JP3039562B2 - Composite device with built-in scanning electron microscope - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本発明は、走査型トンネル顕微鏡（STM），原子間力
顕微鏡（AFM）などの観察・計測装置や化学蒸着（CVD）
装置，集束イオンビーム（FIB）装置，ドライエッチン
グ装置などの加工・処理装置と走査型電子顕微装置との
複合化装置に関するものである。The present invention relates to observation and measurement devices such as a scanning tunneling microscope (STM) and an atomic force microscope (AFM), and chemical vapor deposition (CVD).
The present invention relates to a combined apparatus of a processing / processing apparatus such as an apparatus, a focused ion beam (FIB) apparatus, a dry etching apparatus, and a scanning electron microscope.

【従来の技術】[Prior art]

例えば、走査型トンネル顕微鏡（STM）などの近視野
顕微鏡は、広い視野の観察には適さないため、視野の選
択を容易にするために、走査型電子顕微鏡（SEM）と複
合化させることが行なわれている。 従来、STM等の観察・計測装置とSEM装置との複合化
は、電子線の集束手段として磁界レンズを用いた大型SE
M装置の試料室内にSTM機能部を内蔵させることによって
実現されている。このような複合化の一例は、レビュー
オブ サイエンティフィック インスツルメンツ 第
57巻，第２号（1986年），第221頁〜第224頁［Review o
f Scientific Instruments vvol.57,No2（1986）,pp.22
1−224］に開示されている。 また、化学蒸着（CVD）装置，集束イオンビーム（FI
B）装置やドライエッチング装置などの加工・処理装置
においては、試料の加工や処理の状態をモニタリングす
るために、SEM装置と複合化することが行なわれてい
る。 従来、このような加工・処理装置とSEM装置との複合
化は、これら加工・処理装置の横に、電子線の集束手段
として磁界レンズを用いた大型SEM装置を並設し、加工
・処理装置の試料室とSEMの試料室と連通口を介して連
結させることによって行なわれている。そして、SEM装
置による試料の観察を行なう際には、上記連通口を通し
て試料を加工・処理装置の試料室内からSEM装置の試料
室内へ移動させるようにしている。このようにした一例
は、特開昭61−256554号公報に開示されている。For example, a near-field microscope such as a scanning tunneling microscope (STM) is not suitable for observing a wide field of view, so it is necessary to combine it with a scanning electron microscope (SEM) to facilitate selection of the field of view. Have been. Conventionally, the combination of observation / measurement equipment such as STM and SEM equipment has been realized by using a large SE using a magnetic lens as a means for focusing the electron beam.
This is realized by incorporating the STM function unit in the sample chamber of the M device. An example of such a composite is the Review of Scientific Instruments
Vol. 57, No. 2, (1986), pp. 221 to 224 [Review o
f Scientific Instruments vvol. 57, No2 (1986), pp. 22
1-224]. In addition, chemical vapor deposition (CVD) equipment, focused ion beam (FI
B) In processing / processing apparatuses such as apparatuses and dry etching apparatuses, in order to monitor the processing and processing state of a sample, the processing is combined with an SEM apparatus. Conventionally, such processing / processing equipment and SEM equipment have been combined by installing a large-sized SEM equipment using a magnetic lens as a means for converging electron beams next to these processing / processing equipment. And the sample chamber of the SEM are connected via a communication port. When the sample is observed by the SEM device, the sample is moved from the sample room of the processing / processing device to the sample room of the SEM device through the communication port. One such example is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-256554.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

上述した従来の複合化技術においては、SEM装置自体
が非常に大型であるため、該SEM装置をSTMなどの観察・
計測装置や、CVD装置,FIB装置，ドライエッチング装置
などの加工・処理装置に複合化しようとすると、複合化
された装置全体が極めて大型になってしまうという問題
があった。 また、上記した従来技術に従って、観察・計測装置や
加工・処理装置にSEM装置を複合化する場合には、これ
ら観察・計測装置や加工・処理装置のための真空排気系
以外に、新たにSEM装置用の真空排気系を設けることが
必要になるという問題点があった。 さらに、上記従来技術による観察・計測装置とSEM装
置との複合化においては、SEM装置自体が固定設置され
ているため、観察・計測装置側での観察・計測のための
試料移動機構に加えて、SEM装置側でのSEM観察のための
試料移動機構が新たに必要となる。また、上記従来技術
による加工・処理装置とSEM装置との複合化において
は、加工・処理装置の試料室内からSEM装置の試料室内
まで試料を移動させるための試料移動機構がさらに必要
となる。このように、試料を移動させるための機構やそ
の操作が複雑になってしまうという問題があった。 本発明の目的は、上述したような観察・計測装置や加
工・処理装置の構造を格別に大型化することなく、これ
ら観察・計測装置や加工・処理装置にSEM装置を複合化
してなる複合化装置を提供することにある。 本発明の他の目的は、上述したような観察・計測装置
や加工・処理装置に新たな真空排気手段を付設すること
なく、これらの観察・計測装置や加工・処理装置にSEM
装置を複合化してなる複合化装置を提供することにあ
る。 本発明のさらに他の目的は、上述したような観察・計
測装置や加工・処理装置に新たな試料移動機構系を付設
することなく、これらの観察・計測装置や加工・処理装
置にSEM装置を複合化してなる複合化装置を提供するこ
とにある。 本発明のさらに他の目的は、上記したような加工・処
理装置にSEM装置を複合化してなる装置において、試料
の加工・処理を行なわせることによってSEM装置の性能
が劣化せしめられることがないように改良された複合化
装置を提供することにある。In the conventional composite technology described above, since the SEM device itself is very large, it is necessary to observe the SEM device using an STM or the like.
When combining with a processing device such as a measuring device, a CVD device, a FIB device, and a dry etching device, there is a problem that the entire combined device becomes extremely large. In addition, according to the above-mentioned conventional technology, when an SEM device is combined with an observation / measurement device or a processing / processing device, a new SEM device is used in addition to the evacuation system for the observation / measurement device or the processing / processing device. There is a problem that it is necessary to provide a vacuum evacuation system for the apparatus. Furthermore, in the combination of the observation / measurement device and the SEM device according to the above-described conventional technology, the SEM device itself is fixedly installed, so that the observation / measurement device has a sample moving mechanism for observation / measurement. In addition, a sample moving mechanism for SEM observation on the SEM device side is newly required. Further, in the case of combining the processing / processing apparatus and the SEM apparatus according to the above-described conventional technology, a sample moving mechanism for moving a sample from the sample chamber of the processing / processing apparatus to the sample chamber of the SEM apparatus is further required. As described above, there has been a problem that a mechanism for moving the sample and its operation are complicated. An object of the present invention is to combine an observation / measurement apparatus and a processing / processing apparatus with an SEM apparatus without increasing the structure of the observation / measurement apparatus and the processing / processing apparatus. It is to provide a device. Another object of the present invention is to provide an SEM for these observation / measurement devices and processing / processing devices without adding a new evacuation means to the observation / measurement devices and processing / processing devices as described above.
An object of the present invention is to provide a compounding device obtained by compounding devices. Still another object of the present invention is to provide an observation / measurement apparatus or a processing / processing apparatus as described above without adding a new sample moving mechanism system to the observation / measurement apparatus / processing / processing apparatus by using an SEM apparatus. An object of the present invention is to provide a compounding device that is formed by compounding. Still another object of the present invention is to prevent the performance of the SEM device from being degraded by performing the processing and processing of the sample in the device obtained by combining the processing and processing device with the SEM device as described above. To provide an improved composite device.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

上記の目的を達成するために、本発明の一実施例にお
いては、試料室内に置かれた試料の観察・計測または加
工・処理を行なう装置において、上記試料室の内部空間
中に、上記試料表面を走査電子顕微法により観察するた
めに上記試料表面に細く集束された電子線を走査しなが
ら照射する集束電子線照射手段を内蔵させてなることを
特徴としている。 また、本発明の他の一実施例においては、試料室内に
置かれた試料の観察・計測または加工・処理を行なう装
置に、上記試料表面を走査型電子顕微法により観察する
ために上記試料表面に細く集束された電子線を走査しな
がら照射するための集束電子線照射手段を付設し、上記
試料室内を真空排気する排気系と上記集束電子線照射手
段の内部を真空排気する排気系とを共用する如く構成し
てなることを特徴としている。 また、本発明のさらに他の一実施例においては、試料
の観察・計測または加工・処理を行なう装置に内蔵もし
くは付設された集束電子線照射手段の試料に対する相対
位置関係を可変ならしめる手段を付設してなることを特
徴としている。 また、本発明のさらに他の一実施例においては、試料
への集束電子線照射によって発生する二次電子を検出す
るための二次電子検出手段の試料に対する相対位置関係
を上記集束電子線照射手段の試料に対する相対位置関係
と共に可変ならしめる手段を付設してなることを特徴と
している。 また、本発明のさらに他の一実施例においては、上記
の集束電子線照射手段を上記試料の加工・処理領域から
隠蔽する手段を付加してなることを特徴としている。 また、本発明のさらに他の一実施例においては、上記
の集束電子線照射手段における電子線集束手段を全て静
電レンズによって構成してなることを特徴としている。In order to achieve the above object, in one embodiment of the present invention, in an apparatus for observing, measuring, or processing or processing a sample placed in a sample chamber, the sample surface is placed in an internal space of the sample chamber. In order to observe the sample by scanning electron microscopy, a focused electron beam irradiating means for irradiating the sample surface with a finely focused electron beam while scanning the sample surface is incorporated. Further, in another embodiment of the present invention, an apparatus for observing, measuring, or processing and processing a sample placed in a sample chamber is provided with the sample surface for observing the sample surface by scanning electron microscopy. A focused electron beam irradiating means for irradiating the focused electron beam while scanning is provided with an exhaust system for evacuating the sample chamber and an exhaust system for evacuating the inside of the focused electron beam irradiating means. It is characterized by being configured to be shared. Further, in still another embodiment of the present invention, there is provided means for varying the relative positional relationship of the focused electron beam irradiating means built in or provided in the apparatus for observing, measuring, or processing / processing the sample. It is characterized by becoming. In still another embodiment of the present invention, the relative position of the secondary electron detecting means for detecting secondary electrons generated by irradiating the sample with the focused electron beam to the sample is determined by the focused electron beam irradiating means. And a means for varying the relative positional relationship with the sample. Still another embodiment of the present invention is characterized in that a means for concealing the above-mentioned focused electron beam irradiation means from the processing / processing area of the sample is added. Still another embodiment of the present invention is characterized in that the electron beam converging means in the above-mentioned converged electron beam irradiating means is constituted entirely by an electrostatic lens.

