JP4796791B2 - Charged particle beam apparatus and charged particle beam image generation method - Google Patents

Charged particle beam apparatus and charged particle beam image generation method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To radiate vacuum ultraviolet rays to a surface of a sample or the vicinity thereof when a charged particle beam is radiated to the sample to neutralize the charge generated by the radiation of the charged particle beam on the sample in relation to a charged particle beam device and a charged particle beam image generation method irradiating a charged particle beam to a sample for detecting a secondary electron beam emitted from the sample to generate an image. <P>SOLUTION: This charged particle beam device is provided with a lens system for radiating an accelerated and thinly narrowed charged particle beam to a sample, image formation means for generating an image by detecting secondary electrons emitted by flatly scanning the surface of the sample with the thinly narrowed charge particle beam, a means introducing or generating an ultraviolet ray of a wavelength belonging to a vacuum ultraviolet ray area absorbed by the air in vacuum of a sample chamber, and an ultraviolet radiation means for radiating the ultraviolet ray to the surface of the sample or the vicinity thereof when the charged particle beam is radiated to the sample to neutralize the charge generated by the radiation of the charged particle beam on the sample. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、荷電粒子線照射により帯電して像観察の支障となり易い半導体ウェハやフォトマスク等の表面の観察、検査、加工を行う荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法に関するものである。   The present invention relates to a charged particle beam apparatus and a charged particle beam image generation method for observing, inspecting, and processing a surface of a semiconductor wafer, a photomask or the like that are easily charged by charged particle beam irradiation and easily disturb image observation.
従来、半導体ウェハやフォトマスク表面の観察やパターン測長に、電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)が用いられている。また、フォトマスクパターンの修正に集束イオンビーム装置(FIB)が用いられている。しかし、これら材質の表面は、全体あるいは一部が非伝導性試料で構成されているため、荷電粒子の照射により表面が帯電し、観察や測長あるいは加工に支障となることがある。   Conventionally, a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) has been used for observation and pattern length measurement of a semiconductor wafer or a photomask surface. A focused ion beam apparatus (FIB) is used for correcting the photomask pattern. However, since the surface of these materials is entirely or partially composed of a non-conductive sample, the surface is charged by irradiation of charged particles, which may hinder observation, length measurement, or processing.
このため、FE−SEMにおいては、試料入射電圧を2KV以下に低くすることにより、材質に対する入射電子と反射電子の量をバランスさせて、帯電を防止することが一般的に行われている。しかし、ウェハ表面の材質によっては、試料入射電圧を数百V以下にする必要があり、像分解能や測長精度が低下する問題がある。   For this reason, in FE-SEM, it is common practice to prevent charging by balancing the amount of incident and reflected electrons with respect to the material by lowering the sample incident voltage to 2 KV or less. However, depending on the material of the wafer surface, the sample incident voltage needs to be several hundred volts or less, and there is a problem that image resolution and length measurement accuracy are lowered.
また、フォトマスクは、非伝導性の石英等の表面にCrでパターンを形成したものであり、同様に像観察や測長精度に支障がある場合がある。   In addition, the photomask has a pattern made of Cr on the surface of non-conductive quartz or the like, and there are cases where image observation and length measurement accuracy are similarly hindered.
また、FIBにおいては、フォトマスク表面のイオンビーム照射領域に、中和用電子銃からの電子を照射し、正イオンによる帯電を中和することが行われているが、中和電子銃の制御が難しくパターン修正が高精度に行われない場合がある。   In FIB, the ion beam irradiation area on the photomask surface is irradiated with electrons from a neutralizing electron gun to neutralize charging by positive ions. It is difficult to correct the pattern with high accuracy.
SEMにおいては、『生物学的標本等を実質的に自然の状態、即ち大気圧下で、観察できる電子顕微鏡』が、特許文献1に開示されている(特許文献1のFIGUREl参照)。この装置は、『標本台、電極及び制圧開口の外側の雰囲気を少なくとも0.05Torrに維持する手段と、電極と標本台との電位差をおよそ50Vよりも高くおよそ2000Vよりも低く維持する電圧源と、電極に接続された電流検出手段とを備えてなる二次電子検出装置』である。この装置においては、『標本が電子ビームに照射されて表面から放出された2次電子は電極と標本台との間の電位差により加速され、標本及び電極の雰囲気ガス分子と衝突して負電荷キャリアを発生する。負電荷キャリアは更に他のガス分子と衝突して更に負電荷キャリアを発生する。結局、元の2次電子数に比例しそれよりも多い多数の負電荷キャリアを生じると考えられる。この負電荷キャリア及びガス分子に吸着されなかった2次電子が正にバイアスされている電極に吸引され、電流を生じる。この電流を電流検出手段で検出し、公知の方法で電子顕微鏡像を形成する』。この方法を用いて開発された装置は、Environmental SEM(以下ESEM)として知られており、通常のSEMでは難しい非伝導性試料の観察が可能とされている。   In SEM, Patent Document 1 discloses “an electron microscope that can observe a biological specimen or the like in a substantially natural state, that is, under atmospheric pressure” (see FIGUREL in Patent Document 1). The apparatus includes: “a means for maintaining the atmosphere outside the sample stage, the electrode and the suppression aperture at at least 0.05 Torr; and a voltage source for maintaining the potential difference between the electrode and the sample stage at a value higher than about 50V and lower than about 2000V. And a secondary electron detection device comprising current detection means connected to the electrode. In this apparatus, “secondary electrons emitted from the surface when the specimen is irradiated with an electron beam are accelerated by the potential difference between the electrode and the specimen stage, collide with the atmospheric gas molecules of the specimen and the electrode, and negative charge carriers. Is generated. Negative charge carriers further collide with other gas molecules to generate further negative charge carriers. Eventually, it is considered that a large number of negative charge carriers are generated in proportion to the original number of secondary electrons. The negative charge carriers and secondary electrons that have not been adsorbed by the gas molecules are attracted to the positively biased electrode to generate a current. This current is detected by current detection means, and an electron microscope image is formed by a known method. An apparatus developed using this method is known as an Environmental SEM (hereinafter referred to as ESEM), and it is possible to observe a non-conductive sample which is difficult with a normal SEM.
さらに、より高分解能での観察を可能とするため、FE−SEMに、このESEMを組み合わせる方法が、Field Emission Environmental SEMとして、特許文献2に開示されている(特許文献2のFig3参照)。すなわち、特許文献2によれば、この装置は、『電界放出銃と試料との間に約1010トールまでの圧力差を与えるため少なくとも4個の差動的に吸引された真空ゾーンを含み、かつ、・・・少なくとも4個の圧力制限アバーチヤを含む差動ポンプ形アバーチヤシステムからなる電子光学カラムと、気体に被われた試料を、・・・圧力制限アバーチヤの中の最終圧力制限アパチャと位置合わせされた状態に維持する試料室と、試料の表面から放出する信号を検出する手段とにより構成される環境走査型電子顕微鏡』である。そして、『4個の差動ポンプ形真空ゾーンは、約10−10トールの圧力に維持された電界放出電子銃と、約10−7トールの圧力に維持された第1の中間真空ゾーンと、約10−4トールの圧力に維持された第2の中間真空ゾーンと、約0.1トールの圧力に維持された第3の中間真空ゾーンとを含む。・・・試料室は、好ましくは、約10トールの圧力に維持される』。そして、この方法を用いて開発された装置を用い、表面の帯電を軽減して、フォトマスク表面の高分解能観察及び測長を行う試みも報告されている(非特許文献1、PROCEEDINGSOFSPIE;24−27 February 2003;Volume 5038 p315)。この方法の問題点は、1)上述のように、試料付近の典型的な真空圧力は10Torr程度であり、高真空を必要とするFE電子銃付近の真空圧力は10−10Torr程度が必要とされるため、圧力制限アバーチヤの孔径を小さくした多段の差動排気システムが必要となり装置及びその制御が複雑となること、また、2)試料へ入射する電子ビームが、試料前方の比較的高いガス圧の分子と多数回衝突し、散乱されることにより、その分布が広がり、像分解能、像コントラストが低下し易いこと、さらに、3)SEMにて通常使用されるシンチレータとフォトマルから構成される高効率の2次電子検出系が使用できないことである。 Furthermore, in order to enable observation with higher resolution, a method of combining this ESEM with an FE-SEM is disclosed in Patent Document 2 as a Field Emission Environmental SEM (see FIG. 3 of Patent Document 2). That is, according to US Pat. No. 6,057,089, the device includes “at least four differentially aspirated vacuum zones to provide a pressure difference of up to about 10 10 Torr between the field emission gun and the sample, And an electro-optical column comprising a differential pump type aberration system including at least four pressure limiting apertures, a sample covered with gas, and a final pressure limiting aperture in the pressure limiting aperture It is an “environmental scanning electron microscope” composed of a sample chamber that maintains an aligned state and means for detecting a signal emitted from the surface of the sample. And “four differential pumped vacuum zones, a field emission electron gun maintained at a pressure of about 10 −10 Torr, a first intermediate vacuum zone maintained at a pressure of about 10 −7 Torr; A second intermediate vacuum zone maintained at a pressure of about 10-4 Torr and a third intermediate vacuum zone maintained at a pressure of about 0.1 Torr. ... The sample chamber is preferably maintained at a pressure of about 10 Torr. There has also been reported an attempt to perform high-resolution observation and length measurement of the photomask surface by reducing the surface charge using an apparatus developed using this method (Non-patent Document 1, PROCEEDINGSOFSPIE; 24- 27 February 2003; Volume 5038 p315). The problems of this method are as follows: 1) As described above, the typical vacuum pressure near the sample is about 10 Torr, and the vacuum pressure near the FE electron gun that requires high vacuum needs about 10 −10 Torr. Therefore, a multi-stage differential exhaust system in which the hole diameter of the pressure limiting avertier is reduced is required, and the apparatus and its control are complicated. 2) The electron beam incident on the sample is a relatively high gas in front of the sample. It is collided with the molecules of pressure many times and is scattered, so that the distribution is widened and the image resolution and image contrast are likely to be lowered. 3) It is composed of a scintillator and a photomultiplier normally used in SEM. A high-efficiency secondary electron detection system cannot be used.
