用于加工和观测样品的设备以及加工和观测截面的方法

摘要

用于加工和观测样品的设备，包含：样品板，在样品板上要放置样品；第一离子束透镜镜筒，能够同时在整个预定照射范围上照射第一离子束；掩模，能够被设置在样品板和第一离子束透镜镜筒之间，并且遮蔽第一离子束的一部分；掩模移动装置，能够移动掩模；带电粒子束透镜镜筒，能够在第一离子束照射的范围内扫描聚焦的带电粒子束；以及检测装置，能够检测二次生成物质。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过使用离子束照射样品来加工(work)和观测(observe)样品(sample)截面的设备，以及加工和观测截面的方法。

背景技术

迄今为止，通过使用离子束照射来蚀刻样品以在样品中形成截面已经实现了对截面进行观测的方法。例如，已经提出一种在不使用掩模的情况下，通过使用聚焦的离子束透镜镜筒(lens barrel)并且通过在要形成截面的预定位置上照射聚焦的离子束而形成截面(例如，参见专利文件1)的方法。根据这种方法，在低加速电压下且在小电流下利用聚焦的离子束照射形成的截面，或者还使用或单独构造扫描电子显微镜来照射电子束，并且通过检测所产生的二次(secondary)电子来观测截面。还提出了一种方法，该方法在通过使用聚焦的离子束进行照射以蚀刻预定位置之后，通过使用掩模以聚焦的离子束进行照射从而再次实现精加工(finish working)(例如，参见专利文件2)。

[专利文件1]日本专利No.3117836

[专利文件2]JP-A-5-28950

根据专利文件1和专利文件2的通过使用聚焦的离子束执行加工的方法，加工精度能够被提高，但是对用于照射的电流量却有局限性。因此，当要加工侧面大约为100μm的大截面(例如电子零件(electronic part))时，需要大约几十小时的加工时间。在这种情况下，能够设计通过机械的方法来加工截面，但是不能保持截面上的定位精度。另外，当要观测截面时，必须单独提供用于观测的设备。

本发明是鉴于上述情况而被实行的，并且提供一种用于加工和观测样品的设备，该用于加工和观测样品的设备能够高效地加工和观测甚至很大的电子零件截面并保持截面的定位精度，本发明还提供了一种加工和观测截面的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出下列手段。

本发明的用于加工和观测样品的设备，包含：样品板，在样品板上要放置样品；第一离子束透镜镜筒，能够使用第一离子束同时在整个预定照射范围上对放置在样品板上的样品进行照射；掩模，能够被设置在所述样品板和所述第一离子束透镜镜筒之间，并且遮蔽所述第一离子束的一部分；掩模移动装置，能够在XY平面上移动掩模，该XY平面与第一离子束透镜镜筒的方向(第一离子束以该方向照射)基本成直角相交；带电粒子束透镜镜筒，能够在第一离子束照射的范围内扫描聚焦的带电粒子束；以及检测装置，能够检测通过使用来自带电粒子束透镜镜筒的带电粒子束对样品或掩模进行照射而产生的二次生成物质。

另外，本发明的用于加工和观测截面的方法包含掩模位置调整步骤，通过将掩模设置在样品上以及通过检测由于扫描聚焦的带电粒子束而产生的二次生成物质来调整用于形成样品截面的位置和掩模的边缘端(edge end)的位置；第一切割步骤，通过同时在整个预定照射范围上使用第一离子束照射掩模以蚀刻通过掩模中的通孔暴露的样品，来在与掩模的边缘端相对应的用于形成截面的位置处形成样品截面，其中所述掩模在样品上的位置被调整；以及截面观测步骤，检测由于在样品的截面上扫描聚焦的带电粒子束而产生的二次生成物质。

