(57)【要約】【課題】冷却観察モードから常温観察モードへ、またはその逆へ、あるいは、試料に電圧又は電流を供給するモードから通常のモードへ又はその逆へ短時間で移行可能な荷電粒子線を用いた観察装置を提供する。【解決手段】本発明の荷電粒子線を用いた観察装置は、真空に維持される試料室と、試料室内に収容される試料ステージと、試料ステージ上に試料室外から試料ホルダを移送するために試料室側壁に設けられる仕切弁を備えた試料交換機構と、試料室の側壁に設けられた開口部に気密に取り付けられたフランジと、このフランジに取り付けられた冷媒タンクと、前記試料ステージ上に保持される試料ホルダ冷却台と、この試料ホルダ冷却台を冷却するためホルダ冷却台と冷媒タンク間を熱的に接続する熱伝導部材と、前記試料ホルダ冷却台を試料ステージ上と試料ステージ上から退避した位置へ移動させるための前記フランジに設けられた移送手段とを備える。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に維持される試料室と、試料室内に収容される試料ステージと、試料ステージ上に試料室外から試料ホルダを移送するために試料室側壁に設けられる仕切弁を備えた試料交換機構と、試料室の側壁に設けられた開口部に気密に取り付けられたフランジと、このフランジに取り付けられた冷媒タンクと、前記試料ステージ上に保持される試料ホルダ冷却台と、この試料ホルダ冷却台を冷却するためホルダ冷却台と冷媒タンク間を熱的に接続する熱伝導部材と、前記試料ホルダ冷却台を試料ステージ上と試料ステージ上から退避した位置へ移動させるための前記フランジに設けられた移送手段とを備えたことを特徴とする荷電粒子線を用いた観察装置。
【請求項２】
真空に維持される試料室と、試料室内に収容される試料ステージと、試料ステージ上に試料室外から試料ホルダを移送するために試料室側壁に設けられる仕切弁を備えた試料交換機構と、試料ホルダとの電気的接続及び切り離しを行うために前記試料ステージ上に保持されるコネクタ部材と、試料室の側壁に設けられた開口部に気密に取り付けられたフランジと、前記コネクタ部材から伸びる配線を試料室外部に取り出すためにフランジに設けられた接続端子と、前記コネクタ部材を試料ステージ上と試料ステージ上から退避した位置へ移動させるための前記フランジに設けられた移送手段とを備えたことを特徴とする荷電粒子線を用いた観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡や集束イオンビーム顕微鏡などの荷電粒子線を用いた観察装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走査電子顕微鏡では、試料を種々な条件下において観察することが多々ある。例えば、熱に弱い試料では、電子ビームの照射エネルギーで試料の照射部が局所的に加熱され、その熱により試料の構造に変化が生じることがある。このような試料では、試料を予め冷却しておくことにより電子ビームの照射エネルギーによる試料の加熱を抑えて、試料の構造の変化がない状態で観察できる。図３は従来の走査電子顕微鏡に冷却ステージを組み込んだ一実施例を示す断面図である。図３において、１は走査電子顕微鏡の試料室であり、その内部は図示していない真空排気系によって排気される。試料室１の側壁には試料導入開口１ａが設けられており、この部分には仕切弁３を介して試料交換室２が取り付けられている。この試料交換室２には、図示していないがリーク機構を備えた真空排気系が接続されており、試料導入、試料交換にあたり試料交換室２内を真空及び大気圧に設定することができる。４は試料交換室２の前面に設けられた開閉扉であり、この開閉扉４には試料交換棒５が挿入されている。この試料交換棒５は、Ｏリングによって気密を保った状態で試料室内まで直線的に移動できるように構成されている。試料交換棒５の先端には雄ねじ５ａが切られており、この雄ねじ５ａ部分を試料ホルダ６の雌ねじ６ａに挿入し、試料ホルダ６を先端に保持することができるようになっている。
