする箇所の試料片３２を摘出し、試料ホルダ３３ｂに移載することが可能である。また以上の動作は、中央演算処理装置４０によって、一括して制御されている。なお、本実施例では、探針３と試料片３２との接着手段としてイオンビームアシストデポジション膜による接着手段を採っているが、静電気による吸引力を用いた静電吸着手段でも何ら問題はなく、その際にも本実施例と同様の効果が得られる。
【００３８】
図４は斜入射の試料ステージ微動手段４１を用いた第２の実施例の試料作製装置の断面図を示している。図５は図４の探針３の周辺部分の拡大図であり、図６は図４に使用しているサイドエントリ型試料ステージ４２を抜粋した縦断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【００３９】
まず、サイドエントリ型試料ステージ４２について、図６を用いて説明する。
試料片３２を固着する試料設置部４３は試料ホルダ３３ａに保持する。試料ホルダ３３ａの駆動軸４４側の端面に突出部４５を設ける。突出部４５の形状は問わない。駆動軸４４の真空側の端面に、自由端が駆動軸４４の回転中心軸から偏芯した位置に、前述した突出部４５の面と駆動軸４４の中心軸と平行な姿勢で接触する回転軸４６を配する。試料ホルダ３３ａの回転移動は、駆動軸４４をつまみ４７を回転することで回転軸４６が偏芯回転し、回転軸４６の自由端が接触した突出部４５が回転軸４６の偏芯量と回転量に応じて回転軸受７３を回転中心として回転移動する。すなわち試料ホルダ３３ａが回転移動する。本実施例では３０°回転できる。また試料ホルダ３３ａ部分の外筒４８の一部を切り欠いた構造としたことで、試料片３２の試料設置部４３への固着およびＦＩＢによる試料片３２の成形加工が容易に行える。またサイドエントリ型試料ステージ４２を駆動する試料ステージ微動機構４１および試料ステージ位置コントローラ７８を、図２および図３に示した探針移動機構１と同１の機構系、制御系を用いることで、生産性が向上し、装置価格の低価格化が図られる他、メンテナンス性、操作性の向上を実現できる。
【００４０】
本発明による試料作製装置を用いた試料作製は以下の手順を踏む。サイドエントリ型試料ステージ４２は、真空容器６への導入および引き抜きの操作は、前述した探針移動機構１における探針ホルダ１０の操作を、サイドエントリ型試料ステージ４２に置き換えた操作とすることで行われる。
【００４１】
ウェハ１７から所望の位置の試料片３２を摘出するまでは、第１の実施例と同様の工程を採る。試料片３２の摘出後、サイドエントリ型試料ステージ４２を真空容器６内に真空容器６の真空を大気に暴することなく挿入する。この際、第１の実施例と同様に、サイドエントリ型試料ステージ４２を、サイドエントリ型試料ステージ４２の概略中心軸がウェハ１７に対して斜入射した構成としたことで、真空容器６の大きさを最小限とすることができ、またサイドエントリ型試料ステージ４２も必要最小限の長さでイオンビーム２７の光学軸２４とウェハ１７の交点近傍まで到達できる。本実施例では、サイドエントリ型試料ステージ４２はウェハ１７面に対して３０度傾斜して入射させているが、３０度に限定されるものではなく、試料ホルダ３３ａが画像表示器３８で表示できる範囲にあるように真空容器６に斜めに挿入することで同様の効果が得られる。
【００４２】
本構成とすることで、前述した第１の実施例の探針移動機構１と同様の理由から、試料ステージ微動機構４１は真空容器６の大きさに影響を与えることはなく、真空容器６はウェハ１７の可動範囲で決定する最小の大きさとすることができる。また、試料ステージ微動機構４１と真空容器６を結合するベースフランジ５の中心と、光学軸２４の垂線との交点までの距離を、試料ステージ３４の水平方向の可動範囲の１／２以下、本実施例では１５０ｍｍ以下となる位置に試料ステージ微動機構４１を配することで、任意の傾斜角度でサイドエントリ型試料ステージ４２を最小限の長さで導入することが可能となり、真空容器６の小型化を可能としながら、装置レイアウトの自由度を拡げることができる。
【００４３】
サイドエントリ型試料ステージ４２の挿入後、つまみ４７を回して試料ホルダ３３ａに保持した試料設置部４３を、図５に示すようにウェハ１７面と平行になる角度、すなわち本実施例では３０°回転させる。その後、試料片３２を保持している探針３を、図４に示す探針移動機構１および探針位置コントローラ２３によって駆動し、微小試料片３２を試料ホルダ３３ａにデポジション膜を形成することで固着する。固着後、試料ホルダ３３ａを再びサイドエントリ型試料ステージ４２の軸線と平行な姿勢になるまで回転させた後、サイドエントリ型試料ステージ４２を前述した手段で真空容器６から引き抜き、例えばＴＥＭ装置（図示せず）に装填することでＴＥＭ観察が行える。試料ホルダ３３ａの回転は、ＴＥＭ観察の際の試料片３２の微妙な回転調整にも使用することで、より確実な分析が行える。
【００４４】
本実施例による構成を採ることで、真空容器６の大きさを第１の実施例と同等の大きさに抑えた、ウェハ１７の任意の個所の試料片３２を摘出可能な探針移動機構１と各種分析装置に装填可能なサイドエントリ型試料ステージ４２を搭載したＦＩＢ装置が実現できる。本ＦＩＢ装置を用いることで、真空容器６内で大口径ウェハ１７の任意の個所の試料片３２の試料ホルダ３３ａへの移載が可能となり、さらに試料ホルダ３３ａを載置しているサイドエントリ型試料ステージ４２を、真空容器６を大気にさらすことなく取り出す事で、速やかに各種の分析装置に装填、評価が行えるようになる。また試料ステージ微動手段として探針移動機構１と同方式を採ることで、装置の生産性、メンテナンス性、操作性の向上が実現できる。
【００４５】
図７は本発明の別の実施例の試料作製装置の断面図を示している。第２の実施例とは、図８に示す探針３に図１に記載した座標系で示すＹ軸廻りの回転自由度を付加した探針ホルダ１０を搭載した探針移動機構１と、図９に示す試料ホルダ３３ａにサイドエントリ型試料ステージ４２の中心軸廻りの回転自由度を付加した試料ステージ微動機構を用いている点が異なる。
【００４６】
図８を用いて、探針ホルダ１０の構成を説明する。同図（ａ）は探針３が突出した状態を示しており、（ｂ）は探針３が外筒４８に収納した状態を示している。探針３は板ばね５２を介して探針保持具４９に固定されており、探針保持具４９は回転自在な回転軸受５０を介して直進移動する内筒５１に保持される。内筒５１は回転方向の自由度を規制させて外筒４８内に挿入してあり、駆動軸５３とは回転自在な軸受５４を介して駆動軸５３に押圧させている。探針保持具４９の端は圧縮コイルバネ５９と接続しており、圧縮コイルバネ５９のもう一方の端は駆動軸５３と結合している。回転軸受５０の回転中心は、探針ホルダ１０の挿入傾斜角度分だけ探針ホルダ１０の中心線に対して傾斜させている。これによって、探針３は真空容器６内でウェハ１７面と平行に回転移動することが可能である。
【００４７】
駆動軸５３は回転および直進自在な軸受５５および真空シール（図示せず）を介在させて外筒４８内に挿入する。駆動軸５３の端部は外筒４８から突出する。
突出した駆動軸５３には歯車５６ｂを固定し、駆動軸５３の端面には直進移動のアクチュエータである微小送り機構５７を押圧させている。歯車５６ｂと噛み合う別の歯車５６ａを、駆動軸５３と平行に配し、歯車５６ａに回転移動用のつまみ４７を固定する。図示していないがこれら歯車５６ａ、５６ｂは回転自在な部材を介して保持されていることは言うまでもない。以上が探針３の回転、および収納の２自由度を有する探針ホルダ１０の基本的な構成である。
【００４８】
次に動作を説明する。微小送り機構５７を用いて駆動軸５３を直進移動させる。駆動軸５３の直進移動は外筒４８に伝達されることで、探針ホルダ１０に保持した探針３は回転することなく直進移動する。本構成とすることで、微細な探針ホルダ１０の真空容器６への挿入または引き抜きなどの取り回しの際の、微細な探針３の損傷などの事故を未然に防ぐことができ、操作者は安易に使用できる。
【００４９】
探針３の回転移動は、つまみ４７を回し、歯車５６ａ、５６ｂを介して駆動軸５３を回転運動させることでなされる。内筒５１の回転自由度は規制されているので、駆動軸５３の回転運動で内筒５１が回転移動することはなく、圧縮コイルバネ５９による弾性変形によって回転運動の方向が変化されるが、回転動力は探針保持具４９に伝達され、内筒５１と回転軸受５０を介して保持している探針保持具４９が回転移動する。以上述べてきたように単一の駆動軸５３の直進および回転運動の簡易な操作によって探針３は直進移動および回転移動することができる。
【００５０】
次に回転自由度付加したサイドエントリ型試料ステージ４２微動機構について、図９の実施例を用いて説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々の移動機構は図２および図３に示した探針移動機構１と同型であり、以下では変更点のみについて説明する。
【００５１】
