JP2000200577A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】傾斜機能を備えたサイドエントリー式の試料ホ
ールダを採用する荷電粒子線装置において、より大きな
試料を扱うことを可能ならしめると共に分解能の高い試
料像を得る。 【解決手段】荷電粒子線鏡体の側部から挿入され、荷電
粒子線に照射される試料を支持する試料ホールダと、該
挿入される試料ホールダの挿入開口を有すると共に、試
料ホールダを荷電粒子線に対して傾斜する傾斜機構を有
する試料ホールダ支持筒を備え、前記試料ホールダの挿
入開口は前記試料ホールダ支持筒の傾斜中心に対し、前
記荷電粒子線の照射方向に偏心して設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子線装置用の
サイドエントリー試料ステージに関わり、特にユーセン
トリック試料ステージを有する荷電粒子線装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の荷電粒子線装置に用いられている
ユーセントリックタイプのサイドエントリー試料ステー
ジについて、図７から図１０を用いて説明する。

【０００３】上磁極１ａ，下磁極１ｂより構成される対
物レンズの側面に試料ステージが設けられている。この
試料ステージは鏡体３の側壁に取り付けられる。電子線
２の光軸（Ｚ軸）と直交するＸ軸が回転中心となるよう
に、側壁に固定された支持筒４の内側にベアリング９を
介して保持筒５が回転可能に取り付けられる。

【０００４】保持筒５内には試料ホールダ７を挿入可能
な傾斜筒６を取り付ける。この傾斜筒６は支点の中心が
Ｘ軸上にある球体軸受６ａを有し、回転可能に取り付け
られる。傾斜筒６は、保持筒５に取り付けられＺ方向に
移動させるつまみ１０とピン１１，ばね１２よりＺ方向
に支持される。またＹ方向は、保持筒５に取り付けられ
Ｙ方向に移動させる駆動機１７とピン１８，ばね１９に
より支持される。

【０００５】保持筒５の外側には駆動機１６が取り付け
られ、保持筒５を回転できるように接続される。試料ホ
ールダ７には、光軸とホールダ軸が一致する部分に試料
搭載部７ａが設けられ、試料８が搭載される。

【０００６】Ｘ軸上で傾斜筒６と対向する位置にはＸ軸
方向の駆動機１５と駆動棒１４が取り付けられ、遊動体
１３を介して試料ホールダ７に接続されている。遊動体
１３は試料ホールダ７および駆動棒１４との接合部がピ
ポットとピポット軸受け構造となっていて、回転可能に
なっている。

【０００７】ステージを駆動する各駆動機は、ステージ
コントローラによって制御される。ステージコントロー
ラには試料のＸ軸，Ｙ軸，（Ｚ軸），傾斜角度の移動限
界値を登録または検出する手段を有し、移動限界の範囲
内で駆動機を制御する。

【０００８】このような構成の装置において、試料ホー
ルダ７は対物レンズがある鏡体内部が真空であるために
鏡体内部に引込まれ、常に遊動体１３を駆動機１５の方
向に押しているため、駆動機１５により駆動棒１４をＸ
軸方向へ動かせば、遊動体１３を介して試料ホールダ７
をＸ軸方向に移動させることができる。これで試料８を
Ｘ軸方向に移動できる。

【０００９】また駆動機１７により傾斜筒６をＹ軸方向
に動かせば、試料ホールダ７は球体軸受６ａを支点とし
Ｙ軸方向へ回転するので、試料８はＹ方向に移動でき
る。同様につまみ１０で傾斜筒６をＺ軸方向に動かせ
ば、試料ホールダ７は球体軸受６ａを支点としＺ方向へ
回転するので、試料８はＺ軸方向の移動ができる。さら
に駆動機１６で保持筒５を回転させれば、保持筒５は傾
斜筒６を保持したままＸ軸まわりに回転するので、図１
０のように試料８は傾斜できる。これらの移動機構によ
り、試料８の観察面は、常にＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の原点に
位置するように制御される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】半導体技術の進歩に伴
い、電子線を細く絞って分解能の高い試料像を得ること
のできるインレンズ方式の走査形電子顕微鏡のニーズが
高まってきた。特に対物レンズの上磁極と下磁極の間に
試料を配置するインレンズ方式の走査形電子顕微鏡で
は、観察する試料のサイズも大きく制限され、数ミリ角
の試料を作らなければならない。

