特許 6118846 複合集束イオンビーム装置及びそれを用いた試料加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6118846

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】複合集束イオンビーム装置及びそれを用いた試料加工方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/317 20060101AFI20170410BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20170410BHJP

   H01J 27/26 20060101ALI20170410BHJP

   G01N 23/22 20060101ALI20170410BHJP

   G01N 23/225 20060101ALN20170410BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/317 D

   H01J37/244

   H01J27/26

   G01N23/22 310

   !G01N23/225 320

【請求項の数】7

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2015-133559(P2015-133559)

(22)【出願日】2015年7月2日

(62)【分割の表示】特願2013-123876(P2013-123876)の分割

【原出願日】2008年8月6日

(65)【公開番号】特開2016-1606(P2016-1606A)

(43)【公開日】2016年1月7日

【審査請求日】2015年7月2日

(31)【優先権主張番号】特願2007-207097(P2007-207097)

(32)【優先日】2007年8月8日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】503460323

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクサイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】皆藤 孝

(72)【発明者】

【氏名】田代 純一

(72)【発明者】

【氏名】杉山 安彦

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 浩二

(72)【発明者】

【氏名】藤井 利昭

(72)【発明者】

【氏名】相田 和男

(72)【発明者】

【氏名】小川 貴志

【審査官】 佐藤 仁美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３０９９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０６６７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０６７２９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０２−０６２０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０５６３４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２３／００−２３／２２７、

Ｈ０１Ｊ ２７／００−２７／２６、３７／００−３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、
第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、
試料を支持する支持台と、を備え、
前記第２のイオンビーム照射系が鉛直方向に配置され、前記第１のイオンビーム照射系が鉛直方向に対し傾斜して配置され、
前記第２のイオンビーム照射系から前記試料にネオンイオンビーム又はアルゴンイオンビームを照射し、イオン種を切り替え、ヘリウムイオンビームを前記試料に照射する、
複合集束イオンビーム装置。

【請求項2】

請求項１に記載の複合集束イオンビーム装置であって、
前記試料を前記ネオンイオンビーム又は前記アルゴンイオンビーム及び前記ヘリウムイオンビームにより加工する複合集束イオンビーム装置。

【請求項3】

請求項１に記載の複合集束イオンビーム装置であって、
前記支持台は、前記第１のイオンビーム照射系と前記第２のイオンビーム照射系の切替操作に連動して傾斜可能である複合集束イオンビーム装置。

【請求項4】

液体金属イオン源で発生させたガリウムイオンのビームを鉛直方向に対し傾斜した方向から照射し試料を加工するステップと、
ガスフィールドイオン源で発生させたネオンイオン又はアルゴンイオンのビームを鉛直方向から前記試料に照射するステップと、
前記ガスフィールドイオン源で発生させたヘリウムイオンのビームを前記試料に照射するステップと、
を含む試料加工方法。

【請求項5】

請求項４に記載の試料加工方法であって、
前記ネオンイオン又は前記アルゴンイオンのビームにより前記試料を加工する試料加工方法。

【請求項6】

請求項４に記載の試料加工方法であって、
前記ヘリウムイオンのビームにより前記試料を加工する試料加工方法。

【請求項7】

請求項４に記載の試料加工方法であって、
前記ネオンイオン又は前記アルゴンイオンのビームを試料に照射した後に、前記試料を支持する支持台を傾斜し、前記ヘリウムイオンのビームを前記試料に照射する試料加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合集束イオンビーム装置及びそれを用いた試料加工方法に関する。
本出願は、特願２００７−２０７０９７を基礎出願とし、その内容を取り込むものとする。

【背景技術】

【0002】

従来から、半導体プロセスの評価に用いられる加工観察装置として、加工用のガリウムイオンビーム照射系と、観察用の電子ビーム照射系とを備えた装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１記載の加工観察装置によれば、集束イオンビームによる試料の加工と、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による試料の観察が可能である。しかし近年、かかる加工観察装置における高性能化が求められており、観察装置であるＳＥＭでは高分解能化が求められている。ＳＥＭで高分解能観察を行うにはビーム径を絞る必要があるが、電子ビームの場合には回折収差の影響があり、ビーム径を小さくするにはＷＤ（Working Distance）を小さくしなければならない。そうすると、試料の近傍にはイオンビーム鏡筒が配置されているため、鏡筒同士の干渉を避けるための設計上の制約や試料の形状や配置に関する制約が生じることとなる。
また、液体ガリウムをイオン源に用いた集束イオンビームを試料に照射して試料像（ＳＩＭ像）を得ることもできるが、イオンビーム照射によって試料がスパッタされて状態が変化してしまうという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平２−１２３７４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、上記事情に鑑みて成されたものであって、高分解能の観察や微細な加工が可能な複合集束イオンビーム装置及びそれを用いた加工観察方法、加工方法を提供する点である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明の複合集束イオンビーム装置は、上記課題を解決するために、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、を有し、前記第２のイオンビーム照射系から射出される第２のイオンビームのビーム径が、前記第１のイオンビーム照射系から射出される第１のイオンビームのビーム径よりも小さいこととした。
この構成によれば、２種類のイオンビーム照射系を備えているので、一方のイオンビーム照射系により試料観察を行いつつ、他方のイオンビーム照射系を用いた試料加工を行うことができる。特にガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系は、ビーム径を１ｎｍ以下に小さく絞ることができるため超高分解能の観察が可能である。
また、ＳＥＭとは異なりイオンビームを用いていることから、回折収差の影響をほとんど無視することができ、したがってＷＤ（Working Distance）を大きくしてもビーム径を小さく絞ることができるため、イオンビーム照射系同士の干渉が生じにくく、装置設計の自由度が大きくなる。

【0007】

前記第２のイオンの質量は前記第１のイオンの質量よりも小さいことが好ましい。
これにより、小さい質量のイオンを射出する第２のイオンビーム照射系を観察装置に用いる場合に、イオンビーム照射による試料のスパッタを抑えることができ、それによって極微小ビーム径を活かした超高分解能観察が可能となる。

【0008】

前記第１のイオンビームと前記第２のイオンビームとが鋭角に交差するように、前記第１のイオンビーム照射系と前記第２のイオンビーム照射系とが配置されていることが好ましい。
第１及び第２のイオンビーム照射系をこのように配置することで、試料を観察しつつ加工する用途に好適に用いることができる複合集束イオンビーム装置とすることができる。

【0009】

前記第１及び第２のイオンビームが照射される試料を支持する支持台を備え、前記第２のイオンビーム照射系が前記支持台の鉛直方向の上方に配置される一方、前記第１のイオンビーム照射系が鉛直方向に対して傾斜して配置されていることが好ましい。
このように第２のイオンビーム照射系を試料台の鉛直上方に配置することで、ビーム径が小さく高精度の位置制御を要する第２のイオンビーム照射系を用いた加工及び観察をより容易に行えるようになる。

