JPS63181252A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集束荷電粒子線を半導体装置等の試料上に二
次元的に走査する荷電粒子線装置に係り。

特に、大角度の荷電粒子線偏向を実現することを図った
荷電粒子線装置に関する。なお、以後の説明は電子ビー
ムを用いた走査電子顕微鏡を用いて行うが、電子ビーム
に限定されず、荷電粒子線の偏向機構に適用される。

〔従来の技術〕

従来の装置は、文献「走査電子顕微鏡の基礎と応用Ｊ−
ｐ−１７；共立出版株式会社、１９８３年、１２月１日
発行、に記述されているように、電子ビームは鏡体（対
物レンズ）の中心を通るようにしておき、これに対して
試料を水平方向に移動させて、試料上の観察個所の選択
を行っていた。

これは、電子ビームは電界や磁界で容易に偏向すること
が可能であるが、電子顕微鏡のように高い分解能（約１
００人）を得ようとするには、対物レンズの中心に電子
ビームを通し、レンズで起こる収差を最小としなければ
ならないからであった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第１１図は従来の電子ビーム偏向法を模式的に示したも
のである。対物レンズの球面収差を防ぐために偏向器１
と偏向器２を用いて常に対物レンズ３の中心を通るよう
に電子ビーム５を偏向していた。この偏向（角度β）に
よる電子ビームのボケΔｄは、はぼ１次式で表わされる
。

ここで、■は加速電圧、ΔＶは電子ビームのエネルギー
のひろがり、ＩＮは対物レンズのアンペアターン、Ｌは
対物レンズと試料間の距離である。

例えば、Ｖ−］　ＯｋＶ、ＪＶ−ＩＶ、ＩＮ／ｒＶ−１
５，Ｌ−５０ｍｍ、β−０，１とすると、試料４上での
電子ビームの移動量は５ｍｍになるが。

電子ビームのボケは１μｍにもなる。このためβは１０
−３以下とすることで、そのボケ量を１００λ以下とし
ていた。そこで、試料を広範囲に観察できるようにする
には、試料４を水平方向に移動させる方法が採られてい
た。

以上は電子顕微鎖の場合であるが、電子ビームテスタの
場合も同様の問題が生じていた。電子ビームテスタの試
料は、完成した大規模集積回路（ＬＳＩ）であり、これ
を動作させた状態で観測する。この際に起こる問題は、
試料に接続された多数のリード線を真空内へ導入し、試
料を真空内で水平移動させなければならないことである
。

本発明の目的は、従来技術での上記した問題を解決し、
試料を移動させることなく、荷電粒子線の偏向と、対物
レンズの移動とを連動させることにより、大角度の荷電
粒子［１向を実現し、かつプローバカードを装置し、ウ
ェーハ状態でのＬＳＩを試験できる荷電粒子線装置を提
供することにある０ 〔問題点を解決するための手段〕 本発明では、上記目的を達成するために、荷電粒子発生
手段と、荷電粒子を任意のエネルギーに加速する手段と
、加速された荷電粒子を集束するレンズ手段と、この集
束電荷粒子を試料上ｌこ二次元的に走査する走査手段と
、試料から発生した二次電子１反射電子、Ｘ線、光等を
検出する検出手段を備えた荷電粒子線装置において、試
判に最も近イ対物レンズの励磁コイルを含む水磁極を移
動る偏向手段とを設けかつ固定の該対物レンズの下磁極
上に試料を置く構成とする。

