JPH07262959A

JPH07262959A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH07262959A
Application number: JP6053711A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Matsui; 秀信松井; Mitsuru Hiura; 充樋浦
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 1995-10-13
Also published as: US5500528A

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面の良好な観察とコンタクトホールのよ
うな試料に形成された穴の底の観察とを同じ顕微鏡で簡
単に実現できる環境制御型の走査型電子顕微鏡を得る。【構成】圧力制限アパーチャ７ａを通して試料室９内の
試料１０に電子線を照射して走査する。試料１０から放
出された二次電子を試料室９内のガスによりガス増幅す
る。圧力制限アパーチャ板７は電極を兼ねており、また
圧力制限アパーチャ７ａの周りには別の電極１５が設け
られている。圧力制限アパーチャ板７は、モータ２５、
ピニオン軸２３、ピニオン２２、ラック２１、連結部材
２０よって電子銃３からの電子線の通路に沿って移動可
能である。圧力制限アパーチャ７は、コンタクトホール
の観察時には試料の近くに位置付けられ、試料の表面の
観察時には、試料から遠い位置に位置付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査電子顕微鏡に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】通常の走査型電子顕微鏡は、真空中に配
置された試料から放出される二次電子をシンチレータの
発光により検出している。これに対して、いわゆる環境
制御型電子顕微鏡は、水蒸気等の低圧気体中に配置され
た試料からの二次電子を水蒸気等の低圧気体によりガス
増倍（電子増倍）し、この増倍された二次電子を検出電
極で直接検出している。この様な環境制御型の走査電子
顕微鏡によれば、通常の電子顕微鏡では観察できない水
分を含んだ試料のような種々の試料を観察することがで
きる。ただし、通常の低加速走査電子顕微鏡において
は、試料に入射する一次の電子線の量と試料から放出さ
れている二次電子の量とがほぼ等しいのに対して、環境
制御型の走査電子顕微鏡においては、電子線の加速電圧
が比較的大きいために、試料に入射する一次の電子線の
量よりも試料から放出される二次電子の量が少ない傾向
がある。そのため、環境制御型の電子顕微鏡では、試料
が負にチャージアップ（帯電）され易くなるので、その
試料の負のチャージアップを中和させる手段が必要であ
る。図３は従来の環境制御型の走査電子顕微鏡の一例を
示す図であり、電子銃３が収納された真空室２（実際に
は、差動排気のためにアパーチャにより区切られた複数
の部屋からなる）と試料室９とが中央にアパーチャ７ａ
を有する圧力制限アパーチャ板７を介して接している。
圧力制限アパーチャ板７は絶縁体８を介して鏡筒１に固
定されている。電子銃３と圧力制限アパーチャ板７との
間には、コンデンサレンズ４、対物レンズ６、偏向器５
が配置されている。試料室９には図示省略した気体供給
源より電子増倍作用のある気体（例えば水蒸気）が供給
されると共に、試料室９の気体の圧力は真空ポンプ１２
により０．１〜数１０Torr程度に保たれている。また、
試料室９の気体は圧力制限アパーチャ板７のアパーチャ
７ａを通って真空室２に流れるが、真空ポンプ１１によ
り真空室２の気体の圧力は試料室９の内部よりも小さい
圧力（高い真空度の状態）、例えば圧力制限アパーチャ
板７の真上で１０^-2〜１０^-3Torr程度に保たれている。
実際には上述したように、真空室２はアパーチャにより
複数の部屋に分離されており、各々の部屋に真空ポンプ
が設けられ電子銃３は最も高い真空度の部屋に配置され
ている。試料室９の内部に観察対象とする絶縁物よりな
る試料１０が収納されている。また、この従来例では、
圧力制限アパーチャ板７が二次電子検出器を兼ねてお
り、圧力制限アパーチャ板７に可変電圧源１３より試料
１０に対して正の電圧が印加されている。その圧力制限
アパーチャ板７から得られる二次電子信号がプリアンプ
１４を介して図示省略した処理装置に取り込まれる。圧
力制限アパーチャ板７の周りにはさらにリング状の電極
１５が設けられ、電極１５には可変電圧源１６より試料
１０に対して正の電圧が印加されている。電極１５から
得られる二次電子信号がプリアンプ１７を介して図示省
略した処理装置に取り込まれる。試料１０の観察を行う
場合には、真空室２の電子銃から放出された一次の電子
線が圧力制限アパーチャ板７のアパーチャ７ａを通過し
て試料１０上に集束し、この集束した電子線で試料１０
を走査する。この走査によって試料１０からは二次電子
が放出され、この二次電子は圧力制限アパーチャ板７及
び／又は電極１５の電場によりエネルギーを受け、試料
室９中の気体に衝突し、衝突した気体をイオン化する。
このイオン化の結果得られた電子が二次電子の増幅に寄
与することがガス増幅ということである。他方、このガ
ス増幅の結果生じた正イオンは試料１０に照射され、一
次の電子線の照射により試料１０に生じた負のチャージ
が中和される。また、ガス増幅された二次電子は圧力制
限アパーチャ板を兼ねる電極７及び／又は電極１５に取
り込まれ、この二次電子信号がプリアンプ１４、１７を
介して外部の処理装置に取り込まれる。電極７と１５の
使い分けは、通常の試料の観察では二次電子の移動距離
の長くなる電極１５を用い（この際、オペレータは試料
の表示像を観察しながら、可変電圧源１３、１６の電圧
を調整して、最も見えの良い電圧を電極７、１５に印加
する。勿論、電極７に印加する電圧が零の場合もあ
る）、コンタクトホールのように、できるだけ真上から
観察する必要のある対象の場合には、電極７を用いる
（この際、オペレータは試料の表示像を観察しながら、
可変電圧源１３、１６の電圧を調整して、最も見えの良
い電圧を電極７、１５に印加する。勿論、電極１５に印
加する電圧が零の場合もある）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の構成
では、コンタクトホールの観察を良好にするために電極
７を試料に近づけた構成にすると、電極１５での検出に
電極７が邪魔になって試料像が劣化し、電極１５での観
察が良好に行えない、という欠点があった。本発明はこ
のような点に鑑み、試料表面の良好な観察とコンタクト
ホールのような試料に形成された穴の底の観察とを同じ
顕微鏡で簡単に実現できる環境制御型の走査型電子顕微
鏡を得ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載の本発明は、電子銃からの電子線を圧
力制限アパーチャを通して試料室内の試料に照射して走
査すると共に、試料から放出された二次電子を試料室内
のガスによってガス増幅させ、検出器で検出する走査型
電子顕微鏡において、前記検出器を、少なくとも前記電
子銃からの電子線の通路に近接して配置した内側電極
と、該内側電極の外側に配設した外側電極とで構成する
と共に、前記内側電極を前記電子銃からの電子線の通路
に沿って移動させる移動装置を設けた。

