JP4887049B2

JP4887049B2 - 荷電粒子線装置の試料台

Info

Publication number: JP4887049B2
Application number: JP2006024045A
Authority: JP
Inventors: 充史宮木; 浩一黒澤; 隆司保谷
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: JP2007207536A

Description

本発明は、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）や集束イオンビーム（Focus Ion Beam：ＦＩＢ）加工観察装置などの荷電粒子線装置、及び荷電粒子線を用いた加工や観察等の方法に関する。

走査電子顕微鏡や集束イオンビーム加工観察装置等の荷電粒子線装置を用いて試料の加工、及び観察を実施する際、試料の傾斜角度は、使用する荷電粒子線装置のステージの機構によりその角度が制限されている。

そのため、ステージの機構により傾斜可能な角度以上で試料を加工，観察する必要があるときは、試料を試料室内部から取り出し、試料台から試料を取り外し、希望とされる傾斜面をもつ試料台に付け直し装置内部に再導入する。

または、特開２００２−３１９３６２号のような試料台を用い、加工や観察の目的に応じて試料を試料室内部から取り出し、試料ホルダーから試料台を取り外し，取り付け直すなどの必要がある。

また、集束イオンビーム加工観察装置にて試料の断面を作製したのち、走査電子顕微鏡にて断面を観察する場合も同様である。

更に、集束イオンビーム加工観察装置にて試料を薄膜化したのち、走査透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope ：ＳＴＥＭ）にて透過電子像観察をする場合も通常は加工面と観察面が９０°異なるため前述同様試料または試料台を付け直す必要がある。

透過電子像観察をする場合、透過電子信号は試料台とステージに設けられた透過電子通過孔および検出器直上の絞りを通過して検出されているため、試料を一定角度以上傾斜させた場合は透過電子信号が試料台およびステージに阻まれ検出器に到達せず、透過電子像が観察できない。

荷電粒子線装置において反射電子（Back Scattered Electron ：ＢＳＥ）を検出するための反射電子検出器は対物レンズと試料との間に挿入されるのが一般的であり、試料傾斜によって検出器や試料の破損を引き起こす可能性がある。また対物レンズと試料の間には検出器本体の厚み分だけでなく、対物レンズおよび試料と検出器の干渉を防ぐために一定の距離をとる必要がある。これらの距離によって高分解能観察をおこなうための短焦点化が制限され、分解能向上の妨げとなっている。

特開２００２−３１９３６２号公報

走査電子顕微鏡や集束イオンビーム加工観察装置などの荷電粒子線装置において、試料の観察または加工時にステージ機構の傾斜限界角度を越えて試料を傾斜させる必要がある場合、試料の貼り付け直しもしくは試料台の取り付け直しを行わなくてはならない。これらの作業は、付け直しの作業が煩わしいとともに大気開放および真空排気等の作業時間を必要とするため、作業効率の低下や試料汚染および損傷の原因となる。

透過電子象観察においては荷電粒子線装置のステージおよび従来の試料台の機構により試料傾斜に対する制限がある。ＢＳＥ像観察においては試料と対物レンズの間に挿入する検出器および試料の破損を防ぐために焦点距離，傾斜角に制限がある。

本発明の目的は、試料や試料台の付け外しをすることなく、装置内での試料の高角度傾斜、及び多様な像情報の取得を可能とすることに関する。

本発明は、荷電粒子線装置の試料室内に存在するステージに載置できる試料台であって、荷電粒子線装置の試料室外から試料室内に挿入される挿入部材により、試料を載置可能な傾斜試料台部の傾斜角度を制御できることに関する。

また、例えば、透過電子像観察用の機構や、異種装置間の互換性を備える。

荷電粒子線装置のステージに依存してきた試料傾斜を試料台単独で行えるようになる。これにより、例えば、荷電粒子線装置のステージ傾斜角度の限界を超える角度までの試料傾斜が可能となる。

また、例えば、ＦＩＢ加工後にＳＥＭでの観察や透過電子像観察が容易となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。

