JP2002083563A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】二次電子像での高分解能化が可能であり、かつ
ＴＴＬ方式の走査型電子顕微鏡にてコントラストの良い
反射電子像を効果的に得ることが課題である。 【解決手段】反射電子の収量を損なわないために、反射
電子の対物レンズの磁場による回転角を反射電子のエネ
ルギーについて考慮し、なるべく広いエネルギー範囲内
で反射電子を捕らえられる位置に検出器を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料上に電子線を走
査して、電子線の走査領域から発生する二次電子および
反射電子を検出して、該試料表面の形状を画像化する走
査型電子顕微鏡に関するものであり、二次電子や反射電
子を対物レンズよりも上方に配置した検出器にて信号を
得るＴＴＬ (Through The Lens）方式の走査型電子顕微
鏡にて、試料上で発生した二次電子を完全に分離した反
射電子のみの情報を効率良く得ることができ、試料表面
の帯電による影響を受け難く、かつ請求項２記載の該第
一の検出器を複数個用いることにより、異なった方向か
ら信号を取得し、該試料表面の微小な凹凸の立体的な観
察を可能とする技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＴＴＬ方式の走査型電子顕微鏡におい
て、試料に試料から発生した二次電子を電子源方向に加
速するような電圧が印加されていない場合には、一次電
子線の照射によって生じたエネルギーの小さい二次電子
は電界，磁界を組み合わせた速度分離器であるウィーン
フィルタを用いることで、該一次電子の軌道に作用する
こと無く、該二次電子の軌道のみを曲げて、検出器に直
接もしくは間接的に該二次電子を導くことも可能である
が、リターディング法のように試料に電圧を印加して、
対物レンズ下面と該試料表面との間に一次電子線を減速
させるような急峻な減速電界を発生させる場合には、該
試料表面から出射した二次電子は逆に、電子源方向に加
速され、大きいエネルギーを持つことになる。このた
め、ウィーンフィルタにて二次電子の軌道を変化させる
ためには、電界，磁界を発生するための電圧，電流も大
きなものとなり、ウィーンフィルタのサイズが大きくな
り、電気回路の負荷も大きくなるために実用的ではな
い。もともと大きなエネルギーをもつ反射電子の場合も
同じであるが、このような場合には、該一次電子の軌道
上に該一次電子が通過できる穴を開けた適当な大きさの
反射板を設け、二次電子および反射電子を該反射板に衝
突させて、該反射板上で二次電子を発生させ、このエネ
ルギーの小さい二次電子をウィーンフィルタにて検出器
に導くことは行われているが、二次電子と反射電子を分
離することは不可能である。このため、電子源方向に向
かってくる二次電子を減速して追い返す阻止電圧をウィ
ーンフィルタの試料側入口に設けたメッシュ状の電極に
印加し、該阻止電圧印加部を透過した、該阻止電圧と試
料印加電圧との電位差で決まる電位障壁より大きい運動
エネルギーをもつ反射電子を反射板で二次電子に変換し
た後に該ウィーンフィルタで検出器に導くことで二次電
子と反射電子を分離することが従来技術である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術に示したよう
に、ＴＴＬ方式の走査型電子顕微鏡において、ウィーン
フィルタおよび阻止電圧により反射電子と二次電子を分
離した後に反射電子を反射板に衝突させ、反射板から発
生した二次電子を検出器に導く方法では、該フィルタ内
に配置した反射板から見込む試料上の一次電子線照射領
域への立体角が大きくなく、試料面からの仰角が大きい
反射電子しか得ることしか出来ないために、反射電子の
検出効率は低くなり、さらに試料表面の凹凸形状による
コントラストが低い信号しか得ることができず、凹凸形
状の立体的な情報を得ることができない。よって、高分
解能観察が可能で、コントラストの良い反射電子像を得
ることが課題である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】反射電子は電子源から放
出されて試料に照射される一次電子線が試料表面との相
互作用によってエネルギーを授受して、後方散乱された
ものであって、弾性散乱したものであれば、一次電子線
の入射エネルギーが保存される。一方、二次電子の持つ
エネルギーは通常５０ｅＶ以下であり、反射電子に比べ
てかなり小さい。まず第一に反射電子のエネルギー分布
は一次電子線の入射エネルギーにも依存するが、弾性散
乱がピークとなり、その量は二次電子に比べてかなり少
ないが、反射電子のエネルギー分布を全体的に見れば一
