(57)【要約】【課題】  プローブ先端の３次元的座標を迅速に把握する。【解決手段】  第１の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像３５及び第２の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像３６を同時に又は切り替えて表示する画像表示手段と、第１の荷電粒子顕微鏡、第２の荷電粒子顕微鏡、ステージ制御系及びプローブ駆動機構を制御する計算処理部とを有し、計算処理部は、試料上の目標位置２３とプローブ６の先端とが入った第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像と、試料上の目標位置とプローブの先端とが入った第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像とから、目標位置に対するプローブの先端の３次元的な相対位置を求める。【選択図】  図５
2007018935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ直交座標系内において試料を載置してＸＹ方向に移動可能な試料ステージと、
前記試料ステージの移動を制御するステージ制御系と、
第１の荷電粒子顕微鏡と、
前記第１の荷電粒子顕微鏡の光軸に対して傾斜した光軸を有する第２の荷電粒子顕微鏡と、
機械的なプローブと、
前記プローブを駆動するプローブ駆動機構と、
前記第１の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像及び第２の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像を同時に又は切り替えて表示する画像表示手段と、
前記第１の荷電粒子顕微鏡、前記第２の荷電粒子顕微鏡、前記ステージ制御系及び前記プローブ駆動機構を制御する計算処理部とを有し、
前記計算処理部は、試料上の目標位置と前記プローブの先端とが入った前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像と、試料上の前記目標位置と前記プローブの先端とが入った前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像とから、前記目標位置に対する前記プローブの先端の３次元的な相対位置を求める計測機能を有することを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記第１の荷電粒子顕微鏡はＺ軸に平行な光軸を有し、前記第２の荷電粒子顕微鏡はＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、
前記計算処理部は、前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＸＹ方向の相対距離を求め、前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＺ軸方向の相対距離を求めることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記第１の荷電粒子顕微鏡はＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、前記第２の荷電粒子顕微鏡はＸＺ面内にあってＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、
前記計算処理部は、前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＹ方向の相対距離を求め、前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＸ方向の相対距離を求め、前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像又は前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＺ軸方向の相対距離を求めることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項４】
請求項３記載のプローブ付き顕微鏡において、前記第１の荷電粒子顕微鏡の光軸はＹＺ面内にあることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記第１の荷電粒子顕微鏡と前記第２の荷電粒子顕微鏡は、試料の略同一箇所を観察するように配置されていることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項６】
請求項５記載のプローブ付き顕微鏡において、前記第１の荷電粒子顕微鏡を、前記試料の観察点を中心に傾斜する機構を有することを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記第１の荷電粒子顕微鏡と前記第２の荷電粒子顕微鏡は、相互の光軸が試料面で交差しない位置に配置され、試料の同一箇所を前記第１の荷電粒子顕微鏡と前記第２の荷電粒子顕微鏡で観察できるように前記試料ステージが往復する構造であることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項８】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記計算処理部は、前記目標位置に対する前記プローブの先端の３次元的な相対位置情報をもとに、前記プローブ駆動機構又は前記試料ステージの移動を制御するステージ制御系に指示して前記プローブ先端を前記目標地点に接触させるプローブ接触機能を有することを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項９】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記画像表示手段は、表示された顕微鏡画像を基に前記目標位置に対する前記プローブの先端の３次元的な相対位置の計測を指示する計測指示部を有し、前記計算処理部は、前記計測指示部に指示入力があったとき、前記計測機能を働かせることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項１０】
請求項８記載のプローブ付き顕微鏡において、前記画像表示手段はプローブアクセス指示部を有し、前記計算処理部は、当該プローブアクセス指示部に指示入力があったとき前記プローブ接触機能を働かせることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記画像表手段は、前記第１の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像及び前記第２の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像によって前記プローブの先端部分の形状を登録する形状登録指示部を有することを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１１記載のプローブ付き顕微鏡において、前記計算処理手段は、記憶した前記プローブの先端部分の画像情報を基にして、顕微鏡画像からプローブ先端位置を識別する機能を有することを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項１３】
ＸＹＺ直交座標系内をＸＹ方向に移動可能な試料ステージに載置された試料上の目標位置にプローブの先端を接触させるプローブ接触方法において、
第１の荷電粒子顕微鏡によって前記試料上の目標位置と前記プローブの先端が入った第１の顕微鏡画像を取得し、
前記第１の荷電粒子顕微鏡の光軸に対して傾斜した光軸を有する第２の荷電粒子顕微鏡によって前記試料上の目標位置と前記プローブの先端が入った第２の顕微鏡画像を取得し、
前記第１の顕微鏡画像及び前記第２の顕微鏡画像をもとに、前記試料上の目標位置に対する前記プローブの先端の３次元的な相対位置を求めることを特徴とするプローブ接触方法。
【請求項１４】
