JP2016051535A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、限られた空間内に制振部材を搭載した荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】上述の目的を達成するために、荷電粒子線のビーム軌道を包囲する筒状体を複数積層することによって構成される荷電粒子線鏡筒と、前記複数の筒状体の内、第１の筒状体（１Ｄ）から離間して設置されると共に、当該第１の筒状体に積層される第２の筒状体（１Ｃ）に固定される第１の接続部材（１８）と、当該第１の接続部材と前記第１の筒状体との間に設置される第２の接続部材（１９）を備えた荷電粒子線装置を提案する。【選択図】 図５

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に耐振性に優れた荷電粒子ビーム光学系（ビームカラム）を備えた荷電粒子線装置に関する。

走査型電子顕微鏡、半導体検査装置等の荷電粒子線装置は、荷電粒子光学鏡筒の内部で、超高真空環境下で発生させた荷電粒子線を試料に照射し、試料から放出された二次電子等を検出することによって試料の観察画像を取得する。そのため、試料に対して荷電粒子光学鏡筒が振動すると、荷電粒子線の照射位置が本来の位置から変動し、観察画像の歪みが生じたり、パターンのエッジが振動して見えたりする。上述のように荷電粒子光学鏡筒の振動は、観察画像の画質の低下を招き、さらには荷電粒子線装置の分解能の低下を引き起こす一因となり得るため、これを抑える必要がある。

特許文献１では、支持板で粘弾性体シートを挟んでなる制振部材を、粘弾性体シートのシート面を含む平面が荷電粒子光学鏡筒の中心軸に対して直交しないように配置することにより、荷電粒子光学鏡筒の傾きと上下方向の振動をともに抑えることのできる荷電粒子線装置が開示されている。

特許第５５２４２２９号（対応米国特許ＵＳＰ８，７２９，４６７）

荷電粒子光学鏡筒の振動を低減させる方法の１つとして、荷電粒子光学鏡筒の減衰を大きくする方法がある。特許文献１には、荷電粒子光学鏡筒と試料室との間に、支持板で粘弾性シートを挟んだ長板状の制振部材を配置し、荷電粒子光学鏡筒の振動によって発生する粘弾性体シートのせん断歪みにより荷電粒子光学鏡筒に減衰を付与することができる。

大きな減衰効果を得るためには、制振部材は、制振部材両端の相対変位が大きいところに取り付ける必要あり、荷電粒子光学鏡筒が傾く振動の場合、荷電粒子光学鏡筒の上部に取り付けるのが好ましい。また、粘弾性体を変形させるためには、制振部材は、荷電粒子光学鏡筒変形に対する反力を受け持つだけの剛性が必要となるが、制振部材を上部に取り付ける場合、制振部材が長くなるため、剛性確保のために制振支持部材が大型化する。

荷電粒子光学鏡筒には、二次電子等を検出する検出器や荷電粒子光学鏡筒内を真空状態にするためのイオンポンプや真空排気用の配管などが取り付けられる。また、荷電粒子光学鏡筒の周りの空間には、これら機器や配線、配管、イオンポンプ支持部材等が配置される。そのため、制振部材を取り付ける位置や制振部材を配置するスペースに制約が生じ、制振部材の適切な設置ができない、もしくは制振部材の設置自体できないことが起こり得る。特許文献１には、限られた狭いスペースに、制振部材を設置することを開示するものではない。

以下に、限られた空間内に制振部材を搭載することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。

上述の目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子線を調整する光学素子を備えた荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線のビーム軌道を包囲する筒状体を複数積層することによって構成される荷電粒子線鏡筒と、前記複数の筒状体の内、第１の筒状体から離間して設置されると共に、当該第１の筒状体に積層される第２の筒状体に固定される第１の接続部材と、当該第１の接続部材と前記第１の筒状体との間、或いは当該第１の接続部材と前記第１の筒状体との間に設けられた第３の接続部材と、前記第１の接続部材との間に設置される第２の接続部材を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、第２の接続部材の減衰作用を用いた制振を行うことが可能となり、制振部材の小型化を実現することが可能となる。

