特許 7531051 荷電粒子線装置および試料の解析方法

(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】

(24)【登録日】2024-07-31

(45)【発行日】2024-08-08

(54)【発明の名称】荷電粒子線装置および試料の解析方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/18 20060101AFI20240801BHJP

   H01J 37/16 20060101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

H01J37/18

H01J37/16

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023512590

(86)(22)【出願日】2021-04-07

(86)【国際出願番号】 JP2021014821

(87)【国際公開番号】W WO2022215212

(87)【国際公開日】2022-10-13

【審査請求日】2023-09-07

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 正義

(72)【発明者】

【氏名】坂本 直樹

(72)【発明者】

【氏名】北山 真也

【審査官】鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０２０６４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／１６６８２５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／１６－３７／１８

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ３７／３０－３７／３０５

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１排気口を有する観察室と、
前記観察室に取り付けられた第１鏡筒と、
前記第１鏡筒の内部に設けられ、且つ、第１荷電粒子ビームを照射可能な第１荷電粒子源と、
前記観察室の内部において前記第１荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、試料を保持した試料ホルダを設置可能な第１ステージと、
ゲートバルブを介して前記観察室に接続され、且つ、第２排気口を有する前処理室と、
前記前処理室に取り付けられた第２鏡筒と、
前記第２鏡筒の内部に設けられ、且つ、第２荷電粒子ビームを照射可能な第２荷電粒子源と、
前記前処理室の内部において前記第２荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、前記試料を保持した前記試料ホルダを設置可能な第２ステージと、
第１吸気口および第２吸気口を有する第１真空ポンプと、
前記第１吸気口および前記第１排気口に接続された第１排気管と、
前記第２吸気口および前記第２排気口に接続された第２排気管と、
前記第１排気管の途中に設けられた第１バルブと、
前記第２排気管の途中に設けられた第２バルブと、
前記第１荷電粒子源、前記第１ステージ、前記第２荷電粒子源および前記第２ステージの各々の動作を制御し、前記第１真空ポンプの駆動を制御し、且つ、前記ゲートバルブ、前記第１バルブおよび前記第２バルブの各々の開閉状態を制御するコントローラと、
前記試料を保持した前記試料ホルダが前記第２ステージ上に設置された際に、前記コントローラによって実行される解析手段と、
を備え、
前記第１吸気口および前記第１排気口の各々の口径は、前記第２吸気口および前記第２排気口の各々の口径よりも大きく、
前記解析手段は、
（ａ）前記ゲートバルブを開状態にし、前記第１バルブを開状態にし、前記第２バルブを閉状態にし、且つ、前記第１真空ポンプを駆動することで、前記観察室および前記前処理室の各々の真空度を高くするステップ、
（ｂ）前記ステップ（ａ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にし、且つ、前記第２バルブを開状態にするステップ、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の後、前記第１真空ポンプによって前記前処理室の真空排気を行いながら、前記第２荷電粒子源から前記試料へ前記第２荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の加工を行うステップ、
を有する、荷電粒子線装置。

【請求項2】

請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記前処理室に設けられた第３排気口と、
第３吸気口を有し、且つ、達成できる真空度が前記第１真空ポンプよりも低い第２真空ポンプと、
前記第３吸気口および前記第３排気口に接続された第３排気管と、
前記第３排気管の途中に設けられた第３バルブと、
を更に備え、
前記コントローラは、前記第２真空ポンプの駆動を制御し、且つ、前記第３バルブの開閉状態を制御し、
前記解析手段は、
（ｄ）前記ステップ（ａ）の前に、前記ゲートバルブを閉状態にし、前記第１バルブを開状態にし、前記第２バルブを閉状態にし、前記第３バルブを開状態にし、且つ、前記第２真空ポンプを駆動することで、前記前処理室の真空度を高くするステップ、
を更に有し、
前記ステップ（ａ）は、前記第３バルブを閉状態にして行われ、
前記ステップ（ａ）では、前記観察室および前記前処理室の各々の真空度は、前記ステップ（ｄ）の真空度よりも高くなる、荷電粒子線装置。

【請求項3】

請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記前処理室の内部に設けられ、且つ、前記観察室と前記前処理室との間で前記試料ホルダを移動するための試料交換棒と、
を更に備え、
前記解析手段は、
（ｅ）前記ステップ（ｃ）の後、前記ゲートバルブを開状態にするステップ、
（ｆ）前記ステップ（ｅ）の後、ユーザによる前記試料交換棒の操作によって、前記試料を保持した前記試料ホルダを前記第２ステージから前記第１ステージへ移動するステップ、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にするステップ、
（ｈ）前記ステップ（ｇ）の後、前記第１真空ポンプによって前記観察室の真空排気を行いながら、前記第１荷電粒子源から前記試料へ前記第１荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の観察を行うステップ、
を更に有する、荷電粒子線装置。

【請求項4】

請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記前処理室は、互いに着脱可能な第１ユニット、第２ユニットおよび第３ユニットによって構成され、
前記第１ユニットには、前記第２鏡筒、前記第２荷電粒子源、前記第２ステージおよび第２排気口が設けられ、
前記第２ユニットには、前記ゲートバルブおよび第３排気口が設けられ、
前記第３ユニットには、前記試料交換棒が設けられている、荷電粒子線装置。

