JP6240533B2 - 試料微動機構及びその使用法、並びに荷電粒子線装置 - Google Patents

試料微動機構及びその使用法、並びに荷電粒子線装置 Download PDF

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Description

本発明は、試料微動機構及びその使用法、並びに荷電粒子線装置に係り、例えば、荷電粒子線を使って物質表面の形状や内部の状態を観察する時、あるいは物質表面にパターンを描画する時に使用する荷電粒子線装置に具備された試料微動機構及びその使用法に関する。
荷電粒子線を使って物質表面の形状や内部の状態を観察する時、あるいは物質表面にパターンを描画する時に使用する荷電粒子線装置は、高精細な観測画像や精密な描画パターンを得ることが可能である。このような荷電粒子線装置で使う試料微動機構は、試料を導入する操作が簡単であること、荷電粒子線を試料に照射する際の照射角度が広いこと、試料表面で反射・散乱した荷電粒子線を検出する角度が広いこと等の優位性が要求されことから、近年、サイドエントリー型と呼ばれる試料微動機構が主に用いられている。
この試料微動機構は、試料の位置決め操作が終了した後に、位置決めした試料がわずかに移動し続ける現象が発生することがあり、これを「試料ドリフト」と呼んでいる。この試料ドリフトが発生すると、観測画像がブレてしまい精細な画像が得られなくなり、描画パターンが変形し精度が低下する。
上述した試料ドリフトの発生を抑えるために、以下の技術が開示されている。
特許文献１には、球形支点とこれに対応する球面座の接触状態を安定させ試料微動機構の変形を時間の経過とともに変化させないために、両者の接触を複数個所に設ける方法が開示されている。
特許文献２には、試料微動機構移動後の変形を小さくするために、Ｏリングの変形による反発力を使う方法が開示されている。
特許文献３には、荷電粒子線装置の一種である透過型電子顕微鏡に適用する技術で、試料を透過した荷電粒子線パターンのドリフトをセンサで直接検出し、ドリフトを修正するように試料微動機構を移動調整する方法が開示されている。
特開２００９−８１０８０号公報 特開２００４−２５９４４８号公報 特開２００６−１１４２５１号公報
しかしながら、上述した技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に示す球形支点と球面座の接触を複数個所に設ける方法は、接触状態を変化させるような外乱があると、試料ドリフトが発生する課題が残る。
特許文献２に示すＯリングにより、試料微動機構移動後の変形を小さくする方法は、試料微動機構の移動量が小さいときには、反発力が不足し変形を小さくすることができなかったり、変形を小さくするまで時間がかかったりするという課題が生じる。
特許文献３は、ドリフトをセンサで直接検出し、ドリフトを修正するように試料微動機構を移動調整する方法は、パターンをセンサで検出するためには受光時間を長くする必要があり、試料微動機構を移動調整してドリフトを修正するまでの時間間隔が長くなる課題がある。
さらに、試料微動機構の操作後に試料ドリフトが発生したとき、観測者は試料微動機構でそれまでの操作とは逆向きに一定量試料微動機を動作させる。これは、「カウンター操作」と呼ばれるもので、手操作では過大・過少の操作となってしまう課題があった。
また、サイドエントリー型試料微動機構は、対物レンズが発生する磁場を横切るように設置するため、試料微動機構を小さくしており、試料微動機構の変形量を測定する手段の設置が難しいという課題があった。
そこで、本発明の目的は、外乱による影響が小さく試料ドリフト調整を短時間で精度良く行え、小型であって設置が容易なサイドエントリー型試料微動機構を備えることで、試料ドリフトの発生を抑制し、高精細な観測画像や精密な描画パターンを得ることが可能な試料微動機構およびその使用法、並びに荷電粒子線装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明に係る荷電粒子線装置の主な特徴は、以下の通りである。
荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、荷電粒子線の進路を制御する荷電粒子光学系と、荷電粒子線が照射される試料を支持する試料ホルダと、試料ホルダに微動を与え、試料の位置決めをする試料微動機構と、試料を透過した荷電粒子線を検出する検出部と、を有し、試料微動機構は、該試料微動機構を構成する部材のひずみを測定するひずみ測定部を備え、試料の位置決め後に、ひずみ測定部により測定されたひずみ量に基づいて、該ひずみ量を相殺するように試料ホルダを微動することを特徴とする。
また、本発明に係る試料微動機構の主な特徴は、以下の通りである。
荷電粒子線装置により観察される試料を支持する試料ホルダと、試料ホルダを収納する摺動筒と、試料が支持される試料ホルダの先端部に微動を与える微動機構と、摺動筒と微動機構との間で生じるひずみを測定するひずみ測定部を有することを特徴とする。
また、本発明に係る試料微動機構の使用法の主な特徴は、以下の通りである。
