JP2013140741A - 真空容器を備えた荷電粒子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明、比較的簡単な構造で試料、或いは試料台の冷却を実現する荷電粒子線照射装置の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源と、試料台と、当該試料台を移動させる駆動力を伝達する伝達機構を有する駆動機構を備えた荷電粒子線照射装置であって、真空室内に配置されると共にイオン液体（１２）の収容が可能な容器とを有し、当該容器は、前記イオン液体が収容されたときに、前記伝達機構の少なくとも一部がイオン液体に浸かる位置に設けられている荷電粒子線照射装置を提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は真空容器を備えた荷電粒子線照射装置に係り、特に荷電粒子線の照射対象である試料、照射対象を搭載するための試料台、或いは当該試料台を駆動するための駆動機構を冷却する冷却機構を備えた荷電粒子線装置に関する。

真空容器を備えた荷電粒子線装置の一態様であるイオンミリング装置は、真空排気した試料室に試料を設置し、１０ｋＶ程度以下に印加したアルゴンイオンビームを試料に照射し、物理スパッタリング現象を利用して試料表面から原子を弾き飛ばし、無応力で試料を削る装置である。イオンミリング装置は、例えば走査電子顕微鏡用試料を作成する際に使用される。

走査電子顕微鏡用試料を作成する場合におけるイオンビームの照射条件は、例えば加速電圧が１０ｋＶ程度、イオンビーム電流は２００μＡ程度である。このとき、イオンビーム照射によって試料に与えられる熱量は２Ｊ／ｓ程度となる。イオンミリング装置では、イオンビーム照射範囲がφ５mm程度、加工時間が数時間を超えることがある。高分子材料等の低融点試料の場合、長時間加工の際の温度上昇が無視できないため、試料冷却が必要となる。

非特許文献１には、真空試料室内に試料を冷却するための液体窒素やペルチェ素子を用いた冷却機構が紹介されており、試料室外に設置した液体窒素デュアーと試料ステージを銅製の編み線などを用いて接続した冷却方式や、液体窒素デュアーと試料ステージを配管で接続して冷媒として用いる冷却方式が記されている。

特許文献１には、基板ホルダに冷却ガス通路を設け、加工対象試料を冷却するイオンミリング装置が開示されている。

特開２００５−１０９３３０号公報

日本電子顕微鏡学会関東支部，走査電子顕微鏡，共立出版，pp１４１

一方、特許文献１に開示されている装置と異なり、イオンミリング装置の中には、試料表面に対するビームの入射角度等を変えて加工を行うものがある。この場合、試料を保持する試料台には、傾斜機構や回転機構が設けられることになるが、このような駆動機構と冷却機構を試料台に併存させようとすると構造が複雑になる。また、非特許文献１に説明されているように、試料ステージのような移動物体と、冷却媒体が設置されるような非移動物体との間に、熱伝達機構を介在させようとすると、両者の相対位置が変化するため、熱伝達媒体と他部材が擦れて劣化することも考えられる。

更に、半導体デバイスを測定対象とするような走査電子顕微鏡では、ＯＰＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）パターンの評価を行う場合等、測定対象が１枚のウェハで数千点に及ぶこともあり、その際に試料ステージの摺動部にて発生する熱によって、ウェハの熱のびや像ドリフトが発生し、測定対象位置に電子顕微鏡の視野を位置付けることが難しくなる場合がある。このような走査電子顕微鏡においても、試料や試料台を冷却することが望ましいが、やはり、試料台を駆動するための駆動機構と冷却機構を併存させる必要があり、構造が複雑になる。

以下に、比較的簡単な構造で試料、或いは試料台の冷却を実現することを目的とする真空容器を備えた荷電粒子線照射装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源と当該荷電粒子源から放出される試料を載置するための試料台と、当該試料台を移動させる駆動力を伝達する伝達機構を有する駆動機構と、前記試料が載置される雰囲気を真空状態に維持する真空室と、当該真空室内に配置されると共にイオン液体の収容が可能な容器とを有し、当該容器は、前記イオン液体が収容されたときに、前記伝達機構の少なくとも一部がイオン液体に浸かる位置に設けられている荷電粒子線照射装置を提案する。

イオン液体は、真空雰囲気内で液体状態を維持することができるため、駆動機構の駆動力伝達機構を漬けた状態とすることによって、駆動力を伝達させつつ、試料や試料台の蓄熱を抑制することが可能となる。