請求項１３記載のプローブ接触方法において、前記第１の荷電粒子顕微鏡はＺ軸に平行な光軸を有し、前記第２の荷電粒子顕微鏡はＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、
前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＸＹ方向の相対距離を求め、前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＺ軸方向の相対距離を求めることを特徴とするプローブ接触方法。
【請求項１５】
請求項１４記載のプローブ接触方法において、前記第２の荷電粒子顕微鏡の光軸がＸＺ面内にあってＸ軸と角度θをなしており、観察倍率がＭであるとき、前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から求められる前記目標位置に対する前記プローブの先端のＺ軸方向の見かけの距離をＺ２とするとき、前記Ｚ軸方向の相対距離Ｚｈを次式から求めることを特徴とするプローブ接触方法。
Ｚｈ＝Ｚ２／Ｍcosθ
【請求項１６】
請求項１３記載のプローブ接触方法において、前記第１の荷電粒子顕微鏡はＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、前記第２の荷電粒子顕微鏡はＸＺ面にあってＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、
前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＹ方向の相対距離を求め、前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＸ方向の相対距離を求め、前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像又は前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から前記目標位置に対する前記プローブの先端のＺ軸方向の相対距離を求めることを特徴とするプローブ接触方法。
【請求項１７】
請求項１６記載のプローブ接触方法において、前記第１の荷電粒子顕微鏡の光軸はＸＹ平面内においてＹ軸と角度ηを成すＷ軸とＺ軸によって作られるＷＺ平面にあって前記Ｗ軸と角度θをなし、前記第２の荷電粒子顕微鏡の光軸はＸＺ平面にあってＸ軸と角度φをなしており、
前記第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から求められる前記目標位置に対する前記プローブの先端のＹ軸方向の相対距離をｙ、前記第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から求められる前記目標位置に対する前記プローブの先端のＸ軸方向の見かけの相対距離をａ、観察倍率をＭとするとき、次式から前記Ｘ軸方向の相対距離ｘを次式から求めることを特徴とするプローブ接触方法。
ｘ＝（ａ−ｙsinη）／Ｍcosη
【請求項１８】
請求項１４記載のプローブ接触方法において、前記プローブの先端を前記試料上の目標位置の直上位置に移動し、その後、前記プローブの先端をＺ軸方向に降下させて前記試料上の目標位置に接触させることを特徴とするプローブ接触方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料室にプローブを有するプローブ付き荷電粒子顕微鏡に関する。例えば、搭載された複数の荷電粒子顕微鏡を用いてプローブ先端の３次元的な相対的座標を把握することで、正確に試料表面の目的位置にプローブを接触させることができるプローブ付き顕微鏡及びプローブ接近方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロプロセッサや半導体メモリなどの半導体集積回路の製造において、製品の歩留り向上のために、電子顕微鏡を用いて配線寸法の計測や、配線パターン上の異物や欠陥検出、不良解析などが積極的に行われている。デバイスチップやウェーハなど試料の内部にある異常個所の検査には、集束イオンビーム装置（Focused Ion Beam : FIB。集束イオン顕微鏡とも呼ばれる。）と走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy : SEM）が組み合わされたFIB−SEM複合装置が用いられている。FIB−SEM複合装置では、FIB照射によるスパッタリング現象を用いて微細加工を行ない、試料内部の欠陥箇所の断面を露出させ、対象試料を装置外に出すことなくSEMで欠陥箇所を観察している。
【０００３】
また、このFIB−SEM複合装置にプローブを備えた装置では、試料からFIBで切り出した微小試料片をプローブに接続して摘出し、高分解能なSEMやTEM（透過電子顕微鏡）、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）で観察することが可能となる。プローブ付きのFIB−SEM複合装置に関しては特許３５４７１４３号公報（特許文献１）、特開２００２−１５０９９０号公報（特許文献２）に示されている。特許文献１には試料（ウェーハ）から微小試料を摘出してTEM試料に加工する方法が示されており、特許文献２には試料から摘出した微小試料の断面を搭載したSEMで直視する装置が開示されている。微小試料片を摘出するプロセスについては特開２００１−１４７０７０号公報（特許文献３）に詳細に示されている。しかし、これら特許文献には試料表面上へのプローブの具体的な移動、接触方法に関しては記載れていない。
【０００４】
さらに、特開８−３３５６１３号公報（特許文献４）には、プローブを試料面にあるバンプに適切に接触させるために、プローブの高さ検出にＣＣＤを真下に設置し、真横に設置したレーザ測長器でバンプ高さを検知して、両者の情報からプローブをバンプに接触させる方法が記載されている。また、特開１１−２４８８００号公報（特許文献５）には、プローブ上方の第１カメラと、プローブ側面の第２カメラで、プローブ画像の変化を監視して、この変化状態をプローブ駆動用モータコントローラにフィードバックすることが示されている。これら特許文献４及び５では、プローブ又は試料を監視する手段が、プローブの真上又は真下、及び真横に設置されている。
【０００５】
従来、真空の試料室内でプローブを試料の微細な箇所に正確に接近又は接触させる作業は、作業者が顕微鏡像を目視して、自らの技量に頼って行なっていた。
【０００６】
【特許文献１】特許３５４７１４３号公報
【特許文献２】特開２００２−１５０９９０号公報
【特許文献３】特開２００１−１４７０７０号公報
【特許文献４】特開平８−３３５６１３号公報
【特許文献５】特開平１１−２４８８００号公報
【特許文献６】特許３５７７８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術には次のような問題点がある。
プローブが試料と離間している状態では、プローブ先端位置と目標点との３次元的な位置関係が明らかではない。
【０００８】
顕微鏡が試料面に垂直に設置され、顕微鏡と試料の間にプローブがある場合、プローブの試料面に平行な面内の位置関係は把握しやすいものの、試料との間隔が把握しにくい。特に、FIB照射による二次電子像（Scanning Ion Microscopy像。以下、SIM像と略記）では焦点深度が深いため、プローブが試料表面の上空数１０μm以内にある場合では、プローブと試料に焦点が合い、プローブの高さが把握できない。
【０００９】
また、顕微鏡の光軸が試料面に対して傾斜した装置構成では、プローブ先端の高さ位置は勿論、試料平面に平行な面内の位置関係も把握し難くなる。特に、試料のほぼ同一箇所を観察できるSEMとFIBの複合機の場合、少なくともいずれかの光学軸が試料面に対して傾斜した構成となっているため、いずれかの顕微鏡では斜め上方からプローブを観察することになる。このように、プローブが試料と離間している状態では、プローブ先端位置と目標点との３次元的な位置関係を正確に求めることが難しい。
【００１０】
