JP2007066715A - 試料室差動排気装置 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、電子線を細く絞って試料に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出して画像を生成する走査型電子顕微鏡の試料室差動排気装置に関し、小さな排気系で差動排気性能を有効活用し、試料室の真空を低真空にしても２次電子や反射電子を検出する検出器の寿命を大幅に向上させることを目的とする。
【構成】 試料を配置する試料室と試料室に配置した試料に電子線ビームを照射して放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出する検出器との間に設けた、差動排気するための複数段のオリフィスと、複数段のオリフィスの部分に直接に接続した排気系と
からなる試料室差動排気装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線を細く絞って試料に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出して画像を生成する走査型電子顕微鏡の試料室差動排気装置に関するものである。

従来、加速した電子線ビームを細く絞って試料に照射しつつ平面走査し、そのときに放出された２次電子や反射された反射電子を検出して画像（２次電子画像、反射電子画像）を生成し、当該画像上でパターンの線幅の測定や異物の検出や欠陥の検出などの検査が行われている。

この際、検査対象によっては試料の近傍にガスを導入したり、あるいは低真空にしたりしてこれら状態を維持し、試料へのチャージなどを低減することが行われている。しかし、試料を収める試料室につながる電子光学系を収めた部屋は高真空に維持する必要がある。特に、試料から放出された２次電子や反射された反射電子を検出する検出器（例えばＭＣＰ）の近傍は高真空に維持しないと当該検出器の寿命を大幅に短くしてしまうので、当該検出器を設置した部屋と試料室との間にオリフィスを設けると共に当該検出器を設置した部屋に別途排気管を接続して当該試料室から離れた位置に置いた排気系に接続して排気するようにしていた。

しかし、上述したように、試料室と上記検出器を設けた部屋との間にオリフィスを設け、当該検出器の部屋に排気管を接続して離れた位置に排気系を設置して排気したのでは排気管の排気抵抗、即ち、検出器を設けた部屋に大おきな断面積を持った排気管が接続不可で必然的に小さな断面積の排気管となり、充分な排気が出来ないという問題があった。

このため、試料室と前記検出器の部屋との間に複数のオリフィスを設けてこの部分に排気管を接続して離れた位置に配置した排気系でいわゆる差動排気することが考えられるが、これでも排気管の断面積を大きくできず排気抵抗が大で充分な差動排気の能力が得られなかった。

また、複数のオリフィスを設けた部分の排気口は小さくしてその先から排気系までの排気管の断面積を大きくして排気抵抗を小さくしたのでは当該排気管の内面の面積が大きくなり放出ガス量が増えて高真空に排気し難くなってしまうという問題もあった。

本発明は、これらの問題を解決するため、試料室と検出器を設けた部屋との間に複数段のオリフィスを設けた部分に直接に排気系を接続し、複数段のオリフィスと排気系との間の排気抵抗を可及的に小さくして差動排気性能を向上させることを目的としている。

本発明は、試料室と検出器を設けた部屋との間に複数段のオリフィスを設けた部分に直接に排気系を接続し、複数段のオリフィスと排気系との間の排気抵抗を可及的に小さくして差動排気性能を向上させることにより、小さな排気系で差動排気性能を有効活用し、試料室の真空を低真空にしても２次電子や反射電子を検出する検出器の寿命を大幅に向上させることが可能となる。

本発明は、試料室と検出器を設けた部屋との間に複数段のオリフィスを設けた部分に直接に排気系を接続し、複数段のオリフィスと排気系との間の排気抵抗を可及的に小さくして差動排気性能を向上させ、小さな排気系で差動排気性能を有効活用し、試料室の真空を低真空にしても２次電子や反射電子を検出する検出器の寿命を大幅に向上させることを実現した。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。図１は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の試料室８とその上部の２次電子検出器２などを配置した部屋の要部を模式的に記載したものである。

図１において、電子線ビーム１は、図示外の電子銃から放出されて加速された電子線ビームを集束レンズおよび対物レンズで細く絞ったものである。ここで、対物レンズは、図示しないが、公知のように、下極がオリフィス５の下、中間、あるいは上に位置して円錐状で中心に電子線ビーム１の通過および放出された２次電子、反射された反射電子が通過する孔があり、上極が２次電子検出器２の近傍に位置するものである。

２次電子検出器（ＭＣＰ）２は、試料から放出された２次電子を、正の電圧で吸引して検出・増幅するものである。

反射電子検出器３は、試料から反射された反射電子を検出・増幅するものである。
圧力検出器４は、２次電子検出器２および反射電子検出器３の近傍の圧力を検出するものである。

