JPS583587B2 - 指向性検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、走査型電子顕微鏡の如き、電子ビーム装置の
分野に関し、更に詳細には、２次電子放射の指向性検出
装置に関する。

指向性を有する検出装置は走査型電子顕微鏡に於いて、
試料の表面から放射した２次電子の検出及び位置探査の
為に用いられている。

このような検出装置は幾何学的形状又は電圧分布の不均
一性により変調された２次電子放射を分析することによ
り、これらの幾何学的形状に基づく細部を明らかにする
。

これらの細部は、走査型電子顕微鏡のみを用いる場合に
は得られない。

この様な検出装置の基本的な形式は、Ｂａｎｂｕｒｙと
Ｎｉｘｏｎにより，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎ
ｔｉｆｉｃ Ｉｎ−ｓｔｒｕｍｅｎｔ １９６９年第２
集第２巻１０５５頁−１０５９頁に記載された”Ａ Ｈ
ｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ
Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”に示され
ている。

該刊行物は、第１の電子ビームの周囲に円筒状の構造体
を有する検出装置を説明している。

１次ビームが、試料の置かれている第２の開孔と軸方向
に整列された第１の開孔を通って検出装置に侵入する。

検出装置の円筒表面の一部分はグリッド状になっており
、そのグリッド部分の近くには、検出装置のチェンバに
侵入し、そして、グリッド部分から出る、試料から放射
された２次電子を検出する為の光電子増倍管及びシンチ
レータが置かれている。

ＢａｎｂｕｒｙとＮｉＸＯｎの装置以前の検出装置に比
べて、ＢａｎｂｕｒｙとＮｉｘｏｎの検出装置は試料表
面の細部のコントラストを改善し、且つ該試料上の微細
電界及び微細磁界の観察を可能にした。

最近、走査型電子顕微鏡に於ける２次電子検出装置の利
用は、半導体技法の分野に於いて一般的な技法になりつ
つある。

通常知られている様に、半導体装置は回路機能性能、及
び１半導体チップ当りの回路数に関してますます複雑に
なってきている。

例えば、１９６５年の技術状態に於いて、商業的に入手
しうる半導体装置は１チツプ当り１個若しくは２個のト
ランジスタを含んでいた。

１０年後の今日、半導体装置は１チツプ当り１万個以上
の装置を含んでいるのが普通である。

標準的な方法でこれら今日の半導体装置の試験若しくは
分析は成され得ない。

電気的に試験を行なう為に導電性の探査針とチップを物
理的に接触する事は大抵の場合、実際的ではなく、また
或る場合に於いては不可能である。

更に、ピンホール、スクラッチ、導電層の亀裂、不整合
等の装置の表面上及び表面付近に於ける物理的欠陥の検
出及び位置探査を光学的技法を用いて行なう事はもはや
不可能である。

電磁スペクトルの可視領域で動作する光学的装置よりも
はるかに高い分解能をもつ走査型電子顕微鏡は、実験室
及び製造ラインに於いて非常に貴重な装置になっている
。

放射様式で動作する場合、走査型電子顕微鏡は電子ビー
ムで半導体装置を走査し、試料からの２次電子放射を集
める。

像は、電子検出装置により輝度変調されたＣＲＴ（陰極
線管）上に表示される。

その結果、試料の表面の写真が優れた映像面の濃さで、
且つ１０００００倍までの倍率で得られる。

１００倍までの倍率をもつ光学的顕微鏡で、観察するこ
とのできなかった様なピンポールスクラッチ、絶縁被覆
層の欠如及び亀裂金属化層の欠如、不整合及び他の多く
の物理的欠陥でさえもこの走査型電子顕微鏡で観察でき
る。

前述のＢａｎｂｕｒｙとＮｉｘｏｎの検出装置は走査型
電子顕微鏡に於ける１つの顕著な結果を示してはいるが
、半導体装置の欠陥を分析する為に用いられた場合、い
くつかの不利な面を持っている。

特に、円筒状の型の検出装置は信号対ノイズ比、２次電
子エネルギー識別度、及び全体的な感度が要求されてい
るものよりも低い。

従って、本発明の主な目的は、走査型電子顕微鏡装置に
用いられる２次電子検出装置の信号対ノイズ比を増加す
るにある。

本発明の他の目的は、試料から放出される２次電子エネ
ルギーの識別度を最適化することである。

本発明の更に他の目的は、２次電子検出装置の感度を高
めることにある。

上記の目的、本発明の利点及び特徴は、独特の幾何学的
形態を持つ２次電子検出装置により達成される。

検出装置は第１の電子ビームの侵入の為の開孔を有する
上部グリッドと、上記開孔と軸方向に整列された開孔を
有す底板と、上部グリッドと底板の間の空間を部分的に
囲んでいる側壁と、上部グリッドと底板の間の空間の囲
いを完成する前面グリッドとで構成されている。

