JPH08162057A

JPH08162057A - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JPH08162057A
Application number: JP30387694A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Sakai; 克彦酒井; Toshishige Kurosaki; 利栄黒崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】小型の試料室で大型の試料を取り扱うことの
できる荷電粒子線装置を提供する。【構成】試料室１０１の中に試料１０２を載せて動か
す試料ステージ１０３を配置する。試料ステージ１０３
は、ロボットハンド１１０によつて荷電粒子線光学系の
鏡体１０８から離れたところの軸を中心に、１０３ａと
１０３ｂの範囲を回転する。さらに、試料ステージ１０
３上の試料１０２は、そのほぼ中央設けられた回転軸の
回りに回転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、荷電粒子線装置、特に
電子顕微鏡、電子線描画装置、収束イオンビーム（ＦＩ
Ｂ）装置等に用いられる試料移動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線装置は、試料に電子線やイオ
ンビームのような荷電粒子線を照射し、試料の観察、分
析、加工等の処理を行う装置である。試料は通常、試料
ステージ上に載置されて、真空排気された試料室中に配
置される。荷電粒子線に対する試料位置を変更するた
め、試料ステージは試料移動機構を備える。

【０００３】従来、試料室内における試料の移動、特に
平面的な移動は、Ｘ，Ｙ等の線形的な移動ステージを積
み重ねることによって行っており、試料の回転や傾斜を
行う機構を備えているものもある（特開昭５４−７８９
６７号公報、特開平４−５５１３８号公報）。図４は、
従来の典型的な試料ステージを説明する平面図で、図５
は、この試料ステージを備える従来の走査形電子顕微鏡
の横断面図である。この装置の場合、試料ステージはＸ
とＹ方向を独立に動かすようになっている。

【０００４】試料室４０１の中には、試料４０２を載せ
て動かす試料ステージ４０３が設けられている。試料ス
テージ４０３は、モータ４０４とボールねじ４０５によ
ってＸ，Ｙ方向に移動できる（図５には、Ｘ，Ｙ方向の
うちの一方向のみを示す）。試料室４０１は、ターボ分
子ポンプ５０６とドライポンプ５０７によって排気され
ている。試料室４０１の上には、電子顕微鏡の鏡体５０
８があり、試料室４０１の横には予備排気室４０９が設
けられている。予備排気室４０９もターボ分子ポンプ５
０６とドライポンプ５０７によって排気される。予備排
気室４０９の中には、移動台５１１があり、まずこの移
動台５１１の上のウェーハホルダの上に試料である半導
体ウェーハ４０２が載せられる。試料４０２は、まずこ
の予備排気室４０９に入れられ、試料室４０１の真空度
と同程度である１０^-4Ｐａ程度の高真空まで排気され
る。

【０００５】試料室４０１の中の試料ステージ４０３
は、Ｘ，Ｙ方向に試料ウェーハ４０２のはじからはじま
で動かすので、試料室４０１の大きさは試料の面積の４
倍以上が必要となる。さらに、モータ４０４とボールね
じ４０５がＸ，Ｙ方向にそれぞれ突き出した格好とな
る。したがって試料室、及び試料ステージ移動機構とも
大型化していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】高精度な試料ステージ
を作製しようとした場合、Ｘ，Ｙ方向の移動には、高精
度なガイドレールが必要になる。このガイドレールの仕
上げ加工には研削盤が用いられる。半導体ウェーハのよ
うに大型の試料を全面観察しようとすると、それだけ大
きな試料ステージが必要である。例えば、すでに量産さ
れている直径８インチ（約２０ｃｍ）の半導体ウェーハ
の全面を観察するには、最低４０ｃｍ四方の底面積を有
する試料室チャンバーが必要である。また、Ｘ，Ｙの各
ガイドレールやベース板もそれ相当の長さ及び面積を必
要とする。長さや面積が大きくなれば、材料や研削盤等
の加工機械も一層特殊なものになる。また、加工場所の
確保も重要であって、振動の少ない地盤の堅い場所を選
ばなければならない。

