(57)【要約】【課題】ＳＥＭで試料の観察方向を変えるためには、試料ステージの傾斜か試料の設置向きの変更を行う必要があった。試料ステージの傾斜では、ステージ干渉や試料サイズなどにより傾斜範囲に制限があり、観察方向を変更することができない場合がある。また、試料の付替え作業は、付替えのための作業時間がかかってしまい、スムーズな観察ができない。このように従来は試料の観察方向を容易に切り替えることができなかった。【解決手段】荷電粒子線の加速電圧より高い電圧を印加する電極により、荷電粒子線を入射方向とは異なる方向に反射するミラー面を生成するミラー面生成機構部と、荷電粒子線を電極方向に偏向する偏向手段とを備えることを特徴とする。【選択図】  図３
2013243027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を発生する荷電粒子源と、前記荷電粒子線を偏向および集束する荷電粒子光学系と、試料を載置する試料台と、前記試料に前記荷電粒子線を照射することで得られる二次粒子を検出する検出器と、前記検出器からの信号から前記試料の画像を生成する画像生成部とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子線の加速電圧より高い電圧を印加する電極により、前記荷電粒子線を当該荷電粒子線の入射方向とは異なる方向に反射するミラー面を生成するミラー面生成機構部と、
前記荷電粒子線を前記電極方向に偏向する偏向手段とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記偏向手段の動作を制御する制御部を備え、
前記偏向手段が第１の動作状態に制御された場合に、前記試料の第１の面に前記荷電粒子線が照射され、
前記偏向手段が前記第１の動作状態とは異なる第２の動作状態に制御された場合に、前記試料の第１の面とは異なる向きの第２の面に前記荷電粒子線が照射されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、さらに、
前記電極を上下、または水平、または角度方向への可動とする可動機構を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記電極と前記可動機構とが絶縁されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、さらに、
前記偏向手段に印加する電圧値もしくは電流値、または前記電極に印加する電圧値を自制御する制御部を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料の第２の面内における前記荷電粒子線の照射位置を変更可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御部への動作指示を行うＧＵＩを表示する表示部を備え、
前記ＧＵＩの切替えボタンにより、前記偏向手段の動作を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
大気とは異なるガスを供給するガス源と、
前記試料を前記試料台に設置する際には前記ガスで内部が満たされる雰囲気遮断型試料交換室と、
前記雰囲気遮断型試料交換室に前記ガスを導入する配管とを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料に探針を接触させることで前記試料の情報を検知するプローバユニットを試料室内に備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記ミラー面により反射した前記荷電粒子線を、前記荷電粒子光学系の光軸に垂直な面とは異なる向きの試料面に照射することで、当該試料面の画像を取得することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記偏向手段を、一定周期ごとに前記第１の動作状態と前記第２の動作状態を切り替えることで、前記第１の面と前記第２の面に交互に前記荷電粒子線を照射し、
前記第１の面から得られた信号に基づいて生成された画像と、前記第２の面から得られた信号に基づいて生成された画像を別々のＳＥＭ画像として表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の荷電粒子線装置において、
前記一定周期は、１ラインのスキャン周期であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線を用いて、試料を観察、検査、測定する荷電粒子線装置、特に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に関する。また、半導体ウェーハの不良解析や微粒子観察を行うためのプロービングシステムを備えた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