イオンミリング装置の一例を示す図。 試料の温度制御を伴うイオンミリング装置による加工工程を示すフローチャート。 傾斜機構を備えたイオンミリング装置の一例を示す図。 イオンガンの位置と試料ステージの傾斜角度との関係を示す図。 冷却機構を備えた試料ステージの一例を示す図。 走査電子顕微鏡の一例を示す図。 試料の種類ごとに制御温度を記憶するデータベースの一例を示す図。

以下、試料や試料台の蓄熱を効果的に抑制する荷電粒子線装置について説明する。

本実施例では、走査電子顕微鏡等の試料を作成するイオンミリング装置について説明する。本実施例では特に、試料室外に設置した液体窒素デュアーと試料ステージを銅製の編み線や冷媒配管等で直接接続することなく試料を冷却する冷却機構を備えたイオンミリング装置について説明する。

以下に説明するようなイオンミリング装置は、試料表面へのイオンビーム入射角を適時変える必要がある。具体的には試料を設置するステージには、照射されるイオンビームに対して、試料を回転する回転機構や傾斜機構が設けられている。このため、試料室外に設置した液体窒素デュアー等と試料ステージを銅製の編み線や冷媒配管等で直接接続することが困難である。

そこで、本実施例装置は、試料室内部に真空中で液体状態を維持できるイオン液体を用いた冷却媒体を有する機構を設け、試料室外部から前記冷却媒体を温調し、冷却媒体と接触する試料ステージを直接冷却する機構を設ける構成とした。また、本実施例では、前記イオン液体を用いた冷却媒体中に試料ステージの駆動機構を設け、試料ステージの冷却と試料ステージの回転およびスイング駆動を併せて行うことのできるイオンミリング装置について説明する。

図１は、試料温度の制御が可能な試料ステージを備えたイオンミリング装置の一例を示す図である。図１に例示するイオンミリング装置は、イオンガン１、試料室６、真空排気用ポンプ７、試料ステージ５から構成されている。イオンガン１でイオン３を発生させ、イオンガン１から試料４にイオンビーム２が照射されることで試料４表面から原子を弾き飛ばし、無応力で試料４を平滑に削る電顕用試料前処理装置である。本実施例では、試料を冷却するための冷却媒体としてイオン液体１２を用いた。イオン液体１２に試料ステージ５の一部が浸かるように試料ステージ５を配置し、前記イオン液体１２の温度を調整する温度コントローラー１３を設け、前記イオン液体１２を介して直接前記試料ステージ５および試料４を冷却する機構を備えた。また、ウォームギア８をモータ９で回転させ、回転の変動を平歯車１０へ伝え試料ステージ５下部に設けられたユニバーサルボールジョイント１１を用いて試料ステージ５全体を回転させる機構を備えた。更に、試料４表面に照射されるイオンビーム２照射角度を可変するイオンガン移動機構を備えた。

図１に例示するように、冷媒となるイオン液体は、浸漬された駆動機構表面を漏れなく覆うように、駆動機構と接するため、冷却効率を高くすることができる。また、イオン液体は真空室内においても蒸発することがないので、液体槽を設けるという簡単な構成に基づいて冷却機構を設置することが可能となる。

図２は、試料の温度調整工程を示すフローチャートである。図２の例は、温度コントローラー１３が取り付けられたイオン液体１２を介し、直接試料ステージ５および試料４を冷却する機構を用いて、試料を冷却する工程を説明するものである。

本例では、イオンミリング装置の動作に応じて温度コントローラー１３を用いた温度制御を行うことによって、試料の加工中および試料取出し時のイオン液体１２、試料ステージ５および試料の温度を適正に管理する。

まず、試料室（真空室）を大気開放（ステップ２０１）し、試料４を装置本体の試料ステージ５にセットし、試料室の真空排気を開始する（ステップ２０２）。試料室の真空排気を完了（ステップ２０３）した後、温度コントローラー１３をオンにする（ステップ２０４）。このとき併せて、温度コントローラー１３に内蔵された温度計を用いてイオン液体の温度測定を開始する（ステップ２０５）。

