JP2014235883A - 電子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電子電カラムに対して各電子線カラムを操作するための伝達機構の挿入を可能にし、機能性および保守性を向上させる。【解決手段】試料表面に電子線を照射する電子線光学系と電子線の照射によって発生した電子を検出する検出系とを筐体内部に備える複数の電子線カラムからなる電子線装置であって、各電子線カラムは、電子線光学系および検出系を収納する筐体が、最大径を有する筒部である大径部と大径部よりも小径の筒部である小径部とから構成され、相隣接する電子線カラムの大径部が略接するように稠密状に配置され、相隣接する電子線カラムの小径部によって電子線カラムの外部に形成される空間を介して、電子線カラムの小径部に、電子線カラムの内部と外部との間で情報を伝達するための機械的伝達機構または光学的伝達機構の少なくとも１つが導入される。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体等のパターン検査等に用いる電子線装置に関する。

電子線カラムを備える電子線装置では、検査対象である半導体ウェハ等の試料について電気特性、外観検査、異物検査が行われる。例えば電子線装置は、コンタクトホールの電気特性検査（オープン、ショート）を帯電状況により画像化して行われる。具体的には図９に示すように、電子線装置は、試料（例えば半導体ウェハＷ）の参照位置での走査型電子顕微鏡画像（以下、「ＳＥＭ像」ともいう。）と検査位置でのＳＥＭ像とを比較し、画像を比較して色の異なる箇所を欠陥位置として検出する。

このような電子線カラムを利用した検査において試料全面を電子線で走査するには多大の時間を要する。そこで、例えば特許文献１、２のように、電子線カラムを複数備える電子線装置を用いて試料を短時間で検査することが提案されている。

米国特許第４８９６０６３号明細書 特開２００５−１２１６３５号公報

しかし、従来のような複数の電子線カラムをチャンバー内に配置した検査装置では、単一の電子線カラムからなる検査装置と比較して、電子線カラムを小型化するために機能が省略されていた。そのため、検査装置の性能面や機能面での不足や保守性に問題があった。例えば、従来、電子線の電流を決定する電流絞りは各電子線カラムに固定し配置されていた。しかし、電流絞りを固定すると複数の電流条件において最小となるビーム径が実現できないという性能面の問題があった。また、電流絞りを固定すると、ある一つのカラムの絞りが汚れて交換が必要となった場合、装置全体を解体して交換する必要があり、保守上の問題となっていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、複数の電子電カラムに対して各電子線カラムを操作するための伝達機構の挿入を可能にし、機能性および保守性を向上させることが可能な、新規かつ改良された電子線装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、試料表面に電子線を照射する電子線光学系と電子線の照射によって発生した電子を検出する検出系とを筐体内部に備える複数の電子線カラムからなる電子線装置が提供される。各電子線カラムは、電子線光学系および検出系を収納する筐体が、最大径を有する筒部である大径部と大径部よりも小径の筒部である小径部とから構成され、相隣接する電子線カラムの大径部が略接するように稠密状に配置され、相隣接する電子線カラムの小径部によって電子線カラムの外部に形成される空間を介して、電子線カラムの小径部に、電子線カラムの内部と外部との間で情報を伝達するための機械的伝達機構または光学的伝達機構の少なくとも１つが導入される。

機械的伝達機構および光学的伝達機構は、複数の電子線カラムを一方向に配列したカラム列方向において、カラム列方向最大幅が大径部の最大径の半分以下で、かつ軸対称であり、電子線装置の高さ方向において、高さ方向最大幅が大径部の最大径の半分より大きく、かつ軸に対して非対称であってもよい。

また、機械的伝達機構および光学的伝達機構は、複数の電子線カラムを一方向に配列したカラム列方向における電子線カラムの内部に挿入される先端部の幅は、最大径と先端部が挿入される小径部の径との差分以下であり、かつ最大径の半分以下であってもよい。

機械的伝達機構は、例えば可動絞り機構や仕切弁等を電子線カラム内に導入する機構であり、光学的伝達機構は、例えば電子検出器を電子線カラム内に導入する機構である。

以上説明したように本発明によれば、複数の電子電カラムに対して各電子線カラムを操作するための伝達機構の挿入を可能にし、機能性および保守性を向上させることが可能な電子線装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電子線装置の概略構成を示す説明図である。 同実施形態に係る複数の電子線カラムの一配置例を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ切断線における断面図である。 同実施形態に係る電子線カラムの構成を示す説明図である。 伝達機構による電子線カラム内部への可動絞り機構の導入を説明する説明図である。 伝達機構による電子線カラム内部への仕切弁の導入を説明する説明図である。 伝達機構による電子線カラム内部への電子検出器の導入を説明する説明図である。 複数の電子線カラムにおける伝達機構の他の配置例を示す概略断面図である。 電子線による欠陥検出方法を説明する説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．電子線装置の概略構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る電子線装置の概略構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る電子線装置１の概略構成を示す説明図である。

