JP3389788B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子線装置、
特に電子顕微鏡，電子線描画装置，ＦＩＢ装置等の試料
移動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の荷電粒子線装置の技術において、
試料の観察，加工，分析位置を変更するために真空の試
料観察室内の試料の移動は、試料観察室内の試料微動ス
テージによってなされて来た。

【０００３】試料微動ステージの駆動方法については、
Ｘ，Ｙ等の線形的な移動ステージを積み重ねることによ
って行うもの，線形的な移動ステージと回転ステージを
組み合わせたもの，多軸の回転機構を備えたものもある
（特開昭54−78967 号公報,特開平4−55138号公報，特
願平6−303876号）。

【０００４】また、試料の交換は、試料観察室を大気解
放するか、専用の試料交換室に試料を移し、試料観察室
を真空のままに保ち試料交換室のみを大気解放して試料
を交換していた。

【０００５】図１１は、従来の典型的な試料ステージの
平面図である。この装置の場合、ステージはＸとＹ方向
を独立に動かすようになっている。

【０００６】試料観察室１００１の中には試料１００２
を載せて動かすステージ１００３がある。ステージ１０
０３はモータ１００４とボールねじ１００５によって
Ｘ，Ｙ方向に移動できる。試料観察室１００１は、ター
ボ分子ポンプとドライポンプによって排気されている
(図示せず)。そしてまた試料観察室１００１の上には、
電子顕微鏡の鏡体がある（図示せず）。さらに試料観察
室１００１には予備排気室１００９が臨設してある。予
備排気室１００９もターボ分子ポンプとドライポンプに
よって排気される（図示せず）。予備排気室１００９の
中には、試料保持台１０３０があり，まずこの試料保持
台１０３０の上に半導体の試料ウェーハ1002が載せられ
る。試料１００２は、まずこの予備排気室１００９に入
れられ高真空まで排気される。

【０００７】試料観察室１００１の中のステージ１００
３はＸ，Ｙ方向に試料ウェーハ1002の全域を動かすの
で、試料観察室１００１の大きさは、試料の面積の４倍
以上が必要となる。さらにモータ１００４とボールねじ
１００５が、図示のようにＸ，Ｙ方向にそれぞれ突き出
した格好となるものもある。

【０００８】図１２は、特開昭54−78967 号公報にて提
案されている試料ステージの１形態の平面図である。こ
の場合、ステージ１１０３は線形的な移動ステージと回
転ステージを組み合わせとなっている。電子顕微鏡の鏡
体１１０８は、ステージ1103の中心を通る位置にある。
ステージ１１０３の線形的な移動と回転の組み合わせに
よって、電子顕微鏡１１０８は、ステージ１１０３上の
試料１１０２の全面を観察できる。

【０００９】このとき必要となる試料観察室チャンバー
１１０１の大きさは、ステージ1103の約１.５ 倍あまり
の大きさでよい。

【００１０】図１３は、特願平6−303876 号にて提案の
試料ステージの他の１形態の平面図である。この場合、
ステージ１２０３は多軸の回転機構を備えたものであ
る。電子顕微鏡の鏡体１２０８は、ステージ１２０３上
の試料１２０２の中心を通る位置にある。１２０９は、
試料交換用のロードロック室を示す。図１３において、
ステージ１２０３を旋回させる腕１２２０とステージ１
２０３の回転の組み合わせによって、電子顕微鏡１２０
８でステージ１２０３上の試料１２０２は、その全面が
観察され得る。

【００１１】この場合、試料観察室チャンバー１２０１
の大きさは、図１１の場合よりも大きくなるが、ステー
ジ１２０３の運動が回転運動だけなので、機構的に単純
になり、製造も容易で、図１０の例のように摺動面を真
空空間に大きくさらさない設計が可能となるため、真空
度やその質の面からも利点がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】半導体産業では、シリ
コンウェーハの大型化と共に、パターンの微細化が進
み、半導体の生産技術はフォトンからエレクトロンの技
術に移りつつある。即ち、電子線描画装置や電子顕微鏡
等の高分解能／高精度の装置が多用されるようになって
きた。

【００１３】一方、半導体の生産性向上のため、シリコ
ンウェーハの大型化に伴ってそれらの観察評価装置も比
例的に大型化する。近い将来半導体ウェーハは、１２イ
ンチ：３０cmになろうとしており、このときの従来の
Ｘ，Ｙステージ方式のチャンバーの必要底面積は最低で
も６０cm四方となる。したがって、これらの装置は大型
化すると共に重量も増し、ますます高精度な製作；加工
が困難になって来る。さらに、半導体の生産ラインであ
るクリーンルームは、維持費が高く、装置はより小型の
ものが求められている。この解決策として、特開昭54−
78967 号公報，特願平6−303876号では、ステージの小
型化を提案している。

【００１４】しかし、例えば電子顕微鏡の場合、試料の
観察は真空中で行うために、試料を大気から真空に導入
し、観察後にまた大気に戻す必要がある。ここで、高速
に真空引きや大気解放等を行うと、乱気流が発生しチャ
ンバー内の塵を巻き上げる。半導体ウェーハ等の試料
は、異物が付着すると、その歩留りが低下する。そこ
で、乱気流の発生を抑制するため、チャンバーの排気時
等に時間をかけて排気するようにしている。

【００１５】このため、これらの装置は排気時間の増加
により処理能力：スループットを上げにくいという問題
が生じている。

【００１６】これに対し、前述の特開昭54−78967 号公
報，特開平4−55138号公報，特願平6−303876 号では、
試料の交換方法について、上記の問題の解決に関する記
載はなく、スループットの改善については、考慮されて
いなかった。

【００１７】また、特願平6−303876 号では、図１３に
記載のように予備室１２０６にて試料を試料ステージに
載せ替える構造となっている。このため予備室に移載の
ためのロボット１２４０等が必要となる。ここで、シリ
コンウェーハ等の半導体試料は、その表面に触れること
は許されず、取り扱いが容易ではない。特に真空中で
は、真空ピンセット／真空チャック機構が使えないな
ど、試料の取り扱いに制約があり、移載の際に落下／破
損等の事故を起しやすい。そのため、試料の移載は、最
小限にとどめ、特に真空中での移載は避けることが望ま
しい。