本実施例では、サイドエントリ型試料ステージ４２の把持部６０に歯車６１ａを配し、歯車６１ａと噛み合う歯車６１ｂおよび歯車６１ｂを回転駆動する駆動源６２をＹ軸ステージ１９ａ配した点が第２の実施例と異なる点である。本実施例の構成とすることによって、サイドエントリ型試料ステージ４２は、試料ホルダ３３ａ部分を、サイドエントリ型試料ステージ４２ごと回転移動させることで、任意の角度に傾斜させることが可能である。また回転動力の伝達媒体として歯車６１ａ、６１ｂを用いることによって、サイドエントリ型試料ステージ４２の抜き差しになんら支障をきたすことなく、ねじ等の機械部品を用いずに、サイドエントリ型試料ステージ４２に結合している歯車６１ａと駆動源６２と結合している歯車６１ｂを結合することが可能である。
【００５２】
図１０は図７の試料作製装置で試料片３２を加工する操作を工程に分けて示したものである。本図を用いて本実施の試料作製装置による試料作製手段を説明する。ウェハ１７から試料片３２を摘出する（ａ）までは第１の実施例と同じ工程を採る。
【００５３】
ウェハ１７の極表面の分析を行う場合は、第２の実施例で説明したように探針３を回転させずに、そのままウェハ１７面と平行に回転移動させた試料設置部４３に移載する。ウェハ１７の深さ方向の分析を行う場合は、ウェハ１７から試料片３２を摘出後、探針３を９０度回転させ、必要に応じてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動し、ウェハ１７の面と平行に回転移動させた試料設置部４３に、イオンビームアシストデポジション膜にて接着する（図１０（ｂ））。試料片３２を試料設置部４３に移載後、探針３を、微小送り機構５７を用いて外筒４８内に収納するように直進移動させる。次につまみ４７を回転し、試料設置部４３を保持する試料ホルダ３３ａの傾斜を戻す（図１０（ｃ））。この後駆動源６２を駆動させ試料設置部４３がＦＩＢ２７と対向するように試料ホルダ３３ａを回転移動させ、ＦＩＢ２７による試料片３２の成形加工を行う（図１０（ｄ））。
【００５４】
この際、加工の過程で試料ホルダ３３ａを回転、傾斜させて、図１０（ｂ）の姿勢にすることで、試料面からの二次粒子像を表示する画像表示器３８を通して随時観察面の状態を観察することが可能である。成形加工後、サイドエントリ型試料ステージ４２を真空容器６から引き抜き、例えばＴＥＭ等の分析装置にそのまま装填して分析することが可能である。
【００５５】
本実施例による試料作製装置によれば、ウェハ１７の極表面層および深さ方向の分析を可能とし、さらに各種分析装置に装填可能なサイドエントリ型試料ステージ４２と同形状であることから試料の分析を多岐に渡って実施することが可能であり、試料作製装置としての運用範囲を格段に拡大することができる。
【００５６】
以上の実施例では、説明上ＴＥＭ試料の作製、観察を一例として説明してきたが、ＴＥＭに限定されるものではなく、集束イオンビーム、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブＸ線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性子イオン化質量分析装置、Ｘ線光電子分光分析装置、またはプローブを用いた電気計測装置のうちのいずれかに装填できる構成とすることで、試料面分析や観察が容易にできるようになることは当然である。
イオン源とイオン源からのイオンビームを集束するレンズとイオビームを偏向する偏向器と試料に照射するための対物レンズとから成るイオンビーム光学系を収納したイオビーム鏡筒を有する。更に、電子源と電子源からの電子ビームを集束するレンズと電子ビームを偏向する偏向器と試料に照射するための対物レンズとからなる電子ビーム光学系を収納した電子ビーム鏡筒を有する。このようなイオンビーム鏡筒と電子線鏡筒を有する荷電粒子線装置では、イオンビーム鏡筒と電子線鏡筒とが互いに試料ステージの試料載置面に対して相対的に傾斜させている。試料ステージに載置した試料から試料片をイオンビームで分離し探針の先端に取り付けられた針状部材にイオンビームとガスとで堆積接合して摘出する。取り出した試料片を電子線鏡筒の下に移動させ電子線が試料片の所定の部分に照射できるように試料片を保持している探針ホルダを回動させる。試料からの二次電子を検出器で検出して走査電子顕微鏡像を得ることも可能となる。
【００５７】
また以上述べてきた試料作製装置において、説明上ＦＩＢ２７のみに特化して記載しているが、例えば偏向器３０と対物レンズ３１をマスク板と投射レンズに置き換えて構成される投射イオンビームを用いた試料作製装置、あるいは、イオン源２５をレーザ光源に置き換えて構成されるレーザビームを用いた試料作製装置であっても、本発明と同様の効果が得られる。さらに以上述べてきた試料作製装置に、走査電子顕微鏡の光学系を付加した構成の試料作製装置としてもなんら問題はなく、その際は本発明の第３の実施例で示したＹ軸廻りの回転自由度を有する探針移動機構１を用いることによって、試料片３２をウェハ１７から摘出後、試料片３２を探針３毎走査型電子顕微鏡の光学系に対向させることで、試料片３２を高分解能に観察することができるようになる。
【００５８】
図１１は、本発明の探針移動機構１を、不良検査装置に適用した実施例を示す断面である。図において電子銃６５から放出された電子ビーム６６は電子ビーム光学系６７を通過し、ステージ３４上に積載したウェハ１７面に集束される。ステージ３４は、ステージ位置コントローラ３５によって制御され、ウェハ１７の評価する素子の位置を特定する。探針移動機構１は、本図では２式のみの記載であるが、紙面鉛直方向に互いに対向するようにさらに２式を配しており、不良検査装置として４式の探針移動機構１を備えている。
【００５９】
上記４式の探針移動機構１に配されている探針３は、ステージ３４とは独立に駆動可能な探針位置コントローラ２３によって、ウェハ１７上の評価素子の位置にそれぞれの探針３を移動させる。移動の際は、電子ビームコントローラ７１によって、ウェハ１７上の評価素子近傍に電子ビーム６６を走査し、ウェハ１７からの二次電子を二次電子検出器３７により検出し、上記部分の画像を画像表示器３８にひょうじさせ、確認しながら行う。
【００６０】
本実施例では、探針３が接触したウェハ１７の微小部分に電圧を印加できるように、各々の探針３には電源６９が接続している。同時に各々の探針３に流れる電流を測定できるように、電流計７０も接続している。評価方法の例として、ウェハ１７上に形成されたＭＯＳデバイスにおける場合を示す。まず三つの探針３を、それぞれソース電極、ゲート電極、ドレイン電極に接触させる。ここで探針３を用いてソース電極をアースに落とし、探針３によりゲート電極の電圧をパラメータとして振りながら、探針３によりドレイン電圧と、ソースードレイン間を流れるドレイン電流の関係を測定する。これによってＭＯＳの出力特性を得ることができる。これらの動作は中央演算処理装置４０によって一括して制御されている。
【００６１】
各々の探針３の移動機構は、図２および図３に示した斜入射型の探針移動機構１を用いることによって、大口径のウェハ１７の検査を小型の装置で実現でき、また探針３の交換などが容易に可能な構成であることから、装置の稼働率が向上できる。
【００６２】
図１２は、本発明の探針移動機構１を、試料観察装置に適用したときの断面図である。図において、イオン源２５から放出されたイオンビーム２７は、光学系２６を通ることでステージ３４上の所望の位置に集束される。集束されたイオンビームすなわちＦＩＢ２７は、ウェハ１７表面を走査した形状にスパッタすることで精密な加工が行える。ステージ３４上には、ウェハ１７や半導体チップ等を載置しており、ステージ位置コントローラ３５によってウェハ１７上の観察位置の特定を行う。探針移動機構１に装着された探針３は、ステージ３４とは独立に駆動可能な探針位置コントローラ２３によって、ウェハ１７上の観察位置まで移動させる。移動および加工の際は、ＦＩＢコントローラ３６によってウェハ１７の観察位置近傍にＦＩＢを走査して、ウェハ１７からの二次電子を二次電子検出器３７によって検出し、得られた二次粒子像を画像表示する画像表示器３８で表示、観察しながら行う。接触したウェハ１７の微小部分に電圧を印加できるよう、探針３には電源６９が接続されている。観察を行う場合は、観察したい回路を他の回路から電気的に孤立させるように、ＦＩＢにて回路周囲に溝加工を施す。
回路の一端に電圧を印加した探針３を接触させ、その回路に設計上接続されているであろう個所の観察を行う。もし断線もなく接続されている場合、コントラストが変化する（明るくなる）ため、回路の不良判定を行える。これらの動作は中央演算処理装置４０によって一括して制御される。本実施例において、探針３の移動機構は、図２および図３に示した斜入射型の探針移動機構１を用いることによって、大口径のウェハ１７の検査を小型の装置で実現でき、また探針３の交換などが容易に可能な構成であることから、装置の稼働率が向上できる。
【００６３】
