JP2007207683A

JP2007207683A - 電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2007207683A
Application number: JP2006027556A
Authority: JP
Inventors: Genya Matsuoka; 玄也松岡
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】電子ビーム鏡筒を移動させることによって、試料保持部に保持される試料の観察面上の各箇所を観察する位置に電子ビーム鏡筒を位置付けることにより、装置の床面積を節約する電子顕微鏡において、電子ビーム鏡筒の移動部から発生するパーティクルが試料の観察面に落ちることを防止する。
【解決手段】電子顕微鏡１を、試料Ｓ面と平行な面を成す第１方向（Ｘ）及び第２方向（Ｙ）のうちの第１方向（Ｘ）に沿わせて電子ビーム鏡筒（１０）を直動させるため第１方向ガイド（６０ａ、６０ｂ）と、電子ビーム鏡筒１０を第２方向（Ｙ）に沿わせて直動させるための可動第２方向ガイド（７０）と、可動第２方向ガイド（７０）を試料Ｓの上方から退避させるための退避領域Ｒと、可動第２方向ガイド（７０）を退避領域Ｒに移動させる可動第２方向ガイド移動部（６１ａ、６１ｂ）とを備えて構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は一般に電子顕微鏡に関する。特に半導体製造装置などに設けられ、これら半導体製造装置により製造された半導体装置の外観を検査するために使用される電子顕微鏡装置に関する。

近年、半導体装置に形成されるパターンの微細化が進むのに伴って、より微細な形状を扱うことができる電子線を用いた製造装置や、検査装置、評価装置などが製造過程において欠くことができない装置となっている。例えば半導体装置の表面に形成された微細パターンの外観を観察するために走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が使用されている。図１に従来の走査型電子顕微鏡の概略構成を示す。
走査型電子顕微鏡１は、試料Ｓ上で照射位置が走査するように電子ビームＥＢを照射する電子ビーム鏡筒１０と、試料Ｓからの２次電子又は反射電子を検出するための電子検出器ＥＤと、を備え、試料Ｓ上で走査される電子ビームＥＢの各時点の照射位置と、それぞれの時点において電子線検出器ＥＤにて検出した電子量とを同期させて２次元の顕微鏡像を得る。

走査型電子顕微鏡１には、真空中で試料Ｓに電子ビームＥＢを照射するための真空試料室２０が設けられる。観察中の試料Ｓは、筐体２１によって外部と遮断された真空試料室２０内に置かれ、試料室２０の内部は不図示の真空ポンプにより高真空度に保たれている。
試料室２０を真空状態に保ったまま試料Ｓを搬入するために、図１に示す走査型電子顕微鏡１にはロードロック室５０が設けられる場合もある。試料Ｓを試料室２０に搬入する際には、まずロードロック室５０と試料室２０とを遮断した後にロードロック室５０を大気状態に開放にして試料Ｓを搬入する。そしてロードロック室５０と外部とを遮断してから内部を真空引きし、真空状態となった後にロードロック室５０と試料室２０との間を開放して、試料室２０へ試料Ｓを搬入する。
試料Ｓを試料室２０から搬出する際には、まずロードロック室５０と外部とを遮断してから内部を真空引きし、真空状態となった後にロードロック室５０と試料室２０との間を開放して、試料室２０から試料Ｓを搬出する。そして、ロードロック室５０と試料室２０とを遮断した後にロードロック室５０を大気状態に開放にして試料Ｓを外部へ搬出する。

電子ビーム鏡筒１０によって電子ビームＥＢを偏向できる範囲はごく狭いため、試料全体を観察するためには、試料Ｓと電子ビーム鏡筒１０とを相対移動させて試料Ｓ上の所望の観察位置へ電子ビーム鏡筒１０を位置付ける必要がある。このため従来の走査型電子顕微鏡１は、電子ビーム鏡筒１０の真下に試料を移動させるためのステージ２２を備えている。ステージ２２は静電チャックなどの手段によって試料Ｓを保持したまま、水平に支持されたベース（定盤）３０上を２次元移動することによって、試料上の所望の観察位置を電子ビーム鏡筒１０の真下に位置付ける。

一般に、半導体装置製造工程に使用される製造装置や、検査装置、評価装置は、クリーンルームと呼ばれる特別な部屋に収容される。クリーンルームはその中の空気中に存在する塵の個数を半導体装置製造に支障のないレベルまで低減させるとともに、室内の温度及び湿度を許容範囲内に制御する。このようなクリーンルームの設置及び維持には多大のコストを要するため、クリーンルームへ収容される製造装置等の小型化を図ることは、半導体装置の製造コストを削減する上の重要な課題となる。

しかしながら、近年の半導体製造分野では、原価低減の必要性から、より寸法の大きな試料が用いられるようになっており、このような試料寸法の増大が電子線装置の真空試料室の寸法を大幅に増大させ、電子線装置の床面積（フットプリント）を増大させている。
例えば、上述の走査型電子顕微鏡１において試料Ｓの全面を観察範囲内に収めるためには、ステージ２２は試料Ｓをその直径寸法と同程度に移動する必要があるが、このことは、真空試料室２０の寸法が試料Ｓの直径の２倍以上になることを意味する。例えば、最近用いられるようになった直径３００ｍｍを扱う場合には、６００ｍｍ以上の寸法を有する大きな真空試料室２０を設ける必要がある。

