(57)【要約】【課題】  真空を保持したままマニピュレータの探針の交換作業が迅速に行える荷電粒子ビーム用マニピュレータを提供する。【解決手段】  プローブマウント３２を移動して使用済のプローブ２７をプローブ交換位置２０に移動させ、必要に応じてプローブホルダ３４を回転させ、空のプローブ収納部３５をプローブ交換位置２０に移動させる。次に使用済のプローブ２７をプローブ固定板ばね２９から取り外し、空のプローブ収納部３５に収納する。次にプローブホルダ３４を回転させて未使用のプローブ２７ａが収納されているプローブ収納部３５ａをプローブ交換位置２０に移動させる。未使用のプローブ２７ａをプローブ収納板ばね３０から取り出し、プローブ固定板ばね２９に装着すればプローブ交換が完了する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料室と連通する予備交換室との間で試料ホルダを移動可能な移動機構を有し、且つ前記試料ホルダ上の試料に接触させるプローブを保持し移動させるマニピュレータを前記試料室内に備えた荷電粒子ビーム装置において、
前記マニピュレータに設けられ前記プローブを着脱可能に支持するプローブ支持手段と、使用済みプローブを収納する第１のプローブ収納部と未使用プローブを収納する第２のプローブ収納部を有するプローブホルダを備え、
前記プローブ支持手段と前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部は向かい合う一組の板ばねからなり、前記プローブを挟んでいる方の向かい合う一組の板ばね先端の間隔が、前記プローブを挟んでいない方の向かい合う一組の板ばね先端の間隔よりも広くなるように構成され、
前記試料室内の真空を保持した状態で、前記プローブ支持手段を前記第１又は第２のプローブ収納部に対して会合・離間させることにより、前記使用済プローブを前記プローブ支持手段から取り外して前記第１のプローブ収納部へ収納し、前記未使用プローブを前記第２のプローブ収納部から取り出して前記プローブ支持手段に装着するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
前記プローブホルダは、前記移動機構により前記試料室と連通する前記予備交換室との間で移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
前記プローブホルダ上に前記試料を載置可能な構成となっていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部は、前記プローブホルダ上の外周近傍に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
前記プローブ支持手段との間で前記使用済プローブ及び前記未使用プローブの取り外し及び装着を行う位置に前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部を移動させる手段は、前記試料ホルダの中心を回転中心として前記試料ホルダを回転させる手段であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
前記プローブは、その胴体部から前記プローブ先端部が支持される端部とその反対側の端部に向かうにつれて細くなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の荷電粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータを備える走査電子顕微鏡等の荷電粒子ビーム装置に関わり、特にマニピュレータにより試料の電気特性を測定するときに使用するプローブの交換機構に関わる。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡などの荷電粒子ビーム装置において、試料室内にプローブ（探針）を備えるマニピュレータを設け、試料室内に配置された試料に電圧等を印加して試料の電気特性を測定するものがある。このような構成を持つ従来の走査電子顕微鏡の一例を図１に示す。図１は、従来技術における走査電子顕微鏡の試料室及びその周辺の概略構成を示す断面図である。図１において、電子線ＥＢは対物レンズ２により細く絞られて試料ホルダ１４に載置された試料１５に照射される。なお、電子銃、集束レンズ走査コイル等からなる鏡筒は図示を省略している。