本実施形態に係る電子線装置１は、例えば半導体ウェハＷ（以下、単に「ウェハＷ」ともいう。）の半導体回路パターンを検査するための装置である。電子線装置１は、例えば図１に示すように、チャンバーユニット１０と、複数の電子線カラム２０と、制御電源３０と、制御装置４０とからなる。

チャンバーユニット１０は、電子線カラム２０によりウェハＷの表面に電子線を出射して検査を行うユニットである。チャンバーユニット１０は、図１に示すように、半導体ウェハＷが収納される第１チャンバー（試料室真空チャンバー）１２と、中間室である第２チャンバー（中間室真空チャンバー）１３と、電子銃が配置される第３チャンバー（電子銃室真空チャンバー）１４とからなる。

第１チャンバー１２にはウェハＷを載置するためのステージ１８が設けられている。ステージ１８は、試料載置面にてウェハＷの検査対象となる面（表面）と反対側の面（裏面）を支持し、ウェハＷを表面と平行な平面内で任意の方向に移動可能に形成されている。ステージ１８は、検査時にはウェハＷが所定の方向に所定の移動速度で移動するように駆動装置（図示せず。）によって移動される。

各チャンバー１２、１３、１４は、それぞれ異なる真空度に設定可能に独立した空間となっており、所定の真空度にするための真空ポンプ１５、１６、１７がそれぞれ接続されている。

電子線カラム２０は、電子をスポット状に収束、加速して得られる電子線（一次電子線）をステージ１８上のウェハＷに照射するとともに、検出系によって電子線（二次電子線）を検出する装置である。本実施形態に係る電子線装置１は複数の電子線カラム２０を備えており、各電子線カラム２０は第１チャンバー１２、第２チャンバー１３および第３チャンバー１４境界の仕切り板に接続されており、中心部にオリフィスを設け、ビームが通過する部分のみが貫通するように配置される。本実施形態において、各電子線カラム２０は同一構成であるとする。電子線カラム２０の詳細な構成については後述する。

制御電源３０は、各電子線カラム２０に対して入力されるスキャン電圧を入力する。制御電源３０は、例えば１つの電子線カラム２０に対して１つの制御電源３０が割り当てられるように配置される。制御電源３０は、例えば、高電圧電流、高周波電流等の信号を出力する。各制御電源３０は、例えば、制御電源３０が出力する信号（例えば高周波電圧）の位相ずれを補正したり、走査信号の待機時間を補正したり、フィルタ等の制御電流回路を切り替えたりする補正機構を備えていてもよい。

制御装置４０は、各電子線カラム２０に対する制御命令を入力し、また、ウェハＷに電子線を照射して得られる配線パターンの形状を反映した出力信号である二次電子線（「信号電子線」ともいう。）に基づいて配線パターンの画像を形成する装置である。電子線カラム２０、制御電源３０、制御装置４０で試料であるウェハＷのＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡像）を取得する。制御装置４０は、形成した複数の配線パターンの画像を比較し、配線パターンの異常を検出する。なお、配線パターンの異常検出は、制御装置４０にて行ってもよく、制御装置４０から提供された画像を見てオペレータが判断してもよい。制御装置４０は、例えばＣＰＵやＧＰＵを備えるコンピュータ等の情報処理装置によって構成される。

＜２．電子線カラムの構成とその配置＞
次に、図２〜図４を参照して、本発明の実施形態に係る電子線装置１の電子線カラムの構成とその配置について説明する。なお、図２は、本実施形態に係る複数の電子線カラムの一配置例を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ切断線における断面図である。図４は、本実施形態に係る電子線カラム２０の構成を示す説明図である。

電子線装置１は、複数の電子線カラム２０を備えることで欠陥検出効率を向上させる。本実施形態において、複数の電子線カラム２０は、例えば図２に示すように、複数の電子線カラム２０を一列に配置したカラム列を、カラム列の配列方向に対して垂直な方向に並べて配置してもよい。

すなわち、本実施形態に係る電子線装置１は、図２に示すように、電子線カラム２０をｘ方向に一列に配置した４つのカラム列２Ａ〜２Ｄから構成される。各カラム列２Ａ〜２Ｄは、各カラム列２Ａ〜２Ｄの配列方向であるｘ方向に対して垂直なｙ方向に並べ、カラム群２が形成されている。このとき、電子線カラム２０が千鳥配列となるようにカラム列２Ａ〜２Ｄを配置することで、より多くの電子線カラム２０を設けることができる。

