JPH063421B2 - 反射電子回折装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は反射電子回折を利用して試料面の微小領域の構
造を解析する装置に関する。

（従来の技術） 半導体集積回路の高性能化にともない必然的に半導体素
子製作する際にシリコン基板や、絶縁物上に堆積する多
結晶シリコン、ＡｌやＷ，Ｍｏ等の金属薄膜の高品質化
が望まれている。この場合不純物を含まない高高純度の
薄膜を堆積させなければならないが薄膜の結晶性が十分
制御されていなければ、信頼性の高い集積回路を実現す
ることはできない。

このため配線に用いられる金属薄膜の最適な薄膜形成条
件を決定するための試料のミクロン程度の微小領域の結
晶構造解析が必要である。半導体集積回路に用いられる
薄膜の加工寸法は、０．８ミクロン程度であり、薄膜の
結晶構造もやはりミクロン程度の分解能で決定しなけれ
ばならない。同様に、ウエハ上のどの位置の結晶構造解
析をおこなっているかについてもミクロン程度の詳細さ
で位置決めできる方法でなければならない。

従来の結晶構造解析手段には、主にＸ線や電子線の回折
を用いる方法がある。波長１．５Å程度のＸ線を用いる
従来のＸ線回折法では、試料表面に平行な面の結晶方位
を決定することができる。しかし、Ｘ線ビームは細く絞
ることがきわめて困難で、従来のＸ線回折装置における
入射Ｘ線のビーム径は、約１０〜２０ｍｍ程度あり、試
料表面の平均的な情報しか得られない。

多結晶粒界の観察法として透過電子顕微鏡法があり、透
過電子像の観察により、結晶粒界の存在を確認できる。
しかし透過電子顕微鏡法では、各結晶粒界の結晶方位分
布を測定できないし、１００ＫｅＶに加速された電子線
を用いたとしても試料厚さを１０００乃至２０００Å程
度まで薄く加工しなければならない。また試料大きさも
数ｍｍ角以下にしなければならない。この様な特殊加工
を必要とするため、本質的に簡便な測定装置になり得な
い。

表面の結晶性評価法として１０〜３０ＫｅＶに加速され
た電子線の回折パターンで評価する高速反射電子線回折
法（ＲＨＥＥＤ法）がある。ＲＨＥＥＤ法では、試料に
特殊な加工を施すことなく、ウエハのままで表面の面方
位や結晶性を評価することができるが、従来のＲＨＥＥ
Ｄ装置では電子線の照射領域が１００ミクロン乃至数ｍ
ｍもあり、結果として表面の平均的な結晶性しか評価で
きない。ＲＨＥＥＤ法を発展させた方法として、電子線
のビーム径を０．１ミクロン程度に絞り、ミクロンオー
ダの微小域の結晶性評価を行うマイクロＲＨＥＥＤ法が
ある。電子線で試料面を走査し、電子線回折斑点のうち
特定回折斑点の強度変化により、結晶粒界の分布を測定
することができる。しかし、従来のマイクロＲＨＥＥＤ
法では、試料上の特定の観察点を探して、そこに視点を
合せて測定を行うと云うことができなかった。

以上、従来の結晶構造解析法では、ミクロン程度の微小
域の分析が不可能であったり、また微小域の分析が可能
であっても、観察領域を任意特定の微小領域に設定でき
る装置はなかった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、従来の問題を解決し試料表面に入射し
た電子線の回折を用いる反射電子線回折法において、観
察位置の位置決めをおこなった上で試料表面における構
造解析のできる装置を提供することである。

（課題を解決するための手段） 微小立体角で試料面上に微小径に収束せしめられる電子
線束で、試料面に平行に近い入射角で試料面を照射する
第１の電子銃と、上記電子線束を試料面上で走査させる
手段と、上記電子銃とは異る方向から試料面上の同一個
所に微小径電子線束を照射する第２の電子銃と、この電
子銃により形成される電子線束を試料面上で走査させる
手段と、試料面から放出される２次電子を検出し、映像
表示する手段と、試料に入射した上記第１の電子銃によ
る電子線の回折パターンについて解析を行う手段により
反射電子回折装置を構成した。