圧力検出器４１は、オリフィス５の下面の近傍の圧力を検出するものである。
オリフィス５は、本発明で新たに設けたものであって、複数段の円錐状で中心に電子線ビーム１、２次電子、反射電子の通過する穴を設けたものであり、試料室８と２次電子検出器２などが配置された部屋との間を、差動排気するためのものである。

ガス導入管６は、外部からガス（各種ガスであって、空気、酸素、窒素、アルゴンなど）を所定流量を試料７の表面に吹き付け、試料７のチャージを除却などするためのものである。

試料７は、図示外のステージに固定した試料（例えばウェハ）であって、細く絞った電子線ビーム１を照射しつつ平面走査し、放出された２次電子、反射された反射電子を２次電子検出器２、反射電子検出器３で検出し、拡大した画像を表示する対象の試料である。

試料室８は、試料７などを真空に保持するための部屋である。
排気系９は、試料室８内の空気などのガスを排気して真空に保持するためのものである。

排気系２１は、本発明で新たに設けたものであって、ターボポンプなどの真空排気ポンプであり、接続口２２を介して直接に複数段のオリフィス５の部分に接続して真空排気するものである。

接続口２２は、本発明で新たに設けたものであって、排気系２１を複数段のオリフィス５の部分に接続するための接続口であり、複数段のオリフィス５を差動排気させるためのものである。

ターボＰ２３は、ターボポンプであって、公知のオイルフリーのターボポンプである。
ドライＰ２４は、ドライポンプであって、公知のドライポンプである。

ＰＣ１０は、パーソナルコンピュータであって、プログラムに従い各種制御を行うものであり、ここでは、ガス流量調整手段１１、圧力検出手段１２、チャージ検出手段１３、表示装置１４、および入力装置１５などから構成されるものである。

ガス流量調整手段１１は、ガス導入管６からガスを試料７の表面に吹き付けるガス流量を図示外のガス流量調整器を制御して調整（例えば試料７の画像上のチャージがなくなるようにガス流量を調整）するものである（図２、図３参照）。

圧力検出手段１２は、２次電子検出器２の近傍の圧力を検出するものである。
チャージ検出手段１３は、試料７の画像上でチャージを検出するものである。チャージが検出されたときは、ガス流量調整手段１１に指示し、ガス導入管６から所定流量のガスを試料７に吹き付けてチャージを除却する（図３参照）。

表示装置１４は、画像（２次電子画像、反射電子画像）などを表示するものである。
入力装置１５は、キーボードやマウスなどの入力装置である。

次に、図２のフローチャートの順番に従い、図１の構成の動作を詳細に説明する。
図２は、本発明の動作説明フローチャートを示す。

図２において、Ｓ１は、マスクを予備室から試料室へ入れ、セットする。これは、図１で図示外の予備室（予備排気室）に試料７であるマスクを入れて予備排気を行った後、当該マスクを図示外のロボットアームで図示外の試料台の上に図示のようにセット（固定）する。これにより、試料７であるマスクは、電子線ビーム１が照射して走査する位置に、任意の位置を合わせることが可能となる。

Ｓ２は、ガスを導入する。これにより、図１のガス導入管６からガスが試料７であるマスクの観察面に噴射されることとなる（チャージがあれば除却されることとなる）。

Ｓ３は、圧力を一定に保つ。これは、右側に記載したように、図１の圧力検出器（主）４の圧力を所定の圧力となるように一定に保つように、ここでは、ガス導入管６からマスクに噴射するガス量を調整する。尚、圧力検出器（主）４の圧力だけでなく、圧力検出器
副）４１の圧力でガス量を調整してもよいし、一定の比率を演算した結果の圧力を一定に保つようにしてもよい。いずれにしても、マスクの画像上でガス導入の目的である例えばチャージ、コンタミなどを除却する（発生しない）ように保持できればよい。

Ｓ４は、電子線ビームを照射し、画像を生成する。これは、電子線ビーム１をマスクの表面に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を２次電子検出器２あるいは反射された反射電子を反射電子検出器３で検出し、増幅した信号をもとに表示装置１４の上に画像（２次電子像、反射電子像）を表示すると共に図示外のソフトウェアによりマスクのパターンの線幅の検査および欠陥、ゴミなどの検出を行う。

Ｓ５は、作業が終了か判別する。これは、Ｓ４の作業が終了か判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ６でガス供給を停止し、Ｓ７でマスクを取り出し、終了する。一方、ＮＯの場合には、Ｓ４以降を繰り返す。

