(57)【要約】  試料ステージを傾斜することなく、装置全体の小型化が実現し、かつ、ウェーハやチップ状の基板から所望の特定領域を含む微小試料片を、短時間に分離または分離準備して、微小領域分析や観察、計測用の試料の作製が可能になる荷電粒子線装置を提供する。  荷電粒子線装置での試料片の加工体積と荷電粒子線の照射量を減少する配置に集束カラムと試料ステージのなす角を略３０°に固定して、荷電粒子線を照射することにより、微小試料を分離または分離準備することで試料作製のスループットを向上する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージとを少なくとも有し、前記基板から所望とする部分の試料片を分離または分離準備する荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備えた荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、前記穴加工により形成する溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
荷電粒子源から放出される荷電粒子線を基板上に集束する荷電粒子線用集束カラムと、電子源から放出される電子線を基板上に集束する電子線用集束カラムと、前記基板を載置する試料ステージとを有し、前記基板から所望とする部分の試料片を分離または分離準備する荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記荷電粒子線用集束カラムの中心線が前記試料ステージの載置面の法線に対してなす角度を、略３０度の傾斜した構成としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
イオン源から放出されるイオンビームを基板上に集束するイオンビーム集束カラムと、電子源から放出される電子線を基板上に集束する電子線用集束カラムと、前記基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを備えた荷電粒子線装置において、前記イオンビームとほぼ同軸上に重なる前記イオンビーム集束カラムの中心線が前記試料ステージの載置面の法線に対してなす角度を、略３０度の傾斜した構成としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項５に記載の荷電粒子線装置において、前記穴加工により形成する溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項２又は５に記載の荷電粒子線装置において、分離した前記試料片を搬送するためのサンプルキャリアに固定する手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
荷電粒子線を用いて、試料を観察、分析あるいは計測するための試料作製方法であって、前記試料への荷電粒子線照射軸と試料表面の法線とのなす角度を略３０度として、荷電粒子線により前記試料に溝を形成する工程と、前記試料表面の法線を回転軸として回転させて、支持部で保持された片持ち試料片を形成する工程と、前記試料片にプローブを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料と前記プローブとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記プローブとを固着させる工程と、荷電粒子線の照射により前記試料と前記プローブとの固着部を切断して、前記試料から所望とする部分の試料片を分離する工程とを含むことを特徴とする試料作製方法。
【請求項９】
荷電粒子線を用いて、試料の観察、分析あるいは計測するための試料作製方法であって、試料への荷電粒子線照射軸と試料表面の法線とのなす角度を略３０度として、荷電粒子線により溝を形成する工程と、前記試料表面の法線を回転軸として回転させる工程を交互に行うことによって、支持部で保持された片持ち試料片を形成する工程と、前記試料片にプローブを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料片と前記プローブとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記プローブとを固着させる工程と、荷電粒子線の照射により前記試料片と前記プローブとの固着部を切断して、前記試料片を分離する工程と、分離した前記試料片にサンプルキャリアを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料片と前記サンプルキャリアとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記サンプルキャリアに固定する工程と、を含むことを特徴とする試料作製方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の試料作製方法において、前記溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の試料作製方法において、前記荷電粒子線は、イオンビームであることを特徴とする試料作製方法。
【請求項１２】
イオンビームを集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備え、前記試料片を作製するための荷電粒子線装置において、前記イオンビームとほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造を有し、かつ、前記試基板の材料と、前記イオンビームの走査モードと、ビームモードと、前記基板に穴加工する深さとを含む設定を行なうための設定画面を表示する手段と、前記試料の観察像を表示し、前記イオンビームの走査領域の設定を行なうための設定画面を表示する手段と、前記穴の推奨幅を画面表示する手段とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の荷電粒子線装置において、前記イオンビームの照射量と前記穴加工する深さと幅とを登録する手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等のウェーハやチップ状の基板から所望の特定領域を含む微小試料片を、イオンビームのような集束荷電粒子ビーム用いて分離または分離準備する荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス、および磁気ヘッドなどの製造においては、高歩留り製造が求められる。このため、不良の原因となる欠陥や異物、加工不良の早期発見および早期対策が大きな課題となる。例えば、工程途中のウェーハの形状を検査して、回路パターンの欠陥や異物など異常箇所の原因を追及して対策方法が検討される。【０００３】
通常、試料の微細構造観察には、高分解能の走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略記）などが用いられる。近年、半導体の高集積化に伴い、評価対象物に対してＳＥＭの分解能不足が頻繁に発生するようになり、さらに解析分解能が高い透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと略記）が用いられる。しかし、ＴＥＭ試料作製には劈開や切断などで基板を小片にする作業を避けて通ることができない。以下に示す４通りのＴＥＭ試料作製方法は、従来技術の例である。【０００４】
集束イオンビームを試料に照射し、スパッタ作用によって試料を構成する粒子が試料から放出される作用を応用した微小領域の加工方法、すなわち、集束イオンビーム（以下、ＦＩＢと略す）加工を利用する例がある。これは、まずダイシング装置等を用いて、ウェーハ等の試料から、観察すべき領域を含む厚さサブミリメートルの短冊状ペレットを切り出す。次に、この短冊状ペレットの一部を、ＦＩＢによって薄壁状に加工してＴＥＭ試料とする。ここで、ＴＥＭ試料は、一部がＴＥＭ観察用に厚さが約１００ｎｍの薄膜に加工してある点が特徴である。この方法によって、所望の観察部をマイクロメートルレベルの精度で位置出しして観察することが可能になったが、やはり基板を割断しなければならない。【０００５】
半導体デバイス等の製造途中で工程を解析により監視することは、生産の歩留まり管理に対する利点は大きいが、既に述べたような試料作製ではウェーハは割断され、ウェーハの破片は次のプロセスに進むことなく廃棄される。特に近年ではウェーハは、半導体デバイスの製造単価を下げるため大口径化が進んでいる。すなわち、１枚のウェーハで製造できる半導体デバイスの個数を増やして、単価を低減する。しかし、逆にウェーハそのものの価格が高価となり、また、製造工程が進むに従い付加価値が増し、さらには、ウェーハの破棄によって失われる半導体デバイスの個数も増大する。従って、従来のウェーハの分断を伴うような検査方法は非常に不経済であった。【０００６】