荷電粒子線装置の概略断面図。 荷電粒子線装置の概略外観図。 荷電粒子光学鏡筒の固有振動モード図。 図３の荷電粒子光学鏡筒の固有モード変形を拡大して模式的に示した図。 第１の実施形態における減衰付与手段の縦断面図。 図５のＡ−Ａ断面における水平断面図。 第1の実施形態における減衰付与手段設置方法の変形図。 第２の実施形態を示す荷電粒子線装置の減衰付与手段の断面図。

荷電粒子光学鏡筒の振動が荷電粒子線装置に与える影響の例として、半導体検査装置を取り上げて説明する。半導体検査装置は、ウェハに露光された半導体デバイスのパターン欠陥を観察し、欠陥の種類毎に分類する装置である。半導体検査装置では、半導体デバイスの微細化に伴い、検出すべき欠陥サイズも小さくしなければならない。また、時間当たりに検出する欠陥数については多くしなければならない。つまり、半導体検査装置では、高分解能化と高スループット化が求められる。

半導体検査装置において、床振動や環境音による加振力で荷電粒子光学鏡筒が振動すると、上述のように半導体検査装置の画質が低下してしまう。そこで、半導体検査装置の高分解能化のためには、床振動や環境音に対する荷電粒子光学鏡筒の振動を低減させる必要がある。また、半導体検査装置では、ウェハを載置するステージを観察位置に移動させる必要があるが、ステージを移動、停止させる際の反力（以下、ステージ反力と呼ぶ）により試料室が加振されて荷電粒子光学鏡筒が振動する。そこで、半導体検査装置の高スループット化のためには、ステージをある観察位置へと移動させて停止した直後の荷電粒子光学鏡筒の振動を速やかに低減させる必要がある。

以下に説明する実施例では、主に、荷電粒子光学鏡筒を構成する荷電粒子光学鏡筒部材間に設置され、荷電粒子光学鏡筒の振動変形に伴う荷電粒子光学鏡筒部材間の相対変位により減衰を発生する減衰付与手段を備えた荷電粒子線装置を説明する。

このような構成によれば、大きな設置スペースを必要とすることなく荷電粒子光学鏡筒に減衰を付与できるようにした荷電粒子線装置を提供することができる。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、荷電粒子線装置の概略断面図である。図２は、荷電粒子線装置の概略外観図である。なお、説明のため、座標系は直交座標系として、図１において、紙面奥行き方向をＸ方向、左右方向をＹ方向、上下方向をＺ方向とする。荷電粒子光学鏡筒１は、荷電粒子線源２から放出された荷電粒子線３を電子レンズ４で観察対象物である試料５上に収束する荷電粒子光学系を含み、荷電粒子光学鏡筒１の内部はイオンポンプ６で超高真空状態に維持されている。本実施例では、イオンポンプはＹ方向に１個取り付けられているが、取り付けられる方向、個数はこの限りではない。なお、荷電粒子光学鏡筒内の光学素子は、電子レンズ以外にも走査偏向器や非点補正器や軸調整用の偏向器等がある。

試料５はロードロック室７から挿入される。ロードロック室はターボ分子ポンプ８Ａとドライポンプ９Ａで真空排気されて、真空状態に達する。その後、試料５は試料室１０内部のステージ１１に載せられる。なお、試料室１０内部は常にターボ分子ポンプ８Ｂとドライポンプ９Ｂで真空状態に維持されている。

ステージ１１は、Ｘ方向に移動するＸステージ１２と、Ｙ方向に移動するＹステージ１３で構成され、試料室１０に対して、Ｘテーブル１２、Ｙテーブル１３が移動することにより、試料５を２次元方向に移動させることができる。本実施例では、下側にＸテーブル１２、上側にＹテーブル１３としているが、この逆の構成でも良い。

荷電粒子光学鏡筒１は、円筒状の荷電粒子光学鏡筒部材を複数積層したものであり、各部材は周方向に複数個、例えば、４〜８個配置されたボルトにより結合される。本実施例では、径が同じ５個の荷電粒子光学鏡筒部材１Ａ〜１Ｅを積層した構成としているが、荷電粒子光学鏡筒１の部材分割や各部材の径は機能、製作性、組立性等により決定される。荷電粒子光学鏡筒１は下端の荷電粒子光学鏡筒部材１Ｅで試料室天板１４にボルトにより結合される。

