(57)【要約】【課題】サンプリング時に観察画像の状態によらず、プローブの形状を正確に自動認識させることが可能なプローブの制御方法及び装置を実現する。【解決手段】プローブ１２の断面は長方形でありマイクロサンプル２３への接近時、プローブ１２の長手方向における側壁を集束イオンビームの入射方向と平行になる方向となるようにプローブ１２の姿勢を制御する。集束イオンビーム１１の試料１０への入射により励起された殻内電子のうち、仕事関数以上のエネルギーを有するものは、２次電子として試料表面より放出される。プローブ１２からの２次電子放出量はプローブ１２の側壁の端部で大となる。試料上のパターン部の凹凸は大きくても1ミクロンであるのに対し、プローブ１２の断面は数ミクロンと大きいためプローブ１２からの２次電子はウエハ面からの２次電子に比較して極端に大きな値となりプローブ１２の外形は容易に判断可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを試料及びプローブを照射し、試料及びプローブから放出される２次粒子又は反射粒子を検出して画像化し、得られた画像を用いて上記プローブにより上記試料から微小サンプルを切り出すために、上記プローブの動作を制御するプローブ制御方法において、
上記プローブは、このプローブの長手方向側面に一つ以上の平面部を有し、この平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と平行とし、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記プローブを画像化して上記プローブの位置を検出することを特徴とするプローブ制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のプローブ制御方法において、上記試料及びプローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記試料及びプローブを画像化し、得られた画像のうち、閾値以上の２次粒子量に対応する画素と、上記閾値未満の２次粒子量又は反射粒子量に対応する画素とに分離して２値化し、上記プローブの外形のみを画像化することを特徴とするプローブ制御方法。
【請求項３】
荷電粒子ビームを試料及びプローブを照射し、試料及びプローブから放出される２次粒子又は反射粒子を検出して画像化し、得られた画像を用いて上記プローブにより上記試料から微小サンプルを切り出すために、上記プローブの動作を制御するプローブ制御方法において、
上記プローブは、このプローブの長手方向側面に一つ以上の平面部を有し、この平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と所定角度傾斜させ、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記プローブを画像化して、上記プローブの形状を検出しながら、上記プローブを上記試料に接近させ、上記プローブの曲がり量が一定値以上となったとき、上記プローブが試料に接触したと判断することを特徴とするプローブ制御方法。
【請求項４】
請求項３記載のプローブ制御方法において、上記試料及びプローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記試料及びプローブを画像化し、得られた画像のうち、閾値以上の２次粒子量に対応する画素と、上記閾値未満の２次粒子量に対応する画素とに分離して２値化し、上記プローブの外形のみを画像化することを特徴とするプローブ制御方法。
【請求項５】
荷電粒子ビームを試料及びプローブを照射し、試料及びプローブから放出される２次粒子を検出して画像化し、得られた画像を用いて上記プローブにより上記試料から微小サンプルを切り出すために、上記プローブの動作を制御するプローブ制御方法において、
上記プローブは、このプローブの長手方向側面に一つ以上の平面部を有し、この平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と平行とし、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記プローブを画像化して上記プローブの位置を検出した後、上記平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と所定角度傾斜させ、上記プローブの形状を検出しながら、上記プローブを上記試料に接近させ、上記プローブの曲がり量が一定値以上となったとき、上記プローブが試料に接触したと判断することを特徴とするプローブ制御方法。
