JP4291109B2 - 複合型荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置と電子顕微鏡（ＳＥＭ）が複合されたものであって、微細な加工と観察機能を備えたシステムに関する。

半導体のフォトマスクの黒欠陥（付着欠陥）や白欠陥（欠落欠陥）の修正加工や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の試料加工、或いは微細構造物の作製等にＦＩＢ装置が使われている。このＦＩＢ装置はＦＩＢによるスパッターエッチング、揮発性ガスを用いたガスアシストエッチング、そして原料ガスを噴射して加工するＣＶＤといった加工機能の他、イオン照射に起因して試料面から放出される二次荷電粒子を検出しての分析機能や走査型顕微鏡としての機能を備えている。ＦＩＢによる加工の状態を観察するのに、ＦＩＢ装置では走査型イオン顕微鏡の機能を用いてきたが、加工に用いるＦＩＢの照射方向と観察のためのＦＩＢの照射方向とは異なるため、加工途中で一旦加工を中断し試料ステージをチルトしてから観察のためのＦＩＢ走査を行い、再度もとの角度に戻して更なる加工を行うことになる。これによって時間のロスがあること、チルトすることによって照射位置のずれを生じること、更には観察のためにＦＩＢを照射することにより試料表面にダメージを与えてしまうことなどの問題があるため、最近はこのＦＩＢ装置に観察用の電子顕微鏡（ＳＥＭ）を併設し、ＦＩＢ鏡筒とは異なる角度で設置されているＳＥＭ鏡筒によって、ＦＩＢ加工途上において試料ステージをチルトすることなく、リアルタイムでＳＥＭ観察できる装置が提示されている。

特許文献１は、ＦＩＢ装置で加工している試料の断面の状態を確認しながらＦＩＢ加工を制御できる加工観察装置及び試料加工方法を提供することを目的としたもので、その構成はＦＩＢで加工中の試料の加工断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察するために、ＦＩＢ装置のイオン光学系の光軸に対しＳＥＭの電子光学系の光軸を垂直に配置し、更に、ステージ機構の駆動軸をイオン光学系の光軸と電子光学系の光軸の双方に対して垂直に設定した。また、ＦＩＢ加工中の加工断面におけるサブミクロンの微小部の状態を加工と同時に監視するために、ＦＩＢ装置とＳＥＭのそれぞれに信号検出器を設け、また、それぞれの装置に像表示のためのビーム走査制御回路と像表示制御回路を持たせ、これにより、独立の倍率でＦＩＢ装置とＳＥＭによる同時観察が可能になる。それぞれの装置で鮮明な像を得るために、ＦＩＢ装置はイオン像と二次電子像を検出表示できるようにし、ＳＥＭは二次電子像と反射電子像を検出表示できるようにした。ＦＩＢ装置でイオン像を検出する場合には検出器の引き込み電圧をマイナスに設定し、二次電子像を検出する場合には引き込み電圧をプラスに設定する。また、ＳＥＭで二次電子像を検出する場合には検出器の引き込み電圧をプラスに設定し、反射電子像を検出するには検出器の引き込み電圧を０にする。この装置はＦＩＢ装置の検出器とＳＥＭ装置の検出器をそれぞれに備え、検出器の引き込み電圧を切り替えて検出する荷電粒子を弁別するものである。ところが一方の検出器で二次イオンを検出し、他方の検出器で二次電子を検出しようとするとき、マイナス電荷の二次電子を検出するための引き込み電界(+)とプラス電荷の二次イオンを検出するための引き込み電界(−)が同極性の二次荷電粒子(二次電子、二次イオン)に対して試料方向に引き戻す力として作用するために、一方の電界が強すぎると他方の検出器への二次荷電粒子の入力を抑制し、得られる像が暗くなってしまうという問題が生じる。
特開２００１−８４９５１号公報「加工観察装置及び試料加工方法」平成１３年３月３０日公開 段落［０００５］［０００８］［０００５］［０００５］

本発明が解決しようとする問題点は、互いに異なる電荷を有する二次イオンと二次電子を検出するための引き込み電界が相手に及ぼす影響をバランスさせ、両方の検出器において必要な検出信号が得られる複合型荷電粒子ビーム装置を提供することにある。