荷電粒子光学鏡筒部材１Ａ〜１Ｅの接合面の外周部には減衰付与手段１７が設置される。本実施例では、接合面毎に周方向に４箇所配置しているが、個数、配置はこの限りではない。減衰付与手段１７については、後で詳細に説明する。なお、本実施例によれば、減衰付与手段１７を、荷電粒子光学鏡筒部材間毎に設けているため、１の大きな制振部材を設ける必要がなく、小さな制振部材とすることができる。

試料室１０は、試料室下側四隅４箇所を架台１５で支持されている。床振動を絶縁するために、試料室１０と架台１５の間には除振マウント１６が設置されている。

荷電粒子線装置は、荷電粒子線源２から発生する荷電粒子線３をステージ１１上の試料５に照射することにより得られる二次電子等の強度から観察像を得ている。試料５から検出された二次電子等の強度は、照射位置の座標とその座標における二次電子等の強度に対応した濃淡として画像化されて表示される。そのため、荷電粒子光学鏡筒１やステージ１１が振動すると、本来照射されるべき位置に荷電粒子線３が照射されず、観察像が揺れて見える（以下、像揺れと呼ぶ）ことで観察像の画質や測定精度の低下を招く。

図３は、荷電粒子光学鏡筒１の固有振動モードを示す図である。図３では、荷電粒子光学鏡筒１の固有モードをわかり易く表示するため、図２におけるイオンポンプ６と減衰付与手段１７は表示していない。この固有モードは、荷電粒子光学鏡筒１の下端を支点に上部が水平方向に倒れ込むように変形している。

床振動や環境音、ステージ反力により図３に示す荷電粒子光学鏡筒１の固有振動モードが励起される。荷電粒子光学鏡筒１が図３のように傾くことにより、照射位置のズレが生じ、像揺れが観察されることになる。従って、像揺れを低減するためには、図３に示す荷電粒子光学鏡筒１１の固有振動を抑制する必要がある。また、高スループット化が求められる半導体検査装置の場合であれば、ステージ１１を停止させた直後の振動による照射位置のズレを、出来る限り短時間に微小欠陥サイズ以下に低減させることが必要となる。本発明は、荷電粒子光学鏡筒１の減衰を大きくすることにより荷電粒子光学鏡筒の振動を低減させるものである。

図４は、図３に示す荷電粒子光学鏡筒１の固有モードを水平方向（Ｙ方向）から見たものであり、その変形を拡大して模式的に示したものである。荷電粒子光学鏡筒１は、巨視的に見ると、下側を固定端、上端を自由端とした片持ち梁の曲げのような倒れ込み変形をしている。しかし、微視的に見ると、ボルト結合部の局所変形のため、図４に示すような荷電粒子光学鏡筒部材間に相対変位が生じることによる倒れ込み変形をしている。なお、実際には、荷電粒子光学鏡筒部材間にはシール部材があるため、図４に示すような隙間は生じず、荷電粒子光学鏡筒１内部の真空状態は維持されている。

以下に説明する実施例は、この相対変位を利用して、荷電粒子光学鏡筒１に減衰を付与するものである。図１及び図２に示すように減衰付与手段１７は相対変位を与えることにより減衰を発生するものであり、荷電粒子光学鏡筒１の外周部に、各荷電粒子光学鏡筒部材１Ａ〜１Ｅの接合面を跨ぐように配置される。本実施例における減衰付与手段１７を図５及び図６を用いて説明する。

図５は、第１の実施形態における減衰付与手段１７の縦断面図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面における水平断面図である。第１の実施形態における減衰付与手段１７はＬ字型支持部材１８（第１の接続部材）と平板状の減衰材１９（第２の接続部材）で構成される。Ｌ字型支持部材１８は、ボルト結合または接着により荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃの側面に取り付けられる。また、減衰材１９は、荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄの側面とＬ字型支持部材１８の対向面間に配置される。

荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃと１Ｄは、４箇所９０度ピッチに配置された鏡筒部材結合ボルト位置２０でボルト結合される。減衰付与手段１７は、４箇所９０度ピッチで、ボルト結合位置の中間部に配置される。Ｌ字型支持部材１８はステンレス鋼やアルミニウムなどの金属構造物であり、減衰材１９は粘弾性体の変形により振動エネルギを減衰させるものである。粘弾性体である減衰材１９は、Ｌ字型支持部材１８に比べて軟らかいものであり、Ｌ字型支持部材１８で適切な荷重で押しつけられることにより、Ｌ字型支持部材１８及び荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄと一体化するが、好ましくは接着により一体化する。

