集束イオンビーム装置
【目的】 MEMSや半導体デバイス半導体素子の構造解析や不良解析において、より高速、かつ高精度の加工と高分解能の像観察を実現する。
【構成】 イオン源１のエミッタ先端からイオン源に最も近い集束レンズ２を構成している接地電極までの距離が５〜１４ｍｍの範囲にある２段レンズ光学系をFIB装置に搭載する。
【構成】 イオン源１のエミッタ先端からイオン源に最も近い集束レンズ２を構成している接地電極までの距離が５〜１４ｍｍの範囲にある２段レンズ光学系をFIB装置に搭載する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam; FIB）に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、集束イオンビーム装置は多くの分野で利用されている。特に、この細く絞ったビームは微小領域に対応可能であり、この領域で使用される。また、この装置は、イオン源からのイオンビームをレンズで細く集束して試料に照射するものであり、微小領域での試料の加工及び試料の観察に用いられる。例えば、比較的小さな電流のイオンビームを試料に照射すれば、試料から発生する２次粒子を検出することにより試料の観察に用いることができる。また、比較的大きな電流のイオンビームを試料に照射すれば、試料を加工することができる。
【０００３】
さらに、集束イオンビームは微細な電気部品や機械部品（Microelectrical mechanical systems; MEMS）や半導体デバイスなどの構造解析や不良解析に用いられる。これらの素子は近年集積化しており、そのため、一般に、積層構造を有している。そのためこれらを検査するには、所定の層まで断面加工してその断面構造を検査する必要がある。ＭＥＭＳや半導体デバイスの微細化と共にその構造も次第に複雑になったため、その検査対象断面数は、益々増し、一断面当たりの検査に使える時間は益々短くなっている。集束イオンビームは加工及び観察が共に可能であるので、ＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析に有効である。まず、イオンビームの電流を大きくして半導体の表面から所定の層まで加工して、それから、イオンビームの電流を小さくして所定の層の状態を検査するのである。
【０００４】
ところで、例えば、特許第3265901号に記載されている従来の装置は、光学系について、イオン源のイオンエミッタ先端から試料までの全イオン光学長は３００ｍｍから４５０ｍｍの範囲にあり、イオン源から集束レンズ中心までの距離は４５ｍｍ以下、対物レンズ中心から試料までの距離は４０ｍｍ以下である。この光学系が形成するＦＩＢの最大電流密度Ｊmaxは１５Ａ／ｃｍ2以上、加工モードの仕上げ加工ビームはビーム電流ＩpがＩp≧数１０ｐＡでビーム径ｄがｄ≦４０ｎｍ、また観察モードの観察ビームはＩp≧数ｐＡでｄ≦１５ｎＡである。
【０００５】
【特許文献１】特許第3265901号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、イオンビーム装置では、加工モードにおいて、加工位置精度はほぼそのビーム径ｄで決まるため、ｄが充分に小さくないとＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析の際に、その微細な構造やパターンに適応できないという問題が生じる。一方、加工速度はそのビーム電流Ｉpにほぼ比例するため、Ｉpが充分に大きくないと、加工速度が遅くなる。そのため、構造解析や不良解析においてＦＩＢ加工の更なる高スループット化のニーズに応えるためには、加工ビームのビーム径を大きくすることなく、更なるビームの大電流化、つまり大電流密度化が課題となっている。一方、観察モードでは、イオンビームが充分に細くないと、構造解析や不良解析の際に、微細なMEMSや半導体デバイスの構造やパターンの観察ができないという問題が生じる。さらに、観察モードにおいて、イオンビームの電流が充分に大きくないと、得られる信号が小さすぎ、充分なＳ／Ｎをもった像の検出ができないという問題が生じる。また、半導体の微細化の進展とともにその観察ビームの更なる微細化も課題となっている。
【０００７】
上記の従来例では、ＦＩＢ加工の特に高電流側における更なる高スループット化のニーズに応えていなかった。例えば、従来装置における３０ｋＶ Ｇａ-ＦＩＢにおいて、ｄ≒1μｍのビームはＩp≒１６ｎＡであり、このビームにてＳｉ試料表面に縦２０μｍ×横２０μｍ×深さ２０μｍの穴加工を行うことを考える。３０ｋＶ Ｇａ-ＦＩＢによるＳｉ試料の加工収率ＹはＦＩＢの走査速度に依存し、０．２〜０．８μｍ3／ｎＡ・ｓの範囲にある。Ｙ＝０．２５μｍ3／ｎＡ・ｓ条件下では、この穴加工の時間は約１７分にもなる。従って、この種の加工をたくさん短時間に行ないたいというＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析における高スループット化のニーズには応えられていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、この特に高電流側における高スループット化及び観察ビームの微細化のニーズに応えるイオンビーム装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発明者は、ＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析を対象として、ＦＩＢのビーム径ｄ、及び、イオンビーム電流Ｉpについて解析及び実験を繰り返し、以下の条件が必要であることを見出した。すなわち、高電流側の加工モードに対してビーム電流Ｉpが２０ｎＡ以上で、その試料位置でのビーム径ｄが０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]以下で、ただしそのｄ最大値は３μｍを越えないＦＩＢが必要である。条件式ｄ≦０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]は、例えばＩp＝２０ｎＡの時ｄ≦０．５μｍ、またｄ=１μｍの時Ｉp≧３１．７ｎＡのＦＩＢに相当する。ｄ最大値が３μｍを越えないという条件は、対象とするＭＥＭＳや半導体デバイスの微細性から導入したものである。また、加工ビームの最大電流密度Ｊmaxについては約５０Ａ／ｃｍ2が必要である。一方、観察モードに対しては、従来例と同じく、Ｉp≧数ｐＡでｄ≦１５ｎｍのＦＩＢであるが、ｄの最小値ｄminに関しては、ｄmin≦６ｎｍでそのビーム電流Ｉpが０．００１ｎＡ以上のＦＩＢが必要であることを見出した。