【００１８】本発明の目的は、荷電粒子装置において、
試料が大型化しても装置を小型に押さえ、かつ、高処理
能力を持った装置を提供することである。

【００１９】本発明の他の目的は、荷電粒子装置におい
て、ロボット等の数を最小限に抑えることによって、可
動機構が増えることによるコストアップや、不具合の発
生確率の増大，試料破損等の事故ポテンシャル等の低減
に配慮した装置を提供することである。

【００２０】

【課題を解決させるための手段】上記目的を達成するた
めに本願発明では、試料室内で移動する試料ステージの
移動軌道上に隔壁を設け、隔壁で区切られた試料室の
内、少なくとも１つを排気予備室とした。

【００２１】少なくとも荷電粒子線を照射する場合に行
われる試料の位置合わせの時には、隔壁に設けられた開
口を開けた状態で試料を移動させている。

【００２２】このような構成により、試料ステージの移
動範囲に排気予備室を設けることが出来るので、排気予
備室に必要な空間を別途設ける必要が無くなった。

【００２３】更に上記構成によれば、排気予備室と試料
室間の試料を移送する手段を、試料ステージの他に別途
設ける必要が無くなる。更に試料ステージと試料を移送
する手段間の試料の受け渡し時間を無くすことが出来
る。

【００２４】またこのような荷電粒子線装置での試料の
導入は以下のような順番でおこなわれる。

【００２５】先ず、隔壁を閉じた状態で排気予備室に試
料を導入し、排気予備室でない部分の試料室と同等の真
空状態となるまで排気予備室を排気した後、隔壁を開放
し試料を導入する。そして隔壁を開放したまま位置合わ
せを行い、荷電粒子線を照射した後、排気予備室に試料
を戻し、隔壁を閉じた後、試料の交換を行う。

【００２６】この手順によれば、排気予備室の領域をも
用いて試料の位置合わせが可能となる。

【００２７】また排気予備室を大気開放している間、真
空を維持する空間を減らすことが出来る。

【００２８】これは特に、大気に触れる度に劣化が進行
する荷電粒子源が、試料室と大気的に連通しているよう
な装置に適用する場合、特に有効である。

【００２９】更に本発明では試料室の一部を排気予備室
として用いているが、試料室とは別個に排気予備室を設
け、この排気予備室にまで試料ステージの移動範囲を拡
大し、且つその移動範囲に基づいて荷電粒子線の照射位
置を決定したという見方もできる。本発明をこのように
見た場合、本来試料室に必要な試料の移動領域を、試料
室と排気予備室の両方で確保したことにより、その分試
料室を小さくすることが可能になる。

【００３０】更に本発明では排気予備室から試料室まで
の試料の移送を第１の移送手段で行い、荷電粒子を照射
するための位置合わせを第１の移動機構と、第１の移動
機構上に設置された第２の移動機構で行っている。第２
の移動機構は試料を第１の移動機構上で回転するための
回転機構である。

【００３１】この２つの移動機構の動作の組み合わせに
より、試料上の任意の箇所に荷電粒子線の照射点を位置
づけることが可能となる。尚、試料室に必要なスペース
は第１の移動機構による試料或いは試料ステージの移動
範囲を確保できれば足りる。何故なら第２の移動機構は
回動機構であり、どのように回転しても移動軌跡が拡張
することはないからである。

【００３２】本発明では、このように２つの異なる移動
機構を持つ試料ステージと、試料室の一部を排気予備室
にするという技術の組み合わせにより、排気予備室を持
つ試料室を極めて小さくすることが出来る。

【００３３】本発明では更に試料室と排気予備室間の開
口を閉じるための機構を試料の移動機構に連動させてい
る。

【００３４】具体的には前記開口部に合致する蓋部を試
料ステージと共に移動機構に取り付ける。そして、試料
ステージ上の試料が排気予備室に位置づけられたとき、
蓋部と開口が密着する。この構成によって開口を開閉す
る機構を別に設ける必要がなくなる。

【００３５】本発明では更に排気予備室を２以上備えた
構成をも開示している。これは試料室に対する試料の導
入系を複数設けることによって、より早く多くの試料を
処理するためである。

【００３６】そして本発明では排気予備室を２以上備
え、高スループット化をはかるために以下のような配慮
がなされている。

【００３７】一方の排気予備室で試料の導入出、或いは
この試料の観察を行っている間、他の一方の排気予備室
では外部からの試料の導入出、或いは真空排気またはリ
ークを行うように各機構を制御している。

【００３８】より具体的には一方の排気予備室が試料室
と連通している間、他方の排気予備室では真空排気前の
準備または真空排気を行っている。

【００３９】このように構成することによって連続的に
荷電粒子光学系を動作させることが出来、処理能力が向
上する。

【００４０】更に試料ステージを複数持つことも有効で
ある。互いに独立に移動し得るステージを複数持ち、該
複数のステージをそれぞれ設けた該予備室にて、該一方
の試料ステージ上の試料に観察等の処理を施している間
に、該他方の試料ステージ上の試料を取り外し、次なる
試料を載置して待機し、試料の観察等の処理が終了し次
第、即座に試料ステージを入れ替えることによって、次
なる試料へ処理を絶え間なく続行することができる。

【００４１】このとき、試料ステージ駆動機構をそれぞ
れの排気予備室に設けるようにし、ステージ機構を試料
と共に予備室内に取り込める構造とすると、試料観察室
が小型化することができる。

【００４２】複数のステージを備える場合、ステージの
構成は荷電粒子線光学系に対し、対称なる位置に配置す
ることが望ましい。ステージを複数備える場合、どのス
テージで処理を行っても同様な処理が行われなければな
らない。したがって荷電粒子線光学系に対し、同様な位
置に位置づけられるようにする。またこれらステージに
は同種の部品を用いれば比較的これらの要件を満足しや
すい。