荷電粒子線装置により観察される試料を支持する試料ホルダと、試料ホルダを収納する摺動筒と、試料が支持される試料ホルダの先端部に微動を与える微動機構と、摺動筒と微動機構との間で生じるひずみを測定するひずみ測定部とを有し、微動機構が、試料ホルダの先端部に回転を与える回転機構と、先端部を摺動筒側面に沿った方向に微動を与える水平微動機構と、先端部が試料ホルダの中心軸に対して上下左右に首振運動する首振微動機構と、を備えた試料微動機構を用いて、（１）試料微動機構を動作させ、試料ホルダの位置選択を行い、（２）位置選択の終了後に、試料微動機構を動作を停止させ、（３）荷電粒子線装置から発生する荷電粒子線を遮断し、（４）回転機構を用いて、摺動筒の変形で生じるひずみを最小にし、（５）首振微動機構を用いて、上下または左右方向に微動することで、試料ホルダの変形で生じるひずみを最小にし、（６）水平微動機構を用いて、水平方向に微動することで、試料ホルダの変形で生じるひずみを最小にし、（７）摺動筒の変形で生じるひずみが最小とし、（８）荷電粒子線の遮断を解除するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、外乱による影響が小さく試料ドリフト調整を短時間で精度良く行え、小型であって設置が容易なサイドエントリー型試料微動機構を備えることで、試料ドリフトの発生を抑制し、高精細な観測画像や精密な描画パターンを得ることが可能な試料微動機構およびその使用法、並びに荷電粒子線装置を実現できる。
本発明に係る試料微動機構を備えた透過型電子顕微鏡の断面図。 本発明の実施例１で示す荷電粒子線装置の試料微動機構の断面図。 本発明の実施例１で示す荷電粒子線装置の試料微動機構の断面図。 本発明の実施例１で示す荷電粒子線装置の試料微動機構の断面図。 本発明の実施例１で示す荷電粒子線装置の試料微動機構の概要図。 本発明の実施例１で示す荷電粒子線装置の試料微動機構の概要図。 本発明の実施例１で示す試料ホルダのひずみ検出の概要図。 ひずみを検出するための半導体抵抗ひずみセンサの例を示す図。 ひずみを検出するための半導体抵抗ひずみセンサの例を示す図。 ひずみを検出するための半導体抵抗ひずみセンサの例を示す図。 本発明に係る荷電粒子線装置の動作を示すフローチャート。 本発明の実施例２で示す荷電粒子線装置の試料微動機構の断面図。 本発明の実施例２で示すモータの制御量とひずみ検出値の例を示す図。 本発明の実施例２で示すモータの制御量とひずみ検出値の例を示す図。 本発明の実施例２で示すモータの制御量とひずみ検出値の例を示す図。
本実施例は、荷電粒子線装置であって、特に、透過型電子顕微鏡装置に本発明の試料微動機構を設置したときの構成と機能と効果を説明するもので、同様の試料微動機構を備えた走査型電子顕微鏡装置や集束イオンビーム加工装置においても同様の効果が得られる。
＜実施例１＞
図１から図１１を使って、本発明の構成と機能と効果を説明する。
図１は、本発明の試料微動機構を備えた透過型電子顕微鏡の断面図を示したものである。筐体１２３内部は、真空管１２１を介して真空ポンプ１１９に接続され高い真空領域が設けられている。この中で荷電粒子源１０１から放出した電子ビームは、位置合わせコイル１０３によってその方向が調整され、アパーチャ１０５によってその広がりが調整される。続いて、電子ビームは、集束レンズ１０７によって対物レンズ１０９が発生する磁場の中に試料微動機構２０１で支持された試料（図示せず）上の微小な領域に集束するよう調整される。試料を透過した電子ビームは、対物レンズ１０９が発生する磁場により拡大され、これに続く投影レンズ１１１によってさらに拡大され、蛍光スクリーン１１３に投影される。蛍光スクリーン１１３で可視光に変換された電子ビームのパターン像は、覗き窓１１５から眼視で観測したりカメラ（図示せず）で記録したりする。または、ヒンジ１２５を介して蛍光スクリーン１１３を電子ビームの照射経路から外し、他の種類の検出器、例えば電子ビームのパターン像をシンチレータで可視光に変換しＣＣＤカメラ１１７で記録する。
図２は、本発明の試料微動機構の断面図であり、電子ビームが試料を透過する方向で断面を表示したものである。
試料ホルダ２０３は、その先端に試料２００を保持し、これを対物レンズ１０９が発生する磁場の中に配置する。試料ホルダ２０３は、摺動筒２０５の中でＯリング２０７に支えられ、微動ねじ２０９とばね２１１によって、ｘ方向に移動し試料を位置決めする。
摺動筒２０５は、内部に試料ホルダ２０３を保持したまま、球形支点２１３と球面座２１５からなる摺動部を支点として、てこ運動し、微動ねじ２１７とばね２１９によってｙ方向に移動し試料２００を位置決めする。なお、摺動筒２０５は、内部に試料ホルダ２０３を保持したまま、球形支点２１３と球面座２１５からなる摺動部を支点として、てこ運動で、微動ねじ（図示せず）とばね（図示せず）によってｚ方向にも移動し試料２００を位置決めする。
回転筒２２１は、内部に摺動筒２０５を保持したまま、対物レンズ１０９との間に設置したベアリング２２５を介して全体がθ方向に回転し試料を位置決めする。
＜ひずみ量測定手段＞
図３は、試料２００をy方向に位置決めするときに、摺動筒２０５の球形支点２１３付近に発生する変形を検出する方法を示したものである。本発明では、試料ドリフト発生の原因である試料微動機構の変形の検出に、試料微動機構を構成する部材に発生するひずみを検出することを特徴としている。試料ホルダ２０３は、先端に搭載した試料２００を、例えば、ｙ方向に位置決めするときには、摺動筒２０５先端付近にある球形支点２１３と球面座２１５からなる摺動部を支点として、てこ運動する。このとき、摺動部の摩擦と球形支点２１３が球面座２１５に掛ける重力、および、摺動部の摩擦と球形支点２１３が筐体１２３内部の真空にひかれる力によって摺動筒２０５の動きを妨げる摩擦力が発生し、これを曲げるモーメントとなり摺動筒２０５は変形する。
この変形は、試料２００をy方向に位置決めするときには、摺動面に静止摩擦として発生する摺動筒２０５が動き始めるとき最大となり、摺動筒２０５が動いているとき動摩擦となって摩擦力が少し小さくなり、摺動筒２０５が静止するときに再び静止摩擦となって最大となる。このとき、摺動筒２０５の変形による反力は、静止摩擦によって発生する曲げるモーメントと釣りあっている。