一方、従来から、半導体ウェハや液晶ディスプレイの製造工程において、処理基板への塵挨の付着を防止する等の目的で、大気圧より低い減圧下において、紫外線照射により帯電した処理基板を除電する方法が開示されている(特許文献3)。特許文献3によれば、この装置は、『所定の電荷を帯びた帯電物体を収納可能な筐体と、少なくとも前記帯電物体に対して非反応性のガスを前記筐体内に導入するためのガス導入手段と、前記所定の電荷を選択的に中和可能なイオン及び電子を前記筐体内に発生させるための中和電荷発生手段と、前記筐体内を少なくとも大気圧より低い圧力にするための減圧手段とを備えたことを特徴とする帯電物体の中和装置』である。そして、『前記中和電荷発生手段は、少なくとも前記筐体内の非反応性ガスを励起可能な紫外線を前記筐体内に投光するための光源から成る』。   On the other hand, conventionally, in a manufacturing process of a semiconductor wafer or a liquid crystal display, a method of discharging a processing substrate charged by ultraviolet irradiation under a reduced pressure lower than atmospheric pressure for the purpose of preventing adhesion of dust to the processing substrate. Is disclosed (Patent Document 3). According to Patent Document 3, this apparatus is described as follows: “a casing capable of storing a charged object having a predetermined charge, and a gas for introducing a gas that is at least non-reactive with respect to the charged object into the casing. Introducing means, neutralizing charge generating means for generating ions and electrons capable of selectively neutralizing the predetermined charge in the casing, and reduced pressure for making the casing at least a pressure lower than atmospheric pressure And a neutralizing device for a charged object, characterized by comprising: And "the neutralization charge generating means comprises a light source for projecting at least ultraviolet rays capable of exciting the non-reactive gas in the casing".
しかし、荷電粒子線装置において、真空排気系や2次荷電粒子検出系を複雑化することなく、荷電粒子線の試料照射と同時に紫外線を照射することにより、試料表面の帯電を効果的に防止して高分解能像観察あるいは高精度測長をする方法、条件については明確ではなかった。   However, in a charged particle beam device, the sample surface is effectively prevented from being charged by irradiating ultraviolet rays simultaneously with the sample irradiation of the charged particle beam without complicating the vacuum exhaust system or the secondary charged particle detection system. The method and conditions for high-resolution image observation or high-precision length measurement were not clear.
また、TEM,REM,SEM等の電子線装置において、試料を電子線で照射したときに生じる汚染を低減する目的で、電子線と同時に光線、特に、190nmから400nmの波長域の紫外線を、試料に照射する例が開示されている(特許文献4)。しかし、従来、荷電粒子線装置において、紫外線を用いて、荷電粒子による試料帯電を防止するようにした事例は見当たらなかった。
特公平5−32860号公報 特表2002−516018号公報 特開平07−14761号公報 US2004/0195525Al PROCEEDINGS OF SPIE;24−27 February 2003;Volume 5038 p315
Further, in an electron beam apparatus such as TEM, REM, SEM, etc., for the purpose of reducing contamination caused when the sample is irradiated with an electron beam, a light beam, in particular, an ultraviolet ray having a wavelength range of 190 nm to 400 nm, The example which irradiates is disclosed (patent document 4). However, heretofore, there has been no case in which the charged particle beam apparatus uses ultraviolet rays to prevent sample charging by charged particles.
Japanese Patent Publication No. 5-32860 JP-T-2002-516018 Japanese Patent Laid-Open No. 07-14761 US2004 / 0195525Al PROCEEDINGS OF SPIE; 24-27 February 2003; Volume 5038 p315
本発明の目的は、試料室の真空圧力をあまり大きくせず、荷電粒子線装置のシステムを複雑化することなく、非伝導性試料の荷電粒子線照射による帯電を効果的に抑えつつ、高分解能像をえることにある。特に、FE−SEMにおいては、試料付近の真空圧力を大きくしないようにすることにより、FE電子銃における真空劣化を防止した状態で、試料
帯電を効果的に防止して、高分解能像を得ること、および測長精度を向上させることにあ
る。
The purpose of the present invention is not to increase the vacuum pressure in the sample chamber so much, but to complicate the system of the charged particle beam device, and effectively suppress the charging of the non-conductive sample due to the charged particle beam irradiation while achieving high resolution. There is to get an image. In particular, in the FE-SEM, by preventing the vacuum pressure in the FE electron gun from being deteriorated by preventing the vacuum pressure near the sample from being increased, the sample can be effectively prevented from being charged and a high resolution image can be obtained. And to improve the measurement accuracy.
ここで、紫外線の帯電中和作用として、以下が考えられる。まず、紫外線が試料に照射し、光電効果により、電子が発生する。試料が負に帯電している場合、電子が放出されることで、その帯電が緩和する。次に、試料付近のレンズポールピース等の部材に照射しても、同様に電子が発生するが、試料が正に帯電している場合、その帯電が中和する。さらに試料および試料付近の部材に吸着しているガス分子、あるいは、試料付近に導入されたガス分子に、紫外線が吸収され、ガス分子が正イオンと負イオンに電離する。試料の帯電が負の場合、正イオンにより、また試料の帯電が正の場合、負イオンにより帯電が中和さ
れる。
Here, the following can be considered as the neutralizing action of ultraviolet rays. First, ultraviolet rays are irradiated on the sample, and electrons are generated by the photoelectric effect. When the sample is negatively charged, the charge is relaxed by releasing electrons. Next, even when a member such as a lens pole piece in the vicinity of the sample is irradiated, electrons are similarly generated. However, when the sample is positively charged, the charge is neutralized. Furthermore, ultraviolet rays are absorbed by the gas molecules adsorbed on the sample and members near the sample, or gas molecules introduced near the sample, and the gas molecules are ionized into positive ions and negative ions. When the charge of the sample is negative, the charge is neutralized by positive ions. When the charge of the sample is positive, the charge is neutralized by negative ions.
本発明は、これらの問題を解決するため、荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線を検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、加速されて細く絞られた荷電粒子線を試料に照射するレンズ系と、細く絞った荷電粒子線で試料上を平面走査して放出された2次電子を検出して画像を生成する画像生成手段と、当該荷電粒子線装置の真空域を隔て、真空紫外線域に属する波長の紫外線が透過可能な窓を設け、当該窓を介して当該荷電粒子線装置の真空域内に紫外線を導入する手段とを設け、荷電粒子線が試料に照射されたときに、試料の表面あるいは近傍に紫外線を照射し、試料上の荷電粒子線の照射によって生じた電荷を中和するようにしている。   In order to solve these problems, the present invention is accelerated and narrowed down in a charged particle beam apparatus that generates an image by irradiating a sample with a charged particle beam and detecting a secondary electron beam emitted from the sample. A lens system for irradiating the sample with the charged particle beam, an image generating means for generating an image by detecting secondary electrons emitted by scanning the surface of the sample with a finely focused charged particle beam, and the charged particle Provided with a window through which the ultraviolet ray having a wavelength belonging to the vacuum ultraviolet ray region can pass through the vacuum region of the wire device, and means for introducing the ultraviolet ray into the vacuum region of the charged particle beam device through the window, the charged particle beam When the sample is irradiated with ultraviolet rays, the surface of the sample or the vicinity thereof is irradiated with ultraviolet rays to neutralize the charge generated by the irradiation of the charged particle beam on the sample.
