(57)【要約】【課題】本発明は、作製時の集束イオンビーム照射によって形成される非晶質層や観察断面の荒れを除去し、良好なＴＥＭ観察ができる透過電子顕微鏡観察試料の作製方法を提供する。【解決手段】被観察試料基体から、柱状試料本体３と、この柱状試料本体３の垂直方向に柱状に突き出した角錐状の支持体４と、角錐状の支持体先端に被観察領域を含む幅に加工整形され薄化整形され、観察面を備えた薄化部５とが一体化した構造の観察試料を作製し、この観察面に低角度のイオンビームを照射して観察面をスパッタエッチングする。これによって、集束イオンビーム照射によって形成される非晶質層や観察断面の荒れを除去し、高い品質の透過電子線顕微鏡試料を作製し、良好なＴＥＭ観察を可能にする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に凸部を有する柱状試料の当該凸部にある被観察領域を薄化して観察面を露出させる透過電子顕微鏡観察試料の作製方法において、
前記被観察領域を有する試料基体から、前記被観察領域が残留するように前記柱状試料を切り出す第１の工程と、
前記凸部頂部平面に垂直な方向から第１イオンビームを照射して前記凸部を薄化して、薄化部を形成する第２の工程と、
前記観察面となる前記薄化部平面に、低い照射角で第２イオンビームを照射する第３の工程とを少なくとも有することを特徴とする透過電子顕微鏡観察試料の作製方法。
【請求項２】
前記柱状試料は、前記試料本体、前記凸部、及び前記凸部に形成された薄化部が一体化した構造であることを特徴とする請求項１記載の透過電子顕微鏡観察試料の作製方法。
【請求項３】
前記第１イオンビームとして集束ガリウムイオンビームを、前記第２イオンビームとしてアルゴンイオンを用いて薄化することを特徴とする請求項１記載の透過電子顕微鏡観察試料の作製方法。
【請求項４】
前記第２イオンビームの加速電圧として、前記第１イオンビームよりも低い加速電圧であることを特徴とする請求項１記載の透過電子顕微鏡観察試料の作製方法。
【請求項５】
前記第２イオンビームを前記薄化部に対し、照射角をαとした場合、０°＜α≦３０°（但し、αは照射角）の角度で照射することを特徴とする請求項１記載の透過電子顕微鏡観察試料の作製方法。
【請求項６】
前記第２イオンビームが前記薄化部に選択的に照射されることを特徴とする請求項１記載の透過電子顕微鏡観察試料の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集束イオンビーム（Ｆｏｒｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ：以下、ＦＩＢと略称する）法による透過電子顕微鏡観察試料の作製方法において、金属層を含む多層膜や半導体デバイス等の詳細な断面構造を透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＴＥＭと略称する）で観察するための試料作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過電子顕微鏡を用いて試料を観察する際に、試料は、試料フォルダーに形成された３ｍｍφ程度の開孔に、Ｃ字形状をしているリングを用いて搭載され、電子線が照射されて、観察される。そのために、図１９に示すように、この透過電子顕微鏡観察試料１は、自立できる程度の強度を有する保持部である柱状試料本体３と、電子線が透過できる程度の薄さを有する薄化部５からなっている。
【０００３】
従来このような試料は、集束イオンビームを用いて試料の観察部位をエッチングして薄化加工している（特許文献１、特許文献２参照）。
そこで、以下、この集束イオンビームを用いた透過型電子顕微鏡観察試料の作製について、図１３〜１９を用いて説明する。
