JPH11317188A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対物レンズと試料との間に電子線に対する減
速電界を発生させる構造の走査電子顕微鏡において、試
料の装着・交換時における試料への電圧印加を自動的に
制御する。 【解決手段】 スイッチＳ１が閉じて加速電圧５が印加
されている第１条件と、陰極１と試料１８との間に設け
られたバルブＧ１、Ｇ２の両者が開いている第２条件
と、試料交換機構５７が試料１８を試料ステージ１９に
載せるために通過するバルブＧ３が閉じている第３条件
とが満されると、スイッチＳ２が閉じて試料１８に重畳
電圧６が印加される。試料ホルダ２１と試料ステージ１
９とは放電抵抗５８を介して電気的に接続され、スイッ
チＳ２が開放されると試料１８にチャージされた電荷が
試料ホルダ２１、試料ステージ１９を介して放電され
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、試料表面で電子線
スポットを走査して試料表面の走査像を得る走査電子顕
微鏡に係り、特に、低加速電圧領域で空間分解能の高い
走査像を得ることの可能な走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体デバイス用試料におけ
るサブミクロンオーダー（１μｍ以下）のコンタクトホ
ールやラインパターンの観察用あるいは測長用として、
走査電子顕微鏡が用いられている。

【０００３】走査電子顕微鏡では、加熱形又は電界放出
形の電子源から放出された電子線を試料上で走査して二
次的に得られる信号（二次電子および反射電子）を検出
し、この二次信号を電子線の走査と同期して走査される
ブラウン管の輝度変調入力とすることで走査像（ＳＥＭ
像）を得ている。一般の走査電子顕微鏡では、負電位を
印加した電子源と接地電位にある陽極間で電子源から放
出された電子を加速し、接地電位にある検査試料に照射
している。

【０００４】近年、走査電子顕微鏡が半導体製造過程ま
たは完成後の検査過程（例えば電子線による電気的動作
の検査）で利用されるようになってきた結果、絶縁物を
帯電なしに観察することができるように、１０００Ｖ以
下の低加速電圧で１０ｎｍ以下の高分解能が要求される
ようになってきた。

【０００５】すなわち、半導体デバイス用試料は、一般
にＡｌやＳｉなどの導体部の上にＳｉＯ2 やＳｉＮなど
の電気絶縁物を積層して構成される。このような半導体
デバイス用試料に電子線を照射すると電気絶縁物表面が
負に帯電（以下、単にチャージアップと表現する場合も
ある）し、放出される二次電子の軌道が変化したり、一
次電子線そのものの軌道が変化するようになる。この結
果、ＳＥＭ像に異常コントラストが発生したり、ひどい
歪を生じる。

【０００６】このようなチャージアップに起因した像障
害は、コンタクトホールの観察やラインアンドスペース
の測長に重大な支障をきたすので、半導体製造プロセス
の評価が難しくなるばかりか、半導体デバイスそのもの
の品質を確保する上で大きな障害となる。このため、従
来では試料に照射される一次電子線のエネルギーが１Ｋ
ｅＶ以下である、いわゆる低加速ＳＥＭが用いられてい
た。

【０００７】ところが、上記した従来技術では次のよう
な問題点があった。すなわち、加速電圧が低くなると電
子線のエネルギばらつきに起因する色収差により分解能
が著しく低下し、高倍率での観察が難しくなる。また、
電子電流が少なくなると二次信号とノイズとの比（Ｓ／
Ｎ）が著しく低下し、ＳＥＭ像としてのコントラストが
悪くなり、高倍率、高分解能での観察が困難となる。特
に、超微細加工技術で作られた半導体デバイスなどで
は、コンタクトホールやラインパターンなどの凹部から
発生する信号が微弱となり、精細な観察や測長を行う上
で大きな障害となっていた。

