JP2001116847A - Ｘ線検出装置、元素分析装置および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子顕微鏡内の試料に近接させても非点収差等
による２次電子像の歪みを起こさない高感度なＸ線検出
器を提供することである。 【解決手段】試料照射によりX線とともに発生する荷電
粒子がX線検出素子へ入射するのを阻止するために設け
られた磁界発生手段からの、試料台上への漏洩磁界を相
殺するための磁界発生手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子線を試料
に照射して発生する特性Ｘ線を検出し、試料の元素組成
の分析等をするＸ線分析技術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線を試料に照射して試料から発
生する特性Ｘ線を検出して、試料の元素分析を行う手法
がある。電子顕微鏡において電子線を試料に照射し、試
料から発生するＸ線を検出して試料の組成を計測するエ
ネルギー分散型Ｘ線分光と呼ばれる手法がその一例であ
る。この手法では、特性Ｘ線が、試料を構成する元素に
特有なエネルギーを持つことを利用している。これらＸ
線の単位時間あたりの発生個数を、Ｘ線のエネルギーご
とに計数して試料の元素組成等の情報が得られる。Ｘ線
を検出する手段としては、シリコンやゲルマニウム等の
半導体結晶を用いた半導体検出素子を用いるのが一般的
である。

【０００３】近年、フィジックス トデイ１９９８年６
月号のページ１９からページ２１（Physics Today, Jul
y(1999) pp. 19-21）に報告されているように、１００
ミリケルビン以下の極低温で動作させるマイクロカロリ
メーターとよばれる検出素子が開発され、上記の半導体
検出素子と比較して高いエネルギー分解能でＸ線を検出
できるようになっている。

【０００４】また、上記のエネルギー分散型Ｘ線分光に
よる手法以外に、Ｘ線分光器と比例計数管を組み合わせ
た波長分散型Ｘ線分光という手法が知られている。

【０００５】上記半導体検出素子を用いた放射線検出装
置の代表的な構成図を図７に示す。検出素子１０１と前
置増幅回路２０の入力段の電界効果トランジスター２
は、雑音を低減するために、液体窒素またはペルチェ素
子等による冷却装置７と冷却棒１２により低温に冷却さ
れるようになっている。電子線５が試料９に照射される
と、試料からＸ線１が放射される。Ｘ線１はＸ線透過窓
８を透過して検出素子１０１に入射すると、X線のエネ
ルギーに比例した個数の電子正孔対に変換される。

【０００６】以下、検出素子１０１で得られた信号の処
理方法について説明する。検出素子１０１の電極に達し
た電子は電荷積分型の前置増幅回路２０によりその個数
に比例した高さを有する電圧パルス２２０に変換され、
さらに、電圧パルス２２０は整形増幅器５１により、信
号雑音比が高くなるように瀘波され、電圧パルス３１０
に整形される。波高分析装置５３により電圧パルス３１
０は波高分析されて、Ｘ線スペクトル４００に変換され
る。

【０００７】Ｘ線スペクトル４００はＸ線検出素子１０
１に入射したＸ線１のエネルギー分布、すなわち、ある
値のエネルギーのＸ線が何個検出されたかを表わしてお
り、スペクトルピークのエネルギー値から試料に含まれ
ている元素種が、またスペクトルピークの面積から該元
素種の含有量が求められる。

【０００８】以上、試料９から放射されるＸ線１に着目
してきたが、電子線５を試料９に照射すると、弾性散乱
あるいは非弾性散乱により試料９からは入射電子線５の
エネルギー以下の様々なエネルギーをもつ電子４が試料
９から放射される。該電子４は反射電子と呼ばれる。該
反射電子４が、検出素子１０１に入射すると、Ｘ線と同
様に電気信号に変換され、背景雑音の原因となる。ま
た、検出素子内に欠陥を生成し、検出素子の検出特性を
著しく劣化させる。

【０００９】このため、図７に示したように、検出素子
１０１と試料９の間に、荷電粒子分離器３００を設置し
て、反射電子４が検出素子１０１に入射しないようにし
ている。さらに、反射電子４は試料９以外の場所に衝突
して、Ｘ線を発生し、背景雑音の原因となる。このた
め、検出素子１０１を格納する容器６の一部は該Ｘ線が
十分減衰する厚さの金属材料で構成されており、試料以
外で発生したＸ線は検出素子１０１に入射しないように
なっている。Ｘ線検出をしないときには、反射電子によ
る検出素子の劣化を確実に防ぐために、Ｘ線検出器１０
１を試料から離しておく機構をもつものが知られてい
る。

【００１０】従来のＸ線検出器としては、マイクロスコ
ピー アンド マイクロアナリシス第４巻１９９９年のペ
ージ６０５からページ６１５（Microscopy and Microan
alysis, Vol.4(1999) pp. 605-615）に報告されている
ように１個の検出素子を用いたものが一般的で、一対の
永久磁石からなる反射電子除去器を備えたものが知られ
ている。

【００１１】従来の反射電子除去器の構造の一例を図
８、図９、図１０に示す。これは、特開昭５６−１０３
３７９号公報に記載されている反射電子除去器と同様な
構造である。図８は、電子線５の光軸とX線検出軸を含
む面での断面、図９は、図８における線IX-IXを通る断
面図で、図１０は図９における線X-Xを通る断面図であ
る。

【００１２】荷電粒子分離器３００は、Ｘ線１を透過さ
せるための貫通孔１１を挟むように配置した２個の永久
磁石２１０、２２０と筒状の軟鉄製の磁路１３、溝１４
をもつ支持体１５及びカバー１６から構成されている。
貫通孔１１内には磁場１７が形成され、貫通孔１１に入
射した反射電子４をローレンツ力により、反射電子４の
進行方向と磁場１７の向き双方に垂直な方向に曲げ、溝
１４内の壁に衝突させて、電子線がＸ線検出素子１０１
（図7参照）に入射しないようにしている。

【００１３】溝１４を設けているのは、図１０に示した
ように反射電子４が壁に衝突したときに出るＸ線１８が
Ｘ線検出素子に入射しないようにするためである。磁場
の磁束密度は0.数テスラである。磁束密度0.2テスラの
磁場に垂直に入射した20keVのエネルギーの電子は曲率
半径約２ミリメートルで曲げられる。

