(57)【要約】【課題】半導体製造プロセスへの金属汚染の拡散を最小限度に抑制し歩留まりを向上させることができる荷電粒子線加工装置を提供する。【解決手段】真空容器１０に接続され非金属イオン種のイオンビーム１１を試料３５に照射するイオンビームカラム１と、イオンビーム１１により試料３５から切り出されたマイクロサンプル４３を摘出するプローブ１６を有するマイクロサンプリングユニット３と、マイクロサンプル４３とプローブ１６とを接着するガスを流出させるガス銃２と、イオンビームカラム１が接続されたと同一の真空容器１１に接続され汚染計測用ビーム１３をイオンビームカラム１によるイオンビーム照射跡に照射する汚染計測用ビームカラム６Ａと、汚染計測用ビーム１３を照射した際にイオンビームカラム１によるイオンビーム照射跡から放出される特性Ｘ線を検出する検出器７とを備えたことを特徴とする荷電粒子線加工装置。【選択図】図１
2008027669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する試料ホルダーと、
この試料ホルダーを移動させるステージと、
前記試料ホルダー及び前記ステージを包囲した真空容器と、
イオン発生源と、
前記真空容器に接続され前記イオン発生源から非金属イオン種のイオンビームを取り出して前記試料に照射するイオンビームカラムと、
このイオンビームカラムからのイオンビームにより前記試料から切り出された微小試験片を摘出するプローブを有するマイクロサンプリングユニットと、
前記微小試験片と前記プローブとを接着するガスを流出させるガス銃と、
前記イオンビームカラムが接続されたと同一の前記真空容器に接続され、前記イオンビームカラムによるイオンビームの照射跡に電子ビーム又はＸ線ビームである汚染計測用ビームを照射する汚染計測用ビームカラムと、
この汚染計測用ビームカラムからの汚染計測用ビームを照射した際に前記イオンビームカラムによるイオンビームの照射跡から放出される特性Ｘ線を検出する検出器と
を備えたことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項２】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、前記非金属イオン種は、不活性ガス種、酸素、又は窒素であることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項３】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、前記試料ホルダーにおける試料を保持する領域外の部分にイオンビームを照射するための汚染計測用サンプルを有する汚染監視治具が着脱可能に設けられており、試料を加工する前に前記汚染計測用サンプルにイオンビームを照射した後、前記汚染計測用サンプルに汚染計測用ビームを照射してイオンビームの照射跡の元素を測定することでイオンビームに金属が含まれていないかを事前検出することを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項４】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、前記検出器により検出された特性Ｘ線を基に金属の含有量を計測し、計測した金属含有量を事前に設定された汚染判定値と比較して汚染発生の有無を判定する処理を制御ユニットに実行させるプログラムを格納したことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項５】
請求項４の荷電粒子線加工装置において、前記プログラムの実行開始を指示する汚染監視ボタン、及び汚染計測の結果汚染が認められた場合に汚染発生を操作者に報知する警告手段を有する操作卓を備えたことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項６】
請求項５に記載の荷電粒子線加工装置において、前記操作卓は、汚染が認められた場合に前記汚染判定値を超えた金属イオン種を基に汚染対策内容を表示する汚染対策表示手段を有することを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項７】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、前記汚染計測用ビームカラムが観察用電子ビームカラムを兼ねることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項８】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、試料に対するイオンビームの入射軸に対して前記イオン発生源からのイオンビームの出射軸が傾斜するように前記イオンビームカラムの筐体が曲成されていることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項９】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、前記イオンビームカラムからのイオンビームの照準位置と前記汚染計測用ビームカラムからの汚染計測用ビームの照準位置が離間しており、前記イオンビームカラムによるイオンビーム照射跡に汚染計測用ビームを照射する場合、前記ステージを駆動して前記試料ホルダーの位置を調整することにより汚染計測用ビームの照準位置にイオンビームの照射跡を一致させることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１０】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、ＳＴＥＭ、ＴＥＭ、レビューＳＥＭのいずれかで構成された電子ビームカラムを備えることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１１】
請求項１の荷電粒子線加工装置において、前記試料ホルダーが前記マイクロサンプリングユニットにより試料から摘出したマイクロサンプルを搭載するメッシュを備えており、前記メッシュに搭載されたマイクロサンプルを前記真空容器内で前記イオンビームカラムからのイオンビームにより薄膜化加工することを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１２】
イオンビームを照射するための汚染計測用サンプルを有する汚染監視治具と、
この汚染監視治具を包囲した真空容器と、
イオン発生源と、
前記真空容器に接続され前記イオン発生源から非金属イオン種のイオンビームを取り出して前記汚染計測用サンプルに照射するイオンビームカラムと、
このイオンビームカラムが接続されたと同一の前記真空容器に接続され、前記汚染計測用サンプルにおける前記イオンビームカラムによるイオンビームの照射跡に電子ビーム又はＸ線ビームである汚染計測用ビームを照射する汚染計測用ビームカラムと、
この汚染計測用ビームカラムからの汚染計測用ビームを照射した際に前記汚染計測用サンプルにおける前記イオンビームカラムによるイオンビームの照射跡から放出される特性Ｘ線を検出する検出器と
を備えたことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１３】
請求項１２の荷電粒子線加工装置において、前記非金属イオン種は、不活性ガス種、酸素、又は窒素であることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１４】
請求項１２の荷電粒子線加工装置において、前記検出器により検出された特性Ｘ線を基に金属の含有量を計測し、計測した金属含有量を事前に設定された汚染判定値と比較して汚染発生の有無を判定する処理を制御ユニットに実行させるプログラムを格納したことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１５】
請求項１４の荷電粒子線加工装置において、前記プログラムの実行開始を指示する汚染監視ボタン、及び汚染計測の結果汚染が認められた場合に汚染発生を操作者に報知する警告手段を有する操作卓を備えたことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の荷電粒子線加工装置において、前記操作卓は、汚染が認められた場合に前記汚染判定値を超えた金属イオン種を基に汚染対策内容を表示する汚染対策表示手段を有することを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１７】