以上によって、図１の構成のもとで排気系２１を接続口２２で直接に複数段のオリフィス５の部分に接続し当該複数段のオリフィス５で有効に差動排気した状態で、試料７であるマスクを試料室８の図示の位置にセットし、ガス導入管６からガスを導入して２次電子検出器２の近傍の圧力を一定に保持（あるいはオリフィス５の下面の部分の圧力を一定あるいは両者に所定比率を演算した圧力を一定に保持）した状態で、電子線ビーム１をマスク（試料７）に照射しつつ平面走査し、そのときに放出された２次電子を２次電子検出器２（あるいは反射された反射電子を反射電子検出器３）で検出して画像を表示装置１４の上に表示すると共に各種測定、検査を行うことが可能となる。これにより、ガスをマスク（試料７）に吹き付けて当該マスク上の電子線ビーム１によるチャージを除却（あるいはコンタミを防止）しつつ、２次電子検出器２（反射電子検出器３）の部分の真空圧力を複数段のオリフィス５で効率的に差動排気して高真空に簡単な構造で保持し、当該検出器の寿命を大幅に伸ばすことが可能になると共に、高真空にしたことで電子線ビーム１の通路のコンタミを大幅に低減することが可能となる。

図３は、本発明の動作説明フローチャートを示す。
図３において、Ｓ１１は、チャージ現象を検出か判別する。これは、図１の構成のもとで、２次電子画像を表示装置１４の画面上に表示した状態で、当該画像がドリフトあるいは試料移動台を移動させないのに不意に移動したなどを検出し、所定移動量を越えたときにチャージ現状を検出と判別する。ＹＥＳの場合には、チャージ現状が検出されたと判明したので、Ｓ１２でガス量を増やす。これは、ガス流量調整手段１１がガス導入管６からマスクの表面に噴射するガス量を所定量だけ増やす。そして、Ｓ１３に進む。一方、Ｓ１１のＮＯの場合には、Ｓ１１を繰り返す。

Ｓ１３は、設定の圧力を超えたか判別する。これは、Ｓ１２でガス量を所定量増やした結果、所定ガス量（最大ガス量）を越えたか判別する。ＹＥＳの場合には、所定ガス量（最大ガス量）を越えたと判明したので、Ｓ１４でチャージ対応不可のメッセージを表示し、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ１１以降を繰り返す。

以上によって、図２のフローチャートに従い、マスクに電子線ビームを照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を２次電子検出器２で検出・増幅して表示装置１４の画面上に２次電子像を表示すると共に各種測定、検査している状態で、２次電子像のチャージによるドリフトなどが検出された場合、自動的にマスクに噴射するガス量を調整して当該チャージを除却することが可能となる。この際、排気系２１を接続口２２で直接に複数段のオリフィス５の部分に接続して効率的に差動排気しているため、試料（マスク）７に噴射するガス量を大きくして当該部分の圧力を例えば１０〜１００パスカルにしても、当該複数段のオリフィス５による差動排気により２次電子検出器２の近傍の圧力を１０^−２程度に保持でき、２次電子検出器（例えばＭＣＰ）２の寿命を大幅に向上させることが可能となる。

図４は、本発明の説明図を示す。
図４の（ａ）は、排気系２１を示す。

図４の（ａ−１）は、排気系２１を接続口２２で複数段のオリフィス５の部分に直接に接続した様子を模式的に示す。図示のように、排気系２１を接続口２２を介して、ここでは、３段のオリフィス５の上段の部分に直接に接続して当該部分を真空排気し、中段の部分は周囲の隙間（隙間は無くしても良い）および中心の穴から排気し、更に、下段の部分は周囲の隙間（隙間は無くしてもよい）および中心の穴から排気する。この際、排気系２１（例えばオイルフリーのターボポンプ）を接続口２２で直接に３段のオリフィス５の上段の部分に接続するため、排気抵抗が極めて小さく、かつ排気系２１から３段のオリフィス５の上段の部分に至る排気通路の表面積が極めて小さいので当該表面から放出される放出ガスが極めて小さく、排気系２１の排気能力を損なうことなく最大限で３段のオリフィス５の真空排気を行なうことが可能となる。