本発明の複合型荷電粒子ビーム装置は、二次イオン検出器と二次電子検出器を併設する複合型荷電粒子ビーム装置であって、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の信号を同時にバランスよく得られるように前記二次イオン検出器と二次電子検出器の検出信号レベルを検知する手段と、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の引き込み電極には印加電圧可変手段が設けられると共に、前記検出信号レベルに基づいて前記印加電圧可変手段を制御する手段とを備えるものとした。

また、本発明の他の複合型荷電粒子ビーム装置は、二次イオン検出器と二次電子検出器を併設する複合型荷電粒子ビーム装置であって、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の信号を同時にバランスよく得られるように前記二次イオン検出器と二次電子検出器の検出信号レベルを検知する手段と、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の前方に印加電圧可変手段が設けられた引き込み電極を配置すると共に、前記検出信号レベルに基づいて前記印加電圧可変手段を制御する手段とを備えるようにした。

更に本発明の複合型荷電粒子ビーム装置は、二次イオン検出器及び二次電子検出器の引き込み電極と試料表面間に設けられた電界調整手段として試料表面の電位を調整するように試料ステージに印加電圧可変手段が設けられたものを提示する。

本発明の複合型荷電粒子ビーム装置は、二次イオン検出器と二次電子検出器の検出信号レベルを検知する手段と、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の引き込み電極には印加電圧可変手段が設けられると共に、前記検出信号レベルに基づいて前記印加電圧可変手段を制御する手段とを備えたものであるから、それぞれの検出信号レベルに応じて検出器の引き込み電圧を調整することができ、このフィードバック系によって検出する荷電粒子の数を調整でき、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の信号を同時にバランスよく得ることができる。

また、本発明の他の複合型荷電粒子ビーム装置は、二次イオン検出器と二次電子検出器の前方に印加電圧可変手段が設けられた引き込み電極を配置して、前記検出信号レベルに基づいて前記印加電圧可変手段を制御する手段とを備えたものであるから、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の信号を同時にバランスよく得られるだけでなく、引き込み電界とは独立に高段の検出系へ最適な検出効率が得られるエネルギーで粒子を入射させることができる。

本発明の複合型荷電粒子ビーム装置は、二次イオン検出器の信号を走査型イオン顕微鏡像として、また、二次電子検出器の信号を走査型電子顕微鏡像として用いることにより二次イオン像も二次電子像もそれぞれ鮮明に得ることができる。

イオンビームや電子ビームといった荷電粒子ビームを試料表面に照射すると、照射した荷電粒子が反射したり、照射した荷電粒子が試料内に打ち込まれたり、二次イオンや二次電子が放出されるといった現象が生じることはよく知られている。電子ビームを試料面に照射した場合図２に示すように試料面において反射される反射電子と試料内から放出される二次電子が混在する。反射電子の場合そのエネルギーは照射される一次電子ビームのエネルギーとほぼ同等であるのに対し、二次電子の方は数ｅＶ乃至数十ｅＶであって、前者は照射点から四方に勢いよく散乱し、後者は試料表面近傍でフラフラと浮遊状態となる。負電荷を持ったこの二次電子を二次電子検出器は陽極性を示す引き込み電極で吸引して検出器に取り込む。図４はこの二次電子検出器の代表例を示したもので、Ａは二次電子をシンチレータに導き、光子を発生させ次段の光電子増倍管で順次二次電子を増やし出力電極に至る。また、Ｂのものは引き込み電極で吸引した二次電子を後段のマイクロチャンネルプレートに取り込むものである。このマイクロチャンネルプレートは二次電子増幅機能を備えた１０〜数１０μｍ径の中空パイプを束ねたもので、取り込んだ電子をパイプ長手方向に加速しながら増幅する。Ａの装置に比べ、タイミング特性（時間分解能）に優れるが、長時間使用には劣化を伴う欠点もある。

イオンビームを試料面に照射した場合図３に示すように試料面において試料内から放出される二次イオンと二次電子が混在する。イオンビームとして使用される代表例、液体Ｇａをイオン源とするイオンビームが試料面に３０ｋＶの加速電圧で照射された場合、二次イオンの数／二次電子の数＝1／１０〜１／２０となる。二次電子の電荷は勿論負電荷であるが、この場合の二次イオンは通常正電荷が多数となる。この二次イオン検出器の例を図５に示す。Ａに例示したものは引き込み電極によって吸引した二次イオンは次段のイオン電子変換電極に取り込まれ、二次電子を放出させる。ここで放出された二次電子はシンチレータを介して光電子増倍管に送られ、光子→電子となって反射毎に順次増幅される。Ｂに示した例は引き込み電極によって吸引した二次イオンは次段のチャンネルトロンに取り込まれる。このチャンネルトロンは螺旋形のガラス管の内面に二次電子利得を持つ半導体膜を付け、管の両端に数ｋＶの電圧をかけ、負電圧側の管の口から入射した電子数を１０^５〜１０^７倍にして正電圧側から出射する一種の二次電子増倍管として作用する。またイオン検出器として質量分析器を用いることにより試料の質量分析を行うことも可能である。

