JPH11162386A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大口径の半導体ウェハ等の試料を大角度まで
傾斜させても、比較的コンパクトな試料室とすることが
でき、かつ試料載置における不安定さ等を軽減した荷電
粒子ビーム装置を提供すること。 【解決手段】例えば、傾斜角を０度から６０度まで傾斜
させる場合、傾斜角が、その中間の角度程度、即ち概略
３０度において、試料表面が水平となるように成し、か
つ、傾斜角が概略０度において、荷電粒子ビームの照射
系の照射軸が、その試料表面に垂直となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、半導体ウェハ等
の大口径の試料が装填できる傾斜角可変の試料ステージ
と、荷電粒子ビームの照射系を備えた荷電粒子ビーム装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の荷電粒子ビーム装置にお
ける、試料１、試料ステージ２、照射系３と試料室４の
関係を示す説明図である。すなわち、照射系３は試料室
４に垂直に取り付けられており、大口径のウェハ等の試
料１が、傾斜角０度から６０度程度の大傾斜させること
ができる試料ステージ２に装填され、かつ試料は、試料
全面が照射系直下のビーム照射位置に配置され得るよう
に図の点線で示した如く、Ｘ、Ｙ方向に移動できるよう
になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１のこの様な装置に
おいて、試料が大口径に、傾斜が大傾斜になるに従い、
装置、特に試料室は大きくかつ重く成らざるを得ない。
例えば、直径３００ｍｍのウェハ試料の全面駆動可能
で、傾斜角が水平、即ち０度から６０度までの可変範囲
を有した装置の試料室について考察すると、その高さ
は、少なくとも、３００×２×ｓｉｎ６０゜＝５２０
（ｍｍ）必要となる。４０ｍｍ程度の余裕を取れば、お
およそ５６０ｍｍである。これに伴って、試料室の重
量、真空容器としての真空排気容積も当然大きくなる。
更に、試料ステージ２に載置した試料１の試料面の法線
方向に働く重力による力が大傾斜時には、水平時に比べ
半分程度になり、試料は不安定かつ振動し易くなってく
るという不都合が生じる。即ち、ウェハ試料１に働く重
力Ｗが、試料が大傾斜することによって、試料ステージ
２の試料支持面に対する面圧Ｐは図３に示すようにな
り、６０度の場合、面圧Ｐは重力Ｗの５０％となる。こ
れに加えて、一般的にこの種の装置では、傾斜装置の回
転中心は試料表面上に有る様に成している。これは操作
性の為である。この様にすると、当然ながら試料装置の
大部分の機構は試料表面の反対側、即ち試料の下側に存
在することになり、試料を大傾斜させると、試料装置の
機構部分に働く重力によって、傾斜を元に戻そうとする
力が働くことになり、傾斜機構にとっては相当な不都合
となる。また更に、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すよう
に、試料傾斜最大のとき、試料の口径が大きくなればな
る程、試料上の荷電粒子ビームの照射位置から試料室の
上面までの距離Ｌは、必然的に大きくならざるを得な
い。このため、照射系のかなりの部分は、試料室の上蓋
に埋没させる如くに取り付けることになる。従って、照
射系周りの比較的下方の突起物、例えば対物レンズの絞
りの交換機構等の取り付けが困難になるなどの問題が生
じ、その対処策に窮するようになる。即ち、図５（Ａ）
においては、取り付け可能であった対物レンズの絞りの
交換機構３８が、図５（Ｂ）では、図中点線で示す位置
には取り付けることが出来なくなってしまった。

【０００４】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたものであり、大口径の試料を大角度まで傾斜させて
も、比較的コンパクトな試料室とすることができ、照射
系の必須の機能・機構の取り付けに支障を来すことな
く、かつ試料載置における不安定さ等を軽減した荷電粒
子ビーム装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、真空に保持された試料室と、該試料室内に配
置される傾斜角可変の試料ステージと、該試料ステージ
に保持された試料に対して荷電粒子ビームを照射するた
めに前記試料室に取り付けられた荷電粒子ビーム照射系
を備えた荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビーム
照射系の照射軸を鉛直に対して傾斜させて前記試料室に
取り付けたことを特徴とする。より具体的には、大口径
の試料が装填できる傾斜角可変の試料ステージと、荷電
粒子ビームの照射系を備えた荷電粒子ビーム装置におい
て、照射系の照射軸と試料表面の法線との成す角を試料
傾斜角θとし、θ＝０のとき、即ち、照射系の照射軸と
試料表面の法線が平行であるとき、θｏと表し、かつ試
料傾斜角θがθ１からθ２までの可変範囲を有すると
き、その中間の角度をθｍと表し、即ち、θｍ＝(θ１+
θ２）／２としたとき、概略θｏ＝θ１であって、かつ
試料傾斜角θが概略θｍのとき、試料表面が水平となる
ように成したことを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。本発明は、主として、半導
体ウェハ等の試料の集束電子ビームによる観察・検査
等、あるいは集束イオンビームによる加工・観察等に使
用される荷電粒子ビーム装置に関する。

