JPH01240877A - 電子ビーム装置 - 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】 〔概　要〕 半導体装置内部の動作状態を観測する電子ビーム装置に
関し、 高精度電圧測定領域の拡大を目的とし、電子ビームを試
料表面の所定位置に投射する対物レンズの内部に、試料
側には２次電子引出しグリッドを、また他方には２次電
子を減速してそのエネルギを分析する分析グリッドを、
いずれも平面メツシュ状に備え才なる電子ビーム装置に
おいて、試料表面と分析グリッド間の対物レンズ磁界分
布が２個の極大値を有する如くに構成する。

また試料表面と分析グリッドの間に分布する対物レンズ
磁界を、２次電子に対しては２個のレンズとして機能し
、また第１のレンズの一方の焦点は試料表面に一致し、
他方の焦点は第２のレンズの焦点に一致するように設定
し、試料表面光軸外にある測定点より放出される２次電
子が上記分析グリッドに垂直に入射するように構成する
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置内部の動作状態を観測する電子ビー
ム装置に係り、特に高精度電圧測定領域の拡大を図った
電子ビーム装置に関する。

一般に、電子ビーム装置における２次電子のエネルギ分
析器は試料に近接して設けることが望ましいが、電子ビ
ーム鏡筒は高倍率化のため対物レンズのワーキングデイ
スタンスを短くする必要があり、通常エネルギ分析器を
対物レンズ内または電子ビーム源側の対物レンズの外側
に設ける。

この内封物レンズの外側に設けるエネルギ分析器の場合
、エネルギ分析を行う分析グリッドの形式には半球状の
グリッドを有するものと平面状のグリッドを有するもの
があり、前者は分析精度は良いがレンズ上方に大きいス
ペースを必要とするため装置構成上の障害があり、後者
は小型化は容易であるが２次電子が分析グリッドに斜め
入射するため分析精度が悪いという欠点がある。

そこで分析精度を落とすことなく平面状グリッドが使用
できる電子ビーム装置の開発が望まれている。

〔従来の技術〕

第３図は従来の電子ビーム装置におけるエネルギ分析器
の構成を示した図であり、第４図はエネルギ分析器内の
２次電子軌道とエネルギ分析誤差を説明する図である。

第３図で、１はその内部に分析グリッド２と引出しグリ
ッド３を配設した対物レンズであり、実線で示す４は図
示されていない電子銃等の電子ビーム源から矢示方向に
射出された電子ビーム、５は半導体ウェハ等の試料、−
点鎖線で示す６は上記電子ビーム４によって該試料５０
表面から放出した２次電子、７は該２次電子６のエネル
ギを検出する２次電子検出器である。

図で、電子ビーム源から射出し上記対物レンズ１で収束
された電子ビーム４は、試料５の表面所定位置Ｓ点をス
ポット照射するように構成されている。

そこで電子ビーム４を試料５の表面Ｓ点に照射しながら
上記対物レンズ１の試料面に近い方に配設された平面メ
ッシュ状の引出しグリッド３に数１００■の正電位を印
加すると、上記試料５の表面スポット照射位置Ｓ点から
２次電子６が引き出される。この引き出され　２次電子
６は該引出しグリッド３の網目を通過して図面上方に向
かい、対物レンズ１の電子ビーム源側に設けられた同様
なメツシュ状の分析グリッド２に達するが、この部分で
は該分析グリッド２の電圧以上のエネルギを有する２次
電子のみが網目を通過して２次電子検出器７に補足され
るので、該２次電子検出器７によるエネルギの検出と分
析を可能としている。

なお、１ａは対物レンズ１に設けられた１個所の磁気ギ
ャップであり、放出２次電子に対して収束作用をなすも
のである。

第４図で、（ａ）は対物レンズの磁界分布を示し、（ｂ
）は２次電子軌道をまた（ｃ）はエネルギ分析特性の一
例を示した図である。

縦軸に試料面から電子ビーム源方向にとった距離Ｚを、
また横軸に各距離における磁束密度Ｂｚをとった対物レ
ンズの磁界分布を示す図（ａ）で、試料表面からの距離
Ｚ　（ｍｍ）に対する対物レンズ軸上の磁束密度Ｂｚは
、上記の磁気ギャップ１８部分に極大値を持つ図示の如
き形状を呈する。

この場合、試料面から放出する２次電子は、かかるレン
ズ磁界と引出しグリッドおよび分析グリッドのそれぞれ
の電位に基づいて生ずる静電界の重畳された空間を走行
することによって、図（ｂ）に示す２次電子軌道を描く
。