【００１４】以上、１個の検出素子を用いた従来の技術
例を示したが、図１１、図１２は特開平８−２７６３７
１号公報に記載されている複数個の検出素子を用いたＸ
線検出器の実施例を示す。

【００１５】図１１は電子顕微鏡に設置した構成を示す
図であり、電子線５を試料９に照射した際、試料９から
発生する特性X線を検出する4個のX線検出素子１０１が
左右対称に配列されている。符号１０７は、迷光X線の
影響を低減するためのコリメータである。図１２は、図
11のコリメータ１０７に設けられた反射電子除去器の内
の、最内側の２個のX線検出素子１０１に対応する二個
の反射電子除去器を説明するための拡大斜視図である。
コリメータ１０７は、タンタルからなり、中央に照射電
子線５を通過させるための照射電子線通過孔７００、こ
の照射電子線通過孔７００を挟んで断面形状がほぼ長方
形状の一対のX線透過孔７４が設けられた円錐台状に形
成されている。一対のX線透過孔７４の各々には、一対
の永久磁石２７０，２７０とベリリウム板７２が嵌め込
まれている。

【００１６】電子線５を試料９に照射した時、試料９か
ら発生した特性X線７９は一対のX線検出素子１０１の内
の対応するものに入射し信号を形成するが、試料９から
は特性X線７９の他に反射電子４も発生し、これがX線検
出素子１０１に入ると雑音の原因となるのでこれを除去
する必要が有る。図12の構成においては、各X線検出素
子１０１に入射する特性X線７９の通路毎に、この通路
を挟んで一対の永久磁石２７０，２７０が設けられてい
るので、これらの永久磁石２７０，２７０が作る磁場１
７により、上記反射電子４は内側に曲げられベリリウム
板７２に衝突しベリリウム板７２に吸収される。

【００１７】一方、元素分析等で分析感度を高くするた
めには、被測定試料からのＸ線を効率良く、すなはち、
大きい検出立体角で検出することが有効である。検出立
体角は試料から検出素子までの距離と検出素子の有感面
積で決まり、距離が短いほど、また、有感面積が大きい
ほど大きくなる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】図１５は、従来の荷電
粒子分離器３００を備えたＸ線検出装置と漏洩磁場との
関係を説明するための断面図である。符号２１０は永久
磁石、１１はＸ線貫通孔、２５は漏洩磁場、９は試料、
１０は電子線照射点、８はＸ線透過窓、１６はカバー、
１０１はＸ線検出素子である。従来の反射電子除去器に
おいては、図１５に示すように、反射電子除去器３００
の軸方向に漏洩磁場２５が存在する為、元々円形断面に
調整してあった試料９上での照射電子線の照射点１０の
形状が、この漏洩磁場２５と照射電子線の相互作用によ
り、非円形になってしまい非点収差とよばれる収差を生
じ、２次電子像を歪まし像分解能を劣化させる原因とな
っていた。

【００１９】このように、Ｘ線検出装置を試料９に近接
させると２次電子像の歪みが生じるため、補正作業が必
要となり、さらに近接させようとすると補正が出来なく
なるという問題があった。このため、感度を上げるため
にＸ線検出素子１０１を試料９に近接できる距離には制
限があり、検出立体角を大きくすることが困難であっ
た。

【００２０】電子顕微鏡の第一の機能である試料の像観
測は、試料から放出される二次電子を検出して行われ
る。図１３に熱電子放射型（タングステン ヘアピンフ
ィラメント、ランタンヘキサボライド（LaB₆）ポイント
カソード）と電界放出（ＦＥ）型の電子銃を用いたと
きの電子ビーム電流とビーム径の関係を示した。

【００２１】この図は、外村彰編「電子顕微鏡技術」丸
善（株）(平成１年)ページ122に記載されている。これ
によると、電子ビーム電流が低いほどビーム径が小さ
い。二次電子像観察では、通常10^-11アンペアの照射電
流があれば可能である。しかしながら、従来の１個の検
出素子を用いたＸ線検出器には上記したように、近接で
きる距離に限界があるため、Ｘ線検出感度が低く、Ｘ線
分析時には2×10^-10アンペアと二次電子像観察のときに
比べて、大きな電子ビーム電流を照射するのが一般的で
あった。

【００２２】大きなビーム電流を用いると、図１３から
わかるようにビーム径が大きくなり、二次電子像の分解
能が低下する。このため、Ｘ線検出と高分解能二次電子
像観察を同時に行うことができず、別々に実施するのが
普通であった。また、各測定毎に電子顕微鏡の運転条件
を変える必要があり煩雑で時間がかかるという問題があ
った。

【００２３】一方、従来の技術の項で述べた複数個の検
出素子を用いた例（図１１、１２）では、検出素子の数
だけ検出感度を上げることができるという利点があり、
高分解能二次電子像の観察と両立できる可能性がある
が、反射電子除去器に関しては、中心を照射電子線が通
過する構造となっているため、一般に普及している１個
の検出素子からなるＸ線検出装置への適用に関しては問
題があった。また、非磁性体であるタンタル金属からな
るホルダーと永久磁石により構成しているため、漏れ磁
場が大きくなるという問題があった。

【００２４】本発明の目的は、Ｘ線検出装置を試料に近
接させても２次電子像歪みが少なく、また、従来の１個
の検出素子からなるX線検出装置にも適用が容易な荷電
粒子分離器を有するＸ線検出装置を提供することであ
る。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明のＸ線検出装置、
元素分析装置および半導体製造装置は、以下の構成によ
り上記目的を達成する。

