JP3721850B2

JP3721850B2 - 電子顕微鏡および試料ステージ

Info

Publication number: JP3721850B2
Application number: JP13094799A
Authority: JP
Inventors: 英一瀬谷; 利榮黒▲崎▼; 一雄青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-12
Also published as: JP2000323079A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子顕微鏡および電子顕微鏡用の試料ステージにかかわり、特に半導体素子製造分野における検査・観察に好適な電子顕微鏡および試料ステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡用の試料ステージにはナノメータオーダの低振動性が必要とされるため、防振を目的とした技術が従来から提案されている。例えば、特開平６−１７６７２９号公報、特開平１０−３８７４号公報などがこれにあたる。
【０００３】
特開平６−１７６７２９号公報に記載の技術では、電子レンズと試料の相対振動が画像ぶれの原因になることに着目し、電子レンズからステージ構造を直接ぶら下げる方法が開示されている。この方法を用いると、電子レンズとステージの相対振動が低減できるため、外来振動により装置全体が振動しても画像ぶれが生じにくく、装置の耐振性の向上を図ることができる。
【０００４】
また、特開平１０−３８７４号公報に記載の技術では、Ｚ移動、傾斜、ＸＹ移動、および試料回転の機能を有する５軸ステージにおいて、対向するくさびの組み合わせを用いて傾斜軸軸受部材をＺ移動する構成が開示されている。この方法によれば、Ｚ移動部の機械的支持剛性を高めることができるため、外来振動によって引き起こされるステージ振動の振幅が低減でき、その結果として装置の耐振性の向上を図ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電子顕微鏡は半導体素子の製造分野において検査・観察用途に多く用いられている。これらの用途に用いる電子顕微鏡は、シリコンウェハを切断せずに観察できるように、少なくともウェハの直径を上回る可動範囲を持つ大型の試料ステージを備える必要がある。また、特に回路パターンの外観を検査する用途においては、任意方向の斜め側面からの観察を可能とするため、試料ステージには傾斜機能と試料回転機能が必要であり、さらに、観察分解能を可変とするためには、電子光学系のワーキングディスタンスを可変するＺ移動機能が必要となる。
【０００６】
ところが、このように大型で多軸の移動機能を備えた試料ステージは、機械共振周波数が低下するため、外部からの振動を拾いやすくなるという問題がある。半導体製造ラインは一般にクリーンルーム環境であるため、空調から生ずる５０〜２００Hz程度の振動のレベルが高く、上記の機械共振周波数がこの領域にまで低下するとその影響は深刻なものとなる。
【０００７】
このような場合に適用することを考えると、特開平６−１７６７２９号公報に開示された方法では、試料ステージの土台部分と電子レンズの間の相対振動は低減できるものの、土台部分から上のステージ自体の変形による振動に対しては効果がないという問題がある。すなわち、試料ステージ自体が機械共振を起こし、試料を保持するステージ上部がステージの土台部分に対して振動するような場合には、いくら土台部分を固定しても振動低減の効果は期待できない。
【０００８】
一方、特開平１０−３８７４号公報に開示された方法は、対向するくさびを用いてＺ移動部分を支持する構造であるため、従来の方法に比較すれば、Ｚ移動部分の支持剛性を向上することができる。しかしながらこの構造では、逆に機械共振を引き起こしやすくする要因であるＺ移動部分の重量増加が同時に生ずるため、十分な振動低減効果は得にくいという問題点がある。
【０００９】
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、半導体用のシリコンウェハの全面が観察できる移動ストロークと傾斜機能、Ｚ移動機能を持ちながら、外来振動によって画像ぶれを生じることの少ない電子顕微鏡、およびそれに用いる試料ステージの構造を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、真空チャンバと試料ステージを備えた電子顕微鏡において、試料ステージの傾斜軸部材を、真空チャンバの側壁、あるいは真空チャンバの側壁に固定された滑り面部材に、回転およびＺ方向に移動可能に滑り接触させた構成とする。
