JP3133307B2

JP3133307B2 - 電子顕微鏡

Info

Publication number: JP3133307B2
Application number: JP01265088A
Authority: JP
Inventors: 正大高
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 2001-02-05
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: EP0422655A3; EP0422655A2; JPH03129653A; DE69033157D1; DE69033157T2; US5149967A; EP0422655B1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は電子顕微鏡に係り、特に、対物レンズの上下
磁極間隙部に試料を導入して観察を行う電子顕微鏡にお
いて、大口径のウエハを傾斜させて観察することを可能
にした試料ステージを有する電子顕微鏡に関するもので
ある。

（従来の技術）電子顕微鏡では、対物レンズの中心から試料までの距
離、即ちワーキング・ディスタンス（W.D.）を大きくと
ると、対物レンズの収差が大きくなるため、対物レンズ
の加速電圧を高くしないと高分解能が得られない。

そこで、近年では特開昭58−161235号公報に記載され
るように、対物レンズの上磁極と下磁極との間に試料を
導入し、対物レンズの収差が小さい状態で観察する試み
が行われている。

ところで、このような構造の電子顕微鏡では、上磁極
と下磁極とによる磁極間隙部が狭いために、従来のよう
な大形の試料ステージをそのまま使用することができ
ず、試料ステージにも工夫が必要となる。

たとえば特開昭61−64055号公報では、試料ステージ
を片持的支持構造とし、試料を外部から移動しながら観
察する方法や、さらには上磁極および下磁極の先端を先
尖りの形状にして試料を高角度に傾斜させる方法が提案
されている。

また、特開昭62−291849号公報では、試料ステージを
下磁極面をベースとして構成する方法が提案されてい
る。

（発明が解決しようとする課題）上記した特開昭61−64055号公報に記載された片持的
支持構造では、試料をＸ−Ｙ方向へ微動させることが困
難であるばかりか、試料ステージの端部が対物レンズの
磁路で片持的に支持されるために、試料の観察部は外部
振動の影響を受け易く、高分解能での観察が難しいとい
う問題があった。

また、試料の傾斜方法に関しては、高角度の傾斜を可
能にするための上下磁極の形状が提案されるだけで、具
体的は試料傾斜方法は提案されていなかった。

一方、特開昭62−291849号公報では、上記したような
外部振動の影響を低減するために、下磁極面をベースと
して試料ステージを構成する方法が提案されているが、
試料をＸ−Ｙ方向へ微動させるための構造および試料を
傾斜させるための構造は提案されていなかった。

本発明の目的は、以上の問題点を解決し、外部振動の
影響を受けにくく、試料をＸ−Ｙ方向へ微動させること
が可能であり、さらには試料を任意に方向へ傾斜させる
ことが可能な試料ステージを有する走査電子顕微鏡を提
供することにある。

（課題を解決するための手段）前記の問題点を解決するために、本発明は以下のよう
な手段を具備した。

（１）電子顕微鏡において、試料ステージのＸ方向およ
びＹ方向への移動手段を圧電セラミック素子の圧電現象
を利用したアクチュエータで構成した。

（２）電子顕微鏡において、試料を二次元的に移動する
Ｘ−Ｙステージと、該Ｘ−Ｙステージを保持し、これを
Ｙ方向に揺動して傾斜させるＹ方向傾斜ステージとを具
備し、前記Ｘ−Ｙステージの揺動中心点が試料と電子線
との交点となるようにした。

（３）前記Ｙ方向傾斜ステージを保持し、これをＸ方向
に揺動して傾斜させるＸ方向傾斜ステージをさらに具備
し、前記Ｘ−Ｙステージの揺動中心点が試料と電子線と
の交点となるようにした。

（４）電子顕微鏡が、試料を対物レンズの上下磁極間隙
部に載置する構成である場合には、前記Ｘ−Ｙステー
ジ、Ｘ方向傾斜ステージ、Ｙ方向傾斜ステージの中央部
に、対物レンズの下磁極に対する逃げ空間を設け、Ｘ方
向傾斜ステージを下磁極面をベースとして下磁極を中心
に構成するようにした。

