JPH03183145A - 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〕 電子ビーム装置に関し、 低周波ノイズの影響を除去して測定誤差の低減および測
定時間の短縮を図るとともに、周期変化している電圧波
形の測定では良好な周波数特性を得ることができ、さら
にＭＣＰを検出器として用いた場合でも十分に実用に供
することができる電子ビーム装置を提供することを目的
とし、試料の測定箇所に対して電子ビームを照射する照
射手段と、試料から放出される２次電子を検出し、２次
電子信号を出力する２次電子検出手段と、該２次電子信
号を信号処理して試料に関連のある物理量を測定する測
定手段と、を備えた電子ビーム装置において、前記電子
ビームをパルス化するパルス化手段と、前記２次電子検
出手段と測定手段との間に配置される信号処理手段とを
設け、該信号処理手段は、前記２次電子検出手段から出
力される２次電子信号のうち交流分のみを通過させるハ
イパスフィルタと、ハイパスフィルタの出力信号をサン
プルホールドするサンプルホールド回路と、ハイパスフ
ィルタの出力信号とサンプルホールド回路の出力信号と
の差分を出力する差動増幅器とを有し、前記測定手段は
、該差動増幅器の出力に基づいて試料に関連のある物理
量を測定するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、電子ビーム装置に係り、詳しくは、細く絞っ
た電子ビームを試料に照射し、２次電子信号を検出し、
試料の拡大画像（２次電子像）表示、線幅測定あるいは
電圧測定を行う走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子ビー
ムテスタなどに適用される電子ビーム装置に関する。

電子ビーム装置はいろいろな応用が考えられるが、典型
的には超ＬＳＩの内部動作の診断を行う電子ビーム（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａａｉ：ＥＢ）プローバとしての
用途が多く、ＢＢブローバは動作中のＬＳＩチンプ表面
に電子ビームを照射し、放出される２次電子を検出する
ことにより、ＬＳＩ内部の動作状態を診断するシステム
である。

〔従来の技術〕

従来の電子ビーム装置としては、例えば第６図に示すよ
うなものがある。同図において、ｌは電子ビーム鏡筒、
２は試料室、３は試料室２の内部に配置された試料（被
検ＩＣ）である。電子ビーム鏡筒１の電子銃から発射さ
れた電子ビームはＥＢパルスゲート４によりパルス化さ
れてＥＢパルスとして試料３に照射され、試料３の表面
から２次電子５が放出される。シンチレータ６は２次電
子５を加速・衝突させ、光信号に変換してフォトマルチ
プライヤ（光電子増倍管）７に出力し、フォトマルチプ
ライヤ７はこの光信号を電気信号〈電流信号）に変換す
る。フォトマルチプライヤ７の出力（電流信号）は電流
電圧変換器８によって電圧信号に変換され、その後、増
幅器９により増幅されるとともに、Ａ／Ｄ変換器１０に
よりＡ／Ｄ変換されて制御回路１１に出力される。Ａ／
Ｄ変換器１０はサンプリングデイレイ回路１２からのサ
ンプリングストローブ信号により規定されるタイミング
でアナログ信号をデジタル信号に変換し、その結果は制
御回路１１を介して制御計算機１３に取り込まれる。制
御回路１１は試料３から放出さる２次電子５の検出結果
に基づ＜ＩＣの動作電圧測定等のために各回路を制御す
るもので、電子ビームをＥＢパルス化するための制御信
号（ＥＢパルス制御信号）をブランキングドライバ１４
に出力するとともに、この制御信号をサンプリングデイ
レイ回路１２にも出力する。ブランキングドライバ１４
は制御回路１１からの制御信号に基づいてＥＢパルスゲ
ート４を駆動し、サンプリングデイレイ回路１２は制御
信号に基づいて前記サンプリングストローブ信号を生成
するもので、Ａ／Ｄ変換器１０のサンプリングストロー
ブ信号を発生するためにＩＩＪＩＩｌ信号（ＥＢパルス
発生信号）に一定時間の遅延を与えてＡ／Ｄ変換器１０
に出力する。制御計算機１３はＡ／Ｄ変換器１０の出力
結果に基づいて２次電子像の表示あるいは電圧測定など
の処理を行う。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の電子ビーム装置にあっ
ては、２次電子信号の増幅過程においてすべてＤＣ増幅
器が使用されていたため、以下の問題点があった。