また本実施例において、偏向器３０と対物レンズ３１をマスク板と投射レンズに置き換えて構成される投射イオンビームを用いた試料作製装置、あるいは、イオン源２５をレーザ光源に置き換えて構成されるレーザビームを用いた試料観察装置であっても、本発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施例の試料作製装置を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施例の試料作製装置用探針移動機構を示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施例の試料作製装置用探針移動機構を示す平面図。
【図４】本発明の第２の実施例の試料作製装置を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施例の試料作製装置の要部拡大図。
【図６】本発明の第２の実施例の試料ステージを示す断面図および平面図。
【図７】本発明の第３の実施例の試料作製装置を示す断面図。
【図８】本発明の第３の実施例の探針ホルダを示す断面図および平面図。
【図９】本発明の第３の実施例の試料ステージ微動機構を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施例の試料作製装置の部分拡大図。
【図１１】本発明の第４の実施例の不良検査装置を示す断面図。
【図１２】本発明の第５の実施例の試料観察装置を示す断面図。
【図１３】従来の探針移動機構を備えた試料作製装置を示す断面図。
【符号の説明】
【００６５】
１…探針移動機構、２…エアロック室、３…探針、４…ベローズ、５…ベースフランジ、６…真空容器、７…真空シール、８…エアロックバルブ、９…エアロックバルブ開閉機構、１０…探針ホルダ、１１…エアロック室外筒、１２…排気管、１３…固定側フランジ、１４…電流導入端子、１５…プローブホルダストッパ、１６…導線、１７…ウェハ、１８ａ…Ｙ軸直進案内、１８ｂ…Ｚ軸直進案内、１８ｃ…Ｘ軸直進案内、１９ａ…Ｙ軸ステージ、１９ｂ…Ｚ軸ステージ、１９ｃ…Ｘ軸ステージ、２０…Ｙ軸ベース、２１ａ…Ｙ軸リニアアクチュエータ、２１ｂ…Ｚ軸リニアアクチュエータ、２１ｃ…Ｘ軸リニアアクチュエータ、２２ａ…Ｙ軸てこ、２２ｂ…Ｚ軸てこ、２２ｃ…Ｘ軸てこ、２３…探針位置コントローラ、２４…光学軸、２５…イオン源、２６…光学系、２７…イオンビーム、２８…ビーム制限アパーチャ、２９…集束レンズ、３０…偏向器、３１…対物レンズ、３２…試料片、３３ａ…試料ホルダ、３３ｂ…試料ホルダ、３４…ステージ、３５…ステージ位置コントローラ、３６…ＦＩＢコントローラ、３７…二次電子検出器、３８…画像表示機、３９…デポジションガス源、４０…中央演算処理装置、４１…試料ステージ微動手段、４２…サイドエントリ型試料ステージ、４３…試料設置部、４４…駆動軸、４５…突出部、４６…回転軸、４７…つまみ、４８…外筒、４９…探針保持具、５０…回転軸受、５１…内筒、５２…板ばね、５３…駆動軸、５４…軸受、５５…軸受、５６ａ…歯車ａ、５６ｂ…歯車ｂ、５７…微小送り機構、５８…つまみ、５９…圧縮コイルばね、６０…把持部、６１ａ…歯車ａ、６１ｂ…歯車ｂ、６２…駆動源、６３…駆動部、６４…ＴＥＭ装置、６５…電子銃、６６…電子ビーム、６７…電子ビーム光学系、６８…アパーチャ、６９…電源、７０…電流計、７１…電子ビームコントローラ、７２…絶縁材、７３…回転軸、７４…回転軸受、７５…集束レンズ、７６…偏向器、７７…対物レンズ、７８…試料ステージ位置コントローラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線と移送手段を利用して、試料基板から分析や観察に必要な部分のみを摘出して、分析や観察に好適な形状に加工する試料作製装置、および荷電粒子線下で試料の電気試験を行う荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化に伴い、電子素子の分析や観察、評価の手段として、観察分解能が高い透過型電子顕微鏡（以下ではＴＥＭとする）が有力視されている。ＴＥＭ用の試料作製方法として、例えば特開平５−５２７２１号公報に開示されている集束イオンビーム加工を利用する手段が考案されている。
【０００３】
この手段は、集束イオンビーム（以下ではＦＩＢとする）観察下で試料片を貼り付けたサイドエントリ型試料ステージを試料ステージ微動手段に装填し、真空容器内に導入する。なお、サイドエントリ型試料ステージは、真空容器内を大気に暴露することなく、真空容器外からの出し入れが可能である。この後、試料片の所望の観察部位を含む領域を、数μｍから十数μｍの所望の大きさにＦＩＢで加工した後、探針移動機構を駆動して探針を該当する試料片に接触させて摘出し、一旦保持後、サイドエントリ型試料ステージを引き抜き、ＴＥＭホルダを搭載した別のサイドエントリ型試料ステージを導入する。サイドエントリ型試料ステージの交換後、探針移動機構の探針に保持されている試料片を、デポジション膜を形成することでＴＥＭホルダに固着する。固着後、真空容器から引き抜き、ＴＥＭ装置に装填することでＴＥＭ観察を行う手段である。
【０００４】
またサブミクロンの配線を有する電子素子の評価手段として、例えば特開平９−３２６４２５号公報に開示されている、荷電粒子線観察下で高精度の探針移動機構を用い、直接探針を電子素子に接触させて動作試験を行う検査手段が考案されている。この探針に電圧印加手段、電流測定手段を設けることによって、微細な電子素子の電流電圧特性の評価、導通不良個所の特定が可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した微細な電子素子の評価手段として有効な試料作製装置、不良検査装置を、近年その導入が加速されている大口径の半導体ウェハを扱う装置に適用しようとした場合、以下の解決すべき問題を生じる。
【０００６】
図１３は、一例として従来の探針移動機構を大口径ウェハ用の試料作製装置に用いた場合の装置の断面図である。従来の探針移動機構１は、ウェハ１７に対して水平方向から進入する構成となっている。一方、大口径ウェハ１７を積載し、ウェハ１７の直径以上の可動範囲を要するウェハステージ３４と、それを収納する真空容器６は、大型化が避けられない。一概ではないが、１２インチウェハ１７用の真空容器６には、８００ｍｍ角以上の面積を有する大きさを要することが予想できる。
【０００７】
ところで、図１３の従来例のように探針３をウェハ１７に対して水平に進入させる移動機構１とした場合、探針３の移動量を吸収する探針移動機構１に不可欠なベローズ（図示せず）等の機械部品がウェハ１７面より低い位置にくることが避けられず、このためこれら機械部品類はステージ３４との干渉しない位置すなわちステージ３４の可動範囲外になるように置かざるを得ない。このため真空容器６はさらに大型化が余儀なくされる。しかし、真空容器６の大型化は装置の占有面積の増大および大重量化、高価格化、また真空容器６の排気手段の大型化を招くことから、極力小型化しなければならない。
【０００８】
また、上述のような配置とした場合、探針３を荷電粒子線の光学系における光学軸の中心近傍まで延長させる必要があるが、探針３および探針３を保持している探針ホルダ１０が図１３に示すように長大となることから、探針ホルダ１０の剛性の著しい劣化は避けられず、数μｍの試料片３２の取扱いや、サブミクロンの配線を有する電子素子の所望の位置に短針を接触させる操作が極めて困難なものとなる。
【０００９】
同様の問題は試料作製装置に不可欠な試料ホルダ（図示せず）、特にＴＥＭホルダを搭載するサイドエントリ型試料ステージ（図示せず）にも発生する。また探針ホルダ１０と同様にサイドエントリ型試料ステージを荷電粒子線の光学系２６の光学軸中心近傍まで延長した場合、サイドエントリ型試料ステージをそのままＴＥＭ装置６４に装填できないことになる。このため、操作者がピンセット等を用いて、数μｍの試料片（図示せず）が固着されているＴＥＭホルダをＴＥＭ用のサイドエントリ型試料ステージ４２に移し変える操作を要することになり、使用・操作上の制限が課せられ、実用的ではない。
【００１０】
この対策として、サイドエントリ型試料ステージ４２そのものを真空容器６内に搬送する手段も考えられるが、専用の長大な搬送装置が必要となるため、さらに装置の大型化を招くことになる他、基本的に触手にて取り扱うサイドエントリ型試料ステージ４２を真空容器６内に導入する事は、真空容器６内の圧力の増加、汚染等の問題を招くことになる。
【００１１】
本発明の目的は、大口径ウェハ用の探針移動機構ならびにサイドエントリ型試料ステージを提供し、これらを試料作製装置あるいは不良検査装置に適用することで、真空容器の容積が必要最小限ですみ、占有面積が小さく、かつ従来より高いの操作性を有する試料作製装置、不良検査装置、荷電粒子線装置を提供することにある。
【００１２】