【００４３】また同じ荷電粒子線光学系を用いるので、
これらの複数のステージは、互いに独立的に動作し、か
つ、ぶつかることがないよう協調的に動作させる。

【００４４】またさらに装置では微細な処理を行うた
め、微小な振動も処理に影響し得る。したがって、試料
の処理中は振動を起さぬよう、隔壁の開閉など装置に振
動を与える動作は行わないよう配慮することが望まし
い。

【００４５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による荷電粒子線
装置の一実施例の試料ステージの部分である。特に図１
は、走査形電子顕微鏡に本発明を適用した例である。

【００４６】本発明の試料室である試料観察室１０１に
は試料１０２を載せて動かすステージ１０３がある。ス
テージ１０３はモータ１０４とボールねじ１０５によっ
てＸ，Ｙ方向に移動できる。試料観察室１０１は、ター
ボ分子ポンプ１０６とドライポンプ１０７によって排気
されている。試料観察室１０１の上には、電子顕微鏡の
鏡体１０８がある。この鏡体中には本発明で言うところ
の荷電粒子光学系が配置されている。その内訳は電磁レ
ンズや絞りなどである。さらに試料観察室101の一部に
試料交換用の予備排気室１０９が設けてある。また本発
明で言うところの排気予備室である予備排気室１０９も
ターボ分子ポンプ，ドライポンプによって排気される
（図示せず）。

【００４７】試料１０２を交換するときは、ステージ１
０３を予備排気室１０９に移動し、両者を密着させるこ
とによって、予備排気室１０９を試料観察室１０１から
真空的に隔絶する。接合部の接合面には、Ｏリング等を
施し真空シールするようにしている（図示せず）。そし
て、予備排気室１０９に空気等のガスを放出し、大気圧
にする。大気圧になったところで、試料交換用扉１１０
を開き、試料を交換する。このとき、試料は、直接的に
ステージ１０３に取り付けられる。試料の取り付け交換
が終了したら、試料交換用扉１１０を閉じ、予備排気室
１０９内を真空排気する。予備排気室１０９内の真空度
が試料観察室１０１のレベルに達したら、ステージ１０
３を移動し、試料１０２を電子顕微鏡の鏡体１０８の下
の観察位置へ持ってくる。

【００４８】試料観察時の試料１０２の観察位置の位置
合わせは、ステージ１０３を移動させて行う。このとき
予備排気室１０９と試料観察室１０１間が開放される
が、両者とも同等の真空レベルを維持しているので何等
問題はない。

【００４９】これが、図１における試料観察・交換の一
連の動作である。

【００５０】図２は、同じく本発明による荷電粒子線装
置の一実施例の試料ステージの部分である。図２も図１
と同様に、走査形電子顕微鏡に本発明を適用した例であ
る。試料観察室２０１には試料２０２を載せて動かすス
テージ２０３がある。ステージ２０３はモータ２０４と
ボールねじ２０５によってＸ，Ｙ方向に移動できる。試
料観察室２０１は、ターボ分子ポンプ２０６とドライポ
ンプ２０７によって排気されている。そしてまた試料観
察室２０１の上には、電子顕微鏡の鏡体２０８がある。
さらに試料観察室２０１の一部に試料交換用の予備排気
室２０９が設けてある。予備排気室２０９もターボ分子
ポンプ，ドライポンプによって排気される(図示せず)。
図２では、試料２０２を動かすモータ２０４とボールね
じ２０５等の機構を予備排気室２０９側に設けている。

【００５１】試料２０２を交換するときは、ステージ２
０３を予備排気室２０９に移動し、ステージ２０３全体
を予備排気室２０９内に格納する。次に、予備排気室２
０９と試料観察室２０１を真空的に隔絶するゲートバル
ブ２１１を閉じる。そして、予備排気室２０９のみに空
気等のガスを放出し、大気圧にする。大気圧になったと
ころで、試料交換用扉２１０を開き、試料を交換する。
このとき、試料は、直接的にステージ２０３に取り付け
られる。試料の取り付け交換が終了したら、試料交換用
扉２１０を閉じ、予備排気室２０９内を真空排気する。
予備排気室２０９内の真空度が試料観察室２０１のレベ
ルに達したら、ゲートバルブ２１１を開く。そしてステ
ージ２０３を移動し、試料２０２を電子顕微鏡の鏡体２
０８の下の観察位置へ持ってくる。これが、図２におけ
る試料観察・交換の一連の動作である。

【００５２】図１と図２によると、試料を確実にステー
ジに取り付けることが可能となる。更に図２ではボール
ねじ２０５がゲートバルブ２１１をまたいで配置されて
おり、高真空を維持する上で問題があるように見える
が、本発明は上述した如く試料観察室２０１に試料２０
２があるときゲートバルブ２１１は開放された状態とな
っているので構成上の問題はない。

【００５３】図３（ａ），図３（ｂ）は、同じく本発明
による荷電粒子線装置の他の一実施例の試料ステージの
部分である。特にこれらは、半導体ウェーハ等の大型試
料観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を適用した例であ
る。図３（ａ）は、本一実施例の試料ステージの平面的
断面図。図３（ｂ）は、同じく、本一実施例の試料ステ
ージの側面的断面図を示す。

【００５４】試料観察室３０１には試料３０２を載せて
動かすステージ３０３がある。ステージ３０３はガイド
レール３１２上に設置され，モータ３０４，３０４′と
ボールねじ３０５，３０５′によってＸ方向およびＹ方
向に移動できる。

【００５５】試料観察室３０１は、ターボ分子ポンプ３
０６とドライポンプ３０７によって排気されている。そ
してまた試料観察室３０１の上には、電子顕微鏡の鏡体
３０８がある。さらに試料観察室３０１の一部に試料交
換用の予備排気室３０９が設けてある。予備排気室３０
９も試料観察室３０１とは独立にターボ分子ポンプ，ド
ライポンプ（共に図示せず）によって排気される。

【００５６】試料３０２を交換するときは、ステージ３
０３を予備排気室３０９に移動し、接合部３１１を密着
させることによって、真空的に予備排気室３０９を試料
観察室３０１から隔離する。