【００１１】
また、本発明の別の一形態では、試料ステージの傾斜テーブルを、真空チャンバの側壁、あるいは真空チャンバの側壁に固定された滑り面部材に、傾斜およびＺ方向に移動可能に滑り接触させた構成とする。
【００１２】
また、本発明のさらに別の一形態では、上記の構成において傾斜軸部材または傾斜テーブルの滑り面の方位を傾斜テーブルの回転中心軸と垂直にする。
【００１３】
また、本発明のさらに別の一形態では、上記の構成において真空チャンバの側壁に開口部を設け、この開口部を真空封止する部材を、傾斜軸部材または傾斜テーブルの滑り面として使用する。
【００１４】
また、本発明のさらに別の一形態では、Ｚ移動機構、傾斜機構、ＸＹ移動機構および試料回転機構を備えた試料ステージにおいて、傾斜機構の傾斜軸部材を、真空チャンバの側壁、あるいは真空チャンバの側壁に固定された滑り面部材に、回転およびＺ方向に移動可能に滑り接触する構成とする。
【００１５】
また、本発明のさらに別の一形態では、上記の移動機能を備えた試料ステージにおいて、傾斜機構の傾斜テーブルが、真空チャンバの側壁、あるいは真空チャンバの側壁に固定された滑り面部材に、傾斜およびＺ方向に移動可能に滑り接触する構成とする。
【００１６】
一般に、上記のような多軸の移動機能を備えた試料ステージの振動特性は、各部の質量と機械的支持剛性によって定まる。通常、質量の低減には限度があるため、振動特性を向上するには、機械的支持剛性をいかに向上するかが大きな課題となる。全体的振動特性に及ぼす各部の支持剛性の影響を調べてみると、下部の移動機構ほどその影響が大きいことがわかるが、これは下部の移動機構ほど上に積み重ねられる質量の総和が大きく、また支持する全質量の重心の位置が相対的に高くなるため、単体での倒れ共振周波数が低くなることに由来する。
【００１７】
また一般に、試料ステージの振動特性は、移動軸が増えると極端に劣化する傾向がある。その理由は上記からも明らかであるが、移動軸数の増加に伴い、機構質量の増加と支持剛性の低下、重心位置の高まりが同時に生じるためである。
【００１８】
これらの問題を解決するため、本発明では、Ｚ移動機構、傾斜機構、ＸＹ移動機構および試料回転機構の順番に下から積み上げたステージ構成において、傾斜移動部分を剛性の高い真空チャンバ側壁で直接滑り支持する方法を用いる。この構成を取ることにより、比較的下部に位置する傾斜機構の支持剛性を高めることが可能となる。また、最下部のＺ移動機構の質量および剛性が、ステージ上部の振動特性と実質的に切り離されるため、等価的に移動軸数が減少したのと同様な効果を得ることができる。このため、試料ステージの振動特性を大きく改善することが可能となる。
【００１９】
このような構成のステージを実現しようとする場合、Ｚ移動機構が傾斜機構の下に入るため、傾斜移動部分にはＺ方向移動および傾斜の両方が生じる。従って傾斜移動部分を支持するための滑り面は、これらいずれの方向の移動によっても支持状態が変化しないような面としなくてはならない。
【００２０】
図２は移動軸等の位置関係を示す斜視図である。本発明が提案しているように、傾斜中心軸７２に対し滑り支持面７３を垂直にすると、傾斜回転９１によっても傾斜移動部分に対する滑り支持面７３の当たり角度が変化しないので、上に述べた傾斜移動に対応可能な滑り支持を実現することができる。加えて、ワーキングディスタンス変更のためのＺ移動機能の移動方向９２は、通常、試料への電子線の入射方向７１と平行に取られ、また傾斜中心軸７２は電子線の入射方向７１と垂直になるように取られるから、結局、Ｚ移動の方向は傾斜中心軸７２と直交する上記の滑り支持面７３に含まれることになり、上に述べたＺ方向移動に対応可能な滑り支持も実現できることになる。
【００２１】
また、上記の構成のステージにおいて傾斜機構を高剛性に滑り支持するためには、真空チャンバの対向する側壁に滑り面をそれぞれ設け、傾斜移動部を挟み込むように支持するのが望ましい。この場合、対向する滑り面は正確に平行であることが要求される。また、滑り支持を行う場合、相互に滑る面同士が離れてしまうことのないように、あらかじめある程度の押し付け圧力をかけておく、いわゆる予圧が必要であり、このためには、上記の滑り面同士の間隔は微調整できることが望ましい。しかし、通常真空チャンバは溶接により一体構造に形成されるため、側壁同士には上記のような平行度を期待できないことが多いし、また、面の間隔を微調整することも困難である。