【0010】

前記第１及び第２のイオンビームが略直交するように前記第１及び第２のイオンビーム照射系が配置されている構成としてもよい。
このような構成とすれば、一方のイオンビーム照射系を用いた試料の加工部位に対して、他方のイオンビーム照射系からのイオンビームを垂直に照射できるようになるため、特に加工中の観察を要する用途に好適な構成となる。

【0011】

前記ガスフィールドイオン源が、エミッタと、前記エミッタの先端部に対向する開口部を有する引出電極と、前記第２のイオンとなるガスを供給するガス供給部とを備えていることが好ましい。
かかる構成のガスフィールドイオン源により、小さいビーム径のイオンビームを安定的に形成できる。

【0012】

前記第２のイオンが、ヘリウムイオンであることが好ましい。
この構成により、試料のスパッタをほとんど生じさせることなく試料像を得ることができる第２のイオンビーム照射系を備えた複合集束イオンビーム装置となる。前記第２のイオンとしては、ネオンイオンを用いてもよい。

【0013】

前記第１のイオンビームと前記第２のイオンビームとが４５度〜６０度で交差するように、前記第１のイオンビーム照射系と前記第２のイオンビーム照射系とが配置されていることが好ましい。
この構成により、ＴＥＭ試料を作製する際の加工効率の向上が図れる。

【0014】

また、前記第１のイオンビーム照射系と前記第２のイオンビーム照射系の軸はステージチルト軸と直交し、かつ前記第３のイオンビーム照射系の軸と前記ステージチルト軸は同一平面内に位置するように配置されていることが好ましい。
このような配置にすることによって、各イオンビーム照射系から照射されるイオンビームの試料に対する角度設定が容易になり、結果的に試料に対する加工性を向上できる。

【0015】

前記第１のイオン又は前記第２のイオンの照射によって試料から発生または反射する二次荷電粒子と前記試料を透過した荷電粒子の少なくとも一方を検出する検出装置と、前記検出装置の出力に基づいて前記試料の画像を表示する画像表示装置とを備えていることが好ましい。
この構成により、イオンビーム照射による試料像の観察が可能な構成となる。

【0016】

前記検出装置が、第１のイオンビーム照射系から発生する第１のイオンの照射によって発生する二次イオンを検出する第１のイオン検出器と、第２のイオンビーム照射系から発生しかつ第１のイオンよりも軽い第２のイオンが試料に当たって反射する反射イオンを検出する第２のイオン検出器を備えていることが好ましい。
この構成によれば、二次イオンから得られる画像と、反射イオンから得られる画像を取得することができる。このため、例えば加工中において、試料の加工部分の試料表面の画像と加工部分の試料断面の画像とを同時に取得することができる。

【0017】

前記検出装置が、電子検出器、イオン検出器、及び透過荷電粒子検出器の少なくとも１つを備えていることが好ましい。すなわち、イオンビーム照射により試料から発生する二次電子、二次イオン、散乱イオン、及び透過荷電粒子の少なくとも１種を検出できるものを備えていることが好ましい。

【0018】

前記第１及び第２のイオンビームを照射される試料の近傍にデポジション用又はエッチング用の機能ガスを供給するガス銃を備えていることが好ましい。
この構成によれば、ガスアシストデポジションによる構造物の形成、及びガスアシストエッチングによる試料の加工等を迅速かつ容易に行える複合集束イオンビーム装置となる。

【0019】

本発明の加工観察方法は、試料にイオンビームを照射して加工及び観察を行う方法であって、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射して前記試料を観察するステップとを有することを特徴とする。
この方法によれば、ビーム電流の大きい第１のイオンビーム照射系を用いて試料を迅速に効率よく加工しつつ、ビーム径の小さい第２のイオンビーム照射系を用いて試料の損傷を回避しながら高分解能の観察を行うことができる。

【0020】

また、第２のイオンとして第１のイオンよりも小さい質量のイオンを用いることが好ましい。これにより、第２のイオンビームを照射して試料の観察を行う際の試料のスパッタを防止でき、試料の状態を変化させることなく正確な観察結果を得ることができる。

【0021】

前記第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと前記第２のイオンビームを照射して前記試料を観察するステップとが同時に行なわれることが好ましい。
この構成によれば、第１のイオンビームの照射して加工するときに、リアルタイムで加工部分の観察が行えることとなり、加工精度を向上させることができる。

【0022】

前記第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップの後に、第３のイオンを発生させるプラズマ型ガスイオン源を備えた第３のイオンビーム照射系から前記試料に第３のイオンビームを照射するステップを有する方法とすることもできる。第３のイオンビームは、１ｋｅＶ以下の低加速アルゴンイオンビームが好適である。
この方法によれば、ＴＥＭ試料薄片作製の場合、第１のイオンビームによる薄片加工で生じたダメージ層を、第３のイオンビームの照射によって除去することができる。

【0023】

前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給しながら前記試料に対して前記第２のイオンビームを照射することで前記試料を加工するステップを有する方法とすることもできる。
このように第２のイオンビーム照射系を用いて試料の加工を行うようにすれば、第１のイオンビーム照射系を用いた場合よりも微細な加工が可能であるため、第１のイオンビーム照射系による加工と第２のイオンビーム照射系による加工との組み合わせによって、微細かつ高精度の加工を容易に行うことができ、より高度の分析を実施することができる。

【0024】

本発明の加工方法は、試料にイオンビームを照射して加工する方法であって、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップとを有している。
この加工方法によれば、相対的に小さいビーム径を有する第２のイオンビームによる試料の加工を行うので、第１のイオンビーム照射系を用いた試料の加工とともに、より微小な領域の加工が可能になる。したがってこの加工方法によれば、高精度の加工を効率よく迅速に行うことができる。

【0025】

また、本発明の他の加工方法は、試料にイオンビームを照射して加工する方法であって、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から、前記試料の前記第１のイオンビームの照射によって加工された部分の少なくとも一部にさらに第２のイオンビームを照射して前記試料を後加工するステップとを有している。
この加工方法によれば、第１のイオンビームを照射して試料を加工した後に、その加工部分について、相対的に小さいビーム径の第２のイオンビームを射出して後加工ができる。つまり、第１のイオンビームの照射による粗加工の後に、第２のイオンビームの照射による仕上げ加工が行えることとなり、高精度の加工を効率よく行える他、第１のイオンビーム照射によって生じたダメージ部分を除去することもできる。

【0026】

前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、前記試料の前記第１のイオンビームの照射によって加工された部分の少なくとも一部にさらに第２のイオンビームを照射して前記試料を後加工するステップとを同時に行うことが好ましい。
この場合、第１のイオンビームの照射による粗加工と、第２のイオンビーム照射による仕上げ加工とを同時に行うことができ、加工効率をより一層向上することができる。

【0027】

前記試料のイオンビーム照射位置にガスを供給しながら前記試料に対して前記第２のイオンビームを照射することで前記試料を加工するステップを有することが好ましい。
このような加工方法とすることで、第２のイオンビーム照射系を用いた加工の効率を向上させることができる。

