JP6198305B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に真空試料室に試料を導入する前に試料が存在する雰囲気を真空排気する予備排気室を備えた荷電粒子線装置に関する。

半導体検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置には高分解能が求められるため、高真空中での荷電粒子線照射が必要となる。これらの荷電粒子線装置には、予備排気室が設けられており、真空試料室の高真空状態を維持した状態において、予備排気室と真空試料室との間の試料交換を可能としている。予備排気室を設けることによって、真空試料室の真空を破ることなく、試料交換が可能となるため、装置の高スループット化を実現することが可能となる。

なお、予備排気室（ロードロックチャンバ）は、試料交換の都度、真空排気と大気導入を繰り返し、この際、外部との気圧差が変化することになるため、予備排気室の上面、下面、或いは側面が変形する。特許文献１には、予備排気室の上蓋および下蓋と、側壁との間にスペーサを挿入することによって、予備排気室の封止部分からのリークや、バルブドアと予備排気室間の摩擦によって生ずる粒子の発生の抑制を実現するロードロックチャンバが開示されている。

特開２００７−２６６５７６号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，８４５，８９１）

走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置の主要構成部材は、予備排気室、試料室および電子光学系を備えた鏡筒である。予備排気室および試料室は、試料搬送用の開口部を備えており、開口部を有する側面同士が接続されている。大気中の試料を搬入する際は、一旦、予備排気室を大気状態にするため、試料室との圧力差により、予備排気室と試料室との接続面が、試料室に向かって変形する。これによって生じる接続面（側壁）の変形は、試料室の上面、底面を変形させ、鏡筒の位置を変化させてしまう可能性がある。この変形等が観察中に生じると、荷電粒子線の照射位置が変化するため、観察画像がシフトする。画像のシフトが生じている間は、高精度な観察が困難となる。真空排気や大気導入を行っている間は、荷電粒子ビームの照射に基づく測定や検査等を行わないようにすることも考えられるが、待ち時間の増加によって装置のスループットが低下する。

特許文献１は、予備排気室の側壁および接続面の変形を志向しておらず、画像のシフトを低減する効果は期待できない。

以下に、予備排気室の圧力変化に伴う接続面の変形を抑制し、荷電粒子ビームのシフトを低減することを目的とする荷電粒子線装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として以下に、荷電粒子ビームが照射される試料をとりまく空間を真空状態に維持する試料室と、当該試料室に導入する試料をとりまく空間を真空排気する予備排気室を備えた荷電粒子線装置であって、前記試料室側の前記予備排気室の壁である前記第１の試料室側側壁が、当該試料室と離間するように形成され、当該第１の試料室側側壁と前記試料室との間に位置すると共に、当該第１の試料室側側壁に対して離間して形成される第２の試料室側壁と、前記試料室との間を封止する真空封止材を備えた荷電粒子線装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の態様として以下に、荷電粒子ビームが照射される試料をとりまく空間を真空状態に維持する試料室と、当該試料室に導入する試料をとりまく空間を真空排気する予備排気室を備えた荷電粒子線装置であって、前記試料室側の前記予備排気室の壁である試料室側側壁が、当該試料室と離間するように形成され、前記試料室側側壁と前記試料室との間に、当該試料室側側壁に対し間隙を設けつつ配置される連結部材と、当該連結部材と前記予備排気室との間であって、前記間隙が設けられた部位とは異なる位置に、前記連結部材と前記予備排気室との間を封止する真空封止材を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、第１の試料室側側壁と第２の試料室側側壁の間の間隙、或いは連結部材と予備排気室との間の間隙が、予備排気室の変形を吸収するため、試料室の変形を抑制でき、荷電粒子ビームのシフトを抑制することが可能となる。また、予備排気室と試料室との間に間隙を設けつつも、予備排気時の予備排気室内の真空状態を維持することが可能となる。

荷電粒子線装置の一例を示す図。 試料室に予備排気室を組み付けした例を示す図。 予備排気室の真空排気によって、予備排気室と試料室が変形する例を示す図。 予備排気室を大気状態としたときの予備排気室と試料室の変形例を示す図。 予備排気室の変形を吸収する隙間を設けた荷電粒子線装置の一例を示す図。 予備排気室の変形を吸収する間隙を形成するためのスリット部材（連結部材）を予備排気室と試料室との間に設けた荷電粒子線装置の一例を示す図。 予備排気室の変形を許容する間隙を形成するためのスリット部材の詳細説明図。 予備排気室、試料室、及びスリット部材の組み付け法を示す図。 筒状連結部材を予備排気室と試料室との間に配置した荷電粒子線装置の一例を示す図。 筒状連結部材を設置するための空間を、予備排気室と試料室に設けた例を示す図。 筒状連結部材の詳細を説明する図。 筒状連結部材の組み付け法を説明する図。 筒状連結部材と試料室を一体成型した荷電粒子線装置の一例を示す図。 ２つの連結部材を設けた荷電粒子線装置の一例を示す図。