【００１０】
この数値を達成するため、すなわち、本発明の目的であるところの半導体、不良解析を実現するため、本発明では、イオン源から放出されたイオンビームを試料上に加速して集束させる集束レンズ及び対物レンズを有し、集束レンズは、少なくとも引き出し電圧が印加された第１電極、および接地電位が印加された第２電極を備える集束イオンビーム装置において、イオン源のエミッタ先端から前記集束レンズの第２電極までの距離が５〜１４ｍｍの範囲にあるように構成した。
【００１１】
上記の構成によれば、高電流側の加工モードに対して前記ビーム電流Ｉpが２０ｎＡ以上で、試料位置でのビーム径ｄが０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]以下のＦＩＢが形成できる。つまり、Ｉp＝２０ｎｍでｄ≦０．５μｍ、ｄ＝1μｍではＩp≧３１．７ｎＡのＦＩＢである。また、加工ビームの最大電流密度Ｊmaxは５０Ａ／ｃｍ2が達成できる。例えば、ｄ＝1μｍでＩp≒３２ｎＡのＦＩＢを用いて前述と同様にＳｉ試料表面に縦２０μｍ×横２０μｍ×深さ２０μｍの穴加工をした場合、その穴加工の時間は約８．５分と従来値の約１／２に短縮できる。一方、観察モードに対しては、ｄの最初値ｄminに関して、ｄmin≦６ｎｍでそのビーム電流Ｉpが０．００１ｎＡ以上のＦＩＢが形成できる。この結果として、MEMSや半導体デバイスの構造解析や不良解析が高スループットでかつ高精度に可能となる。
【００１２】
なお、特開2002-251976号公報には、液体金属イオン源から集束レンズまでの距離を１０ｍｍ以下にすることが記載されている。しかし、その目的は、イオン源からの距離と共に広がっていく放出イオンが集束レンズの電極（中心孔の外側部）に当たらないようにするためである。放出イオンが集束レンズに当たるとその個所はスパッタリングにより削れてしまい、装置の寿命が短くなってしまうからである。しかし、この公知例は本発明とは目的が異なるため、集束レンズ電極の電位情報に関しては全く記載がない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、ＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析が高スループットに実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、ＦＩＢ装置のイオン光学系概略構成図である。イオン源１は、輝度の高いガリウム（Ｇａ）の液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source; ＬＭＩＳ）である。イオン源１から放出されたイオンは集束レンズ２と対物レンズ８により試料１０に集束させられる。ＦＩＢ９のビーム径あるいはビーム電流は集束レンズ２の直後に置かれたビーム制限絞り３にて決まり、試料１０上でのビーム走査は静電型偏向器７にて行われる。試料１０は試料ステージ１１に載せられおり、ＸＹＺ移動と回転、傾斜が可能である。ビーム制限絞り３の下流側には、アライナー／スティグマ４、ブランカー５、ブランキングプレート６が配置されている。ＦＩＢ照射によって試料１０から放出された２次粒子は、荷電粒子検出器１２によって検出される。
【００１５】
集束レンズ２は、図２にその概略が示されるように４枚電極で構成されており、上から１枚目、２枚目、…と数え、その電極をそれぞれ２_１、２_２、…とする。１枚目から４枚目までのそれぞれの電極には、引き出し電圧Ｖｅ（イオン源のエミッタ電位を基準）、接地電位、レンズ電位Ｖ1、接地電位が印加されている。２枚目の電極を分割して光軸にそって２分割する場合もあるが、両者は同電位であり、この間にレンズ作用は発生しない。
【００１６】
次に、集束レンズの切り替えによるモード変化を説明する。集束レンズの第３枚目電極１_３の電位Ｖ1を切り替えて２種類の集束モード、つまり（ａ）ＦＩＢ加工用の高電流密度ビームモードと、（ｂ）走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope; ＳＩＭ）像観察用の微細ビームモードを実現する。加工モードにおいては、ビーム径毎に（ビーム制限絞り３の孔径毎に）レンズ電位Ｖ1は更に調整されている。図２において、光軸近傍にイオン行路を左右1本づつ示しているが、左側の行路が代表的な観察ビームに対応し、右側の行路が代表的な加工ビームに対応している。
【００１７】
ここで、本発明の実施例を明確とするため、従来の技術について説明する。従来装置のレンズ構成は、図２と同様であり、レンズ電極間の光学長のみが異なる。イオン源１のイオンエミッタ先端から試料１０までの全イオン光学長Ｌｔは３００〜４５０ｍｍの範囲、イオンエミッタ先端から集束レンズ中心までの距離Ｚ3は４５ｍｍ以下、対物レンズ中心から試料までの距離Ｌｉは４０ｍｍ以下である。従来装置における、ＦＩＢ加工用とＳIＭ像観察用の両モードについて、ビーム径ｄ及びビーム電流Ｉpの代表的カーブを、図３のグラフ上（両対数スケール）にConv.(Mil.)とConv.(Obs.)として示してある。カーブ上のマーク●及び○はビーム制限絞りの種々の孔径に対応し、１本のカーブ上ではＩpの小さい側のマークほどこの絞り孔径は小さい。従来の集束イオンビーム装置は以下のようにまとめられる。
（１）加工ビームの最大電流密度Ｊmaxは約１５Ａ／ｃｍ2である。
（２）Ｉp＝数１０ｐＡを持つ仕上げ加工ビームのビーム径ｄは≦４０ｎｍである。
（３）微細ビーム（観察）モードでは、Ｉp≧数ｐＡでｄ≦１５ｎｍのビームが形成できる。
（４）加工モードのカーブ（Conv.(Mill.)）はＩp≧２０ｎＡの大電流側において、ビーム径ｄは球面収差によるビーム径ｄｓが支配的になり、Ｉpに対して１．５乗の比例式（ｄ＝Ｋ・Ｉp1.5；Ｋは比例定数）近似でき、両対数グラフではこの近似式は傾き１．５の直線になる（後で説明する）。その比例式の比例定数Ｋ値はｄ及びＩpの単位をそれぞれμｍ及びｎＡにとった時、常に０．５より大きい（つまり、例えば、Ｉp＝２０ｎＡのビームは常にｄ＞０．５μｍである）。図３において、点（Ｉp，ｄ）＝（２０ｎＡ，０．５μｍ）は○で示してあり、この点を通る傾き１．５の直線も示してある。
【００１８】
本発明のＦＩＢ装置では、二種類のビーム、つまり、加工モードにおいてＩp≧２０ｎＡの大電流側ではＫ値を常に０．５以下にするビームを提供し、また観察モードにおいてはｄの最小値ｄminとして、ｄmin≦６ｎｍでＩp≧０．００１ｎＡのビームを提供する。
【００１９】
