JP2008146890A - 照射ヘッド及びこれを備えた電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】電子顕微鏡の分解能を高めるのに対物レンズと試料との間隙を微小にする方法がある。局所真空技術を用いた電子顕微鏡の場合、局所的に真空領域を作り出すには、その照射ヘッドにおいて対物レンズと試料の間に静圧浮上の機構と、差動排気の機構を組み込む必要がある。しかし、静圧浮上の機構と、差動排気の機構を組み込むと、対物レンズと試料の間隙を狭くすることが難しくなる。
【解決手段】照射ヘッド５０の対物レンズ５と静圧機構１８とを一体化して固定した。差動排気機構１９を対物レンズ内の中空部内に配置し、傾動可能に取り付け、試料の凹凸やブレに対して差動排気の機構が追従可能とした。また、試料を対物レンズに対して倣わせる試料側の倣い機構を採用した。局所真空技術を用いた電子顕微鏡の対物レンズと試料との間隙を微小にして分解能を向上させることができた。
【選択図】図３

Description

本発明は、局所真空技術を用いた電子顕微鏡に関する。さらに詳しくは、電子顕微鏡の照射ヘッドの対物レンズと局所真空機構の静圧機構を一体構造とすることにより、対物レンズと試料の間隙を微小にすることを可能にして電子顕微鏡の分解能を上げることを可能とする照射ヘッド、及びこれを備えた電子顕微鏡に関する。

今日、半導体デバイスの高集積化、微細化が進んでいる。それに伴い、半導体デバイスの動作解析、故障解析の手段として、従来の光学顕微鏡の分解能では観察が困難になってきている。そこで、光学方式に代わり走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による解析方法が有効な手段として注目されている。

走査型電子顕微鏡では、極めて細い電子ビームを用いるため凹凸の激しい試料の表面であっても、ほぼ全面で焦点が合い、臨場感にあふれたミクロの世界が観察できる。

この走査型電子顕微鏡においては、電子ビームが気体分子と衝突して散乱されることが無いように真空環境下での電子ビーム照射が必要になる。

そこで、走査型電子顕微鏡の電子の経路を高真空にする方法としては、試料と鏡筒の一部を真空チャンバーに入れてしまう方法（特許文献１参照）と、試料は大気中に設置して電子が試料に照射する部分と鏡筒内を高真空に維持する方法（特許文献２参照）がある。

今後、観察対象の試料の外形が大きくなって行くなかで、後者の局所真空を維持する方法は大きな真空チャンバーを必要としなくなるため安価な構造とすることが可能になる。

そこで、従来の局所真空を用いた走査型電子顕微鏡を説明する。図６に従来の走査型電子顕微鏡を示す。また、図７に概略図を示す。この装置は、図７に示す如く、電子ビームカラム９の電子銃１から射出される電子ビームｂを被照射体である試料６に照射し、試料６の表面から２次電子を放出させ、検出器３で受けて観測を行うものである。

すなわち、走査型電子顕微鏡は、大別して真空容器である電子ビームカラム９と、この電子ビームカラム９に対して連結された照射ヘッド７０から構成される。照射ヘッド７０に対して、試料６の支持手段７３が配設されている。なお、真空チャンバー８を有する。また、試料６は、支持手段７３の試料チャック７により載置保持されている。

電子ビームカラム９には、電ビームの照射源である電子銃１と、これにより放出される電子ビームを収束するコンデンサレンズ２と、２次電子の検出器３と、２次電子の偏向器３ａと、電子ビームの走査コイル４と、対物レンズ７５が配設されている。

電子銃１から射出される電子ビームｂを、コンデンサレンズ２で絞り、走査コイル４によってラスター走査させ、対物レンズ７５を通して試料６に照射する。これにより、試料６の表面から２次電子を放出させる。放出された２次電子は、対物レンズ７５通して電子ビームカラム９内に入り、偏向器３ａによって検出器３へ導かれる。この検出器３の出力から試料６の表面の観測映像を得るというものである。

図６の基台１２は、この装置の基台であり、この基台１２上には試料６を支持する試料支持手段７３が構成されている。この試料支持手段７３は、基台１２上に水平に配置固定されるガイドレール５４と、このガイドレール５４に沿って水平の一軸方向に移動可能に支持されるスライドテーブル５５とを有し、このスライドテーブル５５に試料６の回転手段であるスピンドルモータ５６が搭載されており、このスピンドルモータ５６の回転軸に取り付けられた試料チャック７の上面に試料６が載置支持される。

