JPH10116584A - エネルギ分析器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁体からなる試料表面の帯電を抑制し以て
２次電子の放出を妨げることなく検出精度の向上を図
る。 【解決手段】 試料との間に所定の間隔を隔てて設けら
れた引き出しグリッド、引き出しグリッドを間にして試
料と対向する分析グリッド、引き出しグリッドに正極性
の高電位を供給する第１の電源、分析グリッドに所定の
負電位から所定の正電位まで変化するスイープ電位を供
給する第２の電源、分析グリッドを通り抜けた試料から
の２次電子を補足しその補足量に応じた大きさの電気信
号を出力する検出器、引き出しグリッドと試料との間に
介在するサブグリッド、サブグリッドに正極性で且つ引
き出しグリッドの印加電位よりも低い電位を供給する第
３の電源を備える。２次電子の放出に伴って試料の表面
が正電位を帯びると、その最大電位がサブグリッドの電
位で規制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
利用した各種装置（走査型電子顕微鏡や電子ビームテス
タなど）に用いられるエネルギ分析器に関し、詳しく
は、試料表面から放出される２次電子のエネルギを分析
して、試料表面の電圧分布や表面状態などを把握するた
めの情報を出力するエネルギ分析器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来のエネルギ分析器の原理構
成図である。１は引き出しグリッドであり、引き出しグ
リッド１は、細く絞り込んだ荷電粒子ビーム２を試料３
の表面に照射した際に、その照射点から不規則に放出さ
れる２次電子の方向を揃えるためのもので、正電位の固
定高電圧Ｖ_G1（＋１ＫＶ程度）が印加されたメッシュ状
のグリッドである。引き出しグリッド１と試料３の間隔
はさほど広くなく数ミリメートル程度である。引き出し
電極１の上には、分析グリッド４が設けられており、こ
の分析グリッド４には所定の負電位（−２０Ｖ程度）か
ら所定の正電位（＋２０Ｖ程度）までの間を定周期でス
イープする可変電圧Ｖ_G2が印加されている。この分析グ
リッド４を通り抜けた２次電子を検出器５で補足し、検
出器５は補足した２次電子の量に応じた大きさの検出信
号Ｓａを出力する。

【０００３】このような構成において、Ｖ_G2が上記所定
の“正電位”のときには、分析グリッド４を通り抜ける
２次電子の量が最大となり、検出器５からは最大の大き
さの検出信号Ｓａが出力される。一方、Ｖ_G2が上記所定
の“負電位”のときには、分析グリッド４を通り抜ける
２次電子の量が最小となり、検出器５からは最小の大き
さの検出信号Ｓａが出力される。そして、Ｖ_G2が上記所
定の“正電位”より小さく且つ上記所定の“負電位”よ
り大きい電位のときには、分析グリッド４を通り抜ける
２次電子の量がその電位に対応したものとなり、検出器
５からは最大と最小の間の大きさの検出信号Ｓａが出力
される。

【０００４】図１２はＶ_G2とＳａの関係を示す特性図で
あり、Ｓａｍａｘは検出信号Ｓａの最大値、Ｓａｍｉｎ
は検出信号Ｓａの最小値である。試料表面からの２次電
子の放出量が多いと、特性線は図面右方向に移動する。
破線は移動後の特性線を表わしている。ここに、２次電
子の放出量は、特に試料３の表面電位や表面状態に依存
するから、上記移動量を測定することによって、試料３
の表面電位や表面状態を把握することができる。たとえ
ば、Ｖ_G2をスイープしながら、検出信号Ｓａを所定のス
ライスレベルＳＬと比較し、ＳＬ＜Ｓａとなったときの
Ｖ_G2の電位を調べれば、上記移動量を測定できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかるエネ
ルギ分析器は、試料表面から放出された２次電子を利用
して、試料の表面電位や表面状態などを把握するための
情報を出力するというものであるが、試料の表面が絶縁
体（誘電体とも言う）で覆われていた場合に、試料の表
面が正の電荷を帯びやすく（注１）、この電荷によって
２次電子の放出が妨げられる結果、検出精度を損なうと
いう問題点があった。注１：電子の放出で生じた正孔
（ホール）による電荷の帯電現象。近くの高電位（図１
１の場合には引き出しグリッド１の電位）に向けて帯電
する。導電体であれば電子の自由移動によって正孔が埋
められるが、絶縁体では外部から電子を取り込まない限
り電荷は中和されない。