請求項１２の荷電粒子線加工装置において、前記イオンビームカラムからのイオンビームの照準位置と前記汚染計測用ビームカラムからの汚染計測用ビームの照準位置が離間しており、前記汚染計測用サンプルにおけるイオンビームの照射跡に汚染計測用ビームを照射する場合、前記ステージを駆動して前記汚染計測用サンプルの位置を調整することにより汚染計測用ビームの照準位置にイオンビームの照射跡を一致させることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１８】
試料を保持する試料ホルダーと、
この試料ホルダーを移動させるステージと、
前記試料ホルダー及び前記ステージを包囲した真空容器と、
イオン発生源と、
前記真空容器に接続され前記イオン発生源から非金属イオン種のイオンビームを取り出して前記試料に照射するイオンビームカラムと、
このイオンビームカラムからのイオンビームにより前記試料から切り出された微小試験片を摘出するプローブを有するマイクロサンプリングユニットと、
前記微小試験片と前記プローブとを接着するガスを流出させるガス銃と、
前記イオンビームカラムが接続されたと同一の前記真空容器に接続され、前記イオンビームカラムによるイオンビームの照射跡に電子ビーム又はＸ線ビームである汚染計測用ビームを照射する汚染計測用ビームカラムと、
この汚染計測用ビームカラムからの汚染計測用ビームを照射した際に前記イオンビームカラムによるイオンビームの照射跡から放出される特性Ｘ線を検出する検出器と、
前記試料ホルダーにおける試料を保持する領域外の部分に設けられたイオンビームを照射するための汚染計測用サンプルを有する汚染監視治具とを備え、
試料を加工する前に前記汚染計測用サンプルにイオンビームを照射した後、前記汚染計測用サンプルに汚染計測用ビームを照射して前記汚染計測用サンプルにおけるイオンビームの照射跡の元素を測定することでイオンビームに金属が含まれていないかを事前検出する
ことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項１９】
請求項１８の荷電粒子線加工装置において、前記非金属イオン種は、不活性ガス種、酸素、又は窒素であることを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項２０】
請求項１８の荷電粒子線加工装置において、前記検出器により検出された特性Ｘ線を基に金属の含有量を計測し、計測した金属含有量を事前に設定された汚染判定値と比較して汚染発生の有無を判定する処理を制御ユニットに実行させるプログラムを格納したことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【請求項２１】
請求項１８の荷電粒子線加工装置において、前記プログラムの実行開始を指示する汚染監視ボタン、汚染計測の結果汚染が認められた場合に汚染発生を操作者に報知する警告手段、及び汚染が認められた場合に前記汚染判定値を超えた金属イオン種を基に汚染対策内容を表示する汚染対策表示手段を有する操作卓を備えたことを特徴とする荷電粒子線加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームで試料を加工する荷電粒子線加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばマイクロプロセッサーに代表される半導体デバイスや、ダイナミックランダムアクセスメモリに代表される半導体メモリ、磁気ヘッド等の電子部品等の製造コストを削減するための検査・解析技術が注目されている。検査・解析技術を駆使してプロセス条件の最適化や不良解析等を効率化することで、開発期間短縮や歩留まりの早期向上に寄与する。
【０００３】
検査・解析装置の中には、集束イオンビーム（Focus Ion Beam、以下ＦＩＢと略記する）と走査電子顕微鏡（scanning electron microscope、以下ＳＥＭと略記する）を複合したデュアルビームのＦＩＢ‐ＳＥＭ装置がある。ＦＩＢ−ＳＥＭでは、試料にＦＩＢを照射しスパッタ作用によって試料に断面を形成する機能を有しており、欠陥箇所の断面をＳＥＭで観察することができる。しかし、分解能が数ｎｍ程度であるＳＥＭでは、微細化が進展する先端デバイスの構造を観察するには既に不十分となってきている。そこで、ＦＩＢとプローブを用いて試料を切断することなく欠陥を内包する１辺が１０μｍ程度の微小サンプルを試料から切り出して装置外に取り出し、サブナノメートルの分解能を有する走査型透過電子顕微鏡（scanning transmission electron microscope、以下ＳＴＥＭと略記する）、透過電子顕微鏡（transmission electron microscope、以下ＴＥＭと略記する）で観察する手法が用いられるようになってきた。
【０００４】
一般的なＦＩＢではガリウム（Ｇａ）イオン源を用いており、微小サンプルを摘出した後の試料の加工穴周辺にガリウムが残留する。残留ガリウムは次の半導体製造プロセスにおいて不良原因となる可能性が高い。特にシリコン半導体に対してＰ型の不純物となるため、ＦＩＢで処理したウエーハをそのままラインに戻すと、ガリウムが拡散し電気特性の劣化を引き起こす可能が高い。このため、ＦＩＢを用いてマイクロサンプルを摘出したウエーハは、製造ラインに再度戻すことはできず廃棄せざるを得なかった。近年のウエーハの大口径化、プロセス数の増大に伴い、こうしたウエーハの廃棄処分による損害は大変な額に上っている。
【０００５】
そこで、ガリウム汚染に対策した技術として、ガリウムに代えてアルゴン・クリプトン・ゼノン等の不活性ガスや窒素ガス・酸素ガス等のイオンを試料加工用のイオン種とする方法がある（特許文献１等参照）。これは、無極放電であるマイクロ波プラズマをイオン発生源に用いて引き出し電極及び加速電極によって目的のイオン種のイオンビームを引き出し（抽出し）、引き出したイオンビームにより加工した試料断面をＳＥＭで観察するものである。
【０００６】
【特許文献１】特許３５６４７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術では、非金属であるガスイオンビームを加工用イオンビームに用いてはいるが、主にＦＩＢ−ＳＥＭ装置の動作異常時に試料を加工する場合では金属汚染が発生することがあった。例えば、イオン発生源のメンテナンス直後に多く発生する短絡放電等に伴い電源保護のために電源制御系が停止した場合である。
【０００８】
加工用ビームが引き出されている状態で、例えば集光レンズの印加電圧が正常値からゼロに変化すると、正常時と比較してビーム径が太くなり、正常動時にはビームが照射されない部位（電極やカラム内壁面等）にビームが照射され、照射された部位が金属であればイオンビームによるスパッタ物が試料に到達し金属汚染を発生する。同じく加工用ビームを引き出すための印加電圧、加速電圧が正常値からゼロに変化する場合、ビーム発散角が変化して正常動時には照射されない部位にビームが照射されてしまう場合がある。
【０００９】
また、目的のイオン種のビームの引き出し精度が低下した場合、本来除去されるべき金属イオンビームが試料に照射され汚染が発生することがあった。通常、イオンビーム装置は、イオン発生源で発生する金属イオンを含む多種のイオンの中から必要な非金属イオンビームのみを取り出すために質量分離器等を有している。加工用ビームが引き出されている状態で放電等によって質量分離器の電極印加電圧（磁場発生用にコイルを使用している場合はコイル電流値）が次第に低下していく場合、その電圧（又は電流）が低下する過程において、本来使用するイオンビーム以外のビームが試料に照射される。この意図しないイオンビームに金属イオンビームが含まれていると金属汚染が発生する。
【００１０】
また、イオン発生源で発生した金属粒子を含む中性粒子がそのまま試料に到達しないようにするため、通常、イオン発生源から試料までのイオンビーム軌道は一直線にせずに曲げてある。したがって、イオンビーム装置には、イオンビームの進行方向を試料に向かって偏向させる偏向器が用いられる。一般的には電場によってイオンビームを曲げる偏向器である。
【００１１】
この場合も上記と同様に、イオンビームが引き出されている状態で放電等によって偏向器の電極印加電圧が次第に低下すると、イオンビームが目標の軌道を外れイオンビームが金属部に照射されてしまうと金属汚染が発生する。
【００１２】
このようにイオンビームが不測に照射されることにより発生し加工光学系内に残留した金属スパッタ物は、放電対策後の装置復旧直後に加工用イオンビームの静電気力等に伴う輸送効果により試料に到達し汚染を引き起こすことがある。
【００１３】
以上のような不具合は、停電等によってイオンビーム装置の電源制御系が停止する場合でも同じく発生する。また、オペレータが加工ビーム種やビーム照射条件を変更するときにビーム条件の設定を誤った場合にも、同じように金属汚染が生じ得る。
【００１４】
