(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を支持する試料ステージと、該試料に第１の元素イオンビームを照射して該試料から試料片を形成する第１のＦＩＢ加工を行う第１の元素イオンビーム光学系装置と、前記試料片に第２の元素イオンビームを照射して前記試料片の表面に形成されたダメージ層を除去する第２のＦＩＢ加工を行う第２の元素イオンビーム光学系装置と、前記ダメージ層に存在する第１の元素を検出するための第１の元素検出器と、前記機器を制御する中央処理装置と、を有し、
前記第１の元素検出器は、前記第２のＦＩＢ加工において前記試料片に第２の元素イオンビームを照射することによって前記試料片のダメージ層から放出する第１の元素を検出し、前記中央処理装置は、前記第１の元素の量が所定の閾値より小さくなったとき、前記第２のＦＩＢ加工の終了を決定するように構成された荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
請求項１の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記第１の元素検出器は、二次イオン質量分析装置であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
請求項２の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記二次イオン質量分析装置は、磁場型、四重極型、飛行時間型、及び、複合型のいずれかのイオン検出器を含むことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
請求項１の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記第１の元素はガリウムであり、前記第１の元素検出器は、ガリウムのみを検出するように構成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
請求項１の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記第２の元素はアルゴンであることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
請求項１の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記第１の元素検出器によって得られた元素検出量のスペクトルから前記第１の元素の分布を２次元画像として表示する元素マッピング画像を生成することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項７】
請求項６の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記元素マッピング画像に表れた前記第１の元素の分布に基づいて、前記第２のＦＩＢ加工の終了を決定するように構成された荷電粒子ビーム装置。
【請求項８】
試料を支持する試料ステージと、該試料に第１の元素イオンビームを照射して該試料から試料片を形成する第１のＦＩＢ加工を行う第１の元素イオンビーム光学系装置と、前記試料片に第２の元素イオンビームを照射して前記試料片の表面に形成されたダメージ層を除去する第２のＦＩＢ加工を行う第２の元素イオンビーム光学系装置と、前記試料片に電子ビームを照射する電子ビーム光学系装置と、前記試料片からのＸ線を検出するＸ線検出器と、前記機器を制御する中央処理装置と、を有し、
前記中央処理装置は、前記Ｘ線検出器からの出力を解析し、前記ダメージ層に存在する第１の元素の量が所定の閾値より小さくなったとき、前記第２のＦＩＢ加工の終了を決定するように構成された荷電粒子ビーム装置。
【請求項９】
請求項８の記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記第２のＦＩＢ加工において、前記試料片の両側の面に形成されたダメージ層を交互に削除する加工を行うことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項１０】
荷電粒子ビーム装置を用いて電子顕微鏡観察用試料の作成方法において、
試料ステージに支持された試料に第１の元素イオンビームを照射して試料片を形成する第１のＦＩＢ加工ステップと、
前記試料片に第２の元素イオンビームを照射して前記試料片の表面に形成されたダメージ層を除去する第２のＦＩＢ加工ステップと、
前記ダメージ層に存在する第１の元素を検出するための第１の元素検出ステップと、
前記第１の元素の量を所定の閾値と比較するステップと、
前記第１の元素の量が前記所定の閾値より小さくなったときに、前記第２のＦＩＢ加工の終了を決定するステップと、
を含む電子顕微鏡観察用試料の作成方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の電子顕微鏡観察用試料の作成方法において、
前記第１の元素検出ステップでは、
前記第２のＦＩＢ加工において前記試料片に第２の元素イオンビームを照射することによって前記試料片のダメージ層から放出する第１の元素を検出することを特徴とする電子顕微鏡観察用試料の作成方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の電子顕微鏡観察用試料の作成方法において、
