JP4988175B2

JP4988175B2 - 荷電粒子装置用試料台

Info

Publication number: JP4988175B2
Application number: JP2005201035A
Authority: JP
Inventors: 浩久奥島; 紀恵矢口; 充今野; 毅大西; 大介出口
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: JP2007018944A

Description

本発明は、電子顕微鏡や集束イオンビーム加工観察装置等の荷電粒子線装置内において用いられる試料台に関し、特に試料を回転できる試料台に関する。

電子ビームやイオンビームによる試料の観察，加工を行う際に、試料を回転させることで、試料の所望の位置の観察、或いは観察目的に最適な形状，厚さに加工可能とする試料台が特許文献１に提案されている。このような試料台は、イオンビーム、或いは電子ビームの照射方向に回転軸を持つ回転機構が備えられている。試料は試料台上の回転軸中心近傍に取り付けられ、試料の任意の箇所がイオンビーム、或いは電子ビームの照射位置に位置づけられるように、回転される。

特開２００４−１９９９６９号公報

イオンビームや電子ビームの照射対象となる試料は、例えば半導体デバイスがある。その半導体デバイスの三次元構造解析を行う場合、半導体デバイス内部素子の位置関係が、構造解析にとって重要な情報となる。しかしながら、試料台に載置された試料は、それ自体、配置方向を特定するための目印を持たないことが多い。そのため特許文献１に開示された試料台では、イオンビームによる加工を行っていく過程でその試料の向きを見失うことや、回転機構内に設けられた歯車のバックラッシュによって、試料が想定していた方向とは異なる方向に向いているというような可能性がある。

以上のような問題は、デバイス内の三次元的な解析を行う上で大きな問題となっていた。本発明は、上記のような課題を解決するために好適な荷電粒子線装置用試料台の提供を目的とするものである。

上記目的は、荷電粒子線装置用の試料台上に、その試料台が如何なる方向の向いているかを特定するための目印を設けることで達成される。即ち、試料台上に、試料の配置角度を特定できるような目印を形成する。

以上のような構成によれば、試料が配置方向を特定するための目印を持たずとも、また、歯車のバックラッシュがあったとしても、その向きを見失うことなく、加工，観察を継続することができる。更に試料台に試料を取り付ける際に任意の方向に正確に試料を取り付けることが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の一例について説明する。図１は、本発明の試料台が適用されるＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工装置の構成図である。ＦＩＢ加工装置１は、イオン銃２，コンデンサーレンズ３，絞り４，走査電極５，対物レンズ６で構成されている。
ＦＩＢ加工装置１の試料室には、試料９を取り付けた試料ホールダ１０，その上方に二次電子検出器７，試料９への保護膜の形成および試料台への試料９の支持のための試料ホールダ８，ＦＩＢ加工により作製した微小試料の運搬のためのマイクロプローブ１２がとりつけられている。

二次電子検出器７には走査像表示装置１３が接続されている。走査像表示装置１３は走査電極制御部１４を介して走査電極５に接続されている。また、マイクロプローブ１２にはマイクロプローブ１２の位置制御を行うためのマイクロプローブ制御装置１５が接続されている。また、試料ホールダ１０は、ホールダ制御部１１に接続されている。

イオン銃２から放出されたイオンビーム１６は、コンデンサーレンズ３と絞り４により収束され、対物レンズ６を通過し、試料９上に照射される。対物レンズ６上方の走査電極５は、走査電極制御部１４の指示により、試料９に入射するイオンビーム１６を偏向し走査させる。

イオンビーム１６が試料９に照射されると、試料９からは二次電子が発生する。発生した二次電子は、二次電子検出器７により検出され走査像表示装置１３に試料像として表示される。

上記本例の装置の各構成要素は、図示しない外部コンピュータ（以下ＰＣと称することもある）によって、制御することもできる。また、本例の外部コンピュータは、二次電子に基づく画像から、試料位置や角度を画像処理技術によって特定する機能を備えている。当該外部コンピュータは、以下に説明するような試料加工，観察を自動で実行するシーケンスが組み込まれている。また、外部ＰＣには図示しない入力装置が備えられ、二次電子に基づく画像内に、加工対象箇所、或いは観察対象箇所を設定することができる。

試料ホールダ８より試料９方向に放出されたガスはイオンビーム１６照射により分解され、金属が試料９面上のイオンビーム１６照射領域に堆積する。この堆積膜は、ＦＩＢ加工前の試料９表面の保護膜の形成および微小試料の試料台への固定に用いられる。試料９の加工位置の設定は試料ホールダ８に接続されたホールダ制御部１１により試料ホールダ８の位置を移動することにより自由に変えることが出来る。

