(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載する試料ホールダと、
ガスイオン源と、
前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームを前記試料ホールダ上の試料に導くイオンビーム光学系と、
イオンビームを通過させてイオンビームの断面を成形する開口を有するマスクと、
前記ガスイオン源に印加する加速電圧及び前記マスクの動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームを前記マスクの開口に通して断面を成形し、断面を成形した高速加工用のイオンビームを投射して試料又は試料片を加工する手順と、
前記高速加工用のイオンビームに比較して前記ガスイオン源に印加する加速電圧を下げ、加工後の試料又は試料片の観察面に当該観察面が収まるビーム径を有するイオンビームを投射して観察面のダメージ層を除去する手順と
を実行可能であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項２】
試料を搭載する試料ホールダと、
ガスイオン源と、
前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームを前記試料ホールダ上の試料に導くイオンビーム光学系と、
イオンビームを通過させてイオンビームの断面を成形する開口を有するマスクと、
前記マスクの開口で断面を成形したイオンビームの投射により試料から分離される試料片を摘出するプローブ装置と、
前記プローブ装置により摘出した試料片を搭載するカートリッジと、
前記マスクの開口で断面を成形したイオンビームの投射により試料又は試料片を加工する高速加工モード、及び高速加工モード時に比較して加速電圧が低いイオンビームを試料又は試料片の観察面に投射してダメージ層を除去する低ダメージ加工モードの各ビーム条件を記憶した記憶部と、
前記ガスイオン源に印加する加速電圧及び前記マスクの動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記記憶部に記憶されたビーム条件を基にビームモードを前記高速加工モードに設定し、前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームを前記マスクの開口に通して断面を成形し、断面を成形したイオンビームを投射して試料又は試料片を加工する手順と、
前記記憶部に記憶されたビーム条件を基にビームモードを前記低ダメージ加工モードに設定し、前記高速加工用のイオンビームに比較して前記ガスイオン源に印加する加速電圧を下げるとともに、前記イオンビームから前記マスクを退避させ、加工後の試料又は試料片の観察面に前記マスクにより制限されず前記観察面が収まるビーム径を有するイオンビームを投射して観察面のダメージ層を除去する手順と
を実行可能であることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項３】
試料を搭載する試料ホールダと、
ガスイオン源と、
前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームを前記試料ホールダ上の試料に導くイオンビーム光学系と、
イオンビームを通過させてイオンビームの断面を成形する開口を有するマスクと、
前記マスクの開口で断面を成形したイオンビームの投射により試料又は試料片を加工する高速加工モード、及び高速加工モード時に比較して加速電圧が低く試料又は試料片の観察面が収まるビーム径を有するイオンビームを当該観察面に投射してダメージ層を除去する低ダメージ加工モードの各ビーム条件を記憶した記憶部と、
前記高速加工モード及び低ダメージ加工モードを含むビームモードの切り換えを指示する操作手段と、
前記操作手段の操作に基づく指令信号従ってビームモードを切り換え、前記記憶部に記憶されたビーム条件を基に前記ガスイオン源に印加する加速電圧を制御する加速電圧制御部と
を備えたことを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項４】
試料を搭載する試料ホールダと、
ガスイオン源と、
前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームを前記試料ホールダ上の試料に導くイオンビーム光学系と、
イオンビームを通過させてイオンビームの断面を成形する開口を有するマスクと、
前記マスクの開口で断面を成形したイオンビームの投射により試料から分離される試料片を摘出するプローブ装置と、
前記プローブ装置により摘出した試料片を搭載するカートリッジと、
前記マスクの開口で断面を成形したイオンビームの投射により試料又は試料片を加工する高速加工モード、及び高速加工モード時に比較して加速電圧が低いイオンビームを試料又は試料片の観察面に投射してダメージ層を除去する低ダメージ加工モードの各ビーム条件を記憶した記憶部と、
前記高速加工モード及び低ダメージ加工モードを含むビームモードの切り換えを指示する操作手段と、
前記操作手段の操作に基づく指令信号に従ってビームモードを切り換え、前記記憶部に記憶されたビーム条件を基に前記ガスイオン源に印加する加速電圧を制御する加速電圧制御部と、
ビームモードが高速加工モードに切り換えられた場合、前記ガスイオン源から引き出されたイオンビームの光軸上に前記開口が位置するように前記マスクを移動させ、ビームモードが低ダメージ加工モードに切り換えられた場合、前記イオンビームから前記マスクを退避させて加工後の試料又は試料片の観察面が収まるようにイオンビームのビーム径を広げるマスク制御部と