次電子線のエネルギーよりも小さいエネルギー範囲にブ
ロードに分布し、それらをエネルギーについて積分した
量は二次電子に劣らない。よって、試料から放出された
反射電子の対物レンズの磁場による回転角を異なるエネ
ルギーをもつ反射電子について考慮し、なるべく広いエ
ネルギー範囲内で反射電子を捕らえられる位置に検出器
を配置することで、反射電子の収量を損なわずに済む。
該対物レンズの磁極を含む磁路の一部に電圧を印加した
り、試料に一次電子線に対するリターディング電圧を印
加した系であっても、二次電子のように試料面からの出
射エネルギーが小さい場合には対物レンズの磁場に補足
され、かつ磁路の一部に印加された電圧やリターディン
グ電圧により電子源方向に加速されるため、該二次電子
の試料面からの出射角度は著しく変更を受ける。一方、
反射電子は試料面からの出射エネルギーが大きいため、
試料面からの出射仰角が小さければ、試料面と平行な方
向の速度成分も大きく、反射電子の場合には、磁場によ
り磁極の中心軸回りの回転はするものの、出射仰角に近
い角度にて電子源方向に進行し、散乱角度の異なる反射
電子の相対的な角度分布は出射仰角を反映すると考えら
れる。よって磁路の一部に印加された電圧やリターディ
ング電圧の印加によって、二次電子と反射電子の軌道は
大きく異なることから、検出器の電子検出面が磁極を見
込み、磁極の中心軸から角度を持たせて斜めに配置する
ことによって、従来技術では得られなかった二次電子の
混入が実質上ない反射電子像が得られ、出射仰角が小さ
い反射電子をも捕らえることが出来るため、従来技術よ
りも反射電子の検出効率が良く、試料表面の凹凸形状が
陰影を持った画像として得られる。つまり、反射電子の
対物レンズの磁場による回転角が２πｎ（ｎは整数）前
後である場合は、検出器を配置した側は明るく、その対
向側は暗い像が得られる。第二に反射電子の放出角度分
布についてであるが、cosine lawとして知られているよ
うに、試料に垂直に入射した一次電子線の散乱確率は反
射電子の散乱角度（試料からの仰角）が大きくなる程高
くなる。しかし、対物レンズ上方には一次電子線および
二次電子を通過させるために、ある程度の大きさを確保
して通過口を設けねばならないので、試料からの仰角が
大きい反射電子については該通過口を通過してしまい、
請求項２記載の第一の検出器では検出することが出来な
い。反射電子の検出収量を上げるためには、該通過口を
通過しない角度で散乱された反射電子のほとんどを取り
込み可能な位置に検出器を配置する必要がある。また、
該通過口は二次電子が完全に通過することのできる最小
の穴径とし、さらに該通過口を有する部材を、反射電子
を二次電子に変換する反射板として利用し、該通過口を
通過しない角度で散乱された反射電子を該反射板に衝突
させる様に配置し、さらに該反射板は二次電子発生率の
高い材料もしくは構造として、該通過口を通過して検出
できない分の収量を補うようにする。ただし、ある程度
の分解能を確保するために試料にリターディング電圧を
印加した系においては、該磁路の一部に一次電子線を加
速するような電圧を印加すると、例え反射電子であって
も試料から電子源方向へ大きく加速されるため、請求項
２．記載の第一の検出器での収量は大きく減少する。よ
って、リターディング法を用いたＴＴＬ方式の走査型電
子顕微鏡においては、反射電子像を得る必要のある場合
には該磁路の一部には、収量を損なわない程度の電圧し
か印加しない様にし、観察条件によって該磁路の一部に
印加する電圧を切替える必要がある。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態は図１のようで
あり、引出電極（２１）に高電圧電源(２３)により電圧
を印加することによって電子源(２２)から出射した一次
電子線(２０)は真空雰囲気とした鏡体内を通り、レンズ
系で収束された後に試料（１）に入射する。本発明の走
査型電子顕微鏡においては、φ３００mm程度の大径のウ
ェーハをも観察することを目的としていることから、Ｔ
ＴＬ方式を採用する。また、ＴＴＬ方式でありながら、
二次電子と反射電子を分離して効率良く反射電子を検出
し、かつ複数の反射電子検出器にて観察箇所の立体的な
観察を実現する必要がある。また、二次電子による高分
解能観察を実現するために該試料（１）には高電圧電源
（２）によって負の電圧（リターディング電圧）を印加
するリターディング法を採用する。よって、リターディ
ング電圧によって電子源方向に加速されたエネルギーの
高い二次電子は〔従来の技術〕に記したように反射板と
ウィーンフィルタによって検出器に導くようにし、該一
次電子線（２０）の試料上での後方散乱により発生した
反射電子については〔課題を解決するための手段〕に記
した方法にて反射板および検出器を配置する。

