JP6362941B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子線装置に係わり、特に、荷電粒子線装置のビームカラム内を真空排気するためのポンプを備えた荷電粒子線装置に関する。

走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、半導体計測・検査装置等の荷電粒子線装置では、超高真空環境下の鏡筒内で発生させた荷電粒子線（電子線）を試料に照射し、試料から放出された二次電子、反射電子、または透過電子を検出することによって試料の観察画像を取得している。鏡筒が振動すると、電子線の照射位置が本来の位置から変動し、画像の歪みが生じ、観察画像が不鮮明になる場合がある。

一方、荷電粒子線装置は、そのビーム源（電子源やイオン源）近傍の雰囲気を、高真空状態にする必要がある。そのためにイオンポンプ等の真空排気装置を、カラム近傍に設置する必要があるが、このイオンポンプがカラムを振動させる加振源となる可能性がある。

特許文献１では、排気系を支持する支柱の固有振動数とほぼ同一の固有振動数を有する動吸振器を用いた鏡筒の振動抑制技術を開示している。特許文献２では、粘弾性体を具備したフレームでイオンポンプを支持することで、イオンポンプの振動を短時間で減衰させる技術が開示されている。粘弾性体と金属板から成る積層構造体を具備した制振装置を用いて、鏡筒の振動低減を実現する技術が特許文献３で開示されている。

特開２００１−７６６６０号公報 特開２０１１−００３４１４号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，６２９，４１０） ＷＯ２０１１／０４３３９１（対応米国特許ＵＳＰ８，７２９，４７６）

鏡筒やイオンポンプの振動は、観察画像の劣化を招く。これらの振動を低減するために、鏡筒やイオンポンプに制振装置を取り付けるのは効果的であるが、それぞれの振動に対応するように鏡筒とイオンポンプに個別に制振装置を取り付けると、装置が複雑になる上、コストの増加や作業性の悪化が懸念される。

特許文献１に記載されている動吸振器を用いた場合、抑制できる固有振動数や振動の方向は一つであり、複数の振動モードに対応するためには、動吸振器を複数設置する必要があり、装置重量の増加や複雑化を伴う。また、特許文献１、２、３で開示されている技術では、鏡筒とイオンポンプの振動を同時に低減しようとすると、それぞれに対して制振装置を取り付ける必要があり、コスト増加し、作業性が低下する。

特許文献２のように、粘弾性体を金属板で挟んだ積層構造体を、イオンポンプとイオンポンプの一端と対向する位置に固定されたフレームに取付けることで、イオンポンプの振動に対して効果的に減衰を付与することができる。これは、粘弾性体に対してイオンポンプが面内方向に振動することで、効率良く粘弾性体をせん断変形させるためである。これに対して、鏡筒の振動は現在配置されている粘弾性体の面外方向に振動する成分が大きく、鏡筒の振動低減効果が見込めない。

以下に、比較的簡単な構成でカラム近傍に取り付けられた真空排気装置の存在に起因する荷電粒子線装置鏡筒の振動を低減することを目的とする荷電粒子線装置について説明する。

上記目的を解決するための一態様として、試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを支持する支持部材を備える荷電粒子線装置であって、前記支持部材は、当該支持部材の傾斜を許容する傾斜許容部を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、比較的簡単な構成で、イオンポンプ等の真空排気装置に起因する荷電粒子線装置鏡筒の振動を低減させることが可能となる。

イオンポンプを支持する支持部材の傾斜を許容する傾斜許容部材が設けられた荷電粒子線装置の一例を示す図である。 イオンポンプと鏡筒の固有振動モードを示す図である。 傾斜許容部材を持たないイオンポンプの支持部材を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図である。 傾斜許容部材を持たないイオンポンプの支持部材を備えた荷電粒子線装置の鏡筒がｙ方向に振動するときの変形を示す図である。 傾斜許容部材を持たないイオンポンプの支持部材を備えた荷電粒子線装置の鏡筒がｘ方向に振動するときの変形を示す図である。 回転支持部材の一例を示す図である。 回転支持部材の一例を示す図である。 変形支持部材の一例を示す図である。 傾斜許容部材の有用性を示すＦＥＭ解析結果の一例である。 傾斜許容部材を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図である。 傾斜許容部材を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図である。 傾斜許容部材を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図である。 傾斜許容部材を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図である。

