JP2005158338A - 試料の観察装置及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型の電子源を利用することにより、任意の方向からの表面形態観察や立体観察をより容易に、かつ、従来よりもフレキシブルに行う装置、又は任意の方向からの表面微細加工及び曲面の表面微細加工を実現する装置を提供する。
【解決手段】 電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射して試料を観察するための装置であって、排気機構を有する容器と、前記容器内に、電子光学鏡筒部を先端に有する３次元的に可動なアームと、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出するための検出器とを備え、前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を前記試料上へ照射する位置を走査するための手段とを備える。検出器は、別の３次元的に可動なアームの先端に取り付けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主に電子線照射装置あるいは走査型電子顕微鏡装置に関し、特に大型試料や３次元的に変化する任意形状試料について、可動型プローブを用いた試料の観察装置及び微細加工装置に係るものである。

電子線は産業面において、様々な技術に応用されているが、その中に試料表面の観察及び加工に関する応用技術がある。

試料表面の微細構造を観察する手段として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）があるが、本手段は細く絞った電子線を試料上に照射し、試料から発生する２次電子や反射電子を検出して像を形成する装置であり、高分解能で表面を観察する手段として幅広い分野で用いられている。

走査電子顕微鏡の一般的な構成を説明する。

図６は、従来の走査型電子顕微鏡の構造を示す図である。

図６において、２８は電子銃、２９は加速電極、３０はコンデンサーレンズ、３１は偏向レンズ、３２は対物レンズ、３３は試料、３４は２次電子検出器、３５は画像表示装置を示している。電子銃２８から放出された電子は加速電極２９により所望の電圧に加速され、コンデンサーレンズと対物レンズによって収束されて、試料３３上に微小なプローブを形成する。このプローブを偏向レンズ３１により走査し、プローブ領域近傍から発生する２次電子や反射電子を検出器３４で検出して、この信号強度を前記プローブの走査と同期させて画像表示装置３５に表示する。なお図６には示していないが、実際には装置内部を真空に排気するための複数の真空ポンプや、またレンズ系を冷却するための冷却循環装置等が装備される。市販されている走査電子顕微鏡の設置面積は機種により異なるが通常は３ｍ×３ｍ程度であり、装置の総重量は数１００ｋｇから１ｔｏｎを超える程度である。このように走査電子顕微鏡は光学顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡等の観察手段に比べると圧倒的に大型であり、さらに複雑かつ高価格でもある。

走査電子顕微鏡を小型化し、操作性や機能性を向上させる試みもいくつか提案されている。下記特許文献１に開示されている方法を説明する。上記発明の明細書によれば「基板上に形成された電界放出冷陰極と、上記基板上に絶縁物を介して被着及び形成され、上記冷陰極より電子線を引き出す引出し電極とで形成される電子線源、上記引出し電極上に絶縁物を介して被着及び形成され、上記電子線を加速する加速電極、上記加速電極上に直接もしくは絶縁物を介して被着及び形成された検出器、及び上記冷陰極と上記引出し電極と上記加速電極と上記検出器に対し電気的に接続された複数の接続線を備えた超小型表面センサー」とし、これにより電子銃と加速電極と検出器とを含む表面センサーの小型化を達成している。また上記発明においては、電子線照射位置を走査する機構として上記表面センサーをピエゾ素子上に配置し、このピエゾ素子の駆動によって上記表面センサーを走査する方法を実施例として挙げている。

また、表面の微細観察技術としては、トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表されるような走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）もあるが、最近では大型試料観察に対応した製品も数多く商品化されている。また、ＳＥＭ中にＳＴＭ機構を設け、より速やかに所望の位置をＳＴＭ観察できるようにした技術も開示されている（下記特許文献２）。

一方、試料表面を微細加工する技術に電子線描画があり、電子線の応用技術として広く実用されている。中でも半導体を対象とした次世代の微細加工技術として注目されている（下記特許文献３）。
特開平５−１８２６２７号公報 特開平４−１３９０４号公報 特開平１１−２６３６９号公報

しかしながら、上記従来例に記載したようなＳＥＭによる表面観察においては、任意の方向からの表面形態観察が容易ではないという課題があった。もちろん、上記ＳＥＭにおいては試料ステージに試料の移動、回転、傾斜機構があるため、様々な試料表面を観察することはできた。しかし、３次元的に入り組んだ形態や構造をもつ試料の場合、検出器に対して影になってしまうような領域では十分に表面を観察することができない場合があった。特に試料が大きい場合は、このような制限はより顕著になる。このような課題は、ＳＰＭにおいても全く同様であった。