【０００６】そこで、本発明は、絶縁体からなる試料表
面の帯電を抑制し、以て２次電子の放出を妨げることな
く検出精度の向上を図ることを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は、図
１にその原理構成を示すように、試料１０との間に所定
の間隔を隔てて設けられた引き出しグリッド１１と、該
引き出しグリッド１１を間にして前記試料１０と対向す
る分析グリッド１２と、前記引き出しグリッド１１に正
極性の高電位を供給する第１の電源１３と、前記分析グ
リッド１２に所定の負電位から所定の正電位まで変化す
るスイープ電位を供給する第２の電源１４と、前記分析
グリッド１２を通り抜けた前記試料１０からの２次電子
を補足しその補足量に応じた大きさの電気信号Ｓａを出
力する検出器１５と、前記引き出しグリッド１１と前記
試料１０との間に介在するサブグリッド１６と、該サブ
グリッド１６に正極性で且つ前記引き出しグリッド１１
の印加電位よりも低い電位を供給する第３の電源１７と
いう各事項を備えることによって達成できる。

【０００８】これによれば、試料１０の表面が絶縁体で
覆われていた場合、２次電子の放出に伴って試料１０の
表面が正電位を帯びようとするが、その最大電位がサブ
グリッド１６の電位で規制されるため、上記従来例より
も帯電が抑制され、２次電子の放出を妨げることなく検
出精度の向上が図られる。又は、前記第３の電源が、前
記サブグリッドに負電位を供給可能であれば、負電位の
サブグリッドによって、２次電子が試料１０の表面に引
き戻され、帯電した正電荷を中和できるから好ましい。

【０００９】又は、前記サブグリッドが、前記試料を載
置する載置手段側に設けられていれば、サブグリッドの
交換や試料との干渉回避などを容易にできるから好まし
い。又は、前記サブグリッドを面方向に微小移動する移
動手段を設ければ、サブグリッドと試料上の測定点との
重なりを防止できるから好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図２〜図６は本発明に係るエネルギ分
析器の一実施例を示す図であり、特に限定しないが、電
子ビームテスタへの適用例である。図２において、２０
は筒状本体部、２１はチャンバであり、筒状本体部２０
には、上から順に、電子銃２０ａ、第１コンデンサレン
ズ２０ｂ、偏向電極２０ｃ、第１アパーチャ２０ｄ、第
２コンデンサレンズ２０ｅ、第２アパーチャ２０ｆ、対
物レンズ２０ｇ、及び、偏向コイル２０ｈなどが設けら
れているほか、偏向コイル２０ｈの上側の所定位置（荷
電粒子ビーム２０ｉの進路を妨げない位置）に設けられ
た２次電子検出用の検出器２２と、同じく偏向コイル２
０ｈの上側に設けられた分析グリッド２３と、偏向コイ
ル２０ｈの下側に設けられた引き出しグリッド２４及び
サブグリッド２５とを含むエネルギ分析器２６を備えて
いる。なお、２７はチャンバ２１の内部に設けられたス
テージである。このステージ２７には試料２８が載置さ
れており、偏向コイル２０ｈを通った後の荷電粒子ビー
ム２０ｉによって試料２８の任意ポイントを照射できる
ようになっている。

【００１１】図３は、図２から本実施例のポイントであ
るエネルギ分析器２６の関連部分を抜き出して模式化し
た図であり、図２と同様に、検出器２２、分析グリッド
２３、引き出しグリッド２４、サブグリッド２５を含む
ほか、三つの電源（第１〜第３の電源２９〜３１）を含
んでいる。なお、この図では、半導体集積回路チップを
試料２８としている。すなわち、試料２８はシリコン基
板２８ａの上に金属配線２８ｂを形成すると共に、その
表面全体を絶縁層２８ｃで覆った構造を有している。

【００１２】ここで、第１の電源２９は引き出しグリッ
ド２４の印加電圧Ｖ_G1を発生するものであり、Ｖ_G1の電
位は試料２８の表面から放出された２次電子を引き出す
のに十分な大きさを持つ正極性の高電位（たとえば＋１
ＫＶ）である。また、第２の電源３０は分析グリッド２
３の印加電圧Ｖ_G2を発生するものであり、Ｖ_G2の電位は
所定の負電位（たとえば−２０Ｖ）から所定の正電位
（たとえば＋２０Ｖ）までの間を定周期でスイープする
可変の電位である。さらに、第３の電源３０はサブグリ
ッド２５の印加電圧Ｖ_G3を発生するものであり、Ｖ_G3の
電位は少なくとも正極性の電位であって且つＶ_G1よりも
低い電位である。