【０００６】本発明の実施の形態の構成においては反射
板１（９）の形状や反射電子検出器１（１１）および反
射電子検出器２（１２）の配置を最適化し、リターディ
ング電圧は一定値とし、試料に入射する該一次電子線
（２０）のエネルギー（入射エネルギー）は該電子源
（２２）に該高電圧電源（２３）にてリターディング電
圧から該一次電子線（２０）が試料に入射するエネルギ
ー分の電圧を引いた負の電圧を印加することで、該一次
電子線（２０）のエネルギーを変化させても試料から放
出される二次電子の軌道（１７）および反射電子の収量
を大きく変化させない制御が可能となる。

【０００７】これらのことから、本発明の実施の形態と
しては、該電子源（２２）から放出された一次電子線
（２０）はレンズ系（２８）で収束され、ウィーンフィ
ルタであるＥ×Ｂフィルタ２（１９），Ｅ×Ｂフィルタ
１（１８）を通過し、電子線偏向手段（１０）にてＸ，
Ｙ方向に走査され、反射板１（９）を通過して、最終的
に対物レンズにて試料上に収束される。対物レンズは磁
路下部（３），磁場発生用の電磁コイルを含む磁路上部
（４），電圧印加磁路（５），該電圧印加磁路（５）と
該磁路上部（４）を絶縁するための絶縁碍子（６）から
成る。該電圧印加磁路（５）には高電圧電源（２７）に
より正の電圧(以下ブースティング電圧)を印加すること
ができ、対物レンズ中で該一次電子線（２０）を加速さ
せ、強励磁にて対物レンズを使用することにより、対物
レンズの収差の低減とともに高分解能化ができる。ま
た、試料上の一次電子線が照射された箇所で発生した二
次電子および反射電子を検出する手段としては〔課題を
解決するための手段〕に記したように、反射電子は対物
レンズの磁場により回転作用を受けながら電子源方向に
向かうが、種々の電子光学系のパラメータから決定され
る反射電子の軌道を、予め計算機シミュレーションにて
解析された電磁場中での反射電子の軌道、例えば反射電
子軌道１（７），反射電子軌道２（８）に基づき反射電
子の収量が十分得られるように反射板１（９）および反
射電子検出器１（１１），反射電子検出器２（１２）を
最適位置に配置する。なお、反射電子検出器１（１
１），反射電子検出器２（１２）は反射電子のエネルギ
ーを光に変換するシンチレータを電子検出体とし、該シ
ンチレータにて発生した光をライトガイドにより光電子
増倍管に導き、該光電子増倍管の出力を電気的に増幅す
るアンプからの信号を最終的に出力するタイプである
が、半導体検出器や二次電子増倍管により直接試料から
の電子を電気的に出力するタイプのものでも構わない。
なお、本実施例では反射電子検出器を二本用い、１８０
°対向して磁極を見込むように斜めに配置しているが、
この位置は電子ビームの横（Ｘ）走査方向に対して垂直
方向に伸びる凹もしくは凸の配線パターンの側面の左右
一方から出射した反射電子を二本のうちの一本の検出器
にて捕らえ、かつ反射電子の収量を十分得られる位置と
している。配線パターンの右側，左側はそれぞれ、該反
射電子検出器の二本の内一方に一対一に対応しているた
め、該反射電子検出器を切替えて用いることにより配線
パターンの左右それぞれに陰影の付いた立体的な反射電
子像を得ることができる。さらに、該反射電子検出器を
三本以上用いて多方向から反射電子を検出し、反射電子
の収量を上げると共に、立体的な反射電子像を得ること
も可能である。