【請求項5】

請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１真空ポンプに設けられた第４排気口と、
前記第２真空ポンプに設けられた第４吸気口と、
前記第４吸気口および前記第４排気口に接続された第４排気管と、
前記第４排気管の途中に設けられた第４バルブと、
を更に備え、
前記コントローラは、前記第４バルブの開閉状態を制御し、
前記第４バルブは、前記ステップ（ｄ）では閉状態であり、前記ステップ（ａ）～前記ステップ（ｈ）では開状態である、荷電粒子線装置。

【請求項6】

請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１荷電粒子源は、電子源であり、
前記第１荷電粒子ビームは、電子ビームであり、
前記第２荷電粒子源は、イオン源であり、
前記第２荷電粒子ビームは、イオンビームである、荷電粒子線装置。

【請求項7】

第１排気口を有する観察室と、
前記観察室に取り付けられた第１鏡筒と、
前記第１鏡筒の内部に設けられ、且つ、第１荷電粒子ビームを照射可能な第１荷電粒子源と、
前記観察室の内部において前記第１荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、試料を保持した試料ホルダを設置可能な第１ステージと、
ゲートバルブを介して前記観察室に接続され、且つ、第２排気口および第３排気口を有する前処理室と、
前記前処理室に取り付けられた第２鏡筒と、
前記第２鏡筒の内部に設けられ、且つ、第２荷電粒子ビームを照射可能な第２荷電粒子源と、
前記前処理室の内部において前記第２荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、前記試料を保持した前記試料ホルダを設置可能な第２ステージと、
前記前処理室の内部に設けられ、且つ、前記観察室と前記前処理室との間で前記試料ホルダを移動するための試料交換棒と、
第１吸気口および第２吸気口を有する第１真空ポンプと、
第３吸気口を有し、且つ、達成できる真空度が前記第１真空ポンプよりも低い第２真空ポンプと、
前記第１吸気口および前記第１排気口に接続された第１排気管と、
前記第２吸気口および前記第２排気口に接続された第２排気管と、
前記第３吸気口および前記第３排気口に接続された第３排気管と、
前記第１排気管の途中に設けられた第１バルブと、
前記第２排気管の途中に設けられた第２バルブと、
前記第３排気管の途中に設けられた第３バルブと、
を備えた荷電粒子線装置を用いて行われる試料の解析方法であって、
（ａ）前記試料を保持した前記試料ホルダを、前記第２ステージ上に設置するステップ、
（ｂ）前記ステップ（ａ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にし、前記第１バルブを開状態にし、前記第２バルブを閉状態にし、前記第３バルブを開状態にし、且つ、前記第２真空ポンプを駆動することで、前記観察室および前記前処理室の各々の真空度を高くするステップ、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の後、前記ゲートバルブを開状態にし、前記第３バルブを閉状態にし、且つ、前記第１真空ポンプを駆動することで、前記前処理室の真空度を、前記ステップ（ｂ）の真空度よりも高い真空度にするステップ、
（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にし、且つ、前記第２バルブを開状態にするステップ、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）の後、前記第１真空ポンプによって前記前処理室の真空排気を行いながら、前記第２荷電粒子源から前記試料へ前記第２荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の加工を行うステップ、
（ｆ）前記ステップ（ｅ）の後、前記ゲートバルブを開状態にするステップ、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）の後、前記試料交換棒を用いて、前記試料を保持した前記試料ホルダを前記第２ステージから前記第１ステージへ移動するステップ、
（ｈ）前記ステップ（ｇ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にするステップ、
（ｉ）前記ステップ（ｈ）の後、前記第１真空ポンプによって前記観察室の真空排気を行いながら、前記第１荷電粒子源から前記試料へ前記第１荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の観察を行うステップ、
を有し、
前記第１吸気口および前記第１排気口の各々の口径は、前記第２吸気口および前記第２排気口の各々の口径よりも大きい、試料の解析方法。

【請求項8】

請求項７に記載の試料の解析方法において、
前記第１荷電粒子源は、電子源であり、
前記第１荷電粒子ビームは、電子ビームであり、
前記第２荷電粒子源は、イオン源であり、
前記第２荷電粒子ビームは、イオンビームである、試料の解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子線装置および試料の解析方法に関し、特に、観察室および前処理室を備えた荷電粒子線装置と、その荷電粒子線装置を用いて行われる試料の解析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体デバイスの微細化が進んでいる。特に、立体構造を有する半導体デバイスでは、積層技術と組み合わせることで、高集積化および大容量化が飛躍的に進んでいる。このような半導体デバイスの解析を行うための荷電粒子線装置として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）および走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）などが用いられている。

【0003】

一方で、イオンビームを用いた平面試料作製方法（イオンリミング）が一般的に用いられている。平面ミリング法は、例えばアルゴンイオンビームを試料の表面に対して斜めに照射し、アルゴンイオンビームの中心と、試料回転の中心とを偏心させることによって広範囲を加工する手法である。イオンビームの照射角度を試料の加工面に対して平行に近づけた場合、結晶方位または組成のエッチングレート差による凹凸の形成を低減した加工面を形成できる。イオンビームの照射角度を試料の加工面に対して垂直に近づけた場合、エッチングレート差を利用することで、凹凸を強調した加工が可能となる。

【0004】

例えば、特許文献１では、荷電粒子線装置の観察室に、バルブを介してイオンミリング用の前処理室が接続されている。そして、上記バルブを閉じた状態で、前処理室を真空ポンプにより所定の真空度まで真空排気し、試料に対してイオンミリングを実施する技術が開示されている。