【作用】[Action]

上記した本発明の特徴的構成によれば、試料室の内部
空間中に集束電子線照射手段を内蔵させたことにより、
観察・計測装置または加工・処理装置の構造寸法を特別
に大型化することなく、これら装置にSEM装置を複合化
してやることができる。 また、上記したように、観察・計測装置または加工・
処理装置の試料室との真空排気系と集束電子線照射手段
の真空排気系とを共用する構成としたことにより、集束
電子線照射手段のために新たな真空排気手段を設けるこ
となく、これら装置にSEM装置を複合化してやることが
できる。 また、上記したように、集束電子線照射手段の試料に
対する相対位置関係を可変ならしめる構成としたことに
より、観察・計測装置または加工・処理装置側に新たな
試料移動機構系を設けることなく、これら装置にSEM装
置を複合化してやることができる。 また、上記したように、集束電子線照射手段を試料の
加工・処理領域から隠蔽する手段を付加したことによ
り、試料の加工・処理を行なうことにってSEM装置側の
性能を劣化させることのない、加工・処理装置とSEM装
置との複合化装置が得られる。 本発明のさらに他の特徴並びにそれに伴って得られる
作用効果については、以下の実施例を挙げての説明の中
で逐次明らかにされよう。According to the characteristic configuration of the present invention described above, by incorporating the focused electron beam irradiation means in the internal space of the sample chamber,
The SEM device can be combined with the observation / measurement device or the processing / processing device without increasing the structural size of the device. In addition, as described above, observation / measurement equipment or processing /
By using a common structure for the vacuum exhaust system of the sample chamber of the processing apparatus and the vacuum exhaust system of the focused electron beam irradiating means, these devices can be used without providing a new vacuum exhaust means for the focused electron beam irradiating means. SEM equipment can be combined. Further, as described above, by adopting a configuration in which the relative positional relationship of the focused electron beam irradiation means with respect to the sample can be varied, without providing a new sample moving mechanism system on the observation / measurement device or the processing / processing device side, These devices can be combined with SEM devices. In addition, as described above, by adding the means for concealing the focused electron beam irradiation means from the processing / processing area of the sample, the processing / processing of the sample deteriorates the performance of the SEM apparatus side. There is no composite device of processing and processing equipment and SEM equipment. Still other features of the present invention and the effects obtained thereby will be clarified one by one in the description with reference to the following examples.

【実施例】【Example】

以下、本発明の実施例につき、図面を参照して、詳細
に説明する。 第１図に、本発明の一実施例になる複合装置の概略構
成を示す。本実施例は、STM（走査型トンネル顕微鏡）
の原理を応用したAFM（原子間力顕微鏡）の試料室内に
超小型SEMを内蔵させた複合化装置の例である。ここで
は、超高真空容器17の中にAFM装置が設置され、該容器1
7内にアタッチメントとして三次元（xyz）移動機構２に
よって保持された超小型SEM装置の鏡筒部１が内蔵設置
されている。 上記AFM装置は、試料３を保持する試料台4,AFM用の探
針5,該AFM用探針５を保持するカンチレバー6,STM用の探
針7,該STM用探針７の三次元（XYZ）方向位置を制御する
ための圧電素子8_X,8_Y,8_Zからなるトライポッド型スキャ
ナ8,上記試料台４の三次元（XYZ）方向位置を制御する
ための圧電素子9_X,9_Y,9_Zからなるトライポッド型スキャ
ナ9,ベース（支持台）10,カンチレバー６とSTM用スキャ
ナ８とを搭載しベース10上を滑り移動するスライダ11,
該スライダ11上でSTM用スキャナ８をＺ軸方向に移動さ
せるためのステップ移動機構12,ベース10上でスライダ1
1をＺ軸,X軸方向にそれぞれ移動させるためのステップ
移動機構13,14,ベース10に対しAFM用スキャナ９をＹ軸
方向に移動させるためのステップ移動機構15,並びに積
層型防振機構16から構成されている。なお、ここでは、
それぞれの構成要素の動作を制御するための制御系につ
いては、図示を省略してある。 上記した構成のAFM装置は、一定斥力モード（探針５
の先端と試料３との間に作用する斥力を一定に保持した
状態）で動作せしめられる。すなわち、AFM用スキャナ
９のＺ軸圧電素子9_Zを伸長させることによって試料３を
探針５の先端に近づけていくと、探針５の先端と試料３
との間に作用する原子間力（この場合は、斥力）によっ
てカンチレバー６が押されて反り返るが、この時のカン
チレバー６の姿勢（反り返りの状態）が一定となるよう
にＺ軸圧電素子9_Zの伸縮状態を制御する。この時のカン
チレバー６の姿勢が一定かどうかは、STM用探針７の先
端とカンチレバー６との間の距離が一定かどうかによっ
てチェックされる。つまり、STM用探針７の先端とカン
チレバー６との間に流れるトンネル電流を監視し、該ト
ンネル電流が一定に保たれるようにＺ軸圧電素子9_Zの伸
縮状態を制御すれば、カンチレバー６の姿勢は常に一定
に保たれる。 したがって、AFM用スキャナ９のX,Y軸圧電素子9_X,9_Y
によって試料４をXY面内で二次元走査（例えば、ラスタ
ー走査）しながら、上記したようにカンチレバー６の姿
勢が常に一定になるようにＺ軸圧電素子9_Zによる試料３
のＺ軸方向位置制御を行なえば、この時の走査信号（圧
電素子9_X,9_Yの駆動信号）と圧電素子9_Zの駆動信号とを
用いて試料３の表面構造を表示させ、これを観察するこ
とができる。 しかしながら、上記したAFM装置においては、AFM用ス
キャナ９による走査範囲を広くとることが難しいため、
試料表面の高々数μｍ角程度の範囲しか観察することが
できない。このため、走査範囲の広いSEMによって予め
試料表面の広い範囲を観察して、AFM観察を所望する領
域を探し出すことが必要である。また、上記したAFM装
置においては、STM機構が用いられているため、カンチ
レバー６の裏面の所定位置にSTM用探針７を精密にアラ
イメントすることが必要である。 そこで、本実施例においては、AFM装置による観察視
野の選定を行なう場合には、第２図に示すように、SEM
鏡筒部１の光学軸（電子線軸）を試料３の表面に指向さ
せて試料表面の広い範囲についてのSEM法による観察を
行なったり、試料表面とAFM用探針５先端との同時観察
による両者の位置関係の確認を行なう。また、STM用探
針７のカンチレバー６裏面へのアライメントを行なう場
合には、第３図に示すように、移動機構２によってSEM
鏡筒部１をx,y,あるいはｚ軸方向に移動させることによ
りSEM鏡筒部１の光学軸をカンチレバー６の裏面に指向
させてSEM法によるカンチレバー６の裏面とSTM用探針７
との同時観察を行なうことによってSTM用探針７のカン
チレバー６の裏面の所定位置への位置合わせ（アライメ
ント）を行なう。 上述したSEM鏡筒部１およびその移動機構２の具体的
構成例を第４図に示す。第４図において、超小型SEMの
鏡筒部１は、電子線集束用レンズとして、励磁コイルの
必要な磁界レンズを用いずに、電極101,104,105および1
06からなる静電レンズを用いているため非常に小型に構
成されている。一例として、第１電極101の外径（鏡筒
部太さ）は30mm、電子銃取付用フランジ116の上面から
第１電極101の下面までの距離（鏡筒部長さ）は100mmと
なっている。このように、本発明による全静電レンズ構
成のSEM鏡筒部は、従来の磁界レンズを用いた鏡筒部構
成に比べ、体積的に約1/100となっているため、該SEM鏡
筒部１全体をAFM装置の超高真空容器17内に内蔵させた
り、該鏡筒部１を超高真空容器17内で移動させたり、該
鏡筒部１内を真空排気するための排気系をAFM装置用の
排気系と共用させたりすることが可能となっている。こ
のSEM鏡筒部１は、電子銃141,第１電極101,第２電極10
4,第３電極105,第４電極106,偏向コイル（あるいはアラ
イメントコイルを含んだ偏向コイル）102,該偏向コイル
を取り付けるための絶縁物製ボビン103,電極105,106を
保持する絶縁碍子107,鏡筒部１を支持するホルダ108,お
よび、電子銃114を支持するフランジ116より構成されて
いる。そして、鏡筒部１は、超高真空容器17の真空壁に
設けられた開口部に気密に取り付られるフランジ111に
ベローズ109を介して取り付けられている。また、鏡筒
部１を動かすための移動機構２は、ホルダ108の上部に
形成されたネジ部118に嵌め合わされたナット113を回転
することにより鏡筒部１を光学軸方向（ｚ軸方向）に移
動させるように構成されたｚ軸移動機構部と、ナット11
3の側面にx,y軸方向からそれぞれ当接された微動ネジ11
0_x,110_y（ｙ軸方向については図示省略）を回転するこ
とにより鏡筒部１を光学軸に直角な面内でx,y軸方向に
移動させるように構成されたx,y軸移動機構部とからな
っている。なお、ナット113をスムーズに動かせるよう
にするために、ナット113の下面とフランジ111との間に
ボール112が設けられている。ホルダ108とフランジ111
との間には弾性変形するベローズ109が取付けられてお
り、これによって、超高真空容器17内の真空度を維持し
たままの状態で上記した鏡筒部１の移動が可能になって
いる。 上記した構成のSEM装置は次のように動作する。第４
図において、電子銃114の電子放出チップ先端と電子引
出電極としての第４電極104との間に形成された引出電
界によって上記チップ先端から引き出された電子線は、
第2,第3,第４電極104,105,106の三電極からなるコンデ
ンサレンズおよび第1,第２電極101,104の二電極からな
る対物レンズによって細く集束されて試料３上に照射せ
しめられる。さらに、該集束電子線は、第２電極104に
囲まれていることによって該第２電極104と同電位に保
たれている空間内において、電磁偏向コイル102（これ
は静電偏向電極であってもよい）により偏向され、試料
３の表面上で二次元的に走査される。該電子線の照射に
よって試料３表面から放出された二次電子は二次電子検
出器（図示省略）によって検出され、該検出信号を映像
信号して制御・表示装置117内の表示部に試料３表面の
二次元二次電子像を表示させることができる。これらの
制御，信号処理，表示などに関する操作は、すべて制御
・表示装置117によって行なわれるものとする。なお、
鏡筒部１の各電極やコイル等への電圧，電流の供給およ
