複合荷電粒子ビーム装置及び加工観察方法
【課題】試料を汚染することなく加工しつつ観察することができる複合荷電粒子ビーム装置を提供する。
【解決手段】本発明の複合荷電粒子ビーム装置は、ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系２０と、その照射軸がイオンビーム照射系２０の照射軸に対し９０度又は９０度よりも狭い角度に配置された電子ビーム照射系５０と、前記イオンビーム照射系２０から射出されるイオンビーム２０Ａと前記電子ビーム照射系５０から射出される電子ビーム５０Ａとの交差位置で試料を支持する試料台１４と、前記試料上のビーム照射位置にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃１１と、を備えていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の複合荷電粒子ビーム装置は、ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系２０と、その照射軸がイオンビーム照射系２０の照射軸に対し９０度又は９０度よりも狭い角度に配置された電子ビーム照射系５０と、前記イオンビーム照射系２０から射出されるイオンビーム２０Ａと前記電子ビーム照射系５０から射出される電子ビーム５０Ａとの交差位置で試料を支持する試料台１４と、前記試料上のビーム照射位置にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃１１と、を備えていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合荷電粒子ビーム装置及び加工観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体プロセスの評価に用いられる加工観察装置として、加工用のイオンビーム照射系と、観察用の電子ビーム照射系とを備えた装置が知られている（特許文献１〜４参照）。また、集束イオンビームとガス銃を用いたデポジションにより微細立体構造物を形成する方法が知られている（特許文献５参照）。
【特許文献１】特開平２−１２３７４９号公報
【特許文献２】特開平６−２３１７２０号公報
【特許文献３】特開平７−１６９４２９号公報
【特許文献４】特開２００５−３１０７５７号公報
【特許文献５】国際公開第０２／０４４０７９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上に挙げた特許文献に記載の技術では、試料の加工にガリウムイオンビームを用いているため、加工による試料へのイオン注入が避けられない。特に、半導体製造工程から抜き取った試料（ウェハ）の加工観察を行う場合には、ガリウムイオンで汚染されると工程に戻せなくなる。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、試料を汚染することなく加工しつつ観察することができる複合荷電粒子ビーム装置を提供することを目的としている。特に、ガスフィールドイオン源から得られる極微細ビームによる超微細加工・観察を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の複合荷電粒子ビーム装置は、上記課題を解決するために、ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系と、その照射軸が前記イオンビーム照射系の照射軸に対し９０度又は９０度よりも狭い角度に配置された電子ビーム照射系と、前記イオンビーム照射系から射出されるイオンビームと前記電子ビーム照射系から射出される電子ビームとの交差位置で試料を支持する試料台と、前記試料上のビーム照射位置にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃と、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、イオンビーム照射系とガス銃とを備えているので、ガスアシストデポジションによる構造物の形成、及びガスアシストエッチングによる試料の加工等を迅速かつ容易に行うことができる。特にガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系は、ビーム径を１ｎｍ以下にまで小さく絞ることができるため高精度の加工が可能である。
さらに電子ビーム照射系を備えているので、イオンビーム照射系による試料加工を行いつつ、電子ビーム照射系を用いた試料観察を行うことができる。したがって、例えば加工用途であれば、加工の仕上がり具合を確認しながらイオンビームによる加工を実施することができる。
またイオンビーム照射系がガスイオン源を用いているため、イオンビームの照射によって試料が汚染されることが無い。したがって、半導体装置の製造工程から抜き取った試料を本発明の複合荷電粒子ビーム装置で加工観察した後にも、試料を工程に戻すことができ、製品を無駄にすることが無くなる。
【０００６】
前記イオンビーム照射系が前記試料台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記電子ビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
このようにイオンビーム照射系を試料台の鉛直上方に配置することで、ビーム径が小さく高精度の位置制御を要するイオンビーム照射系を用いた加工観察をより容易に行えるようになる。
【０００７】
前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記イオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることが好ましい。
かかる構成のガスフィールドイオン源により、小さいビーム径のイオンビームを安定的に形成できる。
【０００８】
前記イオンが、ヘリウムイオンであることが好ましい。
この構成により、試料のスパッタをほとんど生じさせることなく試料像を得ることができるイオンビーム照射系を備えた複合荷電粒子ビーム装置となる。
【０００９】
前記イオンビーム又は前記電子ビームの照射によって試料から発生する二次荷電粒子と前記試料を透過した荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出装置と、前記検出装置の出力に基づいて前記試料の画像を表示する画像表示装置とを備えていることが好ましい。
この構成により、イオンビーム照射又は電子ビームによる試料像の観察が可能な構成となる。
【００１０】
前記検出装置が、電子検出器、イオン検出器、及び透過荷電粒子検出器の少なくとも１つを備えていることが好ましい。すなわち、イオンビーム照射又は電子ビーム照射により試料から発生する二次電子、二次イオン、及び透過荷電粒子のいずれかを検出できるものを備えていることが好ましい。
【００１１】
本発明の加工観察方法は、ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系から試料に対してイオンビームを照射するとともに前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給することで前記試料を加工するステップと、前記試料に電子ビームを照射して前記試料を観察するステップとを有することを特徴とする。
この加工観察方法によれば、ガスを供給しながらのイオンビーム照射によるガスアシストデポジションやガスアシストエッチングによって試料の加工を迅速に効率よく行うことができる。また電子ビーム照射により試料の破損を回避しつつ観察することできる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつを行うことができる。
特に本発明では、ビーム径を小さく絞ることができるを備えたイオンビーム照射系を用いているので、微細かつ高精度の加工を容易に行うことができ、より高度の加工観察を実施することができる。
なお、上記では、イオンビーム照射によるガスアシスト加工について述べたが、電子ビーム照射によるガスアシスト加工も行うことができる。
さらに、絶縁物加工観察時に帯電防止のために逆電荷の電子又はイオンビームを照射することもできる。
【００１２】
前記電子ビームを、前記イオンビームと鋭角又は概略９０度で交差する方向から前記試料に照射することが好ましい。
この加工観察方法によれば、イオンビームによる加工の後、試料の位置をほとんど調整することなく連続して電子ビームを用いた観察を行うことができ、迅速な観察が可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の複合荷電粒子ビーム装置によれば、ガスアシストデポジションによる構造物の形成、及びガスアシストエッチングによる試料の加工等を迅速かつ容易に行うことができる。特にガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系は、ビーム径を１ｎｍ以下にまで小さく絞ることができるため高精度の加工が可能である。
また本発明の加工観察方法によれば、ガスを供給しながらのイオンビーム照射によるガスアシストデポジションやガスアシストエッチングによって試料の加工を迅速に効率よく行うことができる。また電子ビーム照射により試料の破損を回避しつつ観察することできる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の複合荷電粒子ビーム装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置の概略斜視図である。図２は、複合荷電粒子ビーム装置１００の概略断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００は、真空室１３と、イオンビーム照射系２０と、電子ビーム照射系５０と、試料ステージ１６と、マニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とを備えている。真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、上記の各構成品はそれらの一部又は全部が真空室１３内に配置されている。