これに対して、ウェーハを分断することなく試料作製できる方法がある。この方法は、特開平０５−５２７２１号公報（従来例１）に開示されている。この方法は図１に示すように、まず、基板２の表面に対しＦＩＢ１が直角に照射するように基板２の姿勢を保ち、試料上でＦＩＢ１を矩形に走査させ、基板表面に所要の深さの角穴７を形成する（図１（ａ））。次に、基板２を傾斜させ、底穴８を形成する。基板２の傾斜角の変更は、試料ステージ（図示せず）によって行われる（図１（ｂ））。基板２の姿勢を変更し、基板２の表面がＦＩＢ１に対して再び垂直になるように基板２を設置し、切り欠き溝９を形成する（図１（ｃ））。マニピュレータ（図示せず）を駆動し、マニピュレータ先端のプローブ３の先端を、基板２から分離する試料片に接触させる（図１（ｄ））。ガスノズル１０から堆積性ガス５を供給し、ＦＩＢ１をプローブ３の先端部を含む領域に局所的に照射し、イオンビームアシストデポジション膜（以下、デポ膜４と略す）を形成する。接触状態にある基板２の分離部分とプローブ３の先端はデポ膜４で接続される（図１（ｅ））。ＦＩＢ１で残りの部分を切り欠き加工し（図１（ｆ））、基板２から分離した部分である試料片６を切り出す。切り出された試料片６は、接続されたプローブ３で支持された状態になる（図１（ｇ））。この試料片６を、ＦＩＢ１で加工し、観察しようとする領域をウォール加工するとＴＥＭ試料（図示せず）となる。ウェーハなど基板から所望の解析領域を含む微小試料を、ＦＩＢ加工と微小試料の搬送手段を駆使して分離する方法である。この方法で分離した微小試料片を各種解析装置に導入することで解析することができる。【０００７】
また、同様な試料作製方法として、特開平０９−１９６２１３号公報（従来例２）にも開示されている。この方法は、図２に示すように、まず始めに、ＦＩＢ２２を照射し目標位置識別のためのマーク３２、３３を形成し、その後その両外側に矩形穴３４、３５を基板２１に形成する（図２（ａ））。次に、ＦＩＢ２２により矩形溝２４を形成する（図２（ｂ））。次に、試料ステージを傾けてＦＩＢ２２を試料表面に斜めから照射することにより、斜溝２５を形成し、基板２１と一部の支持部２３のみで接続された試料片２６を形成する（図２（ｃ））。試料台傾斜を戻し、プローブ２７を、プローブ制御装置により制御し、試料片２６の一部に接触させる（図２（ｄ））。この摘出試料の支持部２３は、後程ＦＩＢにより切断するわけであるが、プローブドリフト等を考慮した場合、短時間で切断することが望ましいため、支持部２３の体積は小さくする必要がある。このため、プローブ２７の接触により支持部２３が破壊される恐れがあるため、上記プローブ制御法を使用して損傷をできるだけ抑えて接触させる。接触させたプローブ２７と試料片２６を、デポ膜２８を用いて固定する。次に、支持部２３をＦＩＢ１で切断する（図２（ｅ））。こうして、試料片２６を切り出し、プローブ２７をプローブ駆動装置によって上昇させ摘出する（図２（ｆ））。次に、この切り出された試料片２６をサンプルキャリア２９に接触する（図２（ｇ））。接触させた後、デポ膜３０を用いて両者を固定する（図２（ｈ））。固定後、プローブ２７の接続部にＦＩＢを照射し、スパッタ加工を行い、プローブを試料片２６から分離する（図２（ｉ））。ＴＥＭ試料とする場合、ＦＩＢ１を照射して、最終的に観察領域３１を厚さ１００ｎｍ以下程度に薄く仕上げ加工を施す（図２（ｊ））。他の分析、計測の試料の作製に用いる場合、観察領域を薄く仕上げる加工（図２（ｊ））は必ずしも必要ではない。【０００８】
また、以上の従来例は、試料作製装置で試料片を取り出す方法を採用した例であるが、試料作製装置で、試料片の形状を加工し、試料作製装置から基板を取り出して、大気中で別の機構で試料片を取り出す方法もある。例えば、「L. A. Giannuzzi, et al.: Focused Ion Beam Milling and Micromanipulation Lift-Out for Site Specific Cross-Section TEM Specimen Preparation, Material Research Society, Symposium Proceeding vol.480, p.19-27」（従来例３）という論文で提案されている。また、同様に「L. R. Herlinger, et al.: TEM Sample Preparation Using a Focused Ion Beam and a Probe Manipulator, Proceedings of the 22nd International Symposium for Testing and Failure Analysis, p.199〜205」（従来例４）という論文でも提案されている。【０００９】
これは、図３（ａ）に示すように、基板４３上の目標位置の両側を階段状にＦＩＢ４１で加工して断面試料薄膜４２を作製し、次に試料ステージを傾斜することによって、ＦＩＢ４１と試料表面とのなす角度を変えたＦＩＢ４６を基板に照射し、図３（ｂ）に示すようにＦＩＢ４６で試料薄膜周辺を切り、試料薄膜４４を基板から分離する。ＦＩＢ装置の試料室から基板を取りだし、大気中でガラス棒を加工部分に接近させ、静電気を利用して試料薄膜４４をガラス棒に吸着させて基板から摘出し、このガラス棒をメッシュ４５に移動させ、メッシュ上に静電吸着させるか、接着物に加工面を面するように設置する。このように、加工を施した微小試料を装置内で取り出さなくとも、微小試料の外形のほとんどをイオンビームによって加工しても、分離した微小試料をＴＥＭに導入することで解析することができる。【００１０】
しかし、従来例１では底穴８を形成するため、公知例２では斜溝２５を形成するため、また、公知例３および公知例４では試料薄膜４４周辺を切り取るために、基板の傾斜角度を姿勢変更する。これは試料ステージを傾斜させることにより実現する。試料ステージは傾斜前後でＦＩＢの試料表面の照射位置が比較的大きくずれないように、ＦＩＢ照射軸に対する相対位置を保つ。ステージをこのように精度よく傾斜させるには時間を要し、結果的に加工時間が長くなってしまう問題があった。さらに、シリコンウェーハの大口径化に伴い、試料ステージの傾斜機構も大型化してしまう問題もあった。昨今、シリコンウェーハ直径が２００ｍｍから３００ｍｍに移行しているところで、ステージの大型化は余儀なくされ、上述のような試料ステージ傾斜に伴う問題の解決を避けては通れない。【００１１】
これらに対し、装置の試料ステージに傾斜機能を省略し、試料ステージの小型化と試料傾斜に伴う加工時間の延長の問題を解決する方法として、特開２００２−１４８１５９号公報（従来例５）が開示されている。ＦＩＢを試料表面に対して大きくとも９０度未満の照射角度で試料に照射し、目的とする微小試料周辺を取り除き、次に試料ステージを、基板表面に対する垂直線分を回転軸として回転させ、基板表面に対する集束イオンビームの照射角度は固定して試料に照射し、微小試料を分離または分離準備することを特徴とする試料作製方法である。公知例５のイオンビーム加工方法によると、試料ステージを傾斜することなく、ウェーハやチップ状の基板から所望の特定領域を含む微小試料片を、分離または分離準備して、微小領域分析や観察や計測用のイオンビーム加工方法を実現できる。【００１２】
さらに、３０度から６０度までの選択された照射角度で試料にＦＩＢを照射できるＦＩＢ装置として、特表２００３−５２４１８２号公報（従来例６）が開示されている。試料表面の一部に深溝を掘り露出させた断面表面を、前記ＦＩＢを走査して前記断面表面を画像化することを特徴とした画像化装置である。公知例６の画像化装置では、試料ステージを傾斜することなく、ウェーハやチップ状の基板から所望の特定領域を含む試料の微小穴の側面を分析や観察や計測することができる。【００１３】
従来例５の手法を用いれば、ウェーハを分断することなく、基板から検査用の微小試料や薄片試料のみを取り出し、取り出されたウェーハは次のプロセスに戻すことも可能となる。従って、従来のようにウェーハの分断によって失われる半導体デバイスはなくなり、トータルの半導体デバイスの製造歩留りを高め、製造コストを低減することができる。【００１４】
【特許文献１】特開平０５−５２７２１号公報
【特許文献２】特開平０９−１９６２１３号公報
【特許文献３】特開２００２−１４８１５９号公報
【特許文献４】特表２００３−５２４１８２号公報
【非特許文献１】L. A. Giannuzzi, et al.: Focused Ion Beam Milling and Micromanipulation Lift-Out for Site Specific Cross-Section TEM Specimen Preparation, Material Research Society, Symposium Proceeding vol.480, p.19-27