以上の状態にて、イオンビームを用いた試料の加工を開始する（ステップ２０６）。加工が行われている状態において、温度コントローラー１３を用いてイオン液体の温度が室温（設定温度）を保っているか否かの確認を行う（ステップ２０７）。加工中、イオン液体の温度が室温（設定温度）には、加工終了（ステップ２０９）に至るまで、その状態を継続する。一方、加工中、イオン液体の温度が室温（設定温度）から変化した場合には、温度コントローラーにてイオン液体が室温（設定温度）になるまで温度調整を行う（ステップ２０８）。

以上のように、温度コントローラー１３を用いて、イオンビームを用いた加工中、イオン液体が設定温度に保たれているかを確認し、設定温度を満たさなくなったと判断される場合には、設定温度となるような制御が行われる。

加工完了（ステップ２０９）の後、温度コントローラーにてイオン液体の温度と大気中の温度が同じであることを確認（ステップ２１０）する。このとき、イオン液体の温度と大気中の温度が同じである場合には、温度コントローラーによる温度制御を停止（ステップ２１１）し、真空室の大気開放を開始する（ステップ２１２）。

一方、イオン液体の温度と大気中の温度が異なる場合、温度コントローラーにてイオン液体が室温（設定温度）になるまで温度調整を行う（ステップ２０８）。温度調整後、温度コントローラーによる制御を停止し、大気開放を開始する（ステップ２１１、２１２）。図示しない真空計やタイマーによって、真空室が大気に戻ったと判断されたときに、大気開放を終了する（ステップ２１３）。

以上のように、試料加工時、及び試料導入前後にて、試料ステージを所定温度に制御することによって、試料に対する熱ダメージを抑制することが可能となる。

上記実施例によれば、電子顕微鏡およびイオンミリング装置などにおいて、試料ステージの回転およびスイング駆動の制限を受けず、且つ、冷却機構を用い、高分子材料などの融点の比較的低い試料の加工において、イオンビームによる熱ダメージが軽減され、軟化による試料の変形や構造の破壊を軽減することが可能となる。

図３は、図１のイオンミリング装置に更に傾斜機構を備えた例を説明する図である。図３に例示するイオンミリング装置は、試料ステージ５を、傾斜運動が可能なステージベース１７上に設置している。ステージベース１７は、駆動軸１６を介して、モータ１５によって駆動され、イオンビームの照射中、駆動軸１６を傾斜軸とする傾斜往復運動が行われる。図３に例示するような構成においても、駆動機構の一部をイオン液体１２に浸漬することができるので、温度コントローラー１３による温度制御によって、適切な温度管理を行うことが可能となる。

図４は、イオンミリング装置におけるイオンガン１の位置と試料ステージ５との間の位置関係を示す図である。図３に例示するような傾斜運動は、図３に例示した傾斜機構によって行われる。イオンガン１を装置の垂直方向１８に対し４５度傾斜させた位置に配置しており、図４（ａ）に示す試料ステージ５の傾斜が０度の場合、試料表面に照射されるイオン照射角度は４５度である。同様に図４（ｂ）に示す試料ホルダ表面がイオンガン方向に４５度傾斜した場合、試料表面に照射されるイオン照射角度は０度である。また、図４（ｃ）に示す試料ホルダ表面がイオンガン方向に４５度傾斜した場合、試料表面に照射されるイオン照射角度は９０度である。イオンガン１をあらかじめ装置の垂直方向１８に対し傾斜させた位置に配置し、前記試料ステージ５を前記冷却媒体内で左右に傾斜させることで、試料表面に照射されるイオンビーム照射角度を可変する機構であり、且つ冷却媒体であるイオン液体１２に直接浸かっている試料ステージ５がイオン液体１２の外に出ることなく、試料ステージ５および試料４を冷却し続ける機構を備えた。

次に、イオン液体を温度伝達媒体とする冷却気候を備えた荷電粒子線装置の一態様である電子顕微鏡を、図面を用いて説明する。

図６は、荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）の概要を示す図である。なお、本実施例はＳＥＭを例にとって説明するが、他の荷電粒子線装置（例えば集束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）装置）や電子ビームを用いて試料にパターン描画する電子線描画装置に、以下の実施例を適用することも可能である。

電子源６０１から引出電極６０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビーム６０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ６０４によって、絞られた後に、走査偏向器６０５により、試料６０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム６０３は試料台６０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ６０６のレンズ作用によって集束されて試料６０９上に照射される。