図４の（ａ−２）は、排気系２１を接続口２２で２つに分岐して複数段のオリフィス５の部分に直接に接続した様子を模式的に示す。図示のように、排気系２１を接続口２２で分岐して、ここでは、３段のオリフィス５の上段の部分、および中段と下段の中間の部分に直接に接続して当該部分を真空排気することで、３段のオリフィス５の差動排気を効率的に動作させることが可能となる。この際、排気系２１（例えばオイルフリーのターボポンプ）を接続口２２で２つに分岐して直接に３段のオリフィス５の上段の部分および中段と下段の中間の部分に接続するため、排気抵抗が極めて小さく、かつ排気系２１からオリフィス５に至る排気通路の表面積が極めて小さいので当該表面から放出される放出ガスが極めて小さく、排気系２１の排気能力を損なうことなく最大限で３段のオリフィス５の真空排気を行なうことが可能となる。更に、排気系２１から接続口２２で分岐する分岐部分の径を調整（実験で調整）して３段のオリフィス５の上段の部分、および中段と下段の中間の部分の排気能力を適切に分配し、３段のオリフィス５による差動排気による試料７の表面の圧力と、２次電子検出器２の近傍との圧力との差を最大になるようにすることが可能となる。

図４の（ｂ）は、接続口２２の構造例を示す。
図４の（ｂ−１）は、ベローズ２１で構成した例を示す。この例では、図３の（ａ−１）について、排気系２１をベローズ（例えば外形２５ないし４５ｍｍ程度）３１を介して３段のオリフィス５の部分に接続した様子を模式的に示す。これにより、排気系２１としてオイルフリーのターボポンプを用いた場合には、振動が３段のオリフィス５の取り付け部分を介して試料７を伝わる度合いを大幅に低減することができる。尚、排気系２１は、試料室８から機械的に離れた構造とし、図示外の床から固定部材で当該排気系２１を固定し、排気系２１から振動が直接に試料室８に伝わらないようにする。また、同様に、図４の（ａ−２）の接続口２が分岐した場合にも、分岐したベローズ３１を用いればよい。

図４の（ｂ−２）は、スリーブ３２と真空シール用のＯリング３３で構成した例を示す。この例では、図３の（ａ−１）について、排気系２１をスリーブ３２とＯリング３３を介して３段のオリフィス５の部分に接続した様子を模式的に示す。これにより、排気系２１としてオイルフリーのターボポンプを用いた場合には、振動が３段のオリフィス５の取り付け部分を介して試料７を伝わる度合いを大幅に低減することができる。尚、排気系２１は、試料室８から機械的に離れた構造とし、図示外の床から固定部材で当該排気系２１を固定し、排気系２１から振動が直接に試料室８に伝わらないようにする。また、同様に、図４の（ａ−２）の接続口２が分岐した場合にも、分岐したスリーブ３２とＯリング３３を用いればよい。

尚、上述した振動防止策で排気系（オイルフリーのターボポンプなど）２１からの振動が試料７に伝わり、画像上で振動が検出される場合には、排気系２１に荷重（例えば砂袋など）を載せて固有振動数をずらして試料７の固有振動数とを異ならせて低減したり、振動自体を低減したりして試料７への影響を低減することが効果的であった。

本発明は、試料室と検出器を設けた部屋との間に複数段のオリフィスを設けた部分に直接に排気系を接続し、複数段のオリフィスと排気系との間の排気抵抗を可及的に小さくして差動排気性能を向上させる試料室差動排気装置に関するものである。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の説明図である。

符号の説明

１：電子線ビーム
２：２次電子検出器
３：反射電子検出器
４、４１：圧力検出器
５：オリフィス
６：ガス導入管
７：試料（マスク）
８：試料室
９：排気系
１０：ＰＣ
１１：ガス流量調整手段
１２：圧力検出手段
１３：チャージ検出手段
１４：表示装置
１５：入力装置
２１：排気系
２２：接続口
２３：ターボＰ
２４：ドライＰ
３１：ベローズ
３２：スリーブ
３３：Ｏリング

Claims (5)

1. 電子線を細く絞って試料に照射しつつ平面走査し、放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出して画像を生成する走査型電子顕微鏡の試料室排気装置において、
   前記試料を配置する試料室と当該試料室に配置した試料に電子線ビームを照射して放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出する検出器との間に設けた、差動排気するための複数段のオリフィスと、
   前記複数段のオリフィスの部分に直接に接続した排気系と
   からなる試料室差動排気装置。
2. 前記複数段のオリフィスの部分にベローズあるいは真空パッキングで真空シールしたスリーブを介して排気系に接続し、排気系から試料への振動の伝わりを防止したことを特徴とする試料室差動排気装置。
3. 前記排気系を前記試料室とは別に設置室に直接に固定する固定具を設け、排気系から試料への振動の伝わりを防止したことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の試料室差動排気装置。
4. 前記排気系の固有振動数を調整あるいは振動を低減する荷重を設け、排気系から試料への振動の伝わりを防止したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の試料室差動排気装置。
5. 前記排気系をオイルフリーのターボポンプとしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の試料室作動排気装置。

Images