JPH11213935A - Fib−sem装置における試料断面観察方法およびfib−sem装置 - Google Patents

Fib−sem装置における試料断面観察方法およびfib−sem装置

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JPH11213935A
JPH11213935A JP10013945A JP1394598A JPH11213935A JP H11213935 A JPH11213935 A JP H11213935A JP 10013945 A JP10013945 A JP 10013945A JP 1394598 A JP1394598 A JP 1394598A JP H11213935 A JPH11213935 A JP H11213935A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 FIB加工した試料を装置の外に取り出すこ
となく、十分なコントラストで解像度良く走査電子顕微
鏡により観察することができるFIB−SEM装置にお
ける試料断面観察方法およびFIB−SEM装置を実現
する。 【解決手段】 FIBカラム1内のイオン銃2からイオ
ンビームを発生させ、イオンビームを試料7に照射して
試料を加工する。この加工により開口を形成した後、ス
テージ18を180°回転させ、更にステージ18を大
きく傾斜させる。このステージの回転と傾斜により、試
料7の開口20の断面部分DをFIBカラム1に対面さ
せることができる。この状態で試料7に照射するイオン
ビームの電流量を減少させる。この結果、試料の加工断
面部分では、nm単位で断面表層の縦方向への加工を行
うことができる。このような表面処理を行った後、試料
の加工断面部分のSEM像を観察する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料に集束イオン
ビームを照射して加工し、その加工断面を走査電子顕微
鏡機能で観察するようにしたFIB−SEM装置におけ
る試料断面観察方法およびFIB−SEM装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】集束イオンビーム(FIB−Focused Io
n Beam)装置は、イオン源からのイオンビームを細く集
束し、加工試料に照射して試料をエッチング等により加
工する装置である。このFIB装置の応用分野の中で
も、特にFIBによるエッチング技術は、かなりポビュ
ラーなものとなってきている。
【0003】この技術を用いたFIB装置は、マイクロ
マシン加工はもとより、半導体デバイスの不良解析や透
過電子顕微鏡試料の作成に広く利用されている。特に最
も注目されている半導体デバイスの3次元解析として
は、もはや不可欠の装置となりつつある。また、現在で
は、従来のインライン型走査電子顕微鏡(SEM)装置
にFIB機能を付加したデュアルビーム(Dual Beam −
DB)装置も徐々にではあるが普及しつつある。
【0004】DB装置は、半導体の不良解析装置として
対応すべく、従来までのFIB装置としてエッチング加
工した後、SEM装置へ試料を移して観察するといった
工程を一台で行える複合装置である。
【0005】これは、通常のFIB単能機と同様に、試
料上面にイオンビームを照射して、任意の場所をエッチ
ング加工し、加工終了後、試料の移動なしにすぐにその
エッチング加工された断面をSEM像で観察できるとい
う利点を有している。その結果、不良解析に絶大な威力
とその工程の時間の短縮、それに伴う歩留まり管理とそ
の速度、また、複合装置ゆえの床面積の縮小、価格のダ
ウン等が期待されており、今後ますます普及が進むと予
想される。
【0006】上記したFIB−SEM装置の構成は、大
きく分けてFIB制御部、SEM制御部、試料を載せた
ステージの制御部からなり、それぞれをホストコンピュ
ータにより制御している。この装置では、通常、試料の
垂直方向の上からイオンビームを当ててエッチングし、
その穴の断面に試料面から30°の角度で電子ビームを
当てて、その断面の構造を観察している。イオンビーム
で加工されたサンプルは、試料面に垂直な断面を作り、