【0005】

また、特許文献２には、ＳＥＭ観察用の観察室と、バルブを介して観察室に接続されたイオンミリング用の前処理室とを備えた荷電粒子線装置が開示されている。そして、ロータリーポンプ相当品の真空ポンプおよびターボ分子ポンプ相当品の真空ポンプをダンデム構造として接続し、ターボ分子ポンプの２つの吸気口を観察室および前処理室に接続することで、観察室および前処理室の真空排気が行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０００－１９５４６０号公報

【文献】国際公開第２０１８／０２０６４９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本願発明者らの検討によれば、荷電粒子線装置の内部において、イオンミリングのような高真空環境を要する前処理を行う場合、粗引ポンプによる真空排気のみでは、前処理に必要な真空度を満たせないことが判った。更に、近年の半導体市場では、スループットの向上が求められている。そのため、前処理に必要な真空度に到達する時間を短縮化する必要がある。そこで、本願発明者らは、ＳＥＭ観察用の観察室とイオンミリング用の前処理室とをそれぞれ分け、観察室および前処理室を接続した荷電粒子線装置に関して検討を行った。

【0008】

特許文献１に開示されている技術では、前処理室に、ＳＥＭ観察用の観察室とは異なる真空ポンプが必要となる。それ故、新たに真空ポンプを設置する必要があり、設置場所の増加、設置コストの増加および真空排気時に発生する振動が課題となる。

【0009】

特許文献２では、観察室および前処理室の真空排気に関して、具体的なシーケンスが明示されておらず、前処理室の真空排気に多くの時間を要する可能性がある。

【0010】

本願の主な目的は、観察室、前処理室および真空ポンプの接続関係を簡便にした荷電粒子線装置を提供することにある。また、そのような荷電粒子線装置を用いて、前処理室の真空排気を短時間で行える解析方法（解析手段）を提供することにある。その他の課題および新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

【0012】

一実施の形態における荷電粒子線装置は、第１排気口を有する観察室と、前記観察室に取り付けられた第１鏡筒と、前記第１鏡筒の内部に設けられ、且つ、第１荷電粒子ビームを照射可能な第１荷電粒子源と、前記観察室の内部において前記第１荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、試料を保持した試料ホルダを設置可能な第１ステージと、ゲートバルブを介して前記観察室に接続され、且つ、第２排気口を有する前処理室と、前記前処理室に取り付けられた第２鏡筒と、前記第２鏡筒の内部に設けられ、且つ、第２荷電粒子ビームを照射可能な第２荷電粒子源と、前記前処理室の内部において前記第２荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、前記試料を保持した前記試料ホルダを設置可能な第２ステージと、第１吸気口および第２吸気口を有する第１真空ポンプと、前記第１吸気口および前記第１排気口に接続された第１排気管と、前記第２吸気口および前記第２排気口に接続された第２排気管と、前記第１排気管の途中に設けられた第１バルブと、前記第２排気管の途中に設けられた第２バルブと、前記第１荷電粒子源、前記第１ステージ、前記第２荷電粒子源および前記第２ステージの各々の動作を制御し、前記第１真空ポンプの駆動を制御し、且つ、前記ゲートバルブ、前記第１バルブおよび前記第２バルブの各々の開閉状態を制御するコントローラと、前記試料を保持した前記試料ホルダが前記第２ステージ上に設置された際に、前記コントローラによって実行される解析手段と、を備える。ここで、前記第１吸気口および前記第１排気口の各々の口径は、前記第２吸気口および前記第２排気口の各々の口径よりも大きい。また、前記解析手段は、（ａ）前記ゲートバルブを開状態にし、前記第１バルブを開状態にし、前記第２バルブを閉状態にし、且つ、前記第１真空ポンプを駆動することで、前記観察室および前記前処理室の各々の真空度を高くするステップ、（ｂ）前記ステップ（ａ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にし、且つ、前記第２バルブを開状態にするステップ、（ｃ）前記ステップ（ｂ）の後、前記第１真空ポンプによって前記前処理室の真空排気を行いながら、前記第２荷電粒子源から前記試料へ前記第２荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の加工を行うステップ、を有する。

【0013】

一実施の形態における荷電粒子線装置は、観察室と、前記観察室に取り付けられた第１鏡筒と、前記第１鏡筒の内部に設けられ、且つ、第１荷電粒子ビームを照射可能な第１荷電粒子源と、前記観察室の内部において前記第１荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、試料を保持した試料ホルダを設置可能な第１ステージと、ゲートバルブを介して前記観察室に接続された前処理室と、前記前処理室の内部に設けられ、且つ、前記観察室と前記前処理室との間で前記試料ホルダを移動するための試料交換棒と、を備える。ここで、前記前処理室は、互いに着脱可能な第２ユニットおよび第３ユニットによって構成され、前記第２ユニットには、前記ゲートバルブが設けられ、前記第３ユニットには、前記試料交換棒が設けられている。