また、特許文献４や５で示されたようなプローブの真上方向と真横方向に監視手段を設置する方法は、監視手段が荷電粒子ビームの場合は、対物レンズ端と試料面の間隔を示すワーキング距離が数mmから１０数mmであるため、対象試料や試料ステージが非常に小さな場合に限定される。勿論、対象試料が直径200mmや300mmとなるウェーハの場合は、真横からプローブ高さを観察することは不可能である。
【００１１】
さらに、プローブ先端位置と試料上の目標位置との３次元的な位置関係が明らかでなければプローブ駆動速度の設定が難しくなる。つまり、プローブと試料との距離が近いにも関わらずプローブ速度を速く設定した場合、プローブや試料片が試料や試料固定台に急速に接触し、プローブや試料片を破損させる危険性がある。逆に、プローブと試料との距離が十分遠いにも関わらず、プローブ速度を遅く設定した場合、接触までの時間が長くなり過ぎる。このために、プローブ先端と目標位置との位置関係を正確に把握し、プローブを望ましい速度で駆動させることが得策となる。
【００１２】
このように、プローブをその位置に応じた最適なプローブ速度で駆動し、プローブ先端を試料の目標箇所に正確に接触させるために、プローブと接触すべき目標位置との３次元的位置関係を把握することが大きな課題である。
【００１３】
上述の課題に鑑み、本発明は、複数の荷電粒子顕微鏡と試料室内にプローブを設置したプローブ付き顕微鏡において、プローブ先端の３次元的座標を迅速に把握できるプローブ付き顕微鏡及びプローブ接触方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によるプローブ付き顕微鏡は、試料を載置して移動可能な試料ステージと、試料ステージの移動を制御するステージ制御系と、第１の荷電粒子顕微鏡と、第１の荷電粒子顕微鏡の光軸に対して傾斜した光軸を有する第２の荷電粒子顕微鏡と、機械的なプローブと、プローブを駆動するプローブ駆動機構と、第１の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像及び第２の荷電粒子顕微鏡による顕微鏡画像を同時に又は切り替えて表示する画像表示手段と、第１の荷電粒子顕微鏡、第２の荷電粒子顕微鏡、ステージ制御系及びプローブ駆動機構を制御する計算処理部とを有する。計算処理部は、試料上の目標位置とプローブの先端とが入った第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像と、試料上の目標位置とプローブの先端とが入った第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像とから、目標位置に対するプローブの先端の３次元的な相対位置を求める。
【００１５】
また、試料上の目標位置にプローブの先端を接触させるに当たっては、第１の荷電粒子顕微鏡によって取得した試料上の目標位置とプローブの先端が入った第１の顕微鏡画像と、第１の荷電粒子顕微鏡の光軸に対して傾斜した光軸を有する第２の荷電粒子顕微鏡によって取得した試料上の目標位置とプローブの先端が入った第２の顕微鏡画像をもとに、試料上の目標位置に対するプローブの先端の３次元的な相対位置を求め、求めた相対位置情報を利用してプローブの駆動を制御する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の荷電粒子顕微鏡の観察画像を基に、プローブと試料の目標位置との３次元的位置関係を正確に測ることができる。これにより、プローブの３次元的位置に応じたプローブ速度が設定できるため、最適なプローブ速度で短時間にプローブを試料に接近又は接触させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図において、同等の部材には同じ符号を付して説明する。プローブの位置や数は任意であるが、以下では説明を簡単にするためプローブの数は１つとして説明する。また、各実施の形態において、第１の荷電粒子顕微鏡と第２の荷電粒子顕微鏡の組合せは任意であり、例えば第１の荷電粒子顕微鏡を走査型電子顕微鏡（SEM）、第２の荷電粒子顕微鏡を集束イオンビーム顕微鏡（FIB）とすることができる。さらに、装置構成を真横から示した図において、プローブや試料ステージの移動方向として、上方向と横方向のみを記して、紙面に直交方向は省略している。
【００１８】
［実施形態１］
図１は、本発明によるプローブ付き顕微鏡の一例を示す概略構成図である。試料２は、試料ステージ３に載置されて少なくとも直交３軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能である。第１の荷電粒子顕微鏡４の光軸は試料面に対して垂直方向（Ｚ方向）を向き、第２の荷電粒子顕微鏡５の光軸は試料面に対して傾斜している。
【００１９】
プローブ６は、直交３軸に駆動できるプローブ駆動機構７に搭載されている。第１の荷電粒子顕微鏡３や第２の荷電粒子顕微鏡５からの荷電粒子ビーム照射による試料からの二次粒子は信号検出器８で検出される。本装置は荷電粒子ビーム照射部にガスを供給するガス供給源９を有し、先端部のノズル１０からエッチング用もしくはデポジション用ガスが供給できる。これら試料ステージ２、第１の荷電粒子顕微鏡４、第２の荷電粒子顕微鏡５、プローブ駆動機構７、信号検出器８、ガス供給源９はそれぞれステージ制御系１１、第１顕微鏡制御系１２、第２顕微鏡制御系１３、プローブ制御系１４、信号検出器制御系１５、ガス供給源制御系１６に繋がり、これ等は演算処理部１７の制御下に置かれている。信号検出器８の信号は演算処理部１７によって処理され、画像表示手段１８に第１の荷電粒子顕微鏡４及び第２の荷電粒子顕微鏡５の画像が表示される。画像表示手段１８は、また、指示入力部を有し、画像表示手段１８から入力された指示は、演算処理部１７による上記各種制御系の制御に反映される。
【００２０】
第１の荷電粒子顕微鏡４及び第２の荷電粒子顕微鏡５とプローブ６の位置関係、さらには試料ステージ３の座標系、プローブ微動機構７の座標系を、図２を用いて説明する。
【００２１】
試料２面上でプローブ６が接触すべき目標点２３を原点とし、試料面に垂直方向をＺ軸とした直交３軸座標系で、第１の荷電粒子顕微鏡の光軸２１はＺ軸と一致し、第２の荷電粒子顕微鏡の光軸２２は、試料面に目標点２３で交わると共にＸ軸に対してθの角度で傾斜しており、第１の荷電粒子顕微鏡及び第２の荷電粒子顕微鏡から照射された荷電粒子ビームは目標点２３に向かう向き（図２で符号２４、２５で示す）に設置されている。プローブ駆動機構７は、図２に示すように、試料ステージ３の３軸移動方向と同じ座標系を有している。プローブ６の先端を試料２の目標箇所に接触させる操作、少なくとも接触直前のプローブ移動は、プローブ６を試料２に対して垂直方向上方から接近させることにより行なう。これにより、プローブの不意な損傷や位置ずれを避けることができる。
【００２２】
装置構成について図３で説明する。第１の荷電粒子顕微鏡４がFIBで、第２の荷電粒子顕微鏡５がSEMである場合、SEMを使用して信号検出器８で得た２次電子や反射電子などのアナログ情報は、AD変換器３１でデジタル変換され画像表示手段１８に取り込み２次元画像とする。ここでは、画像のうち代表して二次電子像（以下SEM像と呼ぶ）を例にとる。また、FIBからも同様な方法で２次元画像を取得できる。ここでは二次電子像（以下SIM像と呼ぶ）を例にとる。これらSEM像とSIM像を取得する際は共に信号検出器８を用い、例えば、SEM像からSIM像に切り替える際は、SEMからの電子ビーム照射を停止し、FIBからのイオンビーム照射を開始することで、SIM像に切り替わる。もしくは、SEMとFIBの走査速度を違え、それぞれの走査に同期した周期で二次電子を検出し、計算処理機内でデータ処理することなどで、FIB加工を行ないながら同時にSEM観察ができる。
【００２３】
本実施形態では、第１の荷電粒子顕微鏡４で得られた画像を用いて、試料２の接触させたい目標位置３０に対するプローブ６の先端の相対座標を計測する。座標の計測は画像表示手段１８で得られた画像を解析することで行なう。また、この計測や計測値のデータ処理、データ蓄積は計算処理部３２にて行なう。光軸が試料表面に垂直関係にある第１の荷電粒子顕微鏡４で観察した場合、プローブ先端位置座標は、目標位置３０に対してＸ方向（画面横方法）とＹ方向（画面縦方向）のピクセル数と観察倍率、さらに画面の縦方向及び横方向全ピクセル数によって求まる。また、プローブ速度はプローブ駆動コントローラ３３で決定し、そのプローブ駆動速度をもとに、プローブ駆動機構７にてプローブ６を駆動する。