この摺動部分に外部から振動が伝わると、摺動部の静止摩擦は変化することはないが、球形支点２１３が球面座２１５に掛ける重力、または、球形支点２１３が筐体１２３内部の真空にひかれる力が、振動と共に弱くなることがあり、摩擦力はこれに応じて小さくなる。摩擦力が小さくなると、摺動筒２０５が発揮する反力はこの力と釣り合うまで小さくなり、摺動筒２０５の変形は徐々に小さくなっていき、試料ドリフトが発生する。
本発明は、試料ドリフトの発生を抑えるために、外部からの振動等で静止摩擦力が小さくなっても手動筒２０５の変形による反力がこの摩擦力よりも小さければ試料ドリフトが発生しないことに注目し、摺動筒２０５の変形を小さくすることを特徴とする。
摺動筒２０５が静止摩擦力によって変形すると、その変形率と変形する部材の弾性係数から計算されるとおり、ひずみが発生する。そこで、摺動筒２０５に発生したひずみを検出することにした。
摺動筒２０５を変形させる静止摩擦によって発生する曲げるモーメントは、球形支点２１３の摺動面と摺動筒２０５の胴体面の境界３０１付近で最大になる。そこで、この部分にひずみ検出手段３０３、３０５を設置し、ひずみを検出する。ひずみ検出手段として、金属抵抗ひずみセンサを用いる方法を図４で説明する。
ここで、ひずみ検出手段の設置場所は、上述した曲げるモーメントが最大になるところに置くのが、効率的であるが必ずしもこれに限らない。特に、ｙ、ｚ方向のひずみ検出に関しては、曲げるモーメントが最大になるところに設置するのが効率的であるが、ｘ方向のひずみ検出に関しては、設置場所に拘らない。
図４は、対物レンズ１０９とこれに設置した試料微動機構２０１を、説明のため断面図としたものである。試料２００をy方向に位置決めするときには、微動ねじ２１７を操作し、摺動筒２０５を球形支点２１３を中心として、てこ運動させる。これにより、摺動筒２０５は変形し、変形量に比例したひずみが発生する。摺動筒２０５がy方向への移動終了後、このひずみを球形支点２１３と摺動筒２０５の胴体面の境界付近に設置したひずみ検出手段３０５として金属抵抗ひずみセンサで抵抗値として抵抗計３０７で検出・表示する。
金属抵抗ひずみセンサは、摺動筒２０５の胴体面にエポキシ系、フェノールエポキシ、シアノアクリレート系等の接着剤で接着して設置する。例えば、金属抵抗ひずみセンサにひずみが掛かっていないときの抵抗値が１２０Ωで、摺動筒２０５がy方向への移動終了後にこの抵抗値が１２０．００１Ωに変化したとき、摺動筒２０５はひずみ検出手段３０５付近でその長手方向１０ｍｍ当たり５２ｎｍの変形に相当するひずみが発生していることを示している。外部からの振動等により球形支点２１３と球面座２１５の摺動面で発生している摩擦力が小さくなって変形が１０％小さくなると、試料２００はｙ方向へ５ｎｍドリフトすることになる。
そこで、検出した抵抗値を、金属抵抗ひずみセンサにひずみが掛かっていないときの抵抗値１２０Ωになるよう、微動ねじ２１７を操作し、摺動筒２０５の変形を小さくする。この操作では、摺動筒２０５の変形が小さくなるだけで、試料２００がｙ方向に移動することはない。微動ねじ２１７を操作して、抵抗計３０７が表示する抵抗値が１２０．０００８Ωになるようにすると、ひずみ検出手段３０５付近でその長手方向１０ｍｍ当たり４２ｎｍの変形に相当するひずみとなり、外部からの振動等によって試料ドリフトが発生することはない。
従来の変形を距離の変化として検出する方法では、基準となる距離を必要とするが、ひずみを検出する本方法では、測定精度に影響される基準となる距離を必要としないという特徴がある。そのため、変形を高い精度で検出することができ試料ドリフトを正確に小さくすることが可能である。さらに、基準となる距離を不要とすることで、小さくすることが可能で、対物レンズが発生する磁場を横切るように設置するサイドエントリー型と呼ばれる試料微動機構では、遮る磁場の面積を小さくして拡大倍率に空間分布が小さくなるよう小さくした試料微動機構へ容易に設置できるという効果がある。
＜ホイートストンブリッジ回路＞
図５は、抵抗計３０７に替えて、ひずみ検出手段３０５の金属抵抗ひずみセンサの抵抗値と同じ値の抵抗３０９を３つとを組み合わせてホイートストンブリッジ回路３１１を構成し摺動筒２０５の変形によるひずみの検出と、検出値の表示方法を示したものである。ひずみ検出手段３０５は、ホイートストンブリッジ回路３１１に接続し、また、直流電源３１３をホイートストンブリッジ回路３１１に接続する。
ホイートストンブリッジ回路３１１の出力は、信号増幅アンプ３１５を介して信号表示機３１７にその値が表示される。摺動筒２０５が変形しない時は、ひずみ検出手段３０５の金属抵抗ひずみセンサを含むホイートストンブリッジ回路３１１を構成する抵抗の値が全て同じとなり、信号表示機３１７はゼロを示す。
ホイートストンブリッジ回路を構成することによって、ホイートストンブリッジ回路に電圧を印加する基準電圧装置やホイートストンブリッジ回路からの出力信号を増幅する差動アンプの不安定に関わらず、ひずみが無ければ差動アンプからの出力がゼロになるという特徴がある。
摺動筒２０５が変形する時は、ひずみ検出手段３０５の金属抵抗ひずみセンサの抵抗値がホイートストンブリッジ回路３１１を構成する他の抵抗の値と異なり、信号表示機３１７は変形に応じた偏差を示す。そこで、信号表示機３１７が示す偏差をゼロにするように、微動ねじ２１７（図４参照）を操作する。これにより、摺動筒２０５の変形は小さくなり、外部からの振動等による試料ドリフトの発生を抑えることができる。
