JPH0746590B2 - 電位測定装置 - Google Patents

電位測定装置

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JPH0746590B2
JPH0746590B2 JP8015785A JP8015785A JPH0746590B2 JP H0746590 B2 JPH0746590 B2 JP H0746590B2 JP 8015785 A JP8015785 A JP 8015785A JP 8015785 A JP8015785 A JP 8015785A JP H0746590 B2 JPH0746590 B2 JP H0746590B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子ビームによる電位測定装置に係り、特
に、走査形電子顕微鏡等の粒子線装置の試料室内の試料
上の微細個所あるいは微小試料の電位や電位分布を測定
する電位測定装置に関する。
〔発明の背景〕
金属に数キロボルトの電子を照射すると、2次電子が放
出される。この2次電子は、通常2〜3eVにピークをも
つた分布をしている。この様子を第1図(a)に示し
た。試料(ターゲツト)の電位が零ボルトの場合には
(a)図のようなエネルギー分布になる。もし試料の電
位が負の数ボルトの電位になつたとすると第1図(b)
のように分布が右側にずれた形になる。このピーク値の
ずれは、試料の電位の変化分に等しい。この特性を利用
すると、エネルギーの分布を測定することにより未知の
試料電位を知ることができる。原理的にはこのピーク値
のずれを測定する必要があるが、簡易的には、反射形の
エネルギー・フイルタにより測定する方法が広く用いら
れている。反射形エネルギーフイルタは、第1図
(a), (b)の斜線で示した部分に比例した信号を得る、いわ
ゆる高域濾波形のエネルギー・フイルタである。試料の
電位が変わることにより、斜線部の面積が変化するの
で、この変化量により試料電位を測定するものである。
第2図は、反射形のエネルギー・フイルタを用いた従来
{スキヤニング・エレクトロン・マイクロスコピイ(Sc
anning Electron Microscopy)、1978、Vol.1、375IITR
I参照)の電位測定方式の構成を示す図である。第2図
において、1は偏向板、2は第1グリツド、3は第2グ
リツド、4は試料であり、試料4に電子線11が照射され
る。電子線11は偏向板1により試料4上の任意の点に照
射することができる。この試料4の接地に対する電位5
は未知でである。この未知の電位5を2次電子により測
定しようとするものである。試料4から放出された2次
電子13は、+10〜+100Vの電位6が印加された第1グリ
ツド2により加速され、そのほとんどは第1グリツド2
を通り抜ける。第2グリツド3には、例えば、−5Vのよ
うな電位7(エネルギー・フイルタ電位)が印加されて
いる。第2グリツド3を通過した2次電子12は2次電子
検出器8により検出される。この2次電子検出器8は、
ライトガイドの先端にシンチレータあるいは蛍光体が保
護リングにより取付けられている構成のものである。こ
の部分には、リード線により約10KVの正の電位が加えら
れる。2次電子はこの10KVで加速され、シンチレータを
ひからせる。この光はライトガイドにより光電子増倍管
に導びかれ、ホトマルチプライヤーで検知される。第2
グリツド3に印加する電位7を、例えば−30〜+30Vま
で変化させ、これに対応した2次電子検出器8の出力
を、XY記録形10′に記録すると、第3図のホのような曲
線が得られる。これを一般にはS字曲線と呼んでいる。
第3図は上記の操作で得られた反射形エネルギー・フイ
ルタの分析特性例を示したもので、横軸は第2グリツド
の電位、縦軸は2次電子検出器出力である。この特性曲
線は第1図の2次電子のエネルギー分布曲線を右から順
に積分したものに相当する。曲線ホとヘは、例えば第1
図(a)と(b)のように、2つの異なる試料電位につ
いて得られた曲線である。両曲線とも、第2グリツドの
電位が負になるに従つて2次電子検出器出力が減少す
る。曲線ホは曲線ヘに比べると左側にシフトしている。