【0028】

本発明の複合集束イオンビーム装置は、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、前記ガスフィールドイオン源にガスを供給するガス供給源と、を有し、前記第２のイオンビーム照射系から射出される第２のイオンビームのビーム径が、前記第１のイオンビーム照射系から射出される第１のイオンビームのビーム径よりも小さく、前記ガス供給源は、前記ガスフィールドイオン源に供給するガスの種類を切り替え可能としている。

【0029】

本発明の加工観察方法は、試料にイオンビームを照射して加工及び観察を行う方法であって、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射して前記試料を観察するステップと、前記試料を観察するステップにおいて前記ガスフィールドイオン源に供給するガスの種類を切り替えるステップとを有している。

【0030】

本発明の加工方法は、試料にイオンビームを照射して加工する方法であって、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から前記試料に第２のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、前記試料を加工するステップにおいて前記ガスフィールドイオン源に供給するガスの種類を切り替えるステップとを有している。

【0031】

本発明の加工方法は、試料にイオンビームを照射して加工する方法であって、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系から前記試料に第１のイオンビームを照射して前記試料を加工するステップと、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備え、前記第１のイオンビームよりも小さいビーム径のイオンビームを射出する第２のイオンビーム照射系から、前記試料の前記第１のイオンビームの照射によって加工された部分の少なくとも一部にさらに第２のイオンビームを照射して前記試料を仕上げ加工するステップと、前記試料を仕上げ加工するステップにおいて前記ガスフィールドイオン源に供給するガスの種類を切り替えるステップとを有している。

【発明の効果】

【0032】

本発明によれば、従来の複合集束イオンビーム装置あるいは複合荷電粒子ビーム装置では不可能であった超高分解能の観察や超高精度の加工が可能な複合集束イオンビーム装置を提供することができる。
本発明の複合集束イオンビーム装置は、ＳＥＭの代わりに長ＷＤでも超高分解能の得られる、ガスフィールドイオン源Ｈｅイオンビームを用いることが特徴である。これにより、ＳＥＭをはるかにしのぐ超高分解能断面観察が可能になった。
本発明によれば、試料を加工しつつ従来をはるかにしのぐ超高分解能の観察を行える加工観察方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１は、第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の概略構成図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の概略断面図である。

【図3】図３は、電界放出型イオン源の断面図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の他の構成を示す図である。

【図5A】図５Ａは、加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図である。

【図5C】図５Ｃは、加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図である。

【図5D】図５Ｄは、加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図である。

【図5E】図５Ｅは、加工観察方法の一形態である断面加工観察方法を示す図である。

【図6A】図６Ａは、加工観察方法の一形態であるＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図である。

【図6B】図６Ｂは、加工観察方法の一形態であるＴＥＭ試料作製及び観察方法を示す図である。

【図7】図７は、加工方法の一形態であるＴＥＭ試料作製方法を示す図である。

【図8】図８は、加工方法の一形態であるＴＥＭ試料作製方法を示す図である。

【図9】図９は、加工方法の一例であるＴＥＭ試料作製方法を示す図である。

【図10A】図１０Ａは、加工方法の一形態である微細構造形成方法を示す図である。

【図10B】図１０Ｂは、加工方法の一形態である微細構造形成方法を示す図である。

【図11A】図１１Ａは、加工方法の一形態である配線変更方法を示す図である。

【図11B】図１１Ｂは、加工方法の一形態である配線変更方法を示す図である。

【図12】第２実施形態に係る複合集束イオンビーム装置の概略断面図である。

【図13】第１、第２、第３イオンビームの配置例を示す概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、本発明の複合集束イオンビーム装置の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の複合集束イオンビーム装置の概略斜視図である。図２は、複合集束イオンビーム装置１００の概略断面図である。

【0035】

図１及び図２に示すように、本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００は、真空室１３と、第１のイオンビーム照射系１０と、第２のイオンビーム照射系２０と、試料ステージ１６と、マニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とを備えている。真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、上記の各構成品はそれらの一部又は全部が真空室１３内に配置されている。

【0036】

本実施形態において、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０は、それぞれが集束イオンビーム鏡筒を備えており、真空室１３内に配置された試料ステージ１６上の試料（加工対象物あるいは観察対象物）に対して集束イオンビーム（第１のイオンビーム１０Ａ、第２のイオンビーム２０Ａ）を照射する。第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとは鋭角に交差し、かかる交差位置に配置された試料上の同一位置に照射される。

【0037】

ここで、前記第１のイオンビームと前記第２のイオンビームとが４５度〜６０度で交差するように、前記第１のイオンビーム照射系と前記第２のイオンビーム照射系とが配置されている。言い換えれば、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０が、それらの軸線のなす開き角度θａを４５度〜６０度となるように配置されている。

【0038】

第１のイオンビーム照射系１０は、液体ガリウム等を用いた液体金属イオン源３４と、液体金属イオン源３４から射出されたイオンをイオンビームに成形して射出するイオン光学系３５とを備えている。
液体金属イオン源３４を構成するイオンとしては、例えばガリウムイオン（Ｇａ＋）などである。液体金属イオン源３４は、イオン源制御電源（図示略）と接続されている。そして、イオン源制御電源によって加速電圧及び引き出し電圧を印加することで引き出されたイオンを加速させてイオンビームとして放出することができる。

【0039】

イオン光学系３５は、例えば、液体金属イオン源３４側から順に、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。

【0040】

第２のイオンビーム照射系２０は、第２のイオンを発生させるとともに流出させるガスフィールドイオン源２１と、ガスフィールドイオン源２１から流出した第２のイオンを集束イオンビーム（第２のイオンビーム２０Ａ）に成形するイオン光学系２５とを備えている。

【0041】

イオン光学系２５は、第１のイオンビーム照射系１０に備えられたイオン光学系３５と共通の基本構成を備えており、例えば、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。

【0042】

ここで図３は、ガスフィールドイオン源２１を示す概略断面図である。
図３に示すように、ガスフィールドイオン源２１は、イオン発生室２１ａと、エミッタ２２と、引出電極２３と、冷却装置２４とを備えて構成されている。イオン発生室２１ａの壁部に冷却装置２４が配設されており、冷却装置２４のイオン発生室２１ａに臨む面に針状のエミッタ２２が装着されている。冷却装置２４は、内部に収容された液体窒素等の冷媒によってエミッタ２２を冷却する。そして、イオン発生室２１ａの開口端近傍に、エミッタ２２の先端２２ａと対向する位置に開口部２３ａを有する引出電極２３が配設されている。

【0043】

イオン発生室２１ａは、図示略の排気装置を用いて内部が所望の高真空状態に保持されるようになっている。イオン発生室２１ａには、ガス導入管２６ａを介してガス供給源２６が接続されており、イオン発生室２１ａ内に微量のガス（例えばヘリウムガス）を供給するようになっている。
なお、ガスフィールドイオン源２１においてガス供給源２６から供給されるガスは、ヘリウムに限られるものではなく、ネオン、アルゴン、キセノン等のガスであってもよい。また、ガス供給源２６から複数種のガスを供給可能に構成し、第２のイオンビーム照射系２０の用途に応じてガス種を切り替えられるようにしてもよい。