前記第１の元素検出ステップでは、
前記試料片に電子ビームを照射することによって前記試料片から発生するＸ線を検出することによって前記試料片のダメージ層に存在する第１の元素を検出することを特徴とする電子顕微鏡観察用試料の作成方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の電子顕微鏡観察用試料の作成方法において、
前記第２のＦＩＢ加工ステップでは、
前記試料片の両側の面に形成されたダメージ層を交互に削除する加工を行うことを特徴とする電子顕微鏡観察用試料の作成方法。
【請求項１４】
請求項１０記載の電子顕微鏡観察用試料の作成方法において、
前記第１の元素検出ステップでは、
前記試料片のダメージ層に存在する元素検出量から前記第１の元素の元素マッピングを生成することを特徴とする電子顕微鏡観察用試料の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム装置によって電子顕微鏡観察用試料を作成するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの回路パターンの微細化が進むとともに、電気的不良の検査と原因解明が重要になっている。特に、不良の発生原因を究明するために、試料を切断、加工して、形状や材料を解析する不良解析の重要性が高まっている。回路パターンの微細化がナノメートルのレベルになると、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope、以下ＴＥＭと称す）や、走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope、以下ＳＴＥＭと称す）による解析が必須になっており、精密且つ正確に所望の顕微鏡観察用試料を作成する技術が必要となっている。
【０００３】
ＴＥＭ、ＳＴＥＭ用の観察試料は、電子ビームが透過可能な１００ナノメートル程度の厚さの薄片試料である。このような薄片試料を生成するために、集束イオンビーム（Focused Ion Beam、以下ＦＩＢと称す）加工装置が使用されている。ＦＩＢ加工装置は、イオンビームを細く絞り、静電偏向走査して試料を加工する。
【０００４】
ＦＩＢ加工により薄片試料を作成すると、その表面にダメージ層が形成される。ダメージ層は、イオンが試料の内部へ進入することにより、結晶構造がアモルファス化することにより形成される。このようなダメージ層は、異なる材料間の界面でも生成する。このダメージ層は、ＴＥＭやＳＴＥＭにおいて、試料に対する電子ビームの透過能力を低下させる。そのため、鮮明な電子線像が得られなくなり、観察の障害となる。そこで、ＦＩＢ加工により薄片試料を生成したら、ダメージ層を除去する加工が必要である。ダメージ層の除去には、低加速の不活性気体イオンビームを用いる。
【０００５】
しかしながら、ダメージ層の厚さは、数ナノメートル程度であり、ダメージ層の除去には、技術者の高度な技術が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１９３９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、ＦＩＢ光学系とＳＴＥＭ光学系を備えたＦＩＢ加工装置の例が記載されている。このＦＩＢ加工装置はＦＩＢとＳＴＥＭを組み合わせた技術に基づくものであり、ＳＴＥＭ像を目視しながらダメージ層の除去を行う手法が提案されている。
【０００８】
本発明の目的は、ＦＩＢ加工により生じた試料のダメージ層を不足なくかつ最小限に除去することができる荷電粒子ビーム装置、および試料作成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】
本発明の荷電粒子ビーム装置は、試料から試料片を形成する第１のＦＩＢ加工を行う第１の元素イオンビーム光学系装置と、試料片の表面に形成されたダメージ層を除去する第２のＦＩＢ加工を行う第２の元素イオンビーム光学系装置と、ダメージ層に存在する第１の元素を検出するための第１の元素検出器と、を有する。
【００１０】
ダメージ層に存在する第１の元素の量が所定の閾値より小さくなったとき、第２のＦＩＢ加工の終了を決定する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＦＩＢ加工装置による加工で生じた試料のダメージ層を不足なくかつ最小限に除去することができる荷電粒子ビーム装置、および試料作成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の荷電粒子ビーム装置の第１の例の構成図である。
【図２Ａ】透過顕微鏡（ＴＥＭ）又は走査透過顕微鏡（ＳＴＥＭ）観察用の薄片試料の例を説明する図である。
【図２Ｂ】薄片試料に形成されたダメージ層を説明する図である。
【図２Ｃ】薄片試料に形成されたダメージ層を除去する方法を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の荷電粒子ビーム装置の第１の元素検出器によって検出された元素スペクトルの例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の荷電粒子ビーム装置の第１の元素検出器によって検出された第１の元素のピーク値の時間変化を表す図である。
