JP2006294481A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームを放出中であっても高真空を維持可能で小型の荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子線装置の電子光学系の差動排気の上流に非蒸発ゲッターポンプを配し，下流に必要最小限のイオンポンプ配して，両者を併用する。さらに，磁界重畳型電子銃では取り外し可能なコイルを電子銃部に実装することにより，小型化と簡便な保守を可能にする。
【効果】カラム内の真空度を１０^−８Ｐａ台の高真空で維持できる小型荷電粒子線装置，例えば，小型の走査型電子顕微鏡，複数のカラムを有する荷電粒子ビーム装置を得ることができる。さらに，半導体の電気特性を直接計測するプローバ装置の探針の位置をモニタする小型ＳＥＭカラムを容易に内蔵できる。その他にも，半導体素子検査用のミラープロジェクション方式の電子線検査装置の電子線照射カラムの小型化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は荷電粒子線装置に係り，特に電子顕微鏡あるいは，集束イオンビーム装置に関する。

従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は，電界放出型もしくは，熱電界放出型の電子源により構成される電子銃から放出される電子線を加速し，電子レンズで細い電子ビームとし，これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上に走査し，得られる二次電子あるいは反射電子を検出して像を得るものである。電子源の材料としては，汎用ＳＥＭの場合は，タングステンを用いている。また，半導体観察用の電子源には，タングステンにジルコニアを含有させる場合がある。

上記電子源から良好な電子ビームを長期間にわたって放出させるには，電子源周りを高真空（１０^-7〜１０⁻⁸Ｐａ）に保つ必要がある。このために，従来においては，図２に示すようにカラムを複数のイオンポンプ（ＩＰ−１，ＩＰ−２，ＩＰ−３）で強制差動排気する方法が取られていた。この内容は，特開２００２−３５８９２０号公報に記載されている。イオンポンプは，可動部がなく通電のみにより１０⁻⁸Ｐａ以下の圧力に維持できる長所があるものの，数十ｃｍ角以上の大きさを有する上に，磁場を発生するために，カラム側に磁気シールドが必要になるなど，相当の容積と重量を必要とするポンプである。また，これを排除して，小型化する方法として，米国特許４，８３３，３６２号，特開平６−１１１７４５号公報に記載のように非蒸発ゲッターポンプを内蔵すること，あるいは，特開２０００−１４９８５０号公報に記載されるようにゲッターイオンポンプを内蔵することによって，イオンポンプを不要とする電子銃がある。

特開２００２−３５８９２０号公報

米国特許４，８３３，３６２号 特開平６−１１１７４５号公報 特開２０００−１４９８５０号公報 特開平０９−３２６４２５号公報

上述のように電界放出型の電子銃を用いる場合，１０^−７〜１０^−８Ｐａという高い真空度が要求されるので，カラムの真空排気には複数の専用のイオンポンプが用いられて，高真空を得ることができる差動排気構造をとっている。従来の技術では，図２に示すようにイオンポンプが大きく，かつ，磁場のもれがあるためにカラムから一定の距離をおいて設置する必要があるため，小型化が困難であるという課題がある。この課題に派生して生じる別の課題として，イオンポンプが電子銃カラムに接続されるために，空間的な制約が大きく，例えば，磁界重畳して電流値を増加するためのコイルを実装しにくいなどの問題がある。

さらに，電子光学系カラムの高い位置に重量のあるイオンポンプを配するために，重心位置が高くなり，振動しやすく画像が乱れるという課題がある。
また，イオンポンプの筐体の構造をドーナッツ型としてカラムと同軸構造にするなどの方法を取ることもあるが，イオンポンプ筐体の直径は最低でも数十ｃｍ程度あるため，小型化には限界があるという課題がある。

さらに，非蒸発ゲッターポンプを用いる方法では，ヘリウムやアルゴンといった希ガス，メタン等の電気化学的に安定なガスの排気が困難であり，密封構造で難排気ガスを除外した特殊な条件を整えるという配慮が必要となるために，試料交換のたびに大気開放するＳＥＭのような装置では，実用化に至っていない。
ここで，非蒸発ゲッターポンプとは，ゲッターを蒸発させずに加熱するだけでガス吸着する合金を用いて構成された真空ポンプのことである。吸着にはガスが微小に電位を有しているか，ゲッター合金の分子と化学結合しやすい必要があるが，希ガスやフロロカーボン等の電気化学的に安定なガスの場合，完全に平衡であるので排気しにくくなるという課題がある。

また，非蒸発ゲッターポンプを活性化するには，最低でも３５０℃以上の加熱が必要であるが，電子光学系を形成するコイルや配線の耐熱限度は，１００℃程度であるため十分な活性化ができず，非蒸発ゲッターポンプの排気速度が十分に得られないため，所望の高真空に到達できないという課題がある。
更に，電子源を動作させると，放出された電子の一部が電子光学系の構成部品に当たって雑多なガスが放出され，このため真空度が劣化して，結果的に電子銃の寿命が短くなるという課題がある。特に電子銃や電子光学系を小型化して容積が小さくなると，上記希ガス等の難排気ガスの分圧が低くても全圧が上昇し，真空度が劣化する傾向が顕著になるので，問題になる。

以上をまとめると，本発明が解決しようとする課題は，電子ビームを放出中であっても高真空を維持可能な小型荷電粒子線装置を提供することである。この荷電粒子線装置には，電子ビーム以外にもイオン粒子を用いるＦＩＢ装置も含まれる。

本発明は，荷電粒子線装置の電子光学系を差動排気構造とし，その上流側の真空室に非蒸発ゲッターポンプを配し，下流側の真空室に必要最小限のイオンポンプ配して，両者を併用することにより達成される。このイオンポンプとしては希ガス排気効率の高いスパッタイオンポンプ，あるいは，ノーブルイオンポンプがより望ましい。顕著な効果として，高真空維持時間が大幅に延長可能となる効果がある。
イオンポンプの代わりにターボ分子ポンプを用いてもよい。さらに，取り外し可能なコイルあるいは，永久磁石を電子銃部に実装することにより，別の課題を解決する。

本発明を用いることにより，カラム内の真空度を１０^−８Ｐａ台の高真空で維持できる小型荷電粒子線装置，例えば，小型の走査型電子顕微鏡，集束イオンビーム装置，複数のカラムを有する荷電粒子ビーム装置を得ることができる。また，磁界重畳型電子銃に適用することにより，小型化を容易にすることができると共に，高真空維持時間を大幅に延長可能となる。
さらに，半導体の電気特性を直接計測するプローバ装置の探針の位置をモニタする小型ＳＥＭカラムを容易に内蔵できる。
その他にも，半導体素子検査用のミラープロジェクション方式の電子線検査装置の電子線照射カラムの小型化が可能となるといった効果が得られる。

図１に本発明の１実施例を示す。電子源としては，熱電界放出型の電子銃（ＴＦＥ）を用いている。この電子源１は，直径１５２ｍｍのフランジに取り付けられており，図示しない電極（サプレッサ，引出し，チップ）への導入端子と結合されている。この電子源１は，電子銃用カラム２に挿入，固定される。電子銃カラム２には第一の真空室８５と開口を隔てた第二の真空室８６からなっている。こうすることにより，非蒸発ゲッターポンプによる差動排気効果があり，第一の真空室８５の到達真空度を高く（圧力を低く）することができる。また，設計次第では，第一の真空室８５と第二の真空室８６を同一の真空室として粗排気ポート１４のバルブ１６を含む配管の一部を省略することにより，さらに小型化してもよい。また、本実施例の荷電粒子線装置の粗排気ポート１４は、図１中の二点鎖線部分、即ちバルブ１５，１６の外側で切り離しが可能である。このため、図１の二点鎖線部分には、フランジ等の真空シール用部材が備えられている。

電子銃用カラム２には，内径に沿ってシート状の非蒸発ゲッターポンプ３を備えている。この非蒸発ゲッターポンプ３は，過熱することにより活性化して吸気する。このための加熱用ヒータ（図示せず）が電子銃用カラム２の外部に設けられる。本実施例では，シーズヒータを巻きつけて使用した。また，電極用ヒータ４の周囲にも非蒸発ゲッターポンプ５を巻きつけてある。さらに，非蒸発ゲッターポンプ３として，シート状のものを選ぶことにより，ブロック状のものに比べて，狭い真空容器２の内部に表面積を広く取ることができるため，排気速度の増加と寿命の長期化が図れるという効果がある。

ここでは，シート状の非蒸発ゲッターポンプを用いたが，非蒸発ゲッター材を上記ヒータ表面に蒸着して用いてもよい。こうすることにより，実装密度を高くすると共に，脱落する危険性を低くすることができる。これは，非蒸発ゲッター材が合金であり導電性を有するため，万一脱落するとショートして，放電する危険性が高い。したがって，高電圧部品が混在する電子銃のようなものに適用する場合に特に有効といえる。

電子銃用カラムの側面に熱電対があり，非蒸発ゲッターポンプ３の加熱温度をモニタする。なお，本実施例においては，電子銃用カラム２の内径に沿って配置したシート状の非蒸発ゲッターポンプ３は，４００℃，１０分で活性化するものを用いた。また，電極用ヒータ４の周囲に配置した非蒸発ゲッターポンプ５には，５５０〜６００℃で活性化するものを用いている。この理由は，後述するように電極用ヒータを用いて８時間程度ベーキングする際にヒータ周りの非蒸発ゲッターポンプ５が活性化して，多くのガスを吸着することにより，寿命を損なうことがないようにするためである。

電子源１が電子をエミッションすると，放出された電子の一部が構成部品に当たってハイドロカーボンを含んだガスを放出する。本実施例のように電子銃用カラム２の容積が小さく，イオンポンプによる強制排気のない条件では，このハイドロカーボンガスは非蒸発ゲッターポンプでは排気しにくいために，容易に真空度が劣化して電子源に悪影響をもたらす問題がある。さらに，電子銃用カラム２の下流側には電子光学系用カラム６があり，コイル３８や電気配線が含まれるために，通常は１００℃以上にはできない。したがって，真空側の壁面からは，ベーキング不足に伴う非蒸発ゲッターポンプに排気しにくいガスの発生が相当量見込める。さらに加えて，最も真空度の低い試料室７からのアルゴンガス等の希ガス流入があり，電子銃用カラム２内の真空度を低下させる要因となってしまう。アルゴンガスは大気中に１％程度含まれるため，特に注意が必要である。なお，試料室の真空はターボ分子ポンプ９で排気され，通常は，１０^−３Ｐａ程度である。

その問題を解決するために，従来の装置は，小径の開口を介して隔てられる各室を専用のイオンポンプ（ＩＰ−１，２，３）で排気する構成をとっていた。図３に示すように本実施例との大きさの差が顕著であることが確認できる。また，各イオンポンプ（ＩＰ−１，２，３）はポンプから発生する磁場の影響を避けるために，カラムからある程度離れた位置に固定されるので，これも装置サイズ拡大の要因となっている。

次に，図１を用いて本実施例の詳細について述べる。上述のとおり，非蒸発ゲッターポンプ３のみの排気では高真空を維持できないので，本発明ではイオンポンプと併用を行う。本装置は，最上流の電子源１のある電子銃室（第一の真空室８５），開口を介して中間室（第二の真空室８６），さらに開口を介して電子光学系用カラム６（第三の真空室８７）からなっている。さらに，第三の真空室８７は，開口を隔てて試料室７とつながっており，差動排気構造となっている。

上流側の電子銃室と中間室には，非蒸発ゲッターポンプ３，５を備え，下流側の電子光学系用カラム６には，イオンポンプ１３を配して真空排気を行う。非蒸発ゲッターポンプが排気しにくいガスの分圧は極わずかであるため，イオンポンプは排気速度２０リットル／秒以下の小型の１台のみでも十分に排気可能となることを実験により見出した。特に希ガス排気効率の高いスパッタイオンポンプあるいは，ノーブルイオンポンプを用いればさらに小さい排気速度でも使えるため，より有利となる。図３に示すように従来の３台（破線で表示）に比べ大幅な削減を可能とするため，装置を小型化する上で効果的である。さらに，装置上部の軽量化が図れ，しかも，重量のあるイオンポンプをなるべく下側に設けると重心が下がり振動特性が大幅に改善される効果もある。