【００１６】
本実施形態において、集束イオンビーム鏡筒を備えたイオンビーム照射系２０から真空室１３内に配置された試料ステージ１６上の試料（加工対象物あるいは観察対象物）に対してイオンビーム（集束イオンビーム）２０Ａを照射する。電子ビーム照射系５０は、電子ビーム鏡筒から射出される電子ビーム５０Ａを、イオンビーム２０Ａと同一位置の試料上に照射する。
【００１７】
電子ビーム照射系５０は、図２に示すように、電子を放出する電子源５４と、電子源５４から放出された電子をビーム状に成形するとともに走査する電子光学系５５とを備えている。電子ビーム照射系５０としては公知の構成を採用することができる。
電子ビーム照射系５０から射出される電子ビームを試料Ｗａに照射することによって発生した二次電子を、二次荷電粒子検出器１８で検出して試料ＷａのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を取得する。また、試料を透過した電子を透過荷電粒子検出器１９で検出してＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像ないしＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）像を取得することができる。
【００１８】
イオンビーム照射系２０は、イオンを発生させるとともに流出させるガスフィールドイオン源２１と、ガスフィールドイオン源２１から流出したイオンを集束イオンビーム（イオンビーム２０Ａ）に成形し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに照射するイオン光学系２５とを備えている。
【００１９】
イオン光学系２５は、例えば、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。
【００２０】
ここで図３は、ガスフィールドイオン源２１を示す概略断面図である。
図３に示すように、ガスフィールドイオン源２１は、イオン発生室２１ａと、エミッタ２２と、引出電極２３と、冷却装置２４とを備えて構成されている。イオン発生室２１ａの壁部に冷却装置２４が配設されており、冷却装置２４のイオン発生室２１ａに臨む面に針状のエミッタ２２が装着されている。冷却装置２４は、内部に収容された液体窒素等の冷媒によってエミッタ２２を冷却する。そして、イオン発生室２１ａの開口端近傍に、エミッタ２２の先端２２ａと対向する位置に開口部２３ａを有する引出電極２３が配設されている。
【００２１】
イオン発生室２１ａは、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。イオン発生室２１ａには、ガス導入管２６ａを介してガス供給源２６が接続されており、イオン発生室２１ａ内に微量のガス（例えばヘリウムガス）を供給するようになっている。
なお、ガスフィールドイオン源２１においてガス供給源２６から供給されるガスは、ヘリウムに限られるものではなく、ネオン、アルゴン、キセノン等のガスであってもよい。また、ガス供給源２６から複数種のガスを供給可能に構成し、イオンビーム照射系２０の用途に応じてガス種を切り替えられるようにしてもよい。
【００２２】
エミッタ２２は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものからなる部材であり、その先端２２ａは原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。またエミッタ２２は、イオン源の動作時には冷却装置２４によって７８Ｋ程度以下の低温に保持される。エミッタ２２と引出電極２３との間には、電源２７によって電圧が印加されるようになっている。
【００２３】
エミッタ２２と引出電極２３との間に電圧が印加されると、鋭く尖った先端２２ａにおいて非常に大きな電界が形成されるとともに、分極してエミッタ２２に引き寄せられたヘリウム原子２６ｍが、先端２２ａのうちでも電界の高い位置で電子をトンネリングにより失ってヘリウムイオンとなる（電界イオン化）。そして、このヘリウムイオンが正電位に保持されているエミッタ２２と反発して引出電極２３側へ飛び出し、引出電極２３の開口部２３ａからイオン光学系２５へ射出されたヘリウムイオンがイオンビームを構成する。
【００２４】
エミッタ２２の先端２２ａは極めて尖鋭な形状であり、ヘリウムイオンはこの先端２２ａから飛び出すため、ガスフィールドイオン源２１から放出されるイオンビームのエネルギー分布幅は極めて狭く、プラズマ型ガスイオン源３４や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。
【００２５】
なお、エミッタ２２への印加電圧が大きすぎると、ヘリウムイオンとともにエミッタ２２の構成元素（タングステンや白金）が引出電極２３側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にエミッタ２２に印加する電圧は、エミッタ２２自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。
一方、このようにエミッタ２２の構成元素を操作できることを利用して、先端２２ａの形状を調整することができる。例えば、先端２２ａの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。
またエミッタ２２は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端２２ａの尖鋭形状を回復することもできる。
【００２６】
図１及び図２に戻り、試料ステージ１６は、試料台１４と試料ホルダ１５とを移動可能に支持している。試料台１４上には試料Ｗａ（例えば半導体ウエハ等）が載置され、試料ホルダ１５上には、試料Ｗａから作製される微小な試料Ｗｂが載置される。そして、試料ステージ１６は、試料台１４及び試料ホルダ１５を５軸で変位させることができる。すなわち、試料台１４を水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿ってそれぞれ移動させるＸＹＺ移動機構１６ｂと、試料台１４をＺ軸回りに回転させるローテーション機構１６ｃと、試料台１４をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させるチルト機構１６ａとを備えて構成されている。試料ステージ１６は、試料台１４を５軸に変位させることで、試料Ｗａ（試料Ｗｂ）の特定位置をイオンビームが照射される位置に移動するようになっている。
【００２７】
真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、真空室１３内にはマニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とが設けられている。
マニピュレータ１７は、試料Ｗａから作製される試料Ｗｂを支持するものであり、試料Ｗｂを指示した状態でマニピュレータ１７と試料ホルダ１５とを相対的に移動させることで、試料台１４から試料ホルダ１５に試料Ｗｂを運搬する。運搬に際しては、マニピュレータ１７を固定した状態で試料ステージ１６を駆動して試料ホルダ１５を試料Ｗｂが支持されている位置まで移動させてもよく、マニピュレータ１７を移動させて試料Ｗｂを運搬してもよい。
【００２８】
二次荷電粒子検出器１８は、イオンビーム照射系２０又は電子ビーム照射系５０から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビーム又は電子ビームが照射された際に、試料Ｗａ又は試料Ｗｂから発せられる二次電子や二次イオンを検出する。また透過荷電粒子検出器１９は、イオンビーム照射系２０又は電子ビーム照射系から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビーム又は電子ビームが照射された際に試料Ｗａ又は試料Ｗｂを透過したイオンないし電子を検出する。
【００２９】
ガス銃１１は、試料Ｗａ、Ｗｂへエッチングガスやデポジションガス等の所定のガスを放出する。そして、ガス銃１１からエッチングガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂにイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビームによる試料のエッチング速度を高めることができる。一方、ガス銃１１からデポジションガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂにイオンビームを照射すれば、試料Ｗａ、Ｗｂ上に金属や絶縁体の堆積物を形成することができる。
【００３０】
また、複合荷電粒子ビーム装置１００は、当該装置を構成する各部を制御する制御装置３０を備えている。制御装置３０は、イオンビーム照射系２０、電子ビーム照射系５０、二次荷電粒子検出器１８、透過荷電粒子検出器１９、及び試料ステージ１６と接続されている。また、二次荷電粒子検出器１８あるいは透過荷電粒子検出器１９からの出力に基づき試料Ｗａ及び試料Ｗｂを映像として表示する表示装置３８を備えている。
【００３１】
制御装置３０は、複合荷電粒子ビーム装置１００を総合的に制御するとともに、二次荷電粒子検出器１８又は透過荷電粒子検出器１９で検出された二次荷電粒子又は透過荷電粒子を輝度信号に変換して画像データを生成し、この画像データを表示装置３８に出力している。これにより表示装置３８は、上述したように試料像を表示できるようになっている。