【００２４】
このような装置構成でプローブ駆動前に行なう操作方法の詳細を示す。
まず、事前操作として、第１の荷電粒子顕微鏡の視野と第２の荷電粒子顕微鏡の視野がほぼ同一になるように調整し、一方の顕微鏡で観察している箇所は、他方の顕微鏡でも観察できるように設定しておく。このとき、初期設定として、両顕微鏡とも同一倍率にしておくと、画面切り替えによっても対象物を違和感無く観察できる。また、２方向から顕微鏡観察すると、観察方向が異なった画像となるため操作者には違和感を覚える。そこで、互いの観察画像が同一方向となるように一方の画像を回転補正も施すことで、両画面をほぼ同じ状態で観察することができる。さらに、プローブ先端は、視野内で試料面から１０μmから１００μm程度の高さに設置して、その位置を登録しておき、プローブは普段、試料のビーム照射位置からｍｍ単位からｃｍ単位の距離を隔てた位置に退避させておく。
【００２５】
プローブ先端８を目標位置へ移動する方法を、図４のフローチャートと図５で説明する。本実施例のように第１の荷電粒子顕微鏡がＺ軸に平行な光軸を有し、第２の荷電粒子顕微鏡がＺ軸に対して傾斜した光軸を有する場合、計算処理部は、第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から目標位置に対するプローブの先端のＸＹ方向の相対距離を求め、第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から目標位置に対するプローブの先端のＺ軸方向の相対距離を求める。
【００２６】
まず、第１の荷電粒子顕微鏡の画像３５及び第２の荷電粒子顕微鏡の画像３６を用いて、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、プローブが到達すべき目標位置２３が両画像に入るように試料ステージ移動をステージ制御系に指令を出し（Ｓ０１）、実際に試料ステージをＸＹ面内で移動させる（Ｓ０２）。目標位置２３は画像中心にあれば、第１の顕微鏡の倍率を拡大しても縮小しても、第２の顕微鏡の画像中心に目標点２３が位置していることになるので便利であるが、必ずしも目標位置を画像中心に設定しなければならないことはない。
【００２７】
次に、第１の荷電粒子顕微鏡の視野内にプローブ６の先端が入るようにプローブ駆動制御系に指令を出し（Ｓ０３）、動作させる（Ｓ０４）。プローブの呼び出しステップによって、プローブ先端を視野内に移動させる。第１の荷電粒子顕微鏡の画像３５にてプローブ先端８を認識し（Ｓ０５）、図５（ａ）に示すように、目標点２３座標に対するプローブ先端８の座標を測定する。ここで、目標位置２３の座標（０，０）とし、プローブ先端８の座標を（x1，y1）とする。（Ｓ０６）。
【００２８】
次に、第２の荷電粒子顕微鏡の観察画面に切り替える。もし、画像表示手段が第１、第２の荷電粒子顕微鏡の画像を同時に表示できる環境の場合は、第２の荷電粒子顕微鏡の画像での操作に移る。この第２の荷電粒子顕微鏡の画像でもプローブ先端８を画像認識し（Ｓ０７）、図５（ｂ）に示すように、目標位置２３の座標に対するプローブ先端８の座標を測定する。ここで、目標位置の座標（０，０）とし、プローブ先端座標を（y2，z2）とする（Ｓ０８）。ステップＳ０６及びステップＳ０８で計測した座標成分Ｘ値、Ｙ値と、画像の縦横ピクセル数とＸ値，Ｙ値分のピクセル数、観察倍率から座標値x1，y1，y2を求める。
【００２９】
第１の荷電粒子顕微鏡４は試料２面に垂直に設置されているため、得られたx1，y1値は、プローブ先端８の空間座標のＸ成分、Ｙ成分となる。一方、第２の荷電粒子顕微鏡５は傾斜して設置されているため、画像の横方向の寸法は信頼できるが、縦方向は圧縮された図となっている。つまり、ｙ値は信頼できるものの、ｚ値は第２の荷電粒子顕微鏡の傾斜分を補正しなければならない。具体的には、ｚ値は画像の縦ピクセル数と計測したＺ方向成分z2のピクセル数、観察倍率と光軸の傾斜角から求まり、プローブ先端８の試料面に対する実際の高さzhは、第２顕微鏡の光軸の傾斜角θ、観察倍率Ｍを用いて計算処理部で次式(1)の演算を行なう。
zｈ＝z２／Ｍcosθ            (1)
【００３０】
これにより、目標位置２３に対するプローブ先端８の3次元的な相対座標（x1，y1，zh）が求まる（Ｓ０９）。次に、演算手段は、プローブ制御手段にその相対座標（x1，y1，zh）分の移動を命令する（Ｓ１０）。プローブ制御手段はプローブ駆動機構７のＸ，Ｙ，Ｚ軸の駆動軸を動作させ、プローブを移動させ、目標位置へ接触した時、プローブ移動を停止させる（Ｓ２０）。
【００３１】
次に、退避位置にあるプローブを顕微鏡視野内に呼び出し、目標位置に接触させる一連のプローブの動きを図６で説明する。
【００３２】
図６において、退避位置にあるプローブ６Aを予め登録した顕微鏡視野内の空間位置に呼び出す。この時のプローブを符号６Bで示す。ここで、駆動系はＸＹＺ軸共に１μｍ程度の誤差を有しているため、呼び出し座標を指定しても正確な位置に移動した訳ではない。この状態で上述のように、目標位置２３に対するプローブ６Bの先端５０Bの３次元相対座標を求める。プローブ６Ｂの高さは試料面からおおよそ３０μm程度の位置としている。これは、目標位置である試料面とプローブ先端に荷電粒子顕微鏡の焦点が合う高さで、かつ、試料に衝突する危険性の低い、十分離間した距離から決めた。この座標を基にプローブ駆動機構にプローブ移動を指令して、動作が開始される。
【００３３】
本実施例では、プローブ６Bは、まずＸ軸のみ動作させ、ｘ座標が０になるように移動させる。ｘ＝０となった時、プローブ先端５０ＢはＹＺ平面に接している。次に、Ｙ軸のみ動作させプローブ先端のｙ座標が０になるまで移動させる。この時、プローブ先端はＸＺ面に達し、符号５０Ｃで示した。つまり、ＹＺ平面とＸＺ平面の交線であるＺ軸上にある。次に、プローブ駆動系のＺ軸を移動させるが、先に求めたｚ座標の絶対値分をＸＹ面に到達するように移動すると、プローブ駆動系が有する誤差によって目的位置に正確に達せず、最悪の場合、プローブを破損することも起こりうる。従って、ここでは、まずｚ座標値の９０％をプローブ移動させるように駆動系に指令を与える。ここまでのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の移動はいずれの軸を優先させて移動指せても良いし、複数軸を同時に駆動させてもよい。所定の距離の移動後、プローブを一旦停止させる。この時のプローブを符号６Ｄで示す。ここで、プローブ６Ｄの先端５０Ｄと目標位置２３の位置関係を確認し、必要であれば修正する。まずは、第１の荷電粒子顕微鏡によってＸＹ面内の補正を行なう。ｚ方向の確認は、第２の荷電粒子顕微鏡によって行なってもよいが、微速で短距離を移動するため、ＸＹ面内補正後、直ちにｚを降下させてもよい。所定の0.1ｚ分を移動させて、試料との接触が検知できなければ、プローブは駆動系の誤差のために目標位置の直上で停止していることになり、この場合、さらに0.00５ｚずつ微小降下させて接触させることができる。目標位置２３に接触したプローブを符号６Ｅで示した。
【００３４】
次に、プローブの移動速度について説明する。プローブの移動速度は、プローブの存在位置に応じて何段階かに分けて予めプローブ駆動機構制御系７に事前登録しておく。本実施例では、退避位置６Ａから目標位置２３への接触までに３段階に変速し、目標位置より遠い場所では速く、近い場所では減速させて、目標箇所に正確に効率よく（短時間で）移動させるようにした。例えば、退避位置のプローブ６Aを呼び出し、プローブ６Ｂの位置まではプローブ移動速度を１０〜３０mm／秒（ここでは、高速モードと呼ぶ）、プローブ６Ｂ位置からプローブ６Ｄ位置までの間は５〜２０μm／秒（低速モード）、さらに、プローブ６Ｄ位置から目標位置２３へはＺ軸のみの移動で、プローブ移動速度を０.５〜１μm／秒に減速（微速モード）とした。この複数のプローブ駆動速度の事前登録により、プローブが試料表面から遠いときは速い速度で接近させ、試料表面に近づくに従って速度を緩めて接近させることができ、プローブ３を試料に急激に衝突させることなく、プローブ先端を効率良く接近させることができる。具体例として、退避位置にあるプロープが目標位置に接触するまで約３分要していた作業が、このような変速操作によって、退避位置にあるプロープに移動指令を下して約５秒後に目標位置に接触させることができた。
