JP4537297B2 - 走査型電子顕微鏡、及び走査型電子顕微鏡のフォーカス制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料上に電子線を照射して、電子線が照射された試料からの二次電子，反射電子，又は透過電子を検出して、試料表面の形状を画像化する走査型電子顕微鏡、及びこの走査型電子顕微鏡のフォーカス制御方法に関するものである。特に、本発明は、ロードロック部を備えた走査型顕微鏡に係り、ロードロック部に収容されている試料を利用して、その観察作業時におけるトータルスループットの向上をはかるものである。

従来、この種の走査型電子顕微鏡は、試料の撮像を行う電子光学系と、この電子光学系の制御及び試料情報の演算等を行う制御系とを備えて大略構成されている。電子光学系は、試料が載置されるステージ、電子線を生成する電子線源、電子線源から出射された電子線を収束させる対物レンズ等のフォーカスレンズ、電子線を偏向させる偏向器、等を備え、電子線源によって生成された１次電子線を収束して試料上で走査し、その際、試料への電子線照射によって生成された２次電子等を検出器によって検出する構成になっている。これに対し、制御系は、上述した電子光学系の各部の制御を行うとともに、検出器によって検出された２次電子等に基づいて試料表面形状の画像等といった観察情報を取得し、これを出力する。

このような走査型電子顕微鏡の電子光学系では、試料の観察、すなわち試料への１次電子線の照射及び２次電子等の検出は、通常、内部雰囲気が真空状態に維持された処理室内に試料を配置して行われる。

そのため、従来の走査型電子顕微鏡では、試料に電子線を照射し、処理室の内圧が任意設定された真空度に常時制御されている状況でこの処理室内の試料を交換できるように、処理室に搬送される前の、次の観察対象の試料が待機収容される予備処理室が、処理室と連通／隔絶可能に接続されて設けられている。そして、この予備処理室は、処理室に連通され、次の観察対象の試料を処理室に搬送する際には、その内圧が処理室と同じ又はその近傍の真空度になっているように圧力調整される。

以下、上述した処理室を試料室、また予備処理室をロードロック部と称して、その具体的な構成例について説明する。

このロードロック部は、試料室に搬送される次の観察対象の試料が外部から導入される導入口と、内部に待機収容されている次の観察対象の試料が試料室に搬送される導出口とを有する構成になっている。そのため、ロードロック部の導入口及び導出口それぞれには、その内圧を外部及び試料室内それぞれに対して連通又は隔絶状態に保持するために、例えばゲート弁からなる連絡手段が設けられている。また、ロードロック部にはその内圧（真空度）を試料室に対して調整するための内圧調整手段が設けられている。内圧調整手段は、ロードロック部の内圧を減圧するためのロードロック部減圧手段と、減圧状態にあるロードロック部に大気を導入してその内圧を大気圧状態に戻す大気圧導入手段とを有する。なお、このロードロック部減圧手段は、試料室を真空引きして真空状態に維持する試料室減圧手段で、また、この大気圧導入手段は、前述したロードロック部を外部に対して連通又は隔絶状態に保持する連絡手段で兼用させることも可能である。

図６は、従来の走査型電子顕微鏡の動作／処理を示すフローチャートである。
このようなロードロック部を備えた走査型電子顕微鏡においては、外部から試料室へ試料を搬入する際には、まず、試料室とロードロック部との間の圧力連通を両者間に設けられた連絡手段によって遮断した上で、大気圧導入手段を作動させ、ロードロック部に外気（大気）を導入して大気圧状態にし、ロードロック部と外部との間に設けられた連絡手段を開放し、この連絡手段を介して外部からロードロック部内に試料を搬入する（ステップＳ61）。次に、ロードロック部から試料室へ試料を搬出する際には（ステップＳ62）、ロードロック部と外部との間に設けられた連絡手段によってロードロック部を外部に対して遮断した上で、大気圧導入手段に代えて今度はロードロック部減圧手段を作動させて、ロードロック部の内圧を減圧する（ステップＳ63）。そして、ロードロック部の内圧が試料室の内圧と同じか又はその近傍まで減圧されたならば（ステップＳ64）、今度は試料室とロードロック部との間に設けられた連絡手段を開放し、同じく減圧状態になっているロードロック部から待機収容されている次の観察対象の試料を、連絡手段を介して試料室へ搬出する構成になっている（ステップＳ65）。

そして、試料室への待機収容されている試料の搬出後は、試料室とロードロック部との間を連絡手段によって圧力遮断し、ロードロック部は、再び上記説明したようにして次の観察対象の試料を外部から搬入できる構成になっている。
特開平８−１１１２００号公報

ところで、上述した構成からなる走査型電子顕微鏡を、例えば半導体ウエハの検査を行う半導体処理システムに適用する場合は、次のような問題があった。

すなわち、半導体処理システムでは、試料としての半導体ウエハに存在している異物や、半導体ウエハに生じている欠陥を短時間で検査し、しかも大量の半導体ウエハを連続して検査する必要があるため、走査型電子顕微鏡による検査工程のスループットの向上が必要とされている。

