JP3597761B2 - イオンビーム装置及び試料加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオンビーム装置に関し、特に、試料の加工に用いるイオンビーム装置及び試料加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の集束イオンビームを用いるイオンビーム装置の代表的な例として、特許２７６５８２９号に記載されている集束イオンビーム加工装置がある。その装置の概要を図２３に示す。イオン発生手段２０１から放出されたイオンは集束手段２０２及び照射手段２０３により試料２０６上に集束される。制限絞り２０４はビーム径を決めるものである。この装置では集束手段と照射手段のレンズ強度の組み合わせにより３つのモード、つまりＡ、Ｂ及びＣモードを設定し、その時のそれぞれのレンズ電圧をレンズ制御手段２０８に記憶して使用する。ビーム偏向手段２０５により集束ビームＡ、Ｂ及びＣの試料２０６上での照射位置ずれを補正する。本装置は、試料２０６の加工に使用する集束イオンビームのビーム径及びビーム電流を選択することは可能であるが、加工用イオンビームとしては像分解能が最大となるビーム集束状態の集束イオンビーム一本であった。
【０００３】
また、集束イオンビームのビーム分布に着目した加工方法の代表的な例として、特開平２−６１９５４号公報に記載されている加工方法がある。この方法は、ターゲットに焦点を合わせた集束イオンビームのビーム分布をナイフエッジ法により測定し、この測定データに従ってシミュレーションを行い、イオンのドーズ量を補正することで加工深さを安定させて加工の信頼性を向上させる加工方法である。加工速度はイオンビームのビーム分布に依存する。従って、静電レンズへの電圧設定のばらつきによるビーム分布の変動に起因する加工深さのばらつきに配慮し、加工深さを加工毎に同じになるようにして加工歩留まりを向上させている。
【０００４】
成形イオンビームを用いたイオンビーム装置の代表的な例として、特開平９−１８６１３８号公報に記載されているイオンビーム加工装置がある。この装置の概要を図２４に示す。引き出し電極３０２によりイオン発生手段３０１から放出されたイオンは、ビーム制限アパーチャ３０３によりビーム発散角を変えられる。成形イオンビーム３１３は集束点が投射レンズ３０７の中心付近に来るように集束手段３０４のレンズ強度を調整し、かつマスク３０６を試料３０９に投射するように照射手段３０７のレンズ強度を調整する。集束イオンビーム３１２は、イオンビームをビーム偏向手段３０５でマスク３０６上を走査し、かつビーム偏向手段３０８で試料３０９上を走査することで試料３０９上に投影したマスク３０６の像から、集束イオンビーム３１２の中間集束点がマスク３０６上に来るように集束手段３０４のレンズ強度を再調整することで得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の集束イオンビーム加工装置では、ビーム電流は最大で十数ｎＡであったため、イオンビームの分布の裾広がりの影響は実用上問題とはならなかった。加工スループットを向上させるには、より大きな電流のイオンビームが必要であるが、加工用イオンビームの電流が大きくなるにつれてビーム分布の裾広がりが大きくなり、加工領域の断面エッジ部のだれが顕著になり高加工位置精度が実現できなくなるという問題がある。
【０００６】
特開平２−６１９５４号公報に記載されている加工方法では、ビーム分布の測定結果に基づいてビーム分布の変更、即ちレンズ電圧の変更は行わない。また、加工領域の断面エッジ部の形状を所望の加工に応じて最適化するビーム分布については明記されていない。従って、断面エッジ部をシャープに加工できるビーム分布が得られないため断面エッジ部の最適加工及び高加工位置精度の実現はできなかった。また、シミュレーションを用いるため計算時間が掛かり、応答の速い制御ができないという問題もあった。
【０００７】
また、従来の成形イオンビームを用いたイオンビーム装置は、加工に成形イオンビームを用いることで集束イオンビームと同等、又はそれ以上の断面エッジシャープネスを持ちながら、大電流による高スループットを実現したが、観察用の集束イオンビームが絞れない、また観察用の集束イオンビームと加工用の成形イオンビームの位置ずれが生じる問題があった。観察用の集束イオンビームが絞れない、すなわちビーム切り替え時の集束ビーム径が大きくなる問題は、ビーム制限アパーチャの挿入でビーム発散角を変えることで回避した。また観察用の集束イオンビームと加工用の成形イオンビームとの位置ずれ問題は、集束イオンビームの集束点をステンシルマスク上にして、かつマスクの移動により集束イオンビームと加工用の成形イオンビームとの位置ずれを補正することで回避した。しかし、ビーム制限アパーチャの設定精度、つまりアパーチャがイオンビーム光学系の光軸上に来ているのかどうかの確認が困難であり、この設定精度に起因する観察用集束イオンビームと加工用成形イオンビームとの位置ずれ問題が残っていた。また、機械駆動部がビーム制限アパーチャとマスクの２箇所となることで上記両イオンビームの位置ずれが大きくなる問題が生じた。また、ビーム制限アパーチャとビーム偏向手段の２つの機構が装置構成要素として必要であった。
【０００８】
このように、従来の集束イオンビームを用いたイオンビーム装置及びイオンビーム加工方法では、ビーム電流を大電流化してスループットを高くすると加工位置精度（断面エッジシャープネスも含める）が低下し、ビーム電流を減少させて加工位置精度を高くするとスループットが低下するという問題があった。また、従来の成形イオンビームを用いたイオンビーム装置でも、観察用の集束イオンビームと加工用の成形イオンビームの照射位置を高精度で一致させられないため、高スループットではあるが加工位置精度が低下する問題があった。また、装置構成要素が多いという問題もあった。
本発明の目的はこれらの問題を解決し、高スループットと高加工位置精度の両者を実現するイオンビーム装置及び試料加工方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、加工に用いるイオンビームを走査イオン顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＩＭ）像の分解能（以後、像分解能と呼ぶ）が高いビーム集束状態のイオンビーム（以後、集束加工用イオンビームと呼ぶ）と加工領域の断面エッジ部がシャープに加工できるイオンビーム（以後、エッジ加工用イオンビームと呼ぶ）の二種類を用意し、これら二種類の加工用イオンビームを加工対象、ビーム電流に応じて使い分けることにより、高スループットと高加工位置精度を両立させる。
【００１０】
本発明の対象となるイオンビーム装置には、（１）開口部の形状が円である制限アパーチャを具備し、エッジ加工用イオンビームは、最小錯乱円の位置が試料の表面にほぼ一致するビーム集束状態の集束イオンビームであるイオンビーム装置と、（２）開口部の形状が円を含む任意形状であるマスクを具備し、エッジ加工用イオンビームは、その断面がマスクの開口形状をした成形イオンビームであるイオンビーム装置とがある。次に、この２つの装置についてそれぞれ説明する。
【００１１】
１．開口部の形状が円である制限アパーチャを具備するイオンビーム装置
図２に、本発明の一形態によるイオンビーム加工装置の概略構成図を示す。集束手段２によりイオン発生手段１からイオンを引き出し、集束して形成したイオンビームは制限絞り３により所望のビーム電流が選択され、照射手段５により試料ステージ８に載置された試料１６に照射される。イオンビームをビーム偏向手段４により走査し、試料１６から発生する二次粒子１３を二次粒子検出手段６で検出し、その検出した信号を制御手段７でイオンビームの走査と同期させることで、表示装置２８上に試料１６の表面のＳＩＭ像を表示できる。試料１６の加工は、制御手段７によりイオンビームを加工用イオンビームに切り替えて行う。
【００１２】
ここで、加工による断面エッジ部のだれの最小化の観点からは、同じビーム電流の加工用イオンビームであってもビーム径（あるいはビーム半値幅）が増大してもビーム分布の裾広がりが小さいイオンビームを用いる方が望ましい。従って、加工用イオンビームとしては、制御手段７により集束手段２と照射手段５、あるいは照射手段５のみを制御して、像分解能が高いビーム集束状態の集束加工用イオンビーム１１とビーム分布の裾広がりを抑えて加工試料の断面エッジ部をシャープに加工できるエッジ加工用イオンビーム１２の二種類を用いる。この二種類の加工用イオンビームをビーム電流に応じて制御手段７により切り替えて使用する。
【００１３】
ビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなるビーム電流の値は光学系により変化し、例えば、前記した特許第２７６５８２９号に記載されている集束手段の静電レンズと照射手段の静電レンズによる２段レンズ構成の光学系では、この値は１０〜２０ｎＡの間に存在する。イオンビーム加工において前記したビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなるビーム電流値を特定値として予め制御手段７に記憶し、この特定値以上の大電流イオンビームに対してはエッジ加工用イオンビーム１２を使用することでビーム分布の裾広がりを大きく抑えることができ、高加工位置精度を確保できる。また、エッジ加工用イオンビーム１２の採用により、１００ｎＡ程度までの大電流のイオンビームが使用可能となり、更なる高スループットを実現できる。