底板１１又は第２の開孔を含んでいる底板１１の部分は
、上部グリッドに対して非平行である。

この様な構成では、試料が１次電子ビームと垂直以外の
角度をなして、第２の開孔と平行に置かれることができ
る。

これは、信号対ノイズ比を先行技術の検出装置が達成し
た以上に十分に増大する。

本発明の良好な実施例に於いて、土部グリッドの主表面
の輪郭は、放物線、双曲線、半楕円若しくは半円の一部
分の如く、略円錐曲線である。

これらの曲線で形成される輪郭は、検出装置内の任意の
場所の電子に対する力が、前面グリッドの方向へ向けら
れた成分を有する様な電界分布を検出装置内に形成し、
従って、電子の蓄積を防止し、且つ空間電荷領域の形成
を防止する。

通常、上記輪郭が細長い輪郭をしていないほど、前面グ
リッドへ向く電界ベクトルは強くなる。

他の実施例に於いて、底板と上部グリッドの間の傾斜角
θは異なる試料に対して識別度を最大にするように変え
られる。

第１図を参照するに、検出装置１は４つの主要な構成要
素即ち開孔７を有する上部グリッド４、前面グリッド６
、側壁５及び底板１１を含む。

底板１１の折りまげられた部分に形成された開孔９が、
開孔７と軸方向に整列されている。

上部グリッド４、前面グリッド６、側壁５及び底板１１
は、夫々、適当な絶縁用スペーサ（第１図に於いては、
図示せず）により、互いに電気的に絶縁されている。

前述の如く、本発明の重要な観点は、入射する１次電子
ビームに対して試料を傾けることが可能な検出装置の幾
何学的形態にある。

第１Ａ図に示される如く、開孔９を含んでいる部分２が
側壁５の後部３に対して傾斜され、且つ上部グリッド４
と非平行の関係で、底板１１が折りまげられている。

平行面からの角度は、θとして示されている。半導体装
置を試験する際に用いられる実際的な検出装置に関して
は、角度θは２０’−８０’の間が実用的であるが、３
０’−５０゜の間が好ましい。

底板１１は上部グリッド４に対して１部分は平行で、且
つ１部分は平行ではない様に示されているが、他の構造
も可能である。

例えば、底板１１全体が平らでグリッド４に対して非平
行でも良い。

しかし、角度θを一定にした場合、検出装置１の側壁５
はこの構造では、更に大きくされなければならない。

小型の検出装置は更に小さい制御電圧の使用を可能にし
、走査型電子顕微鏡の真空容器内の試料の配置の際の更
にすぐれた融通性を与えるので、本実施例の底板を折り
曲げられた型の検出装置が最も適当であると思われる。

本発明の最も広い観点に於いて、底板１１が側壁５に対
して斜めにされる事は必要でない。

むしろ、上部グリッド４及び底板１１の相対的な幾何学
的形態は、上部グリッド４が斜めにされ、そして底板１
１が平坦で且つ側壁５に関して略垂直である様にされて
もよい。

軸方向に整列された開孔７及び９が非平行である事が重
要な要素である。

開孔７及び９が非平行の関係である事は、試料１０が１
次ビームに対して斜めに置かれ、且つ、開孔９に対して
平行に置かれることを可能にするので、最も重要である
。

この傾きは、信号対ノイズ比を増加する。

又、開孔９に対する試料１０の平行性は２次電子の最大
量が検出装置内部へ侵入されることを可能にする。

周知の如く、一定の１次ビームによる試料からの２次電
子の総発生量は、傾斜角度とともに増加する。

しかしながら、ノイズ成分は傾斜に無関係である。

従って、傾斜が増すにつれて更に高い信号対ノイズ比が
もたらされる。

一方、２次電子放射の角度分布は試料１０の表面に対し
て大部分は垂直である。

従って、傾斜した底板１１の開孔９は、両方の利点を得
る為に角度分布と調和している。

本発明の実施例の分解図である第２図を参照するに、検
出装置１は本質的に４つの分離した部分により構成され
ている。

プラスチックのスペーサ８は構成要素の夫々の間の絶縁
を与える為、主要な構成要素に形成された孔により係合
される。

スペーサ８は小型で、且つ主要な構成要素により囲まれ
た空間に突き出る事の無い様に形成されているのが好ま
しい。

さもなければ、２次電子がスペーサに突入した場合、電
荷がスペーサ上に蓄積し、その結果、電位分布を乱す。

第２図に於いて、更に良く示された本発明のもう一つの
重要な特徴は、上部グリッド４の幾何学的形態であり、
これは放物線状であり、側壁５もこれに調和した形状を
有する。