【非特許文献２】L. R. Herlinger, et al.: TEM Sample Preparation Using a Focused Ion Beam and a Probe Manipulator, Proceedings of the 22nd International Symposium for Testing and Failure Analysis, p.199〜205
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来例５の試料作製方法によると、試料ステージが傾斜機能を持つ必要がないため、装置全体の小型化が実現し、かつ、ウェーハやチップ状の基板から所望の特定領域を含む微小試料片を、分離または分離準備して、微小領域分析や観察、計測用の試料の作製が可能な試料作製装置を実現できる。特に、位置合わせに必要な時間を節約して、試料作製のスループットを上げるのに好適となることを期待することができる。【００１６】
しかしながら、基板を傾斜させる試料作製方法を用いた従来例１〜４の場合に比べて、基板を傾斜させない従来例５の試料作製方法は、摘出に必要なＦＩＢによるスパッタ除去領域の体積が増大する。その結果、試料片の分離のためのＦＩＢの照射時間が増大し、結果的に試料作製スループットが低下してしまうという問題がある。【００１７】
そこで、本発明は、試料ステージを傾斜することなく、装置全体の小型化を実現し、かつ、試料片の分離または分離準備にかかる時間を短縮し、総合的に分析や試料作製効率の良い荷電粒子線装置およびそれを用いた試料作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明では、荷電粒子線装置において、試料片の加工体積と荷電粒子線の照射量を減少する配置に集束カラムが試料ステージに対してなす角を３０度もしくは略３０度に固定した傾斜構造とすることを基本構成とする。【００１９】
以下、本発明について考察する。【００２０】
μサンプリング法により試料片を基板から分離するための加工形状を、図４に示す。荷電粒子線の一例として、イオンビームを用いた本装置の特徴は、ＦＩＢ照射カラムが試料ステージに対して傾斜している点にある。図１で示すように、本手法で分離する試料片５３は、長さ５４（Ｌ＝５μｍ〜２０μｍ）、幅５５（Ｗ＝０.５μｍ〜２０μｍ）、深さ５６（Ｄ＝３μｍ〜２０μｍ）のくさび型である。ここで、基板表面の法線５７とＦＩＢ照射軸のなす角５８はΘに固定されているが、面内で基板を回転させてＦＩＢ５１の照射を２方向から行うことにより、溝を試料片の底で交差させることが可能になる。これにより、基板表面の法線５７とＦＩＢ照射軸のなす角５８を固定したまま、試料片の分離が可能となる。【００２１】
図５は、試料片中央部における溝と試料片の断面図である。幅５５がＷのくさび型の試料片の両側に溝がある。第１の溝６３は、溝幅６２がＷＤ１で溝の深さ６３がＨＤ１であり、試料片表面５２に対してΘだけ傾斜する。第２の溝６１は、試料片表面５２に対して垂直であり、溝幅６４（ＷＤ２）で溝の深さ６５（ＨＤ２）の溝である。例えば、Θ＝４５度でＤ＝１０μｍの場合、ＷＤ１＝３.０μｍ、ＨＤ１＝１５μｍ、ＷＤ２＝４μｍ、ＨＤ２＝２０μｍであり、この２つの溝は、溝幅（ＷＤ１、ＷＤ２）に比べて溝の深さ（ＨＤ１、ＨＤ２）の方が十分に大きな値となっている。溝の深さを溝幅で割った値をアスペクト比として、前述の溝を高アスペクト比の溝と呼ぶことにする。【００２２】
図４で示した試料片を分離するためのスパッタ除去領域の全体積（Ｖｓｔ）は、次のようになる。【００２３】
【数１】
2006064548.tif 000002
ここで、ＡＤは溝のアスペクト比、溝１と溝２の深さはそれぞれＨＤ１＝１.５×Ｄ、ＨＤ２＝１.５×Ｄ÷ｃｏｓ（Θ）、幅はＷＤ１＝ＨＤ１÷ＡＤ、ＷＤ２＝ＨＤ２÷ＡＤで、長さはＬ＋１.５×ｔａｎ（Θ）とＬである。ここで、溝の両サイドの横穴４９の体積は、従来法を参考に２つの溝の体積の２倍に設定した。より深い試料を分離しようとすると、スパッタ除去体積は増大する。また、溝幅を増大しても、スパッタ除去領域の全体積は単調に増加する。例えば、Ｄ＝１０μｍの場合、ＷＤ＝３．０μｍ、ＨＤ１＝１５μｍ、ＷＤ２＝４μｍ、ＨＤ２＝２０μｍである。深さをＤ＝１０μｍから５μｍに変更すると、スパッタ除去領域の全体積は約５０％だけ減少する。さらに、深さをＤ＝３μｍに変更すると、スパッタ除去領域の全体積はさらに減少する。μサンプリングの加工時間の検討では、本体積をスパッタ除去する時間について検討した。【００２４】
ＦＩＢスパッタ除去による加工時間を検討する際、基本の評価量になるのがスパッタレートである。基準スパッタレート（Ｙ０）は、【００２５】
【数２】
2006064548.tif 000003
で与えられる。【００２６】
本実験では、試料として、半導体デバイスの基板に用いるシリコンと磁気記録ヘッドの基板に用いるアルミナチタンカーバイドを用いた。基準スパッタレート（Ｙ０）は、シリコンではＹ０＝０.２７μｍ３／ｎＣ、アルミナチタンカーバイドではＹ０＝０.１５μｍ３／ｎＣとした。一般に、基準スパッタレートを用いてＦＩＢの照射量を規格化することにより、ＦＩＢ加工において穴の深さを制御する。しかし、高アスペクト比の溝を加工する場合は、ＦＩＢ照射量とスパッタ除去体積は比例しない。したがって、高アスペクト比の溝加工の深さは、基準スパッタレートのみでは制御できない。従来においては、所望の深さに対しての深さ設定値は経験によって決定されていた。このため、必ずしも所望の深さに対して最適な加工条件が設定できず、加工時間が必要以上に要する場合があった。【００２７】
本実験では、まず高アスペクト比の溝加工における深さ設定値と加工深さの関係を系統的に調べた。すなわち、溝幅および深さ設定値を変えながら高アスペクト比の溝加工を繰り返した。ここで、深さ設定値は、ＦＩＢの照射により予想される深さであり、基準スパッタレートとＦＩＢ照射電荷量の積を走査面積で割った値である。溝の長さはＬ＝１０μｍ、溝幅はＷＤ＝１μｍ、２μｍ、４μｍの３種とした。そして、これらの溝の断面を、以下に述べる方法で観察した。【００２８】
図５の溝断面は、走査イオン顕微鏡像（以下、ＳＩＭ（Scanning Ion Microscopy）像と称す。）で観察した。これらの溝は、ＦＩＢのビームモードを加速：３０ｋＶ、電流：約２ｎＡとし、走査方法をピッチ：１６ｎｍ、滞在時間：３μｓｅｃ、矩形走査を用いて作製した。次に加工形状を保護するために、この溝を真空蒸着にて約２００ｎｍ厚の金膜で覆った。さらに、溝の断面観察用に２０μｍ四方の穴を約１０ｎＡのＦＩＢで加工した後、基板を３０度傾斜して、溝の断面形状を約３ｐＡのＦＩＢでＳＩＭ像を得た。基準スパッタレートとビーム電流の積で体積を予想する溝は直方体であるのに対して、図５で示すように、実際の溝はくさび形である。本実験では、溝の加工深さはこのくさび形の先端の深さとした。このように、ある幅および深さ設定値の溝に対して実際の加工深さを求めてその依存性を解析した。【００２９】
［溝加工の深さ制御］
図６には、シリコン基板に溝加工した場合の深さ設定値（ｈｄ）と実際の加工深さ（ＨＤ）の関係を示す。すべての溝幅の場合で、溝の加工深さは設定値に比例しない。特に、ＷＤ＝１μｍの場合、ｈｄ＞２０μｍの領域では、設定値（ｈｄ）に比べて実際の加工深さ（ＨＤ）は著しく小さい。これは、溝幅に対して加工深さが深くなるとスパッタ粒子が側壁に再付着する割合が増大してＦＩＢによるスパッタ効率が低下してしまうためである。したがって、所望の深さまで加工するためには、深さ設定値を所望の深さに比べてかなり大きくする必要があることがわかる。【００３０】
図７は、図６に対して溝幅で設定値と溝の加工深さを規格化したもので、シリコン基板での深さ設定値／溝幅（ｈｄ／ＷＤ）に対する溝のアスペクト比（ＡＤ）の依存性である。ここで、アスペクト比は加工した溝の深さ割る溝幅（ＡＤ＝ＨＤ／ＷＤ）である。溝幅で設定値と溝の加工深さを規格化すると、図６におけるＷＤ＝１μｍ、２μｍ、４μｍの３本の曲線が１本に重なる。すなわち、溝の加工深さと深さ設定値の関係を１つの曲線で表すことができる。【００３１】
次に、図７の関係の定式化を試みる。真空に飛び出す粒子は、穴底から見た真空の立体角に比例すると仮定する。さらに、溝加工が継続する限界では入射粒子と真空に飛び出す粒子が等しくなるアスペクト比限界Ａｍａｘが存在すると仮定する。このとき、溝のアスペクト比の設定値に対する微分（スパッタレートに比例する量）は真空に飛び出す粒子と入射粒子の差に比例するので、次式のようになる。【００３２】
【数３】
2006064548.tif 000004
ここで、Ａは緩和アスペクト比であり単位立体角に飛び出す粒子に反比例する。【００３３】
さらに、溝の長さの影響を考慮すると、溝のアスペクト比の深さ設定値に対する依存性は、次式のように表現できる。【００３４】