また、試料としての半導体ウエハは、ウエハの回路パターンによる凹凸やウエハ表面の研磨状態によりウエハの高さのばらつきが生じている。そのため、走査型電子顕微鏡では、試料を試料室に搬送するときの試料位置や、ステージに試料を置いた位置により、アライメント（位置）のばらつきが生じることから、試料の高さとアライメントとを試料毎に補正する必要がある。

しかしながら、上述した従来の走査型電子顕微鏡による検査工程を見直した場合、ロードロック部に待機収容されている試料を試料室に搬出してから、試料室において、試料に対して試料の高さ検出やアライメント処理等といった当該試料の検査作業にあたっての準備処理を行って当該試料の検査作業のための試料情報を取得した後（図６、ステップＳ66）、この取得した試料情報に基づいて前述した制御系によって電子光学系を制御し（ステップＳ67）、当該試料の撮像等を含む本来の検査作業を行う構成になっている（ステップＳ68）。

そのため、従来の走査型電子顕微鏡では、ロードロック部に外部から次の検査対象（観察対象）の試料を搬入してから、ロードロック部の減圧を行ってその内圧を試料室の内圧と同じか又はその近傍の圧力状態にして当該試料を試料室に搬出するまでの、ロードロック部に試料が待機収容されている間は、試料に対して検査及び当該検査のための準備処理が何も行われない状態であった。すなわち、このロードロック部の真空引きを行っている時間は、次の観察対象としてロードロック部に収容された試料に対しては、減圧調整以外のことを行っていないため、走査型電子顕微鏡におけるトータルスループットを低下させる要因となっていた。

本発明は、上記した問題点を鑑みなされたものであって、ロードロック部に収容されている次の観察対象の試料に対して、試料室での観察作業に用いる観察作業の情報の取得が行えるようにして、トータルスループットの向上をはかった走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ロードロック部の内圧が所望の真空度に到達するまでの時間を利用して、換言すれば、ロードロック部の内圧が所望の真空度に到達するまでの時間と並行して、試料情報に関する処理と電子光学系の制御も行うものである。

そのために、本発明の走査型電子顕微鏡は、試料が真空状態で収容されて電子線の照射を受ける処理室と、電子線源によって生成された電子線を収束し、処理室に収容された試料上で照射位置を走査する電子光学系と、電子光学系による試料への電子線照射によって生成された反射電子若しくは二次電子を検出する検出器と、処理室の真空状態の保持をはかるために、処理室に搬送する試料が待機収容されるロードロック部と、処理室とロードロック部との間に設けられ、処理室とロードロック部との間の圧力の連通又は隔絶をはかる連絡手段と、連絡手段の作動によって処理室に対して隔絶状態にあるロードロック部の真空度を、真空状態に保持されている処理室に対して調整するロードロック部内圧調整手段と、ロードロック部に待機収容されている試料を、連通状態にした連絡手段を介して処理室に搬送して収容する搬送機構とを備え、試料への電子線照射によって生成された反射電子若しくは二次電子を検出して当該試料の観察情報を取得する走査型電子顕微鏡であって、ロードロック部に設けられ、当該ロードロック部への試料の収容後、ロードロック部内圧調整手段によるロードロック部の内圧調整処理並びに当該内圧調整処理の完了後における搬送機構及び連絡手段による前記処理室への試料搬送処理と並行作業で、処理室における電子線の照射作業及び反射電子若しくは二次電子の検出作業に用いる試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかを当該試料から取得する試料情報取得手段と、試料情報取得手段によって検出したロードロック部に収容されている試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかに基づいて、処理室で照射する電子線のフォーカス制御値を演算するフォーカス制御手段と、フォーカス制御手段によって演算されたフォーカス制御値に基づいて電子光学系の作動を制御し、処理室で試料に照射する電子線を制御する照射制御手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の走査型電子顕微鏡のフォーカス制御方法は、真空状態に保持された試料室で電子線の照射を受ける試料が待機収容されているロードロック部を、試料室に対する圧力の隔絶状態で所望の真空度にまで減圧するロードロック部内圧調整工程、ロードロック部内圧調整工程の実行によるロードロック部の内圧調整後に、処理室とロードロック部との間に設けられ、処理室とロードロック部との間の圧力の連通又は隔絶をはかる連絡手段を連通状態にし、ロードロック部に待機収容されている試料を当該連絡手段を介して試料室へ搬送する搬送工程、ロードロック部内圧調整工程及び搬送工程の実行と並行して、ロードロック部に待機収容されている試料から当該試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかを取得して、試料室での電子線照射作業に用いる電子線のフォーカス制御値を演算するフォーカス制御値演算工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、処理室との間での圧力調整のためにロードロック部に外部から搬入された試料が待機収容されている間に、処理室における電子線の照射作業及び反射電子又は二次電子の検出作業に用いる試料情報を取得しておくことができる。この結果、ロードロック部から処理室へ試料が搬入されたときには、ロードロック部で取得した当該試料についての電子線の照射作業及び反射電子又は二次電子の検出作業に用いる試料情報に基づいて制御系により電子光学系を制御作動させることができるので、走査型電子顕微鏡のトータルスループットのさらなる向上がはかれる。