図１は、試料台および試料台ホルダーが用いられる荷電粒子線装置の中で特に一般的な走査電子顕微鏡の構成を示した断面図である。

本装置は、電子ビーム１を取り出すための電子銃２を有する電子銃室３，集束レンズ４，偏向コイル５，対物レンズ６，試料室１２、及び試料交換室１５を備える。試料室１２には、試料ステージ１０，検出器１１ａおよび検出器１１ｂを配置されている。また、装置内を真空に保つための排気ポンプ１３と排気配管１４も備える。試料８を載せた試料ホルダー９は、試料交換棒７を用いて試料室内に設置される。試料交換棒７は、荷電粒子線装置の試料室外から試料室内に挿入される挿入部材である。

電子銃２から取り出された電子ビーム１は、集束レンズ４と対物レンズ６によって細く集束され、偏向コイル５によって試料８上を走査する。走査された試料８から放出された二次荷電粒子を検出器１１ａで捕らえる又は、試料８を透過した透過電子を検出器１１ｂで捕らえることにより画像観察を行う。

図２は、傾斜機能を有した試料台および試料台ホルダーの詳細な構成を示す図である。メッシュ試料８ａを固定する試料保持部と試料傾斜軸と軸に接続されたギアからなる傾斜試料台１６，試料交換棒受け２３とレールからなるレール部１７，軸受け２１とガイド溝２０を備えた２枚の試料台固定部１８，試料台固定部を保持する台座部１９で構成されており、試料傾斜軸は固定部の軸受け２１に収まる構造となっている。試料保持部は平板状の構造で示したが、機能的に同等であればそれに限定されるものではない。試料台固定部はどのような形状でも構わないが、平行平板状の構造が製造コストなどの面から見ても現実的である。台座部に関しては、複数の異なる荷電粒子線装置のステージに固定できる構造であり、透過電子を通過させる孔を備えたものとする。

図３は、試料傾斜機構を有する試料台の構成を示す図である。試料は試料保持部２４に直接固定するか、メッシュ試料台に搭載してメッシュ試料押さえ２６を用いて試料保持部に装着する。試料台固定部には図２（ｂ）に示すようなガイド溝２０を設け、レール部
１７に設けられた数個のガイド２２が試料台固定部のガイド溝２０に沿ってスライドすることでレール部全体もスライドする。レールには試料台のギア２５に対応した凹凸が設けられており、レールのスライド運動がギアで回転運動に変換され、ギアに接続された試料台およびメッシュ試料８ａが傾斜する（図３（ｃ））。そのため、従来法では実現できなかった試料台単体での試料位置を軸とした高角度での傾斜を達成する。また、荷電粒子線装置のステージ回転および傾斜機構と組み合わせることにより試料を２軸傾斜しての観察，加工が可能となる。

真空状態の装置内部で試料傾斜角変更を可能とするため、試料交換棒の操作で試料傾斜角度を変更する機構を試料台および試料台固定部１８に備える。試料台は試料回転軸を備えた試料保持部２４と回転軸に接続されたギア２５によって構成される。レール部１７は数個のガイド２２とレールによって構成されるものとし、試料交換棒受け２３を有する構造とする。試料交換棒受け２３に試料交換棒を差し込んで前後させることによって、レール部がスライドし、試料台部のギアで回転運動に変換される。これら試料台および試料台ホルダーは荷電粒子線装置に用いることを考慮すると、材質は非磁性で導電性のある金属が理想的である。また、ギアおよびレール部に関しては、十分な摩擦抵抗が得られる機構であれば、ギアの代わりにゴムローラーのようなもので構成することも可能である。

図４は、試料回転機構を有した試料台の構成を示す図である。試料回転機構は傾斜試料台（図３（ａ））から回転試料台（図４（ａ））に挿げ替えることで達成される。

回転試料保持部３９は棒状の構造が望ましいが、その先端にニードル状試料８ｂを固定でき、回転運動に支障のない構造であればどのような形状でも構わない。傾斜試料台と同様に回転軸にはギア２５が接続されており、試料台固定部１８の軸受け２１に装着して使用する。傾斜機構と共通のレール部１７を試料交換棒を用いてスライドさせることでギアが回転し、試料固定部および試料を回転させる。傾斜機構同様、ステージの機構を併用することで２軸の傾斜が可能となる。回転機構におけるギアおよびレールも傾斜機構と同様に、十分な摩擦抵抗が得られる機構であれば、たとえばゴムローラーのようなもので構成することも可能である。