【数４】
2006064548.tif 000005
図７では、Ａｍａｘ＝１４、ＡＷ＝３.７、ＡＬ＝２.３のとき測定値と最もよく一致する。ＡＷは溝の幅方向に再付着するスパッタ粒子量を示す緩和アスペクト比であり、ＡＬは溝の長手方向の緩和アスペクト比である。これは、溝幅が溝の長さに比べて十分に小さいとき、スパッタ粒子の飛跡は２方向に分離して単純化できることを示している。【００３５】
図８は、アルミナチタンカーバイト基板での溝のアスペクト比（ＡＤ）の深さ設定値／溝幅（ｈｄ／ＷＤ）に対する依存性である。ここでも、ＷＤ＝１μｍ、２μｍ、４μｍの曲線が重なり、溝の深さと深さ設定値の比の関数は保存されることがわかる。図８ではＡｍａｘ＝１３、ＡＷ＝５.５、ＡＬ＝２.７のとき測定値と最もよく一致する。したがって、深さ設定値を溝幅で割った値に対する溝のアスペクト比依存性は、基板の材質によって適切な関数により溝加工を規格化することができることがわかる。【００３６】
以上の検討の結果、基板材料に対して、図７や図８に示したような深さ設定値と加工深さの関数またはテーブルをＦＩＢ制御装置に格納しておけば、任意の溝幅で所望の深さの溝を正確に作製することが可能になることが明らかになった。【００３７】
［溝の最速加工条件］
図９は、シリコン基板で溝幅（ＷＤ）一定において、加工溝の深さ（ＨＤ）のなす角（Θ）依存性である。ここでは、各ΘでのＦＩＢの照射量は一定で、ビーム電流２ｎＡ、５分間照射である。また、溝幅（ＷＤ）は１μｍ、溝の長さ（Ｌ）は１０μｍに設定した。図９から、Θを変更しても、ＨＤは１１μｍでほぼ一定であることがわかる。すなわち、高アスペクト比の溝加工時間は、ＦＩＢ照射角度にほとんど影響を受けないことがわかった。一方、低アスペクト比の溝では、スパッタレートがcos-5/3(Θ)に比例するSigmundのモデルによく一致する。Sigmundのモデルではスパッタ粒子の再付着の影響を考慮していないため、高アスペクト比の溝の場合には適用できないことがわかる。【００３８】
図１０は、シリコン基板での深さ１０μｍの溝加工時間（Ｔｉｍｅ）の溝幅依存性（ＷＤ）である。ここでの溝加工時間はＡＤの関数（式４）より求めた計算値である。点線は、スパッタ粒子の再付着がないときの加工時間である。溝幅を４μｍ以上に広げて溝を加工すると、点線に近づき加工時間は溝幅に比例する。一方、溝幅を０.５μｍ以下に狭く設定すると、スパッタ粒子の再付着の量が増大して加工を阻害する。この２つの領域の間で溝幅がＷＤ＝１.３７μｍのとき溝加工時間が最短になる。この最速溝加工時の溝のアスペクト比は７.３である。図７の関係が１本の曲線で表現できることから、このアスペクト比は溝の深さが異なる場合でも不変である。すなわち、ある所望の深さを加工する場合に、加工時間を最短にする溝幅がアスペクト比から決定されることを意味する。これは基板の材料に影響を受けるが、ＦＩＢの照射角度に影響を受けることはない。従来は、ある深さの溝加工をする場合に溝幅を経験的に設定していたが、今回の検討により最短加工時間という条件で溝幅を自動的に決定できることが明らかになった。【００３９】
［μサンプリング加工時間の検討］
図４に示す２つの溝と２つの横穴を加工するために必要な全加工時間（Ｔ）の溝幅（ＷＤ）依存性を、図１１に示す。ここでは、分離する試料片の高さはＤ＝３μｍ、５μｍ、１０μｍとした。加工時間（Ｔ）は、【００４０】
【数５】
2006064548.tif 000006
から計算した。【００４１】
この式は、次の条件下で導出した。溝の両サイド横穴と溝でＦＩＢのビーム電流をＩｐ１とＩｐ２に変えて加工する。アスペクト比が低い横穴の加工は基準スパッタレートにより加工時間が算出できるとする。なお、基準スパッタレートは、ＦＩＢの照射角度Θに対してcos-5/3(Θ)にしたがって変化する。【００４２】
さらに、加工時間（Ｔ）は、次のような条件より計算した。ＦＩＢのビーム電流は、試料の高さにあわせて適切なものを用いた。高さＤ＝１０μｍ、５μｍ、３μｍの順で横穴の加工はＩｐ１＝２４ｎＡ、５ｎＡ、２ｎＡ、溝の加工はＩｐ２＝１２ｎＡ、２.５ｎＡ、１ｎＡである。また、基板はシリコンであり、ＦＩＢ照射角度Θは４５度である。溝加工時間は、図７の実験結果から算出する。【００４３】
図１１には、全体の加工時間（Ｔ（ｍｉｎ））が最少になる溝幅（ＷＤ（μｍ））を示す。また、図１１におけるＷＤ（μｍ）は、試料片の高さ（Ｄ）ごとに異なることがわかる。図１１におけるμサンプルを最短で作製する場合の溝のアスペクト比は、図１０の最速溝加工に用いた７.３である。図１１から高さＤ＝１０μｍ、５μｍ、３μｍいずれの場合も、ＦＩＢ照射時間は１０分以下になることがわかる。【００４４】
［最適なＦＩＢ照射角の検討］
最後に、加工時間（Ｔ）となす角（Θ）の関係について検討する。傾斜カラムのＦＩＢ装置において、加工時間を短縮することができる最適Θについて検討する。また、この最適Θの検討は、プロジェクションビームなどの一括照射方式でのμサンプリングでも重要な課題の１つでもある。実験結果を、図１２に示す。【００４５】
ここで、分離する試料片の高さはＤ＝１０μｍ、溝幅はＷＤ（μｍ）である。なす角をΘ＝４５度から３０度に減少させると、加工時間は９.３分から８.６分に約８％減少する。さらに、Θ＝３０度から２０度に減少させると、加工時間は８.６分からに９.８分と逆に増加してしまう。まず、なす角の減少にともないスパッタ除去領域の体積が減少して加工時間が減少する。一方、２つの溝の角度の減少にともない、試料片は形状が変形する。所望の深さの試料部分を残すためには、より深く溝を掘り進める必要がある。このとき、なす角の減少にともない、加工時間が増大する。したがって、この２つのなす角の影響によりΘ＝３０度で加工時間が最小になる。なお、試料片の高さが１０μｍ以外においても、なす角がΘ＝３０度のとき加工時間が最小になる。さらに、図７と図８を比較すると基板材料によりＷＤ（ｍｉｎ）が少々変化することがわかるが、この影響を考慮しても、なす角が２５度〜３５度の範囲で加工時間が最小になる。【００４６】
以上の結果により、本発明では、ＦＩＢの集束カラムが試料ステージに対してなす角度を３０度もしくは略３０度にすることより、所望の高さの試料片の分離におけるＦＩＢ加工時間を最短にできることを明らかになった。【００４７】
上記説明では、加工した溝の深さと溝幅との比（アスペクト比）は、シリコンを用いた場合について述べたが、シリコン以外の試料でも適用可能であり、本発明における最適なアスペクト比は、７から９までの範囲が望ましい。また、本発明では、上述のような矩形状の穴加工に限らず、円形状の穴の加工の場合は穴の深さと直径の比を５から９まで、楕円形状の場合は深さと短軸の比を５から９までの範囲で制御すると、ＦＩＢ加工時間を最短にすることができる。【００４８】
以下、本発明の代表的な構成例を列挙する。【００４９】
（１）本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージとを少なくとも有し、前記基板から所望とする部分の試料片を分離または分離準備する荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする。【００５０】
（２）本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備えた荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする。【００５１】
（３）前記（２）の荷電粒子線装置において、前記穴加工により形成する溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする。【００５２】
（４）本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出される荷電粒子線を基板上に集束する荷電粒子線用集束カラムと、電子源から放出される電子線を基板上に集束する電子線用集束カラムと、前記基板を載置する試料ステージとを有し、前記基板から所望とする部分の試料片を分離または分離準備する荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記荷電粒子線用集束カラムの中心線が前記試料ステージの載置面の法線に対してなす角度を、略３０度の傾斜した構成としたことを特徴とする。【００５３】
（５）本発明の荷電粒子線装置は、イオン源から放出されるイオンビームを基板上に集束するイオンビーム集束カラムと、電子源から放出される電子線を基板上に集束する電子線用集束カラムと、前記基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを備えた荷電粒子線装置において、前記イオンビームとほぼ同軸上に重なる前記イオンビーム集束カラムの中心線が前記試料ステージの載置面の法線に対してなす角度を、略３０度の傾斜した構成としたことを特徴とする。【００５４】