【００３５】
次に、呼び出し位置から目標位置直前までのプローブのアクセス方法について、以下に説明する。
【００３６】
図７は、荷電粒子顕微鏡の画像内に呼び出されたプローブが目標位置に至るフローが示されている。このフローは、所定の速度で目標に向かって移動して目標位置直前で微速モードに切り替えて目標位置に接触し、停止するまでの流れが示されている。
【００３７】
直前の動作として、退避位置にあったプローブが呼び出され、まず、呼び出し位置でのプローブ先端の目標位置に対する相対座標（x，y，z）を求める（Ｓ０９）。ここで目標座標を（0, 0, 0）とする。この座標の求め方については上述した。その後のプローブ操作手段は目標位置（0, 0, 0）への移動を指令する（Ｓ１１）だけであるが、実際のプローブ動作は次のステップを伴う。プローブは最終接触に至る直前に移動速度をそれまでの低速移動から微速移動に減速し、目的位置に接触し停止する。プローブが微速に減速する座標は（0, 0, kz）と演算され、変速座標（0, 0, kz）まで低速移動する（Ｓ１２）。ここで、０＜k＜１であり、本実施例ではk=0.1とした。つまり、プローブは目標位置の直上で、呼び出し位置の高さｚの１／１０の位置で微速に変速される。具体的には、呼び出し高さを５０μｍとすると、減速する位置は目標位置の直上５μｍである。呼び出し位置から減速位置まではＸ軸とＹ軸のみを所定の低速度で移動し、プローブは減速位置からＺ軸に沿って所定の微速度で降下する（Ｓ１３）。これらのプローブ移動速度は予め登録されている。微速移動でプローブは目標位置に接触し、この接触を検知して（Ｓ１４）、プローブは停止する（Ｓ２０）。このようなフローによって、プローブは試料との接触時にx方向やｙ方向の移動成分を持っていないために、試料面を引きずることや試料面に激突すること無く正確に目標位置に接触できた。
【００３８】
上述のような基本的なフローによってプローブ先端は目標位置に到達するが、実際には各目標位置へプローブを接触させる作業に先立ち、プローブ先端形状の登録と、プローブ先端の呼び出し位置における合焦条件の登録を行なうことで、上述のフローはより確実に流れる。これらについてここで説明する。
【００３９】
プローブ先端形状の事前登録について、図８のフローチャートを用いて説明する。
まず、第１の荷電粒子顕微鏡及び第２の荷電粒子顕微鏡の画像倍率を最低に設定する（Ｓ００１）。本実施例では５００倍とした。次にGUIから退避位置にあるプローブを呼び出す指令を出す（Ｓ００２）。事前に設定した呼び出し位置に向かってプローブ駆動手段が動作し、画像視野内にプローブが移動する（Ｓ００３）。この間、顕微鏡が動作していても、ブランキング状態でもよいが、プローブが停止した時点で、第１の荷電粒子顕微鏡でプローブが確認できるようにする。第１荷電粒子顕微鏡の画像からプローブを確認する（Ｓ００４）。確認方法は、オペレータが目視で確認してもよいし、目視に頼らず計算処理機内に設置しておいた画像認識機能を用いて画像内のプローブ位置を確認してもよい。
【００４０】
次に、プローブが画像のほぼ中心にあるように、必要であればプローブの位置を修正し、観察倍率を予め決めている倍率まで高める（Ｓ００５）。本実施例では３０００倍とした。この倍率でプローブ先端部の形状を登録する（Ｓ００６）。登録の際には、登録画像内に余分な情報が含まれないようにプローブのみが登録画像となるように選択する。
【００４１】
次に、第２の荷電粒子顕微鏡に切り替えてプローブを見る。観察倍率は、ステップＳ００１で用いた第１の荷電粒子顕微鏡の倍率と同じとした。しかし、本来第１の荷電粒子顕微鏡と第２の荷電粒子顕微鏡は試料面上でほぼ同一点が観察できるように設定されているため、試料面から数１０μｍ上空にあるプローブ先端が、倍率が高くなるにつれて第１から第２の顕微鏡への切り替えることによって視野内に入らないことが起こりうる。そこで第２の荷電粒子顕微鏡への切り替え時には、まずステップＳ００１で用いた最低倍率で観ることが得策となる。低倍率でプローブ先端位置を確認して、ステップＳ００５と同じ倍率でプローブ先端形状を登録する（Ｓ００７）。
【００４２】
これらのステップＳ００１からステップＳ００７までは、各プロービング作業の前に行ない、上述のステップＳ０１より前に行なう。
【００４３】
次に、プローブの呼び出し位置における先端の合焦条件の登録について図９で説明する。
【００４４】
本来、第１の荷電粒子顕微鏡と第２の荷電粒子顕微鏡は試料面上でほぼ同一点に焦点が合って、観察できるように設定されているため、第１から第２の荷電粒子顕微鏡への切り替えによって、試料面から数１０μｍ上空にあるプローブ先端に焦点が合わないことが起こりうる。第２の荷電粒子顕微鏡への切り替えによってプローブに焦点が合わないと、プローブ先端を確認できず、本来の目的であるプローブ先端を目標位置に移動できなくなる。そこで、試料面から数１０μｍ上空にあるプローブ先端が、第１の顕微鏡でも第２の顕微鏡でも焦点が合うようにする調整フローを、図８のフローに加えてもよい。図９は、調整フローを加えたフローであり、ステップ番号の同じステップは、図８のステップ内容と同じで、ここでは説明を省略する。
【００４５】
まず、ステップＳ００１の後に、プローブの呼び出し位置の座標をプローブ操作手段GUIから入力し、登録する（Ｓ００１１）。この場合、ステップＳ００５で行なう高倍率でもプローブ先端と目標位置が画面に入る程度の倍率とする。プローブ高さは１０から数１０μｍ程度とし、本実施例では５０μｍとし、これらの数値をGUIで入力し登録しておく。この後、ステップＳ００２からステップＳ００５までは上述の内容を進行させ、ステップＳ００５の後、第１の荷電粒子顕微鏡でプローブ先端と目標位置に焦点が合うようにレンズ条件を調整し、その条件を記憶させる（Ｓ００５１）。
【００４６】
同様に、第２の顕微鏡についてもプローブ先端と目標位置に焦点が合うようにレンズ条件を調整し、その条件を記憶させる（Ｓ００５２）。これにより、ステップ（Ｓ００５）後、自動で焦点が合わせられ、これ以降のプローブ先端形状の登録や目標位置との位置関係の計測などの工程をスムーズに行なうことができる。
【００４７】
［実施形態２］
実施例１では、図２にあるようにプローブの移動座標系がステージの移動座標系と同じ場合を説明したが、本発明はこれに限ることはなく、プローブがプローブ軸方向に移動する軸を有した場合でも同様に適用することができる。
【００４８】
図１０は、プローブ６がステージ移動軸のｘｙ軸が共通で、３軸目がプローブ軸方向である場合のプローブと目標箇所２３の位置関係を示している。ここでは３軸目の座標軸をｐ軸と呼び、第１の荷電粒子顕微鏡であるSEMの観察方向２４と第２の荷電粒子顕微鏡であるFIBの観察方向２５は図２と同じである。ｐ軸はｙ軸とは角度φで傾斜し、ｘ軸とは垂直の位置関係にある。
【００４９】
このようなプローブと目標箇所の位置関係において、プローブ６を目標箇所２３に効率よく接触させる方法を図１１で説明する。図１１（ａ）はプローブ６を退避位置から呼び出した際のSEMによる観察画像３５であり、図１１（ｂ）は傾斜したFIBによる観察画像３６である。FIBは試料表面（ＸＹ面）に対して傾斜しているため、FIBによる画像３６は縦方向と横方向で尺度が異なり、縦方向寸法はFIB光軸の傾斜角と観察倍率によって決まるが、傾斜角に誤差がある場合は、画面上のＺ軸方向の寸法精度は低くなる。図１１（ａ）では、SEMで観察した時のプローブ６の移動軸Ｘ、Ｙ軸と、目標箇所のある試料を乗せた試料ステージの移動軸Ｘ、Ｙとの関係を示し、プローブ軸がＹ軸に一致した状態を示している。図１１（ｂ）ではFIBで観察した時のステージの移動軸Ｙ、Ｚ軸とプローブの移動軸であるＹ、Ｐ軸の関係を示し、プローブ軸がＰ軸に一致した状態を示している。
【００５０】
プローブを呼び出した状態では、プローブ先端位置にバラツキがあるため、プローブ６と目標箇所２３を視野に入れているSEM及びFIBの画像内に呼び出した直後に、図１１（ａ）のようにSEM画像でプローブ位置をＸ軸方向（画面横方向）に移動させてプローブ軸が目標位置２３を通りＹ軸（画面縦方向）と一致するように補正し、図１１（ｂ）のようにFIB像でプローブ軸をＹ軸方向に移動し、目標位置２３を通りＰ軸（プローブ傾斜角と同じ傾斜角を有する直線）と一致するようにＹ軸（画面横方向）の調整を行なう。
