JPH0636730A

JPH0636730A - 荷電ビーム装置

Info

Publication number: JPH0636730A
Application number: JP4188383A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nakazawa; 和広中沢; Takayuki Abe; 貴之安部; Akio Ito; 昭夫伊藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1992-07-15
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はＬＳＩの試験や不良解析のために試料
の電圧を測定する電子ビームテスタ等に適用される荷電
ビーム装置に関し、電子ビームの走査範囲の縮小を伴う
ことなく対物レンズの収差を低減することを目的とす
る。【構成】電子銃１から発射された荷電ビームをエネルギ
分析器６及び対物レンズ４を通して試料の表面に照射し
てその照射面から２次電子を放出させ、この２次電子を
前記エネルギ分析器６によりエネルギ分析した後、検出
器７に入射させて前記試料の電荷ビーム照射面の電圧を
測定する荷電ビーム装置において、前記２次電子を検出
器７へ誘導させる誘導作用を有し、かつ、１次電子を収
束させるレンズ作用を有する構成とされた反射電極系２
０を設け、反射電極系２０と前記対物レンズ４との合成
レンズ作用により、前記１次電子を前記試料面に収束さ
せる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は荷電ビーム装置に係り、
特に大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）の試験や不良解析
のために試料の電圧を測定する電子ビームテスタ等に適
用される荷電ビーム装置に関する。

【０００２】荷電ビーム装置は、半導体集積回路等の試
料に荷電ビーム、例えば電子ビームを照射した時に、試
料表面から放出される２次電子が試料の電子ビーム照射
面の電位の影響を受ける（電位が低い時には高エネルギ
ー，高い時には低エネルギー）ので、逆にこの２次電子
のエネルギーを検出及び分析することで試料の電子ビー
ム照射面の電位（例えばＬＳＩの内部配線電位）を測定
することができる。かかる電荷ビーム装置では、２次電
子を簡単な構造で効率良く検出することが必要とされ
る。

【０００３】

【従来の技術】図５は従来の荷電ビーム装置の一例を示
す構成図である。電子銃１は電子ビームを発生する。電
子銃１の電子ビーム進行方向に、コンデンサレンズ２，
リフレクタグリッド３及び対物レンズ４が夫々設けられ
ている。コンデンサレンズ２は電子ビームを収束するた
めのレンズ、リフレクタグリッド３は２次電子がコンデ
ンサレンズ２側へ反射されるのを防止すると同時に２次
電子を検出器に導くためのグリッドである。また、対物
レンズ４は電子ビームをＬＳＩ等の試料５の表面上に結
像させるためのレンズである。

【０００４】また、対物レンズ４は概略中空円筒状で、
その中空内部には、減速電界型のエネルギ分析器６が配
設されている。エネルギ分析器６は電子銃１側から試料
５方向へ向かって順に配列された分析グリッド６１，バ
ッファグリッド６２及び引出グリッド６３からなる。ま
た、リフレクタグリッド３と対物レンズ４の間の所定位
置には、光電子倍増管（ＰＭＴ）その他からなる２次電
子検出器７が設けられている。

【０００５】かかる構成の荷電ビーム装置は電子ビーム
テスタと称され、ＬＳＩ等の試料５の電位を測定する。
即ち、電子銃１から放射された電子ビーム（１次電子）
Ｉは、コンデンサレンズ２で収束され、リフレクタグリ
ッド３の中央の孔を通り、更に分析グリッド６１，バッ
ファグリッド６２及び引出グリッド６３の各孔を通過
し、かつ、対物レンズ４により収束され、試料５の表面
に焦点一致して照射される。

【０００６】すると、試料５の表面から２次電子IIが放
射される。この２次電子はIIに示す如く、引出グリッド
６３で引き上げられ、バッファグリッド６２で軌道が修
正され、分析グリッド６１を通してリフレクタグリッド
３で軌道を更に修正されて２次電子検出器７に入射され
る。ここで、分析グリッド６１の電圧（分析電圧）を掃
引することで一定値以上のエネルギを持つ２次電子のみ
が２次電子検出器７に到達するようにし、結果として図
５に示す如き２次電子のエネルギ分布（このエルギ分布
のシフトが試料５の電圧変化に対応する）を積分した形
の分布曲線が得られる。