（６）前記（５）の荷電粒子線装置において、前記穴加工により形成する溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする。【００５５】
（７）前記（２）又は（５）の荷電粒子線装置において、分離した前記試料片を搬送するためのサンプルキャリアに固定する手段を有することを特徴とする。【００５６】
（８）本発明の試料作製方法は、荷電粒子線を用いて、試料を観察、分析あるいは計測するための試料作製方法であって、前記試料への荷電粒子線照射軸と試料表面の法線とのなす角度を略３０度として、荷電粒子線により前記試料に溝を形成する工程と、前記試料表面の法線を回転軸として回転させて、支持部で保持された片持ち試料片を形成する工程と、前記試料片にプローブを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料と前記プローブとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記プローブとを固着させる工程と、荷電粒子線の照射により前記試料と前記プローブとの固着部を切断して、前記試料から所望とする部分の試料片を分離する工程とを含むことを特徴とする。【００５７】
（９）本発明の試料作製方法は、荷電粒子線を用いて、試料の観察、分析あるいは計測するための試料作製方法であって、試料への荷電粒子線照射軸と試料表面の法線とのなす角度を略３０度として、荷電粒子線により溝を形成する工程と、前記試料表面の法線を回転軸として回転させる工程を交互に行うことによって、支持部で保持された片持ち試料片を形成する工程と、前記試料片にプローブを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料片と前記プローブとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記プローブとを固着させる工程と、荷電粒子線の照射により前記試料片と前記プローブとの固着部を切断して、前記試料片を分離する工程と、分離した前記試料片にサンプルキャリアを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料片と前記サンプルキャリアとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記サンプルキャリアに固定する工程と、を含むことを特徴とする。【００５８】
（１０）前記（８）又は（９）の試料作製方法において、前記溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする。【００５９】
（１１）本発明の荷電粒子線装置は、イオンビームを集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備え、前記試料片を作製するための荷電粒子線装置において、前記イオンビームとほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造を有し、かつ、前記試基板の材料と、前記イオンビームの走査モードと、ビームモードと、前記基板に穴加工する深さとを含む設定を行なうための設定画面を表示する手段と、前記試料の観察像を表示し、前記イオンビームの走査領域の設定を行なうための設定画面を表示する手段と、前記穴の推奨幅を画面表示する手段とを有することを特徴とする。【００６０】
（１２）前記（１１）の荷電粒子線装置において、前記イオンビームの照射量と前記穴加工する深さと幅とを登録する手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００６１】
本発明によれば、試料ステージを傾斜することなく、装置全体の小型化を実現し、かつ、試料片の分離または分離準備にかかる時間を短縮し、総合的に分析や試料作製効率の良い荷電粒子線装置およびそれを用いた試料作成技術を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。【００６３】
（実施例１）
図１３は、本発明の第１の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す。【００６４】
本発明の荷電粒子線装置は、イオン源２００から引き出し電極２０１によりイオンビームを引き出し、コンデンサレンズ２０２によりイオンビームを集束した後、ビーム制限アパーチャー２０３によりイオンビームを絞り、対物レンズ２０４により基板２０５の表面に集束イオンビーム２０６を形成する集束カラム２０７と、基板２０５を載置する可動の試料ステージ２０８と、２次粒子検出器２０９と中央制御装置２１０とプローブ２１１とガスノズル２１２と、電子源２６０から引き出し電極２６１により電子線を引き出し、コンデンサレンズ２６２により電子線を集束した後、対物レンズ２６３により基板２０５の表面に電子線２５８を形成する電子線用集束カラム２５５とにより構成される。イオンビームを効率的に集束するために、集束カラムと集束イオンビームの中心線２１３は、ほぼ同軸上に重なる。集束カラム２０７と試料ステージ２０８のなす角（Θ）２１４は、略３０度に保つ。【００６５】
試料ステージ２０８は、ステージ面内の平行移動と回転移動、ステージ面法線２１５の方向への移動が可能である４軸駆動機構を有する。プローブ２１１の先端部は鋭利な針形状をしている。または、プローブ２１１の先端部は微細な開閉可能な支持機構を形成することもできる。プローブ２１１の先端部は、プローブ２１１の高精度な位置制御手段と集束イオンビーム２０６の走査による観察により、半導体デバイスなどの基板から所望の特定領域を含む微細な試料片に接触または近接させることができる。電子線を効率的に集束するために、電子線用集束カラム２５５と電子線２５８の中心線はほぼ同軸上に重なる。電子線用集束カラム２５５と試料ステージ２０８のなす角は約４５度に保つ。電子線用集束カラム２５５と集束カラム２０７の中心線は、ステージ面内の投影で約９０度に保つ。このとき、集束イオンビーム２０６により作製した試料断面に電子線２５８を照射して高精度な観察像を得ることができる。プローブ２１１とガスノズル２１２の中心線は、ステージ面内の投影で９０度以上に保つ。これにより、プローブ２１１とガスノズル２１２は先端での衝突を回避できる。このとき、プローブ２１１又はガスノズル２１２の中心線と集束カラム２０７の中心線のなす角を９０度以下にすると、プローブ２１１とガスノズル２１２と電子線用集束カラム２５５と集束カラム２０７を有効に配置することができる。【００６６】
図１４は、図１３の装置を用いて基板から所望の特定領域を含む微細な試料片を分離する方法の一例を示す。【００６７】
なす角２１４を略３０度に固定した状態で集束イオンビーム２２０を照射して、基板２０５の表面に所要の深さの角穴２２１を形成する(図１４（ａ）)。さらに、基板２０５の表面に所望の深さの溝２２２を形成する（図１４（ｂ））。基板２０５を９０度回転させる。基板の回転は、試料ステージ２０８の４軸駆動機構によって行われる。プローブ２２３の先端を試料片２２４に接触させる（図１４（ｃ））。本実施例の装置では、プローブ２２３の先端部は、直径が約１μｍの導電性針で構成される。ガスノズル２１２を試料片２２４に接近させる。該ガスノズル２１２から堆積性ガスを供給し、集束イオンビーム２２０をプローブ２２３の先端部と試料片２２４を含む領域に照射して、イオンビームアシストデポジション（以下、ＩＢＡＤと略す）膜２２５を形成する。これにより、試料片２２４とプローブ２２３の先端は、ＩＢＡＤ膜２２５で接続される（図１４（ｄ））。プローブ２１１の先端に開閉可能な支持機構を設けた場合、ＩＢＡＤ膜２２５を使用せずに試料片２２４を保持することができる。集束イオンビーム２２０を用いて分離溝２２６を形成し、基板２０５から試料片２２４を切り出す（図１４（ｅ））。切り出された試料片２２４は、接続されたプローブ２２３で支持された状態になる（図１４（f））。このとき、分離された試料片２２４は、容積が０.００１ｍｍ３以下の微細なものである。次に、試料片２２４をサンプルキャリア２２７に移動する（図１４（ｇ））。試料片２２４とサンプルキャリア２２７を含む領域にＩＢＡＤ膜２２８を形成する（図１４（ｈ））。プローブ２２３の先端部を集束イオンビーム２２０により切断する（図１４（ｉ））。ＴＥＭ試料とする場合、集束イオンビーム２２０を照射して、最終的に観察領域２２９を厚さ１００ｎｍ以下程度に薄く仕上げ加工を施す（図１４（ｊ））。【００６８】
本実施例では、Θを略３０度にすることにより最短のＦＩＢ加工時間で所望の高さの試料片の分離することが可能である。【００６９】
（実施例２）
図１５は、本発明の第２の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す。【００７０】
