JP2969091B2 - 電子ビーム検査装置 - Google Patents
電子ビーム検査装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを用いて、
金属または半導体からなる基板上に絶縁膜を有する試
料、あるいは該絶縁膜上に任意の形状の金属または半導
体が孤立して形成された試料の、前記絶縁膜の欠陥を検
査する電子ビーム検査装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図１（イ）は検査すべき絶縁膜を有する
試料の断面図で、１は金属または半導体からなる基板、
２は絶縁膜、３は絶縁膜２上に任意の形状に孤立して形
成された金属または半導体である。図示のような試料
は、いわば半導体集積回路等の製造プロセスの途中にあ
る試料である。 【０００３】図１（ロ）は図１（イ）で示したような試
料の絶縁膜２の欠陥を検査する装置の概略斜視図で、４
は先端の直径が２０μｍ程度の金属探針、５は電圧計、
６は電流計、７は直流電源である。このような構成の検
査装置において、直流電源７により絶縁膜２の耐圧電圧
未満の電圧を印加し、金属探針４を金属または半導体３
に接触させて、絶縁膜２の絶縁性を電圧計５および電流
計６によって測定する。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、このような検
査装置にあっては、金属探針４の機械的接触による限界
から、金属または半導体３の二次的大きさはおよそ１０
０μｍ四方以上に制限される。すなわち、金属または半
導体３の大きさが金属探針４の先端直径の２０μｍ以下
では、測定はまったく不可能である。 【０００５】図１（ハ）は、金属または半導体からなる
基板１に絶縁膜２のみが形成された試料の絶縁膜２の欠
陥検査装置を示す断面図で、この検査装置においては、
（Ｇａ、Ｉｎ）合金などの融点が低い金属８を絶縁膜２
上に押え付け、直流電源７により電圧を印加し、電圧計
５、電流計６によって絶縁膜２の絶縁性を測定する。し
かし、この検査装置は、絶縁膜２の平均的な絶縁性を検
査するものであり、絶縁膜２の欠陥の大きさ、数等を知
ることはできない。 【０００６】なお、半導体集積回路等の内部に形成され
る個々の素子、配線パターン形状は、現在すでにミクロ
ンオーダーに達しており、これらの微細化はさらに進行
しつつある。 【０００７】しかしながら、前述のように、従来の絶縁
膜の欠陥検査装置においては、欠陥の大きさ、数等の微
細な欠陥は摘出することはできない。したがって、この
ことは素子完成後の歩留りを悪くする一因になってい
る。 【０００８】本発明は、上記のような従来技術の実情に
鑑みてなされたもので、その目的は、電子ビームを用い
て、金属または半導体からなる基板上に絶縁膜を有する
試料、あるいは該絶縁膜上に任意の形状の金属または半
導体が孤立して形成された試料の、前記絶縁膜の欠陥を
検査することができる電子ビーム検査装置を提供するこ
とにある。さらに、本発明の別の目的は、特に試料に複
数の負の電位が与えられることにより電子ビームの振り
幅が変わり、それに伴い倍率が変化してしまうことに鑑
み、倍率を補正する電子ビーム検査方法を提供すること
にある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】金属探針を用いて絶縁性
を検査するのは、前述のように限界にあり、他の方法に
よらなければならない。 【００１０】ところで、細く収束した電子ビームを検査
すべき試料上で走査し、この照射される電子ビームによ
り該試料から発生する二次電子によって、ブラウン管画
面上に像を表示する走査形電子顕微鏡（以下ＳＥＭと称
す；Scanning Electron Microscope）がある。このＳＥ
Ｍは、試料の微細な表面形状の観察をするもので、通常
のＳＥＭで上記目的を達成することは不可能である。一
般に、ＳＥＭの試料への入射電子エネルギーとしては１
０〜３０ｋｅＶ程度が用いられ、特に低いものでも３ｋ
ｅＶ程度である。このように高いエネルギーの電子を絶
縁膜に照射すると、後で詳しく述べるように該絶縁膜上
にチャージ・アップが起きて電子ビームが振られてしま
い、正確な像を得ることができない。また、単純にＳＥ
Ｍの電子ビームエネルギーをもつと低下させた場合は、
上記チャージ・アップ現象を低減することはできるにし
ても本質的には該現象が生ずること、および、一般に加
速電圧を下げると電子光学的理由により電子線源の輝度
が低下するため、二次電子像のＳ−Ｎ比が悪くなり、表
示画面を鮮明に観察することが困難となること、などの
理由によって、従来絶縁膜の欠陥に対応した情報を得る
ことはできていない。 【００１１】一方、ＳＥＭによって半導体試料を観察す
ると、高エネルギー電子の照射により半導体の損傷が起
きることが知られており、試料を破壊しないで観察する
ために、電子ビームの低エネルギー化が望まれている。 【００１２】前述の目的を達成するために、本発明の電
子ビーム検査装置は、電界放射により電子ビームを発生
させる電界放射陰極手段と、前記電界放射陰極手段で発
生した電子ビームを試料上で走査する偏向手段と、試料
に負の電圧を印加する電圧印加手段と、前記試料へ照射
された電子ビームにより発生する２次電子を検出する検
出手段と、前記検出手段で検出された２次電子信号に基
づいて得られる２次電子像を記憶する記憶手段と、から
構成され、前記電圧印加手段が第１の負電圧を与えてい
る状態の第１の２次電子像の倍率と前記電圧印加手段が
第２の負電圧を与えている状態の第２の２次電子像の倍
率とを合わせる方向に補正する補正手段をさらに設けた
ことを特徴とする。また、本発明の電子ビーム検査装置
は、電子源からの電子ビームを偏向して試料に照射し、
前記試料からの２次電子を検出手段で検出し試料を検査
する電子ビーム検査装置であって、前記電子源として電
界放射により電子ビームが発生される電界放射陰極手段
と、前記試料に電圧を印加する電圧印加手段と、前記検
出手段で検出された２次電子信号からの２次電子像を記
憶する記憶手段と、から構成され、前記電圧印加手段が
第１の負電圧を与えている状態の第１の２次電子像の倍
率と前記電圧印加手段が第２の負電圧を与えている状態
の第２の２次電子像の倍率とを合わせる方向に補正する
補正手段をさらに設けたことを特徴とする。また、本発
明の電子ビーム検査装置は、電界放射により電子ビーム
を発生させる電界放射陰極手段と、前記電界放射陰極手
段で発生した電子ビームを試料上で走査する偏向手段
と、試料に負の電位を与える供給手段と、前記試料へ照
射された電子ビームにより発生する２次電子を検出する
検出手段と、前記検出手段で検出された２次電子信号に
基づいて得られる２次電子像を記憶する記憶手段と、か
ら構成され、前記供給手段が第１の負電位を与えている
状態の第１の２次電子像の倍率と前記供給手段が第２の
負電位を与えている状態の第２の２次電子像の倍率とを
合わせる方向に補正する補正手段をさらに設けたことを
特徴とする。また、本発明の電子ビーム検査装置は、電
界放射により電子ビームを発生させる電界放射陰極手段
と、前記電界放射陰極手段で発生した電子ビームを集束
する対物レンズ手段と、試料に負の電位を与える供給手
段と、前記試料へ照射された 電子ビームにより発生する
２次電子を検出する検出手段と、前記検出手段で検出さ
れた２次電子信号に基づいて得られる２次電子像を記憶
する記憶手段と、から構成され、前記供給手段が第１の
負電位を与えている状態の第１の２次電子像の倍率と前
記供給手段が第２の負電位を与えている状態の第２の２
次電子像の倍率とを合わせる方向に補正する補正手段を
さらに設けたことを特徴とする。 【００１３】 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【作用】本発明は、低エネルギーの電子ビームを用い
て、微細な絶縁膜の欠陥の大きさ、数等に対応する情報
を得るもので、以下、その原理について説明する。 【００２０】まず、例えば、絶縁膜の厚さおよび入射電
子エネルギーを具体的に示すため、金属または半導体の
基板１（図１）としてＳｉ単結晶板、絶縁膜２としてこ
のＳｉ単結晶板を熱酸化して得られるＳｉＯ2膜を考え
る。 【００２１】図２は、この絶縁膜としてのＳｉＯ2膜へ
入射する電子ビームエネルギー（ｅＶ）と、電子の最大
侵入深さＲｍａｘ（Å）との関係を示すグラフである
（引用文献：H.J.Fitting,Phys.Status Solidi 226,p.5
25(1974）。この電子の最大侵入深さとは、絶縁膜への