本発明によれば、真空状態で収容されて電子線の照射を受ける処理室に搬送される試料が待機収容されているロードロック部を所望の真空状態にまで減圧するのと並行して、ロードロック部に待機収容されている試料から当該試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかを取得して、照射作業に用いる電子線のフォーカス制御値を取得しておくことができるので、観察作業に要する時間を短縮でき、走査型電子顕微鏡のトータルスループットのさらなる向上がはかれる。

本発明の一実施の形態による走査型電子顕微鏡について、図面とともに説明する。
図１は、本発明の一実施の形態による走査型電子顕微鏡の全体構成図である。
図１において、走査型電子顕微鏡１は、電子光学系２を有して構成された顕微鏡装置本体１０と、その制御系３を有して構成された制御装置５０とを備えて構成されている。

顕微鏡装置本体１０は、図示の例では、顕微鏡本体部１１と、試料供給部１２とが一体的に設けられた構成になっている。さらに、顕微鏡本体部１１は、鏡筒部１３と試料室部１４とロードロック部１５とから構成されている。

鏡筒部１３には、電子線４を生成する電子線源としての電子銃１６、電子線４の照射によって試料５から発生した二次電子６を加速するためのブースタ電極１７、ブースタ電極１７を介した電子線４を試料５上で焦点が合うように収束させる対物レンズ１８、電子線４の照射によって試料５から発生した二次電子６を検出する二次電子検出器１９、試料の高さを検出するための高さ検出センサを構成する高さ検出用光源２０及び高さ検出用受光器２１が備えられている。

なお、図１では、顕微鏡装置本体１０の電子光学系２の具体的な構成を、試料５から発生する二次電子６が対物レンズ１８の磁界に巻き上げられたり、対物レンズ１８の電子線通路に配置した電極の印加電圧で加速されて対物レンズ１８の上部（電子源側）に進行するのを考慮して、二次電子検出器１９は対物レンズ１８よりも電子線源側に配置され、加えて、対物レンズ１８の上部における二次電子６の発散を抑えてこの二次電子検出器１９で効率よく検出できようにブースタ電極１７が備えられている構成を例に説明するが、顕微鏡装置本体１０の電子光学系２の具体的な構成自体は、他の構成であってもよい。

試料室部１４は、電子線４の光軸方向に鏡筒部１３と一体的に形成され、内部には試料５に電子線４を照射するための試料室２２が外部に対して気密性を保って形成されている。試料室２２内には、電子線４を照射する試料５を載置するための移動可能な載置台２３と、載置台２３を試料室２２とロードロック部１５との間でこの載置台２３を移動可能に支持する試料搬送機構の試料室側ステージ台２４が設けられている。載置台２３は、例えば、試料室側ステージ台２４の延設方向（図１の場合は、図中、左右方向）に沿って移動可能に試料室側ステージ台２４に支持された載置台本体２３ａと、この載置台本体２３ａに当該載置台本体２３ａの移動可能方向と直交する方向（図１の場合は、図中、表裏方向）に移動可能に支持され、試料５が保持される試料保持部２３ｂとを備えて構成されている。これにより、載置台２３に載置された試料５は、所定範囲で二次元的に移動可能になっている。

そして、試料室２２の内圧は、制御装置５０の制御系３によって作動制御される、図１では図示省略した試料室減圧手段及び大気圧導入手段により、所望の真空度の減圧状態に調整保持されている構成になっている。

ロードロック部１５は、試料室部１４に隣接して配置され、その内部には外部に対して気密性を保って試料待機室２５が形成されている。そして、試料室部１４とロードロック部１５との間には、その試料室２２と試料待機室２５との間を圧力的に連通又は隔絶する連絡手段としての試料室側ゲート弁２６が介在させて設けられている。この試料室側ゲート弁２６は、制御装置５０の制御系３によって開閉制御され、開弁状態では、試料室２２と試料待機室２５との間を圧力的に連通し、当該開弁状態の試料室側ゲート弁２６を介して、試料室２２と試料待機室２５との間で試料５が載置された載置台２３が移動通過可能になっており、閉弁状態では、試料室２２と試料待機室２５との間を圧力的に隔絶する構成になっている。

同様に、このロードロック部１５の試料待機室２５の内圧も、制御装置５０の制御系３によって作動制御される、図１では図示省略したロードロック部減圧手段及び大気圧導入手段により、所望の真空度の減圧状態に調整保持できる構成になっている。これにより、ロードロック部１５の試料待機室２５の内圧は、試料室側ゲート弁２６を閉弁した隔絶状態で、試料室２２の内圧とは独立して、試料待機室２５の内圧を所望の真空度の圧力状態に調整保持できる構成になっている。

