JP5125184B2 - 微小試料加工観察方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、被観察対象物の表面のみならず表面に近い内部の断面をも観察分析することを必要とする、半導体デバイス，液晶デバイス，磁気ヘッド、等の電子デバイスやマイクロデバイス等の研究開発や製造における観察・分析・評価手段として利用される装置システムに関する。

ダイナミックランダムアクセスメモリに代表される半導体メモリやマイクロプロセッサ，半導体レーザなど半導体デバイス、および磁気ヘッドなど電子部品の製造においては、製品の品質管理のために製造工程途中あるいは終了の段階で製品特性が検査される。検査では、製作寸法の計測や、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。

特に異常箇所が製品の内部に存在する場合は、従来、集束イオンビーム(Focused Ion beam : ＦＩＢ）装置と電子顕微鏡を組み合わせた、微細加工観察装置が用いられる機会
が増している。この装置は特許文献１に開示されている。

同種の装置の概略構成を、図１６を用いて説明する。走査電子顕微鏡機能を有する集束イオンビーム装置は、真空試料室６０を有しており、イオン源１，イオンビーム走査偏向器３、およびレンズ２などから構成される集束イオンビーム光学系３１，ＦＩＢ照射によって試料から放出する二次電子や二次イオンを検出する二次粒子検出器６，半導体ウェーハや半導体チップなどのウェーハ２１を載置する試料台２４などが配置されている。また、電子ビームを放出する電子銃７，電子ビームレンズ９，電子ビーム走査偏向器１０、などから構成される走査電子顕微鏡光学系４１を設置している。

次に、本装置の動作について説明する。まず、イオン源１から放出したイオンを、レンズ３１を通してウェーハ２１に照射する。ＦＩＢ４は試料上で直径数ナノメートルから１マイクロメートル程度に細束化される。ＦＩＢ４をウェーハ２１に照射するとスパッタリング現象により試料表面の構成原子が真空中に放出される。したがってイオンビーム走査偏向器３を用いてＦＩＢ４を走査させることで、マイクロメートルからサブマイクロメートルレベルの加工ができることになる。そこで、図１４において試料となるウェーハ２１を装置内部の試料台２４に載せ、座標値で指定された観察箇所ｐ１を位置出し後、観察箇所にＦＩＢ４を照射し溝穴を掘り、図１５に示す観察箇所の内部断面ｓ１を創生する。創生された溝穴の外面や内壁面を、電子ビーム照射による走査電子顕微鏡機能で観察したり、分析装置５１で適宜分析する。尚、ウェーハプロセスで用いられる従来の微細加工観察装置は、集束イオンビーム光学系と電子ビーム光学系を、試料表面の観察部位で両ビーム軸が交差する様に配置されている。

ところで最近、観察部位を含むミクロンオーダーの微小領域を切出した微小試料を加工観察装置の外部へ取り出し、別途用意した装置に微小試料を移して最適形状に追加工し観察・分析する方法が考案され利用されている。この方法は、特許文献２に開示されている。

この方法は図１７に示すように、まず、試料１０２の表面に対しＦＩＢ４が直角に照射するように試料１０２の姿勢を保ち、試料上でＦＩＢ４を矩形に走査させ、試料表面に所要の深さの角穴１０７を形成する（図１７（ａ））。次に、試料１０２を傾斜させ、底穴１０８を形成する。試料１０２の傾斜角の変更は、試料台（図示せず）によって行われる（図１７（ｂ））。試料１０２の姿勢を変更し、試料１０２の表面がＦＩＢ４に対して再び垂直になるように試料１０２を設置し、切り欠き溝１０９を形成する（図１７（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７２の先端を、試料１０２を分離する部分に接触させる（図１７(ｄ)）。ガスノズル１１０から堆積性ガス１０５を供給し、ＦＩＢ４をプローブ７２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１０４と略す）を形成する。接触状態にある試料１０２の分離部分とプローブ７２の先端はデポ膜１０４で接続される（図１７
（ｅ））。ＦＩＢ４で残りの部分を切り欠き加工し(図１７(ｆ))、試料１０２から分離試料である微小試料１２を切出す。切出された分離試料１２は、接続されたプローブ７２で支持された状態になる（図１７（ｇ））。この微小試料１２を、ＦＩＢ４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。以上がウェーハなどの試料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を本微細加工装置の外に取り出し、各種観察・分析装置に導入することで解析することができる。但し、試料を大気に晒すことを嫌う場合には利用できない。また、別装置も必要になるため設備コストや設置スペースの増加することが避けられない。

特開平１１−２６０３０７号公報 特開平０５−５２７２１号公報

以上述べた従来法には次のような問題がある。

問題（１）ＦＩＢ加工で形成した試料の穴溝断面を観察するには、試料台を傾斜させることにより斜め方向から穴溝内壁断面を観察する。その場合、ＦＩＢ装置のワーキングディスタンスや、対物レンズの存在、或るいは試料台の大きさに起因する構造上の制約により試料台の傾斜角度調整範囲が、制限され、それ以上の角度に傾斜できない。従って溝内壁断面の垂直観察は不可能である。しかしながら半導体デバイス製造のプロセス開発等におけるドライエッチング，平坦化，薄膜形成等の処理特性確認では垂直断面観察が不可欠であるが、上記公知例の装置では対応できなかった。