を備えたことを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項５】
請求項２のイオンビーム加工装置において、前記マスクは、前記カートリッジに搭載された試料片を薄膜化するための開口を備えていることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項６】
請求項２のイオンビーム加工装置において、前記カートリッジを回転させ、搭載した試料片のイオンビームに対する角度を調整するカートリッジ傾斜機構を備えていることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項７】
請求項２のイオンビーム加工装置において、前記マスクは、前記カートリッジに搭載された試料片を円柱化するための開口を備えていることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項８】
請求項２のイオンビーム加工装置において、前記カートリッジは、試料片を搭載するステージと、前記ステージを回転させる回転機構とを備えていることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項９】
請求項１のイオンビーム加工装置において、ＳＥＭカラムをさらに備えていることを特徴とするイオンビーム加工装置。
【請求項１０】
ガスイオン源から引き出されたイオンビームをマスクの開口に通して断面成形し、断面成形したイオンビームを投射して試料又は試料片を加工する手順と、
前記ガスイオン源に印加する加速電圧を下げ、加工後の試料又は試料片の観察面に当該観察面が収まるビーム径を有するイオンビームを投射して観察面のダメージ層を除去する手順と
を有することを特徴とする試料加工方法。
【請求項１１】
ガスイオン源から引き出されたイオンビームをマスクの開口に通して断面成形し、断面成形したイオンビームを投射して試料又は試料片を加工する手順と、
前記ガスイオン源に印加する加速電圧を下げるとともに、前記イオンビームから前記マスクを退避させ、加工後の試料又は試料片の観察面に前記マスクにより制限されず前記観察面が収まるビーム径を有するイオンビームを投射して観察面のダメージ層を除去する手順と
を有することを特徴とする試料加工方法。
【請求項１２】
請求項１０の試料加工方法において、前記試料又は試料片を加工する手順にて試料片を円柱状に加工し、前記ダメージ層を除去する手順にて円柱状の試料片を回転させながらイオンビームを投射することを特徴とする試料加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の欠陥部をイオンビームで加工するイオンビーム加工装置及び試料加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリやマイクロプロセッサ等の半導体デバイスの製造にあって歩留りの高い生産を実現するためには、不良デバイスの発生原因を早期に解析し対策する必要がある。不良デバイスの発生原因の解析には、デバイスの断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察することが従来から有効な手段の１つであった。ＦＩＢ（Focused Ion Beam）で試料に穴加工し、その断面をＳＥＭで観察するデュアルビーム装置（ＦＩＢ−ＳＥＭ）も開発されている。
【０００３】
ところが、近年、半導体デバイスの高密度化が進んで不良原因も微細になっており、数ｎｍ程度の膜厚の不良を判別する場合にＳＥＭでは分解能が不足することがあり、ＳＥＭよりも分解能が高いＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）やＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）が用いられることが多くなっている。ＴＥＭやＳＴＥＭを用いた解析では、試料に電子線を透過させる必要があるため、解析する試料片を試料から摘出して薄膜化する必要がある。
【０００４】
また、現在、ＦＩＢのイオン源としては、Ｇａ（ガリウム）等の液体金属を用いたＬＭＩＳ（Liquid Metal Ion Source）を用いる方法が一般的である。ＬＭＩＳを使用したイオンビーム加工装置の場合、イオンビーム照射面の試料が金属汚染してしまう問題がある。金属汚染の生じた試料をそのまま製造プロセスに戻すと、その後の加熱プロセス等によって照射部分だけでなく試料全体に金属が拡がり、半導体デバイスの電気特性に影響を与える恐れがある。そのため、ＬＭＩＳのＦＩＢで加工した試料は製造ラインに戻さずに廃棄していた。
【０００５】
そこで、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射することにより、試料に注入されたイオンを除去する技術が提唱されている（特許文献１等参照）。また、ＬＭＩＳに代えて不活性ガスのイオン源を用い、金属汚染を伴うことなく解析対象部の試料片を試料から摘出する技術もある（特許文献２等参照）。
【０００６】
【特許文献１】特許第３１１７８３６号公報
【特許文献２】特開２００６−１３９９１７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、従来の不活性ガスのイオン源を用いて試料片を試料から摘出する技術では、ＬＭＩＳをイオン源とする別のＦＩＢ装置で試料片を薄膜化する必要があり、ＴＥＭやＳＴＥＭ等での観察による解析結果が出るまでに長時間を要していた。また、注入イオンをＡｒイオンビームで除去する技術は、ＬＭＩＳ等の金属イオン源を用いたイオンビームカラムとＡｒイオン源を用いたイオンビームカラムの２本のイオンビームカラムを要していた。複数のイオンビームカラムを要する場合、イオンビームの照射位置を合わせる作業は必ずしも容易ではなく、作業性に改善の余地が残る。