こゝで回折パターンとは個々の回折斑点のみでなく、個
々の回折パターンの二次元的配置およびバックグランド
の全体を含むものである。

（作用） 試料面におけるミクロン程度の微小領域の構造解析に対
してＸ線を用いる方法は適当な収束手段が得難いことか
ら、利用できないことは明らかである。微小領域の観察
に電子線が適していることは周知であり、電子線回折法
を用いれば結晶面の方位決定等は容易である。本発明は
試料面を微小径に絞った電子線で照射して回折パターン
を観測するものである。このとき、回折パターンを形成
する電子線は試料面にすれすれの角度で入射しているか
ら、この電子線の照射による二次電子像は試料面を横か
ら見ているものとなり、特殊な標識用のパターン以外は
像面上の各部の識別が困難である。本発明では上記電子
線とは別の方向から試料面を照射する電子銃を用意して
いるので、この電子線による二次電子像は歪の少ない見
易い像となっており、試料面の観察すべき領域を容易に
識別することができる。二つの電子銃は試料面の同一個
所を照射するように調整されているから、第２の電子銃
の電子線による二次電子像で試料の観察点が所定位置例
えば画面中心に来るように試料を動かすことにより試料
面の微細な観察領域を詳細精密に設定することができ
る。

（実施例） 本発明による走査型反射高速電子線回折装置と微小域構
造解析の実施例を図に示す。以下主要な装置部分につい
て説明する。

１は、反射電子線回折用電子銃（ＲＨＥＥＤ銃）であ
る。ミクロンオーダの微小域観察のため電子線４の径
は、０．１μｍ以下が望ましく、また電子線の開き角も
１．５×１０^−３ラジアン以下であることが望ましい。
加速電圧は、１０〜５０ＫＶで望ましくは、略３０ＫＶ
である。６は、反射電子回折パターン観測用マルチチャ
ネルプレート及び蛍光板である。ＲＨＥＥＤ銃１から出
射した電子線４による回折電子線５により、一般に、回
折パターンがマルチチャネルプレート上に形成され、マ
ルチチャネルプレートで増倍された電子線により、蛍光
板が発光する。回折パターンからの信号が演算回路１３
において演算される。演算回路においては、各回折斑点
の強度に任意定数による乗算処理と乗算処理の施された
各回折斑点強度間の加減処理をおこなう。演算処理の施
された信号１４はＣＲＴ１５に輝度信号として入力され
る。ＲＨＥＥＤ銃からの電子線の走査信号１６に同期し
た走査信号によりＣＲＴ上には試料表面からの回折強度
像が表示される。

本発明の特徴としてＲＨＥＥＤ用の電子銃１とは独立に
ＳＥＭ用電子銃２と二次電子検出器１９が取り付けられ
ており、試料表面に対して４５°方向からのＳＥＭも観
測できるようになっている。ＳＥＭ銃２により形成され
る電子線１７の径は０．１μｍ以下が望ましく、加速電
圧は１〜２０ｋＶで望まくは略々１０ｋＶである。ＲＨ
ＥＥＤ用電子銃によるＳＥＭ像も観測可能であるが、表
面すれすれの方向から見たＳＥＭ像となるため、試料上
の観測位置を決める場合にはこのＳＥＭ用電子銃２が用
いられる。３は試料である。本実施例では、直径２イン
チまでの試料を観察できる。３０は試料移動機構でＺ軸
に対して試料面を傾けることができ、Ｚ軸方向および試
料面に平行な面内でｘ，ｙ両方向に試料を移動させるこ
とができると共に、試料面に垂直な軸を中心に試料面を
回転させることができる。試料移動機構３０により、電
子線の入射位置２９を２インチウエハの全面の任意の点
に移動することができる。２５は、真空排気設備であ
る。本実施例では、イオンポンプとチタンサブリメーシ
ョンポンプから構成されるが、略１×１０^−８Ｐａ以下
に排気できかつ、真空チャンバー２８全体の振動を略
０．１μｍ以下に抑えることができるならば上記構成に
限定しない。２７は試料交換予備室で、真空チャンバー
２８を大気に開放することなく試料を交換するものであ
る。

本実施例による観測例を以下に示す。試料３を装填した
後、観察窓２４から試料位置の概略の位置を定める。次
にＳＥＭ銃２によって試料表面の二次電子像を観測す
る。二次電子像により、試料表面上の観測する部位を決
定する。試料は、試料移動機構により機械的には、略１
μｍ精度、更に、電子ビームの電気的アライメントによ
り略０．１μｍ精度で観測する位置を特定することがで
きる。ＳＥＭ銃２及びＲＨＥＥＤ銃１からの電子線１７
及び４は、試料表面の同一個所（電子線入射位置２９）
に入射するようにしてあるので、ＳＥＭ像により特定し
た個所の反射電子線回折をおこなうことができる。