本実施例の構成をとる場合の真空立ち上げ方法について説明する。電子銃用カラム２の真空に面するすべての部品を洗浄，乾燥させた後に組み上げる。その後，組み上げられた電子銃用カラム２の真空を引きながら，１００℃以下といった温度制限のないベーキングが可能な，本実施例の装置とは別の装置に取り付けて，電子銃用カラム２に巻きつけてあるシーズヒータ（図示せず）を用いて３００℃，８時間程度ベーキングして内部の脱ガスを十分に行う。その後，大気開放して，電子銃用カラム２を取り外して，走査型電子顕微鏡本体の電子光学系用カラム６に組み付け，ターボ分子ポンプ９を用いた真空引きを開始する。このとき，粗引きポート１４に取り付けられたバルブ１５，１６，１７を開放して，電子銃カラム２内のガスも効率よく排気できるようにする。

この状態で図示していない電子銃カラム２の外側に巻きつけられたヒータに通電してベーキングを行うが，このときに電子銃用カラム２と電子光学系用カラム６との接面の温度をモニタし，８０℃程度まで達したら，ヒータへの通電を切る温度制御を行いながら１０時間程度ベーキングする。その後，電極用ヒータ４に電圧を印加してベーキングすると同時に周囲にある非蒸発ゲッターポンプ５を活性化する。このときのヒータ部４の目標温度は５５０℃程度で，１時間程度維持する。その後，室温まで自然冷却してから，粗引きポート１４に取り付けられたバルブ１５，１６，１７を閉止してから，イオンポンプ１３に通電して排気を行う。

以上の手順により，電子銃用カラム２内の到達真空度は，１０^−８Ｐａ台に達した。この状態でエアシリンダにより駆動されるガンバルブ８を駆動してバルブを開いて試料室と開口を隔てて開放しても，電子銃用カラム２内の真空度は，１０^−８Ｐａ台を維持できることを確認した。また，イオンポンプ１３の示す真空度は，５×１０^−６Ｐａ程度であった。差動排気が有効に働き，上流に行くほど高い真空度が得られているといえる。

次に本実施例の装置の制御手段５０１について説明する。本装置の各要素であるターボ分子ポンプ９，イオンポンプ１３，電子源１，ガンバルブ８，電子光学系３８，真空ゲージ９０等は，制御手段５０１に接続されており，動作や検出信号を送受信でき，制御手段５０１に含まれるプロセッサによりシーケンスを制御できる構成をとっている。ユーザとのインターフェイスやＳＥＭ像の表示にはディスプレイ５００を用いることができる。

上記制御手段を用いて電子源に２ｋＶを印加して電子を放出させ，電子銃から電子ビームをエミッションさせても真空度は大きく変動することなく，電子銃用カラム２内の真空度は，１０^−８Ｐａ台を維持していた。

また，非蒸発ゲッターポンプには，吸着量が増えるに従い排気速度が低下する特性があるが，（１）差動排気構造の採用，（２）スパッタイオンポンプとの併用，（３）シート状非蒸発ゲッターポンプによる排気速度の増加により，３〜４年程度の長期間にわたり真空度は低下することなく維持できている。

その他の機能として，上述の真空度をモニタすることにより，非蒸発ゲッターポンプ３，５の交換時期をユーザに知らせる機能を付加することができる。非蒸発ゲッターポンプの排気速度と経過時間の関係は，図１５に示すように緩やかなカーブを描くため，十分に余裕を持って非蒸発ゲッターポンプの交換時期を知らせることができる。構成としては，第二の真空室８６に真空ゲージ９０を備え，制御手段５０１にデータを送り，予め設定した真空度に達した時点でディスプレイ等のユーザインターフェイスに交換時期であることを表示するようにすればよい。

さらに，本実施例における本発明のその他の効果を説明する。図４において，装置のメンテナンスを行う場合，最も高い真空度を維持している電子銃部２の大気圧へのリークは，極力避けて，ダウンタイムの短縮を図る必要がある。そのため，ガンバルブ８が備えられている。

本実施例においては，このガンバルブ８を閉止していれば，何らエネルギーを供給することなく，電子銃部の真空度を維持可能で，かつ，下流部を大気に開放して，メンテナンスが可能となる。一方，従来の場合においては，図２に示すように３台ものイオンポンプを電子銃室１０，中間室１１，電子光学系室６に１台ずつ設置しているため重量は１００Ｋｇ以上あり，危険作業となることや，高真空を維持するには各イオンポンプ（ＩＰ−１，２，３）に５ｋＶ程度の高電圧を供給し続けなければならず，手軽にできないといった課題を有していた。

本実施例では，図４に示すように，粗引きポート１４のバルブ１５，１６と，ガンバルブ８を閉止すれば，電子銃部を高真空状態に保ったまま取り外せる。しかも，図３の破線で示されるような、従来は存在していた電子銃部２のイオンポンプは排除されており，重量は１５ｋｇ程度まで軽量化され，高電圧を供給する必要もないため，人力で手軽にメンテナンスできるという従来にない効果がある。

なお，図２の従来例に示した装置では，ガンバルブは電子光学系室６と試料室７の間の開口部を開閉する位置につけられていた。これは，イオンポンプで排気する真空室を大気に曝したくないためであった。しかしながら，本発明においては，以下に説明するように，最も大気に曝したくない電子源１部を高真空のまま取り外すことを可能とするため，第二の真空室８６と第三の真空室８７である電子光学系室６の間にガンバルブ８を設けてある。
こうすることにより，電子源の寿命を長く保つと共に，非蒸発ゲッターポンプの長寿命化も図れ，メンテナンス性も向上するため，好都合である。

本実施例では、非蒸発ゲッターポンプと併用するポンプとしてイオンポンプを用いたが、イオンポンプの代わりにターボ分子ポンプを用いてもよい。但し、ターボ分子ポンプの場合は、機構上，真空排気運転時に回転するブレードが運動に伴い振動するため，電子銃近くに配置すると，ＳＥＭ画像が揺れるなどの問題がある。従って、併用するポンプとしてはイオンポンプないし機構的に振動の発生が少ない真空排気装置の方がより好ましい。
以上、本実施例は走査型電子顕微鏡を例にとって説明したが，透過型電子顕微鏡，電子線描画装置や各種荷電粒子措置にも応用可能であることはいうまでもない。

磁界重畳型電子銃は，電子源１周りに磁界を生成することにより，設計次第では，色収差，球面収差などを低減した上に，ビーム電流を増加可能なので，特に半導体の測長ＳＥＭや検査ＳＥＭなどに応用すると，測長精度，解像度，スループットの向上につながる有効な技術である。言い換えれば，磁界を重畳することにより，電子光学系のパラメータを増やし，設計自由度を拡大することができる。つまり，磁界重畳型電子銃を用いることにより，低収差で大電流を放射可能になることを意味している。ところが，イオンポンプ，磁気シールド，磁界発生用のコイル等が嵩張り，大型で大重量化してしまうという問題があった。

本発明を磁界重畳型電子銃に適用した場合，電子銃のイオンポンプレス化と小型化が容易に可能となるため，磁界重畳型電子銃化も簡単にできるという効果が得られる。本実施例においては，磁界重畳型電子銃を本発明に適用した例を説明する。図５に本実施例の概略構成を示す。

この図は，磁界重畳用カラム１８の部分のみ断面図であり，その他の部分は外観を表している。本装置は，図１の電子銃用カラムを本実施例の磁界重畳用カラム１８に変換したもので，この他の手段や機能は，図１のものと同等である。この磁界重畳用カラム１８は，電子銃用カラムと同様に，非蒸発ゲッターポンプ３，５を内蔵しており，イオンポンプはない。この磁界重畳用カラム１８の形状は円筒形であり，このカラム外径に対応した内径を有するリング型のコイル１９を着脱できる。このコイル１９の耐熱温度は，高々１００℃程度であるが，コイル１９を着脱できることにより，非蒸発ゲッターポンプ３，５を活性化するための加熱温度である５００℃程度までが可能となり，都合がよい。
コイル１９をおく位置には磁路８３があり，コイルから発生する磁場を電子源１の近傍まで導く部品として用いられる。

本実施例の立ち上げ方法は，実施例１とほぼ同じであるが，コイル１９は，立ち上げ当初は，取り外しておき，真空が立ち上がった後に取り付けて，電子ビームを放射させ，コイルの調整を行えばよい。

以上のような構成をとることにより，従来は，イオンポンプを避けるためにコイルを大型化せねばならず，メンテナンスの際の重量物の着脱が使い勝手を低下させていたが，簡便で手軽にメンテナンスが可能となるという効果が得られる。
本実施例は走査型電子顕微鏡を例にとって説明したが，電子線描画装置や各種荷電粒子措置にも応用可能であることはいうまでもない。

本実施例では、ＳＥＭ式プローバへの適用例について説明する。ＳＥＭ式プローバの原理構成に関しては、特開平０９−３２６４２５号公報に記載があり、複数の探針を半導体回路端子に直接接触させて，電流，電圧特性を測定する構成を有する。回路パターンの寸法がナノメートルオーダであることから，探針の代表寸法は半径５０ｎｍ程度で，回路端子と接触する先端はナノメートルオーダまで細く尖っている。従って、探針が回路端子に接触し過ぎてわずかでも過大な圧力が探針に加わると、探針，回路端子ともにダメージを受けるという課題がある。また，探針損傷のリスクを避けるために、探針を目標にゆっくりと近づけていると、探針が回路端子に接するまでの時間がかかりすぎる問題があった。

そこで，従来のＳＥＭ式プローバ装置においては，予め光学顕微鏡を用いて探針と回路端子の粗位置合わせを行なう。その後に，探針をＺ方向に駆動して回路端子に近接させるが，このときにトンネル電流等の信号を用いたり，ＳＥＭの観察像を見ながら調整したりして，探針と回路端子の衝突を避けていた。また，探針と回路端子の精密な相対位置合わせには，走査型電子顕微鏡の映像を見ながら位置を決めていたが，Ｚ方向の情報がなく，位置合わせに時間がかかる問題があった。

本実施例のＳＥＭ式プローバ装置は，小型の電子光学系カラムを用い，二つの走査型電子顕微鏡を備えることにより，Ｚ方向の情報を含んだ画像取得が可能な構成を特徴とする。角度の異なる方向から同一視野を見ることにより，つまり，二つのカラムのなす角（視野角）を持たせることにより，試料面内の回路端子位置と探針の位置関係と回路端子から探針までの高さというＺ方向の情報を含む画像取得が可能となる。

図６は、本実施例のプローバ装置の構成を示す概念図である。ターボ分子ポンプ２８で排気される真空容器内に、試料５２を載置するステージ２３が設けられている。このステージは，二方向（Ｘ，Ｙ）の軌道２４，２５に沿って移動，位置決めができる。このステージ２３の上には試料５２が載置される他，試料表面にある回路端子２２に当てる探針２０，２１と探針ステージ２６，２７が設置される。探針ステージ２６，２７は，Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の三軸について探針の精密な位置決めが可能な構成を備える。本実施例においては，探針２０，２１は２本であるが，本数は特に制限されることはなく，例えば，４本でもよい。

真空容器の上部には、１対のＳＥＭカラム５３が配置される。１対のＳＥＭカラムは，試料５２に対して角度を持って望む位置に配置されており、観察用試料表面の法線方向に対して斜めに配置されている。ＳＥＭカラム５３の内部には電子光学系３２，３３が備えられており、試料に電子線を照射できる。電子光学系３２，３３内の電界放出型の電子銃３０，３１から電界放出された電子線３６は，その下方に設けられた複数のレンズ電極から成る静電レンズのそれぞれの電極間に形成された電界によって集束作用を受け，細く集束されて試料上に照射される。それと同時に，電子線３６は，試料上で二次元的に走査される。電子線３６の照射により試料から発生した二次電子は、二次電子検出器に到達し検出される。二次電子検出器は、図示していないが、ＳＥＭカラム５３の内部に配置されている。この検出信号から，試料表面の二次元二次電子像が得られる。本実施例では，半導体の表面観察などの用途に適するように，電子線３６の照射による試料表面の帯電や損傷を少なくすることのできる低加速電圧での観察を対象としており，従って，電子線３６の加速電圧Ｖａは３ｋＶ以下(主に１ｋＶ前後)に設定してある。本実施例では，小型化が容易という観点から、ＳＥＭカラム内に備える電子光学系３２，３３に静電光学系を採用した。静電レンズのみで電子光学系を構成しているため，電子光学鏡筒は外径３４ｍｍ，高さ１５０ｍｍと非常に小型になっている。同時に、加速電圧１ｋＶで６ｎｍという高い分解能も実現できた。なお、本実施例では、二次電子検出器をＳＥＭカラム５３の内部に配置されたものとしたが、ＳＥＭカラムの外部に備えてもよい。