【０００８】
本発明は上記に鑑みなされたもので、共通のイオンビームカラムを用いて試料の加工とダメージ層の除去とを迅速に実行することができるイオンビーム加工装置及び試料加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、ガスイオン源から引き出されたイオンビームをマスクの開口に通して断面成形し、断面成形したイオンビームを投射して試料又は試料片を加工する手順と、前記ガスイオン源に印加する加速電圧を下げ、加工後の試料又は試料片の観察面に当該観察面が収まるビーム径を有するイオンビームを投射して観察面のダメージ層を除去する手順とを実行する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、共通のイオンビームカラムを用いて試料の加工とダメージ層の除去とを迅速に実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明のイオンビーム加工装置の第１の実施の形態の概略図である。
図１に示したイオンビーム加工装置は、試料室３０と、イオンビーム１２を試料（ウェーハ等）３１に照射するイオンビームカラム１０と、イオンビーム１２の照射により試料３１から発生する二次電子や反射電子を検出する検出器４１と、デポジションガスを噴出するデポガス源４２と、試料３１から試料片を摘出するプローブ装置と、イオンビームカラム１０を制御するイオンビームカラム制御部１８と、イオンビーム加工装置全体を制御する全体制御部７４と、イオンビーム加工装置を操作するための操作部とを備えている。
【００１３】
試料室３０は、試料３１を搭載する試料ホールダ３２と、試料ホールダ３２に保持されたカートリッジ５１と、試料ホールダ３２を搭載した試料ステージ３３とを内部に収容している。試料ステージ３３はｘ，ｙ，ｚ方向に移動可能な他、傾動及び回転が可能な構成である。また、試料室３０には、試料室３０の真空度を低下させることなく試料３１とカートリッジ５１を試料室３０に搬入・搬出するための試料交換室３５が隣接している。
【００１４】
イオンビームカラム１０は、ガスイオン源１１と、ガスイオン源１１から引き出されたイオンビーム１２を試料ホールダ３２上の試料３１に導くイオンビーム光学系と、イオンビーム１２を通過させてイオンビーム１２の断面を成形する複数の開口１５ａ〜１５ｄ（後の図３、図１３等）を有する薄板であるマスク１５とを備えており、内部は高真空に保持されている。イオンビーム光学系は、ガスイオン源１１からイオンビーム１２を引き出す引出し電極１３、引き出されたイオンビーム１２を集束する集束レンズ１４、イオンビーム１２を走査・偏向する偏向器１６、及び、イオンビーム１２を集束して試料表面に焦点を合わせる対物レンズ１７を有している。ガスイオン源１１は、不活性ガス（アルゴン、酸素等）をプラズマ化して幅の広いイオンビーム１２を発生させる。
【００１５】
イオンビームカラム制御部１８は、特に図示していないが、イオンビーム１２の各ビームモード、すなわち観察ビームモード、加工ビームモード（高速加工モード／低ダメージ加工モード）のビーム条件を記憶した記憶部１８ａと、ガスイオン源１１に印加する加速電圧及びマスク１５の動作を含むイオンビームカラム１０の動作を制御する制御部とを備えている。制御部は、ガスイオン源１１に印加する加速電圧を制御する加速電圧制御部１８ｂと、マスク１５の動作を制御するマスク制御部１８ｃと、集束レンズ１４・偏向器１６・対物レンズ１７等を制御するその他の制御部（図示せず）を備えている。加速電源制御部１８ｂは、後述する表示装置７０の画面上のビーム切り換えボタン８１の操作に応じてコンピュータ７１から出力される指令信号に従ってビームモードを切り換え、記憶部１８ａに記憶されたビーム条件を基にガスイオン源１１に印加する加速電圧を制御する。マスク制御部１８ｃは、ビームモードが高速加工モードに切り換えられた場合、ガスイオン源１１から引き出されたイオンビーム１２の光軸上に開口１５ａ〜１５ｄのうちの設定のものが位置するようにマスク１５を移動させ、ビームモードが低ダメージ加工モードに切り換えられた場合、イオンビーム１２からマスク１５を退避させイオンビームの断面形状がマスク開口により制限されないようにする。
【００１６】
検出器４１は、検出信号を画像生成部７５に出力する。画像生成部７５は、イオンビームカラム制御部１８から取り込むイオンビーム走査信号に同期して検出器４１の信号を取り込み、ＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像の画像データを生成する。
【００１７】
プローブ装置は、試料３１の表面に触針するプローブ４５と、プローブ４５をｘ，ｙ，ｚ方向に移動させるプローブ移動機構４４とを備えており、マスク１５の開口１５ｂ，１５ｃを通過したイオンビーム（プロジェクションビーム）１２で加工された試料片５０（後の図４）を試料３１から摘出したりする。
【００１８】
全体制御部７４は、イオンビームカラム制御部１８、試料ステージ３３、デポガス源４２、プローブ移動機構４４等の構成要素を制御する。操作部は、表示装置７０、キーボード７２、マウス７３を有するコンピュータ７１によって構成される。
【００１９】