問題（２）斜め観察による分解能低下が大きな問題になる。ウェーハ表面に対し斜め上方から電子ビームを照射し穴溝内壁断面を観察する場合、ウェーハ表面に垂直方向即ち溝穴内壁断面の観察分解能が低下する。低下率は、およそ３０°では約１５％、最も多用される４５°近辺では３０％にも達する。最近の半導体デバイスの微細化は極限に達しており、数ナノメータ以下の精度での寸法や形状の測定が必要となっている。要求される観察分解能は３ｎｍ以下と、走査電子顕微鏡の技術的限界域に突入している。加えてこの程度の高分解能下では焦点深度が極めて浅くなり１μｍの数１０％以下の範囲しかピントが合わないため、斜め観察時のデバイス縦方向断面の適正観察範囲は、要求領域の半分にも満たない場合が頻発する。この問題は垂直観察することにより全観察領域で焦点の合った高品位な観察が可能にできる。

問題（３）観察断面がウェーハ上に形成した微小な溝穴壁面に存在するため、穴から出てくる二次電子の数密度がウェーハ表面と比較して減少する。従って二次電子検出効率が低下することで二次電子像のＳ／Ｎの低下を招き、断面観察の精度低下を余儀なくされた。

ＬＳＩパターンの微細化は止まることなく２〜３年毎に３０％低減するペースで進んでおり、観察装置には益々高い分解能が要求されている。更には電子ビームを照射して励起される原子特性Ｘ線の面分布をＸ線検出器で測定して元素分析(ＥＤＸ分析)を行っても、試料中への電子ビーム侵入によるＸ線発生領域の拡大により、電子ビーム径が０.１μｍ 以下であっても、分析の面分解能は約１μｍとなってしまい、微細な構造を持つＬＳＩ素子断面の分析には不十分であった。

問題（４）断面垂直観察が不可欠とされる事例として、ウェーハプロセスにおけるエッチング加工，溝穴埋め込み，平坦化加工等の出来栄え評価が挙げられる。加工断面の寸法や形状を正確に測定するために、従来はウェーハから見たい断面を含むチップサイズの試料を割り出し、汎用の走査電子顕微鏡などで観察している。ところがデバイスの微細化進展やウェーハの大口径化に伴い、素子回路パターンの観察したい位置で正確に破断する作業が非常に難しいため失敗も出ている。一方、評価用ウェーハの供給能力不足や価格上昇のため評価試料作成の失敗が許されない状況にある。

問題（５）特許文献２に開示された手法では観察・分析の精度は分解能など十分な水準を確保できるが、試料を従来装置内で製作し、これを装置外部に取りだし、別に用意した観察・分析装置に導入する必要があるため、微小試料の取り出しから加工・観察・分析までの所要時間が数時間にも及ぶ問題があった。加えて、試料を大気に暴露すると酸化や吸湿等で劣化するケースでは、その回避が困難であった。半導体デバイスの断面観察は、最近では半導体製造時の有益な検査手法として重視されつつあり、その場合の処理能力は現時点で毎時２〜３ヶ所以上の観察・分析が望まれており、今後さらなる高速処理が要望される動向にある。この要望に対して従来法の処理能力は極端に低いという問題が解決されていない。

上述の問題点に鑑み、本願の目的は、対象試料の内部断面を垂直断面観察できて、高分解能，高精度，高スループット，大気暴露による劣化無し、失敗無しに観察・分析できる微小試料加工観察装置および微小試料加工観察方法を提供することにある。

本発明は、集束イオンビームを照射できる集束イオンビーム光学系と、電子ビームを照射できる電子ビーム光学系と、試料を載置する試料台と、二次粒子を検出する二次粒子検出器と、前記集束イオンビームにより前記試料から切取られた微小試料を支持できるプローブと、前記試料台及び前記プローブをその内部に有する真空試料室と、を備え、前記集束イオンビーム光学系の中心軸と、前記電子ビーム光学系の中心軸と、が前記試料の表面付近で一点に交わるように調整され、前記プローブが回転でき、当該プローブに微動機構が設けられている微小試料加工観察装置に関する。
本発明は、集束イオンビームを照射できる集束イオンビーム光学系と、電子ビームを照射できる電子ビーム光学系と、試料を載置する試料台と、二次粒子を検出する二次粒子検出器と、前記集束イオンビームにより前記試料から切取られた微小試料を支持できるプローブと、前記試料台及び前記プローブをその内部に有し、前記集束イオンビーム光学系と前記電子ビーム光学系が設置された真空試料室と、を備え、前記集束イオンビーム光学系の中心軸と、前記電子ビーム光学系の中心軸と、が前記試料の表面付近で一点に交わるように調整され、前記プローブはプローブの中心軸を中心に回転可能であり、当該プローブに前記電子ビームに対する前記微小試料の位置を変更するように前記プローブを移動する微動機構が設けられている微小試料加工観察装置に関する。