【００３２】
また制御装置３０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの位置や姿勢を調整する。これにより、試料表面におけるイオンビームの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。例えば、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０との切替操作に連動して試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａや試料Ｗｂを移動させたり、傾けることができるようになっている。
【００３３】
以上の構成を備えた本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００では、電界放出型イオン源２１を備えたイオンビーム照射系２０について、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。このようにビーム径を小さく絞ることができるイオンビーム照射系２０を備えていることで、試料に対して微細な加工（エッチング、デポジション）を施すことが可能である。
【００３４】
なお、イオンビーム２０Ａをヘリウムイオンにより構成すると、単にイオンビームを試料に照射したのでは試料はほとんどエッチングされないが、ガス銃１１からエッチングアシスト用のガスを供給しながらイオンビーム２０Ａを試料に照射することで、実用的な速度で試料を加工することができる。またイオンビーム２０Ａを、ヘリウムイオンよりも質量の大きいネオンイオンやアルゴンイオンによって構成すれば、加工効率を向上させることができる。
【００３５】
そして、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００では、イオンビーム照射系２０とともに電子ビーム照射系５０が備えられているので、イオンビーム照射系２０を用いて試料Ｗａ又は試料Ｗｂを加工するとともに、電子ビーム照射系５０を用いた試料Ｗａ又は試料Ｗｂの観察が可能である。すなわち、イオンビーム照射系２０用いた加工途中に、電子ビーム照射系５０を用いたＳＥＭ、ＳＴＥＭ観察が可能である。したがって本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００によれば、仕上がり具合を確認しながらイオンビーム照射系２０による加工を行うことができ、正確な位置、寸法に仕上げることができる。
【００３６】
さらに本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００では、イオンビーム照射系２０を用いた試料観察を行うこともできる。イオンビーム２０Ａでは、試料における相互作用体積が表面からの深さ方向に長く延び、試料表面での面方向の広がりは小さくなることから、イオンビームを照射した位置の情報を正確に反映した試料像を得ることができ、試料のチャージアップも抑えることができる。さらに、ヘリウムイオンの運動量は電子の運動量に対して非常に大きいため、試料表面からより多くの二次電子が放出される。
これらにより、イオンビーム２０Ａを試料に照射して二次荷電粒子像観察を行うことで、高分解能かつ高コントラストの試料像を得ることができる。
【００３７】
また複合荷電粒子ビーム装置１００は、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０とを備えているので、例えば絶縁物の加工観察において、一方のビーム照射による帯電を他方のビーム照射による逆電荷の供給によって中和することができる。
【００３８】
また本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００は、イオンビーム照射系２０に液体金属イオン源を用いていない。したがって、複合荷電粒子ビーム装置１００での処理に供した試料が金属イオン（ガリウムイオン等）に汚染されることがなく、例えば半導体装置の製造工程から抜き取った試料を検査した後、この試料を再び工程に戻すことが可能になる。これにより、抜き取り検査で使用した試料を無駄にすることがなくなる。
【００３９】
本実施形態では、図２に示したように、イオンビーム照射系２０を試料ステージ１６の鉛直上方に配置し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対してイオンビーム２０Ａを鉛直方向に照射する。一方、電子ビーム照射系５０は鉛直方向に対して傾いて配置され、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して斜め方向に電子ビーム５０Ａを照射するようになっている。このように、ヘリウムイオンからなるイオンビーム２０Ａを鉛直方向に沿って射出させる構成とすれば、イオンビーム２０Ａによる加工に際して高精度のステージ制御が容易になり、所望の精度を得やすくなる。
【００４０】
本実施形態において、イオンビーム２０Ａと電子ビーム５０Ａとの交差角度は、２０°以上７０°以下とすることが好ましい。このような範囲とすることで、イオンビーム２０Ａにより加工された部位に対して、好適な角度で電子ビーム５０Ａを照射することができる。したがって、試料台１４を移動させることなく、イオンビーム２０Ａとは異なる角度から、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの加工位置を正確に観察することができる。
【００４１】
なお、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０の配置は、図２に示したものに限定されず、種々の配置形態を採用することが可能である。例えば、図２において、イオンビーム照射系２０を試料Ｗａの鉛直方向に対して斜めに配置し、水平配置された試料Ｗａ又はＷｂに対して斜め方向からイオンビーム２０Ａを照射するように配置してもよい。
【００４２】
［加工観察方法及び加工方法］
次に、先の実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００を用いた加工観察方法について、図面を参照しつつ説明する。複合荷電粒子ビーム装置１００は、試料の断面加工観察、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製及び観察等の試料加工観察用途に好適に用いることができる。
【００４３】
＜断面加工観察＞
図４は、複合荷電粒子ビーム装置１００による試料の断面加工観察方法を示す図である。なお、図４では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示している。
本例の加工観察方法では、試料Ｗａの加工にイオンビーム照射系２０を用い、加工された試料Ｗａの観察に電子ビーム照射系５０を用いる。
【００４４】
まず、図４（ａ）に示すように、試料Ｗａの表面にイオンビーム２０Ａを走査しつつ照射することにより試料Ｗａの表面部を部分的に除去し、断面矩形状の凹部Ｗｒを形成する。このとき、ガス銃１１からアシスト用のエッチングガスを供給しながらイオンビーム２０Ａの照射を行うことで、迅速に凹部Ｗｒを形成することができる。
そして、図４（ｂ）に示すように、形成した凹部Ｗｒの内壁として露出した面Ｗｓに対して、電子ビーム５０Ａを照射することで、発生した二次電子を二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。
【００４５】
本例の加工観察方法によれば、イオンビーム照射系２０に対して電子ビーム照射系５０が斜め向きに配置されていることから、イオンビーム２０Ａによる加工後に試料Ｗａを改めて傾斜させることなく面Ｗｓを観察することができ、迅速な加工観察が可能である。
また、試料Ｗａに対して金属イオンを照射しないので、金属イオン注入による試料Ｗａの汚染を生じさせることがなく、試料Ｗａの状態を変化させることなく加工観察することができる。
【００４６】
さらに本例の加工観察方法において、イオンビーム照射系２０による断面加工と、電子ビーム照射系５０による断面観察とを交互に連続的に行う断面加工観察も可能である。すなわち、図４（ｂ）に示した電子ビーム照射系５０による断面観察の後、面Ｗｓの近傍にイオンビーム２０Ａを照射することで面Ｗｓを含む部分を選択的に除去する。この加工により新たに露出した断面に電子ビーム５０Ａを照射して観察を行う。そして、図４（ｃ）に示すように、加工により順次露出する断面を観察することで、試料Ｗａについて三次元的に加工観察することができる。
【００４７】
なお、本例の加工観察方法において、イオンビーム照射系２０を用いた試料観察（ＳＩＭ観察）も可能である。すなわち、イオンビーム照射系２０から射出されるヘリウムイオンビームを試料に照射することで発生する二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出することで、電子ビーム照射系５０を用いた場合とコントラストの異なる試料像を得ることができる。
【００４８】
＜微細構造の形成＞
図５は、複合荷電粒子ビーム装置１００による試料への微細構造形成方法（加工方法）を示す図である。本例の加工方法では、試料基板Ｗｃ上への微細構造形成にイオンビーム照射系２０及びガス銃１１を用いる。
【００４９】
まず、図５（ａ）に示すように、試料基板Ｗｃ上にガス銃１１からデポジション用ガスを吹き付けながら、イオンビーム２０Ａを照射することで、例えばカーボンや金属からなる第１の構造物１１０を形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、第１の構造物１１０上にガス銃１１からデポジション用ガスを吹き付けつつ、イオンビーム２０Ａを照射して、第１の構造物１１０上に第２の構造物１１１を形成する。