まず、図１３に示すように、試料基体１１１上の微細パターン内にＴＥＭ観察が必要な観察部位２が存在する試料基体１１１のような試料を準備し、これを試料基体１１１よりも大きいダミー基板１２に樹脂系ワックス等を使い可能な限り平坦に接着固定する。次に、図１４のように観察部位２が残留するように基板長手方向をストレートタイプのブレードダイシングで浅く切り込んで凸部１３を形成する。凸部１３の厚さは、後工程のＦＩＢ加工時間を考慮し、且つチッピング等で破損しない程度に極力薄く加工する。次に、図１５〜１６のように電子顕微鏡（以下、装置と記載）の鏡筒内に挿入可能な大きさ（例えば、厚さ約０．２ｍｍ×長さ約２ｍｍ、高さは基板の厚さ）になるように基板長手方向、次いで、基板長手方向に垂直な方向の順で深く切り出し、図１７のような断面凸型の柱状試料を得る。次に、前記断面凸型の柱状試料を補強リング（例えば、ＳＵＳ製のＣ型リング）に取り付け、図１８のように観察部位２上方からＦＩＢ法によりＴＥＭ観察可能な適当な厚さ（例えば、約０．１μｍ）まで薄化し薄化部観察面１８を露出させＴＥＭ試料を作製し、図１９のようにＴＥＭ試料を装置鏡筒内に挿入し薄化部観察面１８に観察電子線１９を照射しＴＥＭ観察する。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３１８４６８号公報
【非特許文献】特開平１０−２２１２２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来のＴＥＭ試料作製方法では、薄化した薄化部観察面１８にイオンビームエッチングによるダメージ層が形成されており、主に重元素で構成される酸化物系薄膜超伝導デバイスや、金属層を含み複雑な微細構造を有する半導体デバイスなどを薄化した場合、前者は重元素ほどエッチングされにくいので全体的にＴＥＭ像が不鮮明となり、後者はエッチングされにくい重元素系の部分とエッチングされやすい軽元素系の部分との間でエッチングレート差が生じ界面に段差が形成され薄化部観察面１８が荒れやすく、現状のＴＥＭ試料作製及び観察において大きな問題となっている。
【０００６】
ダメージ層の形成には様々な要因が考えられているが、特にその影響が大きいのがＦＩＢ照射の加速電圧である。ＦＩＢの加速電圧は通常３０ｋＶであるが、３０ｋＶのＦＩＢでＳｉ結晶を薄化した場合、片面だけでも約３０ｎｍの非晶質なダメージ層が形成される。この厚さは薄化した厚さが約０．１μｍとすると、その６０％がダメージ層で覆われていることになる。ここで、ＦＩＢ照射において試料に与える加速電圧の影響について検討するため、前記３０ｋＶのＦＩＢで薄化したＳｉ結晶の薄化部観察面１８に、更に２５ｋＶのＦＩＢを平行に照射させたところ前記ダメージ層が約２０％除去さることが判明した。これは、加速電圧の低電圧化によりダメージ層が除去可能であることを示唆している。このように、加速電圧を低電圧化した手法を用いればエッチングレート差による界面の段差も軽減され平滑な観察断面が期待できることが明かとなった。
そこで、ダメージ層を限りなく除去して健全な結晶質部分をできるだけ露出させると同時に観察断面の荒れを最小限に抑え平滑な観察断面を得るには、加速電圧の低いイオン研磨等の二次的加工が必要となるが、従来のように断面凸型で柱状に切り出された形状では、二次的加工を加えにくいという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上の検討の結果得られたＦＩＢ照射に関する知見に基づいて完成したものであり、ＦＩＢ照射による影響で形成されるダメージ層や観察断面の荒れを除去し、良好なＴＥＭ観察ができる透過電子顕微鏡観察試料の作製方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先端に凸部を有する柱状試料の当該凸部にある被観察領域を薄化して観察面を露出させる透過電子顕微鏡観察試料の作製方法において、
前記被観察領域を有する試料基体から、前記被観察領域が残留するように前記柱状試料を切り出す第１の工程と、
前記凸部頂部平面に垂直な方向から第１イオンビームを照射して前記凸部を薄化して、薄化部を形成する第２の工程と、
前記観察面となる前記薄化部平面に、低い照射角で第２イオンビームを照射する第３の工程とを少なくとも有することを特徴とする透過電子顕微鏡観察試料の作製方法である。