本発明により、益々微細化が進むＬＳＩデバイス等の内部観察を高分解能で高品質かつ短時間で実施できる微小試料加工観察装置および微小試料加工観察方法が実現できる。さらに薄膜成形加工した微小試料をＥＤＸ分析して高精度な元素分析することにより、総合的に断面の観察や分析の効率の良い微小試料加工観察装置を提供できる。

本発明の実施形態である微小試料加工観察装置の構成及びその動作を説明する。
（実施例１）
第１の実施例の装置構成と動作を図１，図２および図３を用いて説明する。図１，図２は装置全体構成を、図３は集束イオビーム光学系、走査電子顕微鏡光学系および試料台周辺の構成を詳細に示す。なお、本実施の形態では、本発明の微小試料加工観察装置のうちウェーハ対応装置を示す。また、図３は、図１の概略俯瞰断面を表しているが、説明の都合上、機器の向きや詳細には幾分の相違があるが本質的差ではない。図１において、装置システムの中心部には集束イオンビーム光学系３１と電子ビーム光学系４１が真空試料室６０の上部に適宜設置されている。真空試料室６０の内部には試料となるウェーハ２１を載置する試料台２４が設置されている。２基の光学系３１及び４１は各々の中心軸がウェーハ２１表面付近で一点に交わるように調整されている。試料台２４にはウェーハ２１を前後左右に高精度で移動する機構を内蔵しており、ウェーハ２１上の指定箇所が集束イオンビーム光学系３１の真下に来るように制御される。試料台２４は回転，上下、あるいは傾斜する機能を有する。真空試料室６０には図示を省略した排気装置が接続され適切な圧力に制御されている。尚、光学系３１，４１にも図示を省略した排気系を個別に備え適切な圧力に維持している。真空試料室６０内にはウェーハ導入手段６１，ウェーハ搬送手段６２を有する。真空試料室６０に隣接してウェーハ移載ロボット８２，カセット導入手段８１が配置されている。真空試料室６０の左隣には装置全体及び試料加工観察評価の一連の処理を制御管理する操作制御部１００を配備している。

次に、本実施形態のウェーハ導入操作を概説する。ウェーハカセット２３がカセット導入手段８１のテーブルに置かれ、作業開始指令が操作制御卓１００から発せられると、ウェーハ搬送ロボット８２がカセット内の指定されたスロットから試料となるウェーハを引き出し、図２に示すオリエンテーション調整手段８３でウェーハ２１の向きを所定の位置に調整される。次いで、ウェーハ２１はウェーハ搬送ロボット８２によりウェーハ導入手段６１上部のハッチ６２が開かれた時点でウェーハを載置台６３に乗せられる。ハッチ
６２を閉じると、ウェーハ周囲に狭い空間が形成されロードロック室となり、図示を省略した真空排気手段で排気した後、載置台６３を下降する。次いで、ウェーハ搬送手段６１が載置台６３のウェーハ２１を取り上げ、真空試料室６０中央の試料台２４に載置する。
尚、試料台２４にはウェーハ２１の反り矯正や振動防止のためウェーハ２１をチャックする手段を必要に応じて設ける。ウェーハ２１上の観察分析位置ｐ１の座標値を操作制御部１００から入力して、試料台２４を動かしウェーハ２１の観察分析位置ｐ１を集束イオンビーム光学系３１の直下に合わせて停止する。

次に、図３を用いて試料加工観察評価の過程を説明する。本発明の微小試料加工観察装置では、集束イオビーム光学系３１は、イオン源１，イオン源１から放出するイオンビームを集束するレンズ２，イオンビーム走査偏向器３等で構成され、また、電子ビーム光学系４１は、電子銃７，前記電子銃７から放出する電子ビーム８を集束する電子レンズ９，電子ビーム走査偏向器１０で構成される。その他に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）４または電子ビーム８をウェーハ２１に照射してウェーハからの二次粒子を検出するための二次粒子検出器６，ウェーハ２１を載せる可動の試料台２４，所望の試料位置を特定するため試料台の位置を制御する試料台制御装置２５，プローブ７２の先端を微小試料の摘出位置に移動し、摘出し、集束イオンビーム（ＦＩＢ）４または電子ビーム８を照射して微小試料の特定位置を観察評価する上で最適な位置や方向を制御するためのマニピュレータ制御装置１５と電子ビーム８の照射時に励起される原子特性Ｘ線検出のためのＸ線検出器１６と、堆積ガス供給装置１７を備えている。

次に、本実施形態で、ウェーハ導入後の試料加工観察評価の過程を概説する。まず、試料台を下げてプローブ７２の先端をウェーハ２１から離した状態で、試料台２４に対して水平方向（ＸＹ方向）にプローブ７２を移動し、プローブ７２の先端をＦＩＢ４の走査領域に設定する。マニピュレータ制御装置１５は位置座標を保存した後、プローブ７２を退避する。

