JPH08273569A - 粒子ビーム・コラム - Google Patents
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Abstract
試験片の表面から放出される電子を検出する粒子ビーム
・コラム関し、試験片の表面形状及び材料の特徴を高解
像度で画像化および測定することを目的とする。 【解決手段】 粒子源と、試験片の表面から放出される
電子を集束することにより後方散乱電子の内側環状帯と
二次電子の外側環状帯とに電子を分散させる対物レンズ
と、粒子源と対物レンズとの間に位置し、後方散乱電子
の内側環状帯を検出する後方散乱電子検出器と、粒子源
と対物レンズとの間に位置し、二次電子の外側環状帯を
検出する二次電子検出器とを具備する。
Description
ム画像化及び測定装置に関し、特に、半導体の自動生産
過程に於いて、電子ビーム走査により半導体ウェーハの
表面形状及び/又材料の特徴を高解像度で画像化及び測
定する電子ビーム装置に関する。
集積回路は可視光線の波長より小さい形状で形成される
ため、M. H. Bennet & G. E. Fuller の論文 "In-proce
ss Inspection and Metrology of Semiconductor Wafer
with the Use of an Automated Low-Voltage SEM," Mi
crobeamAnalysis 1986, pp 649-657 に述べられている
ように、電子ビームによる画像化は、プロセス開発及び
品質保証の観点から選ばれた技術として確立された。
験片から電子放出が起こる。これら放出電子は2種類の
電子、即ち、そのエネルギーが50eV未満である二次電
子と呼ばれる電子と、50eV以上である後方散乱電子と
呼ばれる電子とに大別される。
ow-Voltage Scanning Elecron Microscopy", SPIE Opti
cal Engineering Press, 1993 に述べられているよう
に、二次電子は試験片の表面形状を精細に描写し、他
方、後方散乱電子は試験片に含まれる異種物質を判別す
る。
号は、一次電子ビームを試験片に向けて垂直に入射させ
る電子コラムを囲んで円形状に等間隔で配置した4個の
電子検出器を備え、表面形状を測定する装置及び方法を
開示している。試験片から放出された二次電子を引きつ
けるために、対向する2つの電子検出器に同時に正の電
荷が印加される。一次電子ビームで試験片を走査し、試
験片表面形状の断面形状が得られるように、電荷が印加
された2個の検出器の出力信号を組み合わせる。こうし
て、対向配置した二組の検出器の出力信号を交互に組み
合わせることによって、2本の対角線に沿う断面形状を
得ることができる。この従来例では、回りに配置した電
子検出器による二次電子の収集を容易にするために、試
験片と電子コラムとの間に、少なくとも数(several)ミ
リメートルと言った比較的長い作業距離を維持しなけれ
ばならない。
えて、 P. Atkin & K. C. A. Smithの論文 "Automatic
Stereometry and Special Problems of the SEM", Elec
tronMicroscopy and Analysis, Institute of Physics
Conference Series Number68, 1983, pp 219-222に述べ
られている立体画像化法を用いて4個の空間検出器の出
力信号を組み合わせることができ、試験片表面の間接的
3次元画像化及び測定が可能になる。
6 号は、一次ビームを高解像度で試験片に集束させると
共に、試験片から放出される電子を効果的に収集する静
電−磁気対物レンズを開示している。対物レンズの上方
に配置されたシンチレータ検出器は、試験片からの全電
子放出に比例した信号を発生する。この従来例では、多
重検出器を用いた空間的識別装置、二次電子と後方散乱
電子とを別々に検出する装置の何れをも備えていない。
静電的な対物レンズと、この対物レンズの上方に配置さ
れた環状の検出器とからなる走査電子顕微鏡用の対物検
出器(detecfor objective) を開示している。この構成
は、通常、磁気対物レンズで起こる電子のラーモア(La
rmor) 回転を除くことによって、検出電子の空間的方位