【0044】

エミッタ２２は、タングステンやモリブデンからなる針状の基材に、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、金等の貴金属を被覆したものからなる部材であり、その先端２２ａは原子レベルで尖鋭化されたピラミッド状になっている。またエミッタ２２は、イオン源の動作時には冷却装置２４によって７８Ｋ程度以下の低温に保持される。エミッタ２２と引出電極２３との間には、電源２７によって電圧が印加されるようになっている。

【0045】

エミッタ２２と引出電極２３との間に電圧が印加されると、鋭く尖った先端２２ａにおいて非常に大きな電界が形成されるとともに、分極してエミッタ２２に引き寄せられたヘリウム原子２６ｍが、先端２２ａ表面の高電界位置で電子をトンネリングにより失ってヘリウムイオン（第２のイオン）となる（電界イオン化）。そして、このヘリウムイオンが正電位に保持されているエミッタ２２と反発して引出電極２３側へ飛び出し、引出電極２３の開口部２３ａからイオン光学系２５へ射出されたヘリウムイオンがイオンビームを構成する。

【0046】

エミッタ２２の先端２２ａは極めて尖鋭な形状であり、ヘリウムイオンはこの先端２２ａから飛び出すため、ガスフィールドイオン源２１から放出されるイオンビームのエネルギー分布幅は極めて狭く、液体金属イオン源３４やプラズマ型ガスイオン源と比較して、ビーム径が小さくかつ高輝度のイオンビームを得ることができる。

【0047】

なお、エミッタ２２への印加電圧が大きすぎると、ヘリウムイオンとともにエミッタ２２の構成元素（タングステンや白金）が引出電極２３側へ飛散するため、動作時（イオンビーム放射時）にエミッタ２２に印加する電圧は、エミッタ２２自身の構成元素が飛び出さない程度の電圧に維持される。
一方、このようにエミッタ２２の構成元素を操作できることを利用して、先端２２ａの形状を調整することができる。例えば、先端２２ａの最先端に位置する元素を故意に取り除いてガスをイオン化する領域を広げ、イオンビーム径を大きくすることができる。
またエミッタ２２は、加熱することで表面の貴金属元素を飛び出させることなく再配置させることができるため、使用により鈍った先端２２ａの尖鋭形状を回復することもできる。

【0048】

図１及び図２に戻り、試料ステージ１６は、試料台１４と試料ホルダ１５とを移動可能に支持している。試料台１４上には試料Ｗａ（例えば半導体ウエハ等）が載置され、試料ホルダ１５上には、試料Ｗａから作製される微小な試料Ｗｂが載置される。そして、試料ステージ１６は、試料台１４及び試料ホルダ１５を５軸で変位させることができる。すなわち、試料台１４を水平面に平行で且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸と、これらＸ軸及びＹ軸に対して直交するＺ軸とに沿ってそれぞれ移動させるＸＹＺ移動機構１６ｂと、試料台１４をＺ軸回りに回転させるローテーション機構１６ｃと、試料台１４をＸ軸（又はＹ軸）回りに回転させるチルト機構１６ａとを備えて構成されている。試料ステージ１６は、試料台１４を５軸に変位させることで、試料Ｗａ（試料Ｗｂ）の特定位置をイオンビームが照射される位置に移動するようになっている。

【0049】

真空室１３は、内部を所定の真空度まで減圧可能になっており、真空室１３内にはマニピュレータ１７と、二次荷電粒子検出器１８と、透過荷電粒子検出器１９と、ガス銃１１とが設けられている。
マニピュレータ１７は、試料Ｗａから作製される試料Ｗｂを支持するものであり、試料Ｗｂを指示した状態でマニピュレータ１７と試料ホルダ１５とを相対的に移動させることで、試料台１４から試料ホルダ１５に試料Ｗｂを運搬する。運搬に際しては、マニピュレータ１７を固定した状態で試料ステージ１６を駆動して試料ホルダ１５を試料Ｗｂが支持されている位置まで移動させてもよく、マニピュレータ１７を移動させて試料Ｗｂを運搬してもよい。

【0050】

二次荷電粒子検出器１８は、第１のイオンビーム照射系１０又は第２のイオンビーム照射系２０から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビームが照射された際に、試料Ｗａ又は試料Ｗｂから発せられるまたは反射される二次電子や二次イオンあるいは反射イオンを検出する。また透過荷電粒子検出器１９は、第２のイオンビーム照射系２０から試料Ｗａ又は試料Ｗｂへ集束イオンビームが照射された際に試料Ｗａ又は試料Ｗｂを透過したイオンを検出する。

【0051】

二次荷電粒子検出器１８は、この実施形態の場合、第１のイオンビーム照射系１０から発生する第１のイオンの照射によって発生する二次イオンを検出する第１のイオン検出器１８Ａと、第２のイオンビーム照射系から発生しかつ第１のイオンよりも軽い第２のイオンが試料に当たって反射する反射イオンを検出する第２のイオン検出器１８Ｂとを備える。第１のイオン検出器１８Ａは、第１のイオンの照射によって発生する二次イオンが広範囲に亘って放射されるので、配置の自由度が高い。これに比べ、第二イオン検出器１８Ｂは、試料Ｗａ、Ｗｂに当たって反射する反射イオンの放射角度がある程度定まっているので、第１のイオンビーム照射系１０のビーム鏡筒の近傍に配置されるのが好ましい。

【0052】

ガス銃１１は、試料Ｗａ、Ｗｂに対して、ガスアシスト用エッチングガスやガスアシスト用デポジションガスなどの所定のガスを放出する。そして、ガス銃１１からエッチングガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂに第１のイオンビーム１０Ａ又は第２のイオンビーム２０Ａを照射することで、イオンビームによる試料のエッチング速度を高めることができる。一方、ガス銃１１からデポジションガスを供給しながら試料Ｗａ、Ｗｂにイオンビームを照射すれば、試料Ｗａ、Ｗｂ上に金属や絶縁体の堆積物を形成することができる。

【0053】

また、複合集束イオンビーム装置１００は、当該装置を構成する各部を制御する制御装置３０を備えている。制御装置３０は、第１のイオンビーム照射系１０、第２のイオンビーム照射系２０、二次荷電粒子検出器１８、透過荷電粒子検出器１９、及び試料ステージ１６と接続されている。また、二次荷電粒子検出器１８あるいは透過荷電粒子検出器１９からの出力に基づき試料Ｗａ及び試料Ｗｂを映像として表示する表示装置３８を備えている。

【0054】

制御装置３０は、複合集束イオンビーム装置１００を総合的に制御するとともに、二次荷電粒子検出器１８又は透過荷電粒子検出器１９で検出された二次荷電粒子又は透過荷電粒子を輝度信号に変換して画像データを生成し、この画像データを表示装置３８に出力している。これにより表示装置３８は、上述したように試料像を表示する。

【0055】

また制御装置３０は、ソフトウェアの指令やオペレータの入力に基づいて試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの位置や姿勢を調整する。これにより、試料表面におけるイオンビームの照射位置や照射角度を調整自在である。例えば、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０との切替操作に連動して試料ステージ１６を駆動し、試料Ｗａや試料Ｗｂを移動させたり、傾けることができる。