以上述べてきた各要素は，制御手段５０２信号線によりつながっており,動作制御信号の送受信を行なっている。本実施例で設置した二組のＳＥＭモニタ５３のＳＥＭ像の信号もこの信号線により制御手段５０２に送られ，ステレオグラムな立体画像に合成された後、ディスプレイ５０３に表示される。得られた画像信号は、制御手段５０２に含まれる記録手段に記憶することも可能である。

さらに，ステージ２３の上方には，探針と回路端子の粗位置合わせ用の光学顕微鏡５１−１がある。この光学顕微鏡５１−１は，試料の直上に位置し，探針と回路端子のＸ，Ｙ平面内の粗位置合わせに用いる。
図７には、図６に示したプローバ装置の側面図を示す。この側面図からわかるように，本実施例のプローバ装置は、Ｘ，Ｙ面内方向の粗位置合わせ用光学顕微鏡５１−１の他、Ｚ方向の粗位置合わせ用の光学顕微鏡５１−２も備えている。また、ＳＥＭカラム５３は、試料５２の法線方向ないし粗位置合わせ用光学顕微鏡５１−１の光軸方向に対して所定の角度だけ傾くように真空容器に組み付けられる。

次に、本実施例のプローバ装置の動作手順について、図８を用いて説明する。試料５２を装置にロードして真空排気を行った後，光学顕微鏡５１−１下にステージを移動して，粗位置合わせを行う。その後，図６に示すように電子線３６の照射位置へステージを移動し，探針２０，２１と回路端子２２の精密位置合わせを行う。つまり，二つの走査型電子顕微鏡の画像データを観察しながら，探針２０，２１と回路端子２２の位置を決めるとともに，相互に接近させ，直前で停止させる。この探針と回路端子間の相対位置関係の観察を行なうには，マニュアル操作でもよいし，画像データをもとに自動制御してもよい。この後，トンネル電流やＳＥＭ像の測定，観察結果をもとに接触させればよい。その後，二組の走査型電子顕微鏡３２，３３の視野に探針２０，２１を入れるように試料ステージ２３と探針ステージ２６，２７を駆動して位置決めする。

図９には、本実施例のプローバ装置で取得できるＳＥＭ画像の模式図を示した。従来のプローバ装置では、試料の上面図相当のＳＥＭ画像しか得られることができなかったが、本実施例のプローバ装置では、図９に示されるように、奥行きのある立体位置画像情報を取得できる。これにより，探針２０，２１と回路端子２２の位置合わせが格段に容易となり、接触過多による探針ないし試料の損傷確率が低減される。更には、探針の接触時間を短縮することができる。２つのＳＥＭカラムから得られるデータを用いることにより，万一，一方が故障した場合においても探針や試料にダメージを与えずに検査が可能となる。なお、図９に示される画像から得られる情報だけでも、探針ないし試料の損傷確率を低減することが可能であるが、探針２０，２１から得られるトンネル電流値等を基にして、回路端子と探針との接触を確認できるようにすると、装置ユーザの利便性が更に向上する。

以上述べた装置構成は、必ずしも差動排気構造を用いなくとも実現可能であるが、ＳＥＭカラム中の電子銃周りの真空度を維持するために、図２に示すように、複数台のイオンポンプを使用する必要がある。しかしながら、実施例１や２で説明した差動排気構造を適用すると、真空排気系の構成が簡略化されるため装置設計上利点が多い。

以下では、図６を用いて、差動排気構造を適用したプローバ装置の真空排気系の構成について説明する。ＳＥＭカラム５３内部には、開口板３７が設けられ、真空度の異なる２つの真空室に分けられている。一方が電子銃３０，３１が格納される第１の真空室（電子銃室）であり、もう一方が、電子光学系３２，３３が格納される第２の真空室である。ＳＥＭカラム５３下部に設けられた試料室はターボ分子ポンプ２８で排気され，第２の真空室はイオンポンプ２９で排気され、更に最上流の電子銃室は，非蒸発ゲッターポンプ３４，３５で排気される。これにより、図２に示される従来の構造に比べて、少ない台数のイオンポンプで電子銃室の高真空度を維持することが可能となる。

更に、本実施例のプローバ装置においては、１台のイオンポンプを２つのＳＥＭカラムで共用することにより、高効率化と省スペース化を図った。さらにイオンポンプをスパッタイオンポンプあるいは，ノーブルイオンポンプとすれば，非蒸発ゲッターポンプが排気しにくい希ガスの排気効率が上がるため，真空度維持の点で有利である。

以上、従来の小型走査型電子顕微鏡ではイオンポンプが複数台必要であるため，モニタ用の走査型電子顕微鏡を二組も配することは実用的ではなかったが、本実施例のプローバ装置は、立体画像を取得可能な構成の装置を、従来よりも省スペースで実現可能である。なお、本実施例では、プローバ装置の検査対象物として回路端子を検査した例を説明したが、回路端子に限られず、回路の配線部分、電極、メモリセルなど、微細な電子回路一般を検査対象物にできることは言うまでもない。また、検査対象物を内包する試料としては、半導体ウェハ、回路パターンが形成されたチップないし試料基板、或いは試料基板を割断して一部を取りだした試料片などを使用することができる。

図１０を用いて，本発明を集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置のカラムに応用した実施例を説明する。ＦＩＢ装置は，電子より重いイオン粒子を試料４９に当てて試料表面を加工したり，ＳＥＭと同様にイオンビームが照射された部位から発生する電子を検出して画像観察したりする装置である。

ＦＩＢ装置においても従来の装置では，図１０に示すように破線部分のイオンポンプを含み，合計２台以上用いている。したがって，本発明を適用すれば，実施例１と同様に，容易にＦＩＢカラム周りを小型化できる。
イオンビーム５０を集束させる光学系には，複数の電極４０，４１，４２，４３，４４からなる静電光学系を用いるので，ＳＥＭのようなコイルを用いた電磁レンズは用いない。このため，耐熱性はＳＥＭに比べて高く取れるので，非蒸発ゲッターポンプ４５，４６を導入しやすい特徴がある。

ＦＩＢ装置のイオン源３９は，最上流に配置され，１０^−８Ｐａ程度の真空度を維持する必要がある。このため，実施例１で述べたＳＥＭと同様に，差動排気構造をとっている。図１０の場合は，二段階の差動排気を行っており，従来では２台のイオンポンプを用いていた。この上流側の破線で示したイオンポンプ１台を非蒸発ゲッターポンプ４５に変更することにより，小型軽量化が図れる。さらにイオンポンプをスパッタイオンポンプとすれば，非蒸発ゲッターポンプが排気しにくい希ガスの排気効率が上がるため，さらに小型化できて望ましい。

また，上述のようにイオンビームは，静電光学系により集束されるため，イオンポンプにて排気するカラム部にも非蒸発ゲッターポンプ４６を配置することができる。このため，排気速度を増加することが可能となる効果がある。

なお，試料４９の置かれる試料室の真空は，ターボ分子ポンプ４７により排気される。
上述の各要素は，制御手段５０４に信号線を介してつながっており，制御信号や画像データの送受信ができ，装置全体のシーケンスを管理することができる。ユーザとのインターフェイスや画像の表示にはディスプレイ５０５を用いることができる。
その他の構造は，従来のＦＩＢと同様であるので，詳しい説明はここでは敢えて述べないが，電子ビーム以外の装置への導入も可能である。

本実施例においては，マイクロサンプリング装置に本発明を適用した例について図１１を用いて説明する。
マイクロサンプリング装置とは，半導体デバイス等の検査分析用とにデバイスの一部分を切り取って，断面を観察，分析する装置で，サンプル切り出しを可能とするためのＦＩＢカラム７７と切り出し位置や切り出す断面を同時に観察するためのＳＥＭカラム７８の二種類のカラムが互いに角度を持って備えられた装置である。さらに，水平面と一致する試料６０の表面に対する鉛直軸８１に対しても所定の角度を持っている。このため，斜めに二つのカラムが近接して取り付けられることになる。このような構成をとるため，各カラムに従来取り付けられる複数台のイオンポンプが互いに干渉したり，イオンポンプの重量に起因して重心位置が高くなり，カラム全体が振動しやすくなったりするといった課題があった。

本実施例のマイクロサンプリング装置は，本発明を適用しているので，ＦＩＢ，ＳＥＭの両カラムともイオンポンプは一台ずつ用いているのみである。このため，従来の構成であるカラムあたり二〜三台に比べると飛躍的に軽量化できる。さらにイオンポンプをスパッタイオンポンプあるいは，ノーブルイオンポンプとすれば，非蒸発ゲッターポンプが排気しにくい希ガスの排気効率が上がるため，さらに小型化できて望ましい。本実施例においては，ＦＩＢカラムとＳＥＭカラムに別々のイオンポンプを設けたが，１台のイオンポンプを併用してもよい。

ＦＩＢカラム７７の最上流真空室には，イオン源６１があり，非蒸発ゲッターポンプ７９が設置されている。さらに，静電光学系６３の開口を隔てて下流側の真空室にも非蒸発ゲッターポンプ８０があり，さらに開口６４を隔てた真空室をイオンポンプ６９で排気している。イオン源６１から放射されたイオンビームは，試料表面上の所望の位置に絞られて，所定の除去加工を実施できる。

ＦＩＢカラムと同様にＳＥＭカラム７８にも本発明が適用されている。最上流の真空室には，電子源６２があり，非蒸発ゲッターポンプ８１が設置されている。開口６６を隔てた下流側の真空室にも非蒸発ゲッターポンプ８２があり，さらに下流の真空室をイオンポンプ７０で排気している。この真空室には，コイルを用いた電磁光学系があり，耐熱性が低いため，非蒸発ゲッターポンプは設置できない。本構成は実施例１で述べたＳＥＭカラムと同じである。なお，電子源６２から放射された電子ビームは試料６０表面上に絞られ，二次電子を発生させ，その二次電子を二次電子検出器７６で検出することによりＳＥＭ像をイオンビーム加工中あるいは，加工前後にかかわらずに得ることができる。

ＦＩＢカラム７７の中心軸８４は，鉛直軸８１に対してなす角度Θを３０°とし，傾いて固定されている。また，ＳＥＭカラム７８の中心軸８０は，鉛直軸８１に対して４５°傾いている。さらに，ＦＩＢカラムとＳＥＭカラムの相対的な角度は，９０°になるように固定されている。

上述した二つのカラムの下には試料室があり，ターボ分子ポンプ８３により真空排気される。また，試料６０を載置して移動と位置決めができるステージ７１と，マイクロサンプリングするアーム７２，７３とそれらを駆動する駆動手段７４，７５がある。これらのマイクロサンプリング手段は，イオンビームにより加工された微細なチップをハンドリングするための手段である。

上述の各要素は，制御手段５０６と信号線を介してつながっており，制御信号や画像データ等を送受信できる。ユーザとのインターフェイスや画像表示には，ディスプレイ５０７を用いることができる。

本実施例においては，ミラー電子顕微鏡（ミラープロジェクション方式）の試料検査装置に適用した例について説明する。観察試料としては、半導体ウェハ、回路パターンが形成されたチップないし試料基板、或いは試料基板を割断して一部を取りだした試料片などが挙げられる。ミラープロジェクションとは，電子線を試料表面上の電位分布により試料面に到達する前に反射する電子（ミラー電子）を結像させて画像を検出する方式のことであり，細く絞った電子ビームが照射された試料から発生する二次電子検出や，反射電子の強度を検出する通常のＳＥＭ方式とは異なるものである。
ミラープロジェクション方式の特長は，電子ビームの一筆書きではなく，１００〜４００μｍ角程度の領域を電子により一括照明することにより，光学式顕微鏡のような画像が得られるため，画像取得時間が飛躍的に短時間化できるという点にある。

