JP5253533B2 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、ウエハの欠陥の検出に使用して好適な電子顕微鏡装置に関し、特に、試料表面の凹凸の像を撮像するための走査型電子顕微鏡に関する。

半導体デバイスの製造工程では、ウエハの欠陥を検査するインラインウエハ検査が実施される。ウエハの欠陥を検出し、解析を行うことにより、欠陥の発生原因を突き止め、歩留まりの向上と製造ラインの安定稼働を実現することができる。

従来、ウエハの欠陥を検査するために光学式の欠陥検査装置が用いられていたが、近年、走査型電子顕微鏡を用いた欠陥検査装置が用いられる。走査型電子顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸の像を得ることができる。

走査型電子顕微鏡を用いて試料表面の凹凸像を得る方法が、特開２００１−１１０３５１及び特開２００２−８３５６３号に記載されている。

特開２００１−１１０３５１号 特開２００２−８３５６３号

近年、半導体の製造プロセスの微細化に伴い、欠陥サイズも微細化している。そのため、試料表面の像として、高分解能かつ高コントラストな凹凸像を得ることが必要である。

本発明の目的は、試料表面の像として、高分解能かつ高コントラストな凹凸像を得ることができる走査型電子顕微鏡を提供することにある。

本発明によると走査型電子顕微鏡は、一次電子線を発生させる電子源と、一次電子線を試料上に集束させる対物レンズと、試料から発生した信号電子を衝突させるための導体板と、導体板から発生した二次電子を検出する検出器と、信号電子を加速させるための加速電界を発生させる加速電界発生手段と、対物レンズの上側に配置されたシールド板と、を有する。このような構造を有する走査型電子顕微鏡を用いて試料像を得る。

本発明によれば、試料表面の像として、高分解能かつ高コントラストな凹凸像を得ることができる。

本発明による走査型電子顕微鏡の構造の概略を示す図である。 本発明による走査型電子顕微鏡の対物レンズ近傍の構造を示す図である。 本発明による走査型電子顕微鏡においてシールド板の機能を説明するための説明図である。 本発明によるシールド板の例を示す図である。 本発明による走査型電子顕微鏡の導体板と検出器の位置関係を示す図である。 本発明による走査型電子顕微鏡の導体板の他の例を示す図である。 本発明による走査型電子顕微鏡によって試料表面の凹部の像を撮像する例を説明するための説明図である。 本発明による走査型電子顕微鏡によって試料表面の凸部の像を撮像する例を説明するための説明図である。

図１に、本発明による走査型電子顕微鏡の一例を示す。本例の走査型電子顕微鏡は、陰極１、陽極２、３、集束レンズ５、絞り板６、第一の導体板７、第一の検出器８、偏向コイル９、第二の導体板１０、第二の検出器１１ａ、１１ｂ、シールド板１２、対物レンズ１３を有する。対物レンズ１３の下方に試料１５が配置されている。第二の検出器１１ａ、１１ｂの電子検出体は、シンチレータであってよい。

本例の走査型電子顕微鏡は、更に、陰極１と第一陽極２、第二陽極３間に印加する高電圧を制御する高電圧制御電源１８、集束レンズ５に流す電流を制御する集束レンズ制御電源１９、第一の検出器８からの信号を増幅する第一の増幅器２０、偏向コイル９に倍率に対応した走査信号を供給する偏向コイル制御部２１、第二の検出器１１ａ、１１ｂからの信号を増幅する第二の増幅器２２ａ、２２ｂ、第二の検出器１１ａ、１１ｂに印加する電圧を制御する検出器印加電圧制御部２３ａ、２３ｂ、対物レンズに流す電流を制御する対物レンズ制御電源２４、対物レンズの分離磁極１３ｂに印加する電圧を制御する印加電圧制御部２５、試料１５に印加する負電圧を制御する試料印加電圧制御部２６、シールド板１２に印加する電圧を制御するシールド板印加電圧制御部２７、試料１５の拡大像を表示する画像表示装置２８、及び、走査型電子顕微鏡全体を制御するＣＰＵ２９、を有する。

