JP2003308801A

JP2003308801A - 電子ビーム装置

Info

Publication number: JP2003308801A
Application number: JP2002112489A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Okayama; 重夫岡山; Yasutsugu Iwata; 康嗣岩田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-31
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP3723846B2

Abstract

(57)【要約】【課題】試料表面をコンタミネーションの要因となり
にくい不活性ガス等の雰囲気で被覆し、コンタミネーシ
ョン膜生成の要因となるハイドロカーボンの原因となる
残留ガスを試料表面から排除することで、コンタミネー
ション膜の堆積を低減すること。【解決手段】試料１３を保持するための試料ステージ
には、試料１３を固定する試料ホルダー１４と、電子ビ
ーム照射部に開口３５を有して、試料表面周辺を微小な
間隙で覆う試料カバー１５と、試料ホルダー１４と試料
カバー１５間の空間にガスを導入する機構とを設ける。
本発明では、特殊な試料ホルダー１３および試料カバー
１５から構成された電子ビーム装置用の特殊な試料ステ
ージを機能させることにより、試料表面上の非常に薄い
層のみを覆うガス層流を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料表面の形態観察
等に利用される一般的な走査電子顕微鏡から、電子ビー
ムによる微細パターン等の描画、加工、電子ビームによ
る測長、半導体製造プロセスにおける欠陥検出装置に用
いることのできる電子ビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細な電子ビームをプローブとして、試
料上を走査する走査電子顕微鏡SEMは、ナノメートルレ
ベルの分解能を有する形態観察、計測用顕微鏡として、
集積回路等の微細パターンの評価・計測から各種産業の
製造ラインにおける品質管理等、広範な分野で利用され
ている。走査電子顕微鏡はその商品化以来、装置の高度
化、高性能化が図られてきているが、電子ビーム照射に
よる試料表面のコンタミネーションの問題は解決されて
いない。特に、高分解能観察時におけるコンタミネーシ
ョン膜の堆積は二次電子像に影響を与えるため、電子光
学系の調整、形態観察、計測時の大きな課題となってい
る。

【０００３】コンタミネーションは、残留ガスや電子ビ
ーム照射による試料からのガス放出等が原因となって、
電子ビームのエネルギーによりハイドロカーボンを主体
として重合・堆積することが、知られている。また、そ
の堆積量は経験的にビーム径の二乗に反比例するため、
ビーム径を微細化し、単位面積当たりの電子ビームの照
射量が増大する高分解能観察時程、顕著となっている。
このため、試料室の高真空化、オイル蒸気の逆流を低減
するためのターボ分子ポンプによる排気、コールドトラ
ップによる試料周辺の残留ガスの吸着等を行っている
が、実用的には、試料表面でのガス分子の吸着が問題と
ならない超高真空状態に試料室を排気することは、ベー
キング等の問題から一般的な電子ビーム装置では困難で
あるため、決定的な改善方法には至っていない。

【０００４】集積回路、配線等の微細化に伴って、リソ
グラフィー工程の歩留まりを管理する上で、パターンの
欠陥検査、測長、評価は不可欠であり、走査電子顕微鏡
技術を応用した欠陥検査装置、測長装置が広く利用され
ている。特に、微細なスポット電子ビームによるパター
ン寸法測長では、測定部の多重走査に起因するコンタミ
ネーションによって測長寸法が変動することが大きな問
題である。従来、電子ビームを照射する試料近傍にガス
を導入する方法としては、２つの手法が良く知られてい
る。

【０００５】１つは試料表面近傍にガスを吹き付けるた
めに、注射針のような微細なノズルを試料表面に近付け
る方法である。この方法は、腐食性のある塩素系のガス
を利用した電子ビームエッチング、有機金属ガスを利用
した電子ビームアシストデポジッション（堆積）に利用
されている。試料を希薄なガス雰囲気または、中真空や
低真空下に維持するためのもう１つの方法は、試料室と
電子光学鏡筒間を複数の絞り構造と排気系による差動排
気することで、試料室の真空度を制御するものである。
この手法を利用して、高真空の電子光学鏡筒に対して試
料室を低真空または、ガス導入を可能とする低真空型、
または環境制御型とよばれる走査電子顕微鏡が開発さ
れ、商品化されている。