【００１３】このような構成において、サブグリッド２
５の電位は少なくとも正極性の電位であるから、このサ
ブグリッド２５は、試料２８の表面から放出された２次
電子に対する“引き出し機能”を有している。また、試
料２８の絶縁層２８ｃに帯電する電荷の量はサブグリッ
ド２５の電位で制限されるから、試料２８の絶縁層２８
ｃに対する“帯電抑止機能”も有している。

【００１４】サブグリッド２５の電位（Ｖ_G3）は、これ
ら二つの機能のどちらを重視するかによって異なる。引
き出し機能重視であれば高電位となり、帯電抑止機能重
視であれば低電位となる。しかし、実際の引き出し機能
はサブグリッド２５でなく、引き出し電極２４と第１の
電源２９によって実現されているため、サブグリッド２
５の電位を決めるにあたっては、帯電抑止機能だけを考
えればよい。すなわち、好ましいサブグリッド２５の電
位は０Ｖに近い正電位になる。試料２８の絶縁層２８ｃ
に帯電する電荷の量がこの好ましい電位（０Ｖに近い正
電位）を越えないからである。

【００１５】したがって、試料２８の表面からの２次電
子の放出を妨げる要因（帯電）を抑制でき、分析グリッ
ド２３への２次電子の到達量が増える結果、エネルギ分
析器２６の検出精度を大幅に向上できる。なお、図４に
示すように、サブグリッド２５の電位を適宜に負極性に
できるようにすると好ましい。たとえば、第３の電源３
１の極性を入れ換えるようにしてもよい。このようにす
ると、サブグリッド２５と２次電子が同極性となり、試
料２８の表面（絶縁層２８ｃ）から放出された２次電子
が反発し、絶縁層２８ｃに引き戻されるため、絶縁層２
８ｃの蓄積電荷が中和され、積極的な除電効果が得られ
る。

【００１６】図５はサブグリッド２５の実装例を示す図
である。３０はプリント板、３１はソケット、３２はソ
ケット３１に装着されたＬＳＩ（試料）、３３はＸＹ方
向に微小移動可能な移動手段（少なくともサブグリッド
２５のメッシュサイズの１／２を移動できるもの；たと
えば小型モータやピエゾ素子など）であり、移動手段３
３にはサブグリッド２５が取り付けられている。ＬＳＩ
３２の位置は、対物レンズ２０ｇを通過した荷電粒子ビ
ーム２０ｉに晒されるようにレイアウトされており、さ
らに、移動手段３３の位置は、対物レンズ２０ｇの出口
の引き出しグリッド２４とＬＳＩ３２との間にサブグリ
ッド２５が入るようにレイアウトされている。

【００１７】このような構成によれば、サブグリッド２
５の追加に必要な改修部分は、電源を除いて、試料を載
置する載置手段（この例ではプリント板３０）側だけで
済み、対物レンズ２０ｇを含む筒状本体部２０にまった
く手を加えなくてもよいから、光学系のアライメントを
とり直す必要がない点で有利である。しかも、試料のタ
イプに応じたプリント板を用意しておけば、試料の変更
にも即座に対応することができる。

【００１８】又は、移動手段３３をソケットに装着でき
るようにすると好ましい。図６に示すように、プリント
板３０に同じタイプの複数のソケット３１ａ、３１ｂが
ある場合、一つのソケットソ３１ａにＬＳＩ３２を装着
し、その隣りのソケット３１ｂに移動手段３３を装着す
れば、ソケット３１ａ、３１ｂの高さ（ｈｃ）の違いに
拘わらず、サブグリッド２５とＬＳＩ３２の間隔を常に
一定に保つことができるからである。因みに、図７は移
動手段３３をプリント板３０に固定した場合の不都合を
示す図であり、高さｈａのソケット３１に合わせてサブ
グリッド２５の位置を設定した場合に、それよりも高い
高さｈｂのソケット３１′を使用すると、サブグリッド
２５とＬＳＩ３２が干渉してしまう様子を示している。