電子線装置の小型化を図る事例は、特許第３０３９５６２号公報（下記特許文献１）、特開平１０−１５４４８１号公報（下記特許文献２）、国際公開第ＷＯ９９／３４４１８号パンフレット（下記特許文献３）に開示されている。
例えば下記特許文献３に開示される例を図２に示すと、電子線露光装置２は、電子ビーム鏡筒１０を試料Ｓの観察面と平行な水平面（ＸＹ面）で移動させるためのＸ方向直線駆動機構６０ａ、６０ｂ）及びＹ方向直線駆動機構７０を備える。
電子線露光装置２によれば、試料Ｓを保持するステージ２２を移動させることなく電子ビーム鏡筒１０を試料Ｓ上の所望の観察位置へ位置付けることが可能となり、上述のステージ２２を移動させる方式と比べて、フットプリントを１／４程度に低減することが可能となる。

特許第３０３９５６２号公報特開平１０−１５４４８１号公報国際公開第ＷＯ９９／３４４１８号パンフレット特開平８−１０１１２８号公報特開平３−２５７１７０号公報特開平４−３３３２６号公報

しかしながら、上記特許文献３に記載の電子線装置のように、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ移動可能な２つの直線駆動機構によって、試料Ｓの上方で電子ビーム鏡筒１０を２次元平面内で駆動しようとすると、２つの直線駆動機構のうちの一方の可動ガイド７０が、試料Ｓやこれを保持するステージと接触することを避けるために、可動ガイド７０が試料Ｓの上方に架かるように構成することになる（図２参照）。
そして、可動ガイド７０が試料Ｓの直上に位置した状態のままで、当該ガイド７０による案内方向へ電子ビーム鏡筒１０を移動させると、可動ガイド７０の摺動面から発生した異物やパーティクルが試料Ｓの表面上に直接落ちる結果となり、当該電子線装置の検査工程や製造工程に悪影響を及ぼす。また試料Ｓの表面上に落ちた異物等はその後の半導体製造工程における欠陥発生の原因にもなる。

また電子線装置には、電子ビームを発生させるフィラメントの清掃及び交換などの定期的なメンテナンスが必要であるが、上記特許文献３に記載の電子線装置では、電子ビーム鏡筒１０をメンテナンスする度に試料室２０全てを開放して大気状態にする必要がある。したがってその度に、試料室２０内のクリーニングや真空引き等を行う必要があり煩雑である。

上記問題点に鑑み、本発明は、電子ビーム鏡筒を移動させて、試料保持部に保持される試料の観察面上の各箇所を観察する位置に電子ビーム鏡筒を位置付けることによって、装置の床面積を節約する電子顕微鏡において、電子ビーム鏡筒の移動部から発生するパーティクルが試料の観察面に落ちることを防止することを目的とする。
また本発明は、電子ビーム鏡筒のメンテナンスの度に試料室全体を大気状態に開放する必要をなくし、その後のクリーニングや真空引きに労する作業を省力化することをも目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電子顕微鏡は、電子ビーム鏡筒を、試料の観察面と平行な面を成す第１方向及び第２方向のうちの一方である第１方向に沿わせて移動させるため第１方向ガイドと、電子ビーム鏡筒を第２方向に沿わせて移動させるための可動第２方向ガイドと、可動第２方向ガイドを試料の上方から退避させるための退避領域と、可動第２方向ガイドを退避領域に移動させる可動第２方向ガイド移動部と、を備えて構成する。

そして、可動第２方向ガイド移動部が可動第２方向ガイドを第１方向に移動させることにより退避領域に退避させ、電子ビーム鏡筒を第２方向に沿わせて移動させる間、可動第２方向ガイドを退避領域に退避させる。
さらに電子顕微鏡には、試料保持部の設置領域と退避領域との間を、遮断及び開放するためのバルブを設けてもよい。このバルブは、可動第２方向ガイドに支持される電子ビーム鏡筒を退避領域に退避した状態で、退避領域及び試料保持部の設置領域の一方を真空状態に維持したまま他方を非真空状態とするために、退避領域と設置領域との間を遮断するために使用してよい。

また、本発明による電子顕微鏡は、電子ビーム鏡筒を支持しつつ試料の観察面と平行な面内の１方向に移動可能な移動部と、この移動部の移動方向を１方向に沿わせるガイド部であって移動部との接触部位が試料を載置する領域外に設けられたガイド部と、試料の観察面の法線方向を回転軸として試料を回転させる試料回転部と、を備えて構成される。

上述の通り、電子ビーム鏡筒を２次元移動させる電子顕微鏡では、電子ビーム鏡筒の２次元移動に用いる２つのガイドのうちの一方の可動ガイドが試料Ｓの上方に架かることになるが、本発明による電子顕微鏡では、電子ビーム鏡筒を可動ガイドに沿わせて移動させる際に、可動ガイドを試料の上方から退避させるので、可動ガイドの摺動面から発生したパーティクルが試料の観察面に落ちることが防止される。
また、電子ビーム鏡筒の２次元移動のうち一方向を、試料回転部による試料の回転により実現して、試料Ｓの上方に架かる可動ガイドを省略し、このような可動ガイドの摺動面から発生したパーティクルが試料の観察面に落ちることを防止する。

