WO2006016613A1 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

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electrode
voltage
electron microscope
scanning electron
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Noriaki Arai
Makoto Ezumi
Yoichi Ose
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Hitachi High-Technologies Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to an insulator sample in an apparatus using a charged particle beam as a probe, such as a scanning electron microscope (SEM) converged ion beam processing observation apparatus (Focused Ion Beam).
  • SEM scanning electron microscope
  • Focused Ion Beam converged ion beam processing observation apparatus
  • the present invention relates to a technique for stably measuring a pattern formed on a glass substrate sample, such as a reticle (mask) or a quartz wafer, where charges are easily accumulated by irradiation with a charged particle beam, using the charged particle beam apparatus. Is.
  • a beam drift with a speed of several nm / s caused by local charged charge movement or potential gradient on an insulator sample which is a problem when measuring with high magnification and high accuracy, is possible. It differs from the dynamic electrode voltage control, which focuses on the intentional control of the potential barrier, in terms of its purpose and effect.
  • Patent Document 12 and Patent Document 13 disclose an observation method of an insulator sample.
  • a device using the retarding method which is a high-resolution SEM technique that passes the electron beam through the lens field with a high energy by setting the sample or the sample stage to a deceleration potential with respect to the primary electron beam.
  • An electrode is arranged so as to cover the sample, and the same voltage as the retarding voltage is applied, so that the sample is placed in an electric field and the surface of the insulating sample is controlled to an arbitrary potential or a secondary electron.
  • Patent Document 14 discloses a configuration in which an objective lens pole piece and an intermediate electrode are disposed above the objective lens pole piece in an SEM using the retarding method.
  • the intermediate electrode is a technique for neutralizing the charging of the sample by applying a negative bias to the objective lens piece in order to return secondary electrons generated from the sample onto the sample.
  • Patent Document 13 This configuration itself is disclosed in Patent Document 13 described above.
  • the principle and phenomenon are disclosed in Patent Document 11. Therefore, in the configuration of the prior art, since the effect of the sample stage is lacking, it is impossible to make the potential gradient on the sample surface uniform, and in the content disclosed in this configuration, it is on the insulator sample. Inspection and length measurement at high magnification, where charging stabilization and beam drift are problems, are difficult, and no specific solution to these problems has been disclosed.
  • Patent Document 1 JP-A-8-68772
  • Patent Document 2 JP-A-8-222176
  • Patent Document 3 JP-A-10-172493
  • Patent Document 4 JP 2002-131887
  • Patent Document 5 JP-A-9-304040
  • Patent Document 6 JP-A-5-174768
  • Patent Document 7 JP 2002-203774 A
  • Patent Document 8 US6555815B2
  • Patent Document 9 JP 2000-36273 A
  • Patent Document 10 JP-A-10-312765
  • Patent Document 11 Patent 2130001
  • Patent Document 12 JP-A-09-171791
  • Patent Document 13 JP 2001-026719 A
  • Patent Document 14 JP 2002-250707
  • Non-Patent Literature 1 A DATABASE OF ELECTRON-SOLID INTERACTION SDavid C Joy EM Facility, University of Tennesee, and Oak Ridge National Laboratory
  • the object of the present invention is to measure the structure of a sample with an insulator partially exposed to the surface using a charged particle beam and the structure on the sample using the insulator as a substrate with high resolution and good reproducibility. For this purpose, the following issues need to be overcome.
  • the second problem is to provide means and conditions capable of effectively performing the self-relaxing action of charging.
  • a third problem is to provide an apparatus capable of observing a high-resolution image while overcoming the first and second problems.
  • the energy of the charged particle beam applied to the sample is set to be equal to or higher than the generation efficiency of secondary electrons generated from the sample.
  • a plate electrode having a hole through which a primary charged particle beam can pass can be applied independently, and is placed opposite to the sample, and the sample stage on which the sample is loaded is independent.
  • a voltage can be applied, and the surface facing the sample should be flattened so that there is no unevenness.
  • the diameter D of the hole provided in the plate electrode and the distance L between the plate electrode and the sample are set so as to satisfy the relationship of D / L ⁇ 1.5.
  • a positive voltage of several to several tens of volts is applied to the plate electrode with respect to the surface potential of the sample so that the induced charge does not accumulate excessively and secondary electrons are detected. To do. Further, as a pre-measurement step, the primary charged particle beam is irradiated and the voltage applied to the plate electrode is changed to a negative voltage with a predetermined initial value power V power several tens of volts. To be long.
  • the potential gradient on the surface of the insulator sample can be eliminated, and the charge generated when the insulator sample is irradiated with a charged particle beam can be relaxed and stabilized at high speed.
  • S / N and contrast are stable and beam drift can be eliminated even at high magnifications for length measurement.
  • the plate electrode voltage for stabilizing charging can be set automatically, optimum conditions can be set for various samples with different charge amounts, and the difference in samples and operator skill can be set. Regardless of this, it is possible to measure the length of the insulator sample.
  • FIG. 1 is a basic scanning electron microscope (SEM) configuration using the retarding method.
  • Components 1 to 12 of this embodiment are all or partly housed in a vacuum vessel. Yes.
  • the electron source 1 is a so-called Schottky electron source in which zirconium oxide is applied to tungsten processed into a needle shape and diffused to reduce the work function of the electron emission portion at the tip of the electron source.
  • An electron gun acceleration power source 18 that applies an initial acceleration voltage of 3 kV to the electron source is heated to an appropriate temperature by a constant current power source 15 floating on the electron source, and the electron source force also draws out an electron field emission voltage
  • an electron beam with a stable emission current amount in which the energy distribution width of the emitted electron beam is narrow can be obtained. Further, the amount of emission current can be increased or decreased by connecting a power source 16 capable of applying a negative voltage to the initial acceleration power source 18 to the suppression electrode 2 installed in the vicinity of the electron source.
  • the magnetic lens 4 and the magnetic lens 5 have an action of converging an electron beam, and are set to optical conditions suitable for the present embodiment.
  • the electron beam can be scanned on the sample 11 with a desired F0V (Field Of View) by the deflection coil 8, and secondary electrons generated from the sample 11 are caused by the magnetic field of the objective lens 9 and the control electrode 10.
  • the secondary electron detector 13 is an Everhart Thomley type detector composed of a scintillator, a light guide, and a secondary electron multiplier.
  • a semiconductor detector or a microchannel plate may be used. good.
  • the secondary electron detector 13 is provided with a conversion electrode 6 that converts the secondary electrons and reflected electrons that have accelerated and increased from the sample 11 into low-speed secondary electrons again before the secondary electron detector 13, and By providing an EXB filter 7 that can deflect only the low-speed secondary electrons in the secondary electron detector 1 3 direction without affecting the trajectory of the primary electron beam, secondary electron collection efficiency High detection system.
  • One or more mesh metal electrodes are used in the EXB filter 7, and the sample is applied with a voltage equivalent to the voltage applied by the retarding power source 21 to the sample table 12.
  • 11 is provided with a potential blocking type energy filter (not shown) that can generate a potential barrier against the energy of the secondary electrons that are generated and accelerated from 11 (not shown).