【００１４】
図２に示すように、ＳＩＭ像観察は主にビーム電流が１００ｐＡ以下に制限された像分解能が最大となるビーム集束状態の観察用イオンビーム９を使用する。制限絞り３よりイオン発生手段１側のイオンビームに着目すると、加工用イオンビーム（集束加工用イオンビーム１１及びエッジ加工用イオンビーム１２）は集束手段２によりイオンビームを制限絞りの開口部へと集束しているが、観察用イオンビーム９は集束手段２でイオンビームを集束せずに発散状態のままである。従って、制限絞り３の開口部の面積が同一であっても、この開口部を通過するイオンビームは、集束加工用イオンビーム１１よりも観察用イオンビームの方が遥かに少なくなる。適切な開口径を選択することで、１００ｐＡ以下の観察用イオンビーム９が形成できる。
【００１５】
図３に、加工用イオンビームが集束イオンビームである本発明のイオンビーム装置の概略構成図を示す。照射手段５は静電レンズで構成された対物レンズであり、集束加工用イオンビーム１１とエッジ加工用イオンビーム１２の切り替えは対物レンズのレンズ電圧を切り替えることで行う。イオンビームの切り替えをレンズ電圧の切り替えで行うのは、応答性の優れた制御を行うためである。制限絞り３には加工用イオンビームのビーム電流が前記した特定値（イオンビーム加工においてビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなるビーム電流値）以上得られる開口面積を持った開口部１４を少なくとも一つ以上具備している。
【００１６】
図４を用いて、本発明のイオンビーム装置における加工用イオンビームについて説明する。図４は、集束イオンビームの試料表面１８近傍でのビーム軌道を示す。集束加工用イオンビーム１１とエッジ加工用イオンビーム１２とでは、試料１６の表面１８でのビーム集束状態が異なる。集束イオンビームの光軸１０を垂直に横切る面のうち、像分解能が最大となるガウス像面１７と、ビーム径が最小となる最小錯乱円を形成する面１５とに着目する。ここでの集束加工用イオンビーム１１は図４（ａ）に示すように試料表面１８とガウス像面１７とがほぼ一致するイオンビームであり、エッジ加工用イオンビーム１２は図４（ｂ）に示すように試料表面１８と最小錯乱円を形成する面１５とがほぼ一致するイオンビームである。従来装置で使用されていた加工用イオンビームは、集束加工用イオンビーム１１に相当する。
【００１７】
ガウス像面１７では、イオンビームの光軸１０近傍はイオン電流密度が高いが、その周辺にはイオン電流密度の低い収差に起因するイオンビームの裾が広がっている。ビーム電流が少ない場合にはこの裾による悪影響は無視できたが、ビーム電流が増加するにつれ裾の影響が顕著になり、加工領域の断面エッジ部のだれとなって現れてくる。この裾の影響が最も少ないのが最小錯乱円を形成する面１５であり、試料表面１８と最小錯乱円を形成する面１５とをほぼ一致させて加工すると、加工領域の断面エッジ部のだれを最小にすることが可能である。このビーム集束状態のイオンビームをエッジ加工用イオンビームとして採用することにより、加工領域の断面エッジ部のだれの問題に応える。この効果が顕著に現れてくるビーム電流の境界は、前記したように例えば１０〜２０ｎＡの間に存在し、前記した特許第２７６５８２９号に記載されている集束手段の静電レンズと照射手段の静電レンズによる２段レンズ構成の光学系では、ビーム電流が１５ｎＡ近傍である。
【００１８】
このエッジ加工用イオンビーム１２は、像分解能が最大となる対物レンズのレンズ電圧から電圧を少し下げる方向に補正することで形成できる。この電圧補正量は、イオンビーム光学系を構成する各要素の配置寸法と開口部１４の大きさ、あるいはビーム電流、あるいはビーム開き角、あるいはビーム径との間にある関係から（例えば、関数として）求められる。具体的な関係は後で述べる。この関係を予め求めておき、制御手段７に記憶しておく。例えば、ビーム電流に着目すると、ビーム電流は図３に示すようにビーム電流計測手段２３を具備することで容易に、かつリアルタイムで測定できる。この測定値を基に、制御手段７で予め記憶した関係から電圧補正量を算出し、対物レンズ５のレンズ電圧を補正してエッジ加工用イオンビーム１２を容易に、かつリアルタイムで形成できる。
【００１９】
試料表面のＳＩＭ像は、制御手段７を経由して表示手段２８に表示する。従来のビーム電流が大きくないイオンビームでは、ＳＩＭ像を観察した際の試料表面の損傷は無視できる程度であったため、加工領域の設定に利用するＳＩＭ像の取得に用いるイオンビームは、実加工のイオンビームと同一であった。従って、設定した加工領域と実際の加工との間には実用上無視できないずれは生じなかった。しかし、イオンビームの大電流化に伴い、大電流イオンビームでＳＩＭ像を観察した際の試料表面の損傷が実用上無視できなくなり、同一のイオンビームで加工領域の設定に利用するＳＩＭ像の取得と実加工を行うことができなくなった。結果として、設定した加工領域と実際の加工との間に実用上無視できないずれが生じた。また、エッジ加工用イオンビーム１２はビーム分布の裾広がりを最小化した代わりに像分解能が劣化しているため、このエッジ加工用イオンビーム１２でＳＩＭ像観察を行っても必要な像分解能が得られず、同一のエッジ加工用イオンビーム１２で加工領域の設定に利用するＳＩＭ像の取得と実加工を行ったとしても位置合わせ精度が出ないという問題が生じた。
【００２０】
ＳＩＭ像を観察した際の試料表面の損傷問題及び像分解能の問題に対しては、加工領域の設定に利用するＳＩＭ像の観察をビーム電流が少なく、かつ像分解能の高い観察用イオンビーム９を用いれば解決できる。しかしながら、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム１２とはレンズ電圧、制限絞り開口径等のビーム照射条件が大きく異なるため、試料上での照射位置ずれが生じる問題が残った。この問題は、以下のようにして解決する。同一のビーム電流を持つ加工用イオンビームに対して、集束加工用イオンビーム１１とエッジ加工用イオンビーム１２とでは照射手段５の対物レンズ電圧が僅かに異なるだけであるから、試料上での照射位置ずれは実用上無視できる。これを利用して、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム１２との試料上での照射位置合わせには加工用イオンビームに像分解能の高い集束加工用イオンビーム１１を使用する。
【００２１】
図５を用いて、その位置合わせ補正の方法について説明する。予め、試料１６上の任意の目標物を観察用イオンビーム９と集束加工用イオンビーム１１とにより各々ＳＩＭ像観察し、この目標物の各々のＳＩＭ像間にあるずれ量から観察用イオンビーム９と集束加工用イオンビーム１１とのずれ補正量２４を測定する。このずれ補正量２４を予め制御手段７に記憶し、このずれ補正量２４を基にイオンビームの照射位置を図５（ａ）から図５（ｂ）のように観察用イオンビーム９と集束加工用イオンビーム１１との試料上での照射位置が同一となるように制御手段７で補正する。これにより、観察用イオンビーム９と集束加工用イオンビーム１１との試料上での照射位置を一致させれば、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム１２との試料上での照射位置も一致する訳である。
【００２２】
以上説明してきた、試料表面１８と最小錯乱円を形成する面１５とがほぼ一致するエッジ加工用イオンビーム１２の形成は、像分解能が最大となる対物レンズのレンズ電圧から電圧を少し下げる方向に補正する代わりに、集束手段２（静電レンズで構成された集束レンズ）を用いて、像分解能が最大となる集束レンズのレンズ電圧から電圧を少し下げる方向に補正することでも形成できる。
【００２３】
また、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム１２との試料上での照射位置合わせも、同一のビーム電流を持つ加工用イオンビームに対して、集束加工用イオンビーム１１とエッジ加工用イオンビーム１２とでは集束手段２の集束レンズ電圧が僅かに異なるだけであるから、試料上での照射位置ずれは実用上無視できることを利用して、上記と同様に照射位置合わせができる。
【００２４】
図６を用いて加工領域の設定を説明する。観察用イオンビーム９を用いて観察したＳＩＭ像１０１を画像メモリに保存する。このＳＩＭ像１０１を表示手段２８であるＣＲＴ上に表示し、所望の加工領域１０２を設定する。保存したＳＩＭ像１０１と加工領域１０２とを重ねて表示する。加工したい領域は加工領域１０２であるが、エッジ加工用イオンビーム１２は像分解能を犠牲にして断面エッジの加工を最適化しているためビーム径が通常の集束イオンビームよりも太く、このビーム径の大きさが加工位置精度の観点からは無視できない。加工領域をそのままエッジ加工用イオンビーム１２で走査すると、エッジ加工用イオンビーム１２のビーム半径の長さ１０４ａだけ大きな領域を加工してしまい、加工位置が外側にずれる。