【０００８】該反射板１（９）は該反射電子軌道１
（７）のように衝突した反射電子が該反射板１（９）上
で二次電子を生成し、該二次電子が該反射電子検出器１
（１１）、および反射電子検出器２（１２）にて検出さ
れるように、該シンチレータに印加された電圧による電
界が該反射板１（９）に作用する位置に置かれ、かつ該
反射板１（９）に衝突する反射電子によって発生した二
次電子が複数回該反射板１（９）表面に衝突して雪崩式
に二次電子の数が増加するように、反射電子の衝突面を
図２の如く階段状に加工してある。さらに図３，図４の
ように、該反射板１（９）の表面をサンドブラスト処理
により凹凸を設けて、前記同様の効果を得たり、該反射
板１（９）の表面に金めっきを施すことによって反射電
子による二次電子の発生効率を高めて、結果的に反射電
子の収量を増やすこともできる。なお、金めっきの他に
二次電子発生率の高い物質、例えばベリリウウム合金を
めっき、もしくは蒸着したり、該反射板（９）自体の材
料とすることも可能である。また、該反射板１（９）の
形状の特徴として、電子線の通過する穴部の直径は、試
料（１）で生じた二次電子はリターディング電圧により
二次電子軌道（１７）のようにある程度の広がりをもっ
て電子源方向に加速さるが、この二次電子全てが完全に
通過することのできる最小の寸法になっており、試料表
面からの仰角が大きい角度で出射した反射電子は該穴を
通過して電子源方向に向かうが、その損失は最小限に押
さえられている。それ以外の反射電子は該反射板１
（９）に衝突後、反射電子検出器１（１１）および反射
電子検出器２（１２）にて検出されるため、前述したよ
うに二次電子の混入が実質上ない反射電子により試料表
面の立体的な観察が可能となる。

【０００９】該二次電子は該反射板１（９）を通過した
後、電子線偏向手段（１０）を通過し、Ｅ×Ｂフィルタ
１（１８）およびＥ×Ｂフィルタ２（１９）に設けられ
た反射板にてエネルギーの低い二次電子に変換されて、
二次電子軌道１（１５）および二次電子軌道２（１６）
のように二次電子検出器１（１３）および二次電子検出
器２（１４）で検出される。なお、二次電子検出器１
（１３）および二次電子検出器２（１４）の構造は該反
射電子検出器１（１１）、該反射電子検出器２（１２）
のそれと同じである。

【００１０】一方、分解能を向上させて試料を観察する
必要のある場合には該電圧印加磁路（５）に正の電圧
（ブースティング電圧）を印加する。この場合には、試
料上の一次電子線が照射された箇所で発生した反射電子
はブースティング電圧により電子源方向に加速されるた
め、試料表面からの仰角が大きくない角度で出射した反
射電子は〔課題を解決するための手段〕に述べたよう
に、反射電子軌道１（７），反射電子軌道２(８）のよ
うな軌道ではなくなるため、反射板１(９）に衝突する
電子数も減少し、該反射電子検出器１(１１)および反射
電子検出器２(１２)での収量も減少する。よって、高分
解能観察を行う場合や反射電子像を得る場合にはブース
ティング電圧は印加しない様にするが、元来、反射電子
はその発生メカニズムからして、高い空間分解能で試料
表面の形状を反映することが出来ないため、高分解能観
察は二次電子像にて行うことが適切であり、反射電子像
を得る必要性は無い。ただし、本発明の実施の形態にお
いては、Ｅ×Ｂフィルタ１(１８)とＥ×Ｂフィルタ２
（１９）の間に電圧の印加できるメッシュ状の電極を挿
入し、〔従来の技術〕で述べた反射電子と二次電子の分
離方法も実施できるようになっている。また、電圧印加
磁路（５）は磁路上部（４）を構成する部材との絶縁を
行う必要が有るため、該磁路上部（４）との結合はアル
ミナ製の絶縁碍子(６)を介して行う。よって、該電圧印
加磁路（５）と磁路上部（４）は磁性体として一体とな
っていないために、両部材の隙間からは磁場が漏れ出
す。この漏れ磁場に起因して、該一次電子線（２０）の
通過する軸上にも磁場が発生する。この軸上磁場が磁極
で発生する磁場強度に対して無視できないような大きさ
であると、電子光学系として最適な条件が得られなくな
るため、漏れ磁場の強度を抑える必要がある。図１に示
したような構造であっても、漏れ磁場は磁極での軸上磁
場に対して約１／５０程度と小さいが、図２に示したよ
うな構造とすることで、該磁路上部（４）から突き出し
た、該電圧印加磁路(５)の上部の張り出し部分(５０)か
ら、該電圧印加磁路(５)への磁束の流入効率が上がり、
漏れ磁場の磁路の結合部周辺への染み出しを小さくする
ことができ、結果的に光軸上での漏れ磁場をさらに半分
程度に減少させることが可能である。さらに、漏洩磁場
シールド(５１)を設けることで、電子線偏向手段（１
０）上方の漏洩磁場を減少させることもできる。