本発明の目的は、半導体製造プロセスへの金属汚染の拡散を最小限度に抑制し歩留まりを向上させることができる荷電粒子線加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、装置内放電や停電発生後の装置立上げ直後、試料を加工する真空容器内で、ビーム照射条件変更等の非定常作業後の試料加工前にイオンビームの汚染量を測定する。一定値を超える汚染を確認した場合、例えばアラームを表示して作業者に処理を一時中止して汚染対策を施すように促す。
【発明の効果】
【００１６】
本願によれば、半導体製造プロセスへの金属汚染の拡散を最小限度に抑制し歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
＜全体構成＞
図１は本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線加工装置の一構成例の概略構成図である。
本実施の形態の荷電粒子線加工装置（以下、本装置と記載する）は、試料３５を加工する機能を有する第１ユニット１００、第１ユニット１００の試料加工用のイオンビーム１１による金属汚染を計測する機能を有する第２ユニット２００、試料３５を保持する試料ホルダー８、試料ホルダー８を移動させるステージ９、試料ホルダー８及びステージ９を内包する真空容器１０等を備えている。ユニット１００，２００は真空容器１０に取り付けられており、ステージ９は真空容器１０内を移動してユニット１００，２００のそれぞれのビーム軸位置に試料３５を移動させる。
【００１９】
本装置において、第１ユニット１００は、試料３５にイオンビーム１１を照射し単体で試料３５上の同一点を加工・観察する機能を有するイオンビームカラム１、イオンビーム１１による穴加工で試料３５から切り出されたマイクロサンプル４３（後の図６、図７参照）をプローブ１６により摘出するマイクロサンプリングユニット３、ガスノズル１７から流出させるガスによりマイクロサンプル４３とプローブ１６を接着するガス銃２、観察用の電子ビームカラム４、電子ビームガス銃５を有している。
【００２０】
特に図示していないが、第１ユニット１００は、電子ビームカラム４からの電子ビームを対象物に照射した際に対象物から放出される二次電子を検出する二次電子検出器を備えており、電子ビームカラム４が二次電子検出器とともにＳＥＭ（レビューＳＥＭを含む）を構成している。但し、電子ビームカラム４からの電子ビームを対象物に照射した際に対象物を透過する透過電子を検出する透過電子検出器を設け、透過電子検出器を電子ビームカラム４とともにＳＴＥＭ又はＴＥＭとして構成することも考えられる。
【００２１】
一方、第２ユニット２００は、検査対象物に汚染計測用ビーム（電子ビーム）１３を検査対象物に照射する汚染計測用ビームカラム（電子ビームカラム）６Ａ、及びこの汚染計測用ビームカラム６Ａからの汚染計測用ビーム１３を検査対象物に照射した際に検査対象物から放出される元素毎に固有の特性Ｘ線５７を検出する検出器７を有している。汚染計測用ビームカラム６Ａは、イオンビームカラム１が接続されたと同一の上記真空容器１０に接続されている。また汚染計測用ビームカラム６Ａは、汚染計測用ビーム１３としてＸ線ビームを検査対象物に照射するＸ線ビームカラムに代えても良い。
【００２２】
なお、特に図示していないが、本装置は、電源系、個々のユニットを制御するコントローラ、本装置全体を制御する中央制御ユニット、ディスプレイに表示されたインターフェース画面（図１０のＧＵＩ画面６０参照）やその他の操作装置等により本装置の操作を指示するのに用いられる操作卓、真空容器１０を真空にする真空排気系等も備えられている。
【００２３】
図２は本装置の他の構成例の概略構成図である。図１と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図２の構成例が図１の構成例と相違する点は、図１に示した汚染計測用の汚染計測用ビームカラム６Ａに観察用の電子ビームカラム４が一体化されて観察用電子ビームカラムを兼ねる汚染計測用ビームカラム６Ｂを設けたことにある。本例において、試料３５を加工する機能を有する第１ユニット１００Ａは、イオンビームカラム１、ガス銃２、マイクロサンプリングユニット３を備えており、汚染計測機能を有する第２ユニット２００Ａは、汚染計測用ビームカラム６Ｂ、電子ビームガス銃５、検出器７を有している。
【００２４】
本例における汚染計測用ビームカラム６Ｂは、観察用に使用する場合、例えば電子ビーム加速電圧が最大５ｋＶで電子ビーム電流値の最大値が数十ｐＡ程度の電子ビーム条件（電子ビームカラム４も同様）に設定し、汚染計測用に使用する場合、元素分析を行うために例えば１５ｋＶ程度の高加速で数百ｐＡ程度の高電流の電子ビーム条件（電子ビームカラム６Ａも同様）に設定する。汚染計測用の高加速・大電流の電子ビームを照射する場合には、汚染計測用ビームカラム６Ｂと試料３５の間の距離（ワーキングディスタンス、以下ＷＤと略記する）を大きくする必要があるので、ステージ９に汚染計測用ビームカラム６Ｂの汚染計測用ビーム１３のビーム進行軸方向（図２では天地方向）に移動する機構を設け、汚染計測用ビーム１３を汚染計測対象物に照射する際に試料ホルダー８を汚染計測用ビームカラム６Ｂから遠ざける（図２では下降させる）ことができるようにする。
【００２５】
図２の構成が図１の構成に比して優位な点は、各ビームカラムの本数が少ないのでビームカラムの設置面積が小さく安価にできる点である。また、イオンビームカラム１と汚染計測用ビームカラム６Ｂが同一点を見ていない（ビームが照射される位置が離間している）ので、イオンビームカラム１と汚染計測用ビームカラム６Ｂを図１のイオンビームカラム１と電子ビームカラム４の場合に比較して試料３５に十分近付けることができる。つまり、図１の構成に比して、ビームカラムと試料３５の距離（ＷＤ）を小さくすることができるので分解能が高い。
【００２６】
図１のようなにイオンビームカラム１と電子ビームカラム４が同一点を見る構成の場合、イオンビームカラム１と電子ビームカラム４は互いの干渉を避けるために十分に接近させることができず、ＷＤが大きくなり分解能が低下する傾向がある。昨今では、デザインルールの微小化に伴って観察用ＳＥＭの分解能の不足により詳細な内部構造の観察や不良観察ができない場合が増えてきている。よって、図２のような構成は昨今のＳＥＭの高分解能化の要求に応える上では図１の構成よりも好ましい。
【００２７】
一方、図１の構成が図２の構成に比して優位な点は、イオンビームカラム１と電子ビームカラム４が同一点を見ている（ビーム照準位置が一致している）ため、イオンビームカラム１で試料３５を加工しながらその加工状況を電子ビームカラム４で観察できる点である。なお、ここで言うビーム照準位置の一致とは、イオンビームと電子ビームの照射される位置が完全に重なる場合に限定されず、例えば操作卓のＧＵＩが面６０のＳＩＭ・ＳＥＭ画面表示部６４（図１０参照）でイオンビームによるＳＩＭ像又は電子ビームによるＳＥＭ像を観察する場合にＳＩＭ・ＳＥＭ画面表示部６４内にイオンビームと電子ビームの両照準位置を同時に捉えられる範囲で離間している程度は許容される。
【００２８】
但し、図２の構成ではイオンビーム１１による加工状況を加工と同時にＳＥＭ観察することはできないが、イオンビーム１１で試料３５を加工した後、ステージ９及び試料ホルダー８を傾斜させるか試料３５の加工部位を中心にイオンビームカラム１を公転（回動）させるかして、イオンビームカラム１からの観察用イオンビームを加工用のイオンビーム１１と異なる角度で加工部位に照射できるようにすれば、傾斜駆動の待ち時間はあるものの電子ビームカラム６Ｂにより観察するためにステージ９を第２ユニット２００Ａ側に移動させることなく第１ユニット１００Ａ側でイオンビームカラム１を用いて試料３５の加工部位の観察を行うことは可能である。
【００２９】
なお、各カラム及び各ユニットの配置は必ずしも図１及び図２に示す構成に限らず、マイクロサンプルの摘出、試料断面の観察、イオンビームの汚染計測がそれぞれ実施できる範囲で種々設計変更可能である。
【００３０】
＜イオンビームカラム１＞
図３はイオンビームカラム１の内部構造図である。
図１及び図２では鉛直面に対して傾斜した方向からイオンビーム１１が試料３５に照射されるようにイオンビームカラム１が配置されているが、簡単のため、図３ではイオンビーム１１が垂直に試料３５に照射される姿勢でイオンビームカラム１を図示してある。
【００３１】
イオンビームカラム１の筐体１９は真空容器１０に接続されており、筐体１９の端部にはガイシ２１を介してイオン発生源２０が設けられている。イオン発生源２０はガイシ２１を用いて筐体１９に対して電位的に浮かせてある。例えば、筐体１９の電位に対してイオン発生源２０の電位は３０ｋＶ程度高い。イオン発生源２０は空気絶縁してイオン発生源カバー２２で覆ってあり、高電圧の外部への露出を防止してある。また、イオン発生源２０には、例えば酸素イオンビームを放出するデュオプラズマトロンを用いることができるが、原料ガスとしては、酸素以外に窒素等の非金属元素、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン等の不活性ガス種（希ガス）を用いることもできる。このイオン発生源２０から引き出し電極２３によってイオンビームが引き出される。