【００５０】
以後同様にして、第２の構造物１１１上に構造物を形成することで、試料基板Ｗｃ上に任意の立体形状を有する微細構造を形成することができる。例えば、図５（ｃ）に示すような直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微小なコイル１１３や、図５（ｄ）に示すような直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微小なドリル１１４等を形成することができる。
【００５１】
本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００を用いた加工方法によれば、ビーム径を小さく絞ることができるイオンビーム２０Ａを用いたデポジションにより微細構造の形成を行うことができ、微小寸法の構造物を容易かつ正確に形成することができる。
また、形成した構造物に対して電子ビーム照射系５０から電子ビーム５０Ａを照射して構造物を観察することができる。このような加工方法とすれば、構造物の仕上がり具合を確認しながら微細加工を施すことができるため、歩留まりよく微細構造を形成することができる。この加工方法は、例えば、極めて尖鋭な先端形状が要求されるアトムプローブの製造（エッチング加工）にも好適に用いることができる。
なお、コイル１１３やドリル１１４のような軸対称の構造物を形成する場合には、試料台１４又は試料ホルダ１５を水平面内で回転させる試料ステージ１６を用いることが好ましい。これにより、微細構造を容易かつ高精度に形成することができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図６は、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０の配置を変更した複合荷電粒子ビーム装置２００を示す図である。図６に示す複合荷電粒子ビーム装置２００では、試料Ｗａの鉛直上方にイオンビーム照射系２０が配置される一方、試料Ｗａの側方に電子ビーム照射系５０が配置されている。イオンビーム２０Ａと電子ビーム５０Ａとは、互いに略直交するように射出される。また、透過荷電粒子検出器１９は、電子ビーム５０Ａの延長上に配置されている。また本実施形態では、試料ステージ１６として、試料台１４及び試料ホルダ１５の少なくとも一方を０°〜９０°の範囲で傾斜可能なものを用いることが好ましい。
【００５３】
図６に示すように、イオンビーム２０Ａと電子ビーム５０Ａが互いに略直交するように配置されていることで、イオンビーム照射系２０によって加工した試料の加工面に対して電子ビーム５０Ａを垂直に入射させることができる。したがって図６に示す複合荷電粒子ビーム装置２００によれば、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製やアトムプローブなどのナノオーダーサイズの加工を、電子ビーム照射系５０を用いた観察により仕上がり具合を確認しながら効率よく実施することができる。
【００５４】
また、図６に示す配置とすることで、イオンビーム照射系２０の鏡筒と電子ビーム照射系５０の鏡筒とが干渉しにくくなるので、電子ビーム照射系５０を試料Ｗａ又は試料Ｗｂに接近させ、ＷＤ（Working Distance）を小さくすることができる。これにより、電子ビーム５０Ａのビーム径を小さく絞ることができるので、高分解能の観察が可能になる。
【００５５】
なお、複合荷電粒子ビーム装置２００において、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０とを入れ替えて配置してもよいのはもちろんであり、この場合にも同様の作用効果を得ることができる。
【００５６】
＜ＴＥＭ試料作製及び観察＞
図７は、複合荷電粒子ビーム装置２００によるＴＥＭ試料の加工方法を示す図である。
本例の加工方法では、試料Ｗａの加工をイオンビーム照射系２０を用いて行い、ＴＥＭ試料である試料Ｗｂを得て、これを電子ビーム照射系５０を用いて観察する。
【００５７】
まず、図７（ａ）に示すように、試料Ｗａの表面にイオンビーム２０Ａを走査しつつ照射することにより部分的に除去し、ＴＥＭ試料である試料Ｗｂとなる部分の両側に、底面がスロープ状の凹部Ｗｒ、Ｗｒを形成する。さらに、図７（ｂ）に示すように、試料Ｗｂの観察領域となる部分が所望の厚さの薄膜となるまでイオンビーム２０Ａにより加工する。
このとき、ガス銃１１を併用したガスアシストエッチング又はガスアシストデポジションを行うことが好ましい。ガス銃１１を併用することでエッチング及びデポジションの加工速度を向上させることができ、効率よく試料Ｗｂを作製することができる。
その後、試料Ｗｂをマニピュレータ１７を用いて試料Ｗａから取り出すことで、ＴＥＭ試料としての試料Ｗｂが得られる。
【００５８】
さらに本発明の複合荷電粒子ビーム装置１００では、作製した試料Ｗｂの観察を行うことができる。すなわち、図７（ｃ）に示すように、取り出された試料Ｗｂをマニピュレータ１７によって試料ホルダ１５に移動させる。そして、かかる試料Ｗｂに対して電子ビーム５０Ａを照射し、透過電子を透過荷電粒子検出器１９で検出する。さらに試料Ｗｂの追加加工が必要な場合は、試料ホルダ１５上でイオンビーム２０Ａにより追加加工を行うことができる。このようにして、透過荷電粒子検出器１９の検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。
【００５９】
この加工方法によれば、ＴＥＭ試料の作製に際して、ビーム径を小さく絞れるイオンビーム照射系２０を用いて加工を行うので、観察対象となる薄膜部分が高精度に仕上げられた試料Ｗｂを得ることができる。また試料Ｗａ、Ｗｂに対して金属イオンを照射しないので、金属イオンの注入によって試料に悪影響が及ぶのを回避できる。
【００６０】
特に、試料ステージ１６として、試料台１４又は試料ホルダ１５を水平方向に対して０°〜９０°の範囲で自在に傾斜させることができるものを備えていれば、加工時及び観察時におけるビーム入射角に大きな自由度が得られる。したがって、多様な形態での観察を容易に行えるようになる。また本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置２００を用いて微細構造を形成する場合にも同様の作用が得られ、微細構造を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略構成図。
【図２】第１実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略断面図。
【図３】電界放出型イオン源の断面図。
【図４】加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図。
【図５】加工方法の一形態である微細構造形成方法を示す図。
【図６】第２実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略構成図。
【図７】加工観察方法の一形態であるＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図。
【符号の説明】
【００６２】
１１ ガス銃、１３ 真空室、１４ 試料台、１５ 試料ホルダ、１６ 試料ステージ、１７ マニピュレータ、１８ 二次荷電粒子検出器、１９ 透過荷電粒子検出器、２０ イオンビーム照射系、２０Ａ イオンビーム、２１ ガスフィールドイオン源、２１ａ イオン発生室、２２ エミッタ、２２ａ 先端、２３ 引出電極、２３ａ 開口部、２４ 冷却装置、２５ イオン光学系、２６ ガス供給源、２６ａ ガス導入管、２６ｍ ヘリウム原子、２７ 電源、３０ 制御装置、３８ 表示装置、５０ 電子ビーム照射系、５０Ａ 電子ビーム、Ｗａ 試料、Ｗｂ 試料、１００，２００ 複合荷電粒子ビーム装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合荷電粒子ビーム装置及び加工観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体プロセスの評価に用いられる加工観察装置として、加工用のイオンビーム照射系と、観察用の電子ビーム照射系とを備えた装置が知られている（特許文献１〜４参照）。また、集束イオンビームとガス銃を用いたデポジションにより微細立体構造物を形成する方法が知られている（特許文献５参照）。
【特許文献１】特開平２−１２３７４９号公報
【特許文献２】特開平６−２３１７２０号公報
【特許文献３】特開平７−１６９４２９号公報
【特許文献４】特開２００５−３１０７５７号公報
【特許文献５】国際公開第０２／０４４０７９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上に挙げた特許文献に記載の技術では、試料の加工にガリウムイオンビームを用いているため、加工による試料へのイオン注入が避けられない。特に、半導体製造工程から抜き取った試料（ウェハ）の加工観察を行う場合には、ガリウムイオンで汚染されると工程に戻せなくなる。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、試料を汚染することなく加工しつつ観察することができる複合荷電粒子ビーム装置を提供することを目的としている。特に、ガスフィールドイオン源から得られる極微細ビームによる超微細加工・観察を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の複合荷電粒子ビーム装置は、上記課題を解決するために、ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系と、その照射軸が前記イオンビーム照射系の照射軸に対し９０度又は９０度よりも狭い角度に配置された電子ビーム照射系と、前記イオンビーム照射系から射出されるイオンビームと前記電子ビーム照射系から射出される電子ビームとの交差位置で試料を支持する試料台と、前記試料上のビーム照射位置にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃と、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、イオンビーム照射系とガス銃とを備えているので、ガスアシストデポジションによる構造物の形成、及びガスアシストエッチングによる試料の加工等を迅速かつ容易に行うことができる。特にガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系は、ビーム径を１ｎｍ以下にまで小さく絞ることができるため高精度の加工が可能である。
