JP2748956B2 - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents

走査形電子顕微鏡

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JP2748956B2 JP59098723A JP9872384A JP2748956B2 JP 2748956 B2 JP2748956 B2 JP 2748956B2 JP 59098723 A JP59098723 A JP 59098723A JP 9872384 A JP9872384 A JP 9872384A JP 2748956 B2 JP2748956 B2 JP 2748956B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は走査形電子顕微鏡に係り、特に電子ビームを
探針として、LSIの機能検査を行うのに好適な走査形電
子顕微鏡(EBテスタ)に関する。 〔発明の背景〕 電子ビームでLSI内の電位を測定する走査形電子顕微
鏡(EBテスタと呼ばれる)では電位測定のために2次電
子のエネルギー分析器を設置する必要がある。一般に
は、最終的に電子ビームを細く絞る対物レンズと試料と
の間に2次電子エネルギー分析器を設置している。とこ
ろが、この構成では2次電子エネルギー分析器を設置す
るため、対物レンズと試料との間の距離が長くなる結
果、対物レンズの収差が大きくなり、細く、強力な電子
ビームを得ることは困難であつた。 この問題の解決策の1つとして、特開昭58-68853に示
されるような2次電子分析器を対物レンズの上に移し、
対物レンズを短い焦点距離で動作させる考案がなされ
た。第1図aに特開昭58-68853に示された考案の走査形
電子顕微鏡の光学系を示す(特開昭58-68853ではコンデ
ンサ・レンズを採用しないものを提示しているが、第1
図aにはコンデンサレンズを用いた例を示した)。電子
銃1から放射された電子ビーム10はまずコンデンサレン
ズ2でA点に焦点を結ぶ。この電子ビーム10は絞り3で
開口角を制限され、対物レンズ6で試料7上に再び集め
られる。対物レンズ6の上には、2次電子エネルギー分
析器5、電子ビームの走査コイル(あるいは静電偏向板
であつてもよい)4が配置されている。この構成では、
対物レンズ6内に設置されるべき絞り3が、走査コイル
4の上にある。これは2次電子エネルギー分析器5が対
物レンズ6の上にあるために生じたやむを得ない処理で
ある。この結果、絞り3が対物レンズ6内であればその
開口径はD0mmφでよいものが、絞り3が走査コイル4の
上にくるとその開口径はD0×a′/ammφの大きさになる
(a,a′は第1図a内に示されている)。対物レンズ6
が短焦点であるため、D0そのものが小さい上に、絞り3
を走査コイル4の上においた場合の開口径はさらに小さ
くなつてしまう。例えば、対物レンズ6と試料7との間
の距離を5mmとすると最も細い電子ビームを得るD0は20
μmである。特開昭58-68853を実施したときの絞り3の
開口径は7μmφになつてしまう(a=150mm、a′=5
0mmとした)。このように小さい絞りを用いると、絞
りの製作、軸調整機構、温度ドリフト、絞りの汚
れ(コンタミネイシヨン)の点で問題を生じる。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、前述の絞り位置の問題点を解決した
新規な走査形電子顕微鏡を提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明の骨子を、第1図bを用いて説明する。本発明
では、2次電子エネルギー分析器5と走査コイル4の上
下に第1対物レンズ8と第2対物レンズ9を設ける。第
1対物レンズ8では入射電子ビームを平行にする。第2
対物レンズ9では平行電子ビームを試料7上に集束す
る。すなわち、第1対物レンズ8と第2対物レンズ9で
一つの対物レンズとしての作用をする。このような構成
にすると絞り3の開口径はD0でよい。しかも、第1対物
レンズ8と第2対物レンズ9との間の距離cを任意にと
ることができ、2次電子エネルギー分析器5、走査コイ
ル4の設計が自由にできる利点がある。 〔発明の実施例〕 本発明の一実施例を第2図に示す。同一形状の励磁コ
イル11と磁路12とからなる第1対物レンズ8および第2
対物レンズ9の間に上走査コイル13、下走査コイル14、
2次電子検出器22a,22b、吸引グリツド15、フイルタグ
リツド16が設置されている。吸引グリツド15とフイルタ
グリツド16および2次電子検出器22a,22bで2次電子エ
ネルギー分析器を構成する。 試料7から1次電子ビーム10の照射で発生した2次電
子25は吸引グリツド15で吸引され、第2対物レンズ9の
磁場内を通る。この2次電子25のうちフイルタグリツド
16で作られるエネルギー障壁をこえるエネルギーをもつ
2次電子のみが2次電子検出器22a,22bで検出される。