【００３２】
加工光学系は、質量分離器２４、偏向器２５、アパーチャ２６、照射レンズ２７、投射マスク２８、非点補正器２９、ブランカー３０、ファラディーカップ３１、ガンバルブ３２、走査電極３３、投射レンズ３４等で構成されている。
【００３３】
筐体１９は、試料３５に対するイオンビーム１１の入射軸に対してイオン発生源２０からのイオンビームの出射軸が傾斜するように設定角度（例えば３°程度）だけ曲成されている。これにより、イオン発生源２０内から発生する金属スパッタ物等の中性粒子は試料３５に直接到達せず、ダンパー（図示せず）に照射される。ダンパーはスパッタ粒子による金属汚染を防止するため、シリコン、カーボン等で製作されている。
【００３４】
質量分離器２４及び偏向器２５は、イオン発生源２０から引き出されたイオンビームの中から試料３５の加工用イオンビーム１１として用いる目的のイオン種（この例では酸素イオン）のみを取り出してアパーチャ２６を通過させるものである。このようにイオン発生源２０から引き出されたイオンビームの中から目的のイオン種のイオンビーム１１が試料３５に照射されるように、質量分離器２４及び偏向器２５の印加電圧や磁束密度強度は調整されている。本例では酸素イオンビーム以外のイオンビームはアパーチャ２６の表面に照射させて除去され、酸素イオンビームのみがアパーチャ２６を通過するようにしてある。
【００３５】
照射レンズ２７は、試料３５上でのイオンビーム１１の収差低減のため、投射レンズ３４の主点の位置で集光するようにレンズへの印加電圧が調整されている。
【００３６】
図４は投射マスク２８の概観図である。
投射マスク２８には、マイクロサンプルを切り出したり試料３５を観察したりする際に作業内容によってイオンビーム１１の断面形状を制御する複数のマスク穴４０が設けられている。本装置の第１ユニット１００（又は１００Ａ）は、投射マスク２８を駆動する駆動ユニット（図示せず）を備えており、駆動ユニットによって投射マスク２８を図４中の矢印方向に移動させ、穴４０Ａ〜４０Ｄのうちのいずれかをビーム軸上に移動させる。つまり、イオンビーム１１がマスク穴４０のいずれかを通過することにより、通過した穴の形状にビームの断面形状が整形される。
【００３７】
本例では、マスク穴４０として、コの字型の穴４０Ａ、長方形の穴４０Ｂ、縦・横のアスペクト比が大きな薄膜化加工用のスリット状の穴４０Ｃ、丸型の穴４０Ｄが用意されている。穴４０Ａ〜４０Ｃはイオンビーム整形用の穴であり、そのうち穴４０Ａ，４０Ｂはマイクロサンプル切り出し用のイオンビームを整形するための穴で、穴４０Ｃはマイクロサンプルを薄膜化加工するイオンビームを整形するための穴である。穴４０ＤはＳＩＭ観察用のイオンビームを整形するための穴である。これらの穴４０Ａ〜４０Ｄのいずれかを通過したビームは投射レンズ３４によって集光され試料３５に照射される。
【００３８】
スリット穴４０Ｃは、幅方向（短辺）の長さが縦方向（長辺）の長さに比較して数倍程度小さくなっている。スリット穴４０Ｃにイオンビーム１１を通過させる場合、スリット穴４０Ｃは投射マスク２８に照射されるイオンビーム１１の径範囲でビーム中心から縦方向（図４中の上下方向）に広く分布するのに対し幅方向（図４中の左右方向）の分布は狭い。つまり、スリット穴４０Ｃを通過したイオンビーム１１は、幅方向の収差が縦方向の収差に比較して小さい。したがってスリット穴４０Ｃを通過した帯状のイオンビーム１１によりマイクロサンプルに形成される加工穴のエッジは、イオンビーム１１の断面の短辺に当たる部分により形成されたエッジよりも長辺に当たる部分により成形されたエッジの方がシャープになる。
【００３９】
マスク穴４０のサイズについては、例えば図４において、コの字型の穴４０Ａの長辺（図４中の上下方向寸法）を４００μｍ程度と考える。そして、試料３５にビームを照射するときの照射レンズ２７及び投射レンズ３４によるビーム縮小率を１／２０程度に調整しておく。このようにした場合、加工用のイオンビームとして数百ｎＡのビームが、観察用の電子ビームとして直径が約２００ｎｍで数十ｐＡのビームが得られる。これは大電流化によるマイクロサンプルの切り出し加工やマイクロサンプルの薄膜化加工の高速化に寄与する。
【００４０】
非点補正器２９は、イオンビーム１１の断面形状を整え、収差を低減させて分解能を向上させる役割を果たす。非点補正器２９には、例えば８極の非点補正器を用いることができる。
【００４１】
その他、ブランカー３０はイオンビーム１１を偏向する役割を果たし、ファラディーカップ３１はイオンビーム１１の電流値を計測する。ガンバルブ３２は筐体１９の内部空間を開閉するバルブであり、筐体１９内を塞ぐときは筐体１９の内部空間を分離する隔壁の役割を果たす。ガンバルブ３２で筐体１９を分離することにより、試料３５が置かれる試料室とイオンビームカラム１の一部（イオン発生源２０側）とが隔絶される。例えば、試料室のメンテナンスのために試料室のみをリークしたい場合等にガンバルブ３２を閉じる。走査電極３３は、投射マスク２８を通過して所望の断面形状に整形されたイオンビーム１１を試料３５上に走査するために使用され、例えば８極子が使用できる。
【００４２】
＜マイクロサンプリングユニット３＞
マイクロサンプリングユニット３は、イオンビームカラム１からのイオンビーム１１により試料３５から切り出されたマイクロサンプルをマニピュレータとしてのプローブ１６により摘出するもので、プローブ１６には、３軸方向にそれぞれ数ｍｍ程度の移動範囲とサブマイクロメートルレベルの位置出し精度が確保されている。プローブ１６は、金属汚染を防止するために主成分をシリコンとしており、導電性を持たせるために微量なボロンを含有させてある。但し、プローブ１６を全てシリコンで製作することは困難であるので、例えば全長（例えば１５ｍｍ程度）のうちの適当な長さ（例えば２ｍｍ程度）分だけシリコン製とすることが考えられる。なお、シリコン製の部位の長さは限定されないが、厚み２ｍｍを超えるシリコン板材は一般に入手困難であるため、２ｍｍ程度が製作上容易である。
【００４３】
また特に図示していないが、プローブ１６のシリコン部の先端は、頂角を約４０度、底面を八角形とすることが好ましい。この形状はウエットエッチング溶液による異方性エッチング及びダイシングによる切断で製作する。これを金属棒の穴部に挿入して接合部を導電性の接着材で接着し、さらに熱処理して使用する。マイクロサンプリングユニット３には、試料３５の観察時や加工時の倍率に対応し、プローブ１６の金属部にイオンビームが照射されて金属汚染が発生しないようにプローブ１６の移動範囲を制限するインターロック機能が備えられている。
【００４４】
＜ガス銃２・電子ビームガス銃５＞
ここではガス銃２について説明するが、電子ビームガス銃５もガス銃２とほぼ同じ構造のものを使用することができる。
【００４５】
イオンビーム１１によって試料３５から切り出したマイクロサンプル４３（後の図５、図６参照）は、プローブ１６と接着され試料３５より分離されてメッシュと呼ばれる台（後の図５、図６のメッシュ４４参照）に接着される。そして、プローブ１６により本装置の外部に取り出される。ガス銃２は、マイクロサンプル４３を摘出・薄膜化加工したり本装置外に取り出したりする一連の作業における接着工程に使用するデポジション用のガスを流出する。
【００４６】
マイクロサンプル４３を摘出する場合、プローブ１６の先端を試料３５の摘出したい部分の表面に接触させた状態でガス銃２からデポジション用ガスをプローブ１６の先端部周辺に流出させつつイオンビーム１１を走査してデポジション膜によりプローブ１６とマイクロサンプル４３とを接着する。このとき、例えば図４の穴４０Ａにより断面をコの字状に整形したイオンビームにより試料３５の欠陥部位を掬うように穴加工しておき、マイクロサンプル４３として切り離し予定の箇所にプローブ１６を接着して穴４０Ｂにより断面を矩形に整形したイオンビームによりマイクロサンプル５４を試料３５から分離する。これによりマイクロサンプル４３が試料３５から摘出される。マイクロサンプル４３をプローブ１６から分離するときは、プローブ１６とマイクロサンプル４３を接続しているデポジション膜にイオンビームを照射してスパッタ除去し、プローブ１６を切断してマイクロサンプル４３を切り離す。
【００４７】
