JPH07153411A - 電子ビーム観察方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶縁性の高い試料の帯電を簡易に防止するこ
とができ、しかも、高Ｓ／Ｎ比での観察を可能にする。 【構成】 導電性の試料ホルダーに保持された絶縁性の
高い試料３を低加速電圧の電子ビームＬＢによって走査
し、この走査により試料３から得られる情報信号に基づ
いて試料３の走査像を観察する電子ビーム観察方法にお
いて、電子ビームＬＢの走査と同時に又は前もって、少
なくとも走査の範囲に高加速電圧の電子ビームＨＢを照
射した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査形電子顕微鏡（以
下、ＳＥＭと称することもある）や電子線測長装置など
に用いられる電子ビーム観察方法およびこれを用いた電
子ビーム観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査形電子顕微鏡や電子線測長装
置などの電子ビーム観察装置は導体表面の観察に用いら
れており、絶縁体（含む生体試料、半導体）については
その表面に金属膜を蒸着して金属膜表面の形状を観察す
ることにより擬似的に絶縁体等の表面を観察していた。
しかし、半導体基板や導体基板の上に形成された絶縁体
の一種であるレジストパターン等を電子ビームにより観
察する場合、近年の半導体集積回路技術の進歩によりレ
ジストパターンの微細化が大きく進んだため、レジスト
パターン等の表面に金属膜を蒸着したのではこの金属膜
表面の形状がレジストパターン等の表面形状を忠実に再
現できるとは限らない。また、半導体プロセスライン途
上のパターンを検査するときには、金属膜を蒸着するこ
とはできない。このため、レジストパターン等を電子ビ
ームにより直接観察する技術が開発されつつある。

【０００３】絶縁体を電子ビームにより直接観察する場
合に問題となるのが、絶縁体の帯電である。導体表面を
観察する際に通常用いられる１〜１０ｋＶ程度の加速電
圧による電子ビームを絶縁体に照射すると、この絶縁体
が負側に帯電してしまい、忠実な観察が不可能になって
しまう。

【０００４】従来、絶縁体を電子ビームにより直接観察
する方法としては、たとえば８００Ｖ程度の低加速電圧
による電子ビーム（以下、単に低加速電子ビームと称す
る）を試料に照射して２次電子を得る方法があった（第
１の方法、応用物理ハンドブック第１７６頁（応用物理
学会編）参照）。この程度の低加速電子ビームを試料に
照射した場合２次電子放射効率が高いため、試料が正側
に帯電しようとし、このため放射２次電子の一部を捉
え、この正の帯電を中和し、結果として試料の帯電が防
止される。

【０００５】あるいは、半導体基板や導体基板上に形成
された絶縁層にたとえば１０ｋＶ以上の高加速電圧によ
る電子ビーム（以下、単に高加速電子ビームと称する）
を試料に照射して２次電子を得る方法があった（第２の
方法、戸所他，日本学術振興会荷電粒子ビームの工業へ
の応用第１３２委員会第１２１回研究会資料Ｐ．１５６
（１９９２）参照）。この程度の高加速電子ビームを照
射すると、１次電子が絶縁体層を貫通して半導体基板や
導体基板内にまで到達する。一例として、３ｋＶ程度の
加速電圧であると０．２μｍ程度しかレジスト層内に侵
入しないが、１０ｋＶ程度の加速電圧であると１μｍ程
度も入射し、レジスト層を貫通して半導体基板等に十分
到達しうる。この１次電子により絶縁体中に電子、正孔
対が生じるため、絶縁体中の電子が半導体、導体基板に
流れて結果として絶縁体に導電性が生じる。したがっ
て、導体基板や半導体基板を接地すれば絶縁体に生じた
電荷は速やかにアース側に流れて帯電が防止される。こ
のような現象はＥＢＩＣ（Electron Beam Induced Cond
uctivity）と呼ばれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た絶縁体を電子ビームにより直接観察する方法は、次の
ような問題を持っていた。