本発明をＦＩＢ装置に適用した典型例を図１を参照しながら説明する。ＦＩＢ鏡筒から集束イオンビームを試料面に照射し、試料から放出された二次電子は正電位に印加された引き込み電極３ｐを備えたに吸引され、二次イオンは負電位に印加された引き込み電極３ｎを備えたに吸引されてそれぞれの検出機構で検出される。それぞれの検出器１，２で検出された二次電子の信号と二次イオンの信号とはそれぞれレベル検知部４基準値と比較され、そのレベルの大小に応じてそれぞれの引き込み電極３ｐ、３ｎの印加電圧を調整する印加電圧可変手段６を備える。また、二次電子検出器１、二次イオン検出器２及び試料は真空チャンバー５内に設けられている。試料表面とそれぞれの検出器１，２の引き込み電極間３ｐ、３ｎに生じる電界は二次電子検出器の引き込み電極３ｐに印加される電位と二次イオン検出器の引き込み電極３ｎに印加される電位に依存することになり、双方の電界は互いに相手の電界を弱める方向に作用する。二次イオンを吸引する負電界が強すぎるときは二次電子は反発し二次電子検出器１には到達しにくくなる。反対に二次電子を吸引する正電界が強すぎるときは二次イオンは反発し二次イオン検出器２には到達しにくくなる。そこで、本発明ではそれぞれの検出器の検出信号レベルをモニターし、どちらかのレベルが基準値より大きいか小さいときはそのレベルの大小に応じてそれぞれの引き込み電極の印加電圧を印加電圧可変手段６によって調整する。検出二次イオン信号が走査イオン顕微鏡像に、検出された二次電子信号が走査電子顕微鏡像に用いられるとき、一方の像が暗いときには暗い方の検出量が少ない状態であるから、その検出器の引き込み電極の電位を調整して電界を強くするか他方の検出器の引き込み電極の電位を調整して電界を弱くするかの動作を実行する。これによって、それぞれの荷電粒子の検出量がフィードバック調整される。調整方法として基準値と比較するものを示したが、イオン像と電子像をディスプレイ上で観察し手動で印加電圧可変手段を調整する方法も、一方の印加電圧可変手段を設定固定し輝度信号から他方の印加電圧可変手段を調整する方法もある。

また、二次イオン検出器及び二次電子検出器の引き込み電極と試料表面間に設けられた電界調整手段は、二次イオン検出器と二次電子検出器の前段に検出器内蔵のものとは別途引き込み電極を設けてそれに印加電圧可変手段を設置する態様もある。

この装置において、二次電子像と走査イオン像とは同じ角度からの視野像となるが二次電子と二次イオンとは極性が異なるだけでなく、照射位置における異なる試料情報を得ることができので、比較することによって試料に対するより豊富な情報収集ができる。

本発明をＦＩＢ・ＳＥＭ複合装置に適用した例を図６を参照しながら説明する。この複合装置は試料面に対しＦＩＢ鏡筒とＳＥＭ鏡筒が異なる方向からビーム照射されるように設置されると共に、照射スポットに向けその近傍に二次イオン検出器２と二次電子検出器１が配置される。図では二次元表現のためこの二次イオン検出器２と二次電子検出器１が並んで配置されているように描かれているが、実際には互いに１８０°対向する位置に配置されることが望ましい。何故ならば、前述したように両荷電粒子の電荷が逆であり、それを引き込む電界は１８０°対向する位置に配置されたときが単純な電場を形成できるからである。

