JP2000348657A - 電子レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子の作成過程で、種々の目的で形成す
るアスペクト比の大きい深穴を容易に観察分析できる電
子レンズを提供する。 【解決手段】対物レンズと試料の間の空間に“虫メガ
ネ”のように作用するミニレンズ機構を挿入し、細部か
らの反射電子もしくは特性Ｘ線をエネルギ分散型検出器
によって検出することによって、所望とする深穴などを
観察する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型電子顕微鏡
等を用いて試料表面を観察、検査する場合に好適な電子
レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、表面が素子を形成するように加工
されているか、あるいは全く加工されていない場合でも
半導体ウエハなどの試料表面の微小部を観察や検査する
には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは同様の機能
を有する電子線装置が用いられている。このような装置
で従来からある問題は、試料表面に種々の目的で形成さ
れたアスペクト比の大きい穴の観察（検査）である。

【０００３】すなわち、従来の装置では、それらの穴の
内部（側面や底）で発生する二次電子の検出効率が悪い
ため、通常の二次電子像として観察するのではなく、例
えば一次電子により励起される特性Ｘ線を、基板をとお
して斜め上方から検出するなどの方法が行われていた。
しかし、上記の方法では穴が（加工されていなかった
り、何かが堆積していたりといったことがなく）形成さ
れていることが判ったとしても、例えば穴底→基板→基
板表面加工物、といった経路でＸ線が検出器に入射する
ので、上記Ｘ線が出射する基板表面に何かがあれば穴底
との区別がつかなくなるといった問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記記載の
状況で特に半導体表面のアスペクト比（深さ／穴径）の
高い穴の観察や検査と、可能であればその深穴の内面や
底の物質の元素分析をも可能とする手段を提供するもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】人間の目で小さい物や字
を簡単に拡大して見るために虫メガネやルーペがある
が、本発明は電子線装置の中で同様の発想のもとで機能
しうる”電子虫メガネ”となる手段をハードウエア構成
として提供するものである。

【０００６】すなわち本発明の装置は、細く収束した電
子線を試料表面で走査して二次電子や反射電子などの走
査画像から観察や分析を行う電子線装置において、試料
に対して最終の収束を行う対物レンズと上記試料の間に
挿入した収束手段と偏向手段を有することを特徴とす
る。

【０００７】また、上記微小電子レンズは、本体電子線
装置の収束手段と試料との間の空間において、少なくと
も上記電子線装置の観察ないし分析する範囲を移動可能
であることを特徴とする。また、上記微小電子レンズの
代表的構成としては、３枚の電極と絶縁板および偏向手
段からなることを特徴とする。

【０００８】一般にＳＥＭのような装置では、通常の観
察視野であれば、所謂、ズーム効果などは簡単に実施で
きるため、特に何をためすまでもなく”虫メガネ”機能
は存在している。しかし、これは試料の観察視野の中心
部（電子光学軸）においてだけである。低倍率の観察で
中心から離れた周辺に注目点が存在した場合、従来装置
では倍率を上げるに従って視野から外れて行くため、上
記観察視野の中心を上記注目点に移動することなく観察
視野中心部と同様の観察を行うことは困難である。ま
た、深い穴の底から発生する二次電子の検出は困難であ
り、二次電子に代わって反射電子および特性Ｘ線を利用
する。

【０００９】しかし、本発明によれば、それら観察対象
とする穴の位置が観察視野の周辺にあったとしても、ま
さに虫メガネの如く穴の位置に本発明の”電子虫メガ
ネ”を位置合わせすることによって、その効果を発揮す
ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のおおよその実施の形態は
図１に示す。図において、１５は本発明の特徴をなす微
小電子レンズ（以下ではミニレンズという）、９はレン
ズの移動機構（図示略）に接続されるミニレンズ１５の
冷却支持構造、２０は試料、３０は対物レンズ、３１は
絞り、３２は絞り穴、３３、３４、３５はｘ偏向コイ
ル、ｙ偏向コイル、非点補正コイルである。

【００１１】ＳＥＭなどの電子線装置の対物レンズ３０
の走査範囲を、上記対物レンズ３０と試料２０間を支持
移動機構によって制御して位置決めを行えるようにした
ミニレンズ機構１５中心を、所望の試料位置に移動させ
る。