入射電子すなわち一次電子が多重散乱をしてエネルギー
損失し、エネルギーまたは速度的に拡散領域に達するま
での電子の侵入領域（深さ）すなわち等価的な透過領域
のことである。この等価的というのは、ある一つの入射
電子が絶縁膜をそのまま通り抜ける意味での透過のみを
指すのではなく、複数電子との衝突により入射電子その
ものではなく他の電子が透過することを含める。図２の
グラフにおいて、例えば、電子が１００ÅのＳｉＯ2膜
を透過してＳｉ基板１に達するには３００ｅＶ以上のエ
ネルギーで電子ビームを照射しなければならないことが
わかる。 【００２２】一方、試料表面で入射電子ビームすなわち
一次電子により励起される二次電子の放射効率も一次電
子エネルギーに依存している。なお、二次電子放射効率
δ（Ｅ）は、一次電子数ＮPに対する二次電子数ＮSの比
で示される（δ（Ｅ）＝ＮS／ＮP）。図３は一次電子ビ
ームエネルギーＥ（ｅＶ）と二次電子放射効率δ（Ｅ）
との関係を示すグラフで、ＡはＳｉＯ2、ＢはＰｏｌｙ
−Ｓｉに対する値を示す（引用文献：R.Kouath,Handbuc
h der Physik XXIp.232(1956）。 【００２３】図４（イ）〜（ホ）は、Ｓｉ基板１上にＳ
ｉＯ2絶縁膜２が形成された試料について、一次電子ｅP
に対する二次電子ｅSおよび該試料内部への散乱電子ｅd
の振舞いを模型的に示す図である。 【００２４】図４（イ）に示すように、例えば１００Å
の厚さのＳｉＯ2絶縁膜２を考えるとき、一次電子ｅPが
３００ｅＶ以上で加速された電子であれば、基板１へ到
達する散乱電子ｅdが存在するため、いわゆる“電子ビ
ーム誘起電導性（Electronbeam induced conductivit
y）”の現象に基づき、ＳｉＯ2絶縁膜２表面の電位は基
板１の電位にほとんど等しくなり、絶縁膜２の表面にチ
ャージ・アップは起きない。 【００２５】図４（ロ）は、一次電子ｅPが３００ｅＶ
以下でかつ二次電子放射効率δ（Ｅ）が１以上となる３
０ｅＶ以上で加速された電子の場合を示す。ＮP（一次
電子ｅPの個数）よりもＮS（二次電子ｅSの個数）の方
が多いため、図４（イ）の場合のように散乱電子ｅdの
リークがないので、絶縁膜２の表面は正の電荷が増大し
チャージ・アップの状態となる。なお、このチャージ・
アップは時間の経過とともに増大する。 【００２６】図４（ロ）におけるチャージ・アップを防
止するには、図４（ハ）に示すように、試料上の空間の
該試料の電子ビーム照射面に対向して、金属メッシュ等
からなる補助電極９を設け、この補助電極９と基板１と
の間に直流電源１０を接続し、補助電極９に電位を与え
る。発生した二次電子のうち比較的エネルギーの高いも
のは、補助電極９に入射するか、補助電極９を通過して
試料表面の情報を持って二次電子検出器（図示せず）に
到達する。また、エネルギーの非常に低い電子は試料表
面へ逆戻りする。このような構成では、絶縁膜２の表面
と基板１との間には等価回路的にわずかなリーク電流が
あることになり、絶縁膜２の表面の電位は、平衡状態と
して基板１よりも僅かに正の側の電位を持つ。なお、図
示のように、直流電源１０は基板１の側を負、補助電極
９の側を正としてあるが、直流電源１０の電位の比較的
小さい場合は、正負が逆でも良く、また直流電源１０は
抵抗と置き換えても原理的には等しい。しかし、実用上
は図示のような接続が、二次電子の補集量を高める上で
都合良い。 【００２７】図４（ニ）に示すように、図４（ロ）また
は（ハ）と同じ条件で、絶縁膜２に欠陥がある場合、具
体的には絶縁膜２にピン・ホールがあるか、もしくは完
全な孔となっていなくても、絶縁膜２が一部薄い場合
は、その欠陥部分では等価的に図４（イ）と同様にな
る。すなわち、欠陥部分の表面電位は基板１と同電位に
なる。 【００２８】上記図４（ロ）〜（ニ）は、二次電子放射
効率δ（Ｅ）が１以上の場合であったが、δ（Ｅ）＜１
の場合について図４（ホ）に示す。図３においては、一
次電子ビームエネルギーが２３００ｅＶ以上かあるいは
３０ｅＶ以下で加速された場合である。まず２３００ｅ
Ｖ以上の場合、散乱電子ｅdが基板１に達するときはδ
（Ｅ）が異なることによる発生二次電子数の割合が少な
いだけで図４（イ）と同様である。しかし、絶縁膜２が
厚くて、散乱電子ｅdが基板１に到達することができな
い場合、入射する一次電子数ＮPが、放出される二次電
子数ＮSよりも大なので、図４（ロ）とは逆に、絶縁膜
２の表面は負の電荷が増してチャージ・アップを起こ
す。しかし、この場合には、図４（ハ）のように補助電
極９を付加しても、このチャージ・アップは負電位なの
で防止することはできず、したがって絶縁膜２の表面電
位を一定値に保つことは不可能である。また、後者の３
０ｅＶ以下でも、絶縁膜２の厚さが異なるだけで、現象
は上記と同様である。その厚さとは、図２の外挿によれ
ば１０Å以下という極めて薄いものであり、通常絶縁膜
としては用いることのない領域である。 【００２９】以上を整理して記すと次のようになる。 【００３０】（１）入射する一次電子ｅPのエネルギー
が高く、散乱電子ｅdが絶縁膜２を等価的に透過して基
板１に達する場合、絶縁膜２の表面電位は基板１の電位
にほぼ等しい（図４（イ））。 【００３１】（２）一次電子ｅPのエネルギーが低く、
散乱電子ｅdが基板１を等価的に透過しない程度で、か
つ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ（Ｅ）が１より大
である場合、絶縁膜２の表面電位は補助電極９を用いる
ことによって、基板１の電位より正である平衡状態に保
たれた電位を示す（図４（ロ）、（ハ））。 【００３２】（３）上記（２）の場合において絶縁膜２
にピンホール等の欠陥があれば、その欠陥箇所の表面電
位は、基板１の電位か、該電位にほぼ等しい電位を示す
（図４（ニ））。 【００３３】（４）一次電子ｅPが絶縁膜２を等価的に
透過せず、かつ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ
（Ｅ）が１より小である場合、絶縁膜２の表面電位は負
の側に変化し平衡状態に達することができない（図４
（ホ））。 【００３４】このような試料表面に、一次電子ｅPが絶
縁膜２を等価的に透過しないエネルギーの一次電子ビー
ムを走査し、それにより発生する二次電子信号を検出す
ると、表面電位の差に基づく二次電子収量の差が敏感に
反映されるため、上記（２）および（３）の原理を利用
することにより、絶縁膜２の欠陥箇所と正常な部分を表
面電位の差として検出して区別することができる。 【００３５】図５は、絶縁膜２の上に孤立して金属また
は半導体３、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉが形成されている試
料を検査する場合の本発明の原理を示す図で、９は補助
電極、１０は直流電源である。このような試料におい
て、絶縁膜２上の金属または半導体３の電位は、近傍の
絶縁膜２の表面電位と等しくなるため、金属または半導
体３の表面電位を表わす二次電子を検出することによっ
て、その絶縁性を知ることができる。ただし、二次電子
の収量そのものは、金属または半導体３に対するものと
なる（図３参照）。さらに、試料に複数の負の電位を与
えることによって２次電子像の倍率が変化するのを補正
するものである。 【００３６】 【００３７】 【実施例】以下、本発明の実施例を図６〜９に基づいて
説明する。 【００３８】図６は、本発明の一実施例の電子ビーム検
査装置の概略ブロック図である。この図において、１１
は電子ビーム源となる電界放射陰極で、尖針１１ａとこ
れに接合されたＷフィラメント１１ｂからなる。１８は
−１ｋＶ程度の直流高電圧の電源で、電界放射陰極１１
に電界放射のための電位を与える。１９はフィラメント
１１ｂを通電加熱し１１００℃近傍に保つための電源で
ある。１２はアノード、１２ａはアノード１２の絞り孔
で、電界放射陰極１１からは電子が放射角１／４ｒａｄ
程度で絞り孔１２ａに放射される。１３はアノード１２
の絞り孔１２ａを通過した電子ビーム束を収束するため
の収束手段すなわち磁気収束レンズ、２１は磁気収束レ
ンズの電源である。１４は非点収差補正コイル、２０は
非点収差補正コイル１４の電源、１５は電子ビームを走
査するための偏向手段すなわち偏向コイル、２３は偏向
コイル１５の電源、１６は電子光学系鏡体、１７はイオ
ンポンプを含む排気手段、３２は磁気収束レンズ１３に
より収束された電子ビームが照射される絶縁膜２を持つ
試料（ここでは図５に示した試料）、４３は試料台、９