【０００８】このような問題を解決する方法として、例
えば、アイ・トリプルイー、第９回アニュアルシンポジ
ューム オン エレクトロン イオン アンド レーザ
ビーム テクノロジーのプロシーデング、１７６頁から
１８６頁（IEEE 9th AnnualSymposium on Electron,Ion
and Laser Technology）では、電子源と接地電位にあ
る陽極間での加速電圧は高く設定し、接地電位にある対
物レンズと負電位を印加された検査試料の間に減速電界
を発生させて試料に照射する電子線は減速させることに
より、最終的に比較的低い加速電圧に設定し、色収差の
低減とチャージアップの防止とを両立させた走査電子顕
微鏡が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来技術では試料への負電位の印加がオペレータの手動操
作によって行われていたため、試料交換時に短絡が生じ
る可能性があった。また、半導体素子のように電気的な
衝撃に弱い試料は電位の急峻な変化によって破壊する可
能性があるため、試料の装着や交換時における印加電位
のオン／オフを慎重に行う必要があるなど、試料交換時
等における取り扱が難しいという問題があった。

【００１０】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決して、対物レンズと試料との間に電子線に対す
る減速電界を発生させる構造の走査電子顕微鏡におい
て、試料の装着・交換時の取扱が容易な走査電子顕微鏡
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記した目
的を達成するために、本発明は、電子源と、前記電子源
より放出された一次電子線を試料台上に配置された試料
上で走査する走査手段と、試料から発生する二次信号を
検出する検出器とを備えた走査電子顕微鏡において、試
料台に設けられた負電圧被印加部に負電圧を印加し、前
記一次電子線に対する減速電界を形成する減速電界形成
手段と、前記試料台を内在する試料室と、前記負電圧被
印加部と前記試料との接続状態が解除されるように前記
試料を前記試料室外に搬送する搬送機構と、前記搬送機
構による前記試料の搬送の準備動作に連動して、前記負
電圧印加が停止され、前記試料が放電抵抗を介して接地
されるように制御する手段とを備えたことを特徴とす
る。

【００１２】上記した構成によれば、試料の装着・交換
時の準備動作に連動して試料への負電圧の印加が自動的
に制御されるので、オペレータは試料に負電圧が印加さ
れることを特に意識することなく試料の装着や交換を行
うことができるようになるので、取扱いが極めて容易に
なる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例である走
査電子顕微鏡システムの概略構成図であり、当該システ
ムは走査電子顕微鏡本体１００および試料交換機構２０
０から構成されている。図２は、図１の走査電子顕微鏡
本体１００の構成を詳細に示した図である。

【００１４】図２において、陰極１、引出電極２、およ
び陽極３は電界放出型電子銃を構成し、陰極１と引出電
極２との間には引出電圧４が印加され、陰極１には加速
電圧５が印加される。陰極１から放出された電子線２０
ａは、引出電極２と接地電位にある陽極３との間に印加
された電圧でさらに加速される。このため、陽極３を通
過した電子線のエネルギ（加速電圧）は加速電圧５と一
致する。また、試料１８には試料ホルダ２１を介して負
の重畳電圧６が印加され、対物レンズ１７と試料１８と
の間には減速電界が形成されるため、試料１８に照射さ
れる電子線の加速電圧は、加速電圧５から重畳電圧６を
差し引いた電圧となる。

【００１５】陽極３を通過して加速された電子線２０ｂ
は、コンデンサレンズ７および対物レンズ１７によって
試料１８上に収束される。対物レンズ１７を通過した電
子線は、対物レンズ１７と試料１８との間に形成された
減速電界で減速され、実質的に加速電圧５から重畳電圧
６を差し引いた電圧に相当するエネルギで試料１８に到
達する。

【００１６】対物レンズ１７での電子線の開き角は、コ
ンデンサレンズ７の下方に配置された絞り８で決められ
る。絞り８のセンタリングは調整つまみ１０を操作する
ことにより行われる。

【００１７】加速された電子線２０ｂは上走査コイル１
１および下走査コイル１２で偏向され、試料１８上で
は、減速電界によって減速された収束電子線２０ｃがラ
スタ走査される。本実施例では、走査コイルを２段構成
とすることで走査された電子線が常に対物レンズ１７の
レンズ中心を通るようにしている。