従って、ホイートストンブリッジ回路３１１を使ってひずみ検出手段３０５の金属抵抗ひずみセンサの抵抗値を検出すると、ひずみの有無を敏感に検出することができ、試料ドリフトを最小することが可能になる。
図６は、摺動筒２０５の変形によるひずみの検出と、検出値の表示方法を示したものである。
試料２００をy方向正向きに位置決めするときに生じる摺動筒２０５の変形によるひずみは、伸び方向の変形を検出するひずみ検出手段３０５の金属抵抗ひずみセンサと、縮む方向の変形を検出するひずみ検出手段３０３の金属抵抗ひずみセンサと、これらと同じ値の２つの抵抗３０９とを組み合わせて構成したホイートストンブリッジ回路３１１を用いる。
本方法では、金属抵抗ひずみセンサを２か所で用いる。従って、図５で説明した検出方法に比べてホイートストンブリッジ回路３１１の出力が２倍になるので、ひずみの有無をより敏感に検出することができ、試料ドリフトを最小することが可能になる。
図７は、試料２００をｘ方向正向きに位置決めするときに、試料ホルダ２０３の変形を検出し、これを小さくして、試料ドリフトを小さくする方法を示したものである。説明の都合、内部に試料ホルダ２０３を保持する摺動筒２０５は、表示していない。
試料ホルダ２０３は、微動ねじ２０９とばね２１１でｘ方向に位置決めされるが、このとき、摺動筒２０５との間にあって筐体１２３内の真空を維持するためのＯリング２０７が変形しながら摺動する。
Ｏリング２０７の変形による反力は試料ホルダ２０３に掛かるため、試料ホルダ２０３は変形する。Ｏリング２０７の変形は、外部からの振動等により徐々に小さくなるためこれの反力も小さくなり、このため試料ホルダ２０３の変形が小さくなり、ｘ方向に試料ドリフトが発生する。試料ホルダ２０３の変形は、これに力を掛けるばね２１１とこれの反力を発生させるＯリングのうち一番ばね２１１に近いＯリング３５３の間で最大になる。
そこで、この位置に、ひずみ検出手段３５１を設置し、試料ホルダ２０３の変形を検出することにした。
ひずみ検出手段３５１の金属抵抗ひずみセンサの抵抗値と同じ値の抵抗３０９を３つとを組み合わせてホイートストンブリッジ回路３１１を構成している。ひずみ検出手段３５１は、ホイートストンブリッジ回路３１１に接続し、また、直流電源３１３をホイートストンブリッジ回路３１１に接続する。ホイートストンブリッジ回路３１１の出力は、信号増幅アンプ３１５を介して信号表示機３１７でその値を表示する。ひずみ検出手段３５１の金属抵抗ひずみセンサを含むホイートストンブリッジ回路３１１を構成する抵抗の値が全て同じとなる試料ホルダ２０３が変形しないときは、信号表示機３１７はゼロを示す。試料ホルダ２０３が変形してひずみ検出手段３５１の金属抵抗ひずみセンサの抵抗値がホイートストンブリッジ回路３１１を構成する他の抵抗の値と異なると、信号表示機３１７は変形に応じた偏差を示す。そこで、信号表示機３１７が示す偏差をゼロにするよう、微動ねじ２０９を操作する。これにより、試料ホルダ２０３の変形は小さくなり、外部からの振動等による試料ドリフトの発生を抑えることができる。ホイートストンブリッジ回路３１１を使ってひずみ検出手段３５１の金属抵抗ひずみセンサの抵抗値を検出すると、ひずみの有無を敏感に検出することができ、試料ドリフトを最小することが可能になる。
試料微動機構２０１の変形によって発生するひずみは、１マイクロストレインよりも小さいので、金属抵抗ひずみセンサよりも感度が高い半導体抵抗ひずみセンサを使い、微小なひずみを検出し試料微動機構２０１の変形を小さくして試料ドリフトを抑えることができる。
＜半導体抵抗ひずみセンサ＞
図８は、ひずみを検出するための半導体抵抗ひずみセンサの例を示す。前出ひずみ検出手段３０３、または、３０５、または、３５１を半導体抵抗ひずみセンサに置き換える。１つの単結晶シリコン基板上に、ひずみを検出する抵抗ひずみセンサを２つと、これと同じ抵抗値となる抵抗を２つ用いて、ホイートストンブリッジ回路を形成し半導体抵抗ひずみセンサにしたものである。
１つの単結晶シリコン基板上に全てのひずみ検出手段と抵抗でホイートストンブリッジ回路を構成するので、周囲温度の変化は回路に一様な影響を及ぼすので、ひずみ検出値が周囲温度よって変化することが小さいという特徴がある。
抵抗の変化率と伸縮の変化率は、（１）式のように表される。
ΔＲ／Ｒ＝（１＋２σ）ΔＬ／Ｌ・・・（１）
（ここで、Ｒ：抵抗値、ΔＲ：抵抗値変化、Ｌ：ひずみ検出手段の長さ、ΔＬ：ひずみ検出手段の長さの変化、σ：材料のポアソン比）
金属材料の場合、σはおよそ０．３であるので、抵抗の変化率は伸縮の変化率の1.6倍となる。
一方、半導体材料の伸縮で変化する抵抗値は、（２）式のように表される。
ΔＲ／Ｒ＝（πＥ＋１＋２σ）ΔＬ／Ｌ・・・（２）
（ここで、π：材料のピエゾ抵抗係数、Ｅ：材料の弾性係数）
半導体材料がシリコン半導体で、この結晶方位（１００）面にｐ型不純物を拡散させて伝導体を形成すると、ピエゾ抵抗係数は72×10-11Pa-1であり、シリコンの弾性係数が185×109Paなので、抵抗の変化率は伸縮の変化率の１３３倍になる。
従って、金属材料の伸縮で変化する抵抗値を検出するひずみ検出手段より感度が高くなる。
なお、図中（ ）内に３つの数字を表記したものはミラー指数を表し、＜ ＞内に３つの数字を表記したものは、方位をベクトルで表したもので、一桁目がｘ方向の成分、二桁目がｙ方向の成分、三桁目がｚ方向の成分を表し、負の方向成分は数字の上に横バーを引いて表している。