［２．１．電子線カラムの構成］
ここで、各電子線カラム２０の構成について説明すると、電子線カラム２０は、その筐体１０２内に、走査型電子顕微鏡で用いられる各種構成要素を備える。例えば電子線カラム２０は、電子銃１１０と、コンデンサレンズ系１２０と、ビーム絞り機構１３０と、光軸調整機構１４０と、ブランキング電極１５０と、仕切弁１６０と、走査電極１７０と、対物レンズ１８０と、電子検出器１９０とを備える。電子線装置１において、電子検出器１９０が検出系を構成し、当該検出系を除く電子線光学要素が電子線光学系を構成している。

本実施形態に係る電子線カラム２０は、図４に示すように、筐体１０２が、第１の外径Ｄ１を有する筒部である大径部１０２ａ（１０２ａ１、１０２ａ２、１０２ａ３）と、第１の外径より小さい第２の外径Ｄ２を有する筒部である小径部１０２ｂ（１０２ｂ１、１０２ｂ２）とから構成されている。このように、異なる２つの外径を有するように筐体１０２を形成することで、小径部１０２ｂにより隣接する電子線カラム２０間に空間を形成することができる。この空間を利用して、複数配置された各電子線カラム２０に、電子線カラム２０の内部と外部との間で情報を伝達するための伝達機構５０ａ、５０ｂ、５０ｃを導入することが可能となる。なお、電子線カラム２０は、電子銃１１０から対物レンズ１８０まで機械式のはめ合い構造により、光学要素中心軸が出ている構成が望ましい。

本実施形態に係る電子線カラム２０は、第１の外径Ｄ１と第２の外径Ｄ２との２つの外径を有しているが、本発明はかかる例に限定されない。電子線カラム２０は、複数の異なる外径を有していればよく、３つ以上の異なる外径を有していてもよい。以下では、電子線カラム２０の最大の外径を最大径Ｄｍａｘとし、最大径Ｄｍａｘよりも小さい外径のうち最小のものを小径Ｄｍｉｎで表す。図２の例では、第１の外径Ｄ１が最大径Ｄｍａｘとなり、第２の外径Ｄ２が小径Ｄｍｉｎとなる。

一般に、複数の電子線カラム２０からなる電子線装置１では、電子線カラム２０の最大径Ｄｍａｘを小さくして電子線カラム２０の数を増やすことにより、電子線装置１による検査のスループットを向上させている。しかし、電子線カラム２０の最大径Ｄｍａｘを小さくすると電子線カラム２０内を通過する電子のエネルギやレンズ性能が低下し、分解能、ビーム径、電流密度等の電子線カラム２０の性能が低下する。

このため、本実施形態では、電子線装置１のスループットと電子線カラム２０の性能とのバランスが取れるように、電子線カラム２０の最大径Ｄｍａｘを設定する。最大径Ｄｍａｘは、電子銃１１０、コンデンサレンズ系１２０や対物レンズ１８０等のレンズ系の外径寸法によって決まる。最大径Ｄｍａｘは、例えば３０ｍｍ〜８０ｍｍの間の値に設定することができる。

電子線カラム２０の筐体１０２は金属からなり、機械的に中心軸が取れている構造となっている。金属としては、例えば高透磁率を有する合金を用いることができ、磁気シールドを構成してもよい。これにより、伝達機構５０が相隣接する電子線カラム２０間の空間に通されても、空間を構成している電子線カラム２０内の電子線に影響を与えることがない。例えば、伝達機構５０の一例であるライトガイドは絶縁物であり、電子線に露出しているとチャージアップ等の問題を引き起こす恐れがある。また、高圧や高速の電気信号を導入した場合、電場や電磁場により電子線を偏向する問題を引き起こす可能性がある。カラムを金属の円筒で構成してシールドすることで、これらの影響を解決することが可能となる。また、筐体１０２には真空排気するためのガス抜き穴が複数設けられている。

電子銃１１０は、電子線を出射する装置であり、例えばショットキー型や熱電界放出型の電子銃が用いられる。電子銃１１０は、加速電圧が印加されることにより電子線を放出する。放出された電子線は、コンデンサレンズ系１２０、ビーム絞り機構１３０によって集光され、所望の電流となるように調節される。

光軸調整機構１４０は、電子線の非点補正、光軸上の電子線の位置、試料に対する電子線の照射位置を調整する。また、ブランキング電極１５０は、ステージ１８上のウェハＷに電子線を照射しないように一時的に電子線を遮断するための電極である、ブランキング電極１５０は、電子銃１１０から放出された電子線を曲げ、ウェハＷに電子線が照射されないようにする。また、仕切弁１６０は、電子線カラム２０内の電子銃室、中間室、試料室と仕切るための弁である。仕切弁１６０は、例えば資料室に不良が発生した場合に電子銃室や中間室が大気中に開放しないように各室を仕切るために用いられる。通常仕切弁１６０は開放されている。

