JP3136353B2 - 走査型電子顕微鏡の２次電子検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料から放出され
た２次電子を検出する走査型電子顕微鏡の２次電子検出
装置に関するものである。

【０００２】走査型電子顕微鏡は、微細構造を観察など
するために広範囲の分野で使われている。最近、半導体
ウェハのような製造途中の対象試料の場合などには前処
理として帯電防止のためのカーボンや金を薄くコーティ
ングすることが許されないことがあり、対象試料への帯
電を避けるために加速電圧を低くし（例えば２ＫＶ以下
とし）、しかも高分解能を得るために焦点距離を小さく
して作動距離を小さく（例えば３ｍｍ以下）とすること
が行われている。このような場合においても、対象試料
から発生した２次電子を効率的に収集して低倍から高倍
まで高画質の画像を得ることが要求されている。

【０００３】

【従来の技術】従来は、図３に示す構成によって、試料
ウェハ１に電子ビーム５を照射して走査し、そのときに
発生した２次電子を検出器９で検出し、図示外の画面上
に２次電子画像として拡大表示していた。以下図３の構
成および動作を簡単に説明する。

【０００４】図３は、従来技術の説明図を示す。図３に
おいて、試料ウェハ１は、観察しようとする対象試料で
ある。対物レンズ２は、電子ビーム５を試料ウェハ１上
に細く集束するものである。

【０００５】コンデンサレンズ３は、電子銃４から放射
された電子ビーム５を集束するものである。ここでは、
コンデンサレンズ３および対物レンズ２の２段レンズ系
によって試料ウェハ１上に電子ビーム５を細く絞ってい
る。

【０００６】電子銃４は、電子を放出するものである。
電子ビーム５は、電子銃４から放出された電子ビームで
ある。絞り６は、電子銃４から放出された電子ビーム５
のうち軸中心の部分のみを通過させるものである。

【０００７】ビーム偏向器７、８は、電子ビーム５を試
料ウェハ１上で面走査するためのものであって、通常は
Ｘ方向およびＹ方向に電子ビーム５を２段偏向するもの
である。

【０００８】検出器９は、試料ウェハ１から放出された
２次電子を検出するものである。電極１１は、試料ウェ
ハ１から放出されて上方向に進む２次電子を検出器９に
補集させるように、ここでは負電圧を印加するものであ
る。

【０００９】レンズ電極１３は、試料ウェハ１から放出
された２次電子を上方向に加速して検出器９に効率的に
到達させるの電圧を印加するものである。軌道１４は、
試料ウェハ１から放出された２次電子がレンズ電極１３
および対物レンズ２のレンズ場によって決まる軌道であ
る。

【００１０】次に、図示の構成のもとで試料ウェハ１か
ら上方向に放出された２次電子の検出について説明す
る。電子銃４から放出された電子ビーム５がコンデンサ
レンズ３および対物レンズ２によって試料ウェハ１上に
細く集束されて照射され、この照射された状態で２段の
ビーム偏向器７、８によってＸ方向およびＹ方向に面走
査し、２次電子が上方向に放出される。試料ウェハ１か
ら上方向に放出された２次電子は、レンズ電極１３に印
加された正電圧および対物レンズ２によるレンズ場によ
り螺旋を描きながら上方向に加速されて移動し、検出器
９に到達し検出される。この際、電極１１には、負電圧
が印加され、検出器９の中心の穴を通過しようとする２
次電子を阻止して当該検出器９に到達させ、効率的に２
次電子を検出するようにしていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一般的に走査型電子顕
微鏡の分解能は、加速電圧に依存し、加速電圧が高いほ
ど分解能も高くなる。低加速電圧で比較的に高い分解能
を得ようとすると、図３の対物レンズ２の焦点距離（作
動距離）を小さくするしかない。焦点距離（作動距離）
を小さくすると、対物レンズ２と試料ウェハ１との間の
隙間が小さくなり、図３に示すように対物レンズ２の上
方向から２次電子を検出せざるを得ないために図示のよ
うな構造となったものである。

