JPH1125901A - 走査顕微鏡および走査顕微方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料上の０．１μｍ程度のパターンを検出す
る。 【解決手段】一次電子ビームを得る電界放射陰極１１
と、前記一次電子ビームを微小なスポット径に絞り試料
３２上を走査して照射する電子光学手段と、前記一次電
子ビームを減速する減速手段と、試料３２から放出され
る二次荷電粒子を検出する検出器２２とを有し、検出し
た二次荷電粒子の像に基づいて試料３２上の０．１μｍ
程度のパターンを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを用いて、
金属または半導体からなる基板上に絶縁膜を有する試
料、あるいは該絶縁膜上に任意の形状の金属または半導
体が孤立して形成された試料の、前記絶縁膜の欠陥を検
査する電子ビーム検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１イは検査すべき絶縁膜を有する試料
の断面図で、１は金属または半導体からなる基板、２は
絶縁膜、３は絶縁膜２上に任意の形状に孤立して形成さ
れた金属または半導体である。図示のような試料は、い
わば半導体集積回路等の製造プロセスの途中にある試料
である。

【０００３】図１ロは図１イで示したような試料の絶縁
膜２の欠陥を検査する装置の概略斜視図で、４は先端の
直径が２０μｍ程度の金属探針、５は電圧計、６は電流
計、７は直流電源である。このような構成の検査装置に
おいて、直流電源７により絶縁膜２の耐圧電圧未満の電
圧を印加し、金属探針４を金属または半導体３に接触さ
せて、絶縁膜２の絶縁性を電圧計５および電流計６によ
って測定する。しかし、このような検査装置にあって
は、金属探針４の機械的接触による限界から、金属また
は半導体３の二次的大きさはおよそ１００μｍ四方以上
に制限される。すなわち、金属または半導体３の大きさ
が金属探針４の先端直径の２０μｍ以下では、測定はま
ったく不可能である。

【０００４】図１ハは、金属または半導体からなる基板
１に絶縁膜２のみが形成された試料の絶縁膜２の欠陥検
査装置を示す断面図で、この検査装置においては、（Ｃ
ａ、Ｉｎ）合金などの融点が低い金属８を絶縁膜２上に
押え付け、直流電源７により電圧を印加し、電圧計５、
電流計６によって絶縁膜２の絶縁性を測定する。しか
し、この検査装置は、絶縁膜２の平均的な絶縁性を検査
するものであり、絶縁膜２の欠陥の大きさ、数等を知る
ことはできない。

【０００５】なお、半導体集積回路等の内部に形成され
る個々の素子、配線パターン形状は、現在すでにミクロ
ンオーダーに達しており、これらの微細化はさらに進行
しつつある。

【０００６】しかしながら、前述のように、従来の絶縁
膜の欠陥検査装置においては、欠陥の大きさ、数等の微
細な欠陥は摘出することはできない。したがって、この
ことは素子完成後の歩留りを悪くする一因になってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的
は、金属または半導体の基板上に形成された絶縁膜、あ
るいは該絶縁膜上に微細な任意の形状に形成された金属
または半導体の表面で前記絶縁膜の欠陥の大きさ、数を
検査することができる検査装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】金属探針を用いて絶縁性
を検査するのは、前述のように限界にあり、他の方法に
よらなければならない。

【０００９】ところで、細く収束した電子ビームを検査
すべき試料上で走査し、この照射される電子ビームによ
り該試料から発生する二次電子によって、ブラウン管画
面上に像を表示する走査形電子顕微鏡（以下ＳＥＭと称
す；Scanning Electron Microscope）がある。このＳＥ
Ｍは、試料の微細な表面形状の観察をするもので、通常
のＳＥＭで上記目的を達成することは不可能である。一
般に、ＳＥＭの試料への入射電子エネルギーとしては１
０〜３０ｋｅＶ程度が用いられ、特に低いものでも３ｋ
ｅＶ程度である。このように高いエネルギーの電子を絶
縁膜に照射すると、後で詳しく述べるように該絶縁膜上
にチャージ・アップが起きて電子ビームが振られてしま
い、正確な像を得ることができない。また、単純にＳＥ
Ｍの電子ビームエネルギーをもつと低下させた場合は、
上記チャージ・アップ現象を低減することはできるにし
ても本質的には該現象が生ずること、および、一般に加
速電圧を下げると電子光学的理由により電子線源の輝度
が低下するため、二次電子像のＳ−Ｎ比が悪くなり、表
示画面を鮮明に観察することが困難となること、などの
理由によって、従来絶縁膜の欠陥に対応した情報を得る
ことはできていない。