び二次電子検出信号の取出しは導入端子115を介して行
なわれるものとするが、第４図中では、図面の煩雑化を
避けるために、配線の細部の様子については図示を省略
してある。 上記した対物レンズを構成する第1,第２電極101,104
のうち、電子銃114側にある第２電極104への印加電圧を
試料４側にある第１電極101（アース電位にある）に対
して正側の電圧とし、該印加電圧の大きさを調整して第
１電極101と第２電極104との間の電界を調節することに
より、該対物レンズのレンズ作用の強さが調節される。
そして、両電極の印加電圧間に所定の関係を成立させる
ことによって、対物レンズのレンズ主面が第１電極101
の下側に形成されるようになる。このことにより、レン
ズ主面と試料３表面との距離を短くすることができ、磁
界型対物レンズを用いた場合よりも光学収差を小さくで
きる。 一方、上記したコンデンサレンズは、電子電流の制御
やビームスポット径、焦点深度の調整を行なうためのも
のである。つまり、第３電極105の電圧を調節してコン
デンサレンズのレンズ作用を強くし対物レンズのレンズ
作用を弱くした状態で電子線を試料上にフォーカスさせ
ると、ビームスポット径は大きくなって分解能は低下す
るが、試料に照射される電子電流（プローブ電流）を大
きくし、かつ焦点深度を深くすることができる。これ
は、第３図のようにしてカンチレバー６の裏面にSTM用
探針７のアライメントを行なう場合のように、低倍率で
広い範囲を、しかも深い焦点深度で観察する必要がある
場合に有効である。これとは逆に、高分解能観察すなわ
ち小さなビームスポット径での観察を必要とする場合に
は、コンデンサレンズのレンズ作用を弱くし対物レンズ
のレンズ作用を強くしてフォーカスさせればよい。 本実施例においては、真空容器内に内蔵せしめられた
STM鏡筒部１の各電極コイルに供給すべき電圧や電流
は、フランジ111に取り付けられた複数本（図では、１
本だけを示したが）の導入端子115を介して導入され
る。このように、フランジ111に、SEM鏡筒部１やxyz移
動機構２を取付け、さらに、鏡筒部駆動用の電圧や電流
を供給するための導入端子115をも併せ設けておくこと
は、SEM装置をAFM装置等の真空試料室内にコンパクトに
内蔵させて複合化装置とすることを容易ならしめるもの
であり、極めて重要である。 なお、本実施例では、SEM鏡筒部１内の真空排気に
は、AFM装置の真空排気システムをそのまま兼用してい
る。この方式では、SEM鏡筒部１内の真空排気が十分効
率良く行なわれるようにするために、第１〜第４の電極
の電極構造やその支持体の構造を考慮することが必要で
ある。例えば、これら電極やその支持体の筒状部分の側
壁等に小さな排気孔を多数あけてやるなどの工夫を施す
ことが重要である。また、兼用する真空排気システムと
しては、超高真空用の排気システムとするのが望まし
い。例えは、第１図において、超高真空ポンプ21には、
ノーブルポンプ，イオンポンプ，あるいはチタンゲッタ
ポンプが、また、超高真空ポンプ22には、ターボ分子ポ
ンプ，ノーブルポンプ，イオンポンプ，あるいはチタン
ゲッタポンプが使用され、さらに、粗引き用の低真空ポ
ンプ23には、油回転ポンプが使用される。超高真空排気
用のポンプ21,22は、真空バルブ24,25を介して超高真空
容器17に接続され、低真空排気用のポンプ23は、真空バ
ルブ26を介して超高真空ポンプ22の低真空側に接続され
る。 さらに、二次電子検出器（図示省略）としては、従来
のSEM装置に使用されているものを用いれば良い。この
二次電子検出器は別のフランジに設置してもよいが、空
間的に余裕があるならばSEM鏡筒部１が取り付けられて
いるフランジに併設できればより便利である。 SEM鏡筒部１のx,y軸方向の移動は、微動ネジ110_x,110
_y（後者については図示省略）を回すことにより、ナッ
ト113を介して鏡筒部１を支持しているホルダ108をx,y
軸方向に微動（微動範囲は1mm角程度）させて行なう。
このとき、ナット113は大気圧により常にフランジ面に
押しつけられているので、両者間にボール112を介在さ
せることによりナット113を移動し易くしてやることが
重要である。また、ｚ軸方向の移動は、ナット113を回
転することにより、鏡筒部１を支持しているホルダ108
を上下させて行なう。このように構成された移動機構を
用いて鏡筒部１を移動させることにより、第２図および
第３図に示したような態様での使用が可能になる。な
お、鏡筒部１の中心軸（光学軸）のフランジ面に対する
傾斜は、例えば、ナット113の下面を球面状とし、該球
面状ナット下面とボール112との間に球面座を有する中
間移動部材を設ける等の工夫を施すことにより実現でき
る。なお、この場合には、微動ネジ110_x,110_yは、上記
の中間移動部材に当接せしめられる。この鏡筒部１の傾
斜運動と前述したx,y軸方向運動とを複合化することに
より、鏡筒部１のより複雑な運動が実現できる。 第５図に、本発明の他の一実施例になる複合装置の概
略構成を示す。本実施例は、STM（走査型トンネル顕微
鏡）に超小型SEMを内蔵させた複合化装置の例である。
これは、第１図に示したAFM装置における探針５とカン
チレバー６とを取り除き、STM用探針７を直接試料３表
面に近づけて試料表面のSTM観察を行なうようにした所
謂STM装置において、STM観察の際の観察視野の選択、試
料表面観察あるいはSTM用探針７先端の評価のためのSEM
観察を可能にするために、STM装置内に超小型SEMを内蔵
させたものである。ここでも、高倍率から低倍率までの
SEM観察を行なうためのSEM鏡筒部１とその移動機構２と
が必要となるが、これらの部分については、第１〜４図
で説明した具体例と同様な構成を採ることによって容易
に実現可能である。 なお、内蔵させたSEM装置を用いることによって、上
記した二次電子像以外に、反射電子像、試料吸収電子像
やオージェ電子像を得ることも可能である。この場合、
反射電子は半導体検出器で、オージェ電子はエネルギア
ナライザで検出することができる。これらの検出器は、
図には示していないが、従来から使用されているものを
試料３の近傍に配置してやればよい。 上記の実施例では、AFM装置またはSTM装置に超小型SE
Mを複合化した具体例について述べたが、STM装置におけ
るトンネル電流の検出やAFM装置における原子間力（微
小力）の検出以外に、磁気力，静電力，光，電磁波，音
波，歪波，熱（温度），静電容量などの物理量を検出し
ても試料表面の構造や物理的，電気的性質を観察，計測
することができる。これら種々の物理量を用いる近視野
顕微鏡に対しても、上記した実施例と同様にして、超小
型SEMを複合化してやることが有効である。 第６図に、本発明のさらに他の一実施例になる複合装
置の概略構成を示す。本実施例は、分子線結晶成長装置
に超小型SEMを内蔵させた複合化装置の例である。すな
わち、本複合化装置は、分子線源201,202,203を内蔵し
た分子線結晶成長装置の試料室（処理室）204内に移動
機構２を備えたSEM鏡筒部１を内蔵させることにより、
分子線結晶成長装置とSEM装置とを複合化したものであ
る。SEM鏡筒部１およびその移動機構２は、第４図に示
したものと同様の構造のものでよい。SEM鏡筒部１が非
常に小型にできているため、この場合にも、試料室204
内の排気とSEM鏡筒部１内の排気は共通の排気系によっ
て行なわれる。 次に、本複合化装置の使用例について説明する。第６
図において、試料台４上に載置された試料３はGaAs単結
晶からなる結晶成長用の基板であり、分子線源201,202,
203としては、それぞれGa,Al,Asのソースが用いられて
いるものとする。試料（基板）３上に結晶成長を行なわ
せるに先立って、先ず基板（GaAs基板）３上にSEM鏡筒
部１から細く絞った電子線210を走査しながら照射し、
基板表面から放出される二次電子205を二次電子検出器2
06によって検出し、該検出信号を用いて基板表面の二次
電子像を表示させ、基板の表面状態をSEM観察する。こ
れにより、基板表面上の異物や欠陥等についての情報が
得られる。しかる後に、Ga,Al,Asの各ソースから分子線
を発生させて、基板３表面上にGaAlAs層を20nm結晶成長
させる。その後、この結晶成長したGaAlAs層の表面を上
記した電子線走査によるSEM法により観察し、成長結晶
中の結晶欠陥の有無を調べる。この様にして、基板表面
や成長結晶表面の観察と結晶成長とを繰返し行なうこと
により、基板表面上に存在する異物や欠陥とその上の成
長結晶中に現われる欠陥との間の因果関係を調べること
ができる。 第７図に、本発明のさらに他の一実施例になる複合装
置の概略構成を示す。本実施例は、ガスプラズマを利用
するドライエッチング装置に超小型SEMを内蔵させて複
合化装置とした例である。本装置は、ガスプラズマによ
るドライエッチング装置の試料室（処理室）204内に、
移動機構２により移動可能に保持されたSEM鏡筒部１を
内蔵させたものである。SEM鏡筒部１は、第４図に示し
たものと同じ構造であり、非常に小型にできている。こ
のため、エッチング装置としての性能に悪影響を与える
ことなく、SEM鏡筒部１を試料（被処理物）３の近傍に
配置させることが可能となった。 ここでは、試料（被処理物）３は、第８図（ａ）に示
したようなGaAs/GaAlAs多層結晶体であるとし、そのド
ライエッチング処理を行なう場合を例にとって説明す
る。第８図（ａ）において、GaAs基板207上に結晶成長
によって形成されているGaAlAs層208の厚さは10nmであ
り、さらにその上のGaAs層209の厚さは20nmである。こ
の多層結晶体は、第６図に示した分子線結晶成長装置を
用いて作成したものである。この様な分子線結晶成長に
より得られたGaAs/GaAlAs多層結晶体における各層の界
面での結晶成長状態を調べるためには、結晶成長後の多
層結晶体を選択エッチングすることにより調べようとす
る結晶層の表面を露出させ、該露出層の表面状態を観察
する必要がある。本実施例による複合化装置によれば、
このような要求に対しても、次のようにして容易に応え
ることができる。 まず、SEM鏡筒部１の先端に設けられた開閉弁211を閉
じた状態で、試料（多層結晶体）３を試料台４上に載置
し、処理室204内を一旦真空排気してから、該処理室内
に例えばCCl₂F₂ガスなどの反応性ガスを導入すると共に
高周波電源212によって電極213に高周波電圧を印加し
て、該電極213と試料３との間に反応性ガスのプラズマ
を発生させる。この発生プラズマによって試料３のエッ
チング処理が行なわれる。 なお、上記した開閉弁211は、反応性ガスを用いてエ
ッチング処理が行なわれる際に、該反応性ガスがSEM鏡
筒部１の内部に侵入して電極等の電子光学部品を腐食さ
せることによってその電子光学特性を劣化させることが
ないようにするために、SEM鏡筒部１の内部空間をエッ
チング処理が行なわれている空間から隠蔽（遮断）する
ために設けられたものである。また、本実施例において
は、反応性ガスの導入によって処理室204内の真空度が
低下した場合でも、SEM鏡筒部１の内部空間（とくに、
電子源付近の空間）は高真空状態に維持できるようにす
るために、SEM鏡筒部１側の真空排気には、処理室204内
を真空排気するための排気系とは異なる独立した排気系
を用いている。なお、処理室204内の真空度が低下した
場合に、上記した開閉弁211を閉じてやることによっ
て、SEM鏡筒部１内を高真空状態に維持することがさら
に容易になる。 上述したCCl₂F₂ガスのプラズマを用いたエッチング処
理においては、GaAs層はエッチングされるがGaAlAs層は
エッチングされないという、非常に材料選択性に富んだ
反応性エッチングが行なれる。このため、第８図（ａ）
に示したような多層結晶体をエッチングした場合、先ず
最上層のGaAs層209がエッチングにより除去されてその
下のGaAlAs層208が露出した状態（第８図（ｂ））にお
いて、エッチングはそれ以上進まなくなり、自動的に停
止する。この段階で、プラズマ発生のための反応性ガス
の供給並びに高周波電圧の印加を停止し、処理室204内
を真空排気してから、開閉弁211を開き、SEM鏡筒部１を
動作させて集束電子線210を露出されたGaAlAs層208を表
面に走査しながら照射し、該層表面のSEM像観察を行な
う。このSEM像観察により、例えば、該層表面の凹凸状
態から結晶欠陥の有無を調べたり、あれいは、該層表面
から放出される二次電子の強度分布から金属不純物を含
む領域208′の有無などを検知することができる。 第９図に、本発明のさらに他の一実施例になる複合装
置の概略構成を示す。本実施例は、FIB装置（集束イオ
ンビーム装置）の試料室内に超小型SEMを内蔵させて複
合化装置とした例である。図において、イオン源220か
らイオン引出電極222によって引き出されたイオンビー
ム221は、第一集束レンズ223および第二集束レンズ225
によって細く集束されて試料３上に照射される。この