【００１１】以上述べた発明の実施の形態にて、種々の
特徴ある像観察が可能となるが、反射電子検出器１（１
１），反射電子検出器２（１２），二次電子検出器１
(１３)，二次電子検出器２（１４）の各検出器は電子線
偏向手段（１０）を駆動する走査信号に同期した試料よ
り発生した電子を直接、もしくは間接的に検出して増幅
後に電気信号に変換するものであり、本信号は画像処理
装置（２４）によって、ＣＲＴや液晶モニタのような画
像表示装置（２６）に出力される。各検出器では各々、
二次電子，反射電子，エネルギー分別された二次電子な
らびに反射電子などの特徴のある信号を得ることがで
き、画像表示制御装置（２５）にて各検出器を任意に切
替えられる。図５に示したように配線層間に異物（３
５）が存在し、二次電子像（３２）では異物や配線のコ
ントラストが同じように見え、異物が上部配線層（３
３）と下部配線層（３４）の層間にあるのか表面にある
のか判別しにくい場合は、検出器を反射電子検出器（図
５では縦パターンの右側に位置する検出器）とすること
により、試料表面のみのコントラストが強調され、上部
配線層（３６）が陰影のついた反射電子像（３７）とし
て得られるため、異物が配線層間にあることが判別でき
る。また、しみ状の異物（４１）が試料表面にあるにも
かかわらず、上部配線層（３９）とのコントラストの差
異がないため、二次電子像（３８）では該上部配線層
（３９）にあるのか下部配線層（４０）の間にあるのか
判別がつかないような場合には、検出器を反射電子検出
器（図６では縦パターンの右側に位置する検出器）とし
て反射電子像（４２）を得ることによって表面のわずか
な凹凸を検出し、陰影のついたしみ状の異物（４４）の
姿が得られるため、異物が上部配線層（４３）の上に存
在すると断定することが可能となる。なお、本発明の実
施の形態では、像上右方向に配置されている反射電子検
出器１（１１）では試料上観察箇所の凸部側面の右側お
よび下側が明、凹部側面の左側および上側が明となり、
反射電子検出器２（１２）では試料上観察箇所の凸部側
面の左側および上側が明、凹部側面の右側および下側が
明となるため、該反射電子検出器１（１１）および反射
電子検出器２（１２）で得られた像を比較することによ
って異物や配線パターンの凹凸形状を判別することが出
来る。また、図７に示したように照射した電子線によっ
て帯電しやすい試料では、二次電子像は観察領域が形状
を反映したコントラストがつかない二次電子像（４５）
となる場合がある。このような場合には、該画像表示制
御装置（２５）によって検出器を切替えることによって
反射電子像（４６）を得ることで、試料表面の帯電によ
る影響を受けにくい像観察が可能となる。本発明の実施
の形態においては、反射電子像では前述したように形状
の微妙な凹凸形状が像上で陰影をもって見え（図７では
像右側に位置する検出器）、また反射電子では組成によ
るコントラストも期待できるために、二次電子像ではチ
ャージアップにより判別のつきにくかった配線構造（４
７）も該配線構造（４７）周辺との構造および組成の違
いによりコントラストが得られる。

【００１２】本発明の実施の形態においては前述したよ
うに反射電子検出器の電子検出体はシンチレータを用い
ており、該シンチレータには正の電圧を印加して反射電
子軌道１（７），反射電子軌道２（８）のような軌道で
試料より入射してくる反射電子および反射板１（９）に
て発生した二次電子をシンチレータに引き込むと同時に
加速して衝突させる。この引き込み電界は一次電子線
（２０）の軌道にわずかながら漏れ出し、該一次電子線
（２０）の軌道を曲げる可能性が有る。左右の反射電子
検出器の一方の電圧を調整し、左右の漏れ出した電場の
バランスをとることで該一次電子線（２０）の軌道への
影響を無くすることは可能であるが、図８に示したよう
に該反射板１（９）の試料側開口部に該反射板１（９）
と同電位とした金属製シールド(４８）を設けることに
よって、該一次電子線(２０）とシンチレータの間に静
電シールドを作り、確実に引き込み電界を該一次電子線
(２０)軌道から遮蔽することが可能となる。該金属製シ
ールド（４８）は図１０に示したように金属製メッシュ
（４９）から構成されており、電界のシールド効果を持
たせると共に該反射電子軌道１（７）、反射電子軌道２
（８）の如く入射してくる反射電子はメッシュを透過し
て、直接反射電子検出器に入射するか、該反射板１
（９）に衝突して二次電子を発生させる。メッシュのフ
レームに衝突する反射電子もあるが、衝突箇所で二次電
子を発生させて、この二次電子は反射電子検出器からの
電界に補足されて最終的に反射電子検出器で検出される
ため、結果的に反射電子の収量を損なうことはない。