【0056】

以上の構成を備えた本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００では、第２のイオンビーム照射系２０から射出される第２のイオン（ヘリウムイオン）が、第１のイオンビーム照射系１０から射出される第１のイオン（ガリウムイオン）よりも質量が小さいものとなっている。そのため、第２のイオンビーム２０Ａを試料Ｗａ又は試料Ｗｂに照射しても、試料がスパッタされにくく、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの二次荷電粒子像観察に好適なイオンビーム照射系となっている。

【0057】

また、第２のイオンビーム照射系２０では、ソースサイズ１ｎｍ以下、イオンビームのエネルギー広がりも１ｅＶ以下にできるため、ビーム径を１ｎｍ以下に絞ることができる。
１ｎｍ以下のビーム径を得るには、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）では回折収差の影響を回避するためにＷＤを１〜２ｍｍ以下にしなければならない。しかしながら、複数のビーム照射系を有する複合装置では鏡筒同士の機械的干渉によりＷＤを５ｍｍ以下にするのは極めて困難である。
これに対して、第２のイオンビーム２０Ａでは、用いられているヘリウムイオンの運動量がＳＥＭで用いられる電子の運動量に比べて非常に大きく、ドブロイ波長が非常に小さくなるため、回折効果が無視できる程度に小さくなる。
したがって、第２のイオンビームでは回折収差を無視できるのでＷＤを長くしても細いビーム径を得ることができ、大型の試料に対しても高分解能観察、計測が可能である。

【0058】

また、第２のイオンビーム２０Ａでは、試料における相互作用体積が表面からの深さ方向に長く延び、試料表面での面方向の広がりは小さくなることからイオンビームを照射した位置の情報を正確に反映した試料像を得ることができ、試料のチャージアップも抑えることができる。さらに、ヘリウムイオンの運動量は電子の運動量に対して非常に大きいため、試料表面からより多くの二次荷電粒子が放出される。
これらにより、第２のイオンビーム２０Ａを試料に照射して二次荷電粒子像観察を行うことで、高分解能かつ高コントラストの試料像を得ることができる。

【0059】

また第２のイオンビーム照射系２０は、先の第１のイオンビーム照射系１０よりも小さいビーム径のイオンビームを射出できるものとなっている。このようなビーム径の小さい第２のイオンビーム２０Ａを用いることで、第１のイオンビーム１０Ａを用いて試料を加工する場合に比して微細な加工（エッチング、デポジション）が可能である。

【0060】

なお、第２のイオンビーム２０Ａをヘリウムイオンにより構成すると、単にイオンビームを試料に照射したのでは試料はほとんどエッチングされないが、ガス銃１１からエッチングアシスト用のガスを供給しながら第２のイオンビーム２０Ａを試料に照射することで、実用的な速度で試料を加工することができる。また第２のイオンビーム２０Ａを、ヘリウムイオンよりも質量の大きいネオンイオンやアルゴンイオンによって構成すれば、加工の効率を向上させることができる。

【0061】

そして、本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００では、加工寸法の異なる２つのイオンビーム照射系が備えられているため、用途に応じてこれらのイオンビーム照射系を選択し、あるいは組み合わせて用いることができる。
より詳細には、第１の組み合わせとして、ビーム径の大きい第１のイオンビーム照射系１０を主に加工用途に用い、ビーム径が小さく試料のスパッタを回避できる第２のイオンビーム照射系２０を主に観察用途に用いる組み合わせを例示することができる。
また第２の組み合わせとして、第１のイオンビーム照射系１０を試料の粗加工に用い、第２のイオンビーム照射系２０を試料の精密加工に用いる組み合わせを例示することができる。

【0062】

本実施形態では、図２に示したように、第２のイオンビーム照射系２０を試料ステージ１６の鉛直上方に配置して試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して第２のイオンビーム２０Ａを鉛直方向に照射する。一方、第１のイオンビーム照射系１０は鉛直方向に対して傾いて配置され、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して斜め方向に第１のイオンビーム１０Ａを照射する。このように、ヘリウムイオンからなる第２のイオンビーム２０Ａを鉛直方向に沿って射出させる構成とすれば、観察や加工に際して高精度のステージ制御が容易になり、特に第２のイオンビーム２０Ａによる加工処理における所望の精度を得やすくなる。

【0063】

なお、第１のイオンビーム照射系１０、及び第２のイオンビーム照射系２０の配置は、図２に示したものに限定されず、種々の配置形態を採用することが可能である。例えば、図２において、第２のイオンビーム照射系２０を、試料Ｗａ又は試料Ｗｂに対して斜め方向から第２のイオンビーム２０Ａを照射するように配置してもよい。

【0064】

図４は、第１のイオンビーム照射系１０及び第２のイオンビーム照射系２０の配置を変更した複合集束イオンビーム装置１００Ａを示す図である。図４に示す複合集束イオンビーム装置１００Ａでは、試料Ｗａの鉛直上方に第２のイオンビーム照射系２０が配置される一方、試料Ｗａの側方に第１のイオンビーム照射系１０が配置されている。第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとは、互いに略直交するように射出される。

【0065】

図４に示すように第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとが互いに略直交するように配置することで、第１のイオンビーム照射系１０による試料の加工を、第２のイオンビーム照射系２０による観察を行いながら実施することができる。したがって図４に示す複合集束イオンビーム装置１００Ａは、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製やアトムプローブなどのナノオーダーサイズの加工用途に好適に用いることができる。また、第１のイオンビーム照射系１０を用いてＴＥＭ試料を作製した場合には、試料ステージ１６を駆動することなくそのまま第２のイオンビーム照射系２０を用いた透過荷電粒子像を得ることができる。
なお、複合集束イオンビーム装置１００Ａにおいて、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを入れ替えて配置してもよいのはもちろんであり、この場合にも同様の作用効果を得ることができる。

【0066】

［加工観察方法及び加工方法］
次に、先の実施形態の複合集束イオンビーム装置１００を用いた加工観察方法及び加工方法について、図面を参照しつつ説明する。複合集束イオンビーム装置１００は、試料の断面加工観察、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）試料の作製及び観察、イオン散乱分光等の試料分析用途、及び、試料への微細構造形成、電子デバイスの配線変更加工等の試料加工用途に好適に用いることができる。

【0067】

＜断面加工観察及び試料分析＞
図５は、複合集束イオンビーム装置１００による試料の断面加工観察方法を示す図である。なお、図５では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示している。
本例の加工観察方法では、第１のイオンビーム照射系１０を用いて試料Ｗａを連続的に加工しつつ、加工により露出した試料Ｗａの内部表面に第２のイオンビーム照射系２０を照射して試料の断面観察を行う。