試料チャック７に載置された試料６は、試料チャック７と一体に回転されるようになっている。

スライドテーブル５５と基台１２との間には、特に図示されない駆動手段が設けられており、水平方向への移動が可能になっている。

このように構成される試料６の試料支持手段７３に対し、その上方には、試料６上を部分的に真空状態にして電子ビームを照射する局所真空機構７０が配置されている。

基台１２上には垂直の支持柱１１ａと水平の天板１１ｂによりなる支持構造体１１が構成されており、この支持構造体１１の天板１１ｂに電子ビーム照射手段である電子ビームカラム９が垂直に載置支持されている。さらに天板１１ｂには真空チャンバー８が懸架支持されており、この真空チャンバー８に電子ビームカラム９の先端部が内蔵される形となっている。

電子ビームカラム９と真空チャンバー８には夫々排気管１４ａ、１４ｂを介して特に図示しない真空ポンプによりなる排気手段が連結されており、この排気手段によって電子ビームカラム９と真空チャンバー８の内部を排気して電子ビームの照射に支障のない真空度を保つようにしてある。

真空チャンバー８の下端部の電子ビーム出口には、伸縮連結機構である局所真空機構側倣い機構９０を介して局所真空機構７０が取り付けられており、この局所真空機構７０が試料に対して５μｍ程度の僅かな間隙をもって非接触で吸着し、その状態で電子ビームカラム９の上端の電子銃１から出射された電子ビームが、局所真空機構７０の中心部の電子ビーム出射孔を通って試料６に照射される。

図８にこの局所真空機構７０の詳細な構造を示す。この局所真空機構７０は、その中心部に電子ビームが通る電子ビーム出射孔８１を有するブロック８０により構成される。このブロック８０は二重ベローズ構造の局所真空機構側倣い機構９０によって真空チャンバー８下端の開口８ａに気密的に連結されており、この局所真空機構側倣い機構９０の伸縮によりブロック８０は試料６に厚さムラや回転ぶれ等があってもそれに追従して確実に５μｍ程度の間隙を維持できるようになっている。

そしてこのブロック８０を試料６の方向に引き寄せる力を発生させる手段としてブロック８０には、試料６との対向面に開口する第１の差動排気用真空溝８３ａと第２の差動排気用真空溝８３ｂが設けられている。この第１の差動排気用真空溝８３ａと第２の差動排気用真空溝８３ｂは、試料６との対向面から見て電子ビーム出射孔８１を中心とする同心円状に形成されているもので、この第１の差動排気用真空溝８３ａと第２の差動排気用真空溝８３ｂには夫々排気管１５ａと１５ｂを介して特に図示しない排気手段が連結され、この排気手段によって第１の差動排気用真空溝８３ａと第２の差動排気用真空溝８３ｂから排気すなわち気体の吸引が行われている。

この排気手段としては真空ポンプが用いられ、ここで電子ビーム出射孔８１に近い第１の差動排気用真空溝８３ａには、これより外側の第２の差動排気用真空溝８３ｂよりも高い真空度に排気できる真空ポンプを連結し、第２の差動排気用真空溝８３ｂよりも強くなるように設定する。

さらにブロック８０には、第２の差動排気用真空溝８３ｂの外側において試料６との対向面に露出する浮上用多孔質８２が埋め込まれている。この浮上用多孔質８２は通気性を有する多孔質の固体材料によりなるもので、試料６との対向面から見て電子ビーム出射孔８１を中心とするリング状に形成されており、この浮上用多孔質８２の裏側においてブロック８０の内部には気体の流路８７が形成されている。

この流路８７には特に図示しない給気手段が連結されており、この給気手段から流路８７に圧縮気体（正圧）が供給され、これが浮上用多孔質材８２から試料６に向けて噴出されるようになっている。

このように構成される局所真空機構７０を試料６の上に載せた状態で各排気手段及び吸気手段を作動させると、浮上用多孔質材料８２から噴出される気体によって局所真空機構７０が試料６から僅かに浮き上がり、同時に第１の差動排気用真空溝８３ａと第２の差動排気用真空溝８３ｂから気体が吸引されて溝内が負圧となることによって局所真空機構７０が試料６に吸い付くように作用し、このため局所真空機構７０は試料６に対し５μｍ程度の僅かな間隙を保ちながら非接触で浮上する状態となるので、試料６の水平移動や回転には支障がない。

このとき浮上用多孔質８２から噴出される気体は、その周囲に形成されている第１の差動排気用真空溝８３ａと第２の差動排気用真空溝８３ｂで吸引されることにより電子ビーム出射孔８１に至ることが回避され、この場合、浮上用多孔質８２からの気体は先ず第２の差動排気用真空溝８３ｂで吸引され、さらに第１の差動排気用真空溝８３ａで吸引されることになり、ここで第１の差動排気用真空溝８３ａでの吸引力は第２の差動排気用真空溝８３ｂの吸引力より強くなっているため、浮上用多孔質の中心部に行くほど真空度を高くでき、これによって真空チャンバー８の内部を電子ビームの照射に支障のない真空度に保つことができるというものである。