さまざまな測定機器において、測定時に試料の測定方向または観察方向を変えることが重要な要素となっている。例えば材料開発において、材料の特性が方向によって変わることもあり、測定時には方向を変えながらの測定や観察が行われる。半導体ウェーハの観察においては、不良解析などでウェーハ表面の測定だけでなく、断面方向の測定も必要となる場合がある。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では構造上、電子線は観察試料に対して一方向からの照射となるため、観察方向を切り替えるためには、ステージを傾斜させるか試料の付替え作業が必要となっている。
【０００３】
また、近年ではナノテクノロジー技術の発展によって、試料の微小な領域（マイクロ、ナノメートルオーダー）に探針を当てて試料の情報を得る測定技術も開発されている。この測定技術を用いた装置はプロービングシステムと呼ばれる。このプロービングシステムを用いて電子線による半導体ウェーハの不良解析を行うことができる。プロービングシステムにおいては、探針を試料表面にちょうど接触するように調整する針当て作業が必要となる。このとき、ユーザは試料の上面からの画像を見ながら探針と試料の間隔を調整している。また、別の調整方法としては、試料の上面と垂直方向から赤外線カメラやＣＣＤカメラを用いて撮像された試料とプローバーの画像を、ユーザが見ながら探針の位置合わせを行う方法がある。この場合、赤外線カメラやＣＣＤカメラにてプローバーと試料間の粗調節を行い、プローバー先端部と試料の接触はＳＥＭ画像にて行う。
【０００４】
また、電子線の軌道を変える技術が開発され、測定に応用されている。電子線の軌道を変えるための技術としては、特許文献１が挙げられる。特許文献１では、ミラー状態におかれた試料に対して一次荷電粒子ビームを走査して画像を取得し、得られた画像と標準試料の画像とを比較して局所的な帯電電位を計測する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−５４５０８号公報（ＵＳ７９２８３８４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したようにＳＥＭで試料の観察方向を変えるためには、試料ステージの傾斜か試料の設置向きの変更を行う必要があった。試料ステージの傾斜では、ステージ干渉や試料サイズなどにより傾斜範囲に制限があり、観察方向を変更することができない場合がある。また、試料の付替え作業は、付替えのための作業時間がかかってしまい、スムーズな観察ができない。このように従来は試料の上面（荷電粒子線光学系の光軸に垂直な面）とは異なる向きの面を観察するために、観察方向を容易に調整することができなかった。
【０００７】
本発明は、試料上面とは異なる向きの面を容易に観察することができる荷電粒子線装置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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線の加速電圧より高い電圧を印加する電極により、前記荷電粒子線を当該荷電粒子線の入射方向とは異なる方向に反射するミラー面を生成するミラー面生成機構部と、前記荷電粒子線を前記電極方向に偏向する偏向手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料上面とは異なる向きの面を容易に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成図である。
【図２】ミラー電子が発生する原理図である。
【図３】実施例１のＳＥＭ構成図（ステージ周辺部拡大図）である。
【図４】試料観察方向変更用ＧＵＩを説明する図である。
【図５】実施例２のＳＥＭ構成図である。
【図６】雰囲気遮断観察用ホルダの概略図である。
【図７】従来のプロービングシステムを備えたＳＥＭの構成図である。
【図８】従来のプロービングシステムを用いた針当ての作業フロー図である。
【図９】実施例３のプロービングシステムを備えたＳＥＭの構成図である。
【図１０】実施例４の二方向同時観察用のＳＥＭ構成図と操作ＧＵＩの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る荷電粒子線装置の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下で荷電粒子線装置とは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査イオン顕微鏡、プロービングシステムを用いたナノプローバ、集束イオンビーム装置、およびこれらを応用した検査装置、観察装置、計測装置、加工装置、またはこれらを組み合わせた検査システム、観察システム、計測システム、加工システムを含むものとする。