さらに電子ビーム照射系を備えているので、イオンビーム照射系による試料加工を行いつつ、電子ビーム照射系を用いた試料観察を行うことができる。したがって、例えば加工用途であれば、加工の仕上がり具合を確認しながらイオンビームによる加工を実施することができる。
またイオンビーム照射系がガスイオン源を用いているため、イオンビームの照射によって試料が汚染されることが無い。したがって、半導体装置の製造工程から抜き取った試料を本発明の複合荷電粒子ビーム装置で加工観察した後にも、試料を工程に戻すことができ、製品を無駄にすることが無くなる。
【０００６】
前記イオンビーム照射系が前記試料台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記電子ビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
このようにイオンビーム照射系を試料台の鉛直上方に配置することで、ビーム径が小さく高精度の位置制御を要するイオンビーム照射系を用いた加工観察をより容易に行えるようになる。
【０００７】
前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記イオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることが好ましい。
かかる構成のガスフィールドイオン源により、小さいビーム径のイオンビームを安定的に形成できる。
【０００８】
前記イオンが、ヘリウムイオンであることが好ましい。
この構成により、試料のスパッタをほとんど生じさせることなく試料像を得ることができるイオンビーム照射系を備えた複合荷電粒子ビーム装置となる。
【０００９】
前記イオンビーム又は前記電子ビームの照射によって試料から発生する二次荷電粒子と前記試料を透過した荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出装置と、前記検出装置の出力に基づいて前記試料の画像を表示する画像表示装置とを備えていることが好ましい。
この構成により、イオンビーム照射又は電子ビームによる試料像の観察が可能な構成となる。
【００１０】
前記検出装置が、電子検出器、イオン検出器、及び透過荷電粒子検出器の少なくとも１つを備えていることが好ましい。すなわち、イオンビーム照射又は電子ビーム照射により試料から発生する二次電子、二次イオン、及び透過荷電粒子のいずれかを検出できるものを備えていることが好ましい。
【００１１】
本発明の加工観察方法は、ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系から試料に対してイオンビームを照射するとともに前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給することで前記試料を加工するステップと、前記試料に電子ビームを照射して前記試料を観察するステップとを有することを特徴とする。
この加工観察方法によれば、ガスを供給しながらのイオンビーム照射によるガスアシストデポジションやガスアシストエッチングによって試料の加工を迅速に効率よく行うことができる。また電子ビーム照射により試料の破損を回避しつつ観察することできる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつを行うことができる。
特に本発明では、ビーム径を小さく絞ることができるを備えたイオンビーム照射系を用いているので、微細かつ高精度の加工を容易に行うことができ、より高度の加工観察を実施することができる。
なお、上記では、イオンビーム照射によるガスアシスト加工について述べたが、電子ビーム照射によるガスアシスト加工も行うことができる。
さらに、絶縁物加工観察時に帯電防止のために逆電荷の電子又はイオンビームを照射することもできる。
【００１２】
前記電子ビームを、前記イオンビームと鋭角又は概略９０度で交差する方向から前記試料に照射することが好ましい。
この加工観察方法によれば、イオンビームによる加工の後、試料の位置をほとんど調整することなく連続して電子ビームを用いた観察を行うことができ、迅速な観察が可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の複合荷電粒子ビーム装置によれば、ガスアシストデポジションによる構造物の形成、及びガスアシストエッチングによる試料の加工等を迅速かつ容易に行うことができる。特にガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系は、ビーム径を１ｎｍ以下にまで小さく絞ることができるため高精度の加工が可能である。
また本発明の加工観察方法によれば、ガスを供給しながらのイオンビーム照射によるガスアシストデポジションやガスアシストエッチングによって試料の加工を迅速に効率よく行うことができる。また電子ビーム照射により試料の破損を回避しつつ観察することできる。また金属イオンを照射しないので、試料の汚染を回避しつつを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の複合荷電粒子ビーム装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置の概略斜視図である。図２は、複合荷電粒子ビーム装置１００の概略断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００は、真空室１３と、イオンビーム照射系２０と、電子ビーム照射系５０と、試料ステージ１６と、マニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とを備えている。真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、上記の各構成品はそれらの一部又は全部が真空室１３内に配置されている。
【００１６】
本実施形態において、集束イオンビーム鏡筒を備えたイオンビーム照射系２０から真空室１３内に配置された試料ステージ１６上の試料（加工対象物あるいは観察対象物）に対してイオンビーム（集束イオンビーム）２０Ａを照射する。電子ビーム照射系５０は、電子ビーム鏡筒から射出される電子ビーム５０Ａを、イオンビーム２０Ａと同一位置の試料上に照射する。
【００１７】
電子ビーム照射系５０は、図２に示すように、電子を放出する電子源５４と、電子源５４から放出された電子をビーム状に成形するとともに走査する電子光学系５５とを備えている。電子ビーム照射系５０としては公知の構成を採用することができる。
電子ビーム照射系５０から射出される電子ビームを試料Ｗａに照射することによって発生した二次電子を、二次荷電粒子検出器１８で検出して試料ＷａのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を取得する。また、試料を透過した電子を透過荷電粒子検出器１９で検出してＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）像ないしＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）像を取得することができる。
【００１８】
イオンビーム照射系２０は、イオンを発生させるとともに流出させるガスフィールドイオン源２１と、ガスフィールドイオン源２１から流出したイオンを集束イオンビーム（イオンビーム２０Ａ）に成形し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに照射するイオン光学系２５とを備えている。
【００１９】
イオン光学系２５は、例えば、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。
【００２０】
ここで図３は、ガスフィールドイオン源２１を示す概略断面図である。
図３に示すように、ガスフィールドイオン源２１は、イオン発生室２１ａと、エミッタ２２と、引出電極２３と、冷却装置２４とを備えて構成されている。イオン発生室２１ａの壁部に冷却装置２４が配設されており、冷却装置２４のイオン発生室２１ａに臨む面に針状のエミッタ２２が装着されている。冷却装置２４は、内部に収容された液体窒素等の冷媒によってエミッタ２２を冷却する。そして、イオン発生室２１ａの開口端近傍に、エミッタ２２の先端２２ａと対向する位置に開口部２３ａを有する引出電極２３が配設されている。
【００２１】
イオン発生室２１ａは、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。イオン発生室２１ａには、ガス導入管２６ａを介してガス供給源２６が接続されており、イオン発生室２１ａ内に微量のガス（例えばヘリウムガス）を供給するようになっている。
なお、ガスフィールドイオン源２１においてガス供給源２６から供給されるガスは、ヘリウムに限られるものではなく、ネオン、アルゴン、キセノン等のガスであってもよい。また、ガス供給源２６から複数種のガスを供給可能に構成し、イオンビーム照射系２０の用途に応じてガス種を切り替えられるようにしてもよい。