なお、図７、図８に示す符号７５は、真空チャンバー８に内蔵される電子ビームカラム９の先端に取り付けられた対物レンズであり、電子ビームカラム９の電子銃１から発せられた電子は電子ビーム通路７６を通ってこの対物レンズ７５の先端から出射され、局所真空機構７０の電子ビーム出射孔８１を通って試料の表面に照射される。この対物レンズ７５においては、電子ビーム通路７６の周りに電磁コイル７５ａが配されており、この電磁コイル７５ａによって電子ビームが収束されて試料６の表面にビームスポットを形成する。

以上が、従来の局所真空を用いた走査電子顕微鏡である。真空チャンバー８は電子ビームカラム９の電子ビーム出射側の一部を覆うだけの小さなものとなっている。このような小型の真空チャンバーでも、局所真空機構により高い真空度（５×１０^-3Pａ）を維持することが可能であった。

ここで、走査電子顕微鏡の分解能の向上について検討する。走査電子顕微鏡の分解能は、電子ビームのスポット径によって決まるが、このビームスポット径を小さくする、対物レンズと試料との間隙を小さくする方法が良く使われている。

今後、観察対象の試料の微細化もさらに進むと考えられる。そこで、走査型電子顕微鏡の分解能を高めるために、対物レンズと試料との間隙をさらに微小にする必要があると考えられる。

特開２００２−２１７０８６号公報（第４頁、図１） 特開２００１−２４２３００号公報（第３頁、図２、図３）

しかし、局所的に真空領域を作り出す機構を採用した場合、対物レンズと試料の間に差動排気の機構を組み込むため、対物レンズと試料の間隙を微小にすると差動排気の機構を組み込むことが難しくなる。

また、走査型電子顕微鏡の分解能を高めるには対物レンズの焦点がずれないように、対物レンズと試料の観察位置との間が一定に保持されていることが望ましいと考えられる。

しかし、対物レンズと試料の間隙を微小にすると差動排気の機構を組み込む都合で、対物レンズと試料の観察位置との間を固定するのが難しくなる。

また、走査電子顕微鏡の分解能を高めるためには、維持できる真空度は高いほど良い。

しかし、局所的に真空領域を作り出す機構として、浮上の機構と吸着の機構を組み込むために一定の大きさが必要であり、対物レンズと試料の間に配置するのが難しかった。

上記で説明した従来の走査型電子顕微鏡の例において、図８に示すように、局所真空機構７０は対物レンズ７５と別構造となっており、真空チャンバー８に局所真空機構側倣い機構９０を介して連結され、対物レンズ７５と試料６との間に配置されている。局所真空機構７０は、真空を維持するために差動の原理で真空圧を内側にいけば行くほど高くなる真空の溝８３ａ、８３ｂを有する。その一方で、試料６から局所真空機構７０を浮かすための空気を噴出させる浮上用多孔質８２を有している。

従来の局所真空機構７０はこの両方の機構が一体構造となっており、対物レンズ５と試料６の厚み公差を吸収するために局所真空機構７０が試料６上面に倣うように、真空チャンバー８に倣い機構９０を介して連結する構造としたものものであった。

このような装置では、試料に対する電子ビーム出射孔８１に連通する電子ビームの通路７６を排気してこの電子ビーム通路７６を真空に保持するものであるが、この電子ビーム出射孔８１の周囲に、リング状の気体吸引溝８３ａ、８３ｂを設けて、ここから、局所真空機構７０と、試料６との間の、特に電子ビーム出射孔８１近傍の気体を排除する構成としたことによって、電子ビーム出射孔８１に入り込む気体と、この電子ビーム出射孔８１から出た電子ビームの経路すなわち試料との間の空間の気体を有効に排除することができる（特許文献２参照）。

しかし、電子顕微鏡の分解能を更に上げるためには対物レンズと試料の間隙をさらに微小にする方向に進むため、上記従来の局所的に真空領域を作り出す機構が成り立たなくなってきた。

また、走査型電子顕微鏡の分解能を上げると被写界深度が狭くなるため、試料の厚み公差が大きいと試料交換のたびに焦点合わせが必要になってくる。

課題を解決するために、照射ヘッドの高真空を維持するために気体を吸引して試料を非接触で吸着する差動排気機構と、局所真空機構を浮上させるために気体を噴出する静圧機構を別構造とし、静圧機構と対物レンズとを一体構造にすることにより対物レンズと試料との間隙が微小であっても局所的な真空領域が作れる構造とする。

すなわち、対物レンズと試料の間隙を狭くして局所真空機構を配置するために、
（１）局所真空機構を静圧機構と差動排気機構に分離して構成し、対物レンズと静圧機構を一体構造にする。
（２）試料が局所真空機構に倣う構造にする。
（３）局所真空機構を、静圧機構と差動排気機構に分離して構成し、静圧機構に対して差動排気機構を傾動可能に取り付ける。