【００１０】一方、ＳＥＭによって半導体試料を観察す
ると、高エネルギー電子の照射により半導体の損傷が起
きることが知られており、試料を破壊しないで観察する
ために、電子ビームの低エネルギー化が望まれている。

【００１１】本発明は、低エネルギーの電子ビームを用
いて、微細な絶縁膜の欠陥の大きさ、数等に対応する情
報を得るもので、以下、その原理について説明する。

【００１２】まず、絶縁膜の厚さおよび入射電子エネル
ギーを具体的に示すため、金属または半導体の基板１
（図１）としてＳｉ単結晶板、絶縁膜２としてこのＳｉ
単結晶板を熱酸化して得られるＳｉＯ₂膜を考える。

【００１３】図２は、この絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜へ
入射する電子ビームエネルギー（ｅＶ）と、電子の最大
侵入深さＲｍａｘ（Å）との関係を示すグラフである
（引用文献：H.J.Fitting,Phys.Status Solidi 226,p.5
25(1974）。この電子の最大侵入深さとは、絶縁膜への
入射電子すなわち一次電子が多重散乱をしてエネルギー
損失し、エネルギーまたは速度的に拡散領域に達するま
での電子の侵入領域（深さ）すなわち等価的な透過領域
のことである。この等価的というのは、ある一つの入射
電子が絶縁膜をそのまま通り抜ける意味での透過のみを
指すのではなく、複数電子との衝突により入射電子その
ものではなく他の電子が透過することを含める。図２の
グラフにおいて、例えば、電子が１００ÅのＳｉＯ₂膜
を透過してＳｉ基板１に達するには３００ｅＶ以上のエ
ネルギーで電子ビームを照射しなければならないことが
わかる。

【００１４】一方、試料表面で入射電子ビームすなわち
一次電子により励起される二次電子の放射効率も一次電
子エネルギーに依存している。なお、二次電子放射効率
δ（Ｅ）は、一次電子数Ｎ_Pに対する二次電子数Ｎ_Sの比
で示される（δ（Ｅ）＝Ｎ_S／Ｎ_P）。図３は一次電子ビ
ームエネルギーＥ（ｅＶ）と二次電子放射効率δ（Ｅ）
との関係を示すグラフで、ＡはＳｉＯ₂、ＢはＳｏｌｙ
−Ｓｉに対する値を示す（引用文献：R.Kouath,Handbuc
h der Physik XXIp.232(1956）。

【００１５】図４イ〜ホは、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ₂絶
縁膜２が形成された試料について、一次電子ｅ_Pに対す
る二次電子ｅ_Sおよび該試料内部への散乱電子ｅ_dの振舞
いを模型的に示す図である。

【００１６】図４イに示すように、例えば１００Åの厚
さのＳｉＯ₂絶縁膜２を考えるとき、一次電子ｅ_Pが３０
０ｅＶ以上で加速された電子であれば、基板１へ到達す
る散乱電子ｅ_dが存在するため、いわゆる“電子ビーム
誘起電導性（Electron beaminduced conductivity）”
の現象に基づき、ＳｉＯ₂絶縁膜２表面の電位は基板１
の電位にほとんど等しくなり、絶縁膜２の表面にチャー
ジ・アップは起きない。

【００１７】図４ロは、一次電子ｅ_Pが３００ｅＶ以下
でかつ二次電子放射効率δ（Ｅ）が１以上となる３０ｅ
Ｖ以上で加速された電子の場合を示す。Ｎ_P（一次電子
ｅ_Pの個数）よりもＮ_S（二次電子ｅ_Sの個数）の方が多
いため、図４イの場合のように散乱電子ｅ_dのリークが
ないので、絶縁膜２の表面は正の電荷が増大しチャージ
・アップの状態となる。なお、このチャージ・アップは
時間の経過とともに増大する。

【００１８】図４ロにおけるチャージ・アップを防止す
るには、図４ハに示すように、試料上の空間の該試料の
電子ビーム照射面に対向して、金属メッシュ等からなる
補助電極９を設け、この補助電極９と基板１との間に直
流電源１０を接続し、補助電極９に電位を与える。発生
した二次電子のうち比較的エネルギーの高いものは、補
助電極９に入射するか、補助電極９を通過して試料表面
の情報を持って二次電子検出器（図示せず）に到達す
る。また、エネルギーの非常に低い電子は試料表面へ逆
戻りする。このような構成では、絶縁膜２の表面と基板
１との間には等価回路的にわずかなリーク電流があるこ
とになり、絶縁膜２の表面の電位は、平衡状態として基
板１よりも僅かに正の側の電位を持つ。なお、図示のよ
うに、直流電源１０は基板１の側を負、補助電極９の側
を正としてあるが、直流電源１０の電位の比較的小さい
場合は、正負が逆でも良く、また直流電源１０は抵抗と
置き換えても原理的には等しい。しかし、実用上は図示
のような接続が、二次電子の補集量を高める上で都合良
い。