これは曲線ホの試料電位の方がより負電位であることを
示している。実際の電位測定では、2次電子検出器出力
8を例えば矢印リで示した値に設定し、S字曲線との交
点VA,VBを得る。この差(VB−VA)が試料電位5の変化
分になる。ホの曲線が試料電位零のときのものと確認さ
れているならば、VB−VAはヘの測定時の試料電位とな
る。曲線ホとヘのように理想的な曲線が保たれていてシ
フトだけが生じているならば上記の測定に問題はない。
しかし、現実には、曲線の高さの変動が起こる。この原
因は、試料への照射電子量の変化、測定個所の材質の
差、電子照射による試料の汚染等である。例えば、これ
らの原因で曲線ホが曲線トとなつたとし、曲線ヘは元の
ままであつたとすると、レベルリで求められた第2グリ
ツト電位はVA′となり2つの試料電位の間にはほとんど
電位差がないという間違つた結果を示すことになる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、従来技術での上記した問題を解決し、
照射電子量の変動等に起因する測定誤差をなくし、測定
精度の向上を可能とする電位測定装置を提供することに
ある。
〔発明の概要〕
本発明の特徴は、前記の問題を解決するために第2グリ
ツド電位で微分し、さらに2次電子検出器出力で規格化
した曲線(第2グリツド電圧で微分した曲線は2次電子
のエネルギー分布に相当するので以後この分布を規格化
2次電子分布曲線とよぶ)を用いたことである。以下、
図を用いて前記の規格化した2次電子分布曲線を詳述す
る。第4図の(a)はS字曲線である。この曲線のあ
る第2グリツド電位VG+ΔVG2だけずれたエネルギー
・フイルタ電位に相当する2次電子検出器出力、IC0,I
C1,IC2を求め、(IC1−IC2)/(ΔVG・IC0)を演算す
る。エネルギー・フイルタ電位の全範囲で前記演算を実
施すると、第4図の(b)のような曲線が得られる。
この分布曲線はIC0で規格化されているため、照射電流
変動を原理的に受けない。また試料が汚染され、2次電
子放出量が変化しても、2次電子のエネルギー分布に大
きな差が生じないのでほぼ同一の曲線になる。この曲線
を用いて電位測定を行おうというのが本発明の主眼点で
ある。
〔発明の実施例〕
第4図を用いて本発明の基本概念を述べた。さて、本発
明の具体化には、回路的に微分・演算を行う方法と計算
機のメモリにS字曲線を取り込み、その後、演算処理す
る方法とがある。第5図は計算機を用いた実施例であ
る。2次電子検出器8の出力は増幅器9で増幅され、AD
回路16を介して計算機17に入力する。第2グリツド3の
電源15は計算機17の指令を受け、電圧を出力する。計算
機17から電源15に指令をだす(例えば−30V)。そのと
きの2次電子検出器出力をAD回路16を介して取り込む。
つぎに第2グリツドの電位を、例えば−29.5Vに指定
し、また2次電子検出器出力を取り込む。これを例えば
30Vまで実施し、S字曲線を得る。これを用いて第4図
で示した演算を実施し、規格化2次電子分布曲線を作
る。この実施例では、データの取り込み後、演算をした
が、第2グリツド電圧に変動を与えながら順次演算をし
規格化2次電子分布曲線を作つてもよいことはもちろん
である。
第6図は回路的に規格化2次電子分布曲線を得る回路図
である。第2グリツド3の電源7に交流電圧21(ΔVG
を重畳する。2次電子検出器8の出力を増幅器9で増幅
する。この出力には周波数同調型増幅器18が接続されて
いる。この増幅器では交流電圧21に同調した同波数のみ
を検出し、整流して出力する。一方、増幅器9の出力を
低域濾波フイルタ回路20を通し、変動分を除去し、これ
を割算回路19の分母信号とする。分子信号には、周波数
同調型増幅器18の出力が入力されているので割算回路19
の出力には、第4図で説明した(IC1−IC2)/(ΔVG
IC0)が実行されたことになる。この値をXY記録計10の
Y入力とし、第2グリツド電源7をX入力とすれば、規
格化2次電子分布曲線を得ることができる。この場合に
も、記録計10の代りに計算機を用いると、より便利であ
ることは言うまでもない。
前記のようにして得られた規格化2次電子分布曲線にス
ライスレベルを与え、この曲線との交点から、未知の電