【図３Ｃ】本発明の荷電粒子ビーム装置の第１の元素検出器によって検出された第１の元素のピーク値の減衰量と薄片試料の深さの関係を表す図である。
【図４】本発明の荷電粒子ビーム装置の第１の元素検出器によって検出された元素検出量の３次元表示を表す図である。
【図５】本発明による荷電粒子ビーム装置によるダメージ層除去の方法の第１の例を示す図である。
【図６Ａ】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察用の試料の例を説明する図である。
【図６Ｂ】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察用の試料に形成されたダメージ層を説明する図である。
【図７】本発明による荷電粒子ビーム装置の第７の例の構成図である。
【図８】薄片試料に形成されたダメージ層を除去する方法を説明する図である。
【図９】本発明による荷電粒子ビーム装置によるダメージ層除去の方法の第２の例を示す図である。
【図１０Ａ】本発明による荷電粒子ビーム装置による第１のＦＩＢ加工によって作成された薄片試料の二次電子像を示す図である。
【図１０Ｂ】薄片試料を構成する材料の元素について元素マッピングして得られる画像の例を示す図である。
【図１０Ｃ】薄片試料を構成する材料の元素について元素マッピングして得られる画像の例を示す図である。
【図１１Ａ】薄片試料のダメージ層に含まれる第１の元素について元素マッピングして得られる画像の例を示す図である。
【図１１Ｂ】薄片試料のダメージ層に含まれる第１の元素について元素マッピングして得られる画像の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明による荷電粒子ビーム装置の構造の第１の例を示す図である。本例の荷電粒子ビーム装置は、試料１０１を載置する可動の試料ステージ１００と、試料１０１に第１の元素イオンビーム１１１を照射して第１のＦＩＢ加工を行う第１の元素イオンビーム光学系装置１１０と、試料１０１に第２の元素イオンビーム１２１を照射して第２のＦＩＢ加工を行う第２の元素イオンビーム光学系装置１２０と、試料１０１から発生する二次電子を検出する二次電子検出器１４２と、試料１０１に存在する第１の元素を検出するための第１の元素検出器１４０と、を有する。
【００１４】
試料ステージ１００、第１の元素イオンビーム光学系装置１１０、第２の元素イオンビーム光学系装置１２０、第１の元素検出器１４０、及び、二次電子検出器１４２は、真空容器１５０内に配置される。
【００１５】
第１の元素イオンビーム光学系装置１１０は、第１の元素イオンを発生する第１の元素イオン源１１２を有する。第１の元素イオン源１１２は、例えば液体金属イオン源が用いられる。これは、イオンの集束性と加工性能に優れているためである。第１の元素として、例えばガリウムが用いられる。第１の元素イオンのエネルギは、比較的高く、例えば３０キロボルトから４０キロボルトに設定する。
【００１６】
第２の元素イオンビーム光学系装置１２０は、第２の元素イオンを発生する第２の元素イオン源１２２と、ＧＵＮバルブの閉止機構１２３と、ブランキングするためのブランカー１２４を有する。第２の元素イオン源１２２には、粒子サイズの大きい不活性気体イオン源を用いる。第２の元素は、例えばアルゴン、キセノン等である。第２の元素イオンのエネルギは、比較的低く、例えば１キロボルト以下に設定する。
【００１７】
第１の元素検出器１４０は、試料１０１に存在する第１の元素を検出することができればどのような構造であってもよいが、例えば、イオン検出器であってもよい。イオン検出器として、二次イオン質量分析装置（以下、ＳＩＭＳと称す）が好適である。二次イオン質量分析装置は、質量分析部とイオン検出部とを有する。イオン検出器には、磁場型、四重極型、飛行時間型、およびこれらのいくつかを組み合わせた複合型等があるが、これらは、質量分析部の構成が異なる。本発明によると、イオン検出器とは、これらのいずれの構造であってもよい。
【００１８】
荷電粒子ビーム装置は、更に、試料１０１の観察・加工位置を特定するため試料ステージ１００の位置を制御する試料位置制御装置１０６、第１の元素イオンビーム光学系装置１１０を制御する第１の元素イオンビーム光学系制御装置１１６と、二次電子検出器１４２を制御する二次電子検出器制御装置１４７と、第１の元素検出器１４０を制御する第１の元素検出器制御装置１４６と、第２の元素イオンビーム光学系装置１２０、閉止機構１２３、及び、ブランカー１２４を制御する第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６と、上述の各機器を制御する中央処理装置１６１を有するコンピュータと、表示装置１６２を有する。
【００１９】
中央処理装置１６１は、試料位置制御装置１０６、第１の元素イオンビーム光学系制御装置１１６、第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６、第１の元素検出器制御装置１４６、及び、二次電子検出器制御装置１４７の制御データを、それぞれ演算し、それを各装置に送信する。中央処理装置１６１として、パーソナルコンピュータやワークステーション等が一般的に使用される。