この様な幾何学的な形態が最も好ましいのであるが、双
曲線の如き他の円錐曲線でも良い。

後に詳細に説明される様に放物線の形状は、検出装置内
に於いて、真空中での長期の使用の際に発生する負の空
間電荷の形成を防止する。

この負の空間電荷の形成は、検出装置内の不安定性及び
感度の時間依存性喪失をまねく。

開孔１及び９の大きさは、同一でなくてもよく、また通
常同一でなく、それらは単に同じ軸上に存在する事のみ
必要である。

開孔７の直径は、１次ビームの略総てを受け入れるのに
十分に大きく選択される。

開孔９の直径は、集められる２次電子の数及び１次ビー
ムにより走査され得る試料の面積を決定する。

開孔９の直径は、試料の他の部分に存在する電圧に基づ
いて試料の或る部分からの２次電子放射に対する干渉を
避けるに、十分なように小さくすべきである。

例えば、最近の半導体基板上の電極は極めて接近して設
けられており、数ミクロンのオーダである。

開孔９が大きすぎる場合、開孔９は試料の表面に対して
、略垂直方向でなくて接線方向に非常に接近した方向に
放射された２次電子を受け入れる。

この様な２次電子は、垂直方向に非常に接近した方向に
放射された２次電子に比べて、１次電子ビームが集束さ
れる電極の周囲の電極の電圧による影響を多く受ける。

従って、開孔９が大きすぎる場合、異なる電極間の干渉
が生じる。

それらの電極が、逆にバイアスされた場合、特にこの現
象は著しい。

代表的な半導体装置の試験の為に夫々の直径が４ミリメ
ータ及び６ミリメータの開孔７及び９が用いられた。

本発明は、ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏ
ｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，１５巻、８号、１９７３
年１月、２５４６頁に記載されたＪ．Ｒ．Ｔｏｕｗによ
る”Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｄｅｔｅｃｔ
ｏｒ ｆｏｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”に於いて説明される様な可変２
次電子放射開孔をも含む。

第３図を参照するに、検出装置１が走査型電子顕微鏡の
真空容器内に置かれている。

検出装置の設計が新しい点を除いて、電子顕微鏡の構造
に新規なものは存在しない。

しかし、電子顕微鏡は、本発明の動作を代表的環境のも
とで、且つ他の図面と関連して説明するのに有用である
。

上記電子顕微鏡は、電子銃２０、光学的電子柱２２、試
料容器２４、及び真空装置２８を含む。

試料容器２４の内部にある試料台２５が試料１０を選択
的に移動しつるように制御装置３０により、Ｘ，Ｙ及び
Ｚ方向に制御される。

正にバイアスされたシンチレータ２７が真空容器２４内
で検出装置１の前面グリッドの近くに置かれる。

光電子増倍管２６が、シンチレータ２７に於いて励起さ
れ、且つ真空容器２４内の窓及び光管（図示せず）を通
過して伝えられた電磁放射を検出する為に真空容器２４
の外側に設置される。

走査型電子顕微鏡の分野に於ける専門家に周知の如く、
シンチレータ２７は、試料１０から放射され、検出装置
１を通過した２次電子に対する極めて効率のよいコレク
タとして働く。

第４図は、上部グリッド４、前面グリッド６、底板１１
及び側壁５の夫々に印加された電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及
び■４により、検出装置１が適当に静電的にバイアスさ
れた場合の検出装置１内の電位の静電的分布を示してい
る。

実際には半導体装置に対する仕事の為、これら電圧の代
表的な値は以下の如くである。

即ち、Ｖ１＝−５乃至−５０ボルト、■２二５０乃至３
００ボルト、Ｖ３＝−１５乃至＋１５ボルト、■４−ア
ース。

応用面によっては、電圧の更に広い変動が可能である。

検出装置内の電界線は３つの異なった機能的空間を形成
している。

開孔９の近くの第１の空間は、検出装置の本体内への２
次電子の侵入を制御する。

第２の空間は、２次電子のエネルギーに応じて２次電子
相互間を識別する。

第３の空間は、検出装置により選択された２次電子を検
出装置の本体及び前面グリッド６を通りシンチレータ２
７へ引きつける。

本発明の検出装置の感度は、前述のＢａｎｂｕｒｙとＮ
ｉｘｏｎ検出装置の標準型の感度の少なくとも２倍の感
度をもっている。

第３図に示された走査型電子顕微鏡で半導体装置を試験
する為に上記の両検出装置が用いられた。

代表的な半導体装置は、３ｍｍｘ４ｍｍの大きさで、約
１００００個の能動装置を含む半導体ロジック及びメモ
リ・チップで回路の相互接続及び電力供給の為の２つの
レベルの金属化層を有していた。