試料の位置決めは次のようにして行われる。試料には予
めＲＨＥＥＤ銃１の電子線４照射による二次電子像でも
識別できるような一定の形の識別マークを試料の一個所
に付しておく。このマークは試料面に配線パターン等を
形成するとき合わせて形成するか或は配線パターン自身
の特殊な形の部分を利用してもよい。目視による大体の
位置決めの後、ＳＥＭ銃２の電子線１７で試料を照射
し、二次電子像をＣＲＴ上に映出し、上記マークが画面
中央に来るように試料位置を動かす。その後照射電子を
ＲＨＥＥＤ銃１の電子線４に切換えＣＲＴ上で二次電子
像を観察する。二つの電子銃の試料上の照射点は一致す
るようにしてあるが、試料面が傾けてあるので、試料の
第１図で左右方向のわずかな位置のずれで、両者の照射
点は異る。このためＲＨＥＥＤ銃１作動時の二次電子像
で上記マークが画面中心付近に来るよう試料微動装置に
より試料を第１図で左右に移動し、その後ＲＨＥＥＤ銃
１のｘ，ｙ走査コイルに印加している、ｘ，ｙ両走査信
号の直流バイアスを微調整してマークが二次電子像の中
央に正確に位置するようにする。これで二つの電子銃の
試料面照射点が正確に一致したので、その後、電子銃を
ＳＥＭ銃２に切換え、その二次電子像によって試料上の
観察したい場所を探索し、その場所が略々画面中心に来
るように試料を微動し、最終的にＳＥＭ銃２のｘ，ｙ走
査コイルに印加する走査信号の直流バイアスを調整し、
観察点を画像中心に位置させる。このときのｘ，ｙ走査
信号に付加したバイアス値に所定の係数を掛けてＲＨＥ
ＥＤ銃１のｘ，ｙ走査コイルの走査信号の直流バイアス
に付加することにより、試料の位置決めが完了する。

次にＲＨＥＥＤ銃１からの電子線４による反射電子線５
による回折パターンを測定し、走査ＲＨＥＤ像を観測す
る。

（発明の効果） 本発明装置は微小領域反射電子回折において、ＲＨＥＥ
Ｄ用の電子銃の他に、異なる方法から試料面を照射する
第２の電子銃を用意し、何れの電子銃からの電子線によ
っても試料面を走査できるようにすると共に、二次電子
検出器を配置して、その出力を映像表示することで、Ｓ
ＥＭ像観察が可能となり、ＳＥＭ像により試料面の観測
領域をきわめて詳細精密に選定することができるように
なり、試料面の詳細分析を必要とする技術分野における
実用性はきわめて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例装置の縦断側面図である。 １…反射電子線回折電子銃（ＲＨＥＥＤ銃）、２…二次
電子観察甲電子銃（ＳＥＭ銃）、３…試料、４…ＲＨＥ
ＥＤ銃からの電子線、５…反射電子回折線、６…反射電
子回折斑点観測用マルチチャンネルプレート及び蛍光板
（検出面）、１３…演算回路、１４…反射電子線回折斑
点強度から得られた電気信号、１５…ＣＲＴ１、１６…
ＲＨＥＥＤ銃からの電子線を走査するための走査信号、
１７…ＳＥＭ銃からの電子線、１８…ＲＨＥＥＤ銃から
の電子線又は、ＳＥＭ銃からの電子線により試料表面か
ら発生した二次電子、１９…二次電子検出器、２０…二
次電子信号、２１…ＣＲＴ２、２２…ＲＨＥＥＤ銃から
の電子線を走査するための走査信号、２３…ＳＥＭ銃か
らの電子線を走査するための走査信号、２４…試料観察
用窓、２５…真空排気設備、２６…ゲートバルブ、２７
…試料装填予備室、２８…真空チャンバー、２９…電子
線入射点、３０…試料移動機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微小立体角で試料面上に微小径に収束せし
   められる電子線束で、試料面に平行に近い入射角で試料
   面を照射する反射電子線回折用の第１の電子銃と、上記
   電子線束を試料面上で走査させる手段と、上記第１の電
   子銃の光軸と大きな角度で交わる光軸を有し、試料面上
   の同一個所に微小径電子線束と照射する二次電子線観察
   用の第２の電子銃と、この電子銃により形成される電子
   線束を試料面上で走査させる手段と、試料に対して上記
   第１の電子銃と反対側に配置された回折パターン検出用
   の２次元的解像力を有する面状の反射回折電子検出手段
   と、試料に対し上記反射回折電子検出手段と異る方向に
   配置された２次電子検出手段と、上記反射回折電子検出
   手段の出力について解析演算を行う手段と、上記２次電
   子検出手段の出力を上記第１或は第２の電子銃の電子ビ
   ームの試料面走査と同期させて表示面上に走査させて２
   次電子像を映像表示する手段とを有する反射電子回折装
   置。