【００５１】
次に、図１１（ｂ）で目標位置２３に対するプローブ先端のｐ座標を画像から読み取り、このＰ座標をプローブ駆動機構に伝達してプローブ６をＰ軸のみ駆動させて目標位置に到達させる。
【００５２】
目標位置直前のプローブ移動速度の変速は、本実施例では、呼び出し位置におけるＰ座標の10%、つまり、0.1pの位置を変速位置とし、最終的なｘｙ位置補正を行なうので、目標位置への接触はＰ軸のみの微速で、正確に接触し、プローブ先端を損ねることなく停止できる。
【００５３】
［実施形態３］
本発明によるプローブ付き顕微鏡の別の実施例で、図１２はステージ座標に対する第１及び第２の荷電粒子顕微鏡の光軸とプローブの関係を示す図であり、図１３は特に第１及び第２の荷電粒子顕微鏡の位置関係を示す装置構成の上面図である。
【００５４】
本装置例は、図１２に示すように、第１の荷電粒子顕微鏡の光軸７１がステージ移動座標系のＹＺ平面にあってＹ軸（試料面）との成す角度はθであり、第２の荷電粒子顕微鏡の光軸７２はＸＺ平面にあってＸ軸（試料面）とのなす角度がφである。図１２において、符号７３は第１の荷電粒子顕微鏡の荷電粒子ビーム照射方向、符号７４は第２の荷電粒子顕微鏡の荷電粒子ビーム照射方向を示し、いずれの顕微鏡共に目標点２３を観察する方向（座標系の原点）を向いている。この例においてもプローブの移動座標系は試料ステージの移動座標系と同じである。
【００５５】
次に、図１３で装置構成を説明する。第１の荷電粒子顕微鏡８１をSEM、第２の荷電粒子顕微鏡８２をFIBとする。第１の荷電粒子顕微鏡８１の光軸８３及び第２の荷電粒子顕微鏡８２の光軸８４は試料８５面上で交差しており、プローブ８６はプローブ駆動装置８７によって移動できる。試料８５は試料ステージ８９に搭載され少なくともＸＹＺの３軸の移動軸を有している。この他、信号検出器やガス供給源なども搭載されるが、本実施例では説明を省略する。また、図１２及び図１３には、機器の向きや詳細に幾分の相違があるが、これは説明を理解しやすくするためのものであり本質的なものではない。
【００５６】
次に、図１４を用いて、プローブ先端８を目標位置へ自動移動させる方法を説明する。
図１４（ａ）は第１の荷電粒子顕微鏡で目標点８８とプローブ８６を見た画像９１を、図１４（ｂ）は第２の荷電粒子顕微鏡で見た目標点８８とプローブ８６先端の位置関係を示すが画像９２の模式図である。
【００５７】
本実施例のように第１の荷電粒子顕微鏡がＺ軸に対して傾斜した光軸を有し、第２の荷電粒子顕微鏡がＸＺ面内にあってＺ軸に対して傾斜した光軸を有する場合、計算処理部は、第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から目標位置に対するプローブの先端のＹ方向の相対距離を求め、第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から目標位置に対するプローブの先端のＸ方向の相対距離を求め、第１の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像又は第２の荷電粒子顕微鏡の顕微鏡画像から目標位置に対するプローブの先端のＺ軸方向の相対距離を求める。
【００５８】
まず、第１の荷電粒子顕微鏡による画像９１を用いて、試料８５の目標点８８が観察画像に入るように試料ステージを移動させ、プローブ８６を観察視野内に入るようにプローブ駆動機構を動作させる。特に、目標点８８が画像９１中心にあれば、顕微鏡の倍率を拡大しても縮小しても、画像中心位置に目標点が位置しているので便利であるが、目標点８８を画像９１の中心に設定する必要は必ずしもない。
【００５９】
第１の荷電粒子顕微鏡によるプローブ８６先端のＸ座標、Ｚ座標を計測した時点でプローブ８６は決して移動させずに、第２の荷電粒子顕微鏡の画面に切り替える。なお、第１と第２の荷電粒子顕微鏡画像が別画面で同時に見える環境にあれば、画像を切り替える必要は無く、第２の荷電粒子顕微鏡の画像に注目する。
【００６０】
次に、図１４（ｂ）のように第２の荷電粒子顕微鏡の画像９２で、目標点８８とプローブ８６の先端を同一視野に入れる。顕微鏡の光軸は試料面に対して傾斜しているため、画面の上下（図１４（ａ）、（ｂ）におけるｚ方向）は、光軸の傾斜角に応じて圧縮された像となっている。しかし、図１４（ａ）におけるｘ方向、図１４（ｂ）におけるｙ軸の長さは画像上の寸法と観察倍率によって導き出すことができる。また、z1及びz2は、各画像で得られる見かけ上のｚ座標である。
【００６１】
ｚ方向の座標は、画像上の寸法z1、z2と、観察倍率Ｍと、各光軸の傾斜角θ、φから、次式(2)によって求まる。
ｚ＝z1／Ｍcosθ＝z2／Ｍcosφ                        (2)
【００６２】
図１４に示したように、２つの荷電粒子顕微鏡によって、２種の画像が得られるが、共に傾斜した位置からの観察像であるため、例えば、図１４（ａ）の画面でプローブをＹ軸方向に動作させると、画面内のプローブは上下方向に動いて見える。また、図１４（ｂ）の画面でＸ軸を動作させると上下方向に移動する。
【００６３】
さらに、両画面共に、横方向に比べて縦方向に圧縮された像になっているため、画面で測定した縦方向距離は補正が必要になる。逆に、横方向の寸法が信頼でき、ピクセル数と倍率から距離が求まる。このように、プローブ８６の先端を瞬時に目標箇所８８に到達させるには、ｘｙｚの３軸を巧みに動作させなければならない。
【００６４】
そこで、プローブを次のように動作させる。図１５を用いて説明する。
図１５（ａ）は第１の荷電粒子顕微鏡８２で観た画像であり、退避位置から呼び出されたプローブ８６と、目標位置８８は画面内にある。目標位置８８を原点とし、縦方向がＺ軸で、横方向がＸ軸である。ここで、図１５（ｂ）のようにプローブ８６をＸ軸に平行にＺ軸に向かって移動させ、Ｚ軸に到達すればプローブ動作を停止する。停止した状態のプローブは符号８６ａで示されている。この動作によって、プローブ８６の先端はＹＺ面にあると言える。
【００６５】
次に、図１５（ｃ）は、第２の荷電粒子顕微鏡でプローブ８６ａと目標位置８８を観た画像である。縦方向がＺ軸で、横方向がＹ軸である。ここで、プローブ８６ａをＹ軸に平行に、つまり、画面上真横に移動させ、Ｚ軸、つまり目標位置を通る縦線向かって移動させる（図１５（ｄ））。Ｚ軸に達した時、プローブ移動を停止する。この時のプローブを符号８６ｂで示した。この操作によって、ＹＺ面にあるプローブ先端は、ＹＺ面内でＺ軸、つまり、ＸＺ面に向かって移動し、ＸＺ面に達した時に停止させたので、プローブ８６ｂはＹＺ面とＸＺ面の交線、まさしくＺ軸上、つまり、目標箇所の前上に位置することになる。
【００６６】
最後に、プローブのＺ軸のみを動作させて目標位置に接近させ、ついには目標位置に正確に接触させることができる。ここでの目標位置への移動速度は、実施例１で示したように、プローブ８６ｂのＺ値の９０％をある程度早い速度で降下させ、残り１０％の地点で減速させる。この時のプローブを図１５（ｅ）に符号８６ｃで示した。最後に、プローブ８６ｃを微速で降下させて目標位置８８に接触させることができた。
【００６７】
このように、２つの荷電粒子顕微鏡の光軸が共に傾斜した構成の装置であっても、プローブを正確に、迅速に目標位置に接触させることができる。
【００６８】
図１３に示した実施形態例をさらに便利にするために、図１６のように、上記の第１の荷電粒子顕微鏡８１、第２の荷電粒子顕微鏡８３に加え、Ｚ軸上に第３の顕微鏡１０１として光学顕微鏡を設置した。このことで、第１の荷電粒子顕微鏡、第２の荷電粒子顕微鏡によるプローブ先端位置の高精度の位置出しと共に、低倍率の観察、パッシベーション膜下のパターンやウェーハのアラインメントを行なうことができる。
【００６９】
上述のように２つの荷電粒子顕微鏡を切り替えて使用することで、プローブ先端の空間位置を正確に知ることができ、試料上の目的位置に正確に移動させることができる。また、プローブの現在位置を把握できることで、移動速度を安心して設定でき、効率良く試料面の目標位置に移動することが可能となる。
