JPH053014A - 走査型荷電粒子線顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で試料に設けられた高アスペクト
比の穴または溝の内部をも適確に観察できるようにす
る。 【構成】 粒子線源からの荷電粒子線を対物レンズの磁
場の中に配置された試料に照射して走査し、前記試料か
ら２次荷電粒子線を検出することにより試料の観察を行
なう走査型荷電粒子線顕微鏡であって、前記試料面に高
電界を印加する手段を設け、前記試料に形成された高ア
スペクト比の穴または溝の内部に下に凸型に歪んだ電界
を生じさせ、これにより前記穴または溝の内部観察をも
可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型荷電粒子線顕微
鏡に関し、特にこのような顕微鏡において、アスペクト
比の大きな穴や溝の内部をも観察可能にする技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査型電子顕微鏡のような荷電粒
子線顕微鏡が例えば半導体装置あるいは半導体装置の製
造工程中の状態を観察するために使用されている。走査
型電子顕微鏡でこのような半導体装置などの試料を観察
する場合、例えば半導体基板上に被着されたレジスト層
の穴の形成状態を調べる場合のように、試料に形成され
たアスペクト比の大きな、すなわちその幅に比較して深
さまたは奥行が深い、穴や溝の内部を観察する必要があ
る場合が存在する。

【０００３】このような場合、従来は、電子顕微鏡にお
いて試料面に強力な磁界を印加し、前記穴または溝の底
部から放出される２次電子をこの磁界によって２次電子
検出器に導く方法が試みられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
試料面に磁界を印加する方法では、試料の穴または溝の
底部から放出される２次電子がこれらの穴または溝の側
壁に衝突することなく２次電子検出器に導かれるように
するためきわめて強力な磁界を印加する必要があった。
例えば、サブミクロン幅のトレンチ（溝）の底を観察す
るためには、磁界の強度を例えば３０テスラ（３０万ガ
ウス以上）にする必要があり、このためには超伝導コイ
ルなどを使用する必要があって実用的ではないという不
都合があった。

【０００５】本発明の目的は、このような従来の手法に
おける問題点に鑑み、簡単な構造により、アスペクト比
の大きな穴または溝の底部をも適確に観察可能な走査型
荷電粒子線顕微鏡を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、粒子線源からの荷電粒子線を対物
レンズの磁場の中に配置された試料に照射して走査し、
前記試料からの２次荷電粒子線を検出することにより試
料の観察を行なう走査型荷電粒子線顕微鏡が提供され、
該顕微鏡は、前記試料表面に高電界を印加する手段を備
え、前記試料に設けられた高アスペクト比の穴または溝
の内部観察をも可能にしたことを特徴とする。

【０００７】前記高電界を印加する手段は、前記試料の
荷電粒子線入射側に配設され、正の電位を有し、外半径
が前記試料までの距離の２倍より大きくかつ内半径が前
記試料までの距離の１／２倍より小さい穴付電極とする
と好都合である。

【０００８】また、前記高電界を印加する手段は、前記
試料に負電圧を印加する手段とすることもできる。

【０００９】さらに、前記高電界を印加する手段は、観
察点近傍に配設されかつ正電圧を印加したシンチレータ
検出器とすることもできる。

【００１０】

【作用】上記構成に係わる走査型荷電粒子線顕微鏡にお
いては、被観察試料面に高電界が印加される。従って、
試料に設けられた高アスペクト比の穴または溝の内部に
おける等電位面は該穴または溝の内部で下に凸に歪んだ
形状を成す。従って、高アスペクト比の穴または溝の底
部から放出された２次電子は下に凸に歪んだ等電位面を
有する電界によって穴または溝の内側へ向う方向の弱い
力を受ける。従って、この電界がなければ穴または溝の
壁に吸収され穴などの外へ出られない角度で放出された
２次電子も穴の中央部方向に曲げられ、穴または溝の外
に出ることができ、検出電極などによって検出され信号
として寄与する。このため、高アスペクト比の穴または
溝の底あるいは側面の観察も可能となる。

【００１１】前記高電界を印加する手段として、試料の
荷電粒子線入射側に配設され、例えば正の電位が印加さ
れた穴付電極を用いることができ、この穴付電極の外半
径を前記試料までの距離の２倍より大きくしかつ穴の内
半径を前記試料までの距離の１／２倍より小さくするこ
とにより、試料表面の観察点近傍に対し十分に一様な高
電界を印加することができ、さらに試料の高アスペクト
比の穴または溝の内部に下に凸に歪んだ電界を効果的に
形成することが可能になる。