【００１８】試料１８は試料ホルダ２１で固定され、試
料ホルダ２１は、水平調整等の位置調整が可能な試料ス
テージ１９上に絶縁台９を介して載置される。試料ホル
ダ２１には重畳電圧６が印加されている。

【００１９】減速された電子線２０ｃが照射されて試料
１８から発生した二次電子２４は、対物レンズ１７と試
料１８間に作られた減速電界によって加速されて対物レ
ンズ１７内に吸引され、さらに、対物レンズ１７の磁場
の影響を受けて螺旋運動しながら上昇する。

【００２０】対物レンズ１７を通過した二次電子２４
は、対物レンズ１７と下走査コイル１２との間で電子線
通路外に設けられて正電位が印加された吸引電極１３で
吸引され、１０ｋＶ（正電位）が印加されたシンチレー
タ１４によって吸引加速されてシンチレータを光らせ
る。

【００２１】発光した光はライトガイド１５で光増倍管
１６に導かれ電気信号に変換される。光増倍管１６の出
力はさらに増幅されブラウン管の輝度変調入力になる
が、ここでは図示を省略してある。

【００２２】このような構成の走査電子顕微鏡によれ
ば、コンデンサレンズ７、絞り８、対物レンズ１７を通
過するときの電子線（電子線２０ｂ）のエネルギは最終
段の電子線（電子線２０ｃ）のエネルギよりも高いの
で、色収差が改善され、高分解能が得られた。

【００２３】しかも、試料に照射される一次電子線は減
速されて低エネルギとなっているので、試料のチャージ
アップも解消される。

【００２４】具体的には、加速電圧（５００Ｖ）のみを
印加した時に１５ｎｍであったビーム径が、加速電圧
（１０００Ｖ）と重畳電圧６（５００Ｖ）とを加算した
ことにより１０ｎｍに改善された。

【００２５】また、図１において、電界放出陰極１、引
出電極２、陽極３、コンデンサレンズ７、対物レンズ１
７、試料１８、試料ホルダ２１、絶縁台９、試料ステー
ジ１９等の構成要素は真空筐体６１に納められている。
なお、真空排気系は図示を省略している。

【００２６】ここで、試料１８に負電圧が印加されてい
る状態では、試料交換機構７７による試料交換や真空筐
体６１を大気にすることは避けなければならない。換言
すれば、電子線が試料１８上で走査されているときだけ
重畳電圧６を印加するようにすればよい。

【００２７】そこで、本発明では試料の装着・交換時の
準備動作である、スイッチＳ１が閉じて加速電圧５が印
加されている第１の条件と、陰極１と試料１８との間に
設けられたバルブＧ１、バルブＧ２の両者が開いている
第２の条件と、試料交換機構７７が試料１８を試料ステ
ージ１９に載せるために通過するバルブＧ３が閉じてい
る第３の条件とが全て満たされたときのみ、スイッチＳ
２が閉じて試料１８に重畳電圧６が印加される制御が行
われるようになっている。

【００２８】また、試料ホルダ２１と試料ステージ１９
とは放電抵抗Ｒを介して電気的に接続されおり、スイッ
チＳ２が開放されると試料１８にチャージされた電荷が
試料ホルダ２１、放電抵抗Ｒ、試料ステージ１９を介し
て一定の時定数のもとで速やかに放電され、試料１８の
電位が下がるようになっている。

【００２９】なお、陰極１の周囲の真空が設定値以上で
ある条件で加速電圧５が印加可能となる、あるいは真空
筐体６１の真空が設定値以上のときのみバルブＧ１、Ｇ
２が開放されるような通常のシーケンスが組まれている
ことは言うまでもない。

【００３０】また、本実施例では、上述の３つの条件の
すべてを満足したときに重畳電圧６が印加されるものと
して説明したが、これらの内の１つあるいは２つの条件
が満たされたときにスイッチＳ２が閉じるようにしても
良い。