また、ロードロック部１５の試料待機室２５には、載置台２３を試料室２２とロードロック部１５との間でこの載置台２３を移動可能に支持する試料搬送機構のロードロック部側ステージ台２７が設けられている。ロードロック部側ステージ台２７と前述した試料室側ステージ台２４とは、試料室２２と試料待機室２５との間の試料搬送機構を構成し、載置台２３を、試料室２２における規定の照射作業位置と試料待機室２５の規定の待機位置との間で移動させ、両位置でそれぞれ位置決めする。

さらに、ロードロック部１５には、試料５の高さを検出するための高さ検出センサを構成する高さ検出用光源２８及び高さ検出用受光器２９と、光学顕微鏡３０とが設けられている。

その一方で、ロードロック部１５には、次の観察対象としての試料５を試料供給部１２からロードロック部１５の試料待機室２５に搬入するための試料供給部側ゲート弁３１が設けられている。この試料供給部側ゲート弁３１は、制御装置５０の制御系３によって開閉制御され、開弁状態では、当該開弁状態の試料供給部側ゲート弁３１を介して、試料待機室２５内の規定の待機位置に移動位置されている載置台２３に試料５を載置できるように試料５が移動通過可能になっている。また、閉弁状態では、試料待機室２５を試料供給部１２側に対して圧力的に隔絶する構成になっている。

試料供給部１２は、今回の観察作業ロットでの観察対象としての複数の試料５が収納されている試料カセット３２と、この試料カセット３２から次の観察対象としての試料５を取り出し、この取り出した試料５を、開弁状態の試料供給部側ゲート弁３１を介して、ロードロック部１５の試料待機室２５内の待機位置に移動位置されている載置台２３に搬送するための搬送ロボット装置３３が設けられている。図示の搬送ロボット装置３３の場合は、そのアーム３３ａを当該アームが接続されて設けられているベース３３ｂに対して回動，屈折等変位して試料５を搬送する構成になっている。なお、試料供給部１２の内圧は、試料室部１４の試料室２２や、ロードロック部１５の試料待機室２５のように、減圧可能な構成にはなっていない。

以上のように構成される走査型電子顕微鏡１における顕微鏡装置本体１０の各部は、制御系３を有して構成された制御装置５０によって作動制御される。

制御装置５０は、顕微鏡装置本体１０の電子光学系２を制御する電子光学制御系５１と、顕微鏡装置本体１０の載置台２３，ステージ台２４，２７，及び搬送ロボット装置３３を電子光学制御系５１による制御との調整をとりながら作動制御する搬送制御部５２と、観察した試料５の表面形状の画像化情報を出力するためのディスプレイ５３とを備えた構成になっている。

そして、電子光学制御系５１は、本実施の形態の場合、メモリ５６，５７，５８と、ＣＰＵ５９と、ブースタ電極制御回路６０及び対物レンズ制御回路６１を備えた電子線制御部６２と、画像処理部６３とを備えている。

次に、制御系３を有して構成された制御装置５０のこれら各部について説明する。
メモリ５７は、ロードロック部１５に設けられた試料５の高さを検出するための高さ検出センサを構成する高さ検出用受光器２９から出力される高さ検出情報の供給を受け、これを記憶する。ここで、試料５の高さを検出するための高さ検出センサの構成について、図２により説明する。

図２は、高さ検出用光源及び高さ検出用受光器から構成される高さ検出センサによる試料の高さ検出の説明図である。

高さ検出センサは、高さセンサ制御信号によりロードロック部１５に設けられている高さ検出用光源２８を作動すると、高さ検出用光源２８によって生成された光が試料５に照射し、試料５の表面で反射された反射光が高さ検出用受光器２９によって受光され、その受光量（すなわち受光信号）の大きさや受光量変化によって試料５の表面高さを検出する構成になっている。例えば、図示の例のように、載置台２３の試料保持部２３ｂの表面から背面が離間している状態の湾曲突出した試料５の表面を検出する場合は、載置台２３の試料保持部２３ｂの表面に背面が当接している平坦な試料５の表面を検出する場合よりも、この場合は高さ検出用受光器２９の受光量が増大し、この受光量の増大変化に応じて試料５の高さが検出できる構成になっている。

そして、試料５の表面に対する光の照射及び受光は、例えば載置台２３を一定ピッチで移動させる等して、試料５の表面における光線の照射位置を走査しながら高さ検出用受光器２９が随時検出する検出光量（受光信号）をメモリ５７に供給して記憶することによって、試料５の表面上における各位置の高さに応じた高さ検出情報を取得できる構成になっている。メモリ５７に記憶された試料５の表面上における各位置の高さに応じた高さ検出情報（検出光量）は、ＣＰＵ５９によって読み出され、試料５の表面の各位置における高さ情報に変換される。