【００７０】
［実施形態４］
本実施例は、プローブを上記実施例のように動作させるのに必要な操作画面（グラフィカル・ユーザ・インタフェイス）に関する実施例である。図１７は、プローブ操作画面の一例を示す図である。
【００７１】
この画像表示手段１２０は、プローブ操作画面１２１とステージ操作画面１２２を表示している。プローブ操作画面１２１には第１と第２の荷電粒子顕微鏡によるそれぞれの画像表示部１２３、１２４があり、それら画像表示部１２３にSEM像、SIM像、ＯＭ像（光学式顕微鏡像）、CAD（配線設計図）のメニューから画像表示内容を選択する画像選択部１２５がある。本実施例の場合、画像表示部１２３にはSIM選択ボタン１２６が活性化されてSIM画像が表示され、画像表示部１２４にはSEM選択ボタン１２７が選択されている。選択の仕方はこれに限ること無く、組合せは自由である。画像表示部１２３、１２４には各画像の観察倍率に相当する視野寸法設定部１２８a、１２８ｂを有している。
【００７２】
プローブ呼び出しボタン１２９は、退避位置にあるプローブを観察視野内に導入するためのボタンであり、計測ボタン１３０は、画像表示部１２３又は１２４で少なくともプローブ先端１３７と目標点８８の２点を指定することで目標点８８に対するプローブ先端１３７のプローブ駆動軸に沿った座標を計測する。画面上の計測箇所を指示する方法は、マウス、テンキー、タッチペン等、既存のポイントデバイスを用いる。画面上で指示した点はそれぞれプローブ移動座標系のうちの２軸成分に分けた座標とし、画面のピクセル数、観察倍率及び観察顕微鏡の光軸の傾斜角を考慮して実寸法に演算する。例えば、実施形態３の配置の場合、第１の画像表示部１２３ａからは目標点を原点としたプローブ先端の相対的な座標（ｘ，ｚ）が、第２の画像表示部１２３ａからプローブ先端座標（ｙ，ｚ）が明らかになり、プローブ先端の３次元的座標として（ｘ，ｙ，ｚ）が得られる。移動ボタン１３１は、上記操作で求めたプローブ先端座標（ｘ，ｙ，ｚ）を基にプローブを目標点８８に移動することを指示するボタンである。さらに、退避ボタン１３２は、プローブを視野外で待機する位置に戻すことを指示する。プローブ移動によってプローブ先端が無事目標点に達すれば、画面上、接触停止サイン１３３が表示される。また、何らかの事故に遭った場合には緊急停止ボタン１３４を押釦することで全システムの安全を確保している。
【００７３】
次に、ステージ操作画面１２２について説明する。プローブの移動先である試料上の注目点８８は、他の検査装置で得られた座標や予め明らかな座標を、ステージ操作画面１２２で３次元情報として入力する。この操作に当たっては、事前にウェーハのＺ方向補正やチップ単位のアライメントが施されている。目標位置の座標１３５を入力後、ステージ動作ボタン１３６を押釦することで、ステージがＸ，Ｙ方向に移動し、第１、第２の荷電粒子顕微鏡の視野が画像表示部１２３，１２４に表示される。
【００７４】
このような操作画面には、この他、多数の機能を盛り込むことは可能であるし、重複部は削除でき、操作画面は必ずしも同時に複数画面を表示する必要もないのは言うまでもない。
【００７５】
［実施形態５］
上記実施例では複数の荷電粒子顕微鏡の光軸が試料面で交差する装置構成例を示したが、交差しない構成でも本発明は適用できる。本例では、図１８に示すように、例えば第１の荷電粒子顕微鏡２３１の光軸２３２が試料２３３と垂直に交わり、第２の荷電粒子顕微鏡２３４の光軸２３５が試料２３３と垂直に交わらず、プローブ駆動手段２３６は試料ステージ２３７上に設置され、試料２３３と共に移動できる構成である。
【００７６】
まず、第１の荷電粒子顕微鏡２３１でプローブ２３８のｘ，ｙ座標（x3,y3）が求まり、ステージ移動後、第２の荷電粒子顕微鏡２３４の観察視野にプローブ２３８と目的位置を導入することで、プローブ２３８のＸ，Ｚ座標（x3，z3）が判る。
【００７７】
このようにして試料面の目標位置に対するプローブ先端の相対的な３次元的座標（x3，y3，zh3）が判り、この情報をプローブ駆動手段２３６に送り、動作させることで、プローブ先端を目的位置に移動させることができる。
【００７８】
［実施形態６］
上記本実施例では、複数の荷電粒子顕微鏡を搭載した例について説明したが、荷電粒子顕微鏡が一本の場合でも可能であることを図１９で説明する。本実施例では、姿勢変更可能な荷電粒子顕微鏡１４１を一本のみ搭載して、試料室１４２内でプローブ１４３の動作ができ、荷電粒子顕微鏡１４１の光軸１４４と試料ステージ１４５に載置された試料１４６面との交点がずれないように光軸が可変できる機構（図示せず）を有した装置構成である。また、荷電粒子顕微鏡１４１の光軸１４４が試料１４６の面に垂直の時であっても、傾斜していてもプローブ１４３が荷電粒子顕微鏡１４１，１４１’の視野に入るように構成されている。
【００７９】
光軸１４４が試料１４６の面に垂直にある時、プローブ１４３の先端を観察すると、プローブ先端の座標（x4，y4）は上述と同様の方法で求まる。次に、光軸を元の位置に対して角度ω分傾斜させてプローブ先端を観察し、プローブ先端の座標（x4，z4）を求める。このz4値と、光軸傾斜角ωからプローブの実際の高さzh4を上述と同様に求めることができる。これらの作業により、プローブ先端の座標（x4，y4，zh4）を求めることができる。この座標を用いて、プローブ１４３を試料１４６上の目標位置に移動させることができる。具体的な動作手順については上記実施例で示した方法と同じでよい。
【００８０】
同一光学系で光路を変えて観察する従来技術としてビームを大角度に偏向してプローブ先端を違った方向から観察することも考えられるが、この場合、FIBやSEMの偏向角は高々数°であるためプローブ先端の３次元座標を正確に計測することができない。観察角を大きく違えることができる本方法は、求めた座標位置誤差を小さくできる利点を有する。
【００８１】
［実施形態７］
本実施例は、実施例１で示したプローブ移動方法に関連し、特にプローブ先端と目標位置を画像から画像抽出して、その相対位置関係を自動計測することで、目標位置の指定とプローブ移動完了までの間の工程を簡略化させた例である。図２０を用いて説明する。
【００８２】
操作者は、画像表示手段において目的位置の座標（x0, y0）を入力し（Ｓ３１）、ステージ移動の指示をする。これにより、演算処理器はステージ制御系に指令し、目標点が荷電粒子顕微鏡の観察視野内に入るようにステージが移動し停止する。ステージの停止後、もしくは移動時に、退避状態にあるプローブにもその先端が観察視野内に入るようにプローブ駆動制御系に並行して指令する。この時、目標点が視野中心近くにあるが、プローブ先端は目標点とプローブが重ならない視野内の位置が好ましい。プローブ及びステージの停止後、目標点とプローブ先端が共存する画像を２方向からの顕微鏡観察によって取得し、画像認識によりプローブ先端の目標点に対する相対座標を取得する。取得した時点で、画像表示部のプローブ操作画面にプローブ移動可能状態であることを表示するように演算処理器から命令する。
【００８３】
操作者は、画像表示部に表示されたステージ移動完了と、プローブが移動可能である表示を確認した後、プローブ移動の命令を与えるジョグボタンを押す（Ｓ３２）。演算処理器は、先に得たプローブ先端の相対座標をプローブ駆動制御系に送り、ＸＹＺ軸のそれぞれの微動機構を動作させ、プローブ先端の座標と目標点が一致した時点でプローブ移動を停止させる（Ｓ３３）。
【００８４】
このように、操作者は目標点の入力とプローブ移動の命令ボタン操作のみでプローブを目標点に移動させることができる。この操作を行なう画像表示部の例を図２１に示す。画像表示部１６１には、ステージ操作画面１６２とプローブ操作画面１６３の少なくとも一方が表示されており、ステージ操作画面１６２には目標点の座標を入力する座標入力部１６４及びステージ移動ボタン１６５が少なくとも配置されており、プローブ操作画面１６３には顕微鏡画面１６６ａ、１６６ｂ、プローブ移動ボタン１６７、移動完了表示部１６８が少なくとも配置されている。
【００８５】
上述のような操作者による画面操作の間、演算処理器は、ステージ制御系、プローブ駆動制御系、画像からの２点の計測を指示、確認して連続したフローを処理している。
【００８６】
