(57)【要約】【課題】試料がその上に載置されてＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の移動を行なうステージにおいて、とくにそのＺ軸方向の可動ベースを昇降動作させるためのＺ軸ステージの駆動機構を簡素化するとともに、小出力のアクチュエータによって昇降動作を可能にする。【解決手段】Ｚ軸可動ベース５２を３本のガイドロッド５３によって高さ方向に移動可能に支持するとともに、ガイドロッド５３の外周部に巻装された圧縮コイルばね５４によって可動ベース５２の重さを受けるようにし、可動ベース５２の重さと圧縮コイルばね５４の弾性復元力とを互いに相殺し、小出力の超音波モータ５８によってＺ軸可動ベース５２の昇降動作を可能にする。【選択図】図５
2016110864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する前記２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡において、
前記試料を載置するとともに、前記電子線が前記試料に対して相対的に走査するように移動させるステージを備え、該ステージが前記試料を前記電子線の軸線方向に移動させるＺ軸ステージを有し、該Ｚ軸ステージの可動部が該可動部の重力をキャンセルするばねによって支えられる走査型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記ばねが圧縮コイルばねから構成され、前記Ｚ軸ステージの可動部を前記電子線の軸線方向に移動可能に案内するガイドロッドに巻装され、前記圧縮コイルばねの弾性復元力が前記Ｚ軸ステージの可動部の重量をキャンセルする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記Ｚ軸ステージを前記電子線の軸線方向に移動可能に案内する複数本のガイドロッドにそれぞれ前記圧縮コイルばねが巻装され、複数個の前記圧縮コイルばねの弾性復元力を合わせた力が前記Ｚ軸ステージの可動部の重量をキャンセルする請求項２に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記Ｚ軸ステージのベースプレート上に超音波モータが取付けられ、該超音波モータが前記Ｚ軸ステージの可動部を駆動して該可動部を前記ガイドロッドに沿って移動させる請求項２または請求項３に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記超音波モータの電源が遮断されると、前記超音波モータの出力端の接触子と前記Ｚ軸ステージの可動部との間の静止摩擦力により前記Ｚ軸ステージの可動部が位置保持される請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記Ｚ軸ステージ上にθ軸ステージが載置されるとともに、該θ軸ステージ上に設けられた載置台上に前記試料が載置される請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型電子顕微鏡に係り、とくに電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を製造する場合には、シリコンウエハ上に化学処理を施して配線パターンを形成し、シリコンウエハ上に形成された各素子を上記配線パターンを介して接続する。従って、配線パターンが正しく形成されかつ正しく接続されないと、半導体が正しい動作を行なわない状態が発生し、不良品の発生に繋がる。そこで半導体の製造プロセスにおいて、半導体ウエハ上に形成される描画パターンが正しく形成されているかどうかをチェックするために、例えば特開２００６−１３８８６４号公報に開示されているように、走査型電子顕微鏡を用いて検査あるいは評価を行なうようにしている。
【０００３】
このような用途に用いられる走査型電子顕微鏡は、電子線源からの電子ビームを、収束レンズあるいはコンデンサレンズによって集束させるとともに、対物レンズによってステージ上に配された試料から成る半導体ウエハの所定の位置に照射するようにしている。試料を構成する半導体ウエハは、ステージ上の載置台の上に載置されるとともに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ移動調整可能に支持され、さらにθ軸方向に回転可能に支持されている。
【０００４】
ここでとくにステージのＺ軸方向の移動機構の構成は、Ｚ軸の可動ベースをその重量を支えながら垂直方向に移動させ、照射される電子線の軸線方向の所定の位置に正しく位置決めする必要がある。このために従来は、水平方向の出力を発生する駆動源を用いるようにし、この水平方向の出力を垂直方向の駆動力に変換し、さらにボールねじ等を用いて出力を増大させて十分なトルクを発生し、このようなトルクによってＺ軸の可動ベースを昇降動作させるようにしていた。