【００１２】しかしながら、上述した図３のような構造
を持った走査型電子顕微鏡で更に画像の分解能を高める
ために電子銃４による電子ビーム５の加速電圧を高める
と共に、試料ウェハ１の帯電による分解能低下を避ける
ために当該試料ウェハ１に負電圧を印加して実質的に試
料ウェハ１と電子ビーム５との電圧を低い電圧として帯
電を防いで高分解能の画像を得ることが考えられてい
る。これは、試料ウェハ１に負電圧を印加したことによ
る、電子ビーム５の減速電界により複合的なレンズ場の
収差が低減することを利用している。このような新たな
概念を上述した図３の構造にそのまま使用すると、試料
ウェハ１から上方向に放出された２次電子は、当該試料
ウェハ１に印加された負電圧Ｖｂによる電場が付加され
たことになって当該付加された電場により上方向に引か
れると共に対物レンズ２のレンズ場により螺旋を描きな
がら上方向に加速されて軌道１４のように移動し、検出
器９に到達し検出される。この検出器９に到達するとき
の２次電子は、試料ウェハ１に負電圧Ｖｂが印加されて
いるのでこの負電圧Ｖｂにより加速電圧の５０％以上に
も達する電位を持ち、電極１１に印加された負電圧では
検出器９の中心の穴を通過する２次電子を阻止すること
ができなく、通過して当該検出器９に到達しなく、２次
電子の検出効率が低下してしまうという問題がある。特
に、対物レンズ２の中心軸付近の２次電子は、検出器９
の中心の穴を通過して検出できない割合が高くなる。中
心軸から離れると２次電子の軌道は垂直方向から大きな
角度を持つようになり検出できない２次電子の割合は減
る。これは、２次電子の検出器９による検出効率が、視
野の中心に近づくと低下することを表し、換言すれば、
画像の倍率が高くなれば２次電子の検出効率が低下する
ことを意味する。このように、試料ウェハ１に大きな負
電圧Ｖｂ（加速電圧の５０％位もの負電圧）を印加して
画像の分解能を高めようとすると、電極１１に充分な負
電圧を印加し得ず、２次電子が検出器９の穴を通過して
検出効率が低下し、分解能の低下を引き起こしてしま
う。また、画像の中心付近と周辺では、中心付近の２次
電子の検出効率が低下するために中心ほど明るさが低下
してしまうという問題があった。

【００１３】本発明は、これらの問題を解決するため、
負電圧を印加した対象試料から放出された２次電子につ
いて対物レンズの強磁界および電界によって引き出して
検出する第１の検出器と、第１の検出器の穴を通過して
しまう２次電子について更に離れた位置の第２の検出器
で検出した後、これら検出した信号を合成あるいは切り
替えて表示し、対象試料の帯電による影響を無くした状
態で高分解能の２次電子画像を得ることを目的としてい
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１を参照して課題を解
決するための手段を説明する。図１において、試料ウェ
ハ１は、負電圧を印加した観察対象の試料である。

【００１５】対物レンズ２は、電子ビーム５を集束して
試料ウェハ１上に細く絞るものである。コンデンサレン
ズ３は、電子銃４から放射された電子ビームを集束する
ものである。

【００１６】電子銃４は、所定電圧の電子ビームを発生
させるものである。第１の検出器９は、対物レンズ２の
上方に設けた２次電子を検出するものである。

【００１７】第２の検出器１０は、第１の検出器９の上
方に設けた２次電子を検出するものである。電極１１、
１２は、２次電子が第１の検出器９、第２の検出器１０
の穴を通過するのを減少させて検出器にそれぞれ到達さ
せるための負電圧を印加するものである。