【００２６】即ち、本発明の請求項１に記載の第１の発
明は、試料を載置する試料台と、前記試料台上の試料に
第1の荷電粒子線を照射する第1の荷電粒子線照射装置
と、前記第1の荷電粒子線照射装置により、前記試料に
前記第1の荷電粒子線を照射した際発生するX線を検出す
るX線検出素子と、前記X線とともに前記試料から発生す
る第２の荷電粒子が前記X線検出素子に入射するのを阻
止するために、前記第２の荷電粒子の軌道を変える磁界
を発生させる第1の磁界発生手段と、前記X線とともに前
記試料から発生する第３の荷電粒子を検出して、該第3
の荷電粒子による像観察を行う像観察装置と、前記第1
の磁界発生手段により前記試料台上に形成される漏洩磁
界を相殺する方向の磁界を発生する第２の磁界発生手段
とを備えたX線検出装置である。

【００２７】また、本発明の請求項２に記載の第２の発
明は、試料を載置する試料台と、前記試料台上の試料に
第1の荷電粒子線を照射する第1の荷電粒子線照射装置
と、前記第1の荷電粒子線照射装置により、前記試料に
前記第1の荷電粒子線を照射した際発生するX線を検出す
るX線検出素子と、前記X線とともに前記試料から発生す
る第２の荷電粒子が前記X線検出素子に入射するのを阻
止するために、前記第1の荷電粒子線によって照射され
る前記試料上の照射点と前記X線検出素子とを結ぶ軸を
挟んで配置された偶数個の永久磁石からなる第1の磁界
発生手段と、前記X線とともに前記試料から発生する第
３の荷電粒子を検出して、該第3の荷電粒子による像観
察を行う像観察装置と、前記第1の磁界発生手段により
前記照射点に形成される漏洩磁界を相殺する方向の磁界
を発生する偶数個の永久磁石からなる第２の磁界発生手
段とを備えたX線検出装置である。

【００２８】また、本発明の請求項３に記載の第３の発
明は、試料を載置する試料台と、前記試料台上の試料に
第1の荷電粒子線を照射する第1の荷電粒子線照射装置
と、前記第1の荷電粒子線照射装置により、前記試料に
前記第1の荷電粒子線を照射した際発生するX線を検出す
るX線検出素子と、前記X線とともに前記試料から発生す
る第２の荷電粒子を検出して、該第２の荷電粒子による
像観察を行う像観察装置と、互いに対向する面が異なる
極性となる様、前記第1の荷電粒子線によって照射され
る前記試料上の照射点と前記X線検出素子とを結ぶ直線
を挟んで配置された第1の一対の永久磁石と、前記第1の
一対の永久磁石とは異なる極性の配列順序で、該第1の
一対の永久磁石に隣接して配列される第２の一対の永久
磁石とを備え、前記第1の一対の永久磁石及び前記第２
の一対の永久磁石とを実質的に同一の磁場を発生する4
個の永久磁石で構成し、前記第1の一対の永久磁石と前
記第２の一対の永久磁石との間隙の中心を通り、かつ該
間隙に平行な平面が、前記照射点と前記X線検出素子と
を結ぶ直線と実質的に前記照射点で交叉するよう構成さ
れたＸ線検出装置である。

【００２９】また、本発明の請求項４に記載の第４の発
明は、請求項１−３の何れかに記載のＸ線検出装置にお
いて、前記第１の荷電粒子線が電子ビームであることを
特徴とするものである。 また、本発明の請求項５に記
載の第５の発明は、請求項１−３の何れかに記載のＸ線
検出装置において、前記第１の荷電粒子線がイオンビー
ムであることを特徴とするものである。

【００３０】また、本発明の請求項６に記載の第６の発
明は、請求項１−２の何れかに記載のＸ線検出装置にお
いて、前記第２の荷電粒子が少なくとも電子及びイオン
の何れかであることを特徴とするものである。

【００３１】また、本発明の請求項７に記載の第７の発
明は、請求項１−２の何れかに記載のＸ線検出装置にお
いて、前記第３の荷電粒子が電子であることを特徴とす
るものである。

【００３２】また、本発明の請求項８に記載の第８の発
明は、請求項３に記載のＸ線検出装置において、前記第
２の荷電粒子が、少なくとも電子及びイオンの何れかで
あることを特徴とするものである。

【００３３】また、本発明の請求項９に記載の第９の発
明は、請求項１−８の何れかに記載のＸ線検出装置を備
えたことを特徴とする元素分析装置である。

【００３４】また、本発明の請求項１０に記載の第１０
の発明は、請求項１−８の何れかに記載のＸ線検出装置
を含んだことを特徴とする半導体製造装置である。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００３６】（第１の実施の形態）先ず、本発明による
第１の実施の形態を説明する。

【００３７】図５は本発明による荷電粒子分離器を備え
たＸ線検出装置を電子顕微鏡に搭載した状態を示す概略
図であり、図１は本発明による荷電粒子分離器を含むX
線検出装置の先端部の構造および試料との位置関係を示
す、図５における円筒状の容器６の軸を含む紙面に垂直
な平面で切ったときの拡大断面図である。図２はX線検
出装置の先端部の構造および試料との位置関係を示す、
図１をさらに拡大した断面図である。図３は本発明によ
る荷電粒子分離器の構造を示す垂直断面図、図４は本発
明の荷電粒子分離器の構造を示す分解斜視図である。

【００３８】本実施の形態におけるX線検出装置は、図
１に示すようにその先端部に荷電粒子分離器３を備えて
いる。該荷電粒子分離器３は、図３、図４に示したよう
に４個の直方体形状の永久磁石２１、２２、２３、２４
により形成される磁界を利用している。図３でＸ線は紙
面表から裏に向かって孔１１を通過するものとする。各
磁石の磁極の向きは磁石２１と磁石２３の相対する面が
それぞれＳ極，Ｎ極、磁石２２と磁石２４の相対する面
がそれぞれＮ極，Ｓ極になるように配置されている。磁
石２１、２２と磁石２３、２４はそれぞれ磁路２７、２
７’に接着されている。

【００３９】本実施の形態では、磁石２１のＮ極と磁石
２２のＳ極とが、また磁石２３のＳ極と磁石２４のＮ極
とが相隣り合っているので、蒲鉾形状の磁路２７、２
７’で十分磁場が外側に漏れないようにできる。磁石２
１と２３の相対する面の挟む空間の中心が、Ｘ線貫通孔
１１の軸を通るように配置した。