対物レンズ１３は、磁界漏洩型対物レンズであり、対物レンズ１３の中心領域にて試料１５上に漏洩磁場を生成する。対物レンズ１３は主磁極１３ａとリング状の分離磁極１３ｂを含む分割型であり、主磁極１３ａと分離磁極１３ｂの間には、隙間１３ｃが形成されている。印加電圧制御部２５によって分離磁極１３ｂに正の電圧が印加される。それによって加速電界が生成される。

試料印加電圧制御部２６によって試料１５に負の電圧が印加される。それにより試料１５上に減速電界が生成される。シールド板印加電圧制御部２７によってシールド板１２に０Ｖ〜数十Ｖの負電圧が印加される。

検出器印加電圧制御部２３ａ、２３ｂによって第二の検出器１１ａ、１１ｂに正の電圧が印加される。それにより、引き込み電界が生成される。加速電界、減速電界、引き込み電界の機能については後に説明する。

なお、試料１５を保持する試料ステージ、試料を搬送する搬送システム、走査型電子顕微鏡を収容する真空容器などの図示は省略している。

陰極１と第二陽極３の間に高電圧を印加することによって、陰極１から放出した一次電子線４は加速される。一次電子線４は、集束レンズ５によって集束され、絞り板６によって不要なビーム領域が除去される。一次電子線４は、第一の導体板７の開口を通過し、偏向コイル９によって二次元的に走査され、第二の導体板１０の開口を通過する。一次電子線４は、対物レンズ１３によって集束され、試料１５上の減速電界によって減速され、試料１５上に微小スポットを生成する。

一次電子線４の照射によって試料１５から低エネルギーの信号電子１６と高エネルギーの信号電子１７が放出される。ここで低エネルギーの信号電子１６のエネルギーは１０ｅＶ未満であり、高エネルギーの信号電子１７のエネルギーは１０ｅＶ以上とする。低エネルギーの信号電子１６は放射方向の指向性を有しない。低エネルギーの信号電子１６によって試料１５の表面の輪郭、異なる材質の境界等の画像が得られるが、明瞭な凹凸像を得るのは困難である。一方、高エネルギーの信号電子１７は試料１５の表面に対して傾斜した方向に放射される。即ち、放射方向の指向性を有する。高エネルギーの信号電子１７によって試料１５の表面の凹凸像が得られる。

低エネルギーの信号電子１６は、試料１５の減速電界によって対物レンズ１３方向に加速され、対物レンズ１３の漏洩磁場によって対物レンズ１３の中心方向へ集められ、対物レンズ１３の中心を通過する。対物レンズ１３を通過した低エネルギーの信号電子１６は、第一の導体板７に衝突する。それによって、二次電子３０が発生する。二次電子３０は、第一の検出器８によって検出される。第一の検出器８からの検出信号は、第一の増幅器２０によって増幅され、ＣＰＵ２９によって処理され、画像表示装置２８に供給される。画像表示装置２８は、試料の拡大像を表示する。

高エネルギーの信号電子１７は、試料１５の表面に対して傾斜した方向に放出されるが、対物レンズ１３の漏洩磁場によって対物レンズ１３の中心方向へ曲げられる。こうして、高エネルギーの信号電子１７は、軌道を曲げて、対物レンズ１３の中心を通過する。対物レンズ１３を通過した高エネルギーの信号電子１７は、磁極１３ｂによって生成された加速電界によって、陰極１方向に加速される。加速した高エネルギーの信号電子１７は、第二の導体板１０に衝突することができる。それによって、二次電子３１が発生する。二次電子３１は、第二の検出器１１ａ、１１ｂによって検出される。第二の検出器１１ａ、１１ｂからの検出信号は、第二の増幅器２２ａ、２２ｂによって増幅され、ＣＰＵ２９によって処理され、画像表示装置２８に供給される。画像表示装置２８は、試料の凹凸像を表示する。

本例では、高エネルギーの信号電子１７ばかりでなく一次電子線４も、磁極１３ｂによって生成された加速電界によって加速されるから、一次電子線４の収差が低減し、高分解能の凹凸像が得られる。尚、対物レンズ１３の上部に設けたシールド板１２の機能の説明は後に図３を参照して説明する。