を保存するという利点を備えている。しかし、良く知ら
れている通り、静電対物レンズには大きな色収差がある
ため、一次ビームのエネルギーが低いところでは、解像
度に制限が生じる。このことは、試験片の充電及び損傷
を避けるために、低いビームエネルギーを必要とする半
導体への応用には不利に働く。
状を識別し、そして/またはその材料の特徴を識別する
粒子ビーム・コラムが求められている。
の表面形状識別及び/または材料特徴を識別する粒子ビ
ーム・コラムの提供にある。
形状と材料の特徴を高解像度で画像化し、測定するため
の粒子ビーム・コラムを提供するものであり、この粒子
ビーム・コラムは、(a)試験片から二次電子及び後方
散乱電子を含む電子を放出させるように、一次粒子ビー
ム軸に沿って飛翔し、試験片に衝突する一次粒子ビーム
を生成する粒子源と、(b)前記一次ビーム軸に対しそ
の半径方向に電子を分散させ、分散された電子が後方散
乱電子からなる内側環状帯と二次電子からなる外側環状
帯とを形成するように前記電子を集束する対物レンズ
と、(c)前記粒子源と前記対物レンズとの間に位置
し、前記後方散乱電子の内側環状帯を検出する後方散乱
電子検出器と、(d)前記粒子源と前記対物レンズとの
間に位置し、前記二次電子の外側環状帯を検出する二次
電子検出器とを具備している。
は静電対物レンズを含んでいる。
は磁気対物レンズを含んでいる。
ンズは静電対物レンズと磁気対物レンズとを含み、前記
静電レンズは二次電子の角方位を維持するように、試験
片と前記磁気対物レンズの間に配置されている。
子検出器と前記後方散乱電子検出器は、単一電子検出器
として構成される。
乱電子検出器は、試験片から見て前記二次電子検出器の
上方に配置される。
乱電子検出器は環状に形成される。
子検出器は、試験片表面に存在する線の幅を測定するた
めの複数組の信号を供給するように、複数の扇形区域に
分割される。
子検出器は、試験片から突出している表面形状と試験片
の中に落ち窪んでいる表面形状とを区別することができ
る。
ーム軸近傍の後方散乱電子の収集検出能(Acceptance)
を向上させるように、後方散乱電子検出器の作用面に電
位が与えられる。
上記基本構成は、前記一次ビーム軸近傍の後方散乱電子
の収集検出能を向上させる材料からなり、フランジ状の
幾何学形状を備えるビーム遮蔽管を更に含んでいる。
態、並びに更なる構造上の諸形態は、添付図面に例示の
本発明による好適実施例に関する以下の記載から理解さ
れよう。但し、これらの実施例は例として挙げたもので
あって、本発明はこれらの実施例の構成に限定されるも
のではない。
を高解像度で画像化し、測定することができる粒子ビー
ム・コラムに関する。
び動作については、添付図面と以下の説明から、より良
い理解を得ることができよう。
料の特徴を高解像度に画像化し、測定するために、本発
明の思考に基づいて構成され、動作する粒子ビーム・コ
ラムの好適一実施例を示し、その全体を参照符号100
で示す。概して、この粒子ビーム・コラムの上記の機能
は、一次ビームによって叩かれた(bombarded) 試験片か
ら放出される二次電子(SE)と後方散乱電子(BSE) を識別
することによって達成される。これにより、この粒子ビ
ーム・コラムでは、試験片表面形状の特徴を高解像度に
画像化し、測定するのに二次電子を使用し、試験片材料
の特徴を高解像度に画像化し、測定するのに後方散乱電
子を使用することができる。二次電子と後方散乱電子
は、それらが一次ビームの一次ビーム軸に対して、本質
的に異なる半径で半径方向に分散することから、それら
を識別することができる。これら異なる半径を持つ二次
電子と後方散乱電子の半径方向への分散は、後方散乱電
子のエネルギーが、二次電子に比べて高いことに起因し
ている。
させた一次ビームPBによって、試験片104の表面を走
査するための粒子源102を包んでいる。好適には、こ
の粒子源102は、実質数ナノメータのサイズを有し、
エネルギーの広がりが数十分の1(several tenths)eV
であること特徴とする電界放出型電子源(field-emissi
on electnon source) であるのが好ましい。典型的に
は、一次ビーム電子は200eVを超える運動エネルギー
を有し、一次ビーム軸に沿って進む。
0を備えたビーム遮蔽管108を含む電子検出器106
の中心を通過する。一次ビームPBが電子検出器106を