〔作用〕

すなわち１本発明では、第１２図に示すように。

対物レンズ３の励磁コイル１０２を含む上磁極１０１を
、試料４に平行に水平方向に移動させ。

これ１を連動させて、電子ビーム（一般にはＦｒ電籾粒
子線５が常に対物レンズ３の中心を通るように。

電子ビーム５を平行移動させ試料４は固定された下磁路
１０３の上に置く構成とする。

〔発雫哨実施例〕

以下１図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は、対物レンズ王の上磁極１０１の移動と電子ビ
ーム５の偏向による移動とを連動させる実施例ブロック
構成図である。走査像を得るための電子ビーム走査手段
は図示を省略しである。第１図において、対物レンズ主
の上磁極１０１はＸ軸ステージ６とＹ軸ステージ７に載
り、Ｘ軸パルスモータ２１とＹ軸パルスモータ２２とで
自由に水平移動できる。電子ビーム５は主偏向手段２３
と下偏向手段ｌ土の２段で偏向される。試料４上で電子
ビーム５をＸ方向に移動させるには、Ｘ軸パルス発振器
１９から一定数のパルスを発生し、これをＸ軸モータ駆
動電源１７で増幅した信号によりＸ軸パルスモータ２１
を回転させ、Ｘ軸ステージ６をＸ方向に移動させる。パ
ルス数と移１ｌｊＪ斌とはステージの設計で決まる一定
の関係をもっている。主偏向手段２３の上Ｘ軸側白抜１
′ｔｔ極９には、Ｘ軸パルス発振器１９のパルス数に比
例した出力を出す上Ｘ軸側向電源１３が接続されており
、また、下偏向手段２４の下Ｘ＃Ｉ偏向板電極１１には
、同じくＸ軸パルス発振器１９のパルス数に比例した出
力を出す下Ｘ軸側向電源１５が接続されている。上Ｘ軸
側向電源１３は電子ビーム５をＸ軸方向に偏向させる信
号を出力し、下Ｘ線偏向電源１５は電子ビーム５を−Ｘ
軸方向に偏向させる信号を出力する。上Ｘ軸側向板電極
９による偏向角と下Ｘ軸側向板電＃ｊｉ！１１による偏
向角は同じなの。

で、下偏向手段２４の下方では電子ビーム５は、光軸通
過位置は偏向を受けないときの通過位置に対してＸ軸方
向に移動（以後、平行移動と呼ぶ）している、この移動
量は、Ｘ軸ステージ６の移動量と同じになるように調整
されているので常に対物レンズ−β−の上磁［１０１の
移動量に追従している。Ｙ方向の移動は、ＸＭ力方向ま
ったく同様で、Ｙ軸パルス発振器２０．Ｙ軸モータ駆動
電源１８゜上Ｙ軸側向板電極１０．下Ｙ軸偏向板電極１
２゜上Ｙ軸側向電源１４．下Ｙ軸偏向電源１６により電
子ビーム５の平行移動を行う。

このような構成になっているため、Ｘ軸パルス発振器１
９とＹ軸パルス発振器２０を操作することにより、Ｗ子
ビーム５の試料４面上へ照射位置を、ビーム入射方向は
平行を保たせながら、任意に移動させることができる。

なお、ここでは静電偏向方式を採用した例を示したが、
磁界偏向方式でも同様に実施することができる。また、
第１図で接地されている偏向板電極９’　、１０’　、
１１’　。

１２′を電子ビーム５の走査用に用いてもよい。

その場合、９′と１１′とは逆方向の偏向、１０′と１
２′とは逆方向の偏向で、１１′と１２′に９′と１０
′の偏向角よりも強い偏向を与え、電子ビーム５の偏向
支点が対物レンズ−β−の上磁極１０１の中心を通るよ
うにする。