集束イオンビーム光学系３１からＦＩＢ４をウェーハ２１に照射して、図４に示すように観察分析位置ｐ２を横切ってコの字を描くように溝を形成する。加工領域は、長さ約５μｍ，幅約１μｍ，深さ約３μｍであり、片方側面でウェーハ２１と接続している。その後、試料台２４を傾斜させ、ＦＩＢ４で三角柱の斜面を形成するように加工する。ただし、この状態では、微小試料２２とウェーハ２１とは支持部で接続されている。

次に、試料台２４傾斜を戻した後、微小試料２２に、マニピュレータ７０先端のプローブ７２を微小試料２２の端部に接触させた後に、ＦＩＢ４の照射により堆積性ガスを接触点７５に堆積させてプローブ７２を微小試料２２に接合し一体化する。更に、支持部Ｓ２をＦＩＢ４で切断して微小試料２２を切取る。微小試料２２はプローブ７２に支持された状態になり、観察・分析を目的とする表面及び内部断面が微小試料２２の観察分析面ｐ３として取り出す準備が完了する。

次に、図５の（ｂ）に示すように、マニピュレータ７０を操作して微小試料２２をウェーハ２１表面から浮上する高さまで持ち上げる。尚、必要に応じてプローブ７２に支持された状態で微小試料２２にＦＩＢ４の照射角をマニピュレータの回転操作で適切に追加工して所望の観察断面ｐ３を形成する。この追加工の一例としてＦＩＢ４が持つビームのテーパによって斜めに形成された観察断面ｐ２を真に垂直断面とするための仕上げ加工がある。これまで行われてきた断面加工／観察ではＦＩＢで掘った穴の側壁を観察面としなければならなかったのに対し、本実施例装置によれば、持ち上げた後に追加工することが可能であり、観察対象面を適宜移動させつつ、対加工を行うことができるので、所望の断面を適正に形成することが可能になる。

次に、微小試料２２を回転させて、電子ビーム光学系４１の電子ビーム８が観察断面
ｐ３へ概略垂直に入射するようにマニピュレータ７０を動かして微小試料２２の姿勢を制御した後静止させる。これにより、二次粒子検出器６での二次電子の検出効率は、試料断面を観察する場合であっても、ウェーハ最表面を観察する場合と同程度になり、微小試料２２の観察分析面ｐ３の観察条件は非常に良好なものになり、従来例で問題であった分解能の低下を回避でき、しかも観察分析面ｐ２，ｐ３の角度を望ましい角度に調整できるので、より綿密な観察分析ができるようになる。

また、微小試料２２を、装置の外部に取り出すことなく、真空雰囲気の試料室内に置いたまま、観察・分析するため、対象試料の内部断面を室内大気暴露による汚染や異物付着無しに、高分解能，高精度，最適角度での観察・分析が実現可能となる。しかも１時間当たり２〜３ヶ所以上の高い処理能力での観察・分析が可能となる。

更に、本実施例装置では観察断面ｐ３を持つ微小試料２２を、マニュピュレータ７０によって種々の傾斜や移動を行うことができるので、例えば観察断面ｐ２に孔を設け、試料内部の３次元的な断層形成状態をも確認することが可能になる。

なお、図３の例ではＦＩＢ４を挟んで対向して、マニュピュレータ７０と電子ビーム光学系４１が形成されているが、マニピュレータ７０等の動作数を減らして加工／観察時間を極力減らすためは、マニピュレータ７０と電子ビーム光学系４１間の相対角度が、FIB4の照射方向に対し垂直な面内で、９０°に近い角度となるように形成されることが望ましい。なぜならこのように形成することによって、マニピュレータ７０は、ウェーハ２１から微小試料２２を持ち上げる動作、電子ビーム８に対し観察断面ｐ２が垂直となるようにプローブ７２を回転させる動作、及びその他の微調動作のみを行えば良いからである。

また、上記説明ではウェーハ２１からマニピュレータ７０によって、微小試料２２を持ち上げる例を用いているが、これに限られることはなくウェーハ２１を降下させることにより、結果的に微小試料２２を持ち上げるようにしても良い。この場合、試料台２４にはウェーハ２１をＺ方向（ＦＩＢ４の光軸方向）に移動させるＺ軸移動機構を設けておく。
このような構成によれば、ウェーハ２１内の微小試料２２となる個所に、電子ビーム光学系４１の光軸を位置づけた状態で微小試料２２の切出しと持ち上げを行うことが可能になる。この場合、ＦＩＢ４による微小試料２２の切出しから、観察断面ｐ２の観察に至るまでの工程を電子顕微鏡で確認しつつ実行でき、かつその間の照射位置の変更をあまり行うことなく実現することが可能になる。

なお電子ビーム光学系４１によって、ウェーハ２１の表面を斜めから見た電子顕微鏡像が得られるが、この電子顕微鏡像に、加工予定断面やＦＩＢ４による加工到達位置を重畳しモデル表示すれば、ＦＩＢ４による断面加工状態を容易に確認することができる。加工予定断面を電子顕微鏡像に重畳表示するには、設定される加工深さと、倍率から算出される電子顕微鏡像内の寸法に基づいて、断面となる部分を示すアニメーションを電子顕微鏡に重畳表示する。