本発明は、試料室の真空圧力をあまり大きくせず、荷電粒子線装置のシステムを複雑化することなく、非伝導性試料の荷電粒子線照射による帯電を効果的に抑えつつ、高分解能像をえることが可能となる。特に、FE−SEMにおいては、試料付近の真空圧力を大きくしないようにすることにより、FE電子銃における真空劣化を防止した状態で、試料帯電を効果的に防止して、高分解能像を得ること、および測長精度を向上させることが可能となる。   The present invention does not increase the vacuum pressure in the sample chamber so much, and does not complicate the system of the charged particle beam apparatus. Can be obtained. In particular, in the FE-SEM, by preventing the vacuum pressure in the FE electron gun from being deteriorated by preventing the vacuum pressure near the sample from being increased, the sample can be effectively prevented from being charged and a high resolution image can be obtained. It is possible to improve the measurement accuracy.
本発明は、加速されて細く絞られた荷電粒子線を試料に照射するレンズ系と、細く絞った荷電粒子線で試料上を平面走査して放出された2次電子を検出して画像を生成する画像生成手段とを設け、荷電粒子線が試料に照射されたときに、試料の表面あるいは近傍に紫外線を照射し、試料上の荷電粒子線の照射によって生じた電荷を中和し、試料の安定かつ高分解能の2次電子像を生成することを実現した。   The present invention generates an image by detecting a secondary electron emitted from a lens system that irradiates a sample with a charged particle beam that has been accelerated and finely focused, and a charged particle beam that has been finely focused to scan the sample. Image generating means for irradiating the sample with or near the surface of the sample when the charged particle beam is irradiated with ultraviolet rays, neutralizing the charge generated by the irradiation of the charged particle beam on the sample, It was possible to generate a stable and high-resolution secondary electron image.
図1は、本発明の1実施例構造図(その1)を示す。以下の実施例では、荷電粒子線(電荷を持った粒子線である、電子線、イオン線など)のうちの電子線を例に以下順次詳細に説明する。   FIG. 1 shows a structural diagram (part 1) of one embodiment of the present invention. In the following embodiments, detailed description will be given sequentially in the following, taking an electron beam of charged particle beams (electron beams, ion beams, etc., which are charged particle beams) as an example.
図1において、電子線1は、図示外の電子銃から放出されて図示外の集束レンズで集束された電子線であって、ここでは、対物レンズ2によって試料3上に細く絞られ、図示外の偏向系で当該試料3上をX方向およびY方向に走査(面走査)するものである。電子線1の通過経路は、通常、10−6Torr程度の圧力になるように真空引きされている。そして、電子線1で試料3上を面走査したときに放出された2次電子を検出して,いわゆる2次電子画像を図示外の表示装置上に表示する。 In FIG. 1, an electron beam 1 is an electron beam emitted from an electron gun (not shown) and focused by a focusing lens (not shown). Here, the electron beam 1 is finely focused on a sample 3 by an objective lens 2 and is not shown. The sample 3 is scanned (surface scan) in the X direction and the Y direction by the above deflection system. The passage path of the electron beam 1 is usually evacuated so as to have a pressure of about 10 −6 Torr. Then, secondary electrons emitted when the surface of the sample 3 is scanned with the electron beam 1 are detected, and a so-called secondary electron image is displayed on a display device (not shown).
対物レンズ2は、電子線1を試料3上に細く絞った状態で照射するものである。この細く絞られた電子線1は、図示外の偏向系で面走査される。   The objective lens 2 irradiates with the electron beam 1 narrowly focused on the sample 3. The narrowed electron beam 1 is surface-scanned by a deflection system (not shown).
試料3は、観察対象の試料であって、例えばフォトマスクなどである。
2次電子線4は、試料3上を細く絞った電子線1で面走査したときに当該試料3から放出される2次電子であって、ここでは、2次電子検出器(MCP:マイクロチャンネルプレート)5によって当該2次電子線4を検出するものである。2次電子線4を検出して増幅した後、図示外の表示装置上に試料3の表面の2次電子像として表示(輝度変調して2次電子像として表示)する。
The sample 3 is a sample to be observed and is, for example, a photomask.
The secondary electron beam 4 is a secondary electron emitted from the sample 3 when the surface of the sample 3 is scanned with the narrowed electron beam 1, and here, a secondary electron detector (MCP: microchannel) is used. The secondary electron beam 4 is detected by a plate 5. After the secondary electron beam 4 is detected and amplified, it is displayed as a secondary electron image on the surface of the sample 3 on a display device (not shown) (luminance modulation and display as a secondary electron image).
MCP5は、その検出面(図示では下方部分)が軸対称で、電子線1が通過可能な孔が形成されており、100V前後の正電圧を印加したものである。MCP5で構成される2次電子検出器は、試料3から放出された2次電子を引き寄せて検出し、更に増幅するものである。   The MCP 5 has a detection surface (lower part in the drawing) that is axially symmetric, has a hole through which the electron beam 1 can pass, and is applied with a positive voltage of around 100V. The secondary electron detector composed of the MCP 5 attracts and detects secondary electrons emitted from the sample 3, and further amplifies them.
ランプ(紫外線光源)6は、真空紫外線を発生させる重水素(D2)ランプなどである。図5に、D2ランプ6から発生する真空紫外線の波長に対する相対強度を示す。ランプの窓材が合成石英の場合、ランプ6から波長160nm〜400nmの真空紫外線が放出され、MgF2窓の場合は、波長115〜400nmの真空紫外線が放出される。当該ランプ6の前面には、光量を調整する絞り18,19、更に、必要なときのみ真空紫外線を放射するための図示外のシャッタ機構(例えば液晶あるいはメカシャッタ機構(回転式など)に制御信号(画像のフレーム毎、ライン毎)を供給して真空紫外線を通過、遮断するシャッタ機構)を設ける。   The lamp (ultraviolet light source) 6 is a deuterium (D2) lamp that generates vacuum ultraviolet rays. FIG. 5 shows the relative intensity with respect to the wavelength of vacuum ultraviolet rays generated from the D2 lamp 6. When the window material of the lamp is synthetic quartz, vacuum ultraviolet rays having a wavelength of 160 nm to 400 nm are emitted from the lamp 6, and when the window material is MgF2 window, vacuum ultraviolet rays having a wavelength of 115 to 400 nm are emitted. On the front face of the lamp 6, there are diaphragms 18 and 19 for adjusting the amount of light, and a control signal (for example, a liquid crystal or a mechanical shutter mechanism (rotary type, etc.) for emitting vacuum ultraviolet rays only when necessary. A shutter mechanism for supplying and blocking vacuum ultraviolet rays by supplying image frames and lines) is provided.
真空紫外線7は、紫外線(可視光線より波長の短い、波長400nm以下の光)の内、短波長域200nm〜10nm、即ち光電子のエネルギーが大きい紫外線であり、試料や部材から光電子を発生させたり、ガスをイオン化させる効果が大きいため、除電効果が高いが、大気により吸収され易い。図6は、波長に対する真空紫外線の透過率を示す。180nmより短い波長の真空紫外線は、酸素により吸収されほとんど大気中を透過しない。窒素ガスでも150nm以下の波長では吸収が起こる。従って、D2ランプ6等からの真空紫外線を装置内に導入するには、ランプ窓と鏡筒窓との間を真空にするか、窒素さらにはArガスを封入などして吸収を低減する必要がある。   The vacuum ultraviolet ray 7 is an ultraviolet ray (light having a wavelength shorter than that of visible light and having a wavelength of 400 nm or less), and has a short wavelength range of 200 nm to 10 nm, that is, an ultraviolet ray having a large photoelectron energy. Since the effect of ionizing the gas is great, the charge eliminating effect is high, but it is easily absorbed by the atmosphere. FIG. 6 shows the transmittance of vacuum ultraviolet rays with respect to wavelength. Vacuum ultraviolet light having a wavelength shorter than 180 nm is absorbed by oxygen and hardly transmits through the atmosphere. Even with nitrogen gas, absorption occurs at a wavelength of 150 nm or less. Therefore, in order to introduce the vacuum ultraviolet rays from the D2 lamp 6 or the like into the apparatus, it is necessary to reduce the absorption by making a vacuum between the lamp window and the lens barrel window or enclosing nitrogen or Ar gas. is there.
レンズ8とランプ6の窓との間の部屋9は、排気口10より真空引きされるか、あるいは、Arガスが封入されている。これにより、ランプ6からの真空紫外線は減衰することなく鏡筒真空内に導入される。ランプ(紫外線光源)6からの真空紫外線をライトガイドにより鏡筒の真空内に導入することも考えられ、通常の材質では吸収が大きく困難であり、吸収の小さい材料(例えばMgF2など)であれば有効な手段である。   A chamber 9 between the lens 8 and the window of the lamp 6 is evacuated from the exhaust port 10 or is filled with Ar gas. Thereby, the vacuum ultraviolet rays from the lamp 6 are introduced into the lens barrel vacuum without being attenuated. It is also conceivable to introduce vacuum ultraviolet light from the lamp (ultraviolet light source) 6 into the vacuum of the lens barrel with a light guide, and it is difficult to absorb with a normal material, and if it is a material with low absorption (for example, MgF2). It is an effective means.