（作用）上記した構成によれば、以下のような作用効果が達成
される。

（１）圧電セラミック素子の圧電現象を利用したアクチ
ュエータは磁界を生じさせないので、観察像に影響を及
ぼすことなく試料（視野）を移動することができ、小型
で正確な微動が可能になる。

（２）傾斜台の揺動中心点が試料と電子線との交点、す
なわち観察点となるようにしたので、試料を傾斜させて
も観察点がずれてしまうことがない。

（３）Ｘ−Ｙステージおよび傾斜ステージを、下磁極面
をベースとして下磁極を中心に構成したので、外部振動
の影響を受けにくくなり、高分解能の観察が可能にな
る。

（実施例）以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例である電子顕微鏡の断面
図、第２図は第１図の試料ステージ近傍の拡大断面図、
第３図は該試料ステージの分解斜視図である。

第１図において、電界放出チップ６は高圧電源34に接
続され、該電界放出チップ６からは、第１陽極5aとの電
位差に応じて電子が放出される。

放出された電子は第２陽極5bによって加速された後に
コンデンサレンズ４で細く集束され、さらに偏向コイル
３によって偏向されて、対物レンズ１の上磁極1aと下磁
極1bとの間に導入された試料８上に照射される。

本実施例では、対物レンズ１の上下磁極間隙が約10mm
であり、これによって数mmの焦点距離が得られ、色収差
係数および球面収差係数が３〜4mmの高性能レンズとな
る。

前記第１陽極5aには第１陽極引出し電源19が接続さ
れ、コンデンサレンズ４には集束レンズ電源20が接続さ
れ、偏向コイル３には倍率制御装置16を介して偏向電源
21が接続され、対物レンズ１のコイル18には対物レンズ
電源25が接続されている。

電子線の照射によって試料８から放出した二次電子
は、上磁極1aの上方に設置された二次電子検出器７によ
って検出され、検出信号は前置増幅器17、主増幅器24で
増幅された後に陰極線管23に輝度変調信号として入力さ
れる。

該陰極線管23の陰極線偏向コイル22には偏向電源21が
接続されており、陰極線管23の陰極線は前記偏向コイル
３による電子線の偏向に応じて偏向される。

試料８は、主にＸ方向移動テーブル９、Ｙ方向移動テ
ーブル10、Ｙ方向傾斜ステージ11、およびＸ方向傾斜ス
テージ12によって構成される試料ステージ26上に載置さ
れる。

試料８の導入、交換等は、対物レンズ１の磁路の側面
に設けられた試料交換室14を利用して行われ、対物レン
ズ１と試料交換室14との間にはゲートバルブ15が設けら
れている。なお、試料が導入される対物レンズ１内部お
よび試料交換室14内部は、図示しない真空ポンプによっ
て真空に吸引される。

以下、第２図および第３図を用いて前記試料ステージ
26の構成を詳細に説明する。

第３図に示したように、本実施例の試料ステージ26は
Ｘ−Ｙステージ50と傾斜ステージ60とによって構成され
ている。同図においてはＸ−Ｙステージ50と傾斜ステー
ジ60とを分離して示したが、実際の使用にあたっては、
後述するようにＸ−Ｙステージ50のＹ方向移動支持台10
aと傾斜ステージ60の傾斜台11aとを固定して使用する。

初めに、Ｘ−Ｙステージ50の構成について詳細に説明
する。

Ｘ−Ｙステージ50は、主にウエハテーブル9a、該ウエ
ハテーブル9aのＸ方向への移動を支持するＸ方向移動支
持台9b、および該Ｘ方向移動支持台9bのＹ方向への移動
を支持するＹ方向移動支持台10aによって構成されてい
る。

前記ウエハテーブル9aは、Ｘ方向移動支持台9bの両端
部に設けられたガイド9h、9iのＶ溝に嵌合され、該Ｖ溝
によってＸ方向への摺動が可能なように支えられてい
る。これらのガイド9h、9iは磁性を有するものによって
は構成することができず、例えばセラミックで製作した
ものが用いられる。