【００４０】図４に示したように磁石２１−２４及び磁
路２７、２７’は、アルミニウム製の支持具１５に設け
た溝３２、３３に収納した。溝１４は磁場により曲げら
れた反射電子を除去するためのものである。

【００４１】さらに、軸方向に漏れる磁場を低減するた
めに、孔２９を有する軟鉄板２８を、磁石２１−２４及
び磁路２７、２７’の前面に配置した。孔２９は４個の
永久磁石の対称中心軸に対して対称で、かつ、X線を透
過させるのに十分な大きさを有し、形状は長円形であ
る。さらに、孔１１を有するカバー１６’により覆いを
してある。溝３２、３３の溝方向と溝１４の溝方向は異
なっている。これは、図２に示すように、磁石２１と２
３の相対する面の挟む空間の中心が、ほぼＸ線貫通孔１
１の中心すなわち検出素子１０１の中心軸３５を通るよ
うに配置し、４個の永久磁石の対称中心軸３４が試料面
の電子線照射点１０で交差するようにするためである。
これが本発明の特徴である。

【００４２】上記の荷電粒子分離器３を備えたX線検出
装置を電子顕微鏡に搭載した一例を図５に示す。図５
で、２０１は電子銃、５は電子線、２０３は収束レン
ズ、２０４は対物レンズ、２０６は走査コイル、２１１
は２次電子検出器、２３５は試料台、２５０は電子顕微
鏡制御盤、２５１は電子顕微鏡入出力装置、２５４は真
空排気装置である。

【００４３】Ｘ線検出装置は上記の荷電粒子分離器３、
X線検出素子を内蔵した円筒状の容器６、容器２３１、
フランジ３６、移動機構３７、液体窒素槽２０８、前置
増幅回路部２0、X線検出器制御装置２４０、X線検出器
入出力装置２４２で構成されている。容器６、容器２３
１の内部は真空に封じ切られている。移動機構３７は先
端部を出し入れするためのもので、これにより測定時に
先端部を試料９に近づけ、非測定時には試料から離して
おく。

【００４４】走査コイル２０６により電子線５を試料９
上を走査して、試料９から放出される２次電子を２次電
子検出器２１１で検出する。検出した信号を入出力装置
２５１のディスプレイに表示することにより、試料９の
形状を観察する。X線検出器は斜め上方に放射されるX線
を検出し、X線のエネルギーを解析することにより試料
９の元素分析を行う。電子線の走査信号と併せて、試料
９の２次元元素分布の分析が可能となっている。

【００４５】図１は図５で円筒状の容器６の軸を含む紙
面に垂直な平面で切ったときの拡大断面図である。円筒
状容器６の先端部に本発明の特徴である荷電粒子分離器
３が取り付けられている。冷却棒１２、X線検出素子１
０１、フランジ３６は円筒状容器６の軸に対して対称の
位置に配置してある。永久磁石２３、２４は本来この図
では見えないが、参考のために位置を明示した。磁力線
の向きが紙面に垂直になるように永久磁石を配置した。
既述の図２は図１の試料９およびX線検出器の先端部分
をさらに拡大した図である。

【００４６】磁石２１−２４として厚さ１ミリメートル
横３ミリメートル縦５ミリメートルの直方体形状の希土
類強磁性材料を用いて、Ｘ線貫通孔１１内中心の磁束密
度は約0.25テスラであった。このときの永久磁石間の距
離は約3.5ミリメートルである。これを加速電圧２５キ
ロボルトの電子顕微鏡に適用し、有効面積１０平方ミリ
メートルのX線検出素子で測定した結果、反射電子の影
響は測定限界以下であった。

【００４７】本実施の形態における荷電粒子分離器３か
らの漏れ磁場分布を図１４の黒丸付き実線で示した。横
軸は荷電粒子分離器の中心３８から永久磁石の対称中心
軸３４に沿った距離で、縦軸はホール素子と呼ばれるガ
ウスメータにより測定した磁束密度である。比較のた
め、図１４には、従来の技術の項で述べた図９の構成を
持つ荷電粒子分離器における漏れ磁場を白丸付き実線で
示した。黒丸および白丸は測定点を示す。

【００４８】本実施の形態におけるＸ線検出装置では、
電子線から見た場合、４個の磁石２１−２４が対称に配
置されており、かつ、相対応する永久磁石の磁極の向き
が逆になっているので、貫通孔１１から漏れる漏れ磁場
は各永久磁石の寄与がそれぞれ打ち消し合うようになっ
て、磁束密度が非常に小さい磁場空間２６が形成され
る。このため、電子線の位置では永久磁石による漏洩磁
場が従来と比較して非常に小さく、また荷電粒子分離器
の入口付近までほぼゼロになっている。

【００４９】この効果により、従来の技術の項でのべ
た、Ｘ線検出器を試料に近接させた場合に起こる非点収
差による２次電子像の歪み、焦点ずれを著しく低減する
ことが可能となった。本発明による荷電粒子分離器を用
いることにより従来非点収差による歪みのために約25ミ
リメ−トル以上に制限されていた荷電粒子分離器の先端
から試料までの距離を5ミリメ−トルに短縮することが
できた。

【００５０】Ｘ線検出素子の受光面は、この距離で試料
の電子線照射点と検出素子の中心を結ぶ直線に対して垂
直になるように設置した。この結果、試料から検出素子
間の距離を従来の約40ミリメ−トルから16ミリメ−トル
にすることが可能になり検出立体角を6倍にすることが
可能となった。これにより従来と同じ測定時間で検出感
度を２.5倍、または従来と同じ検出感度で計測時間を1/
6以下に短縮することが可能となった。

【００５１】また、従来と同じ計測時間では、従来と同
じ検出感度を得るのに必要な電子線のビーム電流は1/6
以下となる。従来X線計測時に採用していた約2×10^-10
アンペアのビーム電流を４×10^-11アンペア以下にする
ことが可能となった。これにより、図１３に示した電子
線のビーム電流とビーム径の関係から明らかなように、
X線計測時でも高分解能の二次電子像観察が可能とな
る。