【０００７】図６において、横軸は分析グリッド６１に
印加される分析電圧Ｖ_R,縦軸は２次電子検出器７で検出
される２次電子の検出係数値Ｓを示している。前記従来
装置では、図６に示す検出電子数ＳがIII で示す一定値
になるように分析電圧をシフトさせた時に得られる分析
電圧Ｖ_R1とＶ_R2との差（分析電圧の変化量）を、試料５
の電子ビーム照射面の電圧Ｖ₁とＶ₂の変化として測定
する。この測定電圧の変化が所定値以上あるか否か等に
より、試料５の試験や不良解析ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＬＳＩ製造技術
の進歩につれ、ＬＳＩ上に形成された配線幅は小さくな
る一方である。また前記したように、荷電ビーム装置を
用いた電子ビームテスタは配線上に電子ビームを照射
し、この照射により発生する２次電子に基づきＬＳＩの
試験を行う構成であるため、配線幅の微細化に伴い１次
電子ビーム収束のためのレンズ系に対しビーム径の縮
小、即ち収差の低減が要求されている。

【０００９】ビーム径を縮小する手段としては、対物レ
ンズを試料に近づけることでレンズの縮小率を上げる方
法が考えられる。しかるに、対物レンズを試料に近づけ
るとビーム径の縮小は行えるものの、同時にビーム走査
範囲の縮小を招き、試料に対する試験範囲が限定される
という問題点があった。

【００１０】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、電子ビームの走査範囲の縮小を伴うことなく対物
レンズの収差を低減することができる荷電ビーム装置を
提供するとを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は、電子銃から
発射された荷電ビームをエネルギ分析器及び対物レンズ
を通して試料の表面に照射してその照射面から２次電子
を放出させ、この２次電子を前記エネルギ分析器により
エネルギ分析した後、検出器に入射させて前記試料の電
荷ビーム照射面の電圧を測定する荷電ビーム装置におい
て、前記２次電子に対しては、この２次電子を前記検出
器へ誘導させる誘導作用を有し、かつ、前記１次電子に
対しては、この１次電子を収束させるレンズ作用を有す
る構成とされた反射電極系を設け、この反射電極系と前
記対物レンズとの合成レンズ作用により、前記１次電子
を前記試料面に収束させる構成としたことを特徴とする
荷電ビーム装置により解決することができる。

【００１２】また、前記反射電極系を、中央に前記１次
電子が通過する開口を有すると共に、負電圧が印加され
る板状電極にて構成し、かつ、前記反射電極系を、前記
検出器の配設位置に対して電子銃側に配置することによ
り、より効果的に実現することができる。

【００１３】更に、前記反射電極系を複数枚の板状電極
にて構成し、前記２次電子を前記検出器へ誘導する板状
電極に印加する負の電圧に対し、前記１次電子を収束さ
せる板状電極に高い負の電圧を印加する構成とすること
によっても、効果的に解決することができる。

【００１４】

【作用】上記構成とすることにより、１次電子は反射電
極系と前記対物レンズの合成レンズ作用により収束され
て試料上に照射される。即ち、反射電極系の有するレン
ズ作用により１次電子は先ず収束され、その後に対物レ
ンズにおいて再度収束された上で試料に照射される。こ
の構成とすることにより、ビーム走行範囲の縮小を起こ
すことなくビーム径の縮小を図ることができる。

【００１５】上記事項を図２を用いて説明する。同図
は、本願発明装置のレンズ系と、従来装置のレンズ系を
合わせて示したものである。図中、１０は本発明の特徴
となる反射電極系（磁気レンズとして機能する）、１１
は本発明に適用される対物レンズ（磁界レンズ）、１２
は従来適用されていた対物レンズを夫々示している。い
ま、光軸のＺ₀を光点とする一次電子をＺ₁に結像させ
る場合について考える。

【００１６】従来構成の装置では、反射電極系１０が配
設されておらず、一次電子の試料５への収束は対物レン
ズ１２のみで行う構成とされていた。このため、一次電
子がＺ₀より出射しＺ₁に結像する軌跡は図中破線で示
す軌跡となる（但し、本願発明に係る一次電子の軌跡と
重なる部分は実線で示す）。同図に示されるように、従
来装置における一次電子の軌跡は光軸に対して離間した
拡がった軌跡を取るため、収差が大となってしまう。

【００１７】これに対して、本願発明に係る装置では、
Ｚ₀より出射した一次電子を反射電極系１０で収束さ
せ、例えば同図に示すように光軸に対して平行な軌跡を
描くように対物レンズ１１に照射し、更に対物レンズ１
１で収束させてＺ₁に結像する構成とされている。

【００１８】従って本願発明装置によれば、従来であっ
たならば破線で描かれる軌跡であった１次電子の軌跡を
実線で示す広がりの少ない軌跡とすることができるた
め、収差の影響を小さく抑えることができる。これによ
り、対物レンズ１１を試料５に近接させることが可能と
なり、試料５上に照射される１次電子のビーム径を小さ
くすることができる。また、反射電極系１０と対物レン
ズ１１の合成レンズとしての倍率は、従来の対物レンズ
１２の倍率と変わることはなく、本願発明装置の構成と
してもビーム走査範囲の縮小は起こらない。