既述したように、イオンビームカラム制御部１８は、イオンビーム１２のビームモードを、前出の観察ビームモードと加工ビームモードとで切り換える機能を備えている。観察ビームモードは、加工位置を確定すべく試料３１又は試料片５０を観察するモードであり、加工ビームモードは、試料３１又は試料片５０を加工するモードである。さらに、加工ビームモードには、さらに高速加工モードと低ダメージ加工モードが用意されている。高速加工モードは、イオンビーム（プロジェクションイオンビーム：ＰＪＩＢ）１２の投射により試料３１又は試料片５０（後の図４）を高速加工するモードであり、低ダメージ加工モードは、イオンビーム（ＰＪＩＢ）１２を試料３１又は試料片５０の観察面に投射して試料３１又は試料片５０のダメージ層を除去するモードである。これら各ビームモードは、イオンビームカラム制御部１８によりマスク１５の移動とイオンビーム光学系の設定が切り換えられて実行される。
【００２０】
図２及び図３は各ビームモードのイオンビームを示す図である。
【００２１】
まず、図３に示したように、マスク１５は、複数の開口１５ａ〜１５ｄ（開口１５ｄは図１３等参照）を有している。これら開口１５ａ〜１５ｄは同じマスク１５に並べて設けられていても良いし、マスク１５自体が複数あって各開口１５ａ〜１５ｄが異なるマスクに設けてあっても良い。本実施の形態では、開口１５ａは他の開口に比して開口面積が小さく円形をしており、主に試料観察の際の走査ビームを成形するのに用いられる。開口１５ｂ，１５ｃは、それぞれ長方形、コの字形の開口であり、試料３１から試料片５０を摘出するのに用いられる。後の図１３に示された開口１５ｄは、長方形の開口を２つ並べた形状をしており、試料片５０の薄膜化加工に用いられる。開口１５ｄの２つの長方形の開口の間を隔てる遮光部１５ｄａによりイオンビーム１２の中央部が一文字状に遮られ、試料片５０における遮光部１５ｄａに隠れた部分（欠陥を含む部分）が薄膜状に残される。次に各ビームモード時のイオンビームカラム１０の挙動を説明する。
【００２２】
観察ビームモード時には、イオンビームカラム制御装置１８は、ビーム切り換えボタン８１の操作に応じてコンピュータ７１から出力される指令信号に応じ、記憶部１８ａから読み出たプログラムに従って、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、マスク制御部１８ｃによりイオンビーム１２の光軸上に円形の開口１５ａが来るようにマスク１５を移動させ、その他の制御部（前述）により集束レンズ１４で開口１５ａと同じか僅かに大きいビーム径にイオンビーム１２を絞り、絞ったイオンビーム１２を開口１５ａに通過させた後、偏向器１６で走査偏向して対物レンズ１７によって観察点にフォーカスさせる。
【００２３】
一方、加工ビームモード（高速加工モード）時には、イオンビームカラム制御装置１８は、コンピュータ７１からの指令信号に応じ、記憶部１８ａから読み出したプログラムに従って、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、マスク制御部１８ｃによりイオンビーム１２の光軸上に開口１５ｂ又は１５ｃが来るようにマスク１５を移動させ、その他の制御部（前述）により開口１５ｂ又は１５ｃがビーム径内に収まる範囲でイオンビーム１２を絞り、マスク１５を通過して開口１５ｂ又は１５ｃの形状に断面が成形されたイオンビームを、偏向器１６で位置補正した上で対物レンズ１７により加工点に縮小投射する。加工ビームモード時における集束レンズ１４によるイオンビーム１２の絞り量は、観察ビームモード時に比較して小さい。加工ビームモードでは、集束レンズ１４でイオンビーム１２を絞る量を変化させることにより、マスク１５の開口を通過するイオンビーム１２のビーム電流の密度を制御し加工速度を調節することができる。
【００２４】
また、加工ビームモード（低ダメージ加工モード）時には、イオンビームカラム制御装置１８は、コンピュータ７１からの指令信号に応じて記憶部１８ａから読み出したプログラムに従い、マスク制御部１８ｃにより後の図１６等に示すように、イオンビーム１２からマスク１５を退避させ、加速電圧制御部１８ｂにより高速加工モード時に比較してガスイオン源１１にかける加速電圧を下げ、その他の制御部により加工領域（例えば試料片５０の欠陥部、或いは観察面）がビーム径内に収まる範囲でイオンビーム１２を絞り、イオンビームを偏向器１６で位置補正した上で対物レンズ１７により加工点に縮小投射する（後の図１６等参照）。
【００２５】
これら各ビームモードのビーム条件やマスク１５の位置は、前述したようにイオンビームカラム制御部１８の記憶部１８ａに記憶されており、加速電圧制御部１８ｂ等は、コンピュータ７１からの指令信号と記憶部１４ａに記憶されたビーム条件を基に、イオンビームカラム１０の各制御要素の制御を実行する。これにより、ビームモードが切り換えられる。一般的なイオンビーム加工装置を用いて低ダメージ加工モードのビーム条件を設定する場合には、例えば加速電圧を設定可能範囲の最小値に設定することが考えられる。一般的なイオンビーム加工装置では、加速電圧値の設定可能範囲が１ｋＶ〜４０ｋＶ程度であることが多い。
【００２６】
イオンビーム１２の加速電圧は加工速度に比例し、ビーム電流も加工速度に比例する。一方、イオンビームで試料を加工するとその部分に非晶質なダメージ層が発生する。そのダメージ層の厚さは、加速電圧が高いほど厚くなり、加工速度が速いほどダメージ層が厚くなる。例えば、加速電圧を３０ｋＶに設定し試料３１にシリコンウェハーを用いた場合、ダメージ層の厚さは２０〜３０ｎｍになる場合がある。試料片を１００ｎｍ以下に薄膜化しても、表層の２０〜３０ｎｍにダメージ層が存在していては、高分解能の電子顕微鏡像でも欠陥部をはっきりと観察できない場合が生じてくる。それに対し、例えば加速電圧を１ｋＶに下げた場合、ダメージ層の厚さは数ｎｍ程度に減少し、高分解能の電子顕微鏡で鮮明な観察像を得る上で有利である。