以下に、高エネルギーの信号電子１７を用いて、試料の表面の微小な凹凸の像を得る場合を説明する。

図２を参照して、本発明による走査型電子顕微鏡の第２の例を示す。図２では、走査型電子顕微鏡の下部の一部のみを示す。本例では、対物レンズ１３は、分割型ではなく一体型である。その代わりに、対物レンズ１３の内側の下端に、且つ、シールド板１２の下端に、リング状の電極１４が設けられている。電極１４には印加電圧制御部２５によって正の電圧が印加される。それによって、加速電界が生成される。電極１４は磁極１３ｂと同様な機能を有する。

試料１５の表面に対して傾斜した方向に放出された高エネルギーの信号電子１７は、対物レンズ１３の漏洩磁場によって対物レンズ１３の中心方向へ曲げられる。対物レンズ１３の中心を通過した高エネルギーの信号電子１７は、電極１４によって生成された加速電界によって、陰極１方向に加速される。加速した高エネルギーの信号電子１７は、第二の導体板１０に衝突することができる。それによって、二次電子３１が発生する。二次電子３１は、第二の検出器１１ａ、１１ｂによって検出される。第二の検出器１１ａ、１１ｂからの検出信号は、第二の増幅器２２ａ、２２ｂによって増幅され、ＣＰＵ２９によって処理され、画像表示装置２８に供給される。画像表示装置２８は、試料の凹凸像を明瞭に表示する。

本例では、高エネルギーの信号電子１７ばかりでなく一次電子線４も、電極１４によって生成された加速電界によって加速するから、一次電子線４の収差が低減し、高分解能な試料の凹凸像が得られる。

磁極１３ｂ又は電極１４によって生成された加速電界方向に二次粒子３１が引っ張られるから、二次粒子３１の検出効率は高くない。そこで、本発明によると、シールド板１２を設けることにより、高エネルギーの信号電子１７の検出効率を向上させることができる。

図３を参照して、本例の走査型電子顕微鏡のシールド板１２の機能について詳細に説明する。ここではシールド板１２の例として、電界シールド板１２ａ、磁界シールド板１２ｂ、及び、電磁界シールド板１２ｃについて説明する。図３（ａ）は、図１の対物レンズよりシールド板１２を除去した状態を示す。対物レンズの分離磁極１３ｂに正の電圧を印加することによって第二の導体板１０と分離磁極１３ｂとの間の空間に高エネルギーの信号電子を加速させる加速電界５０が発生する。第二の検出器１１ａ、１１ｂに正の電圧を印加することにより、二次粒子線３１を検出器１１ａ、１１ｂ上に引き込む作用を有する引き込み電界５１が発生する。従って、対物レンズ１３の上方では、加速電界５０と引き込み電界５１が存在する。しかしながら、第二の導体板１０のＦ端近傍において加速電界５０の強度は、引き込み電界５１の強度より大きい。従って、第二の導体板１０から発生した二次電子３１は、加速電界５０によって引っ張られ、対物レンズの方向に引き込まれる。従って、検出器１１ａ、１１ｂによって検出される高エネルギーの信号電子１７は少なくなり、鮮明な凹凸像が得られなくなる。

そこで、本発明によると、図３（ｂ）に示すように、対物レンズ１３の上部に非磁性体の導体の電界シールド板１２ａを設ける。対物レンズ１３の上方には、加速電界５０、及び、引き込み電界５１が生成される。しかしながら、加速電界５０は電界シールド板１２ａによって遮られ、対物レンズ１３の上方に及ばない。対物レンズ１３の上方では、引き込み電界５１が支配的となる。第二の導体板１０から発生した二次電子３１は、引き込み電界５１によって第二の検出器１１ａ、１１ｂの方向に引っ張られる。検出器１１ａ、１１ｂによって検出される高エネルギーの信号電子１７は多くなり、鮮明な凹凸像が得られる。

