JP4262047B2

JP4262047B2 - 荷電粒子線装置

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Publication number: JP4262047B2
Application number: JP2003359386A
Authority: JP
Inventors: 栄市羽崎; 隆司保谷
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005123129A

Description

本発明は荷電粒子線装置に関し、特に試料移動ステージにチルトテーブルを備えた荷電粒子線装置に関する。

図１に、従来の荷電粒子線装置の一例として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略を示し、図２に走査型電子顕微鏡の試料移動ステージの詳細を示し、図３に、図２のＡーＡ線に沿った断面構成を示し、図４に、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面構成を示す。

図１に示すように走査型電子顕微鏡は、電子銃室８、試料室４及びステージケース１４を有する。電子銃室８及び試料室４には、電子銃１、電子銃１によって発生した電子ビームを集束するコンデンサレンズ２、コンデンサレンズ２を通った電子ビームを走査しながら試料６上に照射する対物レンズ３、試料６から発生する２次電子を検出する２次電子検出器７が設けられている。

試料室４及びステージケース１４には、試料６を保持し移動させる試料移動ステージ５が設けられている。電子銃室８には真空ポンプ９、１０、１１が設けられ、試料室４には真空ポンプ１２、１３が設けられている。

図２及び図３を参照して、試料移動ステージ５の構成を説明する。試料移動ステージ５は、チルトテーブル２０を有する。チルトテーブル２０は、垂直部２０ａと水平部２０ｂとを有し、垂直部２０ａには、チルト軸２１が取り付けられている。チルト軸２１は玉軸受２２、２３を介してｚテーブル１５に回転自在に連結されている。

チルトテーブル２０の水平部２０ｂにはｘテーブル３３、ｙテーブル４３、ローテーションテーブル５６が載置されている。ローテーションテーブル５６にはホルダ台６６が取り付けられ、ホルダ台６６には試料６を支持する試料ホルダ６５が装着されている。

図３に示すように、チルト軸２１の先端にはウォームホィール２６ａが取り付けられ、ウォームホィール２６ａは、ウォームギヤ２６ｂに噛み合わされている。図２に示すように、ウォームギヤ２６ｂは両端を玉軸受２７、２８によって支持され、玉軸受２７、２８はｚテーブル１５に取り付けられた軸受ハウジング２９、３０に支持されている。ウォームギヤ２６ｂは、スプライン軸３２ａ、３２ｂを介してつまみ３１に連結されている。つまみ３１を回すことによってウォームギヤ２６ｂが回転し、ウォームギヤ２６ｂが回転することによってウォームホィール２６ａが回転し、チルト軸２１が回転し、試料６はチルト軸回りに回転傾斜する。

図２に示すように、ｚテーブル１５には、ｚ移動軸１９が取り付けられており、ｚ移動軸１９の上端にはつまみ１８が接続されている。ｚテーブル１５には、ばね１７の一端が接続され、ばね１７の他端はステージケース１４に装着されている。ｚテーブル１５は、ばね１７によって上方に引っ張られている。ｚテーブル１５は、図３に示すように、クロスローラ軸受１６ａ、１６ｂを介してステージケース１４の側面に可動に保持されている。つまみ１８を回すと、ネジの作用によって、ｚ移動軸１９が上下に移動する。ｚテーブル１５はバネ１７による引張り力によってクロスローラ軸受１６ａ、１６ｂに案内されてｚ方向に移動し、試料６をｚ方向に移動させる。

再び図２を参照する。ｘテーブル３３はクロスローラ軸受３４を介してチルトテーブル２０の水平部２０ｂに可動に保持されている。図４に示すように、ｘテーブル３３にはｘボールネジナット３６が装着され、ｘボールネジナット３６はｘボールネジ３５に噛みあわされている。ｘボールネジ３５は、両端を玉軸受３７、３８によって支持され、玉軸受３７、３８はチルトテーブル２０の水平部２０ｂに取り付けられた軸受ハウジング３９、４０に支持されている。

図２に示すように、ｘボールネジ３５は、ｘステージジョイント４２を介してＤＣモータ４１に連結されている。ｘステージジョイント４２は角度追随用の一対のジョイント部４２ａ、４２ｂおよび角パイプに角棒を挿入した長さ調整用の伸縮部４２ｃからなる。

ＤＣモータ４１を回転させると、ｘボールネジ３５が回転し、ｘボールネジナット３６はｘボールネジ３５に対して相対的に移動する。ｘボールネジナット３６の移動によってｘテーブル３３は、クロスローラ軸受３４に案内されてｘ方向に移動し、試料６をｘ方向に移動させる。

