JP2000149844A

JP2000149844A - 電子ビーム検査装置

Info

Publication number: JP2000149844A
Application number: JP10318459A
Authority: JP
Inventors: Ikuyo Maekawa; 郁代前川; Hiroyuki Kitsunai; 浩之橘内; Toshishige Kurosaki; 利榮黒崎; Tatsuya Maeda; 達哉前田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】電子ビーム検査装置において、分解能の低下
を生じることがなく、簡単な構造で試料汚染を防止す
る。【解決手段】電子ビーム検査装置は、電子銃室１、コ
ンデンサ室２、中間室４、試料室３が縦方向に配置さ
れ、試料室３内の試料ホルダ１５に載置された試料１６
に向かって電子銃７から電子ビームＢ１を照射し、試料
１６からの二次電子および反射電子Ｂ２を検出器２４で
検出することにより、試料１６の形状観察または寸法測
定を行う。このような構成の電子ビーム検査装置におい
て、試料室３に残留ガス除去機構２５を設ける。この残
留ガス除去機構２５は、試料室３内に存在する残留ガス
をイオン化し電気的に収集して除去する機構を有してお
り、特に残留ガス中のハイドロカーボンが試料１６表面
に付着するのを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子ビーム検査装置
に係り、特に半導体装置等の検査を行うのに好適な電子
ビーム検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビームを試料上に走査して、得られ
た二次電子像または反射電子像により試料上のパターン
またはコンタクトホールの寸法および形状を測定・観察
する電子ビーム検査装置は、半導体素子の微細化が進む
につれて、その役割の重要性が増している。

【０００３】一方、古くから知られていることだが、電
子顕微鏡を用いて観察を行う際には、試料の電子線を照
射した部分に汚染物が付着する。例えば文献Specimen P
rotec-tion in the Electron Microscope ( HEYWOOD J
A,Pract Metallogr 19 (1982) 465 )にあるように、試
料汚染の原因となるのは、装置の残留ガス中のハイドロ
カーボンの試料への吸着によるものと、初めから試料に
吸着していたガス分子によるものが考えられる。いずれ
の場合も、吸着ガス分子が電子線からエネルギーを受け
ることにより固体化すると言われている。

【０００４】このように試料表面に汚染物が付着した場
合、最表面に観察されるのは汚染物の表面であるため、
真の表面の像をとらえることはできなくなる。半導体装
置の検査装置の場合は、寸法計測、外観検査が目的であ
るため、検査中に汚染物が付着し、寸法、形状が変化し
てしまうことは重大な問題である。事実、半導体の検査
装置である電子ビーム測長装置においては、パターンの
寸法計測の際に汚染物が付着するためにパターン線幅が
太くなる、コンタクトホールの寸法計測の際にコンタク
トホールの径が小さくなるなどの問題が生じている。

【０００５】特に近年半導体の微細化が進み、サブミク
ロンオーダーのパターンやコンタクトホールの寸法計
測、形状観察が行われるようになり、倍率を数万〜十数
万倍の高倍率で観察する場合もある。このような高倍率
で観察した場合、汚染物の付着量はパターンの１０％程
度に、例えば０.５μｍのパターンに対して数十ｎｍと
いうレベルになる。また、微小コンタクトホールであれ
ば、電子線を照射することによりホール径が小さくなり
ホールがふさがってしまうという問題も起こるため、製
品の不良の原因にもつながる。

【０００６】ところで、走査型電子顕微鏡における試料
汚染の防止に関する従来技術としては、特開平５−８２
０６２号公報や特開平１０−６４４６７号公報に開示さ
れたものがある。

【０００７】特開平５−８２０６２号公報では、試料汚
染防止装置の冷却板を断熱体とバネを介して対物レンズ
に取り付け、対物レンズ下面および試料自体から放出さ
れたガスを冷却板で吸着しトラップするものである。冷
却により試料汚染を防止するという方法は現在最も一般
的な方法であり、試料近傍の残留ガスをトラップする、
すなわち試料近傍に存在するガス分子の数を減少させる
ことによって、試料汚染を防止するというものである。

【０００８】また、特開平１０−６４４６７公報では、
電子ビーム照射によって試料から発生したハイドロカー
ボン系のガス等が鏡体内に蓄積して、試料汚染の原因に
なるので、鏡体と試料室との間を真空的に隔絶するよう
な隔離膜を設けて試料汚染を防止している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記２
つの公報のうち特開平５−８２０６２号公報に開示され
た技術では、冷却板にトラップされるのは主に水（Ｈ₂
Ｏ）や窒素（Ｎ₂）であり、ハイドロカーボンをトラッ
プするのは難しい。試料汚染はハイドロカーボンを主体
とするガス成分が、電子線からエネルギーを受けること
により重合して膜となり試料表面上に付着する現象であ
り、ハイドロカーボンをトラップしなければ、試料汚染
を効果的に防止することはできない。