【０００５】
このような従来のＺ軸ステージの構造によると、Ｚ軸の可動ベースの重力に逆らって可動ベースを移動させなければならないために、駆動部の構成部品が増えて小型化への対応が困難になる。また構成部品が増えることによって真空チャンバ内における表面積が増大するために、高真空化への対応が困難になる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３８８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明の課題は、Ｚ軸方向に試料を移動調整するＺ軸ステージの構造を簡素化し、これによって小型化を可能にした走査型電子顕微鏡を提供することである。
【０００８】
本願発明の別の課題は、Ｚ軸の可動ベースの重量に逆らってこの可動軸ベースを昇降動作させるための大きな出力を有する駆動部を必要としないようにした走査型電子顕微鏡を提供することである。
【０００９】
本願発明のさらに別の課題は、駆動部の電源を遮断したときに、この駆動部とＺ軸可動ベースとの間の摩擦力によってＺ軸可動ベースをその位置で位置保持できるようにした走査型電子顕微鏡を提供することである。
【００１０】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態によって明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の主要な発明は、電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する前記２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡において、
前記試料を載置するとともに、前記電子線が前記試料に対して相対的に走査するように移動させるステージを備え、該ステージが前記試料を前記電子線の軸線方向に移動させるＺ軸ステージを有し、該Ｚ軸ステージの可動部が該可動部の重力をキャンセルするばねによって支えられる走査型電子顕微鏡に関するものである。
【００１２】
ここで、前記ばねが圧縮コイルばねから構成され、前記Ｚ軸ステージの可動部を前記電子線の軸線方向に移動可能に案内するガイドロッドに巻装され、前記圧縮コイルばねの弾性復元力が前記Ｚ軸ステージの可動部の重量をキャンセルしてよい。また前記Ｚ軸ステージを前記電子線の軸線方向に移動可能に案内する複数本のガイドロッドにそれぞれ前記圧縮コイルばねが巻装され、複数個の前記圧縮コイルばねの弾性復元力を合わせた力が前記Ｚ軸ステージの可動部の重量をキャンセルしてよい。また前記Ｚ軸ステージのベースプレート上に超音波モータが取付けられ、該超音波モータが前記Ｚ軸ステージの可動部を駆動して該可動部を前記ガイドロッドに沿って移動させてよい。また前記超音波モータの電源が遮断されると、前記超音波モータの出力端の接触子と前記Ｚ軸ステージの可動部との間の静止摩擦力により前記Ｚ軸ステージの可動部が位置保持されてよい。また前記Ｚ軸ステージ上にθ軸ステージが載置されるとともに、該θ軸ステージ上に設けられた載置台上に前記試料が載置されてよい。
【００１３】
なお本願の各請求項に係る発明は、独立行政法人産業技術総合研究所の主導のもとになされた戦略的基盤技術高度化支援事業の中で創出されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本願の主要な発明は、電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する前記２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡において、前記試料を載置するとともに、前記電子線が前記試料に対して相対的に走査するように移動させるステージを備え、該ステージが前記試料を前記電子線の軸線方向に移動させるＺ軸ステージを有し、該Ｚ軸ステージの可動部が該可動部の重力をキャンセルするばねによって支えられるようにしたものである。
【００１５】
従ってこのような構成によると、可動部の重力がばねによって支えられてキャンセルされることになり、このためにＺ軸ステージの可動部を支えながら移動させるための強力な駆動機構が必要でなくなり、小さな出力のアクチュエータによってＺ軸ステージの可動部を昇降動作させて位置決めを行なうことが可能になる。このために駆動部を構成する部品が少なくなり、真空内における表面積を減少させて高真空化への対応が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る走査型電子顕微鏡のブロック図である。