【００２２】
本発明が提案しているように、真空チャンバの側壁部分に開口部を設け、この開口部を封止する部材を滑り面として利用することにより、上記の滑り面同士の平行度や間隔は、封止部材を取り外して加工することにより傾斜や厚みを微調整したり、開口部との間に別の部材を挟んで封止部材を締め付け固定するなどの方法で、容易に調整できるようになる。従ってこの結果、上記の５軸の移動機能を持ちながら、極めて低振動な電子顕微鏡および試料ステージの実現を可能にすることができる。
【００２３】
なお、本発明が提案しているような構造においては、上記の滑り面においてＺ方向と傾斜の２軸の滑りを可能としているので、上記の滑り面部材にかかっている予圧の面内における不均一などの要因により、傾斜移動時にＺ方向と直交する方向へわずかな滑りを生じ、これが試料の狙った部位へ正確にビームを当てることができない現象、即ちいわゆる像逃げの原因になる可能性も考えられる。そこで、本発明のさらに別の一形態では、上記のＺ移動機構を案内するガイド手段を真空チャンバの側壁上、または滑り面部材上に設け、上記直交方向への傾斜軸のぶれを防止する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例である電子顕微鏡および試料ステージを示す側面図、図３は同じ実施例における傾斜移動部分を示す斜視図である。本実施例は、半導体製造工程における検査観察に用いる目的を有するものであり、シリコンウェハを切断することなく試料として用い、そのまま観察を行うことができる機能を備えている。
【００２５】
電子顕微鏡全体は、電子光学系カラム１、真空チャンバ２、およびその内部に格納される試料ステージ機構から構成されており、真空チャンバ２は試料ステージの保守を容易とするために、側板８１を別部材として取り外せる構造としている。
【００２６】
試料ステージ機構は、試料２１のＺ移動、傾斜、ＸＹ移動および回転の５軸の移動を可能とするため、Ｚ移動部１４ａおよび１４ｂ、傾斜テーブル１１、Ｘ移動部１２、Ｙ移動部１３、および試料回転機構１５を備え、さらに試料保持機構１６を備えている。
【００２７】
試料のＺ移動を行う場合には、Ｚ駆動部８２により、Ｚ移動部１４ａおよび１４ｂに締結されている結合部材８３がＺ方向に持ち上げられる。Ｚ移動部１４ａおよび１４ｂは傾斜軸受３２ａおよび３２ｂを介して傾斜テーブル１１に固定された傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂを支持しているため、このＺ方向の駆動力により傾斜テーブル１１がＺ方向に移動することになる。なお、Ｚ移動部１４ａおよび１４ｂは、それぞれＺレール４３ａおよび４３ｂにより移動方向を図中のＺ方向のみに拘束されているため、上記のＺ移動に伴って傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂがＹ方向にずれることはない。
【００２８】
また、傾斜テーブル１１は、傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂの部分で傾斜軸受３２ａおよび３２ｂに回転可能に支持されているため、傾斜中心軸７２を中心とした回転が可能であり、試料の傾斜を行うことができる。
【００２９】
傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂの端面は、それぞれ側板８１および真空チャンバ２に固定された真空封止部材５３と接触しているが、静止摩擦を超える駆動力が加わることにより、接触面の間に滑りを生じるため、上記のＺ移動および傾斜のいずれの移動を行うことも可能となっている。また、傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂの端面には、静止摩擦を低減し、さらに移動時の摩耗を低減する目的でフッ素樹脂の薄板を用いた滑りパッド５１を設けている。
【００３０】
なお、傾斜動作を行う場合において、滑りパッド５１の面の当たりの不均一などが原因で、傾斜中心軸７２が図中Ｙ方向に向けて力を受けることが起こりうる。Ｚ移動部１４ａおよび１４ｂを案内しているＺレール４３ａおよび４３ｂは、滑りパッド５１からやや離れた位置にあるので、上記の力が強いと部材等のたわみによりわずかに傾斜中心軸７２がＹ方向にずれ、像逃げの原因になることも考えられるので、真空チャンバ内壁に固定されたガイド手段６２ａおよび６２ｂを傾斜中心軸７２に近い位置に設け、Ｚ移動部１４ａおよび１４ｂを案内することにより像逃げを防止している。