【００３１】図３は、本発明の第２実施例である走査電
子顕微鏡の主要部のブロック図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。

【００３２】上記した第１実施例では、二次電子２４を
吸引電極１３により電子通路外に取り出して検出してい
たが、本実施例では、チャンネルプレート検出器２６を
用いて二次電子を検出するようにした点に特徴がある。

【００３３】同図において、対物レンズ１７と下走査コ
イル１２との間には、中央孔３３を有する円板状チャン
ネルプレート本体２５が設けられている。中央孔３３の
径は走査コイル１２で偏向された電子線２０ｂが衝突し
ない大きさに設定される。また、チャンネルプレート本
体２５の下方にはメッシュ３４が設けられている。

【００３４】このような構成において、加速された電子
線２０ｂはチャンネルプレートの中央孔３３を通過した
後、対物レンズ１７で収束されて試料１８上に照射され
る。試料１８で発生した二次電子２４は対物レンズ１７
でレンズ作用を受け、発散しながら全面に置かれたメッ
シュ３４を通過してチャンネルプレート２５に入射す
る。チャンネルプレート２５に入射した二次電子２４は
チャンネルプレート２５の両端に印加された増幅電圧２
８で加速、増幅される。増幅された電子２７はアノード
電圧２９でさらに加速されてアノード３７に捕獲され
る。

【００３５】捕獲された二次電子は増幅器３０で増幅さ
れた後、光変換回路３１で光３２に変換される。光３２
に変換するのは増幅器３０がチャンネルプレート２５の
増幅電圧２８等でフローティングになっているためであ
る。

【００３６】光３２は接地電位の電気変換回路３５で再
び電気信号に変換され、走査像の輝度変調信号として利
用される。この方式では二次電子ばかりでなく反射電子
も検出可能である。

【００３７】明らかな様に、本実施例によっても前記と
同様の効果が達成される。

【００３８】図４は、本発明の第３実施例である走査電
子顕微鏡の主要部のブロック図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。本実施例では、
所望の二次信号を選択的に検出できるようにした点に特
徴がある。

【００３９】同図において、チャンネルプレート２５に
は、その電位を任意に制御できるフィルタ電圧３６が印
加される。例えば、フィルタ電圧３６を重畳電圧６より
もさらに１０ボルト程度の負電圧とすれば、試料から放
出された二次電子および反射電子のうち、二次電子はチ
ャンネルプレート２５とメッシュ３４の間に作られた逆
電界で追い返され、エネルギの高い反射電子のみを選択
的に検出できるようになる。

【００４０】また、二次電子を追い返す限界のフィルタ
電圧３６を測定すれば、試料の電位を知ることも可能
で、このような機能を付加することにより、完成した半
導体素子の機能検査を行うことができるようになる。

【００４１】図５は、本発明の第４実施例である走査電
子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同一
または同等部分を表している。本実施例は、対物レンズ
１７の上部にエネルギフィルタ（電位障壁）を設けた点
に特徴がある。また、本実施例では、特に試料１８を対
物レンズ１７内部に配置するインレンズ方式に適用した
例を示している。

【００４２】エネルギフィルタは、一次電子を通すため
の円筒４６、一組のシールドグリッド４１、およびエネ
ルギフィルタ４２から構成されている。前記図３に関し
て説明した第３実施例の場合と同様に、本実施例でもフ
ィルタ電圧３６を制御してエネルギフィルタ４２の電位
を適宜に調整することにより試料１８の電位を測定する
ことが可能になる。

【００４３】さらに、本実施例では吸引電極１３の電圧
を適宜に選択することにより、反射電子を検出せずに二
次電子のみを選択的に検出できるようになる。

【００４４】このインレンズ方式では、試料ステージ１
９が対物レンズ１７の内部に置かれ、絶縁台９、試料ホ
ルダ２１を介して試料１８が固定されている。試料ホル
ダ２１には重畳電圧６が印加され、試料１８と対物レン
ズ１７との間で減速電界が作られている。対物レンズ１
７の励磁コイル４５は対物レンズ１７の上部に固定され
ている。対物レンズ１７は８インチのウエハが入る大き
さである。