【００１１】この試料の作成手順を、図１１を用いて説
明する。ウェハー２５から試料２７（長さＬ，幅Ｈ）を
作成するには、まず幅Ｈに切断して短冊上のウェハー２
６とし、次に長さＬに切断する。しかし、この作業は手
作業で行われるため、数ミリ角に切出すことは容易では
ない。図９および図１０に示すように、断面観察を行う
ためには幅Ｈをわずか３〜４ミリ程度に切出す必要があ
り、非常に難しい作業となっていた。このため、より大
きな試料を搭載できるような装置が望まれている。

【００１２】その一方で、荷電粒子線装置には試料像の
高分解能化が求められる。この分解能を上げる方法の一
つに、試料観察面を上磁極下面に近づける方法がある。

【００１３】しかし、従来のユーセントリックタイプの
サイドエントリー試料ステージでこれらの課題を解決し
ようとした場合、図１２のように、試料観察面８ａのみ
をホールダ７の軸より上側にする方法があるが、試料の
傾斜中心はＸ軸上にあるため、図１３のように傾斜した
場合に試料観察面８ａが大きくずれてしまい、ステージ
の位置制御が非常に複雑になる。一方、分解能を上げる
方法として、図１４のように、試料ホールダ７を上磁極
１ａに近づける方法もあるが、図１５のように、試料搭
載部７ａの部材が上磁極１ａと干渉してしまうために、
傾斜角Θが小さくなってしまう。

【００１４】本発明は上記課題を解決し、特に試料を配
置する空間が大きく制限される傾斜機能を備えたサイド
エントリー式の試料ホールダを採用する荷電粒子線装置
において、より大きな試料を扱うことを可能ならしめる
と共に分解能の高い試料像を得るのに好適な荷電粒子線
装置の提供を目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明では荷電粒子源と、該荷電粒子源から発生す
る荷電粒子線を収束するための対物レンズを内在する荷
電粒子線鏡体を備えた荷電粒子線装置において、前記荷
電粒子線鏡体の側部から挿入され、前記荷電粒子線に照
射される試料を支持する試料ホールダと、該挿入される
試料ホールダの挿入開口を有すると共に、前記試料ホー
ルダを前記荷電粒子線に対して傾斜する傾斜機構を有す
る試料ホールダ支持筒を備え、前記試料ホールダの挿入
開口は前記試料ホールダ支持筒の傾斜中心に対し、前記
荷電粒子線の照射方向に偏心して設けられることを特徴
とする荷電粒子線装置を提供する。

【００１６】このような荷電粒子線装置の提供により、
大きな傾斜角を保ちつつ、大きな試料片を対象とする観
察を行うことができ、更に分解能の高い試料像を得るこ
とができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】試料ステージ内に挿入された試料
ホールダは、Ｘ軸方向に摺動し、また球体軸受けを支点
にＹ軸，Ｚ軸方向の回転運動をし、さらに、保持筒の回
転軸よりＺ軸方向に偏心した状態で回転運動する。この
ため試料はＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に移動し、Ｘ軸を中心
として傾斜する。

【００１８】また、入力値よりＸ軸，Ｙ軸，（Ｚ軸），
傾斜角度の移動範囲が見出され、試料の移動範囲が制限
される。

【００１９】以下本発明の実施例を、図１〜図６により
説明する。図７から図１５と同一番号の物は同一構成要
素を示すものである。

【００２０】図１はサイドエントリー試料ステージのＸ
−Ｚ断面図である。図２および図３は試料搭載部の詳細
断面図である。保持筒５内に、試料ホールダ挿入穴をＺ
軸方向に偏心させた傾斜筒６を配置する。傾斜筒６に
は、支点の中心が保持筒５の回転軸（図中Ｘ軸）上にあ
る球体軸受６ａを設けて、鏡体３に取り付ける。試料８
を搭載した試料ホールダ７は傾斜筒６に挿入され、遊動
体１３に連結される。

【００２１】試料ホールダ７に設けられる試料保持部は
図示のように光軸に沿って凹状に形成される。この凹部
の幅は例えば半導体ウェハーの厚さとより大きくしてお
くと良い。これは先に示した断面観察のために切り出し
た試料片を差し込んで観察するためである。

【００２２】本発明実施例装置では、この凹部の底部と
保持筒５の回転軸との間の距離を長くすることができ
る。即ち従来の技術に比べ、試料片を大きく切り出すこ
とができるので、微細な加工を必要とせず観察用試料の
作成が容易になる。

