JP2000149847A

JP2000149847A - 試料ステージ

Info

Publication number: JP2000149847A
Application number: JP10316434A
Authority: JP
Inventors: Osamu Manabe; 修真鍋
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】走査電子顕微鏡等用の試料ステージにおい
て、標準の試料厚さ（高さ）よりも大きな寸法の試料で
も、ユーセントリシティを保ちながら観察できる機構を
提供すること。【解決手段】試料ステージの試料傾斜軸のロッド４に
プレート５固定し、該プレート５にガイドレール６を介
してアングル８を取り付ける。標準の試料厚さよりも大
きな寸法の試料の場合は、アングル８の位置を調節し
て、ロッド４の回転中心の位置ＡとＸ−Ｙ面内回転プレ
ート１１の上面Ｂとの距離Ｃを大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査電子顕微鏡
および集束イオンビーム装置等用の試料ステージの機構
に関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、通常の走査電子顕微鏡（以下、Ｓ
ＥＭと略称する）の試料ステージについて図１を用いて
説明する。図中、１は高真空に保たれたＳＥＭの試料
室、２はＳＥＭの鏡筒である。図示しないが、鏡筒２に
は、電子ビームを発生させるための電子銃、電子ビーム
を集束して細く絞るための集束レンズと対物レンズ、電
子ビームを２次元的に走査するための走査コイル等が構
成されている。試料室１の前面部には開口部があり、３
はこの開口部を塞ぐように取り付けられた前面カバーで
ある。前面カバー３は、図示しないガイドレールを介し
て試料室１に取り付けられ、図示しないＺ動駆動機構に
よって、上下に移動することができる。前面カバー３と
試料室１の間は、Ｏ−リング３１によって、真空が保た
れる。更に、前面カバー３には貫通孔があり、この貫通
孔を通してロッド４が回転可能に取り付けられている。
前面カバー３とロッド４との間は、真空を保つためのＯ
−リング４１が設けられている。ロッド４は、図示しな
い試料傾斜のためのＴ動駆動機構によって、回転駆動さ
れる。ロッド４の試料室内面端部には、ロッド４への取
り付け面と載置面を有するアングル８が取り付け固定さ
れている。アングル８の載置面には、Ｙ方向に動くプレ
ート９が取り付けられ、更にプレート９上にはＸ方向に
動くプレート１０が取り付けられ、更にプレート１０上
にはＸ−Ｙ平面内の面内回転するプレート１１が取り付
けられている。これらプレート９、１０、１１は、図示
しないＸ方向への直線移動のためのＸ動駆動機構、Ｙ方
向への直線移動のためのＹ動駆動機構、Ｘ−Ｙ面内回転
のためのＲ動駆動機構によって、それぞれ駆動される。
プレート１１上には、試料ホルダ１２が試料室１外から
脱着自在に装填される。試料ホルダ１２には、図示しな
いが、試料が装着されている。このような試料ステージ
において、ロッド４の回転の中心（図１中の矢印Ａ）
は、試料表面と一致することが要求される。更に、この
ロッド４の回転の中心は、電子ビームの照射軸（図１中
の矢印Ｅ）と交わるようになっていなければならない。
これは試料を傾斜させても、観察している試料上の観察
部位が視野外に逃げないようにするためである。このよ
うな性質を一般に、ユーセントリシティと言う。この性
質は、数百倍以上の高倍のＳＥＭ像観察に際しては、操
作上、極めて重要なものであって、装置として必須の機
能と言ってよい。また、鏡筒２の底部の面（図１中の矢
印Ｄ）と試料表面との距離ＷＤは、作動距離と呼ばれ、
Ｚ動を除くＸ動、Ｙ動、Ｒ動、Ｔ動のいずれの動作によ
っても、変化しないことを要する。なお、Ｚ動について
は、その駆動に対して、視野が逃げないことが要求され
る。ところでこのような試料ステージにおいて、装填可
能な試料の厚さ（あるいは高さ）の最大寸法は、図１に
示すように、Ｔ動軸を示す矢印ＡとＲ動のプレート１１
の上面を示す矢印Ｂとの距離Ｃである。勿論、Ｃより薄
い試料であれば、試料ホルダをうまく利用することによ
って、自由に装填できることは言うまでもない。このた
め、様々な試料寸法に対応できるようにするためには、
距離Ｃは、大きい程好ましい。しかし、一方、Ｃを大き
くすると、試料ステージが大きくなるばかりではなく、
次のような問題が生じる。つまり、先に述べた、Ｔ動を
行っても観察の視野は不動である、という条件を満たす
ためには、Ｔ動軸の位置よりも下方に、駆動のための機
構を配置しなければならず、このため、大きく試料を傾
斜したとき、駆動機構に働く重力の作用によって、試料
の傾斜を水平に戻そうとする力が生じてしまい、試料ス
テージの精度等に悪影響を及ぼす。そこで、通常のＳＥ
Ｍにおいては、この距離Ｃは２０ｍｍないし３０ｍｍ程
度の寸法に設計している。また、半導体ウェハ試料を観
察する専用のＳＥＭにおいては、通常数ｍｍ程度になっ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
半導体ウェハ試料を観察する専用の走査電子顕微鏡（以
下、これをウェハＳＥＭと呼ぶ）においては、数ｍｍを
越える厚さの、通常のＳＥＭ用の試料は、ユーセントリ
シティの条件下では絶対に観察できなくなってしまう。
確かに、ウェハＳＥＭは、ウェハの観察専用であるか
ら、ウェハ観察に最適に設計されなければならない。し
かし、時には、前記したステージの精度等を若干犠牲に
してでも、例外的寸法の試料の観察が望まれる。