走査電極１７０は、外部から高周波の制御信号（電気信号）が印加されることで電子線を偏向させる。走査電極１７０には、例えば０〜４００Ｖの高周波電流が印加される。走査電極１７０に任意の制御信号を印加して電子線を偏向させることで、ウェハＷの表面上において任意の方向に電子線を走査させることができる。

対物レンズ１８０は、電子線カラム２０の先端部に設けられ、ステージ１８上のウェハＷと対向するように設けられる。対物レンズ１８０は、走査電極１７０によって偏向された電子線をウェハＷの表面に集束させる。

電子検出器１９０は、電子線がウェハＷに照射され、回路パターンに応じて放出された二次電子線、ならびに反射電子を検出し、高周波の検出信号（信号電子線）として出力する検出系である。電子検出器１９０により検出された検出信号は、例えば伝達機構を介して電子線カラム２０の外部に取り出される。電子検出器１９０の検出信号は、例えばプリアンプで増幅された後、ＡＤ変換器により回路パターンの画像デジタルデータとされる。画像デジタルデータは制御装置４０に出力される。

このような電子線カラム２０の構成により、電子銃１１０から放出された電子線によってウェハＷの表面が走査され、回路パターンの形状、組成、帯電状況等を反映した二次電子や反射電子である二次電子線が電子検出器１９０によって検出される。検出された二次電子線の検出信号は、例えばプリアンプやＡＤ変換器を介して制御装置４０にて処理され、ウェハＷの回路パターンの画像に基づく欠陥検出が行われる。

また、電子線カラム２０には、電子線カラム２０の内部と外部との間で情報を伝達するための伝達機構５０ａ、５０ｂ、５０ｃを設けてもよい。伝達機構としては、例えば電気的な動作を伴う部材に対して外部から電気信号を伝達し、また、電気的な動作を伴う部材から発せられた電気信号を外部に伝達する電気的伝達機構がある。あるいは、伝達機構として、ライトガイド等のように、光を外部から伝達し、また、光を外部に伝達する光学的伝達機構や、機械的な動作を伴う機械的伝達機構等がある。なお、これらの伝達機構の詳細については後述する。

［２．２．電子線カラムの配置］
このような電子線カラム２０からなるカラム群２は、上述したように、相隣接する電子線カラム２０同士の大径部１０２ａが相互に最小限の間隔を保持しつつ電子線カラム２０を一列に配列させたカラム列２Ａ〜２Ｄを備えている。これらカラム列２Ａ〜２Ｄは、互いに並列に配置されている。例えば、図２に示すように、５つの電子線カラム２０からなる２つのカラム列２Ａ、２Ｄと、４つの電子線カラム２０からなる２つのカラム列２Ｂ、２Ｃとが形成されている。すなわち、カラム列２Ａ〜２Ｄはｙ軸に対して対象に配置されている。

相隣接する電子線カラム２０は、例えば大径部１０２ａの外径Ｄ１の間隔で配置されることで、最大限に電子線カラム２０を配置することができる。この配置をとることで、電子線カラム２０の設置数を最大にし、電子線装置１によるウェハＷ等の検査のスループットを向上することが可能となる。なお、相隣接する電子線カラム２０は、必ずしも大径部１０２ａの外周面同士が接していなくてもよく、例えば、大径部１０２ａの外周面同士の間隔が数ミリ程度となるように配列されてもよい。

カラム列２Ａ〜２Ｄは、ｙ方向に配置される。このとき、ｙ方向に相隣接するカラム列は、例えば電子線カラム２０の大径部１０２ａの半径分だけ互いにずれた稠密状に配置されている。この配列を千鳥配列、あるいはハニカム配列ともいう。本実施形態では、こうした稠密状に配置されたカラム列２Ａ〜２Ｄが対称に１組ずつ形成されている。

また、本実施形態に係る各電子線カラム２０には、例えば図３に示すように、電子線カラム２０の内部と外部との間で情報を伝達するための伝達機構５０ａ、５０ｃが設けられている。なお、図３には図示していないが、図４に示すように電子線カラム２０には伝達機構５０ｂが設けられていてもよい。各伝達機構５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、電子線カラム２０の筐体１０２の小径部１０２ｂに導入されるように配置される。