さらに本発明の目的は、試料からイオンビームにより加工して取り出した数μｍの試料片の取扱い操作およびサブミクロンの配線を有する電子素子上の所望の位置に位置付けたり、試料片を所定の位置に移動し荷電粒子線の照射光学系の方向に回動させたり、探針の操作を容易化した試料作製装置、不良検査装置、荷電粒子線装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の目的は試料からイオンビームにより加工して取り出した数μｍの試料片が固着されているＴＥＭ用ホルダを試料作製装置の真空容器内に導入する際に真空容器内の圧力増加や汚染が生じにくい試料作製装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記本発明の目的は、以下の構成によって達成される。
（１）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、荷電粒子ビーム照射光学系と、荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、試料にその先端を接触可能な針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダとを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える荷電粒子線装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダの概略中心軸が試料ステージの試料設置面と傾斜角を持って交わることを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（２）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、荷電粒子ビーム照射光学系と、荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、試料にその先端を接触可能な針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダとを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える荷電粒子線装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダを真空容器に支持する部材から荷電粒子ビーム照射光学系の概略中心軸までの最短距離が、上記試料ステージの水平方向最大可動範囲の１／２以下であることことを特徴とする荷電粒子線装置。
【００１５】
これにより、真空容器の容積が必要最小限の、占有面積の小さい小型で、装置レイアウトの自由度が広い荷電粒子線装置を提供できる。
（３）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、イオンビーム照射光学系と、イオンビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、上記試料の一部を分離した摘出試料片を保持する針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダと、上記摘出試料片を設置可能な試料ホルダを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える試料作製装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダの概略中心軸が試料ステージの試料設置面と傾斜角を持って交わることを特徴とする試料作製装置とする。
【００１６】
数μｍの試料片の取り扱い操作の容易化を実現する試料作製装置を提供できる。
（４）少なくとも、真空容器内に試料を載置する試料ステージと、イオンビーム照射光学系と、イオンビビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、上記試料の一部を分離した摘出試料片を保持する針状部材および上記針状部材を保持する探針ホルダと、上記摘出試料片を設置可能な試料ホルダを備え、さらに上記針状部材を真空容器内で移動させる移送手段を備える試料作製装置において、上記真空容器を真空状態に保持して真空装置外から探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段を有し、かつ上記探針ホルダを真空容器に支持する部材から荷電粒子ビーム照射光学系の概略中心軸までの最短距離が、上記試料ステージの水平方向最大可動範囲の１／２以下であることことを特徴とする試料作製装置とする。
【００１７】
（５）（３）または（４）記載の試料作製装置において、上記試料ホルダを載置するサイドエントリ型試料ステージを備え、その概略中心軸が試料ステージの試料設置面と傾斜角を持って交わるように構成し、かつ上記サイドエントリ型試料ステージは、上記真空容器を真空状態に保持して上記真空容器外からの出し入れが可能な真空導入手段と、上記サイドエントリ型試料ステージの微動手段を有した構成とした試料作製装置とする。
【００１８】
（６）（５）記載のサイドエントリ型試料ステージは、上記試料ホルダの上記試料片設置部が、上記探針ホルダの概略中心軸を上記試料ステージ試料設置面に投影した線分と平行線を回転軸として回転する回転自由度を有することを特徴とする。
【００１９】
（７）（３）または（４）記載の移送手段は、上記探針ホルダの概略中心軸を上記試料ステージ試料設置面に投影した線分と平行線を回転中心軸として、上記針状部材が回転する回転自由度を有した移送手段である試料作製装置とする。
（８）（５）記載のサイドエントリ型試料ステージにおいて、上記試料ホルダが上記真空導入手段の概略中心軸廻りに回転移動可能なサイドエントリ型試料ステージである試料作製装置とする。
（９）（３）または（４）記載の移送手段は、上記針状部材は探針と探針保持具で構成され、上記探針の先端を保護する保護カバーを有し、上記保護カバーが上記探針を収納する構成とすることを特徴とする試料作製装置とする。
（１０）（５）記載のサイドエントリ型試料ステージが、集束荷電粒子ビーム装置、投射荷電粒子ビーム装置、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブＸ線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、中性粒子イオン化質量分析装置、Ｘ線光電子分光分析装置、またはプローブを用いた電気計測装置のうちの少なくとも一つ以上に装填できることを特徴とする試料作製装置とする。
（１１）（１）または（２）記載の荷電粒子線装置において、上記針状部材は上記針状部材を上記試料に接触させて上記試料の一部に電圧を供給する電圧印加手段に連結していることを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（１２）（１）または（２）記載の荷電粒子線装置において、上記針状部材を試料に接触させ、上記試料の電気的特性を測定することを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（１３）（１）または（２）記載の荷電粒子線装置において、二次粒子検出器で得られた二次粒子像を表示する画像表示器と、上記針状部材に電圧を供給する電源とを有し、上記針状部材を上記試料に接触させて上記試料の一部に電圧を供給し、上記試料の二次粒子像を上記画像表示器に表示することを特徴とする荷電粒子線装置とする。
【００２０】
以上の構成によって、真空容器の容積が必要最小限の、占有面積の小さい小型で、かつ従来より高い操作性を有する荷電粒子線装置、試料作製装置、荷電粒子線加工装置、不良解析装置を提供できる。さらに、サブミクロンの配線を有する電子素子の所望の位置への、探針の接触操作の容易化を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
探針および試料ホルダを搭載するサイドエントリ型試料ステージを、ウェハに対して斜めに入射させることによって、真空容器の容積が必要最小限の設置面積の小さい小型で従来と同等の操作性を有する、大口径ウェハ用の試料作製装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の第１の実施例を示す試料作製装置の縦断面図であり、図２は第１の実施例に使用する探針移動機構１のみを抜粋した縦断面図、図３はその平面図である。なお、以下本明細書に示す符号において、同一の符号を用いた部材は同等の機能を有する部材である。
【００２３】