【００５７】接合部の接合面には、Ｏリング等を施し真
空シールするようにしている（図示せず）。接合部３１
１は、ベローズ構造になっており、試料観察時は、接合
部３１１が退きステージ３０３移動の妨げにならないよ
うに配慮してある。次に、予備排気室３０９のみに空気
等のガスを放出し、大気圧にする。大気圧になったとこ
ろで、試料交換用扉３１０を開き、試料を交換する。こ
のとき、試料は、直接的にステージ３０３に取り付けら
れる。試料の取り付け交換が終了したら、試料交換用扉
３１０を閉じ、予備排気室３０９内を真空排気する。予
備排気室309内の真空度が試料観察室３０１のレベルに
達したら、ゲートバルブ３１１を開け、ステージ３０３
を移動し、試料３０２を電子顕微鏡の鏡体３０８の下の
観察位置へ持ってくる。

【００５８】これが、図３における試料観察・交換の一
連の動作である。

【００５９】図３では試料３０２が特に大型のため、試
料３０２の全域を観察する場合、試料３０２および試料
３０２の一部が予備排気室３０９に入り込む場合があ
る。

【００６０】図３によると、試料を直接ステージに取り
付けるので、確実な試料取り付けが可能となり、かつ、
試料観察室の一部を予備排気室として用いるので、従来
の予備排気室の空間が削減でき、装置を小型化すること
ができる。

【００６１】より具体的に言えば試料観察室３０１の試
料の移動領域中に予備排気室３０９を配置している。試
料観察室３０１の大きさは、試料３０２上の色々な箇所
に電子線を照射し得るように設定される。望ましくは荷
電粒子線が試料の如何なる位置にも照射できるように試
料ステージを動かせるだけの大きさがあると良い。この
ように設定された試料観察室内に予備排気室を設定して
いる。これにより予備排気室分、装置を縮小することが
可能となる。

【００６２】図４は、特開昭54−78967 号公報記載の発
明を本発明に応用した荷電粒子線装置の一実施例の試料
ステージの部分である。図３と同様、これは半導体ウェ
ーハ等の大型試料観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を
適用した例で、図４は、本一実施例の試料ステージの平
面的断面図を示す。

【００６３】試料観察室４０１には試料４０２を載せて
動かすステージ４０３がある。ステージ４０３はガイド
レール４１２上に設置され、モータとボールねじ（共に
図示せず）によって一方向に移動できる（本発明の第１
の移動機構）。さらにステージ４０３は、その下に取り
付けられたステージ回転機構（図示せず：本発明の第２
の移動機構）によって、試料４０２をステージ４０３上
で回転させることができる。

【００６４】試料観察室４０１は、ターボ分子ポンプと
ドライポンプ（共に図示せず）によって排気されてい
る。そしてまた試料観察室４０１の上には、電子顕微鏡
の鏡体４０８がある。電子顕微鏡の鏡体４０８の中心
は、ステージ４０３上の試料402の中心と一致し得る位
置にある。さらに試料観察室４０１には試料交換用の予
備排気室４０９を臨設させてある。予備排気室４０９も
試料観察室４０１とは独立にターボ分子ポンプ，ドライ
ポンプ（共に図示せず）によって排気される。

【００６５】試料４０２を交換するときは、ステージ４
０３を予備排気室４０９に移動し、ゲートバルブ４１１
を閉じることによって、真空的に予備排気室４０９を試
料観察室４０１から隔絶する。そして、予備排気室４０
９のみに空気等のガスを放出し、大気圧にする。大気圧
になったところで、試料交換用扉４１０を開き、試料を
交換する。このとき、試料は、直接的にステージ４０３
に取り付けられる。試料の取り付け交換が終了したら、
試料交換用扉４１０を閉じ、予備排気室４０９内を真空
排気する。予備排気室４０９内の真空度が試料観察室４
０１のレベルに達したら、ゲートバルブ４１１を開け、
ステージ４０３を移動し、試料４０２を電子顕微鏡の鏡
体４０８の下の観察位置へ持ってくる。

【００６６】これが、図４における試料観察・交換の一
連の動作である。

【００６７】図４では試料４０２が特に大型のため、試
料４０２の全域を観察する場合、試料４０２および試料
４０２の一部がゲートバルブ４１１をまたいで予備排気
室４０９に入り込む。すなわち、予備排気室４０９が試
料観察室４０１の一部として機能する。

【００６８】図５は、特願平6−303876 号記載の発明を
本発明に応用した荷電粒子線装置の一実施例の試料ステ
ージの部分である。図４と同様、これは半導体ウェーハ
等の大型試料観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を適用
した例で、図５は、本一実施例の試料ステージの平面的
断面図を示す。

【００６９】試料観察室５０１には試料５０２を載せて
動かすステージ５０３がある。ステージ５０２は、それ
を動かす腕５２０によって支えられている。ステージ５
０２を動かす腕５２０の回転とステージ５０２の下に取
り付けられたステージ回転機構（図示せず）によって、
ステージ５０３を移動させることができる。

【００７０】試料観察室５０１は、ターボ分子ポンプと
ドライポンプ（共に図示せず）によって排気されてい
る。そしてまた試料観察室５０１の上には、電子顕微鏡
の鏡体５０８がある。ステージ５０３の位置は鏡体の位
置５０８と同心円の位置に来得るよう配置されている。
さらに試料観察室５０１には試料交換用の予備排気室５
０９を臨設させてある。予備排気室５０９も試料観察室
５０１とは独立にターボ分子ポンプ，ドライポンプ（共
に図示せず）によって排気される。

【００７１】図５では、腕５２０の回転軸５２１を、予
備排気室５０９内に取り付けている。試料５０２を交換
するときは、ステージ５０３を予備排気室５０９に移動
し、ゲートバルブ５１１を閉じることによって、真空的
に予備排気室５０９を試料観察室５０１から隔絶する。
ステージ５０３を支える腕５２０の回転軸５２１は、予
備排気室５０９内に取り付けられているので、この場合
ステージ５０３がすべて予備排気室５０９内に取り込ま
れる形となる。そして、予備排気室５０９のみに空気等
のガスを放出し、大気圧にする。大気圧になったところ
で、試料交換用扉５１０を開き、試料を交換する。この
とき、試料は、直接的にステージ５０３に取り付けられ
る。試料の取り付け交換が終了したら、試料交換用扉５
１０を閉じ、予備排気室５０９内を真空排気する。予備
排気室５０９内の真空度が試料観察室５０１のレベルに
達したら、ゲートバルブ５１１を開け、ステージ５０３
を移動し、試料５０２を電子顕微鏡の鏡体５０８の下の
観察位置へ持ってくる。