【００２５】
この問題は、以下のようにして解決する。エッジ加工用イオンビーム１２で加工する場合には、自動的に、設定された加工領域１０２に対してビーム半径の長さ１０４ａに相当する量を差し引いた領域１０３をエッジ加工用イオンビーム１２で走査するのである。手続としては、予めエッジ加工用イオンビーム１２のビーム半径１０４ａを測定して、その測定値を制御手段７に記憶しておく。加工に使用するイオンビームにエッジ加工用イオンビームが選択された場合には、この測定値を用いて設定された加工領域１０２に対してビーム半径１０４ａに相当する量を差し引いたエッジ加工用イオンビーム１２の走査領域１０３を設定し、エッジ加工用イオンビーム１２を走査領域１０３で走査することで所望の高加工位置精度が達成できる。オペレータは、集束加工用イオンビーム１１、あるいはエッジ加工用イオンビーム１２に関わらず、ＣＲＴ上に表示したＳＩＭ像に所望の加工領域１０２を設定するだけでよく、従来装置と同等の操作性を維持できる。
【００２６】
このイオンビーム装置では、加工用のイオンビームに集束加工用イオンビーム１１とエッジ加工用イオンビーム１２との二種類を用いるため、混同する可能性がある。従って、表示手段２８に図７に示すようなビームタイプを表すメッセージ４１を表示して、今設定されているイオンビームが観察用イオンビームなのか加工用イオンビームなのか、もし加工用イオンビームであれば集束加工用イオンビーム１１なのかエッジ加工用イオンビーム１２なのかをオペレータに知らしめ、誤操作を防ぐ。
【００２７】
２．開口部の形状が任意形状であるマスクを具備するイオンビーム装置
次に、装置構成は図２を用いて説明したイオンビーム装置とほぼ同じで、制限絞り３がマスク１９に、エッジ加工用イオンビーム１２がそのマスク１９の開口形状を投射する成形イオンビームであるエッジ加工用イオンビーム２１に入れ代わっている本発明のイオンビーム装置について説明する。装置の概略構成を図８（ａ）に示し、マスク１９の一例の上面図を図８（ｂ）に示す。
【００２８】
集束手段２は静電レンズで構成された集束レンズであり、かつ照射手段５は静電レンズで構成された投射レンズである。集束加工用イオンビーム１１は２本あり、小電流での加工に用いる集束加工用イオンビーム１１ａ、及びエッジ加工用イオンビーム２１の軸合わせに使用する軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂである。集束加工用イオンビーム１１ａとエッジ加工用イオンビーム２１の切り替えは、集束レンズと投射レンズの両レンズ電圧を切り替えることで行う。また、軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂとエッジ加工用イオンビーム２１の切り替えは、投射レンズのレンズ電圧を切り替えることで行う。マスク１９は、加工用イオンビームの電流が収差に起因したイオンビームの裾の影響が顕著になる値以上となる開口面積を持った開口部２０を少なくとも一つ具備している。
【００２９】
小電流での加工に用いる集束加工用イオンビーム１１ａは、イオン発生手段１の像が試料面上に形成されるようにイオンビーム光学系の条件を制御することで得られる。エッジ加工用イオンビーム２１は、マスク１９の開口の像が試料面上に形成されるようにイオンビーム光学系の条件を制御することで得られる。
エッジ加工用イオンビーム２１を形成するレンズ電圧は、イオンビーム光学系を構成する各要素の配置寸法から決まる。このレンズ電圧を予め求めておき、制御手段７に記憶しておく。エッジ加工用イオンビーム２１の形成の際は、制御手段７で予め記憶したレンズ電圧を呼び出して、それを設定すればよい。また、軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂは、後述するように、エッジ加工用イオンビーム２１を投射レンズのレンズ電圧を制御して試料表面に集束させることで得られる。
【００３０】
ＳＩＭ像は、制御手段７を経由して表示手段２８に表示される。エッジ加工用イオンビーム２１を加工領域の設定に用いるＳＩＭ像の取得に使用すると、二つの問題が発生した。その一つは、エッジ加工用イオンビーム２１は大電流イオンビームであるため、ＳＩＭ像を観察した際のビーム照射による試料表面の損傷が実用上無視できないことである。もう一つは、エッジ加工用イオンビーム２１は成形イオンビームであるためビーム幅が大きく、ＳＩＭ像観察を行っても必要な像分解能が得られず位置合わせ精度が出ないことである。これらの問題の解決策は、ビーム電流が少なく、かつ像分解能の高い観察用イオンビーム９を用いることである。しかし、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム２１とではレンズ電圧、制限絞り開口径等のビーム照射条件が大きく異なるため、試料上での両ビームの照射位置がずれる。
【００３１】
この問題は、以下のようにして解決する。エッジ加工用イオンビーム２１は、その集束点４２が図９（ａ）に示すように、投射レンズ５の中心面４０と試料１６との間にあるため、投射レンズ５のレンズ電圧を少し下げることで、ビーム集束点４２を試料１６に合せられる（図９（ｂ））。このビームを、軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂにするのである。軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂとエッジ加工用イオンビーム２１とでは投射レンズ電圧が僅かに異なるだけであり、試料上での両ビームの照射位置ずれは実用上無視できる。よって、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム２１との試料上での照射位置合わせには、後者ビームの代わりに軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂを使用する。
【００３２】
図１０を用いて、その位置合わせ補正の方法を説明する。試料上の任意の目標物６０を観察用イオンビーム９と軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂとにより各々ＳＩＭ像観察した時の試料１６の側面方向から見た目標物６０と両ビームとの関係を図１０（ａ）に示す。図１０（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ観察用イオンビーム９と軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂにより観察したＳＩＭ像である。この目標物６０の各々のＳＩＭ像上での位置座標の差から、両ビーム間のずれ補正量２４を測定する。このずれ補正量２４を予め制御手段７に記憶し、このずれ補正量２４を基に図１０（ｂ）のように観察用イオンビーム９の照射位置に軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂの照射位置が同一となるように制御手段７で補正する。これにより、観察用イオンビーム９とエッジ加工用イオンビーム２１との試料上での照射位置も一致するのである。
【００３３】
図２４に示した特開平９−１８６１３８号公報に記載の従来例では、集束イオンビーム３１２と成形イオンビーム３１３との間に試料への照射位置のずれが生じないように、集束イオンビーム３１２を以下のようにして形成している。照射手段３０７のレンズ強度は、成形ビーム３１３を形成するレンズ強度である。初めに、イオンビームのビーム径は、ビーム制限アパーチャ３０３により調整する。次に、イオンビームをマスク３０６上に走査して、マスク３０６が明瞭に観察できるように集束手段３０４のレンズ強度を調整し、マスク３０６上にイオンビームを集束させる。従って、制限アパーチャ３０３とビーム偏向手段３０５が必要であった。本発明のイオンビーム装置では、上記の説明から制限アパーチャ３０３とビーム偏向手段３０５は必要ない。従来装置例と比較してビーム偏向手段と可変アパーチャをなくすことができる。
【００３４】
図１１を用いて加工領域の設定手順を説明する。図１１（ａ）は、矩形開口のマスクを投射するエッジ加工用イオンビーム２１を走査して、所望の加工領域１０２を加工する場合の設定である。観察用イオンビーム９を用いて観察したＳＩＭ像１０１を画像メモリに保存する。このＳＩＭ像１０１を表示手段２８であるＣＲＴ上に表示し、その上に所望の加工領域１０２をマウスなどで設定する。加工したい領域は加工領域１０２であるが、エッジ加工用イオンビーム２１は試料１６上にマスク１９の開口部を投射レンズの縮小率で縮小した形状（投射開口１０７）のイオンビームを形成しているため、加工領域１０２をそのままエッジ加工用イオンビーム２１で走査すると、加工領域１０２を超えて加工してしまい、加工位置が外側にずれる。
【００３５】
この問題は、以下のようにして解決する。予めエッジ加工用イオンビーム２１の投射開口１０７の縦辺の半分の長さ１０４ｂ及び横辺の半分の長さ１０４ｃを計算、あるいは測定して、それらの値を制御手段７に記憶しておく。エッジ加工用イオンビーム２１を選択した加工には、設定された加工領域１０２から投射開口１０７の縦辺及び横辺の半分の長さ１０４ｂ及び１０４ｃを差し引いたエッジ加工用イオンビーム２１の走査領域１０３を新たに設定し、この走査領域１０３を走査し加工する。オペレータは、集束加工用イオンビーム１１ａとエッジ加工用イオンビーム２１とを区別することなく、ＣＲＴ上のＳＩＭ像に所望の加工領域１０２を設定するだけでよく、従来装置と同等の操作性を維持できる。