【０００６】図３は、従来技術として低真空走査電子顕
微鏡装置の例を示したものである。１０１は電子銃であ
る。電子銃としては、輝度が高く、放出エネルギー幅が
小さく、高安定なビーム電流を供給することができるシ
ョットキー型の熱電界放出電子銃等が利用されている。
電子銃から放出された電子ビーム１０２は磁界型コンデ
ンサーレンズ１０３、１０４、磁界型対物レンズ１０５
によって電子源の縮小像であるスポットビーム１０６を
試料上に形成し、ビーム偏向器１０７によって試料上の
電子ビームを走査し、試料から放出された二次電子、反
射電子を検出信号として利用して、試料の形状観察、寸
法計測、欠陥検出、組成分析等を行っている。図３で
は、電子ビームの制御系、二次電子、反射電子像を表示
する表示系は、省略してある。

【０００７】図３において、１０８は非点収差補正レン
ズ、１０９は二次電子検出器、１１０は反射電子検出器
である。１１１は電子ビーム光学系を構成する電子光学
鏡筒である。１１２は試料室、１１３は試料、１２０は
試料の移動、位置決めのための試料移動機構である。試
料移動機構は用途によりＸＹＺの３軸、さらにＸＹ面の
回転、Ｚ軸に対する傾斜調整も可能な５軸移動機構があ
る。１１７は試料室にガスを導入するための圧力調整弁
であるガス導入用リーク弁である。１１８は１１９の導
入ガス容器からのガス圧を調整する圧力調整器である。
１２５はガスまたは空気を試料室に導入し、低真空圧に
維持することを可能にする試料室と高真空に維持する必
要がある電子光学鏡筒との間の圧力差を調整するための
オレフィス構造による差動排気系である。１２１、１２
２、１２３、１２４は電子光学鏡筒から試料室までを差
動排気するための真空排気ポンプである。

【０００８】低真空型走査電子顕微鏡においては、一般
的に利用されているEverhart-Thornleyタイプの二次電
子検出器を試料室に組み込むと、試料室の真空度の低下
によって、二次電子捕獲用に約10 kV程度の電圧を印加
する検出器のシンチレータと試料室電位（グランド）間
で放電を引き起こし、信号検出上致命的となる。そのた
め、シンチレータを利用する検出器を組み込む走査電子
顕微鏡では、試料室のガス圧力の上限が規定される。以
上説明したように、コンタミネーションの堆積の問題
は、一般的に利用されている電子ビーム装置で起こる特
有な問題である。超高真空装置のように残留ガスを出来
る限り排除するために、装置の加熱により装置内壁等か
らのアウトやガス分子の吸着が実質的に問題とならない
＜10^-7Pa. に維持された装置でない限り、電子ビーム装
置を使用する上で避けて通れない、呪縛的な問題であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】走査電子顕微鏡は、光
学顕微鏡に比べて、高分解能で、焦点深度が大きいこと
が特徴であり、ナノメートルレベルの微細な表面形態の
顕微観察にとって不可欠なツールであるが、微細な形状
観察、寸法計測では、コンタミネーションの低減は重要
な課題である。

【００１０】電子ビーム照射に伴うコンタミネーション
堆積の問題を整理すると、１．試料近傍の真空環境を左右するハイドロカーボン等
の原因となる残留ガスと電子線照射によるコンタミネー
ションの堆積。２．測定する試料やその表面等に付着する残渣等からの
アウトガスが電子線照射により重合反応を引き起こし、
コンタミネーションの堆積膜を形成する。３．試料室の内壁等から放出される吸着ガスが雰囲気ガ
スとして、コンタミネーションの要因となる。４．コンタミネーションによるハイドロカーボンの堆積
は、ビーム電流が同じ場合は、ビーム径ｄの二乗の逆数
１／ｄ^２に比例することが経験的に知られている。