以下に説明する実施例は、予備排気室を備えた荷電粒子線装置に係り、予備排気室の変形によらず、正確な位置にビーム照射を行う荷電粒子線装置に関するものである。その一例として、常時真空状態の試料室と、真空状態と大気状態に切り換えることが可能な予備排気室と、光学系を有する鏡筒とを備え、前記予備排気室および試料室の接続面に形成された隙間により、ネジ締結部周辺以外では金属同士の接触がなく、さらに前記予備排気室の接続面と予備排気室内の内壁面の間にスリットを形成することで、予備排気室の圧力変化に伴う接続面の変形を抑制し、画像のシフトを低減することを特徴とする荷電粒子線装置について説明する。

上述のような構成によれば、予備排気室の圧力変化に伴う接続面の変形を抑制する。これにより画像のシフトを低減し、待ち時間を短縮することで、装置のスループット向上の実現が可能となる。以下、他の実施例も含め、図面を用いて予備排気室を備えた荷電粒子線装置を詳細に説明する。

図１は荷電粒子線装置の概要を示す図である。本装置は、予備排気室１００、試料室２００および鏡筒３００で構成されている。試料室２００は、荷電粒子ビームが照射される試料をとりまく空間を真空状態に維持するためのものであり、予備排気室１００は、試料室２００に導入する試料をとりまく空間を真空排気するためのものである。

以下、予備排気室１００と試料室２００の具体的な構成を説明する。上記予備排気室１００および試料室２００は、図２に示すように互いの試料搬送口１０１、２０１を対向させて、ネジ１０８により固定される。

接続面１０２、２０２の間にはＯリング１０３が取り付けられている。予備排気室１００には、バルブ１０４、１０５が設けられている。バルブ１０４は、予備排気室１００を大気状態にしても、試料室２００の真空を維持する。バルブ１０５は、予備排気室１００への試料２０４の搬入・搬出を可能とする。予備排気室１００は、真空ポンプ１０６により真空排気され、リークバルブ１０７により大気解放される。試料室２００は、真空ポンプ２０５により常時真空排気される。上記構成により、試料室２００での観察と、予備排気室１００での試料２０４の搬入・搬出を同時に行うことが可能となる。

しかし、観察中に予備排気室１００内の圧力が変化すると、図３〜４に示すように接続面１０２、２０２が変形する。特に接続面２０２の変形は、試料室２００の上面、ステージ２０３、鏡筒３００を変形させる。この変形が観察中に生じることで、荷電粒子線３０２の照射位置が変動し、画像がシフトする。

以下、ビームシフトを抑制し得る荷電粒子線装置の具体例を説明する。

図５は、予備排気室１００の変形を吸収するための間隙を設けるために、予備排気室１００の試料室２００側の側壁を離間した２つの壁とした例を示す図である。本例では、接続面１０２と接続面２０２の接触面積を低減するための隙間１１０が形成されている。これにより、予備排気室１００と試料室２００の間で、ネジ締結部周辺とＯリング１０３以外の接触はない。また、接続面１０２と内壁面１０９の間に、スリット１１１が形成されている。その他の構成は、図１、２で説明した装置構成と同じである。

隙間１１０の作用は、予備排気室１００のスリット外壁１１２が変形しても、接続面２０２の変形を抑制することが可能である。スリット内壁１１３は圧力差により試料室２００へ向かって変形するが、スリット外壁１１２は、スリット１１１が常時真空状態であるので、予備排気室１００の圧力状態にかかわらず変形を生じにくい。これにより、圧力変化に伴うＯリング１０３の変形を抑制することができ、接続面２０２に伝わる力を低減することが可能となる。言わば、スリット内壁１１３（第１の試料室側側壁）と、スリット外壁１１２（第２の試料室側側壁）が一部の接続部以外、離間して形成されているため、その間の間隙（スリット１１１）がスリット内壁１１３の変形を吸収し、スリット内壁１１３の変形を試料室２００に及ぼさないという効果が期待できる。また、側壁を２層構造とし、一方を、変形を吸収する間隙を形成するための壁、他方を試料室との間でシール材を設けるための壁とすることによって、間隙を設けつつも試料室内の高真空を維持するためのシール材の設置を可能とした。上記構造は、接続面２０２の変形を抑制し、画像シフトの低減を可能とする。