は試料３２の上方周囲に配置された金属メッシュからな
る補助電極、２６、２７は電源で、試料３２と補助電極
９との間に電圧を与えることにより、電界放射陰極１１
から照射される電子ビームの速度を所定の値まで減速す
る減速手段となる。なお、電源２６、２７は、それぞれ
スイッチＡおよびＢによって切換え可能になっている。 【００３９】２２は電子ビームの照射により試料３２か
ら発生する二次電子を捕集する二次電子検出器、２８は
増幅器、２９は絶縁膜２の欠陥に対応する情報信号を表
示するブラウン管を含む表示器である。 【００４０】２４は発振器、２５は倍率補正器、３０は
比較器、３１はパターン発生器であり、これらについて
は後で詳述する。なお、二次電子検出器２２、電源２
３、発振器２４、倍率補正器２５、増幅器２８、表示器
２９、比較器３０、パターン発生器３１により表示手段
が構成されている。 【００４１】以上、本発明の実施例の各構成部分につい
て一とおり説明したが、次に上記電界放射陰極１１につ
いてさらに説明を加える。つまり、本発明を実施するに
当って一つの重要な点は、前述のように、絶縁膜２を透
過しない程度のエネルギーの電子ビームを用いることで
ある。絶縁膜２が薄い程、エネルギーの低い電子ビーム
を用いなければならない。ところが、前述のごとく電子
光学の原則によって、一般にエネルギーが低ければ電子
ビームの輝度は低くなる。低速電子ビームにおいて、で
きる限り小さい電子ビームのスポット径を得るには、電
子ビーム源となる陰極に高輝度のものを用いる必要があ
る。 【００４２】本実施例の電界放射陰極１１は、軸方位＜
１００＞の単結晶タングステンＷ線から電界研摩して尖
針１１ａを形成したもので、酸素を介してチタンＴｉの
単原子層の吸着状態を長時間加熱状態で維持できる熱電
界放射陰極である。この陰極は尖針表面において仕事関
数がＷより低いため、同じ曲率半径のＷ尖針と比較し
て、低い電圧で同様の電子ビーム電流が得られる。な
お、通常のＷ尖針では、尖針の表面清浄化のためにフラ
ッシングという瞬間高温加熱を行なうが、この操作のた
めに尖針の先端曲率半径を当初非常に小さくしても、加
熱による影響で先端が鈍化してしまう。これに対して、
本実施例のＴｉ吸着型の電界放射陰極１１は、高温のフ
ラッシング操作が不要であり、前述の尖針表面の仕事関
数が小さいことと合わせて、１ｋＶ程度の低い電圧で電
界放射が可能であり、また低い加速電圧にもかかわらず
電界放射であるために高輝度である。なお、このような
理由により、電源１８は−１ｋＶ程度の直流高電圧電源
を用いる。 【００４３】次に、本実施例において試料３２に入射す
る電子ビームのエネルギー（速度）が必要な値すなわ
ち、電子が試料３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値
に減速する原理について説明する。すなわち、電源１８
の電圧が前述のように−１ｋＶであり、かつ試料３２の
電位が鏡体１６と同じ接地電位である場合、電界放射陰
極１１からは１ｋｅＶのエネルギーの電子ビームが試料
３２に入射する。ところが、試料３２に図示のように設
けた電子ビームの減速手段である電源２６によって減速
電位、例えば−９００Ｖを与えると、試料３２に入射す
る電子のエネルギーは１００ｅＶとなる。すなわち、電
源２６は減速電圧として例えば前述の−９００Ｖに設定
してあり、スイッチＡを操作することにより電子が試料
３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値まで電子エネル
ギーの速度を減速する。また、電源２７は電子が絶縁膜
２を透過する電圧例えば−２００Ｖに設定してあり、し
たがって試料３２に入射する電子ビームのエネルギーは
８００ｅＶとなる。 【００４４】上記のように構成した本発明の実施例の電
子ビーム検査装置において、その動作を説明する。減速
手段である電源２６により必要な速度まで減速された電
子ビームが試料３２上に照射されると、二次電子が発生
するが、そのうち補助電極９を通過したものの一部また
は大部分は二次電子検出器２２に捕集される。それによ
り二次電子検出器２２から出力する検出電流は、増幅器
２８によって増幅され、表示器２９に入力される。ま
た、発振器２４によって作られる偏向信号は、電源２３
により増幅され、電子ビームを走査する偏向コイル１５
に与えられる。なお、発振器２４の偏向信号は、表示器
２９にも同期して与えられ、後に詳しく述べる二次元輝
度変調表示、あるいは線状表示等の絶縁膜２の欠陥に対
応する情報信号が表示器２９に表示される。 【００４５】次に、本実施例の表示手段による一つの表
示例（上記二次元輝度変調表示）およびその表示による
測定結果を図７（イ）に基づいて説明する。図７（イ）
は、図６で示した本発明の実施例の電子ビーム検査装置
の表示器２９の画面に表示された二次電子像を示す図で
ある。試料３２の断面構造は図５に示したものと同様で
あり、基板１はＳｉ単結晶板、絶縁膜２は膜厚２００Å
のＳｉＯ2、金属または半導体３は膜厚３５００ÅのＰ
ｏｌｙ−Ｓｉである。さらに詳しくいえば、この試料は
Ｐｏｌｙ−Ｓｉが幅１μｍの線状に３μｍ間隔で、いわ
ゆるライン・アンド・スペースで構成された試料であ
る。図２にもとづいて２００ÅのＳｉＯ2膜を透過しな
い電子ビームのエネルギーは５００ｅＶ以下であるの
で、１００ｅＶの電子ビームを用いる。図７（イ）は、
試料３２ａへの入射エネルギーが１００ｅＶ（スイッチ
Ａ）の場合に表示器２９の画面に表示された二次電子像
で、前に図３をもとに説明した二次電子発生効率の差か
ら、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの部分が黒く（二次電子信号が弱
い）、バックグラウンドである絶縁膜ＳｉＯ2の部分が
白く（二次電子信号が強い）見える。なお、この図７
（イ）では、矢印で示した他と較べて白っぽいラインの
箇所があり、その部分の絶縁膜に欠陥があることを明白
にしている。なお、図７（ロ）については、後で述べ
る。 【００４６】なお、絶縁膜２の欠陥箇所の解析は、図７
（イ）の表示例で示した試料のようにパターンの単純な
もの、あるいは予めパターンが明確にわかっているもの
については、表示器２９の画面を目視することによって
判断できるが、複雑なパターンの場合には、図６に示し
たように予め入力されたパターンを発生するパターン発
生器３１および比較器３０を用いて、表示器２９に現わ
れる情報と比較することにより、欠陥箇所を知ることが
できる。 【００４７】また、パターン未知の試料における絶縁膜
の欠陥箇所の解析方法について図７（ロ）をもとに説明
する。すなわち、図６においてスイッチＢを操作するこ
とにより、例えば−２００Ｖに設定された電源２７によ
り試料３２に減速電圧を与える。すると、この試料３２
に入射する電子ビームのエネルギーは８００ｅＶとな
り、図２に基づいて５００ｅＶ以上であるので電子は試
料３２の絶縁膜２を透過する。ただし、図３に基づいて
２３００Ｖ以下であるのでチャージ・アップは起こさな
い。図７（ロ）は、電子ビームの減速電圧が電源２７に
より上記のように設定された場合に、表示器２９の画面
に表示された二次電子像を示す図であり、前述の図７
（イ）と同一試料の同一部分の二次電子像を示す。すな
わち、図７（ロ）において、欠陥箇所は見えず、試料に
もともと形成されているパターンの外形の情報のみを示
している。このように、欠陥箇所を見るには、電子が絶
縁膜を等価的に透過しないように設定された電源２６を
用い、試料のパターンを見るには、電子が絶縁膜を透過
するように設定された電源２７を用いる。したがって、
パターン未知の試料に対しては、スイッチＡとＢを切換
えることによって表示器２９に現われる２つの二次電子
像を比較することによって、欠陥箇所の判定が可能であ
る。なお、この際、１００ｅＶと８００ｅＶの試料３２
の入射エネルギーの差によって表示器２９の画面に現わ
れる像の倍率が異なってくる。したがって、同一倍率で
比較ができるように倍率補正器２５を用い、それぞれス
イッチＣとＤを電源２６および２７の切り換えに合わせ
て切り換える。このようにすることにより、図７
（イ）、（ロ）の像を表示器２９の画面において、等し
い倍率で比較することができる。 【００４８】さらに、上記のパターン発生器３１の代り
に、電子ビームエネルギーの高い場合と低い場合のいず
れかのパターン情報を記憶する記憶装置３１を設置し、
記憶装置３１および比較器３０を用いて表示器２９に欠
陥箇所の表示を行なうことができる。 【００４９】図８は、本発明の参考例の電子ビーム検査