ｙテーブル４３はクロスローラ軸受４４ａ、４４ｂを介してｘテーブル３３に可動に保持されている。ｙテーブル４３にはｙボールネジナット４５が装着され、ｙボールネジナット４６はｙボールネジ４５に噛みあわされている。図４に示すように、ｙボールネジ４５は両端を玉軸受４７、４８で支持され、玉軸受４７、４８は、ｘテーブル３３に取り付けられた軸受ハウジング４９、５０によって支持されている。ｙボールネジ４５の一端には傘歯車５１ａが取り付けられ、この傘歯車５１ａは他の傘歯車５１ｂに噛み合わされている。傘歯車５１ｂは玉軸受５２によって支持され、玉軸受５２は、ｘテーブルに取り付けられた軸受ハウジング５３によって支持されている。

傘歯車５１ｂは、ｙステージジョイント５５を介してＤＣモータ５４に連結されている。ｙステージジョイント５５は角度追随用の一対のジョイント部５５ａ、５５ｂおよび角パイプに角棒を挿入した長さ調整用の伸縮部５５ｃからなる。

ＤＣモータ５４を回転させることによって、傘歯車５１ａ、５１ｂが回転し、ｙボールネジ４５が回転する。ｙボールネジナット４６はｙボールネジ４５に対して相対的に移動する。ｙボールネジナット４６の移動によってｙテーブル４３は、クロスローラ軸受４４ａ、４４ｂに案内されてｙ方向に移動し、試料６をｙ方向に移動させる。

図２に示すように、ローテーションテーブル５６は、玉軸受５８によってｙテーブル４３に回転自在に装着されている。図４に示すように、ローテーションテーブル５６にはウォームホィール５７ａが取り付けられ、ウォームホィール５７ａはウォームギヤ５７ｂに噛み合わされている。ウォームギヤ５７ｂは両端を玉軸受５９、６０によって支持され、玉軸受５９、６０は、ｙテーブル４３に取り付けられた軸受ハウジング６１、６２によって支持されている。

ウォームギヤ５７ｂは、Ｒステージジョイント６４を介してつまみ６３に連結されている。Ｒステージジョイント６４は角度追随用の一対のジョイント部６４ａ、６４ｂおよび角パイプに角棒を挿入した長さ調整用の伸縮部６４ｃからなる。

つまみ６３を回転させることによりウォームギヤ５７ｂが回転し、ウォームホィール５７ａが回転し、ローテーションテーブル５６が回転する。

特公平６−１９９６５号公報には、走査型電子顕微鏡用の試料交換装置が記載されており、特開平１１−８４０３８号公報には、精密機器を支持する支持用具が記載されている。

特公平６−１９９６５号公報特開平１１−８４０３８号公報特開昭５８−１８８５０号公報

従来の荷電粒子線装置では、床や音の振動は試料室４、ステージケース１４、ｚテーブル１５、チルトテーブル２０、ｘテーブル３３、ｙテーブル４３、ローテーションテーブル５６、及び試料台６５を介して試料６に伝達される。従って、試料６と荷電粒子ビームとの間の相対位置が振動的に変位し、荷電粒子線による像に障害が発生する。

図５及び図６を参照してチルトテーブルの振動について説明する。チルトテーブル７０は、垂直部７０ａと水平部７０ｂとを有し、垂直部７０ａには、チルト軸７１が取り付けられている。チルト軸７１は玉軸受７２、７３を介してｚテーブル７４に回転自在に連結されている。チルトテーブル７０の水平部７０ｂにはｘテーブル７５、ｙテーブル７６、ローテーションテーブル７７が載置され、ローテーションテーブル７７には試料ホルダ７８が取り付けられ、試料ホルダ７８には試料７９が接着されている。

図５及び図６に示した破線は、チルトテーブルの振動変位の例を示したものである。試料７９の振動はチルトテーブル７０の垂直部７０ａの振動と水平部７０ｂの振動が合成されたものとなる。

チルトテーブル７０に載置されたｘテーブル７５、ｙテーブル７６、ローテーションテーブル７７が作動すると、テーブルの摺動部及びガイド部にて熱が発生する。この熱はチルトテーブル７０に伝達され、チルトテーブル７０は熱変形する。テーブルの駆動用にＤＣモータが使用される場合には、動作頻度が増加し、発熱量が高くなる。そのため、チルトテーブル７０の熱変形量は大きくなる。