【００２７】
これらビームモードの切り換えは、先に述べた通り、表示装置７０に表示されたビーム切り換えボタン８１をマウス７３で操作することにより行う（図２７も参照）。ビーム切り換えボタン８１がビームモードの切り換えを指示する操作手段の役割を果たし、ビーム切り換えボタン８１の操作に基づく指令信号がコンピュータ７１を介してイオンビームカラム制御部１８に入力される。
【００２８】
カートリッジ５１は、図４に示すように試料３１から取り出した試料片５０を搭載し、搬送するための媒体となっており、一般的なＴＥＭやＳＴＥＭの試料ホールダに装着できるような直径３ｍｍ程度の半円形状の板であるサンプルキャリア５２を備えている。また、カートリッジ５１は、図５に示すように試料ホールダ３２に実装されたカートリッジ傾斜機構５３に装着できるようになっている。カートリッジ傾斜機構５３は、図６に示すように挿入したカートリッジ５１を板バネで保持するソケット５７とそれを回転させるモータ５８を備えており、モータ５８によりソケット５７を回転させることでカートリッジ５１をその軸心線周りに回転させ、試料片５０を搭載するカートリッジ５１のイオンビーム１２に対する傾斜角度を調整することができる。更に、試料室３０から搬出したカートリッジ５１は、図７に示すようなＴＥＭやＳＴＥＭなどの高分解能な電子顕微鏡のサイドエントリステージに挿入可能な試料ホールダ５４の先端に装着することができる。
【００２９】
図８は検査装置で検出した試料の欠陥部を本発明のイオンビーム加工装置で取り出して高分解能な電子顕微鏡で観察するための試料に加工する処理フローを示す。以下、このフローに従って説明する。
【００３０】
半導体デバイス製造工程の試料検査において、検査装置で検査した試料３１を試料ケース３８（図１）に格納する。また、取り出した試料片５０を搬送するためのカートリッジ５１をカートリッジケース３９に格納する。試料・カートリッジ搬入処理（Ｓ１０１）では、試料搬送ロボット３６（図１）が試料ケース３８に格納されている試料３１を取り出して大気状態の試料交換室３５内の試料ホールダ３２上に搬送する。また、同時にカートリッジ搬送ロボット３７がカートリッジケース３９に格納したカートリッジ５１を取り出して試料ホールダ３２上のカートリッジ傾斜機構５３に挿入する。試料３１とカートリッジ５１が搭載された試料ホールダ３２は、試料交換室３５を真空排気して試料室３０内の試料ステージ３３に搬入する。
【００３１】
次にサンプリング位置である（検査装置で検出した欠陥部）がイオンビーム１２のビームスポットに来るように試料ステージ３３を移動する（Ｓ１０２）。欠陥部の位置を示す検査結果ファイルは、ネットワーク等を介して検査装置からコンピュータ７１に転送される。欠陥部を確認するには、イオンビームカラム１０を観察ビームモードに設定し、試料３１上にイオンビーム１２を走査する。画像生成部７５は、イオンビーム１２の走査信号に同期して検出器４１の信号を取り込んで画像データを生成し、表示装置７０の画像表示エリア８０にＳＩＭ像を表示する。
【００３２】
サンプリング位置をＳＩＭ像で確認した後、イオンビームカラム１０を加工ビームモード（高速加工モード）に設定し、マスク１５の開口はコの字形の開口１５ｃを選択し設定する。図９に示すように、イオンビーム１２に対して試料ステージ３３を傾斜させ、開口１５ｃの形状に断面成形されたイオンビーム１２を投射して試料３１にコの字形の溝を加工する（Ｓ１０３）。
【００３３】
次に、図１０に示すように試料ステージ３３を１８０°回転させて、加工位置に移動し（Ｓ１０４）、試料片５０にプローブ４５を接触させる（Ｓ１０５）。そして、マスク１５の開口は長方形の開口１５ｂを選択し、その形状に従って長方形の溝を加工することで、欠陥部を含む試料片５０を切断して試料３１から分離する（Ｓ１０６）。次に、図１１に示すように、溝加工によってくさび形に加工された試料片５０をプローブ４５によって引き上げ摘出する（Ｓ１０７）。この時の試料片５０はプローブ４５に静電力で吸着するが、静電力による吸着力が弱い場合には、デポガス源４２からデポガス４３の供給とイオンビーム１２の照射によりデポジション膜を形成し、デポジション膜により試料片５０とプローブ４５とを接着する。
【００３４】
プローブ４５により試料片５０を摘出したら、試料ステージ３３及びプローブ移動機構４４を駆動して、図１２に示すようにカートリッジ５１のサンプルキャリア５２の上部に試料片５０を接触させて、デポガス４３を供給しながらイオンビーム１２を照射し、デポジション膜５５によって固定する（Ｓ１０８）。
【００３５】
次に、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すようにイオンビーム１２をマスク１５の薄膜化用の開口１５ｄで制限し、試料片５０の上面にイオンビーム１２が投射されるようにカートリッジ傾斜機構５２によってカートリッジ５１を傾斜させる。ビームモードは高速加工モードとし、開口１５ｄは、高加速のイオンビーム１２でダメージを受ける部分、すなわち薄膜状に残す部分Ａを厚めに残し、後の工程でダメージ層を除去する取り代が確保されるように、遮光部１５ｄａの幅が適当なものを選択する。この加工により試料片５０の欠陥部を含む観察対象部分を薄膜化する。但しこのようにイオンビームにより薄膜化加工する場合、図１４（ａ）に示すように、試料片５０の薄膜化した部分の厚みは、ガスイオン源１１側に対してサンプルキャリア５２側が厚くなってしまう。そこで、図１４（ｂ）に示すように、例えばマスク１５を長方形の開口１５ｂに設定し、試料片５０の薄膜部の厚みが一様になるように、薄膜部の両面を片方ずつ加工する。この場合、カートリッジ５１のイオンビーム１２に対する傾斜角度θをカートリッジ傾斜機構５３により設定し、断面が矩形状のイオンビーム１２を投射する。そして、イオンビーム１２の外縁部で薄膜部の側面の下方に広がった部分を加工する。一方の側面の加工が完了したら、図１５に示すように、カートリッジ傾斜機構５３を反対側に駆動して傾斜角度θを設定し、同様にして試料片５０のもう一方の側面を加工する（Ｓ１０９）。