根据本发明的用于加工和观测样品的设备以及加工和观测截面的方法，首先，在位置调整步骤时，通过掩模移动装置来调整掩模的边缘端的位置和用于形成样品截面的位置。这里，通过带电粒子束透镜镜筒聚焦的带电粒子束在掩模和样品上扫描，以通过检测装置来检测从掩模和样品二次产生的物质，从而正确地把握掩模的边缘端的位置，并因此精确地相对于用于形成截面的位置来调整该位置。然后，在第一切割步骤时，通过使用来自第一离子束透镜镜筒的第一离子束进行照射来蚀刻样品，由此在与掩模的边缘端相对应的用于形成截面的位置处形成样品的截面。这里，能够同时在整个预定照射范围上照射第一离子束，以高效地蚀刻样品。另外，通过位置调整步骤正确地调整掩模的边缘端的位置，并且在用于形成截面的预定位置处正确地形成样品的截面。因此，在截面观测步骤中，使用来自带电粒子束透镜镜筒的带电粒子束来照射样品的截面，并且通过检测装置来检测二次生成物质以精确地观测所期望的样品截面。

另外，在用于加工和观测样品的设备中，所期望的是，第一离子束透镜镜筒的第一离子束是惰性离子束。

另外，在加工和观测截面的方法中，所期望的是，第一切割步骤使用惰性离子束作为第一离子束。

根据本发明的用于加工和观测样品的设备以及加工和观测截面的方法，在第一切割步骤中，从第一离子束透镜镜筒照射惰性离子束作为第一离子束，以抑制对已形成的样品截面的损坏，并且因此形成更好的样品截面。

另外，在用于加工和观测样品的设备中，所期望的是提供第二离子束透镜镜筒，其中第二离子束透镜镜筒能够在第一离子束照射的范围内扫描第二离子束，所述第二离子束是以比第一离子束的电流更小的电流被聚焦的。

另外，在用于加工和观测样品的设备中，所期望的是提供能够在第一离子束照射的范围内扫描聚焦的电子束的电子束透镜镜筒。

另外，在加工和观测截面的方法中，所期望的是提供第二切割步骤，用于在第一切割步骤完成以后，通过在样品截面上扫描以比第一离子束的电流更小的电流聚焦的第二离子束来蚀刻样品截面的表面，其中在第二切割步骤完成以后，执行截面观测步骤。

另外，在加工和观测截面的方法中，所期望的是在截面观测步骤中，通过在样品截面上扫描聚焦的电子束来观测样品截面。

另外，在加工和观测截面的方法中，所期望的是在截面观测步骤中，通过在样品截面上扫描以比第一离子束的电流更小的电流聚焦的第二离子束来观测样品截面。

根据本发明的用于加工和观测样品的设备以及加工和观测截面的方法，在第一切割步骤完成之后的第二切割步骤中，从第二离子束透镜镜筒照射以小电流聚焦的第二离子束以形成更好的样品截面。

另外，在截面观测步骤中，通过使用以比第一离子束的电流更小的电流聚焦的第二离子束或聚焦的电子束能够有利地观测样品截面。

另外，所期望的是用于加工和观测样品的设备具有掩模调换(mask-exchanging)机构，用于以与设置在用于加工和观测样品的设备中的掩模不同的掩模来调换所述掩模。

另外，所期望的是加工和观测样品的方法包括以与设置在用于加工和观测样品的设备中的掩模不同的掩模来调换所述掩模的步骤。

根据本发明的用于加工和观测样品的设备以及加工和观测截面的方法，能够以设置在用于加工和观测样品的设备中的另一个掩模来调换所述掩模。因此，在切割样品的步骤中，能够在设备中调换由于再沉积等而导致边缘端变形的掩模。能够在不打开设备的情况下高效地调换掩模，此外，能够在该设备中保持真空。

根据本发明的用于加工和观测样品的设备，能够通过使用第一离子束透镜镜筒和掩模来高效地加工大的截面，并且能够依靠带电粒子束透镜镜筒和检测装置来保持截面的定位精度，从而能够在保持精度的情况下观测样品的期望截面。

