JPH10294076A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、試料上から放出された２次電子を
レンズで結像し表示する電子顕微鏡に関し、１次電子で
試料を平面的に照射し放出された２次電子をレンズで拡
大して結像し、この結像した画像を表示することによ
り、ウェハなどの厚い試料の表面の２次電子像を高速か
つ広範囲に渡って観察可能にすることを目的とする。 【解決手段】 １次電子を放射する電子源と、この電子
源から放射された１次電子を集束する第１のレンズと、
この第１のレンズで集束された１次電子を試料上で観察
対象の部分に均一に照射させるように結像すると共に、
試料上から所定電界強度で引き出された２次電子を結像
する第２のレンズと、この第２のレンズによって結像さ
れた２次電子の像を受光面に結像させる第３のレンズ
と、この受光面に結像された２次電子の像を電気信号に
変換して取り出す撮像装置と、この撮像装置によって取
り出した電気信号をもとに画面上に２次電子の像を表示
する表示装置とを備えたことを特徴とする電子顕微鏡で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料上から放出さ
れた２次電子をレンズで結像し表示する電子顕微鏡に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子顕微鏡には、大別して透過型の電子
顕微鏡と、走査型の電子顕微鏡の２種類がある。前者は
観察対象の試料に１次電子を平面的に均一にあてて透過
した１次電子を結像して拡大像を得る。後者は集束して
細く絞った１次電子で試料上を面走査しそのときに発生
する２次電子を補集して画像を得る。この際、前者の透
過型の電子顕微鏡は一括して画像を迅速に観察できる
が、後者の走査型の電子顕微鏡は１次電子による面走査
が完了するまで画像を観察できないという違いがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、益々微細化する
半導体集積回路の製造工程では検査手段としての電子顕
微鏡の役割が非常に大きくなっている。製造工程の中で
検査に使用するのはウェハのごとく厚い試料の表面を直
接に観察可能な走査型電子顕微鏡であるが、この装置の
弱点は処理能力の低さにある。つまり１枚の画像を得る
ための時間が長いために広範囲の観察に適さないという
問題があった。

【０００４】電子顕微鏡では、高倍率の観察をするめ視
野は狭く、広範囲を観察する場合には視野移動を行いな
がら観察するために時間が多く必要となるのが普通であ
る。時間を短縮しようとすると一枚の画像を得る時間を
短縮する必要がある。画像の情報量は維持する必要があ
る。電子線の画像の情報量は本質的には１次電子の電流
量に依存し、更に１次電子の電流の上限は試料に対する
損傷で抑えられる。走査型電子顕微鏡の場合には、１次
電子の電流は数ｐＡから数十ｐＡの範囲である。１枚の
画像を得るためにこの１次電子で例えば５００×５００
ピクセルを走査するとして、平均にすれば１ピクセル当
たり２５万分の１の電流を使っていることとなる。この
ように走査型電子顕微鏡で１枚の画像を得るのに非常に
多くの時間が必要となってしまい、結果として半導体集
積回路の製造工程で広範囲の観察に適さないという問題
があった。

【０００５】本発明は、これらの問題を解決するため、
１次電子で試料を平面的に照射し放出された２次電子を
レンズで拡大して結像し、この結像した画像を表示する
ことにより、ウェハなどの厚い試料の表面の２次電子像
を高速かつ広範囲に渡って観察可能にすることを目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】図１を参照して課題を解
決するための手段を説明する。図１において、電子源１
は、１次電子を放射するものである。

【０００７】第１のレンズは３は、電子源１から放射さ
れた１次電子を集束するものである。第２のレンズ６
は、第１のレンズ３で集束された１次電子を試料７上に
照射すると共に、試料７上から所定電界強度で引き出さ
れた２次電子を結像するものである。

【０００８】電源１０は、試料７に負の電位を印加する
ものである。第３のレンズ１３は、第２のレンズ６によ
って結像された２次電子の像を受光面１５に結像させる
ものである。