【００３６】
図１１（ｂ）は、投射開口１０７と同一の大きさの加工領域１０５を加工する場合の設定である（この場合、投射開口１０７が加工予定領域に相当する）。ここでは、矩形開口のマスクを投射すると仮定して図示してある。この場合は、エッジ加工用イオンビーム２１の走査は行わず、このイオンビームを所望の投射点に投射することで加工領域１０５を加工する。
【００３７】
表示手段２８であるＣＲＴ上に、観察用イオンビーム９を用いて観察し、画像メモリに保存したＳＩＭ像１０１を表示して、その上にマウスなどで所望の投射点を設定する。投射点は、エッジ加工用イオンビーム２１の光軸１０６とし、その光軸１０６を基準位置とした投射開口１０７の投射位置を計算、あるいは測定して、その値を制御手段７に記憶しておく。ＣＲＴ上に表示したＳＩＭ像１０１上には光軸１０６と投射開口１０７とを影を付けて表示する。光軸１０６の位置を移動すると、その移動と同期して投射開口１０７の影も一緒に移動する。投射点、すなわち光軸１０６の位置の指定は、投射開口１０７と所望の加工領域１０５とが一致するように光軸１０６の位置をマウスなどでＣＲＴ上に表示したＳＩＭ像１０１上に指定する。投射開口１０７を可視化することで、加工領域１０５の設定操作を容易にした。
【００３８】
また、エッジ加工用イオンビーム２１を走査して加工するか、あるいは投射点に投射して加工するかを選択する選択手段５１０を設け、選択手段５１０で選択された加工タイプに合せて加工領域設定画面として図１１（ａ）あるいは図１１（ｂ）の画面が表示手段２８に表示されるようにした。
【００３９】
このイオンビーム装置では、加工用のイオンビームとして集束加工用イオンビーム１１ａ、軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂ、エッジ加工用イオンビーム２１の三種類を用いるため、混同する可能性がある。従って、表示手段２８に図７に示すようなビームタイプを表すメッセージ４１を表示して、今設定されているイオンビームが観察用イオンビームなのか加工用イオンビームなのか、もし加工用イオンビームであれば集束加工用イオンビーム１１ａなのか軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂなのか、あるいはエッジ加工用イオンビーム１２なのかをオペレータに知らしめ、誤操作を防ぐ。
【００４０】
本発明の一態様によるイオンビーム装置は、イオンを発生するイオン発生手段、イオン発生手段から発生したイオンを集束してイオンビームを形成する集束手段、イオンビームの電流を制限する開口部を持つ制限絞り、イオンビームを試料上で走査するためのビーム偏向手段、及びイオンビームを試料に照射する照射手段を含むイオンビーム光学系と、試料を載置する試料ステージと、イオンビームの照射によって試料から発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、イオンビーム光学系を制御する制御手段とを具備し、制御手段は、試料の走査イオン顕微鏡像を形成するための観察用イオンビームあるいは試料を加工するための加工用イオンビームが形成されるようにイオンビーム光学系を制御し、加工用イオンビームのビーム電流が所定の値より小さいときは像分解能が高いビーム集束状態の集束加工用イオンビームが形成され、加工用イオンビームのビーム電流が所定の値以上のときは加工試料の断面エッジ部がシャープに加工できるビーム集束状態のエッジ加工用イオンビームが形成されるようにイオンビーム光学系を制御することを特徴とする。
【００４１】
観察用イオンビームは、試料を走査しても試料を損傷することがないように小さなビーム電流とされる。制御手段は、試料加工用イオンビームのビーム電流がイオンビーム光学系の収差に起因してイオンビームの裾の影響が顕著になる値以上の時はエッジ加工用イオンビームを形成するようにイオンビーム光学系を制御し、その値未満の時は集束加工用イオンビームを形成するようにイオンビーム光学系を制御するのがよい。
【００４２】
集束手段及び照射手段は静電レンズで構成し、制御手段は、集束手段と照射手段の少なくとも一方の静電レンズのレンズ電圧の切り替えによって集束加工用イオンビームとエッジ加工用イオンビームとを切り替えるものとすることができる。
【００４３】
制限絞りは、開口部の形状が円である制限アパーチャ、あるいは開口部の形状が円を含む任意形状であるマスクであり、加工用イオンビームの電流が所定の値以上得られる開口面積を持つ開口部を具備する。
制限絞りを開口部の形状が円である制限アパーチャとし、エッジ加工用イオンビームを当該イオンビームの最小錯乱円の位置が試料の表面にほぼ一致するイオンビームとすることができる。
【００４４】
また、制限絞りを開口部の形状が円を含む任意形状であるマスク、エッジ加工用イオンビームを試料表面位置での光軸に垂直方向の断面形状がマスクの開口部の形状と相似形であるイオンビームとし、制御手段は、集束手段の静電レンズ及び照射手段の静電レンズのレンズ電圧を制御してエッジ加工用イオンビームを形成する機能と、エッジ加工用イオンビームの形成条件から照射手段の静電レンズのレンズ電圧を変えて像分解能の高い軸合わせ集束加工用イオンビームを形成する機能とを有するものとすることができる。
【００４５】
制御手段は、試料の観察時及び加工領域の設定時には観察用イオンビームが形成され、試料加工時にはエッジ加工用イオンビームが形成されるようにイオンビーム光学系を制御するのが好ましい。
制御手段は、加工用イオンビームの特性値とイオンビーム光学系の制御値との間の関係を記憶する記憶手段を備えることができる。加工用イオンビームの特性値は加工用イオンビームのビーム電流、ビーム径、ビーム開き角のうちの少なくとも一つとすることができる。
【００４６】
制御手段は、エッジ加工用イオンビームと観察用イオンビームの試料上での照射位置のずれをずれ補正量として記憶しており、そのずれ補正量を用いてエッジ加工用イオンビームと観察用イオンビームの試料上での照射位置が同一となるようにイオンビームの照射位置を補正する機能を有することが好ましい。
【００４７】
また、観察用イオンビームを用いて観察した試料の観察像を保存する画像メモリと、画像メモリに保存した観察像を用いて試料の所望位置に加工領域を設定する手段と、設定した加工領域と保存した観察像とを重ねて表示する表示手段とを備えることができる。
【００４８】
制限絞りが開口部の形状が円である制限アパーチャであり、エッジ加工用イオンビームが最小錯乱円の位置が試料表面にほぼ一致するイオンビームであるとき、設定された加工領域から予め求めておいたエッジ加工用イオンビームのビーム半径に相当する量を差し引いてエッジ加工用イオンビームの走査領域を設定する手段を具備するのが好ましい。
【００４９】
また、試料に照射されているイオンビームが観察用イオンビームであるか加工用イオンビームであるかを表示する表示手段と、試料に照射されているイオンビームが加工用イオンビームである場合にそれが集束加工用イオンビームであるかエッジ加工用イオンビームであるかを表示する表示手段とを有することが好ましい。
【００５０】
制限絞りが任意形状の開口を含むマスクであり、エッジ加工用イオンビームが成形イオンビームであるとき、観察用イオンビームを用いて観察した試料の観察像を保存する画像メモリと、エッジ加工用イオンビームの光軸の位置及びその光軸を基準位置としたエッジ加工用イオンビームの試料上への投射による加工予定領域を保存した観察像に重ねて表示する手段と、加工予定領域が所望の位置に来るようにエッジ加工用イオンビームの光軸の位置を指定することで加工領域を設定する手段を具備するのが好ましい。
【００５１】
本発明の他の態様のイオンビーム装置は、前記特徴に加え、試料の一部を分離した摘出試料を摘出位置とは異なる位置に移し変える移送手段と、移送手段により移送された摘出試料を載置する摘出試料ステージとを具備する。制御手段は、摘出試料の形状を短冊状の薄片、直方体、三角柱、歯車の少なくとも一つを含む任意形状に加工する任意形状加工制御手段を具備する。
【００５２】
試料上のイオンビーム照射領域にデポジション膜を形成する原料ガスを供給するデポジションガス源を有し、制御手段は、エッジ加工用イオンビームと同様のビーム集束状態であるエッジデポジション加工用イオンビームを形成するビーム調整手段を具備することができる。
【００５３】
前記イオンビーム装置は、集束手段と制限絞りとの間にイオンビームを集束する上部中間集束手段を少なくとも一つ具備してもよい。制限絞りと照射手段との間にイオンビームを集束する下部中間集束手段を少なくとも一つ具備してよい。
【００５４】
制御手段は、加工中に観察されるイオン顕微鏡像の輝度の変化を検出する輝度変化検出手段と、輝度の変化を検出した時点で加工を停止する終点検出手段を具備することもできる。
加工用イオンビームのビーム電流の大きさに応じて二次粒子検出手段の出力ゲインを調整する出力ゲイン調整手段を具備することが好ましい。この出力ゲイン調整手段を設けることによりＳＩＭ像の輝度飽和を防止することができる。