根据本发明的加工和观测截面的方法，能够依靠位置调整步骤和第一切割步骤而高效地加工大的截面并保持截面的定位精度，从而能够在保持精度的情况下观测样品的期望截面。

附图说明

图1是图示出依照本发明第一实施例的用于加工和观测样品的设备的结构的视图。

图2是图示出依照本发明第一实施例的调整掩模位置的步骤的视图。

图3是图示出依照本发明第一实施例的第一切割(cutting)步骤的视图。

图4是图示出依照本发明第一实施例的截面观测步骤的视图。

图5是图示出依照本发明第二实施例的用于加工和观测样品的设备的结构的视图。

图6是图示出依照本发明第二实施例的第二切割步骤的视图。

图7A-7C是图示出依照本发明第一实施例的掩模形状的图。

图8是图示出依照本发明第一实施例的用于加工和观测样品的设备的结构的视图。

图9是图示出依照本发明第一实施例的用于加工和观测样品的设备的结构的视图。

图10A-10B是关于将掩模从用于加工和观测样品的设备中取出和放入其中的解释视图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1示出了依照本发明的第一实施例。参照图1，用于加工和观测样品的设备1包括用于放置样品S的样品板(sample plate)2，能够照射第一离子束I1的第一离子束透镜镜筒3，以及电子束透镜镜筒(lens barrel)4，该电子束透镜镜筒4是能够照射聚焦为带电粒子束的电子束E的带电粒子束透镜镜筒。在样品板2的较低部分提供了五轴台(five-axis stage)5。该五轴台5能够使放置在样品板2上的样品S沿Z轴方向和与Z轴几乎成直角的X轴方向以及Y轴方向滑动，并且被允许沿Y轴和Z轴旋转，其中以Z轴方向照射第一离子束I1。

如果更详细地描述，第一离子束透镜镜筒3包括作为离子源的氩离子源和氙离子源，并且能够照射惰性离子束作为第一离子束I1。在本实施例中，能够照射氩离子束作为第一离子束I1。第一离子束透镜镜筒3能够以中心轴L3为中心同时在整个预定照射范围3a上照射第一离子束I1，并且它的电流量的大小大到例如微安级。电子束透镜镜筒4的中心轴L4被设置成使其与第一离子束透镜镜筒3的中心轴L3相交在交点P，并且电子束透镜镜筒4能够以中心轴L4为中心在第一离子束透镜镜筒3的照射范围3a内扫描电子束E。在图1中，所绘出的掩模6和样品S所间隔的距离大于它们实际的距离。然而实际上，掩模6非常靠近样品S的表面，并且交点P靠近样品的表面。

掩模6被提供在第一离子束透镜镜筒3和样品S之间。掩模6几乎是板形，并且被选择为大于照射范围3a以便遮蔽(shield)第一离子束I1。掩模6具有在其中形成的通孔(through hole)6a，该通孔6a的形状取决于加工的对象。例如在本实施例中，通孔6a被形成为例如矩形，并且其边缘端(edge end)6b的尺寸被设置以符合截面宽度，这对于下文中将要描述的观测是必需的。如下文中将要描述的，通过使用第一离子束I1和掩模6，并且通过使用电子束E进行照射来观测在面向边缘末端6b的位置形成的样品截面S2。因此，所希望的是从上面看，掩模6中的通孔6a的方向能够使边缘端6b所在的方向与照射电子束E的方向几乎成直角。掩模6被提供以掩模移动装置7，从而使掩模6能够从样品S上方收回(retract)。掩模移动装置7包括操纵器8以及驱动单元9，该操纵器8基本上为杆(rod)形并且在其末端8a处被固定于掩模6，驱动单元9能够在与第一离子束透镜镜筒3的中心轴L3几乎成直角的XY平面上移动操纵器8。

上述第一离子束透镜镜筒3、电子束透镜镜筒4、五轴台5和驱动单元9被连接至控制单元10。在控制单元10的控制下，第一离子束透镜镜筒3和电子束透镜镜筒4调整加速电压和电流量，并且分别照射第一离子束I1和电子束E。另外，在控制单元10的控制下，五轴台5沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向调整样品S的位置，另外还调整样品S关于Y轴和沿Z轴的角度。另外，在控制单元10的控制下，驱动单元9移动操纵器8从而调整掩模6的位置，并且从样品S上方收回掩模6。另外，操作单元11被连接至控制单元10，从而使操作者能够操作第一离子束透镜镜筒3、电子束透镜镜筒4、五轴台5和驱动单元9。