図８において、単結晶シリコン基板４０１は、ミラー指数で（００１）で表される結晶面を持つ。その基板４０１上に長手方向が＜１１０＞方向となる矩形をパターニングし、その矩形に選択的にｐ型の不純物を拡散させて抵抗ひずみセンサとした４０３と４０５を形成した。また、その基板４０１上に長手方向が＜１００＞となるＶ字型領域をパターニングし、その領域に選択的にｐ型の不純物を拡散させてＶ字型抵抗とした４０７と４０９を形成した。抵抗ひずみセンサ４０３、４０５と、Ｖ字型抵抗４０７、４０９とでホイートストンブリッジ回路を形成して半導体抵抗ひずみセンサとしている。
この方法では、ひずみ検出手段をシリコン基板中にｐ型の不純物層を拡散させた領域を＜１１０＞方向に長い形状とすると、この長さを長くすることで感度をより高くすることができるという効果があり、
抵抗をシリコン基板中にｐ型の不純物層を拡散させた領域でＶ字形状とし、Ｖ字を形成する直線部分の長手方向が＜１００＞方向となるように形成することによって、試料微動機構にかかる気圧変化によるひずみ検出誤差は発生せず、試料微動機構の変形と方向が直交する変形による検出誤差を抑えることができるという効果があり、
抵抗ひずみ検出手段と抵抗を同じｐ型の不純物層で構成することにより、抵抗値と抵抗値の温度依存性をほぼ同一にできるので、試料微動機構の温度が変化によるひずみ検出誤差は発生しないという効果がある。
一つのシリコン基板４０１上にホイートストンブリッジ回路４１１が形成されているので、端子４１３と４１７に直流電源を接続すれば、抵抗ひずみセンサ４０３と４０５の抵抗が試料微動機構２０１の変形に対応し変化するため、端子４１５と４１９に試料微動機構２０１の変形に対応した電圧が出力される。この出力を信号増幅アンプ３１５（図６、７参照）を介して信号表示機３１７（図６、７参照）にその値が表示される。
そこで、信号表示機３１７が示す偏差をゼロにするよう、微動ねじ２０９または２１７（図４参照）を操作する。これにより、試料微動機構２０１の変形は小さくなり、外部からの振動等による試料ドリフトの発生を抑えることができる。
図９は、ひずみを検出するための半導体抵抗ひずみセンサの別の例を示す。単結晶シリコン基板４０１上にひずみを検出する抵抗ひずみセンサ４２１，４２３を２つと、これと同じ抵抗値となる２つの抵抗４２５，４２７とでホイートストンブリッジ回路を形成し半導体抵抗ひずみセンサにした。
抵抗ひずみセンサ４２１、４２３は、ミラー指数で（００１）で表される結晶面上に、＜１００＞方向に長手となる矩形をパターニングし、その矩形に選択的にｎ型の不純物を拡散させて形成した。また、抵抗４２５、４２７は、＜１１０＞方向に長手となる矩形をパターニングし、その矩形に選択的にｎ型の不純物を拡散させて形成した。抵抗ひずみセンサ４２１、４２３と、抵抗４２５、４２７とでホイートストンブリッジ回路を形成して半導体抵抗ひずみセンサとしている。
これも一つのシリコン基板４０１上にホイートストンブリッジ回路４１１が形成されているので、端子４１３と４１７に直流電源を接続すれば、抵抗ひずみセンサ４２３と４２５の抵抗が試料微動機構２０１の変形に対応し変化するため、端子４１５と４１９に試料微動機構２０１の変形に対応した電圧が出力される。この出力を信号増幅アンプ３１５（図６、７参照）を介して信号表示機３１７（図６、７参照）にその値が表示される。そこで、信号表示機３１７が示す偏差をゼロにするように、微動ねじ２０９または２１７（図４参照）を操作する。これにより、試料微動機構２０１の変形は小さくなり、外部からの振動等による試料ドリフトの発生を抑えることができる。
図１０は、ひずみを検出するための半導体抵抗ひずみセンサのさらに別の例を示す。
単結晶シリコン基板４０１上にひずみを検出する抵抗ひずみセンサ４２９、４３１を２つと、これと同じ抵抗値となる２つの抵抗４３３、４３５とでホイートストンブリッジ回路を形成した。
抵抗ひずみセンサ４２９、４３１は、ミラー指数で（００１）で表される結晶面上に、＜１１０＞方向に長手となる矩形をパターニングし、その矩形に選択的にｐ型の不純物を拡散させて形成した。また、抵抗４３３、４３５は、＜１１０＞方向に長手となる矩形をパターニングし、その矩形に選択的にｎ型の不純物を拡散させて形成した。抵抗ひずみセンサ４２９、４３１と、抵抗４３３、４３５とでホイートストンブリッジ回路を形成して半導体抵抗ひずみセンサとした。
この方法は、ｐ型不純物拡散層がひずみ測定方向の正のひずみ変化に対して正の値の抵抗変化を示し、一方、ｎ型不純物拡散層がひずみ測定方向の正のひずみ変化に対して負の値の抵抗変化を示すので感度が高いという特徴がある。
これも一つのシリコン基板４０１上にホイートストンブリッジ回路４１１が形成されているので、端子４１３と４１７に直流電源を接続すれば、抵抗ひずみセンサ４２３と４２５の抵抗が試料微動機構２０１の変形に対応し変化するため、端子４１５と４１９に試料微動機構２０１の変形に対応した電圧が出力される。
この出力を信号増幅アンプ３１５（図６、７参照）を介して信号表示機３１７（図６、７参照）にその値が表示される。そこで、信号表示機３１７が示す偏差をゼロにするよう、微動ねじ２０９または２１７（図４参照）を操作する。これにより、試料微動機構２０１の変形は小さくなり、外部からの振動等による試料ドリフトの発生を抑えることができる。
＜試料ドリフト調整手順＞
図１１は、図１から１０で説明した試料ドリフトを抑えるために試料微動機構２０１のひずみを検出して、この値に応じて試料微動機構２０１を微動調整して試料微動機構２０１の変形を小さくする方法の手順を説明するフローチャートである。
（１）試料に電子ビームを照射する位置を選択するために、「試料微動機構を動作」させる（ステップ１１０１）。
（２）位置選択終了後、「試料微動機構を停止」させる（ステップ１１０２）。