  • a potential blocking type energy filter (not shown) that can generate a potential barrier against the energy of the secondary electrons that are generated and accelerated from 11 (not shown).
  • the blocking potential of the energy filter is varied, the surface potential of the sample 11 due to charging generated when the sample 11 is irradiated with the primary electron beam can be measured. Since the change in the optical magnification can be calculated using the upper part of the potential, if the deflection current of the deflection coil 8 is reset from this result, the magnification can be accurately set regardless of the charging of the sample surface.
  • the above is the basic configuration of the SEM of the present embodiment.
  • the object of the present invention is that the sample 11 is not affected by electrification when the sample is partially exposed on the surface or the sample using the insulator as a substrate, such as a reticle (mask) or a liquid crystal substrate. This is to perform stable length measurement, and the configuration for that purpose will be described below.
  • the secondary electron emission rate ⁇ in the case of Si ⁇ , the secondary electron emission energy depends on the incident energy of the primary electron beam as shown in Fig. 2.
  • the secondary electron emission rate changes. It is known that the sample surface is positively charged if it is greater than ⁇ force ⁇ and negatively charged if ⁇ is less than 1.
  • the energy around the IkeV used in a normal low acceleration SEM is used so that the generation efficiency of secondary electrons generated from the sample is 1 or more.
  • Set energy. Incident energy near 50eV may be selected, but it is also unsatisfactory from the point of resolution that changes in secondary electron emission rate with respect to incident energy are difficult to control. Further, if an incident energy in the vicinity of the ⁇ force is selected, it is advantageous in terms of stabilizing the charge amount and automating the voltage setting applied to the control electrode 10 as will be described later.
  • an insulating sample particularly a sample using glass as a substrate, is arranged between the control electrode 10 and the sample table 11 which are flat electrodes, a vacuum is formed between the control electrode 10 and the sample table 11.
  • the hole formed in the control electrode 10 through which the primary electron beam can pass is a potential formed by a member positioned in the direction of the electron source 1 of the control electrode 10 from the hole. If it is so large that it soaks into the vicinity of the sample, the potential will enter the sample having a dielectric constant greater than that of the vacuum, so that the equipotential surface will bend on the sample surface, resulting in a potential gradient in the sample surface. It will be.
  • a voltage can be applied independently using the control electrode power supply 20, the primary electron wire can pass through, and it is arranged on an axis that coincides with the central axis of the objective lens magnetic pole hole.
  • the control electrode 10, which is a flat plate electrode having a hole formed thereon, is arranged opposite to the sample 11, and the sample table 12 on which the sample 11 is loaded can be independently applied with a voltage by a retarding power source 21.
  • the surface facing the sample 11 is flattened to have a structure with no irregularities, so that the sample 11 is sandwiched between the control electrode 10 and the sample stage 12.
  • the electric field between the control electrode 10 and the sample 11 becomes a parallel electric field, and the sample surface can be made coincident with the equipotential surface, so that the equipotential surface is not curved on the sample surface.
  • the equipotential surface can be arbitrarily set by the voltage applied to the control electrode 10 and the sample stage 12.
  • the surface of the sample is subjected to an electric field stain with the voltage applied to the control electrode 10 and the sample stage 12 and each dimension using the known dielectric constant. It is set to a potential that can be accurately calculated using the uration.
  • a high positive voltage is applied to the entire magnetic path or a part of the isolated magnetic path to allow the electron beam to pass through the lens field at high speed as one of the techniques for increasing the resolution of SEM.
  • a 5 kV voltage is applied to the objective lens 9 with a boosting power supply 25, and a retarding voltage of -2k is applied to the sample stage 12. V is applied and the control electrode 22 is set to -1.9 kV.
  • FIG. 3A shows a force when the control electrode 22 does not include the control electrode 22, or when the hole through which the primary electron beam provided at the center passes as in the control electrode 22 is large. It can be seen that a potential gradient is generated on the surface of the insulating sample 11 because the boosting voltage enters from the hole to form the equipotential line distribution 23.
  • FIG. 3B shows a flatness as can be seen from the force equipotential line distribution 27 in which the boosting voltage of the objective lens 9 is reduced and the hole diameter of the control electrode is reduced like the control electrode 26.
  • the surface of sample 11 can be made to coincide with the equipotential surface. This effect can be obtained even when the boosting voltage is set high, and further by reducing the hole diameter of the control electrode 26 or increasing the distance between the control electrode 26 and the sample 11. The direction distortion increases and the resolution decreases significantly.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the structure of the metallic sample stage 28 including the control electrode 10 when a reticle is used as a sample.
  • the insulator sample 11 is contained in the sample stage 28, and the upper surface of the sample 11 and the sample This is a case where the top surface of the base 28 is in the same plane.
  • the support table 24 is a spacer that does not directly contact the sample table 11 so as not to damage the reticle, and is made of a material that does not generate foreign matter.
  • the height of the support base 24 affects the rate of change of the voltage acting on the sample 11 when the voltage of the control electrode 10 described later changes, that is, the sensitivity, and therefore there should be no variation between apparatuses.
  • FIG. 4B is a part of FIG. 4A and shows the equipotential line distribution when observing the end of the sample 11.
  • the primary electron beam 29 is located 5mm inside from the end of the sample. This is the case of irradiation.
  • the conditions are examples of a combination of a retarding voltage and a control electrode voltage suitable for effectively carrying out the present invention, and the arrangement of the control electrode.
  • the retarding voltage is ⁇ 2100 V
  • the control electrode voltage is ⁇ 2000 V
  • the distance between the electrode 10 and the sample 11 is 1 mm
  • the hole diameter of the control electrode is 1 mm
  • the height of the support 24 is 0.5 mm.
  • the equipotential line distribution is as in the equipotential line group 30, and when the dimension 31 is about the same as the thickness of the sample, the potential density formed between the control electrode 10 and the sample stage 28 and the A large gap occurs in the potential density formed by the control electrode 10 and the sample 11, so that the electron beam irradiation at the end of the sample is performed. A large potential gradient is generated at the location.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of another form of the sample stage.
  • the dimension 31 is reduced to the dimension 33, the equipotential line distribution becomes the equipotential line group 34, and the potential gradient on the surface of the sample 11 at the end of the sample 11 is eliminated. It is possible to minimize the movement of charged charges.
  • the dimension 33 is applicable not only to the depth of the depression of the sample table 32 as shown, but also to the height of the structure arranged on the sample table 32 around the sample 11. it can. Considering the voltage conditions suitable for the invention, the position of the control electrode 10, the height of the support 24, etc., the dimension 33 is desirably 1/2 or less of the sample thickness.
  • the potential gradient on the surface of the insulator sample can be reduced by considering the structurally generated potential distribution, and one factor of beam drift can be eliminated.
  • the problem cannot be solved without taking measures against potential fluctuations on the sample surface that are caused by the accumulation of charged charges generated when an electron beam is irradiated onto an insulating sample.
  • a suitable voltage of the control electrode 10 is about 50 V with respect to the sample surface potential.
  • the charge on the sample due to the irradiation of the primary electron beam tends to settle down to a constant charge amount over time due to self-relaxation, but the secondary electrons generated from the charged region return uniformly to the charged region only. Therefore, the charge amount is not yet sufficiently small, and the charge distribution in the region is not uniform.