【0014】

一実施の形態における試料の解析方法は、第１排気口を有する観察室と、前記観察室に取り付けられた第１鏡筒と、前記第１鏡筒の内部に設けられ、且つ、第１荷電粒子ビームを照射可能な第１荷電粒子源と、前記観察室の内部において前記第１荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、試料を保持した試料ホルダを設置可能な第１ステージと、ゲートバルブを介して前記観察室に接続され、且つ、第２排気口および第３排気口を有する前処理室と、前記前処理室に取り付けられた第２鏡筒と、前記第２鏡筒の内部に設けられ、且つ、第２荷電粒子ビームを照射可能な第２荷電粒子源と、前記前処理室の内部において前記第２荷電粒子源の下方に設けられ、且つ、前記試料を保持した前記試料ホルダを設置可能な第２ステージと、前記前処理室の内部に設けられ、且つ、前記観察室と前記前処理室との間で前記試料ホルダを移動するための試料交換棒と、第１吸気口および第２吸気口を有する第１真空ポンプと、第３吸気口を有し、且つ、達成できる真空度が前記第１真空ポンプよりも低い第２真空ポンプと、前記第１吸気口および前記第１排気口に接続された第１排気管と、前記第２吸気口および前記第２排気口に接続された第２排気管と、前記第３吸気口および前記第３排気口に接続された第３排気管と、前記第１排気管の途中に設けられた第１バルブと、前記第２排気管の途中に設けられた第２バルブと、前記第３排気管の途中に設けられた第３バルブと、を備えた荷電粒子線装置を用いて行われる。また、試料の解析方法は、（ａ）前記試料を保持した前記試料ホルダを、前記第２ステージ上に設置するステップ、（ｂ）前記ステップ（ａ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にし、前記第１バルブを開状態にし、前記第２バルブを閉状態にし、前記第３バルブを開状態にし、且つ、前記第２真空ポンプを駆動することで、前記観察室および前記前処理室の各々の真空度を高くするステップ、（ｃ）前記ステップ（ｂ）の後、前記ゲートバルブを開状態にし、前記第３バルブを閉状態にし、且つ、前記第１真空ポンプを駆動することで、前記前処理室の真空度を、前記ステップ（ｂ）の真空度よりも高い真空度にするステップ、（ｄ）前記ステップ（ｃ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にし、且つ、前記第２バルブを開状態にするステップ、（ｅ）前記ステップ（ｄ）の後、前記第１真空ポンプによって前記前処理室の真空排気を行いながら、前記第２荷電粒子源から前記試料へ前記第２荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の加工を行うステップ、（ｆ）前記ステップ（ｅ）の後、前記ゲートバルブを開状態にするステップ、（ｇ）前記ステップ（ｆ）の後、前記試料交換棒を用いて、前記試料を保持した前記試料ホルダを前記第２ステージから前記第１ステージへ移動するステップ、（ｈ）前記ステップ（ｇ）の後、前記ゲートバルブを閉状態にするステップ、（ｉ）前記ステップ（ｈ）の後、前記第１真空ポンプによって前記観察室の真空排気を行いながら、前記第１荷電粒子源から前記試料へ前記第１荷電粒子ビームを照射することで、前記試料の観察を行うステップ、を有する。ここで、前記第１吸気口および前記第１排気口の各々の口径は、前記第２吸気口および前記第２排気口の各々の口径よりも大きい。

【発明の効果】

【0015】

一実施の形態によれば、観察室、前処理室および真空ポンプの接続関係を簡便にした荷電粒子線装置を提供できる。また、そのような荷電粒子線装置を用いて、前処理室の真空排気を短時間で行える解析方法（解析手段）を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施の形態１における荷電粒子線装置を示す模式図である。

【図2】実施の形態１における荷電粒子線装置の一部を拡大した要部模式図である。

【図3】実施の形態１における前処理室の第１ユニットを示す側面図である。

【図4】実施の形態１における荷電粒子線装置のシステム構成を示す模式図である。

【図5】実施の形態１における試料の解析方法（解析手段）を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

【0018】

また、本願において説明されるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに交差し、互いに直交している。本願では、Ｚ方向をある構造体の上下方向、高さ方向または厚さ方向として説明する。

【0019】

（実施の形態１）
＜荷電粒子線装置１の構成＞
以下に図１～図３を用いて、実施の形態１における荷電粒子線装置１について説明する。実施の形態１では、荷電粒子線装置１として走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例示する。

【0020】

図１に示されるように、荷電粒子線装置１は、観察室１０と、観察室１０に取り付けられた鏡筒１１と、前処理室２０と、前処理室２０に取り付けられた鏡筒２１とを備える。
また、荷電粒子線装置１は、観察室１０の内部の真空度を計測するための真空計１４と、前処理室２０の内部の真空度を計測するための真空計２４とを備える。

【0021】

鏡筒１１の内部には、電子ビーム（荷電粒子ビーム）ＥＢを照射可能な電子源（荷電粒子源）１２、電子ビームＥＢを集束するためのコンデンサレンズ１５、および、対物レンズ１６などが設けられている。観察室１０の内部において電子源１２の下方には、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬを設置可能なステージ１３が設けられている。

【0022】

なお、図１では図示を省略しているが、鏡筒１１には、コンデンサレンズ１５、対物レンズ１６、偏向レンズおよび走査レンズなどの電子光学系、および、鏡筒１１内を高真空にする真空ポンプ（イオンポンプ相当品)などが設けられている。また、観察室１０には
、二次電子などを検出するための検出器、および、二次電子などの信号から画像データ化するための画像処理部が設けられている。

【0023】

試料ＳＡＭの観察時に、電子源１２からステージ１３上の試料ＳＡＭへ電子ビームＥＢが照射されると、電子ビームＥＢと、試料ＳＡＭ上に形成されている微小パターンとの相互作用によって、二次電子などの信号電子が発生する。発生した信号電子は、検出器によって検出され、画像処理部によって画像データ化される。この画像データによって、試料ＳＡＭの観察が行える。

【0024】

鏡筒２１の内部には、イオンビーム（荷電粒子ビーム）ＩＢを照射可能なイオン源（荷電粒子源）２２などが設けられている。前処理室２０の内部においてイオン源２２の下方には、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬを設置するためのステージ２３が設けられている。また、前処理室２０の内部には、観察室１０と前処理室２０との間で試料ホルダＨＬを移動するための試料交換棒２５が設けられている。また、前処理室２０には、搬送口２６が設けられ、搬送口２６を開くことで、前処理室２０の外部から内部へ、または、前処理室２０の内部から外部へ、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬを搬送できる。