メモリ５６は、光学顕微鏡３０によって観察される観察像からその画像データを取得し、その画像データを記憶する。ここで、光学顕微鏡３０によるアライメントの取得について、図３により説明する。

図３は、光学顕微鏡による試料の画像データの取得についての説明図である。
一般に、走査型電子顕微鏡１では、試料５を試料供給部１２からロードロック部１５の待機位置に位置する載置台２３上に搬送して載置するときに、載置された試料５の向きや位置等が観察時における試料５本来の基準となる向きや位置等に対してずれが生じる。そのずれ量も、その搬送の都度、異なる。そのため、電子光学制御系５１は、電子光学系２による試料５の観察に際して、当該試料５の向きや位置のずれに対応した補正を施して、電子光学系２を制御する。

そこで、搬送ロボット装置３３によって試料５を試料供給部１２から載置台２３上に搬送して載置する都度、載置された試料５の向きや位置が観察時における試料５本来の基準となる向きや位置に対してずれているか否か等を検出するために、待機位置の上方に設けた光学顕微鏡３０によって試料５の平面（上面）像を観察する構成になっている。そして、光学顕微鏡３０による試料５の平面（上面）像は、光学顕微鏡３０に備えられている画像生成手段によって画像データに変換され、メモリ５６にはこの画像データが記憶される構成になっている。

このメモリ５６に記憶された試料５の光学顕微鏡３０によって観察される観察像の画像データは、電子光学系２の補正（いわゆるアライメント補正）のために、ＣＰＵ５９によって読み出され、その画像処理から試料５のＸＹ座標と高さ等の情報が取得され、試料５のアライメント情報が生成される。本実施の形態では、試料５のアライメントの取り込みを行う構成として光学顕微鏡３０による構成を採用したが、スキャナを使用する等，他の構成でアライメントの取り込みを行うことも可能である。

これらメモリ５６，５７に対し、メモリ５８は、メモリ５７の場合と同様にして、試料室部１４の試料室２２に設けられた試料５の高さを検出するための高さ検出用受光器２１から供給される検出光量の供給を受け、これを高さ検出情報として記憶する。

一方、ＣＰＵ５９は、搬送制御部５２から供給される載置台２３の位置情報や状態情報等に基づいて、搬送制御部５２に、搬送機構としてのステージ台２４，２７やゲート弁２６，３１の作動制御や、搬送ロボット装置３３の作動制御を行わせる。また、ＣＰＵ５９は、これらステージ台２４，２７、ゲート弁２６，３１、搬送ロボット装置３３等の制御と調整を取りながら、図示省略した試料室減圧手段、ロードロック減圧手段部、及び大気圧導入手段を作動制御する。その上で、ＣＰＵ５９は、これら各部の制御と調整を取りながら、メモリ５７，５８に記憶保持されている高さ検出情報や、メモリ５６に記憶保持されている画像データを読み出し、これらを基に取得した試料５の高さ情報やアライメント情報を基づいて、電子光学系２に対して制御指示を出力して、その電子光学系２の作動を制御して、走査型電子顕微鏡１のフォーカス制御を行う。

なお、このフォーカスの制御方法としては、試料の広範囲を撮像する際には試料の高さ情報又はアライメント情報の一方を利用し、試料の狭範囲を撮像する際には試料の高さ情報とアライメント情報を利用する方法がある。

電子線制御部６２は、ＣＰＵ５９から供給される制御指示に基づいて、電子光学系２を構成するブースタ電極１７や対物レンズ１８の作動制御を行う。電子線制御部６２は、本実施の形態では、ブースタ電極制御回路６０と、対物レンズ制御回路６１とを備えた構成になっている。ブースタ電極制御回路６０は、ＣＰＵ５９から供給される制御指示に基づいてブースタ電極１７の作動を制御し、二次電子６の加速を制御する。対物レンズ制御回路６１は、ＣＰＵ５９から供給される制御指示に基づいて、対物レンズ１８の焦点を制御し、電子線４の収束を変化させる。したがって、本実施の形態による走査型電子顕微鏡１の場合は、電子線４の焦点を試料５の観察面に合わせるフォーカス制御は、電子線制御部６２のブースタ電極制御回路６０及び対物レンズ制御回路６１によって行う構成になっている。

画像処理部６３は、二次電子検出器１９の出力をアナログ／デジタル変換して生成した検出信号の供給を受け、これを基にＳ／Ｎ向上等の画像処理を行い、試料５の電子線４が照射された面の形状についての画像情報を生成し、この生成した画像情報をディスプレイ５３に供給して、その画像を表示させる。

なお、上述した本実施の形態による走査型電子顕微鏡１の説明では、試料室２２内の観察が終了した試料５の試料室２２からの搬出については説明していないが、本実施の形態では、説明簡便のため、試料５を試料室２２内に導入するためのロードロック部１５と同様の試料室２２から観察済の試料５を取り出すための図示せぬアンロードロック部を備えているものとして、以下、走査型電子顕微鏡１による試料５の観察作業について説明する。なお、図１に示した試料５を試料室２２に導入するためのロードロック部１５が、試料室２２から観察済の試料５を取り出すためのアンロードロック部としても機能するものであっても、以下の試料５の観察作業については同様である。