【０００７】近い将来、半導体ウェーハの直径は１２イ
ンチ（約３０ｃｍ）になることが予想され、このときの
試料室チャンバーの必要底面積は最低６０ｃｍ四方とな
り、ガイドレール等試料移動機構の高精度な製作、加工
はますます困難になってくる。このように、試料の大型
化に伴って電子顕微鏡等の観察評価装置も比例的に大型
化すると、その大きさ、重量は常識を覆すようなものに
なりかねない。

【０００８】また、試料室の試料ステージは、ＸＹステ
ージのガイドレール部分が真空中に露出している場合が
多い。ガイドレール以外にも駆動ギアー等のメカ摺動部
分があり、これら摺動部分には通常、難揮発性のオイル
やグリースが塗布されている。難揮発性であつても、オ
イルやグリースに含まれているガスが徐々に抜けて行く
等のため、試料室内を質のよい高真空に維持することが
困難になる。真空の質は残留ガスの成分に依存し、同じ
真空度でも残留ガスの成分としてオイルやグリースの蒸
気が多い場合、真空の質はよいとはいえない。電子顕微
鏡の場合、真空度が低いと汚染を初めとするさまざまな
不具合が生ずる。例えば、真空度が低いと、試料の電子
線を照射した部分にガスが定着、堆積して試料の形を変
えてしまう。また鏡体内の部品を汚染劣化させてしま
い、部品寿命が短くなる。

【０００９】これに対して、真空ポンプを大型化して排
気能力を上げることが考えられるが、ポンプを大型化す
ると問題が生じる場合が多い。例えばポンプに大型のタ
ーボモレキュラポンプを用いた場合、ポンプの振動を十
分に抑止できず、顕微鏡観察を妨げるといつた不具合が
ある。クライオポンプにおいても、冷却サイクルで生じ
る振動が問題になる。また、摺動部に低摩擦係数の物質
を塗布する方法がある。しかしこの方法は、真空度は向
上し得るものの現在大変高価であり、何台も量産する機
械に用いることはコスト的に見合わない。

【００１０】試料がのっている試料ステージは、Ｘ，
Ｙ、又はさらにＺ、ローティション、ティルト等の多段
階の移動台の上にのっている。したがって、剛性を高め
るのが困難で、装置が設置されている床面の振動や雰囲
気の音波等によって、試料は微振動を起す。この試料の
振動と電子顕微鏡等の鏡体の振動の振幅や位相がずれる
と、観察像等が歪んだものとなる。試料ステージは試料
室の底面に、鏡体は上部の天井板という具合に遠く離れ
たところに取り付けられていることが、特に大型の試料
ステージに多く、試料と鏡体がばらばらに振動すること
が避け難くなっている。従来装置では、ダンパーや除振
台を多用して振動の影響を低減させているが十分とは言
えない。試料が大型になり、試料ステージが大型化する
と、これらの状況がさらに悪化することはいうまでもな
い。本発明の目的は、小型の試料ステージ移動機構及び
試料室で大型の試料を扱うことのできる荷電粒子線装置
を提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、試料が大型化しても
低コストで製作可能な試料室を備える荷電粒子線装置を
提供することにある。本発明のさらに他の目的は、試料
が大型化しても真空ポンプ等を増強することなく質の高
い真空度を維持することができる試料室を備える荷電粒
子線装置を提供することにある。本発明のさらに他の目
的は、装置の振動による不具合を低減させた荷電粒子線
装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決させるための手段】上記課題を解決するた
めに、本発明ではＸＹステージをやめ、その代りに２軸
以上の関節を持つロボットハンドを導入した。２次元の
ＸＹ方向の移動には、最低２軸の回転軸があれば十分で
ある。１つは荷電粒子線光学系の光軸中心から離れた位
置に回転軸（第１軸と呼ぶ）をもち、そこから試料まで
の腕の長さを半径とする周上に試料を移動させる。この
円周又は円弧は、荷電粒子線光学系の光軸中心上を通っ
ている必要がある。もう一つの回転軸は、試料の中心付
近に回転中心をもち、試料を回転させる（第２軸と呼
ぶ）。座標系の取り方は、試料の中心付近の回転軸を中
心とした極座標系（ｒ，θ）が便利である。