（１）低周波ノイズ、特に電源周波数ノイズが混入し易
く、２次電子像に縞！！様が現れ、細部の観測が困難と
なる。また、線幅測定や電圧測定においては、測定誤差
の増大や測定時間の増加を招く結果となる。

（ｎ）周期変化している電圧波形の測定では、高い繰り
返し周波数に対応するため、２次電子信号処理回路には
通常のＳＥＭよりも高い周波数特性が要求される。この
場合、ＤＣ増幅器では、ＤＣから１００ＭＩＩｚに及ぶ
周波数領域で平坦な特性を得ることは困難である。

（Ｉ［Ｉ）広い検出面を持ち、−様で、高い検出効率の
可能性を持つマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）など
の電子−電子増倍素子を検出器として用いた場合、ＤＣ
の高電圧に重畳されて信号が出力されるため、高い耐電
圧を持つアイソレーションアンプを介して増幅する必要
がある。

ところが、アイソレーションアンプを使用する場合、周
波数帯域はせいぜいＩＭＨ２程度に制限され、またアイ
ソレーションのためのスイッチングノイズが新たに発生
ずるといった問題があり、実用的にはほとんど使用され
ていない。

そこで本発明は、低周波ノイズの影響を除去して測定誤
差の低減および測定時間の短縮を図るとともに、周期変
化している電圧波形の測定では良好な周波数特性を得る
ことができ、さらにＭＣＰを検出器として用いた場合で
も十分に実用に供することができる電子ビーム装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による電子ビーム装置は上記目的達成のため、試
料の測定箇所に対して電子ビームを照射する照射手段と
、試料から放出される２次電子を検出し、２次電子信号
を出力する２次電子検出手段と、該２次電子信号を信号
処理して試料に関連のある物理量を測定する測定手段と
、を備えた電子ビーム装置において、前記電子ビームを
パルス化するパルス化手段と、前記２次電子検出手段と
測定手段との間に配置される信号処理手段とを設け、該
信号処理手段は、前記２次電子検出手段から出力される
２次電子信号のうち交流分のみを通過させるハイパスフ
ィルタと、ハイパスフィルタの出力信号をサンプルホー
ルドするサンプルホールド回路と、ハイパスフィルタの
出力信号とサンプルホールド回路の出力信号との差分を
出力する差動増幅器とを有し、前記測定手段は、該差動
増幅器の出力に基づいて試料に関連のある物理量を測定
するように構成している。

〔作用〕

本発明では、電子ビームがパルス化されて試料に照射さ
れるとともに、２次電子信号のうちのハイパスフィルタ
を通過した信号成分と、ハイパスフィルタの出力信号を
サンプルホールドした信号成分との差分が求められ、該
差分に基づいて試料に関連のある物理量が測定される。

したがって低周波ノイズの影響を除去しつつＤＣ戒分の
復元が可能となり、測定誤差の低減および測定時間の短
縮が図られるとともに、周期変化している電圧波形の測
定でも良好な周波数特性を得ることができ、さらにＭＣ
Ｐを検出器として用いた場合でも十分に実用に供するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１〜４図は本発明に係る電子ビーム装置の一実施例を
示す図である０本実施例の説明に当り、従来例と同−構
成部分には同一番号を符して重複説明を省略する。第１
図において、電流電圧変換器８の後段側にはハイパスフ
ィルタ２１．サンプルホールド回路２２および差動増幅
器２３が設けられており、これらは信号処理手段２４を
構成している。