これにより、試料を局部真空機構の全体の面積の内の極めて小さい部分である差動排気機構に倣わすことになるため、一定の間隙としやすく、従来の差動排気機構より高真空を実現できる照射ヘッドとなる。
その結果、従来よりも試料に対して近接し、かつ高真空とすることができる局所真空機構を実現し、これを用いて高分解能の電子顕微鏡を得ることができる。
以上により、課題を解決することができる。

本発明によれば、高価な真空チャンバーが必要なく、局所的に高真空領域を作り出す局所真空技術を使用した電子顕微鏡において、電子ビームの径を絞るために対物レンズと試料との間隙を出来るだけ微小にする構造が可能になり、対物レンズと試料との間隙を、試料の厚みが変化しても一定に保つことができ、既存の局所真空機構よりも高真空な領域を作り出すことが可能になった。その結果、局所真空技術を使用した高分解能な観察、測長が可能な電子顕微鏡を実現することができる。

また、従来の電子顕微鏡で必要であった真空チャンバーがなくなったため、従来、真空チャンバー用に使用していた排気手段も不用となり、簡易、小型、廉価な装置を構成することが容易になった。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態においても、前述した従来例と同様に局所真空技術を使用した電子顕微鏡を例示して説明する。

図１に本願発明の実施の形態の走査型電子顕微鏡の全体図を示す。また、概略図を図２に示す。
この電子顕微鏡の基本的な構成は、前述した従来例の構成と同様である。すなわちこの装置は図２に示す如く、電子ビームカラム９の電子銃１から出射される電子ビームを被照射体である試料６に照射し、試料６の表面から２次電子を放出させ、検出器３で受けて観測を行うものである。

すなわち、走査電子顕微鏡は、大別して真空容器である電子ビームカラム９と、この電子ビームカラム９に対して連結された照射ヘッド１０から構成される。照射ヘッド１０に対して、試料６の支持手段１３が配設されている。また、試料６は支持手段１３の試料チャック７に載置保持されている。

電子ビームカラム９には、電ビームの照射源である電子銃１と、これにより放出される電子ビームを収束するコンデンサレンズ２と、２次電子の検出器３と、２次電子の偏向器３ａと、電子ビームの走査コイル４と、対物レンズ５が配設されている。

電子銃１から射出される電子ビームｂを、コンデンサレンズ２で絞り、走査コイル４によってラスター走査させ、対物レンズ５を通して試料６に照射する。これにより、試料６の表面から２次電子を放出させる。放出された２次電子は、対物レンズ５通して電子ビームカラム９内に入り、偏向器３ａによって検出器３へ導かれる。この検出器３の出力から試料６の表面の観測映像を得るというものである。

図１の基台１２は、この装置の基台であり、この基台１２上には試料６を支持する試料支持手段１３が構成されている。この試料支持手段１３は、基台１２上に水平に配置固定されるガイドレール５４と、このガイドレール５４に沿って水平の一軸方向に移動可能に支持されるスライドテーブル５５とを有し、このスライドテーブル５５に試料６の回転手段であるスピンドルモータ５６が搭載されており、このスピンドルモータ５６の回転軸に伸縮する試料側倣い機構５１を介して取り付けられた試料チャック７の上面に、試料６が載置支持される。

図５に、試料側倣い機構５１のある試料支持手段の概略を示す。
試料側倣い機構５１は、外側ベローズ６４と内側ベローズ６５の間のベローズ間隙６６に空気圧をかけて、試料６を試料チャック７ごと浮上させている。これにより、局所真空機構１０の吸引力によって、試料６が局所真空機構１０に対して倣うように引き寄せられる。

試料チャック７に載置された試料６は、スピンドルモータ５６によって、試料チャック７及び試料側倣い機構５１と一体に回転されるようになっている。

スライドテーブル５５と基台１２との間には、特に図示されない駆動手段が設けられており、θ軸６１、Ｘ軸６２等の水平方向での移動が可能になっている。

このように構成される試料６の試料支持手段１３に対し、その上方には、試料６上を部分的に真空状態にして電子ビームを照射する局所真空機構１０が配置されている。

図１の基台１２上には垂直の支持柱１１ａと水平の天板１１ｂによりなる支持構造体１１が構成されており、この支持構造体１１の天板１１ｂの電子ビーム照射手段である電子ビームカラム９が垂直に載置支持されている。さらに天板１１ｂには電子ビームカラム９が懸架支持されている。

電子ビームカラム９には、排気管１４を介して特に図示しない真空ポンプによりなる排気手段が連結されており、この排気手段によって電子ビームカラム９の内部を排気して電子ビームの照射に支障のない真空度を保つようにしてある。

電子ビームカラム９の下端部の電子ビームの出口には、局所真空機構１０を有する照射ヘッド５０が取り付けられている。この局所真空機構１０に対し、前述の試料側倣い機構５１によって浮上させられている試料６が、５μｍ程度の微小な間隙をもって非接触で吸着している。その状態で電子ビームカラム９の上端の電子銃１から出射された電子ビームが、局所真空機構１０の中心部の電子ビーム出射孔を通って試料６に照射される。