【００３６】
次にイオンビームカラム１０のビームモードを低ダメージ加工モードに設定し、図１６に示すようにイオンビーム１２の断面形状が制限されないようにイオンビーム１２から退避させる。また、薄膜化した試料片５０の観察面（側面）にイオンビーム１２が照射されるように、カートリッジ傾斜機構５２によってカートリッジ５１を傾斜させる。低ダメージ加工モードのイオンビーム１２によって試料片５０の観察面が低ダメージで加工され、高速加工ビームモードの加工で発生した試料片５０のダメージ層が除去される。一方の観察面の低ダメージ加工モードの加工が終了したら、カートリッジ傾斜機構５２によってカートリッジ５１を反転させ試料ステージ３３を駆動してイオンビーム１２に対して試料片５０の位置を合わせ、試料片５０の反対側の観察面を加工する（Ｓ１１０）。
【００３７】
低ダメージの薄膜化が完了したら、試料片５０を搭載したカートリッジ５１を試料３１と一緒に試料ホールダ３２ごと試料交換室３５に搬出する。すると試料３１は、試料搬送ロボット３６によって試料ケース３８に搬出され、カートリッジ搬送ロボット３７によってカートリッジケース３９に排出される（Ｓ１１１）。
【００３８】
カートリッジケース３９に排出されたカートリッジ５１は、高分解能な電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＴＥＭ等）の試料ホールダ５４（図７）に接続され、そのまま高分解能な電子顕微鏡のサイドエントリステージに挿入される。
【００３９】
以上のように、本実施の形態によれば、加工ビームモードに、高速加工モードと低ダメージモードを設けたことで、共通のイオンビームカラム１０を用いて試料３１又は試料片５０の高速加工とダメージ層の除去とを迅速に実行することができる。これにより、摘出した試料片５０の欠陥部をダメージ層がない又は少ない薄膜に形成することができるので、ＴＥＭ、ＳＴＥＭ等による鮮明な電子顕微鏡像を得ることができる。したがって、不良発生原因を短時間に解析することができ、歩留りの向上が期待できる。さらに、非Ｇａのイオン源によるイオンビームを用いているために加工した試料は金属汚染がなく製造プロセスに戻すことができるため廃棄試料を削減することができ、資源を有効活用することができる。
【００４０】
イオンビーム１２による加工速度は、加工面積に照射されるビーム電荷でほぼ決まる。つまり、加工面積が大きいほど一般の集束イオンビーム（ＦＩＢ）を走査する場合に比較してプロジェクションイオンビーム（ＰＪＩＢ）を投射する方が短時間で加工することができる。一般に穴加工は数μｍとなるため、ＰＪＩＢに使用するイオンビームの輝度がある一定の値以上になっていれば、ＰＪＩＢの方が高速加工することが可能となる。これにより、不活性ガスをイオン源としても、従来のガリウムをイオン源とするイオンビームを走査する方法に比べて広い面積を一度に加工できるため加工時間が短くなる。
【００４１】
また、不活性ガスをイオン源とするイオンビームはＬＭＩＳをイオン源とするイオンビームに比較して加工速度が遅く、ダメージ層を除去するのに不活性ガスをイオン源とするイオンビームを用いる場合、同じイオン源のイオンビームを用いて試料３１や試料片５０を加工すると加工速度が大きく低下してしまう。それに対し、本実施の形態によれば、上記のようにマスク１５により断面を成形したイオンビーム（ＰＪＩＢ）を投射することにより、不活性ガスをイオン源とした場合の加工速度の低下を克服し、共通のイオンビームカラム１０を用いて不活性ガスをイオン源とする非汚染のイオンビームによる高速加工とダメージ除去加工（低ダメージ加工）を両立することができる。高速加工モード時と低ダメージ加工モード時でイオンビームカラム１０が共用化できたことで、両モードのイオンビームのビーム照射位置の精度が向上させることができるとともに、両モードのビーム照射位置の位置合わせの手間を軽減することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、試料片５０のダメージ層を除去する場合を例に挙げて説明したが、試料３１の加工穴のダメージ層を除去する必要がある場合には、その加工穴の観察面のダメージ層を除去するのにも本実施の形態は適用可能である。
【００４３】
また、本実施の形態では、試料片５０を薄膜化する場合を例に挙げて説明したが、薄膜に限らずＴＥＭやＳＴＥＭでの観察に適した形状に任意に加工することができるように、マスク１５やカートリッジ５１の構成は適宜設計変更しても構わない。例えば、試料片５０を円柱状に加工する場合を次に例示する。
【００４４】
図１７は試料片回転機構５６を設けたカートリッジ５１の概観斜視図、図１８（ａ）は試料片回転機構５６の平面図、図１８（ｂ）はその側面図である。これらの図面に示したように、試料片回転機構５６の回転軸は、カートリッジ５１の回転軸と垂直である。具体的には、駆動源となるモータ６１と、カートリッジ５１の回転軸と同じ向きに延在した駆動軸６２と、駆動軸６２と直交する向きに延在した従動軸６３と、駆動軸６２、従動軸６３に設けた互いに噛合するカサ歯車６０，６４と、従動軸６３に取り付けられたステージ５９とを備えている。ステージ５９はサンプルキャリア５２と同じく試料片５０を搭載する部材である。つまり、モータ６１を駆動すると、その回転動力が、駆動軸６２・カサ歯車６０，６４・従動軸６３を介してステージ５９に伝達されてステージ５９が回転し、ステージ５９上の試料片５０が回転する。