レンズ8は、ランプ(紫外線光源)6から放射された真空紫外線を、反射鏡11、対物レンズ2の軸上を経由したパスで試料3上に可及的に高密度で照射するためのレンズである。レンズ8は、ランプ6から放射された真空紫外線7を、真空中に導入するための窓も兼ねている。真空紫外線7が通過するレンズ8には、真空紫外線7を効率良く通過するMgF2などを使用する。   The lens 8 is a lens for irradiating the sample 3 with as high a density as possible with vacuum ultraviolet rays radiated from the lamp (ultraviolet light source) 6 on the axis of the reflecting mirror 11 and the objective lens 2. is there. The lens 8 also serves as a window for introducing the vacuum ultraviolet rays 7 radiated from the lamp 6 into the vacuum. For the lens 8 through which the vacuum ultraviolet rays 7 pass, MgF2 or the like that efficiently passes through the vacuum ultraviolet rays 7 is used.
反射鏡11は、真空紫外線を反射するものであって、中心に電子線1を通過する孔を開けたものである。反射鏡の材料としては、真空紫外線を良く反射するものであればよい。   The reflecting mirror 11 reflects vacuum ultraviolet rays and has a hole through which the electron beam 1 passes at the center. Any material can be used for the reflecting mirror as long as it reflects vacuum ultraviolet rays well.
ガス導入菅12は、ガス13を試料3の近傍に吹き付けるものであって、例えば試料3を格納した試料室の圧力が例えば10−2Torr程度になるように吹き付けるものである。ガス13を直接に試料3の電子線1の面照射域に吹き付けると共に、真空紫外線7を照射して電離し、電子線1によって試料3上のチャージ(通常は、負の電荷)を当該電離した正の電荷でキャンセルし、結果として試料3の表面がチャージすることを防止し、きれいで歪のない、正確に測長可能な2次電子像を表示することが可能となる。 The gas introduction rod 12 blows the gas 13 in the vicinity of the sample 3, and for example, blows so that the pressure of the sample chamber storing the sample 3 becomes, for example, about 10 −2 Torr. The gas 13 is blown directly onto the surface irradiation area of the electron beam 1 of the sample 3 and ionized by irradiating with vacuum ultraviolet rays 7, and the charge (usually a negative charge) on the sample 3 is ionized by the electron beam 1. By canceling with a positive charge, it is possible to prevent the surface of the sample 3 from being charged. As a result, it is possible to display a secondary electron image that can be measured accurately and cleanly without distortion.
また、真空紫外線7は、ランプ(紫外線光源)6から放射されてレンズ8、反射鏡11を経由して試料3上に照射される真空紫外線であって、試料3の真上から可及的に高密度で試料3に照射するものであり、試料3の電子線1で面走査する範囲およびその近傍を照射して当該電子線1による試料3上の電荷(負、あるいは正の電荷)を中和するものである。尚、試料3の観察領域(電子線1の面走査領域)は、
(a)試料3に真空紫外線7を照射することにより、試料3から光電子が放出され、試料3に負の電荷が帯電(電子線1の照射による帯電)している場合に当該電荷を中和させるように作用する。
The vacuum ultraviolet ray 7 is a vacuum ultraviolet ray emitted from the lamp (ultraviolet light source) 6 and irradiated onto the sample 3 through the lens 8 and the reflecting mirror 11, and as much as possible from directly above the sample 3. The sample 3 is irradiated at a high density, and the area of the surface scanned by the electron beam 1 of the sample 3 and the vicinity thereof are irradiated and the charge (negative or positive charge) on the sample 3 by the electron beam 1 is medium. It is to be summed up. In addition, the observation area of the sample 3 (surface scanning area of the electron beam 1) is
(A) By irradiating the sample 3 with the vacuum ultraviolet ray 7, photoelectrons are emitted from the sample 3, and when the sample 3 is charged with a negative charge (charged by irradiation with the electron beam 1), the charge is neutralized. It works to let you.
(b)対物レンズ2の磁極や試料3の近傍の部材に真空紫外線を照射することにより、部材から光電子が放出され、当該光電子により試料3の正の電荷が中和される。   (B) By irradiating the member near the magnetic pole of the objective lens 2 or the sample 3 with vacuum ultraviolet rays, photoelectrons are emitted from the member, and the positive charge of the sample 3 is neutralized by the photoelectrons.
(c)試料3あるいは近傍の部材がガス雰囲気中にある場合あるいはガスが吸着している場合にはこれらガスに真空紫外線を照射することにより、ガスがイオン化(正と負のイオンに電離され)、試料が負に帯電していれば当該負の電荷が正のイオンで中和され、試料が正に帯電していれば当該正の電荷が負のイオンで中和される。   (C) When the sample 3 or a nearby member is in a gas atmosphere or when the gas is adsorbed, the gas is ionized (ionized into positive and negative ions) by irradiating the gas with vacuum ultraviolet rays. If the sample is negatively charged, the negative charge is neutralized with positive ions, and if the sample is positively charged, the positive charge is neutralized with negative ions.
次に、図1の構造の動作を説明する。
SEMにおいて、電子銃から放出されて図示外の集束レンズで集束された電子線1は、対物レンズ2により結像され、図示外の走査偏向器により、試料3上に時系列的に平面走査される。試料3は、通常10−6Torr前後の圧力の試料室に設置されている。試料3から放出された2次電子線4は、MCP(2次電子検出器)5により検出され、検出信号量に応じたコントラストで、走査偏向器と同期して表示装置の画面上に画像(2次電子像という)を形成する。試料3が非伝導性である場合、試料3は電子線1の照射により通常、負に帯電し、当該帯電した電荷の影響で画像歪みや、明るさむら等の像障害を生ずる。
Next, the operation of the structure of FIG. 1 will be described.
In the SEM, an electron beam 1 emitted from an electron gun and focused by a focusing lens (not shown) is imaged by an objective lens 2 and is plane-scanned in time series on the sample 3 by a scanning deflector (not shown). The The sample 3 is usually installed in a sample chamber having a pressure of about 10 −6 Torr. The secondary electron beam 4 emitted from the sample 3 is detected by an MCP (secondary electron detector) 5 and displayed on the screen of the display device in synchronization with the scanning deflector with a contrast corresponding to the detected signal amount. A secondary electron image). When the sample 3 is non-conductive, the sample 3 is usually negatively charged by the electron beam 1 irradiation, and image disturbance such as image distortion and uneven brightness occurs due to the charged charge.
そこで、本発明では、ランプ(紫外線光源)6から放射された真空紫外線7を、試料3上で電子線1の走査範囲より大きなスポットで照射する。すなわち、SEM鏡筒外部に設置されたランプ6から鏡筒に垂直方向に出た真空紫外線7は、レンズ8により集束され、反射鏡11により進行方向を電子線1の方向に変更され、試料3を照射する。これにより、試料3から光電子が放出され、試料3の電荷(例えば負の電荷)が当該光電子が放出されたことによる正の電荷により中和される。反射鏡11には、電子線1通過用の孔が設けられている。電子線1は、対物レンズ2および図示外の走査偏向器により、試料3上を集束、走査される。試料3から出た2次電子線4は、2次電子検出器5により検出される。レンズ8の材質は、真空紫外線の吸収が少ないMgF2等を用いる。   Therefore, in the present invention, the vacuum ultraviolet ray 7 emitted from the lamp (ultraviolet light source) 6 is irradiated on the sample 3 with a spot larger than the scanning range of the electron beam 1. That is, the vacuum ultraviolet rays 7 exiting in the vertical direction from the lamp 6 installed outside the SEM lens barrel are focused by the lens 8, and the traveling direction is changed to the direction of the electron beam 1 by the reflecting mirror 11. Irradiate. Thereby, photoelectrons are emitted from the sample 3, and the charge (for example, negative charge) of the sample 3 is neutralized by the positive charge due to the emission of the photoelectrons. The reflecting mirror 11 is provided with a hole for passing the electron beam 1. The electron beam 1 is focused and scanned on the sample 3 by an objective lens 2 and a scanning deflector (not shown). A secondary electron beam 4 emitted from the sample 3 is detected by a secondary electron detector 5. The material of the lens 8 is MgF2 or the like that has little absorption of vacuum ultraviolet rays.
尚、光電子もMCP(2次電子検出器)5により検出されバックグラウンドになるが、小さければ問題とならない。もし問題となる場合には、ランプ6から真空紫外線7を試料3上に照射するとき(例えば2次電子像のあるフレームあるいはフレーム内の1走査ラインから次のフレームあるいはラインに行くときのいわゆる帰線時間のとき)は2次電子像の形成が抑止されることで、当該紫外線7を試料3に照射したときに試料3から放出される光電子の混入した2次電子像の形成を抑止し、電子線1の照射のみによる2次電子像を形成するようにすればよい。   The photoelectrons are also detected by the MCP (secondary electron detector) 5 and become a background. If there is a problem, the sample 6 is irradiated with the vacuum ultraviolet ray 7 from the lamp 6 (for example, a so-called return when going from the frame having the secondary electron image or one scanning line in the frame to the next frame or line). In the case of the line time), the formation of the secondary electron image is suppressed, so that the formation of the secondary electron image mixed with the photoelectrons emitted from the sample 3 when the sample 3 is irradiated with the ultraviolet rays 7 is suppressed. A secondary electron image formed only by irradiation with the electron beam 1 may be formed.