吸引グリツド15とフイルタグリツド16に与える電位は例
えば100Vと−5Vである。フイルタグリツド16をこの例の
ように負電圧にしておくと試料7の電位の変化が2次電
子検出器22a,22bの出力変化としてあらわれる。電位変
化を強調して表示するのではなく、試料7の形状のみを
表示する場合には、フイルタグリツド16を正電位、例え
ば100Vにすればよい。どちらの場合も、フイルタグリツ
ド16を通過した2次電子はシンチレータ17a,17bに印加
されたポスト高電圧(〜10KV)21a,21bで吸引、加速さ
れ、シンチレータ17a,17bを衝撃し光を発する。この光
はライトガイト18a,18bを通り、ホトマル19a,19bで電気
信号に変換、増幅され、さらにヘツドアンプ20a,20bで
増幅される。増幅された信号は走査形電子顕微鏡を構成
するデイスプレー装置(第2図では省略)の輝度信号あ
るいは電位測定の信号となる。 上走査コイル13と下走査コイル14とで電子ビーム10を
試料7上に走査する。上走査コイル13と下走査コイル14
は互いに逆方向に偏向するように作られ、その偏向支点
が第2対物レンズ9のレンズ中心と一致するように両者
の偏向量が調整されている(第3図a参照)。 絞り3は第1対物レンズ8の中心に設けられている。
この位置で電子ビームは最も太くなつているため、絞り
3の開口径は従来(特開昭58-68853)のように小さいも
のではない。 電子ビームは絞り3で開口角を制限され、第1対物レ
ンズ8で平行にされ、第2対物レンズ9で試料7上に集
束される。第1対物レンズ8の励磁コイル11と第2対物
レンズ9の励磁コイル11に流す電流は一定の関係に保た
れ、加速電圧が変化しても両者の光学条件が変化しない
ようになつている。 第1対物レンズ8の物面Aの位置に主偏向板23が設置
されている。電子ビームをパルス化するストロボ観察に
用いるもので、一般には非常に立上りの速い矩形波電圧
を与える。矩形波電圧が接地電位をよぎるときにのみ電
子ビームが絞り3を通過するので、電子ビームは1ns前
後のパルス幅にパルス化される。副偏向板24は、主偏向
板23とは直交(図面では同一方向の如く画かれている
が)している。この副偏向板24には主偏向板23に与えた
矩形波とは90°位相の異なつた矩形波を与え、矩形波の
1周期にパルス電子ビームが1つだけになるようにして
いる。 以上の説明は主に電子ビームを細く絞ることを主目的
とした対物レンズの短焦点動作であつた。このように短
い焦点距離で対物レンズを動作させると電子ビームを試
料7上で広い範囲に走査させることが困難になる。例え
ば、第2対物レンズ9と試料7との距離が5mmであれ
ば、試料7上の走査範囲は1mm角が限界となる。ところ
が、LSIのチツプは5mm角〜10mm角もあるため、全体を一
回の走査で観察することはできない。これが短焦点動作
(特開昭58-68853)の大きな欠点となつている。 本発明では、上記の重大な欠点をも克服することがで
きる。本発明の構成では、(1)第2対物レンズ9をOF
F、(2)第1対物レンズ8のみで試料7に焦点させ
る、(3)走査コイルを上あるいは下のみとする、こと
で走査範囲を5〜20倍にも拡大することができる。第1
対物レンズ8のみによる焦点では電子ビームは太くなる
が広範囲走査なので像の解像度を落す等の問題はない。 以下、第1対物レンズ8、第2対物レンズ9、走査コ
イル13,14の動作と組合せについて第3図a,bを用いて詳
述する。 第1対物レンズ8と第2対物レンズ9は全く同一の構
造のものを用いた場合で説明する。まず第3図aを用い
て短焦点動作を示す第1対物レンズ8と第2対物レンズ
9は同一の駆動電源26aと26bで動かす。この駆動電源26
a,26bは駆動電圧を入力するとこれに応じた電流が流れ
るように作られている。駆動電圧発生回路27の出力は2
つに分岐され、一方は比例係数回路28とスイツチ29a(O
N状態)を通つて第1対物レンズ8の駆動電源26aに入力
され、他方はスイツチ29bを通つてそのまま第2対物レ
ンズ9用の駆動電源26bに入力される。比例係数回路28
の係数は(b/a)に作られている。上走査コイル13の
巻数は下走査コイル14の巻数の半分とし、偏向方向を逆
とし、同一の電流を走査電源31で流す(走査コイルの配
置は第3図に示されている)。このときの電子ビームの
軌道を第3図aに示した。この方式の最大走査範囲は約
1mm角である。 広い範囲を走査させるにはスイツチ29a,29b,29cを動
作させる(第3図b)。スイツチ29aのOFF動作で、第1
対物レンズ8の駆動電圧経路に補正係数回路30が入る。
補正係数回路30の補正係数は に作られているので、第1対物レンズ8は電子ビームが
試料7上に焦点を結ぶように動作する。 一方、第2対物レンズ9はスイツチ29bでOFFとなる。
また下走査コイル14がスイツチ29cで短絡されるので、
電子ビーム走査範囲が拡がる。この拡大比は である。例えば、b=5mm、d=40mmとすれば、拡大比
は17倍にもなる。 以上詳述した本実施例で得られる性能例を第1表に示