【実施例１】
【００１２】
最初に従来のＳＥＭを用いた観察について述べる。図１は従来のＳＥＭの構成図である。ＳＥＭは、試料を観察するための試料室１と、試料２に照射する一次電子線３を偏向し集束して試料に照射するための電子光学系を内部に含む筺体４と、試料を設置し移動させるためのステージ５と、一次電子線３の照射によって試料から得られる信号を検出する検出器６と、装置の各部および全体を制御するためのＰＣ等のコンピュータ７、ＰＣモニタ等の表示部８によって構成される。
【００１３】
以下ＳＥＭ観察方法について述べていく。筺体４内の電子銃部９で作られた電子線は加速電極１０によってある任意の加速電圧で加速される。次にコンデンサレンズ１１によって一定の径に集束される。さらに対物レンズ１２によってより細く集束したビーム径を持つ一次電子線３として試料２へ照射される。一次電子線３が照射された箇所からは、二次電子や反射電子等の二次粒子１３が発生する。試料室１内に設置されている検出器６には約１０kVの高電圧が印加されている。この高電圧によって、二次粒子１３は、検出器６に引き寄せられ検出される。検出された二次粒子１３の信号は、配線１４にて制御部１５に送られ、そこで増幅され、コンピュータ７内の画像生成部に送られて偏向信号と対応付けられて画像が生成され、表示部８にてこの画像が表示される。従って、ユーザは一次電子線３が照射された箇所をＳＥＭ画像として観察することができる。
【００１４】
筐体４内には一次電子線３をスキャンするための偏向コイル１６が設置されている。観察領域の変更は、ステージ５を動かすことによって行われる。
【００１５】
また、電子線を用いるため試料室１と筺体４はある程度の真空度に保たれなければならない。試料室１の真空状態は、ロータリーポンプ１７とターボ分子ポンプ１８によって作られる。二つの真空ポンプによって試料室１内の真空度は１０-4Pa程度に保たれている。試料室１内を常に１０-4Pa程度の真空度に保つため、試料２の導入は試料交換室１９を用いて行われる。試料導入の手順としては、先ず試料交換室１９の試料交換棒２０に試料２を設置する。このとき、試料取付けのため、試料交換室１９は大気圧にする必要があり、試料室１の真空度を保つため、試料交換室１９とはゲードバルブ２１によって仕切られている。試料２の取付け後、試料交換室１９を真空にする。真空排気動作は次のようになる。先ずロータリーポンプ１７とターボ分子ポンプ１８を結ぶ配管に設置されている第１のバルブ２２と大気圧にするためのリークバルブ２３が閉じられ、第２のバルブ２４が開き、試料交換室１９内を真空に引く。一定の真空度に到達すると第２のバルブ２４が閉じ、第１のバルブ２２とゲードバルブ２１が開き、試料交換棒２０を試料室１内へ導入可能となる。
【００１６】
試料のステージ５への設置は、試料交換棒２０をステージ５に設置されている固定位置まで導入することで行われる。このとき、ＳＥＭのサイズを小さくするため、試料交換棒２０の長さを短くすることが要求される。試料交換棒２０を短くするための一般的な方法として、試料交換棒２０を折り曲げ式にすることが考えられるが、これは観察する試料２の重量が大きい場合、試料交換棒２０の強度に問題が出てくるため難しい。このため、試料交換棒２０そのものを短くする必要がある。これにより試料交換棒２０の長さに制限がつくため、試料２を載置するためにステージ５を移動させなければならない場合がある。この作業は、例えば半導体ウェーハなど大型サイズの試料を観察したい場合に特に必要となる。また、このような大型サイズの試料観察に対応するためには試料室１のサイズを大きくする必要もあり、大型サイズの試料観察に対応しているＳＥＭの場合にも、同様に、試料導入前にステージ５を試料導入位置まで移動させる動作を行わなければならない。
【００１７】
試料２をステージ５に設置した後、試料交換棒２０を試料交換室１９に戻し、ゲートバルブ２１を閉じ、ステージ５を観察位置まで動かす。観察位置にステージ５が移動すると、上述した内容にて一次電子線３を試料２に照射し、観察を行う。また、排気動作はシーケンスとして表示部８の操作ＧＵＩより制御部１５を介して行う。
【００１８】
上述の観察までに要する時間は、試料交換室１９の真空を引くのに要する時間は、試料交換室１９の大きさと排気系の構成に依存するが、図１のような一般的なＳＥＭ構成の場合、３０秒〜６０秒程度である。これにステージ５の移動時間と一次電子線３の照射に要する時間を含めると、観察までに要する時間は全体で１分〜１分３０秒程度となる。
【００１９】