【００２３】また本発明実施例装置では対物レンズの上
磁極１ａと下磁極１ｂの間に試料が配置される所謂イン
レンズ式の対物レンズを採用しており、試料ホールダを
挿入する空間も極めて限られたものとなるが、この限ら
れた空間を試料片の配置のために有効に利用することが
できる。

【００２４】ここで、Ｘ軸方向の駆動機１５で駆動棒１
４を動かせば、試料ホールダ７はＸ軸方向に摺動運動す
るので、試料８はＸ軸方向に移動する。Ｙ軸方向の駆動
機１７で傾斜筒６をＹ軸方向に動かせば、試料ホールダ
７は球体軸受６ａを支点にＹ軸方向に回転運動するの
で、試料８はＹ軸方向に移動する。Ｚ軸方向のつまみ１
０で傾斜筒６をＺ軸方向に動かせば、試料ホールダ７は
球体軸受６ａを支点にＺ軸方向に回転運動するので、試
料８はＺ軸方向に移動する。保持筒５に設けられた駆動
機１６で保持筒５を回転させれば、傾斜筒６を保持した
状態でＸ軸まわりに回転する。

【００２５】このとき図２および図３に示すように、試
料ホールダ７はＺ軸方向の偏心量Ｅを保持したままＸ軸
まわりに回転するので、試料８がＸ軸まわりに傾斜する
ことになる。試料８は傾斜中心であるＸ軸が観察面の基
準面となるように試料ホールダ７に搭載され、観察面が
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の原点に位置するように制御される。

【００２６】図４もサイドエントリー試料ステージのＸ
−Ｚ断面図である。保持筒５を鏡体３に回転可能に取り
付け、傾斜筒６の球体軸受６ａを保持筒５に取り付け
る。球体軸受６ａの回転中心は、保持筒５の回転軸に対
しＺ軸方向に偏心させる。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の移動
機構は図１と同じである。本例も図１と同じように、試
料はＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の移動が可能で、保持筒５を
駆動機１６で回転させると、Ｚ軸方向の偏心量Ｅを保持
したまま傾斜筒６がＸ軸まわりに回転するので、試料８
はＸ軸まわりに傾斜する。

【００２７】なお、本例の中で駆動機とはアクチエータ
やモーター等の位置制御可能な機器を示すが、ねじ式の
つまみを用いれば手動での移動が可能になる。

【００２８】また、Ｚ軸の駆動にはつまみを用いている
が、駆動機を用いても構わない。さらに、Ｚ軸方向は上
磁極１ａと下磁極１ｂの間にあり移動量が微量であるた
め、移動機構を省略する場合もある。

【００２９】図５は図１から図４の試料ステージの制御
系統図である。操作者が所望の使用範囲を入力装置２１
より入力し、この入力値を処理装置２２で登録および処
理する。処理装置２２で処理された入力情報や、移動範
囲の位置情報は表示装置２０に表示する。また処理装置
２２で得られた移動範囲は、ステージコントローラ２３
に送られ、ステージの駆動機２４の動作限界値として設
定され、この範囲内でＸ軸，Ｙ軸，（Ｚ軸），傾斜の位
置を制御する。

【００３０】図６は移動範囲導出処理フローを示す。操
作者は入力装置より、使用する傾斜角度の範囲（最大
値）を入力する（処理６０１）。次に入力値より、Ｘ
軸，Ｙ軸，（Ｚ軸），傾斜角度について試料８の移動範
囲を求める（処理６０２）。移動範囲は試料ホールダ７
の試料搭載部７ａおよび試料８が、上磁極１ａ，下磁極
１ｂや他の部品と干渉しない範囲となる。これは、試料
ホールダ７が他の部品と干渉する部分について、試料ホ
ールダ７および試料８の形状から得られる関係式を処理
装置に登録しておき、関係式に入力値を代入することで
計算できる。また処理を簡略する場合には、入力値に対
して複数の定数を登録しておき、これを参照するように
してもよい。あるいは、入力値に対して関係式と定数を
登録しておき、これを参照するようにしてもよい。求め
られた移動範囲は、入力値と共に処理装置に登録する
（処理６０３）。次に入力値と移動範囲を表示装置に表
示する（処理６０４）。さらにステージコントローラに
移動範囲の限界値として設定する（処理６０５）。

【００３１】なお、処理６０３から処理６０５は順序が
入れ替わっても同じである。また、処理６０１において
搭載する試料の高さを入力するようにしてもよい。さら
に処理６０１において、使用する傾斜角度と試料の高さ
を入力するようにしてもよい。いずれも計算式や定数を
登録しておくことで、移動範囲を求めることができる。