固定台9f、9eによって両端部を固定され、ガイド9iに
沿って設置されたガイド棒9dと、該ガイド9dが挿通され
たアクチュエータ9cとは直線駆動装置を構成している。

アクチュエータ9cは接続金具9gを介して前記ウエハテ
ーブル9aに接続されており、該ウエハテーブル9aはアク
チュエータ9cの駆動に応じてＸ方向移動支持台9b上をＸ
方向へ移動する。

一方、Ｙ方向移動支持台10aの表面にはＹ方向に２本
の溝が形成されており、該溝の一方では、前記と同様に
ガイド棒10bが固定台10c、10dによって固定されてい
る。

該ガイド棒10dには、前記と同様にＸ方向移動支持台9
bと固定されたアクチュエータ（図示せず）が挿通され
ており、Ｘ方向移動支持台9bは、該アクチュエータの駆
動に応じてＹ方向移動支持台10a上をＹ方向へ移動す
る。

また、本実施例では、対物レンズ１の上下磁極間隙部
を狭く保ったままで試料を任意の方向へ移動できるよう
にするために、ウエハテーブル9a、Ｘ方向移動支持台9
b、およびＹ方向移動支持台10aの中央部に下磁極1bに対
する逃げ空間170を設け、各移動範囲で対物レンズ１の
下磁極1bと接触しないようにしている。

ここで、前記アクチュエータ9cの構造について簡単に
説明する。

本実施例では，アクチュエータとして圧電素子による
圧電現象を利用した尺取虫形微動リニアアクチュエータ
を用いており、このような構成のリニアアクチュエータ
としては、たとえばバーレイ社（Burleigh Instrument,
Inc.）のインチワームモータ（Inchworm Motors）があ
る。

第４図はインチワームを説明するための図である。

インチワームは，同図に示すように３つのピエゾ素子
（以下、PZT）31、32、33から成り、両端部のPZT31、33
は電圧が印加されるとガイド棒30をつかむように機能
し、中央のPZT32は電圧が印加されるとガイド棒30に沿
って伸びるように機能する。

（１）各PZTに電圧が印加されておらず、PZT31、33はガ
イド棒30を解放しており、PZT32は通常の長さを保って
いる。

（２）PZT31のみに電圧を印加して、PZT31にガイド棒30
を掴ませる。

（３）PZT31に電圧を印加したままでPZT32にも電圧を印
加し、該PZT32をガイド棒30に沿って伸ばす。

（４）PZT31、32に電圧を印加したままでPZT33にも電圧
を印加し、該PZT33にガイド棒30を掴ませる。

（５）PZT31への電圧の印加のみを停止してPZT31にガイ
ド棒30を解放させる。

（６）さらに、PZT32への電圧の印加も停止して、PZT32
を通常の長さを戻すと、右方向への移動が行われる。

（７）再びPZT31に電圧を印加してPZT31にガイド棒30を
掴ませる。

（８）PZT33への電圧の印加を停止してPZT33にガイド棒
30を解放させる。

以後、上記した操作を繰り返すことによって移動が連
続的に行われる。

周知のように、圧電素子による圧電現象は磁界を生じ
させないので、このような構成のインチワームによれ
ば、観察像に影響を及ぼすことなく試料（視野）を移動
することができ、片持的支持構造の従来技術に比べて小
型の移動手段を構成できるばかりでなく、正確かつ細か
い移動が可能になる。

また、上記した構成のＸ−Ｙステージによれば、対物
レンズ１の上下磁極間隙部には、ステージを構成する部
材を一切挿入することなく、試料のみを挿入することが
できる。

次に、傾斜ステージ60の構成について説明する。

第３図において、傾斜ステージ60はＹ方向傾斜ステー
ジ11とＸ方向傾斜ステージ12とによって構成される。

Ｙ方向傾斜ステージ11は、傾斜台11a、傾斜支持台11
b、円弧ギア（ウォームホイール）11c、およびウォーム
ギア11dによって構成され、ウォームギア11dを回転させ
ることによって傾斜台11aをＹ方向に傾斜させることが
できる。