なお、伝達機構５０は、いずれの方向から電子線カラム２０内に導入してもよい。例えば図２に示すように、ｙ軸に対して負の位置にあるカラム列２Ａ、２Ｂに対してはｙ軸負方向から伝達機構５０を電子線カラム２０内に導入させ、正の位置にあるカラム列２Ｃ、２Ｄに対してはｙ軸正方向から伝達機構５０を電子線カラム２０内に導入させるのがよい。これにより、伝達機構５０の導入方向が同一されるので、伝達機構５０を電子線カラム２０に効率よく配置することができる。

また、伝達機構５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、カラム列方向であるｘ方向において、ｘ方向の最大幅が大径部Ｄｍａｘの最大径の半分以下（すなわち、Ｄｍａｘ／２以下）となるように形成される。これにより、電子線装置１の内部のカラム列２Ｂ、２Ｃを構成する電子線カラム２０に対しても、電子線装置１外部から伝達機構５０の導入を実現することができる。

このような構成の電子線カラム２０を複数配置することで、性能、保守性を向上した電子線装置１を実現できる。特に、高アスペクトレシオのコンタクトホールの欠陥／導通検査やＶ−ＮＡＮＤ等の３次元構造をとる半導体デバイスの検査に有効である。

＜３．伝達機構の設置例＞
以下、電子線装置１を構成する電子線カラム２０へ導入される伝達機構５０の構成例を説明する。これらの伝達機構５０は、カラム列方向であるｘ方向において、ｘ方向の最大幅が大径部Ｄｍａｘの最大径の半分以下（すなわち、Ｄｍａｘ／２以下）で、かつ軸対称であり、電子線装置１の高さ方向であるｚ方向において、ｚ方向の最大幅が大径部の最大径の半分より大きく（すなわち、Ｄｍａｘ／２＋α）、かつ軸に対して非対称であることを共通して特徴とする。また、伝達機構５０は、カラム列方向における、電子線カラム２０の内部に挿入される先端部の幅は、最大径Ｄｍａｘと先端部が挿入される小径部の径Ｄｍｉｎとの差分以下（すなわち、（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ）以下）であり、かつ最大径の半分以下であることを共通して特徴とする。

ｘ方向の最大幅が大径部Ｄｍａｘの最大径の半分以下とする理由は、図２に示すように電子線カラム２０から伝達機構５０を介してｙ軸負方向に引き出されている部材をｘ方向並べると、その部材のｘ方向の幅Ｘは最大Ｄｍａｘ／２になるためである。したがって、伝達機構５０のｘ方向の幅もＤｍａｘ／２以下に制限される。伝達機構５０から引き出された部材の影響を受けなければ、電子線カラム２０の内部に挿入される先端部の幅は（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ）以下であればよい。また、伝達機構５０を軸対称とするのは、後述するベローズやＯリングの設置上の理由である。

一方で、本実施形態では、伝達機構５０のｘ方向の幅がＤｍａｘ／２以下に制限されることで不足するスペースをｚ方向において確保している。例えば後述する図５、図６において、フランジ５２ａ、５２ｂを固定するためのねじは、真空シール機構５３ａ、５３ｂを固定するので強固な締結力が必要となる。このため、ねじを固定する領域を大きくとる必要がある。ｘ方向へは上記理由よりＤｍａｘ／２以下の幅しか確保できないため、本実施形態ではｚ方向に拡張し、ねじを固定する領域を大きくとっている。このように、ｘ方向とｚ方向における形状を非対称とすることで、ｘ方向に不足するスペースをｚ方向において確保している。
［３．１．可動絞り機構の導入］
まず、図５に基づいて、機械的伝達機構の例として、伝達機構５０による電子線カラム２０内部への可動絞り機構１３０の導入について説明する。なお、図５左側に示すｚｘ平面における端面図は、図２におけるＢ−Ｂ切断線において切断した状態を示している。

従来、電子線カラムには、その内部に１つの電流絞り機構を固定して配置するのが一般的であった。しかし、電流絞り機構を固定すると、複数の電流条件において最小となるビーム径が実現できないという性能面の問題があった。また、電流絞り機構を固定すると、電子線装置に配置されている複数の電子線カラムのうち１つの電子線カラムの絞りが汚れて交換が必要となった場合、装置全体を解体して電流絞り機構を交換する必要があり、保守上の問題もあった。

これに対して、本実施形態に係る電子線カラム２０は、伝達機構５０を用いて可動絞り機構１３０を電子線カラム２０内に導入することが可能である。可動絞り機構１３０は、複数の穴径を持つ絞り開口部を複数備えており、電流条件ごとに切り替えることができる。