図２および図３を用いて本発明の探針移動機構１を説明する。探針移動機構１に設けているエアロック室２は探針３の移動量を吸収するベローズ４を介してベースフランジ５に結合している。ベースフランジ５は真空シール７を介在させて真空容器６に固定される。エアロック室２の端面には開閉可能なエアロックバルブ８が配されており、円筒状のエアロックバルブ開閉機構９を回転させることで開閉の操作が行われる。図２ではエアロックバルブ８が開放され、探針ホルダ１０はその中心軸がウェハ１７面に対して斜めになるように真空容器６内に導入されている状態を示している。エアロックバルブ８、エアロックバルブ開閉機構９を収納するエアロック室外筒１１は同心円状の中空２重構造としてあり、中空部の一端はエアロック室２と通じ、他端は排気管１２に通じている。上記のような構成とすることで、従来必要としていたエアロック室２用の小型ベローズは不要となり、探針移動機構１の簡易化、小型化、安価化が実現できる。
【００２４】
ベローズ４の固定側フランジ１３には、気密機能を有する電流導入端子１４を配している。電流導入端子１４の真空側は、探針３を保持する絶縁材に探針３とプローブホルダストッパ１５の接触部に導通処理を施した探針保持具４９に導線１６で接続させることで、大気側から探針３への給電が可能である。
【００２５】
エアロック室外筒１１の一方は、図示のようにウェハ１７面に平行にＹ軸直進案内１８ａを固定したＹ軸ステージ１９ａが固定されており、図３に示すようにＹ軸直進案内１８ａを介してＹ軸ベース２０に結合している。Ｙ軸の直進駆動はＹ軸ベース２０に保持されているＹ軸リニアアクチュエータ２１ａを用いて行う。Ｙ軸リニアアクチュエータ２１ａの出力軸はＹ軸てこ２２ａを介してＹ軸ステージ１９ａと結合している。Ｙ軸ベース２０はＺ軸ステージ１９ｂと結合している。
【００２６】
Ｚ軸ステージ１９ｂは、図示のようにＹ軸直進案内１８ａと９０°位相の異なるウェハ１７面に鉛直に配したＺ軸直進案内１８ｂを介してＸ軸ステージ１９ｃと結合している。Ｚ軸ステージ１９ｂの直進駆動はＸ軸ステージ１９ｃに保持されているＺ軸リニアアクチュエータ２１ｂを用いて行う。Ｚ軸リニアアクチュエータ２１ｂの出力軸はＺ軸てこ２２ｂを介してＺ軸ステージ１９ｂと結合している。
【００２７】
同様にＸ軸ステージ１９ｃは図示のようにＹ軸直進案内１８ａと９０°位相の異なるウェハ１７面に平行に配したＸ軸直進案内１８ｃを介してベースフランジ５と結合している。Ｘ軸ステージ１９ｃの直進駆動はベースフランジ５に保持しているＸ軸リニアアクチュエータ２１ｃを用いて行う。Ｘ軸リニアアクチュエータ２１ｃの出力軸はＸ軸てこ２２ｃを介してＸ軸ステージ１９ｃと結合している。
【００２８】
以上のようにＸ，Ｙ，Ｚ軸を各々のてこを介して各々のリニアアクチュエータと結合することで、リニアアクチュエータ部分の突出物をなくすることが可能であり、探針移動機構１の小型化が実現できる。本実施例の探針移動機構１のＸ軸方向の幅およびＺ軸方向の高さは、使用しているリニアアクチュエータとほぼ同じ１７２ｍｍ、１６５ｍｍである。
【００２９】
本実施例による探針ホルダ１０の真空容器６内への導入は以下の手順を採る。
探針ホルダ１０をエアロックバルブ８の手前まで挿入する。この状態でエアロック室２は探針ホルダ１０の外筒に配した真空シール７で気密が保たれる。挿入後排気管１２からエアロック室外筒１１の中空部分を通して、エアロック室２内を真空に排気する。エアロック室２の圧力が所定の圧力に到達したことを確認後、エアロックバルブ開閉機構９を用いてエアロックバルブ８を開放し、探針ホルダ１０を真空容器６内に導入する。以上の操作で、真空容器６を大気にさらすことなく探針３を真空容器６内に導入することができる。
【００３０】
探針ホルダ１０の真空容器６からの引き抜きは、挿入と逆の手順を踏むことで可能である。すなわち探針ホルダ１０をエアロックバルブ８の手前まで一旦引き抜き、この後エアロックバルブ８を、エアロックバルブ開閉機構９を用いて閉止する。閉止を確認後、排気管１２からエアロック室２をリークする。大気圧確認後探針ホルダ１０を探針移動機構１から取り出す。以上の構成を採ることによって、消耗品である探針３の交換作業を、真空容器６を大気にさらすことなく行うことができる。
【００３１】
以上説明してきた探針移動機構１を用いた試料作製装置が図１である。探針ホルダ１０を、探針ホルダ１０の概略中心軸がウェハ１７に対して斜めに進入する構成（本実施例では３０度傾斜して入射させた）としたことで、探針ホルダ１０を最小限の長さで荷電粒子線光学系の光学軸２４近傍まで到達させることができたことから、剛性の高い探針ホルダ１０が実現でき、数μｍの試料片３２の取扱いや、サブミクロンの配線を有する電子素子の所望の位置に探針先端を接触させるといった操作が極めて容易なものとなる。
【００３２】
また、探針３の移動量を吸収するベローズ４などの機械部品が、ウェハ１７面より低い位置にくることがないため、探針移動機構１は真空容器６の大きさに影響を与えることはなく、真空容器６はウェハ１７の可動範囲で決定する最小の大きさとすることができる。装置の大きさを決定する真空容器６を最小とすることで、装置の占有面積の縮小、および軽量化、低価格化、また排気手段の小型化を可能とした探針移動機構を搭載した大口径用試料作製装置が実現できる。なお、本実施例では、探針ホルダ１０の入射角度を３０度としているが、３０度に限定されるものではなく、探針３が画像表示器３８で表示できる範囲にあるように真空容器６に斜めに挿入することで同様の効果が得られる。
【００３３】
また、探針移動機構１と真空容器６を結合するベースフランジ５の中心と、光学軸２４の垂線との交点までの距離を、試料ステージ３４の水平方向の可動範囲の１／２以下、本実施例では１５０ｍｍ以下となる位置に探針移動機構１を配することで、任意の傾斜角度で探針ホルダ１０を最小限の長さで真空容器６に導入することが可能となり、真空容器６の小型化を可能としながら、装置レイアウトの自由度を拡げることができる。さらに真空容器６に対して斜入射する探針移動機構１の各々のリニアアクチュエータと各々のステージをてこを介して結合した構成を採ることで、特出した突出物がない探針移動機構１とすることができるため真空容器６に配される他の測定機機などにレイアウト上の制限を与えず、また予期しない干渉等の問題を未然に防げ、装置の小型化が実現できる。
【００３４】
本装置を用いた試料作製は以下の手順で行う。イオン源２５から放出されたイオンビーム２７は、光学系２６を通ることでステージ３４上の所望の位置に集束される。集束されたイオンビームすなわちＦＩＢ２７は、ウェハ１７表面を走査した形状にスパッタすることで、試料片（図示せず）の精密な加工が行える。ステージ３４上には、ウェハ１７と摘出した試料片を保持する試料ホルダ３３ａを載置しており、ステージ位置コントローラ３５によってＦＩＢ加工および摘出する位置の特定を行う。
【００３５】
探針移動機構１に装着された探針３は、ステージ３４とは独立に駆動可能な探針位置コントローラ２３によって、ウェハ１７上の摘出位置まで移動させる。移動および加工の操作は、ＦＩＢコントローラ３６によってウェハ１７の摘出位置近傍にＦＩＢを走査して、ウェハ１７からの二次電子を二次電子検出器３７によって検出し、得られた二次粒子像を画像表示器３８に表示させ、観察しながら行う。
【００３６】
試料片の摘出には、ウェハ１７の姿勢を変化させながらＦＩＢ加工を行うことによって、試料片をクサビ状に切り出し、探針３を試料片の一端に接触させる接触部にはデポジションガス源３９を用いて堆積ガスを供給し、イオンビームアシストデポジション膜を形成することで、探針３と試料片との接着を行う。この後、探針位置コントローラ２３によって探針３をウェハ１７から引き上げ、ステージ３４上の試料ホルダ３３ｂの位置に移動する。探針３を下降し、探針３に接着した試料片のクサビ部分が試料ホルダ３３ｂの表面に接触したことを確認し、イオンビームアシストデポジションにて試料片の側面と試料ホルダ３３ａを接着する。探針３の先端はＦＩＢによって試料片３２から切断され、探針位置コントローラ２３によって次の試料摘出位置への移動を行う。
【００３７】
以上の工程によってウェハ１７から所望とする箇所の試料片３２を摘出し、試料ホルダ３３ｂに移載することが可能である。また以上の動作は、中央演算処理装置４０によって、一括して制御されている。なお、本実施例では、探針３と試料片３２との接着手段としてイオンビームアシストデポジション膜による接着手段を採っているが、静電気による吸引力を用いた静電吸着手段でも何ら問題はなく、その際にも本実施例と同様の効果が得られる。
【００３８】
図４は斜入射の試料ステージ微動手段４１を用いた第２の実施例の試料作製装置の断面図を示している。図５は図４の探針３の周辺部分の拡大図であり、図６は図４に使用しているサイドエントリ型試料ステージ４２を抜粋した縦断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【００３９】
まず、サイドエントリ型試料ステージ４２について、図６を用いて説明する。