また、MCPは、波長115nm以上の光に対して検出感度は1%程度以下であるので、重水素ランプなどの紫外線ランプからの光をあまり検出しない。従って、SEM像において、大きなバックグラウンドを生じない。しかし、通常、SEMにおいて2次電子検出器に用いられている光電子増倍管は、波長300nm以上の光に対し大きな検出感度を持つ。従って、この場合、大きなバックグラウンドを生じさせないためには、紫外線ランプからの光を遮蔽し、光電子増倍管に入射しないようにする工夫が必要である。   Further, since MCP has a detection sensitivity of about 1% or less with respect to light having a wavelength of 115 nm or more, it does not detect much light from an ultraviolet lamp such as a deuterium lamp. Therefore, no large background is generated in the SEM image. However, a photomultiplier tube used for a secondary electron detector in SEM usually has a large detection sensitivity for light having a wavelength of 300 nm or more. Therefore, in this case, in order not to generate a large background, it is necessary to devise a technique for shielding light from the ultraviolet lamp so as not to enter the photomultiplier tube.
図2は、本発明の1実施例構造図(その2)を示す。
図2の(a)は、窓15、部屋9およびランプ6からなる構造を採用した構造例を示す。
FIG. 2 is a structural diagram (part 2) of one embodiment of the present invention.
FIG. 2A shows a structural example in which a structure including a window 15, a room 9, and a lamp 6 is adopted.
図2の(a)において、電子線1、対物レンズ2、試料3、2次電子線4、MCP(2次電子検出器)5は、図1の同じ番号と同一であるので、説明を省略する。図1との違いは、反射鏡11が凹面鏡16に、凸のレンズ8が窓(真空紫外線通過窓)15になっていることである。真空紫外線7の試料3への集束は、図1の凸のレンズ8ではなく、図2の凹面鏡16が行う。窓(通過窓)15の材質は、真空紫外線の吸収の少ないMgF2製等とする。   In FIG. 2A, the electron beam 1, the objective lens 2, the sample 3, the secondary electron beam 4, and the MCP (secondary electron detector) 5 are the same as those in FIG. To do. The difference from FIG. 1 is that the reflecting mirror 11 is a concave mirror 16 and the convex lens 8 is a window (vacuum ultraviolet light passage window) 15. The focusing of the vacuum ultraviolet rays 7 onto the sample 3 is performed by the concave mirror 16 of FIG. 2, not the convex lens 8 of FIG. The material of the window (passing window) 15 is made of MgF 2 or the like that has little absorption of vacuum ultraviolet rays.
図2の(b)は、窓15、ランプ6からなる構造を採用した構造例を示す。これは、図2の(a)の構造のもとで、窓15、部屋9、およびランプ6からなる構造を、窓15、およびランプ6とし、部屋9を削除した例である。ここで、窓15とランプ6との間の空気を追い出して真空紫外線の吸収や反射を少なくするためにグリース(真空紫外線の吸収の少ないグリース171)を塗布し、当該反射などを少なくしたものである。   FIG. 2B shows a structural example in which a structure including a window 15 and a lamp 6 is adopted. This is an example in which the structure including the window 15, the room 9, and the lamp 6 is changed to the window 15 and the lamp 6 and the room 9 is deleted under the structure of FIG. Here, grease (grease 171 having little absorption of vacuum ultraviolet rays) is applied to expel air between the window 15 and the lamp 6 to reduce absorption and reflection of vacuum ultraviolet rays, and the reflection and the like are reduced. is there.
図2の(c)は、ランプ6を直接に取り付けた構造例を示す。これは、図2の(a)の構造のもとで、窓15、部屋9、およびランプ6からなる構造を、ランプ6のみとして鏡筒に直接に取り付けた例である。これにより、ランプ6から真空紫外線が放出されて、装置の真空内に導入するときの吸収、反射を無くし、効率良く真空内に導入することが可能となる。図2の(a),(b)は、ランプ6の交換の際、電子線1の通過経路を真空リークする必要がないので、メンテナンスの点で都合が良い。   FIG. 2C shows a structural example in which the lamp 6 is directly attached. This is an example in which the structure including the window 15, the room 9, and the lamp 6 is directly attached to the lens barrel as the lamp 6 only under the structure of FIG. As a result, vacuum ultraviolet rays are emitted from the lamp 6 to eliminate absorption and reflection when introduced into the vacuum of the apparatus, and can be efficiently introduced into the vacuum. 2 (a) and 2 (b) are convenient in terms of maintenance because it is not necessary to vacuum leak the passage of the electron beam 1 when the lamp 6 is replaced.
図3は、本発明の1実施例構造図(その3)を示す。
図3の(a)は、窓14、部屋9、およびランプ6の構造を採用した例を示す。ここで、電子線1、対物レンズ2、試料3は、図1の同じ番号と同一であるので、説明を省略する。図3の(a)では、ランプ(紫外線ランプ)6を対物レンズ2の部分に斜めに組み込むことにより、ランプ6の真空紫外線出射用の窓14が、試料3を見込むようにしている。メリットは、反射鏡(既述した図1の反射鏡11,図2の(a)の凹面鏡16)がないので、電子線1の通路を妨げないようにする機構が不要で、空間的な制約が減る。
FIG. 3 shows a structural diagram (part 3) of one embodiment of the present invention.
FIG. 3A shows an example in which the structure of the window 14, the room 9, and the lamp 6 is adopted. Here, the electron beam 1, the objective lens 2, and the sample 3 are the same as those in FIG. In FIG. 3A, the lamp (ultraviolet lamp) 6 is obliquely incorporated in the objective lens 2 so that the vacuum ultraviolet emission window 14 of the lamp 6 looks into the sample 3. The advantage is that there is no reflecting mirror (reflecting mirror 11 in FIG. 1 described above, concave mirror 16 in FIG. 2 (a)), so a mechanism that does not obstruct the passage of the electron beam 1 is unnecessary, and there is a spatial restriction. Decrease.
図3の(b)は、窓17およびランプ6の構造を採用した例を示す。図3の(b)は、図3の(a)の窓14、部屋9およびランプ6からなる構造を、窓17およびランプ6とし、ランプ6を窓17に直接に取り付けたものである。この際、窓17とランプ6との間の空気で真空紫外線が吸収されたり、反射(乱反射)されたりするのを低減するためにグリース(真空紫外線の吸収の少ないグリース)を両者の間に塗布し、真空紫外線の吸収を低減し、より効率的にランプ6から放射された真空紫外線が真空内に導入されるようにする。尚、図3の(b)の窓17を無くし、ランプ6を直接に対物レンズ2の鏡筒部分に取り付け(既述した図2の(c)のように取り付け)、当該ランプ6から放出された真空紫外線の吸収を無くし、真空内に導入するようにしてもよい。   FIG. 3B shows an example in which the structure of the window 17 and the lamp 6 is adopted. FIG. 3B shows a structure in which the window 14, the room 9, and the lamp 6 in FIG. 3A are the window 17 and the lamp 6, and the lamp 6 is directly attached to the window 17. At this time, grease (grease with little absorption of vacuum ultraviolet rays) is applied between the two in order to reduce absorption of vacuum ultraviolet rays or reflection (diffuse reflection) by the air between the window 17 and the lamp 6. Thus, the absorption of vacuum ultraviolet rays is reduced, and the vacuum ultraviolet rays radiated from the lamp 6 are more efficiently introduced into the vacuum. 3B is eliminated, the lamp 6 is directly attached to the lens barrel portion of the objective lens 2 (attached as shown in FIG. 2C), and emitted from the lamp 6. Alternatively, absorption of vacuum ultraviolet rays may be eliminated and the vacuum ultraviolet light may be introduced into the vacuum.
図4は、本発明の1実施例構造図(その4)を示す。
図4において、FE電子銃52は、フィールドエミッション型の電子銃であって、先端の尖った陰極に高電界を印加して電子を引き出して加速して放出するものである。
FIG. 4 is a structural diagram (part 4) of one embodiment of the present invention.
In FIG. 4, an FE electron gun 52 is a field emission type electron gun, which applies a high electric field to a cathode with a sharp tip to extract electrons, accelerate them, and emit them.
電子銃室53は、FE電子銃52を格納する室であって、イオンポンプ55によって高真空に排気されるものである。   The electron gun chamber 53 is a chamber for storing the FE electron gun 52 and is exhausted to a high vacuum by the ion pump 55.