図４は、本実施の形態による走査型電子顕微鏡の動作／処理を示すフローチャートである。

本実施の形態の走査型電子顕微鏡１においては、試料供給部１２からロードロック部１５の試料待機室２５へ試料５を搬入する際には、まず、ＣＰＵ５９は、ロードロック部１５の試料待機室２５の待機位置に載置台２３が位置し、試料室部１４の試料室２２とロードロック部１５の試料待機室２５との間が試料室側ゲート弁２６により隔絶状態になっているのを、搬送制御部５２から供給されている搬送状態情報によって確認した上で、搬送制御部５２に対して、試料供給部１２からロードロック部１５への試料５の搬入指示を供給する（ステップＳ41）。この指示を受けた搬送制御部５２は、ロードロック部１５の大気圧導入手段によって試料待機室２５を大気圧状態にし、ロードロック部１５と試料供給部１２との間の試料供給部側ゲート弁３１を連通状態（開弁状態）にし、試料供給部１２の搬送ロボット装置３３を作動する。これにより、搬送ロボット装置３３が試料カセット３２から次の観察対象の試料５（例えば、ウエハ）をロードロック部１５の試料待機室２５に位置している載置台２３上に試料５を移送する。

ＣＰＵ５９は、搬送制御部５２から次の観察対象の試料５の試料供給部１２からロードロック部１５への搬送完了の状態情報の供給を受けると（ステップＳ42）、搬送制御部５２に対して、ロードロック部１５から試料室部１４の試料室２２への試料５の搬出指示を供給するとともに、載置台２３に搭載した試料５の高さ情報やアライメント情報の取得を行うために、高さセンサ制御信号を高さ検出センサの高さ検出用光源２８に供給して高さ検出用受光器２９が検出する高さ検出情報をメモリ５７に記憶させる一方、光学顕微鏡３０に対して観察画像の取得指示を供給して試料５の平面（上面）像の画像データをメモリ５６に記憶させる（ステップＳ42）。

これにより、ロードロック部１５から試料室２２への試料５の搬出指示の供給を受けた搬送制御部５２は、ロードロック部１５と試料供給部１２との間の試料供給部側ゲート弁３１を隔絶状態（開弁状態）にし、ロードロック部１５の試料待機室２５を試料室２２及び外部（試料供給部１２）に対して気密に保持した状態でロードロック部減圧手段を作動して、ロードロック部１５の内圧すなわち試料待機室２５内の雰囲気が試料室２２の内圧と同じか又はその近傍の所望の真空状態になるまで減圧する（ステップＳ441）。そして、搬送制御部５２は、図示せぬ圧力センサにより試料待機室２５内の真空度を監視し、所望の真空状態に到達したならば、ロードロック部減圧手段による減圧を停止する（ステップＳ442）。続いて、搬送制御部５２は、隔絶状態になっている試料室部１４の試料室２２とロードロック部１５の試料待機室２５との間の試料室側ゲート弁２６を開弁して連通させた後、ロードロック部側ステージ台２７及び試料室側ステージ台２４を搬送駆動して、本実施の形態の場合は、試料５を搭載された載置台２３ごと、ロードロック部１５内の規定の待機位置から試料室２２内の規定の照射作業位置に移動する（ステップＳ443）。そして、搬送制御部５２は、移動完了後、試料５が試料室２２内の規定の照射作業位置に位置していることを示す状態情報を、ＣＰＵ５９に供給する。

ＣＰＵ５９は、ロードロック部１５から試料室部１４の試料室２２への試料５の搬出指示を搬送制御部５２に供給すると、上述した搬送制御部５２によるロードロック部１５の試料待機室２５内の減圧作業（ステップＳ441，Ｓ442）、ロードロック部１５内の規定の待機位置から試料室２２内の規定の照射作業位置への搬出作業（ステップＳ443）と並行して、減圧作業中の試料待機室２５に収納されている試料５の平面（上面）の高さ検出情報や画像データを、それぞれメモリ５６，５７に取得する（ステップＳ431）。この場合、ＣＰＵ５９は、搬送制御部５２への搬出指示とともに、高さ検出センサの高さ検出用光源２８に供給した高さセンサ制御信号に基づいて高さ検出用受光器２９から供給される高さ検出情報をメモリ５７に記憶するとともに、同じく光学顕微鏡３０に供給した観察画像の取得指示に基づいて光学顕微鏡３０から供給される画像データをメモリ５６に記憶して、減圧作業中の試料待機室２５に収納されている試料５の平面（上面）の高さ検出情報や画像データを取得する。