図２は本発明の試料台を取り付けるＦＩＢ加工装置用試料ホールダ１０先端部の上面図（ａ）および断面図（ｂ）である。試料ホールダ１０には円筒状の試料台挿入部１７が設けてある。試料台挿入部１７に挿入された試料台１８の先端には試料９が固定してある。試料９の上方からはイオンビーム１６が照射され試料９の加工が行われる。

本実施例の試料ホールダは、試料台１８を回転する回転機構（図示せず）を備えている。この回転機構は、試料ホールダの荷電粒子線装置への挿入方向と垂直な方向に回転軸を備えている。このような回転機構の採用によって、任意の方向からの加工，観察が可能になる。

また、本例の試料ホールダ１０は、電子顕微鏡（ＳＥＭ（Scanning Electron
Microscope），ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope），ＳＴＥＭ（Scanning
Transmission Electron Microscope））にも挿入可能なように構成されている。試料ホールダ１０は、図示しない電子顕微鏡鏡筒の側部から、挿入可能なように構成され、ＦＩＢによって加工された試料の任意の箇所について、透過電子線を用いた観察が可能となる。

試料ホールダ１０は、電子顕微鏡への挿入によって、試料９の側部方向（図２（ａ）の紙面垂直方向）から、試料９に電子ビームが照射可能となるように構成されている。

図３は、試料ホールダに設けられた荷電粒子線装置用試料台の回転角度を把握するために、先端部に目印を入れた例を示す図である。図３では、先端を鋭角に形成した針状の荷電粒子装置用試料台の側面図および上面図を示す。本例の荷電粒子装置用試料台は、針状試料台２１に目印２２を設けた。

針状試料台２１の目印２２は回転角度の把握に用いることができる。また、目印２２の形状は、線，多角形，円等の様々な形状に加工することが可能である。目印の例として、図３（ａ）および（ｂ）：線、図１（ｃ）および（ｄ）：三角、図１（ｅ）および（ｆ）：丸としている。

図４に、荷電粒子装置用試料台の他の例を示す。本例の荷電粒子装置用試料台は、先端部に平坦加工面２３が施されている。当該平坦加工面２３に、試料２４が取り付けられる。

図５に、荷電粒子装置用試料台の平坦加工面２３の形状に関する他の例の上面図を示す。図５の例に示すように、荷電粒子装置用試料台における平坦加工面の形状を、正多角形にすることにより、回転角度を把握することができるため、目印を加工する時間の短縮ができる。平坦加工面の多角形の例として、図５（ａ）は正三角形であるので１２０°回転したことを把握でき、図５（ｂ）は正六角形であるので６０°回転したことを把握できる。

図６に荷電粒子装置用試料台の他の一例を示す。本例の場合、荷電粒子装置用試料台における目印の数は、１本の目印を先端部から０°方向に作製した。このような構成によれば３６０°回転したことが把握することができる。

図７に荷電粒子装置用試料台の更に他の一例を示す。本例の場合、目印の数を２本とすることで、１８０°単位の回転の把握を可能とした。

図８に荷電粒子装置用試料台の更に他の一例を示す。本例の場合、目印の数を４本とすることで、０°，９０°，１８０°，２７０°の９０°単位の回転の把握を可能としている。

図９に、荷電粒子線装置用試料台に、粒子２５が不規則に配置された試料２４を固定した図を示す。本発明の荷電粒子装置用試料台における目印２２は、円筒型に加工した試料２４内に粒子２２が不規則に配置されている場合、針状試料台２１を試料ホールダから取り外し、再度取り付ける時、目印２２を用いて基準位置を正確に把握できる。また、２台以上の荷電粒子装置間で、試料ホールダを搬送する場合、目印２２を用いて試料の位置関係を把握することができる。

また、図９に示す荷電粒子線装置用試料台には、平坦加工面２３と、試料台の側部２６に跨るように、目印２２を設けることが望ましい。平坦加工面２３に形成された目印は、ＦＩＢ加工装置のイオンビーム照射方向に面しているため、イオンビーム走査によって得られた画像上から、確認することができる。また、側部２６は、電子顕微鏡の電子ビーム照射面に面することになるため、電子ビーム走査によって得られる画像から、目印を確認することができる。