図３は照射ヘッド５０の縦断面図である。照射ヘッド５０は、局所真空機構１０と対物レンズ５を有する。さらに、局所真空機構１０は、静圧機構１８と差動排気機構１９を有する。また、対物レンズ５は、対物レンズ上ヨ−ク１６と、対物レンズ下ヨ−ク１７と、コイル５ａを有する。

静圧機構１８は、対物レンズ５の対物レンズ下ヨーク１７に固定する。一方、差動排気機構１９は、対物レンズ５と静圧機構に対して僅かに傾動可能なように取り付けられている。すなわち、差動排気機構１９は、対物レンズ５の構成品である対物レンズ上ヨーク１６と対物レンズ下ヨーク１７の間に形成した空間に支持手段によって保持されている。

具体的には、図４に示すように、差動排気機構１９は、対物レンズ５の構成品である対物レンズ上ヨーク１６と対物レンズ下ヨーク１７の間に形成した空間２７中に弾性体で成るＯリング４７（支持手段）によって保持されている。ここで、Ｏリング４７は、対物レンズ５と差動排気機構１９の間に装着される。

すなわち、対物レンズ５の構成品であるヨークを、対物レンズ上ヨ−ク１６と対物レンズ下ヨ−ク１７の２部品に分割して製作し、対物レンズ上ヨ−ク１６と対物レンズ下ヨ−ク１７の間に、電子ビームの通路２４を中心軸にして、丁度円筒を抜き取ったような空間である第１の中空部２６と第２の中空部２７の二つを形成する。この二つの中空部は径が異なるもので、一端で互いに連通している。対物レンズ上ヨーク１６のブロック２０は、これらの中空部２６、中空部２７の内壁側の径の異なる円柱を２つ重ねて円盤に取り付けたような形状に形成する。また、対物レンズ下ヨークのブロック２５は、中空部２６、中空部２７の外壁側のキャップ状に形成する。

一方、差動排気機構１９のブロック４０は、第２の中空部２７に僅かな間隙をもって嵌り込むような小さなカップ状に形成する。

局所真空機構１０は、上記の対物レンズ上ヨーク１６、対物レンズ下ヨ−ク１７及び差動排気機構１９のブロック３０を次のような手順で組み立てることによって製作される。図３、図４、図１０を用いて説明する。

先ず、対物レンズ上ヨーク１６のブロック２０の第２の円柱部２２にＯリング４７を嵌める。次いで、差動排気機構１９のカップ状のブロック４０をＯリング４７を嵌めた対物レンズ上ヨーク１６のブロック２０の円柱部２２に被せるようにする。Ｏリング４７が圧縮変形し、その復元力により差動排気機構１９のカップ状のブロック４０が対物レンズ上ヨーク１６のブロック２０の第２の円柱部２２に取り付けられて保持される（図３、図４参照）

ついで、対物レンズ下ヨーク１７と静圧機構１８を差動排気機構１９に被せるように取り付ける。これにより、差動排気機構１９は、レンズ５の中空部中に、浮いている状態になる（図３参照）。

なお、静圧機構１８の試料６に対向する面には差動排気機構１９の試料６に対向する面より若干小さい円形の開口２８ａが形成されており、内側に向かってフランジが３０ａ形成されている。差動排気機構１９のブロック４０の試料６に対向する面の縁には、静圧機構１８の内側のフランジ３０ａに対応した、段差４０ａが形成されており、差動排気機構１９の抜け止め構造となっている（図４参照）。

静圧機構１８は、試料６に対向する面の中心部に電子ビームが通る電子ビーム通路３１を有するブロック３０により構成されている。
この静圧機構１８のブロック３０は、対物レンズの下ヨーク１７とネジで締結することによって対物レンズ５と一体化されて、電子ビームカラム９の下端の開口９ａに気密的に固定されている（図３、図１０参照）。

差動排気機構１９は、前述のように、Ｏリング４７によってレンズ５の中の中空部に浮いている状況であり、Ｏリング４７が弾性体であることから若干の力が加わればＯリング４７が変形してレンズ５及び静圧機構１８に対し若干傾動することができるようになっている（図３参照）。

ここで、差動排気機構１９には、真空排気による真空圧（負圧）が常にかかっているため、試料６に厚さムラや回転ぶれ等が発生すると差圧が発生し、その差圧を埋める方向に引かれる。その結果、差動排気機構１９が傾動することとなる。

また、差動排気機構の対物レンズ側の面積Ｓ１と試料に対向する面側の面積Ｓ２に差があることから、その差に比例して真空度に差を生じ、差動排気機構側へ試料６を引き付けるように力が働いている。