【0025】

前処理室２０では、イオンミリングによる前処理が行われる。試料ＳＡＭの加工時には、イオン源２２からステージ２３上の試料ＳＡＭへイオンビームＩＢが照射され、試料ＳＡＭが加工されて、ミリング面が得られる。

【0026】

図３に示されるように、鏡筒２１は、試料ＳＡＭの回転軸に対してイオンビームＩＢが傾斜して照射されるように、前処理室２０に傾斜した状態で取り付けられている。ステージ２３は、少なくとも回転機構を有する。ステージ２３を回転させながら試料ＳＡＭへイオンビームＩＢを照射することで、イオンミリングによって試料ＳＡＭに均一な平面が形成される。

【0027】

また、鏡筒２１を外付けの移動機構によりＹ方向に駆動させることで、試料ＳＡＭの回転中心とイオンビーム中心とを偏心させることができる。これにより、加工範囲が広げられ、加工の自由度を持たせることができる。これは、ステージ２３にＹ方向の移動軸を持たせた場合と同様になる。ステージ２３をＹ方向に駆動させた場合、試料ホルダＨＬは試料交換棒２５の移動軸とずれてしまうので、前処理室２０から観察室１０へ試料ホルダＨＬを移動する際に、偏心機構を初期状態に戻すような安全機構の搭載が必要となる。

【0028】

実施の形態１における荷電粒子線装置１では、試料ＳＡＭの加工および観察のためのスループットを向上させる目的で、ＳＥＭ観察用の観察室１０とイオンミリング用の前処理室２０とが、ゲートバルブＶＬ５を介して接続されている。

【0029】

ゲートバルブＶＬ５を開状態にするためには、図面の下方向へゲートバルブＶＬ５を移動する。ゲートバルブＶＬ５が開状態である場合、観察室１０の内部と前処理室２０の内部とが、同一空間として物理的に繋がる。これにより、試料ホルダＨＬを搭載した試料交換棒２５が、観察室１０と前処理室２０との間を移動可能となる。

【0030】

ゲートバルブＶＬ５を閉状態にするためには、図面の上方向へゲートバルブＶＬ５を移動する。ゲートバルブＶＬ５が閉状態である場合、観察室１０の内部と前処理室２０の内部とが、ゲートバルブＶＬ５によって物理的に隔離される。これにより、観察室１０の内部で試料ＳＡＭの観察を独立して行うことができ、前処理室２０の内部で試料ＳＡＭの加工を独立して行うことができる。

【0031】

図２は、図１の荷電粒子線装置１のうち、観察室１０、前処理室２０および各真空ポンプの周辺構造を示している。

【0032】

なお、実施の形態１において、「真空度が高くなる」および「高真空にする」などという表現は、「圧力が低くなる」ということを意味し、「真空度が低くなる」および「低真空にする」などという表現は、「圧力が高くなる」ということを意味する。また、大気圧は１０３５２５Ｐａであり、「大気開放する」という表現は、「その空間の圧力を大気圧にする」ということを意味する。

【0033】

図２に示されるように、荷電粒子線装置１は、高真空ポンプ（真空ポンプ）４０および粗引ポンプ（真空ポンプ）４１を備える。高真空ポンプ４０は、例えばターボ分子ポンプであり、主吸気口である吸気口３１ａおよび吸気口３２ａを有する。粗引ポンプ４１は、例えばドライポンプである。

【0034】

高真空ポンプ４０は、例えば１０^－２～１０^－５Ｐａの真空度を達成できる。粗引ポンプ４１が達成できる真空度は、高真空ポンプ４０よりも低く、例えば数Ｐａ～１００Ｐａ程度である。

【0035】

排気管３１は、高真空ポンプ４０の吸気口３１ａおよび観察室１０の排気口３１ｂに接続されている。排気管３２は、高真空ポンプ４０の吸気口３２ａおよび前処理室２０の排気口３２ｂに接続されている。

【0036】

吸気口３１ａおよび排気口３１ｂの各々の口径は、吸気口３２ａおよび排気口３２ｂの各々の口径より大きい。それ故、排気管３１の排気速度は、排気管３２の排気速度よりも速くなる。従って、高真空ポンプ４０を駆動させると、前処理室２０の真空度は、観察室１０の真空度よりも、一時的に低くなる。言い換えると、高真空ポンプ４０では、吸気口３１ａが相対的に高い真空度となり、吸気口３２ａが吸気口３１ａよりも低い真空度となる。

【0037】

排気管３３は、粗引ポンプ４１の吸気口３３ａおよび前処理室２０の排気口３３ｂに接続されている。排気管３４は、粗引ポンプ４１の吸気口３４ａおよび高真空ポンプ４０の排気口３４ｂに接続されている。

【0038】

排気管３１の途中にはバルブＶＬ１が設けられている。排気管３２の途中にはバルブＶＬ２が設けられている。排気管３３の途中にはバルブＶＬ３が設けられている。排気管３４の途中にはバルブＶＬ４が設けられている。バルブＶＬ１～ＶＬ４の開閉状態を操作することで、排気管３１～３４を介して行われる排気動作が制御される。