【００３２】

【発明の効果】ユーセントリック傾斜軸中心に対して試
料ホールダ軸が偏心するので、試料の傾斜中心が試料ホ
ールダ軸よりも偏心量だけ高くなる。試料の観察（搭
載）基準面は偏心のないユーセントリック試料ステージ
よりも高くなるので、試料ホールダ半径より大きな（高
さのある）断面試料を搭載できるようになり、観察面を
上磁極下面に近づけた状態でも大きな傾斜角が得られる
ようになる。

【００３３】また、使用する試料傾斜角度や試料高さが
入力でき、この入力値に対してステージの移動範囲が制
限されるので、用途に応じて最適な試料移動範囲が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ユーセントリック試料ステージ（Ｘ−Ｚ断
面）。

【図２】試料搭載部詳細断面（Ｙ−Ｚ断面）。

【図３】試料搭載部詳細断面（傾斜時，Ｙ−Ｚ断面）。

【図４】ユーセントリック試料ステージ（Ｘ−Ｚ断
面）。

【図５】ユーセントリック試料ステージの制御系統図。

【図６】移動範囲導出処理フロー。

【図７】ユーセントリック試料ステージ（Ｘ−Ｚ断
面）。

【図８】ユーセントリック試料ステージ（Ｘ−Ｙ断
面）。

【図９】試料搭載部詳細断面（Ｙ−Ｚ断面）。

【図１０】試料搭載部詳細断面（傾斜時，Ｙ−Ｚ断
面）。

【図１１】試料製作手順。

【図１２】試料搭載部詳細断面（Ｙ−Ｚ断面）。

【図１３】試料搭載部詳細断面（傾斜時，Ｙ−Ｚ断
面）。

【図１４】試料搭載部詳細断面（Ｙ−Ｚ断面）。

【図１５】試料搭載部詳細断面（傾斜時，Ｙ−Ｚ断
面）。

【符号の説明】

１ａ…上磁極、１ｂ…下磁極、２…電子線、３…鏡体、
４…支持筒、５…保持筒、６…傾斜筒、６ａ…球体軸
受、７…試料ホールダ、７ａ…試料搭載部、８…試料、
８ａ…試料観察面、９…ベアリング、１０…つまみ、１
１，１８…ピン、１２，１９…ばね、１３…遊動体、１
４，１５，１６，１７…駆動機、２０…表示装置、２１
…入力装置、２２…処理装置、２３…ステージコントロ
ーラ、２４…ステージの駆動機、２５…ウェハー、２６
…幅Ｈで切出したウェハー、２７…長さＬで切断したウ
ェハー。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子源と、該荷電粒子源から発生する
   荷電粒子線を収束するための対物レンズを内在する荷電
   粒子線鏡体を備えた荷電粒子線装置において、 前記荷電粒子線鏡体の側部から挿入され、前記荷電粒子
   線に照射される試料を支持する試料ホールダと、 該挿入される試料ホールダの挿入開口を有すると共に、
   前記試料ホールダを前記荷電粒子線に対して傾斜する傾
   斜機構を有する試料ホールダ支持筒を備え、 前記試料ホールダの挿入開口は前記試料ホールダ支持筒
   の傾斜中心に対し、前記荷電粒子線の照射方向に偏心し
   て設けられることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記試料ホールダは前
   記対物レンズの上磁極と下磁極の間に配置されることを
   特徴とする荷電粒子線装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記試料ホールダは前記試料を保持するための凹部を備
   えてなることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記凹部は半導体ウェハと同じ厚さの試料を挿入可能に
   形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至３において、 前記荷電粒子線鏡体或いは試料ホールダ支持筒は、前記
   試料ホールダを前記荷電粒子線鏡体に対し、前記荷電粒
   子線の光軸方向、前記荷電粒子線の垂直方向の何れか、
   または両方に移動するための移動機構を備えてなること
   を特徴とする荷電粒子線装置。
6. 【請求項６】請求項５において、 前記傾斜機構の傾斜角度を設定する手段と、当該設定手
   段で設定された傾斜角度に基づいて前記移動機構の移動
   範囲を決定する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子
   線装置。
7. 【請求項７】請求項５または６において、 前記試料ホールダに搭載する試料の高さ、或いは前記試
   料ホールダの凹部から突出する試料の高さを設定する手
   段と、当該設定手段で設定された前記高さに基づいて前
   記移動機構の移動範囲を決定する手段を備えたことを特
   徴とする荷電粒子線装置。