【００１２】また、前記高電界を印加する手段として、
前記試料に負電圧を印加する手段を用いた場合には、グ
ランド電位を有する電子レンズなど試料の周辺部との間
に電位差を発生することができ、従って試料に電界を加
えることができる。

【００１３】さらに、前記高電界を印加する手段として
シンチレータ検出器を用いた場合には、シンチレータ検
出器自体は通常正の電圧が印加されているため、この電
圧により試料表面に高電界を印加することができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の１実施例につ
き説明する。図１は、本発明の１実施例に係わる走査型
電子顕微鏡の概略の構成を示す。同図の電子顕微鏡は、
図示しない電子レンズから射出される電子ビームを集束
するための磁気対物レンズを構成する上極１および下極
１１を備えている。上極１は例えば円筒形の穴空き磁極
とされ、下極１１は平面磁極となっており、これらの磁
極１および１１は互いに図示しない磁性体部材によって
磁気的に連結されており、上極１と下極１１との間に磁
束３を発生させるためのコイルを有している。

【００１５】対物レンズの上極１の下端には電子ビーム
が通過する開口を備えた圧力制限アパーチャ２が設けら
れている。また、下極１１の上には試料６が置かれ、試
料６と上極１との間には例えば同心円状の検出用電極４
が配置されている。この検出用電極４には例えば６００
ボルト程度の正の高電圧が電源１２から印加されてい
る。また、この検出用電極４には直流分をカットするコ
ンデンサ１３を介して増幅器１４が接続されている。

【００１６】図１においては、試料６としては、例え
ば、半導体基板のような何らかの基板６ａ上に形成され
たレジスト層６ｂを有するものが示されている。このよ
うな試料６のレジスト層６ｂにはアスペクト比の大きな
穴あるいは溝７が設けられており、図１ではこの穴７の
部分を観察するものとしている。なお、このような試料
６が配置される資料室は例えば低圧力の気体を充填して
もよく、その場合は電極４に印加される高電圧による放
電を防止するため、例えば０．１Ｔｏｒｒ以下の気体圧
力に保つと好都合である。

【００１７】以上のような構成を有する走査型電子顕微
鏡においては、図示しない電子銃から射出された１次電
子線が圧力制限アパーチャ２の開口および検出用電極４
の開口を通り試料６に入射し、図示しない走査手段によ
って試料６の穴７の近傍が走査される。

【００１８】試料６に１次電子線が入射すると入射点か
ら２次電子が放出される。この２次電子は対物レンズ
１，１１によって形成される磁束３によってスパイラル
状に運動しながら検出用電極４に入射し、コンデンサ１
３および増幅器１４を介して出力信号として取出され
る。

【００１９】このような動作において、１次電子線が試
料６の穴７の底に入射すると、その入射点から２次電子
が放出される。この場合、検出用電極４に電源１２から
高電圧が印加されているため、試料６の近傍では図１の
５で示されるような等電位面が形成され、特に試料６の
穴７の内部空間は試料との誘電率の相違のため下に凸形
状に歪んだ等電位面となる。このため、穴７の底から放
出された２次電子は穴の中心方向へ向う力を受ける。特
に、穴７の底のレジストの残り部分のような薄い膜から
はエネルギの小さい２次電子が多く放出される。このよ
うな２次電子は電界によるレンズ作用を大きく受けるの
で、光軸から大きな角度方向で飛び出した２次電子も穴
７の壁面に衝突することなく、例えば１０で示されるよ
うな軌跡を辿ることによって穴７の外に出ることができ
る。一方、反射電子や大きなエネルギを持つ２次電子は
薄い膜の情報をあまり持たない有害な電子であるが、こ
れらはこの穴のレンズ作用をほとんど受けず穴の壁面に
入射してしまう。このように、試料６の表面に強い電界
を加えることによって、従来例えば図１の点線８で示す
ように穴７の外に出ることができなかった２次電子もこ
の電界によるレンズ作用により穴７の外に出ることが可
能となり、従ってアスペクト比の大きな穴７の底部をも
適確に観察することが可能になる。