【００２２】
エミッタ２２は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものからなる部材であり、その先端２２ａは原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。またエミッタ２２は、イオン源の動作時には冷却装置２４によって７８Ｋ程度以下の低温に保持される。エミッタ２２と引出電極２３との間には、電源２７によって電圧が印加されるようになっている。
【００２３】
エミッタ２２と引出電極２３との間に電圧が印加されると、鋭く尖った先端２２ａにおいて非常に大きな電界が形成されるとともに、分極してエミッタ２２に引き寄せられたヘリウム原子２６ｍが、先端２２ａのうちでも電界の高い位置で電子をトンネリングにより失ってヘリウムイオンとなる（電界イオン化）。そして、このヘリウムイオンが正電位に保持されているエミッタ２２と反発して引出電極２３側へ飛び出し、引出電極２３の開口部２３ａからイオン光学系２５へ射出されたヘリウムイオンがイオンビームを構成する。
【００２４】
エミッタ２２の先端２２ａは極めて尖鋭な形状であり、ヘリウムイオンはこの先端２２ａから飛び出すため、ガスフィールドイオン源２１から放出されるイオンビームのエネルギー分布幅は極めて狭く、プラズマ型ガスイオン源３４や液体金属イオン源と比較して、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。
【００２５】
なお、エミッタ２２への印加電圧が大きすぎると、ヘリウムイオンとともにエミッタ２２の構成元素（タングステンや白金）が引出電極２３側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にエミッタ２２に印加する電圧は、エミッタ２２自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。
一方、このようにエミッタ２２の構成元素を操作できることを利用して、先端２２ａの形状を調整することができる。例えば、先端２２ａの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。
またエミッタ２２は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端２２ａの尖鋭形状を回復することもできる。
【００２６】
図１及び図２に戻り、試料ステージ１６は、試料台１４と試料ホルダ１５とを移動可能に支持している。試料台１４上には試料Ｗａ（例えば半導体ウエハ等）が載置され、試料ホルダ１５上には、試料Ｗａから作製される微小な試料Ｗｂが載置される。そして、試料ステージ１６は、試料台１４及び試料ホルダ１５を５軸で変位させることができる。すなわち、試料台１４を水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿ってそれぞれ移動させるＸＹＺ移動機構１６ｂと、試料台１４をＺ軸回りに回転させるローテーション機構１６ｃと、試料台１４をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させるチルト機構１６ａとを備えて構成されている。試料ステージ１６は、試料台１４を５軸に変位させることで、試料Ｗａ（試料Ｗｂ）の特定位置をイオンビームが照射される位置に移動するようになっている。
【００２７】
真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、真空室１３内にはマニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とが設けられている。
マニピュレータ１７は、試料Ｗａから作製される試料Ｗｂを支持するものであり、試料Ｗｂを指示した状態でマニピュレータ１７と試料ホルダ１５とを相対的に移動させることで、試料台１４から試料ホルダ１５に試料Ｗｂを運搬する。運搬に際しては、マニピュレータ１７を固定した状態で試料ステージ１６を駆動して試料ホルダ１５を試料Ｗｂが支持されている位置まで移動させてもよく、マニピュレータ１７を移動させて試料Ｗｂを運搬してもよい。
【００２８】
二次荷電粒子検出器１８は、イオンビーム照射系２０又は電子ビーム照射系５０から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビーム又は電子ビームが照射された際に、試料Ｗａ又は試料Ｗｂから発せられる二次電子や二次イオンを検出する。また透過荷電粒子検出器１９は、イオンビーム照射系２０又は電子ビーム照射系から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビーム又は電子ビームが照射された際に試料Ｗａ又は試料Ｗｂを透過したイオンないし電子を検出する。
【００２９】
ガス銃１１は、試料Ｗａ、Ｗｂへエッチングガスやデポジションガス等の所定のガスを放出する。そして、ガス銃１１からエッチングガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂにイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビームによる試料のエッチング速度を高めることができる。一方、ガス銃１１からデポジションガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂにイオンビームを照射すれば、試料Ｗａ、Ｗｂ上に金属や絶縁体の堆積物を形成することができる。
【００３０】
また、複合荷電粒子ビーム装置１００は、当該装置を構成する各部を制御する制御装置３０を備えている。制御装置３０は、イオンビーム照射系２０、電子ビーム照射系５０、二次荷電粒子検出器１８、透過荷電粒子検出器１９、及び試料ステージ１６と接続されている。また、二次荷電粒子検出器１８あるいは透過荷電粒子検出器１９からの出力に基づき試料Ｗａ及び試料Ｗｂを映像として表示する表示装置３８を備えている。
【００３１】
制御装置３０は、複合荷電粒子ビーム装置１００を総合的に制御するとともに、二次荷電粒子検出器１８又は透過荷電粒子検出器１９で検出された二次荷電粒子又は透過荷電粒子を輝度信号に変換して画像データを生成し、この画像データを表示装置３８に出力している。これにより表示装置３８は、上述したように試料像を表示できるようになっている。
【００３２】
また制御装置３０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの位置や姿勢を調整する。これにより、試料表面におけるイオンビームの照射位置や照射角度を調整できるようになっている。例えば、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０との切替操作に連動して試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａや試料Ｗｂを移動させたり、傾けることができるようになっている。
【００３３】
以上の構成を備えた本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００では、電界放出型イオン源２１を備えたイオンビーム照射系２０について、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。このようにビーム径を小さく絞ることができるイオンビーム照射系２０を備えていることで、試料に対して微細な加工（エッチング、デポジション）を施すことが可能である。
【００３４】
なお、イオンビーム２０Ａをヘリウムイオンにより構成すると、単にイオンビームを試料に照射したのでは試料はほとんどエッチングされないが、ガス銃１１からエッチングアシスト用のガスを供給しながらイオンビーム２０Ａを試料に照射することで、実用的な速度で試料を加工することができる。またイオンビーム２０Ａを、ヘリウムイオンよりも質量の大きいネオンイオンやアルゴンイオンによって構成すれば、加工効率を向上させることができる。
【００３５】
そして、本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００では、イオンビーム照射系２０とともに電子ビーム照射系５０が備えられているので、イオンビーム照射系２０を用いて試料Ｗａ又は試料Ｗｂを加工するとともに、電子ビーム照射系５０を用いた試料Ｗａ又は試料Ｗｂの観察が可能である。すなわち、イオンビーム照射系２０用いた加工途中に、電子ビーム照射系５０を用いたＳＥＭ、ＳＴＥＭ観察が可能である。したがって本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００によれば、仕上がり具合を確認しながらイオンビーム照射系２０による加工を行うことができ、正確な位置、寸法に仕上げることができる。
【００３６】
さらに本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００では、イオンビーム照射系２０を用いた試料観察を行うこともできる。イオンビーム２０Ａでは、試料における相互作用体積が表面からの深さ方向に長く延び、試料表面での面方向の広がりは小さくなることから、イオンビームを照射した位置の情報を正確に反映した試料像を得ることができ、試料のチャージアップも抑えることができる。さらに、ヘリウムイオンの運動量は電子の運動量に対して非常に大きいため、試料表面からより多くの二次電子が放出される。
これらにより、イオンビーム２０Ａを試料に照射して二次荷電粒子像観察を行うことで、高分解能かつ高コントラストの試料像を得ることができる。
【００３７】
また複合荷電粒子ビーム装置１００は、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０とを備えているので、例えば絶縁物の加工観察において、一方のビーム照射による帯電を他方のビーム照射による逆電荷の供給によって中和することができる。