另外，用于加工和观测样品的设备1配备有用于检测二次电子的二次电子检测器12，作为用于检测在使用电子束E照射样品2和掩模6时而产生的二次生成物质的检测装置。二次电子检测器12被连接至控制单元10。根据由二次电子检测器12检测的结果，控制单元10形成样品S和掩模6的图像，并且将它们输出至图中未示出的监控器，或者从图像数据中获得与位置有关的数据。

接下来描述的是通过在预定位置A形成样品的截面S2的加工和观测截面的方法，通过使用用于加工和观测样品的设备要在该预定位置A处形成样品S的截面。首先参照图1，将样品S放置在样品板2上，并且在控制单元10的控制下通过驱动五轴台5来调整样品S的位置。然后，作为调整掩模位置的步骤，将掩模6设置在样品S上以调整其位置。即如图2所示，在控制单元10的控制下驱动掩模移动装置7的驱动单元9，并且调整掩模6固定至操纵器8的末端8a的位置使得从上面看通孔6a的边缘端6b与形成截面的位置A基本一致。这时，控制单元10驱动电子束透镜镜筒4以在通孔6a的边缘端6b附近和样品的表面S1附近扫描电子束E，同时相对应地，通过二次电子检测器12检测从掩模6和样品S产生的二次电子F，以形成其图像。根据该图像，调整位置同时确定形成截面的位置A是否与掩模6的边缘端6b基本一致。因此，能够正确地把握通孔6a的边缘端6b的位置，并且能够相对于形成截面的位置A精确地调整边缘末端6b的位置。可以通过使用操作单元11由操作者手动调整该位置同时确定图像，或者该位置可以由控制单元10根据从图像数据获得的与位置有关的数据而被自动调整。

然后，作为第一切割步骤，蚀刻样品S以在与用于形成样品S的截面的位置A相对应的位置处形成截面S2。即参照图3，控制单元10驱动第一离子束透镜镜筒3以照射第一离子束I1。第一离子束I1被同时在整个照射范围3a上照射，被掩模6遮蔽，并且其一部分通过通孔6a以蚀刻样品S。因此，样品S被蚀刻的位置和形状与通孔6a相对应，并且在样品中形成的截面S2的位置与边缘端6b相对应。

然后，作为截面观测步骤，观测在样品中形成的截面S2。首先参照图4，控制单元10驱动掩模移动装置7中的驱动单元9以将掩模6从样品S上方收回。然后，控制单元10驱动电子束透镜镜筒4以在样品的截面S2范围上扫描电子束E。通过二次电子检测器12来检测从样品截面S2产生与之相对应的二次电子F。根据检测的结果，控制单元10形成样品截面S2的图像，从而使得样品截面S2能够被观测。

通过上述的第一切割步骤，由第一离子束透镜镜筒3同时在整个照射范围3a上照射第一离子束I1，以高效地对与掩模6的通孔6a相对应的样品S进行蚀刻。通过掩模位置调整步骤，已经通过电子束透镜镜筒4和二次电子检测器12调整了掩模6的边缘末端6b的位置。因此，能够在样品中用于形成截面的位置A处正确地形成截面S2。因此，即使在例如焊球(solder ball)和印刷线路板之类的大样品中形成侧面为大约100μm的大截面时，也能够在样品中用于形成截面的期望位置处精确地且高效地形成截面。另外，当提供电子束透镜镜筒4和二次电子检测器12时，能够通过截面观测步骤精确地观测样品的期望截面S2，并且此外，能够在无需提供任何用于观测的独立设备的情况下提高从加工到观测的通过量(throughput)。另外在本实施例中，从第一离子束透镜镜筒3照射的第一离子束I1是氩离子束，所述氩离子束是惰性束。这使得能够在样品上形成有利的截面S2，从而抑制了用离子束照射所引起的对样品截面S2的损坏。另外，在不使用镓离子的情况下，周围环境没有被污染，从而使得该方法非常适合于观测例如生产线上的半导体集成电路的截面。