【０００４】本発明は、上述した問題点を解決すべくな
されたものであり、そのための試料ステージ機構を提起
することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、走査電子顕微鏡や集束イオンビーム装置等用
の試料ステージにおいて、Ｘ、Ｙ直進機構および面内回
転機構等の機構を搭載した搭載部を傾斜面に垂直な方向
に移動可能とする調節機構を、傾斜機構に設けたことを
特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【０００７】図２（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の機構
の実施形態の一例を示す断面図である。図２で図１の従
来装置と同一番号は同一構成要素を示す。図３は、図２
の一部を拡大した斜視図である。図４は、本発明の作用
を説明する模式図である。

【０００８】図２（Ａ）において、１は高真空に保たれ
たＳＥＭの試料室、２はＳＥＭの鏡筒である。図示しな
いが、鏡筒２には、電子ビームを発生させるための電子
銃、電子ビームを集束して細く絞るための集束レンズと
対物レンズ、電子ビームを２次元的に走査するための走
査コイル等が構成されている。試料室１の前面部には開
口部があり、３はこの開口部を塞ぐように取り付けられ
た前面カバーである。前面カバー３は、図示しないガイ
ドレールを介して試料室１に取り付けられ、図示しない
Ｚ動駆動機構によって、上下に移動することができる。
前面カバー３と試料室１の間は、Ｏ−リング３１によっ
て、真空が保たれる。更に、前面カバー３には貫通孔が
あり、この貫通孔を通してロッド４が回転可能に取り付
けられている。前面カバー３とロッド４との間は、真空
を保つためのＯ−リング４１が設けられている。ロッド
４は、図示しない試料傾斜のためのＴ動駆動機構によっ
て、回転駆動される。ロッド４の試料室内面端部には、
両面に取り付け面を有するプレート５が取り付け固定さ
れている。更に、このプレート５のもう一方の取り付け
面に、図示しない第２のガイドレールを介して、両面に
取り付け面と載置面を有するアングル８が取り付けられ
ている。第２のガイドレールは、試料表面が水平なと
き、即ち試料が傾斜していないとき、アングル８の移動
が上下方向になるように取り付けられる。

【０００９】アングル８の載置面には、Ｙ方向に動くプ
レート９が取り付けられ、更にプレート９上にはＸ方向
に動くプレート１０が取り付けられ、更にプレート１０
上にはＸ−Ｙ平面内の面内回転するプレート１１が取り
付けられている。これらプレート９、１０、１１は、図
示しないＸ方向への直線移動のためのＸ動駆動機構、Ｙ
方向への直線移動のためのＹ動駆動機構、Ｘ−Ｙ面内回
転のためのＲ動駆動機構によって、それぞれ駆動され
る。プレート１１上には、試料ホルダ１２が試料室１外
から脱着自在に装填される。試料ホルダ１２には、図示
しないが、試料が装着されている。