この様な型式の半導体装置は、極めて複雑で高密度に実
装され、且つ導電性領域は互いに分離されている。

この様な型式の装置は、半導体分野の先端の技術を明確
に表わすものであり、この様な半導体装置は以後長期間
にわたり用いられるであろう。

本発明の検出装置とＢａｎｂｕｒｙとＮｉｘｏｎ装置の
相対的な性能を比較する為の試験が行なわれた。

両装置は、夫々の装置の最も良い性質を得るように調整
された、夫々の電極に印加されるバイアス電圧を除いて
、同一の条件のもとで試験された。

特定の電圧に対する最高感度を比較する試験の結果は以
下の如くである。

最高感度では、約３．８倍の相違がある。

感度は通常、試料に印加された電圧の変化に対する検出
装置のレスポンスとして定義される。

表１及び表２に関して感度は、光電子増倍管の出力にお
ける一定値の抵抗の両端の電圧変化（ｍＶ）対試料に印
加された電圧の変化（Ｖ）により得られる。

与えられた相対的試料電圧レンジはレスポンスが０．６
ｍＶ／Ｖの任意に定められた感度限界を越えるレンジで
ある。

最大試料電圧レンジの条件のもとて感度を比較する為の
他のテストの結果を以下に示す。

上記の試験に於いて、平均感度の改良率は２倍であった
。

第５図は、放物線状の上側グリッド４から検出装置１を
見た場合の検出装置内部の電界の分布状態等電位線で示
している。

グリッド側壁の放物線状形状のために、電界は総ての点
に於いて前面グリッド６の方向に向かっている。

本質的には、電界分布は側壁の輪郭を有する、且つグリ
ッド６において徐々に直線状態に変化していく一連の等
電位線よりなる。

従って、検出装置内には空間電荷が形成されない。

前述の如く、上部グリッド４の輪郭は放物線若しくは双
曲線の如き円錐曲線が好ましい。

この様な幾何学的形態の場合、側壁の夫々の部分は、該
部分が頂点から延びるにつれて、該頂点の他の側面上の
対応する対向部分から放散する。

従って、部分的な半楕円形若しくは半円形も空間電荷の
形成を防止する。

完全な半楕円形若しくは完全な円形が多くの目的の為に
用いられうるが、先に述べた形状の方が好ましい。

第６図は、本発明の代替的実施例であって検出装置の傾
斜部分の傾斜角度を変化できるものである。

この代替的実施例に於いて側壁の傾斜部分２′がピボッ
ト・ピン１２により、底板１１′に対し回転可能に装着
されている。

このようにして、傾斜部分２′に対し平行に装着された
試料の傾斜面が、１次ビームに関して変化され得る様に
、前述の良好な実施例に述べられた様な開孔が形成され
ている傾斜部分２′が調節される。

側壁５は、傾斜部分グをその回動埠囲全体にわたって完
全に囲むように拡げられている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の良好な実施例の斜視図、第１ａ図は第
１図に示された本発明の実施例の側面図、第２図は検出
装置の数多くの構成要素を更に良好に示す為に第１図に
示された本発明の実施例の分解図、第３図は本発明が極
めて有効に用いられる走査型電子顕微鏡を示す図、第４
図は適当にバイアスされた場合の本発明の検出装置内部
の電圧分布の側面図、第５図は電圧分布の表面図、第６
図は傾斜角度を調節するようにされた検串装置の代替的
実施例を示す図である。 １・・・・・・検出装置、４・・・・・・上部グリッド
、５・・・・・・側壁、６・・・・・・前面グリッド、
７，９・・・・・・開孔、１０・・・・・・試料、１１
・・・・・・底板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １次電子ビームを侵入させる為の第１の開孔を有す
   るグリッドを構成する第１の主表面と、試料からの２次
   電子を侵入させるため上記第１開孔と軸方向に整列され
   た第２の開孔を有する第２の主表面と、上記第１及び第
   ２の主表面の間に包囲部を部分的に形成する前面グリッ
   ドと、上記第１及び第２の主表面の間の残りの包囲部を
   形成する側壁とより成り、上記第１及び第２の主表面の
   少なくとも上記開口を含む部分が互いに非平行に配列さ
   れていることを特徴とする指向性を有する検出装置。 ２ 上記第２主表面の１部分は上記第２主表面の残部に
   対して折り曲げられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の指向性検出装置。 ３ 上記１次ビームと上記折り曲げられた部分に平行に
   保持された試料との間の角度が選択的に変えられるよう
   に上記折り曲げられた部分が上記残部に対して回転可能
   に装着されていることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の指向性検出装置。