際、ブランキング電源224によりイオンビームのON,OFF
が制御され、偏向電極226によりイオンビームの照射位
置が制御される。 試料３表面へのイオンビーム221の照射と同時に、ガ
スボンベ231からノズル229を通してエッチングガスを試
料３表面に供給し、該試料表面のイオンビーム照射部位
において局所的に反応性エッチングを行なわせることが
できる。また、イオンビーム221の照射と同時に、ガス
ボンベ232からノズル230を通してCVDガスを試料３表面
に供給し、該試料表面のイオンビーム照射部位において
局所的なCVD反応を行なわせることができる。これらの
局所加工のモニタリングのために、SEM鏡筒部１が試料
室204内に設けられている。ここで、試料室204とイオン
ビームチャンバ233とSEM鏡筒部１は、それぞれ独立の真
空排気系（図示せず）により個別に排気できるように構
成されているものとし、それによって、イオンビームチ
ャンバ233の内部のSEM鏡筒部１の内部は常に高真空状態
に維持されているものとする。 SEM鏡筒部１は、試料３表面に対する電子線210の照射
傾き角θを変化させるためのθ駆動部227および電子線2
10の試料３周りでの照射方位角φを変化させるためのφ
駆動部228に取り付けられており、試料３に対して常に
最適な方向（傾き角および方位角）から電子線を照射で
きるように構成されている。SEM鏡筒部１からの電子線
照射によって試料３表面から放出される二次電子を二次
電子検出器（図示せず）により検出し、該検出信号を用
いて試料表面のSEM像を表示させることにより、上記し
た局所加工部における加工（処理）形状を詳細にモニタ
リングすることができる。この場合、SEM鏡筒部１が大
きく動いた場合でも常に同じ条件で二次電子を検出でき
るようにするために、二次電子出器はSEM鏡筒部１に対
して所定の位置関係を保持した状態でSEM鏡筒部１に固
定支持され、SEM鏡筒部１を移動させた場合それと一緒
になって二次電子検出器も移動するように構成されてい
るのが望ましい。また、イオンビーム221により試料３
の任意個所に任意深さの穴を掘り、この穴の側面にSEM
鏡筒部１からの電子線を照射して、穴側面をSEM観察す
ることにより、試料の任意個所における断面構造を容易
に観察することができる。 従来、このような加工・処理状態のSEM観察は、試料
を加工・処理装置内から一旦大気中に取り出してから改
めてSEM装置の試料室内に導入することによって、ある
いは、第10図に示すように加工・処理を行なうための試
料室204の横脇に大型のSEM鏡筒部250を備えたSEM観察用
の試料室251を設け、両試料室間をゲートバルブ252を有
する連通口253を介して接続しておき、試料３を加工・
処理用の試料室204内からSEM観察用の試料室251内へ移
動させることによって行なわれていた。しかしながら、
前者のように一旦大気中に試料を取り出す方式において
は、試料表面が酸化してしまったり、異物が付着しやす
いなどの問題点があった。また、後者のように加工・処
理装置の横にSEM装置を設ける構造では、装置全体が大
型化し、排気系や試料の移動機構などが複雑になってし
まうこと、また、それに伴って装置の操作も複雑になる
こと等の問題があった。 これに対し、上記した本発明実施例においては、加工
・処理を行なわせるための試料室204内に超小型SEMの鏡
筒部１を内蔵させているので、装置全体の大型化を防ぐ
ことができ、しかも、加工・処理と観察とを交互に繰り
返す際の試料移動機構をも不要とすることができる。ま
た、SEM鏡筒部が非常に小型であるため、分子線結晶成
長装置のように試料室内が高真空に保持される装置にお
いては、試料室内の排気系とSEM鏡筒部内の排気系を共
用化することができる。さらに、SEM鏡筒部を試料に対
して移動可能に構成しているので、加工・処理条件を変
化させることなく、つまり試料を全く移動させることな
く、試料の様々な領域を様々な方向から観察することが
可能となっている。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a multifunction device according to an embodiment of the present invention. This example uses STM (scanning tunnel microscope)
This is an example of a compounding device that incorporates an ultra-small SEM in a sample chamber of an AFM (atomic force microscope) that applies the principle of the above. Here, an AFM device is installed in the ultrahigh vacuum container 17 and the container 1
In 7, a lens barrel 1 of a micro SEM device held by a three-dimensional (xyz) moving mechanism 2 is installed as an attachment. The AFM apparatus comprises a sample table 4 for holding a sample 3, a probe 5 for AFM, a cantilever 6 for holding the probe 5 for AFM, a probe 7 for STM, and a three-dimensional ( A tripod-type scanner 8 composed of piezoelectric elements 8 _X , 8 _Y , 8 _Z for controlling the position in the XYZ) direction, and piezoelectric elements 9 _X , 9 _Y for controlling the three-dimensional (XYZ) direction position of the sample stage 4 , 9 _Z , tripod-type scanner 9, base (support table) 10, slider 11 mounted with cantilever 6 and STM scanner 8, sliding on base 10,
A step moving mechanism 12 for moving the STM scanner 8 in the Z-axis direction on the slider 11 and a slider 1 on the base 10
Step moving mechanisms 13 and 14 for moving 1 in the Z-axis and X-axis directions, a step moving mechanism 15 for moving the AFM scanner 9 in the Y-axis direction with respect to the base 10, and a stacked vibration damping mechanism 16 It is composed of Here,
A control system for controlling the operation of each component is not shown. The AFM device having the above-described configuration operates in a constant repulsion mode (probe 5
(In a state where the repulsive force acting between the tip of the sample 3 and the sample 3 is kept constant). That is, when the sample 3 is brought closer to the tip of the probe 5 by extending the Z-axis piezoelectric element 9 _Z of the AFM scanner 9, the tip of the probe 5
The cantilever 6 is pushed and warped by an atomic force (in this case, repulsive force) acting between the Z-axis piezoelectric element 9 _Z and the cantilever 6 so that the posture (warping state) of the cantilever 6 at this time is constant. Control the stretch state of Whether the attitude of the cantilever 6 at this time is constant is checked by checking whether the distance between the tip of the STM probe 7 and the cantilever 6 is constant. In other words, monitoring the tunnel current flowing between the tip and the cantilever 6 STM stylus 7, by controlling the expansion state of the Z-axis piezoelectric element 9 _Z such that the tunnel current is kept constant, the cantilever 6 Is always kept constant. Therefore, the X, Y axis piezoelectric elements 9 _X , 9 _{Y of} the AFM scanner 9
Two-dimensional scanning of the specimen 4 in the XY plane by (e.g., raster scanned) while the sample 3 by the Z-axis piezoelectric element 9 _Z as the posture of the cantilever 6 as described above is always constant
Is performed, the surface structure of the sample 3 is displayed using the scanning signals (drive signals for the piezoelectric elements 9 _X and 9 _Y ) and the drive signals for the piezoelectric elements 9 _Z at this time, and Can be observed. However, in the above-mentioned AFM apparatus, it is difficult to widen the scanning range by the AFM scanner 9,
It is possible to observe only a range of at most several μm square on the sample surface. Therefore, it is necessary to observe a wide range of the sample surface in advance by using an SEM having a wide scanning range to find a region where AFM observation is desired. Further, in the above-mentioned AFM apparatus, since the STM mechanism is used, it is necessary to precisely align the STM probe 7 at a predetermined position on the back surface of the cantilever 6. Therefore, in this embodiment, when an observation field of view is selected by the AFM apparatus, as shown in FIG.