しかし，このミラープロジェクション方式は，従来のＳＥＭとは異なり，試料表面の電位分布に依存した画像が得られるため，試料表面の形状をそのまま画像化するものではない。そこで，ミラープロジェクションにて検出された領域の表面形状を、画像として検出できると、ミラープロジェクションの検出画像に対する参照画像として利用できるので、欠陥検出上便利である。そのためには、異状と思われる部位の拡大ＳＥＭ画像を、別の電子光学系により観察可能とするようなアプリケーションが有効である。

本実施例においては，図１２に示すように小型のＳＥＭカラム１１４をミラープロジェクションカラム１２０の横に設けてある。この両カラム間の距離は予め正確に測定されており，試料（ウェハ）１０５を載せた試料ステージ１０６は，破線で示した様に両カラム間を必要に応じて移動できるように構成されている。

次に，本装置の構成と，ウェハ１０５表面を検査する際の手順について説明する。
電子線照明光学系カラム１０１において，電子源１００より放出された電子線は，磁界重畳コイル１２１により絞られ，大電流化されたビームを放出する。この大電流化は，検査のスループット向上に重要な影響を与える。なぜなら，一度の大面積照射から得られるミラー電子の信号のシグナルノイズ比（Ｓ／Ｎ比）は，照明する電子線の電流に比例して増減するためである。

この磁界重畳型電子銃は，実施例２で述べたものと同等のものでよい。すなわち，開口を隔てた差動排気構造をしており，最上位流の真空室に電子源１００があり，非蒸発ゲッターポンプ１２３により排気されている。下流側の真空室にはコンデンサレンズ１０２があり，イオンポンプ１２２により排気されている。この構造により，電子源１００のある真空室は，１０^−８Ｐａ台の極高真空に維持される。また，大気側には，磁界重畳用コイル１２１が電子線照明光学系カラム１０１から着脱可能な構造で取り付けられている。このような構造をとることにより，電子線照明光学系カラム１０１に設置するイオンポンプが１台まで削減できるため，軽量化を図ることもでき，装置全体の振動特性が向上する効果が生じる。さらにイオンポンプをスパッタイオンポンプとすれば，非蒸発ゲッターポンプが排気しにくい希ガスの排気効率が上がるため，さらに小型化できて望ましい。

磁界重畳型電子銃から放出された電子ビームは，コンデンサレンズ１０２により集束され試料上をほぼ平行に照射される。電子源１００には，Ｚｒ／Ｏ／Ｗ型のショットキー電子源を用いた。大電流ビーム（例えば，１．５μＡ）で，かつエネルギー幅が１．５ｅＶの均一な面状電子線を安定に形成できる。
セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器１０３を結像電子線３０２の結像面３０４近傍に配置させる。
この配置では，照射電子線３０１に対してＥ×Ｂ偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ１０２とＥ×Ｂ偏向器１０３の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器１０４を配置させる構成とする。

電子線は，Ｅ×Ｂ偏向器１０３によりウェハ１０５に垂直な光軸に偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器１０３は上方からの電子線に対してのみ偏向作用を持つ。Ｅ×Ｂ偏向器１０３より偏向された電子線は，対物レンズ１０７により試料（ウェハ）表面に垂直な方向に面状の電子線が形成される。Ｅ×Ｂ偏向器１０４よりセパレータＥ×Ｂ偏向器１０３の偏向収差が補正されるので，対物レンズ１０７の焦点面上には微細なクロスオーバが形成されるので，平行性の良い照射電子線３０１を試料に照射できる。

真空試料室１０８内の試料ステージ１０６に搭載された試料（ウェハ）１０５には，電子線の加速電圧とほぼ等しいか，わずかに高い負の電位が図示していない試料印加電源によって印加されており，ウェハ１０５の表面には形成された半導体パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成されている。この電界によって面状電子線の大部分がウェハ１０５に衝突する直前で引き戻され，ウェハ１０５のパターン情報を反映した方向や強度を持って上がってくる。

引き戻された電子線は，対物レンズ１０７により集束作用を受け，ビームセパレータとしての偏向器１０３は下方から進行した電子線に対しては偏向作用を持たないので，そのまま垂直に上昇し，対物レンズ１０７，中間レンズ１０９，投影レンズ１１０により投影拡大されて，シンチレータ１１１，光学レンズ１１２，ＣＣＤ１１３よりなる画像検出部上にウェハ１０５表面の画像を結像させる。

一方，上記ミラープロジェクションカラム１２０の横には，小型ＳＥＭカラム１１４があり，ウェハ１０５上のパターン形状を観察できる。電子源１１５には，ショットキー型電子源を用いている。放出された電子ビーム１２１は，静電光学系１１７によりウェハ面上をスキャンし，二次電子あるいは，反射電子を検出してＳＥＭ画像を得ることができる。

ＳＥＭカラム１１４の真空は，静電光学系１１７部を排気速度１０リットル／秒程度の小型イオンポンプ１１８で排気すると共に，上流側は非蒸発ゲッターポンプ１１６により差動排気している。この構成により，最上流の電子源１１５近傍の真空度は，１０^−８Ｐａ台が得られた。なお，試料室１０８は，ターボ分子ポンプ１１９により排気され，１０^−３Ｐａの真空度が得られている。

図１３に小型ＳＥＭカラム１１４の詳細構成を示した。試料室１０８と小型ＳＥＭカラム１１４は，ベローズ２０１を介して接続されており，ＳＥＭの光軸方向に沿って駆動手段２０２を用いることにより，位置決めができるようになっている。こうすることにより，ＳＥＭ光学系１１７のフォーカス調整が可能となる他，ＳＥＭ観察視野の拡大縮小，あるいは，分解能の選択が可能となる。すなわち，試料１０５表面の観察面からの距離（作動距離）を広く取れば，視野は広がるが分解能は低下し，作動距離を狭めれば視野は縮小するが，分解能は向上する。観察する対象により，自由に調整ができるので，非常に有効な機能となる。作動距離の測定は図示していない位置検出器を用いて行う。小型ＳＥＭの光学性能と作動距離の関係は，予めデータベース化されており，自動的に調整は行われる。また，ＳＥＭ像を見ながら微調整も可能である。

上述の各要素は，信号線を介して制御手段５０８と接続される。制御手段５０８は、装置全体の動作を管理する制御ユニットであり、制御信号や画像データを送受信する信号インターフェイス、検出された画像信号を解析して欠陥を検出する画像処理部、ミラープロジェクションカラム１２０と小型ＳＥＭカラム１１４との距離の情報や前述のデータベース等を格納するデータ記憶部、データ記憶部に格納された情報を処理するデータ処理プロセッサ、装置全体の動作を制御する制御用コンピュータなどを備える。本実施例では、制御手段５０８内に、全ての制御手段を配置した構成を示したが、各々の構成要素を別々の制御ユニットとして配置しても良い。ディスプレイ５０９には検出画像が表示されるが、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を用いる場合のユーザインターフェイスとしても用いられる。

以上述べた装置構成を用いることにより，ウェハ１０５表面の局部的な帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いが画像として形成される。収差を補正することにより，平行性の良い照射電子線３０１を照射でき，高分解能なミラー像を形成することができるので，１００ｎｍ以下の帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いを検出することが可能となる。

検出された画像データは，画像処理部により処理され，欠陥として判定された場合には，その座標データ記憶部に格納される。欠陥画像位置の表面形状を観察したい場合、装置オペレータは、ディスプレイ５０９に表示されるＧＵＩを介して対応ＳＥＭ画像を表示させる旨の指令を、制御手段５０８に伝達する。制御手段５０８中のデータ処理プロセッサは、ＧＵＩを介して入力された信号を基にデータ記憶部を参照し、ＳＥＭ観察可能な位置の座標を取得する。その後、取得座標へ移動するための制御信号を位置を試料ステージ１０６へ送信する。所望の位置へ移動した後は、ミラー像から得られた欠陥位置のＳＥＭ画像を取得して，欠陥の有無，形状，寸法等の必要なデータをデータ記憶部に格納する。

その後，試料ステージを駆動して，元のミラープロジェクション観察可能な座標位置に戻り，検査を継続し，ウェハ全面を検査するまで繰り返すことにより，検査が終了する。
ここまでの手順は，ミラープロジェクションによる検査が先で，見つけた欠陥を後からＳＥＭ画像で確認する方法をとったが，逆にＳＥＭ観察から得られた欠陥座標を蓄え，後からミラー像を観察してもよい。或いは、ミラープロジェクションによる試料全面の検査が済んだ後に、ＳＥＭ画像を取得しても良い。

以上説明したように、本実施例のミラープロジェクション電子顕微鏡装置は、ミラー電子カラムと通常のＳＥＭないし反射電子カラムの２種を備えており、ミラー電子画像とＳＥＭ画像または反射画像の２種を検出可能である。従って、ＳＥＭ画像または反射電子画像を、ミラー電子画像に対する参照画像として利用でき、装置ユーザの利便性が顕著に向上する。この効果は、各電子光学系カラムに差動排気構造を適用せずとも実現可能である。
更に、ミラー電子カラムと通常のＳＥＭないし反射電子カラムのいずれかに対して差動排気構造を適用すると、装置サイズを小型化できる。従って，装置全体を大型化せずに、欠陥部位のＳＥＭ画像を容易に観察可能なミラープロジェクション方式の試料検査装置を実現できる。

本実施例においては，その他の本発明について，図１４を用いて説明する。実施例１で説明した，本発明の走査型電子顕微鏡の構成における第一の真空室８５の真空排気を非蒸発ゲッターポンプ３に加え，イオンポンプ８８も備えて併用して真空排気するものである。

従来，冷陰極型電子源（コールドＦＥ）８９を用いる場合，到達真空度が１０^−７Ｐａ台まで低下すると電子源周りにコンタミが付着して電子放出特性が低下したり，寿命が短くなったりする課題があった。このため，数ヶ月から６ヶ月間に一度はフラッシングを行う必要がある。フラッシングとは，電子源先端に付着したコンタミ膜をフィラメント電流を流して加熱し，クリーニングする方法である。これにより，再び高い輝度の電子ビームが得られるが，電子源先端のビーム放出位置が変わってしまい，電子光学系の再調整が必要になるため，使い勝手を悪くする原因ともなっていた。これらの課題を解決するには，電子源８９の設置される真空室８５の到達真空度は高く維持する必要がある。

実施例１で述べた方式では，電子源のある第一の真空室の真空度は，１０^−８Ｐａ台であったが，本実施例の方式では，１０^−９Ｐａ台の真空度が達成できる。この理由は，非蒸発ゲッターポンプ３の排気によりアルゴン等の難排気ガス以外のガスはほとんど除去された上に，イオンポンプ８８によりわずかに残留する難排気ガスを除去できることに起因する。このため，イオンポンプ８８としては，実施例１で述べたようにスパッタイオンポンプ，ノーブルイオンポンプ等が適しており，排気速度は２０リットル／秒以下の小型のものでよい。

上述の各要素は，信号線を介して制御手段５１０とつながっており，制御信号や画像データを送受信でき，装置全体の動作を管理することができる。また，ユーザとのインターフェイスや画像の表示にはディスプレイ５１１を用いることができる。

本実施例の場合，非蒸発ゲッターポンプ３，５の寿命をモニタする真空ゲージは必要なく，イオンポンプ８８にかける電圧をモニタして真空度を知ればよい。イオンポンプ８８の真空度を示すデータを制御手段５１０へ送り，予め設定した真空度に達した時点でディスプレイ５１１のユーザインターフェイスに交換時期である旨を表示するようにすればよい。