【０００９】
前記柱状試料は、前記試料本体、前記凸部、及び前記凸部に形成された薄化部が一体化した構造であることが好ましい。
【００１０】
前記第１イオンビームとして集束ガリウムイオンビームを、前記第２イオンビームとしてアルゴンイオンを用いて薄化することができる。
【００１１】
前記第２イオンビームの加速電圧として、前記第１イオンビームよりも低い加速電圧であることが好ましい。また、前記第２イオンビームを前記薄化部に対し、照射角をαとした場合、０°＜α≦３０°（但し、αは照射角）の角度で照射することが好ましい。さらに前記第２イオンビームが前記薄化部に選択的に照射することが好ましい。
【００１２】
この発明の方法によれば、柱状試料本体３と、この柱状試料本体３の垂直方向に柱状に突き出させた角錐状の支持体４と、角錐状の支持体４先端に被観察領域６を含む幅に加工整形された支持体４先端と、支持体４先端に薄片加工形成された薄化部観察面１８を含む薄化部５とが一体となった構造とすることで、イオンビームによる薄化後のイオン研磨等の二次的加工を容易にし、ＦＩＢ照射によるダメージ層を効率よく除去し、構成元素の違いや断面構造の影響で生じる観察断面の荒れも軽減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を使って説明する。図２は本発明のＴＥＭ観察試料作製のための基材を示す斜視図である。図３〜図６は本発明の第１工程を示す斜視図である。図７は本発明の第１工程により作製された試料形状を示す斜視図である。図８は本発明の第２工程を示す斜視図で、薄化部と第１イオンビームの照射方向との関係を示す図である。図９は本発明の実施形態で、（ａ）は薄化状態１を示す断面図、（ｂ）は薄化状態２を示す平面図である。図１０は本発明の第３工程を示す斜視図で、薄化した観察断面と第２イオンビームの照射方向および試料回転との関係を示す図である。図１１は本発明の実施形態で、薄化した観察断面と第２イオンビームの照射角との関係を示す図である。図１２は本発明の観察試料とＴＥＭの電子線照射方向との関係を示す図である。
【００１４】
以下順次工程に従って本実施の形態を説明する。
まず、図２のように試料基体１１上の微細パターン内にＴＥＭ観察が必要な観察部位２が存在する試料基体１１を準備し、この試料基体１１をこれよりも大きいダミー基板１２に樹脂系ワックス等を使って可能な限り平坦に接着固定する。この試料表面は後述するＦＩＢ照射の影響を受けやすいので、観察目的に応じて予め基板１表面に真空蒸着法等の手段によりＦＩＢ照射の影響を考慮した厚さの保護膜を形成しておくことが望ましい。
【００１５】
次に、図３のように観察部位２が残存するように基板長手方向をテーパータイプのブレードダイシングで切り込みテーパー状の凸部１３を形成する。ここで注意すべき点は、基板長手方向の切り込み深さと凸部先端の厚さである。基板長手方向を切り込む深さは試料形態や性状により異なるが、後工程のイオン研磨の照射効率を考慮した十分な高さを確保する必要があるため数十〜数百μｍの範囲で整形することが望ましい。凸部先端の厚さは、後工程のＦＩＢ加工時間を考慮し、且つチッピングで破損しない程度に薄く整形する必要がある。例えば、Ｓｉ基板では０．０３ｍｍ以下、硬く脆い透明基板では０．０５ｍｍ以下にすることが望ましい。
【００１６】
次に、図４のように観察部位２を中心に厚さ約０．２ｍｍ以下になるようにストレートタイプのブレードダイシングで基板長手方向を深く切り込み試料基体１１を完全に複数に切り離す。
【００１７】