す。電子源は単結晶タングステンを用いた電界放射形と
し、加速電圧は1KVとした。 尚、本発明では、同一の構造の第1対物レンズと第2
対物レンズを用いたが構造が異なつても、焦点の比を一
定にしておけばよいことは言うまでもない。また本実施
例では、第1対物レンズと第2対物レンズの励磁電流の
比を駆動電圧比で行つたが、第1対物レンズの励磁コイ
ルを2系統とし、一系統の励磁コイルに第2対物レンズ
と同一励磁電流を流して両者の焦点距離の比を所定の関
係に保つようにしてもよい。 〔発明の効果〕 以上詳述したごとく、本発明によれば、(1)2次電
子分析器を対物レンズの上方に設置しても電子ビームの
開口角を制限する絞りの開口径を最大の大きさでしかも
適正な位置に置くことができる、(2)2次電子エネル
ギー分析器、走査コイルの設置の位置や大きさに制限が
ない、(3)細い電子ビームを得ることと、広範囲走査
とが両立できる等の利点がある。この結果、走査形電子
顕微鏡の応用範囲の拡大が促進される。
【図面の簡単な説明】 第1図aは従来装置、同図bは本発明のそれぞれ原理的
構成を示す電子顕微鏡の模式図、第2図は本発明の一実
施例になる電子顕微鏡の縦断面図、第3図a,bは本発明
の一実施例になる装置の実施態様を示すブロツク図であ
る。 図において、 1……電子銃,2……コンデンサレンズ,3……絞り,4……
走査コイル(または、静電偏向板),5……2次電子エネ
ルギー分析器,7……試料,8……第1対物レンズ,9……第
2対物レンズ,10……電子ビーム,22a,22b……2次電子
検出器,23,24……偏向板。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.電子ビームを放射する電子源と、放射された電子ビ
    ームを試料上に集束する対物レンズ系と、集束された電
    子ビームを試料上で走査する走査系と、上記試料から放
    出される2次電子を検出する2次電子検出系と、上記2
    次電子検出系からの2次電子検出信号を用いて上記試料
    の2次電子像を表示する2次電子像表示系とを有する走
    査形電子顕微鏡において、上記対物レンズ系は、上記電
    子源に近い側の第1対物レンズと,上記試料に近い側の
    第2対物レンズと,上記第1対物レンズによって上記電
    子源からの電子ビームを平行化し上記第2対物レンズに
    よってこの平行化した電子ビームを上記試料上に集束せ
    しめるように上記第1対物レンズと上記第2対物レンズ
    とを互いに連動して動作させる手段とを含んで構成され
    ており、かつ、上記第1対物レンズと上記第2対物レン
    ズとの間に上記走査系を構成する走査コイルあるいは走
    査偏向板と上記2次電子検出系を構成する2次電子検出
    器とが設置されてなることを特徴とする走査形電子顕微
    鏡。 2.上記の2次電子検出系は、上記2次電子検出器と上
    記第2対物レンズとの間に上記試料から放出される2次
    電子のエネルギー分析を行うための2次電子エネルギー
    分析器を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項に記載の走査形電子顕微鏡。 3.上記の対物レンズ系は、さらに、上記第2対物レン
    ズのレンズ動作をオフにすると同時に、上記第1対物レ
    ンズのレンズ強度を一定の比で増加させることにより、
    上記第1対物レンズのみで上記電子ビームを試料上に集
    束させることができるように構成されていることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項または第2項に記載の走査
    形電子顕微鏡。 4.上記の走査系は、上記第2対物レンズのレンズ動作
    をオフにすると同時に、上記試料上における上記電子ビ
    ームの走査範囲を拡大させることができるように構成さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第3項に記載
    の走査形電子顕微鏡。 5.上記第1対物レンズは、そのレンズ中心位置に電子
    ビームの開口角を制限するための開口角制限絞りを有し
    てなることを特徴とする特許請求の範囲第1項から第4
    項までのいずれかに記載の走査形電子顕微鏡。
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DE3138926A1 (de) * 1981-09-30 1983-04-14 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Elektronenoptische anordnung fuer die hochaufloesende elektronenstrahl-messtechnik

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