試料６０９に電子ビーム６０３が照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子６１０が放出される。放出された電子６１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極６１２に衝突し、二次電子６１１を生じさせる。変換電極６１２から放出された二次電子６１１は、検出器６１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器６１３の出力が変化する。この出力に応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器６０５への偏向信号と、検出器６１３の出力との同期をとることで、走査領域の画像を形成する。なお、図３の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。

制御装置５１２は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。

また、真空試料室６０７には、図示しない真空ポンプが接続されており、その内部空間が真空排気される。試料台６０８の少なくとも一部は、液体槽５０２に収容される。

図５は、駆動機構を構成する機械要素と、温度伝達媒体であるイオン液体を収容する液体槽５０２との関係を示す図である。本実施例の要旨は、動力源から試料（或いは試料台）に至るまでの駆動力伝達経路の少なくとも一部を、イオン液体に漬けることによって、試料、或いは試料台の蓄熱を抑制することにある。図５は、電子顕微鏡等の荷電粒子線照射装置に用いられるＸ−Ｙステージを例示するものである。本実施例では、説明を簡単にすべく、一方向（Ｘ方向、或いはＹ方向）のステージの駆動力伝達機構を説明するが、Ｘ−Ｙステージの場合、図５に例示する駆動力伝達機構が２方向に設けられる。

また、実施例１では、試料の回転機構や傾斜機構の駆動力伝達機構を、イオン液体が収容された液体槽に漬ける例について、説明してきたが、例えばＺ方向（電子顕微鏡の場合、ビームの光軸方向）のステージ機構を駆動する駆動機構を液体槽に漬けるようにすることも可能である。なお、熱伝導性の高い試料ステージであれば、Ｘ方向の移動機構、Ｙ方向の移動機構の一方を冷却するようにすることによって、試料まで冷却することが可能となるため、この場合は移動方向が２方向であっても、一方（下方に位置する移動機構）をイオン液体に漬けるようにすれば良い。

ステージ５０１は、モーター等の駆動源５０３から、歯車５０４、歯車５０５、かさ歯車５０６、かさ歯車５０７、及びボールねじ５０８を経由して伝達された駆動力によって、図示された方向に移動可能に構成されている。当該ステージ機構の一部は、イオン液体を収容する液体槽５０２に含まれている。

また、液体槽５０２の中には、温度計５１７と冷却機構５１８が、イオン液体に浸漬されるように設置されている。冷却機構５１８は例えばペルチェ素子のような温度制御機構によって構成されている。更に温度計５１７と冷却機構５１８は制御装置５１２に接続されている。制御装置５１２には、温度計５１７を用いてイオン液体の温度計測を行う温度検出部５１４、温度検出部５１４によって検出された温度と、メモリ５１６等に予め記憶されている目標温度との差分を算出する比較部５１５、及び当該比較部５１５によって求められた差分に応じて、温度制御機構を制御する温度制御部５１３が内蔵されている。また、メモリ５１６には、図７に例示するような試料の種類ごとに適正な温度条件を記憶するデータベースが登録されている。

ＳＥＭでは、試料台と試料との温度差に基づく像ドリフト等が発生する可能性があるが、本実施例のように、イオン液体を温度伝達媒体とする温度管理を行うことによって、両者の温度差を低減し、結果として像ドリフト等を抑制することが可能となる。また、試料の種類に応じてドリフトの程度が変化する場合には、図７に例示するようなデータベースを予め構築しておくことによって、試料の種類によらず、像ドリフトを抑制することが可能となる。更に、ステージの連続移動によって、ステージ温度が上昇する場合であっても、ステージ温度を適正に制御することが可能となる。

この図５に例示する駆動機構を構成する機械要素を仮想的に３つに分離すると、駆動源５０３に最も近い第１の機械要素５０９、イオン液体に接触する第２の機械要素５１０、及び第２の機械要素５１０と試料台５０１との間に位置する第３の機械要素５１１に分けられる。本実施例の要旨は、少なくとも第２の機械要素をイオン液体に浸漬することによって、試料、或いは試料ステージを冷却することにある。