信号処理手段２４の具体的回路は第２図のように示され
、電流電圧変換器８はオペアンプＯＰＩ　、　Ｏ２０お
よび抵抗Ｒｚ　、Ｒ３により構成される。また、ハイパ
スフィルタ２１としてはコンデンサＣ１が用いられ、プ
リアンプ（フォトマルチプライヤ７〉に続く１段目の増
幅器としての電流電圧変換器８の出力をＡＣ結合して差
動増幅器２３に送る構成となっている。なお、ＲＩは抵
抗である。したがって、電流電圧変換器８の出力はコン
デンサＣ１により低周波成分（例えば、低周波ノイズ）
がカントされ、２段目の差動増幅器２３の手入力端子と
サンプルホールド回路２２に入力される。サンプルホー
ルド回路２２にはＥＢパルス制御信号がストローブ信号
として入力され、サンプルホールド回路２２はこのスト
ローブ信号のタイミングで人力される２次電子信号をサ
ンプルホールドし、ホールド信号を差動増幅器２３の一
入力端子に出力する。差動増幅器２３は各入力信号の差
分をＡ／Ｄ変換器１０に出力する。Ａ／Ｄ変換器１０は
この差分信号をＡ／Ｄ変換し、制御計算機１３はＡ／Ｄ
変換器１０の出力結果に基づいて２次電子像の表示や電
圧測定のための処理を行う。その他は従来例と同様であ
る。

本実施例では、ＥＢパルスゲート４およびブランキング
ドライバ１４は電子ビームをパルス化するパルス化手段
３１を構成し、電子銃を含む電子ビーム鏡筒１は照射手
段３２を構成する。また、シンチレータ６およびフォト
マルチプライヤ７および電流電圧変換器８は２次電子検
出手段３３を構成し、サンプリングデイレイ回路１２、
Ａ／Ｄ変換器１０、制御回路１１および制御計算機１３
は測定手段３４を構成する。

次に、作用を説明する。

測定シーケンスは次の通りである。例えば、試料３の信
号電圧の測定を行う場合は、まず、制御用計算機１３で
発生したテストベクトルをＩＣドライバ（図示路）にダ
ウンロードし、同時に照射手段３２、パルス化手段３１
．２次電子検出手段３３および測定手段３４を初期化す
る。次いで、テストベクトルに従ってテストパターンを
繰り返し発生し、テストパターンの開始タイミングを示
すトリガ信号を試料３　（すなわち、ＤＵＴ　：　　ｄ
ｅｖｉｃｅ　ｕｎｄｅｒｔｅｓｔ　（テストデバイス）
〉を駆動するためのクロンク信号を試料３に供給する。

その後、２次電子検出手段３３により２次電子を検出し
、これを信号処理手段２４で信号処理した後、測定手段
３４で試料３の信号電圧の測定が行われる。

ここで、本実施例では前述の問題点を解決するため、２
次電子信号処理回路の増幅器として、ハイパスフィルタ
２１を含めたＡＣ結合増幅器を使用することで、ノイズ
の影響を除去することとしているが、この効果を得るに
際して２次電子像表示の場合に水平方向に関する微分効
果という不具合が生じる。したがって、かかる微分効果
を除くため、交流成分のみの信号からＤＣオフセント信
号を復元する手段としてサンプルホールド回路２２を設
けている。また、ＡＣ結合増幅器でも２次電子信号を増
幅可能とするために、通常のＳＥＭで使用している連続
ＥＢに代わり、電子ビームをパルス化してパルスＥＢを
常に使用することとし、これにより、２次電子信号をパ
ルス信号としてＡＣ結合増幅器でも増幅可能な信号にし
ている。

ところで、ＡＣ増幅器を用いる場合、次の問題がある。

すなわち、パルス化された２次電子信号で意味のある信
号成分はパルスの高さであるが、このままではパルス２
次電子信号のオフセット分くパルスの立ち上がり基準レ
ベル〉は、フローティングになり、現在の基準レベルが
以前のパルス高さやパルス信号のデユーティにより影響
される。

例えば、連続ＥＢによる２次電子信号をＤＣ増幅したと
き第３図に示すような２次電子信号（ＤＣ増幅信号）が
観測される場合、ＡＣ増幅器では、ＤＣ威分がカントさ
れるため、同図にＡＣ増幅信号として示すよ゛うに観測
される波形は歪んでしまう。