ガス銃２から流出させるデポジション用の原料ガスは、金属汚染を防止するために金属元素を含まない元素、例えばシリコン、カーボン、酸素、水素の化合物であるＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）の他、生成膜が金属汚染とならないフェナントレン等のカーボン系を用いることができる。また、ガス銃２のガスノズル１７は、加工時には加工点に接近させて接着部位にガスを吹き付ける。非加工時には、ステージ８を傾斜させたとき等にステージ８と干渉することを防止するため、ガスノズル１７は加工点から退避させる。
【００４８】
＜試料ホルダー８・ステージ９＞
ステージ９には、例えば５軸ステージが使用されるが、イオンビームカラム１や電子ビームカラムが傾斜可能なら傾斜機構を除いた４軸ステージを用いることもできる。
【００４９】
図５は試料ホルダー８の上視図、図６は図５におけるＡ部の詳細図である。
試料ホルダー８の上面には、試料３５を載せる領域以外の場所でイオンビームや電子ビームのフォーカス調整・非点調整を行うためのビーム調整治具４０が備えられている。ビーム調整治具４０の上面には、パターンが形成された適当な大きさ（例えば直径２０ｍｍ程度）のシリコン基板の一部が接着されている。また、ビーム調整冶具４０は、試料ホルダー８に対して着脱可能な構造となっている。
【００５０】
この他、試料ホルダー８上面には、切り出したマイクロサンプル４３に薄膜化加工を施すときやマイクロサンプル４３を本実施の形態の荷電粒子線加工装置外に取り出して他の装置（例えばＴＥＭやＳＴＥＭ）に渡すときにマイクロサンプル４３を保持するカートリッジユニット４１が設けられている。
【００５１】
このカートリッジユニット４１は、プローブ１６及びガス銃２によって試料３５から摘出されたマイクロサンプル４３（例えば一辺が数十μｍ程度の大きさ）をメッシュ４４（例えば幅数十μｍ程度の大きさ）に接着する。メッシュ４４はカートリッジユニット４１のアームの役割を果たすカートリッジ４２に固定されている。カートリッジ４２は試料ホルダー８に対して回転可能に設けられたカートリッジホルダー４５に抜き差し可能に取り付けられている。カートリッジホルダー４５は試料ホルダー８に設けられたモータ４７及びギア４６等の駆動伝達系により回転する。
【００５２】
図７はメッシュ４４に接着したマイクロサンプル４３を真空容器１０内で薄膜化加工する様子を表す図である。これらの図はカートリッジ４２を先端側から見た図を表している。
既述のように試料３５から摘出されたマイクロサンプル４３は、ステージ９の駆動制御によってカートリッジユニット４１のメッシュ４４上に移動した後、ガス銃２からのデポジション用ガスにより前述したのと同様にしてメッシュ４４に接着される。その後マイクロサンプル４３はイオンビーム１１によりプローブ１６と分離され、マイクロサンプル４３がメッシュ４４上に搭載され固定された形になる。そして、ステージ９を動かしてメッシュ４４に接着したマイクロサンプル４３はイオンビーム１１のビーム軸位置に移動させる（図７（ａ））。このとき、カートリッジユニット４１のモータ４７を駆動して、マイクロサンプル４３に形成を予定している加工穴の深さ方向がイオンビーム１１の入射軸方向に合うようにカートリッジ４２を回転させる（図７（ｂ））。
【００５３】
マイクロサンプル４３の角度を調整したら、マイクロサンプル４３にイオンビーム１１を照射して薄膜化加工を施し、マイクロサンプル４３を所望の形状（ＴＥＭやＳＴＥＭで観察する場合には例えば約２００ｎｍの厚みの薄膜）に加工する（図７（ｃ）及び図７（ｄ））。薄膜化加工後には、必要に応じてカートリッジ４２を回転させたりステージ９を移動させたりして電子ビームカラム４（又は６Ｂ）の観察用の電子ビーム１８を薄膜化したマイクロサンプルに照射することによりマイクロサンプル４３の薄膜部を観察する（図７（ｅ））。カートリッジ４２を回転させることなく、その場（イオンビーム１１による薄膜化加工位置）で、或いはステージ９の移動のみで、図７（ｅ）の電子ビームカラム４又は６Ｂによるマイクロサンプル４３の観察に移行することができれば、カートリッジ４２を回転させて位置合わせする場合に比べて位置精度は高い。
【００５４】
また、カートリッジ４２は、カートリッジユニット４１から取り外し可能である。したがって、電子ビームカラム４，６Ｂよりも高い分解能でマイクロサンプル４３を観察する必要がある場合、図示しない着脱機構によってカートリッジ４２をカートリッジユニット４１から取外して本実施の形態の荷電粒子線加工装置外に取り出し、取り出したカートリッジ４２を別途用意されたホルダーに装着する。これにより本装置とは別に用意されたＳＴＥＭやＴＥＭによって図７（ｅ）のように電子ビーム１８を照射してその透過電子を検出し、サブナノメートルの分解能でマイクロサンプル４３の透過像を観察・分析することが可能である。また、本装置において図１に示す電子ビームカラム４，６ＢをＳＥＭでなくＳＴＥＭ又はＴＥＭで構成し、暗視野・明視野検出器（図示せず）を使用することにより、薄膜化したマイクロサンプル４３を通過した電子像を観察・分析することで、より高分解能な像観察を行うことも可能でなる。
【００５５】
なお、図１及び図２に示す観察用の電子ビームカラム４，６Ｂは、摘出したマイクロサンプル４３の他、マイクロサンプル４３を摘出した後の試料３５の加工断面の観察にも使用されるが、加工断面を観察する場合、例えば他の検査装置で検出された欠陥部を座標リンケージによって特定し、加工断面付近にイオンビームによりマーキングを行って目印を付けておくと効率的である。
【００５６】
＜汚染監視治具５３＞
また、先に図５に示したように、試料ホルダー８の上面には、イオンビームカラム１のイオンビーム１１に金属が含まれていないかどうかを検出する汚染監視治具５３が、試料３５を載せるスペース外の領域に設けられている。汚染監視治具５３は、シリコン等で形成されたサンプル５４（図９も参照）を備えており、本装置では、第１ユニット１００又は１００Ａにて試料３５を加工する前にサンプル５４にイオンビーム１１を照射してイオンビーム１１の汚染を計測することができる。サンプル５４にイオンビーム１１を照射したら、第２ユニット２００又は２００Ａ側にステージ９を移動させ、サンプル５４におけるイオンビーム１１の照射跡に汚染計測用ビームカラム６Ａ（又は６Ｂ）からの汚染計測用ビーム１３を照射する。そしてサンプル５４のイオンビーム照射跡近傍から放出される特性Ｘ線５７を検出器７で検出することにより、サンプル５４のイオンビーム照射跡の金属汚染の有無、すなわちイオンビーム１１に金属イオン種或いは金属のスパッタ物が含有されているか否かが検出される。
図８は汚染計測用ビーム１３を汚染監視冶具５３に設けたサンプル５４に照射した際に発生する特性Ｘ線５７を検出器７により検出している様子を表す図である。
【００５７】
図９は汚染計測冶具５３の構成を示す試料ホルダー８の部分断面図である。
問題となる金属汚染が発生する範囲は、例えばドーズ量が１０１２ケ程度で照射領域が数１０μｍ程度である場合、一般に数ｍｍ程度であるので、汚染監視治具５３が試料ホルダー８上に支持具５８を介して配置した試料３５から数十ｍｍも離れていれば、仮にイオンビーム１１に金属が含まれていたとしてもイオンビーム１１の照射時に試料３５に金属汚染が拡散することはない。但し、試料３５が試料ホルダー８にセットされた状態で汚染計測する場合、イオンビーム１１をサンプル５４に照射することにより発生するスパッタ物が試料３５に直接到達しないようにするため、サンプル５４におけるイオンビーム１１の照射跡から試料３５が直接見えないようにサンプル５４は汚染監視治具５３の窪みに配置されている。つまり、サンプル５４におけるイオンビーム１１の照射跡からの汚染監視治具５４の窪みの内壁部の仰角が、同じく照射跡からの試料３５の仰角よりも大きく、照射跡で発生し試料３５に向かうスパッタ物に汚染監視治具５４の窪み内壁が干渉するようになっている。
【００５８】
また、汚染監視冶具５３は試料ホルダー８に対して容易に着脱可能な構造となっている。汚染監視治具５３は、試料ホルダー８の側面からねじ込まれた止めネジ５５によって試料ホルダー８に固定される。第２ユニット２００（又は２００Ａ）にて照射する汚染計測用ビーム１３の照準位置に、第１ユニット１００（又は１００Ａ）にてサンプル５４のイオンビーム１１の照射跡を正確に位置合わせる必要があるが、この場合、サンプル５４の加工穴の座標データに基づくステージ９の位置出し機能でまず粗調整し、汚染計測用ビームカラム６Ａ又は６Ｂのビーム出力を観察用に下げ試料３５表面のＳＥＭ観察像を見ながらステージ９の位置を微調整して汚染計測用ビーム１３の照準位置にイオンビーム１１の照射跡を正確に一致させる。
【００５９】
Ｘ線元素分析法の概略を以下に示す。
ある元素に汚染計測用ビーム（高エネルギー電子ビームやＸ線）が入射すると、内殻電子が衝突によって放出され、内殻電子が遷移する際に特性Ｘ線等が放出される。例えば、Ｋ殻の内殻電子が放出された後にできた空孔に電子が遷移する際に放出されるＸ線がＫ列Ｘ線と呼ばれ、Ｌ殻、Ｍ殻の場合はそれぞれＬ列Ｘ線、Ｍ列Ｘ線と呼ばれる。この種のＸ線はこの他にも種々ある。
