JP2017208155A - 重量を計測できるステージ装置を備えた荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重い試料でも安全で高精度な位置決めをする試料ステージを提供する。【解決手段】試料を搭載し移動させるステージ装置４を備えた荷電粒子線装置において、ステージ装置４に搭載された試料の重量を計測する重量計測手段２９を有し、試料の重量が所定より重い場合に警告を表示する表示装置を備え、試料の重量が所定より重い場合にステージ４の動作を制限し、試料の重量とステージ位置の情報に基づいてステージ４の駆動を最適化する。【選択図】図３

Description

本発明は，走査電子顕微鏡などの荷電粒子線装置にかかり、特に、観察試料を搭載し移動させて観察視野の移動を行うステージ装置に関する。

代表的な荷電粒子線装置である走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、観察試料の表面へ電子ビーム（一次電子線）を二次元状に走査しながら照射し、これにより試料から二次的に発生する二次電子の強度を、一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることで、試料表面の観察画像（ＳＥＭ画像）を取得する。このとき、観察対象となる試料表面の選択は、試料を搭載するステージを移動することにより行われる。通常、操作者は、ＳＥＭ画像を見ながらトラックボールなどの操作入力手段を操作して、目的とする試料表面部分がＳＥＭ画像として得られまでステージを移動させる。

ＳＥＭに用いられているステージ装置としては、例えば、特開２００５−１２３１２９号公報（特許文献１）に示す機構構成のものが知られている。

特開２００５−１２３１２９号公報

本願発明者が、重い試料を高精度で観察することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

例えば、ＳＥＭで半導体パターンの欠陥や不良の観察を行う場合には，従来は大きな半導体ウェハから観察対象部分をダイシングして小さな試料を作成し、それをステージに搭載して観察していた。しかしながら、ダイシングすることなく半導体ウェハをそのまま観察したいとの潜在的ニーズがある。また、重量の重い大型の試料への対応が潜在的に望まれており、ＳＥＭの用途の拡大が見込める。

重量の重い大型の試料をステージ移動させる際には、試料負荷やステージ位置によりステージが変形したり、ステージを駆動するモータの推力不足によりステージが動作しなかったり、最悪、ステージが破損したりする恐れがある。

また、半導体ウェハなどを観察する場合には半導体のＣＡＤ図面などから観察対象位置の座標を直接指定しステージを位置決めしたいというニーズがあるが、ステージが変形している場合には、指定された座標への十分な位置決め精度が得られないという課題がある。

本発明の目的は、重い試料でも安全で高精度な位置決めをすることに関する。

本発明は，荷電粒子線装置が試料重量を計測する重量計測手段を有することに関する。

本発明によれば、試料重量を計測することにより、試料負荷の変動があっても安全で高精度な位置決めを実現できる。

実施例１にかかるＳＥＭの構成を説明する図である。 実施例１にかかるステージ装置の機構構成を説明する図である。 実施例１にかかる試料重量推定手段を説明する図である。 実施例１にかかる変形量検出手段の設置例を説明する図である。 実施例１にかかる変形量検出手段の別の設置例を説明する図である。 実施例３にかかる試料重量推定手段を説明する図である。 実施例４にかかるステージ制御を説明する図である。

実施例では、試料を搭載し移動させるステージ装置を備え、ステージ装置に搭載された試料の重量を計測する重量計測手段を有する荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、試料の重量が所定より重い場合に警告を表示する表示装置を備える荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、試料の重量が所定より重い場合にステージの動作を制限する荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、試料の重量とステージ位置の情報に基づいてステージの駆動を最適化する荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、試料の重量とステージ位置の情報に基づいてステージの変形量を推定する荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、ステージ装置が片持ち構造であり、ステージ支持部に配置された変形量検出手段の出力から試料重量を演算する荷電粒子線装置を開示する。

また、実施例では、試料が取り付けられる試料ホルダに変形量検出手段が配置されている荷電粒子線装置を開示する。

以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。

なお、以下の実施例では，ＳＥＭを例に説明するが、本発明は、走査電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、イオン顕微鏡、集束イオンビーム装置、これらと試料加工装置との複合装置、またはこれらを応用した解析・検査装置にも適用可能である。