  • the potential barrier immediately above the charging region described in the problem to be solved by the invention is small enough to allow the secondary electrons to pass therethrough.
  • the primary electron beam irradiation area is about 70 ⁇ m square.
  • Figure 6A shows that the initial voltage of the control electrode 10 is -1610V, This is the equipotential line distribution when the retarding voltage is -1700V.
  • the incident energy of the primary electron beam is about IkeV, and ⁇ is slightly larger than 1.
  • a positive charge of several to several tens of volts is quickly charged in the charging region 42 that substantially coincides with the irradiation region of the primary electron beam.
  • the distribution looks like equipotential line group 41. Fig.
  • FIG. 6 (b) is a local enlargement of the charged region 42 in Fig. 6 (b), and the equipotential line spacing is IV. Since a negative potential barrier 44 with respect to the charged potential is formed immediately above the charged region 42, secondary electrons of about 2 eV, which are the largest in the energy distribution of secondary electrons, are repelled by the potential barrier 44 and are Re-incident in the vicinity of the charged region 42 causes a self-relaxing action that cancels the positively charged charge.
  • FIGS. 7A and 7B show a state in which the charge amount is reduced by the action of FIGS. 6A and 6B.
  • the equipotential line distribution changes as shown in the equipotential line group 45 in FIG. 7A, and when the charged region 46 is viewed locally, the equipotential line group 44 becomes the equipotential line group as shown in FIG. 7B.
  • the potential barrier just above the charged region 46 is relaxed, and the secondary electrons 47 with a low energy of about 2 eV are also accelerated in the direction of the electron source 1 and can be detected by the secondary electron detector 13. Become so. This phenomenon coincides with the fact that the brightness of the SEM image decreases momentarily and becomes brighter again immediately after the sample 11 is irradiated with the primary electron beam.
  • the stabilization of the potential of the charged portion by the self-relaxation action requires irradiation with an electron beam for a long time of several tens of seconds to several minutes depending on the amount of irradiation current.
  • the voltage applied to the control electrode 10 while irradiating the primary electron beam from a negative voltage of several volts to several tens of volts with respect to the initial value, it is possible to intentionally create a non-uniform charged region.
  • a potential barrier is generated to return the secondary electrons to the charged region, and the charge amount can be reduced and stabilized to such an extent that magnification error does not become a problem.
  • the control electrode 10 and the sample stage 12 can be stabilized.
  • the potential gradient is eliminated over a wide range, and the unstable movement of the electric charge generated by the potential gradient is eliminated, so that a force stable region can be created on the surface of the insulator sample.
  • a good SEM image of SZN without obstruction of secondary electrons can be obtained, and beam drift of the primary electron beam can be eliminated.
  • FIGS. 8A, 8B, 9A, and 9B The above process can be expressed as shown in FIGS. 8A, 8B, 9A, and 9B.
  • the amount of charge is still large, so that the diffusion due to the concentration gradient of the charge and the length measurement magnification are distorted.
  • the potential barrier 52 of about IV can be re-formed as shown in FIG. 8B immediately above the charged region 49 of FIG. Since secondary electrons having a return to the charged region 49, the charged charge further decreases.
  • the charge in the charged region 54 in FIG. 9A is reduced and the equipotential distribution is flattened like the equipotential line group 53 in the vicinity of the sample.
  • Fig. 9B there is no potential barrier for the low-energy secondary electrons 55 in the equipotential line group 56 even when the charged region 54 is viewed locally. Detection is possible.
  • FIG. 10 schematically shows the relationship with the charge amount of the sample 11 when the control electrode voltage 10 is changed.
  • the area A in FIG. 10 is a time zone shortly after the sample 11 is irradiated with the primary electron beam, and the positive charge progresses rapidly as shown in graph 38.
  • the voltage of the control electrode 10 remains at the initial value 35, and the SEM image becomes dark.
  • the voltage change of the control electrode 10 is automatically detected by detecting the brightness change of the SEM image or the secondary electron current amount. Can be terminated.
  • the amount of charge varies depending on the type and shape of the sample, and the detected amount of secondary electrons may decrease. Therefore, the initial value of the voltage applied to the control electrode 10 can vary. Therefore, it is obvious that the optimum initial value can be automatically determined by sweeping the voltage of the control electrode 10 over a wide range using the same method.
  • the brightness change of the SEM image or the detection of the amount of secondary electron current is specifically performed by changing the voltage of the control electrode 10 while irradiating the sample with the primary electron beam, and capturing the SEM captured at regular intervals. It is easy to find the relationship between the digital gradation of the image and the number of pixels belonging to it.
  • the voltage change of the control electrode 10 can be terminated when the gradation and the number of pixels are above or below a predetermined threshold, and the electrode voltage at that time is used as the initial value of the voltage of the control electrode 10 You can also
  • the beam drift is such that the trajectory of the primary electron beam is deflected by the electric potential gradient in the vicinity of the sample surface.
  • This force field is applied to the irradiation region of the primary electron beam. From the irradiation area of charged particles (for example, several ⁇ m square) at a high magnification such that the potential gradient that causes the field is measured. It is important that the width is sufficiently wide and uniform in the range.
  • the voltage applied to the plate electrode is changed from the initial value to a negative voltage of several volts to several tens of volts to reduce the charge amount and at the same time eliminate the potential gradient.
  • it is effective to set the magnification to a low magnification in advance and measure the magnification as a high magnification after implementing the means.
  • the voltage applied to the control electrode 10 is a lens field between the objective lens and the sample.
  • a deceleration potential is generated in the primary charged particle beam. Since the chromatic aberration of the lens can be reduced as the energy of the primary charged particle beam passing through the lens field increases, it is important to arrange the control electrode 10 as close to the sample surface as possible.
  • the control electrode 10 is provided with a passage hole for a primary electron beam, as described above, there is a possibility that a potential gradient is generated on the sample surface by the entrance of the potential from the hole. Therefore, the distance between the control electrode 10 and the sample 11 cannot be made arbitrarily close.
  • the degree of penetration of this potential can be considered to be typically the radius of the hole, and according to electric field simulation, the relationship between the diameter D of the hole and the distance L between the plate electrode and the sample is If D / L ⁇ 1, the potential gradient on the sample surface can be sufficiently reduced. Therefore, the lens aberration can be reduced so as to satisfy the performance of the apparatus, and the diameter of the hole is set to D satisfying the above relationship with respect to L, which is a means for solving the third problem.
  • FIG. 1 is an overall view of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is an example of the shape of the control electrode and the equipotential line distribution for explaining the effect of the present invention.
  • FIG. 3B is an example of the shape of the control electrode and the equipotential line distribution for explaining the effect of the present invention.
  • FIG. 4A An example of a sample stage including a control electrode and a cross-sectional view of the sample.
  • FIG. 4B An example of equipotential line distribution at the sample edge.
  • FIG. 5A An example of a sample stage including a control electrode and a cross-sectional view of the sample.
  • FIG. 5B An example of equipotential line distribution at the edge of the sample.
  • FIG. 6B A schematic view of the local potential barrier of the charged part and how the secondary electrons return to the sample.
