JPS6369135A - 電子検出装置 - 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】 本発明は検出すべき電子を平行にする磁界を発生し得る
測定スペース内に置かれた検査すべき物体の表面から出
る電子を検出する装置に関するものである。

斯かる装置はｒＪｏｕｒｎａｌ　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ　ｅ
ｎ　Ｔｅｃｈｎ、　ＪＢ　４　、　Ｎｏ、　１　、　１
−２月、　１９８６年、　ＰＰ２１７−２２０に発表さ
れているＳ、Ｃ，Ｊ、　Ｇａｒｔｈ及びＷ、Ｃ，Ｎ１ｘ
ｏｎの論文”　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｅｘｔ
ｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　５ｅｃｏｎｄａｒｙｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｓ　ｆｏｒ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｉｎｔｅｇｒａ
ｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅ　ｍｅａｓｕｒ
ｅｍｅｎｔ　”から既知である。

この論文に開示されているチップ検査用装置は、対物レ
ンズと検査すべきチップとの間に位置する減速電界エネ
ルギーアナライザと単ポール磁気レンズ（スノーケルレ
ンズ）とを有する走査電子顕微鏡を具え、その結果とし
て測定を妨害するチップ表面の局部クロストーク効果が
減少し、チップ表面から出る電子が平行になるようにし
ている。

この既知の装置の欠点は、スノーケルレンズは軸方向に
延在するビームに対して作用し得るのみでオフアクシス
ビームに対しては殆ど又は全く作用し得ないため、視野
が著しく制限されると共にオフアクシス測定が不正確に
なる点にある。また、測定は選択した減速電界後に行わ
れるため、電子のエネルギースペクトルの縁の鋭さが低
下し、これにより測定精度又は測定速度が制限される。

更に、既知の測定方法は全電流に対し正規化ができず、
その結果として一次電子ビーム、二次電子放出係数等の
変動が測定精度に悪影響を及ぼし得る。

斯かる装置においては、約Ｉ　ＫｅＶの一次エネルギー
及び約１Ｏ−８Ａの一次電流でもって約０．１　μｍの
電子スポットを検査すべき物体上に実現し得る必要があ
る。また、低静電界のときに少なくとも１飾２の視野、
最大で１０ｍｅＶのエネルギー分解能、小さいトラック
クロストーク及び電圧走査中におけるチップ上のスポッ
ト運動の制限が望まれる。

本発明の目的は上記の欠点を除去し、課される要件を最
適に満足させることにある。この目的のために、本発明
は頭書に記載の装置において、検査すべき物体の表面か
ら出る戻り電子ビームのエネルギーレンジ内の可調整エ
ネルギーレンジ内に含まれる電子を選択的に検出するた
めに、測定スペース内に空間分散作用を持つ複合静電磁
界を発生する電子光学系及びエネルギー感応検出系を設
けたことを特徴とする。

本発明装置によれば物体から出る電子の全スペクトルを
測定することができ、その結果として全電流に対しその
まま正規化することができ、エネルギー分布の最適な急
傾斜エツジをエネルギーシフトの測定に選択することが
できると共に測定信号の信号対雑音比を著しく改善する
ことができる。

本発明の好適例においては、電子光学系は前記分散磁界
の区域に前記分散磁界の軸方向強度変化に比例する横方
向磁界を発生する手段を具えた構成にする。この結果と
してレンズ磁界の磁気光学軸をその機械軸に対しシフト
させることが可能になる。特にこの目的のためには可変
光軸レンズ系が使われており、例えばｒ　Ｊｏｕｒｎ、
　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ。

Ｔｅｃｈｎｏｌ　Ｊ　１９（４）、　Ｎｏｖ、　−Ｄｅ
ｃ、　１９８１に発表されている■、Ｃ，Ｐｆｅｉｆｆ
ｅｒ　ａｎｄ　Ｇ、０．　Ｌａｎｇｅｒの論文“八ｄｖ
ａｎｃｅｄ　　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　　ｃｏｎｃｅｐ
ｔ　　ｆｏｒ　　ｌａｒｇｅ　　ａｒｅａ。

ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｅ−ｂｅａｍ　ｌｉ
ｔｈｏｇｒａｐｈｙ”に記載されているように、特に電
子ビーム書込装置において物体を動かさないで垂直にラ
ンディングする大きな区域を実現するのに使われている
。斯かるレンズ系においては例えば色収差の顕著な減少
を実現することができ、その結果として電子測定を比較
的大きな区域に亘って最適にできる。

本発明の好適例においては、所定のエネルギー以上の電
子に対してのみ透明な電子遅延用静電界を加える。この
結果としてスペクトルの高エネルギー側のエネルギーレ
ンジを依然としてエネルギー依存のままで測定すること
ができる。その境界を適当に選択して所定のプロセスで
表面から釈放された特定の電子又は表面で反射された特
定の電子を測定することができる。本発明を電子顕微鏡
に使用する場合には、電子光学系をその磁気部が電子顕
微鏡の対物レンズとしても作用するように設計するのが
好適である。この場合、コンパクトで効率の良い装置を
設計することができる。

本発明の他の好適例においては、エネルギー感応検出系
は少なくとも２個の同時に動作するチャンネルを具え、
第１のチャンネルは所定値以上のエネルギーを有する電
子を測定するよう設計し、第２のチャンネルは前記所定
値以下のエネルギーを有する電子を測定するよう設計し
た構成にする。

この結果として全スペクトルを複雑な検出系を必要とす
ることなく測定することができる。全スペクトルは多数
のチャンネルを有する直線検出器アレーにより測定する
こともでき、この場合には各スペクトルの直接測定が得
られる。しかし、この場合検出が装置の電子光学及び幾
何光学的収差に一層敏感になり、信号処理がかなり複雑
になると共に時間がかかるようになる。多くの用途にお
いては検出系は分散磁界中に置かれる点に留意されたい
。例えば物体から放出されたオージェ電子の測定に対し
ては位置感応検出器アレーが好適な解決法である。オー
ジェスペクトロメータに対しては電子放出表面と検出系
との間の静電界を用いて検出チャンネルの１つに、表面
からオージェプロセスにより出る特定のエネルギーレベ
ルを有する電子のみが到達し得るようにすることもでき
る。

この場合、このエネルギーより大きいエネルギーを有す
る電子は例えば第２チヤンネルにより測定することがで
きる。

図面につき本発明を説明する。

第１図に示す装置は、走査電子顕微鏡に従って、例えば
り、Ｂ、又は半導体電子エミッタ２を有する電子源１と
、アノード３と、ビーム指向系４と、コンデンサレンズ
５と、ビーム走査系６と、磁極片８を有する最終レンズ
７とを具える。これら素子は検査すべき物体９と一緒に
真空壁１１を有するハウジング１０内に組み込まれる。

ハウジングは物体スペース１２を具え、このスペース内
には外部から調整し得る物体移動機構（図示せず）を組
み込むことができる。主軸線１３に沿って延在する電子
ビーム１４の照射により物体表面から出る電子の方向に
向は第１検出器１６と第２検出器１７を測定スペース１
５内に収納する。走査コイル、電子源、物体移動機構及
び検出器を中央制御装置１８に接続する。

この制御装置には更にイメージ又はスペクトル表示用に
テレビジョンモニタ１９を接続するが、例えばディジタ
ル信号処理装置、ハードコピー装置及び書込装置を接続
することもできる。検出器１６゜１７を信号処理装置に
直接接続し、前記の各素子も同様にこの信号処理装置に
接続してもよい。

第２図は最終レンズ系の一例を示し、本例は特にチップ
検査装置用である。レンズコイル２０は大部分がヨーク
２１で囲まれ、このヨークは電子光学系の主光軸１３の
近くで磁極片２２で終端し、単ポールピースレンズ２３
の一部を構成する。このレンズは必要に応じ強磁性板３
４でシールドすることができる。光軸を動かすためのコ
イル２４を光軸１３の周囲に配置した磁極片２２の近く
に組み込むと共に、ダイナミックフォーカス用コイル系
２５及びスチグマトール（図示せず）を組み込むことが
できる。