【０００７】まず、第１の方法では、試料が複数の物質
からなり、また特有の構造を備えていた場合、物質およ
び構造の差異により各部分毎に最適な加速電圧（絶縁体
試料の帯電がちょうど中和される加速電圧）が異なるた
め、一様な加速電圧による電子ビームにより試料を照射
するとある部分では帯電が防止されるもののほかの部分
では試料が帯電してしまうおそれがある。これを防ぐた
めには試料の各部分で加速電圧を適切に制御するという
面倒な作業が必要になる。

【０００８】一方、第２の方法では、電子ビームの加速
電圧が高くなればなるほど試料から発生する２次電子の
発生効率は低下するため、測定された２次電子のＳ／Ｎ
比が低くなって観察結果に影響を及ぼすおそれがある。
また、加速電圧が高いため、試料表面の観察が難しいと
いうおそれもあった。

【０００９】本発明の目的は、絶縁体の試料の帯電を簡
易に防止することができ、しかも、高Ｓ／Ｎ比での絶縁
体の試料表面の観察が可能な電子ビーム観察方法および
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１およ
び図４に対応付けて説明すると、請求項１の発明は、導
電性の基板上にある絶縁性の高い試料３を低加速電圧の
電子ビームＬＢによって走査し、この走査により試料３
から得られる情報信号に基づいて試料３の走査像を観察
する電子ビーム観察方法に適用される。そして、上述の
目的は、電子ビームＬＢの走査と同時に又は前もって、
少なくとも走査の範囲ＳＡに前記絶縁性の高い試料３の
表面から前記基板へ電子・正孔対を生成させるエネルギ
ービームＨＢを照射する工程を含むことにより達成され
る。更に、請求項２の発明は、エネルギービームとし
て、高加速電圧の電子線を使用している。

【００１１】また、請求項３の発明は、導電性の基板上
にある絶縁性の高い試料３を低加速電圧の電子ビームＬ
Ｂによって走査し、この走査により試料３から得られる
情報信号に基づいて試料３の走査像を観察する電子ビー
ム観察装置に適用される。そして、上述の目的は、電子
ビームＬＢの走査と同時に又は前もって、少なくとも走
査の範囲ＳＡに前記絶縁性の高い試料３の表面から前記
基板へ電子・正孔対を生成させるエネルギービームＨＢ
を照射する高加速電圧照射装置２を備えることにより達
成される。更に、請求項４の発明は、エネルギービーム
として、高加速電圧の電子線を使用している。

【００１２】

【作用】少なくとも低加速の電子ビームＬＢが走査され
る範囲ＳＡの試料３に試料３の表面から基板へ電子・正
孔対を生成させるエネルギービームＨＢが同時に又は前
もって照射されているので、走査範囲ＳＡ内の試料３の
絶縁体膜に導電性が生じ、試料３の絶縁体膜に生じた電
荷は導電性を有する基板側に流れて走査範囲ＳＡ内の帯
電が防止される。この際、エネルギービームＨＢの照射
により走査範囲ＳＡ内の試料３から電子が放出されるこ
ともあるが、走査範囲ＳＡ内に一様に荷電粒子線ＨＢが
照射されているので、このエネルギービームＨＢによる
電子の量は一定である。

【００１３】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明による電子ビーム観察装置の
一実施例である走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）を示す概略
構成図である。この図において、１は低加速電子ビーム
照射用の電子光学鏡筒、２は絶縁層から導体部へ電子・
正孔対を生成させるエネルギービームである高加速電子
ビーム照射用の電子光学鏡筒、なお試料３は、半導体基
板または導体基板の表面にレジストパターンが形成され
て構成されている。この試料３は不図示の試料ホルダー
に保持されている。この試料ホルダーは金属等の導電性
を有する物質から形成され、アース線等により接地され
ている。

【００１５】電子光学鏡筒１、２の構造は従来からＳＥ
Ｍ等に用いられている電子光学鏡筒と同様であるため、
その詳細な説明は省略する。図２および図３を参照して
その概略を説明すれば、図２は低加速電子ビーム照射用
の電子光学鏡筒１の構成を示す概略図である。この図に
おいて、５は電子銃、６はコンデンサーレンズ、７は走
査コイル、８は対物レンズ、４は２次電子検出器であ
る。電子銃５による電子ビームの加速電圧は、上述のよ
うに８００Ｖ程度に設定されている。