【００１８】レンズ電極１３は、試料ウェハ１から放射
された２次電子を引き出して対物レンズ２の軸上の上方
向に到達させるための試料に対して正電圧を印加するも
のである。

【００１９】加算器２０は、第１の検出器９および第２
の検出器１０によってそれぞれ検出した２次電子信号を
合成したりなどするものである。次に、動作を説明す
る。

【００２０】コンデンサレンズ３および対物レンズ２に
よって電子銃４から放射された電子ビーム５を試料ウェ
ハ１上に細く絞って照射すると共に２段のビーム偏向器
７、８によって試料ウェハ１上を平面走査し、所定の負
電圧Ｖｂの印加された試料ウェハ１から上方向（電子ビ
ームを照射した方向）に放出された２次電子を、対物レ
ンズ２の軸の近傍の強磁界および正電圧を印加したレン
ズ電極１３による電界によって螺旋状に対物レンズ２の
上方向に引出し、１部は第１の検出器９に到達して検出
され、１部は第１の検出器９の軸上の穴を通過して第２
の検出器１０に到達して検出される。これら第１の検出
器９および第２の検出器１０によって検出された２次電
子信号は、加算器２０などによって合成あるいは切り替
えて図示外のディスプレイ装置上に２次電子画像として
表示する。

【００２１】これらの際に、第１の検出器９および第２
の検出器１０の外側に２次電子が穴を通過することを減
少させて各検出器に到達させるための負電圧を印加する
電極１１、１２をそれぞれ設けるようにしている。

【００２２】また、第１の検出器９および第２の検出器
１０によってそれぞれ検出された２次電子信号につい
て、２次電子画像が外周部と中心付近とがほぼ同じ明る
さとなるように両者の２次電子信号の合成比率を調整し
たり、２次電子信号をいずれかに切り替えたりするよう
にしている。

【００２３】従って、負電圧を印加した対象試料から放
出された２次電子について対物レンズ２の強磁界および
電界によって引き出して検出する第１の検出器９と、第
１の検出器９の穴を通過してしまう２次電子について更
に離れた位置の第２の検出器１０で検出した後、これら
検出した信号を合成あるいは切り替えて２次電子画像を
表示することにより、対象試料の帯電による影響を無く
した状態で高分解能の２次電子画像を得ることが可能と
なる。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、図１および図２を用いて本
発明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。

【００２５】図１は、本発明の１実施例構成図を示す。
図１において、試料ウェハ１は、観察対象の試料の例で
あって、ここでは、半導体ウェハであり、接地電位から
絶縁された所定の負電圧Ｖｂが印加されるものである。

【００２６】電圧印加回路２１は、試料ウェハ１に任意
の安定化させた負電圧Ｖｂを印加するものである。対物
レンズ２は、コイルをまいて電流を流し、軸上に所定の
強磁界を発生させて電子ビーム５を試料ウェハ１上に集
束させると共に、試料ウェハ１から放出された２次電子
を螺旋状に回転させてレンズ電極１３に印加した正電圧
と一緒になって図中で上方向に２次電子を引出すもので
ある。

【００２７】コンデンサレンズ３は、電子銃４から放出
された電子ビーム５を集束するものである。電子銃４
は、電子ビーム５を発生させるものである。

【００２８】絞り６は、コンデンサレンズ３によって電
子銃４から放出された電子ビーム５を集束したときに軸
上の中心部分のみを通過させるものである。ビーム偏向
器７、８は、２段のビーム偏向器であって、電子ビーム
５を２段偏向し、試料ウェハ１上で細くしぼった電子ビ
ームを平面走査するものである。

【００２９】第１の検出器９は、対物レンズ２の上方に
設けた２次電子を検出するものである。第２の検出器１
０は、第１の検出器９の上方に設けた（試料ウェハ１か
らより離れた）２次電子を検出するものである。

【００３０】電極１１、１２は、２次電子が第１の検出
器９、第２の検出器１０の穴を通過するのを減少させて
検出器にそれぞれ到達させるための負電圧を印加するも
のである。