【００１９】図４ニに示すように、図４ロまたはハと同
じ条件で、絶縁膜２に欠陥がある場合、具体的には絶縁
膜２にピン・ホールがあるか、もしくは完全な孔となっ
ていなくても、絶縁膜２が一部薄い場合は、その欠陥部
分では等価的に図４イと同様になる。すなわち、欠陥部
分の表面電位は基板１と同電位になる。

【００２０】上記図４ロ〜ニは、二次電子放射効率δ
（Ｅ)が１以上の場合であったが、δ（Ｅ）＜１の場合
について図４ホに示す。図３においては、一次電子ビー
ムエネルギーが２３００ｅＶ以上かあるいは３０ｅＶ以
下で加速された場合である。まず２３００ｅＶ以上の場
合、散乱電子ｅ_dが基板１に達するときはδ（Ｅ）が異
なることによる発生二次電子数の割合が少ないだけで図
４イと同様である。しかし、絶縁膜２が厚くて、散乱電
子ｅ_dが基板１に到達することができない場合、入射す
る一次電子数Ｎ_Pが、放出される二次電子数Ｎ_Sよりも大
なので、図４ロとは逆に、絶縁膜２の表面は負の電荷が
増してチャージ・アップを起こす。しかし、この場合に
は、図４ハのように補助電極９を付加しても、このチャ
ージ・アップは負電位なので防止することはできず、し
たがって絶縁膜２の表面電位を一定値に保つことは不可
能である。また、後者の３０ｅＶ以下でも、絶縁膜２の
厚さが異なるだけで、現象は上記と同様である。その厚
さとは、図２の外挿によれば１０Å以下という極めて薄
いものであり、通常絶縁膜としては用いることのない領
域である。

【００２１】以上を整理して記すと次のようになる。

【００２２】（１）入射する一次電子ｅ_Pのエネルギー
が高く、散乱電子ｅ_dが絶縁膜２を等価的に透過して基
板１に達する場合、絶縁膜２の表面電位は基板１の電位
にほぼ等しい（図４イ）。

【００２３】（２）一次電子ｅ_Pのエネルギーが低く、
散乱電子ｅ_dが基板１を等価的に透過しない程度で、お
つ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ（Ｅ）が１より大
である場合、絶縁膜２の表面電位は補助電極９を用いる
ことによって、基板１の電位より正である平衡状態に保
たれた電位を示す（図４ロ、ハ）。

【００２４】（３）上記（２）の場合において絶縁膜２
にピンホール等の欠陥があれば、その欠陥箇所の表面電
位は、基板１の電位か、該電位にほぼ等しい電位を示す
（図４ニ）。

【００２５】（４）一次電子ｅ_Pが絶縁膜２を等価的に
透過せず、かつ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ
（Ｅ）が１より小である場合、絶縁膜２の表面電位は負
の側に変化し平衡状態に達することができない（図４
ホ）。

【００２６】このような試料表面に、一次電子ｅ_Pが絶
縁膜２を等価的に透過しないエネルギーの一次電子ビー
ムを走査し、それにより発生する二次電子信号を検出す
ると、表面電位の差に基づく二次電子収量の差が敏感に
反映されるため、上記（２）および（３）の原理を利用
することにより、絶縁膜２の欠陥箇所と正常な部分を表
面電位の差として検出して区別することができる。

【００２７】図５は、絶縁膜２の上に孤立して金属また
は半導体３、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉが形成されている試
料を検査する場合の本発明の原理を示す図で、９は補助
電極、１０は直流電源である。このような試料におい
て、絶縁膜２上の金属または半導体３の電位は、近傍の
絶縁膜２の表面電位と等しくなるため、金属または半導
体３の表面電位を表わす二次電子を検出することによっ
て、その絶縁性を知ることができる。ただし、二次電子
の収量そのものは、金属または半導体３に対するものと
なる（図３参照）。

【００２８】前述の目的を達成するために、上記の原理
に基づいてなされた本発明の電子ビーム検査装置の構成
上の特徴は、電子ビームを収束する収束手段と、検査す
べき絶縁膜を有する試料上に前記電子ビームを走査する
偏向手段と、前記電子ビームの前記試料への入射速度
を、電子が前記絶縁膜を等価的に透過しない値まで減速
する減速手段と、前記試料の前記電子ビームの照射面に
対向して配置した補助電極と、前記絶縁膜の欠陥に対応
する情報信号を表示する表示手段とを具備することであ
る。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図６〜９に基づいて
説明する。