【００１３】試料ステージは、試料室の天井板部あるい
は試料室の壁面のうち荷電粒子線光学系の鏡体が取り付
けられている壁面又はその近傍に支持するのが好まし
い。軸を回転させるモータは、腕の中に納め軸部分でシ
ールする。摺動部分は真空中には露出させない。必要に
応じ、回転軸の数は増やして構わない。荷電粒子線光学
系の光軸と垂直に回転軸を設ければ、試料の傾斜像を観
察することが可能である。軸の回転には超音波モータを
用いてもよい。

【００１４】各軸には軸の回転角度を計測するエンコー
ダを備えるのが好ましい。回転角度をもとに試料の位置
及び試料の自転角度を算出することができる。試料の自
転角度と同じ角度だけ荷電粒子線の偏向走査方向を回転
させる手段を備えることが好ましい。

【００１５】

【作用】目標とする座標点を（Ｒ，Θ）とすると、まず
試料の中心付近の回転軸を荷電粒子線光学系の光軸中心
からＲの位置にくるように第１軸を動かす。次に、第２
軸の回りに試料を回転させて座標点（Ｒ，Θ）を光軸中
心に位置させる。この方法によって試料上の全ての点を
光軸中心に合わせることができ、試料上の任意の場所を
観察あるいは処理することができる。

【００１６】この場合、座標点（Ｒ，Θ）を光軸中心に
位置決めするには２つの方法がある。すなわち、最初に
試料中心付近の第２軸を光軸中心から距離Ｒの位置に設
定する際に、第１軸と光軸中心を通る直線で２分される
平面のいずれの側に第２軸を設定するかによって、座標
点（Ｒ，Θ）の位置決めの様子が多少変わってくる。す
なわち、いずれの方法でも目標とする座標点の観察は可
能であるが、両者では見える像が約１８０゜回転してい
る。このＲの位置の設定の仕方は上記した２種類の方法
のどちらか一方を採用すればよい。どちらか一方に限定
することより、試料室の大きさを従来のＸＹステージ方
式と比べて３分の１以下にすることができる。

【００１７】なお、実際の試料移動においては、必ずし
も第１軸の回転駆動と第２軸の回転駆動を上述のように
順番に行う必要はない。座標点（Ｒ，Θ）を光軸中心に
位置決めするのに必要な第１軸の回転角度と第２軸の回
転角度は計算によって求められるので、その計算値に基
づいて第１軸及び第２軸を同時に回転駆動してもよい
し、第２軸を所定角度まで駆動してから次に第１軸を駆
動するようにしてもよい。

【００１８】試料ステージを試料室の天井板部あるいは
試料室の壁面のうち荷電粒子線光学系の鏡体が取り付け
られている壁面又はその近傍に支持すると、荷電粒子線
光学系の鏡体と試料とが同位相で振動するようになるた
め、振動の影響を軽減することができる。試料を観察す
る上でＸＹステージの場合と異るのは、試料面上に上下
左右方向がある場合、見る座標点によってその方向がま
ちまちなことである。これに対しては、各軸の回転角度
から試料の回転角度を算出し、いわゆるラスターローテ
ーションによって荷電粒子線光学系の荷電粒子の走査方
向を変えてやるようにすればよい。これにより試料の自
転を考えることなく、ＸＹステージを用いたときと同じ
ように像を観察することが可能となる。