荷電粒子光学鏡筒１の振動により荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃ、１Ｄに相対変位が生じると、減衰材１９が上下方向（荷電粒子光学鏡筒部材の積層方向）にせん断変形し、振動エネルギを熱エネルギとして散逸することにより減衰効果を発生する。鏡筒部材結合ボルト位置２０から離れるに従い、ボルト結合の影響が小さくなるため、発生する相対変位が大きい。減衰材１９のせん断変形、つまり減衰は、相対変位が大きくなるに従い大きくなるため、減衰付与手段１７は、好ましくは、周方向に配置した鏡筒部材結合ボルト位置２０の中間位置に配置する。

Ｌ字型支持部材１８は平板状であるため、荷電粒子光学鏡筒１の側面を座ぐって減衰付与手段１７を設置している。ただし、Ｌ字型支持部材１８を円弧上の形状とすることにより、荷電粒子光学鏡筒１の側面を座ぐることなく設置可能となる。減衰付与手段１７の上下方向の配置に関しては、図４に示すように荷電粒子光学鏡筒１の下側での相対変位が大きいため、荷電粒子光学鏡筒１の下側に優先的に配置する。

荷電粒子光学鏡筒部材の外径が異なる場合でも、Ｌ字型支持部材１８の高さを調整することにより図５の減衰付与手段１７と同じ構成とすることが可能である。
減衰付与手段１７の配置、個数、大きさ（減衰材１９の幅、厚さ）は必要な減衰量に応じて決定する。荷電粒子光学鏡筒１の検出器等により減衰付与手段１７の設置位置に制約があるが、減衰付与手段１７の大きさや配置には制約がないため、減衰付与手段１７設置の設計自由度は大きい。

上述したように荷電粒子光学鏡筒１上に減衰付与手段１７を設置することにより、装置上に大きなスペースを必要とすることなく、荷電粒子光学鏡筒１に減衰を付与することができる。また、減衰付与手段１７は簡易な構造であり、荷電粒子光学鏡筒１に後付け可能な構造である。従って、仕様変更等によりさらに振動を低減する必要が生じた場合など、減衰付与手段１７を追加することにより荷電粒子光学鏡筒１の減衰を増やすことができる。

上述のように、荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃに固定されると共に、当該荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃに積層される荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄに対しては、離間して設置されるＬ字型支持部材１８と、減衰材１９によって、鏡筒部材間の相対的な変位（主にＸ−Ｙ方向の変位）を、鏡筒部材の積層方向への変位（Ｚ方向への変位）に転換することができ、そのＺ方向の変位を、Ｌ字型支持部材１８と荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄ間に設けられた減衰材１９のせん断変形によって、吸収することが可能となる。このようなせん断変形現象を利用した減衰によれば、大がかりな機構を設けることなく、適正に制振を行うことが可能となる。

図７は、第1の実施形態の減衰付与手段１７の設置方法の変形図である。図７の減衰付与手段１７の構成は図５と同じであるが、Ｌ字型支持部材１８の取り付け位置が異なる。図５では、Ｌ字型支持部材１８は、減衰材１９が設置される荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄに隣接した荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃの側面に取り付けられる。しかし、図７では、荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃの上側にある荷電粒子光学鏡筒部材１Ｂの側面に取り付けられる。

このようにＬ字型支持部材１８を取り付ける荷電粒子光学鏡筒部材と減衰材１９を取り付ける荷電粒子光学鏡筒部材が離れるほど、この間の相対変位が大きくなり、減衰材に発生する変形が大きくなる。従って、減衰付与手段1個当たりの減衰効果を大きくすることができ、設置する減衰付与手段１７の数を少なくすることができる。

減衰付与手段１７を周方向に複数個配置する換わりに、円環状のL字型支持部材１８及び制振材１９により、全周に減衰付与手段を設置してもよい。また、この場合には、Ｌ字型支持部材１８に荷電粒子光学鏡筒に対する磁気シールドの機能を持たすこともできる。