以下に、イオンポンプに取付けられる制振装置を用いて、鏡筒の振動低減効果を高め、高分解能かつ高スループットの測定や検査を可能とする荷電粒子線装置について説明する。

以下の実施例では主に、試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するイオンポンプ（真空排気装置）と、粘弾性体を介して前記イオンポンプを支持する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、前記支持部材は、前記鏡筒が傾斜したときに、前記鏡筒と平行を維持しながら、前記鏡筒と同じ方向に傾斜することのできる屈曲部分（傾斜許容部材）を備えた荷電粒子線装置について説明する。

以上のような構成によれば、鏡筒に高価な制振装置を取付けることなく、イオンポンプの制振装置を用いてイオンポンプと鏡筒の振動を短時間で減衰させることができるので、高分解能の観察画像を高速に取得することができる。

半導体計測・検査装置においては、半導体デバイスの微細化により、高分解能化への要求が高まる一方で、試料の大口径化、高スループット化が進んでおり、装置の大型化に伴う剛性低下や高スループット化に伴うステージ反力の増大が予測される。これらはいずれも荷電粒子線装置によって得られる観察画像の画質の低下を招く要因となる。

荷電粒子線装置の鏡筒内を超高真空に保つ装置（以下、排気系と呼ぶ）としては、可動部分がなく、モータ等の駆動力を必要としないことから、振動を発生しないイオンポンプが代表的である。電子線を放出するチップ周辺を超高真空に保つためには、イオンポンプを鏡筒上部の電子銃に設置する必要がある。そのため、イオンポンプは鏡筒の重心位置を高くし、鏡筒の固有振動数を低下させる方向に働く。また、イオンポンプはモータ等の加振源は備えていないが、床振動や環境騒音、ステージ反力等の外乱が作用した場合には、イオンポンプ自体が振動し、鏡筒を振動させる加振源と成り得る。そのため、高分解能化、高スループット化等を進める上で、イオンポンプの振動低減は必須となる。

以下に、イオンポンプの存在に起因する振動の影響を抑制することが可能な荷電粒子線装置について、図面を用いて説明する。

図１は、荷電粒子線装置の概要を示す図である。ここでは、荷電粒子線装置として測長ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を例に説明する。測長ＳＥＭは、荷電粒子源１を内部に備えた鏡筒２と鏡筒２を高真空に排気するためのイオンポンプ８Ａと内部に観察対象物である試料４を載せるステージ５を備えた試料室３から成る。イオンポンプ８Ａは直方体の本体部分と円筒の配管から構成され、円筒配管の一端が鏡筒２に結合されている。鏡筒２は試料室３の上部に取り付けられており、試料室３は除振マウント６によって架台７に固定されている。

イオンポンプ８Ａの振動を抑制するための制振装置（以下、イオンポンプ制振装置と呼ぶ）は、粘弾性体１１Ａを支持板１０Ａと支持板１２Ａで挟んで固定した積層構造体と試料室３上にヒンジ１６Ａで支持されたフレーム１３とで構成され、支持板１０Ａはイオンポンプ８Ａに、支持板１２Ａはフレーム１３にそれぞれ固定されている。フレーム１３は、試料室３とイオンポンプ８Ａ間に介在するものであって、イオンポンプ８Ａを所定高さに支持する支持部材として機能する。また、ヒンジ１６Ａは、ヒンジの可動方向へのフレーム１３の移動を許容すると共に、それ以外の方向への移動を制限するよう機能する。