【００１０】更に、図３において、プレート５には、プ
レート１５が固定され、プレート１５には、マイクロメ
ータヘッド１３と引き上げボルト１４が取り付けられて
いる。マイクロメータヘッド１３は、プレート５とアン
グル８との相対位置関係を測るためのもので、マイクロ
メータヘッド１３の先端部を、アングル８の最上部の面
に当接して測る。引き上げボルト１４は、アングル８を
第２のカイドレール６に沿って引き上げるためのもの
で、プレート１５にはボルト１４を貫通させるための単
なるキリ孔を開け、アングル８側には雌ねじが切ってあ
る。１６は、アングル８をプレート５に固定するための
固定ボルトであり、１７は、固定ボルト１６を通すため
の長穴である。このような構成の動作について次に説明
する。まず、標準状態での場合、試料ステージは次のよ
うに予め調整されている。即ち、図２（Ａ）に示す如
く、標準状態で使用する試料ホルダ１２の上面が、矢印
Ａの面と一致するよう、アングル８のプレート５に対す
る位置をマイクロメータヘッド１３で読みとり、引き上
げボルト１４を用いて調節し、固定ボルト１６でアング
ル８をプレート５にしっかりと固定する。このように調
整された試料ステージが試料室１に取り付けられ、真空
排気されている。観察すべき試料は、試料ホルダ１２に
装着され、図示しないエアロック室等を介して、試料室
外から試料室１に挿入され、プレート１１上に装填され
る。鏡筒２からの電子ビームは、照射の軸Ｅに沿って、
試料に照射される。このとき、電子ビームは、試料表面
と上記照射の軸Ｅとの交点を中心にして、図示しない走
査コイルによって試料表面上を２次元的に走査される。
電子ビームの照射に伴って、試料から発生した、例えば
二次電子等の信号を、図示しない検出器で検出し、所定
の信号処理回路等を経て、表示装置に顕微鏡像が表示さ
れる。試料表面の所望の場所を観察するには、Ｘ−Ｙ平
面内でのＸ及びＹ方向の直進移動には、Ｘ動及びＹ動駆
動機構によってプレート１０及び９を駆動し、Ｘ−Ｙ平
面内での回転はＲ動駆動機構によってプレート１１を駆
動する。また、試料の傾斜は、これも図示しないＺ動駆
動機構によって、ロッド４を回転駆動する。これによっ
て、試料表面の所望の位置を所望の試料傾斜角度で観察
できる。次に、試料の厚さが前記Ｃよりも大きな場合の
動作について、図２（Ｂ）を用いて説明する。まず、試
料室１の真空をベントし、大気圧にし、試料ステージを
試料室１から取り出す。観察すべき試料の厚さを測り、
少なくともその厚さより大きなＣとなるように、固定ボ
ルト１６を緩めた上で、マイクロメータヘッド１３と引
き上げボルト１４を用いてプレート５に対するアングル
８の位置を調節した後、固定ボルト１６を締めて直し
て、アングル８をプレート５に再びしっかりと固定す
る。ついで、試料ステージを試料室１に戻し、試料室１
の真空を排気する。以下、試料の観察は、前記に同じで
ある。これによって、試料の厚さが標準のＣよりも大き
な場合であっても、試料表面の所望の位置を所望の試料
傾斜角度で観察できることになる。

【００１１】更に、本発明の作用の概念を、図４を用い
て説明する。図４（Ａ）は従来の試料ステージであっ
て、まず不動の基盤（例えば、試料室そのもの）の上に
Ｚ動が乗り、Ｚ動の上にＴ動が乗り、以下順に、Ｔの上
にＹ、Ｙの上にＸ、Ｘの上にＲが乗っていることを示し
ている。このような場合、上に乗っているある動きは、
その下の全ての動きに従属的に動くことを意味してい
る。例えば、Ｔ動に乗っているＹ動は、Ｔ動によって決
まる傾斜角の面内でのＹ動となる。一方、図４（Ｂ）は
本発明試料ステージの場合であり、ＴとＹの間にＺ’動
が追加されたことを示す。この追加されたＺ’動は、Ｔ
動に乗っているから、Ｚ’動を調節すれば距離Ｃを変え
ることができることが判る。これによって、標準のＣよ
り厚さの大きな寸法の試料であっても、観察できること
になる。以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明
は上記形態に限定されるものではない。例えば、説明で
は前面カバーを上下に移動するＺ動機構を説明している
が、これは、作動距離ＷＤを変えるためのものである
が、必ずしも必要ではない。同じく、Ｘ、Ｙ動機構とＲ
動機構を説明したが、装置によっては、ＸとＹ動のみで
あったり、場合によっては、ＸまたはＹ動の一方とＲ動
の２つだけの装置もある。従って、Ｘ、Ｙ、Ｒ動の全て
が必要とは限らない。