なお、上述の実施例においては、試料は一旦観察画面内に入れば殆ど停止状態で、プローブを積極的に動作させて目的点に移動させる方法を示してきたが、本発明の趣旨から、本実施例に限定されることは無く、視野内に入ったプローブを殆ど停止状態とし、ステージを積極的に動作させて、試料面の目標点をプローブ先端に移動させる方法も適用できる。
【００８７】
［実施形態８］
別の実施例を図２２で説明する。図２２におけるプローブ付き顕微鏡１７１は、試料１７２面に対して垂直と傾斜状態に可変な第１の荷電粒子顕微鏡１７３と、垂直に固定された第２の荷電粒子顕微鏡１７４が互いの光軸１７５，１７６が試料１７２面で交わることがないように離間して搭載され、プローブ１７７は第１の荷電粒子顕微鏡１７３下で動作するように配置され、また、試料１７２は第１の荷電粒子顕微鏡１７３と第２の荷電粒子顕微鏡１７４で観察できるよう試料ステージ１７８が往復できる構成になっている。特に、本実施例では第１の荷電粒子顕微鏡１７３としてSEM、第２の荷電粒子顕微鏡１７４としてFIBを用いた。本装置の用途は、SEM（第１の荷電粒子顕微鏡）１７３’で試料１７２である半導体デバイスの表面を観察し、配線の不良部分を試料１７２面に垂直方向からのSEM観察で行ない、CADによる配線を表示しながらSEMによる実体の観察像を表示して、断線部や短絡部を探索する。その後、試料ステージ１７８を移動させ、不良部に対してFIB（第２の荷電粒子顕微鏡）１７４による配線接続作業や不要部の削除作業を行なう。再度ステージ１７８をSEM１７３’に戻して、加工領域の電気特性を確認するためにプローブ１７７を試料１７２の配線に触針して計測する。プローブ１７７を特定の配線に触針する時に本発明のプローブ移動の技術を用いることで、プローブを目標位置に正確に、かつ、より迅速に移動することができる。
【００８８】
図２３は、図２２に示すプローブ付き顕微鏡１７１が備える、試料１７２やプローブ１７７を観察・操作する画像表示部１８１の例を示している。本実施例は、第１の荷電粒子顕微鏡の下に複数のプローブ１７７ａ，１７７ｂが設置された例を示し、画像表示部１８１に表示されるプローブ操作画面１８２には、試料の構造を示すコンピュータ設計図画面１８３及び第１の荷電粒子顕微鏡によるSEM画像１８５が、画像選択部１８４で選択されて表示されている。プローブ操作画面にあるプローブ選択部１８６で、第１プローブ１７７ａを選択し、コンピュータ設計図画面１８３で測定すべき箇所をポインタ１８７で指定することにより、プローブ１７７ａが測定すべき目標プラグ１８８ａに移動する。必要なら、この動作はSEM画面１８５で観察することができる。目標プラグ１８８ａに第１のプローブ１７７ａが接触すると、接触表示部１８９が変色する。同様に、他の測定点についてもプローブ選択部１８６で第２のプローブを選択し、コンピュータ設計図画面１８３で測定位置指定することにより、第２のプローブ１７７ｂが移動して目標位置１９０に接触する。
【００８９】
これらの作業流れは一意的に限定されるものではなく、第１、第２のプローブについて移動先を指定し、第２の荷電粒子顕微鏡で各プローブ先端の座標を計測して、両プローブを同時に動作させてもよい。
【００９０】
このようにして、本発明による複数の顕微鏡もしくは１本の顕微鏡の観察方向を変えることでプローブ先端の３次元的座標を把握する方法により、微小領域の電気計測も簡便に正確に、短時間で行なえるようになる。
【００９１】
［実施形態９］
本実施例のプローブ付き顕微鏡における第１の荷電粒子顕微鏡と第２の荷電粒子顕微鏡の配置は、図１２に類似しているが、第１の荷電粒子顕微鏡の光軸が、ＸＹ平面内においてＹ軸と角度ηを成すＷ軸とＺ軸によって作られるＷＺ平面にある点のみが異なっている。
【００９２】
すなわち、第１及び第２の荷電粒子顕微鏡は、試料面上でプローブ６が接触すべき目標点２３を原点とし、試料面に垂直方向をＺ軸とした直交３軸のＸＹＺ座標系にあり、プローブも同じ直交３軸に沿って移動できる。第１の荷電粒子顕微鏡の光軸は、ＸＹ平面内においてＹ軸と角度ηを成すＷ軸とＺ軸によって作られるＷＺ平面にあって、原点を通りＷ軸と角度θをなしている。また、第２の荷電粒子顕微鏡の光軸は、ＸＺ平面にあって、原点を通ってＸ軸と角度φをなしている。図２４に、Ｚ軸方向から見た、ステージ座標系に対するプローブ付き顕微鏡の第１及び第２の荷電粒子顕微鏡の光軸とプローブの関係を示す。
【００９３】
本実施例の場合、プローブ６先端のｙ座標は、実施形態３と同様に、第２の荷電粒子顕微鏡の観察画像から求めることができる。プローブ６先端のｘ座標は、次のようにして求めることができる。いま、第１の荷電粒子顕微鏡の観察画像において、見かけのｘ座標値をａとすると、幾何学的な関係からｘ座標値はａ、ｙ及び角度ηと次のような関係を有する。
ａ＝ｘcosη＋ｙsinη
【００９４】
従って、ＸＹＺ座標系におけるｘ座標は、観察倍率をＭとして、次式(3)で表される。
ｘ＝（ａ−ｙsinη）／Ｍcosη            (3)
【００９５】
また、プローブ先端のｚ座標は、実施形態３で説明したように、観察画像でのz間隔をcosθで除した値と観察倍率によって決まる。
【００９６】
このように、２本の荷電粒子顕微鏡が、相互に直交関係にない場合であっても、試料上の目標位置に対するプローブ先端の３次元的な相対位置を求め、その情報をもとに、プローブを駆動して、プローブ先端を試料上の目標位置に接触させることができる。
【００９７】
以上、図２、図１０、図１３、図１６、図１８、図１９、図２２などの装置形態を例に、本発明によって、真空試料室内にあるプローブの先端を試料上の所望の位置に正確に接触できることを示した。本発明によるプローブ先端位置を正確に検知する方法を用いることで、例えば、特許文献１に示されている電子顕微鏡の試料作製方法がより正確に、短時間で出来るようになり、また、画像認識などを利用することで自動化ができる効果をもたらす。
【００９８】
さらには、試料室内に設置されたプローブ数が複数の場合でも、上述の方法は適用でき、例えば、特許３５７７８３９号（特許文献６）に開示されている微細領域の電気特性計測にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の装置構成例を示す模式図。
【図２】ステージの座標系、顕微鏡の光軸、プローブの座標系の関係を示す模式図。
【図３】装置の概略を説明する図。
【図４】プローブ先端を目標点に移動させるための手順を示すフローチャート。
【図５】プローブ先端の３次元座標を求める際の手順を説明する図。
【図６】プローブ先端を目標点に移動させる最終段階の手順を示すフローチャート。
【図７】ステージの座標系、顕微鏡の光軸、プローブの座標系の関係を示す模式図。
【図８】本発明の別の装置構成例を示す平面模式図。
【図９】プローブ先端の３次元座標を求める際の手順を説明する図。
【図１０】本発明の別の装置構成例を示す平面模式図。
【図１１】プローブ接触検知方法を示す説明図。
【図１２】プローブの座標系、ステージの座標系の関係を説明する図。
【図１３】本発明の別の装置構成例を示す模式図。
【図１４】プローブ先端の座標を求める方法を説明する図。
【図１５】プローブの動きを説明する図。
【図１６】本発明の別の装置構成例を示す模式図。
【図１７】プローブ動作指令を行なう画像表示部の構成例を示す図。
【図１８】本発明の別の装置構成例を示す模式図。
【図１９】本発明の別の装置構成を示す模式図。
【図２０】簡便なプローブ移動手順を示すフローチャート。
【図２１】プローブ動作指令を簡便にする画像表示部の構成例を示す図。
【図２２】複数のプローブを有する顕微鏡の装置構成例を示す模式図。
【図２３】複数のプローブを有する顕微鏡における画像表示部の構成例を示す図。
【図２４】ステージ座標系に対する顕微鏡の光軸とプローブの関係を示す上面図。
【符号の説明】
【０１００】
２：試料、４：第１の荷電粒子顕微鏡、５：第２の荷電粒子顕微鏡、６：プローブ、１８：画像表示部、２３：目標点、１２０：画像表示手段、１２１：プローブ操作画面、１２２：ステージ操作画面、１２３：第１顕微鏡画像、１２４：第２顕微鏡画像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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