（３）続いて、電子ビームが試料や筐体の一部に当たって発生する放射線が、ひずみ検出手段にノイズを発生させるのを避けるために、電子ビームを途中で遮るようにアパーチャ１０５を閉じて「電子ビーム遮蔽」する（ステップ１１０３）。
（４）続いて、試料微動機構２０１の回転筒２２１を回転ハンドル２２３を操作して回し（「回転筒２２１微小回転移動」）、摺動筒２０５の変形が最小となるひずみが最小となる回転位置にする（ステップ１１０４）。これにより、回転筒２２１を回すことによって発生する構成する摺動筒２０５のねじれひずみをなくし、摺動筒２０５の変形によるひずみ検出誤差を小さくする。
（５）摺動筒２０５の変形ひずみが最小か判定する（ステップ１１０５）。ｙｅｓの場合は、ステップ１１０６へ進み、Ｎｏの場合は、ステップ１１０４へ戻る。
（６）続いて、試料微動機構２０１の摺動筒２０５をｙまたはｚ方向に微小移動し、摺動筒２０５の変形が最小となるひずみが最小となる位置にする（ステップ１１０６）。
（７）摺動筒２０５の変形ひずみが最小か判定する（ステップ１１０７）。ｙｅｓの場合は、ステップ１１０９へ進み、Ｎｏの場合は、ステップ１１０６へ戻る。
（８）続いて、試料微動機構２０１の試料ホルダ２０３をｘ方向に微小移動し、試料ホルダ２０３の変形が最小となるひずみが最小となる位置にする（ステップ１１０８）。
（９）摺動筒２０５の変形ひずみが最小か判定する（ステップ１１０９）。ｙｅｓの場合は、ステップ１１１０へ進み、Ｎｏの場合は、ステップ１１０８へ戻る。
（１０）最後に、アパーチャ１０５を開いて「電子ビーム遮蔽解除」する（ステップ１１１０）。
以上手順によれば、微動機構全体が回転する方向についてひずみを検出するようにし、この検出値に応じて試料微動機構を回転方向に微動移動させた後、微動機構全体がたわみ変形する方向についてひずみを検出した値に応じて試料微動機構をたわみ方向に微動移動させる。試料微動機構２０１を構成する試料を位置決めする構造について、外側に配置される大きな部材の変形を小さくしてからその内側に配置される部材の変形を小さくするので、調整を繰り返すことなく試料微動機構２０１の変形を小さくでき、試料ドリフトの発生を抑えることができる。
また、回転方向のひずみを検出した値を、例えば１０倍にし、たわみ方向のひずみを検出した値をそのままにし、それぞれの絶対値を計算してすべてを加算したものを表示し、試料微動機構を表示される値に対応して回転方向とたわみ方向を同時に自動微動移動させることにより、試料微動機構のひずみについて回転方向をたわみ方向よりも優先してひずみを小さくできるという効果があり、試料微動機構の変形を小さくすることができ、これにより、試料ドリフトを正確に小さくすることが可能である。
＜実施例２＞
図１２から図１５を使って、本発明の別の構成と機能と効果を説明する。
本実施例では、自動操作により試料ドリフトを抑制する例を示す。実施例１では、試料ドリフトの調整に微動ねじを用いたが、本実施例では微動ねじの代わりに微動モータを用いている。その微動モータは、制御部（図示せず）からの信号によりその動作が制御される。
その制御の詳細は、以下に述べる。
図１２は、試料微動機構５００について、説明のため断面を表示したものである。微動モータ５０１は、試料ホルダ２０３をx方向に移動させる。微動モータ５０３は、摺動筒２０５をy方向に移動させる。微動モータ５０５は、摺動筒２０５をz方向に移動させる。微動モータ５０７は、回転筒２２１に設置したギア５０９をθ方向に回転させる。試料ホルダ２０３には、x方向の変形についてそのひずみを検出するひずみ検出手段３５１（図７参照）を備え、摺動筒２０５には、y方向の変形についてそのひずみを検出するひずみ検出手段３０３または３０５（図６参照）を備え、また、摺動筒２０５には、z方向の変形についてそのひずみを検出するひずみ検出手段５１１または５１３を備える。
試料微動機構５００は、まず、最後に回転筒２２１が回転した向きとは逆に回転するよう微動モータ５０７を動かしながら摺動筒２０５の変形についてy方向とz方向のひずみ値の変化を記録する。例えば、図１３に示すような結果を得る。なお、図１３は、縦軸にひずみ値（任意スケール）を示し、横軸に微動モータ５０７の制御量（θ方向の回転角）を示し、左端を回転角ゼロ度とし、右方に向けて回転角が大きくなるように図示している。
続いて、最後に摺動筒２０５がy方向に移動した向きとは逆に移動するように微動モータ５０３を動かしながら摺動筒２０５の変形についてy方向のひずみ値の変化を記録する。例えば、図１４の（ａ）に示すような結果を得る。なお、図１４は、縦軸にひずみ値（任意スケール）を示し、横軸に微動モータ５０３、または５０５の制御量（ｙまたはｚ方向移動量）を示し、左端を移動量ゼロとし、右方に向けて移動量が大きくなるように図示している。
続いて、最後に摺動筒２０５がz方向に移動した向きとは逆に移動するよう微動モータ５０５を動かしながら摺動筒２０５の変形についてz方向のひずみ値の変化を記録する。例えば、図１４の（ｂ）に示すような結果を得る。
続いて、最後に試料ホルダ２０３がx方向に移動した向きとは逆に移動するよう微動モータ５０１を動かしながら試料ホルダ２０３の変形についてx方向のひずみ値の変化を記録する。例えば、図１５に示すような結果を得る。なお、図１５は、縦軸にひずみ値（任意スケール）を示し、横軸に微動モータ５０１の制御量（ｘ方向移動量）を示し、左端を移動量ゼロとし、右方に向けて移動量が大きくなるように図示している。
続いて、図１３で示した結果から、（z方向ひずみ）と（y方向ひずみ）の二乗平均を計算し、最小二乗法によりこの値が最小となる微動モータ５０７の制御量の位置に、回転筒２２１を動かすことなく微動モータ５０７を駆動する。