試料保持部の設置領域と退避領域との間をバルブにより遮断及び開放することによって、試料保持部の設置領域を真空状態に保ったまま、可動第２方向ガイドとともに電子ビーム鏡筒を退避させた退避領域を大気状態に開放することが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図３及び図４には、本発明の第１実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成が示される。このうち図３には走査型電子顕微鏡１の筐体２１の手前側の壁が取り除かれた状態の正面図が示され、図４には走査型電子顕微鏡１の筐体２１の上面の壁が取り除かれた状態の平面図が示される。
走査型電子顕微鏡１は、試料Ｓ上で照射位置が走査するように電子ビームＥＢを照射する電子ビーム鏡筒１０を備える。電子ビーム鏡筒１０には試料Ｓからの電子を検出するための電子検出器ＥＤが設けられており（図５を参照して後述する）、試料Ｓ上で走査される電子ビームＥＢの各時点の照射位置と、それぞれの時点において電子線検出器ＥＤにて検出した電子量とを同期させることにより２次元の顕微鏡像を得る。

走査型電子顕微鏡１には、真空中で試料Ｓに電子ビームＥＢを照射するための真空試料室２０が設けられる。真空試料室２０は筐体２１によって外部と遮断され、内部が不図示の真空ポンプにより高真空度に保たれている。室内には試料Ｓを静電チャックなどの手段により保持するための試料保持台２２が設けられる。
さらに、走査型電子顕微鏡１にはロードロック室５０が設けられる。ロードロック室５０は、外界との間で試料Ｓを搬出入する際には大気状態に開放される一方で、試料室２０との間で試料を搬入出する際には外部と遮断された後に内部が真空引きされて真空状態にされることによって、試料室２０を真空状態に保ったまま試料Ｓを搬入することを可能とする。

電子ビーム鏡筒１０によって電子ビームＥＢを偏向できる範囲はごく狭いため、試料全体を観察するためには、試料Ｓと電子ビーム鏡筒１０を相対移動させて試料Ｓ上の所望の観察位置へ電子ビーム鏡筒１０を位置付ける必要がある。このために走査型電子顕微鏡１は、電子ビーム鏡筒１０を、試料Ｓの観察面（ＸＹ面）に平行な面内で２次元移動させるための移動機構を備える。

かかる移動機構は、試料Ｓの観察面を成す第１方向であるＸ方向と第２方向であるＹ方向のうち、Ｘ方向に沿って電子ビーム鏡筒１０を移動させるための１対のＸ方向ガイド６０ａ及び６０ｂと、Ｙ方向に沿って電子ビーム鏡筒１０を移動させるための可動Ｙ方向ガイド７０と、可動Ｙ方向ガイド７０を支持したままＸ方向に延在するＸ方向ガイド６０ａ及び６０ｂにそれぞれ沿って移動する１対のＸ方向移動部６１ａ及び６１ｂと、電子ビーム鏡筒１０を支持したままＹ方向に延在する可動Ｙ方向ガイド７０に沿って移動するＹ方向移動部７１と、を備えて構成される。

各移動部６１ａ、６１ｂ及び可動Ｙ方向ガイド７０からなる組立体のＸ方向への駆動、並びにＹ方向移動部７１のＹ方向への駆動のために、様々な直線駆動機構を使用することが可能である。
例えば、Ｘ方向ガイドの一方の６０ａに回転可能なボールネジ（図示せず）をＸ方向に沿って設け、Ｘ方向各移動部６１ａにナット（図示せず）を設けてボールネジと螺合させる。そしてＸ方向ガイド６０ａを固定した状態で、図示しないモータによってボールネジを回転させることによって、Ｘ方向各移動部６１ａに対してＸ方向の駆動力を加えることとしてよい。
また可動Ｙ方向ガイド７０に、回転可能なボールネジ（図示せず）をＹ方向に沿って設け、Ｙ方向各移動部７１にナット（図示せず）を設けてボールネジと螺合させる。そしてＹ方向について可動Ｙ方向ガイドを固定した状態で、図示しないモータによってボールネジを回転させることによって、Ｙ方向各移動部７１に対してＹ方向の駆動力を加えることとしてよい。
このようなボールネジ機構によって電子ビーム鏡筒１０を支持するＹ方向移動部７１を可動Ｙ方向ガイド７０に沿って駆動し、この可動Ｙ方向ガイド７０を支持するＸ方向移動部６１ａ及び６１ｂをＸ方向ガイド６０ａ及び６０ｂにそれぞれ沿って駆動することにより、電子ビーム鏡筒１０を試料Ｓの観察面に平行なＸＹ平面内で駆動する。
なお直線駆動機構としてベルト駆動機構を使用してもよい。

走査型電子顕微鏡１は、これら直線駆動機構の駆動量を制御することによって、電子ビーム鏡筒１０を、試料Ｓの観察面上の所望の観察位置に位置付ける電子ビーム鏡筒位置制御部６５を備える。電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、コンピュータ等のデータ処理装置で実現され、所望の移動量だけ直線駆動機構を駆動する駆動信号を出力することによって、電子ビーム鏡筒１０を所望の位置に移動させる。なお、以下に示す他の実施例を示す各平面図において、簡単のため電子ビーム鏡筒位置制御部６５を図中に示さない場合があるが、各走査型電子顕微鏡１は、電子ビーム鏡筒１０の位置制御のために電子ビーム鏡筒位置制御部６５を備えている。