【００５５】
また、少なくとも２つのイオンビーム光学系の光軸が１点で交差している複数のイオンビーム光学系を備えてもよい。その一例として、エッジ加工用イオンビームのみを形成するイオンビーム光学系と、観察用イオンビームと集束加工用イオンビームとを形成するイオンビーム光学系とを備えてもよい。
【００５６】
本発明の一態様による試料加工方法は、イオン発生手段から発生したイオンをイオンビーム光学系を介して試料に照射して試料の加工を行う試料加工方法において、イオンビーム電流が所定値より小さなときはイオンビーム光学系をイオン発生手段の像が試料上にシャープに形成される条件にして加工を行い、イオンビーム電流が所定値以上のときはイオンビーム光学系をイオンビームの最小錯乱円の位置が試料表面にほぼ一致する条件にして加工を行うことを特徴とする。
【００５７】
本発明の他の態様による試料加工方法は、イオン発生手段から発生したイオンを任意形状の開口を有するマスクを含むイオンビーム光学系を介して試料に照射して試料の加工を行う試料加工方法において、イオンビーム電流が所定値より小さなときはイオンビーム光学系をイオン発生手段の像が試料上にシャープに形成される条件にして加工を行い、イオンビーム電流が所定値以上のときはイオンビーム光学系をマスクの開口の像が試料上にシャープに形成される条件にして加工を行うことを特徴とする。
【００５８】
【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説明する。
〔実施の形態１〕
図１は、本発明によるイオンビーム装置の一例の概略図である。このイオンビーム装置は、ガリウム液体金属イオン源を使用するイオン発生手段１、バトラー型静電アインツェルレンズを使用する集束手段２及び照射手段５、開口径の異なる複数のアパーチャを持ち、その少なくとも一つが、ビーム電流がビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなるビーム電流値以上得られる開口径１４である可変アパーチャを使用する制限絞り３、２段型８極偏向器を使用するビーム偏向手段４、試料１６を載置する試料ステージ８、二次粒子１３が二次電子の場合にはシンチレータを、二次イオンの場合にはマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰと略す）を使用する二次粒子検出器６、コンピュータを使用する制御手段７、ＣＲＴを使用する表示手段２８を備える。イオンビームの種類は、ビーム電流の小さな観察用イオンビーム９、集束加工用イオンビーム１１、そしてエッジ加工用イオンビーム１２（試料１６でのビーム集束状態が最小錯乱円近傍であるイオンビーム）である。可変アパーチャ３及び試料ステージ８には、コンピュータ制御のＸＹの二軸駆動機構及びＸＹＺＴＲの５軸駆動機構もそれぞれ備えている。
【００５９】
また、ビーム偏向手段４と照射手段５の間に、簡易ファラディーカップを使用するビーム電流計測手段２３を設置した。通常、イオンビームはビーム電流計測手段２３の底部にある開口部を通過し、試料１６まで到達する。制御手段７のコンピュータからビーム電流の計測命令が出た場合には、イオンビームを底部開口部からビーム偏向手段４により偏向し（偏向したイオンビーム５０）、ビーム電流計測手段内部にイオンビームを照射してビーム電流を計測する。図２１に示すように、ビーム電流計測手段２３は、内部深さ寸法５２と上部開口径寸法５１の比、即ち（内部深さ寸法５２）／（上部開口径寸法５１）が５以上となるように設計されている。これは、ビーム電流計測手段２３に入射したイオンビームにより発生する二次粒子のビーム電流計測手段２３の外部への放出確立を下げて、計測するビーム電流の精度を高めるためである。
【００６０】
なお、ビーム電流は、ビーム電流計測手段２３を具備しなくても試料ステージ８に電流計を接続して、試料１６及び試料ステージ８に流れる吸収電流を計測することでも得られる。ただし、その場合、計測精度はビーム電流計測手段２３を使用するよりも悪化してしまう。
【００６１】
各種イオンビームの可変アパーチャ３の開口のＸＹ位置と集束手段２と照射手段５のレンズ電圧の設定値とをコンピュータに入力、記憶させ、更に、可変アパーチャ駆動機構もコンピュータで制御することでイオンビームを切り替えた時の各パラメータ設定を自動的に行うことができる。イオンビームの調整は、従来装置と同様に必要なイオンビームに対して、オートフォーカス機能を使用する、あるいは直接オペレータがＳＩＭ像観察を行うことで、像分解能が最大となるようにレンズ強度を調整し、この時のレンズ電圧と可変アパーチャ３の開口のＸＹ位置とをコンピュータに入力、記憶させる。ビーム電流が前記した特定値（イオンビーム加工においてビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなるビーム電流値）以上の加工用イオンビームは、この記憶したレンズ電圧を利用して、自動的にエッジ加工用イオンビーム１２に設定される。従って、イオンビームの設定も従来装置と同等の操作性を実現した。また、加工データ、試料ステージ８の座標、加工に使用するイオンビームの種類を予めコンピュータに入力、記憶しておくことで自動加工も行うことができる。
【００６２】
これにより作業効率を向上すると共に、エッジ加工用イオンビームを採用したことで加工断面のエッジ部のシャープさを従来の数ｎＡ程度のイオンビームで加工した場合と同程度に維持したまま従来にない大電流（＞１５〜２５ｎＡ）のイオンビーム加工を行ってスループットの向上を実現した。
【００６３】
エッジ加工用イオンビーム１２は、像分解能が最大となる対物レンズのレンズ電圧から最小錯乱円近傍が試料表面と一致するビーム集束状態となる補正量分だけレンズ電圧を下げることで形成できる。次に、この電圧補正量を求める方法について説明する。
【００６４】
最初に、ビーム電流と光学系との間にある関係から電圧補正量を求める例について説明する。図１２に示すように、図１のイオンビーム装置の光学系構成は寸法Ａ１〜Ａ４によって特徴付けられる。ここで、寸法Ａ１はイオン発生手段１のチップから集束手段２のレンズ中心までの距離、寸法Ａ２は集束手段２のレンズ中心から制限絞り３までの距離、寸法Ａ３は制限絞り３から照射手段５のレンズ中心までの距離、寸法Ａ４は照射手段５のレンズ中心から試料表面までの距離である。このような構成のイオンビーム光学系を用い、イオンビームの加速電圧が３０ｋＶ、ビーム電流はイオンビーム加工においてビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなる値（例えば１５ｎＡ）以上、試料１６の表面位置は高さ方向、すなわち光軸方向に変化しないという条件のとき、試料１６に照射されているイオンビームのビーム集束状態を像分解能が最大となるビーム集束状態から最小錯乱円近傍が試料表面と一致するビーム集束状態に変更するために対物レンズのレンズ電圧に加えるべき電圧補正量は次の〔数１〕で与えられる。
【００６５】
【数１】

【００６６】
ここで、ΔＶは像分解能が最大となる対物レンズのレンズ電圧から、エッジ加工用イオンビーム１２を形成するためのレンズ電圧への電圧補正量（単位：Ｖ）、Ｉｂはイオンビームのビーム電流（単位ｎＡ）、係数Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３は光学系の寸法Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４から決まる値である。電圧補正量の算出式は、光学系が決まれば一意に決められる。従って、使用する光学系に対応する算出式を予め求めておき、これをコンピュータに記憶しておくことで任意の光学系に対してエッジ加工用イオンビーム１２を形成することができる。
【００６７】
ここでは加工用イオンビームの特性値としてビーム電流Ｉｂを用いたが、ビーム電流Ｉｂは制限絞り３のアパーチャ開口径により決まり、またアパーチャ開口径が決まればビーム開き角も決まることから、〔数１〕の特性値としてビーム電流Ｉｂの代わりにアパーチャ開口径あるいはビーム開き角を用いてもよい。
【００６８】
また、集束加工用イオンビーム１１とエッジ加工用イオンビーム１２との切り替えは、図２２に示すように、試料１６の表面位置を高さ方向、すなわち光軸方向に移動させ、高さ位置をそれぞれガウス像面１７及び最小錯乱円を形成する面１５に設定することでも実行できる。ガウス像面１７と最小錯乱円を形成する面１５との高さ位置の差ΔＺは、〔数１〕と同様に次の〔数２〕で与えられる。
【００６９】
【数２】

【００７０】
ここで、係数Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、図１２に示す光学系構成の寸法Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４から決まる値である。〔数２〕においても、加工用イオンビームの特性値としてビーム電流Ｉｂの代わりにアパーチャ開口径あるいはビーム開き角を用いることができる。
【００７１】
〔実施の形態２〕