【００１１】上記の事実から、電子線照射によるコンタ
ミネーション膜の堆積は、ハイドロカーボン等の残留ガ
スによる電子ビームアシストデポジッションの一種と理
解することができる。コンタミネーションが１／ｄ^２に
比例することは、輝度の高い電界放出電子銃、ショット
キー電子銃を利用した高分解能走査電子顕では大変重要
な課題である。本発明はこれらの課題に対する有用な手
段を提示するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の電子ビーム装置特
有のコンタミネーションを低減するために、本発明で
は、特殊な試料ホルダーおよび試料カバーから構成され
た電子ビーム装置用の特殊な試料ステージを機能させる
ことにより、試料表面上の非常に薄い層のみを覆うガス
層流を形成することによって、電子ビームのガス雰囲気
での散乱、試料室全体の真空度を低下させない電子ビー
ム装置を提供するものである。

【００１３】本発明では、試料表面をコンタミネーショ
ンの要因となりにくい不活性ガス等の雰囲気で被覆し、
コンタミネーション膜生成の要因となるハイドロカーボ
ンの原因となる残留ガスを試料表面から排除すること
で、コンタミネーション膜の堆積を低減することが可能
となる。また、試料表面を被覆するガス層が薄いこと
は、通常の低真空試料室を有する電子ビーム装置におけ
るような、電子ビームとガス分子との散乱の影響による
分解能の低下を抑えることが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電子ビーム測
長装置の実施例について、添付の図面を参照しながら詳
細に説明する。図１は本発明による実施例として、走査
電子顕微鏡に適用したものである。１は電子銃である。
電子銃から放出された電子ビーム２は磁界型コンデンサ
ーレンズ３、４、磁界型対物レンズ５によって縮小さ
れ、スポットビーム６として試料ホルダー１４上に固定
した試料１３上に照射される。７は、スポットビーム６
を試料上の任意の位置に照射するためのビーム偏向器で
ある。８は非点収差補正レンズ、９は二次電子検出器、
１０は反射電子検出器である。１１は電子ビーム光学系
を構成する電子光学鏡筒である。

【００１５】１２は試料室、１３は試料、１４は試料ホ
ルダー、１５は試料カバー、１６はガス導入配管であ
る。１７はガス導入機構用のリーク弁で、ニードルタイ
プのリーク弁等を利用し、導入するガス流量を制御す
る。１８は、ガス導入機構に送るガス圧を調整する圧力
調整器、１９は導入用ガス容器、２０は試料の位置決め
のための試料移動機構である。２１、２２、２３は真空
排気ポンプである。真空排気ポンプの台数、ポンプの種
類は装置により異なる。図中の２段ビーム偏向器７で
は、ビーム照射位置の移動と走査が可能であるが、ビー
ム位置の移動と走査を別個のビーム偏向器で行うことも
可能である（図１に図示せず）。ビーム偏向器は用途に
より磁界型、電界型の偏向器が利用されている。試料移
動は、用途によりＸＹＺの３軸、さらにＸＹ平面内の回
転、Ｚ軸に対する傾斜調整が可能な５軸の試料移動機構
が利用可能である。

【００１６】図２は本発明による試料ホルダー、試料カ
バー、ガス導入系等から構成される試料ステージの実施
例である。本明細書では、図２に示した１４、１５およ
び３０、３６、３７、３８の部品から構成される全体を
試料ステージと称する。図２において、１３は試料、３
０は、試料を固定する試料台、１４の試料ホルダーは、
試料台３０を固定すると共に、１５の試料カバーとの間
に形成する微小間隙３４によって試料表面にガス層を形
成する。１５は、電子ビームを試料に照射するためにビ
ーム照射用開口３５以外へのガスの漏洩を保護し、試料
ステージで使用する部品等による電界、磁界等が照射す
る電子ビームに影響を与えないための試料カバーであ
る。１６は、電子ビーム装置外から試料室にガスを導入
するためのガス導入配管、３１は、導入するガスを漏洩
なくガス導入配管１６から試料ホルダー１４に接続する
ためのガス導入継手、３２は、ガス導入継手３１から導
入されたガスを３３のガス導入溝に送るためのガス導入
孔である。３３のガス導入溝は、前記ガス導入孔３２か
ら導入されたガスを等方的に３４の微小間隙にガスを供
給するためのものである。３６、３７は試料カバー１５
と試料１３および試料ホルダー１４から電気的または熱
的に絶縁する場合に使用する絶縁物である。３８は試料
の高さ調整用のネジである。また、試料台３０を試料ホ
ルダー１４に固定するためのネジは図２では省略してあ
る。