【０００３】
試料室１内は真空に保たれ、Ｚ軸移動・傾斜機構を備える試料ステージ５が試料室１の壁に取り付けられている。試料ステージ５の上には広範囲の試料移動を行うためのＹ軸移動ステージ６とＸ軸移動ステージ７が構成されている。ここでＹ軸移動ステージ６とＸ軸移動ステージ７の上下関係に特段の意味は持たない。Ｘ軸移動ステージ７の上にはマニピュレータ１８が載置されている。マニピュレータ１８には、マニピュレータ基台８と、一つのプローブ毎にＸ軸移動機構９、Ｙ軸移動機構１０、Ｚ軸移動機構１１、プローブマウント１２、プローブ支持部材１３、プローブ１７が構成されている。ここで、Ｘ軸移動機構９、Ｙ軸移動機構１０、Ｚ軸移動機構１１の上下関係に特段の意味は持たない。プローブ１７にはリード線（図示せず）が配線されていて、試料室１の壁に設けられた気密端子（図示せず）を通して真空外に電気信号を取り出せるようになっている。また試料ホルダ１４もマニピュレータ基台８上に載置されている。
【０００４】
試料室１には予備交換室３が取り付けられており、試料室１と連通する予備交換室３の間は真空仕切弁４が設けられている。試料室1と予備交換室３の内部は真空排気系（図示せず）により、それぞれ個別に真空保持と大気開放の切り換えが可能である。予備交換室３にはマニピュレータ１８を予備交換室３と試料室１との間で移動させるための交換用シャフト１６が設けられている。図２は、図１の従来技術における試料室及びその周辺を上方（対物レンズ２側）から見たときの平面図である。図２において、試料の電気特性を測定するためのプローブを４本設ける場合を示しているが、プローブの本数は測定の目的により異なる。例えば、試料に照射された電子線がアースに流れる際に生じる内部起電力を測定する場合、任意の２点間の電圧を測定するためには少なくとも２本のプローブが必要である。また例えば、４本のプローブを使用する４端子法においては、試料の両端に接触させた２本のプローブの間に直流電圧を印加し、他の２本のプローブを所望する試料上の２点に接触させ、その２点間の電圧降下を測定して試料の抵抗を測定する。
【０００５】
測定によりプローブの先端が変形・摩耗してプローブ交換を行うことが必要となった場合は、マニピュレータ１８を予備交換室３に移動する。交換は以下の手順で行う。先ず予備交換室３を真空状態とし、真空仕切弁４を開けて交換シャフト１６の先端部を試料室内に移動させ、マニピュレータ基台８と連結させる。交換シャフト１６を予備交換室３側に移動させると、図３の平面図に示すように、マニピュレータ基台８はマニピュレータ１８と試料ホルダ１４を載せたまま予備交換室３に移動する。再び真空仕切弁４を閉じて予備交換室３のみを大気開放すれば、プローブ交換を行うことができる。上記の手順から明らかなように試料交換のみが必要な場合もプローブ交換と同じ手順で行われる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２５１８２０号
【特許文献２】特開２００５−２６５３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気特性を測定する試料としては半導体が主であるが、ＬＳＩ、ＶＬＳＩと集積度が大規模・高密度化するにつれて、プローブを接触させる部位も微小となっている。そのため測定に使用するプローブの先端は極めて細く作られており、変形・摩耗し易いためプローブ交換頻度が高くならざるを得ない。しかし、図１〜３に示す従来技術では、高真空中で使用しているプローブを交換する際にプローブをマニピュレータごと大気中に取り出す必要があるため、交換に時間がかかるという問題がある。
【０００８】
こうした問題を解決するために、特許文献１の特開２０００−２５１８２０号には、プローブホルダ専用のエアロック室を設け、プローブ保持部材をエアロック室に取り付けてプローブ毎移動可能なように構成し、プローブ交換の際はエアロック室にプローブを移動して大気開放されたエアロック室で交換作業を行うようにした技術が開示されている。この技術によれば、複数のプローブ交換専用のエアロック室を設けることにより、複数プローブによる試料の電気特性測定が可能で、本体の真空を保持したままプローブ交換を行うことができる。しかし、プローブホルダ専用のエアロック室をプローブ毎に設けなければならないので、装置の構造が複雑となり、コストアップになるという問題がある。