【００１９】図８、図９はサブグリッド２５の他の実装
例を示す図であり、特に、キャビティダウン型のＬＳＩ
に適用して好ましい例である。図８において、４０はキ
ャビティダウン型のＬＳＩパッケージ（以下「パッケー
ジ」と略す）、４１はこのパッケージ４０内に収められ
たＬＳＩチップである。パッケージ４０は、このパッケ
ージ４０の開口とほぼ同一形状の開口部４２ａを有する
プリント板４２に取り付けられており、プリント板４２
の上には額縁状のフレーム４３が取り付けられ、さら
に、フレーム４３には、バネ４４を介してサブグリッド
２５が弾性的に取り付けられている。サブグリッド２５
は、パッケージ４０の開口内に余裕を持って収まる形状
を有しており、且つ、図９に示すように、フレーム４３
上に設けられた二つの移動手段（少なくともサブグリッ
ド２５のメッシュサイズの１／２を移動できるもの；た
とえば小型モータやピエゾ素子など）４５ａ、４５ｂと
アーム４６ａ、４６ｂで接続されている。ここに、一方
の移動手段４５ａは、サブグリッド２５の平面座標のＸ
軸方向への微小移動を行うものであり、また、他方の移
動手段４５ｂは、同平面座標のＹ軸方向への微小移動を
行うものである。したがって、サブグリッド２５は、二
つの移動手段４５ａ、４５ｂの移動力をアーム４６ａ、
４６ｂで受けて、ＸＹ方向に自由に微小移動することが
できる。

【００２０】因みに、キャビティダウン型のＬＳＩに対
する従来の測定は、図１０に示すように、対物レンズの
先に細長い引き出し円筒を装着してワーキングディスタ
ンスを延ばし、その円筒の先をパッケージの開口内に入
れて２次電子を集めるというものであったため、引き出
し円筒を大きく動かした場合にパッケージとの干渉が避
けられず、ＬＳＩチップの端の測定が困難であったが、
図８、図９のように構成すれば、干渉部分がまったくな
いから、ＬＳＩチップのどの位置であっても支障なく測
定できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、試料の表面が絶縁体で
覆われていた場合、その表面の帯電をサブグリッドの電
位で規制でき、２次電子の放出を妨げることなく検出精
度の向上を図ることができるうえ、サブグリッドに負電
位を供給すれば、除電効果を得ることができ、又は、サ
ブグリッドを試料を載置する載置手段側に設ければ、サ
ブグリッドの交換や試料との干渉回避などを容易にで
き、又は、サブグリッドを面方向に微小移動する移動手
段を設ければ、サブグリッドと試料上の測定点との重な
りを防止できるという有利な効果か得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】一実施例のエネルギ分析器を含む全体構成図で
ある。

【図３】一実施例のエネルギ分析器の概念構成図であ
る。

【図４】一実施例のサブグリッドに負電位を与えた場合
の状態図である。

【図５】一実施例のサブグリッドの実装図である。

【図６】図５の改良図である。

【図７】図５を改良しない場合の不都合状態図である。

【図８】一実施例のサブグリッドの他の実装図（断面
図）である。

【図９】一実施例のサブグリッドの他の実装図（平面
図）である。

【図１０】キャビティダウン型のＬＳＩに対する従来の
測定状態図である。

【図１１】従来のエネルギ分析器の概念構成図である。

【図１２】エネルギ分析器の特性図である。

【符号の説明】

１０：試料 １１：引き出しグリッド １２：分析グリッド １３：第１の電源 １４：第２の電源 １５：検出器 １６：サブグリッド １７：第３の電源 ２２：検出器 ２３：分析グリッド ２４：引き出しグリッド ２５：サブグリッド ２８：試料 ２９：第１の電源 ３０：第２の電源 ３１：第３の電源 ３３：移動手段 ４５ａ、４５ｂ：移動手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料との間に所定の間隔を隔てて設けられ
   た引き出しグリッドと、 該引き出しグリッドを間にして前記試料と対向する分析
   グリッドと、 前記引き出しグリッドに正極性の高電位を供給する第１
   の電源と、 前記分析グリッドに所定の負電位から所定の正電位まで
   変化するスイープ電位を供給する第２の電源と、 前記分析グリッドを通り抜けた前記試料からの２次電子
   を補足しその補足量に応じた大きさの電気信号を出力す
   る検出器と、を備えたエネルギ分析器において、 前記引き出しグリッドと前記試料との間に介在するサブ
   グリッドと、 該サブグリッドに正極性で且つ前記引き出しグリッドの
   印加電位よりも低い電位を供給する第３の電源と、を備
   えたことを特徴とするエネルギ分析器。
2. 【請求項２】前記第３の電源が、前記サブグリッドに負
   電位を供給可能であることを特徴とする請求項１記載の
   エネルギ分析器。
3. 【請求項３】前記サブグリッドが、前記試料を載置する
   載置手段側に設けられていることを特徴とする請求項１
   記載のエネルギ分析器。
4. 【請求項４】前記サブグリッドを面方向に微小移動する
   移動手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のエネ
   ルギ分析器。