JPH0521547A

JPH0521547A - 荷電ビーム装置

Info

Publication number: JPH0521547A
Application number: JP3170141A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nakazawa; 和広中沢; Akio Ito; 昭夫伊藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-07-10
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1993-01-29

Abstract

(57)【要約】【目的】大規模半導体集積回路の試験や不良解析のた
めに試料の電圧を測定する電子ビームテスタ等の荷電ビ
ーム装置に関し、エネルギ分析器と２次電子検出器の間
に偏向器を設けた荷電ビーム装置を提供することを目的
とする。【構成】２次電子検出器７と分析グリッド６１を含む
エネルギ分析器との間に、電磁界複合型偏向器１１が設
けられる。電磁界複合型偏向器１１は１次電子ビームは
直進させ、２次電子のみ偏向して２次電子検出器７に到
達させる。２次電子はエネルギ分析後に電磁界複合型偏
向器１１に入射されるから、エネルギ分析と２次電子の
偏向を互いに独立してできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は荷電ビーム装置に係り、
特に大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）の試験や不良解析
のために試料の電圧を測定する電子ビームテスタ等の荷
電ビーム装置に関する。

【０００２】荷電ビーム装置は、半導体集積回路等の試
料に荷電ビーム、例えば電子ビームを照射したときに、
試料表面から放出される２次電子が試料の電子ビーム照
射面の電位の影響を受ける（電位が低いときには高エネ
ルギー、高いときには低エネルギー）ので、逆にこの２
次電子のエネルギーを検出及び分析することで試料の電
子ビーム照射面の電位（例えばＬＳＩの内部配線の電
圧）を測定することができる。かかる荷電ビーム装置で
は、２次電子を簡単な構造で効率良く検出することが必
要とされる。

【０００３】

【従来の技術】図４は従来の荷電ビーム装置の一例の構
成図を示す。電子銃１は電子ビームを発生する。電子銃
１の電子ビーム進行方向に、コンデンサレンズ２，リフ
レクタグリッド３及び対物レンズ４が夫々設けられてい
る。コンデンサレンズ２は電子ビームを収束するための
レンズ、リフレクタグリッド３は２次電子がコンデンサ
レンズ２側へ反射されるのを防止するためのグリッドで
ある。また、対物レンズ４は電子ビームをＬＳＩ等の試
料５の表面上に結像させるためのレンズである。

【０００４】対物レンズ４は概略中空円筒状で、その中
空内部には、減速電界型のエネルギ分析器６が配設され
ている。エネルギ分析器６は電子銃１側から試料５方向
へ向かって順に配列された分析グリッド６１，バッファ
グリッド６２及び引出グリッド６３からなる。また、リ
フレクタグリッド３と対物レンズ４の間の所定位置に
は、光電子増倍管（ＰＭＴ）その他からなる２次電子検
出器７が設けられている。

【０００５】かかる構成の荷電ビーム装置は電子ビーム
テスタと称され、ＬＳＩ等の試料５の電位を測定する。
すなわち、電子銃１から放射された電子ビーム（１次電
子）Ｉは、コンデンサレンズ２で収束され、リフレクタ
グリッド３の中央の孔を通り、更に分析グリッド６１，
バッファグリッド６２及び引出グリッド６３の各孔を通
過し、かつ、対物レンズ４により収束され、試料５の表
面に焦点一致して照射される。

【０００６】すると、試料５の表面から２次電子IIが放
射される。この２次電子はIIに示す如く、引出グリッド
６３で引上げられ、バッファグリッド６２で軌道が修正
され、分析グリッド６１を通してリフレクタグリッド３
で軌道を更に修正されて２次電子検出器７に入射され
る。ここで、分析グリッド６１の電圧（分析電圧）を掃
引することで一定値以上のエネルギを持つ２次電子のみ
が２次電子検出器７に到達するようにし、結果として図
５に示す如き２次電子のエネルギ分布（このエネルギ分
布のシフトが試料５の電圧変化に対応する）を積分した
形の分布曲線が得られる。