【００１９】上記のように、本願発明装置の構成によれ
ば収差の低減が図れるが、これは下記する移動収差係数
Ｃ_Ci（ここでは、色収差を例に上げて説明する）を求め
る公式からも証明することができる。

【００２０】

【数１】

【００２１】但し、Φ：軸上電位Ｂ：軸上磁束密度ｐ：軌道のｒ座標 θ：光軸と軌道の成す角ｅ／ｍ：電子の比電荷上式において、軌道のｒ座標ｐに注目する。ここでいう
軌道のｒ座標とは、図２における縦軸を示している。従
って、従来装置の１次電子の軌跡は光軸に対して拡がっ
た軌跡であるため、軌道のｒ座標の最大値はｐ₁とな
る。これに対して、本願構成装置では軌道のｒ座標の最
大値はｐ₀となり、従来に比べて小さな値（ｐ₀＜
ｐ₁）となる。

【００２２】一方、移動収差係数Ｃ_Ciは磁界項及び電界
項を積分した値として求められ、軌道のｒ座標ｐは磁界
項及び電界項の各式において分母にある値である。従っ
て、軌道のｒ座標ｐが大きい程移動収差係数Ｃ_Ciは大き
くなり、軌道のｒ座標ｐが小さい程移動収差係数Ｃ_Ciは
小さくなる。

【００２３】前記したように、本願構成装置では軌道の
ｒ座標は従来に比べて小さくなる。従って、本願発明の
構成とすることにより、移動収差係数Ｃ_Ciは小さくなり
収差が低減できることが上式より立証される。

【００２４】

【実施例】次に本発明の実施例について図面と共に説明
する。図１は本発明の一実施例を示す構成図である。
尚、同図において図５で示した構成と同一構成部分には
同一符号を付してその説明を省略する。

【００２５】本実施例は請求項１及び２記載の発明の実
施例であり、反射電極系２０をシールド電極２１及び反
射電極２２により構成したことを特徴とするものであ
る。この各電極２０，２１は、共に板状部材の中央に１
次電子が通過する通過孔が形成されている。また各電極
２０，２１の内、シールド電極２１には例えば−１５０
Ｖの負電圧が印加され、反射電極２２には例えば−４５
０Ｖの負電圧が印加される構成とされている。

【００２６】シールド電極２１は、従来におけるリフレ
クタグリッド３（図５参照）と同様に、１次電子I が試
料５に照射されたことにより発生する２次電子IIを２次
電子検出手段７に誘導制御する機能を奏するものであ
る。

【００２７】また反射電極２２は本発明の特徴となるも
のであり、１次電子I が対物レンズ４に到達する前に第
１段の収束作用を行うものである。即ち、反射電極２２
は電界レンズとして機能する。同図に示されるように、
この反射電極２２により１次電子I の軌跡は光軸に対し
て略平行な軌跡となり、この状態を維持して対物レンズ
４に入射される。対物レンズ４では、引出し電極６３に
より更に１次電子I は収束されて試料５上に照射され
る。

【００２８】このように、反射電極２２により１次電子
I を収束させることにより、図２を用いて説明したよう
に、１次電子I の軌跡を光軸に対して広がりの小さな軌
跡とすることが可能となり、収差の影響を小さく抑える
ことができる。これにより、対物レンズ４を試料５に近
接させることが可能となり、試料５上に照射される１次
電子のビーム径を小さくすることができ、また反射電極
系２０と対物レンズ４の合成レンズとしての倍率は従来
と変わることはないためビーム走査範囲が縮小されるよ
うなことはない。即ち、本発明によれば、ビーム走査範
囲の縮小を伴うことなく１次電子のビーム径を小径化で
きるため、微細な配線幅を有するＬＳＩの試験や不良解
析に十分対応することができる。

【００２９】ここで、反射電極２２の配設位置に注目す
る。前記したように、反射電極２２は１次電子I を収束
する電磁レンズとして機能するものであるため、その配
設位置は１次電子I を効率良く収束できる位置に設定す
るのが望ましい。また、図に示されるように荷電ビーム
装置は、電子銃１，コンデンサレンズ２，対物レンズ４
等、多数の部品により構成されているため、他の構成部
品の配設位置に影響を及ぼさない位置が望ましい。

【００３０】１次電子I はコンデンサレンズ２で収束さ
れた後は拡がる軌跡を取るため（図５参照）、１次電子
I の効率的な収束を行う点からは、コンデンサレンズ２
による１次電子I のクロスオーバ点（図中、矢印Ａで示
す）に近い位置に配設するのが望ましい。また、コンデ
ンサレンズ２及び２次電子検出器７に影響を及ぼさない
よう配設することも重要である。この点より、本実施例
では反射電極２２を２次電子検出器７の配設位置に対し
て電子銃１に近い位置に配設した（但し、コンデンサレ
ンズ２に影響を及ぼさない位置にも選定されている）。
上記構成とすることにより、他の部品に影響を及ぼすこ
となく効率良く１次電子I の収束を行うことができる。