The optical axis (electron beam axis) of the lens barrel 1 is directed to the surface of the sample 3 to observe a wide range of the sample surface by the SEM method, or to simultaneously observe the sample surface and the tip of the AFM probe 5. Confirm the positional relationship of. When the STM probe 7 is aligned with the back surface of the cantilever 6, as shown in FIG.
By moving the lens barrel 1 in the x, y, or z-axis directions, the optical axis of the SEM lens barrel 1 is directed to the back of the cantilever 6, and the back of the cantilever 6 and the STM probe 7 by the SEM method.
The STM probe 7 is aligned with a predetermined position on the back surface of the cantilever 6 by performing the observation at the same time. FIG. 4 shows a specific configuration example of the SEM lens barrel 1 and its moving mechanism 2 described above. In FIG. 4, the lens barrel 1 of the ultra-small SEM includes electrodes 101, 104, 105, and 1 as electrodes for focusing an electron beam without using a magnetic lens required for an excitation coil.
It is very small because it uses an electrostatic lens made of 06. As an example, the outer diameter of the first electrode 101 (the thickness of the lens barrel) is 30 mm, and the distance from the upper surface of the electron gun mounting flange 116 to the lower surface of the first electrode 101 (the length of the lens barrel) is 100 mm. . As described above, since the SEM lens barrel of the all-electrostatic lens configuration according to the present invention is approximately 1/100 in volume compared to the lens barrel configuration using the conventional magnetic lens, the SEM lens barrel is An exhaust system for incorporating the entire unit 1 in the ultra-high vacuum container 17 of the AFM device, moving the lens barrel unit 1 in the ultra-high vacuum container 17, and evacuating the lens barrel unit 1 to vacuum. It can be shared with the exhaust system for AFM equipment. The SEM lens barrel 1 includes an electron gun 141, a first electrode 101, and a second electrode 10
4, a third electrode 105, a fourth electrode 106, a deflection coil (or a deflection coil including an alignment coil) 102, a bobbin 103 made of an insulator for mounting the deflection coil, an insulator 107 holding the electrodes 105 and 106, a lens barrel It comprises a holder 108 for supporting the unit 1 and a flange 116 for supporting the electron gun 114. The lens barrel 1 is attached via a bellows 109 to a flange 111 that is hermetically attached to an opening provided in the vacuum wall of the ultrahigh vacuum vessel 17. The moving mechanism 2 for moving the lens barrel 1 rotates the nut 113 fitted to a screw 118 formed on the upper part of the holder 108 to move the lens barrel 1 in the optical axis direction (z-axis direction). A z-axis moving mechanism configured to move the nut 11
Fine movement screw 11 abutting on the side of 3 from the x and y axis directions respectively
X, y-axis movement configured to move the lens barrel 1 in the x, y-axis directions in a plane perpendicular to the optical axis by rotating 0 _x , 110 _y (not shown in the y-axis direction). It consists of a mechanism. Note that a ball 112 is provided between the lower surface of the nut 113 and the flange 111 so that the nut 113 can be moved smoothly. Holder 108 and flange 111
An elastically deformable bellows 109 is attached between the lens barrel 1 and the lens barrel 1, thereby enabling the movement of the lens barrel 1 while maintaining the degree of vacuum in the ultrahigh vacuum container 17. The SEM device having the above configuration operates as follows. 4th
In the drawing, the electron beam extracted from the tip of the electron gun by an extraction electric field formed between the tip of the electron emission tip of the electron gun 114 and the fourth electrode 104 as an electron extraction electrode is:
The light is focused finely by the condenser lens including three electrodes of the second, third, and fourth electrodes 104, 105, and 106 and the objective lens including two electrodes of the first and second electrodes 101 and 104, and is irradiated onto the sample 3. Further, the focused electron beam is surrounded by the second electrode 104, so that the focused electron beam is kept at the same potential as the second electrode 104 in the electromagnetic deflection coil 102 (this is an electrostatic deflection electrode, And scans the surface of the sample 3 two-dimensionally. Secondary electrons emitted from the surface of the sample 3 by the irradiation of the electron beam are detected by a secondary electron detector (not shown), and the detected signal is image-signaled and displayed on a display unit in the control / display device 117. A two-dimensional secondary electron image of the surface can be displayed. It is assumed that all operations related to control, signal processing, display, and the like are performed by the control / display device 117. In addition,
The supply of voltage and current to each electrode and coil of the lens barrel 1 and the extraction of a secondary electron detection signal are performed through the introduction terminal 115. However, in FIG. For the sake of simplicity, details of the wiring are not shown. First and second electrodes 101 and 104 constituting the above-mentioned objective lens
Of these, the voltage applied to the second electrode 104 on the electron gun 114 side is a positive voltage with respect to the first electrode 101 (at ground potential) on the sample 4 side, and the magnitude of the applied voltage is adjusted. Then, by adjusting the electric field between the first electrode 101 and the second electrode 104, the intensity of the lens action of the objective lens is adjusted.