【００１２】その位置でのこのミニレンズの機能は、以
下のとおりである。

【００１３】電子線走査位置を、ミニレンズ中心そし
て穴等観察対象視野中心にフィックスした後、ミニレン
ズの偏向器８を用いて限定視野での走査を行う。特に、
アスペクト比の高い穴の内部から発生する二次電子を検
出することは非常に困難であり、ここでは反射電子をエ
ネルギ分散型検出器６を用いて検出する。

【００１４】電子線が穴に入射した後、電子線を（走
査することなく）フィックスした状態で半導体検出器な
ど、エネルギ分散型検出器を用いて反射電子に相当する
エネルギより小さいエネルギスペクトルを調べて、それ
ぞれ同定し、穴の底面や側面の状態を把握する。この操
作は、前記と同時に行って、それぞれの場所での分析
を行ってもよい。

【００１５】（実施例１）本実施例において上記ミニレ
ンズの詳細について記す。図２は図１におけるミニレン
ズ１５の詳細を示す断面図である。図において、１、
２、３は電極板、４、５はリング状の絶縁体、６はエネ
ルギ分散型検出器、８は偏向電極、７，９はミニレンズ
を移動する機構（図示せず）と接続する冷却支持構造物
である。

【００１６】本実施例のミニレンズは、それぞれ中心部
に貫通孔をもつ円盤形電極１、２、３と、それら電極間
の電気的絶縁を保つとともに機械的支持構造をもなすア
ルミナなどの絶縁物４および５からなる。

【００１７】ＳＥＭなどの本発明を適用する装置の筐体
（鏡体）が接地電位にあるとして、まずミニレンズ電極
１には一般にプラス数百ボルト以下接地電位までの電位
を、電極２には概ね接地電位ないしマイナスの電位を、
そして電極３には電極１とほぼ同電位を印加する。これ
により、もともとの対物レンズ３０の収束作用とは別
に、ミニレンズに局所的な収束作用をもたせることがで
きる。

【００１８】この電極への電位のかけかたは、もともと
のＳＥＭの加速電圧や対物レンズと試料間の形状にも依
存していて、上記のように加速―減速―加速とかける
か、減速―加速―減速とかけるかの二通りの場合が多
い。

【００１９】このミニレンズの作用効果は、対物レンズ
３０の収束作用を単に補強するだけでなく、限定視野に
おける偏向を行う偏向器８の機能を利用して（低倍率視
野の周辺部では、電子線の試料への入射角は垂直から大
分ずれているため）穴への電子線の入射角を適正にして
図１（ｂ）のように、電子線が深穴２１の底まで到達す
るように偏向する。

【００２０】一次電子線が穴の底まで到達して反射電子
もしくは特性Ｘ線が放射され、これを半導体検出器など
エネルギ分散型検出器６にて検出することによって、た
とえば図３の如く、反射電子ピークＲｂと特性Ｘ線ピー
クＸ１，Ｘ２，Ｘ３が得られ、穴の底の状態が明確に判
る。

【００２１】なお、本実施例において、ミニレンズ機構
そのものは非常に小さく軽量でもあるため、エネルギ分
散型検出器６の液体窒素温度程度の冷却支持構造７およ
び９が接続する冷却構造としては、単純な液体窒素を用
いた物から、機械的圧縮機によるもの、さらにはペルチ
エ効果を利用したものまで種々利用できる。

【００２２】なお、ミニレンズの大きさであるが、穴の
径としては一般に１〜１００μmが適当であるが、深穴
の形状によってはその範囲外であってもよい。しかし１
μm以下の穴径の電極の作成は難しい。また外径は１〜
数mm程度が扱い易い。また微細加工で一体化した方が作
成し易いし、もっとコンパクトにも作成できる。電極の
材質は非磁性体で白金（Ｐｔ）などが望ましい。

【００２３】なお、電極１、２、３で構成する静電レン
ズの代わりに、図２（ｂ）のように、電子線通路を軸中
心とするソレノイドコイル６１のみか、ソレノイドコイ
ル６１内部に軟鉄などからなる円柱状磁性体６２をもつ
電磁レンズとしてもその効果は同等である。また、偏向
手段８は、偏向電極であっても、磁界型偏向コイルであ
ってもよいが、収束手段と含めて超小型化する場合には
何れも電極型によるのが簡単である。