【００１６】一方、図３は高加速電子ビーム照射用の電
子光学鏡筒２の構成を示す概略図である。この図におい
て、１０は電子銃、１１はブランカ、１２はコンデンサ
ーレンズ、１３は対物レンズである。電子銃１０による
電子ビームの加速電圧は、試料３の物質等にもよるが、
１０ｋＶ程度以上に設定されている。ブランカ１１はコ
イルの一種であり、ブランカ１１に通電されると電子ビ
ームが点線で示すように偏向され、電子光学鏡筒２から
高加速電子ビームＨＢが照射されないようにするもので
ある。

【００１７】図１、図２および図４に示すように、電子
光学鏡筒１の電子銃５から発射された低加速電子ビーム
ＬＢはコンデンサーレンズ６、対物レンズ８により試料
３の走査領域ＳＡ上に照射され、かつ、走査コイル７に
より偏向されてこの走査領域ＳＡ内を矢印方向に走査さ
れる。この走査により試料３から発生した２次電子は、
２次電子検出器４で検出された後、不図示のＣＲＴに試
料３の走査像として表示される。一方、電子光学鏡筒２
の電子銃１０から発射された高加速電子ビームＨＢはコ
ンデンサーレンズ１２、対物レンズ１３により試料３の
走査領域ＳＡよりもやや広い照射領域ＲＡに照射され
る。一例として走査領域ＳＡが１０μｍ角である場合、
照射領域ＲＡは１１μｍ角程度に設定される。照射領域
ＲＡの設定は、電子光学鏡筒２に内蔵されたコンデンサ
ーレンズ１２および対物レンズ１３により行われる。

【００１８】電子光学鏡筒１は試料３の垂直方向から低
加速電子ビームＬＢを照射し、電子光学鏡筒２は、試料
３の表面に対して所定角度（≠９０°）をもって高加速
電子ビームＨＢを照射する。高加速電子ビームＨＢの照
射角度は任意であり、電子光学鏡筒１、２の大きさ等に
より定められる。但し、この照射角度により高加速電子
ビームＨＢを照射した場合に半導体基板、導体基板にま
で電子、正孔対が生じるように電子光学鏡筒２の加速電
圧を定めることが好ましい。また、高加速電子ビームＨ
Ｂを照射しないときはブランカ１１により電子光学鏡筒
２から高加速電子ビームＨＢが照射されないようにす
る。

【００１９】走査領域ＳＡ内の試料３を観察する場合、
電子光学鏡筒１により走査領域ＳＡに低加速電子ビーム
ＬＢを照射するのと同時に、電子光学鏡筒２により照射
領域ＲＡに高加速電子ビームＨＢを照射する。高加速電
子ビームＨＢの照射により、レジストパターンに導電性
が生じてレジストに生じた電荷が半導体基板または導体
基板、および不図示の試料ホルダーを介してアース側に
流れることによって帯電が防止される。

【００２０】この際、高加速電子ビームＨＢの照射によ
り照射領域ＲＡ全体から２次電子が発生するが、２次電
子はこの照射領域ＲＡ内で一様に発生するため、２次電
子検出器４により検出される２次電子には高加速電子ビ
ームＨＢによる２次電子がいわば直流成分的に（バック
グラウンド信号として）重畳されている。このため、２
次電子検出器４により検出された２次電子から高加速電
子ビームＨＢによる２次電子の分を減算すれば、低加速
電子ビームＬＢによる２次電子のみを抽出することがで
きる。また、高加速電子ビームＨＢによる２次電子の発
生効率は、上述のように低加速電子ビームＬＢによる２
次電子の発生効率よりも低いため、高加速電子ビームＨ
Ｂと低加速電子ビームＬＢが同時に照射された場合の２
次電子のＳ／Ｎ比は低加速電子ビームＬＢのみが照射さ
れた場合の２次電子のＳ／Ｎ比と大差なく、Ｓ／Ｎ比低
下の問題が生じない。