【０００３】
試料室１内には試料ステージ８が設けられ、このステージ８は詳細に図示していないが、水平移動や回転、傾斜等ができるように構成されている。ステージ８上には冷却用のホルダ固定台９が取り付けられている。このホルダ固定台９の頂部には、試料ステージ８との熱絶縁のための熱絶縁体９ｂを挟んで試料ホルダ６を装着するためのアリ溝を有する固定部９ａが設けられている。試料室１の試料交換室２と反対側の側壁には開口１ｂが設けられており、この開口１ｂには液体窒素タンク１１が取り付けられたフランジ１０が取り付けられている。ホルダ固定台９の固定部９ａと液体窒素タンク１１の間はフレキシブルな熱伝導体１２により接続されており、固定部９ａは、液体窒素タンク１１より熱伝導体１２を介して冷却される。このような構成の動作を次に説明する。
【０００４】
試料ホルダ６を試料室１に搬送するためには、まず、試料室１と試料交換室２との間の仕切弁３を閉じ試料交換室２を大気圧にした後、開閉扉４を開く。試料７を搭載した試料ホルダ６をネジ５ａにて試料交換棒５の先端に取付た後、開閉扉４を閉じ、試料ホルダ６が試料交換室２内に配置された状態で試料交換室２内を真空排気する。所定の真空度に到達後、仕切弁３を開き、試料交換棒５を試料室１内へ前進させ、試料ホルダ６を試料室１内のホルダ固定台９の固定部９ａのアリ溝に嵌合保持させる。このようにして試料ホルダ６を固定台に固定後、試料交換棒５を回転させ、試料ホルダ６に嵌合しているネジ５ａを外した後、試料交換棒５を試料交換室２内に後退させ、仕切弁３を閉じる。ホルダ固定台９は液体窒素が入れられた液体窒素タンク１１により冷却され低温に保持されており、試料ホルダ６に搭載された試料７も低温に冷やされる。仕切弁３を閉じて試料室１の真空排気を更に行い、真空度を上げた後、電子ビームにより所定の領域を照射走査し、試料から発生した２次電子を検出して試料の像観察を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記に述べたように試料を冷却した状態で観察を行うことができるが、その後常温で試料を観察する通常のモードに移行するためには、試料室１を一旦大気にしてフランジ１０を液体窒素タンク１１と共に取り外し、ホルダ固定台９を試料室１より取り外し、開口１ｂの所に封止フランジを取り付けるという一連の作業が必要である。そのための準備や作業に時間がかかるばかりでなく、一旦試料室１の真空を大気に破るため、再度真空排気するまでの時間を要し、短時間で常温試料を観察することができなかった。また、通常のモードから冷却観察モードに移行する際にも、同様に時間がかかることは避けられなかった。
【０００６】
また、試料に電圧又は電流を供給した状態で観察することも行われているが、その場合も、試料に電圧又は電流を供給するための付属装置を取り付けたり、取り外したりしなければならず、同様に時間がかかることは避けられなかった。
【０００７】
本発明は、このような従来の欠点を解決し、冷却観察モードから常温観察モードへ、またはその逆へ、あるいは、試料に電圧又は電流を供給するモードから通常のモードへ又はその逆へ短時間で移行可能な荷電粒子線を用いた観察装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、第１の本発明の荷電粒子線を用いた観察装置は、真空に維持される試料室と、試料室内に収容される試料ステージと、試料ステージ上に試料室外から試料ホルダを移送するために試料室側壁に設けられる仕切弁を備えた試料交換機構と、試料室の側壁に設けられた開口部に気密に取り付けられたフランジと、このフランジに取り付けられた冷媒タンクと、前記試料ステージ上に保持される試料ホルダ冷却台と、この試料ホルダ冷却台を冷却するためホルダ冷却台と冷媒タンク