【0039】

排気管３４の途中であり、且つ、粗引ポンプ４１とバルブＶＬ４との間には、リークバルブＶＬ６が設けられている。また、排気管３３の途中であり、且つ、前処理室２０とバルブＶＬ３との間には、リークバルブＶＬ７が設けられている。リークバルブＶＬ６を開状態にすることで、高真空ポンプ４０の背圧側が大気開放される。リークバルブＶＬ７を開状態にすることで、前処理室２０の内部が大気開放される。

【0040】

図４は、荷電粒子線装置１のシステム構成を示す模式図である。図４に示されるように、荷電粒子線装置１は、コントローラＣ０および制御部Ｃ１～Ｃ７を備えている。

【0041】

制御部Ｃ１～Ｃ４は、それぞれ、鏡筒１１、観察室１０、鏡筒２１および前処理室２０に含まれる各構成の動作を制御する。すなわち、制御部Ｃ１は、電子源１２、コンデンサレンズ１５および対物レンズ１６などの動作を制御し、制御部Ｃ２は、ステージ１３および真空計１４などの動作を制御する。制御部Ｃ３は、イオン源２２などの動作を制御し、制御部Ｃ４は、ステージ２３および真空計２４などの動作を制御する。なお、試料交換棒２５の移動動作および搬送口２６の開閉動作は、ユーザによって操作される。

【0042】

制御部Ｃ５は、バルブＶＬ１～ＶＬ４、ゲートバルブＶＬ５、リークバルブＶＬ６およびリークバルブＶＬ７の各々の開閉状態を制御する。制御部Ｃ６は、高真空ポンプ４０の駆動を制御し、制御部Ｃ７は、粗引ポンプ４１の駆動を制御する。

【0043】

コントローラＣ０は、制御部Ｃ１～Ｃ７の各々と互いに通信可能であり、入力デバイス５０によるユーザからの指示または予め設定された条件に従って、荷電粒子線装置１の全体を制御する。また、コントローラＣ０は、制御部Ｃ１～Ｃ７から取得された情報等を記憶するための記憶部（図示せず）を備える。

【0044】

なお、コントローラＣ０は制御部Ｃ１～Ｃ７を統括するものである。従って、実施の形態１では、コントローラＣ０および制御部Ｃ１～Ｃ７を１つのユニットとして見做せ、制御部Ｃ１～Ｃ７が行う制御を、コントローラＣ０が制御すると見做せる。

【0045】

入力デバイス５０は、例えば、解析対象の情報の入力、電子ビームＥＢおよびイオンビームＩＢの照射条件の変更、並びに、ステージ位置の変更などのような様々な指示を、ユーザが入力するためのデバイスである。なお、ゲートバルブＶＬ５の開閉状態の制御については、ユーザが入力デバイス５０を用いて行うこともできる。入力デバイス５０は、例えばキーボードまたはマウスなどである。モニタ５１には、ＧＵＩ画面５２などが表示される。ユーザは、入力デバイス５０によってＧＵＩ画面５２に上記指示を入力でき、上記指示がコントローラＣ０に送信される。

【0046】

なお、入力デバイス５０およびモニタ５１は、荷電粒子線装置１の内部に備えられていてもよいし、荷電粒子線装置１の外部に外部機器として備えられていてもよい。

【0047】

ところで、図２に示されるように、前処理室２０は、複数のユニットに分断され、互いに着脱可能な第１ユニット２０Ａ、第２ユニット２０Ｂおよび第３ユニット２０Ｃによって構成されている。

【0048】

第１ユニット２０Ａは、イオンミリング機能を備え、鏡筒２１、イオン源２２、ステージ２３、および、高真空ポンプ４０に接続される排気口３２ｂを含む。第２ユニット２０Ｂは、ゲートバルブＶＬ５、および、粗引ポンプ４１に接続される排気口３３ｂを含む。第３ユニット２０Ｃは、試料交換棒２５および搬送口２６を含む。

【0049】

なお、図２では、排気口３３ｂが第２ユニット２０Ｂに備えられているが、排気口３３ｂは、第１ユニット２０Ａまたは第３ユニット２０Ｃに備えられていてもよい。

【0050】

第１ユニット２０Ａ～第３ユニット２０Ｃが互いに着脱可能であることで、前処理室２０に必要とされる機能を変更することが可能となる。第１ユニット２０Ａはイオンミリング機能を備えているが、第１ユニット２０Ａの代わりに、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）機能などを備えた他のユニットを用意し、この他のユニット、第２ユニット２０Ｂおよび第３ユニット２０Ｃによって、前処理室２０を構成することもできる。また、第１ユニット２０Ａを適用せず、第２ユニット２０Ｂおよび第３ユニット２０Ｃのみによって前処理室２０を構成し、前処理室２０を単なる試料交換室とすることもできる。

【0051】

このように、実施の形態１における荷電粒子線装置１では、前処理室２０で行いたい作業に応じて、複数のユニットを組み換えることができる。

【0052】

＜試料ＳＡＭの解析方法（解析手段）＞
上述のように、試料ＳＡＭをイオンミリングするためには、イオンビームＩＢが効率よく試料ＳＡＭの表面上に照射される必要がある。そのため、イオンビームＩＢの平均自由工程が十分に長くなるように、イオンミリングが行われる前処理室２０の真空度を、高い真空度へ調整し、且つ、短時間で調整することが望ましい。

【0053】

しかし、高い真空度を得るために、バルブＶＬ１を開状態にしてイオンミリングを行うと、イオンミリングで発生するスパッタ粒子によって、観察室１０が汚染されてしまうという問題がある。更に、イオンミリングのイオン源２２から発生するＡｒガスが、ＳＥＭ機能の低下の要因となる。