【００２１】なお、高加速電子ビームＨＢと低加速電子
ビームＬＢとを同時に照射する必要はなく、試料３に生
じた電子、正孔対の寿命以下の時間差をもって高加速電
子ビームＨＢを低加速電子ビームＬＢに先だって照射す
ることも可能である。この場合、低加速電子ビームＬＢ
照射時に高加速電子ビームＨＢを照射していないため、
観察装置４により観察された２次電子に高加速電子ビー
ムＨＢによるものが含まれず、さらに２次電子のＳ／Ｎ
比を向上させることが可能である。

【００２２】なお、本発明の電子ビーム観察装置は、そ
の細部が上述の一実施例に限定されず、種々の変形が可
能である。一例として、上述の一実施例では本発明を走
査型電子顕微鏡に適用したが、電子線測長装置などの他
の電子ビーム観察装置にも適用可能である。さらに、上
述の一実施例では試料３の表面から半導体基板（または
導体基板）へ電子・正孔対を生成させるエネルギービー
ムとして、高加速電圧の電子ビームＨＢにより少なくと
も走査範囲ＳＡを照射していたが、イオンビームやＸ線
や光などを用いても同様の効果を得ることができる。ま
た、本実施例では情報信号として２次電子を用いたが、
反射電子を用いてもよい。この場合は、２次電子検出器
４の代わりに、反射電子検出器を用いればよい。

【００２３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、絶縁性の高い試料の表面から基板へ電子・正孔対
を生成させるエネルギービームを少なくとも低加速電圧
の電子ビームの走査範囲に同時に又は前もって照射した
ので、試料の構造、物質等に関係なくこの走査範囲内の
試料に一様に導電性を持たせることができ、低加速電圧
の電子ビームの加速電圧を試料の各部分で細かく制御せ
ずとも試料の帯電を防止することができる。また、エネ
ルギービームにより生じる電子は走査範囲内で一様であ
るので、このエネルギービームにより生じる電子により
電子検出信号のＳ／Ｎ比が低下するおそれもない。よっ
て、絶縁性の高い試料の帯電を簡易に防止することがで
き、しかも、高Ｓ／Ｎ比での観察が可能な電子ビーム観
察方法および装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である走査型電子顕微鏡を示
す概略図である。

【図２】低加速電子ビーム照射用の電子光学鏡筒の構成
を示す断面図である。

【図３】高加速電子ビーム照射用の電子光学鏡筒の構成
を示す断面図である。

【図４】走査領域と照射領域との関係を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

ＨＢ 高加速電子ビーム ＬＢ 低加速電子ビーム ＲＡ 照射領域 ＳＡ 走査領域 １ 低加速電子ビーム照射用電子光学鏡筒 ２ 高加速電子ビーム照射用電子光学鏡筒 ３ 試料 ４ ２次電子検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性の基板上にある絶縁性の高い試料
   を低加速電圧の電子ビームによって走査し、この走査に
   より前記試料から得られる情報信号に基づいて、前記試
   料の走査像を観察する電子ビーム観察方法において、 前記走査と同時に又は前もって、少なくとも前記走査の
   範囲に前記絶縁性の高い試料の表面から前記基板へ電子
   ・正孔対を生成させるエネルギービームを照射する工程
   を含むことを特徴とする電子ビーム観察方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電子ビーム観察方法に
   おいて、前記エネルギービームが高加速電圧の電子線で
   あることを特徴とする電子ビーム観察方法。
3. 【請求項３】 導電性の基板上にある絶縁性の高い試料
   を低加速電圧の電子ビームによって走査し、この走査に
   より前記試料から得られる情報信号に基づいて、前記試
   料の走査像を観察する電子ビーム観察装置において、 前記走査と同時に又は前もって、少なくとも前記走査の
   範囲に前記絶縁性の高い試料の表面から前記基板へ電子
   ・正孔対を生成させるエネルギービームを照射する高加
   速電圧照射装置を備えることを特徴とする電子ビーム観
   察装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の電子ビーム観察装置に
   おいて、前記エネルギービームが高加速電圧の電子線で
   あることを特徴とする電子ビーム観察装置。