【００３１】レンズ電極１３は、試料ウェハ１から放射
された２次電子を引き出して対物レンズ２の軸上の上方
向に到達させるための試料ウェハ１に対して正電圧を印
加するものである。

【００３２】増幅器１６、１７は、第１の検出器９およ
び第２の検出器１０によってそれぞれ検出された２次電
子をそれぞれ増幅するものである。可変抵抗器１８、１
９は、増幅器１６、１７によってそれぞれ増幅された２
次電子の振幅を調整するものである。

【００３３】加算器１０は、可変抵抗器１８、１９によ
って調整された後の２次電子信号を合成し、１つの２次
電子信号を生成して２次電子画像を表示させるものであ
る。次に、図２を用いて図１の構成の要部について詳細
に説明する。

【００３４】図２は、本発明の要部構成図を示す。ここ
で、１、５、９、１０は、図１の同一番号のものと同一
であるので説明を省略する。図２において、大きな放出
角度１４は、電子ビーム５の照射された試料ウェハ１か
ら大きな角度で放射された２次電子の軌跡の例を示す
（尚、磁界中では電子は螺旋軌道を描いて走行するが、
説明を判りやすくするために螺旋する様子を省略す
る）。この大きな放出角度１４で放出された２次電子
は、図中に示すように第１の検出器９に到達して検出さ
れる。

【００３５】小さな放出角度１５は、電子ビーム５の照
射された試料ウェハ１から小さな角度で放射された２次
電子の軌跡の例を示す。この小さな放出角度１５で放出
された２次電子は、図中に示すように第１の検出器９の
穴を通過してしまい、対物レンズ２のレンズ作用によっ
て離れるに従い軸中心から離れていき、第２の検出器１
０に到達して検出されることとなる。ここで、第１の検
出器９の外側には負電圧を印加した電極１１があり、当
該電極１１の負電圧によって小さな放出角度１５の２次
電子が押し返されて第１の検出器９に到達するものもあ
るが、本発明では、試料ウェハ１に負電位Ｖｂを印加し
て分解能を高めたため、この第１の検出器９の穴に到達
したときの２次電子の電位が加速電圧の５０％位にも達
してしまい、電極１１の負電位では押し返されずに通過
してしまうので、通過した２次電子が対物レンズ２のレ
ンズ作用によって徐々に軸中心から離れるように走行す
るので、図示のように第２の検出器１０に到達して検出
されるものである。

【００３６】次に、具体例について説明する。電子銃４
から放出される電子ビーム５のエネルギー、例えば加速
電圧２ＫＶ（負電圧２ＫＶ、以下負電圧を省略する）と
し、試料ウェハ１に電圧印加回路２１によって１．３Ｋ
Ｖを印加する。この場合には、試料ウェハ１上を走査す
る電子ビーム５のエネルギーは０．７ＫＶとなる（２−
１．３＝０．７ＫＶ）。このとき試料ウェハ１の表面を
エネルギー０Ｖで放出された２次電子は、レンズ電極１
３で加速されて第１の検出器９の付近では１．３ＫＶの
エネルギーとなる。対物レンズ２によるレンズ場は２Ｋ
Ｖの電子ビームに対して焦点距離約３ｍｍの集束作用を
持つから、１．３ＫＶの２次電子に対して３ｍｍの６０
％程度の焦点距離のレンズ場として働く。このために、
大きな放出角度１４の２次電子および中心軸を離れて放
出された２次電子以外の２次電子は、一次ビーム（電子
ビーム５）に近い軌道を逆向きの軌道で走行することと
なる。しかし、焦点距離が小さい分だけ軌道の角度は開
くのでレンズ場から離れるほど軌道が広がり、第１の検
出器９の中心の穴を通過した２次電子であっても、図示
の小さな放出角度１５に示すように、第２の検出器１０
に到達して検出されることとなる。