【００３０】図６は、本発明の第１の実施例の電子ビー
ム検査装置の概略ブロック図である。この図において、
１１は電子ビーム源となる電界放射陰極で、尖針１１ａ
とこれに接合されたＷフィラメント１１ｂからなる。１
８は−１ｋＶ程度の直流高電圧の電源で、電界放射陰極
１１に電界放射のための電位を与える。１９はフィラメ
ント１１ｂを通電加熱し１１００℃近傍に保つための電
源である。１２はアノード、１２ａはアノード１２の絞
り孔で、電界放射陰極１１からは電子が放射角１／４ｒ
ａｄ程度で絞り孔１２ａに放射される。１３はアノード
１２の絞り孔１２ａを通過した電子ビーム束を収束する
ための収束手段すなわち磁気収束レンズ、２１は磁気収
束レンズの電源である。１４は非点収差補正コイル、２
０は非点収差補正コイル１４の電源、１５は電子ビーム
を走査するための偏向手段すなわち偏向コイル、２３は
偏向コイル１５の電源、１６は電子光学系鏡体、１７は
イオンポンプを含む排気手段、３２は磁気収束レンズ１
３により収束された電子ビームが照射される絶縁膜２を
持つ試料（ここでは図５に示した試料）、４３は試料
台、９は試料３２の上方周囲に配置された金属メッシュ
からなる補助電極、２６、２７は電源で、試料３２およ
び補助電極９に電圧を与えることにより、電界放射陰極
１１から照射される電子ビームの速度を所定の値まで減
速する減速手段となる。なお、電源２６、２７は、それ
ぞれスイッチＡおよびＢによって切換え可能になってい
る。

【００３１】２２は電子ビームの照射により試料３２か
ら発生する二次電子を捕集する二次電子検出器、２８は
増幅器、２９は絶縁膜２の欠陥に対応する情報信号を表
示するブラウン管を含む表示器である。

【００３２】２４は発振器、２５は倍率補正器、３０は
比較器、３１はパターン発生器であり、これらについて
は後で詳述する。なお、二次電子検出器２２、電源２
３、発振器２４、倍率補正器２５、増幅器２８、表示器
２９、比較器３０、パターン発生器３１により表示手段
が構成されている。

【００３３】以上、本発明の第１の実施例の各構成部分
について一とおり説明したが、次に上記電界放射陰極１
１についてさらに説明を加える。つまり、本発明を実施
するに当って一つの重要な点は、前述のように、絶縁膜
２を透過しない程度のエネルギーの電子ビームを用いる
ことである。絶縁膜２が薄い程、エネルギーの低い電子
ビームを用いなければならない。ところが、前述のごと
く電子光学の原則によって、一般にエネルギーが低けれ
ば電子ビームの輝度は低くなる。低速電子ビームにおい
て、できる限り小さい電子ビームのスポット径を得るに
は、電子ビーム源となる陰極に高輝度のものを用いる必
要がある。

【００３４】本実施例の電界放射陰極１１は、軸方位＜
１００＞の単結晶タングステンＷ線から電界研摩して尖
針１１ａを形成したもので、酸素を介してチタンＴｉの
単原子層の吸着状態を長時間加熱状態で維持できる熱電
界放射陰極である。この陰極は尖針表面において仕事関
数がＷより低いため、同じ曲率半径のＷ尖針と比較し
て、低い電圧で同様の電子ビーム電流が得られる。な
お、通常のＷ尖針では、尖針の表面清浄化のためにフラ
ッシングという瞬間高温加熱を行なうが、この操作のた
めに尖針の先端曲率半径を当初非常に小さくしても、加
熱による影響で先端が鈍化してしまう。これに対して、
本実施例のＴｉ吸着型の電界放射陰極１１は、高温のフ
ラッシング操作が不要であり、前述の尖針表面の仕事関
数が小さいことと合わせて、１ｋＶ程度の低い電圧で電
界放射が可能であり、また低い加速電圧にもかかわらず
電界放射であるために高輝度である。なお、このような
理由により、電源１８は−１ｋＶ程度の直流高電圧電源
を用いる。

【００３５】次に、本実施例において試料３２に入射す
る電子ビームのエネルギー（速度）が必要な値すなわ
ち、電子が試料３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値
に減速する原理について説明する。すなわち、電源１８
の電圧が前述のように−１ｋＶであり、かつ試料３２の
電位が鏡体１６と同じ接地電位である場合、電界放射陰
極１１からは１ｋｅＶのエネルギーの電子ビームが試料
３２に入射する。ところが、試料３２に図示のように設
けた電子ビームの減速手段である電源２６によって減速
電位、例えば−９００Ｖを与えると、試料３２に入射す
る電子のエネルギーは１００ｅＶとなる。すなわち、電
源２６は減速電圧として例えば前述の−９００Ｖに設定
してあり、スイッチＡを操作することにより電子が試料
３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値まで電子エネル
ギーの速度を減速する。また、電源２７は電子が絶縁膜
２を透過する電圧例えば−２００Ｖに設定してあり、し
たがって試料３２に入射する電子ビームのエネルギーは
８００ｅＶとなる。