本実施例の荷電粒子線装置は、イオン源２００から引き出し電極２０１によりイオンビームを引き出し、コンデンサレンズ２０２によりイオンビームを集束した後、ビーム制限アパーチャー２０３によりイオンビームを絞り、対物レンズ２０４により基板２０５の表面に集束イオンビーム２０６を形成する集束カラム２０７と、基板２０５を載置する可動の試料ステージ２０８と、２次粒子検出器２０９と中央制御装置２１０とプローブ２１１とガスノズル２１２により構成される。イオンビームを効率的に集束するために、集束カラムと集束イオンビームの中心線２１３はほぼ同軸上に重なる。集束カラム２０７と試料ステージ２０８のなす角（Θ）２１４は、略３０度に保つ。【００７１】
試料ステージ２０８は、ステージ面内の平行移動と回転移動、ステージ面法線２１５の方向への移動が可能である４軸駆動機構を有する。プローブ２１１の先端部は鋭利な針形状をしている。プローブ２１１の先端部は、プローブ２１１の高精度な位置制御手段と集束イオンビーム２０６の走査による観察により、半導体デバイスなどの基板から所望の特定領域を含む微細な試料片に接触または近接させることができる。【００７２】
本実施例では、Θを略３０度にすることにより最短のＦＩＢ加工時間で所望の高さの試料片の分離することが可能である。【００７３】
（実施例３）
図１６は、本発明の第３の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す。
本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線２４９を集束する集束カラム２５０と、基板を載置する可動の試料ステージ２５１と、２次粒子検出器２５２により構成される。集束カラム２５０と試料ステージ２５１のなす角２５３は、略３０度に保つ。試料ステージ２５１は、ステージ面内の平行移動と回転移動、ステージ面法線２５４の方向への移動を可能とする４軸駆動機構を有する。該荷電粒子線装置は、荷電粒子線２４９の照射により試料片を加工して、短時間に試料片の基板からの分離の準備をすることができる。該なす角２５３は、３０°〜１０°の範囲で変更しても、短時間にアスペクト比の高い試料片を分離準備することができる。また、２次粒子検出器２５２は集束カラム２５０に内蔵する場合を図１７に示す。さらに、集束カラム２５０と異なる方向に電子線用集束カラム２５５を搭載した荷電粒子線装置を、図１８に示す。電子線２５８を走査して基板と試料片を観察することができる。【００７４】
本実施例の荷電粒子線装置は、基板から所望の特定領域を含む微細な試料片を分離準備することができる。例えば、分離準備した試料片は、従来例３または従来例４で示したガラス棒にて試料片を分離することができる。また、分離準備した試料片をその場で観察することもできる。【００７５】
（実施例４）
図１９は、本発明の第４の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す。【００７６】
本実施例の荷電粒子線装置は、荷電粒子線２４９を集束する集束カラム２５０と、基板を載置する可動の試料ステージ２５１と、２次粒子検出器２５２とプローブ２５６により構成される。集束カラム２５０と試料ステージ２５１のなす角２５３は、略３０度に保つ。プローブ２５６の先端部は、鋭利な針形状をしている。プローブ２５６の先端部は、プローブの高精度な位置制御手段と荷電粒子線２４９の走査による観察により、半導体デバイスなどの基板から所望の特定領域を含む微細な試料片に接触または近接させることができる。【００７７】
（実施例５）
図２０は、本発明の第５の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す。【００７８】
本実施例の荷電粒子線装置は、荷電粒子線２４９を集束する集束カラム２５０と、基板を載置する可動の試料ステージ２５１と、２次粒子検出器２５２とプローブ２５６とガスノズル２５７により構成される。集束カラム２５０と試料ステージ２５１のなす角２５３は、略３０度に保つ。試料ステージ２５１は、ステージ面内の平行移動と回転移動、ステージ面法線２５４の方向への移動を可能とする４軸駆動機構を有する。プローブ２５６の先端部は鋭利な形状をしている。プローブ２５６の先端部は、プローブ２５６の高精度な位置制御手段と荷電粒子線２４９の走査による観察により、半導体デバイスなどの基板から所望の特定領域を含む微細な試料片に接触または近接させることができる。ガスノズル２５７は試料片に高密度でガスを吹き付けるための細い先端部を試料片に隣接することができる。【００７９】
（実施例６）
図２１は、本発明の第６の実施例による所望深さの穴加工の時間短縮方法を示すフローチャートである。本実施例では、実施例１〜５で示した荷電粒子線装置を用いて所望深さの穴加工を実施する。【００８０】
本実施例の加工時間の短縮方法は、加工する手段と登録する手段により構成される。登録する手段では、試料の設定とビームモードの設定とＡＤ（ｍｉｎ）の登録を繰り返す。ここで、ＡＤ（ｍｉｎ）は加工時間が最少になるアスペクト比（溝の深さ／溝幅）である。ＦＩＢ装置は、上記登録する手段によりビームモードと試料に対するＡＤ（ｍｉｎ）のリストを保持することができる。【００８１】
図２２は、加工する手段を実現するための制御画面の一例である。制御画面は、試料の設定、ビームモードの設定、走査モードの設定、深さ設定を含むＦＩＢ加工の設定画面と、ＦＩＢ走査像（ＳＩＭ像）の表示、加工領域の設定、設定した穴の幅の表示を含む走査領域の設定画面と、穴の推奨幅の表示と加工時間を含む設定の参照画面とを含む。穴の幅を推奨幅に設定すると、の比較により、適切なＷＤに設定する。加工する手段は、推奨幅に設定すると、穴加工を短時間で作製することを可能にする。上記登録する手段と上記加工する手段を有するＦＩＢ装置は、ビームモードと試料に最適な推奨幅を表示することが可能である。例えば、シリコン又はアルミナチタンカーバイトを基板とした場合は、ＡＤ（ｍｉｎ）が約７になる。深さ設定値をＡＤで割った値を推奨幅として表示し、加工領域を推奨幅に設定すると、ＦＩＢ装置は短時間に所望の深さの穴を作製することができる。【００８２】
（実施例７）
図２３は、本発明の第７の実施例による穴加工の深さ制御方法を示すフローチャートである。本実施例では、実施例１〜５で示した荷電粒子線装置を用いて所望深さの穴加工を実施する。【００８３】
本実施例の深さ制御方法は、加工する手段と登録する手段で構成される。登録する手段では、ビームモードと試料の選択と深さ／深さ設定値のアスペクト比依存性（Ｙ（ＡＤ））の登録を繰り返す。ＦＩＢ装置は、上記登録する手段によりビームモード・試料に対するＹ（ＡＤ）関数またはリストを保持することができる。加工する手段では、ビームモードの選択と試料の選択とＦＩＢ走査像（ＳＩＭ像）の表示を行なった後、走査領域の設定と加工の深さ設定を行う。上記走査領域の設定と上記加工の深さ設定と上記Ｙ（ＡＤ）より加工時間を算出する。登録する手段と加工する手段を有するＦＩＢ装置は、ビームモードの設定と試料の設定に最適なＹ（ＡＤ）を適用して、所望の深さの穴加工を正確に実施することが可能である。【００８４】
図２４は、本手法で制御した深穴加工のアスペクト比（ＡＤ）を示す。スパッタレート（Ｙ０）とＦＩＢ照射電荷量の積で設定深さ（ｈｄ）を制御する従来法では、ＡＤが増大するにつれて、ｈｄに対して穴の深さ（ＨＤ）が小さくなってしまう。一方、本手法で制御した深穴加工は所望の深さと一致させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
荷電粒子線装置での試料片の加工体積と荷電粒子線の照射量を減少する配置に集束カラムと試料ステージとのなす角を略３０度に固定して、試料片の分離または分離準備にかかる時間を短縮し、総合的に分析や試料作製効率の良い荷電粒子線装置および試料作成技術を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来例１における試料片の分離方法を示す図。
【図２】従来例２における試料片の分離方法を示す図。
【図３】従来例３における試料片の分離方法を示す図。
【図４】試料片を基板から分離するための加工形状を示す図。
【図５】試料片中央部における溝と試料片の断面図。
【図６】３つの溝幅での溝の深さ（ＨＤ）の深さ設定（ｈｄ）依存性を示す図。
【図７】深さ設定／溝幅（ｈｄ／ＷＤ）に対する溝のアスペクト比（ＡＤ）依存性を示す図。
【図８】溝の深さ（ＨＤ）のなす角（Θ）依存性を示す図。
【図９】溝加工時間（Ｔｉｍｅ）の溝幅（ＷＤ）依存性を示す図。
【図１０】スパッタ除去領域の全体積（Ｖｓｔ）の溝幅（ＷＤ）依存性の図。
【図１１】スパッタ除去領域の加工時間（Ｔ）の溝幅（ＷＤ）依存性を示す図。
【図１２】スパッタ除去領域の加工時間（Ｔ）のなす角（Θ）依存性を示す図。