  • FIG. 7B A schematic view of the state in which the local potential barrier of the charged portion decreases and the amount of secondary electrons returning to the sample decreases.
  • FIG. 8A Equipotential line distribution when the potential of the control electrode is changed in the negative direction and the potential barrier is re-formed in the charged region.
  • (Sen 8B) A schematic diagram of the local potential barrier and secondary electrons returning to the sample at the charged part.
  • FIG. 9A Equipotential line distribution with reduced charge on the sample after the process of FIGS. 8A and 8B.
  • Control electrode voltage initial value Control electrode voltage control graph
  • Control electrode voltage control graph Charge amount change graph Charge amount change graph Charge amount change graph

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

明 細 書
走査型電子顕微鏡
技術分野
[0001] 本発明は、走查型電子顕微鏡 SEM (Scanning Electron Microscope)ゃ収 束イオンビーム加工観察装置（Focused Ion Beam)のような、荷電粒子線をプロ ーブとした装置において絶縁物試料を観察する際に問題となる帯電の制御技術に 関するものである。とりわけ該荷電粒子線装置を用いて、レチクル (マスク）や石英ゥ エーハなど、荷電粒子線の照射によって電荷が蓄積しやすいガラス基板試料上に構 成されたパターンを安定して測長する技術に関するものである。
背景技術
[0002] 荷電粒子線による絶縁物からなる試料の SEM観察については、問題となる帯電の 除去や中和を主眼とており、例えば、絶縁物試料上に導電性膜を蒸着などの手段で 作成して絶縁物試料を導電化する技術 (特許文献 1 )や、像を形成するために試料 に照射する一次荷電粒子線とは別個に電子や正負イオンビームなどの照射手段を 設け、絶縁物試料上の帯電を中和する技術 (特許文献 2および 3)や、試料室内もし くは試料室外にプラズマを照射する手段を設けて帯電を中和する技術 (特許文献 4) 、試料室内を低真空にする手段（特許文献 5、 6および 7)、または局所的にガスを導 入する手段 (特許文献 8)を有して一次荷電粒子線で気体分子をイオン化して帯電を 中和する技術、さらに帯電領域に紫外線などの波長の短い光を照射して絶縁物試 料を導電化する技術 (特許文献 9および 10)が開示されているが、いずれもその場観 察ができない、スループットが低い、装置制御が複雑、低分解能、メンテナンスが困 難で短周期、レジストなどの感光性材料は不適などの短所を持ち合わせている。
[0003] 一方、本発明の構成に類似する技術として SEMにおける絶縁膜試料の欠陥検査 方法が特許文献 11に開示されており、電極を試料に対向して配置して適当な電圧 を与えることにより、該試料から発生したエネルギーの低い二次電子を該試料に帰還 させることで帯電を一定電位に安定化させるものである。よって、電極の作用で二次 電子を用いて帯電を緩和することは公知となっている力 デバイスサイズが大きい時 代の発明であり、問題としている電子線照射領域も本発明に比して大きぐあくまで 絶縁膜上の正帯電の経時的な増加を大まかに食い止める効果であって、その後 EB テスターと呼ばれる回路検查装置の電位コントラスト制御にも使用される技術である。 本発明のように高倍率で高精度の測長を行うときに問題となる局所的な帯電電荷の 移動や絶縁物試料上での電位勾配が原因となる速度が数 nm/sのビームドリフトや 電位障壁の意図的な制御に注目したダイナミックな電極電圧の制御とは目的と効果 の点で相違する。
[0004] また、特許文献 12および特許文献 13では絶縁物試料の観察方法について開示さ れてレ、る。試料もしくは試料台を一次電子線に対して減速電位としてレンズ界内を高 いエネルギーで電子線を通過させる SEMの高分解能化手法であるリターデイング法 を用いた装置において、該試料の上方にまたは該試料を覆うように電極を配置してリ ターディング電圧と同電圧を印加することで、該試料を無電界内に置き、該絶縁物試 料表面を任意電位に制御する手法や二次電子の収量改善を目的として補助的な電 極を追加する手法が述べられているが、帯電の制御やビームドリフトの低減は目的と されておらず、そのような効果も期待できない点で本発明と相違する。
[0005] さらに特許文献 14ではリタ一ディング法を用いた SEMにおいて対物レンズ極片と 該対物レンズ極片より上方に中間電極を配置する構成が開示されている。該中間電 極は試料から発生した二次電子を該試料上に回帰させるために、該対物レンズ極片 に対して負のバイアスを印加して該試料の帯電を中和する技術である。ただし、本構 成自体は上述した特許文献 13にて開示されている。また、原理、現象は特許文献 1 1で開示されている。よって、従来技術の構成では試料台の効果は欠如しているため 、試料表面上の電位勾配を均一化することは不可能であり、かつ本構成と開示され ている内容では絶縁物試料上の帯電の安定化やビームドリフトが問題となる高倍率 での検査や測長は困難であり、これらの問題に具体的な解決手段は開示されていな レ、。
[0006] 特許文献 1 :特開平 8— 68772
特許文献 2：特開平 8 - 222176
特許文献 3 :特開平 10— 172493 特許文献 4 :特開 2002— 131887
特許文献 5：特開平 9 - 304040
特許文献 6：特開平 5 - 174768
特許文献 7：特開 2002— 203774
特許文献 8 : US6555815B2
特許文献 9：特開 2000— 36273
特許文献 10 :特開平 10— 312765
特許文献 11 :特許 2130001
特許文献 12 :特開平 09— 171791
特許文献 13：特開 2001— 026719
特許文献 14 :特開 2002— 250707
非特許文献 1： A DATABASE OF ELECTRON-SOLID INTERACTIONSDavid C Joy EM Facility, University of Tennesee,and Oak Ridge NationalLaboratory 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 本発明の目的は、荷電粒子線を用いて部分的に絶縁物が表面に露出した試料や 絶縁物を基板とする試料上の構造を高分解能で精度良ぐかつ再現性良く測長する ことであり、この目的のためには次の課題を克服する必要がある。