なお、予備排気室１００の試料室側側壁を２層構造にする代わりに、別のスリット部材４００を組付けることで、スリット１１１に相当する空間を作製することが可能である。図６にその一例を示す。図５の例と異なり、予備排気室１００の試料室側側壁は１層構造であるが、スリット材４００を第２の試料室側側壁とすることによって、図５に示す例と同等の効果を実現している。なお、スリット材４００は予備排気室１００と試料室２００との間で、その間に配置された部材間を連結するように配置されているため、以下、連結部材と称することもある。図７にスリット部材４００の詳細を示す。スリット部材４００は、隅部に通し穴４０１が設けられており、ネジ１０８により予備排気室１００および試料室２００の間に固定が可能である。また、予備排気室１００および試料室２００間での試料交換のため、試料搬送口４０２が形成されている。シール面４０５、４０６には、Ｏリング４０７、４０８がそれぞれ取り付けられている。隙間４０４は、試料室２００とスリット部材４００を接続した際に、図５の隙間１１０に相当する空間を形成する。ザグリ４０３は、図５のスリット１１１に相当する空間を形成するために、スリット部材４００の予備排気室側に設けられる。この時、ザグリ４０３の寸法Ｄｓ１をＯリング４０８の寸法Ｄｏ１より大きくし、ザグリ４０３の寸法Ｄｓ２をＯリング４０８の寸法Ｄｏ２よりも大きくする。これにより、スリット部材４００が形成する側壁４０９は、圧力差による変形が少なくなる。

図８は、予備排気室１００、試料室２００およびスリット部材４００の組付けを示した（ａ）側面図および（ｂ）平面図を示す。

スリット部材４００の予備排気室１００側の面には、予備排気室内壁の変形を許容するザグリ４０３と、シール材としてのＯリングが設けられている。このように変形が大きい側壁中心にザグリを設け、それとは異なる側壁縁部側にＯリングを設置することで、高真空維持とビームシフト抑制の両立が可能となる。また、スリット部材４００と試料室２００との間には間隙が設けられ、その間隙にはＯリングが配置される。

図９は、上記連結部材の他の構成例を示す図である。図９の荷電粒子線装置は、予備排気室１００、試料室２００およびこれらの間に配置される筒状体５００で構成される。この筒状の連結部材である筒状体５００は、予備排気室内空間と試料室内空間を連結するものであって、試料室側にフランジを有し、フランジ部と試料室内壁との間、及び筒状体５００外周部と予備排気室１００の試料通過開口内周部との間には、それぞれＯリングによる真空封止処理が施されている。また、筒状体５００の予備排気室１００側端部と、予備排気室１００の筒状体５００側面との間に間隙が設けられるように、筒状体５００のフランジ面から筒状体５００の予備排気室１００側端部までの寸法は、試料室２００内壁と、予備排気室１００の試料室側外壁の筒状体５００に対向する面との間の寸法より短くなるように構成されている。本例では、Ｏリングは間隙とは異なる位置である筒状体５００の外周部に設けられている。

図１０は、筒状体５００が挿入される予備排気室１００のザグリ１１４周囲の詳細を示す図である。本例でも隙間１１０を設けることで、接続面２０２の変形を抑制する。試料搬送口１０１には、筒状体５００を挿入するためのザグリ１１４が形成されている。試料室２００の内壁には、筒状体５００を固定するためのネジ孔２０９が設けられている。

図１１に筒状体５００の詳細を示す。筒状体５００には、フランジが設けられ、試料搬送を行うための試料搬送口５０１が形成されている。接続面５０２には、通し穴５０３が設けられており、試料室２００内壁への固定が可能となっている。接続面５０２と外周面５０４には、Ｏリング１１６とＯリング１１７がそれぞれ取り付けられている。Ｏリング１１７は、ザグリ１１４の内周面１１５と筒状体５００の外周面５０４の間に挟み込まれる。これにより、予備排気室１００が大気状態へ変化した場合、予備排気室１００側壁が試料室２００に向かって変形しても、Ｏリング１１７が試料室２００方向へ及ぼす力は小さくなる。