【００４５】
図１９は試料片５０の円柱化加工の様子を示す図である。この例では、円柱加工用の開口１５ｅを有するマスク１５を用意しておく。開口１５ｅは、四角形に形成されているが、円形等であっても良い。また、開口１５ｅの中央部には、円形の遮光部１５ｅａが線状の支持部１５ｅｂにより支持されて配設されている。
【００４６】
試料片５０の円柱化の際には、まず、観察したい欠陥部がステージ５９の回転中心付近にくるように試料片５０をステージ５９に搭載し、イオンビームカラム１０を低ダメージ加工モードに設定する。そして、遮光部１５ｅａをイオンビーム１２の光軸上に位置合わせし、開口部１５ｅがビーム径に収まる範囲で集束レンズ１４によりイオンビーム１２を絞ってイオンビーム１２を投射する。これにより、遮光部１５ｅａの影になってイオンビーム１２が投射されなかった円形の部分を残し、試料片５０は円柱状に加工される。したがって、欠陥部に遮光部１５ｅａの影が投影されるように位置合わせしておけば、欠陥を含む円柱を容易に形成することができる。このとき、支持部１５ｅａの影が投影された箇所が残る可能性があるが、加工中、適当にステージ５９を回転させることがそれを抑制することができる。
【００４７】
また、円柱部の側面のダメージ層を除去する際には、カートリッジ５１を９０°程度傾け、図２０に示すように円柱形に加工した試料片５０の側面に低ダメージ加工モードのイオンビーム１２を投射する。その際、側面の全周のダメージ層が除去されるように、試料片回転機構５６により円柱形の試料片５０を回転させながらイオンビーム１２を投射する。側壁のダメージが除去された円柱形の試料片５０は、ＴＥＭの３次元解析機能で鮮明な復元画像を構成することが可能になる。
【００４８】
＜第２の実施の形態＞
図２１は本発明のイオンビーム加工装置の第２の実施の形態の概略図である。図２１に示したイオンビーム加工装置が第１の実施の形態のそれと異なる点はＳＥＭカラム２０を備えている点である。ＳＥＭカラム２０は、電子源２１、電資源２１から電子ビーム２２を引き出す引出し電極２３、電子ビーム２２を集束する集束レンズ２４、電子ビーム２２を絞るビーム絞り２５、電子ビーム２２を走査・変更する偏向器２６、及び、電子ビーム２２をフォーカスする対物レンズ２７等の制御要素を有し、これら制御要素はＳＥＭ制御部２８によって制御される。ＳＥＭ制御装置２８は全体制御措置７４により制御される。ＳＥＭ像を取得する場合、観察点に電子ビームを走査すると、観察点から発生した二次電子又は反射電子が検出器４１で検出される。画像生成部７５では、ＳＥＭ制御部２８から取り込む電子ビーム走査信号に同期して検出器４１の信号を取り込み、ＳＥＭ像の画像データを生成する。そして、画像生成部７５からコンピュータ７１に画像データが出力され、表示装置７０の画像表示エリア８０にＳＥＭ像が表示される。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４９】
一般にＳＥＭはＴＥＭやＳＴＥＭに比べて分解能は低いが、ＳＩＭ像に比べて鮮明な観察像が得られる。本実施の形態の場合、ＳＥＭ２０で試料３１や試料片５０を観察することができるので、試料３１や試料片５０を試料室３０外に搬出することなく、ＳＥＭ像で容易に観察することができる。また、電子ビーム２２とイオンビーム１２の照射位置が一致するように構成すれば、加工中のＳＥＭ像を取得することもできる。
【００５０】
本実施の形態において欠陥をＳＥＭ観察する場合、透過式ではないので欠陥部を断面加工して欠陥部を露出させる必要がある。欠陥部を断面加工する場合、欠陥を含む試料片５０を試料３１から摘出してカートリッジ５１に搭載し、イオンビーム１２の投射によりカートリッジ５１上の試料片５０を加工して欠陥部を露出させる方法もあるし、試料片５０を摘出することなく、試料ステージ３３を傾斜させて試料３１内の欠陥部を断面加工する方法もある。その際、試料３１又は試料片５０のダメージ層を低ダメージ加工モードのイオンビーム１２で除去することにより、より鮮明に欠陥部をＳＥＭ観察することができる。
【００５１】
本実施の形態では、試料片５０を摘出してＳＥＭ観察する様子を図２２（ａ）に示す。図２２（ａ）では、摘出した試料片５０をカートリッジ５１に搭載し、観察面を高速加工モードのイオンビーム１２で断面加工した後に、低ダメージ加工モードのイオンビーム１２でダメージ層を除去した状態を表している。ＳＥＭ観察の場合、薄膜化する必要はない。加工後、図２２（ｂ）に示したように、ＳＥＭカラム２０側に断面が向くようカートリッジ５１を傾斜させ、断面に電子ビーム２２を走査してＳＥＭ像を観察する。観察の結果、さらに詳細な観察像が必要な場合には、その後、第１の実施の形態と同様にして試料片５０を薄膜化し、ＴＥＭやＳＴＥＭで観察することもできる。
【００５２】
＜第３の実施の形態＞
図２３は本発明のイオンビーム加工装置の第２の実施の形態の概略図である。第２の実施の形態では、欠陥を含む試料片５０を試料３１から摘出してカートリッジ５１に搭載し、イオンビーム１２の投射によりカートリッジ５１上の試料片５０を加工して欠陥部を露出させる方法を具体的に例示した。それに対し、本実施の形態は、試料片５０を摘出することなく、試料ステージ３３を傾斜させて試料３１内の欠陥部を断面加工する方法を例示するものである。図２３に示したように、試料ステージ３３は傾動可能である。イオンビーム加工装置のその他の構成は第２の実施の形態と同様である。