オリフィス54は、小さな孔であって、FE電子銃52から放出された電子線1を通過させると共に、電子銃室53と、第1中間室56との間の圧力差(例えば10−2から10−3Torr)を保持するためのものである。 The orifice 54 is a small hole that allows the electron beam 1 emitted from the FE electron gun 52 to pass therethrough and at the same time a pressure difference between the electron gun chamber 53 and the first intermediate chamber 56 (for example, 10 −2 to 10 -3 Torr).
第1中間室56は、電子銃室53と第2中間室59との間に設けた室であって、イオンポンプ58で真空排気するものであり、下方に設けた小さな孔であるオリフィス57との作用により、電子銃室53の真空圧力を小さく保持するためのものである。   The first intermediate chamber 56 is a chamber provided between the electron gun chamber 53 and the second intermediate chamber 59, and is evacuated by an ion pump 58. An orifice 57, which is a small hole provided below, This is for keeping the vacuum pressure of the electron gun chamber 53 small.
第2中間室59は、対物レンズ2の上に設けた室であって、ここでは、ランプ(紫外光源)46からの真空紫外線47を、試料3に向けて反射する反射鏡51を設けた室である。   The second intermediate chamber 59 is a chamber provided on the objective lens 2. Here, the chamber provided with the reflecting mirror 51 that reflects the vacuum ultraviolet ray 47 from the lamp (ultraviolet light source) 46 toward the sample 3. It is.
排気管60は、第2中間室59を真空排気する図示外の排気系(ターボモレキュラーポンプなど)に接続するものである。   The exhaust pipe 60 is connected to an unillustrated exhaust system (such as a turbomolecular pump) that evacuates the second intermediate chamber 59.
2次電子検出器45は、例えばMCPにより構成され、試料3に電子線1を照射したときに放出された2次電子44に対して、正の高電界を印加して対物レンズ2の中心軸の近傍を螺旋(対物レンズ2の磁界により螺旋)させながら上方向に移動させて高効率に当該2次電子44を検出するものである。   The secondary electron detector 45 is made of, for example, MCP, and applies a positive high electric field to the secondary electrons 44 emitted when the sample 3 is irradiated with the electron beam 1 to thereby apply the central axis of the objective lens 2. The secondary electrons 44 are detected with high efficiency by moving in the upward direction while spiraling (in the vicinity of) by a spiral (helical by the magnetic field of the objective lens 2).
ランプ(紫外線光源)46は、紫外線を放出するものであって、図1と同様な構造を持つものである。ここで、紫外線発生ランプ46の前方に、図示外の既述した絞り18,19、更に、シャッタ機構などを設ける。レンズ48とランプ46の窓との間の部屋49は、排気口50より真空引きされるか、あるいは、Arガスが封入される。   The lamp (ultraviolet light source) 46 emits ultraviolet rays and has the same structure as that shown in FIG. Here, in front of the ultraviolet ray generating lamp 46, the above-described diaphragms 18 and 19 (not shown) and a shutter mechanism are provided. The room 49 between the lens 48 and the window of the lamp 46 is evacuated from the exhaust port 50 or is filled with Ar gas.
ランプ(紫外線光源)46から放射された紫外線47は、反射鏡51で反射された後、試料3の電子線1の走査領域およびガス導入管68から導入されたガスを照射し、試料3上の電荷を中和するものである。   The ultraviolet ray 47 radiated from the lamp (ultraviolet light source) 46 is reflected by the reflecting mirror 51, and then irradiated with the gas introduced from the scanning region of the electron beam 1 of the sample 3 and the gas introduction tube 68. It neutralizes the charge.
ガス導入管68は、試料室69内に設置された試料3の表面付近にガス(例えば0,Nなどのガス)を導入するものである。ガスの導入を、対物レンズ2の磁極間隙より行うようにしたので、対物レンズ2の磁極と試料3との間の距離(WD:ワーキングディスタンス)を小さくすることができ、対物レンズ2の焦点距離を小さくし、結果として像分解能を向上できる。 The gas introduction pipe 68 introduces a gas (for example, a gas such as 0 2 or N 2 ) near the surface of the sample 3 installed in the sample chamber 69. Since gas is introduced from the magnetic pole gap of the objective lens 2, the distance (WD: working distance) between the magnetic pole of the objective lens 2 and the sample 3 can be reduced, and the focal length of the objective lens 2. As a result, the image resolution can be improved.
試料室69は、試料3などを収納して真空に保持する室である。
周囲空間70は、試料3上の電子線1を平面走査する領域の周囲の空間であって、紫外線47を照射して当該試料3上の電荷(正、負)を中和に作用する空間である。
The sample chamber 69 is a chamber that accommodates the sample 3 and holds it in a vacuum.
The surrounding space 70 is a space around a region where the electron beam 1 on the sample 3 is plane-scanned, and is a space that irradiates the ultraviolet rays 47 and acts on neutralization of charges (positive and negative) on the sample 3. is there.
ガス導出管71は、試料室69にガス導入管68から導入したガスが所定真空になるように排気するための管である。   The gas outlet pipe 71 is a pipe for exhausting the gas introduced into the sample chamber 69 from the gas introduction pipe 68 so that a predetermined vacuum is obtained.
オリフィス61は、試料室69にガスを導入して圧力を上昇させたときに、MCP(2次電子検出器)45や、第2中間室59へのガスの流入を可及的に小さくするためのものである(通常、試料室69と、第2中間室59との間の圧力差(例えば10−2から10−3Torr)を保持するためのものである)。 The orifice 61 is used to minimize the inflow of gas into the MCP (secondary electron detector) 45 and the second intermediate chamber 59 when gas is introduced into the sample chamber 69 and the pressure is increased. (Normally, the pressure difference between the sample chamber 69 and the second intermediate chamber 59 (for example, 10 −2 to 10 −3 Torr) is maintained).
次に、図4の構造を説明する。
図4において、試料3の周囲空間70にガスを導入し、ランプ(紫外線光源)46からの真空紫外線47をこのガスに照射してイオン化することにより、電荷の中和効果をより向上させる例である。試料室69内に設置された試料3の表面付近には、ガス導入管68あるいは図示外のガス供給源により、Nや0等のガスが導入され、ガス導出管71により所定圧力となるように排気される。
Next, the structure of FIG. 4 will be described.
FIG. 4 shows an example in which a charge neutralization effect is further improved by introducing a gas into the surrounding space 70 of the sample 3 and irradiating the gas with a vacuum ultraviolet ray 47 from a lamp (ultraviolet light source) 46 for ionization. is there. In the vicinity of the surface of the sample chamber sample 3 installed in the 69, the gas introduction pipe 68 or an unillustrated gas supply source, is introduced a gas such as N 2 and 0 2, a predetermined pressure by a gas discharge pipe 71 So that it is exhausted.
鏡筒62は、通常のFE−SEMと同様、差動排気制御される。すなわち、オリフィス54の上方のFE電子銃52を収納した電子銃室53は、イオンポンプ55により排気され、その真空圧力は10−9Torrに維持される。オリフィス54とオリフィス57の間の第1中間室56は、イオンポンプ58により排気され、その真空圧力は、10−7Torrに維持される。オリフィス57とオリフィス61の間の第2中間室59は、排気管60から、図示していないターボモレキュラーポンプにより排気され、その真空圧力は、10−5Torrに維持される。オリフィス61の下方の試料室69内はガス導出菅71によって図示外のポンプで排気され、10−2Torrに維持される。対物レンズ2は、シュノーケル型でレンズ磁界型であるため、2次電子44は、当該対物レンズ2の磁界により電子銃方向(上方向)で軸上に巻き上げられ、小さな穴であるオリフィス61を通過して、上方に設けられたMCP(2次電子検出器)45に印加した正電圧に吸引されて検出される。MCP(2次電子検出器)45は、10−5Torrの真空内に設置されるため、放電や検出面の損傷や汚れを生じることなく安定に動作させることができる。オリフィス54,57,61による差動排気では、実行可能なオリフィス両側での圧力差は通常10〜10Torrである。従って、MCP(2次電子検出器)45の周囲の真空圧力を10−5Torrに維持するには試料室69の真空圧力を10−2Torrより小さい圧力に維持するように調整する。 The lens barrel 62 is subjected to differential exhaust control as in a normal FE-SEM. That is, the electron gun chamber 53 containing the FE electron gun 52 above the orifice 54 is evacuated by the ion pump 55, and the vacuum pressure is maintained at 10 −9 Torr. The first intermediate chamber 56 between the orifices 54 and 57 is evacuated by an ion pump 58, and the vacuum pressure is maintained at 10 −7 Torr. The second intermediate chamber 59 between the orifice 57 and the orifice 61 is exhausted from the exhaust pipe 60 by a turbo molecular pump (not shown), and the vacuum pressure is maintained at 10 −5 Torr. The inside of the sample chamber 69 below the orifice 61 is evacuated by a pump not shown by the gas outlet 71 and maintained at 10 −2 Torr. Since the objective lens 2 is a snorkel type and a lens magnetic field type, the secondary electrons 44 are wound up on the axis in the electron gun direction (upward) by the magnetic field of the objective lens 2 and pass through the orifice 61 which is a small hole. Then, it is detected by being attracted to a positive voltage applied to an MCP (secondary electron detector) 45 provided above. Since the MCP (secondary electron detector) 45 is installed in a vacuum of 10 −5 Torr, the MCP (secondary electron detector) 45 can be stably operated without causing discharge or damage or contamination of the detection surface. In differential evacuation by the orifices 54, 57 and 61, the feasible pressure difference between the two sides of the orifice is usually 10 2 to 10 3 Torr. Therefore, in order to maintain the vacuum pressure around the MCP (secondary electron detector) 45 at 10 −5 Torr, the vacuum pressure in the sample chamber 69 is adjusted to be maintained at a pressure lower than 10 −2 Torr.