【００３７】このようにして第１の検出器９および第２
の検出器１０によってそれぞれ検出された２次電子は、
増幅器１６、１７および可変抵抗器１８、１９によって
増幅、比の調整が行われ、加算器２０によって両者が合
成されて１つの２次電子信号として出力される。この出
力された２次電子信号をもとに図示外のディスプレイ上
に２次電子像を表示する。これにより、２次電子画像上
の周辺は、大きな放出角度１４および軸から離れた位置
が放出された２次電子信号によって主に表示され、中心
は小さい放出角度１５によって放出されたに２次電子信
号によって主に表示されることとなり、可変抵抗器１
８、１９によって両者の比を調整した後に加算器２０に
よって合成することにより、２次電子画像上で周辺から
中心に渡って一様な明るさの高分解能の画像を表示させ
ることが可能となる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
負電圧を印加した対象試料から放出された２次電子につ
いて対物レンズ２の強磁界および電界によって対象試料
と反対側に引き出して検出する第１の検出器９と、第１
の検出器９の穴を通過してしまう高エネルギーの２次電
子について更に離れた位置の第２の検出器１０で検出し
た後、これら検出した信号を合成あるいは切り替えて２
次電子画像を表示する構成を採用しているため、対象試
料に負電圧を印加して一次電子ビームを高電圧として分
解能を高めると共に対象試料に対する一次電子ビームを
低電圧として帯電の影響を無くし、かつ対象試料から放
出される２次電子が高エネルギーとなったことによる検
出効率の低下を無くして高効率に検出し分解能の向上お
よび高Ｓ／Ｎ比にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例構成図である。

【図２】本発明の要部構成図である。

【図３】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１：試料ウェハ ２：対物レンズ ３：コンデンサレンズ ４：電子銃 ５：電子ビーム ６：絞り ７、８：ビーム偏向器 ９：第１の検出器 １０：第２の検出器 １１、１２：電極 １３：レンズ電極 １４：大きい放出角度 １５：小さい放出角度 １６、１７：増幅器 １８、１９：可変抵抗器 ２０：加算器 ２１：電圧印加回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料から放出された２次電子を検出する走
   査型電子顕微鏡の２次電子検出装置において、 試料に負電圧Ｖｂを印加する回路と、 電子ビームを、負電圧Ｖｂに印加した上記試料に照射し
   て当該試料から放出された２次電子について、対物レン
   ズの磁界と当該対物レンズの孔の内面に円筒状に配置し
   て上記試料に対し正電圧を印加して発生させた電界との
   作用により当該対物レンズの孔から当該試料と反対側に
   引出すレンズ電極と、 上記対物レンズの孔から引き出された２次電子を検出す
   るビーム軸の周りに配置した第１の検出器と、 この第１の検出器の軸上の孔の試料と反対側に配置し、
   当該孔を通過した２次電子を検出するビーム軸の周りに
   配置した第２の検出器と、 これら第１の検出器および第２の検出器によってそれぞ
   れ検出された２次電子信号を合成あるいは切り替える回
   路とを備え、 この回路から出力された２次電子信号によって画像を表
   示することを特徴とする走査型電子顕微鏡の２次電子検
   出装置。
2. 【請求項２】上記第１の検出器および第２の検出器に２
   次電子が検出器の孔を通過するのを減少させて各検出器
   に到達させるための負電圧を印加する電極をそれぞれ設
   けたことを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡
   の２次電子検出装置。
3. 【請求項３】上記第１の検出器および第２の検出器によ
   ってそれぞれ検出された２次電子信号について、２次電
   子画像が外周部と中心付近とがほぼ同じ明るさとなるよ
   うに両者の２次電子信号の合成比率を調整、あるいは２
   次電子信号をいずれかに切り替える回路を備えたことを
   特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の走査型電子
   顕微鏡の２次電子検出装置。