【０００９】撮像装置１４は、受光面１５に結像した２
次電子の像を電気信号に変換するものである。受光面１
５は、撮像装置１４の受光面である。

【００１０】画像出力装置１６は、撮像装置１４からの
電気信号をもとに２次電子の像を表示などするものであ
る。次に、試料７の２次電子の像を表示するときの動作
を説明する。

【００１１】電子源１から放出した１次電子は第１のレ
ンズ３によって集束し、第１の偏向器２１によって第２
のレンズ６の軸に偏向し、第２のレンズ６によって試料
７の観察対象の範囲を照射する。電源１０によって負の
電位を印加した試料７から放出された２次電子は、第２
のレンズ６に向かって加速すると共に結像し、第２の偏
向器２２によって第３のレンズ１３の軸に偏向し、第３
のレンズ１３によって受光面１５に結像し、撮像装置１
４によって結像した２次電子の像を電気信号に変換し、
画像出力装置１６の画面上に２次電子の像として表示す
る。

【００１２】従って、１次電子で試料７を平面的に照射
し放出された２次電子をレンズで拡大して撮像装置１４
の受光面１５に結像し、この結像した画像を画面上に表
示することにより、ウェハなどの厚い試料７の表面の２
次電子像を高速かつ広範囲に渡って観察することが可能
となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、図１および図２を用いて本
発明の実施の形態および動作を順次詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明の１実施例構成図を示す。
図１において、電子源１は、１次電子を放射するもので
あって、例えばタングステンフィラメントを加熱して高
電圧を印加して１次電子を放射させたり、タングステン
の先端を鋭利にして高電界を印加し電界放射によって１
次電子を放射させたりなどするものである。

【００１５】１次電子２は、電子源１から放射された１
次電子である。第１のレンズ３は、電子源１から放射さ
れた１次電子を集束するものである。第１の偏向器２１
は、偏向器４および偏向器５から構成される２段偏向系
であって、第１のレンズ３によって集束された１次電子
を、第２のレンズ６の軸に入射させるものである。この
第１の偏向器２１を構成する偏向器４および偏向器５
は、トロイダルコアにＸ方向およびＹ方向に偏向するコ
イルをそれぞれ巻いたものであって、例えば図示のよう
に偏向器４で図上左方向に偏向し、偏向器５で図上右方
向に偏向し第２のレンズ６の軸に１次電子を入射させる
ものである。

【００１６】第２のレンズ６は、入射された１次電子を
試料７上に観察対象の領域に均一に照射すると共に、試
料７から放出されて所定電界で加速された２次電子を結
像するものである。

【００１７】試料７は、観察対象の試料であって、絶縁
された支持台８に固定され、電源１０から所定の負電圧
を印加されたものである。試料７に所定の負電圧を印加
したことにより、試料７を照射する１次電子はその分だ
け減速されて当該試料７を照射し、一方、試料７から放
出される２次電子はその分だけ加速されて第２のレンズ
６によって結像されることとなる。

【００１８】支持台８は、試料７を固定および電源１０
から印加された負電位を試料７に印加するものである。
移動台９は、電気的に絶縁した支持台８をＸ方向および
Ｙ方向に移動させるものである。

【００１９】電源１０は、試料７に負電位を印加し、当
該試料７から放出された２次電子を加速して２次電子の
像を撮像装置１４の受光面１５に結像できるようにする
ためのものである。

【００２０】第２の偏向器２２は、偏向器５および偏向
器１２から構成される２段偏向系であって、第２のレン
ズ６によって結像された２次電子の像を、第３のレンズ
１３の軸に入射させるものである。この第２の偏向器２
２を構成する偏向器５および偏向器１２は、既述したよ
うにトロイダルコアにＸ方向およびＹ方向に偏向するコ
イルをそれぞれ巻いたものであって、例えば図示のよう
に偏向器５で図上左方向に偏向し、偏向器１２で図上右
方向に偏向し第３のレンズ１３の軸に２次電子の像を入
射させるものである。

【００２１】第３のレンズ１３は、入射された２次電子
の像を撮像装置１４の受光面１５に結像するものであ
る。２次電子２２は、試料７から放射されて結像された
２次電子である。