次に試料観察方向について述べる。図１のＳＥＭ構成では、一次電子線３の照射方向は一方向に限られるため、通常の観察（ステージや電子光学系を傾斜させない場合）では、観察可能な箇所は試料Ａ面２５、例えば電子光学系の光軸に垂直な面に限られる。このため、このままの状態では試料の他の面、例えば試料Ｂ面２６を観察することはできない。なお、以下で、試料Ｂ面は試料の側面として説明しているが、試料Ａ面と異なる向きの面であればよく、必ずしも試料の側面には限られない。例えば試料表面に形成された凹凸形状の側面であっても良い。
【００２０】
試料Ｂ面２６を観察したい場合は、ステージ５を傾斜させて一次電子線３の照射箇所を試料Ｂ面２６に変更させる方法が考えられる。しかし、ステージ５を傾斜させる場合、試料室１内に設置されている他の機構、例えば対物レンズ１２や検出器６との干渉する可能性があるため、傾斜可能な角度には制限がつく。大型試料の場合、試料自体の損傷も問題となるため、傾斜可能な角度はより小さくなる。さらに高分解能観察においては、対物レンズ１２下面と試料２までの距離であるワーキングディスタンス（ＷＤ）２７を小さくする必要がある。ＷＤとの関係からもステージ傾斜角度は制限を受けるため、ステージ傾斜による試料Ｂ面２６への観察方向の変更は難しい。従って、試料Ａ面２５の観察から試料Ｂ面２６への観察方向への変更には、一度試料を取出し、試料ホルダ２８での付替え作業を行う必要がある。上述したように観察までに要する時間は一般的なＳＥＭの場合、１分〜１分３０秒程度あり、これに加えて試料の取出し時間と試料の付替え時間を要することになる。仮に試料の取出しに３０秒、試料の付替え作業に１分程度要するならば、観察方向の変更には最大で３分程度要することとなる。また試料２の導入に際して、試料２のステージ５へのスムーズな導入のため、試料２と試料交換棒２０との固定は簡単な機構によって行われているので、ステージ５へ試料２を導入するときに試料交換棒２０から試料２を試料室１内に落とす可能性がある。これは、特に、重量の大きな試料の場合に想定される。仮に試料室１内に試料２を落としてしまった場合、試料室１を大気にして取出すこととなる。このとき、観察可能になるまでに２〜３時間を要する。
【００２１】
上述した一般的なＳＥＭ観察において、試料の観察方向の変更には、時間がかかり、また試料２のステージ５への導入時に試料２を試料室１内に落とす危険性が生じてしまう。このような課題を解決するためにミラー電子を用いた観察方向の変更について以下に述べる。
【００２２】
先ず観察手法について記載する。図２は本観察手法の原理図である。図２は、加速電圧Ｖｏで加速した一次電子線３と負の電圧Ｖｒが印加された電圧印加部２９を示している。なお、イオンビームを一次荷電粒子線として用いる場合には電圧印加部２９には正の電圧が印加される。
【００２３】
図２の左図のようにＶｏとＶｒが、Ｖｏ＞Ｖｒとなるならば一次電子線３は電圧印加部２９へ照射される。一方、図２の右図のように、Ｖｒ′＞Ｖｏとなるような電圧Ｖｒ′が印加されるとき、電圧印加部２９にはミラー面３０が生成される。これにより、一次電子線３は電圧印加部２９に到達する前にミラー面３０にて反射される。この反射された電子をミラー電子３１という。電圧印加部２９により発生する電位は電圧印加部２９からの距離が離れるにつれ減衰するので、ミラー面３０は電圧印加部２９により発生する電位Ｖと加速電圧Ｖｏがつりあう位置に形成される。
【００２４】
図３は、ミラー電子を用いた試料観察方向変更の概略図である。本実施例によると、上述の原理を用いて観察方向を変えることが可能となる。図３に従い試料側面を観察する手法を説明する。図３はＳＥＭの試料室１内のステージ５付近の拡大したものである。図１と同様の部分については説明を省略する。
【００２５】
試料室１内は１０-4Pa程度の真空度にある。ステージ５には、試料２と、試料２を載置する試料ホルダ２８と、図２で示した原理により一次電子線を反射するミラー面を生成するミラー面生成機構部３２と、試料ホルダ２８がステージ５所定の観察位置に収まりかつミラー面生成機構部３２と干渉を防ぐための試料ストッパ３３とが配置される。ミラー面生成機構部３２は、ミラー面高さ調整用架台３４と、絶縁シールド部３５と、ミラー面水平・角度調整機構３６と、ミラー面生成板３７と、電圧印加用配線３８とで構成される。ミラー面高さ調整用架台３４は、ミラー面生成板３７の高さを調整することでミラー面の高さを調整するためのものである。また、絶縁シールド部３５は、電圧が印加されるミラー面生成板３７とその他の機構部分とを絶縁するものである。また、ミラー面水平・角度調整機構３６は、水平・角度方向を調製するため２部品より構成され、ミラー面生成板３７の水平方向の位置と角度を調整することでミラー面の水平方向の位置と角度を調整するためのものである。ミラー面生成板３７は電極になっており、電圧印加用配線３８が接続され、これによって電圧を印加することができる。ミラー面高さ調整用架台３４、ミラー面水平・角度調整機構３６によってミラー面生成板３７の位置を調整してミラー面を生成することで、試料上の所望の場所に電子線を照射することができる。特に試料Ｂ面上で電子線の照射位置を変えられるので試料Ｂ面においても電子線を走査してＳＥＭ画像を取得することができる。