【０００７】図２は、本発明の荷電粒子ビーム装置にお
ける、試料１、試料ステージ２、試料室４、該試料室４
に対して傾斜して取り付けられた照射系３の関係を示す
一つの実施例の説明図である。すなわち、大口径のウェ
ハ等の試料１が、傾斜角０度から６０度程度の大傾斜さ
せることができる試料ステージ２に装填され、試料ステ
ージ２の傾斜角が、その中間の角度、即ちθｍ＝（θ１
＋θ２）／２＝（０＋６０）／２＝３０（度）近傍にお
いて、試料ステージ上面が水平となるように成し、試料
は、図の点線で示した如く、試料全面がビーム照射位置
に配置され得るように、Ｘ、Ｙ方向に移動できるように
なっている。かつ、試料ステージ２の傾斜角がθ１＝０
（度）近傍において、荷電粒子ビームの照射系３の照射
軸が、その試料ステージ上面に垂直であるようになって
いる。この場合の試料室について考察すると、その高さ
は、少なくとも、３００×２×ｓｉｎ３０゜＝３００
（ｍｍ）必要となる。従来の装置の場合と同様に、４０
ｍｍ程度の余裕を取れば、３４０ｍｍであり、従来の装
置に比較して、６１％の高さで済むことになる。勿論こ
の様に成すためには、試料ステージ２の構造物が試料下
部の空間にすっぽりと収まる様にしなければならない
が、大口径、大傾斜になる程、むしろ容易となるので問
題はない。更に、試料室の重量は、単純な計算による
と、おおよそ７４％となり、真空容積も６１％となる。
また、試料ステージ２に載置した試料１の試料面の法線
方向に働く重力による力は、図４に示すように、ウェハ
試料１の重力Ｗに対して、試料が大傾斜しても、試料ス
テージ２の試料支持面に対する面圧Ｐは重力Ｗの８７％
と改善される。同じく、試料の大傾斜時に傾斜装置に加
わる、傾斜を元に戻そうとする力も、従来の５８％と、
当然小さくすることができる。また更に、照射系を傾斜
させることによって生じた傾斜の逆方向の空間を利用す
れば、照射系周りの比較的下方の突起物、例えば対物レ
ンズの絞りの交換機構等の取り付けが容易となる。この
点について図６を参照しながら更に詳しく説明する。ま
ず、図６（Ａ）の照射系３は、筒状形状を成しており、
その外周部に筒を一周し、かつその一周してできる面が
照射系３の照射軸と垂直となるようなフランジ面を有す
るフランジ部Ｆが設けられている。一方、試料室４の上
面板には、照射系３を傾斜して取り付けるための受け部
Ｒが設けられている。受け部Ｒは、照射系３のフランジ
部より下方の筒状形状部分がすっぽり入る貫通孔と、フ
ランジ部Ｆの前記フランジ面がＯ−リング等の真空シー
ル材を介して真空気密に取り付けられる受け面を有して
いる。更にこの受け面は、試料室上面に対して所定（例
えば３０゜）の角度を有している。ところで、先に述べ
た如く照射系を傾斜させることによって傾斜の逆方向に
空間が生じても、対物レンズ絞り３５の位置がフランジ
部Ｆよりも照射系の軸に沿って上方に位置していなけれ
ば、実際には対物レンズ絞り交換機構３８を照射系に取
り付けることは容易ではない。そこで、図６（Ａ）にお
いては、試料室上面を照射系３が傾斜している側で試料
室の内側へ凹ませ、前記受け部Ｒを照射系３が傾斜して
いる側では試料室上面よりも下方に位置する様にするこ
とによって、対物レンズ絞り３５の位置がフランジ部Ｆ
の位置よりも上方に位置する様にして、対物レンズ絞り
交換機構３８を照射系に取り付けている。この考え方を
発展させれば、試料の口径が更に大きくなり、試料室４
の高さ（大きさ）もそれに伴って高く（大きく）しなけ
ればならなくなっても、図６（Ｂ）の如く受け部Ｒは、
その全てが試料室上面よりも下方に位置させる様な構造
にすれば、対物レンズ絞り交換機構３８を照射系に取り