より詳細に説明すると、図５に示すように、可動絞り機構１３０は、複数の絞り開口部１３１が、電子線カラム２０の内部に導入される軸１３２の先端部分に設けられている。絞り開口部１３１は、例えば約１０μｍ〜２ｍｍ程度の範囲でビーム径と電流値とが使用されるような条件に設定されている。絞り開口部１３１は、その中心が電子線カラム２０の光軸（すなわち、レンズ等の中心）を通るように、ｘｙ平面での位置が１μｍ以下の精度で調整される。可動絞り機構１３０は、軸１３２を動かすことによりｘｙ平面内で移動させることができる。

可動絞り機構１３０は、軸１３２の操作によって移動可能でありつつ、電子線カラム２０の筐体１０２の外周面に設けられたフランジ５２ａおよび軸１３２に溶接されたベローズ５４ａによって大気空間Ｖ_１と真空空間Ｖ_２とが仕切られている。またガスケットやＯリング等の軸対称な真空シール機構５３ａにより、可動絞り機構１３０とチャンバー外壁との間が仕切られている。ベローズ５４ａは軸対称であり、その外径はなるべく大きいことが望ましい。また、ベローズ５４ａを覆う外筒部である伝達機構５０ａは、ベローズ５４ａが軸対称であるため、軸対称とするのがよい。

なお、可動絞り機構１３０をｘ方向に移動させるｘ方向移動機構は、カラム列２Ａ〜２Ｄの配列方向（ｘ方向）のスペース上の関係から、ｘ方向の移動操作がｚ方向から行うことができるように配置される。例えば図５に示すように、ｘ方向移動機構は伝達機構５０ａのｚ軸正方向に配置され、ｘ方向移動機構によりｚ方向からの入力された操作力は可動絞り機構１３０をｘ方向へ移動させる操作力ｆｘに変換される。なお、可動絞り機構１３０をｙ方向へ移動させるｙ方向移動機構は、伝達機構５０ａのｙ方向に配置可能であるので、ｙ方向移動機構よりｙ方向から入力された操作力ｆｙがそのまま可動絞り機構１３０に伝達される。

このような可動絞り機構１３０を伝達機構５０により設置可能とすることで、電流ごとに最適なビーム径を実現することが可能となる。また、電子線装置１を構成する電子線カラム２０のうち１つの電子線カラム２０の可動絞り機構１３０に問題が発生した場合は、その可動絞り機構１３０を筐体１０２から引き抜き、交換することができる。これにより、容易に保守作業ができるようになる。

［３．２．仕切弁の導入］
次に、図６に基づいて、機械的伝達機構の例として、伝達機構５０による電子線カラム２０内部への仕切弁１６０の導入について説明する。

従来、複数の電子線カラムを備える電子線装置では、電子銃室、中間室と試料室間に仕切弁が設置されていなかった。しかし、仕切弁がないと、試料室において不良が発生した場合、例えばステージや搬送に問題が発生した場合には、試料室を大気解放し修理作業を実施しなければならず、試料室に接続されている電子銃室や中間室も大気に解放されてしまう。このため、電子線装置を復旧後使用する際には、電子銃室を再度１２時間以上ベーキングし、真空度を向上させた後、調整を実施し、電子線を使用する必要があった。

これに対して、本実施形態に係る電子線カラム２０は、伝達機構５０を用いて仕切弁１６０を電子線カラム２０内に導入することが可能である。図６に示すように、仕切弁１６０は、電子線カラム２０の内部に導入される軸１６２の先端部分に設けられているバルブ弁である。仕切弁１６０は、接続された軸１６２を駆動することによりｙ方向に移動させることが可能である。

電子線カラム２０の内部には、第１チャンバー（試料室真空チャンバー）１２および第２チャンバー（中間室真空チャンバー）１３の仕切り板に固定された弁座１６６が設けられており、仕切弁１６０には弁座１６６との対向する面にＯリング１６１が設けられている。仕切弁１６０が閉じた状態では、Ｏリング１６１は、電子線カラム２０内部の弁座１６６と接触し、高真空側である第２チャンバー（中間室真空チャンバー）１３と低真空側である第１チャンバー（試料室真空チャンバー）１２とを分離する。これにより、試料室を大気に開放しても、高真空側は超高真空に維持される。

仕切弁１６０は、軸１６２の操作によって移動可能でありつつ、フランジ５２ｂと軸１６２に溶接されたベローズ５４ｂとによって大気空間と真空空間とが仕切られている。またガスケットやＯリング等の軸対称な真空シール機構５３ｂにより、仕切り弁１６０とチャンバー外壁間とは仕切られている。ベローズ５４ｂは軸対称であり、その外径はなるべく大きいことが望ましい。また、ベローズ５４ｂを覆う外筒部である伝達機構５０ｂ１は、ベローズ５４ｂが軸対称であるため、軸対称とするのがよい。