図５は、図３に示す電子ビーム鏡筒１０の内部構成例を示す図である。図示の電子ビーム鏡筒１０の例は、その鏡筒内の空間１３に電子銃１４、電磁レンズや静電レンズで実現される第１レンズ１５及び第２レンズ１６を備えたガウシアンビーム方式（ペンシルビーム方式）の電子光学系を備える。電子銃１４で発生した電子ビームＥＢを、第１レンズ１５及び第２レンズ１６からなる電磁レンズ系によって絞ることによってスポット状の電子ビームＥＢを作り鏡筒開口部から試料Ｓへ照射する。
また電子ビーム鏡筒１０には電子検出器ＥＤが設けられ、電子検出器ＥＤによって電子ビーム鏡筒１０の開口部１７から電子を発射した際の試料Ｓからの電子を検出する。
実際には、電子ビーム鏡筒１０に対物アパーチャ、偏向電極や非点補正コイル等が設けられる。

電子ビーム鏡筒１０には鏡筒内の空間１３を真空引きする真空ポンプ１１を備える。そして、電子ビーム鏡筒１０は、その内部空間１３を真空引きして電子ビーム鏡筒１０を取り囲む試料室２０内との間に気圧差を設けることができるように、空間１３の径を非常に狭く構成する。このように構成することによって、電子ビーム鏡筒１０の内部の真空度を試料室２０の真空度よりも高めることが可能となる。
また、電子ビーム鏡筒１０には、電子ビームＥＢを出射する開口部１７を開閉するシャッター部１８が設けられており、試料室２０内を大気状態に開放しても、シャッター部１８により開口部１７を閉じて真空ポンプ１１で真空引きすることによって電子ビーム鏡筒１０内の空間１３を真空状態に維持する。

図３及び図４に戻り、電子ビーム鏡筒１０の２次元移動は、Ｘ方向ガイド６０ａ及び６０ｂ並びに可動Ｙ方向ガイド７０によってガイドされるが、このうち可動のガイドである可動Ｙ方向ガイド７０は、可動Ｙ方向ガイド７０がＸ方向に移動しても試料Ｓやこれを保持する試料保持台２２によってその移動が妨げられることがないように、すなわち試料Ｓや試料保持台２２が可動Ｙ方向ガイド７０に干渉しないように、試料Ｓの上方に架かるように設けられる。
そして、試料Ｓ上の観察位置のＹ座標を変更する場合には、電子ビーム鏡筒１０を支持するＹ方向移動部７１を可動Ｙ方向ガイド７０に沿って駆動するが、このとき可動Ｙ方向ガイド７０が試料Ｓの直上に位置する状態でＹ方向移動部７１を駆動すると、Ｙ方向移動部７１と可動Ｙ方向ガイド７０の摺動面から発生する異物やパーティクルが試料Ｓの表面上に直接落ちる結果となり、走査型電子顕微鏡１による観察結果やその後試料Ｓに施される製造工程に悪影響を及ぼす。

このため本顕微鏡１では、Ｙ方向移動部７１を可動Ｙ方向ガイド７０に沿って駆動する間、可動Ｙ方向ガイド７０を試料Ｓの上方から退避させるための退避領域Ｒを設ける。例えば顕微鏡１は図４に示すように、可動Ｙ方向ガイド７０の移動をガイドするＸ方向ガイド６０ａ及び６０ｂを、本来試料Ｓの全面を観察するための移動量よりも長く設けることにより、試料保持台２２の設置領域よりもＸ方向にずれた位置に退避領域Ｒを設けることとしてよい。

図６は、電子ビーム鏡筒１０をＹ方向に駆動する場合の、各移動部６１ａ、６１ｂ及び７１の動きを説明する図である。
図示するように、試料Ｓの直上に位置する電子ビーム鏡筒１０をΔｙだけＹ方向に移動させる場合を想定する。その場合、電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、可動Ｙ方向ガイド７０が試料Ｓの直上に位置したまま電子ビーム鏡筒１０をＹ方向に移動することを避けて、Ｘ方向移動部６１ａ及び６１ｂを駆動して、可動Ｙ方向ガイド７０を退避領域Ｒに一旦退避させる（矢印９１）。

そして、可動Ｙ方向ガイド７０が退避領域Ｒに退避した状態で、電子ビーム鏡筒位置制御部６５はＹ方向移動部７１を駆動して、電子ビーム鏡筒１０をΔｙだけＹ方向に移動させた後（矢印９２）、Ｘ方向移動部６１ａ及び６１ｂを駆動して、電子ビーム鏡筒１０を最終的な観察位置に位置付ける（矢印９３）。
このようにＹ方向移動部７１が移動する間、可動Ｙ方向ガイド７０を退避領域Ｒに退避させることによって、Ｙ方向移動部７１と可動Ｙ方向ガイド７０の摺動面から発生する異物やパーティクルが試料Ｓの表面上に直接落ちることが防止される。