図３（ｃ）は図３（ａ）と同様、図１の対物レンズよりシールド板１２を除去した状態を示す。図３（ａ）の例では、対物レンズの磁極１３ａと磁極１３ｂの間の隙間１３ｃの影響を無視した。実際には、隙間１３ｃが存在するため、磁極１３ａと磁極１３ｂの間に磁気ギャップが生じる。そのため、第二の導体板１０と磁極１３ｂとの間の空間に磁界５２が発生する。そのため、第二の導体板１０から発生した二次電子３１は磁界５２によるローレンツ力で曲げられ、第二の検出器１１ａ、１１ｂに到達する効率は高くない。そのため、検出器１１ａ、１１ｂによって検出される高エネルギーの信号電子１７が少なくなり、鮮明な凹凸像が得られない。

そこで、本発明によると、図３（ｄ）に示すように、対物レンズ１３の上部に磁性体の磁界シールド板１２ｂを設ける。対物レンズ１３の上方には、磁界５２が生成されるが、磁界シールド板１２ｂによって遮られる。従って、磁界５２による二次電子３１の軌道の曲がりは抑制される。検出器１１ａ、１１ｂによって検出される高エネルギーの信号電子１７は多くなり、鮮明な凹凸像が得られる。

図３（ｅ）は図３（ａ）と同様、図１の対物レンズよりシールド板１２を除去した状態を示す。対物レンズの分離磁極１３ｂに正の電圧を印加することによって加速電界５０が発生し、第二の検出器１１ａ、１１ｂに正の電圧を印加することにより、引き込み電界５１が発生する。隙間１３ｃによる磁気ギャップのため磁界５２が発生する。加速電界５０の強度は引き込み電界５１の強度より大きい。加速電界５０による影響と磁界５２による影響のため、検出器１１ａ、１１ｂによって検出される高エネルギーの信号電子１７は少なくなり、鮮明な凹凸像が得られにくい。

そこで、本発明によると、図３（ｆ）に示すように、対物レンズ１３の上部に磁性体の電磁界シールド板１２ｃを設ける。対物レンズ１３の上方には、加速電界５０、引き込み電界５１、及び、磁界５２が生成される。しかしながら、加速電界５０は電磁界シールド板１２ｃによって遮られ、引き込み電界５１が支配的になる。磁界５２は電磁界シールド板１２ｃによって遮られ、磁界５２の影響を抑制することができる。従って、第二の導体板１０から発生した二次電子３１は、引き込み電界５１によって第二の検出器１１ａ、１１ｂの方向に引っ張られる。検出器１１ａ、１１ｂによって検出される高エネルギーの信号電子１７は多くなり、鮮明な凹凸像が得られる。

以上では、図１に示した分割型の対物レンズ１３の場合を説明した。図２に示した一体型の対物レンズ１３を用い、電極１４を設ける場合でも、対物レンズ１３上部に加速電界５０は染み出す。また、磁界５２も僅かながら染み出しており、上記と同様なシールド板１２は有効である。

図４を参照して電界シールド板１２ａ、磁界シールド板１２ｂ、及び、電磁界シールド板１２ｃの形状を説明する。電界シールド板１２ａ、磁界シールド板１２ｂ及び電磁界シールド板１２ｃの形状は、同一であってよい。ここでは、電界シールド板１２ａの形状について説明する。電界シールド板１２ａは、コーヒードリップフィルタのような、光軸に対して軸対称な形状を有する。即ち、リング状の上端部１２１、円錐状の側面１２２、及び、下端の開口部１２３を有する。

開口部１２３の径が大きすぎると、加速電界５０を遮断するというシールドの機能が発揮できない。しかしながら、開口部１２３の径が小さすぎると、高エネルギーの信号電子１７を加速させるという加速電界５０の機能が発揮できない。従って、開口部１２３の径は２０ｍｍ以上がよい。電界シールド板１２ａと磁極１３ｂとの間隔は放電しない程度の間隔が必要である。

本発明者による実験では、シールド板印加電圧制御部２７によって電界シールド板１２ａに０Ｖ〜数十Ｖの負電圧を印加することにより、第二の導体板１０から発生した二次電子３１を検出する効率が向上することが見出された。電磁界シールド板１２ｃについても同様に、０Ｖ〜数十Ｖの負電圧を印加することにより、第二の導体板１０から発生した二次電子３１を検出する効率が向上することが見出された。

電界シールド板１２ａの材料はステンレス鋼SUS316が好ましい。磁界シールド板１２ｂの材料はフェライトが好ましい。電磁界シールド板１２ｃの材料はパーマロイや純鉄が好ましい。