このように構成することによって、ＦＩＢ加工によって形成された電子顕微鏡観察用試料の観察面を、電子ビーム走査によって得られる画像に基づいて、適正に、電子ビーム光軸に対し垂直、或いは任意の角度に向けることができる。

なお、本例においては、目印２２が、平坦加工面２３と側部２６に跨るように形成された例を説明したが、これに限られることはない。例えば、ＦＩＢと電子顕微鏡の両方で正確な角度が確認できるように構成されていれば、平坦加工面２３に形成される目印と、側部２６に形成される目印を分離して形成しても良い。

図１０に、荷電粒子装置用試料台の目印２２を集束イオンビーム加工観察装置の自動加工用マークとした図を示す。集束イオンビーム加工観察装置における自動加工は、加工前にマークをＰＣ内に取り込むことで、加工途中の位置ズレを参照した画像から補正する機能である。本発明の荷電粒子装置用試料台における印の形状は、矢印，線，多角形（図中は三角形，四角形，矢印）等任意である。

最初に、試料２４と目印２２を含むような範囲でイオンビームを走査することによって、試料２４と、針状試料台２１の相対角度を確認する。次に、イオンビーム走査によって得られた画像に基づいて、所望の加工箇所を、イオンビーム走査によって得られた画像上で設定する。イオンビームの走査範囲は、一般的には矩形状であるため、後の電子顕微鏡の観察面が矩形の一辺に相当するように走査範囲を決定する。

その後、形成された電子顕微鏡の観察面と、目印との相対角を画像処理によって算出し、電子顕微鏡の観察面が、試料ホールダに対してどのような方向に向けられているかを特定する。この情報は、外部ＰＣに取り込まれ、電子顕微鏡内における試料ホールダの試料台制御に用いられる。

外部ＰＣは、電子顕微鏡の観察面が電子ビームの光軸に対して垂直となるような試料台角度を計算する。電子顕微鏡では、目印２２を含む領域に電子ビームが走査され画像が取得される。外部ＰＣでは、その画像に基づいて試料ホールダ挿入時の電子ビーム光軸に対する試料台角度を計算する。この試料ホールダ挿入時の試料台角度と、先に計算された電子顕微鏡の観察面が電子ビーム光軸に対して垂直となるような試料台角度の比較によって、試料の角度、或いは試料台を駆動するための駆動機構の制御量を算出することができる。

電子顕微鏡の観察面は、電子ビーム光軸に対し垂直に配置する必要がある反面、電子顕微鏡の観察面側から見て角度を特定する要素に乏しいが、本例の採用によって適正に電子顕微鏡の観察面を適正に電子ビーム方向に向けることができる。

また、上記角度調整処理は、電子顕微鏡内のみで行っても良い。その際には複数角度から電子ビームを照射して、所望の角度を特定することが考えられる。その際にも個々の角度を正確に特定するために、目印２２が形成された部分と試料を含むような走査範囲で、電子ビームを走査し画像を取得することによって、正確な試料角度を算出することが可能となる。

なお、本例においては、ＦＩＢと電子顕微鏡が外部ＰＣに接続され、画像処理や装置の制御信号の計算が外部ＰＣで行われる例について説明したが、これに限られることはなく、例えばＦＩＢと電子顕微鏡のそれぞれに独自の画像処理装置や演算装置を備え、試料台角度に関する情報を、ネットワークや他の伝達媒体で伝達するようにしても良い。

図１１に荷電粒子装置用試料台を用いた特定試料の作製方法に関するフローチャートを示す。

本フローチャートの（１）は、観察目的位置を特定するステップである。（２）は、試料の周囲部分に対してＦＩＢ加工を行い、目的箇所の試料をメカニカルプローブで摘出するステップである。（３）は、試料を荷電粒子装置用試料台に固定するステップである。（４）の過程で荷電粒子装置（主に電子顕微鏡）を用いて試料位置および目印で方向を把握する。（５）のステップにおいて、試料の位置，方向を目印から調整し、ＦＩＢ加工をする。（６）のステップで観察目的となる場所を鮮明に観察できるかを確認し、追加工が必要であれば（４）以下を再度実施する。鮮明に像が観察できれば、各々の正確な角度において観察，分析できる。