チルトテーブル７０が熱変形すると、試料７９と荷電粒子ビームとの間の相対位置の変動量、即ち、ドリフト量が大きくなる。従って、チルトテーブル７０の振動に起因した像の障害は大きくなる。

チルトテーブル７０の垂直部７０ａと水平部７０ｂは通常一体的に製造され、材質は鋼、鋳鉄、鋳鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、アルミ鋳物等より選択される。例えば、特許文献３の特開昭５８−１８８５０号公報に記載された例では、チルトテーブル７０全体がステンレス鋼によって形成されている。鋼とアルミニウムを比較すると、鋼は比重が大きく重いが、縦弾性係数が大きく変形しにくい。アルミニウムは比重が小さく軽いが、縦弾性係数が小さく変形し易い。

材質がアルミニウムの場合、水平部７０ｂの重量は小さいから、垂直部７０ａが担う負荷及び曲げモーメントは小さい。しかしながら、縦弾性係数が小さいため垂直部７０ａの変位が大きくなり、チルトテーブル７０の変位が大きくなる。

材質が鋼の場合、水平部７０ｂの重量が大きくなり、垂直部７０ａが担う負荷及び曲げモーメントは大きくなる。従って、チルトテーブル７０の変位は、縦弾性係数が大きいにも拘わらず、かえって大きくなる。図示のように、水平部７０ｂは先端に行くに従って断面積が小さくなるように形成される。それによって、剛性を維持しつつ軽量化が達成される。

鋼、アルミニウムどちらの場合でも、チルトテーブル７０の垂直部７０ａの振動変位を小さくするためには垂直部７０ａを厚くして剛性を上げなければならない。垂直部７０ａを厚くすると、チルト軸７１、チルト軸受７２、７３からチルトテーブル７０の重心までの距離が長くなり、チルト軸７１及びチルト軸受７２、７３に加わる曲げモーメントが大きくなる。特に材質が鋼、鋳鉄、鋳鋼、ステンレス鋼の場合には、重量が大きいため、曲げモーメントが大きくなる。

チルト軸７１、チルト軸受７２、７３をバネとし、チルトテーブル７０を質量とした振動系を考える。垂直部７０ａを厚くすると、重心の位置がバネより遠くなり、しかも、質量が大きいので、図５及び図６の一点鎖線にて示すように、チルトテーブル７０の振動は、大きくなる。従って、試料７９の振動変位が増大し、試料と荷電粒子ビームの間の相対的な変位が大きくなって像障害が大きくなる。

チルトテーブル７０がアルミニウム、アルミニウム合金、アルミ鋳物等で製造されている場合を考える。アルミニウム等は線膨張係数が大きいために熱変形が大きくなる。更に、チルトテーブル７０の垂直部７０ａを厚くすると、チルト軸７１から試料７９までの距離が長くなるため、熱変形量、即ち、ドリフト量が大きくなり、像の歪みが大きくなる。

以上のように、従来の荷電粒子線装置では、床の振動や音によって引き起こされる試料移動ステージに取り付けられた試料の振動を確実に小さくする配慮がなされていなかった。

本発明の目的は、床の振動や音によって引き起こされる試料の振動を最小にすることができる荷電粒子線装置を提供することにある。

本発明によると、チルトテーブルの垂直部は、チルトテーブルの水平部より、縦弾性係数が大きい材料によって形成されている。更に、チルトテーブルの垂直部は、チルトテーブルの水平部より、比重が大きい材料によって形成されている。

本発明によると、チルトテーブルの耐振性が向上し、試料観察時に振動による像障害を効果的に防止できる。また、チルトテーブルの熱変形を小さく押えることができ、試料観察時にドリフトによる像の歪みを効果的に低減できる。

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。図７に本発明の第１の実施例を示す。本例の荷電粒子線装置のチルトテーブル８０は、垂直部８０ａと水平部８０ｂとを有し、垂直部８０ａには、チルト軸８１が取り付けられている。チルト軸８１は玉軸受８２、８３を介してｚテーブル８４に回転自在に連結されている。チルトテーブル８０の水平部８０ｂにはｘテーブル８５、ｙテーブル８６、ローテーションテーブル８７が載置され、ローテーションテーブル８７には試料ホルダ８８が取り付けられ、試料ホルダ８８には試料８９が接着されている。