【００３６】上記のように構成した本発明の第１の実施
例の電子ビーム検査装置において、その動作を説明す
る。減速手段である電源２６により必要な速度まで減速
された電子ビームが試料３２上に照射されると、二次電
子が発生するが、そのうち補助電極９を通過したものの
一部または大部分は二次電子検出器２２に捕集される。
それにより二次電子検出器２２から出力する検出電流
は、増幅器２８によって増幅され、表示器２９に入力さ
れる。また、発振器２４によって作られる偏向信号は、
電源２３により増幅され、電子ビームを走査する偏向コ
イル１５に与えられる。なお、発振器２４の偏向信号
は、表示器２９にも同期して与えられ、後に詳しく述べ
る二次元輝度変調表示、あるいは線状表示等の絶縁膜２
の欠陥に対応する情報信号が表示器２９に表示される。

【００３７】次に、本実施例の表示手段による一つの表
示例（上記二次元輝度変調表示）およびその表示による
測定結果を図７イに基づいて説明する。図７イは、図６
で示した本発明の第１の実施例の電子ビーム検査装置の
表示器２９の画面に表示された二次電子像の写真であ
る。試料３２の断面構造は図５に示したものと同様であ
り、基板１はＳｉ単結晶板、絶縁膜２は膜厚２００Åの
ＳｉＯ₂、金属または半導体３は膜厚３５００ÅのＰｏ
ｌｙ−Ｓｉである。さらに詳しくいえば、この試料はＰ
ｏｌｙ−Ｓｉが幅１μｍの線状に３μｍ間隔で、いわゆ
るライン・アンド・スペースで構成された試料である。
図２にもとづいて２００ÅのＳｉＯ₂膜を透過しない電
子ビームのエネルギーは５００ｅＶ以下であるので、１
００ｅＶの電子ビームを用いる。図７イは、試料３２ａ
への入射エネルギーが１００ｅＶ（スイッチＡ）の場合
に表示器２９の画面に表示された二次電子像で、前に図
３をもとに説明した二次電子発生効率の差から、Ｐｏｌ
ｙ−Ｓｉの部分が黒く（二次電子信号が弱い）、バック
グラウンドである絶縁膜ＳｉＯ₂の部分が白く（二次電
子信号が強い）見える。なお、この図７イでは、矢印で
示した他と較べて白っぽいラインの箇所があり、その部
分の絶縁膜に欠陥があることを明白にしている。なお、
図７ロについては、後で述べる。

【００３８】なお、絶縁膜２の欠陥箇所の解析は、図７
イの写真例で示した試料のようにパターンの単純なも
の、あるいは予めパターンが明確にわかっているものに
ついては、表示器２９の画面を目視することによって判
断できるが、複雑なパターンの場合には、図６に示した
ように予め入力されたパターンを発生するパターン発生
器３１および比較器３０を用いて、表示器２９に現われ
る情報と比較することにより、欠陥箇所を知ることがで
きる。

【００３９】また、パターン未知の試料における絶縁膜
の欠陥箇所の解析方法について図７ロをもとに説明す
る。すなわち、図６においてスイッチＢを操作すること
により、例えば−２００Ｖに設定された電源２７により
試料３２に減速電圧を与える。すると、この試料３２に
入射する電子ビームのエネルギーは８００ｅＶとなり、
図２に基づいて５００ｅＶ以上であるので電子は試料３
２の絶縁膜２を透過する。ただし、図３に基づいて２３
００Ｖ以下であるのでチャージ・アップは起こさない。
図７ロは、電子ビームの減速電圧が電源２７により上記
のように設定された場合に、表示器２９の画面に表示さ
れた二次電子像の写真であり、前述の図７イと同一試料
の同一部分の二次電子像を示す。すなわち、図７ロにお
いて、欠陥箇所は見えず、試料にもともと形成されてい
るパターンの外形の情報のみを示している。このよう
に、欠陥箇所を見るには、電子が絶縁膜を等価的に透過
しないように設定された電源２６を用い、試料のパター
ンを見るには、電子が絶縁膜を透過するように設定され
た電源２７を用いる。したがって、パターン未知の試料
に対しては、スイッチＡとＢを切換えることによって表
示器２９に現われる２つの二次電子像を比較することに
よって、欠陥箇所の判定が可能である。なお、この際、
１００ｅＶと８００ｅＶの試料３２の入射エネルギーの
差によって表示器２９の画面に現われる像の倍率が異な
ってくる。したがって、同一倍率で比較ができるように
倍率補正器２５を用い、それぞれスイッチＣとＤを電源
２６および２７の切り換えに合わせて切り換える。この
ようにすることにより、図７イ、ロの像を表示器２９の
画面において、等しい倍率で比較することができる。