その断面は、イオンビームの電流量、プローブ径に依存
するが、ほとんど試料面に垂直に切り出される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記したF
IB−SEM装置では、断面像を電子ビームによって観
察したときに、切り出した直後の断面は余りにフラット
であるために、2次電子像では十分なコントラストが得
られず、解像度が悪くなる欠点を有している。また、電
子ビームによる観察では、試料によっては、切り出され
た断面が、走査電子顕微鏡観察によるコンタミネーショ
ン付着等によって汚れ、同様に解像度が低下してしま
う。
【0008】このため、上記のようなフラットな断面の
像を走査電子顕微鏡において解像度良く観察するための
一般的な手法として、試料を劈壊したり、FIB加工し
た試料に化学処理(ウエットエッチング等)を施し、各
種材料の間に段差を作りだし、そのエッジからの2次電
子放出効率を向上させることにより、化学処理後の走査
電子顕微鏡像のコントラストを向上させることなどが知
られている。
【0009】しかしながら、これらの処理を行うために
は、FIB加工後、一度試料を装置の外に取り出すこと
が必要になり、また、このことによって再度試料を装置
に入れたときに、加工場所を突き止めるのに非常に手間
が掛かってしまい、多くの工程と時間を費やすことは歴
然である。更に、目的の試料が8インチウエハ等の大き
なものである場合、その試料を小さなチップに切り出す
必要も生じる。
【0010】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、FIB加工した試料を装置の外に
取り出すことなく、十分なコントラストで解像度良く走
査電子顕微鏡により観察することができるFIB−SE
M装置における試料断面観察方法およびFIB−SEM
装置を実現するにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】第1の発明に基づくFI
B−SEM装置における試料断面観察方法は、試料に集
束イオンビームを照射する機能と、集束イオンビームに
よって加工された試料断面に電子ビームを照射して走査
電子顕微鏡像を観察することができるSEM機能とを備
えたFIB−SEM装置において、比較的大きな電流量
のイオンビームを試料に照射して試料をエッチングして
加工し、加工後試料を回転と傾斜させて加工断面をイオ
ンビームに対面させ、加工断面に比較的小さな電流量の
イオンビームを照射し、その後試料を回転と傾斜させて
加工断面の走査電子顕微鏡像を観察するようにしたこと
を特徴としている。
【0012】第1の発明では、比較的大きな電流量のイ
オンビームを試料に照射して試料をエッチングして加工
し、加工後試料を回転と傾斜させて加工断面をイオンビ
ームに対面させ、加工断面に比較的小さな電流量のイオ
ンビームを照射し、その後試料を回転と傾斜させて加工
断面の走査電子顕微鏡像を観察する。
【0013】第2の発明では、第1の発明において、試
料のエッチング加工後の加工断面上でイオンビームを走
査し、この走査に基づいて得られた信号によりSIM像
を観察するようにした。
【0014】第3の発明では、第1の発明において、加
工断面に比較的小さな電流量のイオンビームを照射する
際、イオンビームを所定領域で走査させ、この走査を所
定領域の上から下、下から上に双方向に走査するように
した。
【0015】第4の発明では、第1の発明において、比
較的大きな電流量のイオンビームを試料に照射して試料
をエッチングして加工し、加工後試料を180°回転さ
せ、比較的大きな角度傾斜させて加工断面をイオンビー
ムに対面させるようにした。
【0016】第5の発明に基づくFIB−SEM装置
は、試料に集束イオンビームを照射する機能と、集束イ
オンビームによって加工された試料断面に電子ビームを
照射して走査電子顕微鏡像を観察することができるSE
M機能とを備えたFIB−SEM装置において、集束イ
オンビームの電流量を比較的大きな電流量と比較的小さ
な電流量に切り換える手段と、試料を回転、傾斜させる
手段と、比較的大きな電流量のイオンビームを試料に照
射して試料をエッチングして加工し、加工後試料を回転
と傾斜させて加工断面をイオンビームに対面させ、加工
