茨城県工業技術センター研究報告 第 38 号

FIB 用試料保護膜の製膜可能なカーボンコータの開発
早乙女 秀丸*２．目的
FIB 用保護膜は試料表面の加工・変質を避けるため全面に蒸着するモノであり，加工部を探すための観察ビームには耐えながらも，試料を切り出すための加工ビームでは容易に削れるという条件が求められる。
しかし，FIB による断面観察試料作成法には決まった手順がなく，耐久性の基準となる指標や評価する方法もなかった。
このことから本研究では，耐久性基準とその評価方法の設定を行い，FIB 用試料保護膜の製膜条件確立を目的とする。
３．FIB ビームとその影響
3.1 FIB ビームについて
今回耐久性評価に使用した FIB は，日立ハイテクノ
ロジー製 FB-2100 である。この機種は，加速電圧・モード・アパーチャー径の三点でビームの出力が決まる。表１は一般的に使用される FIB ビームの分類とその用途である。
表１ FIB ビームの分類
Beam Name

標準ビーム電流(nA)

主な用途

40-1-650

30.00～42.00

粗加工

40-1-300

5.00 ～ 9.00

粗加工40-1-150

1.10 ～ 2.80

粗加工／中加工40-1-800.30 ～ 0.60

中加工40-1-400.06 ～ 0.15

仕上げ加工

40-1-200.01 ～ 0.04

仕上げ加工

40-0-150

0.22 ～ 0.50

観察（広域）

40-0-800.06 ～ 0.12

観察（標準）

40-0-400.01 ～ 0.03

観察（標準）

40-0-200.01 以下観察（微小領域）

40-0-50.01 以下観察（微小領域）※ Beam Name の意味：XX-Y-ZZZ【XX:加速電圧，Y:Mode（０:観察，１:加工），ZZZ:アパーチャー径】*先端材料部門**株式会社

真空デバイス

吉田 壽治**

3.2 加工影響について
FIB はガリウムイオンを加速させ試料に照射し，表面の原子を飛ばすことで加工を行う。このガリウムイオンは集束レンズやアパーチャーを通して集束されビームとなり，指定加工範囲に照射される。
しかし，一部のイオンは集束されず散乱し，その結果観察部を痛め TEM※１や元素分析の際に問題になる。この散乱ビームによる被害は 40-1-650 を使用した場合，指定加工範囲（図１の黒色部）の外周から 1.5～2μm 離れたところ（図１の斜線部）まで受ける。また，深さについては，表面から約 32nm
※２までダメージを受ける。
※1 TEM：透過型電子顕微鏡※2 シリコン基板を加工した場合のダメージ深さ

1.5～2μm

１. はじめに大学や研究機関，半導体関連企業などの主要顧客より，安価でランニングコストの安いシャープペンの芯を蒸発源としたカーボンコータで製膜したカーボン膜を，FIB の試料保護膜用として使用したいという要望がある。
この要望に対応するため，実際に FIB を使用したカーボン膜の評価を行い，FIB 用試料保護膜の製膜可能なシャープペン式カーボンコータの開発を株式会社真空デバイスと共同で行った。

勝田 禎治**

試料被害部
加工部

図１ ビーム影響概念図
3.3 マイクロサンプリング法
この方法は日立製 FIB 特有の TEM 及び SEM サンプ
ル作成方法であり，図２のように加工を行う。使用するビームや加工時間などはサンプルによって異なるが，一例として 14μm×4μm×10μm のシリコ
ンサンプルを切り出した際の加工条件を表２に記載する。

図２ マイクロサンプリング法(日立ハイテクノロジーHP より)

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表２ マイクロサンプリング加工条件
工
使用
照射 工
使用
照射
程ビーム
時間 程ビーム
時間
(min)
(min)
①40-1-40
10⑥ 40-0-40
約１② 40-1-650
7.5⑦ 40-0-20
10③ 40-1-150
15⑧ 40-1-80
240-1-40
20～④40-0-20
10⑨など
180
観 40-0-20
約１⑤ 40-1-150
8察など※工程の番号は，図２の番号に対応する。
※⑥は 700 倍，⑧は 2000 倍，その他は 4000 倍で観察しながら加工を行う
3.4 断面観察法
この方法は，センターでメッキ膜などの薄膜を観察するのに使用している方法である。表３には，厚さ5μm のメッキ膜を観察する際の加工条件を記載する。
仕上げ面