【００２４】（実施例２）一般に視野の周辺部では走査
された電子線は当然垂直から外れた角度で入射するた
め、深穴などに垂直に入射できないことと、焦点距離に
ズレが生ずるため、そのままの焦点では画像にボケがで
る（図４（ａ））。後者の問題は、広角で走査する電子
線装置では、ある程度常識的に知られている“ダイナミ
ックフォーカス”という手法で、偏向角が大きくなった
時に焦点距離が大きくなる方向に補正を加える（図４
（ｂ））。

【００２５】前者の問題に対しては図２の偏向手段８で
垂直に入射させるようにし、且つ焦点距離の調整を行う
（図４（ｃ））。これらのミニレンズとしての機能を発
揮するために、本実施例では以下のように操作を行う。

【００２６】図４（ｄ）に示したのはミニ電子レンズ機
構４３を用いる実施例を示す。デイスプレイを兼ねる制
御装置４１には走査型電子顕微鏡などの筐体４４中の試
料からの二次電子像が表示されている。低倍率にすると
支持移動機構９およびミニ電子レンズ機構１５の画像９
０および１５０が見える。この位置で画像１５０の中心
にカーソル４６を持っていくと、実際の電子ビームは１
５の表面の中心に入射する。さらに二次電子収量が最大
となるように偏向手段８を調整することによって、試料
に垂直に入射するようになる。

【００２７】偏向手段８の機能には、二通りあり、ここ
での機能はビーム軸中心を定める静的なものであり、そ
の後、その位置でもう一つの機能である動的な走査を行
って深穴等の目的とする試料観察を行う。

【００２８】なお、図４の４２は、制御装置４１がパー
ソナルコンピューターのようなデジタル機器である場合
に、必要とする種々のインターフェイスを示している。

【００２９】このようにして、通常観察できない深穴な
どのアスペクト比の大きいものの観察や低倍率像で周辺
にある観察対象にたいして、本来なら収差量が大きくな
る位置で分解能よくしかも深穴内部までの情報を得て観
察できるものである。

【００３０】本発明によれば、ＳＥＭなどの電子線装置
でその装置のもつ二次元的分解能とは違って、アスペク
ト比の大きな深穴の内部の観察ないし分析にあたって、
従来全く効果的な観察分析法が存在しなかったなかで、
従来の光学的な分野での“虫メガネ”や“ルーペ”のよ
うに、ＳＥＭなどの観察視野中で見たい場所に本発明の
ミニレンズ機構を位置合わせすることで容易に深穴の内
部や底の状態が知れるものである。

【００３１】深穴の観察方法として、反射電子や特性Ｘ
線を用いることは従来から行われている手法であるが、
穴径が小さくなり、なおかつ、アスペクト比の高い深穴
では反射電子や特性Ｘ線の検出は距離が離れると検出の
立体角が小さくなり、従来装置のままでは困難であるの
に対して、本発明では極めて至近距離で検出するため充
分な感度を有するものである。

【００３２】以上説明したように、深穴内部の状態が本
発明を用いることによって容易かつ明快に解析できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、深穴内部の状態やプロ
セス上の欠陥などによる何らかの付着物などを直ちに知
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念と深穴の様子を示す断面図。

【図２】本発明のミニレンズの機能と構造を示す断面
図。

【図３】エネルギ分散型検出器により検出されたフォト
ン数のスペクトル図。

【図４】本発明の実施例における偏向角と焦点距離の関
係および操作の実施例の説明図。

【符号の説明】

１，２，３…円盤型電極、４，５…円筒型絶縁板、６…
エネルギ分散型検出器、８…偏向電極、７，９…移動機
構と接続する冷却支持構造物、２０…試料、２１…深
穴、１５…ミニレンズ、３０…対物レンズ、３３，３
４，３５…ｘ，ｙ偏向コイル、非点補正コイル、３１…
絞り、３２…絞り穴。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】細く収束した電子線を試料表面で走査して
   二次電子や反射電子などの走査画像から観察や分析を行
   う電子線装置において、試料に対して最終の収束を行う
   対物レンズと上記試料の間に挿入した収束手段と偏向手
   段を有することを特徴とする微小電子レンズ。
2. 【請求項２】本体電子線装置の収束手段と試料との間の
   空間において、少なくとも上記電子線装置の観察ないし
   分析する範囲を移動可能であることを特徴とする請求項
   １に記載の微小電子レンズ。
3. 【請求項３】３枚の電極と絶縁板および偏向手段からな
   ることを特徴とする請求項１に記載の微小電子レンズ。
4. 【請求項４】電磁コイルおよび変更手段からなることを
   特徴とする請求項１に記載の微小電子レンズ。