【００３１】
ステージの移動が完了した静止状態では、電子顕微鏡で問題とするレベルの微細な振動が加わったとしても、上記の接触部には静止摩擦を超える力は発生しないので、傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂが側板８１および真空封止部材５３に対して移動することはなく、この結果として、傾斜テーブル１１はこれら真空チャンバに固定された部材により直接、高剛性に支持されることになる。
【００３２】
また、傾斜軸受３２ａおよび３２ｂが傾斜軸部材３１ａおよび３１ｂを支持する位置は、上記の接触部位に近接しているため、たとえ外来振動によってＺ移動部１４ａ、１４ｂ、結合部材８３等が機械共振を起こしても、上記の接触部位における支持剛性の効果により、その振動は傾斜テーブル１１には伝達されにくい。このため、ステージ全体として、実質的に、Ｚ移動機構がない場合と同等の振動特性を得ることができる。
【００３３】
なお、上記の滑り支持を実現するために、真空封止部材５３を設けず、真空チャンバ２の側壁に直接傾斜軸部材３１ｂを押し付ける構成とすることも可能である。ただし、上で述べたように、駆動時には比較的小さな駆動力で滑りを生じ、振動に対しては滑りを生じないという条件を満たすには、接触面の面圧を適正値に調整できることが望ましい。通常、真空チャンバ２は板状の部材を溶接して製作するため側面間隔等の精度が得られないことが多く、また電子顕微鏡の組み立て工程においては内部を追加的に加工するのは困難なことが多いから、本実施例のように真空封止部材５３を設けた方が調整が容易になる。
【００３４】
本実施例では、真空封止部材５３の滑り支持面７３を組み立て時に追加的に加工することにより、対向する滑り支持面の間隔および平行度を調整しているが、真空チャンバ２と真空封止部材５３の間に薄板部材等を挟んで固定する方法により調整を行うこともできる。
【００３５】
図４および図５は本発明の第２の実施例である電子顕微鏡および試料ステージを示す側面図、および正面図であって、この実施例も、第１の実施例と同様の目的と機能を有するものである。
【００３６】
この実施例では傾斜テーブル１１に傾斜軸部材を設けず、テーブル自体の側面を滑り面部材５２に接触させることにより本発明の目的を達成している。傾斜機能を実現するため傾斜テーブル１１には傾斜レール６１が固定されており、この傾斜レール６１はＺ移動部１４に傾斜移動可能に支持されている。傾斜テーブル１１のＺ移動および傾斜はこれらの機構により行われるが、停止後は、前の実施例の説明で既に述べたと同様の理由で、滑り面部材５２によって傾斜テーブル１１が高剛性に支持される。
【００３７】
なお、通常、このような、傾斜テーブル１１の側に傾斜レール６１を備えた構成のステージでは、傾斜レール６１の曲げ剛性が低下しやすく、振動を押さえることは難しいが、本実施例においては、傾斜レールの曲げ剛性は全体の振動にほとんど影響しないため良好な振動特性が得られる。また、Ｚ移動を行う機構部分に関しても、支持剛性を高める必要がないため、小型に設計することが可能となっており、この結果、装置全体の小型化が実現できている。
【００３８】
また、本実施例では、滑り面部材５２の面間隔を予め適正値に調整してベース８４に固定する方法で上記滑り支持面の押し付け力を調整している。但し、このままでは、滑り面部材５２の厚み方向の倒れに対する剛性が低いため、ベース８４を真空チャンバ２に固定した上で、スペーサ８５の厚みを調整し、滑り面部材５２が真空チャンバ２の側壁で強固に支持されるようにしている。この結果、傾斜テーブル１１の支持剛性が高まり、良好な振動特性が実現された。
【００３９】
図６は上記第１の実施例の振動特性を従来の構成の５軸試料ステージを用いた電子顕微鏡のものと比較した結果の例を示す図である。本比較例においては、一定の強度の音波の周波数を変化させながら真空チャンバを加振し、画像に現れる振動の幅を測定した。従来の構成の電子顕微鏡の場合、機械共振の影響による画像ぶれは、１４５Hz、１６０Hz、および１８５Hz近辺に現れたのに対し、第１の実施例では機械的支持剛性の向上を反映して、２１５Hzおよび２３０Hz近辺と、高い周波数に現れ、しかも振幅が減少した。空調騒音の影響の少ない周波数領域にまで機械共振点が高くなったことと、振幅を低減できたことの相乗的効果により、第１の実施例である電子顕微鏡をクリーンルーム内に設置した状態での画像ぶれは、従来の場合の半分以下とすることができた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体用のシリコンウェハの全面が観察できる移動ストロークと傾斜機能、Ｚ移動機能を持ちながら、低振動な電子顕微鏡および試料ステージが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の電子顕微鏡および試料ステージを示す側面図。