このとき、円弧ギア11cによる傾斜台11aの傾斜は、対
物レンズの中心と試料表面の交点を中心として、換言す
れば、試料と電子線との交点である観察位置を中心とし
て行われるようになっている。

一方、Ｘ方向傾斜ステージ12は、傾斜台12a、傾斜支
持台12b、円弧ギア12c、およびウォームギア12dによっ
て構成され、ウォームギア12dを回転させることによっ
て傾斜台12aを傾斜させることができる。

なお、円弧ギア12cによる傾斜台12aの傾斜も、前記と
同様に対物レンズの中心と試料表面の交点を中心として
行われるようになっている。

このような構成の傾斜ステージ60は、第２図に示した
ように下磁極1bを中心に、スペーサ13を介して下磁極面
のベース上に設置され、傾斜台11a、12a、傾斜支持台11
b、12bの略中心部には、傾斜台11a、12aの最大傾斜時で
も、下磁極1bと前記傾斜台および傾斜支持台とが接触し
ないように逃げ空間170が設けられている。

なお、上記したＸ−Ｙステージ50および傾斜ステージ
60は強磁場中に置かれるので、これらを構成する各部材
は非磁性材料でなければならない。

本実施例によれば、傾斜ステージ60およびＸ−Ｙステ
ージ50が下磁極1bを中心にして下磁極面のベース上に設
置されるので、外部振動による影響が少なく、高分解能
の観察が可能になる。

また、各傾斜手段による傾斜の中心点が観察点となる
ので、試料を傾斜しても視野が観察範囲から外れてしま
うことがない。さらに、試料を傾斜させたままでＸ−Ｙ
ステージを操作して試料を移動しても、観察位置での試
料の高さが一定に保たれるので、試料を傾斜させたまま
で観察点を移動することができる。

なお、上記した実施例では、試料ステージが圧電素子
を用いたＸ−Ｙステージ50と傾斜ステージ60とによって
構成され、Ｘ−Ｙ方向への移動とＸ−Ｙ方向の傾斜のい
ずれもが可能であるものとして説明したが、本発明はこ
れのみに限定されるものではなく、圧電素子を用いたＸ
−Ｙステージ単体、あるいは該Ｘ−ＹステージとＸ方向
あるいはＹ方向のいずれか一方のみの傾斜が可能な傾斜
台とを組み合わせても、本発明の趣旨からはずれるもの
ではない。

また、上記した実施例では、本発明を対物レンズの上
下磁極間隙部に試料を導入する電子顕微鏡を例にあげて
説明したが、対物レンズの下方に試料を導入する構成の
電子顕微鏡にも適用することができる。なお、この場合
にはＸ−Ｙステージあるいは傾斜台の中央部に、下磁極
用の逃げ空間を設ける必要がない。

さらに、上記した実施例では、Ｘ−Ｙステージ50を任
意の方向に傾斜させるために、Ｘ方向傾斜ステージとＹ
方向傾斜ステージとを組み合わせて傾斜ステージを構成
するものとして説明したが、Ｘ方向傾斜ステージの代わ
りに、下磁極面をベースとして下磁極を取り囲むように
構成され、電子線の光軸を中心として回転可能な回転支
持台を設け、該回転支持台によってＹ方向傾斜ステージ
を保持するようにしても良い。

明らかなように、このような構成によっても本実施例
と同等の効果が達成される。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば次の
ような効果が達成される。

（１）アクチュエータとして圧電セラミック素子を用
い、圧電現象を利用して試料ステージを移動させるよう
にしたので、磁気による影響のない小型のステージを構
成でき、正確かつ細かい移動が可能になる。

（２）試料ステージに下磁極に対する逃げ空間を設け、
傾斜ステージが下磁極面をベースとして、下磁極を中心
に構成するようにしたので、外部振動による悪影響を受
けにくくなって高分解能観察が可能になる。