図８は、本発明の第２の実施形態を示す荷電粒子線装置の減衰付与手段の断面図である。減衰付与手段１７は、Ｌ字型の第一の支持部材２１と平板状の第二の支持部材２２（第３の接続部材）と、これらの支持部材の対向面間に配置される平板状の減衰材１９から構成され、内周側から第二の支持部材２２、減衰材１９、第一の支持部材２１の順に配置される。減衰材１９は第一の支持部材２１及び第二の支持部材２２に接着により一体化される。

第一の支持部材２１は、ボルト結合または接着により荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃの側面に取り付けられる。また、第二の支持部材２２は、ボルト結合または接着により荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄの側面に取り付けられる。第二の支持部材２２は、荷電粒子光学鏡筒部材１Ｄに取り付けられるが、荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃの側面とも接触するように配置される。

荷電粒子光学鏡筒１の振動により荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃ、１Ｄに相対変位が生じると、第１の実施形態同様に減衰材１９が上下方向にせん断変形し、振動エネルギを熱エネルギとして散逸することにより減衰効果を発生する。同時に、第二の支持部材２２と荷電粒子光学鏡筒部材１Ｃ側面との接触面に滑りが発生し、摩擦による減衰が発生する。即ち、接触面が摺動面となるため、その間の摩擦が、熱エネルギとなる。上述したように、減衰材１９による減衰に加え、摩擦による減衰も得ることができるため、減衰効果を増加させることができる。

なお、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形を行うようにしても良い。例えば、上記した実施例は発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…荷電粒子光学鏡筒、３…荷電粒子線、５…試料、１０…試料室、１１…ステージ、１７…減衰付与手段、１８…Ｌ字型支持部材、１９…減衰材、２１…第一の支持部材、２２…第二の支持部材

Claims (11)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子線を調整する光学素子を備えた荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線のビーム軌道を包囲する筒状体を複数積層することによって構成される荷電粒子線鏡筒と、前記複数の筒状体の内、第１の筒状体から離間して設置されると共に、当該第１の筒状体に積層される第２の筒状体に固定される第１の接続部材と、
   当該第１の接続部材と前記第１の筒状体との間、或いは当該第１の接続部材と前記第１の筒状体との間に設けられた第３の接続部材と、前記第１の接続部材との間に設置される第２の接続部材を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記第２の接続部材は、前記第１の接続部材より柔らかい材質で形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記第２の接続部材の変形によって、前記第１の筒状体と前記第２の筒状体の変位を抑制することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記第３の接続部材は、前記荷電粒子線鏡筒に対して相対的に摺動するように構成されてい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、
   前記第２の接続部材は、前記第１の筒状体と前記第２の筒状体の相対的な変位に伴って、前記第１の筒状体と前記第２の筒状体の積層方向に、せん断変形することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための荷電粒子光学鏡筒とを備える荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子光学鏡筒は複数の筒状の荷電粒子光学鏡筒部材を積層することによって構成され、当該複数の荷電粒子光学鏡筒部材間の相対変位を抑制する減衰部材を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記減衰部材は、支持部材と減衰部材で構成され、２つの前記荷電粒子光学鏡筒部材に対し、一方の荷電粒子光学鏡筒部材側面に前記支持部材を取り付け、もう一方の荷電粒子光学鏡筒部材側面に前記減衰部材を取り付けることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７において、
   前記減衰部材を構成する部材が円環状であることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項６において、
   前記減衰部材は、第一の支持部材と第二の支持部材と、前記第一の支持部材と前記第二の支持部材の対向面間に配置される減衰部材で構成され、２つの前記荷電粒子光学鏡筒部材に対し、一方の荷電粒子光学鏡筒部材側面に前記第一の支持部材を取り付け、もう一方の荷電粒子光学鏡筒部材側面に前記第二の支持部材を取り付け、さらに、前記第二の支持部材が、前記第一の支持部材が設置される荷電粒子光学鏡筒部材側面と接していることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項６において、
    前記減衰部材は前記荷電粒子光学鏡筒部材を結合するボルトの中間位置に配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項６において、
    複数の荷電粒子光学鏡筒部材間に、前記減衰部材を設けたことを特徴とする荷電粒子線装置。