【００１３】以上が本発明を実施した形態についての説
明である。

【００１４】

【発明の効果】ＴＴＬ方式の走査型電子顕微鏡におい
て、対物レンズと試料との間に検出器を配置する必要が
無いため、ワーキングディスタンスを短くすることがで
き、電子ビームの収束開き角を大きくとれるために、装
置の高分解能化が可能となる。また、試料に電子ビーム
を減速させる電圧を印加するリターディング法を採用し
ても、反射電子と二次電子を分離することができ、反射
電子を二次電子に変換する反射板を設けたり、該反射板
や磁路の電子通過孔の大きさや形状および請求項２．記
載の第一の検出器の配置を最適化することで反射電子の
収量を損なうこと無く、コントラストの良い反射電子像
が得られる。よって、リターディング法を用いない場合
に比べて高分解能観察が可能であり、分解能に関して裕
度が持てることから、分解能を犠牲にして焦点深度を深
くすることも出来る。また、磁路には観察条件毎にあら
かじめ設定した電圧を印加することが出来るので、反射
電子を必要とする場合には磁路には電圧を印加しない
か、印加しても低電圧とし、逆に磁路に一次電子線を加
速する電圧を印加することで二次電子による高分解能観
察が可能となる。さらに、請求項２．記載の検出器を各
々任意に切替えて二次電子像と反射電子像を取得するこ
とができ、これらの画像を画像処理装置にて合成した
り、各画像の特徴量を抽出して比較することで観察箇所
の立体的な構造を知ることも可能であり、異物や欠陥部
の構造や配置から、異物や欠陥の発生に関して半導体デ
バイスの製作工程の内、どこに問題が有るのか知見を得
ることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実現する走査型電子顕微鏡の構成図。

【図２】請求項３および請求項４記載の電圧を印加する
磁極を含む磁路と、その他の対物レンズを構成する部材
との結合部の断面図。

【図３】請求項１３記載の反射電子を二次電子に変換す
る部材の断面図。

【図４】請求項１４記載の反射電子を二次電子に変換す
る部材の断面図。

【図５】請求項１５記載の反射電子を二次電子に変換す
る部材の断面図。

【図６】本発明の効果として、異物が配線層間にある場
合の二次電子像（左）と反射電子像（右）の模式図。

【図７】本発明の効果として、厚みが薄い、又はしみ状
の異物が表面にあるのか層間にあるのか判別がつきにく
い二次電子像（左）に対して、反射電子像（右）で立体
的な観察を行うことでわずかな凹凸を検出し、異物が表
面にあることが判別できることを説明した模式図。

【図８】本発明の効果として、試料表面の帯電により二
次電子像（左）ではコントラストが得られない場合に反
射電子で表面構造の（ここではセル構造）の立体的な観
察を行うことで、帯電の影響を受けにくく、凹凸形状が
判別できる反射電子像（右）が得られることを説明する
模式図。

【図９】請求項１６記載の金属製シールドの配置図。

【図１０】請求項１６記載の金属製シールドの正面図お
よび断面図。

【符号の説明】

１…試料（ウェーハ）、２…負の高電圧電源、３…磁路
下部、４…磁路上部、５…電圧印加磁路、６…絶縁碍
子、７…反射電子軌道１、８…反射電子軌道２、９…反
射板、１０…電子線偏向手段、１１…反射電子検出器
１、１２…反射電子検出器２、１３…二次電子検出器
１、１４…二次電子検出器２、１５…二次電子軌道１、
１６…二次電子軌道２、１７…二次電子軌道、１８…Ｅ
×Ｂフィルタ１、１９…Ｅ×Ｂフィルタ２、２０…一次
電子線、２１…引出電極、２２…電子源、２３…電子銃
用高電圧電源、２４…画像処理装置、２５…画像表示制
御装置、２６…画像表示装置、２７…正の高電圧電源、
２８…レンズ系、２９…階段状の段差、３０…サンドブ
ラスト面、３１…金めっき面、３２…配線層間に異物が
ある時の二次電子像の例、３３…上部配線層、３４…下
部配線層、３５…異物、３６…上部配線層、３７…配線
層間に異物がある時の反射電子像の例、３８…配線層間
にしみ状の異物がある時の二次電子像の例、３９…上部
配線層、４０…下部配線層、４１…しみ状の異物、４２
…配線層間にしみ状の異物がある時の反射電子像の例、
４３…上部配線層、４４…陰影のついたしみ状の異物、
４５…試料の帯電により、コントラストのついていない
二次電子像の例、４６…試料の帯電の影響を受けにくい
反射電子像の例、４７…配線構造、４８…金属製シール
ド、４９…金属製メッシュ、５０…磁路結合部の張り出
し、５１…漏洩磁場シールド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 俊郎 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 鈴木 直正 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 Ｆターム(参考） 2G001 AA03 BA07 BA15 CA03 GA01 GA06 GA09 GA10 GA13 HA13 JA11 JA13 5C033 DD04 DD09 DE06 NN01 NN02 NP01 NP05 NP06 UU02 UU04 UU05 UU06