【００６０】
サンプル５４に汚染計測用の電子ビームを照射すると、上記のように各元素特有の種々の特性Ｘ線が放出される。例えば検出器７がシリコン（リチウム）Ｘ線検出素子であれば、特性Ｘ線５７が検出器７に入射すると光電効果によってシリコン原子がイオン化され電子及び正孔対が作られる。この電荷体は正負の電極に収集されてパルス状の電流として検出される。検出される電流のパルス数は、入射した特性Ｘ線５７のエネルギーに比例したパルス電流のカウント数となる。したがって、検出された特性Ｘ線５７のエネルギー及び電流パルス数からサンプル５４の元素及びこれに付着した元素を特定することが可能となる。
なお、電子ビームに代えてＸ線を照射して放出される蛍光Ｘ線を観察することで、検査対象物に含まれる元素及び元素量を計測する分析方法は全反射蛍光Ｘ線分光法と呼ばれている。
【００６１】
＜操作画面＞
図１０は、本実施の形態の荷電粒子線加工装置に備えられた操作卓（図示せず）のディスプレイ上に表示されるグラフィカルユーザインターフェイス画面（以下、ＧＵＩ画面）６０を示している。
ＧＵＩ画面６０は、アラーム表示部６１、ビームパラメータ表示部６２、ＳＩＭ・ＳＥＭ画面表示部６４、ナビゲーションパネル６５、コマンドパネル６６で構成されている。
【００６２】
ナビゲーションパネル６５は作業の切り替えを行う領域で、主に一般オペレータがレシピに基づいて加工処理を行うジョブ、マニュアル操作、メンテナンスを行うメニューがある。
【００６３】
コマンドパネル６６はイオン発生源高電圧印加、ビーム電流計測等の各操作を行うコマンドが表示される。コマンドパネル６６上の汚染監視ボタン６７をＯＮにすると、自動でイオンビーム１１がサンプル５４に照射され、次にステージ９が移動して汚染計測用ビームの直下（照準位置）に汚染監視冶具５３内のサンプル５４を移動させ、汚染計測用ビーム１３を照射し、放出された特性Ｘ線５７を検出器７で捉えて検出器７のコントローラ（図示せず）で分析しサンプル５４の（つまりイオンビーム１１の）汚染具合を測定する。測定結果の一例を図１１及び図１２に示す。
【００６４】
図１１は検出器の一種であるエネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy dispersive X-ray spectrometer、以下ＥＤＳと略記する）検出器による定性分析結果の一例を示す図である。
本例において、第２ユニット２００又は２００Ａで照射する汚染計測用ビーム１３の加速電圧は、周期律表にある全元素を精度良く分析するために１５ｋＶ程度に調整し、電子電流は数百ｐＡ程度とした。図１１の上図に示すように正常時にはサンプル５４の主成分であるシリコンが主成分となるが、金属汚染がある場合、図１１の下図に示すようにシリコンよりも高エネルギーのＸ線の元素線が正常時よりも多く観測される。本実施の形態における荷電粒子線加工装置では、クロム、鉄、ニッケル、銅、金等が検出され得る。クロム、鉄、ニッケルは、イオンビームカラム１中の電極やカラム内壁面に使用されるステンレス材から放出され、金は非点補正用８極電極表面から放出され得る。
【００６５】
図１２は定性分析結果に基づく定量分析結果の一例を示す図で、横軸に定量化した金属種、縦軸に重量成分比を採っている。
定量分析に際しては、図１１の下図のように検出された元素の中から定量化したい一つ又は複数の元素線を入力すると、図示しないコントローラに格納されたＥＤＳの定量分析プログラムによって、サンプル５４にイオンビーム１１を照射した部分に含まれる元素の重量成分比率（Ｗｔ％）が求められる。また、定量化したい元素をイオンビームカラム加工光学系に使用されている部品の含有元素から求めても良い。
【００６６】
汚染判定では、元素毎に正常時と異常時（金属汚染発生時）を判定する判定値を予め決めておき、定量分析結果を判定値と比較することによって正常・異常を判定する。図１２の上図のように分析した全ての元素について定量分析結果が判定値以下である場合が正常時であり、下図のようにいずれかの元素の定量分析結果が判定値を上回っている場合が異常時である。なお、図１２上図では全元素が判定値を上回っている場合を図示している。なお、図１２では、判定値が各元素で同一としてあるが、元素毎に判定値を個別設定しても良い。
【００６７】
図１３は汚染発生時のＧＵＩ画面６０の表示の一例を示した図である。
図１３では、汚染発生時のオペレータへの汚染発生の報知方法の一例として、アラーム表示部６１に“汚染が発生しています。”との警告を表示してアラーム音を発する場合を表している。こうした文字や音による警告の他、警告色（赤等）を点灯又は点滅すること等も考えられる。汚染発生の事実は、本家電粒子線加工装置とネットワークを介して接続されているサービスセンター内の端末にネットワーク経由で自動的に連絡されるようにしても良いし、警告により汚染発生を知ったオペレータがサービスセンターに連絡するようにしても良い。汚染発生の連絡を受けたサービスマンの採る対策には大別して次の２つが考えられる。
【００６８】
１つは、加工光学系内の汚染物質が判定値以下になるまで汚染監視冶具５３のサンプル５４にイオンビーム１１を照射し続ける方法である。この場合、サンプル５４へのイオンビーム１１の照射と汚染度のチェックを繰り返し、測定対象の汚染物が判定値以下となったら終了する。
もう１つは、元素の定性・定量分析結果からイオンビームカラム１１のメンテナンスすべき部品（汚染されている可能性が高い部品）を特定し、その部品を重点的にクリーニングするか交換する方法である。
【００６９】
また、汚染が認められた場合、イオンビームカラム１やこれに用いている電極の材質を予め記憶しておき、汚染判定値を超えた金属イオン種（イオンビームの照射跡に存在が認められた金属）を基に異常原因を推定し、汚染対策内容をアラーム表示部６１やナビゲーションパネル６６等に表示するようにしても良い。
【００７０】
＜動作説明＞
次に、上記構成の本荷電粒子線加工装置を用いた汚染計測手順と欠陥観察手順を説明する。
【００７１】
１．汚染計測手順
図１４は本装置に備えられた全体を制御する図示しない中央制御ユニットによる汚染計測手順を表すフローチャートである。
汚染計測は、装置内放電や停電の後、イオン発生源２０のメンテナンス後、ビーム照射条件変更等の非定常作業後等に、試料３５を最初に加工する前に特に実施するようにする。
ここでは、試料３５を試料室（真空容器１０内）に搬入する前にイオンビームカラム１やイオンビーム１１の汚染度を検査し、正常であれば試料３５を試料室に搬入し、異常であれば使用済みの汚染監視治具５３を交換するといった手順を例示する。
【００７２】
本実施の形態の荷電粒子線加工装置の図示しない中央制御ユニットは、起動後に試料３５を試料室に搬入するにあたり、まずＳ１０１の手順でイオンビーム１１の汚染計測をするかどうかを判定する。この判定は、図１０のＧＵＩ画面６０中の汚染監視ボタン６７が操作され、その操作信号が入力されたかどうかで判断される。例えば、正常に終了した前の試料の加工・観察に連続して次の試料を搬入する場合のように特にイオンビームの汚染計測をする必要がなく、汚染監視ボタン６７が指示されることなくオペレータによって試料搬入が指示されたとき、Ｓ１０１の判定は満たされず、中央制御ユニットは、手順をＳ１０８に移してオペレータの指示に従って試料３５を試料室に搬入し、この汚染計測手順の処理を終了する。一方、オペレータの汚染監視ボタン６７の操作による操作信号が入力されてＳ１０１の判定が満たされたら、中央制御ユニットは、手順をＳ１０２に移して汚染計測手順の処理を開始する。
【００７３】
Ｓ１０２では、イオンビームカラム１のイオンビーム１１の照射跡に汚染監視治具５３のサンプル５４が来るように、中央制御ユニットはステージ９の駆動系に指令信号を出力し、試料室内でステージ９を第１ユニット１００（又は１００Ａ）側に移動させ試料ホルダー８の位置を出す。
【００７４】
Ｓ１０３に手順を移すと、中央制御ユニットは、マイクロサンプル４３を切り出したり薄膜化加工したりするときの事前に設定された加工条件（ガス流量、引き出し電圧、カソード電圧、照射レンズ、投射レンズ電圧値、マスクサイズ等の条件）でイオンビーム１１をサンプル５４に照射する。例えば、照射点において、照射面積が角２０μｍで、イオンビーム電流値が数百ｎＡ、照射時間を１分間、イオンのドーズ量は１０の１２乗オーダとする。
【００７５】
Ｓ１０４では、汚染計測用ビームカラム６Ａ（又は６Ｂ）の汚染計測用ビーム１３の照準位置に汚染監視治具５３のサンプル５４のイオンビーム１１の照射跡が一致するように、中央制御ユニットはステージ９の駆動系に指令信号を出力し、試料室内でステージ９を第２ユニット２００（又は２００Ａ）側に移動させ試料ホルダー８の位置を出す。
【００７６】