また、３次元観察する場合には検出器が２個以上必要であるが、３次元的に複雑な試料形状を３次元観察する場合においては、同じ場所からの信号を必ずしも複数の検出器で検出できなくなるケースが生じる。

また、上記の特許文献１の表面センサーは、装置の小型化については、電子線照射装置あるいは走査電子顕微鏡としての性能は、十分に保持されているとはいい難い。走査電子顕微鏡において十分な空間分解能を得るには、１次電子線を十分細く絞って試料上に照射する必要がある。一般に電子線源から放出された電子線は発散傾向をもつため、この電子線を収束するためには何らかの電子レンズが必要となる。ところが、上記の表面センサーには電子線を収束するための電子レンズが記述されていないので、試料上で十分収束されたプローブを形成できないと考えられる。

一方、試料加工においては、上記電子線描画装置は、基本的に平面の試料表面をもつ試料を対象としているものであり、例えば、試料表面を任意の方向からの加工や曲面の電子線描画については事実上困難であった。

本発明は、小型の電子源を利用することにより、任意の方向からの表面形態観察や立体観察をより容易に、かつ、従来よりもフレキシブル（移動自在に）に行う装置を提供することである。また、本発明は、同様に小型の電子源を利用することにより、任意の方向からの表面微細加工及び曲面の表面微細加工を実現する装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の試料の観察装置は、電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射して試料を観察するための装置であって、
排気機構を有する容器と、
前記容器内に、電子光学鏡筒部を先端に有する３次元的に可動なアームと、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出するための検出器とを備え、
前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を前記試料上へ照射する位置を走査するための手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の試料の観察装置は、電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射して試料を観察するための装置であって、
排気機構を有する容器と、
前記容器内に、２つ以上の３次元的に可動なアームを有し、前記アームの各先端に、電子光学鏡筒部、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出するための検出器、検出器付きの電子光学鏡筒部、走査プローブ顕微鏡、又は光学顕微鏡から選択した要素が配置され、
前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を試料上へ照射する位置を走査するための手段を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の試料の加工装置は、電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射することで試料を加工するための装置であって、
排気機構を有する容器と、
前記容器内に、電子光学鏡筒部を先端に有する３次元的に可動なアームと、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出する検出器とを有し、
前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を試料上へ照射する位置を走査しながら前記試料を加工する手段を備えることを特徴とする。

本発明の試料の観察装置により、３次元的に可動なアームに小型電子源、検出器、ＳＰＭ、光学顕微鏡の各機能が付与されることで、試料表面を容易に多方面からフレキシブルに観察することができる。また、試料の加工装置において、試料表面を容易に多方面からフレキシブルに加工することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図である。

図１において、１は電子光学鏡筒部、２は試料５から放出される２次電子又は反射電子を検出する検出器、３，４は３次元的に可動なアーム、６は気密容器、７は排気機構である。

図２は、本発明による電子光学鏡筒部の内部構造を示す図である。

図２において、８は絶縁体基板を表し、その一部には電子光学鏡筒の内部を排気するための開孔部９が設けられている。絶縁体基板８上には電極１０が形成され、さらにその上にカーボンナノチューブからなる電子源チップ１１が形成されている。１２は引出し電極、１３は加速電極、１４は電子を収束するための収束レンズであるアインツェルレンズを表し、１５，１６，１７の３つの電極によって構成されている。ただし収束レンズはアインツェルレンズに限るものではなくどのような静電レンズであってもかまわない。

上記の電極１０，１２，１３，１４，１５，１６，１７及び外周電極１８は絶縁体８，１９，２０により電気的に絶縁され、引出し配線（不図示）を通じて電極端子２１に接続されており、外部から各電極に対して独立に電圧を印加できる。２２はピエゾスキャナとの接続部分を表し、Ｏリング２３により真空をシールし、開孔部９から電子光学鏡筒内部を排気することができる。ピエゾスキャナは、図示されていないが、圧電素子を用いたもので、電子光学鏡筒部１と試料との相対位置を変化させることによって前記電子線の試料上への照射位置を走査する手段である。なお、３次元的に可動なアームは、図１のような腕となる直線部分とそれらをつなぐ複数の関節から構成されるものでもよいし、その他の方式、例えば蛇腹方式や可撓性部材を用いる方式でもよく、３次元的に可動なものであれば基本的にその構造は問わない。