図７は、本発明の第２実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。図４と同様に走査型電子顕微鏡１の筐体２１の上面の壁を取り除いた状態で示している。上記のように電子ビーム鏡筒１０をＹ方向に駆動する度に可動Ｙ方向ガイド７０を退避領域Ｒに退避させると、退避動作の時間だけ電子ビーム鏡筒１０の移動時間が延びることとなり試料Ｓの観察に要する時間が長くなる。
そこで図７に示す走査型電子顕微鏡１では、複数の（図示では２個）電子ビーム鏡筒１０ａ及び１０ｂを備え、一方の電子ビーム鏡筒１０ｂが退避動作を行っている間に、他方１０ａによって観察を行うことにより試料Ｓの観察に要する時間を短縮する。

電子ビーム鏡筒１０ａは、１対のＸ方向ガイド６０ａ及び６０ｂと可動Ｙ方向ガイド７０とによりガイドされる。電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、Ｘ方向ガイド６０ａ及び６０ｂに沿って移動可能なＸ方向移動部６１ａ及び６１ｂを駆動することによって可動Ｙ方向ガイド７０を移動させ、可動Ｙ方向ガイド７０に沿ってＹ方向移動部７１を駆動し電子ビーム鏡筒１０ａを移動させることによって、電子ビーム鏡筒１０ａを２次元移動させる。

また、電子ビーム鏡筒１０ｂは、１対のＸ方向ガイド６０ａ及び６０ｂと可動Ｙ方向ガイド７２とによりガイドさる。そして電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、Ｘ方向ガイド６０ａ及び６０ｂに沿って移動可能なＸ方向移動部６２ａ及び６２ｂを駆動することによって可動Ｙ方向ガイド７２を移動させ、可動Ｙ方向ガイド７２に沿ってＹ方向移動部７３を駆動し電子ビーム鏡筒１０ｂを移動させることによって、電子ビーム鏡筒１０ｂを２次元移動させる。

これら各移動部を直線駆動させるために、各移動部及び各ガイドは、図３及び図４を参照して説明したのと同様に、ボールネジ機構やベルト駆動などの様々な直線駆動機構を備える。
そして走査型電子顕微鏡１には、電子ビーム鏡筒１０ａ及び１０ｂをそれぞれ試料Ｓの上方から退避させるための退避領域Ｒ１及びＲ２が設けられる。

図８は、本発明の第３実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。図４と同様に走査型電子顕微鏡１の筐体２１の上面の壁を取り除いた状態で示している。
本実施例では、電子ビーム鏡筒１０ａ及び１０ｂが、その移動をＸ方向にそれぞれガイドするための可動Ｘ方向ガイド６０ａ及び６０ｂに支持され、これら可動Ｘ方向ガイド６０ａ及び６０ｂは、それぞれ対応するＹ方向ガイド７０ａ及び７０ｂにＸＹ平面内で移動可能に支持される。そして可動Ｘ方向ガイド６０ａ及びＹ方向ガイド７０ａを退避領域Ｒ１に、可動Ｘ方向ガイド６０ｂ及びＹ方向ガイド７０ｂを退避領域Ｒ２に収容できるように構成されている。

図９は、可動Ｘ方向ガイド６０ａ及びＹ方向ガイド７０ａの構成例の図示Ａ部分の拡大図である。参照符号７１ａはＹ方向ガイド７０ａに沿って移動するＹ方向移動部を示す。図示するとおりＹ方向ガイド７０ａは、Ｙ方向に沿って設けられた回転可能なＹ方向用ボールネジＳｙをその内部に有し、さらにボールネジＳｙを回転駆動するためのモータＭｙを有する。一方でＹ方向移動部７１ａには、ボールネジＳｙと螺合するＹ方向用ナットＮｙが固定して設けられる。Ｙ方向ガイド７０ａが固定された状態でモータＭｙがボールネジＳｙを回転駆動することによって、Ｙ方向移動部７１ａは可動Ｘ方向ガイド６０ａを載せたまま、Ｙ方向に駆動される。

また、図示するとおり可動Ｘ方向ガイド６０ａは、Ｘ方向に沿って設けられた回転可能なＸ方向用ボールネジＳｘをその内部に有し、さらにボールネジＳｘを回転駆動するためのモータＭｘを有する。一方で上記のＹ方向移動部７１ａには、ボールネジＳｘと螺合するＹ方向用ナットＮｘが固定して設けられる。そしてＸ方向に関してＹ方向移動部７１ａが固定された状態で、モータＭｘがボールネジＳｘを回転駆動することによって、可動Ｘ方向ガイド６０ａ自身がＸ方向に駆動される。
そして電子ビーム鏡筒位置制御部６５が可動Ｙ方向ガイド７０ａをＸＹ平面内で駆動することによって、このガイド７０ａによって支持される電子ビーム鏡筒１０ａの位置を制御する。
電子ビーム鏡筒１０ｂを支持する可動Ｘ方向ガイド６０ｂ及びＹ方向ガイド７０ｂも同様に構成する。なお、図９に示す構成例はあくまで例示であり、可動Ｙ方向ガイド７０ａをＸＹ平面内で駆動するために、ベルト駆動機構などの様々な直線駆動機構を使用してよい。