図１は、本実施例にかかるＳＥＭの構成を説明する図である。図１を用いて、重量を計測できるステージ装置を備えたＳＥＭの構成を説明する．ＳＥＭ１は、電子光学系を備えた鏡筒２、試料室３、ステージ４、ステージに搭載する試料５、試料をステージに取り付けるための試料ホルダ６などから構成される。電子銃７から発生した一次電子線８は、収束レンズ９および対物レンズ１０を通して試料５に照射され、これにより試料５から発生した二次電子１１は、二次電子検出器１２により検出される。一次電子線８は、走査偏光器１３により、観察する試料５の表面を二次元状に走査する。電子光学系制御手段１４は、走査偏光器１３による一次電子線８の走査を制御するとともに、二次電子検出器１２により検出される二次電子１１の強度を一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることにより、試料表面の観察画像（ＳＥＭ画像）を生成する。生成されたＳＥＭ画像は、表示装置１５に表示される。観察対象となる試料５は、試料室３内に置かれたステージ４に搭載される。ステージ４は、試料５を並進・回転移動させるものであり、水平方向（ＸＹ方向）、上下方向（Ｚ方向）、回転（Ｚ軸回りの回転）および傾斜（Ｘ軸周りの回転）などの自由度を持つ。ステージ制御手段１６は、トラックボールやジョイスティックなどの入力デバイスであるステージ操作入力手段１７からの入力に従いステージ４を制御する。また、ステージ操作入力手段１７としてネットワークやシリアルなどで接続されたＰＣを用いてもよい。

図２は、本実施例にかかるステージ装置の機構構成を説明する図である。図２を用いてステージ４の構成について説明する。ステージ４のベースとなるステージケース１８は、試料室３の壁面に取り付けられている。ステージケース１８に取り付けられたＺ軸用リニアガイド１９を介して、ステージ全体をＺ軸方向に昇降させるＺテーブル２０が取り付けられている。Ｚテーブル２０には、ステージ全体をＸ軸回りに回転させるためのチルト軸２１が取り付けられており、その軸の先端にチルトベース２２が取り付けられている。チルトベース２２には、図示していないガイドを介してＸ軸方向に移動するＸテーブル２３、Ｙ軸方向に移動するＹテーブル２４、Ｚ軸回りに回転するローテーションテーブル２５が取り付けられている。試料５を取り付けた試料ホルダ６は、ローテーションテーブル２５に取り付けられている。Ｘテーブル２３は、ユニバーサルジョイント・テレスコープ２７、ボールネジ（図示せず）を介してステージケース１８に取り付けたモータ２６の動力を伝達し駆動される。Ｚテーブル２１、チルト軸２２、およびＹテーブル２４も、同様に図示していない動力伝達系を介してステージケース１８に取り付けたモータの動力を伝達し駆動される。

図３は、本実施例にかかる試料重量推定手段を説明する図である。本実施例の特徴の一つである試料重量を計測する試料重量計測手段の構成について、図３を用いて説明する。
本実施例にかかるステージ装置は、図２で説明したようにステージケース１８をベースとした片持ちステージとなっている。このようなステージ構成においては、片持ちステージの根元となるチルト軸２１で、試料負荷やステージ自重を集中して受けている。そこで、チルト軸２１に変形量検出手段２８を取り付け、軸の変形を検出する。変形量検出手段は、例えば歪みセンサで構成する。試料重量演算手段２９では、変形量検出手段２８により検出されたチルト軸２１の変形量からチルト軸に加わる力を計算し、計算により得られた値からステージ自重を減算することにより試料重量を演算する。変形量検出手段は、例えば図４および図５に示すようにするのが望ましい。

図４は、本実施例にかかる変形量検出手段の設置例を説明する図である。ここでは、チルト軸２１の表面に３つの変形量検出手段２８が等間隔で配置されている。この配置によれば、最小限の変形量検出手段によりチルト軸の歪みを検出できる。

また、図５は、本実施例にかかる変形量検出手段の別の設置例を説明する図である。ここでは、チルト軸２１の表面に４つの変形量検出手段２８が等間隔で配置されている。この配置によれば、チルト軸の縦横の歪みを高精度に検出できる。

以上の試料重量推定手段により、試料重量を計測することができる。計測された試料重量を用いて、ステージの許容搭載重量より過大な試料が搭載された場合には計測を表示し、ステージの動作を制限する。また、試料負荷やステージ位置の情報からステージを駆動する制御パラメータを最適化すれば、ステージの位置決め精度を向上させることができる。本実施例によれば、安全で高精度な位置決めができるステージ装置、およびこれを搭載した荷電粒子線装置を提供することができる。