すなわち図（ｂ）で、実線で示す■は対物レンズ軸上の
８点から放出された２次電子軌道をまた■は軸外Ｓ°点
から放出された２次電子軌道を示したもので、共に５ｅ
Ｖの２次電子がα−〇〜８０°の角度で放出される場合
を例示したものである。

この際、軸上から放出する■の場合は分析グリッドへの
入射角を軸に対してＯ±５°程度に抑えることが可能で
あるが、■の場合には２次電子軌道が例えば図示の如く
軸に対してβの傾きを持つため分析グリッドに対する入
射角はβ±５°となる。

従って軸外にある測定点Ｓ“に対しては、２次電子の分
析グリッドに対する垂直速度成分が小さくなり、本来通
過できる２次電子が通過できなくなってエネルギ分析結
果に誤差を生ずる。すなわち高精度電圧測定可能領域が
極端に小さくなることになる。

また縦軸に二次電子検出信号を、横軸に減速電圧Ｖ　Ｒ
Ｔ　ｍをとったエネルギ分析特性を示す図（Ｃ）で、分
析グリッドで減速電圧ＶＲＴ（Ｖ）を変化させると理想
的にはα＝０６　（軸上）で示される２次電子信号出力
が得られるが、従来のエネルギ分析器では測定点が軸上
にある場合と軸外にある場合で分析特性に大きなずれを
生ずる。測定点によって生ずる電圧測定誤差δＶＲＴは
、図では約３■に達することを示している。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の構成になるエネルギ分析器を用いた電子ビーム装
置では、光軸上の測定点か、ら放出される２次電子は分
析グリッドへの入射角が小さいため測定精度がよいが、
光軸外の測定点から放出される２次電子は対物レンズの
磁界による収束作用（レンズ作用）を受けて分析グリッ
ドへ斜めに入射するため入射角が大きくなって測定精度
が低下する等、測定点の位置によってエネルギの測定に
誤差を生ずると云う問題があった。

〔課題を解決する手段〕

上記問題点は、電子ビームを試料表面の所定位置に投射
する対物レンズの内部に、試料側には２次電子引出しグ
リッドを、また他方には２次電子を減速してそのエネル
ギを分析する分析グリッドを、いずれも平面メツシュ状
に備えてなる電子ビーム装置において、試料表面と分析
グリッド間の対物レンズ磁界分布が２個の極大値を有す
る電子ビーム装置によって解決される。

また試料表面と分析グリッドの間に分布する対物レンズ
磁界を、２次電子に対しては２個のレンズとして機能し
、また第１のレンズの一方の焦点は試料表面に一致し、
他方の焦点は第２のレンズの焦点に一致するように設定
し、試料表面光軸外にある測定点より放出される２次電
子が上記分析グリッドに垂直に入射する電子ビーム装置
によって解決される。

〔作　用〕

電子銃等電子ビーム源からの電子ビームを対物レンズを
経て試料表面に投射したときに該試料表面から放出する
２次電子のエネルギを分析することによって試料の各部
の電位を調べる従来の電子ビーム装置では、２次電子放
出部位の局所電界によって放出角αが変化しその結果分
析グリッドに対する垂直速度成分が変化してエネルギ分
析誤差を生ずる。またこの誤差を小さく抑えるために２
次電子の流れを平行化して放出角依存性を小さくすると
、必然的に高精度測定可能領域が極端に小さくなる。

他方、一般に焦点位置を共有する２個のレンズ系では、
垂直入射電子は垂直に出射することが知られている。

そこで試料表面と分析グリッドの間に分布する対物レン
ズ磁界を、２次電子に対しては実質的に２個のレンズと
して機能するように設定し各焦点距離を最適条件に合わ
せると、軸外放出の２次電子の分析グリッドへの入射角
を常にほぼＯとすることが可能となり、高精度測定可能
９■域を拡大することができる。

特に２次電子に対して実質的に２個のレンズ系として機
能する磁界分布は、対物レンズの磁気回路に通常１個の
み設けている磁気ギャップを２個にし、試料表面と分析
グリッドの間に対物レンズ磁界分布の極大領域を２個所
形成することによって容易に実現することができる。

従って本発明では１．対物レンズに２個所の磁気ギヤツ
ブを設けることによって軸外放出の２次電子の分析グリ
ッドへの入射角を常にほぼＯとすることを実現している
。

〔実施例〕

第１図は本発明になる電子ビーム装置でのエネルギ分析
器の実施例を示す図であり（ａ）は構成図をまた（ｂ）
は磁界分布を表わしている。

また第２図は２次電子軌道とエネルギ分析誤差を説明す
る図である。

第１図（ａ）　、　（ｂ）で、内部に分析グリッド２と
引出しグリッド３を配設した対物レンズ１０には第１の
ギャップ１０ａと第２のギャップ１０ｂが予め設定され
た距離だけ離れて設けられている。また４は図示されて
いない電子ビーム源から射出された電子ビーム、５は半
導体ウェハ等の試料、　１１は上記電子ビーム４によっ
て該試料５の表面から放出した２次電子、７は該２次電
子１１のエネルギを検出する２次電子検出器である。