【００４５】図６は、本発明の第５実施例である走査電
子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同一
または同等部分を表している。本実施例では、強い電界
が印加されると不都合な試料を観察できるようにした点
に特徴がある。

【００４６】半導体集積回路では、強電界で素子が破損
することがある。このような問題点を解決するために、
本実施例では対物レンズ１７と試料１８との間に制御電
極３９を設け、当該制御電極３９に制御電圧４０から数
十ボルトを印加している。

【００４７】本実施例によれば、対物レンズ１７と試料
１８との間に発生した電界が制御電極３９によって緩和
され、素子の破損を防ぐことができる。

【００４８】図７は、本発明の第６実施例である走査電
子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同一
または同等部分を表している。

【００４９】上記した第１および第４実施例では、電界
を利用して二次信号を偏向し、これを検出器で検出して
いたが、本実施例では、磁界および電界を利用して二次
信号を偏向するようにした点に特徴がある。

【００５０】加速電圧が大きくなって減速電界による最
終段における電子線の減速比が小さくなると、試料に照
射される一次電子線２０ｂと試料から放出される二次電
子２４とのエネルギ差が小さくなるので、二次電子２４
を吸引するために比較的大きな電界Ｅを吸引電極１３に
より発生させると、当該電界Ｅによって一次電子２０ｂ
も曲げられてしまう。

【００５１】本実施例は、このような問題点を解決する
ためになされたもので、磁界による電子線の偏向方向が
電子線の進行方向によって異なることに着目し、電界Ｅ
による一次電子線２０ｂの偏向をキャンセルすると共に
二次電子２４の偏向量を補足するような磁界Ｂを発生さ
せるようにしている。

【００５２】すなわち本実施例では、一次電子線２０ｂ
が、吸引電極１３の発生する電界Ｅによる偏向方向とは
逆方向に偏向されるように磁界Ｂを発生させる。したが
って、磁界Ｂの強度を適宜に制御することにより、電子
線２０ｂの電界Ｅによる偏向がキャンセルされる。

【００５３】一方、二次電子２４に対しては、磁界Ｂに
よる偏向方向と電界Ｅによる偏向方向とが同一方向にな
るので、二次電子の偏向量が大きくなって二次電子の検
出が容易になる。

【００５４】図８は、本発明の第７実施例である走査電
子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同一
または同等部分を表している。本実施例では、単結晶シ
ンチレータを利用して二次信号を検出するようにした点
に特徴がある。

【００５５】同図において、単結晶シンチレータ５５
は、例えば円筒形状のＹＡＧ単結晶を斜めに切断し、そ
の切断面に一次電子２０ｂを通過させるための開口部５
７を設けたものであり、その先端部には金属またはカー
ボン等の導電性薄膜５６がコーティングされており、接
地電位が与えられている。

【００５６】本実施例では、コンデンサレンズ１２で作
られる一次電子線２０ｂのクロスオーバ５８が開口部５
７の近傍に来るようにし、対物レンズ１７による二次電
子２４のクロスオーバ５９は開口部５７から離れた位置
に来るようにする。このようにすれば、一次電子線２０
ｂは開口部５７に遮られることなく、二次電子２４も効
率良く検出できるようになる。

【００５７】なお、上記した第８実施例では、シンチレ
ータの発光部とライトガイドを共にＹＡＧ単結晶により
構成するものとして説明したが、二次電子を検出する発
光部のみをＹＡＧ単結晶で形成し、他の部分はガラスや
樹脂などの透明性部材で構成するようにしても良い。

【００５８】図９は、本発明の第８実施例である走査電
子顕微鏡の主要部のブロック図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。