図１２に、荷電粒子装置用試料台を用いた試料作製法に関する図を示す。図１２（ａ）は、ＦＩＢによる試料作製時に目的箇所を特定するステップを示している。観察目的箇所２７は、上面図の方向からＦＩＢ加工観察装置を用いて観察した場合、観察目的箇所２７に凹凸がなければ位置を特定することができないため、マーキング３１をあらかじめ光学顕微鏡等の確認手段として使用した装置に取り付けたレーザマーカによって加工し、その場所をＦＩＢ加工観察装置にて位置を把握する。

図１２（ｂ）は、観察目的箇所７を摘出するためにＦＩＢによる切削部分２９の加工を行い、摘出用のメカニカルプローブ２８を固定した図である。

図１２（ｃ）は、摘出した試料を荷電粒子装置用試料台に固定した図である。この段階では、観察目的箇所２７が目印２２の０°の位置に対して、斜めに固定されていることは把握できていないと仮定する。（ａ）におけるマーキング３１は位置を特定するものであり、必ずしも観察目的箇所２７の方向の確認はできるわけではない。

図１２（ｄ）は０°を中心位置に指定し側面より観察した図である。この角度では、試料がどのような形状をしているかを３次元的に把握することは難しいため、図１２（ｅ）および図１２（ｆ）の４５°，１３５°を中心位置にして観察した側面図から、追加工領域および回転角度を把握することができる。

このときの上面図を図１２（ｇ）および図１２（ｈ）で示しており、回転角度の目印
２２を元に追加工領域４０を正確に把握することができる。図１２（ｉ）および図１２
（ｊ）は、追加工後の上面図および側面図である。これより、余分な部分が切除されているため、観察目的箇所２７を鮮明に観察することができる。

図１３に荷電粒子装置用試料台を用いて電子顕微鏡像の自動観察を行うのに好適な試料台の構造例を示す。角度情報を示す目印２２の上部，中央部，下部のいずれかに２本の線
４１を１周配置する。その２本以上の線を含む領域をＳＥＭ像で取り込むことにより、１本の線を用いた試料台の水平補正、２本以上の線の間隔を用いた偏心補正の把握ができる。

図１４に荷電粒子装置用試料台を用いて電子顕微鏡像の自動観察を行う場合のフローチャートを示す。本フローチャート（１）において、奥行き方向の偏心が無い位置で、荷電粒子装置用試料台に表示した２本線を用い、水平補正および線間の距離を測定する。奥行きの偏心が無い状態で線間の距離を測定することにより、偏心補正の基準値とする。(２)において、観察する像の回転角度分を変化させる。（３）において、試料にオートフォーカスで焦点を合わせた後、水平補正，偏心補正を行う。偏心補正は、線間の距離を測定し、基準の値と一致するように奥行き方向の傾斜を変化させることにより行う。（４）において、（２）から（３）の過程で一周分の補正データを取得し、実際に観察する視野に試料台を移動および倍率を変化させる。その後、補正データを元に像の観察を自動で行うことができる。

試料を回転して、荷電粒子線による加工，観察を行う装置に有効である。

ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工装置の構成図。試料ホールダの先端部を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子線装置用試料台の一例を説明する図。荷電粒子装置用試料台を用いた特定試料の作製方法に関するフローチャート。荷電粒子装置用試料台を用いた試料作製法を説明する図。荷電粒子装置用試料台を用いた試料作製法を説明する図。電子顕微鏡像の自動観察を行うのに好適な試料台の構造例を示す図。電子顕微鏡像の自動観察を行う場合のフローチャート。

符号の説明

１…ＦＩＢ加工装置、２…イオン銃、３…コンデンサーレンズ、４…絞り、５…走査電極、６…対物レンズ、７…二次電子検出器、１０…試料ホールダ、１８…試料台、２１…針状試料台、２２…目印、２３…平坦加工面。

Claims

試料を支持するための試料台と、当該試料台を所定の軸に対して回転させる回転機構を備えた荷電粒子線装置用試料台において、
当該試料台は集束イオンビーム装置、及び電子顕微鏡の両方に搭載可能であると共に、当該試料台には、前記集束イオンビームによるイオンビームの照射方向から観測可能な位置、及び、前記イオンビームの照射方向と異なる前記電子顕微鏡による電子ビームの照射方向から観測可能な位置に、前記試料台の前記所定の軸に対する同一の回転角を特定する目印が形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置用試料台。
請求項１において、前記目印は、前記試料台の形状の加工により形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置用試料台。
請求項１において、前記イオンビームの照射方向から観測可能な位置にある目印と、前記電子ビームの照射方向から観測可能な位置の目印が、それぞれ前記試料台の異なる面に形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置用試料台。