第２図は、より具体的な実施例を示す断面図。

第３図はその上面図（斜線分は鏡体の断面を示す）であ
る、この実施例は、対物レンズ−＠−の上磁極１０１の
水平移動に加え、高さ移動を付加した例である。対物レ
ンズ−塁−の上磁極１０１の水平移動と電子ビーム５の
平行移動とは連動していることはもちろんである。試料
４は、試料ホルダ３０上の下磁極１０３に固定し、真空
バッキング３１を介して鏡体２６の底部に取付ける。こ
のとき、対物レンズ王の上磁極１０１が水平移動だけが
可能であるとすると、試料４の高さを１ｗ＋ｗ以下の範
囲で調整することが必要になる場合が生じる。ところが
、試料によっては、高さ調整が困難なものがある。そこ
で本実施例では、Ｘ軸ステージ６、Ｙ軸ステージ７に加
えてＺ軸ステージ２７を設けたものである。Ｚ軸ステー
ジ２７は、試料移動の基台２８の側壁に沿ってＺ軸パル
スモータ２９で上下移動させる０本実施例では対物レン
ズ王の四方に設けた耐真空ベローズ２５で、可動シャフ
ト３２の動きに対して真空を保っている。電子ビーム５
の照射で試料４から発生した二次電子４８は対物レンズ
主の磁場内を通り抜け、対物レンズ主の上方に配置され
たシンチレータ３５．ライトガイド３６．光電子増倍管
３７で構成される二次電子検出器で検出される。シンチ
レータ３５には、ハーメチックシール４６を通して高電
圧（例えば１０ｋＶ）が印加され、二次電子４８を吸引
している。この検出信号で映像が作られるが、その形成
方法は一般に公知であるのでここでは省略する。

第３図に示すように、可動シャフト３２はＸ軸ステージ
６に固定されＸ軸パルスモータ２１で駆動され、可動シ
ャフト３３はＹ軸ステージ７（第１図、第２図）に固定
され、Ｙ軸パルスモータ２２で駆動される。

第４図は本発明の他の実施例を示す断面図で。

対物レンズ−β−の１磁＠１０１の移動に伴って、二次
電子検出器が移動する構造となっている例である。これ
は、対物レンズ主の移動で二次電子の検出効率が変化す
るのを防いだものである。対物レンＸ３の移動のａｍは
、真空外のツマミ３９゜４０の回転操作によって行う。

ツマミ３９．４０の回転導入の真空封止はＯリングまた
は磁性流体シールで行う、対物レンズ−β−には、固定
板３４を介して、ファイバで作られたライトガイド３６
の一端が固定されている。ライトガイド３６の先端には
シンチレータ３５が取付けられている。このシンチレー
タ３５には二次電子を吸引、加速する電圧が印加されて
いる図示は省略した。ライトガイド３６の他端は鏡筒２
６に固定されている。ライトガイド３６を通ってきた光
信号は光電子増倍管３７で検出され、映像信号となる。

対物レンズ王の直上に二次電子のエネルギーアナライザ
３Ｂが置かれている。このエネルギーアナライザ３８を
用いると電子ビーム５を照射した個所の電位を測定する
ことができる。このようにエネルギーアナライザ３８を
備えるとＬＳＩ内の電位を測定することが可能になる０
本実施例では、下磁極１０３上に気密構造の導入基板１
０６が設置され、この中央部にＬＳＩのパッケージ４４
が取付けられている。このＬＳＩは、導入基板１０６の
導入端子１０４、リード線１０５を介して駆動電源４５
で動作させられる。

本実施例では二次電子のエネルギーアナライザ３８を備
えているが、試料の電位測定を必要としない場合には、
不用なものである。

第５図は本発明のさらに他の実施例の断面図を示すもの
で、対物レンズ主の上磁極１０１と下偏向コイル（第１
１図の第２の偏向器２）９８とを一体的に移動させる例
である。下偏向コイル（第１１図の第１の偏向器１）９
７は鏡筒２６に固定されている。この方式では、電子ビ
ーム５が下偏向コイル９７で大きく偏向しても、常に下
偏向コイル９８の中央を通るため、最良の条件を維持で
きる。また、本実施例では、二次電子の検出に、平板状
検出器４７１例えばチャンネルプレート、半導体検出器
、を用いた。これらの検出器では、電線だけで固定部分
と接続できるため、対物レンズ王の移動が容易になると
いう利点がある。