【００１９】試料ステージ駆動機構としては、試料の回
転機構と腕の回転機構が主たるものである。駆動機構が
簡単になるので、試料ステージは軽く小型になる。モー
タ等の機構部分はシールした容器すなわち腕の中に納め
てあるので摺動部分が真空中に露出することはなく、し
たがってオイル等が真空中に放散されることもない。シ
ールに磁気流体シールを用いれば、シール部でＯリング
が摩耗するといったこともなくなる。さらに、真空中に
配置される構造物が少ないので、真空度がその質と共に
向上する。また、超音波モータは磁場を発生することが
ないので、試料に照射される荷電粒子線の軌道に影響を
及ぼすことがない。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。ここでは、半導体ウェーハ等の大型試料観察用の走
査形電子顕微鏡を例にとって説明する。図１は、試料室
の一実施例を示す略平面図である。図２は、図１の試料
室を備える走査形電子顕微鏡の横断面図であり、図３
は、試料ステージの断面部分を拡大したものである。

【００２１】試料室１０１の内部には、試料１０２を載
せて動かす試料ステージ１０３が設けられている。走査
型電子顕微鏡の鏡体１０８は、位置１０３ａに移動され
た試料ステージと同心円の位置にある。試料ステージ１
０３には、試料ホルダ３０４、磁気流体シール３０５、
試料ホルダ３０４を回転させるモータ３０６、軸の回転
角度を計測するエンコーダ３０７が設けられ、磁気流体
シール３０５、モータ３０６及びエンコーダ３０７は試
料ステージ１０３を動かす腕となる真空容器１１０に収
容されている。この腕すなわち真空容器１１０は、試料
室１０１の天井板に付けられたモータ２０１の軸を中心
に回転する。このモータ２０１部分にも、図３の試料ス
テージ１０３内部と同様に磁気流体シールとエンコーダ
が設けられている。モータ２０１を試料室１０１の天井
板に取り付けたことにより、試料ステージ１０３と鏡体
１０８は同位相で振動するので、振動の影響を小さくす
ることができる。

【００２２】モータ２０１の第１軸と、試料ウェーハ１
０２を回転させるモータ３０６の第２軸の２つ軸の回転
を組み合わせることによって、試料ウェーハ１０２の全
面を観察することができる。モータ２０１によって回転
する試料ステージ１０３の回転角度範囲は、図１に１０
３ａで示した位置と１０３ｂで示した位置の間の範囲、
すなわち試料ウェーハ１０２の半径程度でよい。したが
って、試料室１０１の大きさは、従来のＸＹ方式の試料
駆動機構を採用した場合に比較して大幅に小さくするこ
とができる。

【００２３】試料室１０１は、ターボ分子ポンプ１０６
とドライポンプ１０７によって排気されている。また、
試料室１０１の上には電子顕微鏡の鏡体１０８があり、
料室１０１の横にはゲートバルブ１００を介して予備排
気室１０９が設けてある。予備排気室１０９も、ターボ
分子ポンプ１０６とドライポンプ１０７によって排気さ
れる。試料ウェーハ１０２は、まずこの予備排気室１０
９に入れられて試料台１１２上に載置され、試料室１０
１と同程度の高真空、例えば１０^-4Ｐａ程度まで排気さ
れる。電子顕微鏡の鏡体１０８の中には、電子源、各種
の電子レンズ及び電子ビームを偏向させる偏向コイル２
０３が配置されている。

【００２４】偏向コイル２０３は、電子ビームをＸ方向
とＹ方向に偏向させて試料表面を走査する。このＸ方向
の偏向出力とＹ方向の偏向出力とを適宜組み合わせて電
子ビームの走査方向を変えると、観察している像を回転
させることができる。この像回転を概念的に説明する
と、今、回転させたい像の回転角をθとし、Ｘ方向とＹ
方向のコイルの作る磁場強度を各々ｘ，ｙとすると、回
転した新たな像に対するＸ方向とＹ方向の偏向磁場Ｘと
Ｙは、下式（１），（２）の関係になるように決定して
やればよい。この周知のラスターローテーションによ
り、実際に試料ウェーハ１０２を回転させなくてもモニ
ター上に表示される像を任意の角度だけ回転させること
ができる。Ｘ＝ｘｃｏｓθ−ｙｓｉｎθ （１）Ｙ＝ｘｓｉｎθ＋ｙｃｏｓθ （２）