【図２】移動軸等の位置関係を示す説明図。
【図３】本発明の一実施例の試料ステージの傾斜移動部を示す斜視図。
【図４】本発明の別の実施例の試料ステージを示す側面図。
【図５】本発明の別の実施例の試料ステージを示す正面図。
【図６】本発明の実施例と従来例での加振周波数と画像振幅の関係を示す測定図。
【符号の説明】
１…電子光学系カラム、２…真空チャンバ、１１…傾斜テーブル、１２…Ｘ移動部、１３…Ｙ移動部、１４ａ、１４ｂ…Ｚ移動部、１５…試料回転機構、１６…試料保持機構、２１…試料、３１ａ、３１ｂ…傾斜軸部材、３２ａ、３２ｂ…傾斜軸受、４１…Ｘレール、４２…Ｙレール、４３ａ、４３ｂ…Ｚレール、５１…滑りパッド、５２…滑り面部材、５３…真空封止部材、６１…傾斜レール、６２ａ、６２ｂ…ガイド手段７１…電子線入射方向、７２…傾斜中心軸、７３…滑り支持面、８１…側板、８２…Ｚ駆動部、８３…結合部材、８４…ベース、８５…スペーサ、９１…傾斜回転、９２…Ｚ移動方向。

Claims

真空チャンバに内蔵される試料ステージであって、
試料を載置する試料保持機構と、
該試料保持機構を二次元的に移動させるＸＹ移動機構と、
該試料保持機構およびＸＹ移動機構を傾斜させる傾斜機構と、
該試料保持機構、ＸＹ移動機構および傾斜機構を上下に移動するＺ移動機構
を有し、
前記傾斜機構は、傾斜のための傾斜中心軸をなす傾斜軸部材を有し、
該傾斜軸部材の両軸端面と前記真空チャンバの対向する両側壁とがそれぞれ滑り接触している
ことを特徴とする試料ステージ。
真空チャンバに内蔵される試料ステージであって、
試料を載置する試料保持機構と、
該試料保持機構を二次元的に移動させるＸＹ移動機構と、
該試料保持機構およびＸＹ移動機構を傾斜させる傾斜機構と、
該試料保持機構、ＸＹ移動機構および傾斜機構を上下に移動するＺ移動機構
を有し、
前記傾斜機構は前記試料保持機構を傾斜させる傾斜テーブルを有し、
該傾斜テーブルの両側面と前記真空チャンバの対向する両側壁とがそれぞれ滑り接触している
ことを特徴とする試料ステージ。
真空チャンバと試料ステージを備えた電子顕微鏡において、当該試料ステージは、
試料を載置する試料保持機構と、
該試料保持機構を二次元的に移動させるＸＹ移動機構と、
該試料保持機構およびＸＹ移動機構を電子線入射方向と垂直な軸を中心として傾斜させる傾斜機構と、
該試料保持機構、ＸＹ移動機構および傾斜機構を電子線入射方向に対し平行に移動するＺ移動機構
を有し、
前記傾斜機構は、傾斜のための傾斜中心軸をなす傾斜軸部材を有し、
該傾斜軸部材の両軸端面に滑り面部材を備え、
該滑り面部材と前記真空チャンバの対向する両側壁とがそれぞれ滑り接触している
ことを特徴とする電子顕微鏡。
真空チャンバと試料ステージを備えた電子顕微鏡において、当該試料ステージは、
試料を載置する試料保持機構と、
該試料保持機構を二次元的に移動させるＸＹ移動機構と、
該試料保持機構およびＸＹ移動機構を電子線入射方向と垂直な軸を中心として傾斜させる傾斜機構と、
該試料保持機構、ＸＹ移動機構および傾斜機構を電子線入射方向に対し平行に移動するＺ移動機構
を有し、
前記傾斜機構は前記試料保持機構を傾斜させる傾斜テーブルを有し、
滑り面部材が前記真空チャンバの対向する両側壁にそれぞれ支持され、
該滑り面部材と前記傾斜テーブルの両側面とが滑り接触していることを特徴とする電子顕微鏡。
請求項４に記載の電子顕微鏡において、
前記傾斜機構は、レールによる傾斜手段を備えていることを特徴とする電子顕微鏡。
請求項３または請求項４に記載の電子顕微鏡において、
前記傾斜軸部材または傾斜テーブルの滑り面方位が、前記傾斜テーブルの傾斜の回転中心軸と垂直であることを特徴とする電子顕微鏡。
請求項３または請求項４に記載の電子顕微鏡において、
前記真空チャンバの側面に開口部を設け、
該開口部を真空封止する部材が前記傾斜軸部材または前記傾斜テーブルの滑り面部材と一体であることを特徴とする電子顕微鏡。
請求項７に記載の電子顕微鏡であって、
前記真空チャンバまたは前記開口部を真空封止する部材に、前記傾斜軸部材または前記傾斜テーブルの滑り面内で、Z方向と直交する方向への滑り移動を防ぐガイド手段を設けたことを特徴とする電子顕微鏡。