【０００５】また、請求項２に記載の本発明は、前記内
側電極を前記圧力制限アパーチャを形成した圧力制限ア
パーチャ板と兼用した。

【０００６】

【作用】移動装置によって、内側電極の位置を電子銃か
らの電子線の通路に沿って移動できるので、コンタクト
ホールのような試料に形成した穴の底を観察する際は、
内側電極を試料に近づけることによって、内側電極でＳ
／Ｎよく観察することができ、また、試料の表面の観察
時には、外側電極でＳ／Ｎよく観察することができる。
このとき、内側電極は、外側電極による二次電子の検出
に支障がない位置に退避させることができる。

【０００７】請求項２のように、内側電極を圧力制限ア
パーチャを形成した圧力制限アパーチャ板と兼用するこ
とによって、装置の構成を簡単なものにすることができ
る。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の環境制御型の走査電子顕微鏡
を概念的に示すものである。図１において、鏡筒１Ａに
囲まれた真空室２の上部には電子銃３が配置され、真空
室２の中部の外側にはコンデンサレンズ４が配置され、
真空室２の下部の外側には電磁偏向器５が配置されてい
る。なお、真空室２は概念的に一つの部屋で示したが、
実際には、電子線の進行方向に複数の圧力制限アパーチ
ャ板にて仕切られた例えば３つの部屋から構成されてお
り、各々の部屋が真空ポンプにより差動排気されるよう
に構成されている。そして、最も真空度の高い部屋に電
子銃３が設けられている。また、真空室２に対して、真
空室２の下端に設けた圧力制限アパーチャ板７を挟ん
で、絶縁性の試料１０の収納された試料室９が配置され
ている。この試料室９には不図示の供給源よりガス増幅
（電子増倍）作用のある気体（例えば水蒸気）が供給さ
れると共に、試料室９の気体の圧力は真空ポンプ１２に
より０．１〜数１０Torr程度に保たれている。圧力制限
アパーチャ板７のアパーチャ７ａを通って、試料室９の
気体が真空室２に漏れるが、真空ポンプ１１により真空
室２の気体の圧力は試料室９よりも高い真空度（小さい
圧力）に維持されている（実際には、差動排気により順
次真空度が高くなる）。本例においては、その圧力制限
アパーチャ板７が二次電子検出器を兼ねており、圧力制
限アパーチャ板７には、試料室９の側壁１Ｂの絶縁性の
ハーメチックシール１Ｃを介して可変電圧源１３より試
料１０に対して正の電圧が供給され、圧力制限アパーチ
ャ板７からの二次電子信号がプリアンプ１４を介して不
図示の処理装置に取り出されている。圧力制限アパーチ
ャ板７は電子線の進行方向に延びた円筒形状の被案内面
７ｂが形成されており、被案内面７ｂが筒状の絶縁体４
の内周面に案内されて、圧力制限アパーチャ板７が電子
線の進行方向へ移動可能になっている。圧力制限アパー
チャ板７の被案内面７ｂの上端（電子銃３側）には連結
部材２０の一端が結合し、連結部材２０は鏡筒１Ａの内
壁に沿って上方に延び、他端近傍にはラック２１が設け
られている。図２に詳細に示したように、ラック２１に
はピニオン２２が噛合している。ピニオン２２を回転さ
せるピニオン軸２３が鏡筒１Ａを貫通しつつ、リング付
きフランジ２４を介して鏡筒１Ａの外部に導かれ、モー
タ２５により回転制御できる。モータ２５を回転すると
ピニオン軸２３が回転し、ピニオン２２が回転すること
により、ラック２１が電子線の進行方向（矢印Ｐ）へ上
下し、結局、圧力制限アパーチャ板７が電子線の進行方
向に沿って上下する。また、圧力制限アパーチャ板７を
囲むように、リング状の二次電子検出器１５が設けら
れ、試料室１０の側壁１Ｂの絶縁性のハーメチックシー
ル１Ｄを介して可変電圧源１６より試料１０に対して正
の電圧が供給され、その二次電子検出器１５からの二次
電子信号がプリアンプ１７を介して不図示の処理装置に
取り出されている。本例の動作の説明を行うに、電子銃
３から放出された電子線は、コンデンサレンズ４により
電磁偏向器５の偏向支点の位置に集束された後、再び対
物レンズ６によって、圧力制限アパーチャ板７のアパー
チャ７ａを通過して試料室９の内部の試料１０上に集束