上述のようにイオンポンプ８８を第一の真空室８５に備えて，非蒸発ゲッターポンプ３と併用することにより，電子源８９回りの真空度が飛躍的に高まるため，冷陰極型電子源を使う場合に必要であった，フラッシングを始めとするメンテナンスが不要となり，冷陰極電子源８９の寿命である３〜４年間にわたり使用続けることが可能となるという，大きな効果を得ることができた。

本実施例では、本発明を小型磁界重畳型電子銃を適用した例について説明する。まず始めに，磁界重畳型電子銃について説明する。磁界重畳型電子銃とは、電子源が磁界に浸された磁界重畳電子源と，当該電子源から電子線を引き出すための電界を印加する手段と，電子源に対して磁束を印加するための手段とを兼用する上部磁極及び，下部磁極とを備え，当該上部磁極と下部磁極との間に電界を発生する電位差を与えることに動作する電子銃である。

図１６(a)には、本実施例の小型磁界重畳型電子銃の電子源周りの断面図を示す。図１６において上部磁極４０１と下部磁極４０２に与える電位差Ｖ_１により，電子源４１３に対する電子の引き出し電界が発生する。また，上部・下部磁極と引出し電界の印加手段（引出し電極）とを兼用することにより小型磁界重畳電子銃４１５全体の収差を小さくできる。これは，磁界の発生を，電子源に最も近い部品，すなわち引き出し電極で行うことにより，狭い領域で強い磁界が得られ，この結果，電子銃近傍に，焦点距離の短い電子レンズが形成されるためである。これは，電子光学的に，焦点距離を短くすると収差は小さくなる傾向を利用したものである。

本実施例では、磁界の発生源として電磁コイルを用いずに永久磁石を用い，電子源としてカーボンナノチューブを用いている。磁界の発生源としては，前記電子源と同一の真空容器内に配置された永久磁石４１１を用いるのが好ましい。磁束発生源としてはコイルを使用することも可能であるが，永久磁石を用いると，電子レンズとして実用的な０．８〜１．１Ｔ（テスラ）程度の磁束を発生するのに極めて小さな体積ですむという利点がある。電子源４１３に磁界を与えるためには，前記電子源と前記磁界の発生源とを直接あるいはソフト磁性体からなる磁極を介して接続する。前記永久磁石４１１の形状は，電子源先端から見た電子放出方向を中心軸として概ね軸対称形状に配置する。この結果，磁気の分極がこの中心軸方向もしくは半径方向の如き軸対称となり，低収差の電子レンズとして理想的な，軸対象の磁界が得られる。

前記永久磁石ないし前記磁極に印加する電位は，電子源と同一もしくは引き出し電極と同一で用いる。このため，磁界を発生する磁極および磁石と，電子を引き出す電界を発生する電極とを同一の小さな空間で形成することが可能となるので，狭い領域で強い磁界が得られる。

上述の電子銃４１５と組み合わせる電子源４１３は，仮想光源径のなるべく小さな光源が好ましく，特に，電子源の先端部の物理的な直径が１００ｎｍ以下の電界放射型電子源と組み合わせて用いると，収差が小さいという本発明の特徴を十分に生かすことができ，従来よりも高性能な電子銃が実現可能となる。

図１６(a)に示される構成を更に具体的に説明する。電子源の光軸上には棒状の永久磁石４１１が配置され，長手方向に磁化された細い棒状の磁石の端面上に発生する磁界を使用して，電子銃の収差を低減することにより高輝度化を達成している。下部磁極４０２はガイシ４０７にボルト４０８で固定され，両者の間にベース磁極４０３と絶縁体４０５が挟み込まれて固定される。この下部磁極は，引き出し電極を兼ねている。永久磁石４１１は上部磁極４０１とともに磁石ホルダ４１０内に磁石おさえ４０４で固定される。この磁石おさえは，外周にねじが形成されており，ベース磁極４０３のめねじと噛み合う。また磁石ホルダ４１０は皿ねじ４０９によりベース磁極４０３に固定されている。この場合，下部磁極４０２の側壁には、従来使用されていたコイルや磁石が無いので，図１６（ｂ）のように開口部を設けることが可能である。開口部を設けた側壁の内壁側には、非蒸発ゲッター４１２を配置し、側壁外部にはヒータ４１４を巻く。ヒータの通電加熱により非蒸発ゲッターを活性化させて真空ポンプとして作用させる。４０２の側壁に開口部を設けることにより真空排気のコンダクタンスが高まり、電子源４１３の周りがガス分子の少ない良好な状態に長時間保たれるという利点がある。

電子源としてカーボンナノチューブを用いた例を説明したが，電子放出源の光源径あるいは仮想光源径が３ｎｍ程度以下であれば、他の電子源を使用しても良い。たとえば，Ｗの針で先端径が１００ｎｍ以下のもの，あるいはこの先端にナノチップを形成したものでも光源径が小さいので同様の効果がある。ナノチップとは，Ｗ―ＦＥの針を加熱しながら正電圧を印加して電界蒸発条件にすることにより針先端に数原子程度の突起を形成したものである。なお，Ｗ以外でも，Ｐｔ，Ｍｏなどの高融点金属を用いても良い。

電子源４１３の動作時の引出電圧Ｖ_１は，実用的には，電子源がカーボンナノチューブの場合には，１００Ｖから４ｋＶの範囲，Ｗの針で先端径が１００ｎｍの場合は２ｋＶから５ｋＶの範囲で，電子源からの放出電流Ｉ_ｅを観察しながら，Ｉ_ｅが所望の値となるように決定される。このＩ_ｅは，実用的には，カーボンナノチューブの場合は１０ｎＡから５００μＡの範囲，Ｗの針の場合１０ｎＡから３０μＡの範囲から選ばれる。上部磁極４０１は電子源４１３と同電位であり，加速電圧Ｖ_０が印加される。実用的にはＶ_０は，ＳＥＭ(走査電子顕微鏡)用には-３０ｋＶから−３０Ｖの範囲から，また，ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）用には，−３０ｋＶから−１０００ｋＶの範囲から選ばれる。
以上説明してきたように，電子源先端が１００ｎｍ以下のものを使用し，永久磁石を利用することにより，小型軽量で，電磁コイルを使用しないのでエネルギー消費量も軽減できる磁界重畳型電子銃が実現できる。

次に，図１７を用いて、本実施例の小型磁界重畳型電子銃の全体構成について説明する。最上流にある第一の真空室４２１には，上述した小型磁界重畳型電子銃４１５がある。この第一の真空室の内壁には，非蒸発ゲッターポンプ４１６が備えられており，図示しないヒータによって活性化できる。第一の真空室は，電子ビームが通過する開口を有するアノード電極４０６を介して第二の真空室４２２とつながっている。この第二の真空室の内壁にも非蒸発ゲッターポンプ４１７が備えられ，図示しないヒータにより過熱されて活性化する。

第二の真空室の下流側には，開口があり第三の真空室４２３とつながっている。この開口は，ガンバルブ４１８により開閉が可能で，メンテナンス時にはガンバルブを閉止して第二の真空室と第三の真空室を，電子銃４１５のある領域を高真空に維持したまま，切り離すことができる。

第三の真空室にはコイル４２０よりなる電子光学系があり，イオンポンプ４１９により真空排気されている。第三の真空室の下流側にも開口があり，さらに下流側に真空室とつながっている。
以上述べてきた構成を採ることにより，大気側にコイルの存在しない，小型軽量で収差の小さい磁界重畳型電子銃を得ることができた。

本実施例においては，実施例４と同じく，プローバ装置に本発明を適用した別の例について，図１８を用いて説明する。
実施例４においては，モニタ用のＳＥＭカラム５３を試料に対して斜めに設置してステレオグラムな像を得ることを特徴とした装置であった。一方，本実施例においては，該モニタ用ＳＥＭカラム５３のうち１本を試料５２の直上に置き，他方のカラムを試料の表面内に光軸を置くように配置した。各カラムは，図示していない駆動手段により，視野の調整と焦点合わせが可能となっている。

上記のような配置にすれば，図１８には図示していない光学顕微鏡による探針と回路端子の粗位置合わせの後に，該ＳＥＭカラム５３の観察位置に試料５２を移動し，さらに解像度の高いＳＥＭ像を用いて，試料直上にあるＳＥＭ像から試料平面内のアライメントが行え，他方のＳＥＭ像から探針と回路端子の相対高さ距離が観察できることとなり，従来のトンネル電流検出による接触検知よりも早く，かつ，短針や回路端子にダメージを与えることなく，接触動作を行える効果がある。

本発明によるＳＥＭカラム５３のイオンポンプ２９による真空排気は，二本とも同一のイオンポンプ２９で兼ねることができる。
この他の装置の構成や手順は，実施例４に示したものと同様に行なえばよい。

本実施例では、プローバ装置の他の構成例について説明する。特開平０９−３２６４２５号に記載された従来のＳＥＭ式プローバ装置においては、試料に探針を接触させる際に、探針のＺ方向の情報をＳＥＭ画像から得ることができないため、探針の試料への接触完了まで時間がかかりすぎる、あるいは誤って探針を試料に近づきさせすぎて試料や探針を損傷しやすいという問題があった。

本実施例のプローバ装置においては、小型ＳＥＭカラムがメインの電子光学系装置のカラムに対して真横ないし斜めに配置された構成を採る。本構成により、探針のＺ方向の位置情報を取得可能なＳＥＭ式プローバ装置が実現され、前述の課題が解決できる。またこのため、メインの電子光学系装置を保持する真空試料室筐体には、小型ＳＥＭカラムを導入するための真空導入機構が設けられる。

まず、プローバ９０１の基本構成と機能について説明する。図１９は、本実施例のプローバ９０１の全体構成を示す。図１９において、プローバ９０１は、試料室９０７内に試料を保持する試料ホルダ９０２とこれを保持する試料ホルダ受け９１７とを含むステージとプローブユニット９３３を含むプローブステージ９０６を備える。ここで試料は試料ホルダ９０２に固定されているが、薄片であるため、作図の都合上、図１９では不図示とした。試料の検査のために試料ホルダ９０２に対向して走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置などの、イオンポンプ９４４を備えた第１の電子光学系装置９０４（荷電粒子装置ということができる）が試料室９０７の筐体に設けてある。図１９では図示されていないが、第１の電子光学系装置９０４の紙面反対側には、第２の電子光学系装置が配置されている。また、この第１の電子光学系装置９０４に近接してプローブ粗寄せ画像取得装置９１０が設けてある。第１の電子光学系装置９０４からは試料の表面やプローブ（探針）９０３の動きを観察するための荷電粒子ビーム（電子やイオンビーム）が試料ホルダ９０２の方向に照射される。

試料室９０７の筐体の上面部に第１の電子光学系装置９０４に近接して並設されるプローブ粗寄せ画像取得装置９１０は、プローブ粗寄せ光学顕微鏡（光顕）と画像取得のためのＣＣＤカメラとを備え、プローブ９０３の試料に対する粗寄せ状態を観察し、画像情報として取得することができる。また、プローブ粗寄せ画像取得装置９１０は、縦方向のもの９１０Ａばかりでなく、十字状配置とされた横方向配置のもの９１０Ｂが使用される。この十字状配置によってプローブ９０３は上方および横方向より観察され得、粗寄せ状態を確実に把握される。このとき、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きくして構成される。

これは、測定に際して、まず上方のプローブ粗寄せ画像取得装置９１０Ａによってプローブ９０３同士を水平方向に近づける粗寄せを行うが、このとき複数のプローブ９０３を粗寄せ画像に捉える必要がある。横方向からの粗寄せは横方向の粗寄せ画像を見ながらプローブ９０３を降下させて試料に接近させる。この後に第１の電子光学系装置９０４を用い、プローブ９０３先端と試料の焦点の合方を調べながらプローブ９０３を試料に接触させる動作を行う。横方向からの粗寄せにおいてプローブ９０３と試料の間隔が小さいと、第１の電子光学系装置９０４を用いたプローブ９０３と試料の接近動作にかかる時間を短くすることができる。このため、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きくして構成される。

ステージは、試料を保持する試料ホルダ９０２とこれを載置する試料ステージ９５０とこれを載置する大ステージ９４９および大ステージ９４９が移動するベース９４８を備える。このステージは面板９７１を介して試料室９０７の側面に取付けられる。面板９７１は、ガイド連結板９７１ａと、コロを用いたガイド９７１ｂとを介して試料室９０７に取り付けられる。