図５を参照して第二の導体板１０の構造を説明する。本例の第二の導体板１０は三角柱を横に配置した形状であり、水平な上面１０ａ、傾斜した２つの下面１０ｂ、１０ｃ、垂直な２つの側面１０ｄ、１０ｅからなり、光軸に沿って円形断面の孔１０ｆが形成されている。第二の導体板１０の両側に、第二の検出器１１ａ、１１ｂが配置されている。第二の導体板１０及び第二の検出器１１ａ、１１ｂは、光軸を含む垂直面に対して面対称な構造を有する。

第二の検出器１１ａ、１１ｂは、その光軸の延長線が第二の導体板１０の２つの下面１０ｂ、１０ｃに交差するように、配置されている。従って、第二の導体板１０の２つの下面１０ｂ、１０ｃから発生した二次電子３１は、第二の検出器１１ａ、１１ｂによって検出されることができる。

本例では、試料から発生する高エネルギーの信号電子１７は、第二の導体板１０の２つの下面１０ｂ、１０ｃに照射される。即ち、高エネルギーの信号電子１７の半分は一方の下面１０ｂに照射され、二次電子３１を発生させる。高エネルギーの信号電子１７の他の半分は他方の下面１０ｃに照射され、二次電子３１を発生させる。２つの下面１０ｂ、１０ｃから発生した二次電子３１は、それぞれ第二の検出器１１ａ、１１ｂによって検出される。上述のように、第二の導体板１０及び第二の検出器１１ａ、１１ｂを、光軸を含む垂直面に対して面対称な構造にすることによって、２つの第二の検出器１１ａ、１１ｂによって得られる検出信号は等量となり、対称的な凹凸画像が得られる。

陰極１から試料１５の表面までの一次電子線４の通路は光軸に対して軸対称でなければならない。一次電子線４の通路が軸対称でないと、そこに形成される電界が光軸に対して非軸対称になる。偏向コイル９によって偏向された一次電子線４が、非軸対称な電界からの力を受けると、試料像に像歪が発生する。

第二の導体板１０の孔１０ｆは、一次電子線４の通路を形成している。孔１０ｆの内部は、光軸に対して軸対称な構造である。従って、孔１０ｆの内部に形成される電界は光軸に対して軸対称である。しかしながら、孔１０ｆの下端の開口部の周囲には、２つの下面１０ｂ、１０ｃが配置されている。即ち、孔１０ｆの下端の開口部の周囲の形状は、光軸に対して軸対称ではない。従って、孔１０ｆの下端の開口部の周囲における電界は軸対称とはならない。

図６に示す例では、第二の導体板１０の孔１０ｆの下端の開口部に円筒の導体管１０ｇが装着されている。導体管１０ｇは、第二の導体板１０の孔１０ｆの下端より下方に突出するように延びている。導体管１０ｇの下端の開口部の周囲部は２つの下面１０ｂ、１０ｃから離れており、軸対称な空間となる。従って、導体管１０ｇの下端の開口部の周囲における電界は軸対称となり、試料像に像歪が発生しない。

図７を参照して、本例の走査型電子顕微鏡によって試料の表面の凹部の像を生成する方法を説明する。図７（ａ）は試料表面の凹部７０の断面構造を示す。図７（ｂ）は、左側の検出器１１ａによって得られた凹部の像を示す。左側の検出器１１ａは、試料１５の表面から左方向に放出した高エネルギーの信号電子７２を検出する。従って、左側の検出器１１ａは、凹部７０の右側部分から放出した高エネルギーの信号電子７２を検出するが、凹部７０の左側部分から放出した高エネルギーの信号電子７１を検出しない。凹部７０の像のうち右側部分７４が明るく、左側部分７３が暗くなる。図７（ｃ）は、右側の検出器１１ｂによって得られた凹部７０の像を示す。右側の検出器１１ｂは、試料１５の表面から右方向に放出した高エネルギーの信号電子７１を検出する。従って、右側の検出器１１ｂは、凹部の左側部分から放出した高エネルギーの信号電子７１を検出するが、凹部の右側部分から放出した高エネルギーの信号電子７２を検出しない。凹部７０の像のうち左側部分７５が明るく、右側部分７６が暗くなる。