【０００９】
また特許文献２の特開２００５−２６５３０号には、試料交換を行うための試料ホルダ移動機構とマニピュレータ移動移動機構とを兼用させる機構とする技術が開示されている。この技術によれば、プローブホルダ専用のエアロック室が不要なので、簡易な構成とすることができる。またマニピュレータのプローブ交換の際も、本体の真空を保持したまま効率よく行うことができる。しかし、試料交換のためのエアロック室を兼用しているため、複数のプローブを使用する測定は行えないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述の問題を解決し、複数のプローブを使用した試料の電気特性測定が行えると共に、本体の真空を保持したまま、短時間に消耗したプローブを新しいプローブに交換できるマニピュレータを備えた荷電粒子ビーム装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の問題を解決するために、本発明は、
試料室と連通する予備交換室との間で試料ホルダを移動可能な移動機構を有し、且つ前記試料ホルダ上の試料に接触させるプローブを保持し移動させるマニピュレータを前記試料室内に備えた荷電粒子ビーム装置において、
前記マニピュレータに設けられ前記プローブを着脱可能に支持するプローブ支持手段と、使用済みプローブを収納する第１のプローブ収納部と未使用プローブを収納する第２のプローブ収納部を有するプローブホルダを備え、
前記プローブ支持手段と前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部は向かい合う一組の板ばねからなり、前記プローブを挟んでいる方の向かい合う一組の板ばね先端の間隔が、前記プローブを挟んでいない方の向かい合う一組の板ばね先端の間隔よりも広くなるように構成され、
前記試料室内の真空を保持した状態で、前記プローブ支持手段を前記第１又は第２のプローブ収納部に対して会合・離間させることにより、前記使用済プローブを前記プローブ支持手段から取り外して前記第１のプローブ収納部へ収納し、前記未使用プローブを前記第２のプローブ収納部から取り出して前記プローブ支持手段に装着するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記プローブホルダは、前記移動機構により前記試料室と連通する前記予備交換室との間で移動可能であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記プローブホルダ上に前記試料を載置可能な構成となっていることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部は、前記プローブホルダ上の外周近傍に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記プローブ支持手段との間で前記使用済プローブ及び前記未使用プローブの取り外し及び装着を行う位置に前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部を移動させる手段は、前記試料ホルダの中心を回転中心として前記試料ホルダを回転させる手段であることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記プローブは、その胴体部から前記プローブ先端部が支持される端部とその反対側の端部に向かうにつれて細くなるように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、
試料室と連通する予備交換室との間で試料ホルダを移動可能な移動機構を有し、且つ前記試料ホルダ上の試料に接触させるプローブを保持し移動させるマニピュレータを前記試料室内に備えた荷電粒子ビーム装置において、
前記マニピュレータに設けられ前記プローブを着脱可能に支持するプローブ支持手段と、使用済みプローブを収納する第１のプローブ収納部と未使用プローブを収納する第２のプローブ収納部を有するプローブホルダを備え、
前記プローブ支持手段と前記第１のプローブ収納部と前記第２のプローブ収納部は向かい合う一組の板ばねからなり、前記プローブを挟んでいる方の向かい合う一組の板ばね先端の間隔が、前記プローブを挟んでいない方の向かい合う一組の板ばね先端の間隔よりも広くなるように構成され、