そして、ＣＰＵ５９は、減圧作業中の試料待機室２５に収納されている試料５の平面（上面）の高さ検出情報や画像データのメモリ５６，５７への取得が終わると、メモリ５６，５７にそれぞれ記憶されている減圧作業中の試料待機室２５に収納されている試料５の平面（上面）の高さ検出情報や画像データを取り込んで（ステップＳ432）、この高さ検出情報を変換して試料５の表面（上面の観察面）の各位置における高さ情報を取得するとともに、画像データを画像処理して試料５のＸＹ座標と高さ等のアライメント情報が取得する（ステップＳ433）。

その上で、ＣＰＵ５９は、前述した搬送制御部５２によるロードロック部１５の試料待機室２５内の減圧作業（ステップＳ441，Ｓ442）、ロードロック部１５内の規定の待機位置から試料室２２内の規定の照射作業位置への搬出作業（ステップＳ443）が終了し、搬送制御部５２から、試料５が試料室２２内の規定の照射作業位置に位置していることを示す状態情報の供給を受けると、次の述べる処理を行う。

すなわち、ＣＰＵ５９は、ロードロック部１５内の減圧作業（ステップＳ441，Ｓ442）や試料室２２内の照射作業位置への搬出作業（ステップＳ443）と並行作業で取得してある高さ情報やアライメント情報を基に、試料室２２内の規定の照射作業位置に位置した試料５の既定の観察位置に焦点を合わせるためのビーム制御を行う（ステップＳ434）。ＣＰＵ５９は、この並行作業で取得してある高さ情報やアライメント情報を基に、試料５の既定の観察位置についてのブースタ電極制御回路６０及び対物レンズ制御回路６１に対する制御指示を生成し、これをブースタ電極制御回路６０及び対物レンズ制御回路６１に供給する。これにより、ＣＰＵ５９は、従来技術で説明した試料の高さ検出やアライメント処理等といった当該試料５の検査作業にあたっての準備処理を試料室２２内の試料５に対して当初に行うことなく、既に減圧作業（ステップＳ441，Ｓ442）や搬出作業（ステップＳ443）と並行作業で取得してある高さ情報やアライメント情報を基に、ブースタ電極制御回路６０及び対物レンズ制御回路６１に対して制御指示を供給して走査型電子顕微鏡１の電子光学系２のブースタ電極１７，対物レンズ１８を作動制御し、試料５の既定の観察位置にその電子線４の焦点を合わせることができる。そして、その際の二次電子検出器１９の検出出力に基づいて、画像処理部６３は試料５の既定の観察位置についての画像情報を生成し、ディスプレイ５３はその画像を表示する（ステップＳ45）。

なお、上述の説明においては、フォーカスの制御方法として、試料の狭範囲を撮像することができる走査型電子顕微鏡１を例に、試料５の高さ情報とアライメント情報を利用する場合を例に説明したが、試料の広範囲を撮像する走査型電子顕微鏡１の場合にあっては、試料５の高さ情報又はアライメント情報のいずれかを利用できればよいので、利用しない情報側の機器やＣＰＵ５９の該当処理は省略可能である。

上記説明したように、本実施の形態の走査型電子顕微鏡１によれば、ロードロック部１５から試料室２２への試料５の搬出に際に、ロードロック部１５内が所望の真空度に達するまでの時間と並行して、ロードロック部１５に搭載した高さ検出器又は光学顕微鏡３０の少なくとも一方により、試料５の高さ情報又はアライメント情報を取得することができるので、走査型電子顕微鏡１を用いた試料撮像のトータルスループットの向上が行える。

図５は、本実施の形態の走査型電子顕微鏡による試料撮像についての従来技術とのタイミング比較を示した図である。

図５において、従来の処理時間ｔｂは、ロードロック部１５の減圧作業による真空処理時間ｔ１、ロードロック部１５から試料室２２への試料搬送時間ｔ２、試料５の高さ情報やアライメント情報の取得といった試料５についての準備処理時間ｔ３、実際の観察作業時間ｔ４からなる、４つの処理の直列動作時間（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４）であった。

これに対して、上述した本実施の形態の走査型電子顕微鏡１の場合は、試料５の高さ情報やアライメント情報の取得といった試料５についての準備処理時間ｔ３は、ロードロック部１５の減圧作業による真空処理時間ｔ１、又はこの真空処理時間ｔ１とロードロック部１５から試料室２２への試料搬送時間ｔ２との合計期間（ｔ１＋ｔ２）に並行処理によった重複されるので、その処理時間ｔａは３つの処理の直列動作時間（ｔ１＋ｔ２＋ｔ４）となることから、試料撮像のトータルスループットの向上が行える。

本実施の形態による走査型電子顕微鏡１及びそのフォーカス制御方法は、以上説明したとおりであるが、ロードロック部に試料情報を検出する構成を有し、ロードロック部が所望の真空度に到達するまでの減圧作業期間を利用して制御系で試料の高さ情報やアライメント情報といった試料情報の取得を行うものであるならば、その具体的な構成や手順は上述した実施の形態に限定されるものではない。