本発明の実施例であるＦＩＢ装置におけるイオン光学系の概略を、図２を用いて説明する。光学系は集束レンズ２と対物レンズ８の２段静電レンズ構成であり、イオンエミッタ先端から集束レンズ２の第1、第２、第３、及び第４電極までの距離をそれぞれＺ1、Ｚ2、Ｚ3及びＺ4とする。この４枚の集束レンズは、第1及び第２電極から構成される、引き出し加速レンズと第２、第３及び第４電極から構成されるユニポテンシャルレンズの組合せレンズである。イオン源はＧａ液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）であり、イオン源の加速電圧Ｖaccは、イオンのスパッタ加工を効率的に行なうため、３０〜４０ｋＶとした。ただし、設計許容度として約３％をとり、加速電圧Ｖaccの最大範囲は２９〜４１ｋＶとした。引出し電圧Ｖｅは５．５〜８．５ｋＶとした。イオン源１のイオンエミッタ先端から試料１０までの全イオン光学長Ｌｔは従来装置（特許第3265901号）と同様、３００ｍｍから４５０ｍｍの範囲にあり、対物レンズ中心から試料までの距離も従来装置と同様、４０ｍｍ以下であり、本発明の課題を達成するためにも、この範囲の制限は必要である。
【００２０】
光学長と電位を固定し、ＦＩＢを形成する集束レンズの入射側でのビーム半開角をαｏとすると、ビーム径ｄは、一般に、ガウス像径ｄｇ、色収差によるビーム径ｄｃ、及び球面収差によるビーム径ｄｓを用いて次式で表される。
ｄ2＝ｄｇ2＋ｄｃ2＋ｄｓ2 (１)
ｄｇ＝ＭtＤs (２)
ｄｃ＝Ｈｃ・αｏ・ΔＶ (３)
ｄｓ＝(１／２)Ｈｓ・αｏ3 (４)
Ｈｃ＝Ｍt・Ｃｃ／Ｖｅ (５)
Ｈｓ＝Ｍy・Ｃｓ (６)
【００２１】
ここでΔＶは放出イオンのエネルギー幅ΔＥの電圧換算値、Ｖｅは引き出し電圧（エミッタ電位を原点として）、Ｄｓはイオン源の仮想ソースサイズ（≒５０ｎｍ）、Ｍｔはイオン光学系のレンズ倍率で集束レンズと対物レンズのそれぞれの倍率Ｍ１とＭ２の積に等しい。αｏはイオン源側でのビーム半開角、Ｃｃ及びＣｓはそれぞれ色及び球面収差係数（ただし、イオン源側定義）である。一方、ビーム電流Ｉpはイオン源の放射角電流密度ｄＩ/ｄΩ（≒２０μＡ／ｓｒ）を用いて、次式で表される。
Ｉp＝（ｄＩ/ｄΩ）（παｏ2） (７)
【００２２】
Ｉpが大きく球面収差によるビーム径ｄｓが支配的でｄ≒ｄｓが成立する領域では式（４）と（７）から比例定数Ｋを用いて
ｄ＝ＫＩp3/2 (８)
と近似できる。
【００２３】
以上の議論から、レンズ条件とレンズ間距離などの光学距離を一定とし、ビーム制限絞りの孔径のみを可変として得られるｄ−Ｉpカーブの基本的特徴として、このカーブを図４に示すように両対数でプロットすると、ｄは電流の大、中、小領域ではそれぞれ球面収差、色収差、及びガウス像が支配的なビーム径（ｄｓ、ｄｃ、及びｄｇ）で近似できることがわかる。図３の加工モードのｄ−Ｉpカーブにおいては、光学距離は一定であるが、中電流領域においてビーム制限絞りの各孔径毎にビーム電流密度が最大になるようにレンズ条件を調整しており、その両対数メモリ上での近似直線の傾きは１／２から外れ１／４に近くになっている。
【００２４】
まず、加工モードにおいてＩp≧２０ｎＡの大電流側でこのＫ値を常に０．５以下にするビームを取り上げる。これは、大電流領域においてｄｓを小さくすることに相当する。ｄｓを小さくすることは、Ｈｓを小さくすること、つまり、Ｍｔと共にＣｓを小さくすることである。ここでＣｓは光軸ｚ上のイオン源エミッタから試料までの光軸に沿っての以下の積分から求まる。
Ｃｓ＝(1/64)∫(Ｖ/Ｖｅ)1/2[4Ｓ’2＋3Ｓ4−5Ｓ2Ｓ’−ＳＳ”]ｒ4ｄｚ （９）
【００２５】
ここで、ＳはＶ’／Ｖで、Ｖは光軸上の電位、Ｖ’はＶのｚに関する一次微分（＝ｄＶ／ｄｚ）、ｒは光軸からの離軸量である。この被積分項の中にはｒの４乗項が入っており、Ｃｓを小さくするにはレンズの中でいかにｒの小さいビームを通すかがポイントであるかを見出した。
【００２６】
Ｃｓ値には集束レンズと対物レンズが寄与するが、大電流化には前者の寄与が大きいため、Ｃｓを小さくするためには、集束レンズ２の引き出し加速レンズ領域（電極２_1から２_２間）の出口電極２_２（電極２_２は、その後に位置するユニポテンシャルレンズ領域［電極２_1から２_４間］の入り口電極を兼務）のｚ位置において、ビーム（ただし、αｏ＝１rad）の離軸量ｒの４乗値ｒ4が小さいことが必要であることがわかった。具体的には、Ｉpが２０ｎＡ以上で、そのビーム径ｄが０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]以下のビームを形成するには、種々の計算と実験の結果、ＭｔとＣｓを共に小さくする課題の内、特にＣｓを小さくすることが重要であり、そのためには、ｒ4≦１６００ｍｍ4（ｒ≦６．３ｍｍ）の制限が必要であることがわかった。
【００２７】
次に、観察モードにおける条件、ｄmin≦６ｎｍでＩp≧０．００１ｎＡについて考える。これを満足するためには、観察モードにおいては、レンズ電圧Ｖ1は接地電位であり、式(１)においてｄを主に決めているのはｄｇとｄｃである。特にｄｇはｄの最小値限界を示すもので、レンズ倍率Ｍｔ（＝Ｍ1Ｍ2）が重要となる。そこでは、集束レンズ２のレンズ倍率Ｍ1が重要で、種々の計算と実験の結果、Ｍ1≦８の制限が必要であることがわかった。集束レンズの像点位置をエミッタ側に置いた場合（つまり、仮想像点とした場合）、Ｍ1が大きくなるとＭ2は小さくなるが、Ｍ1の増大率の方が勝るため、Ｍｔが大きくなり、その結果、ｄｇも大きくなるからである。
【００２８】
上記の制限、つまり、加工モードにおけるｒ4≦１６００ｍｍ4と観察モードにおけるＭ1≦８の両者を満足させるためには、種々の計算と実験の結果、イオン源１のエミッタ先端から集束レンズ構成している接地電位の接地電極２_２までの距離Ｚ2が１４ｍｍ以下である必要があることがわかった。Ｚ2が短すぎるとエミッター1と電極２_1間や、電極２_1と２_２間で放電が起こるため、実用的には５ｍｍ以上が必要である。その結果、Ｚ2の範囲は５〜１4ｍｍになった。
【００２９】
特許第3265901号に記載の従来装置においては、イオン源１から集束レンズ中心（代表電極としてレンズ作用に支配的な第３電極２_３位置を採用）までの距離Ｚ3が４５ｍｍ以下と条件提示されているが、この条件だけでは不十分で、本発明では、イオン源１からイオン源に最も近い集束レンズの接地電極２_２までの距離Ｚ2に関して上述の範囲５〜１4ｍｍの制限が必要である。
【００３０】