【0068】

まず、図５Ａに示すように、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを走査しつつ照射することで、試料Ｗａの表面部を部分的に除去し、矩形状の凹部Ｗｒを形成する。これにより、凹部Ｗｒの内壁として測定面Ｗｓ１が露出する。
次に、図５Ｂに示すように、形成した測定面Ｗｓ１に対して第２のイオンビーム２０Ａを照射する。そして、発生した二次電子や二次イオンを二次荷電粒子検出器１８で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像が表示され、試料Ｗａの特定位置の断面観察を行うことができる。
その後、第１のイオンビーム１０Ａによる加工を継続すると、図５Ｃに示すように、測定面Ｗｓ１のさらに内部の構造を、測定面Ｗｓ２として露出させることができる。そして、図５Ｄに示すように、測定面Ｗｓ２に対して第２のイオンビームを照射することで、異なる断面の試料像を得ることができる。

【0069】

ここで、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを照射して加工することと、加工中の試料Ｗａの表面に第２のイオンビーム２０Ａを照射して観察することを同時に行うことができる。つまり、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａとを同時に照射すると、試料Ｗａからは、第１のイオンビーム１０Ａと第２のイオンビーム２０Ａの照射によって二次イオンや反射イオンなどが発生する。このうち反射イオンは、入射イオンビームの質量や検出角度に依存するので、他の検出粒子から容易に区別できる。このため、加工中でありながら、第２のイオン検出器１８Ｂによって試料からの反射イオンのみを検出することで、高分解能かつ高コントラストの試料像を得ることができる。このように加工と該加工部分の観察とを同時に行えることは、試料に対してどの程度加工が進んでいるかをリアルタイムで正確に知ることができるため、加工精度を向上させることができる。

【0070】

図５Ｅに測定プロセスの概略を示すように、本例の加工観察方法では、試料Ｗａの加工と、加工により露出した測定面Ｗｓ（Ｗｓ１、Ｗｓ２）の観察とを連続的に行うことで、試料Ｗａに形成されたデバイス等の断面構造を詳細に解析することができる。
なお、本例の加工観察方法において、試料Ｗａに対して第２のイオンビーム２０Ａを照射して発生した散乱イオンを検出、分析すれば、イオン散乱分光による試料分析（組成分析）を行うことができる。

【0071】

＜ＴＥＭ試料作製及び観察＞
図６は、複合集束イオンビーム装置１００によるＴＥＭ試料の加工観察方法を示す図である。なお、図６では図面を見やすくするために試料の一部のみを図示している。
本例の加工観察方法では、試料Ｗａ又は試料Ｗｂの加工に第１のイオンビーム照射系１０を用い、加工された試料Ｗａ又は試料Ｗｂの観察に第２のイオンビーム照射系２０を用いる。

【0072】

まず、図６Ａに示すように、試料Ｗａの表面に第１のイオンビーム１０Ａを走査しつつ照射することにより試料Ｗａの表面部を部分的に除去し、ＴＥＭ試料となる試料Ｗｂの両側に、底面がスロープ状の凹部Ｗｒ、Ｗｒを形成する。その後、試料Ｗｂをマニピュレータ１７によって支持した状態で試料Ｗａから切り離し、切り離された試料Ｗｂをマニピュレータ１７によって試料ホルダ１５に移動させる。
そして、図６Ｂに示すように、試料ホルダ１５上の試料Ｗｂに対して、第２のイオンビーム２０Ａを照射することで、透過したイオンを透過荷電粒子検出器１９で検出し、かかる検出結果に基づいて表示装置３８に試料像（透過荷電粒子像）を表示することができる。

【0073】

なお、本例の加工観察方法において、図６Ａに示す試料Ｗａの加工ステップで第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを併用こともできる。第２のイオンビーム照射系２０は第１のイオンビーム照射系１０よりもビーム径の小さい第２のイオンビーム２０Ａを照射できるので、ＴＥＭ試料となる部位の周辺部を第１のイオンビーム１０Ａを用いて粗加工し、ＴＥＭ試料の仕上げ加工に第２のイオンビーム照射系２０とガス銃１１とを用いる方法としてもよい。

【0074】

第２のイオンビーム２０Ａを用いた加工では、第１のイオンビーム１０Ａと比べてビーム径を小さく絞ることができるため、削りたい部分に集中的にビームを当てることができる。このため、第１のイオンビーム１０Ａの照射による加工では得ることができなかった、高精度の加工が可能となる。

【0075】

加えて、第２のイオンビーム２０Ａを用いた加工では、第１のイオンビーム１０Ａと比べて第２のイオン自体の質量が小さいため、照射したイオンがそのまま試料中に残るといった、試料に与えるダメージがほとんどない。このため、第２のイオンビーム２０Ａをガス銃１１からのエッチングガス雰囲気中で照射することで、事前に行った第１のイオンビーム１０Ａを照射したときに試料に残るダメージ部分を容易に除去できる。この結果、ダメージ部分の少ないＴＥＭ試料を作製することができる。

【0076】

また、図７はＴＥＭ試料を作製する手順を示す図である。ここでは、まず、図７における左側のスロープ状の凹部Ｗｒ（図中Ｉで示す）を、第１のイオンビーム１０Ａを照射することで除去する。次に、図７における右側の部分スロープ状の凹部Ｗｒ（図中ＩＩで示す）を、第１のイオンビームを照射することで除去する。これと同時に、除去した左側のスロープ状の凹部ＷｒのＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分（図中ＩＩＩで示す）を第２のイオンビーム２０Ａを照射することで除去する。次に、除去した右側のスロープ状の凹部ＷｒのＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分（図中ＩＶで示す）を第２のイオンビーム２０Ａを照射することで除去する。

【0077】

つまり、このＴＥＭ試料作製方法では、２番目の工程で、右側の部分スロープ状の凹部Ｗｒ（図中ＩＩで示す）を除去する粗加工と、除去した左側のスロープ状の凹部ＷｒのＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分を除去する仕上げ加工を同時に行っており、これにより、加工効率の向上を図ることができる。このとき、粗加工を行う際に除去した材料が仕上げ加工部分に再付着することが懸念されるが、双方の加工領域の間には、ＴＥＭ試料となる部分Ｗｃが存在するので、そのような不具合の発生は生じにくい。また、上記のように粗加工と仕上げ加工を同時の行うときに、第１のイオンの照射によって発生する二次イオンを第１のイオン検出器１８Ａで検出することができ、しかも、第２のイオンが試料に当たって反射する反射イオンを第２のイオン検出器１８Ｂによって検出することができるので、それら加工部分を同時にモニタリングすることができる。この点においても加工効率の図ることができる。

【0078】

図８、図９はＴＥＭ試料作製工程においてＴＥＭ試料となる部分Ｗｃに隣接する部分を除去する場合の加工状況を説明する図である。これらの図は第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０と試料台１４との相対的な関係を示すものであり、これらの図において、第１のイオンビーム照射系１０が図における上下方向を向くように描いている。