（３）各傾斜手段による傾斜の中心点が観察点となるの
で、試料を傾斜しても視野が観察範囲から外れてしまう
ことがない。

（４）試料を傾斜させたままでＸ−Ｙステージを操作し
て試料を移動しても、観察位置での試料の高さが一定に
保たれるので、試料を傾斜させたままで観察点を移動す
ることができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例である電子顕微鏡の断面図、
第２図は第１図の試料ステージ近傍の拡大断面図、第３
図は該試料ステージの部分透過斜視図、第４図はアクチ
ュエータの動作を説明するための図である。１……対物レンズ、1a……上磁極、1b……下磁極、７…
…二次電子検出器、８……試料、９……Ｘ方向移動テー
ブル、9a……ウエハテーブル、9b……Ｘ方向移動支持
台、9c……アクチュエータ、10……Ｙ方向移動テーブ
ル、10a……Ｙ方向移動支持台、11……Ｙ方向傾斜ステ
ージ、12……Ｘ方向傾斜ステージ、16……倍率制御装
置、17……前置増幅器、50……Ｘ−Ｙステージ、60……
傾斜ステージ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対物レンズの上下磁極間隙部に導入された
試料に電子線を照射し、試料から放出される信号を検出
して観察像を表示する電子顕微鏡において、試料を移動
するＸ−Ｙステージが、試料を載置して該試料を対物レンズの上下磁極間隙部に
保持する試料台と、前記試料台をＸ方向への摺動が可能なように支持する第
１の移動台と、試料台をＸ方向へ駆動する第１の移動手段と、第１の移動台をＹ方向への摺動が可能なように支持する
第２の移動台と、第１の移動台をＹ方向へ駆動する第２の移動手段とによ
って構成され、前記第２の移動台が下磁極面をベースと
して下磁極を取り囲むように設置され、前記試料台、第
１の移動台、および第２の移動台の中央部に各移動範囲
での磁極に対する逃げ空間を設けたことを特徴とする電
子顕微鏡。
【請求項２】前記第１および第２の移動手段は、圧電セ
ラミック素子の圧電現象を利用したリニアアクチュエー
タであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
電子顕微鏡。
【請求項３】第１のウォームホイールを備え、前記Ｘ−
Ｙステージを保持する第１の傾斜台、該第１の傾斜台を
揺動可能なように支持し、下磁極面をベースとして下磁
極を取り囲むように設置された第１の支持台、および前
記第１のウォームホイールを駆動して前記第１の傾斜台
をＹ方向に揺動する第１のウォームギアによって構成さ
れたＹ方向傾斜ステージを具備し、前記第１の傾斜台お
よび支持台は、その中央部に移動範囲での下磁極に対す
る逃げ空間を有し、前記Ｘ−Ｙステージの傾斜台の揺動
中心点は試料と電子線との交点であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項または第２項記載の電子顕微鏡。
【請求項４】第２のウォームホイールを備え、前記第１
の支持台を保持する第２の傾斜台、該第２の傾斜台を揺
動可能なように支持し、下磁極面をベースとして下磁極
を取り囲むように構成された第２の支持台、および前記
第２のウォームホイールを駆動して前記第２の傾斜台を
Ｘ方向に揺動する第２のウォームギアによって構成され
たＸ方向傾斜ステージをさらに具備し、前記第２の傾斜
台および支持台は、その中央部に移動範囲での下磁極に
対する逃げ空間を有し、前記Ｘ−Ｙステージの揺動中心
点は試料と電子線との交点であることを特徴とする特許
請求の範囲第３項記載の電子顕微鏡。
【請求項５】前記第１の支持台を保持し、下磁極面をベ
ースとして下磁極を取り囲むように構成され、電子線の
光軸を中心として回転可能なように設置された回転支持
台をさらに具備したことを特徴とする特許請求の範囲第
３項記載の電子顕微鏡。
【請求項６】対物レンズの磁路側面に、試料交換室をさ
らに具備したことを特徴とする特許請求の範囲第１項な
いし第５項のいずれかに記載の電子顕微鏡。