【００５２】さらに、図１、図２に示したように、永久
磁石の中心軸とX線検出軸が異なり、従来装置と同じくX
線検出軸をX線検出器先端部の容器の軸と同じにでき、
また、電子顕微鏡の鏡体の中心軸と取り付けポートの中
心を含む平面内にできるので、設計および製作コストを
低減することが可能となった。また、従来装置の改良も
荷電粒子分離器の部分のみを交換するだけでよい。

【００５３】なお、上記説明では、永久磁石を二対使用
した例を示したが本発明はこれに限定されるものではな
く、偶数個の永久磁石或いは偶数対の永久磁石を使用し
ても同様目的を達成できることは言う迄もない。

【００５４】（第２の実施の形態）次に本発明による第
２の実施の形態を図６を用いて説明する。

【００５５】図６は本発明による荷電粒子分離器の構造
を示す断面図である。本実施の形態は第１の実施の形態
で述べたX線検出装置よりも大きな面積の検出素子を用
いて大きな立体角でX線を検出する場合に最適な荷電粒
子分離器を提供するものである。

【００５６】本実施の形態でも、反射電子を除去するた
めの磁場は左右対称の位置に配置した４個の永久磁石２
１−２４で形成される。大きな立体角に対応するために
は、X線を透過させるための穴１１の大きさを大きくす
る、すなわち、相対する永久磁石同志２１、２２と２
３、２４の間隔を大きくとる必要がある。第１の実施の
形態で述べた永久磁石の配置のまま間隔を大きくする
と、隣り合っている永久磁石２１と２２の間、および、
２３と２４の間にできる磁場が強くなり、反射電子を除
去するために必要な磁場の強さが弱くなるとともに、そ
の領域も狭くなる。このため、本実施の形態では永久磁
石２１と２２の間、および、２３と２４の間にフロン樹
脂製のスペーサー１９、１９’を設置してある。

【００５７】磁石２１−２４として第１の実施の形態で
述べたものと同じ永久磁石を用い、幅１ミリメートルの
フロン樹脂スペーサー１９、１９’を配置して永久磁石
２１と２２の間、及び永久磁石２１と２２の間に１ミリ
メートルのギャップGを設け、永久磁石間の距離Dは約5.
5ミリメートルとした。Ｘ線貫通孔１１内中心の磁束密
度は約0.１2テスラであった。このときのこれを加速電
圧２５キロボルトの電子顕微鏡に適用し、有効面積30平
方ミリメートルのX線検出素子で測定した結果、反射電
子の影響は測定限界以下であった。

【００５８】本実施の形態においても電子線から見た場
合、４個の磁石２１−２４が対称に配置されており、か
つ、相対応する永久磁石の磁極の向きが逆になっている
ので、貫通孔１１から漏れる漏れ磁場は各永久磁石の寄
与がそれぞれ打ち消し合うようになっている。このた
め、電子線の位置では永久磁石による漏れ磁場がほぼゼ
ロになっている。この効果により、Ｘ線検出器を試料に
近接させた場合におこる非点収差による２次電子像の歪
み、焦点ずれを著しく低減することが可能となった。

【００５９】本発明の第１，２の実施の形態で記載した
数値や、荷電粒子分離器の外形形状については、これら
に限定されるものではなく、電子線から見た永久磁石の
配置が対称であれば、本発明が適用されることは自明で
ある。

【００６０】（第３の実施の形態）本発明による第３の
実施の形態を図１６を用いて説明する。図１６は本発明
の特徴である荷電粒子分離器を有するＸ線検出装置を備
えた電子顕微鏡を含んだ半導体検査システムと半導体加
工装置の一部を示した図である。半導体ウエハーには、
搬走路２６０で連結された半導体加工装置２６１，２６
２，２６３，２６４により、順次種々の加工処理が施さ
れ、其の途次、半導体ウエハーは、随時パーテイクル・パ
ターン検査装置２６５、電子顕微鏡２６６、高分解能電
子顕微鏡２６７で検査され、さらに、それらの情報はコ
ンピュータ２６８で管理されるシステムが形成されてい
る。

【００６１】ダイナミック ランダム アクセス記憶素子
等の大規模集積回路の生産において、製作個数に対する
良品の個数の割合は歩留まりとよばれているが、歩留ま
りを低下させる要因として、回路素子上に付着した異物
による不良がある。この異物は、エッチング，イオン打
ち込み，成膜などの回路形成に必要な加工処理を施す半
導体加工装置２６１，２６２，２６３，２６４の内壁に
付着した物質であったり、回路が形成される半導体ウエ
ハーを搬送する搬送路２６０で付着した物質であった
り、また、加工処理をしている過程で、半導体ウエハー
表面に形成したパターンが剥がれるなどして、発生した
ものであったりする。

【００６２】異物の発生源を特定して、発生源の品質を
管理することは歩留まりの短期向上のために非常に重要
なことである。本実施の形態では、図１６に示すよう
に、半導体加工装置の２６１，２６２，２６３，２６４
による各加工工程の終了ごとに、半導体ウエハを抜き出
し、まず、半導体ウエハを加工しないで観測できる光学
顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いたパーティクル・パタ
ーン検査装置２６５により異物形状の種類とその座標を
特定する。

【００６３】この検査装置２６５は、異物の簡単な形
状、位置を高速に検査することに主眼が置かれている。
次に、再検査用電子顕微鏡２６６で異物の三次元的形状
や組成等の詳細な情報を得るようになっている。さらに
ウエハからその一部を切り出し加工する試料作製装置を
備えた高分解能電子顕微鏡２６７により断面形状等詳細
な検査が可能になっている。異物形状、座標の情報はコ
ンピュータ２６８により集中管理され、パーティクル・
パターン検査装置２６５で求めた座標を用いることによ
り、再検査用電子顕微鏡２６６では即座に指定した異物
を観測できるようになっている。