【請求項６】
請求項１記載のプローブ制御方法において、上記荷電粒子ビームは、集束イオンビームであり、上記２次粒子又は反射粒子は２次電子であることを特徴とするプローブ制御方法。
【請求項７】
荷電粒子ビーム発生部と、
長手方向側面に一つ以上の平面部を有するプローブと、
上記荷電粒子ビーム発生部から発生された荷電粒子ビームが試料及び上記プローブに照射されることにより放出される２次粒子又は反射粒子を検出し、画像化する画像処理部と、
上記荷電粒子ビーム発生部、上記プローブ、及び上記画像処理部の動作を制御し、上記プローブの平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と平行とし、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記画像処理部により上記プローブを画像化して上記プローブの位置を検出する制御部と、
を備えることを特徴とするプローブ制御装置。
【請求項８】
荷電粒子ビーム発生部と、
長手方向側面に一つ以上の平面部を有するプローブと、
上記荷電粒子ビーム発生部から発生された荷電粒子ビームが試料及び上記プローブに照射されることにより放出される２次粒子又は反射粒子を検出し、画像化する画像処理部と、
上記荷電粒子ビーム発生部、上記プローブ、及び上記画像処理部の動作を制御し、上記プローブの平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と所定角度傾斜させ、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記プローブを画像化して、上記プローブの形状を検出しながら、上記プローブを上記試料に接近させ、上記プローブの曲がり量が一定値以上となったとき、上記プローブが試料に接触したと判断する制御部と、
を備えることを特徴とするプローブ制御装置。
【請求項９】
荷電粒子ビーム発生部と、
長手方向側面に一つ以上の平面部を有するプローブと、
上記荷電粒子ビーム発生部から発生された荷電粒子ビームが試料及び上記プローブに照射されることにより放出される２次粒子又は反射粒子を検出し、画像化する画像処理部と、
上記荷電粒子ビーム発生部、上記プローブ、及び上記画像処理部の動作を制御し、上記プローブの平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と平行とし、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記画像処理部により上記プローブを画像化して上記プローブの位置を検出し、上記プローブの平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と所定角度傾斜させ、上記プローブの形状を検出しながら、上記プローブを上記試料に接近させ、上記プローブの曲がり量が一定値以上となったとき、上記プローブが試料に接触したと判断する制御部と、
を備えることを特徴とするプローブ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査装置等で検出された異物や欠陥箇所を含む微小サンプルの切り出しに使用されるプローブの制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造においては、良品を歩留まり良く大量に生産することが求められる。一方、半導体の製造工程は数百工程程度にもおよび、ある工程での不良発生を知らずに製造工程を進めると、不良品を大量に作り込むことになり、膨大な損失となる。これを防止する為に、ある工程毎に入念な検査が行われ早い段階での不良の原因追及、対策を行っている。
【０００３】
検査では回路パターン寸法の計測や、回路パターンの欠陥検査や異物分析がなされる。このため、各種の手段が用意され利用されている。検査方法として、製作パターン寸法を計測する、測長用走査電子顕微鏡、異物、欠陥検査用に光を利用する光学検査装置、電子ビームを利用するＳＥＭ式検査装置、回路の断線や短絡などの電気的不良を検査するナノプローバ検査装置などがある。
【０００４】