【００２２】受光面１５は、撮像装置１４の受光面であ
って、例えばイメージインテンシファイアーの受光面で
あり、２次電子の画像を電気信号に変換するための膜で
ある。

【００２３】撮像装置１４は、イメージインテンシファ
イアーなどであって、２次電子の画像を蓄積した受光面
１５を電子ビームで走査してそのときの電荷の蓄積量に
対応した電気信号を増幅して取り出すものである。

【００２４】画像出力装置１６は、撮像装置１４から取
り出した信号をもとに画面上に試料７の２次電子の像を
表示などするものである。次に、図１の構成のもとで、
２次電子の像を表示するときの動作を説明する。 （１） 電子源１から放射された１次電子２は、第１の
レンズ３、第１の偏向器２１、更に第２のレンズ６を経
て試料７の観察対象領域を均一に照射する。 （２） （１）で１次電子で均一に試料７の観察対象領
域を照射したことに対応して、試料７から２次電子が放
出され、第２のレンズ６、第２の偏向器２２、更に第３
のレンズ１３を経て撮像装置１４の受光面１５に結像す
る。結像された２次電子の像は、撮像装置１４であるイ
ンテンシファイアーによってその信号を増幅して画像出
力装置１６の画面上に２次電子の像として表示する。 （３） これらの際に、試料７は、移動台９の上の電気
的に絶縁された支持台８の上に固定されている。電源１
０により一定の負電位に保たれている。一方、第２のレ
ンズ６は試料７の電位に対して正電位に保持されること
となり、試料７から放出された２次電子に対して強い加
速電場として作用する。ここで、第１の偏向器２１およ
び第２の偏向器２２は、１次電子および２次電子を空間
的に分離する手段である。この部分を省略して１次電子
と２次電子の光学系を別々に表したものが図２の（ａ）
および（ｂ）である。 （４） 試料７上から放出された２次電子は、第２のレ
ンズ６および第３のレンズ１３により撮像装置１４の受
光面１５上に結像される。受光面１５上の２次電子の像
の大きさは、結像系の倍率で決まる。撮像装置１４の受
光面１５上の２次電子の像は、電気信号に変換され、画
像出力装置１６の画面上に表示される。 （５） 従来の透過型電子顕微鏡の結像系に対して、
（４）で既述した結像系の相違する点は、結像に寄与す
る２次電子の初速がほとんで０（零）であることであ
る。しかし、上述したように２次電子は電源１０によっ
て試料７に印加した負の電圧によって強く第２のレンズ
６に向かう加速電場の作用を受け、当該第２のレンズ６
に達するまでに高速度に加速される。この結像系により
２次電子の分解能は、２次電子のエネルギー分布で決ま
ると考えられる。２次電子のエネルギー分布は、１次電
子のエネルギー分布には無関係にほぼ一定となり、分布
は半値幅で４〜７ｅＶとなる。この値は、透過型や走査
型の電子顕微鏡で使用される電子源の０．２〜０．３ｅ
Ｖに比して１桁以上大きい。従って、分解能をその分だ
け低くくなる。 （６） １次電子の光学系は、後述する図２の（ａ）に
示すようになる。１次電子は試料７上の一定面積を均一
な強度で照射するようにしている。第２のレンズ６は、
２次電子を受光面１５に結像されるときの条件で当該第
２のレンズ６の焦点距離が決まってしまうので、１次電
子の試料７に対する照射の条件は、第１のレンズ３を調
整して設定する。２次電子に対する加速電場は、１次電
子に対しては減速電場として作用する。試料７に対する
１次電子の影響は主として衝突エネルギーに依存するか
ら、衝突エネルギーを適切に選択するためには、減速電
場を考慮して電子源１の加速電圧を設定する。１次電子
は試料７を均一に一定面積に渡って照射するので、受光
面１５上の試料７の像は当該試料７上の２次電子放出率
を表す。従って、受光面１５上の像の性質は、走査型電
子顕微鏡の画像と同一の性質の２次電子の像であるが、
走査せずに全画面を同時に得ることができる大きな特質
がある。これは、試料７を広範囲に渡って観察する場合
に、大幅に時間を節約し、迅速に観察することが可能と
なる。