次に、本実施例のプローバ装置の正面図と側面図とを、図２０の右図、左図に各々示す。図２０に示すように、ステージのメンテナンスやプローブユニットの交換を行うときはガイド９７１ｂに沿ってステージを引出す。図１９の試料室９０７の下部に取付けられたガイドブロック９４８ａは第１の電子光学系装置９０４に対するステージの垂直方向の位置決めに用いられ、また、ステージを試料室９０７から引出すときの案内をも行う。ガイドブロック９４８ａの上部にはベース９４８の底部との間ですべり易い高分子材料等の摺動材９４８ｂが接着されている。

プローブステージ９０６は、プローブ９０３を保持するプローブホルダ９３１を備えたプローブユニット９３３、これを保持するプローブユニットベース９３４およびプローブユニットベース９３４を大ステージ９４９につなぐプローブユニット台９３５を備える。
プローブユニット９３３はｘ、ｙ、ｚテーブル（不図示）を備え、３次元方向へプローブ９０３を移動させることができる。

ベース９４８は面板９７１に固定部材９４７により固定される。試料室９０７には試料交換室９０８と、プローブ交換室９０９とが設けてある。
面板９７１には、プローブユニット９３３のｘ、ｙ、ｚテーブルの動作を制御する信号と、試料ステージ９５０のｘ、ｙ、ｚテーブル９６１、９６２、９６３、９６３ａの動作を制御する信号を試料室９０７の外部から送るために、フィールドスルーが設けられている。

試料交換室９０８の内部と試料室９０７の内部とはゲートバルブ９２１を介して接続される。試料交換室９０８の内部はドライポンプ（ＤＰ）９５２に接続され、真空処理がなされる。これにより、料室９０７の真空を維持しながら搬送手段９２９によって試料を保持した試料ホルダ９０２の交換を行い得る。なお、図１９では、作図上の都合で試料交換室９０８が試料室９０７の右側面に接続されているように図示してあるが、実際には、図２０に示したように、第１の電子光学系装置９０４の下方のステージに載置しやすいように、図１９の手前方向の試料室９０７の側面に設けられている。

試料室９０７の筐体の上面部には第１の電子光学系装置９０４およびプローブ粗寄せ画像取得装置９１０Ａとを並設し、かつプローブ粗寄せ画像取得装置９１０Ａに近接してプローブ交換室９０９が設けてある。プローブ交換室９０９の内部は試料室９０７の内部とゲートバルブ９２３を介して接続される。プローブ交換室９０９はターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）９５１およびこれに連結されたＤＰ９５２に接続され、真空処理がなされる。試料室９０７の高真空を維持しながら交換手段９５５によってプローブユニット９３１の交換がなされる。

試料室９０７には、ＴＭＰ９１１がゲートバルブ９５３を介して接続され、このＴＭＰ９１１は、さらにＤＰ９１２に接続される。試料室９０７の筐体は、一点鎖線で示す架台９２５によって支持される。
プローブユニット制御部およびステージ制御部からなる制御装置９１３およびＴＭＰ９１１およびＤＰ９１２による高真空処理を制御する他の制御装置９１３Ａが設けてある。制御装置９１３ＡはＴＭＰ９５１、ＤＰ９５２をも制御する。

さらに、プローバ９０１は、画像表示部９１５および画像表示制御部９１６を備えたディスプレイ装置９１４を備え、画像表示制御部９１６からのプローブ９０３およびステージ操作信号は、プーブユニット制御部およびステージ制御部に伝えられ、プローブユニット９３３およびステージ、大ステージ９４９の制御がなされる。

さらに、プローバ９０１は、画像表示部９８２および画像表示制御部９８３を備えたコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）用ワークステーション（ＷＳ）９８１を備えている。このＣＡＤ用ＷＳ９８１はディスプレイ装置９１４に接続されており、必要に応じてＣＡＤ像データをディスプレイ装置９１４に伝送する。
プローブ交換するときは、プローブユニット９３３のｙテーブル、ｘテーブルを所定の位置（例えば後端）に、そしてｚテーブルを所定の位置（例えば上端まで）移動させた後に行う。

第１の電子光学系装置９０４からの画像情報を表示する画像表示部９１５に測定したい試料の部位、すなわちプローブ９０３を接触させたい部位を、試料ステージ９５０を移動させて表示し、その部位にプローブ９０３と試料を見ながら、接触させたい試料の部位にプローブ９０３をプローブユニット９３３のｘ、ｙ、ｚテーブルを動作させて接触させることを行う。

本発明では、プローブ９０３およびステージの駆動装置は特に限定しないが、たとえばプローブの駆動機構にはピエゾ素子を利用したものや、ＤＣモータ、超音波モータなどが利用される。またステージの駆動機構にはパルスモータ、ＤＣモータ、超音波モータなどが利用される。

以下、装置の主要要素の構成および動作について説明する。
１．装置の主要要素の構成および動作
（１）ステージ
ステージは大ステージ９４９と試料ステージ９５０を備える。

（ａ）試料ステージ９５０
試料ステージ９５０は、ｙテーブル９６２、ｘテーブル９６１、およびｚテーブル９６３、９６３ａを備え、それぞれのテーブルは駆動機構によってｙ、ｘおよびｚ方向に移動させられる。ここで試料ステージ９５０が、ｚ（垂直）方向への駆動手段を備えていることにより、ｘｙ方向への大ステージ９４９および試料ステージ９５０の移動の前に、ｚ方向に試料ステージ９５０を下げておくことで、試料９０２ａと電子銃９０４の先端部との機械的な干渉を避けられる効果がある。さらに、実際、本実施例を用いてＳＥＭ観察を行う場合に、ｚ方向に試料ステージ９５０を上げることで、電子銃９０４の先端から試料９０２ａまでのワーキングディスタンスを小さくすることができ、これによってＳＥＭの空間分解能を向上させることができる効果がある。本実施例では、ｚ方向の駆動手段を試料ステージ９５０に組み込んだが、大ステージ９４９に組み込んでもよいし、その両方に組み込んでもよく、これによっても同様の効果が得られる。

ｙ、ｘテーブル９６２、９６１の移動は試料室９０７内に置かれたＤＣモータでボールねじを駆動することにより行い、案内はクロスローラ（不図示）でなされる。ｚテーブル９６３の移動は、ｚテーブル９６３に取り付けられたＤＣモータを駆動することにより行う。図１９に示すように、ｚテーブル９６３の上に取り付けられた試料ホルダ受け９１７に試料ホルダ９０２および試料が固定される。従って、試料は電子ビームに対してｘ、ｙ、ｚ方向に移動される。ｚテーブル９６３は、測定位置、試料交換位置、およびプローブ交換位置を持つ。測定位置はプローブ９０３を試料に接触させる位置であり、試料交換位置は測定位置から下がった位置、プローブ交換位置はさらに下がった位置である。この位置にすることによってプローブ９０３および試料交換時に試料とプローブ９０３との衝突が防止される。

（ｂ）大ステージ９４９
図１９に示すように、大ステージ９４９はｙテーブル９６５、およびｘテーブル９６４からなり、駆動装置（不図示）によってｙ方向およびｘ方向に移動される。試料ステージ９５０は大ステージ９４９上に載置されて駆動される。

図１９に示すように、大ステージ９４９にはプローブステージ９０６を構成するプローブユニット９３３と、これを保持するプローブユニットベース９３４、プローブユニット台９３５が載置される。プローブユニット９３３は、ｙ方向、ｘ方向およびｚ方向に移動される。これによってプローブユニット９３３に保持されるプローブホルダ９３１が移動され、その先端に把持されるプローブ９０３がｙ方向、ｘ方向およびｚ方向に移動される。

大ステージ９４９は、ベース９４８上を移動され、試料ステージ９５０は大ステージ９４９上を移動される。電子光学装置９０４、プローブ粗寄せ画像取得装置９１０Ａおよびプローブ交換室９０９は試料室９０７の筐体の上面部に並設してあるので、移動機構は試料とプローブ９０３とをプローブ粗寄せ画像取得位置と、ＳＥＭ観測位置とプローブ交換位置とに移動させることができる。すなわち、移動機構は、ステージ（試料ステージ９５０とプローブステージ９０６）をプローブ粗寄せ画像取得装置９１０の垂直方向の位置と第１の電子光学系装置９０４の垂直方向の位置と、そしてプローブ交換室９０９の垂直方向の位置との間を移動させることができる。
従って、試料およびプローブ９０３は、プローブ粗寄せ画像取得装置９１０の垂直方向の位置と第１の電子光学系装置９０４の垂直方向の位置と、そしてプローブ交換室９０９の垂直方向の位置との間を移動させられる。

本実施例では、高真空を維持しながらベース９４８上の移動を行うことができる。このような移動方法を採用することによって、試料に対するプローブ９０３の粗寄せ、および高精度位置決めを迅速に、かつ容易に行い得る。さらに、プローブ９０３の交換に当たっても高真空を維持しながら行うことができ、プローブ９０３の交換を迅速に、かつ容易に行い得る。
従って、移動機構は、試料およびプローブ９０３を、第１の電子光学系装置９０４に並列して設けられたプローブ粗寄せ画像取得装置９１０の直下位置から第１の電子光学系装置９０４の直下位置に移動させることを高真空を維持しながら行うことができる。

（２）走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）
第１の電子光学系装置９０４の一例であり、プローブ９０３を試料の目的とする場所に接触させるための観察手段に用い、試料室９０７の上部に配置される。真空排気はイオンポンプ９４４でなされる。図２０左図に示される９９０は、第２の電子光学系装置であり、小型ＳＥＭカラム９９１，小型ＳＥＭカラム駆動手段９９２、その間を繋ぐ接続部材などからなる。小型ＳＥＭカラム駆動手段９９２と接続部材とは、真空排気用の排気管を内部に備えており、更に、小型ＳＥＭカラム駆動手段９９２には、小型ＳＥＭカラム９９１内部の粗排気用のイオンポンプ９９３が備えられている。上記接続部材を排気管自体で構成すると、粗排気時のコンダクタンスが大きくなるので好ましい。小型ＳＥＭ９９１の内部構造は，実施例１から実施例９までに述べたものと同様であるので簡略に説明するが、電子銃と当該電子銃を取り囲む筐体を含む電子銃室、電子銃から照射された電子ビームを試料上で走査するための走査コイルや走査コイルを経た電子ビームを試料上にフォーカスするための対物レンズなどからなる照射光学系、発生した二次電子を検出する二次電子検出器などからなる。また、本実施例の小型ＳＥＭカラム９９１は，図示していない非蒸発ゲッターポンプと小型ＳＥＭカラム９９２に設置されたイオンポンプ９９３を用いた差動排気構造を備えており，上流の各真空室に備えられた非蒸発ゲッターポンプとの併用により，排気系最上流の電子銃室を極高真空に維持している。なお、本実施例においては、イオンポンプ９９３が小型ＳＥＭカラム駆動手段９２２に備え付けられているが、小型ＳＥＭカラム９１１にイオンポンプを取り付けることも可能であり、いずれの構成においても差動排気構造を実現可能である。但し、イオンポンプは、試料室９０７の外側になるように（すなわち小型ＳＥＭカラム駆動手段９２２に）取り付けた方が、試料室９０７の筐体サイズが小さくて済む。

第２の電子光学系装置９９０は，試料室９０７側面の試料交換室９０８の直上に設置される。このため、試料室９０７の隅にはベローズ等により構成される真空導入機構が設けられる。当該真空導入機構により、第２の電子光学系装置９９０は、試料９０２を斜めに望む方向に位置決めされる。第２の電子光学系装置９９０は，モータ等の駆動手段を備えた駆動案内９９４に設置されており、斜め方向の画像取得時には、試料９０２に対して所定の観察位置まで接近し、それ以外の場合は、退避位置まで移動される。なお、第２の電子光学系装置９９０を退避位置まで移動させた場合であっても、小型ＳＥＭカラム９９１は常に試料室９０７内の真空中にあるような構成になっている。以上のような構造をとることにより、試料交換工程と，探針の回路端子へのアプローチのためのＳＥＭ像観察を，迅速，かつ，安全（探針と回路端子のクラッシュのない）に実施することが可能となる。