【0054】

以下に、そのような問題を解消し、且つ、前処理室の真空排気を短時間で行うための解析方法について説明する。なお、この解析方法は、荷電粒子線装置１を用いて行われる。また、下記ステップＳ２で、試料ＳＡＭを保持した試料ホルダＨＬがステージ２３上に設置された際に、下記ステップＳ３～Ｓ１３は、ユーザによる試料交換棒２５の操作を除き、コントローラＣ０によって実行される。従って、荷電粒子線装置１は、その一部がユーザによる操作を含むものの、概ねコントローラＣ０によって実行される解析手段（下記ステップＳ３～Ｓ１３）を備えているとも言える。

【0055】

図５は、実施の形態１における試料ＳＡＭの解析方法を示すフローチャートである。

【0056】

まず、図５の「開始」では、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬを用意する。例えば、荷電粒子線装置１と異なる他の装置において、試料ＳＡＭを作成し、試料ＳＡＭを試料ホルダＨＬに搭載する。その後、以降のステップＳ１～１３が行われる。

【0057】

試料ＳＡＭは、例えばＦＩＢ装置によって、ウェハの一部を加工することで事前に取得された薄片である。上記半導体ウェハは、ｐ型またはｎ型の不純物領域が形成された半導体基板、上記半導体基板上に形成されたトランジスタなどの半導体素子、および、上記半導体素子上に形成された配線層などで構成されている。従って、試料ＳＡＭは、上記半導体基板、上記半導体素子および上記配線層のうち全部または一部を含んでいる。なお、試料ＳＡＭは半導体ウェハの一部に限られず、半導体技術以外で用いられる構造体でもよい。

【0058】

ステップＳ１では、制御部Ｃ５によって、ゲートバルブＶＬ５、バルブＶＬ２、バルブＶＬ３およびリークバルブＶＬ６を閉状態にし、バルブＶＬ１、バルブＶＬ４およびリークバルブＶＬ７を開状態にする。そして、制御部Ｃ６によって、高真空ポンプ４０を駆動する。これにより、観察室１０は高い真空度に保たれ、前処理室２０は大気開放される。

【0059】

ステップＳ２では、前処理室２０のステージ２３上に、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬを設置する。前処理室２０が大気圧と同圧以上になると、第３ユニット２０Ｃの搬送口２６が開くようになり、搬送口２６を介して、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬの入れ替えができる。

【0060】

ステップＳ３では、制御部Ｃ５によって、バルブＶＬ４およびリークバルブＶＬ７を閉状態にし、バルブＶＬ３を開状態にする。そして、制御部Ｃ７によって、粗引ポンプ４１を駆動し、前処理室２０の粗引排気を開始し、前処理室２０の真空度を高くする。このとき、バルブＶＬ４が閉状態であることで、高真空ポンプ４０の背圧の悪化を防止できる。

【0061】

ステップＳ４では、真空計２４および制御部Ｃ４によって、前処理室２０内の圧力が２０Ｐａ以下であるか否かを判定する。圧力が２０Ｐａ以下である場合（ＹＥＳ）、次のステップは、ステップＳ５になる。圧力が２０Ｐａよりも大きい場合（ＮＯ）、前処理室２０内の圧力が２０Ｐａ以下になるまで、粗引ポンプ４１からの粗引排気が継続される。

【0062】

なお、ここでは、粗引排気後の圧力の判定値が２０Ｐａに設定されているが、圧力の判定値は２０Ｐａに限らず、前処理室２０の圧力が、高真空ポンプ４０の負荷許容値よりも低くなっていればよい。

【0063】

なお、高真空ポンプ４０が達成できる真空度は、粗引ポンプ４１よりも高いが、大気圧から数Ｐａ～１００Ｐａ程度の圧力になるように排気するという点では、粗引ポンプ４１の方が高真空ポンプ４０よりも適正が高い。従って、大気圧から数Ｐａ～１００Ｐａ程度の圧力へ変更する際には、粗引ポンプ４１を使用し、数Ｐａ～１００Ｐａ程度の圧力から１０^－２～１０^－５Ｐａ程度の圧力へ変更する際には、高真空ポンプ４０を使用する。これにより、総合的な排気時間の短縮を図れる。

【0064】

ステップＳ５では、制御部Ｃ５によって、バルブＶＬ３を閉状態にし、バルブＶＬ４およびゲートバルブＶＬ５を開状態にする。前処理室２０に対して粗引排気した後、高真空ポンプ４０の吸気口３１ａから、排気管３１および排気口３１ｂを介して、観察室１０および前処理室２０の両方に対して真空排気を開始する。これにより、前処理室２０の真空度を、ステップＳ３（ステップＳ４）の真空度よりも高い真空度にする。

【0065】

ここでは、観察室１０の圧力が１０^－３Ｐａオーダーになるまで待機し、観察室１０および前処理室２０の圧力が同程度となるまで待機することが望ましい。なお、１０^－３Ｐａオーダーは一例であり、観察室１０の圧力がより低くなるまで待機してもよい。

【0066】

ここで、仮に、１つの吸気口を有する高真空ポンプを用いて、観察室１０および前処理室２０を同時に真空排気すると、前処理室２０から観察室１０へガス分子の逆流が発生してしまう。これに対して、実施の形態１では、高真空ポンプ４０に吸気口３１ａおよび吸気口３２ａが設けられているので、ガス分子の逆流を抑制できる。