【００１２】また、図３において、プレート５とアング
ル８との相対位置関係を測るためにマイクロメータヘッ
ド１３を用いているが、これは必ずしも必要ではなく、
次のようにしてもよい。例えば、図３のマイクロメータ
ヘッド１３に代えて、図６に示すストッパボルト１８を
設け、引き上げボルト１４でアングル８を最大に引き上
げたとき、ちょうど標準状態の位置になるよう、このス
トッパボルト１８を事前に調節した上で動かぬよう固定
しておく。これによって、標準状態の場合は正確に位置
が決まる。そして、標準状態以外の場合の距離Ｃは、試
料の厚さより大であればよいから、目分量で合わせても
十分である。或いは次のようにしてもよい。図７は、図
６を正面から見た図である。図７の図（Ａ）において、
プレート１５には、引き上げボルト１４の他に複数（図
では２本しか示さないが、何本でもよい）の長さの異な
るストッパボルト１８１、１８２を設ける。ストッパボ
ルト１８２を一杯に閉め込んだ状態で、引き上げボルト
１４を引き上げれば図（Ｂ）の如くなり、ストッパボル
ト１８２の長さで決まる距離Ｃにセットできる。次に、
ストッパボルト１８２を緩めて引き上げておき、ストッ
パボルト１８１を一杯に閉め込んだ状態で、引き上げボ
ルト１４を引き上げれば図（Ｃ）の如くなり、ストッパ
ボルト１８１の長さで決まる距離Ｃにセットできる。こ
のようにすれば、複数の標準的な試料厚さに合わせて、
正確な距離Ｃにセットできる。

【００１３】更に、先きの説明では説明を分かりやすく
するため、距離Ｃを変更するに際して、試料室１のベン
ト及び排気、試料ステージの取り出しと再取り付けを行
うとして説明した。しかし、試料室外から、試料室１の
真空を保ったままで、固定ボルト１６の緩めと締めの操
作、引き上げボルト１４等の操作を行うことも可能であ
る。簡便には、例えば、試料室１の壁面の適当な位置
に、図５の如くのガラス製ののぞき窓２０と、壁面に挟
まり自在の方向に回転可能な玉２２と、これを貫通して
貫通方向に自在に移動および回転可能なドライバ２１
を、必要な本数設けるとよい。なお、図中の２３、２
４、２５はＯ−リングである。また、実施の形態はウェ
ハＳＥＭで説明したが、集束イオンビーム装置でもその
まま適用でき、勿論、汎用のＳＥＭにも適用できる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、走査電子顕微鏡や集束イオンビーム装置等用の試料
ステージにおいて、Ｘ、Ｙ直進機構および面内回転機構
等の機構を搭載した搭載部を傾斜面に垂直な方向に移動
可能とする調節機構を、傾斜機構に設けたので、標準の
試料厚さよりも厚い試料でも、ユーセントリシティを保
ちながら顕微鏡像を観察ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の走査電子顕微鏡の試料ステージの一例を
示す図である。

【図２】本発明にかかる試料ステージの実施形態の一例
を示す図である。

【図３】本発明にかかる図２の一部を拡大した斜視図で
ある。

【図４】本発明にかかる実施形態の作用を説明するため
の模式図である。

【図５】本発明にかかる実施形態の追加説明のための図
である。

【図６】本発明にかかる他の実施形態の追加説明のため
の図である。

【図７】本発明にかかる他の実施形態のもうひとつ追加
説明のための図である。

【符号の説明】

１…試料室、２…鏡筒、３…前面カバー、３１…Ｏ−リ
ング、４…ロッド、４１…Ｏ−リング、８…アングル、
９、１０、１１…プレート、１２…試料ホルダ、５…プ
レート、６…第２のガイドレール、１３…マイクロヘッ
ド、１４…引き上げボルト、１５…プレート、１６…固
定ボルト、１７…長穴、２０…のぞき窓、２１…ドライ
バ、２２…玉、２３、２４、２５…Ｏ−リング、１８、
１８１、１８２…ストッパボルト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の傾斜面内でのＸ、Ｙ直進機構およ
び面内回転機構のうちの少なくとも２つの機構を搭載し
た傾斜機構を備えた荷電粒子ビーム装置の試料ステージ
であって、前記Ｘ、Ｙ直進機構および面内回転機構のう
ちの少なくとも２つの機構を搭載した搭載部を前記傾斜
面に垂直な方向に移動可能とする調節機構を、前記傾斜
機構に設けたことを特徴とする試料ステージ。
【請求項２】前記調節機構は、半固定式であることを
特徴とする請求項１記載の試料ステージ。