図１３は、本発明によるイオンビーム装置の他の例を示す概略図である。このイオンビーム装置は、図１３（ａ）に概略を示すように、制限絞り３の代わりにマスク１９を用いた装置で、エッジ加工用イオンビームに成形イオンビーム（マスクの開口部の像を試料表面に形成するビーム）を使用するものである。図１３（ｂ）は、マスク１９の一例を示す上面図である。装置構成は実施の形態１とほぼ同じである。マスク１９は、例えば矩形の開口部２０、長方形二つ穴の開口部５０１、円形開口部５０２等を含む任意形状の開口部を有し、その開口部の少なくとも一つはイオンビーム加工においてビーム分布の裾広がりの影響が実用上無視できなくなるビーム電流値（例えば１５ｎＡ以上）が得られる面積の開口部となっている。
【００７２】
図１３（ａ）では、イオンビームは観察用イオンビーム９、集束加工用イオンビーム１１ａ、及びエッジ加工用イオンビーム２１（成形イオンビーム）のみ示してあり、軸合わせ集束加工用イオンビーム１１ｂは省略してある。実施の形態１と同様に、成形イオンビームを含めた各種イオンビームの光学系パラメータをコンピュータに入力、記憶させ、更に、マスク駆動機構もコンピュータで制御することでイオンビームを切り替えた時の各パラメータ設定を自動的に行うことができる。ビーム電流が例えば１５ｎＡ以上の加工用イオンビームは、この記憶したレンズ電圧を利用して、自動的にエッジ加工用イオンビーム２１に設定される。従って、イオンビームの設定も従来装置と同等の操作性を実現した。加工データ、試料ステージ８の座標、加工に使用するイオンビームの種類を予めコンピュータに入力、記憶しておくことで自動加工も行うことができ、作業効率を向上すると共に、成形イオンビームとしてエッジ加工用イオンビームを採用したことで加工断面のエッジ部のシャープさを従来の数百ｐＡ程度のイオンビームで加工したときと同程度以下に維持したまま従来にない大電流（最大約１５０ｎＡまで使用できることを確認）のイオンビームを使用して加工でき、スループットの向上を実現した。
【００７３】
エッジ加工用イオンビームに成形イオンビームを使用するため、集束イオンビームを用いる場合と比較すると加工形状に対する自由度は落ちる。しかし、図１３（ａ）に示す集束加工用イオンビーム１１ａとエッジ加工用イオンビーム２１から分かるように、成形イオンビームは集束イオンビームよりも集束手段２によりマスク１９上でイオンビームを集束しているため、マスク１９と制限絞り３の開口部の面積が等しいと仮定すると、ビーム電流は成形イオンビームの方が多く得られる、すなわち加工速度が速いというメリットがある。
【００７４】
また、加工領域の断面エッジ部のエッジシャープネスは、制限絞り３（マスク１９も含む）の開口部の面積が大きくなるに従い劣化してゆくが、この開口部の面積の増大に対する劣化率は、試料１６でのビーム集束状態が最小錯乱円近傍である集束イオンビームよりも成形イオンビームの方が小さい。従って、加工領域の断面エッジ部のエッジシャープネスを同一とした場合、成形イオンビームの方が大きな開口部を具備することができる。これは同じエッジシャープネスのエッジ加工用イオンビームにおいて、成形イオンビームの方がより大電流のイオンビームを得ることができ、より高速加工ができることを意味する。従って、所望の加工面積、加工形状、加工速度に合わせてエッジ加工用イオンビームに試料１６でのビーム集束状態が最小錯乱円近傍であるイオンビームを用いた装置と成形イオンビームを用いた装置とを選択することで更に効率的な加工が行える。
【００７５】
また、エッジ加工用イオンビームに試料１６でのビーム集束状態が最小錯乱円近傍であるイオンビームと成形イオンビームとを両方具備する装置では、加工形状の自由度を失わないため、加工に合わせた加工用イオンビームの選択範囲が増し、更なる最適加工が実現できる。
【００７６】
〔実施の形態３〕
図１４の装置は、実施の形態１及び２と同じイオンビーム光学系７０と７１とを２本具備するイオンビーム装置の例である。２本のイオンビーム光学系７０及び７１は制御手段７で制御する。イオンビーム光学系の数は２本に限らず、３以上具備する構成でもよい。各々のイオンビーム光学系の光軸は、試料１６上の一点で交差するように配置されている。
【００７７】
複数のイオンビーム光学系を具備する利点として、以下のことが挙げられる。試料に対して傾斜軸方向にイオンビーム光学系を配置すると、試料ステージ８を傾斜させることなく傾斜加工を行えるため、試料ステージの傾斜軸を省くことができ、ステージ構成が簡単になる。また、２本のイオンビーム光学系を具備すると、同時に２箇所を加工できるため、スループットが向上する。また、傾斜方向から観察しながら断面を加工するその場観察加工が行えるため、加工の終点検出が容易となる。また、２本のイオンビーム光学系のうち、一つがエッジ加工用イオンビーム１２専用の光学系で、残りの一つが観察用イオンビーム９と集束加工用イオンビーム１１との専用の光学系という構成にすれば、加工用イオンビームの切り替えが不要となり、イオンビームの切り替えによるレンズ電圧の再現性、及び制限絞り３の位置再現性等に起因する加工位置精度の劣化を排除できる。複数本のイオンビーム光学系のうちの１本を電子ビーム光学系に換えた構成としてもよい。
【００７８】
〔実施の形態４〕
例えば特許２７７４８８４号あるいは特開平１１−２５８１３０号公報に記載のように、試料の一部を摘出試料として分離して、異なる試料等に接着する加工を行うイオンビーム装置の例を説明する。イオンビーム装置の構成は、図１あるいは図１３に示した構成と同様である。
【００７９】
このイオンビーム装置は、実施の形態１から３で説明した装置構成に、試料１６の一部を分離した摘出試料３２を試料ホルダに移し変える移送手段３０と、試料１６を載置する試料ステージ８及び移送手段３０により移送された摘出試料３２を載置する摘出試料ステージ３１と、イオンビームの照射領域にデポジション膜を形成する原料ガスを供給するデポジションガス源３４とを新たに具備する。試料１６から摘出試料３２を分離する作業に大電流化により高速加工を実現したエッジ加工用イオンビームを用いることで、従来よりも遥かに短時間で摘出試料を分離できる。結果として、スループットの大幅な向上を可能とした。
【００８０】
また、前記従来技術の文献に記載されているように、摘出試料の表面保護、及び分離した摘出試料の異なる試料等への接着は、イオンビームの照射領域にデポジション膜を形成して行う。本実施の形態では、デポジション膜の形成専用のイオンビームとして、ビーム電流が１ｎＡ以下のエッジ加工用イオンビーム１２（あるいは２１）を使用する。
【００８１】
図１５を用いて、エッジデポジション加工用イオンビームを使用することによる効果を説明する。従来装置でのデポジション膜の形成には、ＳＩＭ像の分解能が高いビーム集束状態の集束イオンビームが用いられていた。図１５（ａ）に示すように、従来装置でのデポジション膜の形成は、デポジション膜を形成したい領域４００に対してイオンビームを間隔４０３でディジタル的に走査するディジタル走査４０１により行っていた。このイオンビームでは、図４（ａ）で説明したようにイオンビームの光軸１０近傍に収差に起因するイオンビームの裾が広がっている。図１５（ｃ）に示すように、このイオンビームの裾によりデポジション膜４０２の断面エッジ部が鈍ってしまう。また、イオンビームの裾の広がり具合のばらつきにより、若干指定領域よりも大きな領域までデポジション膜を形成してしまうこともまれに起こった。
【００８２】
本発明の装置では、従来装置のイオンビームよりもイオンビームの裾の広がりが小さく、ビーム径が大きいエッジデポジション加工用イオンビームを採用している。このため、図１５（ｂ）に示すように、イオンビームを従来の間隔４０３よりも広い間隔４０４でディジタル走査４０１できる。従って、従来装置とイオンビームの照射時間は同じであるが、照射点数を減少でき、同じ面積にデポジション膜を形成する場合、本発明の装置の方が短時間でデポジション膜を形成できる。これより、スループットを向上できる。また、イオンビームの裾が小さいため、図１５（ｄ）に示すように、デポジション膜４０２の断面エッジ部がシャープなデポジション膜を形成することができ、イオンビームの裾によるデポジション膜の形成領域の増大も防ぐことができる。
【００８３】
〔実施の形態５〕
また、実施の形態４の装置構成に加えて、制御手段７にイオンビームの試料１６上への照射を点としてディジタル的に制御するディジタル走査により任意形状を加工できる任意形状加工制御手段を追加することで、摘出試料３２は前記従来技術の文献に示されている形状に留まらず、図１６（ａ）に示すようなマイクロマシニングに使用する歯車４９等の任意形状に加工して分離し、所望の箇所に接続することが可能である。この場合も、エッジ加工用イオンビームを使用することで、従来装置よりもスループットを向上できた。
【００８４】
図１６（ｂ）〜（ｆ）に歯車４９を作製する工程例を示す。試料１６でのビーム集束状態が最小錯乱円近傍であるエッジ加工用イオンビームでは、図１６（ｂ）に示すように、歯車形成領域５０に対してエッジ加工用イオンビームを歯車４９が残るようにディジタル走査５１する。一方、成形イオンビームであるエッジ加工用イオンビームでは、図１６（ｃ）に示す歯車外形の開口部５３を具備するマスク５２と、図１６（ｄ）に示す歯車切断用の開口部５５ｂと軸部の開口部５５ａを具備するマスク５４とを用意する。初めに、図１６（ｅ）に示すように歯車外形を一括で加工し、仕上げ図１６（ｆ）に示すように歯車軸穴加工と切断を一括で行う。