仕切弁１６０をｙ方向に移動させるｙ方向移動機構は、圧縮された気体により駆動するシリンダ機構５２ｂ２としてもよい。シリンダ機構５２ｂ２にシリンダ圧を供給する圧力供給口５６ａ、５６ｂは、カラム列２Ａ〜２Ｄの配列方向（ｘ方向）のスペース上の関係から、ｚ方向に配置される。シリンダ機構５２ｂ２の内部は、摺動部１６４をＯリング１６５で仕切るために、軸対称である必要がある。

仕切弁１６０のフランジ５２ｂは、カラム列２Ａ〜２Ｄの配列方向（ｘ方向）には幅はＤｍａｘ／２以下である軸対称な構造を配置し、装置垂直方向（ｚ方向）には、非対称で、かつＤｍａｘ／２＋αの寸法とし、複数カラム時にも設置可能な構造とする。すなわち、シリンダ機構５２ｂ２内部に設けられるＯリング１６５、ベローズ５４ｂは軸対称に配置され、フランジ５２ｂやシリンダ機構５２ｂ２の圧力供給口５６ａ、５６ｂは、軸に対して非対称に配置される。

このような仕切弁１６０を伝達機構５０により設置可能とすることで、試料室を大気解放する必要がある場合にも、電子銃室、中間室を良い真空度に保ったまま作業を行うことが可能となる。また、ベーキング作業が不要となるとともに、試料室の真空排気後すぐに電子線を使用することも可能となり、電子線装置１のダウンタイムが短縮し、稼働時間を大きく向上させることができる。

［３．３．光学的伝達機構の導入］
次に、図７に基づいて、伝達機構５０による電子線カラム２０内部への光学的伝達機構の導入について説明する。本例では、光学的伝達機構として、電子検出器１９０が電子線カラム２０の内部に導入される。

試料より生じた信号電子線を検出する検出器機構として、半導体検出器を使用した方法や、シンチレータ、ライトガイドおよび光電子増倍管を使用した方法等が知られている。半導体検出器は、検出器の全体の寸法が小さく、数本の配線を引き出すだけでよいので、電子線装置に多く採用されている。しかし、半導体検出器には、検出領域の面積と検出速度との間にはトレードオフがあり、また、ゲインが約１０００倍に固定であるという制約がある。

半導体検出器の検出領域の面積と検出速度との間のトレードオフは、検出器自体の静電容量が原因であり、応答速度が４００ＭＨｚ以上の場合、検出領域の外径は１ｍｍ以下と小さくなってしまう。このため、電子線装置を複数の電子線カラムを配置して構成する場合、二次電子検出系にＥｘＢ等の要素を使用できる領域が小さく、直径１ｍｍ以下の円形領域に効率よく二次電子を当てて検出することは難しい。

また、ゲインが約１０００倍と固定であるという制約によって、電子線の電流が１０ｎＡ以上と高い場合には電子線装置を問題なく検出装置として使用できるが、分解能を向上させるために１０〜１００ｐＡまで電流を下げた場合、ゲインが不足し、高精度の像が得られない。

そこで、本実施形態に係る電子線カラム２０では、シンチレータを用い、シンチレータからの光をライトガイド（光の伝達機構）にて、大気中に取り出し、光電子増倍管にて増幅、電流信号に変換する。シンチレータを用いる場合は、検出速度は材料となる結晶によって決まり、検出器の面積と関係しない。そこで、応答速度が４００ＭＨｚ以上という高速においても、面積を大きくし、検出効率を向上することができる。例えば検出領域を直径１０ｍｍ以上の円形領域とすることも可能である。また、光電子増倍管ではゲインを１０００〜１００００００倍に変更することが可能である。これにより、電子線装置１の分解能を向上させることができ、小電流時にも装置が使用できるようになる。

本実施形態に係る電子検出器１９０の構成について具体的に説明する。図７に示すシンチレータ１９０ａは放射線の入射によって蛍光を発する物質であり、シンチレータ１９０ａにより電子を光に変換することができる。シンチレータ１９０ａによって電子から変換された光は、ミラー面１９０ｂにて反射され伝達機構５０ｃであるライトガイドへ導かれる。ライトガイドの終端は光電子増倍管６０と接続されており、光電子増倍管６０によって光は電子に変換され増幅される。増幅された電子信号は検出回路系にて検出される。

シンチレータ１９０ａの中央は開口されており、当該開口部分には金属筒１９０ｃが挿通される。金属筒１９０ｃの内部を一次電子線が通過する。シンチレータ１９０ａの先端は金属筒１９０ｃおよび金属カバー１９０ｄで覆われており、絶縁物が電子線に露出しないように構成される。電子検出器１９０全体は、例えばフランジ５２ｃとライトガイドとの間をＯリング５３ｃにて仕切られている。これにより、電子線カラム２０内の真空部分と電子線カラム２０外の大気部分とを区切ることができる。