この装置において例えば、試料表面上方からＦＩＢが照射され、エッチング加工される過程においてその加工領域をＳＥＭ像でリアルタイムに観察したい場合がある。エッチング加工のためにＦＩＢが試料面に照射される。その際、試料面からは二次イオンが放出され、これを二次イオン検出器２が検出することによりイオン像を得ることができる。また、この加工部分を異なる角度から照射される電子ビームによって放出される二次電子を検出してＳＥＭ像を得て加工しながら加工状態を観察する。ＦＩＢ照射による二次イオン像と電子ビーム照射による二次電子像をバランスよく取得するため、本実施例ではそれぞれの荷電粒子検出信号レベルを基準値と比較して図示していないそれぞれの引き込み電極への印加電圧を調整し、良好な両画像が得られるように調整する。なお、ＦＩＢ照射に伴い、放出される二次電子が存在し、それは異なる角度からの視野であるＳＥＭ像のノイズとなる。基本的に二次電子検出器２は両方の二次電子を識別して検出することはできない中でＳＥＭ像のＳ／Ｎ比を上げるために、ＦＩＢによって放出される二次電子より、電子ビームによって放出される二次電子の数を多くすべく、一次電子ビームの電流を多くする。

本発明を帯電緩和用の電子銃を備えたＦＩＢ装置に適用した例を図７を参照しながら説明する。ＦＩＢ装置によりスパッターエッチング、ガスアシストエッチング更には原料ガスを噴射させて行うＦＩＢのデポジション加工が行われるが、その加工に際して試料表面にはイオン電荷が蓄積され、帯電状態となる現象が起こる。そのような状態となるとＦＩＢはその電荷と反発しあい照射位置ズレをおこし正確な加工が行えなくなる。その現象を回避させるため、ＦＩＢ装置には帯電緩和用の電子銃が配置されることがある。本来この帯電緩和用の電子銃は試料面に帯電した電荷を中和させるため電子シャワーの形態で照射されるものであるが、この電子照射により二次電子観察像を得ることもできる。ただし、帯電緩和用の電子ビームであるためビーム径はＳＥＭのように絞られておらず分解能は低いが、おおよその照射位置をモニターできる。この際にもＦＩＢ照射による二次イオン像と電子ビーム照射による二次電子像をバランスよく取得するため、本実施例ではそれぞれの荷電粒子検出信号レベルを基準値と比較してそれぞれの引き込み電極への印加電圧を調整し、良好な両画像が得られるように調整する。

本発明を気体放電型イオン源を使用したイオンビーム装置とＳＥＭの複合装置に適用した例を図８を参照しながら説明する。アルゴンガスなど不活性ガスをイオン源として半導体などの試料表面の微小領域に汚染を与えることなしに微細加工、分析、あるいは計測を行うイオンビーム装置が提示されている。このようなイオンビーム装置とＳＥＭの複合装置にも本発明が適用できる。イオン照射による二次イオン像と電子ビーム照射による二次電子像をバランスよく取得するため、本実施例ではそれぞれの荷電粒子検出信号レベルを基準値と比較してそれぞれの引き込み電極への印加電圧を調整し、良好な両画像が得られるように調整する。

本発明を帯電緩和用電子銃を備えた気体放電型イオン源を使用したイオンビーム装置に適用した例を図９を参照しながら説明する。この装置は図７に示した実施例とほぼ同様のもので、液体ガリウムのイオン源に代えて不活性ガス等の気体放電型イオン源を使用したイオンビーム装置を用いたものである。本実施例においてもそれぞれの荷電粒子検出信号レベルを基準値と比較してそれぞれの引き込み電極への印加電圧を調整し、良好な両画像が得られるように調整する。

本発明をＦＩＢ装置とレンズ内二次電子検出器を備えたＳＥＭとの複合装置に適用した例を図１０を参照しながら説明する。この実施例ではＳＥＭ鏡筒の試料側先端部に引き込み電極３ｐを配置し、この引き込み電極３ｐと二次イオン検出器２の図示していない引き込み電極にそれぞれ印加電圧可変手段６を設け、二次イオンの検出信号レベルと二次電子の検出信号レベルを基準値と比較し、それぞれの引き込み電極への印加電圧を調整し、良好な両画像が得られるように調整する。