続いて、図１４で示した結果から、（a）と（b）それぞれの絶対値が最小となる微動モータ５０３と５０５の制御量の位置に摺動筒２０５を動かすことなく微動モータ５０３と５０５を駆動する。
続いて、図１５で示した結果から、試料ホルダ２０３のひずみの絶対値が最小となる微動モータ５０１の制御量の位置に、試料ホルダ２０３を動かすことなく微動モータ５０１を駆動する。
上述したドリフト調整手順は、図１１で示したフローチャートをプログラム化して制御部内の記憶部に保存しておく。また、上記自動化されたドリフト調整手順において、初期データ及び測定データは、記憶部（図示せず）に保存する。
この方式によれば、試料微動機構５００の変形を最小にするための操作が、手動による試行錯誤ではなく、自動で実施できるので試料ドリフトを抑える操作の手間はなく、試料微動機構５００による試料位置決め終了後、効率よく試料の観測をすることができる。
なお、試料微動機構５００の変形を最小にする前述の手順を、２回繰り返すことにより、回転筒２２１と摺動筒２０５、試料ホルダ２０３相互間の試料微動機構５００を変形させる力の受け渡しを小さくすることができ試料微動機構５００の変形をさらに小さくすることができる。
１０１…荷電粒子源、
１０３…位置合わせコイル、
１０５…アパーチャ、
１０７…収束レンズ、
１０９…対物レンズ、
１１１…投影レンズ、
１１３…蛍光スクリーン、
１１５…覗き窓、
１１７…ＣＣＤカメラ、
１１９…真空ポンプ、
１２１…真空管、
１２３…筐体、
１２５…ヒンジ、
２００…試料、
２０１…試料微動機構、
２０３…試料ホルダ、
２０５…摺動筒、
２０７…Ｏリング、
２０９…微動ねじ、
２１１…ばね、
２１３…球形支点、
２１５…球面座、
２１７…微動ねじ、
２１９…ばね、
２２１…回転筒、
２２３…回転ハンドル、
２２５…ベアリング、
３０１…ひずみ最大箇所、
３０３,３０５…ひずみ検出手段、
３０７…抵抗計、
３０９…抵抗、
３１１…ホイートストンブリッジ回路、
３１３…直流電源、
３１５…信号増幅アンプ、
３１７…信号表示機、
３５１…ひずみ検出手段、
３５３,３５５,３５７…Ｏリング、
４０１…単結晶シリコン基板、
４０３,４０５…抵抗ひずみセンサ、
４０７,４０９…抵抗、
４１１…ホイートストンブリッジ回路、
４１３,４１５,４１７,４１９…端子、
４２１,４２３…抵抗ひずみセンサ、
４２５,４２７…抵抗、
４２９,４３１…抵抗ひずみセンサ、
４３３,４３５…抵抗、
５００…試料微動機構、
５０１,５０３,５０５,５０７…微動モータ、
５０９…ギア。

Claims (15)

  1. 荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、
    前記荷電粒子線の進路を制御する荷電粒子光学系と、
    前記荷電粒子線が照射される試料を支持する試料ホルダを内包し、該試料ホルダに微動を与え、前記試料の位置決めをする試料微動機構と、
    前記試料を透過した荷電粒子線を検出する検出部と、を有し、
    前記試料微動機構は、該試料微動機構を構成する部材のひずみを測定するひずみ測定部を備え、
    前記試料の位置決め後に、前記ひずみ測定部により測定されたひずみ量に基づいて、前記試料微動機構を用いて、自動または手動で該ひずみ量を最小にするように前記試料ホルダを微動することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 前記試料微動機構は、前記試料ホルダを内包する摺動筒と、
    前記試料ホルダの先端に微動を与える微動付与部と、有し、
    前記試料ホルダは、前記微動付与部により前記試料ホルダの一端に微動が付与されることで、前記ホルダの先端が微動する際のてこ運動の支点を備え、
    前記ひずみ測定部は、前記摺動筒と前記支点とが接する摺動部近傍の前記試料ホルダ側面に設置されることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  3. 前記試料微動機構は、前記ひずみ測定部と、既知の抵抗値を有する抵抗体とを構成要素とするホイートストンブリッジ回路を備え、
    該ホイートストンブリッジ回路の出力を基にして、前記試料微動機構を用いて、自動または手動で前記ひずみ量を最小にすることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  4. 前記ひずみ測定部は、半導体基板上に形成された一対の抵抗体と一対の抵抗ひずみセンサで構成されるホイートストンブリッジ回路を有することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  5. 前記一対の抵抗ひずみセンサと前記一対の抵抗体は、（００１）結晶面を有する半導体基板上に形成され、
    前記一対の抵抗ひずみセンサのそれぞれは、長手方向が＜１１０＞結晶軸方向となる矩形パターンが対峙して形成され、該矩形パターンのそれぞれに不純物が拡散され、
    前記一対の抵抗体のそれぞれは、別の矩形パターンが並列して形成され、該別の矩形パターンのそれぞれに不純物が拡散され、
    前記一対の抵抗体のそれぞれは、前記一対の抵抗ひずみセンサのそれぞれに挟まれるように並置されることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線装置。
  6. 前記一対の抵抗ひずみセンサと前記一対の抵抗体は、（００１）結晶面を有する半導体基板上に形成され、
    前記一対の抵抗体のそれぞれは、長手方向が＜１１０＞結晶軸方向となる矩形パターンが対峙して形成され、該矩形パターンのそれぞれに不純物が拡散されて拡散層が形成され、