断面に比較的小さな電流量のイオンビームを照射する機
能とを有したことを特徴としている。
【0017】第5の発明では、比較的大きな電流量のイ
オンビームを試料に照射して試料をエッチングして加工
し、加工後試料を回転と傾斜させて加工断面をイオンビ
ームに対面させ、加工断面に比較的小さな電流量のイオ
ンビームを照射し、その後試料を回転と傾斜させて加工
断面の走査電子顕微鏡像を観察する。
【0018】第6の発明では、第5の発明において、試
料の回転と傾斜によってもイオンビームと電子ビームの
照射領域が変化しない機能を備えた。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明に基づくF
IB−SEM装置を示しており、1はFIBのカラム、
2はSEMのカラムである。FIBカラム1の中には、
イオン銃3と、イオン銃3から発生し加速されたイオン
ビームを集束する集束レンズ4、対物レンズ5、イオン
ビームを2次元的に走査するための偏向器6が設けられ
ている。なお、イオンビーム用の集束レンズ4、対物レ
ンズ5は主に静電レンズが使用される。
【0020】イオン銃3から発生したイオンビームは、
集束レンズ4、対物レンズ5によって試料7上に細く集
束されると共に、試料7に照射されるイオンビームの照
射位置は、偏向器6によって走査できるように構成され
ている。これら集束レンズ4、対物レンズ5、偏向器6
はFIB制御部8によって制御される。
【0021】例えば、試料7に照射されるイオンビーム
の電流量を変化させる場合には、FIB制御部8によっ
て集束レンズ4、対物レンズ5を制御し、各レンズの強
度を制御してイオンビームの集束度合いを変化させ、イ
オンビームの光路中に設けられた絞り(図示せず)を通
過するイオンビームの量を制御する。また、イオンビー
ムを試料上で2次元的あるいはライン状に走査する場合
には、FIB制御部8から偏向器6に走査信号が供給さ
れる。
【0022】SEMカラム2の中には、電子銃9と、電
子銃9から発生した電子ビームを集束する集束レンズ1
0、対物レンズ11、電子ビームを2次元的に走査する
ための偏向器12が設けられている。なお、電子ビーム
用の集束レンズ10、対物レンズ11は主に電磁レンズ
が使用される。
【0023】電子銃9から発生した電子ビームは、集束
レンズ10、対物レンズ11によって試料7上に細く集
束されると共に、試料7に照射される電子ビームの照射
位置は、偏向器12によって走査できるように構成され
ている。これら集束レンズ10、対物レンズ11、偏向
器12はSEM制御部13によって制御される。
【0024】例えば、試料7に照射される電子ビームの
電流量を変化させる場合には、SEM制御部13によっ
て集束レンズ10、対物レンズ11を制御し、各レンズ
の強度を制御して電子ビームの集束度合いを変化させ、
電子ビームの光路中に設けられた絞り(図示せず)を通
過する電子ビームの量を制御する。また、電子ビームを
試料上で2次元的あるいはライン状に走査する場合に
は、SEM制御部13から偏向器12に走査信号が供給
される。なお、SEM制御部13とFIB制御部8は、
ホストコンピュータ14によってコントロールされる。
【0025】試料7への電子ビームあるいはイオンビー
ムの照射によって試料から発生した2次電子は、2次電
子検出器15によって検出される。検出器15によって
検出された信号は、増幅器16によって増幅された後、
ホストコンピュータ14を介して陰極線管17に供給さ
れる。
【0026】試料7はステージ18上に載せられてい
る。ステージ18はステージ制御部19により、水平方
向の2次元移動、回転、傾斜ができるように構成されて
いる。ステージ制御部19は、ホストコンピュータ14
によってコントロールされる。このような構成の動作を
次に説明する。
【0027】まず、FIBによる試料7の加工が行われ
る。この試料の加工は、FIBカラム1内のイオン銃3
からイオンビームを発生させ、このイオンビームを集束
レンズ4、対物レンズ5によって試料7上に細く集束す
ると共に、イオンビームを偏向器6によってライン状に
走査する。この際、試料ステージ18をイオンビームの
ライン状の走査の方向と垂直な方向に移動させる。
【0028】図2はこの様子を示しており、試料7は矢