間を熱的に接続する熱伝導部材と、前記試料ホルダ冷却台を試料ステージ上と試料ステージ上から退避した位置へ移動させるための前記フランジに設けられた移送手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の本発明の荷電粒子線を用いた観察装置は、真空に維持される試料室と、試料室内に収容される試料ステージと、試料ステージ上に試料室外から試料ホルダを移送するために試料室側壁に設けられる仕切弁を備えた試料交換機構と、試料ホルダとの電気的接続及び切り離しを行うために前記試料ステージ上に保持されるコネクタ部材と、試料室の側壁に設けられた開口部に気密に取り付けられたフランジと、前記コネクタ部材から伸びる配線を試料室外部に取り出すためにフランジに設けられた接続端子と、前記コネクタ部材を試料ステージ上と試料ステージ上から退避した位置へ移動させるための前記フランジに設けられた移送手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
【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。図１は第１の本発明の一実施例を示す断面図である。図２は、図１の本発明において通常の常温試料を観察する状態を示す断面図である。なお、図１および図２において、図３の従来と同一ないし類似の構成要素には同一番号を附し、その詳細な説明は省略する。
【００１１】
図１において、１３は冷却用のホルダ固定台で、その底面には試料ステージ８へ着脱するためのアリ溝１３ｂが設けられている。ホルダ固定台１３の頂部には、間に試料ステージ８との熱絶縁のための熱絶縁体１３ｃを挟んで試料ホルダ６を装着するためのアリ溝を有する固定部１３ａが設けられている。ホルダ固定台１３の固定部１３ａは液体窒素タンク１０より熱伝導体１２を介して冷却されている。１４は着脱棒で、ホルダ固定台１３に切られている雌ねじ部分に着脱棒１４の先端の雄ねじ１４ａを差し込み、着脱棒１４の回転させることによりホルダ固定台１３と着脱棒１４とを一体化できる機構を備えている。この着脱棒１４は液体窒素タンク１１が設けられているフランジ１０を貫通して設けられ、Ｏリングによって気密を保ちつつ、前後に移動できるように構成されている。
【００１２】
図２において、１５は通常の常温で用いる試料ホルダで、この試料ホルダ１５には例えば、ＩＣウエハーなどの試料１６が保持されている。
【００１３】
つぎに、図１を用いて冷却観察モードにおける動作を説明する。まず始めに、図１において点線で示すように、ホルダ固定台１３に着脱棒１４の雄ねじ１４ａを固定した状態で、脱着棒１４を試料室１に挿入し、ホルダ固定台１３と試料ステージ８をアリ溝１３ｂの嵌合させて固定する。ついで、着脱棒１４を回転させて先端の雄ねじ１４ａをホルダ固定台８より外した後、着脱棒を実線の位置まで後退させる。
【００１４】
次に、試料ホルダ６を試料室１に搬送する、この動作は従来装置で説明したのと同様である。まず、試料室１と試料交換室２との間の仕切弁３を閉じ試料交換室２を大気圧にした後、開閉扉４を開く。試料７を搭載した試料ホルダ６をネジ５ａにて試料交換棒５の先端に取付た後、開閉扉４を閉じ、試料ホルダ６が試料交換室２内に配置された状態で試料交換室２内を真空排気する。所定の真空度に到達後、仕切弁３を開き、試料交換棒５を試料室１内へ前進させ、試料ホルダ６を試料室１内のホルダ固定台９の固定部９ａのアリ溝に嵌合保持させる。このようにして試料ホルダ６を固定台に固定後、試料交換棒５を回転させ、試料ホルダ６に嵌合しているネジ５ａを外した後、試料交換棒５を試料交換室２内に後退させ、仕切弁３を閉じる。ホルダ固定台９は液体窒素が入れられた液体窒素タンク１１により冷却され低温に保持されており、試料ホルダ６に搭載された試料７も低温に冷やされる。仕切弁３を閉じて試料室１の真空排気を更に行い、真空度を上げた後、電子ビームにより所定の領域を照射走査し、試料から発生した２次電子を検出して試料の像観察を行う。