粘弾性体１１Ａは、引張、圧縮変形よりもせん断変形の方がより高い減衰能を得ることができる。イオンポンプ制振装置はフレーム１３の下端にヒンジ１６Ａを有することで、ｘ−ｚ面内での回転変形が容易となる。そのため、鏡筒２が傾斜した場合でも、支持板１０Ａと支持板１２Ａが平行を維持したまま支持板の面内方向に相対変位を生じさせることができ、粘弾性体１１Ａがせん断変形することで高い減衰能を得ることができる。

一般に、荷電粒子線装置は、荷電粒子源１から発生する荷電粒子線９を観察対象物に照射することにより得られる二次電子強度から観察像を得ている。荷電粒子線９は、鏡筒２上部の荷電粒子源１から鏡筒２の内部を通過して真空に保たれた試料室３内のステージ５に固定された試料４に照射される。試料４から検出された二次電子の強度は照射位置の座標とその座標における二次電子強度に対応した濃淡として画像化されて表示される。そのため、荷電粒子線装置に何らかの振動が作用し、鏡筒２やステージ５が振動すると、本来照射されるべき位置に荷電粒子線９が照射されず、観察像が揺れて見える（以下、像揺れと呼ぶ）ことで像質や測定精度の低下を招く。

鏡筒２やステージ５に作用する加振力には、床振動１４や環境音１５による入力と、ステージ５が移動、停止動作を行う際の入力がある。これらの入力によりイオンポンプ８Ａの振動が励起されると、鏡筒２やステージ５を振動させる加振源となる。イオンポンプ８Ａ自体の減衰は小さく、ステージ５が移動、停止した後の残留振動が減衰するまでに多くの時間を要する。

図２はイオンポンプ８Ａと鏡筒２の固有振動モードを示す図である。図２の直交座標系は、鏡筒２と平行な方向をｚ方向、鏡筒２に垂直でイオンポンプ８Ａの円筒配管と平行な方向をｘ方向、ｘ−ｚ面に垂直な方向をｙ方向（ビームの理想光軸（ビームを偏向しないときのビーム軌道）方向）と定義する。また、ｘ、ｙ、ｚ各軸回りの回転をθｘ、θｙ、θｚと定義する。イオンポンプ８Ａの主要な固有振動モードは、円筒配管と本体との接合部を支点に、各軸回りに回転するモードである。これらの固有振動モードは、回転変位が微小だとすれば、いずれもｙ−ｚ面内で振動していることになる。これに対して、鏡筒２の主要な固有振動モードは鏡筒２と試料室３の結合部を支点にｘ、ｙ方向に鏡筒２が倒れ込むモードである。イオンポンプ８Ａを制振するためには、粘弾性体１１Ａをｙ−ｚ面内に配置する必要があり、ヒンジ１６Ａがないと、鏡筒２のｘ方向の倒れ込みに対して制振効果を期待できない。

図３はヒンジ１６Ａがないイオンポンプ制振装置を示す図である。図３に例示するイオンポンプ制振装置は、支持板１２Ａに固定されるフレーム１７が試料室３上にボルト等により強固に固定された構成となっている。図４は、ヒンジ１６Ａがないイオンポンプ制振装置を備えた荷電粒子線装置の鏡筒２がｙ方向に倒れ込むときの変形を示す図である。鏡筒２がｙ方向に倒れ込む場合、イオンポンプ８Ａ及びイオンポンプ制振装置は、鏡筒２の変形に倣って鏡筒２の方向を向くため、粘弾性体１１Ａをせん断変形させるのは困難である。

図５は、ヒンジ１６Ａがないイオンポンプ制振装置を備えた荷電粒子線装置の鏡筒２がｘ方向に倒れ込むときの変形を示す図である。鏡筒２がｘ方向に倒れ込む場合、粘弾性体１１Ａの板厚方向の引張、圧縮変形やフレーム１７の変形が大きくなり、効果的に減衰を得ることができない。鏡筒２の傾斜に伴い回転もしくは曲げ変形が可能な支持部材でフレーム１７を支持することができれば、粘弾性体１１Ａの板厚方向の引張、圧縮変形を抑制し、効率良くせん断方向に変形させることが可能となる。