【００１０】さらに、冷却板を冷却するための冷媒とし
ては一般に液体窒素や水などが用いられるが、液体窒素
などの冷媒を使用する場合には冷却槽を設けなければな
らないし、水であれば配管を設けなければならないな
ど、構造が複雑化する欠点がある。特に半導体の製造ラ
インで使用する検査装置の場合には、定期的な冷媒の補
給は手間がかかるということと、冷却水の配管を設ける
ためには各種装置のレイアウトなどすべてを考慮しなけ
ればならないなど、ある程度の制限を受けることにな
る。

【００１１】また、特開平１０−６４４６７号公報に開
示された技術では、鏡体と試料室とを真空的に隔絶した
だけであるので、試料汚染防止の十分な効果を期待する
ことはできない。すなわち、試料汚染の原因となる残留
ガスは、鏡体の中だけでなく試料室内にも存在してお
り、上記公報の技術では、試料室内の残留ガスについて
は何も対策がなされていないために、試料汚染防止の十
分な効果を得ることはできない。

【００１２】また、試料には隔離膜を通過した一次電子
のみが照射されるが、大部分の一次電子は膜中に拡散、
吸収してしまうため、プローブ電流（照射ビームのエネ
ルギ）が低下し、結果的に分解能が低下するという欠点
もある。

【００１３】本発明の目的は、分解能の低下を生じるこ
とがなく、簡単な構造で試料汚染を防止することができ
る電子ビーム検査装置を提案することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、試料室に置かれた試料に電子銃室の電子
銃から電子線を照射し、前記試料から発生する二次電子
および反射電子を検出することにより、前記試料の形状
観察または寸法測定を行う電子ビーム検査装置におい
て、前記試料室、前記電子銃室、または前記試料室と前
記電子銃室の間に配置された中間室のうちの少なくとも
一つに、当該各室内に存在する残留ガスをイオン化し電
気的に収集して除去する残留ガス除去手段を取り付けた
ことを特徴としている。

【００１５】上記構成によれば、各室内に存在している
残留ガス（特にハイドロカーボン）が、残留ガス除去手
段によって、イオン化され電気的に収集されて除去され
る。これによって、試料表面に残留ガスが付着すること
もなく、試料汚染を防止することができる。

【００１６】前記残留ガス除去手段としては、電子を発
生する電子源と、該電子源より発生した電子を収集する
ための集電子電極と、イオンを収集するための集イオン
電極とで構成することができる。この場合、前記電子源
は熱電子を発生するものでよい。

【００１７】また、残留ガス除去手段の動作時には、試
料に照射される電子線や試料からの二次電子・反射電子
が電気的に影響を受けるため、残留ガス除去手段には、
試料を観察する間は、残留ガスを除去する機能を停止さ
せる制御装置が設けられている。試料を観察している間
でも、残留ガスを除去する機能を停止させないで済むよ
うにするには、試料に照射される一次電子、または試料
からの二次電子および反射電子に対して電気的な干渉を
回避する位置に、残留ガス除去手段を設けるようにすれ
ばよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。（実施の形態１）図１は本発明に係る電子ビーム検査装
置の概略構成を示している。図１において、電子銃室
１、コンデンサ室２、試料室３が縦方向に配置され、コ
ンデンサ室２と試料室３の間には中間室４が設けられて
いる。また試料室３に隣接して予備排気室５が配置さ
れ、この予備排気室５の上部には試料交換室６が設けら
れている。

【００１９】電子銃室１には、電子銃７、引出電極８、
加速電極９および固定絞り１０が、コンデンサ室２には
コンデンサレンズ１１が、中間室４には偏向コイル１
２、対物レンズ１３および対物レンズ固定絞り１４が各
々設けられている。また、試料室３には試料ホルダ１５
が設けられ、この試料ホルダ１５の上に試料１６が載置
される。試料室３と予備排気室５との間にはゲートバル
ブ１７が設けられ、このゲートバルブ１７を開いたとき
には、試料ホルダ１５は試料室３と予備排気室５間を行
き来できる。予備排気室５と試料交換室６との間にもゲ
ートバルブ１８が設けられている。