この差動排気機構１９の傾動と、試料６が差動排気機構１９側に引き寄せられることによって、局所真空機構１０は試料６に厚さムラや回転ぶれ等があっても、差動排気機構１９と試料６が相対的にそれに追従して、確実に５μｍ程度の微小な間隙を維持できるようになっている。その結果、従来よりも高い真空度（８×１０^-4Ｐａ）を維持することが可能になった。

そして、試料６を局所真空機構１０の方向に引き寄せる力を発生させる手段として、差動排気機構１０のブロック４０には、試料６との対向面に開口する第１の差動排気用真空溝４２ａと第２の差動排気用溝４２ｂが設けられている。この第１の差動排気用真空溝４２ａと第２の差動排気用溝４２ｂは、試料６との対向面から見て電子ビーム出射孔４１を中心とする同心円状に形成されているもので、この第１の差動排気用真空溝４２ａと第２の差動排気用溝４２ｂには夫々ホース１５ａと１５ｂを介して、特に図示しない排気手段が連結され、この排気手段によって第１の差動排気用真空溝４２ａと第２の差動排気用溝４２ｂから排気すなわち気体の吸引が行われている（図４参照）。

この排気手段としては真空ポンプが用いられ、ここで電子ビーム出射孔４１に近い第１の差動排気用真空溝４２ａには、これより外側の第２の差動排気用真空溝４２ｂよりも高い真空度に排気できる真空ポンプを連結し、第２の差動排気用真空溝４２ｂよりも強くなるように設定する。

さらに静圧機構１８のブロック３０には、差動排気機構１９の第２の差動排気用真空溝４２ｂの外側において、試料６との対向面に露出する浮上用多孔質３２が埋め込まれている。この浮上用多孔質３２は通気性を有する多孔質の固体材料によりなるもので、試料６との対向面から見て電子ビーム出射孔４１を中心とするリング状に形成されており、この浮上用多孔質３２の裏側において静圧機構１８のブロック３０の内部には気体の流路３３が形成されている（図３参照）。

この流路３３には特に図示しない給気手段が連結されており、この給気手段から流路３３に圧縮気体（正圧）が供給され、これが浮上用多孔質３２から試料６に向けて噴出されるようになっている。

このように構成される局所真空機構１０を試料６の上に載せた状態で各排気手段及び給気手段を作動させると、浮上用多孔質３２から噴出される気体によって局所真空機構１０に対し試料６が僅かに押し下げられ、同時に第１の差動排気用真空溝４２ａと第２の差動排気用真空溝４２ｂから気体が吸引されて溝内が負圧となることによって局所真空機構１０に試料６が吸い付くように作用し、このため局所真空機構１０は試料６に対し５μｍ程度の微小な間隙３５を保ちながら非接触で浮上する状態となるので、試料６の水平移動や回転には支障がない。

このとき静圧機構１８の浮上用多孔質３２から噴出される気体は、その周囲に形成されている差動排気機構の第１の差動排気用真空溝４２ａと第２の差動排気用真空溝４２ｂで吸引されることにより電子ビーム出射孔４１に至ることが回避され、この場合、浮上用多孔質３２からの気体は先ず第２の差動排気用真空溝４２ｂで吸引され、さらに第１の差動排気用真空溝４２ａで吸引されることになり、ここで第１の差動排気用真空溝４２ａでの吸引力は第２の差動排気用真空溝４２ｂの吸引力より強くなっているため、局所真空機構１０の中心部に行くほど真空度を高くでき、これによって電子ビームカラム９の内部を電子ビームの照射に支障のない真空度に保つことができるというものである。

なお、図２に示す符号５は、電子ビームカラム９の先端に取り付けられた対物レンズ５であり、電子ビームカラム９の電子銃１から発せられた電子ビームは電子ビーム通路３１を通ってこの対物レンズ５の先端から出射され、局所真空機構７０の電子ビーム出射孔４１を通って試料の表面に照射される。この対物レンズ７５においては、電子ビーム通路４６の周りに電磁コイル７５ａが配されており、この電磁コイル５ａによって電子ビームが収束されて試料６の表面にビームスポットを形成する。

以上の結果、本発明の照射ヘッド５０の局所真空機構１０は、従来の局所真空機構７０に比べて対物レンズをより試料に近接させることができるようになり、電子顕微鏡の分解能を高めることができた。図９の従来の局所真空機構７０と、図１０が本発明の局所真空機構１０とにより対物レンズの近接具合が比較できる。

図９に示す従来の局所真空機構７０では、対物レンズ７５の下端を局所真空機構のブロック８０の電子ビーム出射孔８１の周囲の凹所８０ａにできるだけ近接させるようにしているが、局所真空の構造である差動排気用真空溝や差動排気孔の分の厚さと、倣い機構９０の伸縮分の間隔とは確保せざるを得なかった。その分が対物レンズ７５と試料６の近接の制限となっていた。
これに対し、図１０に示す本発明の局所真空機構１０では、対物レンズの下側ヨークのブロック２５が静圧機構のブロック３０が一体化されており、対物レンズ５と試料６をより近接させることができる。