【００２５】なお、回転させるべき像の回転角θは、試
料室１０１の天井板部に固定したモータ２０１による腕
１１０の回転角度をα、モータ３０６による試料１０２
の自転角度をβとするとき、次式（３）で与えられる。 θ＝α＋β （３）モータ３０６を超音波モータとすると、超音波モータは
磁石を使用せず、従ってモータからの漏洩磁束が試料１
０２に照射される荷電粒子線の軌道を曲げるようなこと
がないので有利である。超音波モータは、例えば図８
（ａ）の側面図及び図８（ｂ）の断面図に示すように、
ステータ６０１及びロータ６０２と、その間に配置され
た複数のピエゾ素子６０３からなる。各ピエゾ素子の上
端部が、少しずつ位相をずらして図８（ａ）に矢印で示
すような回転運動を行うように駆動することによって、
ロータ６０２が中心Ｏの回りに回転する。各ピエゾ素子
上端部の回転運動の向きを逆転すると、ロータ６０２は
逆回りに回転する。

【００２６】図６及び図７は、本発明の他の実施例の説
明図である。図１に示した実施例では、試料室中の試料
ステージ１０３を予備排気室中に位置させることができ
ない。このため、予備排気室１０９の中に２つの軸の回
りに可動な試料台１１２を設け、試料を載せた試料台１
１２をゲートバルブ１００を通して試料室１０１に移動
させることで、試料１０２を試料ステージ１０３上に移
す。

【００２７】図６は、試料室１０１と予備排気室１０９
間のゲートバルブ１００を大きく設定し、試料ステージ
１０３がゲートバルブ１００を通って予備排気室１０９
に出入り自在にした例を示す。操作に当たっては、まず
試料を図示しない手段で予備排気室１０９内に保持し、
予備排気室内を試料室と同程度の真空度に排気した後、
ゲートバルブ１００を開ける。そして、試料室１０１内
の試料ステージ１０３を予備排気室１０９内に１０３ｃ
で示す位置まで回転移動させ、試料ステージ１０３上の
試料の交換を行う。新しい試料が載置された試料ステー
ジは回転駆動されて再び試料室１０１内に戻り、ゲート
バルブ１００が閉じられる。試料室１０１内に戻された
試料ステージは、試料の所望の場所が光軸上に位置する
ように調整され、その際の試料の回転を補償するように
偏向コイルのラスターローテーションが設定されて、処
理が行われる。一方、予備排気室１０９内では、次の試
料に対する準備が行われる。

【００２８】図７は、腕１１０を曲げることにより予備
排気室の容量及びゲートバルブ１００の大きさを図６の
例より小さくした例を示す。いずれの場合においても、
従来の試料室及び試料移動機構よりは小型で簡便な構成
となる。なお、図６及び図７の例では、電子顕微鏡の鏡
体１０８はゲートバルブ１００に近い位置にあり、目標
とする試料上の座標点（Ｒ，Θ）を鏡体１０８の中心を
通る光軸に位置決めする際の距離Ｒの設定の方法が図１
に示した実施例の場合と異なる。

【００２９】ここでは半導体用の電子顕微鏡を例にとっ
て説明したが、本発明は半導体用以外の電子顕微鏡にも
適用可能である。また電子顕微鏡について説明したが、
本発明は、電子顕微鏡以外の装置、例えば電子線描画装
置や収束イオンビーム（ＦＩＢ）装置等、他の荷電粒子
線装置にも同様に適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によると、試料室の大きさを従来
のＸＹステージ方式と比べて小さくできる。試料移動機
構の構成部品も簡単で数が少なくなるので軽くなり、コ
ストパーフォーマンスが大幅に向上する。また試料室は
小型になり、真空中に摺動部を露出させていないので、
真空度がその質と共に大変向上される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による荷電粒子線装置の一実施例の試料
室平面図。