【００６４】すでに記述したように、高集積回路半導体
素子の歩留まりを改善するためには半導体ウェハ上の異
物の同定が重要となっている。通常、ウェハ上の異物の
数は数百から数千個にのぼるケースも少なくない。異物
の組成は電子顕微鏡に搭載されたＸ線検出装置により分
析される。本実施の形態の再検査用電子顕微鏡２６６お
よび高分解能電子顕微鏡２６７は、本発明の特徴である
荷電粒子分離器を有するＸ線検出装置を搭載している。
このＸ線検出装置を用いれば、Ｘ線検出器を試料へ近づ
けることができ、試料から検出器を見込む立体角が大き
くとれるので、試料からの特性Ｘ線の検出率が改善さ
れ、Ｘ線分析時間を大幅に短縮することができる。

【００６５】従来、この数百から数千個の異物のＸ線分
析には数時間を要し、測定できるウェハの数が限られて
いた。本発明によるＸ線検出装置を用いれば、試料から
検出器までの距離を40ｍｍから16ｍｍへ近づけることが
できる。すなわち、試料から検出器を見込む立体角を４
倍大きくとることができ、従来より1/6短い、数十分で
分析を終了することができる。このように、分析のスル
ープットを向上できた結果、半導体素子製造の歩留まり
改善が大幅にスピードアップされる。さらに、半導体の
加工寸法の微細化に伴い、検出すべき異物の寸法も微細
になってきている。本発明を用いると、上記したよう
に、従来より数倍高い検出感度が得られるので、検出で
きる異物の寸法を小さくすることができた。

【００６６】（第４の実施の形態）本発明による第４の
実施の形態を図１７、図１８を用いて説明する。図１７
は本発明によるＸ線検出器を粒子励起Ｘ線放射分光装置
に組み込んだ構成図である。図１７はX線検出器の検出
部と試料の関係を示す断面図である。

【００６７】粒子励起Ｘ線放射分光はイオンビーム８８
の照射によって試料９から発生するX線を計測し試料の
元素分析を行うものである。イオンビームはイオン加速
器８１により生成した加速イオンのうち、弁別装置８２
により特定のエネルギーを持つイオンを取り出し、収束
レンズ８３により細く絞ることにより形成する。

【００６８】イオンエネルギーおよびイオン種として
は、１から３ＭｅＶの陽子やアルファ粒子が用いられ
る。イオンビーム電流はファラディカップ８５により測
定され、較正データとして用いられる。試料９から発生
するX線は、液体窒素により冷却される半導体検出器８
６により計測される。

【００６９】以下、図１８を用いて説明する。試料９と
Ｘ線検出器の間には液体窒素で冷却された金属板７２が
設置されており、試料から発生する中性粒子を吸着し、
X線検出器の先端部および、Ｘ線透過窓８が汚染される
のを低減するようになっている。Ｘ線検出器の先端部に
は永久磁石２３、２４（紙面の上側にさらに２個で合計
４個）で構成される荷電粒子分離器が第１の実施の形態
と同様に配置されている。試料から発生する二次電子お
よび、二次イオンは該荷電粒子分離器により除去される
ようになっている。

【００７０】本実施の形態においてもイオンビームから
見た場合、４個の磁石２１−２４が対称に配置されてお
り、かつ、相対応する永久磁石の磁極の向きが逆になっ
ているので、貫通孔１１から漏れる漏れ磁場は各永久磁
石の寄与がそれぞれ打ち消し合うようになっている。こ
のため、電子線の位置では永久磁石による漏れ磁場がほ
ぼゼロになっている。この効果により、Ｘ線検出器を試
料に近接させた場合におこるイオンビームへの悪影響を
低減することが可能となった。

【００７１】この結果、X線検出器を従来と比較して大
幅に試料に近接させることが可能になり検出感度を上げ
ることが可能になった。このため、必要なイオンビーム
電流を低くすることができ、装置の小型化が可能となっ
た。 （第５の実施の形態）本発明による第５の実施の形態を
図１９を用いて説明する。図１９は本発明の特徴である
荷電粒子分離器を有するＸ線検出装置を備えた電子顕微
鏡を含んだ検査装置を示した図である。本実施の形態は
波長分散型Ｘ線分光と呼ばれる方式に本発明を実施した
例である。 符号１はＸ線、３は荷電粒子分離器、５は
電子線、９は試料、２０は前置増幅回路部、２０１は電
子銃、２１１は二次電子検出器、２４１はＸ線検出器処
理装置、５００は比例計数管、５０１は回折格子、５０
２はコリメータである。

【００７２】試料９に一次電子線５を照射して試料９か
ら発生するＸ線１を回折格子５０１により分光し、分光
したＸ線を比例計数管５００で検出するようになってい
る。回折格子５０１としては湾曲した単結晶や人工積層
膜が用いられる。

【００７３】回折格子５０１と比例計数管５００は連動
して移動することにより波長走査するようになってい
る。回折格子５０１と試料９の間には本発明の特徴であ
る荷電粒子分離器３とコリメータ５０２が配置してあ
る。荷電粒子分離器３の内部構造は、第１の実施の形態
で述べたものと同じである。コリメーター５０２は試料
からのＸ線を集光し、回折格子５０１にＸ線を導入する
ものであり、放物面の内面を持つガラスの筒の内面に金
属を蒸着して鏡を形成したものである。これにより試料
からのＸ線を効率よく集めることが可能となる。 荷電
粒子除去器により試料からの後方散乱電子がコリーメー
タ５０２、回折格子５０１に入射することが防止され
る。これにより、コリメータ５０２、回折格子５０１に
電子が衝突して有害なＸ線を出すことがない。このた
め、雑音の少ないＸ線検出が可能になっている。さら
に、本発明の特徴で漏洩磁場の少ない荷電粒子除去器を
用いているので、電子線５に対する影響が小さい。特に
試料への損傷を少なくするために１次電子線の加速電圧
を数キロボルト以下に低減した場合にも有効で、二次電
子像の分解能を維持したままＸ線の検出が可能となる。

【００７４】このＸ線検出装置をもちいれば、１次電子
線への悪影響を及ぼすことがなくＸ線検出器を試料へ近
づけることができ、試料から検出器を見込む立体角が大
きくとれるので、試料からの特性Ｘ線の検出率が改善さ
れ、Ｘ線分析時間を大幅に短縮することができる。