【００１７】本実施例には、通常、走査電子顕微鏡で使
用されている３軸（X, Y, Z）または５軸の試料移動機
構は図示していない。図２のガス導入配管１６は、半導
体プロセス等で利用されている配管内面を鏡面仕上げし
た１／８インチのSUS配管等の利用により、高純度ガス
の導入と試料移動機構に取り付けた試料ステージ移動に
対応することが可能である。本発明では、試料ホルダー
１４と試料カバー１５との間に数十μm程度の微小間隙
３４を設け、その間隙にガスを導入することにより、試
料表面を被覆する微小厚のガス層を形成することによ
り、試料表面にコンタミネーションの原因となるハイド
ロカーボンの供給を阻止することにより電子ビーム照射
によるコンタミネーションを低減することが可能とな
る。

【００１８】また、本発明においては、試料室にガスを
導入する場合に比べて、配管内、試料ホルダー１４、試
料カバー１５等の表面加工と表面処理を鏡面仕上げする
ことにより、吸着ガス等の影響を低減させ、高純度なガ
スの導入が可能となり、ハイドロカーボン等の混入を低
減させることができる。本発明で使用するガスの例とし
ては、窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスの利用が
可能である。また導入されるガスはビーム照射用開口３
５から試料室に漏洩し、試料室を排気する真空ポンプに
より排気される。

【００１９】試料表面近傍の真空度は試料室の排気速度
とガス導入圧力に依存する。試料室の真空度とガス導入
圧力との間の可能な差圧は、微小間隙３４とビーム照射
用開口３５の開口径で排気コンダクタンスが決まるた
め、試料室の圧力低下の許容値により、可能な導入ガス
圧が決まり、特段の作動排気システムを必要としない。
特に、試料ホルダー１４と試料カバー１５との間の微小
間隙３４を数十μm以下にすることにより、試料室の真
空度と試料近傍の真空度との差圧は、ビーム照射用の開
口径よりも微小間隙３４によるコンダクタンスによる効
果が大きく、通常のオレフィスのようにビーム照射用開
口３５の開口径で決まる差動排気システムとは異なるこ
とが本発明の優位的な特徴である。

【００２０】本実施例では、試料カバー１５を試料ホル
ダー１４と電気的に絶縁することにより、試料カバー１
５に電圧を印加することにより、二次電子の加速や二次
電子の抑制等の制御が可能である。また、試料カバー１
５と他の試料ホルダー１４、試料台３０等と熱的に絶縁
し、試料カバー１５を液体窒素温度のコールドフィン等
と銅網線等を介して熱的に接続することにより、コンタ
ミネーション低減に効果のあるコールドトラップとして
利用することも可能である。

【００２１】走査電子顕微鏡技術を利用した電子ビーム
リソグラフィーでは、微細パターン形成に有効な手段を
提供することができる。本発明による試料表面上の非常
に薄い層のみを覆うガス層流を形成する試料ホルダーと
試料カバー等から構成される試料ステージ構造は、C
l₂、XeF₂、I₂等の反応性ガスを利用した電子ビームアシ
ストエッチング加工が可能である。また、W(CO)₆等の有
機金属ガス等を利用した電子ビームアシストデポジッシ
ョン（堆積）にも適用することができる。これらの加工
では、試料雰囲気として10^-2〜-3 Pa. のガスを導入す
れば良いため、試料室の真空度を大幅に低下させること
なく、実現可能である。