【００３８】
また本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００は、イオンビーム照射系２０に液体金属イオン源を用いていない。したがって、複合荷電粒子ビーム装置１００での処理に供した試料が金属イオン（ガリウムイオン等）に汚染されることがなく、例えば半導体装置の製造工程から抜き取った試料を検査した後、この試料を再び工程に戻すことが可能になる。これにより、抜き取り検査で使用した試料を無駄にすることがなくなる。
【００３９】
本実施形態では、図２に示したように、イオンビーム照射系２０を試料ステージ１６の鉛直上方に配置し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対してイオンビーム２０Ａを鉛直方向に照射する。一方、電子ビーム照射系５０は鉛直方向に対して傾いて配置され、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して斜め方向に電子ビーム５０Ａを照射するようになっている。このように、ヘリウムイオンからなるイオンビーム２０Ａを鉛直方向に沿って射出させる構成とすれば、イオンビーム２０Ａによる加工に際して高精度のステージ制御が容易になり、所望の精度を得やすくなる。
【００４０】
本実施形態において、イオンビーム２０Ａと電子ビーム５０Ａとの交差角度は、２０°以上７０°以下とすることが好ましい。このような範囲とすることで、イオンビーム２０Ａにより加工された部位に対して、好適な角度で電子ビーム５０Ａを照射することができる。したがって、試料台１４を移動させることなく、イオンビーム２０Ａとは異なる角度から、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの加工位置を正確に観察することができる。
【００４１】
なお、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０の配置は、図２に示したものに限定されず、種々の配置形態を採用することが可能である。例えば、図２において、イオンビーム照射系２０を試料Ｗａの鉛直方向に対して斜めに配置し、水平配置された試料Ｗａ又はＷｂに対して斜め方向からイオンビーム２０Ａを照射するように配置してもよい。
【００４２】
［加工観察方法及び加工方法］
次に、先の実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００を用いた加工観察方法について、図面を参照しつつ説明する。複合荷電粒子ビーム装置１００は、試料の断面加工観察、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製及び観察等の試料加工観察用途に好適に用いることができる。
【００４３】
＜断面加工観察＞
図４は、複合荷電粒子ビーム装置１００による試料の断面加工観察方法を示す図である。なお、図４では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示している。
本例の加工観察方法では、試料Ｗａの加工にイオンビーム照射系２０を用い、加工された試料Ｗａの観察に電子ビーム照射系５０を用いる。
【００４４】
まず、図４（ａ）に示すように、試料Ｗａの表面にイオンビーム２０Ａを走査しつつ照射することにより試料Ｗａの表面部を部分的に除去し、断面矩形状の凹部Ｗｒを形成する。このとき、ガス銃１１からアシスト用のエッチングガスを供給しながらイオンビーム２０Ａの照射を行うことで、迅速に凹部Ｗｒを形成することができる。
そして、図４（ｂ）に示すように、形成した凹部Ｗｒの内壁として露出した面Ｗｓに対して、電子ビーム５０Ａを照射することで、発生した二次電子を二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。
【００４５】
本例の加工観察方法によれば、イオンビーム照射系２０に対して電子ビーム照射系５０が斜め向きに配置されていることから、イオンビーム２０Ａによる加工後に試料Ｗａを改めて傾斜させることなく面Ｗｓを観察することができ、迅速な加工観察が可能である。
また、試料Ｗａに対して金属イオンを照射しないので、金属イオン注入による試料Ｗａの汚染を生じさせることがなく、試料Ｗａの状態を変化させることなく加工観察することができる。
【００４６】
さらに本例の加工観察方法において、イオンビーム照射系２０による断面加工と、電子ビーム照射系５０による断面観察とを交互に連続的に行う断面加工観察も可能である。すなわち、図４（ｂ）に示した電子ビーム照射系５０による断面観察の後、面Ｗｓの近傍にイオンビーム２０Ａを照射することで面Ｗｓを含む部分を選択的に除去する。この加工により新たに露出した断面に電子ビーム５０Ａを照射して観察を行う。そして、図４（ｃ）に示すように、加工により順次露出する断面を観察することで、試料Ｗａについて三次元的に加工観察することができる。
【００４７】
なお、本例の加工観察方法において、イオンビーム照射系２０を用いた試料観察（ＳＩＭ観察）も可能である。すなわち、イオンビーム照射系２０から射出されるヘリウムイオンビームを試料に照射することで発生する二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出することで、電子ビーム照射系５０を用いた場合とコントラストの異なる試料像を得ることができる。
【００４８】
＜微細構造の形成＞
図５は、複合荷電粒子ビーム装置１００による試料への微細構造形成方法（加工方法）を示す図である。本例の加工方法では、試料基板Ｗｃ上への微細構造形成にイオンビーム照射系２０及びガス銃１１を用いる。
【００４９】
まず、図５（ａ）に示すように、試料基板Ｗｃ上にガス銃１１からデポジション用ガスを吹き付けながら、イオンビーム２０Ａを照射することで、例えばカーボンや金属からなる第１の構造物１１０を形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、第１の構造物１１０上にガス銃１１からデポジション用ガスを吹き付けつつ、イオンビーム２０Ａを照射して、第１の構造物１１０上に第２の構造物１１１を形成する。
【００５０】
以後同様にして、第２の構造物１１１上に構造物を形成することで、試料基板Ｗｃ上に任意の立体形状を有する微細構造を形成することができる。例えば、図５（ｃ）に示すような直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微小なコイル１１３や、図５（ｄ）に示すような直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の微小なドリル１１４等を形成することができる。
【００５１】
本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置１００を用いた加工方法によれば、ビーム径を小さく絞ることができるイオンビーム２０Ａを用いたデポジションにより微細構造の形成を行うことができ、微小寸法の構造物を容易かつ正確に形成することができる。
また、形成した構造物に対して電子ビーム照射系５０から電子ビーム５０Ａを照射して構造物を観察することができる。このような加工方法とすれば、構造物の仕上がり具合を確認しながら微細加工を施すことができるため、歩留まりよく微細構造を形成することができる。この加工方法は、例えば、極めて尖鋭な先端形状が要求されるアトムプローブの製造（エッチング加工）にも好適に用いることができる。
なお、コイル１１３やドリル１１４のような軸対称の構造物を形成する場合には、試料台１４又は試料ホルダ１５を水平面内で回転させる試料ステージ１６を用いることが好ましい。これにより、微細構造を容易かつ高精度に形成することができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
図６は、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０の配置を変更した複合荷電粒子ビーム装置２００を示す図である。図６に示す複合荷電粒子ビーム装置２００では、試料Ｗａの鉛直上方にイオンビーム照射系２０が配置される一方、試料Ｗａの側方に電子ビーム照射系５０が配置されている。イオンビーム２０Ａと電子ビーム５０Ａとは、互いに略直交するように射出される。また、透過荷電粒子検出器１９は、電子ビーム５０Ａの延長上に配置されている。また本実施形態では、試料ステージ１６として、試料台１４及び試料ホルダ１５の少なくとも一方を０°〜９０°の範囲で傾斜可能なものを用いることが好ましい。
【００５３】
図６に示すように、イオンビーム２０Ａと電子ビーム５０Ａが互いに略直交するように配置されていることで、イオンビーム照射系２０によって加工した試料の加工面に対して電子ビーム５０Ａを垂直に入射させることができる。したがって図６に示す複合荷電粒子ビーム装置２００によれば、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製やアトムプローブなどのナノオーダーサイズの加工を、電子ビーム照射系５０を用いた観察により仕上がり具合を確認しながら効率よく実施することができる。
【００５４】
また、図６に示す配置とすることで、イオンビーム照射系２０の鏡筒と電子ビーム照射系５０の鏡筒とが干渉しにくくなるので、電子ビーム照射系５０を試料Ｗａ又は試料Ｗｂに接近させ、ＷＤ（Working Distance）を小さくすることができる。これにより、電子ビーム５０Ａのビーム径を小さく絞ることができるので、高分解能の観察が可能になる。
【００５５】
なお、複合荷電粒子ビーム装置２００において、イオンビーム照射系２０と電子ビーム照射系５０とを入れ替えて配置してもよいのはもちろんであり、この場合にも同様の作用効果を得ることができる。