以下、この範囲制限を代表的な光学長における計算特性グラフ図５（ａ）〜図５（ｃ）を用いて説明する。いずれのグラフもＭ1及びｒ4のＺ2依存性カーブを示している。引出し電圧Ｖｅ＝６，７及び８ｋＶである。グラフ図５（ａ）〜図５（ｃ）におけるＶacc及び電極２_１と２_２間距離ＺＬ1についての計算条件を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
範囲制限Ｍ1≦８ｍｍ及びｒ4≦１６００ｍｍ4の両者を満足するＺ2［ｍｍ］の上限値は、図５（ａ）において、Ｖｅ＝６、７及び８ｋＶの時、それぞれ８．３、９．３及び１１ｍｍである。図５（ｂ）においては同様に、８．５、１１．４及び１２．５であり、図５（ｃ）においては同様に、１２．２，１３．５及び１３．７である。これらを勘案したＺ2最大値は１３．７であり、小数を四捨五入して１４とした。
【００３３】
図３のｄ−Ｉp特性カーブ（Present(Mill)とPresent(obs)）は、図５（ｂ）の光学系（ただし、Ｖｅ＝８ｋＶ）における特性カーブである。また、レンズ条件はビーム制限絞りの各孔径毎にビーム電流密度が最大になるように調整してある。加工モードの特性カーブPresent(Mill)におけるＫ値として０．２が得られている。ｄ≒1μｍのＩpは、約７０ｎＡになる。また、図３のｄ−Ｉpグラフには、電流密度Ｊ＝１０と５０Ａ／ｃｍ2の直線（傾き１/２）も引いてある。本発明装置における加工モードのｄ−Ｉp特性カーブが部分的にＪ＝５０Ａ／ｃｍ2の直線を越えており、Ｊmax≧５０Ａ／ｃｍ2を達成している。
【００３４】
本実施例によれば、従来装置と比べ加工ビームにおいて、例えばｄ≒1μｍのＩpは種々の光学条件下でも３倍以上に増大できた。ｄ≒１μｍのビームを用いた加工（加工精度は約１μｍ）では、加工時間が１／３以下に短縮できるようになり、ＭＥＭＳや高機能微細素子などの構造解析や不良解析におけるスループットは３倍以上に大きく改善できた。一方、観察モードのＳＩＭ像観察においては、その最高像分解能は６ｎｍ以下であり、観察モードのビーム特性は従来装置と同等かそれ以上である。
【００３５】
本発明装置を特許第2774884号記載の試料分離方法（以下、μサンプリング法と呼ぶ）に適用した実施例について説明する。μサンプリング法では、高機能微細Ｓｉ素子などの構造解析や不良解析において、Ｓｉ素子基板を分割することなく、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）用のμサンプルをＦＩＢで加工して試料室内に設置されたμマニプレータにより取り出すことができる。図６は、本発明装置でこのμサンプリング法におけるＦＩＢ加工を実施した後の基板のＳＩＭ画像（トップビュー：画面横幅ＦＯＶ＝７０μｍ）である。大小４つの加工ボックスで囲まれた小片がμサンプルに相当する。加工部の寸法は、下部のボックスの横幅は２７μｍ、加工最大深さは約１５μｍである。本発明装置の大電流ビームを用いての全ボックスの加工時間は約８分であった。加工時間は、従来装置と比べ約１／３に短縮された。
【００３６】
本実施例は、μサンプル加工に適用した例であるが、通常のボックス加工を組み合わせた断面加工に適用しても同等の加工時間短縮効果が得られた。とくにＭＥＭＳ部品や半導体デバイスの断面構造解析や不良解析にはこの加工時間短縮が有効で、断面作製できる単位時間当たりの試料数が２〜４倍に増大できた。これにより多くの解析数から統計的処理により不良要因を推定する手法において、その推定要因の精度向上に貢献できた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】集束イオンビーム装置のイオン光学系構成を示す図である。
【図２】２段集束レンズ構成のイオン光学長の説明図である。
【図３】従来装置及び本発明装置における代表的なビーム径−ビーム電流（ｄ−Ｉp）特性図である。
【図４】レンズ条件を固定し、ビーム制限絞りの孔径のみを可変した場合のビーム径−ビーム電流（ｄ−Ｉp）特性図（両対数プロット）である。
【図５】集束レンズ倍率Ｍ１とビーム半開角αｏのビーム軌道の電極２_２位置における離軸量ｒの４乗値ｒ4のイオン源エミッタから電極２_２までの距離Ｚ2依存性カーブである。
【図６】本実施例の加工ビームにおけるμサンプリング加工例図（ＳＩＭ像）である。
【符号の説明】
【００３８】
１…イオン源、２…集束レンズ、３…ビーム制限絞り、４…アライナー／スティグマ、５…ブランカー、６…ブランキングプレート、７…偏向器、８…対物レンズ、９…集束イオンビーム、１０…試料、１１…試料ステージ、１２…荷電粒子検出器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam; FIB）に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、集束イオンビーム装置は多くの分野で利用されている。特に、この細く絞ったビームは微小領域に対応可能であり、この領域で使用される。また、この装置は、イオン源からのイオンビームをレンズで細く集束して試料に照射するものであり、微小領域での試料の加工及び試料の観察に用いられる。例えば、比較的小さな電流のイオンビームを試料に照射すれば、試料から発生する２次粒子を検出することにより試料の観察に用いることができる。また、比較的大きな電流のイオンビームを試料に照射すれば、試料を加工することができる。
【０００３】
さらに、集束イオンビームは微細な電気部品や機械部品（Microelectrical mechanical systems; MEMS）や半導体デバイスなどの構造解析や不良解析に用いられる。これらの素子は近年集積化しており、そのため、一般に、積層構造を有している。そのためこれらを検査するには、所定の層まで断面加工してその断面構造を検査する必要がある。ＭＥＭＳや半導体デバイスの微細化と共にその構造も次第に複雑になったため、その検査対象断面数は、益々増し、一断面当たりの検査に使える時間は益々短くなっている。集束イオンビームは加工及び観察が共に可能であるので、ＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析に有効である。まず、イオンビームの電流を大きくして半導体の表面から所定の層まで加工して、それから、イオンビームの電流を小さくして所定の層の状態を検査するのである。
【０００４】
ところで、例えば、特許第3265901号に記載されている従来の装置は、光学系について、イオン源のイオンエミッタ先端から試料までの全イオン光学長は３００ｍｍから４５０ｍｍの範囲にあり、イオン源から集束レンズ中心までの距離は４５ｍｍ以下、対物レンズ中心から試料までの距離は４０ｍｍ以下である。この光学系が形成するＦＩＢの最大電流密度Ｊmaxは１５Ａ／ｃｍ2以上、加工モードの仕上げ加工ビームはビーム電流ＩpがＩp≧数１０ｐＡでビーム径ｄがｄ≦４０ｎｍ、また観察モードの観察ビームはＩp≧数ｐＡでｄ≦１５ｎＡである。