【００５９】本実施例では、電子銃を構成する陽極を省
略し、接地された引出電極２と陰極１との間に印加され
た引出電圧４で電子線を加速する。引出電圧４で加速さ
れた電子は対物レンズで１７で収束されて試料１８に向
かう。試料１８には加速電圧５の正極側が接続されてい
る。このとき、低加速電圧の領域では加速電圧５より引
出電圧４の方が高いので、電子線は対物レンズ１７と試
料１８の間で加速電圧５に減速されて試料に到達する。
電界放出陰極を用いた典型的な例では、引出電圧が３ｋ
Ｖ、加速電圧が１ｋＶである。このような構成によれ
ば、陽極および重畳電圧源が省略されるので、構成が簡
素化される。

【００６０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
試料に負電位を印加して対物レンズとの間に減速電界を
発生させることにより、試料に照射される電子線を減速
させて色収差の低減とチャージアップの防止とを両立さ
せた走査電子顕微鏡において、試料の装着・交換時の準
備動作に連動して試料への負電圧の印加が自動的に制御
されるようにしたので、オペレータは試料に負電圧が印
加されることを特に意識することなく試料の装着や交換
を行うことができるようになるので、取扱いが極めて容
易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の構
成図である。

【図２】 図１の走査電子顕微鏡部の構成図である。

【図３】 本発明の第２実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【図４】 本発明の第３実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【図５】 本発明の第４実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【図６】 本発明の第５実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【図７】 本発明の第６実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【図８】 本発明の第７実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【図９】 本発明の第９実施例である走査電子顕微鏡部
の構成図である。

【符号の説明】

１…陰極、２…引出電極、３…陽極、４…引出電圧、５
…加速電圧、６…重畳電圧、７…コンデンサレンズ、８
…絞り、９…絶縁台、１０…調整つまみ、１１…上走査
コイル、１２…下走査コイル、１３…吸引電極、１４…
シンチレータ、１５…ライトガイド、１６…光増倍管、
１７…対物レンズ、１８…試料、１９…試料ステージ、
２０…一次電子線、２１…試料ホルダ、２４…二次電
子、２５…チャンネルプレート、２８…増幅電圧、２９
…アノード電圧、３０…増幅器、３１…光変換回路、３
３…中央孔、３４…メッシュ、３５…電気変換回路、３
６…フィルタ電圧、３７…アノード、３９…制御電極、
４０…制御電圧、４１…シールドグリッド、４２…エネ
ルギフィルタ、５５…単結晶シンチレータ、５６…導電
性薄膜、６１…筐体、７７…試料交換機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子源と、 前記電子源より放出された一次電子線を試料台上に配置
   された試料上で走査する走査手段と、 試料から発生する二次信号を検出する検出器とを備えた
   走査電子顕微鏡において、 試料台に設けられた負電圧被印加部に負電圧を印加し、
   前記一次電子線に対する減速電界を形成する減速電界形
   成手段と、 前記試料台を内在する試料室と、 前記負電圧被印加部と前記試料との接続状態が解除され
   るように前記試料を前記試料室外に搬送する搬送機構
   と、 前記搬送機構による前記試料の搬送の準備動作に連動し
   て、前記負電圧印加が停止され、前記試料が放電抵抗を
   介して接地されるように制御する手段とを備えたことを
   特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 電子源と、 前記電子源より放出された一次電子線を試料台上に配置
   された試料上で走査する走査手段と、 試料から発生する二次信号を検出する検出器とを備えた
   走査電子顕微鏡において、 試料台に設けられた負電圧被印加部に負電圧を印加し、
   前記一次電子線に対する減速電界を形成する減速電界形
   成手段と、 前記試料台を内在する試料室と、 前記負電圧被印加部と前記試料との接続状態が解除され
   るように前記試料を前記試料室外に搬送する搬送機構
   と、 前記電子線の照射以降、前記搬送機構による前記試料の
   搬送の準備動作前に、前記負電圧印加が停止され、前記
   試料が放電抵抗を介して接地されるように制御する手段
   とを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。