本例によると、チルトテーブル８０の垂直部８０ａは水平部８０ｂと比較して縦弾性係数が大きい材料によって形成され、水平部８０ｂは垂直部８０ａと比較して縦弾性係数が小さい材料によって形成されている。本例によると、チルトテーブル８０の垂直部８０ａは水平部８０ｂと比較して比重が大きい材料によって形成され、水平部８０ｂは垂直部８０ａと比較して比重が小さい材料によって形成されている。本例によると、チルトテーブル８０の垂直部８０ａは水平部８０ｂと比較して熱膨張係数が小さい材料によって形成され、水平部８０ｂは垂直部８０ａと比較して熱膨張係数が小さい材料によって形成されている。

チルトテーブル８０の垂直部８０ａは鋳鉄、鋳鋼、鋼、ステンレス鋼等によって形成されてよく、好ましくはステンレス鋼によって形成される。水平部８０ｂはアルミニウム、アルミニウム鋳物、アルニウム合金、チタン合金等によって形成されてよく、好ましくはアルミニウムによって形成される。

水平部８０ｂの縁は垂直部８０ａの下端にボルト８０１、８０２によって取り付けられている。

ｘテーブル８５、ｙテーブル８６、及びローテーションテーブル８７はアルミニウム、アルミニウム鋳物、アルニウム合金、チタン合金等によって形成されてよく、好ましくはアルミニウムによって形成される。ｘテーブル８５、ｙテーブル８６、ローテーションテーブル８７、チルトテーブル８０およびｚテーブル８４のガイド、駆動系等は図示していないが従来と同一構成であってよい。

本例によると、チルトテーブル８０の水平部８０ｂは、比重の小さな材料により製造されているため、重量が小さい。従って、チルトテーブル８０の垂直部８０ａへ加わるの負荷が小さい。チルトテーブル８０の垂直部８０ａは縦弾性係数が大きく変形の小さな材料で作られている。従って、チルトテーブル８０の垂直部８０ａの厚さを薄くすることができる。また、チルトテーブル８０の振動変位を小さく押えることができる。

チルトテーブル８０の垂直部８０ａへ加わる曲げモーメントについて考察する。上述のように、チルトテーブル８０の水平部８０ｂの重量は比較的小さいから、モーメントの腕の長さが従来の例と同一であっても、曲げモーメントは小さくなる。チルト軸８１へ加わる曲げモーメントについて考察する。比較的重量が小さい水平部８０ｂはチルト軸８１、チルト軸受８２、８３より遠くに配置され、比較的重量が大きい垂直部８０ａはチルト軸８１、チルト軸受８２、８３の近くに配置されている。従って、チルトテーブル８０全体のｘ方向及びｚ方向の重心位置は、従来の例と比較して、チルト軸８１、チルト軸受８２、８３に近くなる。従って、チルト軸８１へ加わる曲げモーメントは小さくなる。

チルト軸８１、チルト軸受８２、８３をバネとし、チルトテーブル８０、ｘテーブル８５、ｙテーブル８６、ローテーションテーブル８７を質量とした振動系を考える。チルトテーブル全体の重心がチルト軸８１、チルト軸受８２、８３の近くにあるのでチルトテーブル８０の振動変位を小さくすることができ、振動による像障害を防止できる。

上述のように、本発明ではチルトテーブル８０の垂直部８０ａを薄くすることができるので、チルト軸８１から試料８９までの距離が短くなる。またチルトテーブル８０の垂直部８０ａの熱膨張係数は水平部８０ｂの熱膨張係数より小さい。したがって、ｘテーブル８５、ｙテーブル８６、ローテーションテーブル８７の動作に起因して熱が発生しても、チルトテーブル８０の垂直部８０ａの熱変形は小さい。そのため、ドリフトを低減することができ、走査型電子顕微鏡像の歪みが低減する。

図８に本発明の第２の実施例を示す。本例の荷電粒子線装置のチルトテーブル９０は垂直部９０ａと水平部９０ｂを有し、両者は図７に示した第１の実施例と同様な材料によって形成されている。本例では、水平部９０ｂの一端に近くの上面に突起部９０４が設けられている。一方、垂直部９０ａの下端部には、切り欠き部９０３が設けられている。この切り欠き部９０３に水平部９０ｂの突起部９０４が係合している。図示のように、切り欠き部９０３と突起部９０４はボルト９０２によって結合され、垂直部９０ａの下端面と水平部９０ｂの一端に近くの上面はボルト９０１によって結合されている。