装置の概略ブロック図である。図において、３３は熱陰
極、３４はウェーネルト電極、３５は電源、２６は電子
ビームの減速手段である電源、その他図６で示した実施
例と同符号のものは同一部材を示す。熱陰極３３は、上
記実施例の電界放射陰極１１と比較して輝度が低いが、
低加速電圧を印加して用いるとさらに輝度が低下する。
ここで、輝度の値を重視するのは、収束された電子ビー
ムのスポット径をできるだけ小さくし、しかもできるだ
け大きい電流を得るためである。したがって、このこと
を考慮すると、目的によっては熱陰極も低加速電圧で使
用できるといえる。すなわち、スポット径がそれ程小さ
くなくても欠陥検査の機能を果す場合は充分にある。本
参考例では熱陰極の中で最も高い輝度を持つ直熱型の六
硼化ランタン（ＬａＢ6）陰極を使用している。 【００５０】このような構成の参考例の電子ビーム検出
装置において、熱陰極３３を電源１９によって加熱し、
１６００℃程度に保つ。そして、ウェーネルト電極３４
に電源３５により熱陰極３３の電位に対して負電位を印
加し、かつ直流高電圧の電源１８によって熱陰極３３に
電圧を印加すると、ウェーネルト電極３４とアノード１
２間に図示のようなクロスオーバーＥを作って電子ビー
ムが放射される。なお、電源１８に−１ｋＶ程度の電源
を用いると試料に印加される電位は、図６で示した実施
例と同様になる。また、この参考例も図示は省略したが
上記実施例と同様の表示手段等が接続されるものであ
り、その機能も同様であるので説明は省略する。 【００５１】 【００５２】なお、本発明の原理の説明および実施例に
おいて、基板１としてはＳｉ単結晶板、絶縁膜２として
はＳｉＯ2、また絶縁膜２上に孤立して形成される金属
または半導体３としてはＰｏｌｙ−Ｓｉを用いて説明し
たが、他の物質の場合でも本発明の効果は変りない。 【００５３】 【００５４】 【００５５】 【発明の効果】本発明によれば、金属または半導体基板
上の絶縁膜を持つ試料、あるいはその絶縁膜上に孤立し
て形成された任意の形状の金属または半導体を持つ試料
について、従来検査することができなかった絶縁膜の欠
陥の大きさ、数を検知することができる。また、従来は
機械的接触により検査していたものを本発明は検査すべ
き絶縁膜を電子が等価的に透過しない電子ビームを用い
て非接触で検査を行なうので、脆弱な半導体試料に対し
ても無損傷で検査することができる。したがって、製造
プロセスの途中で検査すべき素子の検査を行なうことが
でき、検査終了後後続の製造プロセスを継続することが
可能である。さらに、本発明は電子ビームの微小なスポ
ット径に対応する０．１μｍ程度の微細な欠陥箇所をも
検知することができる。また、異なる倍率の像を、倍率
を補正して比較することにより欠陥箇所の判定が可能と
なる。このように、本発明の効果は顕著である。
金属または半導体からなる基板上に絶縁膜を有する試
料、あるいは該絶縁膜上に任意の形状の金属または半導
体が孤立して形成された試料の、前記絶縁膜の欠陥を検
査する電子ビーム検査装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】図１（イ）は検査すべき絶縁膜を有する
試料の断面図で、１は金属または半導体からなる基板、
２は絶縁膜、３は絶縁膜２上に任意の形状に孤立して形
成された金属または半導体である。図示のような試料
は、いわば半導体集積回路等の製造プロセスの途中にあ
る試料である。 【０００３】図１（ロ）は図１（イ）で示したような試
料の絶縁膜２の欠陥を検査する装置の概略斜視図で、４
は先端の直径が２０μｍ程度の金属探針、５は電圧計、
６は電流計、７は直流電源である。このような構成の検
査装置において、直流電源７により絶縁膜２の耐圧電圧
未満の電圧を印加し、金属探針４を金属または半導体３
に接触させて、絶縁膜２の絶縁性を電圧計５および電流
計６によって測定する。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、このような検
査装置にあっては、金属探針４の機械的接触による限界
から、金属または半導体３の二次的大きさはおよそ１０
０μｍ四方以上に制限される。すなわち、金属または半
導体３の大きさが金属探針４の先端直径の２０μｍ以下
では、測定はまったく不可能である。 【０００５】図１（ハ）は、金属または半導体からなる
基板１に絶縁膜２のみが形成された試料の絶縁膜２の欠
陥検査装置を示す断面図で、この検査装置においては、
（Ｇａ、Ｉｎ）合金などの融点が低い金属８を絶縁膜２
上に押え付け、直流電源７により電圧を印加し、電圧計
５、電流計６によって絶縁膜２の絶縁性を測定する。し
かし、この検査装置は、絶縁膜２の平均的な絶縁性を検
査するものであり、絶縁膜２の欠陥の大きさ、数等を知
ることはできない。 【０００６】なお、半導体集積回路等の内部に形成され
る個々の素子、配線パターン形状は、現在すでにミクロ
ンオーダーに達しており、これらの微細化はさらに進行
しつつある。 【０００７】しかしながら、前述のように、従来の絶縁
膜の欠陥検査装置においては、欠陥の大きさ、数等の微
細な欠陥は摘出することはできない。したがって、この
ことは素子完成後の歩留りを悪くする一因になってい
る。 【０００８】本発明は、上記のような従来技術の実情に
鑑みてなされたもので、その目的は、電子ビームを用い
て、金属または半導体からなる基板上に絶縁膜を有する
試料、あるいは該絶縁膜上に任意の形状の金属または半
導体が孤立して形成された試料の、前記絶縁膜の欠陥を
検査することができる電子ビーム検査装置を提供するこ
とにある。さらに、本発明の別の目的は、特に試料に複
数の負の電位が与えられることにより電子ビームの振り
幅が変わり、それに伴い倍率が変化してしまうことに鑑
み、倍率を補正する電子ビーム検査方法を提供すること
にある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】金属探針を用いて絶縁性
を検査するのは、前述のように限界にあり、他の方法に
よらなければならない。 【００１０】ところで、細く収束した電子ビームを検査
すべき試料上で走査し、この照射される電子ビームによ
り該試料から発生する二次電子によって、ブラウン管画
面上に像を表示する走査形電子顕微鏡（以下ＳＥＭと称
す；Scanning Electron Microscope）がある。このＳＥ
Ｍは、試料の微細な表面形状の観察をするもので、通常
のＳＥＭで上記目的を達成することは不可能である。一
般に、ＳＥＭの試料への入射電子エネルギーとしては１
０〜３０ｋｅＶ程度が用いられ、特に低いものでも３ｋ
ｅＶ程度である。このように高いエネルギーの電子を絶
縁膜に照射すると、後で詳しく述べるように該絶縁膜上
にチャージ・アップが起きて電子ビームが振られてしま
い、正確な像を得ることができない。また、単純にＳＥ
Ｍの電子ビームエネルギーをもつと低下させた場合は、
上記チャージ・アップ現象を低減することはできるにし
ても本質的には該現象が生ずること、および、一般に加
速電圧を下げると電子光学的理由により電子線源の輝度
が低下するため、二次電子像のＳ−Ｎ比が悪くなり、表
示画面を鮮明に観察することが困難となること、などの
理由によって、従来絶縁膜の欠陥に対応した情報を得る
ことはできていない。 【００１１】一方、ＳＥＭによって半導体試料を観察す
ると、高エネルギー電子の照射により半導体の損傷が起
きることが知られており、試料を破壊しないで観察する
ために、電子ビームの低エネルギー化が望まれている。 【００１２】前述の目的を達成するために、本発明の電
子ビーム検査装置は、電界放射により電子ビームを発生
させる電界放射陰極手段と、前記電界放射陰極手段で発
生した電子ビームを試料上で走査する偏向手段と、試料
に負の電圧を印加する電圧印加手段と、前記試料へ照射
された電子ビームにより発生する２次電子を検出する検
出手段と、前記検出手段で検出された２次電子信号に基
づいて得られる２次電子像を記憶する記憶手段と、から
構成され、前記電圧印加手段が第１の負電圧を与えてい
る状態の第１の２次電子像の倍率と前記電圧印加手段が
第２の負電圧を与えている状態の第２の２次電子像の倍
率とを合わせる方向に補正する補正手段をさらに設けた
ことを特徴とする。また、本発明の電子ビーム検査装置
は、電子源からの電子ビームを偏向して試料に照射し、
前記試料からの２次電子を検出手段で検出し試料を検査
する電子ビーム検査装置であって、前記電子源として電
界放射により電子ビームが発生される電界放射陰極手段
と、前記試料に電圧を印加する電圧印加手段と、前記検