図１に示すような、３次元的に不定形な形状の試料表面形態を多方面から観察する場合、例えば、試料の窪んだ場所を観察する際には、その近傍に電子光学鏡筒部１、検出器２、を近づけて観察し、その反対側を観察する場合は、その場所に電子光学鏡筒部１、検出器２、を移動させて観察すればよい。このように、３次元的に複雑な形状を有する試料を多方面から観察したい場合、非常にフレキシブルに、かつ、容易に観察することができる。

なお、ここでは、２本の３次元的に可動なアーム先端にそれぞれ電子光学鏡筒部１と検出器２を取り付けた例を示したが、１本の３次元的に可動なアームに電子光学鏡筒部１を取り付け、検出器２は気密容器の任意の位置に固定し（不図示）、観察を行ってもよい。さらに、１本の３次元的に可動なアーム先端に検出器付きの電子光学鏡筒部１を取り付けても同様である。この場合、検出器２は、例えば電子光学鏡筒部１の先端に設けられている。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図である。

本実施形態は、立体観察を行う例である。２本の３次元的に可動なアーム３，４のうち、１つのアーム先端に検出器付きの電子光学鏡筒部２４を、もう１つのアーム先端には検出器２をそれぞれ取り付けた。電子光学鏡筒部２４から放出した電子ビームによる試料から放出される２次電子を、２つの検出器を利用し、違う方向からそれぞれ検出したことで立体観察することができた。また、観察したい場所にこの２つのアームを移動させることで、試料表面の複数の場所の立体観察像を得た。なお、もう１つのアーム先端に検出器付きの電子光学鏡筒部を取り付けてもよい。

（実施形態３）
図４は、本発明の実施形態３による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図である。

本実施形態は、試料表面のＳＴＭ観察を行う例である。

２本の３次元的に可動なアーム３，４のうち、１つのアーム先端にＳＴＭ２５を取り付け、もう１つのアーム先端には検出器付きの電子光学鏡筒部２４を取り付けた。気密容器内は、１０のマイナス４乗Ｐａ以下まで排気した。

次のような手順でＳＴＭ観察を行った。まず、試料とＳＴＭ探針の間に電位差を３００ｍＶかけておき、試料表面を低倍率でＳＥＭ観察しながら、その視野にＳＴＭの探針が見えるように３次元的に可動なアームを位置調整した。このように所望の位置をＳＥＭで確認しておき、試料表面とＳＴＭ探針の距離が、１μｍ以下位になったら、ＳＴＭのフィードバック回路をＯＮにして、ＳＴＭ観察を行った。３次元アームによって、ＳＴＭ探針と検出器を付けた電子光学鏡筒部を移動させ、試料表面の複数の場所を観察した。ＳＴＭの替わりに、自立型のＡＦＭを３次元アームに取り付ければ、上記と同様に所望の位置を精度よく速やかに絶縁物表面の形態をＡＦＭ観察することができる。

なお、３次元アームの数は２本以上でもよく、これらに上記電子光学鏡筒部、検出器、検出器付き電子光学鏡筒部、ＳＴＭ／ＡＦＭなどのＳＰＭ、さらには光学顕微鏡を組み合わせることで、低倍から高倍までの観察を容易にしながら、３次元的に複雑な形状を有する試料を非常にフレキシブルに多方面から観察することができる。その際、少なくとも電子光学鏡筒部又は検出器付きの電子光学鏡筒部を選択し、電子光学鏡筒部を選択した場合は同時に前記検出器を選択する。

（実施形態４）
図５は、本発明の実施形態４による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図である。