【００１５】
試料７の像観察の終了した後は、試料交換室２を再び真空に排気して試料を交換する。すなわち、試料交換室２が所定の真空度に到達後、仕切弁３を開き、試料交換棒５を試料室１内に挿入して試料交換棒５と試料ホルダ６とを一体化する。その後試料交換棒５を後退させ、試料ホルダ６を試料交換室２内まで搬送して仕切弁３を閉じ、図１に示すような状態にして試料交換室２内を大気圧にする。そして、開閉扉を開いて観察済みの試料を取り出す。新しい試料での冷却観察は、上記で述べた一連の動作を繰り返して行う。
【００１６】
次に、冷却観察が終了した後、常温での観察に移行する場合について、図２を用いて説明する。冷却観察の終了した試料室１は、図１に示すように試料ステージ８上に冷却用のホルダ固定台１３が取り付けられた状態となっている。まず始めに、着脱棒１４を前進させて雄ねじ１４ａによってホルダ固定台１３と着脱棒１４を一体化する。そして、着脱棒１４を後退させ、ホルダ固定台１３を試料ステージ８上より、図２に示すように開口１ｂまで移動させる。このため、試料ステージ８の中央部からホルダ固定台１３が退避するので、試料交換室２からの通常（常温）の試料ホルダ１５の受入準備が整う。
【００１７】
次に、試料交換室２を大気にした後、開閉蓋４を開く。常温観察する試料１６を搭載した試料ホルダ１５は、予め装置外で試料交換棒５の雄ねじ５ａで固定取付た後、試料交換室２内に配置して交換室内を真空排気する。試料ホルダ１５の底面には、試料ステージ８と嵌合するためのアリ溝１５ａが設けられている。試料交換室２が所定の真空度に到達後、仕切弁３を開き、試料ホルダ１５を試料交換棒５によって図２に示すようにアリ溝１５ａに嵌合させて保持する。その後、試料交換棒５を回転させて試料ホルダ１５から外した後、試料交換室２内に後退させて仕切弁３を閉じる。仕切弁３を閉じて試料室１の真空排気を更に行い、真空度を上げた後、電子ビームにより所定の領域を照射走査し、試料から発生した２次電子を検出して試料の像観察を行う。また、新しい試料での観察は、上記に述べた冷却時と同様に、試料交換を行うことにより可能である。
【００１８】
なお、常温での試料の像観察の終了した後、再度冷却観察する場合、図１に示すように、着脱棒１４を用いて試料ステージ８上に冷却用のホルダ固定台１３を取り付けるだけの簡単な操作により冷却試料の観察に移行することが可能である。
【００１９】
上述した説明から明らかなように冷却状態での観察から常温状態での観察に移行する際、従来のように試料室を大気に破ることなく、短時間に冷却での試料観察から常温での試料観察、その逆の常温での試料観察から冷却での試料の観察に移行できる。
【００２０】
図４は、例えば、半導体の集積回路（ＩＣ）の試料のように電圧（電流）を試料に印加して、その時の電位コントラストの変化を観察することにより集積回路の評価を行う場合の実施例である。なお、図４において、図１〜図３での同一ないし類似の構成要素には同一番号を附し、その詳細な説明は省略する。１７はＩＣ試料ホルダ２１に電圧を供給するコネクタ部材で、コネクタ部材１７は、フランジ１０を　貫通する脱着棒１４によって試料ステージ８の所定位置と試料室１の開口１ｂ間を移送される。１８はハーメチックでフランジ１０に気密に設けられており、ハーメチック１８とコネクタ部材１７間はケーブル１９によって接続され、電圧はハーメチック１８の端子を通して電源２０より供給される。このような構成の動作を次に説明する。
【００２１】
ＩＣ試料ホルダ２１にはＩＣ試料２２が装着されている。ＩＣ試料ホルダ２１を試料交換室２より試料ステージ８に搬送する動作は、前述の第１の実施例で説明した操作と同様であるので省略する。ＩＣ試料２２には、コネクタ部材１７よりコネクタプラグ２３と接続ケーブル２４、さらに例えば、ナノマニプレータ機能を備えたコンタクト針２５を通して電圧が供給される。ＩＣ試料２２には、電源２０より電圧供給条件を変えながら、電子ビームを試料２２の所定の領域を照射し、試料から発生した２次電子によってＩＣ試料２２の電位コントラスト像の観察を行う。