[0008] まず、第一に絶縁物試料を荷電粒子線にて観察する際に発生する帯電によって、 試料表面電位が荷電粒子線照射領域面内で不均一となることで生じる電位勾配に より該荷電粒子線の軌道が偏向される、いわゆるビームドリフトの低減である。
[0009] また、物理現象として知られているように、試料上に発生した帯電は、これが正の極 性を帯びている場合には、帯電箇所直上に該帯電箇所から発生する二次電子のェ ネルギーに対して障壁となる電位が形成されるため、該帯電箇所から出射したエネ ルギ一の低い二次電子は試料上に戻り、帯電量が低下する自己緩和作用がある。 測長場所や測長すべき試料が変わっても帯電量が初期の帯電量に対して十分に低 減できれば、測長精度の誤差は実用上問題ないレベルに低減できる。また、帯電を 消滅させてしまうと、電位コントラストによって材質や構造の違いを明確にすることが できなくなるため、帯電量の制御も重要である。しかし、該二次電子は帯電領域に均 一に戻ることはまれであり、 自己緩和作用も適切な条件下になければ、帯電量は長 時間経過しても帯電量は大きいままであり、試料表面電位は不均一なままである。
[0010] よって、第二の課題は、帯電の自己緩和作用を効果的に行うことのできる手段と条 件を提供することにある。
[0011] さらに第三の課題としては第一および第二の課題を克服した上で高分解能な像観 察が可能である装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0012] 試料に照射する荷電粒子線のエネルギーを試料から発生する二次電子の発生効 率力 以上となるように設定する。装置の構成としては、独立に電圧を印加することが でき、一次荷電粒子線が通過することができる孔を具備した平板電極を試料に対向 して配置し、試料を積載する試料台は独立に電圧を印加することができ、試料に対 向する面は平坦化されて凹凸の無い構造とする。また、該平板電極に設けられた孔 の直径 Dと該平板電極と該試料との距離 Lは D/L≤ 1. 5の関係を満たすように設定 する。さらに該平板電極には、誘起された帯電が過剰に蓄積しないように、かつ二次 電子の検出を行うために、試料の表面電位に対して数 Vから数十 Vの正の電圧を印 加する。さらに、測長する前段階として一次荷電粒子線を照射しながら、該平板電極 に印加する電圧を、あらかじめ決められている初期値力 数 V力 数十 Vの負の電圧 に変化させた後に測長する。
発明の効果
[0013] 本発明の装置構成によれば、絶縁物試料表面の電位勾配を無くし、絶縁物試料に 荷電粒子線を照射したときに発生する帯電の緩和と安定化を高速に行うことができ、 測長を行う高倍率でも S/Nおよびコントラストが安定し、ビームドリフトも無くすことが できる。その結果、高分解能で精度、再現性良く絶縁物試料の測長を行うことができ る。さらに、帯電を安定化させるための平板電極電圧を自動で設定することができる ため、帯電量が異なる種々の試料においても、最適な条件を設定することができ、試 料の違いやオペレーターの技量によらず絶縁物試料の測長が可能となる。
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に関する以下の本発明の実施例の 記載から明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の形態
[0014] 本発明の代表的な実施形態について、まず図 1を用いて説明する。本実施例はリタ 一ディング法を用いた基本的な走査型電子顕微鏡 (SEM)の構成であり、本実施例 の構成要素 1から 12は個々の全体または一部が真空容器中に納められている。電 子源 1は針状に加工されたタングステンに酸化ジルコニウムを塗布、拡散させて該電 子源先端の電子放出部の仕事関数を減少させたものであり、いわゆるショットキー電 子源である。電子線の初期加速電圧 3kVを該電子源に印加する電子銃加速電源 18上にフローティングされた定電流電源 15にて適切な温度に加熱して、該電子源 力も電子の電界放出を行う引き出し電圧電源 17が接続された引き出し電極 3にて電 子放出を行うことによって、放出される電子線のエネルギー分布幅が狭ぐ放出電流 量が安定した電子線を得ることができる。また、放出電流量は該電子源近傍に設置さ れた抑制電極 2に初期加速電源 18に対して負の電圧を印加することのできる電源 1 6を接続することで増減させることができる。
[0015] 磁場レンズ 4および磁場レンズ 5は電子線を収束させる作用を持ち、本実施形態に 好適な光学条件に設定される。電子線は偏向コイル 8にて試料 11上を所望の F〇V( Field Of View)で走査が可能であり、該試料 11から発生した二次電子は、対物レ ンズ 9の磁場や制御電極 10および金属製の試料台 12に制御電極電源 20およびリタ ーデイング電源 21をもって印加される負の電圧の作用で電子源 1方向に加速され、 最終的に二次電子検出器 13にて捕獲されて電気的に増幅された後、画像処理部 1 9で A/D変換され、偏向コイルでの電子線スキャン信号に同期したラスター像を画像 出力端末 14に表示することができる。本実施例では二次電子検出器 13はシンチレ ータとライトガイド、二次電子増倍管から構成される、 Everhart Thomley型検出器 を用いたが、半導体検出器やマイクロチャンネルプレートを用いても良い。
[0016] また、本実施例では該二次電子検出器 13の前段に試料 11から加速、上昇してき た二次電子や反射電子を再度低速の二次電子に変換する変換電極 6を備え、かつ 一次電子線の軌道に影響を与えず、該低速の二次電子のみを該二次電子検出器 1 3方向に偏向することのできる EXBフィルター 7を具備することで二次電子捕集効率 の高い検出系を構成している。
[0017] EXBフィルター 7内にはメッシュ状の金属製電極を一枚以上使用して、これらに試 料台 12にリターデイング電源 21で印加する電圧と同等レベルの電圧を印加すること で該試料 11から発生して加速する二次電子のエネルギーに対する電位障壁を発生 させることのできる電位阻止型のエネルギーフィルタを具備し（図示せず）、反射電子 や二次電子の分別はもちろんのこと、該二次電子検出器 13を複数設けることで反射 電子と二次電子を同時に取得して、 SEM像に任意の割合で加算して表示することも 可能である。
さらに、該エネルギーフィルタの阻止電位を可変すれば、試料 11上に一次電子線 を照射する際に発生した帯電による該試料 11の表面電位も測定が可能であるから、 光学系の動作条件と表面電位の上方とを用いて光学倍率の変化が計算できるため、 この結果から偏向コイル 8の偏向電流の再設定を実施すれば、試料表面の帯電によ らず正確な倍率設定が可能となる。
[0018] 以上が本実施例の SEMとしての基本的な構成である。本発明の目的は試料 11が 部分的に絶縁物が表面に露出した試料や絶縁物を基板とする試料、たとえばレチク ル (マスク)や液晶基板を試料とする場合に帯電の影響を受けずに安定した測長を 行うことであり、そのための構成について以下に説明する。
[0019] 試料に電子が 1個入射した際に発生する二次電子の個数を二次電子放出率 δと 定義すると、 Si〇の場合には図 2のように一次電子線の入射エネルギーによって二
2
次電子放出率が変化する。 δ力^よりも大きければ、試料表面は正に帯電し、 δが 1 よりも小さければ試料表面は負に帯電することが知られている。