図８に戻り、走査型電子顕微鏡１は、可動Ｘ方向ガイド６０ａ及びこれに支持される電子ビーム鏡筒１０ａが退避領域Ｒ１に収容された状態で、試料室２０内の試料保持台２２の設置領域２６と退避領域Ｒ１とを遮断及び開放するためのバルブ２５ａを備える。
電子ビーム鏡筒１０ａが退避領域Ｒ１に収容された状態で、バルブ２５ａによって試料保持台２２の設置領域２６と退避領域Ｒ１と遮断することによって、例えば試料保持台２２の設置領域２６を真空状態に保ったまま、退避領域Ｒ１を大気状態に開放して電子ビーム鏡筒１０ａのメンテナンスを行うことが可能となる。

または、電子ビーム鏡筒１０ａを収容した退避領域Ｒ１を真空状態に保ったまま、試料保持台２２の設置領域２６を大気状態に開放して試料Ｓの搬入出を行うことが可能となる。
走査型電子顕微鏡１はまた、可動Ｘ方向ガイド６０ｂ及びこれに支持される電子ビーム鏡筒１０ｂが退避領域Ｒ２に収容された状態で、試料室２０内の試料保持台２２の設置領域２６と退避領域Ｒ２とを遮断及び開放するためのバルブ２５ｂを備える。

図１０は、本発明の第４実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。図４と同様に走査型電子顕微鏡１の筐体２１の上面の壁を取り除いた状態で示している。本実施例においても、図８及び図９に示す実施例と同様の可動Ｘ方向ガイド６０ａのＸＹ方向駆動機構を有するが、本実施例では、試料Ｓの観察面に対する電子ビーム鏡筒１０ａの２次元的な相対移動を実現するために、試料Ｓをその観察面の法線方向を回転軸として回転させるためのターンテーブル２７を備える。

そして例えば、可動Ｘ方向ガイド６０ａをＹ方向に駆動することによって、試料Ｓを径方向に対して電子ビーム鏡筒１０ａを移動させる一方で、試料Ｓをターンテーブル２７を回転させて試料Ｓの周方向に対して電子ビーム鏡筒１０ａを相対移動させることによって、試料Ｓの観察面に対する電子ビーム鏡筒１０ａの２次元的な相対移動を実現する。そして電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、可動Ｘ方向ガイド６０ａのＹ方向の移動量と、ターンテーブル２７の回転量を制御することによって、試料Ｓの観察面の任意の位置に電子ビーム鏡筒１０ａを位置付ける。
可動Ｘ方向ガイド６０ａのＹ方向移動にガイドするＹ方向ガイド７０ａと、可動Ｘ方向ガイド６０ａをＹ方向に駆動するＹ方向移動部７１ａ（図９参照）との接触部位は、試料Ｓを載置される領域２６の外に設けられるため、Ｘ方向ガイド７０ａから発生するパーティクルが試料Ｓの上に直接落ちることが防止される。

または走査型電子顕微鏡１は、単に可動Ｘ方向ガイド６０ａをＸ方向に駆動することによって、試料Ｓを径方向に対して電子ビーム鏡筒１０ａを移動させる一方で、試料Ｓをターンテーブル２７を回転させて試料Ｓの周方向に対して電子ビーム鏡筒１０ａを相対移動させることによって、可動Ｘ方向ガイド６０ａをＹ方向に移動させなくとも、試料Ｓの観察面に対する電子ビーム鏡筒１０ａの２次元的な相対移動を実現してもよい。このとき電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、可動Ｘ方向ガイド６０ａのＸ方向の移動量と、ターンテーブル２７の回転量を制御することによって、試料Ｓの観察面の任意の位置に電子ビーム鏡筒１０ａを位置付けることとしてよい。
この場合、可動Ｘ方向ガイド６０ａをＹ方向に移動させなくともよいので、Ｙ方向ガイド７０ａやＹ方向移動部７１ａなどのＹ方向に関する直線駆動機構を省いてもよい。

なお、図５に示す電子ビーム鏡筒１０の内部構成例を示す図を参照して上述したように、上記の様々な実施例に用いる電子ビーム鏡筒１０、１０ａ及び１０ｂは、鏡筒内の空間１３を真空引きする真空ポンプ１１を備えている。かかる真空ポンプ１１によって、電子ビーム鏡筒１０の内部の真空度を試料室２０の真空度よりも高めることにより、電子ビーム鏡筒１０内の電子銃１５を破損することなく試料室２０全体の真空度を低くすることが可能となる。

そして、試料室２０全体の真空度を低く設定することにより、ロードロック室５０を省略して走査型電子顕微鏡１の床面積を縮小しても、試料室２０内に直接試料Ｓを搬入出の際に行う試料室２０全体の真空引きに要する時間を低減することが可能となる。なお、試料Ｓの搬入出の際に試料室２０内を大気状態に開放したときは、電子ビーム鏡筒１０の開口部１７をシャッター部１８で閉じることにより、電子ビーム鏡筒１０内を真空に保ち電子銃１４を保護することも可能である。

また、ロードロック室５０の省略に伴い必要となる試料室２０の真空引き作業によって、走査型電子顕微鏡１による検査作業のスループットが低減することを防止するために、試料室を複数設けてもよい。そして、いずれかの試料室に試料Ｓの搬入出して真空引きする間に、他の試料室に搬入された試料を観察することとしてよい。複数の試料室にいずれに対しても、これらに搬入された試料を共通の電子ビーム鏡筒１０で観察可能とするために、電子ビーム鏡筒１０を移動させることとしてもよい。
試料室を複数設けることによって走査型電子顕微鏡１の床面積は増大するが、例えば試料室を２個とすれば従来の床面積の１／２で済み、かつロードロック室５０の設置スペースも節約される。