特に、不良個所が製品の内部に存在する場合は、集束イオンビームを利用した微細加工観察装置が用いられる。集束イオンビームにより不良箇所を含むミクロンオーダーの微小領域（マイクロサンプル）を切り出し、そのマイクロサンプルを針状のプローブを含むマニピュレータにより摘出し保持してマイクロサンプルの位置と姿勢を調節して最適形状に追加工し、観察・分析する方法が特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、観察部位を含むミクロンオーダーのマイクロサンプルを針状のプローブを含むマニピュレータにより摘出する場合、プローブを不良箇所が含まれるマイクロサンプルに高速に、かつ安定的に接触させる必要がある。プローブをマイクロサンプルに接触させた時にプローブ自身の破損やマイクロサンプルの損傷を発生し、作業のやり直しが発生すると、迅速な不良箇所の分析、解析、対策のフィードバックが出来ず、結果的にラインの生産性低下を生じる為である。
【０００６】
プローブの自動認識の方法については、事前にプローブの形状の画像を登録し、プローブ駆動時には観察画像から、プローブに最も近い形状を見つけ出す方法(パターンマッチング)が一般的である。
【０００７】
プローブの試料への接触の検知については、例えば走査イオン顕微鏡像(Scanning Ion Microscope Image,以下SIM像と称す)に発生するプローブの影を検出することによってプローブの試料に対する高さを検出し、その情報をもとにプローブの試料への接触を検知する方法が、特許文献２に開示されている。
【０００８】
プローブ制御部によってプローブを試料に接近させ、ある距離以内に接近すると、２次電子検出器から見てプローブの後方にあたる領域から放出される２次電子、反射電子等が、プローブが障害物となり２次電子検出器に届きにくくなることによりプローブの影が出現する。この影の出現にてプローブの移動速度を低下させ、輝度の急激な上昇によりプローブの接触を認知する。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１５０９９０号公報
【特許文献２】特開２００２−４０１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
プローブの自動認識時に、回路パターンが作られたウエハからサンプリングを行う場合、サンプリング時の観察画像に、プローブの形状に似たパターンが含まれると、そちらをプローブとして誤検出する場合がある。
【００１１】
この対策としては、予めプローブが無い状態の観察画像を撮像し、プローブがある画像からの引き算により、プローブのみの画像を製作する方法がある。しかし、この方法では、撮像のタイミングが異なるため、試料を乗せるステージのドリフトや、帯電状況の変化による明るさの変化により、引き算後の画像にプローブ以外の画像が含まれ、誤検出する場合もある。
【００１２】
また、従来の円錐形のプローブでは、外形の境界部分がなだらかであるため、2次電子の発生もなだらかになる傾向があり、自動認識の前にアンシャープマスク等の画像処理による、端部の先鋭化が必要となっている。
【００１３】
他方、プローブの試料への接触の検知については、試料表面の帯電状況に大きく左右される。
【００１４】
試料表面に絶縁物がある場合、絶縁物表面は集束イオンビームまたは電子ビーム等の荷電粒子ビームによって正または負に帯電する場合が多い。例えば、正に帯電する場合は、半導体であるシリコンウエハ上に形成された絶縁物に集束イオンビームが照射される場合であり、絶縁物表面にプラスの電荷が蓄積することと、２次電子放出により等価的にさらにプラスの電荷が蓄積することによる。
【００１５】
負に帯電する場合とは、例えば絶縁物に、電子ビームが照射された場合で、しかも１次電子量にたいする２次電子発生量の比αが１より小さい場合である。逆にαが１より大きいと、絶縁物の表面は正に帯電する。αは、観察対象、入射させる１次電子ビームのエネルギー値によっても変化する。
【００１６】
試料が正または負に帯電すると、プローブを接近させた場合、プローブが接触する位置でのプローブ近傍の計測領域での輝度の変化が小さくなり、実際、プローブの接近を認識することが困難になる。何故ならば、例えば観察位置が正に帯電している場合、２次電子は試料の正の電界によって、試料側に押し戻され、検出器に入射する２次電子量が低下するため全体的にＳＩＭ画像は暗くなる。この状態でアース電位を印加されたプローブを接近させると、計測領域での輝度はプローブが検出器から見て障害物となり２次電子等の信号量がさらに低下し輝度が低下するが、その変化分はプローブが接近する前にすでに輝度が低下しているため変化率が小さくなり、試料へのプローブの接近が認識しずらくなる。