【０００７】図５において、横軸は分析グリッド６１に
印加される分析電圧Ｖ_R，縦軸は２次電子検出器７で検
出される２次電子の検出計数値Ｓを示している。前記従
来装置では、図５に示す検出電子数ＳがIII で示す一定
値になるように分析電圧をシフトさせたときに得られる
分析電圧Ｖ_R1とＶ_R2との差（分析電圧の変化量）を、試
料５の電子ビーム照射面の電圧Ｖ₁とＶ₂の変化として
測定する。この測定電圧の変化が所定値以上あるか否か
等により、試料５の試験や不良解析ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
装置では、エネルギ分析の精度向上を目的として、２次
電子IIを分析グリッド６１の減速電界に垂直に入射する
ようバッファグリッド６２で２次電子IIの平行化を図っ
ているが、図６に示す如く、試料５の表面から放出され
た２次電子IIのうち、対物レンズ４による電磁界の軸対
称性のため、１次電子ビームＩの光軸付近を通らない２
次電子は例えばIIａで示す如き軌道を描いて２次電子検
出器７で検出されるのに対し、上記光軸付近を通る２次
電子は例えばIIｂで示す如き軌道を描き、２次電子検出
器７に到達することなく側壁に吸収されたり、試料５方
向に戻ってしまい、検出効率が悪かった。なお、上記の
電磁界を非対称とすることも考えられるが、その場合に
は１次電子ビームが試料５方向へ直進できず問題であ
る。

【０００９】そこで、従来より、エネルギ分析器６と試
料５との間の電子ビーム光路中に、磁界と電界を互いに
垂直方向に発生させる偏向器を設け、その偏向作用が１
次電子ビームに対しては互いに相殺するようにその強度
比を調整し、２次電子のみに対して任意の大きさの偏向
作用を与えられるようにした荷電ビーム装置が知られて
いる（特開平１−２６４１５８号公報）。

【００１０】しかるに、この従来装置は２次電子の検出
効率は向上するが、その反面、エネルギ分析を行なう以
前の２次電子に対して偏向を行ない、かつ、電圧測定精
度を損なわないためには、偏向された２次電子が常に分
析グリッドに垂直に入射するように、分析グリッドは半
球状の構造としなければならず、また２次電子は分析グ
リッドの半球の中心に焦点を結ばなければならず設計
上、制約がある。

【００１１】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
エネルギ分析器と２次電子検出器との間に偏向器を設け
ることにより、上記の課題を解決した荷電ビーム装置を
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
荷電ビームをエネルギ分析器及び対物レンズを通して試
料の表面に照射してその照射面から２次電子を放出さ
せ、２次電子を前記エネルギ分析器によりエネルギ分析
した後、検出器に入射させて試料の荷電ビーム照射面の
電圧を測定する荷電ビーム装置において、前記エネルギ
分析器内の分析グリッドと前記検出器との間に、前記２
次電子に対してのみ偏向作用を有する電磁界複合型偏向
器を設け、電磁界複合型偏向器により偏向された２次電
子を前記検出器に入射させるよう構成したものである。

【００１３】また、請求項２記載の発明では、前記分析
グリッドの印加電圧値に応じて、前記電磁界複合型偏向
器の電界と磁界の各強度を夫々調整する調整手段を有す
るようにしたものである。

【００１４】

【作用】請求項１記載の発明では、分析グリッドと検出
器との間に設けられた電磁界複合型偏向器は図１に示す
如き作用をする。すなわち、図１（Ａ），（Ｂ）に夫々
示す如く、電磁界複合型偏向器は、磁界Ｂと電界Ｅとを
それらの方向が互いに直交するように発生し、その電界
及び磁界中を図６（Ａ）に示す如く１次荷電ビームが上
から下方向へ通過すると、その１次荷電ビームに対して
磁界Ｂによる力Ｆ _Bが、磁界Ｂの方向と１次荷電ビーム
の進行方向のいずれにも直交する方向に働き、かつ、電
界Ｅによる力Ｆ_Eが、電界Ｅの方向と反対方向に働く。

【００１５】ここで、上記の力Ｆ_BとＦ_Eは図１（Ａ）
に示す如く互いに反対方向に発生するので、それらの力
Ｆ_B及びＦ_Eが等しくなるように予め磁界Ｂと電界Ｅの
大きさを定めておくことにより、力Ｆ_B及びＦ_Eは互い
に打ち消し合う。このため、１次荷電ビームは図１
（Ａ）に示す如く電磁界複合型偏向器による磁界Ｂ及び
電界Ｅ中を、偏向されることなく直進して分析グリッド
６１に入射される。