【００８５】
また、デバイスの切断、不良箇所の切断分離除去、電気的又は機械的接続を含むデバイス移植等の作業に対しても、エッジ加工用イオンビームとエッジデポジション加工用イオンビームを使用することで従来装置よりもスループットを向上できる。
【００８６】
〔実施の形態６〕
図１７（ａ）に示すような多層膜試料３３の所望の層５２０を含む薄片を摘出試料として、例えば特許２７７４８８４号あるいは特開平１１−２５８１３０号公報に記載のように試料の一部を摘出試料として分離して、異なる試料等に接着する加工を行うイオンビーム装置について説明する。この場合、図１７（ｂ）に示す各層の組成に依存するＳＩＭ像の輝度信号１１１の変化を捉える輝度変化検出手段と、所望の回数だけ輝度が変化した時点で加工を停止する終点検出機能があると便利である。そこで、実施の形態４，５の装置構成に加えて、制御手段７に輝度変化検出手段と終点検出手段とを具備することで、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程の高スループット化、及び自動化を図った。
【００８７】
（ａ）所望の層５２０を覆っている不要層を除去し、所望層表面を露出させる。
（ｂ）所望の層５２０の表面を保護するために、所望層表面にデポジション膜を形成する。
（ｃ）所望の層５２０から、所望の層を含む試料の一部を摘出試料として分離して、異なる試料等に接着する。
（ｄ）異なる試料等に接着した摘出試料の所望位置に断面あるいは薄片を形成する。
【００８８】
予め輝度信号１１１の閾値１１０と、その閾値の通過回数を制御手段７に記憶しておく。輝度の変化は、二次粒子検出手段で輝度信号１１１を検出し、制御手段７で輝度信号１１１が閾値１１０を通過するのをモニタするか、閾値の通過回数をモニタする。予め記憶しておいた条件を満たした場合、終点に到達したと判断して試料表面の除去加工を停止する。
【００８９】
二次粒子検出手段６の出力ゲインは、ビーム電流により最適値が異なる。従来は、加工に使うイオンビーム電流の変動範囲は約一桁であったため、二次粒子検出手段６の出力ゲインをビーム電流毎に調整し直す必要はなかった。しかし、従来の出力ゲイン固定方式では、本発明のイオンビーム装置におけるビーム電流の変動範囲約二桁には対応できず、ビーム電流が大きい領域ではＳＩＭ像の輝度が飽和してしまう問題が生じた。この問題は、以下のようにして解決した。予め各ビーム電流の値に対する出力ゲインの最適値を求めておき、制御手段７に記憶しておく。イオンビームを切り替えた際には、そのビーム電流に合わせて二次粒子検出器６の出力ゲインを出力ゲイン調整手段でその最適値に切り換えることでＳＩＭ像の輝度飽和を防ぐ。
【００９０】
〔実施の形態７〕
図１８は、本発明によるイオンビーム装置の他の例を示す模式図である。このイオンビーム装置は、実施の形態１〜６で説明した装置構成に加えて、集束手段２と制限絞り３（あるいはマスク１９）との間にバトラー型静電アインツェルレンズを使用した上部中間集束手段３５を具備し、制限絞り３（あるいはマスク１９）と照射手段５との間にバトラー型静電アインツェルレンズを使用した下部中間集束手段３６を具備する。
【００９１】
上部中間集束手段３５を追加することで、制限絞り３に照射するイオンビームの電流密度を上げることができ、更に加工スループットを向上できる。この静電レンズの数は複数でもよい。下部中間集束手段３６に静電レンズを追加することで、マスク１９の開口部の縮小率を変化させることができる。成形イオンビームにおいては、縮小率を上げることで従来よりも大きな面積を持つ開口部を使用でき、イオンビームのビーム電流を上げることができる。このため、加工速度が上げて、スループットの更なる向上が可能となる。この静電レンズの数は複数でもよい。
また、上部中間集束手段３５、あるいは上部中間集束手段３５のいずれか一方のみ具備しても上記で説明した効果が各々得られる。
【００９２】
〔実施の形態８〕
図１９は、上記実施の形態で説明した本発明のイオンビーム装置を用いたイオンビーム加工の例を示している。試料１６に断面５０あるいは薄片５１を加工している。この断面あるいは薄片面は、試料表面１８に立てた垂線に対して垂直方向を９０°として右回りに０°から１８０°の範囲５３であるように加工する。この断面５０あるいは薄片５１は、摘出試料３２に加工する場合もある。
【００９３】
図２０（ａ）は、本発明のイオンビーム装置を用いたイオンビーム加工の他の例を示している。本例は、例えば特開平５−５２７２１号公報や特許２７０８５４７号に示されているようなデバイス試料５４の配線５５を切断及び接続したり、移植したりするイオンビーム加工の概略を示した加工例である。また、図２０（ｂ）のように、本発明のイオンビーム装置は不良箇所５６を分離除去するイオンビーム加工にも使用できる。
【００９４】
実施の形態４で説明した、試料の一部を摘出試料として分離して、異なる試料等に接着する加工において、試料の一部を摘出試料として分離する作業時間に着目し、複数のオペレータに対してストレスなく作業が続けられる最長の作業時間を調査した結果、平均約３０分という結果が得られた。本発明のイオンビーム装置を用いることで、従来は６０分以上かかっていた試料から摘出試料を分離する作業時間を３０分以下に短縮することができ、オペレータの受けるストレスを軽減できた。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、加工に用いる加工用イオンビームに像分解能が高いビーム集束状態の集束加工用イオンビームと加工領域の断面エッジ部がシャープに加工できるエッジ加工用イオンビームとの二種類を備え、大電流イオンビームに対してはエッジ加工用イオンビームを使用することによって、高スループットと高加工位置精度の両立ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料表面が最小錯乱円近傍となるビーム集束状態のエッジ加工用イオンビームを具備する本発明のイオンビーム装置の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明によるイオンビーム加工装置の一例を示す概略構成図。
【図３】加工用イオンビームが集束イオンビームである本発明のイオンビーム装置の一例を示す概略構成図。
【図４】集束イオンビームの試料表面近傍でのビーム軌道とガウス像面及び最小錯乱円の位置を示す説明図。
【図５】観察用イオンビームとエッジ加工用イオンビームとの軸合わせ説明図。
【図６】エッジ加工用イオンビームの加工領域設定の説明図。
【図７】イオンビームの種類を示す表示例の図。
【図８】加工用イオンビームが成形イオンビームである本発明のイオンビーム装置の一例を示す概略構成図。
【図９】エッジ加工用イオンビームと軸合わせ集束加工用イオンビームの説明図。
【図１０】観察用イオンビームとエッジ加工用イオンビームとの軸合わせ説明図。
【図１１】エッジ加工用イオンビームの加工領域設定の説明図。
【図１２】イオンビーム装置の光学系構成要素間寸法の説明図。
【図１３】成形イオンビームのエッジ加工用イオンビームを具備する本発明のイオンビーム装置の一例を示す概略構成図。
【図１４】イオンビーム光学系を２本具備するイオンビーム装置の一例を示す概略図。
【図１５】エッジデポジション加工用イオンビームによるデポジション膜の形成の説明図。
【図１６】任意形状加工の一例を示す説明図。
【図１７】終点検出の一例の説明図。
【図１８】上部中間集束手段及び下部中間集束手段を具備する本発明のイオンビーム装置の一例を示す説明図。
【図１９】本発明のイオンビーム装置を用いたイオンビーム加工の例を示す図。
【図２０】本発明のイオンビーム装置を用いたイオンビーム加工の例を示す図。
【図２１】ビーム電流計測手段の一例を示す図。
【図２２】試料ステージの移動によるエッジ加工用イオンビームの形成説明図。
【図２３】従来のイオンビームを用いたイオンビーム装置の概略図。
【図２４】従来の成形イオンビームを用いたイオンビーム装置の概略図。
【符号の説明】
１…イオン発生手段、２…集束手段、３…制限絞り、４…ビーム偏向手段、５…照射手段、６…二次粒子検出手段、７…制御手段、８…試料ステージ、９…観察用イオンビーム、１１…集束加工用イオンビーム、１１ａ…集束加工用イオンビーム、１１ｂ…軸合わせ集束加工用イオンビーム、１２…エッジ加工用イオンビーム、１３…二次粒子、１５…最小錯乱円を形成する面、１６…試料、１７…像分解能が最大となる面、１９…マスク、２０…開口部、２１…エッジ加工用イオンビーム、２３…ビーム電流計測手段、２８…表示手段、３０…移送手段、３１…摘出試料ステージ、３２…摘出試料、３４…デポジションガス源、１０１…ＳＩＭ像、１０２…加工領域、１０３…エッジ加工用イオンビームの走査領域

Claims (24)

1. イオンを発生するイオン発生手段、前記イオン発生手段から発生したイオンを集束してイオンビームを形成する集束手段、前記イオンビームの電流を制限する開口部を持つ制限絞り、前記イオンビームを試料上で走査するためのビーム偏向手段、及び前記イオンビームを試料に照射する照射手段を含むイオンビーム光学系と、試料を載置する試料ステージと、前記イオンビームの照射によって試料から発生する二次粒子を検出する二次粒子検出手段と、前記イオンビーム光学系を制御する制御手段とを具備し、