Then, by establishing a predetermined relationship between the applied voltages of both electrodes, the lens main surface of the objective lens becomes the first electrode 101.
Will be formed underneath. As a result, the distance between the lens main surface and the surface of the sample 3 can be shortened, and the optical aberration can be reduced as compared with the case where a magnetic field type objective lens is used. On the other hand, the condenser lens described above is for controlling the electron current and adjusting the beam spot diameter and the depth of focus. In other words, if the electron beam is focused on the sample while adjusting the voltage of the third electrode 105 to increase the lens action of the condenser lens and weaken the lens action of the objective lens, the beam spot diameter increases and the resolution decreases. However, the electron current (probe current) applied to the sample can be increased and the depth of focus can be increased. This is effective when it is necessary to observe a wide range at low magnification and deep depth of focus, such as when aligning the STM probe 7 on the back surface of the cantilever 6 as shown in FIG. is there. Conversely, when high-resolution observation, that is, observation with a small beam spot diameter, is required, focusing may be performed by weakening the lens action of the condenser lens and increasing the lens action of the objective lens. In this embodiment, it was built in a vacuum vessel.
The voltage and current to be supplied to each electrode coil of the STM lens barrel 1 are a plurality of
(Only the book is shown). As described above, mounting the SEM lens barrel 1 and the xyz moving mechanism 2 on the flange 111, and additionally providing the lead-in terminal 115 for supplying voltage and current for driving the lens barrel, are also required by the SEM. It is very important because it makes it easy to integrate the device compactly into a vacuum sample chamber such as an AFM device to form a composite device. In this embodiment, the vacuum pumping system of the AFM device is used for the vacuum pumping of the SEM lens barrel 1 as it is. In this method, it is necessary to consider the electrode structure of the first to fourth electrodes and the structure of its support in order to evacuate the inside of the SEM lens barrel 1 sufficiently efficiently. For example, it is important to take measures such as making many small exhaust holes in the side walls of these electrodes and the cylindrical portion of the support. In addition, it is desirable to use an exhaust system for ultra-high vacuum as the vacuum exhaust system that is also used. For example, in FIG.
A noble pump, an ion pump, or a titanium getter pump is used. The ultra-high vacuum pump 22 is a turbo molecular pump, a noble pump, an ion pump, or a titanium getter pump, and a low vacuum pump 23 for roughing. , An oil rotary pump is used. The ultrahigh vacuum pumps 21 and 22 are connected to the ultrahigh vacuum vessel 17 via vacuum valves 24 and 25, and the low vacuum pump 23 is connected to the ultrahigh vacuum pump 22 via a vacuum valve 26. Connected to low vacuum side. Further, as the secondary electron detector (not shown), a detector used in a conventional SEM device may be used. This secondary electron detector may be installed on another flange, but if there is sufficient space, it is more convenient if it can be installed along with the flange on which the SEM lens barrel 1 is mounted. The movement of the SEM lens barrel 1 in the x and y axis directions is performed by fine movement screws 110 _x and 110.
By turning _y (the latter is not shown), the holder 108 supporting the lens barrel 1 via the nut 113 is moved to x, y
Fine movement is performed in the axial direction (the range of fine movement is about 1 mm square).
At this time, since the nut 113 is constantly pressed against the flange surface by the atmospheric pressure, it is important to make the nut 113 easy to move by interposing the ball 112 therebetween. The movement in the z-axis direction is achieved by rotating the nut 113 to thereby hold the lens barrel 1 supporting the lens barrel 1.
Up and down. By moving the lens barrel 1 using the moving mechanism configured as described above, it becomes possible to use the lens barrel 1 in the manner shown in FIGS. 2 and 3. The inclination of the central axis (optical axis) of the lens barrel 1 with respect to the flange surface is, for example, such that the lower surface of the nut 113 is spherical and an intermediate moving member having a spherical seat between the spherical nut lower surface and the ball 112. It can be realized by devising such as providing. In this case, the fine motion screw 110 _x, 110 _y is brought into contact with the intermediate movable member described above. By combining the tilting movement of the lens barrel 1 and the above-described x, y-axis movement, a more complicated movement of the lens barrel 1 can be realized. FIG. 5 shows a schematic configuration of a multifunction device according to another embodiment of the present invention. The present embodiment is an example of a compounding apparatus in which an ultra-small SEM is built in an STM (scanning tunnel microscope).
This is a so-called STM device in which the probe 5 and the cantilever 6 in the AFM device shown in FIG. 1 are removed, and the STM probe 7 is brought directly close to the surface of the sample 3 to perform STM observation of the sample surface. SEM for selection of observation field of view during STM observation, observation of sample surface or evaluation of tip of STM probe 7
In order to enable observation, an ultra-small SEM is built in the STM device. Again, from high to low magnification
An SEM lens barrel 1 and a moving mechanism 2 for performing SEM observation are required, but these parts can be easily realized by adopting a configuration similar to the specific example described in FIGS. It is possible. By using the built-in SEM device, it is also possible to obtain a reflected electron image, a sample absorption electron image and an Auger electron image in addition to the above-mentioned secondary electron image. in this case,
Reflected electrons can be detected by a semiconductor detector, and Auger electrons can be detected by an energy analyzer. These detectors are
Although not shown in the figure, a conventional one may be placed near the sample 3. In the above embodiment, an ultra-small SE
The specific example of compounding M has been described. In addition to the detection of tunnel current in an STM device and the detection of atomic force (small force) in an AFM device, magnetic force, electrostatic force, light, electromagnetic waves, sound waves, strain waves, Even if physical quantities such as heat (temperature) and capacitance are detected, the structure, physical and electrical properties of the sample surface can be observed and measured. For a near-field microscope using these various physical quantities, it is effective to combine an ultra-small SEM as in the above-described embodiment. FIG. 6 shows a schematic configuration of a multifunction device according to still another embodiment of the present invention. This embodiment is an example of a compounding apparatus in which a micro SEM is built in a molecular beam crystal growing apparatus. That is, the present composite apparatus incorporates the SEM column unit 1 having the moving mechanism 2 in the sample chamber (processing chamber) 204 of the molecular beam crystal growth apparatus including the molecular beam sources 201, 202, and 203.
This is a composite of a molecular beam crystal growth apparatus and an SEM apparatus. The SEM lens barrel 1 and its moving mechanism 2 may have the same structure as that shown in FIG. Since the SEM lens barrel 1 is very small, the sample chamber 204
The exhaust in the chamber and the exhaust in the SEM lens barrel 1 are performed by a common exhaust system. Next, an example of use of the present composite apparatus will be described. Sixth
In the figure, a sample 3 placed on a sample stage 4 is a substrate for crystal growth made of a GaAs single crystal, and molecular beam sources 201, 202,
It is assumed that Ga, Al, and As sources are used as 203, respectively. Prior to crystal growth on the sample (substrate) 3, the substrate (GaAs substrate) 3 is irradiated with an electron beam 210 narrowly narrowed from the SEM lens barrel 1 while scanning,
The secondary electrons 205 emitted from the substrate surface are detected by the secondary electron detector 2
06, a secondary electron image of the substrate surface is displayed using the detection signal, and the surface state of the substrate is observed by SEM. As a result, information on foreign substances, defects, and the like on the substrate surface can be obtained. Thereafter, a molecular beam is generated from each of Ga, Al, and As sources, and a GaAlAs layer is grown on the surface of the substrate 3 by 20 nm. Thereafter, the surface of the GaAlAs layer on which the crystal has been grown is observed by the above-described SEM method using electron beam scanning, and the presence or absence of crystal defects in the grown crystal is examined. In this manner, by repeatedly observing the substrate surface and the grown crystal surface and conducting crystal growth, a causal relationship between the foreign matter or defect existing on the substrate surface and the defect appearing in the grown crystal thereon is examined. be able to. FIG. 7 shows a schematic configuration of a multifunction device according to still another embodiment of the present invention. This embodiment is an example in which an ultra-compact SEM is built in a dry etching apparatus using gas plasma to form a combined apparatus. This apparatus is installed in the sample chamber (processing chamber) 204 of the dry etching apparatus using gas plasma.