以上まとめると、課題を解決するために照射ヘッド５０における真空を維持するための差動排気機構１９と局所真空機構１０を浮上させるための静圧機構１８を別構造とし、静圧機構１８と対物レンズ５とを一体構造にすることにより対物レンズ５と試料６との間隙３５が微小であっても局所的な真空領域が作れる構造とした（図３参照）。

また、照射ヘッド５０の局所真空機構１０の静圧機構１８を電子ビームカラム９に直接取り付けるために試料６の厚み公差や試料支持手段１３の高さ変動を吸収する機構である試料側倣い機構５１を試料６側に取りつけることにより、対物レンズ下ヨーク１７と試料６の間隙３５が試料６の厚み公差が変わっても絶えず一定の距離を保てるようにした（図３〜５参照）。

また、試料６側を局所真空機構１０に倣わせる構造としたため面積の大きいものが倣うので局所真空機構１０と試料６の間隙３５を一定にするのが難しかったが、差動排気機構１９の対物レンズ５側の接触面積Ｓ１と試料６側の接触面積Ｓ２に差をもうけることにより、圧力差を生じさせ、絶えず差動排気機構１９を試料６側に引き付ける力関係が成り立つ構造にし、差動排気機構１９部分が試料６に倣う構造にした。そのため試料６を局部真空機構１０の全体の面積の内の極めて小さい部分を試料６に倣わすことになるため、一定の間隙ができやすくなり、従来の局所真空機構７０より高真空を実現した（図４参照）。

よって、従来よりも試料に対して近接し、かつ高真空とすることができる局所真空機構を実現し、これを用いて高分解能の電子顕微鏡を得ることができた。

なお、本実施の形態では、差動排気用真空溝を２本使用したが、さらに本数の多いものでも良い。差動排気用真空溝の本数が多いほど中心部の真空度を高く保つことが可能である。

また、本実施の形態では、差動排気機構の支持手段をＯリングとしたが、他の支持手段でも良い。例えば、樹脂シートにより対物レンズの中空部内に吊り下げても良い。また、ユニバーサルジョイントによって対物レンズに連結してもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。本発明の傾動可能な差動排気機構を有する局所真空機構と、試料側倣い機構との組み合わせによれば、電子ビームカラムの対物レンズと被照射体との間隔をより近接させられるため、その焦点のビームスポット径をより小さくすることができる。

従って、実施の形態では、電子顕微鏡を説明したが、電子ビーム照射による各種の加工装置や検査装置に適用すればその機能を向上することが可能である。例えば、光ディスクの原盤記録装置では、信号トラックの線幅をより細くできるので高密度記録に有利となる。また、検査装置においては、電子顕微鏡の場合と同様に、分解能をより細かくすることができる。

本発明の実施の形態の走査型電子顕微鏡の全体構造図である。 本発明の実施の形態の概略図を示す。 本発明の実施の形態の照射ヘッドの縦断面図である。 本発明の実施の形態に用いる差動排気機構の拡大縦断面図である。図３のＡで示す部分を拡大して示したものである。 本発明の実施の形態に用いる試料側倣い機構のある試料支持手段の概略図を示す。 従来例の全体構造図である。 従来例の概略図である。 従来例の要部の縦断面図である。 従来の局所真空機構の縦断面の斜視図である。 本発明の実施の形態の局所真空機構の縦断面の斜視図である。