[0020] 本実施例では通常の低加速 SEMで用いられている IkeV前後のエネルギーを用 いて、試料から発生する二次電子の発生効率が 1以上となるように、試料に照射する 電子線のエネルギーを設定する。 50eV付近の入射エネルギーを選んでも良いが、 二次電子放出率の入射エネルギーに対する変化が大きく制御し難ぐ分解能の点か らも不禾 IJである。さらに、 δ力 付近である入射エネルギーを選んでおけば、後述す るように帯電量の安定化や制御電極 10に印加する電圧設定の自動化の点でも有利 である。 [0021] また、平板電極とした制御電極 10と試料台 11の中間に絶縁物試料、特にガラスを 基板とするような試料を配置すると、該制御電極 10と該試料台 11の間には真空とガ ラスが存在することになり、該制御電極 10に設けた一次電子線が通過することができ る孔が、該制御電極 10の電子源 1方向に位置する部材によってなる電位が該孔から 試料近傍にまで染み込む程度に大きいと、真空よりも誘電率の大きい試料中に電位 が進入することになるので、試料表面上で等電位面の湾曲が起こり、試料面内で電 位勾配が生じることになる。
[0022] カロえて、絶縁物試料上に帯電電荷が誘起されると、この電位勾配によって電荷の 移動が起こるため、試料表面上での電位勾配がさらに変化して、一次電子線のビー ムドリフトが生じると考えられる。
[0023] 本実施例では制御電極電源 20を用いて独立に電圧を印加することができ、一次電 子線が通過することができ、かつ対物レンズ磁極孔の中心軸に一致した軸上に配置 される孔を具備した平板電極である制御電極 10を試料 11に対向して配置し、該試 料 11を積載する試料台 12はリターデイング電源 21で独立に電圧を印加することが でき、該試料 11に対向する面は平坦ィ匕されて凹凸の無い構造とすることで、該試料 11を該制御電極 10と該試料台 12とでサンドイッチしてレ、る。
[0024] この構成によって、制御電極 10と試料 11の間の電界は平行電界となり、試料表面 を等電位面に一致させることができるため、試料表面上での等電位面の湾曲をなく すことができ、かつ該等電位面は該制御電極 10および試料台 12に印加する電圧で 任意に設定することが可能となる。
[0025] よって、絶縁物試料、特にガラスを基板とするような試料では、その既知の誘電率を 使って試料表面は制御電極 10と試料台 12に印加される電圧と各寸法とで電界シミ ユレーシヨンを用いて正確に計算できる電位に設定される。
[0026] 上記した等電位面の形成について図 3Aおよび図 3Bを用いてさらに詳しく述べる。
SEMの高分解能化手法の一つとして、リターデイング法以外に磁路全体もしくは絶 縁された磁路の一部に正の高電圧を印加して、レンズ界内を高速で電子線を通過さ せることで色収差を低減するブースティング法がある。図 3Aでは対物レンズ 9にブー スティング電源 25で 5kVの電圧を印加し、試料台 12にはリターデイング電圧が— 2k V印加され、制御電極 22は— 1. 9kVに設定している。
[0027] 図 3Aには制御電極 22が図示してある力 該制御電極 22を具備していない場合や 、該制御電極 22のように中心に設けた一次電子線の通過する孔が大きい場合には 、ブースティング電圧が該孔から進入して、等電位線分布 23を形成するため、絶縁 物試料 11の表面で電位勾配を生じることが分かる。
[0028] 一方、図 3Bは、対物レンズ 9のブースティング電圧を低下させ、かつ制御電極 26の ように制御電極の孔径を小さくしたものである力 等電位線分布 27から分かるように、 平坦ィ匕されて試料 11の表面は等電位面に一致するようにできる。この効果はブース ティング電圧を高く設定したままでも、さらに該制御電極 26の孔径を小さくしたり、該 制御電極 26と該試料 11間の距離を大きくすることでも得られるが、一次電子線の偏 向歪みが大きくなつたり、分解能が著しく低下したりする。
[0029] また、本発明を効果的に行う重要な要素として試料台 12の構造が挙げられる。図 4 Aはレチクルを試料としたときの制御電極 10を含む金属性試料台 28の構造の断面 図であり、絶縁物試料 11が該試料台 28に含有され、該試料 11の上面と該試料台 2 8の上面が同一面上にある形状とした場合である。支持台 24はレチクルを傷つけな いために、直接該試料台 11に接触させないためのスぺーサであり、異物を発生しな い材質で作られている。該支持台 24の高さは、後述する制御電極 10の電圧変化時 に該試料 11上に作用する電圧の変化割合、つまり感度に影響するため、装置間で のばらつきがあってはならない。
[0030] 図 4Bは図 4Aの一部分であり、試料 11の端部を観察する場合の等電位線分布を 示したものであり、一次電子線 29は試料端部から 5mm内側に入った場所を照射す る場合である。なお、条件は本発明を効果的に行うのに好適なリターデイング電圧と 制御電極電圧の組み合わせと該制御電極配置による例であり、リターデイング電圧 は— 2100V、制御電極電圧は— 2000V、該制御電極 10と試料 11間距離は lmm、 該制御電極の孔径は lmm、該支持台 24の高さは 0. 5mmである。
[0031] 等電位線分布は等電位線群 30のようになり、寸法 31が試料の厚みと同程度である とき、該制御電極 10と該試料台 28の間に形成される電位密度と該制御電極 10と該 試料 11で形成される電位密度に大きな開きが生じるため、試料端部の電子線照射 箇所では大きな電位勾配を生じてしまう。
[0032] 一方、図 5Aは試料台の別形態の断面図である。図 5Bに示したように寸法 31を寸 法 33のように小さくすると、等電位線分布は等電位線群 34のようになり、試料 11端 部での該試料 11表面の電位勾配をなくすことができ、帯電電荷の移動を最小にする こと力 Sできる。なお、寸法 33は図示されたような試料台 32の窪みの深さだけではなく 、該試料台 32上で該試料 11の周辺に配置される構造物の高さにも同様なことが適 応できる。発明に好適な電圧条件や制御電極 10の位置や支持台 24の高さなどに鑑 み、寸法 33は試料厚さの 1/2以下とすることが望ましい。
[0033] 以上に述べたように、構造的に発生する電位分布の考察により、絶縁物試料表面 の電位勾配の低減が可能で、ビームドリフトの要因の一つをなくすことができる。しか し、実際には絶縁物試料に電子線を照射したときに発生する帯電電荷が蓄積して引 き起こす試料表面の電位変動について対策しなければ、問題の解決には至らない。
[0034] 以下に帯電電荷の制御方法の実施例について記述する。
本発明によれば、一次電子線の照射によって絶縁物試料 11表面に帯電が誘起さ れた場合にも、誘起された帯電が過剰に蓄積しないように、試料の表面電位に対し て数 V力 数十 Vの正の電圧を制御電極 10に印加してあり、たとえ電荷の蓄積が進 行したとしても、該制御電極 10と該試料 11表面の電位差以下の帯電量で進行が止 まるので、帯電の自己緩和作用で十分電荷の低減が可能な帯電量に初期の電荷の 蓄積を制限することができる。本実施例で試料を石英ゥエーハとしたときの好適な制 御電極 10の電圧は試料表面電位に対して 50V程度である。
[0035] さらに、一次電子線の照射により試料上の帯電は経時的に自己緩和作用で一定の 帯電量に落ち着こうとするが、帯電領域から発生した二次電子が帯電領域のみに均 一に戻るわけではないため、帯電量は未だ十分小さいとはいえず、領域内での電荷 の分布も不均一な状態である。ただし、この時点で既に設定した該制御電極 10の電 圧においては、発明が解決しょうとする課題でも述べた帯電領域直上の電位障壁は 二次電子が透過できるほどには小さくなつている。