出手段で検出された２次電子信号からの２次電子像を記
憶する記憶手段と、から構成され、前記電圧印加手段が
第１の負電圧を与えている状態の第１の２次電子像の倍
率と前記電圧印加手段が第２の負電圧を与えている状態
の第２の２次電子像の倍率とを合わせる方向に補正する
補正手段をさらに設けたことを特徴とする。また、本発
明の電子ビーム検査装置は、電界放射により電子ビーム
を発生させる電界放射陰極手段と、前記電界放射陰極手
段で発生した電子ビームを試料上で走査する偏向手段
と、試料に負の電位を与える供給手段と、前記試料へ照
射された電子ビームにより発生する２次電子を検出する
検出手段と、前記検出手段で検出された２次電子信号に
基づいて得られる２次電子像を記憶する記憶手段と、か
ら構成され、前記供給手段が第１の負電位を与えている
状態の第１の２次電子像の倍率と前記供給手段が第２の
負電位を与えている状態の第２の２次電子像の倍率とを
合わせる方向に補正する補正手段をさらに設けたことを
特徴とする。また、本発明の電子ビーム検査装置は、電
界放射により電子ビームを発生させる電界放射陰極手段
と、前記電界放射陰極手段で発生した電子ビームを集束
する対物レンズ手段と、試料に負の電位を与える供給手
段と、前記試料へ照射された 電子ビームにより発生する
２次電子を検出する検出手段と、前記検出手段で検出さ
れた２次電子信号に基づいて得られる２次電子像を記憶
する記憶手段と、から構成され、前記供給手段が第１の
負電位を与えている状態の第１の２次電子像の倍率と前
記供給手段が第２の負電位を与えている状態の第２の２
次電子像の倍率とを合わせる方向に補正する補正手段を
さらに設けたことを特徴とする。 【００１３】 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【００１９】 【作用】本発明は、低エネルギーの電子ビームを用い
て、微細な絶縁膜の欠陥の大きさ、数等に対応する情報
を得るもので、以下、その原理について説明する。 【００２０】まず、例えば、絶縁膜の厚さおよび入射電
子エネルギーを具体的に示すため、金属または半導体の
基板１（図１）としてＳｉ単結晶板、絶縁膜２としてこ
のＳｉ単結晶板を熱酸化して得られるＳｉＯ2膜を考え
る。 【００２１】図２は、この絶縁膜としてのＳｉＯ2膜へ
入射する電子ビームエネルギー（ｅＶ）と、電子の最大
侵入深さＲｍａｘ（Å）との関係を示すグラフである
（引用文献：H.J.Fitting,Phys.Status Solidi 226,p.5
25(1974）。この電子の最大侵入深さとは、絶縁膜への
入射電子すなわち一次電子が多重散乱をしてエネルギー
損失し、エネルギーまたは速度的に拡散領域に達するま
での電子の侵入領域（深さ）すなわち等価的な透過領域
のことである。この等価的というのは、ある一つの入射
電子が絶縁膜をそのまま通り抜ける意味での透過のみを
指すのではなく、複数電子との衝突により入射電子その
ものではなく他の電子が透過することを含める。図２の
グラフにおいて、例えば、電子が１００ÅのＳｉＯ2膜
を透過してＳｉ基板１に達するには３００ｅＶ以上のエ
ネルギーで電子ビームを照射しなければならないことが
わかる。 【００２２】一方、試料表面で入射電子ビームすなわち
一次電子により励起される二次電子の放射効率も一次電
子エネルギーに依存している。なお、二次電子放射効率
δ（Ｅ）は、一次電子数ＮPに対する二次電子数ＮSの比
で示される（δ（Ｅ）＝ＮS／ＮP）。図３は一次電子ビ
ームエネルギーＥ（ｅＶ）と二次電子放射効率δ（Ｅ）
との関係を示すグラフで、ＡはＳｉＯ2、ＢはＰｏｌｙ
−Ｓｉに対する値を示す（引用文献：R.Kouath,Handbuc
h der Physik XXIp.232(1956）。 【００２３】図４（イ）〜（ホ）は、Ｓｉ基板１上にＳ
ｉＯ2絶縁膜２が形成された試料について、一次電子ｅP
に対する二次電子ｅSおよび該試料内部への散乱電子ｅd
の振舞いを模型的に示す図である。 【００２４】図４（イ）に示すように、例えば１００Å
の厚さのＳｉＯ2絶縁膜２を考えるとき、一次電子ｅPが
３００ｅＶ以上で加速された電子であれば、基板１へ到
達する散乱電子ｅdが存在するため、いわゆる“電子ビ
ーム誘起電導性（Electronbeam induced conductivit
y）”の現象に基づき、ＳｉＯ2絶縁膜２表面の電位は基
板１の電位にほとんど等しくなり、絶縁膜２の表面にチ
ャージ・アップは起きない。 【００２５】図４（ロ）は、一次電子ｅPが３００ｅＶ
以下でかつ二次電子放射効率δ（Ｅ）が１以上となる３
０ｅＶ以上で加速された電子の場合を示す。ＮP（一次
電子ｅPの個数）よりもＮS（二次電子ｅSの個数）の方
が多いため、図４（イ）の場合のように散乱電子ｅdの
リークがないので、絶縁膜２の表面は正の電荷が増大し
チャージ・アップの状態となる。なお、このチャージ・
アップは時間の経過とともに増大する。 【００２６】図４（ロ）におけるチャージ・アップを防
止するには、図４（ハ）に示すように、試料上の空間の
該試料の電子ビーム照射面に対向して、金属メッシュ等
からなる補助電極９を設け、この補助電極９と基板１と
の間に直流電源１０を接続し、補助電極９に電位を与え
る。発生した二次電子のうち比較的エネルギーの高いも
のは、補助電極９に入射するか、補助電極９を通過して
試料表面の情報を持って二次電子検出器（図示せず）に
到達する。また、エネルギーの非常に低い電子は試料表
面へ逆戻りする。このような構成では、絶縁膜２の表面
と基板１との間には等価回路的にわずかなリーク電流が
あることになり、絶縁膜２の表面の電位は、平衡状態と
して基板１よりも僅かに正の側の電位を持つ。なお、図
示のように、直流電源１０は基板１の側を負、補助電極
９の側を正としてあるが、直流電源１０の電位の比較的
小さい場合は、正負が逆でも良く、また直流電源１０は
抵抗と置き換えても原理的には等しい。しかし、実用上
は図示のような接続が、二次電子の補集量を高める上で
都合良い。 【００２７】図４（ニ）に示すように、図４（ロ）また
は（ハ）と同じ条件で、絶縁膜２に欠陥がある場合、具
体的には絶縁膜２にピン・ホールがあるか、もしくは完
全な孔となっていなくても、絶縁膜２が一部薄い場合
は、その欠陥部分では等価的に図４（イ）と同様にな
る。すなわち、欠陥部分の表面電位は基板１と同電位に
なる。 【００２８】上記図４（ロ）〜（ニ）は、二次電子放射
効率δ（Ｅ）が１以上の場合であったが、δ（Ｅ）＜１
の場合について図４（ホ）に示す。図３においては、一
次電子ビームエネルギーが２３００ｅＶ以上かあるいは
３０ｅＶ以下で加速された場合である。まず２３００ｅ
Ｖ以上の場合、散乱電子ｅdが基板１に達するときはδ
（Ｅ）が異なることによる発生二次電子数の割合が少な
いだけで図４（イ）と同様である。しかし、絶縁膜２が
厚くて、散乱電子ｅdが基板１に到達することができな
い場合、入射する一次電子数ＮPが、放出される二次電
子数ＮSよりも大なので、図４（ロ）とは逆に、絶縁膜
２の表面は負の電荷が増してチャージ・アップを起こ
す。しかし、この場合には、図４（ハ）のように補助電
極９を付加しても、このチャージ・アップは負電位なの
で防止することはできず、したがって絶縁膜２の表面電
位を一定値に保つことは不可能である。また、後者の３
０ｅＶ以下でも、絶縁膜２の厚さが異なるだけで、現象
は上記と同様である。その厚さとは、図２の外挿によれ
ば１０Å以下という極めて薄いものであり、通常絶縁膜
としては用いることのない領域である。 【００２９】以上を整理して記すと次のようになる。 【００３０】（１）入射する一次電子ｅPのエネルギー
が高く、散乱電子ｅdが絶縁膜２を等価的に透過して基
板１に達する場合、絶縁膜２の表面電位は基板１の電位
にほぼ等しい（図４（イ））。 【００３１】（２）一次電子ｅPのエネルギーが低く、
散乱電子ｅdが基板１を等価的に透過しない程度で、か
つ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ（Ｅ）が１より大
である場合、絶縁膜２の表面電位は補助電極９を用いる
ことによって、基板１の電位より正である平衡状態に保
たれた電位を示す（図４（ロ）、（ハ））。 【００３２】（３）上記（２）の場合において絶縁膜２
にピンホール等の欠陥があれば、その欠陥箇所の表面電
位は、基板１の電位か、該電位にほぼ等しい電位を示す
（図４（ニ））。 【００３３】（４）一次電子ｅPが絶縁膜２を等価的に
透過せず、かつ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ
（Ｅ）が１より小である場合、絶縁膜２の表面電位は負
の側に変化し平衡状態に達することができない（図４
（ホ））。 【００３４】このような試料表面に、一次電子ｅPが絶
縁膜２を等価的に透過しないエネルギーの一次電子ビー
ムを走査し、それにより発生する二次電子信号を検出す
ると、表面電位の差に基づく二次電子収量の差が敏感に
反映されるため、上記（２）および（３）の原理を利用
することにより、絶縁膜２の欠陥箇所と正常な部分を表
面電位の差として検出して区別することができる。 【００３５】図５は、絶縁膜２の上に孤立して金属また
は半導体３、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉが形成されている試
料を検査する場合の本発明の原理を示す図で、９は補助
電極、１０は直流電源である。このような試料におい
て、絶縁膜２上の金属または半導体３の電位は、近傍の
絶縁膜２の表面電位と等しくなるため、金属または半導
体３の表面電位を表わす二次電子を検出することによっ
て、その絶縁性を知ることができる。ただし、二次電子
の収量そのものは、金属または半導体３に対するものと
なる（図３参照）。さらに、試料に複数の負の電位を与
えることによって２次電子像の倍率が変化するのを補正
するものである。 【００３６】 【００３７】 【実施例】以下、本発明の実施例を図６〜９に基づいて
説明する。 【００３８】図６は、本発明の一実施例の電子ビーム検
査装置の概略ブロック図である。この図において、１１
は電子ビーム源となる電界放射陰極で、尖針１１ａとこ
れに接合されたＷフィラメント１１ｂからなる。１８は
−１ｋＶ程度の直流高電圧の電源で、電界放射陰極１１
に電界放射のための電位を与える。１９はフィラメント
１１ｂを通電加熱し１１００℃近傍に保つための電源で
ある。１２はアノード、１２ａはアノード１２の絞り孔
で、電界放射陰極１１からは電子が放射角１／４ｒａｄ
程度で絞り孔１２ａに放射される。１３はアノード１２
の絞り孔１２ａを通過した電子ビーム束を収束するため
の収束手段すなわち磁気収束レンズ、２１は磁気収束レ
ンズの電源である。１４は非点収差補正コイル、２０は
非点収差補正コイル１４の電源、１５は電子ビームを走
査するための偏向手段すなわち偏向コイル、２３は偏向
コイル１５の電源、１６は電子光学系鏡体、１７はイオ
ンポンプを含む排気手段、３２は磁気収束レンズ１３に
より収束された電子ビームが照射される絶縁膜２を持つ
試料（ここでは図５に示した試料）、４３は試料台、９
は試料３２の上方周囲に配置された金属メッシュからな
る補助電極、２６、２７は電源で、試料３２と補助電極
９との間に電圧を与えることにより、電界放射陰極１１
から照射される電子ビームの速度を所定の値まで減速す
る減速手段となる。なお、電源２６、２７は、それぞれ
スイッチＡおよびＢによって切換え可能になっている。 【００３９】２２は電子ビームの照射により試料３２か
ら発生する二次電子を捕集する二次電子検出器、２８は
増幅器、２９は絶縁膜２の欠陥に対応する情報信号を表
示するブラウン管を含む表示器である。 【００４０】２４は発振器、２５は倍率補正器、３０は
比較器、３１はパターン発生器であり、これらについて
は後で詳述する。なお、二次電子検出器２２、電源２
３、発振器２４、倍率補正器２５、増幅器２８、表示器
２９、比較器３０、パターン発生器３１により表示手段
が構成されている。 【００４１】以上、本発明の実施例の各構成部分につい
て一とおり説明したが、次に上記電界放射陰極１１につ
いてさらに説明を加える。つまり、本発明を実施するに
当って一つの重要な点は、前述のように、絶縁膜２を透
過しない程度のエネルギーの電子ビームを用いることで
ある。絶縁膜２が薄い程、エネルギーの低い電子ビーム
を用いなければならない。ところが、前述のごとく電子
光学の原則によって、一般にエネルギーが低ければ電子
ビームの輝度は低くなる。低速電子ビームにおいて、で
きる限り小さい電子ビームのスポット径を得るには、電
子ビーム源となる陰極に高輝度のものを用いる必要があ
る。 【００４２】本実施例の電界放射陰極１１は、軸方位＜
１００＞の単結晶タングステンＷ線から電界研摩して尖
針１１ａを形成したもので、酸素を介してチタンＴｉの
単原子層の吸着状態を長時間加熱状態で維持できる熱電
界放射陰極である。この陰極は尖針表面において仕事関
数がＷより低いため、同じ曲率半径のＷ尖針と比較し
て、低い電圧で同様の電子ビーム電流が得られる。な
お、通常のＷ尖針では、尖針の表面清浄化のためにフラ
ッシングという瞬間高温加熱を行なうが、この操作のた
めに尖針の先端曲率半径を当初非常に小さくしても、加
熱による影響で先端が鈍化してしまう。これに対して、
本実施例のＴｉ吸着型の電界放射陰極１１は、高温のフ
ラッシング操作が不要であり、前述の尖針表面の仕事関
数が小さいことと合わせて、１ｋＶ程度の低い電圧で電
界放射が可能であり、また低い加速電圧にもかかわらず
電界放射であるために高輝度である。なお、このような
理由により、電源１８は−１ｋＶ程度の直流高電圧電源
を用いる。 【００４３】次に、本実施例において試料３２に入射す
る電子ビームのエネルギー（速度）が必要な値すなわ
ち、電子が試料３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値
に減速する原理について説明する。すなわち、電源１８
の電圧が前述のように−１ｋＶであり、かつ試料３２の
電位が鏡体１６と同じ接地電位である場合、電界放射陰
極１１からは１ｋｅＶのエネルギーの電子ビームが試料
３２に入射する。ところが、試料３２に図示のように設
けた電子ビームの減速手段である電源２６によって減速
電位、例えば−９００Ｖを与えると、試料３２に入射す
る電子のエネルギーは１００ｅＶとなる。すなわち、電
源２６は減速電圧として例えば前述の−９００Ｖに設定
してあり、スイッチＡを操作することにより電子が試料
３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値まで電子エネル
ギーの速度を減速する。また、電源２７は電子が絶縁膜
２を透過する電圧例えば−２００Ｖに設定してあり、し
たがって試料３２に入射する電子ビームのエネルギーは
８００ｅＶとなる。 【００４４】上記のように構成した本発明の実施例の電
子ビーム検査装置において、その動作を説明する。減速
手段である電源２６により必要な速度まで減速された電
子ビームが試料３２上に照射されると、二次電子が発生
するが、そのうち補助電極９を通過したものの一部また
は大部分は二次電子検出器２２に捕集される。それによ
り二次電子検出器２２から出力する検出電流は、増幅器
２８によって増幅され、表示器２９に入力される。ま
た、発振器２４によって作られる偏向信号は、電源２３
により増幅され、電子ビームを走査する偏向コイル１５
に与えられる。なお、発振器２４の偏向信号は、表示器
２９にも同期して与えられ、後に詳しく述べる二次元輝
度変調表示、あるいは線状表示等の絶縁膜２の欠陥に対
応する情報信号が表示器２９に表示される。 【００４５】次に、本実施例の表示手段による一つの表
示例（上記二次元輝度変調表示）およびその表示による
測定結果を図７（イ）に基づいて説明する。図７（イ）
は、図６で示した本発明の実施例の電子ビーム検査装置
の表示器２９の画面に表示された二次電子像を示す図で
ある。試料３２の断面構造は図５に示したものと同様で
あり、基板１はＳｉ単結晶板、絶縁膜２は膜厚２００Å
のＳｉＯ2、金属または半導体３は膜厚３５００ÅのＰ
ｏｌｙ−Ｓｉである。さらに詳しくいえば、この試料は
Ｐｏｌｙ−Ｓｉが幅１μｍの線状に３μｍ間隔で、いわ
ゆるライン・アンド・スペースで構成された試料であ
る。図２にもとづいて２００ÅのＳｉＯ2膜を透過しな
い電子ビームのエネルギーは５００ｅＶ以下であるの
で、１００ｅＶの電子ビームを用いる。図７（イ）は、
試料３２ａへの入射エネルギーが１００ｅＶ（スイッチ
Ａ）の場合に表示器２９の画面に表示された二次電子像
で、前に図３をもとに説明した二次電子発生効率の差か
ら、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの部分が黒く（二次電子信号が弱
い）、バックグラウンドである絶縁膜ＳｉＯ2の部分が
白く（二次電子信号が強い）見える。なお、この図７
（イ）では、矢印で示した他と較べて白っぽいラインの
箇所があり、その部分の絶縁膜に欠陥があることを明白
にしている。なお、図７（ロ）については、後で述べ
る。 【００４６】なお、絶縁膜２の欠陥箇所の解析は、図７