①断面出し

②仕上げ加工観察面③観察（30°傾斜後）
図３ 断面観察法(左：上面図，右：断面図)
hitai
表３ 断面観察加工条件
使用
照射時間
加工サイズ
ビーム(min)(μm)
40-1-300
515×15×1010，16×2×10，② 40-1-150，
40-1-8015
16×0.5×10③ 40-0-40
約1※工程の番号は，図３の番号に対応する。
※③の観察以外は 4000～6000 倍で観察しながら加工を行う。
工
程①４．研究内容
4.1 実験サンプルの製作（真空デバイス）
製膜時の真空度や膜厚の違いによる膜の強度を検証するため，図４の 2機種を使用し，表４の条件でサンプル
図４ カーボンコータを作成した。

（左：VC-100 右：VE-2030）

表４ サンプル条件
想定
膜厚 WD(mm)数 (nm)
4-1 VC-100
0.5210055
4-5 VC-100
0.5420055
4-6 VC-100
0.5630055-45-1 VE-2030
1×10210055-45-5 VE-2030
1×10420055
5-6 VE-2030
1×10-4630055※蒸発源に使用したシャープペンの芯はすべて三菱製φ0.5mm である。
※WD とは蒸発源から試料までの距離本№装置

真空度(Pa)4.2 耐久性基準と試験方法の検討
上記 3.3，3.4 で記載した方法や今までの加工経験を元に，観察・加工それぞれに合わせた耐久性基準ビー
ムを，照射ビーム・照射面積・照射時間の 3 要素で設定した。
また，基準ビーム照射後の膜評価方法についても，EDX・EPMA・ESCA・膜厚測定の 4 方法を比較して，最良の方法を検討した。
※ EDX : エネルギー分散 X 線分光法
※ EPMA: 電子線マイクロアナライザ※ ESCA: X 線光電子分光
4.3 EDXによる分析
今回決めた耐久性基準を含む，10条件（表５）でFIB加工を行い，測定試料とした。EDXはEDAX製（搭載SEMは日立ハイテクノロジー製S-4300）を使用して行い，マッピング分析については①～⑩まですべて行い，線分析については①～③の部分について行った。

番号
①②③④⑤

表５ EDX 分析用加工の条件
加工ビーム 番号
観察ビーム
40-1-650⑦40-0-80
40-1-300⑧40-0-40
40-1-150⑨40-0-20
40-1-80⑩40-0-5※照射時間は40-1-40
すべて 1min

図５ 加工後のサンプル

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５．結果と考察5.1 耐久性基準の検討結果
下記の理由から，表６のように耐久性の目標を設定した。
・ビーム：観察ビームは，試料観察や試料固定の際に使用される，40-0-40 と 40-0-20 にした。
加工ビームは，断面出しや周囲加工など大きな加工に使用される，40-1-650 と40-1-300 にした。
・面 積：加工と観察を行う際に最適な 36×36μmとした。
・時 間：観察ビームに対しては耐久性が求められるため，観察時間の平均である，1 分とした。
加工ビームに対しては加工できることが求められるため，従来の加工時間を超えない，1 分とした。

5.3 EDX 分析結果
表８に VC-100（低真空），表９に VE-2030（高真空）の結果を示す。
マッピング，線分析ともに加速電圧 15kV，倍率600 倍で測定しており，No.は表４に，マッピングおよび線分析結果内の番号は表５に対応している。
マッピング結果の細かい黒い点はカーボンの存在を示しており，点が多いほどカーボン量が多い。
線分析中の線グラフがカーボンの量であり，上に行くほどカーボンが多い。

No.