【００１７】
また、試料が負に帯電している場合、２次電子は試料の負の電界によって、２次電子検出器側に加速され、また放出量も増加するため、２次電子量が増加するためSIM像全体の輝度は大きくなり、明るくなる。アース電位を印加されたプローブの接近により上記の如く低下するが、その変化分は小さく、プローブの接近が目視ですら認識困難である。
【００１８】
本発明の目的は、サンプリング時に観察画像の状態によらず、プローブの形状を正確に自動認識させることが可能なプローブの制御方法及び装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成される。
【００２０】
荷電粒子ビームが試料及びプローブに照射され、試料及びプローブから放出される２次粒子又は反射粒子が検出されて画像化され、得られた画像に基いて、上記プローブにより上記試料から微小サンプルを切り出すために、上記プローブの動作が制御されるプローブ制御方法及び装置であって、上記プローブは、このプローブの長手方向側面に一つ以上の平面部を有し、この平面部を、上記荷電粒子ビームの上記試料への照射方向と平行とし、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記プローブを画像化して上記プローブの位置を検出する。
【００２１】
また、上記プローブの平面部を、荷電粒子ビームの試料への照射方向と所定角度傾斜させ、上記プローブから放出された２次粒子又は反射粒子に基いて、上記プローブを画像化して、上記プローブの形状を検出しながら、上記プローブを上記試料に接近させ、上記プローブの曲がり量が一定値以上となったとき、上記プローブが試料に接触したと判断する。
【発明の効果】
【００２２】
サンプリング時に観察画像の状態によらず、プローブの形状を正確に自動認識させることが可能なプローブの制御方法及び装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図1は、本発明の一実施形態における集束イオンビーム加工装置の概略構成図である。
【００２５】
図１において、試料室１は、ドライポンプ、ターボ分子ポンプを有する排気系２で排気され、約１０−４から１０−５Ｐａ程度の高真空に保たれている。試料室１には、集束イオンビームカラム３、電子検出部４、デポジションやエッチング処理を行う為のガスノズル２２を有するガス銃５、試料１０よりマイクロサンプルを摘出する為のプローブ１２を有するマイクロサンプリングユニット６、試料室１の真空度を計測するピラニーやペニング真空ゲージ７、５軸ステージ８、試料１０が配置される試料ホルダ（試料台）９が備えられている。
【００２６】
各ユニットは、各々の制御部１３〜１８に接続させており、これらを統合して制御する中央制御部２０がある。中央制御部２０には操作卓１９、画像処置装置２１が接続されている。
【００２７】
以上の構成により、試料１０には、ビーム電流が数十ナノアンペアから０．１ピコアンペア程度で、直径が数ナノメートルから数マイクロメートルのビームを１辺が数ミリメートルから数マイクロメートルの照射範囲で照射できる。このため、ビーム照射によるスパッタリングによりミクロンオーダーの穴加工が出来る。
【００２８】
光学検査装置、ＳＥＭ式検査装置等で見つけた異物、コンタクト不良などの不良箇所を含む、配線、保護膜成膜等の処理をされたシリコンウエハである試料１０をＸ軸（左右方向）、Ｙ軸（奥行き方向）、Ｚ軸（天地方向）、ウエハ回転用のＲ軸、傾斜軸の５軸ステージ８に搭載する。５軸ステージ８は５軸ステージ制御部１８に接続され、サブミクロン程度の位置決め精度を有する。
【００２９】
集束イオンビーム１１を試料１０上に照射し、ビーム照射域から出てきた２次電子、反射電子等を約１０ｋVの正の電位を与えたシンチレータおよび光電子倍増管で構成される電子検出部4で捕捉し、検出器制御部１５からの信号と集束イオンビーム１１の走査を同期させて中央制御部２０でＳＩＭ像を得て、これを画像処理装置２１の表示部に表示させる。
【００３０】
タングステンでできた先端が数マイクロメータの先細りのプローブ１２はマイクロサンプリングユニット６、マイクロサンプリング制御部１３によって、X軸（左右方向）、Y軸（奥行き方向）、Z軸（天地方向）に各々数ミリメータ移動可能で、位置決め精度は数ミクロンメートルである。