（イ）の表示例で示した試料のようにパターンの単純な
もの、あるいは予めパターンが明確にわかっているもの
については、表示器２９の画面を目視することによって
判断できるが、複雑なパターンの場合には、図６に示し
たように予め入力されたパターンを発生するパターン発
生器３１および比較器３０を用いて、表示器２９に現わ
れる情報と比較することにより、欠陥箇所を知ることが
できる。 【００４７】また、パターン未知の試料における絶縁膜
の欠陥箇所の解析方法について図７（ロ）をもとに説明
する。すなわち、図６においてスイッチＢを操作するこ
とにより、例えば−２００Ｖに設定された電源２７によ
り試料３２に減速電圧を与える。すると、この試料３２
に入射する電子ビームのエネルギーは８００ｅＶとな
り、図２に基づいて５００ｅＶ以上であるので電子は試
料３２の絶縁膜２を透過する。ただし、図３に基づいて
２３００Ｖ以下であるのでチャージ・アップは起こさな
い。図７（ロ）は、電子ビームの減速電圧が電源２７に
より上記のように設定された場合に、表示器２９の画面
に表示された二次電子像を示す図であり、前述の図７
（イ）と同一試料の同一部分の二次電子像を示す。すな
わち、図７（ロ）において、欠陥箇所は見えず、試料に
もともと形成されているパターンの外形の情報のみを示
している。このように、欠陥箇所を見るには、電子が絶
縁膜を等価的に透過しないように設定された電源２６を
用い、試料のパターンを見るには、電子が絶縁膜を透過
するように設定された電源２７を用いる。したがって、
パターン未知の試料に対しては、スイッチＡとＢを切換
えることによって表示器２９に現われる２つの二次電子
像を比較することによって、欠陥箇所の判定が可能であ
る。なお、この際、１００ｅＶと８００ｅＶの試料３２
の入射エネルギーの差によって表示器２９の画面に現わ
れる像の倍率が異なってくる。したがって、同一倍率で
比較ができるように倍率補正器２５を用い、それぞれス
イッチＣとＤを電源２６および２７の切り換えに合わせ
て切り換える。このようにすることにより、図７
（イ）、（ロ）の像を表示器２９の画面において、等し
い倍率で比較することができる。 【００４８】さらに、上記のパターン発生器３１の代り
に、電子ビームエネルギーの高い場合と低い場合のいず
れかのパターン情報を記憶する記憶装置３１を設置し、
記憶装置３１および比較器３０を用いて表示器２９に欠
陥箇所の表示を行なうことができる。 【００４９】図８は、本発明の参考例の電子ビーム検査
装置の概略ブロック図である。図において、３３は熱陰
極、３４はウェーネルト電極、３５は電源、２６は電子
ビームの減速手段である電源、その他図６で示した実施
例と同符号のものは同一部材を示す。熱陰極３３は、上
記実施例の電界放射陰極１１と比較して輝度が低いが、
低加速電圧を印加して用いるとさらに輝度が低下する。
ここで、輝度の値を重視するのは、収束された電子ビー
ムのスポット径をできるだけ小さくし、しかもできるだ
け大きい電流を得るためである。したがって、このこと
を考慮すると、目的によっては熱陰極も低加速電圧で使
用できるといえる。すなわち、スポット径がそれ程小さ
くなくても欠陥検査の機能を果す場合は充分にある。本
参考例では熱陰極の中で最も高い輝度を持つ直熱型の六
硼化ランタン（ＬａＢ6）陰極を使用している。 【００５０】このような構成の参考例の電子ビーム検出
装置において、熱陰極３３を電源１９によって加熱し、
１６００℃程度に保つ。そして、ウェーネルト電極３４
に電源３５により熱陰極３３の電位に対して負電位を印
加し、かつ直流高電圧の電源１８によって熱陰極３３に
電圧を印加すると、ウェーネルト電極３４とアノード１
２間に図示のようなクロスオーバーＥを作って電子ビー
ムが放射される。なお、電源１８に−１ｋＶ程度の電源
を用いると試料に印加される電位は、図６で示した実施
例と同様になる。また、この参考例も図示は省略したが
上記実施例と同様の表示手段等が接続されるものであ
り、その機能も同様であるので説明は省略する。 【００５１】 【００５２】なお、本発明の原理の説明および実施例に
おいて、基板１としてはＳｉ単結晶板、絶縁膜２として
はＳｉＯ2、また絶縁膜２上に孤立して形成される金属
または半導体３としてはＰｏｌｙ−Ｓｉを用いて説明し
たが、他の物質の場合でも本発明の効果は変りない。 【００５３】 【００５４】 【００５５】 【発明の効果】本発明によれば、金属または半導体基板
上の絶縁膜を持つ試料、あるいはその絶縁膜上に孤立し
て形成された任意の形状の金属または半導体を持つ試料
について、従来検査することができなかった絶縁膜の欠
陥の大きさ、数を検知することができる。また、従来は
機械的接触により検査していたものを本発明は検査すべ
き絶縁膜を電子が等価的に透過しない電子ビームを用い
て非接触で検査を行なうので、脆弱な半導体試料に対し
ても無損傷で検査することができる。したがって、製造
プロセスの途中で検査すべき素子の検査を行なうことが
でき、検査終了後後続の製造プロセスを継続することが
可能である。さらに、本発明は電子ビームの微小なスポ
ット径に対応する０．１μｍ程度の微細な欠陥箇所をも
検知することができる。また、異なる倍率の像を、倍率
を補正して比較することにより欠陥箇所の判定が可能と
なる。このように、本発明の効果は顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（イ）は検査すべき試料の断面図、（ロ）、
（ハ）は従来の検査装置の概略図である。 【図２】ＳｉＯ2絶縁膜への入射電子ビームエネルギー
と電子の最大侵入深さとの関係を示すグラフである。 【図３】電子ビームエネルギーと二次電子放射効率との
関係を示すグラフである。 【図４】（イ）〜（ホ）は本発明の原理を説明する断面
模型図である。 【図５】本発明の原理を説明する断面模型図である。 【図６】本発明の一実施例の電子ビーム検査装置の概略
ブロック図である。 【図７】（イ）、（ロ）は本発明の電子ビーム検査装置
のブラウン管表示器の画面に写し出された試料の二次電
子像の形状を示す図である。 【図８】本発明の参考例の電子ビーム検査装置の概略ブ
ロック図である。 【符号の説明】 ２…絶縁膜、９…補助電極、１１、３３…陰極（電子ビ
ーム源）、１３…磁気収束レンズ（収束手段）、１５…
偏向コイル（偏向手段）、２６、２７…電源（減速手
段）、２９…表示器（表示手段）。
（ハ）は従来の検査装置の概略図である。 【図２】ＳｉＯ2絶縁膜への入射電子ビームエネルギー
と電子の最大侵入深さとの関係を示すグラフである。 【図３】電子ビームエネルギーと二次電子放射効率との
関係を示すグラフである。 【図４】（イ）〜（ホ）は本発明の原理を説明する断面
模型図である。 【図５】本発明の原理を説明する断面模型図である。 【図６】本発明の一実施例の電子ビーム検査装置の概略
ブロック図である。 【図７】（イ）、（ロ）は本発明の電子ビーム検査装置
のブラウン管表示器の画面に写し出された試料の二次電
子像の形状を示す図である。 【図８】本発明の参考例の電子ビーム検査装置の概略ブ
ロック図である。 【符号の説明】 ２…絶縁膜、９…補助電極、１１、３３…陰極（電子ビ
ーム源）、１３…磁気収束レンズ（収束手段）、１５…
偏向コイル（偏向手段）、２６、２７…電源（減速手
段）、２９…表示器（表示手段）。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 棟方 忠輔
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所 中央研究所内
(72)発明者 本多 幸雄
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所 中央研究所内
(56)参考文献 特開 昭55−68629（ＪＰ，Ａ)
特開 昭54−161263（ＪＰ，Ａ)
実開 昭58−10354（ＪＰ，Ｕ)
Ｈｉｒｏｙｏｓｈｉ ＳＯＥＺＩＭ
Ａ，”ＳＯＬＩＤ ＳＵＲＦＡＣＥ Ｏ
ＢＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＡＴ ＶＥＲＹ
ＬＯＷ ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＮＧ
ＶＯＬＴＡＧＥ（200Ｖ−１ｋＶ） Ｂ
Ｙ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯ
Ｎ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ”，Ｓｕｒｆ
ａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ 85（1979）,
ＰＰ．610−619
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
H01L 21/66
G01N 23/00 - 23/227
H01J 37/00 - 37/295
G01R 31/26
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．電界放射により電子ビームを発生させる電界放射陰
極手段と、 前記電界放射陰極手段で発生した電子ビームを試料上で
走査する偏向手段と、試料に負の電圧を印加する電圧印
加手段と、 前記試料へ照射された電子ビームにより発生する２次電
子を検出する検出手段と、 前記検出手段で検出された２次電子信号に基づいて得ら
れる２次電子像を記憶する記憶手段と、 から構成され、前記電圧印加手段が第１の負電圧を与え
ている状態の第１の２次電子像の倍率と前記電圧印加手
段が第２の負電圧を与えている状態の第２の２次電子像
の倍率とを合わせる方向に補正する補正手段をさらに設
けたことを特徴とする電子ビーム検査装置。２．前記電界放射陰極手段は軸方位〈１００〉の単結晶
の尖針であることを特徴とする請求項１記載の電子ビー
ム検査装置。 ３．前記電界放射陰極手段は軸方位〈３１０〉の単結晶
の尖針であることを特徴とする請求項１記載の電子ビー
ム検査装置。 ４．前記電界放射陰極手段は熱電界放射陰極であること
を特徴とする請求項１記載の電子ビーム検査装置。 ５．電子源からの電子ビームを偏向して試料に照射し、
前記試料からの２次電子を検出手段で検出し試料を検査
する電子ビーム検査装置であって、 前記電子源として電界放射により電子ビームが発生され
る電界放射陰極手段と、 前記試料に電圧を印加する電圧印加手段と、 前記検出手段で検出された２次電子信号からの２次電子
像を記憶する記憶手段と、 から構成され、前記電圧印加手段が第１の負電圧を与え
ている状態の第１の２次電子像の倍率と前記電圧印加手
段が第２の負電圧を与えている状態の第２の２次電子像
の倍率とを合わせる方向に補正する補正手段をさらに設
けたことを特徴とする電子ビーム検査装置。６．前記電界放射陰極手段は軸方位〈１００〉の単結晶
の尖針であることを特徴とする請求項５記載の電子ビー
ム検査装置。 ７．前記電界放射陰極手段は軸方位〈３１０〉の単結晶
の尖針であることを特徴とする請求項５記載の電子ビー
ム検査装置。 ８．前記電界放射陰極手段は熱電界放射陰極であること
を特徴とする請求項５記載の電子ビーム検査装置。 ９．電界放射により電子ビームを発生させる電界放射陰
極手段と、 前記電界放射陰極手段で発生した電子ビームを試料上で
走査する偏向手段と、試料に負の電位を与える供給手段
と、 前記試料へ照射された電子ビームにより発生する２次電
子を検出する検出手段と、 前記検出手段で検出された２次電子信号に基づいて得ら
れる２次電子像を記憶する記憶手段と、 から構成され、前記供給手段が第１の負電位を与えてい
る状態の第１の２次電子像の倍率と前記供給手段が第２
の負電位を与えている状態の第２の２次電子像の倍率と
を合わせる方向に補正する補正手段をさらに設けたこと
を特徴とする電子ビーム検査装置。１０．前記電界放射陰極手段は軸方位〈１００〉の単結
晶の尖針であることを特徴とする請求項９記載の電子ビ
ーム検査装置。 １１．前記電界放射陰極手段は軸方位〈３１０〉の単結
晶の尖針であることを特徴とする請求項９記載の電子ビ
ーム検査装置。 １２．前記電界放射陰極手段は熱電界放射陰極であるこ
とを特徴とする請求項９記載の電子ビーム検査装置。 １３．電界放射により電子ビームを発生させる電界放射
陰極手段と、 前記電界放射陰極手段で発生した電子ビームを集束する
対物レンズ手段と、 試料に負の電位を与える供給手段と、 前記試料へ照射された電子ビームにより発生する２次電
子を検出する検出手段と、 前記検出手段で検出された２次電子信号に基づいて得ら
れる２次電子像を記憶する記憶手段と、 から構成され、前記供給手段が第１の負電位を与えてい
る状態の第１の２次電子像の倍率と前記供給手段が第２
の負電位を与えている状態の第２の２次電子像の倍率と
を合わせる方向に補正する補正手段をさらに設けたこと
を特徴とする電子ビーム検査装置。１４．前記電界放射陰極手段は軸方位〈１００〉の単結
晶の尖針であることを特徴とする請求項１３記載の電子
ビーム検査装置。 １５．前記電界放射陰極手段は軸方位〈３１０〉の単結
晶の尖針であることを特徴とする請求項１３記載の電子
ビーム検査装置。 １６．前記電界放射陰極手段は熱電界放射陰極であるこ
とを特徴とする請求項１３記載の電子ビーム検査装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9008006A JP2969091B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 電子ビーム検査装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9008006A JP2969091B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 電子ビーム検査装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6210991A Division JP2635015B2 (ja) | 1994-09-05 | 1994-09-05 | 絶縁膜の観察方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09219428A JPH09219428A (ja) | 1997-08-19 |
| JP2969091B2 true JP2969091B2 (ja) | 1999-11-02 |
Family
ID=11681281
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9008006A Expired - Lifetime JP2969091B2 (ja) | 1997-01-20 | 1997-01-20 | 電子ビーム検査装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2969091B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3809899A (en) * | 1972-08-17 | 1974-05-07 | Tektronix Inc | Electron-beam tube including a thermionic-field emission cathode for a scanning electron microscope |
| JPS5568629A (en) * | 1978-11-17 | 1980-05-23 | Jeol Ltd | Device for checking minute pattern of integrated circuit or the like |
| JPS5810354U (ja) * | 1981-07-15 | 1983-01-22 | 株式会社日立製作所 | 電界放射型陰極 |
-
1997
- 1997-01-20 JP JP9008006A patent/JP2969091B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｈｉｒｏｙｏｓｈｉ ＳＯＥＺＩＭＡ，"ＳＯＬＩＤ ＳＵＲＦＡＣＥ ＯＢＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＡＴ ＶＥＲＹ ＬＯＷ ＡＣＣＥＬＥＲＡＴＩＮＧ ＶＯＬＴＡＧＥ（２００Ｖ−１ｋＶ） ＢＹ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ"，Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ８５（１９７９），ＰＰ．６１０−６１９ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09219428A (ja) | 1997-08-19 |
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