本実施形態は、電子線描画を行う例である。

試料としてボールＳｉを対象とした。前もって、前記ボールＳｉの形状を３次元の数値データとして把握しておいた。ボールＳｉの表面には予めレジストを塗付しておき、これを気密容器の中に入れ、内部を１０^−５Ｐａ以下まで排気した。３次元的に可動なアーム３，４は２本で、そのうちの１つのアーム先端に検出器付きの電子光学鏡筒部２４を取り付け、もう１つのアーム先端には光学顕微鏡２６を取り付けた。光学顕微鏡２６によって、試料表面と光学顕微鏡部の距離が２ｍｍ程度になるようにした後、試料表面の描画しない領域において、ＳＥＭ観察を行い、フォーカスを調整し、最も空間分解能のよい状態に電子ビームを調整した。前もって把握しておいたボールＳｉの形状の数値データを基に、試料表面と電子光学鏡筒部の距離が一定になるように３次元的に可動なアームを移動させ、ボールＳｉ表面に所望のパターンを照射した。

このように、曲面においても電子線による微細加工が可能である。

本発明の実施形態１による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図 本発明による電子光学鏡筒部の内部構造を示す図 本発明の実施形態２による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図 本発明の実施形態３による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図 本発明の実施形態４による試料の観察装置及び加工装置の構成を示す図 従来の走査型電子顕微鏡の構造を示す図

符号の説明

１ 電子光学鏡筒部
２ 検出器
３，４ ３次元的に可動なアーム
５ 試料
６ 気密容器
７ 排気機構
８ 絶縁体基板
９ 開孔部
１０ 電極
１１ 電子源チップ
１２ 引出し電極
１３ 加速電極
１４（１５，１６，１７） アインツェルレンズ
１８ 外周電極
１９，２０ 絶縁体
２１ 電極端子
２２ ピエゾスキャナとの接続部分
２３ Ｏリング
２４ 検出器付きの電子光学鏡筒部
２５ ＳＴＭ
２６ 光学顕微鏡
２７ ボールＳｉ

Claims (10)

1. 電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射して試料を観察するための装置であって、
   排気機構を有する容器と、
   前記容器内に、電子光学鏡筒部を先端に有する３次元的に可動なアームと、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出するための検出器とを備え、
   前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を前記試料上へ照射する位置を走査するための手段とを備えることを特徴とする試料の観察装置。
2. 前記検出器は、前記電子光学鏡筒部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の試料の観察装置。
3. 前記検出器は、前記容器に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の試料の観察装置。
4. 前記アームとは別に、前記検出器を先端に有する３次元的に可動な第二のアームを備えることを特徴とする請求項１に記載の試料の観察装置。
5. 前記検出器付きの電子光学鏡筒部を先端に有するアームとは別に、第二の検出器を先端に有する３次元的に可動な第二のアームを備えることを特徴とする請求項２に記載の試料の観察装置。
6. 前記検出器付きの電子光学鏡筒部を先端に有するアームとは別に、第二の検出器付きの電子光学鏡筒部を先端に有する３次元的に可動な第二のアームを備えることを特徴とする請求項２に記載の試料の観察装置。
7. 前記検出器付きの電子光学鏡筒部を先端に有するアームとは別に、走査プローブ顕微鏡を先端に有する３次元的に可動なアームを備えることを特徴とする請求項２に記載の試料の観察装置。
8. 前記容器内に、前記検出器付きの電子光学鏡筒部を先端に取り付けた３次元的に可動なアームとは別に、光学顕微鏡を先端に有する３次元的に可動なアームを備えることを特徴とする請求項２に記載の試料の観察装置。
9. 電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射して試料を観察するための装置であって、
   排気機構を有する容器と、
   前記容器内に、２つ以上の３次元的に可動なアームを有し、前記アームの各先端に、電子光学鏡筒部、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出するための検出器、検出器付きの電子光学鏡筒部、走査プローブ顕微鏡、又は光学顕微鏡から選択した要素が配置され、
   前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を前記試料上へ照射する位置を走査するための手段を備えることを特徴とする試料の観察装置。
10. 電子光学鏡筒から試料へ電子線を照射することで試料を加工するための装置であって、
    排気機構を有する容器と、
    前記容器内に、電子光学鏡筒部を先端に有する３次元的に可動なアームと、前記電子線が照射された前記試料から放出された電子を検出するための検出器とを備え、
    前記電子光学鏡筒部は、電子線源と、前記電子線源から放出された電子を加速するための加速電極と、加速された電子線を収束するための電子レンズと、前記電子光学鏡筒部と前記試料との相対位置を変化させることで前記電子線を前記試料上へ照射する位置を走査しながら前記試料を加工する手段を備えることを特徴とする試料の加工装置。

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