また、ＦＩＢの電流や加速電圧，試料の材質等に基づいてリアルタイムでの加工深さを算出し、電子顕微鏡像に現在の加工深さ表すアニメーションを重畳表示するようにすれば、加工の進行状況を確認することが容易になる。本実施例装置の電子ビーム光学系４１はウェーハ２１に対し俯瞰的位置に配置されており、電子顕微鏡像は俯瞰像となるため、上記アニメーションも併せて立体的に表示することにより、加工状況をより明確に確認することができる。

更に、本実施例装置ではウェーハ２１に対しＦＩＢを走査することにより得られる二次電子に基づいて形成される走査イオン顕微鏡像（ＳＩＭ像）上で、断面加工位置を設定する機能を備えているが、断面位置と加工深さの入力に基づいて、その他の設定や装置の動作（試料台の駆動やイオンビームによる加工位置の決定）を自動的に行うようなシーケンスを設けることもできる。この場合、まずＳＩＭ像上で観察断面ｐ３の上辺となる部分を指定すると共に、加工深さ（観察断面ｐ３の深さ方向の寸法）を設定する。この２つの設定に基づいて、微小試料２２の傾斜部の形成角度と観察分析面ｐ３を自動決定し、この設定によってその後の加工を自動的に行う。また観察分析面ｐ３（矩形領域）をＳＩＭ像上で設定すると共に、加工深さを設定することによって、その後の加工を自動的に行うシーケンスを設けることも可能である。

なお、本実施例装置では、微小試料２２を持ち上げた後、電子ビーム８に対し観察断面ｐ３が適正に位置づけられるように、プローブ７２には微動機構（図示せず）が設けられている。例えば図４の例では、単にプローブ７２を回動させると、微小試料２２はプローブ７２との接着点を中心に回転するので、観察断面ｐ３は微小試料２２の長手方向を回転軸とする回転だけではなく、ＦＩＢ４の照射方向を回転軸とする回転の成分が含まれることになる。この回転成分を除去するための微動機構をプローブ７２に持たせておき、プローブ７２の回転に併せて、或るいは回転動作とは異なるタイミングで微動機構を動作させることにより、電子ビーム８光軸に対する垂直面内に、観察断面ｐ３を正確に位置づけることが可能となる。また、ＦＩＢ４の光軸に対し垂直な面内において、電子ビーム光学系４１に対し、プローブ７２を９０°より若干大きな角度となるように配置することによっても同等の効果を得ることができる。この場合、プローブ７２を電子ビーム光学系４１に対し、上記集束イオンビームの照射方向を回転軸とする回転成分＋９０°に配置することによって、その効果を達成する。

また、ＦＩＢ４の照射方向を回転軸とする回転成分が含まれるのは、プローブ７２の回転軸が観察分析面ｐ２や観察断面ｐ３に対して斜めになっていることに起因する。即ち回転軸が、観察分析面ｐ２と観察断面ｐ３に平行となるようにプローブ７２を形成すれば、上記問題を解決することができる。そのために図３のような鏡体構造を持つ装置の場合、ウェーハ２１表面に平行（ＦＩＢ４の光軸に対して垂直）にプローブ７２の回転軸を形成すると良い。そしてプローブ７２の先端を湾曲させることで、ウェーハ２１表面に平行な回転軸を持つプローブであっても、微小試料２２を支持することが可能になる。更にプローブの回転と平行移動によって電子ビーム８の光軸下に試料を移動できるよう、電子ビーム光学系４１に対し垂直となるようにプローブ７２の回転軸を形成すると良い。

またマニピュレータ制御装置１５からの駆動動力を、プローブ保持部７１とは異なる高さであって且つウェーハ２１と平行な回転軸を持つプローブに伝達するような機構を設ければ、微小試料２２を大きく振りまわすことなく、電子ビーム８に対する観察断面ｐ３の位置合わせを行うことができる。

なお、プローブ７２で宙吊り状態となった微小試料２２は振動の影響を受け易いので、高倍率や振動の多い設置環境下で観察・分析する場合には、微小試料２２を、ウェーハ
２１上の支障ない位置へ着地させるか、試料台のウェーハ周辺の空き地に設けた微小試料ポートへ着地させることにより微小試料の振動を大幅に抑えることができ、良質の観察・分析が可能となる。図１８に示す例はその一例であり、切出した微小試料２２をウェーハ２１の上に接地させることで、耐震性を向上させた例を示す図である。このような手法を採る場合、微小試料の接地位置と、電子ビーム８の光軸が一致するように予めシーケンスを組んでおくと良い。

尚、図４に示す微小試料２２の作成では、微小試料２２を五面体となるように加工した。これにより、特に、微小試料を分離するのに加工に無駄が少なく、短時間の微小試料作製が実現する。但し、図示を省略するが最も加工面が少ないため加工時間を最小化できる四面体や、これに近い形状にしても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。