【００２０】
本例の荷電粒子ビーム装置によって、透過顕微鏡（ＴＥＭ）、又は、透過走査顕微鏡（ＳＴＥＭ）観察用の薄片試料を作成する方法の概略を説明する。第１の元素イオンビーム光学系装置１１０によって第１のＦＩＢ加工を行い、次に、第２の元素イオンビーム光学系装置１２０による第２のＦＩＢ加工を行うことにより、原試料から薄片試料を作成する。
【００２１】
第１のＦＩＢ加工では、比較的高エネルギの第１の元素イオンビームを用いて、原試料から薄片試料を生成する。第１のＦＩＢ加工によって作成された薄片試料の表面には、ダメージ層が形成される。ダメージ層は、第１のＦＩＢ加工に使用した第１の元素が進入し分布することにより形成される。ダメージ層は、電子ビームの透過性を低下させる。そのため試料の表面にダメージ層が存在すると、ＴＥＭ像又は、ＳＴＥＭ像の画質が低下し、観察や分析の精度が低下する。そこで、ダメージ層を除去するために、第２のＦＩＢ加工を行う。第２のＦＩＢ加工では、比較的低エネルギの第２の元素イオンビームを用いて、薄片試料の表面のダメージ層を除去する。
【００２２】
第１のＦＩＢ加工では第１の元素として液体金属を用いるが、第２のＦＩＢ加工では、第２の元素として、アルゴンやキセノン等の気体イオンを用いる。第２のＦＩＢ加工において、液体金属を低加速で使用すると、加工量よりも堆積量が増え、液体金属が試料に付着する。一方、アルゴンやキセノン等の気体イオンのビームを用いる場合、低加速電圧でも、試料が汚染されることがない。
【００２３】
第２のＦＩＢ加工では、ダメージ層のみを除去すればよく、ダメージ層の下側の部分まで除去することは好ましくない。そこで、第１の元素検出器１４０によって、薄片試料の表面に埋め込まれた第１の元素を観察する。第１の元素が少なくなったら、ダメージ層が除去されたと判断し、第２のＦＩＢ加工の終了を決定する。
【００２４】
第２の元素イオンビームとして、酸素イオンビームを用いてもよい。酸素イオンビームはイオン化効率が高いので、第１の元素イオンの検出量が増える。そのため、高精度なダメージ層の検知及び除去が可能となる。また、第２の元素イオンビームとして、クラスターイオンビームを用いてもよい。クラスターイオンビームの場合、単一原子のイオンビームと比べ、イオン進入深さが浅いため、第２のＦＩＢ加工によるダメージ層の形成は回避できる。従って、低加速電圧でも加工速度を落とすことなくダメージ層を除去することが可能となる。
【００２５】
なお、第２の元素イオンビームとして、集束していないブロードイオンビームを用いてもよい。この場合、第２の元素イオンビーム光学系装置１２０と、この第２の元素イオンビーム光学系装置１２０を制御する第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６を、小型で安価に作成することが可能となる。
【００２６】
尚、第１のＦＩＢ加工と第２のＦＩＢ加工との間に、第２の元素以外の元素イオンビームによる補助的なＦＩＢ加工を行ってもよい。この補助的なＦＩＢ加工では、例えば１キロボルトから５キロボルト程度の低加速電圧のイオンビームを用いる。補助的なＦＩＢ加工では、ダメージ層を予備的に除去するため、加工速度が小さい。そのため、終了するまでの時間がかかる。しかしながら、補助的なＦＩＢ加工によって、ダメージ層の厚さが減少するので、第２のＦＩＢ加工が短時間で終了する。
【００２７】
図２Ａ、図２Ｂ、及び、図２Ｃを参照して、透過顕微鏡（ＴＥＭ）、又は、走査透過顕微鏡（ＳＴＥＭ）観察用の薄片試料の例を説明する。図２Ａは、試料ステージ１００によって支持された試料１０１の例を示す。第１の元素イオンビーム光学系装置１１０によって、試料１０１に対して第１のＦＩＢ加工し、薄片試料２０１を作成する。
【００２８】
図２Ｂは図２Ａの線Ａ−Ａから見た断面図である。斜線で示す領域１０２は、第１のＦＩＢ加工によって除去した部分である。薄片試料２０１の表面近傍には、ダメージ層２０３が形成される。ダメージ層２０３には、第１のＦＩＢ加工に使用した第１の元素２０５が進入し分布している。第１の元素２０５として、ガリウムを用いたものとする。従って、ダメージ層２０３にはガリウムが埋め込まれている。
【００２９】
ダメージ層２０３の厚さは、例えば３０ナノメートルから４０ナノメートル程度である。ダメージ層２０３の内側には、ダメージを受けていない部分２０２が存在する。ダメージ層２０３を除去するために、第２のＦＩＢ加工を行う。
【００３０】
図２Ｃを参照して、第２のＦＩＢ加工を説明する。第２の元素イオンビーム光学系装置１２０によって、薄片試料２０１に第２の元素イオンビーム１２１を照射し、ダメージ層２０３を除去する。斜線で示す領域２０３ａは、第２のＦＩＢ加工によって除去した部分である。上述のように、第２のＦＩＢ加工では、第２の元素によるダメージ層の生成を回避するために、第２の元素イオンビームのエネルギを、例えば１キロボルト以下とする。第２の元素として、アルゴン又はキセノンを用いる。
【００３１】