また、図２０左図では、第２の電子光学系装置を試料に対して斜め方向に配置、つまり、第１の電子光学系装置９０４に対して傾斜させて配置しているが、試料に対して水平方向に配置しても良い。ただし，この場合には，試料交換室９０８との機械的な干渉が生じない位置に近接して設ける必要がある。これに対して，試料に対して斜めに配置した場合、小型ＳＥＭカラム９９１と試料とのワーキングディスタンスを短くすることができるので、分解能の高いＳＥＭ画像を取得する上で有利である。一方、試料に対して水平方向に配置した場合、探針を真横から観察できるため、探針先端部の位置情報を取得する上で有利である。

（３）試料室９０７
試料室９０７は上蓋と筐体である試料室ケースからなり、試料室ケースにはその側面に固定部材９４７を介して面板９７１にベース９４８が取り付けられ、試料室９０７内の大ステージ９４９の上にプローブユニット９３３が載せられ、他の側面に試料交換室９０８が取り付けられる。上蓋には第１の電子光学系装置９０４、プローブ粗寄せ画像取得装置９１０、プローブ交換室９０９が取り付けられる。試料室９０７は架台９２５に取り付けられた除振マウントの上に取り付けられた荷重板の上に固定される。試料室９０７はＴＭＰ９１１とＤＰ９１２により真空排気される。

（４）プローブ粗寄せ用光顕、ＣＣＤカメラ、プローブ粗寄せ画像取得装置
電気特性を測定する試料はたとえば半導体であり、通常ソース、ドレイン、ゲート、ウェルにつながるプラグにプローブ９０３を接触させる。プラグは小さいもので直径数１０ｎｍの大きさであり、これにプローブを接触させるためには分解能の高いＳＥＭが必要である。しかし、半導体試料に電子ビームを照射すると電子ビームによりダメージを受ける恐れがあり、できるだけビームの照射時間を短くすることが望ましい。そのため、プローブ粗寄せ画像取得装置９１０の検出値に基づいてあらかじめ複数のプローブを水平方向に近づけ、垂直方向は試料表面に近づけておくことを行う。プローブ粗寄せ光顕とそれに取り付けられたＣＣＤカメラから得られる像を画像表示部９１５のモニタ上に表示し、この画像を見ながらこの作業を行う。

モニタ上の倍率はプローブ９０３同士をできるだけ近づけ、かつプローブ９０３と試料を一つの画面に捕らえるため数１０倍となっている。プローブ粗寄せ光顕に隣接して光源が配置される。プローブ粗寄せ光顕とＣＣＤカメラによる観察と、光源からの光の試料室への導入は図１９に示したのぞき窓９３９を通して行う。

（５）試料交換室９０８
試料交換室９０８は試料室９０７の真空を破らずに試料を交換するために設けられ、ＤＰ９５２で真空排気される。試料交換室９０８はゲートバルブ921で試料室９０７と仕切られる。試料を導入する場合は試料を接着した試料ホルダ９０２に設けられたメネジに試料および試料ホルダ９０２の搬送手段９２９である交換棒先端のオネジをねじ込み、ゲートバルブ９２１を開けて、試料ステージ９５０のｚテーブル９６３の上端に取り付けられたホルダ受け９１７に挿入することによって行われる。試料を取り出すときはこの逆の作業を行う。これにより試料交換時間の短縮が図られる。

（６）プローブ交換室９０９
プローブ交換室９０９は試料室９０７の真空を破らずにプローブ９０３を交換するために設けられ、プローブ交換時間を短縮するためのものである。プローブ交換室９０９はゲートバルブ９２３で試料室９０７と仕切られる。プローブ交換室９０９はＴＭＰ９５１とＤＰ９５２で真空排気される。ＴＭＰ９５１を用いたのはプローブ交換室９０９が大きいのでＤＰ９５２だけで排気すると、プローブ交換室９０９の圧力が高い状態でゲートバルブ９２３を開けることになり、交換後の試料室９０７の圧力がもとの値に回復する時間が長くなるためである。

２．制御系
第１の電子光学系装置９０４、第２の電子光学系装置９９０、プローブユニット９３３、ステージ各部の制御は制御装置９１３に内蔵するそれぞれの制御回路とコンピュータを使って制御する。また、ＳＥＭ、プローブユニット９３３、ステージは各操作パネルおよびモニタ上のＧＵＩどちらでも操作が可能である。

制御装置９１３は、各ステージの位置を制御するためのステージ制御部、プローブユニット９３３をステージと独立に駆動するためのプローブ制御部を備える。画像制御部９１６は２次電子検出器制御部、電子ビーム照射光学系の制御部などを含んでいる。この他、計算処理部は、ディスプレイ装置９１４の制御部と一体となってプローブホルダ９３１や試料、および試料へのプローブ９０３の触針状況などを画像として表示する機能を有する。

さらに、画像表示部の操作用画面を操作することにより、操作信号を画像表示制御部を
通してプローブユニット制御部、ステージ制御部に与え、プローブユニット９３３とステージを移動および位置決めさせる。これとは別に、ジョイスティックを有する操作パネルを用いてプローブユニット９３３およびステージを移動し位置決めさせることもできる。

（１）ＳＥＭ
電子銃で発生した電子ビームは集束レンズ、対物レンズを通して試料に照射され、試料から発生した２次電子を２次電子検出器で検出し、その信号をディスプレイ内で種々の電気的処理を行い、ディスプレイ装置９１４の画像表示部９１５上のモニタに試料表面の画像を映し出す。

（２）プローブユニット９３３
プローブユニット９３３のｘ、ｙ、ｚテーブルの動作を制御する信号は、図1９に示したように架台９２５内の制御回路９１３の信号をステージの面板９７１に取り付けられたフィールドスルーを介して試料室９０７内のプローブユニット９３３に与えられる。
プローブホルダ９３１に取り付けられたプローブ９０３を通して試料に与えられる入力信号、また試料から得られる出力信号は試料室９０７に取り付けられた３層同軸ハーメチ
ックコネクタを介してたとえば半導体パラメータアナライザに入出力される。

（３）ステージ
ステージ上の試料ステージ９５０のｘ、ｙ、ｚテーブル９６１、９６２、９６３、９６３ａの動作を制御する信号は、架台９２５内の制御回路の信号を面板971に取り付けられたフィールドスルーを介して試料室９０７内の試料ステージ９５０に与えられる。

３．ディスプレイ装置９１４
ディスプレイ装置９１４は、プローブ粗寄せ画像取得装置９１０で取得した粗寄せ画像、第１の電子光学系装置９０４或いは第２の電子光学系装置９９０で取得したプローブ９０３の試料への触針画像を表示する。すなわち、プローブ操作画面および操作手順内容を示す操作手順画面を表示する。
ユーザは、操作手順画面に表示された操作手順に従って、粗寄せ画像および触針画像を
見ながら試料およびプローブ９０３を高精度に位置決めすることを行う。

４．ＣＡＤ用ワークステーション９８１
プローバ９０１は、画像表示部９８２および画像表示制御部９８３を備えたＣＡＤ用ＷＳ９８１を備えている。このＣＡＤ用ＷＳ９８１はディスプレイ装置９１４に接続されており、必要に応じてＣＡＤ像データをディスプレイ装置９１４に伝送する。

以上のような構成によれば、ＣＡＤ情報を参照しながら、第１の電子光学系装置９０４からの画像情報を表示する画像表示部９１５に測定したい試料の部位、すなわちプローブ９０３を接触させたい部位を試料ステージ９５０を移動させて表示し、その部位にプローブ９０３と試料のＳＥＭ像およびＣＡＤ像を見ながら、接触させたい試料の部位にプローブユニット９３３、すなわちプローブ９０３をｘ、ｙ、ｚ方向に動作させて接触させることを行うことができる。

さらに本実施例では、ディスプレイ装置９１４とＣＡＤ用ワークステーション９８１や他の制御部を別々のコンピュータとして構成したが、これらを統合し一台のコンピュータで構成してもよい。
このようにＣＡＤナビゲーション導入により、プローブを触針位置にプロービングする際のユーザ利便性が顕著に向上する効果がある。

なお本実施例では、試料の一例として半導体を挙げたが、局所的な電気特性を測定する目的であれば半導体以外の試料の計測に本発明の装置を使ってもよい。たとえば磁気ヘッドの局所的な絶縁抵抗の測定の測定に用いても良い。それ以外にも、回路の配線部分、電極、メモリセルなど、微細な電子回路一般を検査対象物にできることは言うまでもない。また、検査対象物を内包する試料としては、半導体ウェハ、回路パターンが形成されたチップないし試料基板、或いは試料基板を割断して一部を取りだした試料片などを使用することができる。

図２１，図２２は，ステージを上方から見た際のプローブ９０６と試料搬送手段９２９及び，本発明の小型ＳＥＭカラム９９１の位置関係を示している。６台のプローブステージ９０６がステージ９６５の上に試料ホルダ９９５を囲むように配置されている。一部扇状にスペースが空いており，試料搬送手段９２９の先端に固定された試料と本発明の小型ＳＥＭカラム９９１が交互に侵入できる構成を取る。前述の通り、小型ＳＥＭカラムは、第１の電子光学系装置９０４に対して斜めに導入しても垂直方向に導入しても良い。つまり、試料導入機構と小型ＳＥＭ導入機構の双方を、試料ステージ上方から見て、同じ方向に配置することが重要である。これにより、ステージに配置されるプローブステージの数を減らすことなく、小型ＳＥＭカラム９９１と試料搬送手段９２９の両方をステージ上に導入できるという利点がある。

次に，試料交換と探針と回路端子の接触までの工程を説明する。試料は，試料交換室９０８において試料交換手段９２９の先端に装着される。試料交換室９０８の真空引きを行なった後，ゲートバルブ９２１を開き，試料搬送手段９２９が試料室９７１内部に移動して，試料９９５をステージ９６５に設置された試料受け９１７に挿入して固定される。試料搬送手段９２９は，試料９９５を離した後に引き戻され，試料交換室９０８に収納される。

その後，ステージを駆動して，粗寄せ画像取得装置９１０のある位置に移動し，前述のとおりの方法によってプローブと試料上の回路端子の粗位置合わせを粗寄せ画像取得装置９１０を用いて行う。そして，ステージを駆動してＳＥＭ９０４にて上方からのＳＥＭ像による高倍率観察が可能な位置に移動する。このＳＥＭ像により上方から見た，探針９０３と試料９９５にある回路端子の位置を精密に合わせた後に，探針９０３を下げて，回路端子に接触させる必要がある。

このときに，本発明の小型ＳＥＭカラム９９１が，試料搬送手段９２９が試料９９５を導入した際に使用した領域に入れ替わりに導入され，ＳＥＭ像観察を行うことができる。
観察可能なＳＥＭ像は，斜め上方から探針と回路端子を見た画像であり，実施例４で述べた装置から得られる画像である図９と類似したものである。このＳＥＭ像から探針９０３と回路端子間の距離を視覚的に捉えられる情報が得られるので，探針と回路端子の接近，接触動作がクラッシュを引き起こすことなく，迅速に，かつ，安全に実施できるようになる。さらに，ステージ上に密集したプローブ９０６に機械的に干渉することなく，６個のプローブ９０６を使用した効率のよい配置が実現できると共に，同時に６点の回路端子を使用できるため，測定モードの選択肢を広く設定できるという効果もある。

以上述べた装置構成は、必ずしも差動排気構造を用いなくとも実現可能である。但し、差動排気構造を適用することにより、第２の電子光学系装置９９０に備える必要のあるイオンポンプの台数を低減することができ、装置の防振性能を高める上で、非常に有利である。また、図１９に示されるように第１の電子光学系装置９０４も複数のイオンポンプ９４４を備えているが、第１の電子光学系９０４に対しても差動排気構造を適用することで、イオンポンプの必要台数を１台に低減することが可能となる。
以上、各電子光学系装置の真空排気系に差動排気構造を適用することにより、装置の防振性能・耐振性能が、従来よりも格段に向上する。