印Sの逆方向にゆっくりと移動させられ、その間、イオ
ンビームIBは紙面に垂直の方向にライン状に走査され
る。この時、イオンビームIBの電流量は、大きな加工
レートを保つために、例えば、1000pA程度とされ
ている。この結果、試料7には矩形状の開口20が穿た
れる。この開口20の深さは、イオンビームの電流量、
イオンビームの走査速度、試料の移動速度による。
【0029】通常のFIB−SEM装置においては、試
料7に対する開口20の形成後、断面部分Dに対してS
EMカラム2から電子ビームEBを照射すると共に、断
面部分Dで電子ビームを2次元的に走査する。この走査
に基づいて断面部分Dから発生した2次電子は、2次電
子検出器15によって検出される。この検出信号は、陰
極線管17に供給されることから、陰極線管17には断
面部分Dの走査電子顕微鏡像が得られる。
【0030】さて、このような従来からの通常の動作で
は、断面部分Dはフラットであるために、十分なコント
ラストの解像度の良い2次電子像を得ることはできない
ことは前に述べた。本発明においては、図2で示したよ
うなイオンビームの加工により開口20を形成した後、
ステージ制御部19によりステージ18を制御し、ステ
ージ18を180°回転させ、更にステージ18を大き
く(例えば60°)傾斜させる。
【0031】この状態を図3に示す。このステージの回
転と傾斜により、試料7の開口20の断面部分DをFI
Bカラム1に対面させることができる。すなわち、加工
断面部分Dに垂直に近い方向からイオンビームを照射す
ることができる。この状態でFIB制御部8からFIB
カラム1を制御し、集束レンズ4と対物レンズ5を制御
して試料7に照射するイオンビームの電流量を減少させ
る。この電流量は、例えば、数pA程度とされる。
【0032】この状態で偏向器6により試料の断面部分
DでイオンビームIBを2次元的に短時間走査(例えば
テレビジョン走査速度)する。この結果、試料の断面部
分Dでは、nm単位で断面表層の縦方向への加工を行う
ことができる。この場合、断面にある各種の半導体材料
は、その材質により同じ電荷を与えると、その結晶の結
合力の違いにより、エッタングされる速度が異なるた
め、材料の違いによる段差ができることになる。
【0033】つまり、加工した試料を装置から取り出し
て、試料断面表層を化学処理を施したと同様の処理を、
試料を装置から取り出すことなく、また、化学薬品等を
使用せず、任意の場所において、短時間に行うことがで
きる。なお、この場合、弱い電流量のイオンビームを試
料に照射しながら、選択性のあるガスを導入すれば、よ
り化学処理したものと同等の断面を得ることができる。
【0034】このようなプロセスにおける試料の観察断
面の深さ方向の制御としては次ぎの3つの方式を適宜実
行することができる。第1の方式は試料面に当てるイオ
ンビーム電流量を一定とし、イオンビームの走査速度を
テレビジョン走査速度とゆっくりとしたスロー速度を選
ぶことにより、微細な深さ方向の加工制御を行う方式で
ある。
【0035】テレビジョン走査モードでは、数nmのエ
ッチングにより、試料表面のクリーニングを行う。ま
た、スローモードでは、試料表面を数十〜数百nmを加
工し、画像を観察しながら、断面を垂直に剥がしていく
ことにより、試料深く埋まっているであろう欠陥等を確
実に見つけることができる。
【0036】第2の方式は、試料断面に当てるイオンビ
ーム電流量を数pA〜数十pAと選択することにより、
加工の深さを制御する方式である。第3の方式は、イオ
ンビームを走査する方向を通常の上から下への一方向で
はなく、上から下、下から上への双方向に走査を行うこ
とにより、エッチングされる面の深さが上から下まで一
定になるようにする制御する方式である。
【0037】このようなイオンビームによる2次的な試
料表面処理を行った後、加工断面Dを走査電子顕微鏡カ
ラム2に対面させる。この操作は、試料ステージ18を
回転・傾斜させて行う。この操作により、試料7は、例
えば、図1に示すような位置関係とされ、加工断面Dは
SEMカラム2からの電子ビームEBにより2次元的に
走査されることになる。
【0038】この電子ビームの走査により得られた2次
電子に基づいて観察する試料断面の像は、FIB加工直
後に比べ、非常にコントラストの強調された走査電子顕