される。また、試料１０上に集束した電子線は、電磁偏
向器５により試料１０上で走査される。このように電子
銃３から射出されて試料１０に達する電子が一次電子で
ある。この一次電子からなる一次の電子線の照射により
試料１０から二次電子が発生する。この二次電子の検出
は、圧力制限アパーチャ板７を兼ねた二次電子検出器７
または圧力制限アパーチャ板７を囲むように設けた二次
電子検出器１５によって検出できる。圧力制限アパーチ
ャ板７を兼ねた二次電子検出器７が、試料１０から最も
離れた上方位置にあるときは、二次電子検出器７の退避
位置であり、二次電子検出器１５が使用される。二次電
子検出器７は退避位置から下降させ、試料１０に近づけ
て用いる。すなわち、一般的な試料１０の観察は、二次
電子検出器１５の方が二次電子検出器７に比べて遠方に
ありかつ広い検出面積のものを採用することができるの
で、ガス増幅（電子増倍）作用を有効に利用することが
でき、かつ多くの電子を検出できるので、Ｓ／Ｎの高い
良好な像を得ることができる。このことは逆にみれば、
ガス増幅される際の二次電子の走行距離が長くなるため
に、より高い真空度（より低いガス圧）であっても、同
じ信号強度（同じ数の電子）を得ることが可能になるの
で、ガス圧が低くなることにより、一次電子の散乱を抑
えることができるからでもある。しかしながら、コンタ
クトホールの底の観察のような場合には、コンタクトホ
ールの真上から検出した方が検出器からみて影が無くな
るので効率良くホールの底からの二次電子を検出するこ
とができるため、圧力制限アパーチャを兼ねた二次電子
検出器７を用いる。チャージアップの少ない試料１０の
コンタクトホールの観察では二次電子検出器７を試料１
０に近づけると共にガス圧を高く（低い真空度）するこ
とによりコンタクトホールの周囲を正の電場にして、コ
ンタクトホール内からの二次電子を効率良く引き出すこ
とができる。従って、コンタクトホールの底の観察のよ
うな試料１０に形成された穴の底の観察の場合には、二
次電子検出器７と試料１０との間隔を変化させて、最も
見え方のよい位置を決定すればよい。二次電子検出器７
の位置を変えるには、鏡筒１Ａもしくは試料室１０の側
壁１Ｂの外部の不図示の制御装置から、電気的にモータ
２５の回転量を制御すればよい。モータ２５としてパル
スモータを用いれば、パルスの数により回転量を制御す
ることができる。モータ２５の回転はピニオン軸２３を
回転する。ピニオン軸２３はＯリングの付いたフランジ
２４にて真空を保ちながら鏡筒１Ａ内に挿入してあるか
ら、鏡筒１Ａ内の真空を保ちながら二次電子検出器７を
移動し、二次電子検出器７と試料１０との間の間隔を変
化させることができる。これらの動作の際、可変電圧源
１３、１６の設定電圧は、最も見え方のよい値に調節さ
れる。なお、二次電子検出器７の位置を、モータ２５に
よって電気的に制御することなく手動で調整してもよい
ことは勿論である。二次電子検出器７、１５で検出した
ガス増幅された二次電子検出信号は、プリアンプ１４、
１７でそれぞれ増幅された後、不図示の処理装置（それ
ぞれ専用のものを持っていてもよいし、共通のものを用
いてもよい）で処理され、不図示のモニタに試料１０の
画像が表示される。以上の説明では試料１０の観察対象
によって２つの二次電子検出器７、１５を使い分ける利
点を述べたが、観察対象によっては２つの二次電子検出
器７、１５を同時に使用し、それぞれの検出器７、１５
から得られる信号を合成して観察してもよい。また、内
側の二次電子検出器７と外側の二次電子検出器１５のう
ち、内側の二次電子検出器７を圧力制限アパーチャと兼
用したが、圧力制限アパーチャとは独立して内側の二次
電子検出器を設けてもよい。ただし、この場合、内側の
二次電子検出器は、出来るだけ一次の電子線の通路に近
づける必要がある。さらに、以上の説明では、一次の電
子線の通路を中心として二次電子検出器を二重に設けた
例で説明したが、二次電子検出器１５の外側にさらに二
次電子検出器を設けてもよく、また、内側の二次電子検
出器及び外側の二次電子検出器はリング状である必要は
必ずしもなく、必要に応じて分割したものであってもよ
い。