前記試料室内の真空を保持した状態で、前記プローブ支持手段を前記第１又は第２のプローブ収納部に対して会合・離間させることにより、前記使用済プローブを前記プローブ支持手段から取り外して前記第１のプローブ収納部へ収納し、前記未使用プローブを前記第２のプローブ収納部から取り出して前記プローブ支持手段に装着するようにしたので、
複数のプローブを使用した試料の電気特性測定が行えるマニピュレータであっても、本体の真空を保持したまま、短時間で使用済プローブを未使用プローブに交換することができる。そのため、測定の効率を大幅に向上させることが可能となる。また、試料交換時及び使用済プローブのみがプローブホルダに収納されてそれらを新しいプローブに交換する時、試料ホルダのみを大気開放すれば良いので、大きな予備交換室が不要となり、製造コストの削減と操作性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、この実施例は一例であり、本発明がこれに限定されるわけではない。
図４は、本発明における走査電子顕微鏡の試料室及びその周辺の概略構成を示す縦断面図である。図４において、電子線ＥＢは対物レンズ２により細く絞られてプローブホルダ３４に載置された試料１５に照射される。なお、図１と同様に電子銃、集束レンズ走査コイル等からなる鏡筒は図示を省略している。
【００１９】
試料室３１内は真空に保たれ、Ｚ軸移動・傾斜機構を備える試料ステージ５が試料室３１の壁に取り付けられている。試料ステージ５の上には広範囲の試料移動を行うためのＹ軸移動ステージ６とＸ軸移動ステージ７が構成されている。ここでＹ軸移動ステージ６とＸ軸移動ステージ７の上下関係に特段の意味は持たない。Ｘ軸移動ステージ７の上にはマニピュレータ３８が載置されている。マニピュレータ３８には、マニピュレータ基台８と、一つのプローブ毎にＸ軸移動機構９、Ｙ軸移動機構１０、Ｚ軸移動機構１１、プローブマウント３２、板ばね支持部材３３、プローブ２７が構成されている。ここで、Ｘ軸移動機構９、Ｙ軸移動機構１０、Ｚ軸移動機構１１の上下関係に特段の意味は持たない。プローブ２７にはリード線（図示せず）が配線されていて、試料室３１の壁に設けられた気密端子（図示せず）を通して真空外に電気信号を取り出せるようになっている。プローブホルダ３４はマニピュレータ基台８上に載置されている。プローブホルダ３４の上には試料１５が載置され、試料１５を取り巻くようにプローブ収納部３５が複数個取り付けられている。プローブ収納部３５は、使用済プローブと交換用の未使用プローブを収納するために設けられたものである。プローブホルダ３４の下には、プローブホルダ３４の中心を回転中心としてプローブホルダ３４を回転させる回転機構２５が設けられている。
【００２０】
図８（ａ）に、プローブ２７近傍を拡大した斜視図を示す。プローブ２７は、板ばね支持部材３３に支持されたプローブ固定板ばね２９で着脱可能なように挟まれて、試料１５の電気特性の測定が可能な状態に固定されている。図８（ｂ）はプローブ収納部３５にプローブ２７が収納されている状態を示す斜視図である。プローブ収納板ばね３０はプローブ２７を着脱可能なように挟んで保持している。プローブ先端部２８はプローブホルダ３４に空けられたプローブ先端収納穴３４ａの中に収納されるようになっている。プローブ２７のプローブ先端部２８側とその反対側の端部は、後述するプローブ交換を円滑に行うために、胴体部から端に向かうにつれて細くなるように形成されている。
【００２１】
試料室３１には予備交換室２３が取り付けられており、試料室３１と連通する予備交換室２３の間には真空仕切弁２４が設けられている。試料室３１と予備交換室２３の内部は真空排気系（図示せず）により、それぞれ個別に真空保持と大気開放の切り換えが可能である。予備交換室２３にはプローブホルダ３４を予備交換室２３と試料室３１との間で移動させるための交換用シャフト２６が設けられている。
【００２２】
図５は、図４の本発明における試料室及びその周辺を上方（対物レンズ２側）から見たときの平面図である。図５は、試料の電気特性を測定するためのプローブを４本設ける場合を示しているが、プローブの本数は測定の目的により異なり、本発明はこれに限定されるわけではない。
【００２３】