上述的掩模6被固定于操纵器8的末端8a并且具有在其中形成的通孔6a。然而，如果任何其他形状的掩模6能够遮蔽部分第一离子束I1，那么也可以使用任何其他形状的掩模6。图7A-7C是被固定至操纵器8的掩模的顶视图。在图7A、7B和7C中，由两点链式线(chain line)表示的圆是用离子束照射的部分。图7A图示出上面所描述的具有在其中形成的通孔6a的掩模。在这种情况下，掩模6的通孔6a小于用离子束照射的范围，并且所述掩模大于用离子束照射的范围。例如，如图7B所示，掩模6A可以基本为板形。或者，可以使用如图7C所示的U形板状的掩模6B。

在切割样品S的步骤中，如果通过使用相同的掩模6重复加工多次，则通过使用第一离子束I1照射而溅射(sputter)的物质撞击掩模6并且在掩模6上沉积(再沉积)。或者，周围的气体分子被由第一离子束I1撞击掩模6而产生的二次电子分解，并且经分解的物质在掩模6上沉积从而使掩模6变形。另外，还通过使用第一离子束I1进行蚀刻来使掩模6变形。特别地，掩模6的被变形的边缘端6b影响所形成的样品的截面表面S2的形状。因此，在掩模6被用于进行加工很多次以后，必须用另一个掩模来调换掩模6。

图8是图示出用于加工和观测样品的设备1A的结构的视图，该设备1A配备有用于在加工和观测样品的设备1中以掩模6s调换掩模6的调换机构。用于调换的掩模6s被放置在作为掩模调换机构的掩模板2m上。另外，掩模板2m被放置在样品板2上并且其位置能够被调整。根据下列程序来执行调换掩模的步骤。首先，移动五轴台5使得掩模板2m上的点位于交点P周围以下，从而能够使用离子束E观测掩模板2m。之后，驱动操纵器8以在掩模板2m上移动掩模6。当通过使用电子束E进行照射来观测掩模6时，将掩模6从操纵器8分离开并且放置在掩模板2m上。然后，移动样品板2以将用于调换的掩模6s移动至交点P。操纵器8的末端8a被连接至用于调换的掩模6s。从而能够调换掩模。

通过使用第一离子束I1进行蚀刻可以将掩模6与操纵器8分离开。依赖于将在第二实施例中所描述的沉积可以实现连接。作为另一种方法，通过使用用于附连(attching)/拆开(detaching)掩模的配件(fitting)2c可以将掩模6固定在掩模板2m上或与掩模板2m分离开。这里，掩模板2m被放置在样品板2上但是可以被独立于样品板2控制。在图9中所示的用于加工和观测样品的设备1B中，掩模板2m和样品板2被彼此独立地控制。图10A是图示出用于加工和观测样品的设备的结构的图，其中样品板2和其上放置的掩模板2m一起被控制。这里，在将样品板2放入用于加工和观测样品的设备1或者从中取出样品板2的过程中，掩模板2m也可以随之一起被放入或取出。另一方面，图10B是图示出用于加工和观测样品的设备的结构的图，其中样品板2和掩模板2m被独立地控制，并且只有掩模板2m能够被放入用于加工和观测样品的设备或被从中取出。

通过使用上述掩模调换机构，能够在用于加工和观测样品的设备1中以用于调换的掩模6s来调换掩模6。也就是说，在无需将掩模从用于加工和观测样品的设备1中取出的情况下就能够调换掩模。因此，就能够高效地调换掩模。

(第二实施例)