【０００９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、試料
表面の良好な観察とコンタクトホールのような試料に形
成された穴の底の観察とを同じ顕微鏡でＳ／Ｎよく簡単
に実現できる走査電子顕微鏡を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の概略図である。

【図２】本発明の第１実施例の主要部拡大図である。

【図３】従来の一実施例の概略図である。

【符号の説明】

３・・・電子銃５・・・電磁偏向器７・・・圧力制限アパーチャ板７ａ・・・圧力制限アパーチャ９・・・試料室１０・・・試料１５・・・二次電子検出器２０・・・連結棒２１・・・ラック２２・・・ピニオン２３・・・ピニオン軸２５・・・モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃からの電子線を、圧力制限アパーチ
ャを通して試料室内の試料に照射して走査すると共に、
試料から放出された二次電子を試料室内のガスによって
ガス増幅させ、検出器で検出する走査型電子顕微鏡にお
いて、前記検出器を、少なくとも前記電子銃からの電子
線の通路に近接して配置した内側電極と、該内側電極の
外側に配設した外側電極とで構成すると共に、前記内側
電極を前記電子銃からの電子線の通路に沿って移動させ
る移動装置を設けたことを特徴とする走査型電子顕微
鏡。
【請求項２】請求項１に記載の走査型電子顕微鏡におい
て、前記内側電極を前記圧力制限アパーチャを形成した
圧力制限アパーチャ板と兼用したことを特徴とする走査
型電子顕微鏡。