【図１３】本発明の第１の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す図。
【図１４】本発明の第１の実施例による試料片の分離の基本手順を示す図。
【図１５】本発明の第２の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す図。
【図１６】本発明の第３の実施例になる荷電粒子線装置の一構成例を示す図。
【図１７】第３の実施例の別の構成例を示す図。
【図１８】第３の実施例のさらに別の構成例を示す図。
【図１９】本発明の第４の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す図。
【図２０】本発明の第５の実施例になる荷電粒子線装置の基本構成を示す図。
【図２１】本発明の第６の実施例による穴加工の時間短縮方法のフローチャートを示す図。
【図２２】第６の実施例による制御画面の一例を示す図。
【図２３】本発明の第７の実施例による穴加工の深さ制御方法のフローチャートを示す図。
【図２４】第７の実施例における深さ制御した穴のアスペクト比の設定深さ依存性を示す図。
【符号の説明】
【００８７】
１…ＦＩＢ、２…基板、３…プローブ、４…デポ膜、５…堆積性ガス、６…試料片、７…角穴、８…角穴、９…切り欠き溝、１０…ガスノズル、２１…基板、２２…ＦＩＢ、２３…支持部、２４…矩形溝、２５…斜溝、２６…試料片、２７…プローブ、２８…デポ膜、２９…サンプルキャリア、３０…デポ膜、３２…マーク、３３…マーク、３４…矩形穴、３５…矩形穴、４１…ＦＩＢ、４２…断面試料薄膜、４３…基板、４４…試料薄膜、４５…メッシュ、４６…ＦＩＢ、４９…横穴、５０…スパッタ除去領域、５１…ＦＩＢ、５２…基板、５３…試料片、５４…長さ、５５…幅、５６…深さ、５７…基板表面の法線、５８…なす角、５９…溝幅、６０…溝、６１…溝、６２…溝幅、６３…溝の深さ、６４…溝幅、６５…溝の深さ、１００…試料片、１０１…長さ、１０２…幅、１０３…深さ、１０４…基板表面の法線、１０５…なす角、１０６…スパッタ除去領域、１０７…溝幅、
２００…イオン源、２０１…引き出し電極、２０２…コンデンサレンズ、２０３…ビーム制限アパーチャー、２０４…対物レンズ、２０５…基板、２０６…集束イオンビーム、２０７…集束カラム、２０８…試料ステージ、２０９…２次粒子検出器、２１０…中央制御装置、２１１…プローブ、２１２…ガスノズル、２１３…中心軸、２１４…なす角、２１５…ステージ面法線、２１６…偏向器、２１７…アライナー、２２０…集束イオンビーム、２２１…角穴、２２２…溝、２２３…プローブ、２２４…試料片、２２５…イオンビームアシストデポジション膜、２２６…分離溝、２２７…サンプルキャリア、２２８…ＩＢＡＤ膜、２２９…観察領域、２４９…荷電粒子線、２５０…集束カラム、２５１…試料ステージ、２５２…２次粒子検出器、２５３…なす角、２５４…ステージ面法線、２５５…電子線用集束カラム、２５６…プローブ、２５７…ガスノズル、２５８…電子線、２５９…偏向器、２６０…電子源、２６１…引き出し電極、２６２…コンデンサレンズ、２６３…対物レンズ。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月31日(2005.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】  荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージとを少なくとも有し、前記基板から所望とする部分の試料片を分離または分離準備する荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】  荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備えた荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】  請求項２に記載の荷電粒子線装置において、前記穴加工により形成する溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】  荷電粒子源から放出される荷電粒子線を基板上に集束する荷電粒子線用集束カラムと、電子源から放出される電子線を基板上に集束する電子線用集束カラムと、前記基板を載置する試料ステージとを有し、前記基板から所望とする部分の試料片を分離または分離準備する荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線とほぼ同軸上に重なる前記荷電粒子線用集束カラムの中心線が前記試料ステージの載置面の法線に対してなす角度を、略３０度の傾斜した構成としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】  イオン源から放出されるイオンビームを基板上に集束するイオンビーム集束カラムと、電子源から放出される電子線を基板上に集束する電子線用集束カラムと、前記基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを備えた荷電粒子線装置において、前記イオンビームとほぼ同軸上に重なる前記イオンビーム集束カラムの中心線が前記試料ステージの載置面の法線に対してなす角度を、略３０度の傾斜した構成としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】  請求項５に記載の荷電粒子線装置において、前記穴加工により形成する溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】  請求項２又は５に記載の荷電粒子線装置において、分離した前記試料片を搬送するためのサンプルキャリアに固定する手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】  荷電粒子線を用いて、試料を観察、分析あるいは計測するための試料作製方法であって、前記試料への荷電粒子線照射軸と試料表面の法線とのなす角度を略３０度として、荷電粒子線により前記試料に溝を形成する工程と、前記試料表面の法線を回転軸として回転させて、支持部で保持された片持ち試料片を形成する工程と、前記試料片にプローブを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料と前記プローブとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記プローブとを固着させる工程と、荷電粒子線の照射により前記試料と前記プローブとの固着部を切断して、前記試料から所望とする部分の試料片を分離する工程とを含むことを特徴とする試料作製方法。
【請求項９】  荷電粒子線を用いて、試料の観察、分析あるいは計測するための試料作製方法であって、試料への荷電粒子線照射軸と試料表面の法線とのなす角度を略３０度として、荷電粒子線により溝を形成する工程と、前記試料表面の法線を回転軸として回転させる工程を交互に行うことによって、支持部で保持された片持ち試料片を形成する工程と、前記試料片にプローブを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料片と前記プローブとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記プローブとを固着させる工程と、荷電粒子線の照射により前記試料片と前記プローブとの固着部を切断して、前記試料片を分離する工程と、分離した前記試料片にサンプルキャリアを接触させ、堆積性ガス雰囲気で前記試料片と前記サンプルキャリアとの接触部を含む領域に荷電粒子線を照射してデポ膜を形成し、前記試料片と前記サンプルキャリアに固定する工程と、を含むことを特徴とする試料作製方法。
【請求項１０】  請求項８又は９に記載の試料作製方法において、前記溝の深さの溝幅に対する比が、７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】  請求項８又は９に記載の試料作製方法において、前記荷電粒子線は、イオンビームであることを特徴とする試料作製方法。