【００５６】
＜ＴＥＭ試料作製及び観察＞
図７は、複合荷電粒子ビーム装置２００によるＴＥＭ試料の加工方法を示す図である。
本例の加工方法では、試料Ｗａの加工をイオンビーム照射系２０を用いて行い、ＴＥＭ試料である試料Ｗｂを得て、これを電子ビーム照射系５０を用いて観察する。
【００５７】
まず、図７（ａ）に示すように、試料Ｗａの表面にイオンビーム２０Ａを走査しつつ照射することにより部分的に除去し、ＴＥＭ試料である試料Ｗｂとなる部分の両側に、底面がスロープ状の凹部Ｗｒ、Ｗｒを形成する。さらに、図７（ｂ）に示すように、試料Ｗｂの観察領域となる部分が所望の厚さの薄膜となるまでイオンビーム２０Ａにより加工する。
このとき、ガス銃１１を併用したガスアシストエッチング又はガスアシストデポジションを行うことが好ましい。ガス銃１１を併用することでエッチング及びデポジションの加工速度を向上させることができ、効率よく試料Ｗｂを作製することができる。
その後、試料Ｗｂをマニピュレータ１７を用いて試料Ｗａから取り出すことで、ＴＥＭ試料としての試料Ｗｂが得られる。
【００５８】
さらに本発明の複合荷電粒子ビーム装置１００では、作製した試料Ｗｂの観察を行うことができる。すなわち、図７（ｃ）に示すように、取り出された試料Ｗｂをマニピュレータ１７によって試料ホルダ１５に移動させる。そして、かかる試料Ｗｂに対して電子ビーム５０Ａを照射し、透過電子を透過荷電粒子検出器１９で検出する。さらに試料Ｗｂの追加加工が必要な場合は、試料ホルダ１５上でイオンビーム２０Ａにより追加加工を行うことができる。このようにして、透過荷電粒子検出器１９の検出結果に基づいて表示装置３８に試料像を表示することができる。
【００５９】
この加工方法によれば、ＴＥＭ試料の作製に際して、ビーム径を小さく絞れるイオンビーム照射系２０を用いて加工を行うので、観察対象となる薄膜部分が高精度に仕上げられた試料Ｗｂを得ることができる。また試料Ｗａ、Ｗｂに対して金属イオンを照射しないので、金属イオンの注入によって試料に悪影響が及ぶのを回避できる。
【００６０】
特に、試料ステージ１６として、試料台１４又は試料ホルダ１５を水平方向に対して０°〜９０°の範囲で自在に傾斜させることができるものを備えていれば、加工時及び観察時におけるビーム入射角に大きな自由度が得られる。したがって、多様な形態での観察を容易に行えるようになる。また本実施形態の複合荷電粒子ビーム装置２００を用いて微細構造を形成する場合にも同様の作用が得られ、微細構造を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略構成図。
【図２】第１実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略断面図。
【図３】電界放出型イオン源の断面図。
【図４】加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図。
【図５】加工方法の一形態である微細構造形成方法を示す図。
【図６】第２実施形態に係る複合荷電粒子ビーム装置の概略構成図。
【図７】加工観察方法の一形態であるＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図。
【符号の説明】
【００６２】
１１ ガス銃、１３ 真空室、１４ 試料台、１５ 試料ホルダ、１６ 試料ステージ、１７ マニピュレータ、１８ 二次荷電粒子検出器、１９ 透過荷電粒子検出器、２０ イオンビーム照射系、２０Ａ イオンビーム、２１ ガスフィールドイオン源、２１ａ イオン発生室、２２ エミッタ、２２ａ 先端、２３ 引出電極、２３ａ 開口部、２４ 冷却装置、２５ イオン光学系、２６ ガス供給源、２６ａ ガス導入管、２６ｍ ヘリウム原子、２７ 電源、３０ 制御装置、３８ 表示装置、５０ 電子ビーム照射系、５０Ａ 電子ビーム、Ｗａ 試料、Ｗｂ 試料、１００，２００ 複合荷電粒子ビーム装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系と、その照射軸が前記イオンビーム照射系の照射軸に対し９０度又は９０度よりも狭い角度に配置された電子ビーム照射系と、
前記イオンビーム照射系から射出されるイオンビームと前記電子ビーム照射系から射出される電子ビームとの交差位置で試料を支持する試料台と、
前記試料上のビーム照射位置にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃と、
を備えていることを特徴とする複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
前記イオンビーム照射系が前記試料台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記電子ビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記イオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
前記イオンが、ヘリウムイオンであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
前記イオンビーム又は前記電子ビームの照射によって試料から発生する二次荷電粒子と前記試料を透過した荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出装置と、前記検出装置の出力に基づいて前記試料の画像を表示する画像表示装置とを備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
前記検出装置が、電子検出器、イオン検出器、及び透過荷電粒子検出器の少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項５に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系から試料に対してイオンビームを照射するとともに前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給することで前記試料を加工するステップと、
前記試料に電子ビームを照射して前記試料を観察するステップと
を有することを特徴とする加工観察方法。
【請求項８】
前記電子ビームを、前記イオンビームと鋭角又は概略９０度で交差する方向から前記試料に照射することを特徴とする請求項７に記載の加工観察方法。
【請求項１】
ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系と、その照射軸が前記イオンビーム照射系の照射軸に対し９０度又は９０度よりも狭い角度に配置された電子ビーム照射系と、
前記イオンビーム照射系から射出されるイオンビームと前記電子ビーム照射系から射出される電子ビームとの交差位置で試料を支持する試料台と、
前記試料上のビーム照射位置にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃と、
を備えていることを特徴とする複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
前記イオンビーム照射系が前記試料台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記電子ビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記イオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
前記イオンが、ヘリウムイオンであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
前記イオンビーム又は前記電子ビームの照射によって試料から発生する二次荷電粒子と前記試料を透過した荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出装置と、前記検出装置の出力に基づいて前記試料の画像を表示する画像表示装置とを備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
前記検出装置が、電子検出器、イオン検出器、及び透過荷電粒子検出器の少なくとも１つを備えていることを特徴とする請求項５に記載の複合荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
ガスフィールドイオン源を備えたイオンビーム照射系から試料に対してイオンビームを照射するとともに前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給することで前記試料を加工するステップと、
前記試料に電子ビームを照射して前記試料を観察するステップと
を有することを特徴とする加工観察方法。
【請求項８】
前記電子ビームを、前記イオンビームと鋭角又は概略９０度で交差する方向から前記試料に照射することを特徴とする請求項７に記載の加工観察方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−３７９１０（Ｐ２００９−３７９１０Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０１９０５（Ｐ２００７−２０１９０５）
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【出願人】（５０３４６０３２３）エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 (330)
【Ｆターム（参考）】
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