Ｓ１０５に手順を移すと、中央制御ユニットは、汚染計測用ビーム１３をサンプル５４のイオンビーム１１の照射跡及びその付近に照射する。
【００７７】
Ｓ１０６では、汚染計測用ビーム１３の照射によりサンプル５４から放出される特性Ｘ線５７を検出器７により検出し、その検出信号を基にサンプル５４のイオンビーム照射跡に存在する元素の種類及び重量比を求める（図１１も参照）。
【００７８】
続くＳ１０７では、Ｓ１０６で求めた値を判定値と比較して汚染がないかどうかを判定する（図１２も参照）。判定の結果、汚染が認められない場合、Ｓ１０７の判定が満たされ、Ｓ１０８に手順を移して試料３５を試料室に搬入して汚染計測手順を終了する。逆に汚染が検出されれば、Ｓ１０７の判定は満たされず、Ｓ１０９に手順が移される。
【００７９】
Ｓ１０９に手順を移すと、中央制御ユニットは、ＧＵＩ６０画面上に警告を表示してオペレータに汚染発生を知らせる（図１３等参照）。オペレータは、警告表示により汚染を知ったらサービスセンターに連絡する（既述のようにネットワーク回線により自動でサービスセンターに連絡されるようにしても良い）。
【００８０】
Ｓ１１０では、連絡を受けたサービスマンにより処置が施される。ここでは、汚染監視治具５３を交換する場合を例示している。汚染監視治具５３を交換する場合、図示しない操作卓からの所定の操作信号に従い、中央制御ユニットは、ステージ９を試料室外の大気室に移動させ、この汚染計測手順を終了する。ステージ９が大気室に移動したら、サービスマン等は試料ホルダー８の汚染計測冶具５３を交換する。
【００８１】
なお、図１４の汚染計測手順のうち、Ｓ１０２〜Ｓ１０７，Ｓ１０９の処理は、Ｓ１０１で汚染監視ボタン６７の操作が確認されると、予め記憶部（図示せず）に格納されたプログラムが読み込まれ、そのプログラムに従って中央制御ユニットにより自動で実行されるものとするが、各手順を個別に操作卓で指示するようにしても良い。また、Ｓ１０８の処理については、Ｓ１０７の処理に連続して自動的に実行されるようにしても良いし、試料３５がセットされていることを確認した上でオペレータが手動で指示するようにしても良い。
【００８２】
続けて本荷電粒子線加工装置を用いた欠陥観察手順を説明する。
２．欠陥観察手順
図１５は本荷電粒子線加工装置を用いた欠陥観察手順を表すフローチャートである。
欠陥観察は、試料３５を試料室内に搬入した後、オペレータの所定の操作により操作卓から入力される操作信号を基に、中央制御ユニットにより実行される。
ここでは、試料３５を試料室（真空容器１０内）に搬入した後に試料３５の欠陥部を探し、欠陥部（マイクロサンプル４３）を摘出して薄膜化加工した後、薄膜化したマイクロサンプル４３を本荷電粒子線加工装置外の別の検査装置（ＳＴＥＭやＴＥＭ等）で観察する手順を例示する。
【００８３】
図１４の汚染計測手順で汚染が確認されず（又は汚染計測する必要がなく）試料３５が試料室に搬入されたら、まずＳ２０１の手順で、図１６（ａ）に示したように、他の光学検査装置（図示せず）等で検出した試料３５の欠陥部位７０が、座標リンケージによる座標変換によって電子ビームカラム４（又は汚染計測用ビームカラム６Ａ若しくは６Ｂ）の観察用電子ビームの視野中心近傍に位置するところまでステージ９を移動させる。試料３５の位置合わせは、最終的には電子ビームカラム４（又は汚染計測用ビームカラム６Ａ若しくは６Ｂ）からの電子ビームによるＳＥＭ像で欠陥部位７０を見ながら行われるが、座標リンケージによる位置出し精度の誤差が数μｍ程度もあると高倍率のＳＥＭ像では視野から外れることがあるので、低倍率のＳＥＭ像で先ず欠陥部位７０を捉えておく。
【００８４】
Ｓ２０２に手順を移すと、電子ビームガス銃５及び電子ビームカラム４（又は６Ａ，６Ｂ）を用いて電子ビームデポジションによって欠陥部位７０から所定距離（例えば数μｍ程度）離れた所に欠陥部位７０と比較して大きなマーク７１を形成する（図１６（ｂ）参照）。このマーク７１を形成しておくことでイオンビーム１１によって欠陥部位７０を切り出す際に欠陥部位７０を効率的に探索することができる。マーク７１は、例えば、電子電流が数百ｐＡ、電子ビームの照射面積が数平方マイクロメートル平方、原料ガスがＴＥOＳといった条件であれば数分程度で形成される。
【００８５】
続くＳ２０３では、イオンビームカラム１のイオンビーム１１のビーム軸近傍に欠陥部位７０及びマーク７１が来るように、イオンビームカラム１からの観察用イオンビームによるＳＩＭ像を図１０のＳＩＭ・ＳＥＭ画像表示部６４で見ながらステージ９の位置を調整する。
【００８６】
Ｓ２０４では、イオンビームカラム１からのイオンビーム１１により試料３５からマイクロサンプル４３を切り出す。この際、例えば、まず図４のマスク穴４０Ａにより整形した断面コの字型のイオンビーム１１を欠陥部位７０及びマーク７１を囲むように試料３５に照射する。
【００８７】
Ｓ２０５に手順を移し、マイクロサンプリングユニット３を操作しプローブ１６の先端をマイクロサンプル４３に接触させ、イオンビームアシストデポジションによって酸化シリコン膜を形成してプローブ１６とマイクロサンプル４３を接着する。続いて、図４のマスク穴４０Ｂにより整形した断面矩形のイオンビーム１１を先に形成されたコの字型の加工穴との間に試料３５とマーク７１を囲うように試料３５に照射し、試料３５及びマーク７１を内包する三角柱状のマイクロサンプル４３を切り取る。そして、プローブ１６を操作してマイクロサンプル４３を試料３５から摘出する（図１６（ｃ）参照）。なお、コの字型のイオンビームと矩形のイオンビームの照射順序は逆でも良い。
【００８８】
Ｓ２０６では、プローブ１６及びステージ９を操作して、摘出したマイクロサンプル４３をカートリッジユニット４１のメッシュ４４に搭載し、メッシュ４４にマイクロサンプル４３を接着してプローブ１６とマイクロサンプル４３とを分離する。そして、モータ４７を駆動してイオンビームカラム１のイオンビーム１１の進行軸（入射方向）とマイクロサンプル４３の深さ方向とが一致するようにカートリッジ４２を回転させる（図７（ａ）及び図７（ｂ）参照）とともに、マイクロサンプル４３の加工予定箇所がイオンビーム１１の照準位置に来るようにステージ９を移動させる。
【００８９】
Ｓ２０７では、図４のマスク穴４０Ｃにより整形したスリット状のイオンビーム１１をマイクロサンプル４３に照射してマイクロサンプル４３を薄膜化する（図７（ｃ）及び図７（ｄ）参照）。イオンビーム１１は、例えばビーム幅が数百ｎｍ程度で、加工に十分な電流値が確保されるようにイオン発生源や加工光学条件を事前に検討しておく。
【００９０】
続いてＳ２０８に手順を移し、マイクロサンプル４３を摘出した後の試料３５の穴部７２（図１６（ｃ）参照）を埋め込むためにイオンビームカラム１を用いたＴＥＯＳによるガスアシストデポジションを行う。埋め込みは、穴形状に合わせた断面形状又は走査領域のイオンビームでＴＥOＳを供給して穴埋めする。ＴＥOＳ以外にはフェナントレン等のカーボン系のガスを使用することも可能である。別の方法として、マイクロサンプル４３を摘出した後の穴部７２に合わせた形状の部材を準備しておき、それを穴部７２に入れて表面にデポ膜を形成しても良い。イオンビームの代わりにレーザ光を使用しても良い。
【００９１】
Ｓ２０９では、ステージ９を大気室に退避させた後、カートリッジ４２をカートリッジユニット４１から取外し、Ｓ２０７で薄膜化したマイクロサンプル４３をカートリッジ４２ごと本荷電粒子線加工装置の外部に取り出す。
ここまでの作業は全て第１ユニット１００又は１００Ａを用いた作業である。
【００９２】
Ｓ２０９のようにしてマイクロサンプル４３を取り出したら、Ｓ２１０の手順に移り、より分解能が高いＳＴＥＭやＴＥＭ等の他の観察装置で分析するために別途用意された専用のカートリッジホルダーにカートリッジ４２を付け替え、ＳＴＥＭやＴＥＭによってマイクロサンプル４３を観察・分析する（図７（ｅ）参照）。これにより、マイクロサンプルの摘出手順及びマイクロサンプルの観察手順を終了する。
【００９３】
イオンビームによる加工断面は比較的平坦であるため、エッジ部からの２次電子が多く発生するエッジ効果が十分には得られ難く、得られたＳＥＭ像では対象物を観察し辛いことがある。そのため、イオンビーム１１で試料３５やマイクロサンプル４３等を加工するとき、フッ素を含むガスを照射しながら数ｐＡのビームを照射するガスアシストエッチングを行うと、断面構成材料によるスパッタレートの差異が生じ、断面表面に数ｎｍの段差が形成されてＳＥＭ観察がし易くなる。
【００９４】
なお、図１５の手順では、マイクロサンプル４３を薄膜化して他のＳＴＥＭやＴＥＭで観察する場合を例に挙げて説明したが、ＳＥＭの分解能で観察できる場合、既述のように電子ビームカラム４，６Ａ，６Ｂを用いてマイクロサンプル４３を観察しても良い。また、電子ビームカラム４，６Ａ，６ＢをＴＥＭ又はＳＴＥＭとすることも考えられる。これらの場合は、カートリッジ４２を装置外に取り出すことなく本荷電粒子線装置内で汚染計測から試料の加工・観察まで行うことができる。