更に、光軸の周囲に、測定スペース１５内に偏向磁界を
発生する追加のコイル２６を配置する。コイル２６がそ
の一部を構成する電子光学系２８によりエネルギー分離
制動電磁界２９を測定スペース内に分散磁界と併合して
発生させることができ、その結果として試料から出る電
子ビーム３０からの電子をエネルギーに応じて扇状の電
子経路３１に分けることができる。ビーム３０からの高
速電子３２は検出器１６により捕獲され、低速電子３３
は検出器１７により捕獲される。これら検出器はスクリ
ーンキャップ３６及び３７により妨害電子から遮蔽する
。この場合、慣例の装置の場合のように所定のエネルギ
ーレベル以上の部分のみが測定されるのではなく、全戻
りビーム３０が測定され、検出効率が略々１００％にな
る。この利点は検出すべき電子のエネルギースペクトル
を示す第３図につき説明することができる（第３図にお
いて検出電子の数又は電流を縦軸にプロットし、電子エ
ネルギー（例えばｅＶ単位）を横軸にプツトしである）
。この図から、既存の装置では測定すべきチップ表面上
の電位偏移により生ずる距離εに亘るエネルギースペク
トルのシフトが曲線４０のエネルギー軸に沿う偏移εの
下側の比較的小数の電子の検出により測定され、この場
合曲線４０の下側のそれより高エネルギーの全電子が統
計的ノイズに寄与し、検出信号の信号対雑音比がかなり
悪くなることが読み取れる。本発明装置では信号対雑音
比が著しくよ（なる。その理由は、その下側に略々等し
い電子の数の検出時に曲線４０の下側の少数の高エネル
ギーの電子が統計的ノイズに寄与するだけであるためで
ある。戻りビームからの略々全電子を測定し得るため、
測定結果を全電流の変化に対し補正することができる。

試料の走査に対しては既知の走査方法を原理的に使用し
得るが、光軸から外れて放出された電子が発散レンズ磁
界により光軸から更に遠（に偏向され、走査磁界により
妨害され、その結果として特にエネルギー依存測定が妨
害されると共にオフアクシス電子を集束することが難し
く、その結果として測定信号に誤差が発生する欠点が生
ずる。

この改善は既知の可動対物レンズ（ＭＯＬレンズ）又は
可変アクシスイマージョンレンズ（ＶΔＩＬ）を用いる
ことにより得ることができる。斯かるレンズ、例えばＶ
ＡＩＬレンズは対物レンズ磁界がまだかなり強い勾配を
示す空間に偏向磁界を形成する。これがためレンズ系の
光軸が電子光学的に偏移される。

これがため偏移された光軸に平行に入射するビームは常
にこの先軸上に集束される。ＶＡ比レンズの発生横方向
磁界が前記空間においてレンズの横方向磁界に等しいと
き、偏移された光軸に沿って正確に延在する力線が形成
される。この場合、表面から出る電子は前記空間におい
て表面から軸方向電子と一致して前記局部力線に沿って
進行する。

斯かる構成において例えば像欠陥又はアクロマチック偏
向エラーにより問題が生じる場合には、−次ビームも偏
移光軸と一致させることができる。

この目的のためにはビーム偏向機構を電子源と最終レン
ズとの間の電子光学系内に用いることができる。必要に
応じ、斯かる偏向システムはダイナミックフォーカス素
子及びスチグマトールと組合わせることができる。

こうして測定すべき電子は最適な方向で測定スペースに
入るが、実際の光軸に対する電子の偏移がまだエネルギ
ー依存測定に悪影響を与え得る。この悪影響は、偏向磁
界を一部ビームがこれを補償する角度で入射するように
強くすることにより解決し得ることが確かめられた。こ
の場合戻りビームは実際の光軸の方向に向けられ、前記
悪影響は避けられる。−次ビームを斜めに照射する場合
、２重構造の走査システムを用いて一種のビームアライ
メントを実現することができる。戻りビームの再偏向に
対しては追加のコイルシステムを用いることもできる。

この場合にはこの偏向に対して一次ビームを予め補償し
ておく必要がある。

戻りビーム３０から所定のエネルギーレンジ、例えばＥ
ｏ−ΔＥとＥｏとの間のエネルギーレンジ内の選択電子
の電子流を測定するために、本発明装置では測定スペー
ス１５の検出側に遅延（減速）静電界を発生させること
ができる。この結果として前記エネルギーレンジ内の電
子のみの信号を第１検出器１６により記録することがで
きる。