[0036] これらを図示すると図 6A、図 6B、図 7Aおよび図 7Bのようになる。一次電子線の照 射領域は約 70 μ m角の場合である。図 6Aは制御電極 10の初期電圧を—1610V、 リターデイング電圧を—1700Vとしたときの等電位線分布である。このときの一次電 子線の入射エネルギーは約 IkeVとなり、 δは 1よりわずかに大きレ、。該一次電子線 が絶縁物試料 11に照射されたとき、一次電子線の照射領域にほぼ一致した帯電領 域 42には速やかに数 Vから数十 Vの正の電荷が帯電し、等電位線分布は等電位線 群 41のようになる。図 6Βは図 6Αの帯電領域 42を局所的に拡大したものであり、等 電位線間隔は IVである。該帯電領域 42の直上には帯電電位に対して負の電位障 壁 44が形成されるため、二次電子のもつエネルギー分布で最も多い 2eV程度の二 次電子は電位障壁 44で追い返されて該帯電領域 42近辺に再入射することで正の 帯電電荷を打ち消す自己緩和作用が生じる。
[0037] 図 6Aおよび図 6Bの作用によって帯電量が減少した状態が図 7Aおよび図 7Bであ る。帯電量が減少することで等電位線分布は図 7Aの等電位線群 45のように変化し、 帯電領域 46を局所的に見れば図 7Bのように等電位線群 44は等電位線群 48のよう に変化し、該帯電領域 46直上の電位障壁が緩和され、 2eV程度の低エネルギーの 二次電子 47も電子源 1方向に加速されて二次電子検出器 13で検出することができ るようになる。この現象は該試料 11に一次電子線照射直後に SEM像の明るさが一 瞬減少し、再度明るくなることとも一致する。
[0038] また、通常この自己緩和作用による帯電部分の電位安定化は照射電流量にもよる 力 数十秒から数分間の長時間にわたる電子線の照射が必要である。しかし、一次 電子線を照射しながら該制御電極 10に印加する電圧を初期値に対して数 Vから数 十 Vの負の電圧に変化させることで、不均一なままの帯電領域に意図的に電位障壁 を発生させて二次電子を帯電領域に戻し、帯電量を倍率誤差が問題とならない程度 に低減させて安定化させることができ、前述したように該制御電極 10と試料台 12との 効果とあいまって広範囲にわたって電位勾配が無くなり、さらに該電位勾配によって 発生する電荷の不安定な移動がなくなるため、電位の安定した領域を絶縁物試料表 面に作ること力 Sできる。この結果、二次電子の阻害要因もなぐ SZNのよい SEM像 が得られ、一次電子線のビームドリフトを排除することができる。
[0039] ただし、該制御電極 10の電圧変化は連続的もしくは段階的に行うことが重要である 。これは該電圧の変化によって電位障壁が徐々に形成される過程で、試料に戻るこ とのできるエネルギーをもつ二次電子の量と、これらの二次電子が試料に戻る位置も 徐々に変化するため、帯電量も連続的に緩和される。よって、該電圧の変化を瞬時 に切換えたときのように急峻な電荷の濃度勾配や電位勾配が発生しないため、電荷 の拡散を最小限に抑制できるので帯電の安定化を速やかに行うことが可能となる。
[0040] 上記の過程は図 8Aおよび図 8Bおよび図 9Aおよび図 9Bのように表すことが可能 である。図 7Aおよび図 7Bの状態では依然帯電量が多いため、電荷の濃度勾配によ る拡散や測長倍率に狂いが生じる。該制御電極 10の電圧を初期値から— 20V程度 変化させることで図 8Aの帯電領域 49の直上に図 8Bのように約 IVの電位障壁 52を 再形成させることができ、 leV程度以下のエネルギーをもつ二次電子は帯電領域 49 に回帰するため、帯電電荷はさらに減少する。
図 8Aおよび図 8Bの段階での自己緩和作用によって図 9Aの帯電領域 54の電荷 は減少して等電位線分布も試料近傍で等電位線群 53のように平坦化される。図 9B に示したように、帯電領域 54を局所的に見ても等電位線群 56では低エネルギーの 二次電子 55に対しても電位障壁は存在しないため、 S/N良く二次電子の検出が可 能となる。さらに、一次電子線照射領域の電位勾配もほとんどないため、帯電電荷の 大きな移動はなぐ電荷量も少ないため一次電子線のビームドリフトは発生しなくなる
[0041] 制御電極電圧 10を変化させたときの試料 11の帯電量との関係を模式的に表すと 図 10のようになる。図 10の Aの領域は試料 11に一次電子線を照射して間もない時 間帯であり、帯電量はグラフ 38のように速やかに正帯電が進行する。該制御電極 10 の電圧は初期値 35のままであり、 SEM像は喑くなる。
[0042] さらに時間が経った Bの領域では自己緩和作用によって帯電量はグラフ 39のごとく 減少する。該制御電極 10の電圧は初期値 35のままであり、 SEM像は明るくなる。し かし、該制御電極 10の電圧を初期値 35に保持していても、帯電量はグラフ 39のよう に減少するため、帯電量が安定するまでには長時間を要し、ビームドリフトも納まらな レ、。
[0043] Cの領域で該制御電極 10の電圧をグラフ 36のように連続的に、もしくはグラフ 37よ うに数回に分けて段階的に変化させると、帯電量はグラフ 40のように速やかに減少し て短時間で安定させることができる。このとき、 SEM像は若干暗くなつた後、明るくな る。
[0044] 図 10に示したように制御電極 10の電圧を制御すれば、 SEM像の明るさ変化もしく は二次電子電流量を検出することによって、 自動的に該制御電極 10の電圧変化を 終了することができると考えられる。また、試料の種類や形状によっては帯電量が異 なり、二次電子の検出量が減少することがあるので、該制御電極 10に印加する電圧 の初期値は変わり得る。よって、同様の手法を用いて該制御電極 10の電圧を広範囲 に掃引して最適な初期値も自動的に決定することが可能なのは明らかである。
[0045] SEM像の明るさ変化もしくは二次電子電流量の検出は、具体的には一次電子線 を試料に照射しながら該制御電極 10の電圧を変化させて、一定期間毎に取り込ん だ SEM像のデジタル的な階調とそれに属する画素数の関係を求めるのが簡便であ る。階調と画素数があらかじめ決められた閾値以上もしくは以下となったら該制御電 極 10の電圧変化を終了することもできるし、そのときの電極電圧を該制御電極 10の 電圧の初期値として用いることもできる。
[0046] さて、ビームドリフトは先に説明したように、一次電子線の軌道が試料表面近傍の電 位勾配によって偏向作用を受けるものであるが、この力場は該 1次電子線の照射領 域とその周辺部との電位差によって形成されるので、該カ場を形成する原因となる電 位勾配が測長を行うような高倍率での荷電粒子の照射領域 (例えば数 μ m角）よりも 十分広レ、範囲で均一化されてレ、ることが重要である。
[0047] よって、前述したように該平板電極に印加する電圧を初期値から数 Vから数十 Vの 負の電圧に変化させて、帯電量を低減させると同時に電位勾配をなくする手段を用 レ、る場合には、あらかじめ低倍率に設定して該手段を実施した後に高倍率として測 長することが効果的である。
[0048] 以上のような〔発明が解決しょうとする課題〕に記述した第一と第二の課題に対する 解決手段をとると、該制御電極 10に印加する電圧が対物レンズと試料間のレンズ界 内に一次荷電粒子線に対して減速電位を生じせしめることになる。レンズ界内を通過 する一次荷電粒子線のエネルギーは大きいほどレンズの色収差は低減できるため、 該制御電極 10はなるべく試料面に近づけて配置することが重要となる。 [0049] しかし、該制御電極 10には一次電子線の通過孔を設けているため、前述したように 、該孔からの電位の進入によって試料面上で電位勾配を生じさせる可能性がある。よ つて、該制御電極 10と該試料 11との距離は任意に近づけることができない。この電 位の進入の程度は、典型的には該孔の半径程度と考えることができ、かつ電界シミュ レーシヨンによれば該孔の直径 Dと該平板電極と該試料との距離 Lの関係が D/L≤l . 5であれば、試料表面の電位勾配も十分低減できる。よって、装置の性能を満たす ようにレンズ収差を低減することのできる Lに対して該孔の直径は上記関係を満たす Dとすることが、第三の課題を解決する手段である。