圧を測定することが可能となる。第7図は、前記スライ
スレベル法を説明する図である。曲線イは、試料が零電
圧のときの規格化2次電子分布曲線で、ロは未知の電圧
の分布曲線である。ハはスライスレベルである。イとハ
との交点の第2グリツド電圧はVGL0とVGH0である。一方
ロとハとの交点からVGL1,VGH1が得られる。すると、未
知電圧は、(VGL1−VGL0)または(VGH1−VGH0)で求め
られる。原理的にはどちらの算出法でも問題はないが、
どちらを用いるかは、精度や信頼性の観点から判定され
る。実験から分布の左側を用いる方がより信頼性の高い
測定が出来ることがわかつている。同様にスライスレベ
ルの高さも同様に信頼性に影響を与える。最も典型的な
VGL0としては、−5〜−10Vである。
前述のスライスレベル法では一本のスライスレベルで判
定をしたが、スライスレベルをある範囲で複数回、例え
ば、−7〜−8Vの間で10回、与えて、得られた結果の平
均値をとる方法は、誤差を小さくする方法の一つであ
る。またピーク値で判定してもよいことはもちろんであ
る。
第8図は他の判定方式が、試料電圧が零のときの規格化
した2次電子分曲線の一部分をテンプレート(a)と
し、未知電圧の規格化した2次電子分布曲線(b)との
最大一致をとる方式である。
第9図は本発明の電位測定法を電圧の時間変化を測定す
るフイードバツク動作の動作点設定に用いた他の実施例
である。スイツチ25,26が側に接続されている場合に
は、第5図と同じである。この状態で規格化した2次電
子分布曲線を作り、試料電圧を判定する。判定後、スイ
ツチ25,26は側に接続する。この状態で第2グリツド
3はフイードバツク動作になる。増幅器9の出力は計算
機17から設定された基準電圧22と比較される。比較増幅
器23の出力は増幅器9の出力を減少させるように作られ
ている。この結果、増幅器9の出力は、試料電圧5が変
化しても一定値を保つようになる。このとき第2グリツ
ド電圧をAD回路24を介して監視しているとこれが試料電
圧の変化になる。ところがこのフイードバツク動作は第
2グリツド電圧がある範囲のときに正常に働く。そこで
本実施例では、規格化した2次電子分布曲線から求めた
試料電圧を判定値とし、フイードバツク動作時の第2グ
リツド電圧の値を決定する。例えば、試料電圧よりも7
〜8V低い第2グリツド電圧になるように、2次電子検出
器8あるいは増幅器9を調整する。一般的には2次電子
検出器8を調整するのが容易で、ホトマル高電圧を変化
させる方法をとる。
なお、本発明は、電子ビームをパルス化するストロボ法
に用いることができることは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上、実施例を用いて説明したごとく、本発明によれ
ば、照射電子ビームの変動や試料汚染による測定誤差を
著しく小さくすることができ、半導体等、微細部分の電
圧測定を精度よく行うことができ、産業に与える効果は
大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は、電子ビームを用いた電圧測定の原理を説明す
る図、第2図は電圧測定の基本装置構成を説明する図、
第3図は従来法の問題点を説明する図、第4図は、本発
明の主旨を説明する図、第5図は、計算機を用いた本発
明の一実施例を示す図、第6図は、回路的に本発明を実
施した例を示す図、第7図はスライスレベルで試料電圧
を判定する方法の説明図、第8図はテンプレートを用い
た判定法の例を示す図、第9図は本発明をフイードバツ
ク測定法に取り入れた例を示す図である。 3…第2グリツド、7…第2グリツド電源、8…2次電
子検出器、9…増幅器、10…XY記録計、18…周波数同調
型増幅器、19…割算回路、20…低域3波フイルタ回路。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電子線を発生する電子線源と、該電子線源
    で発生した電子線を試料に照射する手段と、試料から放
    出される二次電子を加速するための電圧を発生する第1
    の電源が接続された第1のグリッドと、所定以上のエネ
    ルギーを有する二次電子を通過させるための電圧を発生