第６図は本発明のさらに他の実施例の断面図を示す。本
実施例では、下編向コイル９８．二次電子を検出するチ
ャンネルプレート４７．エネルギーアナライザ３８．対
物レンズ主の上磁極１０１が一体となって移動するよう
になっている。ここでは移動部の機構は省略した。下偏
向コイル９７と同一位置に上走査コイル６１が、下偏向
コイル９８と同一位置に下走査コイル６２が設けられて
いる。対物レンズ王の上磁極１０１の移動に対して下偏
向コイル９７と下偏向コイル９８が連動して動作するこ
とはもちろんである。対物レンズ立て絞られた電子ビー
ム５が試料（ここではウェーハ状のＬＳＩ８０を試料と
している）に照射する。

ウェーハＬＳＩ８０はウェーハプローバフ３を介して動
作される。走査像を作るための電子ビーム５の走査は上
走査コイル６１と下走査コイル６２で行われる。この電
子ビーム５の走査は一般に行われているように偏向支点
が対物レンズ主のレンズ中心になっている。下偏向コイ
ル９７の上方に補助対物レンズ４９が設けられている。

この補助対物レンズ４９と対物レンズ主とをタンデムに
動作（レンズ間に平行ビーム）させている。例えば、１
対物レンズ主をオフにし補助対物レンズ４９で電子ビー
ム５を試料４上に絞れば試料４を数１０倍の低倍率で観
察することができる。この際１例えば上走査コイル６１
をオフとし、電子ビーム５の走査は下走査コイル６２の
みで行う、試料４から放出された二次電子はエネルギー
アナライザ３８でエネルギーに応じて選別され、チャン
ネルプレート４６で検出される０本実施例は、試料８０
のストロボ像や電位波形を得るストロボ走査電子顕微鏡
〔アイ・イー・イー・イー・、ジャーナル・オフ・ソリ
ッド・ステート・サーキツツ（ＩＥＥＥ　。

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　ｃｉ
ｒｃｕｉｔｓ　）、Ｖｏｌ。

５Ｃ−１３，勲３，１９７８参照３に適用した例で、電
子ビーム５をパルス化するための偏向板５１．５０が設
けられている。偏向板５１には。

＋２．５　Ｖから−２，５ｖを往復する高周波電圧が印
加され、小さい開口を持つ絞り板６３の上を電子ビーム
５が往復し、開口の上にあるときだけ電子ビーム５が下
に通過する。偏向板５０には、偏向板５１と９０度位相
の異なった高周波電圧（Ｏと５ｖの間を移動）が印加さ
れており、絞り板６３を通過するパルス電子ビーム５は
、−周期に一個だけとなる。偏向板５２は、電子ビーム
５の７ライメント用で、Ｘ、Ｙ２対で構成されている。

電子源となる電界放射陰極５７は１例えばタングステン
を針状に尖らせたもの、またはタングステンの上にチタ
ンまたはジルコニウムを拡散したものである。１！界放
射陰Ｗ４５７には、加熱電源５８が接続され、短時間の
陰極の加熱（ブラッシング）または連続加熱を行う、電
界放射陰極５７に対向した第１陽極５４には電子放射高
電圧５９が接続され、［を子を引き出す、引き出された
電子はさらに第２陽ｆｆ４６４との間に印加された加速
電圧６０で加速される。第１陽極５４と第２陽極６４は
、コンデンサレンズ５３の磁極となっている。第１陽極
５４には電圧が印加されるので絶縁物５５がレンズ５３
との間に設けである。このコンデンサレンズ５３により
、電子ビーム５は偏向板５１の位置に焦点を結ぶ、試料
４は、試料支持基板６５に取付けられているが、この試
料４には真空外の端子６７から電圧が印加できるように
なっている。

第７図は、第６図中の試料支持の例を示し、下磁極１０
３上にウェハーＬＳＩ８０を取付け、ブローバカ−ドア
３でウェーハＬＳＩ８０に電圧を導入する。真空外では
、プローバカード１０８の端子６７、ピン７０を介して
、例えばＩＣテスタのテストへラド７１と接続する。プ
ローブカード７３の詳細については第９図、第１０図を
もって説明する。