【００２０】電子銃室１には真空ポンプ１９，２０が、
コンデンサ室２には真空ポンプ２１がそれぞれ接続さ
れ、鏡体が電子源７から安定した電子線を得るために真
空ポンプ１９，２０，２１で差動排気され、これによっ
て、電子銃室１およびコンデンサレンズ室２は１０~⁷Ｐ
ａ以下の圧力に減圧されている。試料室３には真空ポン
プ２２が接続され、試料室３は１０~³Ｐａ以下に真空排
気されている。さらに、予備排気室５には真空ポンプ２
３が接続され、予備排気室５は１０~²Ｐａ以下に真空排
気されている。

【００２１】また、中間室４には、電子銃７からの電子
ビームＢ１を試料１６に照射したときに、試料１６表面
からの二次電子または反射電子Ｂ２を検出する二次電子
・反射電子検出器２４が取り付けられている。

【００２２】そして、試料室３には、本実施の形態の特
徴部分である残留ガス除去機構２５が取り付けられてい
る。この残留ガス除去機構２５の詳細については後述す
る。なお、２６は試料室３と中間室４と連通する排気バ
イパスである。

【００２３】上記構成の電子ビーム検査装置において、
試料ホルダ１５上に試料１６をセットする場合、まずゲ
ートバルブ１７を閉じて、ゲートバルブ１８を開ける。
このとき、試料ホルダ１５は予備排気室５内に存在し、
予備排気室５内は大気圧となっている。そして、試料交
換室６からゲートバルブ１８を介して試料１６を試料ホ
ルダ１５上にセットする。

【００２４】次に、ゲートバルブ１８を閉じて、予備排
気室５内を真空ポンプ２３で真空排気する。予備排気室
５内が１０~²Ｐａ以下に真空排気されたら、ゲートバル
ブ１７を開けて、試料１６を上面に載せた状態で試料ホ
ルダ１５を、ゲートバルブ１７を介して予備排気室５か
ら試料室３内に搬送する。試料室３内では試料ホルダ１
５は電子銃７のほぼ真下に位置させる。そして、ゲート
バルブ１７を閉じてから、真空ポンプ２２によって試料
室３内を１０~³Ｐａ以下に真空排気する。

【００２５】試料室３内が１０~³Ｐａ以下に真空排気さ
れたら、電子銃７から電子ビームＢ１が、引出電極８に
印加された電圧により引き出され、その引き出された電
子ビームＢ１は加速電極９に印加された加速電圧により
所望のエネルギに調整される。さらに、電子ビームＢ１
は固定絞り１０を通過した後、コンデンサレンズ１１、
対物レンズ１３により試料１６上に収束される。収束さ
れた電子ビームＢ１は偏向コイル１２により試料１６上
を走査する。このとき、試料１６表面からは二次電子お
よび反射電子Ｂ２が発生し、これら二次電子および反射
電子Ｂ２は二次電子・反射電子検出器２４によって検出
され、試料像を得ることができる。

【００２６】ところで、電子線Ｂ１を照射することによ
り、ハイドロカーボンを主体とする残留ガス成分が、電
子線からエネルギを受けてカーボンを含む汚染膜となっ
て試料１６の表面に徐々に堆積する。堆積量はごくわず
かであるが、数万倍以上の高倍率観察の場合には、実際
に見たい表面とは別のものを観察していることになる。
特に半導体パターンの寸法計測を行う場合には、汚染物
が付着していると、例えばパターンが配線のラインであ
れば線幅が太くなり、コンタクトホールであれば穴径が
小さくなるなどの問題が起こる。

【００２７】先に述べたように、走査型電子顕微鏡にお
ける試料汚染は、ハイドロカーボンを主体とする残留ガ
ス分子が、電子線からエネルギを受けて重合することに
よって起こる。したがって、試料汚染を防止するには、
ハイドロカーボンを主体とする残留ガス分子を低減する
必要がある。残留ガスとしては試料近傍のガスのこと
で、試料室３内の残留ガスが最も注目される。試料室３
のガスとしては、試料室３の壁からの放出ガスの他、各
種部品からの放出ガスがあり、特に樹脂材料等からはハ
イドロカーボンリッチな放出ガスが放出される。

【００２８】本実施の形態による電子ビーム検査装置に
は試料室３に残留ガス除去機構２５が取り付けられてお
り、試料室３内の残留ガス分子のうち、試料汚染の原因
となるハイドロカーボンを主体とする残留ガス成分を除
去することができるようになっている。

【００２９】残留ガス除去機構２５の詳細を図２に示
す。残留ガス除去機構２５は、熱電子等の電子を発生す
る電子源３０、電子源３０より発生した電子を収集する
ための集電子電極３１、およびイオンを収集するための
集イオン電極３２を備えている。