本実施例では、試料重量を求める別の一方法を説明する。以下、実施例1との相違点を中心に説明する。

本実施例にかかる方法においては、予め既知の重量の試料を用意し、その試料を搭載したときの変形量検出手段２８の出力を測定する。試料重量を変化させて測定を行い、試料重量に対する変形量検出手段２８の出力との相関関係をテーブルとして求めておく。実際に試料重量を計測する際は、変形量検出手段２８の出力を測定し、その値と、予め求めておいたテーブルから試料重量を求める。

本実施例によれば、試料重量を簡便に求めることができる。

本実施例では、別の試料重量推定手段について説明する。以下、実施例１〜２との相違点を中心に説明する。

図６は、本実施例にかかる試料重量推定手段を説明する図である。本実施例を図６を用いて説明する。本実施例では、変形量検出手段３０が試料ホルダ６に取り付けられている。これにより、試料重量を直接測定することができる。

試料重量を求める方法としては、実施例１で述べたように試料ホルダ６の変形量から試料ホルダ６に加わる力を求めるようにしてもよいし、実施例２で述べたように試料重量と変形量検出手段の出力との相関を予め求めておき、それを用いて求めるようにしてもよい。

本実施例によれば、試料重量を高精度に求めることができる。

本実施例では、試料重量に応じたステージ制御について説明する。以下、実施例１〜３との相違点を中心に説明する。

図７は、本実施例にかかるステージ制御を説明する図である。本実施例について、図７を用いて説明する。本実施例の特徴の一つは、実施例１〜３で述べた形態に対して、試料重量演算手段２９から演算された試料重量と、ステージ制御手段１６から出力されるステージ位置とから観察点位置の変形量を演算しステージ指令値に対する補正量を求めるステージ変形補正量演算手段３１を付加したことである。

本実施例によれば、ステージ変形補正量演算手段３１で得られた補正量をステージ操作入力手段１７から入力されるステージ指令値に加算してステージを制御することにより、試料負荷やステージ位置によるステージの変形をキャンセルし高精度な位置決めを実現することができる。

上述した実施例によれば、以下の効果を得ることができ，安全で高精度な位置決めができるステージ装置、およびこれを搭載した荷電粒子線装置を提供することができる。
・ステージの許容搭載重量より過大な試料が搭載された場合には警告を表示し、ステージの動作を制限する。
・試料負荷やステージ位置の情報からステージを駆動する制御パラメータを最適化し、ステージの位置決め精度を向上させる。
・試料負荷やステージ位置の情報からステージの変形量を推定し、それを補償することでステージの高精度な位置決めが実現できる。

１ 走査電子顕微鏡
２ 鏡筒
３ 試料室
４ ステージ
５ 試料
６ 試料ホルダ
７ 電子銃
８ 一次電子線
９ 収束レンズ
１０ 対物レンズ
１１ 二次電子
１２ 二次電子検出器
１３ 走査偏光器
１４ 電子光学系制御手段
１５ 表示装置
１６ ステージ制御手段
１７ ステージ操作入力手段
１８ ステージケース
１９ Ｚ軸リニアガイド
２０ Ｚテーブル
２１ チルト軸
２２ チルトベース
２３ Ｘテーブル
２４ Ｙテーブル
２５ ローテーションテーブル
２６ モータ
２７ ユニバーサルジョイント・テレスコープ
２８ 変形量検出手段
２９ 試料重量演算手段
３０ 変形量検出手段
３１ ステージ変形補正量演算手段

Claims (7)

1. 試料を搭載し移動させるステージ装置を備えた荷電粒子線装置において、
   前記ステージ装置に搭載された前記試料の重量を計測する重量計測手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
   
2. 請求項1記載の荷電粒子線装置であって、
   前記試料の重量が所定より重い場合に警告を表示する表示装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
   
3. 請求項1記載の荷電粒子線装置であって、
   前記試料の重量が所定より重い場合にステージの動作を制限することを特徴とする荷電粒子線装置。
   
4. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記試料の重量とステージ位置の情報に基づいてステージの駆動を最適化することを特徴とする荷電粒子線装置。
   
5. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記試料の重量とステージ位置の情報に基づいてステージの変形量を推定することを特徴とする荷電粒子線装置。
   
6. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記ステージ装置が片持ち構造であり、ステージ支持部に配置された変形量検出手段の出力から試料重量を演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
   
7. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記試料が取り付けられる試料ホルダに変形量検出手段が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。