【０００５】
【特許文献１】特許第3265901号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、イオンビーム装置では、加工モードにおいて、加工位置精度はほぼそのビーム径ｄで決まるため、ｄが充分に小さくないとＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析の際に、その微細な構造やパターンに適応できないという問題が生じる。一方、加工速度はそのビーム電流Ｉpにほぼ比例するため、Ｉpが充分に大きくないと、加工速度が遅くなる。そのため、構造解析や不良解析においてＦＩＢ加工の更なる高スループット化のニーズに応えるためには、加工ビームのビーム径を大きくすることなく、更なるビームの大電流化、つまり大電流密度化が課題となっている。一方、観察モードでは、イオンビームが充分に細くないと、構造解析や不良解析の際に、微細なMEMSや半導体デバイスの構造やパターンの観察ができないという問題が生じる。さらに、観察モードにおいて、イオンビームの電流が充分に大きくないと、得られる信号が小さすぎ、充分なＳ／Ｎをもった像の検出ができないという問題が生じる。また、半導体の微細化の進展とともにその観察ビームの更なる微細化も課題となっている。
【０００７】
上記の従来例では、ＦＩＢ加工の特に高電流側における更なる高スループット化のニーズに応えていなかった。例えば、従来装置における３０ｋＶ Ｇａ-ＦＩＢにおいて、ｄ≒1μｍのビームはＩp≒１６ｎＡであり、このビームにてＳｉ試料表面に縦２０μｍ×横２０μｍ×深さ２０μｍの穴加工を行うことを考える。３０ｋＶ Ｇａ-ＦＩＢによるＳｉ試料の加工収率ＹはＦＩＢの走査速度に依存し、０．２〜０．８μｍ3／ｎＡ・ｓの範囲にある。Ｙ＝０．２５μｍ3／ｎＡ・ｓ条件下では、この穴加工の時間は約１７分にもなる。従って、この種の加工をたくさん短時間に行ないたいというＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析における高スループット化のニーズには応えられていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、この特に高電流側における高スループット化及び観察ビームの微細化のニーズに応えるイオンビーム装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発明者は、ＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析を対象として、ＦＩＢのビーム径ｄ、及び、イオンビーム電流Ｉpについて解析及び実験を繰り返し、以下の条件が必要であることを見出した。すなわち、高電流側の加工モードに対してビーム電流Ｉpが２０ｎＡ以上で、その試料位置でのビーム径ｄが０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]以下で、ただしそのｄ最大値は３μｍを越えないＦＩＢが必要である。条件式ｄ≦０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]は、例えばＩp＝２０ｎＡの時ｄ≦０．５μｍ、またｄ=１μｍの時Ｉp≧３１．７ｎＡのＦＩＢに相当する。ｄ最大値が３μｍを越えないという条件は、対象とするＭＥＭＳや半導体デバイスの微細性から導入したものである。また、加工ビームの最大電流密度Ｊmaxについては約５０Ａ／ｃｍ2が必要である。一方、観察モードに対しては、従来例と同じく、Ｉp≧数ｐＡでｄ≦１５ｎｍのＦＩＢであるが、ｄの最小値ｄminに関しては、ｄmin≦６ｎｍでそのビーム電流Ｉpが０．００１ｎＡ以上のＦＩＢが必要であることを見出した。
【００１０】
この数値を達成するため、すなわち、本発明の目的であるところの半導体、不良解析を実現するため、本発明では、イオン源から放出されたイオンビームを試料上に加速して集束させる集束レンズ及び対物レンズを有し、集束レンズは、少なくとも引き出し電圧が印加された第１電極、および接地電位が印加された第２電極を備える集束イオンビーム装置において、イオン源のエミッタ先端から前記集束レンズの第２電極までの距離が５〜１４ｍｍの範囲にあるように構成した。
【００１１】
上記の構成によれば、高電流側の加工モードに対して前記ビーム電流Ｉpが２０ｎＡ以上で、試料位置でのビーム径ｄが０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]以下のＦＩＢが形成できる。つまり、Ｉp＝２０ｎｍでｄ≦０．５μｍ、ｄ＝1μｍではＩp≧３１．７ｎＡのＦＩＢである。また、加工ビームの最大電流密度Ｊmaxは５０Ａ／ｃｍ2が達成できる。例えば、ｄ＝1μｍでＩp≒３２ｎＡのＦＩＢを用いて前述と同様にＳｉ試料表面に縦２０μｍ×横２０μｍ×深さ２０μｍの穴加工をした場合、その穴加工の時間は約８．５分と従来値の約１／２に短縮できる。一方、観察モードに対しては、ｄの最初値ｄminに関して、ｄmin≦６ｎｍでそのビーム電流Ｉpが０．００１ｎＡ以上のＦＩＢが形成できる。この結果として、MEMSや半導体デバイスの構造解析や不良解析が高スループットでかつ高精度に可能となる。
【００１２】
なお、特開2002-251976号公報には、液体金属イオン源から集束レンズまでの距離を１０ｍｍ以下にすることが記載されている。しかし、その目的は、イオン源からの距離と共に広がっていく放出イオンが集束レンズの電極（中心孔の外側部）に当たらないようにするためである。放出イオンが集束レンズに当たるとその個所はスパッタリングにより削れてしまい、装置の寿命が短くなってしまうからである。しかし、この公知例は本発明とは目的が異なるため、集束レンズ電極の電位情報に関しては全く記載がない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、ＭＥＭＳや半導体デバイスの構造解析や不良解析が高スループットに実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、ＦＩＢ装置のイオン光学系概略構成図である。イオン源１は、輝度の高いガリウム（Ｇａ）の液体金属イオン源（Liquid Metal Ion Source; ＬＭＩＳ）である。イオン源１から放出されたイオンは集束レンズ２と対物レンズ８により試料１０に集束させられる。ＦＩＢ９のビーム径あるいはビーム電流は集束レンズ２の直後に置かれたビーム制限絞り３にて決まり、試料１０上でのビーム走査は静電型偏向器７にて行われる。試料１０は試料ステージ１１に載せられおり、ＸＹＺ移動と回転、傾斜が可能である。ビーム制限絞り３の下流側には、アライナー／スティグマ４、ブランカー５、ブランキングプレート６が配置されている。ＦＩＢ照射によって試料１０から放出された２次粒子は、荷電粒子検出器１２によって検出される。