【００４０】さらに、上記のパターン発生器３１の代り
に、電子ビームエネルギーの高い場合と低い場合のいず
れかのパターン情報を記憶する記憶装置３１を設置し、
記憶装置３１および比較器３０を用いて表示器２９に欠
陥箇所の表示を行なうことができる。

【００４１】図８は、本発明の第２の実施例の電子ビー
ム検査装置の概略ブロック図である。図において、３３
は熱陰極、３４はウェーネルト電極、３５は電源、２６
は電子ビームの減速手段である電源、その他図６で示し
た第１の実施例同符号のものは同一部材を示す。熱陰極
３３は、第１の実施例の電界放射陰極１１と比較して輝
度が低いが、低加速電圧を印加して用いるとさらに輝度
が低下する。ここで、輝度の値を重視するのは、収束さ
れた電子ビームのスポット径をできるだけ小さくし、し
かもできるだけ大きい電流を得るためである。したがっ
て、このことを考慮すると、目的によっては熱陰極も低
加速電圧で使用できるといえる。すなわち、スポット径
がそれ程小さくなくても欠陥検査の機能を果す場合は充
分にある。本実施例では熱陰極の中で最も高い輝度を持
つ直熱型の六硼化ランタン（ＬａＢ₆）陰極を使用して
いる。

【００４２】このような構成の第２の実施例の電子ビー
ム検出装置において、熱陰極３３を電源１９によって加
熱し、１６００℃程度に保つ。そして、ウェーネルト電
極３４に電源３５により熱陰極３３の電位に対して負電
位を印加し、かつ直流高電圧の電源１８によって熱陰極
３３に電圧を印加すると、ウェーネルト電極３４とアノ
ード１２間に図示のようなクロスオーバーＥを作って電
子ビームが放射される。なお、電源１８に−１ｋＶ程度
の電源を用いると試料に印加される電位は、図６で示し
た第１の実施例と同様になる。また、この第２の実施例
も図示は省略したが第１の実施例と同様の表示手段等が
接続されるものであり、その機能も同様であるので説明
は省略する。

【００４３】図９は本発明の第３の実施例の電子ビーム
検査装置の概略ブロック図である。図において、１１は
電界放射陰極、３７は第１アノード、３８は第２アノー
ド、３９は第３アノード、４０、４１、４２、３６は電
源で４１、４２が電子ビームの減速手段の電源、その他
図６、図８と同符号のものは同一部材を示す。なお、本
実施例は、陰極として軸方位＜３１０＞のＷ電界放射陰
極を用いた場合である。この電界放射陰極１１は、電界
放射電圧として３〜６ｋＶ程度であり、第１アノード３
７との間に電源４０によって印加される電圧によって電
子ビームを放射する。なお、本実施例において試料３２
に入射するエネルギーは、（電源４１の電圧）で定めら
れる。すなわち、本実施例は、第１アノード３７、第２
アノード３８および第３アノード３９の組み合わせで、
電子ビームの減速作用と静電レンズ作用を行なわせるも
のである。なお、試料３２は接地電位とし、補助電極９
には電源３６によって最適な電位を与える。他の構成お
よび機能は図６の第１の実施医と同様なので説明は省略
する。

【００４４】なお、本発明の原理の説明および実施例に
おいて、基板１としてはＳｉ単結晶板、絶縁膜２として
はＳｉＯ₂、また絶縁膜２上に孤立して形成される金属
または半導体３としてはＰｏｌｙ−Ｓｉを用いて説明し
たが、他の物質の場合でも本発明の効果は変りない。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、金属または半導体基板
上の絶縁膜を持つ試料、あるいはその絶縁膜上に孤立し
て形成された任意の形状の金属または半導体を持つ試料
について、従来検査することができなかった絶縁膜の欠
陥の大きさ、数等を検知することができる。また、従来
は機械的接触により検査していたものを本発明は電子ビ
ームを用いて非接触で検査を行なうので、脆弱な半導体
試料に対しても無損傷で検査することができる。したが
って、製造プロセスの途中で検査すべき素子の検査を行
なうことができ、検査終了後後続の製造プロセスを継続
することが可能である。さらに、本発明は電子ビームの
微小なスポット径に対応する０．１μｍ程度の微細な欠
陥箇所をも検知することができる。このように、本発明
の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】イは検査すべき試料の断面図、ロ、ハは従来の
検査装置の概略図。