本実施例においては、以下のプローバ装置が開示される。
二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造をとり，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備えた走査型電子顕微鏡カラムを二組備えたことを特徴とするプローバ装置、
または、上記プローバ装置において，該二組の走査型電子顕微鏡カラムに設置するイオンポンプ一台を二つの該走査型電子顕微鏡カラムに併用することを特徴とするプローバ装置、
または、上記のプローバ装置において，前記二組の走査型電子顕微鏡カラムの視野に同一の領域が互いに異なる視野角を持つように配置したことを特徴とするプローバ装置。

または、試料表面に設けられた回路端子と，該回路端子に接触する複数の探針と，該探針を位置決めする手段と，該試料をプローバ装置に導入する手段を備えたプローバ装置において，二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造をとり，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備えた走査型電子顕微鏡カラムを有することを特徴とするプローバ装置。

または、上記に記載のプローバ装置において，該走査型電子顕微鏡カラムは一軸方向に位置決め可能な移動手段を有することを特徴とするプローバ装置。
または、上記に記載のプローバ装置において，複数の該探針を該試料の周辺に配置し，一部を該複数の探針を配置せずに，該試料導入手段と該走査型電子顕微鏡カラムが共有する空間として空けることを特徴とするプローバ装置。

本実施例においては、以下の集束イオンビーム装置及び試料作製装置が開示される。
二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造をとり，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備え，最上流の真空室にイオン源を備えたことを特徴とする集束イオンビーム装置。

または、集束イオンビームカラムと，走査型電子顕微鏡カラムと，試料から微小サンプルを切り出すサンプリングアームとを備えた試料作製装置において，前記集束イオンビームカラムは、二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造を有し，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備え，最上流の真空室にイオン源を備えたことを特徴とする試料作製装置。

または、集束イオンビームカラムと，走査型電子顕微鏡カラムと，試料から微小サンプルを切り出すサンプリングアームとを備えた試料作製装置において，前記走査型電子顕微鏡カラムは二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造を有し，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備え，最上流の真空室に電子源を備えたことを特徴とする試料作製装置。

または、上記の試料作製装置において、前記走査型電子顕微鏡カラムが、該走査型電子顕微鏡カラムは二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造を有し，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備え，最上流の真空室に電子源を備えたことを特徴とする試料作製装置。

本発明の基本構成を説明する図。 従来の走査型電子顕微鏡装置の構成を説明する図。 本発明と従来例の装置サイズの差を説明する図。 メンテナンス時の電子銃部の高真空保持を説明する図。 本発明を磁界重畳型電子銃に適用した実施例を説明する図。 本発明をプローバ装置に適用した実施例を説明する図。 本発明をプローバ装置に適用した際の装置側面を説明する図。 本発明をプローバ装置に適用した際の探針と回路端子の観察像を説明する図。 本発明をプローバ装置に適用した際の粗位置合わせを説明する図。 本発明を集束イオンビーム装置に適用した実施例を説明する図。 本発明をマイクロサンプリング装置に適用した実施例を説明する図。 本発明をミラー電子顕微鏡方式の半導体検査装置に適用した実施例を説明する図。 ミラー電子顕微鏡方式の半導体検査装置に適用した本発明の構成を説明する図。 本発明のその他の構成を適用した実施例を説明する図。 非蒸発ゲッターポンプの排気速度特性を説明する図。 本発明を永久磁石を利用した小型磁界重畳電子銃に適用した実施例を説明する図。 本発明を永久磁石を利用した小型磁界重畳電子銃に適用した実施例を説明する図。 本発明をプローバ装置に適用したその他の実施例を説明する図。 従来のその他のプローバ装置を説明する図。 本発明をその他のプローバ装置に適用した実施例を説明する図。 その他のプローバ装置のプローブと試料交換手段との位置を説明する図。 その他のプローバ装置のプローブと小型ＳＥＭとの位置を説明する図。

符号の説明

１：電子源，２：電子銃用カラム，３：非蒸発ゲッターポンプ，４：ヒータ，５：非蒸発ゲッターポンプ，６：電子光学系用カラム，７：試料室，８：ガンバルブ，９：ターボ分子ポンプ，１０：電子銃用カラム，１１：中間室，１２：粗排気ポート，１３：イオンポンプ，１４：粗排気ポート，１５：メタルバルブ，１６：メタルバルブ，１７：メタルバルブ，１８：磁界重畳型電子銃，１９：電磁コイル，２０：探針，２１：探針，２２：回路端子，２３：試料ステージ，２４：ステージ駆動手段，２５：ステージ駆動手段，２６：探針駆動手段，２７：探針駆動手段，２８：ターボ分子ポンプ，２９：イオンポンプ，３０：電子源， ３１：電子源， ３２：静電光学系，３３：静電光学系，３４：非蒸発ゲッターポンプ，３５：非蒸発ゲッターポンプ，３６：電子ビーム，３７：開口板，３８：電磁コイル，３９：イオン源，４０：静電電極，４１：静電電極，４２：静電電極，４３：静電電極，４４：静電電極，４５：非蒸発ゲッターポンプ，４６：非蒸発ゲッターポンプ，４７：ターボ分子ポンプ，４８：イオンポンプ，４９：試料，５０：イオンビーム，５１：光学顕微鏡，５２：試料，５３：モニタ用ＳＥＭカラム，６０：試料，６１：イオン源，６２：電子源，６３：静電光学系，６４：静電光学系，６５：静電光学系，６６：電極，６７：電磁光学系，６９：イオンポンプ，７０：イオンポンプ，７１：ステージ，７２：マイクロサンプリング用アーム，７５：マイクロサンプリングアーム駆動手段，７６：二次電子検出器，７７：ＦＩＢカラム，７８：ＳＥＭカラム，７９：非蒸発ゲッターポンプ，８０：非蒸発ゲッターポンプ，８１：非蒸発ゲッターポンプ，８２：非蒸発ゲッターポンプ，８３：磁路，８５：第一の真空室，８６；第二の真空室，８７：第三の真空室，８８：イオンポンプ，８９：冷陰極型電子源，９０：真空ゲージ，１００：電子源，１０１：電子線照明光学系カラム，１０２：電磁レンズ，１０３：Ｅ×Ｂ偏向器，１０４：Ｅ×Ｂ偏向器，１０５：試料（ウェハ），１０６：試料ステージ，１０７：対物電磁レンズ，１０８：試料室，１０９：中間電磁レンズ，１１０：結像電磁レンズ，１１１：シンチレータ，１１２：光学レンズ，１１３：ＣＣＤ撮像素子，１１４：小型ＳＥＭカラム，１１５：電子源，１１６：非蒸発ゲッターポンプ，１１７：静電光学系，１１８：イオンポンプ，１１９：ターボ分子ポンプ，１２０：ミラープロジェクションカラム，１２１：電子ビーム，３０１：照射電子線，３０２：結像電子線，３０４：結像面，４０１：上部磁極，４０２：下部磁極，４０３：ベース磁極，４０４：磁石おさえ，４０５：絶縁体，４０６：アノード，４０７：ガイシ，４０８：ボルト，４０９：皿ねじ，４１０：磁石ホルダ，４１１：永久磁石，４１２：非蒸発ゲッターポンプ，４１３：電子源，４１４：ヒータ，４１５：小型磁界重畳電子銃，４１６：非蒸発ゲッターポンプ，４１７：非蒸発ゲッターポンプ，４１８：ガンバルブ，４１９：イオンポンプ，４２０：電磁コイル，４２１：第一の真空室，４２２：第二の真空室，４２３：第三の真空室，５００：ディスプレイ，５０１：制御手段。９０１：プローバ装置，９９０：小型ＳＥＭカラム。

Claims (19)

1. 二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造をとり，真空度の高い上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置において，該イオンポンプを希ガス排気速度の高いスパッタイオンポンプ，あるいは，ノーブルイオンポンプとしたことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１及び２記載の荷電粒子線装置において、
   電子源またはイオン源と，該電子源またはイオン源を有する第一の真空室と，該第一の真空室の内部に設けられた非蒸発ゲッターポンプと，該第一の真空室と開口を隔てた第二の真空室とを有し，
   前記第二の真空室が前記イオンポンプで排気されることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１及び２に記載の荷電粒子線装置において，
   電子源またはイオン源と，該電子源またはイオン源を有する第一の真空室と，該第一の真空室の内部に設けられた非蒸発ゲッターポンプと，該第一の真空室と開口を隔てた第二の真空室とを有し，
   前記第二の真空室をイオンポンプと，第三の真空室より下流側にターボ分子ポンプを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置において，
   前記非蒸発ゲッターポンプとしてシート形状のものを用いたことを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項３または４に記載の荷電粒子線装置において，
   前記電子源の電極周りに配置されたヒータとを備え、
   前記非蒸発ゲッターポンプが該ヒータの周囲に配置されたことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６記載の荷電粒子装置において，該ヒータ面に蒸着された非蒸発ゲッターポンプ材料を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項６，７に記載の荷電粒子装置において，ヒータ周囲に設けた前記非蒸発ゲッターポンプの活性化温度が摂氏５００度以上であり，それ以外の非蒸発ゲッターポンプの活性化温度が摂氏３５０〜４００度であることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項２，３および，４記載の荷電粒子線装置において，
   第二と第三の真空室を隔てる開口部に開閉可能かつ，大気圧に耐えるバルブを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項２から９のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置において，前記イオンポンプの排気速度が２０リットル／秒以下であることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１から４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置において，
    いずれかの真空室に真空ゲージを備え，予め設定した真空圧力値以上の値を検知した場合に非蒸発ゲッターポンプの交換指示する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１から４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置において，
    前記第二の真空室に真空ゲージを備え，予め設定した真空圧力値以上の値を検知した場合に非蒸発ゲッターポンプの交換指示する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造をとり，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備え，最上流の真空室に電子源を設け，該電子源の近傍に永久磁石と，該電子源を挟んで軸対称な位置に最低限二つの異なる磁極を備えたことを特徴とする磁界重畳型電子銃。
14. 請求項１３に記載の磁界重畳型電子銃において、
    前記永久磁石に変えて、電子源の近傍に配置された大気側から着脱可能な電磁コイルを備えたことを特徴とする磁界重畳型電子銃。
15. ミラー電子を検出する第１の電子光学系カラムと、二次電子ないし反射電子を検出する第２の電子光学系カラムと、被検査試料を載置する試料ステージと、当該試料ステージを内部に格納し、前記第１の電子光学系カラム及び第２の電子光学系カラムが固定された真空試料室と、前記第１の電子光学系カラムないし第２の電子光学系カラムで取得された検出信号を処理する信号処理手段とを備え、
    前記第１の電子光学系カラムでの取得画像と前記第２の電子光学系カラムでの取得画像とを対比することが可能であることを特徴とするミラー電子式試料検査装置。
16. 請求項１５に記載のミラー電子顕微鏡装置において、
    前記第２の電子光学系カラムが、二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造をとり，上流側に非蒸発ゲッターポンプを備え，下流側のいずれかの真空室にイオンポンプを備えることを特徴とするミラー電子式試料検査装置。
17. 請求項１５に記載のミラー電子式試料検査装置において、
    前記試料ステージは，前記第１の電子光学系カラムから取得された試料上の特定位置を、前記第２の電子光学系カラムにて画像を取得可能な位置に位置決め可能であることを特徴とするミラー電子式試料検査装置。
18. 請求項１５に記載のミラー電子式試料検査装置において、
    磁界重畳型電子銃を備え、当該磁界重畳型電子銃は、二つ以上の真空室を開口を介して結合した差動排気構造を採ることを特徴とするミラー電子式試料検査装置。
19. 請求項１８記載のミラー電子式試料検査装置において、
    前記磁界重畳型電子銃は、真空排気系の最上流側に備えられた電子源と、
    当該電子源廻りの真空排気を行なう非蒸発ゲッターポンプと、
    前記非蒸発ゲッターポンプに対する下流側に備えられたイオンポンプと、
    該電子源の近傍に配置された，着脱可能な電磁コイルとを備えたことを特徴とするミラー電子式試料検査装置。

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