試料片３２を固着する試料設置部４３は試料ホルダ３３ａに保持する。試料ホルダ３３ａの駆動軸４４側の端面に突出部４５を設ける。突出部４５の形状は問わない。駆動軸４４の真空側の端面に、自由端が駆動軸４４の回転中心軸から偏芯した位置に、前述した突出部４５の面と駆動軸４４の中心軸と平行な姿勢で接触する回転軸４６を配する。試料ホルダ３３ａの回転移動は、駆動軸４４をつまみ４７を回転することで回転軸４６が偏芯回転し、回転軸４６の自由端が接触した突出部４５が回転軸４６の偏芯量と回転量に応じて回転軸受７３を回転中心として回転移動する。すなわち試料ホルダ３３ａが回転移動する。本実施例では３０°回転できる。また試料ホルダ３３ａ部分の外筒４８の一部を切り欠いた構造としたことで、試料片３２の試料設置部４３への固着およびＦＩＢによる試料片３２の成形加工が容易に行える。またサイドエントリ型試料ステージ４２を駆動する試料ステージ微動機構４１および試料ステージ位置コントローラ７８を、図２および図３に示した探針移動機構１と同１の機構系、制御系を用いることで、生産性が向上し、装置価格の低価格化が図られる他、メンテナンス性、操作性の向上を実現できる。
【００４０】
本発明による試料作製装置を用いた試料作製は以下の手順を踏む。サイドエントリ型試料ステージ４２は、真空容器６への導入および引き抜きの操作は、前述した探針移動機構１における探針ホルダ１０の操作を、サイドエントリ型試料ステージ４２に置き換えた操作とすることで行われる。
【００４１】
ウェハ１７から所望の位置の試料片３２を摘出するまでは、第１の実施例と同様の工程を採る。試料片３２の摘出後、サイドエントリ型試料ステージ４２を真空容器６内に真空容器６の真空を大気に暴することなく挿入する。この際、第１の実施例と同様に、サイドエントリ型試料ステージ４２を、サイドエントリ型試料ステージ４２の概略中心軸がウェハ１７に対して斜入射した構成としたことで、真空容器６の大きさを最小限とすることができ、またサイドエントリ型試料ステージ４２も必要最小限の長さでイオンビーム２７の光学軸２４とウェハ１７の交点近傍まで到達できる。本実施例では、サイドエントリ型試料ステージ４２はウェハ１７面に対して３０度傾斜して入射させているが、３０度に限定されるものではなく、試料ホルダ３３ａが画像表示器３８で表示できる範囲にあるように真空容器６に斜めに挿入することで同様の効果が得られる。
【００４２】
本構成とすることで、前述した第１の実施例の探針移動機構１と同様の理由から、試料ステージ微動機構４１は真空容器６の大きさに影響を与えることはなく、真空容器６はウェハ１７の可動範囲で決定する最小の大きさとすることができる。また、試料ステージ微動機構４１と真空容器６を結合するベースフランジ５の中心と、光学軸２４の垂線との交点までの距離を、試料ステージ３４の水平方向の可動範囲の１／２以下、本実施例では１５０ｍｍ以下となる位置に試料ステージ微動機構４１を配することで、任意の傾斜角度でサイドエントリ型試料ステージ４２を最小限の長さで導入することが可能となり、真空容器６の小型化を可能としながら、装置レイアウトの自由度を拡げることができる。
【００４３】
サイドエントリ型試料ステージ４２の挿入後、つまみ４７を回して試料ホルダ３３ａに保持した試料設置部４３を、図５に示すようにウェハ１７面と平行になる角度、すなわち本実施例では３０°回転させる。その後、試料片３２を保持している探針３を、図４に示す探針移動機構１および探針位置コントローラ２３によって駆動し、微小試料片３２を試料ホルダ３３ａにデポジション膜を形成することで固着する。固着後、試料ホルダ３３ａを再びサイドエントリ型試料ステージ４２の軸線と平行な姿勢になるまで回転させた後、サイドエントリ型試料ステージ４２を前述した手段で真空容器６から引き抜き、例えばＴＥＭ装置（図示せず）に装填することでＴＥＭ観察が行える。試料ホルダ３３ａの回転は、ＴＥＭ観察の際の試料片３２の微妙な回転調整にも使用することで、より確実な分析が行える。
【００４４】
本実施例による構成を採ることで、真空容器６の大きさを第１の実施例と同等の大きさに抑えた、ウェハ１７の任意の個所の試料片３２を摘出可能な探針移動機構１と各種分析装置に装填可能なサイドエントリ型試料ステージ４２を搭載したＦＩＢ装置が実現できる。本ＦＩＢ装置を用いることで、真空容器６内で大口径ウェハ１７の任意の個所の試料片３２の試料ホルダ３３ａへの移載が可能となり、さらに試料ホルダ３３ａを載置しているサイドエントリ型試料ステージ４２を、真空容器６を大気にさらすことなく取り出す事で、速やかに各種の分析装置に装填、評価が行えるようになる。また試料ステージ微動手段として探針移動機構１と同方式を採ることで、装置の生産性、メンテナンス性、操作性の向上が実現できる。
【００４５】
図７は本発明の別の実施例の試料作製装置の断面図を示している。第２の実施例とは、図８に示す探針３に図１に記載した座標系で示すＹ軸廻りの回転自由度を付加した探針ホルダ１０を搭載した探針移動機構１と、図９に示す試料ホルダ３３ａにサイドエントリ型試料ステージ４２の中心軸廻りの回転自由度を付加した試料ステージ微動機構を用いている点が異なる。
【００４６】
図８を用いて、探針ホルダ１０の構成を説明する。同図（ａ）は探針３が突出した状態を示しており、（ｂ）は探針３が外筒４８に収納した状態を示している。探針３は板ばね５２を介して探針保持具４９に固定されており、探針保持具４９は回転自在な回転軸受５０を介して直進移動する内筒５１に保持される。内筒５１は回転方向の自由度を規制させて外筒４８内に挿入してあり、駆動軸５３とは回転自在な軸受５４を介して駆動軸５３に押圧させている。探針保持具４９の端は圧縮コイルバネ５９と接続しており、圧縮コイルバネ５９のもう一方の端は駆動軸５３と結合している。回転軸受５０の回転中心は、探針ホルダ１０の挿入傾斜角度分だけ探針ホルダ１０の中心線に対して傾斜させている。これによって、探針３は真空容器６内でウェハ１７面と平行に回転移動することが可能である。
【００４７】
駆動軸５３は回転および直進自在な軸受５５および真空シール（図示せず）を介在させて外筒４８内に挿入する。駆動軸５３の端部は外筒４８から突出する。
突出した駆動軸５３には歯車５６ｂを固定し、駆動軸５３の端面には直進移動のアクチュエータである微小送り機構５７を押圧させている。歯車５６ｂと噛み合う別の歯車５６ａを、駆動軸５３と平行に配し、歯車５６ａに回転移動用のつまみ４７を固定する。図示していないがこれら歯車５６ａ、５６ｂは回転自在な部材を介して保持されていることは言うまでもない。以上が探針３の回転、および収納の２自由度を有する探針ホルダ１０の基本的な構成である。
【００４８】
次に動作を説明する。微小送り機構５７を用いて駆動軸５３を直進移動させる。駆動軸５３の直進移動は外筒４８に伝達されることで、探針ホルダ１０に保持した探針３は回転することなく直進移動する。本構成とすることで、微細な探針ホルダ１０の真空容器６への挿入または引き抜きなどの取り回しの際の、微細な探針３の損傷などの事故を未然に防ぐことができ、操作者は安易に使用できる。
【００４９】
探針３の回転移動は、つまみ４７を回し、歯車５６ａ、５６ｂを介して駆動軸５３を回転運動させることでなされる。内筒５１の回転自由度は規制されているので、駆動軸５３の回転運動で内筒５１が回転移動することはなく、圧縮コイルバネ５９による弾性変形によって回転運動の方向が変化されるが、回転動力は探針保持具４９に伝達され、内筒５１と回転軸受５０を介して保持している探針保持具４９が回転移動する。以上述べてきたように単一の駆動軸５３の直進および回転運動の簡易な操作によって探針３は直進移動および回転移動することができる。
【００５０】
次に回転自由度付加したサイドエントリ型試料ステージ４２微動機構について、図９の実施例を用いて説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々の移動機構は図２および図３に示した探針移動機構１と同型であり、以下では変更点のみについて説明する。
【００５１】
本実施例では、サイドエントリ型試料ステージ４２の把持部６０に歯車６１ａを配し、歯車６１ａと噛み合う歯車６１ｂおよび歯車６１ｂを回転駆動する駆動源６２をＹ軸ステージ１９ａ配した点が第２の実施例と異なる点である。本実施例の構成とすることによって、サイドエントリ型試料ステージ４２は、試料ホルダ３３ａ部分を、サイドエントリ型試料ステージ４２ごと回転移動させることで、任意の角度に傾斜させることが可能である。また回転動力の伝達媒体として歯車６１ａ、６１ｂを用いることによって、サイドエントリ型試料ステージ４２の抜き差しになんら支障をきたすことなく、ねじ等の機械部品を用いずに、サイドエントリ型試料ステージ４２に結合している歯車６１ａと駆動源６２と結合している歯車６１ｂを結合することが可能である。
【００５２】
図１０は図７の試料作製装置で試料片３２を加工する操作を工程に分けて示したものである。本図を用いて本実施の試料作製装置による試料作製手段を説明する。ウェハ１７から試料片３２を摘出する（ａ）までは第１の実施例と同じ工程を採る。
【００５３】