図６は、フレーム１３をｙ軸回りに回転可能なヒンジ１６Ａ、１６Ｂで支持した構成を示している。ヒンジの幅や個数は問わないが、ｘ軸回りの回転剛性の低下を避けるため、フレーム１３のｙ方向にある程度の幅を持たせて支持することが望ましい。回転もしくは曲げ変形を有する支持部材は、図７、図８に示す構成であっても良い。

図７は、フレーム１３をｙ軸回りに回転可能な軸受けとシャフトで支持した構成を示している。試料室３に固定された軸受け１８Ａ、１８Ｂとフレームに設けられた軸受け孔２０Ａ、２０Ｂにシャフト１９Ａ、１９Ｂをそれぞれ通した構成とすることで、フレーム１３はｙ軸回りに傾斜することが可能となる。また、フレーム１３が鏡筒２の傾斜に追従して傾斜すれば良いことを考えれば、変形の形態は回転変形だけではなく、曲げ変形であっても良い。図８に示すように、フレーム１３よりも板厚が小さく剛性の低い支持部材２１Ａ、２１Ｂを取付けることで、支持部材２１Ａ、２１Ｂがｘ方向に曲げ変形し、フレーム１３のｘ方向への傾斜が可能となる。

図９は、ヒンジや回転機構等の傾斜許容部材の有用性を示すＦＥＭ解析結果の一例である。傾斜許容部材のないイオンポンプ制振装置を用いたときのモード減衰比を基準として、イオンポンプ及び鏡筒の固有振動モードにおけるモード減衰比をプロットしている。イオンポンプ制振装置のフレームを高剛性化することで、イオンポンプの固有振動モードにおけるモード減衰比は大幅に上昇しているが、鏡筒の固有振動モードにおいてはモード減衰比が減少している。それに対して、フレームを回転支持した提案構造では、イオンポンプの固有振動モードにおけるモード減衰比は維持したまま、鏡筒の固有振動モードにおけるモード減衰比が２倍近くまで上昇しており、傾斜許容部材の有用性が確認できる。

図１０は、傾斜許容機構を備えた荷電粒子線装置の他の例を示す図である。フレーム２２は一端が支持板１２Ａに結合され、もう一端が試料室３に固定される。フレーム２２はｚ方向の一部に板厚が小さいスリット形状を有しており、曲げ剛性の低くなるスリット位置で曲げ変形が大きくなる。鏡筒２がｘ方向に傾斜したときの粘弾性体１１Ａの引張、圧縮方向の変形量とせん断方向の変形量は、スリット位置によって変化する。スリット位置は粘弾性体１１Ａのせん断変形が最も大きくなるに配置するのが良い。前述のようなフレーム自体の剛性を局所的に低くすることでフレームの傾斜を容易にする構成例として、図１１が考えられる。フレーム２３は一端が支持板１２Ａに結合され、もう一端が試料室３に固定される。フレーム２３は、板厚が一様なフレームの一部が局所的に折れ曲がった形状をしている。フレーム２２のたわみ量は折れ曲がり部から大きくなり、折れ曲がり部がない場合に比べて鏡筒２のｘ方向への傾斜に対する追従性が増す。

図１２は、傾斜許容機構を備えた荷電粒子線装置の更に他の例を示す図である。本実施例では、複数の支持部材（複数のフレーム）と、複数の傾斜許容部（鏡筒の高さ方向の異なる位置に配置されるヒンジ）を設けた例について説明する。下段フレーム２５はヒンジ１６Ａ、１６Ｂを介して試料室３に回転支持され、下段フレーム２５の上端と上段フレーム２４の下端がヒンジ２６Ａ、２６Ｂによって回転支持され、上段フレーム２４の上端が支持板１２Ａに結合された構成となる。回転支持位置がｚ方向に２つあることで、上段フレーム２４の変形自由度が増す。これにより、回転及び曲げ支持部材がｚ方向に１つのときに比べて、粘弾性体１１Ａの板厚方向の変形量を抑えながらせん断方向に変形させることが可能である。図１２に示す支持部材はヒンジ構造であるが、前述の回転支持部材、曲げ支持部材及び局所的に形状の異なるフレーム部材を自由に組み合わせて構成しても良い。また、上段フレーム２４を用いずに、ヒンジ２６Ａ、２６Ｂを直接、支持板１２Ａに取付けても良い。フレームと支持部材の個数に制約はなく、ｚ方向に複数個設置しても良い。