第２のＦＩＢ加工では、ダメージ層２０３のみを除去し、内部の部分２０２を除去することを回避する必要がある。そのために、第１の元素検出器１４０によって、薄片試料の表面に埋め込まれた第１の元素２０５を観察する。第２のＦＩＢ加工では、第２の元素イオンビーム１２１をダメージ層２０３に照射すると、二次イオンとして第１の元素イオン２０６が放出される。即ち、ダメージ層２０３内の第１の元素２０５が弾き出される。この第１の元素イオン２０６を、第１の元素検出器１４０により検出する。本例では、第２の元素イオンビーム１２１の照射によって、第２のＦＩＢ加工と第１の元素２０５の検出を同時に行う。第１の元素検出器１４０は、第１の元素イオン２０６であるガリウムを検出するイオン検出器である。
【００３２】
図３Ａは第１の元素検出器１４０によって検出された元素スペクトルを表す曲線５００の例を示す。横軸は原始番号、縦軸は元素検出量を表す。曲線５００には、ガリウムのピーク５０１のほかに、他の元素のピーク５０２が現れる。ここでは、ダメージ層におけるガリウムの含有量を測定するものとする。第２のＦＩＢ加工によってダメージ層を削除すると、ガリウムのピーク５０１は徐々に小さくなる。曲線５００には、閾値５０４を示す線５０５が示されている。ガリウムのピーク５０１が線５０５より小さくなったとき、ダメージ層が除去されたと判断することができる。中央処理装置１６１は、第１の元素検出器１４０からの出力信号を解析し、ガリウムのピーク５０１が線５０５より小さくなったとき、第２のＦＩＢ加工の終了を決定する。
【００３３】
この閾値５０４及び線５０５は、表示装置１６２の画面上にて、数値入力することができる。したがって、閾値５０４を設定することで、第２のＦＩＢ加工の対象領域におけるダメージ層だけを除去し、ダメージ層の下層の除去を回避することができる。元素スペクトルを表す曲線５００を表示装置１６２に表示し、作業者は、様々な元素の検出量を確認することができる。尚、ダメージ層以外の領域でガリウムが検出されても、第２のＦＩＢ加工とは無関係である。
【００３４】
図３Ｂは、図３Ａの元素スペクトルに現れた元素のピーク値の時間変化を表すグラフである。横軸は、第２のＦＩＢ加工時間、縦軸は、元素検出量を表す。ガリウムのピーク値を表すグラフ６０１は、第２のＦＩＢ加工時間に従って下降する。他の元素のピーク６０２は変化しない。グラフ６０１に対して、閾値６０４を示す線６０５が示されている。ガリウムのピーク６０１が線６０５より小さくなったとき、ダメージ層の除去が完了したと判断することができる。中央処理装置１６１は第２のＦＩＢ加工の終了を決定する。
【００３５】
図３Ｃは、図３Ａの元素スペクトルに現れた元素のピーク値の減衰量と、薄片試料の深さの関係を表すグラフである。横軸は、薄片試料の深さ、縦軸は、元素検出量を表す。ガリウムのピーク値を表すグラフ７０１は、薄片試料の深さに従って下降する。尚、薄片試料の深さは、ダメージ層より除去された層の厚さを表し、第２のＦＩＢ加工時間に対応する。従って、グラフ７０１は図３Ｂのグラフ６０１と略同様な曲線となる。他の元素のピーク７０２は変化しない。グラフ７０１に対して、閾値７０４を示す線７０５が示されている。ガリウムのピーク７０１が線７０５より小さくなったとき、ダメージ層の除去が完了したと判断することができる。中央処理装置１６１は第２のＦＩＢ加工の終了を決定する。
【００３６】
図４は、図３Ａと図３Ｂのデータを合成して三次元表示したものであり、横軸は、元素番号と第２のＦＩＢ加工時間、縦軸は、元素検出量を表す。原子番号３１のガリウムが時間とともに減衰しているのがわかる。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、及び、図４に示した元素スペクトルの変化を表すグラフは、表示装置１６２の画面上で相互に切り替えが可能である。なお、中央処理装置１６１が、第２のＦＩＢ加工の終了を決定し、中央処理装置１６１からの指令により第２のＦＩＢ加工を終了させる場合には、表示装置１６２に、これらの元素スペクトルの変化を表すグラフを表示させなくてもよい。中央処理装置１６１が、第２のＦＩＢ加工の終了を決定し、作業者が第２のＦＩＢ加工を終了させる場合には、表示装置１６２に、これらのグラフを表示させる必要がある。
【００３７】
図５を参照して、本発明の荷電粒子ビーム装置による薄片試料の加工方法の手順の第１の例を説明する。本例では、第１の元素をガリウム、第２の元素をアルゴン、第１の元素検出器を四重極型のイオン検出器とする。
【００３８】
ステップＳ１０１にて、作業者は、第１のＦＩＢ加工によって、図２Ａに示したように薄片試料２０１を作成する。即ち、第１の元素イオンビーム光学系装置１１０によって、ガリウムイオンビームを試料に照射し、薄片試料を作成する。この薄片試料の表面に数十ナノメートルの深さのダメージ層が形成される。
【００３９】
ステップＳ１０２にて、第２のＦＩＢ加工位置調整を行う。即ち、アルゴンイオンビームの照射位置と、薄片試料における加工位置を整合させる位置決め作業を行う。作業者は、表示装置１６２に表示されている画面を見て、中央処理装置１６１を介して、試料位置制御装置１０６を制御し、試料ステージ１００に支持された試料の位置を調整する。薄片試料における加工位置は、アルゴンイオンビームの加工痕、ガリウムイオンビームによる二次電子像、試料ステージと試料との位置関係に基づいて調整される。
【００４０】
ステップＳ１０３にて、第２のＦＩＢ加工を開始する。作業者は、中央処理装置１６１を介して、第２のＦＩＢ加工の開始操作を行い、試料位置制御装置１０６を介して、試料ステージ１００の位置を制御する。第２の元素イオンビーム光学系装置１２０によって、薄片試料にアルゴンイオンビームを照射し、ダメージ層を除去する。
