JP4131051B2 - 写像型電子顕微鏡用の検査チャート - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、写像型電子顕微鏡用の検査チャートに関し、特に写像型電子顕微鏡の解像力、収差等の光学性能を検査する際に用いる検査チャートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より微細化、高集積化した半導体素子等の観察、検査をするために、電子ビーム（電子線）等を用いた電子顕微鏡が多く用いられている。電子顕微鏡の中には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の他に、写像型電子顕微鏡と呼ばれるものがある。
走査型電子顕微鏡が、いわゆる点から点への照明・結像を行う顕微鏡であるのに対して、写像型電子顕微鏡は、面から面への照明・結像が可能な顕微鏡である。近年、こうした写像型電子顕微鏡の開発が盛んに行われている。
【０００３】
図３にて、従来の写像型電子顕微鏡の構成を説明する。まず、電子銃２１より発せられた１次電子ビーム（照射用電子線）は、照射レンズ系２２を通過して、ウィーン・フィルター２５に入射する。ここで、ウィーン・フィルター２５は、磁極２６、電極２７等によって構成されている。１次電子ビームは、ウィーン・フィルター２５によって軌道を曲げられる。ウィーン・フィルター２５を通過した後の１次電子ビームは、アライナー３０、対物レンズ系２４を通過して、試料２３の表面を落射照明する。ここで、照射光学系（１次光学系）は、照射レンズ系２２、ウィーン・フィルター２５、アライナー３０、対物レンズ系２４等で構成される。
【０００４】
試料２３上に１次電子ビームが照射されると、試料２３上で反射する比較的エネルギーの高い反射電子ビームと、試料２３の表面から放出される低エネルギーの２次電子ビームとが発生する。これらの電子ビームのうち、通常、２次電子ビームが結像に用いられる。２次電子ビーム（観察用電子線）は、対物レンズ系２４、アライナー３０を通過して、ウィーン・フィルター２５に入射する。ウィーン・フィルター２５を直進通過した２次電子ビームは、結像レンズ系２８を通過して、検出器２９に入射する。この検出器２９に入射した２次電子ビームの情報を基に、試料２３の観察、検査等を行うことになる。ここで、写像光学系（２次光学系）は、対物レンズ系２４、アライナー３０、ウィーン・フィルター２５、結像レンズ系２８等で構成される。
このように、ウィーン・フィルター２５は、ウィーン条件を定めることによって、１次電子ビームの軌道に所定の偏向を与え、２次電子ビームの軌道を直進軌道とすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の写像型電子顕微鏡の解像力、収差等の光学性能の検査は、図３の試料の位置に検査チャートを載置して、その検査チャートを１次電子ビームで照射し、そこから発生する２次電子ビームの像を観察することで行っていた。ここで、検査チャートは、例えば、蒸着等で形成された極微細粒子や、金属メッシュや、リソグラフィーで形成された微細パターン等である。
【０００６】
このように光学性能の検査をする場合、ウィーン・フィルター及びアライナーによって、照射光学系の光軸と、写像光学系の光軸とを同時に調整しなければならなかった。すなわち、写像型電子顕微鏡の光学性能を検査するには、検査チャートが１次電子ビームによって均一に照明されている必要があった。ところが、前述したウィーン条件は、２次電子ビームの軌道を直進させるように、ウィーン・フィルターの電磁極励起条件を連続的に変化させながら求める。そのため、電磁極励起条件が変化すれば、１次電子ビームによる均一な照明も同時に変化して、照射光学系の光軸の再調整が必要となる。また、２次電子ビームをアライナーで偏向して対物レンズ系の中心に合わせると、同時に１次電子ビームが偏向して均一な照明も変化し、再び照射光学系の光軸の再調整が必要となる。このように、従来の光学性能検査は、常に照射光学系の光軸調整作業を伴い、非常に煩雑なものであった。
【０００７】
また、試料から発生する２次電子ビームの運動エネルギー分布は、試料の種類や形状、２次電子ビームの照射角度によって複雑に変化する。そのため、光学性能検査においても検査チャートから発生する２次電子ビームの運動エネルギー分布が安定せず、色収差量が定まらないため、写像型電子顕微鏡の光学性能評価を更に難しくしていた。