【図２】ＳｉＯ₂絶縁膜への入射電子ビームエネルギー
と電子の最大侵入深さとの関係を示すグラフ。

【図３】電子ビームエネルギーと二次電子放射効率との
関係を示すグラフ。

【図４】イ〜ホは本発明の原理を説明する断面模型図。

【図５】本発明の原理を説明する断面模型図。

【図６】本発明の第１実施例の電子ビーム検査装置の概
略ブロック図。

【図７】イ、ロは本発明の電子ビーム検査装置のブラウ
ン管表示器の画面に写し出された試料の二次電子像の形
状を写した写真。

【図８】本発明の第２実施例の電子ビーム検査装置の概
略ブロック図。

【図９】本発明の第３実施例の電子ビーム検査装置の概
略ブロック図。

【符号の説明】

２…絶縁膜、９…補助電極、１１、３３…陰極（電子ビ
ーム源）、１３…磁気収束レンズ（収束手段）、１５…
偏向コイル（偏向手段）、２６、２７、４１、４２…電
源（減速手段）、２９…表示器（表示手段）。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年６月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】走査顕微鏡および走査顕微方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査顕微鏡および走査
顕微方法に関する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】図１ハは、金属または半導体からなる基板
１に絶縁膜２のみが形成された試料の絶縁膜２の欠陥検
査装置を示す断面図で、この検査装置においては、（Ｇ
ａ、Ｉｎ）合金などの融点が低い金属８を絶縁膜２上に
押え付け、直流電源７により電圧を印加し、電圧計５、
電流計６によって絶縁膜２の絶縁性を測定する。しか
し、この検査装置は、絶縁膜２の平均的な絶縁性を検査
するものであり、絶縁膜２の欠陥の大きさ、数等を知る
ことはできない。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】しかしながら、前述のように、従来の検査
装置においては、欠陥の大きさ、数等の微細な欠陥は摘
出することはできない。したがって、このことは素子完
成後の歩留りを悪くする一因になっている。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的
は、試料上の０．１μｍ程度のパターンを検出すること
ができる走査顕微鏡および走査顕微方法を提供すること
にある。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】