【００７２】これが、図５における試料観察・交換の一
連の動作である。

【００７３】図５では試料５０２が特に大型のため、試
料５０２の全域を観察する場合、試料５０２およびステ
ージ５０２の一部がゲートバルブ５１１をまたいで予備
排気室５０９に入り込む。

【００７４】図４，図５は共に試料の移動軌跡に沿っ
て、試料室が形成されている。即ち本発明で言うところ
の第１の移動機構の移動軌跡に沿って、試料室が形成さ
れているので試料室を更に小さくすることが出来る。

【００７５】図６（ａ），図６（ｂ）は、本発明による
荷電粒子線装置の他の一実施例の試料ステージの部分で
ある。図３ないし図５と同様、これは半導体ウェーハ等
の大型試料観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を適用し
た例で、図６（ａ），図６（ｂ）は、本一実施例の試料
ステージの平面的断面図を示す。図６（ｂ）は、図６
（ａ）の変形で、試料室の空間を小さくしてある。

【００７６】試料観察室６０１には試料６０２を載せて
動かすステージ６０３がある。ステージ６０２は、それ
を動かす腕６２０によって支えられている。ステージ６
０２を動かす腕６２０の回転とステージ６０２の下に取
り付けられたステージ回転機構（図示せず）によって、
ステージ６０３を移動させることができる。

【００７７】試料観察室６０１は、ターボ分子ポンプと
ドライポンプ（共に図示せず）によって排気されてい
る。そしてまた試料観察室６０１の上には、電子顕微鏡
の鏡体６０８がある。ステージ６０３上の試料６０２の
位置は鏡体の位置６０８と同心円の位置に来得るよう配
置されている。さらに試料観察室６０１に隣接して試料
交換用の予備排気室６０９，６０９′を設けている。予
備排気室609，609′も試料観察室６０１とは独立にター
ボ分子ポンプ，ドライポンプ（共に図示せず）によって
排気される。

【００７８】図６（ａ），図６（ｂ）では、腕６２０の
回転軸６２１は、試料観察室６０１内に取り付けられて
いる。

【００７９】試料６０２を交換するときは、まず、ステ
ージ６０３を予備排気室６０９に移動し、所定の位置
で、試料保持台６３０を試料６０２と共に置いてくる。
そして、ステージ６０３を試料観察室６０１に戻し、ゲ
ートバルブ６１１を閉じる。

【００８０】ゲートバルブ６１１を閉じることによっ
て、真空的に予備排気室６０９を試料観察室６０１から
隔絶する。そして、予備排気室６０９のみに空気等のガ
スを放出し、大気圧にする。大気圧になったところで、
試料交換用扉６１０を開き、試料を交換する。このと
き、試料は試料保持台６３０に取り付けられる。試料の
取り付け交換が終了したら、試料交換用扉６１０を閉
じ、予備排気室６０９内を真空排気する。

【００８１】その間ステージ６０３は、ゲートバルブ６
１１′を通して、もう一方の予備排気室６０９′に用意
してあった試料保持台６３０′上の試料６０２′を試料
保持台６３０′ごとステージ６０３に載せる。そして、
ステージ６０３を移動し、試料６０２′を電子顕微鏡の
鏡体６０８の下の観察位置へ持ってくる。

【００８２】図６では試料６０２が大型のため、試料６
０２′の全域を観察する場合、試料６０２′およびステ
ージ６０２の一部がゲートバルブ６１１′をまたいで予
備排気室６０９′に入り込む。試料６０２′の観察が終
了したら、先ほどと同様に試料保持台６３０′上の試料
６０２′を試料保持台６３０′ごと予備排気室609′の
所定の位置に置いてくる。そして、ステージ６０３を試
料観察室６０１に戻し、ゲートバルブ６１１′を閉じ
る。予備排気室６０９′では、予備排気室６０９と同様
の手順で、試料の交換を始める。

【００８３】一方、この時点で予備排気室６０９内の真
空度が試料観察室６０１のレベルに達したら、ゲートバ
ルブ６１１を開け、ステージ６０３を予備排気室６０９
に移動し、試料保持台６３０上の新しい試料６０２を試
料保持台６３０ごとステージ６０３に載せ、ステージ６
０３を移動し、試料６０２を電子顕微鏡の鏡体６０８の
下の観察位置へ持ってくる。

【００８４】この二つの予備排気室６０９，６０９′に
て試料６０２を試料保持台６３０ごと交互に交換するこ
とが、図６における試料交換の一連の動作である。

【００８５】図６（ｂ）では、図６（ａ）と比べ、図示
のとおり試料室のスペースを切り詰めているので、真空
排気の点で有利であり、装置全体の寸法も小型にするこ
とができる。

【００８６】図７は、本発明による荷電粒子線装置のさ
らなる他の一実施例の試料ステージの部分である。図３
ないし図６と同様、これは半導体ウェーハ等の大型試料
観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を適用した例で、図
７は、本一実施例の試料ステージの平面的断面図を示
す。

【００８７】試料観察室７０１には試料７０２を載せて
動かすステージ７０３がある。ステージ７０２はガイド
レール７１２上に設置され，モータ７０４，７０４′と
ボールねじ７０５，７０５′によってＸ方向およびＹ方
向に移動できる。

【００８８】試料観察室７０１は、ターボ分子ポンプと
ドライポンプ（共に図示せず）によって排気されてい
る。そしてまた試料観察室７０１の上には、電子顕微鏡
の鏡体７０８がある。さらに試料観察室７０１の横に試
料交換用の予備排気室７０９が設けてある。予備排気室
７０９も試料観察室７０１とは独立にターボ分子ポン
プ，ドライポンプ（共に図示せず）によって排気され
る。