【００７５】（第６の実施の形態）本発明による第６の
実施の形態を図２０を用いて説明する。図２０は本発明
の特徴である荷電粒子分離器と極低温Ｘ線検出器を設置
した電子顕微鏡を示した図である。符号１はＸ線、３は
荷電粒子分離器、５は電子線、９は試料、２０は前置増
幅回路部、１０６は冷却板、２０１は電子銃、２０８は
液体窒素層、２１１は二次電子検出器、２３５は試料
台、２４１はＸ線検出器処理装置、５００は比例計数
管、５０１は回折格子、５０２はコリメータ、６００は
検出素子、６０１は集光レンズ、６０２は液体窒素、６
０３は液体ヘリウム、６０４は冷却遮蔽板である。

【００７６】極低温Ｘ線検出器は液体窒素６０２と液体
ヘリウム６０３により１００ミリケルビン以下の極低温
に冷却したボロメーターと呼ばれる素子６００を利用し
たもので、Ｘ線１がこの素子６００に入射すると素子の
温度が変化することを利用したもので、この温度変化量
を検出して入射したＸ線のエネルギーを計測するもので
ある。これにより、半導体検出器の５０分の１以下のエ
ネルギー分解能でＸ線を検出することができる。

【００７７】本検出素子の有感面積は半導体検出器と比
較して小さいのが普通で、このため、検出素子６００と
試料９の間に挿入したＸ線レンズ６０１により、試料９
から発生するＸ線を検出素子６００に集光して検出立体
角を改善することができる。

【００７８】さらに、本発明の特徴である荷電粒子分離
器３を設置し、試料からの後方散乱電子が、検出素子６
００および、集光レンズ６０１に入射することがないよ
うになっており、雑音を低減している。荷電粒子分離器
３の構成は第１の実施の形態で用いいたものと同じであ
る。

【００７９】このＸ線検出装置を用いれば、Ｘ線検出器
を試料に近づけることができ、試料から検出器を見込む
立体角が大きくとれるので、試料からの特性Ｘ線の検出
率が改善され、Ｘ線分析時間を大幅に短縮することがで
きる。

【００８０】試料損傷の低減のために１次電子線の加速
電圧を数キロボルト程度にした場合には、発生するX線
のエネルギーも制約されて、通常のＸ線分析に用いられ
るＫ線と呼ばれるＸ線が発生しないような元素の場合に
はＬ線、Ｍ線という低いエネルギーのＸ線を用いて分析
することになる。第５および第６の実施の形態で用いた
Ｘ線検出器では、非常に高いエネルギー分解能でＸ線を
検出することができるので、半導体検出器ではＸ線ピー
クの重なりが生じて、解析が困難になる場合にも有効で
ある。本発明によれば、低い加速電圧の一次電子線を用
いた場合においても、一次電子線のビーム形状や軌道が
変化することがないので、良好な試料観察が可能とな
る。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば、Ｘ線検出器を試料に近
接させても、Ｘ線検出器の先端にある荷電粒子分離器か
ら漏洩する磁場が、照射電子線の近傍で小さく出来るの
で、非点収差や焦点ずれが大きくならず良好な２次電子
像が得られ、また、Ｘ線検出感度を大きくすることが可
能となる。X線検出軸がX線検出器先端部の容器の軸と同
じにでき、また、電子顕微鏡の鏡体の中心軸と取り付け
ポートの中心を含む平面内にできるので、設計および製
作コストを低減することが可能となる。また、従来装置
の改良も荷電粒子分離器の部分のみを交換するだけでよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における電子顕微鏡
とＸ線検出装置の位置関係を示す上面図。