したがって本発明は、照射光学系の光軸調整が不要であり、放出する電子ビームの運動エネルギー分布が安定した写像型電子顕微鏡用の検査チャートを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、添付図面に付した符号をカッコ内に付記すると、本発明は、照射線源（２１）から発した照射用電子線を試料面（２３）に照射する照射光学系（２２〜２４）と、試料面（２３）から放出された観察用電子線を検出手段（２９）に結像させる写像光学系（２４〜２８）とを有する写像型電子顕微鏡に用いる検査チャートにおいて、試料面（２３）の位置に挿脱可能に配置され、写像光学系（２４〜２８）の光学性能を検査するための検査用電子線（Ｅ）を自発的に放出することを特徴とする写像型電子顕微鏡用の検査チャートである。
その際、検査用電子線（Ｅ）の運動エネルギーは、観察用電子線の運動エネルギーとほぼ等しいことが好ましい。
また、検査用電子線（Ｅ）の発光形状は、点形状、線形状、面形状のうちの少なくとも１つの形状を有することが好ましい。
【０００９】
以上の構成において、検査チャートは、ホットエレクトロンエミッター上に形成することができる。図４、図５にて、代表的なホットエレクトロンエミッターについて説明する。
図４は、ＧａＡｓのショットキー接合エミッターを示す概略図である。ｐ−ＧａＡｓの基板１４には、ｐ⁺−ＧａＡｓ層１５が形成され、更にその表面に１０ｎｍ前後の膜厚層が形成されている。基板１４の裏面には、Ａｌ裏面電極２が形成されている。ｐ−ＧａＡｓの基板１４の一部には、直径数μｍのｐ⁺−ＧａＡｓ領域１３と、ｎ⁺−ＧａＡｓ領域１２とが形成され、ショットキー接合を形成している。このような構成のエミッターのＡｌ裏面電極２と電極１０に、逆バイアスを印可するとなだれ増倍が誘起され、流れる電流の一部が電子ビームＥとして真空に放出される。
【００１０】
図５は、ＭＯＳ構造エミッターを示す概略図である。ｎ−Ｓｉ基板１８の表面には、熱酸化による厚さ１０ｎｍ前後の薄いＳｉＯ₂膜１７が形成され、その上には同程度の厚さのＡｌ又はアモルファスＳｉの電極１６がゲートとして設けられている。ｎ−Ｓｉ基板１８の裏面には、Ａｌ裏面電極２が形成されている。このような構成のエミッターのＡｌ裏面電極２と電極１６に、順バイアスを印可すると、電子ビームＥが放出される。
【００１１】
以上のホットエレクトロンエミッターにおいて、放出される電子ビームＥの運動エネルギー分布のピーク値は何れも０〜数ｅＶであり、分布幅は何れも数ｅＶ以下であり、且つ、ＰＺＴ分極反転型エミッターを除き、表面電位は一定値を持つ。このエネルギー分布は、写像型電子顕微鏡の試料から放出される２次電子ビームの分布とほぼ等しい。そして、この分布は、エミッターの構造定数、バイアス、ゲート電圧コントロール等の調整によって、更に２次電子ビームの分布に近づけることが可能である。更に、エミッターの表面電位は一定なので、写像光学系の結像性能に影響を与えることもない。
【００１２】
このように、ホットエレクトロンエミッターは、自発的に２次電子ビームと同等の電子ビームＥを放出できる。そのため、写像型電子顕微鏡の試料の位置に、ホットエレクトロンエミッターを配置することで、照射光学系による照射を行わずに、写像光学系の光学性能検査ができる。更に、ホットエレクトロンエミッターから放出される電子ビームの分布幅を可変とすることにより、写像光学系で発生する色収差を定量的に分離評価することも可能になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１、２は、本発明による写像型電子顕微鏡用の解像力チャートの一実施例を示す。
図１は、ホットエレクトロンエミッター上の解像力チャートを示す図である。ホットエレクトロンエミッター１の表面には、Ａｌゲート電極５、ｎ⁺−Ｓｉ層６が形成されている。更に、ｎ⁺−Ｓｉ層６には、解像力チャートが形成されている。通常の可視光用の解像力チャートと同様に、画面の中心を通るメリジオナル方向と、これと直交するサジタル方向とにおいて階段的にピッチが変化するような線状パターン７の配列によって、解像力チャートが形成されている。ここで、解像力チャートの格子定数は、１００ｎｍ前後から数μｍ迄の階段的なものである。
【００１４】
これらの線状パターン７からは、自発的に電子ビームが放出される。すなわち、個々の線状パターン７は、ホットエレクトロンエミッター１の電子ビーム放出面に相当する。ここで、線状パターン７のサイズやピッチは、電子線描画リソグラフィーによって、数１０ｎｍにすることが可能である。
そして、このホットエレクトロンエミッター１の解像力チャートを、写像型電子顕微鏡の試料面の位置に配置し、写像光学系の解像力を検査することになる。ここで、通常の写像型電子顕微鏡による観察では、試料は接地されているか、定電位に保たれている。したがって、ホットエレクトロンエミッター１においても、解像力チャートの表面を、Ａｌゲート電極５又は表面金属膜にて隙なく覆い、予め定めた電位に保持することが必要である。すなわち、Ａｌゲート電極５を接地したり、又は定電位に保持することにより、実際の観察状態を再現することが可能である。