【００８９】図において、予備排気室７０９内には２つ
の試料保持台７３０，７３０′が取り付くように設定さ
れている。通常、予備排気室７０９内には１つの試料保
持台７３０が設置され、もう一方の試料保持台７３０′
は、ステージ７０３に取り付けられている。

【００９０】試料７０２を交換するときは、まず、ステ
ージ７０３を予備排気室７０９に移動し、予備排気室７
０９内のあいている方の設置位置に、試料保持台６３０
を試料７０２と共においてくる。

【００９１】次に予備排気室７０９のもう一方に用意し
てある試料保持台６３０′上の試料７０２′を試料保持
台６３０′ごとステージ７０３に載せて試料観察室７０
１に戻し、試料７０２′を電子顕微鏡の鏡体７０８の下
の観察位置へ持ってくる。そして、ゲートバルブ７１１
を閉じる。

【００９２】ゲートバルブ７１１を閉じることによっ
て、真空的に予備排気室７０９を試料観察室７０１から
隔絶する。そして、予備排気室７０９のみに空気等のガ
スを放出し、大気圧にする。大気圧になったところで、
試料交換用扉７１０を開き、試料を交換する。このと
き、試料は試料保持台７３０に取り付けられる。試料の
取り付け交換が終了したら、試料交換用扉７１０を閉
じ、予備排気室７０９内を真空排気する。

【００９３】その間ステージ７０３では、試料７０２′
の観察を行う。

【００９４】試料７０２′の観察が終了した時点で予備
排気室７０９内の真空度が試料観察室７０１のレベルに
達したら、ゲートバルブ７１１を開け、先ほどと同様に
試料保持台７３０′上の試料７０２′を試料保持台７３
０′ごと予備排気室７０９の開ている方の設置位置に置
いて来る。

【００９５】次に予備排気室７０９のもう一方に交換し
ておいた試料保持台６３０上の試料７０２を試料保持台
６３０ごとステージ７０３に載せて試料観察室７０１に
戻し、試料７０２′を電子顕微鏡の鏡体７０８の下の観
察位置へ持って来る。

【００９６】予備排気室７０９では、試料７０２と同様
の手順で、試料の交換を始める。

【００９７】これが、図７における試料観察・交換の一
連の動作である。

【００９８】この構成によれば１回の排気で２つ分の排
気を行うことが出来るので、１つの予備排気室しか持た
ない装置と比較して処理能力が向上する。また特に図７
のようなＸ−Ｙステージを持った試料観察室は、Ｘ方
向，Ｙ方向の何れの方向においてもほぼ試料２つ分の試
料観察室の長さを必要とするので、２つ分の予備排気室
を付加しても、１つ分の予備排気室を付加したときと比
較して装置は余り大きくならない。

【００９９】図８は、図４記載の発明を応用した荷電粒
子線装置の一実施例の試料ステージの部分である。図３
ないし図７と同様、これは半導体ウェーハ等の大型試料
観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を適用した例で、図
８は、本発明の一実施例の試料ステージの平面的断面図
を示す。試料観察室８０１は、ターボ分子ポンプとドラ
イポンプ（共に図示せず）によって排気されている。そ
してまた試料観察室８０１の上には、電子顕微鏡の鏡体
８０８がある。さらに試料観察室８０１の両横に試料交
換用の予備排気室８０９，８０９′が設けてある。予備
排気室８０９，８０９′も試料観察室８０１とは独立に
ターボ分子ポンプ，ドライポンプ（共に図示せず）によ
って排気される。予備排気室８０９，８０９′には、各
々試料を載せて動かすステージ８０３，８０３′があ
る。ステージ８０３，８０３′はガイドレール８１２上
に設置され、モータとボールねじ（共に図示せず）によ
って各々独立に一方向に移動できる。さらにステージ８
０３，８０３′は、その下に取り付けられたステージ回
転機構(図示せず)によって、試料８０２，８０２′をス
テージ８０３，８０３′で回転させることができる。電
子顕微鏡の鏡体808の中心は、ステージ８０３，８０
３′上の試料８０２，８０２′の中心と一致し得る位置
にある。

【０１００】試料８０２を交換するときは、ステージ８
０３を予備排気室８０９に移動し、ゲートバルブ８１１
を閉じることによって、真空的に予備排気室８０９を試
料観察室８０１から隔絶する。そして、予備排気室８０
９のみに空気等のガスを放出し、大気圧にする。大気圧
になったところで、試料交換用扉８１０を開き、試料を
交換する。このとき、試料は、直接的にステージ８０３
に取り付けられる。試料の取り付け交換が終了したら、
試料交換用扉８１０を閉じ、予備排気室８０９内を真空
排気する。

【０１０１】この間試料観察室８０１では、もう一方の
ステージ８０３′が試料８０２′を載せて、ゲートバル
ブ８１１′越しにステージ８０３′を移動し、試料８０
２′を電子顕微鏡の鏡体８０８の下の観察位置へ持って
来て、試料８０２′の観察を行う。

【０１０２】観察が終了したら、ステージ８０３′を予
備排気室８０９′に移動し、ゲートバルブ８１１′を閉
じる。そして、上述の予備排気室８０９と同様に試料の
交換を開始する。

【０１０３】この時点で予備排気室８０９内の真空度が
試料観察室８０１のレベルに達したら、ゲートバルブ８
１１を開け、ステージ８０３を移動し、試料８０２を電
子顕微鏡の鏡体８０８の下の観察位置へ持って来て試料
８０２の観察を行う。

【０１０４】予備排気室８０９，８０９′内の試料の交
換は、外部の試料移載ロボット840によって行う。この
ロボット８４０は、予備排気室８０９，８０９′内の試
料８０２，８０２′を取り上げ外部の試料カセット８４
１へ収納し、そこから次の試料を取り上げ、予備排気室
８０９，８０９′内のステージ８０３，８０３′に載せ
替える。外部の試料カセット８４１は、いくつ置いても
構わない。図のように配置すると、小さな空間に配置で
き、しかも一列に並べられるので、カセットの自動搬送
ロボット；ＡＧＶ等にも対応が可能である。