付けることができる。更に、試料の傾斜角は、マイナス
側にも駆動できることは、余裕を持たせると言う意味か
らも重要であるし、逆方向への傾斜が装置の操作上有効
な場合も多い。この様な場合は、試料傾斜角がθ１＜θ
ｏ＜θｍであるθｏのとき、荷電粒子ビームの照射系３
の照射軸が、その試料ステージ上面に垂直であるように
すれば良い。例えば、θ１＝−１０（度）、θ２＝６０
（度）とすれば、θｍ＝（−１０＋６０）／２＝２５
（度）、θｏ＝０（度）であり、荷電粒子ビームの照射
系３の照射軸は、試料室の上面に２５度傾いて取り付け
られ、試料は−１０度から６０度までとマイナス側にも
傾斜できるようになる。また逆に、試料の傾斜角の低い
傾斜角範囲は犠牲にして駆動できなくとも、その代わり
に試料ステージの傾斜機構の精度や作り安さを優先する
考え方もある。例えば、θ１＝２０（度）、θ２＝６０
（度）とすれば、θｍ＝（２０＋６０）／２＝４０
（度）、θｏ＝０（度）であり、荷電粒子ビームの照射
系３の照射軸は、試料室の上面に４０度傾いて取り付け
られ、試料は２０度から６０度まで傾斜できるようにな
る。しかしながら、この様に成すためには、技術的に以
下の如き工夫が伴わなければ実現は困難であった。即
ち、荷電粒子ビームの照射系は、その要求される性能と
操作性を満たすため、照射系の主要な構成要素である、
荷電粒子発生源、コンデンサレンズ系、対物レンズ系等
は、微妙に軸合わせ調整が出来なければ成らない。従
来、これら軸合わせ調整の基本的方法は、これら構成要
素を装置を高真空に保ちながら外部から機械的に移動さ
せて行うものであった。即ち、試料室上面に滑り面を設
け、これにＯ−リング等の真空シール材を介して、対物
レンズ部を載せ、更に同様に、対物レンズ部上面に滑り
面を設け、これにＯ−リング等の真空シール材を介し
て、コンデンサレンズ部を載せる・・・の如く成す。そ
して、外部から微動可能なネジ等を利用して、それぞれ
の構成要素を滑り面上で移動させて、軸調整を行う。こ
の様な滑り面を利用する方法は、重力に対して安定であ
る必要がある。従って、小型の簡易型の照射系ならとも
かく、大型で、高性能を要求される照射系の場合には、
その照射系は、垂直である必要があった。ところが近
年、エレクトロニクス、特にコンピュータテクニックの
発達によって、軸調整の量を少なくする照射系の設計が
可能となり、更に軸合わせを電気的に行い、かつその調
整量を使用条件に合わせてコンピュータプログラムで処
理出来るように成ってきた。つまり、この様に設計され
た照射系では、前述した滑り面の利用は必須ではなくな
り、更に、機械的駆動部も必須ではなくなった。従っ
て、この様な照射系を採用することによって、本件発明
は実現出来た。このような構成の照射系について電子ビ
ーム装置を例に次に説明する。図７は、本件発明を半導
体検査のための走査型電子顕微鏡に用いた電子線照射装
置を説明する図である。電子銃３１で電子ビームが発生
・加速され、第１のアライメントコイル群３２で電子ビ
ームの放射方向や位置が調整され、コンデンサレンズ３
３に導かれる。所定の条件に集束された電子ビームは、
第２のアライメントコイル群３４でその放射方向や位置
が再び調整され、対物レンズ絞り３５を通って対物レン
ズ３７に導かれる。その際、電子ビームは、スキャンニ
ングコイル群３６によって所望の拡大倍率に合わせて掃
引され、対物レンズ３７によって試料表面上にフォーカ
スして照射される。対物レンズ絞り交換機構３８は、内
蔵する複数の対物レンズ絞りを装置の使用目的に応じて
選択・交換するための機械的な機構である。また、照射
系の軸と試料ステージの傾斜の回転中心とに合わせは、
一般に試料ステージ側で行う。