そこで、電子ビームをパルス化したパルスＥＢにより、
２次電子信号をパルス状信号にすると、第４図にＡＣ増
幅信号として示すようにパルス部分についてはその周波
数スペクトルが高くなり、その高さは第４図に示すよう
なりＣ増幅信号と同じになる。しかし、このパルスのピ
ーク値のサンプリングデータを結ぶ信号のプロファイル
は、やはり、もとの信号を微分した形になってしまう。

この状況を２次電子像表示にあてはめると、ＬＳＩの配
線パターンの明暗像は水平方向に関し、エツジ部分で微
分されてしまう。また、水平方向にのびた配線パターン
の境界はほとんど識別できなくなってしまう。

そこで、本実施例では２次電子信号の各パルスの立ち上
がり直前（第４図に示すサンプルホールドタイミング）
のレベルをホールドするサンプルホールド回路２２を設
け、このホールドされたレベルを基準に２次電子信号パ
ルスが立ち上がるようにし、もとの２次電子信号とサン
プルホールド出力の差動増幅を差動増幅器２３により行
うこととしている。こうすると、パルス信号のピーク値
は、ＤＣ増幅信号上にすべてかさなり、ＤＣｔｃ分の復
元が可能となる。

なお、ＥＢパルスの発生周波数は、種々の応用を考えた
場合でも数ＩＱｋｆｌｚ以上であるため、ＡＣ結合増幅
器のカットオフ周波数を数ｋＨｚ＝１０ｋＨｚに設定し
ても、その信号成分を失うことはなく、その一方で、電
源周波数ノイズに起因する高調波ノイズはハイパスフィ
ルタ２１によりほとんど除去することができる。

信号処理手段２４の具体的動作を上述の観点から述べる
と、サンプルホールド回路２２には、制御回路１１から
ＥＢパルス発生制御信号がストローブ信号として入力さ
れ、このストローブ信号のタイミング、すなわちＥＢパ
ルス発生のタイミングで、ハイパスフィルタ２１により
ノイズの除去された入力２次電子信号がホールドされ、
一定時間（例えば１鮎）電圧が保持される。この場合の
各部の信号の変化は第２図に示される。ハイパスフィル
タ２１を通過した信号（ノードＮｌにおける信号）では
、パルス信号の基準レベルは、各パルスごとに異なり、
パルス高さが同じでも、パルススピーク値は一定でない
。これに対し、サンプルホールド信号とハイパスフィル
タ出力信号の差動増幅出力は常にパルス信号の立ち上が
り時点のレベルをリファレンスとしているため、パルス
高さとパルスのピーク値は一致する。そこで、差動増幅
器２３の出力信号を２次電子信号が最大となるタイミン
グでサンプリングしてＡ／Ｄ変換すれば、前節で述べた
問題点が解決される。

すなわち、低周波ノイズの影響を除去して測定誤差の低
減を図ることができるとともに、ノイズの影響がないの
で、細部の観測も容易であるから、結果的に測定時間を
短縮することができる。また、周期変化している電圧波
形の測定では良好な周波数特性を得ることができ、測定
性能が向上する。

次に、第５図は本発明の他の実施例を示す図であり、本
実施例は２次電子検出手段としてＭＣＰ４１を用い、そ
の出力電流信号をＡＣ結合増幅器に人力するものである
。すなわち、２次電子５はＭＣＰ４１により検出され、
ＭＣＰ４１の図中下端面には＋１００Ｖが、上端面には
＋１ｋＶが印加されている。２次電子信号はＤＣの高電
圧（＋１ｋＶ）に重畳されて出力され、ＡＣ結合のため
のアイソレーションコンデンサ４２を介して増幅器４３
に送られて増幅され、その後、第２図のノードＮ、に接
続される。なお、増幅器４３はオペアンプＯＰ、および
抵抗Ｒ５、Ｒ，からなり、またＲ４は抵抗である。本実
施例では、ＭＣＰ４２に印加された高電圧はアイソレー
ションコンデンサ４２によりカントされるとともに、こ
のコンデンサ４２がハイパスフィルタとしての機能も有
し、ノイズ成分も除去されてノードＮ、に送られる。し
たがって、いわゆるアイソレーションアンプを用いる必
要がなく、従来の問題点で述べたような課題、すなわち
周波数帯域の制限やアイソレージシンのためのスイッチ
ングノイズの影響を解決することができ、ＭＣＰ４１を
検出器として用いて十分に実用に供することができる。