第８図は本発明のさらに他の実施例で、ウェハ上に形成
されたＩＣをテストする例である。対物レンズ−鼻−の
上方の電子ビーム５の発生部旦ユは第６図実施例と同様
である。また対物レンズ−＠−の移動機構は第２図実施
例と同様である０本実施例ではウェハ８０に電圧を印加
するプローブカード７３が鏡筒２６と試料室８５の間に
設けられている。ウェハ８０に与える電圧は、真空外に
設けたＩＣドライバ８８から供給される０本実施例の他
の特徴は、ウェハ８０が下磁極１０３に固定され、これ
が固定ステージ７８．ｘ軸ステージ７７、Ｙ軸ステージ
７６、ｚ軸ステージ７５．７４に載っていることである
。この構成により、真空外のツマミ８１，８２，８３，
８４により、走査像を観察しながら、ウェハ８０内の任
意のＩＣ回路へ、真空を破ることなく移動できるように
なる。第９図、第８図のプローブカード７３の一例を示
す平面図、第１０図はその断面図である。樹脂で作られ
た基板９１にリード線９２が１例えばプリント配線で設
けられている。この先端にはプローブ８９が取付けられ
ている。基板９１には、樹脂例えばアラルダイト９０が
ドーナツ状にモールドされており、内側と外側の真空を
シールしている。

これまで示した実施例の図でもわかるように。

下磁極１０３の外径Ｄ（第１２図参照）は上磁極の外径
ｄより大きくなっている。これは、上磁極１０１の移動
距離（中心から離れる距離）ｍｓ外径ｄ、及びギャップ
ｇとの関係から決定しているもので、 θンｄ＋ｍ＋ｇ の関係になっている。上式でｇが入っている理由はギャ
ップの距離とほぼ等しい距離だけ磁場が外側に分布する
という経験に基づくものである。

また１本発明の磁極、特に下磁極１０３にフェライト材
を用いる。一般に用いられている磁路材（例えばパーマ
ロイ）では、磁束の移動によりうず電流が生じるため、
磁束が定常になるのに時間を要する。ところがフェライ
ト材は絶縁物であるためうず電流が流れないため、磁束
が短時間で安定する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、試料を移動させ
る必要がなくなり、しかもウェーハＬＳＩを試料とする
場合に好適であり、しかも観察個所を真空外から他の回
路へ移動できる等、従来装置　１では不可能であった操
作が可能となり、研究分野や産業分野に与える効果は著
しく大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の全体構成のブロック図、第２図は
本発明の一実施例の断面図、第３図はその上面図、第４
図、第５図、第６図、第７図、第８図はそれぞれ本発明
の他の実施例を示す断面図、第９図は第８図中のプロー
ブカードの一例を示す平面図、第１０図はその断面図、
第１１図は従来装置を模式的に示す図、第１２図は本発
明装置を模式的に示す図である。 ３・・・対物レンズ、４・・・試料、５・・・電子ビー
ム、６・・・Ｘ軸ステージ、７・・・Ｙ軸ステージ、２
１・・・Ｘ軸パルスモータ、２２・・・Ｙ軸パルスモー
タ、２７・・・Ｚ軸ステージ、２９・・・Ｚ＠パルスモ
ータ、３８・・・エネルギーアナライザ、４４・・・Ｌ
ＳＩパッケージ。 ４９・・・補助対物レンズ、６１・・・上走査コイル、
６２・・・下走査コイル、７３・・・プローブカード。 ８９・・・プローブ、９１・・・基板、９２・・・リー
ド線。 ９７・・・上側面コイル、９８・・・下側面コイル、１
０１冨　１　口 Ｚｌ−Ｘｆ’田田川パルス４タ　　　２２−１’、＄１
１ｅ／ｆｌＬス（−ｙ　　　　　１０６−−−ｆＨｋｌ
ｊｉ−ＫＺ　　口 第　５　図 Ａ 菓６　図 Ｂ ７３−一−アロー八゛η−ト′ ｔ　７　図 第　３　図 ７１？−一一区Ｂヒステーシ” Ｚ　ｑ　図 ’ｆ、　　ｔｏ図 ｑｚ−ｍ−す−ド閂良 第　１１　図 冨　１２区 １−ｍ−４ＪＲＩ′ｉ］ｊＬ１ ２−４Ａ向塞２ ３−をオオ勿Ｌシス゛′ 本−寥氏糾 ５−−一電芋ヒ゛−ム