【0067】

また、ステップＳ５では、相対的に口径の大きな吸気口３１ａによって、観察室１０および前処理室２０の真空排気を実施している。従って、相対的に口径の小さな吸気口３２ａによって真空排気を実施する場合と比較して、真空排気の時間を短縮することが可能となっている。

【0068】

ステップＳ６では、制御部Ｃ５によって、ゲートバルブＶＬ５を閉状態にし、バルブＶＬ２を開状態にする。高真空ポンプ４０の吸気口３２ａから前処理室２０を真空排気する。

【0069】

ゲートバルブＶＬ５を閉状態にすると、前処理室２０を真空排気するポンプが無くなるので、観察室１０に比べて、前処理室２０の真空度が悪くなる。吸気口３１ａの排気速度および吸気口３２ａの排気速度を比較すると、吸気口３１ａの方が吸気口３２ａよりも排気速度が大きい。それ故、観察室１０に比べて、前処理室２０の真空度は一時的に更に悪くなるので、ゲートバルブＶＬ５を閉めた後、直ちにバルブＶＬ２を開く必要がある。

【0070】

ここで、ステップＳ３（ステップＳ４）の粗引排気の完了後、ゲートバルブＶＬ５を閉状態に維持し、バルブＶＬ２を開状態にし、吸気口３２ａから前処理室２０の真空排気を行うことも考えられる。

【0071】

しかし、ステップＳ５のように、排気速度の速い吸気口３１ａを用いて前処理室２０の真空度を高くした状態で、ステップＳ６のように、吸気口３２ａから前処理室２０の真空排気を行う方が、イオンミリングの開始に必要な真空度に到達するまでの総合時間を短縮することができる。

【0072】

ステップＳ７では、前処理室２０において、試料ＳＡＭに対してイオンミリングを行う。すなわち、高真空ポンプ４０によって前処理室２０の真空排気を行いながら、制御部Ｃ３によって、イオン源２２から試料ＳＡＭへイオンビームＩＢを照射することで、試料ＳＡＭの加工を行う。

【0073】

また、イオンミリング中では、ゲートバルブＶＬ５が閉状態になっている。従って、イオンミリングで発生するスパッタ粒子によって、観察室１０が汚染されてしまうという問題、および、イオン源２２から発生するＡｒガスがＳＥＭ機能の低下の要因となるという問題を解消できる。

【0074】

ステップＳ８では、イオンミリングが終了した後、制御部Ｃ５によって、ゲートバルブＶＬ５を開状態にする。

【0075】

ステップＳ９では、ユーザが、試料交換棒２５を、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬに挿入し、試料ホルダＨＬを、前処理室２０のステージ２３から観察室１０のステージ１３へ移動する。

【0076】

ステップＳ１０では、試料ホルダＨＬの移動が完了した後、制御部Ｃ４によって、試料交換棒２５を初期位置に戻し、制御部Ｃ５によって、ゲートバルブＶＬ５を閉状態にする。その後、高真空ポンプ４０によって観察室１０の真空排気を行いながら、制御部Ｃ１によって、電子源１２から試料ＳＡＭへ電子ビームＥＢを照射することで、試料ＳＡＭの観察を行う。

【0077】

ステップＳ１１では、試料ＳＡＭの観察が終了した後、制御部Ｃ５によって、ゲートバルブＶＬ５を開状態にする。

【0078】

ステップＳ１２では、ユーザが、試料交換棒２５を、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬに挿入し、試料ホルダＨＬを、観察室１０のステージ１３から前処理室２０のステージ２３へ移動する。ステップＳ１０において、所望の観察が行えていた場合、観察作業は終了となる。所望の観察が行えず、例えばイオンミリングが不足していた場合、ステップＳ６へ戻り、前処理室２０の真空排気を行った後、試料ＳＡＭのイオンミリングをやり直す。

【0079】

ステップＳ１３では、ユーザが試料交換棒２５を初期位置に戻した後、制御部Ｃ５によって、ゲートバルブＶＬ５およびバルブＶＬ２を閉状態にする。そして、制御部Ｃ５によって、リークバルブＶＬ７を開状態にし、前処理室２０の大気開放を行う。その後、搬送口２６を介して、試料ＳＡＭを保持する試料ホルダＨＬを、前処理室２０から取り出す。

【0080】

以上で、試料ＳＡＭの解析方法（解析手段）は終了となる。

【0081】

以上、上記実施の形態に基づいて本発明を具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【符号の説明】

【0082】

１ 荷電粒子線装置
１０ 観察室
１１ 鏡筒
１２ 電子源
１３ ステージ
１４ 真空計
１５ コンデンサレンズ
１６ 対物レンズ
２０ 前処理室
２０Ａ～２０Ｃ 第１～第３ユニット
２１ 鏡筒
２２ イオン源
２３ ステージ
２４ 真空計
２５ 試料交換棒
２６ 搬送口
３１～３４ 排気管
３１ａ～３４ａ 吸気口
３１ｂ～３４ｂ 排気口
４０ 高真空ポンプ（真空ポンプ、ターボ分子ポンプ）
４１ 粗引ポンプ（真空ポンプ、ドライポンプ）
５０ 入力デバイス
５１ モニタ
５２ ＧＵＩ画面
Ｃ０ コントローラ
Ｃ１～Ｃ７ 制御部
ＥＢ 電子ビーム
ＨＬ ホルダ
ＩＢ イオンビーム
ＳＡＭ 試料
ＶＬ１～ＶＬ４ バルブ
ＶＬ５ ゲートバルブ
ＶＬ６、ＶＬ７ リークバルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】