【００１５】
集束レンズ２は、図２にその概略が示されるように４枚電極で構成されており、上から１枚目、２枚目、…と数え、その電極をそれぞれ２_１、２_２、…とする。１枚目から４枚目までのそれぞれの電極には、引き出し電圧Ｖｅ（イオン源のエミッタ電位を基準）、接地電位、レンズ電位Ｖ1、接地電位が印加されている。２枚目の電極を分割して光軸にそって２分割する場合もあるが、両者は同電位であり、この間にレンズ作用は発生しない。
【００１６】
次に、集束レンズの切り替えによるモード変化を説明する。集束レンズの第３枚目電極１_３の電位Ｖ1を切り替えて２種類の集束モード、つまり（ａ）ＦＩＢ加工用の高電流密度ビームモードと、（ｂ）走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope; ＳＩＭ）像観察用の微細ビームモードを実現する。加工モードにおいては、ビーム径毎に（ビーム制限絞り３の孔径毎に）レンズ電位Ｖ1は更に調整されている。図２において、光軸近傍にイオン行路を左右1本づつ示しているが、左側の行路が代表的な観察ビームに対応し、右側の行路が代表的な加工ビームに対応している。
【００１７】
ここで、本発明の実施例を明確とするため、従来の技術について説明する。従来装置のレンズ構成は、図２と同様であり、レンズ電極間の光学長のみが異なる。イオン源１のイオンエミッタ先端から試料１０までの全イオン光学長Ｌｔは３００〜４５０ｍｍの範囲、イオンエミッタ先端から集束レンズ中心までの距離Ｚ3は４５ｍｍ以下、対物レンズ中心から試料までの距離Ｌｉは４０ｍｍ以下である。従来装置における、ＦＩＢ加工用とＳIＭ像観察用の両モードについて、ビーム径ｄ及びビーム電流Ｉpの代表的カーブを、図３のグラフ上（両対数スケール）にConv.(Mil.)とConv.(Obs.)として示してある。カーブ上のマーク●及び○はビーム制限絞りの種々の孔径に対応し、１本のカーブ上ではＩpの小さい側のマークほどこの絞り孔径は小さい。従来の集束イオンビーム装置は以下のようにまとめられる。
（１）加工ビームの最大電流密度Ｊmaxは約１５Ａ／ｃｍ2である。
（２）Ｉp＝数１０ｐＡを持つ仕上げ加工ビームのビーム径ｄは≦４０ｎｍである。
（３）微細ビーム（観察）モードでは、Ｉp≧数ｐＡでｄ≦１５ｎｍのビームが形成できる。
（４）加工モードのカーブ（Conv.(Mill.)）はＩp≧２０ｎＡの大電流側において、ビーム径ｄは球面収差によるビーム径ｄｓが支配的になり、Ｉpに対して１．５乗の比例式（ｄ＝Ｋ・Ｉp1.5；Ｋは比例定数）近似でき、両対数グラフではこの近似式は傾き１．５の直線になる（後で説明する）。その比例式の比例定数Ｋ値はｄ及びＩpの単位をそれぞれμｍ及びｎＡにとった時、常に０．５より大きい（つまり、例えば、Ｉp＝２０ｎＡのビームは常にｄ＞０．５μｍである）。図３において、点（Ｉp，ｄ）＝（２０ｎＡ，０．５μｍ）は○で示してあり、この点を通る傾き１．５の直線も示してある。
【００１８】
本発明のＦＩＢ装置では、二種類のビーム、つまり、加工モードにおいてＩp≧２０ｎＡの大電流側ではＫ値を常に０．５以下にするビームを提供し、また観察モードにおいてはｄの最小値ｄminとして、ｄmin≦６ｎｍでＩp≧０．００１ｎＡのビームを提供する。
【００１９】
本発明の実施例であるＦＩＢ装置におけるイオン光学系の概略を、図２を用いて説明する。光学系は集束レンズ２と対物レンズ８の２段静電レンズ構成であり、イオンエミッタ先端から集束レンズ２の第1、第２、第３、及び第４電極までの距離をそれぞれＺ1、Ｚ2、Ｚ3及びＺ4とする。この４枚の集束レンズは、第1及び第２電極から構成される、引き出し加速レンズと第２、第３及び第４電極から構成されるユニポテンシャルレンズの組合せレンズである。イオン源はＧａ液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）であり、イオン源の加速電圧Ｖaccは、イオンのスパッタ加工を効率的に行なうため、３０〜４０ｋＶとした。ただし、設計許容度として約３％をとり、加速電圧Ｖaccの最大範囲は２９〜４１ｋＶとした。引出し電圧Ｖｅは５．５〜８．５ｋＶとした。イオン源１のイオンエミッタ先端から試料１０までの全イオン光学長Ｌｔは従来装置（特許第3265901号）と同様、３００ｍｍから４５０ｍｍの範囲にあり、対物レンズ中心から試料までの距離も従来装置と同様、４０ｍｍ以下であり、本発明の課題を達成するためにも、この範囲の制限は必要である。
【００２０】
光学長と電位を固定し、ＦＩＢを形成する集束レンズの入射側でのビーム半開角をαｏとすると、ビーム径ｄは、一般に、ガウス像径ｄｇ、色収差によるビーム径ｄｃ、及び球面収差によるビーム径ｄｓを用いて次式で表される。
ｄ2＝ｄｇ2＋ｄｃ2＋ｄｓ2 (１)
ｄｇ＝ＭtＤs (２)
ｄｃ＝Ｈｃ・αｏ・ΔＶ (３)
ｄｓ＝(１／２)Ｈｓ・αｏ3 (４)
Ｈｃ＝Ｍt・Ｃｃ／Ｖｅ (５)
Ｈｓ＝Ｍy・Ｃｓ (６)
【００２１】
ここでΔＶは放出イオンのエネルギー幅ΔＥの電圧換算値、Ｖｅは引き出し電圧（エミッタ電位を原点として）、Ｄｓはイオン源の仮想ソースサイズ（≒５０ｎｍ）、Ｍｔはイオン光学系のレンズ倍率で集束レンズと対物レンズのそれぞれの倍率Ｍ１とＭ２の積に等しい。αｏはイオン源側でのビーム半開角、Ｃｃ及びＣｓはそれぞれ色及び球面収差係数（ただし、イオン源側定義）である。一方、ビーム電流Ｉpはイオン源の放射角電流密度ｄＩ/ｄΩ（≒２０μＡ／ｓｒ）を用いて、次式で表される。
Ｉp＝（ｄＩ/ｄΩ）（παｏ2） (７)
【００２２】
Ｉpが大きく球面収差によるビーム径ｄｓが支配的でｄ≒ｄｓが成立する領域では式（４）と（７）から比例定数Ｋを用いて
ｄ＝ＫＩp3/2 (８)
と近似できる。
【００２３】
以上の議論から、レンズ条件とレンズ間距離などの光学距離を一定とし、ビーム制限絞りの孔径のみを可変として得られるｄ−Ｉpカーブの基本的特徴として、このカーブを図４に示すように両対数でプロットすると、ｄは電流の大、中、小領域ではそれぞれ球面収差、色収差、及びガウス像が支配的なビーム径（ｄｓ、ｄｃ、及びｄｇ）で近似できることがわかる。図３の加工モードのｄ−Ｉpカーブにおいては、光学距離は一定であるが、中電流領域においてビーム制限絞りの各孔径毎にビーム電流密度が最大になるようにレンズ条件を調整しており、その両対数メモリ上での近似直線の傾きは１／２から外れ１／４に近くになっている。