通過する際に、粒子ビームがシフト又は収差を起こさな
いように、上記の遮蔽管は、導電体であって、且つ、好
ましくは非磁性体である材料で形成され、周囲のコラム
とほぼ同電位に維持される。この分野の技術で知られて
いるように、粒子ビーム・コラム100の内部に電子検
出器106を配置することによって、試験片104と粒
子ビーム・コラム100の間の作業距離を非常に短くす
ることができる。一般に一次ビームPBの収差が作業距離
と共に増加する範囲では、上記の構成を採ることによっ
て高い解像度と測定精度が達成される。
PBの運動エネルギーまでの範囲にある運動エネルギーを
持った電子を試験片104の表面から放出させる。従っ
て、試験片から放出された電子は、後方散乱電子と二次
電子の両方を含んでいる。試験片を離れる際に二次電子
は、図4を参照して詳細に述べるように、異なる表面か
らそれぞれの放射角に従って空間に分かれていく。
ジ部LE、平坦領域FA、右エッジ部RAを備えた表面形状を
含んでいる場合、左右エッジ部から放出される二次電子
は、それぞれ表面形状の左側及び右側に集中するが、平
坦領域FAから放出される二次電子は多かれ少なかれ両側
に等しくに別れる。図中、二次電子放射に関して良く知
られているLambertain角度分布又はcosine-law角度分布
の極表示である円は、二次電子放出が表面に直角な方向
で最も強くなることを示していることに注意しなければ
ならない。更に、全放射強度は、一次ビームPBが試験片
104に見通し角すれすれに入射する左右縁部LEとREの
方が、平坦領域FAに於けるよりも大きくなり、このこと
から表面形状と二次電子放射との間に強い相関関係が在
ることが説明される。
を参照番号112で示す対物レンズによって集束され、
二次電子は二次電子クロスオーバー・ポイントA で交差
し、後方散乱電子は後方散乱電子クロスオーバー・ポイ
ントB で交差する。図からも判るとおり、後方散乱電子
のエネルギーは二次電子よりも高いため、試験片104
から見て、後方散乱電子のクロスオーボー・ポイントB
は、二次電子のクロスオーボー・ポイントA より実質的
に高い位置にある。二次電子及び後方散乱電子は、それ
ぞれのクロスオーボー・ポイントを通過した後、対物レ
ンズ112の子午面内で、ほぼ直線軌道に沿って電子検
出器106に向かう。
次ビーム軸に対する半径方向への分散は、後方散乱電子
のそれに比べて大きい。これは、二次電子クロスオーバ
ー・ポイントA から電子検出器106までの距離の方
が、後方散乱電子クロスオーバー・ポイントB から電子
検出器106までの距離より大きいことに起因してい
る。言い換えるなら、電子の半径方向分散は二次電子の
外環帯と、後方散乱電子の内環帯とを含んでいる。従っ
て、従来の電子検出器とは対照的に、電子検出器106
は二次電子の外環帯を検出するための二次電子(SE)検出
器114と、後方散乱電子の内環帯を検出するための後
方散乱電子(BSE) 検出器116とを備えている。二次電
子と後方散乱電子の効果的な分離は、後方散乱電子検出
器116の外側半径を図5に示す値 ROに等しくなるよ
うに選択することによって達成される。
ら、静電対物レンズ118と、試験片104から見て、
この静電対物レンズ118の上方に配設された磁気レン
ズ120とを具備した、米国特許第4,785,176 号に記載
の複合型静電−磁気対物レンズとして構成されているの
が好ましい。この分野の技術で知られているように、こ
の種の対物レンズによって、一方では、例えば約900
0eVオーダーの高エネルギーの一次粒子ビームPBの使用
が可能となるため、色収差効果を最小限に止めることが
でき、他方、試験片104に衝突する電子が約1000
eVのオーダーの比較的低い着地エネルギーを持つよう
に、試験片104への衝突直前の電子エネルギーの殆ど
を奪取することが可能になるからである。しかし、ここ
で注意しておきたいのは、この複合型静電−磁気対物レ
ンズの解像度よりは低い解像度になるが、静電対物レン
ズ又は磁気対物レンズによって対物レンズ112を構成
することは可能である。
118は、試験片104から放出された電子を電子検出
器106に向けて数キロeVの運動エネルギーまで加速す
る。次いで、対物レンズ112の磁気対物レンズ120
は、ここを通過する電子を一次ビーム軸の周りに角度θ
だけ回転する。この角度θは式θ=kB/√Uによって