また、微小試料２２の上で電子ビーム８を走査するＥＤＸ分析では、電子ビーム照射による侵入距離約１μｍよりも電子ビーム照射方向に薄く微小試料２２を製膜すると元素分析精度が向上する。
（実施例２）
本発明の第２の実施例である微小試料加工観察装置の構成およびその動作を、装置全体構成を示す図６，図７を用いて説明する。ここで、図７は図６の平面図を表しているが、説明の都合上、機器の向きや詳細には幾分の相違があるが本質的差ではない。本装置では、装置システムの中心部の真空試料室６０の上部に、集束イオンビーム光学系３１が垂直に設置され、更に第２の集束イオンビーム光学系３２が約４０°傾斜して設置されている。また、電子ビーム光学系４１は約４５°傾斜して設置されている。３基の光学系３１，３２及び４１は各々の中心軸がウェーハ２１表面付近で一点に交わるように調整されている。また、第１の実施例の装置と同様に、真空試料室６０の内部には試料となるウェーハ２１を載置する試料台２４が設置されている。ただし、本実施例の試料台２４は水平移動（Ｘ−Ｙ），回転，上下移動する機能は有するが、傾斜機能は必ずしも必要ではない。

次に、本装置による試料作製動作を、図４を用いて説明する。まず、集束イオンビーム光学系３１からＦＩＢ４をウェーハ２１に照射して、図４に示すように観察分析位置ｐ２を横切ってコの字を描くように溝を形成する。ここまでは、実施の形態１と同様である。
次に、三角柱の斜面を形成するのは、もう一基の集束イオンビーム光学系３２からのFIB4により加工する。ただし、この状態では、微小試料２２とウェーハ２１とは支持部で接続されている。この後、再び、集束イオンビーム光学系３１からＦＩＢ４を用い、実施の形態１と同様に微小試料を切取る。すなわち、微小試料２２に、マニピュレータ７０のプローブ保持部７１先端のプローブ７２を微小試料２２の端部に接触させた後に、ＦＩＢ４の照射により堆積性ガスを接触点７５に堆積させてプローブ７２を微小試料２２に接合し一体化し、支持部をＦＩＢ４で切断して微小試料２２を切取る。この後、微小試料２２の観察・分析等の工程は、実施の形態１と同様である。

以上に述べたように、本実施の形態も、第１の実施例と同様に、高分解能で高速の観察分析ができる。本実施の形態では、特に、２基の集束イオンビーム光学系を用いることにより、試料台の傾斜を不要にできる。試料台の傾斜機構を省略できることにより試料台の位置決め精度を数倍〜１０倍以上向上できる。ＬＳＩデバイス製造現場では、近年各種ウェーハ検査評価装置に異物検査や欠陥検査を行い、ウェーハ上の異常個所の特性並びに座標データを収録し、その座標データをその後の更なる詳細検査用装置が受け取って指定座標位置を割り出して観察分析を行うことが慣例になってきた。位置決め精度が高いことにより試料ウェーハ２１の観察個所の位置割り出し処理を自動化でき、しかもそのアルゴリズムを単純化できる。これにより所要時間が大幅に短縮できるので高いスループットが得られる。更には、傾斜機構を持たない試料台は小形軽量で高剛性を得やすく信頼性も増すので、より高品質な観察分析ができ、装置の小型化や低コスト化も可能になる。

尚、集束イオンビーム光学系３１にスイング機能を待たせて垂直位置と傾斜位置の２ポジションを適宜往来させることにより、試料台２４を傾斜せずに、第２の実施例と同様の処理が可能になり、本発明の効果を得ることができる。
（実施例３）
本発明の第３の実施例である微小試料加工観察装置の構成およびその動作を、装置全体構成を示す図８，図９を用いて説明する。ここで、図９は図８の平面図を表しているが、説明の都合上、機器の向きや詳細には幾分の相違があるが本質的差ではない。本実施例の装置では、装置システムの中心部の真空試料室６０の上部に、集束イオンビーム光学系
３３が約４５°傾斜して設置されている。また、電子ビーム光学系４２も約４５°傾斜して設置されている。２基の光学系３３，４２は各々の中心軸がウェーハ２１表面付近で一点に交わるように調整されている。また、第１の実施例の装置と同様に、真空試料室６０の内部には試料台２４が設置されている。また第２の実施例と同様に、試料台２４は傾斜機能を持たない。

次に、本実施形態で、ウェーハ導入後の試料加工観察評価の過程を、図１９を交えて説明する。まず、試料台を下げてプローブ７２の先端をウェーハ２１から離した状態で、試料台２４に対して水平方向（ＸＹ方向）にプローブ７２を移動し、プローブ７２の先端をＦＩＢ４の走査領域に設定する。マニピュレータ制御装置１５は位置座標を保存した後、プローブ７２を退避する。