また、シンチレータ１９０ａにより発光された蛍光をライトガイドに導くため、ミラー面１９０ｂにはＡｌ等の金属を蒸着するのがよい。さらに、ライトガイドの支持は光の洩れを低減するため接触面積を最小にするのがよく、例えばＯリング１９０ｂのみとするのが望ましい。

このような電子検出器１９０を伝達機構５０により設置可能とすることで、複数の電子線カラム２０から構成される電子線装置１において、高速かつ高効率に信号電子線を検出することが可能となる。また、電子線装置１を長時間使用した場合、電子検出器１９０の表面にはハイドロカーボン等のコンタミネーションが付着し、検出効率が低下してしまうため、電子検出器１９０の検出面は定期的に交換する必要がある。従来は、電子線装置１内に半導体検出器が設置されており、交換作業が非常に大変であったが、伝達機構５０を用いて電子検出器１９０を設置することで、電子検出器１９０全体を容易に引き出して検出面を交換することが可能となり、保守性が向上する。

以上、第１の実施形態に係る電子線装置１の構成とその作用について説明した。かかる電子線装置１によれば、電子線カラム２０の筐体１０２を異なる複数の径を有する筒部から構成することで、電子線装置１が複数の電子線カラム２０から構成されている場合においても、各電子線カラム２０に当該電子線カラム２０の内部と外部との間で情報を伝達するための伝達機構５０を設置することができる。これにより、性能、保守性を向上した電子線装置１を実現できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、各電子線カラム２０に設けられる伝達機構５０は、図３に示すように小径部１０２ｂのｚ方向に同一高さ位置に導入されていたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、伝達機構５０は、小径部１０２ｂであればｚ方向の任意の位置に設けることができ、図８に示すようにｚ方向の異なる高さに複数設置してもよい。例えば、電子線カラム２０Ａの小径部１０２ｂ１、１０２ｂ２に、ｚ方向の異なる高さ位置に配置された伝達機構５０ａ、５０ｃがある。一方で、電子線カラム２０Ｂの小径部１０２ｂ１、１０２ｂ２には、ｚ方向の異なる高さ位置に配置された伝達機構５０ｄ、５０ｅがある。このとき、伝達機構５０ａ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅのｚ方向の高さ位置はすべて異なっていてもよい。

１ 電子線装置
１０ チャンバーユニット
１８ ステージ
２０ 電子線カラム
３０ 制御電源
４０ 制御装置
１０２ 筐体
１１０ 電子銃
１２０ コンデンサレンズ系
１３０ ビーム絞り機構
１４０ 光軸調整機構
１５０ ブランキング電極
１６０ 仕切弁
１７０ 走査電極
１８０ 対物レンズ
１９０ 電子検出器
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (6)

1. 試料表面に電子線を照射する電子線光学系と前記電子線の照射によって発生した電子を検出する検出系とを筐体内部に備える複数の電子線カラムからなる電子線装置であって、
   前記各電子線カラムは、
   前記電子線光学系および前記検出系を収納する筐体が、最大径を有する筒部である大径部と前記大径部よりも小径の筒部である小径部とから構成され、
   相隣接する前記電子線カラムの前記大径部が略接するように稠密状に配置され、
   相隣接する前記電子線カラムの前記小径部によって前記電子線カラムの外部に形成される空間を介して、前記電子線カラムの前記小径部に、前記電子線カラムの内部と外部との間で情報を伝達するための機械的伝達機構または光学的伝達機構の少なくとも１つが導入される、電子線装置。
2. 前記機械的伝達機構および前記光学的伝達機構は、
   複数の前記電子線カラムを一方向に配列したカラム列方向において、カラム列方向最大幅が前記大径部の最大径の半分以下で、かつ軸対称であり、
   前記電子線装置の高さ方向において、高さ方向最大幅が前記大径部の最大径の半分より大きく、かつ軸に対して非対称である、請求項１に記載の電子線装置。
3. 前記機械的伝達機構および前記光学的伝達機構は、
   複数の前記電子線カラムを一方向に配列したカラム列方向における前記電子線カラムの内部に挿入される先端部の幅は、前記最大径と前記先端部が挿入される前記小径部の径との差分以下であり、かつ前記最大径の半分以下である、請求項１または２に記載の電子線装置。
4. 前記機械的伝達機構は、可動絞り機構を前記電子線カラム内に導入する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子線装置。
5. 前記機械的伝達機構は、仕切弁を前記電子線カラム内に導入する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子線装置。
6. 前記光学的伝達機構は、電子検出器を前記電子線カラム内に導入する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子線装置。
   

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