【００１５】
次に、図２にて、ホットエレクトロンエミッター１の内部構成を詳しく説明する。図２は、図１の解像力チャートのうちの１つの線状パターン７の周辺部分を破断して示した斜視図である。
Ｓｉ基板３の裏面には、Ａｌ裏面電極２が形成されている。ここで、Ａｌ裏面電極２は、接地されている。更に、Ｓｉ基板３の上部には、ＳｉＯ₂層４が形成されている。ＳｉＯ₂層４の厚さｄ４は、例えば、５００ｎｍ程度である。ＳｉＯ₂層４の一部には、電子線描画リソグラフィーによって、幅ｒ６が１００ｎｍ程度の溝が形成されている。この溝によって残されたＳｉＯ₂の絶縁層の厚さ、すなわち、溝とＳｉ基板３上面との距離ｈ６は、１０ｎｍ程度である。
【００１６】
更に、この溝の上部には、厚さｄ６が２０ｎｍ程度のｎ⁺−Ｓｉ膜６が形成されている。このｎ⁺−Ｓｉ膜６の溝の開口部のみを残して、ＳｉＯ₂層４の上部には、Ａｌゲート電極５が形成されている。
前述したように、電源ＶＤによって、Ａｌゲート電極５にバイアスを印可すると、溝の開口部、すなわち線状パターン７の形状に対応した電子ビームＥが放出される。ここで、この放出される電子ビームＥの分布は、ＳｉＯ₂層４の厚さｈ６、又はＡｌゲート電極５への印可電圧を変化させることで調整できる。
【００１７】
以上のように、本実施例による解像力チャートは、いわゆる自己発光型の解像力チャートである。したがって、写像型電子顕微鏡の光学性能を検査する場合、図３の写像型電子顕微鏡の試料位置にホットエレクトロンエミッター１を載置すれば、照射光学系による１次電子ビームの照射を行わずに、写像光学系単体で、解像力を検査することができる。すなわち、照射光学系の調整作業が不要となる。また、写像光学系単体で、解像力チャートの画面全面のパターンの歪み量を計測して、写像光学系の像歪みを評価することもできる。
なお、本実施例では、写像型電子顕微鏡の光学性能検査する検査チャートとして、線状パターン７よりなる解像力チャートを用いた。ところが、検査チャートとして、点状パターンを用いれば、写像光学系の光軸調整を行うこともできるし、十文字形状やＬ字形状等の面状パターンを用いれば、写像光学系の諸収差の検査を行うこともできる。また、検査チャートとしては、これらのパターンを組合せた複合チャートとしても良い。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明では、照射光学系による１次電子ビームの照射を行わずに、写像型電子顕微鏡の光学性能を評価できて、放出される電子ビームの運動エネルギー分布が安定した写像型電子顕微鏡用の検査チャートを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による写像型電子顕微鏡用の解像力チャートを示す概略図である。
【図２】本発明の一実施例による解像力チャートを形成するホットエレクトロンエミッターの内部を示す斜視図である。
【図３】従来の写像型電子顕微鏡を示す概略図である。
【図４】ＧａＡｓショットキー接合エミッターを示す概略図である。
【図５】ＭＯＳ構造エミッターを示す概略図である。
【符号の説明】
１…ホットエレクトロンエミッター
２…Ａｌ裏面電極
３…Ｓｉ基板
４…ＳｉＯ₂層 ５…Ａｌゲート電極
６…ｎ⁺−Ｓｉ層 ７…線状パターン
Ｅ…電子ビーム ＶＤ…電源

Claims (4)

1. 照射線源から発した照射用電子線を試料面に照射する照射光学系と、該試料面から放出された観察用電子線を検出手段に結像させる写像光学系とを有する写像型電子顕微鏡に用いる検査チャートにおいて、
   前記試料面の位置に挿脱可能に配置され、
   前記写像光学系の光学性能を検査するための検査用電子線を自発的に放出することを特徴とする写像型電子顕微鏡用の検査チャート。
2. 前記検査用電子線の運動エネルギーは、前記観察用電子線の運動エネルギーとほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の写像型電子顕微鏡用の検査チャート。
3. 前記検査用電子線の発光形状は、点形状、線形状、面形状のうちの少なくとも１つの形状を有することを特徴とする請求項１又は２記載の写像型電子顕微鏡用の検査チャート。
4. 前記検査用電子線の発光形状は、ホットエレクトロンエミッターの電子ビーム放出面に相当することを特徴とする請求項１、２又は３記載の写像型電子顕微鏡用の検査チャート。

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