次に、測定によりプローブ先端部２８が変形・磨耗したプローブ２７を試料室３１の真空内で交換する方法について説明する。図７はプローブ交換を行う方法の概念を示す図である。あるプローブに対するプローブ交換位置２０が決められている。プローブ交換位置２０では、板ばね支持部材３３に支持されているプローブ固定板ばね２９とプローブ収納部３５に取り付けられているプローブ収納板ばね３０の向かい合う２枚の板ばねの方向が一致するようになっている。但し図７中のプローブホルダの向きは便宜上全て図８（ｂ）の矢視Ａの方向から見た向きに描いている。
【００２４】
プローブ交換手順の概略を図７に基づいて説明する。先ずプローブマウント３２が移動してプローブ２７がプローブ交換位置２０に設定され、必要に応じてプローブホルダ３４を回転させ、空のプローブ収納部３５をプローブ交換位置２０に移動させる。図７（ａ）はこの時の状態を示している。次に使用済となったプローブ２７をプローブ固定板ばね２９から取り外して空のプローブ収納部３５に収納し、プローブホルダ３４を回転させて未使用プローブ２７ａが収納されているプローブ収納部３５ａをプローブ交換位置２０に移動させる。図７（ｂ）はこの時の状態を示している。次に、未使用プローブ２７ａをプローブ収納部３５ａから取り出してプローブ固定板ばね２９に装着してプローブ交換は完了する。
【００２５】
プローブ交換を行う方法の詳細を図９に基づいて説明する。図９（ａ）は、使用済のプローブ２７を空のプローブ収納部３５に移すときの方法を示している。図９（ａ）において、プローブ２７を挟んでいるプローブ固定板ばね２９の向かい合う２枚の板ばね先端の間隔は、プローブ２７を挟んでいないプローブ収納板ばね３０の向かい合う２枚の板ばね先端の間隔よりも広くなっている。そのため、プローブ固定板ばね２９とプローブ収納板ばね３０を会合させプローブマウント３２を下降させると、プローブ収納板ばね３０の先端は、プローブ固定板ばね２９の先端からプローブ２７とプローブ収納板ばね２９の間に割り込んでいく。プローブ収納板ばね３０が完全にプローブ２７を挟み込んだ後、プローブマウント３２を上昇させてプローブ固定板ばね２９とプローブ収納板ばね３０を離間させると、プローブの取り外しと収納が完了する。
【００２６】
図９（ｂ）は、未使用プローブ２７ａをプローブマウント３２の側に移す時の方法を示している。図９（ｂ）において、プローブ２７ａを挟んでいるプローブ収納板ばね３０の向かい合う２枚の板ばね先端の間隔は、プローブ２７ａを挟んでいないプローブ固定板ばね２９の向かい合う２枚の板ばね先端の間隔よりも広くなっている。そのため、プローブ固定板ばね２９とプローブ収納板ばね３０を会合させプローブマウント３２を下降させると、プローブ固定板ばね２９の先端は、プローブ収納板ばね３０の先端からプローブ２７ａと板ばねの間に割り込んでいく。プローブ固定板ばね２９が完全にプローブ２７ａを挟み込み、プローブマウント３２を上昇させてプローブ固定板ばね２９とプローブ収納板ばね３０を離間させると、プローブの取り出しと装着が完了する。
【００２７】
ここで、例えば図９（ａ）から分かるように、プローブ２７を挟んでいない方の向かい合う２枚の板ばね３０先端が、プローブ２７を挟んでいる方の向かい合う２枚の板ばね２９先端の内側に入り込み、板ばね２９とプローブ２７との間に割り込む際に、割り込む方の板ばね３０の先端が滑らかに入り込むように、プローブ２７のプローブ先端部２８側とその反対側の端部は、胴体部から端に向かうにつれて細くなるように形成されている。
【００２８】
次に、プローブホルダ３４上のプローブ収納部３５に収納されているプローブが全て使用済となった場合に、使用済プローブを未使用プローブに交換する方法について説明する。使用済プローブの交換は、プローブホルダ３４を予備交換室２３に移動し、予備交換室２３内を大気開放してから行う。交換手順は以下のようである。先ず予備交換室２３を真空状態とし、真空仕切弁２４を開けて交換シャフト２６の先端部を試料室内に移動させ、プローブホルダ３４と連結させる。交換シャフト２６を予備交換室２３側に移動させると、図６の平面図に示すように、プローブホルダ３４は予備交換室２３に移動する。再び真空仕切弁２４を閉じて予備交換室２３を大気開放すれば、プローブ交換を行うことができる。
【００２９】