傾斜機構同様、試料交換棒受けをレール部に設けることにより真空状態の装置内部での試料回転を可能とする。

図５は、孔径変更可能な絞りを示した図である。絞りは径の異なる複数の孔を持つ絞り板２７と絞り保持部２８からなる（図５（ａ））。絞り保持部には数個のガイド２２を設け、試料台固定部１８のガイド溝２０に沿って移動することで使用したい径の孔を試料直下に移動させる。絞り板は着脱可能とし、径の異なる孔を持つ絞り板と交換することで孔径の選択肢を格段に増やすことができる。これらの機構を使用することで、試料８ａ，
８ｂを透過した電子線の一部を遮断することによって検出器に到達する透過電子信号を制御し、透過電子像観察において目的とするコントラストを得られる。絞り保持部に設けた試料交換棒受けに試料交換棒を差し込んで前後させることにより、真空状態の装置内部での絞り孔径変更を可能とする。

図６は、試料台ホルダーが有する透過電子検出器について示した図である。荷電粒子線装置のステージ機構を併用し、２軸傾斜させての透過電子像観察を可能にするために試料台ホルダーに透過電子検出器ユニット２９を備える。使用可能な検出器のタイプとしては小型，軽量な半導体検出器があげられるがそれに限定されるものではない。また、検出器ユニットの形状は試料台ホルダーの形状に適合していればどのようなものでも構わない。透過電子検出器はステージの傾斜に関わらず常に試料の直下に置かれる必要があるため、ステージの傾斜に応じた可動式のものとする。透過電子検出器ユニット２９は透過電子検出器３０および検出器を保持する透過電子検出器保持部３５からなり、両端に数個ずつのガイド３１を設ける。検出器ユニット保持部３２には弧状のガイド溝３３を設ける。ステージを傾斜させると試料台ホルダーも傾斜し、検出器ユニットが自身の重量によりガイド溝に沿って最も低い位置に移動する。ガイド溝の形状は試料位置を軸とした弧状とすることでステージを傾斜させても検出器ユニット、すなわち透過電子検出器は常に水平および試料直下位置を保持する（図６（ｂ））。ガイドとガイド溝の摩擦抵抗を下げるためにベアリング等の機構を設けてもよい。

図７は、試料台ホルダーが搭載可能な反射電子検出器について示した図である。試料台ホルダー上方に反射電子検出器３４を装着することで傾斜・回転機構との同時装着を可能とする。使用可能な検出器のタイプとしては小型，軽量な半導体検出器があげられるがそれに限定されるものではない。傾斜試料台（図３(ａ)）もしくは回転試料台（図４(ｂ)）に保持できない大きさの試料８ｃの観察用に反射電子検出器保持部３５から吊り下げるタイプの吊り下げ式試料台３６を搭載可能とする。この試料台は吊り下げネジ３７などの機構で反射電子検出器保持部３５下部に吊り下げる方式とすることにより、反射電子検出器３４と試料８ｃの距離を任意に設定できる。検出器はホルダー側に固定されているため試料を搭載する時点で試料と検出器の距離調整を実際に目視によって確認しながら行うことができ、試料と検出器の接触による破損を低減するとともに短焦点化による反射電子像の高分解能化が期待できる。

これら実施例にあげた試料台および試料台ホルダーを用いることにより、以下のような効果が得られる。

ステージ機構の限界を超えた高角度傾斜を、試料位置を傾斜軸として行えるようになるため、加工と観察が異なる角度を必要とする場合も試料や試料台の取り外しをすることなく試料の傾斜角を容易に変更できる。また、真空状態の装置内部での傾斜角変更が可能なため、装置外へ試料を取り出す必要がなく試料の汚染，破壊の可能性を低減でき、真空排気や大気開放の時間を省略できることにより作業効率も向上する。