与えられる。この式で、kは常数、Bは磁界強度、Uは
ラーモア回転(Larmorrotation) として知られる動作中
の電子の運動エネルギーである。
度であって、静電対物レンズ118による加速後の全運
動エネルギーの極一部に過ぎないから、二次電子は殆ど
同じ角度で回転する。言い換えるならば、二次電子は剛
体であるかのように粒子ビーム軸の周りに回転し、静電
対物レンズ118の面内に在った時に保っていた、表面
形状を反映する順序(topographic ordering)を維持す
る。これとは対照的に、後方散乱電子は広がりの大きい
異なった運動エネルギーを有しているため剛体のように
は回転しない。しかし、この点については、然したる問
題とはならない。何故なら、材料情報を伝達するのは、
後方散乱電子の角度分布であるよりは、むしろ後方散乱
粒子の強度であるからである。
ンズ120との位置を交換すると、二次電子がもたらす
表面形状情報を破壊するであろうことを強調しておく。
この場合、数eVのエネルギーの違いしか持たない二次電
子の間でも、それらのラーモア回転は大きく異なるの
で、角度情報は磁気対物レンズ118を通って伝搬する
ことによって、すっかり混乱してしまう。
器は、一体化した装置として構成されるのが好ましい。
この場合、二次電子検出器114は、米国特許第4,941,
980号に記載の方法(説明は略す)によって、線の幅を
測定するために、図3に示すように4個の扇形区域に分
割され、後方散乱電子検出器116は、環状リングとし
て構成するのが好ましい。従って、電子検出器106は
4個の空間二次電子信号と1個の後方散乱電子信号に対
応する5個の出力信号を同時に、直列又は並列に供給す
る。これらの信号総てによって、1つの材料の画像、及
び一つ又はそれ以上の表面形状画像を作り出すことが可
能になる。或いは、これら画像を公知の立体画像法によ
って重ね合わせ、材料組成を色分けした3次元の表面形
状画像を形成することも可能である。
試験片104の面に於ける形状の方向、及び空間的識別
能に対する要求度に応じて、4区域より少なくすること
も、又は等しくすることも、或いは多くすることも可能
である。また、二次電子検出器114と後方散乱電子検
出器116を、図6のように、分離して構成することも
可能である。この設計によれば、二次電子検出器114
と後方散乱検出器116の利得を独立に調整することが
可能となると共に、保守のために、これら検出器を別々
に交換することが可能になるという利点が得られる。
検出器116は、両者とも、シンチレータ、ソリッド・
ステート又はマイクロチャンネル・プレート電子検出器
等の既存の技術を使用して容易に製作することが可能で
ある。二次電子検出器114の扇形区域、及び後方散乱
検出器116の環状リングは、物理的又は電子的方法に
よって形成することが可能である。例えば、マイクロチ
ャンネル・プレート電子検出器は、図3に図示の4つの
扇形区域および1つの環状リングに対応する形状の複数
の物理領域に分離された集電陽極を有するように製作す
ることが可能である。
ト電子検出器は、1または複数の薄いガラス板と集電陽
極(collecting anode)からなり、このガラス板には、ガ
ラス板の面に垂直な方向に多数の微小管が形成されてい
る。そして、このガラス板の2つの表面の間には、例え
ば、約1000Vの電圧が印加される。電子は、所謂
「入力平面」に入り、印加電圧によって「出力表面」の
方向に加速される。この間に、電子は、上記の微小管の
内面で跳ね返され、1回跳ね返される毎に数個の電子が
ガラスから放出される。このガラスは、電子放出能を増
すために、しばしば鉛を含有する。電子が、上記の微小
管の内面で何回も跳ね返されることにより、入力表面に
入射した1個の電子は、出力表面に到達するときには数
千個の電子を発生している。集電陽極は、上記の出力表
面に平行に位置し、且つ、出力表面から絶縁された絶縁
体から構成され、その絶縁体の表面に複数の金属被覆領
域を有している。集電陽極は、例えば、1050Vの電
位に維持され、出力表面から数分の1ミリメートルの距
離に保持される。上記の数千個の電子は、上記のガラス
板の出力表面を通過して集電陽極に到達する。こうし
て、測定可能な電流が発生する。上記の複数の金属被覆
領域は、互いに絶縁された電極となる。このような構成
のマイクロチャンネル・プレート電子検出器は、例え