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷電粒子発生手段と、荷電粒子を任意のエネルギー
   に加速する手段と、加速された荷電粒子を集束するレン
   ズ手段と、この集束荷電粒子を試料上に二次元的に走査
   する走査手段と、試料から発生した二次電子、反射電子
   、Ｘ線、光等を検出する検出手段を、備えた荷電粒子線
   装置において試料に最も近い対物レンズを移動させる手
   段と、上記対物レンズの移動量に連動した偏向量で荷電
   粒子線を平行移動させる偏向手段を設け、かつ該対物レ
   ンズが、移動する励磁コイルを含む上磁極と固定の下磁
   路とで分離構成され、該固定の磁路上に試料を置くこと
   を特徴とする荷電粒子線装置。 ２、前記対物レンズ移動手段は、対物レンズを試料面に
   平行な水平面内で水平移動させる移動手段であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子線装置
   。 ３、前記対物レンズ移動手段は、対物レンズを試料面に
   平行な水平面内で水平移動させると共に、この水平面に
   対して垂直な方向にも移動させる移動手段であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の荷電粒子線装置
   。 ４、前記対物レンズはその上方に上下２段で構成される
   偏向手段を備えており、上下の各段ごとに対物レンズの
   移動量に連動した偏向量で荷電粒子線を平行移動させて
   荷電粒子線が対物レンズの中心を通るように構成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれ
   かに記載の荷電粒子線装置。 ５、前記走査手段はその偏向板あるいは偏向コイルが上
   下２段で構成されており、前記対物レンズの移動量に連
   動して偏向電流が重畳され荷電粒子線を平行移動させ、
   荷電粒子線が対物レンズの中心を通るように構成したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれ
   かに記載の荷電粒子線装置。 ６、前記検出手段は前記対物レンズと一体となつて移動
   することを特徴とする特許請求の範囲第４項あるいは第
   ５項記載の荷電粒子線装置。 ７、前記検出手段と前記対物レンズはその中間に二次電
   子のエネルギーフィルタが設けられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項記載の荷電粒子線装置。 ８、前記偏向手段は、その下段の偏向手段が前記対物レ
   ンズと一体となつて移動することを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の荷電粒子線装置。 ９、前記走査手段は、その下段の偏向板あるいは偏向コ
   イルが前記対物レンズと一体となつて移動することを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載の荷電粒子線装置。 １０、前記偏向手段は、その上段の偏向手段の上部に補
   助対物レンズを備えたことを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載の荷電粒子線装置。 １１、前記走査手段は、その上段の偏向板あるいは偏向
   コイルの上部に補助対物レンズを備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項記載の荷電粒子線装置。 １２、前記対物レンズの固定下磁極上に放射状に配置し
   たリード線を絶縁物を介して気密固定した円板または矩
   形板が取付けられ、この円板または矩形板の中央に試料
   を取付け、この試料に真空外から電気信号を導入する構
   成となつていることを特徴とする特許請求の範囲第７項
   記載の荷電粒子線装置。 １３、前記円板または矩形板が、完全な気密状構造とな
   つていることを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載
   の荷電粒子線装置。 １４、前記円板または矩形板が、プローバカードを構成
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載
   の荷電粒子線装置。 １５、前記プローバカードはその下方に、試料を水平方
   向に移動させる移動手段および上下方向に移動させる移
   動手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１４
   項記載の荷電粒子線装置。 １６、前記対物レンズの固定下磁極がフェライト材であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 １７、前記対物レンズの固定下磁極の外径が、上磁極直
   径とギャップ長とを加えた値よりも大きいことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の装置。