【００２６】
続いて、ミラー電子を用いた試料観察方向変更の手法について述べる。加速電圧Ｖｏで加速された一次電子線３は筺体４内に設置されている観察方向切替え部３９によって、ミラー面生成板３７の方へ軌道が変えられる。このとき、軌道の変更は観察方向切替え部３９によって生成される電場または磁場によって行われる。すなわち、観察方向切替え部３９は電流を流すことで磁場を生成するコイルであってもよいし、観察方向切替え部３９が電場を発生する電極であっても良い。観察方向切替え部３９は、試料Ａ面２５を観察する際には動作せず（第１の動作状態）、試料Ｂ面２６を観察する際にはミラー面生成板３７の方向へ一次電子線３を偏向するように電場または磁場を生成する（第２の動作状態）。第１の動作状態、第２の動作状態は予め観察方向切替え部３９に印加する電流や電圧の値を設定しておき、ユーザの観察方向の指示操作に連動して制御部１５を介して自動的に切り替えを切替えることができる。
【００２７】
試料Ｂ面２６を観察する際には、電圧印加用配線３８より、加速電圧Ｖｏより大きな電圧Ｖｒ′がミラー面生成板３７へ印加される。ミラー面生成板３７は絶縁シールド部３５を介してミラー面高さ調整用架台３４と組みついており、これにより電圧Ｖｒ′が印加されても放電が起きないようにしている。電圧Ｖｒ′がミラー面生成板３７に印加されるとミラー面３０が形成される。加速電圧Ｖｏと電圧Ｖｒ′はＶｒ′＞Ｖｏであるため、ミラー面３０に入射角度θで入射した一次電子線３はミラー面３０にて反射角度θでミラー電子３１として反射される。反射角度θで反射されたミラー電子３１は試料２の試料Ｂ面２６に照射される。反射角度θは、ミラー面水平・角度調整機構３６によって制御される。本実施例を含め、以下では一次電子線３の入射方向とは異なる方向（すなわちθ≠０）に反射することが特徴である。
【００２８】
ミラー電子３１が照射された箇所からは、二次粒子１３が発生する。試料室１内には検出器６が設置されているため、発生した二次粒子１３は検出器６にて検出されることとなる。検出した二次粒子１３を信号として画像化することで、試料側面方向（試料Ｂ面２６）の様子をＳＥＭ画像として観察することが可能となる。この手法では観察までに要する時間は、図１の説明にて述べた試料交換作業が不要となるので、一次電子線３のミラー面３０への軌道変更に要する時間のみである。一次電子線３の軌道変更に要する時間は微小であり、観察までに要する時間は実質０となる。また試料の向きを変える必要がないので、試料交換時に試料２を試料室１内に落とす危険性もない。また、一次電子線を直接偏向し、試料に照射するため、二次電子などに変換して照射する場合に比べて照射量が多くなり、Ｓ／Ｎの良い画像を得ることができる。
【００２９】
観察方向の切替えは表示部８に表示された観察ＧＵＩより行う。図４にこの観察用ＧＵＩを示す。図４の観察方向切替えボタン４０（Top／Side）をクリックすることで、観察方向を切り替える。観察方向切替えボタン４０のSideボタンをクリックすると、図３の一次電子線３が偏向されミラー面生成機構部３２へ照射されるようになる。このとき、ミラー面生成板３７には一次電子線３をミラー電子３１として反射させるために必要な電圧は制御部１５によって自動的に印加されるが、図４のＧＵＩ下の電圧（Ｖ）印加入力部４１の値を変更することで、印加電圧を変えることもできる。また、角度値（θ）入力部４２、高さ値（Ｚ）入力部４３を変更することでミラー電子３１の照射方向の調整が可能となる。上記の設定を行い、観察方向切替えボタン４０のSideボタンをクリックすると観察画面４４に観察方向が変更された画像が表示される。
【実施例２】
【００３０】
上述した手法の別の実施例として、雰囲気遮断型の試料観察について説明する。なお、以下では実施例１と同様の部分については説明を省略する。
【００３１】
図５は上記手法を用いて雰囲気遮断型の試料を観察する場合の構成図である。先ず図５の構成について述べていく。試料室１、筺体４、ステージ５、検出器６などの基本構成は図１と同じである。筺体４には一次電子線３を偏向するための偏向コイル１６と前述の観察方向切替え部３９がある。雰囲気遮断型の試料の導入のため雰囲気遮断型試料交換室４５が設置される。また、大気とは異なる種類のガスを供給するガス源４６があり、配管４７で雰囲気遮断型試料交換室４５と接続されている。また配管にはガス導入用リークバルブ４８がある。ガス導入機構は、配線によって制御部１５と接続されており、制御部１５はコンピュータ７、表示部８と接続されているため、表示部８の操作ＧＵＩ上からの操作が可能となる。また、一次電子線３をミラー電子３１に変換するためのミラー面生成機構部３２はステージ５上に設置される。なお、観察方向切替え部３９およびミラー面生成機構部３２については実施例１と同様に動作する。