【課題を解決するための手段】金属探針を用いて試料を
検査するのは、前述のように限界にあり、他の方法によ
らなければならない。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】（２）一次電子ｅ_Pのエネルギーが低く、
散乱電子ｅ_dが基板１を等価的に透過しない程度で、か
つ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ（Ｅ）が１より大
である場合、絶縁膜２の表面電位は補助電極９を用いる
ことによって、基板１の電位より正である平衡状態に保
たれた電位を示す（図４ロ、ハ）。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】前述の目的を達成するために、本発明によ
る走査顕微鏡は、電子ビームを放射する電界放射陰極手
段と、前記電界放射陰極手段から放射した電子ビームを
収束、偏向させて試料の表面に走査して照射するビーム
照射手段と、前記ビーム照射手段によって前記試料の表
面に走査して照射される電子ビームを減速する電界を発
生する減速電界発生手段と、前記減速電界発生手段を制
御することにより前記試料に照射される電子ビームのエ
ネルギーを制御する減速電界発生制御手段と、前記照射
により前記試料から前記電界放射陰極手段の側に向かっ
て前記減速電界発生手段で発生させた前記電界の領域を
通って加速された荷電粒子を検出する荷電粒子検出手段
とを具備し、前記荷電粒子検出手段からの信号に基づい
て前記試料上の０．１μｍ程度のパターンを顕微するこ
とを特徴とする。また、本発明による走査顕微方法は、
電子放射陰極からの一次電子ビームを絞り、前記一次電
子ビームを収束、偏向させて試料の表面に走査して照射
し、前記試料からの荷電粒子を検出して、前記試料上の
パターンを顕微する走査顕微方法において、前記電子放
射陰極として電界放射陰極を用い、減速状態を制御でき
る減速させる電界の領域を発生させ、前記照射される一
次電子ビームを前記減速させる電界の領域を通過させる
ことにより減速して試料に照射させ、前記試料上からの
荷電粒子を前記減速させる電界の領域で加速させて通過
させた後、検出し、検出した信号に基づいて前記試料上
の０．１μｍ程度のパターンを顕微することを特徴とす
る。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４１】図８は、本発明の参考例を示す電子ビーム
検査装置の概略ブロック図である。図において、３３は
熱陰極、３４はウェーネルト電極、３５は電源、２６は
電子ビームの減速手段である電源、その他図６で示した
第１の実施例同符号のものは同一部材を示す。熱陰極３
３は、第１の実施例の電界放射陰極１１と比較して輝度
が低いが、低加速電圧を印加して用いるとさらに輝度が
低下する。ここで、輝度の値を重視するのは、収束され
た電子ビームのスポット径をできるだけ小さくし、しか
もできるだけ大きい電流を得るためである。したがっ
て、このことを考慮すると、目的によっては熱陰極も低
加速電圧で使用できるといえる。すなわち、スポット径
がそれ程小さくなくても欠陥検査の機能を果す場合は充
分にある。本実施例では熱陰極の中で最も高い輝度を持
つ直熱型の六硼化ランタン（ＬａＢ₆）陰極を使用して
いる。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４２】このような構成の参考例の電子ビーム検出
装置において、熱陰極３３を電源１９によって加熱し、
１６００℃程度に保つ。そして、ウェーネルト電極３４
に電源３５により熱陰極３３の電位に対して負電位を印
加し、かつ直流高電圧の電源１８によって熱陰極３３に
電圧を印加すると、ウェーネルト電極３４とアノード１
２間に図示のようなクロスオーバーＥを作って電子ビー
ムが放射される。なお、電源１８に−１ｋＶ程度の電源
を用いると試料に印加される電位は、図６で示した第１
の実施例と同様になる。また、この参考例も図示は省略
したが第１の実施例と同様の表示手段等が接続されるも
のであり、その機能も同様であるので説明は省略する。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】図９は本発明の第２の実施例の電子ビーム
検査装置の概略ブロック図である。図において、１１は
電界放射陰極、３７は第１アノード、３８は第２アノー
ド、３９は第３アノード、４０、４１、４２、３６は電
源で４１、４２が電子ビームの減速手段の電源、その他
図６、図８と同符号のものは同一部材を示す。なお、本
実施例は、陰極として軸方位＜３１０＞のＷ電界放射陰
極を用いた場合である。この電界放射陰極１１は、電界
放射電圧として３〜６ｋＶ程度であり、第１アノード３
７との間に電源４０によって印加される電圧によって電
子ビームを放射する。なお、本実施例において試料３２
に入射するエネルギーは、（電源４１の電圧）で定めら
れる。すなわち、本実施例は、第１アノード３７、第２
アノード３８および第３アノード３９の組み合わせで、
電子ビームの減速作用と静電レンズ作用を行なわせるも
のである。なお、試料３２は接地電位とし、補助電極９
には電源３６によって最適な電位を与える。他の構成お
よび機能は図６の第１の実施例と同様なので説明は省略
する。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、電子ビームを用いて非
接触で検査を行なうので、脆弱な半導体試料に対しても
無損傷で検査することができる。したがって、製造プロ
セスの途中で検査すべき素子の検査を行なうことがで
き、検査終了後後続の製造プロセスを継続することが可
能である。さらに、本発明は電子ビームの微小なスポッ
ト径に対応する０．１μｍ程度の微細なパターンをも検
知することができる。このように、本発明の効果は顕著
である。

【手続補正１４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】本発明の参考例の電子ビーム検査装置の概略ブ
ロック図。

【手続補正１５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】本発明の第２の実施例の電子ビーム検査装置の
概略ブロック図。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｑ (72)発明者 棟方 忠輔 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 本多 幸雄 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電界放射陰極から得た一次電子ビームを微
   小なスポット径に絞り、前記一次電子ビームのエネルギ
   ーを２．３ｋｅＶから１００ｅＶの範囲で減速し、試料
   上を走査して照射し、前記試料から放出される二次荷電
   粒子を検出し、この検出した二次荷電粒子の信号に基づ
   いて前記試料上の０．１μｍ程度のパターンを検出する
   ことを特徴とする電子ビーム顕微方法。
2. 【請求項２】前記試料が、基板上に形成されたＳｉＯ₂
   膜とその全面または一部上に形成されたポリシリコン膜
   を有することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム顕
   微方法。
3. 【請求項３】一次電子ビームを得る電界放射陰極手段
   と、前記一次電子ビームを微小なスポット径に絞り試料
   上を走査して照射する電子光学手段と、前記一次電子ビ
   ームのエネルギーを２．３ｋｅＶから１００ｅＶの範囲
   で減速する減速手段と、前記試料から放出される二次荷
   電粒子を検出する検出手段とを含み、検出した二次荷電
   粒子の信号に基づいて前記試料上の０．１μｍ程度のパ
   ターンを検出することを特徴とする電子ビーム検査装
   置。
4. 【請求項４】前記減速手段により前記一次電子ビームの
   エネルギーを１ｋｅＶより小さく減速することを特徴と
   する請求項３記載の電子ビーム検査装置。
5. 【請求項５】前記電界放射陰極手段が熱電界放射陰極手
   段であることを特徴とする請求項３記載の電子ビーム検
   査装置。