図１２は、予備排気室１００、試料室２００および筒状体５００の組付けを示した（ａ）側面図および（ｂ）平面図である。筒状体５００は、予備排気室１００へ取り付けるような構造としても良い。その際の効果は上記したものと同等である。

また、筒状体を図１３に例示するように、試料室と一体成型することもできる。本構造は、試料搬送口２０１に筒状部２０７が形成されており、これにより筒状体５００と同等の効果が期待できる。このような筒状部を予備排気室１００側に設けても良い。

また、図１４に示すように、図６と図９に例示した構造を組み合わせることによって、接続面の変形を更に抑制することが可能となる。

１００ 予備排気室、１０１ 試料搬送口、１０２ 接続面、１０３ Ｏリング、１０４ バルブ、１０５ バルブ、１０６ 真空ポンプ、１０７ リークバルブ、１０８ ネジ、１０９ 内壁面、１１０ 隙間、１１１ スリット、１１２ スリット外壁、１１３ スリット内壁、１１４ ザグリ、１１５ ザグリ内周面、１１６ Ｏリング、１１７ Ｏリング、２００ 試料室、２０１ 試料搬送口、２０２ 接続面、２０３ ステージ、２０４ 試料、２０５ 真空ポンプ、２０６ 接続面、２０７、筒状部、２０８ 外周面、２０９ ネジ孔、３００ 鏡筒、３０２ フィラメント、３０３ 荷電粒子線、４００ スリット部材、４０１ 通し穴、４０２ 試料搬送口、４０３ ザグリ、４０４ 隙間、４０５ シール面、４０６ シール面、４０７ Ｏリング、４０８ Ｏリング、４０９ 側壁、５００ 筒状体、５０１ 試料搬送口、５０２ 接続面、５０３ 通し穴、５０４ 外周面、５０５ ネジ

Claims (13)

1. 荷電粒子ビームが照射される試料をとりまく空間を真空状態に維持する試料室と、当該試料室に導入する試料をとりまく空間を真空排気する予備排気室を備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料室側の前記予備排気室の壁である第１の試料室側側壁が、当該試料室と離間するように形成され、当該第１の試料室側側壁と前記試料室との間に位置すると共に、当該第１の試料室側側壁に対して離間し、且つ間隙を設けつつ形成される第２の試料室側側壁と、前記試料室との間を封止する真空封止材を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記第２の試料室側側壁は、前記試料室の側壁に対して離間して配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記真空封止材は、Ｏリングであることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 荷電粒子ビームが照射される試料をとりまく空間を真空状態に維持する試料室と、当該試料室に導入する試料をとりまく空間を真空排気する予備排気室を備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料室側の前記予備排気室の壁である試料室側側壁が、当該試料室と離間するように形成され、前記試料室側側壁と前記試料室との間に、前記試料室側側壁に対し間隙を設けつつ配置される第１の連結部材と、当該連結部材と前記予備排気室との間であって、前記間隙が設けられた部位とは異なる位置に、前記連結部材と前記予備排気室との間を封止する第１の真空封止材を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４において、
   前記第１の連結部材の前記予備排気室側には、前記間隙を形成するザグリが設けられ、前記第１の連結部材の予備排気室側面であって、前記ザグリが形成された個所以外の位置と前記予備排気室との間に前記第１の真空封止材が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５において、
   前記第１の連結部材は、前記試料室に対し、離間して配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記第１の連結部材の試料室側面と前記試料室との間に、第２の真空封止材が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項４において、
   前記第１の連結部材の開口内に、当該開口と前記試料室を連結する第２の連結部材を備え、当該第２の連結部材と前記第１の連結部材の間、及び前記第２の連結部材と前記試料室との間に真空封止材が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項４において、
   前記第１の連結部材は、前記予備排気室内空間と、前記試料室内空間を連結する筒状体であることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項９において、
    前記予備排気室の試料室側側壁には、前記第１の連結部材が挿入されるザグリが設けられ、当該ザグリ内壁と前記第１の連結部材との間に、当該第１の連結部材を包囲するように、前記第１の真空封止材が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１０において、
    前記第１の連結部材の試料室側端部にはフランジが設けられ、当該フランジと前記試料室の予備排気室側側壁の内壁との間に第２の真空封止材が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１０において、
    前記第１の連結部材は、前記試料室と一体成型されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項４において、
    前記第１の真空封止材は、Ｏリングであることを特徴とする荷電粒子線装置。