【０００８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、傾斜角可変の試料ステージと、荷電粒子ビームの照
射系を備えた荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビ
ーム照射系の照射軸を鉛直に対して傾けることによっ
て、試料室の高さを小さくすることができる。より具体
的には、照射系の照射軸と試料表面の法線との成す角を
試料傾斜角θとし、θ＝０のとき、即ち、照射系の照射
軸と試料表面の法線が平行であるとき、θｏと表し、か
つ試料傾斜角θがθ１からθ２までの可変範囲を有する
とき、その中間の角度をθｍと表し、即ち、θｍ＝(θ
１+θ２）／２としたとき、概略θｏ＝θ１であるか、
θ１＜θｏ＜θｍであるか、或いはってθｏ＜θ１であ
って、かつ試料傾斜角θが概略θｍのとき、試料表面が
水平となるように成した。

【０００９】その結果、大口径の試料を大角度まで傾斜
させても、比較的コンパクトな試料室とすることがで
き、照射系の必須の機能・機構の取り付けに支障を来す
ことなく、かつ試料載置における不安定さ等を軽減した
荷電粒子ビーム装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の荷電粒子ビーム装置における、試料１、
試料ステージ２、照射系３と試料室４の関係を示す説明
図である。

【図２】本発明の荷電粒子ビーム装置における、試料
１、試料ステージ２、照射系３と試料室４の関係を示す
一つの実施例の説明図である。

【図３】従来の荷電粒子ビーム装置における、試料を傾
斜したときの、試料ステージ２の試料支持面に対する試
料の面圧を説明する図である。

【図４】本発明の荷電粒子ビーム装置における、試料を
傾斜したときの、試料ステージ２の試料支持面に対する
試料の面圧を説明する図である。

【図５】本件発明に係わる試料の口径の違いによる試料
上の荷電粒子ビームの照射位置から試料室の上面までの
距離Ｌの関係を説明する図である。

【図６】本件発明に係わる照射系取り付けフランジ部と
試料室上面板との関係を説明する図である。

【図７】本件発明を応用した電子ビーム照射系を走査型
電子顕微鏡に適用した例を説明する図である。

【符号の説明】 １…試料、２…試料ステージ、３…照射系、４…試料
室、Ｗ…試料に働く重力、Ｐ…試料支持面に働く面圧、
３１…電子銃、３２…第１のアライメントコイル群、３
３…コンデンサレンズ、３４…第２のアライメントコイ
ル群、３５…対物レンズ絞り、３６…スキャンニングコ
イル群、３７…対物レンズ、３８…対物レンズ絞り交換
機構、ＥＰ…電子ビーム、Ｌ…試料上の荷電粒子ビーム
の照射位置から試料室の上面までの距離、Ｆ…フランジ
部、Ｒ…受け部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空に保持された試料室と、該試料室内
   に配置される傾斜角可変の試料ステージと、該試料ステ
   ージに保持された試料に対して荷電粒子ビームを照射す
   るために前記試料室に取り付けられた荷電粒子ビーム照
   射系を備えた荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビ
   ーム照射系の照射軸を鉛直に対して傾斜させて前記試料
   室に取り付けたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 【請求項２】 前記試料ステージは、少なくとも、試料
   面が荷電粒子ビーム照射系の照射軸に対してほぼ直交す
   る状態から試料の一部が荷電粒子ビーム照射系の傾斜し
   た側の側面に最大限接近する状態まで、前記試料上の荷
   電粒子ビーム照射位置を中心に傾斜可能に設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の荷電粒子ビーム装置であ
   って、前記試料ステージがその傾斜可能範囲のほぼ中央
   の状態に設定されたとき、試料面がほぼ水平になるよう
   に成したことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 【請求項４】 傾斜角可変の試料ステージと、該試料ス
   テージに保持された試料に対して荷電粒子ビームを照射
   する荷電粒子ビーム照射系を備えた荷電粒子ビーム装置
   において、照射系の照射軸と試料表面の法線との成す角
   を試料傾斜角θとし、θ＝０のとき、即ち、照射系の照
   射軸と試料表面の法線が平行であるとき、θｏと表し、
   かつ試料傾斜角θがθ１からθ２までの可変範囲を有す
   るとき、その中間の角度をθｍと表し、即ち、θｍ＝
   (θ１+θ２）／２としたとき、概略θｏ＝θ１であっ
   て、かつ試料傾斜角θが概略θｍのとき、試料表面が水
   平となるように成した荷電粒子ビーム装置。
5. 【請求項５】 傾斜角可変の試料ステージと、荷電粒子
   ビームの照射系を備えた荷電粒子ビーム装置において、
   照射系の照射軸と試料表面の法線との成す角を試料傾斜
   角θとし、θ＝０のとき、即ち、照射系の照射軸と試料
   表面の法線が平行であるとき、θｏと表し、かつ試料傾
   斜角θがθ１からθ２までの可変範囲を有するとき、そ
   の中間の角度をθｍと表し、即ち、θｍ＝(θ１+θ２）
   ／２としたとき、θ１＜θｏ＜θｍであって、かつ試料
   傾斜角θが概略θｍのとき、試料表面が水平となるよう
   に成した荷電粒子ビーム装置。
6. 【請求項６】 傾斜角可変の試料ステージと、荷電粒子
   ビームの照射系を備えた荷電粒子ビーム装置において、
   照射系の照射軸と試料表面の法線との成す角を試料傾斜
   角θとし、θ＝０のとき、即ち、照射系の照射軸と試料
   表面の法線が平行であるとき、θｏと表し、かつ試料傾
   斜角θがθ１からθ２までの可変範囲を有するとき、そ
   の中間の角度をθｍと表し、即ち、θｍ＝(θ１+θ２）
   ／２としたとき、θｏ＜θ１であって、かつ試料傾斜角
   θが概略θｍのとき、試料表面が水平となるように成し
   た荷電粒子ビーム装置。