より具体的には、動力源（例えば駆動源５０３）、或いは当該動力源から動力が伝達される機械要素（歯車、ラック、ピニオン、ギア、スプロケット、歯車のシャフト等の上流の機械要素（例えば第１の機械要素５０９））から動力が伝達される下流の機械要素であって、動力源、或いは上記上流の機械要素より、重力場の向かう方向（下方）に位置する機械要素（例えば第２の機械要素５１０）を、イオン液体に漬ける。また、第２の機械要素は、イオン液体より上方（重力場が向かう方向とは逆の方向）に位置する試料台、或いはイオン液体より上方に位置すると共に試料台に動力を伝達する機械要素（例えば第３の機械要素５１１）に、動力を伝達する。このように第２の機械要素を選択的に、イオン液体に漬けることによって、試料台から伝わる熱をイオン液体との熱交換によって、試料台から逃がすことが可能となる。イオン液体は重力によって容器（液体槽）底側に溜まるため、動力伝達のための機械要素を、一旦下方に向かって延伸させ、再度上方に向かって延伸するように構成することによって、動力源や試料台（或いは試料）を、イオン液体に漬けることなく、機械要素の一部を選択的にイオン液体に漬けることが可能となる。

このような構成によれば、真空室内において、冷却用の温度伝達媒体（イオン液体）を、機械要素の表面に密着し、且つ覆うように配置することができるため、試料、或いは試料ステージを高効率に冷却することが可能となる。

１ イオンガン
２ イオンビーム
３ イオン
４ 試料
５ 試料ステージ
６ 試料室
７ 真空排気用ポンプ
８ ウォームギア
９、１５ モータ
１０ 平歯車
１１ ユニバーサルボールジョイント
１２ イオン液体
１３ 温度コントローラー
１４ イオンガン移動機構
１６ 駆動軸
１７ ステージベース
１８ 装置の垂直方向

Claims (11)

1. 荷電粒子源と当該荷電粒子源から放出される試料を載置するための試料台と、当該試料台を移動させる駆動力を伝達する伝達機構を有する駆動機構と、前記試料が載置される雰囲気を真空状態に維持する真空室と、当該真空室内に配置されると共にイオン液体の収容が可能な容器とを有し、当該容器は、前記イオン液体が収容されたときに、前記伝達機構の少なくとも一部がイオン液体に浸かる位置に設けられていることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
2. 請求項１において、
   前記容器内の温度を制御する温度制御機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
3. 請求項１において、
   前記伝達機構は、動力源、或いは当該動力源から駆動力が伝達される第１の機械要素より、重力場が向かう方向に配置され、当該第１の機械要素から駆動力を伝達される第２の機械要素を備え、当該第２の機械要素が、前記イオン液体に浸漬されていることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
4. 請求項１において、
   前記駆動機構は、前記試料を回転する回転機構を備え、少なくとも当該回転機構に含まれる歯車が、前記イオン液体に浸漬されることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１において、
   前記駆動機構は、前記試料を傾斜する傾斜機構を備え、当該傾斜機構によって傾斜される部分が、前記イオン液体に浸漬されることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５において、
   前記傾斜機構によって傾斜される部分上に、前記試料を回転する回転機構が設置され、当該回転機構の少なくとも一部が前記イオン液体に浸漬されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１において、
   前記容器内の温度を制御する温度制御機構を備え、当該温度制御装置は、前記イオン液体を所定温度に維持することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
8. 請求項１において、
   前記荷電粒子線照射装置は、イオンミリング装置であることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
9. 荷電粒子源と当該荷電粒子源から放出される試料を載置するための試料台と、当該試料台を移動させる駆動力を伝達する伝達機構を有する駆動機構と、前記試料が載置される雰囲気を真空状態に維持する真空室と、当該真空室内に配置されると共にイオン液体の収容が可能な容器とを有し、
   前記駆動機構は、試料台を駆動するための駆動源から駆動力が伝達される第１の機械要素と、当該第１の機械要素から駆動力が伝達されると共に、前記第１の機械要素に対し重力場の向かう方向に位置する第２の機械要素と、当該第２の機械要素と前記試料台との間に位置する第３の機械要素を含み、前記容器は当該第２の機械要素が前記イオン液体に浸漬されるように位置することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
10. 請求項９において、
    前記容器内の温度を制御する温度制御機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
11. 請求項１０において、
    前記容器内の温度を検出する温度計を備え、前記温度制御機構は、当該温度計による検出温度に基づいて、前記イオン液体の温度を制御することを特徴とする荷電粒子線照射装置。