第４ａ図は可調整のエネルギーレンジ内の電子を複合検
出器５０により捕獲し得ると共にこのエネルギーレンジ
により高いエネルギーを有する電子を検出器１６により
捕獲し得るシステムを線図的に示すものである。電磁場
２９は戻りビームからの電子のエネルギーに空間分散影
響を与えるため、この場合には位置感応検出器５０がエ
ネルギー弁別検出器になる。図中の分散電磁界は磁界Ｂ
ｆ　、横方向静電界Ｅ、及び遅延静電界ＥＬで示してあ
り、電界ＥＬは磁界Ｂ、に平行である。この場合、電子
は磁力線の周囲をらせん運動することを別にして、扇状
の電子パスを通って検出器の入力端に到達する。装置の
スペース構成が選択的に指向させた電子の検出に悪影響
を与える制約を生ずる場合には、この悪影響は磁界Ｂ、
の方向を調整することにより少なくとも部分的に補償す
ることができる。

例えば物体から出るオージェ電子を測定する他の実施例
を第４ｂ図に、電磁界Ｅｔ、　、Ｅｔ及びＥＬ、第１検
出器１６及び第２検出器１７をもって示しである。この
場合には戻りビームは最初に静電レンズ系５５を通過し
、その結果としてＥｏ−ΔＥとＥｏとの間のエネルギー
を有する電子のみが第２検出器１７に到達し得る。Ｅ０
以上のエネルギーを有する電子は検出器１６により記録
される。この方法の第４ａ図よりも有利な点はより簡単
な信号が得られ、且つ複雑な複合検出器５０が省略され
る点にある。

レンズ系５５は実際には第１電位の２個の電極５６及ヒ
５８と、この電位と異なる電位（本例ではこの電位より
低い電位）の中間電極５７とを有するユニポテンシャル
レンズとするが、グリッドを存する標準の減速電界アナ
ライザとして構成することもできる。

第５図は対物レンズ系としても作用し得る本発明による
レンズ系の一例を線図的に示すものである。このレンズ
系も同様にヨーク８を有するコイル２０、磁極片２２及
び追加のコイル２６を具える。図には更に入射電子ビー
ム１４、物体９及び強磁性シールド板３４も示しである
。レンズ内の曲線６０は磁界強度を表しており、この目
的のために水平軸６２に磁界強度値（ガウス単位）を示
しである。前記Ｇａｒｔｈの論文に記載されている全て
の利点をこのレンズにより実現することができる。斯か
るレンズの主な利点は物体上の局部的な電界変化による
強い減衰、大電流密度での小焦点距離の実現及び戻りビ
ーム内の電子の平行化作用にある。