【0079】

ここで、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０は、それらの軸線のなす角度θａが４５度〜６０度となるように配置されている。そもそも、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０が、それらの開き角度θａを４５度〜６０度となるように配置できるのは、第２のイオンビーム照射系２０のビーム鏡筒の先端部の口径が、ＳＥＭの鏡筒よりも小さいからである。すなわち、第２のイオンビーム照射系２０の代わりに例えばＳＥＭ６０を配置する場合、図９に示すように、ＳＥＭ６０の鏡筒の先端部は磁界レンズ発生用のコイルを設けているため、その口径が第２のイオンビーム照射系２０に比べて大きい。また、ＳＥＭの場合ＷＤ（（Working Distance））を大きくとることができない。このため、ＳＥＭ６０と第１のイオンビーム照射系１０とを配置する場合、それらの開き角度がどうしても６０度よりも広く角度（例えば６５度）になってしまう。このように、双方の鏡筒の開き角度が広くなると、次の不具合が生じる。

【0080】

すなわち、第１のイオンビーム１０ＡでＴＥＭ試料となる部分Ｗｃ近傍を加工する場合には、試料にできるだけダメージを与えないようにビーム電流を下げて加工することが必要になる。この場合、ビーム電流を下げれば下げるほどビーム径が拡がってしまい、ビーム径が拡がることに対応させて試料を傾斜させなければならない。つまり、試料台を大きく傾斜させる必要がある。ところが、前記ＳＥＭ６０と第１のイオンビーム照射系１０とを配置する場合では、それらの開き角度が広くなるため、試料台と鏡筒とが干渉してしまう現象が生じ、試料台の傾斜角度（チルト角度）を大きくとることができない。つまり、図８において試料台を右上がりに傾斜させる場合には比較的大きな角度で傾斜させることができるが、試料台を左上がりに傾斜させる場合には、試料台あるいは試料台に載置した試料とＳＥＭ鏡筒とが干渉してしまい、試料台の傾斜角度を大きくとることができなくなってしまう。これを回避するには、試料台を右上がりに傾けてＴＥＭ試料となる部分Ｗｃの片側を除去加工した後、試料台を１８０度旋回させて、ＴＥＭ試料となる部分Ｗｃの逆側を除去加工すればよいが、この場合、試料台上の試料に対して再度位置決め作業を行わなければならず、この作業が非常に面倒である。

【0081】

ところが、前記実施形態のように、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０の組み合わせの場合には、それらの軸線のなす角度θａが４５度〜６０度と比較的狭い範囲に設定できるので、試料台１４の左右の傾斜角度を大きくとることができる。このため、ＴＥＭ試料となる部分Ｗｃの左右を、試料台を１８０度旋回させることなく、第１のイオンビーム１０Ａによる低ビーム電流の加工が可能になる。

【0082】

＜微細構造の形成＞
図１０は、複合集束イオンビーム装置１００による試料への微細構造形成方法（加工方法）を示す図である。
本例の加工方法では、試料Ｗａ又は試料Ｗｂへの微細構造の加工に第１のイオンビーム照射系１０、第２のイオンビーム照射系２０、及びガス銃１１を用いる。
まず、図１０Ａに示すように、試料Ｗａ又は試料Ｗｂ上にガス銃１１からデポジション用ガスを吹き付けながら、第１のイオンビーム１０Ａを照射することで、例えばカーボンや金属からなる第１の構造物１１０を形成する。次いで、図１０Ｂに示すように、第１の構造物１１０上にガス銃１１からデポジション用ガスを吹き付けつつ、第２のイオンビーム２０Ａを照射して、第１の構造物１１０上に第２の構造物１１１を形成する。第２のイオンビーム２０Ａを用いることで、第１のイオン（例えばガリウムイオン）を混入することなく構造物１１１を作製することができる。

【0083】

このように、本実施形態の複合集束イオンビーム装置１００によれば、ビーム径の大きい第１のイオンビーム１０Ａを用いたデポジションと、ビーム径の小さい第２のイオンビーム２０Ａを用いたデポジションを組み合わせて微細構造の形成を行うことができる。したがって、相対的に大きい寸法の第１の構造物１１０を効率よく形成できるとともに、第１のイオンビーム照射系１０では形成できない微小寸法の第２の構造物１１１についても容易かつ正確に形成することが可能である。

【0084】

なお、図１０ではガスアシストデポジションによる微細構造形成のみを示しているが、必要に応じて第１のイオンビーム１０Ａによるスパッタ、第２のイオンビーム２０Ａによるガスアシストエッチングを組み合わせることもできる。したがって本例の微細構造形成方法によれば、所望の形状の微細構造を迅速かつ正確に形成することができる。

【0085】

また、他の加工方法としては、主に第１のイオンビーム照射系１０を用いて構造物を形成しつつ、かかる構造物を第２のイオンビーム照射系２０を用いて観察する方法も採用できる。このような加工方法とすれば、構造物の仕上がり具合を確認しながら微細加工を施すことができるため、歩留まりよく微細構造を形成することができる。この加工方法は、例えば、極めて尖鋭な先端形状が要求されるアトムプローブの製造（エッチング加工）に好適に用いることができる。

【0086】

＜配線変更＞
図１１は、複合集束イオンビーム装置１００によるＩＣ等の配線変更方法（加工方法）を示す図である。
本例の加工方法では、電子回路１２０における配線変更に第１のイオンビーム照射系１０、第２のイオンビーム照射系２０、及びガス銃１１を用いる。

【0087】

図１１Ａに示す電子回路１２０は、論理回路１２１Ａ〜１２１Ｃ、１２２Ａ〜１２２Ｃ、１２３Ａ〜１２３Ｃと、回路間を接続する配線群とを備えている。本例における加工対象となる配線は、論理回路１２１Ｂ、１２２Ｂ間を接続する配線１２５ａ、論理回路１２１Ｃ、１２２Ｃ間を接続する配線１２５ｂ、及び論理回路１２２Ｂ、１２３Ａ間を接続する配線１２５ｃである。

【0088】

本例の配線変更方法は、既存の配線を切断する配線切断工程と、配線の接続経路を変更する再配線工程とを有する。
まず、配線切断工程では、図１１Ｂに示すように、配線１２５ａの切断部１２７ａ、配線１２５ｂの切断部１２７ｂ、配線１２５ｃの切断部１２７ｃのそれぞれに対して第１のイオンビーム１０Ａを照射することで、配線を切断する。

【0089】

この配線切断工程において、第１のイオンビーム１０Ａによる加工の状態を、第２のイオンビーム照射系２０を用いて観察しつつ加工してもよい。このような加工方法とすることで、配線切断工程を正確に実施することができる。特に、第２のイオンビーム２０Ａとしてヘリウムイオンビームを用いれば、試料（電子回路１２０）の表面がスパッタされるのを回避できる。

【0090】

また配線の切断処理を、第２のイオンビーム照射系２０とガス銃１１とを用いたガスアシストエッチング、あるいはアルゴンイオンからなる第２のイオンビーム２０Ａの照射によって行うこともできる。さらには、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを併用してもよい。すなわち、比較的大きな領域を第１のイオンビーム１０Ａを用いて加工し、微小領域については第２のイオンビーム照射系２０を用いて加工する方法としてもよい。