【００４１】
ステップＳ１０４にて、第２のＦＩＢ加工開始と同時に、第１の元素検出器によって、ダメージ層内に分布する第１元素を検出する。第１の元素検出器は、第１の元素以外の元素を検出するものであってよいが、好ましくは、第１の元素のみを検出するように構成されている。本例では、イオン検出器によりダメージ層内に分布するガリウムを検出する。イオン検出器は、ガリウムだけを検出するイオン検出器であってよい、それによって、荷電粒子ビーム装置の小型化と低コストを達成できる。
【００４２】
ステップＳ１０５にて、第１の元素検出器によって検出した各元素の検出量を、図３Ａに示したように、表示装置１６２に表示する。作業者は、表示装置１６２より、様々な元素の検出量を確認することができる。
【００４３】
ステップＳ１０６にて、第１の元素を予め設定した閾値と比較する。即ち、スペクトル５００におけるガリウムのピーク５０１の値を予め設定された閾値５０４と比較する。ガリウムのピーク５０１が閾値５０４より小さくなったら、ステップＳ１０７に進む。ガリウムのピーク５０１が閾値５０４より大きい場合には、ステップＳ１０３に戻り、第２のＦＩＢ加工によるダメージ層の除去を継続する。ステップＳ１０６におけるこれらの処理は、中央処理装置１６１が行ってもよいが、作業者が行ってもよい。
【００４４】
ステップＳ１０７にて、第２のＦＩＢ加工を終了する。第２のＦＩＢ加工の終了は中央処理装置１６１が自動的に行ってもよいが、作業者が、入力装置を介して中央処理装置１６１に命令を送信してもよい。中央処理装置１６１は、薄片試料上にアルゴンイオンビームを照射しないように制御する。例えば、第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６により、ブランカー１２４を制御してアルゴンイオンビームを偏向してもよい。第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６により、ＧＵＮバルブの閉止機構１２３を制御してアルゴンイオンビームを止めてもよい。更に、第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６により、アルゴンイオン源の加速電圧を落としてもよい。試料位置制御装置１０６を駆動して、薄片試料をアルゴンイオンビームの照射範囲外へ移動させてもよい。このような方法により、薄片試料へアルゴンイオンビームが照射しないようにできる。これらの制御内容を複数組合せてもよい。
【００４５】
図５に示した薄片試料の加工方法の手順は、以上で終了する。表示装置１６２に、次の操作を選択する画面を表示してよい。次の操作として、閾値を変更してダメージ層除去フローを再度繰り返すか、操作を終了するかがある。作業者は、前者の操作を選択した場合は、ステップＳ１０３の第２のＦＩＢ加工の開始へ戻り、後者の操作を選択した場合は終了する。
【００４６】
図６Ａ及び図６Ｂを参照して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察用の試料の例を説明する。図６Ａは、試料ステージ１００によって支持された試料１０１の例を示す。第１の元素イオンビーム光学系装置１１０によって、試料１０１に対して第１のＦＩＢ加工し、試料２０１を作成する。
【００４７】
図６Ｂは図６Ａの線Ｂ−Ｂから見た断面図である。斜線で示す領域１０２は、第１のＦＩＢ加工によって除去した部分である。薄片試料２０１の表面近傍には、ダメージ層２０３が形成される。ダメージ層２０３には、第１のＦＩＢ加工に使用した第１の元素２０５が進入し分布している。第１の元素２０５として、ガリウムを用いたものとする。従って、ダメージ層２０３にはガリウムが埋め込まれている。
【００４８】
走査型電子顕微鏡は、試料の表面に電子ビームを照射し、発生した二次電子等を検出して画像化する。従って、試料に電子ビームを透過させる必要はない。試料は薄片でなくてよい。図６Ｂに示すように、第１のＦＩＢ加工では、原試料の片側だけを加工する。こうして作成した試料２０１でも、加工面にダメージ層２０３が形成される。従って、このダメージ層２０３を除去する必要がある。本例では、第２のＦＩＢ加工によってダメージ層２０３を除去するので、走査型電子顕微鏡による観察においても良好な質のＳＥＭ画像を得ることができ、解析や分析の精度を向上させることができる。本発明は、ＳＥＭ観察用試料の作成にも適用可能である。
【００４９】
上述した本発明の第１の例では、ダメージ層２０３に埋め込まれた第１の元素を検出するために、イオン検出器を用いた。次の本発明の第２の例では、ダメージ層２０３に埋め込まれた第１の元素を検出するために、電子ビームを照射し、それにより発生するＸ線を検出する。
【００５０】
図７を参照して本発明の荷電粒子ビーム装置の第２の例を説明する。本例の荷電粒子ビーム装置を図１の第１の例と比較すると、本例の荷電粒子ビーム装置では、電子源１３２を有する電子ビーム光学系装置１３０、電子ビーム光学系制御装置１３６、デポジションガス供給装置１４４、及び、デポジションガス供給制御装置１４８を付加的に有する点が異なる。更に、本例の荷電粒子ビーム装置では、第１の元素検出器１４０として、Ｘ線検出器を用いる。