微鏡画像となる。このような動作により、試料の任意の
場所に、任意の範囲に、任意の深さだけ表面の仕上げを
行うことができ、試料断面の解像度の改善だけではな
く、断面から数nmの深さに埋まっているであろう異物
(不良解析の場合)なども掘り出すことが可能となる。
【0039】なお、FIBにより試料の加工を行った
後、加工断面Dの微細な深さ方向の加工制御を行う場
合、電流量の極めて弱いイオンビームを加工断面Dにお
いて走査し、その際に発生した2次電子を2次電子検出
器で検出し、加工断面DのSIM像を得、このSIM像
から微細な深さ方向の加工制御を行う領域の指定を行う
ことは有効である。
【0040】上記したプロセスを「ソフトエッチング機
能」としてFIB−SEM装置に付加した場合、具体的
な動作シーケンスは次の通りとなる。 FIB加工後にSEM像の観察を行い、必要があれ
ば、「ソフトエッチング機能」のボタンを押す。 ステージの回転と傾斜が行われ、SEM像を観察して
いた加工断面DがFIBカラム1に対面し、FIB観察
モードに切り替わる。 弱いイオンビームを走査してSIM像を観察して領域
の設定を行い、ソフトエッチングの開始をホストコンピ
ュータから指示すると、スローまたはテレビジョン走査
の速さでFIBが画面を上から下、下から上と交互に走
査する。 再び、SEM観察モードに戻すボタンを押し、ステー
ジの回転と傾斜を行って、SEM観察モードにして断面
処理後のSEM像を観察する。
【0041】なお、FIBで試料を加工して開口を形成
した後、加工断面DをFIBカラム1に対面させる場
合、試料の回転と傾斜によって加工場所Dが観察視野か
ら逃げないように、コンピュータによってステージを制
御するユーセントリック機能を有することは必要であ
る。この機能により、SIMとSEMの観察機能を位置
ずれなしに切り替えることができる。
【0042】また、FIBカラムとSEMカラムの機械
的な軸合わせおよび電気的制御と試料面高さの制御によ
り、イオンビームと電子ビームとが試料の同一観察点を
照射可能とされている。
【0043】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明はこの形態に限定されない。例えば、本発明は電子
ビームやイオンビームを試料上で走査した際2次電子を
検出するようにしたが、反射電子や反射イオン等を検出
し、その検出信号に基づいて像の表示を行うようにして
も良い。また、試料の加工断面を小さな電流量のイオン
ビームの走査によって表面処理を行う場合、選択性のあ
るガスをその部分に導入すれば、より化学処理したもの
と同等の断面像を得ることができる。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、第1の発明では、
比較的大きな電流量のイオンビームを試料に照射して試
料をエッチングして加工し、加工後試料を回転と傾斜さ
せて加工断面をイオンビームに対面させ、加工断面に比
較的小さな電流量のイオンビームを照射し、その後試料
を回転と傾斜させて加工断面の走査電子顕微鏡像を観察
するようにしたので、加工断面の選択的なエッチングを
行うことができ、十分なコントラストの解像度の良い像
を得ることができる。
【0045】第2の発明では、第1の発明において、試
料のエッチング加工後の加工断面上でイオンビームを走
査し、この走査に基づいて得られた信号によりSIM像
を観察するようにしたので、加工断面の選択的なエッチ
ングを行う領域を画像を観察しながら行うことができ
る。
【0046】第3の発明では、第1の発明において、加
工断面に比較的小さな電流量のイオンビームを照射する
際、イオンビームを所定領域で走査させ、この走査を所
定領域の上から下、下から上に双方向に走査するように
したので、走査領域の上下のエッチングされる深さを一
定に保つことができる。
【0047】第4の発明では、第1の発明において、比
較的大きな電流量のイオンビームを試料に照射して試料
をエッチングして加工し、加工後試料を180°回転さ
せ、比較的大きな角度傾斜させて加工断面をイオンビー
ムに対面させるようにしたので、大きな電流量のイオン
ビームでエッチング加工した断面を小さなイオンビーム
を用いて微細なエッチングを行うことができる。