上記記載は実施例についてなされた力 本発明はそれに限らず、本発明の精神と 添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更および修正をすることができることは当業 者に明らかである。
図面の簡単な説明
[0050] [図 1]本発明の実施形態の全体図。
[図 2]二次電子放出率と入射エネルギーの関係。
[図 3A]本発明の効果を説明する制御電極の形状と等電位線分布の例。
[図 3B]本発明の効果を説明する制御電極の形状と等電位線分布の例。
[図 4A]制御電極を含む試料台と試料の断面図の例。
[図 4B]試料端部での等電位線分布の例。
[図 5A]制御電極を含む試料台と試料の断面図の例。
[図 5B]試料端部での等電位線分布の例。
[図 6A]試料上が帯電したときの初期的な状態での等電位線分布。
[図 6B]帯電部分の局所的な電位障壁と二次電子が試料に戻る様子の模式図。
[図 7A]図 6Aおよび図 6Bの過程の後、試料上の帯電が減少した状態での等電位線 分布。
[図 7B]帯電部分の局所的な電位障壁が減少して試料に戻る二次電子量が減少する 様子の模式図。
[図 8A]制御電極の電圧を初期値力 負の方向に変化させて帯電領域に電位障壁が 再形成されたときの等電位線分布。 園 8B]帯電部分の局所的な電位障壁と二次電子が試料に戻る様子の模式図。
[図 9A]図 8Aおよび図 8Bの過程の後、試料上の帯電が減少した状態での等電位線 分布。
園 9B]帯電部分の局所的な電位障壁が消滅して試料に戻る二次電子量がなくなる 様子の模式図。
園 10]制御電極の電圧制御方法と電圧変化に対応した試料表面上の帯電量の変化 との関係。
符号の説明
1 電子源
2 抑制電極
3 引き出し電極
4 磁場レンズ
5 磁場レンズ
6 変換電極
7 EXBフィルター
8 偏向コィノレ
9 対物レンズ
10 制御電極
11 料
12 試料台
13 二次電子検出器
14 画像出力端末
15 定電流電源
16 電源
17 引き出し電圧電源
18 電子銃加速電源
19 画像処理部
20 制御電極電源 リターデイング電源 制御電極
等電位線分布
支持台
ブースティング電源 制御電極
等電位線群
試料台
—次電子線
等電位線群
寸法
試料台
寸法
等電位線群
制御電極電圧初期値 制御電極電圧制御のグラフ 制御電極電圧制御のグラフ 帯電量変化のグラフ 帯電量変化のグラフ 帯電量変化のグラフ 等電位線群
帯電領域
二次電子
電位障壁を表す等電位線 等電位線群
帯電領域
二次電子
等電位線群 帯電領域
等電位線群
二次電子
電位障壁を表す等電位線 等電位線群
帯電領域
二次電子
等電位線群

Claims

請求の範囲
[1] 対物レンズの下方に独立して電圧を印加することの出来る電極と、該電極の下方に 独立して電圧を印加することの出来る試料を積載するための試料台を配置し、該電 極と該試料台に電圧を印加することで該電極と該試料台間に形成される平行電界が 作る任意の等電位面と試料の表面が一致するように試料を該電極と該試料台の間に 設置するように構成されたことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
[2] 請求項 1記載の試料は絶縁物を基板とし、表面の一部もしくは全体に絶縁物が露 出してレ、る試料であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
[3] 請求項 1記載の電極は電子線が通過する孔を有した平板電極であって、該平板電 極に設けた孔は該電極よりも上方の電位が実質的に試料表面に作用しない大きさで あり、該孔の直径を D、該電極と試料間の距離を Lとしたときの Dと Lの関係は D/L≤
1. 5であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
[4] 請求項 1記載の試料台は試料の面積よりも大きいことを特徴とする走査型電子顕微
[5] 請求項 1記載の試料台は試料の形状と相似形であることを特徴とする走査型電子 顕微鏡。
[6] 請求項 1記載の試料台は試料の底面に対向する面である、該試料台の上面もしく は試料が積載される特定の面が、試料よりも大きな面積にわたり平坦化され、面内で 凹凸構造を持たない試料台であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
[7] 請求項 1記載の試料台において、試料を積載するために試料台に設けた掘り込み の深さまたは障害物の高さは試料の厚さの 1/2以下であることを特徴とする走査型 電子顕微鏡。
[8] 請求項 1に記載の走査型電子顕微鏡において、ガラスや石英などの絶縁物を基板 とする試料を観察する場合には、請求項 1記載の電極に印加する電圧は試料台の電 位に対して正の電圧を印加して、かつ試料表面の電位に対して数 Vから数十 V正と なる電圧を印加する試料観察方法。
[9] 請求項 8記載の試料観察方法において、電子線を試料に照射している最中に電極 に印加する電圧を、該電圧の初期値に対して負の方向に数 V力 数十 Vの範囲で連 続的に、もしくは段階的に変化させることを特徴とする試料観察方法。
[10] 請求項 9記載の試料観察方法において、電極に印加する電圧の変化中の試料上 での電子線の照射面積は、観察すべき面積に比して十分大きレ、ことを特徴とする試 料観察方法。
[11] 請求項 9に記載の試料観察方法において、 自動的に電極に印加する電圧を変化さ せることができ、試料から発生する二次電子量もしくは反射電子量を計測する手段を 具備し、該二次電子量もしくは反射電子量があらかじめ決められた閾値以上もしくは 閾値以下となったら、該電極に印加する電圧の変化を自動的に終了して請求項 9記 載の電圧の初期値として設定することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
[12] 請求項 9に記載の試料観察方法において、試料から発生する二次電子量もしくは 反射電子量を計測する手段を具備し、該二次電子量もしくは反射電子量があらかじ め決められた閾値以上もしくは閾値以下となったら、該電極に印加する電圧の変化 を自動的に終了することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
[13] 請求項 11に記載の閾値は、二次電子信号もしくは反射電子信号を基に形成される 画像の特定の輝度と該輝度にある画素数であることを特徴とする走査型電子顕微鏡
[14] 請求項 12に記載の閾値は、二次電子信号もしくは反射電子信号を基に形成される 画像の特定の輝度と該輝度にある画素数であることを特徴とする走查型電子顕微鏡
[15] 請求項 12記載の二次電子量もしくは反射電子量を計測する手段は、電界と磁界か らなるウィーンフィルタ、もしくは二次電子または反射電子の持つエネルギーに対して 障壁となるような電位を生じさせることのできる電極を備えた電位阻止型のエネルギ 一フィルタを具備した電子検出器であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
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