【００５３】
本実施の形態のイオンビーム加工装置は、イオンビーム１２の光軸に対して電子ビーム２２の光軸が傾斜しているので、図２４に示すように試料面がイオンビームカラム１０に対向するように試料ステージ３３を傾斜させて試料３１を断面加工すると、加工中の加工断面をそのままＳＥＭで観察することができる。加工後、図２５に示すように試料ステージ３３の傾斜を戻し、適宜回転させ観察面に低ダメージ加工モードのイオンビーム１２を投射する。このようにしてダメージ層を除去したら、試料ステージ３３を適宜回転・傾斜させ、図２６に示すように観察面をＳＥＭカラム２０の方に向け、断面をＳＥＭで観察する。
【００５４】
なお、以上に本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは言うまでもない。例えば、低ダメージ加工モードでも、観察面に形状を合わせた開口を用意しておき、その開口によってＰＪＩＢの断面を制限しても良い。また、試料片を摘出する機能は必ずしも必要なく、例えば試料片を摘出せずに試料の欠陥部を断面加工して欠陥部をＳＥＭ観察する場合には、プローブ装置やカートリッジ５１は省略しても構わない。また、図２１や図２３のようにＳＥＭカラム２０が垂直でイオンビームカラム１０が傾斜している場合を例示したが、その逆の構成としても良いし、双方が傾斜した構成としても良い。また、この種のＦＩＢ−ＳＥＭに本発明を適用する場合、図２１や図２３のような電子ビーム照射位置とイオンビーム照射位置を同一点にしたものに限らず、電子ビーム照射位置とイオンビーム照射位置との間を試料ステージが移動する構成のＦＩＢ−ＳＥＭにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のイオンビーム加工装置の第１の実施の形態の概略図である。
【図２】イオンビームのビームモードを示す説明図である。
【図３】イオンビームのビームモードを示す説明図である。
【図４】カートリッジの構造を示す図である。
【図５】試料ホールダの構造を示す図である。
【図６】カートリッジ傾斜機構の構造を示す図である。
【図７】試料ホールダの構造を示す図である。
【図８】本発明による試料作製のフローチャートである。
【図９】コの字加工の状態を示す図である。
【図１０】切断加工の状態を示す図である。
【図１１】試料片の取り出しの状態を示す図である。
【図１２】試料片をカートリッジに搭載した状態を示す図である。
【図１３】薄膜化加工の状態を示す図である。
【図１４】薄膜化加工の厚みを一定にする技術の説明図である。
【図１５】薄膜化加工の厚みを一定にした状態を示す図である。
【図１６】低ダメージ薄片化加工の状態を示す図である。
【図１７】試料片回転機構を備えたカートリッジを示す図である。
【図１８】試料片回転機構の構成を示す図である。
【図１９】円柱化加工の状態を示す図である。
【図２０】低ダメージ円柱化加工の状態を示す図である。
【図２１】本発明のイオンビーム加工装置の第２の実施の形態の概略図である。
【図２２】断面観察用のカートリッジの状態を示す図である。
【図２３】本発明のイオンビーム加工装置の第２の実施の形態の概略図である。
【図２４】試料への穴加工を示す図である。
【図２５】低ダメージ穴加工の状態を示す図である。
【図２６】穴加工した断面を観察する状態を示す図である。
【図２７】ビーム切り替えボタンを表示した表示装置のインターフェース画面の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０        イオンビームカラム
１１        ガスイオン源
１２        イオンビーム
１３        引出し電極
１４        集束レンズ
１５        マスク
１５ａ〜ｅ  開口
１６        偏向器
１７        対物レンズ
１８        イオンビームカラム制御部
２０        ＳＥＭカラム
２１        電子源
２２        電子ビーム
２３        引出し電極
２４        集束レンズ
２５        ビーム絞り
２６        偏向器
２７        対物レンズ
２８        ＳＥＭ制御部
３０        試料室
３１        試料
３２        試料ホールダ
３３        試料ステージ
３５        試料交換室
３６        試料搬送ロボット
３７        カートリッジ搬送ロボット
３８        試料ケース
３９        カートリッジケース
４１        検出器
４４        プローブ移動機構
４５        プローブ
５０        試料片
５１        カートリッジ
５２        サンプルキャリア
５３        カートリッジ傾斜機構
５４        試料ホールダ
５６        試料片回転機構
７０        表示装置
７１        コンピュータ
７２        キーボード
７３        マウス
７４        全体制御部
７５        画像生成部
８０        画像表示エリア
８１        ビーム切り換えボタン
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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