【０１０５】これが、図８における試料観察・交換の一
連の動作である。

【０１０６】図８では試料８０２が大型のため、試料８
０２のはじを観察する場合、試料８０２およびステージ
８０３，８０３′の一部がゲートバルブ４１１，４１
１′をまたいで予備排気室８０９，８０９′に入り込
む。すなわち、予備排気室809，８０９′が試料観察室
８０１の一部として機能する。

【０１０７】上記動作を図９を用いて更に説明する。図
９によれば、ステージ８０３と８０３′の試料観察が交
互に行われている。一方の試料観察中、もう一方の予備
排気室では試料交換やゲートバルブ開閉等の試料観察前
の準備を行っている。この構成によれば１つの荷電粒子
光学系をもって試料観察を連続的に行うことが出来るの
で、特に自動化された荷電粒子線装置の高スループット
化を実現できる。図１０は、図５記載の発明を応用した
荷電粒子線装置の一実施例の試料ステージの部分であ
る。図３ないし図８と同様、これは半導体ウェーハ等の
大型試料観察用の走査形電子顕微鏡に本発明を適用した
例で、図１０は、本一実施例の試料ステージの平面的断
面図を示す。試料観察室９０１は、ターボ分子ポンプと
ドライポンプ(共に図示せず)によって排気されている。
そしてまた試料観察室９０１の上には、電子顕微鏡の鏡
体９０８がある。さらに試料観察室９０１の両横に試料
交換用の予備排気室９０９，９０９′が設けてある。予
備排気室９０９，９０９′も試料観察室９０１とは独立
にターボ分子ポンプ，ドライポンプ（共に図示せず）に
よって排気される。予備排気室９０９，９０９′には、
各々試料を載せて動かすステージ９０３，９０３′があ
る。

【０１０８】ステージ９０３，９０３′は、それを動か
す腕９２０，９２０′によって支えられている。ステー
ジ９０３，９０３′を動かす腕９２０，９２０′の回転
とステージ９０３，９０３′の下に取り付けられたステ
ージ回転機構（図示せず）によって、ステージ９０３，
９０３′上の試料９０２，９０２′を移動させることが
できる。

【０１０９】ステージ９０３の位置は鏡体の位置９０８
と同心円の位置に来得るよう配置されている。また、ス
テージ９０３′も同様に鏡体９０８と同心円の位置に来
るよう配置されている。

【０１１０】試料９０２を交換するときは、ステージ９
０３を予備排気室９０９に移動し、ゲートバルブ９１１
を閉じることによって、真空的に予備排気室９０９を試
料観察室９０１から隔絶する。そして、予備排気室９０
９のみに空気等のガスを放出し、大気圧にする。大気圧
になったところで、試料交換用扉９１０を開き、試料を
交換する。このとき、試料は、直接的にステージ９０３
に取り付けられる。試料の取り付け交換が終了したら、
試料交換用扉９１０を閉じ、予備排気室９０９内を真空
排気する。

【０１１１】この間試料観察室９０１では、もう一方の
ステージ９０３′が試料９０２′を載せて、ゲートバル
ブ９１１′越しにステージ９０３′を移動し、試料９０
２′を電子顕微鏡の鏡体９０８の下の観察位置へ持って
来て、試料９０２′の観察を行う。

【０１１２】観察が終了したら、ステージ９０３′を予
備排気室９０９′に移動し、ゲートバルブ８１１′を閉
じる。そして、上述の予備排気室９０９と同様に試料の
交換を開始する。

【０１１３】この時点で予備排気室９０９内の真空度が
試料観察室９０１のレベルに達したら、ゲートバルブ９
１１を開け、ステージ９０３を移動し、試料９０２を電
子顕微鏡の鏡体９０８の下の観察位置へ持って来て試料
９０２の観察を行う。

【０１１４】予備排気室９０９，９０９′内の試料の交
換は、図８と同様に、外部の試料移載ロボット９４０に
よって行う。このロボット９４０は、予備排気室９０
９，９０９′内の試料９０２，９０２′を取り上げ外部
の試料カセット９４１へ収納し、そこから次の試料を取
り上げ、予備排気室９０９，９０９′内のステージ９０
３，９０３′に載せ替える。外部の試料カセット９４１
は、いくつおいても構わない。図のように配置すると、
小さな空間に配置でき、しかも一列に並べられるので、
カセットの自動搬送ロボット；ＡＧＶ等にも対応が可能
である。

【０１１５】これが、図１０における試料観察・交換の
一連の動作である。

【０１１６】図１０では試料９０２が大型のため、試料
９０２のはじを観察する場合、試料９０２およびステー
ジ９０３，９０３′の一部がゲートバルブ９１１，９１
１′をまたいで予備排気室９０９，９０９′に入り込
む。すなわち、予備排気室909，９０９′が試料観察室
９０１の一部となる。

【０１１７】尚、図８，図９は移動機構の一部が予備排
気室と試料観察室の間にまたがって配置され、高真空を
維持する上で問題があるように思われるが、本発明の構
成上、試料が試料観察室に位置づけられているとき、ゲ
ートバルブが閉じることはないので、上記した問題は起
こり得ない。本発明の採用により図８，図９に示すよう
な移動機構の採用が可能となる。

【０１１８】実施例では主に半導体用の電子顕微鏡を例
にあげたが、本発明の効果は、半導体用以外の電子顕微
鏡にも有効である。

【０１１９】また本実施例では電子顕微鏡を例にあげた
が、本発明の効果は、電子顕微鏡以外の装置、例えば電
子線描画装置やＦＩＢ装置等にももちろん有効である。

【０１２０】

【発明の効果】本発明により、荷電粒子装置において、
真空予備排気室の空間を試料室の一部として使えるの
で、試料が大型化しても装置を小型に押さえることが出
来る。また試料を連続的に処理することができるので高
処理能力を持った装置を提供することが可能となる。

【０１２１】また試料を直接的にステージに載せる等、
真空中で試料を移載することがないので、ロボット等の
可動機構の数を最小限に抑えることができ、可動機構が
増えることによるコストアップや、不具合の発生確率の
増大を抑え、微小異物の発生低減，試料破損等の事故ポ
テンシャル等の低減に配慮した装置を提供することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による試料室と試料ステージを採用した
走査形電子顕微鏡の実施例図。