【図２】同電子顕微鏡の外観斜視図（Ａ）、および各ユニットの筐体内における配置を示す縦断面図（Ｂ）である。
【図３】試料を載置しておくステージの全体の構成を示す外観斜視図である。
【図４】このステージのＺ軸ステージを示す外観斜視図である。
【図５】ステージの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本実施の形態に係る走査型電子顕微鏡のシステム構成を示すものであって、この走査型電子顕微鏡は電子光学系１０を備えている。電子光学系１０は、電子を発生させる電子線源を有するとともに、高真空ポンプ１１を備え、この高真空ポンプ１１によって内部を真空状態に維持するようにしている。そして電子光学系１０の下側には真空チャンバ１４が配され、この真空チャンバ１４の内部であって底面側にステージ１５が配されている。
【００１８】
真空チャンバ１４の側部には搬送系１７が設けられ、真空チャンバ１４の真空を破ることなく搬送系１７から試料１６が供給され、ステージ１５上に載置されるようになっている。真空チャンバ１４は、その下部に配されたダイヤフラムポンプ１８とターボ分子ポンプ１９とによって真空吸引されて所定の真空度に維持されるようになっている。そして真空チャンバ１４が載置台２０上に載置されるとともに、とくにダイヤフラムポンプ１８とターボ分子ポンプ１９とによる振動の影響を受けないように、除振システム２１を介して支持されている。
【００１９】
真空チャンバ１４の側部には２次電子検出器２３が取付けられている。２次電子検出器２３は、試料１６に電子光学系１０によって電子線を照射したときに発生する２次電子の強度を検出するためのものであって、その検出出力が制御系の中の信号処理系２４に供給され、この後信号処理系２４で処理された信号が画像処理系２５に転送される。画像処理系２５は、信号処理系２４を介して取り出した２次電子の強度であって、各走査位置における試料１６の表面の２次電子の強度から画像を形成し、この画像を表示装置２６に出力する。
【００２０】
制御系は、さらに高圧電源２９、レンズ制御系３０、ステージ制御系３１、真空制御系３２を備えている。高圧電源２９は、電子光学系１０の部分に高圧電源を印加するためのものである。レンズ制御系３０は、電子光学系１０内の各レンズの制御を行なう。ステージ制御系３１は、真空チャンバ１４内のステージ１５の制御を行ない、試料１６を電子光学系１０の電子線に対して所定の方向に走査させる。
【００２１】
このような構成に係る走査型電子顕微鏡の各ユニットは、図２Ａに示す外筐３５内に収納される。なお外筐３５はその下部に４つの支持脚３６を備えるとともに、外筐３５の前面側に凹部３７が形成されている。この凹部３７には操作子３８が設けられている。そして凹部３７の上部に上記表示装置２６が取付けられている。
【００２２】
外筐３５内における各ブロックの配置は、図２Ｂに示すようになっており、最上部には高圧電源２９が収納され、その下にレンズ制御系３０と信号処理系２４とが収納されている。そしてその下側には中間搬送系１７が配置されており、その下側に電子光学系１０が取付けられている。上記電子光学系１０の側部には高真空ポンプ１１が接続されている。そして電子光学系１０の下側に真空チャンバ１４が設けられている。真空チャンバ１４は、載置台２０上に載置されるとともに、載置台２０の下側に防振システム２１、ターボ分子ポンプ１９、ダイヤフラムポンプ１８が収納される構造になっている。
【００２３】
次にステージ１５の構造について図３により説明する。試料１６を載置しておくステージ１５は、下からＸ−Ｙ軸ステージ４２、Ｚ軸ステージ４３、θ軸ステージ４４をそれぞれ備え、これらが縦方向に積重なった状態で取付けられている。そしてθ軸ステージ４４の上部には試料台４５が配されている。そしてこの試料台４５には、クランパ４６が取付けられるとともに、クランパ４６を押えレバー４７によって開閉動作させるようにしている。
【００２４】
次に上記ステージ１５のＺ軸ステージの構造を図４および図５によって説明する。Ｚ軸ステージは、Ｚ軸ベースプレート５１を備えるとともに、その上側にはＺ軸可動ベース５２が取付けられる。Ｚ軸可動ベース５２は３本の直立するガイドロッド５３によって高さ方向に移動可能に案内されている。そして３本のガイドロッド５３のそれぞれには、圧縮コイルばね５４が介装され、この圧縮コイルばね５４の弾性復元力によって上記Ｚ軸可動ベース５２はその重さがキャンセルされるようになっている。すなわちＺ軸可動ベース５２が所定の高さに位置保持されるときに、３本のガイドロッド５３に巻装された圧縮コイルばね５４の弾性復元力が上記Ｚ軸可動ベース５２の重量と相殺されるような力を発生させるようにしている。