【図２】本発明の第１の実施の形態における電子顕微鏡
内の試料との位置関係を示す上面図。

【図３】本発明の第１の実施の形態を示す荷電粒子分離
器の断面図。

【図４】本発明の第１の実施の形態を示す荷電粒子分離
器の分解斜視図。

【図５】本発明の第１の実施の形態におけるＸ線検出装
置を搭載した電子顕微鏡を示す概略図。

【図６】本発明の第２の実施の形態における荷電粒子分
離器を示す断面図。

【図７】従来のＸ線検出装置の原理と構成を示す構成
図。

【図８】従来の荷電粒子分離器を示す垂直断面図。

【図９】従来の荷電粒子分離器を示す垂直断面図。

【図１０】従来の荷電粒子分離器を示す水平断面図。

【図１１】従来の別の荷電粒子分離器を搭載した電子顕
微鏡を示す断面図。

【図１２】図11に搭載された従来の別の荷電粒子分離器
を示す説明図。

【図１３】電子顕微鏡における電子線のビーム電流とビ
ーム径の関係を示す図。

【図１４】本発明による荷電粒子分離器と従来荷電粒子
分離器のの漏洩電流分布を示す図。

【図１５】従来の別の荷電粒子分離器を備えたＸ線検出
装置と漏洩磁場を示す断面図。

【図１６】本発明の第３の実施の形態を示す流れ図。

【図１７】本発明の第４の実施の形態を示す全体図。

【図１８】本発明の第４の実施の形態におけるＸ線検出
装置のＸ線検出部と試料を含む垂直断面図。

【図１９】本発明の第５の実施の形態の検査装置を示す
斜視図。

【図２０】本発明の第６の実施の形態の検査装置を示す
斜視図。

【符号の説明】

１...Ｘ線、２...電界効果トランジスタ、３...荷電粒
子分離器、４...反射電子、５...電子線、６...容器、
７...冷却装置、８...Ｘ線透過窓、９...試料、１０...
電子線照射点、１１、１１’...Ｘ線貫通孔、１２...冷
却棒、１３...磁路、１４、１４’...溝、１５...支持
体、１６、１６’...カバー、１７...磁力線、１８...
Ｘ線、１９、１９’...スペーサー、２０...前置増幅回
路部、２１、２２、２３、２４...永久磁石、２５...漏
洩磁場、２６...無磁場空間、２７、２７’...磁路、２
８...軟鉄板、２９...孔、３０...Ｘ線検出装置、３
１...境界面、３２、３３...永久磁石設置孔、３４...
永久磁石の対称中心軸、３５...X線検出素子の中心軸、
３６...フランジ、３７...Oリング、３８...荷電粒子分
離器の中心、５１...整形増幅回路、５３...波高分析装
置、６１...鏡体、６２...試料室、７２...ベリリウム
板、７４...Ｘ線通過孔、７５、７６、７７...タンタル
製ホルダー、７８...ベリリウム箔、７９...特性Ｘ線、
８０...冷却板、１０６...冷却板、１０６’...冷却
棒、１０７...コリーメータ、１０８...容器、１０
９...Ｘ線遮蔽カバー、２０１...電子銃、２０２...電
子線、２０３...収束レンズ、２０４...対物レンズ、２
０６...走査コイル、２０８...液体窒素槽、２１１...
２次電子検出器、２２０...前置増幅回路出力信号、２
３１...真空容器、２３５...試料台、２４１...X線検出
器処理装置、２４２...X線検出器入出力装置、２５
０...電子顕微鏡制御盤、２５１...電子顕微鏡入出力装
置、２５４...真空排気装置、３００...荷電粒子分離
器、３１０...整形回路出力信号、４００...Ｘ線スペク
トル、４０１...ボルト、４０２...押さえフランジ、４
０３...押さえネジ、４０４...Oリング、５００...比例
計数管、５０１...回折格子、５０２...コリメータ、６
００...検出素子、６０１...集光レンズ、６０２...液
体窒素、６０３...液体ヘリウム、６０４...冷却遮蔽
板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｌ Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA05 AA09 BA05 BA07 CA01 CA03 CA05 DA01 DA03 EA01 EA04 FA12 GA01 GA06 GA10 GA11 HA09 HA13 JA02 JA04 JA11 JA14 KA01 LA11 MA05 RA03 SA01 SA02 SA04 2G088 EE30 FF03 GG21 JJ08 JJ09 JJ11 JJ29 KK09 LL11 LL24 4M106 AA01 BA02 CA41 CA70 DB18 DB30 DH25 DH33

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を載置する試料台と、 前記試料台上の試料に第1の荷電粒子線を照射する第1の
   荷電粒子線照射装置と、 前記第1の荷電粒子線照射装置により、前記試料に前記
   第1の荷電粒子線を照射した際発生するX線を検出するX
   線検出素子と、 前記X線とともに前記試料から発生する第２の荷電粒子
   が前記X線検出素子に入射するのを阻止するために、前
   記第２の荷電粒子の軌道を変える磁界を発生させる第1
   の磁界発生手段と、 前記X線とともに前記試料から発生する第３の荷電粒子
   を検出して、該第3の荷電粒子による像観察を行う像観
   察装置と、 前記第1の磁界発生手段により前記試料台上に形成され
   る漏洩磁界を相殺する方向の磁界を発生する第２の磁界
   発生手段とを備えたX線検出装置。
2. 【請求項２】試料を載置する試料台と、 前記試料台上の試料に第1の荷電粒子線を照射する第1の
   荷電粒子線照射装置と、 前記第1の荷電粒子線照射装置により、前記試料に前記
   第1の荷電粒子線を照射した際発生するX線を検出するX
   線検出素子と、 前記X線とともに前記試料から発生する第２の荷電粒子
   が前記X線検出素子に入射するのを阻止するために、前
   記第1の荷電粒子線によって照射される前記試料上の照
   射点と前記X線検出素子とを結ぶ軸を挟んで配置された
   偶数個の永久磁石からなる第1の磁界発生手段と、 前記X線とともに前記試料から発生する第３の荷電粒子
   を検出して、該第3の荷電粒子による像観察を行う像観
   察装置と、 前記第1の磁界発生手段により前記照射点に形成される
   漏洩磁界を相殺する方向の磁界を発生する偶数個の永久
   磁石からなる第２の磁界発生手段とを備えたX線検出装
   置。
3. 【請求項３】試料を載置する試料台と、 前記試料台上の試料に第1の荷電粒子線を照射する第1の
   荷電粒子線照射装置と、 前記第1の荷電粒子線照射装置により、前記試料に前記
   第1の荷電粒子線を照射した際発生するX線を検出するX
   線検出素子と、 前記X線とともに前記試料から発生する第２の荷電粒子
   を検出して、該第２の荷電粒子による像観察を行う像観
   察装置と、 互いに対向する面が異なる極性となる様、前記第1の荷
   電粒子線によって照射される前記試料上の照射点と前記
   X線検出素子とを結ぶ直線を挟んで配置された第1の一対
   の永久磁石と、 前記第1の一対の永久磁石とは異なる極性の配列順序
   で、該第1の一対の永久磁石に隣接して配列される第２
   の一対の永久磁石とを備え、 前記第1の一対の永久磁石及び前記第２の一対の永久磁
   石とを実質的に同一の磁場を発生する4個の永久磁石で
   構成し、 前記第1の一対の永久磁石と前記第２の一対の永久磁石
   との間隙の中心を通り、かつ該間隙に平行な平面が、前
   記照射点と前記X線検出素子とを結ぶ直線と実質的に前
   記照射点で交叉するよう構成されたＸ線検出装置。
4. 【請求項４】前記第１の荷電粒子線が電子ビームである
   ことを特徴とする請求項１−３の何れかに記載のＸ線検
   出装置。
5. 【請求項５】前記第１の荷電粒子線が、イオンビームで
   あることを特徴とする請求項１−３の何れかに記載のＸ
   線検出装置。
6. 【請求項６】前記第２の荷電粒子が、少なくとも電子及
   びイオンの何れかであることを特徴とする請求項１−２
   の何れかに記載のＸ線検出装置。
7. 【請求項７】前記第３の荷電粒子が電子であることを特
   徴とする請求項１−２の何れかに記載のＸ線検出装置。
8. 【請求項８】前記第２の荷電粒子が、少なくとも電子及
   びイオンの何れかであることを特徴とする請求項３に記
   載のＸ線検出装置。
9. 【請求項９】請求項１−８の何れかに記載のＸ線検出装
   置を備えたことを特徴とする元素分析装置。
10. 【請求項１０】請求項１−８の何れかに記載のＸ線検出
    装置を含んだことを特徴とする半導体製造装置。