図１１及び１２には、２つの試料室２０ａ及び２０ｂを備える本発明の第５実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成が示される。このうち図１１には走査型電子顕微鏡１の筐体２１の手前側の壁が取り除かれた状態の正面図が示され、図１２には走査型電子顕微鏡１の筐体２１の上面の壁が取り除かれた状態の平面図が示される。

走査型電子顕微鏡１の筐体２１内部の空間は、電子ビーム鏡筒１０が収容される電子ビーム鏡筒収容部２８と、２つの真空試料室２０ａ及び２０ｂとに分割され、電子ビーム鏡筒収容部２８と真空試料室２０ａとは上壁８０ａ及び側壁８１ａにより区分けされ、電子ビーム鏡筒収容部２８と真空試料室２０ｂとは上壁８０ｂ及び側壁８１ｂにより区分けされており、さらに２つの試料室２０ａと２０ｂとの間もまた隔壁８２によって遮断されている。これら区分けされた電子ビーム鏡筒収容部２８、２つの真空試料室２０ａ及び２０ｂは、それぞれ真空ポンプ３１、３２及び３３によってそれぞれ個別に真空引きされ、それぞれ高真空状態に維持することが可能である。
各真空試料室２０ａ及び２０ｂには、試料を保持するための試料保持台２２ａ及び２２ｂが設けられる。これら保持台２２ａ及び２２ｂには、試料の観察面と電子ビーム鏡筒１０との間隔を調節するための上下方向（Ｚ方向）の昇降手段を有する。

２つの真空試料室２０ａ及び２０ｂの前面には、試料Ｓａ及びＳｂを搬入出するための開閉可能な搬入出口８５ａ及び８５ｂが設けられている。また真空試料室２０ａ及び２０ｂの上壁８０ａ及び８０ｂには、それぞれの真空試料室２０ａ及び２０ｂに搬入された試料を観察するための窓部８３ａ及び８３ｂが設けられている。
各窓部８３ａ及び８３ｂには、試料の搬入出の際に各窓部８３ａ及び８３ｂを閉じることによって、電子ビーム鏡筒収容部２８を真空状態に維持するためのシャッター機構８４ａ及び８４ｂがそれぞれ設けられている。

例えば試料Ｓａを真空試料室２０ａに搬入出する際には、シャッター機構８４ａを閉じて窓部８３ａを遮断してから真空試料室２０ａを大気状態にする。そして真空試料室２０ａを大気状態になった後に搬入出口８５ａを開けて試料Ｓａを出し入れする。
また真空試料室２０ａに搬入した試料Ｓａを観察する際には、搬入出口８５ａを閉じてから真空試料室２０ａ内を真空状態にしてから、シャッター機構８４ａを開けて窓部８３ａを開放する。真空試料室２０ｂに試料Ｓｂを搬入出する際も同様である。

走査型電子顕微鏡１は、真空試料室２０ａ及び２０ｂにそれぞれ収容された試料Ｓａ及びＳｂのいずれも、共通の電子ビーム鏡筒１０によって観察可能とするために、電子ビーム鏡筒１０を移動させる移動機構を有する。
この移動機構は、試料Ｓの観察面を成す第１方向であるＸ方向と第２方向であるＹ方向のうち、Ｘ方向に沿って電子ビーム鏡筒１０を移動させるためのＸ方向ガイド６０と、Ｙ方向に沿って電子ビーム鏡筒１０を移動させるための可動Ｙ方向ガイド７０と、可動Ｙ方向ガイド７０を支持したままＸ方向に延在するＸ方向ガイド６０に沿って移動するＸ方向移動部６１と、電子ビーム鏡筒１０を支持したままＹ方向に延在する可動Ｙ方向ガイド７０に沿って移動するＹ方向移動部７１と、を備えて構成される。

Ｘ方向移動部６１のＸ方向への移動、及びＹ方向移動部７１のＹ方向への移動のために様々な直線駆動機構を使用することが可能である。
例えば、Ｘ方向ガイド６０に回転可能なボールネジ（図示せず）をＸ方向に沿って設け、Ｘ方向各移動部６１ａにナット（図示せず）を設けてボールネジと螺合させる。そしてＸ方向ガイド６０を固定した状態で、図示しないモータによってボールネジを回転させることによって、Ｘ方向各移動部６１に対してＸ方向の駆動力を加えることとしてよい。
また可動Ｙ方向ガイド７０に、回転可能なボールネジ（図示せず）をＹ方向に沿って設け、Ｙ方向各移動部７１にナット（図示せず）を設けてボールネジと螺合させる。そしてＹ方向について可動Ｙ方向ガイドを固定した状態で、図示しないモータによってボールネジを回転させることによって、Ｙ方向各移動部７１に対してＹ方向の駆動力を加えることとしてよい。
なお直線駆動機構としてベルト駆動機構を使用してもよい。