【００３２】
次に図６の雰囲気遮断ホルダについて述べる。図６左図で観察試料を大気から遮断するためにフタ５０が取付けられる。フタ５０の取付時にはベース５１と密着し、ホルダ内部５２を真空または雰囲気ガスで満たすことにより観察試料を大気から遮断することが可能となる。フタ５０を取ると図６右図のようになり、この状態にてステージ５へ導入する。
【００３３】
以下、雰囲気遮断型試料の観察手順について述べていく。図５にて図６左図の状態（フタ取付状態）にて雰囲気遮断ホルダを試料交換棒へ設置する。設置後、雰囲気遮断型試料交換室４５に導入し、真空排気する。真空排気の動作は図１にて述べた真空排気手順と同じである。その後、ガス源４６からガスを雰囲気遮断型試料交換室４５へ導入し、雰囲気遮断型試料交換室４５内をガスで置換する。こうして、試料を試料台に設置する際には雰囲気遮断型試料交換室４５の内部はガスで満たされる。この状態にて、雰囲気遮断ホルダのフタ５０を雰囲気遮断型試料交換室４５に設置してある取外し機構４９を用いて取外す。取外し後、真空排気を行い、試料２をステージ５内に導入する。ステージ５に設置後、観察位置にて、一次電子線３を試料Ａ面２５に向けて照射する。
【００３４】
このとき通常のＳＥＭ観察では観察面は試料Ａ面２５のみとなり試料Ｂ面２６を観察したい場合は図１にて述べたようにステージ傾斜か試料の付替え作業を行うことが必要となる。ステージ傾斜では図１の説明時に述べたように試料の形状や解像度のため試料Ｂ面２６全てが観察できない場合があり、傾斜自体が不可の場合もある。また、試料の付替え作業において、大気暴露が不可な試料の場合には、試料の付替えは大気下では行えないため、専用の作業場所、例えばグローボックスと呼ばれる大気を遮断するボックス内での作業を必要とする。このため、作業効率が悪化し、通常の試料の付替え作業よりもさらに時間を要することになる。さらに付替えのための専用の装置が必要となりコストもかかってしまう。
【００３５】
ここで本実施例の方法を用いれば、ミラー電子３１を用いた手法では上述のような付替え作業は不要となり、またグローボックスのような付替え作業用の専用ＢＯＸも必要ないので、コストも抑えることができる。ミラー電子３１を用いた観察の場合、一次電子線３を観察方向切替え部３９を用いて偏向し、ミラー面生成機構部３２へ照射し、ミラー電子３１として反射して試料Ｂ面２６へ照射することで、試料Ｂ面２６の観察が容易にできる。従って、ミラー電子３１を用いた試料観察方向切替えは、雰囲気遮断型の試料観察において特に有用である。また、試料からの信号は通常の二次電子検出器や反射電子検出器を用いるため、既存の画像化システムでも対応可能である。
【実施例３】
【００３６】
上述した手法の別の実施例として、プローバーを備えたＳＥＭでの針当て作業への適用について述べる。なお、以下では実施例１、２と同様の部分については説明を省略する。
【００３７】
近年、ナノテクノロジー技術の発展によって、試料の微小な領域（マイクロ、ナノメートルオーダー）での針当てによる測定技術（プロービングシステム）が開発されている。プロービングシステムでは、ＳＥＭの試料室内にプローバユニットを設置して微小領域を観察しながら、針当て作業を行う。針当て作業により、例えば半導体デバイス（ＬＳＩなど）の電気特性を得ることで、配線の欠陥情報が取得できる。
【００３８】
図７に従来のプロービングシステムを備えたＳＥＭの構成図を示す。基本的な構成は図１と同じであるため、プロービングシステム用の特有の構成についてのみ述べる。プローバユニット５３は試料室１内に配置され、Ｘ方向、Ｚ方向への粗動／微動機構がついている。また試料室１内には、赤外線カメラまたはＣＣＤカメラ等の撮像装置５４が配置される。撮像装置５４からは信号送信用配線５５がＰＣ等のカメラ画像用のカメラ観察用コンピュータ５７と接続されている。
【００３９】
図８に従来のプロービングシステムを用いた観察手順フローを示す。以下図７、図８を用いて従来のプロービングシステムを用いた観察手法について述べていく。図８のＳＴＥＰ.１にて、試料２のステージ５への導入が行われる。次にＳＴＥＰ.２にて、試料２とプローバユニット５３の粗動調整が行われる。先ず、プローバユニット５３の粗動機構が用いられる。粗動機構は、試料２と干渉しないように予め移動量に制限がつけられているため、試料２とプローバユニット５３が干渉することはない。次に、撮像装置５４を用いて探針５６と試料２の垂直方向からの距離を画像化し、この画像を見ながらプローバユニット５３の微動機構を用いて探針５６の位置合わせが行われる。しかしながら、撮像装置５４では高倍率での観察ができないため、マイクロやナノオーダーでの探針５６と試料２の位置合わせを行うことは難しい。このため、ＳＴＥＰ.３の探針５６と試料２の針当て作業はＳＥＭ画像に切り替えて行われる。ＳＥＭ画像を用いた位置合わせは、探針５６が試料２に当たった瞬間にチャージ現象によりＳＥＭ画像の見え方が変わることを利用して行われる。しかし、この方法では、画像の変化が針当てを行う試料２に依存してしまうため、変化が少ない試料の場合は針当てが難しくなってしまう。また、垂直方向の間隔が分かるＳＥＭ画像がないため、実際に接触するまで探針５６と試料２の距離感が分からず、探針５６または試料２を傷つけてしまう恐れもある。