【0048】第5の発明では、比較的大きな電流量のイ
オンビームを試料に照射して試料をエッチングして加工
し、加工後試料を回転と傾斜させて加工断面をイオンビ
ームに対面させ、加工断面に比較的小さな電流量のイオ
ンビームを照射し、その後試料を回転と傾斜させて加工
断面の走査電子顕微鏡像を観察することが可能となるの
で、第1の発明と同様な効果が達成される。
【0049】第6の発明では、第5の発明において、試
料の回転と傾斜によってもイオンビームと電子ビームの
照射領域が変化しない機能を備えたので、面倒な試料の
位置合わせを行う必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づくFIB−SEM装置を示す図で
ある。
【図2】試料の加工断面を示す図である。
【図3】試料の回転と傾斜を行った後の試料とFIBカ
ラム、SEMカラムとの関係を示す図である。
【符号の説明】
1 FIBカラム 2 SEMカラム 3 イオン銃 4,10 集束レンズ 5,11 対物レンズ 6,12 偏向器 7 試料 8 FIB制御部 9 電子銃 13 SEM制御部 14 ホストコンピュータ 15 2次電子検出器 16 増幅器 17 陰極線管 18 ステージ 19 ステージ制御部

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料に集束イオンビームを照射する機能
    と、集束イオンビームによって加工された試料断面に電
    子ビームを照射して走査電子顕微鏡像を観察することが
    できるSEM機能とを備えたFIB−SEM装置におい
    て、比較的大きな電流量のイオンビームを試料に照射し
    て試料をエッチングして加工し、加工後試料を回転と傾
    斜させて加工断面をイオンビームに対面させ、加工断面
    に比較的小さな電流量のイオンビームを照射し、その後
    試料を回転と傾斜させて加工断面の走査電子顕微鏡像を
    観察するようにしたFIB−SEM装置における試料断
    面観察方法。
  2. 【請求項2】 試料のエッチング加工後の加工断面上で
    イオンビームを走査し、この走査に基づいて得られた信
    号によりSIM像を観察するようにした請求項1記載の
    FIB−SEM装置における試料断面観察方法。
  3. 【請求項3】 加工断面に比較的小さな電流量のイオン
    ビームを照射する際、イオンビームを所定領域で走査さ
    せ、この走査を所定領域の上から下、下から上に双方向
    に走査するようにした請求項1記載のFIB−SEM装
    置における試料断面観察方法。
  4. 【請求項4】 比較的大きな電流量のイオンビームを試
    料に照射して試料をエッチングして加工し、加工後試料
    を180°回転させ、比較的大きな角度傾斜させて加工
    断面をイオンビームに対面させるようにした請求項1記
    載のFIB−SEM装置における試料断面観察方法。
  5. 【請求項5】 試料に集束イオンビームを照射する機能
    と、集束イオンビームによって加工された試料断面に電
    子ビームを照射して走査電子顕微鏡像を観察することが
    できるSEM機能とを備えたFIB−SEM装置におい
    て、集束イオンビームの電流量を比較的大きな電流量と
    比較的小さな電流量に切り換える手段と、試料を回転、
    傾斜させる手段と、比較的大きな電流量のイオンビーム
    を試料に照射して試料をエッチングして加工し、加工後
    試料を回転と傾斜させて加工断面をイオンビームに対面
    させ、加工断面に比較的小さな電流量のイオンビームを
    照射する機能とを有したFIB−SEM装置。
  6. 【請求項6】 試料の回転と傾斜によってもイオンビー
    ムと電子ビームの照射領域が変化しない機能を備えた請
    求項5記載のFIB−SEM装置。
JP01394598A 1998-01-27 1998-01-27 Fib−sem装置における試料断面観察方法およびfib−sem装置 Expired - Fee Related JP3457875B2 (ja)

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