    する第2の電源が接続された第2のグリッドと、上記第
    2のグリッドを通過した二次電子を検出する検出器と、
    上記検出器からの信号を増幅する増幅器と、上記増幅器
    からの信号を入力して規格化された2次電子分布曲線を
    生成する規格化2次電子分布曲線生成手段と、上記規格
    化2次電子分布曲線生成手段によって生成した規格化2
    次電子分布曲線に基づいて上記試料の電位を求める電位
    判定手段を有することを特徴とする電位測定装置。
  2. 【請求項2】上記規格化2次電子分布曲線生成手段は、
    上記第2の電源にその電圧を決定する制御信号を連続的
    に送出する手段と、上記増幅器から第2の電源の各電圧
    値に対応する信号を入力する手段と、該増幅器からの信
    号を上記第2の電源電圧値で微分する手段と、そのとき
    の増幅器からの出力値で規格化する手段とを有する計算
    機からなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の電位測定装置。
  3. 【請求項3】上記規格化2次電子分布曲線生成手段は、
    上記第2の電源に接続された交流電源と、上記増幅器か
    らの出力を入力し上記交流電源によって発生された交流
    電圧に同調する信号を出力する周波数同調型増幅器と、
    上記増幅器の出力から電圧の変動分を除去する低域濾波
    フィルタ回路と、上記周波数同調型増幅器からの出力と
    上記低域濾波フィルタ回路からの出力とを入力し、割算
    を行う割算回路と、上記割算回路からの出力を記録する
    記録計とからなることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の電位測定装置。
  4. 【請求項4】上記電位判定手段は、上記規格化2次電子
    分布曲線生成手段によって発生された規格化2次電子分
    布曲線に所定のスライスレベルを与える手段と、該規格
    化2次電子分布曲線と該スライスレベルの交点の電位を
    検出する手段と、該交点の電位に基づいて試料の電位を
    求める手段とを有することを特徴とする特許請求の範囲
    第1項乃至第3項のいずれか1項に記載の電位測定装
    置。
  5. 【請求項5】上記試料の電位を求める手段は、上記規格
    化2次電子分布曲線と上記スライスレベルの交点が2箇
    所あるとき、電位の低い方の値に基づいて試料の電位を
    求めるものであることを特徴とする特許請求の範囲第4
    記載の電位測定装置。
  6. 【請求項6】上記電位判定手段は、上記規格化2次電子
    分布曲線のピーク値を測定する測定手段と、上記試料の
    電位が零のときのピーク値からのずれに基づいて未知の
    試料の電位を求める手段からなることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項乃至第3項のいずれか1項に記載の電
    位測定装置。
  7. 【請求項7】上記電位判定手段は、上記試料の電位が零
    のときの規格化2次電子分布曲線の一部をテンプレート
    として抽出する手段と、試料に電位が加わったときの規
    格化2次電子分布曲線に上記テンプレートを最大一致法
    で重ね合わせるために必要な変位量に基づいて未知の試
    料の電位を求める手段とからなることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項乃至第6項のいずれか1項に記載の電
    位測定装置。
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JPH03101041A (ja) * 1989-09-14 1991-04-25 Hitachi Ltd 電子ビームによる電圧測定装置
JP5164317B2 (ja) 2005-08-19 2013-03-21 株式会社日立ハイテクノロジーズ 電子線による検査・計測方法および検査・計測装置

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