【００２４】
まず、加工モードにおいてＩp≧２０ｎＡの大電流側でこのＫ値を常に０．５以下にするビームを取り上げる。これは、大電流領域においてｄｓを小さくすることに相当する。ｄｓを小さくすることは、Ｈｓを小さくすること、つまり、Ｍｔと共にＣｓを小さくすることである。ここでＣｓは光軸ｚ上のイオン源エミッタから試料までの光軸に沿っての以下の積分から求まる。
Ｃｓ＝(1/64)∫(Ｖ/Ｖｅ)1/2[4Ｓ’2＋3Ｓ4−5Ｓ2Ｓ’−ＳＳ”]ｒ4ｄｚ （９）
【００２５】
ここで、ＳはＶ’／Ｖで、Ｖは光軸上の電位、Ｖ’はＶのｚに関する一次微分（＝ｄＶ／ｄｚ）、ｒは光軸からの離軸量である。この被積分項の中にはｒの４乗項が入っており、Ｃｓを小さくするにはレンズの中でいかにｒの小さいビームを通すかがポイントであるかを見出した。
【００２６】
Ｃｓ値には集束レンズと対物レンズが寄与するが、大電流化には前者の寄与が大きいため、Ｃｓを小さくするためには、集束レンズ２の引き出し加速レンズ領域（電極２_1から２_２間）の出口電極２_２（電極２_２は、その後に位置するユニポテンシャルレンズ領域［電極２_1から２_４間］の入り口電極を兼務）のｚ位置において、ビーム（ただし、αｏ＝１rad）の離軸量ｒの４乗値ｒ4が小さいことが必要であることがわかった。具体的には、Ｉpが２０ｎＡ以上で、そのビーム径ｄが０．５×（Ｉp/２０ｎＡ）3/2 [μｍ]以下のビームを形成するには、種々の計算と実験の結果、ＭｔとＣｓを共に小さくする課題の内、特にＣｓを小さくすることが重要であり、そのためには、ｒ4≦１６００ｍｍ4（ｒ≦６．３ｍｍ）の制限が必要であることがわかった。
【００２７】
次に、観察モードにおける条件、ｄmin≦６ｎｍでＩp≧０．００１ｎＡについて考える。これを満足するためには、観察モードにおいては、レンズ電圧Ｖ1は接地電位であり、式(１)においてｄを主に決めているのはｄｇとｄｃである。特にｄｇはｄの最小値限界を示すもので、レンズ倍率Ｍｔ（＝Ｍ1Ｍ2）が重要となる。そこでは、集束レンズ２のレンズ倍率Ｍ1が重要で、種々の計算と実験の結果、Ｍ1≦８の制限が必要であることがわかった。集束レンズの像点位置をエミッタ側に置いた場合（つまり、仮想像点とした場合）、Ｍ1が大きくなるとＭ2は小さくなるが、Ｍ1の増大率の方が勝るため、Ｍｔが大きくなり、その結果、ｄｇも大きくなるからである。
【００２８】
上記の制限、つまり、加工モードにおけるｒ4≦１６００ｍｍ4と観察モードにおけるＭ1≦８の両者を満足させるためには、種々の計算と実験の結果、イオン源１のエミッタ先端から集束レンズ構成している接地電位の接地電極２_２までの距離Ｚ2が１４ｍｍ以下である必要があることがわかった。Ｚ2が短すぎるとエミッター1と電極２_1間や、電極２_1と２_２間で放電が起こるため、実用的には５ｍｍ以上が必要である。その結果、Ｚ2の範囲は５〜１4ｍｍになった。
【００２９】
特許第3265901号に記載の従来装置においては、イオン源１から集束レンズ中心（代表電極としてレンズ作用に支配的な第３電極２_３位置を採用）までの距離Ｚ3が４５ｍｍ以下と条件提示されているが、この条件だけでは不十分で、本発明では、イオン源１からイオン源に最も近い集束レンズの接地電極２_２までの距離Ｚ2に関して上述の範囲５〜１4ｍｍの制限が必要である。
【００３０】
以下、この範囲制限を代表的な光学長における計算特性グラフ図５（ａ）〜図５（ｃ）を用いて説明する。いずれのグラフもＭ1及びｒ4のＺ2依存性カーブを示している。引出し電圧Ｖｅ＝６，７及び８ｋＶである。グラフ図５（ａ）〜図５（ｃ）におけるＶacc及び電極２_１と２_２間距離ＺＬ1についての計算条件を表１に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
範囲制限Ｍ1≦８ｍｍ及びｒ4≦１６００ｍｍ4の両者を満足するＺ2［ｍｍ］の上限値は、図５（ａ）において、Ｖｅ＝６、７及び８ｋＶの時、それぞれ８．３、９．３及び１１ｍｍである。図５（ｂ）においては同様に、８．５、１１．４及び１２．５であり、図５（ｃ）においては同様に、１２．２，１３．５及び１３．７である。これらを勘案したＺ2最大値は１３．７であり、小数を四捨五入して１４とした。
【００３３】
図３のｄ−Ｉp特性カーブ（Present(Mill)とPresent(obs)）は、図５（ｂ）の光学系（ただし、Ｖｅ＝８ｋＶ）における特性カーブである。また、レンズ条件はビーム制限絞りの各孔径毎にビーム電流密度が最大になるように調整してある。加工モードの特性カーブPresent(Mill)におけるＫ値として０．２が得られている。ｄ≒1μｍのＩpは、約７０ｎＡになる。また、図３のｄ−Ｉpグラフには、電流密度Ｊ＝１０と５０Ａ／ｃｍ2の直線（傾き１/２）も引いてある。本発明装置における加工モードのｄ−Ｉp特性カーブが部分的にＪ＝５０Ａ／ｃｍ2の直線を越えており、Ｊmax≧５０Ａ／ｃｍ2を達成している。
【００３４】
本実施例によれば、従来装置と比べ加工ビームにおいて、例えばｄ≒1μｍのＩpは種々の光学条件下でも３倍以上に増大できた。ｄ≒１μｍのビームを用いた加工（加工精度は約１μｍ）では、加工時間が１／３以下に短縮できるようになり、ＭＥＭＳや高機能微細素子などの構造解析や不良解析におけるスループットは３倍以上に大きく改善できた。一方、観察モードのＳＩＭ像観察においては、その最高像分解能は６ｎｍ以下であり、観察モードのビーム特性は従来装置と同等かそれ以上である。
【００３５】
本発明装置を特許第2774884号記載の試料分離方法（以下、μサンプリング法と呼ぶ）に適用した実施例について説明する。μサンプリング法では、高機能微細Ｓｉ素子などの構造解析や不良解析において、Ｓｉ素子基板を分割することなく、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）用のμサンプルをＦＩＢで加工して試料室内に設置されたμマニプレータにより取り出すことができる。図６は、本発明装置でこのμサンプリング法におけるＦＩＢ加工を実施した後の基板のＳＩＭ画像（トップビュー：画面横幅ＦＯＶ＝７０μｍ）である。大小４つの加工ボックスで囲まれた小片がμサンプルに相当する。加工部の寸法は、下部のボックスの横幅は２７μｍ、加工最大深さは約１５μｍである。本発明装置の大電流ビームを用いての全ボックスの加工時間は約８分であった。加工時間は、従来装置と比べ約１／３に短縮された。