【００２２】
ＩＣ試料２２の像観察の終了した後は、試料交換室２を真空排気する。所定の真空度に到達後、仕切弁３を開き、試料交換棒５を試料室１内に挿入して、試料交換棒５とＩＣ試料ホルダ２１とを嵌め合いねじによって一体化する。試料交換棒５とＩＣ試料ホルダ２１とを一体化後、試料交換棒５を後退させ、ＩＣ試料ホルダ２１を試料交換室２内まで搬送して仕切弁３を閉じる。新しいＩＣ試料についての観察は、上記で述べた一連の動作を繰り返して行う。
【００２３】
次に、ＩＣ試料２２の観察の終了した後、通常の試料観察に移行する場合について次に動作説明する。まず始めに、着脱棒１４を試料室１に挿入して雄ねじ１４ａによってコネクタ部材１７と着脱棒１４を一体化する。そして、着脱棒１４を後退させることにより、コネクタ部材１７は試料ステージ８上より、図４の点線で示される開口１ｂの位置まで移動する。よって、試料ステージ８は、試料交換室２からの通常（常温）の試料ホルダの受入準備が整う。
【００２４】
次に、上述した図２の例と同様な操作によって、試料交換室２を介して試料ステージ８に通常の試料ホルダ１５を配置する。試料室１の真空排気を上げた後、電子ビームにより所定の領域を照射し、試料から発生した２次電子によって試料の像観察を行う。また、像観察した後、次の新しい試料での観察は、上記に述べた冷却試料の時と同様に、試料交換室２を介した交換操作を繰り返すことにより行うことができる。
【００２５】
なお、通常の試料ホルダを使用した試料の像観察が終了した後、再度、ＩＣ試料２２で電圧を印加して電位コントラスト像観察を行う場合、図４に示すように、着脱棒１４を用いて試料ステージ８上にコネクタ部材１７を取り付けるだけの簡単な操作により、試料室の真空を破ることなくＩＣ試料の観察に移行することが可能である。
【００２６】
以上本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでない。例えば、ホルダ固定台の冷却を液体窒素タンクからの熱伝導による方法で行ったが、ホルダ固定台に直接冷媒を循環させる循環式冷却器でもよい。また、走査電子顕微鏡を例に説明したが、真空排気される試料室を備えた荷電粒子線を用いる観察装置に本発明を適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように、本発明によれば、冷却観察モードから常温観察モードへ、またはその逆へ、さらに、試料に電圧又は電流を供給するモードから通常のモードへ、またはその逆へと短時間で移行可能な荷電粒子線を用いた観察装置が提供される。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の実施例において、常温観察モードに移行した場合を示す断面図である。
【図３】従来例を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…試料室、２…試料交換室、３…仕切弁、４…開閉扉、５…試料交換棒、６…試料ホルダ、７…試料、８…試料ステージ、９…ホルダ固定台、１０…フランジ、１１…液体窒素タンク、１２…熱伝導体、１３…ホルダ固定台、１４…着脱棒、１５…試料ホルダ、１６…試料、１７…コネクタ部材、１８…ハーメチック、１９…ケーブル、２０…電源、２１…ＩＣ試料ホルダ、２２…ＩＣ試料、
２３…コネクタプラグ、２４…接続ケーブル、２５…コンタクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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