図８を参照して、本例の走査型電子顕微鏡によって試料の表面の凸部の像を生成する方法を説明する。図８（ａ）は試料表面の凸部８０の断面構造を示す。図８（ｂ）は、左側の検出器１１ａによって得られた凸部８０の像を示す。左側の検出器１１ａは、試料１５の表面から左方向に放出した高エネルギーの信号電子８２を検出する。従って、左側の検出器１１ａは、凸部の左側部分から放出した高エネルギーの信号電子８２を検出するが、凸部の右側部分から放出した高エネルギーの信号電子８１を検出しない。凸部８０の像のうち右側部分８４が暗く、左側部分８３が明るくなる。図８（ｃ）は、右側の検出器１１ｂによって得られた凸部８０の像を示す。右側の検出器１１ｂは、試料１５の表面から右方向に放出した高エネルギーの信号電子８１を検出する。従って、右側の検出器１１ｂは、凸部の右側部分から放出した高エネルギーの信号電子８１を検出するが、凸部の左側部分から放出した高エネルギーの信号電子８２を検出しない。凸部８０の像のうち左側部分８５が暗く、右側部分８６が明るくなる。

以上、本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

１：陰極、２：第一陽極、３：第二陽極、４：一次電子線、５：集束レンズ、６：絞り板、７：第一の導体板、８：第一の検出器、９：偏向コイル、１０：第二の導体板、１０ａ：第二の導体板の上面、１０ｂ、１０ｃ：第二の導体板の下面、１０ｄ、１０ｅ：第二の導体板の側面、１０ｆ：第二の導体板の孔、１０ｇ：導体管、１１ａ、１１ｂ：第二の検出器、１２：シールド板、１２ａ：電界シールド板、１２ｂ：磁界シールド板、１２ｃ：電磁界シールド板、１３：対物レンズ、１３ａ：主磁極、１３ｂ：分離磁極、１３ｃ：隙間、１４：電極、１５：試料、１６：低エネルギーの信号電子、１７：高エネルギーの信号電子、１８：高電圧制御電源、１９：集束レンズ制御電源、２０：第一の増幅器、２１：偏向コイル制御部、２２ａ、２２ｂ：第二の増幅器、２３ａ、２３ｂ：検出器印加電圧制御部、２４：対物レンズ制御電源、２５：印加電圧制御部、２６：試料印加電圧制御部、２７：シールド板印加電圧制御部、２８：画像表示装置、２９：ＣＰＵ、３０、３１：二次電子、５０：加速電界、５１：引き込み電界、５２：磁界、７０：試料表面の凹部、７１、７２：信号電子、７３：凹部の像のうち左側部分、７４：凹部の像のうち右側部分、７５：凹部の像のうち左側部分、７６：凹部の像のうち右側部分、８０：試料表面の凸部、８１、８２：信号電子、８３：凸部の像のうち左側部分、８４：凸部の像のうち右側部分、８５：凸部の像のうち左側部分、８６：凸部の像のうち右側部分、１２１：シールド板の上端部、１２２：シールド板の側面、１２３：シールド板の開口部

Claims (3)

1. 一次電子線を発生させる電子源と、上記一次電子線を試料上に集束させる対物レンズと、上記一次電子線の照射により得られる信号電子を衝突させるための横向きに配置された三角柱形状の導体板と、該導体板から発生した二次電子を検出する検出器と、上記対物レンズと上記導体板の間に上記信号電子を加速させるための加速電界を発生させる加速電界発生手段と、上記対物レンズの上側に配置されたシールド板と、を有し、
   上記三角柱形状の導体板は、水平な上面と、上記信号電子の衝突面をなす傾斜した２つの下面と、上記一次電子線の通路を形成する上記上面から上記三角柱の頂角にいたる中心孔と、を有し、更に、上記検出器が上記傾斜した下面の側方に配置されていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の走査型電子顕微鏡において、上記導体板の中心孔の下端には円筒状の部材が設けられていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
3. 請求項１記載の走査型電子顕微鏡において、上記シールド板に負電圧が印加されていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。

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