集束イオンビーム光学系３３の光軸を含む垂直平面とウェーハ上面の交線が、形成したい試料の観察断面に重なる方向へ試料台の方角を合わせる。次にＦＩＢ４をウェーハ２１に照射し走査して観察に必要な長さと深さの垂直断面Ｃ１を形成する。次に、形成済みの断面と交差する斜方切断面Ｃ２を形成する。この切断面Ｃ２の形成の際、斜面の傾斜角が得られる位置まで試料台を水平に回転して方向を定める。次いで、垂直切断線に平行して斜め溝をＦＩＢ４で形成する。更に、この溝に直角に一端Ｃ３を切断する。加工領域は、長さ約５μｍ，幅約１μｍ，深さ約３μｍであり、長さ約５μｍの片持ち梁状態でウェーハ２１と接続している。次に、微小試料２２に、マニピュレータ７０先端のプローブ７２を微小試料２２の端部に接触させた後に、ＦＩＢ４の照射により堆積性ガスを接触点７５に堆積させてプローブ７２を微小試料２２に接合し一体化する。その後、ＦＩＢ４で微小試料を支持する他端Ｃ４をＦＩＢ４で切断して微小試料２２を切取る。微小試料２２はプローブ７２に支持された状態になり、観察・分析を目的とする表面及び内部断面が微小試料２２の観察分析面ｐ３として取り出す準備が完了する。以降の処理は、集束イオンビーム光学系による加工・観察、或いは電子ビーム光学系による観察に最適な方角へ微小試料の向きを設定する際に試料台２４の向きも適宜調整する必要が生じる以外は、第１の実施例とほぼ同様につき説明を省く。

以上に述べたように、本実施の形態も、第１の実施例と同様に、高分解能で高速の観察分析ができる。本実施例は、１基の集束イオンビーム光学系を試料台に対して傾斜させることにより、試料台に傾斜機能を持たせることなくウェーハから微小試料を切出して摘出できる特長がある。光学系の周りには多くの機器を併せ搭載する必要があるのでスペース難となっており、それらの機器の合計質量も大きいため取付基板の剛性確保を含めた設計を難しいものにしている。またメンテナンス性も気掛かりとなる。本実施例は、試料台の傾斜機構が不要で、しかも集束イオンビーム光学系が１基で済むため、構造が単純で軽量小形にできコストも低減できる。
（実施例４）
本発明の第４の実施例である微小試料加工観察装置の概略構成を図１０を用いて説明する。本実施例では、図３に示した微小試料加工観察装置の基本構成に、第２試料台１８と、第２試料台の角度や高さ等を制御する第２試料台制御装置１９を加えたものである。本実施例における集束イオンビーム光学系３１からイオンビームを試料に照射してウェーハから微小試料を摘出するまでの過程は第１実施例と同様である。本実施例は、摘出した微小試料を、マニピュレータで支持した状態で観察・分析する代わりに、第２試料台に固定し観察・分析を行うものである。

図１１は、第２試料台１８に微小試料２２を固定した状態を示す。本実施例の第２試料台１８の微小試料固定部分には表面を平坦にした部材を用いているが、平坦であるかどうかは問わない。微小試料の底面を第２試料台１８に接触して、ＦＩＢ４で堆積性ガスを第２試料台１８と微小試料２２の接触点に堆積させて、アシストデポ膜７６で第２試料台
１８への微小試料２２を固定する。なお、微小試料２２作成時や、該堆積性ガスを堆積させた時などに、観察断面の表面への異物吸着や観察断面の表面が破壊される不都合を予防するために、ＦＩＢ４の照射角を微小試料の観察断面に平行になるように第２試料台操作で適切に角度設定した後、ＦＩＢ４を照射して所望の観察断面を作成することもできる。

図１２に示す第２試料台を設置することにより複数の微小試料をまとめて扱うこともできる。ウェーハ２１から微小試料２２を摘出し、試料台脇の第２試料台１８の適所へ固定し、次の微小試料２２を摘出する操作を繰り返すことにより、ウェーハ２１を試料台２４に固定したまま複数個の断面観察と元素分析が可能であり、ウェーハ２１全体に亘る断面構造の分布を効率的に調べることができる。

図１２において、第２試料台１８に微小試料を数個並べて固定し、電子ビーム８に対して微小試料２２が適切な角度になるように試料台２４の停止方位と第２試料台１８の角度を併せ調整した状態で試料観察・分析を行えば、複数個の微小試料を連続的あるいは比較しながら繰り返し観察分析できるので、ウェーハ２１全体に亘って断面構造や元素分布を詳細かつ能率的に調べることができる。また、図１３に示す第２試料台１８は、回転可能な柱状の試料台の外周面に微小試料群を配列できるものであり、図１２の場合より更に多数の微小試料を一度に扱うことができる。

また、微小試料２２を試料回収トレイ内の指定位置に脱着して回収し、微小試料の識別手段を付しておくことにより、事後の詳細評価が必要な場合に再び取りだし観察・分析を実施することも可能である。

以上に述べたように、本実施例も、ウェーハ表面を観察する場合と同程度の二次電子検出効率が得られること、観察分析の角度を、垂直観察を含めた望ましい角度に調整できること、真空雰囲気の試料室内に置いたまま観察できること、等により、微小試料２２の観察条件は非常に良好になるので、従来問題であった分解能の低下を回避でき、しかも最適，綿密な観察分析を迅速で高効率に行うことができる。結果として高品質な観察分析を高スループットで実行できる。