【００５１】
中央処理装置１６１は、試料位置制御装置１０６、第１の元素イオンビーム光学系制御装置１１６、第２の元素イオンビーム光学系制御装置１２６、電子ビーム光学系制御装置１３６、第１の元素検出器制御装置１４６、二次電子検出器制御装置１４７、及び、デポジションガス供給制御装置１４８の制御データをそれぞれ演算し、各装置に送信する。
【００５２】
本例の荷電粒子ビーム装置では、図１の第１の例と比較して、第１の元素の検出方法が異なる。本例では、第１の元素の検出は、電子ビーム光学系装置１３０と第１の元素検出器１４０、即ち、Ｘ線検出器によって行う。電子ビーム光学系装置１３０からの電子ビーム１３１を薄片試料に照射する。薄片試料から発生したＸ線をＸ線検出器によって検出する。Ｘ線検出器の出力を分析することより、ダメージ層２０３に含まれる第１の元素を検出する。
【００５３】
図８を参照して、透過顕微鏡（ＴＥＭ）、又は、走査透過顕微鏡（ＳＴＥＭ）観察用の薄片試料の例を説明する。本例では、第１の元素をガリウム、第２の元素をアルゴン、第１の元素検出器をＸ線検出器とした。図示の薄片試料２０１は、第１のＦＩＢ加工によって作成されてものであり、両側にはダメージ層２０３Ａ、２０３Ｂが形成されている。薄片試料２０１の上面には、保護膜２０３Ｃが形成されている。保護膜２０３Ｃは、試料１０２の表面に形成された配線パターンを保護するために設けたものであり、第１のＦＩＢ加工を行う前に、形成する。保護膜２０３Ｃは、デポジションガスとイオンビームまたは電子ビームを用いて形成する。保護膜２０３Ｃの形成には、堆積速度と位置指定の精度の観点から第１の元素イオンビームが使われてよい。このような場合には、保護膜２０３Ｃの内部には、第１の元素２０５Ｃが含まれる。
【００５４】
本例でも、第２のＦＩＢ加工によって、即ち、第２の元素イオンビームを用いてダメージ層を除去する。本例では、第２の元素イオンビームはアルゴンイオンビームである。本例では、保護膜２０３Ｃに第１の元素２０５Ｃが含まれるため、図２Ｃに示した第１の例の方法では、ダメージ層２０３Ａ、２０３Ｂにおける第１の元素２０５Ａ、２０５Ｂを正確に検出することができない可能性がある。即ち、第１の例では、第２の元素イオンビーム１２１の照射によって、第２のＦＩＢ加工と第１の元素２０５の検出を同時に行う。第２のＦＩＢ加工によって、保護膜２０３Ｃ付近のダメージ層を加工するとき、ダメージ層に含まれる第１の元素２０５Ａ、２０５Ｂばかりでなく保護膜２０３Ｃに含まれる第１の元素２０５Ｃも検出する可能性がある。
【００５５】
そこで、本例では、電子ビーム１３１を、薄片試料２０１の一方のダメージ層２０３Ａに照射する。電子ビーム１３１は照射面積が小さいため、保護膜２０３Ｃを照射しないで、ダメージ層２０３Ａのみを照射することができる。そのため、保護膜２０３Ｃに含まれる第１の元素２０５Ｃを検出する可能性を排除することができる。
【００５６】
更に、本例では、第２の元素イオンビームを用いて、薄片試料２０１の両側のダメージ層２０３Ａ、２０３Ｂを交互に除去する。これは、１００ナノメートル程度の薄片試料に、電子ビームを照射すると、照射直線上のすべての元素からのＸ線が発生する。即ち、特性Ｘ線１４１は、薄片試料２０１の両側から発生する。そのため、Ｘ線検出器１４０Ａは、両側のダメージ層２０３Ａ、２０３Ｂに存在する第１のイオン元素２０５Ａ、２０５Ｂを同時に測定することとなる。一方のダメージ層２０３Ａのみを削った場合には、Ｘ線検出器１４０Ａによって検出する第１の元素２０５の減少速度は小さくなる。そのため、第２のＦＩＢ加工の終了時を適正に決めることができない。
【００５７】
図９を参照して、本発明の荷電粒子ビーム装置による薄片試料の加工方法の第２の例を説明する。本例では、第１の元素をガリウム、第２の元素をアルゴン、第１の元素検出器をＸ線検出器とした。
【００５８】
ステップＳ２０１にて、作業者は、第１のＦＩＢ加工によって、図３Ａに示したように薄片試料２０１を作成する。即ち、第１の元素イオンビーム光学系装置１１０によって、ガリウムイオンビームを試料に照射し、薄片試料を作成する。この薄片試料の表面に数十ナノメートルの深さのダメージ層が形成される。また、この薄片試料は保護膜２０３Ｃを有する。
【００５９】
ステップＳ２０２にて、第２のＦＩＢ加工位置調整と電子ビームの照射位置の調整を行う。第２のＦＩＢ加工位置調整は、図５の第１の例のステップＳ１０２で説明した。電子ビームの照射位置の調整は、第２のＦＩＢ加工位置調整と同様な方法で行う。即ち、作業者は、表示装置１６２に表示されている画面を見て、中央処理装置１６１を介して、電子ビーム光学系制御装置１３６を制御し、試料ステージ１００に支持された試料の位置を調整する。
【００６０】
尚、第２のＦＩＢ加工位置と電子ビーム照射位置は、薄膜試料上の同一面にあればよく、同一位置である必要はない。それによって、試料ステージの回転及び平面移動の操作の回数を低減することができる。
【００６１】
ステップＳ２０３にて、第２のＦＩＢ加工を開始する。本例では、薄片試料２０１の両側のダメージ層２０３Ａ、２０３Ｂを交互に除去する。即ち、アルゴンイオンビームを用いて、電子ビームを照射する側のダメージ層２０３Ａとその反対側のダメージ層２０３Ｂを交互に、且つ、同様に加工する。
【００６２】