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反射電子と二次電子を同一の、もしくは別
   個の検出器で検出する方式の走査型電子顕微鏡におい
   て、反射電子を検出する必要がある時と、ない時とで磁
   路に、もしくは磁路から絶縁されて磁極部分に配置した
   電極に、印加する電圧を変化させることを特徴とした走
   査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】電子源から放出された一次電子線を拡大，
   縮小するレンズ系と、該一次電子線を二次元的に走査し
   て試料面上に該電子線を照射する電子線偏向手段と、最
   終的に該一次電子線を試料上に収束させるレンズである
   対物レンズの中心に開けられた電子線通路を通過する、
   該試料面上で発生した二次電子や反射電子を電気信号に
   変える複数の検出手段と、走査方向と走査速度に同期し
   て該検出手段で得られた複数の信号を各々画像として出
   力する手段と、該検出手段は該電子源と該試料に印加さ
   れる電圧との電位差で該一次電子線の該試料照射エネル
   ギーを制御する手段と、該対物レンズの磁極を含む磁路
   の一部に電圧を印加することができる手段と、電子検出
   面が該電子線偏向手段および該対物レンズとの間に配置
   し、該対物レンズの磁極の電子線通路を臨む立体角内に
   該電子検出面に直接入射する反射電子の軌道が含有され
   る位置に置かれ、主に反射電子が部材に衝突した際に発
   生する二次電子、もしくは反射電子を直接取り込む一つ
   以上の第一の検出器と、該電子線偏向手段の上方に配置
   され、主に該電子線偏向手段上方へ通過した二次電子を
   直接、もしくは該二次電子が部材に衝突した際に発生す
   る二次電子を取り込む二つ以上の第二の検出器とを具備
   する走査型電子顕微鏡において、該第一の検出器を用い
   て二次電子の混入が実質上ない反射電子、第二の検出器
   を用いて二次電子の信号を得ることによって該一次電子
   線照射領域の情報を得る場合には、電圧印加可能な該対
   物レンズの磁極を含む磁路の一部には電圧を印加しない
   様にし、反射電子による情報を必要とせず、該第二の検
   出器を用い、主に二次電子の情報を検出して該試料面上
   の高分解能観察を行う場合には、該一次電子線の該対物
   レンズによる収差を低減するために、該対物レンズの磁
   極を含む磁路の一部に該一次電子線の該対物レンズの通
   過エネルギーが高くなるように、かつ試料上に試料から
   発生した反射電子や二次電子を電子源方向に加速する電
   界が該試料上に作用するように電圧を印加し、情報取得
   条件によって該対物レンズの磁極を含む磁路の一部に印
   加する電圧を切替えることを特徴とする走査型電子顕微
   鏡。
3. 【請求項３】請求項１もしくは請求項２記載の走査型電
   子顕微鏡において、電圧を印加することのできる対物レ
   ンズの磁極、もしくは電圧を印加することのできる電極
   に近接する対物レンズの磁極を構成する磁路と、対物レ
   ンズを構成する他の磁路との結合部における漏洩磁場
   が、該対物レンズのレンズ間隙によるレンズ磁場に、実
   質的に影響を及ぼさないように、該結合部の形状を構成
   すると共に、該結合部の上方に磁場シールド部材を配置
   したことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項３記載の走査型電子顕微鏡におい
   て、該対物レンズの磁極を含む磁路と、該対物レンズを
   構成する他の磁路との間の隙間には、絶縁物が挿入され
   ていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項２から請求項４記載の走査型電子顕
   微鏡において、一次電子線の試料照射エネルギーを、該
   試料に印加する電圧を常に一定とし、該電子源に印加す
   る電圧を変化させることで制御することを特徴とする走
   査型電子顕微鏡。
6. 【請求項６】請求項５記載の走査型電子顕微鏡におい
   て、該対物レンズの磁極を含む磁路の一部に電圧を印加
   せず、二次電子の混入が実質上ない反射電子の信号を検
   出することで試料表面の帯電の影響を受けにくい画像を
   得ることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