【0091】

一方、再配線工程では、切断された配線１２５ａのうち論理回路１２２Ｂ側の部分と、配線１２５ｂのうち論理回路１２１Ｃ側の部分とを接続するように、ガス銃１１から配線形成材料を含むガスを吹き付けつつ第１のイオンビーム１０Ａを照射し、配線１２６ａを形成する。
また、切断された配線１２５ｃのうち論理回路１２２Ｂ側の部分と、論理回路１２２Ｃから延びる配線１２５ｄとを接続するように、ガス銃１１から配線形成材料を含むガスを吹き付けつつ第１のイオンビーム１０Ａを照射し、配線１２６ｂを形成する。

【0092】

この再配線工程において、第１のイオンビーム１０Ａによる加工の状態を、第２のイオンビーム照射系２０を用いて観察しつつ加工してもよい。このような加工方法とすることで、再配線工程を正確に実施することができる。

【0093】

また再配線工程において、第１のイオンビーム１０Ａに代えて、第２のイオンビーム２０Ａを用いることもできる。すなわち、第２のイオンビーム照射系２０とガス銃１１とを用いたガスアシストデポジションにより配線１２６ａ、１２６ｂを形成することもできる。
さらに再配線工程においても、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０とを併用することができる。すなわち、比較的大きな領域を第１のイオンビーム１０Ａを用いて加工し、微小領域については第２のイオンビーム照射系２０を用いて加工する方法としてもよい。

【0094】

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００の概略断面図である。なお、図１２において図１から図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。

【0095】

本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００は、図１２に示すように、第１のイオンビーム照射系１０及び第２のイオンビーム照射系２０に加えて、第３のイオンビーム４０Ａを射出する第３のイオンビーム照射系４０を備えている。イオンビーム照射系１０，２０，４０は、それらから射出する第１のイオンビーム１０Ａ、第２のイオンビーム２０Ａ、及び第３のイオンビーム４０Ａを、試料Ｗａ（又は試料Ｗｂ）に対して照射可能に真空室１３に固定されている。

【0096】

第３のイオンビーム照射系４０は、プラズマ型ガスイオン源４４と、イオン光学系４５とを備えている。プラズマ型ガスイオン源４４は、例えば、内部にプラズマを維持しつつ第３のイオンを流出させるプラズマ発生器と、プラズマ発生器から第３のイオンを引き出す引出オリフィスと、引出オリフィスを通過した第３のイオンを静電的に加速する引出電極とを備えて構成される。

【0097】

プラズマ型ガスイオン源４４においてプラズマを形成するプラズマガスには希ガスが用いられる。すなわち、プラズマガスはネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンから選ばれる１種又は複数種のガスであることが好ましく、これらのうちでもアルゴン又はキセノンを用いることがより好ましい。

【0098】

引出電極から引き出された第３のイオンはビームの形で射出され、イオン光学系４５によってイオン光学的操作を加えられて集束され、集束イオンビーム（第３のイオンビーム）４０Ａとして試料Ｗａに照射される。
ここで、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０と第３のイオンビーム照射系４０は、図１３に示すように、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０の軸がステージチルト軸Ｃと直交し、かつ第３のイオンビーム照射系４０の軸と前記ステージチルト軸Ｃが同一平面内に位置するように配置されている。

【0099】

イオン光学系４５は、例えば、プラズマ型ガスイオン源４４側から真空室１３側に向けて順に、イオンビームを集束するコンデンサーレンズと、イオンビームを絞り込む絞りと、イオンビームの光軸を調整するアライナと、イオンビームを試料に対して集束する対物レンズと、試料上でイオンビームを走査する偏向器とを備えて構成される。

【0100】

上記構成を備えた本実施形態の複合集束イオンビーム装置２００は、先の第１実施形態の複合集束イオンビーム装置１００と同様の試料の分析、加工が可能であるのに加え、第１のイオンビーム照射系１０及び第２のイオンビーム照射系２０に加えて第３のイオンビーム照射系４０を備えていることで、第１の実施形態よりも多様な観察、加工処理に対応可能な複合集束イオンビーム装置となっている。

【0101】

例えば、液体金属イオン源３４を備えた第１のイオンビーム照射系１０による加工の後に、第３のイオンビーム照射系４０を用いて試料表面をクリーニング処理することで、第１のイオンビーム１０Ａの照射によって試料に注入されたガリウムイオン等を除去することができる。

【0102】

また、ＴＥＭ試料の作製において、第１のイオンビーム照射系１０を用いて微小な試料Ｗｂを大型の試料Ｗａから切り出し、切り出した後の試料Ｗｂを第１のイオンビーム照射系１０又は第２のイオンビーム照射系２０を用いて仕上げ加工することもできる。このとき、第２のイオンビーム照射系２０を用いて仕上げ状態を観察することができる。そして、仕上がった試料Ｗｂで液体金属イオン照射によるダメージ部分を第３のイオンビーム照射系４０を用いてクリーニング処理することでダメージ部分の少ないＴＥＭ試料を作製することができる。

【0103】

また、前記第１のイオンビーム照射系１０と前記第２のイオンビーム照射系２０と前記第３のイオンビーム照射系４０は、第１のイオンビーム照射系１０と第２のイオンビーム照射系２０の軸がステージチルト軸Ｃと直交し、かつ第３のイオンビーム照射系４０の軸と前記ステージチルト軸Ｃが同一平面内に位置するように配置されているので、それらイオンビーム照射系から照射される各イオンビームの試料に対する角度設定が容易になり、加工性を向上させることができる。

【0104】

さらに、配線変更処理において、第１のイオンビーム照射系１０を用いた加工の後に、第３のイオンビーム照射系４０を用いたクリーニング処理や、加工時に絶縁膜に形成された孔部の埋め戻しを行えば、第１のイオンビーム１０Ａによる注入イオンを除去しつつ、試料の回復処理を実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0105】

本発明は、複合集束イオンビーム装置に関する。本発明の複合集束イオンビーム装置によれば、第１のイオンを発生させる液体金属イオン源を備えた第１のイオンビーム照射系と、第２のイオンを発生させるガスフィールドイオン源を備えた第２のイオンビーム照射系と、を有し、前記第２のイオンビーム照射系から射出される第２のイオンビームのビーム径が、前記第１のイオンビーム照射系から射出される第１のイオンビームのビーム径よりも小さいから、従来の複合集束イオンビーム装置あるいは複合荷電粒子ビーム装置では不可能であった超高分解能の観察や超高精度の加工が可能となる。

【符号の説明】

【0106】

１０ 第１のイオンビーム照射系
１０Ａ 第１のイオンビーム
１１ ガス銃
１４ 試料台
１５ 試料ホルダ
１６ 試料ステージ
１８ 二次荷電粒子検出器
１９ 透過荷電粒子検出器
２０ 第２のイオンビーム照射系
２０Ａ 第２のイオンビーム
２１ ガスフィールドイオン源
２１ａ イオン発生室
２５ イオン光学系
２６ ガス供給源
３０ 制御装置
３４ 液体金属イオン源
３５ イオン光学系
３８ 表示装置
４０ 第３のイオンビーム照射系
４０Ａ 第３のイオンビーム
４４ プラズマ型ガスイオン源
４５ イオン光学系
Ｗａ 試料
Ｗｂ 試料
１００，１００Ａ，２００ 複合集束イオンビーム装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】