图3图示出本发明的第二实施例。在本实施例中，由相同的附图标记来表示与在上述实施例中使用的部件相同的部件，但是不再重复对它们的描述。

参照图5，本实施例的用于加工和观测样品的设备20还具有第二离子束透镜镜筒21和气体引入机构22。第二离子束透镜镜筒21能够照射以比第一离子束I1的电流更小的电流聚焦的第二离子束I2。第二离子束I2是使用例如镓离子作为离子源的聚焦离子束。第二离子束透镜镜筒21能够以中心轴L21为中心在第一离子束I1的照射范围3a内扫描第二离子束I2，设置中心轴L21使其与第一离子束透镜镜筒3和电子束透镜镜筒4相交在交点P。另外如下文将要描述的，第二离子束透镜镜筒21被用于对将要通过电子束透镜镜筒4来观测的样品的截面进行精加工。因此，所希望的是将第二离子束透镜镜筒21设置成使得从上面看，其中心轴L21与电子束透镜镜筒4的中心轴L4基本上成直角相交，并且第二离子束I2沿样品截面S2照射。气体引入机构22用于与使用第二离子束I2进行照射同时地向样品S注入反应气体，并且执行选择性的蚀刻用于选择性地蚀刻样品S的一部分或者用于在样品S上沉积气体成分以形成它的膜。第二离子束透镜镜筒21和气体引入机构22被连接至控制单元10，并且在控制单元10的控制下被驱动。

用于加工和观测样品的设备20还配备有能够检测特性(characteristic)X射线的X射线检测器23，作为用于检测伴随使用来自电子束透镜镜筒4的电子束E进行的照射而从物体产生的二次生成物质的检测装置。X射线检测器23检测生成的特性X射线的能量和强度，并且控制单元10根据所检测的特性X射线的光谱来分析样品表面上的成分。

在用于加工和观测样品的设备20中，在完成第一切割步骤之后，完成通过第一切割步骤形成的样品截面S2作为第二切割步骤。即如图6所示，在完成第一切割步骤之后，控制单元10驱动掩模移动装置7的驱动单元9，以将掩模6从样品S上方收回。然后，控制单元10设置用于照射来自离子束透镜镜筒21的第二离子束I2的位置使其与样品截面S2基本一致，并且照射第二离子束I2。因此，样品截面S2的表面被更加精细地蚀刻，从而进一步提高样品的截面S2的定位精度。另外，在使用第二离子束I2进行照射时，如果通过使用气体引入机构22引入反应气体来实现选择性的蚀刻，则只有要被观测的材料部分暴露在样品的截面S2上以便被更加有利地观测。另外在截面观测步骤中，通过二次电子检测器12来检测二次电子F以及通过X射线检测器23来检测特性X射线G，从而识别暴露在样品截面S2上的材料。

上文中参照附图详细地描述了本发明的实施例。然而，具体的结构不限于那些实施例的结构而是能够不偏离本发明的本质和范围的情况下被进一步改变和修改。

作为检测装置，已经举例说明了能够检测二次粒子的二次电子检测器12和能够检测特性X射线G的X射线检测器23，然而本发明不限于此。例如，可以使用二次离子检测器来检测作为二次生成物质的二次离子。另外，作为用于产生二次物质的装置，已经使用了能够照射电子束E的电子束透镜镜筒4，然而本发明决不限于此。通过至少聚焦带电粒子束并在物体上对其进行扫描，通过使用带电粒子束进行照射而从样品产生二次物质。因此，可以使用能够照射聚焦的离子束的离子束透镜镜筒。另外在这种情况下，也可以使用第二实施例的用于加工和观测样品的设备20中的第二离子束透镜镜筒21作为用于产生二次物质的离子束透镜镜筒。从第二离子束透镜镜筒照射的第二离子束I2是镓离子的离子束，然而它可以是诸如氦离子束之类的惰性离子束。通过至少以比第一离子束的电流更小的电流聚焦第二离子束I2，能够对样品的截面S2进行精加工。当使用惰性离子束作为第二离子束I2时，所提供的优点在于样品截面S2的损坏要比使用镓离子束时少。