It has a built-in SEM lens barrel 1 movably held by a moving mechanism 2. The SEM lens barrel 1 has the same structure as that shown in FIG. 4, and is very small. For this reason, the SEM lens barrel 1 can be arranged near the sample (workpiece) 3 without adversely affecting the performance of the etching apparatus. Here, the sample (object to be processed) 3 is assumed to be a GaAs / GaAlAs multilayer crystal as shown in FIG. In FIG. 8A, the thickness of a GaAlAs layer 208 formed by crystal growth on a GaAs substrate 207 is 10 nm, and the thickness of a GaAs layer 209 thereon is 20 nm. This multilayer crystal was produced using the molecular beam crystal growth apparatus shown in FIG. In order to investigate the state of crystal growth at the interface of each layer in the GaAs / GaAlAs multilayer crystal obtained by such molecular beam crystal growth, the crystal to be investigated by selectively etching the multilayer crystal after the crystal growth is required. It is necessary to expose the surface of the layer and observe the surface condition of the exposed layer. According to the compounding device according to the present embodiment,
Such a request can be easily satisfied as follows. First, with the on-off valve 211 provided at the end of the SEM lens barrel 1 closed, the sample (multi-layered crystal) 3 is placed on the sample stage 4, and the inside of the processing chamber 204 is once evacuated. A reactive gas such as CCl ₂ F ₂ gas is introduced into the processing chamber, and a high-frequency voltage is applied to the electrode 213 by a high-frequency power source 212 to generate a plasma of the reactive gas between the electrode 213 and the sample 3. generate. The sample 3 is etched by the generated plasma. The above-described on-off valve 211 is configured such that when an etching process is performed using a reactive gas, the reactive gas penetrates into the inside of the SEM barrel 1 and corrodes an electro-optical component such as an electrode. In order to prevent the electron optical characteristics from deteriorating, it is provided to conceal (block) the internal space of the SEM lens barrel 1 from the space where the etching process is performed. Further, in the present embodiment, even when the degree of vacuum in the processing chamber 204 is reduced by the introduction of the reactive gas, the internal space of the SEM barrel 1 (particularly,
In order to maintain a high vacuum state in the space near the electron source, the SEM lens barrel 1 is evacuated to an independent exhaust system different from the exhaust system for evacuating the processing chamber 204. Is used. When the degree of vacuum in the processing chamber 204 is reduced, by closing the on-off valve 211, it is easier to maintain the inside of the SEM lens barrel 1 in a high vacuum state. In the above-described etching process using plasma of CCl ₂ F ₂ gas, reactive etching with very high material selectivity is performed, in which the GaAs layer is etched but the GaAlAs layer is not etched. Therefore, FIG. 8 (a)
In the case where the multilayered crystal body as shown in (1) is etched, first, the uppermost GaAs layer 209 is removed by etching and the underlying GaAlAs layer 208 is exposed (FIG. 8 (b)). It stops and stops automatically. At this stage, the supply of the reactive gas for generating the plasma and the application of the high-frequency voltage are stopped, the inside of the processing chamber 204 is evacuated, the opening / closing valve 211 is opened, and the SEM lens barrel 1 is operated to perform focusing. The exposed surface of the GaAlAs layer 208 is irradiated with an electron beam 210 while scanning the surface, and an SEM image observation of the surface of the layer is performed. By observing the SEM image, for example, the presence or absence of crystal defects can be examined based on the unevenness of the surface of the layer. Etc. can be detected. FIG. 9 shows a schematic configuration of a multifunction device according to still another embodiment of the present invention. The present embodiment is an example in which an ultra-compact SEM is incorporated in a sample chamber of a FIB apparatus (focused ion beam apparatus) to form a composite apparatus. In the figure, an ion beam 221 extracted from an ion source 220 by an ion extraction electrode 222 is divided into a first focusing lens 223 and a second focusing lens 225.
And is irradiated onto the sample 3. At this time, the ion beam is turned ON / OFF by the blanking power supply 224.
Is controlled, and the irradiation position of the ion beam is controlled by the deflection electrode 226. Simultaneously with the irradiation of the ion beam 221 on the surface of the sample 3, an etching gas is supplied from the gas cylinder 231 to the surface of the sample 3 through the nozzle 229, so that reactive etching can be locally performed at the ion beam irradiation site on the sample surface. . Simultaneously with the irradiation of the ion beam 221, a CVD gas is supplied from the gas cylinder 232 to the surface of the sample 3 through the nozzle 230, so that a local CVD reaction can be performed at the ion beam irradiation site on the sample surface. An SEM lens barrel 1 is provided in the sample chamber 204 for monitoring these local processes. Here, the sample chamber 204, the ion beam chamber 233, and the SEM lens barrel 1 are configured to be individually evacuated by independent vacuum evacuation systems (not shown). It is assumed that the inside of the SEM lens barrel 1 inside the 233 is always maintained in a high vacuum state. The SEM barrel unit 1 includes a θ driving unit 227 for changing the irradiation inclination angle θ of the electron beam 210 with respect to the surface of the sample 3 and an electron beam 2.
Φ for changing the irradiation azimuth φ around 10 samples 3
It is attached to the drive unit 228, and is configured so that the sample 3 can always be irradiated with an electron beam from an optimal direction (tilt angle and azimuth angle). Secondary electrons emitted from the surface of the sample 3 by irradiation with the electron beam from the SEM barrel 1 are detected by a secondary electron detector (not shown), and an SEM image of the sample surface is displayed using the detection signal. Thus, the processing (processing) shape in the above-described local processing portion can be monitored in detail. In this case, the secondary electron emitter maintains a predetermined positional relationship with respect to the SEM lens barrel 1 so that secondary electrons can always be detected under the same conditions even when the SEM lens barrel 1 moves greatly. In this state, it is preferable that the secondary electron detector is fixedly supported by the SEM lens barrel 1 so that when the SEM lens barrel 1 is moved, the secondary electron detector moves together with the movement. In addition, the sample 3 is
Dig a hole of any depth at any point in the
By irradiating the electron beam from the lens barrel 1 and observing the side surface of the hole by SEM, it is possible to easily observe the cross-sectional structure at an arbitrary position of the sample. Conventionally, SEM observation of such a processing / processing state is performed by once removing a sample from the processing / processing apparatus into the atmosphere and then introducing it again into the sample chamber of the SEM apparatus, or as shown in FIG. A sample chamber 251 for SEM observation having a large SEM barrel 250 is provided beside the sample chamber 204 for processing and processing, and a communication port 253 having a gate valve 252 is provided between the two sample chambers. Connect and process sample 3
This is performed by moving the sample chamber 204 for processing into the sample chamber 251 for SEM observation. However,
The method of once taking out the sample into the atmosphere as in the former case has problems such as oxidation of the sample surface and adhesion of foreign matter. In addition, the structure in which the SEM device is provided beside the processing / processing device as in the latter case increases the size of the entire device, complicates the exhaust system and the moving mechanism of the sample, etc. Has also been problematic. On the other hand, in the above-described embodiment of the present invention, since the lens barrel 1 of the ultra-small SEM is incorporated in the sample chamber 204 for performing processing and processing, it is possible to prevent the entire apparatus from being enlarged. In addition, a sample moving mechanism for alternately repeating the processing / processing and the observation can be omitted. In addition, since the SEM lens barrel is very small, the exhaust system in the sample chamber and the exhaust system in the SEM lens barrel are shared in a device such as a molecular beam crystal growth system where the sample chamber is kept in a high vacuum. Can be Furthermore, since the SEM barrel is configured to be movable with respect to the sample, various areas of the sample can be observed from various directions without changing the processing and processing conditions, that is, without moving the sample at all. It is possible to do.