【００４０】
ここで、本実施例のようにミラー電子３１を用いた手法を用いることで上述の課題を解決することが可能となる。図９に本実施例のミラー電子を用いたプロービングシステムの構成図を示す。図９の構成図の説明を行う。ＳＥＭ観察のための基本構成は図１と同じである。図７と同様の部分については説明を省略する。図９のプロービングシステムは筺体４と試料室１を有し、試料室１内には検出器６とステージ５が配置されている。筺体４内には観察方向切替え部３９が設置される。ステージ５には試料２が載置される。また、ミラー面３０を生成するためのミラー面生成機構部３２がステージ５に設置される。また、制御部１５が配置され、筺体４と検出器６、コンピュータ７と配線されている。
【００４１】
次にミラー電子３１を用いたプロービングシステムの手順について述べる。先ず図８のＳＴＥＰ.１で試料２をステージ５へ導入後、ＳＴＥＰ.２にて粗動機構を用いてプローバユニット５３をステージ５に近づける。次に一次電子線３を試料Ａ面２５に照射し、上方向のＳＥＭ画像を表示部８に映し出し、プローバユニット５３と試料２の針当てする微小領域を合わせる。位置調整後、上述したミラー電子３１を用いた観察手法により試料観察方向を試料Ｂ面２６側に切り替え、試料Ｂ面２６方向のＳＥＭ画像を表示部８に表示し、探針５６と試料２の垂直方向の位置合わせを行う。このとき、一次電子線３を偏向するための信号は表示部８の操作ＧＵＩからコンピュータ７を介して制御部１５に送信され、制御部１５から筺体４内部の観察方向切替え部３９に送信される。これによって観察方向切替え部３９が作動する。これによって試料の側面方向からのＳＥＭ画像を取得する。ユーザは表示部８に表示された画像を見て、探針５６と試料表面とが現在どのくらいの距離にあるかをＳＥＭ画像で確認する。
【００４２】
探針５６の先端部は、マイクロやナノスケールで加工されているため、撮像装置５４で画像化することはできないが、ＳＥＭ画像を用いることで、探針５６の先端部を画像化することが可能となり、正確な針当てが可能となる。また、従来では上方向からのＳＥＭ画像で探針５６と試料２の接触確認を行っているため、探針５６の先端部が試料２を傷つけてしまう恐れがあったが、横方向からのＳＥＭ画像を用いることで、試料２を傷つけることなく安全に針当てをすることが可能となる。本実施例によれば大気暴露を行うことなく観察方向の切替えが可能となるため上述の専用装置も不要となり、コストも抑えることが可能となる。
【実施例４】
【００４３】
上述した手法の別の実施例として、試料の方向からのＳＥＭ画像を同時に観察する手法について述べる。なお、以下では実施例１、２、３と同様の部分については説明を省略する。
【００４４】
例えば半導体ウェーハの観察において、上述のプロービングシステムを備えたＳＥＭで微小領域を針当てする場合がある。このとき、半導体の特性を測るため、上方向と断面方向で同時に複数の箇所に針当てすることが重要となる。この場合、従来では、リアルタイムで同時に複数方向のＳＥＭ画像化はできないため、一方向は赤外線カメラやＣＣＤカメラ等の撮像装置５４を用いるか、試料２を傾斜させかつ倍率を低倍にして一画面中に二つの面が入るようにする必要がある。しかし、上述したように撮像装置５４では、ＳＥＭ画像のような高倍率化はできないためマイクロやナノオーダーでの針当てはできない。また、ステージ５や試料２の形状により試料２の傾斜角度には制限がつくことが多く、ＳＥＭの低倍率観察での一画面中に二つ面を入れることも試料の形状によっては不可能となる。従って、ミラー電子３１を用いることで二方向の同時観察を行うことは有用となる。
【００４５】
図１０にミラー電子３１を用いて試料の方向からのＳＥＭ画像を同時に観察する手法を示す。先ず図１０の構成図について述べていく。図１と同様の部分については説明を省略する。図１０のＳＥＭは筺体４と試料室１を有し、試料室１内には検出器６とステージ５が配置される。筺体４内には観察方向切替え部３９が配置される。ステージ５にはミラー面生成機構部３２が置かれている。また、ステージ５には試料２が載置される。筺体４と検出器６はそれぞれ信号送信用配線５５によって、制御部１５に接続されている。また制御部１５からはコンピュータ７へ信号送信用配線５５が接続されている。表示部８には二方向同時観察用ＧＵＩ５８として試料Ａ面と試料Ｂ面の画像が表示される。なお、本例では二方向同時観察用ＧＵＩ５８は一画面に表示される例を示しているが、別のディスプレイに表示されても良い。