【００２０】なお、検出用電極４の外半径をワーキング
ディスタンス、すなわち検出用電極４から試料表面まで
の距離、より充分大きく、特に該ワーキングディスタン
スの２倍より大きく設定し、かつ検出用電極４の内半径
がワーキングディスタンスの１／２倍より小さくされ
る。このような設定によって試料面に均等かつ十分大き
な電界が印加できることが実験的に判明している。

【００２１】また、図１の電子顕微鏡においては、試料
６の上側にある磁極１と試料６の下側の磁極１１で対物
レンズを構成しているため、試料６と検出用電極４との
間には３で示されるような強い磁界が存在する。従っ
て、穴７から出た２次電子はこの強い磁界のため検出用
電極４には直交せず、磁界の回りを回りながら低圧力の
気体分子と衝突し、電子イオン対を生成させることによ
って２次電子を増倍させ、数千倍〜数万倍に増加した後
検出用電極４に入射する。

【００２２】なお、通常の環境制御型走査電子顕微鏡
（ＥＳＥＭ）では、試料６の配置される資料室の圧力は
最大感度あるいは最大Ｓ／Ｎ比を与える圧力に保たれる
が、本発明では検出用電極４に高い電圧をかける必要が
あるため、このような一般的なＥＳＥＭの場合より圧力
を高真空側にずらせることによって、放電電圧を上げ高
電界が試料表面に印加できるよう構成すると好都合であ
る。

【００２３】さらに、以上の実施例では検出用電極４に
高電圧を印加することにより試料表面に高い電界が生ず
るように構成したが、試料自体に例えば負の電圧を印加
することもできる。この場合は、例えば上極１などがグ
ランド電位とされ、試料６と上極１との間の電位差によ
って試料６の表面に高電界が印加される。なお、試料６
に負の電圧を印加するためには、例えば負の電圧源に接
続されたプローブなどを試料６に接触させるように構成
してもよい。

【００２４】あるいは、さらに別の実施例として試料室
を高真空にし、正電圧を印加したシンチレータ検出器を
観測点の近傍に設けることもできる。この場合は、シン
チレータ検出器に印加された正電圧によって試料表面に
高電界を生じさせることができ、上記検出用電極４に正
電圧を印加する場合と同様の効果が得られる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、試料面
に高い電界を印加することにより、高アスペクト比の穴
あるいは溝の内部には下に凸に歪んだ等電位面が形成さ
れる。このため、穴の底のレジスト残滓などの薄い膜の
情報を多く含んだ低エネルギの２次電子のみをレンズ作
用によって光軸方向に曲げかつ穴の外に出すことができ
る。これに対し、高エネルギの２次電子や反射電子は薄
い膜の情報をあまり含んでいないむしろ有害な電子であ
り、これらの高エネルギの電子は静電レンズの作用をあ
まり受けず直進し穴の壁面で吸収され外部には放出され
ない。従って、本発明によれば、簡単な構造により、例
えばサブミクロン以下の寸法の穴や溝の底あるいは側面
をより適確に観察することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係わる走査型荷電粒子線顕
微鏡の概略の構成を示す断面的説明図である。

【符号の説明】

１ 磁気対物レンズの上極 ２ 圧力制限アパーチャ ３ 磁力線 ４ ２次電子検出用電極 ５ 等電位面 ６ 試料 ６ａ 試料６の基板 ６ｂ 試料６のレジスト層 ７ 高アスペクト比の穴あるいは溝 ８ ２次電子放出方向線 １０ ２次電子軌道 １１ 磁気対物レンズの下極 １２ 電源 １３ 直流分カット用コンデンサ １４ 増幅器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子線源からの荷電粒子線を対物レンズ
   の磁場の中に配置された試料に照射して走査し、前記試
   料からの２次荷電粒子線を検出することにより試料の観
   察を行なう走査型荷電粒子線顕微鏡であって、前記試料
   表面に高電界を印加する手段を備えたことを特徴とする
   走査型荷電粒子線顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記高電界を印加する手段は、前記試料
   の荷電粒子線入射側に配設され、正の電位を有し、外半
   径が前記試料までの距離の２倍より大きくかつ内半径が
   前記試料までの距離の１／２倍より小さい穴付電極であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の走査型荷電粒子線
   顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記高電界を印加する手段は、前記試料
   に負電圧を印加する手段を含む請求項１に記載の走査型
   荷電粒子線顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記高電界を印加する手段は、観察点近
   傍に配設されかつ正電圧を印加したシンチレータ検出器
   である請求項１に記載の走査型荷電粒子線顕微鏡。