【００９５】
＜作用効果＞
ここで、本装置では、非金属イオン種の加工用イオンビームを用いていても、イオン発生源のメンテナンス直後の短絡放電や停電に伴って電源制御系が停止した場合等に金属汚染が不測に発生する可能性は否定できない。電源の動作が不安定だと、イオンビームカラム内の集光レンズの印加電圧や加工用ビーム引き出し用の印加電圧・加速電圧、質量分離器の電極印加電圧、偏向器の電極印加電圧等の挙動が安定せず、イオンビームが目標物から外れて金属部に照射されたり本来除去されるべき金属イオンビームが除去されずに試料に到達してしまったりして金属汚染が発生する。
【００９６】
また、このような異常動作は、短絡放電や停電による場合に限らず、オペレータが加工ビーム種やビーム照射条件を変更するときにビーム条件の設定を誤った場合にも同じように生じ得る。例えば質量分離器の印加電圧や磁場発生用コイル通電値、偏向器の印加電圧値の設定を誤った場合に金属汚染が発生する場合の一例を図１７で説明する。
【００９７】
図１７において、質量分離器２４は電場と磁場が直交する方向に印加されている。例えば質量分離器２４がＥ×Ｂ質量器を用いているとすると、質量分離器２４に入射したイオンビームのうち加工に使用するイオンビーム１１をＥ×Ｂ質量器で偏向させずに通過させるには、Ｅ×Ｂ質量器２４に印加すべき電界の強さＥと磁束密度をＢの関係を下式のようにすれば良い。
Ｅ＝Ｂ×ｖ１
ｖ１はイオンビームの入射速度である。
【００９８】
一方、イオンビーム１１とは質量が異なるイオン種のイオンビーム８１，８２は、質量分離器２４により偏向されてアパーチャ２６に衝突しアパーチャ２６に遮られる。
【００９９】
ところが、ヒューマンエラー等により、Ｅ，Ｂの設定ミスがあると、本来除去されるべきイオンビーム８１，８２等がアパーチャ２６を通過して試料３５に照射される場合がある。イオンビーム８１，８２が金属イオンビームであれば試料３５に金属汚染が発生する。金属汚染は発生しても目視では判別できないため、金属汚染が発生していることに気付かずに半導体プロセスが稼働し続ければ後の試料を汚染し続けることになるし後工程の製造ラインを汚染することにもなる。汚染発生に気付くのが遅れれば遅れるほど、金属汚染された試料の廃棄にも製造ラインの復旧にも多大な労力及び時間を要し費用の浪費も膨大である。
【０１００】
それに対し、本実施の形態によれば、装置内放電や停電発生後の装置立上げ後、ビーム照射条件変更等の非定常作業後の試料加工前に前述したように汚染量を測定することができるので、試料の加工前に金属汚染の発生を逸早く検出することができる。よって、汚染された試料の生成を抑制し素早く汚染対策を施すことができるので、試料（ウエーハ）の廃棄量を減少させるとともに半導体製造プロセスへの金属汚染の拡散を最小限度に抑制し歩留まりを向上させることができる。また、金属汚染の発生を警告表示することにより、オペレータは汚染発生を逸早く知ることができ、処理を迅速に中断し汚染対策を実施することができる。
【０１０１】
さらに、本実施の形態の場合、既述の通り、試料３５を加工するイオンビームカラム１と試料加工用のイオンビーム１１による金属汚染量を計測する汚染計測用ビームカラム６Ａ（又は６Ｂ）及び検出器７とを同一の真空容器１０に設け、１つの試料ホルダー８から取外すことなく同一のターゲット（本例の場合サンプル５４）に加工用のイオンビーム１１及び汚染計測用の汚染計測用ビーム１３を照射できるようになっている。
【０１０２】
仮にイオンビームカラム１と汚染計測用ビームカラム６Ａ（又は６Ｂ）が同一真空容器１０に接続されておらず、ＦＩＢ装置と別体の装置で汚染計測を実施する場合、汚染計測用に用意した試料にイオンビームカラム１のイオンビーム１１を照射してサンプルを作成し、そのサンプルを別途用意された汚染計測装置にセットし直して汚染検査を行う必要がある。
【０１０３】
それに対して本実施の形態の場合、イオンビーム１１を照射したターゲットを装置外に取り出すことなくそのターゲットの汚染を計測することができるので、他の装置で汚染計測する場合に比べて汚染計測に要する時間を大幅に短縮することができる。すなわち、荷電粒子線加工装置のダウンタイムを最小限に抑え、スループットを大幅に向上させることができる。また、試料加工用のイオンビームカラムと汚染計測用の汚染計測用ビームカラム６Ａ（又は６Ｂ）を同一真空容器１０に接続して一体化することにより、装置を安価にすることもできる。
【０１０４】
なお、以上の本実施の形態においては、イオンビームカラム１からのイオンビーム１１と汚染計測用ビームカラム６Ａ（又は６Ｂ）からの汚染計測用ビーム１３のビーム軸が交わっておらず、イオンビーム１１が照射される位置と汚染計測用ビーム１３が照射されえる位置が離間している。そのため、汚染計測の際には前記ステージ９を駆動して試料ホルダー８の位置を調整することにより汚染計測用ビーム１３の照準位置にイオンビームの照射跡を一致させる構成とした。しかし、試料加工前にイオンビームの異常を検出する限りにおいてはこの構成に限られず、例えば図１における電子ビームカラム４とイオンビームカラム１の位置関係のように、第１ユニット１００側にイオンビームカラム１とビーム照準位置が同じ汚染計測用の電子ビームカラム及び特性Ｘ線検出器を配設することも考えられる。
【０１０５】
また、汚染監視治具５３を設け、試料３５の加工前に汚染監視治具５３にイオンビーム１１を試し撃ちしてイオンビーム１１の汚染の有無を計測する場合を例に挙げて説明したが、試料３５の汚染計測にも当然適用できる。イオンビームの事前検査を前提としない場合、汚染監視治具５３を省略しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線加工装置の一構成例の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線加工装置の他の構成例の概略構成図である。
【図３】イオンビームカラムの内部構造図である。
【図４】イオンビームカラムに備えられた投射マスクの概観図である。
【図５】試料ホルダーの上視図である。
【図６】図５におけるＡ部の詳細図である。
【図７】メッシュに接着したマイクロサンプルを薄膜化加工する様子を表す図である。
【図８】汚染計測用ビームを汚染監視冶具に設けたサンプルに照射した際に発生する特性Ｘ線を検出器により検出している様子を表す図である。
【図９】汚染計測冶具の構成を示す試料ホルダーの部分断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線加工装置内の操作卓のディスプレイ上に表示されるＧＵＩ画面を示す図である。
【図１１】検出器の一種であるＥＤＳ検出器による定性分析結果の一例を示す図である。
【図１２】定性分析結果に基づく定量分析結果の一例を示す図である。
【図１３】汚染発生時のＧＵＩ画面の表示の一例を示した図である。
【図１４】本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線加工装置に備えられた中央制御ユニットによる汚染計測手順を表すフローチャートである。
【図１５】本発明の一実施の形態に係る荷電粒子線加工装置を用いた欠陥観察手順を表すフローチャートである。
【図１６】マイクロサンプルを摘出する様子を表した図である。
【図１７】質量分離器の印加電圧や磁場発生用コイル通電値、偏向器の印加電圧値の設定を誤った場合に金属汚染が発生する場合を例に挙げて汚染発生のプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１        イオンビームカラム
２        ガス銃
３        マイクロサンプリングユニット
４        電子ビームカラム
５        電子ビームガス銃
６Ａ，Ｂ  電子ビームカラム
７        検出器
８        試料ホルダー
９        ステージ
１０      真空容器
１１      イオンビーム
１２      Ｘ線ビームカラム
１３      汚染計測用ビーム
１６      プローブ
１７      ガスノズル
１９      筐体
２０      イオン発生源
３５      試料
４１      カートリッジユニット
４３      マイクロサンプル
４４      メッシュ
５３      汚染監視治具
５４      サンプル
５７      特性Ｘ線
６０      ＧＵＩ画面
６１      アラーム表示部
６５      ナビゲーションパネル
６７      汚染監視ボタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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