【００２５】以上のように、図１の構成によって、試料
７の観察対象領域を均一に１次電子で照射し、そのとき
に放出された２次電子を加速電場で加速し、第２のレン
ズ６および第３のレンズ１３によって撮像装置１４の受
光面１５に結像し、当該結像した２次電子の像を電気信
号に変換して画像出力装置１６の画面上に同時に広範囲
に渡って表示することが可能となる。

【００２６】図２は、本発明の光学系の説明図を示す。
図２の（ａ）は、１次電子の光学系を示す。これは、図
１の１次電子２によって試料７上の広い観察対象領域を
均一に照射するときの光学系を取り出したものである。
電子源１から放出された１次電子は、第１のレンズ３お
よび第２のレンズ７によって、試料７上の観察対象領域
を均一に照射する。

【００２７】図２の（ｂ）は、２次電子の光学系を示
す。これは、図１の試料７から放出され加速電場によっ
て加速された２次電子２２を第２のレンズ６および第３
のレンズ１３によって、撮像装置１４の受光面１５に結
像したものである。受光面１５に結像された２次電子の
像は、撮像装置１４によって電気信号に変換され、画像
出力装置１６の画面上に一括して表示される。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１次電子で試料７を平面的に照射し放出された２次電子
を電子レンズで拡大して撮像装置１４の受光面１５に結
像し、この結像した画像を画面上に表示する構成を採用
しているため、ウェハなどの厚い試料７の表面の２次電
子像を高速かつ広範囲に渡って一括して観察できる。こ
れらにより、１枚の画像に対応する試料７の部分に１次
電子を均一に照射しこの均一に照射した試料７の部分の
全体からそれぞれ放出された２次電子を一括して受光面
１５上に結像し、この結像した２次電子の像を電気信号
に変換して画面上に一括して表示でき、バルクの試料７
の表面の２次電子の像を極めて高速かつ広範囲に渡って
同時に表示することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例構成図である。

【図２】本発明の光学系の説明図である。

【符号の説明】

１：電子源 ２：１次電子 ３：第１のレンズ ４、５、１２：偏向器 ６：第２のレンズ ７：試料 ８：支持台 ９：移動台 １０：電源 １３：第２のレンズ １４：撮像装置 １５：受光面 １６：画像出力装置 ２１：第１の偏向器 ２２：第２の偏向器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料上から放出された２次電子をレンズで
   結像し表示する電子顕微鏡において、 １次電子を放射する電子源と、 この電子源から放射された１次電子を集束する第１のレ
   ンズと、 この第１のレンズで集束された１次電子を試料上で観察
   対象の部分に均一に照射させるように結像すると共に、
   試料上から所定電界強度で引き出された２次電子を結像
   する第２のレンズと、 この第２のレンズによって結像された２次電子の像を受
   光面に結像させる第３のレンズと、 この受光面に結像された２次電子の像を電気信号に変換
   して取り出す撮像装置と、 この撮像装置によって取り出した電気信号をもとに画面
   上に２次電子の像を表示する表示装置とを備えたことを
   特徴とする電子顕微鏡。
2. 【請求項２】上記第１のレンズで集束された１次電子を
   上記第２のレンズに偏向して入射させる第１の偏向系
   と、 上記試料上から所定電界強度で引き出されて上記第２の
   レンズを通過した２次電子を上記第３のレンズに偏向す
   る第２の偏向系とのうちのいずれか一方あるいは両者の
   偏向系を備えたことを特徴とする請求項１記載の電子顕
   微鏡。
3. 【請求項３】上記試料を固定する試料台に所定の負電圧
   を印加し、試料から放出される２次電子に上記所定電界
   強度を与える電源を備えたことを特徴とする請求項１あ
   るいは請求項２記載の電子顕微鏡。
4. 【請求項４】上記第１のレンズと上記第３のレンズを同
   一レンズとしたことを特徴とする請求項１あるいは請求
   項３記載の電子顕微鏡。