ここで、ランプ(紫外線光源)46から放射された真空紫外線47が試料3の電子線1の照射領域およびその上方の領域を含む周囲空間70に照射されると、
・試料3の表面からは光電子が放出されて当該試料3上の電荷(電子線1の照射による負電荷)を中和する。
Here, when the vacuum ultraviolet ray 47 radiated from the lamp (ultraviolet light source) 46 is irradiated to the surrounding space 70 including the irradiation region of the electron beam 1 of the sample 3 and the region above it,
Photoelectrons are emitted from the surface of the sample 3 to neutralize charges on the sample 3 (negative charges due to irradiation of the electron beam 1).
・周囲空間70に真空紫外線47が照射されて当該周囲空間70内のガス、更に、試料3の表面のガス(吸着などしたガス)および周囲空間の対物レンズ2の下部の部材に吸着したガスなどがイオン化され(正、負のイオン)、試料3上の観察領域の電荷を中和する(試料3上の観察領域が負の電荷となった場合には正のイオンで中和、一方、正の電荷となった場合には負のイオンで中和)される。   The vacuum ultraviolet ray 47 is irradiated to the surrounding space 70, the gas in the surrounding space 70, the gas on the surface of the sample 3 (gas adsorbed, etc.), the gas adsorbed on the member below the objective lens 2 in the surrounding space, etc. Is ionized (positive and negative ions) to neutralize the charge in the observation region on the sample 3 (if the observation region on the sample 3 has a negative charge, it is neutralized with positive ions, while Is neutralized with negative ions).
以上のように、試料3の周囲空間70にガスを導入し、上述したように約10−2Torr程度に保持し、真空紫外線47を当該周囲空間70(および試料3の観察領域)に照射すると、試料3の観察領域の電荷を中和することが可能となり、高分解能かつ安定かつ電荷による歪のない2次電子像を生成することが可能となる。 As described above, when the gas is introduced into the surrounding space 70 of the sample 3 and maintained at about 10 −2 Torr as described above, the vacuum ultraviolet ray 47 is irradiated onto the surrounding space 70 (and the observation region of the sample 3). The charge in the observation region of the sample 3 can be neutralized, and a secondary electron image can be generated with high resolution and stability and free from distortion due to the charge.
図5は、本発明の真空紫外線領域スペクトラム例を示す。これは、既述したD2ランプから放出される真空紫外線領域のスペクトラムの例を示す。実線はランプの前面の真空紫外線を放出する面の材質をMgF2としたときのスペクトラムの例を表し、点線は合成石英としたときのスペクトラムの例を表す。MgF2の場合には、155nmよりも短い波長の真空紫外線が放出されていることが判明する。合成石英の場合には、155nm程度よりも短い波長の真空紫外線はほぼ吸収されて放出されていないことが判明する。このため、MgF2を使用したD2ランプが良い。また、真空紫外線を集束したり、真空外から真空内に導入する窓には、MgF2を用いて作成し、真空紫外線の吸収を可及的に低減する。   FIG. 5 shows an example of the vacuum ultraviolet region spectrum of the present invention. This shows an example of the spectrum in the vacuum ultraviolet region emitted from the D2 lamp described above. The solid line represents an example of the spectrum when the material of the front surface of the lamp that emits vacuum ultraviolet rays is MgF2, and the dotted line represents an example of the spectrum when synthetic quartz is used. In the case of MgF2, it turns out that vacuum ultraviolet rays having a wavelength shorter than 155 nm are emitted. In the case of synthetic quartz, it is found that vacuum ultraviolet rays having a wavelength shorter than about 155 nm are almost absorbed and not emitted. For this reason, a D2 lamp using MgF2 is preferable. Further, the window for focusing the vacuum ultraviolet rays or introducing the vacuum ultraviolet rays into the vacuum from outside the vacuum is made of MgF 2 to reduce the absorption of the vacuum ultraviolet rays as much as possible.
図6は、本発明の透過例を示す。これは真空紫外線が気体(空気、N2ガス)の透過率(Ar基準)の例を示す。Air(空気)の場合には、Arガスに比して180nm位でほぼ吸収されてしまっていることが判明する。一方、N2ガスは、120nmでもまだ十分に透過していることが判明する。   FIG. 6 shows a transmission example of the present invention. This shows an example of the transmittance (Ar standard) of vacuum ultraviolet rays of gas (air, N2 gas). In the case of Air (air), it is found that the air is almost absorbed at about 180 nm as compared with Ar gas. On the other hand, it turns out that the N2 gas is still sufficiently transmitted even at 120 nm.
従って、真空紫外線は、空気中で吸収されてしまうので、図1の構造で、ランプ6からレンズ8(MgF2で作成したレンズ8)までの間を密閉できる部屋6に構成し、内部を真空排気したまま保持、あるいは空気を排気してN2ガス(あるいはArガス)を封入し、真空紫外線の吸収を低減する。   Therefore, since the vacuum ultraviolet rays are absorbed in the air, the chamber 6 can be hermetically sealed from the lamp 6 to the lens 8 (lens 8 made of MgF2) with the structure shown in FIG. As it is, the N2 gas (or Ar gas) is sealed by evacuating the air and absorbing vacuum ultraviolet rays.
以上のように、試料室付近の真空圧力を10−2Torrより小さくして、真空紫外線47の照射により試料3の電荷(帯電)を中和するようにしたので、比較的簡単な差動排気制御系にて、フォトマスク等の伝導性の低い試料を、高分解能観察、高精度測長することが可能となる。また、FIBにおいては、比較的高精度でマスクパターンの修正することが可能となる。 As described above, the vacuum pressure in the vicinity of the sample chamber is made smaller than 10 −2 Torr, and the charge (charging) of the sample 3 is neutralized by irradiation with the vacuum ultraviolet ray 47. In the control system, it is possible to perform high-resolution observation and high-precision measurement of a low-conductivity sample such as a photomask. In FIB, the mask pattern can be corrected with relatively high accuracy.
尚、図1から図3の構造は、ランプ6を真空外に配置する構造を採用したが、ランプ6を真空内に配置するようにしてもよい。このランプを真空内に配置した場合には、窓14、部屋9などが不要となる。   The structure shown in FIGS. 1 to 3 employs a structure in which the lamp 6 is disposed outside the vacuum, but the lamp 6 may be disposed in the vacuum. When this lamp is disposed in a vacuum, the window 14 and the room 9 are not required.
本発明は、荷電粒子線照射により帯電して像観察の支障となり易い半導体ウェハやフォトマスク等の試料の表面の観察、検査、加工を行う荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法に関するものである。   The present invention relates to a charged particle beam apparatus and a charged particle beam image generation method for observing, inspecting, and processing a surface of a sample such as a semiconductor wafer or a photomask, which are easily charged by charged particle beam irradiation and easily interfere with image observation. is there.
本発明の1実施例構造図(その1)である。FIG. 1 is a structural diagram (part 1) of an embodiment of the present invention. 本発明の1実施例構造図(その2)である。It is 1st Embodiment structural drawing (the 2) of this invention. 本発明の1実施例構造図(その3)である。FIG. 3 is a structural diagram (part 3) of an embodiment of the present invention. 本発明の1実施例構造図(その4)である。FIG. 4 is a structural diagram (part 4) of an embodiment of the present invention. 本発明の真空紫外線領域スペクトラム例である。It is a vacuum ultraviolet range spectrum example of the present invention. 本発明の透過率例である。It is the transmittance | permeability example of this invention.