ウェハ１７の極表面の分析を行う場合は、第２の実施例で説明したように探針３を回転させずに、そのままウェハ１７面と平行に回転移動させた試料設置部４３に移載する。ウェハ１７の深さ方向の分析を行う場合は、ウェハ１７から試料片３２を摘出後、探針３を９０度回転させ、必要に応じてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を駆動し、ウェハ１７の面と平行に回転移動させた試料設置部４３に、イオンビームアシストデポジション膜にて接着する（図１０（ｂ））。試料片３２を試料設置部４３に移載後、探針３を、微小送り機構５７を用いて外筒４８内に収納するように直進移動させる。次につまみ４７を回転し、試料設置部４３を保持する試料ホルダ３３ａの傾斜を戻す（図１０（ｃ））。この後駆動源６２を駆動させ試料設置部４３がＦＩＢ２７と対向するように試料ホルダ３３ａを回転移動させ、ＦＩＢ２７による試料片３２の成形加工を行う（図１０（ｄ））。
【００５４】
この際、加工の過程で試料ホルダ３３ａを回転、傾斜させて、図１０（ｂ）の姿勢にすることで、試料面からの二次粒子像を表示する画像表示器３８を通して随時観察面の状態を観察することが可能である。成形加工後、サイドエントリ型試料ステージ４２を真空容器６から引き抜き、例えばＴＥＭ等の分析装置にそのまま装填して分析することが可能である。
【００５５】
本実施例による試料作製装置によれば、ウェハ１７の極表面層および深さ方向の分析を可能とし、さらに各種分析装置に装填可能なサイドエントリ型試料ステージ４２と同形状であることから試料の分析を多岐に渡って実施することが可能であり、試料作製装置としての運用範囲を格段に拡大することができる。
【００５６】
以上の実施例では、説明上ＴＥＭ試料の作製、観察を一例として説明してきたが、ＴＥＭに限定されるものではなく、集束イオンビーム、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡、オージェ電子分光分析装置、電子プローブＸ線微小分析装置、電子エネルギ欠損分析装置、二次イオン質量分析装置、二次中性子イオン化質量分析装置、Ｘ線光電子分光分析装置、またはプローブを用いた電気計測装置のうちのいずれかに装填できる構成とすることで、試料面分析や観察が容易にできるようになることは当然である。
イオン源とイオン源からのイオンビームを集束するレンズとイオビームを偏向する偏向器と試料に照射するための対物レンズとから成るイオンビーム光学系を収納したイオビーム鏡筒を有する。更に、電子源と電子源からの電子ビームを集束するレンズと電子ビームを偏向する偏向器と試料に照射するための対物レンズとからなる電子ビーム光学系を収納した電子ビーム鏡筒を有する。このようなイオンビーム鏡筒と電子線鏡筒を有する荷電粒子線装置では、イオンビーム鏡筒と電子線鏡筒とが互いに試料ステージの試料載置面に対して相対的に傾斜させている。試料ステージに載置した試料から試料片をイオンビームで分離し探針の先端に取り付けられた針状部材にイオンビームとガスとで堆積接合して摘出する。取り出した試料片を電子線鏡筒の下に移動させ電子線が試料片の所定の部分に照射できるように試料片を保持している探針ホルダを回動させる。試料からの二次電子を検出器で検出して走査電子顕微鏡像を得ることも可能となる。
【００５７】
また以上述べてきた試料作製装置において、説明上ＦＩＢ２７のみに特化して記載しているが、例えば偏向器３０と対物レンズ３１をマスク板と投射レンズに置き換えて構成される投射イオンビームを用いた試料作製装置、あるいは、イオン源２５をレーザ光源に置き換えて構成されるレーザビームを用いた試料作製装置であっても、本発明と同様の効果が得られる。さらに以上述べてきた試料作製装置に、走査電子顕微鏡の光学系を付加した構成の試料作製装置としてもなんら問題はなく、その際は本発明の第３の実施例で示したＹ軸廻りの回転自由度を有する探針移動機構１を用いることによって、試料片３２をウェハ１７から摘出後、試料片３２を探針３毎走査型電子顕微鏡の光学系に対向させることで、試料片３２を高分解能に観察することができるようになる。
【００５８】
図１１は、本発明の探針移動機構１を、不良検査装置に適用した実施例を示す断面である。図において電子銃６５から放出された電子ビーム６６は電子ビーム光学系６７を通過し、ステージ３４上に積載したウェハ１７面に集束される。ステージ３４は、ステージ位置コントローラ３５によって制御され、ウェハ１７の評価する素子の位置を特定する。探針移動機構１は、本図では２式のみの記載であるが、紙面鉛直方向に互いに対向するようにさらに２式を配しており、不良検査装置として４式の探針移動機構１を備えている。
【００５９】
上記４式の探針移動機構１に配されている探針３は、ステージ３４とは独立に駆動可能な探針位置コントローラ２３によって、ウェハ１７上の評価素子の位置にそれぞれの探針３を移動させる。移動の際は、電子ビームコントローラ７１によって、ウェハ１７上の評価素子近傍に電子ビーム６６を走査し、ウェハ１７からの二次電子を二次電子検出器３７により検出し、上記部分の画像を画像表示器３８にひょうじさせ、確認しながら行う。
【００６０】
本実施例では、探針３が接触したウェハ１７の微小部分に電圧を印加できるように、各々の探針３には電源６９が接続している。同時に各々の探針３に流れる電流を測定できるように、電流計７０も接続している。評価方法の例として、ウェハ１７上に形成されたＭＯＳデバイスにおける場合を示す。まず三つの探針３を、それぞれソース電極、ゲート電極、ドレイン電極に接触させる。ここで探針３を用いてソース電極をアースに落とし、探針３によりゲート電極の電圧をパラメータとして振りながら、探針３によりドレイン電圧と、ソースードレイン間を流れるドレイン電流の関係を測定する。これによってＭＯＳの出力特性を得ることができる。これらの動作は中央演算処理装置４０によって一括して制御されている。
【００６１】
各々の探針３の移動機構は、図２および図３に示した斜入射型の探針移動機構１を用いることによって、大口径のウェハ１７の検査を小型の装置で実現でき、また探針３の交換などが容易に可能な構成であることから、装置の稼働率が向上できる。
【００６２】
図１２は、本発明の探針移動機構１を、試料観察装置に適用したときの断面図である。図において、イオン源２５から放出されたイオンビーム２７は、光学系２６を通ることでステージ３４上の所望の位置に集束される。集束されたイオンビームすなわちＦＩＢ２７は、ウェハ１７表面を走査した形状にスパッタすることで精密な加工が行える。ステージ３４上には、ウェハ１７や半導体チップ等を載置しており、ステージ位置コントローラ３５によってウェハ１７上の観察位置の特定を行う。探針移動機構１に装着された探針３は、ステージ３４とは独立に駆動可能な探針位置コントローラ２３によって、ウェハ１７上の観察位置まで移動させる。移動および加工の際は、ＦＩＢコントローラ３６によってウェハ１７の観察位置近傍にＦＩＢを走査して、ウェハ１７からの二次電子を二次電子検出器３７によって検出し、得られた二次粒子像を画像表示する画像表示器３８で表示、観察しながら行う。接触したウェハ１７の微小部分に電圧を印加できるよう、探針３には電源６９が接続されている。観察を行う場合は、観察したい回路を他の回路から電気的に孤立させるように、ＦＩＢにて回路周囲に溝加工を施す。
回路の一端に電圧を印加した探針３を接触させ、その回路に設計上接続されているであろう個所の観察を行う。もし断線もなく接続されている場合、コントラストが変化する（明るくなる）ため、回路の不良判定を行える。これらの動作は中央演算処理装置４０によって一括して制御される。本実施例において、探針３の移動機構は、図２および図３に示した斜入射型の探針移動機構１を用いることによって、大口径のウェハ１７の検査を小型の装置で実現でき、また探針３の交換などが容易に可能な構成であることから、装置の稼働率が向上できる。
【００６３】
また本実施例において、偏向器３０と対物レンズ３１をマスク板と投射レンズに置き換えて構成される投射イオンビームを用いた試料作製装置、あるいは、イオン源２５をレーザ光源に置き換えて構成されるレーザビームを用いた試料観察装置であっても、本発明と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施例の試料作製装置を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施例の試料作製装置用探針移動機構を示す断面図。
【図３】本発明の第１の実施例の試料作製装置用探針移動機構を示す平面図。
【図４】本発明の第２の実施例の試料作製装置を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施例の試料作製装置の要部拡大図。
【図６】本発明の第２の実施例の試料ステージを示す断面図および平面図。
【図７】本発明の第３の実施例の試料作製装置を示す断面図。
【図８】本発明の第３の実施例の探針ホルダを示す断面図および平面図。