【００２２】図２の実施例では、試料上の試料観察位置
は、試料ホルダー１４、試料カバー１５全体を移動した
だけでは、ビーム照射用開口径内の移動範囲に限定され
るが、試料ホルダー１４に対して試料台を相対的に微動
する機構を設けることにより、試料位置の移動の拡大が
可能である。さらに、微小間隙を保持したままで、試料
カバー１５を試料ホルダー１４に対して移動させる機構
を付加することにより、ビーム照射用開口部を移動さ
せ、試料上の観察やビーム加工の範囲を拡大することも
可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように本発明を利用する
ことによって、電子ビーム照射によるコンタミネーショ
ン形成の原因となるハイドロカーボンの供給を抑制する
ように、微小厚の高純度なガス層で試料表面を被覆し、
コンタミネーション形成を低減する電子ビーム装置を提
供することができる。本発明によって、(1) コンタミネ
ーションによる二次電子発生効率の低下による輝度、コ
ントラストの低下、特に、高倍率による微細構造観察時
における二次電子像の劣化、(2) 高倍率下での非点収差
補正、焦点合わせ操作後の同一視野の低倍率撮影におけ
る高倍率観察領域の極端な像質の劣化、(3) 試料上のビ
ーム走査開始点に堆積したコンタミネーションによるア
ーティファクトの形成、(4) コンタミネーションによる
試料寸法変形の影響等、が低減され、高倍率観察、高精
度な電子ビーム検査、測長が容易となる。本発明による
改善から、今後ますます発展が見込まれるナノテクノロ
ジー分野から、微細化、高集積化が進む情報処理、エレ
クトロニクス分野における計測・評価技術の高分解能
化、高精度化、高速化に寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す走査電子顕微鏡の構造図
である。

【図２】図１に示した実施例における試料、試料ホルダ
ー、試料カバー、ガス導入機構の構造図である。

【図３】従来技術による低真空走査電子顕微鏡の実施例
を示す図である。

【符号の説明】

１電子銃２電子ビーム３，４磁界型コンデンサーレンズ５磁界型対物レンズ６スポットビーム７ビーム偏向器８非点収差補正レンズ９二次電子検出器１０反射電子検出器１１電子光学鏡筒１２試料室１３試料１４試料ホルダー１５試料カバー１６ガス導入配管１７ガス導入機構用リーク弁１８圧力調整器１９導入用ガス容器２０試料移動機構２１、２２、２３真空排気ポンプ３０試料台３１ガス導入継手３２ガス導入孔３３ガス導入溝３４微小間隙３５ビーム照射用開口３６，３７絶縁物３８試料の高さ調整用ネジ１０１電子銃１０２電子ビーム１０３，１０４磁界型コンデンサーレンズ１０５磁界型対物レンズ１０６スポットビーム１０７ビーム偏向器１０８非点収差補正レンズ１０９二次電子検出器１１０反射電子検出器１１１電子光学鏡筒１１２試料室１１３試料１１７ガス導入機構用リーク弁１１８ガス圧力調整器１１９導入用ガス容器１２０試料移動機構１２１，１２２，１２３，１２４真空排気ポンプ１２５差動排気系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料ステージに保持した試料上の電子ビ
ーム照射位置を移動するための電子ビーム偏向機構およ
び試料移動機構を有する電子ビーム装置において、前記試料ステージは、試料を固定する試料ホルダーと、
電子ビーム照射部に開口を有して、試料表面周辺を微小
な間隙で覆う試料カバーと、前記試料ホルダーと前記試
料カバー間の空間にガスを導入する機構とを設けて、前記試料ホルダーと前記試料カバーによって、試料表面
にガス層流を形成することを特徴とする電子ビーム装
置。
【請求項２】前記ガスとして腐食性ガス、或いは有機
金属ガスを導入することにより、試料のエッチング、金
属化合物の堆積を可能とすることを特徴とする請求項１
に記載の電子ビーム装置。
【請求項３】前記試料カバー或いは試料ホルダーを電
子光学鏡体と電気的に絶縁し、前記試料カバーまたは試
料ホルダーに電圧を印加することにより、照射電子ビー
ムの加速、減速、検出する二次電子放出の集束、或いは
抑制を可能にすることを特徴とする請求項１又は２に記
載の電子ビーム装置。
【請求項４】前記試料カバーを試料ホルダーと熱的に
絶縁し、前記カバーを冷却することにより、コンタミネ
ーションを防止するためのコールドトラップとすること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子ビー
ム装置。