本発明の一実施例の装置全体構成。 本発明の一実施例の装置全体構成で平面図。 本発明の一実施例の装置詳細構成。 本発明の微小試料加工方法の例。 本発明の微小試料観察方法の例。 本発明の第二実施例の装置全体構成。 本発明の第二実施例の装置全体構成で平面図。 本発明の第三実施例の装置全体構成。 本発明の第三実施例の装置全体構成で平面図。 本発明の第四実施例の装置詳細構成。 本発明の第四実施例の主要部詳細図。 本発明の第四実施例の主要部詳細図。 本発明の第四実施例の主要部詳細図。 従来の加工方法。 従来の観察方法。 従来の装置の概略構成図。 従来の微小試料作製方法。 本発明の微小試料観察方法の例。 本発明の微小試料観察方法の例。

符号の説明

１…イオン源、２…レンズ、３…イオンビーム走査偏向器、４…集束イオンビーム
（ＦＩＢ）、５…中央制御表示装置、６…二次電子検出器、７…電子銃、８…電子ビーム、９…電子レンズ、１０…電子ビーム走査偏向器、１４…マニピュレータ、１５…マニピュレータ制御装置、１６…Ｘ線検出器、１７…堆積ガス供給装置、１８…第２試料台、
１９…第２試料台制御装置、２１…ウェーハ、２２…微小試料、２３…カセット、２４…試料台、２５…試料台制御装置、３１…集束イオンビーム光学系、３２…集束イオンビーム光学系、４１…電子ビーム光学系、５１…分析装置、６０…真空試料室、６１…ウェーハ搬送手段、６２…ハッチ、６３…載置台、７０…マニピュレータ、７１…プローブ保持部、７２…プローブ、７５…アシストデポ膜、８１…カセット導入手段、８２…ウェーハ搬送ロボット、８３…オリエンテーション調整手段、９０…ガス導入管、１００…操作制御部、１０１…試料、１０５…堆積性ガス、１０７…角穴、１０８…底穴、１０９…きりかき溝、１１０…ガスノズル、ｐ１…観察箇所、ｐ２…観察分析面、ｐ３…観察分析面、ｓ１…内部断面、ｓ２…支持部。

Claims (14)

1. 集束イオンビームを照射できる集束イオンビーム光学系と、
   電子ビームを照射できる電子ビーム光学系と、
   試料を載置する試料台と、
   二次粒子を検出する二次粒子検出器と、
   前記集束イオンビームにより前記試料から切取られた微小試料を支持できるプローブと、前記試料台及び前記プローブをその内部に有し、前記集束イオンビーム光学系と前記電子ビーム光学系が設置された真空試料室と、を備え、
   前記集束イオンビーム光学系の中心軸と、前記電子ビーム光学系の中心軸と、が前記試料の表面付近で一点に交わるように調整され、
   前記プローブはプローブの中心軸を中心に回転可能であり、当該プローブに前記電子ビームに対する前記微小試料の位置を変更するように前記プローブを移動する微動機構が設けられている微小試料加工観察装置。
2. 請求項１記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記プローブの回転と前記微動機構による前記プローブの移動とを同時に行うことが可能であることを特徴とする微小試料加工観察装置。
3. 請求項１記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記プローブの回転と前記微動機構による前記プローブの移動とを異なるタイミングで行うことが可能であることを特徴とする微小試料加工観察装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記プローブが試料台の平面移動方向に移動することを制御する制御装置を備えることを特徴とする微小試料加工観察装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記集束イオンビームの照射により堆積し、当該堆積により前記プローブと前記微小試料を接合し一体化することを可能とする堆積性ガスを供給する堆積ガス供給装置を備えることを特徴とする微小試料加工観察装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
   原子特性Ｘ線を検出するＸ線検出器を備えることを特徴とする微小試料加工観察装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記真空試料室に第２の集束イオンビーム光学系が設置されたことを特徴とする微小試料加工観察装置。
8. 請求項７記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記集束イオンビーム光学系の中心軸，前記第２の集束イオンビーム光学系の中心軸、及び前記電子ビーム光学系の中心軸、が前記試料の表面付近で一点に交わるように調整されていることを特徴とする微小試料加工観察装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
   前記微小試料を固定できる第２試料台を備えることを特徴とする微小試料加工観察装置。
10. 請求項９記載の微小試料加工観察装置であって、
    前記第２試料台の角度及び／又は高さを制御する第２試料台制御装置を備えることを特徴とする微小試料加工観察装置。
11. 請求項９〜１０のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
    前記第２試料台が回転可能であることを特徴とする微小試料加工観察装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
    前記試料が、半導体ウェーハであることを特徴とする微小試料加工観察装置。
13. 請求項１〜１１のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
    前記試料が、半導体デバイスであることを特徴とする微小試料加工観察装置。
14. 請求項１〜１１のいずれかに記載の微小試料加工観察装置であって、
    前記試料が、電子部品であることを特徴とする微小試料加工観察装置。

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