また、本発明の対象とする走査型電子顕微鏡には、上述した実施の形態に限定されるものではなく、レーザ走査型共焦点顕微鏡のような光学式の走査型顕微光学系のものや、通常の光学系（特に顕微光学系）のものも含まれるが、半導体ウエハ試料等の試料撮像のスループットを向上したい場合、特に有効である。

本発明の一実施の形態による走査型電子顕微鏡の全体構成図である。 図１に示した高さ検出用光源及び高さ検出用受光器から構成される高さ検出器による試料の高さ検出の説明図である。 図１に示した光学顕微鏡による試料の画像データの取得についての説明図である。 本実施の形態による走査型電子顕微鏡の動作／処理を示すフローチャートである。 本実施の形態の走査型電子顕微鏡による試料撮像についての従来技術とのタイミング比較を示した図である。 従来の走査型電子顕微鏡の動作／処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 走査型電子顕微鏡
２ 電子光学系
３ 制御系
４ 電子線
５ 試料
６ 二次電子
１０ 顕微鏡装置本体
１１ 顕微鏡本体部
１２ 試料供給部
１３ 鏡筒部
１４ 試料室部
１５ ロードロック部
１６ 電子銃
１７ ブースタ電極
１８ 対物レンズ
１９ 二次電子検出器
２０ 高さ検出用光源
２１ 高さ検出用受光器
２２ 試料室
２３ 載置台
２４ 試料室側ステージ台
２５ 試料待機室
２６ 試料室側ゲート弁
２７ ロードロック部側ステージ台
２８ 高さ検出用光源
２９ 高さ検出用受光器
３０ 光学顕微鏡
３１ 試料供給部側ゲート弁
３２ 試料カセット
３３ 搬送ロボット装置
５０ 制御装置
５１ 電子光学制御系
５２ 搬送制御部
５３ ディスプレイ
５６ メモリ
５７ メモリ
５８ メモリ
５９ ＣＰＵ
６０ ブースタ電極制御回路
６１ 対物レンズ制御回路
６２ 電子線制御部
６３ 画像処理部

Claims (3)

1. 試料が真空状態で収容されて電子線の照射を受ける処理室と、
   電子線源によって生成された電子線を収束し、該処理室に収容された試料上で照射位置を走査する電子光学系と、
   該電子光学系による試料への電子線照射によって生成された反射電子若しくは二次電子を検出する検出器と、
   前記処理室の真空状態の保持をはかるために、前記処理室に搬送する試料が待機収容されるロードロック部と、
   前記処理室と該ロードロック部との間に設けられ、前記処理室と該ロードロック部との間の圧力の連通又は隔絶をはかる連絡手段と、
   該連絡手段の作動によって前記処理室に対して隔絶状態にある前記ロードロック部の真空度を、真空状態に保持されている前記処理室に対して調整するロードロック部内圧調整手段と、
   前記ロードロック部に待機収容されている試料を、連通状態にした前記連絡手段を介して前記処理室に搬送して収容する搬送機構と
   を備え、
   試料への電子線照射によって生成された反射電子若しくは二次電子を検出して当該試料の観察情報を取得する走査型電子顕微鏡であって、
   前記ロードロック部に設けられ、当該ロードロック部への試料の収容後、前記ロードロック部内圧調整手段による前記ロードロック部の内圧調整処理並びに当該内圧調整処理の完了後における前記搬送機構及び前記連絡手段による前記処理室への試料搬送処理と並行作業で、前記処理室における電子線の照射作業及び反射電子若しくは二次電子の検出作業に用いる試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかを当該試料から取得する試料情報取得手段と、
   前記試料情報取得手段によって検出した前記ロードロック部に収容されている試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかに基づいて、前記処理室で照射する電子線のフォーカス制御値を演算するフォーカス制御手段と、
   該フォーカス制御手段によって演算されたフォーカス制御値に基づいて前記電子光学系の作動を制御し、前記処理室で試料に照射する電子線を制御する照射制御手段と
   を備えていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 前記試料情報取得手段は、
   光学顕微鏡又はスキャナを備えて構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
3. 真空状態に保持された試料室で電子線の照射を受ける試料が待機収容されているロードロック部を、前記試料室に対する圧力の隔絶状態で所望の真空度にまで減圧するロードロック部内圧調整工程、
   該ロードロック部内圧調整工程の実行による前記ロードロック部の内圧調整後に、前記処理室と前記ロードロック部との間に設けられ、前記処理室と該ロードロック部との間の圧力の連通又は隔絶をはかる連絡手段を連通状態にし、前記ロードロック部に待機収容されている試料を当該連絡手段を介して前記試料室へ搬送する搬送工程、
   前記ロードロック部内圧調整工程及び搬送工程の実行と並行して、前記ロードロック部に待機収容されている試料から当該試料の高さ情報又はアライメント情報のうちの少なくともいずれかを取得して、前記試料室での電子線照射作業に用いる電子線のフォーカス制御値を演算するフォーカス制御値演算工程
   を有することを特徴とする走査型電子顕微鏡のフォーカス制御方法。

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