【００３０】上記構成の残留ガス除去機構２５によれ
ば、電子源３０より発生した熱電子等の電子３３は集電
子電極３１に収集されるが、収集される途中で残留ガス
分子と衝突する。この時、長鎖のハイドロカーボン分子
などはクラッキングを起こし、正または負の電荷を帯び
たイオンとなる。正の電荷を帯びたイオン３４は集イオ
ン電極３２に、負の電荷を帯びたイオン３５は集電子電
極３１に収集され、重合して膜となりそれぞれ集イオン
電極３２、集電子電極３１に付着する。これにより、試
料汚染の原因となるハイドロカーボンを主体とする残留
ガス分子を選択的に効率よく除去することが可能とな
る。そして、従来の分解能へ影響を及ぼすことなく、簡
単な構造で試料汚染を防止することができる。

【００３１】また、図２に示すよう集電子電極３１およ
び集イオン電極３２に電流計３６，３７をそれぞれ接続
しておけば、残留ガス除去機構２５の除去能力の経時的
な変化を知ることができる。すなわち、集電子電極３１
または集イオン電極３２上にある程度の汚染膜が付着す
ると、イオン電流値が変動するので、その変動を電流計
３６，３７でモニタすることによって、残留ガス除去機
構２５の除去能力の経時的変化が分かる。そして、除去
能力が低下した場合は、残留ガス除去機構２５を新しい
物に交換する。

【００３２】残留ガス除去機構２５が機能している時に
電子ビームＢ１を試料１６に照射すると、電子ビームＢ
１や試料１６から発生する二次電子および反射電子Ｂ２
が電気的に影響を受ける恐れがある。このため、上記残
留ガス除去機構２５には、電子銃７の動作に連動して、
電子ビームＢ１の照射停止時にのみ機能させ、電子ビー
ムＢ１の照射時には機能を停止させる制御装置が設けら
れている。半導体パターンの寸法計測を行う電子ビーム
検査装置の場合、試料の観察のために電子ビームＢ１を
照射する時間はごく短い時間で、照射停止の時間が殆ど
であるから、電子ビームＢ１の照射停止時に残留ガス除
去機構２５を機能させるようにすれば、残留ガスを効果
的に除去することができる。

【００３３】（実施の形態２）図３は本発明の実施の形
態２を示している。本実施の形態では、残留ガス除去機
構２５が、試料室３ではなく中間室４に取り付けられて
いる。他の構成は実施の形態１の場合と同様である。残
留ガス除去機構２５も、実施の形態１と同様に図２のよ
うな構成となっている。

【００３４】前述したように、試料室３は真空ポンプ２
２で１０~³Ｐａ以下に減圧され、電子銃室１およびコン
デンサレンズ室２はポンプ１９，２０，２１で１０~⁷Ｐ
ａ以下に減圧されている。試料室３とコンデンサレンズ
室２の間には中間室４があるが、この中間室４も試料室
３同様にハイドロカーボンリッチな放出ガスが多い。そ
して中間室４は、対物レンズ可動絞り１４と排気バイパ
ス２６を介して試料室３に連通され、ポンプ２２により
排気されている。

【００３５】しかし、対物レンズ可動しぼり１４と排気
バイパス２６のコンダクタンスにより、中間室４は試料
室３よりも１桁程度高い圧力となっている。これによ
り、圧力の高い中間室４から圧力の低い試料室３への残
留ガス分子の拡散現象がおこる。試料室３に拡散してき
た残留ガスは、初めから試料室３に存在した残留ガス同
様、試料汚染の原因となる。

【００３６】そこで、本実施の形態では残留ガス除去機
構２５が中間室４に取り付けられている。これにより、
試料室３内の残留ガス分子のうち、試料汚染の原因とな
るハイドロカーボンを主体とする残留ガス成分を除去す
ることが可能となり、残留ガスの試料室３への拡散を抑
制することができる。

【００３７】本実施の形態でも、残留ガス除去機構２５
の電流計３６，３７によって、図２に示した集電子電極
３１および集イオン電極３２からイオン電流をモニタす
ることにより、残留ガス除去機構２５の除去能力の経時
的変化を検知することができる。また、本実施の形態の
残留ガス除去機構２５にも、電子銃７の動作に連動し
て、電子ビームＢ１の照射停止時にのみ機能させ、電子
ビームＢ１の照射時には機能を停止させる制御装置が設
けられている。

【００３８】なお、残留ガス除去機構２５は電子銃室１
に取り付けることもできる。更には残留ガス除去機構２
５は、電子銃室１、中間室４および試料室３のうち、少
なくとも１つに取り付けることができる。また、電子銃
室１、試料室３、中間室４の各々に残留ガス除去機構２
５を２個以上取り付けることもできる。