【発明の効果】【The invention's effect】

本発明によれば、種々の観察・計測装置または加工・
処理装置の試料室内に集束電子線照射手段として小型に
構成されたSEM鏡筒部を内蔵させることにより、装置全
体を格別に大型化することなく、これらの装置にSEM装
置を複合化することができる。 また、本発明によれば、観察・計測装置または加工・
処理装置の試料室内を真空排気するための排気系と集束
電子線照射手段としてのSEM鏡筒部内を真空排気するた
めの排気系とを共用化させることにより、SEM鏡筒部内
排気用の真空排気系を別途独立して設けることを要せず
して、これらの装置にSEM装置を複合化してやることが
できる。 さらに、本発明によれば、集束電子線照射手段として
のSEM鏡筒部の試料に対する相対位置関係を可変に構成
することにより、観察・計測装置または加工・処理装置
側に新たにSEM観察に際して試料を移動させるための試
料移動機構を設けることなく、これら装置にSEM装置を
複合化することができる。 さらに、本発明によれば、集束電子線照射手段として
のSEM鏡筒部の内部空間を試料の加工・処理を行なって
いる空間領域から隠蔽（遮断）する手段を付設させるこ
とにより、加工・処理装置とSEM装置との複合化装置に
おいて試料の加工・処理を行なうことによってSEM装置
の性能劣化が生じることを防ぐことができる。According to the present invention, various observation and measurement devices or processing and
By incorporating a small-sized SEM column as a focused electron beam irradiation means in the sample chamber of the processing equipment, it is possible to combine SEM equipment with these equipment without increasing the size of the entire equipment. it can. Further, according to the present invention, an observation / measurement device or a processing / measurement device
The exhaust system for evacuating the sample chamber of the processing apparatus and the exhaust system for evacuating the interior of the SEM barrel as a focused electron beam irradiation means are shared, thereby evacuating the interior of the SEM barrel. These devices can be combined with SEM devices without having to provide a separate and independent system. Further, according to the present invention, the relative position of the SEM lens barrel as the focused electron beam irradiating means with respect to the sample is configured to be variable so that the sample can be newly added to the observation / measurement apparatus or the processing / processing apparatus at the time of SEM observation. These devices can be combined with an SEM device without providing a sample moving mechanism for moving the SEM. Further, according to the present invention, processing and processing is provided by providing a means for concealing (blocking) the internal space of the SEM lens barrel as a focused electron beam irradiating means from a space region in which processing and processing of the sample is being performed. It is possible to prevent the performance of the SEM device from deteriorating by processing and processing the sample in the combined device of the device and the SEM device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は、本発明の一実施例になるAFM装置とSEM装置と
の複合化装置の概略構成を示す断面模式図， 第２図は、第１図示の装置において試料のSEM観察を行
なう際の試料とSEM鏡筒部との相対位置関係を示す模式
図， 第３図は、同じく第１図示の装置においてカンチレバー
裏面のSEM観察を行なう際のカンチレバーとSEM鏡筒部と
の相対位置関係を示す模式図， 第４図は、本発明による複合化装置に内蔵せしめられる
SEM鏡筒部とその移動機構との具体的構成を示す断面
図， 第５図は、本発明の他の一実施例になるSTM装置とSEM装
置との複合化装置における試料とSEM鏡筒部との相対位
置関係を示す模式図， 第６図は、本発明のさらに他の一実施例になる分子線結
晶成長装置とSEM装置との複合化装置の概略構成を示す
断面模式図， 第７図は、本発明のさらに他の一実施例になるドライエ
ッチング装置とSEM装置との複合化装置の概略構成を示
す断面模式図， 第８図は、第７図示の装置を用いて試料のエッチング処
理とSEM観察とを行なう様子を説明するための試料（多
層結晶体）の断面図， 第９図は、本発明のさらに他の一実施例になるFIB装置
とSEM装置との複合化装置の概略構成を示す断面模式
図， 第10図は、従来例による加工・処理装置とSEM装置との
複合化装置の概略構成を示す断面模式図，である。 図中の符号の説明 1:SEM鏡筒部,2:移動機構,3:試料,4:試料台,5:AFM用探
針,6:カンチレバー,7:STM用探針,8,9:トライポッド型ス
キャナ,10:ベース,11:スライダ,12〜15:ステップ移動機
構,16:積層型防振機構,17:超高真空容器,18,19:超高真
空ポンプ,20:粗引き用ポンプ,21〜23:真空バルブ,101:
第１電極,102:偏向コイル,103:ボビン,104:第２電極,10
5:第３電極,106:第４電極,107:絶縁碍子,108:ホルダ,10
9:ベローズ,110_x:微動ネジ,111:フランジ,112:ボール,1
13:ナット,114:電子銃,115:導入端子,116:電子銃フラン
ジ,117:制御・表示装置,118:ネジ部,201〜203:分子線
源,204:試料室,205:二次電子,206:二次電子検出器,207:
GaAs基板,208:GaAlAs層,209:GaAs層,210:電子線,211:開
閉弁,212:高周波電源,213:電極,220:イオン源,221:イオ
ンビーム,222:イオン引出電極,223:第一集束レンズ,22
4:ブランキング電極,225:第二集束レンズ,226:偏向電
極,227:θ駆動部,228:φ駆動部,229,230:ノズル,231:エ
ッチングガスボンベ,232:CVDガスボンベ,223:イオンビ
ームチャンバ,250:従来のSEM鏡筒,251:SEM試料室。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a combined apparatus of an AFM apparatus and an SEM apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the relative positional relationship between the sample and the SEM barrel, and FIG. 3 is a schematic view showing the relative positional relationship between the cantilever and the SEM barrel when performing SEM observation of the back surface of the cantilever in the apparatus shown in FIG. The schematic diagram shown in FIG. 4 is incorporated in the composite device according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a specific configuration of the SEM barrel and its moving mechanism. FIG. 5 is a diagram showing a sample and an SEM barrel in a combined STM and SEM apparatus according to another embodiment of the present invention. FIG. 6 is a schematic view showing a relative positional relationship between the apparatus and FIG. 6. FIG. 6 is a schematic sectional view showing a schematic configuration of a combined apparatus of a molecular beam crystal growth apparatus and an SEM apparatus according to still another embodiment of the present invention. The figure is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a combined apparatus of a dry etching apparatus and an SEM apparatus according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an example of etching a sample using the apparatus shown in FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of a sample (multi-layered crystal) for explaining a state of performing processing and SEM observation. FIG. 9 shows a combined apparatus of an FIB apparatus and an SEM apparatus according to still another embodiment of the present invention. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration. Schematic cross-sectional view showing a schematic configuration is. Description of reference numerals in the figure 1: SEM barrel, 2: moving mechanism, 3: sample, 4: sample stage, 5: probe for AFM, 6: cantilever, 7: probe for STM, 8, 9: tripod Type scanner, 10: base, 11: slider, 12 to 15: step moving mechanism, 16: laminated vibration damping mechanism, 17: ultra-high vacuum vessel, 18, 19: ultra-high vacuum pump, 20: roughing pump, 21-23: vacuum valve, 101:
First electrode, 102: deflection coil, 103: bobbin, 104: second electrode, 10
5: third electrode, 106: fourth electrode, 107: insulator, 108: holder, 10
9: Bellows, 110 _x : Fine movement screw, 111: Flange, 112: Ball, 1
13: nut, 114: electron gun, 115: introduction terminal, 116: electron gun flange, 117: control / display device, 118: screw part, 201-203: molecular beam source, 204: sample chamber, 205: secondary electron , 206: Secondary electron detector, 207:
GaAs substrate, 208: GaAlAs layer, 209: GaAs layer, 210: electron beam, 211: open / close valve, 212: high frequency power supply, 213: electrode, 220: ion source, 221: ion beam, 222: ion extraction electrode, 223: First focusing lens, 22
4: blanking electrode, 225: second focusing lens, 226: deflection electrode, 227: θ drive unit, 228: φ drive unit, 229, 230: nozzle, 231: etching gas cylinder, 232: CVD gas cylinder, 223: ion beam chamber, 250: conventional SEM column, 251: SEM sample chamber.

フロントページの続き (72)発明者 中山 義則 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 原市 聡 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 平１−181529（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−223248（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−143249（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−101590（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/28 Continued on the front page (72) Inventor Yoshinori Nakayama 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory of Hitachi, Ltd. (72) Inventor Satoshi Hara-shi 292 Yoshidacho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture In the laboratory (56) References JP-A-1-181529 (JP, A) JP-A-58-223248 (JP, A) JP-A-59-143249 (JP, A) JP-A-53-101590 (JP, U (58) Fields surveyed (Int. Cl. ⁷ , DB name) H01J 37/28

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】試料室内に置かれた試料の観察，計測また
は加工，処理を行なう装置において、上記試料室の内部
空間中に、上記した試料の観察，計測または加工，処理
を行なうための手段とは別に、上記試料表面を走査型電
子顕微法により観察するための静電型対物レンズを含ん
だ走査型電子顕微手段を内蔵させてなり、上記の静電型
対物レンズは、第二電極および上記第二電極と上記試料
との間に上記第二電極に対面して配置された第一電極と
を含んでなり、上記第二電極の電位を上記第一電極の電
位より正側の電位とし、上記静電型対物レンズのレンズ
主面を上記第二電極より上記試料に近い位置に形成して
なることを特徴とする走査型電子顕微手段を内蔵した複
合化装置。An apparatus for observing, measuring, processing, or processing a sample placed in a sample chamber, means for performing the observation, measurement, processing, or processing of the sample in an internal space of the sample chamber. Separately, scanning electron microscope means including an electrostatic objective lens for observing the sample surface by scanning electron microscopy is incorporated, and the electrostatic objective lens has a second electrode and A first electrode disposed between the second electrode and the sample so as to face the second electrode, wherein the potential of the second electrode is a potential more positive than the potential of the first electrode. A compounding device having a scanning electron microscope built therein, wherein a main lens surface of the electrostatic objective lens is formed closer to the sample than the second electrode. 【請求項２】上記した試料の観察，計測を行なう装置は
原子間力顕微鏡であることを特徴とする請求項１記載の
走査型電子顕微手段を内蔵した複合化装置。2. An apparatus according to claim 1, wherein said apparatus for observing and measuring said sample is an atomic force microscope. 【請求項３】上記した試料の観察，計測を行なう装置は
走査型トンネル顕微鏡であることを特徴とする請求項１
記載の走査型電子顕微手段を内蔵した複合化装置。3. A scanning tunneling microscope according to claim 1, wherein said apparatus for observing and measuring said sample is a scanning tunneling microscope.
A compounding device incorporating the scanning electron microscope according to the above. 【請求項４】上記した試料の加工，処理を行なう装置は
分子線結晶成長装置であることを特徴とする請求項１記
載の走査型電子顕微手段を内蔵した複合化装置。4. An apparatus according to claim 1, wherein said apparatus for processing and processing said sample is a molecular beam crystal growth apparatus. 【請求項５】上記した試料の加工，処理を行なう装置は
ガラスプラズマを用いたドライエッチング装置であるこ
とを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微手段を内
蔵した複合化装置。5. An apparatus according to claim 1, wherein said apparatus for processing and processing said sample is a dry etching apparatus using glass plasma. 【請求項６】上記した試料の加工，処理を行なう装置は
集束イオンビーム装置であることを特徴とする請求項１
記載の走査型電子顕微手段を内蔵した複合化装置。6. The apparatus according to claim 1, wherein the apparatus for processing and processing the sample is a focused ion beam apparatus.
A compounding device incorporating the scanning electron microscope according to the above.