【請求項１２】  イオンビームを集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記集束カラムを用いて前記基板の所望とする部分の試料片を穴加工する手段と、前記基板から前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備え、前記試料片を作製するための荷電粒子線装置において、前記イオンビームとほぼ同軸上に重なる前記集束カラムの中心線と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略３０度の傾斜した構造を有し、かつ、前記試基板の材料と、前記イオンビームの走査モードと、ビームモードと、前記基板に穴加工する深さとを含む設定を行なうための設定画面を表示する手段と、前記試料の観察像を表示し、前記イオンビームの走査領域の設定を行なうための設定画面を表示する手段と、前記穴の推奨幅を画面表示する手段とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】  請求項１２に記載の荷電粒子線装置において、前記イオンビームの照射量と前記穴加工する深さと幅とを登録する手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】  荷電粒子線を集束する集束カラムと、前記荷電粒子線により前記基板の所望とする部分を加工して加工溝を形成する手段と、前記基板を載置する試料ステージと、前記基板より発生する二次粒子を検出する検出器とを少なくとも有する荷電粒子線装置において、予め定めた、前記基板の材料と前記荷電粒子線の照射条件と前記基板に加工する前記加工溝の深さ値に応じて該加工溝の推奨幅を算出し、該推奨幅に基づいて加工を行うように制御する制御装置とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記算出された推奨幅は、前記加工溝の探さに対して最も加工時間が少ない溝幅であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記集束カラムの中心軸と前記試料ステージの基板載置面の法線とのなす角度が略３０度の傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１７】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記検出器で検出した二次粒子像を表示する表示手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１８】  請求項１７に記載の荷電粒子線装置において、前記表示手段には、前記基板の材料と、前記荷電粒子線の走査モードと、前記荷電粒子線のビームモードと、前記基板に溝加工する深さのいずれかの設定を行うための設定画面を前記表示手段に表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１９】  請求項１７に記載の荷電粒子線装置において、前記表示手段は、前記イオンビームの走査領域の設定を行うための設定画面を前記表手段に表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２０】  請求項１７に記載の荷電粒子線装置において、前記溝の推奨幅を前記表示手段に表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２１】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記加工溝の深さの前記推奨幅に対する比が７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２２】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記加工溝を形成して、作製された試料片を分離して摘出する手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２３】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記制御装置は、予め定めた、前記基板の材料と前記荷電粒子線の照射条件と前記基板に加工する前記溝の深さと前記荷電粒子線の走査領域に応じて加工時間を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２４】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記加工溝の形状は矩形、円形、楕円形を含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２５】  請求項１４記載の荷電粒子線装置において、前記制御装置には、溝の加工領域と加工時間に対する加工探さの関数またはテーブルが保持されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２６】  請求項１４に記載の荷電粒子線装置において、前記集束カラムの中心軸と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略２５度から３５度傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２７】  荷電粒子線を集束する集束カラムと、前記荷電粒子線により前記基板の所望とする部分の試料片を溝加工する手段と、前記基板を載置する試料ステージと、前記基板より発生する二次粒子を検出する検出器と、画像表示手段と、前記基板から前記溝加工により作製された前記試料片をプローブによる支持により分離する手段とを少なくとも備えた荷電粒子線装置において、前記集束カラムの中心軸と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が、略２５度から３５度傾斜した構造を有し、前記基板の材料と、前記イオンビームの走査モードと、ビームモードと、前記基板に溝加工する深さとを含む第一の設定を行うための第一の設定画面と、前記イオンビームの走査領域を少なくとも含む第二の設定を行う第二の設定画面と、前記検出器により検出した二次粒子像の内、少なくとも一つを前記表示手段に表示し、前記第一及び第二の設定値に基づいて、前記溝の推奨幅を算出する手段とを備え、前記算出された推奨幅を前記表示手段に表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２８】  請求項２７に記載の荷電粒子線装置において、前記算出された推奨幅に基づいて溝加工を行うように制御する制御装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２９】  請求項２７に記載の荷電粒子線装置において、前記溝加工により形成する溝の深さの前記推奨幅に対する比が７から９までの範囲にあることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３０】  荷電粒子線を基板の所望とする部分に照射して加工溝を形成する試料加工方法において、前記加工溝の深さを決定する工程と、前記加工溝の深さに対する加工溝幅を算出する工程とを備えることを特徴とする試料加工方法。
【請求項３１】  請求項３０に記載の試料作製方法において、前記算出された加工溝幅は、前記穴の深さに対して最も加工時間が少ない加工溝幅であることを特徴とする試料加工方法。
【請求項３２】  請求項３０に記載の試料加工方法において、前記決定した加工溝の深さと、予め定めた、前記基板の材料と前記荷電粒子線のビームモードと前記加工溝深さと溝幅の比との関係から前記加工溝の探さに対する加工溝幅を算出することを特徴とする試料加工方法。
【請求項３３】  請求項３２に記載の荷電粒子線装置において、前記加工溝深さと溝幅の比が７から９までの範囲にあることを特徴とする試料加工方法。
【請求項３４】  荷電粒子線を基板の所望とする部分に照射して加工溝を形成する試料加工方法において、前記加工溝の深さ及び荷電粒子線の走査領域を決定する工程と、該決定した加工溝の深さ及び荷電粒子線の走査領域と、予め定めた、前記基板の材料と前記荷電粒子線のビームモードと前記加工溝深さと溝幅の比との関係から、前記加工溝の深さ及び荷電粒子線の走査領域に対する加工時間を算出する工程とを備えることを特徴とする試料加工方法。
【請求項３５】  荷電粒子線を集束する集束カラムと、基板を載置する試料ステージと、前記基板より所望とする部分に複数の溝加工を行うことにより試料片を形成する手段と、前記基板より発生する二次粒子を検出する検出器と、画像表示手段とを有する荷電粒子線装置において、前記集束カラムの中心軸と、前記試料ステージの載置面の法線とのなす角度が略２５度から３５度の範囲で傾斜した構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３６】  請求項３５に記載の荷電粒子線装置において、前記溝加工により形成された試料片を前記基板から分離する手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３７】  請求項３５に記載の荷電粒子線装置において、前記加工溝の形状は矩形、円形、楕円形を含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
【国際調査報告】
2006064548.tif 000031
2006064548.tif 000032