電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、これら直線駆動機構の駆動量を制御することによって、電子ビーム鏡筒１０を、試料Ｓの観察面上の所望の観察位置に位置付ける。すなわち電子ビーム鏡筒位置制御部６５は、電子ビーム鏡筒１０を支持するＹ方向移動部７１を可動Ｙ方向ガイド７０に沿って駆動し、この可動Ｙ方向ガイド７０を支持するＸ方向移動部６１をＸ方向ガイド６０に沿って駆動することにより、電子ビーム鏡筒１０を試料Ｓの観察面に平行なＸＹ平面内で駆動して、その位置を決定する。

複数の真空試料室２０ａ及び２０ｂに収納された複数の試料Ｓａ及びＳｂを、共通の電子ビーム鏡筒１０によって観察する際の、電子ビーム鏡筒位置制御部６５による位置制御方法を説明する。
複数の真空試料室のうちのひとつの真空試料室２０ａに試料Ｓａを搬入出する際には、試料Ｓａを搬入出して真空試料室２０ａを真空引きする間、シャッター機構８４ａにより試料室２０ａと電子ビーム鏡筒収容部２８とを遮断して電子ビーム鏡筒収容部２８を真空状態に保ったまま、電子ビーム鏡筒位置制御部６５が、他方の真空試料室２０ｂの窓部８３ｂの位置に電子ビーム鏡筒１０を移動させて、真空試料室２０ｂに搬入された試料Ｓｂを観察する。
反対に真空試料室２０ｂに試料Ｓｂを搬入出する際には、試料Ｓｂを搬入出して真空試料室２０ｂを真空引きする間、シャッター機構８４ｂにより試料室２０ｂと電子ビーム鏡筒収容部２８とを遮断して電子ビーム鏡筒収容部２８を真空状態に保ったまま、電子ビーム鏡筒位置制御部６５が、真空試料室２０ａの窓部８３ａの位置に電子ビーム鏡筒１０を移動させて、真空試料室２０ａに搬入された試料Ｓａを観察する。

本発明は一般に電子顕微鏡に利用可能である。特に半導体製造装置などに設けられ、これら半導体製造装置により製造された半導体装置の外観を検査するために使用される電子顕微鏡装置に利用可能である。

従来の走査型電子顕微鏡の概略構成図である。他の従来の走査型電子顕微鏡の概略構成図である。本発明の第１実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す正面図である。図３に示す走査型電子顕微鏡の筐体の上面の壁を取り除いた状態の平面図である。図３に示す電子ビーム鏡筒の内部構成例を示す図である。図３に示す電子ビーム鏡筒をＹ方向に駆動する場合の各移動部の動きを説明する図である。本発明の第２実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。本発明の第３実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。可動Ｘ方向ガイド及びＹ方向ガイドの構成例の図示Ａ部分の拡大図である。本発明の第４実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。本発明の第５実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す平面図である。図１１に示す走査型電子顕微鏡の筐体の上面の壁を取り除いた状態の平面図である。

符号の説明

１走査型電子顕微鏡
１０電子ビーム鏡筒
２０真空試料室
２１筐体
２２試料保持台
３０定盤
６０ａ、６０ｂＸ方向ガイド
６１ａ、６１ｂＸ方向移動部
７０移動Ｙ方向ガイド
７１Ｙ方向移動部

Claims

電子ビーム鏡筒を移動させることによって、試料保持部に保持される試料の観察面上の各箇所を観察する位置に前記電子ビーム鏡筒を位置付ける電子顕微鏡であって、
前記電子ビーム鏡筒を、前記試料の観察面と平行な面を成す第１方向及び第２方向のうちの一方である第１方向に沿わせて移動させるため第１方向ガイドと、
前記電子ビーム鏡筒を、前記第２方向に沿わせて移動させるための可動第２方向ガイドと、
前記可動第２方向ガイドを前記試料の上方から退避させるための退避領域と、
前記可動第２方向ガイドを前記退避領域に移動させる可動第２方向ガイド移動部と、
を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
前記可動第２方向ガイド移動部は、前記可動第２方向ガイドを前記第１方向に移動させて、前記退避領域に退避させることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
前記電子ビーム鏡筒を前記第２方向に沿わせて移動させる間、前記可動第２方向ガイドを前記退避領域に退避させることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子顕微鏡。
前記試料保持部の設置領域と前記退避領域との間を遮断及び開放するためのバルブを備えることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
前記バルブは、前記可動第２方向ガイドに支持される前記電子ビーム鏡筒を前記退避領域に退避した状態で、該退避領域及び前記試料保持部の設置領域の一方を真空状態に維持したまま他方を非真空状態とするために、該退避領域と前記設置領域との間を遮断することを特徴とする請求項４に記載の電子顕微鏡。
電子ビーム鏡筒を移動させることによって、試料保持部に保持される試料の観察面上の各箇所を観察する位置に前記電子ビーム鏡筒を位置付ける電子顕微鏡であって、
前記電子ビーム鏡筒を支持しつつ、前記試料の観察面と平行な面内の１方向に移動可能な移動部と、
前記移動部の移動方向を前記１方向に沿わせるガイド部であって、前記移動部との接触部位が、前記試料を載置する領域外に設けられたガイド部と、
前記試料の観察面の法線方向を回転軸として前記試料を回転させる試料回転部と、
を備えることを特徴とする電子顕微鏡。