【００３９】（実施の形態３）図４に本発明の実施の形
態３を示している。本実施の形態では、試料室３の側壁
に取付ポート４０が設けられ、その取付ポート４０の先
端部に残留ガス除去機構２５が取り付けられている。他
の構成は実施の形態１の場合と同様である。残留ガス除
去機構２５も、実施の形態１と同様に図２のような構成
となっている。

【００４０】前述したように、残留ガス除去装置２５を
機能させると、試料１６に照射される電子ビームＢ１、
および試料１６からの二次電子および反射電子Ｂ２が電
気的に影響を受けるため、試料観察中は残留ガス除去機
構２５を機能させることができない。

【００４１】ところが、本実施の形態では取付ポート４
０の先端部に残留ガス除去機構２５が取り付けられてい
るので、残留ガス除去機構２５を機能させても、電子ビ
ームＢ１や二次電子および反射電子Ｂ２が影響を受ける
ことはない。この場合、取付ポート４０は図のように折
り曲げられたものではなく、真っ直ぐな形状のものでも
よい。試料室３と残留ガス除去機構２５とを真空的につ
なぐ形状をしていれば、取付ポート４０の形状は任意で
よい。なお、取付ポート４０のコンダクタンスは可能な
かぎり大きくするのが望ましい。

【００４２】また、残留ガス除去機構２５を取り付ける
ための取付ポート４０は、電子銃室１または中間室４に
設けることもできる。更には取付ポート４０は、電子銃
室１、中間室４および試料室３のうち、少なくとも１つ
に設けることができる。また、電子銃室１、試料室３、
中間室４の各々に取付ポート４０を２個以上設けること
もできる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
残留ガス除去手段を設けたので、試料室内のハイドロカ
ーボン系のガス等を効果的に除去することができ、試料
の寸法計測、形状観察をする際の分解能低下を回避する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による電子ビーム検査装
置の全体構成図である。

【図２】残留ガス除去機構の構成図である。

【図３】本発明の実施の形態２による電子ビーム検査装
置の全体構成図である。

【図４】本発明の実施の形態３による電子ビーム検査装
置の全体構成図である。

【符号の説明】

１電子銃室２コンデンサレンズ室３試料室４中間室５予備排気室６試料交換室７電子銃８引出電極９加速電極１０固定絞り１１コンデンサレンズ１２偏向コイル１３対物レンズ１４対物レンズ可動絞り１５試料ホルダ１６試料１７，１８ゲートバルブ１９〜２３真空ポンプ２４二次電子・反射電子検出器２５残留ガス除去機構２６排気バイパス３０電子源３１集電子電極３２集イオン電極３３電子３４正イオン３５負イオン３６，３７電流計４０取付ポート

フロントページの続き (72)発明者黒崎利榮茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者前田達哉茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内Ｆターム(参考） 2F067 AA21 AA41 CC15 EE16 HH06 JJ05 KK04 KK08 TT02 4M106 AA02 BA02 CA38 DB05 DB30 5C033 KK01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料室に置かれた試料に電子銃室の電子
銃から電子線を照射し、前記試料から発生する二次電子
および反射電子を検出することにより、前記試料の形状
観察または寸法測定を行う電子ビーム検査装置におい
て、前記試料室、前記電子銃室、および前記試料室と前記電
子銃室の間に配置された中間室のうちの少なくとも一つ
に、当該各室内に存在する残留ガスをイオン化し電気的
に収集して除去する残留ガス除去手段を取り付けたこと
を特徴とする電子ビーム検査装置。
【請求項２】請求項１に記載の電子ビーム検査装置に
おいて、前記残留ガス除去手段は、電子を発生する電子源と、該
電子源より発生した電子を収集するための集電子電極
と、イオンを収集するための集イオン電極とを備えてい
ることを特徴とする電子ビーム検査装置。
【請求項３】請求項２記載の電子ビーム検査装置にお
いて、前記電子源は、熱電子を発生することを特徴とする電子
ビーム検査装置。
【請求項４】請求項１記載の電子ビーム検査装置にお
いて、前記残留ガス除去手段は、試料を観察する間は、残留ガ
スを除去する機能を停止することを特徴とする電子ビー
ム検査装置。
【請求項５】請求項１記載の電子ビーム検査装置にお
いて、前記残留ガス除去手段は、試料に照射される一次電子、
または試料からの二次電子および反射電子に対して、電
気的な干渉を回避する位置に配置されていることを特徴
とする電子ビーム検査装置。