符号の説明Explanation of symbols
1:電子線
2:対物レンズ
3:試料(フォトマスク)
4,44:2次電子線
5,45:2次電子検出器(MCP)
6,46:ランプ(紫外線光源)
7,47:真空紫外線
8:レンズ
9:部屋
10:排気口
11:反射鏡
12、68:ガス導入菅
13:ガス
14、15,17:窓
16:凹面鏡
171:グリース
18,19:絞り
48,68:ガス導入管
69:試料室
70:周囲空間
71:ガス導出管
52:FE電子銃
53:電子銃室
54,57,61:オリフィス(孔)
55,58:イオンポンプ
56:第1中間室
59:第2中間室
72:対物レンズ
1: Electron beam 2: Objective lens 3: Sample (photomask)
4, 44: Secondary electron beam 5, 45: Secondary electron detector (MCP)
6, 46: Lamp (ultraviolet light source)
7, 47: Vacuum ultraviolet ray 8: Lens 9: Room 10: Exhaust port 11: Reflection mirror 12, 68: Gas introduction rod 13: Gas 14, 15, 17: Window 16: Concave mirror 171: Grease 18, 19: Aperture 48 68: Gas introduction tube 69: Sample chamber 70: Ambient space 71: Gas outlet tube 52: FE electron gun 53: Electron gun chamber 54, 57, 61: Orifice (hole)
55, 58: ion pump 56: first intermediate chamber 59: second intermediate chamber 72: objective lens

Claims (16)

  1. 荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線を検出して画像を生成する荷電粒子線装置において、
    加速されて細く絞られた荷電粒子線を試料に照射するレンズ系と、
    前記細く絞った荷電粒子線で前記試料上を平面走査し放出された2次電子を、光の検出感度が低いあるいは検出しなくて、電子の検出感度が高いMCPを用いて検出・増倍して、画像を生成する画像生成手段と、
    大気により吸収される真空紫外線域に属する波長の紫外線を、前記試料室の真空内に導入あるいは発生させる手段と、
    ガスを前記試料室内の試料の前記荷電粒子線が照射される部分に導入するガス導入管と、
    前記荷電粒子線が試料に照射されたときに、前記紫外線を前記試料の表面あるいは前記試料付近の部材に照射すると共に前記ガス導入管によりガスを試料上の荷電粒子線の照射される部分に導入し、当該荷電粒子線の照射によって試料上に生じた電荷を、当該ガスを電離することにより中和する紫外線照射手段と
    を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
    In a charged particle beam apparatus for generating an image by irradiating a sample with a charged particle beam to detect a secondary electron beam emitted from the sample,
    A lens system that irradiates a specimen with a charged particle beam that is accelerated and finely focused;
    Secondary electrons emitted by scanning the surface of the sample with the finely charged charged particle beam are detected / multiplied by using an MCP with high or low electron detection sensitivity. Image generating means for generating an image;
    Means for introducing or generating ultraviolet rays having a wavelength belonging to the vacuum ultraviolet region absorbed by the atmosphere into the vacuum of the sample chamber;
    A gas introduction pipe for introducing gas into a portion of the sample chamber where the charged particle beam is irradiated;
    When the sample is irradiated with the charged particle beam, the ultraviolet ray is irradiated on the surface of the sample or a member in the vicinity of the sample, and the gas is introduced into the charged particle beam irradiated portion on the sample by the gas introduction tube. And an ultraviolet irradiation means for neutralizing the charge generated on the sample by irradiation with the charged particle beam by ionizing the gas.
  2. 荷電粒子線装置の真空外と真空内の境界に、大気により吸収される真空紫外線域に属する波長の紫外線が透過可能な窓を設け、当該窓を介して真空内に、紫外線を導入することを特徴とする請求項1記載の荷電粒子線装置。   A window capable of transmitting ultraviolet light having a wavelength belonging to the vacuum ultraviolet light region absorbed by the atmosphere is provided at the boundary between the outside and inside of the vacuum of the charged particle beam apparatus, and ultraviolet light is introduced into the vacuum through the window. The charged particle beam apparatus according to claim 1, wherein
  3. 前記窓の材質は、熔融石英、合成石英、弗化カルシウムあるいは弗化マグネシウムであることを特徴とする請求項2記載の荷電粒子線装置。   3. The charged particle beam apparatus according to claim 2, wherein the window is made of fused quartz, synthetic quartz, calcium fluoride or magnesium fluoride.
  4. 前記窓は、紫外線の収束レンズを兼ねていることを特徴とする請求項2あるいは請求項2記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to claim 2, wherein the window also serves as an ultraviolet converging lens.
  5. 前記窓と真空紫外線を発生する紫外線ランプとの間に大気と異なる媒体を入れて紫外線の減衰を低減したことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれかに記載の荷電粒子線装置。   5. The charged particle beam device according to claim 2, wherein the attenuation of ultraviolet rays is reduced by inserting a medium different from the atmosphere between the window and an ultraviolet lamp that generates vacuum ultraviolet rays.
  6. 前記媒体は,ArガスあるいはN2ガスであることを特徴とする請求項5記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to claim 5, wherein the medium is Ar gas or N 2 gas.
  7. 前記窓と紫外線ランプとの間を減圧したことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれかに記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to any one of claims 2 to 4, wherein a pressure between the window and the ultraviolet lamp is reduced.
  8. 紫外線ランプを鏡筒に取り付けて直接に真空に面するように配置、あるいは真空内に配置し、当該紫外線ランプから放出された真空紫外線を直接に真空内に導入することを特徴とする請求項1記載の荷電粒子線装置。   2. An ultraviolet lamp is attached to a lens barrel so as to directly face a vacuum, or disposed in a vacuum, and vacuum ultraviolet rays emitted from the ultraviolet lamp are directly introduced into the vacuum. The charged particle beam apparatus described.
  9. 前記荷電粒子線装置の真空内で、紫外線を反射させ、前記試料に照射するようにした反射鏡を備えたことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising a reflecting mirror configured to reflect ultraviolet rays and irradiate the sample in a vacuum of the charged particle beam apparatus. .
  10. 前記反射鏡が凹面鏡であることを特徴とする請求項9に記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to claim 9, wherein the reflecting mirror is a concave mirror.
  11. 前記2次電子検出器が、MCPであることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the secondary electron detector is an MCP.
  12. 前記ガスの導入を、対物レンズの磁極間隔より行うようにしたことを特徴とする請求項1から請求項11のいずれかに記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to claim 1, wherein the gas is introduced from a magnetic pole interval of an objective lens.
  13. 前記試料室の圧力を10-2 Torrより小さい圧力に真空排気することを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載の荷電粒子線装置。 The charged particle beam apparatus according to any one of claims 1 to 12, wherein the pressure in the sample chamber is evacuated to a pressure lower than 10 -2 Torr.
  14. 前記荷電粒子線と前記紫外線について一方の照射時は他方の照射を抑止、あるいは両者の照射が重なったときは当該重なった画像の生成を抑止したことを特徴とする請求項1から請求項13のいずれかに記載の荷電粒子線装置。   14. The charged particle beam and the ultraviolet ray when one of the irradiations is suppressed, or when the other irradiations overlap, generation of the overlapped image is suppressed. The charged particle beam apparatus in any one.
  15. 前記抑止は、画像のフレーム毎あるいはライン毎に行うことを特徴とする請求項14に記載の荷電粒子線装置。   The charged particle beam apparatus according to claim 14, wherein the suppression is performed for each frame or line of an image.
  16. 荷電粒子線を試料に照射して当該試料から放出される2次電子線を検出して画像を生成する荷電粒子線像生成方法において、
    加速されて細く絞られた荷電粒子線を試料に照射するレンズ系と、
    ガスを前記試料室内の試料の前記荷電粒子線が照射される部分に導入するガス導入管と、
    前記細く絞った荷電粒子線で前記試料上を平面走査し放出された2次電子を、光の検出感度が低いあるいは検出しなくて、電子の検出感度が高いMCPを用いて検出・増倍して、画像を生成する画像生成手段と、
    大気により吸収される真空紫外線域に属する波長の紫外線を、前記試料室の真空内に導入あるいは発生する手段とを備え、
    前記荷電粒子線が試料に照射されたときに、前記紫外線を前記試料の表面あるいは前記試料付近の部材に照射すると共に前記ガス導入管によりガスを試料上の荷電粒子線の照射される部分に導入し、当該荷電粒子線の照射によって試料上に生じた電荷を、当該ガスを電離することにより中和する
    ことを特徴とする荷電粒子線像生成方法。
    In a charged particle beam image generation method for generating an image by irradiating a sample with a charged particle beam and detecting a secondary electron beam emitted from the sample,
    A lens system that irradiates a specimen with a charged particle beam that is accelerated and finely focused;
    A gas introduction pipe for introducing gas into a portion of the sample chamber where the charged particle beam is irradiated;
    Secondary electrons emitted by scanning the surface of the sample with the finely charged charged particle beam are detected / multiplied by using an MCP with high or low electron detection sensitivity. Image generating means for generating an image;
    Means for introducing or generating ultraviolet rays having a wavelength belonging to the vacuum ultraviolet region absorbed by the atmosphere into the vacuum of the sample chamber,
    When the sample is irradiated with the charged particle beam, the ultraviolet ray is irradiated on the surface of the sample or a member in the vicinity of the sample, and the gas is introduced into the charged particle beam irradiated portion on the sample by the gas introduction tube. Then, a charged particle beam image generation method characterized in that the charge generated on the sample by irradiation with the charged particle beam is neutralized by ionizing the gas.
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