【００３１】
約６０℃程度に温度コントロールされたタングステンカーバイトのガス源（図示せず）とガスノズル２２およびノズル駆動部を有するガス銃５は、ガスを対象部に照射し、数十ピコアンペアの集束イオンビーム１１で走査することでガスを分解、反応させてタングステンの数マイクロメータ角のデポジッション膜を数分間で形成できる。
【００３２】
図２は、集束イオンビーム１１によるマイクロサンプル２３の切り出し作業の概略説明図である。
【００３３】
図２において、不良箇所を含む、縦が１０マイクロメートル、奥行きが５マイクロメートル、深さが５マイクロメートルのマイクロサンプル２３を試料１０から集束イオンビーム１１によるスパッタリングにより切り出す。斜めの溝加工は試料台９を傾斜させることで行う。図２に示した例の場合、試料台９を４５°傾斜させている。
【００３４】
図示していないが、マイクロサンプル２３と試料１０とは、マイクロサンプル２３の下部で切り残しがあり、完全に分離されているわけでは無い。マイクロサンプル２３を試料より完全に分離するためには、プローブ１２をマイクロサンプル２３に接触させ、接触部にガスノズル２２からデポガス２４を照射する。さらに、別方向から集束イオンビーム１１を照射することにより、マイクロサンプル２３とプローブ１２をデポ膜２５にて機械的に接着する。
【００３５】
接着終了後、再度、集束イオンビーム１１で切り残しを除去し、マイクロサンプル２３を試料より分離する。
【００３６】
図３は、マイクロサンプル２３にプローブ１２を接近させるときのプローブ制御方法の説明図である。
【００３７】
図３において、プローブ１２の断面は長方形であり、マイクロサンプル２３への接近時、プローブ１２の長手方向における側壁を集束イオンビームの入射方向と平行になる方向となるようにプローブ１２の姿勢を制御する。プローブ１２の姿勢制御は、制御部１３により行なわれ、プローブ１２の長手方向軸を中心とした回転動作も行なわれる。
【００３８】
集束イオンビーム１１の試料１０への入射により励起された殻内電子のうち、仕事関数以上のエネルギーを有するものは、２次電子として試料表面より放出される。
【００３９】
殻内電子のうち、２次電子として放出されるものは、試料表面より５〜５０ｎｍの深さのものに限定されるため、集束イオンビーム１１の入射軸と平行なほど２次電子が多く放出される。よって、上述したように、プローブ１２の側壁を集束イオンビームの入射方向と平行方向となるようにプローブ１２の姿勢を制御している。
【００４０】
そして、プローブ１２からの２次電子放出量は、図３に示したグラフ２６のように、プローブ１２の側壁の端部で大となる。試料であるウエハ面上のパターン部の凹凸は、大きくても1ミクロン以下であるのに対し、プローブ１２の断面は数ミクロンと大きいため、プローブ１２からの２次電子は、ウエハ面からの２次電子に比較して極端に大きな値となる。
【００４１】
図４は、図３に示した状態で、観察画像からプローブ１２を識別する方法の説明図である。
【００４２】
図４において、試料１０とプローブ１２とを含んだ観察画像２７について、画像処理装置２１を使用し、明るさを横軸、縦軸にその明るさの画素の総和をとったヒストグラム２８を算出する。
【００４３】
プローブ１２とプローブ１２以外の明るさの間に閾値２９を設定し、画像処理装置２１にて閾値２９を境に２値化を実行すれば、プローブ１２の外形のみの画像３０が得られる。
【００４４】
切り出すマイクロサンプル２３の位置は、加工時に中央制御部２０で認識しているため、プローブ１２の現在位置がわかれば、マイクロサンプル２３とプローブ１２との位置関係を把握することができる。
【００４５】
このように、プローブ１２の加工前の画像を取得し、試料１０とプローブ１２とを含んだ観察画像との差分を計算しなくとも、プローブ１２の現在位置を把握することが可能である。
【００４６】
図５はプローブ１２をマイクロサンプル２３に接近させる段階でのプローブ１２先端のマイクロサンプル２３への接触検知方法の説明図である。図５の（Ａ）は、本発明とは異なる形状である円柱形状のプローブ３１を使用する場合と示し、図５の（Ｂ）は、本発明の実施形態である長方形断面を有するプローブ１２を使用する場合を示す。
【００４７】
図５の（Ｂ）において、プローブ１２の長方形の断面を任意の角度（プローブ１２の長手方向側部の平面を、集束イオンビームの試料照射方向とのなす角度）を、例えば４５°となるようにプローブ１２を回転した後、マイクロサンプル２３に接近させる。