次に、図５のように観察部位２が残存するように前記凸部１３の一部を除去し、支持体４を形成する。支持体４の形態と高さは、図７のように直線的なテーパー状で、且つその高さを数十〜数百μｍの範囲で整形することが望ましい。例えば、前記工程（図３）の切り込み深さが約０．１ｍｍなら支持体４の高さも約０．１ｍｍに調整し整形する。ここで注意すべき重要な点は、支持体４の幅（基体長手方向）である。支持体４の幅は、図８のように被観察領域６に形成すべき薄化部５と同じ幅に整形することが望ましいが、このような整形が困難な場合は、後述の第２工程において図９（ａ）のように薄化部５の幅に応じて支持体４先端の不要な部位を適当な深さまで除去するか、図９（ｂ）のように薄化部５の両端部を薄化部観察面１８に対して楔状に適当な深さまで除去する方法で行えばより効果的である。支持体４支持部の形態は、支持体４が破損しないレベルで整形できれば厳密な加工精度は必要としない。次に、図６のように観察部位２を中心に装置鏡筒内に挿入できる長さ約２ｍｍ以下になるように基体長手方向断面を深く切り込み基体から完全に切り離す。以上の工程により、図７のような柱状試料本体３と、柱状試料本体３の垂直方向に枝状に突き出した角錐状の支持体４と、角錐状の支持体４先端に被観察領域６を含む幅に加工整形された支持体４先端とが一体となった構造の柱状の透過電子顕微鏡試料１が得られる。ここで、支持体４の形成において、観察部位２の位置確認が困難な場合は、予め前記保護膜を形成してＦＩＢで観察部位２周辺に識別可能な大きさのマーキング加工を施す。膜剥がれの恐れがある場合は、先に前記保護膜を形成してＦＩＢで観察部位２周辺の四方を適当な深さに削り込み基板と分離させてからＦＩＢのＣＶＤ膜で覆い接着効果を付与することで観察部位２の識別が容易になり試料破損や膜剥がれ等が軽減される。
【００１８】
次に、前記柱状試料を補強リング（例えば、ＳＵＳ製のＣ型リング）に接着固定する。次に、ＦＩＢ専用ホルダーに取付けた状態で装置メインチヤンバー内に挿入し所定の装置およびビーム調整を行う。
【００１９】
次に、ＦＩＢのＣＶＤ機能により被観察領域６上にＷ保護膜を形成した後、図８のように第１イオンビーム１４として加速電圧３０ｋＶのＦＩＢを被観察領域６の上方から照射し、ＴＥＭ観察可能な厚さに達するまでイオンビーム電流を段階的に下げながら薄化し、図９（ａ）のように薄化部観察面１８を露出させる。加速電圧により異なるが２００〜４００ｋＶ級ＴＥＭの場合、観察に適した厚さは約０．１μｍである。
【００２０】
以上の工程により、柱状試料本体３と、この柱状試料本体３の垂直方向に枝状に突き出した角錐状の支持体４と、角錐状の支持体４先端に被観察領域６を含む幅に加工整形された支持体４先端と、支持体４先端に薄化整形された薄化部観察面１８を含む薄化部５とが一体化した構造の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察試料１が得られる。
【００２１】
次に、前記薄化試料を装置メインチヤンバーから取り出し、図１０のようにイオン研磨専用ステージに対して薄化部観察面１８が平行な向きになるようにセットし、第２イオンビーム１５として加速電圧４ｋＶのアルゴンイオンを基体長手方向から薄化部観察面１８に対して低い角度で試料回転させながら、且つ薄化部５だけに選択的に照射されるように調整し数分間照射し、ＴＥＭ試料を作製した。この第２イオンビームを用いた第３の工程は、ＦＩＢ機構とイオン研磨機構が一体となった装置またはシステムで行うことが望ましい。ここで、第２イオンビーム１５の照射目的について説明する。この目的は、前記３０ｋＶのＦＩＢ照射で薄化部観察面１８に形成された片面だけで約３０ｎｍにも達するダメージ層を除去し健全な結晶質部分を露出させること、エッチングレート差による界面の段差を軽減し平滑な薄化部観察面１８を得ることである。これを実現するには、前者は第２イオンビーム１５の加速電圧の低電圧化、後者は同低電圧化と低角度照射することが重要である。本発明の実施形態では、第２イオンビーム１５の加速電圧は第１イオンビーム１４よりも十分低い４ｋＶに調整されたアルゴンイオンを用いた。第２イオンビーム１５の照射角（α）１１は１５°とした。ただし、試料形態および構造によっては、加速電圧は０〜１０ｋＶ以下、アルゴンイオンビームの照射角（α）１１は０°＜α≦３０°の範囲内で微調整することが必要である。
【００２２】
前記第２イオンビーム１５の照射角１１について図面を使って説明する。図１１は、薄化部５を真上から見た時の薄化した薄化部観察面１８と第２イオンビーム１５の照射角１１との関係を示す図である。