ば、浜松ホトニクス株式会社より入手可能である。そし
て、これら複数の電極を、図3に図示のような形状に製
作することが可能である。
の位置を電子的に測定する、位置検出可能なマイクロチ
ャンネル・プレート電子検出器を使用することも可能で
ある。電子の衝突数は、アナログ又はディジタル累算器
を使用して、二次電子検出器114の各扇形区域及び後
方散乱電子検出器の環状リング毎にカウントされる。
び後方散乱検出器116の環状リングは、Everhart-Tho
rnley 型のシンチレータ電子検出器のような分離型装置
として作成することが可能である。物理的に構成するに
しろ、また電子的に構成するにしろ、二次電子の角度判
別の原理及び二次電子と後方散乱電子の半径方向への分
離に関する原理に変わりはない。
ルと言った底部表面構造を画像化し、測定する際、米国
特許第5,466,940 号に記載の技術を適用することによっ
て、軸近傍の後方散乱電子の検出能は好ましい形で向上
する。このことは、衝突する後方散乱電子による二次電
子の発生を容易にする材料でフランジ端部110を形成
すると共に、米国特許第5,466,940 号に述べられている
ように、これらの二次電子を効果的に収集するように、
後方散乱電子検出器の動作面(active surface)と、フラ
ンジ端部110とに電位を与えることによって達成され
る。
て説明してきたが、本発明には数多くの変形、その他の
応用が可能であることは理解されよう。
/または材料特徴を高解像度で識別することができる。
画像化し、測定することができる本発明により構成さ
れ、動作する粒子ビーム・コラムの1つの好適な実施例
の概略図である。
片から粒子ビーム・コラム内に配置されたそれぞれの電
子検出器に向かう際の軌道を示す概略図である。
子検出器の一好適実施例の概略図である。
度分布を示す図である。
面に於ける二次電子及び後方散乱電子の動径方向分布を
示す図である。
画像化し、測定することができるを粒子ビーム・コラム
の第2の実施例の概略図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 試験片の表面形状及び材料の特徴を高解
像度で画像化し、測定するための粒子ビーム・コラムで
あって、該粒子ビーム・コラムは、 試験片から二次電子及び後方散乱電子を含む電子を放出
させるように、一次粒子ビーム軸に沿って飛翔し、試験
片に衝突する一次ビームを生成する粒子源と、 前記一次ビーム軸に対しその半径方向に電子を分散さ
せ、分散された電子が後方散乱電子からなる内側環状帯
と二次電子からなる外側環状帯とを形成するように、前
記電子を集束する対物レンズと、 前記粒子源と前記対物レンズとの間に位置し、前記後方
散乱電子の内側環状帯を検出する後方散乱電子検出器
と、 前記粒子源と前記対物レンズとの間に位置し、前記二次
電子の外側環状帯を検出する二次電子検出器とを具備す
ることを特徴とする粒子ビーム・コラム。 - 【請求項2】 前記対物レンズは静電対物レンズを含む
請求項1に記載の粒子ビーム・コラム。 - 【請求項3】 前記対物レンズは磁気対物レンズを含む
請求項1に記載の粒子ビーム・コラム。 - 【請求項4】 前記対物レンズは静電対物レンズと磁気
対物レンズとを含み、前記静電レンズは二次電子の角方
位を維持するように、試験片と前記磁気対物レンズの間
に配置されている請求項1に記載の粒子ビーム・コラ
ム。 - 【請求項5】 前記二次電子検出器と前記後方散乱電子
検出器は、単一電子検出器として構成されている請求項
1に記載の粒子ビーム・コラム。 - 【請求項6】 前記後方散乱電子検出器は、試験片から
見て前記二次電子検出器の上方に配置されている請求項
1に記載の粒子ビーム・コラム。 - 【請求項7】 前記後方散乱電子検出器は環状に形成さ
れている請求項1に記載の粒子ビーム・コラム。 - 【請求項8】 前記二次電子検出器は、前記試験片の表
面に存在する線の幅を測定するための複数の信号対を供
給するように、複数の扇形区域に分割されている請求項
1に記載の粒子ビーム・コラム。 - 【請求項9】 前記二次電子検出器は、試験片から突出
している表面形状と試験片の中に落ち窪んでいる表面形
状とを区別するように、複数の扇形区域に分割されてい
る請求項8に記載の粒子ビーム・コラム。
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