7. 【請求項７】請求項５記載の走査型電子顕微鏡におい
   て、該対物レンズの磁極を含む磁路の一部に電圧を印加
   せず、請求項２記載の第一の検出器に切替えることによ
   って二次電子の混入が実質上ない反射電子の信号を検出
   することで試料表面の凹凸形状を陰影のついた画像とし
   て得ることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
8. 【請求項８】請求項６および７記載の走査型電子顕微鏡
   において、二次電子像では試料の帯電により試料表面形
   状のコントラストが得られにくい場合において、反射電
   子信号と二次電子信号による試料上の同一部分の画像を
   比較することにより、二次電子像では試料表面形状のコ
   ントラストが得られにくい部分の凹凸形状を確認する機
   能を有することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
9. 【請求項９】請求項６〜８記載の走査型電子顕微鏡にお
   いて、試料としてメモリーやロジックなどを構成する多
   層膜間配線を有する半導体ウェーハを用いる場合、一次
   電子の照射による試料の帯電により、二層間以上の配線
   のプロファイルが二次電子像として得られ、かつ該二次
   電子像上に配線の欠陥や異物の存在が確認できる場合
   に、任意に該第一の検出器に切替えることによって反射
   電子像を取得することで、試料表面のみの情報を選択的
   に観察することができ、両者の画像を比較することによ
   り、該欠陥や異物が試料表面にあるのか層間にあるのか
   区別する機能を有することを特徴とする走査型電子顕微
   鏡。
10. 【請求項１０】請求項９記載の走査型電子顕微鏡におい
    て、オリエンテーションフラットやＶノッチを手前とし
    た状態をウェーハの基準方向とした時に基準方向に対し
    て右に配置した反射電子検出器によって得られる陰影の
    ついた像と、基準方向に対して左に配置した反射電子検
    出器によって得られる陰影のついた像とを比較すること
    によって試料上観察箇所の凹凸判定が可能である走査型
    電子顕微鏡。
11. 【請求項１１】請求項２〜８いずれかに記載の走査型電
    子顕微鏡において、反射電子を衝突させて二次電子を発
    生させる部材は、金属であり、該電子線偏向手段の下方
    に位置し、反射電子の衝突領域が該第一の検出器の電子
    を捕獲するための電界が作用する範囲で該電子検出面の
    位置より下方となるように置かれていることを特徴とす
    る走査型電子顕微鏡。
12. 【請求項１２】請求項１１記載の走査型電子顕微鏡にお
    いて、反射電子を衝突させて二次電子を発生させる部材
    は、該対物レンズの磁極の中心軸と一致し、該磁極方向
    に先細りとなった円錐形状であることを特徴とした走査
    型電子顕微鏡。
13. 【請求項１３】請求項１２記載の走査型電子顕微鏡にお
    いて、反射電子を衝突させて二次電子を発生させる部材
    の反射電子衝突領域は円錐の中心軸に関して対称である
    円形の溝を階段状に配置し、二次電子発生効率を高めた
    ものであることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
14. 【請求項１４】請求項１２記載の走査型電子顕微鏡にお
    いて、反射電子を衝突させて二次電子を発生させる部材
    の反射電子衝突領域は、該部材の表面を処理して凹凸を
    作り、二次電子発生効率を高めたものであることを特徴
    とする走査型電子顕微鏡。
15. 【請求項１５】請求項１２〜１４のいずれかに記載の走
    査型電子顕微鏡において、反射電子を衝突させて二次電
    子を発生させる部材の反射電子衝突領域は、二次電子発
    生率の高い物質のめっきを施してあることを特徴とする
    走査型電子顕微鏡。
16. 【請求項１６】請求項１２〜１５のいずれかに記載の走
    査型電子顕微鏡において、該第一の検出器の電子検出面
    からの複数の強度の異なる漏洩電場が該一次電子線の軌
    道を変化させないように、該漏洩電場が該一次電子線通
    路に漏れ出すことを防止する目的で、該反射電子を衝突
    させて二次電子を発生させる部材の先端部に、反射電子
    が通過できるメッシュ状の金属製シールドを具備するこ
    とを特徴とした走査型電子顕微鏡。