【００１６】これに対し、２次電子は分析グリッド６１
によりエネルギ分析された後、図１（Ｂ）に示す如く電
磁界複合型偏向器による磁界Ｂ及び電界Ｅ中を下から上
方向へ通過する。この時、２次電子に対して電界Ｅによ
る力Ｆ_Eが、前記１次荷電ビームに対するときと同様に
電界Ｅの方向と反対方向に働き、かつ、磁界Ｂによる力
がＦ_B’で示す如く、２次電子が前記１次荷電ビームと
反対方向に移動するので前記磁界による力Ｆ_Bと反対方
向に働く。

【００１７】このため、図１（Ｂ）に示す如く、磁界に
よる力Ｆ_B’が電界による力Ｆ_Eと同方向に発生し、２
次電子は偏向されて検出器７に入射される。このよう
に、請求項１記載の発明では、２次電子に対して分析グ
リッド６１によるエネルギ分析と偏向とを互いに独立に
行なうことができる。

【００１８】請求項２記載の発明では、電磁界複合型偏
向器の電界及び磁界の各強度が、分析グリッドの印加電
圧値に応じて可変調整されるため、２次電子の電磁界複
合型偏向器による偏向角を一定に保つことができる。

【００１９】

【実施例】図２は本発明の一実施例の構成図を示す。同
図中、図４と同一構成部分には同一符号を付し、その説
明を省略する。本実施例は請求項１記載の発明の実施例
で、２次電子検出器７と分析グリッド６１との間に、電
磁界複合型偏向器１１が設けられている。電磁界複合型
偏向器１１は、互いに近接離間対向配置された一対の磁
界発生用コイル１２ａ及び１２ｂと、互いに近接離間対
向配置された一対の電界発生用電極１３ａ及び１３ｂと
からなり、磁界発生用コイル１２ａ及び１２ｂを結ぶ中
心軸と、電界発生用電極１３ａ及び１３ｂを結ぶ中心軸
とが互いに直交するように配置されており、またそれら
両中心軸の交点を一次電子ビームの光軸２０が通る位置
に設けられている。

【００２０】次に本実施例の作用について説明する。一
次電子ビームは電磁界複合型偏向器１１による電界及び
磁界中を、前記したように偏向されることなく直進し、
更に分析グリッド６１，バッファグリッド６２及び引出
グリッド６３を透過して試料５の表面に照射される。こ
れにより、試料５の電子ビーム照射面から照射面の電圧
に応じたエネルギの２次電子３０が放出される。この２
次電子３０は引出グリッド６３で引上げられ、バッファ
グリッド６２で平行化された後、分析グリッド６１に入
射されてエネルギ分析される。分析グリッド６１を通過
した２次電子３０は電磁界複合型偏向器１１による電界
及び磁界中を通る際に前記した電界及び磁界による力が
与えられて偏向され、２次電子検出器７方向へ向かい、
２次電子検出器７に到達する。

【００２１】従って、本実施例では分析グリッド６１に
は２次電子が垂直に入射してエネルギ分析を行なうこと
ができ、またエネルギ分析直後の２次電子に対して電磁
界複合型偏向器１１で偏向を加える構造であるため、分
析グリッド６１を含むエネルギ分析器は如何なる形状、
構造でも良く、しかも偏向される段階の２次電子は低速
となっており、偏向に要する電磁界も低強度のものでよ
いから、電磁界複合型偏向器１１も単純で小型の構造に
できる。

【００２２】また、本実施例では、電磁界複合型偏向器
１１の目的は単に２次電子の軌道を２次電子検出器７方
向に曲げてやることにあるため、電磁界複合型偏向器１
１では１次電子ビーム通過領域のみでその電磁界強度の
精度が要求され、一方で２次電子は電磁界複合型偏向器
１１の中心軸部を通過する必要は必ずしもない。