本発明をＦＩＢ装置とレンズ内二次電子検出器を備えたＳＥＭとの複合装置に適用した変形例を図１１を参照しながら説明する。この実施例はＳＥＭ鏡筒の試料側先端部の引き込み電極の電位を調整する代わりに試料ステージに設けられた印加電圧可変手段６によって試料面の電位を調整すると共に、二次イオン検出器２の図示していない引き込み電極に印加電圧可変手段を設けて電位を調整するものである。試料面の電位が負電荷となることで二次電子は反発してＳＥＭ鏡筒内に引き込まれ、二次イオンは異電荷であるため試料面に吸着されやすいが二次イオン検出器２の引き込み電極の電位が更に低電位であれば二次イオン検出器２に引き込まれる。二次イオンの検出信号レベルと二次電子の検出信号レベルを基準値と比較し、それぞれの引き込み電極への印加電圧を調整し、良好な両画像が得られるように調整する。

ＦＩＢ装置において二次イオン検出信号と二次電子検出信号の信号レベルを適正に調整する本発明の基本構成を示す図である。 電子ビーム照射による反射電子と二次電子の放出現象を説明する図である。 イオンビーム照射による二次イオンと二次電子の放出現象を説明する図である。 二次電子検出器の代表的な構成を示す図である。 二次イオン検出器の代表的な構成を示す図である。 ＦＩＢとＳＥＭ複合装置に本発明を適用した実施例を示す図である。 帯電緩和用電子銃を備えたＦＩＢ装置に本発明を適用した実施例を示す図である。 気体イオン源イオンビーム装置とＳＥＭの複合装置に本発明を適用した実施例を示す図である。 帯電緩和用電子銃を備えた気体イオン源イオンビーム装置に本発明を適用した実施例を示す図である。 ＦＩＢ装置とレンズ内二次電子検出器型ＳＥＭの複合装置に本発明を適用した実施例を示す図である。 ＦＩＢ装置とレンズ内二次電子検出器型ＳＥＭの複合装置に本発明を適用した変形例を示す図である。

符号の説明

１ 二次電子検出器 ５ チャンバー
２ 二次イオン検出器 ６ 印加電圧可変手段
３ｐ，３ｎ 引き込み電極
４ レベル検出器

Claims (8)

1. 二次イオン検出器と二次電子検出器を併設する複合型荷電粒子ビーム装置であって、前記二次イオン検出器と二次電子検出器の検出信号レベルを検知する手段と、前記二次イオン検出器及び二次電子検出器の引き込み電極と試料表面間には電界調整手段が設けられると共に、前記検出信号レベルに基づいて前記電界調整手段を制御する手段とを備え、前記電界調整手段は、それぞれの検出器の検出信号レベルをモニタし、どちらかのレベルが基準値よりも大きいか小さいときはそのレベルの大小に応じてそれぞれの引き込み電圧の印加電圧を調整し、前記二次イオン検出器と二次電子検出器と試料表面間の電界を調整することを特徴とする複合型荷電粒子ビーム装置。
2. 電界調整手段は、一方の検出器の検出信号レベルが基準値よりも大きいか小さいときはそのレベルの大小に応じて、他方の引き込み電圧の印加電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の複合型荷電粒子ビーム装置。
3. 二次イオン検出器と二次電子検出器の引き込み電極と試料表面間に設けられた電界調整手段は、二次イオン検出器と二次電子検出器の引き込み電極に印加電圧可変手段が設けられたものである請求項１また２に記載の複合型荷電粒子ビーム装置。
4. 二次イオン検出器及び二次電子検出器の引き込み電極と試料表面間に設けられた電界調整手段は、二次イオン検出器と二次電子検出器の前段に別途設けられた引き込み電極に印加電圧可変手段が設けられたものである請求項１または２に記載の複合型荷電粒子ビーム装置。
5. 二次イオン検出器及び二次電子検出器の引き込み電極と試料表面間に設けられた電界調整手段は、試料表面の電位を調整するように試料ステージに印加電圧可変手段が設けられたものである請求項１または２に記載の複合型荷電粒子ビーム装置。
6. 二次イオン検出器の信号は走査型イオン顕微鏡像として、また、二次電子検出器の信号は走査型電子顕微鏡像として用いられるものである請求項１から５のいずれかに記載の複合型荷電粒子ビーム装置。
7. 二次イオン検出器と二次電子検出器は、互いに１８０°対抗する位置に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の複合型荷電粒子ビーム装置。
8. 二次イオン検出器と二次電子検出器を併設するＦＩＢとＳＥＭの複合型荷電粒子ビーム装置であって、ＳＥＭの一次電子ビームの電流量をＦＩＢの一次イオンビームの電流量よりも多くすることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の複合型荷電粒子ビーム装置。

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