【図２】本発明による試料室と試料ステージを採用した
走査形電子顕微鏡の他の実施例図。

【図３】本発明による荷電粒子線装置の一実施例で、走
査形電子顕微鏡のＸ，Ｙステージで大型試料を扱った例
を示す図。

【図４】本発明による荷電粒子線装置の試料室の実施例
を示す図。

【図５】本発明による荷電粒子線装置の試料室の他の実
施例を示す図。

【図６】本発明による荷電粒子線装置の予備排気室を２
つもった試料室を示す図。

【図７】本発明による荷電粒子線装置であって、２つの
試料を配置できる予備排気室を持った試料室を示す図。

【図８】本発明による荷電粒子線装置であって、予備排
気室を２つもった試料室を示す図。

【図９】図８の試料室内機構の動作を示すフローチャー
ト。

【図１０】本発明による荷電粒子線装置であって、予備
排気室を２つもった試料室を示す図。

【図１１】従来の大型試料用走査形電子顕微鏡のＸ，Ｙ
ステージで試料保持台を交換する場合の例。

【図１２】従来の走査形電子顕微鏡のステージの例を示
す図。

【図１３】従来の走査形電子顕微鏡のステージの例を示
す図。

【符号の説明】

１０１…試料観察室、１０２…試料、１０３…ステー
ジ、１０４…ステージ駆動用モータ、１０５…ステージ
駆動用ボールねじ、１０６…試料観察室排気用ターボモ
レキュラポンプ、１０７…試料観察室排気用ドライポン
プ、１０８…電子顕微鏡の鏡体、１０９…予備排気室、
１１０…試料交換用扉、２１１…試料観察室と予備排気
室間のゲートバルブ、３１２…ステージのガイドレー
ル、５２０…ステージを支える腕、５２１…ステージを
支える腕の回転中心、６３０…試料保持台、８４０…試
料移載ロボット、８４１…試料カセット、１２４０…予
備室での試料移載のためのロボット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大塚 忍 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 実開 平４−16862（ＪＰ，Ｕ) 実開 平５−55442（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−84868（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/20 H01J 37/317

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】荷電粒子源から発生した荷電粒子線を荷電
   粒子光学系を通して、試料室内の試料ステージに載置さ
   れた試料に照射する荷電粒子線装置において、 前記試料ステージは、前記試料を試料室内で移動するよ
   うに構成され、 前記試料に前記荷電粒子線を照射し得るように設定され
   た前記試料の移動領域内であって、前記試料ステージに
   よる前記試料の移動軌道上に、前記試料室を少なくとも
   ２つに分ける開閉可能な隔壁を備え、前記分けられた試
   料室の内、少なくとも１つを予備排気室としたことを特
   徴とする荷電粒子線装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記開閉可能な隔壁は、前記試料ステージによる前記試
   料の前記移動軌道上での移動時は開いていることを特徴
   とする荷電粒子線装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記試料室は前記試料或いは試料ステージの移動軌道に
   沿って形成されていることを特徴とする荷電粒子線装
   置。
4. 【請求項４】請求項１において、 前記開閉可能な隔壁は、前記荷電粒子線の照射のための
   位置合わせのときは開放されていることを特徴とする荷
   電粒子線装置。
5. 【請求項５】請求項１において、 前記排気予備室に試料交換用の扉を備え、前記試料が排
   気予備室に位置づけられているときは開閉可能としたこ
   とを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 【請求項６】請求項１において、 前記排気予備室は２以上備えられていることを特徴とす
   る荷電粒子線装置。
7. 【請求項７】請求項１または６において、 前記試料ステージを前記試料室内で移動するための移動
   機構を支持する支持部材は前記排気予備室に備えられて
   いることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 【請求項８】請求項１または６において、 前記試料ステージは、前記排気予備室までの移動を行う
   ための第１の移動機構上で回動する第２の移動機構上に
   設置され、前記試料に対する前記荷電粒子線の照射位置
   の位置合わせを、前記第１の移動機構と前記第２の移動
   機構の動作の組み合わせにより行うことを特徴とする荷
   電粒子線装置。
9. 【請求項９】荷電粒子源から発生した荷電粒子線を荷電
   粒子光学系を通して試料室内の試料に照射する荷電粒子
   線装置において、 前記試料室には少なくとも２以上の排気予備室が備えら
   れると共に、それぞれの排気予備室から試料を導入する
   ための移動機構を備え、当該移動機構は前記試料に前記
   荷電粒子線を照射し得るような領域で、前記試料を移動
   させるように構成され、前記領域内で移動する前記試料
   の移動軌道上に前記排気予備室と試料室を分ける開閉可
   能な隔壁が設けられていることを特徴とする荷電粒子線
   装置。
10. 【請求項１０】請求項９において、 前記試料室と前記排気予備室との間には開閉可能な隔壁
    が備えられ、該隔壁の内、いずれか１つが試料移動時に
    は開いていることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 【請求項１１】請求項９において、 前記移動機構は、前記排気予備室毎に備えられ、前記移
    動機構を支持する支持部材は前記排気予備室に備えられ
    ていることを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 【請求項１２】請求項９乃至１１において、 前記移動機構は、前記排気予備室までの移動を行うため
    の第１の移動機構と該第１の移動機構上で回動する第２
    の移動機構からなり、前記試料に対する前記荷電粒子線
    の照射位置の位置合わせを、前記第１の移動機構と前記
    第２の移動機構の動作の組み合わせにより行うことを特
    徴とする荷電粒子線装置。
13. 【請求項１３】請求項９において、 前記移動機構は少なくとも２以上備え、それぞれ異なる
    排気予備室から、前記試料室に試料を導出、導入し得る
    構成を有し、 少なくとも１つの排気予備室と試料室を連通させ、その
    中で試料を移動させる第１の状態と、他の１つの排気予
    備室と試料室を連通させ、その中で試料を移動させる第
    ２の状態を交互に行うことを特徴とする荷電粒子線装
    置。