孔径を変更できる絞りを試料台ホルダーに備えることにより絞り板の交換が容易となり、絞り孔径の選択肢を格段に増やすことが可能になるとともに、メンテナンス効率も向上する。

可動式の透過電子検出器と傾斜，回転機構を備えることで試料を２軸傾斜させての透過電子像観察も可能となる。

反射電子検出器と傾斜，回転機構を備えることで焦点距離や試料傾斜における制限が緩和され、ＢＳＥ像観察において多様な情報をより高分解能で得ることが可能になる。

一般的な５軸可動ステージと併用する試料台ホルダーとすることでステージ機構を併用しての試料傾斜軸変更が可能となり、加工・観察・分析においてそれぞれ最適な試料方向の選択が容易となる。さらにＺ方向の可動域を大きく取れるため、深い焦点深度が必要な試料や磁性材料にも対応でき、同一の試料台および試料台ホルダーを使用したまま多様な試料を多様な手法で加工・観察・分析することが可能になる。

試料台および試料台ホルダーが用いられる荷電粒子線装置の中で特に一般的な走査電子顕微鏡の構成を示した断面図。傾斜機能を有した試料台および試料台ホルダーの詳細な構成を示す図。試料傾斜機構を有する試料台の構成を示す図。試料回転機構を有した試料台の構成を示す図。孔径変更可能な絞りを示した図。試料台ホルダーが有する透過電子検出器について示した図。試料台ホルダーが搭載可能な反射電子検出器について示した図。

符号の説明

１…電子ビーム、２…電子銃、３…電子銃室、４…集束レンズ、５…偏向コイル、６…対物レンズ、７…試料交換棒、８ａ…メッシュ試料、８ｂ…ニードル状試料、８ｃ…試料、９…試料ホルダー、１０…試料ステージ、１１ａ，１１ｂ…検出器、１２…試料室、
１３…排気ポンプ、１４…排気配管、１５…試料交換室、１６…傾斜試料台、１７…レール部、１８…試料台固定部、１９…台座部、２０，３３…ガイド溝、２１…軸受け、２２…ガイド、２３…試料交換棒受け、２４…試料保持部、２５…ギア、２６…メッシュ試料おさえ、２７…絞り板、２８…絞り保持部、２９…透過電子検出器ユニット、３０…透過電子検出器、３１…ガイド、３２…検出器ユニット保持部、３４…反射電子検出器、３５…反射電子検出器保持部、３６…吊り下げ式試料台、３７…吊り下げネジ、３８…増幅器、３９…回転試料保持部。

Claims

荷電粒子線装置の試料室内に存在する試料ステージに載置できる荷電粒子線装置の試料台であって、
前記試料ステージに載置される台座部、
前記台座部に保持され、ガイド溝と軸受けを有する試料台固定部、
試料を固定する試料保持部と、前記軸受けに収まる試料傾斜軸に接続されたギヤとを有する傾斜試料台、
試料交換棒受けと、前記ギヤに対応した凹凸が設けられたレールと、前記ガイド溝に沿ってスライドするガイドとを有するレール部
を備え、
前記試料交換棒受けに差し込まれた試料交換棒が前後することで前記レール部が前記ガイド溝に沿ってスライドし、前記レールのスライド運動が前記ギヤの回転運動に変換され、前記ギヤに接続された前記傾斜試料台が傾斜するように構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。
請求項１記載の荷電粒子線装置の試料台であって、
前記試料交換棒は、前記荷電粒子線装置の試料室外から該試料室内に挿入されることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。
請求項１記載の荷電粒子線装置の試料台であって、
荷電粒子線の一部を遮断する絞りを備えることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。
請求項３記載の荷電粒子線装置の試料台であって、
前記絞りの孔径を変更できることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。
請求項４記載の荷電粒子線装置の試料台であって、
前記荷電粒子線装置の試料室外から試料室内に挿入される挿入部材により、前記絞りの孔径を変更できることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。
請求項３記載の荷電粒子線装置の試料台であって、
透過電子検出器を取り付けられることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。
請求項１記載の荷電粒子線装置の試料台であって、
反射電子検出器を取り付けられることを特徴とする荷電粒子線装置の試料台。