レンズ系内の磁界の最適化は、断熱電子運動、妨害磁界
及びフォーカス調整のエネルギー決定に及ぼす影響の軽
減のために、検出器区域における磁界を強くする必要が
ある条件と、検出に対するアパーチャ角が小さくならな
いように且つ一次ビームのために７Ｂ　ｄ　ｚを制限す
るために磁界を強くしすぎてはならない条件との好適な
兼合いを取ることにより達成することができる。検出す
べき電子の入射点における磁界強度と検出器入力点にお
ける磁界強度との比は１：１０が好適な兼合いを示し、
これは１５ｍｍのポールピース及び１ｍｒｎの焦点距離
の場合、第５図に示すように２５ガウスおよび２５０ガ
ウスの磁界強度値になる。発散磁界を物体表面まで延在
せしめることにより一層好適な比を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の概略図、 第２図はそのレンズ光学系の一例を示す図、第３図は検
出すべき電子のエネルギースペクトルの一例を示す図、 第４８及び４ｂ図は例えばオージェ電子用のエネルギー
分析システムの２例を示す図、 第５図は対物レンズとしても用い得るレンズ系を示す図
である。 １・・・電子源　　　　　　２・・・半導体電子エミッ
タ３・・・アノード　　　　　４・・・ビーム指向系５
・・・コンデンサレンズ　６・・・ビーム走査系７・・
・最終レンズ系　　　８・・・磁極片９・・・検査すべ
き物体　　１０・・・ハウジング１１・・・真空壁　　
　　　　１２・・・物体スペース１３・・・主軸線　　
　　　　１４・・・電子ビーム１５・・・測定スペース
　　　１６．１７・・・検出器１８・・・中央制御装置
　　　１９・・・モニタ２０・・・レンズコイル　　　
２１・・・ヨーク２２・・・磁極片　　　　　　２３・
・・単ポールピースレンズ２４・・・光軸変化用コイル ２５・・・ダイナミックフォーカス用コイル２６・・・
偏向磁界用コイル ２８・・・電子光学系 ２９・・・エネルギー分離制動電界 ３６、３７・・・スクリーンキャップ ５０・・・検出器アレー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検出すべき電子を平行にする磁界を発生し得る測定
   スペース内に置かれた検査すべき物体の表面から出る電
   子を検出する装置において、当該装置は、検査すべき物
   体から出る戻り電子ビームのエネルギーレンジ内の可調
   整のエネルギーレンジ内に含まれる電子を選択的に検出
   するために、測定スペース内に空間分散作用を有する複
   合電磁界を発生する電子光学系とエネルギー感応検出装
   置とを具えたことを特徴とする電子検出装置。 ２、前記電子光学系内に分散磁界と少なくとも大部分が
   一致する横方向磁界を発生する磁気コイルを組込んであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子検
   出装置。 ３、前記測定スペース内の磁界は物体表面の区域におい
   て該表面から遠く離れたところより著しく強くしてある
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１又は２項記載の電
   子検出装置。 ４、前記磁界の少なくとも一部は物体と検出すべき電子
   の検出器との間に収納した単ポール磁気レンズによって
   も発生するようにしてあることを特徴とする特許請求の
   範囲第１〜３項の何れかに記載の電子検出装置。 ５、前記単ポール磁気レンズはこの区域に存在する他の
   検出磁界と相まって電子顕微鏡の対物レンズとして作用
   し得るようにしてあることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載の電子検出装置。 ６、電子光学系により前記測定スペース内に分散電磁界
   と併合してエネルギー分離用減速電界を発生し得るよう
   にしてあることを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項
   の何れかに記載の電子検出装置。 ７、前記検出装置は可調整値以上のエネルギーを有する
   電子を検出する第１検出器とそれよ低いエネルギーを有
   する電子を検出する第２検出器とを具えていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１〜６項の何れかに記載の電
   子検出装置。 ８、前記検出装置は戻りビームからの略々全ての電子を
   検出するように設けてあることを特徴とする特許請求の
   範囲第７項記載の電子検出装置。 ９、弱い磁界の区域に、磁界に平行に延在しＥ＿０−Δ
   Ｅ以上のエネルギーを有する電子のみを通す減速静電界
   を供給し得るようにしてあることを特徴とする特許請求
   の範囲第１〜４項の何れかに記載の電子検出装置。 １０、前記検出装置はＥ＿０−ΔＥとＥ＿０との間のエ
   ネルギーレンジ内の電子を選択的に検出するよう設けて
   あることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の電子
   検出装置。 １１、分散された戻り電子ビームの少なくとも一部分を
   検出するために位置感応検出器アレーを組込んであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項の何れかに記
   載の電子検出装置。 １２、分散磁界は検査すべき物体の表面から初めはゆっ
   くり中間値に減少し、次いで急速に零値に減少し、その
   結果として電子が測定スペースを横切る際の光軸方向に
   対する角度が減少するようにしてあることを特徴とする
   特許請求の範囲第１〜６項の何れかに記載の電子検出装
   置。 １３、磁界は電子顕微鏡の対物レンズ磁界用のレンズ磁
   界としても作用し得るようにしてあることを特徴とする
   特許請求の範囲第１２項記載の電子検出装置。 １４、戻り電子ビームからオージェ電子を検出するよう
   設計した、ビーム走査機構を有する透過電子顕微鏡とし
   て構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１、２、
   １２又は１３項の何れかに記載の電子検出装置。