上記した実施の形態では、プローブホルダ３４上に試料を載置する構成としているが、必ずしもプローブ収納部と試料が同じホルダ上にある必要は無く、例えば、プローブホルダ３４にはプローブ収納部のみを構成しておき、プローブ交換の時のみ試料ホルダと交換してプローブ交換を行うようにしても良い。また、例えば、試料とプローブ収納部を同時に試料室内に置き、且つ別々に予備交換室２３に移動可能なように構成しても良い。但し、プローブ交換にかかる時間をより短縮するためには、プローブ収納部と試料が同じホルダ上にあることが望ましい。
【００３０】
また、上記した実施の形態では、プローブホルダ３４を試料交換に使用する予備交換室２３に移動可能な構成としているが、必ずしも試料交換のための予備交換室と兼用で使用する必要は無く、試料交換のためとプローブ交換のための予備交換室を別々に備えていても良い。但し、試料交換のための予備交換室と兼用で使用する構成とすれば、試料室に予備交換室を設けるスペースと製造コストの節約が図れるという利点がある。
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、予備交換室２３はプローブホルダ３４を収容できるだけの大きさであれば良いので、従来技術の予備交換室３に比較して格段に小さくすることができる。そのため、製造コストの削減し、真空排気時間の短縮、操作性の向上を図ることができる。また、一度に多数本の未使用プローブをプローブホルダ３４上に準備しておくことができるので、測定途中でプローブを交換する必要が生じた場合にも、試料室３１内の真空を保持したまま迅速にプローブ交換を行うことができるので、測定の効率を大幅に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術における走査電子顕微鏡の試料室及びその周辺の概略構成を示す縦断面図。
【図２】従来技術における走査電子顕微鏡の試料室及びその周辺の概略構成を示す平面図。
【図３】従来技術において予備交換室にマニピュレータを移動した状態を示す平面図。
【図４】本発明における走査電子顕微鏡の試料室及びその周辺の概略構成を示す断面図。
【図５】本発明における走査電子顕微鏡の試料室及びその周辺の概略構成を示す平面図。
【図６】本発明おいて予備交換室に試料ホルダを移動した状態を示す平面図。
【図７】本発明においてプローブ交換を行う手順の概略を説明するための図。
【図８】本発明において測定可能状態に保持されたプローブとプローブ収納部に収納されている状態のプローブを示す斜視図。
【図９】本発明において真空中でプローブ交換を行う方法の詳細を説明するための図。
【符号の説明】
【００３３】
（同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。）
ＥＢ  電子線（荷電粒子線）
１、３１  試料室                    ２  対物レンズ
３、２３  予備交換室                ４、２４  真空仕切弁
５  Ｚ軸移動・傾斜用ステージ        ６  Ｙ軸移動ステージ
７  Ｘ軸移動ステージ                ８  マニピュレータ基台
９  Ｘ軸移動機構                    １０  Ｙ軸移動機構
１１  Ｚ軸移動機構                  １２、３２  プローブマウント
１３  プローブ取付け部材            １４  試料ホルダ
１５  試料                          １６、２６  交換用シャフト
１８、３８  マニピュレータ
２０  プローブ交換位置              ２５  回転機構
２７、２７ａ  プローブ              ２８  プローブ先端部
２９  プローブ固定板ばね            ３０  プローブ収納板ばね                
３３  板ばね支持部材                ３４  プローブホルダ
３４ａ  プローブ先端収納穴          ３５  プローブ収納部
【図１】
2007071740.tif 000003
【図２】
2007071740.tif 000004
【図３】
2007071740.tif 000005
【図４】
2007071740.tif 000006
【図５】
2007071740.tif 000007
【図６】
2007071740.tif 000008
【図７】
2007071740.tif 000009
【図８】
2007071740.tif 000010
【図９】
2007071740.tif 000011