また、２次電子信号の処理の高速化も容易になるという
利点がある。

なお、本発明の適用はＳＥＭ、−電子ビームテスタ等に
限らず、２次電子信号を信号処理して試料に関連のある
物理量を得ようとするものには全てに適用が可能である
。

〔発明の効果〕

本発明よれば、低周波ノイズの影響を除去することがで
き、測定誤差の低減および測定時間の短縮を図ることが
できるとともに、周期変化している電圧波形の測定では
良好な周波数特性を得ることができ、さらにＭＣＰを検
出器として用いた場合でも十分に実用に供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明に係る電子ビーム装置の−実施例を
示す図であり、 第１図はそのブロック構成図、 第２図はその信号処理手段の回路図、 第３図はその増幅信号の波形を示す図、第４図はそのサ
ンプルホールドを説明するための波形を示す図、 第５図は本発明に係る電子ビーム装置の他の実施例の要
部の構成図、 第６図は従来の電子ビーム装置のブロック構成図である
。 ｌ・・・・・・電子ビーム鏡筒、 ２・・・・・・試料室、 ３・・・・・・試料、 ４・・・・・・ＥＢパルスゲート、 ５・・・・・・２次電子、 ６・・・・・・シンチレータ、 ７・・・・・・フォトマルチプライヤ、８・・・・・・
電流電圧変換器、 １０・・・・・・Ａ／Ｄ変換器、 １１・・・・・・制御回路、 １２・・・・・・サンプリングデイレイ回路、１３・・
・・・・制御計算機、 １４・・・・・・ブランキングドライバ、２１・・・・
・・ハイパスフィルタ、 ２２・・・・・・サンプルホールド回路、２３・・・・
・・差動増幅器、 ２４・・・・・・信号処理手段、 ３１・・・・・・パルス化手段、 ３２・・・・・・照射手段、 ３３・・・・・・２次電子検出手段、 ３４・・・・・・測定手段、 ４１・・・・・・ＭＣＰ　（２次電子検出手段〉、４２
・・・・・・アイソレーションコンデンサ（ハイパスフ
ィルタ〉、 ４３・・・・・・増幅器。 ２次電子信号 一実施例の増幅信号の波形を示す図 第 図 ２次電子信号 ＡＣ増幅信号 一実施例のサンプルホールドを説明するための波形を示
す図第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料（３）の測定箇所に対して電子ビームを照射する照
   射手段（３２）と、 試料（３）から放出される２次電子を検出し、２次電子
   信号を出力する２次電子検出手段（３３、４１）と、 該２次電子信号を信号処理して試料（３）に関連のある
   物理量を測定する測定手段（３４）と、を備えた電子ビ
   ーム装置において、 前記電子ビームをパルス化するパルス化手段（３１）と
   、 前記２次電子検出手段（３３、４１）と測定手段（３４
   ）との間に配置される信号処理手段２４とを設け、 該信号処理手段（２４）は、前記２次電子検出手段（３
   ３、４１）から出力される２次電子信号のうち交流分の
   みを通過させるハイパスフィルタ（２１、４２）と、ハ
   イパスフィルタ（２１、４２）の出力信号をサンプルホ
   ールドするサンプルホールド回路（２２）と、ハイパス
   フィルタ（２１、４２）の出力信号とサンプルホールド
   回路（２２）の出力信号との差分を出力する差動増幅器
   （２３）とを有し、前記測定手段（３４）は、該差動増
   幅器（２３）の出力に基づいて試料（３）に関連のある
   物理量を測定するように構成したことを特徴とする電子
   ビーム装置。