【００４８】
この時、図５の（Ａ）に示すように、断面が円形の円柱状プローブ３１では、試料２３への接触後のこのプローブ３１の曲がりは、このプローブ３１の真上方向から照射される集束イオンビーム１１では検出できない。
【００４９】
これに対して、図５の（Ｂ）に示すような、断面が長方形のプローブ１２を、上述したように傾斜させて、試料２３に接触させた場合は、長方形断面の短辺方向に曲がる。このため、プローブ１２の真上方向から照射される集束イオンビーム１１でも、プローブ１２の曲がり量３２を画像認識により検出することができる。この画像認識においては、図４に示したように、得られた画像の明るさに閾値を設定して２値化し、プローブの外形のみを画像化することが可能である。
【００５０】
この曲がり量３２を計測し、一定量以上曲がったときに、プローブ１２の先端が試料２３に接触したと判断することができる。
【００５１】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、プローブの長手方向側面が一つ以上の平面を有する形状とし、この平面を集束イオンビームの試料への入射方向と平行となるようにして、この平面からの２次電子の発生量を増加させて、プローブの位置を２次電子量の観察により、容易に検出可能としている。
【００５２】
これにより、プローブの位置を正確に検出することが可能となる。
【００５３】
また、プローブの断面形状を長方形状とし、プローブが試料に接触したときに、このプローブが曲がり、曲がり量を検出することにより、試料に接触したことを正確検知することができる。
【００５４】
なお、上述した例では、プローブを四角形状としたが、長手方向側面に平面を一つのみ有するような形状のプローブであっても、本発明を適用することが可能である。
【００５５】
プローブの長手方向側面に形成される平面は、短辺が１ミクロン以上であれば本発明を適用することが可能である。これは、電子顕微鏡の性能上、許容可能な寸法である。
【００５６】
また、本発明は、集束イオンビーム加工装置のみならず、プローブを使用するものであって、電子顕微鏡等の２次電子を発生させて対象物を観察する方法及び装置に適用可能である。
【００５７】
つまり、荷電粒子ビーム発生部と、荷電粒子ビーム照射光学系部と、試料より放出される２次粒子、反射粒子等を検出する検出部と、この検出信号とビーム走査を同期させて観察像を得る制御部と、上記試料より微小サンプルを切り出すために使用する探針（プローブ）と、そのプローブ駆動制御部を有する装置であれば、適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態における集束イオンビーム加工装置の概略構成図である。
【図２】集束イオンビームによるマイクロサンプルの切り出し作業の概略説明図である。
【図３】マイクロサンプルにプローブを接近させるときのプローブ制御方法の説明図である。
【図４】図３に示した状態で、観察画像からプローブ１２を識別する方法の説明図である。
【図５】プローブをマイクロサンプルに接近させる段階でのプローブ先端のマイクロサンプルへの接触検知方法の説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
１・・・試料室、２・・・排気系、３・・・集束イオンビームカラム、４・・・電子検出部、５・・・ガス銃、６・・・マイクロサンプリングユニット、７・・・真空ゲージ、８・・・５軸ステージ、９・・・ホルダ、１０・・・試料、１１・・・集束イオンビーム、１２・・・プローブ、１３・・・マイクロサンプリング制御部、１４・・・集束イオンビーム制御部、１５・・・検出器制御部、１６・・・ガス銃制御部、１７・・・真空系制御部、１８・・・５軸ステージ制御部、１９・・・操作卓、２０・・・中央制御部、２１・・・画像処理装置、２２・・・ガスノズル、２３・・・マイクロサンプル、２４・・・デポガス、２５・・・デポ膜、２６・・・２次電子放出量のグラフ、２７・・・プローブを含んだ観察画像、２８・・・明るさのヒストグラム、２９・・・閾値、３０・・・２値化画像、３１・・・断面が円形のプローブ、３２・・・プローブの曲がり量
【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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