【００３１】尚、上記のように反射電極２２にはレンズ
作用を持たせるため、−４５０Ｖ程度の強い負電圧を印
加するが、シールド電極２１の存在により反射電極２２
の強い電界が２次電子に作用することはなく、従って２
次電子が反射電極系２０付近で追い戻され２次電子検出
器７に到達しないという事態が生じることはない。

【００３２】図４は、本実施例の効果を説明するための
図である。同図において、（Ａ）で示すのは従来構成
（図５に示す構成）の１次電子の走査軌道を示してお
り、また（Ｂ）は本実施例の１次電子の走査軌跡を示し
ている。尚、横軸は光軸Ｚであり、縦軸ｒは走査軌跡の
中心点Ｏからの変位量を示している。

【００３３】従来構成において、リフレクタグリッド３
に−１５０Ｖの負電圧を印加した場合、移動収差係数Ｃ
_Ciは4.2 であり、またビーム径は0.31μｍであったのに
対し、本発明に係る装置ではシールド電極２１に−１５
０Ｖの負電圧を印加すると共に反射電極２２に−４５０
Ｖの負電圧を印加した場合、移動収差係数Ｃ_Ciは2.1
で、またビーム径は0.21μｍであった。このように、本
実施例の構成とすることにより、移動収差係数（色収
差）において約５０％，ビーム径で約３３％の縮小が可
能となる。

【００３４】図３は、図１に示した実施例の変形例を示
す構成図である。同図に示す実施例では、反射電極系３
０を一対のシールド電極３１，３２と１枚の反射電極３
３により構成したことを特徴とするものである。このよ
うに、反射電極３０を多極電極構造としてもよい。特
に、例えば−４５０Ｖ程度の強い負電圧が印加される反
射電極３３を一対のシールド電極３１，３２で挟むよう
に配設することにより、反射電極３３で発生する電界が
他の構成部品に影響を及ぼすことを防止でき、検出精度
を向上することができる。

【００３５】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば、反射電極系
の有するレンズ作用により１次電子は先ず収束され、そ
の後に対物レンズにおいて再度収束された上で試料に照
射されるため、１次電子の軌道の広がり抑制され、ビー
ム走行範囲の縮小を起こすことなくビーム径の縮小を図
ることができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】本発明の作用を説明するための図である。

【図３】図１に示す実施例の変形例を示す構成図であ
る。

【図４】本発明の効果を説明するための図である。

【図５】従来装置の一例を示す構成図である。

【図６】分析曲線を示す図である。

【符号の説明】

１電子銃２コンデンサレンズ４対物レンズ５試料６エネルギ分析器７２次電子検出器２０，３０反射電極系２１，３１，３２シールド電極２２，３３反射電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｃ 7352−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃（１）から発射された荷電ビーム
をエネルギ分析器（６）及び対物レンズ（４）を通して
試料の表面に照射してその照射面から２次電子を放出さ
せ、該２次電子を前記エネルギ分析器（６）によりエネ
ルギ分析した後、検出器（７）に入射させて前記試料の
電荷ビーム照射面の電圧を測定する荷電ビーム装置にお
いて、前記２次電子に対しては、該２次電子を前記検出器
（７）へ誘導させる誘導作用を有し、かつ、前記１次電
子に対しては、該１次電子を収束させるレンズ作用を有
する構成とされた反射電極系（２０，３０）を設け、該反射電極系（２０，３０）と前記対物レンズ（４）と
の合成レンズ作用により、前記１次電子を前記試料面に
収束させる構成としたことを特徴とする荷電ビーム装
置。
【請求項２】該反射電極系（２０，３０）を、中央に
前記１次電子が通過する開口を有すると共に、負電圧が
印加される板状電極（２１，２２，３１，３２，３３）
にて構成し、かつ、該反射電極系（２０，３０）を、前記検出器
（７）の配設位置に対して電子銃（１）側に配置したこ
とを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム装置。
【請求項３】該反射電極系（２０，３０）を、複数枚
の板状電極（２１，２２，３１，３２，３３）にて構成
し、該２次電子を前記検出器（７）へ誘導する板状電極
（２１，３１，３２）に印加する負の電圧に対し、該１
次電子を収束させる板状電極（２２，３３）に高い負の
電圧を印加する構成としたことを特徴とする請求項２記
載の荷電ビーム装置。