図で、電子ビーム源から射出し上記対物レンズ１０で収
束された電子ビーム４が、試料５の表面所定位置Ｓ点を
スポット照射するように構成されていることは、第３図
記載の場合と同様である。

この場合対物レンズ１０は、ＩＫｅν程度の電子ビーム
源からの電子ビーム４に対しては単一のレンズとして機
能し、引出しグリッド３によって数１００　ｅＶに加速
された２次電子に対してはそのエネルギの違いによって
２個のレンズとして作用する。

すなわち、縦軸に試料面から電子ビーム源方向にとった
距離Ｚを、また横軸に各距離における磁束密度Ｂｚをと
った対物レンズの磁界分布を示す図（ｂ）で、試料表面
からの距離Ｚ　（ｍｍ）に対する対物レンズ軸上の磁束
密度Ｂｚは、上記の磁気ギャップ１０ａ部分に第１のレ
ンズ領域Ｌ１をまたｌＯｂ部分に第２のレンズ領域Ｌ２
をそれぞれ１】大値とする形状を呈する。

この場合、試料面から放出する２次電子は、かかるレン
ズ磁界と引出しグリッドおよび分析グリッドのそれぞれ
の電位に基づいて生ずる静電界の重畳された空間を走行
することによって、第２図（ａ）に示す２次電子の軌道
を描く。

第２図（ａ）で、実線で示す■は対物レンズ軸上の８点
から放出された２次電子軌道をまた■は軸外Ｓ“点から
放出された２次電子軌道を示したもので、共に５ｅＶの
２次電子がα−０〜８０”の角度で放出される場合を例
示したものであることは第４図の場合と同様である。

ここで、特に第１のレンズ領域Ｌ１の試料側焦点を試料
表面の８点に合わせ且つ電子ビーム源側の焦点位置拍杢
と第２のレンズ領域Ｌ２の試料側の焦点位置理学をＰ点
に合致させるように配置する。

この場合には、試料表面の光軸上の測定点Ｓがら引出さ
れる２次電子は第１のレンズで平行ビームとなって光軸
に沿って進みそのまま分析グリッド２に垂直に入射し、
また光軸外の測定点Ｓ′から引出される２次電子は第１
のレンズでＰ点を通る平行ビームとなった後第２のレン
ズで光軸と平行になって分析グリッド２に垂直に入射す
る。

従って、軸外放出の２次電子の分析グリッドへの入射角
を常にほぼＯとすることができるために高精度測定可能
領域の拡大が実現できる。

また第３図（ｃ）同様のエネルギ分析特性を示す図（ｂ
）では、測定点毎のエネルギ分析特性曲線がほぼ同一線
上に重なっており、測定点の違いによって生ずる電圧測
定誤差がほぼ解消されていることを示している。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明により、試料の広範囲にわたって高精
度の電圧測定ができる電子ビーム装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる電子ビーム装置でのエネルギ分析
器の実施例を示す図、 第２図は２次電子軌道とエネルギ分析誤差を説明する図
、 第３図は従来の電子ビーム装置におけるエネルギ分析器
の構成を示した図、 第４図はエネルギ分析器内の２次電子軌道とエネルギ分
析誤差を説明する図、 である。図において、 ２は分析グリッド、　３は引出しグリ・ノド、４は電子
ビーム、　　　５は試料、 ７は２次電子検出器、１０は対物レンズ、１０ａは第１
のギャップ、 １０ｂは第２のギャップ、 １１は２次電子、 をそれぞれ表わす。 （刀　　　　　　　（しっ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子ビームを試料表面の所定位置に投射する対物
   レンズの内部に、試料側には２次電子引出しグリッドを
   、また他方には２次電子を減速してそのエネルギを分析
   する分析グリッドを、いずれも平面メッシュ状に備えて
   なる電子ビーム装置において、 試料表面と分析グリッド間の対物レンズ磁界分布が２個
   の極大値を有することを特徴とする電子ビーム装置。
2. （２）請求項１記載の電子ビーム装置において、試料表
   面と分析グリッドの間に分布する対物レンズ磁界を、２
   次電子に対しては２個のレンズとして機能し、また第１
   のレンズの一方の焦点は試料表面に一致し、他方の焦点
   は第２のレンズの焦点に一致するように設定し、試料表
   面光軸外にある測定点より放出される２次電子が上記分
   析グリッドに垂直に入射することを特徴とする電子ビー
   ム装置。