ステップＳ２０４にて、薄膜試料に、電子ビームを照射し、薄膜試料から発生する特性Ｘ線を、Ｘ線検出器により検出する。Ｘ線検出器の出力を分析し、ダメージ層内に分布するガリウムを検出する。Ｘ線のスペクトルは元素ごとに固有なので、Ｘ線を検出してガリウムのスペクトルのピークの高さから、ガリウムの量を知ることができる。本例では表示装置１６２にて、元素マッピング像を表示することができる。
【００６３】
ステップＳ２０５〜ステップＳ２０７は、図５の第１の例のステップＳ１０５〜ステップＳ１０７と同様である。
【００６４】
図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃを参照して説明する。図１０Ａは、第１のＦＩＢ加工によって作成された薄片試料の二次電子像１０１を示す。二次電子像１０１は二次電子検出器１４２の出力を解析することにより得られる。この二次電子像１０１では、特定の領域１０１１、１０１２の輝度が周囲の輝度とは異なる。これらの領域１０１１、１０１２は、配線パターン等が形成されており、周囲とは材質が異なることが判る。
【００６５】
二次電子像１０２の領域１０１１を構成する材料の元素について元素マッピングすると図１０Ｂに示す画像１０２が得られる。二次電子像１０２の領域１０１２を構成する材料の元素について元素マッピングすると、図１０Ｃに示すような画像１０３が得られる。これらの画像１０１、１０２、１０３は、表示装置１６２に表示される。尚、元素マッピングは、図３Ａに示した元素スペクトルより、所定の元素のピークをデジタル化し２次元表示したものであり、当業者によって既知である。
【００６６】
図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。図１０Ａの二次電子像１０１を、第１の元素であるガリウムについて元素マッピングすると、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す画像１１１、１１２が得られる。これらの画像１１１、１１２において、黒い斑点状の領域１１１１、１１１２は、第１の元素であるガリウムを示す。これらの画像１１１、１１２は、表示装置１６２に表示される。
【００６７】
図１１Ａに示す画像１１１では、ガリウムを表す領域１１１１が均一に分散している。第２のＦＩＢ加工を行い、ダメージ層を更に除去すると、ガリウムを表す領域１１１１の数又は面積は、小さくなる。領域１１１１が所定の値より小さくなったとき、ダメージ層が十分に削除されたと判定することができる。作業者は、画像１１１を観察しながら、第２のＦＩＢ加工の終了を決めることができる。中央処理装置１６１は、画像１１１における単位面積あたりの第１の元素量を表す領域が予め設定した閾値より小さくなったとき、第２のＦＩＢ加工の終了を決定してもよく、更に、第２のＦＩＢ加工の自動的に終了させてもよい。
【００６８】
図１１Ｂに示す画像１１２では、上半分の領域１１２３では、ガリウムを表す領域１１１２の分布が少なく、下半分の領域１１２４では、ガリウムを表す領域１１１２の分布が多い。これは、第２のＦＩＢ加工によって、ダメージ層が均一に削除されず、上半分の領域では、削除量が多く、下半分の領域では、削除量が少ないことを示す。作業者は、画像１１２を見て、試料の傾斜や加工位置の修正を行う。
【００６９】
本発明によると、ダメージ層の除去加工を終了すべき時点を正確に決定することができるから、既知の材質や構造の試料だけでなく、新しい材質や構造の試料でも、作業者の熟練した技術に依存することなく、ダメージ層を効率よく除去することができる。そして、ＴＥＭやＳＴＥＭによる不良解析では、ダメージ層が十分に除去された試料を用いるため、像質のよい画像を得ることができる。そのため、構造観察や元素分析等の精度が向上し、不良解析や構造解析技術の向上にも貢献できる。
【００７０】
以上本発明の例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、当業者によって容易に理解されよう。
【符号の説明】
【００７１】
１００…試料ステージ、１０１試料、１０６…試料位置制御装置、１１０…第１の元素イオンビーム光学系装置、１１１…第１の元素イオンビーム、１１２…第１の元素イオン源、１１６…第１の元素イオンビーム光学系制御装置、１２０…第２の元素イオンビーム光学系装置、１２１…第２の元素イオンビーム、１２２…第２の元素イオン源、１２３…閉止機構、１２４…ブランカー、１２６…第２の元素イオンビーム光学系制御装置、１３０…電子ビーム光学系装置、１３１…電子ビーム、１３２…電子源、１３６…電子ビーム光学系制御装置、１４０…第１の元素検出器、１４０Ａ…Ｘ線検出器、１４２…二次電子検出器、１４４…デポジションガス供給装置、１４６…第１の元素検出器制御装置、１４７…二次電子検出器制御装置、１４８…デポジションガス供給制御装置、１５０…真空容器、１６１…中央処理装置、１６２…表示装置、２０１…薄片試料、２０２…内部、２０３、２０３Ａ、２０３Ｂ…ダメージ層、２０３Ｃ…保護膜、２０５、２０５Ａ、２０５Ｂ、２０５Ｃ…第１の元素、２０６…第１の元素イオン
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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