   前記制御手段は、試料の走査イオン顕微鏡像を形成するための観察用イオンビームあるいは試料を加工するための加工用イオンビームが形成されるように前記イオンビーム光学系を制御し、加工用イオンビームのビーム電流が所定の値より小さいときは像分解能が高いビーム集束状態の集束加工用イオンビームが形成され、加工用イオンビームのビーム電流が所定の値以上のときは加工試料の断面エッジ部がシャープに加工できるビーム集束状態のエッジ加工用イオンビームが形成されるように前記イオンビーム光学系を制御することを特徴とするイオンビーム装置。
2. 請求項１記載のイオンビーム装置において、前記集束手段及び前記照射手段は静電レンズで構成され、前記制御手段は、前記集束手段と前記照射手段の少なくとも一方の静電レンズのレンズ電圧の切り替えによって前記集束加工用イオンビームと前記エッジ加工用イオンビームとを切り替えることを特徴とするイオンビーム装置。
3. 請求項１又は２記載のイオンビーム装置において、前記制限絞りは、開口部の形状が円である制限アパーチャ、あるいは開口部の形状が円を含む任意形状であるマスクであり、前記加工用イオンビームの電流が前記所定の値以上得られる開口面積を持つ開口部を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
4. 請求項１又は２記載のイオンビーム装置において、前記制限絞りは開口部の形状が円である制限アパーチャであり、前記エッジ加工用イオンビームは当該イオンビームの最小錯乱円の位置が前記試料の表面にほぼ一致するイオンビームであることを特徴とするイオンビーム装置。
5. 請求項１又は２記載のイオンビーム装置において、前記制限絞りは開口部の形状が円を含む任意形状であるマスクであり、前記エッジ加工用イオンビームは試料表面位置での光軸に垂直方向の断面形状が前記マスクの開口部の形状と相似形であるイオンビームであり、前記制御手段は、前記集束手段の静電レンズ及び前記照射手段の静電レンズのレンズ電圧を制御して前記エッジ加工用イオンビームを形成する機能と、前記エッジ加工用イオンビームの形成条件から前記照射手段の静電レンズのレンズ電圧を変えて像分解能の高い軸合わせ集束加工用イオンビームを形成する機能とを有することを特徴とするイオンビーム装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記制御手段は、試料の観察時及び加工領域の設定時には前記観察用イオンビームが形成され、試料加工時には前記エッジ加工用イオンビームが形成されるように前記イオンビーム光学系を制御することを特徴とするイオンビーム装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記制御手段は、前記加工用イオンビームの特性値と前記イオンビーム光学系の制御値との間の関係を記憶する記憶手段を備えることを特徴とするイオンビーム装置。
8. 請求項７記載のイオンビーム装置において、前記加工用イオンビームの特性値は前記加工用イオンビームのビーム電流、ビーム径、ビーム開き角のうちの少なくとも一つであることを特徴とするイオンビーム装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記制御手段は、前記エッジ加工用イオンビームと前記観察用イオンビームの試料上での照射位置のずれをずれ補正量として記憶しており、前記ずれ補正量を用いて前記エッジ加工用イオンビームと前記観察用イオンビームの試料上での照射位置が同一となるようにイオンビームの照射位置を補正する機能を有することを特徴とするイオンビーム装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記観察用イオンビームを用いて観察した試料の観察像を保存する画像メモリと、前記画像メモリに保存した観察像を用いて試料の所望位置に加工領域を設定する手段と、前記設定した加工領域と前記保存した観察像とを重ねて表示する表示手段とを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
11. 請求項４記載のイオンビーム装置において、設定された加工領域から予め求めておいた前記エッジ加工用イオンビームのビーム半径に相当する量を差し引いて前記エッジ加工用イオンビームの走査領域を設定する手段を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、試料に照射されているイオンビームが前記観察用イオンビームであるか前記加工用イオンビームであるかを表示する表示手段と、試料に照射されているイオンビームが前記加工用イオンビームである場合にそれが前記集束加工用イオンビームであるか前記エッジ加工用イオンビームであるかを表示する表示手段とを有することを特徴とするイオンビーム装置。
13. 請求項５記載のイオンビーム装置において、前記観察用イオンビームを用いて観察した試料の観察像を保存する画像メモリと、前記エッジ加工用イオンビームの光軸の位置及びその光軸を基準位置とした前記エッジ加工用イオンビームの試料上への投射による加工予定領域を前記保存した観察像に重ねて表示する手段と、前記加工予定領域が所望の位置に来るように前記エッジ加工用イオンビームの光軸の位置を指定することで加工領域を設定する手段を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、試料の一部を分離した摘出試料を摘出位置とは異なる位置に移し変える移送手段と、前記移送手段により移送された前記摘出試料を載置する摘出試料ステージとを具備することを特徴とするイオンビーム装置。
15. 請求項１４記載のイオンビーム装置において、前記制御手段は、前記摘出試料の形状を短冊状の薄片、直方体、三角柱、歯車の少なくとも一つを含む任意形状に加工する任意形状加工制御手段を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、試料上の前記イオンビーム照射領域にデポジション膜を形成する原料ガスを供給するデポジションガス源を有し、前記制御手段は、前記エッジ加工用イオンビームと同様のビーム集束状態であるエッジデポジション加工用イオンビームを形成するビーム調整手段を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記集束手段と前記制限絞りとの間に前記イオンビームを集束する上部中間集束手段を少なくとも一つ具備することを特徴とするイオンビーム装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記制限絞りと前記照射手段との間に前記イオンビームを集束する下部中間集束手段を少なくとも一つ具備することを特徴とするイオンビーム装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記制御手段は、加工中に観察されるイオン顕微鏡像の輝度の変化を検出する輝度変化検出手段と、前記輝度の変化を検出した時点で加工を停止する終点検出手段を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、前記加工用イオンビームのビーム電流の大きさに応じて前記二次粒子検出手段の出力ゲインを調整する出力ゲイン調整手段を具備することを特徴とするイオンビーム装置。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項記載のイオンビーム装置において、複数のイオンビーム光学系を備え、少なくとも２つのイオンビーム光学系の光軸が１点で交差していることを特徴とするイオンビーム装置。
22. 請求項２１記載のイオンビーム装置において、前記エッジ加工用イオンビームのみを形成するイオンビーム光学系と、前記観察用イオンビームと前記集束加工用イオンビームとを形成するイオンビーム光学系とを備えることを特徴とするイオンビーム装置。
23. イオン発生手段から発生したイオンをイオンビーム光学系を介して試料に照射して試料の加工を行う試料加工方法において、イオンビーム電流が所定値より小さなときは前記イオンビーム光学系を前記イオン発生手段の像が試料上にシャープに形成される条件にして加工を行い、イオンビーム電流が前記所定値以上のときは前記イオンビーム光学系をイオンビームの最小錯乱円の位置が試料表面にほぼ一致する条件にして加工を行うことを特徴とする試料加工方法。
24. イオン発生手段から発生したイオンを任意形状の開口を有するマスクを含むイオンビーム光学系を介して試料に照射して試料の加工を行う試料加工方法において、イオンビーム電流が所定値より小さなときは前記イオンビーム光学系を前記イオン発生手段の像が試料上にシャープに形成される条件にして加工を行い、イオンビーム電流が前記所定値以上のときは前記イオンビーム光学系を前記マスクの開口の像が試料上にシャープに形成される条件にして加工を行うことを特徴とする試料加工方法。

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