【００２３】図３は本発明の他の実施例のブロック図を
示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付
し、その説明を省略する。図３に示す実施例は図２に示
した実施例と同じ構造であり、電磁界複合型偏向器１１
を有しているが、磁界発生用コイル１２ａ，１２ｂ，電
界発生用電極１３ａ，１３ｂへの駆動電流、駆動電圧を
調整するようにした点に特徴がある。

【００２４】図３において、ホストコンピュータ（図示
せず）からの分析電圧数値データは分析電圧印加回路４
１を通して分析グリッド６１へ分析電圧として印加され
る一方、コイル駆動電流補正回路４２及び印加電圧補正
回路４３に夫々供給される。コイル駆動電流補正回路４
２及び印加電圧補正回路４３は、上記分析電圧が掃引さ
れることにより、２次電子の電磁界複合型偏向器（図２
の１１に相当）に入射する際の速度が変化するのに伴
い、２次電子の偏向角が変化してしまうことを防止し、
偏向角を一定に保つように磁界発生用コイル１２ａ，１
２ｂへの駆動電流と電界発生用電極１３ａ，１３ｂへの
駆動電圧の補正を夫々行なうための回路である。

【００２５】具体的には、２次電子のエネルギをＷとす
ると、コイル駆動電流補正回路４２はＩ∝√Ｗなる関係
にある駆動電流Ｉが偏向コイル電流駆動回路４４から磁
界発生用コイル１２ａ，１２ｂへ供給されるように偏向
コイル電流駆動回路４４を制御する。また、印加電圧補
正回路４３はＶ∝Ｗなる関係にある駆動電圧Ｖが平行電
極電圧印加回路４５より電界発生用電極１３ａ，１３ｂ
に印加されるように、平行電極電圧印加回路４５を制御
する。

【００２６】上記の２次電子のエネルギＷは、２次電子
の質量をｍ，電磁界複合型偏向器への入射速度をｖとす
ると（１／２）ｍｖ²で表わされ、また例えば分析電圧
Ｖ_rに適当なオフセット電圧を加えた値として設定され
る（ただしＷ＞０）。このようにして、前記偏向角は２
次電子のエネルギＷによらず一定となる。これにより、
２次電子は分析電圧を掃引しても正確に２次電子検出器
７で検出される。

【００２７】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、２次電子に対して分析グリッドによるエネルギ分析
と偏向とを互いに独立して行なうことができるため、エ
ネルギ分析器を如何なる形状、構造にもでき、しかもエ
ネルギ分析直後の２次電子は低速で、偏向に要する電磁
界も低強度のもので良いから偏向器も簡単で小型の構造
のものでよく、また請求項２記載の発明によれば、２次
電子の電磁界複合型偏向器による偏向角を一定に保つこ
とができるため、分析電圧を掃引しても２次電子検出器
へ正確に２次電子を到達させることができる等の特長を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】本発明の他の実施例のブロック図である。

【図４】従来装置の一例の構成図である。

【図５】分析曲線を示す図である。

【図６】２次電子の検出効率説明図である。

【符号の説明】

４対物レンズ５試料７２次電子検出器１１電磁界複合型偏向器１２ａ，１２ｂ磁界発生用コイル１３ａ，１３ｂ電界発生用電極４２コイル駆動電流補正回路４３印加電圧補正回路６１分析グリッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電ビームをエネルギ分析器（６）及び
対物レンズ（４）を通して試料（５）の表面に照射して
その照射面から２次電子を放出させ、該２次電子を前記
エネルギ分析器（６）によりエネルギ分析した後、検出
器（７）に入射させて試料（５）の荷電ビーム照射面の
電圧を測定する荷電ビーム装置において、前記エネルギ分析器（６）内の分析グリッド（６１）と
前記検出器（７）との間に、前記２次電子に対してのみ
偏向作用を有する電磁界複合型偏向器（１１）を設けて
なり、該電磁界複合型偏向器（１１）により偏向された２次電
子を前記検出器（７）に入射させるよう構成したことを
特徴とする荷電ビーム装置。
【請求項２】前記分析グリッド（６１）の印加電圧値
に応じて、前記電磁界複合型偏向器（１１）の電界と磁
界の各強度を夫々調整する調整手段（４２〜４５）を有
することを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム装置。