    前記一対の抵抗ひずみセンサのそれぞれは、不純物が拡散されてなる別の矩形パターンが並列して形成され、前記一対の抵抗体のそれぞれに挟まれるように並置されることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線装置。
  7. 前記ひずみ測定部を複数備え、
    前記ひずみ測定部のそれぞれで測定して得られたひずみ量の二乗平均、または該ひずみ量の絶対値に対応して、前記試料微動機構を用いて、自動または手動で前記試料ホルダを微動することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  8. 荷電粒子線装置により観察される試料を支持する試料ホルダと、
    前記試料ホルダを収納する摺動筒と、
    前記試料が支持される試料ホルダの先端部に微動を与える微動機構と、
    前記摺動筒と前記微動機構との間で生じるひずみを測定するひずみ測定部を有することを特徴とする試料微動機構。
  9. 前記微動機構は、
    前記試料ホルダの先端部に回転を与える回転機構と、
    前記先端部を前記摺動筒側面に沿った方向に微動を与える水平微動機構と、
    前記先端部が前記試料ホルダの中心軸に対して上下左右に首振運動する首振微動機構と、を有することを特徴とする請求項８に記載の試料微動機構。
  10. 前記ひずみ測定部は、構成要素の一つを該ひずみ測定部が有する抵抗体とし、３つの抵抗体を他の構成要素とするホイートストンブリッジ回路を備え、
    該ホイートストンブリッジ回路の出力を基にして、前記微動機構を用いて、自動または手動で前記ひずみ量を最小にすることを特徴とする請求項８に記載の試料微動機構。
  11. 前記ひずみ測定部は、半導体基板上に形成された２つの抵抗体と２つの抵抗ひずみセンサで構成されるホイートストンブリッジ回路を有することを特徴とする請求項８に記載の試料微動機構。
  12. 前記２つの抵抗ひずみセンサと２つの抵抗体は、（００１）結晶面を有する半導体基板上に該２つの抵抗ひずみセンサが該２つの抵抗体を挟むように形成され、
    前記２つの抵抗ひずみセンサのそれぞれは、長手方向が＜１１０＞方向となる平行四辺形パターンが対峙して形成され、該パターンにｐ型不純物が拡散され、
    前記２つの抵抗体のそれぞれは、Ｖ字形状パターンをなし、該Ｖ字形状パターンを形成する直線部分の長手方向が＜１００＞、もしくはそのファミリー方向となるように形成され、該パターンにｐ型不純物が拡散されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の試料微動機構。
  13. 前記２つの抵抗ひずみセンサと２つの抵抗体は、（００１）結晶面を有する半導体基板上に該２つの抵抗体が該２つの抵抗ひずみセンサを挟むように形成され、
    前記２つの抵抗ひずみセンサのそれぞれは、長手方向が＜１００＞方向となる平行四辺形パターンが平行して形成され、該パターンにｎ型不純物が拡散され、
    前記２つの抵抗体のそれぞれは、長手方向が＜１１０＞方向となる平行四辺形パターンが対峙して形成され、該パターンにｎ型不純物が拡散されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の試料微動機構。
  14. 前記２つの抵抗ひずみセンサと２つの抵抗体は、（００１）結晶面を有する半導体基板上に該２つの抵抗ひずみセンサと該２つの抵抗体とが互いに並列するように形成され、
    前記２つの抵抗ひずみセンサのそれぞれは、長手方向が＜１１０＞方向となる平行四辺形パターンが並列して形成され、該パターンにｐ型不純物が拡散され、
    前記２つの抵抗体のそれぞれは、長手方向が＜１１０＞方向となる平行四辺形パターンが対峙して形成され、該パターンにｎ型不純物が拡散されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の試料微動機構。
  15. 荷電粒子線装置により観察される試料を支持する試料ホルダと、
    前記試料ホルダを収納する摺動筒と、
    前記試料が支持される試料ホルダの先端部に微動を与える微動機構と、
    前記摺動筒と前記微動機構との間で生じるひずみを測定するひずみ測定部とを有し、
    前記微動機構が、
    前記試料ホルダの先端部に回転を与える回転機構と、
    前記先端部を前記摺動筒側面に沿った方向に微動を与える水平微動機構と、
    前記先端部が前記試料ホルダの中心軸に対して上下左右に首振運動する首振微動機構と、を備えた試料微動機構を用いて、
    （１）試料微動機構を動作させ、前記試料ホルダの位置選択を行い、
    （２）前記位置選択の終了後に、前記試料微動機構を動作を停止させ、
    （３）前記荷電粒子線装置から発生する荷電粒子線を遮断し、
    （４）前記回転機構を用いて、前記摺動筒の変形で生じるひずみを最小にし、
    （５）前記首振微動機構を用いて、上下または左右方向に微動することで、前記試料ホルダの変形で生じるひずみを最小にし、
    （６）前記水平微動機構を用いて、水平方向に微動することで、前記試料ホルダの変形で生じるひずみを最小にし、
    （７）前記摺動筒の変形で生じるひずみが最小とし、
    （８）前記荷電粒子線の遮断を解除するようにしたことを特徴とする
    試料微動機構の使用法。
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