【００２５】
Ｚ軸ベースプレート５１の上部には超音波モータ５８が取付けられている。この超音波モータ５８は、Ｚ軸可動ベース５２の下面に取付けられた可動板５９を介して上記Ｚ軸可動ベース５２を昇降動作させるようにしている。ここで超音波モータ５８の出力端を構成する接触子６０が上記可動板５９と摩擦接触し、これによって超音波モータ５８でＺ軸可動ベース５２が昇降動作を行なうようにしている。
【００２６】
次に以上のような構成に係る走査型電子顕微鏡の概略の動作を、図１および図２によって説明する。電子光学系１０の電子線源によって出射された電子線は、この電子光学系１０の各ユニットを通過し、対物レンズによって集束されて、ステージ１５上に載置された試料１６に照射される。ここでステージ１５がステージ制御系３１によって所定の方向に試料１６を移動させるために、対物レンズを通して照射される電子線は、ステージ１５上の試料１６に対して相対的に所定の方向に走査されることになる。そしてこのときの各走査位置における試料１６から出射される２次電子が２次電子検出器２３によって検出され、その検出出力が信号処理系２４で処理される。処理された信号が画像処理系２５に供給され、この画像処理系２５によって、各走査位置に応じた２次電子の強度から画像が形成される。画像処理系２５で形成された画像は表示装置２６によって表示される。
【００２７】
次に以上のような走査型電子顕微鏡において、とくにステージ１５のＺ軸ベースプレート５１上に取付けられるＺ軸可動ベース５２は、３本のガイドロッド５３によって高さ方向に昇降可能に案内されるとともに、この可動ベース５２の重量がガイドロッド５３の外周部に巻装された圧縮コイルばね５４によって相殺されるようになっている。そして小出力の超音波モータ５８の接触子６０によって、可動板５９に作用させることによって、極めて小さな力でＺ軸可動ベース５２の高さ方向に移動させるようにしている。
【００２８】
従ってこのような構成によると、可動ベース５２の重力を支えながら昇降動作させる必要がないために、水平方向の出力を発生する駆動源からの力を垂直方向に変換し、さらにねじ等の倍力装置を用いて得た大きなトルクで可動ベース５２を昇降させる必要がなくなる。すなわち可動ベース５２の昇降のための機構部分が必要でなくなり、大幅な小型化が可能になる。また部品点数が少なくなるために、真空チャンバ内における部品の表面積が減少し、高真空化への対応が可能になる。
【００２９】
そして図５に示すように、極めて小さな出力の超音波モータ５８によって、Ｚ軸可動ベース５２を昇降動作させることが可能になる。また超音波モータ５８の出力を遮断した場合には、この超音波モータ５８の出力端を構成する接触子６０と可動板５９との間の摩擦力によって、Ｚ軸可動ベース５２がその位置で位置保持されるようになる。従って特別な位置保持のための機構が必要でなくなる利点をもたらす。
【００３０】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は、半導体ウエハ上に形成されるパターンの幅等を測定するための測長用の顕微鏡として用いるものであるが、本願発明に係る走査型電子顕微鏡は、その他各種の用途に広く利用することが可能な走査型電子顕微鏡に利用することができる。またＺ軸ベースプレート５１の構成についても、必ずしも図４および図５に示す構成に限定されることなく、各種の設計変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本願発明は、測長用顕微鏡、また各種の試料の拡大画像を得るための走査型電子顕微鏡として広く利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  電子光学系
１１  高真空ポンプ
１４  真空チャンバ
１５  ステージ
１６  試料
１７  搬送系
１８  ダイヤフラムポンプ
１９  ターボ分子ポンプ
２０  載置台
２１  除振システム
２３  ２次電子検出器
２４  信号処理系
２５  画像処理系
２６  表示装置
２９  高圧電源
３０  レンズ制御系
３１  ステージ制御系
３２  真空制御系
３５  外筐
３６  支持脚
３７  凹部
３８  操作子
４２  Ｘ−Ｙ軸ステージ
４３  Ｚ軸ステージ
４４  θ軸ステージ
４５  試料台
４６  クランパ
４７  押えレバー
５１  Ｚ軸ベースプレート
５２  Ｚ軸可動ベース
５３  ガイドロッド
５４  圧縮コイルばね
５８  超音波モータ
５９  可動板
６０  接触子
【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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