【図２】本発明による荷電粒子線装置の一実施例の横断
面図。

【図３】図２に示した試料ステージの詳細断面図。

【図４】従来の走査形電子顕微鏡の試料ステージの平面
図。

【図５】従来の走査形電子顕微鏡の横断面図。

【図６】試料室の他の実施例の平面図。

【図７】試料室の他の実施例の平面図。

【図８】超音波モータの説明図。

【符号の説明】

１００，４００…ゲートバルブ、１０１，４０１…試料
室、１０２，４０２…試料ウェーハ、１０３…試料ステ
ージ、１０６，５０６…ターボ分子ポンプ、１０７，５
０７…ドライポンプ、１０８，５０８…鏡体、１０９…
予備排気室、１１０…ロボットハンド、２０１…モー
タ、２０２…モータ、２０３…偏向コイル、３０４…ウ
ェーハホールダ、３０５…磁気流体シール、３０６…モ
ータ、３０７…エンコーダ、４０４…モータ、４０５…
ボールねじ、４０４…モータ、５１１…移動台、６０１
…ステータ、６０２…ロータ、６０３…ピエゾ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 37/147 ＢＣＤ 37/305 Ｂ 9508−2ＧＨ０１Ｌ 21/027

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線源から発生した荷電粒子線を
荷電粒子線光学系を通して試料室内の試料ステージ上に
載置された試料に照射することによって試料の観察、分
析又は加工等の処理を行う荷電粒子線装置において、前記試料ステージは前記試料室に対して固定された回転
軸の回りに回転可能な腕部材と該腕部材に対して設けら
れた少なくとも１つの回転軸の回りに回転可能な部材を
備え、前記複数の回転軸の回りへの回転駆動のみによっ
て荷電粒子線光学系の光軸に対する試料の相対位置を変
更することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】前記回転軸は荷電粒子線光学系の光軸と
平行な複数の回転軸を含むことを特徴とする請求項１記
載の荷電粒子線装置。
【請求項３】前記荷電粒子線光学系の光軸と平行な複
数の回転軸のうちの１つを試料を試料載置場所の略中心
に位置させたことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子
線装置。
【請求項４】前記試料ステージを前記試料室の天井板
部に支持したことを特徴とする請求項１、２又は３記載
の荷電粒子線装置。
【請求項５】前記試料ステージを前記試料室の壁面の
うち前記荷電粒子線光学系の鏡体が取り付けられている
壁面又はその近傍に支持したことを特徴とする請求項
１、２又は３記載の荷電粒子線装置。
【請求項６】少なくとも１つの回転軸の回りへの回転
駆動を超音波モータで行うことを特徴とする請求項１〜
５のいずれか１項記載の荷電粒子線装置。
【請求項７】各回転軸の回りへの回転角度を検出する
手段を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか
１項記載の荷電粒子線装置。
【請求項８】検出された回転角度から試料の位置及び
試料の自転角度を算出する手段を備えることを特徴とす
る請求項６記載の荷電粒子線装置。
【請求項９】試料の自転角度と同じ角度だけ荷電粒子
線の偏向走査方向を回転させる手段を備えたことを特徴
とする請求項８記載の荷電粒子線装置。
【請求項１０】荷電粒子線装置は電子顕微鏡であるこ
とを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の荷電
粒子線装置。
【請求項１１】荷電粒子線装置は電子線描画装置であ
ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の
荷電粒子線装置。
【請求項１２】荷電粒子線装置は収束イオンビーム装
置であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項
記載の荷電粒子線装置。
【請求項１３】試料室内の試料ステージ上に載置さ
れ、複数の回転軸の回りへの回転駆動のみによって荷電
粒子線光学系の光軸に対する相対位置を変更される試料
に、荷電粒子線源から発生した荷電粒子線を前記荷電粒
子線光学系を通して偏向走査しながら照射することによ
って試料の観察、分析又は加工等の処理を行う荷電粒子
線装置の荷電粒子線偏向走査方法において、前記複数の回転軸の回りへの回転角度から荷電粒子線光
学系の光軸に対する試料の自転角度を演算によって求
め、前記試料の自転角度と同じ角度だけ荷電粒子偏向走
査方向を回転させることを特徴とする荷電粒子線装置の
荷電粒子線偏向走査方法。