【００２３】
これによれば、薄化部観察面１８に対しイオンビームを照射すると薄化部側面（支持体側面）も同時に削られてしまう可能性があるが、図に示すように照射角（α）１１と試料回転数（Ｒ）を各々０°＜α≦３０°、２≦Ｒ≦１０ｒｐｍに調整し、薄化部５を試料回転軸１６として回転（通常は反時計回り）させることで薄化部側面への照射を最小限に抑えることができる。薄化部５の上方から第２イオンビーム１５を照射しない理由は、観察断面の上方から低角度照射するとその上部から徐々に削られてしまうためである。
最後に、作製したＴＥＭ試料を装置鏡筒内に挿入し、図１２のように薄化部観察面１８に対して観察電子線１９を照射しＴＥＭ観察した。その結果、酸化物系の超伝導デバイス、磁性デバイスなどの重金属層界面やＤＲＡＭ等の絶縁層の厚さをより鮮明に観察できた。これに対し、従来の試料作製方法ではＳｉ結晶面でのダメージが顕著で重金属層界面も不鮮明であった。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、柱状試料本体と、本体の垂直方向に枝状に突き出した角錐状の支持体と、角錐状支持体先端に被観察領域を含む幅に加工整形された支持体先端と、支持体先端に薄片整形された観察断面を含む薄化部とが一体となった構造を形成することで、イオン研磨などの二次的加工が容易になり、これまでＴＥＭ観察の弊害であった集束イオンビーム贈射によるダメージ層を除去し、構成元素の違いや断面構造により生じていた観察断面の荒れも軽減できるため、高品質なＴＥＭ試料を作製し、良好なＴＥＭ観察が可能になる。事例として、酸化物系の超伝導デバイスや磁性デバイス等の重金属層界面や半導体デバイスの絶縁層の厚さをより鮮明に観察できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透過電子顕微鏡試料の斜視図
【図２】本発明の透過電子顕微鏡試料を作製するための基材を示す斜視図
【図３】本発明の第１工程を示す斜視図
【図４】本発明の第１工程を示す斜視図
【図５】本発明の第１工程を示す斜視図
【図６】本発明の第１工程を示す斜視図
【図７】本発明の第１工程により作製された試料形状を示す斜視図
【図８】本発明の第２工程を示す斜視図
【図９】本発明の実施形態で、（ａ）は第１の薄化状態を示す断面図、（ｂ）は第２の薄化状態を示す平面図
【図１０】本発明の第３工程を示す斜視図で、薄化した観察面と第２イオンビームの照射方向及び試料回転との関係を示す図
【図１１】本発明の実施形態で、薄化した観察断面と第２イオンビーム照射角との関係を示す図
【図１２】本発明の観察試料と透過電子蹄微鏡の電子線との関係を示す斜視図
【図１３】従来の透過電子顕微鏡観察試料を作製するための基材を示す斜視図
【図１４】従来の透過電子顕微鏡観察試料を作製するための工程を示す斜視図
【図１５】図１４の次の工程を示す斜視図
【図１６】図１５の次の工程を示す斜視図
【図１７】図１６の工程により作製された試料形状を示す斜視図
【図１８】図１７の次の工程を示す斜視図
【図１９】従来の観察試料と透過電子顕微鏡の電子線との関係を示す斜視図
【符号の説明】
１…透過電子顕微鏡試料
２…観察部位
３…柱状試料本体
４…支持体
５…薄化部
６…被観察領域
１１…試料基体
１２…ダミー基板
１３…凸部
１４…第１イオンビーム
１５…第２イオンビーム
１６…試料回転軸
１７…照射角
１８…薄化部観察面
１９…観察電子線
【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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【図１８】
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【図１９】
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