（マッピング+SEM 像）

4-1

表６ 耐久性基準
ビーム条件
区分
観察
１観察
２加工
１加工
２ビーム

面積(μm)

時間(min)40-0-4036×36

140-0-2036×36

1

ビーム
照射後の結果4-5

全体的にカーボンが残っている
4-640-1-650

36×36

140-1-300

36×36

1

全体的に削れており，母材が確認できる

5.2 試験方法の検討結果
基準ビーム照射後の膜評価方法ついては，表７のように比較検討を行った。その結果，測定結果の比較が分かりやすく，また試料の載せ替え等の試料を痛めるリスクが少ない，EDX によるカーボン残量測定で評価することにした。
表７ 測定方法の比較
試験
測定
測定結果
方法
対象について結果が分布マップやグラフで出EDX
C
力でき，比較しやすい結果が分布マップやグラフで出EPMAC力でき，比較しやすい。測定に試料の載せ替えが必要。
Ga
測定時間が２４時間以上と長い。
ESCA
C
測定に試料の載せ替えが必要
膜厚
膜が薄いため判別しにくく，測定
膜測定誤差が多い。
※ C:カーボン，Ga：ガリウム

表８ VC-100 の結果マッピング
線分析（グラフ+SEM 像）

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No.

表９マッピング

VE－2030 の結果
線分析(マッピング+SEM 像）

表 10 結果のまとめ
加工条件（グラフ+SEM 像）

5-1

5-5

製膜条件

加工ビーム

観察ビーム

①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

VC-4-1◎○××××××××

1004-5◎○××××××××4-6◎△××××××××

VE-5-1◎○××××××××20305-5◎○××××××××

5-6◎△××××××××※◎：良く削れている，○：削れている，△：削り残しが多い，×：削れていない※①②⑧⑨が今回設定した耐久性基準であり，それぞれ①②が表６の加工１・加工２，⑧⑨が表６の観察１・観察２に該当する。
5-6※ 5-6 のみ SEM 像と合成されていない
まず，加工ビーム（結果内番号①～⑥）の結果について記載する。表８と表９の同じ膜厚同士（4－5と 5-5 等）で分析結果を比較したところ，カーボン分布に大きな差は現れず，製膜時真空度の違いによる加工の差は見られなかった。
膜厚の違いによる加工の差について，線分析では余り確認できないが，マッピング結果では表８表９ともに②の部分で大きな差がでた。②の結果を 4-1から 4-6 へ順に追っていくと，徐々にカーボンの黒い点が増えていくことが確認でき，4-6 では全体的にカーボンの黒い点が多く，削り残しがあることが確認できる。
また，③～⑥の分析結果については，どの条件に置いてもビームを照射していない部分とほとんど同じであり，カーボン膜が削れていない事が確認できた。
次に観察ビーム（⑦～⑩）の結果について記載する。4-5 と 5-5 や 4-1 と 4-6 等，どの条件を比較しても測定結果にビームを照射していない部分と変化がなかった。このことから，観察ビームはカーボン膜に対し，影響がないことが確認できた。
これらの結果をまとめたのが表１０であり，この表から真空度に関わらず 100 nm～200nm の膜であれば今回設定した耐久性基準を満たすことが分かった。

６．まとめ
代表的な FIB 加工や過去の加工経験から耐久性基準ビームを作成し，ビーム照射後のカーボン残量を EDXで測定し評価を行った。
評価サンプルは，膜厚と製膜時の真空度の違いによる変化を見るため，シャープペンの心を蒸発源とした
真空デバイス製カーボンコータ VC-100（低真空）とVE-2030（高真空）を使用して製膜した。
その結果，FIB 用試料保護膜は製膜時の真空度に関係なく 100nm～200nm の膜厚があれば十分対応できる事が分かり，シャープペン式カーボンコータでも十分製膜可能であることが確認できた。
７．今後の課題
今回評価できなかった散乱ビームによる被害（3.2
記載事項）等を含め，観察試料をどの程度守れるかを検証するため，実際に観察サンプルを作成し TEM による観察や分析を行い，裏付けをとる必要があると思われる。