符号の説明

１・・・電子銃、２・・・コンデンサレンズ、３・・・検出器、３ａ・・・偏向器、４・・・走査コイル、５・・・対物レンズ、５ａ・・・コイル、６・・・試料、７・・・試料チャック、８・・・真空チャンバー、８ａ・・・開口、９・・・電子ビームカラム、９ａ・・・開口、
１０・・・局所真空機構、１１・・・支持構造体、１１ａ・・・支持柱、１１ｂ・・・天板、１２・・・基台、１３・・・試料支持手段、１４・・・排気管、１４ａ・・・排気管、１４ｂ・・・排気管、
１５ａ・・・ホース（排気管）、１５ｂ・・・ホース（排気管）、１６・・・対物レンズ上ヨーク、１７・・・対物レンズ下ヨーク、１８・・・静圧機構、１９・・・差動排気機構、
２０・・・ブロック、２１・・・第１の円柱部、２２・・・第２の円柱部、２３・・・貫通孔、２４・・・電子ビーム通路、２５・・・ブロック、２６・・・第１の中空部（空間）、２７・・・第２の中空部（空間）、２８・・・底部、２８ａ・・・開口、
３０・・・ブロック、３０ａ・・・フランジ、３１・・・電子ビーム通路、３２・・・浮上用多孔質、３３・・・流路、３５・・・間隙、３６・・・間隙、３７・・・間隙、３８・・・間隙、３９・・・間隙、
４０・・・ブロック、４１・・・電子ビーム出射孔、４２ａ・・・差動排気用真空溝、４２ｂ・・・差動排気用真空溝、４３・・・差動排気孔、４６ａ・・・Ｏリング、４６ｂ・・・Ｏリング、４７・・・Ｏリング、５０・・・照射ヘッド、
５１・・・試料側倣い機構、５４・・・ガイドレール、５５・・・スライドテーブル、５６・・・スピンドルモータ、
６１・・・θ軸（θ軸移動手段）、６２・・・Ｘ軸（Ｘ軸移動手段）、６４・・・外側ベローズ、６５・・・内側ベローズ、６６・・・ベローズ間隙、
７０・・・局所真空機構、７３・・・試料支持手段、７４・・・真空空間、７５・・・対物レンズ、７６・・・電子ビーム通路、
８０・・・ブロック、８０ａ・・・凹部、８１・・・電子ビーム出射孔、８２・・・浮上用多孔質、８３ａ・・・差動排気用真空溝（気体吸引溝）、８３ｂ・・・差動排気用真空溝（気体吸引溝）、８４ａ・・・差動排気孔、８４ｂ・・・差動排気孔、８５・・・ブロック、８７・・・流路、
９０・・・局所真空機構側倣い機構、９４・・・外側ベローズ、９５・・・内側ベローズ、９６・・・ベローズ間隙、
ｂ・・・電子ビーム、
Ｓ１・・・対物レンズ側の接触面積、Ｓ２・・・試料側の接触面積、

Claims (7)

1. 試料に対して微小な間隙をもって支持され、前記試料に対して出射される電子ビーム及び前記試料から放出される２次電子が通過可能な通路を有する照射ヘッドであって、
   前記照射ヘッドは、静圧機構と差動排気機構から成る局所真空機構と、対物レンズを有し、
   前記対物レンズには、前記通路を中心にしてその周囲をリング状に囲み、前記試料との対向面に開口する中空部が形成され、
   前記静圧機構は、前記通路を中心にしてその周囲をリング状に囲み、前記対物レンズの前記中空部の開口の外周に一体的に取付けられ、
   前記差動排気機構は、前記中空部内に支持手段により傾動自在に支持されていることを特徴とする照射ヘッド。
2. 前記差動排気機構が、前記電子ビームの通路を中心にその周囲に、前記試料との対向面に開口を有する２以上のリング状気体吸引溝が形成され、前記通路と前記リング状気体吸引溝には排気手段が連結され、中心側に位置するリング状気体吸引溝を、より高い排気にすることを特徴とする請求項１に記載の照射ヘッド。
3. 前記支持手段が、対物レンズと差動排気機構の間に装着されたＯリングであることを特徴とする請求項１に記載の照射ヘッド。
4. 前記静圧機構には、前記差動排気機構の周囲に、圧縮気体供給手段に接続されるリング状の気体噴出口が前記試料との対向面に開口して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照射ヘッド。
5. 前記静圧機構の、前記気体噴出口に多孔質からなるリング状の通気パッドが嵌められていることを特徴とする請求項４に記載の照射ヘッド。
6. 電子ビームの照射源を収容した電子ビームカラムと、
   前記電子ビームカラムと連結され、前記電子ビームを試料に対して出射させる出射孔を前記試料との対向面に形成した照射ヘッドと、
   前記試料を前記照射ヘッドに対して略水平に支持する試料支持手段を具備する電子顕微鏡であって、
   前記照射ヘッドは、試料に対して微小な間隙をもって支持され、前記試料に対して出射される電子ビーム及び前記試料から放出される２次電子が通過可能な通路を有する照射ヘッドであって、
   前記照射ヘッドは、静圧機構と差動排気機構から成る局所真空機構と、対物レンズを有し、
   前記対物レンズには、前記通路を中心にしてその周囲をリング状に囲み、前記試料との対向面に開口する中空部が形成され、
   前記静圧機構は、前記通路を中心にしてその周囲をリング状に囲み、前記対物レンズの前記中空部の開口の外周に一体的に取付けられ、
   前記差動排気機構は、前記中空部内に支持手段により傾動自在に支持されていることを特徴とする電子顕微鏡。
7. 前記試料支持手段は、前記試料を固定する試料チャックと、前記試料チャックを支持する試料ステージと、前記チャックと前記試料ステージを連結させる試料側倣い機構を有し、
   前記チャックと前記試料ステージは前記試料側倣い機構によって伸縮自在に連結され、前記照射ヘッドが試料に非接触で吸着した状態で電子ビームが試料に照射されることを特徴とする請求項６に記載の電子顕微鏡。

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