【図９】本発明の第３の実施例の試料ステージ微動機構を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施例の試料作製装置の部分拡大図。
【図１１】本発明の第４の実施例の不良検査装置を示す断面図。
【図１２】本発明の第５の実施例の試料観察装置を示す断面図。
【図１３】従来の探針移動機構を備えた試料作製装置を示す断面図。
【符号の説明】
【００６５】
１…探針移動機構、２…エアロック室、３…探針、４…ベローズ、５…ベースフランジ、６…真空容器、７…真空シール、８…エアロックバルブ、９…エアロックバルブ開閉機構、１０…探針ホルダ、１１…エアロック室外筒、１２…排気管、１３…固定側フランジ、１４…電流導入端子、１５…プローブホルダストッパ、１６…導線、１７…ウェハ、１８ａ…Ｙ軸直進案内、１８ｂ…Ｚ軸直進案内、１８ｃ…Ｘ軸直進案内、１９ａ…Ｙ軸ステージ、１９ｂ…Ｚ軸ステージ、１９ｃ…Ｘ軸ステージ、２０…Ｙ軸ベース、２１ａ…Ｙ軸リニアアクチュエータ、２１ｂ…Ｚ軸リニアアクチュエータ、２１ｃ…Ｘ軸リニアアクチュエータ、２２ａ…Ｙ軸てこ、２２ｂ…Ｚ軸てこ、２２ｃ…Ｘ軸てこ、２３…探針位置コントローラ、２４…光学軸、２５…イオン源、２６…光学系、２７…イオンビーム、２８…ビーム制限アパーチャ、２９…集束レンズ、３０…偏向器、３１…対物レンズ、３２…試料片、３３ａ…試料ホルダ、３３ｂ…試料ホルダ、３４…ステージ、３５…ステージ位置コントローラ、３６…ＦＩＢコントローラ、３７…二次電子検出器、３８…画像表示機、３９…デポジションガス源、４０…中央演算処理装置、４１…試料ステージ微動手段、４２…サイドエントリ型試料ステージ、４３…試料設置部、４４…駆動軸、４５…突出部、４６…回転軸、４７…つまみ、４８…外筒、４９…探針保持具、５０…回転軸受、５１…内筒、５２…板ばね、５３…駆動軸、５４…軸受、５５…軸受、５６ａ…歯車ａ、５６ｂ…歯車ｂ、５７…微小送り機構、５８…つまみ、５９…圧縮コイルばね、６０…把持部、６１ａ…歯車ａ、６１ｂ…歯車ｂ、６２…駆動源、６３…駆動部、６４…ＴＥＭ装置、６５…電子銃、６６…電子ビーム、６７…電子ビーム光学系、６８…アパーチャ、６９…電源、７０…電流計、７１…電子ビームコントローラ、７２…絶縁材、７３…回転軸、７４…回転軸受、７５…集束レンズ、７６…偏向器、７７…対物レンズ、７８…試料ステージ位置コントローラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に試料を載置する試料ステージと、荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの荷電粒子ビームを試料に照射するための照射光学系と、試料に荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器と、先端を試料に接触可能な針状部材と、上記針状部材を保持する探針ホルダと、前記真空容器の外から前記探針ホルダを出し入れ可能とする導入機構と、上記探針ホルダを前記試料ステージの表面に対し傾斜させる機構を有する移動機構と、を具備したことを特徴とする試料作製装置。
【請求項２】
真空容器内に試料を載置する試料ステージと、第１の荷電粒子源と、前記第１の荷電粒子源からの荷電粒子ビームを前記試料ステージ上の試料の一部を分離加工する第１の照射光学系と、分離した試料片を摘出するための針状部材と、前記針状部材を保持する探針ホルダと、第２の荷電粒子源と、前記第２の荷電粒子源からの荷電粒子ビームを前記探針ホルダに取り付けられている試料片にまたは試料ステージ上の試料に照射する第２の照射光学系と、前記第１または第２の荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、前記針状部材を上記真空容器内で移動させ前記試料ステージの表面に対し傾斜させる構造を有する移動機構と、上記真空容器外から上記探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段と、を有することを特徴とする試料作製装置。
【請求項３】
前記第１の荷電粒子源と第１の照射光学系と、第２の荷電粒子源と第２の照射光学系とは前記試料ステージの試料載置面に対し相対的に傾斜して配置されていることを特徴する請求項２記載の試料作製装置。
【請求項４】
試料を載置する試料ステージと、
当該試料ステージを内部に有する試料室と、
イオンビームを試料に照射する照射光学系と、
前記イオンビームの照射により前記試料より分離した試料片を摘出する針状部材と、
摘出された前記試料片を載置する試料ホルダと、
少なくとも前記試料片に電子ビームを照射する電子ビーム光学系とを備え、
前記試料ステージの表面に対して前記針状部材を傾斜させる手段を備えることを特徴とする試料作製装置。
【請求項５】
前記試料ホルダを搭載し、前記試料室内に導入可能なサイドエントリ型ステージを備えることを特徴とする請求項４に記載の試料作製装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の試料作製装置において、
前記試料ホルダに前記試料片を載置した後に当該試料片に前記イオンビームを照射することを特徴とする試料作製装置。
【請求項１】
真空容器内に試料を載置する試料ステージと、荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの荷電粒子ビームを試料に照射するための照射光学系と、試料に荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器と、先端を試料に接触可能な針状部材と、上記針状部材を保持する探針ホルダと、前記真空容器の外から前記探針ホルダを出し入れ可能とする導入機構と、上記探針ホルダを前記試料ステージの表面に対し傾斜させる機構を有する移動機構と、を具備したことを特徴とする試料作製装置。
【請求項２】
真空容器内に試料を載置する試料ステージと、第１の荷電粒子源と、前記第１の荷電粒子源からの荷電粒子ビームを前記試料ステージ上の試料の一部を分離加工する第１の照射光学系と、分離した試料片を摘出するための針状部材と、前記針状部材を保持する探針ホルダと、第２の荷電粒子源と、前記第２の荷電粒子源からの荷電粒子ビームを前記探針ホルダに取り付けられている試料片にまたは試料ステージ上の試料に照射する第２の照射光学系と、前記第１または第２の荷電粒子ビームの照射によって発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、前記針状部材を上記真空容器内で移動させ前記試料ステージの表面に対し傾斜させる構造を有する移動機構と、上記真空容器外から上記探針ホルダを出し入れ可能とする導入手段と、を有することを特徴とする試料作製装置。
【請求項３】
前記第１の荷電粒子源と第１の照射光学系と、第２の荷電粒子源と第２の照射光学系とは前記試料ステージの試料載置面に対し相対的に傾斜して配置されていることを特徴する請求項２記載の試料作製装置。
【請求項４】
試料を載置する試料ステージと、
当該試料ステージを内部に有する試料室と、
イオンビームを試料に照射する照射光学系と、
前記イオンビームの照射により前記試料より分離した試料片を摘出する針状部材と、
摘出された前記試料片を載置する試料ホルダと、
少なくとも前記試料片に電子ビームを照射する電子ビーム光学系とを備え、
前記試料ステージの表面に対して前記針状部材を傾斜させる手段を備えることを特徴とする試料作製装置。
【請求項５】
前記試料ホルダを搭載し、前記試料室内に導入可能なサイドエントリ型ステージを備えることを特徴とする請求項４に記載の試料作製装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の試料作製装置において、
前記試料ホルダに前記試料片を載置した後に当該試料片に前記イオンビームを照射することを特徴とする試料作製装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−４７１６２（Ｐ２００７−４７１６２Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１４０３４（Ｐ２００６−２１４０３４）
【出願日】平成１８年８月７日（２００６．８．７）
【分割の表示】特願２０００−３４０３８７（Ｐ２０００−３４０３８７）の分割
【原出願日】平成１２年１１月２日（２０００．１１．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月７日（２００６．８．７）
【分割の表示】特願２０００−３４０３８７（Ｐ２０００−３４０３８７）の分割
【原出願日】平成１２年１１月２日（２０００．１１．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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