本例のチルトテーブル９０を図７のチルトテーブル８０と比較する。本例では、垂直部９０ａに切り欠き部９０３を設け、そこに突起部９０４を配置するため、その部分の重量が小さくなる。従って、チルト軸９１及びチルトテーブル９０の垂直部９０ａへ加わる負荷及び曲げモーメントは減少する。更に、本例のボルト９０２は、図７の例のボルト８０２と比較して、チルト軸９１、チルト軸受９２、９３に対してより近い位置に配置されている。ボルトは通常、鋼又はステンレス鋼よりなるため重量が大きい。ボルトをチルト軸９１、チルト軸受９２、９３の近くに配置することによって、チルトテーブル９０全体の重心位置が、チルト軸９１、チルト軸受９２、９３に近くなる。従って、チルトテーブル９０の振動変位を効果的に小さくすることができる。

本例のチルトテーブル９０の構造によると、垂直部９０ａと水平部９０ｂはボルト９０１、９０２によって強固に結合されている。したがって、本例のチルトテーブル９０は、特にｘ方向のストロークが大きく水平部９０ｂが長い試料移動ステージに使用して好適である。尚、垂直部９０ａに切り欠き部９０３を設けることなく、垂直部９０ａに突起部９０４をボルトによって直接結合してもよい。

本発明ではｚテーブル、チルトテーブル、ｘテーブル、ｙテーブル、ローテーションテーブルを有する試料移動ステージについて記述したが、ｚテーブル、ローテーションテーブルあるいはそのどちらかのない試料移動ステージに対しても同様の効果が得られる。また、本発明の構成はフォーカストイオンビーム装置（FIB）等の他の荷電粒子線装置にも適用できる。

従来の走査型電子顕微鏡の例の縦断面側面図である。従来の走査型電子顕微鏡の試料移動ステージの一実施例を示す図である。図２の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図２の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。従来の試料移動ステージのチルトテーブルの振動変位を示す図である。図５のチルトテーブルの上面図である。本発明の第１の実施例を示す図である。本発明の第２の実施例を示す図である。

符号の説明

４…試料室、５…試料移動ステージ、６…試料、１４…ステージケース、１５…ｚテーブル、２０…チルトテーブル、２１…チルト軸、３３…ｘテーブル、４３…ｙテーブル、５６…ローテーションテーブル、７０…チルトテーブル、７０ａ…垂直部、７０ｂ…水平部、７１…チルト軸、７２、７３…チルト軸受、７４…ｚテーブル、７５…ｘテーブル、７６…ｙテーブル、７７…ローテーションテーブル、７９…試料、８０…チルトテーブル、８０ａ…垂直部、８０ｂ…水平部、８４…ｚテーブル、８５…ｘテーブル、８６…ｙテーブル、８７…ローテーションテーブル、８９…試料

Claims

試料をｘ軸方向に移動させるためのｘテーブルと、試料をｙ軸方向に移動させるためのｙテーブルと、上記ｘテーブル及び上記ｙテーブルを支持する水平部と該水平部を支持する垂直部を有し試料をｘ軸に平行な軸線周りに回転傾斜させるためのチルトテーブルと、試料上に荷電粒子ビームを走査させる光学系と、試料からの信号を検出する検出系と、を有する荷電粒子線装置において、上記チルトテーブルの垂直部は、上記チルトテーブルの水平部より、縦弾性係数が大きい材料によって形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１記載の荷電粒子線装置において、上記チルトテーブルの垂直部は、上記チルトテーブルの水平部より、比重が大きい材料によって形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１又は２記載の荷電粒子線装置において、上記チルトテーブルの垂直部は、上記チルトテーブルの水平部より、熱膨張係数が小さい材料によって形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１、２又は３記載の荷電粒子線装置において、上記チルトテーブルの垂直部は鋳鉄、鋳鋼、鋼、又はステンレス鋼によって形成され、前記チルトテーブルの水平部はアルミニウム、アルミニウム合金、アルミニウム鋳物又はチタン合金によって形成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１、２、３又は４記載の荷電粒子線装置において、上記チルトテーブルの垂直部の下端と上記チルトテーブルの水平部の一端がボルトによって結合されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項５記載の荷電粒子線装置において、上記チルトテーブルの水平部の一端に上記チルトテーブルの垂直部に沿う突起部を設け、該突起部と上記チルトテーブルの垂直部の下端はボルトによって結合され、上記チルトテーブルの垂直部の下端面と上記チルトテーブルの水平部の上面はボルトによって結合されていることを特徴とする荷電粒子線装置。