図１３は、傾斜許容機構を備えた荷電粒子線装置の更に他の例を示す図である。イオンポンプ８Ａ、８Ｂが試料室３からのｚ方向の距離を異にして、それぞれ鏡筒２のｘ方向に取付けられている。下段フレーム２８はヒンジ１６Ａ、１６Ｂを介して試料室３に回転支持され、下段フレーム２８の上面の＋ｘ側に上段フレーム２７の下端が曲げ支持部材２９Ｂ、２９Ｃで支持され、上段フレーム２７の上端が支持板１２Ａに結合されている。支持板１２Ｂは下段フレーム２８の上面の−ｘ側に曲げ支持部材２９Ａを介して結合されている。下段フレーム２８のように、イオンポンプ８Ａ、８Ｂのそれぞれに対応するフレームを共通化することで、部品点数を削減することができる。フレームを共通化せずに、それぞれのイオンポンプに対応したフレームを取付けても良い。

１ 荷電粒子源
２ 鏡筒
３ 試料室
４ 試料
５ ステージ
６ 除振マウント
７ 架台
８Ａ、８Ｂ イオンポンプ
９ 荷電粒子線
１０Ａ、１０Ｂ 支持板
１１Ａ、１１Ｂ 粘弾性体
１２Ａ、１２Ｂ 支持板
１３ フレーム
１４ 床振動
１５ 環境音
１６Ａ、１６Ｂ ヒンジ
１７ フレーム
１８Ａ、１８Ｂ 軸受
１９Ａ、１９Ｂ シャフト
２０Ａ、２０Ｂ 軸受け孔
２１Ａ、２１Ｂ 曲げ支持部材
２２ スリット付きフレーム
２３ 曲げフレーム
２４ 上段フレーム
２５ 下段フレーム
２６Ａ、２６Ｂ ヒンジ
２７ 上段フレーム
２８ 下段フレーム
２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ 曲げ支持部材

Claims (9)

1. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記支持部材の傾斜を許容する傾斜許容部を備え、前記支持部材は前記傾斜許容部より上方で前記ポンプを支持することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記支持部材は、前記鏡筒の傾斜方向と同じ方向へ、前記支持部材を選択的に傾斜させる部材を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記支持部材は、前記鏡筒が傾斜したときに、前記鏡筒と同じ方向に傾斜することのできる屈曲部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記支持部材は、当該支持部材の他部分より剛性が低く、前記鏡筒の傾斜に伴い前記支持部材を屈曲させる変形部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記支持部材は、回転可能で、前記鏡筒の傾斜に伴い前記支持部材を屈曲させる回転部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記支持部材は、少なくとも第１の分割支持部材と第２の分割支持部材によって構成されると共に、当該第１の支持部材の前記試料室にたいする傾斜を許容する第１の傾斜許容部と、前記第２の支持部材と前記第１の支持部材に対する傾斜を許容する第２の傾斜許容部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記第１の分割支持部材と前記第２の分割支持部材を、前記鏡筒の異なる高さ位置に配置したことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 試料を内部に配置する試料室と、前記試料を搭載するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射するための鏡筒と、前記鏡筒の内部を真空排気するポンプと、当該ポンプを指示する支持部材を備えた荷電粒子線装置であって、
   前記ポンプを複数備え、当該ポンプごとに前記支持部材の傾斜を許容する傾斜許容部を設けたことを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項８において、
   前記ポンプごとに設けられた傾斜許容部を支持する下段支持部材と、当該下段支持部材を、傾斜可能に支持する下段支持部材用傾斜許容部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。