【００３６】
本実施例は、μサンプル加工に適用した例であるが、通常のボックス加工を組み合わせた断面加工に適用しても同等の加工時間短縮効果が得られた。とくにＭＥＭＳ部品や半導体デバイスの断面構造解析や不良解析にはこの加工時間短縮が有効で、断面作製できる単位時間当たりの試料数が２〜４倍に増大できた。これにより多くの解析数から統計的処理により不良要因を推定する手法において、その推定要因の精度向上に貢献できた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】集束イオンビーム装置のイオン光学系構成を示す図である。
【図２】２段集束レンズ構成のイオン光学長の説明図である。
【図３】従来装置及び本発明装置における代表的なビーム径−ビーム電流（ｄ−Ｉp）特性図である。
【図４】レンズ条件を固定し、ビーム制限絞りの孔径のみを可変した場合のビーム径−ビーム電流（ｄ−Ｉp）特性図（両対数プロット）である。
【図５】集束レンズ倍率Ｍ１とビーム半開角αｏのビーム軌道の電極２_２位置における離軸量ｒの４乗値ｒ4のイオン源エミッタから電極２_２までの距離Ｚ2依存性カーブである。
【図６】本実施例の加工ビームにおけるμサンプリング加工例図（ＳＩＭ像）である。
【符号の説明】
【００３８】
１…イオン源、２…集束レンズ、３…ビーム制限絞り、４…アライナー／スティグマ、５…ブランカー、６…ブランキングプレート、７…偏向器、８…対物レンズ、９…集束イオンビーム、１０…試料、１１…試料ステージ、１２…荷電粒子検出器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源、前記イオン源から放出されたイオンビームを試料上に加速して集束させる集束レンズ及び対物レンズ、前記集束したイオンビームを試料上で走査させる偏向器、及び前記集束したイオンビームのビーム電流あるいはビーム径を制限するビーム制限絞りを含む集束イオンビーム装置において、
前記集束レンズは、少なくとも引き出し電圧が印加された第１電極及び接地電位が印加された第２電極を備え、
前記イオン源のエミッタ先端から前記集束レンズの第２電極までの距離が５〜１４ｍｍの範囲にあることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項２】
請求項１記載の集束イオンビーム装置において、前記イオン源が液体金属イオン源であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の集束イオンビーム装置において、前記イオン源のエミッタへの印加電圧が２９〜４１ｋＶの範囲にあることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項４】
イオン源、前記イオン源から放出されたイオンビームを試料上に加速して集束させる集束レンズ及び対物レンズ、前記集束したイオンビームを試料上で走査させる偏向器、及び前記集束したイオンビームのビーム電流あるいはビーム径を制限するビーム制限絞りを含む集束イオンビーム装置において、
ビーム電流Ｉpが２０ｎＡ以上、試料位置におけるビーム径ｄが３[μｍ]を越えず、かつ０．５・（Ｉp／２０ｎＡ）3/2[μｍ]以下である集束イオンビームを形成することを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の集束イオンビーム装置において、前記イオン源のエミッタ先端から試料までの光学長が、３００ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲にあることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項１】
イオン源、前記イオン源から放出されたイオンビームを試料上に加速して集束させる集束レンズ及び対物レンズ、前記集束したイオンビームを試料上で走査させる偏向器、及び前記集束したイオンビームのビーム電流あるいはビーム径を制限するビーム制限絞りを含む集束イオンビーム装置において、
前記集束レンズは、少なくとも引き出し電圧が印加された第１電極及び接地電位が印加された第２電極を備え、
前記イオン源のエミッタ先端から前記集束レンズの第２電極までの距離が５〜１４ｍｍの範囲にあることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項２】
請求項１記載の集束イオンビーム装置において、前記イオン源が液体金属イオン源であることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の集束イオンビーム装置において、前記イオン源のエミッタへの印加電圧が２９〜４１ｋＶの範囲にあることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項４】
イオン源、前記イオン源から放出されたイオンビームを試料上に加速して集束させる集束レンズ及び対物レンズ、前記集束したイオンビームを試料上で走査させる偏向器、及び前記集束したイオンビームのビーム電流あるいはビーム径を制限するビーム制限絞りを含む集束イオンビーム装置において、
ビーム電流Ｉpが２０ｎＡ以上、試料位置におけるビーム径ｄが３[μｍ]を越えず、かつ０．５・（Ｉp／２０ｎＡ）3/2[μｍ]以下である集束イオンビームを形成することを特徴とする集束イオンビーム装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の集束イオンビーム装置において、前記イオン源のエミッタ先端から試料までの光学長が、３００ｍｍ〜４５０ｍｍの範囲にあることを特徴とする集束イオンビーム装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−４６７１（Ｐ２００６−４６７１Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７７２６１（Ｐ２００４−１７７２６１）
【出願日】平成１６年６月１５日（２００４．６．１５）
【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１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１５日（２００４．６．１５）
【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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