【００４６】
次に二方向同時観察の手順について述べる。二方向同時観察は試料Ａ面２５と試料Ｂ面２６にて行い、一次電子線３のミラー面生成機構部３２への偏向は筺体４内に設置されている観察方向切替え部３９を用いて行う。観察方向切替え部３９によって一次電子線３を高速偏向させることで二方向同時観察が可能となる。先ず制御部１５から信号が観察方向切替え部３９に送られ、１スキャンごとに試料Ａ面２５と試料Ｂ面２６での一次電子線３の偏向を行う。一次電子線３は、観察方向切替え部３９が第１の動作状態のときは試料Ａ面２５に、観察方向切替え部３９が第２の動作状態のときはミラー面によって反射されて試料Ｂ面に、それぞれ照射される。具体的には、第１の動作状態とは動作していないとき、すなわち電場または磁場を発生させていないときであり、第２の動作状態とはすなわち電場または磁場を発生させているときである。
【００４７】
１スキャンごとに試料Ａ面２５と試料Ｂ面２６に交互に一次電子線が照射されるので、試料Ａ面２５と試料Ｂ面２６から交互に二次粒子１３が発生する。このとき試料室１内に設置されている検出器６では、１スキャンごとに、試料Ａ面２５で発生した二次粒子１３と試料Ｂ面２６で発生した二次粒子１３が検出されることとなる。検出された信号は制御部１５に送られ、制御部１５にてスキャン信号と同期され、別々のＳＥＭ画像として表示部８の二方向同時観察用ＧＵＩ５８にて表示される。二方向同時観察（Top／Side）の切替えは、二方向同時観察用ＧＵＩ５８の二方向同時観察用切替えボタン５９にて行われる。二方向同時観察用切替えボタン５９を押すことで、通常観察（１画面表示）と２画面同時観察との切替えをすることができる。
【００４８】
なお、上記では１スキャンごとに一次電子線３の偏向方向を切り替える例を説明したが、予め定められた複数のスキャンごとであってもよいし、１フレームごとであってもよく、一定周期で切替えればよい。ただし、１スキャンごと、のように高速で偏向方向を切り替えたほうが、試料Ａ面の画像と試料Ｂ面の画像の取得時刻のずれが小さくなる。
【００４９】
また、電子光学系の光軸に垂直な面（試料Ａ面）とその他の面（試料Ｂ面）とを同時に観察する例を示したが、向きが異なる二つの面であれば本実施例を適用可能である。例えば、試料ステージを４５度傾斜させることで、試料に対して４５度の方向、１３５度の方向からの画像を同時に取得することができる。
【００５０】
また、以上において、「同時」とは信号検出や画像生成に要する微小な時間のずれも含むものとする。「同時」とは厳密な意味ではなく、試料Ａ面の１枚の画像の生成前にミラー電子を使って試料Ｂ面の画像を取得するための電子線照射を行う場合には本実施例の適用が可能である。
【００５１】
上記の方法を用いることで二方向同時観察が可能となる。  
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１  試料室
２  試料
３  一次電子線
４  筺体
５  ステージ
６  検出器
７  コンピュータ
８  表示部
９  電子銃部
１０  加速電極
１１  コンデンサレンズ
１２  対物レンズ
１３  二次粒子
１４  配線
１５  制御部
１６  偏向コイル
１７  ロータリーポンプ
１８  ターボ分子ポンプ
１９  試料交換室
２０  試料交換棒
２１  ゲートバルブ
２２  第１のバルブ
２３  リークバルブ
２４  第２のバルブ
２５  試料Ａ面
２６  試料Ｂ面
２７  ワーキングディスタンス（ＷＤ）
２８  試料ホルダ
２９  電圧印加部
３０  ミラー面
３１  ミラー電子
３２  ミラー面生成機構部
３３  試料ストッパ
３４  ミラー面高さ調整用架台
３５  絶縁シールド部
３６  ミラー面水平・角度調整機構
３７  ミラー面生成板
３８  電圧印加用配線
３９  観察方向切替え部
４０  観察方向切替えボタン（Top／Side）
４１  電圧（Ｖ）印加入力部
４２  角度値（θ）入力部
４３  高さ値（Ｚ）入力部
４４  観察画面
４５  雰囲気遮断型試料交換室
４６  ガス源
４７  配管
４８  ガス導入用リークバルブ
４９  取外し機構
５０  フタ
５１  ベース
５２  ホルダ内部
５３  プローバユニット
５４  撮像装置
５５  信号送信用配線
５６  探針
５７  カメラ観察用コンピュータ
５８  二方向同時観察用ＧＵＩ
５９  二方向同時観察用切替えボタン（Top／Side）
【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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